KR101859601B1 - 금속 부재의 제조 장치 - Google Patents

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Abstract

금속 부재의 제조 장치는, 주축과, 기대부와, 주축 및 기대부 중 적어도 한쪽을 주축의 축 방향으로 구동하는 구동부를 구비한다. 주축 및 기대부 중, 한쪽에는 제1 부재를 유지하기 위한 제1 유지부가 설치되고, 다른 쪽에는 제1 유지부에 대향하도록 제2 부재를 유지하기 위한 금형(93)이 배치되어 있다. 금형(93)은, 저벽(11)과, 저벽(11)으로부터 저벽(11)에 교차하는 방향으로 연장되는 측벽(12A)을 포함한다. 측벽(12A)에는, 주축의 축 방향에 평행한 면에 대하여 저벽(11)측을 향하도록 경사진 벽면인 저항벽(13A)이 형성되어 있다.

Description

금속 부재의 제조 장치{METAL-MEMBER MANUFACTURING APPARATUS}
본 발명은 금속 부재의 제조 장치에 관한 것이며, 보다 특정적으로는, 서로 다른 금속으로 이루어지는 부재가 접합된 구조를 가지는 금속 부재의 제조 장치에 관한 것이다.
상이한 금속으로 이루어지는 부재끼리가 서로 고정된 구조를 가지는 금속 부재가, 기계 부품으로서 채용되는 경우가 있다. 예를 들면, 유압(油壓) 펌프나 유압 모터의 피스톤 슈(piston shoe)로서, 강(鋼)으로 이루어지는 베이스부에, 구리 합금으로 이루어지는 슬라이딩부를 고정시킨 것이 알려져 있다. 이 종류의 피스톤 슈에서는, 슬라이딩부를 베이스부에 대하여 코킹(caulking) 고정시킨 것이 사용되는 경우가 있다.
슬라이딩부를 베이스부에 대하여 코킹 고정시키기 위해서는, 슬라이딩부를 베이스부에 장착하기 전에, 슬라이딩부를 미리 코킹 고정 가능한 형상으로 가공하여 둘 필요가 있다. 그러므로, 슬라이딩부의 가공 비용에 기인하여 슬라이딩 부품의 제조 비용이 높아지는 문제가 있다. 이에 대하여, 슬라이딩부를 베이스부에 가압하여 변형시켜, 슬라이딩부를 베이스부에 걸어맞춤으로써, 슬라이딩부를 베이스부에 고정시킨 피스톤 슈가 제안되어 있다(예를 들면, 일본 공개특허 평10-89241호 공보(특허 문헌 1) 참조].
일본 공개특허 평10-89241호 공보
상기 특허 문헌 1에 기재된 피스톤 슈의 구조에서는, 슬라이딩부는 베이스부에 대하여 걸어맞추어져 고정되어 있는 것에 지나지 않는다. 그러므로, 피스톤 슈에 충격이 가해진 경우, 슬라이딩부의 베이스에 대한 고정 상태가 불안정해질 우려가 있다.
본 발명은, 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 상이한 금속으로 이루어지는 부재끼리가 서로 직접 견고하게 접합된 구조를 가지는 금속 부재의 제조 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 금속 부재의 제조 장치는, 제1 금속으로 이루어지는 제1 부재와, 제2 금속으로 이루어지는 제2 부재를 폐색 마찰 접합함으로써 금속 부재를 제조하는 금속 부재의 제조 장치이다. 이 금속 부재의 제조 장치는, 주축(spindle)과, 주축에 대하여 축 방향으로 간격을 두고 배치된 기대부(base portion)와, 주축 및 기대부 중 적어도 한쪽을 주축의 축 방향으로 구동하는 구동부를 구비한다. 주축 및 기대부 중, 한쪽에는 제1 부재를 유지하기 위한 제1 유지부가 설치되고, 다른 쪽에는 제1 유지부에 대향하도록 제2 부재를 유지하기 위한 금형이 배치된다. 금형은, 저벽과, 저벽으로부터 저벽에 교차하는 방향으로 연장되는 측벽을 포함한다. 측벽에는, 주축의 축 방향에 평행한 면에 대하여 저벽 측을 향하도록 경사진 벽면인 저항벽이 형성되어 있다.
본 발명자들은, 상이한 금속으로 이루어지는 부재끼리를 서로 직접 견고하게 접합하는 방책에 대하여 검토했다. 그 결과, 다음과 같은 지견을 얻어 본 발명에 이르렀다. 제1 부재를, 금형 내에 배치된 제2 부재에 접촉시킨 상태에서 제2 부재에 대한 상대적인 위치 관계를 변경시키지 않고 회전축 주위로 상대적으로 회전시켜 제1 부재 및 제2 부재를 가열한 후, 제1 부재와 제2 부재가 접촉된 상태를 유지하면서 이들을 냉각함으로써, 제1 부재와 제2 부재를 직접 접합할 수 있다. 제1 부재가 제2 부재에 대하여 상대적으로 미끄러지는 것에 의해 발생하는 마찰열에 의해 제1 부재 및 제2 부재가 가열되고, 제1 부재와 제2 부재가 접합된다. 이 때, 제1 부재와 제2 부재와의 접합면의 일부, 구체적으로는 제1 부재의 회전의 중심을 포함하는 영역에 있어서 제1 부재와 제2 부재가 접합되어 있지 않은 영역(미접합 영역)이 형성되는 경우가 있다. 이 미접합 영역의 존재는, 제1 부재와 제2 부재와의 접합 강도를 저하시킨다.
제1 부재를, 금형 내에 배치된 제2 부재에 접촉시킨 상태에서 회전시켜 제1 부재 및 제2 부재를 가열하면, 가열된 상태에 있어서 제1 부재보다 변형 저항이 작은 제2 금속으로 이루어지는 제2 부재는 변형되고, 그 일부가 제1 부재와 금형의 측벽과의 간극에 침입하여 플래시(flash)를 형성한다. 이 플래시가 커지면, 상기 미접합 영역이 형성되는 경우가 많아진다. 이것은, 제1 부재와 제2 부재와의 마찰에 의해 발생한 마찰열의 일부가 플래시에 유출되어, 접합에 기여해야 할 마찰열이 접합면 부근에 있어서 부족하기 때문인 것으로 생각된다.
본 발명의 금속 부재의 제조 장치를 사용한 경우, 제1 유지부에 제1 부재를 유지한 상태에서 주축을 축 주위로 회전시키면서, 구동부에 의해 주축과 기대부와의 간격을 조정하여 제1 부재를 금형에 유지된 제2 부재에 대하여 가압함으로써, 제1 부재 및 제2 부재를 가열한다. 그 후, 제1 부재와 제2 부재가 접촉된 상태로 이들을 냉각함으로써, 제1 부재와 제2 부재가 접합된다. 상기 플래시는, 금형의 측벽을 따라 저벽으로부터 이격되는 방향으로 성장한다. 본 발명의 금속 부재의 제조 장치에서는, 금형의 측벽에, 주축의 축 방향에 평행한 면에 대하여 저벽 측을 향하도록 경사진 벽면인 저항벽이 형성된다. 이 저항벽에 의해, 상기 플래시의 성장이 억제된다. 그러므로, 플래시에 유출되는 마찰열이 저감되어, 접합에 기여해야 할 마찰열이 접합면 부근에 많이 잔존하게 된다. 그 결과, 미접합 영역의 형성이 억제되어, 제1 부재와 제2 부재와의 견고한 접합이 달성된다. 이와 같이, 본 발명의 금속 부재의 제조 장치에 따르면, 상이한 금속으로 이루어지는 부재끼리가 서로 직접 견고하게 접합된 구조를 가지는 금속 부재를 제조할 수 있다.
상기 금속 부재의 제조 장치에 있어서, 상기 저항벽은, 상기 측벽에 형성된 오목부 또는 볼록부를 구성하는 벽면이라도 된다. 이와 같이 함으로써, 상기 저항벽을 상기 측벽에 용이하게 형성할 수 있다.
상기 금속 부재의 제조 장치에 있어서, 상기 저항벽은, 상기 제1 부재의 회전의 방향에 있어서 상기 저벽에 가까워지도록 연장되어도 된다. 이와 같이 함으로써, 상기 플래시의 성장을 더욱 확실하게 억제할 수 있다.
상기 금속 부재의 제조 장치에 있어서, 주축 및 기대부 중 적어도 어느 한쪽에는, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재와의 접촉 하중을 검지하기 위한 하중 센서가 설치되어도 된다. 이로써, 제1 부재와 제2 부재와의 접촉 하중을 적절한 범위로 조정하는 것이 용이해진다.
본 발명의 금속 부재의 제조 장치를 사용하여 실시 가능한 금속 부재의 제조 방법은, 제1 금속으로 이루어지는 제1 부재와, 제2 금속으로 이루어지는 제2 부재를 준비하는 단계와, 저벽과, 저벽으로부터 상기 저벽에 교차하는 방향으로 연장되는 측벽을 가지는 금형 내에 상기 제2 부재를 배치하는 단계와, 상기 제1 부재를, 상기 금형 내에 배치된 상기 제2 부재에 접촉시킨 상태에서 상기 제2 부재에 대한 상대적인 위치 관계를 변경시키지 않고 회전축 주위로 상대적으로 회전시킴으로써, 상기 제1 부재 및 상기 제2 부재를 가열하는 단계와, 가열된 상기 제1 부재와 상기 제2 부재를 서로 접촉시킨 상태에서 냉각함으로써, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재를 접합하는 단계를 포함한다. 상기 제2 부재를 배치하는 단계에서는, 상기 금형의 상기 저벽에 접촉하고, 상기 측벽에 의해 에워싸이도록 상기 제2 부재가 배치된다. 상기 제1 부재 및 상기 제2 부재를 가열하는 단계에서는, 가열된 상태에 있어서 상기 제2 금속은 상기 제1 금속보다도 변형 저항이 작다. 그리고, 상기 측벽에는, 주축의 축 방향에 평행한 면에 대하여 저벽 측을 향하도록 경사진 벽면인 저항벽이 형성된다.
상기 금속 부재의 제조 방법에 있어서는, 금형의 측벽에, 주축의 축 방향에 평행한 면에 대하여 저벽 측을 향하도록 경사진 벽면인 저항벽이 형성된다. 상기 플래시는, 금형의 측벽을 따라 저벽으로부터 이격되는 방향으로 성장한다. 상기 저항벽은, 이와 같은 플래시의 성장을 저해한다. 그러므로, 플래시에 유출되는 마찰열이 저감되어, 접합에 기여해야 할 마찰열이 접합면 부근에 많이 잔존하게 된다. 그 결과, 미접합 영역의 형성이 억제되어, 제1 부재와 제2 부재와의 견고한 접합이 달성된다. 이와 같이, 상기 금속 부재의 제조 방법에 의하면, 상이한 금속으로 이루어지는 부재끼리가 서로 직접 견고하게 접합된 구조를 가지는 금속 부재를 제조할 수 있다.
상기 금속 부재의 제조 방법에 있어서, 상기 저항벽은, 상기 측벽에 형성된 오목부 또는 볼록부를 구성하는 벽면이라도 된다. 이와 같이 함으로써, 상기 저항벽을 상기 측벽에 용이하게 형성할 수 있다.
상기 금속 부재의 제조 방법에 있어서, 상기 저항벽은, 상기 제1 부재의 회전의 방향에 있어서 상기 저벽에 가까워지도록 연장되어도 된다. 이와 같이 함으로써, 상기 플래시의 성장을 더욱 확실하게 억제할 수 있다.
상기 금속 부재의 제조 방법에 있어서, 상기 제1 부재 및 상기 제2 부재를 가열하는 단계에서는, 상기 금형 내에 이형제(離型劑)가 존재하는 상태에서 상기 제1 부재 및 상기 제2 부재가 가열되어도 된다.
이형제의 사용에 의해, 금속 부재를 금형으로부터 분리하는 것이 용이해진다. 그러나, 이형제를 사용함으로써, 상기 플래시의 성장이 조장되는 경우가 있다. 금형의 측벽에 저항벽이 형성되는 본 발명의 금속 부재의 제조 방법을 채용함으로써, 이형제의 존재에 의해 플래시의 성장이 조장되는 것과 같은 경우라도, 플래시의 성장을 유효하게 억제할 수 있다.
이상의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 본 발명의 금속 부재의 제조 장치에 따르면, 상이한 금속으로 이루어지는 부재끼리가 서로 직접 견고하게 접합된 구조를 가지는 금속 부재를 제조할 수 있다.
도 1은 피스톤 슈의 구조를 나타낸 개략 단면도(斷面圖)이다.
도 2는 도 1의 영역 II를 확대하여 나타낸 개략 단면도이다.
도 3은 피스톤 슈의 제조 방법의 개략을 나타낸 플로우차트이다.
도 4는 피스톤 슈의 제조 장치의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 5는 피스톤 슈의 제조 장치의 동작을 나타낸 개략 단면도이다.
도 6은 금형의 구조를 나타낸 개략 평면도이다.
도 7은 금형의 구조를 나타낸 개략 사시도이다.
도 8은 폐색(閉塞) 마찰 접합 단계에서의 주축의 회전수, 가압 하중 및 접합부의 온도의 시간 경과적 변화를 나타낸 도면이다.
도 9는 변형예 1에서의 금형의 구조를 나타낸 개략 사시도이다.
도 10은 변형예 2에서의 금형의 구조를 나타낸 개략 사시도이다.
도 11은 변형예 3에서의 금형의 구조를 나타낸 개략 사시도이다.
도 12는 변형예 4에서의 금형의 구조를 나타낸 개략 사시도이다.
도 13은 변형예 5에서의 금형의 구조를 나타낸 개략 사시도이다.
도 14는 변형예 6에서의 금형의 구조를 나타낸 개략 사시도이다.
도 15는 접합 후의 시험편의 외관을 나타낸 사진이다(실시예).
도 16은 도 15의 일부를 확대하여 나타낸 사진이다.
도 17은 접합 후의 시험편의 외관을 나타낸 사진이다(비교예).
도 18은 초음파 탐상 시험의 결과를 나타낸 도면이다(실시예).
도 19는 초음파 탐상 시험의 결과를 나타낸 도면이다(비교예).
이하, 본 발명의 일 실시형태에 대하여 설명한다. 그리고, 이하의 도면에 있어서 동일 또는 상당하는 부분에는 동일한 참조 번호를 부여하고, 그 설명은 반복하지 않는다.
도 1은, 본 발명의 금속 부재의 제조 장치에 의해 제조 가능한 금속 부재(기계 부품)의 일례인 피스톤 슈의 구조를 나타낸 개략 단면도이다. 도 1을 참조하여, 피스톤 슈(1)는, 유압 펌프나 유압 모터의 피스톤 본체(도시하지 않음)에 접속되고, 경사판에 대하여 슬라이딩하는 부품이다. 피스톤 슈(1)는, 강(제1 금속)으로 이루어지는 베이스부(2)(제1 부재)와, 슬라이딩 면(31)이 형성되고, 구리 합금(제2 금속)으로 이루어지고, 베이스부(2)에 접합된 슬라이딩부(3)(제2 부재)를 구비하고 있다. 베이스부(2)를 구성하는 강으로서는, 예를 들면, 조질(調質; thermal refining) 처리, 즉 담금질(quenching) 처리 및 템퍼링(tempering) 처리된 JIS 규격 SCM440 등의 기계 구조용 합금강 또는 기계 구조용 탄소강을 채용할 수 있다. 베이스부(2)는, 구형상을 가지고, 피스톤 본체에 요동 가능하게 접속되어야 할 구형부(球狀部)(21)와, 구형부(21)에 접속되고, 단차(step)가 형성된 원반형상을 가지는 원반부(22)를 포함하고 있다.
구형부(21)는, 피스톤 본체에 형성된 구면형(球面形)의 내벽을 가지는 유지부(도시하지 않음)에, 요동 가능하게 유지된다. 또한, 구형부(21)의, 원반부(22)에 접속되는 측과는 반대측의 단부(端部)에는, 평면형의 평탄부(21A)가 형성되어 있다. 한편, 원반부(22)의, 구형부(21)는 반대측의 단부에는, 평면형의 베이스부 접합면(23)(제1 부재 접합면)이 형성되어 있다.
그리고, 베이스부 접합면(23)에는, 원반부(22)보다도 두께가 얇은 원반형상을 가지는 슬라이딩부(3)가 접합되어 있다. 슬라이딩부(3)는, 한쪽의 주표면인 슬라이딩부 접합면(32)(제2 부재 접합면)에 있어서 원반부(22)의 베이스부 접합면(23)에 접합되어 있다. 또한, 슬라이딩부(3)의 다른 쪽의 주표면은, 슬라이딩 면(31)으로 되어 있다. 슬라이딩 면(31)은, 예를 들면, 유압 펌프의 경사판(도시하지 않음)에 대하여 슬라이딩한다. 슬라이딩부(3)가 슬라이딩 특성이 우수한 구리 합금으로 되어 있는 것에 의해, 경사판과 피스톤 슈(1)와의 마찰력이 억제된다. 슬라이딩부(3)를 구성하는 구리 합금으로서는, 고력(高力; high-strength) 황동(黃動) 등의 황동 외에, 알루미늄 청동 등의 청동을 채용하는 것이 가능하지만, 본 실시형태에서는 슬라이딩부(3)는 고력 황동으로 되어 있다. 또한, 슬라이딩 면(31)에는, 동심원형(同心圓形)으로 형성된 원환형(圓環狀)의 복수의 홈(31A)이 형성되어 있다. 이들 홈(31A)에 오일이 적당량 유지되는 것에 의해, 경사판과 피스톤 슈(1)와의 마찰력이 한층 억제된다.
피스톤 슈(1)는, 중심축(A)에 대하여 대칭인 형상을 가지고 있다. 그리고, 피스톤 슈(1)에는, 중심축(A)을 포함하는 영역에, 구형부(21)의 평탄부(21A)로부터 슬라이딩부(3)의 슬라이딩 면(31)에 이르도록 피스톤 슈(1)를 관통하는 직선형의 센터공(29)이 형성되어 있다. 센터공(29)은, 제1 영역(29A)과, 제2 영역(29B)과, 제3 영역(29C)과, 제4 영역(29D)을 포함하고 있다. 제1 영역(29A)은, 평탄부(21A)로부터 슬라이딩 면(31)을 향해 연장된다. 제2 영역(29B)은, 제1 영역(29A)에 접속되어 있고, 제1 영역(29A)보다도 길이 방향(축A 방향)에 수직인 단면(斷面)에서의 단면적이 작다. 제3 영역(29C)은, 제2 영역(29B)에 접속되어 있고, 슬라이딩 면(31)에 가까와짐에 따라 축 방향에 수직인 단면의 단면적이 크게 되어 있다. 제4 영역은, 제3 영역(29C)에 접속되고, 축 방향에 수직인 단면의 단면적이 제3 영역(29C)보다도 크다.
다음에, 베이스부(2)와 슬라이딩부(3)와의 접합부 부근의 구조에 대하여 설명한다. 도 2는, 도 1의 영역 II를 확대하여 나타낸 개략 단면도이다. 도 2를 참조하여, 베이스부(2)에, 베이스부 접합면(23)을 포함하도록, 베이스부(2)의 다른 영역에 비해 결정(結晶) 입자가 작은 베이스부 접합 영역(24)이 형성되면서, 베이스부(2)와 슬라이딩부(3)가 직접 접합되어 있다.
본 실시형태의 피스톤 슈(1)에서는, 베이스부(2)의 다른 영역에 비해 결정 입자가 작은 베이스부 접합 영역(24)이 형성된 베이스부(2)와 슬라이딩부(3)가 야금적(冶金的; metallurgically)으로 접합되어 있다. 즉, 피스톤 슈(1)는, 결정 입자가 작은 것에 의해 인성(靭性)이 우수한 베이스부 접합 영역(24)과 슬라이딩부(3)가 야금적으로 접합된 구조[베이스부 접합 영역(24)과 슬라이딩부(3)가 직접 접합된 구조]를 가지고 있다. 그러므로, 슬라이딩부(3)가 베이스부(2)에 대하여 안정적으로 고정되어 있다. 이와 같이, 피스톤 슈(1)는, 슬라이딩부(3)가 베이스부(2)에 대하여 안정적으로 고정된 금속 부재(슬라이딩 부품)이다.
여기서, 도 2를 참조하여, 피스톤 슈(1)의 표면(1A)을 포함하는 영역에서의 베이스부 접합 영역(24)의 두께 t2는, 내부에서의 베이스부 접합 영역(24)의 두께 t1에 비해 크게 되어도 된다. 이로써, 접합면 근방에 있어서, 균열의 기점(起点)으로 될 가능성이 있는 베이스부(2)의 표층 영역에, 고인성(high toughness)을 더욱 확실하게 부여할 수 있다. 본 실시형태에서는, 베이스부 접합 영역(24)의 두께는, 피스톤 슈(1)의 표면(1A)에 가까워짐에 따라 서서히 크게 되어 있다.
또한, 슬라이딩부(3)에는, 베이스부(2)에 접합되는 면인 슬라이딩부 접합면(32)을 포함하도록, 슬라이딩부(3)의 다른 영역에 비해 경도(硬度)가 낮은 슬라이딩부 접합 영역(34)이 형성되어 있어도 된다. 이로써, 슬라이딩부(3)와 베이스부(2)와의 접합부에서의 변형을 완화할 수 있다.
이 슬라이딩부 접합 영역(34)의, 슬라이딩부 접합면(32)에 수직인 방향에서의 두께는 0.2㎜ 이하인 것이 바람직하다. 이와 같이, 슬라이딩부 접합 영역(34)의 두께를 필요 이상으로 크게 하지 않는 것에 의해, 슬라이딩부(3)에 충분한 강도를 부여할 수 있다.
또한, 슬라이딩부(3)를 구성하는 고력 황동은, 매트릭스에 비해 높은 경도를 가지는 석출물(析出物)을 포함하고, 슬라이딩부 접합 영역(34) 내의 석출물의 크기는, 슬라이딩부(3)의 다른 영역의 석출물의 크기로 비교하여 작아지게 되어 있어도 된다. 이로써, 접합부 근방의 슬라이딩부의 인성을 향상시킬 수 있다.
또한, 슬라이딩부 접합 영역(34) 내의 슬라이딩부 접합면(32)에 접하는 영역에, 상기 석출물이 집합된 석출물 집합부가 형성되어 있어도 된다. 슬라이딩부 접합면(32) 근방에 미세한 석출물의 집합부를 형성함으로써, 인성을 대폭 저하시키지 않고, 슬라이딩부 접합면(32) 근방의 강도를 향상시킬 수 있다.
또한, 슬라이딩부 접합 영역(34)은, 다른 영역에 비해 α상(相; phase)의 비율이 많아져 있어도 된다. 이로써, 접합부 근방의 슬라이딩부(3)의 인성을 향상시킬 수 있다.
다음에, 상기 피스톤 슈(1)의 제조 방법에 대하여 설명한다. 도 3은, 피스톤 슈의 제조 방법의 개략을 나타낸 플로우차트이다. 또한, 도 4는, 피스톤 슈의 제조 장치의 구조를 나타낸 개략도이다. 또한, 도 5는, 피스톤 슈의 제조 장치의 동작을 나타낸 개략 단면도이다. 또한, 도 6은, 피스톤 슈의 제조 장치에 포함되는 금형의 구조를 나타낸 개략 평면도이다. 또한, 도 7은, 금형의 구조를 나타낸 개략 사시도이다. 도 7에 있어서, 2개로 분리된 금형의 한쪽이 나타나 있다.
도 3을 참조하여, 본 실시형태에 있어서의 피스톤 슈(1)의 제조 방법에서는, 먼저 단계(S10)에서 성형 부재 준비 단계가 실시된다. 이 단계(S10)에서는, 도 5를 참조하여, 조질(thermally refined) 처리된 기계 구조용 합금강으로 이루어지는 베이스 부재(4)(제1 부재)와, 고력 황동으로 이루어지는 원반형상의 슬라이딩 부재(5)(제2 부재)가 준비된다. 베이스 부재(4)는, 원반형의 형상을 가지는 원반부(4B)와, 원반부(4B)에 접속되고, 외경(外徑)이 원반부보다도 작은 원통부(4C)를 구비하고 있다. 원반부(4B)의 원통부(4C)는 반대측의 단부에는, 슬라이딩 부재(5)에 접합되어야 할 평탄면인 베이스 부재 접촉면(4A)(제1 부재 접촉면)이 형성되어 있다. 또한, 슬라이딩 부재(5)의 한쪽의 주표면은, 베이스 부재(4)에 접합되어야 할 평탄면인 슬라이딩 부재 접촉면(5A)(제2 부재 접촉면)으로 되어 있다.
다음에, 단계(S20)에서 세정 단계가 실시된다. 이 단계(S20)에서는, 단계(S10)에서 준비된 베이스 부재(4) 및 슬라이딩 부재(5)가 세정된다. 보다 구체적으로는, 베이스 부재(4) 및 슬라이딩 부재(5)가, 메탄올, 에탄올, 아세톤 등의 액체를 사용하여 세정된다. 이로써, 베이스 부재(4) 및 슬라이딩 부재(5)를 준비하기 위한 절단, 가공 등의 프로세스에 있어서 베이스 부재(4) 및 슬라이딩 부재(5)에 부착된 이물질 등이 제거된다. 그리고, 본 실시형태의 피스톤 슈(1)의 제조 방법에서는, 슬라이딩 부재 접촉면(5A)에 대한 정밀한 마무리 가공(precision finish work)은 생략하는 것이 가능하며, 예를 들면, 슬라이딩 부재 접촉면(5A)은 절단의 상태라도 된다.
다음에, 도 3을 참조하여, 폐색 마찰 접합 단계가 실시된다. 이 폐색 마찰 접합 단계는, 접합 준비 단계, 마찰 단계 및 냉각 단계를 포함하고 있다. 여기서, 폐색 마찰 접합을 실시함으로써 피스톤 슈를 제조하는 피스톤 슈(금속 부재)의 제조 장치에 대하여 설명한다.
도 4를 참조하여, 피스톤 슈의 제조 장치인 폐색 마찰 접합 장치(9)는, 축 α 주위로 회전 가능한 주축(95)과, 주축(95)에 대하여 축 α 방향으로 간격을 두고 배치된 기대부(98)와, 주축(95)을 축 α 방향으로 구동함으로써 주축(95)과 기대부(98)와의 간격을 조정하는 구동부(97)와, 주축(95) 및 기대부(98)를 지지하는 프레임(90)을 구비하고 있다.
도 4를 참조하여, 프레임(90) 내에는, 축 α에 대하여 평행하게 연장되는 샤프트(90A)가 설치되어 있다. 이 샤프트(90A)는, 주축(95)을 지지하는 주축 지지부(90C)를 샤프트(90A)의 연장 방향을 따라 이동 가능하게 지지하고 있다. 또한, 샤프트(90A)에는, 샤프트(90A)를 구동시키는 주축 이동 모터(90B)가 접속되어 있다. 샤프트(90A)가 주축 이동 모터(90B)에 의해 구동됨으로써, 주축 지지부(90C)에 의해 지지되는 주축(95)이 축 α 방향으로 이동한다. 이로써, 주축(95)과 기대부(98)와의 간격을 조정할 수 있다. 샤프트(90A), 주축 지지부(90C) 및 주축 이동 모터(90B)는, 구동부(97)를 구성한다.
구동부(97)에 의해 주축(95)과 기대부(98)와의 간격을 조정하여 베이스 부재(4)와 슬라이딩 부재(5)를 접촉시킨 상태(도 5 상태)에 있어서, 캐비티(10)의 제1 측벽(12A)이, 슬라이딩 부재(5)에 있어서 베이스 부재(4)에 접촉하는 면인 슬라이딩 부재 접촉면(5A)의 외주(外周)를 에워싸도록, 척(chuck)(94)(제1 유지부) 및 금형(93)이 배치되어 있다. 도 5를 참조하여, 축 α 방향에서의 캐비티(10)의 제1 측벽(12A)의 높이는, 슬라이딩 부재(5)의 두께보다 크다.
도 4를 참조하여, 주축(95)에는, 기대부(98)에 대향하도록 베이스 부재(4)를 유지하는 제1 유지부로서의 척(94)이 설치되어 있다. 또한, 주축(95)에는, 주축(95)을 축 α 주위로 회전 구동시키는 주축 모터(95B)가 접속되어 있다. 또한, 주축(95)에는, 베이스 부재(4)와 슬라이딩 부재(5)와의 접촉 하중을 검지하는 하중 센서(96)가 설치되어 있다. 이 하중 센서(96)는, 척(94)에 가해지는 베이스 부재(4)와 슬라이딩 부재(5)와의 접촉의 반력(反力)의 크기로부터, 베이스 부재(4)와 슬라이딩 부재(5)와의 접촉 하중을 검지한다. 하중 센서(96)는, 폐색 마찰 접합 장치(9)에 있어서 필수적인 구성은 아니지만, 이것을 설치함으로써, 베이스 부재(4)와 슬라이딩 부재(5)와의 접촉 하중을 적절한 범위로 조정하는 것이 용이해진다.
기대부(98)에는, 척(94)에 대향하도록 슬라이딩 부재(5)를 유지하는 제2 유지부로서의 금형(93)이 배치되어 있다. 보다 구체적으로는, 도 4 및 도 5를 참조하여, 기대부(98)는, 베이스체(91)와, 금형 홀더(92)와, 금형(93)을 포함하고 있다. 베이스체(91)는, 프레임(90) 상에 설치되어 있다. 금형 홀더(92)는, 베이스체(91) 상에 고정되어 있다. 금형(93)은, 금형 홀더(92)에 형성된 오목부인 금형 유지부(92A)에 끼워넣어져 고정되어 있다. 금형(93)은, 도 6에 나타낸 바와 같이, 2개의 부품(99, 99)으로 분리할 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하여, 금형(93)은, 원형의 평면인 저벽(11)과, 저벽(11)으로부터 저벽(11)에 교차하는 방향(수직인 방향)으로 연장되는 제1 측벽(12A)과, 제1 측벽(12A)에 접속되고, 저벽(11)으로부터 이격되는 쪽으로 연장되는 제2 측벽(12B)을 포함한다. 저벽(11), 제1 측벽(12A) 및 제2 측벽(12B)은, 캐비티(10)를 규정한다. 제1 측벽(12A)은, 원형의 형상을 가지는 저벽(11)의 외주에 접속되고, 저벽(11)과 같은 직경을 가지는 원통면 형상을 가지고 있다. 제2 측벽(12B)은, 제1 측벽(12A)에 접속되고, 저벽(11)으로부터 멀어짐에 따라 직경이 커지도록 되는 원뿔면(圓錐面) 형상을 가지고 있다.
그리고, 도 7을 참조하여, 제1 측벽(12A)에는 복수의 홈(13)이 형성되어 있다. 홈(13)은, 제1 측벽(12A)의 저벽(11) 측으로부터 제2 측벽(12B) 측을 향해 연장되도록 형성되어 있다. 홈(13)은, 주축(95)의 회전의 방향(화살표 β의 방향)에 있어서 제2 측벽(12B) 측으로부터 저벽(11) 측에 가까워지도록 축 방향(축 α에 따른 방향)에 대하여 경사지게 형성되어 있다. 홈(13)을 규정하는 벽면 중, 주축(95)의 축 α 방향에 평행한 면에 대하여 저벽(11) 측을 향하도록 경사진 벽면이 저항벽(13A)이다. 저항벽(13A)은, 홈(13)을 규정하는 벽면 중, 축 α 방향에 있어서 저벽과는 반대측[주축(95)의 회전의 방향에 있어서 전방측]의 벽이다. 캐비티(10)의 제1 측벽(12A)에는, 주축(95)의 축 α 방향에 평행한 면에 대하여 저벽(11) 측을 향하도록 경사진 벽면인 저항벽(13A)이 형성되어 있다. 저항벽(13A)은, 주축(95)의 회전의 방향에 있어서 제2 측벽(12B) 측으로부터 저벽(11) 측에 가까워지도록 경사지게 형성되어 있다. 저항벽(13A)은, 제1 측벽(12A)에 형성된 오목부를 구성하는 벽면이다.
다음에, 폐색 마찰 접합 단계의 구체적인 수순을 설명한다. 도 8은, 폐색 마찰 접합 단계에서의 주축(95)의 회전수, 베이스 부재(4)와 슬라이딩 부재(5)와의 접촉 하중(가압 하중), 및 베이스 부재(4)와 슬라이딩 부재(5)와의 접합부의 온도의 시간 경과적 변화를 나타낸 도면이다. 도 4 및 도 5를 참조하여, 단계(S30)에서 실시되는 접합 준비 단계에서는, 베이스 부재(4)가 원통부(4C)의 외주면(外周面)에 있어서 척(94)에 유지되고, 또한 슬라이딩 부재(5)가 금형(93)의 캐비티(10) 내에 세팅된다. 이 때, 베이스 부재 접촉면(4A)과 슬라이딩 부재 접촉면(5A)이 대향하고, 또한 베이스 부재(4) 및 슬라이딩 부재(5)의 중심축이 척(94)의 회전축 α에 일치하도록, 베이스 부재(4) 및 슬라이딩 부재(5)는 배치된다. 또한, 캐비티(10) 내에 이형제가 도입된다. 이로써, 후술하는 단계(S40)에서 캐비티(10) 내에 이형제가 존재하는 상태에서 베이스 부재(4) 및 슬라이딩 부재(5)가 가열된다. 이 이형제의 도입(導入)은 필수적인 수순에서는 없지만, 이형제를 도입함으로써, 후술하는 단계(S50)에서 베이스 부재(4)와 슬라이딩 부재(5)가 접합되어 구성되는 구조체를 금형(93)으로부터 분리해 내는 것이 용이해진다. 이형제는, 액체상이라도 되고 분체상(粉體狀)이라도 된다.
다음에, 단계(S40)에서 마찰 단계가 실시된다. 이 단계(S40)에서는, 주축(95)이 주축 모터(95B)에 의해 구동되어 축 α 주위로 회전하는 동시에, 주축 이동 모터(90B)에 의해 구동되어 기대부(98)에 가까워진다. 이로써, 척(94)이 축 α 주위로 회전하면서, 금형(93)에 가까워진다. 이 때, 도 8을 참조하여, 시각 S0에 있어서 회전을 개시한 주축(95)의 회전수는, 시각 S1에 원하는 회전수에 도달하고, 그 후 상기 회전수가 유지된다. 또한, 시각 S2에는 도 5에 나타낸 바와 같이, 베이스 부재 접촉면(4A)과 슬라이딩 부재 접촉면(5A)이 접촉한다. 이로써, 베이스 부재(4)는, 슬라이딩 부재(5)에 대한 상대적인 위치를 변경시키지 않고, 슬라이딩 부재(5)에 대하여 하중 L에 의해 가압되면서 상대적으로 회전한다. 그 결과, 베이스 부재(4)와 슬라이딩 부재(5)와의 접촉부(접합부)의 온도가 마찰열에 의해 상승한다. 그리고, 시각 S3에는, 하중 센서(96)에 의해 검지되는 가압 하중[베이스 부재 접촉면(4A)과 슬라이딩 부재 접촉면(5A)과의 접촉 하중]이 원하는 크기에 도달하고, 그 후 상기 가압 하중이 유지된다. 이 사이, 베이스 부재(4)와 슬라이딩 부재(5)와의 접촉부의 온도는 상승을 계속한다.
그리고, 시각 S4에는, 베이스 부재(4)와 슬라이딩 부재(5)와의 접촉부의 온도는 A1 변태점(變態点) 이상으로서 고상선(固相線; solidus) 온도 미만에까지 상승한다. 그 결과, 베이스 부재(4) 중 베이스 부재 접촉면(4A)을 포함하는 영역은 A1 변태점 이상 고상선 온도 미만의 온도로 가열되고, 상기 영역을 구성하는 강은 액상(液相)을 포함하지 않는 오스테나이트 상태로 된다.
한편, 가열된 슬라이딩 부재(5)는 연화(軟化)된다. 그 결과, 베이스 부재(4)가 축 α 주위로 회전해도, 슬라이딩 부재(5)는 이에 따라서 회전하지 않는다. 또한, 이와 같이 가열된 상태에 있어서, 슬라이딩 부재(5)를 구성하는 고력 황동(구리 합금)은 베이스 부재(4)를 구성하는 기계 구조용 합금강(강)보다도 변형 저항이 작다. 그러므로, 연화된 슬라이딩 부재(5)의 일부가 베이스 부재(4)의 원반부(4B)의 외주면과 금형(93)의 캐비티(10)의 제1 측벽(12A)과의 간극에 침입하여 플래시를 형성한다. 이 플래시는, 캐비티(10)의 제1 측벽(12A)을 따라 저벽(11)으로부터 이격되는 방향으로 성장한다. 본 실시형태에 있어서 채용되는 금형(93)의 캐비티(10)의 제1 측벽(12A)에는, 전술한 바와 같이, 주축(95)의 축 α 방향에 평행한 면에 대하여 저벽(11) 측을 향하도록 경사진 벽면인 저항벽(13A)이 형성되어 있다. 저항벽(13A)은, 상기 플래시의 성장을 저해한다. 그러므로, 플래시에 유출되는 마찰열이 저감되고, 베이스 부재(4)와 슬라이딩 부재(5)와의 접합에 기여해야 할 마찰열이 접합면 부근에 많이 잔존하게 된다. 특히, 본 실시형태에 있어서 채용되는 금형(93)의 저항벽(13A)은, 베이스 부재(4)의 회전의 향해, 즉 주축(95)의 회전의 방향(도 5의 화살표 β의 방향 참조)에 있어서 저벽(11)에 가까워지도록 연장되어 있다. 그러므로, 상기 플래시의 성장이 한층 유효하게 저해된다.
다음에, 단계(S50)에서 냉각 단계가 실시된다. 이 단계(S50)에서는, 먼저 주축(95)의 회전수를 저하시키고, 시각 S5에는 그 회전을 정지한다. 그 후, 하중 센서(96)에 의해 검지되는 가압 하중을 저하시킨다. 이 사이, 베이스 부재(4)와 슬라이딩 부재(5)는 서로 가압되는 상태를 유지하면서, 베이스 부재(4)와 슬라이딩 부재(5)와의 접촉부는 냉각된다. 이로써, 베이스 부재(4)와 슬라이딩 부재(5)가 접합된다. 그리고, 시각 S6에는, 가압 하중이 0로 되고, 베이스 부재(4)와 슬라이딩 부재(5)가 접합되어 구성되는 구조체가 폐색 마찰 접합 장치(9)로부터 인출된다.
여기서, 베이스 부재(4) 중, 단계(S40)에서 A1 변태점 이상의 온도까지 가열된 베이스 부재 접촉면(4A)을 포함하는 영역은, 단계(S50)에서 A1 변태점 미만의 온도로 냉각된다. 이와 같이, 일단 A1 변태점 이상의 온도로 가열된 후, A1 변태점 미만의 온도로 냉각된 상기 영역의 결정 입자는 미세화된다. 그 결과, 다른 영역에 비해 결정 입자가 작은 베이스부 접합 영역(24)(도 2 참조)이 형성된다. 이상의 수순에 따라 폐색 마찰 접합 단계가 완료된다.
다음에, 단계(S60)에서, 기계 가공 단계가 실시된다. 이 단계(S60)에서는, 단계(S50)에서 얻어진 구조체에 대하여 기계 가공이 실시된다. 구체적으로는, 도 1을 참조하여, 슬라이딩 부재(5)의 외주면이 가공되는 것에 의해 원반형의 슬라이딩부(3)가 형성된다. 또한, 베이스 부재(4)의 원통부가 가공되는 것에 의해, 구형부(21)가 형성된다. 또한, 센터공(29), 평탄부(21A) 및 홈(31A)도, 이 단계에서 형성된다.
다음에, 단계(S70)에서 가스 연질화(軟窒化) 단계가 실시된다. 이 단계(S70)에서는, 도 1을 참조하여, 단계(S60)에서 형성된 구형부(21)가, 별도 준비된 피스톤 본체에 형성된 구면형의 내벽을 가지는 유지부(도시하지 않음)에 끼워넣어진 후에, 가스 연질화 처리가 실시된다. 구체적으로는, 암모니아 가스를 포함하는 분위기 중에서 A1 변태점 미만의 온도로 가열되는 것에 의해, 베이스 부재(4)[베이스부(2)] 및 피스톤 본체(도시하지 않음)의 표층부에 질화층이 형성된다. 또한, 이 때, 가스 연질화 처리를 위한 가열에 의해, 슬라이딩 부재(5)의 슬라이딩 부재 접촉면(5A)에 접하는 슬라이딩 부재(5) 내의 영역에, 다른 영역에 비해 α상의 비율이 많은 영역이 형성된다. 이로써, 도 2를 참조하여, 슬라이딩부 접합 영역(34)은, 다른 영역에 비해 α상의 비율이 많아진다.
다음에, 단계(S80)에서 마무리 단계가 실시된다. 이 단계에서는, 단계(S70)에서 가스 연질화 처리가 실시된 베이스 부재(4), 슬라이딩 부재(5) 및 피스톤 본체(도시하지 않음)에 대하여, 필요에 따라 마무리 처리가 실시된다. 이상의 수순에 따라 본 실시형태에 있어서의 피스톤 슈(1)가, 피스톤 본체와 조합된 상태로 완성한다.
이와 같이, 본 실시형태에 있어서의 폐색 마찰 접합 장치(9)를 사용한 피스톤 슈의 제조 방법에 의하면, 상기 본 실시형태의 피스톤 슈(1)를 제조할 수 있다. 여기서, 본 실시형태에 있어서 채용되는 금형(93)의 캐비티(10)의 제1 측벽(12A)에는, 전술한 바와 같이, 주축(95)의 축 α 방향에 평행한 면에 대하여 저벽(11) 측을 향하도록 경사진 벽면인 저항벽(13A)이 형성되고, 상기 플래시의 성장이 저해된다. 그러므로, 플래시에 유출되는 마찰열이 저감되고, 베이스 부재(4)와 슬라이딩 부재(5)와의 접합에 기여해야 할 마찰열이 접합면 부근에 많이 잔존한다. 그 결과, 미접합 영역의 형성이 억제되어, 베이스 부재(4)와 슬라이딩 부재(5)와의 견고한 접합이 달성된다.
이와 같이, 본 실시형태의 폐색 마찰 접합 장치(9)를 사용한 피스톤 슈(금속 부재)의 제조 방법에 의하면, 상이한 금속으로 이루어지는 부재끼리가 서로 직접 견고하게 접합된 구조를 가지는 피스톤 슈(금속 부재)를 제조할 수 있다.
또한, 도 5를 참조하여, 단계(S40)에서 베이스 부재(4)가, 슬라이딩 부재에 대한 상대적인 위치를 변경시키지 않고 회전함으로써, 베이스 부재(4)의 슬라이딩 부재(5)에 대한 주속(周速)은, 축 α로부터 멀어짐에 따라 빨라진다. 그러므로, 마찰에 의한 발열은, 베이스 부재(4)의 외주측에 있어서 커지게 된다. 그 결과, 베이스 부재(4) 중 마찰열에 의해 A1 변태점을 초과하는 영역의 두께는 베이스 부재(4)의 외주측에 있어서 커지게 된다. 이로써, 도 2를 참조하여, 다른 영역에 비해 결정 입자의 크기가 작은 베이스부 접합 영역(24)의 두께를, 내부에 비교하여 외주측, 즉 피스톤 슈(1)의 표면(1A)을 포함하는 영역에 있어서 크게 할 수 있다. 또한, 도 5를 참조하여, 상기 본 실시형태에 있어서의 베이스 부재(4)의 원통부(4C)의 외경은, 원반부(4B)에 비해 작아지게 되어 있다. 이로써, 베이스 부재 접촉면(4A)의 외주부에 있어서 발생한 마찰열은, 원통부(4C)에 쉽게 전해지지 않게 되어 있다. 그 결과, 베이스 부재(4) 중 마찰열에 의해 A1 변태점을 초과하는 영역의 두께는, 베이스 부재(4)의 외주측에 있어서 한층 커지게 된다. 그러므로, 본 실시형태에 있어서의 피스톤 슈(1)의 제조 방법에 의하면, 베이스부 접합 영역(24)의 두께를, 내부와 비교하여 외주측, 즉 피스톤 슈(1)의 표면(1A)을 포함하는 영역에 있어서 크게 하는 것이 용이하게 되어 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서의 피스톤 슈(1)의 제조 방법에서는, 도 5를 참조하여, 축 α 방향에서의 제1 측벽(12A)의 높이는, 슬라이딩 부재(5)의 두께보다 크게 되어 있다. 그 결과, 단계(S40) 및 (S50)에서, 슬라이딩 부재 접촉면(5A)의 외주측에 있어서 슬라이딩 부재(5)가 구속(拘束; restrain)된 상태가 유지된다. 이로써, 연화된 슬라이딩 부재(5)의 변형량을 억제할 수 있다. 보다 구체적으로는, 제조되는 피스톤 슈(1)에 있어서, 슬라이딩 부재(5)의 변형에 의해 형성되는 슬라이딩부 접합 영역(34)의, 슬라이딩부 접합면(32)에 수직인 방향에서의 두께를 0.2㎜ 이하로 할 수 있다. 그 결과, 접합 후의 기계 가공에서의 가공량이 저감되므로, 슬라이딩 부재(5)의 재료의 수율이 향상된다. 또한, 슬라이딩 부재(5)의 두께가 얇은 경우라도, 슬라이딩 부재(5)에 있어서 소성(塑性) 변형된 영역이 피스톤 슈(1)의 슬라이딩 면(31)에 노출되는 것이 억제되어, 슬라이딩부(3)의 슬라이딩 특성이 안정된다. 또한, 경도가 낮은 슬라이딩부 접합 영역(34)의 두께를 필요 이상으로 크게 하지 않는 것에 의해, 슬라이딩부(3)에 충분한 강도를 부여할 수 있다.
그리고, 상기 실시형태에 있어서는, 슬라이딩 부재가 고정되고, 베이스 부재가 회전하는 경우에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 금속 부재의 제조 장치를 사용한 금속 부재의 제조 방법은 이에 한정되지 않고, 베이스 부재가 고정되어 슬라이딩 부재가 회전해도 되고, 양쪽이 회전함으로써 한쪽이 다른 쪽에 대하여 상대적으로 미끄러지는 것이라도 된다.
또한, 상기 실시형태에 있어서는, 폐색 마찰 접합 장치(9)(금속 부재인 슬라이딩 부품의 제조 장치)로서, 주축이 축 방향으로 이동 가능한 구조에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 슬라이딩 부품의 제조 장치는 이에 한정되지 않고, 기대부가 축 방향으로 이동 가능한 것이라도 된다.
또한, 상기 실시형태에 있어서는, 금형(93)의 캐비티(10)의 형상이 평면적으로 볼 때(축 α에 따른 방향에서 볼 때) 원형 형상인 경우에 대하여 설명하였으나, 채용 가능한 금형은 이에 한정되지 않고, 유지부의 형상은, 예를 들면, 다각형이라도 된다.
또한, 상기 실시형태에 있어서는, 피스톤 슈를 금속 부재의 일례로서 설명하였으나, 본 발명의 금속 부재의 제조 장치에 의해 제조되는 금속 부재는 이에 한정되지 않고, 상이한 금속으로 이루어지는 부재끼리가 서로 직접 접합된 구조를 가지는 기계 부품을 포함하는 각종 금속 부재를 제조할 수 있다. 보다 구체적으로는, 상기 실시형태에 있어서는 제1 금속과 제2 금속과의 조합이 강과 구리 합금과의 조합인 경우에 대하여 설명하였으나, 예를 들면, 주철(鑄鐵)과 구리 합금과의 조합, 강과 알루미늄 합금과의 조합, 니켈 기초합금과 강과의 조합, 초경합금(超硬合金)과 강과의 조합 등, 각종 조합을 채용할 수 있다.
다음에, 본 실시형태에 있어서의 금속 부재의 제조 장치에 있어서 채용 가능한 다른 구조의 금형에 대하여 설명한다.
(변형예 1)
도 9는, 변형예 1에서의 금형의 구조를 나타낸 개략 사시도이다. 도 9를 참조하여, 변형예 1에서의 금형(93)은, 기본적으로는 상기 실시형태에 있어서의 금형(93)과 마찬가지의 구조를 가지고, 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 그러나, 변형예 1의 금형(93)은, 저항벽의 형성 태양(態樣)에 있어서 상기 실시형태의 경우와는 상이하게 되어 있다.
구체적으로는, 도 9를 참조하여, 제1 측벽(12A)에는 홈(13)이 형성되어 있다. 홈(13)은, 제1 측벽(12A)의 주위 방향으로 연장되도록 나사형으로 형성되어 있다. 홈(13)은, 주축(95)의 회전의 방향(화살표 β의 방향)에 있어서 제2 측벽(12B) 측으로부터 저벽(11) 측에 가까워지도록 나사형으로 형성되어 있다. 홈(13)을 규정하는 벽면 중, 주축(95)의 축 α 방향에 평행한 면에 대하여 저벽(11) 측을 향하도록 경사진 벽면이 저항벽(13A)이다. 저항벽(13A)은, 홈(13)을 규정하는 벽면 중, 축 α 방향에 있어서 저벽과는 반대측[주축(95)의 회전의 방향에 있어서 전방측]의 벽이다. 캐비티(10)의 제1 측벽(12A)에는, 주축(95)의 축 α 방향에 평행한 면에 대하여 저벽(11) 측을 향하도록 경사진 벽면인 저항벽(13A)이 형성되어 있다. 저항벽(13A)은, 주축(95)의 회전의 방향에 있어서 제2 측벽(12B) 측으로부터 저벽(11) 측에 가까워지도록, 나사형으로 형성되어 있다. 홈(13)을 규정하는 벽면 중, 저항벽(13A)에 대향하는 벽면은, 금형(93)의 개구측을 향하고 있다. 저항벽(13A)은, 제1 측벽(12A)에 형성된 오목부를 구성하는 벽면이다.
(변형예 2)
도 10은, 변형예 2에서의 금형의 구조를 나타낸 개략 사시도이다. 도 10을 참조하여, 변형예 2에서의 금형(93)은, 기본적으로는 상기 실시형태에 있어서의 금형(93)과 마찬가지의 구조를 가지고, 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 그러나, 변형예 2의 금형(93)은, 저항벽의 형성 태양에 있어서 상기 실시형태의 경우와는 상이하게 되어 있다.
구체적으로는, 도 10을 참조하여, 제1 측벽(12A)에는 홈(13)이 형성되어 있다. 홈(13)은, 저벽(11)에 대하여 평행하게 연장되어 있다. 홈(13)을 규정하는 벽면 중, 주축(95)의 축 α 방향에 평행한 면에 대하여 저벽(11) 측을 향하도록 경사진 벽면이 저항벽(13A)이다. 저항벽(13A)은, 홈(13)을 규정하는 벽면 중, 축 α 방향에 있어서 저벽과는 반대측의 벽이다. 캐비티(10)의 제1 측벽(12A)에는, 주축(95)의 축 α 방향에 평행한 면에 대하여 저벽(11) 측을 향하도록 경사진 벽면인 저항벽(13A)이 형성되어 있다. 홈(13)을 규정하는 벽면 중, 저항벽(13A)에 대향하는 벽면은, 금형(93)의 개구측을 향하고 있다. 저항벽(13A)은, 제1 측벽(12A)에 형성된 오목부를 구성하는 벽면이다.
(변형예 3)
도 11은, 변형예 3에서의 금형의 구조를 나타낸 개략 사시도이다. 도 11을 참조하여, 변형예 3에서의 금형(93)은, 기본적으로는 상기 실시형태에 있어서의 금형(93)과 마찬가지의 구조를 가지고, 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 그러나, 변형예 3의 금형(93)은, 저항벽의 형성 태양에 있어서 상기 실시형태의 경우와는 상이하게 되어 있다.
구체적으로는, 도 11을 참조하여, 제1 측벽(12A)에는 복수의 홈(13)이 형성되어 있다. 홈(13)은, 제1 측벽(12A)의 저벽(11) 측으로부터 제2 측벽(12B) 측을 향해 연장되도록 형성되어 있다. 홈(13)은, 각각 주축(95)의 회전의 방향(화살표 β의 방향)에 있어서 제2 측벽(12B) 측으로부터 저벽(11) 측에 가까워지도록 축 방향(축 α에 따른 방향)에 대하여 경사지게 형성된 한 쌍의 홈이, 상기 한 쌍의 홈과는 반대측으로 경사지게 형성된 홈에 의해 접속된 구조를 가지고 있다. 홈(13)을 규정하는 벽면 중, 주축(95)의 축 α 방향에 평행한 면에 대하여 저벽(11) 측을 향하도록 경사진 벽면이 저항벽(13A)이다. 저항벽(13A)은, 홈(13)을 규정하는 벽면 중, 축 α 방향에 있어서 저벽(11)은 반대측의 벽이다. 캐비티(10)의 제1 측벽(12A)에는, 주축(95)의 축 α 방향에 평행한 면에 대하여 저벽(11) 측을 향하도록 경사진 벽면인 저항벽(13A)이 형성되어 있다. 저항벽(13A)은, 제1 측벽(12A)에 형성된 오목부를 구성하는 벽면이다.
(변형예 4)
도 12는, 변형예 4에서의 금형의 구조를 나타낸 개략 사시도이다. 도 12를 참조하여, 변형예 4에서의 금형(93)은, 기본적으로는 상기 실시형태에 있어서의 금형(93)과 마찬가지의 구조를 가지고, 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 그러나, 변형예 4의 금형(93)은, 저항벽의 형성 태양에 있어서 상기 실시형태의 경우와는 상이하게 되어 있다.
구체적으로는, 도 12를 참조하여, 제1 측벽(12A)에는, 저벽(11)에 대하여 평행하게 연장되는 홈(14)과, 저벽(11) 측으로부터 제2 측벽(12B) 측을 향해 연장되고, 홈(14)에 교차하는 복수의 홈(15)이 형성되어 있다. 홈(15)은, 상기 실시형태의 홈(13)과 마찬가지의 구조를 가지고 있다. 또한, 홈(14)은, 상기 변형예 2의 홈(13)과 마찬가지의 구조를 가지고 있다. 변형예 4에 있어서는, 상기 실시형태에 있어서의 홈(13)과, 상기 변형예 2에서의 홈(13)이 조합되어 형성되어 있다. 홈(14)을 규정하는 벽면 중, 주축(95)의 축 α 방향에 평행한 면에 대하여 저벽(11) 측을 향하도록 경사진 벽면이 저항벽(14A)이다. 홈(14)을 규정하는 벽면 중, 저항벽(14A)은 저벽(11) 측을 향하고 있고, 저항벽(14A)에 대향하는 벽면은 금형(93)의 개구측을 향하고 있다. 또한, 홈(15)을 규정하는 벽면 중, 주축(95)의 축 α 방향에 평행한 면에 대하여 저벽(11) 측을 향하도록 경사진 벽면이 저항벽(15A)이다. 캐비티(10)의 제1 측벽(12A)에는, 주축(95)의 축 α 방향에 평행한 면에 대하여 저벽(11) 측을 향하도록 경사진 벽면인 저항벽(14A, 15A)이 형성되어 있다. 저항벽(14A, 15A)은, 제1 측벽(12A)에 형성된 오목부를 구성하는 벽면이다.
(변형예 5)
도 13은, 변형예 5에서의 금형의 구조를 나타낸 개략 사시도이다. 도 13를 참조하여, 변형예 5에서의 금형(93)은, 기본적으로는 상기 실시형태에 있어서의 금형(93)과 마찬가지의 구조를 가지고, 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 그러나, 변형예 5의 금형(93)은, 저항벽의 형성 태양에 있어서 상기 실시형태의 경우와는 상이하게 되어 있다.
구체적으로는, 도 13를 참조하여, 제1 측벽(12A)에는 복수의 오목부(16)가 형성되어 있다. 오목부(16)는, 원형의 저벽과, 상기 저벽에 접속된 원통면인 주위벽에 의해 규정된다. 오목부(16)를 규정하는 주위벽 중, 주축(95)의 축 α 방향에 평행한 면에 대하여 저벽(11) 측을 향하도록 경사진 영역이 저항벽(16A)이다. 저항벽(16A)은, 오목부(16)를 규정하는 주위벽 중, 축 α 방향에 있어서 저벽과는 반대측(상반분)의 벽이다. 캐비티(10)의 제1 측벽(12A)에는, 주축(95)의 축 α 방향에 평행한 면에 대하여 저벽(11) 측을 향하도록 경사진 벽면인 저항벽(16A)이 형성되어 있다. 저항벽(16A)은, 제1 측벽(12A)에 형성된 오목부를 구성하는 벽면이다.
(변형예 6)
도 14는, 변형예 6에서의 금형의 구조를 나타낸 개략 사시도이다. 도 14를 참조하여, 변형예 6에서의 금형(93)은, 기본적으로는 상기 실시형태에 있어서의 금형(93)과 마찬가지의 구조를 가지고, 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 그러나, 변형예 6의 금형(93)은, 저항벽의 형성 태양에 있어서 상기 실시형태의 경우와는 상이하게 되어 있다.
구체적으로는, 도 14를 참조하여, 제1 측벽(12A)에는 돌조부(突條部)(17)가 형성되어 있다. 돌조부(17)는, 제1 측벽(12A)의 주위 방향으로 연장되도록 나사형으로 형성되어 있다. 돌조부(17)는, 주축(95)의 회전의 방향(화살표 β의 방향)에 있어서 제2 측벽(12B) 측으로부터 저벽(11) 측에 가까워지도록 나사형으로 형성되어 있다. 돌조부(17)를 구성하는 벽면 중, 주축(95)의 축 α 방향에 평행한 면에 대하여 저벽(11) 측을 향하도록 경사진 벽면이 저항벽(17A)이다. 저항벽(17A)은, 돌조부(17)를 구성하는 벽면 중, 축 α 방향에 있어서 저벽측[주축(95)의 회전의 방향에 있어서 후방측]의 벽이다. 캐비티(10)의 제1 측벽(12A)에는, 주축(95)의 축 α 방향에 평행한 면에 대하여 저벽(11) 측을 향하도록 경사진 벽면인 저항벽(17A)이 형성되어 있다. 저항벽(17A)은, 주축(95)의 회전의 방향(화살표 β의 방향)에 있어서 제2 측벽(12B) 측으로부터 저벽(11) 측에 가까워지도록, 나사형으로 형성되어 있다. 저항벽(17A)은, 제1 측벽(12A)에 형성된 볼록부를 구성하는 벽면이다.
[실시예]
상기 실시형태의 단계(S10)∼(S50)까지의 수순을 실시하고, 베이스 부재와 슬라이딩 부재가 폐색 마찰 접합에 의해 접합된 시험편을 제작하였다(실시예). 또한, 비교를 위해, 저항벽이 형성되어 있지 않은 금형을 사용하여 동일한 수순으로 제작한 시험편도 준비하였다(비교예). 그리고, 실시예 및 비교예의 시험편의 외관을 관찰하는 동시에 베이스 부재와 슬라이딩 부재와의 접합부의 초음파 탐상 시험을 실시하였다.
도 15는, 실시예의 시험편의 외관을 나타낸 사진이다. 도 16은, 도 15의 일부(도 15에 있어서 영역 XVI에 대응하는 영역)를 확대하여 나타낸 사진이다. 또한, 도 17은, 비교예의 시험편의 외관을 나타낸 사진이다. 도 15 및 도 17을 참조하여, 실시예의 시험편에 있어서는, 비교예의 시험편에 비해 플래시의 형성이 억제되어 있는 것이 확인된다. 또한, 도 16을 참조하여, 실시예의 시험편에는, 금형으로 형성된 홈(저항벽)에 대응하는 볼록부가 형성되어 있다. 이로부터, 금형에 홈(저항벽)을 형성함으로써, 플래시의 형성을 억제할 수 있는 것이 확인된다.
도 18은, 실시예의 시험편에 대한 초음파 탐상 시험의 결과를 나타낸 도면이다. 또한, 도 19는, 비교예의 시험편에 대한 초음파 탐상 시험의 결과를 나타낸 도면이다. 도 19를 참조하여, 비교예의 시험편에서는, 중심 부근에 미접합 영역(40)이 형성되어 있다. 이에 대하여, 도 18을 참조하여, 실시예의 시험편에는 미접합 영역은 확인되지 않는다. 실시예의 시험편에서는, 플래시에 유출되는 마찰열이 저감되고, 접합에 기여해야 할 마찰열이 접합면 부근에 많이 잔존했기 때문에, 미접합 영역의 형성이 회피된 것으로 생각된다.
이상의 실험 결과로부터, 본 발명의 금속 부재의 제조 방법 및 금속 부재의 제조 장치에 따르면, 상이한 금속으로 이루어지는 부재끼리가 서로 직접 견고하게 접합된 구조를 가지는 금속 부재를 제조할 수 있는 것이 확인된다.
이번 개시된 실시형태 및 실시예는 모든 점에서 예시로서, 제한적인 것이 아니라고 이해될 것이다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니고, 청구의 범위에 의해 나타낸 범위, 및 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경, 개량이 포함되는 것이 의도된다.
본 발명의 금속 부재의 제조 방법 및 금속 부재의 제조 장치는, 상이한 금속으로 이루어지는 부재끼리가 서로 직접 접합된 구조를 가지는 금속 부재의 제조에, 특히 유리하게 적용될 수 있다.
1: 피스톤 슈, 1A: 표면, 2: 베이스부, 3: 슬라이딩부, 4: 베이스 부재, 4A: 베이스 부재 접촉면, 4B: 원반부, 4C: 원통부, 5: 슬라이딩 부재, 5A: 슬라이딩 부재 접촉면, 9: 폐색 마찰 접합 장치, 10: 캐비티, 11: 저벽, 12A: 제1 측벽, 12B: 제2 측벽, 13: 홈, 13A: 저항벽, 14: 홈, 14A: 저항벽, 15: 홈, 15A: 저항벽, 16: 오목부, 16A: 저항벽, 17: 돌조부, 17A: 저항벽, 21: 구형부, 21A: 평탄부, 22: 원반부, 23: 베이스부 접합면, 24: 베이스부 접합 영역, 29: 센터공, 29A: 제1 영역, 29B: 제2 영역, 29C: 제3 영역, 29D: 제4 영역, 31: 슬라이딩 면, 31A: 홈, 32: 슬라이딩부 접합면, 34: 슬라이딩부 접합 영역, 40: 미접합 영역, 90: 프레임, 90A: 샤프트, 90B: 주축 이동 모터, 90C: 주축 지지부, 91: 베이스체, 92: 금형 홀더, 92A: 금형 유지부, 93: 금형, 94: 척, 95: 주축, 95B: 주축 모터, 96: 하중 센서, 97: 구동부, 98: 기대부, 99: 부품.

Claims (4)

  1. 제1 금속으로 이루어지는 제1 부재와, 제2 금속으로 이루어지는 제2 부재를 폐색 마찰 접합함으로써 금속 부재를 제조하는 금속 부재의 제조 장치로서,
    주축(spindle);
    상기 주축에 대하여 축 방향으로 간격을 두고 배치된 기대부(base portion); 및
    상기 주축 및 상기 기대부 중 적어도 한쪽을 상기 주축의 축 방향으로 구동하는 구동부;
    를 포함하고,
    상기 주축 및 상기 기대부 중, 한쪽에는 상기 제1 부재를 유지하기 위한 제1 유지부가 설치되고, 다른 쪽에는 상기 제1 유지부에 대향하도록 상기 제2 부재를 유지하기 위한 금형이 배치되고,
    상기 금형은,
    저벽; 및
    상기 저벽으로부터 상기 저벽에 교차하는 방향으로 연장되는 측벽;을 포함하고,
    상기 측벽에는, 상기 주축의 축 방향에 평행한 면에 대하여 상기 저벽 측을 향하도록 경사진 벽면인 저항벽이 형성되어 있는,
    금속 부재의 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저항벽은, 상기 측벽에 형성된 오목부 또는 볼록부를 구성하는 벽면인, 금속 부재의 제조 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 저항벽은, 상기 주축의 회전의 방향에 있어서 상기 저벽에 가까워지도록 연장되는, 금속 부재의 제조 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 주축 및 상기 기대부 중 적어도 어느 한쪽에는, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재와의 접촉 하중을 검지하기 위한 하중 센서가 설치되어 있는, 금속 부재의 제조 장치.
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