KR20180035896A

KR20180035896A - 기계 부품 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20180035896A
Application number: KR1020187006291A
Authority: KR
Inventors: 도시카즈 마쓰야마; 마사하루 아마노; 요시타카 시바타
Original assignee: 가부시키가이샤 고마쓰 세이사쿠쇼
Priority date: 2015-10-29
Filing date: 2015-10-29
Publication date: 2018-04-06
Also published as: US20180339361A1; CN108025389A; JP6653974B2; KR102079993B1; US11338385B2; DE112015006807T5; JPWO2017072918A1; WO2017072918A1; CN108025389B

Abstract

기계 부품(1)은, 제1 선팽창 계수를 가지는 제1 영역(10)과, 제1 선팽창 계수보다 큰 제2 선팽창 계수를 가지고, 제1 영역(10)에 접합된 제2 영역(20)을 구비한다. 제1 영역(10)과 제2 영역(20)과의 계면(5)의 외주(5A)를 포함하는 영역은, 전체 주위에 걸쳐, 제2 영역(20) 측을 향해 경사져 있다. 제1 영역(10)의 표면에는, 계면(5)의 외주(5A)를 따라 연장되는 홈(19)이 형성되어 있다.

Description

기계 부품 및 그 제조 방법

본 발명은, 기계 부품 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

선팽창 계수(係數)가 상이한 부재끼리가 접합되어 부품이 제조되는 경우가 있다. 이와 같은 부품에 있어서는, 온도 변화에 의해 접합부에 열응력이 발생하여, 접합부에 균열이 생기는 등의 문제가 생기는 경우가 있다. 부재끼리의 접합에는, 경납땜 재료(brazing material)를 사용할 수 있다. 경납땜 재료를 사용하여 선팽창 계수가 상이한 부재끼리를 접합하는데 있어서, 선팽창 계수가 큰 측의 부재의 접합면에 복수의 오목부를 형성하는 기술이 제안되어 있다[예를 들면, 일본 공개특허 평8―290265호 공보(특허문헌 1) 참조]. 이로써, 접합부에서의 열응력을 완화시킬 수 있다.

일본 공개특허 평8―290265호 공보

상기 특허문헌 1의 기술에서는, 접합 시에 액상(液相)이 생기는 경납땜 재료를 사용하는 것이 전제로 된다. 그러나, 경납땜 재료를 사용하는 경우, 경납땜 재료의 강도에 기인하여, 접합면의 강도를 충분히 얻을 수 없는 등의 문제가 생길 수 있다.

본 발명은, 선팽창 계수가 상이한 부재끼리가 경납땜 재료를 사용하지 않고 접합된 기계 부품에 있어서, 접합면에 생기는 열응력에 의한 균열의 발생을 억제하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 기계 부품은, 제1 선팽창 계수를 가지는 제1 영역과, 제1 선팽창 계수보다 큰 제2 선팽창 계수를 가지고, 제1 영역에 접합된 제2 영역을 구비한다. 제1 영역과 제2 영역과의 계면의 외주(外周)를 포함하는 영역은, 전체 주위에 걸쳐, 제2 영역 측을 향해 경사져 있다. 제1 영역의 표면에는, 상기 계면의 외주를 따라 연장되는 홈이 형성되어 있다.

선팽창 계수가 상이한 영역끼리가 접합되었을 경우, 온도 변화에 있어서, 양자의 계면의 외주 부근에 열응력이 집중된다. 그러므로, 계면의 외주 부근에 균열이 생기는 등의 문제가 생길 수 있다.

본 발명의 기계 부품에 있어서는, 선팽창 계수가 상이한 제1 영역과 제2 영역과의 계면의 외주를 포함하는 영역이, 선팽창 계수가 상대적으로 큰 측인 제2 영역 측을 향해 전체 주위에 걸쳐 경사져 있다. 이로써, 열응력이, 계면의 내주측의 영역 및 제1 영역 측의 외주면(外周面)으로, 보다 넓은 범위로 분산된다.

본 발명의 기계 부품에 있어서는, 상기 계면의 외주를 따라 연장되는 홈이, 선팽창 계수가 상대적으로 작은 쪽인 제1 영역의 표면에 형성되어 있다. 이로써, 온도 변화에 있어서, 선팽창 계수가 상대적으로 큰 측인 제2 영역의 변형에 제1 영역이 추종하기 용이해져, 계면 부근에 생기는 열응력을 저감할 수 있다.

본 발명의 기계 부품에서는, 전술한 바와 같이, 열응력이 분산되고, 또한 열응력이 저감된다. 그 결과, 본 발명의 기계 부품에 의하면, 접합면에 생기는 열응력에 의한 균열의 발생을 억제할 수 있다.

상기 기계 부품에 있어서, 상기 홈은, 상기 계면의 외주를 따라 전체 주위에 걸쳐 연속하여 형성되어 있어도 된다. 이와 같이 함으로써, 계면 부근에 생기는 열응력을 한층 저감할 수 있다.

상기 기계 부품에 있어서, 상기 계면은, 상기 계면의 외주를 포함하도록 제2 영역 측을 향해 경사지는 환형(環形)의 경사부를 포함해도 된다. 계면의 외주를 포함하도록 제2 영역 측을 향해 경사지는 환형의 경사부가 형성되므로, 계면의 외주를 포함하는 영역이, 전체 주위에 걸쳐, 제2 영역 측을 향해 경사져 있어도 된다.

경사부가 환형인 것에 의해, 계면의 경사부에 에워싸이는 영역(중앙부)을 경사지지 않는 영역, 예를 들면, 평탄한 영역으로 할 수 있다. 이로써, 제1 영역과 제2 영역과의 접합을 용이하게 달성할 수 있다.

상기 기계 부품에 있어서, 제1 영역 및 제2 영역은 축 대상인 형상(axisymmetric shape)을 가지고, 또한 동축(同軸)에 배치되어도 된다. 경사부의, 제1 영역 및 제2 영역의 축 방향에 수직인 방향에서의 폭은, 계면의 외주에 외접(外接)하는 원의 반경의 1/20 이상 1/10 이하라도 된다.

상기 경사부의 폭이 상기 원의 반경의 1/20 미만에서는, 열응력이 분산되는 효과를 충분히 얻을 수 없게 될 가능성이 있다. 상기 경사부의 폭이 상기 원의 반경의 1/10을 초과하는 범위에까지 크게 해도, 열응력이 분산되는 효과는 대폭은 상승하지 않는다. 따라서, 상기 경사부의 폭은, 상기 원의 반경의 1/20 이상 1/10 이하로 할 수 있다.

본 발명에 따른 기계 부품의 제조 방법은, 제1 선팽창 계수를 가지는 제1 부재와, 제1 선팽창 계수보다 큰 제2 선팽창 계수를 가지는 제2 부재를 준비하는 단계와과, 제1 부재와 제2 부재를 접합하는 단계와, 제1 부재와 제2 부재가 접합되어 형성된 제1 부재와 제2 부재와의 계면의 외주를 따라 연장되는 홈을 제1 부재의 표면에 형성하는 단계를 포함한다. 제1 부재와 제2 부재를 접합하는 단계는, 제1 부재와 제2 부재를 서로 가압하고, 제1 부재 및 제2 부재를 상대적인 위치 관계를 변경시키지 않고 회전축 주위로 상대적으로 회전시킴으로써, 제1 부재 및 제2 부재를 가열하는 단계와, 가열된 제1 부재와 제2 부재를 서로 가압한 상태에서 냉각시키는 단계를 포함한다. 제1 부재와 제2 부재를 접합하는 단계에서는, 제1 부재 및 제2 부재를 가열하는 단계에서, 제1 부재 및 제2 부재 중 변형 저항이 작은 쪽의 부재인 저변형 저항 부재가 변형됨으로써, 외주를 포함하는 영역이 전체 주위에 걸쳐 제2 부재측으로 경사지도록, 제1 부재와 제2 부재와의 계면이 형성된다.

본 발명의 기계 부품의 제조 방법에서는, 외주를 포함하는 영역이 전체 주위에 걸쳐 제2 부재측으로 경사지도록, 제1 부재와 제2 부재와의 계면이 형성되어, 제1 부재와 제2 부재가 접합된다. 그 후, 제1 부재와 제2 부재와의 계면의 외주를 따라 연장되는 홈이 제1 부재의 표면에 형성된다. 본 발명의 기계 부품의 제조 방법에 의하면, 접합면에 생기는 열응력에 의한 균열의 발생을 억제할 수 있는 본 발명의 기계 부품을 제조할 수 있다.

상기 기계 부품의 제조 방법에 있어서, 제1 부재에 상기 홈이 형성된 후, 제1 부재 및 제2 부재를 열처리하는 단계를 더 포함하고 있어도 된다. 열처리에 의한 온도 변화가 생긴 경우라도, 접합면에 생기는 열응력에 의한 균열의 발생을 억제할 수 있다.

상기 기계 부품의 제조 방법에 있어서, 제1 부재 및 제2 부재를 가열하는 단계에서는, 금형의 캐비티(cavity) 내에 상기 저변형 저항 부재가 배치되어도 된다.

이와 같이 함으로써, 금형의 캐비티 내에 있어서 저변형 저항 부재가 변형되어 캐비티를 규정하는 벽면과 접촉한다. 이로써, 저변형 저항 부재가 고변형 저항 부재와 함께 회전하는 것이 억제되고, 또한 새로운 변형도 억제된다. 그러므로, 제1 부재와 제2 부재와의 마찰에 의해 발생한 열이 캐비티 내로부터 방출되는 것이 억제된다. 그 결과, 제1 부재 및 제2 부재를 가열하는 단계를 효율적으로 실시할 수 있다.

상기 기계 부품의 제조 방법에 있어서, 상기 금형은, 캐비티를 규정하는 캐비티 저벽과 캐비티를 규정하고, 캐비티 저벽에 교차하는 방향으로 연장되는 캐비티 측벽을 포함해도 된다. 이와 같이 함으로써, 상기 기계 부품의 제조 방법을 용이하게 실시할 수 있다.

상기 기계 부품의 제조 방법에 있어서, 제1 부재 및 제2 부재를 가열하는 단계에서는, 제2 부재에 있어서 제1 부재에 접촉하는 면인 제2 접촉면이, 캐비티 측벽에 에워싸여도 된다. 이와 같이 함으로써, 저변형 저항 부재의 변형을 캐비티 측벽에 의해 제한할 수 있다.

상기 기계 부품의 제조 방법에 있어서, 제1 부재 및 제2 부재를 가열하는 단계에서는, 금형을 고정하고, 고변형 저항 부재를 회전시켜도 된다. 이와 같이 함으로써, 상기 기계 부품의 제조 방법을 용이하게 실시할 수 있다.

상기 기계 부품의 제조 방법에 있어서, 제1 부재 및 제2 부재 중 변형 저항이 큰 쪽의 부재인 고변형 저항 부재에는 오목부가 형성되어 있어도 된다. 제1 부재 및 제2 부재를 가열하는 단계에서는, 상기 저변형 저항 부재를, 적어도 일부가 상기 오목부에 진입하는 상태에서 고변형 저항 부재에 상대적으로 가압하면서 회전시킴으로써, 제1 부재 및 제2 부재를 가열해도 된다.

이와 같이 함으로써, 고변형 저항 부재의 오목부 내에 있어서 저변형 저항 부재가 변형되어 오목부를 규정하는 벽면과 접촉한다. 저변형 저항 부재의 변형은 고변형 저항 부재의 오목부를 규정하는 벽면에 의해 제한된다. 그러므로, 제1 부재와 제2 부재와의 마찰에 의해 발생한 열이 오목부 내로부터 방출되는 것이 억제된다. 그 결과, 제1 부재 및 제2 부재를 가열하는 단계를 효율적으로 실시할 수 있다.

상기 기계 부품의 제조 방법에 있어서, 상기 고변형 저항 부재는, 상기 오목부를 규정하는 오목부 저벽과 상기 오목부를 규정하고, 오목부 저벽에 교차하는 방향으로 연장되는 오목부 측벽을 포함해도 된다. 제1 부재 및 제2 부재를 가열하는 단계에서는, 상기 고변형 저항 부재의 오목부 저벽에 상기 저변형 저항 부재가 상대적으로 가압되면서 회전해도 된다. 이와 같이 함으로써, 상기 기계 부품의 제조 방법을 용이하게 실시할 수 있다.

상기 기계 부품의 제조 방법에 있어서, 제1 부재 및 제2 부재를 가열하는 단계에서는, 상기 저변형 저항 부재가 변형됨으로써 상기 오목부 측벽에 접촉해도 된다. 이와 같이, 오목부 측벽이 저변형 저항 부재의 변형을 제한함으로써, 상기 기계 부품의 제조 방법을 용이하게 실시할 수 있다.

상기 기계 부품의 제조 방법에 있어서, 제1 부재와 제2 부재가 접합된 상태에서 상기 오목부 측벽이 제거되도록 상기 고변형 저항 부재가 가공되는 단계를 더 포함하고 있어도 된다. 이와 같이 함으로써, 고변형 저항 부재가 오목부 저벽에 있어서 저변형 저항 부재와 접합되어 형성되는 기계 부품을 얻을 수 있다.

상기 기계 부품의 제조 방법에 있어서, 제1 부재 및 제2 부재를 가열하는 단계에서는, 고변형 저항 부재를 고정시키고, 저변형 저항 부재를 회전시켜도 된다. 이와 같이 함으로써, 상기 기계 부품의 제조 방법을 용이하게 실시할 수 있다.

상기 기계 부품의 제조 방법은, 제1 부재와 제2 부재가 접합된 상태에서, 제1 부재 및 제2 부재를 가열하는 단계에서 저변형 저항 부재가 변형되어 형성된 버(burr)를 제거하는 단계를 더 포함하고 있어도 된다. 이와 같이 함으로써, 제1 부재와 제2 부재와의 접합에 있어서 형성되는 플래시(flash)가 제거된 기계 부품을 얻을 수 있다.

상기 기계 부품의 제조 방법에 있어서, 제1 부재 및 제2 부재를 가열하는 단계에서, 온도가 상승한 상태에서의 저변형 저항 부재의 변형 저항은 고변형 저항 부재의 변형 저항에 비해 10% 이상 작아도 된다. 이와 같이 함으로써, 제1 부재와 제2 부재와의 접합이 용이해진다.

이상의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 본 발명의 기계 부품 및 그 제조 방법에 의하면, 선팽창 계수가 상이한 부재끼리가 경납땜 재료를 사용하지 않고 접합된 기계 부품에 있어서, 접합면에 생기는 열응력에 의한 균열의 발생을 억제할 수 있다.

도 1은 실시형태 1의 기계 부품의 구조를 나타낸 개략 단면도(斷面圖)이다.
도 2는 기계 부품의 제조 방법의 개략을 나타낸 플로우차트이다.
도 3은 실시형태 1의 기계 부품의 제조 장치의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 4는 실시형태 1의 기계 부품의 제조 장치의 동작을 나타낸 개략 단면도이다.
도 5는 금형의 구조를 나타낸 개략 평면도이다.
도 6은 실시형태 2의 기계 부품의 구조를 나타낸 개략 단면도이다.
도 7은 실시형태 2의 기계 부품의 제조 장치의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 8은 실시형태 2의 기계 부품의 제조 장치의 동작을 나타낸 개략 단면도이다.
도 9는 실시형태 2의 기계 부품의 제조 방법을 설명하기 위한 개략 단면도이다.
도 10은 실시형태 2의 기계 부품의 제조 방법을 설명하기 위한 개략 단면도이다.
도 11은 기계 부품의 구조의 변형예를 나타낸 개략 단면도이다.
도 12는 기계 부품의 구조의 변형예를 나타낸 개략 단면도이다.
도 13은 접합면에 생긴 균열의 길이 및 수를 나타낸 도면이다(비교예).
도 14는 접합면에 생긴 균열의 길이 및 수를 나타낸 도면이다(실시예).

이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명한다. 그리고, 이하의 도면에 있어서 동일 또는 상당하는 부분에는 동일한 참조 번호를 부여하고, 그 설명은 반복하지 않는다.

(실시형태 1)

도 1은, 본 실시형태의 기계 부품의 구조를 나타낸 개략 단면도이다. 도 1을 참조하면, 기계 부품(1)은, 제1 금속으로 이루어지는 제1 영역(10)과 제2 금속으로 이루어지는 제2 영역(20)이 접합된 구조를 가지고 있다.

제1 영역(10)은, 원통형의 형상을 가지고 있다. 제2 영역(20)은 원통형(원반형)의 형상을 가지고 있다. 제1 영역(10)과 제2 영역(20)은, 접합면인 계면(5)에서 접합되어 있다. 제1 영역(10)은, 제1 선팽창 계수를 가지고 있다. 제2 영역(20)은, 제1 선팽창 계수보다 큰 제2 선팽창 계수를 가지고 있다.

제2 영역(20)은, 제1 영역(10)에 비해 변형 저항이 작다. 본 실시형태에 있어서, 제1 영역(10)을 구성하는 제1 금속으로서는, 예를 들면, 조질(調質; thermal refining)된[담금질(quenching) 처리 및 템퍼링(tempering) 처리된] 강(鋼)(예를 들면, JIS 규격 SCM440 등의 기계 구조용 합금강 또는 기계 구조용 탄소강)이 채용된다. 제2 영역(20)을 구성하는 제2 금속으로서는, 구리 합금[예를 들면, 고력 황동(high-strength brass]이 채용된다.

제1 영역(10) 및 제2 영역(20)은, 전술한 바와 같이, 축 대상인 원통 형상을 가지고 있다. 제1 영역(10) 및 제2 영역(20)의 중심축은, 기계 부품의 중심축(C)에 일치한다. 제1 영역(10) 및 제2 영역(20)은, 동축에 배치되어 있다. 제1 영역(10)의 직경은, 제2 영역(20)의 직경과 동일하다.

계면(5)은, 중심축(C)에 대하여 수직인 평탄면인 중앙부(5C)와 중심축(C)에 수직인 면에 대하여 제2 영역(20) 측으로 경사진 면인 경사부(5B)를 포함하고 있다. 계면(5)은, 계면(5)의 외주(5A)를 포함하도록 제2 영역(20) 측을 향해 경사지는 환형의 경사부(5B)를 포함하고 있다. 중앙부(5C)는, 원형의 평탄면이다. 경사부(5B)는, 중심축(C)에 일치하는 중심축을 가지는 정원뿔면(正圓錐面)이다. 경사부(5B)가 존재함으로써, 계면(5)의 외주(5A)를 포함하는 영역은, 전체 주위에 걸쳐, 제2 영역(20) 측을 향해 경사져 있다.

제2 영역(20)의 제1 영역(10) 측의 단부(端部)는, 제1 영역(10)을 향해 돌출하는 볼록형상을 가지고 있다. 제1 영역(10)의 제2 영역(20) 측의 단부는, 볼록형상을 가지는 제2 영역(20)의 단부에 대응하는 오목형상을 가지고 있다. 경사부(5B)의, 중심축(C)에 수직인 방향에서의 폭 W는, 계면(5)의 외주(5A)에 외접하는 원의 반경 R[제1 영역(10)의 반경 R]의 1/20 이상 1/10 이하이다. 중심축(C)에 수직인 면과 경사부(5B)가 이루는 각 θ은, 예를 들면, 5°이상 15°이하로 할 수 있다.

제1 영역(10)의 표면(외주면)에는, 계면(5)의 외주(5A)를 따라 연장되는 홈(19)이 형성되어 있다. 홈(19)은, 계면(5)의 외주(5A)를 따라 전체 주위에 걸쳐 연속하여 형성되어 있다. 홈(19)은, 계면(5)의 외주(5A)에 평행하게 연장된다.

홈(19)를 규정하는 벽면은, 곡면으로 구성되어 있다. 중심축(C)을 포함하는 단면(斷面)에 있어서, 홈(19)을 규정하는 벽면은, 원호형의 형상을 가지고 있다. 중심축(C)을 포함하는 단면에 있어서, 홈(19)을 규정하는 벽면은, 예를 들면, 반원형의 형상을 가지고 있다. 내벽의 반경은, 예를 들면, 0.5㎜ 이상 1.5㎜ 이하로 할 수 있고, 0.8㎜ 이상 1.2㎜ 이하로 해도 된다. 계면(5)의 외주(5A)와 홈(19)과의 거리는, 예를 들면, 0.2㎜ 이상 1.2㎜ 이하로 할 수 있고, 0.2㎜ 이상 0.8㎜ 이하, 또한 0.2㎜ 이상 0.5㎜ 이하로 해도 된다. 홈(19)의 형상 및 홈(19)이 형성되는 위치는, 예를 들면, 계면(5)의 외주(5A) 부근, 홈(19)의 바닥 부근 등의 열응력을 해석하여 결정할 수 있다.

이와 같은 기계 부품(1)은, 다음과 같은 본 실시형태에 있어서의 기계 부품의 제조 방법에 의해 제조할 수 있다.

도 2는, 기계 부품의 제조 방법의 개략을 나타낸 플로우차트이다. 도 3은, 기계 부품의 제조 장치의 구조를 나타낸 개략도이다. 도 4는, 기계 부품의 제조 장치의 동작을 나타낸 개략 단면도이다. 도 5는, 기계 부품의 제조 장치에 포함되는 금형의 구조를 나타낸 개략 평면도이다.

도 2를 참조하면, 본 실시형태에 있어서의 기계 부품(1)의 제조 방법에서는, 먼저 단계(S10)에서 성형 부재 준비 단계가 실시된다. 이 단계(S10)에서는, 도 4를 참조하면, 예를 들면, 조질 처리된 기계 구조용 합금강으로 이루어지는 원통 형상의 제1 부재(10)와, 고력 황동으로 이루어지는 원반형상의 제2 부재(20)가 준비된다. 단계(S10)에서는, 제1 선팽창 계수를 가지는 제1 부재(10)와, 제1 선팽창 계수보다 큰 제2 선팽창 계수를 가지는 제2 부재(20)가 준비된다. 제2 부재(20)의 변형 저항은 제1 부재(10)의 변형 저항에 비해 작다. 제2 부재(20)는 저변형 저항 부재이다. 제1 부재(10)는 고변형 저항 부재이다. 제1 부재(10)는, 기계 부품(1)의 제1 영역(10)이 되어야 할 부재이다. 제2 부재(20)는, 기계 부품(1)의 제2 영역(20)이 되어야 할 부재이다.

제1 부재(10)의 한쪽의 단면(端面)(11)은, 접합면으로 될 제1 접촉면이다. 제1 부재(10)의 외주면을 포함하도록, 경사부(10B)가 형성되어 있다. 경사부(10B)는, 제1 부재(10)의 중심축에 일치하는 중심축을 가지는 정원뿔면이다.

다음에, 단계(S20)에서 세정 단계가 실시된다. 이 단계(S20)에서는, 단계(S10)에 있어서 준비된 제1 부재(10) 및 제2 부재(20)가 세정된다. 제1 부재(10) 및 제2 부재(20)가, 메탄올, 에탄올, 아세톤 등의 액체를 사용하여 세정된다. 이로써, 제1 부재(10) 및 제2 부재(20)를 준비하기 위한 절단, 가공 등의 프로세스에 있어서 제1 부재(10) 및 제2 부재(20)에 부착된 이물질 등이 제거된다. 그리고, 본 실시형태의 기계 부품(1)의 제조 방법에서는, 제2 부재(20)의 단면에 대한 정밀한 마무리 가공(finish work)은 생략할 수 있다. 제2 부재(20)의 단면은 절단인 채의 상태라도 된다.

다음에, 도 2를 참조하면, 폐색(閉塞) 마찰 접합 단계가 실시된다. 폐색 마찰 접합 단계는, 접합 준비 단계, 마찰 단계 및 냉각 단계를 포함하고 있다. 여기서, 폐색 마찰 접합을 실시함으로써 기계 부품(1)을 제조하는 기계 부품의 제조 장치에 대하여 설명한다.

도 3을 참조하면, 기계 부품의 제조 장치인 폐색 마찰 접합 장치(9)는, 축 α 주위로 회전 가능한 주축(主軸; spindle)(95)과, 주축(95)에 대하여 축 α방향으로 간격을 두고 배치된 기대부(base portion)(98)와, 주축(95)을 축 α방향으로 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 3을 참조하면, 프레임(90) 내에는, 축 α에 대하여 평행하게 연장되는 샤프트(90A)가 설치되어 있다. 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 α방향으로 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 제1 부재(10)와 제2 부재(20)를 접촉시킨 상태(도 4 상태)에 있어서, 캐비티(93A)를 규정하는 캐비티 측벽(93C)이, 제2 부재(20)에 있어서 제1 부재(10)에 접촉하는 면인 제2 접촉면으로서의 한쪽의 단면(21)의 외주를 에워싸도록, 회전측 척(chuck)(94) 및 금형(93)이 배치되어 있다. 도 4를 참조하면, 축 α방향에서의 캐비티 측벽(93C)의 높이는, 제2 부재(20)의 두께보다도 크다.

도 3을 참조하면, 주축(95)에는, 기대부(98)에 대향하도록 제1 부재(10)를 유지하는 제1 유지부로서의 회전측 척(94)이 설치되어 있다. 또한, 주축(95)에는,주축(95)을 축 α 주위로 회전 구동하는 주축 모터(95B)가 접속되어 있다. 또한, 주축(95)에는, 제1 부재(10)와 제2 부재(20)와의 접촉 하중을 검지하는 하중 센서(96)가 설치되어 있다. 이 하중 센서(96)는, 회전측 척(94)에 가해지는 제1 부재(10)와 제2 부재(20)와의 접촉의 반력(反力)의 크기로부터, 제1 부재(10)와 제2 부재(20)와의 접촉 하중을 검지한다. 하중 센서(96)는, 폐색 마찰 접합 장치(9)에 있어서 필수적인 구성은 아니지만, 이것을 설치함으로써, 제1 부재(10)와 제2 부재(20)와의 접촉 하중을 적절한 범위로 조정하는 것이 용이해진다.

기대부(98)에는, 회전측 척에 대향하도록 제2 부재(20)를 유지하는 제2 유지부로서의 금형(93)이 배치되어 있다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 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 유지부에 끼워넣어지고, 직경 방향 척면(chuck surface)(92B)에 의해 고정되어 있다. 금형(93)은, 도 5에 나타낸 바와 같이, 2개의 부품(99, 99)으로 분리할 수 있다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 금형(93)은, 원형의 평면인 캐비티 저벽(93B)과, 캐비티 저벽(93B)으로부터 캐비티 저벽(93B)에 교차하는 방향(수직인 방향)으로 연장되는 캐비티 측벽(93C)을 포함한다. 캐비티 저벽(93B) 및 캐비티 측벽(93C)은, 캐비티(93A)를 규정한다. 캐비티 측벽(93C)은, 원형의 형상을 가지는 캐비티 저벽(93B)의 외주에 접속되고, 캐비티 저벽(93B)과 같은 직경을 가지는 원통면 형상을 가지고 있다.

다음에, 폐색 마찰 접합 단계의 구체적인 수순을 설명한다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 단계(S30)에서 실시되는 접합 준비 단계에서는, 제1 부재(10)가 외주면에 있어서 회전측 척(94)에 유지된다. 제2 부재(20)가 금형(93)의 캐비티(93A) 내에 세팅된다. 제2 부재(20)의 한쪽의 단면(21)이, 캐비티 측벽(93C)에 에워싸인다.

캐비티(93A)를 규정하는 캐비티 저벽(93B)에 단면에 있어서 접촉하도록 제2 부재(20)가 배치된다. 제1 부재(10)의 한쪽의 단면(11)과 제2 부재(20)의 한쪽의 단면(21)이 대향하고, 또한 제1 부재(10) 및 제2 부재(20)의 중심축이 회전측 척의 회전축 α에 일치하도록, 제1 부재(10) 및 제2 부재(20)는 배치된다.

캐비티(93A) 내에는, 이형제(離型劑)가 도입된다. 이로써, 후술하는 단계(S40)에 있어서 캐비티(93A) 내에 이형제가 존재하는 상태로 제1 부재(10) 및 제2 부재(20)가 가열된다. 이 이형제의 도입(導入)은 필수적인 수순은 아니지만, 이형제를 도입함으로써, 후술하는 단계(S50)에 있어서 제1 부재(10)와 제2 부재(20)가 접합되어 구성되는 구조체를 금형(93)으로부터 분리해내는 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 회전하고, 또한 주축 이동 모터(90B)에 의해 구동되어 기대부(98)에 가까워진다. 이로써, 회전측 척(94)이 축 α 주위로 회전하면서, 금형(93)에 가까워진다.

제1 부재(10)는, 제2 부재(20)에 가압되면서, 제2 부재(20)에 대한 상대적인 위치 관계를 변경시키지 않고 회전축 α 주위로 상대적으로 회전한다. 제1 부재(10)와 제2 부재(20)와의 접촉부의 온도가 마찰열에 의해 상승한다. 이 마찰열에 의해, 제1 부재(10) 및 제2 부재(20)가 가열된다. 제2 부재(20)의 온도는, 예를 들면, 제2 부재(20)를 구성하는 제2 금속의 연화점(軟化点) 이상의 온도로서 융점 미만의 온도까지 상승한다.

전술한 바와 같이, 제2 부재(20)의 변형 저항은 제1 부재(10)의 변형 저항에 비해 작다. 가열된 제2 부재(20)는 연화(軟化)하여 변형되고, 금형(93)의 캐비티 측벽(93C)에 접촉한다. 이로써, 제2 부재(20)가 제1 부재(10)와 함께 회전하는 것이 억제되고, 또한 제2 부재(20)의 새로운 변형도 억제된다. 그러므로, 제1 부재(10)와 제2 부재(20)와의 마찰에 의해 새로운 열이 발생하고, 발생한 열이 캐비티(93A) 내로부터 방출되는 것이 억제된다.

가열된 제2 부재(20)는 연화하여 변형되고, 제1 부재(10)의 경사부(10B)에 접촉한다. 제1 부재(10)가 제2 부재(20)에 대하여 압입(押入)됨으로써, 제1 부재(10)의 경사부(10B)에 접촉하도록 제2 부재(20)가 변형된다.

다음에, 단계(S50)에서 냉각 단계가 실시된다. 이 단계(S50)에서는, 먼저 주축(95)의 회전수를 저하시켜, 정지시킨다. 그 후, 하중 센서(96)에 의해 검지되는 가압 하중을 저하시킨다. 이 사이, 제1 부재(10)와 제2 부재(20)는 서로 가압되는 상태를 유지하면서 냉각된다. 제1 부재(10) 및 제2 부재(20)는 서로 접촉된 상태로 냉각된다. 이로써, 제1 부재(10)와 제2 부재(20)가 직접 접합된다. 상기 단계(S40)에서는, 저변형 저항 부재인 제2 부재(20)가 변형됨으로써, 외주를 포함하는 영역이 전체 주위에 걸쳐 제2 부재(20) 측으로 경사지도록, 제1 부재(10)와 제2 부재(20)와의 계면이 형성된다.

가압 하중이 0로 된 후, 제1 부재(10)에 대응하는 제1 영역(10)과 제2 부재(20)에 대응하는 제2 영역(20)이 접합되어 구성되는 구조체인 기계 부품(1)이 폐색 마찰 접합 장치(9)로부터 인출된다(도 1 참조). 이상의 수순에 따라 폐색 마찰 접합 단계가 완료된다.

다음에, 단계(S60)에서, 기계 가공 단계가 실시된다. 이 단계(S60)에서는, 단계(S50)에 있어서 얻어진 기계 부품(1)에 대하여 기계 가공이 실시된다. 구체적으로는, 단계(S60)에서는, 단계(S40)에 있어서 제2 부재(20)가 변형되어 형성되는 플래시가 제거된다. 다음에 도 1을 참조하면, 제1 부재(10)와 제2 부재(20)가 접합되어 형성된 제1 부재(10)[제1 영역(10)]과 제2 부재(20)[제2 영역(20)]과의 계면(5)의 외주(5A)를 따라 연장되는 홈(19)이, 제1 부재(10)[제1 영역(10)]의 표면에 형성된다.

다음에, 단계(S70)에서 가스 연질화(軟窒化) 단계가 실시된다. 이 단계(S70)에서는, 단계(S60)에 있어서 기계 가공이 실시되어 얻어진 기계 부품(1)에 대하여 열처리로서 가스 연질화 처리가 실시된다. 구체적으로는, 암모니아 가스를 포함하는 분위기 중에서 제1 부재(10)[제1 영역(10)]를 구성하는 강의 A1 변태점(變態点) 미만의 온도로 가열되는 것에 의해, 제1 부재(10)[제1 영역(10)]의 표층부에 질화층이 형성된다. 이 때, 경사부(5B) 및 홈(19)의 존재에 의해, 계면(5)의 외주(5A) 부근에서의 균열의 발생이 억제된다. 그 후, 필요에 따라 마무리 처리가 실시되어 본 실시형태의 기계 부품(1)이 완성된다. 이상의 수순에 따라 본 실시형태의 기계 부품(1)을 제조할 수 있다.

(실시형태 2)

다음에, 본 발명의 다른 실시예인 실시형태 2에 대하여 설명한다. 도 6은, 실시형태 2의 기계 부품의 구조를 나타낸 개략 단면도이다. 도 6을 참조하면, 실시형태 2에서의 기계 부품(1)은, 실시형태 1의 경우와 마찬가지로, 제1 금속으로 이루어지는 제1 부재(10)와 제2 금속으로 이루어지는 제2 부재(20)가 접합된 구조를 가지고 있다. 그러나, 실시형태 2에 있어서는, 제1 금속으로 이루어지는 제1 부재(10)가 원반형의 형상을 가지고, 제2 부재(20)가 원통형의 형상을 가지고 있는 점에 있어서, 실시형태 1의 경우와는 상이하게 되어 있다. 제1 금속 및 제2 금속으로서는, 실시형태 1의 경우와 동일한 금속이 채용된다.

도 6을 참조하면, 제1 영역(10)과 제2 영역(20)은, 접합면인 계면(5)에서 접합되어 있다. 제1 영역(10)은, 제1 선팽창 계수를 가지고 있다. 제2 영역(20)은, 제1 선팽창 계수보다 큰 제2 선팽창 계수를 가지고 있다. 제1 영역(10)의 직경은, 제2 영역(20)의 직경과 동일하다.

제2 영역(20)은, 제1 영역(10)에 비해 변형 저항이 작다. 제1 영역(10) 및 제2 영역(20)은, 전술한 바와 같이, 축대칭의 형상인 원통 형상을 가지고 있다. 제1 영역(10) 및 제2 영역(20)의 중심축은, 기계 부품의 중심축(C)에 일치한다. 제1 영역(10) 및 제2 영역(20)은, 동축에 배치되어 있다.

계면(5)은, 중심축(C)에 대하여 수직인 평탄면인 중앙부(5C)와 중심축(C)에 수직인 면에 대하여 제2 영역(20) 측으로 경사진 면인 경사부(5B)를 포함하고 있다. 계면(5)은, 계면(5)의 외주(5A)를 포함하도록 제2 영역(20) 측을 향해 경사지는 환형의 경사부(5B)를 포함하고 있다. 중앙부(5C)는, 원형의 평탄면이다. 경사부(5B)는, 중심축(C)에 일치하는 중심축을 가지는 정원뿔면이다. 경사부(5B)가 존재함으로써, 계면(5)의 외주(5A)를 포함하는 영역은, 전체 주위에 걸쳐, 제2 영역(20) 측을 향해 경사져 있다.

제2 영역(20)의 제1 영역(10) 측의 단부는, 제1 영역(10)을 향해 돌출하는 볼록형상을 가지고 있다. 제1 영역(10)의 제2 영역(20) 측의 단부는, 볼록형상을 가지는 제2 영역(20)의 단부에 대응하는 오목형상을 가지고 있다. 경사부(5B)의, 중심축(C)에 수직인 방향에서의 폭 W는, 계면(5)의 외주(5A)에 외접하는 원의 반경 R[제1 영역(10)의 반경 R]의 1/20 이상 1/10 이하이다. 중심축(C)에 수직인 면과 경사부(5B)이 이루는 각 θ은, 예를 들면, 5°이상 15°이하로 할 수 있다.

제1 영역(10)의 표면(외주면)에는, 계면(5)의 외주(5A)를 따라 연장되는 홈(19)이 형성되어 있다. 홈(19)은, 계면(5)의 외주(5A)를 따라 전체 주위에 걸쳐 연속하여 형성되어 있다. 홈(19)은, 계면(5)의 외주(5A)에 평행하게 연장된다. 홈(19)의 형상은, 실시형태 1의 경우와 마찬가지이다.

이와 같은 기계 부품(1)은, 다음과 같은 본 실시형태에 있어서의 기계 부품의 제조 방법에 의해 제조할 수 있다. 본 실시형태의 기계 부품의 제조 방법은, 실시형태 1의 경우와 마찬가지로 폐색 마찰 접합을 사용한 제조 방법이다. 실시형태 1의 경우, 고변형 저항 부재인 제1 부재(10)를 회전시키고, 저변형 저항 부재인 제2 부재(20)를 금형(93) 내에 배치하여 폐색 마찰 접합이 실시된다. 실시형태 2에 있어서는, 저변형 저항 부재인 제2 부재(20)가 회전하고, 고변형 저항 부재인 제1 부재(10)가 고정된 상태로 폐색 마찰 접합이 실시된다. 실시형태 2에서의 기계 부품의 제조 방법은, 고변형 저항 부재인 제1 부재(10)를 회전시키는 것이 어려운 경우에 대응하는 제조 방법이다.

도 2는, 기계 부품의 제조 방법의 개략을 나타낸 플로우차트이다. 도 7은, 기계 부품의 제조 장치의 구조를 나타낸 개략도이다. 도 8은, 기계 부품의 제조 장치의 동작을 나타낸 개략 단면도이다. 도 9 및 도 10은, 기계 부품의 제조 방법을 설명하기 위한 개략 단면도이다.

도 2를 참조하면, 본 실시형태에 있어서의 기계 부품(1)의 제조 방법에서는, 먼저 단계(S10)에서 성형 부재 준비 단계가 실시된다. 이 단계(S10)에서는, 도 8을 참조하면, 예를 들면, 조질 처리된 기계 구조용 합금강으로 이루어지는 제1 부재(10)와 고력 황동으로 이루어지는 제2 부재(20)가 준비된다. 제2 부재(20)는, 원통형의 형상을 가지고 있다. 단계(S10)에서는, 제1 선팽창 계수를 가지는 제1 부재(10)와 제1 선팽창 계수보다 큰 제2 선팽창 계수를 가지는 제2 부재(20)가 준비된다. 제2 부재(20)의 변형 저항은 제1 부재(10)의 변형 저항에 비해 작다. 제2 부재(20)는 저변형 저항 부재이다. 제1 부재(10)는 고변형 저항 부재이다. 제1 부재(10)는, 기계 부품(1)의 제1 영역(10)이 될 부재이다. 제2 부재(20)는, 기계 부품(1)의 제2 영역(20)이 되어야 할 부재이다.

제1 부재(10)는 원통 형상(원반형상)을 가지고 있다. 제1 부재(10)는, 오목부(10A)를 가지고 있다. 오목부(10A)는, 제1 부재(10)의 중심축을 포함하도록 형성된다. 오목부(10A)는, 원통형의 형상을 가지고 있다. 제1 부재(10)의 중심축과 오목부(10A)의 중심축은 일치한다. 제1 부재(10)는, 오목부(10A)를 규정하는 오목부 저벽(13)과 오목부(10A)를 규정하고, 오목부 저벽(13)에 교차하는 방향으로 연장되는 오목부 측벽(12)을 포함한다.

오목부 저벽(13)은, 접합면으로 될 제1 접촉면이다. 오목부 저벽(13)의 외주를 포함하는 영역에는, 제1 부재(10)의 중심축에 수직인 면에 대하여 오목부(10A)의 입구로부터 가까운 쪽으로 경사지는 경사부(10B)가 형성되어 있다. 경사부(10B)는, 제1 부재(10)의 중심축에 일치하는 중심축을 가지는 정원뿔면이다. 경사부(10B)가 형성되므로, 오목부(10A)의 외주를 포함하는 영역에, 외주에 가까워짐에 따라 깊이가 서서히 작아지게 되는 영역이 존재한다. 오목부 저벽(13)은, 오목부(10A)의 입구측과는 반대향하여 돌출하는 볼록형상을 가지고 있다. 오목부 저벽(13)은, 외주를 포함하도록 배치되는 경사부(10B)와 경사부(10B)에 에워싸이고, 제1 부재(10)의 중심축에 수직인 원형의 평면인 중앙부(10C)를 포함하고 있다. 제2 부재(20)의 한쪽의 단면(21)은, 제1 부재(10)에 접합될 제2 부재 접촉면으로 되어 있다.

다음에, 단계(S20)에서 세정 단계가 실시된다. 이 단계(S20)은, 상기 실시형태 1과 마찬가지로 실시된다. 그리고, 본 실시형태의 기계 부품(1)의 제조 방법에서는, 제2 부재(20)의 한쪽의 단면(21)에 대한 정밀한 마무리 가공은 생략할 수 있다. 제2 부재(20)의 한쪽의 단면(21)은 절단인 채의 상태라도 된다.

다음에, 도 2를 참조하면, 폐색 마찰 접합 단계가 실시된다. 폐색 마찰 접합 단계는, 접합 준비 단계, 마찰 단계 및 냉각 단계를 포함하고 있다. 여기서, 폐색 마찰 접합을 실시함으로써 기계 부품(1)을 제조하는 기계 부품의 제조 장치에 대하여 설명한다.

도 7을 참조하면, 실시형태 2에서의 기계 부품의 제조 장치인 폐색 마찰 접합 장치(9)는, 기본적으로는 실시형태 1의 경우와 동일한 구조를 가지고, 마찬가지로 동작한다. 이하, 실시형태 1의 경우와 상위한 점에 대하여 설명한다.

주축(95)에는, 기대부(98)에 대향하도록 제2 부재(20)를 유지하는 회전측 척(94)이 설치되어 있다. 기대부(98)에는, 회전측 척(94)에 대향하도록 제1 부재(10)를 유지하는 고정측 척(92C)이 배치되어 있다. 도 7 및 도 8을 참조하면, 기대부(98)는, 베이스체(91)와 고정측 척(92C)을 포함하고 있다. 고정측 척(92C)은, 베이스체(91) 상에 고정되어 있다. 고정측 척(92C)은, 제1 부재(10)를 축 방향으로 유지하는 바닥면(92A)과 제1 부재(10)를 직경 방향으로 유지하는 직경 방향 척면(92B)을 포함하고 있다.

다음에, 폐색 마찰 접합 단계의 구체적인 수순을 설명한다. 도 7을 참조하면, 단계(S30)에서 실시되는 접합 준비 단계에서는, 제2 부재(20)가 외주면에 있어서 회전측 척(94)에 유지된다. 또한, 제1 부재(10)가 외주면에 있어서 고정측 척(92C)에 유지된다.

제1 부재(10)의 오목부 저벽(13)과 제2 부재(20)의 한쪽의 단면(21)이 대향하고, 또한 제1 부재(10) 및 제2 부재(20)의 중심축이 회전측 척(94)의 회전축 α에 일치하도록, 제1 부재(10) 및 제2 부재(20)는 배치된다.

다음에, 단계(S40)에서 마찰 단계가 실시된다. 이 단계(S40)에서는, 주축(95)이 주축 모터(95B)에 의해 구동되어 축 α 주위로 회전하고, 또한 주축 이동 모터(90B)에 의해 구동되어 기대부(98)에 가까워진다. 이로써, 회전측 척(94)이 축 α 주위로 회전하면서, 고정측 척(92C)에 가까워진다.

그리고, 도 8에 나타낸 바와 같이, 제2 부재(20)는, 적어도 일부[한쪽의 단면(21)을 포함하는 영역]가 오목부(10A)에 진입하는 상태에서 제1 부재(10)에 대한 상대적인 위치를 변경시키지 않고, 제1 부재(10)에 대하여 소정의 하중에 의해 가압되면서 상대적으로 회전한다. 제1 부재(10)의 오목부 저벽(13)에 대하여 제2 부재(20)가 상대적으로 가압되면서 회전한다. 이로써, 제1 부재(10) 및 제2 부재(20)의 온도가 마찰열에 의해 상승한다.

회전의 개시 시점에서, 제2 부재(20)의 외주면(22)과 제1 부재(10)의 오목부 측벽(12)과의 사이에는 간극이 형성된다. 회전의 개시 시점에서, 제2 부재(20)의 외주면(22)과 제1 부재(10)의 오목부 측벽(12)은 접촉되지 않는다. 회전의 개시 시점에서, 제2 부재(20)의 한쪽의 단면(21)과 오목부 저벽(13)의 중앙부(10C)와의 사이에는 간극이 형성된다. 회전의 개시 시점에서, 제2 부재(20)의 한쪽의 단면(21)과 오목부 저벽(13)의 중앙부(10C)는 접촉하지 않는다. 상기 회전이 유지되면, 제1 부재(10) 및 제2 부재(20)가 마찰에 의해 발생한 열에 의해 가열된다.

전술한 바와 같이, 저변형 저항 부재인 제2 부재(20)의 변형 저항은 제1 부재(10)의 변형 저항에 비해 작다. 도 9를 참조하면, 가열된 제2 부재(20)는 연화하여 변형되고, 오목부 측벽(12)에 접촉한다. 제2 부재(20)의 변형은 제1 부재(10)의 오목부(10A)를 규정하는 벽면[오목부 저벽(13) 및 오목부 측벽(12)]에 의해 제한된다. 그러므로, 마찰에 의해 발생한 열이 오목부(10A) 내로부터 방출되는 것이 억제된다. 가열된 제2 부재(20)는 연화하여 변형되고, 중앙부(10C)에 접촉한다. 오목부(10A)는, 연화한 제2 부재(20)에 의해 충전된다. 제2 부재(20)가 변형됨으로써, 플래시(29)가 형성된다.

다음에, 단계(S50)에서 냉각 단계가 실시된다. 이 단계(S50)에서는, 먼저 주축(95)의 회전수를 저하시켜, 정지시킨다. 그 후, 하중 센서(96)에 의해 검지되는 가압 하중을 저하시킨다. 이 사이, 제1 부재(10)와 제2 부재(20)는 서로 가압되는 상태를 유지하면서, 냉각된다. 제1 부재(10) 및 제2 부재(20)는 서로 접촉된 상태로 냉각된다. 이로써, 제1 부재(10)와 제2 부재(20)가 직접 접합된다. 상기 단계(S40)에서는, 저변형 저항 부재인 제2 부재(20)가 변형됨으로써, 외주를 포함하는 영역이 전체 주위에 걸쳐 제2 부재(20) 측으로 경사지도록, 제1 부재(10)와 제2 부재(20)와의 계면이 형성된다.

가압 하중이 0로 된 후, 제1 부재(10)와 제2 부재(20)가 접합되어 구성되는 구조체인 기계 부품(1)이 폐색 마찰 접합 장치(9)로부터 인출된다(도 10 참조). 이상의 수순에 따라 폐색 마찰 접합 단계가 완료된다.

다음에, 단계(S60)에서, 기계 가공 단계가 실시된다. 이 단계(S60)에서는, 단계(S50)에 있어서 얻어진 기계 부품(1)에 대하여 기계 가공이 실시된다. 구체적으로는, 도 10을 참조하면, 단계(S60)에서는, 제1 부재(10)와 제2 부재(20)가 접합된 상태에서 오목부 측벽(12)이 제거되도록 제1 부재(10)가 가공된다. 파선(破線) a을 따라 제1 부재(10) 및 제2 부재(20)가 절삭 가공되는 것에 의해, 오목부 측벽(12)을 포함하는 외주 영역 및 플래시(29)가 제거된다. 오목부 측벽(12)을 포함하는 외주 영역의 제거와 플래시(29)의 제거와는 연속하여 한 단계로서 실시되어도 되고, 구별 단계로서 시간을 두고 실시되어도 된다.

다음에, 도 6을 참조하면, 제1 부재(10)와 제2 부재(20)가 접합되어 형성된 제1 부재(10)[제1 영역(10)]와 제2 부재(20)[제2 영역(20)]와의 계면(5)의 외주(5A)를 따라 연장되는 홈(19)이, 제1 부재(10)[제1 영역(10)]의 표면에 형성된다.

다음에, 단계(S70)에서 가스 연질화 단계가 실시된다. 이 단계(S70)에서는, 단계(S60)에 있어서 기계 가공이 실시되어 얻어진 기계 부품(1)에 대하여 열처리로서 가스 연질화 처리가 실시된다. 구체적으로는, 암모니아 가스를 포함하는 분위기 중에서 제1 부재(10)[제1 영역(10)]를 구성하는 강의 A1 변태점 미만의 온도로 가열되는 것에 의해, 제1 부재(10)[제1 영역(10)]의 표층부에 질화층이 형성된다. 이 때, 경사부(5B) 및 홈(19)의 존재에 의해, 계면(5)의 외주(5A) 부근에서의 균열의 발생이 억제된다. 그 후, 필요에 따라 마무리 처리가 실시되어 본 실시형태의 기계 부품(1)이 완성된다. 이상의 수순에 따라 본 실시형태의 기계 부품(1)을 제조할 수 있다.

그리고, 상기 실시형태 1 및 실시형태 2의 단계(S40)에 있어서, 온도가 상승한 상태에서의 제2 부재(20)(저변형 저항 부재)의 변형 저항은 제1 부재(10)(고변형 저항 부재)의 변형 저항에 비해 10% 이상 작은 것이 바람직하고, 50% 이상 작은 것이 더욱 바람직하고, 80% 이상 작은 것이 가장 바람직하다. 전술한 바와 같이, 제1 부재(10)(고변형 저항 부재)에 비해 제2 부재(20)(저변형 저항 부재)의 변형 저항이 작을 경우, 본 실시형태와 같이 제1 부재(10)와 제2 부재(20)를 접합할 수 있다. 그러나, 제1 부재(10)의 변형 저항과 제2 부재(20)의 변형 저항과의 차이가 작을 경우, 단계(S40)에 있어서 제2 부재(20)만 아니라 제1 부재(10)도 변형될 우려가 있다.

이와 같은 경우, 제1 부재(10)와 제2 부재(20)를 양호하게 접합하는 것이 어려워진다. 단계(S40)에 있어서 제1 부재(10) 및 제2 부재(20)의 온도를 엄밀하게 관리할 필요가 생긴다. 단계(S40)에 있어서, 온도가 상승한 상태에서의 제2 금속의 변형 저항을 제1 금속의 변형 저항에 비해 10% 이상 작게 설정함으로써, 양호한 접합을 달성하는 것이 용이해지고, 50% 이상 작게 설정하는 것, 또한 80% 이상 작게 설정함으로써, 양호한 접합을 달성하는 것이 한층 용이해진다.

상기 실시형태 1 및 실시형태 2에 있어서는, 제1 부재(10)가 고변형 저항 부재이며, 제2 부재(20)가 저변형 저항 부재인 경우를 예로 들어, 기계 부품(1)의 제조 방법을 설명하였다. 제1 부재(10)가 저변형 저항 부재이며, 제2 부재(20)가 고변형 저항 부재인 경우라도, 폐색 마찰 접합에 있어서 대향하는 제1 부재(10) 및 제2 부재(20)의 면(접합면)의 형상을, 선팽창 계수를 고려한 적절한 형상으로 함으로써, 폐색 마찰 접합을 사용한 제조 방법에 의해 기계 부품(1)을 제조할 수 있다.

본 발명의 기계 부품의 제1 영역과 제2 영역과의 계면의 형상은, 상기 실시형태에 있어서 예시된 것에 한정되지 않는다. 제1 영역과 제2 영역과의 계면의 외주를 포함하는 영역이, 전체 주위에 걸쳐 제2 영역 측을 향해 경사지는 각종 계면의 형상을 채용할 수 있다. 도 11에 나타낸 제1 변형예와 같이, 계면(5)은, 중심축(C) 상에 위치하는 정상점(頂点)을 가지는 원뿔면(圓錐面) 형상을 가지고 있어도 된다. 제1 변형예에 있어서는, 중심축(C)에 대하여 수직인 평면인 중앙부는 존재하지 않고, 계면(5)의 전역(全域)이 경사부로 되어 있다. 또한, 도 12에 나타낸 제2 변형예와 같이, 계면(5)은, 중심축(C) 상에 중심을 가지는 구면(球面) 형상을 가지고 있어도 된다. 계면(5)은, 제2 변형예와 같이, 곡면이라도 된다.

실시예

(실시예 1)

도 1에 나타낸 상기 실시형태 1의 기계 부품(1)을 상정하여(실시예 A), 계면(5)의 외주(5A) 부근에 생기는 열응력의 크기를 FEM(Finite Element Method)에 의해 해석했다. 중심축(C)에 수직인 면과 경사부(5B)가 이루는 각 θ은 10°로 하였다. 경사부(5B)의 폭 W는, 1㎜로 하였다. 제1 영역(10)을 구성하는 재료로서는, 강(기계 구조용 합금강)인 JIS 규격 SCM440(담금질 및 템퍼링 처리된)을 채용하였다. 제2 영역(20)을 구성하는 재료로서는, 고력 황동을 채용하였다. 기계 부품(1)에, 60℃ 내지 570℃로 가열하고, 그 후 60℃까지 냉각시키는 열처리가 부여된 경우의 열응력을 해석했다. 선팽창 계수는 온도에 의하지 않고 일정하고, 소성(塑性) 변형은 발생하지 않는다는 조건 하에서 해석을 행하였다.

비교를 위해, 계면(5)이 경사부(5B)를 가지지 않는 것, 즉 계면(5)이 전역에 걸쳐서 중심축(C)에 수직인 면인 것(비교예 A), 및 경사부(5B)가 제1 영역(10) 측에, 중심축(C)에 수직인 면과 경사부(5B)가 이루는 각이 10°로 되도록 경사져 있는 것(비교예 B)에 대하여도, 마찬가지로 해석을 행하였다. 해석의 결과 얻어진 계면(5)의 외주(5A) 부근의 열응력의 최대값을 표 1에 나타낸다

[표 1]

표 1을 참조하면, 비교예 B와 같이 본 발명의 경우와는 반대측으로 경사지는 경사부를 가지는 경우, 열응력은 비교예 A에 비해 크게 되어 있다. 한편, 본 발명의 실시예인 실시예 A의 경우, 경사부를 가지지 않는 비교예 A에 비해 1/2 정도로까지 열응력이 저감되어 있다. 또한, 실시예 A에서는, 열응력이, 비교예 A의 경우와 비교하여 계면의 내주측의 영역 및 제1 영역 측의 외주면으로, 보다 넓은 범위로 분산되는 것이 FEM에 의한 해석에 의해 명백해졌다. 이상의 해석 결과로부터, 제1 영역과 제2 영역과의 계면의 외주를 포함하는 영역을 전체 주위에 걸쳐 제2 영역 측을 향해 경사지도록 형성함으로써, 열응력을 분산시켜, 열응력의 최대값을 저감할 수 있는 것이 확인된다.

(실시예 2)

도 1에 나타낸 상기 실시형태 1의 기계 부품(1)을, 상기 실시형태 1의 단계(S10)∼(S70)를 행함으로써 10개 제작하고(실시예 B), 얻어진 기계 부품(1)의 계면(5)의 외주(5A) 부근에 형성되는 균열의 길이 및 수를 확인하는 실험을 행하였다. 중심축(C)에 수직인 면과 경사부(5B)이 이루는 각 θ은 10°로 하였다. 경사부(5B)의 폭 W는, 1㎜로 하였다. 제1 영역(10)을 구성하는 재료로서는, 강(기계 구조용 합금강)인 JIS 규격 SCM440(담금질 및 템퍼링 처리된)을 채용하였다. 제2 영역(20)을 구성하는 재료로서는, 고력 황동을 채용하였다. 비교를 위해, 실시예 B와 마찬가지의 구조에 있어서, 계면(5)이 경사부(5B)를 가지지 않는 것, 즉 계면(5)이 전역에 걸쳐서 중심축(C)에 수직인 면인 것(비교예 C)을 동일한 수순으로 10개 제작하고, 마찬가지로 균열의 길이 및 수를 확인하였다.

도 13은, 비교예 C에 관찰된 균열의 길이 및 수를 나타낸 도면이다. 도 14는, 실시예 B에 관찰된 균열의 길이 및 수를 나타낸 도면이다. 도 13 및 도 14의 가로축에 기재된 No1∼No10은, 제작된 10개의 샘플에 대응한다. 도 13 및 도 14의 세로축은, 균열의 길이를 나타낸다. 각 샘플에 1개의 균열이 관찰된 경우에는 1개의 봉, 2개의 균열이 관찰되었을 경우, 1개소째 및 2개소째에 대응하는 2개의 봉, 3개의 균열이 관찰되었을 경우, 1개소째, 2개소째 및 3개소째에 대응하는 3개의 봉으로, 균열의 길이가 표현되어 있다.

도 13 및 도 14를 참조하면, 본 발명의 실시예인 실시예 B의 기계 부품에 의하면, 본 발명의 범위 밖인 비교예 C의 경우와 비교하여, 균열의 길이 및 수를 명확하게 저감할 수 있는 것이 확인된다. 실시예 B에 있어서는, 10개의 샘플 중, 8개의 샘플에서, 균열이 확인되어 있지 않다. 이상의 실험 결과로부터, 본 발명의 기계 부품에 의하면, 선팽창 계수가 상이한 부재끼리가 경납땜 재료를 사용하지 않고 접합된 기계 부품에 있어서, 접합면에 생기는 열응력에 의한 균열의 발생을 억제할 수 있는 것이 확인된다.

그리고, 상기 실시형태 및 실시예에 있어서는, 제1 영역(부재)을 구성하는 재료(제1 금속)로서 강을 채용하고, 제2 영역(부재)을 구성하는 재료(제2 금속)로서 황동(黃動)을 채용하는 경우에 대하여 예시하였으나, 본 발명에 있어서 채용 가능한 재료는 이들에 한정되지 않는다. 채용 가능한 금속의 조합의 일례를 표 2에 나타낸다

[표 2]

표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 기계 부품 및 그 제조 방법에 있어서는, 제1 금속으로 이루어지는 제1 영역(부재), 및 제1 금속에 비해 선팽창 계수가 큰 제2 금속으로 이루어지는 제2 영역(부재)의 각종 조합을 채용 가능하다.

이번 개시된 실시형태 및 실시예는 모든 점에서 예시로서, 제한적인 것이 아니라고 이해할 수 있을 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.

[산업 상의 이용 가능성]

본 발명의 기계 부품 및 그 제조 방법은, 선팽창 계수가 상이한 영역끼리가 서로 직접 접합된 구조를 가지는 기계 부품 및 그 제조에, 특히 유리하게 적용될 수 있다.

1: 기계 부품, 5: 계면, 5A: 외주, 5B: 경사부, 5C: 중앙부, 9: 폐색 마찰 접합 장치, 10: 제1 영역(제1 부재, 10A: 오목부, 10B: 경사부, 10C: 중앙부, 11: 단면, 12: 오목부 측벽, 13: 오목부 저벽, 19: 홈, 20: 제2 영역(제2 부재), 21: 단면, 22: 외주면, 29: 플래시, 90: 프레임, 90A: 샤프트, 90B: 주축 이동 모터, 90C: 주축 지지부, 91: 베이스체, 92: 금형 홀더, 92A: 바닥면, 92B: 직경 방향 척면, 92C: 고정측 척, 93: 금형, 93A: 캐비티, 93B: 캐비티 저벽, 93C: 캐비티 측벽, 94: 회전측 척, 95: 주축, 95B: 주축 모터, 96: 하중: 센서, 97: 구동부, 98: 기대부, 99: 부품.

Claims

제1 선팽창 계수(係數)를 가지는 제1 영역; 및
상기 제1 선팽창 계수보다 큰 제2 선팽창 계수를 가지고, 상기 제1 영역에 접합된 제2 영역;
을 포함하고,
상기 제1 영역과 상기 제2 영역과의 계면의 외주(外周)를 포함하는 영역은, 전체 주위에 걸쳐, 상기 제2 영역 측을 향해 경사져 있고,
상기 제1 영역의 표면에는, 상기 계면의 외주를 따라 연장되는 홈이 형성되어 있는,
기계 부품.
제1항에 있어서,
상기 홈은, 상기 계면의 외주를 따라 전체 주위에 걸쳐 연속하여 형성되어 있는, 기계 부품.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 계면은, 상기 계면의 외주를 포함하도록 상기 제2 영역 측을 향해 경사지는 환형(環形)의 경사부를 가지는, 기계 부품.
제3항에 있어서,
상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은 축 대상인 형상(axisymmetric shape)을 가지고, 또한 동축(同軸)에 배치되고,
상기 경사부의, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역의 축 방향에 수직인 방향에서의 폭은, 상기 계면의 외주에 외접(外接)하는 원의 반경의 1/20 이상 1/10 이하인, 기계 부품.
제1 선팽창 계수를 구비하는 제1 부재와, 상기 제1 선팽창 계수보다 큰 제2 선팽창 계수를 구비하는 제2 부재를 준비하는 단계;
상기 제1 부재와 상기 제2 부재를 접합하는 단계; 및
상기 제1 부재와 상기 제2 부재가 접합되어 형성된 상기 제1 부재와 상기 제2 부재와의 계면의 외주를 따라 연장되는 홈을 상기 제1 부재의 표면에 형성하는 단계;
를 포함하고,
상기 제1 부재와 상기 제2 부재를 접합하는 단계는,
상기 제1 부재와 상기 제2 부재를 서로 가압하고, 상기 제1 부재 및 상기 제2 부재를 상대적인 위치 관계를 변경시키지 않고 회전축 주위로 상대적으로 회전시킴으로써, 상기 제1 부재 및 상기 제2 부재를 가열하는 단계;
가열된 상기 제1 부재와 상기 제2 부재를 서로 가압한 상태에서 냉각시키는 단계;를 포함하고,
상기 제1 부재와 상기 제2 부재를 접합하는 단계에서는, 상기 제1 부재 및 상기 제2 부재를 가열하는 단계에서, 상기 제1 부재 및 상기 제2 부재 중 변형 저항이 작은 쪽의 부재인 저변형 저항 부재가 변형됨으로써, 외주를 포함하는 영역이 전체 주위에 걸쳐 상기 제2 부재측으로 경사지도록, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재와의 상기 계면이 형성되는,
기계 부품의 제조 방법.
제5항에 있어서,
상기 제1 부재에 상기 홈이 형성된 후, 상기 제1 부재 및 상기 제2 부재를 열처리하는 단계를 더 포함하는 기계 부품의 제조 방법.
제5항 또는 제6항에 있어서,
상기 제1 부재 및 상기 제2 부재를 가열하는 단계에서는, 금형의 캐비티(cavity) 내에 상기 저변형 저항 부재가 배치되는, 기계 부품의 제조 방법.
제7항에 있어서,
상기 금형은,
상기 캐비티를 규정하는 캐비티 저벽; 및
상기 캐비티를 규정하고, 상기 캐비티 저벽에 교차하는 방향으로 연장되는 캐비티 측벽;을 구비하는, 기계 부품의 제조 방법.
제8항에 있어서,
상기 제1 부재 및 상기 제2 부재를 가열하는 단계에서는, 상기 제2 부재에 있어서 상기 제1 부재에 접촉하는 면인 제2 접촉면이, 상기 캐비티 측벽에 에워싸이는, 기계 부품의 제조 방법.
제5항 또는 제6항에 있어서,
상기 제1 부재 및 상기 제2 부재 중 변형 저항이 큰 쪽의 부재인 고변형 저항 부재에는 오목부가 형성되어 있고,
상기 제1 부재 및 상기 제2 부재를 가열하는 단계에서는, 상기 저변형 저항 부재를, 적어도 일부가 상기 오목부에 진입하는 상태에서 상기 고변형 저항 부재에 상대적으로 가압하면서 회전시킴으로써, 상기 제1 부재 및 상기 제2 부재를 가열하는, 기계 부품의 제조 방법.
제10항에 있어서,
상기 고변형 저항 부재는,
상기 오목부를 규정하는 오목부 저벽; 및
상기 오목부를 규정하고, 상기 오목부 저벽에 교차하는 방향으로 연장되는 오목부 측벽;을 구비하고,
상기 제1 부재 및 상기 제2 부재를 가열하는 단계에서는, 상기 고변형 저항 부재의 상기 오목부 저벽에 상기 저변형 저항 부재가 상대적으로 가압되면서 회전하는, 기계 부품의 제조 방법.
제10항 또는 제11항에 있어서,
상기 제1 부재 및 상기 제2 부재를 가열하는 단계에서는, 상기 저변형 저항 부재가 변형됨으로써 상기 오목부 측벽에 접촉하는, 기계 부품의 제조 방법.
제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 부재와 상기 제2 부재가 접합된 상태에서 상기 오목부 측벽이 제거되도록 상기 고변형 저항 부재가 가공되는 단계를 더 포함하는 기계 부품의 제조 방법.