WO2015071959A1 - 金属部材結合構造 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a metal member bonding structure using plastic flow bonding.
- the present invention provides a metal member coupling structure for coupling a metal first member having a hardness difference and a metal second member, wherein the shaft end of the first member is Insert the shaft hole having a step portion provided in the second member into contact with the step portion by a gap fit, press the shaft end of the first member against the step portion, the first member, or the The first member and the second member are coupled by increasing the frictional force between the shaft hole and the shaft end by plastically flowing a member having low hardness among the second members in the shaft hole.
- the present invention provides the metal member coupling structure, wherein the shaft end of the first member is inserted into the shaft hole of the second member having a hardness higher than that of the first member, and a part of the shaft end is It is characterized by plastic flow in the shaft hole.
- the protruding portion inserted into the small diameter portion of the shaft hole when the shaft end is brought into contact with the stepped portion of the second member is a shaft of the first member.
- the shaft end of the first member is pressed against the step portion of the second member whose hardness is lower than that of the first member, and a part of the step portion is plastically flowed within the small diameter portion of the shaft hole. It is characterized by that.
- the width of the step provided in the second member is 3% to 20% of the diameter of the shaft end of the first member.
- a clearance dimension between the shaft hole of the second member and the shaft end of the first member is 0.1% to 5% with respect to the diameter of the shaft hole. It is characterized by a gap.
- a hardness difference between the first member and the second member is 1 to 1.5 or more in terms of a Vickers hardness ratio.
- the shaft end of the first member is inserted into the shaft hole of the second member by a clearance fit, the shaft end of the first member is pressed against the step provided in the shaft hole of the second member,
- the first member and the second member are coupled to each other by increasing the frictional force between the shaft hole and the shaft end by plastically flowing one member or the second member of the second member in the shaft hole.
- the member can be inserted and coupled in a state of being accurately positioned with respect to the second member, and the first member and the second member can be coupled with high strength.
- FIG. 1 A is a figure which shows an example of the coupling
- B is an enlarged view of the principal part.
- A is a figure which shows another coupling
- B is an enlarged view of the principal part. It is a figure which shows the coupling efficiency with respect to a bonding surface pressure / equivalent tensile strength.
- FIG. 1 shows an example of a metal joint component 10 including a first member 11 and a second member 12 to which the metal member joint structure according to this embodiment can be applied.
- the shape of the 1st member 11 and the 2nd member 12 which were shown in drawing by this embodiment is only an example for demonstrating this embodiment, and the application member of this embodiment is not limited to these. Absent.
- the metal coupling part 10 is a shift lever for a manual transmission of an automobile.
- the metal coupling part 10 includes a lever as the first member 11 and a large sphere as the second member 12.
- a shift knob 13 is attached to the upper end of the first member 11.
- a shaft end (shaft end) 14 on the lower end side of the first member 11 is coupled to the second member 12.
- the metal coupling component 10 is configured to be operable in the shift direction around the second member 12 with the second member 12 held by the holding portion 16 of the retainer 15.
- the first member 11 is a metal lever shaft, and the whole is formed in an axial shape.
- the first member 11 includes a main body portion 17 and a shaft end portion 14 formed integrally with the main body portion 17.
- the first member 11 is made of structural steel, mechanical structural carbon steel, stainless steel, aluminum alloy, or the like.
- a diameter ⁇ ds of the shaft end portion 14 is formed smaller than the diameter dimension of the main body portion 17.
- the length L1 of the shaft end portion 14 is formed to a length sufficient to couple the shaft end portion 14 to the second member 12.
- the connecting portion 18 between the main body portion 17 and the shaft end portion 14 of the first member 11 is chamfered. The chamfering of the connecting portion 18 is formed so that the first member 11 does not interfere with the retainer 15 when the metal joint component 10 is operated with the retainer 15 held.
- the second member 12 is a metallic spherical member as shown in FIG.
- the second member 12 is made of a metal having higher hardness than the first member 11, such as carbon steel for mechanical structure, bearing steel, structural alloy steel, stainless steel, and the like.
- the first member 11 and the second member 12 are desirably members having a hardness difference of 1 to 1.5 or more in terms of Vickers hardness ratio.
- a shaft hole 20 having a diameter ⁇ dh is formed in the second member 12.
- the shaft hole 20 has a step portion 21 having a step width ⁇ .
- a large diameter portion 22 having a diameter ⁇ dh and a small diameter portion 23 having a diameter smaller than the large diameter portion 22 are formed in the shaft hole 20 by the step portion 21.
- the step part 21 is formed with respect to the depth of the shaft hole 20, it can change suitably.
- the step portion 21 is formed at a position where the depths of the large diameter portion 22 and the small diameter portion 23 of the shaft hole 20 are substantially the same as the radius r of the second member 12.
- FIG. 5 is an enlarged view of a main part of a range A surrounded by a broken line in FIG. 4, and is a view showing a coupling portion between the first member 11 and the second member 12.
- the first member 11 is configured such that the diameter ⁇ ds of the shaft end portion 14 can be inserted into the shaft hole 20 by a clearance fit.
- the gap ⁇ between the shaft end portion 14 and the shaft hole 20 when the shaft end portion 14 of the first member 11 is inserted into the shaft hole 20 is from 0.1% of the diameter ⁇ dh of the shaft hole 20. It is desirable that the gap is set to 5%. For example, when the diameter ⁇ dh of the shaft hole 20 is 10 mm, the gap ⁇ is preferably set between 0.01 mm and 0.5 mm.
- the shaft end portion 14 of the first member 11 can be inserted into the shaft hole 20 of the second member 12 by a clearance fit.
- the shaft end 14 a is moved to a position where the shaft end 14 a abuts the step portion 21 without applying a load to the first member 11.
- the end 14 can be inserted into the shaft hole 20. Therefore, it is possible to couple the first member 11 and the second member 12 as described below with the first member 11 positioned with high accuracy relative to the second member 12.
- the shaft end portion 14 of the first member 11 is inserted into the shaft hole 20 of the second member 12 until the shaft end 14a comes into contact with the stepped portion 21 by a clearance fit, and the first member 11 is axially directed downward.
- the step width ⁇ of the step portion 21 is a step width b of the step portion 21 where the shaft end 14a comes into contact with the gap ⁇ between the shaft end portion 14 and the shaft hole 20.
- a combined dimension ( ⁇ ⁇ + b).
- the load F is applied to the step width b portion of the step portion 21 where the shaft end 14a abuts.
- the second member 12 is formed of a metal having a hardness higher than that of the first member 11.
- the step portion 21 of the second member 12 is not plastically deformed even by a very high pressure applied to the contact portion between the step portion 21 and the shaft end 14 a, while the center of the shaft end portion 14 of the first member 11 is not deformed.
- the part flows in the axial direction, but the outer peripheral part plastically flows in the radial direction, and the gap ⁇ between the outer peripheral part of the shaft hole 20 and the shaft end part 14 is filled, and a higher pressure is generated between the two members.
- the load F applied to the first member 11 may be configured to be a predetermined value in advance, or may be configured to push the first member 11 into the second member 12 to a predetermined depth. Also good.
- FIG. 6 is a diagram illustrating the relationship between the coupling efficiency between the first member 11 and the second member 12 and the step width ratio, which is the ratio of the step width b of the step portion 21 to the diameter ⁇ ds of the shaft end portion 14.
- the coupling efficiency is the ratio of the pulling force to the coupling load F applied to press the shaft end portion 14 toward the stepped portion 21 in order to couple the first member 11 and the second member 12.
- the step width ratio which is the ratio of the step width b of the step portion 21 to the diameter ⁇ ds of the shaft end portion 14
- the shaft end portion 14 and the step portion 21 are elastically deformed sufficiently.
- the coupling efficiency between the first member 11 and the second member 12 is reduced without applying a significant coupling load.
- the step width ratio is about 1% to 2%, the coupling efficiency between the first member 11 and the second member 12 is improved, but the variation in the coupling strength between the first member 11 and the second member 12 is due to the metal coupling. Experiments have shown that it becomes larger between the parts 10. Further, when the step width ratio is 20% or more, even if the coupling load F that presses the shaft end 14a toward the stepped portion 21 is increased, not only the coupling portion between the first member 11 and the second member 12 but also the shaft As a result of plastic deformation of the entire end portion 14, it became clear that the coupling efficiency between the first member 11 and the second member 12 is lowered and the accuracy of the metal coupling component 10 is lowered.
- the coupling efficiency between the first member 11 and the second member 12 is such that the step width ratio, which is the ratio of the step width b of the step portion 21 to the diameter ⁇ ds of the shaft end portion 14, is about 2% to 20%. It became clear that it was desirable.
- the shaft end of the first member 11 until the shaft hole 20 having the step portion 21 provided in the second member 12 is brought into contact with the step portion 21 by a clearance fit.
- the portion 14 is inserted, the shaft end portion 14 of the first member 11 is pressed against the stepped portion 21, and the first member 11 (soft material) having a lower hardness than the second member 12 (hard material) is plasticized in the shaft hole 20.
- the first member 11 and the second member 12 were coupled by increasing the frictional force between the shaft hole 20 and the shaft end 14 by flowing.
- the first member 11 can be inserted up to a predetermined position into the shaft hole 20 of the second member 12 without applying a load to the first member 11, and the first member 11 can be inserted into the shaft hole 20 of the second member 12. In the process, the positional displacement between the first member 11 and the second member 12 does not occur, and the positioning can be performed with high accuracy.
- the first member 11 is moved in order to apply a load F for connecting the first member 11 and the second member 12.
- the first member 11 and the second member 12 can be coupled with each other in a short time, with less energy and more efficiently than when the load must be continuously applied from the process of inserting into the shaft hole 20 of the second member 12.
- the first member 11 and the second member 12 are joined by mechanical engagement, and high shear strength is secured in the axial direction.
- the metal material needs to be an axial member having a diameter that is at least the same as the outer diameter of the second member 12. is there.
- the metal joint component 10 is formed by joining the first member 11 and the second member 12 formed separately, so that the diameter D1 of the first member 11 is set to be equal to that of the second member 12. From the diameter D2, the material can be made smaller without wasting material, and the weight and cost of the metal joint component 10 can be reduced. Also, dissimilar material parts can be coupled with a simple structure.
- the shaft end portion 14 is made to be a step portion.
- the coupling efficiency which is the ratio of the pulling force to the coupling load F that is pressed toward 21, and to realize efficient and high-strength coupling.
- the dimension of the gap ⁇ between the shaft hole 20 of the second member 12 and the shaft end portion 14 of the first member 11 is set to 0.1% to 5% with respect to the diameter ⁇ dh of the shaft hole 20.
- the management of the dimensional tolerance between the shaft end portion 14 of the first member 11 and the shaft hole 20 of the second member 12 is simplified. Manufacturing efficiency can be improved.
- the shaft end portion 14 of the first member 11 can be inserted into the shaft hole 20 of the second member 12 by a clearance fit, and the shaft end portion 14 can be inserted into the shaft hole 20 without resistance. Efficiency can be improved.
- the shaft end portion 14 of the first member 11 is inserted into the shaft hole 20 of the second member 12.
- the shaft end portion 14 is plastically flowed between the shaft end portion 14 and the shaft hole 20 with a simple configuration in which the stepped portion 21 is pressed, so that the first member 11 and the second member 12 have high strength. Therefore, it is possible to efficiently perform the joining of different parts.
- a columnar protrusion 11 ⁇ / b> A is integrally formed at the end of the first member 11.
- the second member 12 is formed with a shaft hole 20 into which the first member 11 is fitted by a gap fit, and a small diameter portion 20A into which the columnar protrusion 11A is fitted by a gap fit.
- the 1st member 11 and the 2nd member 12 are shown typically, and each member is used as components of the shift lever for the manual transmission of a motor vehicle similarly to FIG.
- the first member 11 is a hard member
- the second member 12 is a soft member.
- the protrusion 11 ⁇ / b> A is inserted into the small diameter portion 20 ⁇ / b> A of the shaft hole 20 provided in the second member 12 by a clearance fit, a predetermined coupling load F is applied, and one step portion 21 of the second member 12 is provided.
- the first member 11 and the second member 12 are plastically flow-coupled by causing the portion to undergo plastic flow (arrow S) within the small-diameter portion 20A of the shaft hole 20.
- the first member 11 and the second member 12 and the protruding portion 11A and the shaft hole 20 are fitted by gap fitting, fitting before the application of the coupling load F is easy, and a simple configuration Thus, the dissimilar material parts can be efficiently combined.
- 7 to 9 show test examples. 7A and 7B, the shaft end portion 14 of the first member 11 is inserted into the shaft hole 20 having the stepped portion 21 provided in the second member 12, and a predetermined coupling load F is applied. As shown in FIG. 7B, the shaft end portion 14 was plastically flowed (arrow S), and the first member 11 and the second member 12 were plastically flow-coupled. The diameter of the shaft end 14 of the first member 11 was set to ⁇ 20 mm ⁇ 0.005 to ⁇ 0.020, and the diameter of the shaft hole 20 of the second member 12 was set to ⁇ 20 mm + 0.02 to 0.
- a protruding portion 11A is formed at the end of the first member 11, and this protruding portion 11A is inserted into the small diameter portion 20A of the shaft hole 20 provided in the second member 12, and a predetermined coupling load F is obtained.
- a part of the stepped portion 21 of the second member 12 is plastically flowed (arrow S) within the small diameter portion 20A of the shaft hole 20, and the first member 11 and the second member 12 as shown in FIG. 8B. And plastic flow bonding.
- the diameter of the protrusion 11A of the first member 11 was set to ⁇ 18.5 mm ⁇ 0.005 to ⁇ 0.020, and the hole diameter of the small diameter portion 20A of the second member 12 was set to ⁇ 20 mm + 0.02 to 0.
- First member 12 Second member 14 Shaft end (shaft end) 20 Shaft hole 21 Step portion 23 Small diameter portion b Step width ⁇ ds Diameter of shaft end ⁇ dh Diameter of shaft hole ⁇ Gap ⁇ Step width
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- Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract
高強度および高精度な結合を行うことができる金属部材結合構造を提供する。硬度差を有する金属製の第1部材(11)と金属製の第2部材(12)とを結合する金属部材結合構造であって、第1部材(11)の軸端部(14)を、第2部材(12)に設けた段部(21)を有する軸穴(20)に隙間嵌めにより段部(21)に当接するまで挿入し、第1部材(11)の軸端部(14)を段部(21)に押圧し、第1部材(11)、あるいは、第2部材(12)のうち硬度が低い部材を軸穴(20)内で塑性流動させることにより軸穴(20)と軸端部(14)間の摩擦力を増大させて第1部材(11)と第2部材(12)とを結合した。
Description
本発明は、塑性流動結合を利用した金属部材の結合構造に関する。
従来、金属で形成されたハウジングの穴部分に、軸状の金属部材を圧入して固定し、2つの金属部材を結合する方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、圧入により金属部材を結合する場合、ハウジングの穴部分の径寸法、及び、軸状の金属部材の径寸法を高精度にする必要があり、加工時に寸法公差を厳しく管理しなければならず、作業性が悪かった。また、軸状の金属部材を、ハウジングの穴部分に圧入する際には、所定の結合位置に達するまで、少なくとも一方の部材に大きな荷重を継続的にかける必要があり、圧入の過程で両部材間の相対的な位置の変動が避けられず、高精度な結合が困難であった。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、高強度および高精度な結合を行うことができる金属部材結合構造を提供することを目的とする。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、高強度および高精度な結合を行うことができる金属部材結合構造を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、硬度差を有する金属製の第1部材と金属製の第2部材とを結合する金属部材結合構造であって、前記第1部材の軸端を、前記第2部材に設けた段部を有する軸穴に隙間嵌めにより前記段部に当接するまで挿入し、前記第1部材の軸端を前記段部に押圧し、前記第1部材、あるいは、前記第2部材のうち硬度が低い部材を前記軸穴内で塑性流動させることにより前記軸穴と前記軸端間の摩擦力を増大させて前記第1部材と前記第2部材とを結合したことを特徴とする。
また、本発明は、上記金属部材結合構造において、前記第1部材の軸端を、前記第1部材よりも硬度が高い前記第2部材の軸穴に挿入し、前記軸端の一部を前記軸穴内で塑性流動させたことを特徴とする。
また、本発明は、上記金属部材結合構造において、前記第2部材の段部に前記軸端を当接させた際に前記軸穴の小径部に挿入される突出部を前記第1部材の軸端に設け、前記第1部材の軸端を前記第1部材よりも硬度が低い前記第2部材の段部に押圧し、前記段部の一部を前記軸穴の小径部内で塑性流動させたことを特徴とする。
また、本発明は、上記金属部材結合構造において、前記第2部材に設けた段部の幅を、前記第1部材の軸端の直径に対して3%~20%の幅としたことを特徴とする。
また、本発明は、上記金属部材結合構造において、前記第2部材の軸穴と前記第1部材の軸端との隙間寸法を、前記軸穴の直径に対して0.1%~5%の隙間としたことを特徴とする。
また、本発明は、上記金属部材結合構造において、前記第1部材と前記第2部材との硬度差をビッカース硬さ比で1対1.5以上としたことを特徴とする。
本発明によれば、第1部材の軸端を、第2部材の軸穴に隙間嵌めにより挿入し、第1部材の軸端を第2部材の軸穴に設けた段部に押圧し、第1部材、あるいは、第2部材のうち硬度が低い部材を軸穴内で塑性流動させることにより軸穴と軸端間の摩擦力を増大させて第1部材と第2部材とを結合したため、第1部材を、第2部材に対して高精度に位置決めした状態で挿入し結合することができるとともに、第1部材と第2部材とを高強度に結合することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図1は、本実施形態に係る金属部材結合構造が適用可能な第1部材11および第2部材12を備えた金属結合部品10の一例を示している。なお、本実施形態で図面に示した第1部材11および第2部材12の形状は、本実施形態を説明するための一例にすぎず、本実施形態の適用部材はこれらに限定されるものではない。
図1に示すように、本実施形態では、金属結合部品10は、自動車のマニュアルトランスミッション用のシフトレバーである構成を例に説明する。金属結合部品10は、第1部材11としてのレバーと、第2部材12としての大球部とを備えている。第1部材11の上端には、シフトノブ13が取り付けられている。また、第1部材11の下端側の軸端部(軸端)14は、第2部材12に結合されている。金属結合部品10は、第2部材12がリテーナ15の保持部16に保持された状態で、第2部材12を中心としてシフト方向に操作可能に構成されている。
図1は、本実施形態に係る金属部材結合構造が適用可能な第1部材11および第2部材12を備えた金属結合部品10の一例を示している。なお、本実施形態で図面に示した第1部材11および第2部材12の形状は、本実施形態を説明するための一例にすぎず、本実施形態の適用部材はこれらに限定されるものではない。
図1に示すように、本実施形態では、金属結合部品10は、自動車のマニュアルトランスミッション用のシフトレバーである構成を例に説明する。金属結合部品10は、第1部材11としてのレバーと、第2部材12としての大球部とを備えている。第1部材11の上端には、シフトノブ13が取り付けられている。また、第1部材11の下端側の軸端部(軸端)14は、第2部材12に結合されている。金属結合部品10は、第2部材12がリテーナ15の保持部16に保持された状態で、第2部材12を中心としてシフト方向に操作可能に構成されている。
第1部材11は、図2に示すように、金属製のレバーシャフトであり、全体が軸状に形成されている。第1部材11は、本体部17と、本体部17と一体に形成された軸端部14とを備えている。第1部材11は、構造用鋼、機械構造用炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金などから形成されている。軸端部14の直径φdsは、本体部17の径寸法よりも小さく形成されている。軸端部14の長さL1は、軸端部14を第2部材12に結合するのに十分な長さに形成される。また、第1部材11の本体部17と軸端部14との連結部18には、チャンファー加工が施されている。この連結部18のチャンファー加工は、金属結合部品10をリテーナ15に保持した状態で操作した際に、第1部材11がリテーナ15に干渉することが無いように形成されている。
第2部材12は、図3に示すように、金属製の球状部材である。第2部材12は、第1部材11よりも高硬度の金属、例えば機械構造用炭素鋼、軸受鋼、構造用合金鋼、ステンレス鋼などから形成される。なお、第1部材11と、第2部材12とは、ビッカース硬さ比で1対1.5以上の硬度差のある部材であることが望ましい。第2部材12には、直径φdhの軸穴20が形成されている。軸穴20は、段幅αの段部21を有している。軸穴20には、段部21により、直径φdhの大径部22と、直径が大径部22より小さい小径部23とが形成される。段部21を、軸穴20の深さに対して第2部材12のどの位置に形成するかは、適宜変更可能である。本実施形態では、段部21は、軸穴20の大径部22、及び、小径部23の深さが共に第2部材12の半径rと略同じ寸法となる位置に形成されている。
第1部材11と、第2部材12と、を結合する際には、まず、第1部材11と、第2部材12と、の相対位置を不図示の治具で精密に決める。次に、図4、図5に示すように、第1部材11の軸端部14を、第2部材12の軸穴20に、軸端14aが段部21に当接するまで挿入する。なお、図5は、図4中に破線で囲った範囲Aの要部拡大図であり、第1部材11と第2部材12との結合部分を示した図である。
第1部材11は、軸端部14の直径φdsが、軸穴20に隙間嵌めにより挿入可能な大きさに構成されている。なお、第1部材11の軸端部14を軸穴20に挿入した際の、軸端部14と、軸穴20との間の隙間βは、軸穴20の直径φdhの0.1%から5%の隙間に設定されているのが望ましい。例えば、軸穴20の直径φdhが10mmの場合には、隙間βは、0.01mmから0.5mmの間に設定されていることが望ましい。
第1部材11は、軸端部14の直径φdsが、軸穴20に隙間嵌めにより挿入可能な大きさに構成されている。なお、第1部材11の軸端部14を軸穴20に挿入した際の、軸端部14と、軸穴20との間の隙間βは、軸穴20の直径φdhの0.1%から5%の隙間に設定されているのが望ましい。例えば、軸穴20の直径φdhが10mmの場合には、隙間βは、0.01mmから0.5mmの間に設定されていることが望ましい。
この構成によれば、第1部材11の軸端部14を隙間嵌めにより第2部材12の軸穴20に挿入することができる。これにより、第1部材11を第2部材12に対して治具により高精度に位置決めした状態で、第1部材11に荷重を掛けることなく、軸端14aが段部21に当接する位置まで軸端部14を軸穴20に挿入することができる。よって、第1部材11を第2部材12に対して高精度に位置決めした状態で、以下に記載のようにして第1部材11と、第2部材12とを結合することが可能である。
次に第1部材11の軸端部14を、第2部材12の軸穴20に隙間嵌めにより軸端14aが段部21に当接するまで挿入した状態で、第1部材11に軸方向下向きの荷重Fをかける。なお、段部21の段幅αは、図5に示すように、軸端部14と、軸穴20との間の隙間βと、軸端14aが当接する部分の段部21の段差幅bと、を合わせた寸法(α=β+b)に形成されている。これにより、上記荷重Fは軸端14aが当接する部分の段部21の段差幅bの部分に加わる。段差幅bを軸端14aに対して狭い所定の幅に設定しておくことにより、段部21と軸端14aとの当接部分には荷重Fにより非常に高い圧力が加わる。
上述したように、第2部材12は、第1部材11よりも高硬度の金属で形成されている。これにより、段部21と軸端14aとの当接部分に加わる非常に高い圧力によっても第2部材12の段部21は塑性変形せず、一方、第1部材11の軸端部14の中心部は軸方向に流動するが、外周部は半径方向に塑性流動して、軸穴20と軸端部14の外周部の隙間βが埋まり、さらに高い圧力を両部材間に発生する。これにより、軸穴20と軸端部14との間に大きな摩擦力が発生し、第1部材11と、第2部材12とが結合される。第1部材11に対してかける荷重Fは、予め所要の値に設定される構成であっても良いし、あるいは、第1部材11を第2部材12に対して所定深さ押し込む構成であっても良い。
図6は、第1部材11と第2部材12との結合効率と、軸端部14の直径φdsに対する段部21の段差幅bの比率である段差幅比と、の関係を示す図である。なお、結合効率とは、第1部材11と、第2部材12とを結合するために、軸端部14を段部21に向けて押圧するために加えた結合荷重Fに対する、引き抜き力の割合を示すものある。図6に示すように、段部21の段差幅bの、軸端部14の直径φdsに対する比率である段差幅比が1%以下では、軸端部14と段部21が弾性変形して十分な結合荷重が加わらず、第1部材11と第2部材12との結合効率は低くなる。
また、段差幅比が1%~2%程度では、第1部材11と第2部材12との結合効率は向上するが、第1部材11と第2部材12との結合強度のばらつきが金属結合部品10間で大きくなることが実験から明らかになった。
また、段差幅比が20%以上では、軸端14aを段部21に向けて押圧する結合荷重Fを増加させても、第1部材11と第2部材12との結合部分だけではなく、軸端部14全体が塑性変形することにより、第1部材11と第2部材12との結合効率が低下すると共に、金属結合部品10の精度が低下することが明らかになった。
これらの結果から、第1部材11と第2部材12との結合効率は、軸端部14の直径φdsに対する段部21の段差幅bの比率である段差幅比が2%~20%程度であることが望ましいということが明らかとなった。
また、段差幅比が20%以上では、軸端14aを段部21に向けて押圧する結合荷重Fを増加させても、第1部材11と第2部材12との結合部分だけではなく、軸端部14全体が塑性変形することにより、第1部材11と第2部材12との結合効率が低下すると共に、金属結合部品10の精度が低下することが明らかになった。
これらの結果から、第1部材11と第2部材12との結合効率は、軸端部14の直径φdsに対する段部21の段差幅bの比率である段差幅比が2%~20%程度であることが望ましいということが明らかとなった。
以上説明したように、本発明を適用した実施形態によれば、第2部材12に設けた段部21を有する軸穴20に隙間嵌めにより段部21に当接するまで第1部材11の軸端部14を挿入し、第1部材11の軸端部14を段部21に押圧し、第2部材12(硬質材)より硬度が低い第1部材11(軟質材)を軸穴20内で塑性流動させることにより軸穴20と軸端部14間の摩擦力を増大させて第1部材11と第2部材12とを結合した。この構成によれば、第1部材11に荷重をかけることなく、第2部材12の軸穴20に所定位置まで挿入することができ、第1部材11を第2部材12の軸穴20に挿入する過程で、第1部材11と第2部材12との間に位置ずれが生じることがなく、高精度に位置決めすることができる。
また、段部21に当接するまで第1部材11の軸端部14を挿入してから、第1部材11と第2部材12とを結合させるための荷重Fをかけるため、第1部材11を第2部材12の軸穴20に挿入する過程から荷重をかけ続けなければならない場合にくらべて、短時間、省エネルギーで効率良く、第1部材11と第2部材12とを結合させることができる。また、第1部材11と第2部材12とを塑性流動により結合することにより、第1部材11と第2部材12とを機械的かみ合いによって結合し、軸方向対して高いせん断強度を確保することができると共に、塑性流動結合時の、残留応力による高い回転方向の強度も確保することができ、高強度な結合を達成することができ、焼嵌めにより結合した場合にくらべて結合強度を向上することができる。
また、第1部材11と第2部材12とを金属材料から削り出しにより一体に形成した場合には、金属材料は少なくとも第2部材12の外径寸法と同じ直径の軸状部材である必要がある。本実施形態では、金属結合部品10は、別体に形成された第1部材11と第2部材12とを結合させて形成しているため、第1部材11の直径D1を第2部材12の直径D2より、材料を無駄にすることなく、小さく形成することができ、金属結合部品10の軽量化、及び、低コスト化を図ることができる。また、簡単な構造で異材部品の結合を可能とすることができる。
また、第2部材12に設けた段部21の段差幅bを、第1部材11の軸端部14の直径φdsに対して2%~20%の幅としたため、軸端部14を段部21に向けて押圧する結合荷重Fに対する、引き抜き力の割合である結合効率を最適化することができ、効率良く、高強度な結合を実現することができる。
また、第2部材12の軸穴20と第1部材11の軸端部14との間の隙間βの寸法を、軸穴20の直径φdhに対して0.1%~5%の隙間としたため、第1部材11と第2部材12とを例えば圧入により結合させる場合にくらべて、第1部材11の軸端部14と、第2部材12の軸穴20と、の寸法公差の管理を簡易化することができ、製造効率を向上することができる。また、第2部材12の軸穴20に隙間嵌めにより第1部材11の軸端部14を挿入することができ、軸穴20に対して軸端部14を抵抗なく挿入することができ、製造効率を向上することができる。
また、第1部材11と第2部材12との硬度差をビッカース硬さ比で1対1.5以上としたため、第1部材11の軸端部14を、第2部材12の軸穴20に設けられた段部21に押圧するという簡単な構成で、軸端部14を軸端部14と軸穴20との間に塑性流動させて第1部材11と第2部材12とを高強度に結合させることができ、異材部品の結合を効率良く行うことを可能とすることができる。
次に、別の実施形態を説明する。
この実施形態では、図8A,Bに示すように、第1部材11の端部に円柱状の突出部11Aが一体に形成されている。第2部材12には第1部材11が隙間嵌めにより嵌る軸穴20と、円柱状の突出部11Aが隙間嵌めにより嵌る小径部20Aとが形成されている。なお、第1部材11、第2部材12は、模式的に示されており、各部材は、図1と同様に、自動車のマニュアルトランスミッション用のシフトレバーの部品として使用される。本構成では、第1部材11が硬質部材であり、第2部材12が軟質部材である。
本構成では、上記突出部11Aを、第2部材12に設けた軸穴20の小径部20Aに隙間嵌めにより挿入し、所定の結合荷重Fを付加し、第2部材12の段部21の一部を、図8Bに示すように、軸穴20の小径部20A内で塑性流動(矢印S)させて、第1部材11と第2部材12とが塑性流動結合されている。
この実施形態では、第1部材11と第2部材12、および、突出部11Aと軸穴20が隙間嵌めにより嵌るため、結合荷重Fを加える前段階の嵌合が容易であると共に、簡単な構成で、異材部品の結合を効率良く行うことができる。
この実施形態では、図8A,Bに示すように、第1部材11の端部に円柱状の突出部11Aが一体に形成されている。第2部材12には第1部材11が隙間嵌めにより嵌る軸穴20と、円柱状の突出部11Aが隙間嵌めにより嵌る小径部20Aとが形成されている。なお、第1部材11、第2部材12は、模式的に示されており、各部材は、図1と同様に、自動車のマニュアルトランスミッション用のシフトレバーの部品として使用される。本構成では、第1部材11が硬質部材であり、第2部材12が軟質部材である。
本構成では、上記突出部11Aを、第2部材12に設けた軸穴20の小径部20Aに隙間嵌めにより挿入し、所定の結合荷重Fを付加し、第2部材12の段部21の一部を、図8Bに示すように、軸穴20の小径部20A内で塑性流動(矢印S)させて、第1部材11と第2部材12とが塑性流動結合されている。
この実施形態では、第1部材11と第2部材12、および、突出部11Aと軸穴20が隙間嵌めにより嵌るため、結合荷重Fを加える前段階の嵌合が容易であると共に、簡単な構成で、異材部品の結合を効率良く行うことができる。
図7~図9は、試験例を示す。
図7A,Bでは、第1部材11の軸端部14を、第2部材12に設けた段部21を有する軸穴20に挿入し、所定の結合荷重Fを付加し、第1部材11の軸端部14を、図7Bに示すように、塑性流動(矢印S)させ、第1部材11と第2部材12とを塑性流動結合した。
第1部材11の軸端部14の直径は、φ20mm-0.005~-0.020に設定し、第2部材12の軸穴20の穴径は、φ20mm+0.02~0に設定した。
この結合方法で、第1部材11の材料を鉄鋼系S45C、第2部材12の材料を鉄鋼系SKD11とした場合(条件A1)、第1部材11の材料をアルミ系A5056、第2部材12の材料を鉄鋼系S45Cとした場合(条件A2)、の2つの試験を行った。
なお、各材料の相当引張強さMPaを比較すると、共に、SKD11>S45C>A5056であった。この場合の相当引張強さMPaは、各材料の硬さHV0.3から換算した引っ張り強さ(硬さ×3.27)とした。
図9に示すように、条件A1、条件A2では、結合面圧/相当引張強さが上昇すると、それと共に、結合効率(%)が向上した。
この結合方法では、結合面圧/相当引張強さを4~5とすると、結合効率(%)が25~31%まで上昇した。
図7A,Bでは、第1部材11の軸端部14を、第2部材12に設けた段部21を有する軸穴20に挿入し、所定の結合荷重Fを付加し、第1部材11の軸端部14を、図7Bに示すように、塑性流動(矢印S)させ、第1部材11と第2部材12とを塑性流動結合した。
第1部材11の軸端部14の直径は、φ20mm-0.005~-0.020に設定し、第2部材12の軸穴20の穴径は、φ20mm+0.02~0に設定した。
この結合方法で、第1部材11の材料を鉄鋼系S45C、第2部材12の材料を鉄鋼系SKD11とした場合(条件A1)、第1部材11の材料をアルミ系A5056、第2部材12の材料を鉄鋼系S45Cとした場合(条件A2)、の2つの試験を行った。
なお、各材料の相当引張強さMPaを比較すると、共に、SKD11>S45C>A5056であった。この場合の相当引張強さMPaは、各材料の硬さHV0.3から換算した引っ張り強さ(硬さ×3.27)とした。
図9に示すように、条件A1、条件A2では、結合面圧/相当引張強さが上昇すると、それと共に、結合効率(%)が向上した。
この結合方法では、結合面圧/相当引張強さを4~5とすると、結合効率(%)が25~31%まで上昇した。
図8A,Bでは、第1部材11の端部に突出部11Aを形成し、この突出部11Aを、第2部材12に設けた軸穴20の小径部20Aに挿入し、所定の結合荷重Fを付加し、第2部材12の段部21の一部を、軸穴20の小径部20A内で塑性流動(矢印S)させ、図8Bに示すように、第1部材11と第2部材12とを塑性流動結合した。
第1部材11の突出部11Aの直径は、φ18.5mm-0.005~-0.020に設定し、第2部材12の小径部20Aの穴径は、φ20mm+0.02~0に設定した。
この結合方法で、第1部材11の材料をS45C、第2部材12の材料をA5056とした場合(条件B)の試験を行った。
この条件Bでは、第2部材12の材料がA5056(アルミニウム)であるため、図9に示すように、結合面圧/相当引張強さが3前後で、結合効率(%)にピークが現れ、ピーク値で37%まで上昇した。
第1部材11の突出部11Aの直径は、φ18.5mm-0.005~-0.020に設定し、第2部材12の小径部20Aの穴径は、φ20mm+0.02~0に設定した。
この結合方法で、第1部材11の材料をS45C、第2部材12の材料をA5056とした場合(条件B)の試験を行った。
この条件Bでは、第2部材12の材料がA5056(アルミニウム)であるため、図9に示すように、結合面圧/相当引張強さが3前後で、結合効率(%)にピークが現れ、ピーク値で37%まで上昇した。
11 第1部材
12 第2部材
14 軸端部(軸端)
20 軸穴
21 段部
23 小径部
b 段差幅
φds 軸端の直径
φdh 軸穴の直径
β 間隙
α 段幅
12 第2部材
14 軸端部(軸端)
20 軸穴
21 段部
23 小径部
b 段差幅
φds 軸端の直径
φdh 軸穴の直径
β 間隙
α 段幅
Claims (6)
- 硬度差を有する金属製の第1部材と金属製の第2部材とを結合する金属部材結合構造であって、
前記第1部材の軸端を、前記第2部材に設けた段部を有する軸穴に隙間嵌めにより前記段部に当接するまで挿入し、前記第1部材の軸端を前記段部に押圧し、前記第1部材、あるいは、前記第2部材のうち硬度が低い部材を前記軸穴内で塑性流動させることにより前記軸穴と前記軸端間の摩擦力を増大させて前記第1部材と前記第2部材とを結合した
ことを特徴とする金属部材結合構造。 - 前記第1部材の軸端を、前記第1部材よりも硬度が高い前記第2部材の軸穴に挿入し、前記軸端の一部を前記軸穴内で塑性流動させたことを特徴とする請求項1に記載の金属部材結合構造。
- 前記第2部材の段部に前記軸端を当接させた際に前記軸穴の小径部に挿入される突出部を前記第1部材の軸端に設け、前記第1部材の軸端を前記第1部材よりも硬度が低い前記第2部材の段部に押圧し、前記段部の一部を前記軸穴の小径部内で塑性流動させたことを特徴とする請求項1に記載の金属部材結合構造。
- 前記第2部材に設けた段部の幅を、前記第1部材の軸端の直径に対して3%~20%の幅としたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の金属部材結合構造。
- 前記第2部材の軸穴と前記第1部材の軸端との間隙を、前記軸穴の直径に対して0.1%~5%の隙間としたことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の金属部材結合構造。
- 前記第1部材と前記第2部材との硬度差をビッカース硬さ比で1対1.5以上としたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の金属部材結合構造。
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