WO2016166841A1 - 金属部材の製造方法 - Google Patents

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松山 敏和
天野 昌春
良貴 柴田
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株式会社小松製作所
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    • B23K2103/18Dissimilar materials
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Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a metal member, and more specifically to a method for manufacturing a metal member having a structure in which members made of different metals are joined to each other.
  • a metal member having a structure in which members made of different metals are fixed to each other may be employed as a machine part.
  • a piston shoe for a hydraulic pump or a hydraulic motor is known in which a sliding portion made of a copper alloy is fixed to a base portion made of steel.
  • a sliding portion is caulked and fixed to a base portion.
  • the present invention provides a method for producing a metal member having a structure in which members made of different metals are directly and firmly joined to each other.
  • a method of manufacturing a metal member according to the present invention includes preparing a first member made of a first metal and having a recess, and a second member made of a second metal having a smaller deformation resistance than the first metal. And a step of joining the first member and the second member.
  • the step of joining the first member and the second member is performed by rotating the second member while relatively pressing the second member against the first member in a state where at least a part enters the recess.
  • the second member is rotated while being relatively pressed against the first member in a state where at least a part thereof enters the recess of the first member, and the first member and the second member Heat.
  • the deformation resistance of the second member is smaller than that of the first member, the second member is deformed.
  • the deformation of the second member is limited by the wall surface that defines the recess of the first member. Therefore, the heat generated by the friction between the first member and the second member is suppressed from being released from the recess.
  • the first member and the second member are directly joined by cooling the first member and the second member heated in this manner while maintaining them in contact with each other.
  • the metal member manufacturing method of the present invention it is possible to manufacture a metal member having a structure in which members made of different metals are directly and firmly joined to each other.
  • the first member may include a concave bottom surface that defines the concave portion, and a concave side surface that defines the concave portion and extends in a direction intersecting the concave bottom surface.
  • the second member may rotate while being pressed relatively to the bottom surface of the recess of the first member.
  • the second member in the step of increasing the temperature of the first member and the second member, the second member may be deformed to contact the side surface of the recess. In this way, the side surface of the recess restricts the deformation of the second member, whereby the method for manufacturing the metal member can be easily performed.
  • the manufacturing method of the metal member may further include a step of processing the first member so that the side surface of the recess is removed in a state where the first member and the second member are joined. By doing in this way, the metal member formed by joining the 1st member with the 2nd member in the crevice bottom can be obtained.
  • the first member in the step of raising the temperature of the first member and the second member, the first member may be fixed and the second member may be rotated. By doing in this way, the manufacturing method of the said metal member can be implemented easily.
  • the metal member manufacturing method removes burrs formed by deforming the second member in the step of increasing the temperature of the first member and the second member in a state where the first member and the second member are joined.
  • a process may be further provided. By doing in this way, the metal member from which the burr
  • the deformation resistance of the second metal when the temperature is increased is 10% or more smaller than the deformation resistance of the first metal. Also good. By doing in this way, joining of the 1st member and the 2nd member becomes easy.
  • a metal member having a structure in which members made of different metals are directly and firmly joined to each other can be produced.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a metal member (mechanical part) that can be manufactured by the metal member manufacturing method of the present embodiment.
  • the metal member 1 has a structure in which a first member 10 made of a first metal and a second member 20 made of a second metal are joined.
  • the first member 10 has a cylindrical shape (disc shape). One end surface 11 of the first member 10 is a joint surface with the second member 20.
  • the second member 20 has a cylindrical shape. One end surface 21 of the second member 20 is a joint surface with the first member 10.
  • the second metal constituting the second member 20 has a lower deformation resistance than the first metal constituting the first member 10.
  • Such a metal member 1 can be manufactured by the manufacturing method of the metal member in this Embodiment as follows.
  • FIG. 2 is a flowchart showing an outline of a method for manufacturing a metal member.
  • FIG. 3 is a schematic view showing the structure of a metal member manufacturing apparatus.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the operation of the metal member manufacturing apparatus.
  • 5 and 6 are schematic cross-sectional views for explaining a method for manufacturing a metal member.
  • a forming member preparation step is performed as a step (S10).
  • a first member 10 made of tempered alloy steel for machine structure and a second member 20 made of high-strength brass are prepared.
  • the second member 20 has a cylindrical shape.
  • the first member 10 has a cylindrical shape (disk shape).
  • the first member 10 has a recess 10A.
  • the recess 10 ⁇ / b> A is formed so as to include the central axis of the first member 10.
  • the recess 10A has a cylindrical shape.
  • the central axis of the first member 10 coincides with the central axis of the recess 10A.
  • the first member 10 includes a concave bottom surface 11 that defines the concave portion 10 ⁇ / b> A, and a concave side surface 12 that defines the concave portion 10 ⁇ / b> A and extends in a direction intersecting the concave bottom surface 11.
  • the recess bottom surface 11 of the first member 10 is a first member contact surface that is a flat surface to be joined to the second member 20.
  • One end surface 21 of the second member 20 is a second member contact surface that is a flat surface to be joined to the first member 10.
  • a cleaning step is performed as a step (S20).
  • the first member 10 and the second member 20 prepared in the step (S10) are cleaned.
  • the first member 10 and the second member 20 are cleaned using a liquid such as methanol, ethanol, or acetone.
  • a liquid such as methanol, ethanol, or acetone.
  • the closed friction joining process includes a joining preparation process, a friction process, and a cooling process.
  • a closed friction welding apparatus 9 as a metal member manufacturing apparatus includes a main shaft 95 that can rotate around an axis ⁇ , and a base that is spaced from the main shaft 95 in the direction of the axis ⁇ .
  • a drive unit 97 that adjusts the distance between the main shaft 95 and the base unit 98 by driving the main shaft 95 in the direction of the axis ⁇ , and a frame 90 that supports the main shaft 95 and the base unit 98.
  • a shaft 90 ⁇ / b> A extending in parallel with the axis ⁇ is installed in the frame 90.
  • the shaft 90A supports a main shaft support portion 90C that supports the main shaft 95 so as to be movable along the extending direction of the shaft 90A.
  • a main shaft moving motor 90B for driving the shaft 90A is connected to the shaft 90A.
  • the shaft 90A is driven by the main shaft moving motor 90B, the main shaft 95 supported by the main shaft support portion 90C moves in the axis ⁇ direction. Thereby, the space
  • the shaft 90 ⁇ / b> A, the spindle support part 90 ⁇ / b> C, and the spindle movement motor 90 ⁇ / b> B constitute a drive part 97.
  • the main shaft 95 is provided with a rotation side chuck 94 that holds the second member 20 so as to face the base portion 98.
  • the main shaft 95 is connected to a main shaft motor 95B that rotates the main shaft 95 about the axis ⁇ .
  • a load sensor 96 that detects a contact load between the first member 10 and the second member 20 is installed on the main shaft 95.
  • the load sensor 96 detects the contact load between the first member 10 and the second member 20 from the magnitude of the reaction force between the first member 10 and the second member 20 applied to the rotation side chuck 94.
  • the load sensor 96 is not an indispensable component in the closed friction welding apparatus 9, but by installing this, it becomes easy to adjust the contact load between the first member 10 and the second member 20 to an appropriate range. .
  • a fixed side chuck 92 that holds the first member 10 is disposed on the base portion 98 so as to face the rotation side chuck 94.
  • the base portion 98 includes a base body 91 and a fixed side chuck 92.
  • the base body 91 is installed on the frame 90.
  • the fixed side chuck 92 is fixed on the base body 91.
  • the stationary chuck 92 includes a bottom surface 92A that holds the first member 10 in the axial direction, and a radial chuck surface 92B that holds the first member 10 in the radial direction.
  • first member 10 is held by rotation-side chuck 94 on the outer peripheral surface.
  • second member 20 is held by the fixed chuck 92 on the outer peripheral surface.
  • the bottom surface 11 of the recess of the first member 10 and the one end surface 21 of the second member 20 face each other, and the central axes of the first member 10 and the second member 20 coincide with the rotation axis ⁇ of the rotation side chuck 94.
  • the first member 10 and the second member 20 are arranged.
  • a friction process is performed as a process (S40).
  • the main shaft 95 is driven by the main shaft motor 95B to rotate around the axis ⁇ and is driven by the main shaft moving motor 90B to approach the base portion 98.
  • the rotation-side chuck 94 approaches the fixed-side chuck 92 while rotating around the axis ⁇ .
  • the second member 20 has the first member 10 without changing the relative position with respect to the first member 10 in a state where at least a part (the region including the one end surface 21) enters the recess 10 ⁇ / b> A.
  • the one member 10 rotates relatively while being pressed with a predetermined load.
  • the second member 20 rotates while being relatively pressed against the concave bottom surface 11 of the first member 10.
  • the temperature of the contact portion (joint portion) between the first member 10 and the second member 20 rises due to frictional heat.
  • the temperature of the 2nd member 20 rises to the temperature below the melting point of the 2nd metal which comprises the 2nd member 20, for example, and below melting
  • a gap is formed between the outer peripheral surface 22 of the second member 20 and the concave side surface 12 of the first member 10.
  • the outer peripheral surface 22 of the second member 20 and the recess side surface 12 of the first member 10 do not contact each other.
  • the deformation resistance of the second member 20 is smaller than the deformation resistance of the first member 10.
  • heated second member 20 is softened and deformed, and comes into contact with concave side surface 12.
  • the deformation of the second member 20 is limited by the wall surfaces (the concave bottom surface 11 and the concave side surface 12) that define the concave portion 10A of the first member 10. Therefore, the heat generated by the friction between the first member 10 and the second member 20 is suppressed from being released from the recess 10A.
  • the recess 10A is filled with the softened second member 20. As the second member 20 is deformed, a burr 29 is formed.
  • a cooling step is performed as a step (S50).
  • step (S50) first, the rotational speed of the main shaft 95 is reduced and stopped. Thereafter, the pressing load detected by the load sensor 96 is reduced. During this time, the contact portion between the first member 10 and the second member 20 is cooled while maintaining the state in which the first member 10 and the second member 20 are pressed against each other. Thereby, the 1st member 10 and the 2nd member 20 are joined. After the pressing load is set to 0, the metal member 1 which is a structure formed by joining the first member 10 and the second member 20 is taken out from the closed friction welding device 9 (see FIG. 6). The closed friction joining process is completed by the above procedure.
  • step (S60) machining such as cutting is performed on the metal member 1 obtained in step (S50).
  • step (S60) burrs 29 formed by deforming second member 20 in step (S40) while first member 10 and second member 20 are joined are removed.
  • first member 10 is processed such that concave side surface 12 is removed while first member 10 and second member 20 are joined.
  • the outer peripheral region including the concave side surface 12 and the burr 29 are removed.
  • the metal member 1 which is the joined body of the 1st member 10 and the 2nd member 20 which are shown in FIG.
  • the removal of the outer peripheral region including the concave side surface 12 and the removal of the burr 29 may be performed continuously as one process, or may be performed as a separate process with time. Thereafter, heat treatment, finishing, and the like are performed as necessary to complete the metal member 1.
  • the first member 10 made of the first metal and the second metal having a deformation resistance smaller than that of the first metal.
  • the metal member 1 which has the structure where the 2nd member 20 which consists of was directly joined firmly can be manufactured.
  • a metal member 1 having a structure in which members made of different metals are directly and firmly joined to each other is manufactured.
  • the deformation resistance of the second member 20 (second metal) in a state where the temperature is increased is preferably 10% or more smaller than the deformation resistance of the first member 10 (first metal). It is more preferably 50% or less, and still more preferably 80% or more.
  • the deformation resistance of the second member 20 (second metal) is smaller than that of the first member 10 (first metal)
  • the first member 10 and the second member 20 as in the present embodiment Can be joined.
  • the difference between the deformation resistance of the first member 10 and the deformation resistance of the second member 20 is small, not only the second member 20 but also the first member 10 may be deformed in the step (S40).
  • step (S40) it is necessary to strictly control the temperatures of the first member 10 and the second member 20.
  • step (S40) by setting the deformation resistance of the second metal in a state where the temperature is increased to be 10% or less smaller than the deformation resistance of the first metal, it becomes easy to achieve good bonding.
  • the deformation resistance of the second metal By setting the deformation resistance of the second metal in a state where the temperature is increased to be 50% or more smaller than that of the first metal, and further setting it to be 80% or less, it is possible to achieve better bonding. It becomes easy.
  • metal member 1 having a structure in which first member 10 and second member 20 are joined by the same procedure as in the above embodiment was obtained.
  • FIG. 8 it can be seen that the first member 10 and the second member 20 are well bonded at the bottom surface 11 of the recess and the one end surface 21 which are the bonding surfaces. From the above experimental results, it is confirmed that according to the method for producing a metal member of the present invention, a metal member having a structure in which members made of different metals are directly and strongly bonded to each other can be produced.
  • the method for producing a metal member of the present invention can be particularly advantageously applied to the production of a metal member having a structure in which members made of different metals are directly joined to each other.

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Abstract

金属部材の製造方法は、第1金属からなり、凹部(10A)が形成された第1部材(10)と、第1金属に比べて変形抵抗の小さい第2金属からなる第2部材(20)と、を準備する工程と、第1部材(10)と第2部材(20)とを接合する工程と、を備える。第1部材(10)と第2部材(20)とを接合する工程は、第2部材(20)を、少なくとも一部が凹部(10A)に進入する状態で第1部材(10)に相対的に押し付けつつ回転させることにより、第1部材(10)および第2部材(20)の温度を上昇させる工程と、第2部材(20)の第1部材(10)に対する相対的な回転を停止して第1部材(10)と第2部材(20)とを互いに押し付けた状態で冷却する工程と、を含むことで、異なる金属からなる部材同士が互いに直接強固に接合された構造を得る。

Description

金属部材の製造方法
 本発明は金属部材の製造方法に関し、より特定的には、互いに異なる金属からなる部材が接合された構造を有する金属部材の製造方法に関するものである。
 異なる金属からなる部材同士が互いに固定された構造を有する金属部材が、機械部品として採用される場合がある。たとえば、油圧ポンプや油圧モータのピストンシューとして、鋼からなるベース部に、銅合金からなる摺動部を固定したものが知られている。この種のピストンシューでは、摺動部をベース部に対してかしめ固定したものが用いられる場合がある。
 摺動部をベース部に対してかしめ固定するためには、摺動部をベース部に取り付ける前に、摺動部を予めかしめ固定可能な形状に加工しておく必要がある。そのため、摺動部の加工費用に起因して摺動部品の製造コストが高くなるという問題がある。これに対し、摺動部をベース部に押し付けて変形させ、摺動部をベース部に係合させることにより、摺動部をベース部に固定したピストンシューが提案されている(たとえば、特開平10-89241号公報(特許文献1)参照)。
特開平10-89241号公報
 上記特許文献1に記載のピストンシューの構造では、摺動部はベース部に対して係合して固定されているに過ぎない。そのため、ピストンシューに衝撃が加わった場合、摺動部のベース部への固定状態が不安定となるおそれがある。
 本発明は、異なる金属からなる部材同士が互いに直接強固に接合された構造を有する金属部材の製造方法を提供するものである。
 本発明に従った金属部材の製造方法は、第1金属からなり、凹部が形成された第1部材と、第1金属に比べて変形抵抗の小さい第2金属からなる第2部材と、を準備する工程と、第1部材と第2部材とを接合する工程と、を備える。第1部材と第2部材とを接合する工程は、第2部材を、少なくとも一部が上記凹部に進入する状態で第1部材に相対的に押し付けつつ回転させることにより、第1部材および第2部材の温度を上昇させる工程と、第2部材の第1部材に対する相対的な回転を停止して第1部材と第2部材とを互いに押し付けた状態で冷却する工程と、を含む。
 本発明の金属部材の製造方法においては、第2部材を、少なくとも一部が第1部材の凹部に進入する状態で第1部材に相対的に押し付けつつ回転させて、第1部材および第2部材を加熱する。このとき、第2部材の変形抵抗が第1部材に比べて小さいため、第2部材が変形する。第2部材の変形は第1部材の凹部を規定する壁面により制限される。そのため、第1部材と第2部材との摩擦によって発生した熱が凹部内から放出されることが抑制される。このようにして加熱された第1部材と第2部材とを接触した状態で維持しつつこれらを冷却することにより、第1部材と第2部材とが直接接合される。
 このように、本発明の金属部材の製造方法によれば、異なる金属からなる部材同士が互いに直接強固に接合された構造を有する金属部材を製造することができる。
 上記金属部材の製造方法において、第1部材は、凹部を規定する凹部底面と、凹部を規定し、凹部底面に交差する方向に延びる凹部側面と、を含んでいてもよい。第1部材および第2部材の温度を上昇させる工程では、第1部材の凹部底面に対して第2部材が相対的に押し付けられつつ回転してもよい。このようにすることにより、上記金属部材の製造方法を容易に実施することができる。
 上記金属部材の製造方法において、第1部材および第2部材の温度を上昇させる工程では、第2部材が変形することにより上記凹部側面に接触してもよい。このように凹部側面が第2部材の変形を制限することにより、上記金属部材の製造方法を容易に実施することができる。
 上記金属部材の製造方法は、第1部材と第2部材とが接合した状態で上記凹部側面が除去されるように上記第1部材が加工される工程をさらに備えていてもよい。このようにすることにより、第1部材が凹部底面において第2部材と接合されて形成される金属部材を得ることができる。
 上記金属部材の製造方法において、第1部材および第2部材の温度を上昇させる工程では、第1部材を固定し、第2部材を回転させてもよい。このようにすることにより、上記金属部材の製造方法を容易に実施することができる。
 上記金属部材の製造方法は、第1部材と第2部材とが接合した状態で、第1部材および第2部材の温度を上昇させる工程において第2部材が変形して形成されたバリを除去する工程をさらに備えていていもよい。このようにすることにより、第1部材と第2部材との接合に際して形成されるバリが除去された金属部材を得ることができる。
 上記金属部材の製造方法では、第1部材および第2部材の温度を上昇させる工程において、温度が上昇した状態における第2金属の変形抵抗は第1金属の変形抵抗に比べて10%以上小さくてもよい。このようにすることにより、第1部材と第2部材との接合が容易となる。
 以上の説明から明らかなように、本発明の金属部材の製造方法によれば、異なる金属からなる部材同士が互いに直接強固に接合された構造を有する金属部材を製造することができる。
金属部材の構造を示す概略断面図である。 金属部材の製造方法の概略を示すフローチャートである。 金属部材の製造装置の構造を示す概略図である。 金属部材の製造装置の動作を示す概略断面図である。 金属部材の製造方法を説明するための概略断面図である。 金属部材の製造方法を説明するための概略断面図である。 鋼からなる第1部材と黄銅からなる第2部材とが接合された金属部材の一例を示す写真である。 第1部材と第2部材との界面付近の状態を示す写真である。
 以下、本発明の一実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
 図1は、本実施の形態の金属部材の製造方法により製造可能な金属部材(機械部品)の構造を示す概略断面図である。図1を参照して、金属部材1は、第1金属からなる第1部材10と第2金属からなる第2部材20とが接合された構造を有している。
 第1部材10は、円筒状(円盤状)の形状を有している。第1部材10の一方の端面11が第2部材20との接合面となっている。第2部材20は円筒状の形状を有している。第2部材20の一方の端面21が第1部材10との接合面となっている。第2部材20を構成する第2金属は、第1部材10を構成する第1金属に比べて変形抵抗が小さい。このような金属部材1は、以下のような本実施の形態における金属部材の製造方法により製造することができる。
 図2は、金属部材の製造方法の概略を示すフローチャートである。図3は、金属部材の製造装置の構造を示す概略図である。図4は、金属部材の製造装置の動作を示す概略断面図である。図5および図6は、金属部材の製造方法を説明するための概略断面図である。
 図2を参照して、本実施の形態における金属部材1の製造方法では、まず工程(S10)として成形部材準備工程が実施される。この工程(S10)では、図4を参照して、たとえば調質処理された機械構造用合金鋼からなる第1部材10と、高力黄銅からなる第2部材20とが準備される。第2部材20は、円筒状の形状を有している。
 第1部材10は円筒形状(円盤形状)を有している。第1部材10は、凹部10Aを有している。凹部10Aは、第1部材10の中心軸を含むように形成される。凹部10Aは、円筒状の形状を有している。第1部材10の中心軸と凹部10Aの中心軸とは一致する。第1部材10は、凹部10Aを規定する凹部底面11と、凹部10Aを規定し、凹部底面11に交差する方向に延びる凹部側面12とを含む。
 第1部材10の凹部底面11は、第2部材20に接合されるべき平坦面である第1部材接触面となっている。第2部材20の一方の端面21は、第1部材10に接合されるべき平坦面である第2部材接触面となっている。
 次に、工程(S20)として洗浄工程が実施される。この工程(S20)では、工程(S10)において準備された第1部材10および第2部材20が洗浄される。第1部材10および第2部材20が、たとえばメタノール、エタノール、アセトンなどの液体を用いて洗浄される。これにより、第1部材10および第2部材20を準備するための切断、加工などのプロセスにおいて第1部材10および第2部材20に付着した異物等が除去される。なお、本実施の形態の金属部材1の製造方法では、第2部材20の一方の端面21に対する精密な仕上げ加工は省略することが可能である。第2部材20の一方の端面21は切断のままの状態であってもよい。
 次に、図2を参照して、閉塞摩擦接合工程が実施される。閉塞摩擦接合工程は、接合準備工程、摩擦工程および冷却工程を含んでいる。
 ここで、閉塞摩擦接合を実施することで金属部材1を製造する金属部材の製造装置について説明する。図3を参照して、金属部材の製造装置である閉塞摩擦接合装置9は、軸α周りに回転可能な主軸95と、主軸95に対して軸α方向に間隔を置いて配置された基台部98と、主軸95を軸α方向に駆動することにより主軸95と基台部98との間隔を調整する駆動部97と、主軸95および基台部98を支持するフレーム90とを備えている。
 図3を参照して、フレーム90内には、軸αに対して平行に延在するシャフト90Aが設置されている。このシャフト90Aは、主軸95を支持する主軸支持部90Cをシャフト90Aの延在方向に沿って移動可能に支持している。さらに、シャフト90Aには、シャフト90Aを駆動する主軸移動モータ90Bが接続されている。シャフト90Aが主軸移動モータ90Bによって駆動されることにより、主軸支持部90Cにより支持される主軸95が軸α方向に移動する。これにより、主軸95と基台部98との間隔を調整することができる。シャフト90A、主軸支持部90Cおよび主軸移動モータ90Bは、駆動部97を構成する。
 主軸95には、基台部98に対向するように第2部材20を保持する回転側チャック94が設けられている。また、主軸95には、主軸95を軸α周りに回転駆動する主軸モータ95Bが接続されている。さらに、主軸95には、第1部材10と第2部材20との接触荷重を検知する荷重センサ96が設置されている。この荷重センサ96は、回転側チャック94に加わる第1部材10と第2部材20との接触の反力の大きさから、第1部材10と第2部材20との接触荷重を検知する。荷重センサ96は、閉塞摩擦接合装置9において必須の構成ではないが、これを設置することにより、第1部材10と第2部材20との接触荷重を適切な範囲に調整することが容易となる。
 基台部98には、回転側チャック94に対向するように第1部材10を保持する固定側チャック92が配置されている。図3および図4を参照して、基台部98は、ベース体91と、固定側チャック92とを含んでいる。ベース体91は、フレーム90上に設置されている。固定側チャック92は、ベース体91上に固定されている。固定側チャック92は、第1部材10を軸方向に保持する底面92Aと、第1部材10を径方向に保持する径方向チャック面92Bとを含んでいる。
 次に、閉塞摩擦接合工程の具体的な手順を説明する。図3を参照して、工程(S30)として実施される接合準備工程では、第1部材10が外周面において回転側チャック94に保持される。また、第2部材20が外周面において固定側チャック92に保持される。このとき、第1部材10の凹部底面11と第2部材20の一方の端面21とが対向し、かつ第1部材10および第2部材20の中心軸が回転側チャック94の回転軸αに一致するように、第1部材10および第2部材20は配置される。
 次に、工程(S40)として摩擦工程が実施される。この工程(S40)では、主軸95が主軸モータ95Bにより駆動されて軸α周りに回転するとともに、主軸移動モータ90Bにより駆動されて基台部98に近づく。これにより、回転側チャック94が軸α周りに回転しつつ、固定側チャック92に近づく。
 そして、図4に示すように、第2部材20は、少なくとも一部(一方の端面21を含む領域)が凹部10Aに進入する状態で第1部材10に対する相対的な位置を変えることなく、第1部材10に対して所定の荷重にて押し付けられつつ相対的に回転する。第1部材10の凹部底面11に対して第2部材20が相対的に押し付けられつつ回転する。第1部材10と第2部材20との接触部(接合部)の温度が摩擦熱により上昇する。第2部材20の温度は、たとえば第2部材20を構成する第2金属の軟化点以上の温度であって融点未満の温度にまで上昇する。
 回転の開始時点において、第2部材20の外周面22と第1部材10の凹部側面12との間には隙間が形成される。回転の開始時点において、第2部材20の外周面22と第1部材10の凹部側面12とは接触しない。
 上述のように、第2部材20の変形抵抗は第1部材10の変形抵抗に比べて小さい。図5を参照して、加熱された第2部材20は軟化して変形し、凹部側面12に接触する。第2部材20の変形は第1部材10の凹部10Aを規定する壁面(凹部底面11および凹部側面12)により制限される。そのため、第1部材10と第2部材20との摩擦によって発生した熱が凹部10A内から放出されることが抑制される。凹部10Aは、軟化した第2部材20により充填される。第2部材20が変形することにより、バリ29が形成される。
 次に、工程(S50)として冷却工程が実施される。この工程(S50)では、まず主軸95の回転数を低下させ、停止させる。その後、荷重センサ96により検知される押し付け荷重を低下させる。この間、第1部材10と第2部材20とは互いに押し付け合う状態を維持しつつ、第1部材10と第2部材20との接触部は冷却される。これにより、第1部材10と第2部材20とが接合される。押し付け荷重が0とされた後、第1部材10と第2部材20とが接合されて構成される構造体である金属部材1が閉塞摩擦接合装置9から取り出される(図6参照)。以上の手順により、閉塞摩擦接合工程が完了する。
 次に、工程(S60)として、機械加工工程が実施される。この工程(S60)では、工程(S50)において得られた金属部材1に対して切削等の機械加工が実施される。図6を参照して、工程(S60)では、第1部材10と第2部材20とが接合された状態で工程(S40)において第2部材20が変形して形成されたバリ29が除去される。
 図6を参照して、工程(S60)では、さらに第1部材10と第2部材20とが接合された状態で凹部側面12が除去されるように第1部材10が加工される。破線Aに沿って第1部材10が切削加工されることにより、凹部側面12を含む外周領域およびバリ29が除去される。以上の手順により、図1に示す第1部材10と第2部材20との接合体である金属部材1が得られる。凹部側面12を含む外周領域の除去とバリ29の除去とは連続的に一工程として実施されてもよいし、別工程として時間をおいて実施されてもよい。その後、必要に応じて熱処理、仕上げ加工等が実施されて金属部材1が完成する。
 このように、本実施の形態における閉塞摩擦接合装置9を用いた金属部材1の製造方法によれば、第1金属からなる第1部材10と、第1金属よりも変形抵抗が小さい第2金属からなる第2部材20とが直接強固に接合された構造を有する金属部材1を製造することができる。異なる金属からなる部材同士が互いに直接強固に接合された構造を有する金属部材1が製造される。
 なお、工程(S40)において、温度が上昇した状態における第2部材20(第2金属)の変形抵抗は第1部材10(第1金属)の変形抵抗に比べて10%以上小さいことが好ましく、50%以上小さいことがより好ましく、80%以上小さいことがさらに好ましい。上述のように、第1部材10(第1金属)に比べて第2部材20(第2金属)の変形抵抗が小さい場合、本実施の形態のように第1部材10と第2部材20とを接合することができる。しかし、第1部材10の変形抵抗と第2部材20の変形抵抗との差が小さい場合、工程(S40)において第2部材20だけでなく第1部材10も変形するおそれがある。
 このような場合、第1部材10と第2部材20とを良好に接合することが難しくなる。工程(S40)において第1部材10および第2部材20の温度を厳密に管理する必要が生じる。工程(S40)において、温度が上昇した状態における第2金属の変形抵抗を第1金属の変形抵抗に比べて10%以上小さく設定することにより、良好な接合を達成することが容易となる。温度が上昇した状態における第2金属の変形抵抗を第1金属の変形抵抗に比べて50%以上小さく設定すること、さらには80%以上小さく設定することにより、良好な接合を達成することが一層容易となる。
 上記実施の形態と同様の手順により第1部材10と第2部材20とを接合して金属部材1のサンプルを作製する実験を行った。第1部材10を構成する金属(第1金属)としては、鋼(機械構造用合金鋼)であるJIS規格SCM440(焼入および焼戻処理済み)を採用した。第2部材20を構成する金属(第2金属)としては、高力黄銅を採用した。得られたサンプルを中心軸を含む断面で切断した断面の写真を図7に示す。また、第1部材10と第2部材20との界面付近の写真を図8に示す。
 図7を参照して、上記実施の形態と同様の手順により第1部材10と第2部材20とが接合された構造を有する金属部材1が得られた。図8を参照して、接合面である凹部底面11および一方の端面21において第1部材10と第2部材20とが良好に接合されていることが分かる。以上の実験結果から、本発明の金属部材の製造方法によれば、異なる金属からなる部材同士が互いに直接強固に接合された構造を有する金属部材を製造できることが確認される。
 なお、上記実施の形態および実施例においては、第1部材を構成する金属(第1金属)として鋼を採用し、第2部材を構成する金属(第2金属)として黄銅を採用する場合について例示したが、本発明において採用可能な金属はこれらに限られない。採用可能な金属の組み合わせの一例を表1に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 表1に示すように、本発明の金属部材の製造方法においては、第1金属からなる第1部材と、第1金属に比べて変形抵抗の小さい第2金属からなる第2部材との種々の組み合わせを採用可能である。
 今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、請求の範囲によって示された範囲、ならびに請求の範囲と均等な意味および範囲内でのすべての変更、改良が含まれることが意図される。
 本発明の金属部材の製造方法は、異なる金属からなる部材同士が互いに直接に接合された構造を有する金属部材の製造に、特に有利に適用され得る。
 1 金属部材、9 閉塞摩擦接合装置、10 第1部材、10A 凹部、11 凹部底面(端面)、12 凹部側面、20 第2部材、21 端面、22 外周面、29 バリ、90 フレーム、90A シャフト、90B 主軸移動モータ、90C 主軸支持部、91 ベース体、92 固定側チャック、92A 底面、92B 径方向チャック面、94 回転側チャック、95 主軸、95B 主軸モータ、96 荷重センサ、97 駆動部、98 基台部。

Claims (7)

  1.  第1金属からなり、凹部が形成された第1部材と、前記第1金属に比べて変形抵抗の小さい第2金属からなる第2部材と、を準備する工程と、
     前記第1部材と前記第2部材とを接合する工程と、を備え、
     前記第1部材と前記第2部材とを接合する工程は、
     前記第2部材を、少なくとも一部が前記凹部に進入する状態で前記第1部材に相対的に押し付けつつ回転させることにより、前記第1部材および前記第2部材の温度を上昇させる工程と、
     前記第2部材の前記第1部材に対する相対的な回転を停止して前記第1部材と前記第2部材とを互いに押し付けた状態で冷却する工程と、を含む、金属部材の製造方法。
  2.  前記第1部材は、
     前記凹部を規定する凹部底面と、
     前記凹部を規定し、前記凹部底面に交差する方向に延びる凹部側面と、を含み、
     前記第1部材および前記第2部材の温度を上昇させる工程では、前記第1部材の前記凹部底面に対して前記第2部材が相対的に押し付けられつつ回転する、請求項1に記載の金属部材の製造方法。
  3.  前記第1部材および前記第2部材の温度を上昇させる工程では、前記第2部材が変形することにより前記凹部側面に接触する、請求項2に記載の金属部材の製造方法。
  4.  前記第1部材と前記第2部材とが接合した状態で前記凹部側面が除去されるように前記第1部材が加工される工程をさらに備える、請求項2または3に記載の金属部材の製造方法。
  5.  前記第1部材および前記第2部材の温度を上昇させる工程では、前記第1部材を固定し、前記第2部材を回転させる、請求項1~4のいずれか1項に記載の金属部材の製造方法。
  6.  前記第1部材と前記第2部材とが接合した状態で、前記第1部材および前記第2部材の温度を上昇させる工程において前記第2部材が変形して形成されたバリを除去する工程をさらに備える、請求項1~5のいずれか1項に記載の金属部材の製造方法。
  7.  前記第1部材および前記第2部材の温度を上昇させる工程において、温度が上昇した状態における前記第2金属の変形抵抗は前記第1金属の変形抵抗に比べて10%以上小さい、請求項1~6のいずれか1項に記載の金属部材の製造方法。
     
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