WO2016166841A1

WO2016166841A1 - 金属部材の製造方法

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Publication number: WO2016166841A1
Application number: PCT/JP2015/061591
Authority: WO
Inventors: 松山　敏和; 天野　昌春; 良貴柴田
Original assignee: 株式会社小松製作所
Priority date: 2015-04-15
Filing date: 2015-04-15
Publication date: 2016-10-20
Also published as: DE112015006442T5; CN107530824B; US20180085848A1; DE112015006442B4; JPWO2016166841A1; JP6553716B2; KR20170124599A; CN107530824A; KR102008309B1; US10888951B2

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。

　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

　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。