説明

機械要素接合方法

【課題】機械要素を対象部材に強固に接合できるようにする。
【解決手段】一端からボルト1が突出し且つ他端に突起4が形作ってある台座3を、突起4形成端がボルト1を取り付けるべき対象部材2の表面に向き合うように配置し、ツール本体7を回転させながら対象部材2の裏面に押し付け、摩擦熱によって軟化した対象部材2に台座3の突起4をめり込ませ、対象部材2の表面に台座3を拡散接合する。
更に、ツール本体7を対象部材2から引き離し、突起4がめり込んだ対象部材2の塑性変形部位を硬化させる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明はボルトやナッドなどを想定した機械要素接合方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
接合すべき部材を溶融させずに相互に接合する技法として摩擦撹拌接合がある(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
この技法では、被接合部材を重ねた被接合物に接合ツールを回転させながら押し付け、摩擦熱と塑性流動により軟化した材料を撹拌して同化させる。
【0004】
次いで、接合ツールを被接合物から離して材料が同化した部位を硬化させ、被接合部材を相互に接合する。
【特許文献1】特開2004−136365号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところが特許文献1には、材質が異なる部材相互の接合についての提案はなく、炭素鋼を素材にしたボルトやナットなどの機械要素をアルミニウム合金を素材とする対象部材に接合することは達成できない。
【0006】
本発明は上述した実情に鑑みてなしたもので、機械要素を対象部材に強固に接合できるようにすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記目的を達成するため本発明では、一端から機械要素が突出し且つ他端に機械要素とは同軸ではないように突起が形作られている台座を、突起形成端が機械要素を取り付けるべき対象部材の表面に向き合うように配置し、次いで、接合ツールを回転させながら対象部材の裏面の突起に重なっている個所へ押し付け、摩擦熱によって軟化した対象部材に台座の突起をめり込ませ、この後、接合ツールを対象部材から引き離し、当該対象部材の塑性変形部位を硬化させる。
【0008】
あるいは、一方の面から複数の機械要素が突出し且つ他方の面に機械要素ごとに突起が形作られている台座を、突起形成面が機械要素を取り付けるべき対象部材の表面に向き合うように配置し、次いで、接合ツールを回転させながら対象部材の裏面の突起に重なっている個所へ押し付け、摩擦熱によって軟化した対象部材に台座の突起をめり込ませ、この後、接合ツールを対象部材から引き離し、当該対象部材の塑性変形部位を硬化させる。
【0009】
つまり、摩擦熱で軟化した対象部材の材料とそれに密着した台座の材料の分子間接合、及び対象部材と台座に形作ってある突起の嵌め合いによって、台座から突出している機械要素を対象部材に接合する。
【0010】
また、一端から機械要素が突出し且つ他端に機械要素とは同軸ではないように窪みが形作られている台座を、窪み形成端が機械要素を取り付けるべき対象部材の表面に向き合うように配置し、次いで、接合ツールを回転させながら対象部材の裏面の窪みに重なっている個所へ押し付け、摩擦熱によって軟化した対象部材を台座の窪みにめり込ませ、この後、接合ツールを対象部材から引き離し、当該対象部材の塑性変形部位を硬化させる。
【0011】
あるいは、一方の面から複数の機械要素が突出し且つ他方の面に機械要素ごとに窪みが形作られている台座を、窪み形成面が機械要素を取り付けるべき対象部材の表面に向き合うように配置し、次いで、接合ツールを回転させながら対象部材の裏面の窪みに重なっている個所へ押し付け、摩擦熱によって軟化した対象部材を台座の窪みにめり込ませ、この後、接合ツールを対象部材から引き離し、当該対象部材の塑性変形部位を硬化させる。
【0012】
つまり、摩擦熱で軟化した対象部材の材料とそれに密着した台座の材料の分子間接合、及び対象部材と台座に形作ってある窪みの嵌め合いによって、台座から突出している機械要素を対象部材に接合する。
【0013】
更に、台座の平面形状よりも先端面が大きい接合ツールを対象部材の裏面に押し付けるようにして、対象部材と台座の密着性を高める。
【発明の効果】
【0014】
本発明の機械要素接合方法によれば、下記のような優れた効果を奏し得る。
【0015】
(1)接合ツールの回転と押し付けで軟化した対象部材の表面に、台座に形作ってある突起をめり込ませるので、対象部材と台座の分子間接合、及び対象部材と突起の嵌め合いの相乗効果によって、台座とともに機械要素を対象部材に高いトルク強度で接合することができる。
【0016】
(2)接合ツールの回転と押し付けで軟化した対象部材の表面を、台座に形作ってある窪みにめり込ませるので、対象部材と台座の分子間接合、及び対象部材と窪みの嵌め合いの相乗効果によって、台座とともに機械要素を対象部材に高いトルク強度で接合することができる。
【0017】
(3)台座の平面形状よりも先端面が大きい接合ツールを用いれば、対象部材と台座の密着性が高まり、分子間接合がより確実になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0018】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【0019】
図1は本発明の機械要素接合方法の第1の例であって、ボルト1を取り付けるべき対象部材2は、アルミニウム合金を素材とするパネルなどである。
【0020】
ボルト1は平らな形状の台座3の一端から突出しており、これらは炭素鋼を素材とする一体部品で、台座3の他端には、複数の突起4がボルト1に対して同軸に位置しないように形作ってある。
【0021】
この他に、ボルト1が下向きに入る収納穴5を有する裏当て部材6、並びに対象部材2を塑性変形させるための円柱状のツール本体7を工具として用意する。
【0022】
裏当て部材6には、ボルト1を中心とした台座3の回動を拘束するストッパ8が設けてあり、また、ツール本体7は、耐摩耗性を有し且つ硬度が高い超硬合金を素材としている。
【0023】
ツール本体7の先端面7aは、台座3の平面形状よりもやや大きく形作ってある。
【0024】
ボルト1を対象部材2に接合する際は、図1(a)に示すように、ボルト1が収納穴5に入るように台座3の一端を裏当て部材6に載せ、突起4に向き合うように対象部材2の表面を台座3の他端に載せる。
【0025】
次いで、図1(b)に示すように、上方からツール本体7を回転させながら対象部材2が台座3に重なっている個所の裏面に押し付け、この付近を摩擦熱により軟化させ、対象部材2の裏面側にツール本体7をめり込ませるとともに、対象部材2の表面側に台座3の突起4をめり込ませ、更に、図1(c)に示すように、対象部材2の表面を台座3の他端に密着させる。
【0026】
これにより、アルミニウム合金と炭素鋼の間に分子間接合が生じ、対象部材2の表面にボルト1と一体的な台座3が接合する。
【0027】
対象部材2と台座3との相互性を固めるためには、当該台座3の平面形状よりも先端面7aが大きいツール本体7を用いることが望ましい。
【0028】
この後、図1(d)に示すように、ツール本体7を対象部材2から引き離し、当該対象部材2の塑性変形部位を硬化させる。
【0029】
ツール本体7の外径dが20mm、対象部材2の厚さtが6mm、ボルト1の呼び径がM8という条件で接合を行なったところ、ボルト1及び台座3と対象部材2のトルク強度は、分子間接合、並びに突起4と対象部材2の嵌め合いの相乗効果によって、50N・mを超過した。
【0030】
また、突起4はトルク強度を考慮すると、一つよりも複数であることが望ましい。
【0031】
図2は本発明の機械要素接合方法の第2の例であって、図中、図1と同一符号を付した部分は同一物を表わしている。
【0032】
ボルト1は平らな形状の台座9の一端から突出しており、これらは炭素鋼を素材とする一体部品で、台座9の他端には、複数の窪み10がボルト1に対して同軸に位置しないように形作ってある。
【0033】
ボルト1を対象部材2に接合するのに際しては、ボルト1が収納穴5に入るように台座9の一端を裏当て部材6に載せ、窪み10に向き合うように対象部材2の表面を台座9の他端に載せ、上方からツール本体7を回転させながら対象部材2が台座9に重なっている個所の裏面に押し付け、この付近を摩擦熱により軟化させ、対象部材2の裏面側にツール本体7をめり込ませる。
【0034】
更に、対象部材2に由来する材料を台座9の窪み10にめり込ませ、対象部材2の表面を台座9の他端に密着させる。
【0035】
これにより、アルミニウム合金と炭素鋼の間に分子間接合が生じ、対象部材2の表面にボルト1と一体的な台座9が接合する。
【0036】
この後、ツール本体7を対象部材2から引き離し、当該対象部材2の塑性変形部位を硬化させる。
【0037】
図3は本発明の機械要素接合方法の第3の例であって、図中、図1と同一符号を付した部分は同一物を表わしている。
【0038】
この例では、複数のボルト1が細長い形状の台座11の一方の面から突出し、これらは炭素鋼を素材とする一体部品で、台座11の他方の面には複数の突起4が、各ボルト1の近くに位置するように形作ってある。
【0039】
この他に、ボルト1が下向きに入る収納穴5を有する裏当て部材12と、ツール本体7を工具として用意する。
【0040】
所定のボルト1が収納穴5に入るように、台座11の一方の面の所定範囲を裏当て部材12に載せ、対象部材2の表面を台座11の他方の面の全般にわたってに載せる。
【0041】
次いで、裏当て部材12の上方からツール本体7を回転させながら対象部材2の裏面の突起4に対応する個所に押し付け、この付近を摩擦熱と塑性流動により撹拌して軟化させ、対象部材2の裏面側にツール本体7をめり込ませるとともに、対象部材2の表面側に台座11の突起4をめり込ませ、対象部材2の表面を台座11の他方の面に密着させる。
【0042】
この後、ツール本体7を対象部材2から引き離し、当該対象部材2の塑性変形部位を硬化させる。
【0043】
上述したような工程を繰り返し施すと、対象部材2の表面に複数のボルト1と一体的な台座11が接合することになる。
【0044】
図4は本発明の機械要素接合方法の第4の例であって、図中、図2と同一符号を付した部分は同一物を表わしている。
【0045】
この例では、複数のボルト1が細長い形状の台座13の一方の面から突出し、これらは炭素鋼を素材とする一体部品で、台座13の他方の面には複数の窪み10が、各ボルト1の近くに位置するように形作ってある。
【0046】
台座13を対象部材2に接合するのに際しては、所定のボルト1が収納穴5に入るように、台座13の一方の面の所定範囲を裏当て部材12に載せ、台座13の他方の面に対象部材2を載せる。
【0047】
次いで、裏当て部材12の上方からツール本体7を回転させながら対象部材2の裏面の窪み10に対応する個所に押し付け、この付近を摩擦熱と塑性流動により撹拌して軟化させ、対象部材2の裏面側にツール本体7をめり込ませるとともに、対象部材2に由来する材料を台座13の窪み10にめり込ませ、対象部材2の表面を台座13の他方の面に密着させる。
【0048】
この後、ツール本体7を対象部材2から引き離し、当該対象部材2の塑性変形部位を硬化させる。
【0049】
上述したような工程を繰り返し施すと、対象部材2の表面に複数のボルト1と一体的な台座13が接合することになる。
【0050】
なお、本発明の機械要素接合方法は、上述の実施の形態のみに限定されるものではなく、機械要素としてナットやピンなどを台座に付帯させるようにすること、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変更を加え得ることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【0051】
本発明の機械要素接合方法は、様々な部品の組付工程に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【0052】
【図1】本発明の機械要素接合方法の第1の例の施工手順を示す概念図である。
【図2】本発明の機械要素接合方法の第2の例の施工完了状態を示す概念図である。
【図3】本発明の機械要素接合方法の第3の例の施工途上状態を示す概念図である。
【図4】本発明の機械要素接合方法の第4の例の施工途上状態を示す概念図である。
【符号の説明】
【0053】
1 ボルト(機械要素)
2 対象部材
3 台座
4 突起
7 ツール本体(接合ツール)
9 台座
10 窪み
11 台座
13 台座

【特許請求の範囲】
【請求項1】
一端から機械要素が突出し且つ他端に機械要素とは同軸ではないように突起が形作られている台座を、突起形成端が機械要素を取り付けるべき対象部材の表面に向き合うように配置し、次いで、接合ツールを回転させながら対象部材の裏面の突起に重なっている個所へ押し付け、摩擦熱によって軟化した対象部材に台座の突起をめり込ませ、この後、接合ツールを対象部材から引き離し、当該対象部材の塑性変形部位を硬化させることを特徴とする機械要素接合方法。
【請求項2】
一方の面から複数の機械要素が突出し且つ他方の面に機械要素ごとに突起が形作られている台座を、突起形成面が機械要素を取り付けるべき対象部材の表面に向き合うように配置し、次いで、接合ツールを回転させながら対象部材の裏面の突起に重なっている個所へ押し付け、摩擦熱によって軟化した対象部材に台座の突起をめり込ませ、この後、接合ツールを対象部材から引き離し、当該対象部材の塑性変形部位を硬化させることを特徴とする機械要素接合方法。
【請求項3】
一端から機械要素が突出し且つ他端に機械要素とは同軸ではないように窪みが形作られている台座を、窪み形成端が機械要素を取り付けるべき対象部材の表面に向き合うように配置し、次いで、接合ツールを回転させながら対象部材の裏面の窪みに重なっている個所へ押し付け、摩擦熱によって軟化した対象部材を台座の窪みにめり込ませ、この後、接合ツールを対象部材から引き離し、当該対象部材の塑性変形部位を硬化させることを特徴とする機械要素接合方法。
【請求項4】
一方の面から複数の機械要素が突出し且つ他方の面に機械要素ごとに窪みが形作られている台座を、窪み形成面が機械要素を取り付けるべき対象部材の表面に向き合うように配置し、次いで、接合ツールを回転させながら対象部材の裏面の窪みに重なっている個所へ押し付け、摩擦熱によって軟化した対象部材を台座の窪みにめり込ませ、この後、接合ツールを対象部材から引き離し、当該対象部材の塑性変形部位を硬化させることを特徴とする機械要素接合方法。
【請求項5】
台座の平面形状よりも先端面が大きい接合ツールを対象部材の裏面に押し付けるようにする請求項1あるいは請求項3のいずれかに記載の機械要素接合方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2007−160372(P2007−160372A)
【公開日】平成19年6月28日(2007.6.28)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−362205(P2005−362205)
【出願日】平成17年12月15日(2005.12.15)
【出願人】(000005463)日野自動車株式会社 (1,484)
【Fターム(参考)】