鋳造物の組織改質方法
【課題】鋳造物の表面と鋳造欠陥とが連通することをより確実に防ぐ組織改質方法を提供する。
【解決手段】基部３１と、基部３１の半径方向に突出して回転軸線Ｌ１まわりに周方向一方Ｒ１に進むにつれて基部３１の軸線方向先端部３１ａから軸線方向後端部３１ｂに近接する方向に傾斜して延びる凸部３２とを有する回転工具２０を用いて、回転工具２０を前記周方向一方Ｒ１に回転させて、摩擦撹拌を行う。これによって下穴部３６には、軟化した部分が塑性流動する流動体３８が形成される。流動体３８が回転方向Ｒ１とともに軸線方向Ｚ１にも移動することで、流動体３８が撹拌されやすくなり、塑性流動する流動体３８の量を増やすことができる。これによって流動体３８が固化した改質層３９を増やすことができ、鋳造欠陥の消失量を増大することができ、鋳造物１９の下穴内周面と鋳造欠陥とが連通することをより確実に防ぐことができる。
【解決手段】基部３１と、基部３１の半径方向に突出して回転軸線Ｌ１まわりに周方向一方Ｒ１に進むにつれて基部３１の軸線方向先端部３１ａから軸線方向後端部３１ｂに近接する方向に傾斜して延びる凸部３２とを有する回転工具２０を用いて、回転工具２０を前記周方向一方Ｒ１に回転させて、摩擦撹拌を行う。これによって下穴部３６には、軟化した部分が塑性流動する流動体３８が形成される。流動体３８が回転方向Ｒ１とともに軸線方向Ｚ１にも移動することで、流動体３８が撹拌されやすくなり、塑性流動する流動体３８の量を増やすことができる。これによって流動体３８が固化した改質層３９を増やすことができ、鋳造欠陥の消失量を増大することができ、鋳造物１９の下穴内周面と鋳造欠陥とが連通することをより確実に防ぐことができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳造物の内部に形成される金属組織を部分的に改質する組織改質方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図２７は、下穴部２を有する鋳造物１を示す断面図である。下穴部２は、一方に開放する円柱状の下穴６を形成する。たとえば下穴部２は、鋳造成形後にタップ加工が行われることで、内ねじが形成される。また図２７に示す鋳造物１は、内部に循環路形成部５を有する。循環路形成部５には、冷却水または潤滑油などの流体が循環する循環路４を形成する。
【０００３】
鋳造物１は、溶融した鋳造金属が鋳型に流し込まれることで、鋳型に対応した形状に成形される。鋳造物１の内部には、鋳巣、ガスポロシティおよび割れなどの空孔３が鋳造欠陥として生じる場合がある。特に、循環路形成部５と下穴部２とが近接する部分には、鋳造欠陥が発生しやすい。循環路４と下穴６とが空孔３によって連通してしまうと、循環路４を流れる流体７が空孔３を介して下穴６に洩れ出してしまい、鋳造物１の気密性および液密性が損なわれてしまう。
【０００４】
鋳造物１の気密性を高めるために、たとえば３つの従来技術がある。第１の従来技術は、下穴部２を形成するための鋳抜き穴の形状を試行錯誤的に決定して、鋳造欠陥を抑える方法である。また第２の従来技術は、樹脂等によって下穴部２の内周面８を被膜する含浸処理方法である。
【０００５】
第３の従来技術は、回転工具を用いて、下穴部２の内周部分を塑性流動させる方法である。図２８は、第３の従来技術を説明するための断面図である。この方法は、図２８（１）〜図２８（４）の順で動作が進む。
【０００６】
まず、図２８（１）に示すように、下穴６を形成した状態で、円柱状の回転工具９を準備する。回転工具９は、軸線に垂直な断面形状が軸線方向に一様に形成され、その軸線に垂直な断面が円形に形成される。回転工具９を、下穴部２の軸線と同軸に配置して、その軸線まわりに回転させながら、軸線方向に下穴部２に圧入する。次に、図２８（２）に示すように、回転工具９の外周部分１１を、下穴部２の内周部分に対して摺動回転させる。下穴部２と回転工具９との間で発生する摩擦熱によって、下穴部２の内周部分が軟化する。軟化状態で、回転工具９が下穴部２に摺動回転することで、軟化した下穴部２の内周部分が塑性流動する。鋳造物１が流動化した流動体１２は、回転工具９の回転軸線まわりに回転する。
【０００７】
次に、図２８（３）に示すように、回転工具９を鋳造物１から引抜く。流動体１２は、冷えて固化する。下穴部２の内周部分には、流動体１２が固化した改質層１３が形成される。この改質層１３は、残余の部分に比べて金属結晶が微細な組織微細層となる。次に、図２８（４）に示すように、下穴部２にタップ加工を施す。
【０００８】
改質層１３が、下穴部２の内周部分を形成することで、改質層１３によって下穴部２の内周部分に形成されていた鋳造欠陥を消失することができる。これによって鋳造欠陥による下穴６と循環路４との連通を分断することができ、鋳造物１の気密性および液密性を高めることができる。このような従来技術が、特許文献１に開示される。
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−２０２５７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
第１の従来技術のように、下穴部２の近傍で鋳造欠陥の発生を抑えるように鋳造方法自体を工夫したとしても、鋳造欠陥を完全になくすことは困難である。したがって不良品の発生による鋳造物１の歩留まりが不可避的に発生し、鋳造物１の歩留まりを向上するには限界がある。
【００１１】
また第２の従来技術のように鋳造物１に含浸処理を施した場合には、含浸処理に長時間を要してしまう。この場合、大量生産品を効率的に処理することが困難であり、製造コストが増大する要因となってしまう。
【００１２】
また第３の従来技術では、塑性流動する流動体１２に与えられる力は、回転工具９の回転軸線まわりに回転させる力がほとんどである。この場合、流動体１２を撹拌する撹拌力が小さく、改質層１３の半径方向厚みを大きくすることができない。たとえば改質層１３を形成した後の下穴部２に、谷径が大きい内ねじを形成すると、第３の従来技術では改質層１３の半径方向厚みが小さいので、ねじ加工時に改質層１３が除去されてしまうおそれがある。この場合、下穴部２の近傍に形成される鋳造欠陥となる空孔３が露出してしまい、露出した空孔３によって循環路形成部５と下穴２とが連通して、鋳造物１の気密性および液密性が損なわれてしまうという問題がある。このように第３の従来技術では、改質層１３の半径方向厚みが小さいので、鋳造物の表面と、鋳造欠陥とが連通してしまうおそれがあり、鋳造物の品質が低いという問題がある。
【００１３】
したがって本発明の目的は、鋳造物の表面と鋳造欠陥とが連通することをより確実に防ぐ組織改質方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、回転軸線まわりに回転駆動される軸体と、軸体に連なって回転軸線と同軸の略円柱状に形成される基部と、基部の外周部分に形成されて基部の半径外方に突出して、回転軸線まわりに周方向一方に向かうにつれて、基部の軸線方向先端部から軸線方向後端部に近接する方向に傾斜して延びる凸部とを有する回転工具を準備するとともに、鋳造物を準備する準備工程と、
回転工具を回転軸線まわりに前記周方向一方に回転させながら、回転工具を基部の軸線方向先端部から鋳造物に圧入して、回転工具の外周部分を鋳造物に対して摺接回転させて、摩擦熱を発生させ、前記凸部によって鋳造物の少なくとも一部を塑性流動させる流動化工程と、
鋳造物から回転工具を引抜く引抜き工程とを含むことを特徴とする鋳造物の組織改質方法である。
【００１５】
本発明に従えば、準備工程で、回転工具および鋳造物を準備する。次に流動化工程で、回転工具を回転軸線まわりに周方向一方に回転させながら、回転工具を基部の軸線方向先端部から鋳造物に圧入する。流動化工程で、回転工具の外周部分を鋳造物に対して摺動回転させることで、摩擦熱が発生する。鋳造物のうちで回転工具に臨む部分は、軟化して塑性流動する流動体が生じる。次に、引抜き工程で回転工具を鋳造物から引抜くことで、流動体が冷えて固化した改質層を鋳造物に形成することができる。改質層を形成することで、改質層が形成される部分に存在していた鋳造欠陥を消失することができる。これによって改質層によって鋳造欠陥を分断することができ、改質層を挟んで、改質層の一方の空間と、改質層の他方の空間とが連通することを防ぐことができる。
【００１６】
本発明では、流動化工程では、流動体は、回転工具とともに回転軸線まわりに周方向一方に回転する。また回転工具が回転軸線まわりに周方向一方に回転すると、流動体は回転工具に対して回転軸線まわりに周方向他方に相対回転することになる。凸部は、上述したように回転軸線まわりに周方向一方に向かうにつれて軸線方向先端部から軸線方向後端部に近接する方向に延びるので、凸部に接触した流動体は、回転工具に対して回転軸線まわりに周方向他方に進み、凸部に案内されて基部の軸線方向先端部に向かう力が与えられる。
【００１７】
このように流動体は、回転軸線まわりに移動する力とともに、基部の軸線方向先端部に向かって軸線方向に移動する力が与えられる。流動体が回転方向とともに軸線方向にも移動することで、流動体が撹拌されやすくなり、塑性流動する流動体を増加させることができる。これによって流動体が固化した改質層を増やすことができる。また改質層によって鋳造欠陥を消失させて、鋳造欠陥を低減することができる。また回転工具は、流動体と接触することによって、流動体からの反力として、基部を下穴部から押し出す軸線方向の力を受ける。これによって回転工具が過剰な速度で下穴部に没入することを防ぐことができる。
【００１８】
本発明は、準備工程では、略円柱状の下穴を形成する下穴部を有する鋳造物を準備し、
流動化工程では、回転工具を回転軸線まわりに前記周方向一方に回転させながら、回転軸線を下穴の軸線と略同一に保った状態で、回転工具を基部の軸線方向先端部から鋳造物の下穴部に圧入して、回転工具の外周部分を下穴部の内周部分に対して摺接回転させて、摩擦熱を発生させ、前記凸部によって下穴部の内周部分を塑性流動させることを特徴とする。
【００１９】
本発明に従えば、流動化工程で、回転工具を回転軸線まわりに周方向一方に回転させながら、回転軸線を下穴の軸線と略同一に保った状態で、回転工具を基部の軸線方向先端部から鋳造物の下穴部に圧入する。下穴部のうちで回転工具に臨む内周部分は、軟化して塑性流動する流動体が生じる。これによって下穴部の内周部分に存在していた鋳造欠陥を消失することができる。
【００２０】
予め形成される下穴部に回転工具を圧入することで、下穴が形成されない部分に没入する場合に比べて、回転工具に与えられる抵抗力を減らすことができる。これによって回転工具を短時間で没入させることができるとともに、回転工具の破損を防ぐことができる。
【００２１】
本発明は、流動化工程で、基部を鋳造物の下穴部に圧入する設定圧入量Ｂ２は、回転工具圧入前における下穴の深さ寸法Ｈｈ未満に設定され（Ｂ２＜Ｈｈ）、かつ鋳造物に没入する部分の回転工具の体積Ｖｐが回転工具圧入前における下穴の容積Ｈｈ以上（Ｖｐ≧Ｖｈ）となる値に設定されることを特徴とする。
【００２２】
本発明に従えば、鋳造物に没入する部分の回転工具の体積Ｖｐが下穴の容積Ｖｈ以上（Ｖｐ≧Ｖｈ）となる。回転工具圧入時に、回転工具によって押しのけられるとともに軸線方向に向かう力を受けた流動体は、基部の軸線方向先端部に移動して、基部の軸線方向先端部と、下穴部の底面との間の隙間を塞ぐ。隙間がふさがれることで、基部軸線方向先端部に向けて移動した流動体は、基部軸線方向先端部近傍で逃げ場を失って、回転工具から基部半径方向に少し離れた位置で、基部軸線方向後端部に向けて移動する流れが生じる。このようにして流動体が軸線方向一方と軸線方向他方とで交互に循環する流れを作り出すことで、塑性流動する流動体の量をさらに増やすことができる。また基部が、下穴部の底面に接することを防ぐことで、基部が下穴部の底面を押圧することを防いで、基部が過剰な力を受けることを防ぐことができる。これによって基部が比較的細長に形成される場合であっても、基部の破損を防ぐことができる。
【００２３】
本発明は、軸体は、基部の軸線方向後端部に連なって形成されて、回転軸線まわりの凸部の回転半径を超える半径を有する円柱状のショルダ部が形成され、基部の軸線方向寸法は、回転工具圧入前における下穴の深さ寸法未満に選ばれることを特徴とする。
【００２４】
本発明に従えば、流動化工程で、回転工具を回転させながら軸線方向に移動させて、基部全体を下穴部に圧入すると、ショルダ部が下穴部の上面に当接する。ショルダ部が下穴部の上面に当接することで、回転工具が下穴部に没入することに対する抵抗力が増大し、回転工具が下穴部の底面に接触することを防ぐことができる。これによって基部の破損を防ぐことができる。また基部の軸線方向寸法は、前記設定圧入量Ｂ２とほぼ等しく設定されることが好ましい。
【００２５】
本発明は、基部の直径が、回転工具圧入前における下穴の内径以上に選択されることを特徴とする。
【００２６】
本発明に従えば、基部の直径が下穴の内径よりも大きく選択されることで、凸部とともに、基部が下穴部の内周部分に対して摺動回転することになり、回転工具と下穴部とが接触する接触面積を大きくすることができる。これによって基部が下穴部の内周部分に摺動しない場合に比べて、回転工具から下穴部に与える摩擦熱を大きくすることができ、塑性流動する流動体の量を増やすことができる。
【００２７】
本発明は、回転軸線まわりの凸部の回転半径が回転工具圧入前における下穴の半径を超え、基部の直径が下穴の内径未満に選択されることを特徴とする。
【００２８】
本発明に従えば、基部の直径が下穴の内径よりも小さく形成されることで、基部が下穴部の内周部分に対して摺動することを防ぐことができ、基部が下穴部に対して摺動回転する場合に比べて、回転工具と下穴部とが接触する接触面積を小さくすることができる。このように接触面積は、凸部によって決定され、下穴の直径に関連しないので、回転工具と下穴部との接触面積が不所望に増加することを防ぐことができる。
【００２９】
本発明は、回転工具は、凸部に対して周方向に隣接して、軸線方向に延びる凹部をさらに有し、
凹部は、凸部の基部半径方向最外周端が回転軸線まわりに一周する回転軌跡よりも、基部半径方向内方に窪む退避面を有することを特徴とする。
【００３０】
本発明に従えば、退避面を形成する凹部が形成されることで、凸部が回転軸線まわりの全周にわたって形成される場合に比べて、回転工具が下穴部を押しのける体積を少なくすることができる。これによって回転抵抗を減らすことができ、回転工具と下穴部との接触面積が不所望に増加することを防ぐことができる。また凹部によって形成される凹所に流動体が流れ込んだ状態で、回転工具が回転することで、流動体が回転軸線まわりに回転しやすく、流動体をより撹拌させることができる。
【００３１】
本発明は、流動化工程では、回転軸線まわりに前記周方向一方に回転させながら、回転軸線に垂直な方向に、鋳造物に予め定められる移動経路に沿って、回転工具を移動させることを特徴とする。
【００３２】
本発明に従えば、回転工具を回転させながら、移動経路に沿って移動させることで、塑性流動する流動体の量を増やすことができる。また流動体が固化した改質層を移動経路に沿って形成することができる。
【００３３】
本発明は、流動化工程では、回転軸線まわりに前記周方向一方に回転させながら、回転軸線とは異なる予め定める公転軸線まわりに、回転軸線まわりの凸部の回転半径以下の回転半径で、回転工具を角変位移動させることを特徴とする。
【００３４】
本発明に従えば、回転工具が回転軸線まわりに自転回転するとともに公転軸線まわりに公転角変位移動する。これによって、塑性流動する流動体の量をさらに増やすことができる。また公転軸線まわりに基部の半径以下の回転半径で、回転工具を角変位移動させることで、鋳造物が既に軟化した軟化部分の一部を、基部が通過することなる。これによって回転軸線を移動させるのに必要な回転工具に与える力を低減することができる。本発明では、角変位移動とは、回転中心まわりに３６０度以下角変位する場合はもちろん、３６０度以上角変位する場合も含む。
【００３５】
本発明は、前記鋳造物の組織改質方法が施された鋳造物であって、一方に開放する凹所を形成する凹部と、内部に流体を貯留または流通させるための流体空間を形成する流体空間形成部とを有し、塑性流動した流動体が固化した改質層が、凹所と流体空間とを結ぶ領域の少なくとも一部に介在することを特徴とする鋳造物である。
【００３６】
本発明に従えば、流体空間と凹所とを結ぶ領域の少なくとも一部に改質層が形成されることで、改質層によって、鋳造欠陥による流体空間と凹所との連通を分断することができ、流体空間から凹所に流体が漏洩することを防ぐことができる。また上述した方法によって鋳造物の組織改質処理が施されることで、改質層を厚くすることができ、組織改質後に鋳造物の一部を削ったとしても、改質層が残りやすく、鋳造物の気密性および液密性の信頼性を向上することができる。
【発明の効果】
【００３７】
請求項１記載の本発明によれば、流動体に、基部の軸線方向に移動させる力を与えることができ、流動体が固化した改質層を増やすことができる。これによって改質層によって消失可能な鋳造欠陥を増大することができ、鋳造物の気密性および液密性を向上することができる。また改質層を増やすことができるので、仮に改質層の一部を含む部分が切除される場合であっても、改質層が残留しやく、鋳造物の気密性および液密性の低下を防いで、鋳造物の信頼性を向上することができる。
【００３８】
このように鋳造物の気密性および液密性を向上することで、鋳造欠陥に起因する鋳造物の歩留まりを向上することができ、製造コストを低減することができる。また含浸処理して下穴部の気密性および液密性を達成する場合に比べて、鋳造欠陥を短時間で修復することができ、作業効率を向上することができる。また鋳造欠陥を低減するために、試行錯誤的に鋳型形状を工夫する場合に比べて、鋳造物の鋳造欠陥を簡単に修復することができる。
【００３９】
請求項２記載の本発明によれば、予め形成される下穴部に回転工具を圧入することで、下穴が形成されない部分に回転工具を圧入する場合に比べて、回転工具に与えられる抵抗力を減らすことができる。これによって回転工具を短時間で没入させることができるとともに、回転工具の破損を防ぐことができ、改質方法における作業性を効率化することができる。
【００４０】
また下穴部の内周部分に存在していた鋳造欠陥を消失することができるので、改質層によって、下穴と鋳造物の鋳造欠陥との連通を分断することができ、鋳造欠陥を介して下穴に流体が漏れ出すことを防ぐことができる。さらに流動体を軸線方向に撹拌することで、改質層の下穴半径方向厚さを増やすことができる。これによって下穴の内周部を切削加工して丸穴等を形成する場合にも、改質層が下穴部の内周部分に残りやすく、鋳造物の気密
性および液密性に関する信頼性を向上することができる。
【００４１】
請求項３記載の本発明によれば、流動体によって、基部の軸線方向先端部と、下穴部の底面との間の隙間を塞ぐことで、流動体の流れについて、基部軸線方向後端部近傍から軸線方向一方に移動する流れと、基部軸線方向先端部近傍から軸線方向他方に移動する流れとについて交互に繰返すような循環する流れを作り出すことができ、塑性流動する流動体の量をさらに増やすことができる。これによって改質層によって消失可能な鋳造欠陥の量を増大することができる。さらに基部が、下穴部の底面に接することを防ぐことで、基部に過剰な力が与えられることを防ぐことができる。これによって基部が比較的細長に形成される場合であっても、基部の破損を防ぐことができる。
【００４２】
請求項４記載の本発明によれば、ショルダ部が下穴部の上面に当接することで、回転工具が軸線方向に下穴部に没入することを阻止する抵抗力が増大し、基部が下穴部の底面に接することを確実に防ぐことができる。これによって基部の破損を防ぐことができる。また鋳造物の板厚が異なっても、組織改質後に形成される基部痕の深さにバラツキが生じることを抑えることができる。
【００４３】
請求項５記載の本発明によれば、基部が下穴部に対して摺動しない場合に比べて、回転工具から下穴部に与える摩擦熱を大きくすることができ、下穴部のうちで流動体の量を増やすことができ、改質層の厚み寸法をさらに増加させることができる。これによって改質層によって消失される鋳造欠陥を増大することができる。
【００４４】
請求項６記載の本発明によれば、基部の直径が下穴の内径よりも小さく選択されることで、回転工具基部と下穴部とが接触する接触面積を小さくすることができる。これによって下穴部の直径が小さい場合であっても、下穴部から回転工具に与えられる回転抵抗を減らすことができ、回転工具の損傷を防ぐことができる。
【００４５】
請求項７記載の本発明によれば、退避面を形成する凹部が形成されることで、凸部が回転軸線まわりの全周にわたって形成される場合に比べて、回転工具が下穴部を押しのける体積を少なくすることができる。これによって回転抵抗を減らすことができ、回転工具と下穴部との接触面積が不所望に増加することを防ぐことができる。また凹部によって形成される凹所に流動体が流れ込んだ状態で、回転工具が回転することで、流動体が回転軸線まわりに回転しやすく、流動体をより撹拌させることができ、改質層を増加させることができる。
【００４６】
請求項８記載の本発明によれば、回転させながら回転工具を移動経路に沿って移動させることで、改質層を、移動経路に沿って形成することができる。これによって移動経路に沿って分布していた鋳造欠陥を消失することができる。また移動経路を任意に選ぶことで、回転工具の形状に拘わらず、改質層を任意の寸法および形状にすることができる。
【００４７】
請求項９記載の本発明によれば、回転工具を、公転軸線まわりに基部の半径以下の回転半径で角変位移動させることで、鋳造物が既に軟化した軟化部分の一部を、基部が通過することなる。これによって回転工具を移動させるのに必要な力を低減することができ、回転工具を容易に移動させることができるとともに回転工具の破損を抑えることができる。
【００４８】
請求項１０記載の本発明によれば、改質層によって、鋳造欠陥が流体空間と凹所とを連通することを防ぐことができ、流体空間から凹所に流体が漏洩することを防ぐことができる。また上述した方法によって鋳造物の組織改質処理が施されることで、改質層を厚くすることができるので、鋳造物のうちで凹部の一部を削ったとしても、改質層が残りやすい。これによって鋳造物を用いて製作される鋳造製品について、鋳造欠陥に起因する不良品
を低減することができ、鋳造製品の品質を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
図１は、本発明の第１実施形態である組織改質方法に用いられる回転工具２０を示す斜視図である。本発明の第１実施形態である組織改質方法は、回転工具２０を用いて鋳造物の一部を摩擦撹拌することによって、鋳造物が部分的に塑性流動した改質層を鋳造物に形成する。改質層は、流動化した流動体が固化した層である。
【００５０】
改質層は、金属組織が緻密化されるとともに空孔がほとんど存在しない層となる。したがって鋳造物に改質層を形成することで、改質層が形成される以前に、存在していた鋳造欠陥を、改質層によって消失させることができる。鋳造欠陥とは、鋳造によって生じる引け巣、ガスボロシティおよび割れなどの内部に形成される空孔を意味する。また鋳造物は、鋳造によって成形される部材であり、本実施の形態では、軽量合金、具体的には鋳造用アルミ合金からなる。
【００５１】
図１に示すように回転工具２０は、略円柱状に形成される。回転工具２０は、略円柱状の軸体３０と、軸体３０に連なって軸体３０と同軸に形成される略円柱状のプローブ３３とを含んで構成される。軸体３０は、その中心軸線が回転軸線Ｌ１となり、回転軸線Ｌ１まわりに回転駆動される。軸体３０は、プローブ３３に連なる部分にショルダ部３０ａが形成される。ショルダ部３０ａは、回転軸線Ｌ１と同軸の略円柱状に形成されて、プローブ３３の直径よりも大きい直径を有する。回転工具２０は、たとえば表面硬化処理が施された合金工具鋼が用いられる。
【００５２】
プローブ３３は、基部３１と凸部３２とを含む。基部３１は、軸線方向後端部３１ｂがショルダ部３０ａに連なり、ショルダ部３０ａと同軸に形成される略円柱状に形成される。ここで軸線方向とは、回転軸線Ｌ１と平行な方向である。凸部３２は、基部３１の外周部分に形成される。本実施の形態では、プローブ３３は、外ねじが形成される。この場合、基部３１は、プローブ３３の本体部となる。また凸部３２は、プローブ３３のうちで外ねじを形成する突出部分、いわゆるねじ山部分となる。凸部３２は、基部３１の外周面から半径方向外方に突出して、回転軸線Ｌ１まわりに周方向一方Ｒ１に向かうにつれて、基部３１の軸線方向先端部３１ａから基部３１の軸線方向後端部３１ｂに近接する方向Ｚ２に傾斜して延びる。以下、基部３１の軸線方向先端部３１ａを基部先端部３１ａと称し、基部３１の軸線方向後端部３１ｂを基部後端部３１ｂと称する場合がある。
【００５３】
本実施の形態では、プローブ３３は、一条の左ねじが形成される。凸部３２は、基部３１の軸線方向後端部３１ｂから軸線方向先端部３１ａにわたって連続して、回転軸線Ｌ１まわりに周方向に螺旋状に延びる。ここで基部３１の軸線方向先端部３１ａは、基部３１の軸線方向両端部３１ａ，３１ｂのうちで、ショルダ部３０ａとは反対側となる軸線方向の端部である。また基部３１の軸線方向後端部３１ｂは、基部３１のうちでショルダ部３０ａ側となる軸線方向の端部である。
【００５４】
図２は、鋳造物１９の一例となるアルミ鋳物製エンジンのフレームを示す斜視図である。図２には、エンジン本体の一部を構成するシリンダブロックを示す。鋳造物１９は、ねじ穴を形成するための下穴３４が形成される。下穴３４は、一方に開放する略円柱状に形成される。また鋳造物１９は、下穴３４の近傍に、鋳造物１９の内部について、冷却水を通過させるための循環路３５が形成される。下穴３４は、鋳造物１９が有する下穴部３６によって形成される。また循環路３５は、鋳造物１９が有する循環路形成部３７によって形成される。本実施の形態では、下穴３４および循環路３５は、鋳造成形によって形成される。したがって鋳造成形後に別途下穴３４を形成する機械加工を必要としない。また本実施の形態では、鋳造物１９は、アルミダイカスト法で鋳造成形される。
【００５５】
組織改質方法は、改質装置を用いて行われる。たとえば改質装置は、ＮＣ（Numerical
Control）フライス盤を用いて実現される。改質装置の工具チャック部分に回転工具２０が装着され、ワーク保持テーブルに鋳造物１９が固定された状態で、鋳造物の組織改質作業が行われる。工具チャック部分の回転軸線と、回転工具２０の回転軸線Ｌ１とが一致した状態で、回転工具２０の軸体３０が工具チャック部分に装着される。また少なくともプローブ３３が工具チャック部分から露出し、本実施の形態では、ショルダ部３０ａおよびプローブ３３が工具チャック部分から露出する。また回転工具２０の軸線と、鋳造物１９の下穴３４とが同軸配置可能に、回転工具２０と鋳造物１９とが改質装置に装着される。
【００５６】
工具チャック部分に回転工具２０が装着され、ワーク保持テーブルに鋳造物１９が装着された状態で、回転工具２０は、改質装置によって、回転軸線Ｌ１まわりに回転駆動される。また回転工具２０は、改質装置によって、鋳造物２０に対して、回転軸線Ｌ１の延びる軸線方向であるＺ方向に相対変位駆動される。また本実施の形態では、回転工具２０は、ワーク保持テーブルに対して、Ｚ方向に垂直な方向である送り方向に相対移動可能に構成される。この送り方向は、Ｘ方向とＹ方向とを含む。ここで、Ｘ方向は、Ｚ方向に垂直な第１方向であり、Ｙ方向は、Ｚ方向とＸ方向とに垂直な第２方向である。したがって改質装置は、ワーク保持テーブルに対して回転工具２０を、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向に相対移動可能に構成される。
【００５７】
図３は、回転工具２０と鋳造物１９とを示す断面図である。プローブ３３の回転軸線Ｌ１まわりの回転半径は、下穴３４の半径よりも大きく形成される。また基部３１の直径Ｄｐは、下穴３４の内径Ｄｈ以上となり（Ｄｐ≧Ｄｈ）、凸部３２の直径Ｄｂもまた、下穴３４の内径Ｄｈ以上となる（Ｄｂ≧Ｄｈ）。ここで、凸部３２の直径Ｄｂは、凸部３２の基部半径方向最外周端が回転軸線まわりに一周する回転軌跡の直径となる。
【００５８】
本実施の形態では、プローブ３３に形成される外ねじの谷の径が基部３１の直径Ｄｐとなる。またプローブ３３の呼び径が凸部３２の直径Ｄｂとなる。プローブ３３は、日本工業規格のＪＩＳ Ｂ０２０５に規定される一般用メートルねじに従った基準山形が形成され、本実施の形態ではピッチは、２．５ｍｍに選択される。この場合、下穴３４の内径Ｄｈに対して、凸部３２の直径Ｄｂは、０．８９倍以上、１．２０倍以下に選択される（０．８９・Ｄｈ≦Ｄｂ≦１．２０・Ｄｈ）。凸部３２の直径Ｄｂが、下穴３４の内径Ｄｈの１．２倍を超えると、回転抵抗が過剰となり回転工具２０が損傷するおそれがある。また凸部３２の直径Ｄｂが、下穴３４の内径Ｄｈの０．８９倍未満であると、下穴部３６の内周部分を充分に流動化させることができないおそれがある。本実施の形態では、プローブ３３の呼び径Ｄｂは、２０ｍｍに形成される。また下穴３４の内径Ｄｈは、１４．６ｍｍ以上１９．６ｍｍ以下に選択される。これによって回転工具２０の破損を防ぐとともに、下穴部３６の内周部分を充分に流動化させることができる。
【００５９】
またショルダ部３０ａの直径Ｄｓは、下穴３４の内径Ｄｈ以上であって、基部３１および凸部３２の直径Ｄｐ，Ｄｂ以上となる。本実施の形態では、ショルダ部３０ａの直径Ｄｓは、凸部３２の直径Ｄｂの１．５倍以上、４倍以下に選択される（１．５・Ｄｂ≦Ｄｓ≦４・Ｄｂ）。ショルダ部３０ａの直径Ｄｓが、凸部３２の直径Ｄｂの４倍を超えると、ショルダ部３０ａと下穴部３６との間で生じる摩擦熱が過剰となり、鋳造物１９に熱ひずみが生じるおそれがある。また回転工具２０が大形化してしまい狭いスペースに回転工具を配置することができなくなる。またショルダ部３０ａの直径Ｄｓが、凸部３２の直径Ｄｂの１．５倍未満であると、ショルダ部３０ａが下穴部３６の上面７０に当接しても回転工具２０の没入を充分に抑えることができない。
【００６０】
また基部３１の軸線方向寸法Ｈｐは、下穴３４の深さ寸法Ｈｈ未満となる（Ｈｐ＜Ｈｈ
）。これによって基部３１が下穴部３６の底面１３９に接触するまえに、ショルダ部３０ａが下穴部３６の上面７０に接触する。したがって基部３１の軸線方向先端部３１ａが、下穴部３６の底面１３９に接触して、底面１３９に没入することが防がれる。ここで基部３１の軸線方向寸法Ｈｐは、基部３１の軸線方向先端部３１ａから軸線方向後端部３１ｂまでの軸線方向寸法である。本実施の形態では、基部３１の深さ寸法Ｈｐは、４０ｍｍに形成される。また下穴３４の深さ寸法Ｈｈは、４１ｍｍに選択される。このように下穴３４の深さ寸法Ｈｈから、基部３１の深さ寸法Ｈｐを減算した値（Ｈｈ−Ｈｐ）は、予め定められる隙間設定値に設定される。たとえば隙間設定値は、１〜２ｍｍに設定され、本実施の形態では、１ｍｍに設定される。
【００６１】
図４は、回転状態の回転工具２０が鋳造物１９に圧入される状態を示す断面図である。凸部３２が基部３１の軸線方向先端部３１ａから軸線方向後端部３１ｂに近接する方向に向かうにつれて、回転軸線Ｌ１まわりに周方向に回転する周方向一方Ｒ１を、回転方向として回転工具２０は回転される。言い換えると、プローブ３３に左ねじが形成される場合、鋳造物１９に対して軸線方向反対側から回転工具２０をみて、時計まわり（右まわり）に回転工具２０を回転させる。このように回転工具２０を回転させながら、鋳造物１９に形成される下穴３４と、回転工具２０とを同軸に保ちつつ、回転工具２０を基部３１の軸線方向先端部３１ａから下穴部３６に圧入させる。
【００６２】
プローブ３３の外周部分が、下穴部３６の内周部分に対して摺動回転することで、摩擦熱が発生して、下穴部３６のうちでプローブ３３に臨む内周部分が軟化する。下穴部３６の内周部分が充分に軟化した状態で、さらにプローブ３３が下穴部３６に対して摺動回転すると、下穴部３６の内周部分には、軟化した部分が塑性流動する流動体３８が生じる。
【００６３】
流動体３８は、プローブ３３が摺動回転することで、プローブ３３とともに回転軸線Ｌ１まわりに周方向一方Ｒ１に回転する。プローブ３３が回転軸線Ｌ１まわりに周方向一方Ｒ１に回転すると、流動体３８は、プローブ３３に対して回転軸線Ｌ１まわりに周方向他方Ｒ２に相対回転する。プローブ３３の凸部３２に接触した流動体３８は、プローブ３３に対して回転軸線Ｌ１まわりに周方向他方Ｒ２に進み、凸部３２に案内されて基部３１の軸線方向先端部３１ａに向かう軸線方向一方Ｚ１の力が与えられる。
【００６４】
このように流動体３８は、回転軸線Ｌ１まわりに周方向一方Ｒ１に移動する力とともに、軸線方向一方Ｚ１に移動する力が与えられる。流動体３８が周方向一方Ｒ１とともに軸線方向一方Ｚ１にも移動することで、流動体３８が撹拌されやすくなり、塑性流動する流動体３８の量を増やすことができる。またプローブ３３は、流動体３８と接触することによって、流動体３８からの反力として、軸線方向他方Ｚ２に向かう力を受ける。これによって回転工具２０が過剰な速度で下穴部３６に没入することを防ぐことができる。
【００６５】
図５は、本実施形態の鋳造物１９の組織改質手順を示すフローチャートである。図６は、組織改質手順を説明するための断面図である。図７は、組織改質作業における回転工具２０の状態の時間変化を示すタイミングチャートである。図６は、図６（１）〜図６（３）の順で手順が進む。また図７（１）に回転工具２０の位置変化を示す。図７（２）に回転工具２０の移動状態を示す。図７（３）に回転工具２０の回転状態を示す。
【００６６】
まずステップｓ０で鋳造成形によって鋳造物１９を成形すると、ステップｓ１に進み、組織改質作業を開始する。ステップｓ１では、準備工程を行う。準備工程では、回転工具２０と鋳造物１９とを準備する。鋳造物１９に下穴３４が形成されていない場合には、ボール盤などを用いて機械加工によって下穴３４を形成する。また下穴３４に対応する形状の回転工具２０を用意する。このように回転工具２０および鋳造物１９を準備して、ＮＣフライス盤にそれぞれを固定するとステップｓ２に進む。
【００６７】
ステップｓ２では、流動化工程を行う。まず図６（１）に示すように、回転工具２０の回転軸線Ｌ１と、下穴３４の軸線とが同軸となるように、工具チャック部分およびワーク保持テーブルの少なくともいずれかを相対移動させる。回転工具２０の回転軸線Ｌ１と下穴３４の軸線とが同軸となると、第１時刻Ｔ１で、回転工具２０を回転軸線Ｌ１まわりに前記周方向一方Ｒ１に回転させる。次に、第２時刻Ｔ２で、回転工具２０を回転させながら、回転工具２０を軸線方向一方Ｚ１に移動させる。軸線方向一方Ｚ１に移動する回転工具２０は、第３時刻Ｔ３で、基部先端部３１ａが下穴部３６の軸線方向他方Ｚ２端面７０に接触し、基部先端部３１ａによって下穴部３６を押圧する。回転工具２０を下穴部３６に押圧しつづけることで、回転工具２０は基部先端部３１ａから下穴部３６に圧入される。
【００６８】
圧入時には、回転工具２０の回転速度および軸線方向移動速度を略一定に維持する。本実施の形態では、圧入時の回転工具２０の回転速度Ｃ１は、１０００〜５０００ｒｐｍ（回転／分）に選択される。また回転工具２０の軸線方向移動速度Ｖ１は、０．５〜５ｍｍ／ｓに選択される。第３時刻Ｔ３の経過後に第４時刻Ｔ４に達すると、ショルダ部３０ａが下穴部３６の上面７０に当接する。このようにショルダ部３０ａが下穴部３６の上面７０に接触する第４時刻Ｔ４に達すると、図６（２）に示すように、回転工具２０の軸線方向移動を停止する。
【００６９】
軸線方向移動停止後には、回転工具２０の外周部分を、下穴部３６の内周部分に対して摺接回転させた状態を維持して、摩擦熱によって下穴部３６を軟化させる。このように回転工具２０が下穴部３６に対して摺接回転する状態を継続させることで、下穴部３６を部分的に塑性流動させ、下穴部３６が部分的に塑性流動した流動体３８を増加させる。流動化工程では、軸線方向Ｚの移動を停止してから充分な流動体３８が発生するまでの時間となる第１設定時間Ｗ１が経過して、第５時刻Ｔ５に達すると、ステップｓ３に進む。たとえば予め定める時間Ｗ１は、２〜３０秒に設定される。また、流動化工程では、軸線方向移動停止後の回転工具２０の回転速度Ｃ２は、回転工具２０を下穴部３６に圧入するときの回転速度Ｃ１よりも低下させる（Ｃ２≦Ｃ１）。本実施の形態では、軸線方向移動停止後の回転工具２０の回転速度Ｃ２は、２００〜３０００ｒｐｍ（回転／分）に選択される。
【００７０】
ステップｓ３では、図６（３）に示すように引抜き工程を行う。引抜き工程では、回転工具２０を軸線方向他方Ｚ２に移動させて鋳造物１９から回転工具２０を引抜く。引抜き工程では、回転工具２０の回転速度および軸線方向移動速度を略一定に維持する。引抜き時の回転工具２０の回転速度Ｃ３は、回転工具２０を下穴部３６に圧入するときの回転速度Ｃ１よりも低下させる（Ｃ３≦Ｃ１）。本実施の形態では、引抜き時の回転工具２０の回転速度Ｃ３は、２００〜３０００ｒｐｍ（回転／分）に選択される。また引抜き時における回転工具２０の軸線方向移動速度Ｖ２の絶対値を、回転工具２０を下穴部３６に圧入するときの軸線方向移動速度Ｖ１の絶対値よりも増大させる（Ｖ２＞Ｖ１）。本実施の形態では、回転工具２０の軸線方向移動速度Ｖ２は、１０〜１００ｍｍ／ｓに選択される。第６時刻Ｔ６で回転工具２０を鋳造物１９から引抜くと、ステップｓ５に進む。ステップｓ５では、回転工具0２０の回転を停止して、組織改質動作を終了する。
【００７１】
ステップｓ３の引抜き工程を行うことで、流動体３８に与えられる摩擦熱の供給を停止する。したがって流動体３８が冷えて固化した改質層３９を形成することができる。この改質層３９は、下穴部３６の内周部分を形成する。改質層３９によって、下穴部３６の内周部分に生じていた鋳造欠陥を消失することができる。
【００７２】
このように本実施の形態では、圧入時の回転工具２０の回転速度Ｃ１が、圧入後の回転
工具２０の回転速度Ｃ２，Ｃ３よりも高く設定される。また圧入時における回転工具２０の軸線方向移動速度Ｖ１の絶対値が、引抜き時における回転工具２０の軸線方向移動速度Ｖ２の絶対値よりも低く設定される。ツール圧入時は、下穴部３６の温度が低く硬いので、多くの摩擦熱が必要なために、高速回転でかつ、低速軸線方向移動とすることが好ましい。圧入時の回転速度Ｃ１を高くすることで、多くの摩擦熱を与えることができ、比較的短時間で下穴部３６を軟化させることができる。また圧入時の軸線方向移動速度Ｖ１を低くすることで、下穴部３６が硬い状態で基部３１が下穴部３６を押圧することが防がれ、基部３１が損傷することを防ぐことができる。
【００７３】
また圧入後には、下穴部３６が充分に軟化している。圧入後には、下穴部３６を部分的に塑性流動させるために、流動体３８を、下穴部３６を除く鋳造物本体に対して、回転工具２０の凸部３２に追従させて回転させる必要がある。圧入後の回転工具２０の回転速度が過剰となると、流動体と、凸部３２との馴染みが悪く、回転工具だけがまわっている状態（空回り状態）となる。これに対して、本実施の形態では、圧入後の回転工具２０の回転速度Ｃ２，Ｃ３を、圧入時の回転速度Ｃ１に比べて低くすることで、流動化した部分を回転工具２０に追従させて移動させることができ、流動体３８の撹拌量を増大させることができる。
【００７４】
また引抜き時は、摩擦熱を与える必要がないので、引抜き時の回転工具２０の軸線方向移動速度Ｖ２を高めても改質層に影響を与えることが少ない。このように引抜き時の回転速度を高めることで、改質層に悪影響を与えることなく、作業時間を短くすることができる。
【００７５】
改質装置が回転工具２０の移動位置を出力可能である場合、基部先端部３１ａが下穴部３６の上面７０に接触する第３時刻Ｔ３は、回転工具２０の移動量に基づいて決定してもよい。また改質装置が、回転工具２０を回転または移動させるときの負荷トルクを検出可能である場合、基部先端部３１ａが下穴部３６の軸線方向他方Ｚ２端面７０に当接する負荷トルクを検出した時刻を、第３時刻Ｔ３として設定してもよい。同様に、ショルダ部３０ａが下穴部３６に当接する第４時刻Ｔ４は、回転工具２０の移動量に基づいて決定しても、ショルダ部が下穴部３６に当接する負荷トルクを検出した時刻を、第４時刻Ｔ４として設定してもよい。また第３時刻Ｔ３から第４時刻に達するまでの没入時間Ｗ２を予め求めておくことで、第３時刻Ｔ３から没入時間Ｗ２が経過した時刻を第４時刻Ｔ４として決定してもよい。このように第３時刻Ｔ３および第４時刻Ｔ４を求めることで、回転工具２０を引抜く時刻を設定することができ、塑性流動状態がばらつくことを防ぐことができる。
【００７６】
図４に示すように、流動体３８は、回転軸線Ｌ１まわりに移動する力とともに、軸線方向一方Ｚ１に移動する力が与えられる。流動体３８が回転方向とともに軸線方向にも移動することで、流動体３８が撹拌されやすくなり、塑性流動する流動体の量を増やすことができる。これによって改質処理後に形成される改質層３９を増やすことができる。また回転工具２０は、流動体３８からの反力として、基部３１を押し出す方向となる軸線方向他方Ｚ２の力を受け、過剰な速度で下穴部３６に没入することが防がれる。
【００７７】
図８は、流動体３８の成長変化を示すための断面図である。流動体３８の成長は、図８（１）〜図８（３）の順で進む。図８（１）に示すように、プローブ３３が下穴部３６に没入する没入量Ｂ１が、下穴３４の深さＨｈよりも小さい場合、基部先端部３１ａと、下穴部３６の底面１３９との間に隙間７１が生じており、凸部３２によって軸線方向一方Ｚ１に移動した流動体３８ｂは、基部先端部３１ａと、下穴部３６の底面１３９との間の隙間７１に溜まる。この状態では、流動体３８は、軸線方向一方Ｚ１に移動するだけでプローブ３３の半径方向厚み方向に成長しずらい。
【００７８】
プローブ３３の没入量Ｂの増加に比例して、軸線方向一方Ｚ１に移動する流動体３８ａが増加する。基部先端部３１ａと、下穴部３６の底面１３９との間の隙間７１に溜まる流動体３８ａの量が増える。図８（２）に示すように、予め定められる設定没入量Ｂ２に達すると、流動体３８ｂによって基部先端面３１ａと下穴部３６の底面１３９との間の隙間７１が塞がれる。これによって軸線方向一方Ｚ１に向けて移動した流動体３８ｂは、基部先端部３１ａの近傍で逃げ場を失って、プローブ３３から基部半径外方方向に押し出される。押し出された流動体３８ａは、軸線方向他方Ｚ２に移動する。そして基部先端部３１ａから軸線方向他方Ｚ２に充分離れた位置で、基部半径方向内方に移動して軸線方向一方Ｚ１に移動する。これによって流動体３８が、軸線方向一方Ｚ１と軸線方向他方Ｚ２とを交互に移動するような循環する流れを作り出すことができる。
【００７９】
図８（３）に示すように、流動体３８によって隙間７１を埋めた状態で、予め定める第１設定時間Ｗ１が経過するまで、回転を維持するとともに軸線方向の移動を停止することで、流動体３８が軸線方向Ｚに循環する流れがさらに大きくなる。このように流動体３８が、軸線方向一方Ｚ１と軸線方向他方Ｚ２とに交互に移動するように、軸線方向Ｚに循環させることで、塑性流動する流動体３８の基部半径方向の厚み寸法を増やすことができる。
【００８０】
設定没入量Ｂ２と、基部３１の軸線方向寸法Ｈｐとがほぼ同じ長さに設定される（Ｂ２≒Ｈｐ）。これによって図８（２）および図８（３）に示すように、本実施の形態では、基部先端部３１ａが設定没入量Ｂ２没入した状態で、ショルダ部３０ａが下穴部３６の上面７０に当接する。
【００８１】
ショルダ部３０ａが下穴部３６の軸線方向他方Ｚ２端面となる上面７０に当接することで、流動体３８が下穴部３６から盛り上がることがショルダ部３０ａによって妨げられる。これによって塑性流動する流動体３８を基部先端部３１ａと基部後端部３１ｂとの間で軸線方向Ｚに循環させることができる。したがってショルダ部３０ａの半径は、流動化する流動体３８よりも基部半径方向外方に大きく形成されることが好ましい。
【００８２】
またショルダ部３０ａが下穴部３６の軸線方向他方Ｚ２端面となる上面７０に当接することで、回転工具２０が軸線方向に下穴部３６に没入することを阻止する抵抗力が増大し、基部軸線方向先端部３１ａが下穴部３６の底面に接触することを防ぐことができる。これによって基部３１に与えられる力が過剰となることを防ぐことができ、基部３１が損傷することを防ぐことができる。また下穴３４の深さにバラツキが生じることを抑えることができる。
【００８３】
また基部３１を鋳造物１９の下穴部３６に圧入する設定圧入量Ｂ２は、回転工具圧入前における鋳造物１９の下穴３４の深さ寸法Ｈｈよりも小さく設定され（Ｂ２＜Ｈｈ）、かつ鋳造物１９に没入する部分の回転工具の体積Ｖｐが、回転工具圧入前の下穴３４の容積Ｖｈ以上（Ｖｐ＞Ｖｈ）となる値に設定される。ここで設定圧入量Ｂ２は、基部３１が下穴部３６に圧入した状態における、下穴部３６の上面７０から基部３１の軸線方向一端部３１ａまでの軸線方向寸法である。また鋳造物１９に没入する部分の回転工具２０の没入体積Ｖｐは、基部３１が没入した状態における、下穴部３６の上面７０よりも軸線方向一方Ｚ１側のプローブ３３の体積である。
【００８４】
たとえばプローブ３３が軸線方向に一様な断面形状を有する場合、設定圧入量Ｂ２は、回転工具圧入前の下穴３４の容積Ｖｈをプローブ３３の断面積Ａ１で割算した値（Ｖｈ／Ａ１）以上に設定される（Ｂ２≧（Ｖｈ／Ａ１））。
【００８５】
下穴３４が軸線方向に一様な断面形状に形成される場合には、下穴３４の容積Ｖｈは、下穴３４の断面積Ａｈと、下穴３４の深さＨｈとの積（Ａｈ・Ｈｈ）で表わされる。したがって下穴３４が略円柱状に形成される場合には、下穴３４の半径をＦｈとし、下穴３４の深さをＨｈとすると、下穴３４の容積Ｖｈは、π・Ｆｈ２・Ｈｈで表わされる。
【００８６】
また下穴３４は、略円柱状に形成されなくてもよい。また言い換えると、圧入時に、プローブ３３が下穴部３６を押しのける体積は、プローブ３３と下穴部３６との隙間よりも大きくなればよい。プローブ３３が下穴部３６を押しのける体積は、プローブ３３の形状や、下穴３４の形状に応じてその都度異なることになる。たとえば基部３１は、下穴３４に圧入しやすいように、先端部が先細に形成されてもよい。
【００８７】
図９は、組織改質処理後に下穴部３６にナット部材４１を螺着して連結部材４２を固定する手順を説明するための断面図である。図９（１）〜図９（４）の順で手順が進む。図９（１）に示すように、鋳造工程を行って、下穴３４が形成される鋳造物１９を成形する。次に図９（２）に示すように、上述した流動化工程を行って、下穴部３６の内周部分に改質層３９を形成する。次に図９（３）に示すように、タップ加工工程を行って、下穴部３６を削り、ねじ穴７２が形成されるねじ穴部７３を形成する。次に図９（４）に示すように、組立工程を行って、ナット部材４１を用意し、ナット部材４１のねじ部分を、連結部材４２に形成される貫通孔４３を通過させて、ねじ穴部７３に螺合させる。ナット部材４１を螺進することによって、鋳造物４１とナット部材４１とによって、連結部材４２を挟持することができ、鋳造物４１と連結部材４２とを固定することができる。この場合、ねじ穴部７３は、鋳造物１９が有する凹部であって、一方に開放するねじ穴である凹所を形成する凹部となる。
【００８８】
上述したように、本実施の形態では改質層３９を基部半径方向の厚み寸法を大きくすることができるので、下穴部３６をタップ加工してねじ穴部７３を形成しても、ねじ穴部７３の内周部分に改質層３９が残留しやすい。残留した改質層３９は、鋳造欠陥４０による循環路３５とねじ穴７２との連通を阻止する。したがって循環路３５を流れる流体が、ねじ穴７２から漏洩することを防止することができ、その漏洩効果を高めることができる。またねじ穴７２を形成する場合、回転工具２０のプローブ３３の直径と、ねじ穴部７３の谷径とをほぼ同じにすることで、鋳造欠陥の組織改質後に続けてタップ加工を行うことができ、別途内径加工を行う手間を省くことができる。
【００８９】
図１０は、組織改質処理後に下穴部３６に嵌合部材４４を嵌合して、嵌合部材４４をナット部材４５によって固定する手順を説明するための断面図である。図１０（１）〜図１０（４）の順で手順が進む。図１０（１）に示すように、鋳造工程を行って、下穴３４が形成される鋳造物１９を成形する。次に図１０（２）に示すように、上述した流動化工程を行って、下穴部３６の内周部分に改質層３９を形成する。次に図１０（３）に示すように、タップ加工工程を行って、下穴部３６とは異なる部分に内ねじ部４６を形成する。また切削加工によって、嵌合部材４４が嵌合可能となるように、下穴部３６を丸穴加工した嵌合凹部７３を形成する。嵌合凹所７３は、一方に開放して嵌合部材４４が嵌合する嵌合凹所７２が形成される。次に図１０（４）に示すように、組立加工を行う。また嵌合部材４４を用意して、嵌合凹部７３に嵌合部材４４を挿入させる。次にナット部材４５を用意し、ナット部材４５のねじ部分を、嵌合部材４４に形成される貫通孔を通過させて、内ねじ部４６に螺合させる。ナット部材４５を螺進することによって、鋳造物４１とナット部材４５とによって、嵌合部材４４を挟持することができ、鋳造物４１と嵌合部材４４とを固定することができる。この場合、嵌合凹部７３は、鋳造物１９が有する凹部であって、一方に開放する嵌合凹所を形成する凹部となる。
【００９０】
図９に示す場合と同様に、本実施の形態では、改質層３９を基部半径方向の厚み寸法を
大きくすることができるので、下穴部３６を丸穴加工して嵌合凹部７３を形成しても、嵌合凹部７３の内周部分に改質層３９が残留しやすい。残留した改質層３９は、鋳造欠陥４０による循環路３５と嵌合凹所７２との連通を阻止する。したがって循環路３５を流れる流体が、嵌合凹所７２から漏洩することを防止することができ、その漏洩効果を高めることができる。
【００９１】
以上のように本実施の形態によれば、改質層３９の基部半径方向の厚み寸法を増やすことができ、下穴部３６に内在していた鋳造欠陥をより多く消失させることができる。たとえば発明者らの実験によって、凸部３２が形成されない場合には、改質層３９の基部半径方向厚み寸法が、約０．５ｍｍとなった。これに対して、本実施の形態のように凸部３２を形成した場合には、改質層３９の基部半径方向厚み寸法を、約１ｍｍとすることができた。したがって組織改質後に下穴部３６が機械加工によって部分的に削られて、鋳造物１９が有する凹部７３として形成されたとしても、鋳造欠陥が凹部７３の内周面に露出することを防ぐことができ、鋳造欠陥に起因する不具合を低減することができる。
【００９２】
特に、鋳造物１９の内部に流体が貯留または流通される流体空間が形成される場合、下穴部３６の内周部分に厚み寸法の大きい改質層３９を形成することで、鋳造物１９の流体空間に貯留または流通される流体が、下穴３４または凹所７２に漏洩することを防ぐことができる。同様に下穴３４または凹所７２に存在する他の流体が、鋳造物１９の内部に形成される流体空間に漏洩することを防ぐことができる。また流体空間３５が形成されない場合でも、下穴部３６または下穴部３６が加工された凹部７３の内周部分を通過して、流体が鋳造物内部から漏洩したり、流体が鋳造物内部に浸透したりすることを防ぐことができる。したがって本実施の形態では、鋳造物１９の気密性および液密性を向上して、鋳造物１９の信頼性を向上することができる。
【００９３】
このようにして本実施の形態では、改質層３９によって鋳造欠陥を多く消失することで、鋳造欠陥に起因する鋳造物１９の歩留まりを向上することができ、製造コストを低減することができる。また鋳造物１９を用いて製作される鋳造製品について、鋳造欠陥に起因する不良品を低減することができ、鋳造製品の品質を向上することができる。また含浸処理して下穴部３６の気密性を達成する場合に比べて、短時間で下穴３４の被覆処理を行うことができ、作業効率を向上することができる。また鋳造欠陥を低減するために、試行錯誤的に鋳型形状を工夫する場合に比べて、鋳造物１９の鋳造欠陥を簡単に修復することができる。
【００９４】
また改質層３９は、下穴部３６の残余の部分に比べて金属結晶が微細な組織微細層となるので、組織微細層を増加させることができ、下穴部３６または凹部７３の強度を向上することができ、改質処理後に下穴部３６または凹部７３の損傷を防ぐことができ、鋳造物１９の品質を向上することができる。たとえば凹部７３がねじ穴部である場合、ねじ穴部のねじ山部分の強度を向上することで、ナット部材４１がねじ穴部から抜出ることを防ぐことができる。
【００９５】
また本実施の形態では、プローブ３３が大きくなることを防いだうえで、改質層３９を基部半径方向に増加させることができ、改質処理後に鋳造物１９に形成されるプローブ没入跡を小さくすることができる。これによって下穴３４を利用して内径の小さい丸穴となる凹所７２を形成することができ、内径の小さい丸穴に対して、比較的厚み方向寸法の大きい改質層３９を形成することができる。また下穴３４を鋳造成形によって予め形成することで、別途機械加工によって下穴３４を形成する必要がなく、作業効率を向上することができる。また下穴３４を鋳造物１９に最終的に形成される凹所として利用することで、凹所を形成する手間を省略することができる。
【００９６】
また予め形成される下穴部３６に回転工具２０を圧入することで、下穴３４が形成されない部分に回転工具２０を没入する場合に比べて、回転工具２０に与えられる抵抗力を減らすことができる。これによって回転工具２０を短時間で鋳造物１９に没入させることができるとともに、回転工具２０の破損を防ぐことができる。これによって改質方法における作業性を効率化することができる。また回転工具２０を下穴部３６に圧入した場合の回転抵抗を小さくすることで、下穴３４の直径が大きい場合であっても、組織改質を容易に行うことができる。また本実施の形態では、剛性および出力トルクが比較的低い改質装置であっても、プローブ３３を没入可能であり、汎用の工作装置によって改質装置を実現可能である。
【００９７】
また本実施の形態によれば、凸部３２が螺旋状に延びることで、凸部３２に接触する流動体３８を増やすことができ、流動体３８を軸線方向Ｚに移動させる力を大きくすることができる。また基部先端部３１ａから基部後端部３１ｂまで、凸部３２を緩やかに傾斜させることができ、凸部３２に接触する流動体３８の変動を小さくして、流動体３８から与えられる回転抵抗力の変動を少なくすることができる。
【００９８】
また本実施の形態によれば、基部３１が下穴部３６に対して摺動しない場合に比べて、回転工具２０から下穴部３６に与える摩擦熱を大きくすることができ、下穴部３６のうちで流動体３８の量を増やすことができる。これによって下穴部３６に生じていた鋳造欠陥の消失量を増大することができる。このように回転工具２０と下穴部３６との接触領域を大きくすることで、より多くの摩擦熱を下穴部３６に与えることができる。これによって下穴部３６に生じていた鋳造欠陥の消失量を増大することができる。
【００９９】
また本実施の形態では、下穴３４は、略円柱状に形成されるとしたが、これに限定しない。下穴３４の形状については、略円柱以外の断面形状を有してもよく、また深さ方向に形状が異なってもよい。たとえば鋳造によって下穴３４を形成する場合、軸線方向一方Ｚ１に進むにつれて縮径する円錐台形状に下穴３４が形成されるほうが、下穴３４が略円柱状に形成する場合に比べて容易に形成することができる。たとえば鋳造によって下穴３４を形成する場合、下穴３４を、その軸線を含む平面で切断した断面形状において、軸線と斜辺との成す角度が約２〜５°に設定される。
【０１００】
下穴３４が円錐台状に形成される場合であっても、基部３１を鋳造物１９の下穴部３６に圧入する設定圧入量Ｂ２は、回転工具圧入前における下穴３４の深さ寸法Ｈｈ未満に設定され（Ｂ２＜Ｈｈ）、かつ鋳造物に没入する部分の回転工具の体積Ｖｐが、回転工具圧入前の下穴３４の容積Ｖｈ以上（Ｖｐ＞Ｖｈ）となる値に設定される。
【０１０１】
下穴３４が軸線方向一方Ｚ１に進むにつれて縮径する円錐台形状に形成される場合、下穴部３６の上面付近での下穴３４の半径となる下穴上面半径をＦｈ１とし、下穴部３６の底面１３９付近での下穴３４の半径となる下穴底面半径をＦｈ２とすると、下穴３４の容積Ｖｈは、（１／３）・π・Ｈｈ・（Ｆｈ１２＋Ｆｈ１・Ｆｈ２＋Ｆｈ２２）で表わされる。
【０１０２】
この場合、プローブ３３の直径Ｄｂは、下穴部３６の上面付近での下穴３４の直径となる下穴上面直径（２・Ｆｈ１）よりも小さく、下穴部３６の底面１３９付近での下穴３４の直径となる下穴底面直径（２・Ｆｈ２）よりも小さく形成されることが好ましい（２・Ｆｈ２≦Ｄｂ≦２・Ｆｈ１）。これによってプローブ３３を下穴３４に容易に進入させるとともに、下穴の開口部分の隙間を埋めて、改質処理後の下穴の直径を厚み方向にわたってほぼ均一とすることができる。
【０１０３】
図１１は、第１実施形態の組織改質方法の変形例を説明するための断面図である。鋳造
物１９のうちで、下穴部３６の底面１３９と、底面１３９と反対側の反対面１４０との間の軸線方向寸法である厚み方向寸法Ｈｃが小さい場合など、裏当て部材１４１を反対面１４０に当接させた状態で、組織改質処理を行うことが好ましい。本実施の形態では、底面１３９と、底面１３９よりも軸線方向一方Ｚ１側となる反対面１４０との厚み寸法Ｈｃが４ｍｍ以下であると、裏当て部材１４１を用いる。具体的には、準備工程において、裏当て部材１４１を準備して、下穴部３６の開口部と反対側の反対面１４０に、裏当て部材１４１を押圧して、裏当て部材１４１で下穴部３６を支持する。この状態で、流動化工程を行う。
【０１０４】
反対面１４０を裏当て部材１４１によって支持した状態で、回転工具２０を下穴部３６に圧入することで、底面１３９と反対側の反対面１４０との厚み寸法Ｈｃが少なくても、反対面１４０が軸線方向一方Ｚ１に凸に盛り上がることを防ぐことができ、軸線方向の塑性流動の低下を防ぐことができる。また下穴部３６の底面１３９と反対面１４０との寸法が４ｍｍを超えてる場合でも、裏当て部材１４１を用いてもよい。
【０１０５】
図１２は、下穴３４が貫通する場合を示す断面図である。図１２（１）は、回転工具圧入前の状態を示し、図１２（２）は、回転工具圧入後の状態を示す。下穴３４が貫通する場合、すなわち厚み寸法Ｈｃが０である場合であっても、流動体３８が、基部先端部３１ａと、裏当て部材１４１の表面との間に留まることで、１〜２ｍｍの流動層を、基部３１と裏当て部材１４１との間に形成することができる。流動化工程のあとで、裏当て部材１４１を鋳造物１９から離反させることで、有底の下穴部３６を形成することができる。また下穴３４が貫通する場合には、前記設定没入量Ｂ２は、下穴部３６の厚み方向寸法よりも小さくされることが好ましい。これによって基部先端部３１ａが裏当て部材１４１の表面に接触することが防がれ、基部３１が損傷することを防ぐことができる。
【０１０６】
図１３は、本発明の第２実施形態である組織改質方法を説明するための図である。第２実施形態の組織改質方法は、第１実施形態と類似しており、流動化工程の一部が異なる以外については同様である。また第１実施形態と対応する構成については、同一の参照符号を付する。
【０１０７】
第２実施形態の組織改質方法は、流動化工程で、軸線方向Ｚの移動を停止してから充分な流動体３８が発生するまでの時間となる第１設定時間Ｗ１が経過して、第５時刻Ｔ５に達すると、回転軸線Ｌ１に垂直な方向に、鋳造物１９に予め定められる移動経路に沿って回転する回転工具２０を移動させる。すなわち鋳造物１９が充分に軟化してから、回転工具２０の移動を開始する。そして回転工具２０を移動経路の終端まで移動させると、引抜き工程を行う。
【０１０８】
これによって移動経路に沿って改質層３９を形成することができ、移動経路に沿って分布している鋳造欠陥を消失させることができる。本実施の形態では、改質装置によって、Ｘ方向およびＹ方向に工具チャック部分を移動させることによって、回転工具２０を予め定められる移動経路に沿って移動させることができる。
【０１０９】
第２実施形態では、流動化工程で、摩擦熱を発生させて下穴部３６の内周部分を軟化させた状態で、回転軸線Ｌ１まわりに回転工具２０を自転回転させた状態を維持しつつ、回転軸線Ｌ１とは異なる公転軸線Ｌ２まわりに回転軸線Ｌ１を公転回転させる。これによってプローブ３３の直径に拘わらずに公転軸線Ｌ２まわりに改質層３９を形成することができる。たとえば下穴部３６に内ねじを形成する場合に、下穴部３６に形成すべき内ねじの内径にかかわらずに、任意の直径の回転工具２０を用いることができる。回転工具２０が、公転軸線Ｌ２まわりに回転する回転半径Ｅおよび回転工具２０が移動する速度Ｃ４は、回転工具２０が破損することが防がれる値に選択される。たとえば回転半径Ｅは、０．５
ｍｍ以上３．０ｍｍ以下に選択される。また回転工具２０が、回転軸線Ｌ１に垂直な方向に移動する移動速度Ｃ４は、０．５〜３．０ｍｍ／ｓ以下に選択される。これによって回転工具２０および改質装置に与える負荷を減らすことができる。
【０１１０】
また第２実施形態であっても、第１実施形態と同様に、圧入時の回転工具２０の回転速度Ｃ１が、圧入後の回転工具２０の回転速度Ｃ２，Ｃ３よりも高く設定される。したがって回転工具２０が回転軸線Ｌ１に垂直な方向に移動するときの、回転工具２０の回転軸線Ｌ１まわりの回転速度Ｃ４は、圧入時における回転工具２０の回転軸線Ｌ１まわりの回転速度Ｃ１よりも小さく設定される（Ｃ４≦Ｃ１）。本実施の形態では、本実施の形態では、圧入時の回転工具２０の回転速度Ｃ１は、１０００〜５０００ｒｐｍに選択される。また回転工具２０が回転軸線Ｌ１に垂直な方向に移動するときの回転速度Ｃ４は、２００〜３０００ｒｐｍ（回転／分）に選択される。第２実施形態において、回転工具２０の圧入時、引抜き時の動作については、第１実施形態と同様である。
【０１１１】
また回転工具２０を回転軸線Ｌ１に垂直な方向に移動させる場合において、設定圧入量Ｂ２は、第１実施形態と同様に設定することができる。また裏当て部材１４１によって下穴部３６の反対面１４０を支持した状態で、回転工具２０を移動させてもよい。
【０１１２】
図１４は、公転軸線Ｌ２まわりに回転工具２０を回転させるまでの回転工具２０の移動経路を示す図である。図１４に示すように、まず公転軸線Ｌ２と同軸の下穴３４を形成し、下穴３４に回転軸線Ｌ１まわりに回転する回転工具３２を圧入する。下穴部３６の内周部分に流動体３８を生じさせると、公転軸線Ｌ２を中心として、回転工具２０を渦巻き状に回転させる。具体的には、回転工具２０を、公転軸線Ｌ２を中心に角変位移動させるにともなって、公転軸線Ｌ２に対する回転半径を大きくする。そして所定の回転半径Ｂに達すると、その回転半径Ｂを維持して回転工具２０を公転軸線Ｌ２まわりに回転させる。移動経路に沿って回転工具２０を移動させる間は、回転工具２０は、回転軸線Ｌ１まわりに回転する状態が維持される。
【０１１３】
また充分に流動体３８を生じさせると、回転工具２０を、公転軸線Ｌ２を中心に角変位させるにともなって、公転軸線Ｌ２に対する回転半径を小さくする。そして公転軸線Ｌ２と回転軸線Ｌ１とが一致または略一致すると、回転工具２０を鋳造物１９から引抜く。このように渦巻き状に延びる移動経路に沿って回転工具２０を移動させることで、回転工具２０および改質装置に与えられる負荷を小さくして、比較的大きい領域に改質層３９を形成することができる。また回転工具２０を公転軸線Ｌ２から引抜くことで、引抜き後に公転軸線Ｌ２を中心とする穴、たとえば、ねじ穴を容易に形成することができる。
【０１１４】
図１５は、回転工具２０の回転軸線Ｌ１まわりの回転方向Ｒ１と、回転工具２０の公転軸線Ｌ２まわりの回転方向ｒ１とを示す図である。図１５には、プローブ３３の直径を２点鎖線で示す。また本実施の形態では、回転軸線Ｌ１まわりに回転させながら、回転工具２０を、公転軸線Ｌ２まわりに凸部３１の半径（Ｄｂ／２）以下の回転半径Ｅで、角変位移動させる。ここで、角変位移動とは、回転中心まわりに３６０度以下の角度を角変位移動する場合はもちろん、３６０度以上の角度を角変位移動する場合も含む。これによって鋳造物１９が既に軟化した軟化部分の一部を、基部３１が通過することなり、回転工具２０を、公転軸線Ｌ２まわりに角変位移動させるのに必要な力を低減することができ、回転工具２０および改質装置の破損を防ぐことができる。
【０１１５】
また回転工具２０の回転軸線Ｌ１まわりの回転方向Ｒ１と、回転工具２０の公転軸線Ｌ２まわりの回転方向ｒ１とは、同一方向に設定される。したがって回転工具２０の回転軸線Ｌ１まわりの回転方向Ｒ１が時計まわりの場合には、回転工具２０の公転軸線Ｌ２まわりの回転方向ｒ１もまた時計まわりとなる。
【０１１６】
これによって公転軸線Ｌ２外周側の部分を回転工具２０が摺動する回転速度を向上することができ、公転軸線Ｌ２の外側部分の改質層３９を大きくすることができる。また公転軸線Ｌ２の内側部分は、回転工具２０の回転速度が低下しているが、回転工具２０が公転軸線Ｌ２まわりを一周することによって、回転速度の低下を補って改質層３９を大きくすることができる。
【０１１７】
図１６は、第２実施形態の変形例となる回転工具２０の移動経路を示す図である。公転軸線Ｌ２が予め定める移動経路、たとえば直線に沿って移動し、その移動する交線軸線Ｌ２まわりを回転工具２０が回転してもよい。これによって交範囲にわたる改質層３９を、公転軸線Ｌ２の移動経路に沿って形成することができる。
【０１１８】
図１７および図１８は、回転工具２０を移動経路に沿って移動させて、鋳造物１９に改質層３９を形成する手順を説明するための図である。図１７は、鋳造物１９を示す平面図である。図１８は、鋳造物１９を示す断面図であり、図１７の切断面線Ｓ１８−Ｓ１８で切断した断面図である。図１７（１）および図１８（１）は、流動化工程前の鋳造物１９を示す平面図である。図１７（２）および図１８（２）は、流動化工程後の鋳造物１９を示す平面図である。図１７（３）および図１８（３）は、流動化工程後に切削加工が行われた鋳造物１９を示す平面図である。
【０１１９】
図１７（１）および図１８（１）に示すように、本実施の形態の鋳造物１９は、鋳造成形によって凹所５０が形成される。凹所５０は、任意の形状に形成され、本実施の形態では、一方に開放する略四角板状に形成される。また鋳造物１９は、鋳造物１９の内部を通過して、前記凹所５０を一周する循環路３５が形成される。循環路３５と凹所５０との間には、鋳造欠陥４０が形成されやすい。また循環路３５には、鋳造物１９を冷却するための冷却水を循環可能に形成される。
【０１２０】
図１７（２）および図１８（２）に示すように、循環路３５から凹所５０に流体が漏洩することを防ぐために、本実施の形態では、流動化工程で、回転軸線Ｌ１まわりに回転する回転工具２０を、凹所５０と循環路３５との間について、凹所５０のまわりを一周させる。図１７（２）および図１８（２）には、改質層３９を網点で示す。回転工具２０は、図１６に示すように、公転軸線Ｌ２が凹所５０のまわりを一周し、その公転軸線Ｌ２まわりに自転するように回転および移動させることが好ましい。これによって回転工具２０および改質装置に与えられる負荷を低減することができる。
【０１２１】
図１７（３）および図１８（３）に示すように、流動化工程の後に、本実施の形態では、改質層３９を部分的に残したうえで、凹所５０を広げるように、凹所５０を形成する凹所形成部５１の一部を切除する。これによって改質層３９が凹所５０を規定する内周部となる。凹所５０と循環路３５との間に、改質層３９が配置され、かつ改質層３９が凹所５０を囲むことによって、循環路３５と凹所５０との連通を改質層３９によって阻止することができ、循環路３５を流れる流体が、凹所５０に漏洩することを防ぐことができる。また回転軸線Ｌ１の移動経路は、上述した移動経路以外であってもよい。
【０１２２】
このように改質層３９は、凹所５０の内周部分のうち少なくとも一部を形成する。また改質層３９は、流体空間３５と凹所５０とを結ぶ領域を分断する位置に配置される。たとえば凹所５０に対して一方側を流体空間３５が通過する場合には、改質層３９は、凹所５０の一方側について、流体空間３５と凹所５０との間にわたって形成されればよい。また薄肉部などの鋳造欠陥が分布しやすい部分について、改質層３９が形成されてもよい。
【０１２３】
また回転工具２０が引抜かれる引抜部分が鋳造物３９に別途形成されることが好ましく
、引抜き部分は、最終的に鋳造物３９から切除される部分に形成されることが好ましい。また本実施の形態では、図１７（３）に示すように、改質層３９が凹所５０に露出するように鋳造物１９を部分的に切削したが、図１７（２）に示す状態で作業を終了してもよい。
【０１２４】
図１９は、回転工具２０の移動経路の他の形態を説明するための図である。図１９（１）は、回転工具２０が公転軸線Ｌ２まわりに回転することで楕円軌跡を描く。図１９（２）は、回転工具２０が公転軸線Ｌ２まわりに回転することで、多角形軌跡、たとえば８角形軌跡を描く。図１９（３）は、回転工具２０が、公転軸線Ｌ２を基準として、往復直線移動する軌跡を描く。このように、回転工具２０は、公転軸線Ｌ２に対して、回転または往復移動してもよい。また回転工具２０は、この他の移動経路に従って移動してもよく、たとえば回転工具２０は、直線状に延びる移動経路に沿って移動してもよい。これによって改質処理後に、公転軸線Ｌ２を中心とする楕円凹所、多角形凹所または長孔を形成した場合であっても、鋳造物１９の凹部の内周面を流体が漏洩することを防ぐことができる。
【０１２５】
図２０は、図１９（１）に示すような楕円軌跡を描く移動経路に沿って回転工具２０を移動させて、下穴部３６に改質層を形成する一例を示す断面図である。図２０は、図２０（１）〜図２０（３）の順で手順が進む。
【０１２６】
図２０（１）に示すように、鋳造工程を行って、下穴３４が形成される鋳造物１９を成形する。次に図１２（２）に示すように、上述した流動化工程を行って、回転軸線Ｌ１を下穴３４の軸線と同軸に配置する。次に回転軸線Ｌ１まわりに、回転工具２０を周方向一方Ｒ１に自転回転させながらプローブ３３を下穴部３６に没入させて、改質層３９を形成する。次に自転回転を継続した状態で、下穴３４の軸線とは異なる位置に設定される公転軸線Ｌ２まわりに、回転工具２０を周方向一方ｒ１に楕円軌跡に沿って公転回転させる。回転工具２０を公転軸線Ｌ２まわりに一周させて、没入開始位置に回転工具２０を戻すと、回転工具２０を下穴部３６から引抜く。
【０１２７】
これによって図２０（３）に示すように、下穴部３６のうちで、没入開始位置から公転軸線Ｌ２寄りに形成される改質層３９ｄの半径方向寸法Ｐ１を、残余の部分の改質層の半径方向寸法Ｐ２よりも大きくすることができる。したがって没入開始位置に対して、循環路３５が近接して配置される場合、没入開始位置から循環路３５寄りに公転軸線Ｌ２を設定することが好ましい。これによって下穴３４と循環路３５との間に形成される改質層３９ｄを増やすことができる。
【０１２８】
また循環路３５以外であっても、没入開始位置に対して予め鋳造欠陥が生じやすい位置が決まっている場合には、没入開始位置に対して、鋳造欠陥が生じやすい位置寄りに公転軸線Ｌ２が設定されることが好ましい。図２０では、回転工具２０が、公転軸線Ｌ２まわりに楕円状に回転するとしたが、楕円に限定されない。たとえば、図１９（２）および図１９（３）に示すように、没入開始位置に対して、鋳造欠陥が形成されるであろう位置寄りに向けて回転工具２０を移動させてもよい。
【０１２９】
図２１は、第２回転工具３２０を示す正面図であり、図２２は、第２回転工具３２０の先端面を示す図である。上述した第１実施形態および第２実施形態の組織改質方法について、図１に示す第１回転工具２０に代えて第２回転工具３２０を用いることができる。第２回転工具３２０は、第１回転工具２０に比べてプローブ３３の形状が異なり、残余の部分については同一である。第２回転工具３２０は、第１回転工具２０のプローブ３３の外周部が部分的に切除された形状に形成される。第２回転工具３２０は、第１回転工具２０のプローブ３３の外周部が半径方向内方に面取りされて、面取り面が軸線方向に延びる形状に形成される。
【０１３０】
具体的には、第２回転工具３２０は、略円柱状に形成される。第２回転工具３２０は、略円柱状のショルダ部３３０と、ショルダ部３３０の軸線方向先端部に連なって、ショルダ部３３０と同軸に形成される略円柱状のプローブ３３３とを含んで構成される。プローブ３３３は、基部３３１と、凸部３３２と、凹部３３４とを含んで構成される。基部３３１は、ショルダ部１３０に同軸の略円柱状に形成される。
【０１３１】
本実施の形態では、プローブ３３３は、外ねじが形成される。基部２３１は、プローブ２３３の本体部となる。また凸部３３２は、プローブ３３３のうちで外ねじを形成する突出部分、いわゆるねじ山部分となる。凸部３３２は、基部３３１の外周面から半径方向外方に突出して、回転軸線Ｌ１まわりに周方向一方Ｒ１に向かうにつれて、基部３３１の軸線方向先端部３３１ａから基部３３１の軸線方向後端部３３１ｂに近接する方向Ｚ２に傾斜して延びる。
【０１３２】
また凹部３３４は、凸部３３２に対して周方向に隣接する。本実施の形態では、周方向に２つの凸部３３２が形成されるとともに、２つの凹部３３４が形成され、凸部３３２と凹部３３４とが周方向に交互に配置される。凹部３３４は、軸線方向に延びて、凸部３３２の基部半径方向最外周端が回転軸線まわりに一周する回転軌跡よりも、基部半径方向内方に窪む退避面３３５が形成される。退避面３３５は、各凹部３３４ごとに形成され、軸線に垂直な断面形状が直線状に形成されて、軸線方向に延びる。
【０１３３】
このように第２回転工具３２０は、退避面３３５を形成する凹部３３４が、凸部３３２に周方向に隣接して形成されることで、凸部３３２が回転軸線まわりの全周にわたって形成される場合に比べて、回転工具３２０が下穴部３６を押しのける体積を少なくすることができる。これによって回転抵抗を減らすことができ、回転工具３２０と下穴部３６との接触面積が不所望に増加することを防ぐことができる。また凹部３３４によって形成される凹所に流動体３８が流れ込んだ状態で、回転工具２０が回転することで、流動体３８が回転軸線Ｌ１まわりに回転しやすく、流動体３８をより撹拌させることができる。また第２回転工具３２０を用いても、上述する各実施形態の鋳造物の組織改質方法を実現することができ、第１回転工具２０と同様の上述する効果を得ることができる。
【０１３４】
図２３は、第３回転工具４２０を示す正面図であり、図２４は、第３回転工具４２０の先端面を示す図である。上述した第１実施形態および第２実施形態の組織改質方法について、図１に示す第１回転工具２０に代えて第３回転工具４２０を用いることができる。第３回転工具４２０は、第２回転工具３２０の凹部３３４を除く形状については、同様であるので説明を省略し、同様の参照符号を付する。第３回転工具４２０は、第１回転工具２０のプローブ３３の外周部が部分的に切除された形状に形成される。具体的には、第３回転工具４２０は、第１回転工具２０のプローブ３３の外周部が半径方向内方に切り欠かれて、切り欠かれた溝が軸線方向に延びる形状に形成される。
【０１３５】
具体的には、第３回転工具４２０は、上述した基部３３１と、凸部３３２と、凹部４３４とを含んで構成される。凹部３３４は、凸部３３２に対して周方向に隣接する。本実施の形態では、周方向に４つの凸部３３２が形成されるとともに、４つの凹部４３４が形成され、凸部３３２と凹部４３４とが周方向に交互に配置される。
【０１３６】
凹部４３４は、軸線方向に延びて、凸部３３２の基部半径方向最外周端が回転軸線まわりに一周する回転軌跡よりも、基部半径方向内方に窪む溝が形成される。凹部４３４は、溝に臨む内周面である退避面４３５を有する。退避面４３５は、各凹部４３４ごとに形成され、軸線に垂直な断面形状がＵ字状に形成されて、軸線方向に延びる。
【０１３７】
このように第３回転工具４２０は、退避面４３５を形成する凹部４３４が、凸部３３２に周方向に隣接して形成されることで、凸部３３２が回転軸線まわりの全周にわたって形成される場合に比べて、回転工具４２０が下穴部３６を押しのける体積を少なくすることができる。これによって回転抵抗を減らすことができ、回転工具４２０と下穴部３６との接触面積が不所望に増加することを防ぐことができる。また凹部３３４によって形成される凹所に流動体３８が流れ込んだ状態で、回転工具２０が回転することで、流動体３８が回転軸線Ｌ１まわりに回転しやすく、流動体３８をより撹拌させることができる。また第３回転工具４２０を用いても、上述する各実施形態の鋳造物の組織改質方法を実現することができ、第１回転工具２０と同様の上述する効果を得ることができる。
【０１３８】
また凹部４３４は、軸線方向に沿って直線状に延びるほか、螺旋状に延びてもよい。具体的には、凹部４３４は、凸部３３４または基部１３１の半径方向に没入して、回転軸線Ｌ１まわりに周方向一方Ｒ１に進むにつれて、基部１３１の軸線方向先端部１３１ａから軸線方向後端部１３１ｂに進むように傾斜して延びてもよい。これによって圧入時に、凹部４３４に移動した流動体３８を、回転軸線まわりに移動させるとともに、基部軸線方向先端部１３１に向けて移動させることができ、流動体３８の撹拌をさらに増加させることができる。
【０１３９】
図２５は、第４回転工具１２０を示す正面図であり、図２６は、第４回転工具１２０の先端面を模式化して示す図である。上述した第１実施形態および第２実施形態の組織改質方法について、図１に示す回転工具２０に代えて第４回転工具１２０を用いることができる。第４回転工具１２０は、図１に示す回転工具２０に比べてプローブ３３の形状が異なり、残余の部分については同一である。
【０１４０】
第４回転工具１２０は、略円柱状に形成される。第４回転工具１２０は、略円柱状のショルダ部１３０と、ショルダ部１３０の軸線方向先端部に連なって、ショルダ部１３０と同軸に形成される略円柱状のプローブ１３３とを含んで構成される。プローブ１３３は、基部１３１と、凸部１３２とを含んで構成される。基部１３１は、ショルダ部１３０に同軸の略円柱状に形成される。
【０１４１】
凸部１３２は、多条、本実施の形態では４条の突起６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄからなる。各突起６０ａ〜６０ｄは、基部１３１の外周部に形成される突出部であって、螺旋状に延びる。各突起６０ａ〜６０ｄは、基部１３１の半径方向に突出して、回転軸線Ｌ１まわりに周方向一方Ｒ１に進むにつれて、基部１３１の軸線方向後端部、言い換えるとショルダ部１３０に進むように傾斜して延びる。図２５に示すように、各突起６０ａ〜６０ｄは、回転軸線Ｌ１で切断した場合には、それぞれ等間隔に配置される。また周方向に隣接する２つの突起６０は、充分な間隔をあけて配置される。したがってプローブ１３３は、螺旋状に進む溝が形成されてドリル状に形成される。
【０１４２】
プローブ１３３の回転軸線Ｌ１まわりの回転半径は、下穴３４の回転半径よりも大きく形成される。また基部１３１の直径Ｄｐが下穴３４の内径Ｄｈ未満となる（Ｄｐ＜Ｄｈ）。また回転軸線Ｌ１まわりの凸部１３２の回転半径が下穴３４の半径を超える。言い換えると、回転軸線Ｌ１から各突起６０ａ〜６０ｄの基部半径方向外周面までの基部半径方向寸法ｒｂを２倍した寸法（２・ｒｂ）は、下穴３４の内径Ｄｈを超える（２・ｒｂ＞Ｄｈ）。本実施の形態では、各突起６０ａ〜６０ｄのピッチは、約８０ｍｍに選択される。
【０１４３】
また第４回転工具１２０の凸部１３２は、基部半径方向外周部に形成されて基部半径方向に没入して、回転軸線Ｌ１まわりに周方向一方に進むにつれて基部１３１の軸線方向先端部から軸線方向後端部に近接する方向に傾斜して延びる傾斜溝６１が形成される。各突起６０ａ〜６０ｄは、基部半径方向外周面が、回転軸線Ｌ１を中心とする円周面に形成さ
れる。このように第２回転工具１２０のプローブ１３３は、スパイラルタップ状に形成される。
【０１４４】
以上のような第４回転工具を用いても、上述する各実施形態の鋳造物の組織改質方法を実現することができ、第１回転工具２０と同様の上述する効果を得ることができる。また基部１３１の直径Ｄｐが下穴の内径Ｄｈよりも小さく形成されることで、基部１３１が下穴部３６に対して摺動回転することを防ぐことができる。本実施形態では、基部１３１が下穴部３６に対して摺動回転する場合に比べて、回転工具１２０と下穴部３６とが接触する接触面積を小さくすることができる。これによって下穴３４の直径Ｄｈが大きい場合であっても、下穴部３６から受ける回転抵抗力を低減することができ、回転工具１２０の損傷を防ぐことができる。また本実施の形態では、剛性および出力トルクが比較的低い改質装置であっても、プローブ３３を下穴３４に没入して回転可能である。
【０１４５】
また各突起６０には、傾斜溝６１が形成される。これによって各突起６０の基部半径方向外周部に回転摺接する流動体は、各突起６０に形成される傾斜溝６１によって、軸線方向に沿って基部先端部３１ａに向かう力が与えられる。これによって各突起６０の基部半径方向外周部に接する流動体を、軸線方向に撹拌することができ、塑性流動する流動体の量を増やすことができる。
【０１４６】
以上のような各実施の形態は、本発明の例示に過ぎず発明の範囲内で構成を変更可能である。本実施の形態では、鋳造物がアルミ合金からなるとしたが、これに限定せず、摩擦撹拌可能な金属であれば、他の金属であってもよい。たとえば鋳造物は、マグネシウムおよび亜鉛などの軽量合金からなってもよい。また鋳造物は、軽量合金以外、たとえば鋳鉄からなってもよい。またエンジン本体のシリンダブロック以外の鋳造物１９についても、組織改質方法を施すことができる。流体が貯留または流通する液体空間が鋳造成形によって形成される鋳造物１９の改質方法に好適に適用可能である。
【０１４７】
たとえば鋳造物１９は、シリンダブロックのほかのエンジン部品、内部に油圧回路を有する油圧機器部品の鋳造物、ガス機器部品の鋳造物などに用いられてもよい。またダイカストのほか、金型鋳物、砂型鋳物も含まれる。また液体空間が形成されない鋳造物に組織改質を施してもよい。
【０１４８】
たとえば第１回転工具２０では、プローブ３３に１条のねじが形成されるとしたが、これに限定しない。たとえばプローブ３３に多条のねじが形成されてもよい。プローブ３３に多状のねじが形成される場合には、各条のねじをそれぞれ構成するねじ山部分が、凸部３２となる。また第４回転工具１２０では、プローブ１３３に螺旋状の突起６０ａ〜６０ｄが４つ形成されるとしたが、これに限定しない。たとえばプローブ１３３に螺旋状の突起が１つに形成されてもよく、また４つ以外の多数形成されてもよい。この場合、１または複数の突起６０が、それぞれ凸部となる。また第４回転工具１２０では、突起６０に傾斜溝が形成されるとしたが、傾斜溝６１が突起に形成されない場合も、本発明に含まれる。また第２〜第４回転工具について、凸部の半径方向外周面が円弧状に形成されることで、強度を向上して、凸部が欠損したり破損したり摩耗することを抑えることができる。
【０１４９】
またプローブ３３，１３３は、三角ねじのほか、台形ねじ、のこ刃ねじまたは丸ねじが形成されてもよい。また螺旋状に延びる凸部３２が形成されていれば、第２〜第４回転工具以外の工具を用いてもよい。また本実施の形態では、左ねじが形成される回転工具を右回りに回転させたが、右ねじが形成される回転工具を左回りに回転させても同様の効果を得ることができる。また凸部が形成されるとしたが、凸部に換えて回転軸線まわりに周方向一方に向かうにつれて、基部の軸線方向先端部から軸線方向後端部に近接する方向に傾斜して延びる凹部が形成される場合も同様の効果を得ることができる。
【０１５０】
また鋳造物１９のうちで、鋳造欠陥は、成形時に最後に固まる部分であったり、流路が細くなっていたりする部分に分布しやすい。したがって鋳造欠陥が多く分布する位置を推測可能である場合がある。予め鋳造欠陥が多く分布する深さが推測可能である場合には、その深さ位置で改質層３９の基部半径方向の厚み寸法が大きくなるように回転工具の形状を変更してもよい。たとえば凸部３２を基部後端部３１ｂから軸線方向一方Ｚ１に予め定める設定位置Ｃまで形成し、設定位置Ｃよりも軸線方向一方Ｚ１には回転軸線に垂直な断面形状を円形に形成して、凸部３２を形成しないようにしてもよい。これによって設定位置Ｃ付近に流動体３８が溜まることになり、設定位置Ｃ近傍の改質層３９の厚み方向寸法を厚くすることができる。
【０１５１】
また凸部３２を基部後端部３１ｂから軸線方向一方Ｚ１に予め定める設定位置Ｃまで形成し、設定位置Ｃから軸線方向一方Ｚ１には回転軸線まわりに周方向一方に進むにつれて基部３１の軸線方向後端部から軸線方向先端部に向かって近接する方向に傾斜する逆凸部を形成してもよい。これによって、設定位置Ｃ付近に流動体３８がさらに溜まることになり、設定位置Ｃ近傍の改質層３９の厚み方向寸法をさらに厚くすることができる。
【０１５２】
またたとえば本実施の形態では、フライス盤を改質装置として用いたが、回転工具２０と鋳造物１９とを相対回転、軸線方向に直進相対移動可能であれば、他の装置を用いてもよい。たとえば第１実施形態に示すように、回転工具２０をＸ方向およびＹ方向に移動させることがない場合には、旋盤およびボール盤を用いても改質装置を構成可能である。
【０１５３】
また本実施の形態では、回転抵抗を削減可能な回転工具を用いて改質を行うことによって、出力可能な回転トルクが大きい装置を用いる必要がなく、汎用装置を改質装置として適用可能である。したがって設備費を抑えることができ、容易に改質処理を行うことができる。
【０１５４】
したがって改質装置は、回転工具を保持する工具保持部、ワークを保持するワーク保持部、ワーク保持部に対して工具保持部を回転駆動する回転駆動手段およびワーク保持部に対して工具保持部をＺ方向に直進駆動する軸線方向駆動手段を有していればよい。また回転軸線Ｌ１を移動経路に沿って移動させる場合には、改質装置は、ワーク保持部に対して工具保持部をＸ方向およびＹ方向の少なくともいずれか一方に変位駆動する送り方向駆動手段をさらに有していればよい。
【０１５５】
また本実施の形態では、下穴３４を鋳造成形によって形成したが、鋳造成形後に、ドリルなどの工具を用いて別途機械加工を用いて下穴３４を形成してもよい。これによって下穴３４の直径を精度よく形成することができる。また下穴３４は、円柱状に形成されなくてもよい。また本実施の形態では、下穴部３６を形成して、下穴部３６に回転工具２０を没入させたが、回転工具２０および改質工具の剛性が充分な場合には、下穴部３６を形成せずに、鋳造物１９に回転工具２９を直接没入してもよい。また流動化工程について、基部の軸線方向先端部を下穴部の底面に没入させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１５６】
【図１】本発明の第１実施形態である組織改質方法に用いられる回転工具２０を示す斜視図である。
【図２】鋳造物１９の一例となるアルミ鋳物製エンジンのフレームを示す斜視図である。
【図３】回転工具２０と鋳造物１９とを示す断面図である。
【図４】回転状態の回転工具２０が鋳造物１９に圧入される状態を示す断面図である。
【図５】本実施形態の鋳造物１９の組織改質手順を示すフローチャートである。
【図６】組織改質手順を説明するための断面図である。
【図７】組織改質作業における回転工具２０の状態の時間変化を示すタイミングチャートである。
【図８】流動体３８の成長変化を示すための断面図である。
【図９】組織改質処理後に下穴部３６にナット部材４１を螺着して連結部材４２を固定する手順を説明するための断面図である。
【図１０】組織改質処理後に下穴部３６に嵌合部材４４を嵌合して、嵌合部材４４をナット部材４５によって固定する手順を説明するための断面図である。
【図１１】本発明の第１実施形態の組織改質方法の変形例を説明するための断面図である。
【図１２】下穴３４が貫通する場合を示す断面図である。
【図１３】本発明の第２実施形態である組織改質方法を説明するための図である。
【図１４】公転軸線Ｌ２まわりに回転工具２０を回転させるまでの回転工具２０の移動経路を示す図である。
【図１５】回転工具２０の回転軸線Ｌ１まわりの回転方向Ｒ１と、回転工具２０の公転軸線Ｌ２まわりの回転方向ｒ２とを示す図である。
【図１６】第２実施形態の変形例となる回転工具２０の移動経路を示す図である。
【図１７】回転工具２０を移動経路に沿って移動させて、鋳造物１９に改質層３９を形成する手順を説明するための平面図である。
【図１８】回転工具２０を移動経路に沿って移動させて、鋳造物１９に改質層３９を形成する手順を説明するための断面図である。
【図１９】回転軸線Ｌ１の移動経路の他の形態を説明するための図である。
【図２０】図１９（１）に示すような楕円軌跡を描く移動経路に沿って回転工具２０を移動させて、下穴部に改質層を形成する一例を示す断面図である。
【０１５７】
【図２１】第２回転工具３２０を示す正面図である。
【図２２】第２回転工具３２０の先端面を示す図である。
【図２３】第３回転工具４２０を示す正面図である。
【図２４】第３回転工具４２０の先端面を示す図である。
【図２５】第４回転工具１２０を示す正面図である。
【図２６】第４回転工具１２０の先端面を模式化して示す端面図である。
【図２７】下穴部２を有する鋳造物１を示す断面図である。
【図２８】第３の従来技術を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【０１５８】
１９ 鋳造物
２０ 回転工具
３０ ショルダ部
３１ 基部
３２ 凸部
３３ プローブ
３４ 下穴
３５ 循環路
３６ 下穴部
３８ 流動体
３９ 改質層
６１ 傾斜溝
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳造物の内部に形成される金属組織を部分的に改質する組織改質方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図２７は、下穴部２を有する鋳造物１を示す断面図である。下穴部２は、一方に開放する円柱状の下穴６を形成する。たとえば下穴部２は、鋳造成形後にタップ加工が行われることで、内ねじが形成される。また図２７に示す鋳造物１は、内部に循環路形成部５を有する。循環路形成部５には、冷却水または潤滑油などの流体が循環する循環路４を形成する。
【０００３】
鋳造物１は、溶融した鋳造金属が鋳型に流し込まれることで、鋳型に対応した形状に成形される。鋳造物１の内部には、鋳巣、ガスポロシティおよび割れなどの空孔３が鋳造欠陥として生じる場合がある。特に、循環路形成部５と下穴部２とが近接する部分には、鋳造欠陥が発生しやすい。循環路４と下穴６とが空孔３によって連通してしまうと、循環路４を流れる流体７が空孔３を介して下穴６に洩れ出してしまい、鋳造物１の気密性および液密性が損なわれてしまう。
【０００４】
鋳造物１の気密性を高めるために、たとえば３つの従来技術がある。第１の従来技術は、下穴部２を形成するための鋳抜き穴の形状を試行錯誤的に決定して、鋳造欠陥を抑える方法である。また第２の従来技術は、樹脂等によって下穴部２の内周面８を被膜する含浸処理方法である。
【０００５】
第３の従来技術は、回転工具を用いて、下穴部２の内周部分を塑性流動させる方法である。図２８は、第３の従来技術を説明するための断面図である。この方法は、図２８（１）〜図２８（４）の順で動作が進む。
【０００６】
まず、図２８（１）に示すように、下穴６を形成した状態で、円柱状の回転工具９を準備する。回転工具９は、軸線に垂直な断面形状が軸線方向に一様に形成され、その軸線に垂直な断面が円形に形成される。回転工具９を、下穴部２の軸線と同軸に配置して、その軸線まわりに回転させながら、軸線方向に下穴部２に圧入する。次に、図２８（２）に示すように、回転工具９の外周部分１１を、下穴部２の内周部分に対して摺動回転させる。下穴部２と回転工具９との間で発生する摩擦熱によって、下穴部２の内周部分が軟化する。軟化状態で、回転工具９が下穴部２に摺動回転することで、軟化した下穴部２の内周部分が塑性流動する。鋳造物１が流動化した流動体１２は、回転工具９の回転軸線まわりに回転する。
【０００７】
次に、図２８（３）に示すように、回転工具９を鋳造物１から引抜く。流動体１２は、冷えて固化する。下穴部２の内周部分には、流動体１２が固化した改質層１３が形成される。この改質層１３は、残余の部分に比べて金属結晶が微細な組織微細層となる。次に、図２８（４）に示すように、下穴部２にタップ加工を施す。
【０００８】
改質層１３が、下穴部２の内周部分を形成することで、改質層１３によって下穴部２の内周部分に形成されていた鋳造欠陥を消失することができる。これによって鋳造欠陥による下穴６と循環路４との連通を分断することができ、鋳造物１の気密性および液密性を高めることができる。このような従来技術が、特許文献１に開示される。
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−２０２５７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
第１の従来技術のように、下穴部２の近傍で鋳造欠陥の発生を抑えるように鋳造方法自体を工夫したとしても、鋳造欠陥を完全になくすことは困難である。したがって不良品の発生による鋳造物１の歩留まりが不可避的に発生し、鋳造物１の歩留まりを向上するには限界がある。
【００１１】
また第２の従来技術のように鋳造物１に含浸処理を施した場合には、含浸処理に長時間を要してしまう。この場合、大量生産品を効率的に処理することが困難であり、製造コストが増大する要因となってしまう。
【００１２】
また第３の従来技術では、塑性流動する流動体１２に与えられる力は、回転工具９の回転軸線まわりに回転させる力がほとんどである。この場合、流動体１２を撹拌する撹拌力が小さく、改質層１３の半径方向厚みを大きくすることができない。たとえば改質層１３を形成した後の下穴部２に、谷径が大きい内ねじを形成すると、第３の従来技術では改質層１３の半径方向厚みが小さいので、ねじ加工時に改質層１３が除去されてしまうおそれがある。この場合、下穴部２の近傍に形成される鋳造欠陥となる空孔３が露出してしまい、露出した空孔３によって循環路形成部５と下穴２とが連通して、鋳造物１の気密性および液密性が損なわれてしまうという問題がある。このように第３の従来技術では、改質層１３の半径方向厚みが小さいので、鋳造物の表面と、鋳造欠陥とが連通してしまうおそれがあり、鋳造物の品質が低いという問題がある。
【００１３】
したがって本発明の目的は、鋳造物の表面と鋳造欠陥とが連通することをより確実に防ぐ組織改質方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、回転軸線まわりに回転駆動される軸体と、軸体に連なって回転軸線と同軸の略円柱状に形成される基部と、基部の外周部分に形成されて基部の半径外方に突出して、回転軸線まわりに周方向一方に向かうにつれて、基部の軸線方向先端部から軸線方向後端部に近接する方向に傾斜して延びる凸部とを有する回転工具を準備するとともに、鋳造物を準備する準備工程と、
回転工具を回転軸線まわりに前記周方向一方に回転させながら、回転工具を基部の軸線方向先端部から鋳造物に圧入して、回転工具の外周部分を鋳造物に対して摺接回転させて、摩擦熱を発生させ、前記凸部によって鋳造物の少なくとも一部を塑性流動させる流動化工程と、
鋳造物から回転工具を引抜く引抜き工程とを含むことを特徴とする鋳造物の組織改質方法である。
【００１５】
本発明に従えば、準備工程で、回転工具および鋳造物を準備する。次に流動化工程で、回転工具を回転軸線まわりに周方向一方に回転させながら、回転工具を基部の軸線方向先端部から鋳造物に圧入する。流動化工程で、回転工具の外周部分を鋳造物に対して摺動回転させることで、摩擦熱が発生する。鋳造物のうちで回転工具に臨む部分は、軟化して塑性流動する流動体が生じる。次に、引抜き工程で回転工具を鋳造物から引抜くことで、流動体が冷えて固化した改質層を鋳造物に形成することができる。改質層を形成することで、改質層が形成される部分に存在していた鋳造欠陥を消失することができる。これによって改質層によって鋳造欠陥を分断することができ、改質層を挟んで、改質層の一方の空間と、改質層の他方の空間とが連通することを防ぐことができる。
【００１６】
本発明では、流動化工程では、流動体は、回転工具とともに回転軸線まわりに周方向一方に回転する。また回転工具が回転軸線まわりに周方向一方に回転すると、流動体は回転工具に対して回転軸線まわりに周方向他方に相対回転することになる。凸部は、上述したように回転軸線まわりに周方向一方に向かうにつれて軸線方向先端部から軸線方向後端部に近接する方向に延びるので、凸部に接触した流動体は、回転工具に対して回転軸線まわりに周方向他方に進み、凸部に案内されて基部の軸線方向先端部に向かう力が与えられる。
【００１７】
このように流動体は、回転軸線まわりに移動する力とともに、基部の軸線方向先端部に向かって軸線方向に移動する力が与えられる。流動体が回転方向とともに軸線方向にも移動することで、流動体が撹拌されやすくなり、塑性流動する流動体を増加させることができる。これによって流動体が固化した改質層を増やすことができる。また改質層によって鋳造欠陥を消失させて、鋳造欠陥を低減することができる。また回転工具は、流動体と接触することによって、流動体からの反力として、基部を下穴部から押し出す軸線方向の力を受ける。これによって回転工具が過剰な速度で下穴部に没入することを防ぐことができる。
【００１８】
本発明は、準備工程では、略円柱状の下穴を形成する下穴部を有する鋳造物を準備し、
流動化工程では、回転工具を回転軸線まわりに前記周方向一方に回転させながら、回転軸線を下穴の軸線と略同一に保った状態で、回転工具を基部の軸線方向先端部から鋳造物の下穴部に圧入して、回転工具の外周部分を下穴部の内周部分に対して摺接回転させて、摩擦熱を発生させ、前記凸部によって下穴部の内周部分を塑性流動させることを特徴とする。
【００１９】
本発明に従えば、流動化工程で、回転工具を回転軸線まわりに周方向一方に回転させながら、回転軸線を下穴の軸線と略同一に保った状態で、回転工具を基部の軸線方向先端部から鋳造物の下穴部に圧入する。下穴部のうちで回転工具に臨む内周部分は、軟化して塑性流動する流動体が生じる。これによって下穴部の内周部分に存在していた鋳造欠陥を消失することができる。
【００２０】
予め形成される下穴部に回転工具を圧入することで、下穴が形成されない部分に没入する場合に比べて、回転工具に与えられる抵抗力を減らすことができる。これによって回転工具を短時間で没入させることができるとともに、回転工具の破損を防ぐことができる。
【００２１】
本発明は、流動化工程で、基部を鋳造物の下穴部に圧入する設定圧入量Ｂ２は、回転工具圧入前における下穴の深さ寸法Ｈｈ未満に設定され（Ｂ２＜Ｈｈ）、かつ鋳造物に没入する部分の回転工具の体積Ｖｐが回転工具圧入前における下穴の容積Ｈｈ以上（Ｖｐ≧Ｖｈ）となる値に設定されることを特徴とする。
【００２２】
本発明に従えば、鋳造物に没入する部分の回転工具の体積Ｖｐが下穴の容積Ｖｈ以上（Ｖｐ≧Ｖｈ）となる。回転工具圧入時に、回転工具によって押しのけられるとともに軸線方向に向かう力を受けた流動体は、基部の軸線方向先端部に移動して、基部の軸線方向先端部と、下穴部の底面との間の隙間を塞ぐ。隙間がふさがれることで、基部軸線方向先端部に向けて移動した流動体は、基部軸線方向先端部近傍で逃げ場を失って、回転工具から基部半径方向に少し離れた位置で、基部軸線方向後端部に向けて移動する流れが生じる。このようにして流動体が軸線方向一方と軸線方向他方とで交互に循環する流れを作り出すことで、塑性流動する流動体の量をさらに増やすことができる。また基部が、下穴部の底面に接することを防ぐことで、基部が下穴部の底面を押圧することを防いで、基部が過剰な力を受けることを防ぐことができる。これによって基部が比較的細長に形成される場合であっても、基部の破損を防ぐことができる。
【００２３】
本発明は、軸体は、基部の軸線方向後端部に連なって形成されて、回転軸線まわりの凸部の回転半径を超える半径を有する円柱状のショルダ部が形成され、基部の軸線方向寸法は、回転工具圧入前における下穴の深さ寸法未満に選ばれることを特徴とする。
【００２４】
本発明に従えば、流動化工程で、回転工具を回転させながら軸線方向に移動させて、基部全体を下穴部に圧入すると、ショルダ部が下穴部の上面に当接する。ショルダ部が下穴部の上面に当接することで、回転工具が下穴部に没入することに対する抵抗力が増大し、回転工具が下穴部の底面に接触することを防ぐことができる。これによって基部の破損を防ぐことができる。また基部の軸線方向寸法は、前記設定圧入量Ｂ２とほぼ等しく設定されることが好ましい。
【００２５】
本発明は、基部の直径が、回転工具圧入前における下穴の内径以上に選択されることを特徴とする。
【００２６】
本発明に従えば、基部の直径が下穴の内径よりも大きく選択されることで、凸部とともに、基部が下穴部の内周部分に対して摺動回転することになり、回転工具と下穴部とが接触する接触面積を大きくすることができる。これによって基部が下穴部の内周部分に摺動しない場合に比べて、回転工具から下穴部に与える摩擦熱を大きくすることができ、塑性流動する流動体の量を増やすことができる。
【００２７】
本発明は、回転軸線まわりの凸部の回転半径が回転工具圧入前における下穴の半径を超え、基部の直径が下穴の内径未満に選択されることを特徴とする。
【００２８】
本発明に従えば、基部の直径が下穴の内径よりも小さく形成されることで、基部が下穴部の内周部分に対して摺動することを防ぐことができ、基部が下穴部に対して摺動回転する場合に比べて、回転工具と下穴部とが接触する接触面積を小さくすることができる。このように接触面積は、凸部によって決定され、下穴の直径に関連しないので、回転工具と下穴部との接触面積が不所望に増加することを防ぐことができる。
【００２９】
本発明は、回転工具は、凸部に対して周方向に隣接して、軸線方向に延びる凹部をさらに有し、
凹部は、凸部の基部半径方向最外周端が回転軸線まわりに一周する回転軌跡よりも、基部半径方向内方に窪む退避面を有することを特徴とする。
【００３０】
本発明に従えば、退避面を形成する凹部が形成されることで、凸部が回転軸線まわりの全周にわたって形成される場合に比べて、回転工具が下穴部を押しのける体積を少なくすることができる。これによって回転抵抗を減らすことができ、回転工具と下穴部との接触面積が不所望に増加することを防ぐことができる。また凹部によって形成される凹所に流動体が流れ込んだ状態で、回転工具が回転することで、流動体が回転軸線まわりに回転しやすく、流動体をより撹拌させることができる。
【００３１】
本発明は、流動化工程では、回転軸線まわりに前記周方向一方に回転させながら、回転軸線に垂直な方向に、鋳造物に予め定められる移動経路に沿って、回転工具を移動させることを特徴とする。
【００３２】
本発明に従えば、回転工具を回転させながら、移動経路に沿って移動させることで、塑性流動する流動体の量を増やすことができる。また流動体が固化した改質層を移動経路に沿って形成することができる。
【００３３】
本発明は、流動化工程では、回転軸線まわりに前記周方向一方に回転させながら、回転軸線とは異なる予め定める公転軸線まわりに、回転軸線まわりの凸部の回転半径以下の回転半径で、回転工具を角変位移動させることを特徴とする。
【００３４】
本発明に従えば、回転工具が回転軸線まわりに自転回転するとともに公転軸線まわりに公転角変位移動する。これによって、塑性流動する流動体の量をさらに増やすことができる。また公転軸線まわりに基部の半径以下の回転半径で、回転工具を角変位移動させることで、鋳造物が既に軟化した軟化部分の一部を、基部が通過することなる。これによって回転軸線を移動させるのに必要な回転工具に与える力を低減することができる。本発明では、角変位移動とは、回転中心まわりに３６０度以下角変位する場合はもちろん、３６０度以上角変位する場合も含む。
【００３５】
本発明は、前記鋳造物の組織改質方法が施された鋳造物であって、一方に開放する凹所を形成する凹部と、内部に流体を貯留または流通させるための流体空間を形成する流体空間形成部とを有し、塑性流動した流動体が固化した改質層が、凹所と流体空間とを結ぶ領域の少なくとも一部に介在することを特徴とする鋳造物である。
【００３６】
本発明に従えば、流体空間と凹所とを結ぶ領域の少なくとも一部に改質層が形成されることで、改質層によって、鋳造欠陥による流体空間と凹所との連通を分断することができ、流体空間から凹所に流体が漏洩することを防ぐことができる。また上述した方法によって鋳造物の組織改質処理が施されることで、改質層を厚くすることができ、組織改質後に鋳造物の一部を削ったとしても、改質層が残りやすく、鋳造物の気密性および液密性の信頼性を向上することができる。
【発明の効果】
【００３７】
請求項１記載の本発明によれば、流動体に、基部の軸線方向に移動させる力を与えることができ、流動体が固化した改質層を増やすことができる。これによって改質層によって消失可能な鋳造欠陥を増大することができ、鋳造物の気密性および液密性を向上することができる。また改質層を増やすことができるので、仮に改質層の一部を含む部分が切除される場合であっても、改質層が残留しやく、鋳造物の気密性および液密性の低下を防いで、鋳造物の信頼性を向上することができる。
【００３８】
このように鋳造物の気密性および液密性を向上することで、鋳造欠陥に起因する鋳造物の歩留まりを向上することができ、製造コストを低減することができる。また含浸処理して下穴部の気密性および液密性を達成する場合に比べて、鋳造欠陥を短時間で修復することができ、作業効率を向上することができる。また鋳造欠陥を低減するために、試行錯誤的に鋳型形状を工夫する場合に比べて、鋳造物の鋳造欠陥を簡単に修復することができる。
【００３９】
請求項２記載の本発明によれば、予め形成される下穴部に回転工具を圧入することで、下穴が形成されない部分に回転工具を圧入する場合に比べて、回転工具に与えられる抵抗力を減らすことができる。これによって回転工具を短時間で没入させることができるとともに、回転工具の破損を防ぐことができ、改質方法における作業性を効率化することができる。
【００４０】
また下穴部の内周部分に存在していた鋳造欠陥を消失することができるので、改質層によって、下穴と鋳造物の鋳造欠陥との連通を分断することができ、鋳造欠陥を介して下穴に流体が漏れ出すことを防ぐことができる。さらに流動体を軸線方向に撹拌することで、改質層の下穴半径方向厚さを増やすことができる。これによって下穴の内周部を切削加工して丸穴等を形成する場合にも、改質層が下穴部の内周部分に残りやすく、鋳造物の気密
性および液密性に関する信頼性を向上することができる。
【００４１】
請求項３記載の本発明によれば、流動体によって、基部の軸線方向先端部と、下穴部の底面との間の隙間を塞ぐことで、流動体の流れについて、基部軸線方向後端部近傍から軸線方向一方に移動する流れと、基部軸線方向先端部近傍から軸線方向他方に移動する流れとについて交互に繰返すような循環する流れを作り出すことができ、塑性流動する流動体の量をさらに増やすことができる。これによって改質層によって消失可能な鋳造欠陥の量を増大することができる。さらに基部が、下穴部の底面に接することを防ぐことで、基部に過剰な力が与えられることを防ぐことができる。これによって基部が比較的細長に形成される場合であっても、基部の破損を防ぐことができる。
【００４２】
請求項４記載の本発明によれば、ショルダ部が下穴部の上面に当接することで、回転工具が軸線方向に下穴部に没入することを阻止する抵抗力が増大し、基部が下穴部の底面に接することを確実に防ぐことができる。これによって基部の破損を防ぐことができる。また鋳造物の板厚が異なっても、組織改質後に形成される基部痕の深さにバラツキが生じることを抑えることができる。
【００４３】
請求項５記載の本発明によれば、基部が下穴部に対して摺動しない場合に比べて、回転工具から下穴部に与える摩擦熱を大きくすることができ、下穴部のうちで流動体の量を増やすことができ、改質層の厚み寸法をさらに増加させることができる。これによって改質層によって消失される鋳造欠陥を増大することができる。
【００４４】
請求項６記載の本発明によれば、基部の直径が下穴の内径よりも小さく選択されることで、回転工具基部と下穴部とが接触する接触面積を小さくすることができる。これによって下穴部の直径が小さい場合であっても、下穴部から回転工具に与えられる回転抵抗を減らすことができ、回転工具の損傷を防ぐことができる。
【００４５】
請求項７記載の本発明によれば、退避面を形成する凹部が形成されることで、凸部が回転軸線まわりの全周にわたって形成される場合に比べて、回転工具が下穴部を押しのける体積を少なくすることができる。これによって回転抵抗を減らすことができ、回転工具と下穴部との接触面積が不所望に増加することを防ぐことができる。また凹部によって形成される凹所に流動体が流れ込んだ状態で、回転工具が回転することで、流動体が回転軸線まわりに回転しやすく、流動体をより撹拌させることができ、改質層を増加させることができる。
【００４６】
請求項８記載の本発明によれば、回転させながら回転工具を移動経路に沿って移動させることで、改質層を、移動経路に沿って形成することができる。これによって移動経路に沿って分布していた鋳造欠陥を消失することができる。また移動経路を任意に選ぶことで、回転工具の形状に拘わらず、改質層を任意の寸法および形状にすることができる。
【００４７】
請求項９記載の本発明によれば、回転工具を、公転軸線まわりに基部の半径以下の回転半径で角変位移動させることで、鋳造物が既に軟化した軟化部分の一部を、基部が通過することなる。これによって回転工具を移動させるのに必要な力を低減することができ、回転工具を容易に移動させることができるとともに回転工具の破損を抑えることができる。
【００４８】
請求項１０記載の本発明によれば、改質層によって、鋳造欠陥が流体空間と凹所とを連通することを防ぐことができ、流体空間から凹所に流体が漏洩することを防ぐことができる。また上述した方法によって鋳造物の組織改質処理が施されることで、改質層を厚くすることができるので、鋳造物のうちで凹部の一部を削ったとしても、改質層が残りやすい。これによって鋳造物を用いて製作される鋳造製品について、鋳造欠陥に起因する不良品
を低減することができ、鋳造製品の品質を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
図１は、本発明の第１実施形態である組織改質方法に用いられる回転工具２０を示す斜視図である。本発明の第１実施形態である組織改質方法は、回転工具２０を用いて鋳造物の一部を摩擦撹拌することによって、鋳造物が部分的に塑性流動した改質層を鋳造物に形成する。改質層は、流動化した流動体が固化した層である。
【００５０】
改質層は、金属組織が緻密化されるとともに空孔がほとんど存在しない層となる。したがって鋳造物に改質層を形成することで、改質層が形成される以前に、存在していた鋳造欠陥を、改質層によって消失させることができる。鋳造欠陥とは、鋳造によって生じる引け巣、ガスボロシティおよび割れなどの内部に形成される空孔を意味する。また鋳造物は、鋳造によって成形される部材であり、本実施の形態では、軽量合金、具体的には鋳造用アルミ合金からなる。
【００５１】
図１に示すように回転工具２０は、略円柱状に形成される。回転工具２０は、略円柱状の軸体３０と、軸体３０に連なって軸体３０と同軸に形成される略円柱状のプローブ３３とを含んで構成される。軸体３０は、その中心軸線が回転軸線Ｌ１となり、回転軸線Ｌ１まわりに回転駆動される。軸体３０は、プローブ３３に連なる部分にショルダ部３０ａが形成される。ショルダ部３０ａは、回転軸線Ｌ１と同軸の略円柱状に形成されて、プローブ３３の直径よりも大きい直径を有する。回転工具２０は、たとえば表面硬化処理が施された合金工具鋼が用いられる。
【００５２】
プローブ３３は、基部３１と凸部３２とを含む。基部３１は、軸線方向後端部３１ｂがショルダ部３０ａに連なり、ショルダ部３０ａと同軸に形成される略円柱状に形成される。ここで軸線方向とは、回転軸線Ｌ１と平行な方向である。凸部３２は、基部３１の外周部分に形成される。本実施の形態では、プローブ３３は、外ねじが形成される。この場合、基部３１は、プローブ３３の本体部となる。また凸部３２は、プローブ３３のうちで外ねじを形成する突出部分、いわゆるねじ山部分となる。凸部３２は、基部３１の外周面から半径方向外方に突出して、回転軸線Ｌ１まわりに周方向一方Ｒ１に向かうにつれて、基部３１の軸線方向先端部３１ａから基部３１の軸線方向後端部３１ｂに近接する方向Ｚ２に傾斜して延びる。以下、基部３１の軸線方向先端部３１ａを基部先端部３１ａと称し、基部３１の軸線方向後端部３１ｂを基部後端部３１ｂと称する場合がある。
【００５３】
本実施の形態では、プローブ３３は、一条の左ねじが形成される。凸部３２は、基部３１の軸線方向後端部３１ｂから軸線方向先端部３１ａにわたって連続して、回転軸線Ｌ１まわりに周方向に螺旋状に延びる。ここで基部３１の軸線方向先端部３１ａは、基部３１の軸線方向両端部３１ａ，３１ｂのうちで、ショルダ部３０ａとは反対側となる軸線方向の端部である。また基部３１の軸線方向後端部３１ｂは、基部３１のうちでショルダ部３０ａ側となる軸線方向の端部である。
【００５４】
図２は、鋳造物１９の一例となるアルミ鋳物製エンジンのフレームを示す斜視図である。図２には、エンジン本体の一部を構成するシリンダブロックを示す。鋳造物１９は、ねじ穴を形成するための下穴３４が形成される。下穴３４は、一方に開放する略円柱状に形成される。また鋳造物１９は、下穴３４の近傍に、鋳造物１９の内部について、冷却水を通過させるための循環路３５が形成される。下穴３４は、鋳造物１９が有する下穴部３６によって形成される。また循環路３５は、鋳造物１９が有する循環路形成部３７によって形成される。本実施の形態では、下穴３４および循環路３５は、鋳造成形によって形成される。したがって鋳造成形後に別途下穴３４を形成する機械加工を必要としない。また本実施の形態では、鋳造物１９は、アルミダイカスト法で鋳造成形される。
【００５５】
組織改質方法は、改質装置を用いて行われる。たとえば改質装置は、ＮＣ（Numerical
Control）フライス盤を用いて実現される。改質装置の工具チャック部分に回転工具２０が装着され、ワーク保持テーブルに鋳造物１９が固定された状態で、鋳造物の組織改質作業が行われる。工具チャック部分の回転軸線と、回転工具２０の回転軸線Ｌ１とが一致した状態で、回転工具２０の軸体３０が工具チャック部分に装着される。また少なくともプローブ３３が工具チャック部分から露出し、本実施の形態では、ショルダ部３０ａおよびプローブ３３が工具チャック部分から露出する。また回転工具２０の軸線と、鋳造物１９の下穴３４とが同軸配置可能に、回転工具２０と鋳造物１９とが改質装置に装着される。
【００５６】
工具チャック部分に回転工具２０が装着され、ワーク保持テーブルに鋳造物１９が装着された状態で、回転工具２０は、改質装置によって、回転軸線Ｌ１まわりに回転駆動される。また回転工具２０は、改質装置によって、鋳造物２０に対して、回転軸線Ｌ１の延びる軸線方向であるＺ方向に相対変位駆動される。また本実施の形態では、回転工具２０は、ワーク保持テーブルに対して、Ｚ方向に垂直な方向である送り方向に相対移動可能に構成される。この送り方向は、Ｘ方向とＹ方向とを含む。ここで、Ｘ方向は、Ｚ方向に垂直な第１方向であり、Ｙ方向は、Ｚ方向とＸ方向とに垂直な第２方向である。したがって改質装置は、ワーク保持テーブルに対して回転工具２０を、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向に相対移動可能に構成される。
【００５７】
図３は、回転工具２０と鋳造物１９とを示す断面図である。プローブ３３の回転軸線Ｌ１まわりの回転半径は、下穴３４の半径よりも大きく形成される。また基部３１の直径Ｄｐは、下穴３４の内径Ｄｈ以上となり（Ｄｐ≧Ｄｈ）、凸部３２の直径Ｄｂもまた、下穴３４の内径Ｄｈ以上となる（Ｄｂ≧Ｄｈ）。ここで、凸部３２の直径Ｄｂは、凸部３２の基部半径方向最外周端が回転軸線まわりに一周する回転軌跡の直径となる。
【００５８】
本実施の形態では、プローブ３３に形成される外ねじの谷の径が基部３１の直径Ｄｐとなる。またプローブ３３の呼び径が凸部３２の直径Ｄｂとなる。プローブ３３は、日本工業規格のＪＩＳ Ｂ０２０５に規定される一般用メートルねじに従った基準山形が形成され、本実施の形態ではピッチは、２．５ｍｍに選択される。この場合、下穴３４の内径Ｄｈに対して、凸部３２の直径Ｄｂは、０．８９倍以上、１．２０倍以下に選択される（０．８９・Ｄｈ≦Ｄｂ≦１．２０・Ｄｈ）。凸部３２の直径Ｄｂが、下穴３４の内径Ｄｈの１．２倍を超えると、回転抵抗が過剰となり回転工具２０が損傷するおそれがある。また凸部３２の直径Ｄｂが、下穴３４の内径Ｄｈの０．８９倍未満であると、下穴部３６の内周部分を充分に流動化させることができないおそれがある。本実施の形態では、プローブ３３の呼び径Ｄｂは、２０ｍｍに形成される。また下穴３４の内径Ｄｈは、１４．６ｍｍ以上１９．６ｍｍ以下に選択される。これによって回転工具２０の破損を防ぐとともに、下穴部３６の内周部分を充分に流動化させることができる。
【００５９】
またショルダ部３０ａの直径Ｄｓは、下穴３４の内径Ｄｈ以上であって、基部３１および凸部３２の直径Ｄｐ，Ｄｂ以上となる。本実施の形態では、ショルダ部３０ａの直径Ｄｓは、凸部３２の直径Ｄｂの１．５倍以上、４倍以下に選択される（１．５・Ｄｂ≦Ｄｓ≦４・Ｄｂ）。ショルダ部３０ａの直径Ｄｓが、凸部３２の直径Ｄｂの４倍を超えると、ショルダ部３０ａと下穴部３６との間で生じる摩擦熱が過剰となり、鋳造物１９に熱ひずみが生じるおそれがある。また回転工具２０が大形化してしまい狭いスペースに回転工具を配置することができなくなる。またショルダ部３０ａの直径Ｄｓが、凸部３２の直径Ｄｂの１．５倍未満であると、ショルダ部３０ａが下穴部３６の上面７０に当接しても回転工具２０の没入を充分に抑えることができない。
【００６０】
また基部３１の軸線方向寸法Ｈｐは、下穴３４の深さ寸法Ｈｈ未満となる（Ｈｐ＜Ｈｈ
）。これによって基部３１が下穴部３６の底面１３９に接触するまえに、ショルダ部３０ａが下穴部３６の上面７０に接触する。したがって基部３１の軸線方向先端部３１ａが、下穴部３６の底面１３９に接触して、底面１３９に没入することが防がれる。ここで基部３１の軸線方向寸法Ｈｐは、基部３１の軸線方向先端部３１ａから軸線方向後端部３１ｂまでの軸線方向寸法である。本実施の形態では、基部３１の深さ寸法Ｈｐは、４０ｍｍに形成される。また下穴３４の深さ寸法Ｈｈは、４１ｍｍに選択される。このように下穴３４の深さ寸法Ｈｈから、基部３１の深さ寸法Ｈｐを減算した値（Ｈｈ−Ｈｐ）は、予め定められる隙間設定値に設定される。たとえば隙間設定値は、１〜２ｍｍに設定され、本実施の形態では、１ｍｍに設定される。
【００６１】
図４は、回転状態の回転工具２０が鋳造物１９に圧入される状態を示す断面図である。凸部３２が基部３１の軸線方向先端部３１ａから軸線方向後端部３１ｂに近接する方向に向かうにつれて、回転軸線Ｌ１まわりに周方向に回転する周方向一方Ｒ１を、回転方向として回転工具２０は回転される。言い換えると、プローブ３３に左ねじが形成される場合、鋳造物１９に対して軸線方向反対側から回転工具２０をみて、時計まわり（右まわり）に回転工具２０を回転させる。このように回転工具２０を回転させながら、鋳造物１９に形成される下穴３４と、回転工具２０とを同軸に保ちつつ、回転工具２０を基部３１の軸線方向先端部３１ａから下穴部３６に圧入させる。
【００６２】
プローブ３３の外周部分が、下穴部３６の内周部分に対して摺動回転することで、摩擦熱が発生して、下穴部３６のうちでプローブ３３に臨む内周部分が軟化する。下穴部３６の内周部分が充分に軟化した状態で、さらにプローブ３３が下穴部３６に対して摺動回転すると、下穴部３６の内周部分には、軟化した部分が塑性流動する流動体３８が生じる。
【００６３】
流動体３８は、プローブ３３が摺動回転することで、プローブ３３とともに回転軸線Ｌ１まわりに周方向一方Ｒ１に回転する。プローブ３３が回転軸線Ｌ１まわりに周方向一方Ｒ１に回転すると、流動体３８は、プローブ３３に対して回転軸線Ｌ１まわりに周方向他方Ｒ２に相対回転する。プローブ３３の凸部３２に接触した流動体３８は、プローブ３３に対して回転軸線Ｌ１まわりに周方向他方Ｒ２に進み、凸部３２に案内されて基部３１の軸線方向先端部３１ａに向かう軸線方向一方Ｚ１の力が与えられる。
【００６４】
このように流動体３８は、回転軸線Ｌ１まわりに周方向一方Ｒ１に移動する力とともに、軸線方向一方Ｚ１に移動する力が与えられる。流動体３８が周方向一方Ｒ１とともに軸線方向一方Ｚ１にも移動することで、流動体３８が撹拌されやすくなり、塑性流動する流動体３８の量を増やすことができる。またプローブ３３は、流動体３８と接触することによって、流動体３８からの反力として、軸線方向他方Ｚ２に向かう力を受ける。これによって回転工具２０が過剰な速度で下穴部３６に没入することを防ぐことができる。
【００６５】
図５は、本実施形態の鋳造物１９の組織改質手順を示すフローチャートである。図６は、組織改質手順を説明するための断面図である。図７は、組織改質作業における回転工具２０の状態の時間変化を示すタイミングチャートである。図６は、図６（１）〜図６（３）の順で手順が進む。また図７（１）に回転工具２０の位置変化を示す。図７（２）に回転工具２０の移動状態を示す。図７（３）に回転工具２０の回転状態を示す。
【００６６】
まずステップｓ０で鋳造成形によって鋳造物１９を成形すると、ステップｓ１に進み、組織改質作業を開始する。ステップｓ１では、準備工程を行う。準備工程では、回転工具２０と鋳造物１９とを準備する。鋳造物１９に下穴３４が形成されていない場合には、ボール盤などを用いて機械加工によって下穴３４を形成する。また下穴３４に対応する形状の回転工具２０を用意する。このように回転工具２０および鋳造物１９を準備して、ＮＣフライス盤にそれぞれを固定するとステップｓ２に進む。
【００６７】
ステップｓ２では、流動化工程を行う。まず図６（１）に示すように、回転工具２０の回転軸線Ｌ１と、下穴３４の軸線とが同軸となるように、工具チャック部分およびワーク保持テーブルの少なくともいずれかを相対移動させる。回転工具２０の回転軸線Ｌ１と下穴３４の軸線とが同軸となると、第１時刻Ｔ１で、回転工具２０を回転軸線Ｌ１まわりに前記周方向一方Ｒ１に回転させる。次に、第２時刻Ｔ２で、回転工具２０を回転させながら、回転工具２０を軸線方向一方Ｚ１に移動させる。軸線方向一方Ｚ１に移動する回転工具２０は、第３時刻Ｔ３で、基部先端部３１ａが下穴部３６の軸線方向他方Ｚ２端面７０に接触し、基部先端部３１ａによって下穴部３６を押圧する。回転工具２０を下穴部３６に押圧しつづけることで、回転工具２０は基部先端部３１ａから下穴部３６に圧入される。
【００６８】
圧入時には、回転工具２０の回転速度および軸線方向移動速度を略一定に維持する。本実施の形態では、圧入時の回転工具２０の回転速度Ｃ１は、１０００〜５０００ｒｐｍ（回転／分）に選択される。また回転工具２０の軸線方向移動速度Ｖ１は、０．５〜５ｍｍ／ｓに選択される。第３時刻Ｔ３の経過後に第４時刻Ｔ４に達すると、ショルダ部３０ａが下穴部３６の上面７０に当接する。このようにショルダ部３０ａが下穴部３６の上面７０に接触する第４時刻Ｔ４に達すると、図６（２）に示すように、回転工具２０の軸線方向移動を停止する。
【００６９】
軸線方向移動停止後には、回転工具２０の外周部分を、下穴部３６の内周部分に対して摺接回転させた状態を維持して、摩擦熱によって下穴部３６を軟化させる。このように回転工具２０が下穴部３６に対して摺接回転する状態を継続させることで、下穴部３６を部分的に塑性流動させ、下穴部３６が部分的に塑性流動した流動体３８を増加させる。流動化工程では、軸線方向Ｚの移動を停止してから充分な流動体３８が発生するまでの時間となる第１設定時間Ｗ１が経過して、第５時刻Ｔ５に達すると、ステップｓ３に進む。たとえば予め定める時間Ｗ１は、２〜３０秒に設定される。また、流動化工程では、軸線方向移動停止後の回転工具２０の回転速度Ｃ２は、回転工具２０を下穴部３６に圧入するときの回転速度Ｃ１よりも低下させる（Ｃ２≦Ｃ１）。本実施の形態では、軸線方向移動停止後の回転工具２０の回転速度Ｃ２は、２００〜３０００ｒｐｍ（回転／分）に選択される。
【００７０】
ステップｓ３では、図６（３）に示すように引抜き工程を行う。引抜き工程では、回転工具２０を軸線方向他方Ｚ２に移動させて鋳造物１９から回転工具２０を引抜く。引抜き工程では、回転工具２０の回転速度および軸線方向移動速度を略一定に維持する。引抜き時の回転工具２０の回転速度Ｃ３は、回転工具２０を下穴部３６に圧入するときの回転速度Ｃ１よりも低下させる（Ｃ３≦Ｃ１）。本実施の形態では、引抜き時の回転工具２０の回転速度Ｃ３は、２００〜３０００ｒｐｍ（回転／分）に選択される。また引抜き時における回転工具２０の軸線方向移動速度Ｖ２の絶対値を、回転工具２０を下穴部３６に圧入するときの軸線方向移動速度Ｖ１の絶対値よりも増大させる（Ｖ２＞Ｖ１）。本実施の形態では、回転工具２０の軸線方向移動速度Ｖ２は、１０〜１００ｍｍ／ｓに選択される。第６時刻Ｔ６で回転工具２０を鋳造物１９から引抜くと、ステップｓ５に進む。ステップｓ５では、回転工具0２０の回転を停止して、組織改質動作を終了する。
【００７１】
ステップｓ３の引抜き工程を行うことで、流動体３８に与えられる摩擦熱の供給を停止する。したがって流動体３８が冷えて固化した改質層３９を形成することができる。この改質層３９は、下穴部３６の内周部分を形成する。改質層３９によって、下穴部３６の内周部分に生じていた鋳造欠陥を消失することができる。
【００７２】
このように本実施の形態では、圧入時の回転工具２０の回転速度Ｃ１が、圧入後の回転
工具２０の回転速度Ｃ２，Ｃ３よりも高く設定される。また圧入時における回転工具２０の軸線方向移動速度Ｖ１の絶対値が、引抜き時における回転工具２０の軸線方向移動速度Ｖ２の絶対値よりも低く設定される。ツール圧入時は、下穴部３６の温度が低く硬いので、多くの摩擦熱が必要なために、高速回転でかつ、低速軸線方向移動とすることが好ましい。圧入時の回転速度Ｃ１を高くすることで、多くの摩擦熱を与えることができ、比較的短時間で下穴部３６を軟化させることができる。また圧入時の軸線方向移動速度Ｖ１を低くすることで、下穴部３６が硬い状態で基部３１が下穴部３６を押圧することが防がれ、基部３１が損傷することを防ぐことができる。
【００７３】
また圧入後には、下穴部３６が充分に軟化している。圧入後には、下穴部３６を部分的に塑性流動させるために、流動体３８を、下穴部３６を除く鋳造物本体に対して、回転工具２０の凸部３２に追従させて回転させる必要がある。圧入後の回転工具２０の回転速度が過剰となると、流動体と、凸部３２との馴染みが悪く、回転工具だけがまわっている状態（空回り状態）となる。これに対して、本実施の形態では、圧入後の回転工具２０の回転速度Ｃ２，Ｃ３を、圧入時の回転速度Ｃ１に比べて低くすることで、流動化した部分を回転工具２０に追従させて移動させることができ、流動体３８の撹拌量を増大させることができる。
【００７４】
また引抜き時は、摩擦熱を与える必要がないので、引抜き時の回転工具２０の軸線方向移動速度Ｖ２を高めても改質層に影響を与えることが少ない。このように引抜き時の回転速度を高めることで、改質層に悪影響を与えることなく、作業時間を短くすることができる。
【００７５】
改質装置が回転工具２０の移動位置を出力可能である場合、基部先端部３１ａが下穴部３６の上面７０に接触する第３時刻Ｔ３は、回転工具２０の移動量に基づいて決定してもよい。また改質装置が、回転工具２０を回転または移動させるときの負荷トルクを検出可能である場合、基部先端部３１ａが下穴部３６の軸線方向他方Ｚ２端面７０に当接する負荷トルクを検出した時刻を、第３時刻Ｔ３として設定してもよい。同様に、ショルダ部３０ａが下穴部３６に当接する第４時刻Ｔ４は、回転工具２０の移動量に基づいて決定しても、ショルダ部が下穴部３６に当接する負荷トルクを検出した時刻を、第４時刻Ｔ４として設定してもよい。また第３時刻Ｔ３から第４時刻に達するまでの没入時間Ｗ２を予め求めておくことで、第３時刻Ｔ３から没入時間Ｗ２が経過した時刻を第４時刻Ｔ４として決定してもよい。このように第３時刻Ｔ３および第４時刻Ｔ４を求めることで、回転工具２０を引抜く時刻を設定することができ、塑性流動状態がばらつくことを防ぐことができる。
【００７６】
図４に示すように、流動体３８は、回転軸線Ｌ１まわりに移動する力とともに、軸線方向一方Ｚ１に移動する力が与えられる。流動体３８が回転方向とともに軸線方向にも移動することで、流動体３８が撹拌されやすくなり、塑性流動する流動体の量を増やすことができる。これによって改質処理後に形成される改質層３９を増やすことができる。また回転工具２０は、流動体３８からの反力として、基部３１を押し出す方向となる軸線方向他方Ｚ２の力を受け、過剰な速度で下穴部３６に没入することが防がれる。
【００７７】
図８は、流動体３８の成長変化を示すための断面図である。流動体３８の成長は、図８（１）〜図８（３）の順で進む。図８（１）に示すように、プローブ３３が下穴部３６に没入する没入量Ｂ１が、下穴３４の深さＨｈよりも小さい場合、基部先端部３１ａと、下穴部３６の底面１３９との間に隙間７１が生じており、凸部３２によって軸線方向一方Ｚ１に移動した流動体３８ｂは、基部先端部３１ａと、下穴部３６の底面１３９との間の隙間７１に溜まる。この状態では、流動体３８は、軸線方向一方Ｚ１に移動するだけでプローブ３３の半径方向厚み方向に成長しずらい。
【００７８】
プローブ３３の没入量Ｂの増加に比例して、軸線方向一方Ｚ１に移動する流動体３８ａが増加する。基部先端部３１ａと、下穴部３６の底面１３９との間の隙間７１に溜まる流動体３８ａの量が増える。図８（２）に示すように、予め定められる設定没入量Ｂ２に達すると、流動体３８ｂによって基部先端面３１ａと下穴部３６の底面１３９との間の隙間７１が塞がれる。これによって軸線方向一方Ｚ１に向けて移動した流動体３８ｂは、基部先端部３１ａの近傍で逃げ場を失って、プローブ３３から基部半径外方方向に押し出される。押し出された流動体３８ａは、軸線方向他方Ｚ２に移動する。そして基部先端部３１ａから軸線方向他方Ｚ２に充分離れた位置で、基部半径方向内方に移動して軸線方向一方Ｚ１に移動する。これによって流動体３８が、軸線方向一方Ｚ１と軸線方向他方Ｚ２とを交互に移動するような循環する流れを作り出すことができる。
【００７９】
図８（３）に示すように、流動体３８によって隙間７１を埋めた状態で、予め定める第１設定時間Ｗ１が経過するまで、回転を維持するとともに軸線方向の移動を停止することで、流動体３８が軸線方向Ｚに循環する流れがさらに大きくなる。このように流動体３８が、軸線方向一方Ｚ１と軸線方向他方Ｚ２とに交互に移動するように、軸線方向Ｚに循環させることで、塑性流動する流動体３８の基部半径方向の厚み寸法を増やすことができる。
【００８０】
設定没入量Ｂ２と、基部３１の軸線方向寸法Ｈｐとがほぼ同じ長さに設定される（Ｂ２≒Ｈｐ）。これによって図８（２）および図８（３）に示すように、本実施の形態では、基部先端部３１ａが設定没入量Ｂ２没入した状態で、ショルダ部３０ａが下穴部３６の上面７０に当接する。
【００８１】
ショルダ部３０ａが下穴部３６の軸線方向他方Ｚ２端面となる上面７０に当接することで、流動体３８が下穴部３６から盛り上がることがショルダ部３０ａによって妨げられる。これによって塑性流動する流動体３８を基部先端部３１ａと基部後端部３１ｂとの間で軸線方向Ｚに循環させることができる。したがってショルダ部３０ａの半径は、流動化する流動体３８よりも基部半径方向外方に大きく形成されることが好ましい。
【００８２】
またショルダ部３０ａが下穴部３６の軸線方向他方Ｚ２端面となる上面７０に当接することで、回転工具２０が軸線方向に下穴部３６に没入することを阻止する抵抗力が増大し、基部軸線方向先端部３１ａが下穴部３６の底面に接触することを防ぐことができる。これによって基部３１に与えられる力が過剰となることを防ぐことができ、基部３１が損傷することを防ぐことができる。また下穴３４の深さにバラツキが生じることを抑えることができる。
【００８３】
また基部３１を鋳造物１９の下穴部３６に圧入する設定圧入量Ｂ２は、回転工具圧入前における鋳造物１９の下穴３４の深さ寸法Ｈｈよりも小さく設定され（Ｂ２＜Ｈｈ）、かつ鋳造物１９に没入する部分の回転工具の体積Ｖｐが、回転工具圧入前の下穴３４の容積Ｖｈ以上（Ｖｐ＞Ｖｈ）となる値に設定される。ここで設定圧入量Ｂ２は、基部３１が下穴部３６に圧入した状態における、下穴部３６の上面７０から基部３１の軸線方向一端部３１ａまでの軸線方向寸法である。また鋳造物１９に没入する部分の回転工具２０の没入体積Ｖｐは、基部３１が没入した状態における、下穴部３６の上面７０よりも軸線方向一方Ｚ１側のプローブ３３の体積である。
【００８４】
たとえばプローブ３３が軸線方向に一様な断面形状を有する場合、設定圧入量Ｂ２は、回転工具圧入前の下穴３４の容積Ｖｈをプローブ３３の断面積Ａ１で割算した値（Ｖｈ／Ａ１）以上に設定される（Ｂ２≧（Ｖｈ／Ａ１））。
【００８５】
下穴３４が軸線方向に一様な断面形状に形成される場合には、下穴３４の容積Ｖｈは、下穴３４の断面積Ａｈと、下穴３４の深さＨｈとの積（Ａｈ・Ｈｈ）で表わされる。したがって下穴３４が略円柱状に形成される場合には、下穴３４の半径をＦｈとし、下穴３４の深さをＨｈとすると、下穴３４の容積Ｖｈは、π・Ｆｈ２・Ｈｈで表わされる。
【００８６】
また下穴３４は、略円柱状に形成されなくてもよい。また言い換えると、圧入時に、プローブ３３が下穴部３６を押しのける体積は、プローブ３３と下穴部３６との隙間よりも大きくなればよい。プローブ３３が下穴部３６を押しのける体積は、プローブ３３の形状や、下穴３４の形状に応じてその都度異なることになる。たとえば基部３１は、下穴３４に圧入しやすいように、先端部が先細に形成されてもよい。
【００８７】
図９は、組織改質処理後に下穴部３６にナット部材４１を螺着して連結部材４２を固定する手順を説明するための断面図である。図９（１）〜図９（４）の順で手順が進む。図９（１）に示すように、鋳造工程を行って、下穴３４が形成される鋳造物１９を成形する。次に図９（２）に示すように、上述した流動化工程を行って、下穴部３６の内周部分に改質層３９を形成する。次に図９（３）に示すように、タップ加工工程を行って、下穴部３６を削り、ねじ穴７２が形成されるねじ穴部７３を形成する。次に図９（４）に示すように、組立工程を行って、ナット部材４１を用意し、ナット部材４１のねじ部分を、連結部材４２に形成される貫通孔４３を通過させて、ねじ穴部７３に螺合させる。ナット部材４１を螺進することによって、鋳造物４１とナット部材４１とによって、連結部材４２を挟持することができ、鋳造物４１と連結部材４２とを固定することができる。この場合、ねじ穴部７３は、鋳造物１９が有する凹部であって、一方に開放するねじ穴である凹所を形成する凹部となる。
【００８８】
上述したように、本実施の形態では改質層３９を基部半径方向の厚み寸法を大きくすることができるので、下穴部３６をタップ加工してねじ穴部７３を形成しても、ねじ穴部７３の内周部分に改質層３９が残留しやすい。残留した改質層３９は、鋳造欠陥４０による循環路３５とねじ穴７２との連通を阻止する。したがって循環路３５を流れる流体が、ねじ穴７２から漏洩することを防止することができ、その漏洩効果を高めることができる。またねじ穴７２を形成する場合、回転工具２０のプローブ３３の直径と、ねじ穴部７３の谷径とをほぼ同じにすることで、鋳造欠陥の組織改質後に続けてタップ加工を行うことができ、別途内径加工を行う手間を省くことができる。
【００８９】
図１０は、組織改質処理後に下穴部３６に嵌合部材４４を嵌合して、嵌合部材４４をナット部材４５によって固定する手順を説明するための断面図である。図１０（１）〜図１０（４）の順で手順が進む。図１０（１）に示すように、鋳造工程を行って、下穴３４が形成される鋳造物１９を成形する。次に図１０（２）に示すように、上述した流動化工程を行って、下穴部３６の内周部分に改質層３９を形成する。次に図１０（３）に示すように、タップ加工工程を行って、下穴部３６とは異なる部分に内ねじ部４６を形成する。また切削加工によって、嵌合部材４４が嵌合可能となるように、下穴部３６を丸穴加工した嵌合凹部７３を形成する。嵌合凹所７３は、一方に開放して嵌合部材４４が嵌合する嵌合凹所７２が形成される。次に図１０（４）に示すように、組立加工を行う。また嵌合部材４４を用意して、嵌合凹部７３に嵌合部材４４を挿入させる。次にナット部材４５を用意し、ナット部材４５のねじ部分を、嵌合部材４４に形成される貫通孔を通過させて、内ねじ部４６に螺合させる。ナット部材４５を螺進することによって、鋳造物４１とナット部材４５とによって、嵌合部材４４を挟持することができ、鋳造物４１と嵌合部材４４とを固定することができる。この場合、嵌合凹部７３は、鋳造物１９が有する凹部であって、一方に開放する嵌合凹所を形成する凹部となる。
【００９０】
図９に示す場合と同様に、本実施の形態では、改質層３９を基部半径方向の厚み寸法を
大きくすることができるので、下穴部３６を丸穴加工して嵌合凹部７３を形成しても、嵌合凹部７３の内周部分に改質層３９が残留しやすい。残留した改質層３９は、鋳造欠陥４０による循環路３５と嵌合凹所７２との連通を阻止する。したがって循環路３５を流れる流体が、嵌合凹所７２から漏洩することを防止することができ、その漏洩効果を高めることができる。
【００９１】
以上のように本実施の形態によれば、改質層３９の基部半径方向の厚み寸法を増やすことができ、下穴部３６に内在していた鋳造欠陥をより多く消失させることができる。たとえば発明者らの実験によって、凸部３２が形成されない場合には、改質層３９の基部半径方向厚み寸法が、約０．５ｍｍとなった。これに対して、本実施の形態のように凸部３２を形成した場合には、改質層３９の基部半径方向厚み寸法を、約１ｍｍとすることができた。したがって組織改質後に下穴部３６が機械加工によって部分的に削られて、鋳造物１９が有する凹部７３として形成されたとしても、鋳造欠陥が凹部７３の内周面に露出することを防ぐことができ、鋳造欠陥に起因する不具合を低減することができる。
【００９２】
特に、鋳造物１９の内部に流体が貯留または流通される流体空間が形成される場合、下穴部３６の内周部分に厚み寸法の大きい改質層３９を形成することで、鋳造物１９の流体空間に貯留または流通される流体が、下穴３４または凹所７２に漏洩することを防ぐことができる。同様に下穴３４または凹所７２に存在する他の流体が、鋳造物１９の内部に形成される流体空間に漏洩することを防ぐことができる。また流体空間３５が形成されない場合でも、下穴部３６または下穴部３６が加工された凹部７３の内周部分を通過して、流体が鋳造物内部から漏洩したり、流体が鋳造物内部に浸透したりすることを防ぐことができる。したがって本実施の形態では、鋳造物１９の気密性および液密性を向上して、鋳造物１９の信頼性を向上することができる。
【００９３】
このようにして本実施の形態では、改質層３９によって鋳造欠陥を多く消失することで、鋳造欠陥に起因する鋳造物１９の歩留まりを向上することができ、製造コストを低減することができる。また鋳造物１９を用いて製作される鋳造製品について、鋳造欠陥に起因する不良品を低減することができ、鋳造製品の品質を向上することができる。また含浸処理して下穴部３６の気密性を達成する場合に比べて、短時間で下穴３４の被覆処理を行うことができ、作業効率を向上することができる。また鋳造欠陥を低減するために、試行錯誤的に鋳型形状を工夫する場合に比べて、鋳造物１９の鋳造欠陥を簡単に修復することができる。
【００９４】
また改質層３９は、下穴部３６の残余の部分に比べて金属結晶が微細な組織微細層となるので、組織微細層を増加させることができ、下穴部３６または凹部７３の強度を向上することができ、改質処理後に下穴部３６または凹部７３の損傷を防ぐことができ、鋳造物１９の品質を向上することができる。たとえば凹部７３がねじ穴部である場合、ねじ穴部のねじ山部分の強度を向上することで、ナット部材４１がねじ穴部から抜出ることを防ぐことができる。
【００９５】
また本実施の形態では、プローブ３３が大きくなることを防いだうえで、改質層３９を基部半径方向に増加させることができ、改質処理後に鋳造物１９に形成されるプローブ没入跡を小さくすることができる。これによって下穴３４を利用して内径の小さい丸穴となる凹所７２を形成することができ、内径の小さい丸穴に対して、比較的厚み方向寸法の大きい改質層３９を形成することができる。また下穴３４を鋳造成形によって予め形成することで、別途機械加工によって下穴３４を形成する必要がなく、作業効率を向上することができる。また下穴３４を鋳造物１９に最終的に形成される凹所として利用することで、凹所を形成する手間を省略することができる。
【００９６】
また予め形成される下穴部３６に回転工具２０を圧入することで、下穴３４が形成されない部分に回転工具２０を没入する場合に比べて、回転工具２０に与えられる抵抗力を減らすことができる。これによって回転工具２０を短時間で鋳造物１９に没入させることができるとともに、回転工具２０の破損を防ぐことができる。これによって改質方法における作業性を効率化することができる。また回転工具２０を下穴部３６に圧入した場合の回転抵抗を小さくすることで、下穴３４の直径が大きい場合であっても、組織改質を容易に行うことができる。また本実施の形態では、剛性および出力トルクが比較的低い改質装置であっても、プローブ３３を没入可能であり、汎用の工作装置によって改質装置を実現可能である。
【００９７】
また本実施の形態によれば、凸部３２が螺旋状に延びることで、凸部３２に接触する流動体３８を増やすことができ、流動体３８を軸線方向Ｚに移動させる力を大きくすることができる。また基部先端部３１ａから基部後端部３１ｂまで、凸部３２を緩やかに傾斜させることができ、凸部３２に接触する流動体３８の変動を小さくして、流動体３８から与えられる回転抵抗力の変動を少なくすることができる。
【００９８】
また本実施の形態によれば、基部３１が下穴部３６に対して摺動しない場合に比べて、回転工具２０から下穴部３６に与える摩擦熱を大きくすることができ、下穴部３６のうちで流動体３８の量を増やすことができる。これによって下穴部３６に生じていた鋳造欠陥の消失量を増大することができる。このように回転工具２０と下穴部３６との接触領域を大きくすることで、より多くの摩擦熱を下穴部３６に与えることができる。これによって下穴部３６に生じていた鋳造欠陥の消失量を増大することができる。
【００９９】
また本実施の形態では、下穴３４は、略円柱状に形成されるとしたが、これに限定しない。下穴３４の形状については、略円柱以外の断面形状を有してもよく、また深さ方向に形状が異なってもよい。たとえば鋳造によって下穴３４を形成する場合、軸線方向一方Ｚ１に進むにつれて縮径する円錐台形状に下穴３４が形成されるほうが、下穴３４が略円柱状に形成する場合に比べて容易に形成することができる。たとえば鋳造によって下穴３４を形成する場合、下穴３４を、その軸線を含む平面で切断した断面形状において、軸線と斜辺との成す角度が約２〜５°に設定される。
【０１００】
下穴３４が円錐台状に形成される場合であっても、基部３１を鋳造物１９の下穴部３６に圧入する設定圧入量Ｂ２は、回転工具圧入前における下穴３４の深さ寸法Ｈｈ未満に設定され（Ｂ２＜Ｈｈ）、かつ鋳造物に没入する部分の回転工具の体積Ｖｐが、回転工具圧入前の下穴３４の容積Ｖｈ以上（Ｖｐ＞Ｖｈ）となる値に設定される。
【０１０１】
下穴３４が軸線方向一方Ｚ１に進むにつれて縮径する円錐台形状に形成される場合、下穴部３６の上面付近での下穴３４の半径となる下穴上面半径をＦｈ１とし、下穴部３６の底面１３９付近での下穴３４の半径となる下穴底面半径をＦｈ２とすると、下穴３４の容積Ｖｈは、（１／３）・π・Ｈｈ・（Ｆｈ１２＋Ｆｈ１・Ｆｈ２＋Ｆｈ２２）で表わされる。
【０１０２】
この場合、プローブ３３の直径Ｄｂは、下穴部３６の上面付近での下穴３４の直径となる下穴上面直径（２・Ｆｈ１）よりも小さく、下穴部３６の底面１３９付近での下穴３４の直径となる下穴底面直径（２・Ｆｈ２）よりも小さく形成されることが好ましい（２・Ｆｈ２≦Ｄｂ≦２・Ｆｈ１）。これによってプローブ３３を下穴３４に容易に進入させるとともに、下穴の開口部分の隙間を埋めて、改質処理後の下穴の直径を厚み方向にわたってほぼ均一とすることができる。
【０１０３】
図１１は、第１実施形態の組織改質方法の変形例を説明するための断面図である。鋳造
物１９のうちで、下穴部３６の底面１３９と、底面１３９と反対側の反対面１４０との間の軸線方向寸法である厚み方向寸法Ｈｃが小さい場合など、裏当て部材１４１を反対面１４０に当接させた状態で、組織改質処理を行うことが好ましい。本実施の形態では、底面１３９と、底面１３９よりも軸線方向一方Ｚ１側となる反対面１４０との厚み寸法Ｈｃが４ｍｍ以下であると、裏当て部材１４１を用いる。具体的には、準備工程において、裏当て部材１４１を準備して、下穴部３６の開口部と反対側の反対面１４０に、裏当て部材１４１を押圧して、裏当て部材１４１で下穴部３６を支持する。この状態で、流動化工程を行う。
【０１０４】
反対面１４０を裏当て部材１４１によって支持した状態で、回転工具２０を下穴部３６に圧入することで、底面１３９と反対側の反対面１４０との厚み寸法Ｈｃが少なくても、反対面１４０が軸線方向一方Ｚ１に凸に盛り上がることを防ぐことができ、軸線方向の塑性流動の低下を防ぐことができる。また下穴部３６の底面１３９と反対面１４０との寸法が４ｍｍを超えてる場合でも、裏当て部材１４１を用いてもよい。
【０１０５】
図１２は、下穴３４が貫通する場合を示す断面図である。図１２（１）は、回転工具圧入前の状態を示し、図１２（２）は、回転工具圧入後の状態を示す。下穴３４が貫通する場合、すなわち厚み寸法Ｈｃが０である場合であっても、流動体３８が、基部先端部３１ａと、裏当て部材１４１の表面との間に留まることで、１〜２ｍｍの流動層を、基部３１と裏当て部材１４１との間に形成することができる。流動化工程のあとで、裏当て部材１４１を鋳造物１９から離反させることで、有底の下穴部３６を形成することができる。また下穴３４が貫通する場合には、前記設定没入量Ｂ２は、下穴部３６の厚み方向寸法よりも小さくされることが好ましい。これによって基部先端部３１ａが裏当て部材１４１の表面に接触することが防がれ、基部３１が損傷することを防ぐことができる。
【０１０６】
図１３は、本発明の第２実施形態である組織改質方法を説明するための図である。第２実施形態の組織改質方法は、第１実施形態と類似しており、流動化工程の一部が異なる以外については同様である。また第１実施形態と対応する構成については、同一の参照符号を付する。
【０１０７】
第２実施形態の組織改質方法は、流動化工程で、軸線方向Ｚの移動を停止してから充分な流動体３８が発生するまでの時間となる第１設定時間Ｗ１が経過して、第５時刻Ｔ５に達すると、回転軸線Ｌ１に垂直な方向に、鋳造物１９に予め定められる移動経路に沿って回転する回転工具２０を移動させる。すなわち鋳造物１９が充分に軟化してから、回転工具２０の移動を開始する。そして回転工具２０を移動経路の終端まで移動させると、引抜き工程を行う。
【０１０８】
これによって移動経路に沿って改質層３９を形成することができ、移動経路に沿って分布している鋳造欠陥を消失させることができる。本実施の形態では、改質装置によって、Ｘ方向およびＹ方向に工具チャック部分を移動させることによって、回転工具２０を予め定められる移動経路に沿って移動させることができる。
【０１０９】
第２実施形態では、流動化工程で、摩擦熱を発生させて下穴部３６の内周部分を軟化させた状態で、回転軸線Ｌ１まわりに回転工具２０を自転回転させた状態を維持しつつ、回転軸線Ｌ１とは異なる公転軸線Ｌ２まわりに回転軸線Ｌ１を公転回転させる。これによってプローブ３３の直径に拘わらずに公転軸線Ｌ２まわりに改質層３９を形成することができる。たとえば下穴部３６に内ねじを形成する場合に、下穴部３６に形成すべき内ねじの内径にかかわらずに、任意の直径の回転工具２０を用いることができる。回転工具２０が、公転軸線Ｌ２まわりに回転する回転半径Ｅおよび回転工具２０が移動する速度Ｃ４は、回転工具２０が破損することが防がれる値に選択される。たとえば回転半径Ｅは、０．５
ｍｍ以上３．０ｍｍ以下に選択される。また回転工具２０が、回転軸線Ｌ１に垂直な方向に移動する移動速度Ｃ４は、０．５〜３．０ｍｍ／ｓ以下に選択される。これによって回転工具２０および改質装置に与える負荷を減らすことができる。
【０１１０】
また第２実施形態であっても、第１実施形態と同様に、圧入時の回転工具２０の回転速度Ｃ１が、圧入後の回転工具２０の回転速度Ｃ２，Ｃ３よりも高く設定される。したがって回転工具２０が回転軸線Ｌ１に垂直な方向に移動するときの、回転工具２０の回転軸線Ｌ１まわりの回転速度Ｃ４は、圧入時における回転工具２０の回転軸線Ｌ１まわりの回転速度Ｃ１よりも小さく設定される（Ｃ４≦Ｃ１）。本実施の形態では、本実施の形態では、圧入時の回転工具２０の回転速度Ｃ１は、１０００〜５０００ｒｐｍに選択される。また回転工具２０が回転軸線Ｌ１に垂直な方向に移動するときの回転速度Ｃ４は、２００〜３０００ｒｐｍ（回転／分）に選択される。第２実施形態において、回転工具２０の圧入時、引抜き時の動作については、第１実施形態と同様である。
【０１１１】
また回転工具２０を回転軸線Ｌ１に垂直な方向に移動させる場合において、設定圧入量Ｂ２は、第１実施形態と同様に設定することができる。また裏当て部材１４１によって下穴部３６の反対面１４０を支持した状態で、回転工具２０を移動させてもよい。
【０１１２】
図１４は、公転軸線Ｌ２まわりに回転工具２０を回転させるまでの回転工具２０の移動経路を示す図である。図１４に示すように、まず公転軸線Ｌ２と同軸の下穴３４を形成し、下穴３４に回転軸線Ｌ１まわりに回転する回転工具３２を圧入する。下穴部３６の内周部分に流動体３８を生じさせると、公転軸線Ｌ２を中心として、回転工具２０を渦巻き状に回転させる。具体的には、回転工具２０を、公転軸線Ｌ２を中心に角変位移動させるにともなって、公転軸線Ｌ２に対する回転半径を大きくする。そして所定の回転半径Ｂに達すると、その回転半径Ｂを維持して回転工具２０を公転軸線Ｌ２まわりに回転させる。移動経路に沿って回転工具２０を移動させる間は、回転工具２０は、回転軸線Ｌ１まわりに回転する状態が維持される。
【０１１３】
また充分に流動体３８を生じさせると、回転工具２０を、公転軸線Ｌ２を中心に角変位させるにともなって、公転軸線Ｌ２に対する回転半径を小さくする。そして公転軸線Ｌ２と回転軸線Ｌ１とが一致または略一致すると、回転工具２０を鋳造物１９から引抜く。このように渦巻き状に延びる移動経路に沿って回転工具２０を移動させることで、回転工具２０および改質装置に与えられる負荷を小さくして、比較的大きい領域に改質層３９を形成することができる。また回転工具２０を公転軸線Ｌ２から引抜くことで、引抜き後に公転軸線Ｌ２を中心とする穴、たとえば、ねじ穴を容易に形成することができる。
【０１１４】
図１５は、回転工具２０の回転軸線Ｌ１まわりの回転方向Ｒ１と、回転工具２０の公転軸線Ｌ２まわりの回転方向ｒ１とを示す図である。図１５には、プローブ３３の直径を２点鎖線で示す。また本実施の形態では、回転軸線Ｌ１まわりに回転させながら、回転工具２０を、公転軸線Ｌ２まわりに凸部３１の半径（Ｄｂ／２）以下の回転半径Ｅで、角変位移動させる。ここで、角変位移動とは、回転中心まわりに３６０度以下の角度を角変位移動する場合はもちろん、３６０度以上の角度を角変位移動する場合も含む。これによって鋳造物１９が既に軟化した軟化部分の一部を、基部３１が通過することなり、回転工具２０を、公転軸線Ｌ２まわりに角変位移動させるのに必要な力を低減することができ、回転工具２０および改質装置の破損を防ぐことができる。
【０１１５】
また回転工具２０の回転軸線Ｌ１まわりの回転方向Ｒ１と、回転工具２０の公転軸線Ｌ２まわりの回転方向ｒ１とは、同一方向に設定される。したがって回転工具２０の回転軸線Ｌ１まわりの回転方向Ｒ１が時計まわりの場合には、回転工具２０の公転軸線Ｌ２まわりの回転方向ｒ１もまた時計まわりとなる。
【０１１６】
これによって公転軸線Ｌ２外周側の部分を回転工具２０が摺動する回転速度を向上することができ、公転軸線Ｌ２の外側部分の改質層３９を大きくすることができる。また公転軸線Ｌ２の内側部分は、回転工具２０の回転速度が低下しているが、回転工具２０が公転軸線Ｌ２まわりを一周することによって、回転速度の低下を補って改質層３９を大きくすることができる。
【０１１７】
図１６は、第２実施形態の変形例となる回転工具２０の移動経路を示す図である。公転軸線Ｌ２が予め定める移動経路、たとえば直線に沿って移動し、その移動する交線軸線Ｌ２まわりを回転工具２０が回転してもよい。これによって交範囲にわたる改質層３９を、公転軸線Ｌ２の移動経路に沿って形成することができる。
【０１１８】
図１７および図１８は、回転工具２０を移動経路に沿って移動させて、鋳造物１９に改質層３９を形成する手順を説明するための図である。図１７は、鋳造物１９を示す平面図である。図１８は、鋳造物１９を示す断面図であり、図１７の切断面線Ｓ１８−Ｓ１８で切断した断面図である。図１７（１）および図１８（１）は、流動化工程前の鋳造物１９を示す平面図である。図１７（２）および図１８（２）は、流動化工程後の鋳造物１９を示す平面図である。図１７（３）および図１８（３）は、流動化工程後に切削加工が行われた鋳造物１９を示す平面図である。
【０１１９】
図１７（１）および図１８（１）に示すように、本実施の形態の鋳造物１９は、鋳造成形によって凹所５０が形成される。凹所５０は、任意の形状に形成され、本実施の形態では、一方に開放する略四角板状に形成される。また鋳造物１９は、鋳造物１９の内部を通過して、前記凹所５０を一周する循環路３５が形成される。循環路３５と凹所５０との間には、鋳造欠陥４０が形成されやすい。また循環路３５には、鋳造物１９を冷却するための冷却水を循環可能に形成される。
【０１２０】
図１７（２）および図１８（２）に示すように、循環路３５から凹所５０に流体が漏洩することを防ぐために、本実施の形態では、流動化工程で、回転軸線Ｌ１まわりに回転する回転工具２０を、凹所５０と循環路３５との間について、凹所５０のまわりを一周させる。図１７（２）および図１８（２）には、改質層３９を網点で示す。回転工具２０は、図１６に示すように、公転軸線Ｌ２が凹所５０のまわりを一周し、その公転軸線Ｌ２まわりに自転するように回転および移動させることが好ましい。これによって回転工具２０および改質装置に与えられる負荷を低減することができる。
【０１２１】
図１７（３）および図１８（３）に示すように、流動化工程の後に、本実施の形態では、改質層３９を部分的に残したうえで、凹所５０を広げるように、凹所５０を形成する凹所形成部５１の一部を切除する。これによって改質層３９が凹所５０を規定する内周部となる。凹所５０と循環路３５との間に、改質層３９が配置され、かつ改質層３９が凹所５０を囲むことによって、循環路３５と凹所５０との連通を改質層３９によって阻止することができ、循環路３５を流れる流体が、凹所５０に漏洩することを防ぐことができる。また回転軸線Ｌ１の移動経路は、上述した移動経路以外であってもよい。
【０１２２】
このように改質層３９は、凹所５０の内周部分のうち少なくとも一部を形成する。また改質層３９は、流体空間３５と凹所５０とを結ぶ領域を分断する位置に配置される。たとえば凹所５０に対して一方側を流体空間３５が通過する場合には、改質層３９は、凹所５０の一方側について、流体空間３５と凹所５０との間にわたって形成されればよい。また薄肉部などの鋳造欠陥が分布しやすい部分について、改質層３９が形成されてもよい。
【０１２３】
また回転工具２０が引抜かれる引抜部分が鋳造物３９に別途形成されることが好ましく
、引抜き部分は、最終的に鋳造物３９から切除される部分に形成されることが好ましい。また本実施の形態では、図１７（３）に示すように、改質層３９が凹所５０に露出するように鋳造物１９を部分的に切削したが、図１７（２）に示す状態で作業を終了してもよい。
【０１２４】
図１９は、回転工具２０の移動経路の他の形態を説明するための図である。図１９（１）は、回転工具２０が公転軸線Ｌ２まわりに回転することで楕円軌跡を描く。図１９（２）は、回転工具２０が公転軸線Ｌ２まわりに回転することで、多角形軌跡、たとえば８角形軌跡を描く。図１９（３）は、回転工具２０が、公転軸線Ｌ２を基準として、往復直線移動する軌跡を描く。このように、回転工具２０は、公転軸線Ｌ２に対して、回転または往復移動してもよい。また回転工具２０は、この他の移動経路に従って移動してもよく、たとえば回転工具２０は、直線状に延びる移動経路に沿って移動してもよい。これによって改質処理後に、公転軸線Ｌ２を中心とする楕円凹所、多角形凹所または長孔を形成した場合であっても、鋳造物１９の凹部の内周面を流体が漏洩することを防ぐことができる。
【０１２５】
図２０は、図１９（１）に示すような楕円軌跡を描く移動経路に沿って回転工具２０を移動させて、下穴部３６に改質層を形成する一例を示す断面図である。図２０は、図２０（１）〜図２０（３）の順で手順が進む。
【０１２６】
図２０（１）に示すように、鋳造工程を行って、下穴３４が形成される鋳造物１９を成形する。次に図１２（２）に示すように、上述した流動化工程を行って、回転軸線Ｌ１を下穴３４の軸線と同軸に配置する。次に回転軸線Ｌ１まわりに、回転工具２０を周方向一方Ｒ１に自転回転させながらプローブ３３を下穴部３６に没入させて、改質層３９を形成する。次に自転回転を継続した状態で、下穴３４の軸線とは異なる位置に設定される公転軸線Ｌ２まわりに、回転工具２０を周方向一方ｒ１に楕円軌跡に沿って公転回転させる。回転工具２０を公転軸線Ｌ２まわりに一周させて、没入開始位置に回転工具２０を戻すと、回転工具２０を下穴部３６から引抜く。
【０１２７】
これによって図２０（３）に示すように、下穴部３６のうちで、没入開始位置から公転軸線Ｌ２寄りに形成される改質層３９ｄの半径方向寸法Ｐ１を、残余の部分の改質層の半径方向寸法Ｐ２よりも大きくすることができる。したがって没入開始位置に対して、循環路３５が近接して配置される場合、没入開始位置から循環路３５寄りに公転軸線Ｌ２を設定することが好ましい。これによって下穴３４と循環路３５との間に形成される改質層３９ｄを増やすことができる。
【０１２８】
また循環路３５以外であっても、没入開始位置に対して予め鋳造欠陥が生じやすい位置が決まっている場合には、没入開始位置に対して、鋳造欠陥が生じやすい位置寄りに公転軸線Ｌ２が設定されることが好ましい。図２０では、回転工具２０が、公転軸線Ｌ２まわりに楕円状に回転するとしたが、楕円に限定されない。たとえば、図１９（２）および図１９（３）に示すように、没入開始位置に対して、鋳造欠陥が形成されるであろう位置寄りに向けて回転工具２０を移動させてもよい。
【０１２９】
図２１は、第２回転工具３２０を示す正面図であり、図２２は、第２回転工具３２０の先端面を示す図である。上述した第１実施形態および第２実施形態の組織改質方法について、図１に示す第１回転工具２０に代えて第２回転工具３２０を用いることができる。第２回転工具３２０は、第１回転工具２０に比べてプローブ３３の形状が異なり、残余の部分については同一である。第２回転工具３２０は、第１回転工具２０のプローブ３３の外周部が部分的に切除された形状に形成される。第２回転工具３２０は、第１回転工具２０のプローブ３３の外周部が半径方向内方に面取りされて、面取り面が軸線方向に延びる形状に形成される。
【０１３０】
具体的には、第２回転工具３２０は、略円柱状に形成される。第２回転工具３２０は、略円柱状のショルダ部３３０と、ショルダ部３３０の軸線方向先端部に連なって、ショルダ部３３０と同軸に形成される略円柱状のプローブ３３３とを含んで構成される。プローブ３３３は、基部３３１と、凸部３３２と、凹部３３４とを含んで構成される。基部３３１は、ショルダ部１３０に同軸の略円柱状に形成される。
【０１３１】
本実施の形態では、プローブ３３３は、外ねじが形成される。基部２３１は、プローブ２３３の本体部となる。また凸部３３２は、プローブ３３３のうちで外ねじを形成する突出部分、いわゆるねじ山部分となる。凸部３３２は、基部３３１の外周面から半径方向外方に突出して、回転軸線Ｌ１まわりに周方向一方Ｒ１に向かうにつれて、基部３３１の軸線方向先端部３３１ａから基部３３１の軸線方向後端部３３１ｂに近接する方向Ｚ２に傾斜して延びる。
【０１３２】
また凹部３３４は、凸部３３２に対して周方向に隣接する。本実施の形態では、周方向に２つの凸部３３２が形成されるとともに、２つの凹部３３４が形成され、凸部３３２と凹部３３４とが周方向に交互に配置される。凹部３３４は、軸線方向に延びて、凸部３３２の基部半径方向最外周端が回転軸線まわりに一周する回転軌跡よりも、基部半径方向内方に窪む退避面３３５が形成される。退避面３３５は、各凹部３３４ごとに形成され、軸線に垂直な断面形状が直線状に形成されて、軸線方向に延びる。
【０１３３】
このように第２回転工具３２０は、退避面３３５を形成する凹部３３４が、凸部３３２に周方向に隣接して形成されることで、凸部３３２が回転軸線まわりの全周にわたって形成される場合に比べて、回転工具３２０が下穴部３６を押しのける体積を少なくすることができる。これによって回転抵抗を減らすことができ、回転工具３２０と下穴部３６との接触面積が不所望に増加することを防ぐことができる。また凹部３３４によって形成される凹所に流動体３８が流れ込んだ状態で、回転工具２０が回転することで、流動体３８が回転軸線Ｌ１まわりに回転しやすく、流動体３８をより撹拌させることができる。また第２回転工具３２０を用いても、上述する各実施形態の鋳造物の組織改質方法を実現することができ、第１回転工具２０と同様の上述する効果を得ることができる。
【０１３４】
図２３は、第３回転工具４２０を示す正面図であり、図２４は、第３回転工具４２０の先端面を示す図である。上述した第１実施形態および第２実施形態の組織改質方法について、図１に示す第１回転工具２０に代えて第３回転工具４２０を用いることができる。第３回転工具４２０は、第２回転工具３２０の凹部３３４を除く形状については、同様であるので説明を省略し、同様の参照符号を付する。第３回転工具４２０は、第１回転工具２０のプローブ３３の外周部が部分的に切除された形状に形成される。具体的には、第３回転工具４２０は、第１回転工具２０のプローブ３３の外周部が半径方向内方に切り欠かれて、切り欠かれた溝が軸線方向に延びる形状に形成される。
【０１３５】
具体的には、第３回転工具４２０は、上述した基部３３１と、凸部３３２と、凹部４３４とを含んで構成される。凹部３３４は、凸部３３２に対して周方向に隣接する。本実施の形態では、周方向に４つの凸部３３２が形成されるとともに、４つの凹部４３４が形成され、凸部３３２と凹部４３４とが周方向に交互に配置される。
【０１３６】
凹部４３４は、軸線方向に延びて、凸部３３２の基部半径方向最外周端が回転軸線まわりに一周する回転軌跡よりも、基部半径方向内方に窪む溝が形成される。凹部４３４は、溝に臨む内周面である退避面４３５を有する。退避面４３５は、各凹部４３４ごとに形成され、軸線に垂直な断面形状がＵ字状に形成されて、軸線方向に延びる。
【０１３７】
このように第３回転工具４２０は、退避面４３５を形成する凹部４３４が、凸部３３２に周方向に隣接して形成されることで、凸部３３２が回転軸線まわりの全周にわたって形成される場合に比べて、回転工具４２０が下穴部３６を押しのける体積を少なくすることができる。これによって回転抵抗を減らすことができ、回転工具４２０と下穴部３６との接触面積が不所望に増加することを防ぐことができる。また凹部３３４によって形成される凹所に流動体３８が流れ込んだ状態で、回転工具２０が回転することで、流動体３８が回転軸線Ｌ１まわりに回転しやすく、流動体３８をより撹拌させることができる。また第３回転工具４２０を用いても、上述する各実施形態の鋳造物の組織改質方法を実現することができ、第１回転工具２０と同様の上述する効果を得ることができる。
【０１３８】
また凹部４３４は、軸線方向に沿って直線状に延びるほか、螺旋状に延びてもよい。具体的には、凹部４３４は、凸部３３４または基部１３１の半径方向に没入して、回転軸線Ｌ１まわりに周方向一方Ｒ１に進むにつれて、基部１３１の軸線方向先端部１３１ａから軸線方向後端部１３１ｂに進むように傾斜して延びてもよい。これによって圧入時に、凹部４３４に移動した流動体３８を、回転軸線まわりに移動させるとともに、基部軸線方向先端部１３１に向けて移動させることができ、流動体３８の撹拌をさらに増加させることができる。
【０１３９】
図２５は、第４回転工具１２０を示す正面図であり、図２６は、第４回転工具１２０の先端面を模式化して示す図である。上述した第１実施形態および第２実施形態の組織改質方法について、図１に示す回転工具２０に代えて第４回転工具１２０を用いることができる。第４回転工具１２０は、図１に示す回転工具２０に比べてプローブ３３の形状が異なり、残余の部分については同一である。
【０１４０】
第４回転工具１２０は、略円柱状に形成される。第４回転工具１２０は、略円柱状のショルダ部１３０と、ショルダ部１３０の軸線方向先端部に連なって、ショルダ部１３０と同軸に形成される略円柱状のプローブ１３３とを含んで構成される。プローブ１３３は、基部１３１と、凸部１３２とを含んで構成される。基部１３１は、ショルダ部１３０に同軸の略円柱状に形成される。
【０１４１】
凸部１３２は、多条、本実施の形態では４条の突起６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄからなる。各突起６０ａ〜６０ｄは、基部１３１の外周部に形成される突出部であって、螺旋状に延びる。各突起６０ａ〜６０ｄは、基部１３１の半径方向に突出して、回転軸線Ｌ１まわりに周方向一方Ｒ１に進むにつれて、基部１３１の軸線方向後端部、言い換えるとショルダ部１３０に進むように傾斜して延びる。図２５に示すように、各突起６０ａ〜６０ｄは、回転軸線Ｌ１で切断した場合には、それぞれ等間隔に配置される。また周方向に隣接する２つの突起６０は、充分な間隔をあけて配置される。したがってプローブ１３３は、螺旋状に進む溝が形成されてドリル状に形成される。
【０１４２】
プローブ１３３の回転軸線Ｌ１まわりの回転半径は、下穴３４の回転半径よりも大きく形成される。また基部１３１の直径Ｄｐが下穴３４の内径Ｄｈ未満となる（Ｄｐ＜Ｄｈ）。また回転軸線Ｌ１まわりの凸部１３２の回転半径が下穴３４の半径を超える。言い換えると、回転軸線Ｌ１から各突起６０ａ〜６０ｄの基部半径方向外周面までの基部半径方向寸法ｒｂを２倍した寸法（２・ｒｂ）は、下穴３４の内径Ｄｈを超える（２・ｒｂ＞Ｄｈ）。本実施の形態では、各突起６０ａ〜６０ｄのピッチは、約８０ｍｍに選択される。
【０１４３】
また第４回転工具１２０の凸部１３２は、基部半径方向外周部に形成されて基部半径方向に没入して、回転軸線Ｌ１まわりに周方向一方に進むにつれて基部１３１の軸線方向先端部から軸線方向後端部に近接する方向に傾斜して延びる傾斜溝６１が形成される。各突起６０ａ〜６０ｄは、基部半径方向外周面が、回転軸線Ｌ１を中心とする円周面に形成さ
れる。このように第２回転工具１２０のプローブ１３３は、スパイラルタップ状に形成される。
【０１４４】
以上のような第４回転工具を用いても、上述する各実施形態の鋳造物の組織改質方法を実現することができ、第１回転工具２０と同様の上述する効果を得ることができる。また基部１３１の直径Ｄｐが下穴の内径Ｄｈよりも小さく形成されることで、基部１３１が下穴部３６に対して摺動回転することを防ぐことができる。本実施形態では、基部１３１が下穴部３６に対して摺動回転する場合に比べて、回転工具１２０と下穴部３６とが接触する接触面積を小さくすることができる。これによって下穴３４の直径Ｄｈが大きい場合であっても、下穴部３６から受ける回転抵抗力を低減することができ、回転工具１２０の損傷を防ぐことができる。また本実施の形態では、剛性および出力トルクが比較的低い改質装置であっても、プローブ３３を下穴３４に没入して回転可能である。
【０１４５】
また各突起６０には、傾斜溝６１が形成される。これによって各突起６０の基部半径方向外周部に回転摺接する流動体は、各突起６０に形成される傾斜溝６１によって、軸線方向に沿って基部先端部３１ａに向かう力が与えられる。これによって各突起６０の基部半径方向外周部に接する流動体を、軸線方向に撹拌することができ、塑性流動する流動体の量を増やすことができる。
【０１４６】
以上のような各実施の形態は、本発明の例示に過ぎず発明の範囲内で構成を変更可能である。本実施の形態では、鋳造物がアルミ合金からなるとしたが、これに限定せず、摩擦撹拌可能な金属であれば、他の金属であってもよい。たとえば鋳造物は、マグネシウムおよび亜鉛などの軽量合金からなってもよい。また鋳造物は、軽量合金以外、たとえば鋳鉄からなってもよい。またエンジン本体のシリンダブロック以外の鋳造物１９についても、組織改質方法を施すことができる。流体が貯留または流通する液体空間が鋳造成形によって形成される鋳造物１９の改質方法に好適に適用可能である。
【０１４７】
たとえば鋳造物１９は、シリンダブロックのほかのエンジン部品、内部に油圧回路を有する油圧機器部品の鋳造物、ガス機器部品の鋳造物などに用いられてもよい。またダイカストのほか、金型鋳物、砂型鋳物も含まれる。また液体空間が形成されない鋳造物に組織改質を施してもよい。
【０１４８】
たとえば第１回転工具２０では、プローブ３３に１条のねじが形成されるとしたが、これに限定しない。たとえばプローブ３３に多条のねじが形成されてもよい。プローブ３３に多状のねじが形成される場合には、各条のねじをそれぞれ構成するねじ山部分が、凸部３２となる。また第４回転工具１２０では、プローブ１３３に螺旋状の突起６０ａ〜６０ｄが４つ形成されるとしたが、これに限定しない。たとえばプローブ１３３に螺旋状の突起が１つに形成されてもよく、また４つ以外の多数形成されてもよい。この場合、１または複数の突起６０が、それぞれ凸部となる。また第４回転工具１２０では、突起６０に傾斜溝が形成されるとしたが、傾斜溝６１が突起に形成されない場合も、本発明に含まれる。また第２〜第４回転工具について、凸部の半径方向外周面が円弧状に形成されることで、強度を向上して、凸部が欠損したり破損したり摩耗することを抑えることができる。
【０１４９】
またプローブ３３，１３３は、三角ねじのほか、台形ねじ、のこ刃ねじまたは丸ねじが形成されてもよい。また螺旋状に延びる凸部３２が形成されていれば、第２〜第４回転工具以外の工具を用いてもよい。また本実施の形態では、左ねじが形成される回転工具を右回りに回転させたが、右ねじが形成される回転工具を左回りに回転させても同様の効果を得ることができる。また凸部が形成されるとしたが、凸部に換えて回転軸線まわりに周方向一方に向かうにつれて、基部の軸線方向先端部から軸線方向後端部に近接する方向に傾斜して延びる凹部が形成される場合も同様の効果を得ることができる。
【０１５０】
また鋳造物１９のうちで、鋳造欠陥は、成形時に最後に固まる部分であったり、流路が細くなっていたりする部分に分布しやすい。したがって鋳造欠陥が多く分布する位置を推測可能である場合がある。予め鋳造欠陥が多く分布する深さが推測可能である場合には、その深さ位置で改質層３９の基部半径方向の厚み寸法が大きくなるように回転工具の形状を変更してもよい。たとえば凸部３２を基部後端部３１ｂから軸線方向一方Ｚ１に予め定める設定位置Ｃまで形成し、設定位置Ｃよりも軸線方向一方Ｚ１には回転軸線に垂直な断面形状を円形に形成して、凸部３２を形成しないようにしてもよい。これによって設定位置Ｃ付近に流動体３８が溜まることになり、設定位置Ｃ近傍の改質層３９の厚み方向寸法を厚くすることができる。
【０１５１】
また凸部３２を基部後端部３１ｂから軸線方向一方Ｚ１に予め定める設定位置Ｃまで形成し、設定位置Ｃから軸線方向一方Ｚ１には回転軸線まわりに周方向一方に進むにつれて基部３１の軸線方向後端部から軸線方向先端部に向かって近接する方向に傾斜する逆凸部を形成してもよい。これによって、設定位置Ｃ付近に流動体３８がさらに溜まることになり、設定位置Ｃ近傍の改質層３９の厚み方向寸法をさらに厚くすることができる。
【０１５２】
またたとえば本実施の形態では、フライス盤を改質装置として用いたが、回転工具２０と鋳造物１９とを相対回転、軸線方向に直進相対移動可能であれば、他の装置を用いてもよい。たとえば第１実施形態に示すように、回転工具２０をＸ方向およびＹ方向に移動させることがない場合には、旋盤およびボール盤を用いても改質装置を構成可能である。
【０１５３】
また本実施の形態では、回転抵抗を削減可能な回転工具を用いて改質を行うことによって、出力可能な回転トルクが大きい装置を用いる必要がなく、汎用装置を改質装置として適用可能である。したがって設備費を抑えることができ、容易に改質処理を行うことができる。
【０１５４】
したがって改質装置は、回転工具を保持する工具保持部、ワークを保持するワーク保持部、ワーク保持部に対して工具保持部を回転駆動する回転駆動手段およびワーク保持部に対して工具保持部をＺ方向に直進駆動する軸線方向駆動手段を有していればよい。また回転軸線Ｌ１を移動経路に沿って移動させる場合には、改質装置は、ワーク保持部に対して工具保持部をＸ方向およびＹ方向の少なくともいずれか一方に変位駆動する送り方向駆動手段をさらに有していればよい。
【０１５５】
また本実施の形態では、下穴３４を鋳造成形によって形成したが、鋳造成形後に、ドリルなどの工具を用いて別途機械加工を用いて下穴３４を形成してもよい。これによって下穴３４の直径を精度よく形成することができる。また下穴３４は、円柱状に形成されなくてもよい。また本実施の形態では、下穴部３６を形成して、下穴部３６に回転工具２０を没入させたが、回転工具２０および改質工具の剛性が充分な場合には、下穴部３６を形成せずに、鋳造物１９に回転工具２９を直接没入してもよい。また流動化工程について、基部の軸線方向先端部を下穴部の底面に没入させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１５６】
【図１】本発明の第１実施形態である組織改質方法に用いられる回転工具２０を示す斜視図である。
【図２】鋳造物１９の一例となるアルミ鋳物製エンジンのフレームを示す斜視図である。
【図３】回転工具２０と鋳造物１９とを示す断面図である。
【図４】回転状態の回転工具２０が鋳造物１９に圧入される状態を示す断面図である。
【図５】本実施形態の鋳造物１９の組織改質手順を示すフローチャートである。
【図６】組織改質手順を説明するための断面図である。
【図７】組織改質作業における回転工具２０の状態の時間変化を示すタイミングチャートである。
【図８】流動体３８の成長変化を示すための断面図である。
【図９】組織改質処理後に下穴部３６にナット部材４１を螺着して連結部材４２を固定する手順を説明するための断面図である。
【図１０】組織改質処理後に下穴部３６に嵌合部材４４を嵌合して、嵌合部材４４をナット部材４５によって固定する手順を説明するための断面図である。
【図１１】本発明の第１実施形態の組織改質方法の変形例を説明するための断面図である。
【図１２】下穴３４が貫通する場合を示す断面図である。
【図１３】本発明の第２実施形態である組織改質方法を説明するための図である。
【図１４】公転軸線Ｌ２まわりに回転工具２０を回転させるまでの回転工具２０の移動経路を示す図である。
【図１５】回転工具２０の回転軸線Ｌ１まわりの回転方向Ｒ１と、回転工具２０の公転軸線Ｌ２まわりの回転方向ｒ２とを示す図である。
【図１６】第２実施形態の変形例となる回転工具２０の移動経路を示す図である。
【図１７】回転工具２０を移動経路に沿って移動させて、鋳造物１９に改質層３９を形成する手順を説明するための平面図である。
【図１８】回転工具２０を移動経路に沿って移動させて、鋳造物１９に改質層３９を形成する手順を説明するための断面図である。
【図１９】回転軸線Ｌ１の移動経路の他の形態を説明するための図である。
【図２０】図１９（１）に示すような楕円軌跡を描く移動経路に沿って回転工具２０を移動させて、下穴部に改質層を形成する一例を示す断面図である。
【０１５７】
【図２１】第２回転工具３２０を示す正面図である。
【図２２】第２回転工具３２０の先端面を示す図である。
【図２３】第３回転工具４２０を示す正面図である。
【図２４】第３回転工具４２０の先端面を示す図である。
【図２５】第４回転工具１２０を示す正面図である。
【図２６】第４回転工具１２０の先端面を模式化して示す端面図である。
【図２７】下穴部２を有する鋳造物１を示す断面図である。
【図２８】第３の従来技術を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【０１５８】
１９ 鋳造物
２０ 回転工具
３０ ショルダ部
３１ 基部
３２ 凸部
３３ プローブ
３４ 下穴
３５ 循環路
３６ 下穴部
３８ 流動体
３９ 改質層
６１ 傾斜溝
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸線まわりに回転駆動される軸体と、軸体に連なって回転軸線と同軸の略円柱状に形成される基部と、基部の外周部分に形成されて基部の半径外方に突出して、回転軸線まわりに周方向一方に向かうにつれて、基部の軸線方向先端部から軸線方向後端部に近接する方向に傾斜して延びる凸部とを有する回転工具を準備するとともに、鋳造物を準備する準備工程と、
回転工具を回転軸線まわりに前記周方向一方に回転させながら、回転工具を基部の軸線方向先端部から鋳造物に圧入して、回転工具の外周部分を鋳造物に対して摺接回転させて、摩擦熱を発生させ、前記凸部によって鋳造物の少なくとも一部を塑性流動させる流動化工程と、
鋳造物から回転工具を引抜く引抜き工程とを含むことを特徴とする鋳造物の組織改質方法。
【請求項２】
準備工程では、略円柱状の下穴を形成する下穴部を有する鋳造物を準備し、
流動化工程では、回転工具を回転軸線まわりに前記周方向一方に回転させながら、回転軸線を下穴の軸線と略同一に保った状態で、回転工具を基部の軸線方向先端部から鋳造物の下穴部に圧入して、回転工具の外周部分を下穴部の内周部分に対して摺接回転させて、摩擦熱を発生させ、前記凸部によって下穴部の内周部分を塑性流動させることを特徴とする請求項１記載の鋳造物の組織改質方法。
【請求項３】
流動化工程で、基部を鋳造物の下穴部に圧入する設定圧入量Ｂ２は、回転工具圧入前における下穴の深さ寸法Ｈｈ未満に設定され（Ｂ２＜Ｈｈ）、かつ鋳造物に没入する部分の回転工具の体積Ｖｐが回転工具圧入前における下穴の容積Ｖｈ以上（Ｖｐ＞Ｖｈ）となる値に設定されることを特徴とする請求項２記載の鋳造物の組織改質方法。
【請求項４】
軸体は、基部の軸線方向後端部に連なって形成されて、回転軸線まわりの凸部の回転半径を超える半径を有する円柱状のショルダ部が形成され、基部の軸線方向寸法は、回転工具圧入前における下穴の深さ寸法未満に選ばれることを特徴とする請求項２または３記載の鋳造物の組織改質方法。
【請求項５】
基部の直径が、回転工具圧入前における下穴の内径以上に選択されることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１つに記載の鋳造物の組織改質方法。
【請求項６】
回転軸線まわりの凸部の回転半径が回転工具圧入前における下穴の半径を超え、基部の直径が下穴の内径未満に選択されることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１つに記載の鋳造物の組織改質方法。
【請求項７】
回転工具は、凸部に対して周方向に隣接して、軸線方向に延びる凹部をさらに有し、
凹部は、凸部の基部半径方向最外周端が回転軸線まわりに一周する回転軌跡よりも、基部半径方向内方に窪む退避面を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の鋳造物の組織改質方法。
【請求項８】
流動化工程では、回転軸線まわりに前記周方向一方に回転させながら、回転軸線に垂直な方向に、鋳造物に予め定められる移動経路に沿って、回転工具を移動させることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の鋳造物の組織改質方法。
【請求項９】
流動化工程では、回転軸線まわりに前記周方向一方に回転させながら、回転軸線とは異なる予め定める公転軸線まわりに、回転軸線まわりの凸部の回転半径以下の回転半径で、回転工具を角変位移動させることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の鋳造
物の組織改質方法。
【請求項１０】
請求項１〜９記載の鋳造物の組織改質方法が施された鋳造物であって、一方に開放する凹所を形成する凹部と、内部に流体を貯留または流通させるための流体空間を形成する流体空間形成部とを有し、塑性流動した流動体が固化した改質層が、凹所と流体空間とを結ぶ領域の少なくとも一部に介在することを特徴とする鋳造物。
【請求項１】
回転軸線まわりに回転駆動される軸体と、軸体に連なって回転軸線と同軸の略円柱状に形成される基部と、基部の外周部分に形成されて基部の半径外方に突出して、回転軸線まわりに周方向一方に向かうにつれて、基部の軸線方向先端部から軸線方向後端部に近接する方向に傾斜して延びる凸部とを有する回転工具を準備するとともに、鋳造物を準備する準備工程と、
回転工具を回転軸線まわりに前記周方向一方に回転させながら、回転工具を基部の軸線方向先端部から鋳造物に圧入して、回転工具の外周部分を鋳造物に対して摺接回転させて、摩擦熱を発生させ、前記凸部によって鋳造物の少なくとも一部を塑性流動させる流動化工程と、
鋳造物から回転工具を引抜く引抜き工程とを含むことを特徴とする鋳造物の組織改質方法。
【請求項２】
準備工程では、略円柱状の下穴を形成する下穴部を有する鋳造物を準備し、
流動化工程では、回転工具を回転軸線まわりに前記周方向一方に回転させながら、回転軸線を下穴の軸線と略同一に保った状態で、回転工具を基部の軸線方向先端部から鋳造物の下穴部に圧入して、回転工具の外周部分を下穴部の内周部分に対して摺接回転させて、摩擦熱を発生させ、前記凸部によって下穴部の内周部分を塑性流動させることを特徴とする請求項１記載の鋳造物の組織改質方法。
【請求項３】
流動化工程で、基部を鋳造物の下穴部に圧入する設定圧入量Ｂ２は、回転工具圧入前における下穴の深さ寸法Ｈｈ未満に設定され（Ｂ２＜Ｈｈ）、かつ鋳造物に没入する部分の回転工具の体積Ｖｐが回転工具圧入前における下穴の容積Ｖｈ以上（Ｖｐ＞Ｖｈ）となる値に設定されることを特徴とする請求項２記載の鋳造物の組織改質方法。
【請求項４】
軸体は、基部の軸線方向後端部に連なって形成されて、回転軸線まわりの凸部の回転半径を超える半径を有する円柱状のショルダ部が形成され、基部の軸線方向寸法は、回転工具圧入前における下穴の深さ寸法未満に選ばれることを特徴とする請求項２または３記載の鋳造物の組織改質方法。
【請求項５】
基部の直径が、回転工具圧入前における下穴の内径以上に選択されることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１つに記載の鋳造物の組織改質方法。
【請求項６】
回転軸線まわりの凸部の回転半径が回転工具圧入前における下穴の半径を超え、基部の直径が下穴の内径未満に選択されることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１つに記載の鋳造物の組織改質方法。
【請求項７】
回転工具は、凸部に対して周方向に隣接して、軸線方向に延びる凹部をさらに有し、
凹部は、凸部の基部半径方向最外周端が回転軸線まわりに一周する回転軌跡よりも、基部半径方向内方に窪む退避面を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の鋳造物の組織改質方法。
【請求項８】
流動化工程では、回転軸線まわりに前記周方向一方に回転させながら、回転軸線に垂直な方向に、鋳造物に予め定められる移動経路に沿って、回転工具を移動させることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の鋳造物の組織改質方法。
【請求項９】
流動化工程では、回転軸線まわりに前記周方向一方に回転させながら、回転軸線とは異なる予め定める公転軸線まわりに、回転軸線まわりの凸部の回転半径以下の回転半径で、回転工具を角変位移動させることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の鋳造
物の組織改質方法。
【請求項１０】
請求項１〜９記載の鋳造物の組織改質方法が施された鋳造物であって、一方に開放する凹所を形成する凹部と、内部に流体を貯留または流通させるための流体空間を形成する流体空間形成部とを有し、塑性流動した流動体が固化した改質層が、凹所と流体空間とを結ぶ領域の少なくとも一部に介在することを特徴とする鋳造物。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
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【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【公開番号】特開２００７−２７５９８０（Ｐ２００７−２７５９８０Ａ）
【公開日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１０９０７０（Ｐ２００６−１０９０７０）
【出願日】平成１８年４月１１日（２００６．４．１１）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月１１日（２００６．４．１１）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
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