JP3270758B2 - 軸体と板体との圧入接合構造 - Google Patents
軸体と板体との圧入接合構造Info
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Description
構成する軸体と板体との圧入接合構造に関する。
部品を製造する場合、通常、アーク溶接等により部材同
士を接合している。これは、例えばプレートに軸体を接
合する場合には、プレートに設けた孔に軸体を嵌め込
み、アーク溶接等により溶加材を用いて軸体との嵌め合
せ部位の全周又は局部的に溶接を行うものである。ま
た、抵抗溶接法として、スポット溶接法、プロジェクシ
ョン溶接法による接合、或いはかしめ加工により部材同
士を接合する方法も行われている。
によれば、アーク溶接の溶接熱による熱変形等により、
プレート、軸体等の母材の熱的劣化や、寸法歪みが発生
して精度への影響が避けられないという問題がある。こ
の場合には、溶接後に後加工を加えて製品の精度を高
め、また溶接部分の不要な溶加材を削除するなど、溶接
後の仕上げ加工に多くの手間と費用を要するといった問
題がある。
主力であり、いずれも接合部にナゲットと呼ばれる溶融
組織を形成することで接合している。この重ね抵抗溶接
法では、溶接を強くするためにはナゲットの数を増やす
しかなく、結果として接合母材の熱的劣化や、寸法精度
への影響が避けられないという問題がある。また、溶融
溶接の場合は接合強度は高いが、母材の熱影響が広範囲
の為、熱的劣化や寸法精度への影響が大きく、後加工等
を要し、費用がかかるという問題があった。
のであり、仕上精度が良く、強度的にも優れ、経済効果
も高い軸体と板体との圧入接合構造を提供することを目
的としている。
するため、本発明に係る軸体と板体との圧入接合構造
は、図1に示すように、板面から一定方向に内壁面部が
形成された孔部2を有する板体1と、上記孔部2との間
に所定の圧入代が設けられ、軸方向に向かう接合面部が
周囲方向に複数形成される軸体3とを用い、上記板体1
の孔部2内に上記軸体3を所定の圧力で押圧するととも
に、両者間に電気抵抗熱を発生させ、圧入により上記軸
体3の接合面部が、上記孔部2の内壁面部との間に接合
界面を形成しつつ、軸体3が孔部2内を移動し、この軸
体3を板体1の孔部2に接合したことである。
3に、軸体3の軸方向に向かう複数の凸条を設けるか、
又は、上記孔部2の内壁面部に、内壁面部の表裏方向に
向かう複数の凸条を設けるか等により、この凸条の突出
した表面部によって両者が接合する接合面部を形成する
ことができる。
板体1の孔部2の断面形状を円形とする一方、上記軸体
3の外壁面部に、上記孔部2と接する複数の凸状部を軸
方向に形成したことである。
軸体3の外周の断面形状を円形とする一方、上記孔部2
の内壁面部に、上記軸体3と接する複数の凸状部をこの
孔部2の表裏方向に形成したことである。
の範囲とし、孔部と軸体との間に径に対して0.3mm
から0.7mmの範囲の圧入代を設け、さらに上記接合
を固相状態の溶接としたことである。また、上記に加え
て、上記接合面部を2箇所から6箇所設けたことであ
る。
図面に基づいて説明する。この実施の形態に係る圧入接
合方法では、図1に示す冶具を用いてプレート1に軸体
3を接合する。この冶具は、クローム銅製の下型12
と、下部に円柱状の穴部13が設けられたクローム銅製
の上型14とを有する。この下型12と上型14とは、
それぞれ電極15,16としても機能する。
3aを残した状態で上記穴部13内に嵌入され、軸体3
の側壁面部3bと穴部13の側壁部13aとは通電のた
め密着している。このように軸体3の側壁面部3bに電
極16を設ける構成としたのは、軸体3の上面部に電極
を設けたのでは、軸体3の上部から下部にかけての軸体
3自体の抵抗が通電に影響するので、これを排除して通
電を良好にするためである。勿論、軸体3に電極を設け
る形態は、上記以外の方法、例えば軸体3の筒内の下端
部近くまで電極を突入する等、の方法であってもよく、
要は軸体3の接合部3aの上方近傍の側壁面部3bに電
極を設けることである。
構が設けられ、所定の加圧力とともに上型14を降下す
る。この冶具を用いて、ワークとして、板面に孔部2を
有するプレート1に、筒状の軸体3を接合する。
ものである。同図(a)に示すように、上記プレート1
は所定の厚さ(P)を有し、このプレート1に設けられ
た孔部2は、断面が直径φ1の円形であり、プレート1
の板面から垂直方向に孔部2の内壁面部2aが形成され
ている。また、上記軸体3は同図(b)(c)に示すよ
うに、所定の肉厚の筒部4を有する円筒形状であり、そ
の側壁面部の外周形状は、直径φ2の円形形状のもの
を、直交線上に位置する4箇所の部位を平面状21に削
除し、その他の4箇所の部位に直径φ2の円弧状の凸状
部22を形成したものである。この軸体3の先端部に
は、稜部を削り取ってテーパ面部23が形成されてい
る。
周の円形部の直径φ2は、プレート1の孔部2の直径φ
1より僅かに大きく、この差(φ2−φ1)が圧入代と
なる。そして軸体3の4箇所の凸状部22が、プレート
1の孔部2と接して接合面部を形成する。図3(a)
(b)(c)は、他の形態の軸体25を示したものであ
る。この軸体25は、棒状(中実)であり、その外周形
状は上記軸体3と同様である。
筒状(中空)であっても、接合状態に差異はない。軸体
としては、プレート1の孔部2と接する部位の形状が断
面一定のストレートな形態のものが好適であるが、孔部
2を移動する際に一様な圧入代が確保できる形状であれ
ばよい。
示したものである。このワークは、外周断面が円形の軸
体32と、これを接合するプレート31である。同図
(a)に示すように、プレート31は所定の厚さ(P)
を有し、プレート31の板面から垂直に孔部34の壁面
が形成されている。同図(b)(c)に示すように、軸
体32の断面外周の直径はφ3で、所定の肉厚の筒部3
3を有する円筒形状であり、先端部にはテーパ面部23
が設けられている。
4箇所に直径φ4の円弧部35(中心同一)が形成さ
れ、これら各円弧部35の間には、直径φ5の円弧部3
6(中心同一)が中心向に凸状に、かつ孔部34の表裏
方向に突条に形成されている。ここで、上記各径につい
ては、φ4>φ3>φ5の関係を有し、圧入代(φ3−
φ5)が設けられる。図5(a)(b)(c)は、他の
形態の軸体38を示したものである。この軸体38は、
棒状(中実)であり、その外周形状は上記軸体32と同
様である。
レート1を用い、その孔部2の直径はφ1(=17.3
mm)、上記軸体3の直径はφ2(=17.5mm)と
し、圧入代(φ2−φ1)は0.2mmとした。この圧
入代は、0.2mmから1.0mmの範囲内が適当であ
る。圧入代がこの範囲より少ないと、接合強度が充分得
られなくなり、また大きいと圧入が正常に行われなく、
接合面の歪みが大きくなって仕上りにむらができる。
m)とした。この板厚Pは、最低1mm程度はないと、
通常のプロジェクション溶接と同様な、溶融した接合部
が形成され、圧入の効果が表れない。また、板厚Pが厚
いと加圧通電設備の能力の限界の問題が生じるが、5m
m程度までであれば問題はない。また、プレート1及び
軸体3には炭素鋼を用い、各材料の規格は、プレート1
がSPCHC、軸体3がS20Cである。なお、他の材
料として、プレートにSPCCを、また軸体にS10〜
20C、SWCCH10K、STKM11A等を用いる
ことができる。この圧入接合形態においては、低炭素鋼
と低炭素鋼、低炭素鋼と高炭素鋼及び高炭素鋼と高炭素
鋼のいずれの組み合わせも可能である。
KVA、22.000Aとしたが、これは50KVAか
ら120KVAの範囲が好適である。加圧力は0.4M
Pa(→400Kgfから450Kgfの範囲)とし
た。この加圧力は、後述する図7に示されるように、母
材の応力(ここでは軸体3がプレート1の孔部2に突入
することを妨げる抵抗力)よりも低い圧力としている。
したがって、この加圧力が、母材の軟化により低下した
応力を上回った時点から、圧入が開始されることにな
る。なお、圧入嵌合い部は、機械加工等により、酸化
膜、ボンデ膜、油性膜等の接合を阻害する要因となる表
層部を除去しておく。
1と軸体3とは4箇所の凸状部22で接する、4つの接
合面部を有する形態である。この凸状部22の数、及び
プレート1の孔部2と軸体3の接合面部(凸状部22が
該当)の全周囲に対する割合は、この接合部に集中する
電流量及び接合強度とのバランスをとって決められる。
mm以下程度)のものでは、2箇所から3箇所程度が望
ましく、この個数であれば圧入代の確保にも支障はな
い。これ以上の径のものでは4箇所が好適であるが、6
箇所程度までは可能である。接合部の数をこれ以上に多
くすると、強度の確保、及び圧入代の確保等の考慮が必
要となる。また、接合面部の全周囲に対する割合は、3
0%から50%が好適である。この接触の割合が30%
を下回ると接合強度が低下し、また50%を越えると電
流密度がおちて電流が集中しなくなり、電気抵抗熱が弱
くなって接合が不安定になる。
ワークとして上記下型12の上面に上記プレート1を載
置するとともに位置を決める。次いで、軸体3を穴部1
3に嵌入した上型14を軸体3とともに降下させる。こ
のとき、軸体3先端のテーパ面部23を孔部2に突入さ
せることで、孔部2に対する軸体3の位置関係が正確に
定まる。そして、上型14を一定の加圧力を付勢して押
圧し、同時に、軸体3とプレート1間に通電すると、電
気抵抗熱の発生とともに軸体3の圧入が開始され、軸体
3の接合部3aがプレート1の孔部2内を降下移動し、
軸体3の先端部がプレート1の裏面部に到達する。この
ような製造工程により、軸体3とプレート1からなる圧
入接合構造の部材が得られる。
ある。図6は、軸体3がプレート1の孔部2に接する
直前、図6は、軸体3の先端部のテーパ面部23が孔
部2に突入した状態を示す。そして一定の加圧力、一定
の降下速度で圧入接合が行われ、瞬時に接合部が発熱さ
れ短時間で軸体3の先端部はプレート1の下面部に至り
接合を完了する(図6)。このとき、軸体3とプレー
ト1の孔部2との間には固相溶接の接合界面31が形成
される。
表面状態が得られていることが、接合の良否を左右す
る。この実施の形態に係る接合方法によれば、上記接合
界面31には軸体3とプレート1の孔部2との各壁面同
士の間に滑り方向の動きが生まれ、これにより表面の不
純物質層が削られて表面が清浄化される。
接合部の温度推移に対する加圧力及び、母材接合部の応
力の変化で捉えたものである。ここで、縦軸には、接合
部の温度と、接合部の母材応力、横軸には接合プロセス
の時間軸をとっている。まず、時間軸に沿って説明する
と、スタート時点では、接合部の温度は常温のままであ
り、母材(プレート1及び軸体3)の硬さも素材の硬さ
そのままである為、加圧力に対し充分な応力を保ってい
る。したがって、この時点では、加圧されているものの
軸体3はプレート1の孔部2の上部に位置したままであ
る。
り接合面部が昇温し、それに伴って接合面部の軟化が始
まる。接合面部の軟化によって応力が低下し、加圧力を
克服する点が同図の圧入スタートの時点であり、軸体3
が孔部2内の降下移動を開始する。このスタート時点で
接合面部の温度は最高点に達していると考えられる。こ
の最高点の温度は、推測の域をでないが、接合面部の組
織を観察した結果よりすれば、再結晶温度(600℃)
以上で、かつ溶融点未満であると判断される。
接合面積が増加し、反対に断面積差が減少するので電流
密度が下がり、結果的に抵抗熱の発生が減少し、接合面
部の温度は低下する。このように、母材としての軸体3
がプレート1の孔部2を移動し、軸体3の先端部がプレ
ート1の裏面部に到達して接合過程を終了する。以上
の、加圧及び通電の開始、圧入スタート、圧入の完了ま
での全プロセスが、1秒に満たない短時間の間に行われ
る。そして、圧入の完了時点では、接合部の母材の硬さ
が回復して強固に接合する。
接合の後、ワークを観察した結果、接合部には、スポ
ット溶接に見られるような広範囲の溶融した組織は観察
されない、接合部の周囲の熱影響範囲(硬度変化範
囲)が比較的狭い、接合部の周囲の熱影響部では、フ
ェライトが成長せず、不規則で粒状の組織が観察され
た、等の事項が確認できた。
に昇温後、急冷したことが推測でき、また、圧入の直後
は接合面部が狭いことから電流が集中して組織の表層部
が軟化或いは限られた薄層だけが溶融するものの、接合
状態は、圧入による塑性変形(熱塑性)を伴った固相溶
接に至ったものといえる。これは、上記加圧力を、母材
の応力(常温状態)よりも低く設定し、母材(軸体3と
プレート1との接合面部)が軟化したときの応力(加熱
状態)の低下により、加圧力がこれを上回った時点で圧
入が開始される、という接合過程、において特に生じた
特徴的な接合状態である。
方法は、従来の重ね溶接とは異なり、接合部に溶融凝固
層が殆ど存在しないことから、固相溶接(一般に固相溶
接法とは、溶接面を全然溶融することなく溶接するか、
あるいは極めて限られた薄層だけ溶融して溶接するのが
特徴;現代溶接技術大系/産報出版より)あるいは固
相溶接に近い接合方法である。これは、スポット溶接
や、シーム溶接等のナゲットを形成する抵抗溶接法より
も、フラッシュ溶接や、アクセプト溶接のように接合界
面では全く溶融しないか、溶接部に溶融凝固層が極めて
僅かしか存在しない溶接法により近い形態である。
入の工程において、圧入というプロセスの効果として、
接合界面には滑り方向の動きが生まれ、これにより表面
の不純物質層が削り取られ、かつ除去されるという作用
が得られることにある。この作用により、固相溶接に必
須の清浄な接合表面が形成されて、両者の接合が強固に
行われるものであり、この接合方法における特徴的な作
用効果といえる。
る接合部の機械的強度を示したものである。同図(a)
に示す破壊トルクは、実験サンプルとしての軸体の外形
部を固定し、プレートの孔部2の中心から40.7mm
の位置にアムスラーで静荷重を加え、その破壊トルクを
測定した結果である。
入代が大きくなるに伴って接合強度が増加するが、圧入
代が0.3mmを越えると強度の増加が緩やかとなる。
これから、接合強度及び圧入代の歪みの影響による仕上
り具合等を考慮すれば、上記圧入代の範囲は、0.3m
mから0.7mmまでの範囲がより好適といえる。な
お、接合部の母材の理論強度は369Nmのため、適切
な圧入代を有するサンプルでは、その接合強度は理論強
度の80%以上を維持していることになる。
ルのプレートを固定し、圧入方向と反対方向から、軸体
の端面にアムスラーで静荷重を加え、軸体がプレートか
ら剥離して抜ける荷重(接合部の破壊荷重)を測定した
結果である。ここで、上記データの荷重が3000Kg
を越えると母材(プレート)が座屈を起こしてしまうこ
とを考慮すれば、実際の抜け強度はさらに高いものと考
えられる。以上の実験結果からすれば、この実施の形態
に係る圧入接合方法によれば、母材強度に匹敵する程度
の接合強度が得られることになる。
の製造に用いることができ、例えばオートマチックトラ
ンスミッションのコントロールレバーコンポーネント
や、マニュアルトランスミッションのシフトレバーコン
ポーネント等、プレート部に軸体を接合した形態の部品
の製造に好適である。
によれば、母材に与える熱影響範囲が少ないことから、
高精度な接合が確保され、加えて後加工が殆ど不要なも
のとなる等の効果がある。このため、板体と軸体の各単
品精度を向上することでそのまま完成品の精度を高める
ことができ、部品の直角度、同軸度、穴ピッチなどの溶
接後の精度変化を修正することなくそのまま完成品とし
て扱える。
的劣化が極めて限定的な範囲の為、溶接後の歪取りや、
応力除去の熱処理が不要であり、また、寸法精度に与え
る影響が殆ど無いため、溶接後の仕上げ加工が不要であ
り、加工費用が大幅に削減できる。また、この溶接の接
合強度についても、全周囲の溶接に匹敵する強度が確保
でき、カシメ等の接合方法と異なり、溶接後の熱処理も
可能であり、高炭素鋼の溶接も可能であり、さらに、費
用も安価である。
と板体との圧入接合構造によれば、孔部を有する板体
と、孔部との間に所定の圧入代が設けられ、複数の接合
面部が形成される軸体とを用い、電気抵抗熱の発生と圧
入により軸体が孔部内を移動し、軸体を板体の孔部に接
合する構造としたから、接合界面が清浄化されて接合が
良好に行われ、これにより強度的に優れ、また仕上り精
度が良いことから、後加工の必要がなく経済的にも優れ
るという効果を奏する。
ば、板体の孔部の断面形状を円形とする一方、軸体の外
壁面部に、孔部と接する複数の凸状部を軸方向に形成し
たことから、簡易な構成で製造が容易であるとともに、
強度的に優れ、仕上り精度が良いという効果がある。
の外周の断面形状を円形とする一方、孔部の内壁面部
に、軸体と接する複数の凸状部をこの孔部の表裏方向に
形成したことから、上記と同様製造容易で、強度的に優
れ、仕上り精度が良いという効果がある。
mmの範囲の圧入代を設けたことから、高い接合強度が
得られるという効果がある。また、接合を固相状態の溶
接としたことから、接合部の熱的劣化がなく、仕上り精
度が良く後加工の必要がない、という効果がある。
入接合方法の説明図である。
ある。
図である。
図である。
度推移に対する加圧力及び応力の変化で捉えた説明図で
ある。
度について、(a)は破壊トルクを、(b)は抜け荷重
を示す図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 板面から垂直方向に内壁面部が形成され
た孔部を有し、板厚が1mmから5mm程度の範囲の板
体と、 上記孔部との間に、軸方向に向かう接合面部が周囲方向
に複数形成される軸体とを用い、上記孔部又は軸体の外周のうちの一方の断面形状を円形
とし、これらの間に径に対して0.3mmから0.7m
mの範囲の圧入代を設け、 上記板体の孔部内に上記軸体を板面に対して垂直な方向
から所定の圧力で押圧するとともに、両者間に電気抵抗
熱を発生させ、圧入により上記軸体の接合面部が上記孔
部の内壁面部との間に接合界面を形成しつつ、軸体が孔
部内を移動し、この軸体を板体の孔部に接合し、かつこ
の接合を固相状態の溶接としたことを特徴とする軸体と
板体との圧入接合構造。 - 【請求項2】 上記接合面部を2箇所から6箇所設けた
ことを特徴とする請求項1に記載の軸体と板体との圧入
接合構造。
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JP2000175386A JP3270758B2 (ja) | 2000-06-12 | 2000-06-12 | 軸体と板体との圧入接合構造 |
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