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JP4501408B2 - 締結方法 - Google Patents

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Description

本発明は２部品の締結方法に関する。
２部品を締結をする方法として、一般的に、締結部品を使用する方法、締結のための余分な部位を設け締結する方法、溶融締結する方法などが知られている。これらの方法では、それぞれ部品点数増加に伴うコストアップ、締結部位設置に伴うサイズアップ、熱による歪の影響が問題となる。
このような問題を解決するために、特許文献１には、開口部が小さくなったテーパ形状の溝を有する機能部品とこの溝と対向する位置に略筒状の凸部が形成された鋳造品と締結するにあたって、溝と凸部を嵌合した状態で凸部を塑性変形させる締結方法が開示されている。
特開２００２−３６４６２２号公報（請求項１） しかしながら、特許文献１は、略筒状の凸部は塑性変形させるために凸部の肉厚を厚くすることができず、このため締結強度には限界があり高強度が必要な製品に対しては採用が困難である問題点があった。特許文献１では、略筒状の凸部は塑性変形させやすくするために凸部に予めテーパ状の傾斜部を設けるいる。この場合、凸部の先端を薄肉に加工しなければならず工程が増加するとともに締結強度がさらに低下する問題点がある。
本発明は上記課題を解決したもので、塑性変形を利用した締結方法において、締結強度を大きくできる締結方法を提供する。
上記技術的課題を解決するために、請求項１の発明では、開口部から底部に向かって広がり前記底部が前記開口部に向かって略円錐状の突起部を有する穴部を備えた第１部材の前記穴部に、該穴部の深さより長い第２部材を挿入し該第２部材を前記第１部材の穴部の底部に押し付けるように加圧し塑性変形させる締結方法であって、前記第１部材が、略円錐状の突起部を有する底部を備えた穴部と該穴部の開口部周辺がその外周より突出した余肉部を有する部材を、円錐台形状部を有し該円錐台形状部の上面部に外径が前記余肉部の内径より大きく前記余肉部の外径より小さくかつ深さ方向に狭くなるテーパー面を有する穴部を備えたパンチで前記円錐台形状部の上面部を前記第１部材側にして前記余肉部から前記第１部材の穴部の底部に向かって加圧し鍛造加工して製造されたものであることを特徴とする締結方法としている。
請求項２の発明では、前記第２部材が一方端に底部を備え他方端に開口部を備えた筒状部材であり、前記第１部材の穴部に前記第２部材を挿入する際に前記第２部材の底部が前記第１部材の穴部の底部に当接するように挿入することを特徴とする請求項１記載の締結方法としている。
請求項３の発明では、前記第２部材が、その開口部周辺に鍔部を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の締結方法としている。
請求項１の発明によれば、第２部材が第１部材の穴部の底部に形成された突起部によって外周方向に塑性流動され、開口部から底部に向かって広がっている第１部材の穴部に広がり穴部の開口部より径が大きくなるので、締結強度が大きな締結ができる効果がある。第１部材の穴部に挿入される第２部材は突起部により塑性流動されるので、第２部材の挿入部分の挿入方向と直交する方向の大きさは穴部の開口部の大きさ以外に制限がなく、開口部の大きさを大きくすれば大きくでき、それによって締結強度を大きくすることが可能である。また、略円錐状の突起部を有する底部を備えた穴部とこの穴部の開口部周辺にその外周より突出した余肉部を有する部材を、円錐台形状部を有し、この円錐台形状部の上面部に外径が余肉部の内径より大きく余肉部の外径より小さくかつ深さ方向に狭くなるテーパー面を有する穴部を備えたパンチで円錐台形状部の上面部を第１部材側にして余肉部から第１部材の穴部の底部に向かって加圧し鍛造加工して第１部材を製造するので、第１部材を簡単に製造できるため低コスト化できるとともに応用範囲も広いという効果もある。
請求項２の発明によれば、第２部材が一方端に底部を備え他方端に開口部を備えた筒状部材であるので、塑性流動しやすいという効果がある。また筒状形状はさまざまな板状部材の必要部分に深絞りプレス成形によって簡単に形成できるため広範囲に応用できる効果もある。
請求項３の発明によれば、第２部材の開口部周辺に鍔部を備えているので、締結時の加圧がしやすいという効果がある。なお、鍔部は板状形状であればよく、カバーなどのさまざまな板状部材に筒状部分を形成されたものは、この板状部材の部分が鍔部となる。
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。図１は第１部材の加工前部材（第１部材の製造するための素形材）の要部の断面図である。この部材は平板状の部材であり、図１では穴部の周辺部分だけを示している。加工前部材３に設けられた穴部３０の底部３１には突起部３２が設けられている。穴部３０の開口部３３の周辺には、その外周３５より突出した余肉部３４が設けられている。穴部３０は内径１３ｍｍの円筒形状であり、突起部３２は穴部３０の中心線Ｃ３上に頂点を有し頂角１２０度、高さ約２ｍｍの円錐形状である。余肉部３４は穴部３０の開口部３３を取り囲む円環形状であり、その頂点は穴部３０の内径とほぼ同じ径を有し、Ｒ面取りされている。余肉部３４の外周側は傾斜面となっている。加工前部材３はクロム鋼ＳＣｒ２０の鍛造品であり、穴部３０は鍛造によって形成されたものである。
図２は加工前部材を第１部材に加工するためのパンチを説明する説明断面図である。パンチ４には円錐台形状部４０が設けられている。円錐台形状部４０の上面部４１には穴部４２が設けられている。穴部４２は深さ方向に狭くなるテーパ面４３を有する円錐形状である。穴部４２の外径Ａは加工前部材３の余肉部３４の内径Ｂより大きく外径Ｄより小さく設定されている。
加工前部材３をプレス加工装置の台上に開口部３３を上方にして置き、円錐台形状部４０の上面部４１を下方すなわち加工前部材３側になるようにセットされたパンチ４を下降させて加圧し鍛造加工して後述する第１部材１を製造する。このとき加工前部材３はその中心線Ｃ３とパンチ４の中心線Ｃ４がほぼ一致するように置かれている。加工時にパンチ４の穴部４２の外径部分は余肉部３４に当接し、さらに加圧するとテーパ面４３によって開口部３３側の余肉部３４が内径側に塑性流動され、後述する図３のように開口部１３の外径が小さくなり底部に向かって広がった逆テーパ状の穴部１０が形成される。
製造された第１部材について説明する。図３は第１部材の要部を説明する断面図である。図１と同様に、穴部の周辺部分だけを示している。第１部材１に形成された穴部１０は加工前部材３の穴部３０から前述のプレス加工によって形成されたものである。穴部１０の底部１１には突起部３２に由来する突起部１２が設けられている。すなわち突起部１２は開口部１３に向かって突出する略円錐状であり、その頂点はほぼ穴部１０の中心線Ｃ１上にあり、その頂角は約１２０度で、その高さ約２ｍｍである。穴部１０は開口部１３から底部１１に向かって広がる逆テーパ状となっており、その側面は逆テーパ面１４となっている。そのテーパ角度は約２０度となっている。開口部１３は第１部材１の上面１５から部材内部に約０．５ｍｍ下がった位置となっている。穴部１０の深さは約４．５ｍｍである。
図４は第２部材の断面図である。第２部材２は一方端に底部２１を備え、他方端に開口部２２を備えた筒状部材である。開口部２２の周辺には鍔部２４が設けられている。鍔部２４と底部２１の間は円筒部２３となっている。鍔部２４の下面から底部２１の下面までの長さは７ｍｍであり、第１部材１の上面１５から穴部１０の底部１１までの長さより長くなっている。第２部材２は鍔部２４を形成している平板（材料：高張力鋼ＳＰＨ４４０）に深絞りプレス成形により底部２１、円筒部２３からなるボス部２５を成形することにより製造される。
図５、６は締結工程を説明する説明断面図である。図５は第１部材の穴部に第２部材を挿入した状態を示している。図６は締結後の状態を示している。第１部材１をプレス加工装置の台上に開口部１３を上方にして置く。次に図５のように、第１部材１の穴部１０に第２部材２のボス部２５を第２部材２の底部２１が第１部材１の穴部１０の底部１１に当接するように挿入する。実際には平板状の上パンチ５を第２部材２の鍔部２４に当接させて下方に移動することにより第２部材２のボス部２５を挿入している。さらに上パンチ５により第２部材２を第１部材１の穴部１０の底部１１に押し付けるように加圧する。このとき使用した荷重は７８．５ｋＮである。これにより第２部材２の底部２１の材料が第１部材１の突起部１２により径方向に塑性流動され、かつ円筒部２３の材料も逆テーパ面１４の下方部分に塑性流動されて図６のように締結部２６が形成される。その結果、締結部２６の外径が第１部材１の穴部１０の開口部１３の外径より大きくなっているため、第１部材１と第２部材が締結される。
底部２１の材料は突起部１２により塑性流動されるので、底部２１や円筒部２３の厚さを薄くする必要がないため締結強度を大きくすることができる。また円筒部２３の材料も逆テーパ面１４の下方部分に塑性流動され、逆テーパ面１４の下方部分に十分な締結部２６の大きさを形成できるので、より締結強度を大きくすることができる。さらに締結部２６が逆テーパ面１４に密着された状態になるので、締結部２６と逆テーパ面１４間で大きな摩擦抵抗が生じ、より締結強度を大きくすることができる。
本発明では第１部材に逆テーパ面を有する穴部を形成し、第２部材にこの穴部の深さより長いボス部を形成すればよいので、第１部材が塑性加工可能な材料であれば広範囲な製品に応用できる。また穴部の穴径を大きくすることによって締結強度を大きくすることができる。すなわち、穴径によって締結強度を調整できるので、製品に必要な強度により穴径を適宜選択することができる。
従来技術として示した特許文献１では環状の溝や凸部を形成する必要があるため、これらを作製するためにコストアップするが、本発明では穴部とボス部の形状を作製するだけであるので低コストで製造できる効果も奏する。
なお、実施形態では加工前部材３より塑性加工により第１部材１を製造したが、特に限定されず、他の方法、例えばロストワックス、機械加工、鋳造、焼結などで製造してもよい。しかし、実施形態のように製造することにより、プレスで塑性加工するだけで逆テーパ面を有する穴部を簡単に製造できるため低コストに第１部材を製造できる。また応用範囲も広い効果を有する。
第１部材の材料としてクロム鋼を使用したが、特に限定されず、第２部材との締結時に穴部の突起部が座屈したり、穴部の開口部が座屈しない強度を有する材料なら何でもよい。例えば、炭素鋼、工具鋼、チタン鋼、セラミック、ステンレス鋼、タングステン鋼、ニッケル鋼、その他の鉄鋼材料などが使用できる。しかし、実施形態のように塑性加工により第１部材を製造する場合には、塑性加工可能な材料である必要がある。この場合には、例えば、炭素鋼、チタン鋼、ステンレス鋼、ニッケル鋼、その他の鉄鋼材料などが使用できる。第１部材は熱処理により強度アップおよび内部応力の除去をしておくとさらによい。
実施形態では加工前部材として鍛造品を使用したが、上記した材料であれば鍛造品でなくともよい。
第１部材の突起部の形状として実施形態では円錐形状のものを使用したが、円錐形状が多少くずれた形状でも、第２部材の底部を外周側に塑性流動することができる形状であればよい。その形状は頂点を有し、頂点からすそ野が広がっている略円錐形状である。
実施形態では加工前部材を塑性加工により第１部材するためのパンチとして、円錐台形状部を有し円錐台形状部の上面部に外径が加工前部材の余肉部の内径より大きく余肉部の外径より小さくかつ深さ方向に狭くなるテーパー面を有する穴部を備えたパンチを使用したが、加工前部材の穴部の側面を逆テーパ面にできるパンチなら何でも使用できる。しかし、実施形態のパンチを使用すれば加工前部材の穴部の側面を効率よく逆テーパ面にすることができる。特に円錐台形状部の上面部に形成された穴部の外径が余肉部の外周側の傾斜面に当接する大きさであれば、余肉部を効率的に塑性変形できるので、加工前部材の穴部の側面をさらに効率よく逆テーパ面にすることができる。
実施形態では第２部材のボス部は円筒形状としたが、特に限定されず他の形状でもよい。例えば、円柱形状（穴部のない中実形状）でも第１部材の突起部により外周側に塑性流動可能であるので、使用に差し支えない。また円筒以外の筒状形状でもよい。筒状形状は平板やさまざまな板状形状（ケース、カバーなど）の必要部分を深絞りプレス成形することにより簡単に形成できるとともに、締結時の塑性流動も優れている。筒状形状の中でも実施形態のように円筒形状であれば、深絞りプレス成形するためのパンチ形状を単純にできる。
実施形態では第２部材のボス部を深絞りプレス成形で形成したが、他の方法、例えば、鋳造品の場合鋳造時に形成してもよい。実施形態では第２部材の材料として高張力鋼を使用したが、特に限定されず、締結時の塑性流動が可能な材料なら何でも使用できる。例えば、アルミ鋼、炭素鋼、チタン鋼、ステンレス鋼、ニッケル鋼、その他の鉄鋼材料などの材料が使用できる。
実施形態では１箇所を締結する場合で説明したが、第１部材と第２部材にそれぞれ２箇所以上の締結部分を設けて締結してもよい。それによりねじり方向の強度も確保できる。
第１部材の加工前部材の要部の断面図 加工前部材を第１部材に加工するためのパンチを説明する説明断面図 第１部材の要部を説明する断面図 第２部材の断面図 締結工程を説明する説明断面図で、第１部材の穴部に第２部材を挿入した状態を示す図 締結工程を説明する説明断面図で、締結後の状態を示す図
符号の説明
１…第１部材
２…第２部材
３…加工前部材
４…パンチ
１０…穴部
１１…底部
１２…突起部
１３…開口部
１４…逆テーパ面
２１…底部
２２…開口部
２３…円筒部
２４…鍔部
２５…ボス部
３０…穴部
３１…底部
３２…突起部
３３…開口部
３４…余肉部
４０…円錐台形状部
４１…上面部
４２…穴部
４３…テーパ面

Claims (3)

  1. 開口部から底部に向かって広がり前記底部が前記開口部に向かって略円錐状の突起部を有する穴部を備えた第１部材の前記穴部に、該穴部の深さより長い第２部材を挿入し該第２部材を前記第１部材の穴部の底部に押し付けるように加圧し塑性変形させる締結方法であって、
    前記第１部材が、略円錐状の突起部を有する底部を備えた穴部と該穴部の開口部周辺がその外周より突出した余肉部を有する部材を、円錐台形状部を有し該円錐台形状部の上面部に外径が前記余肉部の内径より大きく前記余肉部の外径より小さくかつ深さ方向に狭くなるテーパー面を有する穴部を備えたパンチで前記円錐台形状部の上面部を前記第１部材側にして前記余肉部から前記第１部材の穴部の底部に向かって加圧し鍛造加工して製造されたものであることを特徴とする締結方法。
  2. 前記第２部材が一方端に底部を備え他方端に開口部を備えた筒状部材であり、前記第１部材の穴部に前記第２部材を挿入する際に前記第２部材の底部が前記第１部材の穴部の底部に当接するように挿入することを特徴とする請求項１記載の締結方法。
  3. 前記第２部材が、その開口部周辺に鍔部を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の締結方法。
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