特開2016-215244(P2016-215244A)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2016-215244(P2016-215244A)
(43)【公開日】2016年12月22日
(54)【発明の名称】摩擦接合方法
(51)【国際特許分類】
   B23K 20/12 20060101AFI20161125BHJP
   B62D 1/20 20060101ALI20161125BHJP
【FI】
   B23K20/12 D
   B62D1/20
【審査請求】未請求
【請求項の数】3
【出願形態】OL
【全頁数】8
(21)【出願番号】特願2015-103708(P2015-103708)
(22)【出願日】2015年5月21日
(71)【出願人】
【識別番号】000001247
【氏名又は名称】株式会社ジェイテクト
(71)【出願人】
【識別番号】000167222
【氏名又は名称】光洋機械工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100087701
【弁理士】
【氏名又は名称】稲岡 耕作
(74)【代理人】
【識別番号】100101328
【弁理士】
【氏名又は名称】川崎 実夫
(74)【代理人】
【識別番号】100183450
【弁理士】
【氏名又は名称】田村 太知
(72)【発明者】
【氏名】小川 卓摩
(72)【発明者】
【氏名】本田 修
【テーマコード(参考)】
3D030
4E167
【Fターム(参考)】
3D030DC40
4E167AA29
4E167BF02
4E167BF17
4E167CA20
4E167DA10
4E167DC05
(57)【要約】
【課題】一対の部材間の接合強度の向上を図れる摩擦接合方法を提供すること。
【解決手段】ヨーク部2の接合面4Aおよびスプライン部3の接合面10Aに摩擦熱を発生させ、この摩擦熱を利用して接合面4Aおよび10Aを接合する摩擦接合方法が提供される。先端7Aへ向けて縮径した凸部7をヨーク部2の接合面4Aに設け、凸部7の先端側部分7Bを受け入れる大きさの凹部12をスプライン部3の接合面10Aに設ける。そして、接合面4Aおよび10Aを対向させる。そして、凸部7の先端側部分7Bを凹部12に嵌め込んだ状態において、スプライン部3だけを、先端7Aを通って軸方向Xに延びる中心軸Jまわりに回転させる。そして、スプライン部3が回転した状態において、ヨーク部2を軸方向Xに押圧して、接合面4Aおよび10Aを圧接させる。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1部材および第2部材の互いの接合面に摩擦熱を発生させ、この摩擦熱を利用して前記互いの接合面を接合する摩擦接合方法であって、
先端へ向けて縮径した凸部を前記第1部材の前記接合面に設け、前記凸部の先端側部分を受け入れる大きさの凹部を前記第2部材の前記接合面に設ける工程と、
前記互いの接合面を対向させる工程と、
前記凸部の先端側部分を前記凹部に嵌め込んだ状態において、前記第1部材および前記第2部材のうちの一方だけを、前記先端を通って前記互いの接合面の対向方向に延びる回転軸まわりに回転させる工程と、
前記一方が回転した状態において、前記第1部材および前記第2部材の少なくともいずれかを前記対向方向に押圧して、前記互いの接合面同士を圧接させる工程とを含むことを特徴とする、摩擦接合方法。
【請求項2】
前記凸部は、円錐状であることを特徴とする、請求項1記載の摩擦接合方法。
【請求項3】
前記凸部は、半球状であることを特徴とする、請求項1記載の摩擦接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、摩擦接合方法に関する。
【背景技術】
【0002】
摩擦接合方法は、摩擦圧接方法とも呼ばれ、一対の部材の接合面同士を突き合わせて機械的に相対運動を行わせることによって生じた摩擦熱を利用して当該接合面同士を接合する接合方法である。下記特許文献1には、中実の丸棒によって構成された一対の接合材の互いの接合面を密着させ、一方の接合材を固定した状態で他方の接合材を高速回転させることによって、これらの接合面を摩擦接合することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2000−246466号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
摩擦接合された一対の部材間の接合強度は、摩擦接合時に発生した摩擦熱の大きさに依存する。そのため、一対の部材の接合面では、摩擦接合時の摩擦熱が大きかった位置ほど、接合強度が高い。
特許文献1に記載されているように摩擦接合のために接合材を回転させる場合には、摩擦熱の大きさは、回転する接合材の周速(回転速度)に依存する。回転する接合材の接合面では、回転中心での周速が限りなく零になるので、回転中心側において摩擦熱が発生しにくい。一方、接合面の外周部では、周速が相対的に高いので、大きな摩擦熱が発生しやすい。これでは、接合面の回転中心側と外周部とにおいて、摩擦熱のばらつきに応じて接合強度に差が生じるので、接合面全体における接合強度が不足する虞がある。
【0005】
この発明は、かかる背景のもとでなされたもので、一対の部材間の接合強度の向上を図れる摩擦接合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
請求項1記載の発明は、第1部材(2)および第2部材(3)の互いの接合面(4A、10A)に摩擦熱を発生させ、この摩擦熱を利用して前記互いの接合面を接合する摩擦接合方法であって、先端(7A)へ向けて縮径した凸部(7)を前記第1部材の前記接合面(4A)に設け、前記凸部の先端側部分(7B)を受け入れる大きさの凹部(12)を前記第2部材の前記接合面(10A)に設ける工程と、前記互いの接合面を対向させる工程と、前記凸部の先端側部分を前記凹部に嵌め込んだ状態において、前記第1部材および前記第2部材のうちの一方だけを、前記先端を通って前記互いの接合面の対向方向(X)に延びる回転軸(J)まわりに回転させる工程と、前記一方が回転した状態において、前記第1部材および前記第2部材の少なくともいずれかを前記対向方向に押圧して、前記互いの接合面同士を圧接させる工程とを含むことを特徴とする、摩擦接合方法である。
【0007】
請求項2記載の発明は、前記凸部は、円錐状であることを特徴とする、請求項1記載の摩擦接合方法である。
請求項3記載の発明は、前記凸部は、半球状であることを特徴とする、請求項1記載の摩擦接合方法である。
なお、上記において、括弧内の数字等は、後述する実施形態における対応構成要素の参照符号を表すものであるが、これらの参照符号により特許請求の範囲を限定する趣旨ではない。
【発明の効果】
【0008】
請求項1記載の発明によれば、第1部材の接合面において先端へ向けて縮径した凸部を第2部材の接合面の凹部に嵌め込んだ状態において、第1部材および第2部材のうちの一方だけを、凸部の先端を通って互いの接合面の対向方向に延びる回転軸まわりに回転させる。これにより、第1部材および第2部材の互いの接合面に摩擦熱が発生し、これらの接合面が摩擦熱によって軟化する。その後、当該一方が回転した状態において、第1部材および第2部材の少なくともいずれかを対向方向に押圧して互いの接合面同士を圧接させると、摩擦熱によって軟化した互いの接合面同士を接合できる。
【0009】
ここで、第2部材の接合面の凹部は、第1部材の凸部において縮径した先端側部分を受け入れる大きさを有するので、凹部には、凸部の全部ではなく、先端側部分だけが嵌め込まれる。この状態で第1部材および第2部材のうちの一方が回転することにより、凸部において回転軸側に位置する先端側部分と凹部との間では、大きな摩擦熱を先行して発生させることができる。これにより、第1部材および第2部材の互いの接合面では、周速が相対的に低いことによって本来は摩擦熱が発生しにくい回転軸側と、周速が相対的に高いことによって摩擦熱が発生しやすい外周側とにおいて、摩擦熱のばらつきを最終的に抑制できる。その結果、回転軸側と外周側とにおける接合強度のばらつきを抑制できるので、第1部材と第2部材との間の接合強度の向上を図ることができる。
【0010】
請求項2や3記載の発明によれば、凸部が円錐状や半球状であれば、凸部の先端側部分と凹部とでの接触面積を増大できるので、凸部の先端側部分および凹部では、より大きな摩擦熱を発生させることができる。その結果、第1部材と第2部材との間の接合強度の一層の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
図1図1は、本発明の一実施形態に係るスプライン軸の分解状態における模式的な側面図である。
図2図2は、スプライン軸におけるヨーク部とスプライン部との摩擦接合の様子を示す模式的な要部拡大断面図である。
図3図3は、図2の次の工程を示す模式的な要部拡大断面図である。
図4図4は、第1変形例におけるヨーク部とスプライン部との摩擦接合を説明するための模式的な要部拡大図である。
図5図5は、第2変形例におけるヨーク部とスプライン部との摩擦接合を説明するための模式的な要部拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
本発明の好ましい実施の形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係るスプライン軸1の分解状態における模式的な側面図である。図1に示すスプライン軸1は、たとえば、自動車に搭載されるステアリング装置に用いられる。この場合のスプライン軸1は、たとえば、ステアリングホイール等の操舵部材につながったステアリング軸と、転舵機構を構成するラックアンドピニオン機構におけるピニオン軸とをつなぐインターミディエイトシャフトを構成する。
【0013】
以下では、スプライン軸1の中心軸Jが延びる方向である軸方向Xと、中心軸Jを中心とする周方向Yと、中心軸Jを基準とする径方向Zとを用いて、スプライン軸1について説明する。径方向Zでは、中心軸Jに接近する側が径方向内側Z1であり、中心軸Jから離れる側が径方向外側Z2である。
スプライン軸1の全体は、金属製である。スプライン軸1は、第1部材としてのヨーク部2と、第2部材としてのスプライン部3とを含む。
【0014】
ヨーク部2は、軸部4と、基部5と、一対の腕部6とを一体的に含む。
軸部4は、軸方向Xに延びる中実の円柱状であり、その中心軸は、中心軸Jと一致している。軸部4において軸方向Xにおける一方側X1の端面を、接合面4Aと呼ぶことにする。接合面4Aには、一方側X1へ突出した凸部7が設けられている。凸部7は、一方側X1へ向けて細くなった円錐状であり、凸部7における一方側X1の先端7Aは、尖っている。そのため、凸部7では一方側X1が先端側であって、凸部7は、先端7Aへ向けて縮径している。凸部7は、接合面4Aの全域に設けられているので、接合面4Aの全体が、円錐状の凸部7に一致したテーパー面になっている。
【0015】
凸部7において、軸方向Xにおける略中央から先端7Aまでの部分(便宜上、図1において黒く塗り潰した部分)を先端側部分7Bと呼ぶことにする。先端側部分7Bは、接合面4Aにおいて中心軸J側の円中心部分4Bを構成している。軸方向Xにおける一方側X1とは反対側を他方側X2と呼ぶことにすると、凸部7において先端側部分7Bよりも他方側X2の部分は、接合面4Aにおいて中心軸Jから径方向外側Z2に離れた外周部分4Cを構成している。
【0016】
基部5は、軸部4における他方側X2の端部につながっていて、軸部4から径方向外側Z2へ延びている。腕部6は、基部5の径方向外側Z2の両端部に1つずつつながっていて、当該両端部から他方側X2へ平行に延びている。腕部6は、十字軸(図示せず)を介して別のヨーク(図示せず)に連結されることによって、これらの十字軸およびヨークとともに自在継手を構成する。
【0017】
スプライン部3は、軸方向Xに延びる円柱状の軸部10を含む。軸部10は、軸方向Xに延びる中実の円柱状であり、その中心軸は、中心軸Jと一致している。軸部10において一方側X1に偏った領域には、スプライン11が形成されている。スプライン軸1とともにインターミディエイトシャフトを構成する別のスプライン軸(図示せず)に設けられたスプラインと、スプライン11とがスプライン嵌合することによって、インターミディエイトシャフトは、軸方向Xに伸縮できる。
【0018】
軸部10において他方側X2の端面を、接合面10Aと呼ぶことにする。接合面10Aは、径方向Zに沿う円形状の平坦面である。図1では、軸部10における接合面10Aの周辺部分を断面で図示している。接合面10Aの円中心には、凹部12が設けられている。凹部12は、凸部7の先端側部分7Bをちょうど受け入れる大きさを有している。そのため、凹部12は、形状および大きさが先端側部分7Bと一致するように一方側X1へ窪む円錐状に形成されている。接合面10Aにおいて凹部12が形成された円中心部分は、円錐状の先端側部分7Bに一致したテーパー面になっていて、凹部12の内面12Aを構成している。
【0019】
次に、ヨーク部2とスプライン部3とを接合してスプライン軸1を完成させる手順について説明する。ヨーク部2とスプライン部3とは一体成形するのが困難なので、別々に準備された後に互いに接合されるのだが、従来では接合のために溶接が用いられていたのに対し、この実施形態では、以下に説明する摩擦接合方法が用いられる。
まず、接合面4Aに凸部7が設けられたヨーク部2と、接合面10Aに凹部12が設けられたスプライン部3とを用意する。次に、一般的な摩擦圧接機(図示せず)に、ヨーク部2およびスプライン部3のそれぞれをセットする。摩擦圧接機には、ヨーク部2およびスプライン部3のそれぞれを独立してクランプする軸受が設けられている。摩擦圧接機にセットされた状態のヨーク部2およびスプライン部3は、図1に示すように、同軸状で軸方向Xに並んで配置されている。この状態では、ヨーク部2の軸部4の接合面4Aは、スプライン部3の軸部10の接合面10Aに対して、他方側X2に位置し、軸方向Xにおいて対向している。この場合、接合面4Aと接合面10Aとの対向方向は、軸方向Xである。また、軸方向Xに延びる中心軸Jは、接合面4Aにおける円錐状の凸部7の先端7Aと、接合面10Aにおける円錐状の凹部12の円中心とを通っている。
【0020】
次いで、図2に示すように、接合面4Aの凸部7の先端側部分7Bを接合面10Aの凹部12に嵌め込んだ状態において、摩擦圧接機に設けられたモータ(図示せず)が駆動して、ヨーク部2およびスプライン部3のうちの一方だけを、中心軸Jまわりに回転させる。図2では、ヨーク部2を静止させた状態で、中心軸Jを回転軸としてスプライン部3だけを周方向Yにおける一方側Y1に回転させるが、逆に、スプライン部3を静止させた状態でヨーク部2だけを周方向Yに回転させても構わない。また、先端側部分7Bを凹部12に嵌め込んでから、ヨーク部2およびスプライン部3のうちの一方の回転を開始してもよいし、当該一方の回転を開始してから先端側部分7Bを凹部12に嵌め込んでもよい。いずれにせよ、ここでの回転により、ヨーク部2の接合面4Aおよびスプライン部3の接合面10Aに摩擦熱が発生し、摩擦熱によって接合面4Aおよび10Aならびにこれらの周囲が軟化する。
【0021】
このようにヨーク部2およびスプライン部3のうちの一方が回転した状態において、ヨーク部2およびスプライン部3の少なくともいずれかを軸方向Xに押圧して、接合面4Aと接合面10Aとを圧接させる。図2では、摩擦圧接機に設けられた油圧シリンダ(図示せず)が作動することによって、回転していないヨーク部2が、回転した状態のスプライン部3を、破線矢印で示すように、軸方向Xにおける一方側X1に押圧している。これにより、先程の摩擦熱によって軟化した接合面4Aおよび接合面10Aに圧力が加えられて、接合面4Aと接合面10Aとが接合(摩擦接合)される。
【0022】
ここで、スプライン部3の接合面10Aの凹部12は、ヨーク部2の凸部7において縮径した先端側部分7Bを受け入れる大きさを有するので、凹部12には、凸部7の全部ではなく、先端側部分7Bだけが嵌め込まれる。このとき、円錐状の先端側部分7Bにおける接合面4Aは、同じ傾斜角度を有する円錐状である凹部12の内面12Aに対して全域に亘って密着した状態にある。
【0023】
この状態でヨーク部2およびスプライン部3のうちの一方が回転することにより、凸部7において中心軸J側に位置する先端側部分7Bと凹部12との間では、大きな摩擦熱を先行して発生させることができる。さらに、先端7Aが尖った先端側部分7Bでは、体積が相対的に小さいことから熱の回りが早いので、発生した摩擦熱を分散しないように蓄積することができる。よって、ヨーク部2の接合面4Aおよびスプライン部3の接合面10Aでは、周速が相対的に低いことによって本来は摩擦熱が発生しにくい中心軸J側(径方向内側Z1)と、周速が相対的に高いことによって摩擦熱が発生しやすい外周側(径方向外側Z2)とにおいて、摩擦熱のばらつきを最終的に抑制できる。その結果、中心軸J側と外周側とにおける接合強度のばらつきを抑制できるので、ヨーク部2とスプライン部3との間の接合強度の向上を図ることができる。
【0024】
また、凸部7が円錐状であるので、凸部7の先端側部分7Bと凹部12とでの接触面積を増大できる。これにより、凸部7の先端側部分7Bおよび凹部12では、より大きな摩擦熱を発生させることができる。そのため、ヨーク部2とスプライン部3との間の接合強度の一層の向上を図ることができる。
また、スプライン部3の接合面4Aの凹部12は、ヨーク部2の凸部7の先端側部分7Bと形状が一致しているので、凹部12に先端側部分7Bを嵌め込むことによって、摩擦接合時におけるヨーク部2とスプライン部3との軸ずれを抑制できる。
【0025】
そして、接合面4Aと接合面10Aとを引き続き圧接させると、軸部4および10から盛り出た肉が、軸部4の接合面4Aの外周部分4Cと軸部10の接合面10Aとの隙間15を埋め、図3に示すようにバリ20となって径方向外側Z2にはみ出す。図3では、接合面4Aおよび接合面10Aが径方向Zにおける全域に亘って接合されてスプライン軸1が完成した状態が示されている。バリ20は、そのまま残してもよいし、除去してもよい。
【0026】
この発明は、以上に説明した実施形態に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。
たとえば、ヨーク部2の軸部4の接合面4Aにおける凸部7の形状は、図1に示すような円錐状でなく、図4に示すような半球状であってもよい。図4における半球状の凸部7も、円錐状である場合と同様に、先端7Aへ向けて縮径している。スプライン部3の軸部10の接合面10Aにおける凹部12は、凸部7における半球状の先端側部分7B(便宜上、図4において黒く塗り潰した部分であり、後述する図5でも同様)に一致するように一方側X1へ窪む半球状に形成されている。凸部7は、図4に示すように接合面4Aの全域に設けられてもよいし、図5に示すように接合面4Aにおける円中心側の領域だけに設けられてもよい。
【0027】
また、凸部7の先端側部分7Bは、凸部7において軸方向Xにおける略中央から先端7Aまでの部分であったが、これよりも軸方向Xに小さくてもよい。
また、前述した実施形態では、ヨーク部2を第1部材とし、スプライン部3を第2部材としたが、逆に、スプライン部3を第1部材とし、ヨーク部2を第2部材としてもよい。なお、ヨーク部2およびスプライン部3は、第1部材および第2部材の一例に過ぎないので、第1部材および第2部材として他の金属部材を用いてもよい。第1部材および第2部材では、互いに摩擦接合される部分が中実であればよい。
【符号の説明】
【0028】
2…ヨーク部、3…スプライン部、4A…接合面、7…凸部、7A…先端、7B…先端側部分、10A…接合面、12…凹部、J…中心軸、X…軸方向
図1
図2
図3
図4
図5