(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材に加工冶具を回転させながら押し当てて金属を塑性流動させる工程と、
前記塑性流動した金属を前記加工冶具の前記金属材が接触する面に設けられた溝内に進入させて前記金属材の表面に前記溝の形状に倣う形状の突起を形成する工程とを有し、
前記加工冶具の前記金属材側の面の縁部には当該加工冶具の回転軸に平行な方向に突出する突出部を有することを特徴とする金属加工方法。
【請求項２】
前記金属材が、板材であることを特徴とする請求項１に記載の金属加工方法。
【請求項３】
前記金属材が、Ｍｇ（マグネシウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）又はそれらの金属を主成分とする合金からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属加工方法。
【請求項４】
前記加工冶具に設けられた溝が円環状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の金属加工方法。
【請求項５】
前記金属材を、予め２００℃以上の温度に加熱することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の金属加工方法。
【請求項６】
金属材に回転させながら押し当てて前記金属材に突起を形成するボス形成冶具であって、
前記金属材に接触する加工面と、
前記加工面側に設けられた溝と、
前記加工面の縁部に設けられて回転軸に平行な方向に突出する突出部と
を有することを特徴とするボス形成冶具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属製の板材等に突起を形成する金属加工方法及びボス形成冶具に関する。
【背景技術】
【０００２】
ノート型パソコンや携帯電話機などの電子機器の筺体材料として、軽量で強度が高く、プラスチック等の樹脂材料に比べてリサイクル性に優れたマグネシウム合金やアルミニウム合金等が使用されるようになった。これらの軽金属からなる筺体は、一般的にチクソモールディング法やダイキャスト法により製造されている。
【０００３】
しかし、チクソモールディング法やダイキャスト法では、バリや材料（溶湯）の移動の跡が成型後に残りやすく、後処理が煩雑であり、製造コストが高くなってしまうという欠点がある。一方、金属板をプレス加工して筺体を製造すれば、チクソモールディング法やダイキャスト法で筺体を製造する場合よりも外観が優れた筺体を低コストで製造することができる。電子機器の筺体には、内蔵部品のねじ止めや筺体同士の組み付けを行うためのボス（突起）が設けられているが、金属板の表面にボスを形成する方法として、金属管を金属板の表面にスタッド溶接で接合する方法が知られている。従って、この技術を使用して金属板から電子機器の筺体を製造することができる。
【０００４】
また、別の方法として、筺体となる金属板の表面に別の金属板を貼り付け、中空円筒状の冶具を回転させながら金属板に強く押し当てる方法が提案されている。この方法では、冶具と金属板との間に発生する摩擦熱により金属板の表面が塑性流動し、冶具の内面に沿って金属が盛り上がって中空の突起（ボス）が形成される。更に、この中空の突起が筺体となる金属板に圧接される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１４９６７号公報
【特許文献２】特開２００９−１０７００６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した方法では、いずれもボスとなる部材と筺体となる金属板とを溶接又は圧接により接合している。このため、筺体とボスとの間の接合強度が十分でないことが考えられ、信頼性が低い。
【０００７】
また、スタッド溶接によりボスを形成する方法では、ボスを形成した面の反対側の面に溶接痕が残り、筺体の外観を損なうという問題もある。
【０００８】
以上から、美麗な外観が容易に得られ、且つ筺体との間の機械的強度が高いボスを形成できる金属加工方法及びボス形成冶具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】
【０００９】
一観点によれば、金属材に加工冶具を回転させながら押し当てて金属を塑性流動させる工程と、前記塑性流動した金属を前記加工冶具の前記金属材が接触する面に設けられた溝内に進入させて前記金属材の表面に前記溝の形状に倣う形状の突起を形成する工程とを有し、前記加工冶具の前記金属材側の面の縁部には当該加工冶具の回転軸に平行な方向に突出する突出部を有する金属加工方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
上記一観点によれば、加工冶具の金属材側の面（加工面）の縁部に、当該加工冶具の回転軸に平行な方向に突出する突出部を有している。加工冶具を回転させながら金属材に強く押し当てると、摩擦熱により金属材の温度が上昇して金属が塑性流動しやすくなる。塑性流動した金属の一部は加工冶具に設けられた溝内に進入して突起を形成するが、他の一部は加工冶具により加えられる圧力により側方に移動してバリとなる。また、加工冶具の下方に存在する金属が少なくなると、金属材の裏面側に窪みが発生しやすくなる。
【００１１】
しかし、上記一観点によれば、加工冶具の加工面の縁部に突出部を設けているので、この突出部が壁となり、加工冶具の側方に塑性流動使用とする金属が内側に押し戻される。これにより、バリや金属材の裏側の窪みの発生が抑制される。また、上記一観点によれば、金属材中の金属を塑性流動させて突起を形成しているので、金属材に突起となる他の金属部材を溶接又は圧接する方法に比べて、金属材と突起との間の機械的強度が高い。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、実施形態に係る金属加工装置の構造を示す模式図である。
【図２】図２は、ボス形成冶具の縦断面図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｃ）は、金属加工装置を使用した金属加工方法を工程順に示す断面図である。
【図４】図４は、ボス形成冶具に突出部が設けられていない場合の問題点を示す断面図である。
【図５】図５（ａ）は金属加工方法により形成されたボスの一例を示すを斜視図、図５（ｂ）は同じくその断面図である。
【図６】比較例のボス形成冶具を示す断面図である。
【図７】図７（ａ），（ｂ）は、ボス形成冶具の変形例（その１）を示す断面図である。
【図８】図８は、ボス形成冶具の変形例（その２）を示す断面図である。
【図９】図９は、ボス形成冶具の変形例（その３）を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、実施形態について、添付の図面を参照しつつ説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態に係る金属加工装置の構造を示す模式図である。この図１に示すように、実施形態に係る金属加工装置１０は、ＸＹテーブル１１と、モータ１３と、押圧機構部１４と、制御部１５とを有している。加工対象となる金属板３０はＸＹテーブル１１の上に保持される。このＸＹテーブル１１は、制御部１５からの信号に応じて金属板３０を保持したまま水平方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に移動する。
【００１５】
モータ１３は、その回転軸を下に向けてＸＹテーブル１１の上方に配置されている。モータ１３の回転軸にはチャック１２が設けられており、このチャック１２にボス形成冶具（加工冶具）１が交換可能に取り付けられる。また、モータ１３は、押圧機構部１４により駆動されて上下方向に移動する。制御部１５は、予め設定された手順でＸＹテーブル１１、モータ１３及び押圧機構部１４を制御する。
【００１６】
図２はボス形成冶具１の縦断面図である。ボス形成冶具１は円筒状に形成されており、その下側の面が金属板３０に接触する加工面１ａとなっている。また、冶具１の加工面１ａ側には、ボスの形状を規定する円環状の溝１ｂが設けられている。更に、加工面１ａの縁部には、下方に向けて突出する突出部１ｃが設けられている。
【００１７】
本実施形態の冶具１では、溝１ｂの内側の直径φ1が約２．４ｍｍ、外側の直径φ2が約５．０ｍｍ、溝深さＤが約５．０ｍｍである。また、冶具１の外径φ3は約８ｍｍ、突出部１ｃの高さＨは約０．３ｍｍ、突出部１ｃの内側の面の曲率半径Ｒは約０．３ｍｍに設定されている。なお、これら各部の寸法は、形成すべきボスの大きさに応じて適宜設定される。
【００１８】
ボス形成冶具１は、その融点が加工対象の金属板３０を構成する金属が塑性流動を起こす温度よりも高い材料により形成される。本実施形態では、金属板３０がＭｇ（マグネシウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）又はそれらの金属を主成分とする合金からなり、ボス形成冶具１がステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）からなるものとする。
【００１９】
図３（ａ）〜（ｃ）は、上述の金属加工装置を使用した金属加工方法を工程順に示す断面図である。
【００２０】
まず、図３（ａ）に示すように、金属加工装置１０のＸＹテーブル１１の上に金属板３０を保持する。そして、制御部１５から出力される信号によりモータ１３を駆動して、ボス形成冶具１を５０００ｒｐｍ以上の速度、例えば８０００ｒｐｍ〜１００００ｒｐｍの速度で回転させる。また、制御部１５から出力される信号によりＸＹテーブル１１を駆動して、金属板３０の所定箇所を冶具１の下方に配置する。
【００２１】
なお、後述する工程で塑性流動を起こりやすくするために、予め金属板３０を２００℃程度に加熱しておくことが好ましい。また、モータ１３の回転速度は金属板３０の材質や冶具１の大きさ等を考慮して適宜設定すればよい。
【００２２】
次に、図３（ｂ）に示すように、モータ１３の回転を継続したまま、制御部１５から出力される信号により押圧機構部１３を駆動してモータ１３を下降させ、ボス形成冶具１の加工面１ａを金属板３０に例えば摩擦圧力が１５ＭＰａ以上となるように押し当てる。これにより、ボス形成冶具１と金属板３０との間に摩擦熱が発生して金属板３０の温度が上昇し、金属板３０中の金属が塑性流動して、図３（ｂ）中に矢印で示すように冶具１の溝１ｂ内に進入する。このとき、冶具１の押下げ圧力により冶具１の外側に向かう方向にも金属の塑性流動が起こる。しかし、本実施形態では冶具１の加工面１ａの縁部に突出部１ｃが設けられているので、この突出部１ｃが壁となって外側に向かう金属が内側に押し戻される。
【００２３】
仮に、ボス形成冶具１に突出部１ｃがないとすると、図４に示すように塑性流動する金属が冶具１の外側に押し出されて冶具１の周囲に大きなバリ３が発生する。そのため、バリ３を除去するための後処理工程が煩雑になり、製品コスト上昇の原因となる。また、金属板３０の厚さが例えば１ｍｍ程度と薄い場合は、溝１ｂの下方の部分で金属が不足して金属板３０の外側の面（図４では下側の面）に窪み（いわゆる「ひけ」）４が発生し、外観不良となってしまう。
【００２４】
一方、本実施形態では、ボス形成冶具１の加工面の縁部に突出部１ｃが設けられているので、前述したように突出部１ｃが壁となって塑性流動する金属を内側に押し戻す。そのため、冶具１の外側に大きなバリが発生することがなく、また金属板３０が例えば１ｍｍ程度と薄くても外観不良となる窪みの発生が防止される。
【００２５】
なお、冶具１の外径φ3を溝１ｂの外径φ2の１．５倍以上とすることが好ましく、これにより塑性流動した金属が冶具１の外側に流出することをより確実に抑制できる。
【００２６】
上述したように金属板３０に冶具１を押し当てた後、溝１ｂに金属が十分流入するまで一定時間保持する。このとき、金属板３０と冶具１との間の摩擦により金属板３０の温度が上昇するか、本実施形態では金属板３０と冶具１との間の摩擦により金属が塑性変形しやすい温度（例えば２００℃〜３００℃）になればよく、金属が溶融するまで温度を上昇させる必要はない。
【００２７】
その後、制御部１５から出力される信号により押圧機構部１４を制御してモータ１３を上昇させ、図３（ｃ）に示すように冶具１を金属板３０から離す。これにより、金属板３０の表面に、冶具１の溝１ｂの形状に倣う形状のボス３１が形成される。必要に応じてＸＹテーブル１１の移動と押圧機構部１４による上下動とを繰り返し、金属板３０の複数の箇所にそれぞれボス３１を形成する。
【００２８】
本実施形態においては、金属板３０中の金属を塑性流動させてボス３１を形成しているので、溶接又は圧接により金属板にボスを接合する場合に比べて、金属板とボスとの間の機械的強度が高い。また、前述したように本実施形態によれば、金属板３０の外側の面に窪みが発生することが抑えられるので、後処理工程が不要（又は簡単）であり、美麗な外観を有する電子機器用筺体を容易に製造することができる。
【００２９】
図５（ａ）は上述の金属加工方法により形成されたボスの一例を示すを斜視図、図５（ｂ）は同じくその断面図である。
【００３０】
上述の方法により形成されたボス３１は、図５（ａ），（ｂ）に示すように、ボス形成冶具１の溝１ｂの形状に倣う筒状の形状を有している。また、ボス３１の周囲には、冶具１の加工面１ａに倣う形状の凹部３１ａが形成される。この凹部３１ａに対応する量の金属が冶具１の溝１ｂ内に進入してボス３１を形成している。
【００３１】
凹部３１ａの外周には、冶具１の外側に押し出された金属によりバリ３１ｄが発生する。但し、本実施形態では、前述したように冶具１の外側に押し出される金属の量が少ないので、バリ３１ｄの高さは低く、問題となることはない。必要であれば、バリ３１ｄは研磨等により容易に除去できる。
【００３２】
以下、本実施形態に係る金属加工方法により金属板にボスを形成し、電子機器の筺体として使用した場合の適否を判定した結果について、比較例と比較して説明する。
【００３３】
実施例１〜３の冶具として、図２に示す突出部１ｃの内側の曲率半径Ｒを約０．３ｍｍ（実施例１）、約０．５ｍｍ（実施例２）、約１ｍｍ（実施例３）とした冶具を用意した。なお、突出部１ｃの高さＨはいずれも約０．３ｍｍである。また、溝１ｂの内側の直径φ1は約２．４ｍｍ、外側の直径φ2は約５．０ｍｍ、溝深さＤは約５．０ｍｍ、冶具１の外径φ3は約８ｍｍである。
【００３４】
一方、比較例の冶具として、図６に示すように加工面の縁部に突出部がないこと以外は実施例１〜３と同様の冶具を用意した。比較例の冶具の溝１ｂの内側の直径φ1は約２．４ｍｍ、外側の直径φ2は約５．０ｍｍ、溝深さＤは約５．０ｍｍ、冶具１の外径φ3は約８ｍｍである。
【００３５】
なお、これら実施例１〜３及び比較例の冶具はいずれもステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）製である。また、加工対象の金属板３０には厚さが約１．０ｍｍのマグネシウム合金（ＡＺ３１Ｂ）板を使用し、加工面を予め脱脂洗浄した。
【００３６】
実施例１〜３及び比較例の冶具を図１に示す金属加工装置に取り付け、金属板の表面にボスを形成した。このときの冶具の回転速度は約８０００ｒｐｍ、摩擦圧力は約３０ＭＰａであり、冶具を金属板３０の表面から約０．５ｍｍの深さまで押し込んだ。
【００３７】
その結果、実施例１〜３及び比較例の全ての冶具において、冶具の溝形状に倣う形状の中空筒状のボスを形成することができた。それらのボスが形成された金属板を観察したところ、ボスの周囲には冶具の加工面の形状の凹部（擦過痕）が見られた。
【００３８】
また、実施例１〜３及び比較例の各冶具を用いてボスを形成した後の各金属板について、バリの高さ及び裏面側の窪みの深さを測定した。その結果を下記表１に示す。更に、タッピング試験を行った。すなわち、タップを用いてボスの内壁面にＭ３のねじ加工を施し、その後ねじ締めを５回繰り返し行ってボス及びねじ山の破損の有無を調べた。ねじの締め付けトルクは約５ｋｇｆ／ｃｍ2とした。その結果も、表１に併せて示す。
【００３９】
【表１】
0005515557.tif 000002
表１からわかるように、比較例の冶具を用いた場合はバリの高さが約０．５ｍｍであったのに対し、実施例１〜３の冶具を用いた場合はバリの高さが０．０２ｍｍ〜０．１ｍｍと低いものであった。また、比較例の冶具を用いた場合は金属板の裏面に深さが約０．２ｍｍの窪みが発生したのに対し、実施例１〜３の冶具では窪みの深さは０．０１ｍｍ〜０．０６ｍｍと極めて小さいものであった。これらの結果から、上述した技術の有用性が確認された。なお、タッピング試験では、実施例１〜及び比較例のいずれにおいても、ボス及びねじ山の破損はなかった。
【００４０】
図７〜図９は、ボス形成冶具の変形例を示す断面図である。
【００４１】
図７（ａ）に示すボス形成冶具４１が図２に示す冶具１と異なる点は、溝１ｂの内側の部分の先端が円錐状に形成されていることにある。このように加工面の中心部に錘状の部分を設けることにより、加工時には図７（ｂ）に示すように錘状の傾斜面によって金属が溝１ｂの下方に押し出される。これにより、金属板３０の裏面側に窪みが形成されることをより確実に防止できる。
【００４２】
図８に示すボス形成冶具４２では、加工面に縁部に設けられた突出部４２ａの断面形状が三角形である。また、図９に示すボス形成冶具４３では、加工面の縁部に設けられた突出部４３ａの断面形状が矩形である。加工面の縁部に設けられた突出部は塑性流動する金属を内側に押し戻す壁として機能するものであればよく、これらの図８，図９に示すような形状としてもよい。
【００４３】
以上の諸実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【００４４】
（付記１）金属材に加工冶具を回転させながら押し当てて金属を塑性流動させる工程と、
前記塑性流動した金属を前記加工冶具の前記金属材が接触する面に設けられた溝内に進入させて前記金属材の表面に前記溝の形状に倣う形状の突起を形成する工程とを有し、
前記加工冶具の前記金属材側の面の縁部には当該加工冶具の回転軸に平行な方向に突出する突出部を有することを特徴とする金属加工方法。
【００４５】
（付記２）前記金属材が、板材であることを特徴とする付記１に記載の金属加工方法。
【００４６】
（付記３）前記金属材が、Ｍｇ（マグネシウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）又はそれらの金属を主成分とする合金からなることを特徴とする付記１又は２に記載の金属加工方法。
【００４７】
（付記４）前記加工冶具に設けられた溝が円環状であることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の金属加工方法。
【００４８】
（付記５）前記金属材を、予め２００℃以上の温度に加熱することを特徴とする付記１乃至４のいずれか１項に記載の金属加工方法。
【００４９】
（付記６）金属材に回転させながら押し当てて前記金属材に突起を形成するボス形成冶具であって、
前記金属材に接触する加工面と、
前記加工面側に設けられた溝と、
前記加工面の縁部に設けられて回転軸に平行な方向に突出する突出部と
を有することを特徴とするボス形成冶具。
【００５０】
（付記７）前記溝が前記回転軸を中心とする円環状であることを特徴とする付記６に記載のボス形成冶具。
【００５１】
（付記８）前記加工面の円環状の溝の内側が錐状であることを特徴とする付記７に記載のボス形成冶具。
【符号の説明】
【００５２】
１，４１，４２，４３…ボス形成冶具、１ａ…加工面、１ｂ…溝、１ｃ，４２ａ，４３ａ…突出部、３，３１ｄ…バリ、４…窪み（ひけ）１０…金属加工装置、１１…ＸＹテーブル、１２…チャック、１３…モータ、１４…押圧機構部、１５…制御部、３０…金属板、３１…ボス、３１ａ…凹部。
【図１】
0005515557.tif 000003
【図２】
0005515557.tif 000004
【図３】
0005515557.tif 000005
【図４】
0005515557.tif 000006
【図５】
0005515557.tif 000007
【図６】
0005515557.tif 000008
【図７】
0005515557.tif 000009
【図８】
0005515557.tif 000010
【図９】
0005515557.tif 000011