(57)【要約】【課題】高機械的強度を有する金属部品を高寸法精度かつ低コストで製造する方法及び製造装置並びにそれによって製造された金属部品を提供する。【解決手段】被加工金属材１１の表面に先端部に所定形状の開孔１３ｂを有する加工治具１３の先端部１３ａを押圧して、被加工金属材１１１と加工治具１３を相対的に反対方向へ回転して摩擦熱を発生し、この摩擦熱によって開孔１３ｂ内への塑性流動を生じさせる点に特徴がある。【選択図】図１
2011005508.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工金属材表面に、先端部に所定深さ及び形状の開孔を有する加工手段の先端部を押圧して前記被加工金属材と前記加工手段の少なくとも一方を回転する工程、前記回転による摩擦熱で前記被加工金属材の変形抵抗を低下させて前記加工手段の開孔内に塑性流動させる工程、前記被加工金属材から前記加工手段の開孔内に塑性流動した前記被加工金属材部分を分離する工程を備えることを特徴とする金属部品の製造方法。
【請求項２】
被加工金属材の一方面に先端部に所定深さ及び形状の開孔を有する第１の加工手段の先端部を押圧し、被加工金属材の他方面に所定深さ及び形状の凹部を有する第２の加工手段を押圧し、前記第１の加工手段及び前記第２の加工手段の少なくとも一方を回転する工程、前記回転による摩擦熱で前記被加工金属材の変形抵抗を低下させて前記第１の加工手段の前記開孔内及び前記第２の加工手段の前記凹部内に塑性流動させる工程、前記第１の加工手段と前記第２の加工手段が接する直前に前記回転を停止する工程、前記被加工金属材から前記第１の加工手段の前記開孔内に塑性流動した前記被加工金属材部分及び前記第２の加工手段の前記凹部内に塑性流動した前記被加工金属材部分を分離する工程を備えることを特徴とする金属部品の製造方法。
【請求項３】
先端部に所定深さ及び形状の開孔を有する加工手段の前記開孔内に被加工金属材を案内押圧し、前記加工手段と前記被加工金属材の少なくとも一方を回転する工程、前記回転による摩擦熱で前記被加工金属材の変形抵抗を低下させて前記加工手段の前記開孔内全体に塑性流動させる工程、前記被加工金属材から前記加工手段の前記開孔内に塑性流動した前記被加工金属材部分を分離する工程を備えることを特徴とする金属部品の製造方法。
【請求項４】
所定深さ及び形状の開孔を有する第１の加工手段と所定深さ及び形状の凹部を有する第２の加工手段とを、前記開孔及びに前記凹部に被加工金属材を案内して押圧対向して前記第１の加工手段及び前記第２の加工手段の少なくとも一方を回転する工程、前記回転による摩擦熱で前記被加工金属材の変形抵抗を低下させて前記第１の加工手段の前記開孔内全体及び前記第２の加工手段の前記凹部内全体に塑性流動させる工程を備えることを特徴とする金属部品の製造方法。
【請求項５】
前記被加工金属材は前記第１の加工手段の前記開孔の容積と前記第２の加工手段の前記凹部の容積の総和と略等しい体積を有することを特徴とする請求項４記載の金属部品の製造方法。
【請求項６】
被加工金属材料を保持する手段と、先端部に所定深さ及び形状の開孔を有する加工手段と、前記加工手段を回転駆動する手段と、前記保持手段及び前記加工手段の少なくとも一方を両手段を結ぶ線上に沿って移動させる手段と、前記加工手段を被加工金属部材表面に押圧する手段とを具備することを特徴とする金属部品製造装置。
【請求項７】
表面に所定形状で所定深さ及び形状の凹部を有する金属材料を保持する保持手段と、先端部に所定深さ及び形状の開孔を有する加工手段と、前記加工手段及び前記保持手段の少なくとも一方を回転駆動する手段と、前記保持手段及び前記加工手段の少なくとも一方を両手段を結ぶ線上に沿って移動させる手段と、前記加工手段を被加工金属部材表面に押圧する手段とを具備することを特徴とする金属部品製造装置。
【請求項８】
所定の長さで断面円形の軸心部を有し、前記軸心部の表面に隣接する領域が他の領域より微細化された組織であることを特徴とする金属部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は摩擦攪拌プロセス技術を利用して小形の金属部品を製造する方法及び金属部品製造装置並びに摩擦攪拌プロセス技術を利用し製造された金属部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
第一の部材と第二の部材を固着、結合、係合、連結するために円柱状ピン、径大頭部を持つ円柱状ピン、径が異なる部分を持つ円柱状ピン、一部に中空部分を持つ円柱状ピン、円柱部にネジ溝が形成された円柱状ピンが広く使用されている。これら円柱状ピンは構造物を組み立てる場合に大量に使用される部品であり、正確な寸法精度を持ちかつ出来るだけ安価に製造することが要求されている。
【０００３】
例えば、径大頭部を持つ円柱状ピンを製造する方法として、所定の外径及び長さを有する円柱金属部材を準備し、径大頭部となる部分は加工せずに残し、径小の支軸部分は旋盤を用いてバイトにより切削加工をすることで、加工精度が高くかつ加工工程の簡略化を図りコストダウンを達成する方法が開示されている（特許文献１）。この径大頭部を持つ円柱状ピンは、支軸部分を案内する中心孔を有するガイドピンと組み合わせて、磁気テープを収納するカートリッジを下ハーフと上ハーフを機械的に一体化するために使用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−４５０３２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示された径大頭部を持つ円柱状ピンを製造する方法は、旋盤を用いてバイト加工をして径小の支軸部分を形成しているため、寸法精度が作業者の技術力に左右され、常に高寸法精度を持つ円柱状ピンを得ることができないという問題がある。また、旋盤を用いる場合、切削と寸法測定を繰り返す必要があり、高い寸法精度を要求されるほど加工時間が長くなり、コスト高になるという問題がある。さらに切粉等の発生という問題もある。
【０００６】
本発明の目的は寸法精度の高い金属部品を製造する方法及び金属部品製造装置を提供することにある。
本発明の他の目的は短時間で金属部品を製造する方法及び金属部品製造装置を提供することにある。
本発明の別の目的は機械的特性の優れた円柱または円筒部分を備える金属部品を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明金属部品の製造方法の特徴とするところは、被加工金属材表面に、先端部に所定深さ及び形状の開孔を有する加工手段の先端部を押圧して被加工金属材と加工手段の少なくとも一方を回転する工程、回転による摩擦熱で被加工金属材の変形抵抗を低下させて加工手段の開孔内に塑性流動させる工程、被加工金属材から加工手段の開孔内に塑性流動した被加工金属材部分を分離する工程を備える点にある。被加工金属材に加工手段を押し当てて加工手段を回転させると摩擦熱が発生し、この摩擦熱によって加工手段に当接する被加工金属材の部分の温度が上昇することにより低応力下で塑性流動が発現し、被加工金属材の塑性流動が発現していない周囲の領域がストッパーとなり加工手段の先端部に形成された開孔内へ被加工金属材が流れ込み、加工手段に形成された開孔を金型とする金属部品が形成される。回転している時間に比例して塑性流動が発現している時間が長くなり、塑性流動によって加工手段の開孔内に被加工金属材の流れ込む量が増え、金属部品が大きくなる。塑性流動は被加工金属材が固体の状態で発現するため被加工金属材の組織は粗大化せず、他方、加工手段の摩擦攪拌によって金属部品の表面領域が他の領域に比較して微細化されているため、加工中の高温状態（被加工金属材の融点を絶対温度で表した数値の１／２以上の温度をいう）では超塑性的流動が生じて、変形応力は小さく、塑性流動性は非常に大きい状態になる。一方、加工終了後室温に戻った時の金属部品の機械的強度を大きくすることができる。摩擦熱は被加工金属材と加工手段を圧接した状態で両者を相対的に反対方向に回転させることによって発生するので、被加工金属材を静止して加工手段を回転すること、加工手段を静止して被加工金属材を回転すること、被加工金属材と加工手段を反対方向または同じ方向に異なる速度で回転することがこれに相当する。  
【０００８】
本発明金属部品の製造方法に使用する被加工金属材としては、マグネシウム、マグネシウム合金、アルミニウム及びアルミニウム合金が好ましい。マグネシウム合金としては、アルミニウムＡｌ、亜鉛Ｚｎ、ジルコニウムＺｒ、マンガンＭｎ、リチウムＬｉ、鉄Ｆｅ、珪素Ｓｉ、銅Ｃｕ、ニッケルＮｉ、カルシウムＣａ，希土類元素を少なくとも１種類含むマグネシウム合金が挙げられる。また、アルミニウム合金としては、銅Ｃｕ、マンガンＭｎ、珪素Ｓｉ、マグネシウムＭｇ、亜鉛Ｚｎ、ニッケルＮｉ、クロムＣｒ、チタンＴｉを少なくとも１種類含むアルミニウム合金が挙げられる。
【０００９】
本発明金属部品の製造方法の他の特徴とするところは、被加工金属材の一方面に先端部に所定深さ及び形状の開孔を有する第１の加工手段の先端部を押圧し、被加工金属材の他方面に所定深さ及び形状の凹部を有する第２の加工手段を押圧し、第１の加工手段及び第２の加工手段の少なくとも一方を回転する工程、回転による摩擦熱で被加工金属材の変形抵抗を低下させて第１の加工手段の開孔内及び第２の加工手段の凹部内に塑性流動させる工程、第１の加工手段と第２の加工手段が接する直前に回転を停止する工程、被加工金属材から第１の加工手段の開孔内に塑性流動した被加工金属材部分及び第２の加工手段の凹部内に塑性流動した被加工金属材部分を分離する工程を備える点にある。被加工金属材の両側から第１の加工手段と第２の加工手段を押し当てて加工手段の一方または両方を回転させると摩擦熱が発生し、この摩擦熱によって回転している加工手段に当接する被加工金属材の部分の温度が上昇することにより低応力下で塑性流動が発現し、被加工金属材の塑性流動が発現していない周囲の領域がストッパーとなり第１の加工手段の開孔内及び第２の加工手段の凹部内へ被加工金属材が流れ込み、第１の加工手段の開孔及び第２の加工手段の凹部が合わさって形成される空間を金型とする金属部品が形成される。この金属部品の製造方法は次の利点を有している。第１の利点は長さ方向の中間に径の大きい部分を有する金属部品を製造する場合、金型となる第１の加工手段の開孔及び第２の加工手段の凹部を径の大きい部分で分割することにより、塑性流動を利用して長さ方向の中間に径の大きい部分を有する金属部品の製造が可能になる。第２の利点は一端側に長手方向と直角をなす断面が円形以外の形状を有する金属部品を製造する場合、第１の加工手段の開孔で長手方向と直角をなす断面が円形を有する部分を、第２の加工手段の凹部で長手方向と直角をなす断面が円形以外の形状を有する部分を、それぞれ分担すれば、一端側に長手方向と直角をなす断面が円形以外の形状を有する金属部品を製造することが可能になる。
【００１０】
本発明金属部品の製造方法の別の特徴とするところは、先端部に所定深さ及び形状の開孔を有する加工手段の開孔内に棒状の被加工金属材を案内押圧し、加工手段と被加工金属材の少なくとも一方を回転する工程、回転による摩擦熱で被加工金属材の変形抵抗を低下させて加工手段の開孔内全体に塑性流動させる工程、被加工金属材から加工手段の開孔内に塑性流動した被加工金属材部分を分離する工程を備える点にある。
【００１１】
本発明金属部品の製造方法の更に別の特徴とするところは、所定深さ及び形状の開孔を有する第１の加工手段と所定深さ及び形状の凹部を有する第２の加工手段とを、開孔及びに凹部に被加工金属材を案内して押圧対向して第１の加工手段及び第２の加工手段の少なくとも一方を回転する工程、回転による摩擦熱で被加工金属材の変形抵抗を低下させて第１の加工手段の開孔内全体及び第２の加工手段の凹部内全体に塑性流動させる工程を備える点にある。被加工金属材は第１の加工手段の開孔の容積と２の加工手段の凹部の容積の総和と略等しい体積とするのが好ましい。この製造方法によれば、被加工金属材から塑性流動によって形成した金属部品を分離する工程を必要としない利点がある。
【００１２】
本発明金属部品製造装置の特徴とするところは、金属材料を保持する手段と、先端部に所定深さ及び形状の開孔を有する加工手段と、加工手段を回転駆動する手段と、保持手段及び加工手段の少なくとも一方を両手段を結ぶ線上に沿って移動させる手段と、加工手段を被加工金属部材表面に押圧する手段とを具備する点にある。この構成により、外部から熱エネルギーを付与することなく被加工金属部材の塑性流動を利用して金属部品を形成することが出来る。この加工装置は金属部品を形成する単機能装置であっても、また順送プレス装置の複数の工程の中の一工程を担う装置部分であってもよい。
【００１３】
本発明金属部品製造装置に使用する加工手段の材料としては、耐熱性、耐摩耗性、濡れ性が低い（被加工金属材と接着しない）ことが要求され、具体的材料としてはステンレス（例えばＳＵＳ鋼）、工具鋼（例えばＳＫ鋼）、超合金（Ｎｉ系、Ｆｅ系、Ｃｏ系）、セラミックス（ＣＢＮ（立方晶ボロンナイトライド）、ＺｒＯ２、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＡＬＯＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３及びこれらの複合材料）、金属とセラミックスの複合材（例えばサーメット）が使用できる。
【００１４】
本発明金属部品製造装置の他の特徴とするところは、表面に所定形状で所定深さの凹部を有する金属材料を保持する保持手段と、先端部に所定深さの開孔を有する加工手段と、加工手段及び保持手段の少なくとも一方を回転駆動する手段と、保持手段及び加工手段の少なくとも一方を両手段を結ぶ線上に沿って移動させる手段と、加工手段を被加工金属部材表面に押圧する手段とを具備する点にある。この装置は金属部品を２個の金型を用い、塑性流動を利用して製造する場合に適した製造装置で、保持手段を静止し加工手段を回転する使い方と、保持手段及び加工手段を反対方向または同方向に速度を変えて回転する使い方がある。特に、一端側に長手方向と直角をなす断面が円形以外の形状を有する金属部品を製造する場合に適した製造装置である。
【００１５】
本発明金属部品の特徴とするところは、所定の長さで断面円形の軸心部を有し、軸心部の表面に隣接する領域が他の領域より微細化された組織である点にある。金属部品の表面に隣接する領域が他の領域より微細化された領域にすることにより、機械的強度を高くでき利点がある。この金属部品は携帯型情報端末、家電製品、自動車部品、鉄道用車両等に使用される部材を固着、結合、係合、連結するピン、ボルト等の小物部品として使用するに適している。
【発明の効果】
【００１６】
本発明金属部品の製造方法によれば、摩擦熱を利用して被加工金属材の塑性流動を発現して加工手段に形成した所定形状の開孔に流し込み、数秒という一瞬のうちに金属部品を形成出来、従来の機械加工技術を使用する場合に比較して製造時間を大幅に短縮でき低コスト化が図れる。また、加工手段に形成した開孔を金型として使用するため、常に同一寸法および寸法精度を持つ金属部品を製造することが出来る。また、本発明金属部品製造装置は、本発明金属部品を塑性流動を利用して形成する手段を提供するもので、外部から熱エネルギーを付与することなく被加工金属材の表面に加工手段を押圧して回転することにより塑性流動を発現して金属部品を製造することが可能になる。更に、本発明金属部品は、その外形表面に隣接する領域（表面領域）が他の領域より微細化された組織になっているため、機械的特性の優れた金属部品を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明金属部品の製造方法を説明する概略断面図である。
【図２】本発明金属部品の製造方法の工程を説明するブロック図である。
【図３】本発明金属部品の製造方法の作用を説明する概略拡大図である。
【図４】本発明方法によって製造した金属部品の機械的特性が優れている点を説明する概略断面度である。
【図５】本発明方法によって製造した金属部品の組織状態を示す顕微鏡写真である。
【図６】本発明方法によって製造した金属部品の機械的強度を測定した結果を示す図である。
【図７】径大頭部を有するピンを製造する本発明金属部品の製造方法の一例を示す概略図である。
【図８】図７で製造した径大頭部を有するピンの正面図、平面図及び底面図である。
【図９】径大頭部を有するピンの変形例を製造する本発明金属部品の製造方法の一例を示す概略図である。
【図１０】図９で製造した径大頭部を有するピンの正面図、平面図及び底面図である。
【図１１】中間に径大部を有するピン製造する本発明金属部品の製造方法の一例を示す概略図である。
【図１２】図１１で製造した中間に径大部を有するピンの正面図、平面図及び底面図である。
【図１３】本発明金属部品の製造方法により軸方向に貫通孔を有する金属部品を製造する一実施例を示す概略図である。
【図１４】図１３の方法で製造した金属部品の正面図及び平面図である。
【図１５】図１５は棒状の被加工金属材１１１を用いて金属部品を製造する方法を本発明金属部品の製造方法の別の実施例を示す概略図である。
【図１６】短小棒状の被加工金属材を用いた本発明金属部品の製造方法の異なる実施例を示す概略図である。
【図１７】図１６の方法で製造した金属部品の正面図及び平面図である。
【図１８】本発明金属部品製造装置の概略正面図及び底面図である。
【図１９】本発明金属部品製造装置の別の実施例を示す概略図である。
【図２０】本発明金属部品製造装置の異なる実施例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明金属部品を形成する方法の実施形態は、マグネシウム合金を被加工金属材として、その表面に先端部に金属部品と同形状の開孔を有するステンレス製の加工手段による摩擦攪拌による塑性流動を利用して金属部品を形成するのが最も簡便な方法である。マグネシウム及びマグネシウム系合金は軽量金属材で携帯型情報端末、家電製品、自動車部品、鉄道用車両等の金属部品として広く使用される傾向にある反面、加工技術が確立されておらず、普及には解決する課題が残されている。本発明によりこの問題を解決することが出来る。
【実施例１】
【００１９】
図１及び図２は本発明金属部品の製造方法の一実施例を示す工程図で、図１において、１１は金属部品の材料になる板状の被加工金属材、１２は被加工金属材１１を載置固定する加工台、１３は先端部１３ａに金属部品の形状をなす開孔１３ｂを有する断面が円形の加工治具、１４は加工治具１３を回転可能に支承する保持治具である。加工治具１３は回転駆動源で回転され、かつ先端部１３ａ方向に所定圧力で押圧する手段を有している。被加工金属材１１を用いて金属部品を製造する場合、被加工金属材１１を加工台１２上の所定位置に載置して機械的、静電的または真空吸着により固定する（図２の工程Ａ）と共に、製造する金属部品と同じ外形形状の開孔１３ｂを有する加工治具１３を保持具１４に装着し、加工治具１３を回転しながら先端部１３ａを被加工金属材１１の表面に所定の加工速度と圧力で押圧する（図２の工程Ｂ）。加工治具１３の先端部１３ａを回転しながら被加工金属材１１の表面に押圧すると、加工治具１３の先端部１３ａに当接している被加工金属材１１の表面領域が摩擦熱による温度上昇により被加工金属材が軟化し、押圧下での加工治具の回転により容易に攪拌され、強ひずみ加工状態になり、動的再結晶等により微細化する。これにより被加工金属材の変形抵抗が低下する。このように微細化された組織は高温で塑性変形が容易となる超塑性的現象を発現する。超塑性的現象の発現により、塑性流動が生じ、更に、微細化していない領域でも高温状態下で、軟化して塑性流動する（図２の工程Ｃ）。塑性流動は後述するように、加工治具１３の開孔１３ｂに向かって流れ、図１の（ｂ）に示すように被加工金属材１１を開孔１３ｂ全体を充填し、金属部品１５を形成する。しかる後、加工治具１３の押圧・回転を停止する（図２の工程Ｄ）。これによって、図１（ｃ）に示す開孔１３ｂの形状と同一の金属部品１５が得られる。図１の（ｂ）では被加工金属材１１と金属部品１５は加工治具１３によって分離されているが、製造装置の長期使用を考えると加工治具１３と加工台１２が接触する直前で加工治具１３の押圧を止めるのが好ましく、金属部品１５と被加工金属材１１は薄い被加工金属材で繋がった状態で塑性流動を利用した加工が終了する。従って、最後に金属部品１５と被加工金属材１１から分離する作業が必要になる（図２の工程Ｅ）。
【００２０】
塑性流動によって開孔１３ｂの形状に沿った金属部品が形成される理由を図３を用いて説明する。図３は図１（ｂ）を説明の都合上誇張拡大して示したもので、被加工金属材１１の加工治具１３の先端部１３ａが当接している領域１１ａの表面付近が超塑性的現象を発現して塑性流動を黒矢印方向に生じている状態を示している。一方、攪拌が生じない領域１１ａの表面から離れた下方部分は摩擦熱による温度上昇により変形抵抗が低下しており、加工治具１３による押圧力により塑性流動を白矢印方向に生じる（通常の熱間成形に近い）。超塑性的現象を発現している被加工金属材１１の領域１１ａは、その側方が超塑性的現象を発現していない周囲領域１１ｂによって包囲されて白矢印Ｙ１２方向に押圧され、上方は加工治具１３の先端部１３ａ及び保持治具１４によって白矢印Ｙ１３及びＹ１４方向に押圧されており、黒矢印Ｙ１１ａ及び白矢印Ｙ１２ａ方向に押され、黒矢印Ｙ１１ｂ及び白矢印Ｙ１２ｂで示す加工治具１３の開孔１３ｂ方向が唯一の流動方向になる。加工治具１３による摩擦攪拌が継続されている時間に比例して開孔１３ｂへの流動は続き、開孔１３ｂが被加工金属材１１で充填される。従って、開孔１３ｂを金型とした塑性流動により金属部品が得られる。
【００２１】
被加工金属材表面に塑性流動によって突起を形成する場合、突起の裏面側にヒケと称する窪みが形成されるが、金属部品を製造する場合は加工治具１３を加工台１２に出来る限り接近させて被加工金属材と金属部品を分離可能にするためヒケの発生はなくなる。
【００２２】
本発明金属部品の製造方法において重要な事項は、加工条件の設定である。マグネシウム、マグネシウム系合金、アルミニウム、アルミニウム系合金を被加工金属材とし室温で加工する場合、加工治具の回転数は２００〜２００００ｒｐｍ、好ましくは５００〜５０００ｒｐｍ、押し込み圧力は５０ｋｇ／ｃｍ２以上が好ましい。
【００２３】
図４を用いて本発明金属部品の製造方法によって製造した金属部品の機械的特性が優れている点を説明する。被加工金属材１１の加工治具１３によって摩擦攪拌された領域は微細化（動的再結晶等の発現）される。微細化された領域は高温で変形抵抗が低下するなどにより塑性変形が容易となり、超塑性的現象を発現して塑性流動が生じ、加工治具１３の開孔１３ｂ内に流れ込み金属部品１５を形成する。図４の表面近傍領域１５ａは摩擦攪拌によって微細化された組織を有する領域となっている。本発明の方法で金属部品を製造すると、微細化された組織が金属部品の略全周にわたって存在しているため、機械的強度の向上が図れる。
【００２４】
図５は本発明金属部品の製造方法で製造した金属部品の組織状態を示す顕微鏡写真で、図４の○印の部分を示している。写真から明らかなように表面近傍領域の組織が他に比較して微細化されていることが判る。
【００２５】
図６に本発明金属部品の製造方法によって製造した金属部品の機械的強度を計測した結果を示す。試験機はテスター産業株式会社のアイゾット型衝撃試験装置（ＷＲ＝３ｋｇ・ｍ）を用い、室温（２０℃）にて同一条件で金属部品を形成した試料を各３個づつ準備して計測した。図の縦軸は衝撃値、横軸はマグネシウム合金の種類を示す。図中の点線及び一点鎖線はＡＺ３１及びＺＫ６０Ａの各素材の衝撃値を示す。試験片は板厚２ｍｍのＡＺ３１板材（ＡＺ３１ｔ２）及び板厚３ｍｍのＡＺ３１板材（ＡＺ３１ｔ３）並びに板厚３．１ｍｍのＺＫ６０Ａ板材に本発明方法により径小部の直径３ｍｍ、高さ約４ｍｍ、径大分の直径６ｍｍ、高さ４ｍｍの図４に示す金属部品を形成している。図６から解るように、本発明方法によって形成した金属部品の衝撃値はいずれも素材より大きい値を示している。これは、金属部品の表面近傍領域の略全面にわたって微細組織が形成されていること、及び表面近傍領域以外の領域が摩擦熱により結晶成長していることに起因している。
【実施例２】
【００２６】
図７は本発明金属部品の製造方法により径大頭部を有する金属部品を製造する一実施例を示す概略図である。図７において、１１は金属部品の材料になる板状の被加工金属材、１２は被加工金属材１１を載置固定する加工台、１３は先端部１３ａに金属部品の外形形状をなす開孔１３ｂを有する断面が円形の加工治具で、図１と同じ部分には同じ符号を付してある。加工台１２には開孔１３ｂに対向する位置に開孔１３ｂの径より大きい径を有する円形の凹部１２ａが形成されている。ピンを製造する際には、加工台１２上に被加工金属材１１を載置固定し、その表面に加工治具１３を押圧しながら回転させればよい。これによって、被加工金属材１１が超塑性的現象を発現又は摩擦熱による温度上昇により変形抵抗が低下して加工治具１３の開孔１３ｂ内及び加工台１２の凹部１２ａ内へ塑性流動して、開孔１３ｂ及び凹部１２ａを金型とする図８に示す径大頭部を有するピン１５１が形成される。図８の（ａ）は金属部品に正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は底面図である。ピン１５１は加工治具１３の開孔１３ｂで形成される径小の支軸部１５１ａと加工台１２の凹部１２ａで形成される径大頭部１５１ｂからなり、図では径大頭部１５１ｂの球面部に＋形状の溝１５１ｂ１を形成している。溝形状は＋に限らず、必要に応じて−形状、円形状にしてもよし、溝を形成しなくてもよい。
【実施例３】
【００２７】
図９は本発明金属部品の製造方法により径大頭部を有する金属部品を製造する一実施例を示す概略図である。図９において、図７と相違する点は加工治具１３の開孔１３ｂ及び加工台１２の凹部１２ａの形状である。即ち、加工治具１３の開孔１３ｂは開口部に位置する径大部１３ｂ１と奥に位置する径小部１３ｂ２からなっており、加工台１２の凹部１２ａは加工治具１３の径大部１３ｂ１の径と同じ長さの辺を持つ正方形断面を有し、底面に円形突起１２ａ１を有している。このような加工治具１３及び加工台１２の間に被加工金属材１１を挟み、加工治具１３を被加工金属材１１側に押圧しながら回転して加工すると図１０に示す径大頭部を有するピン１５２が形成される。図１０の（ａ）は金属部品に正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は底面図である。ピン１５２は加工治具１３の開孔１３ｂの径小部１３ｂ２で形成される径小の支軸部１５２ａと、径大部１３ｂ１で形成される断面円形を有する頭部１５２ｂ及び加工台１２の凹部１２ａで形成される頭部１５２ｂ断面の円形が内接する正方形断面を有する径大頭部からなっている。１５２ｄは径大頭部１５２ｃの頭部平面に設けられた円形凹部で、図８で述べたようにこの形状に限定するものでない。
【実施例４】
【００２８】
図１１は本発明金属部品の製造方法により中間に径大部を有する金属部品を製造する一実施例を示す概略図である。図１１において、加工治具１３の開孔１３ｂは開口端から奥に向かって順次径が小さくなる３個の断面円形孔部１３ｂ３、１３ｂ４、１３ｂ５を有し、加工台１２の凹部１２ａは開口側に加工治具１３の開孔１３ｂは開口端と同じ径の略半球状部１２ａ1と奥にそれより径小の断面円形孔部１２ａ２を有している。このような加工治具１３及び加工台１２の間に被加工金属材１１を挟み、被加工金属材１１側に押圧しながら互いに反対方向に回転することにより図１２に示す中間に径大部を有するピン１５３が形成される。図１２の（ａ）は金属部品に正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は底面図である。ピン１５３は両端に径小の支軸部１５３ａ、１５３ｄの間に径大部１５３ｂ、１５３ｃを有している。
【実施例５】
【００２９】
図１３は本発明金属部品の製造方法により軸方向に貫通孔を有する金属部品を製造する一実施例を示す概略図である。図１３において、加工治具１３の開孔１３ｂ内に底部から開口端に達するピン１３ｃが形成されている点が特徴である。開孔１３ｂの形状は図示したもので、これに限定されるものではない。このような加工治具１３及び加工台１２の間に被加工金属材１１を挟み、被加工金属材１１側に押圧しながら互いに反対方向に回転することにより図１４に示す軸方向に貫通孔１５４ａを有するピン１５４を形成することができる。図１４の（ａ）は金属部品の正面図、（ｂ）は平面図である。この実施例において、ピン１３ｃの長さを開口端に達しないように短くすれば、貫通孔でなく有底の孔を有する金属部品を形成することができる。
【実施例６】
【００３０】
図１５は棒状の被加工金属材１１１を用いて金属部品を製造する方法を本発明金属部品の製造方法の別の実施例を示す概略図である。図１５に示すように、加工治具１３の開孔１３ｂの開口端より径小の直径を有する棒状の被加工金属材１１１を準備し、これを加工治具１３の開孔１３ｂの方向（黒矢印）に押圧しながら回転して、発生する摩擦熱を利用して被加工金属材１１１を塑性流動により開孔１３ｂを充填することを特徴としている。開孔１３ｂが被加工金属材１１１を充填した時点で被加工金属材１１１の回転を止め、白矢印の位置で例えばバイトにより被加工金属材１１１を開孔１３ｂ内に位置する部分とそれ以外の部分を切り離す。この場合、加工治具１３を被加工金属材１１１と反対方向に回転してもよい。図１５では棒状の被加工金属材１１１の軸を水平にした状態を示しているが、これに限定されることなく、棒状の被加工金属材１１１の軸を垂直にしてもよい。棒状の被加工金属材１１１の軸を垂直にする場合、加工治具１３を下方に配置して押圧方向を上から下方向きにするのが被加工金属材１１１の塑性流動をスムーズに出来るので好ましい。
【実施例７】
【００３１】
図１６は短小棒状の被加工金属材１１２（ビレット）を用いて金属部品を製造する方法を本発明金属部品の製造方法の異なる実施例を示す概略図である。図１６に示すように、金属部品即ち加工治具１３の開孔１３ｂの容積と加工台１２の凹部１２ａの容積の総和と略同一体積を有し、加工治具１３の開孔１３ｂの開口端より径小の直径を有する短小棒状の被加工金属材１１２を準備し、これを加工治具１３の開孔１３ｂ及び加工台１２の凹部１２ａに装着して押圧しながら回転することを特徴としている。初期状態ではを加工治具１３と加工台１２は離れているが、摩擦熱を利用して被加工金属材１１２の塑性流動が進むに従って両者の間隔は小さくなり、最終的には接する直前になり、図１７に示す金属部品１５５が得られる。図１７の（ａ）は金属部品の正面図、（ｂ）は平面図である。この方法によれば、バイトによる切り離し作業が不要になる。
【実施例８】
【００３２】
図１８は本発明金属部品製造装置の一実施例を示す概略図である。図１８の（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。図１８において、５１は装置を設置する基台、５２は基台５１に固定されたフレーム、５３はフレーム５２に水平面でＸＹ方向に移動可能に支持されたワーク保持ヘッド、５３１はワーク保持ヘッド５３の表面付近に埋設された温度・圧力センサー、５４はワーク保持ヘッド５３を上下方向に移動する駆動軸で図示せぬ駆動モータで駆動される。５５はワーク保持ヘッド５３に支持された必要に応じて凹部を形成したワークホルダー、５６は図１に示す加工治具１３と保持具１４からなる回転ツール、５７は回転ツール５６を保持するツールホルダー、５８はツールホルダー５７を支持すると共にツールホルダー５７を上下方向に移動するツールホルダー駆動モータ、５８１はツールホルダー駆動モータに支持された定速度・低荷重制御装置、５９はフレーム５２に支持され、ツールホルダー駆動モータ５８を支持し、回転ツール５６を回転駆動するツール回転モータである。回転ツール５６は図１の加工治具１３のみであってもよい。ワークホルダー５７を回転可能にしてもよい。
【００３３】
かかる構成の金属部品製造装置を用いて金属部品を製造する場合には、ワークホルダー５５上に被加工金属材を載置固定し、ワーク保持ヘッド５３をＸＹ方向に移動して被加工金属材の表面の決められた位置を回転ツール５６に対向させる。次にツール回転モータ５９によって回転ツール５６を回転しながらツールホルダー駆動モータ５８によってツールホルダー５７を下方に移動して、回転ツール５６を金属部材表面に所定圧力で接触させる。これによって摩擦熱により金属部材の表面に塑性流動を生じさせて回転ツールに形成された開孔を金型とする金属部品が形成される。金属部品が形成されるとツールホルダー駆動モータ５８によってツールホルダー５７を上方に移動させて回転ツール５６をワークホルダーから離間し、ツール回転モータ５９を停止して回転ツール５６を停止する。
【００３４】
回転ツール５６を所定圧力で金属部材表面に接触させるための制御方法として圧力制御と位置制御が利用できる。圧力制御は一定荷重負荷により安定したピンの寸法制御が可能になる利点があるが、システム構成が複雑になる欠点がある。具体的には、ひずみゲージ及びロードセルをステージ及び回転軸に装着することによって実現する。また、熱影響により金属部品成形時の負荷荷重の変化が考えられ、この対策が必要である。位置制御はステージ及び回転軸をサーボモーター等で制御することで実現でき、制御が比較的容易である利点を持っている。しかし、提供される被加工材の板厚が均一でないと、金属部品寸法精度が低下する欠点がある。その解決策としては、レーザー変位計により常に板厚管理を行って、部品製造ごとに調整する方法がある。
【実施例９】
【００３５】
図１９は本発明金属部品製造装置の別の実施例を示す概略図である。図１９の（ａ）は加工治具１３の先端部１３ａの周辺部に突起１３ａ１及び加工台１２の表面の突起１３ａ１に対向する個所に突起１３ａ１を受け入れる凹部１２ｂ１を形成した例を、（ｂ）は加工治具１３の先端部１３ａの面が中心部から周辺部に向かって保持台１４側に傾斜する形状にし、保持具１４表面には加工治具１３の先端部１３ａの面に対向する個所に中心部から周辺に向かって深さが大きくなる凹部１２ｂ２を形成した例を示している。これらの形状にすることにより、加工治具１３の先端部１３ａの押圧・回転によって変形抵抗が低下した被加工金属材が塑性流動の方向が突起１３ａ１によって開孔１３ｂに向かう方向に制限され、開孔１３ｂの充填をスムーズに行うことが出来る。
【実施例１０】
【００３６】
図２０は本発明金属部品製造装置の異なる実施例を示す概略図である。図２０の（ａ）は加工治具１３の開孔１３ｂの底部付近にガス抜き通路１３ｄを形成した例を、図２０の（ｂ）は加工治具１３の開孔１３ｂに存在する角部にＲ（湾曲）部１３ｂ１を形成した例を、図２０の（ｃ）は加工治具１３の開孔１３ｂに存在する角部に角落とし部１３ｂ２を形成した例をそれぞれ示している。被加工金属材の塑性流動は加工治具１３の開孔１３ｂの壁面に沿って進行するので、壁面に角部が存在すると塑性流動が妨げられ、金属部品の製造に時間を要するか又は開孔１３ｂ形状に沿った形状の金属部品が得られないおそれがあるが、これら実施例によりこのようなおそれはなくなる。
【００３７】
本発明金属部品の製造方法及び金属部品製造装置並びにそれによって製造された金属部品は、実施例で説明された方法及び構成に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１５…金属部品、１１…被加工金属材、１２…加工台、１３…加工治具、１２ａ…凹部、１３ｂ…開孔。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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