(57)【要約】 【課題】複数の軸状の金属部材を同種あるいは異種金属の板状部材とを固定するに際し、板材に形成する穴や孔のはめあい寸法を設計する必要がある点、板材に穴や孔を予備加工を要する点、安価で大量に作成することができない点を解消する。【解決手段】本発明の金属部材の固定方法は、軟化する温度に加熱した板状の一方部材と常温の軸状の他方部材とを押し込むようにした。【効果】加熱により軟化した一方部材と常温の他方部材との間では硬度差が生じている。他方部材は、一方部材からの熱が伝達されないように押し込まれ、押し込み時に一方部材を剪断し、このとき剪断された新生面における摩擦熱と一方部材の熱によって他方部材との間で焼付きが生じる。そして、一方部材の温度が下がると熱収縮して他方部材が一方部材内で締め付けられる。したがって、一方部材と他方部材とは強固に固定される。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属部材を固定する方法であって、板状の一方部材を軟化する温度に加熱し、この一方部材に対し、常温とされた軸状の他方部材を押し込むことを特徴とする金属部材の固定方法。
【請求項２】
板状の一方部材を加圧した状態で軸状の他方部材を押し込むことを特徴とする請求項１記載の金属部材の固定方法。
【請求項３】
軸回転に対して板状の一方部材と係合する係合部を形成した軸状の他方部材を、板状の一方部材へ押し込むことを特徴とする請求項１又は２記載の金属部材の固定方法。
【請求項４】
板状の一方部材と軸状の他方部材とを、請求項１〜３のいずれかの方法により固定して作成したことを特徴とするフランジ付軸部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属部材を簡単でかつ強固に固定する方法及びその方法によって得たフランジ付軸部材に関する。
なお、本願において、「金属」とは、鉄や非鉄などあらゆる種類を含む広義の意味で用いることとする。
【背景技術】
【０００２】
例えば、棒材の外面を囲んで該棒材の長さ方向に対して平行ではない面（フランジ）を有する部材を金属製の棒材と板材とから作成する際、該棒材と板材とを強固に固定するには以下の手法が知られている。
【０００３】
板材に棒材が嵌められる穴（有底）又は孔（貫通）を形成し、板材を膨張し得る温度まで加熱して常温の棒材を嵌めて、板材の常温に戻る際の収縮作用で棒材を締め付けて固定するいわゆる焼嵌め。
【０００４】
焼嵌めの逆で、棒材を収縮し得る温度まで冷却して常温の板材の穴又は孔に嵌めて、棒材が常温に戻る際の膨張作用で板材との相対的な締め付けで固定するいわゆる冷嵌め。
【０００５】
また、超塑性変形に必要とされる最低温度以上に両部材を加熱し、部材同士の境界面を塑性変形させつつ融接して一体化する以下の特許文献１が特許となっている。
【特許文献１】特許登録第２９８０６６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の焼嵌めや冷嵌め及び上記特許文献１は、いずれも予め棒材が嵌められる穴や孔が形成されている必要があり、この予備加工が手間となるほか、膨張又は収縮を計算してはめあい寸法を設計する必要がある。したがって工数が多く、効率が悪いので安価でかつ大量に作成することができない。
【０００７】
また、特許文献１は、部材同士を融接して一体化するので、部材を双方共に超塑性変形に必要とされる最低温度以上に加熱しなくてはならない。したがって冶金学的な知識や設備が必要とされ、機械的に固定するほどは簡単ではなく、よって効率も悪く安価で大量に作成できない。
【０００８】
本発明が解決しようとする問題点は、板材に形成した穴や孔のはめあい寸法を設計する必要がある点、板材に穴や孔を形成しておく必要がある点、簡単で強固な固定ができないことから安価で大量に作成することができない点、である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記した問題点を解消するために、本発明は、一方部材を軟化する温度に加熱し、この一方部材に対し常温とされた他方部材を押し込むこととした。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る金属部材の固定方法は、一方の金属材について、軟化する温度に加熱する必要があるが、穴や孔を予備的に加工しておく必要がない。
【００１１】
また、本発明に係る金属部材の固定方法は、他方の金属材について、加熱も予備的加工も要しないと共に、一方の金属材が軟化により変形しやすくなっているので他方の金属材を一方の金属材へ押し込む際の荷重を小さくすることができる。
【００１２】
したがって、本発明に係る金属部材の固定方法は、必要に応じて異なる複数の金属部材を少ない工数で簡単かつ強固に固定させることができ、また、高効率で大量生産が可能となって完成品のコストダウンを図ることができる。
【００１３】
そして、前記、本発明に係る金属部材の固定方法により作成された、板状の一方の金属材の厚みに対して軸状の他方の金属材が貫通又は途中まで達したフランジ付軸部材は、前記の手法によって作成されているので、軸状の他方の金属材が板状の一方の金属材から抜けにくく、かつ軸回転しにくくなり、機械的強度に優れたものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、例えば、金属製の軸状部材（他方部材：以下、軸材という）と同じく金属製の板状部材（一方部材：以下、板材という）とから、板材によるフランジを有する軸材（以下、フランジ付軸部材という）を作成する場合、以下のように実施する。
【００１５】
なお、軸材とは、本例では説明上、円柱で軸方向に長い材料とするが、断面形状はこれに限定されず（軸方向に）細長い材料という意味である。また、板材とは、本例では、説明上、円形の平板とするが、外形形状及び厚さ分布はこれに限定されない。
【００１６】
まず、板材を軟化する温度まで加熱する。なお、板材については、例えば熱間鍛造で作成される場合は、鍛造後に改めて加熱しなくても、鍛造後で高温状態にある板材を用いても構わない。
【００１７】
また、軟化する温度とは、板材自身については常温時より変形しやすくなる状態の温度を意味し、また、軸材に対しては該軸材の方が硬く、軸材を押し込んだときに該軸材が挿入又は貫通できる硬度差を生じる程度に板材が軟化する温度を意味する。具体的には、板材の加熱時の強度が軸材の室温での強度の１／２〜１／３まで軟化すればよい。
【００１８】
さらに、軟化する温度とは、当然軟化する温度に加熱すれば熱膨張が生じるが、十分な熱膨張が生じ得る温度を意味する。ただし、軟化する温度という意味には、板材が液相になって流動する温度は含まない。
【００１９】
この理由は、本願の金属材料の固定方法は、あくまで固相にある既に作成済みの金属部材同士を機械的に、例えば既存のプレス装置などを用いて極めて容易でありながら強固に固定する点に特化しているからである。
【００２０】
ここで、加熱するのは必ず一方部材（板材）であり、他方部材（軸材）は常温とする。また、加熱温度は、板材の金属種によって各々異なるので一様に決められないが、前記した条件を満たせば、それ以上の高温に加熱しなくてよい。
【００２１】
本発明は、上記したように金属部材同士を「一体的に融接」するものではないから板材と軸材の両方を加熱する必要はなく、むしろ軸材については加熱しない方が望ましい（理由は後述）。
【００２２】
続いて、板材をプレス装置の下型に配置する。下型は、軸材を板材の厚さの途中まで押し込む場合、板材の表裏面を貫通するように押し込む場合、いずれにしても板材において軸材が押し込まれる側の面の反対面が対向する面に、軸材により押し出される板材を受ける穴（孔でもよい）を形成しておくことが望ましい。
【００２３】
この理由は、下型に穴を形成していないと、板材が軸材の押し込み箇所を中心に窪む（ひずむ）からである。つまり板材における軸材の押し込み部分が板材の面方向に移動して平坦度が損なわれるからである。
【００２４】
そして、常温の軸材をプレス装置の上型に配置するが、このとき軸材は板材に対する押し込み位置に位置決めしておく。また、特に軸材は、軸方向における板材への押し込み部位から反対側に離れた箇所を上型で把持すると、押し込み時に座屈変形する可能性がある。したがって、上型は、軸材において押し込み部位の直上部位を把持すればよい。
【００２５】
そして、プレス装置により、本例の場合は例えば軸材を板材に対して押し込む。もちろん板材を軸材に押し込んでもよいし、両者を互いに押し込んでも構わない。このとき、本発明で言う押し込むとは、次の条件を満たしていることを意味する。
【００２６】
まず、加熱した板材に対し軸材を時間をかけて板材へ押し込むと、軸材が板材からの熱伝達によって加熱されて軟化し、塑性変形して押し込むことができない可能性がある。また、軸材に板材からの熱が伝達されないとしても、軸材は、加熱により軟化した板材に対して高強度の工具のように作用して、板材を厚み方向に打ち抜くような変形を生じさせなければならない。
【００２７】
板材が打ち抜かれるように軸材を押し込む理由は次の通りである。板材は、剪断変形を生じて、下型に設けられた穴に押し出される。剪断により生じた板材の新生面と、押し込まれた板材表面との界面では加熱状態にある板材の温度と摩擦熱により軸材と板材との焼付きが生じる。この現象が、軸材と板材を強固に固定する原理の一つだからである。
【００２８】
したがって、本発明で言う押し込むとは、板材からの熱が軸材に伝達しないこと、及び板材からの熱が押し込んだときに板材との摩擦熱により焼付きが生じること、の条件を満たしていることを意味する。
【００２９】
軸材を板材に押し込んだ後、自然冷却する。板材は、先の加熱により膨張しているから、常温への冷却が進行に伴って収縮する。このとき、既に上記焼付きで軸材と板材は固定されているうえに、板材の冷却により軸材は板材の収縮による締め付けでさらに強固に固定される。この現象が、軸材と板材を強固に固定する原理のもう一つである。
【００３０】
このようにすることで、板材と軸材とから、これら両者を簡単で強固に固定したフランジ付軸部材を得ることができる。また、板材に複数の軸材を押し込んでもよいし、板材と軸材が異種金属であっても構わない。つまり、本発明は、異種金属であっても簡単かつ強固に固定できるということである。
【００３１】
また、上記した本発明の金属部材の固定方法において、さらに効果的に板材と軸材とを固定するためには、板状の一方部材を加圧した状態で軸状の他方部材を押し込めばよい。
【００３２】
具体的には、上記した例を用いて説明すると、プレス装置の板材を配置した下型と軸材を配置した上型との間、つまり板材の上面に押圧板を配置して、この押圧板より板材を下型に向けて圧力をかける。もちろん押圧板には軸材が挿通する孔が形成されている。
【００３３】
そして、板材を加圧した状態で軸材を押し込むことで、板材において軸材によって押し出される部分に板材の他の部分が侵入するから、軸材に対する板材の密着度が増し、その結果、板材を加圧しない上記の例に較べて引き抜き荷重が向上する。
【００３４】
さらに、上記したいずれかの本発明の金属部材の固定方法において、軸回転に対して板状の一方部材と係合する係合部を形成した軸状の他方部材を板材へ押し込むことで、さらに効果的に板材と軸材とを固定することができると共に、板材に対する軸材の軸回転を確実に防止できる。
【００３５】
すなわち、例えば軸材の側周面に軸方向にセレーションやスプラインを形成して係合部を設けておけば、押し込んだ際の板材に対する接触面積が増えるから引き抜き荷重を増加させることができると共に、この係合部が軸回転に対して板材に係合するから軸材の回転荷重を増加させることができる。
【００３６】
なお、係合部は、軸材において予定する押し込み部位にのみ形成しておいてもよいし、全体に形成してあっても構わない。また、軸材を押し込む際に別途係合部を形成しても構わないし、係合部を形成した軸材を用いても構わない。
【００３７】
このように作成されたフランジ付軸部材は、作成が容易であることは上記した通りであるが、製品としては、軸材の板材に対する引き抜き荷重、及び軸回転の荷重が、共に増加しているので、過酷な使用状況下においても強固な固定状態を実現できる。
【実施例】
【００３８】
以下、本発明に係る金属部材の固定方法について、その効果を確認するために行った実験について説明する。
【００３９】
（実験１）
実験１は、円盤状の板材と軸材の２部材から、軸材が板材を貫通したフランジ付軸部材を作成する際の１）工数及び２）放置するまでの実質的な作成時間と、作成後のフランジ付軸部材からの軸材の３）引き抜き荷重について比較した。
【００４０】
本発明の金属部材の固定方法（実施例１）とそうでない金属部材の固定方法（比較例１〜３）において板材と軸材は、共通の仕様とした。
板材：直径は４８ｍｍ、厚みは８ｍｍ、金属種はＪＩＳ  Ｓ４５Ｃである。
軸材：直径は８ｍｍ、長さは６０ｍｍ、金属種はＪＩＳ  ＳＣＭ４３５である。
フランジ付軸部材は、軸材の軸方向中央に板材の厚み中央が位置する。
【００４１】
（実施例１）
板材を１０００℃（当該金属種において変形しやすくなる程度に軟化する温度）まで加熱し、機械プレス装置により、軸材を約１００ｍｍ／秒の速度で軸方向中央が板材の厚み中央に位置するまで一気に押し込んだ。その後、５分、常温で放置して、フランジ付軸部材を得た。
【００４２】
（比較例１）
板材を１０００℃（当該金属種において変形しやすくなる程度に軟化する温度）まで加熱し、油圧プレス装置により、軸材を１分かけて圧入しようとしたが、軸材が板材からの熱伝導で軟化して変形して、板材を貫通せず、フランジ付軸部材を得ることができなかった。
【００４３】
（比較例２）
板材を８００℃まで加熱し、機械プレス装置により、軸材を１００ｍｍ／秒の速度で軸材を衝突させたが、板材が軟化していないため、板材を貫通せず、フランジ付軸部材を得ることができなかった。
【００４４】
（比較例３）
板材に直径７．８ｍｍの孔を形成し、その後、板材を５００℃（熱膨張する温度）まで加熱し、前記孔に軸材を挿通した。その後、５分、常温で放置して、フランジ付軸部材を得た。
【００４５】
１）工数
実施例１及び比較例１，２は、加熱、押し込み（比較例１は圧入、比較例２は衝突）、放置、の３工数であった。
比較例１，２は、圧入、衝突の工程で加工不可能であった。
比較例３は、板材の予備加工、加熱、挿通、放置の、４工数であった。
したがって、実施例１は、比較例３よりも効率がよく、比較例１，２より確実にフランジ付軸部材を作成できることが判明した。
【００４６】
２）作成時間（放置時間除く）
実施例１は、加熱において時間を要したのみで５分であった。
比較例１，２は、フランジ付軸部材が作成されなかったので計測不可能であった。
比較例３は、本発明方法に較べ、予備加工を要したので１５分であった。
したがって、実施例１は、比較例３よりも短時間で、比較例１，２より確実にフランジ付軸部材を作成できることが判明した。
【００４７】
３）引き抜き荷重
実施例１によって得たフランジ付軸部材の軸材の引き抜き荷重は３．３ｔであった。
比較例３によって得たフランジ付軸部材の軸材の引き抜き荷重は０．１ｔであった。
したがって、実施例１は、比較例３より強固な引き抜き荷重のフランジ付軸部材を作成できることが判明した。
【００４８】
（実験２）
実験２は、円盤状の板材と軸材の２部材から、軸材が板材を貫通したフランジ付軸部材を作成する際に、板材を加圧した状態で軸材を押し込む場合（実施例２）と、板材を加圧しないで軸材を押し込む実施例１に相当する場合（比較例４）とについて、４）引き抜き荷重について比較した。
【００４９】
実施例２と比較例４において板材と軸材は、共通の仕様とした。
板材：直径は４８ｍｍ、厚みは８ｍｍ、金属種はＪＩＳ  Ｓ４５Ｃである。
軸材：直径は１６ｍｍ、長さは６０ｍｍ、金属種はＪＩＳ  ＳＣＭ４３５である。
フランジ付軸部材は、軸材の軸方向中央に板材の厚み中央が位置する。
【００５０】
（実施例２）
板材を９２５℃（当該金属種において変形しやすくなる程度に軟化する温度）まで加熱し、その後、板材を加圧した状態で、油圧プレス装置により軸材を約２０ｍｍ／秒の速度で軸方向中央が板材の厚み中央に位置するまで一気に押し込んだ。その後、５分、常温で放置して、フランジ付軸部材を得た。なお、実施例２は、フランジ付軸部材を作成する毎に、板材の加圧力を、５ｔ、８．５ｔ、１５．６ｔに分けて、各々測定した。
【００５１】
（比較例４）
板材を９２５℃（当該金属種において変形しやすくなる程度に軟化する温度）まで加熱し、油圧プレス装置により、軸材を約２０ｍｍ／秒の速度で軸方向中央が板材の厚み中央に位置するまで一気に押し込んだ。その後、５分常温で放置して、フランジ付軸部材を得た。
【００５２】
４）引き抜き荷重
実施例２において、５ｔで板材を加圧しつつ軸材を押し込んだ場合の引き抜き荷重は、１．８ｔ、８．５ｔの場合は２．４ｔ、１５．６ｔの場合は６ｔであった。
比較例４は、引き抜き荷重が０．８ｔであった。
したがって、実施例２は、５ｔ、８．５ｔ、１５．６ｔの順に、比較例４に対してそれぞれ約２倍、約３倍、約７倍、に引き抜き荷重が向上したことが判明した。
【００５３】
（実験３）
実験３は、円盤状の板材と軸材の２部材から、軸材が板材を貫通したフランジ付軸部材を作成する際に、大径部が下記の通り２１．５ｍｍ、小径部（溝）が１８．３ｍｍ、溝数が１６で、大径部及び小径部の平坦部の幅が１．９ｍｍ、溝の角度１７°とされたスプライン（係合部）を形成した軸材を押し込む場合（実施例３）と、係合部を形成していない軸材を押し込む実施例１に相当する場合（比較例５）とについて、５）引き抜き荷重について比較した。
【００５４】
実施例３と比較例５において板材と軸材は、共通の仕様とした。
板材：直径は１１０ｍｍ、厚みは２０ｍｍ、金属種はＪＩＳ  ＳＵＪ２である。
軸材：直径は２１．５ｍｍ、長さは５２ｍｍ、金属種はＪＩＳ  Ｓ４５Ｃである。
フランジ付軸部材は、軸材の軸方向中央に板材の厚み中央が位置する。
【００５５】
（実施例３）
板材を１１００℃（当該金属種において変形しやすくなる程度に軟化する温度）まで加熱し、機械プレス装置により、予め係合部を形成しておいた軸材を約２７０ｍｍ／秒の速度で軸方向中央が板材の厚み中央に位置するまで一気に押し込んだ。その後、５分、常温で放置して、フランジ付軸部材を得た。
【００５６】
（比較例５）
板材を１１００℃（当該金属種において変形しやすくなる程度に軟化する温度）まで加熱し、機械プレス装置により、係合部が形成されていない軸材を約２７０ｍｍ／秒の速度で軸方向中央が板材の厚み中央に位置するまで一気に押し込んだ。その後、５分、常温で放置して、フランジ付軸部材を得た。
【００５７】
５）引き抜き荷重
実施例３は引き抜き荷重が９．８ｔであった。
比較例５は７．４ｔであった。
したがって、実施例３は、比較例５に対して約３０％、引き抜き荷重が増加したことが判明した。
【００５８】
なお、実験例は記載しないが、板材を加圧しつつ、予め係合部を形成した軸材を板材に対して押し込むことで、実施例１〜３に較べてさらに引き抜き荷重を増加させることができた。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
軸材と板材を固定する例で説明したが、一方部材と他方部材の複数部材において、他方部材は、一方部材との押し込み時に塑性変形や座屈を生じないならば特に限定されず、また、一方部材は、加熱時の強度が他方部材の室温強度の１／２〜１／３となるまで軟化するならば特に限定されず、全体形状、金属種に限定されず、幅広く適用できる。
【００６０】
さらに、一方部材と他方部材の相対的な押し込みは、加熱した一方部材の熱が、常温の他方部材に伝達しないと共に、押し込んだときに一方及び他方部材との間で生じる摩擦熱と一方部材の熱により焼付きが生じるならば、特に限定しない。