(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
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【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】
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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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