(57)【要約】【課題】異なる熱容量を有する接合部材同士を接合する場合に、十分な接合品質を確保することのできる摩擦圧接方法を提供する。【解決手段】異なる熱容量を有するアクスル１０とスピンドル２０同士をインサート部材３３によって同一の回転数で摩擦しても、スピンドル２０側を温度調整することによって、アクスル１０の突き合わせ面１２とスピンドル２０の突き合わせ面２５との間の温度に差が生じることを防止する。その結果、接合後の冷却段階において、接合部分に応力が残留することを防止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに熱容量が異なる一の接合部材と他接合部材との突き合せ部分を回転によって発熱する摩擦熱を用いて接合する摩擦圧接方法であって、
前記接合部材の少なくとも一方の温度を温度調整手段によって調整しながら回転体を回転させることを特徴とする摩擦圧接方法。
【請求項２】
前記突き合せ部分に回転体として円板状のインサート部材を配置することを特徴とする請求項１記載の摩擦圧接方法。
【請求項３】
前記温度調整手段は、熱容量が小さい方の前記接合部材の外周面を冷却する冷却手段であることを特徴とする請求項１又は２記載の摩擦圧接方法。
【請求項４】
前記温度調整手段は、熱容量が大きい方の前記接合部材の外周面を加熱する加熱手段であることを特徴とする請求項１又は２記載の摩擦圧接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一の接合部材の端部と、他の接合部材の端部との突き合せ部分を、回転によって発生する摩擦熱を用いて接合する摩擦圧接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の摩擦圧接方法として、一の円柱状の接合部材の端部と、他の円柱状の接合部材の端部との突き合せ部分に円板状の回転体を配置し、当該回転体を回転させることによって発生する摩擦熱を用いて、接合部材同士を接合するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−２２４８５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述した摩擦圧接方法にあっては、同一の摩擦熱を発生させた場合、熱容量が小さい接合部材ほど温度が高くなるため、異なる熱容量を有する接合部材同士を同一の回転数で摩擦すると、一方側の温度が高くなり、突き合せ部分において接合部材間の温度に差が生じる。そして、接合部材間の温度に差がある状態で接合させた場合、接合後の冷却段階において、接合部分に応力が残留してしまう場合があった。このような残留応力は、接合部材の接合品質に影響を与えると考えられる。
【０００４】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、異なる熱容量を有する接合部材同士を接合する場合に、十分な接合品質を確保することのできる摩擦圧接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】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明に係る摩擦圧接方法は、互いに熱容量が異なる一の接合部材と他接合部材との突き合せ部分を回転によって発熱する摩擦熱を用いて接合する摩擦圧接方法であって、接合部材の少なくとも一方の温度を温度調整手段によって調整しながら回転体を回転させることを特徴とする。
【０００６】
このような摩擦圧接方法によれば、異なる熱容量を有する接合部材同士を同一の回転数で摩擦しても、接合部材の一方側を温度調整することによって、突き合せ部分における接合部材間の温度に差が生じることを防止することができる。その結果、接合後の冷却段階において、接合部分に応力が残留することを防止でき、これによって、異なる熱容量を有する接合部材同士を接合する場合に、十分な接合品質を確保することができる。
【０００７】
また、突き合せ部分に回転体として円板状のインサート部材を配置することが好ましい。この場合、いずれの接合部材も回転させることなく、インサート部材のみを回転させることで摩擦熱を発生させることができる。これによって、双方の接合部材を温度調整手段で調整することができ、突き合せ部分における接合部材間の温度に差が生じることを一層効果的に防止することができる。
【０００８】
また、温度調整手段は、熱容量が小さい方の接合部材の外周面を冷却する冷却手段であることが好ましい。この場合、熱容量が小さく、突き合せ部分の温度が高くなり易い方の接合部材の外周面を冷却することによって、外周面と突き合わせ部分との間で熱を伝達させ、突き合せ部分を間接的に冷却することができる。
【０００９】
また、温度調整手段は、熱容量が大きい方の接合部材の外周面を加熱する加熱手段であることが好ましい。この場合、熱容量が大きく、突き合せ部分の温度が低くなり易い方の接合部材の外周面を加熱することによって、外周面と突き合わせ部分との間で熱を伝達させ、突き合せ部分を間接的に加熱することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、異なる熱容量を有する接合部材同士を接合する場合に、十分な接合品質を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本実施形態において、「上」、「下」等の語は、図面に示される状態に基づいており、便宜的なものである。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態に係る摩擦圧接方法によって接合部材が接合される様子を示す斜視図であり、図２は、図１に対応する縦断面図である。本実施形態では、接合部材として、図１及び図２に示すように、鉄道車両で用いられる台車の一部分（図示せず）やトレーラー等のアクスル１０とスピンドル２０を例示する。アクスル１０は、クロムモリブデン鋼からなる全長１８００ｍｍ程度の円筒状の部材であり、外径は１７０ｍｍ程度で、肉厚は１０ｍｍ程度とされている。アクスル１０は端部１１側の端面を突き合せ面（突き合せ部分）１２として、スピンドル２０と突き合せる。
【００１３】
スピンドル２０は、突き合せ方向の逆側へ向かって外径が小さくされた、全長３５０ｍｍ程度の中空の部材であり、アクスル１０と同じくクロムモリブデン鋼からなる。スピンドル２０は、円筒状の大径部２２と、円筒状の小径部２３と、大径部２２及び小径部２３同士を接続する拡大部２４とから構成されており、端部２１側の端面、すなわち大径部２２の端面を突き合せ面（突き合せ部分）２５としてアクスル１０と突き合せる。大径部２２は、アクスル１０の外径と同径とされ、１０ｍｍ程度の肉厚を有する。小径部２３は、８０ｍｍ程度の外形で１０ｍｍ程度の肉厚を有し、大径部２２と同軸に延在する。拡大部２４は、小径部２３から大径部２２へ向かって外径と内径が徐々に拡大するように形成されている。なお、小径部２３の軸方向の長さは、大径部２２及び拡大部２４の軸方向の長さよりも長くされており、大径部２２及び拡大部２４は端部２１側の一部のみに形成されることとなる。
【００１４】
アクスル１０の突き合せ面１２とスピンドル２０の突き合せ面２５は、いずれも同径の円環をなし、互いに形状が一致する。しかし、アクスル１０の全長は、スピンドル２０に比して数倍の大きさとされているため、スピンドル２０の全体としての熱容量はアクスル１０の全体としての熱容量に比して小さくなる。特に、スピンドル２０のうち、アクスル１０と同径の大径部２２が形成されているのは端部２１側の一部のみであり、他の部分は小径部２３で占められているため、突き合せ面付近のみの熱容量について比較した場合であっても、スピンドル２０の熱容量はアクスル１０の熱容量に比して小さくなる。
【００１５】
アクスル１０はホルダ３１で固定され、スピンドル２０は小径部２３においてホルダ３２で固定されている。
【００１６】
アクスル１０の突き合せ面１２とスピンドル２０の突き合せ面２５との間には、板厚１５ｍｍ程度のクロムモリブデン鋼からなる円板状のインサート部材（回転体）３３が配置される。インサート部材３３は、側面がホルダ（不図示）で固定される共に、当該ホルダがベルト等で回転されることによって、中心軸周りに回転可能とされる。インサート部材３３の一方の回転面３３ａはアクスル１０の突き合せ面１２との間で摩擦熱を発生させ、他方の回転面３３ｂはスピンドル２０の突き合せ面２５との間で摩擦熱を発生させる。
【００１７】
スピンドル２０の大径部２２には、外部へ熱を放出してスピンドル２０を冷却するためのヒートシンク（温度調整部材、冷却手段）３４が取り付けられる。ヒートシンク３４は、大径部２２の外周面２７に取り付けられた取付板３６と、取付板３６に設けられた複数の放熱板３７から構成される。取付板３６は、大径部２２の外周面２７の径に合わせて曲げられている。放熱板３７は、突き合せ面１２，２５と平行に広がる板厚１ｍｍ程度のアルミ板からなり、突き合せ方向へ向かって所定の間隔でそれぞれ配置される。
【００１８】
大径部２２にヒートシンク３４が取り付けられることによって、突き合せ面２５で発生した摩擦熱の一部が大径部２２における外周面２７を介してヒートシンク３４へ伝達されると共に、ヒートシンク３４から外部へ放出される。これによって、突き合せ面２５から摩擦熱が奪われ、間接的に冷却される。
【００１９】
次に、本実施形態に係る摩擦圧接方法の手順を説明する。
【００２０】
まず、アクスル１０及びスピンドル２０をそれぞれホルダ３１，３２で固定し、インサート部材３３をホルダに固定してアクスル１０の突き合せ面１２とスピンドル２０の突合せ面２５との間に配置する。その後、ホルダ３１，３２を移動させることによって、アクスル１０及びスピンドル２０同士を突き合せる。このとき、突き合せ面１２，２５の中心とインサート部材３３の回転中心は一致させる。
【００２１】
アクスル１０及びスピンドル２０同士を突き合せた後、インサート部材３３を回転数５００ｒｍｐで回転させつつ、ホルダ３１，３２を突き合せ方向へ移動させることによって、アクスル１０の突き合せ面１２をインサート部材３３の回転面３３ａで摩擦すると共に、スピンドル２０の突き合せ面２５を回転面３３ｂで摩擦する。まず、それぞれの突き合せ面１２，２５に１．２ｋｇｆ／ｍｍ２の圧力（予熱圧力）を付与して１０秒間摩擦することにより、突き合せ面１２，２５及び回転面３３ａ，３３ｂ内で予熱を発生させる。次に、それぞれの突き合せ面１２，２５に２．４ｋｇｆ／ｍｍ２の圧力（摩擦圧力）を付与して３０秒間摩擦することにより、突き合せ面１２，２５及び回転面３３ａ，３３ｂの温度を接合に必要な温度まで上昇させる。最後に、インサート部材３３の回転を急停止し、それぞれの突き合せ面１２，２５に６．０ｋｇｆ／ｍｍ２の圧力（アップセット圧力）を付与して８．５秒間突き合せることにより、インサート部材３３を介してアクスル１０及びスピンドル２０同士を接合する。
【００２２】
アクスル１０及びスピンドル２０同士を接合した後、ホルダ３１，３２から取り外し、ヒートシンク３４を大径部２２の外周面２７から取り外す。また、インサート部材３３のうち、外周面２７より外側にはみ出した部分を切断する。
【００２３】
以上のように、本実施形態に係る摩擦圧接方法では、異なる熱容量を有するアクスル１０とスピンドル２０同士をインサート部材３３によって同一の回転数で摩擦しても、スピンドル２０側を温度調整することによって、アクスル１０の突き合わせ面１２とスピンドル２０の突き合わせ面２５との間の温度に差が生じることを防止することができる。その結果、接合後の冷却段階において、接合部分に応力が残留することを防止でき、これによって、異なる熱容量を有するアクスル１０及びスピンドル２０同士を接合する場合に、十分な接合品質を確保することができる。
【００２４】
また、この摩擦圧接方法では、突き合せ面１２，２５の間に回転体として円板状のインサート部材３３を配置しているため、アクスル１０とスピンドル２０のいずれも回転させることなく、インサート部材３３のみを回転させることで摩擦熱を発生させることができる。これによって、双方の温度をヒートシンク３４などの温度調整手段で調整することができ、突き合せ面１２，２５間の温度に差が生じることを一層効果的に防止することができる。
【００２５】
また、この摩擦圧接方法では、熱容量が小さく、突き合せ面の温度が高くなり易い方のスピンドル２０の外周面２７を冷却することによって、外周面２７と突き合わせ面２５との間で熱を伝達させ、突き合せ面２５を間接的に加熱することができる。
【００２６】
本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば、温度調整手段として、熱容量が大きい方のアクスル１０の外周面１７にレーザビームを照射することによって加熱するレーザ照射装置などの加熱手段を用いてもよい。この場合、熱容量が大きく、突き合せ面の温度が低くなり易い方のアクスル１０の外周面１７を冷却することによって、外周面１７と突き合わせ面１２との間で熱を伝達させ、突き合せ面１２を間接的に加熱することができる。なお、加熱手段として、ガスバーナや誘導加熱器を用いてもよい。
【００２７】
また、接合部材は、異なる熱容量を有するもの同士であればアクスル１０、スピンドル２０に限定されない。突合せ面の形状についても、円環状に限られず矩形状のものであってもよい。
【００２８】
また、インサート部材３３は必ずしも用いなくてよい。この場合、例えばアクスル１０とスピンドル２０とを直接接触させ、アクスル１０を回転させることによって接合させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態に係る摩擦圧接方法によって接合部材が接合される様子を示す斜視図である。
【図２】図１に対応する縦断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０…アクスル（接合部材）、１２…突き合せ面（突き合せ部分）、１７，２７…外周面、２０…スピンドル（接合部材）、２５…突き合せ面（突き合せ部分）、３３…インサート部材（回転体）、３４…ヒートシンク（温度調整部材、冷却手段）。
【図１】
2009101374.tif 000003
【図２】
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