図3硬度差の無い材料の結合(従来)図4硬度差の無い材料を結合するために提案図2パンチレス塑性流動結合法②Metal flow Metal flow Metal flow Metal flow ②of ring３．実験方法品に段付け加工を施す．直接軸端部に結合荷重を負荷することで段付け加工部がパンチの役割を果たし，局所的に高い面圧を発生させ，材料の硬度差によって微小な塑性流動が生じて結合される．この方法は片側から荷重を負荷することで結合が可能であるため適用部品の自由度が高く，塑性流動の生じる範囲も段付き部周辺の微小範囲に限られ結合品が高精度である．また，特殊な工具や加工機を必要とせずプレス工程での結合が可能であるため，既存の結合方法からの移行も容易である．一定の結合荷重を負荷して結合を行う場合，結合強度に及ぼす軸外径と穴内径の寸法精度の影響は非常に小さく，結合部の加工には高い寸法精度を必要としない．一方で，結合部寸法の異なる条件でも結合部に生じる結合面圧に対する結合効率の関係はほぼ同じ直線上に分布し，結合面圧に比例して結合効率が高くなる．しかし，この手法では硬質側部材が塑性変形しないよう部品間の十分な硬度差が必要である．硬度差の無い材料の組合せでは図3に示すように軸，穴部品ともに塑性変形が生じる．このとき×印で示す塑性流動は相手部品に接触せず結合力に関与しないため，負荷した結合荷重による仕事が無駄な変形に消費され，結合強度が大幅に低下する． ■ 高度差不要なパンチレス塑性流動結合法の原理本研究では硬度差の無い材料を塑性流動結合するために図4に示すように4つの結合手法を提案する．手法Aは軸，穴部品ともに段付け加工を施す方法であり，図中①および②の塑性流動を互いの段付け加工部で受け止めて結合力(締付圧力)を得る．手法B及びCは軸部品段付け加工部または穴部品内面のどちらかに溝加工を追加する方法であり，塑性流動によって溝に材料の一部が充填されることによる機械的かみ合わせと締付圧力によって結合力を得る．手法Dは軸部品・穴部品ともに溝加工を追加する方法であり，主に溝部の機械的かみ合わせによって結合力を得る．本実験では，軸部品・穴部品ともにA5056-H112材([HV1.0]110程度，引張強さ350MPa程度)を使用した．図5に手法AからDの実験に使用した試験片の寸法を示す．実験には，万能試験機(インストロン，600DX)または手動プレス(長崎ジャッキ，NSP-15)を使用し，ロードセルとレーザ変位計を用いて実験中の荷重－ストロークデータを取得した．なお，伊西らの研究18),19)では材料表面の油膜によって結合強度が低下する報告がなされており，本研究では結合前に全ての試験片表面を脱脂した．まず，図6(a)に示す結合実験では，外径拘束治具等を用い，軸端部に結合荷重を負荷することで結合を行う．従来の硬度差を有するパンチレス塑性流動結合法と比較するため結合荷重は主に30~60kNの範囲で設定した．また，より高い結合荷重を負荷した場合の挙動を調査するため一部条件では最大75kNまでの結合荷重を負荷した．結合荷重が最大の75kNの場合でも，軸断面に生じる圧力は239MPa程度であり軸全体が降伏することはない．次に，①①①①①②②②①①①②②Joining Joining loadMetal flow Metal flow Metal flow of shaftof shaftMetal flow Metal flow of ringof ringof ringof ringof ringof ringof ringof ringof ringof ringof ringof ringof ringof ringof ringhas has has has step (b) Only shaft step (b) Only shaft has has has step(a) Only ring (a) Only ring (a) Only ring has SmallSmallSmallclearancclearancclearanceShaftShaftShaft[Soft]RingRing[Hard](a)Before joining (b)After joining(a)Before joining (b)After joiningEnlargementJoining loadJoining loadMetalMetalMetalffflowJoining Joining loadMetal flow Metal flow of shaftMetal flow Metal flow Metal flow Metal flow of ring(A) Both parts have stepJoining loadMetal flow Metal flow of shaftof shaftof shaftJoining loadMetal flow Metal flow Metal flow Metal flow of shaftof shaftof shaftof shaftof shaftJoining grooveMetal flow Metal flow Metal flow Metal flow Metal flow of ring(C) Grooving on ring(B) Grooving on shaft(D) Grooving on both partsJoining loadMetal flow Metal flow of shaftof shaftJoining grooveMetal flow Metal flow Metal flow Metal flow of ringJoining loadMetal flow Metal flow of shaftof shaftof shaftJoining grooveJoining grooveMetal flow Metal flow Metal flow Metal flow Metal flow of ring- 45 -
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