省エネ化を実現した高強度, 高精度塑性結合技術研究者：東京工業大学大学院理工学研究科機械物理工学専攻教授村上碩哉 1 研究背景１）対象品：図に示すような，軸と円盤やカップ形状とが一体となった焼入れ製品（機械部品に数多く使われている）．２）従来の製造プロセス研削浸炭焼入仕上切削重切削熱間一体鍛造丸棒切断・従来プロセスの問題点１）熱間鍛造，切削加工，焼入れに大量のエネルギを消費する・浸炭焼入れには高温で長時間の加熱を要する・しかも，軸付き円盤形状は炉内の積載効率が悪く，大規模な炉が必要２）熱間鍛造は切削代が多く，材料歩留まりが低い３）熱処理炉，切削加工機に多大な設備投資が必要４）ＣＯ２排出量が多い 2 提案するプロセス軸と円盤等を個別に製造して結合するプロセス研削軽切削丸棒高周波焼入接合浸炭焼入軽切削冷間鍛造丸棒期待効果１）熱間鍛造，切削加工，焼入れエネルギの大幅削減・特に，軸，円盤形状は炉内の積載効率良く，炉が小型化できる２）冷間鍛造は精度が良いために，切削代が小さく，材料歩留まりが高い３）熱処理炉，切削加工機の設備投資が抑制できる４）ＣＯ２排出量が大幅に削減される 3 軸と円盤の結合法に関する従来技術の問題点結合法長所短所摩擦締結取り付け，取り外しが可能高価，かさばる，部品点数増加シェービング接合生産性が高い高強度塑性結合法高いトルク強度植込み鍛接生産性が高い摩擦締結シェービング接合引用：NBK HP 引用：佐々木ほか，塑性と加工， 47-545(2007), 432 材料に制約がある（硬質円盤と硬質軸の結合が困難）高強度塑性結合法植込み鍛接引用：広田健治ほか，平成18年度引用：花見ほか，第57回塑性加工連合講演会（2006），373 塑性加工春季講演会，237 4 開発技術の概要（1）：基本原理硬質材の塑性流動結合円盤と軸に設けた溝に結合材を流動させて機械的噛み合いを得る A部拡大図流動結合前 A 塑性流動結合の概念図（断面図）結合中［特長］１）硬い部材同士の結合が可能２）高精度 ①軸と円盤が位置決め精度が良い ②結合時に軸にかかる荷重が無い ③軸と円盤の相対移動が無い 5 開発技術の概要（2）：実験用テストピース部品名外径(mm) 内径(mm) 高さ(mm) 円盤 50 20 10 軸 20 ー 36 結合材 24 20 5.2 材料硬さプリハードン鋼HPM1 HRC40 （Hv390） S25C（焼鈍） Hv139 結合溝拡大図結合溝 10 mm 円盤 10 mm 軸 10 mm 結合材溝数 2 溝角度 90度溝幅 1 mm×2 6 開発技術の概要（3）：接合中の状態 10 mm 結合された円盤と軸パンチ圧力PP（MPa） 935 1225 2047 平均溝充填率F（%） 23.7 57.3 95.3 結合溝付近の断面写真 7 開発技術の概要（4）：溝充填率とパンチ圧力の関係溝充填率円盤上溝下溝軸上溝下溝拡大部面積：a 部面積：b a ×100 溝充填率＝ a＋b ［結合実験まとめ］ ①加工荷重の増加に伴い充填率は上昇 ②上の溝から先に充填する ③下溝では円盤側の方が充填しやすい 8 開発技術の概要（５）：結合強度測定実験パンチ兼ロードセル冶具 30 mm 結合強度測定実験の装置断面［測定項目］結合強度測定実験装置外観 ①荷重（ロードセルにより測定） ②ストローク（レーザー変位計により測定） 9 開発技術の概要（６）：結合品の強度試験における材料変形円盤側溝充填率73%のとき ① ② 結合材円盤 ② ① 軸円盤結合材結合材軸円盤 1mm ［溝部の結合材］円盤側：充填されたまま移動しない軸側：せん断されて溝とともに移動する 1mm 結合品の破壊は軸側の結合材のせん断変形による 1mm 10 開発技術の概要（7）：結合材せん断部分の硬度測定円盤結合材軸 0.5 mm ビッカース硬さの測定溝充填率と結合材硬度（軸側，せん断部分）の関係 S25C焼鈍材の硬さ：Hv139 平均溝充填率(%) 23.7 57.4 83.2 95.3 ビッカース硬さ(Hv) 172 192 209 213 せん断抵抗(MPa) 325 363 394 402 結合材（軸側，せん断部分）のせん断に要する推定荷重(kN) 40.8 45.6 49.5 50.5 近似 ×せん断面積 11 開発技術の概要（8）：せん断に要する荷重と結合強度 S1 S2 S：結合強度 S1：結合材のせん断に要する力 S2：ラジアル方向の力に基づく摩擦力 12 新技術の特徴・従来技術との比較 • 従来技術では困難であった，焼入れ部品の高精度，高強度塑性結合技術の開発に成功した． • これにより，焼入れた軸と円盤状部品の製造プロセスを従来のエネルギ，材料の大量消費形から省エネ，省資源形への転換に成功した． • 本技術の適用により、エネルギコストが大幅に削減でき，また材料歩留りも20数％向上できるため、製造コストが2/3程度まで削減される．さらに，CO２排出量も大幅に削減できる． 13 想定される用途 • • • 本技術の特徴を生かすためには、駆動系部品，例えばCVTプーリの製造に適用することで，省資源，省エネルギ，また省設備投資などのメリットが大きいと考えられる．また，高精度結合技術により，軸付き部品など，結合前の簡単な形状で仕上げ加工し，結合後の仕上げ工程省略するプロセスが可能になる．さらに，機構部品において，多種の形状を両端に有する部品を本結合方式採用により，部品機種と在庫の削減に利用することも可能になる． 14 想定される業界・機械全般・特に変速機，動力伝達機器，エンジン機器など回転機器部品・機械構造部品・溶接を嫌う（変形，残留応力，材料の変質など）部品など 15 実用化に向けた課題 • 現在、接合の接合荷重，軸方向の接合強度に関する基本特性を把握した段階である． • 今後、溝形状などの各種の接合パラメータと接合強度，精度について，実験データを取得し、シミュレーションと合わせて，実製品に適用していく場合の条件設定を行っていく。 • 共同研究を希望される企業を募集 16 本技術に関する知的財産権 • 発明の名称：塑性流動結合を利用した金属部品の製造方法 • 出願番号：特願2008-１２２２８５ • 出願人：東京工業大学茨城スチールセンター（株） • 発明者：村上碩哉、金丸尚信、西川翔一郎、檜山好材 17 お問い合わせ先＜技術的内容＞東京工業大学教授村上碩哉ＴＥＬ：03-5734-2159 FAX:03-5734-2159 e-mail ：[email protected] ＜技術の育成及び特許の取扱等＞東京工業大学産学連携推進本部特許流通アドバイザー鷹巣征行ＴＥＬ：03-5734-7634 FAX：03-5734-7694 e-mail ：[email protected] 18