금속 부재 결합 구조 및 장치

금속 부재 결합 구조 및 장치 {METAL COMPONENT COUPLING STRUCTURE AND DEVICE}

본 발명은, 소성 유동 결합을 이용한 금속 부재의 결합 구조 및 결합 장치에 관한 것이다.

종래, 금속으로 형성된 하우징의 링 형상 부분에, 축 형상의 금속 부재를 끼워 맞추어서 고정하기 위해서는, 축 형상 금속 부재의 외주연을 따라 홀더부를 일체로 형성하고, 이 홀더부를 하우징에 볼트로 체결하고 있었다. 그러나 홀더부를 형성하기 위해서 부재의 중량 및 비용이 증가하고 있었다. 또한, 볼트 체결로 인해 양산에 있어서는 생산성이 나빴다. 그로 인해, 금속을 소성 변형시켜서 결합하는 방법이 알려져 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조).

그러나 소성 유동 결합을 이용한 금속 부재의 결합에 있어서, 높은 결합 강도를 얻기 위해서는, 압박을 위해서 가하는 하중을 크게 할 필요가 있어, 압박되는 하우징측의 기계적 강도가 높은 부재에 한정된다고 하는 문제가 있다.

또한, 2개의 부재를 결합하는 과정에서, 한쪽 부재에 큰 하중을 가해 압박하므로, 결합하는 양 부재 간의 상대적인 위치의 변동을 피할 수 없어, 고정밀도인 결합이 곤란했다.

본 발명은, 상술한 사정에 비추어 이루어진 것이며, 소성 유동 결합을 이용한 금속 부재의 결합에 있어서, 고강도 및 고정밀도인 결합을 행할 수 있는 금속 부재 결합 구조 및 금속 부재 결합 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 링 형상 부분을 구비하는 제1 금속 부재의 당해 링 형상 부분에, 외주부에 결합 홈을 가진 축 형상 부분을 구비하는 제2 금속 부재의 당해 축 형상 부분을 끼워 맞추고, 제1 금속 부재의 링 형상 부분의 외주부에 구속 링을 배치하고, 당해 링 형상 부분을 압박해서 소성 변형시킴으로써, 링 형상 부분을 축 형상 부분의 결합 홈으로 유입시켜서, 기계적 맞물림에 의해 제1 금속 부재와 제2 금속 부재를 결합한 것을 특징으로 한다.

이 구성에 따르면, 링 형상 부분의 두께가 얇은 경우에 있어서도, 링 형상 부분을 외주부로부터 구속 링으로 보강하고, 링 형상 부분을 축 형상 부분의 결합 홈으로 소성 유동시켜서 결합할 수 있다. 또한, 링 형상 부분이 경도가 높은 재료 또는 연성이 모자란 재료로 형성되어 있던 경우에 있어서도, 링 형상 부분을 외주부로부터 구속 링으로 보강함으로써, 링 형상 부분의 외주 확대를 구속하고, 링 형상 부분을 축 형상 부분의 결합 홈에 효율적으로 소성 유동시켜서 높은 결합 강도를 달성할 수 있다. 또한, 링 형상 부분을 외주로부터 구속 링으로 고정하기 위해서 링 형상 부분에 큰 하중을 가해 압박해도, 링 형상 부분의 축심과, 축 형상 부분의 축심과의 상대적인 위치의 변동을 방지할 수 있으므로, 고정밀도의 결합을 행할 수 있다. 또한, 기계적 맞물림에 의한 결합으로, 축 방향에 대하여 높은 전단 강도를 확보할 수 있는 동시에, 소성 유동 결합 시의 잔류 응력에 의한 높은 회전 방향의 강도를 확보할 수 있으므로, 고강도인 결합을 달성할 수 있다.

이 구성에 있어서, 상기 제1 금속 부재가 알루미늄 다이캐스트 제품이며, 상기 링 형상 부분이 두께 2㎜ 이상의 얇은 부분인 구성으로 해도 좋다.

이 구성에 따르면, 경도가 높은 알루미늄 다이캐스트 제품의 얇은 부분을, 파단하는 일 없이 소성 유동시켜서 고강도의 결합을 행할 수 있다. 그로 인해, 종래와 같이 축 형상의 제2 금속 부재의 축 형상 부분에 홀더부를 일체로 형성하여, 이 홀더부를 알루미늄 다이캐스트로 형성된 제1 금속 부재에 볼트 체결할 필요가 없으므로, 금속 부재의 경량화 및 저비용화를 도모할 수 있다. 또한, 소성 유동 결합을 이용할 수 있으므로, 생산성을 향상할 수 있다.

이 구성에 있어서, 상기 링 형상 부분의 외주에 당해 링 형상 부분보다도 열팽창 계수가 작고 강성이 높은 링 부재가 끼워 맞추어져도 좋다.

이 구성에 따르면, 당해 링 형상 부분보다도 열팽창 계수가 작은 링 부재가 링 형상 부분의 외주에 끼워 맞추어지므로, 이 금속 부재 결합 구조가, 예를 들어 엔진 부품 등과 같이 고온 또한 진동 환경 하에서 사용되는 부품에 적용된 경우라도, 고온 하에 있어서의 제1 금속 부재와 제2 금속 부재의 열팽창 차에 의한 체결력의 저하를 억지하는 동시에, 상기 링 부재가 링 형상 부분보다도 강성이 높은 부재로 구성되므로, 링 부재가 링 형상 부분을 외측으로부터 보호하기 위해서, 금속 부재 결합 구조의 내구성을 확보할 수 있다.

이 구성에 있어서, 상기 결합 홈이 상기 축 형상 부분의 둘레 방향으로 복수 조에 걸쳐서 연장되는 가로 홈과, 어느 하나의 랜드부에 둘레 방향으로 간격을 두고 축 방향으로 연장되는 복수의 세로 홈을 구비한 것이라도 좋다.

이 구성에 따르면, 축 형상 부분의 외주에 둘레 방향으로 연장되는 가로 홈뿐만 아니라, 기어 홈과 같은 복수의 세로 홈이 형성되므로, 이 금속 부재 결합 구조가, 예를 들어 축 형상 부분에 둘레 방향으로의 회전력이 크게 작용하는 부품 등에 적용된 경우라도, 세로 홈으로 소성 유동시킴으로써, 둘레 방향으로의 회전 방지가 되어 결합 강도가 향상된다.

또한, 본 발명은 링 형상 부분을 구비하는 제1 금속 부재의 당해 링 형상 부분에, 외주부에 결합 홈을 가진 축 형상 부분을 구비하는 제2 금속 부재의 당해 축 형상 부분을 끼워 맞춘 상태에서, 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재를 보유 지지하는 다이 기구와, 상기 제1 금속 부재의 링 형상 부분의 외주부에 배치되는 구속 링과, 상기 구속 링에 의해 상기 제1 금속 부재의 링 형상 부분의 외주부를 구속한 상태에서, 당해 링 형상 부분을 압박하는 펀치 기구를 구비하고, 상기 펀치 기구에 의한 압박에 의해 상기 링 형상 부분을 소성 변형하고, 링 형상 부분을 축 형상 부분의 결합 홈으로 유입시켜서, 기계적 맞물림에 의해 상기 제1 금속 부재와 상기 제2 금속 부재를 결합하는 것을 특징으로 한다.

이 구성에 따르면, 링 형상 부분의 외주 방향으로의 확대를 방지할 수 있어, 예를 들어, 제1 금속 부재의 링 형상 부분이 알루미늄 다이캐스트 제품의 얇은 부분이었던 경우에 있어서도, 펀치 기구에 의한 압박으로 링 형상 부분이 파단하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 소성 변형한 링 형상 부분을 효율적으로 결합 홈으로 유입할 수 있다. 또한, 구속 링으로 링 형상 부분 및, 링 형상 부분에 끼워 맞추어진 축 형상 부분의 변동을 방지할 수 있으므로, 고정밀도인 결합을 달성할 수 있다.

이 구성에 있어서, 상기 구속 링이 상기 펀치 기구에 배치되어 있는 구성으로 해도 좋다. 이 구성에 따르면, 양산의 제조 공정에 있어서, 펀치 기구를 상승시키는 것으로, 구속 링을 자동적으로 제1 금속 부재의 링 형상 부분으로부터 이탈시킬 수 있다. 그로 인해, 구속 링의 탈착에 수고를 요하는 일 없이, 구속 링을 사용해서 고정밀도 및 고강도의 링 형상 부분과 축 형상 부분과의 결합을 달성할 수 있다.

이 구성에 있어서, 상기 링 형상 부분의 외주에 링 형상 부분보다도 열팽창 계수가 작고 강성이 높은 링 부재가 끼워 맞추어져, 링 부재의 외주부에 상기 구속 링이 배치되어도 좋다.

이 구성에 따르면, 당해 링 형상 부분보다도 열팽창 계수가 작은 링 부재가 링 형상 부분의 외주에 끼워 맞추어지므로, 금속 부재 결합 구조가, 예를 들어 엔진 부품 등과 같이 고온 또한 진동 환경 하에서 사용되는 부품에 적용된 경우라도, 고온 하에 있어서의 제1 금속 부재와 제2 금속 부재의 열팽창 차에 의한 체결력의 저하를 억지하는 동시에, 상기 링 부재가 링 형상 부분보다도 강성이 높은 부재로 구성되므로, 링 부재가 링 형상 부분을 외측으로부터 보호하기 위해서, 금속 부재 결합 구조의 내구성을 확보할 수 있다.

이 구성에 있어서, 상기 결합 홈이 상기 축 형상 부분의 둘레 방향으로 복수조에 걸쳐서 연장되는 가로 홈과, 어느 하나의 랜드부에 둘레 방향으로 간격을 두고 축 방향으로 연장되는 복수의 세로 홈을 구비한 것이라도 좋다.

이 구성에 따르면, 축 형상 부분의 외주에 둘레 방향으로 연장되는 가로 홈뿐만 아니라, 기어 홈과 같은 복수의 세로 홈이 형성되므로, 금속 부재 결합 구조가, 예를 들어 축 형상 부분에 둘레 방향으로의 회전력이 크게 작용하는 부품 등에 적용된 경우라도, 세로 홈으로 소성 유동시킴으로써, 둘레 방향으로의 회전 방지가 되어, 결합 강도가 향상된다.

본 발명에 따르면, 링 형상 부분의 두께가 얇은 경우에 있어서도, 링 형상 부분을 외주부로부터 구속 링으로 보강하고, 링 형상 부분을 축 형상 부분의 결합 홈으로 소성 유동시켜서 결합할 수 있다. 또한, 링 형상 부분이 경도가 높은 재료 또는 연성이 모자란 재료로 형성되어 있던 경우에 있어서도, 링 형상 부분을 외주부로부터 구속 링으로 보강함으로써, 링 형상 부분의 외주 확대를 구속하고, 링 형상 부분을 축 형상 부분의 결합 홈으로 효율적으로 소성 유동시켜서 높은 결합 강도를 달성할 수 있다. 또한, 링 형상 부분을 외주로부터 구속 링으로 고정하기 위해서, 링 형상 부분에 큰 하중을 가해 압박해도 링 형상 부분의 축심과, 축 형상 부분의 축심과의 상대적인 위치의 변동을 방지할 수 있으므로, 고정밀도의 결합을 행할 수 있다.

도 1의 (A)는 제1 금속 부재 및 제2 금속 부재를 도시하는 단면도이며, 도 1의 (B)는 제2 금속 부재의 일부를 도시하는 확대 단면도다.
도 2는 본 실시 형태에 관한 금속 부재 결합 장치를 도시하는 단면도다.
도 3은 펀치 기구를 강하한 상태를 도시하는 단면도다.
도 4는 제1 금속 부재 및 제2 금속 부재의 결합 부분의 확대도다.
도 5는 금속 부재 결합 장치의 공정을 도시하는 단면도다.
도 6의 (A)는 본 실시 형태에 의해 결합된 금속 부재를 도시하는 단면도이며, 도 6의 (B)는 제2 금속 부재의 일부를 도시하는 확대 단면도다.
도 7은 본 실시 형태에 의해 결합된 금속 부재의 결합 강도를 도시하는 도면이다.
도 8은 펀치 폭과 결합 강도의 관계를 도시하는 도면이다.
도 9는 다른 실시 형태의 도 6 상당도이며, 도 9의 (A)는 다른 실시 형태에 의해 결합된 금속 부재를 도시하는 단면도, 도 9의 (B)는 제2 금속 부재의 일부를 도시하는 확대 단면도다.
도 10은 다른 실시 형태의 도 1 상당도이며, 도 10의 (A)는 제1 금속 부재 및 제2 금속 부재를 도시하는 단면도, 도 10의 (B)는 제2 금속 부재의 일부를 도시하는 확대 단면도, 도 10의 (C)는 제2 금속 부재의 평면도다.

이하, 도면을 참조해서 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명한다.

도 1은 본 실시 형태에 관한 금속 부재 결합 구조가 적용 가능한 제1 금속 부재(11) 및 제2 금속 부재(12)의 일례를 나타내고 있다. 또, 본 실시 형태에서 도면에 도시한 제1 금속 부재(11) 및 제2 금속 부재(12)의 형상은, 본 실시 형태를 설명하기 위한 일례에 지나지 않고, 본 실시 형태의 적용 부재는 이들에 한정되는 것이 아니다.

제1 금속 부재(11)는 금속제의 하우징이며, 본체부(13)와, 본체부(13)와 일체로 형성된 링 형상 부분(14)을 구비하고 있다. 링 형상 부분(14)에는, 개구부(15)가 형성되고, 링 형상 부분(14)은, 예를 들어 두께 t가 3㎜, 높이 h1이 6㎜의 얇은 부분이다. 제1 금속 부재(11)는 알루미늄 합금 등으로 성형된 다이캐스트 제품으로, 연성이 모자란 재료다.

제2 금속 부재(12)는 스틸 등의 강재로 형성되고, 본 실시 형태에서는 전체 부분이 축 형상 부분(17)에 형성되어 있다. 축 형상 부분(17)에는, 도 1의 (B)에 확대해서 도시한 바와 같이, 그 외주면을 따라 링 형상의 복수의 결합 홈(16)이 형성되어 있다. 제2 금속 부재(12)는, 본 실시 형태에 있어서는 스틸제의 스플라인 구멍을 갖는 링 등을 상정하고 있지만, 이에 한정되지 않고, 강성이 높은 재료로 형성된 샤프트 등이라도 좋다.

축 형상 부분(17)의 외경은, 제1 금속 부재(11)의 링 형상 부분(14)에 구비된 개구부(15)와, 원하는 공차를 갖는 대략 동일한 지름으로 형성되어 있다. 또한, 제1 금속 부재(11)와 제2 금속 부재(12)는, 제2 금속 부재(12)의 축 형상 부분(17)을 제1 금속 부재(11)의 개구부(15)에 삽입하고, 제1 금속 부재(11)와 제2 금속 부재(12)를 끼워 맞춤시켰을 때에, 링 형상 부분(14)과 축 형상 부분(17)의 축심이 고정밀도로 중합하도록, 미리 형성되어 있다.

도 2는, 본 실시 형태에 관한 금속 부재 결합 장치(20)를 도시한 도면이다. 금속 부재 결합 장치(20)는 펀치 기구(30)와, 다이 기구(40)로 개략 구성된다. 펀치 기구(30)는 유압 실린더(작동기)의 피스톤(51)에 지지되어, 그 전체가 상하로 승강 가능하게 구성되어 있다. 피스톤(51)의 하단부에는 상부 베이스(51A)가 고정되고, 상부 베이스(51A)에는 펀치 베이스(31)가 고정되어 있다.

펀치 베이스(31)는 홀더(38, 39)를 지지하고, 홀더(39)는 제1 가스 스프링(71)의 상단부를 지지하고 있다. 제1 가스 스프링(71)은 신축 가능하게 압박 부재(71A)를 보유 지지하고, 압박 부재(71A)의 주위에는 원통 형상의 펀치(36)가 배치되어 있다. 원통 형상의 펀치(36)의 상단부는 펀치 압박 부재(37)에 접촉하고, 펀치 압박 부재(37)는 펀치 위치 결정 홀더(35)로 보유 지지되고, 펀치 위치 결정 홀더(35)는 펀치 베이스(31)에 고정되어 있다. 원통 형상의 펀치(36)의 외주부에는 구속 링(33)이 배치되고, 구속 링(33)은 워크 압박부(32)의 내주부에 일체로 형성되어 있다. 구속 링(33)의 높이 h(도 4 참조)는, 적어도 제1 금속 부재(11)의 링 형상 부분(14)의 높이 h1(도 1 참조)보다도 높게 형성되어 있다. 워크 압박부(32)에는, 대략 대각선 위에 4개의 구멍(32A)(도 2에서는 1개만 도시함)이 형성되고, 이들 구멍(32A)에는 펀치 베이스(31)에 헤드가 달린 로드로 현수된 강성이 높은 가이드 포스트(34)가 끼워 맞추어져 있다. 가이드 포스트(34)의 하단부에는 가이드 플랜지(32B)가 볼트로 연결되어 있다. 또한, 워크 압박부(32)에는 상향으로 신장된 4개의 제2 가스 스프링(34A)(1개만 도시함)이 볼트로 연결되고, 제2 가스 스프링(34A)의 상단부면은 펀치 위치 결정 홀더(35)에 접촉하고 있다.

다이 기구(40)는 하부 베이스(41A)와, 하부 베이스(41A)에 고정된 다이 베이스(41)와, 다이 베이스(41)에 고정된 다이 홀더(42)와, 다이 홀더(42)에 상하로 이동 가능하도록 보유 지지된 아우터 다이(43) 및 다이 홀더(42)에 고정적으로 보유 지지된 이너 다이(44)와, 심봉(45)과, 아우터 다이(43)를 상방으로 가압 가능한 녹아웃 핀(녹아웃 지그)(46)을 구비하여 구성되어 있다.

다음에, 도 2 내지 도 5를 참조하여, 금속 부재 결합 장치(20)의 일련의 동작, 및 제1 금속 부재(11)와 제2 금속 부재(12)의 소성 유동 결합의 공정에 대해서 설명한다.

상기 소성 유동 결합은, 예를 들어 축과 원반이 일체가 된 기계 부품에 많이 사용되는 ?칭 제품 등의 고강도 부재의 제조 효율을 향상하고, 설비 투자를 저감하기 위해서 그 연구가 진행되어, 일반적으로 결합용 오목부를 갖는 축 형상 부재와, 축 형상 부재가 삽입되는 구멍을 갖는 원반을 개별로 제조하고, 축 형상 부재를 원반에 삽입하여, 원반 구멍의 주변부를 가압하고, 원반을 소성 변형시키고, 축 형상 부재의 오목부로 유동시켜, 2 부재 사이에 기계적인 맞물림을 얻어 결합한다. 본 실시 형태에 예시한 알루미늄 다이캐스트 부품은, 경량화와 복잡 형상의 기능품, 구조품으로서 빠질 수 없는 것으로, 내마모, 고내구화를 위해서 철계 부품과의 결합이 필수적이지만, 소성 변형 능력이 모자라기 때문에, 소성 유동 결합을 달성하기 위해서는 높은 결합 압력을 가할 필요가 있어, 연성이 모자란 알루미늄 다이캐스트 재료에, 이 높은 결합 압력에 의해 균열이 발생하지 않도록 대책을 세울 필요가 있다.

특히, 본 실시 형태에 예시한, 금속제의 하우징의 링 형상 부분 등과 같은 얇은 부재에 있어서는 높은 결합 압력을 보유 지지하는 것이 곤란하지만, 얇은 링 형상 부분(14)을 구속 링(33)으로 그 외주로부터 보강하고, 결합 압력에 의해 링 형상 부분(14)이 외주 방향으로 확대되는 것을 구속함으로써, 링 형상 부분(14)에 균열이 발생하는 것을 방지할 수 있는 동시에, 소성 변형한 링 형상 부분(14)을 축 형상 부분(17)에 형성된 결합 홈(16)으로 유동시킬 수 있다.

우선, 펀치 기구(30)를 상한값까지 상승한 상태로 설치한다. 다음에, 다이 기구(40) 위에, 도 2에 도시한 바와 같이, 제1 금속 부재(11) 및 제2 금속 부여(12)를 설치하고, 작동기의 피스톤(51)을 구동하여, 펀치 기구(30)의 하강을 개시한다.

펀치 기구(30)가 하강하면, 도 2에 도시한 바와 같이, 압박 부재(71A)의 하면이 제2 금속 부재(12)의 상면에 접촉한다. 이 상태에서, 또한 펀치 기구(30)의 하강이 계속되면, 제1 가스 스프링(71)이 수축되어 제1 가스 스프링(71)의 봉입 압력에 의해, 제2 금속 부재(12)에 압박 부재(71A)를 거쳐 예를 들어 3000㎏의 하중이 가해진다. 이에 의해, 제2 금속 부재(12)는 이너 다이(44)에 압박 부재(71A)에 의해 상방으로부터 압박된다.

압박 부재(71A)가 제2 금속 부재(12)를 누른 상태에서, 펀치 기구(30)가 하강을 계속하면, 도 3에 도시한 바와 같이, 펀치 기구(30)가 하강하고, 구속 링(33)이 제1 금속 부재(11)의 링 형상 부분(14)을 따라 외부 끼움하고, 구속 링(33)의 하면이 제1 금속 부재(11) 위에 접촉한다. 이때, 펀치(36)는 도 4에 도시한 바와 같이, 링 형상 부분(14)의 상면에 펀치(36)의 선단부가 접촉한 상태가 된다. 이 상태에서, 도 3에 도시한 바와 같이, 펀치 기구(30)의 하강이 계속되면, 워크 압박부(32)에 연결된 제2 가스 스프링(34A)이 수축되어 워크 압박부(32)는 제2 가스 스프링(34A)의 봉입 압력에 의해, 제1 금속 부재(11)를 아우터 다이(43)에 상방으로부터 4개의 제2 가스 스프링(34A)에 각각, 예를 들어 170㎏(합계 680㎏)의 하중을 가한다.

압박 부재(71A) 및 워크 압박부(32)가 눌려진 상태에서, 펀치 기구(30)가 다시 하강을 계속하면, 도 5에 도시한 바와 같이, 펀치(36)에는 펀치 압박 부재(37)를 통해 미리 설정된 하중이 가해지고, 펀치(36)에 가해진 하중에 의해, 도 4에 도시한 바와 같이, 제1 금속 부재(11)의 링 형상 부분(14)에 압박력이 부여된다.

링 형상 부분(14)은 이 펀치(36)에 의해 가해지는 압박에 의해 소성 변형하고, 링 형상 부분(14)이 제2 금속 부재(12)에 형성된 결합 홈(16)으로 유입한다(소성 유동 결합). 펀치(36)에 부여되는 하중이 미리 설정된 하중에 도달하면, 펀치 기구(30)의 하강이 정지하여, 이미 설정된 시간, 펀치(36)는 하중이 가해진 상태에서 누를 수 있게 된다. 이때, 도 5에 도시한 바와 같이, 제2 가스 스프링(34A)은 펀치(36)의 스트로크 d[워크 압박부(32)와 가이드 플랜지(32B)와의 사이의 간극에 상당함]만큼 압축되어, 워크 압박부(32)는 가이드 포스트(34)를 따라 상방으로 되밀려져 가이드 플랜지(32B)로부터 펀치(36)의 스트로크 d만큼 뜬 상태가 된다.

제1 금속 부재(11)와 제2 금속 부재(12)와의 소성 유동 결합이 완료되면[링 형상 부분(14)으로의 압박이 미리 설정된 시간을 경과함], 압박 부재(71A) 및 워크 압박부(32)에 하중[예를 들어, 압박 부재(71A)에 3000㎏과, 워크 압박부(32)에 680㎏]이 가해져, 제1 금속 부재(11) 및 제2 금속 부재(12)가 다이 기구(40)에 대하여 눌려진 상태 그대로, 펀치 기구(30)의 상승에 따라 펀치(36)는 상승하고, 펀치(36)가 링 형상 부분(14)과 축 형상 부분(17)의 결합 부분으로부터 빼내진다. 또한, 펀치(36)의 상승에 따라, 되밀려 있던 제2 가스 스프링(34A)이 펀치(36)의 상승분만큼 신장되어, 펀치(36)와 링 형상 부분(14)과의 접촉이 해방되는 동시에, 워크 압박부(32)가 가이드 플랜지(32B)의 위치에 고정된다. 이에 의해, 압박 부재(71A)에, 예를 들어 3000㎏의 하중을 가하여 제1 금속 부재(11) 및 제2 금속 부재(12)를 다이 기구(40)에 대하여 압박한 상태 그대로, 워크 압박부(32)가 펀치 기구(30)의 상승에 따라 펀치(36)와 함께 상승을 개시하고, 구속 링(33)이 링 형상 부분(14)으로부터 이탈한다.

펀치 기구(30)는 상승을 계속하고, 펀치 기구(30)의 상승에 따라, 압박 부재(71A)가 다이 기구(40)로부터 이탈한다. 펀치 기구(30)가 금속 부재 결합 장치(20)의 상한값까지 상승하면, 다이 기구(40)에 구비된 녹아웃 핀(46)을 밀어 올릴 수 있다. 이에 의해, 아우터 다이(43)가 이너 다이(44)의 외주면을 따라 상방으로 슬라이드하고, 제1 금속 부재(11)를 밀어 올리기 위해서, 다이 기구(40)로부터 제1 금속 부재(11) 및 제1 금속 부재(11)에 결합된 제2 금속 부재(12)가 이탈한다.

그런데 펀치(36)는, 도 4에 도시한 바와 같이, 그 선단부가 링 형상 부분(14)과 접촉했을 때에, 내주가 링 형상 부분(14)의 내주와 정렬하도록 배치된다.

여기서, 펀치(36)의 펀치 폭 t2는 1.5㎜ 이상에서 원하는 결합 강도를 얻을 수 있다고 하는 점이 실험을 통해 증명되고 있다.

도 8은 실험 결과를 도시한다. 펀치 폭 t2가 1㎜일 때에는 결합 시의 압력이 어떠한 압력이라도, 결합 강도가 낮고, 펀치 폭 t2가 1.5㎜, 2㎜, 3㎜일 때에는 어떠한 압력이라도 결합 강도가 높아져 있다. 그로 인해, 링 형상 부분(14)의 두께 t1은 펀치 폭 t2보다도 두꺼운 약 2㎜ 이상으로 형성되는 것이 바람직하다. 펀치(36)의 선단부에 각도를 부여하여 쐐기 모양으로 형성하고, 펀치(36)의 제거 용이함을 고려하는 동시에, 결합 홈(16)으로의 재료 유동량을 증가시키는 것은 바람직하다.

도 6은 금속 부재 결합 장치(20)로 제조한 금속 부품(10)의 단면도를 도시하고 있다. 펀치(36)에 의해 압박되어 소성 변형한 링 형상 부분(14)은, 도 6의 (B)에 도시한 바와 같이, 결합 홈(16)으로 유동하여, 결합 홈(16)을 충전하고 있다. 결과적으로, 링 형상 부분(14)과 축 형상 부분(17)은 기계적으로 맞물려, 제1 금속 부재(11)와 제2 금속 부재(12)가 결합한다.

결합 홈(16)과 링 형상 부분(14)의 접합면은, 펀치(36)의 압박에 의한 잔류 응력의 작용으로, 고마찰 상태가 유지된 상태가 된다. 그로 인해, 링 형상 부분(14)과 축 형상 부분(17) 사이에는, 축 방향에 대하여 높은 전단 강도가 확보되는 동시에, 잔류 응력에 의한 회전 방향의 강도가 확보된다. 따라서, 링 형상 부분(14)의 소성 유동을 이용한 고강도의 결합을 달성할 수 있다. 또한, 축 형상 부분(17)의 외주면을 따라 복수 나란히 형성된 링 형상의 결합 홈(16, 16) 사이에 설치되는 볼록부의 일부를 깎아내어, 그곳에 소성 변형한 링 형상 부분(14)을 유동시켜서, 축 형상 부분(17)이 링 형상 부분(14)에 대하여 회전하는 것을 억지하고, 금속 부품(10)의 회전 방향의 결합 강도를, 더욱 높이는 구성으로 해도 좋다.

또한, 압박 부재(71A) 및 구속 링(33)을 사용하여, 제1 금속 부재(11)와 제2 금속 부재(12)를 구속하고, 제2 금속 부재(12)에 하중을 가하는 일 없이, 제1 금속 부재(11)와 제2 금속 부재(12)를 결합할 수 있다.

제1 금속 부재(11)의 링 형상 부분(14)에 하중을 가하여 압박할 때는, 구속 링(33)이 링 형상 부분(14)의 외주 방향으로의 확대를 구속하고, 다이 기구(40)의 심봉(45)으로 축 형상 부분(17)의 축심을 고정하므로, 링 형상 부분(14) 및 축 형상 부분(17)의 축심이 흔들리는 일 없이, 링 형상 부분(14)이 소성 변형한다. 그로 인해, 제1 금속 부재(11)와 제2 금속 부재(12)와의 상대적인 위치가 압박의 전후에서 변동하는 일 없이, 제1 금속 부재(11)와 제2 금속 부재(12)와의 고정밀도인 결합(동일축도 ø 0.02 이하)을 달성할 수 있다.

또한, 제2 금속 부재(12)의 축 형상 부분(17)을 미리 높은 강성으로 형성함으로써, 링 형상 부분(14)이 소성 변형하여 결합 홈(16)으로 유입했을 때에, 제2 금속 부재(12)의 변형에 의한 제1 금속 부재(11)와 제2 금속 부재(12)와의 상대적인 위치의 변동을 방지할 수 있다.

링 형상 부분(14)은 소성 변형 후에 펀치(36)가 접촉하고 있던 부분에, 도 6에 도시한 오목부(14a)가 형성된 상태가 된다. 금속 부품(10)의 성질상, 오목부(14a)가 형성되지 않는 편이 바람직할 경우에는, 미리 링 형상 부분(14)에 누름값을 형성하고, 이 누름값에 대하여 펀치(36)를 접촉시켜서 하중을 가해, 링 형상 부분(14)을 압박해도 된다.

도 7은 외경 26㎜, 내경 20㎜, 두께 t1이 3㎜인 알루미늄 다이캐스트제의 제1 금속 부재(11)의 링 형상 부분(14)에, 펀치 폭 t2가 2㎜인 펀치(36)를 사용하여, 깊이 0.5㎜, 폭 1㎜의 2개의 결합 홈(16)을 구비한 축 형상 부분(17)을 결합시켰을 때의 펀치(36)에 부여된 압력과 결합 강도의 관계를 도시한 도면이다.

본 실시 형태에 있어서는, 도 7에 도시한 바와 같이, 결합 강도는 펀치(36)에 부여되는 압력과 비례해서 상승한다. 또한, 1.5GPa의 압력을 펀치(36)에 부여했을 때에는, 약 23kN의 축 방향의 결합 강도를 달성할 수 있어, 링 형상 부분(14)을 파단하는 일 없이, 얇은 알루미늄 다이캐스트제의 링 형상 부분(14)에 소성 유동 결합을 이용해서 축 형상 부분(17)을 결합할 수 있는 것을 증명하고 있다.

본 실시 형태에 따르면, 제1 금속 부재(11)의 링 형상 부분(14)에, 제2 금속 부재(12)의 결합 홈(16)을 가진 축 형상 부분(17)을 끼워 맞추고, 제1 금속 부재(11)의 링 형상 부분(14)의 외주부에 구속 링(33)을 배치하고, 링 형상 부분(14)을 압박해서 소성 변형시킴으로써, 링 형상 부분(14)을 축 형상 부분(17)의 결합 홈(16)으로 유입시켜, 기계적 맞물림에 의해 제1 금속 부재(11)와 제2 금속 부재(12)를 결합할 수 있다. 그로 인해, 링 형상 부분(14)과 축 형상 부분(17)의 상대적인 위치가 변동하는 일 없이 링 형상 부분(14)을 압박할 수 있어, 고정밀도인 결합을 달성할 수 있다. 또한, 링 형상 부분(14)의 외주 방향으로의 확대를 구속하므로, 링 형상 부분(14)을 압박해서 효율적으로 결합 홈(16)으로 유입할 수 있어, 높은 결합 강도를 달성할 수 있다.

또한, 링 형상 부분(14)을 소성 변형시키고, 결합 홈(16)으로 유입시켜, 기계적 맞물림에 의해 제1 금속 부재(11)와 제2 금속 부재(12)를 결합하기 위해, 종래와 같이, 예를 들어 제2 금속 부재(12)를 홀더와 일체로 형성하고, 볼트로 제1 금속 부재(11)에 체결하고 있던 것에 비해, 부품의 경량화 및 저비용화를 도모할 수 있는 동시에, 생산 공정에 있어서의 수고를 줄일 수 있다. 또한, 제1 금속 부재(11)와 제2 금속 부재(12)가 기계적 맞물림에 의해 결합하기 위해, 축 방향에 대하여 높은 전단 강도를 확보할 수 있는 동시에, 소성 유동 결합 시의 잔류 응력에 의한 높은 회전 방향의 강도도 확보할 수 있어, 고강도인 결합을 달성할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 따르면, 제1 금속 부재(11)가 알루미늄 다이캐스트 제품으로, 링 형상 부분(14)이 두께 2㎜ 이상의 얇은 부분이므로, 종래 소성 변형을 이용한 결합은 곤란했던 알루미늄 다이캐스트 제품의 얇은 부분에 강성이 높은 축 형상 부재를 결합하는 것을 가능하게 할 수 있다.

그로 인해, 종래와 같이, 예를 들어 금속제 하우징의 얇은 링 형상 부분에 강재로 형성된 링 등을 고정할 경우, 링을 링 홀더와 일체로 형성하고, 볼트 등으로 하우징에 나사 결합할 필요가 없으므로, 부품의 소형화 및 대폭적인 경량화를 도모할 수 있다. 또한, 소성 유동 결합을 이용함으로써, 대량 생산에 있어서도 생산성을 향상할 수도 있다. 또한, 본 실시 형태에 따르면, 제1 금속 부재(11)의 링 형상 부분(14)에 제2 금속 부재(12)의 축 형상 부분(17)을 끼워 맞추어, 링 형상 부분(14)의 외주부에 구속 링(33)을 배치했으므로, 링 형상 부분(14)의 외주 방향으로의 확대를 방지할 수 있어, 펀치 기구(30)에 의한 압박으로 링 형상 부분(14)이 파단하는 것을 방지할 수 있고, 나아가 소성 변형한 링 형상 부분(14)을 효율적으로 결합 홈(16)으로 유입할 수 있다. 구속 링(33)으로 링 형상 부분(14) 및 링 형상 부분(14)에 끼워 맞추어진 축 형상 부분(17)의 변동을 방지하므로, 고정밀도인 결합을 달성할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 따르면, 구속 링(33)이 펀치 기구(30)에 배치되어 있으므로, 제1 금속 부재(11)와 제2 금속 부재(12)의 소성 유동 변형 결합 완료 후에, 펀치 기구(30)를 상승시키는 것으로, 구속 링(33)을 제1 금속 부재(11)의 링 형상 부분(14)으로부터 이탈시킬 수 있다. 이에 의해, 양산의 제조 공정에 있어서, 구속 링(33)의 탈착이 자동으로 행해져, 구속 링(33)의 탈착에 수고를 요하는 일 없이, 구속 링(33)을 사용해서 고정밀도 및 고강도의 링 형상 부분(14)과 축 형상 부분(17)과의 결합을 달성할 수 있으므로, 양산의 제조 공정에 있어서도 안정된 결합 부재의 생산성을 달성할 수 있다.

다음에, 다른 실시 형태를 설명한다.

예를 들어, 엔진 부품 등과 같이 고온 또한 진동 환경 하에서 사용되는 부품에서는, 고온에서의 열팽창 차에 의해 외측의 제1 금속 부재(11)와, 내측의 제2 금속 부재(12)와의 체결력이 저하되어, 일부에 회전 방향의 내구 강도의 저하가 발현되었다. 제1 금속 부재(11)의 링 형상 부분(14)이 얇기 때문에, 회전 방향의 입력 부하에 의해, 링 형상 부분(14)이 외측으로 확대되어, 결합 홈(16)으로 유입한 재료가 전단되지 않고, 결합 홈(16)을 타고 넘기 때문이다.

본 실시 형태에서는, 재료가 결합 홈(16)을 타고 넘지 않도록 결합 홈(16)의 깊이를, 통상이 0.1㎜ 정도인 곳, 예를 들어 0.1㎜ 정도 더욱 깊게 해서, 2배인 0.2㎜ 정도로 형성되어 있다.

또한, 도 9의 (A), 도 9의 (B)에 도시한 바와 같이, 상기 링 형상 부분(14)의 외주측에, 적어도 링 형상 부분(14)보다도 열팽창 계수가 작고, 게다가 링 형상 부분(14)보다 강성이 높은 재료로 된 예를 들어 강 링(링 부재)(91)이 끼워 맞추어져 있다.

이 금속 부재 결합 구조로 했을 때에는, 도 2, 도 3, 도 5 등에 도시한 금속 부재 결합 장치(20)에 있어서, 강 링(91)의 외주부에 상기 구속 링(33)이 배치된다. 또, 도 9에 있어서, 도 6과 동일 부분에는 동일한 부호를 부여하여 나타내고, 그 설명을 생략한다.

본 실시 형태에 따르면, 상기 링 형상 부분(14)의 외주에, 적어도 링 형상 부분(14)보다도 열팽창 계수가 작은 재료로 된 예를 들어 강 링(91)이 링 형상 부분(14)의 외주에 끼워 맞추어지므로, 이 금속 부재 결합 구조가, 예를 들어 엔진 부품 등과 같이 고온 또한 진동 환경 하에서 사용되는 부품에 적용된 경우라도, 고온 하에 있어서의 제1 금속 부재(11)와 제2 금속 부재(12)의 열팽창 차에 의한 체결력의 저하를 억지할 수 있다. 이때, 강 링(91)과 제2 금속 부재(12)의 열팽창 계수가 거의 동등하면 최적이다. 또한, 강 링(91)이 링 형상 부분(14)보다도 강성이 높은 재료로 구성되어 있으므로, 강 링(91)이 링 형상 부분(14)을 외측으로부터 보호하기 위해서, 체결 시의 링 형상 부분(14)의 외측으로의 확대를 억제할 수 있어, 금속 부재 결합 구조의 내구성을 확보할 수 있다. 또한, 강 링(91)은 고탄성 계수로, 고강도이기 때문에, 상온이라도 체결력을 향상할 수 있다.

또, 본 실시 형태에 의한 금속 부재 결합 구조 물품에서는, 링 형상 부분(14)의 외주에 강 링(91)이 끼워 맞추어진 채 남겨진다.

도 10의 (A) 내지 도 10의 (C)는, 다른 실시 형태를 나타낸다. 또, 도 10에 있어서 도 1과 동일 부분에는 동일한 부호를 붙여서 도시하고, 그 설명을 생략한다.

본 실시 형태에서는, 제2 금속 부재(12)의 축 형상 부분(17)의 외주부에 결합 홈(16)이 형성되어 있고, 이 결합 홈(16)이 축 형상 부분(17)의 둘레 방향으로 복수조에 걸쳐 연장되는 가로 홈(16A)과, 가로 홈(16A)의 상하 랜드부(17A)에 둘레 방향으로 간격을 두고 축 방향으로 연장되는 복수의 세로 홈(16B)을 구비하여 구성되어 있다.

이 구성에 따르면, 축 형상 부분(17)의 외주에 둘레 방향으로 연장되는 가로 홈(16A)뿐만 아니라, 기어 홈과 같은 복수의 세로 홈(16B)이 형성되므로, 금속 부재 결합 구조가, 예를 들어 축 형상 부분(17)에 둘레 방향으로의 회전력이 크게 작용하는 부품 등에 적용된 경우라도, 세로 홈(16B)으로도 소성 유동시킴으로써, 세로 홈(16B)으로의 소성 유동부가 둘레 방향으로의 회전 방지로서 기능을 하여, 결합 강도가 향상된다. 이 세로 홈(16B)은, 가로 홈(16A)의 상하 랜드부(17A)에 형성했지만, 이에 한정되지 않고, 어느 한쪽의 랜드부(17A)에 형성하면 되는 것은 물론이다.

이상, 일 실시 형태를 기초로 하여 본 발명을 설명했지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니다. 펀치(36)에 가해지는 하중의 크기, 펀치(36)의 링 형상 부분(14)에 대한 스트로크 및 압박 시간, 결합 홈(16)의 개수 및 홈의 깊이, 기타 세부 구성에 대해서는, 제1 금속 부재(11)의 링 형상 부분(14) 및 제2 금속 부재(12)의 축 형상 부분(17)의 구성에 따라서 임의로 변경 가능하다.

11 : 제1 금속 부재
12 : 제2 금속 부재
14 : 링 형상 부분
16 : 결합 홈
16A : 가로 홈
16B : 세로 홈
17 : 축 형상 부분
17A : 랜드부
20 : 금속 부재 결합 장치
23 : 구속 링
24 : 펀치
91 : 강 링(링 부재)