空隙形成用旋转工具及空隙形成方法

专利名称：空隙形成用旋转工具及空隙形成方法
技术领域：
本发明涉及一种利用摩擦搅拌而在金属构件内部形成空隙的空隙形成用旋转工具及使用该旋转工具的空隙形成方法。
背景技术：
专利文献I中记载有具有肩部(shoulder)及垂下至该肩部的底面上的搅拌销的空隙形成用旋转工具。在上述搅拌销的外周面上刻设(engrave)螺纹槽。当在金属构件内部形成空隙时，将朝螺纹槽的后退方向旋转的空隙形成用旋转工具按压至平板状的金属构件的表面，并在保持一定高度的状态下使空隙形成用旋转工具相对于金属构件作相对移动。藉此，塑性流动化后的金属在螺纹槽的螺旋引导下而被刮出至肩部的底面附近，并用肩部的底面压住所刮出的金属的一部分。因此，空隙的上部被利用摩擦搅拌而塑性化的金属 构件所覆盖，因而，可在金属构件内部形成隧道状空隙。现有技术文献专利文献专利文献I :日本专利特开平11-47961号公报

发明内容
发明所要解决的技术问题但是，因空隙形成用旋转工具的结构不同，存在空隙挤扁、出现与空隙和金属构件的表面连通的孔(以下也称为“表面缺陷”)的可能性。按照上述观点，本发明的技术问题在于提供一种当利用摩擦搅拌在金属构件的内部形成空隙时，空隙不易挤扁，且不易出现表面缺陷的空隙形成用旋转工具及空隙形成方法。解决技术问题所采用的技术方案解决上述技术问题的本发明是在利用摩擦搅拌而在金属构件的内部形成空隙时使用的空隙形成用旋转工具，其特称是，具有肩部和从上述肩部垂下的搅拌销，在上述搅拌销的外周面刻设有螺旋槽，上述肩部的外径除以上述搅拌销前端的外径所得到的值为I. 4以上、2. 2以下。根据上述结构，由于不仅可将经塑性流动化后的金属适当地刮出，而且能利用肩部的底面按压所刮出的金属，因此，空隙不易挤扁，且在金属构件上不易产生表面缺陷。若上述肩部的外径除以上述搅拌销前端的外径所得到的值小于I. 4，则由于刮出的金属无法被肩部的底面压住，因此容易产生表面缺陷。另一方面，若上述肩部的外径除以上述搅拌销前端的外径所得到的值大于2. 2，则由于不容易将金属从肩部刮出，因此，金属构件内的空隙容易挤扁。此外，摩擦搅拌装置的主轴马达所受到的载荷变大。此外，较为理想的是，上述螺旋槽相对于以上述搅拌销的轴方向为法线的基准面所成角度为20度以上、40度以下。根据上述结构，空隙更不容易挤扁。若上述螺旋槽相对于上述基准面所成角度小于20度，则因角度浅，不容易将金属从肩部刮出。此外，若螺旋槽相对于上述基准面所成角度大于40度，则因螺旋槽的长度相对于搅拌销而言变短，不容易将金属从肩部刮出。因而，在每种情况下，空隙均有可能挤扁。此外，较为理想的是，上述螺旋槽在上述搅拌销上卷绕一圈以上。若螺旋槽的卷绕少于一圈，则会在空隙的任一个侧壁上残留有经塑性流动化后的金属，而使空隙有可能挤扁，但根据上述结构，由于金属被均衡性良好地塑性流动化，因此，可避免空隙挤扁。此外，较为理想的是，上述搅拌销包括形成有上述螺旋槽的螺旋槽部和没有形成上述螺旋槽的平坦面部，上述螺旋槽部从上述搅拌销的前端刻设。根据上述结构，能将空隙形成在金属构件的较深位置。此外，较为理想的是，在上述肩部的底面突出设置有突条，上述突条在上述搅拌销的周围形成为涡卷状。根据上述结构，可将所形成的空隙为比较整齐的形状。此外，较为理想的是，在上述突条上形成有沿着上述肩部的底面的半径方向剖切 的缺口部。根据上述结构，经塑性流动化后的金属容易集中在搅拌销基端的周围，且将金属从缺口部容易地刮出。藉此，可形成比较大的空隙。较为理想的是，上述搅拌销从前端至基端以恒定的外径形成。根据上述结构，可使空隙的宽度恒定。此外，一种使用空隙形成用旋转工具而在金属构件的内部形成空隙的空隙形成方法，其特征是，上述空隙形成用旋转工具具有肩部和从上述肩部垂下的搅拌销，在上述搅拌销的外周面刻设有螺旋槽，上述肩部的外径除以上述搅拌销前端的外径所得到的值为I. 4以上、2. 2以下，在上述空隙形成方法中，当使上述空隙形成用旋转工具一边旋转，一边相对于上述金属构件进行相对移动时，将上述空隙形成用旋转工具朝着将因摩擦搅拌而流动化后的金属通过上述螺旋槽向上刮出至上述金属构件的表面的方向方向旋转。根据上述方法，不仅可将经塑性流动化后的金属适当地刮出，而且可利用肩部之底面按压所刮出的金属，因此，空隙不易挤扁，且在金属构件上不容易产生表面缺陷。若上述肩部的外径除以上述搅拌销前端的外径所得到的值小于I. 4，则由于刮出的金属无法被肩部的底面压住，因此，容易产生表面缺陷。另一方面，若上述肩部的外径除以上述搅拌销前端的外径所得到的值大于2. 2，则由于不容易将经塑性流动化后的金属从肩部刮出，因此使金属构件内的空隙容易挤扁。此外，摩擦搅拌装置的主轴马达所受到的载荷变大。此外，较为理想的是，将上述金属构件的表面与上述肩部的底面的距离设定为
0 3. Omm0根据上述方法，可形成比较的大的空隙。若将肩部的底面压入金属构件表面的下方，则经塑性流动化后的金属更不容易被刮出，而使空隙容易挤扁。另一方面，若使金属构件的表面与肩部的底面间的距离大于3. 0_，则由于刮出的金属无法被肩部的底面压住，因此，在金属构件上容易产生表面缺陷。此外，在此的金属构件的“表面”是指摩擦搅拌前的金属构件的表面。发明效果根据本发明的空隙形成用旋转工具及空隙形成方法，在利用摩擦搅拌而在金属构件的内部形成空隙时，可使空隙不容易挤扁，且在金属构件上不容易产生表面缺陷。


图I是表示本实施方式的空隙形成用旋转工具的图，图I (a)表示侧视图，图1(b)表示仰视图。图2是表不本实施方式的空隙形成方法的图，图2 (a)表不侧首I]视图，图2 (b)是表示图2 Ca)的I-I纵剖视图。图3 Ca)是表示第一变形例的侧视图，图3 (b)是表示第二变形例的肩部的仰视图。图4是表示第三变形例的侧视图。图5是在螺旋槽角度试验中使用的空隙形成用旋转工具的侧视图及仰视图，其中，图5 Ca)表示工具NO. SI,图5 (b)表示工具NO. S2,图5 (c)表示工具NO. S3。
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图6是表示螺旋槽角度试验的试验结果的金属构件的俯视图，其中，图6 (a)表示工具NO. SI的结果，图6 (b)表示工具NO. S2的结果，图6 (c)表示工具NO. S3的结果。图7 Ca)是图6 Ca)的II-II剖视图，图7 (b)是图6 (b)的II-II剖视图，图7(C)是图6 (C)的II-II剖视图。图8是表示在不同的工具下，螺旋槽角度试验中的空隙面积与间隙的关系的图表。图9是表示在不同的移动速度下，螺旋槽角度试验中的空隙面积与间隙的关系的图表。图10是表示在不同的间隙下，螺旋槽角度试验中的空隙面积与移动速度的关系的图表。图11是在肩部外径试验中使用的空隙形成用旋转工具的侧视图及仰视图，其中，图11 (a)表示工具NO. Tl，图11 (b)表示工具NO. T2，图11 (c)表示工具NO. T3。图12是表不肩部外径试验的试验结果的金属构件的俯视图,其中，图12 (a)表不工具NO. Tl的结果，图12 (b)表示工具NO. T2的结果，图12 (c)表示工具NO. T3的结果。图13 Ca)是图 12 Ca)的 III-III 剖视图，图 13 (b)是图 12 (b)的 III-III 剖视图，图13 (c)是图12 (c)的III-III剖视图。图14是表示在不同的工具下，肩部外径试验中的空隙面积与间隙的关系的图表。图15是表示在不同的工具下，肩部外径试验中的空隙面积与间隙的关系的图表。图16是表示在不同的间隙下，肩部外径试验中的空隙面积与肩部的外径的关系的图表。图17是表示在不同的间隙下，肩部外径试验中的空隙面积与肩部的外径的关系的图表。图18是在突条试验中使用的空隙形成用旋转工具的侧视图及仰视图，其中，图18Ca)表示工具NO. S3-1,图18 (b)表示工具NO. S3-2，图18 (c)表示工具NO. S3-3。图19是表示突条试验的试验结果的金属构件的剖视图，其中，图19 (a)表示工具NO. S3-1的结果，图19 (b)表示工具NO. S3-2的结果，图19 (c)表示工具NO. S3-3的结果。图20是表示在不同的工具下，突条试验中的空隙面积与间隙的关系的图表。图21是在搅拌销外径试验中使用的空隙形成用旋转工具的侧视图及仰视图，其中，图21 (a)表示工具NO. U1，图21 (b)表示工具NO. U2，图21 (c)表示工具NO. U3，图21(d)表示工具NO. U4。图22是表示搅拌销外径试验的试验结果的剖视图，其中，图22(a)表示工具NO. Ul的结果，图22 (b)表示工具NO. U2的结果，图22 (c)表示工具NO. U3的结果，图22 (d)表示工具NO. U4的结果。图23表示在不同的工具下，搅拌销外径试验中的空隙面积与间隙的关系的图表。图24表示在不同的工具下，搅拌销外径试验中的空隙面积与间隙的关系的图表。图25表示在不同的间隙下，搅拌销外径试验中的空隙面积与搅拌销的外径的关系的图表。 图26是表示在空隙深度试验中使用的空隙形成用旋转工具的侧视图及仰视图，其中，图26 (a)表示工具NO. T2,图26 (b)表示工具NO. T2-1，图26 (c)表示工具NO. T2-2。图27是表示空隙深度试验的试验结果的剖视图，其中，图27 Ca)及图27 (b)表示工具NO. T2的结果，图27 (c)及图27 Cd)表示工具NO. T2-1的结果。图28是表示空隙深度试验的试验结果的剖视图，其中，图28 Ca)及图28 (b)表示工具NO. T2-2的结果。图29是表示在不同的间隙下，空隙深度试验中的空隙深度与平坦面部的高度的关系的图表。图30是表示在不同的间隙下，空隙深度试验中的空隙深度与平坦面部的高度的关系的图表。图31是表示在不同的螺旋槽部的高度下，空隙深度试验中的空隙面积与间隙的关系的图表。图32是表示在不同的螺旋槽部的高度下，空隙深度试验中的空隙面积与间隙的关系的图表。图33是表示实施例中的各工具与所形成的空隙的状况的表。图34是表示实施例中的各工具与所形成的空隙的状况的表。
具体实施例方式参照附图对本发明实施方式进行详细说明。如图I所示，本实施方式的空隙形成用旋转工具I具有肩部2和搅拌销3。空隙形成用旋转工具I例如由工具钢等形成。空隙形成用旋转工具I是通过一边在金属构件内旋转的同时一边移动，而在金属构件内部形成隧道状的空隙的工具。通过使气体或液体等流体在由上述工具形成的隧道状空隙中流动，例如可将金属构件用作冷却板。肩部2呈圆柱状，并与未图标的摩擦搅拌装置连接。在肩部2的底面2a形成有突条2b。突条2b如图1(b)所示在搅拌销3的周围形成为螺旋状。突条2b的截面形状虽无特别限制，但在本实施方式中为矩形。突条2b的卷绕数虽无特别限制，但在本实施方式中卷绕了大约一圈半以上。由于设置有突条2b，因此，可使在摩擦搅拌时经塑性流动化后的金属(基材)容易在搅拌销3的基端侧周围流动。突条2b的开始位置(从搅拌销3的基端至突条2b的开始位置间的距离Pl)及突条2b的螺旋间距(突条2b间的距离P2)并无特别限制，只要适当设定便可。此外，亦可不设置突条2b。
搅拌销3与肩部2同心，且垂下至肩部2的底面2a。此外，在本实施方式中，搅拌销3呈锥状。搅拌销3的长度并无特别限制，只要适当设定即可。在本实施方式中，将肩部2的外径Xl和搅拌销3前端的外径Y2设定为X1/Y2 =
I.4 2. 2。这样，当利用摩擦搅拌在金属构件的内部形成空隙时，空隙不易挤扁，且金属构件不易产生表面缺陷。此外，可减轻摩擦搅拌装置所受到的载荷。理由如下所述。在搅拌销3的外周面上，从搅拌销3前端至基端形成有螺旋槽3a。在本实施方式中，螺旋槽3a是利用球形端铣刀(ball end mill)进行槽加工来形成的。螺旋槽3a的截面形状并无特别限制，但在本实施方式中为半圆形。在本实施方式中，螺旋槽3a是上方往下方行进时朝顺时针方向(日文右回D )形成的(右螺纹)。
较为理想的是，将螺旋槽3a相对于以搅拌销3的轴方向为法线的基准面所成的角度(导角)a，适当设定在20 40度之间。若螺旋槽3a的角度a小于20度，则角度过浅，不易将经塑性流动化后的金属从肩部2刮出。另一方面，若螺旋槽3a的角度a大于40度，则由于螺旋槽3a的长度相对于搅拌销3变短，因此，不易将经塑性流动化后的金属从肩部2刮出。因而，在任一情况下，空隙均有可能挤扁。对于螺旋槽3a的轴方向的卷绕数虽无特别限制，但较为理想的是，至少卷绕一圈以上。若卷绕一圈以上，则可形成很大的空隙。若螺旋槽3a的卷绕数少于一圈，则由于螺旋槽3a相对于搅拌销3的位置出现偏离，因此，存在经塑性流动化后的金属残留在所形成的空隙的任一方侧壁上的可能性。另外，在本实施方式中，螺旋槽3a虽如上所述构成，但也可以从上方往下方行进时朝逆时针方向形成(左螺纹)。接着，对本实施方式的空隙形成方法进行说明。如图2所示，在本实施方式中，例示出对平板状的金属构件Z进行加工的情况。金属构件Z的材料并无特别限制，只要从铝、铝合金、铜、铜合金、钛、钛合金、镁、镁合金等可摩擦搅拌的金属中选取即可。在金属构件Z的上方旋转空隙形成用旋转工具1，将搅拌销3压入金属构件Z的表面Za，在保持固定高度的状态下，使空隙形成用旋转工具I相对于金属构件Z相对移动。空隙形成用旋转工具I的旋转速度并无特别限制，例如设定在700 1300rpm之间。此外，空隙形成用旋转工具I的移动速度设定在例如200 400mm/min之间。既可以使肩部2的底面2a与金属构件Z的表面Za在抵接的同时出现移动，也可以使其隔着间隙移动。肩部2的底面2a与金属构件Z的表面Za的间隙(距离)K只要适当设定为例如0 3. Omm间即可。如图2 (a)所示，在本实施方式中，由于从上方往下方前进并沿顺时针方向形成螺旋槽3a，因此，在空隙形成方法中，从上方观察使空隙形成用旋转工具I朝顺时针方向旋转。也就是说，使空隙形成用旋转工具I朝着通过螺旋槽3a将经塑性流动化后的金属向上刮出至金属构件Z的表面Za的方向，一边旋转一边移动。另外，在将螺旋槽3a从上方往下方沿逆时针方向形成的情况下，使空隙形成用旋转工具I朝着将经塑性流动化后的金属刮出至金属构件Z的表面Za的方向、即逆时针方向旋转。在空隙形成方法中，利用空隙形成用旋转工具I对金属构件Z进行摩擦搅拌，并■通过螺旋槽3a产生朝上方的塑性流动。藉此，流动化后的金属被螺旋槽3a引导，并被刮出至金属构件Z的表面Za侧。被刮出的金属一边与底面2a接触，一边在空隙形成用旋转工具I的挤压力的作用下被压入。空隙形成用旋转工具I经过所留下的痕迹，形成作为因刮出金属而形成的隧道状的空隙M，并在空隙M的上方形成塑性化区域Z2。此处，如图2 (b)所示，摩擦搅拌后的金属构件Z由本体部Z1、在本体部Zl内部形成的空隙M及覆盖空隙M上部的塑性化区域Z2构成。塑性化区域Z2是在利用摩擦搅拌使金属塑性流动化后，硬化而形成的部位。在本实施方式中，塑性化区域Z2从截面观察呈倒锥台形状，以覆盖空隙M上方的方式形成。塑性化区域Z2是通过利用肩部2的底面2a按压由搅拌销3摩擦搅拌后的金属来形成的。经摩擦搅拌后的金属中的、从肩部2的底面2a溢出的金属变成毛边V而露出在表面Za上。毛边V最好是通过切削等方式除去。在本实施方式中，空隙M形成为截面呈大致矩形。在本实施方式中，空隙M为密闭空间，在塑性化区域Z2内部、本体部Zl及塑性化区域Z2的边界部分处，没有形成与空隙M连通的表面缺陷。另外，将从空隙M上端至表面Za间的距离设定为“空隙深度D”。根据空隙形成用旋转工具I的形状不同，金属有可能无法被适当地刮出，而使空隙M挤扁。另一方面，金属也有可能被过度刮出，而使塑性化区域Z2变薄，而在塑性化区域·Z2内部、本体部Zl及塑性化区域Z2的边界部分处形成与空隙M连通的表面缺陷。但是，通过空隙形成用旋转工具1，由于可将金属适当地刮出，并且可利用肩部2的底面2a按压被刮出的金属，因此，空隙M不易挤扁，且在金属构件Z上不易产生表面缺陷。此外，可减轻摩擦搅拌装置所受到的载荷。对于肩部2的外径Xl与搅拌销2前端的外径Y2的比率及螺旋槽的角度a的数值等条件，将在实施例中加以叙述。此外，由于本实施方式的搅拌销3为锥形形状，因此，可减少在压入金属构件Z时的压入阻力。<第一变形例>接着，对本发明第一变形例进行说明。在第一变形例的空隙形成用旋转工具IA中，在搅拌销3具有平坦面部11及螺旋槽部12之点上与上述实施方式不同。如图3 (a)所示，在第一变形例的搅拌销3的外周面上，具有未形成槽的平坦面部11和形成有螺旋槽3a的螺旋槽部12。平坦面部11的外周面为平坦状，形成在从搅拌销3的基端直至搅拌销3的大致中央处的位置。另一方面，在螺旋槽部12的外周面，从前端直至大致中央处(直至平坦面部11)的位置，形成有螺旋槽3a。螺旋槽3a理想地至少卷绕一周以上。螺旋槽部12的高度Hl只要根据相对于金属构件Z的预定形成的间隙M的深度适当进行设定即可，例如，较为理想的是，高度Hl为相对于搅拌销3的长度的30 70% (平坦面部11的高度为相对于搅拌销3的长度的70% 30%)的长度。在图I所示的空隙形成用旋转工具I中，由于在从搅拌销3的前端至基端的位置处，形成有螺旋槽3a，金属比较容易被刮出，空隙深度D比较小(浅)。但是，根据第一变形例的空隙形成用旋转工具1A，将金属通过螺旋槽部12刮出来形成空隙M，但在平坦面部11被摩擦搅拌的金属不容易从肩部2被刮出至外部。因而，由于塑性化区域Z2的厚度变大，因此，可使空隙深度D增大(加深)。藉此，不仅可在金属构件Z的较深位置处形成较大的空隙M，而且在塑性化区域Z2的内部、本体部Zl及塑性化区域Z2的边界部分更不易形成表面缺陷。
<第二变形例>接着，对本发明的第二变形例进行说明。如图3 (b)所示，在第二变形例的空隙形成用旋转工具IB中，在形成于肩部2的底面2a的突条2b是间断地形成的这点上与上述实施方式不同。第二变形例的突条2b包括对突条2进行分割的多个缺口部2c。由于包括缺口部2c，经塑性流动化后的金属便流过缺口部2c，而使经塑性流动化后的金属容易沿肩部2的底面2a的半径方向流动。藉此，金属容易集中在搅拌销3的基端周围，且容易将经塑性流动化后的金属从缺口部2c刮出。藉此，可形成比较大的空隙M。此外，缺口部2c的个数及大小只要适当设定即可。〈第三变形例〉接着，对本发明的第三变形例进行说明。如图4所示，第三变形例的空隙形成用旋 转工具IC中，在搅拌销3的外径是恒定的这点上与上述实施方式不同。空隙形成用旋转工具IC的搅拌销3基端的外径Yl与前端的外径Y2相同。这样，也可以将搅拌销3的外径设为恒定。藉此，可以将在空隙形成方法中形成的空隙M形成为恒定的宽度。以上，对本发明的实施方式及变形例进行了说明，但可在不违反本发明目的的范围内适当改变设计。实施例<试验概要>接着，对本发明的实施例进行说明。在实施例中，使构成空隙形成用旋转工具的各要素的形状、大小、比例等变化来进行空隙形成方法，并观察所形成的空隙。此外，为了便于说明，以下将空隙形成用旋转工具仅称为“工具”。在实施例中，大致分为5种试验进行。进行对工具的螺旋槽的角度(导角)的影响进行研究的“螺旋槽角度试验”、对肩部外径的影响进行研究的“肩部外径试验”、对肩部底面的突条的影响进行研究的“突条试验”、对搅拌销的外径的影响进行研究的“搅拌销外径试验”、对所形成的塑性化区域的空隙深度进行研究的“空隙深度试验”。在空隙深度试验中，使用A1050合金板，在其它试验中，使用AllOO合金板。形成于搅拌销的螺旋槽的截面形状呈半圆形，其半径为1.5mm。突条的开始位置(图I (b)的距离Pl)为3. Omm,螺旋间距(图I (b)的距离P2)为2. 5_。在空隙形成方法中，将旋转着的工具压入上述合金板，并移动规定距离。工具的转速基本上为800RPM，在空隙深度试验中，也可以1275RPM进行摩擦搅拌，来对工具转速的影响进行研究。工具以100mm/min或300mm/min的移动速度进行移动。此外,在螺旋槽角度试验中，也可使移动速度在50 300mm/min间变化，来对与移动速度的影响进行研究。接着，在各试验中，将从金属构件的表面至肩部的底面间的间隙(图2 Ca)的距离K)变化为Omm、l. 0mm、2. 0mm、3. Omm,在单个金属构件上进行摩擦搅拌,来对分别形成的空隙进行比较。在每一块合金板(试验体)中，将合金板的中央部切断，在研磨、蚀刻后，观察所形成的空隙形状。此外，使用图像装置对所形成的空隙的截面积进行测量。<螺旋槽角度试验>
在螺旋槽角度试验中，对搅拌销3的螺旋槽3a的角度的影响进行研究。如图5所示，在本试验中，使用三种工具NO. SI S3。在工具NO. SI中，将与螺旋槽3a的水平面所成角度设定为40度，在工具NO. S2中，将该角度设定为30度，在工具NO. S3中，将该角度设定为20度。此外，在工具NO. SI中，螺旋槽相对于搅拌销3的轴方向的卷绕数为大约0.8圈，在工具NO. S2中，该卷绕数为大约I. 3圈，在工具NO. S3中，该卷绕数为大约2. 3圈。除了螺旋槽3a的角度之外的结构在三种工具中均相同，肩部2的外径设定为22mm，搅拌销3基端的外径设定为10mm，前端的外径设定为7mm，搅拌销3的长度设定为11_。此外，在每个工具中均在肩部2的底面2a设置有涡旋状的突条2b。突条2b的高度为 Imm0图6是表示螺旋槽角度试验的试验结果的金属构件的俯视图 ，其中，图6 (a)表示工具NO. SI的结果，图6 (b)表示工具NO. S2的结果，图6 (c)表示工具NO. S3的结果。图6 (a)、图6 (b)、图6 (C)均在金属构件Z (本体部Zl)的表面Za上形成有四个塑性化区域Z2。塑性化区域Z2在图上依次表示从金属构件Z的表面Za至肩部2的底面2a间的间隙为Omm的情况、I. Omm的情况、2. Omm的情况、3. Omm的情况的结果。图7 Ca)是图6 Ca)的II-II剖视图，图7 (b)是图6 (b)的II-II剖视图，图7(C)是图6 (C)的II-II剖视图。如图6 (a) 图6 (c)所示，在间隙为0mm、I. Omm的条件下，肩部2的底面2a的整个面与塑性流动化后的金属接触，而会产生较大的毛边V。在间隙为2. Omm的条件下，虽然肩部2的底面2a的整个面与塑性流动化后的金属接触，但毛边V比较少。在间隙为3. Omm的条件下，塑性流动化后形成的塑性化区域Z2的宽度比肩部2的外径Xl (参照图I (a))小。在此，如图6及图7所示，将工具的旋转速度加上工具的移动速度的一侧设定为“前进侧(Advancing side)”(以下也称为“Ad侧”)，将工具的旋转速度减去工具的移动速度的一侧设定为“后退侧(Retreating side)”(以下也称为“Re侧”)。在本实施方式中，由于一边使工具朝右旋转，一边使其从图6的左边向右边移动，因此，行进方向左侧为Ad侧，右侧为Re侧。如图7 (a)所示，工具NO. SI的空隙M呈纵向细长的矩形形状。塑性化区域Z2覆盖空隙M的上方，其一部份残留在空隙M的Re侧的侧壁上。另一方面，工具NO. S2及工具NO. S3中，在间隙为I. 0 3. 0的条件下，形成形状大致相同的空隙M，经塑性流动化后的金属没有残留在空隙M的侧壁上，而是排出至外部。在工具NO. SI S3中，可知随着间隙变大，空隙M的高度位置移动到金属构件Z的上方，并且空隙M的高度也变高。此外，可知随着工具NO. SI S3中的间隙变大，塑性化区域Z2的截面积变小，从空隙M的上端至金属构件Z的表面Za间的空隙深度D变小。此外，在工具NO. S2及工具NO. S3中，所形成的空隙M的宽度与搅拌销2前端的外径大致相同，但在工具NO. SI中，所形成的空隙的宽度比搅拌销2前端的外径小。如图7
(a)所示，塑性化区域Z2的一部分会残留在空隙M的Re侧的侧壁。可以想象这是因NO. SI工具的螺旋槽3a的角度及卷绕数而引起的。由于在工具NO. SI中，螺旋槽3a的角度深达40度，因此，螺旋槽相对于搅拌销3的长度较短。因而，可以想象经塑性流动化后的金属很难被排出。此外，在工具NO. I中，螺旋槽3a的卷绕数少于一圈，因此，螺旋槽3a相对于搅拌销3的位置会出现偏差。因而，可以想象经塑性化后的金属会残留在所形成的空隙M的一个侧壁上(在此为Re侧)。图8是表示在不同的工具下，螺旋槽角度试验中的空隙面积与间隙的关系的图表。如图7及图8所示，使用工具NO. S2及工具NO. S3形成的空隙M的空隙面积大致相同，但使用工具NO. SI得到的空隙面积比工具NO. S2及工具NO. S3的空隙面积小。此外，如图8所示，随着在工具NO. SI S3中间隙的增加，空隙面积(空隙M的截面积)也增加。简言之，将工具从金属构件Z移开，若能将经塑性流动化后的金属容易地刮出，则可知能增大空隙M的空隙面积。工具NO. SI S3的空隙面积的増加比例(图表中的斜率)均约为7mm2/mm,与搅拌销3前端的外径大致相同。图9是表示在不同的移动速度下，螺旋槽角度试验中的空隙面积与间隙的关系的图表。由于工具NO. SI S3均为大致相同的结果，因此，在图9中，仅表示工具NO. S2的结 果来作为代表例。图10是表示在不同间隙下，螺旋槽角度试验中的空隙面积与移动速度的关系的图表。在图10中，表示使用工具NO. S3得到的空隙面积与移动速度的关系。从图9及图10可清楚知道，空隙面积几乎不会因移动速度的变化而受到影响。<肩部外径试验>在肩部外径试验中，对肩部2的外径的影响进行研究。如图11所示，在本试验中，使用三种工具NO. Tl T3。在工具NO. Tl中，将肩部2的外径设定为20mm，在工具NO. T2中，将肩部2的外径设定为18mm，在工具NO. T3中，将肩部2的外径设定为16mm。除肩部2的外径之外的结构在三种工具中均相同，搅拌销3基端的外径设定为10mm，前端的外径设定为7mm，搅拌销3的长度设定为11mm。此外，每个工具均在肩部2的底面2a上设置有涡旋状的突条2b。突条2b的高度为1mm。图12是表示肩部外径试验的试验结果的金属构件的俯视图，图12 Ca)表示工具NO. Tl的结果，图12 (b)表示工具NO. T2的结果，图12 (c)表示工具NO. T3的结果。此外，图13 (a)是图12 (a)的III-III剖视图，图13 (b)是图12 (b)的III-III剖视图，图13(c)是图12 (c)的III-III剖视图。此外，如图5 (c)所示，在上述工具NO. S3中，肩部2的外径为22mm，其它结构与工具NO. Tl T3相同，因此，对比并研究图6 (C)、图7 (c)的图。通过缩小肩部2的外径，可知即便间隙为2. 0mm，经塑性流动化后的金属也会与肩部2的底面2a接触，并从Re侧排出大量毛边V。在间隙为3. Omm时，虽在Re侧排出毛边V，但使用工具NO. Tl、工具NO. T3时，塑性化区域Z2的金属不足，而形成与空隙M连通的表面缺陷E。另一方面，随着肩部2的外径变小，空隙M的高度増加。通过缩小肩部2的外径，被肩部2的底面2a按压的金属会减少。因此，可以想象经塑性流动化后的金属容易被刮出，而与空隙M的高度増加相关。图14及图15均是表示在不同的工具下，肩部外径试验中的空隙面积与间隙的关系的图表，图14表示将移动速度设定为100mm/min时的结果，图15表示将移动速度设定为300mm/min时的结果。如图14及图15所示，在所有工具中，随着间隙变大，空隙面积增加。简言之，将工具从金属构件Z移开，若能将经塑性流动化后的金属容易地刮出，则可知能增大空隙M的空隙面积。工具NO. S3、工具NO. Tl T3的空隙面积的増加比例(増加的斜率)均为大约7mm2/mm,与搅拌销3前端的外径相同。图16及图17是表示在不同的间隙下，肩部外径试验中的空隙面积与肩部的外径的关系的图表，图16表示将移动速度设定为100mm/min时的结果，图17表示将移动速度设定为300mm/min时的结果。如图16及图17所示，在间隙为2. Omm的条件下，在肩部2的外径为22mm时得到的空隙面积与在肩部2的外径为20mm时得到的空隙面积大致相同。肩部2的外径在20mm至16mm的范围内，随着肩部2的外径减少，空隙面积会増加。空隙面积的増加比例(増加的斜率)为大约5mm2/mm。
如图16所示，在移动速度为100mm/min且间隙为3. Omm的条件下，肩部2的外径在22_至16_的范围内，随着肩部2的外径变小，空隙面积呈直线増加。可以想象这是因随着肩部2的外径变小,来自肩部2的加压会减少,而使所排出的金属增加。另一方面，如图17所示，在移动速度为300mm/min的条件下，且在间隙为3. Omm的条件下，由于在肩部2的外径为16mm、18mm时，在塑性化区域会产生表面缺陷，因此，会使空隙面积减少。<突条试验>在突条试验中，对形成于肩部2的底面2a的突条2b的影响进行研究。如图18所示，在本试验中，使用三种空隙形成用旋转工具NO. S3-1 S3-3。在工具NO. S3-1中，将突条2b的缺口部2c的宽度设定为2mm，在工具NO. S3-2中，将该宽度设定为6mm。在工具NO. S3-3中，没有设置突条。除突条2b之外的结构在三种工具中均相同，肩部2的外径设定为22mm，搅拌销3基端的外径设定为10mm，前端的外径设定为7mm，搅拌销的长度设定为Ilmm0图19是表示突条试验的试验结果的金属构件的剖视图，其中，图19 (a)表示工具NO. S3-1的结果，图19 (b)是表示工具NO. S3-2的结果，图19 (c)表示工具NO. S3-3的结果。图20是表示在不同的工具下，突条试验中的空隙面积与间隙的关系的图表。此外，如图5 (c)所示，上述空隙形成用旋转工具NO. S3包括没有缺口部2c的突条2b，由于其它结构与工具NO. S3-1 S3-3相同，因此，可对比并研究图6 (C)、图7 (c)的图。如图7 (C)、图19 (a)及图20所示，工具NO. 3、工具NO. 3-1及工具NO. 3-3的各空隙面积大致相等。若将工具NO. 3的结果与工具NO. 3-3的结果进行对比，可知有无突条2b对空隙面积的结果没有影响。但是，若将图7 (c)与图19 (c)进行对比，可知具有突条2b的工具NO. 3的空隙M形状更为整齐。可以想象这是因具有突条2b而使经塑性流动化后的金属容易集中在搅拌销3的基端侧周围的缘故。若像工具NO. 3-2这样，缺口部2c的长度为6mm且该长度比较长，则空隙面积也会变大。可以想象这是因为若缺口部2c的长度增长，则经塑性流动化后的金属容易沿肩部2的底面2a的半径方向流动，并将上述金属容易刮出。<搅拌销外径试验>在搅拌销外径试验中，使用相同外径的肩部2，并且将从搅拌销3的基端至前端的外径设定为恒定，并使各搅拌销3的外径变化，来对搅拌销3的外径的影响进行研究。如图21所示，在本试验中，使用四种空隙形成用旋转工具NO. Ul U4。在工具NO. Ul中，将搅拌销3的外径设定为10臟，在工具NO. U2中，将搅拌销3的外径设定为12臟，在工具NO. U3中，将搅拌销3的外径设定为14mm，在工具NO. U4中，将搅拌销3的外径设定为16mm。除搅拌销3的外径之外的结构在四种工具中均相同，肩部2的外径设定为22mm，搅拌销3的长度设定为11_。此外，每个工具均在肩部2的底面2a设置有涡旋状的突条2b。突条2b之高度为 Imm0如图22 (d)所示，可知在工具NO. U4的间隙为3. Omm的条件下，会产生表面缺陷E。如图22及图23所示，可知在工具NO. Ul U4中，随着间隙增大，空隙面积也会变大。工具NO. Ul U3的空隙面积的増加比例(图表的斜率)，为与各自工具的搅拌销3的外径相近的值。也就是说，工具NO. Ul的空隙面积的増加比例(图表的斜率)在图23中为IOmm2/mm，在图24中为10. 7mm2/mm，工具NO. U2的空隙面积的増加比例在图23中为12. 6mm2/mm,在图24中为12. 5mm2/mm，工具NO. U3的空隙面积的増加比例在图23中为13. 7mm2/mm，在图 24中为14. 4_2/_。可以想象若将各工具的间隙均增大1_，由于空隙M会增加与搅拌销3的外径相应的量，因而所形成的空隙面积也增大与搅拌销3的外径相应的量。此外，如图23及图24所示，可知移动速度的差异对空隙面积没有影响。此外，如图25所示，可知随着搅拌销3的外径变大，空隙面积也増加，但其増加趋势为二次函数。<空隙深度试验>在空隙深度试验中，如图3 (a)所示，使用具有没有形成螺旋槽3a的平坦面部11的空隙形成用旋转工具，来对所形成的空隙M的深度位置进行研究。如图26所示，在本试验中，使用三种空隙形成用旋转工具。工具NO. T2为比较例，与图11 (b)所示的工具相同。如图27 (a)所示，工具NO. T2的螺旋槽部12的高度与搅拌销3的长度相同，均为
11.0mm。如图27 (c)所示，工具NO. T2-1的平坦面部11的高度为3. 5mm，螺旋槽部12的高度为7.5mm。如图28 (a)所示，工具NO. T2-2的平坦面部11的高度为6. 0mm，螺旋槽部12的高度为5. 0mm。除螺旋槽部12的高度之外的结构在三种工具中均相同，肩部2的外径为18mm，搅拌销3基端的外径为10mm，前端的外径为7mm。每个工具均在肩部2的底面2a设置有涡旋状的突条2b。突条2b的高度为1mm。此外，在空隙深度试验中，从金属构件Z的表面Za至肩部2的底面2a的间隙为0mm、I. 0mm、2. Omm三种。此外，在各工具中，在800RPM及1275RPM这两种转速下进行试验。图27是表示空隙深度试验的试验结果的剖视图，其中，图27 (a)及图27 (b)表示工具NO. T2的结果，图27 (c)及图27 (d)表示工具NO. T2-1的结果。图28是表示空隙深度试验的试验结果的剖视图，其中，图28 (a)及图28 (b)表示工具NO. T2-2的结果。图29是表示在不同的间隙下，空隙深度试验中的空隙深度与平坦面部的高度的关系的图表。图30是表示在不同的间隙下，空隙深度试验中的空隙深度与平坦面部的高度的关系的图表。图29和图30的工具的转速不同，图29的试验中的转速为800RPM，图30的试验中的转速为1275RPM。如图29及图30所示，可知平坦面部11的高度(搅拌销3的长度一螺旋槽部12的高度)越大，空隙深度D也越深。此外，可知间隙越小，空隙深度D也越深。若将图29与图30进行对比，可知工具的转速越高，空隙深度D就变得越深。图31是表示在不同的螺旋槽部的高度下，空隙深度试验中的空隙面积与间隙的关系的图表。图32是表示在不同的螺旋槽部的高度下，空隙深度试验中的空隙面积与间隙的关系的图表。图31与图32的工具的转速不同，图31的试验中的转速为800RPM，图32的试验中的转速为1275RPM。如图31、图32及图27、图28所示，可知螺旋槽部11的高度越高，则空隙面积变得越大。若将图31与图32进行对比，可知工具的转速几乎对空隙面积的増减没有影响。综上所述，根据空隙试验，可知若增加平坦面部11的高度，便能将空隙M形成在很深的位置处。另一方面，可知若平坦面部11的高度过高，则空隙M的空隙面积会变小。<肩部的外径/搅拌销前端的外径和试验结果的对比>图33及图34是表示实施例的各工具及所形成的空隙的状况的表。“状况”条目中·的“〇”表示空隙M的状态良好，“ X ”表示产生表面缺陷E的状态。如图33及图34所示，在肩部的外径除以搅拌销前端的外径所得到的值为I. 4
2.2的情况下，不会产生表面缺陷E，空隙M的状态大多良好。若上述值小于I. 4，由于刮出的金属无法被肩部2的底面2a压住，因此，容易产生表面缺陷E。另一方面，若上述值大于
2.2，则因不容易将经塑性流动化后的金属从肩部2刮出，因此，空隙容易挤扁。此外，若上述值大于2. 2，则因摩擦搅拌装置的主轴马达所受到的载荷变大，因而不甚理想。(符号说明)I空隙形成用旋转工具2 肩部2a 底面2b 突条2c 缺口部3搅拌销3a螺旋槽D空隙深度K 间隙M 空隙V 毛边Z金属构件Zl本体部Z2塑性化区域Za 表面
权利要求
1.一种空隙形成用旋转工具，在利用摩擦搅拌而在金属构件的内部形成空隙时使用，其特征在于， 具有肩部和从所述肩部垂下的搅拌销， 在所述搅拌销的外周面刻设有螺旋槽， 所述肩部的外径除以所述搅拌销前端的外径的值为I. 4以上、2. 2以下。
2.如权利要求I所述的空隙形成用旋转工具，其特征在于，所述螺旋槽相对于以所述搅拌销的轴方向为法线的基准面所成角度为20度以上、40度以下。
3.如权利要求I所述的空隙形成用旋转工具，其特征在于，所述螺旋槽在所述搅拌销上卷绕一圈以上。
4.如权利要求I所述的空隙形成用旋转工具，其特征在于， 所述搅拌销包括形成有所述螺旋槽的螺旋槽部和没有形成所述螺旋槽的平坦面部， 所述螺旋槽部从所述搅拌销的前端开始刻设。
5.如权利要求I所述的空隙形成用旋转工具，其特征在于， 在所述肩部的底面突出设置有突条， 所述突条在所述搅拌销的周围形成为涡旋状。
6.如权利要求5所述的空隙形成用旋转工具，其特征在于， 在所述突条上形成有沿着所述肩部的底面的半径方向剖切的缺口部。
7.如权利要求I所述的空隙形成用旋转工具，其特征在于，所述搅拌销从前端至基端以恒定的外径形成。
8.一种空隙形成方法，使用空隙形成用旋转工具来在金属构件的内部形成空隙，其特征在于， 所述空隙形成用旋转工具具有肩部和从所述肩部垂下的搅拌销， 在所述搅拌销的外周面刻设有螺旋槽， 所述肩部的外径除以所述搅拌销前端的外径所得到的值为I. 4以上、2. 2以下， 在所述空隙形成方法中， 当使所述空隙形成用旋转工具一边旋转、一边相对于所述金属构件进行相对移动时，使所述空隙形成用旋转工具朝着将因摩擦搅拌而流动化后的金属通过所述螺旋槽向上刮出至所述金属构件的表面的方向旋转。
9.如权利要求8所述的空隙形成方法，其特征在于，将所述金属构件的表面与所述肩部的底面的距离设定为0 3. 0mm。
全文摘要
本发明提供一种在利用摩擦搅拌而在金属构件的内部形成空隙时，空隙不容易挤扁且不容易形成表面缺陷的空隙形成用旋转工具及空隙形成方法。使所述空隙形成旋转工具(1)一边旋转，一边相对于金属构件(Z)进行相对移动，而在所述金属构件(Z)的内部形成空隙(M)，其特征是，所述空隙形成旋转工具(1)具有肩部(2)及从所述肩部(2)垂下的搅拌销(3)，在搅拌销(3)的外周面刻设有螺旋槽(3a)，所述肩部的外径除以所述搅拌销前端的外径所得到的值为1.4以上、2.2以下。
文档编号B23K20/12GK102971108SQ20118003290
公开日2013年3月13日 申请日期2011年6月29日 优先权日2010年7月12日
发明者堀久司, 濑尾伸城 申请人:日本轻金属株式会社