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JP7503263B2 - Cold forging joining method - Google Patents
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Description

特許法第30条第2項適用 2019年度塑性加工春季講演会予稿集、第141、142頁、(一社)日本塑性加工学会Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act, Proceedings of the 2019 Spring Conference on Plastic Processing, pp. 141 and 142, Japan Society for Technology of Plastic Processing

本発明は、冷間鍛造による接合方法に関する。 The present invention relates to a joining method using cold forging.

特許文献1に、冷間鍛造による接合方法が開示されている。この接合方法では、複数の金属板材が重ね合わされた被接合部材をパンチで押圧する冷間鍛造が行われる。被接合部材のうちパンチに押圧された部分が塑性変形することによって、被接合部材のうちパンチによって押圧される圧力作動面に凹部が形成されるとともに、被接合部材のうち圧力作動面の反対側の背面に凸部が形成される。被接合部材の塑性変形によって、複数の金属板材の表面に、酸化膜および汚染膜に覆われていない活性新生面が出現する。出現した活性新生面同士が押し付けられて密着することで、複数の金属板材が固相接合により接合される。 Patent Document 1 discloses a joining method using cold forging. In this joining method, cold forging is performed by pressing a member to be joined, which is a stack of multiple metal plates, with a punch. The portion of the member to be joined pressed by the punch undergoes plastic deformation, forming a concave portion on the pressure-actuated surface of the member to be joined that is pressed by the punch, and forming a convex portion on the back surface of the member to be joined opposite the pressure-actuated surface. The plastic deformation of the member to be joined causes new active surfaces that are not covered by oxide films and contaminant films to appear on the surfaces of the multiple metal plates. The newly active surfaces that appear are pressed against each other and come into close contact, and the multiple metal plates are joined by solid-state welding.

この接合方法では、接合強度を高めるために、被接合部材の背面に背当部材が当てられた状態で、被接合部材の圧力作動面がパンチによって押圧される。パンチによる押圧によって、被接合部材とともに、背当部材が塑性変形する。被接合部材の背面に背当部材から背圧が付与される。 In this joining method, in order to increase the joining strength, a backing member is placed against the back surface of the joined parts, and the pressure application surface of the joined parts is pressed by a punch. The backing member is plastically deformed together with the joined parts by the pressure from the punch. Back pressure is applied from the backing member to the back surface of the joined parts.

特許第6117411号公報Patent No. 6117411

上記した従来技術の接合方法では、背当部材が塑性変形する。このため、加工のたびに背当部材を交換する必要がある。これが、生産性向上の妨げになる。 In the conventional joining method described above, the backing material undergoes plastic deformation. This means that the backing material needs to be replaced every time processing is performed. This is an obstacle to improving productivity.

そこで、本発明者は、この課題を解決するために、背圧パンチで背圧を付与する冷間鍛造による接合方法を検討した。この背圧パンチは、被接合部材が設置されるダイスのダイス開口部に対して移動可能に配置される。この背圧パンチは、被接合部材の圧力作動面がパンチによって押圧されたときに、パンチの押圧方向と同じ方向に移動する。このため、背圧パンチは、パンチの押圧力で変形しない。よって、加工のたびに背圧パンチを交換する必要が無い。そして、背圧パンチで一定の背圧を付与しながら、接合したところ、良好な接合が得られた。 In order to solve this problem, the inventors have investigated a joining method using cold forging in which back pressure is applied by a back pressure punch. This back pressure punch is movably positioned relative to the die opening of the die in which the members to be joined are placed. When the pressure application surface of the members to be joined is pressed by the punch, this back pressure punch moves in the same direction as the pressing direction of the punch. For this reason, the back pressure punch does not deform due to the pressing force of the punch. Therefore, there is no need to replace the back pressure punch every time processing is performed. Then, when joining was performed while applying a constant back pressure with the back pressure punch, good joining was obtained.

しかし、本発明者が検討した接合方法の実用化のためには、接合強度を増加させることが求められる。 However, in order to put the joining method that the inventors have developed into practical use, it is necessary to increase the joining strength.

本発明は上記点に鑑みて、背圧パンチで背圧を付与しつつ、パンチで押圧力を付与する冷間鍛造によって、被接合部材を接合する方法であって、接合強度を増加させることができる冷間鍛造接合方法を提供することを目的とする。 In view of the above, the present invention aims to provide a method for joining workpieces by cold forging in which a back pressure punch applies back pressure while a punch applies a pressing force, and which can increase the joining strength.

上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明によれば、
複数の金属板材(31、32)が重ね合わされた被接合部材(30)を冷間鍛造によって接合する冷間鍛造接合方法は、
被接合部材(30)の圧力作動面(30a)を押圧するパンチ(12)、被接合部材が設置されるとともに、パンチに対向する部位にダイス開口部(14a)が形成されているダイス(14)、ダイス開口部に対して移動可能に配置され、被接合部材のうち圧力作動面の反対側の背面(30b)に背圧を付与する背圧パンチ(18)、および、背圧を調整する背圧調整部(20、22、24)を備える接合装置(10)に対して、被接合部材を設置することと、
被接合部材の背面に対して背圧パンチによって背圧を付与しながら、被接合部材の圧力作動面をパンチによって押圧することと、を含み、
押圧することにおいては、
被接合部材のうちパンチに押圧された部分が塑性変形することによって、圧力作動面に凹部(311)が形成されるとともに、背面に凸部(312)が形成され、
背圧調整部によって、パンチの押圧開始時からパンチの押圧終了時までの加工期間の後半での背圧の最大値は、加工期間の前半での背圧の最大値よりも大きくされ、
該塑性変形による複数の前記金属板材の表面の面積拡大によって該表面に出現した活性新生面同士が、パンチによる押圧力と背圧パンチによる背圧とによって、押し付けられて密着することにより、複数の金属板材が固相接合される。
In order to achieve the above object, according to the invention described in claim 1,
A cold forging joining method for joining a joined member (30) having a plurality of overlapping metal plate materials (31, 32) by cold forging, comprising:
a joining device (10) including a punch (12) for pressing a pressure operating surface (30a) of the workpiece (30), a die (14) on which the workpiece is placed and in which a die opening (14a) is formed at a portion facing the punch, a back pressure punch (18) arranged movably relative to the die opening and applying back pressure to a back surface (30b) of the workpiece opposite the pressure operating surface, and a back pressure adjustment unit (20, 22, 24) for adjusting the back pressure;
pressing the pressure application surface of the workpieces with a punch while applying back pressure to the back surface of the workpieces with a back pressure punch;
In pressing,
The portion of the workpiece pressed by the punch is plastically deformed, forming a concave portion (311) on the pressure acting surface and a convex portion (312) on the back surface.
The back pressure adjusting unit makes the maximum value of the back pressure in the latter half of the processing period from the start of pressing the punch to the end of pressing the punch greater than the maximum value of the back pressure in the first half of the processing period,
The plastic deformation causes the surfaces of the multiple metal plates to expand in area, and the newly active surfaces that appear on the surfaces are pressed together and adhered to each other by the pressing force of the punch and the back pressure of the back pressure punch, thereby solid-state joining the multiple metal plates.

これによれば、背圧調整部によって、加工期間の後半での背圧の最大値は、加工期間の前半での背圧の最大値よりも大きくされる。このため、加工期間の全期間での背圧の大きさを、本発明の加工期間の前半での背圧の最大値以下の小さな背圧で一定とする場合と比較して、活性新生面同士を押しつけ合う力を増加させることができる。このため、接合強度を増加させることができる。また、加工期間の全期間での背圧の大きさを、本発明の加工期間の後半での背圧の最大値と同じ大きな背圧で一定とする場合と比較して、塑性変形量を増加させることでき、活性新生面の面積を増加させることができる。このため、接合強度を増加させることができる。 According to this, the back pressure adjustment unit makes the maximum value of the back pressure in the latter half of the processing period greater than the maximum value of the back pressure in the first half of the processing period. Therefore, compared to when the magnitude of the back pressure during the entire processing period is constant at a small back pressure equal to or less than the maximum value of the back pressure during the first half of the processing period of the present invention, the force pressing the newly active surfaces against each other can be increased. Therefore, the bonding strength can be increased. Also, compared to when the magnitude of the back pressure during the entire processing period is constant at a large back pressure equal to the maximum value of the back pressure during the latter half of the processing period of the present invention, the amount of plastic deformation can be increased and the area of the newly active surfaces can be increased. Therefore, the bonding strength can be increased.

また、請求項2に記載の発明によれば、
複数の金属板材(31、32)が重ね合わされた被接合部材(30)を冷間鍛造によって接合する冷間鍛造接合方法は、
被接合部材(30)の圧力作動面(30a)を押圧するパンチ(12)、被接合部材が設置されるとともに、パンチに対向する部位にダイス開口部(14a)が形成されているダイス(14)、ダイス開口部に対して移動可能に配置され、被接合部材のうち圧力作動面の反対側の背面(30b)に背圧を付与する背圧パンチ(18)、および、背圧を調整する背圧調整部(20、22、24)を備える接合装置(10)に対して、被接合部材を設置することと、
被接合部材の背面に対して背圧パンチによって背圧を付与しながら、被接合部材の圧力作動面をパンチによって押圧することと、を含み、
押圧することにおいては、
被接合部材のうちパンチに押圧された部分が塑性変形することによって、圧力作動面に凹部(311)が形成されるとともに、背面に凸部(312)が形成され、
背圧調整部によって、パンチの押圧開始時からパンチの押圧終了時までの加工期間の後半での背圧の平均値は、加工期間の前半での背圧の平均値よりも大きくされ、
該塑性変形による複数の前記金属板材の表面の面積拡大によって該表面に出現した活性新生面同士が、パンチによる押圧力と背圧パンチによる背圧とによって、押し付けられて密着することにより、複数の金属板材が固相接合される。
According to the invention described in claim 2,
A cold forging joining method for joining a joined member (30) having a plurality of overlapping metal plate materials (31, 32) by cold forging, comprising:
a joining device (10) including a punch (12) for pressing a pressure operating surface (30a) of the workpiece (30), a die (14) on which the workpiece is placed and in which a die opening (14a) is formed at a portion facing the punch, a back pressure punch (18) arranged movably relative to the die opening and applying back pressure to a back surface (30b) of the workpiece opposite the pressure operating surface, and a back pressure adjustment unit (20, 22, 24) for adjusting the back pressure;
pressing the pressure actuation surface of the workpieces with a punch while applying back pressure to the back surface of the workpieces with a back pressure punch;
In pressing,
The portion of the workpiece pressed by the punch is plastically deformed, forming a concave portion (311) on the pressure acting surface and a convex portion (312) on the back surface.
The back pressure adjusting unit makes the average value of the back pressure in the latter half of the processing period from the start of pressing the punch to the end of pressing the punch larger than the average value of the back pressure in the first half of the processing period,
The plastic deformation causes the surfaces of the multiple metal plates to expand in area, and the newly active surfaces that appear on the surfaces are pressed together and adhered to each other by the pressing force of the punch and the back pressure of the back pressure punch, thereby solid-state joining the multiple metal plates.

これによれば、背圧調整部によって、加工期間の後半での背圧の平均値は、加工期間の前半での背圧の平均値よりも大きくされる。このため、加工期間の全期間での背圧の大きさを、本発明の加工期間の前半のいずれかのときの背圧と同じ小さな背圧で一定とする場合と比較して、活性新生面同士を押しつけ合う力を増加させることができる。このため、接合強度を増加させることができる。また、加工期間の全期間での背圧の大きさを、本発明の加工期間の後半のいずれかのときの背圧と同じ大きな背圧で一定とする場合と比較して、塑性変形量を増加させることでき、活性新生面の面積を増加させることができる。このため、接合強度を増加させることができる。 According to this, the back pressure adjustment unit makes the average value of the back pressure in the latter half of the processing period greater than the average value of the back pressure in the first half of the processing period. Therefore, compared to when the magnitude of the back pressure during the entire processing period is constant at a small back pressure equal to the back pressure at any time during the first half of the processing period of the present invention, the force pressing the newly active surfaces against each other can be increased. Therefore, the bonding strength can be increased. Also, compared to when the magnitude of the back pressure during the entire processing period is constant at a large back pressure equal to the back pressure at any time during the second half of the processing period of the present invention, the amount of plastic deformation can be increased and the area of the newly active surfaces can be increased. Therefore, the bonding strength can be increased.

また、請求項4に記載の発明によれば、
複数の金属板材(31、32)が重ね合わされた被接合部材(30)を冷間鍛造によって接合する冷間鍛造接合方法は、
被接合部材(30)の圧力作動面(30a)を押圧するパンチ(12)、被接合部材が設置されるとともに、パンチに対向する部位にダイス開口部(14a)が形成されているダイス(14)、ダイス開口部に対して移動可能に配置され、被接合部材のうち圧力作動面の反対側の背面(30b)に背圧を付与する背圧パンチ(18)、および、背圧を調整する背圧調整部(20、22、24)を備える接合装置(10)に対して、被接合部材を設置することと、
被接合部材の背面に対して背圧パンチによって背圧を付与しながら、被接合部材の圧力作動面をパンチによって押圧することと、を含み、
押圧することにおいては、
被接合部材のうちパンチに押圧された部分が塑性変形することによって、圧力作動面に凹部(311)が形成されるとともに、背面に凸部(312)が形成され、
背圧パンチとして、背圧パンチの先端面(18a)のうちパンチの先端面(12a)に対してパンチの軸線方向で対向する部位の少なくとも一部が、丸みを帯びた凸形状であるものが用いられ、
該塑性変形による複数の前記金属板材の表面の面積拡大によって該表面に出現した活性新生面同士が、パンチによる押圧力と背圧パンチによる背圧とによって、押し付けられて密着することにより、複数の金属板材が固相接合される。
According to the invention described in claim 4,
A cold forging joining method for joining a joined member (30) having a plurality of overlapping metal plate materials (31, 32) by cold forging, comprising:
a joining device (10) including a punch (12) for pressing a pressure operating surface (30a) of the workpiece (30), a die (14) on which the workpiece is placed and in which a die opening (14a) is formed at a portion facing the punch, a back pressure punch (18) arranged movably relative to the die opening and applying back pressure to a back surface (30b) of the workpiece opposite the pressure operating surface, and a back pressure adjustment unit (20, 22, 24) for adjusting the back pressure;
pressing the pressure actuation surface of the workpieces with a punch while applying back pressure to the back surface of the workpieces with a back pressure punch;
In pressing,
The portion of the workpiece pressed by the punch is plastically deformed, forming a concave portion (311) on the pressure acting surface and a convex portion (312) on the back surface.
As the back pressure punch, one is used in which at least a part of a portion of a tip surface (18a) of the back pressure punch that faces the tip surface (12a) of the punch in the axial direction of the punch has a rounded convex shape,
The plastic deformation causes the surfaces of the multiple metal plates to expand in area, and the newly active surfaces that appear on the surfaces are pressed together and adhered to each other by the pressing force of the punch and the back pressure of the back pressure punch, thereby solid-state joining the multiple metal plates.

これによれば、背圧パンチの先端面の全体が平坦である場合と比較して、被接合部材のうちパンチの軸線方向でパンチと対向する部分における表面拡大比を増加でき、活性新生面を増加させることができる。また、背圧パンチの先端面の全体が平坦である場合と比較して、被接合部材のうち当該部分における接合界面の面圧を増加でき、活性新生面同士の結合を促進させることができる。これらの結果、接合強度を増加させることができる。 This makes it possible to increase the surface expansion ratio in the portion of the workpieces that faces the punch in the axial direction of the punch, and to increase the number of newly active surfaces, compared to when the entire tip face of the back pressure punch is flat. Also, compared to when the entire tip face of the back pressure punch is flat, it is possible to increase the surface pressure at the joining interface in that portion of the workpieces, and to promote bonding between the newly active surfaces. As a result, the joining strength can be increased.

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。 The reference symbols in parentheses attached to each component indicate an example of the correspondence between the component and the specific components described in the embodiments described below.

第1実施形態における接合装置の模式的断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the joining device according to the first embodiment. 図1の接合装置の上面図である。FIG. 2 is a top view of the joining apparatus of FIG. 1 . 図1の接合装置を用いて被接合部材を接合するときの接合装置の拡大断面図である。2 is an enlarged cross-sectional view of the joining apparatus of FIG. 1 when members to be joined are joined using the joining apparatus; 図1の接合装置を用いて被接合部材を接合するときの背圧の変化を示すグラフである。4 is a graph showing a change in back pressure when members to be joined are joined using the joining apparatus of FIG. 1 . 第2実施形態における接合装置の模式的断面図である。FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of a joining device according to a second embodiment. 第3実施形態における接合装置の模式的断面図である。FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of a joining device according to a third embodiment. 第3実施形態における背圧の変化を示すグラフである。13 is a graph showing a change in back pressure in the third embodiment. 第4実施形態における背圧パンチの断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view of a back pressure punch in a fourth embodiment. 第4実施形態における接合装置の拡大断面図である。FIG. 13 is an enlarged cross-sectional view of a joining device according to a fourth embodiment. 第4実施形態の接合装置を用いて金属板材同士を接合したときの接合界面の面圧の分布を示すグラフである。13 is a graph showing the distribution of surface pressure at a joining interface when metal plate materials are joined together using the joining device of the fourth embodiment. 第4実施形態の接合装置を用いて金属板材同士を接合したときの表面拡大比の分布を示すグラフである。13 is a graph showing the distribution of surface expansion ratios when metal plate materials are joined together using the joining device of the fourth embodiment.

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。 The following describes embodiments of the present invention with reference to the drawings. In the following embodiments, parts that are the same or equivalent to each other are denoted by the same reference numerals.

(第1実施形態)
本実施形態の接合方法は、被接合部材である複数の金属板材を冷間鍛造によって接合する方法である。冷間鍛造は、常温環境下で金属部材に圧力を加えて、金属板材を塑性変形させる加工方法である。
First Embodiment
The joining method of the present embodiment is a method for joining a plurality of metal plate materials, which are members to be joined, by cold forging. Cold forging is a processing method in which pressure is applied to metal members in a room temperature environment to plastically deform the metal plate materials.

まず、本実施形態の接合方法に用いる接合装置について説明する。図1に示すように、接合装置10は、パンチ12と、ダイス14と、押さえ治具16と、背圧パンチ18と、ばね20と、を備える。図1は、接合装置10に対して被接合部材30が設置された状態を示している。 First, the joining device used in the joining method of this embodiment will be described. As shown in FIG. 1, the joining device 10 includes a punch 12, a die 14, a holding jig 16, a back pressure punch 18, and a spring 20. FIG. 1 shows a state in which the workpieces 30 are placed on the joining device 10.

パンチ12は、図示しない駆動装置から押される力によって、被接合部材30のパンチ12側の面である圧力作動面30aを押圧する雄型である。パンチ12は、図1、2に示すように、円柱状のピンである。パンチ12の被接合部材30側の先端面12aは、平坦である。駆動装置として、一般的なプレス加工に用いられるプレス機、例えば、サーボプレス機、他の機械式プレス機、液圧式プレス機を用いることができる。 The punch 12 is a male mold that presses the pressure operating surface 30a, which is the surface of the workpiece 30 facing the punch 12, by the force applied by a driving device (not shown). As shown in Figures 1 and 2, the punch 12 is a cylindrical pin. The tip surface 12a of the punch 12 facing the workpiece 30 is flat. As the driving device, a press machine used in general press processing, such as a servo press machine, other mechanical press machine, or hydraulic press machine, can be used.

ダイス14は、パンチ12に対応する雌型である。ダイス14の表面に被接合部材30が設置される。すなわち、ダイス14は、被接合部材30に対してパンチ12側の反対側に配置される。ダイス14のうちパンチ12の軸線方向でパンチ12に対向する部位には、ダイス開口部14aが形成されている。ダイス開口部14aは、加工時に被接合部材30に形成される凸部が侵入する部分である。ダイス開口部14aの開口形状は、円である。ダイス開口部14aの直径は、パンチ12の直径よりも大きい。すなわち、ダイス開口部14aの最大開口幅は、パンチ12の最大幅よりも大きい。 The die 14 is a female die that corresponds to the punch 12. The workpiece 30 is placed on the surface of the die 14. That is, the die 14 is disposed on the opposite side of the workpiece 30 from the punch 12. A die opening 14a is formed in the portion of the die 14 that faces the punch 12 in the axial direction of the punch 12. The die opening 14a is a portion into which a protrusion formed on the workpiece 30 enters during processing. The opening shape of the die opening 14a is a circle. The diameter of the die opening 14a is larger than the diameter of the punch 12. That is, the maximum opening width of the die opening 14a is larger than the maximum width of the punch 12.

押さえ治具16は、ばね17から付与される力によって被接合部材30を押さえる。押さえ治具16は、被接合部材30をダイス14に固定するとともに、加工時の被接合部材30のパンチ12側の表面の変形を抑制する。図1、2に示すように、押さえ治具16は、円柱状のブロックである。押さえ治具16の中央部には、パンチ12が移動する治具開口部16aが形成されている。押さえ治具16として、一般的なプレス加工に用いられるものと同じ治具を用いることができる。 The pressing jig 16 presses the workpieces 30 by the force applied by the spring 17. The pressing jig 16 fixes the workpieces 30 to the die 14 and suppresses deformation of the surface of the workpieces 30 on the punch 12 side during processing. As shown in Figures 1 and 2, the pressing jig 16 is a cylindrical block. A jig opening 16a through which the punch 12 moves is formed in the center of the pressing jig 16. The pressing jig 16 can be the same jig as that used in general press processing.

背圧パンチ18は、被接合部材30に対してパンチ12側の反対側に配置される。背圧パンチ18は、ばね20から押される力によって、被接合部材30に背圧を付与する。背圧は、被接合部材30のパンチ12側とは反対側の面である背面30bに作用する圧力である。すなわち、背圧パンチ18は、被接合部材30の背面30bを押圧する。背圧パンチ18は、パンチ12の駆動装置に、直接駆動されない。 The back pressure punch 18 is positioned on the opposite side of the workpiece 30 from the punch 12. The back pressure punch 18 applies back pressure to the workpiece 30 by the force of the spring 20. The back pressure is a pressure acting on the back surface 30b, which is the surface of the workpiece 30 opposite the punch 12 side. In other words, the back pressure punch 18 presses the back surface 30b of the workpiece 30. The back pressure punch 18 is not directly driven by the driving device of the punch 12.

背圧パンチ18は、円柱状のピンである。背圧パンチ18は、ダイス開口部14aに対して移動可能に配置される。背圧パンチ18は、ダイス開口部14aを背圧パンチ18の軸方向に移動する。背圧パンチ18は、背圧パンチ18の軸心とパンチ12の軸心とが一致するように配置される。背圧パンチ18の直径は、パンチ12の直径よりも大きい。すなわち、図1に示すように、背圧パンチ18の軸心とパンチ12の軸心とを含む平面で切断した接合装置10の断面において、背圧パンチ18の幅は、パンチ12の幅よりも大きい。また、背圧パンチ18の被接合部材30側の先端面18aは、平坦である。 The back pressure punch 18 is a cylindrical pin. The back pressure punch 18 is arranged to be movable relative to the die opening 14a. The back pressure punch 18 moves in the axial direction of the back pressure punch 18 through the die opening 14a. The back pressure punch 18 is arranged so that the axial center of the back pressure punch 18 coincides with the axial center of the punch 12. The diameter of the back pressure punch 18 is larger than the diameter of the punch 12. That is, as shown in FIG. 1, in a cross section of the joining device 10 cut along a plane including the axial center of the back pressure punch 18 and the axial center of the punch 12, the width of the back pressure punch 18 is larger than the width of the punch 12. In addition, the tip surface 18a of the back pressure punch 18 on the side of the joined member 30 is flat.

ばね20は、背圧パンチ18から被接合部材30に付与する背圧を調整する背圧調整部である。ばね20の一端側は、背圧パンチ18に接続されている。ばね20の他端側は、図示しない固定部に固定されている。後述の通り、パンチ12からの押圧によって被接合部材30が変形することで、背圧パンチ18がばね20を収縮させる方向に移動する。背圧パンチ18の移動によって、ばね20が収縮すると、ばね20を収縮させる荷重に対する反力が生じる。この反力が、背圧として背圧パンチ18から被接合部材30に付与される。このとき、背圧パンチ18の移動量が増加するにつれて、ばね20の収縮量が増加し、反力が増加する。このように、ばね20は、背圧パンチ18の移動量の増加に伴って、背圧を増加させる。 The spring 20 is a back pressure adjustment unit that adjusts the back pressure applied from the back pressure punch 18 to the workpiece 30. One end of the spring 20 is connected to the back pressure punch 18. The other end of the spring 20 is fixed to a fixed part (not shown). As described below, the workpiece 30 is deformed by the pressure from the punch 12, and the back pressure punch 18 moves in a direction that contracts the spring 20. When the spring 20 contracts due to the movement of the back pressure punch 18, a reaction force against the load that contracts the spring 20 is generated. This reaction force is applied as back pressure from the back pressure punch 18 to the workpiece 30. At this time, as the movement amount of the back pressure punch 18 increases, the contraction amount of the spring 20 increases and the reaction force increases. In this way, the spring 20 increases its back pressure as the movement amount of the back pressure punch 18 increases.

被接合部材30は、重ね合わされた第1金属板材31と第2金属板材32である。第1金属板材31と第2金属板材32とのそれぞれは、少なくとも接合箇所が板状である。すなわち、第1金属板材31と第2金属板材32とのそれぞれは、接合箇所のみが板状であっても、全体が板状であってもよい。 The members to be joined 30 are a first metal plate material 31 and a second metal plate material 32 that are stacked together. At least the joint locations of the first metal plate material 31 and the second metal plate material 32 are plate-shaped. In other words, only the joint locations of the first metal plate material 31 and the second metal plate material 32 may be plate-shaped, or the entirety of the first metal plate material 31 and the second metal plate material 32 may be plate-shaped.

また、第1金属板材31の硬度は、第2金属板材32の硬度よりも高い。なお、第1金属板材31の硬度と、第2金属板材32の硬度とが同じであってもよい。 The hardness of the first metal plate material 31 is higher than the hardness of the second metal plate material 32. The hardness of the first metal plate material 31 and the hardness of the second metal plate material 32 may be the same.

第1金属板材31と第2金属板材32とは、種類が異なる金属材料である異種金属材料で構成される。異種金属材料は、金属材料の成分として含まれる元素の少なくとも一部が異なる材料、金属材料の成分として含まれる元素のすべてが同じ場合でも、それらの組成が異なる材料である。主要成分として含まれる元素が同じ合金であっても、組成が異なる合金同士は、異種金属材料である。金属材料としては、Al系金属、鉄系金属、Cu系金属、Ti系金属、Mg系金属等が挙げられる。異種金属材料の組み合わせとしては、例えば、Al系金属と鉄系金属との組み合わせ、Cu系金属とAl系金属との組み合わせ等が挙げられる。なお、Al系金属には、純アルミニウム、アルミニウム合金が含まれる。鉄系金属には、純鉄、鋼に代表される鉄合金が含まれる。Cu系金属には、純銅、銅合金が含まれる。Ti系金属には、純チタン、チタン合金が含まれる。Mg系金属には、マグネシウム合金が含まれる。また、第1金属板材31と第2金属板材32とは、同種金属材料で構成されてもよい。 The first metal plate 31 and the second metal plate 32 are made of dissimilar metal materials, which are different types of metal materials. Dissimilar metal materials are materials in which at least some of the elements contained as components of the metal material are different, and materials in which the compositions are different even if all of the elements contained as components of the metal material are the same. Even if the elements contained as main components are the same, alloys with different compositions are dissimilar metal materials. Examples of metal materials include Al-based metals, iron-based metals, Cu-based metals, Ti-based metals, Mg-based metals, etc. Examples of combinations of dissimilar metal materials include combinations of Al-based metals and iron-based metals, combinations of Cu-based metals and Al-based metals, etc. Note that Al-based metals include pure aluminum and aluminum alloys. Iron-based metals include pure iron and iron alloys such as steel. Cu-based metals include pure copper and copper alloys. Ti-based metals include pure titanium and titanium alloys. Mg-based metals include magnesium alloys. Additionally, the first metal plate 31 and the second metal plate 32 may be made of the same metal material.

次に、接合装置10を用いた被接合部材30の接合方法および接合メカニズムについて説明する。まず、図1に示すように、接合装置10に対して被接合部材30が設置される。このとき、硬度が高い第1金属板材31側がパンチ12側となるように、被接合部材30がダイス14の上に設置される。 Next, the joining method and joining mechanism of the workpieces 30 using the joining device 10 will be described. First, as shown in FIG. 1, the workpieces 30 are placed on the joining device 10. At this time, the workpieces 30 are placed on the die 14 so that the first metal plate material 31, which has a higher hardness, faces the punch 12.

続いて、被接合部材30の上側から押さえ治具16によって被接合部材30が押さえられる。これにより、ダイス14と押さえ治具16との間に被接合部材30が固定される。このとき、背圧パンチ18は、被接合部材30に当たっており、ばね20から加えられる力によって、被接合部材30を押している状態である。すなわち、背圧パンチ18は、被接合部材30の背面30bに対して背圧を付与している状態である。なお、被接合部材30の設置と、押さえ治具16による被接合部材30の押さえとが、同時に行われてもよい。 Then, the workpieces 30 are pressed down from above by the pressing jig 16. This fixes the workpieces 30 between the die 14 and the pressing jig 16. At this time, the back pressure punch 18 is in contact with the workpieces 30 and is pressing the workpieces 30 by the force applied by the spring 20. In other words, the back pressure punch 18 is applying back pressure to the back surface 30b of the workpieces 30. Note that the installation of the workpieces 30 and the pressing of the workpieces 30 by the pressing jig 16 may be performed simultaneously.

続いて、この状態で、治具開口部16aを被接合部材30に向かってパンチ12が移動する。さらに、図3に示すように、押圧開始時の位置から押圧終了時の位置まで、パンチ12が移動する。図3の左側部分は、パンチ12の押圧開始時の被接合部材30の状態を示している。図3の右側部分は、パンチ12の押圧終了時の被接合部材30の状態を示している。押圧開始時の位置は、パンチ12による被接合部材30の押圧が開始されるときのパンチ12の位置であり、パンチ12が被接合部材30に接する位置である。押圧終了時の位置は、パンチ12による被接合部材30の押圧が終了されるときのパンチ12の位置である。これにより、背圧パンチ18が被接合部材30の背面30bに対して背圧を付与しながら、パンチ12が被接合部材30の圧力作動面30aを押圧する。 Next, in this state, the punch 12 moves through the jig opening 16a toward the workpiece 30. Furthermore, as shown in FIG. 3, the punch 12 moves from the position at the start of pressing to the position at the end of pressing. The left side of FIG. 3 shows the state of the workpiece 30 when the punch 12 starts pressing. The right side of FIG. 3 shows the state of the workpiece 30 when the punch 12 finishes pressing. The position at the start of pressing is the position of the punch 12 when the punch 12 starts pressing the workpiece 30, and is the position where the punch 12 contacts the workpiece 30. The position at the end of pressing is the position of the punch 12 when the punch 12 finishes pressing the workpiece 30. As a result, the punch 12 presses the pressure operating surface 30a of the workpiece 30 while the back pressure punch 18 applies back pressure to the back surface 30b of the workpiece 30.

パンチ12によって被接合部材30が押圧されると、図3の右側部分に示すように、被接合部材30のうちパンチ12に押された部分が塑性変形する。具体的には、第1金属板材31のうちパンチ12に対向する部分が、パンチ12によって第2金属板材32側に押されることで、第1金属板材31のパンチ12側に凹部311が形成される。第1金属板材31の第2金属板材32側に凸部312が形成される。この凸部312によって第2金属板材32が押されることで、第2金属板材32の第1金属板材31側に凹部321が形成される。第2金属板材32のパンチ12側とは反対側に凸部322が形成される。 When the punch 12 presses the workpiece 30, the part of the workpiece 30 pressed by the punch 12 undergoes plastic deformation, as shown in the right part of FIG. 3. Specifically, the part of the first metal sheet 31 facing the punch 12 is pressed by the punch 12 toward the second metal sheet 32, forming a recess 311 on the punch 12 side of the first metal sheet 31. A protrusion 312 is formed on the second metal sheet 32 side of the first metal sheet 31. The second metal sheet 32 is pressed by this protrusion 312, forming a recess 321 on the first metal sheet 32 side of the second metal sheet 32. A protrusion 322 is formed on the side of the second metal sheet 32 opposite the punch 12 side.

このように、塑性変形によって、被接合部材30のパンチ側に凹部311が形成され、被接合部材30のパンチ12側の反対側に凸部322が形成される。被接合部材30の凸部322は、ダイス開口部14a内に位置する。 In this way, a recess 311 is formed on the punch side of the workpiece 30 by plastic deformation, and a protrusion 322 is formed on the opposite side of the workpiece 30 to the punch 12 side. The protrusion 322 of the workpiece 30 is located within the die opening 14a.

被接合部材30の凸部322が形成される過程において、背圧パンチ18が凸部322に押されることで、背圧パンチ18は、ダイス開口部14aをパンチ12の移動方向(すなわち、パンチ12の押圧方向)と同じ方向に移動する。すなわち、背圧パンチ18は、ダイス開口部14aを、ばね20を収縮させる方向に移動する。このとき、背圧パンチ18の移動量の増加に伴って、ばね20の収縮量が増加し、ばね20を収縮させる荷重に対する反力が増加する。このため、被接合部材30に対するパンチ12による押圧開始時から被接合部材30に対するパンチ12による押圧終了時までの加工期間の全期間において、図4に示すように、背圧パンチ18の移動量が増加するにつれて、背圧パンチ18が被接合部材30に付与する背圧が増加する。 In the process of forming the convex portion 322 of the workpiece 30, the back pressure punch 18 is pressed by the convex portion 322, so that the back pressure punch 18 moves through the die opening 14a in the same direction as the movement direction of the punch 12 (i.e., the pressing direction of the punch 12). That is, the back pressure punch 18 moves through the die opening 14a in a direction that contracts the spring 20. At this time, as the movement amount of the back pressure punch 18 increases, the contraction amount of the spring 20 increases, and the reaction force against the load that contracts the spring 20 increases. Therefore, during the entire processing period from the start of pressing the workpiece 30 by the punch 12 to the end of pressing the workpiece 30 by the punch 12, as shown in FIG. 4, the back pressure applied by the back pressure punch 18 to the workpiece 30 increases as the movement amount of the back pressure punch 18 increases.

このように、本実施形態の接合方法は、背圧パンチ18で背圧を付与しつつ、パンチ12で押圧力を付与する冷間鍛造によって、被接合部材30を接合する。この冷間鍛造によって被接合部材30が塑性変形する過程で、第1金属板材31と第2金属板材32とのそれぞれの表面の面積が拡大する。これにより、第1金属板材31と第2金属板材32とのそれぞれの表面に存在する酸化膜および汚染膜が破壊される。第1金属板材31と第2金属板材32とのそれぞれの表面に、酸化膜および汚染膜に覆われていない活性新生面が出現する。さらに、パンチ12による押圧力と背圧パンチ18による背圧とによって、活性新生面同士が押し付けられて密着する。これにより、固相結合が生じ、金属的結合が実現される。すなわち、第1金属板材31と第2金属板材32とが固相接合される。 In this way, the joining method of this embodiment joins the workpieces 30 by cold forging, in which the back pressure punch 18 applies back pressure while the punch 12 applies a pressing force. In the process of plastically deforming the workpieces 30 by this cold forging, the surface areas of the first metal plate material 31 and the second metal plate material 32 are expanded. As a result, the oxide film and the contaminant film present on the surfaces of the first metal plate material 31 and the second metal plate material 32 are destroyed. On the surfaces of the first metal plate material 31 and the second metal plate material 32, active new surfaces that are not covered by the oxide film and the contaminant film appear. Furthermore, the pressing force of the punch 12 and the back pressure of the back pressure punch 18 press the active new surfaces together and make them adhere to each other. As a result, solid-phase bonding occurs, and metallic bonding is realized. That is, the first metal plate material 31 and the second metal plate material 32 are solid-phase bonded.

加工期間の前半では、図3の左側部分に示される矢印P1のように、小さな背圧が付与される。加工期間の前半は、加工期間のうち加工期間の中間時点よりも前の期間である。加工期間の前半には、押圧開始時が含まれる。パンチ12の押圧が開始すると、被接合部材30の変形が開始する。したがって、押圧開始時は、被接合部材30の変形開始時に対応する。パンチ12の押圧時に被接合部材30に背圧が付与されない場合、被接合部材30が破断する。そこで、加工期間の前半の背圧は、パンチ12の押圧によって被接合部材30が破断せず、被接合部材30の塑性変形が可能な程度の背圧とされる。これにより、塑性変形による接合箇所の表面の面積の拡大が促進される。 In the first half of the processing period, a small back pressure is applied, as shown by the arrow P1 in the left part of FIG. 3. The first half of the processing period is the period before the middle point of the processing period. The first half of the processing period includes the start of pressing. When the punch 12 starts pressing, the joined members 30 start to deform. Therefore, the start of pressing corresponds to the start of deformation of the joined members 30. If no back pressure is applied to the joined members 30 when the punch 12 presses, the joined members 30 will break. Therefore, the back pressure in the first half of the processing period is set to a level that does not break the joined members 30 due to the pressing of the punch 12, but allows the joined members 30 to plastically deform. This promotes the expansion of the surface area of the joining point due to plastic deformation.

また、加工期間の後半では、図3の右側部分に示される矢印P2のように、加工期間の前半での背圧よりも大きな背圧が付与される。加工期間の後半は、加工期間のうち加工期間の中間時点よりも後の期間である。加工期間の後半には、押圧終了時が含まれる。パンチ12の押圧が終了すると、被接合部材30の変形が終了する。したがって、押圧終了時は、被接合部材30の変形終了時に対応する。 In the latter half of the processing period, a back pressure greater than that in the first half of the processing period is applied, as indicated by arrow P2 on the right side of Figure 3. The latter half of the processing period is the period of the processing period that follows the middle point of the processing period. The latter half of the processing period includes the end of pressing. When the pressing of the punch 12 ends, the deformation of the joined members 30 ends. Therefore, the end of pressing corresponds to the end of the deformation of the joined members 30.

図4に示すように、加工期間の後半での背圧は、加工期間の後半内のいずれの時点においても、加工期間の前半内のいずれの時点における背圧よりも大きな背圧とされる。このようにして、加工期間の後半での背圧の最大値は、加工期間の前半での背圧の最大値よりも大きくされる。また、加工期間の後半での背圧の平均値は、加工期間の前半での背圧の平均値よりも大きくされる。このため、加工期間の後半では、加工期間の前半よりも接合界面の面圧が増加し、活性新生面同士を押し付け合う力が増加する。 As shown in FIG. 4, the back pressure in the second half of the processing period is set to be greater at any time during the second half of the processing period than the back pressure at any time during the first half of the processing period. In this way, the maximum back pressure in the second half of the processing period is set to be greater than the maximum back pressure in the first half of the processing period. Also, the average back pressure in the second half of the processing period is set to be greater than the average back pressure in the first half of the processing period. Therefore, the surface pressure at the bonding interface is greater in the second half of the processing period than in the first half of the processing period, and the force pressing the newly active surfaces together increases.

なお、本実施形態では、加工期間の前半での背圧の最大値と加工期間の後半での背圧の最大値とのそれぞれが、所望の大きさとなるように、所定のばね定数を持つばね20が選択される。換言すると、加工期間の前半での背圧の平均値と加工期間の後半での背圧の平均値とのそれぞれが、所望の大きさとなるように、所定のばね定数を持つばね20が選択される。 In this embodiment, a spring 20 having a predetermined spring constant is selected so that the maximum back pressure in the first half of the processing period and the maximum back pressure in the second half of the processing period are each of the desired magnitudes. In other words, a spring 20 having a predetermined spring constant is selected so that the average back pressure in the first half of the processing period and the average back pressure in the second half of the processing period are each of the desired magnitudes.

以上の説明の通り、本実施形態によれば、被接合部材30の圧力作動面30aへのパンチ12の押圧時に、背圧パンチ18によって被接合部材30の背面30bに背圧が付与される。背圧パンチ18は、パンチ12の押圧力によってダイス開口部14aを移動する。このため、背圧パンチ18は、パンチ12の押圧力で変形しない。よって、加工のたびに、背圧パンチ18を交換する必要が無く、生産性が高い。 As explained above, according to this embodiment, when the punch 12 is pressed against the pressure application surface 30a of the workpiece 30, the back pressure punch 18 applies back pressure to the back surface 30b of the workpiece 30. The back pressure punch 18 moves through the die opening 14a due to the pressing force of the punch 12. Therefore, the back pressure punch 18 is not deformed by the pressing force of the punch 12. Therefore, there is no need to replace the back pressure punch 18 every time processing is performed, and productivity is high.

さらに、本実施形態によれば、ばね20によって、加工期間の後半での背圧の最大値は、加工期間の前半での背圧の最大値よりも大きくされる。これにより、加工期間の全期間での背圧の大きさを、本実施形態の加工期間の前半での背圧の最大値以下の小さな背圧で一定とする場合と比較して、活性新生面同士を押しつけ合う力を増加させることができる。このため、接合強度を増加させることができる。また、加工期間の全期間での背圧の大きさを、本実施形態の加工期間の後半での背圧の最大値と同じ大きな背圧で一定とする場合と比較して、塑性変形量を増加させることでき、活性新生面の面積を増加させることができる。このため、接合強度を増加させることができる。 Furthermore, according to this embodiment, the spring 20 makes the maximum value of the back pressure in the latter half of the processing period greater than the maximum value of the back pressure in the first half of the processing period. This increases the force pressing the newly active surfaces together, compared to when the magnitude of the back pressure during the entire processing period is constant at a small back pressure equal to or less than the maximum value of the back pressure during the first half of the processing period in this embodiment. This increases the bonding strength. Also, compared to when the magnitude of the back pressure during the entire processing period is constant at a large back pressure equal to the maximum value of the back pressure during the second half of the processing period in this embodiment, the amount of plastic deformation can be increased, and the area of the newly active surfaces can be increased. This increases the bonding strength.

換言すると、本実施形態によれば、ばね20によって、加工期間の後半での背圧の平均値は、加工期間の前半での背圧の平均値よりも大きくされる。これにより、加工期間の全期間での背圧の大きさを、本実施形態の加工期間の前半のいずれかのときの背圧と同じ小さな背圧で一定とする場合と比較して、活性新生面同士を押しつけ合う力を増加させることができる。このため、接合強度を増加させることができる。また、加工期間の全期間での背圧の大きさを、本実施形態の加工期間の後半のいずれかのときの背圧と同じ大きな背圧で一定とする場合と比較して、塑性変形量を増加させることでき、活性新生面の面積を増加させることができる。このため、接合強度を増加させることができる。 In other words, according to this embodiment, the spring 20 makes the average value of the back pressure in the latter half of the processing period greater than the average value of the back pressure in the first half of the processing period. This increases the force pressing the newly active surfaces together, compared to when the magnitude of the back pressure during the entire processing period is constant at a small back pressure equal to the back pressure at any time during the first half of the processing period in this embodiment. This increases the bonding strength. Also, compared to when the magnitude of the back pressure during the entire processing period is constant at a large back pressure equal to the back pressure at any time during the second half of the processing period in this embodiment, the amount of plastic deformation can be increased, and the area of the newly active surfaces can be increased. This increases the bonding strength.

なお、本実施形態では、加工期間の後半での背圧は、加工期間の後半内のいずれの時点においても、加工期間の前半内のいずれの時点における背圧よりも大きな背圧とされる。しかしながら、加工期間の後半での背圧の最大値が、加工期間の前半での背圧の最大値よりも大きくなっていれば、加工期間の後半での背圧が一時的に、加工期間の前半内のいずれかの時点における背圧よりも小さくなってもよい。また、加工期間の後半での背圧の平均値が、加工期間の前半での背圧の平均値よりも大きくなっていれば、加工期間の後半での背圧が一時的に、加工期間の前半内のいずれかの時点における背圧よりも小さくなってもよい。 In this embodiment, the backpressure in the latter half of the processing period is set to be greater than the backpressure at any time during the first half of the processing period. However, if the maximum value of the backpressure in the latter half of the processing period is greater than the maximum value of the backpressure in the first half of the processing period, the backpressure in the latter half of the processing period may be temporarily smaller than the backpressure at any time during the first half of the processing period. Also, if the average value of the backpressure in the latter half of the processing period is greater than the average value of the backpressure in the first half of the processing period, the backpressure in the latter half of the processing period may be temporarily smaller than the backpressure at any time during the first half of the processing period.

(第2実施形態)
図5に示すように、本実施形態は、接合装置10が背圧調整部としてエアシリンダ22を備える点で、第1実施形態と異なる。エアシリンダ22は、内部に空気が充填された容器221と、容器221の内部に配置されたピストン222とを有する。ピストン222は、容器221の内部の容積を変更する。ピストン222は、背圧パンチ18と連動する。
Second Embodiment
5, this embodiment differs from the first embodiment in that the joining apparatus 10 includes an air cylinder 22 as a back pressure adjusting unit. The air cylinder 22 has a container 221 filled with air and a piston 222 disposed inside the container 221. The piston 222 changes the internal volume of the container 221. The piston 222 is linked to the back pressure punch 18.

パンチ12の押圧によって被接合部材30を介して背圧パンチ18が移動する。この背圧パンチ18の移動によって、エアシリンダ22に充填されている空気が圧縮される。空気が圧縮されることで、空気を圧縮する荷重に対する反力が発生する。背圧パンチ18の移動量が増加するにつれて、エアシリンダ22に充填されている空気の圧縮量が増加し、反力が増加する。この反力が、背圧として背圧パンチ18から被接合部材30に付与される。このように、エアシリンダ22は、背圧パンチ18の移動量の増加に伴って、背圧を増加させる。 The back pressure punch 18 moves through the workpieces 30 due to the pressure of the punch 12. This movement of the back pressure punch 18 compresses the air filled in the air cylinder 22. The compressed air generates a reaction force against the load compressing the air. As the movement of the back pressure punch 18 increases, the amount of compression of the air filled in the air cylinder 22 increases, and the reaction force increases. This reaction force is applied as back pressure from the back pressure punch 18 to the workpieces 30. In this way, the air cylinder 22 increases its back pressure as the movement of the back pressure punch 18 increases.

接合装置10の他の構成および接合方法は、第1実施形態と同じである。このため、第1実施形態と同じ効果が得られる。なお、本実施形態では、背圧調整部として、空気が容器221の内部に充填されたエアシリンダ22が用いられている。しかし、背圧調整部として、空気以外の気体が容器221の内部に充填されたガスシリンダが用いられてもよい。 Other configurations of the joining device 10 and the joining method are the same as those of the first embodiment. Therefore, the same effects as those of the first embodiment can be obtained. In this embodiment, an air cylinder 22 in which air is filled inside the container 221 is used as the back pressure adjustment unit. However, a gas cylinder in which a gas other than air is filled inside the container 221 may also be used as the back pressure adjustment unit.

(第3実施形態)
図6に示すように、本実施形態は、接合装置10が背圧調整部としてサーボモータ24を備える点で、第1実施形態と異なる。サーボモータ24は、背圧パンチ18を駆動する電動モータである。サーボモータ24は、背圧パンチ18から被接合部材30の背面30bに付与する背圧を段階的および連続的に増加させることができる。接合装置10の他の構成は、第1実施形態と同じである。
Third Embodiment
As shown in Fig. 6, this embodiment differs from the first embodiment in that the welding apparatus 10 includes a servo motor 24 as a back pressure adjustment unit. The servo motor 24 is an electric motor that drives the back pressure punch 18. The servo motor 24 can increase the back pressure applied from the back pressure punch 18 to the back surface 30b of the workpieces 30 in a stepwise and continuous manner. The other configurations of the welding apparatus 10 are the same as those of the first embodiment.

本実施形態の接合方法では、パンチ12による押圧開始時から押圧終了時までの期間において、サーボモータ24によって、図7に示すように、背圧を制御する。具体的には、
押圧開始時では、第1実施形態と同様に、背圧は小さな値とされる。押圧開始時からある時点まで、塑性変形を促進させるために、背圧は徐々に上昇する。その後、ある時点で、背圧は急上昇し、ある時点から押圧終了時まで、背圧が大きな値で一定とされる。
In the joining method of the present embodiment, the back pressure is controlled by the servo motor 24 during the period from when the pressing by the punch 12 starts to when the pressing is finished, as shown in FIG.
At the start of pressing, the back pressure is set to a small value, as in the first embodiment. From the start of pressing until a certain point, the back pressure gradually increases in order to promote plastic deformation. After that, at a certain point, the back pressure suddenly increases, and from the certain point until the end of pressing, the back pressure is kept constant at a large value.

このように、本実施形態の接合方法では、サーボモータ24によって、背圧が段階的に上昇されることで、図7に示すように、加工期間の後半での背圧の最大値が、加工期間の前半での背圧の最大値よりも大きくされる。換言すると、加工期間の後半での背圧の平均値が、加工期間の前半での背圧の平均値よりも大きくされる。接合方法のうち背圧の調整以外の部分については、第1実施形態と同じである。このため、本実施形態においても、第1実施形態と同じ効果が得られる。 In this manner, in the joining method of this embodiment, the servo motor 24 gradually increases the back pressure, so that the maximum back pressure in the latter half of the processing period is made greater than the maximum back pressure in the first half of the processing period, as shown in FIG. 7. In other words, the average back pressure in the latter half of the processing period is made greater than the average back pressure in the first half of the processing period. The joining method is the same as in the first embodiment, except for the adjustment of the back pressure. Therefore, the same effects as in the first embodiment can be obtained in this embodiment as well.

なお、本実施形態では、加工期間の中間時点よりも後の時点で、背圧が急上昇される。しかしながら、加工期間の後半での背圧の最大値が、加工期間の前半での背圧の最大値よりも大きくなっていれば、中間時点よりも前の時点で、背圧が急上昇されてもよい。また、加工期間の後半での背圧の平均値が、加工期間の前半での背圧の平均値よりも大きくなっていれば、中間時点よりも前の時点で、背圧が急上昇されてもよい。 In this embodiment, the back pressure is suddenly increased at a point after the midpoint of the processing period. However, if the maximum value of the back pressure in the latter half of the processing period is greater than the maximum value of the back pressure in the first half of the processing period, the back pressure may be suddenly increased at a point before the midpoint. Also, if the average value of the back pressure in the latter half of the processing period is greater than the average value of the back pressure in the first half of the processing period, the back pressure may be suddenly increased at a point before the midpoint.

(第4実施形態)
図8に示すように、本実施形態は、背圧パンチ18の先端面18aの形状が、第1実施形態と異なる。先端面18aは、パンチ12に対向する領域が盛り上がる凸形状である。より具体的には、先端面18aは、凸部18bと、凸部18bの周囲に位置する平坦部18cとを有する。凸部18bは、凸球面である。平坦部18cは、平坦面である。
Fourth Embodiment
As shown in Fig. 8, this embodiment differs from the first embodiment in the shape of the tip surface 18a of the back pressure punch 18. The tip surface 18a has a convex shape in which the area facing the punch 12 is raised. More specifically, the tip surface 18a has a convex portion 18b and a flat portion 18c located around the convex portion 18b. The convex portion 18b is a convex spherical surface. The flat portion 18c is a flat surface.

図9に示すように、凸部18bは、先端面18aのうちパンチ12の軸線方向でパンチ12の先端面12aに対向する部位の全部に位置する。先端面18aのうちパンチ12の軸線方向でパンチ12の先端面12aに対向する部位とは、パンチ12の先端面12aをパンチ12の軸線方向で背圧パンチ18の先端面18aに投影したときに、投影したパンチ12の先端面12aの全部と一致する部位である。このように、本実施形態では、先端面18aのうちパンチ12の軸線方向でパンチ12の先端面12aに対向する部位の全部が凸形状である。 As shown in FIG. 9, the convex portion 18b is located on the entire portion of the tip face 18a that faces the tip face 12a of the punch 12 in the axial direction of the punch 12. The portion of the tip face 18a that faces the tip face 12a of the punch 12 in the axial direction of the punch 12 is a portion that coincides with the entire projected tip face 12a of the punch 12 when the tip face 12a of the punch 12 is projected onto the tip face 18a of the back pressure punch 18 in the axial direction of the punch 12. Thus, in this embodiment, the entire portion of the tip face 18a that faces the tip face 12a of the punch 12 in the axial direction of the punch 12 is convex.

この背圧パンチ18を用いて、図9に示すように、第1実施形態と同様に、冷間鍛造による接合が行われる。先端面18aの形状以外の接合装置10の構成および接合方法については、第1実施形態と同じである。図9の左側部分は、押圧開始時の接合部位の断面図を示している。図9の右側部分は、押圧終了時の接合部位の断面図を示している。 As shown in FIG. 9, this back pressure punch 18 is used to perform joining by cold forging, as in the first embodiment. The configuration of the joining device 10 and the joining method, other than the shape of the tip surface 18a, are the same as in the first embodiment. The left side of FIG. 9 shows a cross-sectional view of the joining area when pressing begins. The right side of FIG. 9 shows a cross-sectional view of the joining area when pressing ends.

本実施形態によれば、被接合部材30のうちパンチ12と背圧パンチ18の凸部18bとの間に挟まれる部分に、パンチ12からの押圧力が集中する。このため、図9の右側部分に示されるように、背圧パンチ18の先端面18aが平坦である場合と比較して、当該部分での材料流動が大きくなり、当該部分が薄くなる。 According to this embodiment, the pressing force from the punch 12 is concentrated on the portion of the workpiece 30 that is sandwiched between the punch 12 and the protruding portion 18b of the back pressure punch 18. As a result, as shown in the right part of Figure 9, the material flows more in that portion and the portion becomes thinner compared to when the tip surface 18a of the back pressure punch 18 is flat.

また、図10中の実線で示すように、図10中の破線で示す、背圧パンチ18の先端面18aが平坦である場合と比較して、当該部分での接合界面の面圧が増加する。図10の縦軸は、押圧終了時の接合界面の面圧を示している。図10の横軸は、図9中の矢印で示すように、背圧パンチ18の径方向における中心位置からの距離rを示している。 As shown by the solid line in FIG. 10, the surface pressure at the bonding interface at this portion increases compared to when the tip surface 18a of the back pressure punch 18 is flat, as shown by the dashed line in FIG. 10. The vertical axis in FIG. 10 indicates the surface pressure at the bonding interface at the end of pressing. The horizontal axis in FIG. 10 indicates the distance r from the center position in the radial direction of the back pressure punch 18, as shown by the arrow in FIG. 9.

また、図11中の実線で示すように、図11中の破線で示す、背圧パンチ18の先端面18aが平坦である場合と比較して、当該部分での第1金属板材31と第2金属板材32のそれぞれの表面拡大比が増加する。図11の縦軸は、押圧終了時の第1金属板材31と第2金属板材32の一方の表面拡大比を示している。図11の横軸は、図9中の矢印で示すように、背圧パンチ18の径方向における中心位置からの距離rを示している。 In addition, as shown by the solid line in FIG. 11, the surface expansion ratio of each of the first metal sheet material 31 and the second metal sheet material 32 at that portion increases compared to when the tip surface 18a of the back pressure punch 18 is flat, as shown by the dashed line in FIG. 11. The vertical axis in FIG. 11 indicates the surface expansion ratio of one of the first metal sheet material 31 and the second metal sheet material 32 at the end of pressing. The horizontal axis in FIG. 11 indicates the distance r from the center position in the radial direction of the back pressure punch 18, as shown by the arrow in FIG. 9.

以上の説明のように、本実施形態によれば、背圧パンチ18の先端面18aのうちパンチ12の先端面12aと対向する部位が凸形状である背圧パンチ18が用いられる。このため、背圧パンチ18の先端面18aの全体が平坦である場合と比較して、被接合部材30のうちパンチ12の軸線方向でパンチ12と対向する部分における表面拡大比を増加でき、活性新生面を増加させることができる。また、背圧パンチ18の先端面18aの全体が平坦である場合と比較して、被接合部材30のうち当該部分における接合界面の面圧を増加でき、活性新生面同士の結合を促進させることができる。これらの結果、接合強度を増加させることができる。 As described above, according to this embodiment, a back pressure punch 18 is used in which the portion of the tip surface 18a of the back pressure punch 18 that faces the tip surface 12a of the punch 12 has a convex shape. Therefore, compared to when the entire tip surface 18a of the back pressure punch 18 is flat, the surface expansion ratio can be increased in the portion of the workpiece 30 that faces the punch 12 in the axial direction of the punch 12, and the number of newly active surfaces can be increased. Also, compared to when the entire tip surface 18a of the back pressure punch 18 is flat, the surface pressure of the joining interface in that portion of the workpiece 30 can be increased, and the bonding between the newly active surfaces can be promoted. As a result, the joining strength can be increased.

なお、本実施形態では、背圧パンチ18の先端面18aのうちパンチ12の先端面12aと対向する部位の全部が凸形状である。しかしながら、背圧パンチ18の先端面18aのうちパンチ12の先端面12aと対向する部位の一部が凸形状であってもよい。 In this embodiment, the entire portion of the tip surface 18a of the back pressure punch 18 that faces the tip surface 12a of the punch 12 is convex. However, only a portion of the tip surface 18a of the back pressure punch 18 that faces the tip surface 12a of the punch 12 may be convex.

また、本実施形態では、背圧パンチ18の先端面18aのうちパンチ12の先端面12aと対向する部位のみが凸形状である。しかしながら、背圧パンチ18の先端面18aの全部が凸形状であってもよい。 In addition, in this embodiment, only the portion of the tip surface 18a of the back pressure punch 18 that faces the tip surface 12a of the punch 12 is convex. However, the entire tip surface 18a of the back pressure punch 18 may be convex.

また、本実施形態では、凸部18bは、凸球面である。しかしながら、凸部18bは、球面以外の曲面である凸曲面であってもよい。すなわち、背圧パンチ18の先端面18aのうちパンチ12の先端面12aと対向する部位の少なくとも一部は、丸みを帯びた凸形状であればよい。 In addition, in this embodiment, the convex portion 18b is a convex spherical surface. However, the convex portion 18b may be a convex curved surface that is a curved surface other than a spherical surface. In other words, at least a portion of the tip surface 18a of the back pressure punch 18 that faces the tip surface 12a of the punch 12 may have a rounded convex shape.

また、本実施形態では、第1実施形態と同様に、加工期間の後半での背圧の最大値は、加工期間の前半での背圧の最大値よりも大きくされる。換言すると、加工期間の後半での背圧の平均値は、加工期間の前半での背圧の平均値よりも大きくされる。しかしながら、加工期間の全期間で、背圧が一定の大きさにされてもよい。この場合であっても、本実施形態の効果が得られる。 Furthermore, in this embodiment, as in the first embodiment, the maximum value of the back pressure in the second half of the processing period is set to be greater than the maximum value of the back pressure in the first half of the processing period. In other words, the average value of the back pressure in the second half of the processing period is set to be greater than the average value of the back pressure in the first half of the processing period. However, the back pressure may be set to a constant value throughout the entire processing period. Even in this case, the effect of this embodiment can be obtained.

(他の実施形態)
(1)背圧調整部として、上記した各実施形態とは異なるものを用いることができる。例えば、背圧パンチ18がパンチ12の押圧方向と同じ方向に移動するとき、背圧パンチ18の位置を固定する固定部材に背圧パンチ18が到達するまでは、油圧式の背圧付与部によって、背圧パンチ18から被接合部材30に対して一定の背圧が付与される。そして、固定部材に背圧パンチ18が到達した後は、パンチ12の押圧力に対する反力によって、背圧が付与される。これにより、加工期間の後半の背圧の最大値が、加工期間の前半の背圧の最大値よりも大きくされてもよい。換言すると、加工期間の後半の背圧の平均値が、加工期間の前半の背圧の平均値よりも大きくされてもよい。この場合、油圧式の背圧付与部と、固定部材とが、背圧調整部を構成する。
Other Embodiments
(1) A back pressure adjusting unit different from those in the above-described embodiments can be used. For example, when the back pressure punch 18 moves in the same direction as the pressing direction of the punch 12, a constant back pressure is applied from the back pressure punch 18 to the workpiece 30 by the hydraulic back pressure applying unit until the back pressure punch 18 reaches a fixing member that fixes the position of the back pressure punch 18. After the back pressure punch 18 reaches the fixing member, the back pressure is applied by a reaction force against the pressing force of the punch 12. As a result, the maximum value of the back pressure in the latter half of the processing period may be made larger than the maximum value of the back pressure in the first half of the processing period. In other words, the average value of the back pressure in the latter half of the processing period may be made larger than the average value of the back pressure in the first half of the processing period. In this case, the hydraulic back pressure applying unit and the fixing member constitute the back pressure adjusting unit.

(2)上記した各実施形態では、パンチ12と背圧パンチ18とのそれぞれは、柱状のピンであり、被接合部材30を点状に押す形状である。しかしながら、パンチ12と背圧パンチ18とのそれぞれは、他の形状であってもよい。例えば、パンチ12と背圧パンチ18とのそれぞれは、被接合部材30を線状に押す形状であってもよい。また、パンチ12と背圧パンチ18とのそれぞれは、被接合部材30を周方向に連続する環状に押す形状であってもよい。 (2) In each of the above-described embodiments, the punch 12 and the back pressure punch 18 are each a columnar pin and are shaped to press the workpieces 30 in a point-like manner. However, the punch 12 and the back pressure punch 18 may each have another shape. For example, the punch 12 and the back pressure punch 18 may each be shaped to press the workpieces 30 in a line-like manner. Also, the punch 12 and the back pressure punch 18 may each be shaped to press the workpieces 30 in a ring-like manner that continues in the circumferential direction.

(3)上記した各実施形態では、被接合部材30は、2つの金属板材である。しかしながら、被接合部材30は、3つ以上の金属板材であってもよい。 (3) In each of the above-described embodiments, the members to be joined 30 are two metal plate materials. However, the members to be joined 30 may be three or more metal plate materials.

(4)本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能であり、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の材質、形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の材質、形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その材質、形状、位置関係等に限定されるものではない。 (4) The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be modified as appropriate within the scope of the claims, and includes various modified examples and modifications within the equivalent scope. The above-described embodiments are not unrelated to each other, and can be combined as appropriate, except when the combination is clearly impossible. In the above-described embodiments, it goes without saying that the elements constituting the embodiments are not necessarily essential, except when they are specifically stated to be essential or when they are clearly considered to be essential in principle. In the above-described embodiments, when the numbers, values, amounts, ranges, etc. of the components of the embodiments are mentioned, they are not limited to the specific numbers, except when they are specifically stated to be essential or when they are clearly limited to a specific number in principle. In the above-described embodiments, when the materials, shapes, positional relationships, etc. of the components are mentioned, they are not limited to the materials, shapes, positional relationships, etc., except when they are specifically stated to be essential or when they are clearly limited to a specific material, shape, positional relationship, etc. in principle.

10 接合装置
12 パンチ
14 ダイス
18 背圧パンチ
20 ばね
22 エアシリンダ
24 サーボモータ
30 被接合部材
REFERENCE SIGNS LIST 10: joining device 12: punch 14: die 18: back pressure punch 20: spring 22: air cylinder 24: servo motor 30: member to be joined

Claims (4)

複数の金属板材(31、32)が重ね合わされた被接合部材(30)を冷間鍛造によって接合する冷間鍛造接合方法であって、
前記被接合部材(30)の圧力作動面(30a)を押圧するパンチ(12)、前記被接合部材が設置されるとともに、前記パンチに対向する部位にダイス開口部(14a)が形成されているダイス(14)、前記ダイス開口部に対して移動可能に配置され、前記被接合部材のうち前記圧力作動面の反対側の背面(30b)に背圧を付与する背圧パンチ(18)、および、前記背圧を調整する背圧調整部(20、22、24)を備える接合装置(10)に対して、前記被接合部材を設置することと、
前記被接合部材の前記背面に対して前記背圧パンチによって前記背圧を付与しながら、前記被接合部材の前記圧力作動面を前記パンチによって押圧することと、を含み、
前記押圧することにおいては、
前記被接合部材のうち前記パンチに押圧された部分が塑性変形することによって、前記圧力作動面に凹部(311)が形成されるとともに、前記背面に凸部(312)が形成され、
前記背圧調整部によって、前記パンチの押圧開始時から前記パンチの押圧終了時までの加工期間の後半での前記背圧の最大値は、前記加工期間の前半での前記背圧の最大値よりも大きくされ、
該塑性変形による複数の前記金属板材の表面の面積拡大によって該表面に出現した活性新生面同士が、前記パンチによる押圧力と前記背圧パンチによる背圧とによって、押し付けられて密着することにより、複数の前記金属板材が固相接合される、冷間鍛造接合方法。
A cold forging joining method for joining a joined member (30) having a plurality of overlapping metal plate materials (31, 32) by cold forging, comprising:
placing the workpieces (30) on a joining device (10) including a punch (12) that presses a pressure operating surface (30a) of the workpieces (30); a die (14) on which the workpieces are placed and which has a die opening (14a) formed in a portion facing the punch; a back pressure punch (18) that is movably disposed relative to the die opening and applies back pressure to a back surface (30b) of the workpieces on the opposite side to the pressure operating surface; and a back pressure adjustment unit (20, 22, 24) that adjusts the back pressure;
pressing the pressure actuation surface of the workpieces with the back pressure punch while applying the back pressure to the back surface of the workpieces with the back pressure punch;
In the pressing,
A portion of the workpiece pressed by the punch is plastically deformed, so that a concave portion (311) is formed on the pressure acting surface and a convex portion (312) is formed on the back surface,
the back pressure adjusting unit makes the maximum value of the back pressure in a second half of a processing period from the start of pressing of the punch to the end of pressing of the punch greater than the maximum value of the back pressure in a first half of the processing period;
A cold forging joining method in which active new surfaces that appear on the surfaces of the multiple metal plate materials due to the expansion of the surface area of the surfaces caused by the plastic deformation are pressed against each other and adhered to each other by the pressing force of the punch and the back pressure of the back pressure punch, thereby solid-state joining the multiple metal plate materials.
複数の金属板材(31、32)が重ね合わされた被接合部材(30)を冷間鍛造によって接合する冷間鍛造接合方法であって、
前記被接合部材(30)の圧力作動面(30a)を押圧するパンチ(12)、前記被接合部材が設置されるとともに、前記パンチに対向する部位にダイス開口部(14a)が形成されているダイス(14)、前記ダイス開口部に対して移動可能に配置され、前記被接合部材のうち前記圧力作動面の反対側の背面(30b)に背圧を付与する背圧パンチ(18)、および、前記背圧を調整する背圧調整部(20、22、24)を備える接合装置(10)に対して、前記被接合部材を設置することと、
前記被接合部材の前記背面に対して前記背圧パンチによって前記背圧を付与しながら、前記被接合部材の前記圧力作動面を前記パンチによって押圧することと、を含み、
前記押圧することにおいては、
前記被接合部材のうち前記パンチに押圧された部分が塑性変形することによって、前記圧力作動面に凹部(311)が形成されるとともに、前記背面に凸部(312)が形成され、
前記背圧調整部によって、前記パンチの押圧開始時から前記パンチの押圧終了時までの加工期間の後半での前記背圧の平均値は、前記加工期間の前半での前記背圧の平均値よりも大きくされ、
該塑性変形による複数の前記金属板材の表面の面積拡大によって該表面に出現した活性新生面同士が、前記パンチによる押圧力と前記背圧パンチによる背圧とによって、押し付けられて密着することにより、複数の前記金属板材が固相接合される、冷間鍛造接合方法。
A cold forging joining method for joining a joined member (30) having a plurality of overlapping metal plate materials (31, 32) by cold forging, comprising:
placing the workpieces (30) on a joining device (10) including a punch (12) that presses a pressure operating surface (30a) of the workpieces (30); a die (14) on which the workpieces are placed and which has a die opening (14a) formed in a portion facing the punch; a back pressure punch (18) that is movably disposed relative to the die opening and applies back pressure to a back surface (30b) of the workpieces on the opposite side to the pressure operating surface; and a back pressure adjustment unit (20, 22, 24) that adjusts the back pressure;
pressing the pressure actuation surface of the workpieces with the back pressure punch while applying the back pressure to the back surface of the workpieces with the back pressure punch;
In the pressing,
A portion of the workpiece pressed by the punch is plastically deformed, so that a concave portion (311) is formed on the pressure acting surface and a convex portion (312) is formed on the back surface,
The back pressure adjusting unit makes an average value of the back pressure in a second half of a processing period from a start of pressing of the punch to an end of pressing of the punch larger than an average value of the back pressure in a first half of the processing period,
A cold forging joining method in which active new surfaces that appear on the surfaces of the multiple metal plate materials due to the expansion of the surface area of the surfaces caused by the plastic deformation are pressed against each other and adhered to each other by the pressing force of the punch and the back pressure of the back pressure punch, thereby solid-state joining the multiple metal plate materials.
前記背圧パンチとして、前記背圧パンチの先端面(18a)のうち前記パンチの先端面(12a)に対して前記パンチの軸線方向で対向する部位の少なくとも一部が、丸みを帯びた凸形状であるものが用いられる、請求項1または2に記載の冷間鍛造接合方法。 The cold forging joining method according to claim 1 or 2, in which at least a portion of the tip surface (18a) of the back pressure punch that faces the tip surface (12a) of the punch in the axial direction of the punch has a rounded convex shape. 複数の金属板材(31、32)が重ね合わされた被接合部材(30)を冷間鍛造によって接合する冷間鍛造接合方法であって、
前記被接合部材(30)の圧力作動面(30a)を押圧するパンチ(12)、前記被接合部材が設置されるとともに、前記パンチに対向する部位にダイス開口部(14a)が形成されているダイス(14)、前記ダイス開口部に対して移動可能に配置され、前記被接合部材のうち前記圧力作動面の反対側の背面(30b)に背圧を付与する背圧パンチ(18)、および、前記背圧を調整する背圧調整部(20、22、24)を備える接合装置(10)に対して、前記被接合部材を設置することと、
前記被接合部材の前記背面に対して前記背圧パンチによって前記背圧を付与しながら、前記被接合部材の前記圧力作動面を前記パンチによって押圧することと、を含み、
前記押圧することにおいては、
前記被接合部材のうち前記パンチに押圧された部分が塑性変形することによって、前記圧力作動面に凹部(311)が形成されるとともに、前記背面に凸部(312)が形成され、
前記背圧パンチとして、前記背圧パンチの先端面(18a)のうち前記パンチの先端面(12a)に対して前記パンチの軸線方向で対向する部位の少なくとも一部が、丸みを帯びた凸形状であるものが用いられ、
該塑性変形による複数の前記金属板材の表面の面積拡大によって該表面に出現した活性新生面同士が、前記パンチによる押圧力と前記背圧パンチによる背圧とによって、押し付けられて密着することにより、複数の前記金属板材が固相接合される、冷間鍛造接合方法。
A cold forging joining method for joining a joined member (30) having a plurality of overlapping metal plate materials (31, 32) by cold forging, comprising:
placing the workpieces (30) on a joining device (10) including a punch (12) that presses a pressure operating surface (30a) of the workpieces (30); a die (14) on which the workpieces are placed and which has a die opening (14a) formed in a portion facing the punch; a back pressure punch (18) that is movably disposed relative to the die opening and applies back pressure to a back surface (30b) of the workpieces on the opposite side to the pressure operating surface; and a back pressure adjustment unit (20, 22, 24) that adjusts the back pressure;
pressing the pressure actuation surface of the workpieces with the back pressure punch while applying the back pressure to the back surface of the workpieces with the back pressure punch;
In the pressing,
A portion of the workpiece pressed by the punch is plastically deformed, so that a concave portion (311) is formed on the pressure acting surface and a convex portion (312) is formed on the back surface,
As the back pressure punch, one is used in which at least a part of a portion of a tip surface (18a) of the back pressure punch that faces the tip surface (12a) of the punch in the axial direction of the punch has a rounded convex shape,
A cold forging joining method in which active new surfaces that appear on the surfaces of the multiple metal plate materials due to the expansion of the surface area of the surfaces caused by the plastic deformation are pressed against each other and adhered to each other by the pressing force of the punch and the back pressure of the back pressure punch, thereby solid-state joining the multiple metal plate materials.
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