JP3575748B2 - 摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、摩擦攪拌接合に関するものであり、例えば、円形の接合に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
特開平９−３０９１６４号公報（ＥＰ ０７９７０４３Ａ２）のように、摩擦攪拌接合方法は、接合部に挿入した丸棒（回転工具という。）を回転させながら接合線に沿って移動させ、接合部を発熱、軟化させ、塑性流動させ、固相接合する方法である。回転工具は、接合部に挿入する小径部（ピンという。）と、外部に位置する大径部（ショルダという。）と、からなる。小径部と大径部は同軸である。大径部側を回転させる。
【０００３】
特開平１１−１９７８５５号公報は、２つの部材の接合線が環状（円形状）である場合の接合方法である。接合の始端と終端とを重ねた後、終端を接合線の環状の内部または外部で終了させている。これは、摩擦攪拌接合が終了し、回転工具を被接合部材から抜くと、被接合部材に回転工具のピンによる穴が残る。この抜く位置が接合すべき環状の位置であれば、強度の問題が生じるためである。
【０００４】
また、回転工具は、接合部に挿入する小径部と、外部に位置する大径部とからなる。回転工具は傾斜して部材に挿入されている。傾斜方向は、回転工具の移動方向（接合すべき方向）において、回転工具の軸心の小径部側が該回転工具の大径部側よりも前方に位置するように傾斜している。つまり、回転工具は後方に傾斜している。なお、このことは特表平９−５０８０７３号（ＥＰ ０７５２９２６Ｂ１）にも示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記特開平１１−１９７８５５号公報では傾斜した回転工具を円形状に移動させている。傾斜させた回転工具を円形状に移動させることは極めて困難である。種々の円形に対応できるようにするために、数値制御式の工作機で接合することが考えられる。こては、テーブルに被接合部材を固定し、主軸に回転工具を設置し、主軸を傾斜させ、主軸を円形に移動させる。しかし、円形の移動方向に主軸の傾斜角度を所定に保つことは、円形に移動しつつ傾斜方向を変化させることが必要になり、プログラムの作成が容易ではない。
【０００６】
本発明の目的は、環状、または円形（円弧を含む）の摩擦攪拌接合を容易に行えるようにすることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、軸心が水平または垂直に向いた主軸に、摩擦攪拌接合用回転工具を設置するとともに、前記回転工具の先端に対向したテーブルに、第１の部材と第２の部材とを固定し、前記第１の部材と前記第２の部材との接合すべき方向において、前記回転工具の軸心の小径部側が該回転工具の大径部側よりも前方に位置するように、前記テーブルの軸心を傾斜させた状態で、前記テーブルを回転させて前記接合すべき部分を前記回転工具に対して移動させ、前記接合すべき部分を摩擦攪拌接合すること、によって達成できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例を図１から図７により説明する。図１は図５のＩ−Ｉ断面図に相当する。１０は数値制御式の工作機械である。通常、マシニングセンターと呼ばれている。工作機械は、被加工物（被接合部材）を載せるテーブル２０、被接合部材を加工する主軸３０とからなる。主軸３０は回転できる。この実施例の工作機械は横軸型であり、主軸３０の軸方向は水平方向を向いている。被接合部材を載せる（固定する）テーブル２０の面は実質的に垂直方向に沿っている。この面は傾斜できる。テーブル２０はテーブル２０の軸（実質的に水平方向に沿っている。）を中心として傾斜できる。テーブル２０はテーブル２０の軸（実質的に水平方向に沿っている。）を中心として回転できる。テーブル２０を傾斜させた状態において、テーブル２０の軸を中心として、テーブル２０を回転させることができる。
【０００９】
主軸３０の先端には、工作機械として通常の作業目的の切削用の回転工具または摩擦攪拌接合用の回転工具５０を取り付けることができる。ここでは摩擦攪拌接合用の回転工具５０を設置している。回転工具５０の先端はテーブル２０側を向いている。主軸３０および回転工具５０の軸心は水平方向を向いている。回転工具５０は主軸によって回転させられる。主軸３０の先端は軸方向に移動できる。また、主軸３０は軸方向に対して半径方向に移動できる。
【００１０】
テーブル２０には被接合部材７０が公知の手段で固定されている。部材７０は主軸３０側に円形の窪み７１がある。円形の窪み７１の外周部には段部７２がある。段部７２およびこれよりも外面は実質的に平らである。この平らの面は円形の軸方向に対して直角方向である。
【００１１】
段部７２には円形の板の蓋７６が重ねている。部材７０の外面と蓋７６の外面とは同一面である。蓋７６の円周と段部７２の円周との突き合わせ部を摩擦攪拌接合する。このため、接合すべき部分（接合線）７９は円形となる。７９ｂは接合によって生じた接合ビードを示す。部材７０と蓋７６との突き合わせ部を間欠的に仮止めのアーク溶接をしている。この仮止め溶接の後、部材７０をテーブル２０に固定し、摩擦攪拌接合を行う。摩擦攪拌接合の後、窪み７１と蓋７６とからなる空間は冷却通路となる。冷却通路の入り口、出口は図示していない。部材７０および蓋７６は冷却器の一部である。部材７０および蓋７６はアルミニウム合金製である。
【００１２】
テーブル２０は円形の接合線７９の中心を回転中心として回転する。テーブル２０の回転中心と円形の接合線７９の中心とは一致している。主軸３０に固定した回転工具５０は接合線７９の円周方向には移動（回転）しない。回転工具５０は主軸３０の回転によって自転するのみである。テーブル２０の回転によって、回転工具５０は接合線７９に対して相対的に移動する。
【００１３】
主軸３０に固定した回転工具５０は円形の接合線７９の水平方向の一方の位置５０Ｓに位置する。この位置５０Ｓにおいて、テーブル２０は摩擦攪拌接合時の回転工具５０の相対的な移動方向に対して傾斜している。傾斜方向は、前記移動方向（接合すべき方向）において、回転工具５０の軸心の小径部５１側が回転工具の大径部５２側よりも前方に位置するように傾斜している。テーブル２０は、テーブル２０の回転方向において、回転工具５０の軸心の小径部５１側が回転工具５０の大径部５２側よりも前方に位置するように、傾斜している。傾斜角度θは例えば３度である。図３、図５においては、円形の接合線７９の水平方向の一方の位置５０Ｓに回転工具５０が位置し、テーブル２０は右回転するので、テーブル２０（部材７０）の上側が下側よりも回転工具５０から離れるように傾斜している。
【００１４】
接合方法を説明する。前記３度に傾斜したテーブル２０に、蓋７６を仮止め溶接した部材７０を固定する。回転工具５０は所定位置５０Ｓに位置している。この状態で、主軸３０を回転（自転）させつつ、回転工具５０を軸方向に突出させ、回転工具５０の小径部５１を突き合わせ部（５０Ｓ）に挿入する。所定量挿入すると突出を停止する。挿入位置は図３の５０Ｓの位置である。位置５０Ｓは接合の開始点になる（ステップＳ１１）。
【００１５】
次に、前記３度の傾斜角度θを保った状態で、テーブル２０を回転させる。回転方向は右回転である（ステップＳ１３）。回転の中心は円形の接合線７９の中心である。これによって、回転工具５０は接合線７９に沿って相対的に移動し、突き合わせ部は摩擦攪拌接合される。７９ｂはこれによる接合ビードである。
【００１６】
テーブル２０の回転が継続して、回転工具５０を挿入した位置５０Ｓに至っても、すなわちテーブル２０が３６０度回転しても、テーブル２０の回転は継続させる。これによって、接合の開始点５０Ｓから再度摩擦攪拌接合される。
【００１７】
次に、３６０度＋αの所定角度までテーブル２０を回転させたら、主軸３０を半径方向に移動させる（ステップＳ１５）。ここでは主軸３０を円形の接合線７９の外側の方向に移動させる。テーブル２０は回転を継続している。テーブルの傾斜角度θは変更しない。このため、円形の接合線７９の外側に円弧状の接合ビード７９ｃができる。３６０度＋αから（主軸３０を半径方向に移動を開始してから）の回転工具５０の相対的な移動方向に対する回転工具５０の傾斜角度θは前記３度にはならない。ここは正規に摩擦攪拌接合すべき部分ではないので、正規の摩擦攪拌接合ではなくてもよい。
【００１８】
回転工具５０が所定位置５０Ｅまで移動したら、主軸３０（すなわち、回転工具５０）を後退させ、部材７０から抜く（ステップＳ１７）。主軸２０の後退位置は主軸２０の移動量を求めて判断する。後退位置は部材７０の外径よりも内側である。回転工具５０を部材７０から抜いた位置（接合の終点）には回転工具５０の小径部５１の外径に相当する孔５５が残る。
【００１９】
摩擦攪拌接合が終了した後、部材７０を取り外し、他の工作機械によって、部材７０の不要部分を切削する。ここでは、円形の接合線７９の外側の部材７０を切削して円形にする（ステップＳ２１）。図５と図６の７４はこの切削位置を示している。この切削は、接合の終点に孔５５が開いているので、部材７０の外周部を機械加工によって切削して除くものである。また、接合部にはバリがあったり、凹みがあったりするので、必要により、接合する面（図６の上面）側を切削する。その結果、接合終了箇所の孔５５は取り除かれ、接合する側の面は平滑になり、良好な製品外観を確保できる。
【００２０】
これによれば、回転工具５０を傾斜させつつ円形に移動させる必要がない。主軸３０（回転工具５０）を傾斜させることのできない工作機械を用いて摩擦攪拌接合を行うことができる。また、主軸３０を傾斜させることができる場合において、円形の移動方向に所定角度θを保ちつつ移動させるプログラムの設計は面倒で高価である。しかし、上記実施例では、傾斜角度はテーブル２０によって与えているので、この状態で回転させれば、面倒で高価なプログラムの設計が不要になる。このため、上記実施例によれば、既存の工作機械を用いて、容易に、安価に摩擦攪拌接合ができるものである。
【００２１】
上記の切削は必要により行う。接合の終点の孔５５をドリル等で貫通させ、ボルト用の孔等にできる。また、孔５５をＴＩＧ溶接（ｔｕｎｇｓｔｅｎ ｉｎｅｒｔ ｇａｓ ｗｅｌｄｉｎｇ）で埋め、接合した面側を切削する。ＴＩＧ溶接の溶接棒には部材５０と同一の材料を用いる。これによれば、塗装をしない場合において、孔５５の溶接部が見えにくくなる。
【００２２】
主軸３０側に突き合わせ部の位置を検出する光学式センサーを設け、このセンサーの値によって主軸の位置を移動させることができる。この移動方向はテーブルの回転による移動方向に対して直角方向である。これによれば、突き合わせ部の第１の部材（７０）の精度、第２の部材（７６）の精度が悪くても、回転工具の軸心を突き合わせ部（接合線７９）の中心に位置させることができる。
【００２３】
また、接合する対象の線は、円形状、環状の自由曲線、環状でない円弧状、環状でない自由曲線の接合も同様にできる。自由曲線の場合、接合部分の円弧の中心を中心としてテーブル２０を回転させるとともに、テーブル２０を直線移動させる。工作機械が数値制御式のため、容易に種々の曲線に対応して接合することができる。円弧状の場合の接合の終点の孔５５は溶接またはろう付けで埋めることになろう。また、接合線が直線の四辺からなる環状の接合にも適用できる。この場合、四辺の接合にあたってはテーブルを直線移動させる。辺の交点部分またはその近傍の円弧部分はテーブル２０を回転させる。
【００２４】
また、突き合わせ部の接合のみでなく、２つの部材を重ねた部分を接合することもできる。また、縦型工作機械にも利用できる。
円形の接合線の内側で接合を終了した場合は、例えば座ぐり加工によって内側の部材を除去する。
【００２５】
回転工具５０を移動方向に対して傾斜させておき、相対的移動のための回転はテーブル２０で行うことができる。回転工具の傾斜と回転工具の円形移動のための回転とを分離しているので、安価に容易にできるものである。
【００２６】
本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の各請求項に記載の文言あるいは課題を解決するための手段の項に記載の文言に限定されず、当業者がそれから容易に置き換えられる範囲にも及ぶものである。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、環状、円形状、自由曲線、円弧状の摩擦攪拌接合を容易に行えるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の摩擦攪拌接合装置の側面図。
【図２】本発明の一実施例の接合のフローチャート。
【図３】接合前の部材の平面図。
【図４】図３の縦断面図。
【図５】接合した後の部材の平面図。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ断面図。
【図７】接合後、部材を切削した状態の縦断面図で、図６相当図。
【符号の説明】
２０：テーブル、３０主軸、５０：回転工具、７０：部材、７６：蓋、７９：接合線。

Claims (19)

1. 軸心が水平または垂直に向いた主軸に、摩擦攪拌接合用回転工具を設置するとともに、前記回転工具の先端に対向したテーブルに、第１の部材と第２の部材とを固定し、
   前記第１の部材と前記第２の部材との接合すべき方向において、前記回転工具の軸心の小径部側が該回転工具の大径部側よりも前方に位置するように、前記テーブルの軸心を傾斜させた状態で、前記テーブルを回転させて前記接合すべき部分を前記回転工具に対して移動させ、前記接合すべき部分を摩擦攪拌接合すること、
   を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
2. 請求項１の摩擦攪拌接合方法において、前記工作機械は数値制御式工作機械であること、を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
3. 請求項１の摩擦攪拌接合方法において、前記摩擦攪拌接合の際に、前記テーブルの回転と共に、該テーブルを直線移動させること、を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
4. 請求項１の摩擦攪拌接合方法において、前記摩擦攪拌接合の際に、前記テーブルの回転、該テーブルの直線移動を独立して行うこと、を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
5. 請求項１の摩擦攪拌接合方法において、前記主軸を支持する部材に、接合すべき部分を検出するセンサーを備え、
   前記回転工具が前記第１の部材と前記第２の部材との接合すべき部分に位置するように、前記センサーの検出値によって、前記主軸を支持する部材を前記テーブルに対して相対的に移動させること、
   を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
6. 軸心が水平または垂直に向いた主軸に摩擦攪拌接合用回転工具を設置するとともに、前記回転工具の先端に対向したテーブルに、第１の部材と第２の部材とを固定し、
   前記第１の部材と前記第２の部材との接合すべき方向において、前記回転工具の軸心の小径部側が該回転工具の大径部側よりも前方に位置するように、前記回転工具の軸心を傾斜させた状態で、前記テーブルを回転させて前記接合すべき部分を前記回転工具に対して移動させ、前記接合すべき部分を摩擦攪拌接合すること、
   を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
7. 請求項６の摩擦攪拌接合方法において、前記工作機械は数値制御式工作機械であること、を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
8. 請求項６の摩擦攪拌接合方法において、前記摩擦攪拌接合の際に、前記テーブルの回転と共に、該テーブルを直線移動させること、を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
9. 請求項６の摩擦攪拌接合方法において、前記摩擦攪拌接合の際に、前記テーブルの回転、該テーブルの直線移動を独立して行うこと、を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
10. 請求項６の摩擦攪拌接合方法において、前記主軸を支持する部材に、接合すべき部分を検出するセンサーを備え、
    前記回転工具が前記第１の部材と前記第２の部材との接合すべき部分に位置するように、前記センサーの検出値によって、前記主軸を支持する部材を前記テーブルに対して相対的に移動させること、
    を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
11. 第１の部材と第２の部材とを摩擦攪拌接合用回転工具を用いて摩擦攪拌接合し、
    前記第１の部材または前記第２の部材の少なくとも一方の部材から前記回転工具を抜き、
    次に、前記回転工具を抜くことによって生じた孔に対して、溶接を行い、金属材料によって埋め、
    前記溶接は、前記孔に対して前記少なくも一方の部材と実質的に同一材料を用いてＴＩＧ溶接（ｔｕｎｇｓｔｅｎ ｉｎｅｒｔ ｇａｓ ｗｅｌｄｉｎｇ）を行い、前記孔を埋めること、
    を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
12. １組の部材を固定する面を垂直面または水平面に対して傾斜させた状態で回転させることができるテーブルと、
    前記水平面または垂直面に対向しており、水平方向または垂直方向に沿った軸心を有し、先端に摩擦攪拌接合用の回転工具を取り付けた状態で回転可能な主軸と、からなり、
    前記テーブルは、該テーブルの回転方向において、前記回転工具の軸心の小径部側が該回転工具の大径部側よりも前方に位置するように、前記回転工具の軸心を傾斜可能であること、
    特徴とする工作機械。
13. 請求項１２の工作機械において、前記主軸はその先端をその軸心に沿って移動可能に設けていること、を特徴とする工作機械。
14. 請求項１２の工作機械において、前記回転テーブルの回転中に前記主軸を該主軸の半径方向に移動可能に設けていること、を特徴とする工作機械。
15. 請求項１２の工作機械において、前記テーブルの回転中にその軸心の半径方向に該テーブルを移動可能に設けていること、を特徴とする工作機械。
16. １組の部材を固定する面を回転させることができるテーブルと、
    前記テーブルの水平面または垂直面に対して軸心を傾斜させており、先端に摩擦攪拌接合用回転工具を取り付けた状態で回転可能な主軸と、からなり、
    前記主軸の傾斜方向は、前記テーブルの回転方向において、前記回転工具の軸心の小径部側が該回転工具の大径部側よりも前方に位置するように、前記回転工具の軸心を傾斜可能であること、
    からなる工作機械。
17. 請求項１６の工作機械において、前記主軸はその先端をその軸心に沿って移動可能に設けていること、を特徴とする工作機械。
18. 請求項１６の工作機械において、前記回転テーブルの回転中に前記主軸を該主軸の半径方向に移動可能に設けていること、を特徴とする工作機械。
19. 請求項１６の工作機械において、前記テーブルの回転中にその軸心の半径方向に該テーブルを移動可能に設けていること、を特徴とする工作機械。

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