JP6601176B2

JP6601176B2 - 線形摩擦接合装置

Info

Publication number: JP6601176B2
Application number: JP2015224824A
Authority: JP
Inventors: 雄一朗中山; 幹品川
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2015-11-17
Filing date: 2015-11-17
Publication date: 2019-11-06
Anticipated expiration: 2035-11-17
Also published as: JP2017087284A

Description

本発明は、一方の部材に他方の部材を押し付ける押圧機構を備え、一方の部材と他方の部材との相対的な振動移動を生じさせつつ押し付けることにより摩擦接合させる線形摩擦接合装置に関する。

近年、線形摩擦接合装置が使用されてきている。この線形摩擦接合装置は、一方の部材に他方の部材を押し付ける押圧機構を備え、該押圧機構の押圧軸に直交する方向に一方の部材と他方の部材とに相対的な振動移動をさせることで互いに摩擦接合させる装置である。

線形摩擦接合装置は、素材の利用効率、機械的強度、軽量性の向上を図った製品を製造する観点で特に有効である。例えば、一体型翼車（ブリスク。ディスクとブレードとを一体型構造にしたもの）を製造する際、素材から削り出しによって形成すると、大量の切り粉が発生するなど素材の利用効率が悪いが、別々に形成したディスクとブレードとを線形摩擦接合で一体化することで素材の利用効率を高めることができるという利点がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−１４１０６１号公報

ここで、線形摩擦接合装置では、２つの部材を互いに押圧する押圧力の制御が重要である。このため、押圧方向に荷重センサを介在させて２つの部材間に作用する押圧力をこの荷重センサで計測し、得られた計測値に基づいてこの計測値が設定値となるように押圧機構を制御している。

しかし、荷重センサに作用する下方向荷重やモーメント荷重（曲げモーメント）が大きいため、２つの部材間に実際に作用している押圧力を正確に計測することが難しく、このことは高精度で接合させることの妨げとなっている。

近年、線形摩擦接合装置で接合させる部材（例えば、ディスクに接合するブレード）が益々大型化しており、このような部材の抜きしろや部材の保持部材（例えば、ディスクを保持するディスク治具）の取り替えなどを考慮して、荷重センサに向けて保持治具を押圧する長尺状の押圧力付与部材（例えばピストンロッド）が益々長くなってきている。このため、荷重センサに作用する下方向荷重やモーメント荷重が益々大きくなってきており、この問題の解決が急がれている。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、荷重センサによる計測精度を高めることで高精度接合を可能にした線形摩擦接合装置を提供することを課題とする。

本発明に係る線形摩擦接合装置は、一方の部材に他方の部材を押し付ける押圧機構を備え、前記一方の部材を保持する一方保持部材を加振することで、前記一方の部材と前記他方の部材との相対的な振動移動を生じさせつつ前記押圧機構で押し付けることにより摩擦接合させる線形摩擦接合装置であって、前記押圧機構は、押圧軸方向に進退可能な押圧力付与部材と、前記他方の部材を保持しかつ押圧軸方向に進退可能な他方保持部材に取り付けられ、押圧軸方向の押圧力を測定する荷重センサと、前記他方保持部材に固定されかつ前記押圧力付与部材に連結され、前記押圧力付与部材から受けるモーメント荷重を支えるための支持機構と、を備え、前記支持機構は、前記他方保持部材に固定されたベース部材と、前記荷重センサと前記押圧力付与部材との間に配置される押圧力伝達部を有し、押圧軸方向に進退自在なように前記ベース部材に係合するとともに前記押圧力付与部材の先端部に連結される支持部材と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る線形摩擦接合装置では、押圧力付与部材を延ばした際に、押圧力付与部材は荷重センサを押圧するのではなく支持機構を構成する支持部材の押圧力伝達部を押圧している。従って、押圧力付与部材が延び出して押圧力付与部材に生じるモーメント荷重（曲げモーメント）や下方向荷重は、主に支持部材に加えられ、更に、ベース部材から他方保持部材に加えられて支えられ、荷重センサにはほとんど加えられない。よって、荷重センサによる計測精度を高めることで高精度接合を可能にした線形摩擦接合装置とすることができる。

また、支持機構がリニアガイドを備えていると、構成が簡素で計測精度が高い支持機構にすることができる。

また、押圧機構が押圧力付与部材としてピストンロッドを備えていると、押圧機構の構成が簡素である。

また、前記一方の部材がブリスクを構成するブレードであり、前記他方の部材が前記ブリスクを構成するディスクであると、ブレードとディスクとを線形摩擦接合する際に高精度接合が可能になる。

本発明によれば、荷重センサによる計測精度を高めることで高精度接合を可能にした線形摩擦接合装置とすることができる。

本発明の一実施形態に係る線形摩擦接合装置の構成を説明する正面図である（載置位置）。本発明の一実施形態に係る線形摩擦接合装置の構成を説明する正面図である（接合作業位置）。本発明の一実施形態に係る線形摩擦接合装置の構成を説明する模式的な斜視図である（接合作業状態）。本発明の一実施形態に係る線形摩擦接合装置で製造されるブリスクの部分拡大斜視図である。本発明の一実施形態に係る線形摩擦接合装置の要部を説明する模式的な正面図である。従来の線形摩擦接合装置の一例を説明する正面図である。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。以下の説明では、同一または類似の部分には、同一又は類似の符号を付し、その詳細な説明を適宜省略している。また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための例示であって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものではない。例えば、ブリスク（一体型翼車）を構成する部材以外にも適用可能である。また、この発明の実施の形態は、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。

以下、線形摩擦接合装置として、ブリスクを構成するブレードと、ブリスクを構成するディスク治具とを摩擦接合する線形摩擦接合装置を例に挙げて説明する。

図１〜図５に示すように、本発明の一実施形態（以下、本実施形態という）に係る線形摩擦接合装置１０は、ブレードＢ（一方の部材）とディスクＤ（他方の部材）とを互いに押し付ける押圧機構１４と、押圧機構１４の押圧軸Ｐ（ワーク接合軸）に直交する方向に加振軸Ｑを形成し、ブレードＢを加振軸方向に加振してブレードＢとディスクＤとの相対的な振動移動を生じさせる加振機構１６と、を備える。そして、加振機構１６を、押圧軸Ｐと加振軸Ｑとの交点Ｃよりも下方側に配置（例えばベース部１８上に配置）している。本実施形態では、押圧軸Ｐは水平方向を向いており、加振軸Ｑは上下方向を向いている。

本実施形態では、線形摩擦接合装置１０は、ブレードＢを保持するブレード治具２０（一方保持部材）を保持して上下方向に移動可能なスライダ２２（図１、図２、図４参照）と、ブレードＢを介して押圧機構１４からスライダ２２が受ける押圧軸方向の押圧力を受け止める軸受機構２４と、線形摩擦接合を行う際に作動させる各部位の制御を行う制御部２８（図３参照）と、を備える。

本実施形態では、ベース部１８は平板テーブル状を呈しており、線形摩擦接合装置１０の設置床面に干渉機構を介して設置されている。また、ブレード治具２０は、スライダ２２にボルト等で着脱自在に固定されている。

また、軸受機構２４が油静圧軸受２５を有しており、スライダ２２が受ける押圧力を油静圧軸受２５が受け止めている。また、加振機構１６が押圧軸Ｐと加振軸Ｑとの交点Ｃよりも下方側に配置されていることで、軸受機構２４は加振機構１６よりも上方に位置している。

そして、加振機構１６は、ブレード治具２０に下方から当接する加振シリンダ１７を備えている。従って、ブレード治具２０は、側方側でスライダ２２に保持されるとともに下方側で加振シリンダ１７に当接している。

（スライダおよび落下防止機構）
図２に示すように、スライダ２２は、ブレード治具２０が当接する当接面部２２ｓを正面側に有する。当接面部２２ｓは、ブレード治具２０に対する位置決めなどを行うための溝部（図示せず）を有する。

また、油静圧軸受２５のハウジングの正面側は、スライダ２２のブレード治具２０への当接面部２２ｓが露出するように開口している。そして、当接面部２２ｓの正面位置は、油静圧軸受２５のハウジングの正面側よりもブレード治具２０側へ若干突出した位置にされている。スライダ２２の厚みは、押圧機構１４からの押圧力に十分に堪え得る厚みにされている。

（押圧機構）
押圧機構１４は、上記のブレード治具２０と、ディスクＤ（他方の部材）を保持するディスク治具３０（他方保持部材）と、ディスク治具３０を載せて固定する搬送台３２と、載置位置（線形摩擦接合を行うにあたり、搬送台３２上にディスク治具３０を載置する位置、および、接合作業が全て完了することで得られたブリスクを取り出す位置）から接合作業位置（ディスクＤとブレードＢとが当接していて線形摩擦接合の作業を行う位置）まで搬送台３２を案内するように配置されたレール３４と、を備えている。

ディスク治具３０はロータリーアクチュエータ３６（図３参照）を内蔵しており、線形摩擦接合の作業を行う際には、制御部２８によって、隣り合うブレード同士の間隔である１ピッチ分ずつディスクＤを周方向に回転させるように制御されている。

また押圧機構１４は、押圧軸Ｐ方向に進退可能なピストンロッド３８（押圧力付与部材）と、ピストンロッド３８を進退させるためのシリンダ４０と、押圧軸Ｐ上に配置され、押圧軸Ｐ方向の押圧力を測定する荷重センサ４２と、を備えている。本実施形態では、ディスク治具３０のピストンロッド側に荷重センサ４２が取り付けられている。

更に押圧機構１４は、ディスク治具３０に固定かつピストンロッド３８に連結され、ピストンロッド３８から受けるモーメント荷重を支えるための支持機構４１を備えている。本実施形態では、支持機構４１がリニアガイド４１ｒを備えている。

このリニアガイド４１ｒは、ディスク治具３０のピストンロッド側に固定されたベース部材４３と、ベース部材４３の上側で押圧軸Ｐ方向に延びるガイドレール部４３ｇに係合してスライド移動するブロック４５を有する支持部材４６と、を備えている。

支持部材４６は、側面視でＬ字状であり、ブロック４５を有する係合部４６ｈと、係合部４６ｈから上方に延び出す平板状の押圧力伝達部４６ｖとを有する。そして、ピストンロッド３８の先端部３８ｔと押圧力伝達部４６ｖの外面部４６ｓとが連結具４４によって連結されている。この押圧力伝達部４６ｖは、荷重センサ４２とピストンロッド３８との間に位置している。

この構成により、接合作業位置でブレードＢとディスクＤとが当接しているときには、ピストンロッド３８の押圧力が変化することにより、ブレードＢにディスクＤを押圧する押圧力が、押圧力伝達部４６ｖおよび荷重センサ４２を介して変化するようになっている。また、荷重センサ４２は、測定された押圧力を計測信号として制御部２８に送信するようになっている。

（ブレードおよびブレード治具）
ブレードＢは、ブレード本体Ｂｍと、ブレード本体Ｂｍの基端側に形成されたクランプ用の被保持部Ｂｂとを有する。ブレード本体Ｂｍの基端側の端部には、翼長方向Ｘの翼基部側から見て被保持部Ｂｂの内側に位置する摩擦接合用の被接合面Ｂｊが形成されている。この被接合面Ｂｊは、ディスクＤの外周面に配置された突出部Ｄｐの先端側に形成された接合面Ｄｊ（何れも図３参照）に摩擦接合されるものである。

また、ブレードＢは、被保持部Ｂｂの被接合面Ｂｊ側に、被保持部Ｂｂよりも一回り大きい外形の矩形の鍔部Ｂｒを有している。上述した被保持部Ｂｂ及び鍔部Ｂｒは、ディスクＤにブレードＢを摩擦接合した後に、図４に仮想線で示すように、正規のブレードＢの外形が形成されるように切削除去される。

なお、ブレード本体Ｂｍは、腹側が凹、背側が凸の湾曲形状を呈している。また、ブレード本体Ｂｍには、ブレード基部よりもブレード先端の方が、ブレード本体Ｂｍの前縁の位置がブレードＢの回転方向において先行するように、全体に亘って捻りが加えられている。

そして、図３に示すように、ブレード治具２０は、ベースブロック５０と、ブレードＢの被保持部Ｂｂをクランプする上下一対の把持ブロック５２ａ、５２ｂと、クランプ動作駆動源を構成する油圧シリンダ（図示せず）とを備えている。

上述したブレード治具２０には、加振シリンダ１７によって、ブレードＢの翼弦方向Ｙに往復移動する振動力が付与される。加振シリンダ１７は、油圧シリンダ等によって構成することができる。

本実施形態では、ロータリーアクチュエータ３６によるディスクＤの回転や、押圧機構１４によるディスク治具３０のブレード治具２０側への押圧力、加振機構１６によるブレード治具２０への振動力付与等は、制御部２８よって制御される。

また、本実施形態の線形摩擦接合装置１０では、ブレード治具２０の上側の把持ブロック５２ａを油圧シリンダにより昇降可能として、上下の把持ブロック５２ａ、５２ｂをブレードＢの被保持部Ｂｂのクランプ状態とアンクランプ状態とにすることができるようにしている。従って、ブレード治具２０に対するブレードＢの供給を自動化することで、ブレードＢのディスクＤに対する摩擦接合の全体を自動化することができる。

（作用、効果）
以下、本実施形態の作用、効果を説明する。本実施形態では、ピストンロッド３８を延び出させることによりディスク治具３０をブレード治具２０側へ移動させる。ここで、ピストンロッド３８が延び出すと、支持部材４６がガイドレール部４３ｇに沿ってディスク治具３０側へスライド移動し、荷重センサ４２の先端部に当接する支持部材４６と荷重センサ４２とを介してディスク治具３０がブレード治具２０側へ押圧されて移動する。

そして、ディスクＤの中心軸周りの角度を調整し、加振シリンダ１７を上下方向に振動させることでスライダ２２を上下方向に振動させつつ、ピストンロッド３８を延ばしてディスクＤの接合面Ｄｊを接合作業位置でブレード基端側の被接合面Ｂｊに当接させて互いに押圧する。この結果、接合面Ｄｊと被接合面Ｂｊとが上下方向に互いに擦り合わされて摩擦熱が発生し、これらの面を構成する部位が高温になり溶融が生じる。

これらの動作では、ピストンロッド３８は、荷重センサ４２を押圧するのではなくリニアガイド４１ｒを構成する支持部材４６の押圧力伝達部４６ｖを押圧している。従って、ピストンロッド３８が延び出してピストンロッド３８の自重による下方向荷重が連結具４４に加えられても、この下方向荷重は主に支持部材４６に加えられ、更に、ベース部材４３からディスク治具３０に加えられて支えられ、荷重センサ４２にはほとんど加えられない。

所定の溶融が生じた後、加振シリンダ１７の振動を停止させてブレードＢの振動を停止することで、接合面Ｄｊを構成する部位と被接合面Ｂｊを構成する部位とが互いに固化し、ブレードＢがディスクＤに接合される。なお、上記の溶融が開始することで、押圧力によりブレードＢがディスクＤ側にやや移動する。

その後、スライダ２２によるブレードＢの保持を解除させ、ピストンロッド３８をやや後退させ、中間待機位置（一のブレードＢのディスクＤへの線形摩擦接合作業が終了して次のブレードＢが配置位置に配置されるまでディスク治具３０が待機している位置）にまでディスク治具３０をスライダ２２に対して後退させる。中間待機位置では、接合されたブレードＢがスライダ２２から離れ、ディスクＤが中心軸周りに回転可能になっている。

そして、ディスクＤを中心軸周りに所定角度だけ回転移動させ、次の突出部Ｄｐの接合面Ｄｊを接合作業位置にまで到達させて回転移動を停止する。この回転移動に併行して、次のブレードＢを上下の把持ブロック５２ａ、５２ｂ（図３参照）でクランプ状態となるように保持させる。

そして、同様にして、加振シリンダ１７で加振しつつ、ピストンロッド３８を延ばしてブレードＢの被接合面ＢｊとディスクＤの接合面Ｄｊとを互いに押圧させることで、摩擦熱を発生させて線形摩擦接合を行う。このようにしてブレードＢをディスクＤに順次に接合していく。

その後、各ブレードＢの被保持部Ｂｂ及び鍔部Ｂｒや、摩擦接合によりバリが生じた被接合面Ｂｊの部分を、エンドミル等を用いて正規のブレード外形となるまで切削除去する。これにより、ディスクＤとブレードＢとを一体化したブリスク（一体型翼車）が完成する。

以上説明したように、本実施形態では、ピストンロッド３８を延ばした際（前進させた際）に、ピストンロッド３８は、荷重センサ４２を押圧するのではなくリニアガイド４１ｒの支持部材４６を押圧している。従って、ピストンロッド３８が延び出してピストンロッド３８に生じる下方向荷重が連結具４４に加えられても、この下方向荷重は主に支持部材４６に加えられ、更に、ベース部材４３からディスク治具３０に加えられて支えられ、荷重センサ４２にはほとんど加えられない。よって、線形摩擦接合装置１０では、荷重センサ４２による計測精度を従来に比べて大幅に高くすることができる。従って、ブリスクを構成するブレードＢとディスクＤとを大幅に高い精度で摩擦接合することができる。

また、支持機構４１がリニアガイド４１ｒを備えているので、構成が簡素で計測精度が高い支持機構にすることができる。

また、押圧機構１４が押圧力付与部材としてピストンロッド３８を備えているので、押圧機構１４の構成が簡素である。

なお、本実施形態では、支持機構４１としてリニアガイド４１ｒを用いた例で説明したが、リニアガイド同等の剛性および摩擦係数であれば、静圧案内やローラフォロア等の直動案内部材を用いてもよい。

また、本実施形態では、ブレードＢを根元からディスクＤの接合面Ｄｊに摩擦接合してブリスクを新しく製造する場合について説明したが、既に形成されたブリスクでブレードＢの一部が欠けたものを修理する際に、ブレードＢの欠けた部分を切除し補修用の翼部を接合する際にも、同様にして良好に修理することができる。

＜比較検討例＞
図６は、従来の線形摩擦接合装置の一例（以下、従来例という）を説明する正面図である。従来例では、ブレードにディスクを押し付ける押圧機構８４を備えている。この押圧機構８４は、押圧軸方向に進退可能なピストンロッド８８と、ディスクＤを保持するディスク治具９０からピストンロッド８８側に延び出して押圧軸方向の押圧力を測定する荷重センサ９２と、ピストンロッド８８の先端部と荷重センサ９２の先端部とを連結する連結具とを備えている。

この構成により、従来例では、重力によってピストンロッド８８に加えられる下方向荷重は、ピストンロッド８８の延出し長さが長くなるほど大きい。そして、この荷重は連結具を介して荷重センサ９２に直接に加えられる。従って、荷重センサ９２に作用するモーメント荷重Ｍ（曲げモーメント）や下方向荷重が大きいため、ブレードとディスクとの間に実際に作用している押圧力を正確に計測することが難しいため、高精度の摩擦接合はさせ難い。

一方、上記実施形態の線形摩擦接合装置１０では、ピストンロッド３８を延ばした際（前進させた際）に、ピストンロッド３８は、荷重センサ４２を押圧するのではなくリニアガイド４１ｒの支持部材４６を押圧している。従って、ピストンロッド３８が延び出してピストンロッド３８に生じるモーメント荷重（曲げモーメント）や下方向荷重が大きくなっても、このモーメント荷重や下方向荷重は主に支持部材４６に加えられ、荷重センサ４２にはほとんど加えられない。よって、線形摩擦接合装置１０では、荷重センサ４２による計測精度を従来に比べて大幅に高くすることができ、ブリスクを構成するブレードＢとディスクＤとを大幅に高い精度で摩擦接合することができている。

１０線形摩擦接合装置
１４押圧機構
２０ブレード治具（一方保持部材）
３０ディスク治具（他方保持部材）
３８ピストンロッド（押圧力付与部材、ピストンロッド）
３８ｔ先端部
４２荷重センサ
４１支持機構
４１ｒリニアガイド
４３ベース部材
４６支持部材
４６ｈ係合部
４６ｖ押圧力伝達部
Ｂブレード（一方の部材、ブレード）
Ｄディスク（他方の部材、ディスク）
Ｐ押圧軸

Claims

一方の部材に他方の部材を押し付ける押圧機構を備え、前記一方の部材を保持する一方保持部材を加振することで、前記一方の部材と前記他方の部材との相対的な振動移動を生じさせつつ前記押圧機構で押し付けることにより摩擦接合させる線形摩擦接合装置であって、
前記押圧機構は、
押圧軸方向に進退可能な押圧力付与部材と、
前記他方の部材を保持しかつ押圧軸方向に進退可能な他方保持部材に取り付けられ、押圧軸方向の押圧力を測定する荷重センサと、
前記他方保持部材に固定されかつ前記押圧力付与部材に連結され、前記押圧力付与部材から受けるモーメント荷重を支えるための支持機構と、
を備え、
前記支持機構は、
前記他方保持部材に固定されたベース部材と、
前記荷重センサと前記押圧力付与部材との間に配置される押圧力伝達部を有し、押圧軸方向に進退自在なように前記ベース部材に係合するとともに前記押圧力付与部材の先端部に連結される支持部材と、
を備えることを特徴とする線形摩擦接合装置。
前記支持機構がリニアガイドを備えることを特徴とする請求項１に記載の線形摩擦接合装置。
前記押圧機構は、前記押圧力付与部材としてピストンロッドを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の線形摩擦接合装置。