JP4774253B2 - 摩擦攪拌接合のバリ取り装置 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦攪拌接合時において被接合部材のビード部に生ずるバリを除去するためのバリ取り装置に関する。

摩擦攪拌接合は、溶融溶接では困難であったＡｌ−Ｃｕ合金やＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金の接合が可能であることから、特にこれらの合金を多用する航空機の部品に適している。
摩擦攪拌接合は、図７に示すように、被接合部材同士が接合されるところ（この例では、被接合部材Ｗ_１、Ｗ_２同士の突合せ部位）に摩擦攪拌接合ツール１００のピン部１０１を挿入し、その軸部１０２のショルダー部１０２ａで加圧しつつ当該摩擦攪拌接合ツール１００を同図の矢印方向に回転させ、このような摩擦攪拌接合ツール１００を突合せ部位に沿って同図の矢印方向に移動させることにより行われる。ところが、摩擦攪拌接合に際しては、摩擦攪拌接合ツール１００によって塑性流動した被接合部材の一部が、図８に示すように、ビード（被接合部材同士が接合されたところ）１０３の両端部に沿って所謂バリ１０４ａとして或いは段差１０４ｂとなって出現する。このようなバリ１０４ａ等の発生を阻止することは極めて困難であり、また、このようなバリ１０４ａ等は、製品の外観を損ね、腐食の発生や応力集中による疲労破壊を誘発するなどの弊害をもたらす。このため、サンダーやサンドペーパー等の研磨器具を用いて、或いは、作業工数の削減による生産性向上の観点からこれらの研磨器具に代えて摩擦攪拌接合ツールにバリ取り機能を追加したもの（例えば、特許文献１、特許文献２）を用いてバリ１０４ａ等を取り除く作業が行われる。
摩擦攪拌接合ツールにバリ取り機能を追加したものとして、特許文献１に示されるような、切削工具２００の回転部材２０１外周に対をなして設けられた溝２０１ａ，２０１ｂに下方端切刃を有する切削インサート２０２を配設し、この切削インサート２０２を、当該切削インサート２０２が回転部材２０１とともに取り囲まれるカラー２０３を通して止めねじ２０４で固定したもの（図９（Ａ））、切削工具３００の回転部材３０１に斜めに貫通して設けられた孔に、下方端切刃を有する切削インサート３０３が取り付けられた切削インサートホルダー３０２を配設し、この切削インサートホルダー３０２をねじ３０４で押圧して固定したもの（図９（Ｂ））、及び切削工具４００の回転部材４０１周縁に対をなして半径方向にタブ４０２を突設し、このタブ４０２に切刃として作用する角を有する切削インサート４０３を取り付けたもの（図９（Ｃ））がある。また、特許文献２に示されるような、接合ツール５００の円筒状ショルダー５０１の先端端部に切削刃５０１ａを設けたもの（図１０（Ａ））や、接合ツール６００の突起状ショルダー６０１に切削用円筒ショルダー６０２を固定し、この切削用円筒ショルダー６０２の円周３等分上に切削刃６０３を設けたもの（図１０（Ｂ））がある。

しかしながら、上述した摩擦攪拌接合ツールにバリ取り機能を追加したものは、作業工数の削減による生産性向上を図ることができるが、摩擦攪拌接合ツールに対する、特許文献１に示されるような切刃、或いは特許文献２に示されるような切削刃の相対的な位置の微調整（０．０１ｍｍ単位）が極めて困難であるという問題がある。即ち、特許文献１における、図９（Ｂ）の切削工具３００においては、当該切削工具３００に対する切刃の相対的な位置の調整が可能であるが、微調整は極めて困難であり、また、特許文献２における、図１０（Ｂ）の接合ツール６００においては、当該接合ツール６００に対する切削刃６０３の相対的な位置の調整が可能であるが、微調整は極めて困難であり、このため、バリ等と同時に切削される、母材である被接合部材の切削量を抑え、被接合部材の板厚の減少を最小限にすることは極めて困難である。
特開平１０−７１４７７号公報（第７，８頁、図８〜１６） 特開２０００−９４１５８号公報（第３頁、図３，１０〜１２）

解決しようとする問題点は、摩擦攪拌接合ツールに取り付けられるバリ取りカッターの取付位置の微調整（０．０１ｍｍ単位で管理）を可能にして、バリ等と同時に除去される被接合部材の切削量を抑え、被接合部材の板厚の減少を最小限にする点である。

本発明の請求項１に係る摩擦攪拌接合のバリ取り装置は、摩擦攪拌接合加工時において被接合部材のビード部に生ずるバリを摩擦攪拌接合加工を行いながら切削刃で除去するバリ取り装置であって、摩擦攪拌接合ツールにおいて被接合部材に挿入されるピン部が突設された軸部の外周に螺刻されたネジに螺合するバリ取りカッターと、当該ネジに螺合して前記バリ取りカッターを前記軸部に固定する取付ナットとを備え、前記取付ナットは前記バリ取りカッターに対して前記被接合部材と反対側から当接するとともに前記軸部のネジに螺合して前記バリ取りカッターを締付け固定するようにしたものであり、バリ取りカッターをピン部が突設された軸部外周に螺刻されたネジに螺着して取り付けるようにしているので、摩擦攪拌接合ツールに取り付けられるバリ取りカッターの取付位置の微調整（０．０１ｍｍ単位で管理）が可能となり、バリ等と同時に除去される被接合部材の切削量を抑え、被接合部材の板厚の減少を最小限にすることができ、また、上述した従来例と比べて切削抵抗に対する剛性が高い構造としているので、０．０１ｍｍ単位で管理される微調整に資するものとなる。

本発明の請求項２に係る摩擦攪拌接合のバリ取り装置において、前記バリ取りカッターの切削刃は、前記摩擦攪拌接合ツールの回転軸が後方に所定傾斜角をなして傾斜し回転して移動するに際して、当該バリ取りカッターの切削刃の先端部が形成する回転面上の、回転軸から移動方向後方に延びる線分が前記被接合部材表面と平行をなすように形成されるようにしたものであり、切削刃は、バリ取り時に被接合部材表面と平行をなす態様となるので、接合加工によって生じたバリや段差のみを削除して滑らかな表面を得ることができる。

本発明の摩擦攪拌接合のバリ取り装置は、バリ取りカッターがピン部が突設された軸部外周に螺刻されたネジに螺着して取り付けられるようにしているので、摩擦攪拌接合ツールに取り付けられるバリ取りカッターの取付位置の微調整（０．０１ｍｍ単位で管理）が可能となり、バリ等と同時に除去される被接合部材の切削量を抑え、被接合部材の板厚の減少を最小限にすることができる利点がある。

本発明の実施の形態に係る摩擦攪拌接合のバリ取り装置を図１〜５を参照して説明する。
本実施の形態に係る摩擦攪拌接合のバリ取り装置１は、摩擦攪拌接合加工時において被接合部材のビード部に生ずるバリや段差を摩擦攪拌接合加工を行いながら除去する装置で、摩擦攪拌接合ツールのピン部４が突設された小径の軸部３外周に取り付けられるものであり、図３に示すように、摩擦攪拌接合ツール２の軸部３外周に螺刻された細目ネジ３ａに螺合するバリ取りカッター５と、当該細目ネジ３ａに螺合してバリ取りカッター５を軸部３に固定する取付ナット６とで構成されている。なお、本実施の形態では細目ネジ３ａとしてＭ８×０．７５を使用している。
ところで、バリ取りカッター５や取付ナット６が、例えば図３のようにして取り付けられる摩擦攪拌接合ツール２は、図１に示すように、径大で短尺な円筒部２１とこの円筒部２１の両端部からそれぞれ延出した当該円筒部２１より径小で長尺の円筒部２２ａ，２２ｂとからなる主軸、及びこの主軸の円筒部２２ａの一方端部に突設される、当該円筒部２２ａより径小の軸部３で構成されている。この軸部３の外周には、上記主軸の円筒部２２ａに連接する一方端部とは反対側の他方端部近傍位置までのところに細目ネジ３ａが螺刻される一方、この軸部３の他方端部には、テーパ面を有するショルダー部３ｂが形成され、更に、この軸部３の他方端部の端面中央にはピン部４が形成されている。

このような摩擦攪拌接合ツール２の軸部３に取り付けられる円筒状のバリ取りカッター５には、図２に示すように、軸部３の細目ネジ３ａに螺合すべく雌ネジ５ａが円筒内に螺刻されており、バリ取りカッター５を細目ネジ３ａに螺合させたときのその螺合位置の微調整が可能となっている。また、このバリ取りカッター５の円筒下部には切削刃５ｂが設けられ、この切削刃５ｂには、バリ取りカッター５のカッター軸（＝摩擦攪拌接合ツール２のツール軸、図３参照）Ｘ−Ｘに垂直な平面に対し傾斜角Ａが付けられており、かかる傾斜角Ａは、図３に示すように摩擦攪拌接合ツール２が後方に所定傾斜角Ａをなして傾斜し移動するに際して、当該バリ取りカッター５のカッター軸Ｘ−Ｘが所定傾斜角Ａに等しく傾斜するときに切削刃５ｂの回転軸から進行方向後方に延びる部分が被接合部材表面と平行をなして接触できるようにした角度で、切削刃５ｂの先端部の回転面の後退角である。また、切削刃５ｂには、バリ取り時に切屑の固着を防止しその排出を容易にするための逃げ角Ｂが付けられている。

また、摩擦攪拌接合ツール２の軸部３に取り付けられる薄平たい円筒状の取付ナット６は、図３に示すように軸部３の細目ネジ３ａに螺合すべく雌ネジが円筒内に螺刻されており、軸部３に螺着されたバリ取りカッター５を当該軸部３上で固定する。このような取付ナット６を用いると、バリ取りカッター５を上下動させて微調整するに際して迅速に且つ容易に弛緩・締付けが行える。

次に、本摩擦攪拌接合のバリ取り装置１の動作について図３〜５を用いて説明する。
本バリ取り装置１のバリ取りカッター５は、図３に示すように、バリ取りカッター５が摩擦攪拌接合ツール２の軸部３の適宜位置に取付ナット６で固定される。このとき、本バリ取り装置１は、摩擦攪拌接合加工に際して摩擦攪拌接合ツール２が後方に所定傾斜角Ａをなして傾斜し移動するようにしているため、当然のことながら所定傾斜角Ａに等しく傾斜する態様となっている。
そして、図４（Ａ）に示すような突き合わせ接合加工の場合には、被接合部材Ｗ_１，Ｗ_２同士の突合せ部位に、バリ取りカッター５が取り付けられた摩擦攪拌接合ツール２のピン部４を挿入し、そのショルダー部３ｂで加圧しつつ当該摩擦攪拌接合ツール２を回転させ、このような摩擦攪拌接合ツール２を突合せ部位に沿って同図の矢印方向に移動させる。この接合加工に際してビード７の両端部に沿って発生するバリや段差は、切削刃５ｂが被接合部材Ｗ_１，Ｗ_２表面と平行をなして接触するバリ取りカッター５により切削除去され、例えば図５に示すような滑らかな接合加工後の仕上げ面が得られる。ところで、本バリ取り装置１においては、バリ取りカッター５の、軸部３における上述した微調整が可能となっているので、かかる微調整をすることにより母材である被接合部材Ｗ_１，Ｗ_２の切削量を抑え、被接合部材Ｗ_１，Ｗ_２の板厚の減少を最小限にすることができる。

また、図４（Ｂ）に示すような重ね合わせ接合加工の場合も、上記突き合わせ接合加工の場合と同様に、被接合部材Ｗ_１，Ｗ_２が重ね合わされた所定部位に沿って摩擦攪拌接合ツール２を移動させて接合加工がなされる。かかる接合加工に際してもビード７の両端部に沿って発生するバリや段差がバリ取りカッター５により切削除去される。バリ取りカッター５の微調整により被接合部材Ｗ_１の切削量を抑え、被接合部材Ｗ_１の板厚の減少を最小限にすることができることはもちろんである。

ところで、上述した実施の形態では、バリ取りカッター５は、図２に示すように、二枚の切削刃５ｂを有するものであったが、図６に示すように、雌ネジ８ａが円筒内に螺刻された、一枚の切削刃８ｂを有するバリ取りカッター８であってもよい。

本発明の摩擦攪拌接合のバリ取り装置は、摩擦攪拌接合加工時において被接合部材のビード部に生ずるバリや段差を摩擦攪拌接合加工を行いながら除去できることはもとより、摩擦攪拌接合ツールに取り付けられるバリ取りカッターの取付位置の微調整（０．０１ｍｍ単位で管理）を可能にして、バリ等と同時に除去される被接合部材の切削量を抑え、被接合部材の板厚の減少を最小限にすることができ、有用価値が高いと言える。

本発明の実施の形態に係る摩擦攪拌接合のバリ取り装置が取り付けられる摩擦攪拌接合ツールの正面図である。 本バリ取り装置のバリ取りカッターの構成図である。 本バリ取り装置の摩擦攪拌接合ツールへの取付図である。 本バリ取り装置の動作説明図である。 本バリ取り装置で仕上げられた被接合部材の外観図である。 図２のバリ取りカッターとは異なるバリ取りカッターの構成図である。 従来の摩擦攪拌接合ツールの構成図及び動作説明図である。 従来の摩擦攪拌接合ツールで仕上げられた被接合部材の外観図である。 従来の摩擦攪拌接合ツールの構成図である。 従来の摩擦攪拌接合ツールの構成図である。

符号の説明

１ バリ取り装置
２ 摩擦攪拌接合ツール
３ 軸部
３ａ 細目ネジ
５，８ バリ取りカッター
６ 取付ナット
７ ビード
Ｗ_１，Ｗ_２ 被接合部材

Claims (2)

1. 摩擦攪拌接合加工時において被接合部材のビード部に生ずるバリを摩擦攪拌接合加工を行いながら切削刃で除去するバリ取り装置であって、摩擦攪拌接合ツールにおいて被接合部材に挿入されるピン部が突設された軸部の外周に螺刻されたネジに螺合するバリ取りカッターと、当該ネジに螺合して前記バリ取りカッターを前記軸部に固定する取付ナットとを備え、
   前記取付ナットは前記バリ取りカッターに対して前記被接合部材と反対側から当接するとともに前記軸部のネジに螺合して前記バリ取りカッターを締付け固定することを特徴とする摩擦攪拌接合のバリ取り装置。
2. 前記バリ取りカッターの切削刃は、前記摩擦攪拌接合ツールの回転軸が後方に所定傾斜角をなして傾斜し回転して移動するに際して、当該バリ取りカッターの切削刃の先端部が形成する回転面上の、回転軸から移動方向後方に延びる線分が前記被接合部材表面と平行をなすように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合のバリ取り装置。

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