JP5945854B2 - 摩擦攪拌加工装置及び摩擦攪拌加工方法 - Google Patents
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Description
ショルダ面にプローブを突設して金属材料からなる被加工材を摩擦攪拌加工するためのツールと、
ツールを保持し、且つ、回転させながら被加工材に押し付けて加工方向に相対移動可能な加工ヘッドと、
被加工材を保持する支持テーブルとを備える摩擦攪拌加工装置であって、
前記ツールの前記被加工材への没入量が一定範囲となるように前記加工ヘッドを移動させて前記ツールを前記被加工材に対して予め設定された高さ位置に設定するためのツール高さ設定手段と、
前記摩擦攪拌加工装置の本体フレームに対してガイド部材を介して上下動自在に設置されている前記支持テーブルを支持するとともに当該支持テーブルをツール側へ付勢するための空気圧シリンダと、
前記空気圧シリンダの付勢力を一定に保つように制御することにより前記ツールが前記被加工材を押し付ける加圧力を一定に保持させる荷重制御手段とを備え、
ツール側において前記ツール高さ設定手段により設定されたツール高さにて、支持テーブル側において前記荷重制御手段によりツールの加圧力を一定に保持させた状態にして、回転するツールを被加工材に対して相対移動させて摩擦攪拌加工を行う構成としたものである。
これにより、摩擦攪拌加工時に、まずツールを被加工材へ当接させるときに前記ツール高さ設定手段によりツールと被加工材との高さ位置関係が適正範囲に設定されるようにツール高さを位置制御することができる。従って、ツールと被加工材との高さ位置関係が適正範囲に位置制御された状態を、前記空気圧シリンダで支持テーブルを一定の付勢力でもってツール側へ付勢して荷重制御することにより摩擦攪拌加工中も一定に保持することができる。
これにより、空気圧シリンダを加工方向に対してバランスさせるように配置したことにより、被加工材の加工距離が長くなったり加工位置が離れている等の場合でも、ツールの被加工材への加圧力が加工方向に沿ってバラつくことがない。従って、被加工材の加工距離が長くなっても全長にわたってツールと被加工材との高さ位置関係を適正範囲に保ち続けることができ、また加工位置が遠く離れていても各加工位置でのツールと被加工材との高さ位置関係を適正範囲に保つことができる。
ツールを回転させながら金属材料からなる被加工材に対して押し付けて発生する摩擦熱により被加工材を軟化させて加工する摩擦攪拌加工方法であって、
前記被加工材を保持する支持テーブルが摩擦攪拌加工装置の本体フレームに対してガイド部材を介して上下動自在に設置されており、
摩擦攪拌加工時に、まずツール側において前記ツールの前記被加工材への没入量が一定範囲となるように前記ツールを保持する加工ヘッドを移動させて前記ツールを被加工材に対して予め設定された高さ位置に設定し、その後は支持テーブル側において当該支持テーブルをツール側へ付勢するための空気圧シリンダの付勢力を一定に保つように制御することにより前記ツールが前記被加工材を押し付ける加圧力を一定に保持させた状態にして、回転するツールを被加工材に対して相対移動させて摩擦攪拌加工を行うものである。
この摩擦攪拌加工方法によれば、前記摩擦攪拌加工装置と同様の作用が発揮される。
図1、図2、図3を参照して、摩擦攪拌接合装置1は、摩擦攪拌加工用のツール20を取り付けた加工機構2と、ワークW1,W2を保持する支持テーブル3と、加工機構2の動作を制御する制御装置5と、支持テーブル3の下面に取り付けた空気圧シリンダ(シリンダ装置)6とを備える。
実施例として、図1〜図3に示した摩擦攪拌接合装置1を用いて鉄系材料からなる2枚の平板材のワークW1,W2を突き合わせて摩擦攪拌接合を行った。
ワークW1,W2は、材質がSUS430であり、厚さ0.93mm、サイズ75mm×300mmの平板材である。ツール20は、図4に示す形状を有し、材質がNi基2重複相金属間化合物合金であり、ショルダ径(ショルダ面22の直径)12mm、プローブ径(プローブ23の直径)4mm、プローブ長(ショルダ面22からのプローブ23の突出高さ)0.3mmのものを用いた。裏当て材32は、材質が窒化珪素(Si3N4)であり、30×30mm角、長さ100mmの角材を接合方向に3本並べて使用した。
摩擦攪拌加工装置1での摩擦攪拌加工の接合条件は、前進角を3度に設定し、ツール回転数2000rpmでツール20を回転させながら2枚のワークW1,W2を突き合せた接合線上に押し付け、摩擦熱によりツール20がオレンジ色に発光した後、接合速度(ツール送り速度)900mm/minで直線状に250mm移動させて摩擦攪拌接合を行った。この摩擦攪拌接合時における空気圧シリンダ6の付勢力は、圧力制御弁(荷重制御手段)61によって、ツール20によるワークW1,W2の押し付け加圧力が0.85tonに設定されるように一定に保持させた。
この実施例の摩擦攪拌加工により突き合せ接合したワークW1,W2の接合部の写真を図6に示す。
比較例の摩擦攪拌接合装置は、上記の空気圧シリンダ6及び圧力制御弁61を有さず、支持テーブル31が所定位置に固定されたものを用いた。つまり、比較例の摩擦攪拌接合装置は、初期のツール高さを設定するだけであり、ツール20によるワークW1,W2の押し付け加圧力を一定に保持させる機構を有しない。そして、ツール20の高さをショルダ面22の端部がワークW1,W2の表面に接触してから0.2mm下降させた高さ位置に設定して摩擦攪拌接合を行った。その他の条件は、実施例と同様である。
この比較例の摩擦攪拌加工により突き合せ接合したワークW1,W2の接合部の写真を図7に示す。
摩擦攪拌加工の施工状態は、図7に示す比較例では接合部には摩擦攪拌不足が原因と思われる施工ムラが見られ良好な接合ができなかったが、図6に示す実施例では接合部には比較例のような施工ムラの無い良好な接合品質に仕上がった。
以上の実施例及び比較例により、ワークW1,W2に対するツール20の加圧力を適切に設定し、摩擦攪拌加工の間はこの加圧力を一定に保持することで、接合部の施工状態が綺麗で良好な品質に摩擦攪拌接合できることが確かめられた。
2 加工機構
3 支持テーブル
6 空気圧シリンダ(シリンダ装置)
7 加工ヘッド
20 ツール
21 ショルダ部
22 ショルダ面
23 プローブ
31 冶具
32 裏当て材
33 ワーク押さえ
55 ツール回転数指令部
56 ツール高さ指令部(ツール高さ設定手段)
57 ツール送り速度指令部
61 圧力制御弁(荷重制御手段)
81 回転用モータ
82 昇降用モータ
83 移送用モータ
L 接合線
W1,W2 ワーク(被加工材)
Claims (3)
- ショルダ面にプローブを突設して金属材料からなる被加工材を摩擦攪拌加工するためのツールと、
ツールを保持し、且つ、回転させながら被加工材に押し付けて加工方向に相対移動可能な加工ヘッドと、
被加工材を保持する支持テーブルとを備える摩擦攪拌加工装置であって、
前記ツールの前記被加工材への没入量が一定範囲となるように前記加工ヘッドを移動させて前記ツールを前記被加工材に対して予め設定された高さ位置に設定するためのツール高さ設定手段と、
前記摩擦攪拌加工装置の本体フレームに対してガイド部材を介して上下動自在に設置されている前記支持テーブルを支持するとともに当該支持テーブルをツール側へ付勢するための空気圧シリンダと、
前記空気圧シリンダの付勢力を一定に保つように制御することにより前記ツールが前記被加工材を押し付ける加圧力を一定に保持させる荷重制御手段とを備え、
ツール側において前記ツール高さ設定手段により設定されたツール高さにて、支持テーブル側において前記荷重制御手段によりツールの加圧力を一定に保持させた状態にして、回転するツールを被加工材に対して相対移動させて摩擦攪拌加工を行う構成とした摩擦攪拌加工装置。 - 請求項1に記載の摩擦攪拌加工装置において、
前記空気圧シリンダは、前記支持テーブルの被加工材の加工方向に対してバランスさせるように配設されている摩擦攪拌加工装置。 - ツールを回転させながら金属材料からなる被加工材に対して押し付けて発生する摩擦熱により被加工材を軟化させて加工する摩擦攪拌加工方法であって、
前記被加工材を保持する支持テーブルが摩擦攪拌加工装置の本体フレームに対してガイド部材を介して上下動自在に設置されており、
摩擦攪拌加工時に、まずツール側において前記ツールの前記被加工材への没入量が一定範囲となるように前記ツールを保持する加工ヘッドを移動させて前記ツールを被加工材に対して予め設定された高さ位置に設定し、その後は支持テーブル側において当該支持テーブルをツール側へ付勢するための空気圧シリンダの付勢力を一定に保つように制御することにより前記ツールが前記被加工材を押し付ける加圧力を一定に保持させた状態にして、回転するツールを被加工材に対して相対移動させて摩擦攪拌加工を行う摩擦攪拌加工方法。
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