以下に添付図面を参照して、本発明に係る摩擦撹拌接合装置の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。
図1は、本発明の実施例1に係る摩擦撹拌接合装置の概略図、図2は、実施例1の摩擦撹拌接合装置の断面図、図3は、実施例1の摩擦撹拌接合装置の下面図、図4は、実施例1の摩擦撹拌接合装置における回収箱が装着された背面図、図5は、実施例1の摩擦撹拌接合装置における回収箱が装着された断面図、図6は、実施例1の摩擦撹拌接合装置における回収箱が装着された下面図である。
実施例1の摩擦撹拌接合装置において、図1から図3に示すように、装置本体11は、駆動軸12を有し、図示しないモータにより駆動回転可能となっている。駆動軸12は、
先端部(下端部)に摩擦撹拌接合用工具13が取付けられている。なお、図1から図3は、後述する回収箱35が取外された摩擦撹拌接合装置を表している。
この摩擦撹拌接合用工具13は、回転軸14と、この回転軸14の先端部(下端部)に一体に形成されるヘッド部15とから構成されており、このヘッド部15は、先端側に向かって傾斜しながら突出しており、下面に図示しないスクロール溝が形成されている。そして、装置本体11の駆動軸12は、先端部にチャック部16が連結されており、このチャック部16は、摩擦撹拌接合用工具13の回転軸14が嵌合し、連結軸16aにより一体回転可能に連結されている。
第1回転体(回転体)17は、リング形状をなし、チャック部16の外周部に嵌合し、両者の間にキー18が介装されることで、第1回転体17は、チャック部16、つまり、摩擦撹拌接合用工具13と一体回転可能で、且つ、軸心方向に一体移動可能と連結されている。第2回転体(回転体)19は、第1回転体17と同様に、リング形状をなし、この第1回転体17の下方に配置され、摩擦撹拌接合用工具13におけるヘッド部15の外周部に嵌合している。そして、第1回転体17は、周方向にほぼ均等間隔で下方に延出する複数(本実施例では、4個)のガイド軸20が固定されている。一方、第2回転体19は、周方向にほぼ均等間隔で複数(本実施例では、4個)ガイド孔21が形成されており、第1回転体17の各ガイド軸20が第2回転体19の各ガイド孔21に挿入されている。そのため、第2回転体19は、複数のガイド軸20及びガイド孔21により、第1回転体17に一体回転可能に連結されると共に、駆動軸12の軸心方向に沿って相対移動可能に連結されることとなる。
また、第1回転体17は、周方向にほぼ均等間隔でその下面に複数(本実施例では、4個)の収納穴22が形成されており、この各収納穴22に第2回転体19を押圧する皿ばね(付勢部材)23がそれぞれ収納されている。第2回転体19は、下部に扇形状をなす2つの凹部24が形成されており、この各凹部24は、摩擦撹拌接合用工具13におけるヘッド部15の外周側に周方向に均等間隔(線対称)で形成され、下方に開口すると共にヘッド部15側に開口している。そして、この各凹部24内に周方向にほぼ均等間隔(線対称)で取付ヘッド25により切削工具26が固定されている。この各切削工具26は、摩擦撹拌接合用工具13におけるヘッド部15の外周面に近接して配置されており、下端に被加工部材10に発生したバリB切削除去する切刃が形成されている。
そのため、第2回転体19は、第1回転体17に対して、各皿ばね23の付勢力により下方に付勢支持されており、この第2回転体19に装着された各切削工具26が被加工部材10の表面10aに接近する方向に付勢、つまり、各切削工具26が被加工部材10の表面10aに押付けられる。
なお、この実施例1では、第2回転体19に2つの切削工具26を設けたが、その数は2つに限定されるものではなく、1つでも3つ以上であってもよい。
また、第2回転体19は、外周面に軸受27によりガイド枠体28から相対回転自在で、且つ、軸心方向に移動不能に装着されており、左右の側部に前後の水平な支持軸29によりガイドローラ30が装着されている。この各ガイドローラ30は、被加工部材10の表面10aに接触すると共に転動可能となっている。即ち、この各ガイドローラ30は、被加工部材10に対する切削工具26の位置を規定する切削工具位置決め部材として機能する。
そして、各回転体17,19やガイド枠体28などの外周側に摩擦撹拌接合用工具13の軸心方向に沿って連結部材31が配置されており、この連結部材31は、一端部(上端部)が装置本体11に固定され、他端部(下端部)がガイド枠体28の側部に形成されたガイド溝32に係合している。そのため、ガイド枠体28は、装置本体11から延出した連結部材31がガイド溝32に係合していることから、各回転体17,19が回転しても連れ回りすることがない。また、ガイド枠体28は、ガイド溝32が摩擦撹拌接合用工具13の軸方向に沿って形成されており、上方にストッパ32aが形成され、下方が開放されていることから、第2回転体19に対して摩擦撹拌接合用工具13の軸心方向に沿って移動することができ、且つ、下方への移動量が規制される。
また、実施例1の摩擦撹拌接合装置は、図3から図6に示すように、切削工具26により切削除去されたバリBなどの切削物を回収する回収部が設けられている。即ち、第2回転体19は、下部に扇形状をなす2つの凹部24が形成され、この各凹部24内に取付ヘッド25により切削工具26が固定されている。リング形状をなすカバー33は、第2回転体19の下面に凹部24を被覆するように固定されており、この凹部24が回収部を構成する回収室として機能する。そして、このカバー33は、切削工具26の回転方向の上流側に、回収室(凹部)24から被加工部材10側に向けて開口する回収孔34が形成されている。そして、この回収室24は、内周部に捕集部38が形成されている。この各捕集部38は、流体(水や溶融金属など)が通過可能である一方で、バリBなどの切削物を捕集して通過不能とするものであり、例えば、メッシュ状をなす金網により形成され、また、メッシュ状をなす金網に限定されることなく、縦スリットまたは横スリットを有するスクリーンや多孔体などとしてもよい。なお、カバー33は、各取付ヘッド25及び各切削工具26が下方に突出するように内周部に切欠33aが形成されている。
また、ガイド枠体28は、その外周部及び下部を被覆するように回収箱35が固定されている。この回収箱35は、下面部が平面形状なして各ガイドローラ30を避けるように角部が切り欠かれており、側部がガイド枠体28の外周部に密着する枠形状なし、複数の固定ボルト36によりガイド枠体28に固定されている。また、回収箱35は、下面部の中央に各切削工具26の切刃が突出可能な円形の開口35aが形成されている。
回収箱35は、下面部の上面と第2回転体19及びガイド枠体28の下面との間にバリを通過可能な所定隙間が確保されていると共に、下面部の下面と被加工部材10の表面10aとの間にも全体の移動に支障を来たさないように所定隙間が確保されている。そして、この回収箱35は、摩擦撹拌接合装置の移動方向の後方及び各側方に捕集部37が形成されている。この各捕集部37は、流体(水や溶融金属など)が通過可能である一方で、バリBなどの切削物を捕集して通過不能とするものであり、例えば、メッシュ状をなす金網により形成され、また、メッシュ状をなす金網に限定されることなく、縦スリットまたは横スリットを有するスクリーンや多孔体などとしてもよい。
従って、装置本体11の駆動軸12が回転すると、その回転力がチャック部16を介して摩擦撹拌接合用工具13に伝達されて回転する。また、チャック部16が回転すると、その回転力がキー18を介して第1回転体17に伝達されて回転し、各複数のガイド軸20及びガイド孔21により第2回転体19に伝達されて回転する。一方、ガイド枠体28は、第2回転体19に対して軸受27が介在すると共にガイド溝32に連結部材31が係合しており、摩擦撹拌接合用工具13と共に回転することはない。更に、第2回転体19は、第1回転体17との間に設けられた皿ばね23の付勢力により各ガイドローラ30が被加工部材10の表面10aに接触することで、第2回転体19に固定された各切削工具26は、被加工部材10の表面10aに対する適正位置に位置決めされている。
この状態で、装置本体11を溶接方向に水平移動すると、摩擦撹拌接合用工具13が被加工部材10に対して摩擦撹拌接合を行う。そして、このとき、摩擦撹拌接合用工具13と共に第1回転体17及び第2回転体19が一体回転することで、第2回転体19に固定された切削工具26が被加工部材10に発生したバリBを切削除去する。
ところで、摩擦撹拌接合用工具13は、回転しながら被加工部材10への押付力がほぼ一定となるように制御されながら、水平方向に移動している。ここで被加工部材10は、摩擦撹拌接合用工具13との間で発生する摩擦熱により温度が上昇して軟化する。この場合、被加工部材10は、この発生した熱によりその形状などに応じて硬度が変化する。そのため、摩擦撹拌接合用工具13は、被加工部材10の硬度が低下すると、被加工部材10に接近する方向、つまり、軸心方向の下方に移動し、被加工部材10の硬度が上昇すると、被加工部材10から離間する方向、つまり、軸心方向の上方に移動する。
このとき、摩擦撹拌接合用工具13が被加工部材10に対する加工状態に応じて軸心方向に移動すると、第2回転体19は、外周部に連結されたガイド枠体28の各ガイドローラ30が被加工部材10の表面10aを転動することから、軸心方向に移動することがなく、この第2回転体19に対して第1回転体17及び摩擦撹拌接合用工具13が各皿ばね23の付勢力に応じて移動する。そのため、摩擦撹拌接合用工具13は、被加工部材10に対して適正に摩擦撹拌接合を行うことができ、また、各切削工具26は、適正にバリBを除去することができる。
また、装置本体11が溶接方向に水平移動し、摩擦撹拌接合用工具13が回転することで、この摩擦撹拌接合用工具13が被加工部材10に対して摩擦撹拌接合を行い、第1回転体17及び第2回転体19と共に切削工具26が回転することで、この切削工具26が被加工部材10に発生したバリBを切削除去し、切削除去されたバリBが回収室24または回収箱35に回収される。
即ち、回転する切削工具26が被加工部材10のバリBを切削除去すると、被加工部材10から破断したバリBは、回収孔34から回収室24に入り込んで回収される。このとき、バリBと共に回収室24内に取り込んだ流体は、捕集部38から外部に排出される一方、バリBはこの捕集部38に捕集される。また、被加工部材10から破断した大きなバリBは、回収孔34を通して回収室24に回収できないことがあり、この場合、大きなバリBは、回収箱35の開口35aから第2回転体19と回収箱35との隙間を通ってこの回収箱35内(ガイド枠28と回収箱35との隙間)に回収される。このとき、バリBと共に回収箱35内に取り込んだ流体は、各捕集部37から外部に排出される一方、バリBはこの捕集部37に捕集される。また、切削工具26が回転しながら被加工部材10のバリBを切削除去することから、被加工部材10から破断したバリBは、放射方向に飛散するため、各捕集部37がバリBを適正に捕集する。更に、回収箱35の前方側に捕集部37が設けられていないことから、前方からの流体の流入がなく、捕集したバリBが内部で移動し、再び開口35aから外部に排出されて飛散することもない。
このように実施例1の摩擦撹拌接合装置にあっては、装置本体11に駆動回転可能に支持される摩擦撹拌接合用工具13と、摩擦撹拌接合用工具13の外周側に一体回転可能に連結される第1回転体17と、第1回転体17に一体回転可能に連結されると共に回転軸心方向に沿って移動可能に連結される第2回転体19と、第2回転体19における摩擦撹拌接合用工具13の近接位置に固定される切削工具26と、第1回転体17に対して第2回転体19を切削工具26が被加工部材10に接近する方向に付勢する皿ばね23と、第2回転体19に設けられて切削工具26が切削したバリBなどの切削物を回収する回収室24を設けている。
従って、摩擦撹拌接合用工具13が駆動回転した状態で水平方向に移動すると、この摩擦撹拌接合用工具13により被加工部材10に対して摩擦撹拌接合を行うことができる。このとき、摩擦撹拌接合用工具13と共に第1回転体17及び第2回転体19が一体回転することで、第2回転体19に固定された切削工具26が被加工部材10に発生したバリBを切削除去することができる。そして、切削工具26が切削除去したバリBなどの切削物は、回収室24に回収されることで飛散を防止することができる。その結果、高精度な摩擦撹拌接合作業を可能とすることができると共に、摩擦撹拌接合作業と同時にバリ除去作業を行うことで作業性の向上を図ることができる。
また、実施例1の摩擦撹拌接合装置では、第2回転体19内に回収室24を設けると共に、切削工具26の回転方向の上流側に回収室24から被加工部材10側に向けて開口する回収孔34を設けている。従って、切削工具26が切削除去した切削物は、回収孔34から回収室24に入り込んで回収されることとなり、バリBなどの切削物を早期に回収して飛散を防止することができる。
また、実施例1の摩擦撹拌接合装置では、回収室24の外周側におけるガイド枠体28の下部に切削工具26に切削された切削物を回収する回収箱35を設けている。従って、切削工具26が切削除去した切削物は、回収室24に回収されるものの、この回収室24に回収しきれない大きな切削物がその外側の回収箱に回収されることとなり、切削物の大きさに拘わらず適正に回収することができる。
また、実施例1の摩擦撹拌接合装置では、回収室24及び回収箱35は、流体が通過可能であると共に切削物を捕集可能な捕集部38,37を設けている。従って、切削工具26が回収箱に回収されるとき、周辺の流体は捕集部38,37を通過して排出される一方、切削物だけがこの捕集部38,37に捕集されることとなり、回収した切削物の再飛散を防止することができる。
また、実施例1の摩擦撹拌接合装置では、第1回転体17に対して第2回転体19を切削工具26が被加工部材10に接近する方向に付勢する皿ばね23を設けている。従って、摩擦撹拌接合用工具13が被加工部材10に対する加工状態に応じて軸心方向に移動しても、皿ばね23の付勢力に応じて第2回転体19に対して相対移動することで、第2回転体19が移動することはなく、切削工具26の位置は変化せずに適正にバリを除去することができる。
また、実施例1の摩擦撹拌接合装置では、被加工部材10に接触してこの被加工部材10に対する切削工具26の位置を規定する切削工具位置決め部材を設けている。具体的には、第2回転体19の外周部に軸受27によりガイド枠体28を相対回転可能に設け、このガイド枠体28に切削工具位置決め部材としての複数のガイドローラ30を被加工部材10の表面10aを転動可能に設けている。
従って、摩擦撹拌接合用工具13による被加工部材10の摩擦撹拌接合時に、ガイド枠体28に設けられた複数のガイドローラ30が被加工部材10に接触することで、被加工部材10に対して切削工具26の位置が適正に規定されることとなり、高精度なバリBの除去作業を行うことができる。また、このとき、ガイド枠体28に設けられた複数のガイドローラ30は、第2回転体19と共に回転することはなく、複数のガイドローラ30が被加工部材10に常時接触し、被加工部材10に対する切削工具26の位置を適正に規定することができる。更に、切削工具位置決め部材として複数のガイドローラ30を設けることで、摩擦撹拌接合用工具13と切削工具26の円滑な移動が可能となり、高精度な摩擦撹拌接合とバリBの除去を行うことができる。
また、実施例1の摩擦撹拌接合装置では、装置本体11に対してガイド枠体28を摩擦撹拌接合用工具13の周方向に回転不能で且つ軸心方向に移動可能に連結する連結部材31を設けている。従って、連結部材31がガイド枠体28の回転を確実に不能とすることで、摩擦撹拌接合用工具13と切削工具26の円滑な移動が可能となり、高精度な摩擦撹拌接合とバリB除去を行うことができる。
また、実施例1の摩擦撹拌接合装置では、回収箱35をガイド枠体28に固定している。従って、回収箱35が回転することがないことから、切削物を高精度に回収することができる。
図7は、本発明の実施例2に係る摩擦撹拌接合装置の概略図である。なお、上述した実施例と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
実施例2の摩擦撹拌接合装置において、図7示すように、摩擦撹拌接合用工具13は、回転軸14とヘッド部15とから構成され、回転軸14が装置本体に回転自在に支持された駆動軸にチャック部16を介して一体回転可能に連結されている。第1回転体17は、リング形状をなし、チャック部16の外周部に嵌合し、キー18により一体回転可能で、且つ、軸心方向に一体移動可能と連結されている。第2回転体41は、第1回転体17と同様に、リング形状をなし、この第1回転体17の下方に配置され、摩擦撹拌接合用工具13におけるヘッド部15の外周部に嵌合している。そして、第2回転体41は、第1回転体17のガイド軸20がガイド孔42に挿入されることで、第1回転体17に一体回転可能に連結されると共に、軸心方向に沿って相対移動可能に連結される。
また、第1回転体17は、下面に収納穴22が形成され、この収納穴22に第2回転体41を押圧する皿ばね23がそれぞれ収納されている。第2回転体41は、下部に摩擦撹拌接合用工具13におけるヘッド部15の外周側に位置して扇形状をなす2つの凹部43が形成されており、この各凹部43内にそれぞれ切削工具44が装着されている。この各切削工具44は、摩擦撹拌接合用工具13におけるヘッド部15の外周面に近接して配置されており、下端に切刃が形成されている。
また、第2回転体41は、左右の側部にそれぞれガイドローラ45が装着されており、この各ガイドローラ45は、被加工部材10の表面10aに接触すると共に転動可能となっている。即ち、この各ガイドローラ45は、被加工部材10に対する切削工具44の位置を規定する切削工具位置決め部材として機能する。
また、実施例2の摩擦撹拌接合装置は、切削工具44により切削除去されたバリなどの切削物を回収する回収部が設けられている。即ち、第2回転体41は、下部に扇形状をなす2つの凹部43が形成され、この各凹部43内に切削工具44がそれぞれ固定されている。リング形状をなすカバー46は、第2回転体41の下面に凹部43を被覆するように固定されており、この凹部43が回収部を構成する回収室として機能する。そして、このカバー46は、切削工具44の回転方向の上流側に、回収室(凹部)43から被加工部材10側に向けて開口する回収孔(図示略)が形成されている。そして、この回収室43は、内周部に捕集部49が形成されている。
また、第2回転体41は、その外周部及び下部を被覆するように回収箱47が固定ボルト48により固定されている。この回収箱47は、下面部の中央に各切削工具44の切刃が突出可能な円形の開口47aが形成されている。また、回収箱47は、摩擦撹拌接合装置の移動方向の後方及び各側方に、流体(水や溶融金属など)が通過可能である一方で、バリBなどの切削物を捕集して通過不能とする捕集部(図示略)が形成されている。
従って、装置本体の駆動軸が回転すると、その回転力がチャック部16を介して摩擦撹拌接合用工具13に伝達されて回転する。また、チャック部16が回転すると、その回転力がキー18を介して第1回転体17に伝達されて回転し、各複数のガイド軸20及びガイド孔42により第2回転体41に伝達されて回転する。更に、第2回転体41は、第1回転体17との間に設けられた皿ばね23の付勢力により各ガイドローラ45が被加工部材10の表面10aに接触することで、第2回転体41に固定された各切削工具26は、被加工部材10の表面10aに対する適正位置に位置決めされている。
この状態で、装置本体11を溶接方向に水平移動すると、摩擦撹拌接合用工具13が被加工部材10に対して摩擦撹拌接合を行う。そして、このとき、摩擦撹拌接合用工具13と共に第1回転体17及び第2回転体41が一体回転することで、第2回転体41に固定された切削工具44が被加工部材10に発生したバリBを切削除去する。
このとき、摩擦撹拌接合用工具13が被加工部材10に対する加工状態に応じて軸心方向に移動すると、第2回転体41は、回転しながら各ガイドローラ45が被加工部材10の表面10aを転動することから、軸心方向に移動することがなく、この第2回転体41に対して第1回転体17及び摩擦撹拌接合用工具13が各皿ばね23の付勢力に応じて移動する。そのため、摩擦撹拌接合用工具13は、被加工部材10に対して適正に摩擦撹拌接合を行うことができ、また、各切削工具44は、適正にバリBを除去することができる。
また、装置本体11が溶接方向に水平移動し、摩擦撹拌接合用工具13が回転することで、この摩擦撹拌接合用工具13が被加工部材10に対して摩擦撹拌接合を行い、第1回転体17及び第2回転体41と共に切削工具44が回転することで、この切削工具44が被加工部材10に発生したバリBを切削除去し、切削除去されたバリBが回収室43または回収箱47に回収される。
即ち、回転する切削工具44が被加工部材10のバリBを切削除去すると、被加工部材10から破断したバリBは、回収孔から回収室43に入り込んで回収される。このとき、バリBと共に回収室43内に取り込んだ流体は、捕集部49から外部に排出される一方、バリBはこの捕集部49に捕集される。また、被加工部材10から破断した大きなバリBは、回収孔を通して回収室43に回収できないことがあり、この場合、大きなバリBは、回収箱47の開口47aから第2回転体41と回収箱47との隙間を通ってこの回収箱47内に回収される。このとき、バリBと共に回収箱47内に取り込んだ流体は、捕集部から外部に排出される一方、バリBはこの捕集部に捕集される。
このように実施例2の摩擦撹拌接合装置にあっては、装置本体11に駆動回転可能に支持される摩擦撹拌接合用工具13と、摩擦撹拌接合用工具13の外周側に一体回転可能に連結される第1回転体17と、第1回転体17に一体回転可能に連結されると共に回転軸心方向に沿って移動可能に連結される第2回転体41と、第2回転体41における摩擦撹拌接合用工具13の近接位置に固定される切削工具44と、第1回転体17に対して第2回転体41を切削工具44が被加工部材10に接近する方向に付勢する皿ばね23と、第2回転体41に設けられて切削工具44が切削したバリBなどの切削物を回収する回収室43を設けている。
従って、摩擦撹拌接合用工具13が駆動回転した状態で水平方向に移動すると、この摩擦撹拌接合用工具13により被加工部材10に対して摩擦撹拌接合を行うことができる。このとき、摩擦撹拌接合用工具13と共に第1回転体17及び第2回転体41が一体回転することで、第2回転体41に固定された切削工具44が被加工部材10に発生したバリBを切削除去することができる。そして、切削工具44が切削除去したバリBなどの切削物は、回収室43に回収されることで飛散を防止することができる。その結果、高精度な摩擦撹拌接合作業を可能とすることができると共に、摩擦撹拌接合作業と同時にバリ除去作業を行うことで作業性の向上を図ることができる。
また、実施例2の摩擦撹拌接合装置では、回収室43の外周側における第2回転体41の下部に切削工具44に切削された切削物を回収する回収箱47を設けている。従って、切削工具44が切削除去した切削物は、回収室43に回収されるものの、この回収室43に回収しきれない大きな切削物がその外側の回収箱に回収されることとなり、切削物の大きさに拘わらず適正に回収することができる。
また、実施例2の摩擦撹拌接合装置では、被加工部材10に接触してこの被加工部材10に対する切削工具26の位置を規定する切削工具位置決め部材としての複数のガイドローラ45を設けている。従って、摩擦撹拌接合用工具13が被加工部材10に対する加工状態に応じて軸心方向に移動しても、皿ばね23の付勢力に応じて第2回転体41に対して相対移動することで、第2回転体41が移動することはなく、切削工具44の位置は変化せずに適正にバリBを除去することができる。
なお、上述した各実施例では、本発明の回転体を第1回転体17と第2回転体19,41とから構成したが、一つの回転体により構成してもよい。また、本発明の切削工具位置決め部材をガイドローラ30,45としたが、この構成に限定されるものではなく、この切削工具位置決め部材としてガイドローラ30,45を設けることなく、切削工具26,44を切削工具位置決め部材として機能させるように構成してもよい。この場合、例えば、切削工具26,44を周方向に均等間隔で3つ以上設ければよいものである。