JP7479910B2 - 摩擦攪拌接合アタッチメント、摩擦攪拌接合ヘッド、摩擦攪拌接合装置、および摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦攪拌接合アタッチメント、摩擦攪拌接合ヘッド、摩擦攪拌接合装置、および摩擦攪拌接合方法に関する。

材料の接合手法として摩擦攪拌接合が用いられている。
摩擦攪拌接合においては、十分な摩擦熱を得るために、接合ツールの回転に高トルクが必要であり、従来は専用の摩擦攪拌接合装置が用いられてきた。一方、高トルクが得られるものであれば、汎用の工作機械を摩擦攪拌接合装置として用いることができる（特許文献１参照）。
特許文献１においては、摩擦攪拌接合における流動化部分の溢れを防止するために、工作機械の位置制御により接合ツールを昇降させている。

特開２０１７－１２７８８１号公報

前述した摩擦攪拌接合においては、接合ツールの回転によりワークに対して摩擦熱を生じさせている。これに対し、接合ツールを高速で昇降させることで、ワークに対して回転による摩擦熱とは別に、往復移動による摩擦熱が得られ、摩擦攪拌性能の向上に寄与できる可能性がある。
しかし、前述した特許文献１では、工作機械の位置制御により接合ツールを昇降させており、その速度は数Ｈｚないし数十Ｈｚ程度であって、摩擦熱が得られる速度には達していなかった。

本発明の目的は、回転による摩擦熱に加えて往復移動による摩擦熱が得られる摩擦攪拌接合アタッチメント、摩擦攪拌接合ヘッド、摩擦攪拌接合装置、および摩擦攪拌接合方法を提供することにある。

本発明の摩擦攪拌接合アタッチメントは、工作機械の主軸に装着される回転部と、前記工作機械の主軸ヘッドに接続される固定部と、前記固定部に支持されて前記主軸の軸線方向に往復移動可能かつ前記主軸の軸線廻りに回転規制された往復部と、前記往復部に回転自在に支持されて先端に接合ツールを装着可能な加工軸と、前記加工軸を回転駆動する回転駆動部と、前記回転部と前記往復部とを接続しかつ前記往復部に対して前記回転部が回転した際に前記往復部を往復移動させるカム機構と、を有することを特徴とする。

このような本発明では、回転駆動部で加工軸を回転させることで、接合ツールの回転によるワークの摩擦攪拌接合を行うことができる。一方、主軸により回転部を回転させ、カム機構により往復部を往復移動させることで、ワークに接する接合ツールを往復移動させることができる。接合ツールの往復移動の速度は、例えばカム機構が一回転で一往復するならば、主軸の回転数に相当し、数百Ｈｚないし数千Ｈｚとすることができる。従って、接合ツールの往復移動によっても十分な摩擦熱を発生でき、十分な熱量でワークの摩擦攪拌接合を行うことができる。
その結果、回転による摩擦熱に加えて往復移動による摩擦熱が得られる摩擦攪拌接合アタッチメントを提供することができる。

本発明の摩擦攪拌接合アタッチメントにおいて、前記カム機構は、前記回転部または前記往復部のいずれか一方に同軸配置されて前記主軸の軸線方向と交差するカム面を有するカム部材と、前記回転部または前記往復部のいずれか他方に設置されて前記カム面に摺動または転動するカムフォロワと、前記カムフォロワを前記カム面に押し付ける押圧部材と、を有することが好ましい。
このような本発明では、往復部に対して回転部が回転した際に、カムフォロワがカム面に摺動または転動することで、簡単な構造で効率よく往復部を主軸の軸線方向へ往復移動させることができる。

本発明の摩擦攪拌接合アタッチメントにおいて、前記カム機構は、複数の前記カムフォロワが、前記主軸の軸線を中心に点対称に配置されていることが好ましい。
このような本発明では、カムフォロワからカム面に加えられる押圧部材による圧接力が、主軸の軸線を中心に点対称つまり周方向に均等となるため、このような押圧力の影響で往復部ないし接合ツールが傾くことを回避できる。

本発明の摩擦攪拌接合アタッチメントにおいて、前記回転駆動部は、前記主軸の軸心を通して供給されるエアで回転するエアモータであることが好ましい。
このような本発明では、回転駆動部の動力源の確保が容易にできる。また、外部から往復部に接続される動力配管や配線が必要なく、周辺構造の簡素化も図れる。
なお、回転駆動部は、主軸ヘッドから固定部を経て電力供給される電動モータであってもよい。

本発明の摩擦攪拌接合アタッチメントにおいて、前記エアモータは、前記回転部に設置され、軸方向に変位可能な回転伝達機構を介して加工軸に接続されることが好ましい。
このような本発明では、主軸に近い部位にエアモータを設置でき、主軸からのエアの供給ラインも簡素化できる。一方、エアモータと回転軸とを、軸方向に変位可能な回転伝達機構を介して接続するので、加工軸が往復部とともに往復した際でも、エアモータに往復移動が伝達されることがない。
なお、エアモータは往復部に設置してもよい。この場合、軸方向に変位可能な回転伝達機構を省略できる。ただし、主軸からのエアを回転部で受け入れたのち、往復部まで導入する経路において往復移動を許容させる必要がある。

本発明の摩擦攪拌接合ヘッドは、前述した本発明の摩擦攪拌接合アタッチメントと、前記摩擦攪拌接合アタッチメントに装着された前記接合ツールと、を有することを特徴とする。
このような本発明では、前述した本発明の摩擦攪拌接合アタッチメントと同様な効果を得ることができる。

本発明の摩擦攪拌接合装置は、前述した本発明の摩擦攪拌接合アタッチメントと、前記摩擦攪拌接合アタッチメントに装着された前記接合ツールと、前記摩擦攪拌接合アタッチメントが装着された工作機械と、を有することを特徴とする。
このような本発明では、回転駆動部によりツールを回転させてワークに対する摩擦攪拌接合を行うとともに、主軸の回転によりツールを主軸の軸線に沿って往復移動させることで、ツールとワークとの摩擦を増加させ、摩擦攪拌接合を促進させることができる。

本発明の摩擦攪拌接合方法は、前述した本発明の摩擦攪拌接合装置を用い、前記回転駆動部により前記接合ツールを回転させてワークに対する摩擦攪拌接合を行うとともに、前記主軸の回転により前記接合ツールを前記主軸の軸線方向へ往復移動させることを特徴とする。
このような本発明では、ツールが主軸の軸線まわりに回転しつつ、主軸の軸線に沿って往復移動することで、ツールとワークとの摩擦を増加させ、摩擦攪拌接合を促進させることができる。

本発明によれば、回転による摩擦熱に加えて往復移動による摩擦熱が得られる摩擦攪拌接合アタッチメント、摩擦攪拌接合ヘッド、摩擦攪拌接合装置、および摩擦攪拌接合方法を提供できる。

本発明の一実施形態の摩擦攪拌接合装置を示す斜視図。 前記実施形態の摩擦攪拌接合アタッチメントを示す断面図。 前記実施形態のカムプロフィールを示す展開図。 前記実施形態の接合ツールの動作を示す断面図。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１において、本実施形態の摩擦攪拌接合装置１は、縦型主軸を有する汎用の工作機械２に、本発明に基づく摩擦攪拌接合アタッチメント１０と、摩擦攪拌接合用の汎用の接合ツール２０と、を装着して構成される。

工作機械２は、ワーク９が固定されるテーブル３と、先端に工具を装着可能な主軸４と、主軸４を回転自在に支持する主軸ヘッド５と、主軸ヘッド５を任意位置へ移動させる移動機構６と、を備えている。
移動機構６は、水平なガイドバー６１に支持されたスライダ６２を有し、主軸ヘッド５はスライダ６２から下向きに支持されている。従って、スライダ６２に対して主軸ヘッド５を昇降させることで、主軸４の先端をＺ軸方向の指定された位置に移動可能である。また、ガイドバー６１に沿ってスライダ６２を移動させることで、主軸４の先端をＸ軸方向の指定された位置に移動可能である。

主軸４は、軸線Ｒが垂直（Ｚ軸方向）とされ、主軸ヘッド５内の駆動モータにより軸線Ｒ廻り（Ｃ軸方向）に回転可能かつ指定された角度位置に停止可能である。
テーブル３は、ベッド７に設置された駆動機構により、垂直な軸線廻り（Ｃ軸方向）に回転可能、かつ指定された角度位置に停止可能である。
これらのテーブル３、主軸４、主軸ヘッド５および移動機構６は、それぞれベッド７の上面に設置され、全体を開閉自在なカバー８で囲うことができる。

主軸４には、本発明に基づく摩擦攪拌接合アタッチメント１０を介して接合ツール２０が装着されている。ここで、摩擦攪拌接合アタッチメント１０に接合ツール２０を装着することで、本発明の摩擦攪拌接合ヘッド１９が構成される。

図２において、摩擦攪拌接合アタッチメント１０は、工作機械２の主軸４に装着される回転部１１と、工作機械２のスライダ６２（主軸ヘッド５）に接続される固定部１２と、固定部１２に支持されて主軸４の軸線Ｒ方向に往復移動可能かつ主軸４の軸線Ｒ廻りに回転規制された往復部１３と、を有する。
さらに、摩擦攪拌接合アタッチメント１０は、往復部１３に回転自在に支持されて先端に接合ツール２０を装着可能な加工軸１４と、加工軸１４を回転駆動する回転駆動部１５と、回転部１１と往復部１３とを接続しかつ往復部１３に対して回転部１１が回転した際に往復部１３を往復移動させるカム機構１６と、を有する。

回転部１１は、規格に基づくテーパーシャンク１１１で主軸４に装着可能であるとともに、軸心に沿ってセンタースルーホール１１２を有し、センタースルーホール１１２には主軸４からセンタースルーエアが供給可能である。
固定部１２は、回転部１１のテーパーシャンク１１１とは反対側の端部の外周に装着され、軸受１２１を介して互いに回転可能である。

固定部１２には、外向きに張り出した部分にサブシャンク１２２が形成され、サブシャンク１２２は回転部１１を主軸４に装着した際に主軸ヘッド５の受部に嵌合可能である。従って、回転部１１を主軸４に装着することで、固定部１２が主軸ヘッド５に接続されて回り止めされるとともに、回転部１１および主軸４が固定部１２および主軸ヘッド５に対して一体に回転可能である。
固定部１２の主軸４とは反対側の端部には、円筒状のガイドスリーブ１２３が形成され、ガイドスリーブ１２３には往復部１３が保持されている。

往復部１３は、円筒状の部材であり、ガイドスリーブ１２３の内部で主軸４の軸線Ｒに沿って往復移動可能である。ガイドスリーブ１２３の内周面と往復部１３の外周面との間には、摺動性を高めるための低摩擦材料のコーティングなどが形成されている。
往復部１３とガイドスリーブ１２３との間には、ボールスプラインなどを用いた回転規制機構１３１が形成され、往復部１３とガイドスリーブ１２３とは軸線Ｒ廻りに回転規制されている。

往復部１３の軸心には、加工軸１４が設置されている。
加工軸１４は、軸受１４１を介して往復部１３に回転自在に支持されている。軸受１４１は、軸線Ｒ方向へは変位を規制されており、加工軸１４は往復部１３に従って軸線Ｒ方向へ往復移動可能である。
加工軸１４の一方の端部（図中下端）は、往復部１３の端面から露出され、その先端に接合ツール２０を装着される。

加工軸１４の他方の端部（図中上端）は、回転駆動部１５に接続されている。
回転駆動部１５は、回転部１１に収容されたエアモータ１５１と、エアモータ１５１のシャフトと加工軸１４とを接続するジョイント１５２とを有する。
エアモータ１５１は、回転部１１のセンタースルーホール１１２に接続され、ここから供給される主軸４からのセンタースルーエアを受けて回転可能である。
ジョイント１５２は、ボールスプラインなどを用いて形成された軸方向に変位可能な回転伝達機構であり、エアモータ１５１からの回転力を加工軸１４に伝達しつつ、加工軸１４とエアモータ１５１との軸方向変位を吸収可能である。これにより、加工軸１４が往復部１３とともに往復した際でも、エアモータ１５１に往復移動が伝達されることがない。

カム機構１６は、回転部１１に取り付けられた環状のカム部材１６１を有し、その往復部１３側にはカム面１６２が形成されている。
往復部１３には、ローラを用いた転動式のカムフォロワ１６３が設置されるとともに、固定部１２のガイドスリーブ１２３との間に圧縮ばねなどの押圧部材１６４が設置されている。このため、押圧部材１６４により往復部１３が回転部１１側へ付勢され、カムフォロワ１６３がカム面１６２に常時押圧されている。

図３に示すように、カム面１６２は、１周あたり１周期分の正弦波状のカムプロフィールを有し、回転部１１が往復部１３に対して１回転した際には、往復部１３が回転部１１に対して一往復分の往復移動が行われるようになっている。
本実施形態では、カム機構１６のカムフォロワ１６３は計４つが周方向に均等配置され、往復部１３とガイドスリーブ１２３との間の回転規制機構１３１は一対が直径方向に対抗配置され、それぞれ軸線Ｒに対して点対称に形成されている。

このような本実施形態においては、次のように摩擦攪拌接合を実施する。
先ず、ワーク９として、摩擦攪拌接合する２部材を、接合線を介して突き合わせた状態でテーブル３に固定する。
次に、摩擦攪拌接合アタッチメント１０の加工軸１４の先端に接合ツール２０を装着して摩擦攪拌接合ヘッド１９を形成し、この摩擦攪拌接合ヘッド１９をツールチェンジャなどにより主軸４に装着する。この装着動作により、回転部１１が主軸４に接続され、固定部１２が主軸ヘッド５に接続される。

ワーク９および摩擦攪拌接合ヘッド１９の準備ができたら、移動機構６により接合ツール２０をワーク９の接合線に近接させ、摩擦攪拌接合を開始する。
すなわち、主軸４からセンタースルーエアを供給すると、回転駆動部１５により加工軸１４および接合ツール２０が回転駆動され、接合ツール２０の回転によりワーク９との間に摩擦熱が生じる。
さらに、主軸４を回転させることにより、カム機構１６を介して往復部１３および加工軸１４が往復駆動され、接合ツール２０の往復移動によりワーク９との間に摩擦熱が生じる。

図４において、通常の摩擦攪拌接合では、接合ツール２０を軸線Ｒ廻りに回転させた状態で、接合ツール２０を軸線Ｒ方向に沿って図中下向きに移動させると、接合ツール２０の先端ピン２１がワーク９の接合線部分に圧入される。このとき、先端ピン２１の周面２２においてワーク９との間に摩擦熱が生じ、ワーク９には軟化ないし溶融した軟化部分９１が形成される。
この状態で接合ツール２０をワーク９の表面の接合線に沿って移動させることで、先端ピン２１の進行方向前側（図中右側）で新たな軟化部分９１が形成され、進行方向後側（図中左側）には再凝固部分９２が形成され、接合線で突き合わされた２部材の摩擦攪拌接合が行われてゆく。
さらに、本実施形態では、接合ツール２０の回転による摩擦に加え、接合ツール２０の軸線Ｒ方向に沿った往復移動による摩擦熱が先端ピン２１の周面２２に生じる。接合ツール２０の往復移動は、主軸４の回転速度に基づいて数百Ｈｚないし数千Ｈｚ程度の速度とすることができ、回転による摩擦熱を補助するのに十分な摩擦熱が得られ、これにより摩擦攪拌接合を促進させることができる。

このような本実施形態では、回転駆動部１５で加工軸１４を回転させることで、接合ツール２０の回転によるワーク９の摩擦攪拌接合を行うことができる。一方、主軸４により回転部１１を回転させ、カム機構１６により往復部１３を往復移動させることで、ワーク９に接する接合ツール２０を往復移動させることができる。接合ツール２０の往復移動の速度は、例えばカム機構１６が一回転で一往復するならば、主軸４の回転数に相当し、数百Ｈｚないし数千Ｈｚとすることができる。従って、接合ツール２０の往復移動によっても十分な摩擦熱を発生でき、十分な熱量でワーク９の摩擦攪拌接合を行うことができる。
その結果、回転による摩擦熱に加えて往復移動による摩擦熱が得られる摩擦攪拌接合アタッチメント１０ないし摩擦攪拌接合ヘッド１９を提供することができる。

本実施形態では、往復部１３を往復移動させるためにカム機構１６を用いるものとし、とくにカム面１６２、カムフォロワ１６３、および押圧部材１６４を用いることで、往復部１３に対して回転部１１が回転した際に、カムフォロワ１６３がカム面１６２に円滑に転動するようにでき、簡単な構造で効率よく往復部１３を主軸４の軸線Ｒ方向へ往復移動させることができる。

本実施形態では、カム機構１６は、複数のカムフォロワ１６３が、主軸４の軸線Ｒを中心に点対称に配置されており、カムフォロワ１６３からカム面１６２に加えられる押圧部材１６４による圧接力が、主軸４の軸線Ｒを中心に点対称つまり周方向に均等となるため、このような押圧力の影響で往復部１３ないし接合ツール２０が傾くことを回避できる。

本実施形態では、回転駆動部１５として、主軸４の軸心を通して供給されるセンタースルーエアで回転するエアモータ１５１を用いたので、回転駆動部１５としての動力源の確保が容易にできる。また、外部から往復部１３に接続される動力配管や配線が必要なく、周辺構造の簡素化も図れる。
本実施形態では、エアモータ１５１を回転部１１に設置したので、主軸４に近い部位にエアモータ１５１を設置でき、主軸４からのエアの供給ラインも簡素化できる。一方、エアモータ１５１と加工軸１４を、軸方向に変位可能な回転伝達機構であるジョイント１５２を介して接続したので、加工軸１４が往復部１３とともに往復した際でも、エアモータ１５１に往復移動が伝達されることがない。

なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形などは本発明に含まれる。
前記実施形態では、回転駆動部１５は、主軸４の軸心を通して供給されるエアで回転するエアモータ１５１であるとした。これに対し、回転駆動部１５は、主軸ヘッド５から固定部１２を経て電力供給される電動モータであるとしてもよい。
また、エアモータ１５１は往復部１３に設置してもよい。この場合、軸方向に変位可能な回転伝達機構としてのジョイント１５２を省略できる。ただし、主軸４からのエアを回転部１１で受け入れたのち、往復部１３まで導入する経路において往復移動を許容させる必要がある。
カム機構１６としては、往復部１３に向けて配置されたカム面１６２およびローラ式のカムフォロワ１６３を用いるものに限らず、カムフォロワ１６３は摺動式であってもよく、カム面１６２に変えてカム部材１６１の内周面に形成されたカム溝を用いてもよい。

本発明は、摩擦攪拌接合アタッチメント、摩擦攪拌接合ヘッド、摩擦攪拌接合装置、および摩擦攪拌接合方法に利用できる。

１…摩擦攪拌接合装置、２…工作機械、３…テーブル、４…主軸、５…主軸ヘッド、６…移動機構、６１…ガイドバー、６２…スライダ、６３…主軸ヘッド、７…ベッド、８…カバー、９…ワーク、１０…摩擦攪拌接合アタッチメント、１１…回転部、１１１…テーパーシャンク、１１２…センタースルーホール、１２…固定部、１２１…軸受、１２２…サブシャンク、１２３…ガイドスリーブ、１３…往復部、１３１…回転規制機構、１４…加工軸、１４１…軸受、１５…回転駆動部、１５１…エアモータ、１５２…ジョイント、１６…カム機構、１６１…カム部材、１６２…カム面、１６３…カムフォロワ、１６４…押圧部材、１９…摩擦攪拌接合ヘッド、２０…接合ツール、２１…先端ピン、２２…周面、９１…軟化部分、９２…再凝固部分、Ｒ…主軸の軸線。

Claims (7)

1. 工作機械の主軸に装着される回転部と、
   前記工作機械の主軸ヘッドに接続される固定部と、
   前記固定部に支持されて前記主軸の軸線方向に往復移動可能かつ前記主軸の軸線廻りに回転規制された往復部と、
   前記往復部に回転自在に支持されて先端に接合ツールを装着可能な加工軸と、
   前記加工軸を回転駆動する回転駆動部と、
   前記回転部と前記往復部とを接続しかつ前記往復部に対して前記回転部が回転した際に前記往復部を往復移動させるカム機構と、を有し、
   前記カム機構は、
   前記回転部または前記往復部のいずれか一方に同軸配置されて前記主軸の軸線方向と交差するカム面を有するカム部材と、
   前記回転部または前記往復部のいずれか他方に設置されて前記カム面に摺動または転動するカムフォロワと、
   前記カムフォロワを前記カム面に押し付ける押圧部材と、を有することを特徴とする摩擦攪拌接合アタッチメント。
2. 請求項１に記載の摩擦攪拌接合アタッチメントにおいて、
   前記カム機構は、複数の前記カムフォロワが、前記主軸の軸線を中心に点対称に配置されていることを特徴とする摩擦攪拌接合アタッチメント。
3. 請求項１または請求項２に記載の摩擦攪拌接合アタッチメントにおいて、
   前記回転駆動部は、前記主軸の軸心を通して供給されるエアで回転するエアモータであることを特徴とする摩擦攪拌接合アタッチメント。
4. 請求項３に記載の摩擦攪拌接合アタッチメントにおいて、
   前記エアモータは、前記回転部に設置され、軸方向に変位可能な回転伝達機構を介して加工軸に接続されることを特徴とする摩擦攪拌接合アタッチメント。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合アタッチメントと、
   前記摩擦攪拌接合アタッチメントに装着された前記接合ツールと、を有することを特徴とする摩擦攪拌接合ヘッド。
6. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合アタッチメントと、
   前記摩擦攪拌接合アタッチメントに装着された前記接合ツールと、
   前記摩擦攪拌接合アタッチメントが装着された工作機械と、を有することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
7. 請求項６に記載の摩擦攪拌接合装置を用い、
   前記回転駆動部により前記接合ツールを回転させてワークに対する摩擦攪拌接合を行うとともに、
   前記主軸の回転により前記接合ツールを前記主軸の軸線方向へ往復移動させることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。

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