WO2022153841A1 - 摩擦攪拌接合アタッチメント、摩擦攪拌接合ヘッドおよび摩擦攪拌接合装置 - Google Patents

Abstract

摩擦攪拌接合アタッチメント（１０）は、工作機械（２）の主軸（４）に装着される本体（１１）と、本体（１１）に回転自在に支持されかつ先端に接合ツール（２０）の装着部（１３１）を有する加工軸（１３）と、本体（１１）に支持されて装着部（１３１）の両側に配置された一対の押圧部材（１６）と、を有し、押圧部材（１６）は、円盤状の弾性材料で形成され、加工軸（１３）の回転軸Ｒと斜めに交差する回転軸（Ａ）まわりに回転自在に支持されている。

Description

摩擦攪拌接合アタッチメント、摩擦攪拌接合ヘッドおよび摩擦攪拌接合装置

　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および摩擦攪拌接合装置に関する。

　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）。
　前述した特許文献１では、接合するワークの表面に対して接合ツールの回転軸が垂直に配置されていた。これに対し、接合ツールの回転軸を傾斜させ、その先端側が移動方向の前側に変位するような姿勢とすることにより、ワークへの進入性および軟化した材料の抑え込み性を高めることがなされている。
　このような接合ツールの回転軸の傾斜姿勢は、接合ツールを含む摩擦攪拌接合ヘッドや接合ツールを装着可能な摩擦攪拌接合アタッチメントに屈曲ジョイントを含む傾斜機構を設けて実現されるほか、工作機械の主軸を傾斜状態に調整することで実現される。

　前述した特許文献１を含め、従来の摩擦攪拌接合においては、接合するワークどうしの接合線は直線であり、この接合線に沿って回転する接合ツールを移動させていた。これに対し、より複雑な形状、例えば途中で屈曲する接合線や曲線状の接合線などに対して、摩擦攪拌接合の適用が求められている。そのために、接合ツールの移動方向だけでなく、接合ツールの傾きの向きについても容易に変更できることが求められている。
　このような要求に対し、本出願人は、工作機械の主軸に装着される本体と、本体に回転自在に支持されかつ接合ツールを装着可能な加工軸と、加工軸を回転駆動する回転駆動部とを有し、回転駆動部として主軸からのセンタースルーエアで駆動されるエアモータを用いる摩擦攪拌接合アタッチメントを開発している（特願２０２０－０７５４９０号）。

特開２０１７－１２７８８１号公報

　汎用の工作機械を用いて摩擦攪拌接合を行う場合、ワークは工作機械のテーブル表面に沿って平坦に保持される。しかし、接合時の発熱によりワークが変形し、接合線に沿った一部が浮き上がることがあり、接合される他方のワークに対して段差などを生じると適切な接合ができなくなる可能性がある。
　ワークの浮き上がりに対し、ワークの表側（裏当て部材と反対側）からワークを押圧する押さえ部材の追加が考えられるが、汎用の工作機械ではそのような機構の追加は難しい。また、接合線が直線でなく多様な曲線である場合など、接合ツールに先行して押さえ部材でワークを押さえることはさらに難しい。
　一方、押圧部材がワークに摺動するものである場合、摩擦抵抗やワーク表面への擦り傷などが生じる可能性がある。さらに、ワークが接合線に沿って凹凸を有する場合、押圧部材が凹凸と干渉して移動を妨げられる可能性がある。
　このようなことから、構造が簡素で、多様な接合に適応でき、かつワークの浮き上がりを防止できる手段の開発が求められていた。

　本発明の目的は、構造が簡素で、多様な接合に適応でき、かつワークの浮き上がりを防止できる摩擦攪拌接合アタッチメント、摩擦攪拌接合ヘッドおよび摩擦攪拌接合装置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、工作機械の主軸または主軸ヘッドに装着される本体と、前記本体に回転自在に支持されかつ先端に接合ツールの装着部を有する加工軸と、前記本体に支持されて前記装着部の両側に配置された一対の押圧部材と、を有し、前記押圧部材は、円盤状の弾性材料で形成され、前記加工軸の回転軸と斜めに交差する回転軸まわりに回転自在に支持されていることを特徴とする。

　このような本発明では、装着部に接合ツールを装着して加工軸を回転させることで、ワークに対する摩擦攪拌接合を行うことができる。この際、一対の押圧部材をワークに押し付けることで、接合ツールの両側においてワークの浮き上がりを防止できる。
　押圧部材は、円盤状に形成されかつ回転自在に支持されているため、接合ツールがワークに対して移動する際に、ワークに転動することで追従できる。これにより、ワークに対する摩擦を避け、ワークに凹凸があっても乗り越えることができ、常時安定した状態でワークを押圧できる。
　さらに、押圧部材は、弾性材料で形成され、かつ回転軸が加工軸に対して斜め、つまりワーク表面に対しても斜めに配置されているため、予めワークに押圧する際に押圧力で弾性変形させておくことで、ワークに対して常時安定した押圧力を発生できる。

　本発明の摩擦攪拌接合アタッチメントにおいて、前記本体は前記主軸に装着され、前記本体には前記加工軸を回転駆動する回転駆動部が設置されることが好ましい。
　このような本発明では、本体が主軸に装着されるため、工作機械において主軸の回転角度位置を制御することで、本体ないし接合ツールの傾きの向きを自由に変更できる。
　これにより、接合ツールの回転軸を傾斜させ、その先端側が移動方向の前側に変位するような姿勢とすることにより、ワークへの進入性および軟化した材料の抑え込み性を高めることができる。
　なお、本体は主軸ヘッドに装着され、加工軸は主軸に接続されていてもよい。多軸制御の工作機械であれば、主軸ヘッドの向きの制御により本体の向きを変更できる。

　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、主軸からのエアを用いることで、外部動力の供給などが必要なく、動力源を容易に確保できる。
　なお、本発明の回転駆動部としては、主軸ヘッドからケーブルを介して電力供給される電動モータとしてもよい。

　本発明の摩擦攪拌接合アタッチメントにおいて、前記押圧部材は、回転軸に沿った断面形状における外周部の輪郭が円弧状であることが好ましい。
　このような本発明では、押圧部材がワークに対して斜めに押圧される際に、押圧力で押圧部材が弾性変形しても、円弧形状の任意の一部が常に同様な状態でワークに接触することができる。

　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、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。

　本発明によれば、構造が簡素で、多様な接合に適応でき、かつワークの浮き上がりを防止できる摩擦攪拌接合アタッチメント、摩擦攪拌接合ヘッドおよび摩擦攪拌接合装置を提供できる。

本発明の第１実施形態の摩擦攪拌接合装置を示す斜視図。 第１実施形態の摩擦攪拌接合アタッチメントを示す斜視図。 第１実施形態の摩擦攪拌接合アタッチメントの装着状態を示す側面図。 本発明の第２実施形態の摩擦攪拌接合アタッチメントを示す側面図。

　図１から図３には、本発明の第１実施形態が示されている。
　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、回転軸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回転軸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に装着される本体１１と、本体１１に回転自在に支持されかつ先端に接合ツール２０の装着部１３１を有する加工軸１３と、加工軸１３を回転駆動する回転駆動部１４と、本体１１に支持されて装着部１３１の両側に配置された一対の押圧部材１６と、を有する。

　本体１１は、規格に基づくテーパーシャンク１２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１２１を有し、センタースルーホール１２１には主軸４からセンタースルーエアが供給可能である。

　回転駆動部１４は、高圧空気により回転するエアモータで構成され、センタースルーホール１２１を通して主軸４から供給されるセンタースルーエアにより回転し、加工軸１３を回転駆動可能である。

　押圧部材１６は、それぞれ円盤状の弾性材料で形成され、加工軸１３の回転軸Ｒと斜めに交差する回転軸Ａまわりに回転自在に支持されている。
　押圧部材１６の外周部１６１は、径方向の断面形状の輪郭が半円形状つまり中心角約１８０度の円弧状に形成されている。

　本体１１において、加工軸１３の回転中心は、主軸４の回転軸Ｒに対して０～５度程度の僅かな角度だけ傾斜して設置されている。
　加工軸１３の回転中心が傾斜する方向は、一対の押圧部材１６の回転軸Ａとそれぞれ直交する方向（後述する図３の図面直交方向）とされている。

　図３において、本実施形態の摩擦攪拌接合アタッチメント１０を用いて摩擦攪拌接合を行う際には、装着部１３１に接合ツール２０を装着したうえで、摩擦攪拌接合アタッチメント１０を主軸４に装着する。そして、主軸４からセンタースルーホール１２１を通してセンタースルーエアを供給し、回転駆動部１４が加工軸１３および接合ツール２０を回転駆動させるとともに、接合ツール２０をワーク９における接合部分Ｗ１，Ｗ２の接合線ＷＬに近接させる。
　回転する接合ツール２０が接合線ＷＬに導入されるとともに、押圧部材１６がワーク９の表面に接触する。押圧部材１６をワーク９に接触させる際には、押圧部材１６が弾性変形して撓んだ状態（図３の一点鎖線参照）となるように十分な押圧力を付与する。

　ここで、主軸４により摩擦攪拌接合アタッチメント１０の向きを調整し、加工軸１３が傾斜する方向を接合線ＷＬに沿わせる。この状態で、主軸４を接合線ＷＬに沿って移動させることで、接合ツール２０により接合線ＷＬで摩擦攪拌接合が行われる。押圧部材１６は、接合ツール２０の両側でそれぞれワーク９の接合部分Ｗ１，Ｗ２を押圧しつつ、接合ツール２０の移動とともに接合部分Ｗ１，Ｗ２に転動し、これにより接合ツール２０が摩擦攪拌している部位での接合部分Ｗ１，Ｗ２の浮き上がりが防止される。

　このような本実施形態によれば、以下のような効果が得られる。
　本実施形態では、装着部１３１に接合ツール２０を装着して加工軸１３を回転させることで、ワーク９に対する摩擦攪拌接合を行うことができる。この際、一対の押圧部材１６をワーク９に押し付けることで、接合ツール２０の両側においてワーク９の接合部分Ｗ１，Ｗ２の浮き上がりを防止できる。
　押圧部材１６は、円盤状に形成されかつ回転自在に支持されているため、接合ツール２０がワーク９に対して移動する際に、ワーク９に転動することで追従できる。これにより、ワーク９に対する摩擦を避け、ワーク９に凹凸があっても乗り越えることができ、常時安定した状態でワーク９を押圧できる。
　さらに、押圧部材１６は、弾性材料で形成され、かつ回転軸Ａが加工軸１３に対して斜め、つまりワーク９の表面に対しても斜めに配置されているため、予めワーク９に押圧する際に押圧力で弾性変形させておくことで、ワーク９に対して常時安定した押圧力を発生できる。

　本実施形態では、本体１１は主軸４に装着されるため、工作機械２において主軸４の回転角度位置を制御することで、本体１１ないし接合ツール２０の傾斜の向きを自由に変更できる。
　これにより、接合ツール２０の回転軸Ｒを傾斜させ、その先端側が移動方向の前側に変位するような姿勢とすることにより、ワーク９への進入性および軟化した材料の抑え込み性を高めることができる。

　本実施形態では、回転駆動部１４をエアモータとしたため、主軸４からのエアを用いることで、外部動力の供給などが必要なく、動力源を容易に確保できる。

　本実施形態では、押圧部材１６は、回転軸Ａに沿った断面形状における外周部１６１の輪郭が半円形状としたため、押圧部材１６がワーク９に対して斜めに押圧される際に、押圧力で押圧部材が弾性変形しても、円弧形状の任意の一部が常に同様な状態でワーク９に接触することができる。

　図４には、本発明の第２実施形態が示されている。
　本実施形態は、前述した第１実施形態と基本構成が共通であるが、回転駆動部１４に対するエアの供給経路が異なる。このため、第１実施形態との共通部分についての重複する説明は省略し、以下異なる部分について説明する。

　前述した第１実施形態では、本体１１にセンタースルーホール１２１を設け、主軸４から供給されるセンタースルーエアにより回転駆動部１４を回転させていた。
　これに対し、本実施形態では、図４に示すように、本体１１の外周に外周部材１７が装着されている。
　外周部材１７は、本体１１の外周に回転軸Ｒまわりに回転自在に装着されており、延長部材１７１およびサブシャンク１７２により主軸ヘッド５に接続可能である。
　サブシャンク１７３から外周部材１７にかけてエア通路が形成され、主軸ヘッド５からのエアが供給可能である。外周部材１７と本体１１との間には、外周部材１７の内周面または本体１１の外周面に形成された環状溝を介して回転駆動部１４へのエア供給が可能である。

　本実施形態では、回転駆動部１４の駆動エアを主軸ヘッド５から供給することができる。このため、主軸４にセンタースルーエアの供給機能がない場合でも、主軸ヘッド５にエア供給配管を形成することで、回転駆動部１４へのエア供給が容易である。
　また、外周部材１７を用いることで、外周部材１７だけを主軸ヘッド５に対して固定すればよく、本体１１は外周部材１７に対して回転自在であるため、主軸４による本体１１ないし接合ツール２０の傾斜の向き調整を自由に行うことができる。

　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、押圧部材１６を円盤状の弾性材料としたが、接合ツール２０がワーク９に対して移動する際にワーク９に転動できれば多角形状であってもよく、あるいは板状に限らず、弾性部材を円柱状に形成したローラなどであってもよい。
　前記実施形態において、押圧部材１６は進行方向前側が後側よりも広くなるような姿勢としてもよい。このような姿勢とすることで、押圧部材１６がワーク９に転動する際にセルフセンタリング効果を生じて接合ツール２０の進行方向のぶれを抑制できる。
　前記実施形態では、回転駆動部１４としてエアモータを用いたが、本発明の回転駆動部としては、主軸ヘッド５からケーブルを介して電力供給される電動モータとしてもよい。
　前記実施形態では、本体１１を主軸４に装着し、主軸４により向き変え可能な構成としたが、本体１１を主軸ヘッド５に装着してもよい。この場合、加工軸１３を主軸４に接続し、主軸４の回転力により接合ツール２０を回転駆動することができる。この場合でも、工作機械２が多軸制御であれば、主軸ヘッド５の向きの制御により本体１１ないし接合ツール２０の傾きの向きを変更できる。

　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および摩擦攪拌接合装置に利用できる。

　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、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…本体、１２…テーパーシャンク、１２１…センタースルーホール、１３…加工軸、１３１…装着部、１４…回転駆動部、１６…押圧部材、１６１…外周部、１７…外周部材、１７１…延長部材、１７２…サブシャンク、１７３…サブシャンク、１９…摩擦攪拌接合ヘッド、２０…接合ツール、６１…ガイドバー、６２…スライダ、Ａ…押圧部材の回転軸、Ｒ…加工軸の回転軸、Ｗ１，Ｗ２…接合部分、ＷＬ…接合線。

Claims (6)

1. 　工作機械の主軸または主軸ヘッドに装着される本体と、
   　前記本体に回転自在に支持されかつ先端に接合ツールの装着部を有する加工軸と、
   　前記本体に支持されて前記装着部の両側に配置された一対の押圧部材と、を有し、
   　前記押圧部材は、円盤状の弾性材料で形成され、前記加工軸の回転軸と斜めに交差する回転軸まわりに回転自在に支持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。
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、
   　前記本体は前記主軸に装着され、
   　前記本体には前記加工軸を回転駆動する回転駆動部が設置され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１から請求項３のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合アタッチメントにおいて、
   　前記押圧部材は、回転軸に沿った断面形状における外周部の輪郭が円弧状であ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。

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