CN110248764A - 线性摩擦接合装置以及线性摩擦接合方法 - Google Patents

Abstract

一种线性摩擦接合装置(1)具有在按压方向上向一方的部件(A)按压另一方的部件(B)的按压装置(10)以及使一方的部件(A)和另一方的部件(B)相对地进行励振的励振装置(20)，该线性摩擦接合装置具有：控制装置(40)，其通过基于位置传感器(30、31)的检测结果的位置控制，使另一方的部件(B)与一方的部件(A)接触之后，切换为基于负载传感器(32、320、321)的检测结果的负载控制，使按压负载朝着接合负载上升，该线性摩擦接合装置具有接合负载达到时间调整部(40、42、43、60)，该接合负载达到时间调整部(40、42、43、60)对从位置控制切换为负载控制时起到按压负载达到接合负载为止的接合负载达到时间(t)的长度进行调整。

Description

线性摩擦接合装置以及线性摩擦接合方法

技术领域

本发明涉及线性摩擦接合装置以及线性摩擦接合方法。

本申请基于在2017年2月21日向日本国申请的专利申请第2017-29646号而主张优先权，并在此援引其内容。

背景技术

近年来，在航空机发动机的领域中，为了实现机械强度以及轻型性的提高，使用一体型叶轮(brisk)作为压缩机或者涡轮的转子。一体型叶轮是圆盘和叶片的一体型结构。一体型叶轮通常削出材料而形成。但是，产生大量的切屑粉等材料的利用效率低。因此，希望通过利用线性摩擦接合(Linear Friction Welding：LFW)将分别形成的圆盘和叶片形成为一体，由此来提高材料的利用效率。作为进行上述那样的线性摩擦接合的线性摩擦接合装置，例如，已知有专利文献1所记载的摩擦接合装置。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2015-164738号公报

发明内容

发明要解决的课题

线性摩擦接合装置一边使工件A(一方的部件)励振、一边以恒定的负载(接合负载)按压工件B(另一方的部件)，由此使工件A、B接合。工件A、B在线性摩擦接合的接合定序之前处于相互分离的状态，搭载于夹具的工件B通过液压缸(按压装置)的位置控制从与工件A分离的位置开始接近工件A并与工件A产生碰撞。在该碰撞后，当按压负载超出规定的阈值时，切换至负载控制，并立即达到接合负载而进行接合。

工件B搭载于具有一定重量的夹具上，在碰撞后，在从位置控制切换至负载控制并达到接合负载为止，作用于工件B的惯性力(包括夹具的惯性力)进行作用，有时按压负载因急剧上升而超过接合负载。当产生该过大的超过负载时，工件可能产生损伤。另外，当因碰撞时的急剧的缸位移的停止，流动的流体紧急停止，因该流体的惯性力而路线内的压力急剧上升的所谓水锤现象而产生冲击压力(surge pressure)时，作为精密设备的伺服阀等可能产生故障。

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种线性摩擦接合装置以及线性摩擦接合方法，其能够防止因工件彼此碰撞时的惯性力导致的按压负载的超过以及冲击压力的产生。

用于解决课题的手段

本公开的第一方式是线性摩擦接合装置，具有：按压装置，其在按压方向上向一方的部件按压另一方的部件；以及励振装置，其使一方的部件和另一方的部件相对地进行励振，其中，线性摩擦接合装置具有：位置传感器，其检测按压方向上的另一方的部件的位移量；负载传感器，其检测向一方的部件按压另一方的部件的按压负载；以及控制装置，其构成为：通过基于位置传感器的检测结果的位置控制，使另一方的部件与一方的部件接触之后，切换为基于负载传感器的检测结果的负载控制，使按压负载朝着接合负载上升，线性摩擦接合装置具有接合负载达到时间调整部，该接合负载达到时间调整部对从位置控制切换为负载控制时起到按压负载达到接合负载为止的接合负载达到时间的长度进行调整。

在本公开的第二方式中，在第一方式的基础上，接合负载达到时间调整部是基于在位置控制时作用于另一方的部件的惯性力的大小来调整接合负载达到时间的长度的控制装置。

在本公开的第三方式中，在第一方式或者第二方式的基础上，接合负载达到时间调整部是在负载控制中在达到接合负载前设定比接合负载低的目标负载并使按压负载朝着接合负载阶段性地上升的控制装置。

在本公开的第四方式中，在第一方式或者第二方式的基础上，接合负载达到时间调整部是在负载控制中使按压负载的每单位时间的上升速度逐渐增加的控制装置。

在本公开的第五方式中，在第一方式的基础上，按压装置具有搭载另一方的部件的夹具和使夹具移动的缸装置，接合负载达到时间调整部是夹在夹具与缸装置之间的弹簧部件。

本公开的第六方式是线性摩擦接合方法，在按压方向上向一方的部件按压另一方的部件，并使一方的部件和另一方的部件相对地进行励振，其中，线性摩擦接合方法具有如下工序：检测按压方向上的另一方的部件的位移量；检测向一方的部件按压另一方的部件的按压负载；以及在通过基于位移量的位置控制使另一方的部件与一方的部件接触之后，切换为基于按压负载的检测结果的负载控制，使按压负载朝着接合负载上升，对从位置控制切换为负载控制时起到按压负载达到接合负载为止的接合负载达到时间的长度进行调整。

发明效果

根据本公开，在线性摩擦接合装置中，对从基于按压方向上的另一方的部件的位移量的位置控制切换为基于向一方的部件按压另一方的部件的按压负载的负载控制时起到按压负载达到接合负载为止的接合负载达到时间的长度进行调整。因此，在作用于另一方的部件的惯性力与一方的部件发生碰撞时不与因控制导致的按压负载的上升重叠，由此防止按压负载的急剧上升。

因此，在本公开中，在线性摩擦接合装置中，能够防止因工件彼此碰撞时的惯性力导致的按压负载的超过以及冲击压的产生。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式以及变形例中的线性摩擦接合装置的结构的框图。

图2是表示本发明的实施方式中的线性摩擦接合装置的动作的时序图。

图3是表示作为比较例的现有的线性摩擦接合装置的动作的时序图。

图4是表示本发明的实施方式的变形例中的线性摩擦接合装置的结构的框图。

图5是表示本发明的变形例中的线性摩擦接合装置的结构的框图。

具体实施方式

以下，参照附图对本公开的实施方式进行说明。

图1是表示本公开的实施方式中的线性摩擦接合装置1的结构的框图。

线性摩擦接合装置1是用于使工件A(一方的部件)和工件B(另一方的部件)接合的装置，且具有锻造装置(forge device)10(按压装置)、励振装置20、位置传感器30、31以及负载传感器32、锻造控制装置40(控制装置)、励振控制装置50。

锻造装置10具有锻造夹具11、锻造缸12以及动力源13，且向工件A按压工件B。锻造夹具11具有保持工件B的卡盘机构等，且具有能在相对于工件A接近或者分离的方向上移动的结构。锻造缸12由液压缸等构成，且向锻造夹具11给予负载。该负载方向是相对于工件A和工件B的接合面2垂直的方向，且成为工件B的按压方向。

动力源13在锻造控制装置40的控制下，向锻造缸12供给动力(例如工作油)。锻造控制装置40基于位置传感器30以及负载传感器32的检测结果而向动力源13给出动力供给指令。位置传感器30对锻造缸12的位置即按压方向上的工件B的位移量进行检测。负载传感器32夹在锻造夹具11与锻造缸12之间，对工件B的按压负载进行检测。

在此，锻造控制装置40也可以是包括能够实施上述那样的控制的CPU、RAM、ROM等的公知的计算机。基于锻造控制装置40的控制的详情也可以通过能够由用户任意变更或者更新的软件来定义。如图1、后述的图5所示，锻造控制装置40以来自电气性或者电子性地连接的负载传感器32、320、321以及位置传感器30的负载的反馈和所测量的位移量的输入为基础，与动力源13电气性或者电子性地连接，以便能够发送锻造控制装置40对动力源13的控制所需要的信号(动力供给指令)。

励振装置20具有励振夹具21、励振缸22以及动力源23，且使工件A相对于工件B相对地励振。励振夹具21具有保持工件A的卡盘机构等，且具有能在相对于工件B的按压方向正交的方向上移动的结构。励振缸22由液压缸等构成，且使励振夹具21励振。该励振方向是相对于工件A和工件B的接合面2平行的方向，且成为相对于工件B的按压方向(负载方向)正交的方向。

动力源23在励振控制装置50的控制下，向励振缸22供给动力(例如工作油)。该动力源23具有伺服阀等，且使励振缸22高速励振。励振控制装置50基于位置传感器30、31的检测结果，向动力源23发出动力供给指令。位置传感器31对励振方向上的励振缸22的位置进行检测。

励振控制装置50与锻造控制装置40同样地，也可以是包括能够实施上述那样的控制的CPU、RAM、ROM等的公知的计算机。基于励振控制装置50的控制的详情也可以通过能够由用户任意变更或者更新的软件来定义。如图1、后述的图5所示，励振控制装置50以由电气性或者电子性地连接的位置传感器30、31测量的位移量和位置的反馈的输入为基础，与动力源23电气性或者电子性地连接，以便能够发送励振控制装置50对动力源23的控制所需要的信号(动力供给指令)。

本实施方式的锻造控制装置40通过基于位置传感器30的检测结果的位置控制，在使工件B与工件A接触之后，切换为基于负载传感器32的检测结果的负载控制，对锻造缸12(动力源13)进行控制以使按压负载朝向接合负载上升。该锻造控制装置40是对自从位置控制切换为负载控制时起到按压负载达到接合负载为止的接合负载达到时间的长度进行调整的接合负载达到时间调整部。

以下，参照图2以及图3，对基于上述结构的线性摩擦接合装置1的具体动作(线性摩擦接合方法，以下，称作本方法)进行说明。

图2是表示本发明的实施方式中的线性摩擦接合装置1的动作的时序图。图3是表示作为比较例的现有的线性摩擦接合装置1的动作的时序图。

另外，图2的(a)以及图3的(a)所示的“锻造位置”相当于位置传感器30的检测结果。另外，图2的(b)以及图3的(b)所示的“目标负载”相当于锻造控制装置40的控制指令值。另外，图2的(c)以及图3的(c)所示的“测量负载”相当于负载传感器32的检测结果。另外，图2的(d)以及图3的(d)所示的“供给压力”相当于在锻造缸12和动力源13的路线内设置的未图示的压力传感器的检测结果。

工件A、B在线性摩擦接合的接合序列之前成为相互分离的状态。在该状态下，励振控制装置50驱动励振缸22以预先设定好的稳定励振振幅进行励振。具体而言，励振控制装置50对位置目标值(稳定励振振幅)和位置传感器31所检测到的位置的反馈进行比较，并对动力源23给予控制指令。在励振装置20的驱动开始之后，锻造控制装置40驱动锻造缸12，以便通过基于位置传感器30的检测结果的位置控制而使工件B以定速接近工件A(步骤S1)。

当通过锻造缸12的驱动使工件B与工件A接触时，如图2的(c)以及图3的(c)所示，通过该接触，负载开始作用(步骤S2)。锻造控制装置40在负载传感器32所检测到的按压负载的反馈达到预先设定好的切换负载时，从位置控制切换为基于负载传感器32的检测结果的负载控制(步骤S3)。至此为止，本方法与现有方法相同。

在图3所示的现有方法中，如图3的(b)所示，负载控制的目标负载从最初被设定为接合负载。另外，接合负载是指，为了将工件A、B接合，在摩擦时应保持的定负载(摩擦负载)。因此，现有方法的锻造控制装置40在刚切换为负载控制之后，驱动锻造缸12以便以接合负载按压。具体而言，锻造控制装置40对接合负载和负载传感器32所检测到的按压负载的反馈进行比较，并向动力源13给予动力供给指令。

在此，工件B搭载于具有一定重量的锻造夹具11(例如1吨左右)，根据位置控制的定速运动而与工件A发生碰撞，在达到负载控制的目标负载(接合负载)之前，有时作用于工件B的惯性力进行作用。当位置控制(定速运动)时作用于工件B的惯性力与从位置控制切换为负载控制时的按压负载的急剧上升(控制上升)重叠时，如图3的(c)所示，按压负载超过(overshoot)接合负载(由附图标记a表示)。另外，因工件B的碰撞时的急剧的锻造缸12的位移停止，导致流动的流体紧急停止，因该流体的惯性力导致路线内的压力急剧上升，如图3的(d)所示，产生冲击压力(由附图标记b表示)。

因此，如图2的(b)所示，本实施方式的线性摩擦接合装置1具有接合负载达到时间调整部(锻造控制装置40)，其对从位置控制切换为负载控制时起到按压负载达到接合负载为止的接合负载达到时间t的长度进行调整。锻造控制装置40能够设定接合负载达到时间t作为控制参数。接合负载达到时间t是指，到从切换负载达到接合负载为止的时间，锻造控制装置40被编程为，当设定接合负载达到时间t时，在切换负载与接合负载之间自动地引入带有与接合负载达到时间t相应的斜率的线L。

因此，当将接合负载达到时间t设定得较大时，来自锻造控制装置40的指令值的斜率变缓。这样一来，锻造缸12的减速时间变长，工件B的减速加速度变小，因此能够减轻因作用于工件B的惯性力导致的上述的不良影响。另外，超过负载的有无的判别通过以下方式来进行：预先记录负载传感器32的日志，在碰撞试验之后，确认所记录的日志中是否出现比接合负载大的值。另外，针对冲击压力(surge pressure)，也从所记录的压力传感器的日志中同样地判断冲击压力的有无。只要存在超过负载、冲击压力，就延长接合负载达到时间t并再次进行试验，由此能够设定最佳的接合负载达到时间t。

在此，记录负载传感器32的日志是指，将负载传感器32所感知的负载按照时间序列排列并保存为数据。记录压力传感器的日志也是同样如此。

这样，根据本实施方式，对从基于按压方向上的工件B的位移量的位置控制切换为基于向工件A按压工件B的按压负载的负载控制时起到按压负载达到接合负载为止的接合负载达到时间t的长度进行调整。因此，管理接合负载达到时间t以避免作用于工件B的惯性力在与工件A发生碰撞时与因控制导致的按压负载的上升重叠，由此能够防止按压负载的急剧上升。因此，在本实施方式中，能够防止因工件A、B彼此的碰撞时的惯性力导致的按压负载的超过以及冲击压力的产生。

另外，之后的线性摩擦接合工序按照如下方式进展。首先，当基于负载控制的工件A、B的接合工序进展时，毛刺向两者的侧方(励振方向)排出，工件长度在按压方向上减小(所谓熔化(burn off))。励振控制装置50控制励振装置20，以使得在熔化量达到预定的阈值时停止工件A的励振。在工件A的励振停止之后，锻造控制装置40驱动锻造缸12，以便以比接合负载大的负载进行按压。该负载是用于在工件A、B的摩擦后使两者的接合稳定的负载(锻造负载)。

在按压工件A、B一定时间之后，锻造控制装置40使基于锻造缸12的按压停止。具体而言，锻造控制装置40发出控制指令使从动力源13向锻造缸12的动力供给停止，从而使锻造缸12的驱动停止。

根据以上内容，基于线性摩擦接合装置1的线性摩擦接合工序结束。

这样，在上述的本实施方式中，公开了具有向工件A按压工件B的锻造缸12和使工件A相对于工件B相对地励振的励振缸22的线性摩擦接合装置1。该线性摩擦接合装置1具有：检测按压方向上的工件B的位移量的位置传感器30；检测向工件A按压工件B的按压负载的负载传感器32；以及通过基于位置传感器30的检测结果的位置控制使工件B与工件A接触之后，切换为基于负载传感器32的检测结果的负载控制，使按压负载向接合负载上升的锻造控制装置40。此外，该线性摩擦接合装置1具有对从位置控制切换为负载控制时起到按压负载达到接合负载为止的接合负载达到时间t的长度进行调整的接合负载达到时间调整部。通过采用上述那样的结构，能够防止因工件A、B彼此的碰撞时的惯性力导致的按压负载的超过以及冲击压力的产生。

以上，一边参照附图一边说明了本公开的实施方式，但本公开并不局限于上述实施方式。在上述的实施方式中示出的各构成部件的各形状、组合等只是一例，能够在技术方案所记载的本公开的范围中基于设计要求等加以各种变更。

例如，图5所示的本公开的第一变形例中的锻造控制装置41(控制装置)也可以是构成为基于在位置控制时作用于工件B的惯性力的大小而调整接合负载达到时间t的长度的接合负载达到时间调整部。在位置控制时作用于工件B的惯性力的大小取决于工件B以及锻造夹具11的重量。例如，考虑锻造夹具11的重量恒定，且工件B的重量能根据线性摩擦接合的对象而发生变动的情况。在该情况下，也可以在锻造夹具11设置测量所搭载的工件B的重量的第二负载传感器320，且编程为根据该第二负载传感器320的检测结果而自动地调整接合负载达到时间t的长度。另外，作用于工件B的惯性力的大小取决于位置控制时的从定速运转到速度零为止的减速加速度，因此锻造控制装置41也可以构成为基于位置控制时的速度而调整接合负载达到时间t的长度的接合负载达到时间调整部。在该情况下，例如，也可以基于位置传感器30的检测结果，锻造控制装置41计算工件B的速度。此外，在根据工件B的形状而更换了锻造夹具11的结果是锻造夹具11的重量发生变化的情况下，例如，也可以在锻造缸12设置第三负载传感器321，检测锻造夹具11的重量，锻造控制装置41构成为根据该第三负载传感器321的检测结果而调整接合负载达到时间t的长度的接合负载达到时间调整部。

图1所示的本公开的第二变形例中的锻造控制装置42(控制装置)也可以构成为在负载控制中在接合负载前设定比接合负载低的目标负载且使按压负载向接合负载阶段性地上升的接合负载达到时间调整部。即，也可以编程为，使图2的(b)所示的带有与接合负载达到时间t相应的斜率的线L成为台阶状。根据该结构，在刚从位置控制切换为负载控制之后，控制为以比接合负载低的目标负载进行按压，因此能够防止刚切换后的按压负载的急剧上升。因此，在本实施方式中，能够防止因工件A、B彼此的碰撞时的惯性力导致的按压负载的超过以及冲击压力的产生。

图1所示的本公开的第三变形例中的锻造控制装置43(控制装置)也可以构成为在负载控制中使按压负载的单位时间的上升速度逐渐增加的接合负载达到时间调整部。即，也可以编程为，图2的(b)所示的带有与接合负载达到时间t相应的斜率的线L成为二次函数、正弦曲线、对数函数、三次函数等。根据该结构，在刚从位置控制切换为负载控制之后，几乎没有按压负载的上升，然后按压负载的上升速度逐渐上升，因此能够防止刚切换后的按压负载的急剧上升。因此，在本实施方式中，能够防止因工件A、B彼此的碰撞时的惯性力导致的按压负载的超过以及冲击压力的产生。

也可以如图4所示的本公开的第四变形例那样机械性地构成接合负载达到时间调整部。图4是表示本公开的第四变形例中的线性摩擦接合装置1A的结构的框图。如图4所示，锻造装置10具有搭载工件B的锻造夹具11和使锻造夹具11移动的锻造缸12，接合负载达到时间调整部是夹在锻造夹具11与锻造缸12之间的弹簧部件60。图4的(a)示出位置控制的方式，图4的(b)示出工件A、B接触的方式，图4的(c)示出负载控制的方式。由于能够通过在锻造夹具11与锻造缸12之间夹有弹簧部件60而使按压负载逐渐上升，因此能够防止刚从位置控制切换为负载控制后的按压负载的急剧上升。因此，在该方式中，即便使用图3所示的现有方法，能够机械性地防止因工件A、B彼此的碰撞时的惯性力导致的按压负载的超过以及冲击压力的产生。即，本公开的接合负载达到时间调整部也可以是与锻造控制装置40、41、42、43不同的结构。

此外，图4是用于仅示出与图1的差异的图，因此省略在图1中示出的锻造装置10所包含的锻造控制装置40、动力源13、励振装置20所包含的励振控制装置50、动力源23、位置传感器31以及设置于锻造夹具的位置传感器30。

即，在第四变形例中，锻造控制装置40在通过基于位置传感器30的检测结果的位置控制使工件B与工件A接触之后，切换为基于负载传感器32的检测结果的负载控制，以按压负载向接合负载上升的方式控制锻造缸12(动力源13)。另外，在第四变形例中，接合负载达到时间调整部是弹簧部件60。

另外，例如，在上述实施方式以及变形例中，虽然例示出向工件A按压工件B并使工件A相对于工件B相对地励振的结构，但也可以是，例如，工件A为固定且按压工件B而使工件B励振的结构。

另外，例如，本发明并不局限于对动叶、静叶的圆盘和叶片进行线性摩擦接合的情况，能够广泛应用于工件A和工件B进行摩擦接合的情况。

工业实用性

根据本公开，在线性摩擦接合装置中，能够防止因工件彼此的碰撞时的惯性力导致的按压负载的超过以及冲击压力的产生。

符号说明：

1、1A 线性摩擦接合装置；

11 锻造夹具(夹具)；

12 锻造缸(缸装置)；

30、31 位置传感器；

32、320、321 负载传感器；

40、41、42、43 锻造控制装置(控制装置、接合负载达到时间调整部)；

60 弹簧部件(接合负载达到时间调整部)；

A 工件(一方的部件)；

B 工件(另一方的部件)；

t 接合负载达到时间。

Claims (6)

1.一种线性摩擦接合装置，具有：按压装置，其在按压方向上向一方的部件按压另一方的部件；以及励振装置，其使所述一方的部件和所述另一方的部件相对地进行励振，其特征在于，

所述线性摩擦接合装置具有：

位置传感器，其检测所述按压方向上的所述另一方的部件的位移量；

负载传感器，其检测向所述一方的部件按压所述另一方的部件的按压负载；以及

控制装置，其构成为：通过基于所述位置传感器的检测结果的位置控制，使所述另一方的部件与所述一方的部件接触之后，切换为基于所述负载传感器的检测结果的负载控制，使所述按压负载朝着接合负载上升，

所述线性摩擦接合装置具有接合负载达到时间调整部，该接合负载达到时间调整部对从所述位置控制切换为所述负载控制时起到所述按压负载达到所述接合负载为止的接合负载达到时间的长度进行调整。

2.根据权利要求1所述的线性摩擦接合装置，其特征在于，

所述接合负载达到时间调整部是基于在所述位置控制时作用于所述另一方的部件的惯性力的大小来调整所述接合负载达到时间的长度的所述控制装置。

3.根据权利要求1或2所述的线性摩擦接合装置，其特征在于，

所述接合负载达到时间调整部是在所述负载控制中在达到所述接合负载前设定比所述接合负载低的目标负载并使所述按压负载朝着所述接合负载阶段性地上升的所述控制装置。

4.根据权利要求1或2所述的线性摩擦接合装置，其特征在于，

所述接合负载达到时间调整部是在所述负载控制中使所述按压负载的每单位时间的上升速度逐渐增加的所述控制装置。

5.根据权利要求1所述的线性摩擦接合装置，其特征在于，

所述按压装置具有搭载所述另一方的部件的夹具和使所述夹具移动的缸装置，

所述接合负载达到时间调整部是夹在所述夹具与所述缸装置之间的弹簧部件。

6.一种线性摩擦接合方法，在按压方向上向一方的部件按压另一方的部件，并使所述一方的部件和所述另一方的部件相对地进行励振，其特征在于，

所述线性摩擦接合方法具有如下工序：

检测所述按压方向上的所述另一方的部件的位移量；

检测向所述一方的部件按压所述另一方的部件的按压负载；以及

在通过基于所述位移量的位置控制使所述另一方的部件与所述一方的部件接触之后，切换为基于所述按压负载的检测结果的负载控制，使所述按压负载朝着接合负载上升，

对从所述位置控制切换为所述负载控制时起到所述按压负载达到所述接合负载为止的接合负载达到时间的长度进行调整。