JP2002178168A - 摩擦攪拌接合装置 - Google Patents
摩擦攪拌接合装置Info
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Abstract
ることができる摩擦攪拌接合装置を提供する。 【解決手段】 回転子2は、インダクションモータ7に
よって回転され、サーボモータ6によって回転軸線Lに
沿って直進駆動される。回転子2には、回転軸線Lに沿
ってピン挿通孔40が形成され、このピン挿通孔40に
ピン12が挿通され、回転子先端のショルダー部11か
らピン12の先端が突出する。回転子2は、ホルダ15
に移動可能に挿入される。回転子2がホルダ15に対し
て相対的に上昇することによって、ショルダー部11先
端からピン12が突出し、回転子12が相対的に下降す
ることによって、ピン12がショルダー部11に引込
む。このピン12の固定/可動の切り替えは、回転子2
の回転方向を逆転することによって行なわれる。
Description
で被接合物を軟化、攪拌して接合する摩擦攪拌接合装置
に関する。
回転子を高速で回転させながら、ピンをワークに挿入
し、摩擦熱でワークを軟化、攪拌して接合する。従来の
摩擦攪拌接合、特にスポット接合において、回転子を引
き上げて、埋入していたピンを抜き出すと、該接合部位
には、ピンに対応した空洞が生じる。
洞部分に応力が集中し、接合強度が低下する。特に、疲
労破壊が生じやすい。また、外観も悪化し、美観上好ま
しくなく、汚れも入る。このように、用途面で様々な支
障を来たし、製品品質上問題となっていた。
に、たとえば、特開平11−156561号公報には、
孔埋め材を埋入する方法が開示されているが、この場
合、埋入自体が困難である上に、多点について行なうこ
とはさらに困難である。
は、ピンを可動とし、連続接合において、移動させなが
ら徐々にピンを引き抜くことによって、空洞を形成させ
ない方法が開示されているが、スポット接合において空
洞を埋める方法に関しては記載されておらず、また、ス
ポット接合に単純に適用することもできない。
ルダー部を押圧しており、徐々にピンを引き抜き、連続
接合の接合終点では、押圧力が発生しないこととなり、
接合終了点での接合品質が低下するといった問題を有す
る。
形成させずに接合することができる摩擦攪拌接合装置を
提供することである。
は、高速回転する回転子を回転軸線方向に移動させ、回
転子先端部を被接合物に押圧し、回転子先端部と前記被
接合物との接触部を、回転による摩擦熱で軟化させ、攪
拌して被接合物を接合する摩擦攪拌接合装置において、
前記回転子は、回転子に挿通され、回転軸線方向に変位
可能に設けられるピンを有し、被接合物をスポット接合
することを特徴とする摩擦攪拌接合装置である。
ので、スポット接合終了時に、ピンを退避させること
で、大きな空洞を形成させずに、スポット接合すること
が可能である。
転子先端から突出させた状態で接合し、その後、ピンを
変位させた後、再接合することを特徴とする。
するので、接合終了時にも押圧力を与えて接合すること
ができ、接合品質を向上することができる。
ンを変位させた後、ピン固定状態に切り替えることを特
徴とする。
せ、固定状態に切り替えることで、大きな空洞を形成せ
ずに再接合することができる。
円筒状のリング部が形成され、前記ピンは、リング部に
変位可能に挿入される内軸であることを特徴とする。
で、ピンの被接合物への接触面積を増大させ、摩擦熱を
効率良く発生させることが可能となり、接合効率が向上
する。
転子を回転軸線方向に移動させ、回転子先端部を被接合
物に押圧し、回転子先端部と前記被接合物との接触部
を、回転による摩擦熱で軟化させ、攪拌して被接合物を
接合する摩擦攪拌接合装置において、前記回転子は、回
転子に挿入され、回転軸線方向に変位可能に設けられる
ピンを有し、前記ピンを回転子先端から突出させた状態
で被接合物を連続接合し、接合終了点で、ピンを変位さ
せて再接合することを特徴とする摩擦攪拌接合装置であ
る。
終了点でピンを変位させて再接合するので、接合終了点
においても押圧して接合することができ、従来技術のよ
うに、接合終了点で接合品質が低下するといったことが
防がれる。
ンを変位させた後、ピン固定状態に切り替えることを特
徴とする。
終了点でピンを退避させ、固定状態に切り替えること
で、接合終了点に大きな空洞を形成せずに再接合するこ
とができる。
は、ピン先端を、回転子先端の平坦面まで変位させ、こ
の平坦面で接合することを特徴とする。
せ、この平坦面で接合することで、大きな空洞を形成す
ることなく接合することができる。
向を切り替えることで、前記ピンの固定状態と可動状態
とが切り替わることを特徴とする。
とで、ピンの固定状態と可動状態を切り替えることがで
き、制御が容易である。
ある摩擦攪拌接合装置1の構造を示す断面図である。本
実施形態の摩擦攪拌接合装置1は、たとえば6軸垂直多
関節型ロボットの手首に装着してスポット接合ガンとし
て用いられる。
回転子2が回転軸線Lまわりに回転可能に、かつ回転軸
線Lにそって直進移動可能に支持される。また、ガンア
ーム5には、回転駆動源であるサーボモータ6および直
進駆動源であるインダクションモータ7が固定的に取り
付けられる。なお、この直進駆動源は、サーボモータで
あってもよい。
材4とからなる。回転子本体3は、回転子保持部材4の
下端部に回転軸線Lを同軸として装着されて固定され
る。回転子本体3は、先端が先細となり、先端に円柱状
のショルダー部11が形成される。回転子2には、回転
軸線Lに沿ってピン12が挿入され、前記ショルダー部
11の中心から、円柱状のピン12が、出没可能に設け
られる。ガンアーム5は、L字状に屈曲し、屈曲した先
端部に、回転子先端に対向配置される受け部36が設け
られる。
15に、挿入され、回転軸線L方向に直進移動可能に保
持される。このホルダ15の外周部から、インダクショ
ンモータ7から回転力が伝達される。さらに詳しくは、
ホルダ15の外周にスプライン17が形成され、このス
プライン17が嵌りこむスプライン受け18が、ガンア
ーム5に固定支持される軸受け19によって回転自在に
支持される。ガンアーム5に固定支持されるインダクシ
ョンモータ7の出力軸にはベルト車20が固定され、前
記スプライン受け18も外周にベルト車が形成され、こ
のベルト車からベルト車20にわたってVベルト21が
巻き掛けられる。このような構成により、インダクショ
ンモータ7を回転駆動させることによって、回転子2を
回転軸線Lまわりに回転駆動させることができる。ま
た、スプライン17を介して回転力が伝達されることに
より、回転軸線L方向の回転子2の直進移動が許容され
る。
端部から与えられる。詳しく説明すると、ホルダ15の
上端部には、軸受け25を介して、回転軸線Lまわりに
回転可能に、かつ回転軸線L方向への変位が阻止されて
連結部材26がホルダ15に連結される。ガンアーム5
には、回転軸線Lに平行にリニアガイド27が固定され
ており、このリニアガイド27によって、前記連結部材
26が回転軸線L方向に直進移動可能にガンアーム5に
支持される。また、回転子保持部材4の下部を、回転軸
線Lまわりに回転自在に保持する軸受け16も、前記リ
ニアガイド27によって、回転軸線Lに平行に直進移動
可能に支持される。
心とするナット30が、連結部材26に固定される。こ
のナット30には、ネジ軸31が螺合し、このネジ軸3
1はガンアーム5に固定支持される軸受け32によっ
て、軸線Lまわりに回転自在にに支持される。ネジ軸3
1の上端部には有歯ベルト車33が固定され、ガンアー
ム5に固定支持されるサーボモータ6の出力軸にも有歯
ベルト車35が固定される。これらのベルト車33,3
5間にわたってタイミングベルト34が巻き掛けられ
る。したがって、サーボモータ6を回転させることで、
ネジ軸31を軸線Lまわりに回転させ、これによって、
回転子2を回転軸線Lに沿って直進移動させることがで
きる。また、連結部材26とホルダ15とは軸受け25
を介して連結されるので、回転子2を高速で回転させな
がら回転軸線L方向に直進移動させることができる。ま
た、サーボモータ6の回転方向を変えることで、移動方
向を切り替えることができる。
は、回転軸線Lに沿ってピン挿通孔40が貫通し、この
ピン挿通孔40にピン12が挿通される。ピン12の上
端部は、ホルダ15の天壁15aに固定される。ピン1
2の先端は、ショルダー部11の中央部から突出してい
る。
れ、上端面4aと、ホルダ15の天壁15aとの間に
は、ばね41が介在される。このばね41によって、回
転子保持部材4は、軸線Lに沿って下方(ホルダ15の
天壁15aから離反する側)にばね付勢される。
は、移動可能状態および固定状態の2つの状態に切替機
構42によって切り替えられ、移動可能状態にあるとき
には、回転子保持部材4が、ホルダ15に対して回転軸
線L方向に移動可能にあり、固定状態にあるときには、
回転軸線L方向への移動が固定されている。
る。切替機構42は、ホルダ15に形成されるL字状の
切欠き43と、回転子保持部材4から半径方向外方に突
出し、切欠き43に嵌りこむ係止凸部44とから構成さ
れ、切欠き43は、回転軸線Lを中心として周方向に延
びる横切欠き部45と、回転軸線Lに平行に上下方向に
延びる縦切欠き部46とから構成され、この切欠き43
に沿って係止凸部44は移動することができる。係止凸
部44が縦切欠き部46にあるときは、回転子保持部材
4が回転軸線Lに沿って移動可能状態にあり、横切欠き
部45にあるときには、回転子保持部材4の回転軸線L
方向の移動が阻止され、固定状態となる。このような切
替機構42は、回転軸線Lを挟んで両側に2箇所形成さ
れる。
4に示すタイムチャートを参照して、摩擦攪拌接合装置
1の接合方法について説明する。ここでは、スポット接
合の場合について説明する。したがって、2枚のワーク
は水平に重畳配置されており、まず、ワークの接合点
が、摩擦攪拌接合装置1(スポット接合ガン)の受け部
36上に配置されるようにロボットによって位置決めを
行なう。
から所定距離、上方に離反した原点にあるものとする。
また切替機構42は、図3(1)に示す位置、つまり係
止凸部44が、横切欠き部45の端部Aにあるものとす
る。このとき、回転子先端のショルダー部11からはピ
ン12は突出せず、ショルダー部11の下端面が平坦と
なっている。
駆動させる。すると連結部材26を介してホルダ15お
よび回転子2がスライドして下降する。
ータ7によってホルダ15を正転、つまり図3(2)で
+方向に回転させる。
と、係止凸部44が切欠き43で、Aの位置からBの位
置に移動する。つまり、縦切欠き部46に移動し、回転
子保持部材4は、ホルダ15に対して回転軸線L方向に
直進移動可能状態となる。なお、この段階で回転を開始
する場合に限らず、連続して接合する場合には、前回の
接合終了での正転を維持している。この状態で、回転子
2はさらに下降と続ける。
1の下端面がワークに当接する。ここでは、切替機構4
2は、(4)で係止凸部44がB位置に移動した場合を
想定しているが、(4)でBまで移動しなかった場合に
は、ショルダー部11がワークに当接したとき、ワーク
とショルダー部11との摩擦力で、回転子保持部材4
は、ホルダ15に対して相対的に−方向に移動しようと
する。ホルダ15と回転子保持部材4との間にも摩擦力
が生じるが、ワークとショルダー部11との摩擦力の方
が大きくなるように設定することによって、回転子保持
部材4が−方向に回転し、係止凸部44がB位置に係止
され、切替機構42は、確実に移動可能状態に切り替わ
る。
に下降させて押圧すると、切替機構42が移動可能状態
にあるので、ばね41が圧縮されて回転子保持部材4が
ホルダ15に対して相対的に上方に移動し、これによっ
て、ショルダー部11先端からピン12が突出し始め
る。このようにして、所定押圧力に達するまで押圧す
る。このようにして、ショルダー部11の摩擦熱によっ
て、ワークの接合点が軟化し、押し出されるピン12が
ワークに挿入される。これとともに、ショルダー部11
およびピン12が高速で回転することによって、母材が
攪拌され塑性流動が生じる。なお、押圧力は、サーボモ
ータ6の電流値によって判断する。
で、所定時間押圧する。これによってさらにワークが攪
拌され、2枚のワークが接合点で一体となる。このと
き、コイルばね41は、隙間がなくなるまで縮んでも良
く、縮むのに余裕があってもよい。また、切替機構42
は、係止凸部44が縦切欠き部46の上端である位置C
に達していてもよく、余裕があってもよい。
6を逆転させてホルダ15を上昇させる。すると、ばね
41の作用によって、ショルダー部11の先端がワーク
当接を維持した状態で、ピン12のみが上昇し、ピン1
2がショルダー部11に引き込まれる。このとき、軟化
した母材がピン12の引き込まれた後に入り、空洞がふ
さがれる。このようにして、係止凸部44がB位置に係
止されるまでホルダ15を引き上げ停止させる。このと
き、ショルダー部11先端がワークに当接して摩擦がわ
ずかにある状態が好ましい。
ションモータ7を逆転し、ホルダ15を−方向に回転さ
せる。このとき、ワークと回転子先端との摩擦力が、回
転子保持部材4とホルダ15との摩擦力より大きくなる
ように設定することで、ホルダ15が回転子保持部材4
に対して相対的に−方向に回転する。このようにして、
係止凸部44がA位置まで移動し、切替機構42は、固
定状態に切り替わる。なお、回転駆動源は本実施形態で
はインダクションモータとしたが、サーボモータとする
ことで、逆転を短時間で行なうことができる。
6を逆転させ、再度押圧する。このときは、ピン12は
引込んだ状態であるので、ショルダー部11先端が平坦
な状態で押圧することになる。このようにして、所定押
圧力で所定時間押圧する。これによって、空洞がさらに
塞がれる。また、このとき切替機構42は固定状態にな
っており、サーボモータ6からの押圧力が直接作用し、
ばね41のばね力は介在しない。
転し、ホルダ15および回転子2を上昇させる。
インダクションモータ7を正転(+方向)に戻す。
る。続けてスポット接合を行なうときは、ロボットで次
の接合点に接合装置1を位置決めし、再び(1)からの
作業を順に行なう。
後のワーク断面(A)と、本発明の接合終了後のワーク
断面を示す図(B)である。(A)のP1に示すよう
に、従来ではピンによる空洞が大きく形成されていた
が、本発明ではピンをショルダー部11に引込めた状態
で再接合するので、(B)のP2に示すように、空洞を
従来にくらべて小さくすることができる。また、ショル
ダー部11は、(B)に示すように、中央が凹となり、
外周が突出するように形成されている。これによって、
前述の工程(8)で、ショルダー部11先端のみワーク
に当接させることができる。
について説明したが、摩擦攪拌接合装置1は、連続接合
の場合にも適用することができる。この場合には、前述
した工程(7)の押圧において、ロボットで接合装置1
を、ワークに設定される接合線に沿って移動させる。こ
れによって連続接合が行なわれる。この場合において
も、接合終了点において、再接合することで、接合終了
点に形成される空洞を小さくすることができる。
攪拌接合装置50の構造を示す図である。本実施形態の
摩擦攪拌接合装置50は、前述した摩擦攪拌接合装置1
とほぼ同様の構造を有するので、対応する構造には同一
の参照符号を付し説明を省略する。
相当する部材は、本実施形態では、ホルダ53と一体と
なっており、このホルダ53の外周からインダクション
モータ7の回転力が伝達される。また、このホルダ53
の下端部に回転子54が装着される。
でなく、筒状のリング型ピンを用いることである。した
がって、回転子54のショルダー部11の先端には、円
筒状のリング部51が、回転軸線Lを中心として突出す
る。この円筒状のリング部51の内径に相当する外径を
有する内軸52が、リング部51に移動可能に挿入され
ている。
線Lに沿ってピン挿通孔55が形成され、このピン挿通
孔55に内軸52が挿入される。ホルダ53には、上部
に円柱状の空間56が形成されており、この空間に円柱
体57が軸線Lに移動可能に嵌りこむ。この円柱体57
の下端に前記内軸52が固定され、円柱体57と内軸5
2とは一体となって移動する。また、円柱体57とホル
ダ53の天壁53aとの間にばね41が介在される。
の外周部には、切替機構42が設けられる。この切替機
構42も前述と同様に、ホルダ53に形成されるL字状
の切欠き43と、切欠き43に嵌り込む係止凸部44と
から構成され、係止凸部44は、本実施形態では円柱体
57に形成される。
52の先端がリング部51の先端と面一となって平坦と
なり、切替機構42が移動可能状態となって内軸52が
上方に移動すると、リング型ピンとなる。
した摩擦攪拌接合装置1と同様に動作させてスポット接
合を行なうことができるので、前述した図4のタイムチ
ャートを参照して、摩擦攪拌接合装置50の制御動作に
ついて以下に説明する。
定状態にあるものとする。このとき、内軸52の先端
は、リング部51と面一となっている。
ータ6を駆動させる。するとホルダ53および回転子5
4がスライドして下降する。このとき、回転子54と内
軸52とが一体となって下降する。
ョンモータ7によってホルダ53を正転、つまり図3
(2)で+方向に回転させる。
にホルダ53が+方向に回転し、係止凸部44が移動し
てB位置に係止され、切替機構42は、移動可能状態に
となる。また、内軸52と回転子54とは一体となって
回転する。この状態で、回転子54はさらに下降を続け
る。
内軸52先端とがワークに当接する。そして、内軸52
とワークとの間に摩擦力が生じる。すると、ホルダ53
と円柱体57との摩擦力と、ワークと内軸52との摩擦
力とを比較して、後者の方が大きくなるように設定され
るので、内軸52の方は止まろうとする力に対して、ホ
ルダ53が+方向に回転するので、(4)で係止凸部4
4がB位置に達していない場合であっても、係止凸部4
4が確実にB位置まで移動し、移動可能状態に切り替わ
る。
に下降させて押圧すると、切替機構42が移動可能状態
にあるので、ばね41が圧縮されて内軸52がリング部
51に対して相対的に引込んでいく。このとき、係止凸
部42は上方に移動する。このようにして、所定押圧力
に達するまで押圧する。
で、所定時間押圧する。なお、押圧力は、サーボモータ
6の電流値によって判断する。このとき、コイルばね4
1は、隙間がなくなるまで縮んでも良く、縮むのに余裕
があってもよい。また、切替機構42は、係止凸部44
が縦切欠き部46の上端である位置Cに達していてもよ
く、余裕があってもよい。
6を逆転させてホルダ53を上昇させる。すると、ばね
41の作用によって、内軸52の先端がワーク当接を維
持した状態で、回転子54のみが上昇し、内軸52がリ
ング部51に引き込まれる。このようにして、切替機構
42で、係止凸部44が下降してB位置に係止される元
の位置までホルダ53を引き上げる。ことのき、ワーク
と内軸52先端との間に摩擦がわずかにある状態が好ま
しい。
ションモータ7を逆転し、ホルダ53を−方向に回転さ
せる。このとき、ワークと内軸52先端との摩擦力が、
ホルダ53と円柱体57との摩擦力より大きくなるよう
に設定することで、ホルダ53が円柱体57に対して相
対的に−方向に回転する。このようにして、係止凸部4
4がA位置まで移動し、切替機構42は、固定状態に切
り替わる。
6を逆転させ、再度押圧する。このときは、内軸52先
端とリング部51先端とは面一となり、平坦な状態で押
圧することになる。このようにして、所定押圧力で所定
時間押圧する。
転し、ホルダ53および回転子54を上昇させる。
後、インダクションモータ7を正転(+方向)に戻す。
る。図7(A)は、リング型ピンのみを用いた場合の接
合後のワークの断面を示す図であり、図7(B)は、本
発明の摩擦攪拌接合装置50を用いた場合の接合後のワ
ーク断面を示す図である。(A)(B)の空洞P3,P
4を比較してわかるように、本発明を用いることで、接
合後の空洞の大きさを小さくすることができる。
の円柱ピンよりもワークへの接触面積を大きくし、摩擦
熱の発生効率および攪拌効率を向上させることができ
る。
または内軸52の固定/可動の切替を、回転方向を逆転
させることで行なったが、次の方法でもよい。
サーボモータを別途設け、このサーボモータの回転を直
進運動に変換して、独立して進退駆動させる。
て、ON/OFF的にピンまたは内軸の固定/可動を切
り替える。
により適宜ON/OFFし、回転力を直進運動に変換し
て、ピン12または内軸52の固定/可動を切り替え
る。
(12)の各工程において、本実施形態では回転子の回
転速度を一定、たとえば2000rpmとしたが、適宜
変更するようにしてもよい。
合品質を向上させることができる。
動に設けられるので、スポット接合終了時に、ピンを退
避させることで、大きな空洞を形成させずに、スポット
接合することが可能である。
接合するので、接合終了時にも押圧力を与えて接合する
ことができ、接合品質を向上することができる。
避させ、固定状態に切り替えることで、大きな空洞を形
成せずに再接合することができる。
ことで、ピンの被接合物への接触面積を増大させ、摩擦
熱を効率良く発生させることが可能となり、接合効率が
向上する。
接合終了点でピンを変位させて再接合するので、従来技
術のように、連続接合の接合終了点で接合品質が低下す
るといったことが防がれる。
接合終了点でピンを退避させ、固定状態に切り替えるこ
とで、接合終了点に大きな空洞を形成せずに再接合する
ことができる。
位させ、この平坦面で接合することで、大きな空洞を形
成することなく接合することができる。
ることで、ピンの固定状態と可動状態を切り替えること
ができるので、制御が容易である。
1の構造を示す図である。
図である。
ャートである。
用いたときの接合後のワーク断面を示す図である。
いる摩擦攪拌接合装置50の構造を示す図である。
ク断面と本発明の摩擦攪拌接合装置50を用いた接合後
ワーク断面を示す図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 高速回転する回転子を回転軸線方向に移
動させ、回転子先端部を被接合物に押圧し、回転子先端
部と前記被接合物との接触部を、回転による摩擦熱で軟
化させ、攪拌して被接合物を接合する摩擦攪拌接合装置
において、 前記回転子は、回転子に挿通され、回転軸線方向に変位
可能に設けられるピンを有し、被接合物をスポット接合
することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。 - 【請求項2】 前記ピンを、回転子先端から突出させた
状態で接合し、その後、ピンを変位させた後、再接合す
ることを特徴とする請求項1記載の摩擦攪拌接合装置。 - 【請求項3】 再接合時に、ピンを変位させた後、ピン
固定状態に切り替えることを特徴とする請求項2記載の
摩擦攪拌接合装置。 - 【請求項4】 回転子先端に、円筒状のリング部が形成
され、前記ピンは、リング部に変位可能に挿入される内
軸であることを特徴とする請求項1記載の摩擦攪拌接合
装置。 - 【請求項5】 高速回転する回転子を回転軸線方向に移
動させ、回転子先端部を被接合物に押圧し、回転子先端
部と前記被接合物との接触部を、回転による摩擦熱で軟
化させ、攪拌して被接合物を接合する摩擦攪拌接合装置
において、 前記回転子は、回転子に挿入され、回転軸線方向に変位
可能に設けられるピンを有し、前記ピンを回転子先端か
ら突出させた状態で被接合物を連続接合し、接合終了点
で、ピンを変位させて再接合することを特徴とする摩擦
攪拌接合装置。 - 【請求項6】 再接合時に、ピンを変位させた後、ピン
固定状態に切り替えることを特徴とする請求項5記載の
摩擦攪拌接合装置。 - 【請求項7】 前記再接合時は、ピン先端を、回転子先
端の平坦面まで変位させ、この平坦面で接合することを
特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載の摩擦攪
拌接合装置。 - 【請求項8】 回転子の回転方向を切り替えることで、
前記ピンの固定状態と可動状態とが切り替わることを特
徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の摩擦攪拌
接合装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000378973A JP3471313B2 (ja) | 2000-12-13 | 2000-12-13 | 摩擦攪拌接合装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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