JP2002224854A - 摩擦圧接方法及び摩擦圧接装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被接合部材の形状や材質等の制限が少な
く、短時間に被接合部材を摩擦圧接させることができる
摩擦圧接方法及び摩擦圧接装置を提供する。 【解決手段】 回転可能な主軸１５の回転部１６と、回
転部１６の端部に設けられる凸部１８と、第二の被接合
部材２１を回転部１６に挿入可能な孔１７と、第一の被
接合部材２２を固定する把持装置４をテーブル３に備
え、駆動可能なテーブル３で摩擦圧接装置１は構成され
る。第二の被接合部材２１を孔１７に挿入し、凸部１８
を圧接することで第二の被接合部材２１に凹部２４を形
成し、凸部１８と凹部２４を係合させた状態で、回転部
１６の回転力を第一の被接合部材２２に伝達し、第二の
被接合部材２１と第一の被接合部材２２を摩擦圧接す
る。このため、第二の被接合部材２１を主軸１５にチャ
ックや治具等によって取りつける工程や取り外す工程が
省略でき、加工時間は短縮化される。また、第二の被接
合部材２１には、回転部１６の孔１７に挿入可能な挿入
部を設ければよいため、制約も少ない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、摩擦圧接方法及び
摩擦圧接装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】被接合部材を接合する接合装置として、
摩擦圧接機が知られている。摩擦圧接機は、例えば、第
一の被接合部材を固定し、第二の被接合部材を、回転さ
せた状態で第一の被接合部材側に押圧することによっ
て、第一の被接合部材と第二の被接合部材を摩擦熱で接
合するものである。従来の摩擦圧接機では、回転部の回
転力を第二の被接合部材に伝達するための把持装置（ク
ランプ装置）が用いられている。把持装置（クランプ装
置）としては、例えば、第二の被接合部材の外周部また
は内周部を把持するチャックが用いられる。あるいは、
第二の被接合部材を嵌合可能な多角形の孔部が設けられ
た治具が用いられる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、被接合
部材の形状や材質等によっては、把持装置で把持するこ
とができない場合がある。例えば、チャックによって把
持される箇所にネジ部が形成されている場合には、チャ
ックによってネジ山がつぶれる可能性がある。また、被
接合部材が黄銅等のような柔らかい材質で形成されてい
る場合には、チャックによって被接合部材に傷がつく可
能性がある。また、治具を用いる場合、治具の孔部に嵌
合可能な多角形の挿入部を形成する必要がある。さら
に、被接合部材をチャックや治具に着脱する作業が必要
であるため接合時間が長くなる。本発明は、このような
問題点を解決するために創案されたものであり、被接合
部材の形状や材質等の制限が少なく、また短時間に被接
合部材を摩擦圧接させることができる摩擦圧接方法及び
摩擦圧接装置を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の本発明の第１発明は、請求項１に記載されたとおりの
摩擦圧接方法である。請求項１に記載の摩擦圧接は、第
一及び第二の被接合部材の一方を回転させる回転部と一
方の被接合部材を圧接させて回転部の回転力を一方の被
接合部材に伝達する伝達手段を形成する。これにより、
被接合部材の形状や材質等の制限が少ない。また、被接
合部材をチャックや治具に着脱する作業が不要であるた
め、短時間に被接合部材を摩擦圧接させることができ
る。また、本発明の第２発明は、請求項２に記載された
とおりの摩擦圧接方法である。請求項２に記載の摩擦圧
接方法は、回転部に形成した凸部によって第二の被接合
部材に凹部を形成する。これにより、伝達手段を簡単な
構成で、容易に形成することができる。また、本発明の
第３発明は、請求項３に記載されたとおりの摩擦圧接装
置である。請求項３に記載の摩擦圧接装置は、第一及び
第二の被接合部材の一方を回転させる回転部と、回転部
に設けられ、圧接によって一方の被接合部材に伝達手段
を形成する凸部を備える。これにより、被接合部材の形
状や材質等の制限が少ない。また、被接合部材をチャッ
クや治具に着脱する作業が不要であるため、短時間に被
接合部材を摩擦圧接させることができる。また、本発明
の第４発明は、請求項４に記載されたとおりの摩擦圧接
装置である。請求項４に記載の摩擦圧接装置は、回転部
に複数の凸部が設けられている。これにより、回転部の
回転力を確実に第二の被接合部材に伝達することができ
る。また、本発明の第５発明は、請求項５に記載された
とおりの摩擦圧接装置である。請求項５に記載の摩擦圧
接装置は、回転部に外周あるいは内周が多角形に形成さ
れている凸部が設けられている。これにより、回転部の
回転力を確実に第二の被接合部材に伝達することができ
る。

【０００５】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の第一の実施の形
態を、図１〜図５を用いて説明する。図１は、本発明の
摩擦圧接装置の一実施の形態の断面図を示す。図２ａは
本実施の形態で用いる、凸部を有する回転部の断面図を
示し、図２ｂは正面図を示し、図２ｃは斜視図を示す図
である。図３ａは、摩擦圧接前の第二の被接合部材を示
す図であり、図３ｂは第一の被接合部材を示す図であ
る。図４は、回転部と被接合部材を係合させた状態を示
す。図５は、被接合部材を摩擦圧接させる動作を示すフ
ローチャート図である。なお、以下では、第二の被接合
部材２１を、回転させた状態で第一の被接合部材２２に
圧接させることによって、第一の被接合部材２２と第二
の被接合部材２１を摩擦圧接させる場合について説明す
る。

【０００６】摩擦圧接装置１は、フレーム２を有する。
フレーム２には、主軸１５が、軸受けを介して回転可能
に取り付けられている。主軸１５には、モータ１１の駆
動力が、モータ１１の出力軸に連結された出力プーリ１
２、ベルト１３、主軸１５に連結された入力プーリ１４
を介して伝達される。主軸１５の端部（図１の右側の端
部）には、第二の被接合部材２１に回転力を伝達するた
めの回転部１６が設けられている。回転部１６には、図
２ａ及び図２ｂに示すように、第二の被接合部材２１の
挿入部２１ａが挿入可能な孔１７が設けられている。本
実施の形態では、第二の被接合部材２１の挿入部２１ａ
及び孔１７は断面が円形に形成されている。なお、例え
ば、挿入部２１ａは第二の被接合部材２１の軸方向にテ
ーパ形状になっていてもよい。また、回転部１６の端部
（図１の右側の端部）には、凸部１８が設けられてい
る。本実施の形態では、凸部１８は、孔１７の外周側
の、半径方向に対向する位置に２個設けられている。凸
部１８は、第二の被接合部材２１に圧接することによっ
て、第二の被接合部材２１の当接部２１ｂに凹部２４が
形成され易いように形状や材質が設定されている。本実
施の形態では、凸部１８は、断面が扇形状に形成され、
凸部１８の先端形状はフラット面で形成されている。ま
た、凸部１８は、第二の被接合部材２１の材質より硬度
が高い材質で形成されている。回転部１６の凸部１８
と、第二の被接合部材２１に形成された凹部（伝達部）
とによって、回転部１６の回転力を第二の被接合部材２
１に伝達する伝達手段が構成される。また、本実施の形
態では、第二の被接合部材２１に凹部２４が形成され易
くするために、当接部２１ｂは傾斜面状に形成されてい
る。なお、挿入部２１ａの外径や長さ、凸部１８の長
さ、孔１７の内径等は、第二の被接合部材２１に凹部２
４が形成されるまで、第二の被接合部材２１を回転部１
６に保持可能であればよい。

【０００７】一方、第一の被接合部材２２は、テーブル
３に取り付けられている把持装置（クランプ装置）４に
よって固定される。テーブル３は、フレーム２に設けら
れている補助フレーム２ａに対して、図１に矢印で示す
方向に油圧手段５によって移動可能である。油圧手段５
によって、第一の被接合部材２２と第二の被接合部材２
１の圧接力（押圧力）が調節される。なお、摩擦圧接装
置１には、摩擦圧接装置１の各部を制御する制御手段
（図示省略）が設けられている。

【０００８】次に、上記のように構成された摩擦圧接装
置１を用いて第一の被接合部材２２と第二の被接合部材
２１を摩擦圧接させる動作を、図５に示すフローチャー
ト図を用いて説明する。いま、テーブル３が、待機位置
に位置しているものとする。まず、ステップＳ１で、被
接合部材を取り付ける。例えば、第一の被接合部材２２
をクランプ装置４により固定保持する。また、第二の被
接合部材２１の挿入部２１ａを回転部１６の孔１７に挿
入する。次に、ステップＳ２で、テーブル３を前進させ
る。例えば、油圧手段５を制御して、テーブル３を前進
方向（図１の左方向）に移動させる。次に、ステップＳ
３で、第一の被接合部材２２と第二の被接合部材２１を
係合（圧接）させる。例えば、油圧手段５を制御して、
第二の被接合部材２１と第一の被接合部材２２の押圧力
を所定値Ｐ１に制御する。これにより、回転部１６の凸
部１８が第二の被接合部材２１の当接部２１ｂに食い込
み、当接部２１ｂに凹部２４が形成される。この凸部１
８と凹部２４とによって、回転部１６の回転力を第二の
被接合部材２１に伝達する伝達手段が構成される。

【０００９】次に、ステップＳ４で、主軸１５を回転さ
せる。例えば、モータ１１を回転させて、主軸１５を所
定回転数Ｎ（ｒｐｍ）で回転させる。この時、回転部１
６の凸部１８と、第二の被接合部材２１に形成された凹
部２４が係合しているため、主軸１５の回転力によっ
て、第二の被接合部材２１が回転する。次に、ステップ
Ｓ５で、摩擦発熱させる。例えば、主軸１５を所定回転
数Ｎ（ｒｐｍ）で回転させた状態で、油圧手段５を制御
して、第一の被接合部材２２と第二の被接合部材２１と
の押圧力をＰ１からＰ２に上げる。そして、圧力Ｐ２の
状態で所定時間ｔ１の間主軸１５を回転させた後、押圧
力をＰ２からＰ３に上げる。これにより、第一の被接合
部材２２と第二の被接合部材２１との接触部２３に摩擦
熱が発生し、第一の被接合部材２２と第二の被接合部材
２１が摩擦圧接する。次に、ステップＳ６では、モータ
１１の回転を停止させて主軸１５の回転を停止させる。
次に、ステップＳ７では、モータ１１の回転の停止に合
わせて、溶融状態にある第一の被接合部材２２と第二の
被接合部材２１の接触部２３に対し、所定時間ｔ３の間
圧力Ｐ４を印加する（アップセット加工）。次に、ステ
ップＳ８で、油圧手段５を制御してテーブル３を待機位
置まで後退させ、凸部１８を第二の被接合部材２１に形
成された凹部２４から引き離す。次に、ステップＳ９
で、第二の被接合部材２１が摩擦圧接された第一の被接
合部材２２をクランプ装置４から取り出して、摩擦圧接
加工は完了する。

【００１０】以上のように、本実施の形態では、主軸１
５の回転力を第二の被接合部材２１に伝達させる際、凸
部１８が設けられた回転部１６を第二の被接合部材２１
に押圧させて、第二の被接合部材２１に、凸部１８と係
合する凹部２４を形成する。このため、第二の被接合部
材２１を主軸１５にチャックや冶具等によって取りつけ
る工程や取り外す工程を省略することができ、加工時間
を短縮することができる。また、第二の被接合部材２１
には、回転部１６の孔１７に挿入可能な挿入部を設けれ
ばよいため、制約も少ない。

【００１１】以下に、本発明の第二の実施の形態を、図
６〜図８を用いて説明する。図６ａは本実施の形態で用
いる、連続した凸部で、凸部の内周面が多角形で形成さ
れる回転部の断面図を示し、図６ｂは正面図を示し、図
６ｃは斜視図を示す図である。図７ａは、摩擦圧接前の
第二の被接合部材を示す図であり、図７ｂは第一の被接
合部材を示す図である。図８は、回転部と被接合部材を
係合させた状態を示す。なお、以下では、第二の被接合
部材３１を、回転させた状態で第一の被接合部材３２に
圧接させることによって、第一の被接合部材３２と第二
の被接合部材３１を摩擦圧接させる場合について説明す
る。

【００１２】摩擦圧接装置は、第一の実施の形態に用い
た摩擦圧接装置１の主軸１５の形状以外の構成について
は、既述した第一の実施の形態と実施的に同一であるの
で、同一符号を付し説明を省略する。主軸３５の端部
（図１にある主軸１５の右側の端部と同じ部分）には、
第二の被接合部材３１に回転力を伝達するための回転部
３６が設けられている。回転部３６には、図６ａ及び図
６ｂに示すように、第二の被接合部材３１の挿入部３１
ａが挿入可能な孔３７が設けられている。本実施の形態
では、第二の被接合部材３１の挿入部３１ａ及び孔３７
は断面が円形に形成されている。また、回転部３６の端
部（図１にある回転部１６の右側の端部と同じ）には、
凸部３８が設けられている。本実施の形態では、凸部３
８は、回転部３６の端部の中央部に溝部３９が設けられ
ていることによって、回転部３６の外周側に連続した形
状で形成されている。凸部３８は、第二の被接合部材３
１に圧接することによって、第二の被接合部材３１の当
接部３１ｂに凹部３４が形成され易いように形状や材質
が設定されている。本実施の形態では、溝部３９は、外
周が六角形状に形成されている。また、溝部３９にある
溝底面４０の大きさは、孔３７の外周径よりも大きく設
けられている。

【００１３】一方、第一の被接合部材３２は、テーブル
３に取り付けられている把持装置（クランプ装置）４に
よって固定される。油圧手段５によって、第一の被接合
部材３２と第二の被接合部材３１の圧接力（押圧力）が
調節される。

【００１４】次に、本発明の第三の実施の形態を、図９
を用いて説明する。図９ａは、第一及び第二の実施の形
態に用いた回転部と被接合部材の係合方法の変形例を示
す断面図であり、図９ｂは回転部の正面図である。主軸
５５の端部（図１にある主軸１５の右側の端部と同じ部
分）には、第二の被接合部材５１に回転力を伝達するた
めの回転部５６が設けられている。回転部５６には、図
９ａ及び図９ｂに示すように、第二の被接合部材５１の
挿入部５１ａが挿入可能な孔５７が設けられている。本
実施の形態では、第二の被接合部材５１の挿入部５１ａ
及び孔５７は断面が円形に形成されている。また、本実
施の形態では、孔５７の奥底部５９には、凸部５８が2
箇所に設けられている。凸部５８は、四角錐形状に形成
されている。凸部５８は、第二の被接合部材５１に圧接
することによって、第二の被接合部材５１の当接部５１
ｂに凹部５４が形成され易いように形状や材質が設定さ
れている。また、凸部５８は、第二の被接合部材５１の
材質より硬度が高い材質で形成されている。回転部５６
の凸部５８と、第二の被接合部材５１に形成された凹部
（伝達部）５４によって、回転部３６の回転力を第二の
被接合部材３１に伝達する伝達手段が構成される。

【００１５】なお、第一〜第三の実施の形態に用いた回
転部と被接合部材との係合方法以外の係合方法として、
例えば回転部の端面に、外周の断面が多角形状の凸部
（例えば、六角柱形状の凸部）を設け、凸部を被接合部
材に押圧によって当接させることで、回転部と被接合部
材とを係合させる。また、回転部の端面に、内周の断面
が多角形状の溝部（例えば、六角形状の溝部）を設け、
溝部を被接合部材に押圧によって当接させることで、回
転部と被接合部材とを係合させる係合方法等がある。

【００１６】本発明は、上述した実施の形態に限定され
るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で適宜変
更してもよい。例えば、実施の形態の摩擦圧接装置１の
構成、構造、動作について、限定されるものではない。
また、摩擦圧接する被接合部材２１、２２、３１、３２
の形状、材質等について、種々変更可能である。また、
主軸１５、３５の回転によって第二の被接合部材２１、
３１を回転させ、第一の被接合部材２２、３２をクラン
プ装置４で固定したが、例えば被接合部材２１、２２、
３１、３２を回転させてもよく、被接合部材２１、２
２、３１、３２の摩擦圧接方法については、種々変更可
能である。また、第一の実施の形態では、２つの扇形状
の凸部１８を用いて第二の被接合部材２１を係合させた
が、第二の被接合部材２１を係合させる凸部１８の形
状、凸部１８の数量や、凸部１８の材質については、種
々変更可能である。また、円筒状の回転部１６、３６、
５６を用いて第二の被接合部材２１、３１、５１と係合
させたが、回転部１６、３６、５６の形状については、
種々変更可能である。また、第一及び第二の実施の形態
では、第二の被接合部材２１、３１に凹部２４、３４が
形成され易くするために、当接部２１ｂ、３１ｂを傾斜
面状に形成したが、当接部の形状については、種々変更
可能である。また、第二の実施の形態では、外周が六角
形状の溝部３９を設け、連続する凸部３８が形成された
回転部３６を用いて、第二の被接合部材３１を係合させ
たが、凸部３８が形成される溝部３９の外周は多角形状
であれば良く、溝部３９の形状については、種々変更可
能である。併せて、第二の被接合部材３１と係合させる
凸部３８の形状、凸部３８の材質については、種々変更
可能である。また、凸部１８、３８を当接部２１ｂ、３
１ｂに食い込ませ、回転部１６、３６と第二の被接合部
材２１、３１を凹部２４、３４で係合させたが、回転部
１６、３６と第二の被接合部材が当接する部位について
は、種々変更可能である。また、第三の実施の形態で
は、２箇の凸部５８を第二の被接合部材２１に係合させ
たが、第二の被接合部材５１を係合させる凸部５８の形
状、凸部５８の数量や、凸部５８の材質については、種
々変更可能である。また、２個の凸部５８を第二の被接
合部材５１に食い込ませ、回転部５６と第二の被接合部
材５１を凹部５４で係合させたが、奥底部５９で回転部
５６と第二の被接合部材が当接する部位、係合方法につ
いては、種々変更可能である。また、被接合部材２１、
２２、３１、３２を摩擦圧接する動作を図５に示すフロ
ーチャート図を用いて説明したが、動作は種々変更可能
である。また、第一の実施の形態では、凸部１８と第二
の被接合部材２１とが当接して、第二の被接合部材２１
に形成されるへこみで、回転部１６の回転力を第二の被
接合部材２１に伝達させたが、へこみは完全な凹型でな
くてもよく、へこみの内周面や外周面で回転部１６の回
転力を第二の被接合部材２１に伝達することができる当
接状態にあれば、凸部１８と第二の被接合部材２１とが
当接する当接形状も凹部２４の概念に含まれる。同様
に、第二の実施の形態では凹部３４の概念に、第三の実
施の形態では凹部５４の概念に含まれる。

【００１７】

【発明の効果】摩擦圧接する度に被接合部材をチャック
や治具に着脱する作業を省くことができる。これによ
り、短時間に被接合部材を摩擦圧接することができる。
また、被接合部材の形状や材質等の制限が少なくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】摩擦圧接装置の一実施の形態の断面図である。

【図２】図２ａは凸部を有する回転部を示す断面図であ
り、図２ｂは正面図を示し、図２ｃは斜視図を示す図で
ある。

【図３】図３ａは摩擦圧接前の第二の被接合部材を示す
図であり、図３ｂは第一の被接合部材を示す図である。

【図４】第一の実施の形態で用いる回転部と被接合部材
を係合させた状態を示す図である。

【図５】被接合部材を摩擦圧接させる動作を示すフロー
チャート図である。

【図６】図６ａは第二の実施の形態で用いる、溝部を有
する回転部を示す断面図であり、図６ｂは正面図を示
し、図６ｃは斜視図を示す図である。

【図７】図７ａは摩擦圧接前の第二の被接合部材を示す
図であり、図７ｂは第一の被接合部材を示す図である。

【図８】第二の実施の形態で用いる回転部と被接合部材
を係合させた状態を示す図である。

【図９】図９ａは回転部と被接合部材の係合方法の変形
例を示す断面図であり、図９ｂは回転部の正面図であ
る。

【符号の説明】

１…摩擦圧接装置 ３…テーブル ４…クランプ装置 １１…モータ １５、３５、５５…主軸 １６、３６、５６…回転部 １７、３７、５７…孔 １８、３８、５８…凸部 ２１、３１、５１…第二の被接合部材 ２２、３２…第一の被接合部材 ２４、３４、５４…凹部 ３９…溝部

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第一の被接合部材と第二の被接合部材を
   摩擦圧接させる摩擦圧接方法であって、前記第一及び第
   二の被接合部材の一方を回転させる回転部と前記一方の
   被接合部材を圧接させて前記回転部の回転力を前記一方
   の被接合部材に伝達する伝達部を形成することを特徴と
   する摩擦接接方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の摩擦圧接方法であっ
   て、前記回転部に形成した凸部によって前記第二の被接
   合部材に前記凸部と係合する凹部を形成することを特徴
   とする摩擦圧接方法。
3. 【請求項３】 第一の被接合部材と第二の被接合部材を
   摩擦圧接させる摩擦圧接装置であって、前記第一及び第
   二の被接合部材の一方を回転させる回転部と、前記回転
   部に設けられた凸部とを備え、前記凸部は、前記凸部と
   前記一方の被接合部材を圧接させた時に、前記一方の被
   接合部材に前記凸部と係合する伝達部を形成可能に構成
   されていることを特徴とする摩擦圧接装置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の摩擦圧接装置であっ
   て、前記回転部には複数の凸部が設けられていることを
   特徴とする摩擦圧接装置。
5. 【請求項５】 請求項３に記載の摩擦圧接装置であっ
   て、凸部の外周あるいは内周が多角形に形成されている
   ことを特徴とする摩擦圧接装置。