JP2013202629A - 摩擦撹拌接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 プローブと固定式ショルダーのワークに対する押し圧を適正にする。
【解決手段】 すみ肉接合用のワーク４ａと４ｂを保持するＸ軸テーブル９を跨ぐ門型フレーム１２に、Ｚ軸テーブルとなるプローブ移動機構７を設け、それにＹ軸テーブル１０を介して主軸ユニット３２を取り付ける。主軸ユニット３２には、別のＺ軸テーブルとなるショルダー移動機構８を取り付ける。プローブ２と、下端部を２つのワーク接触面によるＶ字形状としてプローブ２の基端側外周位置に配置した固定式ショルダー３とからなる摩擦撹拌接合ツール１は、プローブ２を主軸ユニット３２の回転駆動軸４２に接続し、固定式ショルダー３はショルダー移動機構８に連結アーム５４介して取り付ける。ワーク４ａと４ｂの摩擦撹拌接合の施工時は、プローブ移動機構７とショルダー移動機構８により、プローブ２と固定式ショルダー３の位置や押し圧を独立に制御させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ワークの摩擦撹拌接合に用いる摩擦撹拌接合装置に関するものである。

摩擦撹拌接合は、摩擦撹拌接合ツールに装備されたプローブ（棒状突起物、ピン）を、ワークの接合部に回転させながら押し付けてワーク内に没入させて、該ワークの接合部に摩擦熱を発生させて該接合部を軟化させると共に、上記プローブの回転力により、該プローブの周囲にワークの素材の塑性流動領域を形成させて撹拌混合して、複数のワークを一体に接合する手法である。かかる摩擦撹拌接合は、摩擦撹拌接合時に生じる接合反力が小さいアルミ合金材の薄板（１０ｍｍ以下）の接合を中心に利用されてきている。

摩擦撹拌接合に用いる摩擦撹拌接合ツールは、上記ワークの接合部に没入させるためのプローブの基端側に、該プローブよりも大径としてワークの接合部近傍の表面に接触させるためのショルダーを一体に設けた形式のものが主として用いられていた。

上記摩擦撹拌接合ツールを用いる摩擦撹拌接合装置は、摩擦撹拌接合ツールを回転駆動可能に備えた主軸ユニットと、接合対象のワークとについて、ワークの接合線に沿う方向となるＸ軸方向と、鉛直方向であるＺ軸方向と、上記Ｘ軸方向に直交する水平方向であるＹ軸方向の相対位置を制御する必要があることから、一般に、３軸門型加工機のような装置構成とされていた。

又、摩擦撹拌されたワークの処理部に表面欠陥が発生することの抑制を目的として、たとえば、摩擦撹拌装置が、ピンと、該ピンの回転機構と、上記ピンを被加工物に押し付ける第１の押圧機構と、上記ピンを挿入するための挿入孔を備えた治具と、該治具を被加工物に摺動可能に押し付ける第２の押圧機構と、押圧制御部とを備えた構成とする。且つ、上記押圧制御部は、上記回転機構により回転するピンの先端部が上記第１の押圧機構により被加工物に没入されている状態から、上記ピン及び治具と、被加工物とを相対的に移動させながら、上記ピンの先端部が徐々に被加工物から引き抜かれるように上記第１の押圧機構を制御する機能を備えたものとすることが従来提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

ところで、摩擦撹拌接合は、当初、ワークの接合部が平坦な場合に適用されていたが、近年、ワークのすみ肉の接合について摩擦撹拌接合を適用することが提案されてきている（たとえば、特許文献２参照）。

特開２００９−１４２８４５号公報 特許第４２４０５７９号公報

ところが、特許文献２に示されたワークのすみ肉の接合に摩擦撹拌接合を適用する手法は、プローブ（プローブ本体）と、該プローブの基端側の外周に配置した固定式（不回転）のショルダー（押さえブロック）とからなる摩擦撹拌接合ツールを用いるようにしてあるが、該摩擦撹拌接合ツールは、上記プローブと上記固定式のショルダーが一緒に上下動するようにしてあると共に、上記プローブのワークに対する押し付けに伴って、上記ショルダーがワークに対して押し付けられる構成となっている。そのために、以下のような問題が生じる。

すなわち、上記プローブをワークに没入させるのは、ワークの接合部で軟化させたワークの素材を撹拌するためであり、一方、上記固定式のショルダーをワークの表面に押し付けるのは、上記ワークの接合部でプローブにより撹拌される軟化したワークの素材が外にはみ出さないように該ワークの面を押して成形するためである。したがって、上記プローブをワークに対して押し付けることと、上記固定式のショルダーをワークに対して押し付けることでは、目的が全く異なり、それぞれの目的に応じた適正な押し圧は相違する。しかし、上記特許文献２に示されたものでは、上記プローブの押し圧と、上記固定式のショルダーの押し圧の双方を適正に設定することは困難である。

更に、上記特許文献２に示された摩擦撹拌接合ツールは、プローブと、上記固定式のショルダーとの高さ方向（プローブの軸心方向）の位置関係が不変である。

このため、上記特許文献２に示されたものでは、ワークの摩擦撹拌接合の施工に必要な力と位置とのバランスをとる必要があり、施工裕度が小さくなってしまう。

又、ワークのすみ肉の摩擦撹拌接合を行うときには、上記固定式のショルダーを、ワークの接合線を挟んだ２つの面に接触させる必要があるが、該固定式のショルダーに、上記ワークの２つの面に対する片当りが生じると、該片当りした個所で押し圧が費やされることで、上記ワークに没入させるために上記プローブに作用させている押し圧が変化してしまう虞がある。更には、上記固定式のショルダーのワークに対する片当りによって、上記プローブが押し戻されて、摩擦撹拌接合の施工中にワークに没入させているプローブの位置を保持できなくなる虞もある。

更に、ワークの厚みの全体に亘って良好な摩擦撹拌接合を実施するためには、該ワークの厚みに応じて、該ワークに対して没入させるプローブの没入量（摩擦撹拌高さ）を変化させる必要がある。しかし、上記特許文献２に示されたものでは、プローブと固定式のショルダーの位置関係が不変であるため、厚みの異なるワークの摩擦撹拌接合を行うためには、それぞれのワークの厚みに応じた別の摩擦撹拌接合ツールを用意する必要が生じてしまう。

なお、特許文献１に示されたものは、摩擦撹拌接合の処理が終了した後、第２の押圧機構によって治具を被加工物に押し付けて摺動させた状態で、第１の押圧機構により、上記治具の挿入孔の内側に配置されているピンを回転させたまま上記被加工物より徐々に引き抜くことで、該被加工物における上記ピンを引き抜いた部分に穴（キーホール）が形成されることを防ぐためのものにすぎない。

したがって、上記特許文献１に示されたものは、ワークのすみ肉の摩擦撹拌接合を行う場合に従来生じていた上述したような各問題を解決できるものではない。

そこで、本発明は、ワークのすみ肉の摩擦撹拌接合を行う際に、摩擦撹拌接合ツールにおけるプローブの押し圧及び位置と、ショルダーの押し圧及び位置とを個別に設定することができて、プローブの没入によるワーク内部の撹拌と、ショルダーによるワークの面の成形とを効率よく且つ良好に行うことができる摩擦撹拌接合装置を提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、請求項１に対応して、回転駆動可能なプローブと、該プローブの基端側の外周に配置した固定式ショルダーとを備えた摩擦撹拌接合ツールを有する摩擦撹拌接合装置において、上記固定式ショルダーを、すみ肉接合対象のワークの接合線を挟んだ傾斜面にそれぞれ接触させるための２つのワーク接触面による下端部を備えてなる構成とし、且つ、上記プローブのワークの接合線に直交する一方向の移動を制御するためのプローブ移動機構と、上記固定式ショルダーの上記プローブの移動方向と同一の方向の移動を制御するためのショルダー移動機構とを、別体として備えてなる構成を有する摩擦撹拌接合装置とする。

又、上記構成において、プローブ移動機構とショルダー移動機構に、プローブと固定式ショルダーを独立して位置制御及び押し圧制御する機能を備えるようにした構成とする。

更に、上記各構成において、プローブ移動機構とショルダー移動機構を、摩擦撹拌接合ツールを挟んで互いに対向するように配置させるようにした構成とする。

更に又、上記各構成において、プローブ移動機構に、ショルダー移動機構を保持させて、プローブ移動機構によるプローブの移動と一緒に上記ショルダー移動機構を移動させることができるようにした構成とする。

本発明の摩擦撹拌接合装置によれば、以下のような優れた効果を発揮する。
（１）回転駆動可能なプローブと、該プローブの基端側の外周に配置した固定式ショルダーとを備えた摩擦撹拌接合ツールを有する摩擦撹拌接合装置において、上記固定式ショルダーを、すみ肉接合対象のワークの接合線を挟んだ傾斜面にそれぞれ接触させるための２つのワーク接触面による下端部を備えてなる構成とし、且つ、上記プローブのワークの接合線に直交する一方向の移動を制御するためのプローブ移動機構と、上記固定式ショルダーの上記プローブの移動方向と同一の方向の移動を制御するためのショルダー移動機構とを、別体として備えてなる構成としてあるので、ワークの接合線の位置でのすみ肉の摩擦撹拌接合を行うことができる。
（２）又、ワークとの摩擦撹拌接合を、施工状態を安定させた状態で実施することができる。
（３）ワークのすみ肉の摩擦撹拌接合時に、固定式ショルダーのワークに対する片当りが生じたとしても、摩擦撹拌接合の施工状態が影響を受けて悪化することを防止できる。
（４）したがって、摩擦撹拌接合により製造する製品の品質の向上化を図ることができる。
（５）固定式ショルダーより突出させるプローブの突出量を変化させることができるため、摩擦撹拌接合ツールを交換することなく、様々な厚み、様々な素材のワークの摩擦撹拌接合に容易に適用することができる。

本発明の摩擦撹拌接合装置の実施の一形態を示す切断概略側面図である。 図１のＡ−Ａ方向矢視図である。 図１の摩擦撹拌接合装置の摩擦撹拌接合ツールを拡大して示すもので、（ａ）は切断正面図、（ｂ）は側面図である。 本発明の実施の他の形態として、ワークの保持に用いる治具の別の例を示す概略正面図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。

図１乃至図３（ａ）（ｂ）は本発明の摩擦撹拌接合装置の実施の一形態を示すものである。

すなわち、本発明の摩擦撹拌接合装置は、回転駆動可能なプローブ２と、該プローブ２の基端側の外周に配置した固定式（不回転）のショルダー３とからなる摩擦撹拌接合ツール１を備える。

且つ、本発明の摩擦撹拌接合装置は、上記摩擦撹拌接合ツール１におけるプローブ２を、摩擦撹拌接合の接合対象となるワーク４ａと４ｂの接合線５の延びる方向としてのＸ軸方向に対して直交する一方向であるＺ軸方向に沿って移動させるための第１のＺ軸テーブルであるプローブ移動機構７と、上記固定式ショルダー３を上記Ｚ軸方向に沿って移動させるための第２のＺ軸テーブルであるショルダー移動機構８とを別体として具備し、更に、上記プローブ２及び固定式ショルダー３を一緒にワーク４ａと４ｂに対して上記Ｘ軸方向に沿って相対移動させるためのＸ軸テーブル９と、上記プローブ２及び固定式ショルダー３を一緒に上記Ｘ軸方向及びＺ軸方向に直交するＹ軸方向に移動させるためのＹ軸テーブル１０とからなる構成の主軸位置決め機構６を備える。

上記摩擦撹拌接合ツール１のプローブ２と固定式ショルダー３は、上記主軸位置決め機構６におけるプローブ移動機構７と、ショルダー移動機構８に個別に取り付けた構成としてある。

詳述すると、上記主軸位置決め機構６は、たとえば、図１及び図２に示すように、上記Ｘ軸方向とＹ軸方向を水平面内に配置し、上記Ｚ軸方向を鉛直方向として、水平な架台１１上に、すみ肉（内すみ）の接合対象となるワーク４ａと４ｂを載置して接合線５（図３（ａ）（ｂ）参照）の延びる方向に沿って移動させる形式の上記Ｘ軸テーブル９を設け、該Ｘ軸テーブル９を跨ぐ門型フレーム１２に、上記プローブ移動機構７、ショルダー移動機構８及びＹ軸テーブル１０を取り付けて支持させた３軸門型としてある。

上記Ｘ軸テーブル９は、上記Ｘ軸方向に延びるように上記架台１１上に設けたガイドレール１３と、水平な平板状として上記ガイドレール１３にガイドブロック１４を介してスライド自在に取り付けたＸ軸テーブル本体１５と、該Ｘ軸テーブル本体１５を上記ガイドレール１３の長手方向に移動させるためのＸ軸方向の直動機構としてのボールねじ直動機構１６とから構成されている。

上記ボールねじ直動機構１６は、サーボモータ１７と、その出力側に取り付けた減速機１８と、該減速機１８の出力側に連結したねじ軸１９と、該ねじ軸１９に取り付けたナット部材２０とを備えた構成とされている。

更に、上記ボールねじ直動機構１６は、上記架台１１上における上記Ｘ軸テーブル本体１５との間となる個所に、上記ねじ軸１９が上記ガイドレール１３と平行に延びるようにした姿勢で設置されており、且つ上記ナット部材２０が、上記Ｘ軸テーブル本体１５に、ブラケット２１を介して取り付けられている。

これにより、上記Ｘ軸テーブル９は、上記ボールねじ直動機構１６のサーボモータ１７による上記減速機１８を介したねじ軸１９の回転駆動により、上記ナット部材２０と一緒に上記Ｘ軸テーブル本体１５を、上記Ｘ軸方向に移動させることができるようにしてある。この際、上記Ｘ軸テーブル９では、上記サーボモータ１７の回転量の検出信号、もしくは、リニアゲージや変位センサ等の図示しない位置検出手段による上記ナット部材２０やＸ軸テーブル本体１５の位置の検出信号を基に、後述するように上記Ｘ軸テーブル本体１５の上側に載置して保持させるワーク４ａ，４ｂの位置や移動速度を制御できるようにしてある。

上記Ｘ軸テーブル本体１５の上側には、すみ肉の接合対象となるワーク４ａと４ｂを保持するための治具２２が設置されている。該治具２２は、図３（ａ）に示すように、上記ワーク４ａと４ｂが、接合線５を挟んで傾斜した配置となるように支持して、該ワーク４ａと４ｂを、すみ肉の接合部が上方に開放されたＶ字状となる姿勢で保持するためのものである。

上記治具２２は、たとえば、Ｘ軸テーブル本体１５の上側に設置するための支持ブロック２２ａを備える。該支持ブロック２２ａは、接合対象となるワーク４ａと４ｂの接合線５の長さ寸法に対応する寸法でＸ軸方向に沿って延びる形状としてある。

上記支持ブロック２２ａの上面側には、Ｘ軸方向と直交する幅方向（Ｙ軸方向）の中央部に、Ｖ字状の溝２２ｂが、該支持ブロック２２ａの長手方向（Ｘ軸方向）の全長に亘り設けられている。

更に、上記支持ブロック２２ａは、上記Ｖ字状の溝２２ｂにおける各斜面の上端部に、Ｘ軸方向に所定の配列で、個別の押さえ部材２２ｃを、ボルト２２ｄを介して取り外し可能に取り付けることができるようにした構成としてある。

上記治具２２は、上記Ｖ字状の溝２２ｂの各斜面に沿わせて上記ワーク４ａと４ｂを配置することにより、該Ｖ字状の溝２２ｂの下端部で、該ワーク４ａと４ｂの角継手によるすみ肉の接合部を突き合わせて配置できるようにしてある。更に、この状態で、上記治具２２の溝２２ｂの上端部には、上記ワーク４ａと４ｂを個別に押さえるための各押さえ部材２２ｃを、上記支持ブロック２２ａにボルト２２ｄにより固定する。これにより、上記治具２２は、上記ワーク４ａと４ｂによるすみ肉の接合部の位置を、Ｘ軸方向の全長に亘って保持できるようにしてある。なお、図３（ｂ）では、図示する便宜上、上記治具２２の記載を省略してある。

上記治具２２によるワーク４ａと４ｂの保持は、摩擦撹拌接合に際して、該ワーク４ａと４ｂの接合部に、上記摩擦撹拌接合ツール１を、プローブ２を没入させるような大きな力で押し付けても、上記ワーク４ａと４ｂがずれないように保持できるようにしてあるものとする。

なお、図３（ａ）では、ワーク４ａと４ｂのすみ肉の接合部が角継手の場合を例示したが、すみ肉の接合部は、Ｔ字継手や重ね継手や十字継手であってもよい。これらの場合は、接合線５を挟んで配置されるワーク４ａと４ｂの表面側が共に傾斜面となるように該ワーク４ａと４ｂをそれぞれ配置するときの姿勢に応じて、該ワーク４ａと４ｂを保持するための上記治具２２の形状を適宜変更するようにすればよい。

この際、図３（ａ）に示すように、上記治具２２は、すみ肉の接合対象となるワーク４ａと４ｂを、接合線５を挟んで配置される該ワーク４ａと４ｂの表面側が共に鉛直方向に対し等しい傾斜角度の傾斜面となる姿勢で保持できるようにすることが好ましい。しかし、上記ワーク４ａと４ｂをすみ肉接合する継手の形状や配置によっては、上記治具２２は、接合線５を挟んで配置されるワーク４ａと４ｂの表面側が鉛直方向に対して互いに異なる傾斜角度となるように保持するようにしたものとしてもよいことは勿論である。

上記門型フレーム１２には、第１のＺ軸テーブルとなる上記プローブ移動機構７が取り付けられている。

上記プローブ移動機構７は、上記門型フレーム１２に設置した鉛直方向（Ｚ軸方向）のガイドレール２３と、上記Ｘ軸方向に垂直な鉛直面に沿う平板状として上記ガイドレール２３にガイドブロック２４を介してスライド自在に取り付けた移動テーブル本体２５と、該移動テーブル本体２５を上記ガイドレール２３の長手方向に移動させるためのＺ軸方向の直動機構としてのボールねじ直動機構２６とから構成されている。

上記ボールねじ直動機構２６は、サーボモータ２７と、その出力側に取り付けた減速機２８と、該減速機２８の出力側に連結したねじ軸２９と、該ねじ軸２９に取り付けたナット部材３０とを備えた構成とされている。

更に、上記ボールねじ直動機構２６は、上記門型フレーム１２の上記プローブ移動機構７の設置側の面における上記移動テーブル本体２５との間となる個所に、上記ねじ軸２９が上記ガイドレール２３と平行に延びるようにした姿勢で設置されており、且つ上記ナット部材３０が、上記移動テーブル本体２５に、ブラケット３１を介して取り付けられている。

これにより、上記プローブ移動機構７は、上記ボールねじ直動機構２６のサーボモータ２７による上記減速機２８を介したねじ軸２９の回転駆動により、上記ナット部材３０と一緒に上記移動テーブル本体２５を、Ｚ軸方向に移動、すなわち、昇降動作させることができるようにしてある。この際、上記プローブ移動機構７では、上記サーボモータ２７の回転量の検出信号、もしくは、リニアゲージや変位センサ等の図示しない位置検出手段による上記ナット部材３０や移動テーブル本体２５の位置の検出信号を基に、後述するように上記移動テーブル本体２５にＹ軸テーブル１０を介して保持される主軸ユニット３２を上下方向へ移動させて、該主軸ユニット３２の先端（下端）に取り付けられる上記プローブ２のＺ軸方向の位置（上下方向位置）を制御できるようにしてある。

更に、上記プローブ移動機構７では、上記ボールねじ直動機構２６におけるナット部材３０と、移動テーブル本体２５に固定されているブラケット３１との間に、ロードセル等の図示しない荷重計測手段を介装して備える。これにより、該プローブ移動機構７は、上記プローブ２をワーク４ａと４ｂの接合部に押し付けるときに、上記図示しない荷重計測手段によって計測される上記プローブ２のワーク４ａと４ｂの接合部に対する押し圧の計測信号を基に、上記サーボモータ２７の動作を制御して、該プローブ２のワーク４ａと４ｂの接合部に対する押し圧を制御できるようにしてある。

上記Ｙ軸テーブル１０は、上記移動テーブル本体２５に設置したＹ軸方向のガイドレール３３と、上記Ｘ軸方向に垂直な鉛直面に沿う平板状として上記ガイドレール３３にガイドブロック３４を介してスライド自在に取り付けたＹ軸テーブル本体３５と、該Ｙ軸テーブル本体３５を上記ガイドレール３３の長手方向に移動させるためのＹ軸方向の直動機構としてのボールねじ直動機構３６とから構成されている。

上記ボールねじ直動機構３６は、サーボモータ３７と、その出力側に取り付けた減速機３８と、該減速機３８の出力側に連結したねじ軸３９と、該ねじ軸３９に取り付けたナット部材４０とを備えた構成とされている。

更に、上記ボールねじ直動機構３６は、上記移動テーブル本体２５におけるＹ軸テーブル１０の設置側の面における上記Ｙ軸テーブル本体３５との間となる個所に、上記ねじ軸３９が上記ガイドレール３３と平行に延びるようにした姿勢で設置されており、且つ上記ナット部材４０が、上記Ｙ軸テーブル本体３５に、ブラケット４１を介して取り付けられている。

これにより、上記Ｙ軸テーブル１０は、上記ボールねじ直動機構３６のサーボモータ３７による上記減速機３８を介したねじ軸３９の回転駆動により、上記ナット部材４０と一緒に上記Ｙ軸テーブル本体３５を、Ｙ軸方向、すなわち、上記Ｘ軸テーブル９によるワーク４ａと４ｂの移動方向に直角な水平方向に横行させることができるようにしてある。この際、上記Ｙ軸テーブル１０では、上記サーボモータ３７の回転量の検出信号、もしくは、リニアゲージや変位センサ等の図示しない位置検出手段による上記ナット部材４０やＹ軸テーブル本体３５の位置の検出信号を基に、後述するように上記Ｙ軸テーブル本体３５に保持される主軸ユニット３２をＹ軸方向へ移動させて、該主軸ユニット３２の下端に取り付けられる上記プローブ２のＹ軸方向の位置を制御できるようにしてある。

上記Ｙ軸テーブル本体３５には、上記したように、プローブ２用の回転駆動装置（図示せず）を備えた主軸ユニット３２が取り付けられている。

上記主軸ユニット３２は、下端側に下向きに突出する回転駆動軸（プローブ軸）４２が設けてあり、該回転駆動軸４２の下端に、上記摩擦撹拌接合ツール１のプローブ２の上端側が一体に接続されている。

ここで、上記プローブ２と固定式ショルダー３とからなる摩擦撹拌接合ツール１の構成の詳細について説明する。

上記プローブ２は、軸心方向が上下方向となるように配置されていて、その上端に、上記したように、主軸ユニット３２の回転駆動軸４２が一体に接続されている。これにより、上記主軸ユニット３２の回転駆動装置より上記回転駆動軸４２を介して伝えられる回転駆動力により、上記プローブ２を回転駆動できるようにしてある。

上記固定式ショルダー３は、下端部が、２つのワーク接触面４３ａと４３ｂとからなるＶ字形状としてＸ軸方向に沿って延びる形状としてある。上記ワーク接触面４３ａと４３ｂは、上記Ｘ軸テーブル９上の治具２２に保持されたワーク４ａと４ｂの表面側の傾斜面に接触するような傾斜角度となるようにしてある。

更に、上記固定式ショルダー３には、長手方向（Ｘ軸方向）の中間部に、プローブ挿通孔４４が、上下方向に貫通して設けられた構成としてある。該プローブ挿通孔４４は、プローブ２を挿通する部分と回転駆動軸４２を挿通する部分を有し、プローブ２を挿通する部分の下端側の開口の中心位置が、上記固定式ショルダー３の下端部の２つのワーク接触面４３ａと４３ｂが合わさるＶ字形状の頂点に対応するように設けられている。これにより、上記プローブ挿通孔４４の回転駆動軸４２の挿通部に、上記回転駆動軸４２を挿通配置させて、上記プローブ２がプローブ挿通孔４４より下方に突出するように配置させることができるようにしてある。更に、この状態で、上記固定式ショルダー３は、上記プローブ２及び回転駆動軸４２に対して、軸心方向へ所定の範囲寸法でスライドさせることができるようにしてある。

したがって、上記摩擦撹拌接合ツール１は、上記固定式ショルダー３の各ワーク接触面４３ａと４３ｂを、上記Ｘ軸テーブル９上に治具２２を介して保持されたワーク４ａと４ｂの接合線５を挟んで配置される面にそれぞれ押し当てるようにして接触させることができるようにしてある。これにより、上記摩擦撹拌接合ツール１は、上記固定式ショルダー３の下端部のＶ字形状の頂点を、ワーク４ａと４ｂの間の接合線５の位置に合わせて配置することができるようにしてあり、この状態の該固定式ショルダー３のプローブ挿通孔４４より下方に突出させる上記プローブ２についても、上記ワーク４ａと４ｂの接合線５の位置に配置させることができるようにしてある。

上記構成としてある摩擦撹拌接合ツール１の固定式ショルダー３を保持させるためのショルダー移動機構８は、上記主軸ユニット３２における上記プローブ移動機構７が配置されている側と反対側の側面に設けられている。

上記ショルダー移動機構８は、第２のＺ軸テーブルとなるもので、上記主軸ユニット３２の側面に設置した鉛直方向（Ｚ軸方向）のガイドレール４５と、上記Ｘ軸方向に垂直な鉛直面に沿う平板状として上記ガイドレール４５にガイドブロック４６を介してスライド自在に取り付けたテーブル本体４７と、該テーブル本体４７を上記ガイドレール４５の長手方向に移動させるためのＺ軸方向の直動機構としてのボールねじ直動機構４８とから構成されている。

上記ボールねじ直動機構４８は、サーボモータ４９と、その出力側に取り付けた減速機５０と、該減速機５０の出力側に連結したねじ軸５１と、該ねじ軸５１に取り付けたナット部材５２とを備えた構成とされている。

更に、上記ボールねじ直動機構４８の減速機５０は、上記主軸ユニット３２の上記所定の側面に、上記ねじ軸５１が上記ガイドレール４５と平行に延びるようにした姿勢で、上記テーブル本体４７と干渉しない位置に設置されており、且つ上記ナット部材５２は、上記テーブル本体４７に、ブラケット５３を介して取り付けられている。

更に、上記ショルダー移動機構８における上記テーブル本体４７には、上記主軸ユニット３２の下端側に配置されている上記摩擦撹拌接合ツール１に対応する位置まで延びる連結アーム５４、たとえば、図１に示すように、略Ｌ字状の連結アーム５４の上端側の一端部が取り付けてあり、該連結アーム５４の他端部に、上記摩擦撹拌接合ツール１にて上記プローブ２の基端側外周位置に配置されている上記固定式ショルダー３の上端部が固定された構成としてある。

これにより、上記ショルダー移動機構８は、上記ボールねじ直動機構４８のサーボモータ４９による上記減速機５０を介したねじ軸５１の回転駆動により、上記ナット部材５２と一緒に上記テーブル本体４７を、Ｚ軸方向に移動、すなわち、昇降動作させることができるようにしてある。この際、上記ショルダー移動機構８では、上記サーボモータ４９の回転量の検出信号、もしくは、リニアゲージや変位センサ等の図示しない位置検出手段による上記ナット部材５２やテーブル本体４７の位置の検出信号を基に、上記テーブル本体４７に連結アーム５４を介して取り付けてある上記固定式ショルダー３を上下方向へ移動させて、該固定式ショルダー３のＺ軸方向の位置（上下方向位置）を、上記プローブ２とは独立させて制御できるようにしてある。

更に、上記ショルダー移動機構８では、上記ボールねじ直動機構４８におけるナット部材５２と、テーブル本体４７に固定されているブラケット５３との間に、ロードセル等の図示しない荷重計測手段を介装して備える。これにより、該ショルダー移動機構８は、上記固定式ショルダー３をワーク４ａと４ｂの接合部に押し付けるときに、上記図示しない荷重計測手段によって計測される上記固定式ショルダー３のワーク４ａと４ｂの接合部に対する押し圧の計測信号を基に、上記サーボモータ４９の動作を制御して、該固定式ショルダー３のワーク４ａと４ｂの接合部に対する押し圧を制御できるようにしてある。

以上の構成としてある本発明の摩擦撹拌接合装置を使用する場合は、先ず、図１、図２及び図３（ａ）に示すように、Ｘ軸テーブル９上に、ワーク４ａと４ｂを、治具２２を介して保持させる。

次に、上記摩擦撹拌接合ツール１は、上記主軸位置決め機構６におけるプローブ移動機構７とＹ軸テーブル１０により、上記Ｘ軸テーブル９上に保持されたワーク４ａと４ｂの位置に応じたＺ軸方向位置及びＹ軸方向位置に配置させる。

この際、上記摩擦撹拌接合ツール１の固定式ショルダー３を保持するショルダー移動機構８は、上記プローブ２を保持する主軸ユニット３２に取り付けてあるため、上記主軸ユニット３２の下端側に取り付けてある上記プローブ２と、ショルダー移動機構８に保持させてある上記固定式ショルダー３は、共通のＹ軸テーブル１０の動作により、Ｙ軸方向に一緒に移動させて、上記プローブ２及び固定式ショルダー３を、上記ワーク４ａと４ｂの接合線５の位置に対応するＹ軸方向位置に位置合わせすることができる。

この状態で、上記プローブ移動機構７による位置決め制御により、上記プローブ２を、上記ワーク４ａと４ｂの接合線５における摩擦撹拌接合開始側となる一端側の近傍位置に配置させると共に、上記ショルダー移動機構８による位置決め制御により、上記固定式ショルダー３を、２つのワーク接触面４３ａと４３ｂの双方が上記ワーク４ａと４ｂの対応する面に接触して、該固定式ショルダー３の下端部のＶ字形状の頂点が、上記ワーク４ａと４ｂの接合線５の一端部の上側に接するように配置させる。

次に、上記プローブ移動機構７と上記ショルダー移動機構８は、それぞれ押し圧制御又は位置決め制御のうちの所望する制御モードに設定する。ここでは、たとえば、上記プローブ移動機構７とショルダー移動機構８を、共に押し圧制御に設定する。

その後、本発明の摩擦撹拌接合装置では、上記主軸ユニット３２により摩擦撹拌接合ツール１のプローブ２の回転を開始させてから、上記Ｘ軸テーブル９の動作を開始させて、該Ｘ軸テーブル９上のワーク４ａと４ｂを、Ｘ軸方向に沿って上記摩擦撹拌接合ツール１の側へ移動させるようにする。

これにより、上記回転駆動されたプローブ２が、上記ワーク４ａと４ｂの接合線５の位置へ没入されるようになるため、上記ワーク４ａと４ｂの摩擦撹拌接合が開始され、その後、上記Ｘ軸テーブル９の動作による上記ワーク４ａと４ｂのＸ軸方向に沿う移動を継続させることで、該ワーク４ａと４ｂの上記接合線５に沿う摩擦撹拌接合が進行するようになる。

この際、上記プローブ２は、上記プローブ移動機構７により、ワーク４ａと４ｂの接合部に対して、該接合部で軟化させる該ワーク４ａと４ｂの素材を撹拌するのに適正な押し圧で押し付けることができる。一方、上記固定式ショルダー３は、上記ショルダー移動機構８により、ワーク４ａと４ｂの接合部に対して、上記接合部でプローブ２により撹拌される軟化したワーク４ａと４ｂの素材が該ワーク４ａと４ｂの表面より外にはみ出さないように成形するのに適正な押し圧で押し付けることができる。

更に、上記固定式ショルダー３のワーク接触面４３ａと４３ｂのいずれか一方が、ワーク４ａと４ｂの対応する面に片当りする場合であっても、上記プローブ２のワーク４ａと４ｂに対する押し圧が変化したり、該プローブ２の位置が保持できなくなる虞を解消することができる。

したがって、上記プローブ２と固定式ショルダー３からなる上記摩擦撹拌接合ツール１により施工するワーク４ａと４ｂの摩擦撹拌接合は、施工状態を安定化させることができる。

上記ワーク４ａと４ｂの接合線５の全長に亘る摩擦撹拌接合を施工させた後は、上記プローブ移動機構７及びショルダー移動機構８を共に位置制御モードに設定して、上記プローブ２及び固定式ショルダー３を、上記主軸ユニット３２と共に、摩擦撹拌接合されたワーク４ａと４ｂと干渉しない位置まで退避させて、該ワーク４ａと４ｂのはね出し等を行うようにすればよい。

なお、上記おいては、摩擦撹拌接合の施工の際に、プローブ２及び固定式ショルダー３を、プローブ移動機構７及びショルダー移動機構８により共に押し圧制御する場合について説明したが、摩擦撹拌接合の施工時に、上記プローブ２と固定式ショルダー３のいずれか一方、又は、双方を、対応するプローブ移動機構７とショルダー移動機構８により位置制御するようにしてもよい。

このようにしても、本発明の摩擦撹拌接合装置では、摩擦撹拌接合の施工中に、プローブ２と固定式ショルダー３を独立してそれぞれ適正な状態に維持することができると共に、固定式ショルダー３のワーク４ａと４ｂに対する片当りが生じた場合であっても、それがプローブ２の制御に影響する虞を解消できるため、ワーク４ａと４ｂの摩擦撹拌接合の施工状態を安定化させることができる。

このように、本発明の摩擦撹拌接合装置によれば、ワーク４ａと４ｂの接合線５に沿う位置でのすみ肉の摩擦撹拌接合を行うことができる。

又、上記本発明の摩擦撹拌接合装置は、摩擦撹拌接合を実施する際に、プローブ２の位置及び押し圧と、固定式ショルダー３の位置及び押し圧を、それぞれ適正に制御することができて、ワーク４ａと４ｂの摩擦撹拌接合を、施工状態を安定させた状態で実施することができる。

しかも、上記ワーク４ａと４ｂのすみ肉の摩擦撹拌接合では、上記固定式ショルダー３のワーク４ａと４ｂに対する片当りが生じる虞があるが、該片当りが生じたとしても、摩擦撹拌接合の施工状態が影響を受けて悪化することを防止できる。

したがって、本発明の摩擦撹拌接合装置は、摩擦撹拌接合の施工条件の安定に伴い、摩擦撹拌接合により製造する製品の品質の向上化を図ることが可能になる。

又、本発明の摩擦撹拌接合装置は、上記プローブ移動機構７と上記ショルダー移動機構８による上記プローブ２と固定式ショルダー３の位置制御により、固定式ショルダー３のプローブ挿通孔４４の下方へ突出させるプローブ２の突出量を変化させることができる。
したがって、厚み寸法が異なるワーク４ａと４ｂの摩擦撹拌接合を、摩擦撹拌接合ツール１を交換することなく施工することができる。又、摩擦撹拌接合を行うときには、ワーク４ａと４ｂに対するプローブ２の没入量を自在に変更することができる。したがって、本発明の摩擦撹拌接合装置は、様々な厚み、様々な素材のワーク４ａと４ｂの摩擦撹拌接合に容易に適用することができる。

更に、上記プローブ移動機構７とショルダー移動機構８が、上記摩擦撹拌接合ツール１を間に挟んで互いに対向するように配置されているため、上記プローブ移動機構７がプローブ２をワーク４ａと４ｂに対して押し付けるときの反力によるモーメントの水平方向成分と、上記ショルダー移動機構８が固定式ショルダー３をワーク４ａと４ｂに対して押し付けるときの反力によるモーメントの水平方向成分の向きを、上記摩擦撹拌接合ツール１を中心に互いに対向させることができる。したがって、摩擦撹拌接合の施工時に本発明の摩擦撹拌接合装置全体に作用するモーメントを軽減させることができる。

上記実施の形態では、プローブ移動機構７に、固定式ショルダー３を保持したショルダー移動機構８を、Ｙ軸テーブル１０、及び、プローブ２を備えた主軸ユニット３２を介して支持させる構成としてある。この構成は、通常、プローブ２のワーク４ａと４ｂに対する押し圧が、固定式ショルダー３のワーク４ａと４ｂに対する押し圧よりも大きいために、プローブ移動機構７におけるＺ軸方向の直動機構としてのボールねじ直動機構２６は、ショルダー移動機構８におけるＺ軸方向の直動機構としてのボールねじ直動機構４８よりも出力を大きくする必要があり、上記固定式ショルダー３のプローブ２に追従する移動は、上記出力の大きなプローブ移動機構７のボールねじ直動機構２６によって行わせることができる点や、上記プローブ２と固定式ショルダー３のＹ軸方向の移動を共通のＹ軸テーブル１０で実施できる点から考えると好ましい構成である。

しかし、上記ショルダー移動機構８は、上記プローブ移動機構７とは切り離して設けるようにしてもよい。この場合は、たとえば、上記プローブ移動機構７が取り付けられている門型フレーム１２に対し、上記主軸ユニット３２を挟んで反対側となる位置に、Ｘ軸テーブル９を跨ぐ別の門型フレームを設置して、該別の門型フレームに、上記ショルダー移動機構８を取り付けるようにすればよい。又、この場合は、上記別の門型フレームと上記ショルダー移動機構８との間に、上記Ｙ軸テーブル１０に同期して動作するＹ軸テーブルか、又は、上記ショルダー移動機構８をＹ軸方向に自在に移動できるように保持するためのＹ軸方向のガイド手段を介装させて設けるようにすればよい。

なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、プローブ移動機構７とショルダー移動機構８における各Ｚ軸方向の直動機構は、それぞれのＺ軸方向の移動対象であるプローブ２とその関連機器や、固定式ショルダー３とその関連機器をＺ軸方向に移動させることができるようにしてあれば、台形ねじによる直動機構や、落下防止策を講じたラックとピニオンによる直動機構、更には、油圧シリンダーによる直動機構等、ボールねじ直動機構２６，４８以外のいかなる形式の直動機構を採用してもよい。

同様に、Ｙ軸テーブル１０とＸ軸テーブル９に装備する直動機構は、ボールねじ直動機構１６，３６以外のいかなる形式の直動機構を採用してもよい。

プローブ移動機構７とショルダー移動機構８における荷重計測手段は、それぞれ対応するプローブ２や固定式ショルダー３のワーク４ａと４ｂに対する押し圧を計測できるようにしてあれば、設置個所は適宜変更してもよく、又、ロードセル以外の任意の形式の荷重計測手段を採用してもよい。

摩擦撹拌接合ツール１の固定式ショルダー３は、下端部が２つのワーク接触面４３ａと４３ｂとからなるＶ字形状として、すみ肉の接合を行うワーク４ａと４ｂの接合線５を挟んだ傾斜面に沿わせて配置できる形状としてあれば、上部側の形状はいかなる形状であってもよい。

摩擦撹拌接合の施工時に本発明の摩擦撹拌接合装置全体に作用するモーメントを軽減させるという観点から考えると、プローブ移動機構７とショルダー移動機構８は、摩擦撹拌接合ツール１を間に挟んで互いに対向するように配置することが望ましいが、摩擦撹拌接合ツール１を中心とするいかなる方向に、上記プローブ移動機構７とショルダー移動機構８を配置してもよい。

更に、本発明の摩擦撹拌接合装置の応用例として、摩擦撹拌接合ツール１におけるプローブ２の基端側外周位置に配置する固定式ショルダーを、下端部がＶ字形状としてある固定式ショルダー３に代えて、下端部が平面となる固定式ショルダーを用いる構成として、同一平面に配置した２つのワークの突き合わせ端部同士の摩擦撹拌接合を行うときに、個別のプローブ移動機構７とショルダー移動機構８により、プローブ２の位置及び押し圧と、固定式ショルダーの位置及び押し圧を独立して制御させるようにしてもよい。

Ｘ軸テーブル９上に設けてワーク４ａと４ｂを保持するための治具２２は、支持ブロック２２ａのＶ字状の溝２２ｂの各斜面に沿って配置されたワーク４ａと４ｂを、変位を防止して保持できるようにしてあれば、たとえば、図４に示すように、上記Ｖ字状の溝２２ｂの各斜面に沿って配置されたワーク４ａと４ｂの該各斜面の上端側に位置する端面に、押さえ部材２２ｃを押し付けるよう配置した状態で、該押さえ部材２２ｃを、ボルト２２ｄを介して支持ブロック２２ａに固定させる構成としてもよい。更には、ワーク４ａと４ｂの支持ブロック２２ａへの固定は、Ｘ軸方向の所定間隔個所を、図３（ａ）に示した形式の固定手法と、図４に示した形式の固定手法を交互に用いて実施させるようにしてもよく、その他、図示した以外のいかなる形式の固定手法を採用してもよい。

その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 摩擦撹拌接合ツール
２ プローブ
３ 固定式ショルダー
４ａ，４ｂ ワーク
５ 接合線
７ プローブ移動機構
８ ショルダー移動機構
４３ａ，４３ｂ ワーク接触面

Claims (4)

1. 回転駆動可能なプローブと、該プローブの基端側の外周に配置した固定式ショルダーとを備えた摩擦撹拌接合ツールを有する摩擦撹拌接合装置において、
   上記固定式ショルダーを、すみ肉接合対象のワークの接合線を挟んだ傾斜面にそれぞれ接触させるための２つのワーク接触面による下端部を備えてなる構成とし、
   且つ、上記プローブのワークの接合線に直交する一方向の移動を制御するためのプローブ移動機構と、
   上記固定式ショルダーの上記プローブの移動方向と同一の方向の移動を制御するためのショルダー移動機構とを、別体として備えてなる構成
   を有することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
2. プローブ移動機構とショルダー移動機構に、プローブと固定式ショルダーを独立して位置制御及び押し圧制御する機能を備えるようにした請求項１記載の摩擦撹拌接合装置。
3. プローブ移動機構とショルダー移動機構を、摩擦撹拌接合ツールを挟んで互いに対向するように配置させるようにした請求項１又は２記載の摩擦撹拌接合装置。
4. プローブ移動機構に、ショルダー移動機構を保持させて、プローブ移動機構によるプローブの移動と一緒に上記ショルダー移動機構を移動させることができるようにした請求項１、２又は３記載の摩擦撹拌接合装置。

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