JP2014024095A - Friction agitation joining apparatus and friction agitation joining method - Google Patents
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Description
本発明は、接合ツールをワークに押し付けつつ回転させることにより、接合ツールとワークの接触点に摩擦熱を発生させて当該接触点の周囲の材料を軟化させると共に攪拌することでワークを接合する摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法に関するものである。 The present invention generates friction heat at the contact point between the welding tool and the work by rotating the welding tool against the work, softens the material around the contact point, and friction that joins the work by stirring. The present invention relates to a stir welding apparatus and a friction stir welding method.
特許文献1に記載の摩擦攪拌接合装置は、図16に示すように、接合ツール251を水平移動させるオフセット軸255のスライダの上に、接合ツール251をその軸線方向に移動させる加圧軸254が載っており、加圧軸254のスライダの上に接合ツール251をその軸線まわりに回転させる旋回軸253が載っている。また、オフセット軸255の本体部はL字形のアーム250の基端部250aに支持され、アーム250の先端部250bにワーク252が支持され、ワーク252の表面に接合ツール251の先端が対向している。接合ツール251をワーク252に没入させる押し込み動作では、接合ツール251を旋回軸253で回転させながら加圧軸254でワーク252に押し付け、所定の深さまで接合ツール251をワーク252に没入させる。ワーク252に接合ツール251を没入させる際、接合ツール251の先端には反力としてワーク252から加圧力が接合ツール251の中心軸に沿って作用する。なお、押し込み動作においてオフセット軸255は停止している。
As shown in FIG. 16, the friction stir welding apparatus described in
接合ツール251をワーク252の所定深さまで没入後、加圧軸254は停止あるいは加圧保持に伴い微小移動させ、オフセット軸255を駆動して接合ツール251をワーク252の表面方向に移動させるオフセット動作を行う。
After the
また、特許文献2には、接合ツールをワークに押し付けつつ回転させ、さらに軸線と交差する角変位軸線まわりに揺動的に角変位させて攪拌するように構成された摩擦攪拌接合装置が記載されている。
Further,
また、特許文献3には、図17に示すように、L字形のアーム301の基端部301aに接合ヘッド302が固定されており、接合ヘッド302が下降して接合ツール303が、アーム301の先端部301b側に保持されたワーク304に所定の深さまで押し込まれたときに、接合ヘッド302がスイング軸305を支点にして矢印306の方向にスイングするように構成された摩擦攪拌接合装置が記載されている。
Further, in Patent Document 3, as shown in FIG. 17, a joining
ところで、特許文献1〜3に示された摩擦攪拌接合装置では、それぞれ異なった接合態様を実現しているが、機構はそれぞれ異なっており、1つの装置で2つ以上の接合態様を実現することはできなかった。
By the way, in the friction stir welding apparatuses shown in
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、1つ以上の接合態様を実現可能な摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法を提供することにある。 This invention is made | formed in view of the situation mentioned above, The objective is to provide the friction stir welding apparatus and friction stir welding method which can implement | achieve one or more joining aspects.
前述した目的は、以下の態様により達成される。
(1) 接合ツールをワークに押し付けつつ回転させることにより、前記接合ツールと前記ワークの接触点に摩擦熱を発生させて当該接触点の周囲の材料を軟化させると共に攪拌することで前記ワークを接合する摩擦攪拌接合装置であって、
前記接合ツールを前記ワークに接近/離間させる加圧軸と、
前記接合ツールをその中心軸線まわりに回転させる旋回軸と、
前記接合ツールの姿勢を決める2つの支点機構と、を備え、
前記加圧軸は、アームの基端部に結合された本体部と、該本体部に対して前記接合ツールを前記ワークに接近/離間させる方向にスライドする可動部と、を有し、
前記各支点機構は、前記支点軸を一方向に案内する支点案内部と、支点駆動部と、を有し、前記加圧軸の前記可動部に搭載されており、
前記各支点機構の前記支点軸をそれぞれ移動させることにより前記接合ツールの前記中心軸線を移動又は傾斜させ、前記ワークを接合することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
(2) 前記各支点機構の前記支点軸は、支点支持部によって支持されており、
前記支点支持部の一方は、前記支点軸の移動方向に対して直交する方向に延びる長穴であることを特徴とする(1)に記載の摩擦攪拌接合装置。
(3) 前記各支点駆動部は、前記加圧軸の前記可動部とは独立に移動可能であって傾斜面を有する第1ガイドブロックと、前記第1ガイドブロックの前記傾斜面と対向する傾斜面と支点支持部とを有し前記支点案内部に搭載される第2ガイドブロックと、前記傾斜面間に位置する傾斜方向直動案内軸受と、を有し、
前記加圧軸の前記可動部とは独立した前記第1ガイドブロックの移動が前記第2ガイドブロックの前記一方向の移動に変換されることで、前記支点軸を移動させることを特徴とする(1)又は(2)に記載の摩擦攪拌接合装置。
(4) 前記傾斜面の前記第1ガイドブロックの移動方向に対する傾斜角が45°以下であることを特徴とする(3)に記載の摩擦攪拌接合装置。
(5) 互いに直交する2方向をX方向とY方向とすると、前記アームは、前記基端部からX方向に延びる胴部を経て曲がり部を介して先端部に至るL字形またはC字形をなしており、前記基端部と前記胴部と前記先端部とがX−Y平面上に位置するように形成され、前記先端部にワーク支持部が設けられており、
前記加圧軸の前記可動部の移動方向がX方向に設定され、前記支点案内部の案内方向がY方向に設定されていることを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載の摩擦攪拌接合装置。
(6) 前記接合ツールを前記ワークに対して垂直にして又は任意の角度に傾斜させ、前記接合ツールを前記ワークに没入させる押し込み動作を行った後、2つの前記支点軸を同じ距離だけ移動させ前記接合ツールの前記中心軸線を平行移動することによって、前記接合ツールを垂直に保ったまま又は傾斜角度を一定に保ったまま前記接合ツールを前記ワークの表面方向に移動させるオフセット動作を行うことで前記ワークを接合することを特徴とする(1)〜(5)のいずれかに記載の摩擦攪拌接合装置。
(7) 前記接合ツールを前記ワークに対して垂直にして又は任意の角度に傾斜させ、前記接合ツールを前記ワークに没入させる押し込み動作を行った後、1つ又は2つの前記支点軸を移動させ前記接合ツールの前記中心軸線をスイングすることによって、前記接合ツールを前記ワークの表面方向に移動させるスイング動作を行うことで前記ワークを接合することを特徴とする(1)〜(5)のいずれかに記載の摩擦攪拌接合装置。
(8) 前記オフセット動作又は前記スイング動作は、押し込み動作中の、前記アームの変形によって生じる前記アームの先端部の前記支点軸の移動方向への変位と逆方向に前記接合ツールを移動させることを特徴とする(6)又は(7)に記載の摩擦攪拌接合装置。
(9) 前記接合ツールを前記ワークに対して垂直にして又は任意の角度に傾斜させ、前記接合ツールを前記ワークに没入させる押し込み動作を行った後、2つの前記支点軸を結ぶ直線がある点を中心に揺動するように同期して移動させることによって、前記接合ツールを前記ワークの表面方向に揺動させる揺動角変位動作を行うことで前記ワークを接合することを特徴とする(1)〜(5)のいずれかに記載の摩擦攪拌接合装置。
(10) 前記加圧軸に、直動案内軸受のスライダにボールねじナットを形成して該ボールねじナットにボールねじ軸を貫通させたボールねじ一体型直動案内ユニットが用いられていることを特徴とする(1)〜(9)のいずれかに記載の摩擦攪拌接合装置。
(11) 接合ツールをワークに押し付けつつ回転させることにより、前記接合ツールと前記ワークの接触点に摩擦熱を発生させて当該接触点の周囲の材料を軟化させると共に攪拌することで前記ワークを接合する摩擦攪拌接合方法であって、
前記接合ツールは、2つの支点機構によって姿勢が決められるように構成され、
前記接合ツールを前記ワークに対して垂直にして又は任意の角度に傾斜させ、前記接合ツールを前記ワークに没入させる押し込み動作を行った後、前記各支点機構の支点軸をそれぞれ移動させることにより前記接合ツールの前記中心軸線を移動又は傾斜させ、前記ワークを接合することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
(12) 互いに直交する2方向をX方向とY方向とすると、前記ワークを支持するアームは、前記基端部からX方向に延びる胴部を経て曲がり部を介して先端部に至るL字形またはC字形をなしており、前記基端部と前記胴部と前記先端部とがX−Y平面上に位置するように形成され、前記先端部にワーク支持部が設けられており、
前記接合ツールをX方向に移動させて前記押し込み動作を行い、前記押し込み動作を行った後、前記接合ツールをY方向に移動させることを特徴とする(11)に記載の摩擦攪拌接合方法。
(13) 前記押し込み動作を行った後、前記接合ツールを垂直に保ったまま又は傾斜角度を一定に保ったまま前記接合ツールを前記ワークの表面方向に移動させるオフセット動作を行うことで前記ワークを接合することを特徴とする(11)又は(12)に記載の摩擦攪拌接合方法。
(14) 前記押し込み動作を行った後、前記接合ツールを前記ワークの表面方向に移動させるスイング動作を行うことで前記ワークを接合することを特徴とする(11)又は(12)に記載の摩擦攪拌接合方法。
(15) 前記オフセット動作又は前記スイング動作は、押し込み動作中の、前記アームの変形によって生じる前記アームの先端部の前記支点軸の移動方向への変位と逆方向に前記接合ツールを移動させることを特徴とする(13)又は(14)に記載の摩擦攪拌接合方法。
(16) 前記押し込み動作を行った後、2つの前記支点軸を結ぶ直線がある点を中心に揺動するように同期して移動させることによって、前記接合ツールを前記ワークの表面方向に揺動させる揺動角変位動作を行うことで前記ワークを接合することを特徴とする(11)又は(12)に記載の摩擦攪拌接合方法。
The object described above is achieved by the following aspects.
(1) By rotating the welding tool while pressing it against the workpiece, frictional heat is generated at the contact point between the welding tool and the workpiece to soften the material around the contact point and to stir the workpiece by stirring. A friction stir welding apparatus
A pressure shaft for approaching / separating the joining tool from the workpiece;
A pivot for rotating the welding tool about its central axis;
Two fulcrum mechanisms for determining the posture of the welding tool,
The pressure shaft has a main body portion coupled to a base end portion of an arm, and a movable portion that slides in a direction in which the joining tool approaches / separates the workpiece relative to the main body portion,
Each fulcrum mechanism has a fulcrum guide part that guides the fulcrum shaft in one direction, and a fulcrum drive part, and is mounted on the movable part of the pressurizing shaft,
A friction stir welding apparatus for joining the workpieces by moving or tilting the central axis of the welding tool by moving the fulcrum shafts of the fulcrum mechanisms.
(2) The fulcrum shaft of each fulcrum mechanism is supported by a fulcrum support part,
One of the said fulcrum support parts is an elongate hole extended in the direction orthogonal to the moving direction of the said fulcrum axis | shaft, The friction stir welding apparatus as described in (1) characterized by the above-mentioned.
(3) Each said fulcrum drive part can move independently of the said movable part of the said pressurization axis | shaft, and the inclination which opposes the said inclined surface of the said 1st guide block which has an inclined surface, and the said 1st guide block A second guide block having a surface and a fulcrum support portion and mounted on the fulcrum guide portion, and an inclined direction linear motion guide bearing located between the inclined surfaces,
The movement of the first guide block independent of the movable part of the pressurizing shaft is converted into the movement of the second guide block in the one direction, thereby moving the fulcrum shaft. The friction stir welding apparatus according to 1) or (2).
(4) The friction stir welding apparatus according to (3), wherein an inclination angle of the inclined surface with respect to a moving direction of the first guide block is 45 ° or less.
(5) When two directions orthogonal to each other are defined as an X direction and a Y direction, the arm has an L shape or a C shape extending from the base end portion to the distal end portion via a curved portion extending in the X direction. The base end portion, the body portion, and the tip end portion are formed on an XY plane, and a work support portion is provided at the tip end portion.
The moving direction of the movable part of the pressing shaft is set in the X direction, and the guiding direction of the fulcrum guide part is set in the Y direction. Friction stir welding equipment.
(6) The joining tool is inclined perpendicularly to the workpiece or at an arbitrary angle, and after performing a pushing operation to immerse the joining tool into the workpiece, the two fulcrum shafts are moved by the same distance. By translating the central axis of the welding tool, an offset operation is performed to move the welding tool in the direction of the surface of the workpiece while keeping the welding tool vertical or maintaining a constant inclination angle. The friction stir welding apparatus according to any one of (1) to (5), wherein the workpieces are joined.
(7) The joining tool is made perpendicular to the workpiece or inclined at an arbitrary angle, and after performing a pushing operation to immerse the joining tool into the workpiece, one or two fulcrum shafts are moved. Any one of (1) to (5), wherein the workpieces are joined by performing a swing operation in which the joining tool is moved in the surface direction of the workpiece by swinging the central axis of the joining tool. The friction stir welding apparatus according to
(8) In the offset operation or the swing operation, the joining tool is moved in a direction opposite to the displacement in the moving direction of the fulcrum shaft at the tip of the arm caused by the deformation of the arm during the pushing operation. The friction stir welding apparatus according to (6) or (7), which is characterized.
(9) The point where there is a straight line connecting the two fulcrum axes after performing a pushing operation to make the joining tool perpendicular to the workpiece or tilted at an arbitrary angle and immerse the joining tool into the workpiece. The workpieces are joined by performing an oscillating angular displacement operation that causes the joining tool to oscillate in the surface direction of the workpieces by moving them synchronously so as to oscillate around the workpiece (1). The friction stir welding apparatus according to any of (5) to (5).
(10) A ball screw-integrated linear motion guide unit in which a ball screw nut is formed on the slider of the linear motion guide bearing and the ball screw shaft is passed through the pressure shaft is used for the pressure shaft. The friction stir welding apparatus according to any one of (1) to (9).
(11) By rotating the welding tool while pressing the workpiece, frictional heat is generated at the contact point between the welding tool and the workpiece to soften the material around the contact point and stir the workpiece by stirring. A friction stir welding method,
The joining tool is configured such that the posture is determined by two fulcrum mechanisms,
The joining tool is tilted perpendicularly to the workpiece or at an arbitrary angle, and after performing a pushing operation to immerse the joining tool into the workpiece, the fulcrum shafts of the respective fulcrum mechanisms are moved respectively. A friction stir welding method, wherein the workpiece is joined by moving or tilting the central axis of the welding tool.
(12) If two directions orthogonal to each other are defined as an X direction and a Y direction, the arm that supports the workpiece has an L-shape extending from the base end portion to the distal end portion via a bent portion extending in the X direction, or C-shaped, the base end portion, the body portion and the tip end portion are formed so as to be positioned on the XY plane, and a workpiece support portion is provided at the tip end portion,
The friction stir welding method according to (11), wherein the welding tool is moved in the X direction to perform the pushing operation, and after the pushing operation is performed, the welding tool is moved in the Y direction.
(13) After performing the pushing operation, the workpiece is moved by performing an offset operation for moving the welding tool in the surface direction of the workpiece while keeping the welding tool vertical or maintaining a constant inclination angle. The friction stir welding method according to (11) or (12), characterized by joining.
(14) The friction according to (11) or (12), wherein after the pushing operation is performed, the workpiece is joined by performing a swing motion in which the joining tool is moved in the surface direction of the workpiece. Stir welding method.
(15) In the offset operation or the swing operation, the joining tool is moved in a direction opposite to the displacement in the moving direction of the fulcrum shaft of the tip of the arm caused by the deformation of the arm during the pushing operation. The friction stir welding method according to (13) or (14), which is characterized.
(16) After performing the pushing-in operation, the joining tool is swung in the surface direction of the workpiece by moving in a synchronized manner so that the straight line connecting the two fulcrum axes swings around a certain point. The friction stir welding method according to (11) or (12), wherein the workpiece is joined by performing a swing angle displacement operation.
上記(1)に記載の発明によれば、各支点機構の支点軸をそれぞれ移動させることにより接合ツールの中心軸線を移動又は傾斜させることができるので、1つの摩擦攪拌接合装置で複数種類の接合態様を実現することができる。 According to the invention described in (1) above, since the central axis of the welding tool can be moved or inclined by moving the fulcrum shafts of the respective fulcrum mechanisms, a plurality of types of welding can be performed with one friction stir welding device. Aspects can be realized.
また、上記(2)に記載の発明によれば、支点軸の移動方向において2つの支点軸の位置に差が生じると、支点移動方向に対して略直交する方向に支点軸間の距離変化が生じるが、支点軸と嵌合する支点支持部の一方が長穴となっていることでこの距離変化を吸収することができる。 Further, according to the invention described in (2) above, when a difference occurs between the positions of the two fulcrum shafts in the movement direction of the fulcrum shaft, the change in the distance between the fulcrum shafts in a direction substantially orthogonal to the fulcrum movement direction. Although this occurs, this distance change can be absorbed because one of the fulcrum support portions fitted to the fulcrum shaft is a long hole.
また、上記(3)に記載の発明によれば、支点駆動部にクサビ型動作方向変換機構を採用したことにより、旋回軸と加圧軸の間の空間に支点駆動部を配置することが可能であり、摩擦攪拌接合装置の幅を小さくすることができる。 Further, according to the invention described in (3) above, since the wedge-shaped motion direction conversion mechanism is adopted for the fulcrum drive unit, the fulcrum drive unit can be arranged in the space between the turning shaft and the pressure shaft. Thus, the width of the friction stir welding apparatus can be reduced.
また、上記(4)に記載の発明によれば、傾斜面の傾斜角を45°以下にすることで、例えば支点駆動部をボールねじで構成した場合に、ボールねじに作用する荷重をオフセット荷重等に比べて小さくすることができる。従って、ボールねじの寿命延長、又はボールねじを小型化することができる。また、傾斜角を小さくすることで、傾斜方向直動案内軸受に作用する荷重も小さくすることができる。従って、この傾斜方向直動案内軸受の寿命延長、又は傾斜方向直動案内軸受を小型化することができる。 Further, according to the invention described in (4) above, when the inclination angle of the inclined surface is 45 ° or less, for example, when the fulcrum drive unit is configured by a ball screw, the load acting on the ball screw is offset. It can be made smaller than the above. Therefore, it is possible to extend the life of the ball screw or to reduce the size of the ball screw. Further, by reducing the inclination angle, the load acting on the inclination direction linear motion guide bearing can also be reduced. Therefore, it is possible to extend the life of the tilt direction linear motion guide bearing or to reduce the size of the tilt direction linear motion guide bearing.
また、上記(5)に記載の発明によれば、先端部でワークを支持するC字形またはL字形のアームの胴部がX方向に延びていて、アームの基端部と胴部と先端部とがX−Y平面上に位置するように形成され、加圧軸の可動部の移動方向がX方向に設定されると共に、支点案内部の案内方向が、アームの剛性の比較的高いY方向(X−Y平面に垂直な方向における剛性よりもY方向の剛性の方が格段に高い)に設定されているので、オフセット動作、スイング動作若しくは揺動角変位動作中のアームの先端部の変位(オフセット荷重等による変位)を小さく抑えることができ、アームが撓み変形することによるワークの移動量を小さく抑えることができる。従って、ワークの移動量を小さく抑えることによって、ワーク上における接合ツールの移動量とオフセット移動量等との誤差を小さくすることができ、精度の良い接合が可能となる。 According to the invention described in (5) above, the trunk portion of the C-shaped or L-shaped arm that supports the workpiece at the distal end extends in the X direction, and the base end portion, the trunk portion, and the distal end portion of the arm And the moving direction of the movable portion of the pressure shaft is set to the X direction, and the guide direction of the fulcrum guide portion is the Y direction with relatively high arm rigidity. Since the rigidity in the Y direction is much higher than the rigidity in the direction perpendicular to the XY plane, the displacement of the tip of the arm during the offset operation, swing operation or swing angle displacement operation is set. (Displacement due to an offset load or the like) can be kept small, and the amount of movement of the workpiece due to the bending and deformation of the arm can be kept small. Therefore, by suppressing the movement amount of the workpiece to be small, an error between the movement amount of the welding tool on the workpiece and the offset movement amount can be reduced, and high-precision bonding is possible.
また、上記(6)、(7)、(9)に記載の発明によれば、ワークの種類、用途等に応じて最も適した接合態様で接合領域を拡大させつつワークを接合することができる。 In addition, according to the inventions described in the above (6), (7), and (9), the workpieces can be joined while expanding the joining region in the most suitable joining mode depending on the type and application of the workpiece. .
また、上記(8)に記載の発明によれば、押し込み動作中のアームの変形によって生じるアームの先端部のワーク表面方向への変位と逆方向に、オフセット動作又はスイング動作を行うことで、一連の接合動作でワーク支持部とワーク支持部に保持されるワークの移動が小さくなり、ワーク上のツール移動量とオフセット移動量等との誤差を小さくするとともにアームへの負荷を低減することができる。 Further, according to the invention described in (8) above, a series of operations are performed by performing an offset operation or a swing operation in a direction opposite to the displacement of the arm tip portion caused by the deformation of the arm during the pushing operation in the workpiece surface direction. The movement of the workpiece held by the workpiece support portion and the workpiece support portion is reduced by this joining operation, and the error between the tool movement amount on the workpiece and the offset movement amount can be reduced and the load on the arm can be reduced. .
また、上記(10)に記載の発明によれば、加圧軸にボールねじ一体型直動案内ユニットを用いることで、コンパクト化及び軽量化が可能となり、摩擦攪拌接合装置を小型化することができる。従って、摩擦攪拌接合装置をロボットアームに取り付ける際に、ロボットアームのサイズダウンも可能となる。 Further, according to the invention described in (10) above, by using the ball screw integrated linear motion guide unit for the pressure shaft, it becomes possible to reduce the size and weight, and to reduce the size of the friction stir welding apparatus. it can. Therefore, the size of the robot arm can be reduced when the friction stir welding apparatus is attached to the robot arm.
上記(11)に記載の発明によれば、各支点機構の支点軸をそれぞれ移動させることにより接合ツールの中心軸線を移動又は傾斜させることができるので、各支点機構の支点軸の動かし方により複数種類の接合態様を実現することができる。 According to the invention described in (11) above, the center axis of the welding tool can be moved or inclined by moving the fulcrum shafts of the respective fulcrum mechanisms. Various types of joining modes can be realized.
また、上記(12)に記載の発明によれば、先端部でワークを支持するC字形またはL字形のアームの胴部がX方向に延びていて、アームの基端部と胴部と先端部とがX−Y平面上に位置するように形成され、加圧軸の可動部の移動方向がX方向に設定されると共に、支点案内部の案内方向が、アームの剛性の比較的高いY方向(X−Y平面に垂直な方向における剛性よりもY方向の剛性の方が格段に高い)に設定されているので、オフセット動作、スイング動作若しくは揺動角変位動作中のアームの先端部の変位(オフセット荷重等による変位)を小さく抑えることができ、アームが撓み変形することによるワークの移動量を小さく抑えることができる。従って、ワークの移動量を小さく抑えることによって、ワーク上における接合ツールの移動量とオフセット移動量等との誤差を小さくすることができ、精度の良い接合が可能となる。 According to the invention described in (12) above, the body of the C-shaped or L-shaped arm that supports the workpiece at the distal end extends in the X direction, and the proximal end, the trunk, and the distal end of the arm And the moving direction of the movable portion of the pressure shaft is set to the X direction, and the guide direction of the fulcrum guide portion is the Y direction with relatively high arm rigidity. Since the rigidity in the Y direction is much higher than the rigidity in the direction perpendicular to the XY plane, the displacement of the tip of the arm during the offset operation, swing operation or swing angle displacement operation is set. (Displacement due to an offset load or the like) can be kept small, and the amount of movement of the workpiece due to the bending and deformation of the arm can be kept small. Therefore, by suppressing the movement amount of the workpiece to be small, an error between the movement amount of the welding tool on the workpiece and the offset movement amount can be reduced, and high-precision bonding is possible.
また、上記(13)、(14)、(16)に記載の発明によれば、ワークの種類、用途等に応じて最も適した接合態様で接合領域を拡大させつつワークを接合することができる。 In addition, according to the inventions described in the above (13), (14), and (16), the workpieces can be joined while expanding the joining region in the most suitable joining mode according to the type and application of the workpiece. .
また、上記(15)に記載の発明によれば、押し込み動作中のアームの変形によって生じるアームの先端部のワーク表面方向への変位と逆方向に、オフセット動作又はスイング動作を行うことで、一連の接合動作でワーク支持部とワーク支持部に保持されるワークの移動が小さくなり、ワーク上のツール移動量とオフセット移動量等との誤差を小さくするとともにアームへの負荷を低減することができる。 Further, according to the invention described in (15) above, a series of operations are performed by performing an offset operation or a swing operation in a direction opposite to the displacement of the arm tip caused by the deformation of the arm during the pushing operation in the workpiece surface direction. The movement of the workpiece held by the workpiece support portion and the workpiece support portion is reduced by this joining operation, and the error between the tool movement amount on the workpiece and the offset movement amount can be reduced and the load on the arm can be reduced. .
以下、本発明の一実施形態の摩擦攪拌接合装置について図面に基づいて説明する。
図1は本発明の一実施形態の摩擦攪拌接合装置の側面図であり、図2は図1のII方向矢視図であり、図3は加圧軸を構成するボールねじ一体型直動案内ユニットの断面図であり、図4は図1のII方向から見た支点機構の説明図であり、図5は支点機構の支点駆動部の拡大図である。
Hereinafter, a friction stir welding apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 is a side view of a friction stir welding apparatus according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a view taken in the direction of arrow II in FIG. 1, and FIG. 3 is a ball screw integrated linear motion guide constituting a pressure shaft. 4 is a cross-sectional view of the unit, FIG. 4 is an explanatory view of the fulcrum mechanism viewed from the II direction of FIG. 1, and FIG. 5 is an enlarged view of a fulcrum drive unit of the fulcrum mechanism.
図1及び図2に示すように、本実施形態の摩擦攪拌接合装置M1は、摩擦攪拌接合のための接合ツール1をワークに接近/離間させる加圧軸2と、接合ツール1をその中心軸線Qまわりに回転させる旋回軸4と、接合ツール1の姿勢を決める2つの支点機構6A、6B(以下、それぞれの支点機構に言及するときには上側支点機構6A、下側支点機構6Bと呼ぶ。)と、C字形のアーム50と、を備えている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the friction stir welding apparatus M1 of the present embodiment includes a
アーム50は、互いに直交する2方向をX方向とY方向とすると、基端部50aからX方向に延びる胴部50bを経て曲がり部を介して先端部50cに至るC字形をなしており、基端部50aと胴部50bと先端部50cとがX−Y平面上に位置するように形成され、先端部50cの内側にワーク支持部としての裏当て部材52が設けられている。
The
加圧軸2は、アーム50の基端部50aに結合された案内レール(本体部)13と、該案内レール13に沿ってX方向にスライドするスライダ(可動部)14とを有している。加圧軸2のスライダ14には、加圧軸テーブル20が取り付けられている。加圧軸テーブル20は、X方向に延びて加圧軸2のスライダ14に取り付けられる固定部21から開口部22を囲うよう腕部23、23がY方向に延びている。腕部23、23は、固定部21のX方向中間部からY方向に延びている。
The
2つの支点機構6A、6Bは、加圧軸テーブル20を介して加圧軸2のスライダ14に搭載されており、上側支点機構6Aは腕部23、23の上方に位置しており、下側支点機構6Bは腕部23、23の下方に位置しており、腕部23、23に対し上下対称となっている。各支点機構6A、6Bは、後述する支点軸67、67をY方向に案内するY方向直動案内軸受(支点案内部)110と支点駆動部60とを組み合わせたクサビ型動作方向変換機構を採用している。
The two
ここで、加圧軸2には、ボールねじ一体型直動案内ユニット10が用いられている。このボールねじ一体型直動案内ユニット10は、図3に示すように、直動案内軸受11とボールねじ12の組み合わせて構成されている。直動案内軸受11は、断面が略U字状に形成された案内レール13と、案内レール13のU字状の凹部内に配置されたスライダ14と、案内レール13とスライダ14の間に配置された複数の転動体15と、を備えている。案内レール13は、スライダ14と対向配置される各袖部13Aの内側面に転動面16Aを有し、スライダ14は、案内レール13の転動面16Aに対向配置される転動面16Bを有しており、案内レール13の転動面16Aとスライダ14の転動面16Bとの間に転動体(図ではコロ)15が介在され、それにより、スライダ14と案内レール13とが相対的に直線移動可能とされている。
Here, a ball screw integrated linear
この場合、案内レール13の転動面16Aとスライダ14の転動面16Bとの間には、転動体15の移動する転動通路16が、左右それぞれ上下に二列、即ち全体で二対四列形成されている。スライダ14には、転動体15の戻し通路16Dと、戻し通路16Dと転動通路16とを連通する方向転換路(不図示)とが形成され、転動体15が、転動通路16と方向転換路と戻し通路16Dとから構成される無限循環路を循環するようになっている。
In this case, between the rolling
また、ボールねじ12は、案内レール13と平行に形成されたボールねじナット17と、ボールねじナット17を貫通するボールねじ軸18と、ボールねじナット17の螺旋溝とボールねじ軸18の螺旋溝との間に配置された複数のボール19と、を備えている。そして、ボールねじ一体型直動案内ユニット10は、ボールねじ12の要素であるボールねじナット17を直動案内軸受11の要素であるスライダ14に直接形成することにより、ボールねじ12と直動案内軸受11とを一体に備えた機構部品として構成されている。
The ball screw 12 includes a
加圧軸2のスライダ14は、ボールねじ12によって駆動され、加圧軸2のボールねじ12は、ベルト41を介して加圧軸モータ42によって駆動される。
The
各支点機構6A、6BのY方向直動案内軸受110は、図4に示すように、間に空所を隔てて互いに平行に配された2本のレール部113A、113Aを有する案内レール113と、案内レール113の各レール部113A、113Aに案内されてスライドする2つのスライド部114A、114Aを有するスライダ114と、各レール部113A、113Aとスライド部114A、114Aとの間に配置された複数の転動体(不図示)とを備えている。案内レール113は、各レール部113A、113Aが、U字形状の加圧軸テーブル20の両腕部23、23に取り付けられることでY方向に平行に延びている。これら2本のレール部113A、113Aは、後述する旋回軸モータ44の両側に配されている。言い換えると、旋回軸モータ44が2本のレール部113A、113Aの間、即ち加圧軸テーブル20の開口部22に収容されている(図2参照)。
As shown in FIG. 4, the Y-direction linear guide bearing 110 of each
Y方向直動案内軸受110のスライド部114A、114Aには、図5に示すように、各支点機構6A、6Bを構成する支点駆動部60の第2ガイドブロック62の両腕部66、66が取り付けられている。両腕部66、66には、支点軸67、67が支持される長穴68、68が形成されており、この長穴68、68は、Y方向長さよりもX方向長さの方が長く構成されている。支点軸67、67の移動方向(Y方向)において、上側支点機構6Aと下側支点機構6Bの支点軸67,,,67の位置に差が生じると、支点移動方向(Y方向)に対して略直交する方向(X方向)に支点軸間の距離変化が生じるが、長穴68、68によりこの距離変化を吸収することができる。
As shown in FIG. 5, both
上側支点機構6Aと下側支点機構6Bの支点軸67,,,67には、旋回軸ブラケット48を介して、接合ツール1を回転自在に装着したスピンドル30が固定されている。接合ツール1は、旋回軸4を構成するスピンドル30によってツールホルダ35を介して回転自在に保持され、円柱状のツール基部1aと、ツール基部下端面のショルダ部1bから下方に突出するツール基部1aより小さい外径のツールピン1cとを備えて構成されている。スピンドル30は、複数の軸受31と、軸受31を収容するスピンドルハウジング32と、軸受31によって回転可能に保持されたスピンドルシャフト33とによって構成され、スピンドルシャフト33の接合ツール1側には、接合ツール1を着脱可能に保持するツールホルダ35が設けられている。スピンドルシャフト33は、カップリングを介して旋回軸モータ44によって駆動される。
A
続いて、同一構成を有する上側支点機構6Aと下側支点機構6Bについて、上側支点機構6Aを例に図4及び図5を参照しながら詳細に説明する。
上側支点機構6Aの支点駆動部60は、加圧軸2のスライダ14とは独立にX方向に移動可能な第1ガイドブロック61と、Y方向直動案内軸受110のスライド部114A、114Aに搭載される第2ガイドブロック62と、を有する。第1ガイドブロック61は、ボールねじナット63と、ボールねじナット63を貫通しX方向に延びるボールねじ軸64と、ボールねじナット63の螺旋溝とボールねじ軸64の螺旋溝との間に配置された複数のボール(不図示)とを備えたボールねじ65のボールねじナット63に一体に若しくは別体に形成されている。ボールねじ軸64は、加圧軸テーブル20に取り付けられた支点駆動モータ43にベルト46を介して接続されており、支点駆動モータ43によって駆動され第1ガイドブロック61をX方向に移動させる。
Next, the
The
第1ガイドブロック61は、下方先端部がX方向に延びる垂直面61aとX方向に対し傾斜し垂直面61aと鋭角に交わる傾斜面61bとによってクサビ形状をなしている。また、第1ガイドブロック61の傾斜面61bに対向するように、第2ガイドブロック62にも該傾斜面61bと平行に延びる傾斜面62aが形成されて、第1ガイドブロック61と第2ガイドブロック62とが、傾斜面61bと傾斜面62aで対向している。
The
第1ガイドブロック61の傾斜面61bと第2ガイドブロック62の傾斜面62aとの間には、傾斜方向直動案内軸受70が設けられ、案内レール71が第2ガイドブロック62の傾斜面62aに取り付けられ、スライダ72が第1ガイドブロック61の傾斜面61bに取り付けられている。案内レール71とスライダ72との間には、転動体(不図示)が介在され、それにより案内レール71とスライダ72とが相対的に直線移動可能とされている。
An inclined direction linear motion guide bearing 70 is provided between the
また、第1ガイドブロック61の垂直面61aは、X方向に延びる加圧軸テーブル20の固定部21と対向している。第1ガイドブロック61の垂直面61aと加圧軸テーブル20の固定部21との間には、X方向直動案内軸受80が設けられ、案内レール86が加圧軸テーブル20の固定部21に取り付けられ、スライダ87が第1ガイドブロック61の垂直面61aに取り付けられている。案内レール86とスライダ87との間には、転動体(不図示)が介在され、それにより案内レール86とスライダ87とが相対的に直線移動可能とされている。
Further, the
このように構成された上側支点機構6Aは、支点駆動モータ43を駆動してボールねじ軸64を一方向に回転させることで、第1ガイドブロック61がX方向下方に移動する。この際、第2ガイドブロック62はY方向直動案内軸受110によってX方向の移動が規制されY方向に案内されるように支持されているので、第2ガイドブロック62の両腕部66、66(長穴68、68)に支持される支点軸67、67もY方向に沿って加圧軸2から離れる方向、即ち図1の矢印YA方向に移動する。また、反対に、支点駆動モータ43を駆動してボールねじ軸64を逆方向に回転させることで、第2ガイドブロック62の両腕部66、66(長穴68、68)に支持される支点軸67、67もY方向に沿って加圧軸2に近づく、即ち図1の矢印YB方向に移動する。
The
下側支点機構6Bは、上側支点機構6Aと上下対称に配置されており、第1ガイドブロック61は、上方先端部がX方向に延びる垂直面61aとX方向に対し傾斜し垂直面61aと鋭角に交わる傾斜面61bとによってクサビ形状をなしている。第1ガイドブロック61の傾斜面61bと第2ガイドブロック62の傾斜面62aとの間には、傾斜方向直動案内軸受70が設けられ、第1ガイドブロック61の垂直面61aと加圧軸テーブル20の固定部21との間には、X方向直動案内軸受80が設けられている。
The
そして、下側支点機構6Bは、支点駆動モータ43を駆動してボールねじ軸64を一方向に回転させることで、第1ガイドブロック61がX方向上方に移動する。この際、第2ガイドブロック62はY方向直動案内軸受110によってX方向の移動が規制されY方向に案内されるように支持されているので、第2ガイドブロック62の両腕部66、66(長穴68、68)に支持される支点軸67、67もY方向に沿って加圧軸2から離れる方向、即ち図1の矢印YA方向に移動する。また、反対に、支点駆動モータ43を駆動してボールねじ軸64を逆方向に回転させることで、第2ガイドブロック62の両腕部66、66(長穴68、68)に支持される支点軸67、67もY方向で加圧軸2に近づく、即ち図1の矢印YB方向に移動する。
The
上側支点機構6Aと下側支点機構6Bは、それぞれ支点駆動モータ43を有しているので、両方のボールねじ65を独立して制御することができる。また、旋回軸ブラケット48は上方で上側支点機構6Aの支点軸67、67に取り付けられ、下方で下側支点機構6Bの支点軸67、67に取り付けられているので、上側支点機構6Aの支点軸67、67の移動距離と下側支点機構6Bの支点軸67、67の移動距離とを調整することで、旋回軸ブラケット48を介して、接合ツール1の中心軸線Qを移動又は傾斜させることができる。
Since the
図1に戻って、加圧軸2の案内レール13が固定されたアーム50の先端部50cの内側には、加圧力検出手段51及び裏当て部材52が設けられている。そして、接合ツール1と裏当て部材52の間にワークを挟むことで、ワークに対して接合ツール1により加圧力を作用させることができるようになっている。接合するワークは、裏当て部材52上に積層される。
Returning to FIG. 1, a pressure detection means 51 and a
このように構成された摩擦攪拌接合装置M1は、接合ツール1をワーク(不図示)に押し付けつつ回転させることにより、接合ツール1とワークの接触点に摩擦熱を発生させて当該接触点の周囲の材料を軟化させると共に攪拌し、それにより接合ツール1をワークに没入させる押し込み動作と、押し込み動作の後、各支点機構6A、6Bの支点軸67、67をそれぞれ移動させることにより接合ツール1の中心軸線Qを移動又は傾斜させ、ワークを接合するものである。摩擦攪拌接合装置M1では、接合ツール1の中心軸線Qを移動させたり傾斜させたりすることにより、以下で説明するオフセット接合、スイング接合、揺動角変位接合の3種類の接合態様を実現することができる。
The friction stir welding apparatus M1 configured as described above generates frictional heat at the contact point between the
<オフセット接合>
第1の接合態様としてオフセット接合について図6及び図7に基づいて説明する。
先ず、上側支点機構6Aのボールねじ軸64のみを回転させて第1ガイドブロック61をX方向上方に移動させる。これにより、上側支点機構6Aの支点軸67、67が中立位置(上側支点機構6Aと下側支点機構6Bの支点軸67、67がY方向に揃う初期位置)からYB方向に移動する。このとき、下側支点機構6Bのボールねじ軸64は回転していないため下側支点機構6Bの支点軸67、67は中立位置に位置している。これにより、接合ツール1の中心軸線Qが、ワークWに対し直交した状態から上方がYB方向に所定角度だけ回転し傾斜する(図7(a))。このように接合ツール1を傾斜させることにより、オフセット動作時の接合ツール1の進行方向に対して、接合ツール1のショルダ部1bをワークWに対して向い角を持って接触させることができるようになり、それにより、流動化したワークWの材料が、接合ツール1のショルダ部1bに対してクサビ状に流れ込む作用が発生し、加圧軸2を大きく移動することなく、ワークWへの加圧力を保持することができるようになる。
<Offset bonding>
As a first joining mode, offset joining will be described with reference to FIGS.
First, only the
続いて、旋回軸モータ44を駆動することにより接合ツール1を高速回転させ、接合ツール1をワークWに没入させる押し込み動作においては、加圧軸モータ42を駆動し、ベルト41を介して加圧軸2のボールねじ軸18を回転させることにより、加圧軸2のスライダ14を下方に移動させる(図6(a))。加圧軸2のスライダ14を移動させて、スピンドル30と共に接合ツール1をX方向に沿ってワークWに近づく方向に移動させ、高速回転させながらワークWに接合ツール1を押し付けると、その接触点及びその周囲でワークWの材料が軟化し攪拌される。そして、攪拌しながら、所定の深さまで接合ツール1をワークWに没入させる(図6(b))。次に接合ツール1をワークWの所定の深さまで没入後、加圧軸2を停止あるいは加圧保持に伴い微小移動させながら、オフセット動作を行う。
Subsequently, in the push-in operation in which the joining
オフセット動作においては、上側支点機構6Aと下側支点機構6Bの支点駆動モータ43を同方向に同じ回転角となるように駆動し、ベルト46を介してボールねじ軸64を回転させることにより、上側支点機構6Aの第1ガイドブロック61をX方向下方に移動させ、下側支点機構6Bの第1ガイドブロック61をX方向上方に移動させる。これにより、上側支点機構6Aと下側支点機構6Bの支点軸67,,,67がYA方向に同じ距離分移動する(図7(b))。即ち、接合ツール1の中心軸線Qが所定の傾斜角度を保ったまま平行移動する。この動きにより、ワークWに対する接合ツール1の接触点や攪拌領域が移動し、線状にワークWが接合される(図6(c))。所定のオフセット距離を移動した後は、加圧軸2のボールねじ軸64を先程とは逆方向に回転させることにより、接合ツール1をX方向に沿ってワークWから離れる方向に移動させワークWから離脱させる(図6(d))。このように、押し込み動作とオフセット動作により摩擦攪拌接合が行われる。
In the offset operation, the
<スイング接合>
第2の接合態様としてスイング接合について図8及び図9に基づいて説明する。
スイング接合では、接合ツール1の中心軸線QをワークWに対し直交した状態のまま押し込み動作を行う(図9(a))。なお、オフセット接合の場合と同様に、接合ツール1の中心軸線QをワークWに対し直交した状態から上方がYB方向に所定角度だけ傾斜するようにしてもよく、これにより、オフセット接合の場合と同様に、流動化したワークWの材料が、接合ツール1のショルダ部1bに対してクサビ状に流れ込む作用が発生し、加圧軸2を大きく移動することなく、ワークWへの加圧力を保持することができるようになる。
<Swing joint>
Swing joining is demonstrated as a 2nd joining aspect based on FIG.8 and FIG.9.
In swing joining, the pushing operation is performed while the central axis Q of the joining
旋回軸モータ44を駆動することにより接合ツール1を高速回転させ、接合ツール1をワークWに没入させる押し込み動作においては、加圧軸モータ42を駆動し、ベルト41を介して加圧軸2のボールねじ軸18を回転させることにより、加圧軸2のスライダ14を下方に移動させる(図8(a))。加圧軸2のスライダ14を移動させて、スピンドル30と共に接合ツール1をX方向に沿ってワークWに近づく方向に移動させ、高速回転させながらワークWに接合ツール1を押し付けると、その接触点及びその周囲でワークWの材料が軟化し攪拌される。そして、攪拌しながら、所定の深さまで接合ツール1をワークWに没入させる(図8(b))。次に接合ツール1をワークWの所定の深さまで没入後、加圧軸2を加圧保持に伴い微小移動させながら、スイング動作を行う。
In the push-in operation for rotating the
スイング動作においては、上側支点機構6Aのボールねじ軸64のみを回転させて第1ガイドブロック61をX方向上方に移動させる。これにより、上側支点機構6Aの支点軸67、67が中立位置からYB方向に移動する。このとき、下側支点機構6Bのボールねじ軸64は回転していないため下側支点機構6Bの支点軸67、67は中立位置に位置している。これにより、接合ツール1の中心軸線Qが下側支点機構6Bの支点軸67、67を中心にワークWに対し直交した状態から接合ツール1がYA方向に回転する。(図9(b))。この動きにより、ワークWに対する接合ツール1の接触点や攪拌領域が移動し、線状にワークWが接合される(図8(c))。所定角度の回転をした後は、加圧軸2のボールねじ軸64を先程とは逆方向に回転させることにより、接合ツール1をX方向に沿ってワークWから離れる方向に移動させワークWから離脱させる(図8(d))。このように、押し込み動作とスイング動作により摩擦攪拌接合が行われる。
In the swing operation, only the
<揺動角変位接合>
第3の接合態様として揺動角変位接合について図10及び図11に基づいて説明する。
揺動角変位接合では、接合ツール1の中心軸線QをワークWに対し直交した状態のまま押し込み動作を行う。
<Oscillating angular displacement welding>
As a third joining mode, rocking angle displacement joining will be described with reference to FIGS.
In the swing angle displacement joining, the pushing operation is performed with the central axis Q of the joining
旋回軸モータ44を駆動することにより接合ツール1を高速回転させ、接合ツール1をワークWに没入させる押し込み動作においては、加圧軸モータ42を駆動し、ベルト41を介して加圧軸2のボールねじ軸18を回転させることにより、加圧軸2のスライダ14を下方に移動させる(図10(a))。加圧軸2のスライダ14を移動させて、スピンドル30と共に接合ツール1をX方向に沿ってワークWに近づく方向に移動させ、高速回転させながらワークWに接合ツール1を押し付けると、その接触点及びその周囲でワークWの材料が軟化し攪拌される。そして、攪拌しながら、所定の深さまで接合ツール1をワークWに没入させる。次に接合ツール1をワークWの所定の深さまで没入後、加圧軸2を停止あるいは加圧保持に伴い微小移動させながら、揺動角変位動作を行う。
In the push-in operation for rotating the
揺動角変位動作においては、接合ツール1がワークWの所定の深さまで没入した際にツールピン1cとショルダ部1bとの境界部近傍の点S1を通りY方向に引いた線分T1と中立位置にある上側支点機構6Aの支点軸67、67と下側支点機構6Bの支点軸67、67とを結ぶ線分T2との交点S2を中心に線分T2が揺動するように、上側支点機構6Aのボールねじ軸64と下側支点機構6Bのボールねじ軸64を同期駆動する。これにより、接合ツール1の中心軸線Qが点S1を中心に所定の揺動角で揺動する(図11)。この動きにより、ワークWに対する接合ツール1の接触点や攪拌領域が移動し、線状にワークWが接合される(図10(b)、(c))。所定角度の回転をした後は、加圧軸2のボールねじ軸64を先程とは逆方向に回転させることにより、接合ツール1をX方向に沿ってワークWから離れる方向に移動させワークWから離脱させる(図10(d))。このように、押し込み動作と揺動角変位動作により摩擦攪拌接合が行われる。
In the swing angle displacement operation, when the
このように3つの接合態様により摩擦攪拌接合を選択して行うことで、ワークの種類、用途に応じて接合領域を拡大させることによって接合強度を上げることができる。なお、上記した実施形態では、オフセット方向、スイング方向、揺動方向をアーム50の基端部50aと胴部50bと先端部50cとが位置するX−Y平面におけるY方向に設定したが、必ずしもこれに限らず、X−Y平面に直交するZ方向にしてもよい。ただし、Y方向に設定することで以下の効果を有する。
Thus, by selecting and performing friction stir welding by three joining modes, it is possible to increase the joining strength by enlarging the joining region according to the type and application of the workpiece. In the above-described embodiment, the offset direction, the swing direction, and the swing direction are set to the Y direction in the XY plane where the
ここで、具体的な例について考えてみる。例えば、上記実施形態のC字形のアーム50の材質をアルミニウムとした場合、Y方向の剛性が6.3kN/mm、Y方向と直交するZ方向の剛性が0.38kN/mmであった。接合条件にもよるが、オフセット動作中にはワーク接線方向に500N程度の力が作用するので、Z方向にオフセット動作したと仮定すると、ワークが外部の保持装置などによって固定されていない場合には、1.3mmも移動してしまう。これに対し、本実施形態のようにY方向にオフセット動作した場合は、ワークの移動が0.08mmとなり、オフセット量として想定される3mm〜5mmなどの値に対して十分に小さい値に抑えることができることが分かる。
Now consider a specific example. For example, when the material of the C-shaped
よって、オフセット方向をY方向に設定したことによって、アーム50の剛性の高い方向に力がかかることになり、オフセット動作中のアーム50の先端部50cの変位(オフセット荷重による変位)を小さく抑えることができ、アーム50が撓み変形することによるワークの移動量を小さく抑えることができる。従って、ワークの移動量を小さく抑えることができることによって、ワーク上における接合ツールの移動量とオフセット移動量との誤差を小さくすることができ、精度の良い接合が可能となる。このことは、スイング接合及び揺動角変位接合においても同様のことが言える。
Therefore, by setting the offset direction to the Y direction, a force is applied in the direction of high rigidity of the
また、オフセット動作の方向を、図12に矢印YBで示すように、上記実施形態と逆に、Y方向に沿ってアーム50の胴部50bに近づく方向としてもよい。このとき、旋回軸4の傾斜方向も、接合ツール1をオフセット(進行)させる方向であるため、上記実施形態と逆に設定される。
Further, the direction of the offset operation may be a direction approaching the
図13に示すように、押し込み動作中は、裏当て部材52の先端は、加圧軸2の方向(X方向)に作用する加圧力によって、胴部50bと先端部50cをつなぐ曲がり部を支点として反時計回りに回転するように変形するので、押し込み動作前の無負荷状態における裏当て部材52の中心A1に対し、押し込み動作中の負荷状態における裏当て部材52の中心A2は、X方向に沿って基端部50aから離れる方向に移動すると共に、Y方向に沿って胴部50bから離れる方向に移動している。
As shown in FIG. 13, during the pushing-in operation, the tip of the backing
ここで、オフセット動作の方向をY方向に沿って胴部50bに近づく方向、即ち、アーム50の変形によって生じるアーム50の先端部50cのオフセット方向への変位と逆方向とすることで、オフセット荷重がY方向に沿って胴部50bに近づく方向に作用するため、裏当て部材52の先端はY方向に沿って胴部50bに近づく方向に移動し、オフセット動作中のアーム50の先端部50cのオフセット方向に変位が小さくなる(図14参照)。
Here, the offset load is set so that the direction of the offset operation approaches the
このように、押し込み動作中のアーム50の変形によって生じた裏当て部材52のオフセット方向への変位と逆の方向にオフセット動作を行うことにより、一連の接合動作において裏当て部材52及び裏当て部材52に保持されているワークの移動が小さくなり、ワーク上の接合ツール1の移動量とオフセット移動量の誤差を小さくできると共に、ワーク保持機構への負荷を低減することができる。このことは、スイング接合においても同様のことが言える。
Thus, by performing the offset operation in the direction opposite to the displacement of the backing
一方、上記実施形態の摩擦攪拌接合装置M1のように、オフセット方向をY方向に沿って胴部50bから離れるYA方向にすると、オフセット動作中のアーム50の先端部50cのオフセット方向への変位は大きくなる。ただし、この場合であっても、Y方向と直角の方向にオフセット動作する従来の摩擦攪拌接合装置に比べると、格段にワークの移動が小さくなり、ワーク上の接合ツール1の移動量とオフセット移動量の誤差を小さくできると共に、ワーク保持機構への負荷を低減することができる。
On the other hand, as in the friction stir welding apparatus M1 of the above embodiment, when the offset direction is the YA direction away from the
また、第1ガイドブロック61と第2ガイドブロック62との間に介装した傾斜方向直動案内軸受70のX方向に対する傾斜角は、45°以下であることが好ましい。
Moreover, it is preferable that the inclination | tilt angle with respect to the X direction of the inclination direction linear motion guide bearing 70 interposed between the
ここで、図5及び図15を参照しながら、オフセット動作時に上側支点機構6Aの支点駆動部60に作用する力について説明する。
Here, the force that acts on the
傾斜角をγ、オフセット荷重をFY、直動案内荷重をFLとすると、傾斜角γと両荷重との間には(1)式に示す関係式が成立する。
FL/FY=1/cosγ (1)
The inclination angle gamma, the offset load F Y, the linear guide load and F L, between the tilt angle gamma and both load holds the relational expression shown in equation (1).
F L / F Y = 1 / cos γ (1)
また、オフセット荷重FYとボールねじ荷重FBとの間には(2)式に示す関係式が成立する。
FB/FY=tanγ (2)
Also, the relational expression is established as shown in equation (2) between the offset load F Y and the ball screw load F B.
F B / F Y = tan γ (2)
従って、傾斜角γを45°以下することで、上側支点機構6Aのボールねじ65に作用するボーねじ荷重FBをオフセット荷重FYに比べて小さくすることができる。従って、ボールねじ65の寿命延長、又はボールねじ65を小型化することができる。また、図15に示すように、第1ガイドブロック61と第2ガイドブロック62との間に介装した傾斜方向直動案内軸受70においても、傾斜角γを小さくした方が傾斜方向直動案内軸受70に作用する直動案内荷重FLを小さくすることができる。従って、傾斜角γを45°以下することで、この傾斜方向直動案内軸受70の寿命延長、又は傾斜方向直動案内軸受70を小型化することができる。なお、このことは下側支点機構6Bにおいても同様のことが言える。
Therefore, the inclination angle γ by 45 ° or less, can be reduced as compared to bow screw load F B acting on the
また、上記実施形態によれば、加圧軸2にボールねじ一体型直動案内ユニット10を用いたことで、コンパクト化及び軽量化が可能となり、摩擦攪拌接合装置M1を搭載するロボットアームのサイズダウンが可能となる。
In addition, according to the above-described embodiment, the ball screw integrated linear
さらに、各支点機構6A、6Bの支点駆動部60をZ方向から見て旋回軸4と加圧軸2との間に配置することにより摩擦攪拌接合装置M1の幅(Z方向長さ)を小さくすることができる。
Further, by disposing the
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。 In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, A deformation | transformation, improvement, etc. are possible suitably. In addition, the material, shape, dimensions, number, arrangement location, and the like of each component in the above-described embodiment are arbitrary and are not limited as long as the present invention can be achieved.
例えば、上記実施形態では、加圧軸2をボールねじ一体型直動案内ユニット10によって構成したが、独立したボールねじ及び直動案内軸受によって構成してもよい。
For example, in the above embodiment, the
また、上記実施形態では、各転動体としてコロを使用した場合を説明したが、ボールを使用してもよいし、ある直動案内軸受の転動体はコロにし、別の直動案内軸受の転動体はボールにするといった組み合わせにしてもよい。 In the above embodiment, the case where a roller is used as each rolling element has been described. However, a ball may be used, or the rolling element of a certain linear motion guide bearing is a roller, and the rolling element of another linear motion guide bearing is used. The moving body may be a combination such as a ball.
また、上記実施形態では、直動案内軸受11を方向転換路と戻し通路16Dとを備えて転動通路16に転動体15を循環させる方式の直動案内軸受としたが、これに限定されず、転動体15を循環させる機構を備えない非循環方式の直動案内軸受としてもよい。
In the above-described embodiment, the linear motion guide bearing 11 is a linear motion guide bearing having a direction changing path and a
また、上記実施形態では、加圧軸モータ42及び支点駆動モータ43の動力を加圧軸2のボールねじ18及び各支点機構6A、6Bのボールねじ65に伝達する方式にベルト方式を採用していたが、カップリングやギヤを介して直結駆動してもよい。カップリングを介して直結駆動することで、より高応答な制御が可能となる。
In the above embodiment, a belt method is adopted as a method for transmitting the power of the
M1 摩擦攪拌接合装置
1 接合ツール
2 加圧軸
4 旋回軸
6A 上側支点機構(支点機構)
6B 下側支点機構(支点機構)
10 ボールねじ一体型直動案内ユニット
11 直動案内軸受
12 ボールねじ
13 案内レール(本体部)
14 スライダ(可動部)
17 ボールねじナット
18 ボールねじ軸
50 アーム
50a 基端部
50b 胴部
50c 先端部
52 裏当て部材(ワーク支持部)
60 支点駆動部
61 第1ガイドブロック
61b 傾斜面
62 第2ガイドブロック
62a 傾斜面
68 長穴(支点支持部)
70 傾斜方向直動案内軸受
110 Y方向直動案内軸受(支点案内部)
Q 接合ツールの中心軸線
W ワーク
M1 Friction
6B Lower fulcrum mechanism (fulcrum mechanism)
10 Ball Screw Integrated Linear
14 Slider (movable part)
17
60
70 Inclination direction linear motion guide bearing 110 Y direction linear motion guide bearing (fulcrum guide portion)
Q Center axis of welding tool W Workpiece
Claims (16)
前記接合ツールを前記ワークに接近/離間させる加圧軸と、
前記接合ツールをその中心軸線まわりに回転させる旋回軸と、
前記接合ツールの姿勢を決める2つの支点機構と、を備え、
前記加圧軸は、アームの基端部に結合された本体部と、該本体部に対して前記接合ツールを前記ワークに接近/離間させる方向にスライドする可動部と、を有し、
前記各支点機構は、支点軸を一方向に案内する支点案内部と、支点駆動部と、を有し、前記加圧軸の前記可動部に搭載されており、
前記各支点機構の前記支点軸をそれぞれ移動させることにより前記接合ツールの前記中心軸線を移動又は傾斜させ、前記ワークを接合することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。 Friction stirring that joins the workpieces by rotating while pressing the welding tool against the workpiece, generating frictional heat at the contact point between the welding tool and the workpiece, softening and stirring the material around the contact point A joining device,
A pressure shaft for approaching / separating the joining tool from the workpiece;
A pivot for rotating the welding tool about its central axis;
Two fulcrum mechanisms for determining the posture of the welding tool,
The pressure shaft has a main body portion coupled to a base end portion of an arm, and a movable portion that slides in a direction in which the joining tool approaches / separates the workpiece relative to the main body portion,
Each fulcrum mechanism has a fulcrum guide part that guides the fulcrum shaft in one direction, and a fulcrum drive part, and is mounted on the movable part of the pressure shaft,
A friction stir welding apparatus for joining the workpieces by moving or tilting the central axis of the welding tool by moving the fulcrum shafts of the fulcrum mechanisms.
前記支点支持部の一方は、前記支点軸の移動方向に対して直交する方向に延びる長穴であることを特徴とする請求項1に記載の摩擦攪拌接合装置。 The fulcrum shaft of each fulcrum mechanism is supported by a fulcrum support part,
2. The friction stir welding apparatus according to claim 1, wherein one of the fulcrum support portions is a long hole extending in a direction orthogonal to a moving direction of the fulcrum shaft.
前記加圧軸の前記可動部とは独立した前記第1ガイドブロックの移動が前記第2ガイドブロックの前記一方向の移動に変換されることで、前記支点軸を移動させることを特徴とする請求項1又は2に記載の摩擦攪拌接合装置。 Each fulcrum drive unit is movable independently of the movable part of the pressure shaft and has a first guide block having an inclined surface, and an inclined surface and a fulcrum facing the inclined surface of the first guide block. A second guide block having a support portion and mounted on the fulcrum guide portion, and an inclined direction linear motion guide bearing located between the inclined surfaces,
The fulcrum shaft is moved by converting the movement of the first guide block independent of the movable portion of the pressure shaft into the movement of the second guide block in the one direction. Item 3. The friction stir welding apparatus according to Item 1 or 2.
前記加圧軸の前記可動部の移動方向がX方向に設定され、前記支点案内部の案内方向がY方向に設定されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の摩擦攪拌接合装置。 When two directions orthogonal to each other are defined as an X direction and a Y direction, the arm has an L shape or a C shape that extends from the base end portion to the distal end portion via a bent portion extending in the X direction, The base end portion, the body portion, and the tip end portion are formed so as to be positioned on an XY plane, and a work support portion is provided at the tip end portion,
The moving direction of the movable part of the pressure shaft is set in the X direction, and the guiding direction of the fulcrum guide part is set in the Y direction. Friction stir welding equipment.
前記接合ツールは、2つの支点機構によって姿勢が決められるように構成され、
前記接合ツールを前記ワークに対して垂直にして又は任意の角度に傾斜させ、前記接合ツールを前記ワークに没入させる押し込み動作を行った後、前記各支点機構の支点軸をそれぞれ移動させることにより前記接合ツールの前記中心軸線を移動又は傾斜させ、前記ワークを接合することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。 Friction stirring that joins the workpieces by rotating while pressing the welding tool against the workpiece, generating frictional heat at the contact point between the welding tool and the workpiece, softening and stirring the material around the contact point A joining method,
The joining tool is configured such that the posture is determined by two fulcrum mechanisms,
The joining tool is tilted perpendicularly to the workpiece or at an arbitrary angle, and after performing a pushing operation to immerse the joining tool into the workpiece, the fulcrum shafts of the respective fulcrum mechanisms are moved respectively. A friction stir welding method, wherein the workpiece is joined by moving or tilting the central axis of the welding tool.
前記ワークを支持するアームは、前記基端部からX方向に延びる胴部を経て曲がり部を介して先端部に至るL字形またはC字形をなしており、前記基端部と前記胴部と前記先端部とがX−Y平面上に位置するように形成され、前記先端部にワーク支持部が設けられており、
前記接合ツールをX方向に移動させて前記押し込み動作を行い、前記押し込み動作を行った後、前記接合ツールをY方向に移動させることを特徴とする請求項11に記載の摩擦攪拌接合方法。 If two directions orthogonal to each other are defined as an X direction and a Y direction,
The arm that supports the workpiece has an L-shape or a C-shape that extends from the base end portion to the tip end portion via a curved portion extending in the X direction, and the base end portion, the trunk portion, and the The tip portion is formed so as to be located on the XY plane, and a workpiece support portion is provided at the tip portion,
The friction stir welding method according to claim 11, wherein the joining tool is moved in the X direction to perform the pushing operation, and after the pushing operation is performed, the joining tool is moved in the Y direction.
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