JP2014061543A - 回転ツール - Google Patents

Abstract

【課題】位置制御ができる汎用の工作機械において摩擦攪拌接合の荷重制御が可能となる回転ツールを提供する。
【解決手段】金属材に接触して回転する回転ツール１０であって、先端が金属材に接触させられるツールシャフト１２と、ツールシャフト１２が外側へ突き出す方向及び内側へ引き込む方向に相対的に移動できるように取り付けられたツールケース１４と、ツールシャフト１２のツールケース１４に対する相対的な位置に応じて、ツールシャフト１２がツールケース１４の外側へ突き出す方向に力を発生するコイル圧縮バネ１５とを備える。このように構成すると、金属材に接触させたときのツールシャフト１２のツールケース１４に対する相対的な位置を制御することにより荷重Ｆを略一定に保ちつつ回転させることができるため、位置制御ができる汎用の工作機械で摩擦攪拌接合の荷重制御が可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転ツールに関するものである。

従来、金属材の接合方法において摩擦攪拌接合（ＦＳＷ＝Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ）により金属材を接合する技術が知られている（例えば、特許文献１）。摩擦攪拌接合では、接合しようとする金属材を接合部に対向させ、回転ツールの先端に設けられたプローブを接合部に挿入し、回転ツールを回転させつつ移動させ、摩擦熱により金属材を塑性流動させることによって２つの金属材を接合する。

特許第２７９２２３３号公報

しかしながら、特許文献１に記載されているような回転ツールにあっては、金属材に対する回転ツールの荷重を制御する荷重制御を行いながら摩擦攪拌接合を行う際、荷重の制御が可能な摩擦攪拌接合専用の装置に回転ツールを装着する必要がある。なぜなら、フライス盤のような汎用の工作機械では、金属材に対する回転ツールの高さ等の相対的な位置を制御する位置制御しか行えないからである。そのため、摩擦攪拌接合の汎用性は低い水準にとどまっている。そこで、本発明は、位置制御ができる汎用の工作機械で摩擦攪拌接合の荷重制御が可能となる回転ツールの提供を目的とする。

本発明の一側面に係る回転ツールは、金属材に接触して回転する回転ツールであって、先端が金属材に接触させられる接触部材と、接触部材が外側へ突き出す方向及び内側へ引き込む方向に相対的に移動できるように取り付けられた保持部材と、接触部材の保持部材に対する相対的な位置に応じて、接触部材が保持部材の外側へ突き出す方向に力を発生するバネ手段と、を備える。

このように構成すると、接触部材を金属に接触させると、接触部材は保持部材に対して内側へ引き込む方向に相対的に移動する。このため金属材との接触による移動は、バネ手段の復元力として、接触部材が保持部材の外側へ突き出す方向に力を発生し、該金属材への荷重となる。よって接触部材を金属材に接触させたときの接触部材の保持部材に対する相対的な位置を制御することにより荷重を略一定に保ちつつ回転させることができる。したがって、保持部材の金属材に対する位置制御を行い接触部材の保持部材に対する相対的な位置を制御することで、接触部材の金属材への荷重を制御することができる。そのため位置制御ができる汎用の工作機械で摩擦攪拌接合の荷重制御が可能となる。

また、本発明の他の側面に係る回転ツールは、互いに端面で突き合わされた金属材同士の端面同士が接触する接合部に挿入させられ、接合部の一方の面及び他方の面から接合部を挟み込んだ状態で回転させられる回転ツールであって、接合部の前記一方の面と接触する第１接触部材と、接合部の他方の面と接触する第２接触部材と、第１接触部材と第２接触部材とを連結しつつ、接合部に挿入される攪拌軸部材と、第２接触部材を先端部に有しつつ、第１接触部材及び攪拌軸部材が外側へ突き出す方向及び内側へ引き込む方向に相対的に移動できるように取り付けられた保持部材と、第１接触部材及び攪拌軸部材の保持部材に対する相対的な位置に応じて、第１接触部材及び攪拌軸部材が保持部材の内側に引き込む方向に力を発生するバネ手段と、を備える。

このように構成すると、第１接触部材及び第２接触部材の間に金属材を挟み込むと、第１接触部材及び攪拌軸部材は、保持部材に対して外側へ突き出す方向に相対的に移動する。このため、バネ手段の復元力として第２接触部材が保持部材の内側へ引き込む方向に力を発生し、該金属材への荷重となる。そして、第１接触部材及び攪拌軸部材の保持部材に対する相対的は位置を制御することにより荷重を略一定に保ちつつ回転させることができる。したがって、保持部材の金属材に対する位置制御を行い接触部材の保持部材に対する相対的な位置を制御することで、接触部材の金属材への荷重を制御することができる。そのため位置制御ができる汎用の工作機械で摩擦攪拌接合の荷重制御が可能となる。

この場合、第１接触部材と第２接触部材との間の距離を調整する接触部材間距離調整手段を備えていてもよい。

このように構成すると、第１接触部材の第２接触部材からの距離を調整できる。このため、第２接触部材と第１接触部材との間に様々な厚みの金属材を挟み込むことが容易となる。

また、バネ手段は、バネ手段が発生する力を調整するバネ力調整手段を備えることができる。

このように構成すると、バネ手段が発生するバネの復元力を調整することができる。このため金属材に対する荷重を制御することができる。

また、バネ力調整手段は、バネ手段の初期変位を調整することにより、バネ手段が発生する力を調整するとしてもよい。

このように構成すると、バネ手段が具備するバネの復元力を容易に調整することができる。このため回転ツールが金属材にかける荷重を容易に制御することができる。

また、バネ手段は、例えば、コイルバネを具備するとしてもよい。

このように構成すると、バネ手段にコイルバネを使うと接触部材の保持部材に対する相対変位とバネの復元力とは線形に変化する。このため、回転ツールが金属材にかける荷重を容易に制御することができる。

また、第１接触部材は攪拌軸部材に第１接触部材の内部にねじ込まれるイモネジによって固定されていてもよい。

このように構成すると、第1接触部材は、撹拌軸部材を着脱可能に固定することができる。またイモネジは第１接触部材の外部に出ている部分をなくすことができるため、第１接触部材を小さくすることができる。

本発明の回転ツールによれば、位置制御ができる汎用の工作機機械で摩擦攪拌接合の荷重制御が可能となる。

本発明の第１実施形態に係る回転ツールの斜視図である。 第１実施形態に係る回転ツールの正面図である。 図２のＡ−Ａ線に沿った第１実施形態に係る回転ツールの断面図である。 （Ａ）は第１実施形態に係る回転ツールのツールケースの図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。（Ｂ）は第１実施形態に係る回転ツールのツールケースの正面図である。 第１実施形態に係る回転ツールのツールシャフトの側面図である。 第１実施形態に係る回転ツールのコイル圧縮バネの側面図である。 第１実施形態に係る回転ツールのツールシャフトにコイル圧縮バネが取り付けられた状態を示した側面図である。 （Ａ）は第１実施形態に係る回転ツールの可変プローブアダプタの図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。（Ｂ）は第１実施形態に係る回転ツールの可変プローブアダプタの正面図である。 （Ａ）は第１実施形態に係る回転ツールの固定プローブアダプタナットの図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。（Ｂ）は第１実施形態に係る回転ツールの固定プローブアダプタナットの正面図である。 第１実施形態に係る回転ツールが金属材に与える荷重とツールシャフトの変位との関係を示す概略図である。 第１実施形態に係る回転ツールの荷重を調整する方法を示す概略図である。 第１実施形態に係る回転ツールの調整後の荷重を固定する方法を示す概略図である。 第１実施形態に係る回転ツールを用いて摩擦攪拌接合する様子を示す概略図である。 第２実施形態に係る回転ツールの斜視図である。 第２実施形態に係る回転ツールの正面図である。 第２実施形態に係る回転ツールの部分拡大図である。 第２実施形態に係る回転ツールの概要を示す図１５のＡ´−Ａ´線に沿った断面図である。 （Ａ）は第２実施形態に係る回転ツールのツールケースの図１５のＡ´−Ａ´線に沿った断面図である。（Ｂ）は第２実施形態に係る回転ツールのツールケースの正面図である。 第２実施形態に係る回転ツールのツールシャフトの側面図である。 （Ａ）は第２実施形態に係る回転ツールのプローブアダプタナットの図１５のＡ´−Ａ´線に沿った断面図である。（Ｂ）は第２実施形態に係る回転ツールのプローブアダプタナットの正面図である。 第２実施形態に係る回転ツールのツールシャフトにコイル圧縮バネ及びプローブアダプタナットが取り付けられる様子を示した側面図である。 （Ａ）は第２実施形態に係る回転ツールのアンダーショルダーの図１５のＡ´−Ａ´線に沿った断面図である。（Ｂ）は第２実施形態に係る回転ツールのアンダーショルダーの正面図である。 （Ａ）は第２実施形態に係る回転ツールの可変プローブアダプタの図１５のＡ´−Ａ´線に沿った断面図である。（Ｂ）は第２実施形態に係る回転ツールの可変プローブアダプタの正面図である。 第２実施形態に係る回転ツールの荷重と変位との関係を示す図１５のＡ´−Ａ´線に沿った断面図である。 第２実施形態に係る回転ツールの荷重を調整する様子を示した側面図である。 第２実施形態に係る回転ツールのアンダーショルダーのツールケースからの距離を調整する様子を示す図１５のＡ´−Ａ´線に沿った断面図である。 第２実施形態に係る回転ツールのアンダーショルダーのツールケースからの調整後の距離を固定する様子を示す図１５のＡ´−Ａ´線に沿った断面図である。 第２実施形態に係る回転ツールを用いて摩擦攪拌接合する様子を示す概略図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について具体的に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

（第１実施形態）
本実施形態に係る回転ツールは、フライス盤等の被加工物である金属材と回転ツールとの相対的な位置を制御可能な汎用工作機械に取り付けられる摩擦攪拌接合用回転ツールとして好適に採用されるものである。

まず、図１から図３を用いて回転ツール１０について説明する。

図１から図３に示すように、回転ツール１０は、フライス盤等の汎用工作機に取り付けられる回転ツール１０であって、ツールシャフト１２、ツールケース１４、コイル圧縮バネ１５、可変プローブアダプタ１６、及び固定プローブアダプタナット１８で構成されている。

ツールシャフト１２は、先端が被加工物である金属材に接触させられる。ツールケース１４は、外側へ突き出す方向及び内側へ引き込む方向に相対的に移動できるように、ツールシャフト１２が取り付けられる。コイル圧縮バネ１５は、ツールケース１４内に設けられ、ツールシャフト１２がコイル圧縮バネ１５の巻線の中心軸に沿ってコイル圧縮バネ１５の内側を貫くように設けられている。コイル圧縮バネ１５は、ツールシャフト１２のツールケース１４に対する相対的な位置に応じて、ツールシャフト１２がツールケース１４の外側へ突き出す方向に力を発生する。可変プローブアダプタ１６は、ツールシャフト１２が金属材と接触する側と反対側のツールケース１４に設けられている。可変プローブアダプタ１６は、後述するように、コイル圧縮バネ１５が発生する力を調整する。固定プローブアダプタナット１８は、後述するように、可変プローブアダプタ１６をツールケース１４に固定する。

次に、各部材について説明する。

ツールケース１４は、図４の（Ａ）及び図４の（Ｂ）に示すように、ネジ部１４ｃ、面取部１４ｄ、ツールシャフト受部１４ｅ、ツールシャフト突出部１４ｈが形成されている。ツールケース１４は略円筒形状の部材である。ツールケース１４は、汎用工作機械に取り付け可能な所定の強度を有する材料で形成されていることが望ましい。ネジ部１４ｃは、可変プローブアダプタ１６が締結されるためのツールケース１４のツールシャフト突出部１４ｈとは反対側の端部の内側側面に設けられたネジ山である。面取部１４ｄは、回転ツール１０を汎用工作機械のチャックに取り付けるためのものである。ツールシャフト受部１４ｅは、コイル圧縮バネ１５のバネ力により、ツールケース１４の外側へ突き出そうとするツールシャフト１２の一部と当接し、ツールシャフト１２をツールケース１４内に保持するためのものである。ツールシャフト突出部１４ｈは、ツールケース１４から突出したツールシャフト１２の周囲を囲いつつ接続するための部位である。

ツールシャフト１２は、図２及び図５に示すように、ツールシャフト１２の先端の中央部には、突出したプローブ１２ａとその周辺のショルダ１２ｂとが形成されている。プローブ１２ａには同心円状の溝が形成され、ショルダ１２ｂには、螺旋状の溝が形成されていている。またツールシャフト１２のプローブ１２ａ及びショルダ１２ｂが形成されている側と反対側の端部は、多角形柱状に加工された加工部１２ｇを有する。そしてツールシャフト１２の長手軸方向の中間部に、上述のツールケース１４のツールシャフト受部１４ｅに当接するツールケース受部１２ｅ及びコイル圧縮バネ１５と当接するバネ受部１２ｆが形成されている。ツールケース受部１２ｅからバネ受部１２ｆに至る部分は、ツールシャフト１２の長手軸方向に垂直な方向の断面積がツールシャフト１２の他の部分よりも大きくなるように形成されている。

コイル圧縮バネ１５は、図６に示すように、上述したツールシャフト１２のバネ受部１２ｆと当接するツールシャフト受部１５ｆが形成されている。コイル圧縮バネ１５は、コイル状の圧縮バネである。コイル圧縮バネ１５の内径は、ツールシャフト１２の一部が貫通できる程度の大きさである。またコイル圧縮バネ１５の外径は、ツールケース１４内に設置できる程度の大きさである。

図７に示すように、ツールシャフト１２がコイル圧縮バネ１５の巻線の内部をコイル圧縮バネ１５の長手方向の中心線に沿って貫通する。またツールシャフト１２のバネ受部１２ｆとコイル圧縮バネ１５のツールシャフト受部１５ｆとは当接する。

図３に示すように、ツールシャフト１２はツールシャフト突出部１４ｈから突出するように設けられる。またツールケース１４内において、ツールケース受部１２ｅとツールシャフト受部１４ｅとは互いに当接しあう。これにより、コイル圧縮バネ１５のバネ力により、ツールケース１４の外側に押し出されるツールシャフト１２をツールケース１４に保持する。コイル圧縮バネ１５は、ツールシャフト１２がコイル圧縮バネ１５のコイル内径の中心方向に、コイル圧縮バネ１５を貫通した状態で、ツールケース１４内に設置されている。

可変プローブアダプタ１６は、図８の（Ａ）及び図８の（Ｂ）に示すように、ネジ部１６ｃ、面取部１６ｄ、保持部１６ｈ、及びバネ受部１６ｆを形成している。ネジ部１６ｃは、可変プローブアダプタ１６の外側側面に形成されており、上述のツールケース１４のネジ部１４ｃ及び後述する固定プローブアダプタナット１８のネジ部１８ｃと互いに噛合う。保持部１６ｈはツールシャフト１２の加工部１２ｇが貫通する多角形の穴が形成されている。図３に示すように、保持部１６ｈはその多角形の穴の中にツールシャフト１２の加工部１２ｇを保持する。また、ツールケース１４のネジ部１４ｃと可変プローブアダプタ１６のネジ部１６ｃとが互いに噛合うことにより、可変プローブアダプタ１６はツールケース１４内で長手方向の位置を変更可能に固定される。

図９の（Ａ）及び図９の（Ｂ）に示すように、固定プローブアダプタナット１８の内側側面には、ネジ部１８ｃが形成されている。また固定プローブアダプタナット１８は可変プローブアダプタ１６への固定の利便性を高めるための面取部１８ｄが形成されている。図３に示すように、固定プローブアダプタナット１８のネジ部１８ｃと可変プローブアダプタ１６の外周部に形成されているネジ部１６ｃとが互いに噛合うことにより、固定プローブアダプタナット１８は可変プローブアダプタ１６に締結される。固定プローブアダプタナット１８が可変プローブアダプタ１６に締結されることにより、ツールケース１４にねじ込まれた可変プローブアダプタ１６は、ツールケース１４に強固に固定される。

さらに図１に示すように、ツールケース１４は、目盛１４ａが形成されていている。また固定プローブアダプタナット１８にも目盛１８ａが形成されている。目盛１４ａ及び目盛１８ａは刻みが形成されている。目盛１４ａ及び目盛１８ａに形成されている刻みは、等間隔に形成されている。固定プローブアダプタナット１８は、固定プローブアダプタナット１８が１回転すると、固定プローブアダプタナット１８が可変プローブアダプタ１６の作用で１ｍｍ進退するように設計されており、目盛１４ａ、１８ａを用いることにより、バネ受部１２ｆとバネ受部１６ｆとの距離を把握しやすくすることができる。

またツールケース１４は、ラベル１４ｂが形成されていている。ラベル１４ｂはツールシャフト１２が金属材に与える荷重と、目盛１４ａ又は目盛１８ａから読み取ることができる。バネ受部１２ｆとバネ受部１６ｆとの距離との関係が表記されていてもよい。また目盛１４ａ又は目盛１８ａから読み取ることができる値は、ツールケース１４に対する可変プローブアダプタ１６の回転角度や、ツールケース１４から突き出ているツールシャフト１２の変位量としてもよい。このように構成すると、ツールシャフト１２が金属材に与える荷重を容易に調整することが可能となる。

ここで、図１０から図１３を用いて、本実施形態における回転ツール１０を用いた摩擦攪拌接合について説明する。

図１０は回転ツール１０が金属材に与える荷重Ｆとツールシャフト１２の変位との関係を示す概略図である。本実施形態では、コイル圧縮バネ１５を用いているため、フックの法則により、荷重Ｆはコイル圧縮バネ１５の変位（圧縮量）Ｘに比例する。このため、荷重Ｆとツールシャフト１２の変位Ｘとは比例する。また荷重Ｆは、コイル圧縮バネ１５の初期変位であるバネ受部１２ｆとバネ受部１６ｆとの距離Ｌ１に依存するため、距離Ｌ１を調整することにより、変位Ｘ＝０のときの荷重Ｆの初期値を調整することができる。

次に荷重Ｆの初期値を調整する方法について説明する。図１１は荷重Ｆの初期値を調整する方法を示す概略図である。可変プローブアダプタ１６が図中矢印の方向に回転させられると、ネジ部１６ｃとネジ部１４ｃとが噛合うことにより、可変プローブアダプタ１６は、ツールケース１４内部方向へ挿入される。このため、バネ受部１２ｆとバネ受部１６ｆとの距離Ｌ１は短くなる。このとき、コイル圧縮バネ１５は自然長から短くなる方向に挟持される。このためコイル圧縮バネ１５には、コイル圧縮バネ１５のたわみに応じた荷重Ｆが生じる。よって、可変プローブアダプタ１６の回転量を調整することにより、ツールシャフト１２と可変プローブアダプタ１６との間で、コイル圧縮バネ１５を挟持する長さを変えることによって、荷重Ｆを制御することができ、所定の値を荷重Ｆの初期値とすることができる。なお、荷重Ｆの初期値は、回転ツール１０の使用頻度又は時間経過に伴い変動するため、所定の測定機により、定期的に測定することにより、修正することができる。

次に荷重Ｆの初期値を固定する方法について説明する。図１２は回転ツール１０の荷重Ｆを固定する方法を示す概略図である。可変プローブアダプタ１６を回転させることにより、荷重Ｆを調整した後、荷重Ｆを固定するため、固定プローブアダプタナット１８を可変プローブアダプタ１６のネジ部１６ｃに装着する。固定プローブアダプタナット１８を回転させることにより、ネジ部１８ｃとネジ部１６ｃとが噛合うことによって、固定プローブアダプタナット１８は、可変プローブアダプタ１６へ固定される。可変プローブアダプタ１６に固定された固定プローブアダプタナット１８がツールケース１４に押圧を加えることにより、可変プローブアダプタ１６がツールケース１４に強固に固定されるため、荷重Ｆが所定の値に固定される。

ここで、本実施形態の回転ツール１０を用いた攪拌方法１について説明する。図１３は、回転ツール１０を用いて摩擦攪拌接合する様子を示す概略図である。図１３に示すように、回転ツール１０は、回転工具チャック１００に取り付けられる。回転工具チャック１００はフライス盤等の汎用工作機械の一部である。また回転工具チャック１００は制御機構１０１が接続されている。制御機構１０１は、回転モータ１１１、Ｘ軸移動モータ１１２、Ｙ軸移動モータ１１３、及びＺ軸移動モータ１１４を備えている。さらに回転モータ１１１、Ｘ軸移動モータ１１２、Ｙ軸移動モータ１１３、及びＺ軸移動モータ１１４を制御するコントローラ１１０を備えている。これにより、制御機構１０１は、回転工具チャック１００に取り付けられた回転ツール１０の金属材２ａ、２ｂに対するＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向の位置を制御できる。このため、回転工具チャック１００は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に自在に移動できる。そして、回転工具チャック１００に装着された回転ツール１０は、金属材２ａ及び２ｂの端部同士を突き合わせ結合部Ｐに対し、プローブ１２ａのみを押し入れられ、回転させられつつ、接合すべき突合せ面に沿って、移動させられる。また、結合部Ｐは湾曲していてもよい。

以上、第１実施形態に係る回転ツール１０によれば、ツールシャフト１２を金属材２ａ、２ｂの結合部Ｐに接触させると、ツールシャフト１２はツールケース１４に対して内側へ引き込む方向に相対的に移動する。このため金属材２ａ、２ｂとの接触による移動は、コイル圧縮バネ１５の復元力として、ツールシャフト１２がツールケース１４の外側へ突き出す方向に力を発生し荷重Ｆとなる。よってツールシャフト１２を金属材２ａ、２ｂに接触させたときのツールシャフト１２のツールケース１４に対する相対的な位置をフライス盤等の汎用工作機械により制御することにより荷重Ｆを略一定に保ちつつ回転させることができる。したがって、ツールケース１４の金属材２ａ、２ｂに対する位置制御を行いツールシャフト１２のツールケース１４に対する相対的な位置を制御することで、ツールシャフト１２の金属材２ａ、２ｂへの荷重Ｆを制御することができる。そのため位置制御ができる汎用の工作機械で荷重制御を行いつつ摩擦攪拌接合を行うことができる。

さらにツールシャフト１２が接触する金属材２ａ、２ｂの結合部Ｐに、微小な凹凸がある場合であっても、ツールシャフト１２を金属材２ａ、２ｂの結合部Ｐに接触させたときの荷重Ｆを略一定に保ちつつ回転させることができる。このため、金属材２ａ、２ｂの結合部Ｐのツールシャフト１２と接触する面に微小な凹凸がある場合であっても、該金属材２ａ、２ｂの結合部Ｐを摩擦攪拌接合することができる。よって、回転ツール１０を用いることにより、被接合材の板厚が変化する場合であっても良好な継手を得ることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態に係る回転ツールは、第１実施形態に係る回転ツール１０とほぼ同様に構成されているが、ボビンツールとして構成されている点が、第１実施形態の回転ツール１０と異なり、金属材に接触する部材が相違する。以下、発明理解の容易性を考慮して第１実施形に係る回転ツール１０と重複する説明は省略し、相違点を中心に説明する。

まず、図１４から図１７を用いて回転ツール２０について説明する。

回転ツール２０は、回転ツール１０同様フライス盤等の汎用工作機に取り付けられる回転ツール２０であって、ツールシャフト２２、アンダーショルダー２３、ツールケース２４、コイル圧縮バネ１５、可変プローブアダプタ２６、固定プローブアダプタナット１８、及びプローブアダプタナット２９で構成されている。

ツールシャフト２２は、先端にアンダーショルダー２３が接続される。ツールケース２４は、ツールシャフト２２及びアンダーショルダー２３が外側へ突き出す方向及び内側へ引き込む方向に相対的に移動できるように取り付けられている。コイル圧縮バネ１５は、第１実施形態と部材自体は共通であるが、本実施形態では、ツールシャフト２２及びアンダーショルダー２３のツールケース２４に対する相対的な位置に応じて、ツールシャフト２２及びアンダーショルダー２３がツールケース２４の内側に引き込む方向に力を発生する。可変プローブアダプタ２６は、ツールシャフト２２が金属材と接触する側と反対側のツールケース２４の端部に設けられる。固定プローブアダプタナット１８は、第１実施形態と共通である。プローブアダプタナット２９は、後述するように、コイル圧縮バネ１５が発生する力を調整する。本実施形態では、突き合わせた金属材同士の間にツールシャフト２２を挿入し、アンダーショルダー２３とツールケース２４との間に金属材を挟み込み回転させることで金属材を結合する。

次に、各部材について説明する。

ツールケース２４は、図１８の（Ａ）及び図１８の（Ｂ）に示すように、ネジ部２４ｃ、面取部２４ｄ、バネ受部２４ｆ、接触面２４ｓ、ツールシャフト突出部２４ｈが形成されている。ツールケース２４は略円筒形状の部材である。ツールケース２４は、汎用工作機械に取り付け可能な所定の強度を有する材料で形成されていることが望ましい。接触面２４ｓには、第１実施形態の回転ツール１０のショルダ１２ｂと同様に、螺旋状の溝が形成されていてもよい。バネ受部２４ｆは図１７に示すようにコイル圧縮バネ１５が当接する面である。ネジ部２４ｃ、面取部２４ｄ及びツールシャフト突出部２４ｈは、それぞれ第１実施形態のネジ部１４ｃと、面取部１４ｄと、ツールシャフト突出部１４ｈと同様の機能を果たす。

ツールシャフト２２は、図１９に示すように、ツールシャフト２２の先端の中央部には、アンダーショルダー２３を接続するための接続部２２ｊが形成されている。接続部２２ｊには、アンダーショルダー２３を固定するためにアンダーショルダー２３の内部にねじ込まれるイモネジの先端が当接されるイモネジ部２２ｉが設けられている。また接続部２２ｊと反対側は、面取りされて多角形状に加工された加工部２２ｇが形成されている。そしてツールシャフト２２の長手軸方向の中間部にプローブアダプタナット２９が締結されるためのネジ部２２ｃが形成されている。また、ツールシャフト２２には、可変プローブアダプタ２６と当接するための面である可変プローブアダプタ受部２２ｅが形成されている。

プローブアダプタナット２９は、図２０の（Ａ）及び図２０の（Ｂ）に示すように、ツールシャフト２２のネジ部２２ｃと噛合うネジ部２９ｃ、ツールシャフト２２を通すためのツールシャフト貫通穴２９ｈが形成されている。また、プローブアダプタナット２９には、最終的にプローブアダプタナット２９をツールシャフト２２に強固に固定するためのイモネジをねじ込むためのネジ穴部２９ｉが設けられている。またプローブアダプタナット２９にはコイル圧縮バネ１５と当接するバネ受部２９ｆが設けられている。

ツールシャフト２２、コイル圧縮バネ１５、及びプローブアダプタナット２９は、図２１に示すように、ツールシャフト２２がプローブアダプタナット２９のツールシャフト貫通穴２９ｈを貫通し、且つ、ネジ部２２ｃとネジ部２９ｃとが互いに噛合う。そして、ツールシャフト２２がコイル圧縮バネ１５の長手方向の中心方向に、コイル圧縮バネ１５を貫通する。プローブアダプタナット２９のバネ受部２９ｆとコイル圧縮バネ１５のツールシャフト受部１５ｆとは当接する。

アンダーショルダー２３は、図２２の（Ａ）及び図２２の（Ｂ）に示すように、接触面２３ｓ、接続部２３ｊが形成されている。接触面２３ｓは、金属材と接触する面であり、螺旋状の溝が形成されている。接続部２３ｊは、ツールシャフト２２の接続部２２ｊが挿入されるために、接触部２２ｊに対応した形状の穴が設けられている。接続部２３ｊの穴の内面からアンダーショルダー２３の外周に向けて、ツールシャフト２２にアンダーショルダー２３を固定するためのイモネジ２３Ｉをねじ込むためのネジ穴部２３ｉ設けられている。

ツールシャフト２２の接続部２２ｊをアンダーショルダー２３の接続部２３ｊに挿入した後、ネジ穴部２３ｉを介して、アンダーショルダー２３の内部にイモネジ２３Ｉをツールシャフト２２のネジ部２２ｉに当接するまでねじ込むことにより、ツールシャフト２２にアンダーショルダー２３が固定される。

本実施形態では、ツールシャフト２２へのアンダーショルダー２３の固定にイモネジ２３Ｉを用いることによりアンダーショルダー２３の直径を小さくすることができる。

図１７に示すように、ツールシャフト２２はツールシャフト突出部２４ｈから突出するように設けられる。またツールケース２４内において、バネ受部２４ｆとコイル圧縮バネ１５とが当接し、バネ受部２９ｆとがコイル圧縮バネ１５とが当接する。コイル圧縮バネ１５は、ツールシャフト２２がコイル圧縮バネ１５の長手方向の中心方向に、コイル圧縮バネ１５を貫通した状態で、プローブアダプタナット２９よりツールシャフト突出部２４ｈ側のツールケース２４内に設置されている。

可変プローブアダプタ２６は、図２３の（Ａ）及び図２３の（Ｂ）に示すように、ネジ部２６ｃ、面取部２６ｄ、ツールシャフト受部２６ｅ、保持部２６ｈ、及び係止部２６ｇを形成している。ネジ部２６ｃは、可変プローブアダプタ２６の外側側面に形成されており、ツールケース２４のネジ部２４ｃと噛合う。ツールシャフト受部２６ｅは、ツールシャフト２２の可変プローブアダプタ受部２２ｅと当接するための面である。保持部２６ｈはツールシャフト２２が貫通する穴が形成されている。係止部２６ｇは、ツールシャフト２２の加工部２２ｇと対応する多角形状の穴が形成されている。可変プローブアダプタ２６は、上述した第１実施形態の可変プローブアダプタ１６と共通のものを適用することができる。

固定プローブアダプタナット１８は、第１実施形態と同様である。図１７に示すように、ネジ部１８ｃと可変プローブアダプタ２６のネジ部２６ｃとが互いに噛合うことにより、固定プローブアダプタナット１８が可変プローブアダプタ２６に固定される。これにより、可変プローブアダプタ２６がツールケース２４に強固に固定される。

ここで、図２４から図２８を用いて、本実施形態における回転ツール２０を用いた摩擦攪拌接合について説明する。

図２４は回転ツール２０が金属材に与える荷重Ｆとアンダーショルダー２３の変位Ｘとの関係を示す概略図である。本実施形態では、コイル圧縮バネ１５を用いているため、フックの法則により、荷重Ｆはコイル圧縮バネ１５の変位Ｘに比例する。このため、荷重Ｆとアンダーショルダー２３の変位Ｘとは比例する。また荷重Ｆは、バネ受部２４ｆとバネ受部２９ｆとの距離Ｌ２に依存するため、距離Ｌ２を調整することにより、変位Ｘ＝０の時の荷重Ｆの初期値を調整することができる。

次に荷重Ｆの初期値を調整する方法について説明する。図２５は荷重Ｆの初期値を調整する方法を示す概略図である。ツールシャフト２２が矢印の方向に回転させられると、ネジ部２９ｃとネジ部２２ｃとが噛合うことにより、距離Ｌ２が短くなる。このため、コイル圧縮バネ１５は自然長から短くなる方向に挟持される。このためコイル圧縮バネ１５には、コイル圧縮バネ１５のたわみに応じた荷重Ｆが生じる。よって、ツールシャフト２２の回転量を調整することにより、ツールケース２４とプローブアダプタナット２９との間で、コイル圧縮バネ１５を挟持する長さを変えることによって、荷重Ｆを制御することができ、所定の値を荷重Ｆの初期値とすることができる。なお、荷重Ｆの初期値は、回転ツール２０の使用頻度又は時間経過に伴い変動するため、所定の測定機により、定期的に測定することにより、修正することができる。なお、調整した荷重Ｆの初期値を固定するには、プローブアダプタナット２９のネジ穴部２９ｉにイモネジをねじ込み、プローブアダプタナット２９をツールシャフト２２に強固に固定すればよい。

次に、アンダーショルダー２３のツールケース２４からの距離を調整する方法について説明する。図２６に示すように、可変プローブアダプタ２６を図中矢印の方向に回転させると、可変プローブアダプタ２６のツールシャフト受部２６ｅとツールシャフト２２の可変プローブアダプタ受部２２ｅとが当接することにより、アンダーショルダー２３を先端に接続したツールシャフト２２がツールケース２４から離れる。これにより、アンダーショルダー２３のツールケース２４からの距離を調整でき、ツールケース２４とアンダーショルダー２３との間に金属材を挟み込むことができる。

次に調整したアンダーショルダー２３の接触面２３ｓのツールケース２４の接触面２４ｓからの距離を固定する方法について説明する。図２７に示すように、固定プローブアダプタナット１８を回転させることにより、ネジ部１８ｃとネジ部２６ｃとが噛合うことにより、固定プローブアダプタナット１８は、可変プローブアダプタ２６へ固定される。これにより、可変プローブアダプタ２６に固定された固定プローブアダプタナット１８がツールケース２４に押圧を加えることにより、可変プローブアダプタ２６がツールケース２４に強固に固定されるため、アンダーショルダー２３の接触面２３ｓのツールケース２４の接触面２４ｓからの距離が所定の値Ｘ０に固定される。

ここで、本実施形態の回転ツール２０を用いた攪拌方法１について説明する。図２８は、回転ツール２０を用いて摩擦攪拌接合する様子を示す概略図である。図２８に示すように、回転ツール２０は、回転工具チャック１００に取り付けられる。回転工具チャック１００はフライス盤等の汎用工作機械の一部である。また回転工具チャック１００は制御機構１０１が接続されている。制御機構１０１は、回転モータ１１１、Ｘ軸移動モータ１１２、Ｙ軸移動モータ１１３、及びＺ軸移動モータ１１４を備えている。さらに回転モータ１１１、Ｘ軸移動モータ１１２、Ｙ軸移動モータ１１３、及びＺ軸移動モータ１１４を制御するコントローラ１１０を備えている。これにより、制御機構１０１は、回転工具チャック１００に取り付けられた回転ツール２０の金属材２ａ、２ｂに対するＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向の位置を制御できる。このため、回転工具チャック１００は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に自在に移動できる。そして、回転工具チャック１００に装着された回転ツール２０は、金属材２ａ及び２ｂの端部同士を突き合わせ結合部Ｐへ回転されられつつ挿入させられ、接合すべき突合わせ面に沿って、金属材を挟み込んだ状態で回転させられつつ移動させられる。また、結合部Ｐは湾曲していてもよい。

以上、第２実施形態に係る回転ツール２０によれば、アンダーショルダー２３及びツールケース２４の間に金属材２ａ、２ｂを挟み込むと、アンダーショルダー２３及びツールシャフト２２は、ツールケース２４に対して外側へ突き出す方向に相対的に移動する。このため、コイル圧縮バネ１５の復元力としてツールケース２４がツールケース２４の内側へ引き込む方向に力を発生し、金属材２ａ、２ｂへの荷重Ｆとなる。そして、アンダーショルダー２３及びツールシャフト２２のツールケース２４に対する相対的な位置をフライス盤等の汎用工作機械により制御することにより荷重Ｆを略一定に保ちつつ回転させることができる。したがって、ツールケース２４の金属材２ａ、２ｂに対する位置制御を行いアンダーショルダー２３のツールケース２４に対する相対的な位置を制御することで、アンダーショルダー２３の金属材２ａ、２ｂへの荷重Ｆを制御することができる。そのため位置制御ができる汎用の工作機械で荷重制御を行いつつ摩擦攪拌接合の荷重制御を行うことができる。また、回転ツール２０を用いることにより、被接合材の板厚が変化する場合であっても良好な継手を得ることができる。

上述した実施形態では、本発明に係る回転ツール１０及び回転ツール２０の一例を示したものであり、実施形態に係る回転ツール１０及び回転ツール２０に限られるものではなく、変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

本実施形態において、回転ツール１０を構成するツールシャフト１２、及び回転ツール２０を構成するツールシャフト２２は、円管状の部材を用いたが、ツールシャフト１２及びツールシャフト２２は、円筒形状に限らず多角管状の部材を用いてもよい。この場合であっても、本実施形態と同様の効果を奏することができる。

また、上述した実施形態では、回転ツール１０又は回転ツール２０が取り付けられる汎用工作機械は、例えばフライス盤としたが、ボール盤やマシニングセンタとしてもよい。この場合であっても、本実施形態と同様の効果を奏することができる。

また、上述した実施形態では、回転ツール１０又は回転ツール２０を取り付けた回転工具チャック１００は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に自在に移動できるとしたが、回転工具チャック１００の移動方向は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に限られず、Ｘ軸移動モータ１１２、Ｙ軸移動モータ１１３、及びＺ軸移動モータ１１４を同時に制御することにより得られる空間内の任意の移動方向であってもよい。あるいは、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸とは、異なる移動軸を任意の数だけ新たに追加してもよく、例えば、自由曲面加工に用いられる汎用工作機やマシニングセンタ等の回転工具チャック１００に回転ツール１０又は回転ツール２０を取り付けた場合、回転工具チャック１００の移動方向は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向、及び１又は複数の新たな軸方向の各方向成分を制御することによって得られる空間内の移動方向としてもよい。そして、例えば、Ｚ軸の１軸のみが制御されるものであってもよい。このように構成した場合であっても本実施形態と同様の効果を奏することができる。

１０…回転ツール、１２…ツールシャフト、１４…ツールケース、１５…コイル圧縮バネ、１６…可変プローブアダプタ、１８…固定プローブアダプタナット、２０…回転ツール、２２…ツールシャフト、２３…アンダーショルダー、２４…ツールケース、２６…可変プローブアダプタ、２９…プローブアダプタナット。

Claims (7)

1. 金属材に接触して回転する回転ツールであって、
   先端が前記金属材に接触させられる接触部材と、
   前記接触部材が外側へ突き出す方向及び内側へ引き込む方向に相対的に移動できるように取り付けられた保持部材と、
   前記接触部材の前記保持部材に対する相対的な位置に応じて、前記接触部材が前記保持部材の外側へ突き出す方向に力を発生するバネ手段と、
   を備えた回転ツール。
2. 互いに端面で突き合わされた金属材同士の前記端面同士が接触する接合部に挿入させられ、前記接合部の一方の面及び他方の面から前記接合部を挟み込んだ状態で回転させられる回転ツールであって、
   前記接合部の前記一方の面と接触する第１接触部材と、
   前記接合部の前記他方の面と接触する第２接触部材と、
   前記第１接触部材と前記第２接触部材とを連結しつつ、前記接合部に挿入される攪拌軸部材と、
   前記第２接触部材を先端部に有しつつ、前記第１接触部材及び前記攪拌軸部材が外側へ突き出す方向及び内側へ引き込む方向に相対的に移動できるように取り付けられた保持部材と、
   前記第１接触部材及び前記攪拌軸部材の前記保持部材に対する相対的な位置に応じて、前記第１接触部材及び前記攪拌軸部材が前記保持部材の内側に引き込む方向に力を発生するバネ手段と、
   を備えた回転ツール。
3. 前記第１接触部材と前記第２接触部材との間の距離を調整する接触部材間距離調整手段を備えた請求項２に記載の回転ツール。
4. 前記バネ手段は、前記バネ手段が発生する前記力を調整するバネ力調整手段を備えている請求項１〜３の何れか一項に記載の回転ツール。
5. 前記バネ力調整手段は、前記バネ手段の初期変位を調整することにより、前記バネ手段が発生する前記力を調整する請求項４に記載の回転ツール。
6. 前記バネ手段はコイルバネを具備する請求項１〜５の何れか一項に記載の回転ツール。
7. 前記第１接触部材は前記攪拌軸部材に前記第１接触部材の内部にねじ込まれるイモネジによって固定されている請求項２に記載の回転ツール。
   

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