JP2016087685A

JP2016087685A - 摩擦攪拌点接合装置

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Publication number: JP2016087685A
Application number: JP2014229088A
Authority: JP
Inventors: 稔正山根; Toshimasa Yamane; 諭田川; Satoshi Tagawa
Original assignee: Keylex Corp
Current assignee: Keylex Corp
Priority date: 2014-11-11
Filing date: 2014-11-11
Publication date: 2016-05-23
Anticipated expiration: 2034-11-11
Also published as: JP6452390B2

Abstract

【課題】生産効率を下げることなく加工ツールの形状の管理を行うことができる摩擦攪拌点接合装置を提供する。
【解決手段】制御盤は、接合の際に加工ツールに対して加わる負荷の基準波形Ｄ_ｂ：ｙ＝ｆ（ｔ）を予め記憶する。基準波形Ｄ_ｂ：ｙ＝ｆ（ｔ）とロードセルにより得られた負荷の波形Ｄ_１，Ｄ_２：ｙ＝ｇ（ｔ）とを比較し、接合開始から接合終了までの時間Ｔのうちの連続する所定の区間Ｓにおいてｇ（ｔ）≦ｆ（ｔ）の場合、加工ツール７の形状を正常と判定する一方、所定の区間Ｓにおいてｇ（ｔ）＞ｆ（ｔ）の場合、加工ツール７の形状を異常と判定する。
【選択図】図６

Description

本発明は、重ね合わせた金属板同士を摩擦攪拌により点接合する摩擦攪拌点接合装置に関する。

従来より、重ね合わせた金属板同士を互いに接合する１つの方法として摩擦攪拌による点接合が知られている。この接合には、棒状のツール本体及び該ツール本体の長手方向一端の軸心上に突設されたピンを有する加工ツールが用いられ、一般的に、上記ツール本体の長手方向一端面は、長手方向他端側に行くにつれて次第に縮径する凹状面となっている。そして、上記加工ツールをツール本体の軸心回りに回転させるとともに、重ね合わせた金属板にそのピン側を押し込むように移動させて当該金属板を加圧することにより、金属板同士を互いに摩擦熱で軟化させて固相接合させるようになっている。

ところで、摩擦攪拌点接合により形成される接合部の品質を安定させるために、加工ツールの形状を適切に管理することが必要である。例えば、特許文献１では、接合作業前において、基準となる部材に加工ツールのピンを接触させて加工ツールの位置を検出し、当該検出位置と予め記憶された加工ツールの基準位置とを比較することでピンの磨耗状態を知るようになっている。

特開２００２−２９２４７８号公報（段落００７５〜００７７欄、図１６）

しかし、特許文献１では、接合の前に加工ツールのピンを基準となる部材に接触させる必要があるので、基準となる部材に対するピンの接触動作の時間だけ生産効率を下げてしまう。

また、加工ツールのツール本体に形成された凹状面は、磨耗により形状が大きく変わると接合部の品質が不安定になるので、その磨耗状態を管理する必要があるが、このことに対し、特許文献１の装置では、何ら対策が講じられていない。

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、生産効率を下げることなく接合部の品質に影響を及ぼす加工ツールの形状の管理を行うことができる摩擦攪拌点接合装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、接合時における加工ツールに加わる負荷の波形を取得し、当該波形を基準の波形と比較することで加工ツールの磨耗状態を知るようにしたことを特徴とする。

すなわち、第１の発明では、棒状のツール本体及び該ツール本体の長手方向一端の軸心上に突設されたピンを有し、上記ツール本体の上記ピン側の端面が上記ツール本体の長手方向他端側に行くにつれて次第に縮径する凹状面である加工ツールと、上記ツール本体の軸心周りに回転可能に、且つ、少なくとも２枚以上重ね合わせた被接合材に向かって上記ツール本体の軸心方向に移動可能に上記加工ツールを保持するツール回転移動手段と、該ツール回転移動手段に接続され、当該ツール回転移動手段を制御して上記加工ツールを回転させるとともに、上記一方側の被接合材に上記加工ツールのピン側を押し込むように移動させて当該被接合材を加圧することにより、上記被接合材同士を摩擦熱で軟化させて固相接合させる制御手段とを備え、上記ツール回転移動手段には、上記加工ツールを上記被接合材に加圧する際、上記加工ツールに加わる負荷を検出する負荷検出手段が設けられ、上記制御手段は、接合の際に上記加工ツールに対して加わる負荷の基準波形ｙ＝ｆ（ｔ）（ｔは接合時間）を予め記憶するとともに、当該基準波形ｙ＝ｆ（ｔ）と上記負荷検出手段により得られた負荷の波形ｙ＝ｇ（ｔ）（ｔは接合時間）とを比較し、接合開始から接合終了までの時間Ｔのうちの連続する所定の区間Ｓにおいてｇ（ｔ）≦ｆ（ｔ）の場合、上記加工ツールの形状を正常と判定する一方、所定の区間Ｓにおいてｇ（ｔ）＞ｆ（ｔ）の場合、上記加工ツールの形状を異常と判定することを特徴とする。

第２の発明では、第１の発明において、上記制御手段は、上記加工ツールに加わる負荷の基準値Ｆ_１，Ｆ_２（Ｆ_１＜Ｆ_２）及び接合開始から上記ツール本体の凹状面が上記被接合材に接触するまでの基準時間ｔ_１（０＜ｔ_１＜Ｔ）を予め記憶し、０＜ｔ＜ｔ_１のうちの連続する所定の区間Ｓ_１においてｇ（ｔ）≧Ｆ_１の場合、上記ピンの形状の異常と判定する一方、０＜ｔ＜ｔ_１の所定の区間Ｓ_１においてｇ（ｔ）＜Ｆ_１であるとともに、ｔ_１＜ｔのうちの連続する所定の区間Ｓ_２においてｇ（ｔ）≧Ｆ_２の場合、上記ツール本体の形状の異常と判定することを特徴とする。

第１の発明では、接合時の加工ツールに加わる負荷の値に基づいて加工ツールの形状が把握できるようになるので、接合に係る時間以外に加工ツールの形状を把握する時間を設ける必要がなく、生産効率を下げずに加工ツールの形状についての管理を行うことができる。

第２の発明では、接合の際に、加工ツールの異常がピンの形状によるものか、或いは、ツール本体の凹状面の形状によるものかが分かるようになるので、例えば、作業者が接合作業後に加工ツールの形状を目視評価する必要がなく、生産効率を下げずに加工ツールにおける形状の異常について定量的な評価を行うことができる。

本発明の実施形態に係る摩擦攪拌点接合装置の構成図である。重ね合わせたプレス部品を接合する手順において、加工ツールがプレス部品に接触する直前の状態を示す断面図である。重ね合わせたプレス部品を接合する手順において、加工ツールがプレス部品に接触した直後の状態を示す断面図である。重ね合わせたプレス部品を接合する手順において、加工ツールをプレス部品に押し込んでいる状態を示す断面図である。重ね合わせたプレス部品を接合する手順において、加工ツールをプレス部品から離間させる直前の状態を示す図である。本発明の摩擦攪拌点接合装置で接合を実施した際の経過時間と加工ツールに加わる負荷との関係を示したグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎない。

図１は、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌点接合装置１を示す。該摩擦攪拌点接合装置１は、自動車の生産ラインで複数の板状プレス部品１３（被接合材）を摩擦攪拌による点接合で組み立てるのに用いられるものであり、装置本体２（ツール回転加圧手段）を備えている。

該装置本体２は、上下に延びるケース３を備え、該ケース３の上端は、ブラケットＢｋを介して装置固定側Ｒに締結されている。

上記ケース３内部には、回転軸心を上下方向に向けたボールナット４が回転可能に設けられ、該ボールナット４には、上記ケース３内部を上下に貫通するボールネジ５が螺合している。

また、上記ボールネジ５の下端には、回転軸心が上下方向に向く駆動モータ（図示せず）を有するツール保持具６が取り付けられ、該ツール保持具６の内部には、ロードセル６ａ（負荷検出手段）が内蔵されている。

上記ケース３上部の側面には、上下方向に延びる出力軸８ａを有するサーボモータ制御の電動機８が取り付けられ、該電動機８内部には、当該電動機８の出力トルク及び出力軸８ａの回転角度を検出可能なエンコーダ８ｂが設けられている。

上記出力軸８ａ及び上記ボールナット４の下端には、ゴム製ベルト９が図示しないプーリを介して掛け渡され、上記電動機８が正逆回転駆動すると、その回転トルクが上記ベルト９を介してボールナット４に伝わることにより、該ボールナット４が正転・逆転し、それに伴って上記ボールネジ５が上下方向に螺進・螺退するようになっている。

上記ツール保持具６は、図示しないチャック部によって加工ツール７を着脱可能に保持するようになっている。

該加工ツール７は、図２乃至図５に示すように、上下方向に延びる棒状のツール本体７ａと、該ツール本体７ａの下端（長手方向一端）の軸心上に突設されたピン７ｂとを備え、上記ツール本体７ａの下側（ピン７ｂ側）端面は、上記ツール本体７ａの上端側（長手方向他端側）に行くにつれて次第に縮径する凹状面７ｃとなっている。

そして、上記加工ツール７は、上記ツール保持具６に保持された状態でツール本体７ａの軸心がツール保持具６の駆動モータの上下方向に向く回転軸心Ｃと一致するようになっていて、当該駆動モータの回転により、上記回転軸心Ｃ周りに回転するようになっている。

また、上記加工ツール７は、上記ボールネジ５による上下方向の螺進・螺退動作により、上記ツール本体７ａの軸心方向に移動可能となっている。

上記装置本体２の下方には、図１に示すように、上記プレス部品１３を水平方向に延びる姿勢で保持可能なクランプ治具１１が水平方向に離間して一対配置されている。

該両クランプ治具１１の間で、且つ、上記加工ツール７の直下には、直方体形状の支持ブロック１２が配置され、当該支持ブロック１２上において上記各クランプ治具１１によって保持されたプレス部品１３が重なるようになっている。

上記装置本体２には、当該装置本体２を制御する制御盤１０（制御手段）が接続されている。

該制御盤１０は、図２乃至図５に示すように、上記ツール保持具６に回転開始信号を出力して上記加工ツール７を回転させるとともに、上記電動機８に正回転開始信号を出力して上記加工ツール７を両プレス部品１３の重合部分に向かって移動させて上側のプレス部品１３に加工ツール７のピン７ｂ側を押し込んで上記プレス部品１３を加圧することにより、当該プレス部品１３同士を摩擦熱で軟化させて固相接合させるようになっている。その際、上記ロードセル６ａは、上記加工ツール７に加わる負荷を検出するようになっている。

また、上記制御盤１０は、図６に示すように、接合の際に上記加工ツール７に対して加わる負荷の基準波形Ｄ_ｂ：ｙ＝ｆ（ｔ）（ｔは接合時間）を予め記憶するとともに、当該基準波形Ｄ_ｂ：ｙ＝ｆ（ｔ）と上記ロードセル６ａにより得られた負荷の波形Ｄ：ｙ＝ｇ（ｔ）（ｔは接合時間）とを比較し、接合開始から接合終了までの時間Ｔのうちの連続する所定の区間Ｓにおいてｇ（ｔ）≦ｆ（ｔ）の場合、上記加工ツール７の形状を正常と判定する一方、所定の区間Ｓにおいてｇ（ｔ）＞ｆ（ｔ）の場合、上記加工ツール７の形状を異常と判定するようになっている。

さらに、上記制御盤１０は、上記加工ツール７に加わる負荷の基準値Ｆ_１，Ｆ_２（Ｆ_１＜Ｆ_２）、及び、接合開始から上記ツール本体７ａの凹状面７ｃが上記プレス部品１３に接触するまでの基準時間ｔ_１（０＜ｔ_１＜Ｔ）を予め記憶しており、０＜ｔ＜ｔ_１のうちの連続する所定の区間Ｓ_１においてｇ（ｔ）≧Ｆ_１の場合、上記ピン７ｂの形状の異常と判定する一方、０＜ｔ＜ｔ_１の所定の区間Ｓ_１においてｇ（ｔ）＜Ｆ_１であるとともに、ｔ_１＜ｔのうちの連続する所定の区間Ｓ_２においてｇ（ｔ）≧Ｆ_２の場合、上記ツール本体７ａの形状の異常と判定するようになっている。

次に、重ね合わせたプレス部品１３を上記摩擦攪拌点接合装置１で接合する方法について説明する。

まず、図１に示すように、２枚のプレス部品１３が上記支持ブロック１２上で重なるように各プレス部品１３を各クランプ治具１１に把持させる。

次に、作業者は、制御盤１０に設けられた図示しない接合開始ボタンを押す。すると、制御盤１０は、ツール保持具６に回転開始信号を出力するとともに電動機８に正回転開始信号を出力し、それらの信号に基づいて、図２に示すように、上記ツール保持具６が上記加工ツール７を回転軸心Ｃ周りに回転させるとともに、上記ベルト９及びボールナット４を介してボールネジ５が下方に移動することにより上記加工ツール７が予め決められた所定の基準位置から下方に移動する。

しかる後、図３に示すように、ピン７ｂの突出端が上側のプレス部品１３に接触する。すると、上側のプレス部品１３が摩擦熱により加熱され始めるとともに、加工ツール７に加わる負荷の値がロードセル６ａによって検出され始める。

その後、加工ツール７がさらに下方に移動すると、図４に示すように、ピン７ｂが摩擦熱により軟化した軟化金属部分１３ａに入り込むとともに、ツール本体７ａの凹状面７ｃ周縁が上側のプレス部品１３に接触する（図６のＰ地点）。

さらに、加工ツール７が下方に移動した後、所定のタイミングで制御盤１０が電動機８に回転停止信号を出力し、その信号に基づいて電動機８が出力軸８ａの回転を停止させることで加工ツール７の下方への移動を停止させる。

そして、両プレス部品１３に対して加工ツール７を所定の加圧力で押し込んだ状態で所定時間維持させる。すると、図５に示すように、軟化金属部分１３ａが固化して接合部１３ｂとなる。

接合開始からＴ時間経過すると、制御盤１０は電動機８に逆回転開始信号を出力する。すると、上記電動機８は出力軸８ａを逆回転させて加工ツール７を所定の基準位置まで上方に移動させる。

そして、加工ツール７が所定の基準位置まで移動すると、制御盤１０はツール保持具６に回転停止信号を出力し、これにより、上記加工ツール７の回転が停止して、接合作業が終了する。

図６は、横軸を接合時における経過時間、縦軸を加工ツール７に加わる負荷としたグラフである。Ｄ_ｂは、基準寸法の加工ツール７で取得した基準波形ｙ＝ｆ（ｔ）を示し、Ｄ_１は、ピン７ｂに破損が生じている加工ツール７で取得した波形ｙ＝ｇ（ｔ）を示し、Ｄ_２は、ピン７ｂが正常な状態で、且つ、凹状面７ｃが磨耗している加工ツール７で取得した波形ｙ＝ｇ（ｔ）データを示す。尚、時間ｔ_１は、基準寸法の加工ツール７で接合する際にピン７ｂの突出端がプレス部品１３に接触してから凹状面７ｃの外周縁がプレス部品１３に接触するまでの時間である。

Ｄ_１の波形に示されるように、ピン７ｂに破損が生じていると、Ｄ_ｂの波形に比べて接合開始直後から加工ツール７に大きな負荷がかかることが分かり、さらに、ピン７ｂの突出端がプレス部品１３に接触してから凹状面７ｃの外周縁がプレス部品１３に接触するまでの時間もｔ_１より短くなることが分かる。このように、ピン７ｂが破損していると基準波形ｆ（ｔ）に対して波形ｇ（ｔ）の値が高くなる傾向があるので、本発明では、経過時間Ｔ内の所定の区間Ｓにおいてｇ（ｔ）＞ｆ（ｔ）の場合、上記加工ツール７の形状が異常と判定するようにしている。

また、ピン７ｂに破損が生じている場合、０＜ｔ＜ｔ_１の経過時間において基準波形ｆ（ｔ）に対して波形ｇ（ｔ）の値が高くなる傾向であるので、本発明では、予め設定しておいた加工ツール７に加わる負荷の基準値Ｆ_１よりも０＜ｔ＜ｔ_１の所定の区間Ｓ_１においてｇ（ｔ）≧Ｆ_１の場合、上記ピン７ｂの形状が異常と判定するようにしている。

また、Ｄ_２の波形に示されるように、ピン７ｂが正常な状態で、且つ、凹状面７ｃが磨耗している場合、ピン７ｂの突出端がプレス部品１３に接触してから凹状面７ｃの外周縁がプレス部品１３に接触する直前までは基準波形ｆ（ｔ）に対して波形ｇ（ｔ）の値に差が生じない。しかし、ｔ≧ｔ_１の経過時間において基準波形ｆ（ｔ）に対して波形ｇ（ｔ）の値が高くなる傾向であるので、本発明では、予め設定しておいた加工ツール７に加わる負荷の基準値Ｆ_１よりも０＜ｔ＜ｔ_１の所定の区間Ｓ_１においてｇ（ｔ）＜Ｆ_１であるとともに、予め設定しておいた加工ツール７に加わる負荷の基準値Ｆ_２（Ｆ_２＞Ｆ_１とする）よりもｔ≧ｔ_１の所定の区間Ｓ_２においてｇ（ｔ）≧Ｆ_２の場合、ツール本体７ａの形状が異常と判定するようにしている。

このように、本発明の実施形態では、接合時の加工ツール７に加わる負荷の値に基づいて加工ツール７の形状が把握できるようになるので、接合に係る時間以外に加工ツール７の形状を把握する時間を設ける必要がなく、生産効率を下げずに加工ツール７の形状についての管理を行うことができる。

また、接合の際に、加工ツール７の異常がピン７ｂの形状によるものか、或いは、ツール本体７ａの凹状面７ｃの形状によるものかが分かるようになるので、例えば、作業者が接合作業後に加工ツール７の形状を目視評価する必要がなく、生産効率を下げずに加工ツール７における形状の異常について定量的な評価を行うことができる。

尚、本発明の実施形態で用いている基準波形ｙ＝ｆ（ｔ）は、基準寸法の加工ツール７を用いて接合作業を１回行った際のデータを用いてもよいし、接合作業を複数回行った際の平均データを用いてもよい。

また、本発明の実施形態では、加工ツール７に加わる負荷をロードセル６で取得しているが、これに限らず、電動機８のエンコーダ８ｂで得られるトルク値を加工ツール７に加わる負荷として代用してもよい。

本発明は、重ね合わせた金属板同士を摩擦攪拌により点接合する摩擦攪拌点接合装置に適している。

１摩擦攪拌点接合装置
２装置本体（ツール回転移動手段）
７加工ツール
７ａツール本体
７ｂピン
７ｃ凹状面
１０制御盤（接合手段）
１３プレス部品（被接合材）

Claims

棒状のツール本体及び該ツール本体の長手方向一端の軸心上に突設されたピンを有し、上記ツール本体の上記ピン側の端面が上記ツール本体の長手方向他端側に行くにつれて次第に縮径する凹状面である加工ツールと、
上記ツール本体の軸心周りに回転可能に、且つ、少なくとも２枚以上重ね合わせた被接合材に向かって上記ツール本体の軸心方向に移動可能に上記加工ツールを保持するツール回転移動手段と、
該ツール回転移動手段に接続され、当該ツール回転移動手段を制御して上記加工ツールを回転させるとともに、上記一方側の被接合材に上記加工ツールのピン側を押し込むように移動させて当該被接合材を加圧することにより、上記被接合材同士を摩擦熱で軟化させて固相接合させる制御手段とを備え、
上記ツール回転移動手段には、上記加工ツールを上記被接合材に加圧する際、上記加工ツールに加わる負荷を検出する負荷検出手段が設けられ、
上記制御手段は、接合の際に上記加工ツールに対して加わる負荷の基準波形ｙ＝ｆ（ｔ）（ｔは接合時間）を予め記憶するとともに、当該基準波形ｙ＝ｆ（ｔ）と上記負荷検出手段により得られた負荷の波形ｙ＝ｇ（ｔ）（ｔは接合時間）とを比較し、接合開始から接合終了までの時間Ｔのうちの連続する所定の区間Ｓにおいてｇ（ｔ）≦ｆ（ｔ）の場合、上記加工ツールの形状を正常と判定する一方、所定の区間Ｓにおいてｇ（ｔ）＞ｆ（ｔ）の場合、上記加工ツールの形状を異常と判定することを特徴とする摩擦攪拌点接合装置。
請求項１に記載の摩擦攪拌点接合装置において、
上記制御手段は、上記加工ツールに加わる負荷の基準値Ｆ_１，Ｆ_２（Ｆ_１＜Ｆ_２）及び接合開始から上記ツール本体の凹状面が上記被接合材に接触するまでの基準時間ｔ_１（０＜ｔ_１＜Ｔ）を予め記憶し、０＜ｔ＜ｔ_１のうちの連続する所定の区間Ｓ_１においてｇ（ｔ）≧Ｆ_１の場合、上記ピンの形状の異常と判定する一方、０＜ｔ＜ｔ_１の所定の区間Ｓ_１においてｇ（ｔ）＜Ｆ_１であるとともに、ｔ_１＜ｔのうちの連続する所定の区間Ｓ_２においてｇ（ｔ）≧Ｆ_２の場合、上記ツール本体の形状の異常と判定することを特徴とする摩擦攪拌点接合用装置。