JP2017170525A - 摩擦攪拌接合工具 - Google Patents

Abstract

【課題】工作機械の主軸への熱伝導を抑制できる摩擦攪拌接合工具を提供する。【解決手段】工作機械の主軸８に装着される摩擦攪拌接合工具１であって、主軸８に接続されるシャンク部２０と、断熱部４０を介してシャンク部２０に接続されたチャック部３０と、チャック部３０に接続された摩擦攪拌接合用の接合ツール１０と、を有し、チャック部３０の周面には冷却ジャケット５０が形成され、冷却ジャケット５０には冷媒を通す冷媒通路６０が形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、摩擦攪拌接合工具に関する。

近年、材料の接合手法として摩擦攪拌接合が用いられている（特許文献１参照）。
摩擦攪拌接合では、回転する接合ツールを被接合物に押し当て、摩擦熱で被接合物を流動化させて接合する。
摩擦攪拌接合において、接合ツールは、摩擦攪拌接合装置の主軸に装着され、被接合物の表面と交差方向の回転軸を中心に回転駆動される。そして、回転状態のまま被接合物の表面の接合部分に沿って移動される。

摩擦攪拌接合装置では、接合ツールを高トルクで回転させつつ、軸移動（ツールの移動もしくはワークの移動）により、圧力をかけて摩擦熱を得るため、専用の装置が多用される。一方、主軸の回転、ツールの移動またはワークの移動であれば、汎用の工作機械で代行も可能である。
接合ツールとしては、例えば円柱状のツール本体の下端面に、同軸で下向きに円錐状のピンを形成したものが用いられる。ピンの周囲には段差状のショルダが形成される。
摩擦攪拌接合の動作時には、ピンが被接合物の内部に圧入され、ショルダは被接合物の表面に向かい合う状態に維持される。そして、回転するピンと被接合物との摩擦により摩擦部位が高温となり、被接合物が攪拌されて接合される。

特開２００５−１７７８４４号公報

前述のように、摩擦攪拌接合では、接合動作に伴って接合部が高温となり、接合ツールを介して工作機械の主軸へと熱が伝導される。
専用の摩擦攪拌接合装置では、接合ツールからの熱に対する処置がなされている。しかし、汎用の工作機械では、通常の切削加工の範囲でしか、主軸ないし主軸ヘッドに熱が伝導されて高温になるという状況を想定していない。
このため、汎用の工作機械に接合ツールを装着し、摩擦攪拌接合を行う場合、主軸に伝導される熱により、主軸あるいは主軸を支持する軸受ほかの機構部分に好ましくない影響が及ぶ可能性がある。例えば、主軸ヘッドのメインベアリングの損傷、リテーナー部の損傷、熱膨張による回転軸線の芯振れ、テーパシャンク部分におけるフレッチング損傷などが懸念される。

本発明の目的は、工作機械の主軸への熱伝導を抑制できる摩擦攪拌接合工具を提供することにある。

本発明の摩擦攪拌接合工具は、工作機械の主軸に装着される摩擦攪拌接合工具であって、前記主軸に接続されるシャンク部と、前記シャンク部に接続されたチャック部と、前記チャック部に接続された摩擦攪拌接合用の接合ツールと、を有し、前記チャック部の周面には冷却ジャケットが形成され、前記冷却ジャケットには冷媒を通す冷媒通路が形成されていることを特徴とする。

本発明では、冷媒通路にエアまたはクーラントなどの冷媒を供給することで、この冷媒が冷却ジャケットを通過し、通過する際にチャック部を冷却することができる。このため、摩擦攪拌接合の動作に伴って、接合ツールが高温になっても、その熱はチャック部で冷却され、シャンク部ないし主軸への熱伝導を抑制することができる。

本発明の摩擦攪拌接合工具において、前記冷媒通路は、前記シャンク部に形成されたセンタホールに接続され、前記冷媒は前記主軸のセンタスルーエアまたはセンタスルークーラントであることが望ましい。

本発明では、主軸を通して冷媒を供給することができ、工具全体を主軸とともに回転させることができ、構造を簡素にできる。また、冷媒として、工作機械の主軸に一般的に具備されるセンタスルーエアまたはセンタスルークーラントを利用するため、特別な冷媒供給装置を準備する必要がない。
なお、シャンク部のセンタホールを利用しない場合、回転する工具に外部から冷媒を供給する装備として、スルーツール工具への冷媒供給のような、主軸ヘッドに接続される固定部を設けて冷媒を受け取り、回転するシャンク部およびチャック部に冷媒を引き渡すような構成を別途設けることが望ましい。

本発明の摩擦攪拌接合工具において、前記シャンク部と前記チャック部との間には、断熱部が介装されていることが望ましい。
本発明では、接合ツールからチャック部に熱伝導があっても、断熱部により熱を遮断することができ、さらにシャンク部ないし主軸への熱伝導を抑制できる。
断熱部としては、断熱材料で形成された接続部材、接合部分の接触面積を小さくした断熱構造なども利用できる。

本発明の摩擦攪拌接合工具において、前記接合ツールに接触する前記チャック部の表面、または前記チャック部に接触する前記接合ツールの表面に、接触防止用の凹部が形成されていることが望ましい。
本発明では、接合ツールとチャック部との間で、凹部により接触面積が小さく形成されているので、接合ツールからチャック部への熱伝導を抑制できる。
凹部としては、接合ツールの端面またはチャック部の底面に十文字状の凸部を残すような凹部であることが好ましい。

本発明の摩擦攪拌接合工具において、前記シャンク部は、前記主軸と接触するテーパ部の表面に、接触防止用の凹部が形成されていることが望ましい。
本発明では、シャンク部まで熱伝導があったとしても、凹部により接触面積が小さく形成されているので、主軸への熱伝導を抑制できる。
凹部としては、テーパ部の中間太さ部分に形成することが有効であり、大径リング部と小径リング部との２箇所で主軸と接触する構成（大径リング部と小径リング部との間が凹部）、あるいは大径リング部だけで主軸と接触する構成（大径リング部以外が全て凹部）とすることができる。

本発明の摩擦攪拌接合工具において、前記チャック部の周面には、前記チャック部の温度に応じて外観が変化する温度マーカが設置されていることが望ましい。
本発明では、温度マーカにより、動作時のチャック部の温度を監視することができ、過熱状態などを目視確認することで、主軸への影響を未然に回避できる。
温度マーカとしては、温度に応じて表面全体の色彩や明暗が変化するものが好ましい。このように表面全体の外観が変化するものであれば、回転状態であっても外部から識別することができる。数字や文字による表示は、回転状態で判読できないため、温度マーカとしては好ましくない。ただし、回転方向に連続する縞模様の数や太さで表示するものなどであれば、回転状態でも識別することができる。

本発明によれば、工作機械の主軸への熱伝導を抑制できる摩擦攪拌接合工具を提供することができる。

本発明の一実施形態を示す断面図。 前記実施形態の冷却ジャケットおよび冷媒通路を示す拡大断面図。 前記実施形態のシャンク部を示す断面図。 前記実施形態の温度マーカを示す斜視図。 回転状態の温度マーカを示す斜視図。 他の実施形態のシャンク部を示す断面図。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１および図２において、本実施形態の摩擦攪拌接合工具１は、工作機械の主軸８に装着されて、被接合物７の摩擦攪拌接合を行うものである。

本実施形態の工作機械としては、主軸８の回転およびワーク（本実施形態では被接合物７だが工作機械として用いる際には被切削物）に対する主軸８の相対移動が可能な各種の形式が利用でき、主軸８および摩擦攪拌接合工具１を、被接合物７に対して任意の位置へと移動可能である。
工作機械において、主軸８は工作機械の主軸ヘッドに回転自在に支持され、主軸ヘッドに設置されたモータにより回転駆動される。

摩擦攪拌接合工具１は、主軸８に接続されるシャンク部２０と、シャンク部２０に接続されたチャック部３０と、チャック部３０に接続された摩擦攪拌接合用の接合ツール１０と、を有する。
シャンク部２０とチャック部３０との間には、断熱部４０が介装されている。チャック部３０の周面には、冷却ジャケット５０が形成されている。冷却ジャケット５０には、冷媒を供給する冷媒通路６０が形成されている。
さらに、チャック部３０の周面には、チャック部３０の温度に応じて外観が変化する温度マーカ７０が設置されている。

接合ツール１０は、摩擦攪拌接合用の工具であり、ツール本体１１の先端にショルダ１２およびピン１３を有する。
接合ツール１０は、回転状態で被接合物７に圧入されることで、先端のピン１３が被接合物７の材料を加熱溶融させつつ被接合物７内に圧入され、被接合物７の継ぎ目を溶融接合することができる。

シャンク部２０は、ＪＩＳＢ６３３９−２：２０１１に定められた自動工具交換用７／２４テーパシャンク（ＢＴタイプ）とされ、同規格に対応するＪＩＳＢ６３４０−２：２０１１に基づく主軸８に着脱可能である。
シャンク部２０は、主軸８の円錐面状のチャック孔８１に対応したテーパコーン２１（テーパ部）を有する。

テーパコーン２１には、図２にも示すように、周面の回転軸線方向の中間部に凹部２２が形成され、凹部２２の小径側に小径リング部２３が形成され、凹部２２の大径側に大径リング部２４が形成されている。
小径リング部２３および大径リング部２４は、テーパコーン２１の元の表面に対して、凹部２２を形成することで、表面が残された部分として形成され、凹部２２に対して凸状となっている。

シャンク部２０を主軸８に装着した際、凹部２２はチャック孔の内周面に接触せず、小径リング部２３および大径リング部２４だけがチャック孔に密着する。これにより、シャンク部２０と主軸８とが互いに密着する面積は、凹部２２がなくテーパコーン２１の全体が、チャック孔に密着した場合の数分の一程度に小さくなり、当該部分での熱伝導が抑制されている。
チャック孔に密着する小径リング部２３および大径リング部２４は、接合ツール１０で摩擦攪拌接合を行う際に、必要なトルクを十分に伝達できる面積、外径および軸方向の幅とされている。

チャック部３０は、ツール本体１１が挿入可能な保持孔３１を有する筒状の部材であり、側面には２方向から固定ねじ３２がねじ込まれている。
ツール本体１１が挿入された状態で、固定ねじ３２を締め付けることで、ツール本体１１が保持孔３１の内部で固定され、これにより接合ツール１０は、チャック部３０ないしシャンク部２０と同一の回転軸線上に保持される。

断熱部４０は、シャンク部２０とチャック部３０との間に介装された円筒状の部材であり、各々に対して固定されている。
断熱部４０は、セラミックスなどの低熱伝導材料で形成され、接合ツール１０からの熱でチャック部３０が高温になっても、シャンク部２０への熱伝導を大幅に低減ないし遮断することができる。
断熱部４０とシャンク部２０とを接続するボルト４２と、断熱部４０とチャック部３０とを接続するボルト４３とは、それぞれ独立しており、シャンク部２０とチャック部３０との熱伝導経路中に、必ず低熱伝導材料が介在するように構成されている。
断熱部４０にはセンタホール４１が形成され、センタホール４１はシャンク部２０のセンタホール２５に連通されている。

接合ツール１０は、チャック部３０に対して、固定ねじ３２とツール本体１１の周面との間、および、固定ねじ３２とは反対側のツール本体１１の周面と保持孔３１の内周面との間で接触する。
固定ねじ３２および保持孔３１の内周面との間の接触は、ツール本体１１の周面の全体面積に比べて十分小さく、接合ツール１０からの熱伝導を抑制することができる。
チャック部３０の保持孔３１は底面が開放され、接合ツール１０の底面は断熱部４０と接触することで受けられる。

接合ツール１０において、ツール本体１１の端面には、接触防止用の凹部として「＋」字状の切欠き１４が形成され、４つの扇状の凸部１５が形成されている。このような凸部１５だけで保持孔３１の底面と接触させることで、ツール本体１１の端面と断熱部４０との接触部分においても、熱伝導の抑制が図られている。
ツール本体１１の切欠き１４は、中心部が断熱部４０のセンタホール４１に連通され、このセンタホール４１を介してシャンク部２０のセンタホール２５に連通されている。切欠き１４は、ツール本体１１の外周面まで達しており、切欠き１４はツール本体１１の外周面と保持孔３１の内周面との間の隙間に連通されている。

冷却ジャケット５０は、チャック部３０の外周面を覆うケース部材５１と、ケース部材５１の内部に収容されたガイド部材５２とを有する。
ケース部材５１は、接合ツール１０側の端部がチャック部３０の周面の中間位置に配置され、反対側の端部が断熱部４０に接続されている。
ケース部材５１の外周面には、多数の放熱フィン５３が形成されている。

ガイド部材５２は、ケース部材５１の内部に設置され、内部に形成される空間を導入部６１と排出部６２とに仕切っている。ガイド部材５２の外周面には、螺旋状の凹溝が形成されており、ケース部材５１の内周面との間に螺旋状通路６３を形成している。螺旋状通路６３は、一端が導入部６１に連通され、他端が排出部６２に連通されている。

冷媒通路６０は、冷却ジャケット５０に形成される導入部６１、排出部６２および螺旋状通路６３を含んで構成される。
導入部６１は、チャック部３０の表裏を貫通する貫通孔６４を介して保持孔３１に連通され、保持孔３１は接合ツール１０の切欠き１４、および断熱部４０のセンタホール４１を通して、シャンク部２０のセンタホール２５に連通されている。
排出部６２は、排出孔６５を介して外部に開放されている。

シャンク部２０のセンタホール２５は、主軸８に装着された際に、主軸８のセンタホール８２に連通される。
この状態で、主軸８から冷媒として、センタスルーエアあるいはセンタスルークーラントを供給すると、これらは各センタホール８２，２５，４１を通り、冷媒通路６０へと導入される。

図３において、シャンク部２０のセンタホール２５から導入された冷媒Ｃは、径方向の切欠き１４を通してツール本体１１の外周に導かれ、チャック部３０の内周面（保持孔３１より一段外側に拡がった部分）との間の隙間を通って貫通孔６４に導入される。貫通孔６４に導入された冷媒Ｃは、ガイド部材５２とチャック部３０との間の隙間を通り、導入部６１へと導入される。
導入部６１へ導入された冷媒Ｃは、螺旋状通路６３を所定の時間をかかって通過し、その間にチャック部３０を冷却し、排出部６２に達し、排出孔６５から排出される。

温度マーカ７０は、チャック部３０の接合ツール１０に近い外周面に設置されている。
図３に示すように、温度マーカ７０は、板状に形成された表示パネルであり、ねじ止めなどでチャック部３０に固定されている。
温度マーカ７０は、温度で色彩や明度が変化する感温材料を、パネルの表面に塗布または印刷したものであり、接合ツール１０からの熱でチャック部３０の温度が上昇した際に、色彩や明度が変化することで、温度上昇を外部から視認することができる。

温度マーカ７０は、パネル全面の色彩や明度が変化するものであるため、チャック部３０が回転状態であっても、外部から視認することができる。
図４に示すように、チャック部３０が回転している場合、温度マーカ７０は高速で移動するため、周方向に連続した帯状の移動軌跡７１として目視される。
この際、例えば温度マーカ７０の表示が文字等であれば、これを読み取ることは難しい。しかし、温度マーカ７０は色彩や明度が変化するものであるため、移動軌跡７１の色彩や明度の変化として、容易に視認することができる。

本実施形態においては、シャンク部２０を主軸８に接続することで、摩擦攪拌接合工具１を工作機械に装着する。そして、工作機械で主軸８および摩擦攪拌接合工具１を移動させ、接合ツール１０を被接合物７に対向させる。この状態で、主軸８を回転させることで、シャンク部２０、チャック部３０および接合ツール１０が一体に回転駆動される。そして、接合ツール１０を被接合物７に圧入することで、摩擦攪拌接合を行うことができる。

ここで、接合ツール１０においては、被接合物７との摩擦により高温となり、接合ツール１０からの熱がチャック部３０へと熱が伝導される。
しかし、接合ツール１０とチャック部３０との間では、切欠き１４（接触防止用の凹部）および凸部１５により、相互の接触面積が小さく制限されており、接合ツール１０からの熱伝導を抑制することができる。
また、チャック部３０には冷却ジャケット５０および冷媒通路６０が設置され、接合ツール１０からの熱伝導があっても、これを冷却することができる。

さらに、チャック部３０とシャンク部２０との間には、断熱部４０が介装されており、接合ツール１０からの熱伝導があっても、これを制限または遮断することができる。
そして、シャンク部２０と主軸８との間でも、凹部２２により、相互の接触面積が小さく制限されており、接合ツール１０からの熱伝導伝導を抑制することができる。
以上により、摩擦攪拌接合に伴って接合ツール１０に高熱が生じても、この熱がチャック部３０、シャンク部２０を経て主軸８に伝導されることを抑制することができる。

なお、冷媒通路６０による冷却にあたっては、加工段階に応じて、センタスルーエアあるいはセンタスルークーラントを使い分けてもよい。
例えば、摩擦攪拌接合の加工動作中は、冷媒通路６０にセンタスルーエアを通し、このエアでチャック部３０を冷却する。通過したエアは、大気に放散される。
加工が完了したら、エアに替えて、冷媒通路６０にセンタスルークーラントを通し、このクーラントでチャック部３０を冷却する。通過したクーラントは、冷却ジャケット５０から流下し、工作機械に設置されているクーラント回収経路で受けられて、クーラントタンクに回収される。
このような使い分けを行うことで、加工中はエアにより被接合物７にクーラントが付着することが回避できる。また、加工後は、クーラントにより短時間で冷却を行うことができる。なお、クーラント回収経路ないしクーラントタンクに、クーラント冷却装置が設置されていれば、加工後の冷却をさらに短時間で完了できる。

なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形などは本発明に含まれる。
接合ツール１０としては、既存の部品をそのまま利用することができる。既存の部品であっても、その端部に切欠き１４を設けて凸部１５を形成することができる。
シャンク部２０における凹部２２の範囲などは、実施にあたって適宜設計すればよい。前述した通り、チャック孔に密着する小径リング部２３および大径リング部２４において、接合ツール１０で摩擦攪拌接合を行う際に必要なトルクを十分に伝達できる面積、外径および軸方向の幅が確保できればよい。

シャンク部２０において、小径リング部２３および大径リング部２４の両方を形成することは必須ではない。
図５において、シャンク部２０Ａのテーパコーン２１には、小径の端部まで凹部２２が形成されており、大径側の大径リング部２４だけが設けられている。
シャンク部２０Ａにおいては、大径リング部２４だけで主軸８と接触するが、大径リング部２４の回転中心の軸線方向の長さが所定長さであれば、軸線方向も正しく規制できる。
さらに、凹部２２によるシャンク部２０の接触面積低減は、本発明に必須ではなく、適宜省略してもよい。

断熱部４０は、低摩擦材料を用いた中実部材に限らず、中空化あるいは他の断熱手段を組み合わせて用いてもよい。
さらに、断熱部４０は、本発明に必須ではなく、省略してもよい。
冷却ジャケット５０および冷媒通路６０の構成は、前述した実施形態の構成に限定されない。例えば、空冷のための放熱フィン５３は適宜省略してもよい。

冷媒通路６０として螺旋状通路６３を用いることは、必須ではない。ただし、螺旋状に循環させることで、冷媒の通過時間を長くでき、冷媒の冷却効果を高めることができる。
ガイド部材５２は必須ではなく、冷却ジャケット５０内を単なる空洞としてもよい。
冷媒通路６０に通される冷媒は、主軸８から供給されるセンタスルーエア、あるいはセンタスルークーラントでなくてもよく、各部のセンタホール８２，２５，４１から導入する構成も必須ではない。

本発明は、摩擦攪拌接合工具に関し、汎用の工作機械を用いた摩擦攪拌接合に利用できる。

１…摩擦攪拌接合工具、１０…接合ツール、１１…ツール本体、１２…ショルダ、１３…ピン、１４…切欠き、１５…凸部、２０，２０Ａ…シャンク部、２１…テーパコーン、２２…凹部、２３…小径リング部、２４…大径リング部、２５…センタホール、３０…チャック部、３１…保持孔、３２…固定ねじ、４０…断熱部、４１…センタホール、４２，４３…ボルト、５０…冷却ジャケット、５１…ケース部材、５２…ガイド部材、５３…放熱フィン、６０…冷媒通路、６１…導入部、６２…排出部、６３…螺旋状通路、６４…貫通孔、６５…排出孔、７…被接合物、７０…温度マーカ、７１…移動軌跡、８…主軸、８１…チャック孔、８２…センタホール。

Claims (6)

1. 工作機械の主軸に装着される摩擦攪拌接合工具であって、
   前記主軸に接続されるシャンク部と、前記シャンク部に接続されたチャック部と、前記チャック部に接続された摩擦攪拌接合用の接合ツールと、を有し、
   前記チャック部の周面には冷却ジャケットが形成され、前記冷却ジャケットには冷媒を通す冷媒通路が形成されていることを特徴とする摩擦攪拌接合工具。
2. 前記冷媒通路は、前記シャンク部に形成されたセンタホールに接続され、前記冷媒は前記主軸のセンタスルーエアまたはセンタスルークーラント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工具。
3. 前記シャンク部と前記チャック部との間には、断熱部が介装されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の摩擦攪拌接合工具。
4. 前記接合ツールに接触する前記チャック部の表面、または前記チャック部に接触する前記接合ツールの表面に、接触防止用の凹部が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合工具。
5. 前記シャンク部は、前記主軸と接触するテーパ部の表面に、接触防止用の凹部が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合工具。
6. 前記チャック部の周面には、前記チャック部の温度に応じて外観が変化する温度マーカが設置されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合工具。

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