JP2018051564A - Rotary tool - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転ツールに関する。 The present invention relates to a rotating tool.
金属材の接合方法の一つとして摩擦撹拌接合(FSW:Friction Stir Welding)が知られている。摩擦撹拌接合では、金属材同士の当接部分に回転ツールを押し込んで回転させ、摩擦熱で軟化させた金属材同士を塑性流動により一体化させる。 Friction stir welding (FSW) is known as one method for joining metal materials. In the friction stir welding, a rotating tool is pushed into a contact portion between metal materials and rotated, and the metal materials softened by friction heat are integrated by plastic flow.
摩擦撹拌接合に用いられる回転ツールとしては、例えば特許文献1に記載の回転ツールがある。この従来の回転ツールは、接合時に金属材同士の当接部分に押し込まれるプローブ部と、プローブ部を囲むように環状に設けられたショルダ部と、を備えている。プローブ部の外面には、流動した金属材の撹拌を促進させるための溝が形成されている。
As a rotary tool used for friction stir welding, for example, there is a rotary tool described in
上述のような回転ツールでは、一般に、プローブ部とショルダ部とが一体に形成されている。この場合、溝加工用の工具がショルダ部に干渉するため、プローブ部の基端部分に溝を形成することが困難となる。しかし、金属材の撹拌性を向上させて塑性流動を効率良く生じさせるためには、プローブ部のショルダ部からの突出部分の全体にわたって溝が形成されていることが好ましい。また、上述のような回転ツールでは、加工精度を確保して健全な接合部を得るために、プローブ部の突出量が狙いの大きさであることが極めて重要となる。 In the rotary tool as described above, the probe portion and the shoulder portion are generally formed integrally. In this case, since the groove processing tool interferes with the shoulder portion, it is difficult to form a groove in the proximal end portion of the probe portion. However, in order to improve the stirrability of the metal material and efficiently generate the plastic flow, it is preferable that a groove is formed over the entire protruding portion of the probe portion from the shoulder portion. Further, in the rotating tool as described above, it is extremely important that the protruding amount of the probe portion is a target size in order to secure a processing accuracy and obtain a sound joint portion.
そこで、本発明は、塑性流動を効率良く生じさせて健全な接合部を得ることができる回転ツールを提供することを目的とする。 Then, an object of this invention is to provide the rotation tool which can produce a plastic flow efficiently and can obtain a healthy joint part.
本発明の一側面に係る回転ツールは、円柱状をなす本体部の先端面に、本体部よりも小径で周面に溝が形成されたプローブ部と、プローブ部を囲むように環状に設けられたショルダ部と、を備えた摩擦撹拌接合用の回転ツールであって、ショルダ部が先端面側に設けられた円筒状の第1の分割部材と、プローブ部が先端面側に設けられ、第1の分割部材の中空部に嵌合する第2の分割部材と、を備え、第1の分割部材は、プローブ部が挿通する内径をもってショルダ部側に設けられた第1の中空部と、第1の中空部よりも大径で第1の中空部の基端側と連通すると共に、内周面に雌ネジ部が設けられた第2の中空部と、を有し、第2の分割部材は、第2の中空部の内径に対応する外径をもってプローブ部の基端側に設けられると共に、外周面に雄ネジ部が設けられた胴部と、第1の分割部材の外径に対応する外径をもって胴部の基端側に設けられた台座部と、を有し、第2の分割部材は、胴部の雄ネジ部を第2の中空部の雌ネジ部に螺合することにより、第1の中空部からショルダ部側にプローブ部が突出するように第1の分割部材に結合され、台座部が第1の分割部材の基端面に当接して第1の中空部からのプローブ部の突出量が規定されており、少なくともプローブ部の突出部分の周面の全体にわたって溝が設けられている。 A rotary tool according to one aspect of the present invention is provided in an annular shape so as to surround a probe portion having a diameter smaller than that of the main body portion and having a groove formed on a peripheral surface thereof at a front end surface of the cylindrical main body portion. A rotating tool for friction stir welding comprising a shoulder portion, a cylindrical first divided member having a shoulder portion provided on a tip surface side, and a probe portion provided on a tip surface side, A second split member that fits into the hollow portion of the first split member, and the first split member has a first hollow portion provided on the shoulder portion side with an inner diameter through which the probe portion is inserted, A second hollow member having a diameter larger than that of the first hollow portion and communicating with the proximal end side of the first hollow portion and having a female screw portion provided on the inner peripheral surface thereof. Is provided on the proximal end side of the probe portion with an outer diameter corresponding to the inner diameter of the second hollow portion, and an outer peripheral surface A body portion provided with a male screw portion, and a pedestal portion provided on the proximal end side of the body portion with an outer diameter corresponding to the outer diameter of the first divided member, and the second divided member is By screwing the male screw portion of the body portion into the female screw portion of the second hollow portion, the probe portion is coupled to the first split member so that the probe portion projects from the first hollow portion toward the shoulder portion, The portion abuts against the base end surface of the first split member to define the protruding amount of the probe portion from the first hollow portion, and a groove is provided at least over the entire peripheral surface of the protruding portion of the probe portion. .
この回転ツールでは、第1の中空部からショルダ部側にプローブ部が突出するように、第2の分割部材が第1の分割部材に結合される。このため、必ずしもプローブ部の基端部分にまで溝を形成しなくても、プローブ部のうち周面に溝が形成された部分をショルダ部から突出させることができる。その結果、プローブ部の突出部分の全体にわたって溝が配置されるため、金属材の撹拌性を向上でき、塑性流動を効率良く生じさせることができる。また、この回転ツールでは、台座部を第1の分割部材の基端面に当接させることによってプローブ部の突出量を規定できる。そのため、プローブ部の突出量を確実に狙いの大きさとすることができ、加工精度を向上できる。以上により、この回転ツールによれば、塑性流動を効率良く生じさせて健全な接合部を得ることができる。 In this rotary tool, the second divided member is coupled to the first divided member so that the probe portion protrudes from the first hollow portion toward the shoulder portion. For this reason, even if it does not necessarily form a groove | channel to the base end part of a probe part, the part by which the groove | channel was formed in the surrounding surface among probe parts can be protruded from a shoulder part. As a result, since the groove is disposed over the entire protruding portion of the probe portion, the stirrability of the metal material can be improved, and plastic flow can be efficiently generated. Moreover, in this rotary tool, the protrusion amount of the probe portion can be defined by bringing the pedestal portion into contact with the base end surface of the first divided member. Therefore, the protruding amount of the probe portion can be surely set to the target size, and the processing accuracy can be improved. As described above, according to this rotary tool, it is possible to efficiently generate plastic flow and obtain a sound joint.
また、台座部は、胴部周りに設けられたスペーサを介して第1の分割部材の基端面に当接してもよい。この場合、スペーサの厚さによってプローブ部の突出量を容易に調整できる。 Further, the pedestal portion may abut on the proximal end surface of the first split member via a spacer provided around the trunk portion. In this case, the protrusion amount of the probe portion can be easily adjusted by the thickness of the spacer.
また、第1の分割部材と第2の分割部材とは、同系の金属材料によって形成されていてもよい。この場合、接合時の温度上昇により第1の分割部材と第2の分割部材との間に熱応力が生じてしまうことを抑制できる。 Further, the first divided member and the second divided member may be formed of a similar metal material. In this case, it can suppress that a thermal stress arises between the 1st division member and the 2nd division member by the temperature rise at the time of joining.
本発明によれば、塑性流動を効率良く生じさせて健全な接合部を得ることができる回転ツールを提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the rotational tool which can produce a plastic flow efficiently and can obtain a healthy joint part can be provided.
以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the same or equivalent elements will be denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
図1に示される摩擦撹拌接合装置1は、回転ツール10を用いて金属材2,2同士の突き合わせ部分Pに沿って連続接合部3を形成する装置である。接合の対象である金属材2は、例えば鉄道車両構体に用いられる外板である。金属材2を構成する材料の例としては、ステンレス鋼及び冷間圧延鋼等の鉄鋼系材料や、アルミ合金等の軽合金材料等が挙げられる。
A friction
摩擦撹拌接合装置1は、回転ツール10を保持するツールホルダ(不図示)と、回転ツール10を中心軸周りに回転させる回転モータ4と、回転ツール10を突き合わせ部分Pに沿って移動させる移動モータ5と、回転ツール10を突き合わせ部分Pに対して押圧する押圧機構6と、回転モータ4、移動モータ5及び押圧機構6を制御するコントローラ7と、金属材2,2の下に配置される板状の裏当材8と、を含んで構成されている。
The friction
ツールホルダは、金属等の延性材料によって略円柱状に形成されている。ツールホルダは、金属材2の法線方向に対し、回転ツール10の進行方向と反対側に傾けられている。ツールホルダの下端部には、回転ツール10の差込口が形成されており、この差込口に回転ツール10を差し込むことによって回転ツール10がツールホルダに保持されている。
The tool holder is formed in a substantially cylindrical shape by a ductile material such as metal. The tool holder is tilted with respect to the normal direction of the
このような摩擦撹拌接合装置1を用いて接合を行う場合、まず、金属材2,2同士を裏当材8上で突き合わせた後、回転ツール10を突き合わせ部分Pの上方に配置し、回転ツール10のプローブ部31(後述する)を突き合わせ部分Pの一端に押し込む。そして、回転ツール10を回転させながら突き合わせ部分Pの他端まで移動させる。これにより、プローブ部31と金属材2との間で発生する摩擦熱が突き合わせ部分Pに入熱し、摩擦熱による塑性流動によって突き合わせ部分Pに連続接合部3が形成される。
When joining is performed using such a friction
次に、摩擦撹拌接合装置1に適用される回転ツール10について詳細に説明する。図2に示されるように、回転ツール10は、略円柱状をなす本体部11を備えている。本体部11の先端面には、本体部11よりも小径で周面に溝15が形成されたプローブ部31と、プローブ部31を囲むように環状に設けられたショルダ部21とが設けられている。
Next, the
回転ツール10は、ショルダ部21が先端面側に設けられた円筒状の第1の分割部材20と、プローブ部31が先端面側に設けられた第2の分割部材30との結合体により構成されている。より詳細には、回転ツール10は、第2の分割部材30が第1の分割部材20の中空部22に嵌合することによって構成されている。以下、図3及び図4を参照しつつ、第1の分割部材20及び第2の分割部材30について更に説明する。
The
第1の分割部材20は、例えば工具鋼やクロムモリブデン鋼等の金属材料によって一体に形成されている。第1の分割部材20の内部には、中空部22として、円柱状の第1の中空部23と、円柱状の第2の中空部24とが設けられている。第1の中空部23は、プローブ部31が挿通する内径をもってショルダ部21側に設けられている。第1の中空部23の内径は、プローブ部31の外径と略同一、又はプローブ部31の外形よりも僅かに大きくなっている。
The first divided
第2の中空部24は、第1の中空部23よりも大径に形成され、第1の中空部23の基端側と連通している。これにより、第2の中空部24における第1の中空部23との境界には、段差面24aが形成されている。第2の中空部24の内周面には、雌ネジ部24bが設けられている。雌ネジ部24bは、例えば、第2の中空部24の内周面のうち段差面24aの近傍を除いた部分の全体にわたって形成されている。
The second
第1の分割部材20(ショルダ部21)の先端面には、環状の凹部21aが設けられている。凹部21aは、例えば第1の分割部材20の先端面の全体にわたって形成されている。凹部21aの底面は、例えばプローブ部31に近づくほど凹部21aが深くなるようにテーパ状をなしている。
An
第2の分割部材30は、例えば第1の分割部材20を構成する金属材料と同一の金属材料によって一体に形成されている。第2の分割部材30は、上述したプローブ部31に加えて、円柱状の胴部32と、円板状の台座部33と、を有している。プローブ部31の軸方向の長さは、第1の中空部23の軸方向の長さよりも長くなっている。
The second divided
胴部32は、第2の中空部24の内径に対応する外径をもってプローブ部31の基端側に設けられている。胴部32の外径は、例えば第2の中空部24の内径と略同一となっている。胴部32の軸方向の長さは、第2の中空部24の軸方向の長さよりも短くなっており、例えば第2の中空部24の内周面のうち雌ネジ部24bが形成された部分の軸方向の長さと等しくなっている。
The
胴部32の外周面には、全体にわたって雄ネジ部32aが設けられている。雄ネジ部32aは、胴部32が第2の中空部24に嵌合されたときに、雌ネジ部24bに螺合する。雄ネジ部32aと雌ネジ部24bとが螺合する方向は、螺合の緩みを抑制するために、接合時の回転ツール10の回転方向と反対になっている。
A
台座部33は、第1の分割部材20の外径に対応する外径をもって胴部32の基端側に設けられている。台座部33の外径は、例えば第1の分割部材20の外径と略同一となっている。台座部33の胴部32側の面のうち胴部32よりも径方向外側に位置する部分は、第1の分割部材20の基端面20aに対する当接面33aを構成している。なお、プローブ部31、胴部32及び台座部33は、互いに同軸に設けられている。
The
上述したように、プローブ部31の周面には溝15が形成されている。溝15は、流動した金属材2の撹拌を促進させるために設けられている。溝15は、プローブ部31の周面のうち基端部分を除いた部分の全体にわたって形成されている。溝15は、例えばプローブ部31の軸方向に沿って螺旋状に設けられている。なお、溝15は、流動した金属材2の撹拌を促進できればよく、任意の形状又は配置で設けられてよい。例えば、溝15は、プローブ部31の軸方向に沿って延在すると共に、プローブ部31の周方向に沿って並設された複数の溝であってもよいし、プローブ部31の周方向に沿って延在すると共に、プローブ部31の軸方向に沿って並設された複数の溝であってもよい。
As described above, the
図2に示されるように、第2の分割部材30は、胴部32の雄ネジ部32aを第2の中空部24の雌ネジ部24bに螺合することにより、第1の中空部23からショルダ部21側にプローブ部31が突出するように第1の分割部材20に結合されている。この結合状態においては、台座部33の当接面33aが第1の分割部材20の基端面20aに当接することにより、第1の中空部23からのプローブ部31の突出量が規定されている。また、胴部32の先端面と第2の中空部24の段差面24aとが離間することにより、胴部32の公差が吸収されている。また、プローブ部31のうち周面に溝15が形成された部分の先端側の一部がショルダ部21から突出している。すなわち、回転ツール10では、ショルダ部21からのプローブ部31の突出部分の周面の全体にわたって溝15が設けられている。
As shown in FIG. 2, the second divided
以上説明したように、回転ツール10では、第1の中空部23からショルダ部21側にプローブ部31が突出するように第2の分割部材30が第1の分割部材20に結合される。このため、必ずしもプローブ部31の基端部分にまで溝15を形成しなくても、プローブ部31のうち周面に溝15が形成された部分をショルダ部21から突出させることができる。その結果、プローブ部31の突出部分の周面の全体にわたって溝15が配置されるため、金属材2の撹拌性を向上でき、塑性流動を効率良く生じさせることができる。
As described above, in the
すなわち、図5に示されるように、ショルダ部21Aとプローブ部31Aとが一体に形成された従来の回転ツール10Aの場合、プローブ部31Aの突出部分の周面の全体にわたって溝15Aを形成することは困難である。これは、溝加工用の工具40の頭部41がショルダ部21Aに干渉するために、工具40の刃部42をプローブ部31Aの基端部分に接触させることができないためである。これに対して、本実施形態の回転ツール10では、上述のとおり、プローブ部31の基端部分に溝15が形成されていない場合でも、プローブ部31の突出部分の周面の全体にわたって溝15を配置できる。また、必ずしもプローブ部31の基端部分にまで溝15を形成する必要がないため、プローブ部31の溝加工用に専用の特殊な工具が必要となることを回避できる。また、工具の干渉を避けつつプローブ部31の基端部分に溝15を形成するような熟練の技能が必要となることを回避できる。
That is, as shown in FIG. 5, in the case of the
また、回転ツール10では、台座部33を第1の分割部材20の基端面20aに当接させることによってプローブ部31の突出量を規定できる。そのため、プローブ部31の突出量を確実に狙いの大きさとすることができ、加工精度を向上できる。以上により、回転ツール10によれば、塑性流動を効率良く生じさせて健全な接合部を得ることができる。
In the
また、回転ツール10では、第1の分割部材20と第2の分割部材30とが同一の金属材料によって形成されている。これにより、第1の分割部材20と第2の分割部材30との間の熱膨張係数の差が無いため、接合時の温度上昇により第1の分割部材20と第2の分割部材30との間に熱応力が生じてしまうことを抑制でき、熱応力に起因する歪みを抑制できる。
Moreover, in the
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られない。例えば、図6に示されるように、台座部33の当接面33aは、胴部32周りに設けられた円環状のスペーサ50を介して第1の分割部材20の基端面20aに当接していてもよい。スペーサ50の外径は、例えば第1の分割部材20の外径と同一となっている。スペーサ50の内径は、例えば雄ネジ部32aと接触しないように胴部32の外径よりも僅かに小さくなっている。なお、図6では、雌ネジ部24bの一部を省略して示している。
Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment. For example, as shown in FIG. 6, the
スペーサ50が配置されている場合、スペーサ50の厚さの分だけ当接面33aと基端面20aとが離間し、プローブ部31の突出量が小さくなる。したがって、この変形例によれば、スペーサ50の厚さによってプローブ部31の突出量を容易に調整できる。その結果、スペーサ50の厚さを変更することにより、1つの回転ツール10で様々な板厚の金属材2の加工が可能となる。
When the
また、上記実施形態では、プローブ部31の周面のうち基端部分を除いた部分の全体にわたって溝15が設けられていたが、少なくとも第1の中空部23からのプローブ部31の突出部分の周面の全体にわたって溝15が設けられていればよく、プローブ部31の周面の全体にわたって溝15が設けられてもよい。また、第2の分割部材30を構成するプローブ部31、胴部32及び台座部33は、互いに別体に形成されて結合されてもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the groove |
また、第1の分割部材20と第2の分割部材30とは、必ずしも同一の金属材料によって形成されていなくてもよく、同系の金属材料によって形成されていてもよい。この場合でも、上記実施形態と同様に、接合時の温度上昇により第1の分割部材20と第2の分割部材30との間に熱応力が生じてしまうことを抑制でき、熱応力に起因する歪みを抑制できる。ここで、同系の金属材料とは、同種の金属を主な構成として含む金属材料を意味する。同系の金属材料の例として、鉄を主な構成として含む合金、炭素鋼(S20C、S45Cを含む)、クロムモリブデン鋼、工具鋼、ステンレス鋼等や、鉄を主な構成として含む合金に添加元素が付加されたクロムバナジウム鋼等が挙げられる。また、他の例として、アルミニウムを主な構成として含む合金(1000系、7000系を含む)が挙げられる。
Moreover, the
10…回転ツール、11…本体部、15…溝、20…第1の分割部材、20a…基端面、21…ショルダ部、22…中空部、23…第1の中空部、24…第2の中空部、24b…雌ネジ部、30…第2の分割部材、31…プローブ部、32…胴部、32a…雄ネジ部、33…台座部、50…スペーサ。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記ショルダ部が先端面側に設けられた円筒状の第1の分割部材と、
前記プローブ部が先端面側に設けられ、前記第1の分割部材の中空部に嵌合する第2の分割部材と、を備え、
前記第1の分割部材は、
前記プローブ部が挿通する内径をもって前記ショルダ部側に設けられた第1の中空部と、前記第1の中空部よりも大径で前記第1の中空部の基端側と連通すると共に、内周面に雌ネジ部が設けられた第2の中空部と、を有し、
前記第2の分割部材は、
前記第2の中空部の内径に対応する外径をもって前記プローブ部の基端側に設けられると共に、外周面に雄ネジ部が設けられた胴部と、前記第1の分割部材の外径に対応する外径をもって前記胴部の基端側に設けられた台座部と、を有し、
前記第2の分割部材は、前記胴部の前記雄ネジ部を前記第2の中空部の前記雌ネジ部に螺合することにより、前記第1の中空部から前記ショルダ部側に前記プローブ部が突出するように前記第1の分割部材に結合され、
前記台座部が前記第1の分割部材の基端面に当接して前記第1の中空部からの前記プローブ部の突出量が規定されており、
少なくとも前記プローブ部の突出部分の周面の全体にわたって前記溝が設けられている、回転ツール。 Friction provided with a probe part having a diameter smaller than that of the main body part and a groove formed on the peripheral surface on the front end surface of the cylindrical main body part, and a shoulder part provided in an annular shape so as to surround the probe part A rotating tool for stir welding,
A cylindrical first divided member in which the shoulder portion is provided on the front end surface side;
The probe portion is provided on the tip surface side, and includes a second divided member that fits into a hollow portion of the first divided member,
The first divided member is
A first hollow portion provided on the shoulder portion side with an inner diameter through which the probe portion is inserted, communicates with a proximal end side of the first hollow portion having a larger diameter than the first hollow portion, and an inner A second hollow portion provided with a female screw portion on the peripheral surface,
The second divided member is
An outer diameter corresponding to the inner diameter of the second hollow portion is provided on the proximal end side of the probe portion, and a barrel portion provided with a male screw portion on the outer peripheral surface, and an outer diameter of the first split member A pedestal portion provided on the base end side of the body portion with a corresponding outer diameter,
The second split member is formed by screwing the male screw portion of the trunk portion into the female screw portion of the second hollow portion, so that the probe portion is moved from the first hollow portion to the shoulder portion side. Is coupled to the first split member so as to protrude,
The amount of protrusion of the probe portion from the first hollow portion is defined by contacting the base portion with the base end surface of the first split member,
The rotating tool, wherein the groove is provided at least over the entire peripheral surface of the protruding portion of the probe portion.
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Cited By (2)
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CN109590625A (en) * | 2019-01-16 | 2019-04-09 | 福州大学 | A kind of electric arc increases the composite manufacturing method of material forming and mixing yoghurt |
KR102567656B1 (en) * | 2023-01-17 | 2023-08-17 | 성진엔테크(주) | A Submerged Tool Assembly for A Same kind or Different Kind Materials Friction Stir Welding |
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