JP2018075591A - 線形摩擦接合装置及び線形摩擦接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加振回数のばらつきによる寸法精度の低下を抑制できる線形摩擦接合装置及び線形摩擦接合方法の提供。【解決手段】ワークＡにワークＢを押し付けるフォージ装置１０と、ワークＡをワークＢに対して相対的に加振させる加振装置２０と、を有する線形摩擦接合装置１であって、押し付け方向におけるワークＢの変位量を検出する位置センサ３０と、位置センサ３０の検出結果に基づいて、ワークＡを加振させる振幅を、第１の振幅から当該第１の振幅よりも小さい第２の振幅に切り換えるように加振装置２０を制御する加振制御装置５０と、を有する、という構成を採用する。【選択図】図１

Description

本発明は、線形摩擦接合装置及び線形摩擦接合方法に関するものである。

近年、航空機エンジンの分野においては、機械的強度及び軽量性の向上を図るために、圧縮機又はタービンのロータとして一体型翼車（ブリスク）が用いられる。一体型翼車とは、ディスクと翼を一体型構造にしたものである。一体型翼車は、素材から削り出しによって形成するのが通常である。しかし、大量の切り粉が発生するなど素材の利用効率が悪い。そこで、別々に形成したディスクと翼を線形摩擦接合(Linear Friction Welding：LFW)で一体化することで素材の利用効率を高めることが望まれている。このような線形摩擦接合として、例えば、下記特許文献１に記載されたエローフォイルブリスクの線型摩擦溶接が知られている。

特開２０１２−３５３２５号公報

ところで、線形摩擦接合プロセスでは、一定の振幅と周波数で一方の部材を加振させながら、一定の荷重で他方の部材を押し付けることで両者を接合させる。このため、両者の接合部の側方にバリが排出され、押し付け方向においてワーク長さが減少する所謂バーンオフが生じる。理論上は、加振振幅、加振回数、荷重が全く同一となるよう装置を動作させればバーンオフ量は一定となる。しかし実際には、ワークを高速（例えば５０Ｈｚ程度）で加振させる加振装置を、毎回全く同じ回数だけ加振させるように制御することは難しい。１回程度の加振回数のばらつきが、例えばコンマ数ミリ程度のバーンオフ量のばらつきにつながり、寸法精度が低下する。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、加振回数のばらつきによる寸法精度の低下を抑制できる線形摩擦接合装置及び線形摩擦接合方法の提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、一方の部材に他方の部材を押し付ける押付装置と、前記一方の部材を前記他方の部材に対して相対的に加振させる加振装置と、を有する線形摩擦接合装置であって、前記押し付け方向における前記他方の部材の変位量を検出する位置センサと、前記位置センサの検出結果に基づいて、前記一方の部材を加振させる振幅を、第１の振幅から当該第１の振幅よりも小さい第２の振幅に切り換えるように前記加振装置を制御する制御装置と、を有する、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記制御装置は、前記位置センサの検出結果が目標値の前に設定した閾値に到達したときに前記第１の振幅から前記第２の振幅による加振に切り換え、その後、前記位置センサの検出結果が前記目標値に到達したときに前記第２の振幅による加振を停止させるように前記加振装置を制御する、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記制御装置は、前記第１の振幅の加振による前記他方の部材の単位時間当たりの変位量に基づいて前記閾値を設定する、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記制御装置は、前記第１の振幅の加振による前記他方の部材の単位時間当たりの変位量に基づいて前記第２の振幅の大きさを設定する、という構成を採用する。

また、本発明においては、一方の部材に他方の部材を押し付け、前記一方の部材を前記他方の部材に対して相対的に加振させる線形摩擦接合方法であって、前記押し付け方向における前記他方の部材の変位量を検出し、前記変位量に基づいて、前記一方の部材を加振させる振幅を、第１の振幅から当該第１の振幅よりも小さい第２の振幅に切り換える、という手法を採用する。

本発明によれば、一方の部材に押し付けられる他方の部材の当該押し付け方向における変位量を検出し、当該変位量に基づいて、一方の部材を加振させる振幅を、第１の振幅から当該第１の振幅よりも小さい第２の振幅に切り換える。このように、本発明では、位置センサによって他方の部材の変位量、すなわちバーンオフ量を検出することで、線形摩擦接合プロセスの終了直前で加振振幅を小さいものに切り換えることができる。加振振幅が小さくなると、単位時間当たりのバーンオフ量（バーンオフ速度）が小さくなる。これにより、加振停止時に加振回数が多少ばらついたとしても、バーンオフ速度が小さいため、バーンオフ量のばらつきが小さくなる。
したがって、本発明では、加振回数のばらつきによる寸法精度の低下を抑制することができる。

本発明の実施形態における線形摩擦接合装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態における線形摩擦接合装置の動作を示すタイムチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態における線形摩擦接合装置１の構成を示すブロック図である。
線形摩擦接合装置１は、ワークＡ（一方の部材）と、ワークＢ（他方の部材）とを接合させるための装置であって、フォージ装置１０（押付装置）と、加振装置２０と、位置センサ３０，３１及び荷重センサ３２と、フォージ制御装置４０と、加振制御装置５０（制御装置）と、を有する。

フォージ装置１０は、ワークＡにワークＢを押し付けるものであり、フォージ治具１１と、フォージシリンダ１２と、動力源１３と、を有する。フォージ治具１１は、ワークＢを保持するチャック機構などを有し、ワークＡに対して近接離間する方向に移動可能な構成となっている。フォージシリンダ１２は、油圧シリンダなどからなり、フォージ治具１１に荷重を与える。この荷重方向は、ワークＡとワークＢの接合面２に対して垂直な方向であって、ワークＢの押し付け方向となる。

動力源１３は、フォージ制御装置４０の制御の下、フォージシリンダ１２に動力（例えば作動油）を供給する。フォージ制御装置４０は、位置センサ３０及び荷重センサ３２の検出結果に基づいて、動力源１３に動力供給指令を出す（後述）。位置センサ３０は、フォージシリンダ１２の位置すなわち押し付け方向におけるワークＢの変位量を検出する。荷重センサ３２は、フォージ治具１１とフォージシリンダ１２との間に介在し、ワークＢの押し付け荷重を検出する。

加振装置２０は、ワークＡをワークＢに対して相対的に加振させるものであり、加振治具２１と、加振シリンダ２２と、動力源２３と、を有する。加振治具２１は、ワークＡを保持するチャック機構などを有し、ワークＢの押し付け方向に対して直交する方向に移動可能な構成となっている。加振シリンダ２２は、油圧シリンダなどからなり、加振治具２１を加振させる。この加振方向は、ワークＡとワークＢの接合面２に対して平行な方向であって、ワークＢの押し付け方向（荷重方向）に対して直交する方向となる。

動力源２３は、加振制御装置５０の制御の下、加振シリンダ２２に動力（例えば作動油）を供給する。この動力源２３は、サーボ弁などを有し、加振シリンダ２２を高速（例えば５０Ｈｚ程度）で加振させる。加振制御装置５０は、位置センサ３０，３１の検出結果に基づいて、動力源２３に動力供給指令を出す（後述）。位置センサ３１は、加振方向における加振シリンダ２２の位置を検出する。

本実施形態の加振制御装置５０は、位置センサ３０の検出結果に基づいて、ワークＡを加振させる振幅を、第１の振幅Ｗ_１（後述する図２参照）から当該第１の振幅Ｗ_１よりも小さい第２の振幅Ｗ_２（後述する図２参照）に切り換えるように加振装置２０（動力源２３）を制御する。第１の振幅Ｗ_１は、線形摩擦接合を行う定常加振振幅である。第２の振幅Ｗ_２は、定常加振振幅に所定の加振減衰比率を乗算したものである。この加振減衰比率は、例えば、１０〜６０％の範囲で設定され、本実施形態では例えば５０％に設定されている。

以下、上記構成の線形摩擦接合装置１による動作（線形摩擦接合方法）について、図２を参照して説明する。
図２は、本発明の実施形態における線形摩擦接合装置１の動作を示すタイムチャートである。なお、図２に示す「フォージシリンダ位置」は、位置センサ３０の検出結果に相当する。また、「フォージシリンダ荷重」は、荷重センサ３２の検出結果に相当する。また、「加振シリンダ位置」は、位置センサ３１の検出結果に相当する。

ワークＡ，Ｂは、線形摩擦接合の接合シーケンスの前は、互いに離間した状態とされている。この状態で、加振制御装置５０は、第１の振幅Ｗ_１（定常加振振幅）で加振するように加振シリンダ２２を駆動させる（ステップＳ１）。具体的に、加振制御装置５０は、位置目標値（第１の振幅Ｗ_１）と、位置センサ３１が検出した位置のフィードバックとを比較し、動力源１３に動力供給指令を与える。なお、図２では、この加振によるサイン波は略記している。加振装置２０の駆動が開始したら、フォージ制御装置４０は、ワークＡにワークＢを定速で接近させるようにフォージシリンダ１２を駆動させる（ステップＳ２）。

フォージシリンダ１２の駆動によってワークＢがワークＡに接触すると（ステップＳ３）、当該接触により荷重が立ち始める（ステップＳ４）。ワークＢがワークＡに接触したら、フォージ制御装置４０は、荷重目標値Ｆ_１と、荷重センサ３２が検出した荷重のフィードバックとを比較し、動力源１３に動力供給指令を与える。押し付け荷重が荷重目標値Ｆ_１に到達したら、その状態を保ち、ワークＡ，Ｂを接合させる（ステップＳ５）。なお、荷重目標値Ｆ_１とは、ワークＡ，Ｂを接合するために、摩擦時に保つべき定荷重（摩擦荷重）である。

ワークＡ，Ｂの接合プロセスが進んでいくと、両者の側方（加振方向）にバリが排出され、押し付け方向においてワーク長さが減少する（所謂バーンオフ）。バーンオフは、ワークＢがワークＡにちょうど接触するステップＳ３から開始される。このバーンオフ量は、位置センサ３０の検出結果から容易に求めることができる。すなわち、ワークＢがワークＡに接触した位置（接合位置Ｐ_０）からの押し付け方向におけるワークＢの変位量が、バーンオフ量となる。

加振制御装置５０は、バーンオフ量が所定の閾値Ｐ_１に到達したとき（ステップＳ６）、ワークＡを加振させる振幅を、第１の振幅Ｗ_１から第２の振幅Ｗ_２に切り換えるように加振装置２０を制御する（ステップＳ７）。閾値Ｐ_１は、バーンオフ量の目標値Ｐ_２の前に設定されている。バーンオフ量の目標値Ｐ_２は、目標とする線形摩擦接合後のワークの寸法に基づいて設定される値である。閾値Ｐ_１は、バーンオフ量の目標値Ｐ_２の直前に設定することが好ましく、本実施形態では目標値Ｐ_２のコンマ数ｍｍ手前（例えば０．５ｍｍ手前）であって加振回数数回分（例えば５回分）に相当するバーンオフ量に基づいて設定されている。

加振制御装置５０は、バーンオフ量が所定の閾値Ｐ_１に到達したら、加振シリンダ２２の位置目標値を第２の位置目標値（第２の振幅Ｗ_２）に変更し、当該第２の位置目標値と、位置センサ３１が検出した位置のフィードバックとを比較し、動力源１３に動力供給指令を与える。本実施形態のように動力源１３にサーボ弁を備える場合、このサーボ弁の開度を半分にするように動力供給指令を出すことで、加振周波数を変更することなく容易に加振シリンダ２２の加振振幅を小さくすることができる。

このように、第１の振幅Ｗ_１から第２の振幅Ｗ_２による加振に切り換えられると、振幅の減少により単位時間当たりのバーンオフ量（バーンオフ速度）が小さくなる。このバーンオフ速度によるワークＡ，Ｂの接合プロセスがステップＳ６から進んでいき、バーンオフ量が目標値Ｐ_２に到達したとき（ステップＳ８）、加振制御装置５０は、第２の振幅Ｗ_２による加振を停止させるように加振装置２０を制御する（ステップＳ１０）。

ここで、加振が停止するまでの加振回数がばらつくことがあるが、本実施形態では、線形摩擦接合プロセスの終了直前の加振振幅が第２の振幅Ｗ_２になっているため、この直前のバーンオフ量を小さく（加工量を小さく）することができる。すなわち、線形摩擦接合プロセスの終了直前の加振振幅が第１の振幅Ｗ_１になっている場合と比較すると、目標値Ｐ_２に対するバーンオフ量のばらつきが小さくなる。

フォージ制御装置４０は、バーンオフ量が目標値Ｐ_２に到達したとき、第１の荷重目標値Ｆ_１より大きい第２の荷重目標値Ｆ_２で押し付けるようにフォージシリンダ１２を駆動させる（ステップＳ９）。フォージ制御装置４０は、第２の荷重目標値Ｆ_２と、荷重センサ３２が検出した荷重のフィードバックとを比較し、動力源１３に動力供給指令を与える。押し付け荷重が第２の荷重目標値Ｆ_２に到達したら、その状態を保ち、ワークＡ，Ｂを一定時間押し付ける（ステップＳ１１）。なお、第２の荷重目標値Ｆ_２とは、ワークＡ，Ｂの摩擦後に両者の接合を安定させるための荷重（フォージ荷重）である。

ワークＡ，Ｂを一定時間押し付けたら、フォージ制御装置４０は、フォージシリンダ１２による押し付けを停止させる。具体的に、フォージ制御装置４０は、動力源１３からフォージシリンダ１２への動力供給を停止するように指令を出し、フォージシリンダ１２の荷重を抜く（ステップＳ１２）。
以上により、線形接合装置１による線形摩擦接合プロセスが終了する。

上述したように、本実施形態では、ワークＡに押し付けられるワークＢの当該押し付け方向における変位量を検出し、当該変位量に基づいて、ワークＡを加振させる振幅を、第１の振幅Ｗ_１から当該第１の振幅Ｗ_１よりも小さい第２の振幅Ｗ_２に切り換える。このように、本実施形態では、位置センサ３０によってワークＢの変位量、すなわちバーンオフ量を検出することで、線形摩擦接合プロセスの終了直前で加振振幅を小さいものに切り換えることができる。加振振幅が小さくなると、単位時間当たりのバーンオフ量（バーンオフ速度）が小さくなる。これにより、加振停止時に加振回数が多少ばらついたとしても、バーンオフ速度が小さいため、バーンオフ量のばらつきが小さくなる。

このように、上述の本実施形態によれば、ワークＡにワークＢを押し付けるフォージ装置１０と、ワークＡをワークＢに対して相対的に加振させる加振装置２０と、を有する線形摩擦接合装置１であって、押し付け方向におけるワークＢの変位量を検出する位置センサ３０と、位置センサ３０の検出結果に基づいて、ワークＡを加振させる振幅を、第１の振幅Ｗ_１から当該第１の振幅Ｗ_１よりも小さい第２の振幅Ｗ_２に切り換えるように加振装置２０を制御する加振制御装置５０と、を有する、という構成を採用することによって、線形摩擦接合プロセスの終了直前のバーンオフ速度を小さくし、加振回数のばらつきによる寸法精度の低下を抑制することができる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な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定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、位置センサ３０の検出結果が予め設定した閾値Ｐ_１に到達したときに第１の振幅Ｗ_１から第２の振幅Ｗ_２による加振に切り換えると説明したが、本発明は、この構成に限定されるものではない。例えば、加振制御装置５０が、第１の振幅Ｗ_１の加振によるワークＢの単位時間当たりの変位量に基づいて閾値Ｐ_１を設定する構成であってもよい。第１の振幅Ｗ_１の加振によるワークＢの単位時間当たりの変位量とは、図２に示すステップＳ３からステップＳ６までのフォージシリンダ位置の傾きに相当する。当該傾きが大きい場合（＝バーンオフ速度が大きい場合）は振幅減衰までのバーンオフ量が大きくなるため、閾値Ｐ_１を小さく（目標値Ｐ_２からより離れた値）設定することが好ましい。一方で、当該傾きが小さい場合、閾値Ｐ_１を大きく（目標値Ｐ_２により近い値）設定することで、第２の振幅Ｗ_２による加工時間を短くし、線形摩擦接合プロセスのトータルの加工時間を短くすることができる。

また、例えば、上記実施形態では、ワークＡを加振させる振幅を、第１の振幅Ｗ_１から予め設定された第２の振幅Ｗ_２に切り換えると説明したが、本発明は、この構成に限定されるものではない。例えば、加振制御装置５０が、第１の振幅Ｗ_１の加振によるワークＢの単位時間当たりの変位量に基づいて第２の振幅Ｗ_２の大きさを設定する構成であってもよい。第１の振幅Ｗ_１の加振によるワークＢの単位時間当たりの変位量とは、同じように、図２に示すステップＳ３からステップＳ６までのフォージシリンダ位置の傾きに相当する。当該傾きが大きい場合（例えばワークＡ，Ｂが削れ易い材質の場合）は、削り過ぎの懸念があるため、第２の振幅Ｗ_２を小さく設定することが好ましい。一方で、当該傾きが小さい場合（例えばワークＡ，Ｂが削れ難い材質の場合）、第２の振幅Ｗ_２を大きく設定することで、第２の振幅Ｗ_２の加振によるバーンオフ速度を上げ、線形摩擦接合プロセスのトータルの加工時間を短くすることができる。

また、例えば、本発明は、動翼や静翼のディスクと翼とを線形摩擦接合する場合に限らず、ワークＡとワークＢとを摩擦接合する場合に広く適用可能である。

１ 線形摩擦接合装置
１０ フォージ装置（押付装置）
２０ 加振装置
３０ 位置センサ
５０ 加振制御装置（制御装置）
Ａ ワーク（一方の部材）
Ｂ ワーク（他方の部材）
Ｗ_１ 第１の振幅
Ｗ_２ 第２の振幅

Claims (5)

1. 一方の部材に他方の部材を押し付ける押付装置と、前記一方の部材を前記他方の部材に対して相対的に加振させる加振装置と、を有する線形摩擦接合装置であって、
   前記押し付け方向における前記他方の部材の変位量を検出する位置センサと、
   前記位置センサの検出結果に基づいて、前記一方の部材を加振させる振幅を、第１の振幅から当該第１の振幅よりも小さい第２の振幅に切り換えるように前記加振装置を制御する制御装置と、を有する、ことを特徴とする線形摩擦接合装置。
2. 前記制御装置は、前記位置センサの検出結果が目標値の前に設定した閾値に到達したときに前記第１の振幅から前記第２の振幅による加振に切り換え、その後、前記位置センサの検出結果が前記目標値に到達したときに前記第２の振幅による加振を停止させるように前記加振装置を制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の線形摩擦接合装置。
3. 前記制御装置は、前記第１の振幅の加振による前記他方の部材の単位時間当たりの変位量に基づいて前記閾値を設定する、ことを特徴とする請求項２に記載の線形摩擦接合装置。
4. 前記制御装置は、前記第１の振幅の加振による前記他方の部材の単位時間当たりの変位量に基づいて前記第２の振幅の大きさを設定する、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の線形摩擦接合装置。
5. 一方の部材に他方の部材を押し付け、前記一方の部材を前記他方の部材に対して相対的に加振させる線形摩擦接合方法であって、
   前記押し付け方向における前記他方の部材の変位量を検出し、
   前記変位量に基づいて、前記一方の部材を加振させる振幅を、第１の振幅から当該第１の振幅よりも小さい第２の振幅に切り換える、ことを特徴とする線形摩擦接合方法。

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