JP2018167314A - 摩擦圧接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転停止時間を短縮して、接合強度や位相精度に優れた摩擦圧接方法を提供する。
【解決手段】モータを用いて一対のワークを相対的に回転させながら一定の圧力を付与して、一対のワークの接合界面を摩擦熱により発熱させる工程（ａ）と、一対のワークの相対的な回転を、所定の位相で停止する工程（ａ）と含み、工程（ｂ）は、一対のワークの相対的な回転を、外部ブレーキを用いて、モータの最大トルクよりも高いブレーキトルクを負荷して、位相合わせ可能な所定の回転数まで減速する工程と、ブレーキトルクを解除した後、モータの位置制御を用いて、一対のワークの相対的な回転を、所定の位相で停止する工程とを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、接合する部材（ワーク）の位相を合わせて接合する摩擦圧接方法に関する。

摩擦圧接方法は、接合するワークを相対的に高速回転させながら摩擦圧力を付与して、接合界面を摩擦熱により高温にし、適当な高温状態になったときに、回転を急停止するとともに、さらに高い圧力（アップセット圧力）を付与することにより行われる。

摩擦圧接方法において、接合するワークの位相を合わせて接合を行う方法があるが、高速回転するワークを急停止させて位相合わせを行う必要があるため、高精度な位相合わせが要求される。このような位相合わせを行う技術として、サーボモータの位置制御機能を用いて、ワークの回転を停止させる技術が知られている（例えば、特許文献１等）。

特開平１０−２５２８７３号公報

接合するワークの径が小さい場合、熱容量が小さいため、回転を急停止する間に、摩擦熱により上昇した接合界面の温度が急速に下がる。もし、回転停止までに、接合界面の温度が下がりすぎると、接合界面の流動性が低下した状態で、サーボモータは、目標位相に向けて停止動作を行う。この場合、ワーク同士が、ねじれた状態で接合されるため、十分な接合強度や位相精度が得られないという問題がある。

また、摩擦熱により上昇した接合界面の温度は、回転するワークの周速によって決まるため、径の小さいワークは、径の大きいワークに比べて、ワークの回転数を高くする必要がある。そのため、接合するワークの径が小さい場合、回転を停止させる時間がより長くなるため、上記の不具合がより顕在化する。

また、サーボモータの位置制御を用いた回転停止は、モータの最大トルクから想定された減速カーブに沿って行われる。そのため、回転停止時間は、モータの最大トルクで律速されるため、停止時間の短縮には、トルクの大きな大容量のサーボモータが必要となり、設備コストの増大を招く。

本発明は、上記課題に鑑みなされたもので、その主な目的は、接合するワークの位相を合わせて接合を行う摩擦圧接方法において、回転停止時間を短縮して、接合強度や位相精度に優れた摩擦圧接方法を提供することにある。

本発明に係る摩擦圧接方法は、（ａ）モータを用いて互いに対向して配置した一対のワークを相対的に回転させながら一定の圧力を付与して、一対のワークの接合界面を摩擦熱により発熱させる工程と、（ｂ）一対のワークの相対的な回転を、所定の位相で停止する工程とを含む。そして、工程（ｂ）は、一対のワークの相対的な回転を、外部ブレーキを用いて、モータの最大トルクよりも高いブレーキトルクを負荷して、位相合わせ可能な所定の回転数まで減速する工程（ｂ１）と、ブレーキトルクを解除した後、モータの位置制御を用いて、一対のワークの相対的な回転を、所定の位相で停止する工程（ｂ２）とを含む。

本発明によれば、接合するワークの位相を合わせて接合を行う摩擦圧接方法において、回転停止時間を短縮して、接合強度や位相精度に優れた摩擦圧接方法を提供することができる。

本発明の一実施形態における摩擦圧接方法に使用する摩擦圧接装置の概要を示した図である。 本発明の一実施形態における摩擦圧接方法を説明したフローチャートである。 本発明の一実施形態における摩擦圧接方法において、ワークの回転停止までの回転数と経過時間との関係を模式的に示したグラフである。 本発明の変形例１における摩擦圧接方法を説明したフローチャートである。 本発明の変形例２における摩擦圧接方法を説明したフローチャートである。 本発明の変形例１及び変形例２における摩擦圧接方法において、ワークの回転停止までの回転数と経過時間との関係を模式的に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。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。

図１は、本発明の一実施形態における摩擦圧接方法に使用する摩擦圧接装置の概要を示した図である。なお、ここで示す摩擦圧接装置は、一例にすぎず、本実施形態における摩擦圧接方法を実行できるものであれば、その構成は特に限定されない。

図１に示すように、一対のワークＷ_１、Ｗ_２は、それぞれ、チャック１０、及びクランプ２０に保持される。チャック１０は、位置制御機能を備えたモータ１１の主軸１２に連結されており、主軸１２の回転によりワークＷ_１が回転する。また、モータ１１には、主軸１２の回転を制動する外部ブレーキ３０が設けられている。一方、クランプ２０は、アーム２３を介してモータ２１の主軸２２に連結されており、主軸２２の回転により、ワークＷ_２は、ワークＷ_１の方向にスライド移動する。

ここで、位置制御機能を備えたモータ１１としては、例えば、サーボモータや、主軸モータ、エンコーダ付きの汎用モータ、ステッピングモータ等を用いることができる。また、外部ブレーキ３０としては、ディスクブレーキ、ドラムブレーキ等を用いることができる。

次に、図２に示したフローチャートを参照しながら、本実施形態における摩擦圧接方法を説明する。

まず、一対のワークＷ_１、Ｗ_２を、同軸上に互いに対向させて、チャック１０及びクランプ２０に保持する。そして、モータ１１により主軸１２を回転させて、ワークＷ_１を回転させる（ステップＳ１）。次に、ワークＷ_１の回転が所定の回転数（例えば、２０００ｍｉｎ^−１）に達した後、モータ２１を駆動させて、ワークＷ_２を、ワークＷ_１の方にスライド移動させる。そして、ワークＷ_１とワークＷ_２とが接触した後、ワークＷ_１とワークＷ_２の接合界面に摩擦圧力を付与して、接合界面を摩擦熱により発熱させる。これにより、接合界面の温度が上昇して軟化する（ステップＳ２）。

次に、接合界面が、所望の軟化状態になると、ワークＷ_１の回転を停止する指令（回転停止命令）を出す（ステップＳ３）。この回転停止指令を受けて、外部ブレーキ３０を用いて、モータ１１の主軸１２に対して、ブレーキトルクを負荷することによって、ワークＷ_１の回転を減速させる（ステップＳ４）。このときのブレーキトルクは、モータ１１の最大トルクよりも大きな値に設定される。そして、ワークＷ_１の回転数が、モータ１１の位相合わせ可能な所定の回転数に到達したとき（ステップＳ５）、ブレーキトルクを解除する（ステップＳ６）。

ここで、モータ１１の位相合わせ可能な回転数とは、停止時に制御可能なパルス数のことで、典型的には、５０〜５００ｍｉｎ^−１の範囲に設定される。

次に、ブレーキトルクの解除した後、モータ１１に位置制御指令を出して（ステップＳ７）、ワークＷ_１の回転を、位置制御を用いて、所定の位相で停止させる（ステップＳ８）。そして、ワークＷ_１の回転が停止するタイミングで、モータ２１を用いて、接合界面にアップセット圧力を加えることによって、ワークＷ_１とワークＷ_２との接合を完了する。なお、位置制御を用いた回転停止は、モータ１１の最大トルクで想定された減速カーブに沿って行うことが好ましい。また、ブレーキトルクの解除（ステップＳ６）と、位置制御指令（ステップＳ７）とは、同時に行ってもよい。

図３は、本実施形態における摩擦圧接方法において、ワークＷ_１の回転停止までのワークＷ_１の回転数と経過時間との関係を模式的に示したグラフである。なお、横軸の経過時間は任意である。

ここで、図３の実線Ａで示したグラフが、本実施形態の場合を示し、比較として、モータ１１の位置制御を用いて、ワークＷ_１の回転を、所定の位相で停止させた場合のグラフを、点線Ｒで示す。なお、位置制御を用いた回転停止は、モータ１１の最大トルクで想定された減速カーブに沿って行う場合を示す。

図３に示すように、本実施形態による摩擦圧接方法によれば、ワークＷ_１の回転を、外部ブレーキ３０を用いて、モータ１１の最大トルクよりも高いブレーキトルクを負荷して減速させているため、所定の回転数Ｒ_０まで減速する時間ｔ_１は、モータ１１の最大トルクで想定した減速カーブに沿って減速した場合に比べて、大幅に短縮される。

なお、本実施形態では、ブレーキトルクを解除した後、モータ１１の位置制御を用いて、ワークＷ_１の回転を、所定の位相で停止させるが、現在のモータ自身の位置を認識させるために、位置制御を開始する前に、モータ１１の位相情報を取得する必要がある。

そのため、本実施形態では、所定の回転数Ｒ_０まで減速した後、この回転数Ｒ_０を維持しながら、モータ１１の位相情報を取得する工程（図３の矢印Ｐで示した時間ｔ_１からｔ_２の間の工程）が行われる。そして、位相情報を取得した後、ワークＷ_１の回転を、モータ１１の位置制御を用いて、所定の位相で停止させる。なお、時間ｔ_２からワークＷ_１の回転が停止する時間ｔ_３までは、比較のために示した点線Ｒのグラフと、同じ減速カーブを用いて位置制御を行って回転を停止するため、両者のグラフは同じ傾きになる。

本実施形態における摩擦圧接方法によれば、接合界面が所望の軟化状態になった後、ワークＷ_１の回転を、所定の位相で停止するまでの時間を大幅に短縮することができる。そのため、接合するワークＷ_１の径が小さい場合でも、接合界面の流動性が低下してない状態で、ワークＷ_１の回転を停止させて、アップセット圧力を加えることができる。その結果、ねじれた状態で接合するのを防止でき、接合強度や位相精度の優れた摩擦圧接接合を実現することができる。

また、径の大きいワークを接合する装置は、トルクの大きな大型モータが使用されるため、慣性モーメントが大きくなり、短時間で回転を停止することが難しい。そのため、従来は、径の大きいワークを接合する装置を用いて、径の小さいワークを接合することは容易でなかった。しかしながら、本実施形態による摩擦接合方法を用いれば、大型モータを用いた装置でも、回転停止時間を大幅に短縮することができるため、径の小さいワークの接合も可能となる。その結果、摩擦接合装置で接合できるワーク径の適応範囲を拡げることができる。

また、従来の摩擦圧接方法では、高速回転するワーク同士の接触時と、ワークの回転停止時とに、大きなトルクが必要になるため、両方のトルクを考慮して、モータの選定を行う必要があった。しかしながら、本実施形態では、ワークの回転停止に必要なトルクは、外部ブレーキで補うことができるため、モータの選定を行う際に考慮する必要がない。従って、高速回転するワーク同士の接触時に必要なトルクだけを考慮して、モータを選定することができる。通常、ワークの回転停止時に必要なトルクの方が大きいため、本実施形態による摩擦接合方法を用いれば、モータのサイズを小さくすることが可能になる。

（変形例１）
上記実施形態では、ワークＷ_１の回転停止指令（ステップＳ３）を受けて、外部ブレーキ３０によるブレーキトルクを負荷することにより、ワークＷ_１の回転を所定の回転数まで減速させた（ステップＳ４）が、外部ブレーキ３０によるブレーキトルクに加えて、モータ１１によるモータブレーキトルクをさらに負荷して行ってもよい。

図４は、本変形例１における摩擦圧接方法を説明したフローチャートである。なお、ワークＷ_１を回転させて、接合界面が所定の軟化状態になったタイミングで、回転停止指令を出すまでの工程（ステップＳ１〜Ｓ３）は、図２で説明した工程と同じであるため、説明は省略する。

図４に示すように、本変形例１では、回転停止指令を受けて、外部ブレーキ３０を用いて、モータ１１の主軸１２に対して、ブレーキトルクを負荷するとともに、モータ１１自身によるモータブレーキトルクを負荷することによって、ワークＷ_１の回転を減速させる（ステップＳ４、ステップＳ９）。このときのブレーキトルクは、モータ１１の最大トルクよりも大きな値に設定される。また、モータ１１によるモータブレーキトルクは、モータ１１の位置制御を用いずに、速度制御のみで負荷させる。なお、ブレーキトルクの負荷（ステップＳ４）と、モータブレーキトルクの負荷（ステップＳ９）は、同時に行ってもよい。

ワークＷ_１の回転数が、モータ１１の位相合わせ可能な所定の回転数（５０〜５００ｍｉｎ^−１）に到達したとき（ステップＳ５）、ブレーキトルクを解除し（ステップＳ６）、モータ１１に位置制御指令を出す（ステップＳ７）。なお、このタイミングで、モータ１１の回転制御を、速度制御から位置制御に切り替える。これにより、ワークＷ_１の回転は、位置制御を用いて、所定の位相で停止される（ステップＳ８）。そして、ワークＷ_１の回転が停止するタイミングで、モータ２１を用いて、接合界面にアップセット圧力が加えられ、ワークＷ_１とワークＷ_２との接合が完了する。なお、ブレーキトルクの解除（ステップＳ６）と、位置制御指令（ステップＳ７）は、同時に行ってもよい。

図６は、本変形例１における摩擦圧接方法において、ワークＷ_１の回転停止までのワークＷ_１の回転数と経過時間との関係を模式的に示したグラフである。ここで、実線Ｂで示したグラフが、本変形例１の場合を示す。なお、比較として、図３で示した上記実施形態の場合（点線Ａ）と、モータ１１の最大トルクで想定した減速カーブに沿って回転停止を行った場合（点線Ｒ）のグラフも併せ示す。

図６に示すように、本変形例１における摩擦圧接方法によれば、ワークＷ_１の回転を、外部ブレーキ３０によるブレーキトルクに加えて、モータ１１のモータブレーキトルクを負荷して減速するため、所定の回転数Ｒ_０まで減速する時間を、ブレーキトルクのみで減速する場合（点線Ａのグラフ）よりも、さらに速くすることができる。

なお、本変形例１でも、上記実施形態と同様に、ブレーキトルクを解除した後、位置制御を開始する前に、モータ１１の位相情報を取得する必要がある。そのため、所定の回転数Ｒ_０まで減速した後、この回転数Ｒ_０を維持しながら、モータ１１の位相情報を取得する工程が行われる。

また、本変形例１でも、位置制御を用いてワークＷ_１の回転が停止するまでは、比較のために示した点線Ａ、Ｒのグラフと、同じ減速カーブを用いて位置制御を行って回転を停止するため、両者のグラフは同じ傾きになる。

本変形例１における摩擦圧接方法によれば、接合界面が所望の軟化状態になった後、ワークＷ_１の回転を、所定の位相で停止するまでの時間をさらに短縮することができる。そのため、接合するワークＷ_１の径が小さい場合でも、接合界面の流動性が低下してない状態で、ワークＷ_１の回転を停止させて、アップセット圧力を加えることができるため、接合強度や位相精度に優れた摩擦圧接接合を実現することができる。

また、上記実施形態における摩擦圧接方法によって得られる他の効果は、本変形例１においても、同様に得られる。

（変形例２）
上記実施形態、及び変形例１で開示した摩擦圧接方法は、位相合わせ可能な所定の回転数までは、モータの最大トルクよりも大きいブレーキトルク、または、ブレーキトルク及びモータブレーキトルク（位置制御なし）を負荷することによって、ワークＷ_１の回転を位相合わせ可能な回転数まで素早く減速させ、その後、位置制御を用いて、所定の位相で停止させることを特徴としている。すなわち、回転停止時の正確な位相合わせは、回転を減速した後に行う位置制御によって達成されるため、回転停止指令の後、所定の回転数までの減速は、位置制御を用いずに行っている。

本変形例２における摩擦圧接方法は、回転停止指令の後、所定の回転数までの減速を、位置制御を用いて行うもので、図５にそのフローチャートを示す。なお、ワークを回転させて、接合界面が所定の軟化状態になったタイミングで、回転停止指令を出すまでの工程（ステップＳ１〜Ｓ３）は、図２で説明した工程と同じであるため、説明は省略する。

図５に示すように、回転停止指令を受けた後、モータ１１の主軸１２に対して、外部ブレーキ３０によるブレーキトルクを負荷するとともに、位置制御指令を出して、モータ１１の位置制御により、ワークＷ_１の回転を減速させる（ステップＳ４、Ｓ１０）。このときのブレーキトルクは、モータ１１の最大トルクよりも大きな値に設定される。また、モータ１１の位置制御は、外部ブレーキ３０によるブレーキトルクと、モータ１１によるモータブレーキトルクとで想定された減速カーブに沿って、ワークＷ_１の回転を減速させる。これにより、位置制御時に、モータ１１の最大トルク以上のトルクが負荷されていても、想定した減速カーブに沿って、ワークＷ_１の回転を減速させることができる。なお、ブレーキトルクの負荷（ステップＳ４）と、位置制御指令（ステップＳ１０）は、同時に行ってもよい。

ワークＷ_１の回転数が、モータ１１の位相合わせ可能な所定の回転数（５０〜５００ｍｉｎ^−１）に到達したとき（ステップＳ５）、ブレーキトルクを解除する（ステップＳ６）。このタイミングで、位置制御に用いる減速カーブを、モータ１１の最大トルクで想定した減速カーブに切り替えて、ワークＷ_１の回転を、所定の位相で停止させる（ステップＳ８）。そして、ワークＷ_１の回転が停止するタイミングで、モータ２１を用いて、接合界面にアップセット圧力が加えられ、ワークＷ_１とワークＷ_２との接合が完了する。

図６に、本変形例２における摩擦圧接方法において、ワークＷ_１の回転停止までのワークＷ_１の回転数と経過時間との関係を、実線Ｃのグラフで示す。

図６に示すように、本変形例２における摩擦圧接方法によれば、ワークＷ_１の回転を、外部ブレーキ３０によるブレーキトルクを負荷した状態で、モータ１１の位置制御を用いて減速するため、所定の回転数Ｒ_０まで減速する時間を、モータ１１の最大トルクで想定した減速カーブに沿って減速した場合（点線Ｒのグラフ）に比べて、大幅に短縮される。

なお、本変形例２では、回転停止指令（ステップＳ３）が出された後から、モータ１１の位置制御を用いているため、所定の回転数まで減速して、ブレーキトルクを解除した後に、改めて、モータ１１の位相情報を取得する必要はない。

本変形例２による摩擦圧接方法によれば、接合界面が所望の軟化状態になった後、ワークＷ_１の回転を、所定の位相で停止するまでの時間を短縮することができる。そのため、接合するワークＷ_１の径が小さい場合でも、接合界面の流動性が低下してない状態で、ワークＷ_１の回転を停止させて、アップセット圧力を加えることができるため、接合強度や位相精度に優れた摩擦圧接接合が実現できる。

また、上記実施形態における摩擦圧接方法によって得られる他の効果は、本変形例２においても、同様に得られる。

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態、及び変形例１、２では、ワークＷ_１の回転が、所定の回転数まで減速した後、ブレーキトルクを解除したが、モータ１１の最大トルクの６０％以下のブレーキトルクを負荷しながら、モータ１１の位置制御を用いて、ワークＷ_１の回転を、所定の位相で停止させてもよい。

また、上記実施形態の図１で示した摩擦圧接装置では、ワークＷ_２を保持したクランプ２０を、モータ２１によって、ワークＷ_１の方に平行移動させたが、ワークＷ_１を回転させながら、ワークＷ_２の方に平行移動させる方式のものであってもよい。

１０ チャック
１１ モータ
１２ 主軸
２０ クランプ
２１ モータ
２２ 主軸
２３ アーム
３０ 外部ブレーキ
Ｗ_１、Ｗ_２ ワーク

Claims (7)

1. （ａ）モータを用いて互いに対向して配置した一対のワークを相対的に回転させながら一定の圧力を付与して、前記一対のワークの接合界面を摩擦熱により発熱させる工程と、
   （ｂ）前記一対のワークの相対的な回転を、所定の位相で停止する工程と、
   を含む摩擦圧接方法であって、
   前記工程（ｂ）は、
   前記一対のワークの相対的な回転を、外部ブレーキを用いて、前記モータの最大トルクよりも高いブレーキトルクを負荷して、位相合わせ可能な所定の回転数まで減速する工程（ｂ１）と、
   前記ブレーキトルクを解除した後、前記モータの位置制御を用いて、前記一対のワークの相対的な回転を、所定の位相で停止する工程（ｂ２）と
   を含む、摩擦圧接方法。
2. 前記工程（ｂ１）において、前記所定の回転数は、５０〜５００ｍｉｎ^−１の範囲に設定される、請求項１に記載の摩擦圧接方法。
3. 前記工程（ｂ２）において、前記モータの位置制御を開始する前に、前記所定の回転数を維持しながら、前記モータの位相情報を取得する工程を含む、請求項１に記載の摩擦圧接方法。
4. 前記工程（ｂ２）において、前記一対のワークの相対的な回転を、前記モータによるモータブレーキトルクで想定された減速カーブに沿って、所定の位相で停止する、請求項１に記載の摩擦圧接方法。
5. 前記工程（ｂ１）は、前記外部ブレーキによるブレーキトルクを負荷するとともに、前記モータの位置制御を用いずに、前記モータによるモータブレーキトルクを負荷して行われる、請求項１に記載の摩擦圧接方法。
6. 前記工程（ｂ１）は、前記モータの位置制御を用いて、前記モータによるモータブレーキトルクをさらに負荷して行われ、
   前記外部ブレーキによるブレーキトルクと、前記モータによるモータブレーキトルクとで想定された減速カーブに沿って、前記一対のワークの相対的な回転が、前記所定の回転数まで減速される、請求項１に記載の摩擦圧接方法。
7. 前記工程（ｂ２）において、前記ブレーキトルクを解除する代わりに、前記モータの最大トルクの６０％以下のブレーキトルクを負荷しながら、前記モータの位置制御を用いて、前記一対のワークの相対的な回転を、前記所定の位相で停止する、請求項１〜６の何れかに記載の摩擦圧接方法。
   

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