JP2018167314A - 摩擦圧接方法 - Google Patents
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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
【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)。
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。
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W1、W2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W1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W2は、ワークW1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W1、W2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W1を回転させる(ステップS1)。次に、ワークW1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W2を、ワークW1の方にスライド移動させる。そして、ワークW1とワークW2とが接触した後、ワークW1とワークW2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W1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W1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W1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W1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W1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W1とワークW2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W1の回転停止までのワークW1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W1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W1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R0まで減速する時間t1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W1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R0まで減速した後、この回転数R0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t1からt2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W1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t2からワークW1の回転が停止する時間t3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W1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W1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W1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W1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W1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。
上記実施形態では、ワークW1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W1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W1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W1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W1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W1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W1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W1とワークW2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W1の回転停止までのワークW1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W1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R0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R0まで減速した後、この回転数R0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W1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W1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W1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W1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W1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。
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W1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W1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W1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W1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W1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W1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W1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W1とワークW2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W1の回転停止までのワークW1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W1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R0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W1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W1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W1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W1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W1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W2を保持したクランプ20を、モータ21によって、ワークW1の方に平行移動させたが、ワークW1を回転させながら、ワークW2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
W1、W2 ワーク
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
W1、W2 ワーク
Claims (7)
- (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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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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