JP2019155410A - 摩擦撹拌接合ツール、摩擦撹拌接合装置、および摩擦撹拌接合方法 - Google Patents
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Abstract
Description
ツールには、ショルダと、ショルダの一方の端面に設けられたプローブピンとが設けられている。ツールは略円柱形状を呈し、円柱端面の外周部分はショルダと呼称される。ショルダの略中央にはプローブピンが設けられている。また、プローブピンの側面には、螺旋状の溝が設けられている。
摩擦攪拌接合を行う際には、ツールを回転させるとともに、ショルダが0.1mm〜0.2mm程度接合する部材へ潜るようにツールを接合する部材の内部へ挿入する。すると、摩擦熱により接合する部分の材料が軟化し、螺旋状の溝により軟化した材料の一部が下向きに旋回するように流動する。
一般的に、ツールのプローブピンの径とショルダ外周径の比は1:2.5〜1:3程度である。したがって、ショルダ外周からプローブピン側面までの距離はショルダ外周径の約1/3程度となる。
プローブピンの径は、接合中の破損を防止するためプローブピン高さの1倍以上とすることが多い。以上のことから、厚みが2.0mm程度の板用のツールでは、例えば、プローブピンの径は3mm程度、ショルダ径は9mm程度とされる。ショルダ外周からピン側面までの距離は3mm程度とされる。このとき、1.7mm〜1.8mm程度程度の高さのプローブピンの側面への溝加工は、ショルダ外周と工具の干渉により困難である。工具を薄化して加工する手段はあるが、工具が破損し易く、ツールの製造コストが増加してしまう。
そこで、プローブピンをショルダに取り付ける場合であっても、プローブピンの突出長さの変化および破損を防止することができる技術の開発が望まれていた。
(摩擦撹拌接合ツール)
図1は、摩擦撹拌接合ツール1を例示するための模式斜視図である。
図2(a)〜(c)は、摩擦撹拌接合ツール1の模式断面図である。
図2(a)は、摩擦撹拌接合ツール1の模式断面図である。
図2(b)は、ショルダ部品2およびシャンク3の模式断面図である。
図2(c)は、プローブピン部品4の模式図である。
図3は、プローブピン部品4の模式図である。
図1および図2(a)〜(c)に示すように、摩擦撹拌接合ツール1(以下、単にツール1と称する)は、ショルダ部品2、シャンク3、およびプローブピン部品4から成り、プローブピン部品4とショルダ部品2は各々に設けた螺旋溝で締結されている。ショルダ部品2とシャンク3とプローブピン部品1は略同軸に配置されている。
なお、ショルダ部品2およびシャンク3は、一体に形成することができる。
プローブピン部品4の一方の端部側には螺旋状の溝4a(第1の溝の一例に相当する)が設けられている。プローブピン部品4の他方の端部側には螺旋状の溝4b(第2の溝の一例に相当する)が設けられている。プローブピン部品4の溝4aが設けられた部分は、ショルダ部品2の端面2aから突出し、ツールにおけるプローブピンとなる。プローブピン部品4の溝4bが設けられた部分は、ショルダ部品2の内部に設けられている。螺旋状の溝4aの巻き方向は、螺旋状の溝4bの巻き方向と逆になっている。例えば、図1および図3に示すように、溝4aの巻き方向を左巻とし、溝4bの巻き方向を右巻とすることができる。例えば、溝4aは左ネジの谷、溝4bは右ネジの谷とすることができる。
ただし、溝4a、4bの巻き方向は例示をしたものに限定されるわけではない。例えば、溝4aの巻き方向を右巻とし、溝4bの巻き方向を左巻とすることができる。例えば、溝4aは右ネジの谷、溝4bは左ネジの谷とすることができる。
この場合、プローブピン部品4の溝4aが設けられた部分はツールのプローブピンとなり、接合する部材の内部に挿入される。そのため、プローブピン部品4の溝4aが設けられた部分は、溝4bが設けられた部分よりも強度が大きくなるようにすることが好ましい。例えば、溝4aは、溝4bよりもピッチ寸法が短くなるようにすることができる。例えば、溝4aは、溝4bよりも深さが浅くなるようにすることができる。プローブピン部品4の溝4aが設けられた部分の強度が、溝4bが設けられた部分の強度よりも大きければ、プローブピン部品4が破損するのを抑制することができる。
溝4bは2つの部品を締結するためのものであり、溝形成に用いる切削工具の入手の容易性を考慮すると、ネジ規格に則った形状とすることが望ましい。一方で、プローブピン部品4の溝4aはネジ規格で規定された溝深さよりも浅い方がよい。これは、溝4aを設けられた部分に高温下で負荷されるせん断力への抗力を確保するためである。溝4aが設けられた部分はツールのプローブピンとして機能し、接合する部材の内部へ挿入され高温下で被接合材を攪拌する。ツールは回転しながら水平に移動するためプローブピン部品4にはせん断力が負荷される。この時、溝4aを浅くすることで折損の起点となる可能性を低減できる。
また、ショルダ部品2の端面2aに開口する孔2bの内壁には、溝4bに適合した螺旋状の凸部2bが設けられている。例えば、左巻の溝4bが設けられている場合には左巻の凸部2bを設けることができる。例えば、溝4bが左ネジの谷の場合には、凸部2bは左ネジの山とすることができる。例えば、右巻の溝4bが設けられている場合には右巻の凸部2bを設けることができる。例えば、溝4bが右ネジの谷の場合には、凸部2bは右ネジの山とすることができる。
例えば、プローブピン部品4の、溝4aが設けられた側の端部は、先端に向かうに従い直径が小さくなるようにしてもよい。例えば、プローブピン部品4の溝4aが設けられた部分(プローブピン)は、円錐台状を呈したものとすることができる。なお、円錐台状とは、包絡線が円錐台状のことである。プローブピン部品4の溝4aが設けられた部分は、ショルダ部品2の端面2aから突出し、接合する部材に挿入される。そのため、この部分が円錐台状を呈していれば、ツール1を接合する部材に挿入する際に、ツール1および部材の負荷を軽減することができる。
例えば、回転させたツールを接合する部材へ挿入する過程においては、摩擦熱は十分に発生しておらず、軟化していない硬い部材を変形させることになる。このときプローブピン部品4には大きな力が負荷される。ここで、プローブピン部品4の端部を円錐台形状にして先端の断面積を減少させると、プローブピン部品4への負荷が部材への挿入過程において漸次的に増加するようになりプローブピン部品4の破損を防ぐことができる。
プローブピン部品4の材料は、例えば、接合対象がアルミニウムであれば、工具鋼を用いることができる。接合対象が銅の場合には、例えば、タングステン合金を用いることができる。
ショルダ部品2およびシャンク3の材料は、プローブピン部品4の材料と同じであってもよいし、異なっていてもよい。
プローブピン部品4の、接合する部材に挿入される部分(プローブピン)に螺旋状の溝4aが設けられていれば、ツール1の回転方向に加えてプローブピンの先端方向にも材料を塑性流動させることができる。この場合、ツール1は、材料がプローブピン先端方向(部材の裏面方向)へ塑性流動する方向に回転する。例えば、左巻の溝4aが設けられている場合には、ツール1をシャンク3側から見て、時計回りにツール1を回転させる。右巻の溝4aが設けられている場合には、ツール1をシャンク3側から見て、反時計回りにツール1を回転させる。
塑性流動の際に、材料が部材の裏面方向に流れれば、溝4aが設けられている部分の挿入深さを浅くすることができる。例えば、接合する部材の厚みの90%〜95%の深さに溝4aが設けられている部分を挿入すれば、プローブピン4の中心軸方向の塑性流動により、厚みの100%を接合することが可能となる。
例えば、接合する部材へのツール1の挿入深さは、接合中にプローブピン部品4が接合材の裏当てに接触して破損しないよう接合する部材の厚さの90%〜95%とする。部材の裏面方向に塑性流動を生じさせることで部材の残りの厚み5%〜10%でも塑性流動が発生し部材の厚みの100%を接合することができる。
図4は、比較例に係るプローブピン54の製造加工時の様子を例示するための模式図である。
図4に例示をしたものは、プローブピン54とショルダ部品2とが一体に形成された場合である。
この様なプローブピン54の側面に螺旋状の溝を形成する場合には、図4に示すように、工具200をプローブピン54の側面に押し当てるようにする。この場合、プローブピン54の端面2aからの突出長さ(高さ寸法)Hが短くなると、工具200と端面2aとが干渉して螺旋状の溝の加工が困難となる。
例えば、一般的に、ツールのプローブピン54の径とショルダ外周径の比は1:2.5〜1:3程度である。したがって、ショルダ外周からプローブピン54の側面までの距離はショルダ外周径の約1/3程度となる。
プローブピン54の径は、接合中の破損を防止するためプローブピン54の高さの1倍以上とすることが多い。以上のことから、厚みが2.0mm程度の板用のツールでは、例えば、プローブピン54の径は3mm程度、ショルダ径は9mm程度とされる。ショルダ外周からピン側面までの距離は3mm程度とされる。このとき、1.7mm〜1.8mm程度程度の高さのプローブピン54の側面への溝加工は、ショルダ外周と工具の干渉により困難である。工具を薄化して加工する手段はあるが、工具が破損し易く、ツールの製造コストが増加してしまう。
そのため、プローブピン54の突出長さHが2mm以下になると、螺旋状の溝の加工は困難である。
その結果、プローブピン54とショルダ部品2とが一体に形成されていると、外形寸法の小さいプローブピン54に螺旋状の溝を設けられなくなる。
図5に示すように、プローブピン64はショルダ部品2から分離可能となっているので、プローブピン64の端面2aからの突出長さが短い場合であっても、プローブピン64の側面に螺旋状の溝を形成することができる。すなわち、プローブピン64の、端面2aから突出した部分の側面に螺旋状の溝4aを設けることができる。
なお、プローブピン64の、ショルダ部品2の内部に設けられる部分の側面には螺旋状の溝が設けられていない。また、端面2aに開口し、プローブピン64が挿入される孔の内壁にも螺旋状の溝が形成されていない。そのため、プローブピン64の固定は、ボルト201により行われる。
ここで、回転させたプローブピン部品4を接合する部材に挿入すると、プローブピン部品4には反対方向の回転力が作用する。
図2に示すように、プローブピン部品4の、溝4aが設けられた側の端部には柄部4cを設けることができる。プローブピン部品4と柄部4cは、一体に形成することができる。柄部4cは、柱状を呈し、スパナなどの工具により把持することができるようになっている。そのため、プローブピン部品4の溝4bが設けられた側を孔2bに取り付ける際には、工具により柄部4cを回すことで締め付けを行うことができる。プローブピン部品4をショルダ部品2に取り付けた後、切削加工により柄部4cを除去する。この様にして、プローブピン部品4をショルダ部品2に取り付けることができる。
図6(a)は、摩擦撹拌接合ツール11(以下、単にツール11と称する)の模式断面図である。
図6(b)は、ショルダ部品2およびシャンク13の模式断面図である。
図6(c)は、プローブピン部品14の模式図である。
図6(a)〜(c)に示すように、ツール11は、ショルダ部品2、シャンク13、およびプローブピン部品14を備えている。
シャンク13は、前述したシャンク3に孔13a(第2の孔の一例に相当する)を追加したものとすることができる。孔13aの一方の端部は、ショルダ部品2に設けられた孔2bに連通している。孔13aの他方の端部は、シャンク13の、ショルダ部品2側とは反対側の端面に開口している。
柄部14dは、柱状を呈したものとすることができる。柄部14dの一方の端部は、プローブピン部品4の、溝4bが形成された側の端部に接続されている。
すなわち、柄部14dは、プローブピン部品4の溝4bが設けられた側の端部に設けられている。柄部14dは、シャンク13の孔13aが開口する端面から突出している。
次に、摩擦撹拌接合装置100について例示をする。
図7は、摩擦撹拌接合装置100を例示するための模式図である。
摩擦撹拌接合装置100は、部材150と部材151とを接合する。なお、摩擦撹拌接合装置100は、突き合わせ接合を行うものに限定されるわけではない。部材の接合形態は適宜変更することができる。
摩擦撹拌接合装置100は、床面などに設置することができる。
なお、摩擦撹拌接合装置100の加工部103は、6軸垂直多関接ロボットなどのハンドに取り付けることもできる。
載置部101は、載置台101aおよび昇降部101bを有する。
載置台101aには、部材150、151が載置される。部材150、151の材料は、摩擦攪拌接合法により塑性流動させることができるものであれば特に限定はない。部材150、151の材料は、例えば、金属とすることができる。金属は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金、および鉄などとすることができる。
部材150、151の形態には特に限定はない。例えば、図7に例示をしたような板状の部材150、151とすることもできるし、ブロック状の部材150、151とすることもできる。
また、載置台101aは、保持部102により保持された部材150、151を水平方向に移動させることもできる。載置台101aは、例えば、XYテーブルなどとすることもできる。
昇降部101bは、例えば、加工部103と、加工部103に取り付けられたツール1(11)を鉛直方向に移動させる。昇降部101bは、例えば、サーボモータなどの制御モータ、昇降を行う際のガイド、ボールネジなどの伝動部材などを備えたものとすることができる。
なお、載置台101aが水平方向に移動せず、昇降部101bが鉛直方向および水平方向に移動するようにしてもよい。
加工ヘッド103aは、昇降部101bに接続されている。加工ヘッド103aの一端にはツールホルダ103bが回転可能に設けられ、加工ヘッド103aの他端には回転モータ103cが取り付けられている。
加工ヘッド103aの内部には回転軸103a1が設けられている。回転軸103a1の一端には回転モータ103cが接続され、回転軸103a1の他端にはツールホルダ103bが接続されている。そのため、回転モータ103cは、回転軸103a1を介して、ツールホルダ103b、ひいてはツールホルダ103bに取り付けられたツール1(11)を回転させることができる。
ツールホルダ103bは、ツール1(11)のシャンク3(13)を保持する。ツールホルダ103bは、例えば、シャンク3(13)を保持する機械的なチャックなどとすることができる。
回転モータ103cは、例えば、サーボモータなどの制御モータとすることができる。
摩擦撹拌接合を終了させる際には、昇降部101bにより、回転させたツール1(11)を部材150、151から引き抜けばよい。
本実施の形態に係る摩擦撹拌接合方法は、前述した摩擦撹拌接合ツール1(11)を用いた摩擦撹拌接合方法である。
この摩擦撹拌接合方法においては、ツール1(11)をシャンク3(13)側から見た場合に、溝4aの巻き方向とは逆の方向に、ツール1(11)を回転させる。
例えば、溝4aの巻き方向が左巻(例えば、左ネジ)の場合には、ツール1(11)をシャンク3(13)側から見た場合に、右巻(例えば、時計回り)に回転させる。
例えば、溝4aの巻き方向が右巻(例えば、右ネジ)の場合には、ツール1(11)をシャンク3(13)側から見た場合に、左巻(例えば、反時計回り)に回転させる。
この様にすれば、プローブピン部品4(14)はショルダ部品2の内部に向けて押し付けられる。そのため、プローブピン部品4(14)の端面2aからの突出長さが変化するのを抑制することができる。
Claims (8)
- 一方の端部側に設けられた螺旋状の第1の溝と、他方の端部側に設けられた螺旋状で第1の溝と逆巻きの第2の溝と、を有し、柱状を呈するプローブピン部品を備え、
前記第2の溝に適合する螺旋状の凸部が内壁に設けられた第1の孔を有するショルダ部品を前記第2の溝で締結して成り、前記プローブピン部品の前記第1の溝を設けた部分が前記ショルダ部品の端面から突出している擦攪拌接合ツール。 - 前記第1の溝は、ネジ溝である請求項1記載の摩擦撹拌接合ツール。
- 前記第2の溝は、ネジ溝であり、
前記螺旋状の凸部は、ネジ山である請求項1または2に記載の摩擦撹拌接合ツール。 - 前記プローブピン部品の、前記第1の溝が設けられた側の形状は、先端に向かうに従い直径が小さくなっている請求項1〜3のいずれか1つに記載の摩擦撹拌接合ツール。
- 前記プローブピン部品の材料は、前記ショルダ部品の材料とは異なる請求項1〜4のいずれか1つに記載の摩擦撹拌接合ツール。
- 前記ショルダ部品の、前記第1の孔が開口する側とは反対側の端部に設けられたシャンクをさらに備え、
前記シャンクは、一方の端部が前記第1の孔と連通し、他方の端部が前記シャンクの前記ショルダ部品側とは反対側の端面に開口する第2の孔を有し、
前記プローブピン部品は、前記第2の溝が設けられた側の端部に設けられ、前記シャンクの前記第2の孔が開口する端面から突出する柄部をさらに有している請求項1〜5のいずれか1つに記載の摩擦撹拌接合ツール。 - 請求項1〜6のいずれか1つに記載の摩擦撹拌接合ツールを回転可能な加工部を備えた摩擦撹拌接合装置。
- 請求項1〜6のいずれか1つに記載の摩擦撹拌接合ツールを用いた摩擦撹拌接合方法であって、
前記摩擦撹拌接合ツールをシャンク側から見た場合に、前記第1の溝の巻き方向とは逆の方向に、前記摩擦撹拌接合ツールを回転させる摩擦撹拌接合方法。
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