JP2020059039A - 回転ツール及び摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】切削チップの高さ調整を容易に行うことができるとともに切削時に切削チップの位置を確実に維持でき、安定性がある回転ツール及び摩擦攪拌接合方法を提供することを課題とする。【解決手段】基準面を備えた基部２と、基部２から垂下するとともに螺合部を備えたショルダ部３と、ショルダ部３の先端に設けられた攪拌ピン４と、ショルダ部３の螺合部に螺合され筒状を呈するインサートホルダ５と、インサートホルダ５の先端に取り付けられ摩擦攪拌で発生するバリを切削する切削チップ６と、を有し、基準面とインサートホルダ５との間にシム７を増減させることにより切削チップ６の高さ調整を行うとともに、インサートホルダ５を前記基準面側へ締め付ける締付け螺合仕組を備えることを特徴とする。【選択図】図５

Description

本発明は、回転ツール及び摩擦攪拌接合方法に関する。

例えば、特許文献１には、一対の金属部材が突き合わされた突合せ部に対して回転ツールを傾斜させた状態で摩擦攪拌接合を行うことが記載されている。当該回転ツールの外周部には、バリを切削するための切削チップ（切刃）が取り付けられている。

特許第３５２３９８３号公報

従来の回転ツールでは、切削チップの高さ調整が煩雑になり、且つ、切削時の切削チップの固定の安定性を欠いているという問題がある。

このような観点から、本発明は、切削チップの高さの微調整までを容易に行うことができ、且つ、切削時のチップ位置を確実に維持でき安定性がある回転ツール及び摩擦攪拌接合方法を提供することを課題とする。

このような課題を解決するために本発明は、基準面を備えた基部と、前記基部から垂下するとともに螺合部を備えたショルダ部と、前記ショルダ部の先端に設けられた攪拌ピンと、前記ショルダ部の前記螺合部に螺合され筒状を呈するインサートホルダと、前記インサートホルダの先端に取り付けられ摩擦攪拌で発生するバリを切削する切削チップと、を有し、前記基準面と前記インサートホルダとの間にシムを増減させることにより前記切削チップの高さ調整を行うとともに前記インサートホルダを前記基準面側へ締め付ける締付け螺合仕組を備えることを特徴とする。
また、本発明は、一対の金属部材同士を突き合わせ又は重ね合わせて回転ツールを用いて摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合方法であって、前記回転ツールは、基準面を備えた基部と、前記基部から垂下するとともに螺合部を備えたショルダ部と、前記ショルダ部の先端に設けられた攪拌ピンと、前記ショルダ部の前記螺合部に螺合され筒状を呈するインサートホルダと、前記インサートホルダの先端に取り付けられ摩擦攪拌で発生するバリを切削する切削チップと、を有し、前記基準面と前記インサートホルダとの間にシムを増減させることにより前記切削チップの高さ調整を行うとともに前記インサートホルダを前記基準面側へ締め付ける締付け螺合仕組を備えることを特徴とする。

かかる構成によれば、切削チップを備えたインサートホルダをショルダ部に螺合させるとともに、シムを増減することにより切削チップの高さ調整を容易に行うことができる。また、ツール回転時にインサートホルダをより基準面まで螺合させる螺合仕組を有することによりインサートホルダの高さ位置（チップ高さ位置）を確実に維持できるため、切削安定性を向上させることができる。

また、前記切削チップのうち径方向外側の一部のみが被接合金属部材と接触するように前記切削チップが取り付けられていることが好ましい。また、前記被接合金属部材と前記切削チップの接触部との傾斜角度が８〜１２°になっていることが好ましい。また、前記切削チップのすくい角度が８〜１２°に設定されていることが好ましい。

かかる構成によれば、切削時にインサートホルダが基部の基準面までより締める方向になっている螺合仕組を有しているため切削チップ高さ位置を確実に維持でき、被切削金属部材の表面をきれいに仕上げることができる。

また、前記切削チップのうち径方向外側の一部のみを、接合ビードの両側に発生したバリの根元よりも外側位置にある前記金属部材に接触させた状態で摩擦攪拌を行うことが好ましい。

本発明に係る回転ツール及び摩擦攪拌接合方法によれば、切削チップの高さの微調整までを容易に行うことができる。

本発明の実施形態に係る回転ツールを示した斜視図である。 本実施形態に係る回転ツールの分解斜視図である。 本実施形態に係る回転ツールの底面図である。 本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示す模式側面図である。 本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示す正面図である。 本実施形態に係る切削チップ高さ位置設定模式図である。 本実施形態に係るバリ切削後の接合ビード領域の断面模式図である。 本実施形態に係るバリ切削後の接合ビード領域の平面図である。 切削チップの比較例を示す正面図である。 切削チップの比較例の接合ビード領域を示す平面図である。 切削チップの実施例を示す正面図である。 切削チップの実施例の接合ビード領域を示す平面図である。

［第一実施形態］
本発明の実施形態に係る回転ツール及び摩擦攪拌接合について、図面を参照して詳細に説明する。まずは、本実施形態で用いる回転ツールについて説明する。

図１に示すように、回転ツール１は、基部２と、ショルダ部３と、攪拌ピン４と、インサートホルダ５と、切削チップ６と、シム７とで主に構成されている。回転ツール１は、主に工具鋼で形成されており、摩擦攪拌装置に接続されることにより高速で回転し、摩擦攪拌接合を行うツールである。

基部２は、摩擦攪拌装置に接続される部位である。基部２は円柱状を呈する。基部２は、端面（基準面）２ａと、外周面に形成された凹溝２ｂとを有する。凹溝２ｂは、スパナなどの工具が係合する平坦な部位である。

ショルダ部３は、図２に示すように、基部２から同軸で垂下しており、円柱状を呈する。ショルダ部３の基端側の外周面には雄ねじで形成された螺合部３ａが設けられている。攪拌ピン４は、円柱状を呈しショルダ部３の端面３ｂに形成されている。攪拌ピン４の外周面には螺旋溝が刻設されている。本実施形態では、回転ツール１を右回転させるため、螺旋溝は、基端から先端に向かうにつれて左回りに形成されている。言い換えると、螺旋溝は、螺旋溝を基端から先端に向けてなぞると上から見て左回りに形成されている。

なお、回転ツール１を左回転させる場合は、螺旋溝を基端から先端に向かうにつれて右回りに形成することが好ましい。言い換えると、この場合の螺旋溝は、螺旋溝を基端から先端に向けてなぞると上から見て右回りに形成されている。螺旋溝をこのように設定することで、摩擦攪拌の際に塑性流動化した金属が螺旋溝によって攪拌ピン４の先端側に導かれる。これにより、接合部の被接合金属部材同士をより混合させ塑性流動を促進できる。

インサートホルダ５は、ショルダ部３の螺合部３ａに螺合され円筒状を呈する。インサートホルダ５は、螺合部３ａに対して回転させることによりその高さ位置を調整することができる。また、スパナで基部２の基準面まで予め固定されたインサートホルダ５は、回転ツール１の回転方向に対してより締める締付け螺合仕組を有しているため、切削時に切削チップ６の高さ位置を確実に維持できる。

図２，３に示すように、インサートホルダ５の先端には、切削チップ６，６がそれぞれ取り付けられる取付座５ｃ，５ｄ，５ｃ，５ｄが形成されている。取付座５ｃ，５ｄ，５ｃ，５ｄは、回転中心軸Ｃに対して対称となる位置に形成されている。また、インサートホルダ５の先端には、ショルダ部３の周囲に沿って周方向に傾斜する湾曲傾斜面５ａ，５ａが形成されている。湾曲傾斜面５ａ，５ａは、回転中心軸Ｃに対して点対称となる位置に形成されている。湾曲傾斜面５ａは、先端側から基端側に向けて緩やかに傾斜するように形成されている。この湾曲傾斜面５ａ，５ａは切削チップ６，６を取り付ける部位となるとともに、切削されたバリを回転ツール１の外周部に排除させる役割を備えている。インサートホルダ５の外周面には、凹溝５ｂが形成されている。凹溝５ｂは、スパナ等の工具が係合される平坦な部位である。凹溝５ｂは、インサートホルダ５を取り付け又は取り外しする際に用いられる。

切削チップ６は、図２に示すように、摩擦撹拌中に発生するバリを切削する部材であって、板状を呈する。切削チップ６は、インサートホルダ５の取付座５ｃ，５ｄに締結具９によって着脱自在に取り付けられる。図３に示すように、切削チップ６の正面６ａが摩擦攪拌接合中にバリと対向する側である。切削チップ６の背面６ｂ、側面６ｃは、それぞれ取付座５ｃ，５ｄと面接触している。

図４に示すように、切削チップ６の正面６ａと、被接合金属部材の表面の法面１０ｂとのなす角度（すくい角度）βを７〜１５°、好ましくは８〜１２°に設定する。また、図５に示すように、切削チップ６の接触部６ｃ（切削チップ６の下端部）と金属部材１０の表面１０ａとは、接触部６ｃの全部を接触させてもよいが、径方向外側の一部のみが接触するように取り付けることが好ましい。切削チップ６の接触部６ｃ（切削チップ６の下端部）と表面１０ａとのなす傾斜角度αを、例えば８〜１２°に設定する。傾斜角度αは、金属部材１０の表面１０ａと、接触部６ｃとでなす角度を言う。

切削チップ６は、本実施形態のように正面視平行四辺形のものを用いてもよいし、正面視長方形のものを傾けて取り付けてもよい。切削チップ６は、一枚でもよいし、三枚以上設けてもよい。また、接触部６ｃは、本実施形態のように直線状でもよいし、曲線状であってもよい。

シム７は、図２に示すように、基部２とインサートホルダ５との間に介設される高さ調整部材である。シム７の切欠き部７ａを螺合部３ａに挿入することができる。シム７は、１枚又は複数枚を加減（０枚でもよい）することにより、端面（基準面）２ａに対する切削チップ６の接触部６ｃの高さ位置を調整することができる。シム７の板厚は適宜設定すればよいが、本実施形態では例えば、数μｍ〜５ｍｍ程度に設定する。シム７の材料は特に制限されないが、例えば、ステンレスでもよい。使用する際には、基部２とインサートホルダ５との間にシム７を介設しつつ隙間なく緊結するため、２つのスパナで凹溝２ｂ，５ｂを挟んで相対回転させ、インサートホルダ５を基部２の基準面２ａまで螺合させることにより確実に固定できる。

次に、本実施形態に係る摩擦攪拌接合について説明する。図４，５に示すように、本実施形態に係る摩擦攪拌接合では、回転ツール１を用いて下方にわずかに傾斜している金属部材１０同士が突き合わされた突合せ部Ｊに対して摩擦攪拌接合を行う。回転ツール１の移動軌跡には接合ビード領域Ｗが形成される。その際、接合ビード領域Ｗが形成されるとともにその両側には一部の被接合金属部材がショルダ部３の端面３ｂから溢れることによりバリが生じる。

本実施形態では、攪拌ピン４を突合せ部Ｊに挿入させつつ、ショルダ部３の端面３ｂを金属部材１０の表面１０ａから所定位置に通常数μｍ〜数百μｍ程度まで押し込んでから回転ツール１を突合せ線に沿って移動させて摩擦攪拌接合を行う。ツール回転軸は傾けず、鉛直線と平行にした状態で摩擦攪拌接合を行う。本実施形態では、金属部材１０同士が下方にわずかに傾斜しているため、切削チップ６の接触部（刃部）６ｃは、ツール回転軸の前方（回転ツールの移動方向側）においては金属部材の表面１０ａと接触しない。一方、切削チップ６の接触部（刃部）６ｃは、ツール回転軸の後方側（回転ツールの前進方向の反対側）においては切削チップ６の径方向内側を金属部材１０に接触させず、径方向外側のみを金属部材１０に接触させている。その際、回転ツール１の回転により、ツール回転軸の後方側で接合ビード領域Ｗの両側のバリの根元から切れてバリを切除する。

なお、本実施形態では、切削チップ６の高さの位置設定は、図６Ａに示すように、ツール回転軸の後方（ツール前進方向の反対側）に切削チップ６の接触部（刃部）６ｃのみを接合ビード領域Ｗの両側に生じたバリの根元の前方位置の被接合金属部材の表面１０ａと接触するように設定すれば、回転ツール１の回転により、図６Ｂに示すように、接合ビード領域Ｗの両側のバリを切除できる。符号「ｇ」は接合ビード領域Ｗ表面のショルダ部３の端面３ｂの跡で、符号「ｆ」は接合ビード領域Ｗの切削面である。

また、バリＶを切除後の接合ビード領域Ｗの切削面ｆには、図６Ｃに示すように、ショルダ部３の端面３ｂの跡ｇが残留した場合、適切な厚さのシム７を基部２とインサートホルダ５との間に隙間なく緊結設置することにより、切削面ｆにあるショルダ部の跡ｇをバリＶと同時に切削できる。これにより、鏡面仕上げ面が得られる。このような切削仕様は、金属部材同士の重ね合わせ接合にも適用可能である。

以上説明したように、本実施形態に係る回転ツール１及び摩擦攪拌接合方法によれば、切削チップ６，６を備えたインサートホルダ５をショルダ部３に螺合させるとともに、シム７を増減することにより切削チップ６の高さの微調整までを容易に行うことができる。また、前述のようにインサートホルダ５とショルダ部３との締付け螺合仕組によって、ショルダ部３に対するインサートホルダ５の高さ位置が緩まず、確実に維持できるため、切削安定性を向上させることができる。また、切削チップ６，６を個別に調整せずに、切削チップ６，６の両方を一度に高さ調整することができる。

また、本実施形態に係る回転ツール１によれば、摩擦攪拌接合を行いつつ、摩擦攪拌接合で発生するバリを切除できるため、バリ切除工程を別工程で行う必要がない。これにより、摩擦攪拌接合の生産性を高めることができる。

また、切削チップ６のうち径方向外側の一部のみがツール回転軸の後方に接合ビード領域Ｗの両側に生じたバリＶの根元の前方位置の被切削金属部材と接触するようにすることにより、被接合金属部材の表面をきれいに仕上げることができる（鏡面仕上げ）。また、その際に、切削チップ６の接触部６ｃと被接合金属部材の表面との傾斜角度を８〜１２°にすることでよりきれいに仕上げることができる。また、切削チップ６のすくい角度を８〜１２°に設定することにより、バリを確実に切削することができる。

なお、本実施形態では、金属部材同士を下方に傾斜させて摩擦攪拌接合を行ったが、金属部材同士を傾斜させない状態で摩擦攪拌接合を行ってもよい。

次に、本実施形態の実施例について説明する。切削チップ６の傾斜角度についての試験を行った。被接合金属部材はアルミニウム合金を用いた。当該試験では、切削チップ６の接触部６ｃと被接合金属部材との傾斜角度によって、接合ビード領域Ｗの表面粗さを確認することを目的とするものである。図７Ａに示すように、比較例では、切削チップ６の接触部６ｃと金属部材１０の表面１０ａとの傾斜角度α（図７Ａ参照）は０°に設定し、接触部６ｃのほぼ全体が金属部材１０と接触するように設定した。

図７Ｂに示すように、比較例の条件で摩擦攪拌接合を行うと、接合ビード領域Ｗの両側に多くのバリＶが残留するとともに、接合ビード領域Ｗの表面にもムシレ模様が目立っている。これは、切削チップ６の先端にアルミニウムが多く付着（溶着）するため、切削チップ６の切削機能が阻害されるとともに、付着したアルミニウムによって金属部材１０の接合ビード領域Ｗの表面を傷つけていることに起因すると推察される。また、切削されたバリＶ（切粉）の大きさは約５ｍｍ、厚さは約６５μｍ程度のものが多く散見された。

これに対し、図８Ａに示すように、実施例では、切削チップ６の接触部６ｃと金属部材１０の表面１０ａとの傾斜角度αを１０°に設定した。切削チップ６は、前記した実施形態のように径方向外側が接合ビード領域Ｗの外側に生成されたバリＶの根元の前方位置の被接合金属部材と接触するように傾斜させている。

図８Ｂに示すように、実施例の条件で摩擦攪拌接合を行うと、接合ビード領域Ｗの両側にバリは残存せず、接合ビード領域Ｗの表面も鏡面仕上げとなることがわかった。切削されたバリ（切粉）の大きさは約３ｍｍ、厚さは比較例よりも薄いものが多く散見された。

１ 回転ツール
２ 基部
３ ショルダ部
４ 攪拌ピン
５ インサートホルダ
６ 切削チップ
７ シム
１０ 金属部材
α 傾斜角度
β すくい角度

Claims (6)

1. 基準面を備えた基部と、
   前記基部から垂下するとともに螺合部を備えたショルダ部と、
   前記ショルダ部の先端に設けられた攪拌ピンと、
   前記ショルダ部の前記螺合部に螺合され筒状を呈するインサートホルダと、
   前記インサートホルダの先端に取り付けられ摩擦攪拌で発生するバリを切削する切削チップと、を有し、
   前記基準面と前記インサートホルダとの間にシムを増減させることにより前記切削チップの高さ調整を行うとともに前記インサートホルダを前記基準面側へ締め付ける締付け螺合仕組を備えることを特徴とする回転ツール。
2. 前記切削チップのうち径方向外側の一部のみが被接合金属部材と接触するように前記切削チップが取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の回転ツール。
3. 前記被接合金属部材と前記切削チップの接触部との傾斜角度が８〜１２°になっていることを特徴とする請求項２に記載の回転ツール。
4. 前記切削チップのすくい角度が８〜１２°に設定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の回転ツール。
5. 一対の金属部材同士を突き合わせ又は重ね合わせて回転ツールを用いて摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合方法であって、
   前記回転ツールは、
   基準面を備えた基部と、
   前記基部から垂下するとともに螺合部を備えたショルダ部と、
   前記ショルダ部の先端に設けられた攪拌ピンと、
   前記ショルダ部の前記螺合部に螺合され筒状を呈するインサートホルダと、
   前記インサートホルダの先端に取り付けられ摩擦攪拌で発生するバリを切削する切削チップと、を有し、
   前記基準面と前記インサートホルダとの間にシムを増減させることにより前記切削チップの高さ調整を行うとともに前記インサートホルダを前記基準面側へ締め付ける締付け螺合仕組を備えることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
6. 前記切削チップのうち径方向外側の一部のみを、接合ビードの両側に発生したバリの根元よりも外側位置にある前記金属部材に接触させた状態で摩擦攪拌を行うことを特徴とする請求項５に記載の摩擦攪拌接合方法。