JP2021065936A - 工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】少ない手間で２つのワークを摩擦加熱して接合することができる工作機械を提供する。【解決手段】各々ワークＷを把持する２つのチャック３と、両チャック３を相対的に回転させる回転駆動装置６と、両チャック３を移動させる移動駆動装置９と、所定の回転状態の両ワークＷを所定の押圧力で当接させて両ワークＷを接合するように回転駆動装置６と移動駆動装置９とを制御する接合手段とを有する工作機械１であって、両ワークＷを分離可能な状態で当接させるように回転駆動装置６と移動駆動装置９とを制御する当接手段と、当接手段による両ワークＷの当接状態を検出するセンサと、接合手段の接合条件を記憶するデータベース１３とを設け、接合手段がセンサの検出情報に基づいてデータベース１３から抽出されるセンサの検出情報に応じた接合条件によって両ワークＷの接合を行うことを特徴とする工作機械１。【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械に関する。

２つのワークを摩擦加熱して接合する工作機械が知られている。例えば、特許文献１に記載される工作機械は、ワークに接触して回転する接合ツールと、接合ツールが２つのワークの境界に接触して回転し、摩擦熱を生じながら境界に沿って移動することで両ワークを接合するように接合ツールの動作を制御する制御手段とを有している。

接合ツールが搭載された工作機械本体には、データベースがネットワークを介して接続されている。データベースには複数の接合条件が記憶されている。接合条件は、接合ツールの動作態様を構成する要素の組合せである。接合条件は、接合ツールの回転数と移動速度との組合せを含んでいる。接合条件の変更により、接合ツールの動作態様が変更される。

各々の接合条件は、その接合条件に適合するワーク条件、つまり両ワークの性質を構成する要素の組合せに対応させて記憶されている。ワーク条件は、両ワークの材質と厚さとの組合せを含んでいる。両ワークを接合するときに使用者がワーク条件を入力すると、データベースに記憶されたワーク条件に対応する複数の接合条件から１つの接合条件が抽出され、設定される。このように、ワーク条件の入力により、適切な接合条件を容易に設定することができる。

特許第６３４０４６６号公報

しかしながら、ワーク条件が予め確定していない場合にも、接合条件等の入力や設定の手間が少なくなることが望まれていた。

本発明は、上記課題を鑑みて成されたものであり、その目的は、少ない手間で２つのワークを摩擦加熱して接合することができる工作機械を提供することにある。

本発明の工作機械は、各々ワークを把持する２つのチャックと、前記両チャックを相対的に回転させる回転駆動装置と、前記両チャックを移動させる移動駆動装置と、所定の回転状態の前記両ワークを所定の押圧力で当接させて前記両ワークを接合するように前記回転駆動装置と前記移動駆動装置とを制御する接合手段とを有する工作機械であって、前記両ワークを分離可能な状態で当接させるように前記回転駆動装置と前記移動駆動装置とを制御する当接手段と、前記当接手段による前記両ワークの当接状態を検出するセンサと、
前記接合手段の接合条件を記憶するデータベースとを設け、前記接合手段が前記センサの検出情報に基づいて前記データベースから抽出される前記センサの検出情報に応じた前記接合条件によって前記両ワークの接合を行うことを特徴とする。

本発明の工作機械は、上記構成において、前記当接手段による当接時の回転数と、前記接合手段による当接時の回転数とが異なるように、前記当接手段もしくは前記接合手段が前記回転駆動装置を制御するのが好ましい。

本発明の工作機械は、上記構成において、前記センサの検出情報が、前記回転駆動装置または前記移動駆動装置の駆動源のトルクまたはその相関値の変化量であるのが好ましい。

本発明の工作機械は、上記構成において、前記データベースが、前記複数の接合条件を各々の接合条件に適合するワーク条件に対応させて記憶する第１テーブルと、前記複数のワーク条件を各々のワーク条件に適合する前記センサの検出情報に対応させて記憶する第２テーブルとを有し、前記接合手段が、前記第２テーブルと前記センサの検出情報に基づいて前記少なくとも１つのワーク条件を特定し、前記第１テーブルと前記少なくとも１つのワーク条件から前記少なくとも１つの接合条件を抽出するのが好ましい。

本発明の工作機械は、上記構成において、前記ワーク条件が前記両ワークの材質、形状、長さ、直径及び接合端面積の少なくとも１つを含むのが好ましい。

本発明によれば、少ない手間で２つのワークを摩擦加熱して接合することができる工作機械を提供することができる。

本発明の一実施形態である工作機械を示す概略図である。 図１に示す工作機械のデータベースが記憶する第１テーブルの一例を示す図である。 図１に示す工作機械のデータベースが記憶する第２テーブルの一例を示す図である。 図１に示す工作機械のデータベースが記憶する第３テーブルの一例を示す図である。 図１に示す工作機械の動作を示すフローチャートである。 図１に示す工作機械の当接手段による動作を説明する図であり、（ａ）は各々のワークＷを両チャック３で把持して低回転数で相対回転させた状態を示し、（ｂ）はこの状態で両ワークＷを移動して当接した状態を示す。

以下、図面に基づいて、本発明の一実施形態である工作機械について詳細に例示説明する。

図１に示す工作機械１は、２つのワークＷを摩擦圧接により接合する機能と、両ワークＷを摩擦圧接した接合ワーク（不図示）を旋削加工する機能とを有している。工作機械１は、例えば、ＣＮＣ旋盤等の旋盤に摩擦圧接の機能を付加して構成される。なお、工作機械１は、接合ワークに旋削以外の加工を施すように構成されてもよいし、接合ワークへの加工を施さないように構成されてもよい。

工作機械１は、各々ワークＷを操作する２つのワーク操作部２を有している。各々のワーク操作部２は、ワークＷを把持するチャック３と、チャック３を一体に回転可能に支持する主軸４と、主軸４を主軸台５に対して回転する回転駆動装置６とを有している。各々の回転駆動装置６は、駆動源としての電動モータ（不図示）の電流値を検出する電流計７を有している。なお、両ワーク操作部２の何れか一方を、回転駆動装置６を有さないクランプ装置として構成してもよい。

各々のワーク操作部２は、主軸台５を基台８に対して主軸４の回転軸と平行な方向であるＺ軸方向Ｄｚに移動する移動駆動装置９を有している。各々の移動駆動装置９は、例えば、駆動源としての電動モータ（不図示）と、駆動力伝達機構としてのボールねじ機構（不図示）とを有する。各々の移動駆動装置９は、主軸台５をＺ軸方向Ｄｚ以外の方向にも移動可能に構成されてもよい。なお、両ワーク操作部２の何れか一方を、移動駆動装置９を設けずに基台８に固定した構成としてもよい。

工作機械１は、ワークＷを切削加工する工具１０を有している。工具１０は、工具駆動装置１１によって切込み方向、つまりＸ軸方向Ｄｘ（図１の上下方向）に移動される。また、工具１０は、工具駆動装置１１及び両移動駆動装置９の少なくとも１つにより、ワークＷに対して相対的に送り方向、つまりＺ軸方向Ｄｚに移動される。

工作機械１は、工具駆動装置１１、両チャック３、両回転駆動装置６及び両移動駆動装置９を制御する制御部１２を有している。制御部１２は、例えば、プロセッサとメモリとを有するコンピュータで構成することができる。制御部１２を構成するコンピュータは、両ワーク操作部２が搭載された工作機械本体に搭載されてもよいし、ネットワークを介して工作機械本体に接続されてもよい。

制御部１２は、接合手段としての機能により、設定された接合条件に従って、所定の回転状態の両ワークＷを所定の押圧力で当接させて両ワークＷを接合するように、両回転駆動装置６及び両移動駆動装置９を制御することができる。より具体的に、制御部１２は、接合手段としての機能により、設定された接合条件に従って、チャック３で各々把持して相対回転させた所定の回転状態の両ワークＷを所定の押圧力で当接させることで摩擦加熱した後に圧接して接合するように、両チャック３、両回転駆動装置６及び両移動駆動装置９を制御することができる。なお、摩擦加熱後の圧接は両ワークＷの相対回転を停止した状態で行われる。また、摩擦加熱後の圧接を行わずに両ワークＷを接合してもよい。

また、制御部１２は、当接手段としての機能により、両ワークＷを分離可能な状態で当接させるように両回転駆動装置６及び両移動駆動装置９を制御することができる。

制御部１２は、複数の接合条件を記憶するデータベース１３を有している。接合条件は、摩擦圧接のための両チャック３、両回転駆動装置６及び両移動駆動装置９の動作態様を構成する要素の組合せである。接合条件は、図２に示すように、例えば、主軸回転数、加熱押圧力、加熱時間、圧接押圧力及び圧接時間の組合せを含む。主軸回転数は摩擦加熱時の両主軸４の相対回転数であり、加熱押圧力は摩擦加熱時の両ワークＷ間の押圧力であり、加熱時間は摩擦加熱が行われる時間であり、圧接押圧力は摩擦加熱後の圧接時の両ワークＷ間の押圧力であり、圧接時間は摩擦加熱後の圧接が行われる時間である。図２にはこれら要素の組合せの一例としての数値が示されている。

また、データベース１３は、複数のワーク条件を記憶している。ワーク条件は、両ワークＷの性質を構成する要素の組合せである。ワーク条件は、図２に示すように、例えば、両ワークＷの材質を含む。図２には両ワークＷの材質一例として、アルミニウムとアルミニウム、鉄とアルミニウム、及び鉄と鉄が示されている。

より具体的には、データベース１３は、図２に示すように、複数の接合条件を各々の接合条件に適合するワーク条件に対応させて記憶する第１テーブルを有している。図２に示される第１テーブルは、例えば、パターンＡとして、材質の組合せがアルミ−アルミである場合は、主軸回転数を１０００ｒｐｍとし、加熱押圧力を１ＭＰａとし、加熱時間を５ｓｅｃ．とし、圧接押圧力を１０ＭＰａとし、圧接時間を１ｓｅｃ．とするのが適することを示している。なお、図２には一例として、パターンＡ〜Ｃの３つのパターンが示されている。

制御部１２の当接手段としての機能による両ワークＷの当接状態は、ワーク条件によって異なる。したがって、当該当接状態を検出するセンサを設け、当該センサの検出情報に基づいてワーク条件を特定することができる。センサの検出情報は、例えば、電流計７で検出される電流値の変化量Ｉｄである。ワーク条件は両ワークＷの材質に限らず、例えば、両ワークＷの材質、形状（凹凸形状など）、長さ、直径及び接合端面積の少なくとも１つを含んでいてもよい。

上記の「両ワークＷの当接状態」は、例えば、両ワークＷを相対回転させながら当接させたときの当接時における端面間に働くトルクの変化量であり、これは当接時における回転駆動装置６の駆動源のトルクの変化量に相関し、したがって、当接時における回転駆動装置６の駆動源の電流値の変化量Ｉｄまたは電圧値の変化量に相関する。また、上記の「両ワークＷの当接状態」は、例えば、両ワークＷを相対回転させながらまたは相対回転させずに当接させたときの当接時における端面間に働く押圧力の変化量であり、これは当接時における移動駆動装置９の駆動源のトルクの変化量に相関し、したがって、当接時における移動駆動装置９の駆動源の電流値の変化量または電圧値の変化量に相関する。したがって、上記の「センサの検出情報」は、回転駆動装置６の駆動源の電流値の変化量Ｉｄに限らず、例えば、回転駆動装置６または移動駆動装置９の駆動源のトルクまたはその相関値の変化量であってもよい。

上記の「両ワークＷの当接状態」は、当接時における端面間に働くトルクまたは押圧力の変化量に限らず、例えば、両ワークＷの当接によって生じる振動ないし音であってもよい。なお、振動ないし音は、主軸台５や基台８などの適宜の箇所に設置した振動センサで検出することができる。

データベース１３は、図３に示すように、複数のワーク条件を各々のワーク条件に適合する「センサの検出情報」に対応させて記憶する第２テーブルを有している。図３に示される第２テーブルは、例えば、パターンＡとして、両ワークＷの材質がアルミ−アルミであるパターンの場合は、センサの検出情報としての電流値の変化量Ｉｄが５Ａであることを示している。なお、図３には、図２に合わせてパターンＡ〜Ｃの３つのパターンが示されている。

したがって、両ワークＷの当接状態を電流値の変化量Ｉｄとして検出し、この検出情報と第２テーブルとからワーク条件としての両ワークＷの材質を特定し、特定した両ワークＷの材質と第１テーブルとから接合条件を特定し、特定した接合条件で摩擦圧接を適切に行うことができる。

なお、制御部１２が接合手段としての機能によりセンサの検出情報に基づいてデータベースから抽出されるセンサの検出情報に応じた接合条件によって両ワークＷの接合を行うことができる限り、上述したような第１テーブルと第２テーブルを用いる構成以外の構成を採用してもよい。例えば、両ワークＷの材質等のワーク条件を特定することなく、図４に示すような第３テーブルを用いて、電流値の変化量Ｉｄなどのセンサの検出情報から直接、接合条件を特定することもできる。

工作機械１は、例えば図５に示す手順により、両ワークＷを摩擦圧接することができる。

まず、制御部１２は、当接手段としての機能により、図６（ａ）に示すように、ワークＷを両チャック３で各々把持し（ステップＳ１）、両ワークＷを摩擦加熱時よりも低回転数で相対回転し（ステップＳ２）、電流計７により電流値を測定し、図６（ｂ）に示すように、この状態で所定の送り速度で互いに接近するように移動させて当接させる（ステップＳ３）ように、両チャック３、両回転駆動装置６及び両移動駆動装置９を制御する。

次いで、制御部１２は、電流計７によって検出された電流値の変化量Ｉｄを取得し（ステップＳ４）、取得した電流値の変化量Ｉｄと第２テーブル（図３参照）とに基づいて少なくとも１つのワーク条件を特定し、特定した少なくとも１つのワーク条件と第１テーブル（図２参照）とに基づいて少なくとも１つの接合条件を抽出する（ステップＳ５）。或いは、制御部１２は、電流計７によって検出された電流値の変化量Ｉｄを取得し（ステップＳ４）、取得した電流値の変化量Ｉｄと第３テーブル（図４参照）とに基づいて少なくとも１つの接合条件を抽出する（ステップＳ５）。そして、制御部１２は、接合手段としての機能により、抽出された少なくとも１つの接合条件に基づいて設定された接合条件に従って摩擦圧接を行う（ステップＳ６）ように、両チャック３、両回転駆動装置６及び両移動駆動装置９の動作を制御する。

例えば、図５に示すように、ステップＳ４で取得した電流値の変化量Ｉｄが５Ａであった場合には、ステップＳ５ａでパターンＡの接合条件を抽出し、ステップＳ６ａでその接合条件に従って摩擦圧接を行い、ステップＳ４で取得した電流値の変化量Ｉｄが１０Ａであった場合には、ステップＳ５ｂでパターンＢの接合条件を抽出し、ステップＳ６ｂでその接合条件に従って摩擦圧接を行い、ステップＳ４で取得した電流値の変化量Ｉｄが１５Ａであった場合には、ステップＳ５ｃでパターンＣの接合条件を抽出し、ステップＳ６ｃでその接合条件に従って摩擦圧接を行う。

なお、取得した電流値の変化量Ｉｄ等の状態の変化に近似する複数のパターンを特定することで複数の接合条件を抽出するようにした場合には、例えば使用者が、或いは適宜の基準によって自動的に、抽出した複数の接合条件から１つを選んで実際に用いる接合条件として設定することができる。また、取得した状態の変化に最も近似するパターンを特定することで１つのみの接合条件を抽出するようにしてもよい。

上述した実施形態では、当接手段による当接時の回転数が接合手段による当接時の回転数よりも小さいが、これに限らず、例えば、当接手段による当接時の回転数が接合手段による当接時の回転数よりも大きくてもよいし、両回転数が同じであってもよい。

また、摩擦加熱して圧接している最中でも、適宜、センサが検出した値を読み取り、データベースを参照し、接合条件を変更してもよい。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

１ 工作機械
２ ワーク操作部
３ チャック
４ 主軸
５ 主軸台
６ 回転駆動装置
７ 電流計（センサ）
８ 基台
９ 移動駆動装置
１０ 工具
１１ 工具駆動装置
１２ 制御部（接合手段、当接手段）
１３ データベース
Ｗ ワーク
Ｄｘ Ｘ軸方向
Ｄｚ Ｚ軸方向

Claims (5)

1. 各々ワークを把持する２つのチャックと、
   前記両チャックを相対的に回転させる回転駆動装置と、
   前記両チャックを移動させる移動駆動装置と、
   所定の回転状態の前記両ワークを所定の押圧力で当接させて前記両ワークを接合するように前記回転駆動装置と前記移動駆動装置とを制御する接合手段とを有する工作機械であって、
   前記両ワークを分離可能な状態で当接させるように前記回転駆動装置と前記移動駆動装置とを制御する当接手段と、
   前記当接手段による前記両ワークの当接状態を検出するセンサと、
   前記接合手段の接合条件を記憶するデータベースとを設け、
   前記接合手段が前記センサの検出情報に基づいて前記データベースから抽出される前記センサの検出情報に応じた前記接合条件によって前記両ワークの接合を行うことを特徴とする工作機械。
2. 前記当接手段による当接時の回転数と、前記接合手段による当接時の回転数とが異なるように、前記当接手段もしくは前記接合手段が前記回転駆動装置を制御する、請求項１に記載の工作機械。
3. 前記センサの検出情報は、前記回転駆動装置または前記移動駆動装置の駆動源のトルクまたはその相関値の変化量である、請求項１または２に記載の工作機械。
4. 前記データベースが、前記複数の接合条件を各々の接合条件に適合するワーク条件に対応させて記憶する第１テーブルと、前記複数のワーク条件を各々のワーク条件に適合する前記センサの検出情報に対応させて記憶する第２テーブルとを有し、
   前記接合手段が、前記第２テーブルと前記センサの検出情報に基づいて前記少なくとも１つのワーク条件を特定し、前記第１テーブルと前記少なくとも１つのワーク条件から前記少なくとも１つの接合条件を抽出する、請求項に１から３の何れか１項に記載の工作機械。
5. 前記ワーク条件が前記両ワークの材質、形状、長さ、直径及び接合端面積の少なくとも１つを含む、請求項４に記載の工作機械。

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