JP3104724B2 - 摩擦加工方法および装置 - Google Patents

摩擦加工方法および装置

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JP3104724B2 JP04185940A JP18594092A JP3104724B2 JP 3104724 B2 JP3104724 B2 JP 3104724B2 JP 04185940 A JP04185940 A JP 04185940A JP 18594092 A JP18594092 A JP 18594092A JP 3104724 B2 JP3104724 B2 JP 3104724B2
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    • B23K20/12Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、摩擦加工方法および
装置に関し、更に詳しくは、2つの材料を加圧接触状態
で回転または摺動させ、これに伴う摩擦発熱により両材
料の圧接加工や肉盛加工を行なう摩擦加工技術におい
て、摩擦発熱時における両材料間での加圧力を周期的に
変化させることにより、両材料の接合部からの不純な介
在物の排出を促進し、また加圧時間を短縮させて良好な
圧接加工や肉盛加工を達成し得る摩擦加工方法およびそ
の装置に関するものである。
【0002】
【従来技術】同種材質または異種材質の材料を相互に接
合する方法として、摩擦圧接方法が知られている。この
方法は、高い接合品質が得られると共に、接合作業時の
制御が簡単で経済性に優れる等の利点があるので、例え
ば自動車や機械等における重要部品の接合に好適に採用
されている。この摩擦圧接方法の概略を説明すると、図
5に示す如く、先ず接合しようとする材料10,10を
対向させた後、一方の材料10を高速で回転させる
(a)。次いで、回転中の材料10を他方の材料10の端
面に突合わせると、両材料10,10の接触面は回転時
の摩擦により高温となり、材料端部は次第に軟化するに
至る(b)。そして、両材料10,10の接触端部域が適
度に軟化した時点で、材料10の回転を停止させると共
に両材料10,10を軸方向に押し付ける(アップセッ
ト)ことにより、両端面の接合が行なわれる(c)。な
お、材料10を回転させる以外に、2つの接合すべき材
料10,10の少なくとも一方を、他方に対し摺動させ
ることによっても前記の摩擦圧接を好適に実施し得る。
【0003】また、或る材質を有する材料の表面に異種
材質の材料を肉盛りして、耐摩耗性・防錆性・耐食性等
の特性を付与する改質技術にも、両材料の接触回転や接
触摺動に伴う摩擦発熱を利用した摩擦肉盛方法が採用さ
れている。例えば図6に示す如く、垂直に配置した肉盛
用材料14の下端面を水平な基材16の表面に推力Pで
押し当てる。そして肉盛用材料14を高速で回転させる
と共に、前記基材16を水平に移動(矢印方向)させれ
ば、該基材16より融点の低い肉盛用材料14は回転時
の摩擦発熱により軟化し、基材16の表面に所要厚みの
肉盛層18が形成されるというものである。この場合
も、肉盛用材料14を回転させる以外に、該材料14を
基材16に対し摺動させることによっても、前記の摩擦
肉盛を実施可能である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】先に述べた摩擦圧接ま
たは摩擦肉盛による加工(以下両者を総合して「摩擦加
工」という)を行なうには、2つの部材を接触状態で回転
または摺動させることにより摩擦発熱させる必要があ
る。しかるに摩擦加工に供される被加工材料は、その表
面に酸化物等の不純物を有していることが多い。例えば
アルミニゥムは熱伝達性に優れているので、エンジンブ
ロックを該アルミニゥムの鋳物で製造することが実用化
されている。この場合に、エンジンブロックの冷却水流
通路等は、局部的に充分な機械的強度が得られないこと
があるので、前記の摩擦加工により肉盛加工を施して強
化することが提案される。ところがアルミニゥムの表面
には酸化皮膜が形成されているため、これに他のアルミ
ニゥム材料を摩擦肉盛しても、該酸化皮膜の存在により
両材料の接合が阻害され、所期の強度が得られない場合
がある。
【0005】すなわち摩擦加工により2つの金属材料
(同種材料または異種材料)を圧接したり肉盛したりする
に際し、両材料の接触面に酸化物その他の不純物(以下
「介在物」という)が存在する場合は、これが加工後の接
合強度や肉盛強度に好ましくない影響を与えるものであ
る。これら摩擦加工では、両材料の接触領域が軟化した
時点で、先に述べた如く両材料を軸方向にアップセット
するため、接触部位には半径方向に所謂バリが延出す
る。従って前記介在物は、その殆どがこのバリ中に含ま
れた状態で、材料外に押出されるものであるが、接合な
いし肉盛面に依然として残存する小量の介在物が、前記
の如く接合強度や肉盛強度を低下させることが実験的に
確認されている。このような肉盛強度や圧接強度を低下
させる現象は、アルミニゥムの外に、同じく活性金属材
料であるチタンの摩擦加工に関しても知られている。
【0006】また摩擦加工方法を実施するに際し、両部
材を加圧下に回転または摺動させる時間を、圧接強度や
肉盛強度を低下させることなく短くできれば、加工時間
を短縮できると共に省エネルギーに貢献し得ることとな
る。しかるに従来の摩擦加工装置では、所要の強度を得
るためには、それなりの時間とエネルギーとを掛ける必
要があり、この観点からの改善提案はなされていないの
が実情である。
【0007】
【発明の目的】そこで発明者は、前記課題を解決するべ
く種々思考を重ねた結果、2つの被加工材料を加圧条件
下で回転または摺動させて摩擦加工を行なうに際し、そ
の加圧力を周期的に変化させてみたところ、他は同一条
件であるにも拘らず、接合強度または肉盛強度が改善さ
れることを知見するに至った。そして、接合加工または
肉盛加工に際し、材料外に延出する所謂バリの成分を分
析した結果、このバリ中に前記酸化物等の介在物が、加
圧力を変化させなかった場合に比べ著しく増大している
ことが判った。従って2つの材料を回転または摺動させ
る際に、その加圧力を変化させることによって、両材料
の接触領域から前記介在物が排出され、これにより良好
な接合または肉盛が達成されるものと推察される。
【0008】すなわち本発明は、前述した従来技術が内
在している欠点に鑑み、これを好適に解決するべく提案
されたものであって、2つの材料を加圧接触状態で回転
または摺動させ、これに伴う摩擦発熱により両材料の圧
接加工や肉盛加工を行なう摩擦加工技術において、摩擦
発熱時における両材料間での加圧力を周期的に変化させ
ることにより、両材料の接合部からの不純な介在物の排
出を促進し、また加圧時間を短縮させて良好な圧接加工
や肉盛加工を達成し得る手段を提供することを目的とす
る。
【0009】
【課題を解決するための手段】前記課題を克服し、所期
の目的を好適に達成するため本発明は、相互に接触させ
た2つの材料の何れかを他方に対し加圧状態で回転また
は摺動させて、その摩擦発熱により両材料の圧接または
肉盛の加工を行なうようにした摩擦加工方法において、
前記両材料の回転または摺動に伴なう摩擦発熱により接
触部位が軟化し始めた時点で、両材料に対する加圧力を
周期的に変化させることを特徴とする。
【0010】また前記摩擦加工方法を好適に達成するた
め、本願の別の発明は、対向させた2つの材料を相互に
加圧接触させ、その何れか一方を他方に対し回転または
摺動させて、その摩擦発熱により両材料の圧接または肉
盛の加工を行なう摩擦加工装置において、前記2つの材
料の何れかに接続し、その何れかの材料を他方の材料に
対し近接・離間させるための材料駆動手段と、両材料の
接触部位に近接して配設され、該接触部位での温度を検
出する放射温度計の如き温度検出手段と、この材料駆動
手段に駆動指令を与え、何れかの材料を他方の材料に対
し所要の加圧力をもって周期的に近接・離間させる駆動
制御回路とから構成したことを特徴とする。
【0011】
【実施例】次に、本発明に係る摩擦加工方法につき、こ
れを好適に実施させる装置との関係において、添付図面
を参照しながら説明する。先に述べた如く本発明は、2
つの材料を加圧接触状態で回転または摺動させて圧接や
肉盛等を行なう摩擦加工技術において、摩擦発熱時にお
ける両材料間での加圧力を周期的に変化させることを内
容としている。
【0012】図1は、本発明に係る摩擦加工方法を好適
に実施し得る装置の概略構成を示し、ここでは回転によ
る摩擦圧接方法を実施する場合を例示する。図示の摩擦
圧接装置において、垂直に配設固定した被接合材料20
の上方に、軸線を整列させて他方の被接合材料22が回
転自在に配設されている。すなわち被接合材料22はチ
ャック24により着脱自在に装着可能となっており、こ
のチャック24は該材料22と同心をなす環状スリーブ
26の内周面に固定してある。環状スリーブ26は、前
記の被接合材料22やチャック24等をそっくり収容す
るハウジング28の内部において、適宜の軸受30を介
して該ハウジング28に対し水平回転自在に支持されて
いる。また環状スリーブ26の外周にリングギヤ32が
嵌挿固定されると共に、前記ハウジング28の内部にモ
ータ34が倒立固定されている。そして該モータ34の
回転軸に固定したピニオン36が、前記リングギヤ32
に噛合している。従ってモータ34を所要方向に回転さ
せれば、ピニオン36とリングギヤ32との噛合作用下
に、前記被接合材料22を装着したチャック24は、前
記ハウジング28に対して水平回転し得るものである。
【0013】更に前記ハウジング28の頂部と、摩擦圧
接装置における固定部位Xとの間に圧縮スプリング38
が弾力的に介装され、該ハウジング28を常には垂直下
方へ付勢している。また摩擦圧接装置の前記固定部位X
には、例えば油圧の如き流体圧を駆動源とするシリンダ
40が倒立的に固定され、該シリンダ40から下方へ昇
降自在に延出するピストンロッド42の下端部が、前記
ハウジング28の頂部に固定されている。前記シリンダ
40として複動式が選定され、該シリンダ40の各ポー
トには電磁弁44が接続してある。符号46は、前記電
磁弁44を介してシリンダ40に駆動指令を与えるため
の駆動制御回路を示している。すなわち駆動制御回路4
6が前記電磁弁44に対し所要の開閉指令を与えると、
図示しない流体圧供給源から圧力流体が前記シリンダ4
0に与えられ、そのピストンロッド42を所要のタイミ
ングで上昇・下降させることになる。このピストンロッ
ド42の上昇・下降に伴い、前記ハウジング28はチャ
ック24に装着した被接合材料22と共に上昇・下降を
行ない、該被接合材料22を固定側の被接合材料20に
対し所要の加圧力をもって周期的に近接・離間させるこ
ととなる。
【0014】前記シリンダ40を正逆付勢して、両材料
20,22に対する加圧力を変化させるタイミングは、
これら両材料20,22の回転に伴なう摩擦発熱によ
り、その接触部位が軟化し始めた時点に求められる。例
えば両材料20,22が接触している部位に近接して放
射温度計48を配設し、その検出信号は前記駆動制御回
路46に入力される。この駆動制御回路46は、両材料
20,22の材質や、接合に適した温度、その他圧力等
の加工データを入力する入力部46aと、これら加工デ
ータを記憶する記憶部46bとを有している。すなわち
前記両材料20,22に関して予め判明している軟化温
度は、該記憶部46bに入力記憶させてある。従って両
材料20,22を回転させて摩擦発熱を生じさせ、前記
放射温度計48が検出した接触領域における温度と、該
材料に関してプリセットした軟化温度とが一致した時点
で、駆動制御回路46より前記電磁弁44を介してシリ
ンダ40に駆動指令を出すことになる。
【0015】図2は、本発明に係る摩擦加工装置の別実
施例を示し、これは回転側の被加工材料22を昇降動さ
せるのではなく、垂直固定側の被加工材料20を昇降動
させる構成としたものである。すなわち、ハウジング2
8の内部にチャック24が配設され、このチャック24
により固定側となる被加工材料20を着脱自在に支持し
得るようになっている。また摩擦加工装置における固定
部位Xには、流体圧シリンダ40が正立固定され、該シ
リンダ40から上方へ昇降自在に延出するピストンロッ
ド42の上端部が、前記ハウジング28の外底部に固定
されている。なお前記シリンダ40として複動式が選定
され、該シリンダ40は電磁弁44を介して駆動制御回
路46に接続されると共に、両材料20,22の接触部
位に近接配置した放射温度計48の検出信号が、該駆動
制御回路46に入力されるようになっていることは、図
1に関して説明したところと同一である。
【0016】次に、このように構成した摩擦加工装置の
使用の実際を説明する。図1において、固定側の被接合
材料20に対し回転側の被接合材料22が、僅かな間隙
を保持して整列的に対向位置している。摩擦圧接作業の
開始に伴い、前記モータ34を回転させると、そのピニ
オン36およびリングギヤ32の噛合作用下に、回転側
の材料22は軸周りに高速で回転する。そして流体圧シ
リンダ40を付勢して、ハウジング28を垂直に下降さ
せることにより、回転側材料22は軸線方向に推力P1
をもって移動し、固定側材料20の開放端部に押し当て
られる。このとき回転側の材料22の回転数は、例えば
3000回転(R.P.M.)で、また推力P1は、例えば50K
gf/cm2に設定される。このように両材料20,22を回
転させつつ強制的に押し当てると、その接触部位は摩擦
で発熱して次第に軟化し始める。この発熱部からの放射
温度は、前述の如く例えば放射温度計48が監視してい
る。
【0017】従って放射温度計48が検出した接触部位
での温度上昇と、該材料20,22に関してプリセット
した軟化温度とが一致した時点で、駆動制御回路46か
ら前記電磁弁44を介してシリンダ40に駆動指令を出
す。これによりシリンダ40が所要の周期で正逆付勢さ
れ、ピストンロッド42の上昇・下降に伴い、前記ハウ
ジング28はチャック24に装着した被接合材料22と
共に上昇・下降を行なう。このため被接合材料22を、
固定側の被接合材料20に対し所要の加圧力で周期的に
近接・離間させることとなる。なお、このように周期的
に変化させられる加圧力は、図3に示す如く、その被加
工材料20,22に設定された最適加圧力P1より大きく
なるよう重畳させることができる。また図4に示すよう
に、周期的に変化させられる加圧力が、その周期での平
均値が、被加工材料20,22に設定された最適加圧力
1に略等しくなるよう重畳させるようにしてもよい。
また、両材料20,22に対する加圧力P1を変化させる
周期は、0.5Hz/秒以上とするのがよいことが、実
験の結果判明した。
【0018】(第1実施例について)次に、直径20mmの
S45C(機械構造用炭素鋼)からなる2本の被接合材料
を、本願の摩擦加工方法により圧接した場合と、該方法
を採用することなく圧接した場合とに分けて説明する。
なお圧接条件として、被接合材料の回転数は3000回
転(R.P.M.)と一定にしたが、他の第1推力P1、第2推
力P2およびアップセット量(UP)は適宜変化させた。
殊に本発明の趣旨に鑑み、第1推力P1は最大と最小と
の2段階とし、その加圧力を変化させる周期(Hz)も適
宜変更させた。ここでは、図1に示す如き回転摩擦によ
る圧接方法を実施した。また加圧力を変化させることな
く摩擦圧接を実施した場合を「比較例」とし、本願の摩擦
圧接方法を実施した場合を「発明例」として夫々につきデ
ータを採り、その結果を以下の表1に示した。
【0019】
【表1】
【0020】表1から判明する如く、比較例1の第1
推力P1は30Kgf/cm2で一定とし、第2推力P2は50K
gf/cm2、アップセット量(UP)は3mmに設定した。しか
るに発明例6では、第1推力P1を3.0Hz/秒の周期
で最大50Kgf/cm2および最小30Kgf/cm2に変化させ、
他の第2推力P2およびアップセット量(UP)は比較例
1と共通とした。そして接合後の材料を引張り試験した
ところ、比較例1では接合面で破断して評価は「×」であ
ったが、発明例6では母材の部分で破断して評価は「〇」
であった。また比較例2の第1推力P1は40Kgf/cm2
で一定とし、第2推力P2は70Kgf/cm2、アップセット
量(UP)は4mmに設定した。しかるに発明例3では、第
1推力P1を0.5Hz/秒の周期で最大50Kgf/cm2
よび最小40Kgf/cm2に変化させ、他の第2推力P2およ
びアップセット量(UP)は比較例2と共通とした。そし
て接合後の材料を引張り試験したところ、比較例2では
接合面で破断して評価は「×」であったが、発明例3では
母材の部分で破断して評価は「〇」であった。更に発明
例4では、第1推力P1を1.0Hz/秒の周期で最大5
0Kgf/cm2および最小40Kgf/cm2に変化させ、第2推力
2は60Kgf/cm2、アップセット量(UP)は3mmに設定
した。また発明例5は、第1推力P1を1.0Hz/秒の
周期で最大60Kgf/cm2および最小40Kgf/cm2に変化さ
せた外は、発明例4と条件を同じとした。接合後の材料
を引張り試験したところ、発明例4および発明例5は、
何れも母材の部分で破断して評価は「〇」であった。すな
わち、摩擦圧接中に所要のタイミングで加圧力を変化さ
せることにより、良好な接合が達成されることが判っ
た。これは、接合領域での加圧力の変化により、酸化物
の如き介在物が所謂バリ中に排出されるためと考えられ
る。
【0021】なお表1には示さないが、発明例3と同じ
く第1推力P1を最大50Kgf/cm2および最小40Kgf/cm
2に変化させ、第2推力P2を70Kgf/cm2、アップセッ
ト量(UP)を4mmに設定した場合において、その加圧力
を変化させる周期を、0.1Hz/秒で実施してみた。
このときは、接合後の材料を引張り試験したところ、接
合面において破断し評価は「×」となった。発明例3での
周期が0.5Hz/秒であって、その評価が「〇」であっ
たことに鑑みると、加圧力を変化させる周期が0.5H
z/秒より小さいときは、良好な接合強度が得られない
ことが判る。
【0022】(第2実施例について)次に、20mm×20
mmの角断面のアルミニゥム合金(A5056)からなる2
本の被接合材料を、表2に示す各条件の下で摺動圧接し
た。
【0023】
【表2】
【0024】比較例1の摺動振動数は10Hz、第1
推力P1は10Kgf/cm2で一定、第2推力P2は20Kgf/c
m2、アップセット量(UP)は4mmに設定した。しかし発
明例3では、第1推力P1を0.5Hz/秒の周期で最大
15Kgf/cm2および最小10Kgf/cm2に変化させ、他の摺
動振動数、第2推力P2およびアップセット量(UP)は
比較例1と共通とした。そして接合後の材料を引張り試
験したところ、比較例1では接合面で破断して評価は
「×」であったが、発明例3では、母材の部分で破断して
評価は「〇」であった。また比較例2の摺動振動数は1
0Hz、第1推力P1は10Kgf/cm2で一定、第2推力P
2は30Kgf/cm2、アップセット量(UP)は6mmと大きく
設定した。しかるに発明例4では、摺動振動数を30H
z、第1推力P1を1.0Hz/秒の周期で最大15Kgf/
cm2および最小10Kgf/cm2に変化させ、第2推力P2
20Kgf/cm2、アップセット量(UP)は4mmに設定し
た。そして接合後の材料を引張り試験したところ、比較
例2では接合面で破断して評価は「×」であったが、発明
例4では母材の部分で破断して評価は「〇」であった。す
なわち比較例2は、第2推力P2およびアップセット量
(UP)を、発明例4より大きく設定しているにも拘ら
ず、接合強度が劣っていることが判明した。
【0025】表2における発明例5は、その第1推力P
1の最大値、加圧力を変化させる周期、第2推力P2およ
びアップセット量(UP)が、何れも発明例4に比べて大
きくなるよう設定されている。しかし発明例4および発
明例5の何れも、引張り試験の評価は「〇」となってい
る。従って第1推力P1の最大値、加圧力の変化周期、
第2推力P2およびアップセット量(UP)は、発明例4
で採用した程度の値で充分に実用に供し得ることが、こ
のデータから伺われる。また比較例5では、第1推力P
1を最大20Kgf/cm2と最小15Kgf/cm2の範囲で変化さ
せるものであるが、本の発明例の如く周期的に該推力P
1を変化させるものではない。この場合は、アップセッ
ト量(UP)を9mmと大きく設定しても、引張り試験の評
価は「△」しか得られていない。しかるに発明例6では、
第1推力P1を5.0Hz/秒の周期で最大20Kgf/cm2
および最小15Kgf/cm2に変化させることにより、アッ
プセット量(UP)を6mmと小さくしながら、引張り試験
の評価は「〇」を得ている。これによっても、加圧力を周
期的に変化させることにより、接合強度を向上させ得る
ことが明らかである。
【0026】
【発明の効果】以上説明した如く、本発明に係る摩擦加
工方法および装置によれば、2つの材料を加圧接触状態
で回転または摺動させる際に、その摩擦発熱時における
両材料間での加圧力を周期的に変化させることにより、
両材料の接合部からの不純な介在物の排出を促進させる
ことができる。従って、摩擦圧接および摩擦肉盛がなさ
れる部分での強度が飛躍的に向上するものである。また
加圧時間を短縮させて、良好な圧接加工や肉盛加工を併
せて達成し得る、等の有益な効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る摩擦加工装置の概略構成図であ
る。
【図2】本発明に係る摩擦加工装置の別実施例の概略構
成図である。
【図3】周期的に変化させられる加圧力を、被加工材料
に設定された最適加圧力より大きくなるよう重畳させる
状態を示すグラフ図である。
【図4】周期的に変化させられる加圧力が、その周期で
の平均値が、被加工材料に設定された最適加圧力に略等
しくなるよう重畳させる状態を示すグラフ図である。
【図5】摩擦圧接方法を実施する場合の、好適例を(a)
〜(c)の如く経時的に観察した説明図である。
【図6】材料の摩擦発熱を利用した摩擦肉盛方法を実施
する場合の概略説明図である。
【符号の説明】
20 被加工材料 22 被加工材料 40 材料駆動手段 46 駆動制御回路 46a 入力部 46b 記憶部

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 相互に接触させた2つの材料の何れかを
    他方に対し加圧状態で回転または摺動させて、その摩擦
    発熱により両材料の圧接または肉盛の加工を行なうよう
    にした摩擦加工方法において、 前記両材料の回転または摺動に伴なう摩擦発熱により接
    触部位が軟化し始めた時点で、両材料に対する加圧力を
    周期的に変化させることを特徴とする摩擦加工方法。
  2. 【請求項2】 周期的に変化させられる両材料に対する
    加圧力は、その被加工材料に設定された最適加圧力より
    大きくなるよう重畳される請求項1に記載の摩擦加工方
    法。
  3. 【請求項3】 周期的に変化させられる両材料に対する
    加圧力は、その周期での平均値が、被加工材料に設定さ
    れた最適加圧力に略等しくなるよう重畳される請求項1
    に記載の摩擦加工方法。
  4. 【請求項4】 両材料に対する加圧力を変化させる周期
    は、0.5Hz/秒以上である請求項1〜3に記載の摩
    擦加工方法。
  5. 【請求項5】 対向させた2つの材料(20,22)を相互に
    加圧接触させ、その何れか一方(22)を他方(20)に対し回
    転または摺動させて、その摩擦発熱により両材料(20,2
    2)の圧接または肉盛の加工を行なう摩擦加工装置におい
    て、 前記2つの材料(20,22)の何れかに接続し、その何れか
    の材料(20)を他方の材料(22)に対し近接・離間させるた
    めの材料駆動手段(40)と、 両材料(20,22)の接触部位に近接して配設され、該接触
    部位での温度を検出する放射温度計の如き温度検出手段
    (48)と、 この材料駆動手段(40)に駆動指令を与え、何れかの材料
    (20)を他方の材料(22)に対し所要の加圧力をもって周期
    的に近接・離間させる駆動制御回路(46)とから構成した
    ことを特徴とする摩擦加工装置。
  6. 【請求項6】 駆動制御回路(46)は、両材料(20,22)の
    材質や、接合に適した温度、その他圧力等の加工データ
    を入力する入力部(46a)と、これら加工データを記憶す
    る記憶部(46b)とを含む請求項5に記載の摩擦加工装
    置。
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