JP3412463B2

JP3412463B2 - 摩擦圧接方法

Info

Publication number: JP3412463B2
Application number: JP20590397A
Authority: JP
Inventors: 達哉坂本; 弘鈴木; 務長谷川; 正史大沼
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1997-07-31
Filing date: 1997-07-31
Publication date: 2003-06-03
Anticipated expiration: 2017-07-31
Also published as: JPH1147958A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、摩擦圧接方法にお
いて、製品の寸法精度を向上させ、加工時の熱の影響に
よる製品の品質のばらつきを防止する加工方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、２つのワークを接合する方法
として、摩擦圧接法が用いられている。この摩擦圧接法
は、２つのワーク間に相対回転と摩擦押付圧力とを付与
することにより、各ワークの当接面を軟化させ、ワーク
同士を溶着するものである。この摩擦圧接法においても
幾つかの手法が実施されているが、その中でも特に図８
に示すブレーキ式（制動式）とフライホイール式（蓄勢
式）とが良く知られている。尚、図８は、ブレーキ式及
びフライホイール式の摩擦圧接工程における、回転数、
押付力、寄り代の変化を各々比較したものである。

【０００３】そして、ブレーキ式は次のような各ステッ
プからなるものである。２つのワークの相対的な回転数を一定値Ｎとする。ワーク同士を当接させ、摩擦押付圧力を付与する。ワークの当接面が軟化しワークの寄り代が増加してい
く。所定量の寄り代を得た時点で、ブレーキをかける。そ
して、回転数Ｎが零になるまで強制的に減速させる。ワーク同士の押付速度を増加し、ワークの当接面にア
プセット押付力を付与する。アプセット押付力によって、寄り代が全寄り代に至る
までワークの接合が急速に進む。また、当接面が冷却さ
れて硬化し、アプセット押付力を付与し続けてもそれ以
上寄り代は増加せず、摩擦圧接が完了する。

【０００４】これに対し、フライホイール式は次の各ス
テップからなるものである。 (i) ２つのワークの相対的な回転数を一定値Ｎとする。
ワークの回転駆動手段はフライホイールを備えており、
回転数Ｎに上昇した後に駆動源とフライホイールを含む
ワーク保持部とを切り離すことにより、フライホイール
に蓄えられた運動エネルギー（慣性力）により、ワーク
は回転を続ける。 (ii) ワーク同士を当接させ、摩擦押付圧力を付与す
る。 (iii) ワークの当接面が軟化し、寄り代が増加してい
く。この間、フライホールに蓄えられた運動エネルギー
は徐々に消耗していく。 (iv) フライホールに蓄えられた運動エネルギーの消耗
と共に回転数Ｎは減少し、これと共にワークの当接面は
徐々に冷えて硬化していく。 (v) フライホールに蓄えられた運動エネルギーが使い果
たされ、ワークの相対回転は停止する。この時点で得ら
れた寄り代が全寄り代となる。また、これ以上押付力を
付与し続けても寄り代は増加しないことから、この時点
で摩擦圧接を完了する。

【０００５】

【発明が解決しょうとする課題】従来の摩擦圧接法は上
記ブレーキ式、フライホイール式のいずれかにより行う
ことが主流であった。しかしながら、これら従来の手法
は以下のような課題を包含していた。まず、従来の摩擦
圧接方法（ブレーキ式、フライホイール式共に）におい
ては、ワークの当接面が軟化していく過程を正確に捕ら
えることは困難であった。よって、製品の接合強度が不
足することを防ぐために、必要以上の寄り代を設定する
必要があった。すなわち、摩擦熱を加える時間が必然的
に長くなり、母材の接合部分とは無関係な部分にも熱の
影響を多く与えるものであった。これはエネルギーの無
駄使いであるばかりか、母材は熱の影響による機械的性
質の変化を来す部分が多くなり、製品の品質に多くのば
らつきを生ずることになった。また、寄り代の増加は当
接面に発生するバリの量を増加させることになり、これ
を除去するための工程も必要となった。

【０００６】加えてブレーキ式の場合には、アプセット
押付力を付与するステップにおいて、回転停止のタイミ
ングとアプセット押付力の大きさとで接合部分の品質
（接合強度）が左右される。ところが、この条件を整え
かつ高い寸法精度を得るための準備段階に多くの工数を
要するものであった。また、フライホイール式の場合に
は、摩擦圧接工程の後期において、ワークの当接面の硬
化が始まっている状態でもワーク同士に回転力が付与さ
れる為、接合部分に残留応力が生ずることになった。よ
って、製品の機械的性質を安定させることが困難であっ
た。

【０００７】本発明は上記課題に鑑みてなされたもので
あり、その目的とするところは、摩擦圧接法においてブ
レーキ式、フライホイール式のいずれとも異なる方式を
用い、かつ、ワークの当接面が軟化していく過程を定量
的に管理することにより、高い接合強度と安定した機械
的性質とを備える高品質の摩擦圧接製品を得ることにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明に係る手段は、同軸上に配置した複数のワーク
間に相対回転と押付圧力とを付与することにより各ワー
クの当接面を軟化させ、ワーク同士を溶着する摩擦圧接
方法であって、摩擦圧接の過程において、ワーク間の相
対回転数及び押付速度を、前記当接面に塑性流動層が形
成されるまで所定値一定に保ち、その後前記相対回転数
を所定の減速率で停止させ、該回転停止後に押付を停止
する各ステップを有することを特徴とする。

【０００９】本発明においては、摩擦圧接の過程におい
て、ワーク間の相対回転数及び押付速度を増減すること
なく所定値一定に保つ。また、ワークの当接面に塑性流
動層が形成された後に（すなわち該当接面がワーク同士
を溶着させるに適した軟化状態となった後に）、前記相
対回転を所定の減速率で停止させる。すなわち、当接面
に塑性流動層が形成されてから前記相対回転が停止する
までの時間を制御する。この間、ワークの押付速度は所
定値一定に維持されているので、当該時間における寄り
代を制御することができる。そして、ワーク同士の相対
回転停止後に押付を停止することにより、塑性流動層が
形成されてから押付を停止するまでの寄り代を適切に制
御することができる。以上のごとく、ワークの相対回転
を停止する時期を塑性流動層の形成の有無から判断する
ので、ワークの当接面の軟化状態に基づいた摩擦圧接を
進行することができる。

【００１０】また、本発明においては、前記塑性流動層
の形成の有無を、前記相対回転数を一定値に保つために
増減される回転トルクと、前記押付速度を一定値に保つ
ために増減される押付力との比較により判断する。

【００１１】摩擦圧接の過程、すなわち当接を開始して
から摩擦熱によって当接面の温度が上昇し、さらに当接
面が軟化してワーク同士が寄るという各ステップにおい
て、当接面の軟化の進行に伴い、当接面に生ずる摩擦力
や、必要な押付圧力はおのずと変化する。よって、ワー
クの相対回転数及び押付速度を、摩擦圧接の過程におい
て所定値一定に保つために、回転トルクと押付力とを増
減する。この回転トルクと押付力の変化（いずれもフィ
ードバックデータとして得ることができる）に基づい
て、当接面における塑性流動層の形成の有無を判断し、
さらに該判断に基づいて摩擦圧接を進行することによ
り、ワークの当接面の軟化状態を考慮に入れた摩擦圧接
を行うことができる。

【００１２】さらに、本発明においては、前記回転トル
クと前記押付力との比較値が一定となるタイミングで前
記塑性流動層の形成を判断することが可能である。こ
の、前記回転トルクと前記押付力との比較値が一定にな
るタイミングとは、回転トルクの変化量と押付力の変化
量とがいずれも無くなったときを意味する。そして、い
ずれの変化量もなくなったときには、ワーク同士の当接
面における軟化状態は安定し、それ以上の変化は見られ
なくなる。すなわち、それ以上ワーク同士を寄せ続けて
も接合強度に差は見られない。したがって、回転トルク
と前記押付力との比較値が一定となったタイミングにお
いて、塑性流動層が形成されたと判断し、その後の工程
（ワーク同士の相対回転を停止し、さらにその後ワーク
の送りを停止する。）を進行することにより、ワークの
当接面が軟化していく過程を考慮に入れた摩擦圧接を行
うことができる。

【００１３】また、本発明においては、前記所定の相対
回転数及び押付速度は、ワーク同士の当接面に所望の接
合強度を得るために必要な投入エネルギーに基づいて決
定されることが望ましい。摩擦圧接時においては、ワー
ク同士の当接面に投入されるエネルギー量は、ワークの
相対回転数及び押付速度に比例する。また、ワーク同士
の接合強度は、該投入エネルギー量に比例する。よっ
て、相対回転数及び押付速度を所望の投入エネルギー量
を得ることができる値に設定することにより、ワークの
当接面に所望の接合強度を得る。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。ここで、従来例と同一部分ま
たは相当する部分については同一符号で示し、詳しい説
明は省略する。

【００１５】図２には、本発明の実施の形態に適した摩
擦圧接装置を示している。この摩擦圧接装置は、一度に
３つのワークを摩擦圧接することが可能な構成をなすも
のであり、設備ベース１上に主軸ユニット２、主軸ユニ
ット２’およびクランプ３を有する。そして、ワークＷ
₂ をクランプ３で、ワークＷ₁ を主軸ユニット２で、ワ
ークＷ₃ を主軸ユニット２’で夫々支持するようになっ
ている。

【００１６】ここで主軸ユニット２についての説明をす
る。主軸ユニット２には主軸４が回動自在に設けられて
いる。また、主軸４は主軸ユニット２の内部で、ギヤ
５、６を介して回転用サーボモータ７と駆動連結してい
る。さらに、主軸４にはブレーキディスク８が取付けら
れており、ブレーキキャリパ９を作動させることによっ
て、主軸４に対し自在に制動をかけることができる。さ
らに、主軸４の先端にはチャック10が取付けられてお
り、ワークＷ₁ を主軸４に固定することができる。

【００１７】主軸ユニット２は、リニアガイド11を介し
て設備ベース１に取付けられており、主軸４の軸方向
（Ｙ方向）に平行移動可能となっている。また、主軸ユ
ニット２には設備ベース１内に突出するアーム12を設け
ており、アーム12には圧接用サーボモータ13に駆動され
る圧接送りシャフト14を挿通している。そして、圧接送
りシャフト14を回転させて、該シャフトに形成したねじ
溝により、アーム12との間に推進力を発生させる。この
推進力により主軸ユニット２をＹ方向に駆動案内する。
主軸ユニット２と設備ベース１との間にはストロークセ
ンサ15、15ａを設け、主軸ユニット２（すなわち、ワー
クＷ₁ ）の押付速度と送り量（または現在位置）とを計
測することができる。さらに、アーム12には圧接送りシ
ャフト14との間に荷重センサ17を設け、主軸ユニット２
（すなわちワークＷ₁ ）にかかる押押付トルクＴ_F を測
定することができる。

【００１８】なお、主軸ユニット２’は主軸ユニット２
と同一の構成をなし、かつ、設置ベース１上で主軸ユニ
ット２と同軸上に位置するように配置されているもので
ある。よってユニット２’についての詳細な説明は省略
する。なお、主軸ユニット２、２’は、夫々独立して作
動させることも、同期させることも可能である。

【００１９】次に、クランプ３の説明をする。クランプ
３は、ワークＷ₂ を主軸４の軸方向に位置決めするクラ
ンプ３ａと、該軸線に対し左右方向の位置決めをするク
ランプ３ｂと、クランプ３ｃとからなる。そして、各軸
クランプを適宜調整することにより、主軸４に固定され
たワークＷ₁ 、Ｗ₃ と同軸上に、ワークＷ₂ を配置する
ことができる。

【００２０】図３には、図２の主軸ユニット２、２’に
用いられる制御手段の構成を示している。図示のごと
く、回転用サーボモータ７および圧接用サーボモータ13
のそれぞれに、回転用サーボドライバ18と圧接用サーボ
ドライバ19とを設け、これらの制御手段として摩擦圧接
コントローラ20を有している。また、摩擦圧接コントロ
ーラ20は、設備全体を制御する上位コントローラ（ＰＬ
Ｃ）21と連絡している。図中22、23はエンコーダであ
る。よって、回転用サーボモータ７および圧接用サーボ
モータ13の作動状況を、摩擦圧接コントローラ20で正確
に把握し、かつ的確な作動指示を出すことができる。こ
の圧接用サーボモータ13のためのエンコーダ23を利用す
ることにより、ストロークセンサ15、15ａに代わって、
主軸ユニット２の押付速度と送り量とを計測することも
可能である。さらに、上位コントローラ21はストローク
センサ15、荷重センサ17とも連絡しているので、装置全
体を総合的に制御し、摩擦圧接を行うことができる。ま
た、上位コントローラ21は、主軸ユニット２、２’の作
動プログラムを記憶する為のメモリ21ａを有している。
そしてメモリ21ａの作動プログラムに基づいて、各主軸
ユニット２、２’の摩擦圧接コントローラ20に送信す
る。

【００２１】上記設備は、無論２つのワークの摩擦圧接
作業に用いることも可能である。この場合には、例えば
一方の主軸ユニット’２を休止して、もう一方の主軸ユ
ニット２及びクランプ３を使用して、ワークＷ₁ とワー
クＷ₂ とを摩擦圧接する。

【００２２】さて、図１には、本発明の実施の形態に係
る摩擦圧接方法における、ワーク同士の相対回転数Ｎ及
び押付速度Ｖの変化の様子を示している。以下に、図１
に対応する摩擦圧接工程の各ステップを列記する。 (1) ワーク同士の相対回転数を所定の回転数Ｎ＝Ｎ_a ま
で上昇させる。回転数Ｎ _a については追って詳述する。 (2) 回転数がＮ_a で安定した後に、ワークの送りを開始
する（Ａ点）。 (3) ワーク同士の押付速度を所定の速度Ｖ＝Ｖ_a まで加
速する。速度Ｖ_a については追って詳述する。 (4) ワーク同士を当接させ、さらにワークの送りを進行
させる間、回転数Ｎ＝Ｎ _a 、押付速度Ｖ＝Ｖ_a を夫々維
持する。 (5) あるタイミング（Ｂ点：Ｂ点については追って詳述
する）において、回転数Ｎ_a を所定の減速率で減速させ
る。 (6) 回転数が零となった時点（Ｃ点）で、ワークの押付
速度Ｖ_a を所定の減速率で減速する。 (7) ワークの押付を停止し、摩擦圧接作業を完了する。

【００２３】続いて、上記ステップ(5) で、回転数Ｎ_a
の減速を開始するタイミングであるＢ点の設定方法を、
以下に説明する。前述のごとく、ワーク同士の当接を開
始してから摩擦熱によって当接面の温度が上昇し、さら
に当接面が軟化してワーク同士が寄るというワークの送
りの進行過程において、回転数Ｎ＝Ｎ_a 、速度Ｖ＝Ｖ _a
で一定となるように、回転用サーボモータ７と圧接用サ
ーボモータ13とを制御する。ところが、前記送りの進行
過程では、ワーク同士の当接面における軟化の状態が変
化することから、当接面に生ずる摩擦力や、必要な押付
圧力等の負荷には変動が生ずる。よって、回転数Ｎ_a 、
速度Ｖ_a を維持するために必要となる回転トルクＴ、押
付トルクＴ_F もおのずと変動する。そこで、本実施の形
態では、図４に示すように受熱部（主にワークの当接
面）の負荷変動を、投入部（摩擦圧接装置）にフィード
バックし、回転数Ｎ_a および速度Ｖ_a を一定値に保つ構
成を有している。なお、回転トルクＴ、押付トルクＴ_F
の測定手段の一例として、回転用サーボモータ７と圧接
用サーボモータ13との負荷電流値の変化を検出するもの
を用いたり、各モータの駆動軸等に応力センサを設置す
る等、様々な手法を用いて測定することができる。

【００２４】図５（ａ）には、ワーク同士が当接を開始
してから、ワークの送りが進行していく過程において、
回転数Ｎ＝Ｎ_a 、速度Ｖ＝Ｖ_a で一定としたときの、回
転トルクＴ及び押付力Ｆ（押付トルクＴ_F に比例する値
である）の変動の様子を示している。また、図５（ｂ）
には、図５（ａ）に示す回転トルクＴ、押付力Ｆの変動
値を比較したＴ／Ｆ変動値α（ｔ）を示している。尚、
Ｔ／Ｆ変動値α（ｔ）は数１式から求めることができ
る。

【数１】ここで、ｔ：経過時間ｄｔ：サンプリング幅ｒ：供試材の平均半径

【００２５】図５（ａ）から明らかなように、ワーク同
士が当接を開始してからある程度の時間が経過するまで
は、回転トルクＴ、押付力Ｆ共に顕著な変動を示す。こ
れは、ワークの当接面の状態変化が連続的に起こり、完
全な固体から当接面の軟化が始まる（「固溶化」ともい
う）までの過程を捕らえている。そして、ある時点から
回転トルクＴ、押付力Ｆ共に顕著な変動を示さなくな
る。これは、ワーク同士の当接面における軟化状態が安
定し、それ以上の大きな変化が生じなくなった様子を捕
らえている。よって、図５（ｂ）に示すように、回転ト
ルクＴおよび押付力ＦのＴ／Ｆ変動値α（ｔ）も、ワー
クの当接開始からある時間までは顕著な変動を示すが、
その後α（ｔ）の変動は微小もしくは生じなくなる。こ
のα（ｔ）の値が一定となるタイミングを、本説明では
塑性流動層形成点t_sとする。このように、回転トルク
Ｔ、押付力Ｆに着目することにより、ワークの当接面が
軟化していく過程を定量的に把握、管理することができ
る。

【００２６】さて、塑性流動層形成点t_s以降は、当接面
の軟化状態が安定し、ワーク同士を溶着させるに適した
状態となる。換言すれば、塑性流動層形成点t_s以降は、
ワークの軟化をさらに進行させても、接合強度に差が出
る（接合強度が向上する）ことはない。よって、図１の
ステップ(5) におけるＢ点（回転数Ｎ_a の減速を開始す
るタイミング）を、塑性流動層形成点t_sが生じたタイミ
ングに設定する。

【００２７】続いて、前記ステップ(4) において維持す
るべき回転数Ｎ_a 、押付速度Ｖ_a の設定方法についてを
以下に述べる。図４に示すように、本発明の実施の形態
では、受熱部である当接面の負荷変動を投入部である摩
擦圧接装置にフィードバックする。そして、回転用サー
ボモータ７、圧接用サーボモータ13により、回転数Ｎ
_a 、押付速度Ｖ_a を保つための回転トルクＴ、押付力Ｆ
を付与する。また、ワークの当接面に対する投入エネル
ギーＥは摩擦熱に変換され、当接面に塑性流動層を形成
し、摩擦圧接がなされる。ところで、ワークの当接面に
対する投入エネルギーＥは、以下の数２式で表される。

【数２】ここで、Ｓ：当接面積 β：係数

【００２８】また、ワーク同士の当接開始点t₀から前記
塑性流動層形成点t_sまでの投入エネルギー量Ｗは、以下
の数３式で表される。

【数３】ここで、Ｓ：当接面積Ｎ：回転数かつ、Ｔ_m ＝Ｔ−Ｔ₀ Ｔ₀ ：無負荷トルク（摩擦圧接装置固有の作動抵抗等に
抗して装置を回転させるためのトルク）Ｔ：実効トルク（摩擦圧接中にワークを回転させるた
めに必要なトルク）このように、回転数Ｎ_a は、当接開始点t₀から前記塑性
流動層形成点t_sまでの投入エネルギー量Ｗを決定するパ
ラメータの１つとして含まれている。

【００２９】ところで、投入エネルギー量Ｗは、ワーク
同士の接触面における接合強度に直接的に影響を及ぼす
ものである。図６には、投入エネルギー量Ｗを様々に変
えて摩擦圧接を行った製品に、破断試験を実施した結果
を示している。図６から明らかなように、投入エネルギ
ー量ＷがＷ_a より小さいと、破断は接合面で生じる。ま
た、このときの破断荷重は低レベルでばらつくことにな
る。すなわち、接合強度が不足しかつ品質が不安定であ
ることがわかる。そして、投入エネルギー量Ｗの値を増
加させていくに従い、破断荷重はより高いレベルに向上
するが、Ｗ＝Ｗ _a を越えるまでは同様にばらつきを生
じ、かつ接合面で破断を生じる。ところが、投入エネル
ギー量がＷ＝Ｗ_a を越えると、破断が接合面以外の部分
での破断（母材破断）を生ずる。母材の性質は接合面に
比べて均一であることから、破断荷重のばらつきも少な
くなる。すなわち、投入エネルギー量がＷ_a 以上であれ
ば、必要な接合強度が得られかつ製品の品質も安定する
ことになる。

【００３０】さらに、当接開始点t₀から前記塑性流動層
形成点t_sまでの投入エネルギー量Ｗの値は、ワークの押
付速度Ｖに比例することがわかっている。図７には、ワ
ークの押付速度Ｖと投入エネルギー量Ｗとの関係を示し
ている。この速度Ｖと投入エネルギー量Ｗとの相関を示
す傾きは、ワークの材質、形状（大きさ）等によって変
わってくるが、各条件においても比例関係は現れる。つ
まり押付速度Ｖにより、投入エネルギー量Ｗが制御でき
ることになる。

【００３１】よって、図７に示すデータの中から、投入
エネルギー量Ｗ＝Ｗ_a を得ることが可能なワークの押付
速度Ｖ＝Ｖ_a を求める。ところで、数３式に示すように
回転数Ｎ_a は投入エネルギー量Ｗのパラメータとなって
いる。よって回転数Ｎ_a の値も、投入エネルギー量Ｗ＝
Ｗ_a が得られる値に設定する。ただし、回転数Ｎ_a が投
入エネルギー量Ｗ_a を得るにあたってよほど不適切な値
でない限り、回転数Ｎ _a は固定しておき、押付速度Ｖ_a
の値を変化させることによって、所望の投入エネルギー
量Ｗ_a を得るものとする。

【００３２】本実施の形態では、以上のごとく決定され
たワークの相対回転数Ｎ_a 、ワークの押付速度Ｖ_a 及び
Ｂ点に基づいて、摩擦圧接を進行させる。そして、前記
ステップ(5) において、回転数Ｎ_a を減速させる際に、
所定の減速率で減速を行うことにより、当接面に塑性流
動層が形成されてから相対回転数Ｎ＝０となるまで（Ｂ
点からＣ点まで）の時間を制御する。この間、ワークの
押付速度はＶ＝Ｖ_a に維持されているので、当該時間に
おける寄り代を制御することができる。

【００３３】さらに、前記ステップ(6) において、回転
数が零となった時点（Ｃ点）で、ワークの押付速度Ｖ_a
を所定の減速率で減速する。摩擦圧接装置の押付速度
は、回転速度（回転数）と比較すると極小さなものであ
り、その慣性力は小さいので、押付速度Ｖ_a はほぼ瞬時
に零まで減速させることができる。

【００３４】上記構成をなす本発明の実施の形態により
得られる作用効果は、以下の通りである。まず、ワーク
の相対回転数Ｎ及び押付速度Ｖを所定値一定に保ち、ワ
ークの当接面に塑性流動層が形成されるタイミングであ
るＢ点で、回転数ＮをＮ_a から零へと所定の減速率で減
速を行い、かつ、回転数Ｎ＝０となったＣ点で押付速度
Ｖを所定の減速率でＶ＝０まで減速する各ステップにお
いて、ワークの寄り代を制御することが容易となり、製
品寸法のばらつきの少ない摩擦圧接製品を得ることがで
きる。

【００３５】また、摩擦圧接工程を進める上で重要とな
るＢ点を設定するにあたり、まず、ワークの当接面の状
態を示す回転トルクＴ、押付トルクＴ_F からＴ／Ｆ変動
値α（ｔ）を求める。そして、該α（ｔ）の値が一定と
なるタイミングを、塑性流動層形成点t_sとし、該塑性流
動層形成点t_sが生じるタイミングをＢ点としている。よ
って、Ｂ点はワークの当接面が軟化していく過程を捕ら
え、それに基づいて決定されるものであり、ワークの当
接面の状態に応じて、最適な摩擦圧接工程の進行をする
ことができる。なお、塑性流動層形成点t_sを若干越えた
タイミングにＢ点を設定することももちろん可能である
が、t_s点とＢ点との差を可能な限り小さくすることによ
り、エネルギーの無駄使いを小さくし、熱の影響による
製品品質のばらつきを抑えることができる。また、必要
最小限の寄り代で十分な接合強度を得ることができるの
で、バリ発生を抑えこれを除去するための工程を不要と
する。合わせて素材の使用量が減少することから、素材
費の低減を図ることも可能となる。

【００３６】また、ワークの相対回転数Ｎ＝Ｎ_a 、押付
速度Ｖ＝Ｖ_a は、当接開始点t₀から前記塑性流動層形成
点t_sまでの投入エネルギー量がＷ＝Ｗ_S となる値を選択
するので、ワーク同士の接合強度を十分に得ることがで
きる。以上のごとく、本実施の形態に係る摩擦圧接方法
によると、製品の寸法精度、接合強度を高いレベルで得
ると共に、必要以上のエネルギーを母材に投入すること
がなく、安定した機械的性質を備える摩擦圧接製品を得
ると共に、作業効率の向上を図ることが可能となる。

【００３７】なお、前述の数３式等に基づいて摩擦圧接
工程中の投入エネルギー量を逐次積算することにより、
フィードバックデータに基づいた更に信頼性の高い摩擦
圧接作業を行うことが可能となる。

【００３８】

【発明の効果】本発明はこのように構成したので、以下
のような効果を有する。まず、本発明の請求項１に係る
摩擦圧接方法によると、従来の摩擦圧接方法である、ブ
レーキ式とフライホイール式のいずれにおいても不可能
であった、ワークの当接面の軟化状態に基づいた摩擦圧
接を行うことが可能となる。このことにより、投入エネ
ルギー及び素材の無駄使いを抑え、製品の寸法精度、接
合強度、機械的性質のばらつきを抑えることが可能とな
る。よって、摩擦圧接方法による製品の信頼性を高め、
かつ低コストによる提供が可能となり、摩擦圧接方法の
適用範囲を更に広げることができる。

【００３９】また、本発明の請求項２に係る摩擦圧接方
法によると、ワークの相対回転数及び押付速度を一定に
保つための、回転トルク及び押付力の増減に基づいて、
当接面における塑性流動層の形成の有無を判断し、摩擦
圧接を進行する。すなわち、ワークの当接面の軟化状態
に基づいた摩擦圧接を行うことが可能となり、投入エネ
ルギー及び素材の無駄使いを抑え、製品の寸法精度、接
合強度、機械的性質のばらつきを抑えることが可能とな
る。

【００４０】さらに、本発明の請求項３に係る摩擦圧接
方法によると、前記回転トルクと前記押付力との比較値
が一定となったタイミングにおいて、塑性流動層が形成
されたと判断し、その後の工程（ワーク同士の相対回転
を停止し、その後ワークの送りを停止する。）を進行す
ることにより、ワークの当接面が軟化していく過程を考
慮に入れた摩擦圧接を行うことができる。よって、投入
エネルギー及び素材の無駄使いを抑え、製品の寸法精
度、接合強度、機械的性質のばらつきを抑えることが可
能となる。

【００４１】加えて、本発明の請求項４に係る摩擦圧接
方法によると、ワーク同士の当接面に所望の接合強度を
得るために必要な投入エネルギー量に基づいて、前記所
定の相対回転数及び押付速度を決定するので、確実に所
望の接合強度を得ることが可能となる。よって、摩擦圧
接製品の信頼性をより高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る摩擦圧接方法におい
て、ワーク同士の相対回転数Ｎ及び押付速度Ｖの変化の
様子を示すグラフである。

【図２】本発明の実施の形態に適した摩擦圧接装置の該
略図である。

【図３】図２に示す摩擦圧接装置の制御手段を示すブロ
ック図である。

【図４】本発明の実施の形態に係る摩擦圧接方法におい
て、摩擦圧接装置の作動制御の流れを示すブロック図で
ある。

【図５】（ａ）には、ワーク同士が当接を開始してか
ら、ワークの送りが進行していく過程において、回転数
Ｎ＝Ｎ_a 、速度Ｖ＝Ｖ_a で一定としたときの回転トルク
Ｔ、押付力Ｆの変動の様子を示す。また、（ｂ）には
（ａ）に示す回転トルクＴ、押付力Ｆの変動値を比較し
たＴ／Ｆ変動値α（ｔ）を示す。

【図６】投入エネルギー量Ｗを様々に変えて摩擦圧接を
行った製品に、破断試験を実施した際の、破断荷重と破
断位置とを示す図である。

【図７】ワークの押付速度Ｖと投入エネルギー量Ｗとの
関係を示す相関図である。

【図８】従来の摩擦圧接方法であるブレーキ式、フライ
ホイール式における回転数、押付力、寄り代の変化を各
々比較した図である。

【符号の説明】Ｂ塑性流動層の形成点Ｃワーク間の相対回転の停止点Ｎ_a ワーク間の相対回転数Ｖ_a ワーク間の押付速度

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大沼正史愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (56)参考文献特開昭58−145386（ＪＰ，Ａ) 特開平６−99290（ＪＰ，Ａ) 特開平２−127987（ＪＰ，Ａ) 特開平３−124384（ＪＰ，Ａ) 特開平７−195183（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−19192（ＪＰ，Ａ) 特開昭49−107947（ＪＰ，Ａ) 特公昭52−25381（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 20/12

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】同軸上に配置した複数のワーク間に相対
回転と押付圧力とを付与することにより各ワークの当接
面を軟化させ、ワーク同士を溶着する摩擦圧接方法であ
って、摩擦圧接の過程において、ワーク間の相対回転数
及び押付速度を、前記当接面に塑性流動層が形成される
まで所定値一定に保ち、その後前記相対回転数を所定の
減速率で停止させ、該回転停止後に押付を停止する各ス
テップを有する摩擦圧接方法。
【請求項２】前記塑性流動層の形成の有無を、前記相
対回転数を一定値に保つために増減される回転トルク
と、前記押付速度を一定値に保つために増減される押付
力との比較により判断することを特徴とする請求項１記
載の摩擦圧接方法。
【請求項３】前記回転トルクと前記押付力との比較値
が一定となるタイミングで前記塑性流動層の形成を判断
する請求項２記載の摩擦圧接方法。
【請求項４】前記所定の相対回転数及び押付速度は、
ワーク同士の当接面に所望の接合強度を得るために必要
な投入エネルギーに基づいて決定されることを特徴とす
る請求項１または２記載の摩擦圧接方法。