JP3867546B2 - 摩擦攪拌接合用ツールと摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、摩擦攪拌接合に使用される回転ツールと摩擦攪拌接合装置並びに摩擦攪拌接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
被接合材の材質よりも硬い材質の金属棒（以下、回転ツールと呼ぶ）を被接合材の接合部に回転させながら挿入し、更に、この回転ツールを接合部に沿って回転させながら移動することによって、上記回転ツールと上記被接合材との間で発生する摩擦熱により接合する摩擦攪拌接合方法が、特許第２７１２８３８号公報（ＷＯ９３／１０９３５）に記載されている。この摩擦攪拌接合方法は、回転ツールと被接合材との摩擦熱により被接合材を軟化させ、回転ツールの回転に伴う塑性流動現象を利用したものであり、アーク溶接などのように被接合材を溶かして溶接する方法とは異なる原理に基づいている。
【０００３】
この接合方法では、回転ツールを被接合材に押し込んだ部分に、ばりが発生する。これは、回転ツールを被接合材に挿入した際に被接合材が塑性変形することに起因したものである。ばりは、接合面が意匠面に使用される場合や、組み立て部材の合わせ面に使用される場合には不要となる。従って被接合材が上記のような使途になる場合、接合後に機械加工等によりばりを切除することになる。しかし、接合後に機械加工等を施すのは製品の製造コストの高騰につながるため、望ましくない場合が多い。
【０００４】
ばりを合理的に切除する方法に関して、回転ツールの先端に切刃を装着する方法が特開平１０−７１４７７号公報に記載されている。また、研削部材を回転ツールに取り付け、接合部の表面を研削する方法が特開平１０−２３０３７４号公報に記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特開平１０−７１４７７号公報に記載の従来技術によると、接合部に発生するばりを切除することは可能である。しかし、この従来技術では、切刃が回転ツールに固定されており、接合中に切刃の位置を変更できない。すなわち、接合中に回転ツールの挿入深さを変化させた場合、切刃により切除される量も変化することになる。例えば、ツールの挿入深さを大きくした場合、回転ツールに固定された切刃も材料に深く挿入されることになり、材料がより多く切除されることになる。切除される材料の量は、回転ツールの挿入深さによって変化する。
【０００６】
特開平１０−２３０３７４号公報に記載の従来技術によると、研削部材はばねにより材料に押し当てられるため、回転ツールの挿入深さを変化させた場合でも、切除される材料の量の変化は軽微になる可能性はある。しかし、切除される材料の量が変化することは基本的に変わらない。一方で、この方法は、ばねにより常に研削部材を材料に押し当てているため、材料の切除が必要でない部分まで材料が切除されることになる。
【０００７】
また、上記２つの従来技術に共通しているのは、材料を切除する部材が回転ツールに取り付けられているため、材料を切除する部材と回転ツールが同じ回転数で回転する点である。通常の機械加工で材料を切削する場合、切削工具の回転数には適正範囲が存在し、この適正範囲内で使用する。しかし、摩擦攪拌接合では回転ツールの回転数は被接合材の種類や寸法および形状により決定し、その値が切削工具の回転数の適正範囲を外れる場合がある。回転ツールの回転数が切削工具の回転数の適正範囲を外れる場合、ばりの切除がうまくできなくなる。
【０００８】
本発明は、材料の切削量を過不足なく適正な状態に維持した状態で、接合部に発生するばりを切除する回転ツール，接合装置及び接合方法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】
上記課題は、回転ツールと同一の回転軸を有し、且つ、回転ツールと独立して回転可能な切刃部材を回転ツールに備えることにより解決される。
【００１０】
切刃部材を回転ツールと独立して回転可能とすることで、切刃部材を任意の回転数で回転させることが可能になり、これにより、常に適切な回転数でばりを切除できるようになる。
【００１１】
上記課題は、回転ツールと独立して回転可能な切刃部材が回転軸方向に移動可能な構造とすることによっても解決される。
【００１２】
切刃部材が回転軸方向に移動可能な構造とすることで、切刃が材料を切除する深さを接合中に変更することができる。このため、回転ツールの挿入深さを接合中に変更しても、切刃が材料を切除する深さを一定に維持することが可能になる。
【００１３】
また、上記課題は、回転ツールと同一の回転軸を有し、且つ、回転ツールと独立して回転可能な切刃部材を回転ツールに設け、更に、回転ツールと独立して回転可能な切刃部材は回転軸方向に移動可能な構造とすることによっても解決される。
【００１４】
切刃の回転数と切刃の回転軸方向移動量の両者を可変とすることで、ばりを切除する速度とばりを切除する深さの両方を適正な値に設定することが可能となり、より適正な条件でばりを切除可能となる。
【００１５】
上記課題は、回転ツールと同一の回転軸を有し、且つ、回転ツールと独立して回転可能な切刃部材を設けた回転ツールを摩擦攪拌接合装置に装備することで解決される。
【００１６】
上記課題は、切刃の回転数と切刃の回転軸方向移動量の少なくとも一方を接合中に変更することで解決される。
【００１７】
接合される部材の寸法は許容範囲内でばらつきを有している。このため、接合部の材料間隙も各接合部で異なるのが通常である。摩擦攪拌接合では、材料間隙が大きすぎると接合不良を生じる場合がある。この接合不良を防止するため、回転ツールの挿入深さや回転ツールの回転数，接合速度等を変化させる場合がある。本発明の方法によれば、接合中においても切刃の回転数を変化させたり、切刃の材料への挿入深さを変化させるので、回転ツールの挿入深さ等の接合条件を変化させても、常に適正な切除条件でばりを切除できる。
【００１８】
上記課題は、上述した回転ツールまたは摩擦攪拌接合装置を使用して加工された材料を供することで解決される。
【００１９】
本発明の技術により接合した材料は、接合部に発生するばりを過不足なく切除できるので、接合部の板厚が一定となり、また、ばりも完全に除去できる。このため、回転ツールに固定された切刃によりばりを切除した材料よりも寸法精度の高い接合部材が得られる。また、接合後に別工程でばりを切除した材料よりも安価な材料を提供できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
〔実施例１〕
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。図１は本発明の構成による回転ツールの断面を示した図である。１は回転ツール、２は回転ツールのピン部、３は回転ツールのショルダー部、４は切刃部材、５は軸受である。回転ツール１と切刃部材４の回転軸は同一で、両者はそれぞれ別の駆動装置により駆動される。図５は図１に示した回転ツール先端の拡大図である。切刃部材４は回転軸方向に移動可能となっていて、切刃部材４の下端とショルダー部３の下端間距離Ｘで代表されるように、両者の相対的な位置関係が変化する構造となっている。
【００２１】
この構成において、接合を実施した。比較のため、図２に示すような従来型の回転ツールを使用した接合も実施した。図３は従来型の回転ツールを使用した場合の接合材断面形状である。断面は接合線に垂直な断面である。６は被接合材、７は接合部、８ａ，８ｂは接合部で発生したばりである。このように、従来型の回転ツールを使用した場合、接合部にはばりが発生する。図４は本発明の回転ツールを使用した場合の接合材断面形状である。９は接合部である。本発明の回転ツールを使用した場合、ばりは切除され、切刃部材４が被接合材６を切除した部分は矩形状にへこむ。
【００２２】
このように、被接合材６の接合部９にばりが残存しないため、接合面を、組み立ての合わせ面や意匠面に使用することができる。
【００２３】
本実施例では、被接合材６に厚さ３mmのＡ６０６３（アルミニウム合金）を使用し、切刃部材４は高速度鋼製のものを使用した。切刃部材４の下端とショルダー部３の下端との距離Ｘは０.２mmに設定した。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、回転ツールに対し、回転ツールと同一の回転軸を有し、且つ、回転ツールと独立して回転可能な切刃部材を設けるため、切刃部材を任意の回転数で回転させることが可能となる。このため、常に適切な回転数でばりを切除できるようになる。
【００２５】
また、本発明によれば、回転ツールと独立して回転可能な切刃部材が回転軸方向に移動可能なため、切刃が材料を切除する深さを接合中に変更することができる。このため、回転ツールの挿入深さを接合中に変更しても、切刃が材料を切除する深さを一定に維持することが可能になる。
【００２６】
更に、本発明によれば、上述した回転ツールまたは摩擦攪拌接合装置を使用して加工された材料を供することができる。この材料は、接合部に発生するばりを過不足なく切除できるので、接合部の板厚が一定となり、また、ばりも完全に除去できる。このため、回転ツールに固定された切刃によりばりを切除した材料よりも寸法精度の高い接合部材が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】切刃を備えた回転ツールの断面図。
【図２】従来型ツールの斜視図。
【図３】従来型回転ツールで接合した場合の接合部断面形状を示す図。
【図４】本発明による切刃付き回転ツールで接合した場合の接合部断面形状を示す図。
【図５】切刃を備えた回転ツール先端部の拡大断面図。
【符号の説明】
１…回転ツール、２…回転ツールのピン部、３…回転ツールのショルダー部、４…切刃部材、５…軸受、６…被接合材、７，９…接合部、８ａ，８ｂ…ばり。

Claims (4)

1. 円柱状のショルダー部及び該ショルダー部に結合されたピン部とを具備し、前記ショルダー部と前記ピン部とが同一の回転軸を有する摩擦攪拌接合用ツールにおいて、
   前記回転軸と同一の回転軸を有し、且つ、前記ショルダー部及び前記ピン部と独立して回転可能であって、任意の回転数で回転させることが可能な切刃部材を備えたことを特徴とする摩擦攪拌接合用ツール。
2. 請求項１に記載の摩擦攪拌接合用ツールにおいて、
   前記切刃部材が、前記回転軸方向に移動可能であることを特徴とする摩擦攪拌接合用ツール。
3. 円柱状のショルダー部及び該ショルダー部に結合されたピン部とを有し、前記ショルダー部と前記ピン部とが同一の回転軸を有する回転ツールを備えた摩擦攪拌接合装置において、
   前記回転ツールの回転軸と同一の回転軸を有し、且つ、前記ショルダー部及び前記ピン部と独立して回転可能であって、任意の回転数で回転させることが可能な切刃部材を前記回転ツールに設けたことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
4. 円柱状のショルダー部及び該ショルダー部に結合されたピン部とを有し、前記ショルダー部と前記ピン部とが同一の回転軸を有する回転ツールを回転させながら被接合材に押し付け、前記回転ツールを回転させながら接合線に沿って移動させることにより前記被接合材を接合する摩擦攪拌接合方法において、
   前記回転ツールの回転軸と同一の回転軸を有し、且つ、前記ショルダー部及び前記ピン部と独立して回転可能であって、任意の回転数で回転させることが可能であり、前記回転軸方向に移動可能である切刃部材を有する前記回転ツールを用い、前記切刃部材の切刃の回転数と切刃の回転軸方向移動量を接合中に変更するようにしたことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。

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