JP4219598B2 - 摩擦圧接方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、摩擦圧接で被接合部材を接合する摩擦圧接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
被接合部材を接合する接合装置として、摩擦圧接装置が知られている。摩擦圧接装置は、例えば、第２の被接合部材を固定し、第１の被接合部材を回転させた状態で第２の被接合部材側に押圧することによって、第１の被接合部材と第２の被接合部材を摩擦熱で接合するものである。
第１の被接合部材を第２の被接合部材に押圧する工程には、摩擦発熱工程とアップセット加圧工程がある。摩擦発熱工程では、第１の被接合部材を回転させた状態で、一定の圧力（摩擦圧）と所定の送り速度により第１の被接合部材を第２の被接合部材側に摩擦寄り代分だけ押圧される。第１の被接合部材と第２の被接合部材の接触部には摩擦熱が発生し、第１の被接合部材と第２の被接合部材が摩擦圧接される。
摩擦発熱工程からアップセット加圧工程に移行するタイミングは、第１の被接合部材が第２の被接合部材に押圧を開始してから摩擦寄り代分まで押圧する時間や、寄り代とする押圧量を予め設定し、このような設定値に基いて制御される。その上さらに、第１の被接合部材と第２の被接合部材の接触部から火花の飛散開始が目視によって確認されたら、摩擦発熱工程の次工程となるアップセット加圧工程がすぐに実施される。
すなわち、第１の被接合部材と第２の被接合部材の接触部から火花が飛散し始める頃には、第１の被接合部材と第２の被接合部材の接触部の相状態が接合可能な溶融状態になってきており、この状態でアップセット加圧工程を実施する。
アップセット加圧工程では、第１の被接合部材と第２の被接合部材を摩擦圧接された状態で、第１の被接合部材の回転を急停止させ、摩擦圧より大きい圧力（アップセット圧）が所定時間の間印加される。すると、第１の被接合部材と第２の被接合部材とのアップセット寄り代分が押圧され、第１の被接合部材と第２の被接合部材は、第１の被接合部材と第２の被接合部材の接触部で接合される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の摩擦圧接機では、第１の被接合部材と第２の被接合部材を接合する場合、被接合部材の材質によっては、第１の被接合部材と第２の被接合部材との接合状態が十分でない場合がある。接合状態が十分でないと、強度が低下する。例えば、ＦＣ材（ねずみ鋳鉄品）、ＦＣＤ材（球状黒鉛鋳鉄品）等の鋳鉄品で形成された被接合部材を接合する場合である。このような場合には、摩擦発熱工程で第１の被接合部材と第２の被接合部材の接触部から火花の飛散が開始されていても、第１の被接合部材と第２の被接合部材の接触部が、十分に接合できるための溶融状態（均一な液相状態）になっていないことがある。
鋼材等で形成された被接合部材を摩擦圧接する場合、摩擦発熱工程において所定の送り速度で第１の被接合部材を第２の被接合部材に摩擦圧接すれば、押圧時の第２の被接合部材に対する第１の被接合部材の実質的な速度（寄り速度）は安定した状態で変化する。すなわち、第１の被接合部材と第２の被接合部材の接触部全体が、摩擦熱によって固相状態から接合可能な溶融状態に満遍無く変化しているためである。
しかしながら、鋳鉄品で形成された被接合部材を摩擦圧接する場合、第１の被接合部材と第２の被接合部材の接触部において、摩擦熱の発生効率が良い部分と悪い部分とが生じ易くなる。この結果、第１の被接合部材と第２の被接合部材の接触部は、固相に近い溶融状態の部分と、液相に近い溶融状態の部分とが共存した相状態になる。この状態で、第１の押圧被接合部材を第２の被接合部材に向けて摩擦圧接すると、第２の被接合部材に対する第１の被接合部材の寄り速度は、変動した状態で変化する。
したがって、アップセット加圧工程に移行する直前で、液相に近い溶融状態の部分から火花が飛散しても、第１の被接合部材と第２の被接合部材の接触部全体は、均一な液相状態が形成されていない。故に、この状態でアップセット加圧工程を実施しても、第１の被接合部材と第２の被接合部材との接合状態は不十分となり、第１と第２の被接合部材の摩擦圧接効率は低下する。
本発明は、このような問題点を解決するために創案されたものであり、本発明が解決しようとする課題は、摩擦圧接時で変化する被接合部材の物理量を計測し、摩擦発熱工程で被接合部材の接合部が十分に接合可能な溶融状態に形成されていることを判別してからアップセット加圧を行うことにより、被接合部材の摩擦圧接効率を向上させることにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するための本発明の第１発明は、請求項１に記載されたとおりの摩擦圧接方法である。
請求項１に記載の摩擦圧接方法では、第１の被接合部材と第２の被接合部材を摩擦圧接させる摩擦圧接方法であって、
第１及び第２の被接合部材の一方を回転させた状態で、前記両被接合部材の接合部を均一な液相状態とする摩擦発熱工程として他方の被接合部材に前記両被接合部材の接合部に摩擦発熱を生じさせることのできる摩擦圧力Ｐ１で圧接させる第１のステップと、
第１のステップを実行する間、圧接時の第１の被接合部材と第２の被接合部材との寄り速度の計測を所定の時間毎に連続で行い、
任意の時における寄り速度の計測を基本計測とし、基本計測以降、基本計測を含む連続する予め設定した設定回数ｎ（ｎは自然数で、ｎ≧２）回の計測において、
該設定回数ｎ回すべての計測において、寄り速度の計測値Ｖｎが、その直前で計測された寄り速度の計測値Ｖｎ−１以上（｜Ｖｎ｜≧｜Ｖｎ−１｜）になっていることを満たす場合、ｎ回目の計測を行った時を基準時として、基準時から予め設定した蓄熱時間Ｔを計測する第２のステップと、
基準時より蓄熱時間Ｔを経て、第１及び第２の被接合部材の一方の回転を急停止させ、アップセット加圧工程として前記摩擦圧力Ｐ１より大きいアップセット圧力Ｐ２で他方の被接合部材に圧接させる第３のステップと、からなる。
摩擦圧接では、第１及び第２の被接合部材の接合部の相状態が液相状態により近づく程、押圧時の被接合部材の相対速度（寄り速度）は大きくなる傾向になる。これにより、ｎ回分すべての計測に対して、寄り速度の計測値Ｖｎが、その直前で計測された寄り速度の計測値Ｖｎ−１以上になっていることを満たしていれば、第１のステップにおいて第１及び第２の被接合部材の接合部は、液相状態に向けて変化していることになる。
したがって、第１及び第２の被接合部材の一方を回転させ、他方の被接合部材に圧接させる時に発生する摩擦熱を時間Ｔの間、第１及び第２の被接合部材の接合部全体に蓄熱させる。すると、第１及び第２の被接合部材の接合部は、蓄熱された摩擦熱によってさらに均一な液相状態になる温度まで昇温される。このため、第１及び第２の被接合部材の接合部は、例えば、鋳鉄品で形成された被接合部材を接合する場合、接合部の界面付近に球状または片状の黒鉛を形成しない状態になり、すなわち均一な液相状態になる。
以上により、第１及び第２の被接合部材の接合部が、均一な液相状態に生成されてからアップセット加圧を行えば、第１及び第２の被接合部材の接合に対する摩擦圧接効率は高くなる。
以下では、「寄り速度」の概念は、第１及び第２の被接合部材の一方を回転させた状態で、寄り代分に対して他方の被接合部材に圧接させる時、他方の被接合部材に対する第１及び第２の被接合部材の一方が移動する時の速度をいう。
【０００５】
また、本発明の第２発明は、請求項２に記載されたとおりの摩擦圧接方法である。
請求項２に記載の摩擦圧接方法では、第１の被接合部材と第２の被接合部材を摩擦圧接させる摩擦圧接方法であって、
第１及び第２の被接合部材の一方を回転させた状態で、前記両被接合部材の接合部を均一な液相状態とする摩擦発熱工程として他方の被接合部材に前記両被接合部材の接合部に摩擦発熱を生じさせることのできる摩擦圧力Ｐ１で圧接させる第１のステップと、
あらかじめ寄り速度の計測に対して設定値を設け、第１のステップを実行する間、圧接時における第１の被接合部材と第２の被接合部材との寄り速度を少なくとも１回計測し、
この寄り速度の計測値が、寄り速度の設定値以上に、予め設定した設定回数ｎ回連続した状態に達した計測時の時を基準時として、基準時から予め設定した蓄熱時間Ｔを計測する第２のステップと、
基準時より蓄熱時間Ｔを経て、第１及び第２の被接合部材の一方の回転を急停止させ、アップセット加圧工程として前記摩擦圧力Ｐ１より大きいアップセット圧力Ｐ２で他方の被接合部材に圧接させる第３のステップと、からなる。
摩擦圧接によって被接合部材の寄り速度が設定値に到達する時、摩擦圧接時における第１及び第２の被接合部材の接合部は、ほぼ液相状態になっている。寄り速度が設定値に到達してから時間Ｔが経過する間、第１及び第２の被接合部材の一方を回転させた状態で、他方の被接合部材に圧接させる時に発生する摩擦熱を、第１及び第２の被接合部材の接合部全体に蓄熱させる。すると、第１及び第２の被接合部材の接合部は、蓄熱された摩擦熱によってさらに均一な液相状態を生成する温度まで昇温される。このため、第１及び第２の被接合部材の接合部は、例えば、鋳鉄品で形成された被接合部材を接合する場合、接合部の界面付近に球状または片状の黒鉛を形成しない状態になり、すなわち均一な液相状態になる。
したがって、第１及び第２の被接合部材の接合部が、均一な液相状態に生成されてからアップセット加圧を行えば、第１及び第２の被接合部材の接合に対する摩擦圧接効率は高くなる。
【０００６】
また、本発明の第３発明は、請求項３に記載されたとおりの摩擦圧接方法である。
請求項３に記載の摩擦圧接方法では、第２のステップで第１の被接合部材と第２の被接合部材との寄り速度の計測を、所定の時間毎に連続で行い、
寄り速度の計測値が、はじめて設定値以上になった時の計測を基本計測とし、
基本計測以降、基本計測を含む連続する予め設定した設定回数ｎ（ｎは自然数で、ｎ≧２）回分の計測に対して、寄り速度の計測値が、すべて設定値以上になっていることを満たす場合、ｎ回目の計測を行った時を基準時として、基準時から予め設定した蓄熱時間Ｔを計測する。
寄り速度の計測で設ける設定値は、第１及び第２の被接合部材の接合部がほぼ液相状態になる時に相当する寄り速度の数値を設定する。つまり、寄り速度の計測値が設定値以上になっていれば、第１及び第２の被接合部材の接合部は、ほぼ液相状態に近い相状態まで変化していることになる。
したがって、寄り速度の計測値がｎ回連続して設定値以上になっていれば、基準時における第１及び第２の被接合部材の接合部の相状態がほぼ液相状態に近い相状態まで形成されている可能性が、かなり高くなる。
その後、基準時から所定の時間Ｔの間、第１及び第２の被接合部材の一方を回転させた状態で、他方の被接合部材に圧接させる時に発生する摩擦熱を、第１及び第２の被接合部材の接合部全体に蓄熱させる。この結果、第１及び第２の被接合部材の接合部は、蓄熱された摩擦熱によって均一な液相状態になる温度まで昇温される。このため、第１及び第２の被接合部材の接合部は、均一な液相状態になる。
以上により、第１及び第２の被接合部材の接合部が均一な液相状態になった状態で、アップセット加圧を行うことができ、第１及び第２の被接合部材の接合に対する摩擦圧接効率は高くなる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の第１の実施の形態を、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の摩擦圧接装置１の概略図を示す。本実施の形態では、第１の被接合部材３１を回転させた状態で、第２の被接合部材３２に圧接させることによって、第１の被接合部材３１と第２の被接合部材３２を摩擦圧接させる場合について説明する。
以下では、摩擦圧接装置１において、図１に示す右側方向を「前進方向」とし、左側方向を「後退方向」とする。
【００１０】
摩擦圧接装置１は、ベッド２の上にスライドベース３を有する。スライドベース３は、図１に示すように、略Ｌ字型の形状に形成され、シリンダ１２の取付け面３ａを備えている。主軸台５は、スライドベース３の摺動面３ｂに積置され、前進及び後退の両方向に摺動しながら移動可能となっている。主軸台５には、本発明の検出箇所に相当する検出用係合部材４が設けられている。また、主軸台５には、主軸６が軸受（図示省略）を介して回転可能に取付けられている。主軸６には、モータ８の駆動力が、モータ８の出力軸に連結された出力プーリ９、ベルト１０、主軸６に連結された入力プーリ１１を介して伝達される。
図１に示すように、主軸６の一方側の端部（図１の右側端部）には、第１の被接合部材３１を把持するチャック７が、主軸６の回転と共に回転可能に取付けられている。チャック７は、第１の被接合部材３１を把持した時、後退方向に第１の被接合部材３１が動かないようにストッパ機能を備えている。チャック７では、第１の被接合部材３１が自在に着脱できるようになっている。なお、チャック７が、本発明の保持手段に対応する。
【００１１】
ベッド２には、検出器２１が設置されている。検出器２１は、検出器用コントローラ２２共に用いられる。なお、検出器２１が、本発明の検出手段に対応に対応し、検出器用コントローラ２２は本発明の制御手段に対応にする。検出器２１は、ベッド２に対するスライドベース３の相対位置を検出する。検出器２１は、スケール部２３、検出部２４で構成されたアナログ信号対応の磁気式反応計測器である。なお、検出器２１は、磁気式反応計測器以外のアナログ信号対応の計測器を用いても良い。
検出部２４は、スライドベース３の移動方向と同じ方向にスケール部２３が配設できるように、ベッド２の任意の場所に設置されている。スケール部２３の一端部は、検出用係合部材４と任意の取付け方法で係合されている。スケール部２３の他端部は、検出部２４内に収納されており、検出部２４内から抜け出さない範囲で自在に移動できるようになっている。検出部２４に内蔵されている検出センサ（図示省略）は、計測時にスライドベース３が位置する箇所に対応したスケール部２３の目盛りを読む。これにより、検出器用コントローラ２２は、検出センサの出力信号に基づいて、計測の基準位置からの相対変位量を検出する。
制御手段２６は、検出部２４がスケール部２３の目盛りから検出した相対位置と、スライドベース３の移動時間に基いて、ベッド２に対するスライドベース３の相対速度を求める。スライドベース３の移動時間は、スライドベース３が計測の基準位置から計測時に検出されたスライドベース３の相対位置までの距離を移動するのに要した時間である。なお、計測の基準位置は、スライドベース３がスライドベース３上の所定場所に位置する場合に対応したスケール部２３の目盛り基準となる位置、いわゆる相対原点をいう。
【００１２】
また、スライドベース３の取付け面３ａには、主軸台５を移動させるための駆動源となるシリンダ１２が固定されている。シリンダ１２は、シリンダロッド１３の駆動を制御する駆動手段１４と接続されている。シリンダ１２には、圧力検出手段１５が設置されている。駆動手段１４には、例えば、油圧手段等が用いられ、圧力検出手段１５として圧力スイッチ等が用いられる。
シリンダロッド１３は、取付け面３ａに設けられた穴部（図示省略）を挿通して主軸６に連結されている。これにより、シリンダロッド１３がストローク方向（図１の左右方向）に延伸すると、主軸台５は前進方向に移動し、シリンダロッド１３が縮むと、主軸台５は後退方向に移動することができる。
したがって、チャック７で把持されている第１の被接合部材３１を、クランプ１８で固定保持されている第２の被接合部材３２に押圧する場合には、シリンダロッド１３を延伸させ、前進方向に主軸台５を移動させる。
【００１３】
一方、ベッド２の上面には、クランプ１８が積置されている。クランプ１８は、第２の被接合部材３２を固定保持する。クランプ１８では、第２の被接合部材３２が自在に着脱できるようになっている。なお、クランプ１８は、第２の被接合部材３２の形状や大きさに対応させてベッド上の任意で固定できるように配設しても良く、ベッド２上におけるクランプ１８の積置方法は、適宜変更可能である。
また、ベッド２の上面には、ストッパ１７を配設した支持台１６が積置されている。支持台１６は、第１の被接合部材３１と第２の被接合部材３２を押圧する時、第１と第２の被接合部材３１、３２が前進方向に動かないように、第２の被接合部材３２の一端をストッパ１７に当接させて支える。
【００１４】
摩擦圧接装置１には、制御手段２６が設けられている。制御手段２６は、検出器用コントローラ２２、Ａ／Ｄ変換器２５、シーケンサ２０、本体制御部等で構成されている。検出器２１は、検出器用コントローラ２２に接続され、検出器用コントローラ２２によって制御される。検出器用コントローラ２２とシーケンサ２０の間には、Ａ／Ｄ変換器２５が接続されている。シーケンサ２０は、周知のとおり、デジタル信号に基いて制御を行う装置である。このため、Ａ／Ｄ変換器２５は、アナログ信号対応の検出器用コントローラ２２から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換する必要があるために設けられる。
なお、アナログ信号対応の検出器２１や検出器用コントローラ２２を用いる代りに、デジタル信号対応の計測装置を用いる場合には、Ａ／Ｄ変換器２５の接続は不要となる。
シーケンサ２０は、駆動手段１４、圧力検出手段１５と接続されている。また、シーケンサ２０は、モータ８等の他、摩擦圧接装置１の各部と接続され（図示省略）、各部の動作を制御する。
また、摩擦圧接装置１は、表示手段１９を有する。表示手段１９は、シーケンサ２０に接続されている。表示手段１９は、ベッド２に対するスライドベース３の相対速度を表示するようになっている。
【００１５】
次に、上記のように構成された摩擦圧接装置１を用いて、第１の被接合部材３１と第２の被接合部材３２を摩擦圧接させる方法を、図２に示すフローチャート図を用いて概略的に説明する。
ここでは、摩擦圧接させる第１の被接合部材３１と第２の被接合部材３２として、図３に示すようなパイプ形状に形成された部材を用い、第１の被接合部材３１と第２の被接合部材３２の両端面３１ａ、３２ａを摩擦圧接させる場合について説明する。図３は、図１の二点鎖線内の第１の被接合部材３１と第２の被接合部材３２を示す拡大図であり、摩擦圧接前の状態を示す図である。図４は、第２の被接合部材３２に第１の被接合部材３１が摩擦圧接後された状態を示す図である。
【００１６】
いま、主軸台５が、待機位置に位置しているものとする。本実施の形態では、待機位置は、主軸台５がスライドベース３の摺動面３ｂにおいて後退端側（後退方向の端側）に位置する場合をいう。
まず、ステップＳ１で、第１と第２の被接合部材３１、３２を取り付ける。第１の被接合部材３１をチャック７で把持して、第２の被接合部材３２をクランプ１８により固定保持する（図１の状態）。
次に、ステップＳ２で、主軸台５を前進させる。駆動手段１４を制御して、主軸台５を前進方向（図１の右方向）に移動させる。
次に、ステップＳ３で、主軸６を回転させる。モータ８を回転させて、主軸６を所定回転数Ｎ（ｒｐｍ）で回転させる。これにより、第１の被接合部材３１は、チャック７で把持された状態で回転する。
【００１７】
次に、ステップＳ４で、第１の被接合部材３１と第２の被接合部材３２を接触させる。駆動手段１４を制御して、第１の被接合部材３１と第２の被接合部材３２の押圧力を所定値Ｐ１１（予熱圧力）に設定する。これにより、第１の被接合部材３１と第２の被接合部材３２は、当接状態になる。
次に、ステップＳ５で、摩擦発熱させる。主軸６を所定回転数Ｎ（ｒｐｍ）で回転させた状態で、駆動手段１４を制御して、第１の被接合部材３１と第２の被接合部材３２の押圧力を所定値Ｐ１１からＰ１２（摩擦圧力）に上げる。そして、圧力Ｐ１２の状態で主軸６を回転し続ける。これにより、第１の被接合部材３１と第２の被接合部材３２の両端面３１ａ、３２ａが摩擦圧接される。
次に、ステップＳ６では、モータ８の回転を停止させ、主軸６の回転を停止する。
次に、ステップＳ７では、モータ８の回転の停止に合わせて、均一な液相状態（溶融状態）にある第１の被接合部材３１と第２の被接合部材３２の両端面３１ａ、３２ａに対し、押圧力をＰ１２からＰ１３に上げ、所定時間の間圧力Ｐ１３（アップセット圧力）を印加する。
次に、ステップＳ８で、第２の被接合部材３２をクランプ１８から取り外し、駆動手段１４を制御して主軸台５を待機位置まで後退（図１の左方向）させる。次に、ステップＳ９で、第２の被接合部材３２が摩擦圧接された第１の被接合部材（図４に示す状態）３１をチャック７から取り出して、摩擦圧接加工は完了する。
なお、アップセット加圧工程において、第１及び第２の被接合部材３１、３２の接合部３３は、図４に示すように、第１及び第２の被接合部材３１、３２の外周面より外側にもはみ出すが、はみ出した分の接合部３３は、冷却後にバリとして削除される。
このため、摩擦圧接前の第１及び第２の被接合部材３１、３２の両端面３１ａ、３２ａに相当する部分、すなわち第１と第２の被接合部材３１、３２の界面で第１と第２の被接合部材３１、３２が、十分な強度で接合されていれば良い。
一方、アップセット加圧工程で第１及び第２の被接合部材３１、３２の接合部３３が、前後方向に大きく形成されていると、冷却後、第１と第２の被接合部材３１、３２による界面に溶融部が残留する恐れが出てくる。溶融部が残留すると、第１と第２の被接合部材３１、３２の界面に、例えばマルテンサイト系やセメンタイト系等の炭化鉄が形成され、摩擦圧接効率は低下する。このため、第１と第２の被接合部材３１、３２の接合強度や接合後の形状（例えば、接合後の寸法等）は、安定しなくなる。
したがって、第１の被接合部材と第２の被接合部材を摩擦圧接する時、両部材の接合箇所に形成される溶融部が、押圧方向に対して所定範囲を越えないような状態で、摩擦圧接することが好ましい。
【００１８】
次に、第１の被接合部材３１と第２の被接合部材３２を摩擦圧接しながら寄り速度を計測する方法を、前述した図２のフローチャート図に対応させながら、図５に示すフローチャート図と図６に示す寄り速度の計測データを用いて詳述する。
なお、本実施の形態では、図５のフローチャート図に用いる記号、パラメータは、次のように定義するものとする。
Ｖ[ｔ]：時間ｔにおける寄り速度の計測値
ｔｍ：寄り速度の計測開始以降、ｍ回目に寄り速度を計測した時間（ｍ≧２）
ｋ：Ｖ[ｔ]≧Ｖ[ｔ−１]を連続して成立させる設定回数（ｋ≧２）
（ｔ−１）：時間ｔの直前で寄り速度を計測した時間
（ｔ＋１）：時間ｔの直後で寄り速度を計測する時間
ｎ：Ｖ[ｔ]≧Ｖ[ｔ−１]が成立した計測処理を連続して実行した回数（２≦ｎ
≦ｋ）
Ｔｈ：基準時間から計測開始される蓄熱時間
図６は、第１の被接合部材３１と第２の被接合部材３２の摩擦圧接時における寄り速度を、０．１ｓｅｃ毎に計測した計測データを示す図である。なお、図６の横軸では時間軸を示すが、摩擦発熱工程からアップセット加圧工程に移行する時を時間ｔ＝０としてプロットされている。したがって、寄り速度の計測を行う時の時間表記は、摩擦発熱工程でマイナス符号が付与され、アップセット加圧工程ではプラス符号が省略されている。
また、「寄り速度」の概念は、送りを行う側の一方の被接合部材を回転させた状態で、一方の被接合部材を他方の被接合部材に圧接させる時、一方の被接合部材が移動する時の他方の被接合部材に対する速度をいう。
【００１９】
あらかじめ、設定回数ｋと蓄熱時間Ｔｈの設定値を入力しておく。
いま、主軸台５を前進させ、第１の被接合部材３１が第２の被接合部材３２に接触する直前の状態にあるものとする（ステップＳ２の状態）。
最初に、ステップＳ１１で、主軸台５を前進させている時、第１の被接合部材３１が第２の被接合部材３２に接触（ステップＳ３及びステップＳ４）した時に生じるシリンダ１２内の圧力変動を圧力検出手段１５が検出したら、制御手段２６は寄り速度の計測を開始する（ステップＳ５の状態）。寄り速度の計測は、所定の間隔を有した時間毎に連続して行う。
なお、寄り速度は、ベッド２に対するスライドベース３の相対速度とほぼ同じになる。このため、寄り速度は、ベッド２に対するスライドベース３の相対速度の計測を行えば、簡単に求めることができる。
【００２０】
次に、ステップＳ１２で、制御手段２６が、寄り速度を計測すると、寄り速度の計測値を表示手段１９に表示する。寄り速度の計測開始後、制御手段２６は、ｍ回目の寄り速度の計測値Ｖ[ｔｍ]がその直前で計測された（ｍ−１）回目の寄り速度の計測値Ｖ[ｔｍ−１]以上になっているか否かを判別する。
Ｖ[ｔｍ]≧Ｖ[ｔｍ−１]が成立する場合には、これを「基本条件成立」としてＶ[ｔｍ]ｓ≧Ｖ[ｔｍ−１]ｓがシーケンサ２０に記憶され、ｔｍで行った計測が「基本計測」になる。そして、ステップＳ１３に進む。
一方、Ｖ[ｔｍ]＜Ｖ[ｔｍ−１]となる場合には、ステップＳ１１に戻り、Ｖ[ｔｍ]≧Ｖ[ｔｍ−１]が成立するまで、寄り速度の計測を継続する。
【００２１】
次に、ステップＳ１３で、Ｖ[ｔｍ]ｓ≧Ｖ[ｔｍ−１]ｓの条件成立後、ステップＳ１２と同様、（ｍ＋１）回目で計測した寄り速度の計測値Ｖ[ｔｍ＋１]が、ｍ回目の寄り速度の計測値Ｖ[ｔｍ]以上になっているか否かを判別する。
Ｖ[ｔｍ＋１]≧Ｖ[ｔｍ]が成立する場合には、これを「１回目の条件成立」としてＶ[ｔｍ＋１]１≧Ｖ[ｔｍ]１が、シーケンサ２０に記憶される。
Ｖ[ｔｍ＋１]＜Ｖ[ｔｍ]となる場合には、ステップＳ１１に戻り、Ｖ[ｔｍ]≧Ｖ[ｔｍ−１]が成立するまで、寄り速度の計測を継続する。（ｍ＋ｎ−１）回目で計測された寄り速度の計測値Ｖ[ｔｍ＋ｎ−１]が、その直前の（ｍ＋ｎ−２）回目で計測された寄り速度の計測値Ｖ[ｔｍ＋ｎ−２]以上になっている場合には、これを「ｎ−１回目の条件成立」としてＶ[ｔｍ＋ｎ−１]ｎ−１≧Ｖ[ｔｍ＋ｎ−２]ｎ−１がシーケンサ２０に記憶される。
このように、Ｖ[ｔｍ＋ｎ−１]ｎ−１≧Ｖ[ｔｍ＋ｎ−２]ｎ−１を満たす成立条件が、「基本条件成立」を含めてｋ回連続した状態（必要十分条件）になるまで、制御手段２６は計測処理を継続して行う。そして、この必要十分条件を満足したら、ステップＳ１４に進む。
なお、制御手段２６が、「１回目の条件成立」以降（ｎ−１）回の計測処理を行っていく最中に、後で計測された寄り速度の計測値Ｖ[ｔ]が、その直前に計測された寄り速度の計測値Ｖ[ｔ−１]より小さくなる場合には、ステップＳ１１に戻る。そして、Ｖ[ｔｍ]≧Ｖ[ｔｍ−１]が成立するまで寄り速度の計測を継続する。
【００２２】
次に、ステップＳ１４では、Ｖ[ｔｍ＋ｎ−１]ｎ−１≧Ｖ[ｔｍ＋ｎ−２]ｎ−１を満すまでの計測処理の実行回数ｎが、設定回数ｋを満足しているか否かを判別する。
ｎ＝ｋを満たしていれば、シーケンサ２０は、Ｖ[ｔｍ＋ｎ−１]を計測した時間、すなわちｔｍ＋ｎ−１を基準時間ｔｋとして設定する。
一方、ｎ＜ｋであれば、計測処理の実行回数ｎがｋ回になるまで計測を続ける。その際、ｎ＝ｋに達するまでにＶ[ｔ]＜Ｖ[ｔ−１]となれば、ステップＳ１１に戻る。そして、Ｖ[ｔｍ]≧Ｖ[ｔｍ−１]が成立するまで寄り速度の計測を継続する。
【００２３】
次に、ステップＳ１５で、シーケンサ２０は、設定された蓄熱時間Ｔｈを基準時間ｔｋより計測する。
なお、「蓄熱時間」の概念は、ステップＳ１４までのフローの処理を実行した後、引き続き圧力Ｐ１２で第１の被接合部材と第２の被接合部材を摩擦圧接させる時間をいい、時間ｔｋを計測開始時として所定の時間が計測される。すなわち、時間ｔｋの計測開始時から所定の時間の間、引き続き圧力Ｐ１２で第１の被接合部材３１と第２の被接合部材３２を摩擦圧接することにより、第１の被接合部材３１と第２の被接合部材３２の接合部３３に対してさらに蓄熱を行う時間をいう。なお、蓄熱時間として設定される時間の長さは、摩擦圧接する被接合部材の大きさ、形状、材質等に対応して異なるものである。
例えば、図６に示した寄り速度の計測では、ｋ＝３（回）、Ｔｈ＝１．２（ｓｅｃ）があらかじめ設定されている。
図６の計測データでは、時間ｔ＝−１．４、−１．３、−１．２（ｓｅｃ）でそれぞれ計測された寄り速度の計測値が３回連続して増加しているため、時間ｔ＝−１．４（ｓｅｃ）における寄り速度の計測が基本計測となる。そして、時間ｔ＝−１．２（ｓｅｃ）が、基準時間ｔｋに相当する。
したがって、蓄熱時間Ｔｈの計測は、基準時間ｔｋ＝−１．２（ｓｅｃ）から開始される。
【００２４】
次に、ステップＳ１６で、シーケンサ２０が蓄熱時間Ｔｈをタイムアップしたら、モータ８の回転を停止させる（ステップＳ６の状態）。モータ８の回転停止と同時に、押圧力をＰ１２からＰ１３に上げ、所定時間の間、アップセット圧力Ｐ１３を印加する（ステップＳ７の状態）。
所定時間の間、アップセット圧力で第１の被接合部材３１を第２の被接合部材３２に印加したら、制御手段２６は寄り速度の計測を終了する。この後、ステップＳ８及びステップＳ９を実行して、摩擦圧接加工は完了する。
【００２５】
以上のように、第１の被接合部材３１と第２の被接合部材３２の摩擦圧接におけるステップＳ１４までの処理が終了した段階では、第１及び第２の被接合部材３１、３２の接合部３３は、部分的に溶融された相状態に変化してきている。
さらに、基準時間ｔｋより蓄熱時間Ｔｈの間、引き続き第１の被接合部材３１を回転させた状態で、第２の被接合部材３２に摩擦圧接させる。この時、摩擦圧接によって発生する摩擦熱が、第１及び第２の被接合部材３１、３２の接合部３３全体に蓄熱される。すると、第１及び第２の被接合部材３１、３２の接合部３３は、蓄熱された摩擦熱によって均一な液相状態を生成する温度まで昇温される。このため、第１及び第２の被接合部材３１、３２の接合部３３の相状態は、例えば、鋳鉄品で形成された被接合部材を接合する場合、接合部３３の界面付近に球状または片状の黒鉛を形成しない状態になり、すなわち均一な液相状態になる。
したがって、第１及び第２の被接合部材３１、３２の接合部３３が均一な液相状態に生成されてから、アップセット加圧を行えば、第１及び第２の被接合部材３１、３２の摩擦圧接効率は高くなる。
また、鋳鉄品で形成された被接合部材を摩擦圧接する場合でも、被接合部材の接合部が均一な液相状態に生成されてからアップセット加圧を行えば、摩擦圧接された被接合部材の接合強度は、単品からなる同じ材料の被接合部材の機械強度とほぼ同程度となり、十分な接合状態となる。
【００２６】
次に、本発明の第２の実施の形態を、図面を用いて説明する。
第１の実施の形態では、後で計測された寄り速度の計測値Ｖ[ｔ]がその直前に計測された寄り速度の計測値Ｖ[ｔ−１]以上になる計測処理をｋ回連続させて蓄熱時間Ｔｈの計測を開始したが、第２の実施の形態では、別の方法で蓄熱時間Ｔｈの計測を開始する場合について、図２のフローチャート図に対応させながら、図７に示すフローチャート図と図８に示す計測データを用いて説明する。
すなわち、第２の実施の形態では、計測された寄り速度の計測値Ｖ[ｔ]が設定値Ｖｓ以上になる計測処理をｋ回連続して行なわれた時、蓄熱時間Ｔｈの計測が開始される。
以下では、図７のフローチャート図に用いる記号、パラメータは、次のように定義するものとする。
Ｖｓ：寄り速度の設定値
なお、第１の実施の形態と同一の構成部分は、同一符号を付して説明を省略し、フローチャート図における第１の実施の形態と同一の記号、パラメータについても、同様の扱いとし、説明を省略する。
【００２７】
あらかじめ、設定回数ｋや蓄熱時間Ｔｈの設定値、寄り速度の設定値Ｖｓを入力しておく。
いま、主軸台５を前進させ、第１の被接合部材３１が第２の被接合部材３２に接触する直前の状態にあるものとする（ステップＳ２の状態）。
最初に、ステップＳ３１で、主軸台５を前進させている時、第１の被接合部材３１が第２の被接合部材３２に接触（ステップＳ３及びステップＳ４）した時に生じるシリンダ１２内の圧力変動を圧力検出手段１５が検出したら、制御手段２６は寄り速度の計測を開始する（ステップＳ５の状態）。寄り速度の計測は、所定の間隔を有した時間毎に連続して行う。
【００２８】
次に、ステップＳ３２で、制御手段２６が、寄り速度を計測すると、寄り速度の計測値を表示手段１９に表示する。寄り速度の計測開始後、制御手段２６は、ｍ回目で計測した寄り速度の計測値Ｖ[ｔｍ]が設定値Ｖｓ以上になっているか否かを判別する。
Ｖ[ｔｍ]≧Ｖｓが成立する場合には、これを「基本条件成立」としてＶ[ｔｍ]ｓ≧Ｖｓｓがシーケンサ２０に記憶され、ｔｍで行った計測が「基本計測」になる。そして、ステップＳ３３に進む。
一方、Ｖ[ｔｍ]＜Ｖｓとなる場合には、ステップＳ３１に戻り、Ｖ[ｔｍ]≧Ｖｓが成立するまで寄り速度の計測を継続する。
【００２９】
次に、ステップＳ３３で、Ｖ[ｔｍ]１≧Ｖｓの条件成立後、ステップＳ３２と同様に、（ｍ＋１）回目で計測した寄り速度の計測値Ｖ[ｔｍ＋１]が、設定値Ｖｓ以上になっているか否かを判別する。
Ｖ[ｔｍ＋１]≧Ｖｓが成立する場合には、これを「１回目の条件成立」としてＶ[ｔｍ＋１]２≧Ｖｓ１が、シーケンサ２０に記憶される。
一方、Ｖ[ｔｍ＋１]＜Ｖｓとなる場合には、ステップＳ３１に戻り、Ｖ[ｔｍ]≧Ｖｓが成立するまで寄り速度の計測を継続する。
このように、Ｖ[ｔｍ＋ｎ−１]ｎ−１≧Ｖｓを満たす成立条件が、「基本条件成立」を含めてｋ回連続した状態（必要十分条件）になるまで、制御手段２６は計測処理を継続して行う。そして、この必要十分条件を満足したら、ステップＳ３４に進む。
なお、制御手段２６が、「１回目の条件成立」以降（ｎ−１）回の計測処理を行っていく最中に、後で計測された寄り速度の計測値Ｖ[ｔ]が、その直前に計測された寄り速度の計測値Ｖ[ｔ−１]より小さくなる場合には、ステップＳ３１に戻る。そして、Ｖ[ｔｍ]≧Ｖ[ｔｍ−１]が成立するまで寄り速度の計測を継続する。
【００３０】
次に、ステップＳ３４では、Ｖ[ｔｍ＋ｎ−１]ｎ−１≧Ｖｓを満すまでの計測処理の実行回数ｎが、設定回数ｋを満足しているか否かを判別する。
ｎ＝ｋを満たしていれば、シーケンサは、Ｖ[ｔｍ＋ｎ−１]を計測した時間、すなわちｔ（ｍ＋ｎ−１）を基準時間ｔｋとして設定する。
一方、ｎ＜ｋであれば、計測処理の実行回数ｎがｋ回になるまで計測を続ける。その際、ｎ＝ｋに達するまでにＶ[ｔ]＜Ｖ[ｔ−１]となれば、ステップＳ３１に戻る。そして、Ｖ[ｔｍ]≧Ｖ[ｔｍ−１]が成立するまで寄り速度の計測を継続する。
【００３１】
次に、ステップＳ３５で、シーケンサ２０は、基準時間ｔｋより設定された蓄熱時間Ｔｈを計測する。
例えば、図８に示した寄り速度の計測では、ｋ＝３（回）、Ｔｈ＝０．９（ｓｅｃ）、Ｖｓ＝１．０（ｍｍ／ｓｅｃ）が、あらかじめ設定されている。なお、寄り速度の設定値Ｖｓには、およそ１．０（ｍｍ／ｓｅｃ）以上の数値を設定することが好ましい。
図８の計測データでは、時間ｔ＝−１．１、−１．０、−０．９（ｓｅｃ）でそれぞれ計測された寄り速度の計測値が、３回連続して設定値１．０（ｍｍ／ｓｅｃ）以上になっているため、時間ｔ＝−１．１（ｓｅｃ）における寄り速度の計測が基本計測となる。そして、時間ｔ＝−０．９（ｓｅｃ）が、基準時間ｔｋに相当する。
したがって、蓄熱時間Ｔｈの計測は、基準時間ｔｋ＝−０．９（ｓｅｃ）から開始される。
【００３２】
次に、ステップＳ３６で、シーケンサ２０が蓄熱時間Ｔｈをタイムアップしたら、モータ８の回転を停止させる（ステップＳ６の状態）。モータ８の回転停止と同時に、押圧力をＰ１２からＰ１３に上げ、所定時間の間、アップセット圧力Ｐ１３を印加する（ステップＳ７の状態）。
所定時間の間、アップセット圧力で第１の被接合部材３１を第２の被接合部材３２に印加したら、制御手段２６は寄り速度の計測を終了する。この後、ステップＳ８及びステップＳ９を実行して、摩擦圧接加工は完了する。
【００３３】
以上のように、第１の被接合部材３１と第２の被接合部材３２の摩擦圧接におけるステップＳ３４までの処理が終了した段階では、第１及び第２の被接合部材３１、３２の接合部３３は、部分的に溶融された相状態に変化してきている。
さらに、基準時間ｔｋより蓄熱時間Ｔｈの間、引き続き第１の被接合部材３１を回転させた状態で、第２の被接合部材３２に摩擦圧接させる。この時、摩擦圧接によって発生する摩擦熱が、第１及び第２の被接合部材３１、３２の接合部３３全体に蓄熱される。すると、蓄熱された摩擦熱が、均一な液相状態を生成する温度まで第１及び第２の被接合部材３１、３２の接合部３３を昇温する。このため、第１及び第２の被接合部材３１、３２の接合部３３の相状態は、例えば、鋳鉄品で形成された被接合部材を接合する場合、接合部３３の界面付近に球状または片状の黒鉛を形成しない状態になり、すなわち均一な液相状態になる。
したがって、第１及び第２の被接合部材３１、３２の接合部３３が均一な液相状態に生成されてから、アップセット加圧を行えば、第１及び第２の被接合部材３１、３２の摩擦圧接効率は高くなる。
【００３４】
本発明は、上述した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内で適宜変更してもよい。
例えば、本実施の形態では、チャック７で把持した第１の被接合部材３１を回転させた状態で、クランプ１８で固定保持させた第２の被接合部材３２に押圧したが、クランプで固定保持させた第２の被接合部材を、チャックで把持して回転させた状態の第１の被接合部材に押圧して摩擦圧接加工を行っても良い。
また、検出器２１をスライドベース３の検出用係合部材４に取付けたが、ベッドに対するスライドベースの相対位置を検出するセンサの取付け位置は、適宜変更可能である。
また、第１の被接合部材３１と第２の被接合部材３２として、パイプ形状の被接合部材を用いたが、被接合部材の材質、形状、大きさは種々変更可能である。また、検出器２１と、検出器用コントローラ２２で構成されたアナログ信号対応の磁気式反応計測器を用いて、ベッド２に対するスライドベース３の相対変位量を検出したが、ベッド２に対するスライドベース３の相対変位量の検出は、非接触式センサ５１とリニアスケール５２で構成されるデジタル信号対応の計測装置５０を用いても良い。この場合、デジタル信号対応の計測装置５０は、図９に示すように、非接触式センサ５１をスライドベース３の一部に設置し、リニアスケール５２をベッド２の一部に設置する。この場合、非接触式センサ５１やリニアスケール５２は、コントローラ５３を介してシーケンサ２０に接続される。
また、制御手段２６には、シーケンサ２０を用いて摩擦圧接装置１の制御を行ったが、制御手段にコンピュータ数値制御装置（ＣＮＣ）を用いて制御を行っても良い。
また、本実施の形態では、第１の被接合部材３１と第２の被接合部材３２の寄り速度を計測し、既述した所定条件を満たした時、蓄熱時間Ｔｈの計測を開始したが、蓄熱時間Ｔｈの開始を行うタイミングは、摩擦圧接時で変動する圧力値を用いることもできる。例えば、第１と第２の被接合部材の両部材に歪みゲージを設け、摩擦圧接時における両部材にかかる圧力値を算出する。そして、算出された圧力値に対して、あらかじめ設定された所定条件を満たした時、蓄熱時間の計測を開始する。
また、図２のフローチャート図で摩擦圧接の概略方法を示したが、図２のフローチャート図に限定されるものではなく、被接合部材の摩擦圧接方法は、種々変更可能である。
【００３５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明による摩擦圧接方法を用いれば、摩擦発熱工程で被接合部材の接合部が十分に接合可能な溶融状態に形成されていることを判別することができる。したがって、被接合部材の接合部が均一な液相状態になってからアップセット加圧を行えば、被接合部材の摩擦圧接効率は向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の摩擦圧接装置の概略図を示す。
【図２】被接合部材を摩擦圧接させるための概略方法を示すフローチャート図である。
【図３】摩擦圧接前の第１の被接合部材と第２の被接合部材を示す図である。
【図４】第２の被接合部材に第１の被接合部材が摩擦圧接された状態を示す図である。
【図５】第１の実施の形態で、第１の被接合部材と第２の被接合部材の摩擦圧接しながら寄り速度を計測する方法を示すフローチャート図である。
【図６】第１の実施の形態に関する寄り速度の計測データを示す図である。
【図７】第２の実施の形態に関して、第１の被接合部材と第２の被接合部材の摩擦圧接しながら寄り速度を計測する方法を示すフローチャート図である。
【図８】第２の実施の形態に関する寄り速度の計測データを示す図である。
【図９】変更例による摩擦圧接装置の概略図を示す。
【符号の説明】
１…摩擦圧接装置
４…検出用係合部材（検出箇所）
５…主軸台（保持手段）
７…チャック（保持手段）
１２…シリンダ（駆動手段）
１３…シリンダロッド（駆動手段）
１４…駆動手段
２１…検出器（検出手段）
２０…シーケンサ（制御手段）
２２…検出器用コントローラ（制御手段）
２５…Ａ／Ｄ変換器（制御手段）
２６…制御手段
３１…第１の被接合部材
３２…第２の被接合部材
５１…非接触式センサ（検出手段）
５２…リニアスケール（検出手段）
５３…コントローラ（制御手段）

Claims (3)

1. 第１の被接合部材と第２の被接合部材を摩擦圧接させる摩擦圧接方法であって、
   第１及び第２の被接合部材の一方を回転させた状態で、前記両被接合部材の接合部を均一な液相状態とする摩擦発熱工程として他方の被接合部材に前記両被接合部材の接合部に摩擦発熱を生じさせることのできる摩擦圧力Ｐ１で圧接させる第１のステップと、
   第１のステップを実行する間、圧接時の第１の被接合部材と第２の被接合部材との寄り速度の計測を所定の時間毎に連続で行い、
   任意の時における寄り速度の計測を基本計測とし、基本計測以降、基本計測を含む連続する予め設定した設定回数ｎ（ｎは自然数で、ｎ≧２）回の計測において、
   該設定回数ｎ回すべての計測において、寄り速度の計測値Ｖｎが、その直前で計測された寄り速度の計測値Ｖｎ−１以上（｜Ｖｎ｜≧｜Ｖｎ−１｜）になっていることを満たす場合、ｎ回目の計測を行った時を基準時として、基準時から予め設定した蓄熱時間Ｔを計測する第２のステップと、
   基準時より蓄熱時間Ｔを経て、第１及び第２の被接合部材の一方の回転を急停止させ、アップセット加圧工程として前記摩擦圧力Ｐ１より大きいアップセット圧力Ｐ２で他方の被接合部材に圧接させる第３のステップと、
   からなる摩擦圧接方法。
2. 第１の被接合部材と第２の被接合部材を摩擦圧接させる摩擦圧接方法であって、
   第１及び第２の被接合部材の一方を回転させた状態で、前記両被接合部材の接合部を均一な液相状態とする摩擦発熱工程として他方の被接合部材に前記両被接合部材の接合部に摩擦発熱を生じさせることのできる摩擦圧力Ｐ１で圧接させる第１のステップと、
   あらかじめ寄り速度の計測に対して設定値を設け、第１のステップを実行する間、圧接時における第１の被接合部材と第２の被接合部材との寄り速度を少なくとも１回計測し、
   この寄り速度の計測値が、寄り速度の設定値以上に、予め設定した設定回数ｎ回連続した状態に達した計測時の時を基準時として、基準時から予め設定した蓄熱時間Ｔを計測する第２のステップと、
   基準時より蓄熱時間Ｔを経て、第１及び第２の被接合部材の一方の回転を急停止させ、アップセット加圧工程として前記摩擦圧力Ｐ１より大きいアップセット圧力Ｐ２で他方の被接合部材に圧接させる第３のステップと、
   からなる摩擦圧接方法。
3. 請求項２に記載の摩擦圧接方法であって、
   第２のステップで第１の被接合部材と第２の被接合部材との寄り速度の計測を、所定の時間毎に連続で行い、
   寄り速度の計測値が、はじめて設定値以上になった時の計測を基本計測とし、
   基本計測以降、基本計測を含む連続する予め設定した設定回数ｎ（ｎは自然数で、ｎ≧２）回分の計測に対して、寄り速度の計測値が、すべて設定値以上になっていることを満たす場合、ｎ回目の計測を行った時を基準時として、基準時から予め設定した蓄熱時間Ｔを計測することを特徴とする摩擦圧接方法。

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