JP4647179B2

JP4647179B2 - 加工方法

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Publication number: JP4647179B2
Application number: JP2002265696A
Authority: JP
Inventors: 文雄吉永
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-09-11
Filing date: 2002-09-11
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2020-10-27
Also published as: JP2003094263A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属材料の切削および摩擦攪拌接合を行う加工方法に関する。例えば、機械部品や構造物部品等の加工組み立てに好適である。
【０００２】
【従来の技術】
機械部品や構造物部品等の加工組み立ては、切削加工は切削工作機械、接合組み立ては各種の溶接接合装置により、別々の加工装置で加工している。
【０００３】
切削工作機械による複合加工は、複合旋盤における旋削と回転工具加工、マシニングセンタにおける回転工具加工とバイト加工、のように切削加工の中での複合加工がほとんどである。切削加工以外との組み合わせとしては回転工具加工とレーザ焼き入れの組み合わせがある。
【０００４】
接合方法として、摩擦攪拌接合方法（特許文献１参照）がある。これは接合部に挿入した丸棒（回転工具という。）を回転させながら接合線に沿って移動させ、接合部を発熱、軟化させ、塑性流動させ、固相接合する方法である。回転工具は、接合部に挿入する小径部(ピンという。)と、外部に位置する大径部(ショルダという。)とからなる。小径部と大径部は同軸である。大径部側を回転させる。接合部には凸部を設けている。
【０００５】
また、特許文献２のように、回転工具は傾斜して部材に挿入されている。傾斜方向は、回転工具の移動方向において回転工具の小径部が回転工具の大径部よりも前方に位置するように傾斜している。つまり、回転工具は後方に傾斜している。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−９０６５５号公報（ＵＳＰ６０５０４７４）
【特許文献２】
特表平９−５０８０７３号公報（ＥＰ０７５２９２６Ｂ１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記のように、従来は切削と接合を１台の加工機械で行う目的で設計製作された加工機械による加工方法は存在していない。
【０００８】
このため、切削加工と接合加工を行うには切削工作機械と接合加工装置の二種類の加工設備が必要である。このため、設備コストや据付場所、建屋が大きい、切削から接合までの待ち時間のためリードタイムが長い、切削と接合のオペレータが必要、などの問題点があった。
【０００９】
本発明は、切削と接合を一台の機械で行うことができる加工方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、第１の加工物と第２の加工物とを組み合わせ、主軸に取り付けた摩擦攪拌接合工具によって、前記第１の加工物と前記第２の加工物とを摩擦攪拌接合し、前記主軸の工具を切削工具に交換し、前記切削工具によって、前記第１の加工物または前記第２の加工物の所望の部分を切削すること、によって達成できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に使用するマシニングセンタタイプの複合加工装置を、図１〜図６によって説明する。装置は、Ｘ軸方向に移動するテーブル（移動台）１１と、その上方の桁２１に設置され、Ｙ軸方向に移動する移動台３１と、移動台３１に設置され、Ｚ軸方向に移動する移動台３２と、移動台３２に設置され、Ｃ軸方向に回転する回転台３３と、回転台３３に設置され、Ｂ軸方向に回転する回転台３４と、回転台３４に設置され、取り付けた工具を回転させる主軸３５とからなる。回転台３４は主軸３５を回転させる電動機を有する。
【００１２】
主軸３５は切削工具５１、摩擦攪拌接合工具５２を択一的に取り付けるものである。主軸３５は工具５１、５２に適した回転数で回転できる。工具保管装置４０は、図示していないが、切削工具５１、摩擦攪拌接合工具５２をそれぞれ複数保管できる。主軸３５と工具保管装置４０との間で工具交換装置（図示せず）を介して、工具を交換して所望の工具５１、５２を主軸３５に取り付けることができる。なお、工具のみでなく、工具の軸受け等を含めたいわゆる加工ヘッドを含めて交換するようにすることもできる。Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の各移動台１１、３１、３２の駆動手段、回転台３３、３４の駆動手段、工具交換装置は公知のとおりである。
【００１３】
このように構成した直線移動軸３軸と、軸回りの回転２軸の５軸を同時に制御することにより、特に立体形状の切削加工と摩擦攪拌接合に好適な複合加工装置が得られる。
【００１４】
テーブル１１の上に、加工物１０１が取り付けられる。加工物１０１は、曲面状のパネル部品である。
【００１５】
図２において、切削加工を説明する。５軸切削加工では、主軸３５（工具５１、５２の回転軸）を加工物１０１の曲面に直角に作用させて移動させることができる。このため、従来の２軸又は３軸のように工具姿勢を傾斜できない加工に比べて工具突き出し長さが短くなり、工具系剛性の大きい状態で加工ができる。このため、びびりや振動の発生が少なく、切削スピードを高くした高能率の切削ができる。
【００１６】
また、５軸切削加工では、主軸３５の姿勢を自由に設定できるので、切削工具５１の軸Ａを加工物の接合部の法線Ｒよりも前傾角θだけ傾斜、すなわち曲面に対して前傾させて加工することができる。フラット工具において、切れ刃を部分的に作用させて加工できる。このため、全面を当てた加工よりも切削抵抗が小さくなり、びびりや振動の発生が少なく、切削スピードを高くした高能率の加工ができる。
【００１７】
図３と図４において、摩擦攪拌接合を説明する。加工物１０１、１０２の突き合わせ部を接合する。加工物１０１、１０２の端部の突き合わせ部には上方に突出する凸部１０１ｂ、１０２ｂがある。この加工物１０１、１０２は前記切削によって製作している。図３には凸部１０１ｂ、１０２ｂを示していない。図４には凸部１０１ｂ、１０２を示している。加工物１０１、１０２は曲面を有するパネルである。摩擦攪拌接合工具５２は大径部５２ｂとその先端の小径部５２ｃとからなる。小径部５２ｃを接合すべき部分に挿入している。大径部５２ｂの最下端は加工物の凸部１０１ｂ、１０２ｂではない部分の上面の延長線と凸部１０１ｂ、１０２ｂの頂部との間にある。２つの凸部１０１ｂ、１０２ｂの幅は大径部５２ｂの径よりも大きい。工具５２の軸Ａは、工具５２の移動方向において、小径部５２ｃの軸心よりも大径部５２ｂの軸心が後ろ側に位置するように傾斜している。工具５２を回転させながら、突き合わせ部（接合線）に沿って移動させることにより、摩擦攪拌接合ができる。
【００１８】
加工物１０１、１０２はテーブル１１の上に支え台（図示せず）を介して載せられている。加工物１０１、１０２は支え台を介してテーブル１１に強固に固定されている。特に、接合すべき突き合わせ部の下方には支え台がある。これは摩擦攪拌接合時の大きな荷重を支えるものである。
【００１９】
２つの加工物１０１、１０２の突き合わせ部に隙間があっても、大径部５２ｂによって押された凸部１０１ｂ、１０２ｂの金属が前記隙間を埋める原資となるので、良好な接合ができる。
【００２０】
凸部１０１ｂ、１０２ｂが無い場合は、加工物１０１、１０２の面に大径部５２ｂを若干挿入して摩擦攪拌接合を行うので、接合部に凹部ができる。
【００２１】
曲面に沿ってかつ移動方向に対して傾斜させて移動させるには、また所望の位置で移動させるには、運動座標系５軸の同時制御が有効である。
【００２２】
加工物１０１、１０２には製作誤差があるので、ＮＣ（数値制御）プログラム通りに工具を移動させるだけでは、工具の挿入位置を正確に保つことはきわめて困難である。
【００２３】
図５は、摩擦攪拌接合工具５２を加工物に挿入したときの、工具５２を回転させる電動機のトルク電流と工具５２の挿入深さの関係の模式図である。挿入深さは加工物１０１、１０２の表面から小径部５２ｃの先端までの距離である。工具５２の挿入深さの増加とともにトルク電流が緩やかに増加しＩｓに到る。工具５２の大径部５２ｂの端部が加工物に挿入され出すと、トルク電流Ｉは急激に増加し、Ｉαに到る。その後の増加は大径部５２ｂの径が一定であるので緩やかである。
【００２４】
そこで、トルク電流値がＩα以上の所定の電流値になるように、工具５２の挿入深さを制御する。これにより、加工物が曲面であったり、製作誤差があったりしても、所定の挿入深さを維持でき、良好な摩擦攪拌接合ができる。
【００２５】
工具５２のトルク電流Ｉは、主軸３５の電動機の電流値を検出して求める。主軸３５は、ＡＣサーボ電動機又はＤＣサーボ電動機を使用して主軸３５を回転させるので、トルク電流を正確に検出することができる。このトルク電流を判定値として、移動台３２を上下させることにより、常に最適な挿入深さを保つことができる。また、トルク電流を監視することにより、工具損傷を検知することもできる。
【００２６】
また、トルク電流値Ｉ、特にＩα以上の所定値の検出によって、その時の移動台３２の下降位置を検出する。これによって加工物１０１、１０２の位置を検出できる。予め与えられている加工物１０１、１０２の座標値または工具５２を移動させるＮＣ（数値制御）データとの差を修正する。これによれば加工物１０１、１０２への工具５２の正確な挿入深さを得ることができる。
【００２７】
加工物１０１、１０２の位置は次によっても検出できる。１１、２１、３１、３２、３３、３４、３５、工具５２、加工物１０１、１０２を経由する通電回路を構成しておく。その途中に高周波電源とその検出器を配置する。摩擦攪拌接合の開始によって、移動台３２を下降させ、工具５２の小径部５２ｃの先端を加工物１０１、１０２に接触させる。これによって高周波電流の回路が構成され、これを検出器で検出する。検出した際の工具５２の位置を求める。そして、予め与えられている加工物１０１、１０２の座標値または工具５２を移動させるＮＣ（数値制御）データとの差を修正する。これによれば正確な挿入深さを得ることができる。そして、その後はトルク電流Iの検出によって工具５２の挿入深さを所定に管理できるものである。
【００２８】
次に、図６によって加工物の製作工程を説明する。テーブル１１に加工物１０１を載せ、主としてその上面を工具５１によって切削する。この時、凸部１０１ｂを残して切削する。次に、加工物１０１を搬出し、加工物１０２を載せる。同様に、加工物１０２を切削する。加工物１０１、１０２はアルミニウム合金製の板である。この板は曲面を有する。切削はドライ切削、ドライクリーニングである。加工物１０２をテーブル１１に固定する際に、次の摩擦攪拌接合を考慮して、支え台を介して加工物１０２を固定する（ステップＳ２０）。
【００２９】
次に、テーブル１１の上に支え台（図示せず）を介して加工物１０１を載せ、加工物１０２と突き合わせ、テーブル１１に固定する。また、工具交換装置によって工具保管装置４０と主軸３５との間において工具を交換し、主軸３５に摩擦攪拌工具５２を取り付ける（ステップＳ２０）。
【００３０】
次に、主軸３５を回転させて、前記突き合わせ部を摩擦攪拌接合する（ステップＳ３０）。
【００３１】
工具５２を回転させながら下降させ、所定位置まで挿入し、摩擦攪拌接合を開始する。加工物１０１、１０２の高さ位置は、前記のように、高周波電流で検出してもよいし、トルク電流値Ｉで検出してもよい。この高さ位置の検出によって加工物１０１、１０２等の座標の修正を行う。
【００３２】
次に、予め設定されているＮＣデータによって、工具５２を突き合わせ部（接合線）に沿って移動させる。工具５２を接合線に沿って移動させる際の、工具５２の挿入深さの制御はトルク電流値Ｉで行う。
【００３３】
工具５２を接合線に沿って移動させる制御は予め与えられている座標（ＮＣデータ）によって行ってもよいが、接合線の位置を検出する検出器のデータによって行うことができる。検出器は光学センサで、回転台３４に設置している。検出器は突き合わせ部の隙間や凸部１０１ｂ、１０２ｂの端部のエッジを検出して、突き合わせ部の位置を求める。求めた位置に工具５２を誘導する。また、求めたデータで前記座標を補正し、誘導することができる。また、光学センサで凸部１０１ｂ、１０２ｂの高さを求め、挿入深さを制御できる。
【００３４】
次に、摩擦攪拌接合が終了したら、主軸３５の工具を切削工具５１に交換する。（ステップＳ４０）
【００３５】
次に、切削加工を行う（ステップＳ５０）。切削として、突き合わせ部の凸部１０１ｂ、１０２ｂを切削する。これによって突き合わせ部を他の部分の曲面と実質的に同一面にする。これは加工物１０１、１０２の上面を製品の外面に用いる場合に有効である。もちろん、凸部および前記他の部分の曲面を含めて切削してもよい。
【００３６】
また、一体になった加工物１０１、１０２の外周部等を所定の形状に切削する。また、前記他の部分の曲面に、孔、ネジ、凹みを切削工具５１によって設ける。これは、加工物１０１、１０２を突き合わせた際に隙間があるので、摩擦攪拌接合後の方が高精度に加工できるためである。
【００３７】
また、摩擦攪拌接合の終了によって、工具５２を加工物１０１、１０２から抜くと、その部分に孔が生じる。この孔を大きな径の孔に切削したり、この孔にネジ加工をしたりする。こネジ加工のためには、工具５２を抜く位置は、摩擦攪拌接合の接合位置ではない位置がよい。
【００３８】
切削した後、摩擦攪拌接合すると、切削のための油や切削後の清掃用の油によって、摩擦攪拌接合に悪影響を与える。また、切り子で２つの部材の組み合わせ精度が悪くなることがある。しかし、摩擦攪拌接合した後、切削すれば、この問題を除くことができる。摩擦攪拌接合の前に２つの部材の切削が行われるが、この切削油の除去は他の機械で十分に行うことができる。
【００３９】
なお、ステップＳ１０において、加工物１０１、１０２の突き合わせ部が摩擦接合に適するように突き合わせ可能ならば、加工物１０１、１０２を突き合わせてテーブル１１に載せた状態で、前記切削を行うことができる。この時は、突き合わせ部の下方には支え台を配置しておく。
【００４０】
また、１組の加工物を第１の回転工具を用いて摩擦攪拌接合し、次に主軸と工具保管装置との間で回転工具を交換し、次に前記１組の加工物の第２の接合部を第２の回転工具で摩擦攪拌接合することができる。
【００４１】
図７の実施例を説明する。これは、一つのテーブル１１に対して２つの加工装置３０、３０Ｂを設けたものである。２つの加工装置３０、３０Ｂは１つの桁２１に設置している。２つの加工装置３０、３０Ｂの構成、機能は前記のとおりで、実質的に両者同一である。一方の加工装置３０の主軸には切削工具５１を設置している。他方の加工装置３０Ｂの主軸には摩擦攪拌接合工具５２を設置している。桁２１の両端はテーブル１１の端部よりも突出していて、一方の加工装置が加工作業しているとき、他方の加工装置が突出した桁に退避できる。
【００４２】
これによれば工具の交換が不要になる。また、摩擦攪拌接合の際は大きな挿入力が必要であるので、主軸の軸受等は高強度が必要である。摩擦攪拌接合には一般に切削に比べて主軸の回転数は低くてよい。このため、切削用加工装置３０、摩擦攪拌接合用加工装置３０Ｂをそれぞれ作れば、摩擦攪拌接合装置を比較的安価に構成できるものである。
【００４３】
図８の実施例を説明する。水平（Ｘ軸）方向に移動するコラム６１、コラム６１に設置され、垂直（Ｙ軸）方向に移動する移動台６３、移動台６３に設置され、取り付けた工具を回転させる主軸６５、主軸６５の回転軸に沿った水平（Ｚ軸）方向に移動する移動台７１、移動台７１に設置され、Ｂ軸回転する回転台７３、回転台７３に設置され、Ａ軸回転するテーブル７４と、から構成される。主軸６５と工具保管装置６８との間で、工具交換装置（図示せず）を介して切削工具５１と摩擦攪拌接合工具５２を交換することができる。直線移動軸３軸と、軸回りの回転２軸の５軸を同時に制御することができる。
【００４４】
主軸６５は水平で角度は変更できない。テーブル７４を主軸６５に対して傾斜させて、前記前傾角θを設定する。
【００４５】
図９の実施例を説明する。回転台８１に加工物１１１がチャキングされている。加工物１１１の先端に加工物が１１２の端部が挿入されている。両者は勘合されている。加工物１１２の先端は心押し台８３で支持されている。加工物１１１と加工物１１２の突き合わせ部を摩擦攪拌接合する。両者の端部には凸部１１１ｂ、１１２ｂがある。回転台８１の軸心に沿って移動すると共に、上下方向に移動する移動台９１がある。移動台９１には４５度の角度で回転する回転台９２がある。回転台９２には工具５２を回転させる主軸９５がある。回転台９２には切削工具５３を設置するホルダー９６がある。ホルダー９６の回転は不要である。切削工具５３はバイトである。
【００４６】
円筒状の加工物１１１の端部に加工物１１２の端部を挿入し、両者を突き合わせる。突き合わせ部はアーク溶接で仮止めの溶接をしていてもよい。これを回転台８１に取り付け、加工物１１２を心押し台８３で支持する。回転台８１および主軸９５を回転させ、突き合わせ部を摩擦攪拌接合する。次に、回転台９２を回転させて、バイト５３を摩擦攪拌接合部に対向させる。そして、回転台８１を回転させて、接合部の凸部を切削する。摩擦攪拌接合の方向は筒の円周他いずれの方向でもよい。ホルダー９６の工具による切削は円周方向となる。
【００４７】
テーブルや回転台に加工物を設置する作業はロボットで行うことができる。
【００４８】
本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の各請求事項に記載の文言あるいは課題を解決するための手段の項に記載の文言に限定されず、当業者がそれから容易に置き換えられる範囲にも及ぶものである。例えば、複合加工装置の外観やサイズ、工具のサイズなどの違いは本発明の範囲に含まれる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、切削加工と接合加工を１台でできるので、設備コストや据付場所、建屋面積、リードタイム、および加工コストを削減できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の加工装置の斜視図。
【図２】複合加工装置による切削加工時の斜視図。
【図３】複合加工装置による摩擦攪拌接合時の斜視図。
【図４】摩擦攪拌接合時の縦断面図。
【図５】摩擦攪拌接合工具の挿入とトルク電流の関係を示す図。
【図６】本発明の一実施例の加工工程示すフローチャート。
【図７】本発明の他の実施例の加工装置の斜視図。
【図８】本発明の他の実施例の加工装置の斜視図。
【図９】本発明の他の実施例の加工装置の斜視図。
【符号の説明】
１１：テーブル、２１：桁、３０、３０Ｂ：加工装置、３１、３２、６２、６３、７１、９１：移動台、３３、３４、７３、７５、８１、９２：回転台、３５、６５：主軸、４０：工具保管装置、５１、５３：切削工具、５２：摩擦攪拌接合工具、６１：コラム、：回転台、１０１、１０２、１１１、１１２：加工物。

Claims

第１の加工物と第２の加工物とを組み合わせ、
主軸に取り付けた摩擦攪拌接合工具によって、前記第１の加工物と前記第２の加工物とを摩擦攪拌接合し、
前記主軸の工具を切削工具に交換し、
前記切削工具によって、前記第１の加工物または前記第２の加工物の所望の部分を切削すること、
を特徴とする加工方法。
請求項１の加工方法において、前記切削する部分は前記第１の加工物と前記第２の加工物の外周部であること、を特徴とする加工方法。
請求項１の加工方法において、前記切削する部分は前記摩擦攪拌接合した部分であること、を特徴とする加工方法。
請求項１の加工方法において、摩擦攪拌接合すべき位置とは異なる前記第１の部材または前記第２の部材の位置において、摩擦攪拌接合工具を抜いて前記摩擦攪拌接合を終了し、
次に、前記摩擦攪拌接合工具を抜くことによって生じた孔を前記切削工具によって切削すること、
を特徴とする加工方法。
第１の加工物を主軸に取り付けた切削工具によって切削を行い、
前記第１の加工物に第２の加工物を組み合わせると共に、前記主軸の切削工具を摩擦攪拌接合工具に交換し、
前記摩擦攪拌接合工具によって、前記第１の加工物と前記第２の加工物とを摩擦攪拌接合すること、
を特徴とする加工方法。
第１の回転台に取り付けた第１の加工物に第２の加工物を組み合わせ、
前記回転台および主軸に取り付けた摩擦攪拌接合工具を回転させながら前記第１の加工物と前記第２の加工物とを摩擦攪拌接合し、
前記主軸を設置した第２の回転台を９０度回転させ、
前記第１の回転台を回転させながら前記第２の回転台に設置した切削工具によって前記摩擦攪拌接合した部分を切削すること、
を特徴とする加工方法。