JP5461476B2 - 摩擦攪拌接合装置 - Google Patents
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Description
また、例えば特許文献2には、ワークにおける工具進行方向前方側を予備加熱することで高融点のワークを円滑に摩擦攪拌すると同時に、ワークにおける工具進行方向後方側を冷却し過剰な熱を除去することで熱的な欠陥を回避する手法が開示されている。この手法では、ワークを冷却するためにドライアイス、エタノール、低温空気等の冷媒を用いることとしている。
さらに、特許文献2に記載の技術では、ワークを冷却する手段に加えて、該ワークを予備加熱するための加熱手段が別途必要になるため、さらに設置コストが増大してしまい、経済上好ましくない。
即ち、本発明に係る摩擦攪拌接合装置は、工具をワーク表面に当接させ該工具の軸線回りに回転させ移動させることで、前記ワークに対して摩擦攪拌接合を施す摩擦攪拌接合装置であって、供給される気体を該気体よりも高温の熱風と前記気体よりも低温の冷風とに分離して噴出する熱風冷風分離部を備え、前記熱風と前記冷風との少なくとも一方が前記ワークの表面に供給されることを特徴とする。
ここで、熱風冷風分離部では、渦流発生部に外部から供給される気体の圧力が小さいほど、熱風と冷風との温度差が拡大する。したがって、圧力調整弁を調整することで、熱風と冷風との温度差を容易に調節することができる。
さらに、熱風冷風分離部では、冷風噴出口から噴出される冷風の流量が大きいほど、熱風と冷風との温度差が拡大する。したがって、流量調整弁により熱風噴出口から噴出される熱風の流量を調整すれば同時に冷風噴出口から噴出される冷風の流量も調整することができるため、当該流量調整弁を調整することで熱風と冷風との温度差を容易に調節することができる。
例えば高温強度の高いワークの場合、回転トルクが規定値よりも大きい際にワークの表面に供給される熱風の温度が上昇するように圧力調整弁又は流量調整弁を制御する。これによって、ワークの接合部を軟化させて回転トルクを減少させることができるため、接合状態を均一にすることができる。
また、例えば高温強度の低いワークの場合、回転トルクが規定値よりも小さい際にワークの表面に供給される冷風の温度が低下するように圧力調整弁又は流量調整弁を制御する。これによって、ワークの接合部が軟化し過ぎることを防止することができ、攪拌過剰による欠陥を回避することが可能となる。
即ち、例えば高温強度が高いワークの場合、工具反力が規定値よりも大きい際にワークの表面に供給される熱風の温度が上昇するように圧力調整弁又は流量調整弁を制御する。これによって、ワークの接合部を軟化させて工具反力を減少させることができ、接合状態を均一にすることができる。
また、例えば高温強度の低いワークの場合、工具反力が規定値よりも小さい際にワークの表面に供給される冷風の温度が低下するように圧力調整弁又は流量調整弁を制御する。これによって、ワークの接合部が軟化し過ぎることを防止することができ、攪拌過剰による欠陥を回避することが可能となる。
図1に示すように、本実施形態の摩擦攪拌接合装置100は、ワークWを摩擦攪拌接合により接合する装置である。以下では、板状をなす一対の部材からなるワークWの接合端面同士を、摩擦攪拌接合装置100によって接合する例について説明する。
なお、加工機の主軸は、回転用モータ(図示省略)によって回転駆動可能とされており、この回転用モータによる主軸の回転に伴って工具保持部20が軸線O1回りに回転する。
ショルダ部31は、軸線O1を中心とした円柱状をなしており、上方側(軸線O1方向他方側)の端部が工具保持部20の下端に一体に固定されている。また、該ショルダ部31の下端面は、ワークWの表面側に配置されて該表面を押圧するショルダ面32とされている。
軸部33は、外形がショルダよりも小さく形成されるとともにショルダ面32の中央から下方に向かって突出する円柱状をなしている。
このボルテックスチューブ40は、チューブ本体41、圧力調整弁50、流量調整弁51、熱風用ホース52(図2において図示省略)及び冷風用ホース53(図2において図示省略)を有している。
チューブ本体41は、中心線O2に沿って形成された部材であって、一端側(図1及び図2における左側)の部分が、管部42とされるとともに他端側(図1及び図2における右側)の部分が渦流発生部45とされている。
摩擦攪拌接合を行う場合には、Z軸モータの制御により主軸、工具保持部20及び工具30の上下方向に移動させることで、該工具30のショルダ面32をワークWの表面に当接させる。これによって、工具30のショルダ面32からワークWの表面に対して加圧力を付与した状態となる。なお、ワークWから工具30に対して上方向に付与される工具反力にかかわらず工具30のショルダ面32が常にワークWの表面に当接するように、Z軸モータの駆動はフィードバック制御されている。
また、第三回転渦流F3は温度が低下し、第二回転渦流F2及び第一回転渦流F1の内側、第二円筒部46内を通過した後、圧縮空気F0よりも低温の冷風Cとして冷風噴出口47から噴出される。
また、冷風噴出口47から噴出される冷風Cは、冷風用ホース53内を通過した後、ワークWの表面における工具30の進行方向D後方側に供給される。この冷風Cによって、摩擦攪拌接合後のワークWが冷却される。これによって、加工後のワークWの余剰な熱を除去することで、熱的な欠陥を回避することができる。
即ち、ボルテックスチューブ40では、渦流発生部45に外部から供給される圧縮空気F0の圧力が小さいほど、熱風Hと冷風Cとの温度差が縮小する。一方、ボルテックスチューブ40では、渦流発生部45に外部から供給される圧縮空気F0の圧力が大きいほど、熱風Hと冷風Cとの温度差が拡大する。
したがって、圧力調整弁50によって圧縮空気F0の圧力を調整することで、熱風Hと冷風Cとの温度差を容易に調節することができる。
したがって、流量調整弁51により熱風噴出口44から噴出される熱風Hの流量を調整すれば同時に冷風噴出口47から噴出される冷風Cの流量も調整されるため、当該流量調整弁51を調整することで熱風Hと冷風Cとの温度差を容易に調節することができる。
また、それぞれ独立した加熱手段や冷却手段を別途設けなくとも、単一のボルテックスチューブ40を介して熱風H及び冷風Cを同時に生成することができるため、低コストかつ容易にワークWの予備加熱や加工後の余剰な熱の除去を行うことができる。
第二実施形態の摩擦攪拌接合装置100は、特にワークWの高温強度が高い場合に有効なものであり、第一実施形態の構成要素に加えて、図3に示すように、トルク検出部60及び第一制御装置61を備えている。
トルク比較部62は、トルク検出部60が検出した工具30の回転トルクの値、即ち、測定トルクT1が入力される。そして、トルク比較部62は、予め定められた基準トルクT0と測定トルクT1とを比較して、これら基準トルクT0及び測定トルクT1の大小に応じて圧力調整弁制御部63及び流量調整弁制御部64にそれぞれ指令を出力する。
工具30が回転されて摩擦攪拌接合装置100によるワークWの摩擦攪拌接合が開始すると、主軸を回転させる回転用モータの回転トルクをトルク検出部60が検出する(S1)。
この熱風温度上昇指令が入力された際には、圧力調整弁制御部63及び流量調整弁制御部64は、熱風Hの温度が上昇するように圧力調整弁50及び流量調整弁51に指令を出力する。即ち、圧力調整弁制御部63は、チューブ本体41内に供給される圧縮空気F0の圧力が上昇するように圧力制御弁を制御する。これによって、熱風Hと冷風Cとの温度差が拡大するため、結果として熱風Hの温度が上昇する。一方、流量調整弁51はチューブ本体41の外部に排出される熱風Hの流量が小さくなるように流量調整弁51を制御する。これによって、冷風Cの流量が大きくなる結果、熱風Hと冷風Cの温度差が拡大し、熱風Hの温度が上昇する(S3)。
この現状維持指令が入力された際には、圧力調整弁制御部63及び流量調整弁制御部64は、圧力調整弁50及び流量調整弁51に指令を出力することはなく、これら圧力調整弁50及び流量調整弁51は現状に維持される(S4)。
この熱風温度低下指令が入力された際には、圧力調整弁制御部63及び流量調整弁制御部64は、熱風Hの温度が低下するように圧力調整弁50及び流量調整弁51に指令を出力する。即ち、圧力調整弁制御部63は、チューブ本体41内に供給される圧縮空気F0の圧力が低下するように圧力制御弁を制御する。これによって、熱風Hと冷風Cとの温度差が縮小されるため、結果として熱風Hの温度が低下する。一方、流量調整弁51はチューブ本体41の外部に排出される熱風Hの流量が大きくなるように流量調整弁51を制御する。これによって、冷風Cの流量が小さくなる結果、熱風Hと冷風Cの温度差が縮小し、熱風Hの温度が低下する(S5)。
即ち、工具30の回転トルクが大きい場合には、工具30の進行方向Dの前方側に供給する熱風Hの温度が上昇されることにより、工具30の進行方向D前方側のワークWをより軟化させることができる。これにより、工具30にかかる負荷を低減させることで回転トルクを減少させることが可能となる。一方、工具30の回転トルクが小さい場合には、工具30の進行方向Dの前方側に供給する熱風Hの温度が低下することにより、工具30の進行方向D前方側のワークWの過剰な軟化を回避することができる。これによって、工具30にかかる負荷を増加させることで回転トルクを上昇させることが可能となる。
したがって、工具30の回転トルクのばらつきを抑えて均一化を図ることができるため、ワークWの均一な接合状態を得ることができる。
第三実施形態の摩擦攪拌接合装置100は、特にワークWの高温強度が高い場合に有効なものであり、第二実施形態のトルク検出部60及び第一制御装置61に代えて、図5に示すように、反力検出部70及び第二制御装置71を備えている。
反力比較部72は、反力検出部70が検出した工具反力、即ち、測定反力N1が入力される。そして、反力比較部72は、予め定められた基準反力N0と測定反力N1とを比較して、これら基準反力N0及び測定反力N1の大小に応じて圧力調整弁制御部63及び流量調整弁制御部64にそれぞれ指令を出力する。
工具30が回転されて摩擦攪拌接合装置100によるワークWの摩擦攪拌接合が開始すると、主軸を上下方向に駆動させるZ軸モータの電流値が反力検出部70によって検出される(S11)。
次いで、反力検出部70から測定反力N1の値が反力比較部72に入力されると、該反力比較部72では、測定反力N1の値と予め設定された基準反力N0との値を比較する。上述したように、本実施形態においては、測定反力N1及び基準反力N0をともに電流値に換算した状態で比較を行う。
この熱風温度上昇指令が入力された際、圧力調整弁制御部63及び流量調整弁制御部64は、熱風Hの温度が上昇するように圧力調整弁50及び流量調整弁51に指令を出力する。これによって、第二実施形態同様、冷風Cの流量が大きくなる結果、熱風Hと冷風Cの温度差が拡大し、熱風Hの温度が上昇する(S13)。
この熱風温度低下指令が入力された際、圧力調整弁制御部63及び流量調整弁制御部64は、熱風Hの温度が低下するように圧力調整弁50及び流量調整弁51に指令を出力する。これによって、第二実施形態同様、冷風Cの流量が小さくなる結果、熱風Hと冷風Cの温度差が縮小し、熱風Hの温度が低下する(S15)。
即ち、工具反力が大きい場合には、工具30の進行方向Dの前方側に供給する熱風Hの温度が上昇されることにより、工具30の進行方向D前方側のワークWをより軟化させることができる。これにより、ワークWの剛性が低下する結果、工具反力を減少させることができる。一方、工具反力が小さい場合には、工具30の進行方向Dの前方側に供給する熱風Hの温度が低下することにより、工具30の進行方向D前方側のワークWの過剰な軟化を回避することができる。これによって、ワークWの剛性が回復する結果、工具反力を上昇させることができる。
したがって、工具反力のばらつきを抑えて均一化を図ることができるため、ワークWの均一な接合状態を得ることができる。
第四実施形態の摩擦攪拌接合装置100は、ボルテックスチューブ40の配置方法について第一実施形態とは相違する。
第五実施形態の摩擦攪拌接合装置100は、特にワークWの高温強度が低い場合に有効なものであり、第四実施形態の構成要素に加えて、図3に示すものと同様のトルク検出部60及び第一制御装置61を備えている。
工具30が回転されて摩擦攪拌接合装置100によるワークWの摩擦攪拌接合が開始すると、主軸を回転させる回転用モータの回転トルクをトルク検出部60が検出する(S21)。
次いで、トルク検出部60から回転トルクの測定値がトルク比較部62に入力されると、該トルク比較部62では、測定した回転トルク(測定トルクT1)の値と予め設定された基準トルクT0との値を比較する(S22)。
この冷風温度低下指令が入力された際には、圧力調整弁制御部63及び流量調整弁制御部64は、冷風Cの温度が低下するように圧力調整弁50及び流量調整弁51に指令を出力する。即ち、圧力調整弁制御部63は、チューブ本体41内に供給される圧縮空気F0の圧力が上昇するように圧力制御弁を制御する。これによって、熱風Hと冷風Cとの温度差が拡大されるため、結果として冷風Cの温度が低下する。一方、流量調整弁51はチューブ本体41の外部に排出される熱風Hの流量が大きくなるように流量調整弁51を制御する。これによって、冷風Cの流量が小さくなる結果、熱風Hと冷風Cの温度差が縮小し、冷風Cの温度が低下する(S23)。
この現状維持指令が入力された際には、圧力調整弁制御部63及び流量調整弁制御部64は、圧力調整弁50及び流量調整弁51に指令を出力することはなく、これら圧力調整弁50及び流量調整弁51は既存の状態に維持される(S24)。
即ち、工具30の回転トルクが小さ過ぎる場合には軸部33による接合部の攪拌が過剰に行われるが、本実施形態ではこの場合に摩擦攪拌箇所に供給される冷風Cの温度が低下するため、摩擦熱によるワークWの接合部の過剰な軟化が回避される。
第六実施形態の摩擦攪拌接合装置100は、特にワークWの高温強度が低い場合に有効なものであり、第四実施形態の構成要素に加えて、図5に示すものと同様の反力検出部70及び第二制御装置71を備えている。
工具30が回転されて摩擦攪拌接合装置100によるワークWの摩擦攪拌接合が開始すると、主軸を上下方向に駆動させるZ軸モータの電流値を反力検出部70が検出する(S31)。
次いで、反力検出部70から上記電流値が反力比較部72に入力されると、該反力比較部72では、測定反力N1の値と予め設定された基準反力N0との値を比較する。
この冷風温度低下指令が入力された際には、圧力調整弁制御部63及び流量調整弁制御部64は、冷風Cの温度が低下するように圧力調整弁50及び流量調整弁51に指令を出力する。これによって、第五実施形態同様、冷風Cの流量が小さくなる結果、熱風Hと冷風Cの温度差が縮小し、冷風Cの温度が低下する(S33)。
この現状維持指令が入力された際には、圧力調整弁制御部63及び流量調整弁制御部64は、圧力調整弁50及び流量調整弁51に指令を出力することはなく、これら圧力調整弁50及び流量調整弁51は既存の状態に維持される(S34)。
即ち、工具反力が小さ過ぎる場合には、ワークWが軟化に過剰していることから軸部33による接合部の攪拌が過剰に行われてしまうが、本実施形態ではこの場合に摩擦攪拌箇所に供給される冷風Cの温度が低下するため、摩擦熱によるワークWの接合部の過剰な軟化を回避することができる。
例えば本実施形態では、工具30としてショルダ部31の下端から軸部33が突出する構成のものについて説明したが、ワークWを上下から挟み込む一対のショルダ部31及びこれらショルダ部31を接続する軸部33を備えたいわゆるボビン型の工具30を用いてもよい。
これら温度検出部及び制御装置を第一実施形態に適用した場合、ワークWの表面における工具30の進行方向D前方の温度を温度検出部が測定し、制御装置がこの温度に基づいて圧力調整弁制御部63及び流量調整弁制御部64の少なくとも一方を制御することで熱風Hの温度を調節する。これによって、ワークWの予備加熱を適切に行うことができる。
また、上記温度検出部及び制御装置を第四実施形態に適用した場合、ワークWにおける摩擦攪拌箇所の温度を温度検出部が測定し、制御装置がこの温度に基づいて圧力調整弁制御部63及び流量調整弁制御部64の少なくとも一方を制御することで冷風Cの温度を調節する。これによって、接合箇所の過剰な軟化を回避することができる。
Claims (5)
- 工具をワーク表面に当接させ該工具の軸線回りに回転させ移動させることで、前記ワークに対して摩擦攪拌接合を施す摩擦攪拌接合装置であって、
供給される気体を該気体よりも高温の熱風と前記気体よりも低温の冷風とに分離して噴出する熱風冷風分離部を備え、
前記熱風と前記冷風との少なくとも一方が前記ワークの表面に供給されることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。 - 前記熱風が前記ワークの表面における前記工具の進行方向前方側に供給され、
前記冷風が前記ワークの表面における前記工具の進行方向後方側に供給されることを特徴とする請求項1に記載の摩擦攪拌接合装置。 - 前記熱風冷風分離部は、
一端に前記熱風を噴出可能な熱風噴出口が設けられた管部と、
前記管部の他端側に接続され、外部から供給される前記気体を渦状に回転させて前記管部内の一端側に向かって送り込むとともに、他端に前記冷風を噴出可能な冷風噴出口が設けられた渦流発生部と、
前記渦流発生部内に供給される前記気体の圧力を調整可能な圧力調整弁と、
前記熱風噴出口から噴出される前記熱風の流量を調整可能な流量調整弁とを有することを特徴とする請求項1又は2に記載の摩擦攪拌接合装置。 - 前記工具の軸線回りの回転トルクを検出するトルク検出部と、
該トルク検出部によって検出される前記回転トルクの値に基づいて、前記圧力調整弁及び前記流量調整弁の少なくとも一方を制御する第一制御装置とをさらに備えることを特徴とする請求項3に記載の摩擦攪拌接合装置。 - 前記ワークから前記工具に作用する前記軸線方向の工具反力を検出する反力検出部と、
該反力検出部によって検出される前記工具反力の値に基づいて、前記圧力調整弁及び前記流量調整弁の少なくとも一方を制御する第二制御装置とをさらに備えることを特徴とする請求項3に記載の摩擦攪拌接合装置。
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