JP6696156B2 - 線形摩擦接合装置 - Google Patents

Description

本発明は、一方の部材に他方の部材を押し付ける押圧機構と、この押圧機構の押圧軸に直交する方向に加振軸を形成して一方の部材を加振させる加振機構と、を備えた線形摩擦接合装置に関する。

近年、線形摩擦接合装置が使用されてきている。この線形摩擦接合装置は、２つの部材を互いに押圧した状態で、押圧方向に直交する方向に相対的な振動移動を発生させ、部材間に摩擦熱を発生させることで互いに接合させる装置である。

線形摩擦接合装置は、素材の利用効率、機械的強度、軽量性の向上を図った製品を製造する観点で特に有効である。例えば、一体型翼車（ブリスク。ディスクとブレードとを一体型構造にしたもの）を製造する際、素材から削り出しによって形成すると、大量の切り粉が発生するなど素材の利用効率が悪いが、別々に形成したディスクとブレードとを線形摩擦接合で一体化することで素材の利用効率を高めることができるという利点がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−１４１０６１号公報

しかし、従来の線形摩擦接合装置では、振動移動させる部材（通常、上記２つの部材の片方）に大きなモーメント荷重（曲げモーメント。単位は例えばＮ・ｍ）が発生しており、このことは、高い位置精度で接合させることの妨げとなっている。近年、線形摩擦接合装置で接合させる部材（例えば、ディスクに接合するブレード）が益々大型化し、このため、このモーメント荷重が益々大きくなってきており、この問題の解決が急がれている。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、接合位置精度を高めた線形摩擦接合装置を提供することを課題とする。

実施態様に係る線形摩擦接合装置は、一方の部材と他方の部材とを互いに押し付ける押圧機構と、該押圧機構の押圧軸に直交する方向に加振軸を形成し、前記一方の部材または前記他方の部材を前記加振軸方向に加振して前記一方の部材と前記他方の部材との相対的な振動移動を生じさせる加振機構と、前記一方の部材を保持する一方保持部材と、前記一方保持部材を保持して上下方向に移動可能なスライダと、前記スライダが受ける前記押圧軸方向の押圧力を受け止める軸受機構と、前記一方保持部材が前記一方の部材を非保持のときに前記スライダの落下を防止する落下防止機構と、を備える。そして、前記加振機構を前記押圧軸と前記加振軸との交点よりも下方側に配置し、前記加振機構は、前記一方保持部材に下方から当接する加振シリンダを備えている。

実施態様に係る線形摩擦接合装置によれば、一方の部材と他方の部材との当接点（線形摩擦接合させる接合部）と加振軸とを近づけた構成にし易い（すなわち接合部と加振軸との距離を短くした構成にし易い）ので、接合作業時に、接合位置精度への悪影響を及ぼすモーメント荷重を低減させ易い。よって、接合位置精度を高めた線形摩擦接合装置にし易い。

また、加振機構が一方の部材に下方から当接するので加振機構の高さ位置を従来に比べて大幅に低くすることができる。従って、加振機構を構成する油圧機器の位置も低いので、加振機構の据え付けやメンテナンスが容易である。その上、従来に比べて装置上方の加振機構配置スペースに付帯装置を配置することができ、誘導加熱を行う加熱コイル等の付帯装置の配置の自由度が上がり、この付帯装置の剛性確保も行い易い。

また、一方の部材を保持している一方保持部材に加振シリンダが直接に当接している。従って、一方の部材と他方の部材との当接点から加振軸までの距離を短い構成にすることが著しく容易であり、これにより、一方保持部材および一方の部材に作用するモーメント荷重、あるいは、他方保持部材および他方の部材に作用するモーメント荷重を大幅に小さくして接合位置精度の大幅な高度化を図ることが可能である。

また、前記落下防止機構は、前記スライダから上方に延び出しているとともに上下方向に長い長孔を有する延出し部と、前記長孔に挿入されるストッパを有して前記延出し部の下端位置を規制する規制機構と、で構成されることが好ましい。これにより、落下防止機構の構成を簡素にすることができる。

また、前記軸受機構が油静圧軸受を有していると、大きな押圧力であっても簡単な構成で受け止めることができる。

また、前記押圧機構は、前記他方の部材を保持する他方保持部材と、前記他方保持部材を載せて下方から支える搬送台と、前記搬送台上に前記他方保持部材を載置する載置位置から線形摩擦接合作業を行う接合作業位置まで前記搬送台を案内するように配置されたレールと、を備えていることが好ましい。これにより、各ブレードの線形摩擦接合作業を効率良く行っていくことができる。

また、前記一方の部材がブリスクを構成するブレードであり、前記他方の部材が前記ブリスクを構成するディスクであると、ブレードとディスクとを線形摩擦接合する際に接合位置精度を高めることができる。このことは、ブレードが大型化することでブレード治具の奥行寸法が増大することで加振軸と接合作業位置との距離が増大したときに特に大きな効果を奏する。

本発明によれば、接合位置精度を高めた線形摩擦接合装置とすることができる。

本発明の一実施形態に係る線形摩擦接合装置の構成を説明する正面図である（載置位置）。 本発明の一実施形態に係る線形摩擦接合装置の構成を説明する正面図である（接合作業位置）。 本発明の一実施形態に係る線形摩擦接合装置の構成を説明する模式的な斜視図である（接合作業状態）。 本発明の一実施形態に係る線形摩擦接合装置で、（ａ）はスライダの構成を示す平面図、（ｂ）はスライダの構成を示す正面図、（ｃ）はスライダの構成を示す側面断面図である。 本発明の一実施形態に係る線形摩擦接合装置で製造されるブリスクの部分拡大斜視図である。 従来の線形摩擦接合装置の一例を説明する正面図である。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。以下の説明では、同一または類似の部分には、同一又は類似の符号を付し、その詳細な説明を適宜省略している。また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための例示であって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものではない。例えば、ブリスクを構成する部材以外にも適用可能である。また、この発明の実施の形態は、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。

以下、線形摩擦接合装置として、ブリスクを構成するブレードと、ブリスクを構成するディスク治具とを摩擦接合する線形摩擦接合装置を例に挙げて説明する。

図１〜図５に示すように、本発明の一実施形態（以下、本実施形態という）に係る線形摩擦接合装置１０は、ブレードＢ（一方の部材）とディスクＤ（他方の部材）とを互いに押し付ける押圧機構１４と、押圧機構１４の押圧軸Ｐに直交する方向に加振軸Ｑを形成し、ブレードＢを加振軸Ｑ方向に加振してブレードＢとディスクＤとの相対的な振動移動を生じさせる加振機構１６と、を備える。そして、加振機構１６を、押圧軸Ｐと加振軸Ｑとの交点Ｃよりも下方側に配置（例えばベース部１８上に配置）している。本実施形態では、押圧軸Ｐは水平方向を向いており、加振軸Ｑは上下方向を向いている。

本実施形態では、線形摩擦接合装置１０は、ブレードＢを保持するブレード治具２０（一方保持部材）を保持して上下方向に移動可能なスライダ２２（図１、図２、図４参照）と、ブレードＢを介して押圧機構１４からスライダ２２が受ける押圧軸Ｐ方向の押圧力を受け止める軸受機構２４と、ブレード治具２０がブレードＢを非保持のときにスライダ２２の落下を防止する落下防止機構２６（図４参照）と、線形摩擦接合を行う際に作動させる各部位の制御を行う制御部２８（図３参照）と、を備える。

本実施形態では、ベース部１８は平板テーブル状を呈しており、線形摩擦接合装置１０の設置床面に干渉機構を介して設置されている。また、ブレード治具２０は、スライダ２２にボルト等で着脱自在に固定されている。

また、軸受機構２４が油静圧軸受２５を有しており、スライダ２２が受ける押圧力を油静圧軸受２５が受け止めている。また、加振機構１６が押圧軸Ｐと加振軸Ｑとの交点Ｃよりも下方側に配置されていることで、軸受機構２４は加振機構１６よりも上方に位置している。

そして、加振機構１６は、ブレード治具２０に下方から当接する加振シリンダ１７を備えている。従って、ブレード治具２０は、側方側でスライダ２２に保持されるとともに下方側で加振シリンダ１７に当接している。

（スライダおよび落下防止機構）
図４に示すように、スライダ２２は、ブレード治具２０が当接する当接面部２２ｓを正面側に有する。

また、油静圧軸受２５のハウジング２２ｈの正面側は、スライダ２２のブレード治具２０への当接面部２２ｓが露出するように開口している。そして、当接面部２２ｓの正面位置は、油静圧軸受２５のハウジング２２ｈの正面側よりもブレード治具２０側へ突出した位置にされている。

スライダ２２の厚みｔ（図４（ａ）参照）は、押圧機構１４からの押圧力に十分に堪え得る厚みにされている。

図４に示すように、落下防止機構２６は、スライダ２２から上方に延び出しているとともに上下方向に長い長孔２６ｈを有するブラケット状の延出し部２６ｅと、長孔２６ｈに挿入されるストッパロッド２６ｓと、ストッパロッド２６ｓを進退させるためのエアシリンダ２６ａとを有する。エアシリンダ２６ａによりストッパロッド２６ｓが延び出して長孔２６ｈに挿入しているときには、ブレード治具２０がスライダ２２から取り外されてもストッパロッド２６ｓに長孔２６ｈの内周面上端部が当接してブレード治具２０の落下が防止されている（すなわち、延出し部２６ｅの下端位置が規制されている）。

（押圧機構）
押圧機構１４は、上記のブレード治具２０と、ディスクＤ（他方の部材）を保持するディスク治具３０（他方保持部材）と、ディスク治具３０を載せた上で固定する搬送台３２と、載置位置（線形摩擦接合を行うにあたり、搬送台３２上にディスク治具３０を載置する位置、および、接合作業が全て完了することで得られたブリスクを取り出す位置）から接合作業位置（ディスクＤとブレードＢとが当接していて線形摩擦接合の作業を行う位置）まで搬送台３２を案内するように配置されたレール３４と、を備えている。

ディスク治具３０はロータリーアクチュエータ３６（図３参照）を内蔵しており、線形摩擦接合の作業を行う際には、制御部２８によって、隣り合うブレード同士の間隔である１ピッチ分ずつディスクＤを周方向に回転させるように制御されている。

また押圧機構１４は、押圧軸Ｐ方向に進退可能なピストンロッド３８と、ピストンロッド３８を進退させるためのシリンダ４０と、押圧軸Ｐ上に配置され、押圧軸Ｐ方向の押圧力を測定する荷重センサ４２と、を備えている。本実施形態では、ディスク治具３０のピストンロッド側に荷重センサ４２が取り付けられている。そして、ピストンロッド３８の先端部３８ｔと荷重センサ４２とが連結具４４によって連結されている。

この構成により、接合作業位置でブレードＢとディスクＤとが当接しているときには、ピストンロッド３８の押圧力が変化することにより、ブレードＢにディスクＤを押圧する押圧力が荷重センサ４２を介して変化するようになっている。また、荷重センサ４２は、測定された押圧力を計測信号として制御部２８に送信するようになっている。

（ブレードおよびブレード治具）
ブレードＢは、ブレード本体Ｂｍと、ブレード本体Ｂｍの基端側に形成されたクランプ用の被保持部Ｂｂとを有する。ブレード本体Ｂｍの基端側の端部には、翼長方向Ｘの翼基部側から見て被保持部Ｂｂの内側に位置する摩擦接合用の被接合面Ｂｊが形成されている。この被接合面Ｂｊは、ディスクＤの外周面に配置された突出部Ｄｐの先端側に形成された接合面Ｄｊ（何れも図３参照）に摩擦接合されるものである。

また、ブレードＢは、被保持部Ｂｂの被接合面Ｂｊ側に、被保持部Ｂｂよりも一回り大きい外形の矩形の鍔部Ｂｒを有している。上述した被保持部Ｂｂ及び鍔部Ｂｒは、ディスクＤにブレードＢを摩擦接合した後に、図５に仮想線で示すように、正規のブレードＢの外形が形成されるように切削除去される。

なお、ブレード本体Ｂｍは、腹側が凹、背側が凸の湾曲形状を呈している。また、ブレード本体Ｂｍには、ブレード基部よりもブレード先端の方が、ブレード本体Ｂｍの前縁の位置がブレードＢの回転方向において先行するように、全体に亘って捻りが加えられている。

そして、図３に示すように、ブレード治具２０は、ベースブロック５０と、ブレードＢの被保持部Ｂｂをクランプする上下一対の把持ブロック５２ａ、５２ｂと、クランプ動作駆動源を構成する油圧シリンダ（図示せず）とを備えている。

上述したブレード治具２０には、加振シリンダ１７によって、ブレードＢの翼弦方向Ｙに往復移動する振動力が付与される。加振シリンダ１７は、油圧シリンダ等によって構成することができる。

本実施形態では、ロータリーアクチュエータ３６によるディスクＤの回転や、押圧機構１４によるディスク治具３０のブレード治具２０側への押圧力、加振機構１６によるブレード治具２０への振動力付与等は、制御部２８よって制御される。

（作用、効果）
以下、本実施形態の作用、効果を説明する。本実施形態では、ピストンロッド３８を延び出させることによりディスク治具３０をブレード治具２０側へ移動させる。そして、ディスクＤの中心軸周りの角度を調整し、加振シリンダ１７を上下方向に振動させることでスライダ２２を上下方向に振動させつつ、ピストンロッド３８を延ばしてディスクＤの接合面Ｄｊを接合作業位置でブレード基端側の被接合面Ｂｊに当接させて互いに押圧する。この結果、接合面Ｄｊと被接合面Ｂｊとが上下方向に互いに擦り合わされて摩擦熱が発生し、これらの面を構成する部位が高温になり溶融が生じる。

所定の溶融が生じた後、加振シリンダ１７の振動を停止させてブレードＢの振動を停止することで、接合面Ｄｊを構成する部位と被接合面Ｂｊを構成する部位とが互いに固化し、ブレードＢがディスクＤに接合される。なお、上記の溶融が開始することで、押圧力によりブレードＢがディスクＤ側にやや移動する。

その後、スライダ２２によるブレードＢの保持を解除させ、ピストンロッド３８をやや後退させ、中間待機位置（一のブレードＢのディスクＤへの線形摩擦接合作業が終了して次のブレードＢが配置位置に配置されるまでディスク治具３０が待機している位置）にまでディスク治具３０をスライダ２２に対して後退させる。中間待機位置では、接合されたブレードＢがスライダ２２から離れ、ディスクＤが中心軸周りに回転可能になっている。

そして、ディスクＤを中心軸周りに所定角度だけ回転移動させ、次の突出部Ｄｐの接合面Ｄｊを接合作業位置にまで到達させて回転移動を停止する。この回転移動に併行して、次のブレードＢを上下の把持ブロック５２ａ、５２ｂ（図３参照）でクランプ状態となるように保持させる。

そして、同様にして、加振シリンダ１７で加振しつつ、ピストンロッド３８を延ばしてブレードＢの被接合面ＢｊとディスクＤの接合面Ｄｊとを互いに押圧させることで、摩擦熱を発生させて線形摩擦接合を行う。このようにしてブレードＢをディスクＤに順次に接合していく。

その後、各ブレードＢの被保持部Ｂｂ及び鍔部Ｂｒや、摩擦接合によりバリが生じた被接合面Ｂｊの部分を、エンドミル等を用いて正規のブレード外形となるまで切削除去する。これにより、ディスクＤとブレードＢとを一体化したブリスク（一体型翼車）が完成する。

本実施形態では、加振機構１６（加振シリンダ１７）を、押圧軸Ｐと加振軸Ｑとの交点Ｃよりも下方側に配置している。従って、ブレードＢとディスクＤとの当接点（接合部）と加振軸Ｑとを近づけた構成にし易い（すなわち、ブレードＢとディスクＤとの当接点を通るワーク接合軸Ｖから加振軸Ｑまでの距離Ｌ１を短くした構成にし易い）ので、ブレードＢ（ワーク）に作用するモーメント荷重を低減させた構成にし易い。よって、接合位置精度を高めた線形摩擦接合装置とし易い。このことは、ブレードＢが大型化することでブレードＢの奥行寸法（翼長方向Ｘの長さ）が増大したときに特に大きな効果を奏する。

また、加振機構１６がブレード治具２０に下方から当接するので加振機構１６の高さ位置が従来に比べて大幅に低くなっている。従って、加振機構１６を構成する油圧機器（加振シリンダ１７を振動させる機器など）の位置も低いので、加振機構１６の据え付けやメンテナンスが容易である。その上、従来に比べて線形摩擦接合装置１０の上部に広い配置スペースができるので、誘導加熱を行う加熱コイル等の付帯装置の配置の自由度が上がり、この付帯装置の剛性確保も行い易い。

また、このような構成では、ブレードＢを保持しているブレード治具２０に加振シリンダ１７が直接に当接している。従って、ブレードＢとディスクＤとの当接点（すなわち接合部）から加振軸Ｑまでの距離Ｌ１を短い構成にすることが著しく容易になるので、ブレードＢに作用するモーメント荷重を大幅に小さくして接合位置精度の大幅な高度化を図ることができる。

また、線形摩擦接合装置１０は、ブレード治具２０がブレードＢを非保持のときにスライダ２２の落下を防止する落下防止機構２６を備えている。従って、異なる寸法のブレードＢを接合するにあたってブレード治具２０を別の治具（ブレード治具に限らず他の部材を保持する治具であってもよい）に交換する必要がある場合、ブレード治具２０をスライダ２２から外した際に、スライダ２２が落下することを落下防止機構２６によって防止することができ、交換作業を短時間で容易に行うことができる。

また、落下防止機構２６は、スライダ２２から上方に延び出しているとともに上下方向に長い長孔２６ｈを有する延出し部２６ｅと、長孔２６ｈに挿入され、延出し部２６ｅの下端位置を規制するストッパロッド２６ｓと、ストッパロッド２６ｓを進退させるためのエアシリンダ２６ａとを有する構成にされている。従って、落下防止機構２６の構成を簡素にすることができる。

また、レール３４は、載置位置（ディスクＤを配置するときの位置、および、接合作業が全て完了することで得られたブリスクを取り出すときの位置）から、接合作業位置（ディスクＤとブレードＢとが当接していて線形摩擦接合の作業を行う位置）に至るまで設置されており、搬送台３２がレール３４に案内される構成になっている。従って、各ブレードＢの線形摩擦接合作業を効率良く行っていくことができる。

また、軸受機構２４が油静圧軸受２５を有しているので、大きな押圧力であっても簡単な構成で受け止めることができる。

なお、加振シリンダ１７により振動力を付与する前に、上下の把持ブロック５２ａ、５２ｂに被保持部ＢｂがクランプされたブレードＢの特に被接合面Ｂｊを、摩擦接合に適した温度に加熱してもよい。ブレードＢを加熱する際には、ブレードＢを直接加熱してもよく、ブレード治具２０を介して間接的にブレードＢを加熱してもよい。ブレードＢを加熱するか否かは、ディスクＤやブレードＢに用いる材料、線形摩擦接合装置１０によって行う線形摩擦接合動作の内容、といった条件に応じて、任意に決定することができる。

また、本実施形態では、ブレードＢを根元からディスクＤの接合面Ｄｊに摩擦接合してブリスク（一体型翼車）を新しく製造する場合について説明したが、既に形成されたブリスクでブレードＢの一部が欠けたものを修理する際に、ブレードＢの欠けた部分を切除し補修用の翼部を接合する際にも、同様にして良好に修理することができる。

＜比較検討例＞
図６は、従来の線形摩擦接合装置の一例（以下、従来例という）を説明する正面図である。従来例では、ブレードＢとディスクＤとを互いに押し付ける押圧機構８４と、押圧機構８４の押圧軸Ｐに直交する方向に加振軸Ｑを形成する加振機構８６と、加振機構８６を構成する加振シリンダ８７に吊下げられた油静圧軸受８５と、油静圧軸受８５に固定されてブレードＢを保持するブレード治具９０と、を備えている。

この構成により、従来例では、加振シリンダ８７が油静圧軸受８５を上下方向に振動させることによって、ブレード治具９０を上下方向に振動、すなわちブレードＢを上下方向に振動させ、ディスクＤとの間に摩擦熱を発生させて線形摩擦接合を行っている。

このような従来例では、加振軸Ｑとワーク接合軸Ｖとの距離Ｌ２が大きいので、押圧機構８４からの押圧力をブレードＢおよびブレード治具９０を介して油静圧軸受８５が受け止めることで、ブレードＢに大きなモーメント荷重Ｍ１が加えられる。従って、高い位置精度で接合させ難い。

一方、上記実施形態の線形摩擦接合装置１０では、加振機構１６がブレード治具２０に下方から当接する構成であり、しかも、ブレード治具２０がスライダ２２と加振シリンダ１７との両者に当接して上下方向に振動する構成になっている。従って、加振軸Ｑとワーク接合軸Ｖとを従来例に比べて遥かに近づけた構成であり、ブレードＢに作用するモーメント荷重は、従来例で生じるモーメント荷重Ｍ１に比べて大きく低減している。従って、接合位置精度を大幅に高めた線形摩擦接合装置１０とすることができている。

１０ 線形摩擦接合装置
１４ 押圧機構
１６ 加振機構
１７ 加振シリンダ
２０ ブレード治具（一方保持部材）
２２ スライダ
２４ 軸受機構
２５ 油静圧軸受
２６ 落下防止機構
２６ａ エアシリンダ（ストッパ、規制機構）
２６ｈ 長孔
２６ｅ 延出し部
２６ｓ ストッパロッド（ストッパ、規制機構）
３０ ディスク治具（他方保持部材）
３２ 搬送台
Ｂ ブレード（一方の部材、ブレード）
Ｃ 交点
Ｄ ディスク（他方の部材、ディスク）
Ｐ 押圧軸
Ｑ 加振軸

Claims (3)

1. 一方の部材と他方の部材とを互いに押し付ける押圧機構と、
   該押圧機構の押圧軸に直交する方向に加振軸を形成し、前記一方の部材または前記他方の部材を前記加振軸方向に加振して前記一方の部材と前記他方の部材との相対的な振動移動を生じさせる加振機構と、
   前記一方の部材を保持する一方保持部材と、
   前記一方保持部材を保持して上下方向に移動可能なスライダと、
   前記スライダが受ける前記押圧軸方向の押圧力を受け止める軸受機構と、
   前記一方保持部材が前記一方の部材を非保持のときに前記スライダの落下を防止する落下防止機構と、を備え、
   前記加振機構を前記押圧軸と前記加振軸との交点よりも下方側に配置し、前記加振機構は、前記一方保持部材に下方から当接する加振シリンダを備えていることを特徴とする線形摩擦接合装置。
2. 前記落下防止機構は、
   前記スライダから上方に延び出しているとともに上下方向に長い長孔を有する延出し部と、
   前記長孔に挿入されるストッパを有して前記延出し部の下端位置を規制する規制機構と、で構成されることを特徴とする請求項１に記載の線形摩擦接合装置。
3. 前記押圧機構は、
   前記他方の部材を保持する他方保持部材と、
   前記他方保持部材を載せて固定する搬送台と、
   前記搬送台上に前記他方保持部材を載置する載置位置から線形摩擦接合作業を行う接合作業位置まで前記搬送台を案内するように配置されたレールと、を備えていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の線形摩擦接合装置。

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