JP6699435B2 - 円筒状部材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、円筒状部材の製造方法に関する。

例えば、特許文献１には、平板上の金属板を丸めつつ、端面同士を突き合わせて形成された突合せ部に対して摩擦攪拌接合を行い、円筒状部材を製造する方法が開示されている。当該従来技術の摩擦攪拌工程では、裏当て治具に形成された平面部を突合せ部の内周面側に配置し、突合せ部の外周面側から突合せ部に沿って回転する回転ツールを相対移動させる。

ここで、金属板を丸めて端面同士を突き合わせると、端面間にＶ字状の隙間が不可避的に形成されてしまうため、摩擦攪拌工程を行う際に接合部が金属不足になるという問題がある。しかし、当該従来技術のように、裏当て治具の平面部上で端面同士を突き合わせることにより、突合せ部にＶ字状の隙間が形成されるのを防ぐことができる。

特許第５９２０８２６号公報

ところが、当該従来技術であると、裏当て治具の平面部上で摩擦攪拌接合を行うため、接合部が平坦になってしまう。そのため、製造された円筒状部材に平坦な部位が形成されてしまい、円筒状部材を断面円形にするのが困難になるという問題がある。

そこで、本発明は、接合部の金属不足を防ぐとともに、断面を円形に近づけることができる円筒状部材の製造方法を提供することを課題とする。

このような課題を解決するために本発明は、攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて円筒状部材を製造する方法であって、平板状の金属板を丸めて円筒状被接合部材を形成するとともに、端面同士を突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、裏当て治具に形成された曲面部を、前記突合せ部の内周面側に配置するとともに、前記突合せ部の外周面側に前記円筒状被接合部材に沿うように補助部材を配置する補助部材配置工程と、回転する前記攪拌ピンを前記補助部材の表面側から挿入し、前記攪拌ピンのみを前記円筒状被接合部材及び前記補助部材に接触させた状態で、前記突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記突合せ部を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌工程と、バリが形成された前記補助部材を前記円筒状被接合部材から除去する除去工程と、を含み、前記補助部材配置工程では、前記補助部材を前記突合せ部を挟んで一方側に配置しつつ、前記摩擦攪拌工程後に他方側に前記補助部材が残存しない程度に他方側にわずかに突出するように配置し、前記摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌接合で発生するバリが、前記一方側の前記補助部材に形成されるように接合条件を設定することを特徴とする。

かかる製造方法によれば、曲面部を備えた裏当て治具を配置して突合せ部を摩擦攪拌接合するため、円筒状部材の断面を円形に近づけることができる。また、突合せ部にはＶ字状の隙間が形成されるが、円筒状被接合部材に補助部材を配置した状態で摩擦攪拌接合を行うため、接合部が金属不足になるのを防ぐことができる。また、摩擦攪拌工程では、攪拌ピンのみを円筒状被接合部材及び補助部材に接触させた状態で接合するため、摩擦攪拌装置にかかる負荷を軽減することができる。また、かかる製造方法によれば、バリを補助部材ごと容易に除去することができる。また、かかる製造方法によれば、接合部の金属不足をバランスよく防ぐことができるとともに、接合部に対して一方側のみに残存する補助部材を除去するだけでよいため、除去作業を容易に行うことができる。

本発明に係る円筒状部材の製造方法によれば、接合部の金属不足を防ぐとともに、円筒状部材の断面を円形に近づけることができる。

本発明の第一実施形態に係る円筒状部材の製造方法の準備工程を示す斜視図である。 第一実施形態に係る円筒状部材の製造方法の突合せ工程を示す斜視図である。 第一実施形態に係る円筒状部材の製造方法の補助部材配置工程を示す断面図である。 第一実施形態に係る円筒状部材の製造方法のタブ材配置工程を示す斜視図である。 第一実施形態に係る円筒状部材の製造方法の摩擦攪拌工程を示す斜視図である。 第一実施形態に係る円筒状部材の製造方法の摩擦攪拌工程を示す断面図である。 第一実施形態に係る円筒状部材の製造方法の除去工程を示す断面図である。 本発明の第二実施形態に係る円筒状部材の製造方法の補助部材配置工程を示す断面図である。 第二実施形態に係る円筒状部材の製造方法の摩擦攪拌工程を示す断面図である。 第二実施形態に係る円筒状部材の製造方法の除去工程を示す断面図である。

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態に係る円筒状部材の製造方法について図面を参照して詳細に説明する。本実施形態に係る接合方法では、準備工程と、突合せ工程と、補助部材配置工程と、タブ材配置工程と、摩擦攪拌工程と、除去工程と、を行う。なお、以下の説明における「表面」とは、「裏面」の反対側の面という意味である。

準備工程は、図１に示すように、金属板１及び裏当て治具Ｋを用意する工程である。金属板１は、板状部材である。金属板１の材料は、摩擦攪拌可能な金属であれば特に制限されないが、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金等から適宜選択すればよい。

裏当て治具Ｋは、摩擦攪拌工程の際に接合部の裏当てとして配置される治具である。裏当て治具Ｋは、金属板１よりも長尺の部材であって、上面に断面円弧状を呈する曲面部Ｋ１が形成されている。曲面部Ｋ１の曲率半径は、製造される円筒状部材の曲率半径に応じて適宜設定すればよいが、製造される円筒状部材の曲率半径と略同等に形成されていることが好ましい。

突合せ工程は、図２に示すように、金属板１を丸めつつ、金属板１の端面１ａ，１ｂを突き合わせて突合せ部Ｊ１を形成する工程である。金属板１を丸めて形成された部材を円筒状被接合部材１Ａと言う。突合せ工程では、円筒状被接合部材１Ａの内周面に当接するように裏当て治具Ｋを配置するとともに、裏当て治具Ｋの曲面部Ｋ１上に沿って突合せ部Ｊ１を位置させる。突合せ部Ｊ１には、断面Ｖ字状の隙間Ｓが、長手方向に沿って不可避的に形成される。なお、溶接又は摩擦攪拌によって突合せ部Ｊ１に対して仮接合を行ってもよい。仮接合を行うことで、摩擦攪拌工程を容易に行うことができるとともに、突合せ部Ｊ１の目開きを防ぐことができる。

補助部材配置工程は、図２及び図３に示すように、突合せ部Ｊ１を覆うように補助部材１０を配置する工程である。補助部材１０は、長尺の板状部材である。補助部材１０は、円筒状被接合部材１Ａと同じ曲率半径で湾曲して形成されている。補助部材１０の材料は、摩擦攪拌可能な金属であればよいが、本実施形態では円筒状被接合部材１Ａと同じ材料で形成されている。補助部材配置工程によって、補助部材１０の裏面１０ｂは、円筒状被接合部材１Ａの外周面に沿って面接触する。補助部材１０の板厚は、摩擦攪拌工程後に接合部（塑性化領域Ｗ）に金属不足が発生しない程度に適宜設定する。

タブ材配置工程は、図４に示すように、突合せ部Ｊ１の両端にタブ材Ｔ，Ｔを配置する工程である。タブ材Ｔは、湾曲形成された短尺の板状部材であって、円筒状被接合部材１Ａの板厚と同じ板厚で形成されている。タブ材Ｔの曲率半径は、円筒状被接合部材１Ａの曲率半径と同一となるように形成されている。タブ材Ｔは、円筒状被接合部材１Ａと同じ材料で形成されている。タブ材配置工程では、タブ材Ｔを裏当て治具Ｋの曲面部Ｋ１に配置するとともに、タブ材Ｔの端面を円筒状被接合部材１Ａの端面に当接させる。タブ材Ｔと円筒状被接合部材１Ａとは溶接又は摩擦攪拌によって仮接合する。タブ材Ｔの表面と円筒状被接合部材１Ａの外周面とは面一になる。

摩擦攪拌工程は、突合せ部Ｊ１に対して接合用回転ツールＦを用いて摩擦攪拌接合を行う工程である。接合用回転ツールＦは、特許請求の範囲の「回転ツール」に相当する。接合用回転ツールＦは、例えば工具鋼で形成されている。連結部Ｆ１は、摩擦攪拌装置の回転軸（図示省略）に連結される部位である。連結部Ｆ１は円柱状を呈している。

攪拌ピンＦ２は、連結部Ｆ１から垂下しており、連結部Ｆ１と同軸になっている。攪拌ピンＦ２は連結部Ｆ１から離間するにつれて先細りになっている。攪拌ピンＦ２の外周面には螺旋溝が刻設されている。本実施形態では、接合用回転ツールＦを右回転させるため、螺旋溝は、基端から先端に向かうにつれて左回りに形成されている。

なお、接合用回転ツールＦを左回転させる場合は、螺旋溝を基端から先端に向かうにつれて右回りに形成することが好ましい。螺旋溝をこのように設定することで、摩擦攪拌の際に塑性流動化した金属が螺旋溝によって攪拌ピンＦ２の先端側に導かれる。これにより、被接合金属部材（円筒状被接合部材１Ａ及び補助部材１０）の外部に溢れ出る金属の量を少なくすることができる。なお、螺旋溝は省略してもよい。

摩擦攪拌工程では、一方のタブ材Ｔに設定した開始位置Ｓｐに右回転させた接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を挿入し、補助部材１０側に相対移動させる。補助部材１０に突入したら、そのまま突合せ部Ｊ１をなぞるようにして接合用回転ツールＦを相対移動させる。摩擦攪拌工程では、図６に示すように、連結部Ｆ１は補助部材１０に接触させず、攪拌ピンＦ２の基端側を露出させた状態で摩擦攪拌接合を行う。攪拌ピンＦ２の挿入深さは適宜設定すればよいが、突合せ部Ｊ１の深さ方向の全体が摩擦攪拌接合されるように設定することが好ましい。接合用回転ツールＦが他方のタブ材Ｔに達したら、接合用回転ツールＦをタブ材Ｔから離脱させる。

図７に示すように、摩擦攪拌工程後は、接合用回転ツールＦの移動軌跡に沿って塑性化領域Ｗが形成される。また、補助部材１０の表面１０ａにはバリＶが形成される。摩擦攪拌工程が終了したら、タブ材Ｔ，Ｔ及び裏当て治具Ｋを円筒状被接合部材１Ａから取り除く。

除去工程は、円筒状被接合部材１Ａの外周面から補助部材１０を除去する工程である。除去工程では、塑性化領域Ｗを挟んで両側に残存する補助部材１０を折り曲げるようにして、切除する。除去工程は、切削装置等を用いてもよいが、本実施形態では手作業で行っている。

以上説明した本実施形態に係る円筒状部材の製造方法によれば、曲面部Ｋ１を備えた裏当て治具Ｋを配置して突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌接合するため、円筒状部材の断面を円形に近づけることができる。つまり、曲面部Ｋ１上で摩擦攪拌接合を行うため、製造される円筒状部材に平端部が形成されるのを防ぐことができる。また、突合せ工程において突合せ部Ｊ１にはＶ字状の隙間Ｓが形成されるが、円筒状被接合部材１Ａに補助部材１０を配置した状態で摩擦攪拌接合を行うため、接合部（塑性化領域Ｗ）が金属不足になるのを防ぐことができる。

また、摩擦攪拌工程では、攪拌ピンＦ２のみを円筒状被接合部材１Ａ及び補助部材１０に接触させた状態で接合するため、摩擦攪拌装置にかかる負荷を軽減することができる。また、除去工程では、バリＶを補助部材１０ごと除去するため、バリＶを容易に除去することができるとともに、別途バリ切除工程を行わなくとも、円筒状部材の外周面をきれいに仕上げることができる。

また、タブ材Ｔ，Ｔを用いて摩擦攪拌工程を行うことにより、突合せ部Ｊ１の全長に亘って摩擦攪拌接合を行うことができる。また、タブ材Ｔ，Ｔを用いることで、摩擦攪拌工程において接合用回転ツールＦの開始位置と終了位置を容易に設定することができる。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態に係る円筒状部材の製造方法について説明する。第二実施形態に係る円筒状部材の製造方法では、主に補助部材１０の配置位置が第一実施形態と相違する。第二実施形態に係る円筒状部材の製造方法では、準備工程と、突合せ工程と、補助部材配置工程と、タブ材配置工程と、摩擦攪拌工程と、除去工程とを行う。第二実施形態では、第一実施形態と相違する部分を中心に説明する。

準備工程及び突合せ工程は、第一実施形態と同一であるため、説明を省略する。補助部材配置工程は、図８に示すように、円筒状被接合部材１Ａに補助部材１０を配置する工程である。補助部材配置工程では、接合中心線Ｘ（突合せ部Ｊ１を通る鉛直線）を境にして、補助部材１０の裏面１０ｂと円筒状被接合部材１Ａとの接触面積が異なるように配置する。つまり、補助部材配置工程では、補助部材１０の裏面１０ｂと円筒状被接合部材１Ａとの接触面積が、他方側（接合中心線Ｘよりも左側）に比べて、一方側の方が大きくなるように配置する。言い換えると、補助部材配置工程では、補助部材１０の端面１０ｃが、接合中心線Ｘに対して、他方側（接合中心線Ｘよりも左側）にわずかに突出するように配置する。接合中心線Ｘから補助部材１０の端面１０ｃまでの距離は、後記する摩擦攪拌工程の後に、接合部（塑性化領域Ｗ）に金属不足が発生せず、かつ、他方側に補助部材１０が残存しない程度に設定することが好ましい。タブ部材配置工程は、第一実施形態と同一であるため説明を省略する。

摩擦攪拌工程では、図９に示すように、接合用回転ツールＦを用いて突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌接合する工程である。摩擦攪拌工程では、接合中心線Ｘと接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｃとが重なるようにして、右回転させた接合用回転ツールＦを相対移動させる。本実施形態では、図９の紙面手前側から奥側に向けて接合用回転ツールＦを相対移動させる。

つまり、本実施形態では、接合用回転ツールＦのシアー側（advancing side：回転ツールの外周における接線速度に回転ツールの移動速度が加算される側）が他方側（接合中心線Ｘよりも左側）となるように接合用回転ツールＦの移動方向と回転方向を設定している。接合用回転ツールＦの回転方向及び進行方向は前記したものに限定されるものではなく適宜設定すればよい。

例えば、接合用回転ツールＦの回転速度が遅い場合では、フロー側（retreating side：回転ツールの外周における接線速度から回転ツールの移動速度が減算される側）に比べてシアー側の方が塑性流動材の温度が上昇しやすくなるため、塑性化領域Ｗ外のシアー側にバリＶが多く発生する傾向にある。一方、例えば、接合用回転ツールＦの回転速度が速い場合、シアー側の方が塑性流動材の温度が上昇するものの、回転速度が速い分、塑性化領域Ｗ外のフロー側にバリＶが多く発生する傾向にある。

本実施形態では、接合用回転ツールＦの回転速度を速く設定しているため、図９に示すように、塑性化領域Ｗ外のフロー側にバリＶが多く発生する傾向にある。つまり、一方側（接合中心線Ｘに対して補助部材１０が円筒状被接合部材１Ａと多く面接触している側）の補助部材１０にバリＶを集約させることができる。また、接合用回転ツールＦの回転速度を速く設定することにより、接合用回転ツールＦの移動速度（送り速度）を高めることができる。これにより、接合サイクルを短くすることができる。

摩擦攪拌工程の際に、接合用回転ツールＦの進行方向のどちら側にバリＶが発生するかは接合条件によって異なる。当該接合条件とは、接合用回転ツールＦの回転速度、回転方向、移動速度（送り速度）、攪拌ピンＦ２の傾斜角度（テーパー角度）、円筒状被接合部材１Ａ及び補助部材１０の材質、補助部材１０の厚さ等の各要素とこれらの要素の組合せで決定される。接合条件に応じて、バリＶが発生する側又はバリＶが多く発生する側が、接合中心線Ｘに対して補助部材１０が円筒状被接合部材１Ａと多く面接触している側となるように設定すれば、後記する除去工程を容易に行うことができるため好ましい。

除去工程は、図１０に示すように、円筒状被接合部材１Ａの外周面から補助部材１０を除去する工程である。除去工程では、接合中心線Ｘを挟んで一方側に残存する補助部材１０を折り曲げるようにして、切除する。除去工程は、切削装置等を用いてもよいが、本実施形態では手作業で行っている。

第二実施形態に係る円筒状部材の製造方法によっても第一実施形態と略同等の効果を奏することができる。また、摩擦攪拌工程において残存する補助部材１０にバリＶを集約することができるため、除去工程ではバリＶを補助部材１０ごと容易に除去することができる。また、第二実施形態では、接合中心線Ｘに対して他方側にわずかに突出させるようにして補助部材１０を配置しているため、接合部（塑性化領域Ｗ）をバランス良く接合することができるとともに、接合中心線Ｘに対して片側のみに残存する補助部材１０を除去すればよいため、除去工程をより容易に行うことができる。

以上本発明の円筒状部材の製造方法について説明したが、本発明の趣旨に反しない範囲において適宜設計変更が可能である。例えば、突合せ工程では、端面１ａ，１ｂを突き合わせた際に断面Ｖ字状の隙間Ｓが形成されないように、端面１ａ，１ｂを斜めにカットしてもよい。また、本実施形態では、接合中心線Ｘを挟んで両側において補助部材１０と円筒状被接合部材１Ａとが接触するように補助部材１０を配置したが、接合中心線Ｘに対して片側のみにおいて円筒状被接合部材１Ａと補助部材１０とが接触するように補助部材１０を配置してもよい。また、タブ材配置工程は、省略してもよい。

１ 金属板
１Ａ 円筒状被接合部材
１０ 補助部材
Ｆ 接合用回転ツール（回転ツール）
Ｆ１ 連結部
Ｆ２ 攪拌ピン
Ｊ１ 突合せ部
Ｋ 裏当て治具
Ｋ１ 曲面部
Ｖ バリ
Ｗ 塑性化領域

Claims (1)

1. 攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて円筒状部材を製造する方法であって、
   平板状の金属板を丸めて円筒状被接合部材を形成するとともに、端面同士を突き合わせて突合せ部を形成する突合せ工程と、
   裏当て治具に形成された曲面部を、前記突合せ部の内周面側に配置するとともに、前記突合せ部の外周面側に前記円筒状被接合部材に沿うように補助部材を配置する補助部材配置工程と、
   回転する前記攪拌ピンを前記補助部材の表面側から挿入し、前記攪拌ピンのみを前記円筒状被接合部材及び前記補助部材に接触させた状態で、前記突合せ部に沿って前記回転ツールを相対移動させて前記突合せ部を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌工程と、
   バリが形成された前記補助部材を前記円筒状被接合部材から除去する除去工程と、を含み、
   前記補助部材配置工程では、前記補助部材を前記突合せ部を挟んで一方側に配置しつつ、前記摩擦攪拌工程後に他方側に前記補助部材が残存しない程度に他方側にわずかに突出するように配置し、
   前記摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌接合で発生するバリが、前記一方側の前記補助部材に形成されるように接合条件を設定することを特徴とする円筒状部材の製造方法。

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