JP6701643B2 - 線形摩擦接合装置及び線形摩擦接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属製の接合物同士を接触させ、接合面荷重を掛けた状態で接合物同士を相対変位させる様に加振することで、接合面に生じる摩擦熱により接合する線形摩擦接合装置及び線形摩擦接合方法に関するものである。

同種金属、或は異種金属同士を接合する接合方法として線形摩擦接合（Ｌｉｎｅａｒ Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｗｅｌｄｉｎｇ：ＬＦＷ）がある。線形摩擦接合は、接合物の接合面同士を接触させた状態で、一方の接合物に所定の押付荷重を与えて他方の接合物に押圧させる。又、他方の接合物に所定の加振荷重を与えて一方の接合物の押圧方向と直交する方向に往復移動させる。

往復移動により、金属の接合面に摩擦熱が生じ、接合面及び接合面近傍が塑性状態となると共に、他方の金属に一方の金属が押付けられて接合される。又この時、振動により各金属の接合面近傍にある不純物や酸化物等がバリとして排出されることで、各接合面同士の組成がむらなく均一となり、強固に接合される。

例えば、ガスタービンエンジンのロータや航空機の部材等の強度の向上と軽量化が同時に求められる部材、特にガスタービンエンジンのロータは、塊材からの削出しにより製造するのが一般的である。この為、加工量が多く、加工コストが掛ると共に、削出しの過程で大量の切粉が発生することから、部材のコスト増を招く。

上記したガスタービンエンジンのロータに於いて、ディスクとブレードとが一体化されたブリスクを製造する際に、線形摩擦接合を用いることで、加工コスト、材料コストの低減を図ることができる。

特開２０１２−３５３２５号公報

然し乍ら、線形摩擦接合の開始時には、特に高い加振荷重が必要となることが分っている。該高い加振荷重に対応可能な構成とすると、加振荷重を与えるアクチュエータを大型化させる必要があり、装置自体に高い剛性が要求され、装置の大型化、製造コストの増大を招いていた。

本発明は、線形摩擦接合開始時の加振荷重を抑制する線形摩擦接合装置及び線形摩擦接合方法を提供するものである。

本発明は、第１接合物を保持する第１保持部と、該第１保持部を加振可能な第１アクチュエータと、第２接合物を保持する第２保持部と、前記第２接合物を前記第１接合物に押圧可能な第２アクチュエータと、前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータを駆動制御する制御部とを具備し、該制御部は、前記第１接合物に前記第２接合物を押圧させた状態で、前記第１アクチュエータにより前記第２接合物の軸心と直交する方向に前記第１接合物を加振させると共に、前記第２アクチュエータにより接合開始時から予め設定された低荷重時間だけ第１押付荷重にて前記第２接合物を前記第１接合物に押圧させ、低荷重時間経過後に前記第１押付荷重よりも大きい第２押付荷重にて前記第２接合物を前記第１接合物に押圧させる様制御する線形摩擦接合装置に係るものである。

又本発明は、前記第１押付荷重は、前記低荷重時間の最大加振荷重が、前記低荷重時間経過後の最大加振荷重よりも小さくなる様に設定される線形摩擦接合装置に係るものである。

又本発明は、前記第２アクチュエータの進退量を縮み量として検出する変位量検出手段を更に具備し、該変位量検出手段による予め設定された縮み量の検知に基づき、前記制御部が前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータの駆動を停止させる線形摩擦接合装置に係るものである。

更に又本発明は、第１接合物と第２接合物とを接合させ一体化させる線形摩擦接合方法であって、前記第１接合物に前記第２接合物を押圧させ前記第１接合物を加振させた状態で、前記第２接合物を第１押付荷重で低荷重時間だけ押圧させる第１の工程と、低荷重時間経過後に前記第２接合物を前記第１押付荷重よりも大きい第２押付荷重で押圧させる第２の工程とを有する線形摩擦接合方法に係るものである。

本発明によれば、線形摩擦接合開始時から予め設定された低荷重時間だけ第２アクチュエータによる押付荷重を低減させているので、最も加振荷重を必要とする線形摩擦接合開始時の加振荷重を抑制することができ、第１アクチュエータの小型化、装置自体の小型化が図れると共に、製造コストの低減を図ることができるという優れた効果を発揮する。

本発明の実施例に係る線形摩擦接合装置を示す概略側面図である。 （Ａ）は第１の部材と第２の部材の接合面が接触した状態を示す要部拡大図であり、（Ｂ）は第１の部材と第２の部材が線形摩擦接合により接合された状態を示す要部拡大図である。 第２アクチュエータの押付荷重を一定とした場合の加振荷重を示すグラフである。 第２アクチュエータの押付荷重を可変とした場合の加振荷重を示すグラフである。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、図１に於いて、本発明の実施例に係る線形摩擦接合装置１について説明する。尚、図１中、紙面に対して左側を前方向、紙面に対して右側を後方向としている。

該線形摩擦接合装置１は、前後方向に長いベース２を有している。該ベース２の上面の前端部には第１ヘッド３が設けられ、該第１ヘッド３の後面の上部には第１アクチュエータである第１油圧シリンダ４が鉛直方向に設けられている。

該第１油圧シリンダ４のシリンダロッド５は下方に延出し、該シリンダロッド５の下端にはフランジ６が形成されている。該フランジ６はスライダロッド７のフランジ８とボルト等により固着され、前記スライダロッド７の下端に上下スライダ９が固着されている。

前記第１ヘッド３の後面の下部には、第１ガイド部１１が設けられている。該第１ガイド部１１に前記上下スライダ９が上下方向に移動可能に設けられている。該上下スライダ９には第１チャック部１２が設けられ、該第１チャック部１２に第１接合物１３が保持されている。

而して、前記第１油圧シリンダ４の駆動により、前記上下スライダ９に上下方向の加振荷重が与えられ、前記第１接合物１３が所定の振幅で上下方向に振動する様になっている。

前記ベース２の上面の後端部には第２ヘッド１４が設けられ、該第２ヘッド１４には第２アクチュエータである第２油圧シリンダ１５が水平方向に設けられている。該第２油圧シリンダ１５は前記第２ヘッド１４の後面より突出する様設けられ、前記第２油圧シリンダ１５のシリンダロッド１６は前記第２ヘッド１４を貫通し、該第２ヘッド１４の前面より前方に突出している。

前記シリンダロッド１６の先端にはフランジ１７が形成され、該フランジ１７は前後スライダ１８にボルト等で固着されている。前記ベース２の上面の前記第１ヘッド３と前記第２ヘッド１４との間には、前後方向に延在する第２ガイド部１９が設けられている。前記前後スライダ１８は前記第２ガイド部１９に摺動自在に設けられ、前後方向、即ち前記第１接合物１３に対して近接離反する方向に移動可能となっている。

前記前後スライダ１８の前面には第２チャック部２１が設けられ、該第２チャック部２１に第２接合物２２が保持されている。而して、前記第２油圧シリンダ１５の駆動により、前記前後スライダ１８を介して、前記第２接合物２２が前後方向に移動する様になっている。更に、前記第２油圧シリンダ１５により、前記第１接合物１３と前記第２接合物２２とが当接され、前記第１接合物１３の接合面１３ａと、前記第２接合物２２の接合面２２ａに所要の押圧力が発生される様になっている。尚、本実施例では、前記第１接合物１３と前記第２接合物２２とは同材質となっている。

又、前記第２油圧シリンダ１５は変位量検出手段であるセンサ２３が設けられている。該センサ２３により、前記シリンダロッド１６の進退量、即ち後述する前記第２接合物２２の縮み量が検出可能となっている。

更に、前記線形摩擦接合装置１は制御部２４を有している。該制御部２４は、前記第１油圧シリンダ４と前記第２油圧シリンダ１５の駆動及び発生荷重の制御が可能となっている。前記センサ２３の検出結果は前記制御部２４にフィードバックされる様になっており、該制御部２４は前記センサ２３の検出結果を基に、前記第２油圧シリンダ１５の発生荷重を制御する様になっている。

次に、前記線形摩擦接合装置１の作動について説明する。

前記第１接合物１３を前記第１チャック部１２に取付け、前記第２接合物２２を前記第２チャック部２１に取付ける。次に、前記制御部２４が前記第１油圧シリンダ４を駆動させて前記上下スライダ９を上下動させ、前記第１接合物１３と前記第２接合物２２の上下位置を合せ、前記第１接合物１３の前記接合面１３ａと、前記第２接合物２２の前記接合面２２ａとを対向させる。

各接合面１３ａ，２２ａを対向させると、前記制御部２４が前記第２油圧シリンダ１５を駆動させ、前記前後スライダ１８を前進させて、前記第１接合物１３の前記接合面１３ａと、前記第２接合物２２の前記接合面２２ａとを接触させる（図２（Ａ）参照）。前記制御部２４は、前記第２接合物２２が所定の押付荷重で前記第１接合物１３に押圧される様、前記第２油圧シリンダ１５の駆動を制御する。

前記各接合面１３ａ，２２ａが接触されると、前記制御部２４は、前記第１接合物１３が所定の振幅、所定の周波数で上下方向、即ち前記第２接合物２２の軸心と直交する方向に加振される様、前記第１油圧シリンダ４の駆動を制御する。

図３は、前記第２油圧シリンダ１５の押付荷重を接合中一定、例えばＰとした場合の、前記第１油圧シリンダ４の加振荷重と、時刻と、前記第１接合物１３と前記第２接合物２２の縮み量ｄとの関係を示したグラフである。

尚、図３中、２５は前記第１油圧シリンダ４に掛る一定押付荷重時の最大加振荷重に対する加振荷重の割合を示し、２６は前記第１接合物１３と前記第２接合物２２の一定押付荷重時の最大縮み量に対する縮み量ｄの割合を示している。又、図３中では、線形摩擦接合開始から線形摩擦接合終了迄を、ｓｔａｇｅ０〜ｓｔａｇｅ３の４つのｓｔａｇｅに区分し、各ｓｔａｇｅの処理時間を一定押付荷重時の総接合時間に対する割合で示している。

ｓｔａｇｅ０とｓｔａｇｅ１は、前記各接合面１３ａ，２２ａ間で摺動摩擦により摩擦熱が発生している状態であり、前記第１油圧シリンダ４による加振荷重が摩擦抵抗に起因する過程となっている。ｓｔａｇｅ０は、線形摩擦接合開始時の状態であり、摩擦抵抗により特に大きな加振荷重が必要な過程となっている。尚、大きな加振荷重が必要とされる要因としては、前記各接合面１３ａ，２２ａの表面荒さや面の傾き等、該各接合面１３ａ，２２ａの接触状態が不均一であることが考えられる。ｓｔａｇｅ１は、摺動摩擦により前記各接合面１３ａ，２２ａの状態が平滑となった状態であり、ｓｔａｇｅ０よりも必要な加振荷重が減少する過程となっている。

又、ｓｔａｇｅ２は、前記各接合面１３ａ，２２ａ及び該各接合面１３ａ，２２ａ近傍が摩擦熱により軟化して塑性状態となり始めている状態であり、前記第１油圧シリンダ４による加振荷重が摩擦抵抗と塑性流動抵抗との両方に起因する過程となっている。更に、ｓｔａｇｅ３は、前記各接合面１３ａ，２２ａ及び該各接合面１３ａ，２２ａ近傍が摩擦熱により完全に軟化して塑性状態となっており、前記第１油圧シリンダ４による加振荷重が塑性流動抵抗に起因する過程となっている。

加振による摩擦熱により、前記各接合面１３ａ，２２ａ及び該各接合面１３ａ，２２ａの近傍の温度が上昇する（ｓｔａｇｅ０〜ｓｔａｇｅ１）。摩擦熱による温度上昇により、前記各接合面１３ａ，２２ａ及び該各接合面１３ａ，２２ａ近傍が軟化して塑性状態となる（ｓｔａｇｅ１〜ｓｔａｇｅ２）。

塑性状態となることで、前記第１油圧シリンダ４の加振荷重と、前記第２油圧シリンダ１５の押付荷重により、前記各接合面１３ａ，２２ａ近傍の不純物や酸化物等がバリ２７として周囲に排出される（図２（Ｂ）参照）。又、該バリ２７の排出に伴い、前記第１接合物１３と前記第２接合物２２の前後方向の長さが、縮み量ｄだけ変位する。

縮み量ｄは、前記センサ２３による前記第２油圧シリンダ１５の前記シリンダロッド１６の突出量として検出されている。前記第１油圧シリンダ４による加振と、前記第２油圧シリンダ１５による押付けは、縮み量ｄが予め設定された設定値となる迄、即ち前記第１接合物１３と前記第２接合物２２が完全に接合される迄続行される（ｓｔａｇｅ２〜ｓｔａｇｅ３）。

縮み量ｄの設定値への到達が前記センサ２３により検出されると、前記制御部２４は、前記第１接合物１３と前記第２接合物２２の上下位置を合わせた状態で、前記第１油圧シリンダ４による加振及び前記第２油圧シリンダ１５による押付けを停止させる。以上の処理により前記第１接合物１３と前記第２接合物２２が一体化されて線形摩擦接合が完了する。

図３に示される様に、前記第２油圧シリンダ１５による押付荷重を一定とした場合、前記各接合面１３ａ，２２ａの不均一な接触等により、線形摩擦接合開始時、即ちｓｔａｇｅ０に於いて、ｓｔａｇｅ１〜ｓｔａｇｅ３に於ける最大加振荷重よりも大きな加振荷重が必要となる。この為、ｓｔａｇｅ０に於ける加振荷重を付与可能な前記第１油圧シリンダ４が必要となる。

そこで、本実施例では、前記第２油圧シリンダ１５による押付荷重を可変とし、ｓｔａｇｅ０に於いては押付荷重を低荷重とし、加振荷重の急激な増大を抑制している。以下、図４を参照して本実施例の前記第２油圧シリンダ１５による押付荷重を可変とする場合について説明する。

図４中では、線形摩擦接合開始時から予め設定された低荷重時間、例えば０．３〜０．６（図４中では０．３）を経過する迄、前記第２油圧シリンダ１５による押付荷重を低荷重としている。低荷重時間に前記第２油圧シリンダ１５が付与する押付荷重は低荷重、例えばＰ／３となっている。以下、低荷重時間に付与される低荷重の押付荷重を第１押付荷重と称す。

低荷重時間経過後は、前記第２油圧シリンダ１５による押付荷重を、第１押付荷重から第２押付荷重、例えばＰへと増大させる。前記第２油圧シリンダ１５の押付荷重をＰとした後の前記第１接合物１３と前記第２接合物２２の挙動については、図３の場合と同様であるので説明を省略する。

尚、低荷重時間としては、例えば前記第２油圧シリンダ１５の押付荷重を異ならせて一定荷重での線形摩擦接合を複数回行い、各条件でのｓｔａｇｅ０の時間を検出する。検出されたｓｔａｇｅ０の時間は全て異なっており、全てのｓｔａｇｅ０の時間よりも長い所定の時間を低荷重時間として設定する。

或は、第１押付荷重の値と、第１押付荷重での接合時間とを変更して線形摩擦接合を行い、第１押付荷重から第２押付荷重に移行させた時の加振荷重の増大がｓｔａｇｅ１〜ｓｔａｇｅ３に於ける最大加振荷重を越えない条件、即ち第１押付荷重の値と低荷重時間を設定する。

ｓｔａｇｅ０及びｓｔａｇｅ１に於ける加振荷重は、前記各接合面１３ａ，２２ａの摩擦抵抗に起因するものであるので、ｓｔａｇｅ０及びｓｔａｇｅ１に於いて、前記第２油圧シリンダ１５による押付荷重を低減させることで、加振荷重が減少する。特に図４に示される様に、ｓｔａｇｅ０の線形摩擦接合開始直後の加振荷重を抑制することができる。

上述の様に、本実施例では、線形摩擦接合開始時から予め設定された低荷重時間だけ、前記第２油圧シリンダ１５による押付荷重を低減させ、前記第１油圧シリンダ４に掛る加振荷重を低減させているので、最も大きい加振荷重を必要とするｓｔａｇｅ０の加振荷重を抑制し、ｓｔａｇｅ１〜ｓｔａｇｅ３の中の最大加振荷重よりも小さくすることができる。

従って、前記第１油圧シリンダ４は、ｓｔａｇｅ１〜ｓｔａｇｅ３に於ける最大加振荷重を付与可能な大きさであればよいので、前記第１油圧シリンダ４を小型化でき、又前記線形摩擦接合装置１自体の小型化が図れると共に剛性を低くでき、製造コストの低減を図ることができる。

又、前記第２油圧シリンダ１５に前記シリンダロッド１６の進退量を検出する前記センサ２３を設けているので、前記第１接合物１３と前記第２接合物２２の縮み量ｄを検出することができ、前記第１接合物１３と前記第２接合物２２の接合完了を容易に検出することができる。

又、低荷重時間に於いて前記第２油圧シリンダ１５による押付荷重を低下させることで、線形摩擦接合処理に要する時間が増加しているが、増加量は僅かであるので、前記第２油圧シリンダ１５の押付荷重を一定とした場合と同程度の品質を保持することができる。

尚、低荷重時間に於ける前記第２油圧シリンダ１５による押付荷重（第１押付荷重）は、Ｐ／３に限られるものではなく、ｓｔａｇｅ０の最大加振荷重がｓｔａｇｅ１〜ｓｔａｇｅ３に於ける最大加振荷重よりも小さくなれば他の値であってもよい。又、低荷重時間に於ける第１押付荷重は、前記第１接合物１３や前記第２接合物２２の材質、前記第１接合物１３の前記接合面１３ａや前記第２接合物２２の前記接合面２２ａの状態等により、適宜設定されるものである。

又、低荷重時間についても、０．３〜０．６に限られるものではなく、第１押付荷重から第２押付荷重へと移行した際に、加振荷重がｓｔａｇｅ１〜ｓｔａｇｅ３に於ける最大加振荷重を越えなければよい。又、ｓｔａｇｅ０の時間は各条件に於いて再現性を有することから、各条件毎に低荷重時間を設定してもよい。各条件毎に最適の低荷重時間を設定することで、線形摩擦接合の処理時間を短縮することができ、より品質の向上を図ることができる。

又、本実施例では、前記第１油圧シリンダ４を鉛直方向に設け前記第１接合物１３を上下方向に加振しているが、該第１接合物１３の加振方向は前記第２接合物２２の軸心と直交する方向であればよいので、例えば前記第１油圧シリンダ４を図１中紙面に対して垂直に設け、前記第１接合物１３を水平方向に加振してもよい。

１ 線形摩擦接合装置 ４ 第１油圧シリンダ
９ 上下スライダ １２ 第１チャック部
１３ 第１接合物 １５ 第２油圧シリンダ
１８ 前後スライダ ２１ 第２チャック部
２２ 第２接合物 ２３ センサ
２４ 制御部

Claims (4)

1. 第１接合物を保持する第１保持部と、該第１保持部を加振可能な第１アクチュエータと、第２接合物を保持する第２保持部と、前記第２接合物を前記第１接合物に押圧可能な第２アクチュエータと、前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータを駆動制御する制御部とを具備し、該制御部は、予め条件を異ならせて前記第１接合物と前記第２接合物との接合を複数回行い、各接合時にそれぞれ得られた前記第１接合物と前記第２接合物の接触状態の不均一を平滑とする為に必要な時間よりも長く、前記第１接合物と前記第２接合物の接合面が塑性状態となり始める迄の時間よりも短い所定の時間を低荷重時間として予め設定し、前記第１接合物に前記第２接合物を押圧させた状態で、前記第１アクチュエータにより前記第２接合物の軸心と直交する方向に前記第１接合物を加振させると共に、前記第２アクチュエータにより接合開始時から前記低荷重時間だけ第１押付荷重にて前記第２接合物を前記第１接合物に押圧させ、前記低荷重時間経過後に前記第１押付荷重よりも大きい第２押付荷重にて前記第２接合物を前記第１接合物に押圧させる様制御する線形摩擦接合装置。
2. 前記第１押付荷重は、前記低荷重時間の最大加振荷重が、前記低荷重時間経過後の最大加振荷重よりも小さくなる様に設定される請求項１に記載の線形摩擦接合装置。
3. 前記第２アクチュエータの進退量を縮み量として検出する変位量検出手段を更に具備し、該変位量検出手段による予め設定された縮み量の検知に基づき、前記制御部が前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータの駆動を停止させる請求項１又は請求項２に記載の線形摩擦接合装置。
4. 第１接合物と第２接合物とを接合させ一体化させる線形摩擦接合方法であって、予め条件を異ならせて前記第１接合物と前記第２接合物との接合を複数回行い、各接合時にそれぞれ得られた前記第１接合物と前記第２接合物の接触状態の不均一を平滑とする為に必要な時間よりも長く、前記第１接合物と前記第２接合物の接合面が塑性状態となり始める迄の時間よりも短い所定の時間を低荷重時間として予め設定し、前記第１接合物に前記第２接合物を押圧させ前記第１接合物を加振させた状態で、前記第２接合物を第１押付荷重で前記低荷重時間だけ押圧させる第１の工程と、前記低荷重時間経過後に前記第２接合物を前記第１押付荷重よりも大きい第２押付荷重で押圧させる第２の工程とを有する線形摩擦接合方法。

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