JP6704996B2 - 摩擦圧接方法及び摩擦圧接装置 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦圧接方法及び摩擦圧接装置に関する。

ワーク同士を接合する方法として、特許文献１、特許文献２に示すように、摩擦圧接方法が広く知られている。この摩擦圧接方法においては、両ワークの端面同士を押圧力の付与状態の下で互いに当接させつつ相対回転させることにより該両ワークの接合界面に摩擦熱を発生させ（摩擦過程）、その後、両ワークの相対回転を停止させた上で該両ワークにアプセット圧力を加えることにより該両ワーク同士を一体化することとされる（アプセット過程）。これにより、この摩擦圧接方法を用いれば、摩擦熱以外に熱源が必要でなくなり、溶接棒やフラックスを用いることも必要でなくなる。

特開平９−４７８８５号公報 特開平１１−１５６５６２号公報

しかし、上記摩擦圧接方法においては、加工中に、一方のワークが他方のワークに対して曲がった状態で接合される現象が生じることがあり、その現象を確実に防止することが必要となっている。

本発明は、このような事情に鑑み、押圧力とワークの端面状態とに着目してなされたもので、その第１の目的は、摩擦過程を適正に行うことを確保しつつ、一方のワークと他方のワークとを曲げた関係にすることなく的確に接合できる摩擦圧接方法を提供することにある。
第２の目的は、前記摩擦圧接方法を具体的に利用した摩擦圧接装置を提供することにある。

前記第１の目的を達成するために本発明にあっては、下記（１）〜（５）をもって構成されている。
（１）一方のワークの端面と他方のワークの端面とを押圧力の付与状態の下で互いに当接させつつ相対回転させることにより該両ワークの接合界面に摩擦熱を発生させ、続いて、前記両ワークの相対回転を停止させた上で該両ワークにアプセット圧力を加える摩擦圧接方法において、
前記一方のワークの端面と前記他方のワークの端面との当接の際に、前記押圧力として、該一方のワークが該他方のワークに対して曲がりを生じる曲がり押圧力の下限値に達しないものを用いると共に、前記摩擦熱を、該押圧力と前記両ワーク同士の相対回転とにより、該ワーク端面同士間に塑性変形を生じさせるものとする構成とされている。
この構成によれば、一方のワークの端面と他方のワークの端面との当接の際に、一方のワークが他方のワークに対して曲がりを生じる要素として、押圧力と両ワークの端面状態とにあることに着目し、その両ワークの端面同士の当接の際、押圧力として、一方のワークが他方のワークに対して曲がりを生じる曲がり押圧力の下限値に達しないものを用いることから、両ワークの端面状態の影響を最も受け易いときであっても、押圧力の調整（低下）により、一方のワークと他方のワークとが曲がり状態になることを防止できる。その一方で、同時に、摩擦熱を、上記押圧力とワーク同士の相対回転とにより、両ワーク端面同士間に塑性変形を生じさせるものとすることから、両ワークの端面状態自体を、一方のワークと他方のワークとにおいて、曲がり現象を生じさせる存在でないものに修正することができ、以後、押圧力を、両ワークの端面同士の当接の際の押圧力よりも高めることができ、摩擦過程に必要な摩擦熱を確保できる。このため、摩擦過程を適正に行うことを確保しつつ、一方のワークと他方のワークとを曲げた関係にすることなく的確に接合できる摩擦圧接方法を提供できる。

（２）前記（１）の構成の下で、
前記一方のワークの端面と前記他方のワークの端面との当接の際に、前記押圧力として、前記摩擦熱を生じさせない領域の上限値よりも前記曲がり押圧力の下限値に近いものを用いる構成とされている。
この構成によれば、降伏応力が大きいほどその降伏応力にする温度が低くなることを利用して、押圧力を許容できる限り大きくすることにより両ワークの端面間部分を迅速に塑性変形させることができる。このため、両ワークの端面状態の修正処理を迅速に終えることができる。

（３）前記（１）の構成の下で、
前記両ワークの端面同士が当接した後、少なくとも前記押圧力を、前記両ワークの端面同士の当接の際のものよりも高めて、前記摩擦熱を、該両ワークの端面同士の当接の際のものよりも高める構成とされている。
この構成によれば、両ワークの端面同士の当接の際に、その両ワークに曲がり関係が生じることを防ぎつつ、本来の摩擦過程に移行することができ、両ワークを曲げた関係にすることなく的確に接合できる。

（４）前記（３）の構成の下で、
前記両ワークの端面同士が当接した後、前記両ワークの相対回転数についても、該両ワークの端面同士の当接の際のものよりも高める構成とされている。
この構成によれば、押圧力だけでなく、両ワークの相対回転数をも高めて、摩擦熱の発生を増大させることができ、両ワークの端面同士の当接の際に特有の処理を行う場合であっても、摩擦過程において必要となる摩擦熱を確実に発生させることができる。

（５）前記（１）の構成の下で、
前記両ワークの相対回転数を、前記摩擦熱を発生させる間、一定に維持する構成とされている。
この構成によれば、摩擦過程の全域に亘って、両ワークの相対回転数を単一の回転数（定常状態）にすることができ、摩擦過程を適正に行うことを確保しつつ、一方のワークと他方のワークとを曲げた関係にすることなく的確に接合できるだけでなく、回転数制御の簡素化を図ることができる。

前記第２の目的を達成するために本発明にあっては、下記（６）〜（９）をもって構成されている。
（６）一方のワークの端面と他方のワークの端面とを押圧力の付与状態の下で互いに当接させつつ相対回転させることにより該両ワークの接合界面に摩擦熱を発生させ、続いて、前記両ワークの相対回転を停止させた上で該両ワークにアプセット圧力を加える摩擦圧接装置において、
ワークを保持するチャック部がそれぞれ備えられ、該両チャック部が対向するようにして配置される一対の保持装置と、
前記一対の保持装置の少なくとも一方に対して駆動可能に関連付けられ、該一対の各保持装置のチャック部にそれぞれ保持されたワークを相対的に近づく方向に移動させる移動用駆動源と、
前記一対の各保持装置におけるチャック部の少なくとも一方に回転駆動可能に関連付けられ、該両チャック部に保持されたワークを相対回転させる回転駆動源と、
前記一対の各保持装置におけるチャック部に保持されるワークの端面同士が押圧し合う押圧力を検出する押圧力検出部と、
前記押圧力検出部からの情報に基づき、前記一対の各保持装置のチャック部に保持されたワークの端面同士が当接した際に、前記移動用駆動源と前記回転駆動源とを制御して、該両ワークの端面同士が押圧し合う押圧力を、該両ワークに曲がりを生じさせる曲がり押圧力の下限値に達しないものにすると共に、該両ワーク端面間に生じる摩擦熱を、該押圧力と前記両ワーク同士の相対回転数とにより、該両ワーク端面同士間に塑性変形を生じさせるものとする制御ユニットと、
を備えている構成とされている。
この構成によれば、前記（１）に係る摩擦圧接方法を使用する装置を具体的に提供できる。

（７）前記（６）の構成の下で、
前記制御ユニットは、前記一対の各保持装置のチャック部に保持されたワークの端面同士が当接した際に、前記移動用駆動源を制御して、該両ワークの端面同士が押圧し合う押圧力を、前記摩擦熱を生じさせない領域の上限値よりも前記曲がり押圧力の下限値に近いものとするように設定されている構成とされている。
この構成によれば、前記（２）に係る摩擦圧接方法を使用する装置を具体的に提供できる。

（８）前記（６）の構成の下で、
前記制御ユニットは、前記移動用駆動源を制御して、前記両ワークの端面同士が当接した後に、少なくとも、該両ワークの端面同士が押圧し合う押圧力を、該両ワークの端面同士の当接の際のものよりも高めるように設定されている構成とされている。
この構成によれば、前記（３）に係る摩擦圧接方法を使用する装置を具体的に提供できる。

（９）前記（６）の構成の下で、
前記制御ユニットが、
前記回転駆動源の回転数、及び前記両ワークの端面同士が当接する際の押圧力を設定情報として記憶する記憶部と、
前記押圧力検出部からの情報及び前記記憶部が記憶する前記設定情報に基づき、前記一対の各保持装置のチャック部に保持されたワークの端面同士が当接した際に、前記移動用駆動源と前記回転駆動源とを制御して、該両ワークの端面同士を前記曲がり押圧力の下限値に達しない押圧力をもって押圧すると共に、該押圧力と前記両ワーク同士の相対回転数とにより、該両ワーク端面同士間に摩擦熱を発生させて該摩擦熱に基づき該両ワーク端面同士間に塑性変形を生じさせる制御部と、
を備えている構成とされている。
この構成によれば、前記（６）に係る摩擦圧接装置をより具体的にしたものを提供できる。

以上の内容から、本発明によれば、摩擦過程を適正に行うことを確保しつつ、一方のワークと他方のワークとを曲げた関係にすることなく的確に接合できる摩擦圧接方法を提供できる。
また、本発明にあっては、上記摩擦圧接方法を具体的に利用した摩擦圧接装置を提供できる。

実施形態に係る摩擦圧接装置を示す全体構成図。 一般的摩擦圧接方法を実施する制御ユニットの制御内容を説明する説明図。 一方のワークが他方のワークに対して曲がりを生じた状態を示す図。 実施形態に係る摩擦圧接方法を実施する制御ユニットの制御内容を説明する説明図。 予備摩擦過程の組込み効果を確認するテスト条件を示す図。 図５のテスト条件の結果を示す図。 図６のテスト結果の評価を示す図。 図６の結果を得るための測定方法を説明する説明図。 曲げモーメントが、一方のワークが他方のワークに対して曲がりを生じることに関与することを説明する説明図。 押圧力としてのＰ０（推力）が、曲がり押圧力の下限値Ｐｂｌを超えている状態を説明する説明図。 押圧力としてのＰ０（推力）が、所定回転数Ｎ０状態の下で、塑性変形を生じさせる摩擦熱を発生させない上限値（押圧力）Ｐｈｕ以下にある状態を説明する説明図。 実施形態に係るＰ０（推力）が、曲がり押圧力の下限値Ｐｂｌ未満領域で、且つ塑性変形を生じさせる摩擦熱を発生させる領域（押圧力領域）に属することを説明する説明図。 ワークの降伏応力とその降伏応力とするための温度との関係を示す特性図。 実施形態に係る摩擦圧接方法を実施する制御ユニットの制御例を示すフローチャート。 他の実施形態に係る摩擦圧接方法を実施する制御ユニットの制御内容を説明する説明図。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
本実施形態に係る摩擦圧接方法においては、概略的には、２つのワークの端面同士を互いに押圧した状態（摩擦圧力付与状態）で相対回転させることにより接合界面に摩擦熱を発生させる摩擦過程と、ワーク同士の相対回転を停止させると共にアプセット圧力をもってそのワーク同士間を押圧するアプセット過程とが、順次、実行され、このうち、摩擦過程においては、本来の摩擦過程に加えて予備摩擦過程が組み込まれている。この実施形態に係る摩擦圧接方法を説明する前に、その摩擦圧接方法を使用する摩擦圧接装置について説明する。

上記摩擦圧接装置１は、図１に示すように、２つのワークＷ１、Ｗ２を摩擦圧接により一体化する役割を有する。
本実施形態においては、一方のワークＷ１には軸材（具体的に軸材を用いるときも符号Ｗ１を用いる）が用いられ、他方のワークＷ２には傘材（具体的に傘材を用いるときも符号Ｗ２を用いる）が用いられている。一方のワークＷ１としての軸材は、全体的に軸状（例えば６ｍｍの断面円形）に形成され、他方のワークＷ２としての傘材は、弁体部Ｗ２１と、その弁体部Ｗ２１から延びる軸部Ｗ２２（例えば６ｍｍの断面円形）とを一体的に有している。これらは、傘材Ｗ２の軸部Ｗ２２と軸材Ｗ１とを接合一体化することによりエンジンバルブを構成する関係にある。
本実施形態においては、ワークＷ１とワークＷ２とは、異種材料をもって構成されている。具体的には、ワークＷ１（軸材）としては、ＳＵＨ１１が用いられ、ワークＷ２（傘材）としては、ＳＵＨ３５が用いられている。

摩擦圧接装置１は、図１に示すように、一方向に伸びる長尺な支持台２上に、一対の保持装置として、スピンドル装置３とスライダ装置４とを並設した状態で備えている。

スピンドル装置３は、支持台２の上面にその長手方向一方側（図１中、右側）において固定されている。このスピンドル装置３は、支持台２の長手方向内方側において、一方のワークＷ１としての軸材の一部をチャック（保持）するチャック部５を備えており、そのチャック部５は、スピンドル装置３が保有する回転駆動源としての回転駆動源部６により回転駆動されることになっている。

スライダ装置４は、支持台２の上面にその長手方向他方側（図１中、左側）において配置されている。このスライダ装置４には、一対のガイドレール７と、既知のボールネジ機構８と、そのボールネジ機構８を作動するための移動用駆動源としての駆動モータ９とが関連付けられており、それらにより、スライダ装置４は、スピンドル装置３に対して接近・離間動可能とされている。

このスライダ装置４には、支持台２の長手方向内方側において、チャック部１１が備えられている。このチャック部１１は、他方のワークＷ２としての傘材の軸部Ｗ２２をチャック（保持）するものであり、このチャック部１１にその軸部Ｗ２２がチャックされたときには、その軸部Ｗ２２が弁体部Ｗ２１よりもチャック部１１から遠のく方向に伸び、その軸部Ｗ２２の端面が、スライダ装置４のスライド動作に伴い、スピンドル装置３が保持する軸材Ｗ１の端面に対して、接近、離間動することになる。

摩擦圧接装置１は、図１に示すように、前述のスピンドル装置３における回転駆動源部６及びスライダ装置４における駆動モータ９を制御すべく、制御ユニット（制御手段、制御装置）Ｕを備えている。
このため、制御ユニットＵには、ワークＷ１，Ｗ２間に作用する圧力を検出する圧力センサ（押圧力検出部）１２、スピンドル装置３における回転駆動源部（回転駆動源）６の回転数を検出する回転数検出センサ３５からの各種信号が入力され、その制御ユニットＵからは、スピンドル装置３における回転駆動源部６、スライダ装置４における駆動モータ９に制御信号がそれぞれ出力されることになる。尚、制御ユニットＵには、タイマ機能を発揮するタイマ回路が内蔵されている。

前記制御ユニットＵには、図１に示すように、コンピュータとしての機能を確保すべく、記憶部１３と、制御部１４とが備えられている。
記憶部１３は、ＲＯＭ(Read Only Memory)やＲＡＭ(Random Access Memory)等の記憶素子をもって構成されており、その記憶部１３には、ワーク同士の摩擦圧接に必要な各種プログラム、スライダ装置４のスライド速度、スピンドル装置３における回転駆動源部６の第１回転数、第２回転数（定常回転数）、後述の設定時間Δｔ００、Δｔ０、Δｔ１、Δｔ２、後述の設定圧Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２等の設定情報が格納されている。これら各種プログラム等は、必要に応じて、制御部１４により読み出され、また、必要な情報が記憶部１３に適宜、記憶される。

制御部１４は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)をもって構成されており、その制御部１４は、記憶部１３から読み出されたプログラムの下で、設定部１５と、演算制御部１６として機能する。
設定部１５は、スピンドル装置３における回転駆動源部６の回転数が第１回転数（定常回転数）になるまでの時間Δｔ００、スピンドル装置３における回転駆動源部６の第１回転数（定常回転数）及び該第１回転数よりも大きい第２回転数（定常回転数）、予備摩擦過程（摩擦過程）における予備摩擦圧力（押圧力）Ｐ０、予備摩擦時間Δｔ０、本来の摩擦過程における摩擦圧力（押圧力）Ｐ１、摩擦圧力制御時間Δｔ１、アプセット過程におけるアプセット圧力（押圧力）Ｐ２、アプセット圧力制御時間Δｔ２等を設定することになる（図４参照）。
演算制御部１６は、各種プログラムの下で、設定部１５における設定情報、センサ１２，３５からの入力情報に基づき、演算処理をして、各種制御信号をスピンドル装置３における回転駆動源部６、スライダ装置４における駆動モータ９に出力することになる。

上記制御ユニットＵによる摩擦圧接制御には、実施形態に係る摩擦圧接方法が反映されている。以下に、制御ユニットＵによる一般的な摩擦圧接制御、実施形態に係る基本的な摩擦圧接制御、及びその各問題点を説明した上で、実施形態に係る摩擦圧接方法を踏まえつつ、制御ユニットＵによる概略的な摩擦圧接制御について説明する。

一般的な摩擦圧接制御
一般的な摩擦圧接制御は、図２に示すように、スピンドル装置３にチャックされたワークＷ１の端面と、スライダ装置４にチャックされたワークＷ２の端面とを、摩擦圧力Ｐ１をもって互いに押圧しつつ相対回転（一定回転数：本実施形態ではワークＷ１だけがその軸線を中心として回転）させることによりその両ワークＷ１，Ｗ２の接合界面に摩擦熱を発生させる摩擦過程と、その両ワークＷ１，Ｗ２同士の相対回転を停止させた上で、摩擦圧力Ｐ１よりも大きいアプセット圧力Ｐ２をもってその両ワークＷ１，Ｗ２同士間を押圧するアプセット過程とが、順次、実行され、このうち、摩擦過程においては、その全域で摩擦圧力Ｐ１及びワークＷ１、Ｗ２の相対回転数がそれぞれ一定に維持される。
このような一般的な摩擦圧接制御が行われた場合、図３に示すように、他方のワークＷ２としての傘材の軸部Ｗ２２に対して一方のワークＷ１としての軸材が曲がって接合（一体化）されることがある。本発明者は、この曲がり現象について検討しているが、傘材Ｗ２における軸部Ｗ２２の端面及び軸材Ｗ１における端面の出来栄え状態（特に軸材Ｗ１の端面の出来栄え状態）と、摩擦圧力（押圧力）とがその曲がり現象に影響を与え、そのうち、上記端面の各状態（倒れ面、曲がり面等）については、切断機（例えばシャー切断機）の違いが起因していると考えている。尚、図３中、符号ＣＨは、軸材Ｗ２でのチャック部５によるチャック領域を示す。

実施形態に係る基本的な摩擦圧接制御
（１）実施形態に係る摩擦圧接制御においては、図４に示すように、上記現象等を踏まえ、前述の一般的な摩擦圧接制御を基本としつつも、摩擦過程に、本来の摩擦過程の前において予備摩擦過程が組み込まれている。傘材Ｗ２の軸部Ｗ２２に対して軸材Ｗ１が曲がって接合されるとすれば、その両者Ｗ１，Ｗ２の端面形状の影響を最も受ける該両者Ｗ１，Ｗ２の当接時であると考えられるからである。この予備摩擦過程においては、本来の摩擦圧力Ｐ１よりも低い予備摩擦圧力Ｐ０が用いられると共に、軸材Ｗ１が本来の摩擦過程における回転数よりも低い回転数をもって回転され、本来の摩擦過程に入る前において、傘材Ｗ２と軸材Ｗ１との端面を馴染ませることが行われる。
しかし、摩擦過程に予備摩擦過程を組み込んでも、その予備摩擦過程の組み込み効果を確認する図５〜図７のテストの結果によれば、必ずしも確実な改善結果を得るに至っていない。

図５は、その予備摩擦過程の組み込み効果を確認するテスト条件を示している。図５においては、回転数（主軸回転数）(rpm)は、スピンドル装置３における回転駆動部６により回転されるチャック部５の回転数を示し、Ｐ０（推力）は、傘材Ｗ２の軸部Ｗ２２の端面と軸材Ｗ１の端面とを合わせた状態で押圧する押圧力として、摩擦圧力Ｐ０（ＭＰａ）に代えて推力(kN)をテストに用いたことを示している。テストは、下記共通のワークＷ１，Ｗ２を用いつつ、予備摩擦過程を、回転数(rpm)とＰ０（推力）とを適宜変えた図５中のNo.1〜No.20の条件の下で行い、その後、本来の摩擦過程、アプセット過程を下記共通条件の下で行った。

テストの共通条件
ワークＷ１：軸材（材質ＳＵＨ１１）、径６ｍｍ、チャック部５からの出代１６ｍｍ
ワークＷ２：傘材（材質ＳＵＨ３５）、傘材の軸部の径６ｍｍ、チャック部１１からの出代１１ｍｍ
予備摩擦過程：予備摩擦時間０．５sec
本来の摩擦過程：Ｐ１（推力）（圧力に代えて推力を用いたもの：以下、Ｐ１（推力）と示す）６．５kN、摩擦時間０．７８sec、回転数３６００rpm
アプセット過程：Ｐ２（推力）（圧力に代えて推力を用いたもの：以下、Ｐ２（推力）と示す）１１．３kN、アプセット時間０．３１sec、Ｐ２Ｌ（チャック部５に対する回転停止指示からＰ２切換えまでの遅れ時間）０．０５sec

図６は、図５に示すNo.1〜No.20の条件の下で傘材Ｗ２と軸材Ｗ１とを接合した後、傘材Ｗ２の軸部Ｗ２２に対する軸材Ｗ１の曲がりを測定した測定結果を示している。
この場合、傘材Ｗ２の軸部Ｗ２２に対する軸材Ｗ１の曲がりを測定に当たっては、図８に示すように、傘材Ｗ２と軸材Ｗ１とを接合したもの（測定物）をセット装置にセットし、それをその中心線を中心として回転させながら、傘材Ｗ２と軸材Ｗ１との接合界面から２ｍｍの位置において、測定具３０により、上記中心線を中心とした本来の軸材Ｗ１の径に対する変化値を測定し、その変化値の（１／２）値について、最大値と最小値とを求めた。図６中、ＭＡＸは上記最大値、ＭＩＮは最小値、ＡＶは各テスト条件下での全ての測定結果の平均値、Ｒは最大値と最小値との差分を示す。また、図６のテストNo.B/Mは、図２に示す一般的な摩擦圧接制御の下で行われた結果を示している。

図７は、図６の測定結果に対する評価結果を示している。図７において、グレーの色彩を付したものが、実質上、曲がりが生じない良好なものであり、その評価に当たっては、図６に示す平均値（ＡＶＥ）の値が０．１ｍｍ以下のものを実質上、曲がりが生じない良好なものと判断した。
図７によれば、回転数が１２５０rpm以上でＰ０（推力）が１．０〜２．０kNの範囲で良好な結果を示し、Ｐ０（推力）が４kN以上、又は０．５kN以下のものについては、回転数の如何にかかわらず良好な結果を示さなかった。また、回転数が１０００rpm以下のものについては、Ｐ０（推力）の如何にかかわらず良好な結果を示さなかった。

実施形態に係る基本的な摩擦圧接制御から得た知見
このような評価結果から、本発明者は、次のような知見が存在すると考えている。
（１）一方のワーク（軸材）Ｗ１の端面と他方のワーク（傘材）Ｗ２の端面との当接の際に、その両ワークＷ１，Ｗ２の端面同士を所定の押圧力以上をもって押圧した場合には、一方のワークＷ１が他方のワークＷ２に対して曲がりを生じる。
テストの評価結果から、Ｐ０（推力）が４kN以上である場合には、回転数にかかわらず曲がり現象が必ず生じることになり、一方のワークＷ１を他方のワークＷ２に対して曲がらせる曲がり押圧力の下限値の存在が認められるからである。また、一方のワークＷ１が他方のワークＷ２に対して曲がり現象を生じる要素として、押圧力と両ワークＷ１，Ｗ２の端面状態とが考えられる中で、ワークＷ１（Ｗ２）の端面状態の程度についてさほど異ならないと考えられる一方で、押圧力の値次第により曲がり現象が生じるか否かが左右されると考えられるからでもある。

他方、本発明者は、一方のワーク（軸材）Ｗ１の端面と他方のワーク（傘材）Ｗ２の端面との当接の際に、図９に示すように、各ワークＷ１（Ｗ２）に、曲げモーメントによる応力が働く状態の下で圧縮応力が働くと考えており、これが、その両ワークＷ１，Ｗ２の当接の際に、曲がり現象の発生に影響を与えていると考えている。このため、ワークＷ２に対して曲がり易い傾向にあるワークＷ１（ＳＵＨ１１）について、曲がり発生推力Ｐｙの試算を試みた。それは、下記式をもって示すことができる。尚、図９中、符号Ｌは、チャック部５からのワークＷ１の出代である。
σ（全応力）＝Ｐ／Ａ（圧縮応力）＋Ｍ／Ｚ（曲げモーメントによる応力）
＝（Ｐ／（πｄ^２／４））+Ｐ（ｄ／２）／（πｄ^３／３２）
ここで、Ｐは推力（N）、ｄはワークの径(mm)、Ａ=πｄ^２／４はワークの断面積(mm²)、Ｍ＝Ｐ（ｄ／２）は曲げモーメント（Nmm）、Ｚ＝πｄ^３／３２は断面円形の断面係数である。
上記式を変形すると、
Ｐ＝σ／（１／（πｄ^２／４）＋（ｄ／２）／（πｄ^３／３２））
＝σπｄ^２／２０・・・・・・・・（Ａ）
上記式（Ａ）において、ワーク（ＳＵＨ１１）の耐力σｙ＝６８５(N/mm²)、ワークの直径ｄ＝６(mm)を代入すると、ワーク（ＳＵＨ１１）の曲がり発生推力Ｐｙは、
Ｐｙ＝３．８７(kN)
となる。この値は、両ワークＷ１，Ｗ２の端面同士の当接の際に、必ず曲がり現象を生じさせるテスト結果（Ｐ０（推力）＝４．０(kN)）に近い値であり、両ワークＷ１，Ｗ２の端面同士の当接の際、曲げモーメントが曲がり現象に影響を与えていると考えられ、この曲げモーメントが、曲がり押圧力の下限値Ｐｂｌを導いていると考えられる。
このため、前述のテスト結果において、Ｐ０（推力）＝４．０(kN)以上の下で、両ワークＷ１，Ｗ２に曲がり現象が生じるものは、両ワークＷ１，Ｗ２の当接の際、図１０に示すように、Ｐ０（推力）が、曲がり現象を生じさせる曲がり推力領域（曲がり押圧力領域）の下限値Ｐｂｌ以上になったためと考えられる。

（２）一方のワークＷ１の端面と他方のワークＷ２の端面との当接の際に、その両ワークＷ１，Ｗ２間において、摩擦熱が生じるとしても塑性変形を生じさせない摩擦熱では、一方のワークＷ１が他方のワークＷ２に対して曲がりを生じる。
テストの評価結果から、回転数が１０００rpm以下では、Ｐ０（推力）が１．０〜２．０ｋＮの範囲で、一方のワークＷ１が他方のワークＷ２に対して曲がりを生じ、Ｐ０（推力）が０．５ｋＮの下では、回転数が３０００rpmまでの範囲で、一方のワークＷ１が他方のワークＷ２に対して曲がりを生じるが、これは、そのような予備摩擦過程における回転数とＰ０（推力）では、それらによって生じる予備摩擦熱によりワークＷ１、Ｗ２間に塑性変形が生じず、各ワークＷ１（Ｗ２）の端面状態が当初のまま本来の摩擦過程に移行し、その本来の摩擦過程において、両ワークＷ１，Ｗ２が、曲がり現象の下限値（押圧力）Ｐｂｌ（４ｋＮ）を超えるＰ１（推力）を受けることになるためと考えられる。
具体的に図１１をもって説明する。予備摩擦過程において、ワークＷ１，Ｗ２間に塑性変形を生じさせる予備摩擦熱が発生するためには、Ｐ０（推力）は、回転数をＮ０とすれば、その回転数をＮ０の下では、塑性変形を生じさせる予備摩擦熱を生じさせない押圧力領域の上限値Ｐｈｕ（例えばＮ０＝３０００rpmの下ではＰ０（推力）＝０．５ｋＮ）を超えている必要がある。ところが、その回転数Ｎ０の下で、Ｐ０（推力）が上限値Ｐｈｕ以下の場合（例えばＮ０＝３０００rpmの下でＰ０（推力）＝０．４ｋＮの場合）には、予備摩擦熱が、両ワークＷ１，Ｗ２間に塑性変形を生じさせないものとなり、各ワークＷ１（Ｗ２）は、その当初の端面状態のまま本来の摩擦過程に移行することになる。このため、ワークＷ１とＷ２とは、当初の端面状態で曲がり現象の下限値Ｐｂｌ（４ｋＮ）を超えるＰ１（推力）を受けることになり、これに基づき両ワークＷ１とＷ２との間で曲がり現象が生じると考えられる。
勿論この場合、上記回転数Ｎ０が変化すれば、それに伴い、上記上限値Ｐｈｕも変化することになり、その場合には、Ｐ０（推力）は、その変化した回転数Ｎ０に応じた上限値Ｐｈｕを超える必要がある。求める予備摩擦熱が一定である一方、その予備摩擦熱は、回転数と押圧力（Ｐ０（推力））とにより決まるからである。

上記内容は、図７に示す各テスト条件についての具体的な摩擦熱からも裏付けることができる。具体的に説明する。
ワークＷ１、Ｗ２間に発生する摩擦熱Ｑは、摩擦時間を一定とすれば、Ｐ０（推力）及び回転数Ｎ０に比例することになり、摩擦熱Ｑは、下記式をもって示すことができる。
Ｑ＝ｋ×Ｐ０（推力）×Ｎ０ （ｋは定数）
この式に基づき、摩擦熱Ｑについて計算すれば、図７において良好な結果を示すものが、最小値でも１５００ｋ（１５００ｋ〜７２００ｋ）となるのに対して、図７において良好な結果を示さなかったものは、最大値でも２０００ｋ（７５０ｋ〜２０００ｋ）となる。このことから、図７において良好な結果を示さなかったものは、図７において良好な結果を示すものに比べて、摩擦熱Ｑが不足している傾向を読み取ることができ、ワークＷ１、Ｗ２は、図１１に示すように、その端面状態が予備摩擦過程で修正を受けずに本来の摩擦過程に移行したものと考えられる。

前記制御ユニットＵによる概略的な摩擦圧接制御
上記知見（１）（２）から、実施形態に係る制御ユニットＵによる摩擦圧接制御においては、図４、図１２に示すように、摩擦過程に本来の摩擦過程の他に予備摩擦過程を組み込み、その予備摩擦過程において、予備摩擦圧力Ｐ０（押圧力）として、一方のワークＷ１が他方のワークＷ２に対して曲がりを生じる曲がり押圧力の下限値Ｐｂｌに達しないものを用いると共に、摩擦熱を、その予備摩擦圧力Ｐ０及びワークＷ１の回転数調整により、両ワークＷ１，Ｗ２端面同士間に塑性変形を生じさせるものとしている。
このため、前述のテスト条件の場合と共通の条件の下では、押圧力として推力を用いて特定すれば、ワークＷ１の回転数が１２５０rpm以上（例えば３０００rpm）である下では、Ｐ０（推力）が０．５ｋＮを超えて４ｋＮ未満の範囲の所定値（例えば２ｋＮ）に設定されることになる。
この場合、予備摩擦圧力Ｐ０は、一方のワークＷ１が他方のワークＷ２に対して曲がりを生じる曲がり押圧力の下限値Ｐｂｌ（前記テスト条件下では４ｋＮ）に達しない限度において、できるだけ近いほど好ましく、予備摩擦圧力Ｐ０は、所定の摩擦熱を生じさせるために超えなければならない上限値Ｐｈｕよりも押圧力の下限値Ｐｂｌに近いものとされている。図１３に示すように、降伏応力が大きいほどその降伏応力にするための温度が低くなることから、それを利用して、両ワークの端面間部分を迅速に塑性変形させるためである。これにより、両ワークの端面状態の修正処理を迅速に終えることができることになる。

前記制御ユニットＵの制御例を、図４、図１２に示す各パラメータの動作説明図、図１４に示すフローチャートに基づき、具体的に説明する。尚、図１４におけるＳはステップを示す。また、設定情報等の各種情報が予め読み込まれているものとする。

スピンドル装置３及びスライダ装置４にワークＷ１，Ｗ２が保持され、制御開始条件が満足されると、タイマがセットされ、スピンドル装置３の回転駆動源部６が第１回転数（例えば前述のテスト条件の場合と共通の条件下では３０００rpm（定常回転数））に向けて回転する（Ｓ１〜Ｓ３）。
タイマがセットされた後（Ｓ２）、設定時間Δｔ００が経過すると、ワークＷ１，Ｗ２の端面同士を当接させるべく、スライダ装置４が移動を開始し（Ｓ４、Ｓ５）、Ｓ６において、摩擦圧力（押圧力）が予備摩擦圧力Ｐ０以上になったか否かが判別される。ワークＷ１，Ｗ２の端面同士を予備摩擦圧力Ｐ０の下で当接させて、そのワークＷ１，Ｗ２の端面間に摩擦熱を発生させるためである（予備摩擦圧力制御）。この場合、予備摩擦圧力Ｐ０としては、一方のワークＷ１が他方のワークＷ２に対して曲がりを生じる曲がり押圧力の下限値Ｐｂｌ（例えば前述のテスト条件の場合と共通の条件下では、推力に換算して４ｋＮ）に達しないもの（例えば２．０ｋＮ）が用いられ、その予備摩擦圧力Ｐ０と前記第１回転数とによる摩擦熱により、両ワークＷ１，Ｗ２端面間部分が塑性変形状態とされる。両ワークＷ１，Ｗ２の当接時に、曲がり押圧力の下限値Ｐｂｌに達しない予備摩擦圧力Ｐ０を用いることにより、その両ワークＷ１，Ｗ２において曲がり現象を生じさせないようにすると共に、その両ワークＷ１，Ｗ２の端面状態を塑性変形により修正して、この後、本来の摩擦圧力Ｐ１による押圧がなされるとしても、両ワークＷ１，Ｗ２に曲がり現象が生じないようにするためである。

このため、Ｓ６がＮＯのときには、スライダ装置４の移動が続行されて、ワークＷ１，Ｗ２間の押圧力が高められる一方、Ｓ６がＹＥＳのときには、タイマがリセットされて時間のカウントが開始されると共に、予備摩擦圧力制御が実行される（Ｓ７、Ｓ８）。その予備摩擦圧力制御においては、スライダ装置４の移動制御により押圧力Ｐが予備摩擦圧力Ｐ０に維持され、その予備摩擦圧力Ｐ０の下で、所定時間Δｔ０だけ、ワークＷ１，Ｗ２の端面間に摩擦熱が発生される（Ｓ８、Ｓ９）。

Ｓ７のタイマのリスタートから所定時間Δｔ０が経過すると、回転駆動源部６による回転数が第２回転数（例えば前述のテスト条件の場合と共通の条件下では、３６００rpm（定常回転数））に変更されると共に、予備摩擦圧力制御が終了されて、スライダ装置４による通常の移動が開始される（Ｓ９〜Ｓ１１）。これにより、両ワークＷ１，Ｗ２の端面間の押圧力（摩擦圧力）Ｐは、予備摩擦圧力Ｐ０以上に高められ始める。

スライダ装置４が移動を再び開始すると（Ｓ１１）、Ｓ１２において、押圧力（摩擦圧力）Ｐが本来の摩擦圧力Ｐ１にまで上昇したか否かが判別される。ワークＷ１，Ｗ２の端面間に摩擦圧力Ｐ１の下で本来の摩擦過程での摩擦熱を発生させるためである。このとき、摩擦圧力Ｐ１は、前記予備摩擦圧力Ｐ０よりも大きいが、両ワークＷ１，Ｗ２の端面状態が予備摩擦過程における塑性変形により修正されているため、両ワークＷ１，Ｗ２に曲がり現象は生じない。

Ｓ１２がＮＯのときには、スライダ装置４の通常の移動が続行されて、押圧力（摩擦圧力）Ｐが高められる一方、Ｓ１２がＹＥＳのときには、タイマがリセットされて時間のカウントが開始されると共に、摩擦圧力制御が実行される（Ｓ１３、Ｓ１４）。この摩擦圧力制御により、スライダ装置４の移動制御が行われ、押圧力Ｐが本来の摩擦圧力Ｐ１（例えば前述のテスト条件の場合と共通の条件下では、推力に換算して６．５ｋＮ）に所定時間Δｔ１だけ維持される（Ｓ１４、Ｓ１５）。

摩擦圧力制御が所定時間Δｔ１だけ実行されると（Ｓ１５）、摩擦過程が終了したとして、スピンドル装置３における回転駆動源部６の第２回転数制御が終了され、回転駆動源部６に基づくワークＷ１の回転が停止される（Ｓ１６）。続いて、次のＳ１７において、スライダ装置４の通常の移動が再開されることにより押圧力Ｐが高められ、次のＳ１８において、押圧力Ｐがアプセット圧力Ｐ２に至ったか否かが判別される。Ｓ１８がＮＯのときには、押圧力Ｐの増大が続行される一方、Ｓ１８がＹＥＳのときには、タイマがリセットされて時間のカウントが開始されると共に、アプセット圧力制御が実行される（Ｓ１９、Ｓ２０）。このアプセット圧力制御により、スライダ装置４の移動制御が行われ、押圧力Ｐが本来のアプセット圧力Ｐ２（例えば前述のテスト条件の場合と共通の条件下では、推力に換算して１１．３ｋＮ）に所定時間Δｔ２だけ維持される（Ｓ２０、Ｓ２１）。

Ｓ１９のタイマのリスタートからアプセット過程時間Δｔ２が経過すると（Ｓ２１）、アプセット圧力制御は終了される（Ｓ２２）。このアプセット圧力制御の終了に伴い、スライダ装置４に基づくワークＷ１，Ｗ２端面間への押圧の停止、アプセット圧力の開放等が行われ（Ｓ２３）、一体化されたワークＷ１，Ｗ２は、摩擦圧接装置１から取り出される。

図１５は、他の実施形態として、前記実施形態の変形例を示すものである。この他の実施形態においては、予備摩擦過程における予備摩擦圧力Ｐ０として、曲がり押圧力の下限値Ｐｂｌに達しないもの（Ｐ０（推力）＝２ｋＮ）が用いられる一方、その予備摩擦過程におけるワークＷ１の回転数として、本来の摩擦過程におけるワークＷ１の回転数（例えば、３６００rpm）と等しいものが用いられ、摩擦過程（予備摩擦過程及び本来の摩擦過程）における回転数（定常状態）は一定とされている。勿論、このワークＷ１の回転数と予備摩擦圧力Ｐ０とは、協働して、摩擦熱として、両ワークＷ１，Ｗ２端面同士間に塑性変形を生じさせるものを発生させることになる。
したがって、この他の実施形態においては、前記実施形態同様、摩擦過程を適正に行うことを確保しつつ、ワークＷ１，Ｗ２同士を曲げた関係にすることなく適正に接合できるだけでなく、摩擦過程（予備摩擦過程及び本来の摩擦過程）において、ワークＷ１の回転数を単一の回転数（定常状態）にすることができ、回転数制御の簡素化を図ることができる。

以上実施形態について説明したが本発明にあっては、次の態様を包含する。
（１）本実施形態においては、回転数検出センサ３５からの検出情報に基づき、設定回転数（定常状態）となるように回転駆動源部６を制御することになっているが、回転駆動源部６としてサーボモータを用い、そのサーボモータの回転状態をエンコーダにより監視し、その監視結果が設定回転数から外れたものであるときには、エラー状態にあるとして、そのサーボモータの回転を停止すること。
（２）ワークＷ１，Ｗ２としては、棒状の端面同士を接合一体化するものであれば、どのようなものでもよいこと。
（３）両ワークＷ１，Ｗ２に曲がりを生じさせる曲がり押圧力の下限値については、切断機、ワークの端面径等に応じて、適宜、見出すこと。
（４）ワークＷ１，Ｗ２のいずれについても、回転駆動させて、ワークＷ１とＷ２とを相対回転させること。

１ 摩擦圧接装置
３ スピンドル装置（保持装置）
４ スライダ装置（保持装置）
５ チャック部
６ 回転駆動源部（回転駆動源）
９ 駆動モータ（移動用駆動源）
１２ 圧力センサ（押圧力検出部）
Ｐ０ 予備摩擦圧力（押圧力）
Ｐ１ 摩擦圧力（押圧力）
Ｐ２ アプセット圧力
Ｗ１，Ｗ２ ワーク
Ｐｂｌ 曲がり押圧力の下限値
Ｐｈｕ 塑性変形を生じさせる摩擦熱を生じさせない領域（押圧力）の上限値
Ｑ 摩擦熱
Ｎ０ 予備摩擦過程の回転数
Ｕ 制御ユニット

Claims (10)

1. 一方のワークの端面と他方のワークの端面とを押圧力の付与状態の下で互いに当接させつつ相対回転させることにより該両ワークの接合界面に摩擦熱を発生させ、続いて、前記両ワークの相対回転を停止させた上で該両ワークにアプセット圧力を加える摩擦圧接方法において、
   前記摩擦熱を発生させるに際して、前記一方のワークの端面と前記他方のワークの端面との当接によって開始される予備摩擦過程と、該予備摩擦過程に連続する本来の摩擦過程とが実行され、
   前記予備摩擦過程では、前記押圧力として、前記一方のワークが前記他方のワークに対して曲がりを生じる曲がり押圧力の下限値に達しないものを用いると共に、該予備摩擦過程における摩擦熱を、該押圧力と前記両ワークの相対回転とにより該両ワーク端面同士間に塑性変形を生じさせて、該両ワークの端面状態を該両ワークの曲がりが生じにくくなるように修正するものとし、
   前記曲がり押圧力の下限値としては、前記一方のワーク及び前記他方のワークの当接前の端面状態に基づいて定まるものを用いる、
   ことを特徴とする摩擦圧接方法。
2. 請求項１において、
   前記予備摩擦過程では、前記一方のワークの端面と前記他方のワークの端面との当接の際に、前記押圧力として、前記摩擦熱を生じさせない領域の上限値よりも前記曲がり押圧力の下限値に近いものを用いる、
   ことを特徴とする摩擦圧接方法。
3. 請求項１において、
   前記両ワークの端面同士が当接した後、前記本来の摩擦過程では、前記押圧力及び前記両ワークの相対回転数を、該両ワークの端面同士の当接の際のものよりも高めて、前記摩擦熱を、該両ワークの端面同士の当接の際のものよりも高める、
   ことを特徴とする摩擦圧接方法。
4. 請求項１において、
   前記両ワークの相対回転数を、前記摩擦熱を発生させる間、一定に維持する、
   ことを特徴とする摩擦圧接方法。
5. 一方のワークの端面と他方のワークの端面とを押圧力の付与状態の下で互いに当接させつつ相対回転させることにより該両ワークの接合界面に摩擦熱を発生させ、続いて、前記両ワークの相対回転を停止させた上で該両ワークにアプセット圧力を加える摩擦圧接装置において、
   ワークを保持するチャック部がそれぞれ備えられ、該両チャック部が対向するようにして配置される一対の保持装置と、
   前記一対の保持装置の少なくとも一方に対して駆動可能に関連付けられ、該一対の各保持装置のチャック部にそれぞれ保持されたワークを相対的に近づく方向に移動させる移動用駆動源と、
   前記一対の各保持装置におけるチャック部の少なくとも一方に回転駆動可能に関連付けられ、該両チャック部に保持されたワークを相対回転させる回転駆動源と、
   前記一対の各保持装置におけるチャック部に保持されるワークの端面同士が押圧し合う押圧力を検出する押圧力検出部と、
   前記押圧力検出部からの情報に基づき、前記一対の各保持装置のチャック部に保持されたワークの端面同士が当接した際に、前記移動用駆動源と前記回転駆動源とを制御して、該両ワークの端面同士が押圧し合う押圧力を、該両ワークに曲がりを生じさせる曲がり押圧力の下限値に達しないものにすると共に、該両ワーク端面間に生じる摩擦熱を、該押圧力と前記両ワーク同士の相対回転数とにより、該両ワーク端面同士間に塑性変形を生じさせるものとする制御ユニットと、
   を備え、
   前記制御ユニットが、
   前記回転駆動源の回転数、及び前記両ワークの端面同士が当接する際の押圧力を設定情報として記憶する記憶部と、
   前記押圧力検出部からの情報及び前記記憶部が記憶する前記設定情報に基づき、前記一対の各保持装置のチャック部に保持されたワークの端面同士が当接した際に、前記移動用駆動源と前記回転駆動源とを制御して、該両ワークの端面同士を前記曲がり押圧力の下限値に達しない押圧力をもって押圧すると共に、該押圧力と前記両ワーク同士の相対回転数とにより、該両ワーク端面同士間に摩擦熱を発生させて該摩擦熱に基づき該両ワーク端面同士間に塑性変形を生じさせる制御部と、
   を備えている、
   ことを特徴とする摩擦圧接装置。
6. 請求項６において、
   前記記憶部が、前記両ワークの端面同士が当接する際の押圧力として、前記摩擦熱を生じさせない領域の上限値よりも前記曲がり押圧力の下限値に近いものを記憶するように設定され、
   前記制御部が、前記一対の各保持装置のチャック部に保持されたワークの端面同士が当接した際に、前記移動用駆動源を制御して、該両ワークの端面同士が押圧し合う押圧力を、前記記憶部が記憶する押圧力とするように設定されている、
   ことを特徴とする摩擦圧接装置。
7. 請求項６において、
   前記記憶部が、前記両ワークの端面同士が当接した後に、該両ワークの端面同士が押圧し合う押圧力として、該両ワークの端面同士の当接の際のものよりも大きいものを記憶すると共に、前記両ワークの端面同士が当接した後における該両ワークの相対回転数について、該両ワークの端面同士の当接の際のものよりも高いものを記憶するように設定され、
   前記制御部が、前記移動用駆動源及び前記回転駆動源を制御して、前記両ワークの端面同士が当接した後に、該両ワークの端面同士が押圧し合う押圧力を、該両ワークの端面同士の当接の際のものよりも大きくし、且つ、該両ワークの相対回転数について、該両ワークの端面同士の当接の際のものよりも高めるように設定されている、
   ことを特徴とする摩擦圧接装置。
8. 請求項１において、
   前記両ワークの端面同士が当接した後、前記本来の摩擦過程では、少なくとも該両ワークの相対回転数を、該両ワークの端面同士の当接の際のものよりも高めて、前記摩擦熱を、該両ワークの端面同士の当接の際のものよりも高める、
   ことを特徴とする摩擦圧接方法。
9. 請求項１において、
   前記予備摩擦過程の終了後直ちに、前記本来の摩擦過程に移行して、前記押圧力を、段階を経ることなく直接的に、該予備摩擦過程における押圧力から該予備摩擦過程における押圧力よりも大きい該本来の摩擦過程の押圧力にまで立ち上げ、
   前記本来の摩擦過程の終了後直ちに、前記押圧力を、段階を経ることなく直接的に、前記アプセット圧力にまで立ち上げる、
   ことを特徴とする摩擦圧接方法。
10. 請求項６において、
    前記記憶部が、前記両ワークの端面同士が当接した後に、該両ワークの端面同士が押圧し合う押圧力として、該両ワークの端面同士の当接の際のものよりも大きいものを記憶すると共に、前記回転駆動源の回転数として、前記摩擦熱を発生させる過程全体において用いられる一定回転数を記憶するように設定され、
    前記制御部が、前記移動用駆動源及び前記回転駆動源を制御して、前記両ワークの相対回転数を、前記摩擦熱を発生させる間、前記一定回転数をもって一定に維持する一方、前記両ワークの端面同士が当接した後に、該両ワークの端面同士が押圧し合う押圧力を、該両ワークの端面同士の当接の際のものよりも大きくするように設定されている、
    ことを特徴とする摩擦圧接装置。