JPH0375275B2

JPH0375275B2 -

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Publication number: JPH0375275B2
Application number: JP58197290A
Authority: JP
Priority date: 1983-10-20
Filing date: 1983-10-20
Publication date: 1991-11-29
Also published as: JPS6087986A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はブレーキ式摩擦圧接方法の改良に関す
る。〔従来の技術および発明が解決しようとする課
題〕上記摩擦圧接方法は大別して、ブレーキ式とフ
ライホイル式があり、前者は摩擦圧接中も回転側
が電動機等により強制駆動され圧接完了時がブレ
ーキにより制止されるものをいい、後者は最初に
フライホイルに回転エネルギーが与えられその後
はその慣性力のみにより回転して摩擦圧接するも
のをいう。本発明はブレーキ式摩擦圧接方法に関
するものである。（以下、単に摩擦圧接方法とい
う場合はブレーキ式のものをいう。）さて、近年、製造原価の切り下げあるいは抑制
のため、あらゆる努力が払われている。その一つ
として、加工効率の良さ、具体的には歩留りの良
さ、省エネルギー、加工時間の短縮等及び適用範
囲の広さ、具体的には他の溶接方法では困難とさ
れている一般鋼と特殊合金鋼との接合が可能であ
る等の理由により、中実軸間あるいは中実軸とフ
ランジ間等の主として回転体の接合に摩擦圧接方
法（フライホイル式も含む）が多用されるように
なつた。ところで、従来のブレーキ式摩擦圧接方法とし
ては、第１図に示すものが公知であり、係る摩擦
圧接法に関する発明を開始したものとして特開昭
48−100353号公報がある。この摩擦圧接法の特徴
は、「比較的低い圧力で金属加工片を押しつけな
がら相対的に回転させて摩擦熱を発生させ、圧接
末期に相対回転の停止と高いすえこみ圧力を加え
て圧接を完了させる摩擦圧接方法の、すえこみ圧
力の立ち上がり中に相対回転を停止させるための
制動を開始することと、すえこみ圧力の達成と同
時かもしくは僅かに遅れて相対回転を停止するこ
と」にあつて、この摩擦圧接法では、第１図に示
すように摩擦過程終了後P₁（摩擦圧力）からP₂
（アプセツト圧力）への急激な増加が行われるた
め、第９図ａに示すように圧接部分で材料の繊維
方向が極端（直角状）に屈曲し、接合強度のうち
耐衝撃値が他の溶接等によるものに比べて劣る。また、摩擦圧接方法に関する別の発明を開示し
たものとして特開昭58−145386号公報がある。こ
の方法の特徴は、「被溶接物を一定回転数に維持
したまま加圧力を緩慢に増加させ、加圧力が所定
値に達したら回転数を所定の減速度で減少させる
とともに、加圧力をその値に維持し、所定時間経
過後に解除すること」にあつて、この場合、加圧
力を所定値に維持しつつ回転数を所定の減速度で
減少させれば、回転速度の低下に伴つて圧接部が
冷却され、すでに固相化した加工片は停止の直前
に大きな捩じり変形を受け、展性の乏しい加工片
ではかきむしられて破壊する場合がある。本発明は従来の技術の有するこのような問題点
に鑑みてなされたものであつて、その目的は加工
効率において優れている摩擦圧接方法を安定して
適用できる範囲（材料の種類、形状）を広げ、か
つ継手強度の改善を図ることができるブレーキ式
摩擦圧接方法を提供することにある。〔課題を解決するための手段〕上記目的を達成するために本発明の要旨は、圧接する二つの材料のうちの一つをベツドに固
定するクランプともう一つの材料を保持して回転
させるチヤツクを具備し、上記回転体を回転させ
る電動機及びその回転を制動するブレーキ及び上
記二つの材料を軸方向に圧接させる圧接手段から
なる摩擦圧接機により、圧接する二つの材料を相
対的に回転せしめ、その二つの材料を回転の軸方
向に圧接してその摩擦熱により接合部分の材料を
塑性流動せしめて接合するブレーキ式摩擦圧接方
法において、材料の摩擦面を圧縮変形を生じない
程度の極めて低い初期圧力で相対回転させ、引き
続き行われる摩擦圧接過程で、摩擦圧接する材料
の種類、形状、大きさに合わせ、時間の経過とと
もに回転数を減少させると同時に摩擦圧力をその
最終値まで増加させるよう変化させ、所定の摩擦
時間に達すると回転を停止し、アプセツト圧力を
加えることにより、摩擦面に発生する摩擦トルク
及びよりしろが緩やかに増加し、その結果として
圧接する摩擦面近傍において材料の繊維方向の塑
性流動の変化が緩やかになるよう圧接することを
特徴とするブレーキ式摩擦圧接方法にある。〔実施例〕以下、本発明に係るブレーキ式摩擦圧接方法を
実施例に基づいて説明する。材料の組み合わせとしては、S45CとS45C、
S45CとSUJ2、S45CとSUS420J2、SUS304と
HST6の４種類とし、一方の材料を静止側に固定
し、もう一方の材料を回転側に保持して、第２図
に示すようなサイクルで摩擦圧接を実施した。圧
接条件の一覧を第17頁の表１に示す第２図は、横軸に時間ｔ、縦軸に摩擦トルク
Ｔ、摩擦面の温度θ、よりしろδ、圧接の初期圧
力P₀、摩擦圧力P₁、アプセツト圧力P₂、回転数
Ｎをとつて圧接過程の諸状態を表したものであ
る。なお、上記よりしろδとは、軸方向の圧接前
と圧接後の長さの差をいい、初期圧力P₀とは、
材料の摩擦面を予め平滑にする予備工程において
材料の軸方向に働く圧縮変形を生じない程度の極
めて低い圧力をいい、摩擦圧力P₁とは、摩擦圧
接工程において材料の軸方向に働く圧力をいい、
アプセツト圧力P₂とは、主軸の回転の停止と同
時に材料の軸方向に働く圧力をいう。まず、圧接に先立ち、摩擦時間t₁が決定される
が、これは摩擦面の温度θが圧接加工温度に達
し、摩擦圧力の最終値P₁hにより軸方向の縮み量
が３〜６mmになるまでに要する時間が摩擦時間t₁
とされる。また、上記摩擦圧力の最終値P₁hは、
圧接加工温度に達している摩擦（圧接）面部分に
軸方向の圧力が加わることにより、よりしろが３
〜６mmとなるような圧力に設定される。上記摩擦
圧力の最終値P₁hは材料の種類により変化し、高
温での降伏応力にほぼ反比例し、S45CとS45Cと
の圧接で少なくとも10〜15Kg／mm²、S45CとSUJ2
との圧接で10〜15Kg／mm²以上、S45CとSUS420J2
との圧接で15〜20Kg／mm²以上、SUS304とHST6
との圧接で20〜25Kg／mm²以上であることが好まし
い。第２図に示す本実施例では、アプセツト圧力
P₂は摩擦圧力の最終値P₁h＝と略等しくP₁h＝P₂
＝15Kg／mm²としている。本実施例では、初期回転
数N₁を2400rpmとしているが、上記初期回転数
N₁は圧接材料の径あるいは圧接材料の高温での
降伏応力等により決定されるもので、一般に軸径
が太くなればN₁は小さくなり、高温での降伏応
力が大きいものはN₁が大きくなる。そして、材料の種類、形状、大きさ等により上
記摩擦時間、摩擦圧力、アプセツト圧力、回転数
が決定されると、圧接する一方の材料が静止側、
例えばベツドに固定されているクランプに固定さ
れ、もう一方の材料は回転体側、例えば回転軸に
取着されたチヤツクに保持される。上記固定、保
持が完了すると、回転体側に保持された材料が初
期回転数N₁＝2400rpmで回転し、その後、時間
（摩擦時間t₁）の経過とともに一次直線的に回転
数N₁がN₁＝2400rpmからN₂＝1000rpmまで減少
すると同時に摩擦力は初期圧力P₀から摩擦圧力
の最終値P₁hに一次直線的に増加する。かかる
際、第２図に示すように摩擦面の温度θは圧接加
工温度に達し、よりしろδ及び摩擦面でのトルク
Ｔも滑らかな曲線を描いて増加する。そして、上
記のように設定した摩擦時間t₁に達する（よりし
ろδが略上記所定と数値に達する）と回転が止ま
り、圧接力は摩擦圧力P₁からアプセツト圧力P₂
に変わる。さらに、その後一定時間（アプセツト
時間t₂）、上記アプセツト圧力P₂が加えられ、摩
擦圧接工程が終了する。以上説明したように、本発明に係るブレーキ式
摩擦圧接方法によれば、材料の摩擦面を圧縮変形
を生じない程度の極めて低い初期圧力で相対回転
させ、引き続き行われる摩擦圧接過程で、摩擦圧
接する材料の種類、形状、大きさに合わせ、時間
の経過とともに回転数を減少させると同時に摩擦
圧力をその最終値まで増加させるよう変化させ、
所定の摩擦時間に達すると回転を停止し、アプセ
ツト圧力を加えることにより、摩擦面でのよりし
ろδ及び摩擦トルクＴを滑らかな上昇曲線状にせ
しめ、接合部分での金属繊維方向を滑らかに変化
させることができる。そのため、材料の塑性流動
が滑らかに行われ（第２図のよりしろδの変化を
表した曲線参照）、圧接部分での金属繊維の屈曲
も緩やかになり（第９図ｂ参照）、第４図〜第７
図に示すように、耐衝撃値が大幅に改善されると
ともに、破損角度が大幅に向上する。（破損角度
が大きい方が密着が充分に行われたことを示す）
なお、第４図〜第７図において、○および△は本
発明の実施例を示し、●は従来法を示す。とくに、これまでブレーキ式摩擦圧接方法では
充分な継手強度が得られなかつた異種材料間（例
えば、ステンレス鋼とコバルト合金等）の継手強
度の改善が認められた。以上、説明の便宜のため摩擦圧力の最終値とア
プセツト圧力が同じ場合の実施例について説明し
たが、第３図に示すように、アプセツト圧力を摩
擦圧力の最終値より大きくしてもよく、あるいは
小さくしてもよい。また、回転数の減少及び摩擦
圧力の増加の勾配が曲線、例えば二次曲線となつ
ても従来の方法に比べてより好ましい結果が得ら
れる。上記設定値等をどのように選択するかは、
専ら材料の種類、形状、大きさ等により決定され
る。上記第７図による破損（折損）試験は、第８
図に示す方法で行われた。次に、本発明に係るブレーキ式摩擦圧接方法を
実施するための装置について、添付図に基づいて
説明する。第１０図は装置の全体構成を示す図、第１１図
は第１０図の装置の油圧回路の構成を示す図、第
１２図は第１０図の装置の動作の流れを示したフ
ローチヤートである。第１０図において、１は摩擦圧接機で、該摩擦
圧接機１はベツド２、該ベツド２上をベツド長手
方向に摺動し一方の材料を固定するクランプ３、
該クランプ３をベツド長手方向に摺動させる圧接
手段たる油圧シリンダ４、該油圧シリンダ４の作
動を制御するサーボ弁５、上記油圧機器間を接続
する配管を介して油圧を供給する油圧ポンプ６、
ベツド２に軸受を介して支持され材料を保持して
回転させるチヤツク７、該チヤツク７を軸端に固
着する回転主軸８、該回転主軸８にプーリ及びベ
ルトを介して回転を伝達する誘導電動機９、該誘
導電動機９の回転をコントロールするインバータ
１０、上記回転主軸８の回転を制動するブレーキ
１１、回転軸受部等に配管を介して潤滑油を供給
する潤滑油ポンプ１２とにより構成される。そし
て、１３は上記摩擦圧接機１の作動を制御する制
御装置たるコントローラである。そして、その他
のものとして、センサ、上記クランプとチヤツク
の作動スイツチ、油圧ポンプと潤滑油ポンプの作
動スイツチおよび摩擦圧接機の作動スイツチ等よ
り構成されている。また、上記センサとしては以
下のものがある。例えば、上記摩擦圧接機１の油
圧シリンダのロツドにロードセルが直接組み込ま
れ、圧接力を検出してコントローラ１３にフイー
ドバツクして所望の正確な圧接力が得られるよう
になつている。係る構成を有する本装置は、圧接に際し第１２
図のフローチヤートに示す如く以下のように作用
する。まず、圧接作業に先立ちキーボード１４を介し
て、上記コントローラ１３にその圧接の過程を入
力する。すなわち、初期摩擦圧力P₀、摩擦圧力
の最終値P₁h、アプセツト圧力P₂、変化時間t_p、
初期回転数N₁、最終回転数N₂、変化時間t_o、予
備工程時間t₀、摩擦圧接時間t₁、アプセツト圧接
時間t₂が入力される。それら入力された数値は、
コントローラ１３で演算され、時間に対する摩擦
圧力の変化率p_s＝（P₁h−P₀／t_p、及び各微小時間
毎の摩擦圧力P_1put＝P₀＋p_s・ｔが求められ、同様
に回転数の変化率N_s＝（N₁−N₂）／t_o及び各微小
時間毎の回転数N_put＝N₁−N_s・ｔが求められる。
上記入力が完了すると、油圧ポンプ６及び潤滑油
ポンプ１２のスイツチがONにされ、油圧ポンプ
６及び潤滑ポンプ１２は作動し、摩擦圧接機１の
クランプ３及びチヤツク７に材料が挿入され、挟
着のためのスイツチをONにすれば該材料は挟着
され、クランプ３およびチヤツク７に固定あるい
は保持される。しかる後、摩擦圧接機１の作動ス
イツチをONにすれば、圧接サイクルが始まり、
上記チヤツク７に挟着された一方の材料はコント
ローラ１３に制御されたインバータ付き電動機９
により回転数N₁で回転を始めるとともにコント
ローラ１３からの信号により油圧回路のサーボ弁
５が作動し、ベツド上のクランプ３は油圧シリン
ダ４の作用によりチヤツク７側に押圧されて両方
の材料は接触し、さらに弱い圧力で押圧されて材
料の接触面が平滑にされて予備工程は終了し、次
に摩擦圧接工程に移行する。そして、摩擦圧接時間t₁が始まると、上記のよ
うにして入力されたコントローラ１３の記憶部に
記憶されている制御プロセス及び諸データにより
コントローラ１３の制御部が摩擦圧接機の各アク
チユエータを制御する。すなわち、上記のように
演算され、記憶部に記憶され、順次信号としてア
クチユエータに発せられるN_put、P_1putの値に従
い、摩擦圧接過程は時間の経過とともに回転数を
減少させるとともに摩擦圧接力を増加させるよう
なプロセスとなる。その際、制御をより正確に行
うため、圧接力の制御に関しては上述のロードセ
ルからの信号をコントローラにフイードバツクし
て上記制御作動を補正する、いわゆるクローズド
ループの制御がなされるとともに、油圧シリンダ
の制御にサーボ弁を用いているため、シリンダは
正確に作動して圧接が行われる。そして、本装置
のこれらの作動による摩擦圧接面に与える物理的
データが上述の第２図および第３図である。〔発明の効果〕以上説明したように本発明は構成されているの
で、加工効率において優れているブレーキ式摩擦
圧接方法の適用範囲を広げ、耐衝撃値の大きい製
品（接合材）を安定して提供することができる。【表】

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の摩擦圧接方法を実施した場合の
圧接面に与える物理的データを示す線図、第２図
は本発明に係るブレーキ式摩擦圧接方法を実施し
た場合の同様の線図、第３図は本発明に係るブレ
ーキ式摩擦圧接方法の実施例の一つで第２図と摩
擦圧力の時間的勾配が異なる場合の同様の線図、
第４図〜第６図は本発明に係るブレーキ式摩擦圧
接方法により圧接した圧接部分の耐衝撃値と従来
の摩擦圧接方法によるものとを比較した図、第７
図は本発明に係るブレーキ式摩擦圧接方法により
圧接した圧接部分の破損角度と従来の摩擦圧接方
法によるものとを比較した図、第８図は第７図の
破損試験の方法を説明する図、第９図ａは従来の
摩擦圧接方法で摩擦圧接された圧接部分のモデル
化された金属繊維組織を表した図、第９図ｂは本
発明に係るブレーキ式摩擦圧接方法で摩擦圧接さ
れた圧接部分のモデル化された金属繊維組織を表
した図、第１０図は本発明に係るブレーキ式摩擦
圧接方法を実施する装置の全体構成を示す図、第
１１図は、第１０図の装置の油圧回路の構成を示
す図、第１２図は第１０図の装置の動作の流れを
示したフローチヤートである。１……摩擦圧接機、２……ベツド、３……クラ
ンプ、４……油圧シリンダ、５……サーボ弁、６
……油圧ポンプ、７……チヤツク、８……回転主
軸、９……誘導電動機、１０……インバータ、１
１……ブレーキ、１２……潤滑油ポンプ、１３…
…コントローラ、１４……キーボード、１５……
ランプ、１６……コイル、１７……スイツチ、１
８……リレー接点、１９……スイツチ、２０……
表示器、２１……アンプ、２２……ロードセル、
２３……ACC、２４……電磁切り換え弁、２５
……リリーフ弁、２６……冷却器、２７……フイ
ルター、２８……逆止弁、２９……減圧弁。

Claims

【特許請求の範囲】１圧接する二つの材料のうちの一つをベツドに
固定するクランプともう一つの材料を保持して回
転させるチヤツクを具備し、上記回転体を回転さ
せる電動機及びその回転を制動するブレーキ及び
上記二つの材料を軸方向に圧接させる圧接手段か
らなる摩擦圧接機により、圧接する二つの材料を
相対的に回転せしめ、その二つの材料を回転の軸
方向に圧接してその摩擦熱により接合部分の材料
を塑性流動せしめて接合するブレーキ式摩擦圧接
方法において、材料の摩擦面を圧縮変形を生じない程度の極め
て低い初期圧力で相対回転させ、引き続き行われ
る摩擦圧接過程で、摩擦圧接する材料の種類、形
状、大きさに合わせ、時間の経過とともに回転数
を減少させると同時に摩擦圧力をその最終値まで
増加させるよう変化させ、所定の摩擦時間に達す
ると回転を停止し、アプセツト圧力を加えること
により、摩擦面に発生する摩擦トルク及びよりし
ろが緩やかに増加し、その結果として圧接する摩
擦面近傍において材料の繊維方向の塑性流動の変
化が緩やかになるよう圧接することを特徴とする
ブレーキ式摩擦圧接方法。