JPH09141454A

JPH09141454A - 摩擦圧接方法

Info

Publication number: JPH09141454A
Application number: JP30283395A
Authority: JP
Inventors: Koichi Kawaura; 廣一川浦; Osamu Ishikawa; 修石川
Original assignee: Toyoda Automatic Loom Works Ltd
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 1995-11-21
Filing date: 1995-11-21
Publication date: 1997-06-03
Anticipated expiration: 2015-11-21
Also published as: JP3750826B2

Abstract

(57)【要約】【課題】精度の高い素材長のワークを用いれば、精度が
充分な製品長の製品を圧接可能な摩擦圧接方法を提供す
る。【解決手段】推力付与装置としてサーボモータ２を採用
し、ロードセル７によって検知される実推力に基づき、
摩擦送り工程及びアップセット工程内でサーボモータ２
の送り速度制御を制限された上限値の下で行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は摩擦圧接方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ブレーキ法による摩擦圧接方法では、ま
ず、一方のワークを固定し、他方のワークを回転装置に
結合された主軸に取り付ける。そして、摩擦送り工程と
して、他方のワークを一定回転し続け、推力付与装置で
相互の接合界面に軸方向の摩擦推力を付与して摩擦させ
る。この間、初めのうちは、接合界面では、微小な接触
点で変形、破壊を生じ、ついには多くの焼付点を生じる
ようになる。継続して両ワークの相対回転が存在するこ
とから、焼付点の発生と破壊が生じ、焼付面積が拡大さ
れる。熱は両ワークの深さ方向にも伝導するので、接合
界面が高温層を有することとなる。次いで、接合界面の
高温層がより厚くなると、接合界面は変形が容易になる
ので、摩擦推力によって接合界面は激しい変形をし、バ
リの形成を繰り返す。

【０００３】この後、通常所定時間の経過を待ってアッ
プセット工程を行う。この際、ブレーキによって主軸の
回転を急停止させるとともに、推力付与装置で摩擦推力
より増加された軸方向のアップセット推力を付与する。
この時には、清浄な材料が溶融していることにより接合
界面は圧接に充分な状態になっているので、アップセッ
ト推力によって両ワークが摩擦圧接される。

【０００４】一般的な摩擦圧接方法では、油圧シリンダ
を推力付与装置として採用している（特開昭５９−１９
７３８９号公報等）。また、電動モータを推力付与装置
として採用するとともに、電動モータの出力トルクと回
転装置の出力トルクとを検知し、これらの偏差に基づい
て電動モータのトルク制御を行なう摩擦圧接方法も近年
提案されている（特開平３−１２４３８４号公報）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記両摩擦圧
接方法では、例え精度の高い素材長のワークを用いたと
しても、圧接後の製品の製品長の精度が充分でないこと
が明らかになった。すなわち、油圧シリンダを推力付与
装置として採用した摩擦圧接方法では、油圧シリンダに
送給される作動油の温度変化、劣化等に起因して油圧が
変化しやすいため、摩擦推力やアップセット推力を設定
値通りに付与することが困難である。

【０００６】また、電動モータを推力付与装置として採
用した従来の摩擦圧接方法では、摩擦送り工程及びアッ
プセット工程中に溶融により接合界面の変形のし易さが
変動するにもかかわらず、電動モータのトルク制御を行
なうこととしているため、両ワークには設定値以上の摩
擦推力やアップセット推力を付与してしまう場合があ
る。

【０００７】こうして、付与する摩擦推力が設定値通り
でなく、オーバーシュートや変動があれば、接合界面の
溶融深さがばらつき、ばらついた溶融深さでアップセッ
ト工程を行うと、摩擦圧接後の製品の製品長がばらつく
ことになる。また、仮に接合界面の溶融深さがばらつい
ていないとしても、付与するアップセット推力が設定値
通りでなく、オーバーシュートがあるのであれば、摩擦
圧接後の製品の製品長がばらつくことになる。

【０００８】本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされ
たものであって、精度の高い素材長のワークを用いれ
ば、精度が充分な製品長の製品を圧接可能な摩擦圧接方
法を提供することを課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の摩擦圧接方法
は、互いに対向する一方のワークと他方のワークとに一
定の相対運動を付与しつつ、推力付与装置で該一方のワ
ークと該他方のワークとに摩擦推力を付与することによ
り、圧接に充分な状態になるまで相互の接合界面を発熱
させる摩擦送り工程と、該相対運動を断ち、該推力付与
装置で該一方のワークと該他方のワークとにアップセッ
ト推力を付与することにより、該一方のワークと該他方
のワークとを該接合界面で摩擦圧接するアップセット工
程と、を有する摩擦圧接方法において、前記推力付与装
置としてサーボモータを採用し、検知される実推力に基
づき、前記摩擦送り工程及び前記アップセット工程内で
該サーボモータの速度制御を制限された上限値の下で行
なうことを特徴とする。

【００１０】この摩擦圧接方法では、摩擦送り工程及び
アップセット工程中に溶融により接合界面の変形のし易
さが変動していても、制限された上限値の下、検知され
る実推力に基づいてサーボモータの速度制御を行なうた
め、両ワークにはほぼ設定値通りの摩擦推力やアップセ
ット推力を付与できる。こうして、摩擦推力をほぼ設定
値通りに付与できるため、接合界面の溶融深さがばらつ
かない。また、アップセット推力をもほぼ設定値通りに
付与できるため、摩擦圧接後の製品の製品長がばらつか
ない。

【００１１】したがって、この摩擦圧接方法では、精度
の高い素材長のワークを用いれば、精度が充分な製品長
の製品を圧接することが可能となる。

【００１２】

【発明の実施の形態】

（実施形態１）以下、請求項１の発明を具体化した実施
形態１の摩擦圧接方法について詳述する。まず、この摩
擦圧接方法を使用する摩擦圧接機について説明する。こ
の摩擦圧接機では、図１及び図２に示すように、水平面
上に載置されたベッド１上の左側のブラケット１ａに推
力付与装置としてのサーボモータ２が固定されており、
ベッド１上の中央のブラケット１ｂに水平に軸支された
ボールねじ軸３はサーボモータ２の回転軸とカップリン
グ４を介して係合されている。また、ボールねじ軸３と
平行に形成されたベッド１の直動軸受（リニアガイド）
１ｃ上には主軸ボックス５が摺動可能に設けられてお
り、主軸ボックス５のスピンドルにはボールねじナット
６及びロードセル７を介してボールねじ軸３が係合され
ている。

【００１３】主軸ボックス５には主軸８が水平に軸支さ
れており、ボールねじ軸３の延在方向側である主軸８の
先端には回転チャック９が固定されている。また、主軸
ボックス５上には回転装置としての主軸モータ１０が固
定されており、主軸モータ１０の回転軸はプーリ１１、
ベルト１２、図示しないプーリ及び電磁クラッチを介し
て主軸８と係合されている。

【００１４】そして、ベッド１上の右側には、回転チャ
ック９と対向する固定チャック１３が固定されていると
ともに、固定チャック１１の後方にストッパ１４が固定
されている。また、摩擦圧接機の一部を構成する図示し
ない制御盤では、図３に示すように、ＣＲＴ２０とデジ
タルＳＷ２１とからなる操作盤２２がコントローラ２３
に接続されており、コントローラ２３には、サーボドラ
イバ２４を介して上記サーボモータ２が接続されている
とともに、電磁リレー２５を介して上記主軸モータ１０
が接続されている。また、コントローラ２３にはＣＲＴ
２６とＣＰＵ２７とからなる品質保証装置２８が接続さ
れており、これにより長さ及び時間に関連した信号の伝
達が可能になっている。主軸モータ１０に設けられた主
軸回転計２９（図１及び図２では図示せず）は品質保証
装置２８のＣＰＵ２７に接続され、これにより主軸の回
転数に関連した信号の伝達が可能になっている。さら
に、コントローラ２３にはトランスミッタ３０を介して
上記ロードセル７が接続され、トランスミッタ３０も品
質保証装置２８のＣＰＵ２７に接続されて圧力に関連し
た信号の伝達が可能になっている。

【００１５】上記のように構成された実施形態１の摩擦
圧接機により、摩擦圧接方法を実行する。まず、回転チ
ャック９と固定チャック１３とによりそれぞれワークを
把持する。そして、図４に示すように、Ａ時点におい
て、主軸モータ１０により主軸８を回転させる。「早送り工程」しばらく経過後、位置制御によりサーボ
モータ２の早送りを行なう。「微速送り・素材接触工程」この後、主軸ボックス５が
所定の位置になれば、両ワークが当接するまでトルク制
御によりサーボモータ２の微速送りを行なう。「位相合わせ工程」また、位相合わせのために位置制御
により主軸８の位置を後退させる。

【００１６】「摩擦送り工程」この後、Ｂ時点におい
て、サーボモータ２をフルパワーとして両ワークの接合
界面に予熱摩擦推力Ｐ₀を付与し、予熱送りを行う。こ
の間、トルク制御を行なうとともに回転速度制御を行な
う。そして、通常所定時間の経過を待って、Ｃ時点にお
いて、サーボモータ２をフルパワーとして両ワークの接
合界面に予熱摩擦推力Ｐ₀を２倍以下程度で増加した本
摩擦推力Ｐ₁を付与し、本摩擦送りを行なう。この間、
位置指令、トルク制御及び回転速度制御を行なう。

【００１７】「アップセット工程」この後、通常所定時
間の経過を待って、Ｄ時点において、ブレーキにより主
軸８の回転を急停止させるとともに、サーボモータ２で
ワークに応じたアップセット推力Ｐ₂（本摩擦推力Ｐ₁
の２〜３倍程度）を付与し、アップセット工程を行な
う。この間、トルク制御及び回転速度制御を行なう。

【００１８】「ワーク払い出し工程」そして、圧力を除
去することにより、アップセット推力Ｐ₂の付与を停止
した後、位置制御でワークの払い出し位置まで主軸ボッ
クス５を移動させ、位置制御で主軸ボックス５をスライ
ド後退させる。以上の１回目の摩擦圧接方法の間、サー
ボモータ２をフルパワーとしているため、サーボモータ
２のボールねじ軸３の回転速度の上限値は、摩擦送り工
程中で５００ｖ、アップセット工程中で５ｖである。か
かるボールねじ軸３の回転速度５００ｖ、５ｖは、ボー
ルねじ軸３及びボールねじナット６のリードとによりサ
ーボモータ２の送り速度Ｖ_A、Ｖ_Bと相関関係を有して
いる。このため、摩擦送り工程内で付与する予熱摩擦推
力Ｐ₀及び本摩擦推力Ｐ₁にはオーバーシュート及び変
動があり、かつアップセット工程内で付与するアップセ
ット推力Ｐ₂にもオーバーシュートがある。かかるオー
バーシュート等は操作盤２２のＣＲＴ２０にて確認可能
である。このため、１回目の摩擦圧接方法により得られ
た製品は製品長がばらつくことになる。

【００１９】このため、この摩擦圧接方法では、摩擦送
り工程内において、寄り代Ｓと関連してＳ_A／Ｔ_Aから
サーボモータ２の摩擦送り速度Ｖ_Aを算出する。また、
アップセット工程内において、ロードセル７がボールね
じナット６と主軸ボックス５のスピンドルとに生じる実
推力に関連する信号を出力するため、アップセット推力
Ｐ₂が最大値を示す時刻から、Ｓ_B及びＴ_Bを求め、Ｓ
_B／Ｔ_Bからサーボモータ２のアップセット送り速度Ｖ
_Bを算出している。そして、２回目の摩擦圧接方法とし
て、上記と同様の各工程を実行する際、サーボモータ２
の回転速度の上限値が摩擦送り工程中で１．１〜１．５
ｖ、アップセット工程中で１．１〜１．５ｖとになるよ
うに回転速度制御を行なう。この回転速度制御はサーボ
モータ２の送り速度でみれば、送り速度制御である。こ
うして、サイクル毎にロードセル７が検知する実推力を
±５〜１０％以内で変更するように、摩擦送り工程及び
アップセット工程内の少なくも一方で回転速度制御を行
なう。仮に３回目の摩擦圧接方法でも図４と同様に予熱
摩擦推力Ｐ₀、本摩擦推力Ｐ₁又はアップセット推力Ｐ
₂にオーバーシュートや変動があれば、再度、摩擦送り
工程又はアップセット工程内で回転速度制御を行なう。
予熱摩擦推力Ｐ₀、本摩擦推力Ｐ₁及びアップセット推
力Ｐ₂にオーバーシュートや変動がないときの図４と同
様の関係を図５に示す。このときには、両ワークにはほ
ぼ設定値通りの予熱摩擦推力Ｐ₀、本摩擦推力Ｐ₁及び
アップセット推力Ｐ₂を付与できる。

【００２０】こうして、摩擦推力をほぼ設定値通りに付
与できるため、接合界面の溶融深さがばらつかない。ま
た、アップセット推力をもほぼ設定値通りに付与できる
ため、摩擦圧接後の製品の製品長がばらつかない。した
がって、この摩擦圧接方法では、精度の高い素材長のワ
ークを用いれば、精度が充分な製品長の製品を圧接する
ことが可能となる。

【００２１】

【実施例】図６に示すように、個数ｎ＝１００、幅０．
１３（μｍ）、標準偏差σ_n-1＝０．０２２５で素材長
のばらつきを有するワークを用意する。そして、摩擦送
り工程及びアップセット工程において回転速度制御を行
いつつ上記実施形態１の摩擦圧接機により摩擦圧接方法
を実行する。

【００２２】得られた製品について、個数ｎ＝３０、幅
０．１１（μｍ）、標準偏差σ_n-1＝０．０２７８で製
品長のばらつきを調べ、図７を得た。

【００２３】

【比較例１】実施例で示したばらつきを有する素材長の
ワークを用い、摩擦送り工程及びアップセット工程にお
いて回転速度制限を行わないで上記実施形態１の摩擦圧
接機により摩擦圧接方法を実行する。得られた製品につ
いて、個数ｎ＝３０、幅０．１２（μｍ）、標準偏差σ
_n-1＝０．０３３１で製品長のばらつきを調べ、図８を
得た。

【００２４】

【比較例２】実施例で示したばらつきを有する素材長の
ワークを用い、油圧シリンダを推力付与装置とした従来
の摩擦圧接機により摩擦圧接方法を実行する。得られた
製品について、個数ｎ＝１００、幅０．２２（μｍ）、
標準偏差σ_n- ₁＝０．０４５４で製品長のばらつきを調
べ、図９を得た。

【００２５】

【比較例３】実施例で示したばらつきを有する素材長の
ワークを用い、サーボモータを推力付与装置とし、摩擦
送り工程及びアップセット工程においてトルク制御のみ
を行って摩擦圧接方法を実行する。得られた製品につい
て、個数ｎ＝１００、幅０．１２（μｍ）、標準偏差σ
_n- ₁＝０．０２４８で製品長のばらつきを調べ、図１０
を得た。

【００２６】

【評価】図７〜１０より、実施例では、精度の高い素材
長のワークを用いれば、精度が充分な製品長の製品を圧
接できることがわかる。（実施形態２）実施形態２の摩擦圧接方法を使用する摩
擦圧接機では、図１１に示すように、直動軸受１ｃ上に
摺動チャック３１が摺動可能に設けられており、摺動チ
ャック３１がボールねじナット６及びロードセル７を介
してボールねじ軸３に係合されている。

【００２７】また、ブラケット１ａにストッパ３２が固
定され、ベッド１上の右側に主軸８を軸支する主軸ボッ
クス３３が固定されている。制御盤その他の構成は実施
形態１と同様であるため、同様の構成については同一符
号を付している。この摩擦圧接機により摩擦圧接方法を
実行すれば、同様の作用及び効果を奏することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態１の摩擦圧接方法に係る摩擦圧接機の
縦断面図である。

【図２】実施形態１の摩擦圧接方法に係る摩擦圧接機の
横断面図である。

【図３】実施形態１の摩擦圧接方法に係る摩擦圧接機に
おける制御装置のブロック図である。

【図４】実施形態の摩擦圧接方法に係り、１回目の時間
と、寄り代と、推力と、主軸の回転数との関係を示すグ
ラフである。

【図５】実施形態の摩擦圧接方法に係り、２回目以降の
時間と、寄り代と、推力と、主軸の回転数との関係を示
すグラフである。

【図６】実施例及び比較例１、２に係り、ワークの素材
長のばらつきを示すグラフである。

【図７】実施例に係り、製品の製品長のばらつきを示す
グラフである。

【図８】比較例１に係り、製品の製品長のばらつきを示
すグラフである。

【図９】比較例２に係り、製品の製品長のばらつきを示
すグラフである。

【図１０】比較例３に係り、製品の製品長のばらつきを
示すグラフである。

【図１１】実施形態２の摩擦圧接方法に係る摩擦圧接機
の横断面図である。

【符号の説明】

２…推力付与装置（サーボモータ）７…ロードセルＰ₀、Ｐ₁…摩擦推力（Ｐ₀…予熱摩擦推力、Ｐ₁…本
摩擦推力）Ｐ₂…アップセット推力

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに対向する一方のワークと他方のワー
クとに一定の相対運動を付与しつつ、推力付与装置で該
一方のワークと該他方のワークとに摩擦推力を付与する
ことにより、圧接に充分な状態になるまで相互の接合界
面を発熱させる摩擦送り工程と、該相対運動を断ち、該
推力付与装置で該一方のワークと該他方のワークとにア
ップセット推力を付与することにより、該一方のワーク
と該他方のワークとを該接合界面で摩擦圧接するアップ
セット工程と、を有する摩擦圧接方法において、前記推力付与装置としてサーボモータを採用し、検知さ
れる実推力に基づき、前記摩擦送り工程及び前記アップ
セット工程内で該サーボモータの速度制御を制限された
上限値の下で行なうことを特徴とする摩擦圧接方法。