JPS6087986A - 摩擦圧接方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は摩擦圧接方法詳しくはブレーキ式摩擦圧接方法
とその装置に関する。上記摩擦圧接方法は大別して、ブ
レーキ式とフライボイル式があり、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にブレ
ーキにより制止されるものをいい、後者は最初にフライ
ボ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。そして、
本発明はブレーキ式Ｉ″７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言う場合はブレーキ式の
ものをいう。）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はられれている。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
他の溶接方法では田雑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法
（フライボイル式も含む）が多用されるようになった。

しかし、従来のブレーキ式摩擦圧接方法は第１図に示す
如く一定の材料、形状、大きさのものに対して一定の回
転数及び一定の摩擦圧力のもとで行われ、かかる圧接方
法のもとでは、圧接部分で材料の繊維方向が極端（直角
状）に屈曲しているため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っている点が指摘され、ま
た圧接材料の形状においても中空軸状のものは圧接が困
難とされていた。

そこで、本発明は上記現況に鑑み、加工効率におい′ζ
優れている摩擦圧接方法の適用範囲（材料の種類、形状
）を広げ、摩擦圧接時間を短縮し、かつ耐衝撃値の大き
い■♀擦圧接方法及びその方法を実施する摩擦圧接装置
を提供することを目的とする。

そして、まず本発明にががる摩擦圧接方法について説明
すると、本摩擦圧接方法は圧接の過程において、時間の
経過にあわせ回転数を減少あるいは増減周期変動させる
とともに［Ｊ＠圧力を増加させることにより、圧接する
摩擦面近傍（摩擦面も含む。本明細書において間し。）
において摩擦面に生ずる摩擦トルク、よりしるが非定常
な状態で回転を制止し圧接力を加え、材料を塑性流動さ
せることにより圧接部分での材料の繊維方向の変化が緩
やかになるよう摩擦圧接させようとするものである。

以下、本発明にががる摩擦圧接方法を実施例に基づいて
具体的に説明する。本実施例は軸径１６ＩＷｍノステン
レス鋼（５１１５３０４）　＋１７）一方を静１ト側に
固定し、もう一方を回転側に保持して圧接したもので、
以下本実施例を中心に説明する。第２図は横軸に時間し
、縦軸に摩擦１−ルク′Ｉ゛、摩擦面の温度θ、よりし
ろδ、圧接の初期圧力Ｐ。

、摩擦圧力Ｐ１、アブセント圧力１：＋２、回転数Ｎを
とって圧接過程の鎖状態を表したものである。

尚、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Ｐａとは材料の圧接面を予め３
Ｆ　？ｉにする予備工程において材料の軸方向にイリ１
り圧力をいい、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、アプセノｌ−圧力門
とは主軸の回転の停止に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ｔｌが決定されるが、こ
れは摩擦面の温度θが材料の圧接加工温度θに達し摩擦
圧力の最終値Ｐｌｈにより軸方向の縮み量が３〜６ｍｍ
になるまでに要する時間を摩擦時間ｔ１として決定され
る。また上記摩擦圧力の最終値Ｐｌｈは圧接加工温度θ
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るが３〜６ｆｆｌＩ！１となるよう
な圧力に設定される。上記摩擦圧力の最終値Ｐ１１１は
材料の種類により変化し、高温での降伏応力に略反比例
し少なくとも、５４５Ｃと５４５Ｃとの圧接で１０〜１
５ｋｇ／ｎｏ’、５４５Ｃと５ＵＪ２との圧接でｌＯ〜
１５ｋｇ／ｍ’以上、５４５Ｃと５ＩＩＳ４２０Ｊ２と
の圧接で１５〜２０ｋｇ／ｉｎ’以上、５ＩＩＳ３０４
とＩＩ　Ｓ　Ｔ　６との圧接で２０〜２５　ｋｇ　／ｍ
′以上であることが望ましい。第２図に示す本実施例で
はアブセント圧力Ｐ２は摩擦圧力Ｐ１とほぼ等しく　Ｒ
＝　Ｐ２　＝　１５ｋｇ　／　ｌｌ１１’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が、一般
に軸径が太くなればＮ１は小さくなり、高温での降伏力
が大きいものば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、アブセント圧力、回転数が決定されると
、圧接する一方の材料が静止側、例えばヘッドに固定さ
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ャックに保持される。

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Ｎ＋　＝２４０Ｏｒｐｍで回転し、その
後時間（摩擦時間１１）の経過とと４）に−次直線的に
回転数Ｎ１はＮ＋　＝２４０ＯｒｐｍからＮ２＝ｌＯ０
０ｒｐｍまで減少すると同時に圧接力は初期圧力Ｐａか
ら摩擦圧力の最終値Ｒｈ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での温度θは材料の圧
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？？１らかな曲線を描いて増加する。そして、」１記
設定した摩擦時間Ｌ１に達する（よりしろがほぼ上記所
定の数値に達する）と回転が止まり、圧接力ば摩擦圧力
ＰＩからアプセット圧力Ｐ２に変わる。さらにその後一
定時間（アブセント時間Ｌ２）材料の内部組織が安定す
るまで」−記アプセソト圧力Ｐ２が加えられ、摩擦圧接
工程を終了する。

以上説明したように、本発明にかかる摩擦圧接方法によ
れば回転数及び摩擦圧接力を圧接過程において−に記の
如（変化させることにより、摩擦面部分において摩擦Ｉ
・ルクＴ、よりしろδが非定常な状態、即ち摩擦面での
よりしろδ及び摩擦トルクＴをｌｈ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。そのため圧接条件を比較した表、１あ
るいはその結果を表した第４図〜第７図に示すように、
従来の摩擦圧接方法に比べ、圧接加工時間が短く、従っ
て要するエネルギーも少なく、その上材料の塑性流動も
速やかに行われるため（第２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將、の屈曲も緩−やか
になり（第９図（ｂ）参照）、従来１ｆ擦圧接法の欠点
とされた耐衝撃値も大幅に改善される。また、従来困難
とされていた中空軸の圧接もトルクの急激な上昇がない
ため容易にでき、さらには従来不可能あるいは困ゲ「と
されていた材料間（例えば、ステンレス鋼とコバルト合
金等）の圧接も可能になった。

以、Ｆ説明の便宜のため、摩１？圧力の最終値とアプセ
ッ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ット圧力を摩擦圧力の最終値より
大きくしても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
なっても従来の方法に比べより好ましい結果がｔｑられ
る。上記設定値等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。

次に上記摩擦圧接工程を実施するための装置について説
明する。従来摩擦圧接装置は」二連のとおり圧接過程に
おいて摩擦圧力、回転数が一定であればよかったため、
その構造も簡単であり、また圧接手段である油圧シリン
ダの制御にはオンオフ式が用いられ、オンオフ切り換え
時に瞬間的に設定した圧力に到達するため、衝撃力が機
械等に作用し所謂圧力のジャンピング現象が生じ、また
材料間の接触をベントとクランプ間との摺動抵抗をプレ
ッシャスイッチで感知して検出していたため上記摺動部
に塵挨等が侵入ずれは娯動作をし、正確な接触検出が行
われすその結果その後の摩擦圧接も所定どおり行われな
いこともしばしばある等、種々の欠点があった。

そこで、本装置は上記摩擦圧接方法を実施する機能を具
備するとともに上記欠点を解決するため以下のような構
成とした。

即ち、圧接する二つの材料のうちの一つをベッドに固定
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
ャックを具（ｊｆｉ　シ、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と、
該摩擦圧接機の回転数と圧接力の制御モードとその数値
及び制動等のタイムスケジュールの値等を圧接する材料
にあわせて入力する入力手段、−に記入力された数値及
び諸データ並びに上述する制御データ等を記憶する記憶
部、」二記人力された数値を諸データに基づき必要な制
御データを演算算出する演算部、上記制御モート及びデ
ータに基づき上記摩擦圧接機の作動等を制御する制御部
、本制御装置と上記摩擦圧接機のアクチュエータ及びセ
ンサとの信号の出入力を可能にするインタフェースより
なる制御装置とにより構成されている。

以下実施例に基づいて本発明をより具体的に説明する。

第１０図は本装置の構成を示す図面、第１１図は本装置
の圧接手段たる油圧シリンダを含む油圧回路を示した図
面、第１２図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本装置の制御を
示すフローチャートである。し１において、１は摩１察
圧接機で、該摩擦圧接機１ばヘッド２、ヘッド２−［二
をヘッド長手方向に摺動し、一方の材料を固定するクラ
ンプ３．４−記クランプ３をヘッ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、ｌ二記浦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、へ・ノド２
に軸受を介し−こ支持され、＋Ａ料を保持して回転させ
る千六・ツク７、該チャック７を軸端に固着する回転主
軸８、回転主軸８にプーリ及びベル１−を介して回転を
伝達する一導電勅機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１０１．１−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」ミンプ１２とにより構成される
。そして、１３は十記摩擦圧接機１の作動を制御する制
御装置たるプログラマブルコントローラで、該ブロク゛
ラマフ゛ルコン１ヘローラ１３（以下、単にコントし１
−ラとむ）う。）は諸データあるいは制御プログラム等
の入力手段たるキーボード１４、−１１記人力された８
Ｒデータ、数値、上述する制御データ等をδ己（！！１
−る記憶部、−に記入力された数値等を記憶さ、１１７
−ζいる諸データに基づき必要な制御データを演算する
演算部、上記制御デー外回転モード、圧接モード及び入
力されたプログラムＧこ基づき−１つ記摩擦圧接機及び
本コントローラ１３内部の動１乍を制御する制御部、本
コン１〜ローラ１３と上記摩擦圧接機等との信号の出力
をＤ／Δコンバーター１５を介して可能にするインター
フェース等より構成されている。そして、その他のもの
とじ−てセンサ、及び上記クランプ、チャックの１乍１
１ｉＪＪスイツチ、油圧ポンプと潤滑ポンプの作・肋ス
イ。

チ皮び摩擦圧接懺の作動スイ・ノチ等より構成される。

また、」二記センサとしては以−トのもの力くある。即
ち、上記摩擦圧接機ｌの油圧シ１）ンタ゛のロッドにロ
ードセルを直接組み込み圧接力を検出してコントローラ
１３にフィートノーツクして所望の正確な圧接力が得ら
れるようＧこなり、また摩擦面での物理的状態を把握し
、最良の摩１を圧接が得られるよう該摩擦面近傍に設置
された温度検出のためのセンサ、例えば放射式二色／Ｉ
Ｍ度針のセンサ、摩擦ｌ・ルク検出のためのセンづ・、
よりしろ検出のためのセンサが組み込まれ−ζ上記制御
装置に表示され、あるいは記録計６二言己録されるよう
になっている。

しかして、」−記構成よりなる本装置番よ第１２図のフ
ローチャー１−に示す如く圧接Ｇこ際し以下のように作
用する。

即ち、圧接作業に先立ちキー号で一ド１４を介して上記
コンｌ−１：Ｊ−ラ１３にその圧接の過（呈を定めるモ
ードを選°択する。例えば、上述し）こ本発用Ｉにかか
る摩！小圧接方法を実施する場合につＧ）−ζ説明すれ
ば、第１２図（ｂ）の回転数Ｇこ関して（よ回転数が時
間とともに変化する、〔回４ｉ云数モード〕で「スｌコ
ープ」が選択され、同（ｃ）の〔圧力モードＡ〕に関し
ては時間とともに圧力が変化する「時間」が選択され、
〔圧力モードＢ〕に関しては「スロープあり」が選択さ
れ、アプセット圧力を変化させない場合は〔圧力モード
Ｃ〕で「スロープなし」が選択される。次ぎに、初期摩
擦圧接力Ｐｏ−、摩擦圧力の最終イｆ（Ｐ］ｈ、アプセ
ット圧力Ｐ２、変化時間ｔｐ、初期回転数Ｎ＋ｆ、最終
回転数Ｎ２、変化時間ｉｎ、予備工程時間１０、摩擦圧
接時間ｔ１、アプセット圧接時間Ｌ２が入力される。そ
れら入力された数値はコントローラ１３の演算部で演算
され時間に対する摩擦圧力の変化率Ｐｓ＝　（Ｒｈ　−
Ｐｏ）　／ｌｐ、及び各微少時間毎の摩擦圧力ＰＩｏｕ
ｔ　＝Ｐｏ＋ｒ’ｓ−Ｌが、同様回転数の変化率Ｎｓ＝
　（ＮＩＮ２）　／Ｌｎ及び各微少時間毎の回転数Ｎｏ
ｕｔ−Ｎ１−Ｎｓ・Ｌがめられ記憶部に記憶される。上
記入力が完了すると、油圧及び潤滑ポンプ６．１２のス
イッチがＯＮにされると油圧及び潤滑ポンプ６．１２は
作動し、該摩擦圧接機１のクランプ３及びチャフ７に材
料が挿入され挟着のためのスイッチをＯＮずれぽ該材料
は挟着され、それらに固定あるいは保持される。しかる
後、摩擦圧接機１の作動スイッチをＯＮにすれば圧接サ
イクルが始まり、上記チャック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イ」電動
機９により回転数Ｎ１で回転をはじめとともにコン１川
コーラ１３からの信号により油圧回路のサーボ弁５が作
動しベッド上のクランプ３ば油圧シリンダ４の作用によ
りチャック７側に押圧され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、次に摩擦時間Ｌｌに移行する。そして摩
擦圧接時間ｔ１が始まると、上記入力されコン１−ロー
ラの記憶部に記憶されている制御プロセス（回転モード
、圧力モード等）及び諸データにより制御部が摩擦圧接
機の各アクチュエータを制御する。

即ち、上記演算され記憶部に記憶され順次信号としてア
クチュエータに発せられるＮｏｕｎ、　Ｐｌｏｕｔ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ｌ−
ローラにフィードバックして上記制御作動をＪｄｉ正す
るいわゆるクローズト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
ンダは極めて正確にかつ滑らかに作動し、圧接なされる
。そして、それら制御の摩擦面に与える物理的データが
第２図あるいは第３図に表される線図となる。

以上説明したように本装置は構成されているため、前述
した従来なかったような摩擦圧接方法を実現することが
できるとともに、従来の摩擦圧接機において指摘されて
いたようなジャンピング現象が生しないため正確な圧接
過程が保障され前述の摩擦圧接方法のような複雑な摩擦
圧接方法も可能となり、該ジャンピング現象による衝撃
で装置も損傷をうけることもなく、機械寿命も飛躍的に
延長可能となり、また材料の軸方向の接触及び圧接力が
ロードセルにより直接検出されて正確に制御されるので
、信頼性及び寸法積度の高い圧接が可能になった。尚、
以上説明した以外に本摩擦圧接装置は、第１２図（ｂ）
、（Ｃ）に示す如く諸々のモードを選択すれば、各種材
料間のまた各種方法の摩擦圧接を最も効果的かつ容易に
行うことができる。従って、多品種・少量の圧接機ある
いは摩擦圧接の試験装置として使用しても非常に大きな
’ＪＪ果を発揮する。

Ｅ述のとおり、本発明は加工効率において優れている摩
擦圧接方法の適用範囲をさらに広げるとともに、該摩擦
圧接方法を容易に実施することができる装置を提供する
ことにより、生産技術の向上を通して我が国産業の発展
に寄与する極めて（憂れた発明である。

【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図は本発明にかかる
摩擦圧接方法を実施した場合の同様の線図、第３図は本
発明の実施例の一つで第２図とＩｖ、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７図は本発明
の摩擦圧接方法により圧接した圧接部分の１ｌｉｉ４　
ｉ！ｉ撃値と従来の方法にかかるものとを比較した図面
、第８図は第７図の破損試験の方法を示した図面、第９
図（ａ）は従来方法で摩擦圧接された、同（ｂ）は本発
明にかかる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面、第１０図は本発明にか
かる摩擦圧接装置の全体の構成を示す図面、第１１図は
第１０図の装置の油圧回路の構成を示す図面、第１２図
（ａ）は本発明に゛かかる摩擦圧接装置の動作を表した
フローチャート、同（ｂ）は回転数の制御モードの選択
のフローチャー１−１同（Ｃ）は圧接力の制御モードの
選択のフローチャー１−である。 １・・・摩擦圧接機、２・・・ヘッド、３・・・クラン
プ、４・・・油圧シリンダ、５・・・サーボ弁、６・・
・油圧ポンプ、７・・・チャック、８・・・回転主軸、
９・・・誘導電動機、１０・・・インバータ、１１・・
・ブレーキ、１２・・・潤消ポンプ、１３・・・プログ
ラマブルコンｉ・ローラ、１４キーボード、１５・・・
Ｄ／Δコンバーク、１６・・・ランプ、１７・・・ソレ
ノイド、１８・・・コイル、１９−・・スイッチ、２０
・・・リレー接点、２１・・・スイッチ、２２・・・表
示器、２３・・・アンプ、２４・・・ロードセル、２５
・・・ＡＣＣ２２６・・・電磁切り換え弁、２７・・・
リリーフ弁、２８・・・フィルター、２９・・・冷却器
、３０・・・逆止弁、３１・・・減圧弁。 算４図 ：’ｉ、’　６１”ｊＪ （ｌ：）４ｂし／ｂＵｂ４ＺＯＪ２　）￥５１図 記７１図 （ＳＵＳ３０４／Ｈ５Ｔ６） Ｙ８λｉ 菰９図 （ａ）１ （ｂ） 品１０図 威１２１図 （ｂ） 邦１２図 （Ｃ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１１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摩擦圧接方
   法において、その圧接過程で、圧接する材料の種類、形
   状、大きさにあわせ、圧接時間、回転数、摩擦圧力を自
   在に変化させる制御をなし、圧接する摩擦面近傍におい
   て摩擦面に発生ずる摩擦１−ルク、よりしるが非定富な
   状態で圧接することを特徴とする摩擦圧接方法。 （２）前記回転数、摩擦圧力を自在に変化さゼて圧接す
   る方法において、それらの変化が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増加させるよう変
   化さ−けることである特許請求の範囲第１項記載の摩擦
   圧接方法。 （３）前記回転数の減少及び摩擦圧力の増加が時間を関
   数として一次直線的あるいは二次曲線的に行われている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の摩擦圧接
   方法。 （４）圧接する二つのヰＡ料のうちの一つをへ、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ゼる
   チャ・７りを具備し、」１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＋、ｔ
   ＩＩを軸方向に圧接させる圧接手段からなる摩擦圧接機
   と、該摩擦圧接機の回転数及び制動及び圧接力並ひにタ
   イムスケジュール等の数値を圧接する材料にあわせて入
   力する入力手段、上記入力された数値及び諸データ並び
   に下達する制御データ等を記憶する記憶部、−に記入力
   された数値を諸デー多に基づき必要なＨｉ’Ｌｆａｌデ
   ータをｌｉｈ算する演算部、上記制御データに基づき１
   −記摩擦圧接機の作動等を制御する制御部、本制御装置
   と上記摩擦圧接機のアクチュエータ及びセンサとの信号
   の出入力を可能にするインタフエースよりなる制御装置
   と鎖状態を検出するセンサ等により構成されていること
   を特徴とする摩擦圧接装置。