KR20130093124A - 마찰 교반 접합 장치 - Google Patents

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사토시 야마나카
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가부시키가이샤 아이에이치아이
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Abstract

이 마찰 교반 접합 장치에서는, 가구(1) 상에, 워크 고정 정반(3a, 3b)을 설치한다. 또한, 가구(1)에, 간극(4)으로부터 프로브(5a)를 위쪽으로 돌출시키는 보빈 툴(5)과, 보빈 툴(5)을 상단부에 장착하는 주축(6)과, 주축(6)을 회동시키는 주축 구동 장치(7)를 구비하는 접합 장치 본체(8)를, 접합 장치 본체(8)의 양측에 설치한 리니어 가이드 기구(9)를 개재하여 간극(4)의 길이방향으로 이동이 자유롭게 설치한다. 또, 접합 장치 본체(8)를 간극(4)의 길이방향으로 이동시키는 이동 장치(10)를 설치한다. 이 마찰 교반 접합 장치에 따르면, 접합 장치 본체(8)를 양측의 리니어 가이드 기구(9)를 개재하여 가구(1)에 지지시키고 있으므로, 큰 접합 반력을 충분히 받을 수 있다. 또한, 워크(2a, 2b)를 아래쪽으로부터 접합하므로, 워크 사이즈가 장치의 크기에 제한되지 않는다.

Description

마찰 교반 접합 장치{Friction stir welding device}
본 발명은 워크를 마찰 교반 접합하기 위해 이용되는 마찰 교반 접합 장치에 관한 것이다.
본원은 2010년 11월 4일에 출원된 일본특허출원 2010-247811호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
마찰 교반 접합에서는, 마찰 교반 접합용 툴의 선단부에 설치된 프로브(봉형의 돌기물)를 워크의 접합부에 회전시키면서 눌러대어 워크 내에 몰입시킴으로써, 워크의 접합부에 마찰열을 발생시켜 워크를 연화시킴과 동시에, 상기 마찰 교반 접합용 툴의 회전력에 의해, 접합부 주변을 소성 유동시켜 교반 혼합하여 복수의 워크를 일체로 접합한다. 마찰 교반 접합은 현재, 접합시에 생기는 접합 반력(反力)이 작은 알루미늄재 박판(두께 10mm이하)의 접합을 중심으로 이용되고 있다.
마찰 교반 접합에 이용하는 종래의 마찰 교반 접합 장치로서는, 워크를 올려놓는 정반의 양측에 설치한 안내 레일과, 상기 정반에 올라타서 상기 안내 레일 상에 이동이 자유롭게 설치한 문형 프레임과, 문형 프레임에 정반의 폭방향으로 이동이 자유롭게 캔틸레버 지지시킨 베이스와, 베이스에 상하방향으로 이동이 자유롭게 캔틸레버 지지시킨 접합 장치 본체와, 접합 장치 본체의 하단부에 회전 가능하게 장착한 마찰 교반 접합용 툴을 구비하는 장치가 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
또한, 종래의 마찰 교반 접합 장치의 다른 예로서는, 마찰 교반 접합용 툴과, 마찰 교반 접합용 툴을 회전 구동하는 회전 구동 수단과, 상기 마찰 교반 접합용 툴을 상하방향으로 이동시키는 변위 구동 수단을 구비하여 이루어진 접합 장치 본체를, 차륜과 차륜을 회전 구동시키는 차륜 회전 수단을 구비하여 자주(自走) 가능한 차체에 탑재한 장치가 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조).
특허문헌 1: 일본공개특허 2004-195549호 공보 특허문헌 2: 일본공개특허 2005-186084호 공보
그런데, 상기 특허문헌 1에 기재된 바와 같은, 접합 장치 본체를 캔틸레버 지지하는 구조를 갖는 마찰 교반 접합 장치에서는, 마찰 교반 접합시에 생기는 접합 반력이 큰 경우, 예를 들면 후판(예를 들면, 알루미늄재로는 18mm이상)끼리의 접합 등에 있어서 접합 반력이 약 1t을 넘는 경우 등에는, 그 큰 접합 반력을 받을 수 없어 정상적으로 워크의 마찰 교반 접합을 행할 수 없다. 또한, 문형 프레임이 워크를 올라타는 구조이기 때문에, 마찰 교반 접합할 수 있는 워크의 사이즈(폭 치수)가 문형 프레임의 크기에 제한되고, 워크 사이즈가 큰 경우는 장치를 대형화해야 한다.
또한, 상기 특허문헌 2에 기재된 바와 같은 차륜을 이용하여 자주 가능하게 한 마찰 교반 접합 장치에서는, 마찰 교반 접합시에 생기는 접합 반력이 큰 경우, 그 접합 반력에 의해 주행 방향이 흔들려 정상적으로 워크의 마찰 교반 접합을 행할 수 없다. 또, 상기 특허문헌 2에서는, 마찰 교반 접합 장치의 한쪽에 워크 간의 접합선을 따라 연장되는 가이드 부재를 설치함과 동시에, 가이드 부재를 끼움지지하는 한 쌍의 롤러와 롤러를 회전이 자유롭게 지지하는 고정부를 구비하는 가이드 기구를 마찰 교반 접합 장치에 설치하여 가이드 부재를 따라 마찰 교반 접합 장치를 이동시키는 구조도 제안되어 있지만, 상기 마찰 교반 접합 장치에 설치한 한 쌍의 롤러에서는 마찰 교반 접합시에 생기는 큰 접합 반력을 받을 수 없다. 따라서, 이 경우에도 정상적으로 워크의 마찰 교반 접합을 행할 수는 없다.
그래서, 본 발명은 워크의 사이즈가 커도, 또한 마찰 교반 접합시의 접합 반력이 커도 장치를 대형화하지 않고 정상적으로 워크의 마찰 교반 접합을 행할 수 있는 마찰 교반 접합 장치의 제공을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 관한 마찰 교반 접합 장치는, 워크를 접합하는 접합선의 길이보다 긴 가구(架構)와, 이 가구의 상면에, 상기 워크 간의 접합선을 따라 연장되는 간극을 형성하도록 설치된 한 쌍의 워크 고정 정반과, 상기 간극의 아래쪽에 위치하고, 상기 간극으로부터 위쪽으로 돌출하는 마찰 교반 접합용 툴과, 이 마찰 교반 접합용 툴을 상단부에 장착하는 주축과, 이 주축을 회동시키는 주축 회전 구동 장치를 구비하는 접합 장치 본체와, 이 접합 장치 본체를 상기 간극을 따라 이동이 자유롭게 지지하는 리니어 가이드 기구와, 상기 접합 장치 본체를 상기 간극을 따라 이동시키는 이동 장치를 구비한다.
또한, 상기 리니어 가이드 기구가, 접합 장치 본체에 설치한 롤러 순환식 리니어 가이드 블록과, 이 리니어 가이드 블록에 대응시켜 가구에 설치한 상기 간극을 따라 연장되는 리니어 가이드 레일을 구비하는 것이 바람직하다.
이 경우, 리니어 가이드 기구가, 가구에 평행하게 설치한 복수개의 리니어 가이드 레일을 구비하는 것이 바람직하다. 또한, 리니어 가이드 기구가 하나의 리니어 가이드 레일당 복수개의 리니어 가이드 블록을 개재하여 접합 장치 본체를 지지하고 있는 것이 바람직하다.
또, 상기 마찰 교반 접합용 툴을 보빈 툴로 하고, 마찰 교반 접합용 툴과 주축의 사이에 상기 마찰 교반 접합용 툴을 지지하는 탄성체를 설치하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 접합 장치 본체의 주축의 외주측에 유냉실(油冷室)을 형성하기 위한 케이싱을 설치하고, 이 케이싱에, 주축을 베어링을 개재하여 회전 가능하게 지지시키며, 베어링과 상기 유냉실에 윤활유를 순환시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 접합 장치 본체에, 마찰 교반 접합용 툴의 외주측을 냉각하는 기체의 분출 방향이 변경 가능한 냉각용 노즐을 설치하는 것이 바람직하다.
본 발명의 마찰 교반 접합 장치에서는, 워크를 접합하는 접합선의 길이보다 긴 가구의 상면에, 한 쌍의 워크 고정 정반을, 워크 고정 정반끼리의 사이에 상기 워크 간의 접합선을 따라 연장되는 간극을 형성하도록 설치하고 있다. 또한, 상기 가구에서의 상기 간극의 아래쪽에, 간극으로부터 위쪽으로 돌출하는 마찰 교반 접합용 툴과, 마찰 교반 접합용 툴을 상단부에 장착하는 주축과, 주축을 회동시키는 주축 회전 구동 장치를 구비하여 이루어진 접합 장치 본체를, 리니어 가이드 기구를 개재하여 상기 간극을 따라 이동이 자유롭게 설치하고, 또 상기 접합 장치 본체를 간극을 따라 이동시키는 이동 장치를 설치하고 있다. 이 구성에 의해, 마찰 교반 접합시에 생기는 접합 반력이 큰 경우, 예를 들면 후판(예를 들면, 알루미늄재로는 18mm이상)끼리의 마찰 교반 접합 등에 있어서 접합 반력이 1t을 넘는 경우 등에도 그 큰 접합 반력을 충분히 받을 수 있다. 따라서, 워크의 마찰 교반 접합을 정상적으로 행할 수 있다. 또한, 가구 상의 워크 고정 정반에 올려놓은 워크를, 워크 고정 정반끼리의 사이에 형성한 간극의 아래쪽에 위치하는 접합 장치 본체에 의해 마찰 교반 접합하므로, 워크의 폭 치수가 워크 고정 정반의 폭 치수보다 커도 워크의 마찰 교반 접합을 행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 마찰 교반 접합 장치의 일 실시형태를 도시한 개략 평면도이다.
도 2는 도 1의 개략 정면도이다.
도 3은 접합 장치 본체의 베이스에의 설치 상태를 도시한 개략 평면도이다.
도 4는 도 3의 A-A방향에 따른 개략 단면도이다.
도 5는 도 4의 B-B방향에 따른 개략 단면도이다.
도 6은 도 5의 X부의 확대도이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1 내지 도 6은 본 발명의 일 실시형태를 도시하고 있다. 이 마찰 교반 접합 장치에서는, 마찰 교반 접합으로 마찰 교반 접합용 툴(5)을 이동시키는 방향(이하, 전후방향이라고 정의함)으로 연장되는 베이스 플레이트(1c) 상에, 베이스 플레이트(1c)의 길이방향을 따라 평행하게 배치한 좌우 한 쌍의 프레임(1b와 1b)을 일정한 간격을 두고 설치함으로써 가구(1)를 구성하고 있다. 또한, 각 프레임(1b와 1b)의 각 상단면에는, 상면에 워크(2a, 2b)가 놓이는 한 쌍의 워크 고정 정반(3a, 3b)이 각각 설치되어 있다. 각 워크 고정 정반(3a, 3b)의 상면은 모두 수평으로 유지되고, 또한 고정 정반(3a, 3b)의 사이에는 전후방향으로 슬릿형상으로 연장되는 소정 간격을 갖는 간극(4)이 형성되어 있다. 그리고, 간극(4)의 아래쪽에는 베이스 플레이트(1c)와 좌우의 프레임(1b)과 좌우의 워크 고정 정반(3a, 3b)으로 둘러싸이는 공간부(1a)가 형성되어 있다.
공간부(1a)에는, 보빈 형상을 이루는 마찰 교반 접합용 툴(5)과, 마찰 교반 접합용 툴(5)을 상단부에 구비하는 수직방향으로 연장되는 주축(6)과, 주축(6)을 개재하여 마찰 교반 접합용 툴(5)을 회전시키는 주축 회전 구동 장치(7)를 구비하는 접합 장치 본체(8)가 수납되어 있다. 또한, 베이스 플레이트(1c)의 좌우(베이스 플레이트(1c)의 폭방향) 양측부에 각각 설치된 리니어 가이드 레일(27)에는, 접합 장치 본체(8)의 좌우 양측면에 각각 설치된 리니어 가이드 블록(26)이 걸어맞춤되어 있다. 그리고, 리니어 가이드 블록(26)과 리니어 가이드 레일(27)로 이루어지는 리니어 가이드 기구(9)에 의해, 접합 장치 본체(8)가 마찰 교반 접합용 툴(5)을 간극(4)보다 위쪽으로 돌출시킨 상태로 베이스 플레이트(1c)의 길이방향이 되는 전후방향으로 이동 가능하게 되어 있다.
또, 공간부(1a)에는 이동 장치(10)가 설치되어 있다. 이 이동 장치(10)는, 베이스 플레이트(1c)의 전후방향에서의 일단측의 상면에 설치한 엔드레스 윈치(29)와, 엔드레스 윈치(29)의 드럼(29a)의 아래쪽에 설치한 시브(30)와, 베이스 플레이트(1c)의 전후방향에서의 타단측의 상면에 설치한 시브 블록(28)과, 엔드레스 윈치(29)의 드럼(29a)에 권취되어 시브(30)와 시브 블록(28)에 감아 걸어진 밧줄 형상물로서의 와이어 로프(31)로 구성되어 있다. 그리고, 와이어 로프(31)의 양단을 접합 장치 본체(8)의 전후 양단부에 연결하여 엔드레스 윈치(29)의 회전에 의해 와이어 로프(31)를 개재하여 접합 장치 본체(8)를 전후방향으로 이동시킴으로써, 마찰 교반 접합용 툴(5)이 상기 워크 고정 정반(3a, 3b) 사이의 슬릿형상의 간극(4)을 따라 이동한다.
상세히 서술하면, 가구(1)를 구성하는 좌우의 각 프레임(1b)의 상단에 놓여져 장착되어 있는 좌우 한 쌍의 워크 고정 정반(3a, 3b)은, 그들 사이에 형성된 간극(4)의 폭이 베이스 플레이트(1c)의 길이방향과 직교하는 폭방향에 있어서 일정해지도록 평행하게 설치되어 있다. 또한, 좌우의 워크 고정 정반(3a, 3b)의 간격(간극(4)의 폭)은, 간극(4)에 아래쪽으로부터 삽입 통과된 마찰 교반 접합용 툴(5)이 간극(4) 안을 전후방향으로 지장없이 이동 가능하게 되도록 설정되어 있다.
워크 고정 정반(3a, 3b)의 상면에는 접합하고자 하는 워크(2a, 2b)가 각각 놓인다. 이 경우, 두 워크(2a, 2b)는 이들 접합 측단면을 간극(4)의 위쪽에서 근접시키는 위치에서 워크 고정 정반(3a, 3b) 상에 고정된다.
또한, 접합 장치 본체(8)는, 가구(1)의 길이방향으로 연장되는 직사각형상의 바닥면판(8a) 상에 좌우의 각 측벽(8b, 8b)을 소정 간격을 두고 상하로 세워 각 측벽(8b, 8b)의 하단을 바닥면판(8a)에 고정하고, 바닥면판(8a)의 길이와 대략 같은 길이로 함과 동시에 바닥면판(8a)보다 폭이 좁은 천정벽(8c)을 좌우의 측벽(8b, 8b)의 상단부 내측에 수평으로 장착한 각통 형상의 케이스를 형성하고 있다. 이 접합 장치 본체(8)는, 공간부(1a) 내에 수납할 수 있는 크기를 가진다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 천정벽(8c)에는 전후 2개소에 소정 크기의 개구부(8d, 8e)가 형성되어 있다.
케이스 내에는 상하방향으로 연장되는 주축(6)과, 주축(6)의 상단과 보빈 툴(5)의 축부(5b)의 하단의 사이에 설치된 접합용 툴 지지 기구(13)(도 6 참조)와, 주축(6)의 외주측에 유냉실(15)을 형성하기 위한 대략 원통 형상의 케이싱(16)과, 주축(6)의 상단부와 하단부를 케이싱(16)에 회전이 자유롭게 지지하기 위한 베어링(23, 24)과, 보빈 툴(5)의 외주측을 냉각하는 기체를 분출하기 위한 냉각용 노즐(17)과, AC 서보 모터 등의 주축 회전 구동 장치(7)를 구비한다.
또한, 주축(6)의 상단에는 대략 원통형의 툴 홀더(12)가 동축을 이루도록 장착되어 있다. 이 툴 홀더(12)는, 마찰 교반 접합용 툴로서 사용되는, 숄더 간격이 고정식의 보빈 툴(5)의 축부(5b)를 동축을 이루도록 수용하고, 보빈 툴(5)에 미끄럼 키(11)를 개재하여 동력을 전달한다.
또, 주축(6)의 하단부와 주축 회전 구동 장치(7)의 하향의 출력축(7a)은 케이스의 바닥면판(8a)에 설치한 개구부보다 아래쪽으로 돌출되어 있다. 또한, 케이스의 바닥면판(8a)의 아래쪽에는 주축 회전 구동 기구(14)가 설치되어 있다. 주축 회전 구동 기구(14)는, 주축 회전 구동 장치(7)의 출력축(7a)에 장착한 V풀리(20)와 주축(6)의 하단부에 장착한 V풀리(21)의 사이에 V벨트(22)를 둘러 감아서, 주축 회전 구동 장치(7)의 구동에 의해 주축(6)을 회전 구동시킨다.
또, 주축(6) 및 케이싱(16)의 상단부는 케이스의 천정벽(8c)의 개구부(8d)에 아래쪽으로부터 끼워넣어지고, 주축(6)의 상단부에 지지되어 있는 툴 홀더(12) 및 마찰 교반 접합용 툴(5)은 이 개구부(8d)를 개재하여 천정벽(8c)의 위쪽으로 돌출되어 있다. 또한, 주축 회전 구동 장치(7)의 상단부는 천정벽(8c)의 개구부(8e)에 끼워넣어져 있다.
이들 구성에 의해, 접합 장치 본체(8)가 그 좌우 양측의 측벽(8b)의 상단부와 하단부에 각각 설치한 롤러 순환식 리니어 가이드 기구(9)를 개재하여 간극(4)의 길이방향(전후방향)으로 이동이 자유롭게 되어 있다. 또한, 간극(4)으로부터 워크 고정 정반(3a, 3b)의 위쪽으로 돌출하는 보빈 툴(5)의 프로브(5a)를 워크 고정 정반(3a, 3b)에 고정된, 도면 중 이점쇄선으로 나타내는 워크(2a, 2b) 사이에 위치시킴으로써 워크(2a, 2b)의 마찰 교반 접합이 실시 가능해진다.
여기서, 보빈 툴(5)과 주축(6)의 접합 부위의 구조를 더 자세하게 설명한다.
툴 홀더(12)의 내주면에는, 도 6에 도시된 바와 같이 툴 홀더(12)의 상단에 연통하는 소요 길이의 키 홈(12a)이 상하로 마련되어 있다. 또한, 보빈 툴(5)의 기단(基端)측(하측)에 위치하는 축부(5b)의 외주면에는 툴 홀더(12)의 키 홈(12a)보다 짧은 길이의 키 홈(5c)이 상하로 마련되고, 이 키 홈(5c) 내에 미끄럼 키(11)가 고정되어 있다. 그리고, 키 홈(12a)과 미끄럼 키(11)가 끼워맞춤하도록 툴 홀더(12)의 내부에 보빈 툴(5)의 축부(5b)를 수용함으로써, 워크(2a, 2b)를 마찰 교반 접합할 때의 주축(6)의 회전력을, 툴 홀더(12) 및 미끄럼 키(11)를 개재하여 보빈 툴(5)에 전달할 수 있다. 또한, 미끄럼 키(11)의 길이가 키 홈(12a)보다 짧기 때문에, 보빈 툴(5)이 툴 홀더(12)의 내측을 상하로 슬라이딩할 수 있다.
또한, 주축(6)의 상단의 중심부에는 아래쪽으로 연장되는 소정 깊이의 스프링 지지용 지주 고정공(6a)이 설치되어 있다. 고정공(6a)의 바닥부에는, 위쪽으로 향하여 연장되는 원주형상의 스프링 지지용 지주(18)가 고정공(6a)과 동축을 이루도록 고정되어 있다. 스프링 지지용 지주(18)의 상단은 고정공(6a)의 상단으로부터 위쪽으로 돌출하고, 스프링 지지용 지주(18)의 주위에는 보빈 툴(5)을 지지하기 위한 탄성체로서의 스프링(19)이 동심형상으로 설치되어 있다. 또한, 보빈 툴(5)의 축부(5b)의 하단면의 중심부에는, 스프링 지지용 지주(18)의 상단부가 삽입되는 스프링 지지용 지주 삽입공(5d)이 설치되어 있다. 삽입공(5d)에는 스프링 지지용 지주(18)의 상단부가 삽입됨과 동시에 스프링(19)의 상단에 보빈 툴(5)의 축부(5b)의 하단면이 접촉되고, 그 결과, 주축(6)의 상단과 보빈 툴(5)의 축부(5b)의 하단의 사이에는 상하방향으로 간극이 형성된다. 그리고, 상기 구성에 의해, 보빈 툴(5)을, 그 자중을 스프링(19)에 의해 흡수하면서 아래쪽으로부터 지지하는 접합용 툴 지지 기구(13)가 구성되어 있다. 접합용 툴 지지 기구(13)에 의해, 워크(2a, 2b)가 상하방향(판 두께방향)으로 변형되어 있던 경우에서도 그 변형에 추종하여 마찰 교반 접합용 툴로서의 보빈 툴(5)을, 마찰 교반 접합시에 워크(2a, 2b)보다 아래쪽으로부터 원활하게 승강 동작시킬 수 있다.
또한, 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 케이싱(16)의 상단부에는 윤활유를 유입시키는 윤활유 입구(16a)가 설치되고, 케이싱(16)의 하단부에 윤활유를 배출하는 윤활유 배출구(16b)가 설치되어 있다. 또한, 케이싱(16) 안과 주축(6)의 사이에는 테이퍼 롤러 베어링과 같은 베어링(23)과, 다른 종류의 베어링(24)이 설치된 공간이 유냉실(15)로서 형성되어 있다. 그리고, 베이스 플레이트(1c) 상에 설치한 윤활유 탱크(25) 내의 윤활유를, 도시하지 않은 기름 펌프와 같은 윤활유 순환 장치에 의해 압송하여, 케이싱(16) 상단부에 설치한 윤활유 입구(16a)로부터 주축(6) 상단부의 베어링(23), 주축(6) 외주측의 유냉실(15), 주축(6) 하단부의 베어링(24)의 순서로 윤활유를 유통시킴으로써, 각 베어링(23, 24)의 윤활과 주축(6)의 냉각이 행해진다. 이 윤활유는 케이싱(16) 하단부에 설치한 윤활유 배출구(16b)를 개재하여 윤활유 탱크(25)로 되돌려지고, 다시 상기 윤활과 냉각에 사용된다. 또한, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 접합 장치 본체(8)의 상부에는 보빈 툴(5)을 냉각하기 위한 복수의 냉각용 노즐(17)이 설치되어 있다(도면에서는 툴 홀더(12)의 전후에 합계 3기의 냉각용 노즐(17)이 설치되어 있다). 이들 냉각용 노즐(17)은 기단부에 도시하지 않은 기체 공급원이 연결되는 소정 길이의 주름관부(17a)와, 주름관부(17a)의 선단측에 설치한 기체 분출부(17b)를 구비하고, 주름관부(17a)를 굴곡시킴으로써 기체 분출부(17b)를 보빈 툴(5)의 외주측, 즉 툴 홀더(12)의 외주측의 임의의 위치로 향한 상태로 기체 공급원으로부터의 기체, 예를 들면 공기를 분출하여 보빈 툴(5)을 냉각한다.
리니어 가이드 기구(9)는, 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 접합 장치 본체(8)의 양측부와 가구(1)의 좌우 프레임(1b) 사이의 상단부와 하단부에 각각 설치되어 접합 장치 본체(8)를 전후방향으로 이동 가능하게 지지하고 있다. 이 리니어 가이드 기구(9)는, 접합 장치 본체(8)의 측부에 설치된 롤러 순환식 리니어 가이드 블록(26)과, 가구(1)의 프레임(1b)의 각 리니어 가이드 블록(26)에 대응하는 위치에, 프레임(1b)의 길이방향의 전체 길이에 걸쳐 전후로 설치된 고강성형의 리니어 가이드 레일(27)을 구비하고 있다. 본 실시형태의 경우, 접합 장치 본체(8)의 양측부의 상단부와 하단부에서의 전단측과 후단측에, 도시한 바와 같은 단면 형상을 갖는 합계 8개의 리니어 가이드 블록(26)이 설치되어 있다. 또한, 가구(1)의 프레임(1b)의 상단부와 하단부의 각 리니어 가이드 블록(26)에 대응하는 위치에, 도시한 바와 같은 단면 형상을 갖는 리니어 가이드 레일(27)이 한쪽 2개씩 합계 4개 설치되어 있다. 또, 각각의 리니어 가이드 레일(27)에는 각각 2개의 리니어 가이드 블록(26)이 전후로 배치되어 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 리니어 가이드 레일(27)의 상면과 하면에는 대략 V자 형상의 홈(27a)이 형성되어 있다. 또한, 리니어 가이드 블록(26)에는 홈(27a)에 끼워맞춤하는 돌출부(26a)가 설치되고, 리니어 가이드 블록(26)의 돌출부(26a)의 경사면에는 상기 대략 V자 형상의 홈(27a)의 경사면에 접촉하는 복수의 구름운동체로서의 도시하지 않은 원기둥 형상의 롤러가 접합 장치 본체(8)의 이동 방향(리니어 가이드 레일(27)의 연장 설치 방향)으로 수직인 축둘레로 회전 가능하게 각각 설치되어 있다.
상기 구성을 갖는 리니어 가이드 블록(26)을 구비함으로써, 마찰 교반 접합시에 베이스(1)의 폭방향으로 생기는 큰 접합 반력을 접합 장치 본체(8)의 양측의 리니어 가이드 블록(26)을 개재하여 가구(1)에 받게 하는 것이 가능해지고 있다.
이동 장치(10)는, 접합 장치 본체(8)를 가구(1)의 내부에서 리니어 가이드 레일(27)을 따라 이동시킴으로써 주축(6)을 수평 이동시킨다. 이 이동 장치(10)는, 상기한 바와 같이 가구(1)의 베이스 플레이트(1c)의 길이방향 일단측의 상면에 설치된 AC 서보 모터와 같은 구동 장치에 의해 구동되는 엔드레스 윈치(29)와, 베이스 플레이트(1c)의 길이방향의 타단측의 상면에 설치된 상하 2단에 시브(28a)를 배치하여 이루어진 시브 블록(28)과, 엔드레스 윈치(29)의 드럼(29a)의 아래쪽에 설치된 시브(30)와, 엔드레스 윈치(29)의 드럼(29a)에 감겨 있는 와이어 로프(31)로 이루어진다.
엔드레스 윈치(29)의 드럼(29a)에 감겨 있는 와이어 로프(31)의 일단은, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 접합 장치 본체(8)의 이동 방향의 일단측의 천정벽(8c)의 상면에 상하방향으로 회전이 자유롭게 장착된, 연결구로서의 아이 플레이트(8f)에 연결되어 있다. 또한, 엔드레스 윈치(29)의 드럼(29a)에 감겨 있는 와이어 로프(31)의 타단은, 도 2에 도시된 바와 같이 시브(30)에 걸리고 나서, 시브 블록(28)의 하측의 시브(28a)로부터 상측의 28a의 순서로 걸리고, 또 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 접합 장치 본체(8)의 이동 방향의 타단측의 천정벽(8c) 상면에 상하방향으로 회동이 자유롭게 장착된, 연결구로서의 아이 플레이트(8g)에 연결되어 있다. 이에 의해, 와이어 로프(31)는 시브 블록(28)과 엔드레스 윈치(29) 사이에 이른바 무단상으로 걸쳐져 있다.
엔드레스 윈치(29)의 드럼(29a)을 일방향으로 회전시켜 도 2에서 와이어 로프(31)를 반시계방향으로 이동시키면, 접합 장치 본체(8)의 주축(6)은 도 1에서 엔드레스 윈치(29) 측으로 이동한다. 반대로 엔드레스 윈치(29)의 드럼(29a)을 상기와 반대방향으로 회전시켜 도 2에서 와이어를 시계방향으로 이동시키면, 접합 장치 본체(8)의 주축(6)은 도 1에서 시브 블록(28) 측으로 이동한다. 그리고, 보빈 툴(5)의 프로브(5a)를 워크 고정 정반(3a, 3b)에 고정된 워크(2a, 2b) 사이에 위치시키고, 이 상태로 주축(6)을 주축 회전 구동 장치(7)의 구동에 의해 회전시켜 마찰 교반 접합용 툴인 보빈 툴(5)을 회전시킴으로써, 워크(2a, 2b)의 접합부를 아래쪽으로부터 마찰 교반 접합이 가능해진다.
또, 도면 중 32는 접합 장치 본체(8)의 이동 경로의 양단부에 설치된 접합 장치 본체 오버런 방지용 댐퍼, 33은 툴 홀더(12)의 상단부에 장착된 보빈 툴(5)의 빠져나감 방지용 커버이다.
상기 구성을 갖는 본 발명의 마찰 교반 접합 장치를 이용하여, 예를 들어 후판(18mm이상)의 알루미늄재의 마찰 교반 접합을 행하는 경우, 우선, 접합 장치 본체(8)를 도 1, 도 2에 도시된 바와 같이 가구(1) 내의 길이방향 일단인 시브 블록(28) 측의 단부로 이동시킨 상태로 하여 대기시킨다. 다음에, 가구(1)의 좌우의 워크 고정 정반(3a, 3b) 상에 각각 워크(2a, 2b)를 올려놓고, 워크(2a, 2b)의 접합선을, 각각 도시하지 않은 위치 결정 지그를 이용하여 간극(4)의 중심에 맞춘다. 각 워크 고정 정반(3a, 3b)의 상면에 놓인 워크(2a, 2b)의 접합선이 간극(4)의 중심과 일치하면, 각 워크(2a, 2b)를 워크 고정 정반(3a, 3b)에, 도시하지 않은 워크 고정 지그에 의해 고정한다. 그 후, 상기 접합선을 덮도록 워크(2a, 2b)의 전체길이에 걸친 길이의 도시하지 않은 구형강(溝形鋼)과 같은 비산 방지용 지그를 워크(2a, 2b) 상에 설치하여 보빈 툴(5)의 손상에 의한 비산을 방지한다. 이 때, 워크(2a, 2b)가 가구(1)의 워크 고정 정반(3a, 3b)의 상면보다 폭방향으로 대폭으로 밀려나와 버릴 만큼 큰 경우에는, 가구(1)의 폭방향 양측에 워크(2a, 2b)를 지지하는 도시하지 않은 워크 지지대를 설치하고, 이들 워크 지지대에 워크(2a, 2b) 중에서 가구(1)로부터 밀려나오는 부분을 지지시킴과 동시에, 도시하지 않은 워크 고정 지그에 의한 고정을 행한다.
상기와 같이 하여 워크(2a, 2b)가 워크 고정 정반(3a, 3b) 상에 고정되면, 다음에, 이동 장치(10)를 구성하는 엔드레스 윈치(29)를 구동하여 와이어 로프(31)를 개재하여 접합 장치 본체(8)를 견인시키고, 주축(6)과 함께 보빈 툴(5)을 도 1에 도시된 위치로부터 엔드레스 윈치(29) 측으로 이동시킨다. 이 경우, 주축(6)을 워크(2a, 2b)의 접합 개시 위치의 직전까지 이동시킨 후, 간극(4)의 사이로부터 상향으로 돌출하는 보빈 툴(5)의 프로브(5a)가 워크(2a, 2b)의 단면에 걸릴(접촉할) 때까지 주축(6)을 미속으로 이동시키고, 보빈 툴(5)의 프로브(5a)가 워크(2a, 2b)의 단면에 걸린 단계에서 주축(6)을 주축 회전 구동 장치(7)에 의해 회전시킨다. 또한, 주축(6)의 회전에 연동시켜 도시하지 않은 윤활유 순환 장치에 의한 주축(6) 외주측의 각 베어링(23, 24) 및 유냉실(15)에의 윤활유의 순환과, 냉각용 노즐(17)로부터의 기체, 예를 들면 공기의 분출을 개시한다. 이 때, 보빈 툴(5)의 프로브(5a)가 워크(2a, 2b)에 용이하게 걸리도록 워크(2a, 2b)의 접합 개시 위치가 되는 워크(2a, 2b)의 접합측의 일단(시브 블록(28) 측의 단)에 노치를 설치하는 것이 바람직하다.
다음에, 주축 회전 구동 장치(7)에 의해 주축(6)을 회전시키고 나서 소요 시간 경과한 후, 엔드레스 윈치(29)의 구동에 의해 와이어 로프(31)를 개재하여 접합 장치 본체(8)를 엔드레스 윈치(29) 측으로 견인하는 이동을 재개시켜, 워크(2a, 2b) 사이의 접합선의 일단부터 접합 종료 위치가 되는 워크 접합선의 타단(엔드레스 윈치(29) 측의 단)까지 워크(2a, 2b)의 마찰 교반 접합을 행한다.
다음에, 접합 종료 위치까지 워크(2a, 2b)의 접합이 완료되어 있음을 확인하고, 접합 장치 본체(8)의 주축(6)의 이동을 정지시킨다. 그런 후, 주축(6)의 회전을 정지시켜 워크(2a, 2b) 주변의 온도가 내려갔음을 확인한 후, 각 워크(2a, 2b)의 도시하지 않은 워크 고정 지그에 의한 고정을 해제하고, 접합한 워크(2a, 2b)의 회수를 행하여 마찰 교반 접합을 종료한다.
이와 같이, 본 발명의 마찰 교반 접합 장치에서는, 중공(中空) 구조의 가구(1) 상에 마찰 교반 접합의 대상이 되는 워크(2a, 2b)를 올려놓기 위한 2개 1조의 워크 고정 정반(3a, 3b)을 워크 고정 정반(3a, 3b)끼리의 사이에 워크(2a, 2b) 사이의 접합선을 따라 연장되는 간극(4)을 형성하도록 설치하고 있다. 또한, 간극(4)의 아래쪽의 공간부(1a)에 간극(4)으로부터 프로브(5a)를 위쪽으로 돌출시키는 마찰 교반 접합용 툴로서의 보빈 툴(5)과, 보빈 툴(5)을 상단부에 장착하는 주축(6)과, 주축(6)을 회동시키는 주축 회전 구동 장치(7)를 구비하는 접합 장치 본체(8)를, 접합 장치 본체(8)의 좌우 양측의 상단부와 하단부에 설치한 롤러 순환식 리니어 가이드 기구(9)를 개재하여 간극(4)의 길이방향으로 이동이 자유롭게 장착하고 있다. 그 때문에, 마찰 교반 접합시에 생기는 접합 반력이 큰 경우, 예를 들면 고속으로 행하는 박판(예를 들면, 알루미늄재로 18mm미만)끼리의 마찰 교반 접합이나 후판(예를 들면, 알루미늄재로 18mm이상)끼리의 마찰 교반 접합에 있어서 접합 반력이 1t를 넘는 경우 등이었다고 해도 그 큰 접합 반력을 충분히 받을 수 있다. 따라서, 워크(2a, 2b)의 마찰 교반 접합을 정상적으로 행할 수 있다.
또한, 가구(1) 상의 워크 고정 정반(3a, 3b)에 올려놓은 워크(2a, 2b)를 워크 고정 정반(3a, 3b)끼리의 사이에 형성한 간극(4)을 개재하여 아래쪽으로부터 상향으로 돌출시킨 보빈 툴(5)을 회전시켜 마찰 교반 접합하므로, 워크(2a, 2b)의 폭 치수가 워크 고정 정반(3a, 3b)의 폭 치수보다 커도 워크(2a, 2b)의 마찰 교반 접합을 행할 수 있다. 이 때, 워크(2a, 2b)의 크기(폭 치수)에 대응시켜 마찰 교반 장치를 대형화할 필요도 없기 때문에, 마찰 교반 장치의 소형화를 도모할 수 있다.
또한, 마찰 교반 접합용 툴로서의 보빈 툴(5)의 하단과 주축(6) 상단의 사이에 탄성체로서의 스프링(19)이 설치되어 있으므로, 보빈 툴(5)의 자중을 스프링(19)에 지지시킨 상태로 보빈 툴(5)을 상하이동시킬 수 있다. 그 때문에, 워크(2a, 2b)가 상하방향(판 두께방향)으로 변형되어 있었다고 해도 그 변형에 추종하여 보빈 툴(5)을 원활하게 승강 동작시킬 수 있다.
또, 마찰 접합 장치 본체(8)에 주축(6)의 외주측에 유냉실(15)을 형성하기 위한 케이싱(16)을 베어링(23, 24)을 개재하여 설치하고, 각 베어링(23, 24)과 유냉실(15)에 윤활유를 순환시키도록 하였으므로, 윤활유에 의해 각 베어링(23, 24)의 윤활과 주축(6)의 냉각을 행할 수 있다.
또한, 접합 장치 본체(8)에, 기단부에 도시하지 않은 기체 공급원이 연결되는 주름관부(17a)와, 주름관부(17a)의 선단측에 설치한 기체 분출부(17b)를 구비하고, 보빈 툴(5)의 외주측을 냉각하는 기체의 분출 방향을 변경 가능하게 한 냉각용 노즐(17)을 설치하였으므로, 기체 분출부(17b)를 보빈 툴(5)의 외주측, 즉 툴 홀더(12)의 외주측의 임의의 위치로 향한 상태로 기체 공급원으로부터의 기체, 예를 들면 공기를 분출시켜 보빈 툴(5)을 유효하게 냉각할 수 있다.
또한, 마찰 교반 접합용 툴로서 보빈 툴(5)을 사용하고 있으므로, 마찰 교반 접합용 툴을 상하이동시켜 워크(2a, 2b)에 가압력을 가하기 위한 변위 구동 수단의 설치를 생략할 수 있다. 따라서, 마찰 교반 접합 장치의 구조의 간소화, 컴팩트화를 도모할 수 있다.
또, 이동 장치(10)는, 상기한 바와 같이 AC 서보 모터와 같은 구동 장치로 구동되는 엔드레스 윈치(29)와, 엔드레스 윈치의 드럼(29a)에 감겨 양단을 접합 장치 본체(8)의 이동 방향 양단부에 연결한 밧줄 형상물로서의 와이어 로프(31)를 구비하여 이루어지므로, 접합 장치 본체(8)의 장거리 반송(예를 들면, 10m이상의 반송)을 행할 수 있다. 따라서, 워크(2a, 2b)의 길이가 예를 들면 10m이상이라고 해도 마찰 교반 접합을 행할 수 있다. 또한, 접합 장치 본체(8)를 이동시키는 구동 수단으로서 엔드레스 윈치(29)를 이용하도록 되어 있으므로, 랙 피니언 기구를 이용하여 접합 장치 본체(8)를 이동시키도록 하는 경우에 비해, 랙을 부설할 필요는 없고 유지보수의 면에서 유리하다. 또, 엔드레스 윈치(29)를 이용하는 경우는, 접합 장치 본체(8)를 이송 나사 구동이나 랙 피니언 기구를 이용하여 이동시키는 경우에 비해 비용면에서도 유리하다.
상기 실시형태에서는 리니어 가이드 기구(9)를 롤러 순환식으로 한 경우에 대해 설명하였지만, 후판 등의 마찰 교반 접합시에 생기는 큰 반력을 받을 수 있으면 다른 타입의 리니어 가이드 기구이어도 된다. 또한, 상기 실시형태에서는, 접합 장치 본체(8)의 양측부의 상단부와 하단부에서의 전단측과 후단측에 합계 8개의 리니어 가이드 블록(26)을 설치하고, 가구(1)의 프레임(1b)의 상단부와 하단부의 각 리니어 가이드 블록(26)에 대응하는 위치에, 한쪽 2개씩 합계 4개의 리니어 가이드 레일(27)을 설치하였지만, 접합 장치 본체(8)에 대한 리니어 가이드 블록(26)의 설치 위치 및 개수와 리니어 가이드 레일(27)의 개수는 상기한 큰 반력을 받을 수 있으면 특별히 한정되지 않는다. 또, 상기 실시형태에서는 개개의 리니어 가이드 레일(27)에 각각 2개의 리니어 가이드 블록(26)이 전후에 배치되어 있지만, 하나의 리니어 가이드 레일(27)에 대해 배치되는 리니어 가이드 블록(26)의 개수도 상기한 큰 반력을 받을 수 있으면 특별히 한정되지 않는다.
단, 상기 실시형태의 구조에 있어서, 큰 반력을 받는 것이 가능하다는 본원의 목적으로 하는 효과를 얻기 위해서는, 리니어 가이드 기구(9)가 가구(1)에 평행하게 설치한 복수개의 리니어 가이드 레일(27)을 구비하고, 하나의 리니어 가이드 레일(27)당 복수개의 리니어 가이드 블록(26)을 개재하여 접합 장치 본체(8)를 지지하고 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 실시형태에서는 주축 회전 구동 장치(7)에 AC 서보 모터를 적용한 경우에 대해 설명하였지만, 회전수, 토크 특성 등의 조건이 맞으면 인버터 모터 등을 적용해도 되고, 주축 회전 구동 장치(7)로부터 주축(6)으로의 회전 전달은 V풀리 이외의 톱니바퀴나 체인에 의한 회전 전달이어도 된다.
또, 접합 장치 본체(8)를 이동시키는 이동 장치(10)에 엔드레스 윈치(29)를 적용한 경우는, 상기한 바와 같이 유리하지만, 본 발명은 엔드레스 윈치(29)를 이용하는 경우에만 한정되는 것은 아니고, 접합 장치 본체(8)를 간극(4)의 길이방향으로 이동시킬 수 있으면, 체인 구동이나 이송 나사 구동에 의해 이동시키도록 하는 것, 랙 피니언 기구에 의해 이동시키도록 하는 것도 포함한다. 혹은 랙 대신에 체인을 전후로 부설 고정하고, 이 체인에 접합 장치 본체(8)가 연결된 피니언을 끼워맞춤시켜, 이 피니언의 회전에 의해 접합 장치 본체(8)를 이동시켜도 된다.
또한, 상기 실시형태에서는 마찰 교반 접합용 툴에 보빈 툴(5)을 적용한 경우에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 종래의 마찰 교반 접합 장치와 같이 마찰 교반 접합용 툴을 워크(2a, 2b)에 가압하는 기구를 설치하고, 숄더를 하나밖에 가지지 않는 마찰 교반 접합용 툴을 주축(6)의 상단부에 장착해도 된다. 또한, 상기 실시형태에서는 마찰 교반 접합용 툴(5)의 자중을 흡수하는 스프링(19)을 설치한 경우를 나타내었지만, 툴 자중이 무겁지 않은 경우에는 툴의 자중을 흡수하는 스프링(19)을 생략하도록 해도 된다. 또한, 그 밖에 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 변경을 가할 수 있음은 물론이다.
본 발명의 마찰 교반 접합 장치에 따르면, 워크의 사이즈 및 접합 반력이 커도 마찰 교반 접합을 행할 수 있다.
1 가구, 2a, 2b 워크, 3a, 3b 워크 고정 정반, 4 간극,
5 보빈 툴(마찰 교반 접합용 툴), 6 주축, 7 주축 회전 구동 장치,
8 접합 장치 본체, 9 리니어 가이드 기구, 10 이동 장치,
15 유냉실, 16 케이싱, 17 냉각용 노즐, 19 스프링(탄성체),
23, 24 베어링, 26 리니어 가이드 블록, 27 리니어 가이드 레일,
29 엔드레스 윈치, 31 와이어 로프(밧줄 형상물)

Claims (8)

  1. 워크를 접합하는 접합선의 길이보다 긴 가구(架構)와,
    이 가구의 상면에, 상기 워크 간의 접합선을 따라 연장되는 간극을 형성하도록 설치된 한 쌍의 워크 고정 정반과,
    상기 간극의 아래쪽에 위치하고, 상기 간극으로부터 위쪽으로 돌출하는 마찰 교반 접합용 툴과,
    이 마찰 교반 접합용 툴을 상단부에 장착하는 주축과,
    이 주축을 회동시키는 주축 회전 구동 장치를 구비하는 접합 장치 본체와,
    이 접합 장치 본체를 상기 간극을 따라 이동이 자유롭게 지지하는 리니어 가이드 기구와,
    상기 접합 장치 본체를 상기 간극을 따라 이동시키는 이동 장치를 구비하는 마찰 교반 접합 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 리니어 가이드 기구가, 상기 접합 장치 본체에 설치한 롤러 순환식 리니어 가이드 블록과, 이 리니어 가이드 블록에 대응시켜 상기 가구에 설치한, 상기 간극을 따라 연장되는 리니어 가이드 레일을 구비하는 마찰 교반 접합 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 리니어 가이드 기구가, 상기 가구에 평행하게 설치한 복수개의 상기 리니어 가이드 레일을 구비하는 마찰 교반 접합 장치.
  4. 청구항 2 또는 3에 있어서,
    상기 리니어 가이드 기구가, 하나의 상기 리니어 가이드 레일당 복수개의 상기 리니어 가이드 블록을 개재하여, 상기 접합 장치 본체를 지지하고 있는 마찰 교반 접합 장치.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마찰 교반 접합용 툴을 보빈 툴로 하고, 상기 마찰 교반 접합용 툴과 주축의 사이에 상기 마찰 교반 접합용 툴을 지지하는 탄성체를 설치한 마찰 교반 접합 장치.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    접합 장치 본체의 주축의 외주측에 유냉실(油冷室)을 형성하기 위한 케이싱을 설치하고, 이 케이싱에, 상기 주축을 베어링을 개재하여 회전 가능하게 지지시키며, 베어링과 상기 유냉실에 윤활유를 순환시키는 마찰 교반 접합 장치.
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    접합 장치 본체에, 마찰 교반 접합용 툴의 외주측을 냉각하는 기체의 분출 방향이 변경 가능한 냉각용 노즐을 설치한 마찰 교반 접합 장치.
  8. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
    이동 장치가, 엔드레스 윈치와, 엔드레스 윈치에 권취되어 양단을 접합 장치 본체의 이동 방향 양단부에 연결한 밧줄 형상물(索狀物)을 구비하고, 상기 엔드레스 윈치의 구동에 의해 접합 장치 본체를 이동시키는 마찰 교반 접합 장치.
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