TW201806686A - 摩擦壓接方法及摩擦壓接裝置 - Google Patents

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Abstract

提供一種摩擦壓接方法，其一面能確保適當地進行摩擦過程，一面可使一工件與另一工件確切地接合。本發明之摩擦壓接方法，係藉由使工件(W1)之端面與工件(W2)之端面在施以加壓壓力之狀態下一面抵接一面相對旋轉，而使工件(W1、W2)之接合界面產生摩擦熱，接著，於使工件(W1、W2)之相對旋轉停止之後，對工件(W1、W2)施加端壓壓力(P2)。於工件(W1)之端面與工件(W2)之端面之抵接時，使用不會達到工件(W1)相對於工件(W2)產生彎曲之彎曲壓力之下限值(Pb1)之壓力作為加壓壓力(P)，並將摩擦熱設定為藉由加壓壓力(P)及工件(W1、W2)彼此之相對旋轉數而使工件(W1、W2)端面彼此間產生塑性變形之程度。

Description

摩擦壓接方法及摩擦壓接裝置
本發明係關於一種摩擦壓接方法及摩擦壓接裝置。
作為接合工件彼此之方法，如專利文獻1、專利文獻2所示，已廣泛知曉一種摩擦壓接方法。於此摩擦壓接方法中，使兩工件之端面彼此在施以加壓壓力之狀態下一面相互抵接一面相對旋轉，而使該兩工件之接合界面產生摩擦熱(摩擦過程)，然後，於使兩工件之相對旋轉停止之後，藉由對該兩工件施加端壓(upset)壓力，將該兩工件彼此一體化(端壓過程)。藉此，若使用此摩擦壓接方法，則除了摩擦熱外變得不需要熱源，而且也不需要使用焊棒及助焊劑。
[先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本專利特開平9-47885號公報
專利文獻2：日本專利特開平11-156562號公報
然而，上述摩擦壓接方法中，會於加工中產生一工件以彎曲之狀態而被接合於另一工件之現象，因而需要確實地防止此 現象。
本發明係鑑於此種之情狀，著眼於加壓壓力與工件之端面狀態而完成者，其第1目的在於提供一種摩擦壓接方法，其一面能確保適當地進行摩擦過程，一面可使一工件與另一工件不產生彎曲之關係而確切地接合。第2目的在於提供一種摩擦壓接裝置，其可具體地利用上述摩擦壓接方法。
為了達成上述第1目的，本發明係由下述(1)~(5)、(10)、(11)構成。(1)一種摩擦壓接方法，係藉由使一工件之端面與另一工件之端面在施以加壓壓力之狀態下一面相互抵接一面相對旋轉，而使該兩工件之接合界面產生摩擦熱，接著，於使上述兩工件之相對旋轉停止之後，對該兩工件施加端壓壓力，於上述一工件之端面與上述另一工件之端面之抵接時，使用不會達到該一工件相對於該另一工件產生彎曲之彎曲壓力之下限值之壓力，作為上述加壓壓力，並將上述摩擦熱設定為藉由該加壓壓力及上述兩工件彼此之相對旋轉而使該工件端面彼此間產生塑性變形之程度。
根據此構成，於一工件之端面與另一工件之端面之抵接時，作為一工件相對於另一工件產生彎曲之要素，著眼於加壓壓力與兩工件之端面狀態，且於此兩工件之端面彼此之抵接時，使用不會達到一工件相對於另一工件產生彎曲之彎曲壓力之下限值之壓力作為加壓壓力，因此，即使於最易遭受兩工件之端面狀態之影響時，仍可藉由加壓壓力之調整(降低)，防止一工件與另一工件變成彎曲狀態。另一方面，同時還將摩擦熱設定為藉由上述加壓壓力與工件彼此之相對旋轉而使兩工件端面彼此間產生塑性變形之程度者，因此 可於一工件與另一工件中，將兩工件之端面狀態本身，修正為不存在會產生彎曲現象者，以後，可將加壓壓力增大為較兩工件之端面彼此之抵接時之加壓壓力高，從而可確保摩擦過程所需之摩擦熱。因此，可提供一種摩擦壓接方法，其一面能確保適當地進行摩擦過程，一面可使一工件與另一工件不產生彎曲之關係而確切地接合。
(2)於上述(1)之構成中被構成為，於上述一工件之端面與上述另一工件之端面之抵接時，使用較不會產生上述摩擦熱之區域之上限值而更接近上述彎曲壓力之下限值之壓力，作為上述加壓壓力。根據此構成，利用降伏應力越大則利用於此降伏應力之溫度越低之現象，藉由在可容許範圍內盡可能地增大加壓壓力，可使兩工件之端面間部分迅速地塑性變形。因此，可迅速地結束兩工件之端面狀態之修正處理。
(3)於上述(1)之構成中被構成為，於上述兩工件之端面彼此抵接之後，至少將上述加壓壓力增大為較上述兩工件之端面彼此之抵接時為高，且將上述摩擦熱增大為較上述兩工件之端面彼此之抵接時為高。根據此構成，於兩工件之端面彼此之抵接時，一面可防止於此兩工件產生彎曲關係，一面可移行至原來之摩擦過程，從而可不使兩工件產生彎曲關係而確實地接合。
(4)於上述(3)之構成中被構成為，於上述兩工件之端面彼此抵接之後，上述兩工件之相對轉數，也被增大為較上述兩工件之端面彼此之抵接時為高。根據此構成，不僅提高加壓壓力，而且還提高兩工件之相對轉數，從而可增大摩擦熱之產生，即使於兩工件之端面彼此之抵接時進行特有之處理之情況，仍可確實地產生摩擦過程中所需要之摩擦熱。
(5)於上述(1)之構成中被構成為，使上述兩工件之相對轉數，在產生上述摩擦熱之期間維持為一定。根據此構成，可於摩擦過程之全過程，將兩工件之相對轉數設定為單一之轉數(恆定狀態)，從而一面能確保適當地進行摩擦過程，一面可使一工件與另一工件不產生彎曲之關係而確切地接合，從而可圖轉數控制之簡單化。
為了達成上述第2目的，本發明係由下述(6)~(9)、(12)構成。
(6)一種摩擦壓接裝置，係藉由使一工件之端面與另一工件之端面在施以加壓壓力之狀態下一面相互抵接一面相對旋轉，而使該兩工件之接合界面產生摩擦熱，接著，於使上述兩工件之相對旋轉停止之後，對該兩工件施加端壓壓力者；其具備：一對保持裝置，其等分別具備保持工件之夾頭部，以對向之方式配置該兩夾頭部；移動用驅動源，其可驅動地與上述一對保持裝置之至少一者建立有連接之關係，且使分別被保持於該一對之各保持裝置之夾頭部之工件相對地朝接近之方向移動；旋轉驅動源，其可旋轉驅動地與上述一對之各保持裝置之夾頭部之至少一者建立有連接之關係，使被保持於該兩夾頭部之工件相對旋轉；加壓壓力檢測部，其檢測被保持於上述一對之各保持裝置之夾頭部之工件之端面彼此對壓之加壓壓力；及控制單元，其根據來自上述加壓壓力檢測部之資訊，於被保持於上述一對之各保持裝置之夾頭部之工件之端面彼此抵接時，控制上述移動用驅動源及上述旋轉驅動源，將該兩工件之端面彼此對壓之加壓壓力，設定在不會達到使該兩工件產生彎曲之彎曲壓力之下限值之大小，並將產生於該兩工件端面間之摩擦熱，設定為藉由 該加壓壓力及上述兩工件彼此之相對轉數而使該兩工件端面彼此間產生塑性變形之程度。根據此構成，可具體地提供使用上述(1)之摩擦壓接方法之裝置。
(7)於上述(6)之構成中被構成為，上述控制單元係於被保持於上述一對之各保持裝置之夾頭部之工件之端面彼此抵接時，控制上述移動用驅動源，將該兩工件之端面彼此對壓之加壓壓力，設定為較不產生上述摩擦熱之區域之上限值而更接近上述彎曲壓力之下限值。根據此構成，可具體地提供使用上述(2)之摩擦壓接方法之裝置。
(8)於上述(6)之構成中被構成為，上述控制單元係控制上述移動用驅動源，於上述兩工件之端面彼此抵接之後，至少將該兩工件之端面彼此對壓之加壓壓力，設定為較該兩工件之端面彼此之抵接時高。根據此構成，可具體地提供使用上述(3)之摩擦壓接方法之裝置。
(9)於上述(6)之構成中被構成為，上述控制單元係具備：記憶部，其將上述旋轉驅動源之轉數、及上述兩工件之端面彼此抵接時之加壓壓力，作為設定資訊而予記憶；及控制部，其根據來自上述壓力檢測部之資訊及上述記憶部記憶之上述設定資訊，於被保持於上述一對之各保持裝置之夾頭部之工件之端面彼此抵接時，控制上述移動用驅動源及上述旋轉驅動源，以不會達到上述彎曲壓力之下限值之加壓壓力加壓該兩工件之端面彼此，並藉由該加壓壓力及上述兩工件彼此之相對轉數，使該兩工件端面彼此間產生摩擦熱，且根據該摩擦熱而使該兩工件端面彼此間產生塑性變形。根據此構成，可提供將上述(6)之摩擦壓接裝置更加具體化之裝置。
(10)於上述(1)之構成中被構成為，作為上述加壓壓力，係根據上述一工件及上述另一工件之至少一者之端面狀態，把握不會達到上述彎曲壓力之下限值之壓力。根據此構成，於工件之端面彼此抵接時，作為一工件相對於另一工件產生彎曲之要素，可根據最提供影響力之工件之端面狀態來決定加壓壓力，作為加壓壓力，可確切地選擇不會達到彎曲壓力之下限值之壓力。
(11)於上述(10)之構成中被構成為，藉由使用該各工件端面之形成之切斷機，判斷上述一工件及上述另一工件之至少一者之端面狀態。根據此構成，工件之端面狀態係根據切斷機之差異而不同，另一方面，於相同之切斷機中，則利用工件之端面狀態顯示相互接近之狀態之傾向，只要能知曉使用於工件之端面之形成之切斷機為何，即可簡易地把握工件之端面狀態。伴隨此，作為加壓壓力，可簡單且迅速地選擇不會達到彎曲壓力之下限值之壓力者。
(12)於上述(9)之構成中被構成為，具備輸入部，其將上述設定資訊輸入上述記憶部或變更記憶於上述記憶部之上述設定資訊。根據此構成，於產生需要變更設定資訊之情況下，可利用輸入部簡單地進行變更。尤其藉由變更使用於工件之端面之形成之切斷機等，而使工件之端面狀態變化，即使於必須變更兩工件之端面彼此抵接時之加壓壓力之情況下，仍能確切地應對。
由以上之內容，根據本發明，可提供一種摩擦壓接方法，其一面能確保適當地進行摩擦過程，一面可使一工件與另一工件不產生彎曲之關係而確切地接合。此外，於本發明中，可提供一種摩擦壓接裝置，其可具體地利用上述摩擦壓接方法。
1‧‧‧摩擦壓接裝置
2‧‧‧支撐台
3‧‧‧心軸裝置(保持裝置)
4‧‧‧滑塊裝置(保持裝置)
5‧‧‧夾頭部
6‧‧‧旋轉驅動源部(旋轉驅動源)
7‧‧‧導軌
8‧‧‧滾珠螺桿機構
9‧‧‧驅動馬達(移動用驅動源)
11‧‧‧夾頭部
12‧‧‧壓力感測器(加壓壓力檢測部)
13‧‧‧記憶部
14‧‧‧控制部
15‧‧‧設定部
16‧‧‧運算控制部
30‧‧‧測定部
35‧‧‧轉數檢測感測器
36‧‧‧輸入部
CH‧‧‧夾持區域
N0‧‧‧預備摩擦過程之轉數
P0‧‧‧預備摩擦壓力(加壓壓力)
P1‧‧‧摩擦壓力(加壓壓力)
P2‧‧‧端壓壓力
Pbl‧‧‧彎曲壓力之下限值
Phu‧‧‧不會產生使之產生塑性變形之摩擦熱之區域(加 壓壓力)之上限值
Q‧‧‧摩擦熱
U‧‧‧控制單元
W1、W2‧‧‧工件
W21‧‧‧閥體部
W22‧‧‧軸部
圖1為顯示第1實施形態之摩擦壓接裝置之整體構成圖。
圖2為說明實施一般之摩擦壓接方法之控制單元之控制內容之說明圖。
圖3為顯示一工件相對於另一工件產生彎曲之狀態之圖。
圖4為說明實施第1實施形態之摩擦壓接方法之控制單元之控制內容之說明圖。
圖5為顯示確認預備摩擦過程之組入功效之測試條件之圖。
圖6為顯示圖5之測試條件之結果之圖。
圖7為顯示圖6之測試結果之評價之圖。
圖8為說明用以獲得圖6之結果之測定方法之說明圖。
圖9為說明彎曲力矩對一工件相對於另一工件產生彎曲之情況之參與之說明圖。
圖10為說明作為加壓壓力之P0(推力)超過彎曲壓力之下限值Pbl之狀態之說明圖。
圖11為說明作為加壓壓力之P0(推力)，於既定轉數N0之狀態下，處於不會產生使之產生塑性變形之摩擦熱之上限值(加壓壓力)Phu以下之狀態之說明圖。
圖12為說明第1實施形態之P0(推力)，是在未滿彎曲壓力之下限值Pbl之區域，且屬於會發生使之產生塑性變形之摩擦熱之區域(加壓壓力區域)之情況之說明圖。
圖13為顯示工件之降伏應力與用於此降伏應力之溫度之關係之特性圖。
圖14為顯示實施第1實施形態之摩擦壓接方法之控制單元之控制例之流程圖。
圖15為說明實施第2實施形態之摩擦壓接方法之控制單元之控制內容之說明圖。
圖16為顯示第3實施形態之摩擦壓接裝置之整體構成圖。
以下，參照圖式，對本發明之實施形態進行說明。於本實施形態(第1實施形態)之摩擦壓接方法中，大致依序執行摩擦過程及端壓過程，該摩擦過程，係藉由使2個工件之端面彼此以相互加壓之狀態(摩擦壓力施加狀態)相對旋轉而於接合界面產生摩擦熱之過程，該端壓過程，係使工件彼此之相對旋轉停止，並以端壓壓力加壓工件彼此間之過程，其中，於摩擦過程中，除了原來之摩擦過程外還組入有預備摩擦過程。於說明本實施形態之摩擦壓接方法之前，對使用此摩擦壓接方法之摩擦壓接裝置進行說明。
如圖1所示，上述摩擦壓接裝置1，具有藉由摩擦壓接將2個工件W1、W2一體化之功能。於本實施形態中，於一工件W1使用軸材(具體而言，於使用軸材時也使用符號W1)，於另一工件W2使用傘材(具體而言，於使用傘材時也使用符號W2)。作為一工件W1之軸材，係整體被形成為軸狀(例如，6mm之截面圓形)，作為另一工件W2之傘材，係一體具有閥體部W21、及自此閥體部W21延長之軸部W22(例如，6mm之截面圓形)。其等係具有藉由將傘材W2之軸部W22與軸材W1接合成一體而構成引擎閥之關係。於本實施形態中，工件W1及工件W2，係由異種材料構成。具體而言，工件W1(軸材)係使用SUH11，工件W2(傘材)係使用SUH35。
如圖1所示，摩擦壓接裝置1，係於朝一方向延伸之加長之支撐台2上，以並設之狀態具備心軸裝置3及滑塊裝置4而作為一對之保持裝置。
心軸裝置3係於支撐台2之上面，被固定於其長邊方向一側(圖1中，右側)。此心軸裝置3，係於支撐台2之長邊方向內側，具備夾持(保持)作為一工件W1之軸材之一部分之夾頭部5，此夾頭部5係藉由心軸裝置3所保有之作為旋轉驅動源之旋轉驅動源部6而被旋轉驅動。
滑塊裝置4係於支撐台2上面被配置於其長邊方向另一側(圖1中，左側)。於此滑塊裝置4上，與一對之導軌7、已知之滾珠螺桿機構8、及用以使此滾珠螺桿機構8作動之作為移動用驅動源之驅動馬達9建立有連接之關係，藉由其等構成，滑塊裝置4係被構成為可相對於心軸裝置3接近及/或分離地移動。
於此滑塊裝置4，且於支撐台2之長邊方向內側，具備夾頭部11。此夾頭部11係夾持(保持)作為另一工件W2之傘材之軸部W22者，於此軸部W22被夾持於此夾頭部11時，此軸部W22係較閥體部W21朝遠離夾頭部11之方向延長，此軸部W22之端面，伴隨滑塊裝置4之滑動動作，可相對於心軸裝置3所保持之軸材W1之端面而接近、分離移動。
如圖1所示，摩擦壓接裝置1，係具備控制單元(控制手段、控制裝置)U，其用以控制前述之心軸裝置3之旋轉驅動源部6、及滑塊裝置4之驅動馬達9。因此，對控制單元U輸入有來自檢測作用於工件W1、W2間之壓力之壓力感測器(加壓壓力檢測部)12、檢測心軸裝置3之旋轉驅動源部(旋轉驅動源)6之轉數之轉 數檢測感測器35之各種信號，且自此控制單元U，分別朝心軸裝置3之旋轉驅動源部6、滑塊裝置4之驅動馬達9輸出控制信號。再者，於控制單元U內置有發揮計時器功能之計時器電路。
如圖1所示，於上述控制單元U具備用來確保作為電腦之功能之記憶部13、及控制部14。記憶部13係由ROM(Read Only Memory，唯讀記憶體)、RAM(Random Access Memory，隨機存取記憶體)等之記憶元件構成，於此記憶部13存儲有工件彼此之摩擦壓接所需之各種程式、滑塊裝置4之滑動速度、心軸裝置3之旋轉驅動源部6之第1轉數、第2轉數(恆定轉數)、後述之設定時間△t00、△t0、△t1、△t2、後述之設定壓力P0、P1、P2等之設定資訊。該等各種程式等，可根據需要藉由控制部14讀取，此外，需要之資訊可適宜地記憶於記憶部13。
控制部14係由CPU(Central Processing Unit，中央處理單元)構成，此控制部14係利用自記憶部13讀出之程式，發揮作為設定部15、運算控制部16之功能。設定部15係用以設定心軸裝置3之旋轉驅動源部6之轉數達到第1轉數(恆定轉數)為止之時間△t00、心軸裝置3之旋轉驅動源部6之第1轉數(恆定轉數)及較該第1轉數大之第2轉數(恆定轉數)、預備摩擦過程(摩擦過程)之預備摩擦壓力(加壓壓力)P0、預備摩擦時間△t0、原來之摩擦過程之摩擦壓力(加壓壓力)P1、摩擦壓力控制時間△t1、端壓過程之端壓壓力(加壓壓力)P2、端壓壓力控制時間△t2等(參照圖4)。運算控制部16，係利用各種程式，且根據設定部15之設定資訊、來自感測器12、35之輸入資訊，進行運算處理，且將各種控制信號輸出至心軸裝置3之旋轉驅動源部6、滑塊裝置4之驅動馬達9。
於上述控制單元U之摩擦壓接控制，反映有實施形態之摩擦壓接方法。以下，於對根據控制單元U之一般之摩擦壓接控制、實施形態之基本摩擦壓接控制、及其各問題點進行說明之後，一面根據實施形態之摩擦壓接方法，一面對控制單元U之概略之摩擦壓接控制進行說明。
一般之摩擦壓接控制
如圖2所示，一般之摩擦壓接控制，係依序執行摩擦過程及端壓過程，該摩擦過程，係藉由使被夾持於心軸裝置3之工件W1之端面、與被夾持於滑塊裝置4之工件W2之端面，以摩擦壓力P1一面相互加壓一面相對旋轉(一定轉數：本實施形態中僅工件W1以其軸線為中心進行旋轉)，而使此兩工件W1、W2之接合界面產生摩擦熱之過程，該端壓過程，係於使此兩工件W1、W2彼此之相對旋轉停止之後，以較摩擦壓力P1大之端壓壓力P2加壓此兩工件W1、W2彼此間之過程，其中，於摩擦過程中，於其全過程分別將摩擦壓力P1及工件W1、W2之相對轉數維持為一定。於進行此種一般之摩擦壓接控制之情況下，如圖3所示，有時會有作為一工件W1之軸材相對於作為另一工件W2之傘材之軸部W22而被彎曲接合(一體化)之情況。本發明者對此彎曲現象進行了探討，但認為傘材W2之軸部W22之端面及軸材W1之端面之完成結果(尤其軸材W1之端面之完成結果)、及摩擦壓力(加壓壓力)會對此彎曲現象產生影響，其中，上述端面之各狀態(傾倒面、彎曲面等)，可能是起因於切斷機(例如剪切機)之差異。再者，圖3中，符號CH顯示軸材W2上之藉由夾頭部5夾持之夾持區域。
實施形態之基本摩擦壓接控制
(1)於實施形態之摩擦壓接控制中，如圖4所示，根據上述現象等，雖以上述一般之摩擦壓接控制作為基本，但於摩擦過程內，仍會於原來之摩擦過程之前組入預備摩擦過程。這是因為假設軸材W1相對於傘材W2之軸部W22而被彎曲接合，則可能是在最受此兩者W1、W2之端面形狀之影響之該兩者W1、W2之抵接時。於此預備摩擦過程中，使用較原來之摩擦壓力P1低之預備摩擦壓力P0，並且軸材W1以較原來之摩擦過程之轉數低之轉數進行旋轉，於進入原來之摩擦過程之前，進行使傘材W2與軸材W1之端面滑順化之作業。然而，即使於摩擦過程內組入預備摩擦過程，根據對此預備摩擦過程之組入功效進行確認之圖5~圖7之測試結果，仍不一定能達到確實之改善結果。
圖5顯示對此預備摩擦過程之組入功效進行確認之測試條件。於圖5中，轉數(主軸轉數)(rpm)，係顯示藉由心軸裝置3之旋轉驅動源部6而旋轉之夾頭部5之轉數，P0(推力)係顯示於測試中使用推力(kN)取代摩擦壓力P0(MPa)而作為以使傘材W2之軸部W22之端面與軸材W1之端面對齊之狀態進行加壓之加壓壓力之情況。測試係使用下述共通之工件W1、W2，並於適宜地改變轉數(rpm)及P0(推力)後之圖5中之No.1~No.20之條件下進行預備摩擦過程，然後於下述共通條件下進行原來之摩擦過程、端壓過程。
測試之共通條件
工件W1：軸材(材質SUH11)、直徑6mm、自夾頭部5之突出 量16mm
工件W2：傘材(材質SUH35)、傘材之軸部之直徑6mm、自夾頭部11之突出量11mm
預備摩擦過程：預備摩擦時間0.5sec
原來之摩擦過程：P1(推力)(使用推力來取代壓力者：以下，顯示為P1(推力))6.5kN、摩擦時間0.78sec、轉數3600rpm
端壓過程：P2(推力)(使用推力來取代壓力者：以下，顯示為P2(推力))11.3kN、端壓時間0.31sec、P2L(自對夾頭部5之旋轉停止指示至P2切換為止之延遲時間)0.05sec
圖6係顯示於圖5所示之No.1~No.20之條件下將傘材W2與軸材W1接合之後，測定軸材W1之相對於傘材W2之軸部W22之彎曲之測定結果。該情況下，於對軸材W1之相對於傘材W2之軸部W22之彎曲進行測定時，如圖8所示，將已接合傘材W2與軸材W1者(測定物)設定於設定裝置，一面使此測定物以其中心線為中心進行旋轉，一面於自傘材W2與軸材W1之接合界面偏離2mm之位置，藉由測定器30，對以上述中心線為中心之相對於原來之軸材W1之直徑之變化值進行測定，且對此變化值之(1/2)值，求得最大值及最小值。圖6中，MAX顯示上述最大值，MIN顯示最小值，AVE顯示在各測試條件下之所有測定結果之平均值，R顯示最大值與最小值之差值。此外，圖6之測試No.B/M，顯示在圖2所示之一般之摩擦壓接控制下進行之結果。
圖7顯示對圖6之測定結果之評價結果。於圖7中，附有灰色之色彩者，係實質上不產生彎曲之良品，於此評價中，將圖6所示之平均值(AVE)之值為0.1mm以下者判斷為實質上不產生 彎曲之良品。根據圖7，於轉數為1250rpm以上且P0(推力)為1.0~2.0kN之範圍內顯示良好之結果，P0(推力)為4kN以上、或0.5kN以下者，不管轉數如何，皆不顯示良好之結果。此外，轉數為1000rpm以下者，不管P0(推力)如何，皆不顯示良好之結果。
自實施形態之基本摩擦壓接控制獲得之見解
根據如此之評價結果，本發明者認為存在有如下之見解。(1)於一工件(軸材)W1之端面與另一工件(傘材)W2之端面之抵接時，於以既定之加壓壓力以上加壓此兩工件W1、W2之端面彼此之情況下，一工件W1會相對於另一工件W2產生彎曲。這是因為根據測試之評價結果，於P0(推力)為4kN以上之情況下，不管轉數如何必定會產生彎曲現象，且也認定有使一工件W1相對於另一工件W2產生彎曲之彎曲壓力之下限值之存在。此外，這也是因為作為一工件W1相對於另一工件W2產生彎曲現象之要素，可考慮是加壓壓力及兩工件W1、W2之端面狀態，這其中又認為對於工件W1(W2)之端面狀態之程度並無太大之不同，相反地，隨著加壓壓力之值之增減卻有可能左右是否會產生彎曲現象。
另一方面，本發明者，考慮於一工件(軸材)W1之端面與另一工件(傘材)W2之端面之抵接時，如圖9所示，在作用有彎曲力矩之應力之狀態下對各工件W1(W2)作用壓縮應力，這是考慮在此兩工件W1、W2之抵接時，對彎曲現象之產生造成影響。因此，對具有容易相對於工件W2而彎曲之傾向之工件W1(SUH11)，嘗試彎曲產生推力Py之計算。此計算可以下述數式顯示。再者，圖9中，符號L為自夾頭部5突出之工件W1之突出量。
σ(全應力)=P/A(壓縮應力)+M/Z(彎曲力矩之應力)=(P/(πd2/4))+P(d/2)/(πd3/32)
其中，P為推力(N)，d為工件之直徑(mm)，A=πd2/4為工件之截面積(mm2)，M=P(d/2)為彎曲力矩(Nmm)，Z=πd3/32為截面圓形之截面係數。
將上述數式變形後， P=σ/(1/(πd2/4)+(d/2)/(πd3/32))=σπd2/20 (A)
於上述數式(A)中，代入工件(SUH11)之耐力σy=685(N/mm2)、工件之直徑d=6(mm)，則工件(SUH11)之彎曲產生推力Py成為Py=3.87(kN)。此值係接近於在兩工件W1、W2之端面彼此之抵接時，必定會產生彎曲現象之測試結果(P0(推力)=4.0(kN))之值，可以認為於兩工件W1、W2之端面彼此之抵接時，彎曲力矩會對彎曲現象產生影響，且可以認為此彎曲力矩能導出彎曲壓力之下限值Pbl。因此，於上述之測試結果中，可以認為於P0(推力)=4.0(kN)以上時，在兩工件W1、W2產生彎曲現象之情形，係因為於兩工件W1、W2之抵接時，如圖10所示，P0(推力)已達到產生彎曲現象之彎曲推力區域(彎曲壓力區域)之下限值Pbl以上而造成。
(2)於一工件W1之端面與另一工件W2之端面之抵接時，在此兩工件W1、W2之間，於即使產生摩擦熱卻仍不產生塑性變形之摩擦熱中，一工件W1會相對於另一工件W2產生彎曲。根據測試之評價結果，雖然於轉數為1000rpm以下時，在P0(推力)為1.0~2.0kN之範圍內，一工件W1會相對於另一工件W2產生彎曲，且於P0(推力)為0.5kN時，在轉數至3000rpm之範圍內，一工 件W1會相對於另一工件W2產生彎曲，但這可以認為是因為於此種之預備摩擦過程中之轉數及P0(推力)中，藉由該等而產生之預備摩擦熱不會於工件W1、W2之間產生塑性變形，各工件W1(W2)之端面狀態仍以當初之狀態移行至原來之摩擦過程，且於此原來之摩擦過程中，兩工件W1、W2受到超過彎曲現象之下限值(加壓壓力)Pbl(4kN)之P1(推力)所致。參照圖11具體地進行說明。於預備摩擦過程中，為了產生使工件W1、W2間產生塑性變形之預備摩擦熱，若將轉數設為N0，則於此轉數N0時，P0(推力)需要超過不產生使之產生塑性變形之預備摩擦熱之加壓壓力區域之上限值Phu(例如，N0=3000rpm時，P0(推力)=0.5kN)。然而，於此轉數N0時，在P0(推力)為上限值Phu以下之情況下(例如，N0=3000rpm時，P0(推力)=0.4kN之情況)，預備摩擦熱變成不會使兩工件W1、W2間產生塑性變形者，各工件W1(W2)，仍以此當初之端面狀態移行至原來之摩擦過程。因此，可認為工件W1與W2，變成以當初之端面狀態受到超過彎曲現象之下限值Pb1(4kN)之P1(推力)，且基於此而於兩工件W1與W2之間產生彎曲現象。當然，於該情況下，假若上述轉數N0變化，則伴隨此，上述上限值Phu也會變化，於此情況下，P0(推力)需要超過根據此變化後之轉數N0之上限值Phu。這是因為，求取之預備摩擦熱係恆定，另一方面，此預備摩擦熱，係藉由轉數及加壓壓力(P0(推力))而決定。
上述內容，根據與圖7所示之各測試條件相關之具體之摩擦熱，也可得到印證。具體說明如下。若將摩擦時間設為恆定，則產生於工件W1、W2間之摩擦熱Q，與P0(推力)及轉數N0成比例，摩擦熱Q可以下述數式顯示。
Q=k×P0(推力)×N0 (k為常數)若根據此數式，對摩擦熱Q進行計算，則於圖7中顯示良好之結果者，即使最小值也為1500k(1500k~7200k)，與此相對，於圖7中不顯示良好之結果者，即使最大值也為2000k(750k~2000k)。根據此情況，可以讀取到與圖7中顯示良好之結果者相比，圖7中不顯示良好之結果者，會有摩擦熱Q不足之傾向，如圖11所示，可認為是工件W1、W2，其端面狀態於預備摩擦過程中未受到修正而移行至原來之摩擦過程者。
上述控制單元U之概略之摩擦壓接控制
根據上述見解(1)(2)，於實施形態之控制單元U之摩擦壓接控制中，如圖4、圖12所示，於此摩擦過程中除了原來之摩擦過程外還組入預備摩擦過程，且於此預備摩擦過程中，使用不會達到一工件W1相對於另一工件W2產生彎曲之彎曲壓力之下限值Pbl之壓力作為預備摩擦壓力P0(加壓壓力)，並將摩擦熱設定為可藉由此預備摩擦壓力P0及工件W1之轉數調整，而使兩工件W1、W2端面彼此間產生塑性變形者。因此，在與上述測試條件之情況共通之條件下，若確定使用推力作為加壓壓力，則於工件W1之轉數為1250rpm以上(例如，3000rpm)時，P0(推力)被設定為超過0.5kN且未滿4kN之範圍之既定值(例如，2kN)。於此情況下，預備摩擦壓力P0，係於不會達到一工件W1相對於另一工件W2產生彎曲之彎曲壓力之下限值Pbl(於上述測試條件下為4kN)之限度中，盡可能越接近越好，預備摩擦壓力P0，係被設定為較為了產生既定之摩擦熱而必須超過之上限值Phu更接近於加壓壓力之下限值Pbl者。如圖 13所示，這是為了根據降伏應力越大則用於此降伏應力之溫度越低之現象，而利用此現象，以使兩工件之端面間部分迅速地塑性變形。藉此，可迅速地結束兩工件之端面狀態之修正處理。
根據圖4、圖12所示之各參數之動作說明圖、圖14所示之流程圖，對上述控制單元U之控制例具體地進行說明。再者，圖14中之S顯示步驟。此外，假定為預先讀入有設定資訊等之各種資訊。
若於心軸裝置3及滑塊裝置4保持有工件W1、W2，且滿足控制開始條件，則設定計時器，且心軸裝置3之旋轉驅動源部6，趨向第1轉數(例如，在與前述之測試條件之情況共通之條件下為3000rpm(恆定轉數))而進行旋轉(S1~S3)。於設定計時器之後(S2)，若經過設定時間△t00，滑塊裝置4為了使工件W1、W2之端面彼此抵接而開始移動(S4、S5)，於S6中，判斷摩擦壓力(加壓壓力)是否變為預備摩擦壓力P0以上。這是為了使工件W1、W2之端面彼此以預備摩擦壓力P0進行抵接，且使此工件W1、W2之端面間產生摩擦熱(預備摩擦壓力控制)。於此情況下，作為預備摩擦壓力P0，係使用不會達到一工件W1相對於另一工件W2產生彎曲之彎曲壓力之下限值Pbl(例如，在與上述測試條件之情況共通之條件下，換算為推力而為4kN)之壓力(例如，2.0kN)，藉由此預備摩擦壓力P0與上述第1轉數之摩擦熱，兩工件W1、W2之端面間部分成為塑性變形狀態。這是為了於兩工件W1、W2之抵接時，藉由使用不會達到彎曲壓力之下限值Pbl之預備摩擦壓力P0，而於此兩工件W1、W2中使之不會產生彎曲現象，並藉由塑性變形修正此兩工件W1、W2之端面狀態，然後，即使進行原來之摩擦壓力P1之加 壓，仍不會於兩工件W1、W2產生彎曲現象。
因此，於S6為NO時，繼續滑塊裝置4之移動，以提高工件W1、W2間之加壓壓力，另一方面，於S6為YES時，設定計時器且開始時間之計數，並執行預備摩擦壓力控制(S7、S8)。於此預備摩擦壓力控制中，藉由滑塊裝置4之移動控制，將加壓壓力P維持在預備摩擦壓力P0，且以此預備摩擦壓力P0，於工件W1、W2之端面間產生既定時間△t0之摩擦熱(S8、S9)。
自S7之計時器之再啟動經過既定時間△t0後，旋轉驅動源部6之轉數被變更為第2轉數(例如，在與上述測試條件之情況共通之條件下，被變更為3600rpm(恆定轉數))，並結束預備摩擦壓力控制，開始滑塊裝置4之通常之移動(S9~S11)。藉此，兩工件W1、W2之端面間之加壓壓力(摩擦壓力)P，開始被昇高為預備摩擦壓力P0以上。
滑塊裝置4再次開始移動(S11)後，於S12中，判斷加壓壓力(摩擦壓力)P是否有上昇至原來之摩擦壓力P1。這是為了在工件W1、W2之端面間且以摩擦壓力P1產生原來之摩擦過程之摩擦熱。此時，雖然摩擦壓力P1係較上述預備摩擦壓力P0大，但由於兩工件W1、W2之端面狀態已藉由預備摩擦過程中之塑性變形而被修正，因此，於兩工件W1、W2不會產生彎曲現象。
於S12為NO時，繼續滑塊裝置4之通常之移動，以提高加壓壓力(摩擦壓力)P，另一方面，於S12為YES時，重設計時器且開始時間之計數，並執行摩擦壓力控制(S13、S14)。藉由此摩擦壓力控制，進行滑塊裝置4之移動控制，將加壓壓力P維持於原來之摩擦壓力P1(例如，在與上述測試條件之情況共通之條件 下，換算為推力而為6.5kN)達既定時間△t1(S14、S15)。
執行既定時間△t1之摩擦壓力控制之後(S15)，作為已結束摩擦過程，結束心軸裝置3之旋轉驅動源部6之第2轉數控制，停止基於旋轉驅動源部6之工件W1之旋轉(S16)。接著，於其後之S17中，藉由重新開始滑塊裝置4之通常之移動，以提高加壓壓力P，然後於其後之S18中，判斷加壓壓力P是否有達到端壓壓力P2。於S18為NO時，繼續增大加壓壓力P，另一方面，於S18為YES時，重設計時器且開始時間之計數，並執行端壓壓力控制(S19、S20)。藉由此端壓壓力控制，進行滑塊裝置4之移動控制，將加壓壓力P維持於原來之端壓壓力P2(例如在與上述測試條件之情況共通之條件下，換算為推力而為11.3kN)達既定時間△t2(S20、S21)。
自S19之計時器之再啟動經過端壓過程時間△t2之後(S21)，結束端壓壓力控制(S22)。伴隨此端壓壓力控制之結束，進行基於滑塊裝置4之朝工件W1、W2之端面間之加壓之停止、端壓壓力之開放等(S23)，然後自摩擦壓接裝置1中取出被一體化之工件W1、W2。
圖15顯示第2實施形態，圖16顯示第3實施形態。於此各實施形態中，對與上述第1實施形態相同之構成要素，賦予相同之符號並省略其說明。圖15所示之第2實施形態，係作為其他之實施形態，而顯示上述第1實施形態之變形例者。於此第2實施形態中，作為預備摩擦過程之預備摩擦壓力P0，係使用不會達到彎曲壓力之下限值Pb1者(P0(推力)=2kN)，另一方面，作為此預備摩擦過程中之工件W1之轉數，係使用與原來之摩擦過程中之工件W1之轉數(例如，3600rpm)相等之轉數，且摩擦過程(預備摩擦過程 及原來之摩擦過程)中之轉數(恆定狀態)被設定為恆定。當然，此工件W1之轉數與預備摩擦壓力P0，係協同動作，作為摩擦熱，係成為產生能使兩工件W1、W2之端面彼此間產生塑性變形者。因此，於此第2實施形態中，與上述第1實施形態相同，不僅一面能確保適當地進行摩擦過程，一面可使工件W1、W2彼此不產生彎曲之關係而確切地接合，而且可於摩擦過程(預備摩擦過程及原來之摩擦過程)中，將工件W1之轉數設定為單一之轉數(恆定狀態)，從而可圖轉數控制之簡單化。
圖16所示之第3實施形態，顯示存在有對控制單元U輸入資訊之輸入部36。於上述第1實施形態等中，雖於控制單元U之記憶部13存儲有可應用於多個情況之設定資訊，但可能會有必須變更設定資訊之情況。例如，藉由改變使用於工件W1(W2)之端面之形成(藉由將長尺寸之原材料切斷而形成)之切斷機等，工件之端面狀態大幅變化，進而必須變更兩工件W1、W2之端面彼此抵接時之設定壓力P0(加壓壓力)之情況。於此種之情況下，根據此工件W1(W2)之端面狀態，把握此情況之設定壓力P0(在兩工件W1、W2之端面彼此之抵接時，不會達到工件W1相對於工件W2產生彎曲之彎曲壓力之下限值Pbl之加壓壓力)，且藉由來自輸入部36之操作，將迄此為止記憶於記憶部13之設定壓力P0，改寫為此新的設定壓力P0。更具體地進行說明，本發明者，作為一見解而了解到存在有以下之傾向：即、在使用於工件W1(W2)之端面之形成的切斷機不同之情況下，工件W1(W2)之端面狀態顯示不同之狀態，且在使用於工件W1(W2)之端面之形成的切斷機相同之情況下，工件W1(W2)之端面狀態顯示相互接近之狀態。因此，藉由實驗分別 對每個切斷機之各工件W1(W2)之端面狀態(平均狀態)，求取兩工件W1、W2之端面彼此之抵接時之彎曲壓力之下限值Pbl，且將其放入考慮之中，而分別準備不會達到各彎曲壓力之下限值Pbl之加壓壓力(設定壓力P0)。藉此，即使變更應使用之切斷機，只要將根據此切斷機之加壓壓力(設定壓力P0)輸入記憶部13，仍可於控制中利用此，而抑制兩工件W1、W2之彎曲。當然於此情況下，作為加壓壓力(設定壓力P0)，較佳可使用(設定)能供大量之切斷機應用之共通壓力者。這是因為可減輕用以變更加壓壓力(設定壓力P0)之輸入負擔。此外，於此情況下，在使工件W1(W2)之材料不同之情況等還將其他之條件變更之情況下，較佳可藉由將該變更考慮在內之實驗，求取各加壓壓力(設定壓力P0)。
以上，對實施形態進行了說明，但本發明包含以下之態樣。(1)於本實施形態中，根據來自轉數檢測感測器35之檢測資訊，以成為設定轉數(恆定狀態)之方式控制旋轉驅動源部6，但於使用伺服馬達作為旋轉驅動源部6，藉由編碼器監視此伺服馬達之旋轉狀態，且此監視結果為偏離設定轉數者時，則視作為處於故障狀態，停止此伺服馬達之旋轉。(2)作為工件W1、W2，只要為將棒狀之端面彼此一體接合者，可為任何之工件。(3)使兩工件W1、W2產生彎曲之彎曲壓力之下限值，係根據切斷機、工件之端面直徑等而適宜地找出。(4)對工件W1、W2之任一者，皆使之旋轉驅動，以使工件W1、工件W2相對旋轉。
N0‧‧‧預備摩擦過程之轉數
P0‧‧‧預備摩擦壓力(加壓壓力)
P1‧‧‧摩擦壓力(加壓壓力)
P2‧‧‧端壓壓力
Pbl‧‧‧彎曲壓力之下限值
Phu‧‧‧不會產生使之產生塑性變形之摩擦熱之區域(加壓壓力)之上限值

Claims (12)

  1. 一種摩擦壓接方法，係藉由使一工件之端面與另一工件之端面在施以加壓壓力之狀態下一面相互抵接一面相對旋轉，而使該兩工件之接合界面產生摩擦熱，接著，於使上述兩工件之相對旋轉停止之後，對該兩工件施加端壓壓力者；其特徵在於：於上述一工件之端面與上述另一工件之端面之抵接時，使用不會達到該一工件相對於該另一工件產生彎曲之彎曲壓力之下限值之壓力，作為上述加壓壓力，並將上述摩擦熱設定為藉由該加壓壓力及上述兩工件彼此之相對旋轉而使該工件端面彼此間產生塑性變形之程度。
  2. 如請求項1之摩擦壓接方法，其中，於上述一工件之端面與上述另一工件之端面之抵接時，使用較不會產生上述摩擦熱之區域之上限值更接近上述彎曲壓力之下限值之壓力，作為上述加壓壓力。
  3. 如請求項1之摩擦壓接方法，其中，於上述兩工件之端面彼此抵接之後，至少將上述加壓壓力增大為較上述兩工件之端面彼此之抵接時為高，且將上述摩擦熱增大為較上述兩工件之端面彼此之抵接時為高。
  4. 如請求項3之摩擦壓接方法，其中，於上述兩工件之端面彼此抵接之後，上述兩工件之相對轉數，也被增大為較上述兩工件之端面彼此之抵接時為高。
  5. 如請求項1之摩擦壓接方法，其中，使上述兩工件之相對轉數，在產生上述摩擦熱之期間維持為一定。
  6. 一種摩擦壓接裝置，係藉由使一工件之端面與另一工件之端 面在施以加壓壓力之狀態下一面相互抵接一面相對旋轉，而使該兩工件之接合界面產生摩擦熱，接著，於使上述兩工件之相對旋轉停止之後，對該兩工件施加端壓壓力者；其特徵在於，其具備：一對保持裝置，其等分別具備保持工件之夾頭部，以對向之方式配置該兩夾頭部；移動用驅動源，其可驅動地與上述一對保持裝置之至少一者建立有連接之關係，使分別被保持於該一對之各保持裝置之夾頭部之工件相對地朝接近之方向移動；旋轉驅動源，其可旋轉驅動地與上述一對之各保持裝置之夾頭部之至少一者建立有連接之關係，使被保持於該兩夾頭部之工件相對旋轉；加壓壓力檢測部，其檢測被保持於上述一對之各保持裝置之夾頭部之工件之端面彼此對壓之加壓壓力；及控制單元，其根據來自上述加壓壓力檢測部之資訊，於被保持於上述一對之各保持裝置之夾頭部之工件之端面彼此抵接時，控制上述移動用驅動源及上述旋轉驅動源，將該兩工件之端面彼此對壓之加壓壓力，設定在不會達到使該兩工件產生彎曲之彎曲壓力之下限值之大小，並將產生於該兩工件端面間之摩擦熱，設定為藉由該加壓壓力及上述兩工件彼此之相對轉數而使該兩工件端面彼此間產生塑性變形之程度。
  7. 如請求項6之摩擦壓接裝置，其中，上述控制單元係於被保持於上述一對之各保持裝置之夾頭部之工件之端面彼此抵接時，控制上述移動用驅動源，將該兩工件之端面彼此對壓之加壓壓力，設定為較不產生上述摩擦熱之區域之上限值更接近上述彎曲壓力之 下限值。
  8. 如請求項6之摩擦壓接裝置，其中，上述控制單元係控制上述移動用驅動源，於上述兩工件之端面彼此抵接之後，至少將該兩工件之端面彼此對壓之加壓壓力，設定為較該兩工件之端面彼此之抵接時高。
  9. 如請求項6之摩擦壓接裝置，其中，上述控制單元係具備：記憶部，其將上述旋轉驅動源之轉數、及上述兩工件之端面彼此抵接時之加壓壓力，作為設定資訊而予記憶；及控制部，其根據來自上述壓力檢測部之資訊及上述記憶部記憶之上述設定資訊，於被保持於上述一對之各保持裝置之夾頭部之工件之端面彼此抵接時，控制上述移動用驅動源及上述旋轉驅動源，以不會達到上述彎曲壓力之下限值之加壓壓力加壓該兩工件之端面彼此，並藉由該加壓壓力及上述兩工件彼此之相對轉數，使該兩工件端面彼此間產生摩擦熱，且根據該摩擦熱而使該兩工件端面彼此間產生塑性變形。
  10. 如請求項1之摩擦壓接方法，其中，作為上述加壓壓力，係根據上述一工件及上述另一工件之至少一者之端面狀態，把握不會達到上述彎曲壓力之下限值之壓力。
  11. 如請求項10之摩擦壓接方法，其中，藉由使用該各工件端面之形成之切斷機，判斷上述一工件及上述另一工件之至少一者之端面狀態。
  12. 如請求項9之摩擦壓接裝置，其中，具備輸入部，其將上述設定資訊輸入上述記憶部或變更記憶於上述記憶部之上述設定資訊。
TW106122874A 2016-08-10 2017-07-07 摩擦壓接方法及摩擦壓接裝置 TWI644748B (zh)

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