摩擦圧接方法および摩擦圧接装置
【課題】バリの発生が少なくかつ汎用性を有する摩擦圧接方法を提供する。
【解決手段】一対のワークＷ１，Ｗ２を相対回転させつつ押し当てることで一対のワークＷ１，Ｗ２を摩擦圧接する摩擦圧接方法であって、一対のワークＷ１，Ｗ２を相対回転させつつ押し当てて摩擦熱を発生させる摩擦工程と、摩擦工程において一対のワークＷ１，Ｗ２に寄り代が発生する前に開始し、一対のワークＷ１，Ｗ２の相対回転を規制し、かつ一対のワークＷ１，Ｗ２の間にアプセット圧を加えるアプセット工程とを有している。
【解決手段】一対のワークＷ１，Ｗ２を相対回転させつつ押し当てることで一対のワークＷ１，Ｗ２を摩擦圧接する摩擦圧接方法であって、一対のワークＷ１，Ｗ２を相対回転させつつ押し当てて摩擦熱を発生させる摩擦工程と、摩擦工程において一対のワークＷ１，Ｗ２に寄り代が発生する前に開始し、一対のワークＷ１，Ｗ２の相対回転を規制し、かつ一対のワークＷ１，Ｗ２の間にアプセット圧を加えるアプセット工程とを有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一対のワークを相対回転させつつ押し当てることで一対のワークを摩擦圧接する摩擦圧接方法および摩擦圧接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、様々な摩擦圧接方法が知られており、例えばＬＨＩ法（特許文献１参照）や、アルミニウム合金に適した方法（特許文献２参照）等が知られている。ＬＨＩ法では、一対のワークを相対回転させつつ突合わせて摩擦熱を発生させる。そして相対回転は、ワーク間の接合面の摩擦トルクが初期最大値から定常状態になるまで続ける（摩擦工程）。そして摩擦トルクが定常状態になった状態でワーク間の相対回転を規制し（ブレーキをかけ）、ワーク間にアプセット圧を加える（アプセット工程）。
【０００３】
したがってＬＨＩ法によると、摩擦圧接の初期の段階（すなわち摩擦トルクの四位相中における第二の位相）においてブレーキをかける。そのため通常のブレーキ式摩擦圧接の後期の段階（第四の位相）においてブレーキをかける方法に比べて摩擦圧接における一対のワーク間の寄り代が小さくなり、その結果、バリの発生が少なくなる。特許文献２に記載の摩擦圧接方法では、アルミニウム合金からなる一対のワーク材を相対的に回転させて接触させ、接触後０．７秒以内でブレーキをかける。したがってアルミニウム合金のワークが摩擦熱によって大きく変形してしまう前に摩擦圧接を終了させ得る。しかし特許文献２に記載の方法は、アルミニウム合金のみに対応する方法であって、一般的な摩擦圧接に対応できる方法ではなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−６２６７６号公報
【特許文献２】特開平５−９６３８５号公報
【特許文献３】特開平３−２６８８８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで本発明は、従来の方法に比べてバリの発生が少なくかつ汎用性を有する摩擦圧接方法および摩擦圧接装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために本発明は、各請求項に記載の通りの構成を備える摩擦圧接方法または摩擦圧接装置であることを特徴とする。すなわち請求項１に記載の発明によると、一対のワークを相対回転させつつ押し当てて摩擦熱を発生させる摩擦工程と、摩擦工程において一対のワークに寄り代が発生する前に開始し、一対のワークの相対回転を規制し、かつ一対のワークの間にアプセット圧を加えるアプセット工程とを有している。
【０００７】
従来のＬＨＩ法や特許文献２に記載の方法は、一対のワークを相対回転させつつ押し当てることで一対のワーク間に寄り代が発生し、寄り代が発生した後にワーク間の相対回転にブレーキをかける方法であった。これに対して本発明では、寄り代が発生する前にワーク間の相対回転を規制する。そのため相対回転を規制する前の摩擦工程において寄り代が発生せず、アプセット工程のみにおいて寄り代が生じ得る。そのため摩擦圧接全体における寄り代が小さくなり、これによって形成され得るバリが小さくなる。
【０００８】
請求項２に記載の発明によると、摩擦工程は、少なくともワーク外周部に焼付きが生じない相対回転数で行われる。ワーク外周部に焼付きが生じると、直後にワーク間の相対回転数により捩り破断が生じ、この捩り破断によって発熱量が急上昇するとともにバリが発生する虞が生じる。しかしワーク外周部が焼付きを生じないほどの高回転で摩擦工程が行われれば、バリの発生を抑制しつつ摩擦圧接に必要な発熱量を得ることができる。この際、ワーク外周部に比べて周速の低い内周部は、焼付きが生じていても良い。
【０００９】
請求項３に記載の発明によると、一方のワークを回転させ、他方のワークを固定する。そしてアプセット工程において、回転させたワーク側にブレーキをかけ、かつこの時に固定したワーク側を回転可能なフリー状態にする。したがって一方のワークが減速し始め、他方のワークが一方のワークに対して連れ回り始め、その後、ワーク間の相対回転がゼロになる。そのため短時間でワーク間の相対回転がゼロになる。かくして一対のワーク間に発生する捩れが少なくなり、捩れによって生じるバリが小さくなる。
【００１０】
請求項４に記載の発明によると、一方のワークを回転させ、他方のワークを固定する。そしてアプセット工程において、回転させたワーク側にブレーキをかけ、かつこの時に固定したワーク側に回転させたワークと同じ方向の回転力を加える。したがって一方のワークが減速し始め、他方のワークが一方のワークに対して積極的に回転し始め、その後、ワーク間の相対回転がゼロになる。そのため短時間でワーク間の相対回転がゼロになる。かくして一対のワーク間に発生する捩れが少なくなり、捩れによって生じるバリが小さくなる。
【００１１】
請求項５に記載の発明によると、摩擦工程における一対のワークの相対回転速度を３３００〜１００００ｒｐｍに設定し、かつ摩擦工程における一対のワークを押す圧力を５〜１０ＭＰａに設定する。ところで鋼材からなるワーク等を摩擦圧接する場合、従前の摩擦工程は、回転速度を約１６５０ｐｐｍに設定し、一対のワークを約３０ＭＰａで押圧していた（特許文献１参照）。これに対して本発明では、従前に比べて一対のワークを高速で相対回転させ、かつ弱い力で押圧している。そのため寄り代を発生させることなく鋼材からなるワーク間に摩擦熱を確実に発生させることができる。その結果、鋼材からなる一対のワークを確実に接合させることができる。
【００１２】
請求項６に記載の発明によると、摩擦工程における一対のワークの周速度を２ｍ／ｓ〜９ｍ／ｓに設定し、かつ摩擦工程における一対のワーク間を押す圧力を５〜４０ＭＰａに設定する。これによりワーク外周部に焼付きが生じることを確実に抑制することができる。
【００１３】
請求項７に記載の発明によると、アプセット工程において、アプセット圧を１０〜３０ＭＰａに設定する。したがって一対のワークを摩擦工程において弱い力で押圧した後に、アプセット工程において強い力で押圧する。そのため鋼材からなるワークを確実に接合させることができる。
【００１４】
請求項８に記載の発明によると、第一と第二のワークを相対的に回転させる回転装置と、第一と第二のワークを押し当てる方向に送る推力機構と、推力機構の送りの反力によって第一と第二のワークが接触したことを検知する接触検知センサと、接触検知センサからの検知信号に基づいてワークが接触した後、設定時間経過後に第一と第二のワーク間の相対回転を規制しかつ推力機構によって第一と第二のワークの間にアプセット圧を加えるように制御する制御手段とを有している。そして前記設定時間は、第一と第二のワークの間に寄り代が発生する前の時間に設定されている。
【００１５】
したがって本発明の摩擦圧接装置は、寄り代が発生する前においてワーク間の相対回転を規制する。そのため相対回転を規制する前の摩擦工程において寄り代が発生せず、アプセット工程のみにおいて寄り代が生じ得る。そのため摩擦圧接全体における寄り代が小さくなり、これによって形成され得るバリが小さくなる。
【００１６】
請求項９に記載の発明によると、第一のワークを回転可能に保持する第一の保持台と、第二のワークを回転可能に保持する第二の保持台と、第一のワークを第一の保持台に対して回転させる回転装置と、第二のワークを第二の保持台に対して解除可能に保持するサーボモータを有している。そして制御手段によって第一のワークの回転規制し、該回転規制の際にサーボモータを制御して第二のワークを解除することで第二のワーク側を回転可能なフリー状態にする。したがって第一のワークが減速し始め、第二のワークが第一のワークに対して連れ回り始め、その後、ワーク間の相対回転がゼロになる。そのため短時間でワーク間の相対回転がゼロになる。かくして一対のワーク間に発生する捩れが少なくなり、捩れによって生じるバリが小さくなる。
【００１７】
請求項１０に記載の発明によると、第一のワークを回転可能に保持する第一の保持台と、第二のワークを回転可能に保持する第二の保持台と、第一のワークを第一の保持台に対して回転させる回転装置と、第二のワークを第二の保持台に対して回転させるサーボモータを有している。そして制御手段によって第一のワークの回転規制し、該回転規制の際にサーボモータを制御して第二のワークを位置保持した状態から第一のワークと同じ方向に力を加えて強制回転させる状態にする。したがって第一のワークが減速し始め、第二のワークが第一のワークに対して積極的に回転し始め、その後、ワーク間の相対回転がゼロになる。そのため短時間でワーク間の相対回転がゼロになる。かくして一対のワーク間に発生する捩れが少なくなり、捩れによって生じるバリが小さくなる。
【００１８】
請求項１１に記載の発明によると、制御手段によって一対のワークが固着する固着時の前後における一対のワークの寄り代が所定値よりも大きいか否かを判断し、これによってワーク間の接合の良否を判定する品質管理工程を有している。ところで従来、ワーク間の接合を十分に行うために寄り代を制御する方法が知られている（特許文献３参照）。この時の寄り代は、ワークの移動量によって制御するが、ワークが加工時の発熱によって熱膨張するために、その補正量も加えて制御している。一方、本発明に係る摩擦圧接方法は、寄り代が非常に小さいために、寄り代を測定等することが容易でない。しかも寄り代は、摩擦圧接時のワーク移動量の測定によって得ることができるが、ワークは、摩擦圧接時において押圧力によって弾性変形し、さらに摩擦熱によって熱膨張もする。そのため寄り代を測定することが容易でない。
【００１９】
これに対して本発明者は、誠意研究によって、本発明に係る摩擦圧接方法の場合、ワーク同士が接合するために必要な真の寄り代がワークの固着時前後の短い時間内において生じることを見出した。そして本発明では、寄り代を固着時の前後所定時間において測定する。そのため寄り代を比較的短い時間で測定でき、これによって摩擦圧接時に生じるワークの弾性変形や熱膨張の影響が小さくなり、寄り代を正確に測定できる。かくしてワーク間の圧接の良否を正確に判定できる。またワークを冷却したり破壊試験をすることなく、ワーク間の接合判定ができるために、ワーク間の接合の良否を迅速かつ簡便に行うこともできる。
【００２０】
請求項１２に記載の発明によると、一方のワークを回転させ、他方のワークを固定し、アプセット工程において、回転させたワーク側を回転規制し、かつこの時に固定したワーク側を回転可能なフリー状態にする。そしてフリー状態のワークの回転速度を測定するセンサからの検知信号に基づいて、ワークが加速から減速になった時点を固着時と制御手段が特定する。したがってフリー状態側のワークの速度変化によって固着時を特定できる。したがって固着時を簡易かつ確実に得ることができる。なお固着時が上記特定時であることは、実験結果から推測することができた。
【００２１】
請求項１３に記載の発明によると、一方のワークを回転させ、他方のワークを固定し、アプセット工程において、他方のワークを固定しつつ回転させたワーク側を回転規制し、回転規制を開始した時点と回転させたワークの回転が停止した時点に基づいて、制御手段が固着時を算出し特定する。したがって回転する側のワークの状態によって固着時を特定できる。例えば回転規制を開始した時点と回転が停止した時点の中間時点を固着時と特定できる。これによって固着時を簡易かつ確実に得ることができる。なお固着時が上記特定時とし得ることは、実験結果から推測することができた。
【００２２】
請求項１４に記載の発明によると、制御手段は、第一と第二のワークが固着する固着時を特定し、かつ固着時の前後所定時間におけるワーク間の寄り代が所定値よりも大きいか否かを判断し、これによってワーク間の接合の良否を判定する。したがって寄り代は、固着時の前後所定時間において測定されるために、摩擦圧接時に生じるワークの弾性変形や熱膨張の影響が小さい状態で測定され得る。かくして寄り代を正確に測定でき、これによってワーク間の圧接の良否を正確に判定できる。またワークを冷却したり破壊試験をすることなく、ワーク間の接合判定ができるために、ワーク間の接合の良否を迅速かつ簡便に行うこともできる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】摩擦圧接装置の正面図である。
【図２】摩擦圧接装置の左側面図である。
【図３】摩擦圧接時における各種制御値および状態値を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の実施の形態を図１〜３にしたがって説明する。摩擦圧接装置１は、図１に示すようにベッド９と、ベッド９に移動可能に取付けられる第一の保持台２と、ベッド９の一端部に移動不能に取付けられる第二の保持台３と、ベッド９の他端部に移動不能に取付けられるモータ保持台６を有している。
【００２５】
第一の保持台２は、図１，２に示すように上下部にベッド９に形成されたレール９ａにスライド可能に装着されるガイド部２ｂを有している。第一の保持台２の一端部には、チャック２ａが設けられている。チャック２ａは、第一の保持台２の本体に対して軸回転可能に設けられており、第一のワークＷ１を保持する。第一の保持台２の他端部には、主軸モータ（回転装置）４ａを有する主軸モータ体４が取付けられている。主軸モータ４ａは、サーボモータ等であって、ベッド９に設けられた制御手段７によって制御され得る。主軸モータ体４と第二の保持台３の間には、主軸モータ４ａからの動力をチャック２ａに伝達して、チャック２ａとともに第一のワークＷ１を軸回転させる動力伝達機構が設けられている（図示省略）。
【００２６】
図１，２に示すように第一の保持台２とモータ保持台６の間には、第一の保持台２をスライドさせる推力機構が設けられている。推力機構は、モータ保持台６に設けられた推力用モータ６ａと、ボールねじ６ｅを有している。推力用モータ６ａは、サーボモータ等であって、制御手段７によって制御され得る。ボールねじ６ｅは、図１の左端において滑車６ｃが連結される。また推力用モータ６ａの出力軸と滑車６ｃとの間で動力を伝達するタイミングベルト６ｄが掛けられている。またボールねじ６ｅは、第一の保持台２に設けられた雌ねじと螺合されている。そしてボールねじ６ｅは、推力用モータ６ａによって回転駆動されることで第一の保持台２をベッド９に対してスライドさせる。また第一と第二のワークＷ１，Ｗ２が接触したことを検知する接触検知センサ６ｂが設けられている。本実施の形態では、主軸モータ４ａのトルクセンサを接触検知センサ６ｂとして用い、圧接トルク変動を検知することでワークＷ１，Ｗ２の接触を検知する。
【００２７】
第二の保持台３は、図１に示すように一端部に第二のワークＷ２を保持するチャック３ａを有している。チャック３ａは、第二の保持台３の本体に回転可能に支持されている。第二の保持台３の他端部には、モータ５ａを有するモータ体５が設けられている。モータ５ａは、サーボモータ等であって、制御手段７によって制御され得る。モータ体５と第一の保持台２の間には、モータ５ａからの動力をチャック３ａに伝達し、チャック３ａとともに第二のワークＷ２を第二の保持台３の本体に対して制御する動力伝達機構が設けられている。そしてモータ５ａを制御することで、第二のワークＷ２を第二の保持台３の本体に対して回転不能な位置保持状態、回転可能なフリー状態、あるいは強制回転する強制回転状態にすることができる。
【００２８】
摩擦圧接装置１によって第一と第二のワークＷ１，Ｗ２を摩擦圧接する場合は、先ず、第一と第二のワークＷ１，Ｗ２をそれぞれチャック２ａ，３ａに装着する。次に、制御手段７によってモータ５ａを制御して第二のワークＷ２を回転不能な位置保持状態にする（固定する）。そして主軸モータ４ａを制御して第一のワークＷ１を圧接回転速度Ａ１の高速で回転させる（図３参照）。例えば、ワークＷ１，Ｗ２が鋼材の丸棒の場合において圧接回転速度Ａ１を３３００ｒｐｍ〜１００００ｒｐｍ、あるいは１５００ｒｐｍ〜１００００ｒｐｍにする。回転数が低すぎると、ワークＷ１，Ｗ２の外周部に焼付きが生じ、直後にワークＷ１，Ｗ２間の相対回転により捩り破断が生じ、この捩り破断によって発熱量が急上昇するとともにバリが発生する虞が生じる。なお鋼材としては、Ｓ１５Ｃなどの軟鋼、Ｓ５５Ｃなどの高炭素鋼等を利用することができる。丸棒としては、φ３〜２０の中実丸棒、φ３〜３０の中実丸棒、あるいはその中実丸棒の断面積に相当する断面積を有する中空丸棒等を利用することができる。
【００２９】
次に、制御手段７によって推力用モータ６ａを駆動させて、第一の保持台２を第二の保持台３に向けて移動させる。この時の推力Ｐ０は、第一の保持台２が低速で移動し得る大きさ、例えばワークＷ１，Ｗ２間の接触時における圧力を１〜３ＰＭａになるように設定する。ワークＷ１，Ｗ２が接触すると、ワークＷ１，Ｗ２間には摩擦熱が発生する。そして推力機構によるワークＷ１，Ｗ２間の圧力は、Ｐ１（低圧）になる。そしてＰ１にて保持される。Ｐ１は、ワークＷ１，Ｗ２に寄り代が直ぐに発生しない程度に小さく、ワークＷ１，Ｗ２が鋼材の丸棒の場合には、５〜１０ＭＰａ、あるいは５〜４０ＭＰａに設定する。Ｐ１が低すぎると摩擦工程での摩擦熱が不足する。また本発明は、寄り代が発生する前に摩擦工程が終了するので、Ｐ１が高すぎると直ぐに寄り代が発生してしまい、バリの発生が多くなってしまう。そのためＰ１の上限は、材料および形状等によって決定される。
【００３０】
これにより摩擦工程が開始し、図３に示すようにワークＷ１，Ｗ２間に圧接トルクが発生し、接触面の摩擦によって摩擦熱が発生する。この時、ワークＷ１，Ｗ２は、摩擦熱によって膨張して、第一の保持台２を元の位置へ戻す方向へ押す。第一の保持台２は、基本的にはワークＷ１，Ｗ２が接触した位置にて保持されるが、押戻す力によって押戻されても良い。従来技術のように大きい押圧力であったり、ワークＷ１，Ｗ２間にさらに押圧力を加えたりすると、摩擦熱によって接触面が柔らかくなり、ワークＷ１，Ｗ２同士が寄る方向に移動して寄り代（摩擦代）が発生し得る。本形態では、上記のような低い押圧力Ｐ１、上記のような高い圧接回転速度Ａ１で保持するため、摩擦工程において寄り代が発生しない状態で接合面を加熱することが可能となる。そして摩擦工程が終了するとワークＷ１の回転を規制する。すなわち従来技術の摩擦圧接の第一位相の途中においてワークＷ１の回転を規制する。したがって最大摩擦トルク（初期トルク）が発生する前に回転を規制する。
【００３１】
この回転規制のタイミングは、接触検知センサ６ｂからの検知信号に基づいて制御手段７がタイマーを作動させ、タイマー作動後、予め設定した時間Ｔ１経過後と設定されている。そして制御手段７は、時間Ｔ１を経過した時点でブレーキ（図示省略）を作動させて第一のワークＷ１の回転速度を減速させる。なお本形態では、従前の方法に比べて圧接回転速度Ａ１を速く設定し、かつ圧力Ｐ１を低く設定している。そのため摩擦工程において寄り代が発生し難く、Ｔ１を幅広く選択し得る。例えばワークＷ１，Ｗ２が鋼材の丸棒の場合には、Ｔ１を０．０５〜１秒、あるいは０．０５〜２秒で設定し得る。また圧接回転速度Ａ１は、ワークＷ１，Ｗ２の外周部にて焼付きが発生しない程度に十分に高速に設定されていることが好ましい。
【００３２】
また制御手段７は、回転規制する時間Ｔ１経過後において推力用モータ６ａを制御して、ワークＷ１，Ｗ２間にアプセット圧Ｐ２を生じさせる。アプセット圧Ｐ２は、摩擦工程における圧力Ｐ１よりも大きく、例えば１．５倍以上、２〜４倍とすることが好ましい。もしくは圧力Ｐ１と同じにすることが好ましい。ワークＷ１，Ｗ２が鋼材の丸棒の場合には、Ｐ２を１０〜３０ＭＰａ、あるいは１０〜４０ＭＰａに設定することが好ましい。
【００３３】
また制御手段７は、回転規制した時間Ｔ１経過後においてモータ（サーボモータ）５ａを制御して、第二のワークＷ２を軸回転可能なフリー状態にする。これにより第二のワークＷ２は、摩擦によって第一のワークＷ１に対して連れ回る方向に回転し始め、時間Ｔ１＋Ｔ２経過後において第一のワークＷ１の回転速度Ａ２と同じになる。これによりワークＷ１，Ｗ２が一体になって回転速度Ａ２で回転し、その後、時間Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３経過後にこれらが停止する（アプセット工程）。例えば鋼材の丸棒のワークＷ１，Ｗ２の場合には、Ｔ２とＴ３がともに０．５〜１秒になる。
【００３４】
図３に示すように第一と第二のワークＷ１，Ｗ２の相対回転が０になる前後の時間Ｔ４において寄り代が発生する。例えば、鋼材の丸棒のワークＷ１，Ｗ２の場合には、約０．０５秒の時間Ｔ４の間に０．０５〜０．２ｍｍ、あるいは０．１〜１ｍｍの寄り代Ｂが発生する。そしてバリは、寄り代が発生しない間には殆ど形成されず、寄り代Ｂが生じるわずかな時間Ｔ４においてのみに形成され得る。
【００３５】
以上のように、摩擦圧接方法は、摩擦工程とアプセット工程を有している。アプセット工程は、摩擦工程において一対のワークＷ１，Ｗ２に寄り代が発生する前に、一対のワークＷ１，Ｗ２の相対回転を規制し、かつ一対のワークＷ１，Ｗ２の間にアプセット圧Ｐ２を加える。そのため相対回転を規制する前の摩擦工程において寄り代が発生せず、アプセット工程のみにおいて寄り代が生じ得る。そのため摩擦圧接全体における寄り代が小さくなり、これによって形成され得るバリが小さくなる。
【００３６】
また本摩擦圧接方法によると、アプセット工程において、回転させた第一のワークＷ１側にブレーキをかけ、かつ固定した第二のワークＷ２側を回転可能なフリー状態にする。したがって第一のワークＷ１が減速し始め、第二のワークＷ２が第一のワークＷ１に対して連れ回り始め、その後、ワークＷ１，Ｗ２間の相対回転がゼロになる。そのため短時間でワークＷ１，Ｗ２間の相対回転がゼロになる。かくして一対のワークＷ１，Ｗ２間に発生する捩れが少なくなり、捩れによって生じるバリが小さくなる。またバリが小さくなるので、後加工が不要または少なくて済む。また寄り代が小さいので、素材の節約にもなり、全長の精度も向上する。さらに本摩擦圧接方法は、従来の方法に比べて捩れが少ないので同軸度の精度の向上も期待できる。
【００３７】
また一対のワークＷ１，Ｗ２が鋼材製の場合には、摩擦工程における一対のワークＷ１，Ｗ２の相対回転速度を３３００〜１００００ｒｐｍ、あるいは１５００ｒｐｍ〜１００００ｒｐｍに設定する。そして摩擦工程における一対のワークＷ１，Ｗ２を押す圧力Ｐ１を５〜１０ＭＰａ、あるいは５〜４０ＭＰａに設定する。したがって従前に比べて一対のワークＷ１，Ｗ２を高速で相対回転させ、かつ弱い力で押圧している。そのため寄り代を発生させることなく鋼材からなるワークＷ１，Ｗ２間に摩擦熱を確実に発生させることができる。その結果、鋼材からなる一対のワークＷ１，Ｗ２を確実に接合させることができる。
【００３８】
またアプセット工程においては、アプセット圧Ｐ２を１０〜３０ＭＰａ、あるいは１０〜４０ＭＰａに設定する。したがって一対のワークＷ１，Ｗ２を摩擦工程において弱い力で押圧した後に、アプセット工程において強い力で押圧する。そのため鋼材からなるワークＷ１，Ｗ２を確実に接合させることができる。
【００３９】
また摩擦圧接装置１は、回転装置（主軸モータ４ａ）と、推力機構と、接触検知センサ６ｂと、接触検知センサ６ｂからの検知信号に基づいてワークＷ１，Ｗ２が接触した後、設定時間Ｔ１が経過後に第一と第二のワークＷ１，Ｗ２間の相対回転を規制しかつ推力機構によって第一と第二のワークＷ１，Ｗ２の間にアプセット圧Ｐ２を加えるように制御する制御手段７とを有している。そして前記設定時間は、第一と第二のワークＷ１，Ｗ２の間に寄り代が発生する前の時間Ｔ１に設定されている。したがって摩擦圧接全体における寄り代が小さくなり、これによって形成され得るバリが小さくなる。
【００４０】
次に、摩擦圧接の良否（接合の良否）を判定する品質管理工程について説明する。なお接合が不良な場合とは、ワークＷ１，Ｗ２を引っ張り試験した場合にワークＷ１，Ｗ２間の界面において破断する状態をいい、接合が良好な場合とは、界面以外の母材の一部において破断する状態をいう。品質管理工程では、この引っ張り試験を行うことなく、接合の良否を寄り代の大きさによって判定する。
【００４１】
ところで従来、寄り代の測定は、摩擦圧接の前後のワークＷ１，Ｗ２の長さをワークＷ１，Ｗ２が十分に冷えた状態で行うことで正確に行うことも可能である。しかしこの場合、冷却する時間等を管理する必要があり、作業が煩雑になるという問題がある。また本摩擦圧接の方法では、寄り代が非常に小さいため、寄り代の測定が容易でない。そこで本形態では、容易かつ正確な寄り代を下記の方法によって測定し、その寄り代の大きさから摩擦圧接の良否を判定する。
【００４２】
先ず、チャック２ａ，３ａに第一と第二のワークＷ１，Ｗ２を装着する。そして第一のワークＷ１を圧接回転速度Ａ１で回転させ、第一の保持台２を第二の保持台３に向けて移動させる。この時、第一の保持台２の位置を検知する位置検知手段とタイマーによって第一の保持台２の位置と時間を測定し、これら測定データを記憶手段（図示省略）によって連続して記憶する。
【００４３】
続いて、ワークＷ１，Ｗ２を押当てて摩擦工程を行い、時間Ｔ１経過後に第一のワークＷ１側を回転規制し、同時に第二のワークＷ２側をフリー状態にする（図３参照）。この時、第二のワークＷ２の回転速度を検知するセンサによってワークＷ２の回転速度を測定し、この測定データを記憶手段によって連続して記憶する。第二のワークＷ２は、時間Ｔ２の間において加速し、第一のワークＷ１の回転速度Ａ２と同じになった後に減速し始め、時間Ｔ２＋Ｔ３経過時に停止する。
【００４４】
次に、制御手段７が記憶手段に記憶されたワークＷ２の回転速度と時間のデータから、ワークＷ２が加速から減速になった時点を固着時と特定する。そして記憶手段に記憶された保持台２の位置と時間のデータから、制御手段７が固着時における前後時間Ｔ４における保持台２の移動量を求め、これを寄り代として特定する。なお寄り代は、図３に示すように固着時の前後において発生し、この寄り代がワークＷ１，Ｗ２の接合に必要な真の寄り代である。そしてこの現象は、発明者の誠意研究によって見出すことができた。またＴ４は、ワークＷ１，Ｗ２の材料や大きさによって決定されるものであって、予め記憶手段に記憶されたＴ４に基づいて制御手段７が寄り代を求める。
【００４５】
次に、求めた寄り代が所定値の範囲内にあるか否かを制御手段７が判断する。例えば寄り代が０．１〜１ｍｍ、あるいは０．０５〜１ｍｍの範囲内にあるか否かを判断する。寄り代が最小所定値よりも大きい場合、ワークＷ１，Ｗ２間が十分に接合されていると判断し、寄り代が最大所定値よりも小さい場合には、摩擦圧接においてバリが十分に小さくなると判断する。これにより制御手段７が摩擦圧接の良否を判定する。
【００４６】
以上のように、制御手段７によって一対のワークＷ１，Ｗ２が固着する固着時の前後（例えばＴ４）における一対のワークＷ１，Ｗ２の寄り代が所定値よりも大きいか否かを判断し、これによってワークＷ１，Ｗ２間の接合の良否を判定する（品質管理工程）。ところで従来、ワーク間の接合を十分に行うために寄り代を制御する方法が知られている（特許文献３参照）。この時の寄り代は、ワークの移動量によって制御するが、ワークが加工時の発熱によって熱膨張するために、その補正量も加えて制御している。一方、本発明に係る摩擦圧接方法は、寄り代が非常に小さいために、寄り代を測定等することが容易でない。しかも寄り代は、摩擦圧接時のワークＷ１の移動量の測定によって得ることができるが、ワークＷ１，Ｗ２は、摩擦圧接時において押圧力によって弾性変形し、さらに摩擦熱によって熱膨張もする。そのため寄り代を測定することが容易でない。
【００４７】
これに対して本発明者は、誠意研究によって、本形態に係る摩擦圧接方法の場合、ワークＷ１，Ｗ２同士が接合するために必要な真の寄り代がワークＷ１，Ｗ２の固着時前後の短い時間Ｔ４内において生じることを見出した。そして本形態では、寄り代を固着時の前後時間Ｔ４において測定する。そのため寄り代を比較的短い時間で測定でき、これによって摩擦圧接時に生じるワークＷ１，Ｗ２の弾性変形や熱膨張の影響が小さくなり、寄り代を正確に測定できる。かくしてワークＷ１，Ｗ２間の圧接の良否を正確に判定できる。またワークＷ１，Ｗ２を冷却したり破壊試験をすることなく、ワークＷ１，Ｗ２間の接合判定ができるために、ワークＷ１，Ｗ２間の接合の良否を迅速かつ簡便に行うこともできる。
【００４８】
またアプセット工程において、回転させたワークＷ１側を回転規制し、かつこの時に固定したワークＷ２側を回転可能なフリー状態にする。そしてフリー状態のワークＷ２の回転速度を測定するセンサからの検知信号に基づいて、ワークＷ２が加速から減速になった時点を固着時と制御手段７が特定する。したがってフリー状態側のワークＷ２の速度変化によって固着時を特定できる。したがって固着時を簡易かつ確実に得ることができる。なお固着時が上記特定時であることは、実験結果から推測することができた。
【実施例】
【００４９】
以下に、本発明の実施例を表を用いて説明する。表１の試験条件に示すような条件で摩擦圧接を実施し、試験片を作成した。なお第一のワークＷ１と第二のワークＷ２の接合部径は同じであり、材質は全てＳ１５Ｃの中実である。なお「ＬＨＩ」は、ＬＨＩ法を示し、「ブレーキ」は、通常のブレーキ式摩擦圧接法を示す。
【００５０】
【表１】
【００５１】
各試験片について引っ張り強度と寄り代について評価した。評価結果を表２に示す。なお「ＨＡＺ部」は、接合面を中心に熱影響を受けた部分のことである。なお、表２の寄り代は、図３における時間Ｔ１〜Ｔ３の間における寄り代であり、後に説明する表３の寄り代のように、図３における時間Ｔ４の間だけの寄り代ではない。
【００５２】
【表２】
【００５３】
表２より、Ｎｏ．１，２は、アプセット圧Ｐ２が不足していたと推測される。またＮｏ．３は、摩擦工程時間Ｔ１が不足して、加熱が不十分だったと推測される。その他の試験片は、ＬＨＩ法、ブレーキ式摩擦法と比較して同等の強度を持ちながら短時間で摩擦圧接が終了し、かつ寄り代が小さい（すなわちバリの発生が少ない）ことがわかる。なおＮｏ．１〜９は、いずれも摩擦工程での寄り代は、ほぼゼロであった。一方、ＬＨＩ法とブレーキ式摩擦法での摩擦工程での寄り代は、それぞれ０．８ｍｍ、４．０ｍｍであった。
【００５４】
また、表１よりＮｏ．９の周速度が２．９ｍ／ｓであり、Ｎｏ．１〜８の周速度は４．４ｍ／ｓであり、周速度が２ｍ／ｓ〜５ｍ／ｓの範囲において接合が良好であることがわかった。
【００５５】
以上の結果から本方法によって摩擦圧接させたワークを観察した結果、バリが従前の方法に比べて小さくなることを確認できた。また引張試験をした結果、ワーク間が十分に接合され得たことも確認できた。
【００５６】
また表３に示す試験片を準備して、表３に示す試験条件において摩擦圧接も行った。試験片であるワークＷ１，Ｗ２の材質はＳ１５ＣまたはＳ５５Ｃである。ワークＷ１，Ｗ２の接合部は同じ形状であって、中実丸棒または中空丸棒であり、中空のＮｏ．１２，１４は、外側径が２４ｍｍ、肉厚が３．５ｍｍある。表３のＴ０は、ワークＷ１，Ｗ２が接触した時から推力Ｐ０を加え始めるまでの時間である。Ｔ１は、押圧力Ｐ１を加え始めた時からアプセット圧Ｐ２を加え始めるまでの時間である。
【００５７】
【表３】
【００５８】
各試験片について寄り代Ｕ、すなわち固着時の前後時間Ｔ４における寄り代Ｕを測定し、表３にまとめた。次に、摩擦圧接後に各試験片を引っ張り試験し、その破断位置によって接合の良否を評価した。接合の評価は、破断部位がＨＡＺ部である場合に不良、ＨＡＺ部以外の母材の一部である場合に良好であると判断した。寄り代Ｕと接合の評価の結果から、寄り代Ｕが０．１ｍｍ以上、好ましくは０．１３ｍｍ以上において接合が良好であることがわかった。
【００５９】
また本摩擦圧接方法は、寄り代を小さくし、これによってバリを小さくする方法である。そのため寄り代Ｕの上限値を決め、例えば１ｍｍと決め、この上限値よりも大きい場合に製造不良とすることが好ましい。なお表３の各試験片は、いずれも寄り代Ｕの上限値が１ｍｍ以下であって、バリも十分に小さくなることが確認できた。また表１，３に示す試験片は、バリの発生を小さくする観点から、摩擦圧接時における周速度が中実丸棒の場合に２ｍ／ｓ以上、中空丸棒の場合に８ｍ／ｓ以上であることが好ましいこともわかった。
【００６０】
（他の実施の形態）
本発明は、上記実施の形態に限定されず、以下の形態等であっても良い。
（１）例えば、上記実施の形態では、回転規制と同時にモータ（サーボモータ）５ａを制御して第二のワークＷ２側を回転可能なフリー状態にする形態であった。しかし回転規制と同時にモータ５ａを制御して第二のワークＷ２側に第一のワークＷ１と同じ方向に回転力を加え、これによって第二のワークＷ２を強制的に回転させる形態であっても良い。その結果、第一のワークＷ１が減速し始め、第二のワークＷ２が第一のワークＷ１に対して積極的に回転し始め、その後、ワークＷ１，Ｗ２間の相対回転がゼロになる。そのため短時間でワークＷ１，Ｗ２間の相対回転がゼロになる。かくして一対のワークＷ１，Ｗ２間に発生する捩れが少なくなり、捩れによって生じるバリが小さくなる。
【００６１】
（２）上記実施の形態は、摩擦工程においてワークＷ１，Ｗ２間を相対回転させる回転装置として、第一のワークＷ１を回転させる主軸モータ４ａを有している形態であった。しかし回転装置として第二のワークＷ２を回転させるモータ等を有する形態、あるいは摩擦工程において第一と第二のワークＷ１，Ｗ２を相互に回転させるモータ等を有している形態であっても良い。
【００６２】
（３）上記実施の形態では、アプセット圧Ｐ２が回転規制と同時に加えられていた。しかしアプセット圧Ｐ２が回転規制した後、所定時間経過後で、かつ第一と第二のワークＷ１，Ｗ２の相対回転数が０になる前にて加えられる形態であっても良い。
【００６３】
（４）上記実施の形態では、第二のワークＷ２が加速から減速に変わる時点を固着時と特定している。しかし第一のワークＷ１側を回転規制し、かつ第二のワークＷ２をフリー状態にした時から所定の時間経過時を固着時として制御手段が特定する方法であっても良い。なお前記所定の時間は、予め記憶手段に記憶させておくこともできる。
【００６４】
（５）寄り代Ｕが下限値（例えば０．０３ｍｍ）よりも小さい場合に製造不良とすることを品質管理工程に加えても良い。なお、その下限値としては、寄り代Ｕがある値よりも小さい場合にワークＷ１とＷ２間が十分に接合されないという値を実験等により求め、その値を寄り代Ｕの下限値として設定するのが好ましい。
【００６５】
（６）規制ＯＮから所定の時間内の寄り代Ｕがゼロより大きいか、または所定値より大きい場合に製造不良とすることを品質管理工程に加えても良い。規制ＯＮからの所定の時間内としては、規制ＯＮの時点から真の寄り代の発生が予想される時点までの時間範囲となるように設定する。真の寄り代が発生する前に寄り代が発生してしまうと、寄り代が大きくなりすぎてバリが多く出てしまうことが予想されるためである。
【００６６】
（７）規制ＯＮから固着までの時間が所定時間を越えた場合に製造不良とすることを品質管理工程に加えても良い。これは、予想される時間内に固着が起こらなかった場合に、予想通りの摩擦加工が行われなかったことが予想されるため、不良と判断するというものである。
【００６７】
（８）主軸停止前（第一のワークＷ１が回転停止する前）の所定の時間内における寄り代が上限値より大きい場合に製造不良とすることを品質管理工程に加えても良い。
【００６８】
（９）上記実施の形態では、ワークＷ１，Ｗ２が固着する固着時を特定し、かつ固着時の前後所定時間における寄り代が所定値よりも大きいか否かを判断している。しかし固着時を求めずに、固着が予想される時間の前後の所定時間を設定し、その所定時間における寄り代が上限値より大きい場合に製造不良と判断しても良い。
【００６９】
（１０）上記実施の形態では、摩擦圧接時に第二のワークＷ２をフリー状態にする。しかし摩擦圧接時に第二のワークＷ２を回転不能に固定し続ける方法（簡易ＭＬ法）であっても良い。この場合は、第一のワークＷ１側を回転規制を開始した時点と、ワークＷ１の回転が停止した時点に基づいて、制御手段７が固着時を算出し特定する。例えば、回転規制時と回転停止時の中間時点を固着時と算出し特定する。したがって回転する側のワークＷ１の状態によって固着時を特定でき、これによって固着時を簡易かつ確実に得ることができる。なお固着時が上記特定時とし得ることは、実験結果から推測することができた。
【００７０】
（１１）上記実施の形態では、摩擦圧接時に第二のワークＷ２をフリー状態にする。しかし摩擦圧接時に第二のワークＷ２を回転不能に固定し続ける方法（簡易ＭＬ法）であっても良い。この場合は、第一のワークＷ１側を回転規制した時間と、ワークＷ１が停止した時間とに基づいて、制御手段７が固着時を算出し特定する。例えば、回転規制時と回転停止時の中間時点を固着時と算出し特定する。したがって回転する側のワークＷ１の状態によって固着時を特定でき、これによって固着時を簡易かつ確実に得ることができる。なお固着時が上記特定時とし得ることは、実験結果から推測することができた。
【００７１】
（１２）簡易ＭＬ法における固着時の特定方法を上記（１１）に代えて、回転規制時から所定の時間経過時にする方法であっても良い。なお前記所定の時間は、予め記憶手段に記憶させておくこともできる。
【００７２】
（１３）簡易ＭＬ法における固着時の特定方法を上記（１１）に代えて、ワークＷ１，Ｗ２間のトルクによって特定する方法であっても良い。例えば、第一のワークＷ１を回転させるトルクをトルクセンサによって測定し、そのトルクを連続して記憶手段が記憶し、制御手段がトルクのピーク時を固着時と特定する方法であっても良い。
【００７３】
（１４）簡易ＭＬ法における固着時の特定方法を上記（１１）に代えて、固定側のワーク（本実施形態ではＷ２）における伝達トルクを測定することによって特定する方法であっても良い。例えば、第二のワークＷ２に伝達されるトルクをトルクセンサによって測定し、そのトルクを連続して記憶手段が記憶し、制御手段がトルクのピーク時を固着時と特定する方法であっても良い。
【符号の説明】
【００７４】
１…摩擦圧接装置
２…第一の保持台
２ａ，３ａ…チャック
３…第二の保持台
４…主軸モータ体
４ａ…主軸モータ（回転装置）
５…モータ体
５ａ…モータ（サーボモータ）
６…モータ保持台
６ａ…推力用モータ（推力機構）
６ｂ…接触検知センサ
７…制御手段
９…ベッド
Ａ１…圧接回転速度
Ｂ…寄り代
Ｐ１…圧力
Ｐ２…アプセット圧
Ｗ１…第一のワーク
Ｗ２…第二のワーク
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一対のワークを相対回転させつつ押し当てることで一対のワークを摩擦圧接する摩擦圧接方法および摩擦圧接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、様々な摩擦圧接方法が知られており、例えばＬＨＩ法（特許文献１参照）や、アルミニウム合金に適した方法（特許文献２参照）等が知られている。ＬＨＩ法では、一対のワークを相対回転させつつ突合わせて摩擦熱を発生させる。そして相対回転は、ワーク間の接合面の摩擦トルクが初期最大値から定常状態になるまで続ける（摩擦工程）。そして摩擦トルクが定常状態になった状態でワーク間の相対回転を規制し（ブレーキをかけ）、ワーク間にアプセット圧を加える（アプセット工程）。
【０００３】
したがってＬＨＩ法によると、摩擦圧接の初期の段階（すなわち摩擦トルクの四位相中における第二の位相）においてブレーキをかける。そのため通常のブレーキ式摩擦圧接の後期の段階（第四の位相）においてブレーキをかける方法に比べて摩擦圧接における一対のワーク間の寄り代が小さくなり、その結果、バリの発生が少なくなる。特許文献２に記載の摩擦圧接方法では、アルミニウム合金からなる一対のワーク材を相対的に回転させて接触させ、接触後０．７秒以内でブレーキをかける。したがってアルミニウム合金のワークが摩擦熱によって大きく変形してしまう前に摩擦圧接を終了させ得る。しかし特許文献２に記載の方法は、アルミニウム合金のみに対応する方法であって、一般的な摩擦圧接に対応できる方法ではなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−６２６７６号公報
【特許文献２】特開平５−９６３８５号公報
【特許文献３】特開平３−２６８８８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで本発明は、従来の方法に比べてバリの発生が少なくかつ汎用性を有する摩擦圧接方法および摩擦圧接装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために本発明は、各請求項に記載の通りの構成を備える摩擦圧接方法または摩擦圧接装置であることを特徴とする。すなわち請求項１に記載の発明によると、一対のワークを相対回転させつつ押し当てて摩擦熱を発生させる摩擦工程と、摩擦工程において一対のワークに寄り代が発生する前に開始し、一対のワークの相対回転を規制し、かつ一対のワークの間にアプセット圧を加えるアプセット工程とを有している。
【０００７】
従来のＬＨＩ法や特許文献２に記載の方法は、一対のワークを相対回転させつつ押し当てることで一対のワーク間に寄り代が発生し、寄り代が発生した後にワーク間の相対回転にブレーキをかける方法であった。これに対して本発明では、寄り代が発生する前にワーク間の相対回転を規制する。そのため相対回転を規制する前の摩擦工程において寄り代が発生せず、アプセット工程のみにおいて寄り代が生じ得る。そのため摩擦圧接全体における寄り代が小さくなり、これによって形成され得るバリが小さくなる。
【０００８】
請求項２に記載の発明によると、摩擦工程は、少なくともワーク外周部に焼付きが生じない相対回転数で行われる。ワーク外周部に焼付きが生じると、直後にワーク間の相対回転数により捩り破断が生じ、この捩り破断によって発熱量が急上昇するとともにバリが発生する虞が生じる。しかしワーク外周部が焼付きを生じないほどの高回転で摩擦工程が行われれば、バリの発生を抑制しつつ摩擦圧接に必要な発熱量を得ることができる。この際、ワーク外周部に比べて周速の低い内周部は、焼付きが生じていても良い。
【０００９】
請求項３に記載の発明によると、一方のワークを回転させ、他方のワークを固定する。そしてアプセット工程において、回転させたワーク側にブレーキをかけ、かつこの時に固定したワーク側を回転可能なフリー状態にする。したがって一方のワークが減速し始め、他方のワークが一方のワークに対して連れ回り始め、その後、ワーク間の相対回転がゼロになる。そのため短時間でワーク間の相対回転がゼロになる。かくして一対のワーク間に発生する捩れが少なくなり、捩れによって生じるバリが小さくなる。
【００１０】
請求項４に記載の発明によると、一方のワークを回転させ、他方のワークを固定する。そしてアプセット工程において、回転させたワーク側にブレーキをかけ、かつこの時に固定したワーク側に回転させたワークと同じ方向の回転力を加える。したがって一方のワークが減速し始め、他方のワークが一方のワークに対して積極的に回転し始め、その後、ワーク間の相対回転がゼロになる。そのため短時間でワーク間の相対回転がゼロになる。かくして一対のワーク間に発生する捩れが少なくなり、捩れによって生じるバリが小さくなる。
【００１１】
請求項５に記載の発明によると、摩擦工程における一対のワークの相対回転速度を３３００〜１００００ｒｐｍに設定し、かつ摩擦工程における一対のワークを押す圧力を５〜１０ＭＰａに設定する。ところで鋼材からなるワーク等を摩擦圧接する場合、従前の摩擦工程は、回転速度を約１６５０ｐｐｍに設定し、一対のワークを約３０ＭＰａで押圧していた（特許文献１参照）。これに対して本発明では、従前に比べて一対のワークを高速で相対回転させ、かつ弱い力で押圧している。そのため寄り代を発生させることなく鋼材からなるワーク間に摩擦熱を確実に発生させることができる。その結果、鋼材からなる一対のワークを確実に接合させることができる。
【００１２】
請求項６に記載の発明によると、摩擦工程における一対のワークの周速度を２ｍ／ｓ〜９ｍ／ｓに設定し、かつ摩擦工程における一対のワーク間を押す圧力を５〜４０ＭＰａに設定する。これによりワーク外周部に焼付きが生じることを確実に抑制することができる。
【００１３】
請求項７に記載の発明によると、アプセット工程において、アプセット圧を１０〜３０ＭＰａに設定する。したがって一対のワークを摩擦工程において弱い力で押圧した後に、アプセット工程において強い力で押圧する。そのため鋼材からなるワークを確実に接合させることができる。
【００１４】
請求項８に記載の発明によると、第一と第二のワークを相対的に回転させる回転装置と、第一と第二のワークを押し当てる方向に送る推力機構と、推力機構の送りの反力によって第一と第二のワークが接触したことを検知する接触検知センサと、接触検知センサからの検知信号に基づいてワークが接触した後、設定時間経過後に第一と第二のワーク間の相対回転を規制しかつ推力機構によって第一と第二のワークの間にアプセット圧を加えるように制御する制御手段とを有している。そして前記設定時間は、第一と第二のワークの間に寄り代が発生する前の時間に設定されている。
【００１５】
したがって本発明の摩擦圧接装置は、寄り代が発生する前においてワーク間の相対回転を規制する。そのため相対回転を規制する前の摩擦工程において寄り代が発生せず、アプセット工程のみにおいて寄り代が生じ得る。そのため摩擦圧接全体における寄り代が小さくなり、これによって形成され得るバリが小さくなる。
【００１６】
請求項９に記載の発明によると、第一のワークを回転可能に保持する第一の保持台と、第二のワークを回転可能に保持する第二の保持台と、第一のワークを第一の保持台に対して回転させる回転装置と、第二のワークを第二の保持台に対して解除可能に保持するサーボモータを有している。そして制御手段によって第一のワークの回転規制し、該回転規制の際にサーボモータを制御して第二のワークを解除することで第二のワーク側を回転可能なフリー状態にする。したがって第一のワークが減速し始め、第二のワークが第一のワークに対して連れ回り始め、その後、ワーク間の相対回転がゼロになる。そのため短時間でワーク間の相対回転がゼロになる。かくして一対のワーク間に発生する捩れが少なくなり、捩れによって生じるバリが小さくなる。
【００１７】
請求項１０に記載の発明によると、第一のワークを回転可能に保持する第一の保持台と、第二のワークを回転可能に保持する第二の保持台と、第一のワークを第一の保持台に対して回転させる回転装置と、第二のワークを第二の保持台に対して回転させるサーボモータを有している。そして制御手段によって第一のワークの回転規制し、該回転規制の際にサーボモータを制御して第二のワークを位置保持した状態から第一のワークと同じ方向に力を加えて強制回転させる状態にする。したがって第一のワークが減速し始め、第二のワークが第一のワークに対して積極的に回転し始め、その後、ワーク間の相対回転がゼロになる。そのため短時間でワーク間の相対回転がゼロになる。かくして一対のワーク間に発生する捩れが少なくなり、捩れによって生じるバリが小さくなる。
【００１８】
請求項１１に記載の発明によると、制御手段によって一対のワークが固着する固着時の前後における一対のワークの寄り代が所定値よりも大きいか否かを判断し、これによってワーク間の接合の良否を判定する品質管理工程を有している。ところで従来、ワーク間の接合を十分に行うために寄り代を制御する方法が知られている（特許文献３参照）。この時の寄り代は、ワークの移動量によって制御するが、ワークが加工時の発熱によって熱膨張するために、その補正量も加えて制御している。一方、本発明に係る摩擦圧接方法は、寄り代が非常に小さいために、寄り代を測定等することが容易でない。しかも寄り代は、摩擦圧接時のワーク移動量の測定によって得ることができるが、ワークは、摩擦圧接時において押圧力によって弾性変形し、さらに摩擦熱によって熱膨張もする。そのため寄り代を測定することが容易でない。
【００１９】
これに対して本発明者は、誠意研究によって、本発明に係る摩擦圧接方法の場合、ワーク同士が接合するために必要な真の寄り代がワークの固着時前後の短い時間内において生じることを見出した。そして本発明では、寄り代を固着時の前後所定時間において測定する。そのため寄り代を比較的短い時間で測定でき、これによって摩擦圧接時に生じるワークの弾性変形や熱膨張の影響が小さくなり、寄り代を正確に測定できる。かくしてワーク間の圧接の良否を正確に判定できる。またワークを冷却したり破壊試験をすることなく、ワーク間の接合判定ができるために、ワーク間の接合の良否を迅速かつ簡便に行うこともできる。
【００２０】
請求項１２に記載の発明によると、一方のワークを回転させ、他方のワークを固定し、アプセット工程において、回転させたワーク側を回転規制し、かつこの時に固定したワーク側を回転可能なフリー状態にする。そしてフリー状態のワークの回転速度を測定するセンサからの検知信号に基づいて、ワークが加速から減速になった時点を固着時と制御手段が特定する。したがってフリー状態側のワークの速度変化によって固着時を特定できる。したがって固着時を簡易かつ確実に得ることができる。なお固着時が上記特定時であることは、実験結果から推測することができた。
【００２１】
請求項１３に記載の発明によると、一方のワークを回転させ、他方のワークを固定し、アプセット工程において、他方のワークを固定しつつ回転させたワーク側を回転規制し、回転規制を開始した時点と回転させたワークの回転が停止した時点に基づいて、制御手段が固着時を算出し特定する。したがって回転する側のワークの状態によって固着時を特定できる。例えば回転規制を開始した時点と回転が停止した時点の中間時点を固着時と特定できる。これによって固着時を簡易かつ確実に得ることができる。なお固着時が上記特定時とし得ることは、実験結果から推測することができた。
【００２２】
請求項１４に記載の発明によると、制御手段は、第一と第二のワークが固着する固着時を特定し、かつ固着時の前後所定時間におけるワーク間の寄り代が所定値よりも大きいか否かを判断し、これによってワーク間の接合の良否を判定する。したがって寄り代は、固着時の前後所定時間において測定されるために、摩擦圧接時に生じるワークの弾性変形や熱膨張の影響が小さい状態で測定され得る。かくして寄り代を正確に測定でき、これによってワーク間の圧接の良否を正確に判定できる。またワークを冷却したり破壊試験をすることなく、ワーク間の接合判定ができるために、ワーク間の接合の良否を迅速かつ簡便に行うこともできる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】摩擦圧接装置の正面図である。
【図２】摩擦圧接装置の左側面図である。
【図３】摩擦圧接時における各種制御値および状態値を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の実施の形態を図１〜３にしたがって説明する。摩擦圧接装置１は、図１に示すようにベッド９と、ベッド９に移動可能に取付けられる第一の保持台２と、ベッド９の一端部に移動不能に取付けられる第二の保持台３と、ベッド９の他端部に移動不能に取付けられるモータ保持台６を有している。
【００２５】
第一の保持台２は、図１，２に示すように上下部にベッド９に形成されたレール９ａにスライド可能に装着されるガイド部２ｂを有している。第一の保持台２の一端部には、チャック２ａが設けられている。チャック２ａは、第一の保持台２の本体に対して軸回転可能に設けられており、第一のワークＷ１を保持する。第一の保持台２の他端部には、主軸モータ（回転装置）４ａを有する主軸モータ体４が取付けられている。主軸モータ４ａは、サーボモータ等であって、ベッド９に設けられた制御手段７によって制御され得る。主軸モータ体４と第二の保持台３の間には、主軸モータ４ａからの動力をチャック２ａに伝達して、チャック２ａとともに第一のワークＷ１を軸回転させる動力伝達機構が設けられている（図示省略）。
【００２６】
図１，２に示すように第一の保持台２とモータ保持台６の間には、第一の保持台２をスライドさせる推力機構が設けられている。推力機構は、モータ保持台６に設けられた推力用モータ６ａと、ボールねじ６ｅを有している。推力用モータ６ａは、サーボモータ等であって、制御手段７によって制御され得る。ボールねじ６ｅは、図１の左端において滑車６ｃが連結される。また推力用モータ６ａの出力軸と滑車６ｃとの間で動力を伝達するタイミングベルト６ｄが掛けられている。またボールねじ６ｅは、第一の保持台２に設けられた雌ねじと螺合されている。そしてボールねじ６ｅは、推力用モータ６ａによって回転駆動されることで第一の保持台２をベッド９に対してスライドさせる。また第一と第二のワークＷ１，Ｗ２が接触したことを検知する接触検知センサ６ｂが設けられている。本実施の形態では、主軸モータ４ａのトルクセンサを接触検知センサ６ｂとして用い、圧接トルク変動を検知することでワークＷ１，Ｗ２の接触を検知する。
【００２７】
第二の保持台３は、図１に示すように一端部に第二のワークＷ２を保持するチャック３ａを有している。チャック３ａは、第二の保持台３の本体に回転可能に支持されている。第二の保持台３の他端部には、モータ５ａを有するモータ体５が設けられている。モータ５ａは、サーボモータ等であって、制御手段７によって制御され得る。モータ体５と第一の保持台２の間には、モータ５ａからの動力をチャック３ａに伝達し、チャック３ａとともに第二のワークＷ２を第二の保持台３の本体に対して制御する動力伝達機構が設けられている。そしてモータ５ａを制御することで、第二のワークＷ２を第二の保持台３の本体に対して回転不能な位置保持状態、回転可能なフリー状態、あるいは強制回転する強制回転状態にすることができる。
【００２８】
摩擦圧接装置１によって第一と第二のワークＷ１，Ｗ２を摩擦圧接する場合は、先ず、第一と第二のワークＷ１，Ｗ２をそれぞれチャック２ａ，３ａに装着する。次に、制御手段７によってモータ５ａを制御して第二のワークＷ２を回転不能な位置保持状態にする（固定する）。そして主軸モータ４ａを制御して第一のワークＷ１を圧接回転速度Ａ１の高速で回転させる（図３参照）。例えば、ワークＷ１，Ｗ２が鋼材の丸棒の場合において圧接回転速度Ａ１を３３００ｒｐｍ〜１００００ｒｐｍ、あるいは１５００ｒｐｍ〜１００００ｒｐｍにする。回転数が低すぎると、ワークＷ１，Ｗ２の外周部に焼付きが生じ、直後にワークＷ１，Ｗ２間の相対回転により捩り破断が生じ、この捩り破断によって発熱量が急上昇するとともにバリが発生する虞が生じる。なお鋼材としては、Ｓ１５Ｃなどの軟鋼、Ｓ５５Ｃなどの高炭素鋼等を利用することができる。丸棒としては、φ３〜２０の中実丸棒、φ３〜３０の中実丸棒、あるいはその中実丸棒の断面積に相当する断面積を有する中空丸棒等を利用することができる。
【００２９】
次に、制御手段７によって推力用モータ６ａを駆動させて、第一の保持台２を第二の保持台３に向けて移動させる。この時の推力Ｐ０は、第一の保持台２が低速で移動し得る大きさ、例えばワークＷ１，Ｗ２間の接触時における圧力を１〜３ＰＭａになるように設定する。ワークＷ１，Ｗ２が接触すると、ワークＷ１，Ｗ２間には摩擦熱が発生する。そして推力機構によるワークＷ１，Ｗ２間の圧力は、Ｐ１（低圧）になる。そしてＰ１にて保持される。Ｐ１は、ワークＷ１，Ｗ２に寄り代が直ぐに発生しない程度に小さく、ワークＷ１，Ｗ２が鋼材の丸棒の場合には、５〜１０ＭＰａ、あるいは５〜４０ＭＰａに設定する。Ｐ１が低すぎると摩擦工程での摩擦熱が不足する。また本発明は、寄り代が発生する前に摩擦工程が終了するので、Ｐ１が高すぎると直ぐに寄り代が発生してしまい、バリの発生が多くなってしまう。そのためＰ１の上限は、材料および形状等によって決定される。
【００３０】
これにより摩擦工程が開始し、図３に示すようにワークＷ１，Ｗ２間に圧接トルクが発生し、接触面の摩擦によって摩擦熱が発生する。この時、ワークＷ１，Ｗ２は、摩擦熱によって膨張して、第一の保持台２を元の位置へ戻す方向へ押す。第一の保持台２は、基本的にはワークＷ１，Ｗ２が接触した位置にて保持されるが、押戻す力によって押戻されても良い。従来技術のように大きい押圧力であったり、ワークＷ１，Ｗ２間にさらに押圧力を加えたりすると、摩擦熱によって接触面が柔らかくなり、ワークＷ１，Ｗ２同士が寄る方向に移動して寄り代（摩擦代）が発生し得る。本形態では、上記のような低い押圧力Ｐ１、上記のような高い圧接回転速度Ａ１で保持するため、摩擦工程において寄り代が発生しない状態で接合面を加熱することが可能となる。そして摩擦工程が終了するとワークＷ１の回転を規制する。すなわち従来技術の摩擦圧接の第一位相の途中においてワークＷ１の回転を規制する。したがって最大摩擦トルク（初期トルク）が発生する前に回転を規制する。
【００３１】
この回転規制のタイミングは、接触検知センサ６ｂからの検知信号に基づいて制御手段７がタイマーを作動させ、タイマー作動後、予め設定した時間Ｔ１経過後と設定されている。そして制御手段７は、時間Ｔ１を経過した時点でブレーキ（図示省略）を作動させて第一のワークＷ１の回転速度を減速させる。なお本形態では、従前の方法に比べて圧接回転速度Ａ１を速く設定し、かつ圧力Ｐ１を低く設定している。そのため摩擦工程において寄り代が発生し難く、Ｔ１を幅広く選択し得る。例えばワークＷ１，Ｗ２が鋼材の丸棒の場合には、Ｔ１を０．０５〜１秒、あるいは０．０５〜２秒で設定し得る。また圧接回転速度Ａ１は、ワークＷ１，Ｗ２の外周部にて焼付きが発生しない程度に十分に高速に設定されていることが好ましい。
【００３２】
また制御手段７は、回転規制する時間Ｔ１経過後において推力用モータ６ａを制御して、ワークＷ１，Ｗ２間にアプセット圧Ｐ２を生じさせる。アプセット圧Ｐ２は、摩擦工程における圧力Ｐ１よりも大きく、例えば１．５倍以上、２〜４倍とすることが好ましい。もしくは圧力Ｐ１と同じにすることが好ましい。ワークＷ１，Ｗ２が鋼材の丸棒の場合には、Ｐ２を１０〜３０ＭＰａ、あるいは１０〜４０ＭＰａに設定することが好ましい。
【００３３】
また制御手段７は、回転規制した時間Ｔ１経過後においてモータ（サーボモータ）５ａを制御して、第二のワークＷ２を軸回転可能なフリー状態にする。これにより第二のワークＷ２は、摩擦によって第一のワークＷ１に対して連れ回る方向に回転し始め、時間Ｔ１＋Ｔ２経過後において第一のワークＷ１の回転速度Ａ２と同じになる。これによりワークＷ１，Ｗ２が一体になって回転速度Ａ２で回転し、その後、時間Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３経過後にこれらが停止する（アプセット工程）。例えば鋼材の丸棒のワークＷ１，Ｗ２の場合には、Ｔ２とＴ３がともに０．５〜１秒になる。
【００３４】
図３に示すように第一と第二のワークＷ１，Ｗ２の相対回転が０になる前後の時間Ｔ４において寄り代が発生する。例えば、鋼材の丸棒のワークＷ１，Ｗ２の場合には、約０．０５秒の時間Ｔ４の間に０．０５〜０．２ｍｍ、あるいは０．１〜１ｍｍの寄り代Ｂが発生する。そしてバリは、寄り代が発生しない間には殆ど形成されず、寄り代Ｂが生じるわずかな時間Ｔ４においてのみに形成され得る。
【００３５】
以上のように、摩擦圧接方法は、摩擦工程とアプセット工程を有している。アプセット工程は、摩擦工程において一対のワークＷ１，Ｗ２に寄り代が発生する前に、一対のワークＷ１，Ｗ２の相対回転を規制し、かつ一対のワークＷ１，Ｗ２の間にアプセット圧Ｐ２を加える。そのため相対回転を規制する前の摩擦工程において寄り代が発生せず、アプセット工程のみにおいて寄り代が生じ得る。そのため摩擦圧接全体における寄り代が小さくなり、これによって形成され得るバリが小さくなる。
【００３６】
また本摩擦圧接方法によると、アプセット工程において、回転させた第一のワークＷ１側にブレーキをかけ、かつ固定した第二のワークＷ２側を回転可能なフリー状態にする。したがって第一のワークＷ１が減速し始め、第二のワークＷ２が第一のワークＷ１に対して連れ回り始め、その後、ワークＷ１，Ｗ２間の相対回転がゼロになる。そのため短時間でワークＷ１，Ｗ２間の相対回転がゼロになる。かくして一対のワークＷ１，Ｗ２間に発生する捩れが少なくなり、捩れによって生じるバリが小さくなる。またバリが小さくなるので、後加工が不要または少なくて済む。また寄り代が小さいので、素材の節約にもなり、全長の精度も向上する。さらに本摩擦圧接方法は、従来の方法に比べて捩れが少ないので同軸度の精度の向上も期待できる。
【００３７】
また一対のワークＷ１，Ｗ２が鋼材製の場合には、摩擦工程における一対のワークＷ１，Ｗ２の相対回転速度を３３００〜１００００ｒｐｍ、あるいは１５００ｒｐｍ〜１００００ｒｐｍに設定する。そして摩擦工程における一対のワークＷ１，Ｗ２を押す圧力Ｐ１を５〜１０ＭＰａ、あるいは５〜４０ＭＰａに設定する。したがって従前に比べて一対のワークＷ１，Ｗ２を高速で相対回転させ、かつ弱い力で押圧している。そのため寄り代を発生させることなく鋼材からなるワークＷ１，Ｗ２間に摩擦熱を確実に発生させることができる。その結果、鋼材からなる一対のワークＷ１，Ｗ２を確実に接合させることができる。
【００３８】
またアプセット工程においては、アプセット圧Ｐ２を１０〜３０ＭＰａ、あるいは１０〜４０ＭＰａに設定する。したがって一対のワークＷ１，Ｗ２を摩擦工程において弱い力で押圧した後に、アプセット工程において強い力で押圧する。そのため鋼材からなるワークＷ１，Ｗ２を確実に接合させることができる。
【００３９】
また摩擦圧接装置１は、回転装置（主軸モータ４ａ）と、推力機構と、接触検知センサ６ｂと、接触検知センサ６ｂからの検知信号に基づいてワークＷ１，Ｗ２が接触した後、設定時間Ｔ１が経過後に第一と第二のワークＷ１，Ｗ２間の相対回転を規制しかつ推力機構によって第一と第二のワークＷ１，Ｗ２の間にアプセット圧Ｐ２を加えるように制御する制御手段７とを有している。そして前記設定時間は、第一と第二のワークＷ１，Ｗ２の間に寄り代が発生する前の時間Ｔ１に設定されている。したがって摩擦圧接全体における寄り代が小さくなり、これによって形成され得るバリが小さくなる。
【００４０】
次に、摩擦圧接の良否（接合の良否）を判定する品質管理工程について説明する。なお接合が不良な場合とは、ワークＷ１，Ｗ２を引っ張り試験した場合にワークＷ１，Ｗ２間の界面において破断する状態をいい、接合が良好な場合とは、界面以外の母材の一部において破断する状態をいう。品質管理工程では、この引っ張り試験を行うことなく、接合の良否を寄り代の大きさによって判定する。
【００４１】
ところで従来、寄り代の測定は、摩擦圧接の前後のワークＷ１，Ｗ２の長さをワークＷ１，Ｗ２が十分に冷えた状態で行うことで正確に行うことも可能である。しかしこの場合、冷却する時間等を管理する必要があり、作業が煩雑になるという問題がある。また本摩擦圧接の方法では、寄り代が非常に小さいため、寄り代の測定が容易でない。そこで本形態では、容易かつ正確な寄り代を下記の方法によって測定し、その寄り代の大きさから摩擦圧接の良否を判定する。
【００４２】
先ず、チャック２ａ，３ａに第一と第二のワークＷ１，Ｗ２を装着する。そして第一のワークＷ１を圧接回転速度Ａ１で回転させ、第一の保持台２を第二の保持台３に向けて移動させる。この時、第一の保持台２の位置を検知する位置検知手段とタイマーによって第一の保持台２の位置と時間を測定し、これら測定データを記憶手段（図示省略）によって連続して記憶する。
【００４３】
続いて、ワークＷ１，Ｗ２を押当てて摩擦工程を行い、時間Ｔ１経過後に第一のワークＷ１側を回転規制し、同時に第二のワークＷ２側をフリー状態にする（図３参照）。この時、第二のワークＷ２の回転速度を検知するセンサによってワークＷ２の回転速度を測定し、この測定データを記憶手段によって連続して記憶する。第二のワークＷ２は、時間Ｔ２の間において加速し、第一のワークＷ１の回転速度Ａ２と同じになった後に減速し始め、時間Ｔ２＋Ｔ３経過時に停止する。
【００４４】
次に、制御手段７が記憶手段に記憶されたワークＷ２の回転速度と時間のデータから、ワークＷ２が加速から減速になった時点を固着時と特定する。そして記憶手段に記憶された保持台２の位置と時間のデータから、制御手段７が固着時における前後時間Ｔ４における保持台２の移動量を求め、これを寄り代として特定する。なお寄り代は、図３に示すように固着時の前後において発生し、この寄り代がワークＷ１，Ｗ２の接合に必要な真の寄り代である。そしてこの現象は、発明者の誠意研究によって見出すことができた。またＴ４は、ワークＷ１，Ｗ２の材料や大きさによって決定されるものであって、予め記憶手段に記憶されたＴ４に基づいて制御手段７が寄り代を求める。
【００４５】
次に、求めた寄り代が所定値の範囲内にあるか否かを制御手段７が判断する。例えば寄り代が０．１〜１ｍｍ、あるいは０．０５〜１ｍｍの範囲内にあるか否かを判断する。寄り代が最小所定値よりも大きい場合、ワークＷ１，Ｗ２間が十分に接合されていると判断し、寄り代が最大所定値よりも小さい場合には、摩擦圧接においてバリが十分に小さくなると判断する。これにより制御手段７が摩擦圧接の良否を判定する。
【００４６】
以上のように、制御手段７によって一対のワークＷ１，Ｗ２が固着する固着時の前後（例えばＴ４）における一対のワークＷ１，Ｗ２の寄り代が所定値よりも大きいか否かを判断し、これによってワークＷ１，Ｗ２間の接合の良否を判定する（品質管理工程）。ところで従来、ワーク間の接合を十分に行うために寄り代を制御する方法が知られている（特許文献３参照）。この時の寄り代は、ワークの移動量によって制御するが、ワークが加工時の発熱によって熱膨張するために、その補正量も加えて制御している。一方、本発明に係る摩擦圧接方法は、寄り代が非常に小さいために、寄り代を測定等することが容易でない。しかも寄り代は、摩擦圧接時のワークＷ１の移動量の測定によって得ることができるが、ワークＷ１，Ｗ２は、摩擦圧接時において押圧力によって弾性変形し、さらに摩擦熱によって熱膨張もする。そのため寄り代を測定することが容易でない。
【００４７】
これに対して本発明者は、誠意研究によって、本形態に係る摩擦圧接方法の場合、ワークＷ１，Ｗ２同士が接合するために必要な真の寄り代がワークＷ１，Ｗ２の固着時前後の短い時間Ｔ４内において生じることを見出した。そして本形態では、寄り代を固着時の前後時間Ｔ４において測定する。そのため寄り代を比較的短い時間で測定でき、これによって摩擦圧接時に生じるワークＷ１，Ｗ２の弾性変形や熱膨張の影響が小さくなり、寄り代を正確に測定できる。かくしてワークＷ１，Ｗ２間の圧接の良否を正確に判定できる。またワークＷ１，Ｗ２を冷却したり破壊試験をすることなく、ワークＷ１，Ｗ２間の接合判定ができるために、ワークＷ１，Ｗ２間の接合の良否を迅速かつ簡便に行うこともできる。
【００４８】
またアプセット工程において、回転させたワークＷ１側を回転規制し、かつこの時に固定したワークＷ２側を回転可能なフリー状態にする。そしてフリー状態のワークＷ２の回転速度を測定するセンサからの検知信号に基づいて、ワークＷ２が加速から減速になった時点を固着時と制御手段７が特定する。したがってフリー状態側のワークＷ２の速度変化によって固着時を特定できる。したがって固着時を簡易かつ確実に得ることができる。なお固着時が上記特定時であることは、実験結果から推測することができた。
【実施例】
【００４９】
以下に、本発明の実施例を表を用いて説明する。表１の試験条件に示すような条件で摩擦圧接を実施し、試験片を作成した。なお第一のワークＷ１と第二のワークＷ２の接合部径は同じであり、材質は全てＳ１５Ｃの中実である。なお「ＬＨＩ」は、ＬＨＩ法を示し、「ブレーキ」は、通常のブレーキ式摩擦圧接法を示す。
【００５０】
【表１】
【００５１】
各試験片について引っ張り強度と寄り代について評価した。評価結果を表２に示す。なお「ＨＡＺ部」は、接合面を中心に熱影響を受けた部分のことである。なお、表２の寄り代は、図３における時間Ｔ１〜Ｔ３の間における寄り代であり、後に説明する表３の寄り代のように、図３における時間Ｔ４の間だけの寄り代ではない。
【００５２】
【表２】
【００５３】
表２より、Ｎｏ．１，２は、アプセット圧Ｐ２が不足していたと推測される。またＮｏ．３は、摩擦工程時間Ｔ１が不足して、加熱が不十分だったと推測される。その他の試験片は、ＬＨＩ法、ブレーキ式摩擦法と比較して同等の強度を持ちながら短時間で摩擦圧接が終了し、かつ寄り代が小さい（すなわちバリの発生が少ない）ことがわかる。なおＮｏ．１〜９は、いずれも摩擦工程での寄り代は、ほぼゼロであった。一方、ＬＨＩ法とブレーキ式摩擦法での摩擦工程での寄り代は、それぞれ０．８ｍｍ、４．０ｍｍであった。
【００５４】
また、表１よりＮｏ．９の周速度が２．９ｍ／ｓであり、Ｎｏ．１〜８の周速度は４．４ｍ／ｓであり、周速度が２ｍ／ｓ〜５ｍ／ｓの範囲において接合が良好であることがわかった。
【００５５】
以上の結果から本方法によって摩擦圧接させたワークを観察した結果、バリが従前の方法に比べて小さくなることを確認できた。また引張試験をした結果、ワーク間が十分に接合され得たことも確認できた。
【００５６】
また表３に示す試験片を準備して、表３に示す試験条件において摩擦圧接も行った。試験片であるワークＷ１，Ｗ２の材質はＳ１５ＣまたはＳ５５Ｃである。ワークＷ１，Ｗ２の接合部は同じ形状であって、中実丸棒または中空丸棒であり、中空のＮｏ．１２，１４は、外側径が２４ｍｍ、肉厚が３．５ｍｍある。表３のＴ０は、ワークＷ１，Ｗ２が接触した時から推力Ｐ０を加え始めるまでの時間である。Ｔ１は、押圧力Ｐ１を加え始めた時からアプセット圧Ｐ２を加え始めるまでの時間である。
【００５７】
【表３】
【００５８】
各試験片について寄り代Ｕ、すなわち固着時の前後時間Ｔ４における寄り代Ｕを測定し、表３にまとめた。次に、摩擦圧接後に各試験片を引っ張り試験し、その破断位置によって接合の良否を評価した。接合の評価は、破断部位がＨＡＺ部である場合に不良、ＨＡＺ部以外の母材の一部である場合に良好であると判断した。寄り代Ｕと接合の評価の結果から、寄り代Ｕが０．１ｍｍ以上、好ましくは０．１３ｍｍ以上において接合が良好であることがわかった。
【００５９】
また本摩擦圧接方法は、寄り代を小さくし、これによってバリを小さくする方法である。そのため寄り代Ｕの上限値を決め、例えば１ｍｍと決め、この上限値よりも大きい場合に製造不良とすることが好ましい。なお表３の各試験片は、いずれも寄り代Ｕの上限値が１ｍｍ以下であって、バリも十分に小さくなることが確認できた。また表１，３に示す試験片は、バリの発生を小さくする観点から、摩擦圧接時における周速度が中実丸棒の場合に２ｍ／ｓ以上、中空丸棒の場合に８ｍ／ｓ以上であることが好ましいこともわかった。
【００６０】
（他の実施の形態）
本発明は、上記実施の形態に限定されず、以下の形態等であっても良い。
（１）例えば、上記実施の形態では、回転規制と同時にモータ（サーボモータ）５ａを制御して第二のワークＷ２側を回転可能なフリー状態にする形態であった。しかし回転規制と同時にモータ５ａを制御して第二のワークＷ２側に第一のワークＷ１と同じ方向に回転力を加え、これによって第二のワークＷ２を強制的に回転させる形態であっても良い。その結果、第一のワークＷ１が減速し始め、第二のワークＷ２が第一のワークＷ１に対して積極的に回転し始め、その後、ワークＷ１，Ｗ２間の相対回転がゼロになる。そのため短時間でワークＷ１，Ｗ２間の相対回転がゼロになる。かくして一対のワークＷ１，Ｗ２間に発生する捩れが少なくなり、捩れによって生じるバリが小さくなる。
【００６１】
（２）上記実施の形態は、摩擦工程においてワークＷ１，Ｗ２間を相対回転させる回転装置として、第一のワークＷ１を回転させる主軸モータ４ａを有している形態であった。しかし回転装置として第二のワークＷ２を回転させるモータ等を有する形態、あるいは摩擦工程において第一と第二のワークＷ１，Ｗ２を相互に回転させるモータ等を有している形態であっても良い。
【００６２】
（３）上記実施の形態では、アプセット圧Ｐ２が回転規制と同時に加えられていた。しかしアプセット圧Ｐ２が回転規制した後、所定時間経過後で、かつ第一と第二のワークＷ１，Ｗ２の相対回転数が０になる前にて加えられる形態であっても良い。
【００６３】
（４）上記実施の形態では、第二のワークＷ２が加速から減速に変わる時点を固着時と特定している。しかし第一のワークＷ１側を回転規制し、かつ第二のワークＷ２をフリー状態にした時から所定の時間経過時を固着時として制御手段が特定する方法であっても良い。なお前記所定の時間は、予め記憶手段に記憶させておくこともできる。
【００６４】
（５）寄り代Ｕが下限値（例えば０．０３ｍｍ）よりも小さい場合に製造不良とすることを品質管理工程に加えても良い。なお、その下限値としては、寄り代Ｕがある値よりも小さい場合にワークＷ１とＷ２間が十分に接合されないという値を実験等により求め、その値を寄り代Ｕの下限値として設定するのが好ましい。
【００６５】
（６）規制ＯＮから所定の時間内の寄り代Ｕがゼロより大きいか、または所定値より大きい場合に製造不良とすることを品質管理工程に加えても良い。規制ＯＮからの所定の時間内としては、規制ＯＮの時点から真の寄り代の発生が予想される時点までの時間範囲となるように設定する。真の寄り代が発生する前に寄り代が発生してしまうと、寄り代が大きくなりすぎてバリが多く出てしまうことが予想されるためである。
【００６６】
（７）規制ＯＮから固着までの時間が所定時間を越えた場合に製造不良とすることを品質管理工程に加えても良い。これは、予想される時間内に固着が起こらなかった場合に、予想通りの摩擦加工が行われなかったことが予想されるため、不良と判断するというものである。
【００６７】
（８）主軸停止前（第一のワークＷ１が回転停止する前）の所定の時間内における寄り代が上限値より大きい場合に製造不良とすることを品質管理工程に加えても良い。
【００６８】
（９）上記実施の形態では、ワークＷ１，Ｗ２が固着する固着時を特定し、かつ固着時の前後所定時間における寄り代が所定値よりも大きいか否かを判断している。しかし固着時を求めずに、固着が予想される時間の前後の所定時間を設定し、その所定時間における寄り代が上限値より大きい場合に製造不良と判断しても良い。
【００６９】
（１０）上記実施の形態では、摩擦圧接時に第二のワークＷ２をフリー状態にする。しかし摩擦圧接時に第二のワークＷ２を回転不能に固定し続ける方法（簡易ＭＬ法）であっても良い。この場合は、第一のワークＷ１側を回転規制を開始した時点と、ワークＷ１の回転が停止した時点に基づいて、制御手段７が固着時を算出し特定する。例えば、回転規制時と回転停止時の中間時点を固着時と算出し特定する。したがって回転する側のワークＷ１の状態によって固着時を特定でき、これによって固着時を簡易かつ確実に得ることができる。なお固着時が上記特定時とし得ることは、実験結果から推測することができた。
【００７０】
（１１）上記実施の形態では、摩擦圧接時に第二のワークＷ２をフリー状態にする。しかし摩擦圧接時に第二のワークＷ２を回転不能に固定し続ける方法（簡易ＭＬ法）であっても良い。この場合は、第一のワークＷ１側を回転規制した時間と、ワークＷ１が停止した時間とに基づいて、制御手段７が固着時を算出し特定する。例えば、回転規制時と回転停止時の中間時点を固着時と算出し特定する。したがって回転する側のワークＷ１の状態によって固着時を特定でき、これによって固着時を簡易かつ確実に得ることができる。なお固着時が上記特定時とし得ることは、実験結果から推測することができた。
【００７１】
（１２）簡易ＭＬ法における固着時の特定方法を上記（１１）に代えて、回転規制時から所定の時間経過時にする方法であっても良い。なお前記所定の時間は、予め記憶手段に記憶させておくこともできる。
【００７２】
（１３）簡易ＭＬ法における固着時の特定方法を上記（１１）に代えて、ワークＷ１，Ｗ２間のトルクによって特定する方法であっても良い。例えば、第一のワークＷ１を回転させるトルクをトルクセンサによって測定し、そのトルクを連続して記憶手段が記憶し、制御手段がトルクのピーク時を固着時と特定する方法であっても良い。
【００７３】
（１４）簡易ＭＬ法における固着時の特定方法を上記（１１）に代えて、固定側のワーク（本実施形態ではＷ２）における伝達トルクを測定することによって特定する方法であっても良い。例えば、第二のワークＷ２に伝達されるトルクをトルクセンサによって測定し、そのトルクを連続して記憶手段が記憶し、制御手段がトルクのピーク時を固着時と特定する方法であっても良い。
【符号の説明】
【００７４】
１…摩擦圧接装置
２…第一の保持台
２ａ，３ａ…チャック
３…第二の保持台
４…主軸モータ体
４ａ…主軸モータ（回転装置）
５…モータ体
５ａ…モータ（サーボモータ）
６…モータ保持台
６ａ…推力用モータ（推力機構）
６ｂ…接触検知センサ
７…制御手段
９…ベッド
Ａ１…圧接回転速度
Ｂ…寄り代
Ｐ１…圧力
Ｐ２…アプセット圧
Ｗ１…第一のワーク
Ｗ２…第二のワーク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対のワークを相対回転させつつ押し当てることで前記一対のワークを摩擦圧接する摩擦圧接方法であって、
前記一対のワークを相対回転させつつ押し当てて摩擦熱を発生させる摩擦工程と、
前記摩擦工程において前記一対のワークに寄り代が発生する前に開始し、前記一対のワークの相対回転を規制し、かつ前記一対のワークの間にアプセット圧を加えるアプセット工程とを有していることを特徴とする摩擦圧接方法。
【請求項２】
請求項１に記載の摩擦圧接方法であって、
摩擦工程は、少なくともワーク外周部に焼付きが生じない相対回転数で行われることを特徴とする摩擦圧接方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の摩擦圧接方法であって、
一方のワークを回転させ、他方のワークを固定し、
アプセット工程において、前記回転させたワーク側にブレーキをかけ、かつこの時に固定したワーク側を回転可能なフリー状態にすることを特徴とする摩擦圧接方法。
【請求項４】
請求項１または２に記載の摩擦圧接方法であって、
一方のワークを回転させ、他方のワークを固定し、
アプセット工程において、前記回転させたワーク側にブレーキをかけ、かつこの時に固定したワーク側に前記回転させたワークと同じ方向の回転力を加えることを特徴とする摩擦圧接方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一つに記載の摩擦圧接方法であって、
摩擦工程における一対のワークの相対回転速度を３３００〜１００００ｒｐｍに設定し、かつ前記摩擦工程における前記一対のワーク間を押す圧力を５〜１０ＭＰａに設定することを特徴とする摩擦圧接方法。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか一つに記載の摩擦圧接方法であって、
摩擦工程における一対のワークの周速度を２ｍ／ｓ〜９ｍ／ｓに設定し、かつ前記摩擦工程における前記一対のワーク間を押す圧力を５〜４０ＭＰａに設定することを特徴とする摩擦圧接方法。
【請求項７】
請求項５または６に記載の摩擦圧接方法であって、
アプセット工程において、アプセット圧を１０〜３０ＭＰａに設定することを特徴とする摩擦圧接方法。
【請求項８】
第一と第二のワークを相対回転させつつ押し当てることで前記第一と第二のワークを摩擦圧接する摩擦圧接装置であって、
前記第一と第二のワークを相対的に回転させる回転装置と、前記第一と第二のワークを押し当てる方向に送る推力機構と、前記推力機構の送りの反力によって前記第一と第二のワークが接触したことを検知する接触検知センサと、前記接触検知センサからの検知信号に基づいてワークが接触した後、設定時間経過後に前記第一と第二のワーク間の相対回転を規制しかつ前記推力機構によって前記第一と第二のワーク間にアプセット圧を加えるように制御する制御手段とを有し、
前記設定時間は、前記第一と第二のワークの間に寄り代が発生する前の時間に設定されていることを特徴とする摩擦圧接装置。
【請求項９】
請求項８に記載の摩擦圧接装置であって、
第一のワークを回転可能に保持する第一の保持台と、第二のワークを回転可能に保持する第二の保持台と、前記第一のワークを前記第一の保持台に対して回転させる回転装置と、前記第二のワークを前記第二の保持台に対して解除可能に保持するサーボモータを有し、
制御手段によって前記第一のワークの回転規制し、該回転規制の際に前記サーボモータを制御して前記第二のワークを解除することで前記第二のワーク側を回転可能なフリー状態にすることを特徴とする摩擦圧接装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の摩擦圧接装置であって、
第一のワークを回転可能に保持する第一の保持台と、第二のワークを回転可能に保持する第二の保持台と、前記第一のワークを前記第一の保持台に対して回転させる回転装置と、前記第二のワークを前記第二の保持台に対して位置保持および強制回転させるサーボモータを有し、
制御手段によって前記第一のワークの回転規制し、該回転規制の際に前記サーボモータを制御して前記第二のワークを位置保持した状態から前記第一のワークと同じ方向に力を加えて強制回転させる状態にすることを特徴とする摩擦圧接装置。
【請求項１１】
請求項１〜７のいずれかに記載の摩擦圧接方法であって、
制御手段によって一対のワークが固着する固着時の前後における前記一対のワークの寄り代が所定値よりも大きいか否かを判断し、これによって前記ワーク間の接合の良否を判定する品質管理工程を有していることを特徴とする摩擦圧接方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の摩擦圧接方法であって、
一方のワークを回転させ、他方のワークを固定し、
アプセット工程において、前記回転させたワーク側を回転規制し、かつこの時に固定したワーク側を回転可能なフリー状態にし、
前記フリー状態のワークの回転速度を測定するセンサからの検知信号に基づいて、前記ワークが加速から減速になった時点を固着時と制御手段が特定することを特徴とする摩擦圧接方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載の摩擦圧接方法であって、
一方のワークを回転させ、他方のワークを固定し、
アプセット工程において、前記他方のワークを固定しつつ前記回転させたワーク側を回転規制し、
回転規制を開始した時点と前記回転させたワークの回転が停止した時点に基づいて、制御手段が固着時を算出し特定することを特徴とする摩擦圧接方法。
【請求項１４】
請求項８〜１０のいずれか一つに記載の摩擦圧接装置であって、
制御手段は、第一と第二のワークが固着する固着時を特定し、かつ前記固着時の前後所定時間における前記ワーク間の寄り代が所定値よりも大きいか否かを判断し、これによって前記ワーク間の接合の良否を判定することを特徴とする摩擦圧接装置。
【請求項１】
一対のワークを相対回転させつつ押し当てることで前記一対のワークを摩擦圧接する摩擦圧接方法であって、
前記一対のワークを相対回転させつつ押し当てて摩擦熱を発生させる摩擦工程と、
前記摩擦工程において前記一対のワークに寄り代が発生する前に開始し、前記一対のワークの相対回転を規制し、かつ前記一対のワークの間にアプセット圧を加えるアプセット工程とを有していることを特徴とする摩擦圧接方法。
【請求項２】
請求項１に記載の摩擦圧接方法であって、
摩擦工程は、少なくともワーク外周部に焼付きが生じない相対回転数で行われることを特徴とする摩擦圧接方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の摩擦圧接方法であって、
一方のワークを回転させ、他方のワークを固定し、
アプセット工程において、前記回転させたワーク側にブレーキをかけ、かつこの時に固定したワーク側を回転可能なフリー状態にすることを特徴とする摩擦圧接方法。
【請求項４】
請求項１または２に記載の摩擦圧接方法であって、
一方のワークを回転させ、他方のワークを固定し、
アプセット工程において、前記回転させたワーク側にブレーキをかけ、かつこの時に固定したワーク側に前記回転させたワークと同じ方向の回転力を加えることを特徴とする摩擦圧接方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一つに記載の摩擦圧接方法であって、
摩擦工程における一対のワークの相対回転速度を３３００〜１００００ｒｐｍに設定し、かつ前記摩擦工程における前記一対のワーク間を押す圧力を５〜１０ＭＰａに設定することを特徴とする摩擦圧接方法。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか一つに記載の摩擦圧接方法であって、
摩擦工程における一対のワークの周速度を２ｍ／ｓ〜９ｍ／ｓに設定し、かつ前記摩擦工程における前記一対のワーク間を押す圧力を５〜４０ＭＰａに設定することを特徴とする摩擦圧接方法。
【請求項７】
請求項５または６に記載の摩擦圧接方法であって、
アプセット工程において、アプセット圧を１０〜３０ＭＰａに設定することを特徴とする摩擦圧接方法。
【請求項８】
第一と第二のワークを相対回転させつつ押し当てることで前記第一と第二のワークを摩擦圧接する摩擦圧接装置であって、
前記第一と第二のワークを相対的に回転させる回転装置と、前記第一と第二のワークを押し当てる方向に送る推力機構と、前記推力機構の送りの反力によって前記第一と第二のワークが接触したことを検知する接触検知センサと、前記接触検知センサからの検知信号に基づいてワークが接触した後、設定時間経過後に前記第一と第二のワーク間の相対回転を規制しかつ前記推力機構によって前記第一と第二のワーク間にアプセット圧を加えるように制御する制御手段とを有し、
前記設定時間は、前記第一と第二のワークの間に寄り代が発生する前の時間に設定されていることを特徴とする摩擦圧接装置。
【請求項９】
請求項８に記載の摩擦圧接装置であって、
第一のワークを回転可能に保持する第一の保持台と、第二のワークを回転可能に保持する第二の保持台と、前記第一のワークを前記第一の保持台に対して回転させる回転装置と、前記第二のワークを前記第二の保持台に対して解除可能に保持するサーボモータを有し、
制御手段によって前記第一のワークの回転規制し、該回転規制の際に前記サーボモータを制御して前記第二のワークを解除することで前記第二のワーク側を回転可能なフリー状態にすることを特徴とする摩擦圧接装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の摩擦圧接装置であって、
第一のワークを回転可能に保持する第一の保持台と、第二のワークを回転可能に保持する第二の保持台と、前記第一のワークを前記第一の保持台に対して回転させる回転装置と、前記第二のワークを前記第二の保持台に対して位置保持および強制回転させるサーボモータを有し、
制御手段によって前記第一のワークの回転規制し、該回転規制の際に前記サーボモータを制御して前記第二のワークを位置保持した状態から前記第一のワークと同じ方向に力を加えて強制回転させる状態にすることを特徴とする摩擦圧接装置。
【請求項１１】
請求項１〜７のいずれかに記載の摩擦圧接方法であって、
制御手段によって一対のワークが固着する固着時の前後における前記一対のワークの寄り代が所定値よりも大きいか否かを判断し、これによって前記ワーク間の接合の良否を判定する品質管理工程を有していることを特徴とする摩擦圧接方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の摩擦圧接方法であって、
一方のワークを回転させ、他方のワークを固定し、
アプセット工程において、前記回転させたワーク側を回転規制し、かつこの時に固定したワーク側を回転可能なフリー状態にし、
前記フリー状態のワークの回転速度を測定するセンサからの検知信号に基づいて、前記ワークが加速から減速になった時点を固着時と制御手段が特定することを特徴とする摩擦圧接方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載の摩擦圧接方法であって、
一方のワークを回転させ、他方のワークを固定し、
アプセット工程において、前記他方のワークを固定しつつ前記回転させたワーク側を回転規制し、
回転規制を開始した時点と前記回転させたワークの回転が停止した時点に基づいて、制御手段が固着時を算出し特定することを特徴とする摩擦圧接方法。
【請求項１４】
請求項８〜１０のいずれか一つに記載の摩擦圧接装置であって、
制御手段は、第一と第二のワークが固着する固着時を特定し、かつ前記固着時の前後所定時間における前記ワーク間の寄り代が所定値よりも大きいか否かを判断し、これによって前記ワーク間の接合の良否を判定することを特徴とする摩擦圧接装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００９−２３３７４５（Ｐ２００９−２３３７４５Ａ）
【公開日】平成２１年１０月１５日（２００９．１０．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−７７９０（Ｐ２００９−７７９０）
【出願日】平成２１年１月１６日（２００９．１．１６）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【出願人】（０００１０１９９４）イヅミ工業株式会社 (9)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月１５日（２００９．１０．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月１６日（２００９．１．１６）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【出願人】（０００１０１９９４）イヅミ工業株式会社 (9)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]