(57)【要約】【課題】  穴あきワークと軸状ワークとを接合不良のない状態で接合できる摩擦接合方法を提供する。【解決手段】  穴あきワーク１ａと、穴あきワーク１ａに設けられた穴部１ａ１に挿入された軸状ワーク１ｂとを相対的に回転させて、穴部１ａ１の内周面と軸状ワーク１ｂの外周面とを摩擦接合することにより、穴あきワーク１ａと軸状ワーク１ｂとが一体化された製品１を得る摩擦接合方法において、穴あきワーク１ａと軸状ワーク１ｂとを軸状ワーク１ｂの中心線Ｌ１に非平行な方向に相対的に振動させながら、穴あきワーク１ａの穴部１ａ１の内周面と軸状ワーク１ｂの外周面とを摩擦接合するようにした。【選択図】  図３
2020032424.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
穴あきワークと、穴あきワークに設けられた穴部に挿入された軸状ワークとを相対的に回転させて、穴あきワークの穴部の内周面と軸状ワークの外周面とを摩擦接合することにより、穴あきワークと軸状ワークとが一体化された製品を得る摩擦接合装置であって、
穴あきワークを支持するための穴あきワーク支持手段と、
軸状ワークを支持するための軸状ワーク支持手段と、
穴あきワーク支持手段と軸状ワーク支持手段とを軸状ワークの中心線回りに相対的に回転させるためのワーク回転手段と
に加えて、
穴あきワーク支持手段と軸状ワーク支持手段とを軸状ワークの中心線に非平行な方向に相対的に振動させるためのワーク振動手段
を備えたことを特徴とする摩擦接合装置。
【請求項２】
ワーク回転手段が、穴あきワーク支持手段と軸状ワーク支持手段のうちの一方の支持手段（以下において「回転側支持手段」と云う。）のみを回転させるものとされ、
ワーク振動手段が、穴あきワーク支持手段と軸状ワーク支持手段のうちの他方の支持手段（以下において「振動側支持手段」と云う。）のみを振動させるものとされた
請求項１記載の摩擦接合装置。
【請求項３】
ワーク振動手段が、
その周面をカム面とされ、当該カム面の周回方向に複数の凹凸が繰り返し設けられて、当該カム面が波状に形成された回転カムと、
回転カムを回転カムの中心線回りに回転させるカム回転手段と
を備えたものとされるとともに、
振動側支持手段、又は、振動側支持手段に対して一体的に取り付けられる他の部材に、前記カム面に当接するカム作用面が設けられ、
回転カムが回転すると、前記カム面における、前記カム作用面に当接する箇所が変化していくことにより、振動側支持手段が振動するようにした
請求項２記載の摩擦接合装置。
【請求項４】
ワーク回転手段における回転駆動部の回転位相を検知するための第一ロータリーエンコーダと、
穴あきワークと軸状ワークのうち、回転側支持手段に支持された方のワーク（以下において「回転側ワーク」と云う。）の回転位相を検知するための第二ロータリーエンコーダと、
ワーク回転手段と回転側支持手段との間に介在され、  ワーク回転手段の回転トルクが所定値に達すると滑り回転を開始するクラッチと、
第一ロータリーエンコーダが検知した回転位相と第二ロータリーエンコーダが検知した回転位相との差が所定の閾値を超えた状態が所定の時間継続すると、クラッチを遮断状態にするとともに、クラッチ内のブレーキを作動させて回転側ワークの回転を停止させるクラッチ制御手段と
をさらに備えた請求項２又は３記載の摩擦接合装置。
【請求項５】
穴あきワークと、穴あきワークに設けられた穴部に挿入された軸状ワークとを相対的に回転させて、穴部の内周面と軸状ワークの外周面とを摩擦接合することにより、穴あきワークと軸状ワークとが一体化された製品を得る摩擦接合方法であって、
穴あきワークと軸状ワークとを軸状ワークの中心線に非平行な方向に相対的に振動させながら、穴あきワークの穴部の内周面と軸状ワークの外周面とを摩擦接合することを特徴とする摩擦接合方法。
【請求項６】
穴あきワークの穴部の内周面をテーパー状に形成するとともに、
軸状ワークにおける、前記穴部に挿入される部分の外周面をテーパー状に形成する
請求項５記載の摩擦接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、穴あきワークと軸状ワークを一体化させる摩擦接合装置と摩擦接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
穴あきワークと、穴あきワークに設けられた穴部に挿入された軸状ワークとを接合して一体化する方法としては、これまでに種々の方法が提案されている。例えば、軸状ワークの外周面にキー溝を設け、当該キー溝に嵌め込んだキーを、穴あきワークの穴部の内周面に設けた凹部に嵌合させることにより、穴あきワークと軸状ワークとを接合する方法が既に提案されている。また、穴あきワークの穴部の内周面と軸状ワークの外周面とに設けた複数本の歯（スプライン）が噛み合った状態とすることにより、穴あきワークと軸状ワークとを接合する方法も提案されている。
【０００３】
しかし、これらの方法は、キー溝やスプライン等に寸法精度が要求されるため、穴あきワークや軸状ワークの設計や加工にコストや手間を要するという問題を有している。また、これらの方法は、軸状ワークの寸法を大きく確保する必要があるという問題も有している。例えば、上記のキー溝を用いる方法では、キー溝を設ける軸状ワークの許容応力を、キー溝を設けない軸状ワークのそれよりも２０〜２５％程度低く設定する必要がある。このため、キー溝を設ける軸状ワークでは、安全性を担保するため、寸法を大きくする必要がある。キー溝やスプライン等を用いる上記の方法で、コンパクトで信頼性の高い接合を追求するならば、シンプルで精度の高い設計を実現し、安全率を低く設定する必要がある。
【０００４】
また、穴あきワークと軸状ワークとを接合する方法としては、ティグ（ＴＩＧ）やミグ（ＭＩＧ）等の溶接による方法も挙げられる。しかし、これらの溶接による方法では、異種材料からなる溶接棒を使用する必要があることに加えて、溶接熱歪を考慮しながら溶接を行う必要がある等、職人的な高い技量が要求される。また、穴あきワークと軸状ワークとの溶接部分に欠陥がある場合には、製品（穴あきワークと軸状ワークとを接合した部品。以下同じ。）の使用中に、その欠陥がある部分を起点として製品に破断等が生じる虞もある。
【０００５】
さらに、穴あきワークと軸状ワークとを接合する方法としては、穴あきワークと、穴あきワークに設けられた穴部に挿入された軸状ワークとを相対的に回転させて、穴あきワークの穴部の内周面と軸状ワークの外周面とを摩擦熱により接合（摩擦接合）する方法も提案されている（例えば、特許文献１〜３を参照。）。摩擦接合は、比較的簡単な作業によって寸法精度の高い製品を得ることができるというメリットを有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２０５３７３号公報
【特許文献２】特開２００４−０６６３３６号公報
【特許文献３】特開２００６−０３５３０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、上記のように、穴あきワークの穴部の内周面と軸状ワークの外周面とを摩擦接合する方法では、穴部の直径と軸状ワークの外径や、穴あきワークに対する軸状ワークの相対的な位置を高精度で設定しておかないと、穴あきワークと軸状ワークとを相対的に回転させる際に、軸状ワークの外周面が穴部の内周面に対して１箇所のみで局所的に接触するようになり、穴部の内周面と軸状ワークの外周面との摩擦接合が均等に行われない虞がある。また、穴あきワークに対する軸状ワークの相対的な回転だけでは、穴あきワークと軸状ワークとを摩擦接合するのに必要な程度の熱エネルギーを生じさせることが難しい場合もある。このため、摩擦接合による方法では、穴あきワークと軸状ワークとを接合不良のない状態で接合することは、必ずしも容易ではない。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するために為されたものであり、穴あきワークと軸状ワークとを接合不良のない状態で接合しやすい摩擦接合装置及び摩擦接合方法を提供するものである。具体的には、穴あきワークの穴部の内周面と軸状ワークの外周面とを均等に接合するだけでなく、穴あきワークと軸状ワークとの接触部分により大きな熱エネルギーを生じさせることもできる摩擦接合装置及び摩擦接合方法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】
【０００９】
上記課題は、
穴あきワークと、穴あきワークに設けられた穴部に挿入された軸状ワークとを相対的に回転させて、穴部の内周面と軸状ワークの外周面とを摩擦接合することにより、穴あきワークと軸状ワークとが一体化された製品を得る摩擦接合方法であって、
穴あきワークと軸状ワークとを軸状ワークの中心線に非平行な方向に相対的に振動させながら、穴あきワークの穴部の内周面と軸状ワークの外周面とを摩擦接合することを特徴とする摩擦接合方法
を提供することによって解決される。
【００１０】
本発明の摩擦接合方法は、上記のように、穴あきワークと軸状ワークとを軸状ワークの中心線に非平行な方向に相対的に振動させるものとなっている。このため、穴あきワークと軸状ワークとを相対的に回転させる際に、軸状ワークの外周面が穴部の内周面に対して複数個所で接触するようにして、穴部の内周面と軸状ワークの外周面とをより均等に摩擦接合することが可能になる。加えて、穴部の内周面と軸状ワークの外周面とを、単なる溶融結合による接合ではなく、固相結合によって強固に接合することも可能になる。すなわち、孔あきワークと軸状ワークとを相対的に振動させて、それらの接触面である穴部の内周面と軸状ワークの外周面とに摺動摩擦を与えることによって、穴部の内周面及び軸状ワークの外周面における表層付近の微細な凹凸を塑性変形させて、穴部の内周面と軸状ワークの外周面との密着性を高めるとともに、結合を阻害する表面の汚染層や酸化膜を清浄して新生面を露出させ、穴部の内周面と軸状ワークの外周面とを固相結合させることも可能になる。この固相結合には、大きな熱エネルギーを要するところ、穴あきワークの穴部の内周面と軸状ワークの外周面との接触部分に、穴あきワークに対する軸状ワークの回転の運動エネルギーに由来する熱エネルギーに加えて、穴あきワークに対する軸状ワークの振動の運動エネルギーに由来する熱エネルギーも生ずるようにして、穴あきワークと軸状ワークとの接触部分により大きな熱エネルギーを生じさせることができる。よって、接合不良の発生を抑えることも可能である。
【００１１】
本発明の摩擦接合方法において、穴あきワークの穴部の内周面や、軸状ワークにおける、前記穴部に挿入される部分の外周面は、ストレートな円筒面としてもよい。しかし、穴あきワークの穴部の内周面をテーパー状に形成するとともに、軸状ワークにおける、前記穴部に挿入される部分の外周面をテーパー状に形成することが好ましい。
【００１２】
これにより、穴あきワークの穴部の内周面と軸状ワークの外周面とを、軸状ワークの中心線に平行な方向で互いに押し付けた状態としながら、穴あきワークと軸状ワークとの摩擦接合を行うことが可能になる。加えて、穴あきワークの穴部の内周面の全周部と軸状ワークの外周面の全周部とを接触させることも可能になる。このため、穴あきワークの穴部の内周面と軸状ワークーの外周面との間に生ずる摩擦を大きくして、穴あきワークと軸状ワークとの接触部分により大きな熱エネルギーを生じさせることが可能になる。したがって、穴あきワークと軸状ワークとをさらに効率的に摩擦接合することが可能になる。また、穴部の内周面と軸状ワークの外周面とをさらに均等に摩擦接合することも可能になる。
【００１３】
また、上記課題は、
穴あきワークと、穴あきワークに設けられた穴部に挿入された軸状ワークとを相対的に回転させて、穴あきワークの穴部の内周面と軸状ワークの外周面とを摩擦接合することにより、穴あきワークと軸状ワークとが一体化された製品を得る摩擦接合装置であって、
穴あきワークを支持するための穴あきワーク支持手段と、
軸状ワークを支持するための軸状ワーク支持手段と、
穴あきワーク支持手段と軸状ワーク支持手段とを軸状ワークの中心線回りに相対的に回転させるためのワーク回転手段と
に加えて、
穴あきワーク支持手段と軸状ワーク支持手段とを軸状ワークの中心線に非平行な方向に相対的に振動させるためのワーク振動手段
を備えたことを特徴とする摩擦接合装置
を提供することによっても解決される。
【００１４】
本発明の摩擦接合装置は、上述した本発明の摩擦接合方法を好適に実施することができるものとなっている。
【００１５】
本発明の摩擦接合装置において、ワーク回転手段は、穴あきワーク支持手段に対して軸状ワーク支持手段を相対的に回転させるものであれば、その回転態様を特に限定されない。ワーク回転手段は、穴あきワーク支持手段と軸状ワーク支持手段のうち一方のみを回転させるものであってもよいし、双方を回転させるものであってもよい。また、ワーク振動手段は、穴あきワーク支持手段に対して軸状ワーク支持手段を相対的に振動させるものであれば、その振動態様を特に限定されない。ワーク振動手段は、穴あきワーク支持手段と軸状ワーク支持手段のうち一方のみを振動させるものであってもよいし、双方を振動させるものであってもよい。
【００１６】
ただし、穴あきワーク支持手段及び軸状ワーク支持手段の双方を、回転又は振動させる構成を採用すると、摩擦接合装置における駆動機構が複雑になる虞がある。また、穴あきワーク支持手段と軸状ワーク支持手段のうち一方のみを回転又は振動させる場合でも、その一方が回転及び振動の双方を行うようにすると、やはり、摩擦接合装置における駆動機構が複雑になる虞がある。
【００１７】
このため、本発明の摩擦接合装置においては、
ワーク回転手段を、穴あきワーク支持手段と軸状ワーク支持手段のうちの一方の支持手段（以下において「回転側支持手段」と云う。）のみを回転させるものとし、
ワーク振動手段を、穴あきワーク支持手段と軸状ワーク支持手段のうちの他方の支持手段（以下において「振動側支持手段」と云う。）のみを振動させるものとする
ことが好ましい。
【００１８】
このように、ワーク回転手段で回転させる支持手段（回転側支持手段）とワーク振動手段で振動させる支持手段（振動側支持手段）とを分けることによって、摩擦接合装置における駆動機構をシンプルにすることが可能になる。このため、摩擦接合装置を故障しにくいものとすることも可能になる。
【００１９】
本発明の摩擦接合装置において、ワーク振動手段の駆動機構は、特に限定されない。しかし、ワーク振動手段による振動の振幅が大きすぎると、穴あきワークや軸状ワーク、又は、それらを支持する穴あきワーク支持手段や軸状ワーク支持手段に過大な負荷がかかり、これらのワークや支持手段が変形したり破損したりする虞がある。このため、ワーク振動手段による振動の振幅は、微小である必要がある。
【００２０】
また、ワーク振動手段による振動の振幅にバラつきが生じると、穴あきワークの穴部の内周面と軸状ワークの外周面とが強く当たりすぎたり、逆に全く当たらなかったりと、穴あきワークと軸状ワークとの均一な接合が難しくなる虞もある。このため、ワーク振動手段による振動の振幅は、一定であることが好ましい。
【００２１】
さらに、ワーク振動手段による振動の周波数が低すぎると、上述した、穴あきワークに対する軸状ワークの振動の運動エネルギーに由来する熱エネルギーが小さくなり、穴あきワークと軸状ワークとの固相結合が難しくなる虞がある。このため、ワーク振動手段による振動の周波数は、ある程度高くすることが好ましい。
【００２２】
ワーク振動手段に対するこれらの要求（微小な一定の振幅とある程度高い周波数）は、
ワーク振動手段を、
その周面をカム面とされ、当該カム面の周回方向に複数の凹凸が繰り返し設けられて、当該カム面が波状に形成された回転カムと、
回転カムを回転カムの中心線回りに回転させるカム回転手段と
を備えたものとするとともに、
振動側支持手段、又は、振動側支持手段に対して一体的に取り付けられる他の部材に、前記カム面に当接するカム作用面を設け、
回転カムが回転すると、前記カム面における、前記カム作用面に当接する箇所が変化していくことにより、振動側支持手段が振動するようにする
ことによって実現することができる。
【００２３】
ところで、本発明の摩擦接合装置では、穴あきワークと軸状ワークとの摩擦接合が完了すると、穴あきワークに対する軸状ワークの相対的な回転が自動的に停止する構成を採用することも好ましい。摩擦接合の完了は、例えば、ワーク回転手段として用いるモーターの負荷を電流値として読み取ることで検出することができる。しかし、この方法では、レスポンスが悪く、穴あきワークと軸状ワークとの結合が弱くなる虞がある。また、摩擦接合の完了は、トルクセンサを設けることでも検出することができる。しかし、トルクセンサは、通常、１個数十万円と非常に高価である。
【００２４】
この点、本発明の摩擦接合装置を、
ワーク回転手段における回転駆動部の回転位相を検知するための第一ロータリーエンコーダと、
穴あきワークと軸状ワークのうち、回転側支持手段に支持された方のワーク（以下において「回転側ワーク」と云う。）の回転位相を検知するための第二ロータリーエンコーダと、
ワーク回転手段と回転側支持手段との間に介在され、  ワーク回転手段の回転トルクが所定値に達すると滑り回転を開始するクラッチと、
第一ロータリーエンコーダが検知した回転位相と第二ロータリーエンコーダが検知した回転位相との差が所定の閾値を超えた状態が所定の時間継続すると、クラッチを遮断状態にするとともに、クラッチ内のブレーキを作動させて回転側ワークの回転を停止させるクラッチ制御手段と
をさらに備えたものとすることが好ましい。
【００２５】
これにより、摩擦接合の完了を、大きなコストをかけることなく、レスポンスよく検出して、穴あきワークと軸状ワークとの摩擦接合が完了した製品の回転を速やか且つ確実に停止することが可能になる。
【発明の効果】
【００２６】
以上のように、本発明によって、穴あきワークの穴部の内周面と軸状ワークの外周面とを均等に接合するだけでなく、穴あきワークと軸状ワークとの接触部分により大きな熱エネルギーを生じさせることもできる摩擦接合装置及び摩擦接合方法を提供することが可能になる。したがって、穴あきワークと軸状ワークとを接合不良のない状態で接合することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】穴あきワークと軸状ワークとを一体化した製品を示した斜視図である。
【図２】図１の製品を軸状ワークの中心線Ｌ１を含む平面で切断した状態を示した斜視図である。
【図３】本発明に係る構成を採用した摩擦接合装置の主要部を示した斜視図である。
【図４】図３の摩擦接合装置における穴あきワーク支持手段とワーク振動手段とを、軸状ワークの中心線Ｌ１に垂直な平面で切断した状態を示した断面図である。
【図５】図４のワーク振動手段における回転カムの回転によって穴あきワーク支持手段（振動側支持手段）が振動する様子を説明する図である。
【図６】図５の回転カムの回転角度と穴あきワーク支持手段（振動側支持手段）の振幅との関係を示したグラフである。
【図７】本発明に係る摩擦接合装置で摩擦接合を行っている際のワーク回転手段の回転トルクの時間変化を示したグラフである。
【図８】穴部の内周面をテーパー状に形成した穴あきワークと、外周面をテーパー状に形成した軸状ワークとを一体化させた製品を、軸状ワークの中心線Ｌ１を含む平面で切断した状態を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明の摩擦接合装置の好適な実施態様について、図面を用いてより具体的に説明する。図１は、穴あきワーク１ａと軸状ワーク１ｂとを一体化した製品１を示した斜視図である。図２は、図１の製品１を軸状ワーク１ｂの中心線Ｌ１を含む平面で切断した状態を示した斜視図である。本発明の摩擦接合装置は、図１及び図２に示すように、穴あきワーク１ａと軸状ワーク１ｂとが一体化された製品１を得るためのものとなっており、穴あきワーク１ａと、穴あきワーク１ａの穴部１ａ１に挿入された軸状ワーク１ｂとを、軸状ワーク１ｂの中心線Ｌ１回りに相対的に回転させることにより、穴あきワーク１ａの穴部１ａ１の内周面と軸状ワーク１ｂの外周面とを摩擦接合するものとなっている。
【００２９】
摩擦接合されるそれぞれの部品（穴あきワーク１ａ及び軸状ワーク１ｂ）の材質は、同じである必要はなく、異なっていてもよい。例えば、穴あきワーク１ａをアルミニウム製とし、軸状ワーク１ｂを鋼製とする等、種類の異なる金属とすることができる。穴あきワーク１ａ及び軸状ワーク１ｂの材質は、金属である必要もない。例えば、カーボンファイバー製の部材とセラミックス製の部材とを摩擦接合する等、非金属の部品同士を摩擦接合することも可能である。穴あきワーク１ａ及び軸状ワーク１ｂの材質は、製品１に要求される機能等に応じて適宜決定される。
【００３０】
穴あきワーク１ａと軸状ワーク１ｂとを一体化させた構造の製品１としては、各種のものがある。このような構造を有する製品１としては、例えば、シャフト（軸状ワーク１ｂ）の外周部にギア（穴あきワーク１ａ）を一体化させたギア付きシャフトや、シャフト（軸状ワーク１ｂ）の外周部にカム（穴あきワーク１ａ）を一体化させたカム付きシャフトや、シャフト（軸状ワーク１ｂ）の外周部にプロペラ（穴あきワーク１ａ）を一体化させたプロペラ付きシャフトや、ドリルビット（軸状ワーク１ｂ）の外周部にホルダ（穴あきワーク１ａ）を一体化させたホルダ付きドリルビット等の回転運動系部品が挙げられる。また、回転運動系部品以外にも、位置決めピン（軸状ワーク１ｂ）の外周部にホルダ（穴あきワーク１ａ）を一体化させたホルダ付き位置決めピン等も挙げられる。
【００３１】
本発明の摩擦接合装置では、上記のように、穴あきワーク１ａと軸状ワーク１ｂとを一体化させた各種の製品１を製造する際に用いることができる。以下においては、説明の便宜上、上記のギアシャフトを製造する場合を例に挙げて、本発明の摩擦接合装置を説明する。図１に示すように、本実施態様の摩擦接合装置で製造される製品１における穴あきワーク１ａの外周部には、複数本の歯が繰り返し形成されている。
【００３２】
図３は、本発明に係る構成を採用した摩擦接合装置の主要部を示した斜視図である。図４は、図３の摩擦接合装置における穴あきワーク支持手段１０とワーク振動手段４０とを、軸状ワーク１ｂの中心線Ｌ１に垂直な平面で切断した状態を示した断面図である。本発明の摩擦接合装置は、図３に示すように、穴あきワーク支持手段１０と、軸状ワーク支持手段２０と、ワーク回転手段３０と、ワーク振動手段４０とを備えている。
【００３３】
穴あきワーク支持手段１０は、穴あきワーク１ａを支持するためのものとなっている。本実施態様の摩擦接合装置においては、図４に示すように、穴あきワーク支持手段１０を、穴あきワーク１ａの一側（上側）外周部を支持する穴あきワーク用第一支持部材１１と、穴あきワーク１ａの他側（下側）外周部を支持する穴あきワーク用第二支持部材１２とで構成している。穴あきワーク用第一支持部材１１及び穴あきワーク用第二支持部材１２は、それぞれ、正面視逆「Ｕ」字状及び正面視「Ｕ」字状の部材となっており、互いを組み合わせると枠状を為すようになっている。穴あきワーク用第一支持部材１１の中央部下面側と、穴あきワーク用第二支持部材１２の中央部上面側には、穴あきワーク１ａの外周部に設けられた歯を嵌合させるための凹凸を設けている。この凹凸によって、穴あきワーク支持手段１０に対して穴あきワーク１ａが中心線Ｌ１回りに回転しない状態で支持させることが可能となっている。穴あきワーク用第一支持部材１１の上側には、カム作用部材１３を取り付けている。このカム作用部材１３は、後述する回転カム４１のカム面４１ａが当接するカム作用面１３ａを有する部材となっている。
【００３４】
軸状ワーク支持手段２０は、軸状ワーク１ｂを支持するものとなっている。本実施態様の摩擦接合装置においては、図３に示すように、軸状ワーク支持手段２０を、軸状ワーク１ｂの一端側（前端側）を支持する軸状ワーク用第一支持部材２１と、軸状ワーク１ｂの他端側（後端側）を支持する軸状ワーク用第二支持部材２２とで構成している。軸状ワーク用第一支持部材２１及び軸状ワーク用第二支持部材２２としては、軸状ワーク用第一支持部材２１及び軸状ワーク用第二支持部材２２に対して軸状ワーク１ｂが回転しないように、軸状ワーク１ｂの外周部を把持できる機構を有するものを好適に使用することができる。このような機構としては、複数本の爪を異なる方向から軸状ワーク１ｂの外周部に押し当てて軸状ワーク１ｂを把持するハンドチャックや、複数本のスリットを有する筒状体を締め付けて縮径させることにより軸状ワーク１ｂを把持するコレットチャック等が例示される。本実施態様の摩擦接合装置においては、機械的な制御が容易なハンドチャックを軸状ワーク用第一支持部材２１及び軸状ワーク用第二支持部材２２として用いている。
【００３５】
ワーク回転手段３０は、穴あきワーク支持手段１０と軸状ワーク支持手段２０とを軸状ワーク１ｂの中心線Ｌ１回りに相対的に回転させるためのものとなっている。ワーク回転手段３０は、穴あきワーク支持手段１０と軸状ワーク支持手段２０のうち、一方のみを回転させるものであってもよいし、双方を回転させるものであってもよいが、一方のみを回転させるようにした方が、摩擦接合装置における駆動機構をシンプルに構成することができる。また、穴あきワーク支持手段１０を回転させるよりも、軸状ワーク支持手段２０を回転させた方が、摩擦接合装置における駆動機構をシンプルに構成することができる。このため、本実施態様の摩擦接合装置においては、軸状ワーク支持手段２０をワーク回転手段３０で回転するようにしている。換言すると、軸状ワーク支持手段２０が「回転側支持手段」となるようにしている。
【００３６】
ワーク回転手段３０は、軸状ワーク支持手段２０（回転側支持手段）を回転させることができるのであれば、特に限定されない。このワーク回転手段３０によって、図１に示すように、穴あきワーク１ａの穴部１ａ１に挿入された軸状ワーク１ｂをその中心線Ｌ１回りに回転させて、穴あきワーク１ａの穴部１ａ１の内周面と、軸状ワーク１ｂの外周面との接触部分に摩擦熱を生じさせ、穴あきワーク１ａと軸状ワーク１ｂとを摩擦接合することができる。
【００３７】
ワーク回転手段３０は、通常、サーボモーターやステッピングモーター等のモーターとされる。本実施態様の摩擦接合装置においても、ワーク回転手段３０をモーターとしており、このモーターが回転駆動されると、その出力回転軸３１が回転するとともに、出力回転軸３１に取り付けられた軸状ワーク用第一支持部材２１も回転し、軸状ワーク用第一支持部材２１に一端側を把持された軸状ワーク１ｂもその中心線Ｌ１回りに回転するようになっている。また、軸状ワーク１ｂの他端側を把持する軸状ワーク用第二支持部材２２も回転するようになっている。
【００３８】
ワーク振動手段４０は、穴あきワーク支持手段１０と軸状ワーク支持手段２０とを軸状ワーク１ｂの中心線Ｌ１に非平行な方向に相対的に振動させるためのものとなっている。既に述べたように、軸状ワーク１ｂは、穴あきワーク１ａの穴部１ａ１に挿入する必要があるため、軸状ワーク１ｂの外径は、穴あきワーク１ａの内径（穴部１ａ１の直径）よりも僅かに小さく設定する必要がある。このため、軸状ワーク１ｂの外周面は、穴部１ａ１の内周面に局所的にしか接触することができない。したがって、軸状ワーク１ｂの外周面と穴部１ａ１の内周面とを均等に摩擦接合することは必ずしも容易ではない。この点、ワーク振動手段４０で穴あきワーク支持手段１０と軸状ワーク支持手段２０とを相対的に振動させることによって、軸状ワーク１ｂの外周面が穴部１ａ１の内周面に対して複数個所で接触するようにして、軸状ワーク１ｂの外周面と穴部１ａ１の内周面とをより均等に摩擦接合することが可能となっている。よって、接合不良の発生を抑えることも可能となっている。
【００３９】
加えて、ワーク振動手段４０で穴あきワーク支持手段１０と軸状ワーク支持手段２０とを相対的に振動させることによって、軸状ワーク１ｂの外周面と穴あきワーク１ａの穴部１ａ１の内周面との接触部分に、上記の回転の運動エネルギーに由来する熱エネルギーに加えて、上記の振動の運動エネルギーに由来する熱エネルギーも生ずるようにし、軸状ワーク１ｂと穴あきワーク１ａとの接触部分により大きな熱エネルギーを生じさせることもできるようになっている。このため、軸状ワーク１ｂと穴あきワーク１ａとを固相結合することが可能になる。本発明の摩擦接合装置を使用すると、接合対象の部材（軸状ワーク１ｂと穴あきワーク１ａ）の材質が、鋼やアルミニウム等の金属である場合と、カーボンファイバーやセラミックス等の非金属である場合とのいずれにおいても、２秒以下で固相結合させることが可能である。
【００４０】
ワーク振動手段４０による振動方向は、軸状ワーク１ｂの中心線Ｌ１に非平行であれば、特に限定されない。本実施態様の摩擦接合装置においては、軸状ワーク１ｂの中心線Ｌ１に垂直な方向（上下方向）に振動するようにしている。ワーク振動手段４０は、穴あきワーク支持手段１０と軸状ワーク支持手段２０のうち、一方のみを振動させるものであってもよいし、双方を振動させるものであってもよい。しかし、一方のみを振動させるようにした方が、摩擦接合装置における駆動機構をシンプルに構成することができる。加えて、回転側支持手段（本実施態様の摩擦接合装置では、軸状ワーク支持手段２０）を振動させるよりも、回転側支持手段（軸状ワーク支持手段２０）ではない方の支持手段（本実施態様の摩擦接合装置では、穴あきワーク支持手段１０）を振動させた方が、摩擦接合装置における駆動機構をよりシンプルに構成することができる。このため、本実施態様の摩擦接合装置においては、穴あきワーク支持手段１０をワーク振動手段４０で振動するようにしている。換言すると、穴あきワーク支持手段１０が「振動側支持手段」となるようにしている。
【００４１】
ワーク振動手段４０は、穴あきワーク支持手段１０（振動側支持手段）を振動させることができるのであれば、その具体的な機構を特に限定されない。本実施態様の摩擦接合装置においては、図３に示すように、ワーク振動手段４０を、回転カム４１と、カム回転手段４２とを備えたものとしている。回転カム４１の外周面は、図４に示すように、その周回方向に複数の凹凸が繰り返し設けられて波状に形成されたカム面４１ａとなっている。このカム面４１ａは、上述したカム作用部材１３のカム作用面１３ａに作用する部分となっている。カム作用部材１３は、それが取り付けられた穴あきワーク支持手段１０（振動側支持手段）とともに、図示省略のバネ等の付勢部材（振動側支持手段付勢部材）によって、回転カム４１側に付勢された状態となっている。この振動側支持手段付勢部材によって、カム面４１ａとカム作用面１３ａとが常時接触した状態が保たれるようになっている。
【００４２】
図５は、図４のワーク振動手段４０における回転カム４１の回転によって穴あきワーク支持手段１０（振動側支持手段）が振動する様子を説明する図である。図６は、図５の回転カム４１の回転角度θと穴あきワーク支持手段１０（振動側支持手段）の振幅Ａとの関係を示したグラフである。カム作用部材１３のカム作用面１３ａにカム面４１ａが接触した状態を維持しながら、回転カム４１がその中心線Ｌ２回りに回転すると、図５に示すように、カム面４１ａにおける、カム作用面１３ａに当接する箇所が変化していくことにより、カム作用面１３ａが押し下げる変位量も変化し、その結果、穴あきワーク支持手段１０が上下方向（軸状ワーク１ｂの中心線Ｌ１に垂直な方向）に振動するようになっている。
【００４３】
既に述べたように、カム面４１ａには、複数の凹凸が繰り返し設けられて波状に形成されているため、カム面４１ａにおける一の凸部の頂部がカム作用面１３ａに当接した状態から回転カム４１が回転していくと、カム作用面１３ａは徐々に上昇していくようになる。しかし、このときのカム作用面１３ａは、カム面４１における凹部が設けられた箇所に当接するよりも前に、前記一の凸部の隣にある他の凸部に当接するようになるため、穴あきワーク支持手段１０の振幅波形は、完全な正弦波状とはならず、図６に示すような全波整流波状を為すようになる。
【００４４】
ワーク振動手段４０を、上記のような回転カム４１とカム回転手段４２とで構成したことにより、ワーク振動手段４０による振幅Ａ（図５及び図６）を微小な範囲内に抑える（穴あきワーク１ａの穴部１ａ１の内周面と軸状ワーク１ｂの外周面とのクリアランスよりも僅かに大きくなる程度に抑える）だけでなく、ワーク振動手段４０による振動の周波数を高めることや、振幅Ａを一定に揃えること等が可能となっている。このため、ワーク振動手段４０による振動の際に穴あきワーク１ａと軸状ワーク１ｂとが激しく衝突しないようにして、穴あきワーク１ａや軸状ワーク１ｂに破損等が生じないようにすることが可能となっている。また、穴あきワーク１ａと軸状ワーク１ｂとをさらに均一に接合することも可能となっている。
【００４５】
ワーク振動手段４０による振幅Ａは、上述したように、穴あきワーク１ａの穴部１ａ１の内周面と軸状ワーク１ｂの外周面とのクリアランスよりも僅かに大きくなる程度とされる。このため、ワーク振動手段４０による振幅Ａの具体的な値は、穴あきワーク１ａの内径（穴部１ａ１の直径）や軸状ワーク１ｂの外径等によっても異なり、特に限定されない。しかし、上記のクリアランスは、数十μｍから、せいぜい数百μｍ迄の範囲に設定されることが多い。このため、振幅Ａは、通常、１ｍｍ以下とされる。振幅Ａは、７００μｍ以下に抑えることが好ましく、できれば、５００μｍ以下に抑えることがより好ましい。
【００４６】
また、ワーク振動手段４０による振動の周波数の具体的な値も特に限定されない。しかし、ワーク振動手段４０による振動の周波数を低くしすぎると、上述した均等な接合や摩擦接合の効率化が行いにくくなる虞がある。このため、ワーク振動手段４０による振動の周波数は、通常、１００Ｈｚ以上とされる。ワーク振動手段４０による振動の周波数は、３００Ｈｚ以上とすることが好ましく、５００Ｈｚ以上とすることがより好ましい。ワーク振動手段４０による振動の周波数は、カム回転手段４２の回転速度を大きくすることや、回転カム４１のカム面４１ａにおける凸部の数を増やすことによって高めることができる。ワーク振動手段４０による振動の周波数は、その上限を特に限定されないが、せいぜい、１〜５ｋＨｚ程度迄とされる。
【００４７】
上記のように、ワーク振動手段４０による振動の周波数は、回転カム４１のカム面４１ａにおける凸部の個数によって影響を受ける。すなわち、カム面４１ａの凸部の個数を増やせば、ワーク振動手段４０による振動の周波数を高めることができる。ワーク振動手段４０による振動の周波数を高めると、穴あきワーク１ａと軸状ワーク１ｂとの接合に、ワーク振動手段４０の振動の運動エネルギーに由来する熱エネルギーも利用できるようになるため、穴あきワーク１ａと軸状ワーク１ｂとを固相結合させることができる。このため、回転カム４１のカム面４１ａにおける凸部の個数は、ある程度多くした方が有利である。カム面４１ａにおける凸部の個数は、５個以上とすることが好ましく、１０個以上とすることがより好ましく、１５個以上とすることがさらに好ましい。本実施態様の摩擦接合装置においては、カム面４１ａに２０個の凸部を設けており、回転カム４１が１回転する間に、２０回振動するようにしている。カム面４１ａにおける凸部の個数に、特に上限はないが、この凸部を多く設けすぎると、回転カム４１の加工が難しくなる虞がある。このため、カム面４１ａにおける凸部の個数は、通常、５０〜１００個程度迄とされる。
【００４８】
ワーク振動手段４０におけるカム回転手段４２は、通常、サーボモーターやステッピングモーター等のモーターとされる。カム回転手段４２は、上記のワーク回転手段３０とは別個に設けてもよいが、本実施態様の摩擦接合装置においては、図３に示すように、カム回転手段４２及びワーク回転手段３０として、同じモーターを共用している。具体的には、ワーク回転手段３０（カム回転手段４２）の出力回転軸３１に第一ギア３２を設けるとともに、回転カム４１のシャフト４３に、第一ギア３２に噛み合う第二ギア４４を設けている。このため、ワーク回転手段３０（カム回転手段４２）が回転駆動されて、その出力回転軸３１が中心線Ｌ１回りに回転すると、第一ギア３２も中心線Ｌ１回りに回転するとともに、第一ギア３２の回転力が伝達された第二ギア４４が中心線Ｌ２回りに回転して、シャフト４３及び回転カム４１も中心線Ｌ２回りに回転するようになっている。このように、カム回転手段４２及びワーク回転手段３０として同じモーターを共用することにより、摩擦接合装置における駆動機構をよりシンプルにすることが可能となっている。
【００４９】
ところで、本実施態様の摩擦接合装置では、図３に示すように、ワーク回転手段３０と軸状ワーク１ｂの一端側を支持する軸状ワーク用第一支持部材２１との間に、クラッチ５１を介在させている。このクラッチ５１は、そのエア圧力を設定等することによって、それが滑り回転を開始する回転トルクを予め設定することができるものとなっている。図１に示す製品１における穴あきワーク１ａと軸状ワーク１ｂとを摩擦接合する場合には、ワーク回転手段３０の回転トルクが２０Ｎｍになると、穴あきワーク１ａと軸状ワーク１ｂとの摩擦接合が完了したと判断し得る。
【００５０】
この点、本実施態様の摩擦接合装置では、クラッチ５１のエア圧力を、ワーク回転手段３０の回転トルクが２０Ｎｍとなると滑り回転を開始する値（０．３ＭＰａ）に設定している。ただし、摩擦接合が完了したと判断し得る回転トルクの値は、軸状ワーク１ｂや穴あきワーク１ａの種類によって異なる。また、クラッチ５１のエア圧力の設定値も、クラッチ５１の種類等によって異なる。このため、クラッチ５１の滑り回転を開始する回転トルクの値や、クラッチ５１のエア圧力の設定値は、軸状ワーク１ｂや穴あきワーク１ａやクラッチ５１の種類等に応じて適宜決定する。クラッチ５１としては、ブレーキを備えており、外部からの制御信号に応じて、ブレーキを作動させ、の回転を停止させることができるものを用いる。
【００５１】
加えて、ワーク回転手段３０には、ワーク回転手段３０における回転駆動部の回転位相（モーターの回転位相）を検知するための第一ロータリーエンコーダ５２を設けている。第一ロータリーエンコーダ５２としては、アブソリュートエンコーダやインクリメンタルエンコーダ等のロータリーエンコーダを好適に用いることができる。サーボモーターには、アブソリュートエンコーダが内蔵されており、ステッピングモーターには、インクリメンタルエンコーダが内蔵されている。このため、ワーク回転手段３０として、サーボモーターやステッピングモーターを用いる場合には、それに内蔵されたロータリーエンコーダ（アブソリュートエンコーダやインクリメンタルエンコーダ）を第一ロータリーエンコーダ５２として使用することができる。
【００５２】
また、軸状ワーク１ｂの他端側を支持する軸状ワーク用第二支持部材２２には、軸状ワーク用第二支持部材２２の回転位相を検知するための第二ロータリーエンコーダ５３を取り付けている。この第二ロータリーエンコーダ５３が検知した回転位相は、軸状ワーク１ｂの回転位相として取り扱うことができる。第二ロータリーエンコーダ５３としては、アブソリュートエンコーダやインクリメンタルエンコーダ等のロータリーエンコーダを好適に用いることができる。
【００５３】
上述したクラッチ５１と第一ロータリーエンコーダ５２と第二ロータ理エンコーダ５３は、図示省略のクラッチ制御手段に対して電気的に接続される。クラッチ制御手段としては、プログラマブルコントローラや、それに搭載される位置制御ユニット（ＮＣユニット）等が例示される。このクラッチ制御手段は、第一ロータリーエンコーダ５２が検知したワーク回転手段３０の回転位相と、第二ロータリーエンコーダ５３が検知した軸状ワーク１ｂ（回転側ワーク）の回転位相とに基づいて、クラッチ５１に対し、以下のような制御を行うものとなっている。
【００５４】
図７は、本発明に係る摩擦接合装置で摩擦接合を行っている際のワーク回転手段３０の回転トルクの時間変化を示したグラフである。すなわち、ワーク回転手段３０の回転駆動を開始すると、図７に示すように、ワーク回転手段３０の回転トルクは、回転駆動の開始直後にピークを迎えた後、一旦低下するものの、軸状ワーク１ｂと穴あきワーク１ａとの摩擦接合が進行するに連れて徐々に上昇していく。その後、ワーク回転手段３０の回転トルクが、上述したように、摩擦接合が完了したと判断し得る値（本実施態様の摩擦接合装置においては２０Ｎｍ）に達する（点Ｐ１）と、クラッチ５１が滑り回転を開始し、ワーク回転手段３０の回転トルクが下降する（点Ｐ１〜点Ｐ２）。
【００５５】
また、クラッチ５１が滑り回転を開始すると、ワーク回転手段３０の回転位相（第一ロータリーエンコーダ５２が検知した回転位相）と軸状ワーク１ｂの回転位相（第二ロータリーエンコーダ５３が検知した回転位相）との間に差（回転位相差）が生じる。この回転位相差が所定の閾値（本実施態様の摩擦接合装置では１°に設定）を超えた状態が所定の時間（本実施態様の摩擦接合装置では１秒に設定）継続すると、クラッチ制御手段は、摩擦接合が完了したと判断し、クラッチ５１に遮断信号を送ってクラッチ５１を遮断状態にする。それと同時に、クラッチ制御手段は、クラッチ５１に停止信号を送ってクラッチ５１内のブレーキを作動させる。
【００５６】
クラッチ制御手段によって上記のような制御を行うことによって、軸状ワーク１ｂと穴あきワーク１ａとの摩擦接合が完了すると、その回転を速やか且つ確実に自動停止することが可能になる。したがって、軸状ワーク１ｂと穴あきワーク１ａとが一体化した製品１の製造のサイクルタイムを短縮することができる。上記のクラッチ制御手段は、クラッチ５１と第一ロータリーエンコーダ５２と第二ロータリーエンコーダ５３と合わせて、製品自動停止手段５０と呼ぶこともできる。
【００５７】
ところで、ここまでは、図２に示すように、穴部１ａ１の内周面がストレートな円筒面を為す穴あきワーク１ａと、外周面がストレートな円筒面を為す軸状ワーク１ｂとを摩擦接合する場合について説明した。しかし、図８に示すように、穴あきワーク１ａの穴部１ａ１の内周面をテーパー状に形成するとともに、軸状ワーク１ｂにおける、穴部１ａ１に挿入される部分の外周面をテーパー状に形成することも好ましい。
【００５８】
これにより、穴あきワーク１ａの穴部１ａ１の内周面と軸状ワーク１ｂの外周面とを、軸状ワーク１ｂの中心線Ｌ１に平行な方向で押し付けた状態としながら、穴あきワーク１ａと軸状ワーク１ｂとを摩擦接合することが可能になる。加えて、穴あきワーク１ａの穴部１ａ１の内周面の全周部と軸状ワーク１ｂの外周面の全周部とを接触させながら穴あきワーク１ａと軸状ワーク１ｂとを摩擦接合することも可能になる。したがって、穴あきワーク１ａと軸状ワーク１ｂとをさらに効率的に摩擦接合することが可能になる。また、穴部１ａ１の内周面と軸状ワーク１ｂの外周面とをさらに均等に摩擦接合して、接合不良の発生を抑えることも可能になる。
【００５９】
上記のように、穴あきワーク１ａの穴部１ａ１の内周面と、軸状ワーク１ｂの外周面とをテーパー状に形成する場合には、穴あきワーク１ａの穴部１ａ１の内周面の傾斜角度と、軸状ワーク１ｂの外周面の傾斜角度は、通常、同じに設定される。軸状ワーク１ｂの中心線Ｌ１に対する、穴あきワーク１ａの穴部１ａ１の内周面や軸状ワーク１ｂの外周面の傾斜角度φ（図８）の具体的な値は、特に限定されない。しかし、傾斜角度φを小さくしすぎると、上記のようにテーパー状に形成する意義が低下する。このため、傾斜角度φは、１°以上とすることが好ましい。傾斜角度φは、５°以上とすることがより好ましく、１０°以上とすることがさらに好ましい。
【００６０】
一方、傾斜角度φを大きくしすぎると、穴あきワーク１ａの厚さ（中心線Ｌ１に平行な方向での厚さ）が大きい場合に、穴部１ａ１の大径側の直径を大きくする必要が生じ、穴あきワーク１ａや軸状ワーク１ｂの直径を大きく確保する必要が生じる。このため、コンパクトな製品１の製造が難しくなる虞がある。したがって、傾斜角度φは、８０°以下とすることが好ましい。傾斜角度φは、６０°以下とすることがより好ましく、４５°以下とすることがさらに好ましい。
【符号の説明】
【００６１】
１    製品
１ａ    穴あきワーク
１ａ１  穴部
１ｂ    軸状ワーク
１０    穴あきワーク支持手段（振動側支持手段）
１１    穴あきワーク用第一支持部材
１２    穴あきワーク用第二支持部材
１３    カム作用部材
１３ａ  カム作用面
２０    軸状ワーク支持手段（回転側支持手段）
２１    軸状ワーク用第一支持部材
２２    軸状ワーク用第二支持部材
３０    ワーク回転手段
３１    出力回転軸
３２    第一ギア
４０    ワーク振動手段
４１    回転カム
４１ａ  カム面
４２    カム回転手段
４３    シャフト
４４    第二ギア
５０    製品自動停止手段
５１    クラッチ
５２    第一ロータリーエンコーダ
５３    第二ロータリーエンコーダ
Ｌ１    軸状ワークの中心線
Ｌ２    回転カムの中心線
【図１】
2020032424.tif 000003
【図２】
2020032424.tif 000004
【図３】
2020032424.tif 000005
【図４】
2020032424.tif 000006
【図５】
2020032424.tif 000007
【図６】
2020032424.tif 000008
【図７】
2020032424.tif 000009
【図８】
2020032424.tif 000010