(57)【要約】      （修正有）【課題】接合処理も切削加工も一つの加工エリアで行い、サイクルタイムを短縮でき、汎用性のある工具ホルダを使用しても、主軸や主軸を支持する軸受などへの熱伝導を抑制できる工作機械を提供する。【解決手段】回転中心部に冷媒供給通路９を有する回転主軸６と、回転主軸に装着される摩擦攪拌接合用工具７と、回転主軸に装着される切削加工用工具と、ワークを保持する治具と、摩擦攪拌接合用工具あるいは切削加工用工具を回転主軸との間で受け渡しする工具マガジンとを備えた工作機械であり、摩擦攪拌接合用工具を装着した回転主軸を工具マガジンの工具交換位置に移動する間に、冷媒を接合ツールのシャンク部の長手方向外周に沿って供給されるように案内して摩擦攪拌接合用工具を冷却し、切削加工用工具がワークを切削加工している間に、冷媒を切削加工ツールに設けられた透孔から切削加工ツールの先端部に供給して切削加工用工具を冷却することを特徴とする。【選択図】図３
2020069563.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転中心部に冷媒供給通路を有する回転主軸と、前記回転主軸に装着される摩擦攪拌接合用工具と、前記回転主軸に装着される切削加工用工具と、ワークを保持する治具と、前記摩擦攪拌接合用工具あるいは前記切削加工用工具を前記回転主軸との間で受け渡しする工具マガジンと、を備えた工作機械であって、
前記摩擦攪拌接合用工具と前記切削加工用工具は、中心部に冷媒用の供給通路を有する工具ホルダ本体を有し、前記工具ホルダ本体は、前記回転主軸に装着されるテーパシャンク部と、前記工具マガジンに把持されるフランジ部と、前記接合ツールを固定するチャック部と、を有し、前記回転主軸の前記冷媒供給通路と前記工具ホルダ本体の前記冷媒供給通路は連通されるとともに、
前記摩擦攪拌接合用工具は、前記チャック部に接合ツールを固定されており、前記冷媒は、前記摩擦攪拌接合用工具を装着した前記回転主軸を前記工具マガジンの工具交換位置に移動する間に、前記接合ツールのシャンク部の長手方向外周に沿って供給されるように案内し、
前記切削加工用工具は、前記チャック部に切削加工ツールを固定されており、前記冷媒は、前記切削加工用工具が前記ワークを切削加工している間に、前記切削加工ツールに設けられた透孔から前記切削加工ツールの先端部に供給されることを特徴とする工作機械。
【請求項２】
前記接合ツールのシャンク部の長手方向に沿って供給される前記冷媒は、気体であることを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
【請求項３】
前記接合ツールのシャンク部の長手方向に沿って供給される前記冷媒は、気液混合物であることを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
【請求項４】
前記切削加工ツールの透孔に案内される前記冷媒は、気液混合物または液体であることを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
【請求項５】
前記気液混合物に使用される液体は、水溶性ＭＱＬ用溶剤であることを特徴とする請求項３または４に記載の工作機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、切削加工だけでなく、摩擦攪拌接合も行うことができる工作機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、摩擦攪拌接合は、船舶、航空宇宙、鉄道車両、鉄鋼等、大型構造物の金属板を突合わせて線状に接合する線接合などを対象とするものが多く、それに伴い、摩擦攪拌接合を行う装置は、大型で高額な接合専用装置がほとんどであった
【０００３】
その後、摩擦攪拌接合の技術は進歩し、自動車に代表される輸送機の分野のみならず、家電製品、建材等の構造物等、各種の分野においても、摩擦攪拌接合が可能になってきている。例えば、自動車などは、地球環境の観点から、軽量化が進められ、ボディー部材や各種の部品において、鋼材からアルミニウム材への材質の転換が盛んに検討されて、鋼とアルミニウムとの異種金属間の接合が可能となっている。
【０００４】
例えば、特許文献１では、プローブと、そのプローブを内挿するための中空のショルダ部材とを有し、これらプローブとショルダ部材は、それぞれに回転および軸方向に進退可能とされた複動式回転工具を用いる。重ね合わされた被接合物の上側の部材に、まずプローブを回転しながら差し込み、下側の被接合物と点接合を行なった後、プローブを上側の部材に形成された摩擦撹拌部から引き抜く。プローブの進退動作とショルダ部材の進退動作とのタイミングを調整することで、プローブの圧入により形成された凹部を埋め戻すことを可能にしている。
【０００５】
しかし、複動式回転工具を使った摩擦攪拌接合では、回転工具がプローブおよびショルダ部材という複数の部材により構成されている。それゆえ、プローブおよびショルダ部材を個別に軸方向に沿って進退移動するように動作させる工具駆動部がそれぞれ必要となり、プローブとショルダ部材が被接合物に当接した時点の位置や差し込み量を相対的に制御する必要があり、複動式専用の摩擦攪拌接合装置が求められる。
【０００６】
しかしながら、摩擦攪拌接合が施される被接合物は、接合部にバリが発生するため、仕上げ加工を施すことが別途必要となる。そこで、摩擦攪拌接合を行うと同時に、接合部に仕上げ加工を施せる複合式工作機械が開発されている（特許文献２）。
【０００７】
特許文献２は、摩擦攪拌接合と切削加工とを一台で行うことができる複合工作機械を開示している。特許文献２に係る発明の摩擦攪拌接合用工具は、ピン（プローブ）とショルダとを別体で構成される。ピンは、工作機械の回転主軸に結合されるシャンク部を有するピンホルダの先端部に形成されており、ショルダは、このピンホルダを内挿する筒状部を有するハウジングの先端部に形成され、このハウジングは非回転の主軸ヘッドに結合される被係合部を有する。
【０００８】
ピンホルダとハウジングで構成される特許文献２の摩擦攪拌接合用工具の自動交換は、工作機械の主軸装置をＸＹＺ方向に適宜移動させ、まず、主軸ヘッドに結合されているハウジングを、加工テーブル上に配置されたハウジング載置台に載置する。次に、回転主軸に結合されているピンホルダを、工具マガジンに把持されている別のピンホルダと公知の方法で交換し、次にハウジング載置台に載置されているハウジングを装着させることで行う。
【０００９】
また、特許文献２の工作機械には、摩擦攪拌接合処理を行う加工エリアと、被接合物に対し、仕上げ加工を行う切削加工エリアとが仕切板を隔てて別々に設けられている。１台で接合処理も切削加工も行え、摩擦攪拌接合工具も自動交換できるのであるが、接合処理と切削加工を行う加工エリアが分かれているため、接合処理を行った後、被接合物を切削加工エリアに移動させなければならず、１つの製品が完成するまでのサイクルタイムが非常に長くなる。また、摩擦攪拌接合用工具は、ピンホルダとハウジングが別体で構成されており、別々に交換が行われることで、これも製品が完成するまでのサイクルタイムを長引かせる。
【００１０】
特許文献３では、汎用の工作機械で摩擦攪拌接合を行うための摩擦攪拌接合用工具が開示されている。この摩擦攪拌接合工具は、主軸に伝導される熱により、主軸あるいは主軸を支持する軸受等の機構部分に好ましくない影響が及ばないよう、主軸への熱伝導を抑制できる。
【００１１】
この摩擦攪拌接合用工具は、工作機械の主軸に接続されるシャンク部と、断熱部を介してシャンク部に接続されたチャック部と、チャック部に接続された摩擦攪拌接合用の接合ツールとを有し、チャック部の周辺に、冷媒を通す冷媒通路が形成された冷却ジャケットを装着している。
【００１２】
しかしながら、特許文献３に開示されている摩擦攪拌接合用工具は、シャンク部とチャック部の間に断熱部を介し、また、チャック部周辺に冷却ジャケットを装着させており、汎用性のある工具ホルダを改造する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特許第４６０２７９６号公報
【特許文献２】特許第６０９９２９１号公報
【特許文献３】特開２０１７−１７０５２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
そこで、本発明の目的は、接合処理も切削加工も一つの加工エリアで行い、サイクルタイムをより短縮でき、さらに、摩擦攪拌接合用に改造の必要がなく、汎用性のある工具ホルダを使用しても、主軸や主軸を支持する軸受などへの熱伝導を抑制できる工作機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
回転中心部に冷媒供給通路を有する回転主軸と、回転主軸に装着される摩擦攪拌接合用工具と、回転主軸に装着される切削加工用工具と、ワークを保持する治具と、摩擦攪拌接合用工具あるいは切削加工用工具を回転主軸との間で受け渡しする工具マガジンとを備えた工作機械であって、摩擦攪拌接合用工具と切削加工用工具は、中心部に冷媒用の供給通路を有する工具ホルダ本体を有し、工具ホルダ本体は、回転主軸に装着されるテーパシャンク部と、工具マガジンに把持されるフランジ部と、接合ツールを固定するチャック部と、を有し、回転主軸の冷媒供給通路と工具ホルダ本体の冷媒供給通路は連通されるとともに、摩擦攪拌接合用工具は、チャック部に接合ツールを固定されており、冷媒は、摩擦攪拌接合用工具を装着した回転主軸を工具マガジンの工具交換位置に移動する間に、接合ツールのシャンク部の長手方向外周に沿って供給されるように案内し、切削加工用工具は、チャック部に切削加工ツールを固定されており、冷媒は、切削加工用工具がワークを切削加工している間に、切削加工ツールに設けられた透孔から切削加工ツールの先端部に供給されることを特徴とする。
【００１６】
接合ツールのシャンク部の長手方向に沿って供給される冷媒は、気体または気液混合物であることを特徴とし、切削加工ツールの透孔に案内される冷媒は、気液混合物または液体であることを特徴とする。そして、気液混合物に使用される液体は、水溶性ＭＱＬ用溶剤であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
摩擦攪拌接合用工具と切削加工用工具ともに汎用工具ホルダを使用するとともに、冷媒には、時間が経過しても、べたつきの少ない水溶性ＭＱＬ用溶剤を用いることで、加工室を常にクリーンに保つことができる。
【００１８】
摩擦攪拌接合用ツールの冷却は、摩擦攪拌接合を終えた後、主軸を工具マガジンとの工具交換位置へと移動させる途中に行うので、冷却のためのサイクルタイムを設ける必要がなく、ワークＷの完成までのサイクルタイムを冷却によって延長する必要がない。  
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の工作機械を示す斜視図である。
【図２】本発明の工作機械を示す側面図である。
【図３】図１、図２に示した工作機械の主軸と摩擦攪拌接合用工具の概要を示す断面図である。
【図４】図３に示した摩擦攪拌接合用工具のツールシャンクの端部を示す図である。
【図５】図２に示した工作機械の工具マガジンを示す図である。
【図６】治具の一部を示す概略図である。
【図７】図１、図２に示した工作機械の主軸と切削加工用工具の概要を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１と図２は、本発明の摩擦攪拌接合と切削加工を行う縦型工作機械１００を示す図である。工作機械１００は、ベース１の上部には、主軸２をＸＹＺの三軸方向へ移動可能なように案内する支持部・駆動部・案内部を有し、ベース１の内部は、工具マガジン３が回転可能に収納される工具マガジン収納室Ｓとなっている。
【００２１】
ベース１の前面には、被接合物であり被切削加工物であるワークＷを固定把持する治具４が設けられる。治具４は、Ａ軸回転テーブル４ａを有し、Ａ軸を中心に回転するワーク支持部４ｂ上に、Ｃ軸回転テーブル５を載置し、その上にワークＷを固定把持させている。工作機械１００はベース１や主軸２等の本体部を囲むカバーＣで覆われており、ベース１の前部とカバーＣで囲まれた空間に加工室Ｍを有する。
【００２２】
図３は、主軸２の回転主軸６に装着された摩擦攪拌接合用工具７示す断面図である。回転主軸の中心部にはドローバー８がＺ軸方向（前後方向）へ変位可能に装着されており、このドローバー８の前後方向への変位によって摩擦攪拌接合工具７は、回転主軸６に対して同軸にクランプ・アンクランプされるようになっている。また、ドローバー８の中心部には、液体あるいは気体、あるいは気液混合物などの冷媒用の供給通路９が設けられている。摩擦攪拌接合用工具６は、回転主軸６に回転自在に支持され、図示しないモータにより回転駆動される。
【００２３】
摩擦攪拌接合工具７は、工具ホルダ本体１０と摩擦攪拌接合用の接合ツール１１を有している。工具ホルダ本体部１０には、回転主軸６に二面拘束されるテーパ（ＨＳＫ）シャンク部１０ａと工具マガジン３などに把持される溝部ｇを有するフランジ部１０ｂ、接合ツール１１のシャンク部１１ａを固定するチャック部１０ｃを有している。チャック部１０ｃの中空の中心部には雌ネジが形成されており、外周に雄ネジが形成されたツールストッパ１２が螺着されている。
【００２４】
このツールストッパ１２の軸方向中心部には液体や気体あるいは気液混合物などの冷媒用の供給通路１２ａが設けられると共に、ツールストッパ１２の前端面には環状の凹み部１２ｂが形成されている。      
【００２５】
コレットチャック１３の中心孔１３ａに挿入された接合ツール１１のシャンク部１１ａは、チャック部１０ｃの先端外周に形成されたネジ部１０ｄに締結ナット１４を締め付けることで、チャック部１０ｃに固定されるとともに、接合ツール１１のシャンク部１１ａ後端部１１ｂの外周がツールストッパ１２の環状凹み部１２ｂに密着するように圧接される。
【００２６】
テーパシャンク部１０ａの中心部には、クーラントダクト１５が締結されており、ドローバー８の冷媒用供給通路９と連通している。また、ツールストッパ１２の供給通路１２ａとクーラントダクト１５は、連結管１６によって連結されており、冷媒は、この連結管１６によって、ツールストッパ１２の供給通路１２ａへと案内される。
【００２７】
図４は、接合ツール１１のシャンク部１１ａの後端部１１ｂに十字状の溝１１ｃを形成した図である。この溝１１ｃによって、後端部１１ｂの外周と密着している環状凹み部１２ｂの表面との間に隙間が形成されている。コレットチャック１３には、中心孔１３ａの軸方向に沿って設けられる噴射スリット１３ｂが設けられており、ツールストッパ１２の供給通路１２ａを経由して環状凹み部１２ｂに達した冷媒は、この隙間から噴射スリット１３ｂへと案内され、接合ツール１１のシャンク部１１ａが冷却され、摩擦攪拌接合用工具７から主軸２への熱伝導が抑制される。
【００２８】
なお、コレットチャック１３の噴射ノズル１３ｂから冷媒を噴射させて摩擦攪拌接合用工具７を冷却するのは、ワークＷに対する摩擦攪拌接合が終了した後、主軸２と工具マガジン３との間で自動工具交換する際に噴射させながら主軸を移動することで実施することができる。この場合、冷媒は、圧縮空気や窒素ガスなどの不活性ガスや二酸化炭素ガスなどの気体で行う。
【００２９】
また、冷媒に気体を利用する場合には、摩擦攪拌接合を終えた後すぐに、主軸２を、工具マガジン３との工具交換位置へと移動させて、摩擦攪拌接合用工具７を工具マガジン３に渡し、図５に示すようにマガジン収納室Ｓに設けられたノズル１７から気体の冷媒を接合ツール１１やチャック部１０ｃに供給して冷却することもできる。
【００３０】
工具交換のための主軸２の移動中や、あるいは工具マガジン収納室Ｓで摩擦攪拌接合用工具７を冷却することで、ワークＷの接合や加工を中断させることなく、主軸２と工具マガジン３との工具交換に要する時間のみで冷却することができ、摩擦攪拌接合溶工具７の冷却によるサイクルタイムの延長がされることがない。
【００３１】
また、摩擦攪拌接合用工具７を冷却する冷媒に、クーラントや潤滑剤などの液体を使用してもよい。あるいは、気体とこれら液体の混合物でもよい。混合物については、主軸２の先端部で混合させたものでもよく、別の装置内で両者を混合させたものを主軸２に供給してもよい。また混合物については、潤滑剤とキャリアガスだけでなく、冷却効果を兼ね備えた水を混合させたものでもよい。
【００３２】
冷媒に、液体や気液混合物を利用する場合には、摩擦攪拌接合を終えた後、主軸２を、工具マガジン３との工具交換位置へと移動させる途中で、図６示す治具４のワーク支持部４ｂ上に設けた上部を開放した筒状部材４ｃ上に移動させる。そして摩擦攪拌接合用工具７のチャック部１０ｃの一部と接合ツール１１が筒状部材４ｃ内に収まるように主軸２を下降させた後、コレットチャック１３の噴射スリット１３ｂの先端から冷媒を噴射させる。
【００３３】
治具４上に設けられた筒状部材４ｃ内で冷却を行うことから、冷媒が加工室Ｍ内に拡散されることなく、加工室Ｍ内はクリーンに保たれる。
【００３４】
図７は、切削加工用工具１８を示す図である。切削加工用工具１８も、接合ツール１１を固定する摩擦攪拌接合用工具７と同様な態様で工具ホルダ本体１０に切削加工ツール１９を固定させる。切削加工ツール１９には、軸方向に設けられた透孔１９ａが設けられており、ツールストッパ１２の環状凹み部１２ｂに達した冷媒は、透孔ａを経由して、切削加工ツール１９の先端部１９ｂからワークＷとの接点（加工ポイント）に供給される。
【００３５】
本実施例では、切削加工ツール１９の先端から加工ポイントに供給される冷媒は、水溶性ＭＱＬ（Ｍｉｎｉｍｕｍ  Ｑｕａｎｔｉｔｙ  Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ＝最小量潤滑）用の溶剤を圧縮空気で混合させたミスト状の気液混合物を使用している。通常、クーラントや潤滑剤は、わずかずつ加工室Ｍ内の壁面に付着し、残留して、薄い油膜を形成し、酸素の影響によって劣化しやすく、しばしば粘着性の物質に変化するため、加工室Ｍ内のカバーＣや冶具４等がべたつき、切りくずが堆積しやすくなるなど、作業環境を悪化させるのであるが、水溶性ＭＱＬ用の溶剤は、時間が経過しても、べたつきが少なく、加工室Ｍ内のカバーＣや冶具４のみならず、潤滑剤が添付された切りくずであっても、潤滑剤を使わないドライ加工と差がないほどサラサラな状態を維持できる。そのため、一つの加工室Ｍで摩擦攪拌接合も切削加工も連続して行うことが可能となり、１つのワークＷを製品として完成させるために、別の加工室を設ける必要もないため、加工室間でワークを搬送させる段取りの手間も時間も不要となり、ワークＷを製品として完成させるためのサイクルタイムをより短縮できる。
【００３６】
なお、接合ツール１１の固定にコレットチャック１３を使用したが、これに限らず、シュリンクチャックを利用してもよい。いずれにしても、冷媒によって摩擦攪拌接合用工具７を冷却できるため、主軸２に対する摩擦攪拌接合による熱伝導を抑制できる。また、本実施例における治具４では、Ａ軸回転テーブル４ａやＣ軸回転テーブル５を採用しているため、接合ツール１１のワークＷへの圧入角度を調節することができるが、これら回転テーブルは割愛することもできる。
【符号の説明】
【００３７】
１００        工作機械
１                ベース
２                主軸
３                工具マガジン
４                治具
６                回転主軸
７                摩擦攪拌接合用工具
８                ドローバー
９                供給通路
１０            工具ホルダ本体  
１１            接合ツール
１２            ツールストッパ
１３            コレットチャック
１４            締結ナット
１５            クーラントダクト
１６            連通管
１７            ノズル
１８            切削加工用工具
１９            切削加工ツール
Ｃ                カバー
Ｍ                加工室
Ｓ                工具マガジン収納室
【図１】
2020069563.tif 000003
【図２】
2020069563.tif 000004
【図３】
2020069563.tif 000005
【図４】
2020069563.tif 000006
【図５】
2020069563.tif 000007
【図６】
2020069563.tif 000008
【図７】
2020069563.tif 000009