(57)【要約】【課題】オフセット動作を伴う摩擦攪拌接合について、接合強度の向上と安定化を図る。【解決手段】摩擦攪拌接合装置は、接合ツール１をワークＷの表面に押し付けつつ回転させることにより、接合ツール１とワークＷの接触点に摩擦熱を発生させて該接触点の周囲のワークを軟化させるとともに攪拌し、それにより接合ツールをワークＷに没入させる押し込み動作と、該押し込み動作後、接合ツール１をワークＷの表面方向に移動させるオフセット動作とを行うことでワークＷを線状に接合する。摩擦攪拌接合装置は裏当て部に傾斜角度調整機構を有し、裏当て部材５１及びワークＷの表面法線を接合ツール中心軸線に対して傾斜させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合ツールをワークに押し付けつつ回転させることにより、前記接合ツールと前記ワークの接触点に摩擦熱を発生させて当該接触点の周囲の材料を軟化させると共に攪拌し、それにより前記接合ツールを前記ワークに没入させる押し込み動作と、前記押し込み動作後、前記接合ツールを前記ワークの表面方向に移動させるオフセット動作とを行うことで前記ワークを線状に接合する摩擦攪拌接合装置であって、
前記接合ツールをその中心軸線まわりに回転させる旋回軸と、前記接合ツールを前記ワークに接近及び離間させる加圧軸と、前記接合ツールを前記加圧軸の軸線と直交する方向である前記ワークの表面方向に直線移動させるオフセット軸と、前記接合ツールと対向して、前記接合ツールの押し込み動作時及びオフセット動作時にワークを支持する裏当て部と、前期加圧軸と接続される基端部と前記裏当て部が接続される先端部と、前記基端部と前期先端部とをＬ字形またはＣ字形で接続する胴部とからなるアームと、を備え、前記加圧軸は、前記アームの基端部に結合された本体部と、該本体部に対して加圧方向にスライドする可動部を有し、前記オフセット軸は、その軸線方向が前記加圧軸に直交し、前記加圧軸の可動部に搭載された本体部と、該本体部に対して直交する方向にスライドする可動部とを有し、前記旋回軸は、前記オフセット軸の可動部に搭載された本体部と、前記裏当てに保持された前記ワークに先端が対向するように前記接合ツールを保持した回転部とを有し、且つ、前記加圧軸の軸線と前記オフセット軸の軸線が成す平面に直交する旋回軸を有する傾斜角度調整機構を前記裏当て部または前記アーム部に設けることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項２】
請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置について、前記裏当て部または前記アーム部は分割され、前記傾斜角度調整機構によって互いに係合されていることを特徴する摩擦攪拌接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合ツールをワークの表面に押し付けつつ回転させることにより、接合ツールとワークの接触点に摩擦熱を発生させて、該接触点の周囲のワークを軟化させ、軟化したワークの内部に接合ツールの先端を入り込ませてワークを接合する摩擦攪拌接合装置について、特に接合ツールをワークの内部に入り込ませた後、接合ツールをワークの表面方向に移動させるオフセット動作を行うオフセット接合を行うオフセット摩擦攪拌接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
重ね合わせたワークに接合ツールを没入させて攪拌し接合を行う摩擦攪拌接合について、接合強度を増大させる方法として、攪拌させつつ接合ツールをワーク表面方向に移動させることで、攪拌領域を拡大する方法が知られている。接合ツールをワーク表面方向に移動させる際、ワークに対する接合ツールの没入量を一定とした場合、接合ツールを移動時に攪拌したワークの中にボイドを生じ、接合強度の低下や、接合部の外観を損ねる虞がある。ボイドの発生を防止する方法として、接合ツールを一定の力でワークに押し付ける方法が知られているが、接合ツールの移動と共に接合ツールがワークの中に入り込み、接合ツールの移動始点よりも、移動終端で接合ツールの押し込み量が増えてしまう。これにより、例えば薄板のワークを接合する際に、接合ツールがワークを突き破ってしまう虞がある。
これを解決する発明として、特許文献１では、図５に示すように接合ツールの中心軸線をワークの法線に対してツール前進方向の反対方向に数度傾斜させることで接合品質を向上させる発明が記載されている。また、特許文献２に記載では、図６に示すように、接合ツールの傾斜角度を油圧機構により調整する発明が記載されている。また、特許文献３には、図７に示すように、工作機械を用いた摩擦攪拌接合に於いて、ワーク接合平面の法線をツールの中心軸線に対して傾斜させて摩擦攪拌接合を行う発明が記載されている。さらに、特許文献４には、図８に示すように、接合ツールと接合ツールの駆動、支持機構を傾斜させてワーク接合平面の法線と、ツールの軸線との角度を調整する機構が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許２７９２２３３号公報
【特許文献２】特開２００１−１９８６８３号公報
【特許文献３】特許３５７５７４８号公報
【特許文献４】特許３９２９１１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１、２、４では、ワーク接合法線とツールとの角度を調整する為に、ツールと同時にツールを駆動、支持するスピンドル、シャフト、モータを含むツールの回転部を傾斜させている為、傾斜角度の調整機構装置全体が大きく、重くなるという課題がある。また、特許文献３では、工作機械を用いて摩擦攪拌接合を行うものであり、装置が大掛かりとなり、用途が限定されるという課題がある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、大型化及び重量化せずに、ワーク接合平面の法線とツール中心軸線との角度を調整する機構を設けた摩擦攪拌接合装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前述した目的は、以下の態様により達成される。
（１）接合ツールをワークに押し付けつつ回転させることにより、前記接合ツールと前記ワークの接触点に摩擦熱を発生させて当該接触点の周囲の材料を軟化させると共に攪拌し、それにより前記接合ツールを前記ワークに没入させる押し込み動作と、前記押し込み動作後、前記接合ツールを前記ワークの表面方向に移動させるオフセット動作とを行うことで前記ワークを線状に接合する摩擦攪拌接合装置であって、
前記接合ツールをその中心軸線まわりに回転させる旋回軸と、前記接合ツールを前記ワークに接近及び離間させる加圧軸と、前記接合ツールを前記加圧軸の軸線と直交する方向である前記ワークの表面方向に直線移動させるオフセット軸と、前記接合ツールと対向して、前記接合ツールの押し込み動作時及びオフセット動作時にワークを支持する裏当て部と、前期加圧軸と接続される基端部と前記裏当て部が接続される先端部と、前記基端部と前期先端部とをＬ字形またはＣ字形で接続する胴部とからなるアームと、を備え、前記加圧軸は、前記アームの基端部に結合された本体部と、該本体部に対して加圧方向にスライドする可動部を有し、前記オフセット軸は、その軸線方向が前記加圧軸に直交し、前記加圧軸の可動部に搭載された本体部と、該本体部に対して直交する方向にスライドする可動部とを有し、前記旋回軸は、前記オフセット軸の可動部に搭載された本体部と、前記裏当てに保持された前記ワークに先端が対向するように前記接合ツールを保持した回転部とを有し、且つ、前記加圧軸の軸線と前記オフセット軸の軸線が成す平面に直交する旋回軸を有する傾斜角度調整機構を前記裏当て部または前記アーム部に設けることを特徴としている。
（２）上記(１)に属する摩擦攪拌接合装置であり、前記裏当て部または前記アーム部は分割され、前記傾斜角度調整機構によって互いに係合されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００６】
上記に記載の発明によれば、オフセット接合を行う摩擦攪拌接合装置について、重量増と大型化を抑制しつつ、オフセット接合の強度と品質を向上させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明による同摩擦攪拌接合装置である。
【図２】図１の矢印IIからみた矢視図である。
【図３】同摩擦攪拌接合装置の加圧軸を構成するボールねじ一体型直動案内ユニットの断面図である。
【図４】オフセット動作を伴う摩擦攪拌接合時の接合ツールの軌跡を示す図である。
【図５】特許文献１に記載の摩擦攪拌接合装置を示す図である。
【図６】特許文献２に記載の摩擦攪拌接合装置の一部を示す図である。
【図７】特許文献３に記載の摩擦攪拌接合装置の一部を示す図である。
【図８】特許文献４に記載の摩擦攪拌接合装置の一部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に、本発明の実施形態の摩擦攪拌接合装置について説明する。
【０００９】
図１、図２に示すように、本実施形態の摩擦攪拌接合装置Ｍ１は、摩擦攪拌接合のための接合ツール１をワークＷ（図１参照）に接近、離間させる加圧軸２と、接合ツール１を加圧軸２と略直交する方向に直線移動させるオフセット軸３と、接合ツール１をその中心軸線Ｑまわりに回転させる旋回軸４と、Ｃ字形のアーム５０（以下、Ｃ字形アーム５０と呼称）と、を備えている。
【００１０】
Ｃ字形アーム５０は、互いに直交する２方向をＸ方向とＹ方向とすると、基端部５０ａからＸ方向に延びる胴部５０ｂを経て曲がり部を介して先端部５０ｃに至るＣ字形をなしており、基端部５０ａと胴部５０ｂと先端部５０ｃとがＸ−Ｙ平面上に位置するように形成され、先端部５０ｃの内側に裏当て部材５２が設けられている。
【００１１】
加圧軸２は、互いに直交するＸ軸（Ｘ方向に相当）とＹ軸（Ｙ方向に相当）のうちのＸ軸として設定され、オフセット軸３はＹ軸として設定されている。即ち、加圧軸２の軸線方向がＸ方向に設定され、オフセット軸３の軸線方向がＹ方向に設定されている。
【００１２】
この場合の加圧軸２は、Ｃ字形アーム５０の基端部５０ａに結合された案内レール１３と、該案内レール１３に沿ってＸ方向にスライドするスライダ１４とを有している。また、オフセット軸３は、加圧軸２のスライダ１４に搭載された案内レール１１３と、該案内レール１１３に沿ってＹ方向にスライドするスライダ１１４とを有している。また、旋回軸４は、オフセット軸３のスライダ１１４に搭載された旋回軸ブラケット４８と、Ｃ字形アーム５０の裏当て部材５２に保持されたワークＷに先端が対向するように接合ツール１を保持したスピンドル３０とを有している。
【００１３】
ここで、加圧軸２には、ボールねじ一体型直動案内ユニット１０が用いられている。このボールねじ一体型直動案内ユニット１０は、図３に示すように、直動案内軸受１１とボールねじ１２の組み合わせで構成されている。直動案内軸受１１は、断面が略Ｕ字状に形成された案内レール１３と、案内レール１３のＵ字状の凹部内に配置されたスライダ１４と、案内レール１３とスライド１４の間に配置された複数の転動体１５と、を備えている。案内レール１３は、スライダ１４と対向配置される各軸部１３Ａの内側面に転動面１６Ａを有し、スライダ１４は、案内レール１３の転動面１６Ａに対向配置される転動面１６Ｂを有しており、案内レール１３の転動面１６Ａとスライダ１４の転動面１６Ｂとの間に転動体１５が介在され、それにより、スライダ１４と案内レール１３とが相対的に直線移動可能とされている。
【００１４】
この場合、案内レール１３の転動面１６Ａとスライダ１４の転動面１６Ｂとの間には、転動体１５の移動する転動通路１６が、左右それぞれ上下に二列を一対とし、全体で２対四列形成されている。スライダ１４には、転動体１５の戻し通路１６Ｄと、戻し通路１６Ｄと転動通路１６とを連通する不図示の方向転換路とが形成され、転動体１５が、転動通路１６と方向転換路と戻し通路１６Ｄとから構成される無限循環路を循環するようになっている。
【００１５】
また、ボールねじ１２は、案内レール１３と平行に形成されたボールねじナット１７と、ボールねじナット１７を貫通するボールねじ軸１８と、ボールねじナット１７の螺旋溝とボールねじ軸１８の螺旋溝との間に配置された複数のボール１９と、を備えている。そして、ボールねじ一体型直動案内ユニット１０は、ボールねじ１２の要素であるボールねじナット１７を直動案内軸受１１の要素であるスライダ１４に直接形成することにより、ボールねじ１２と直動案内軸受１１とを一体に備えた機構部品として構成されている。
【００１６】
また、オフセット軸３には、直動案内軸受１１０Ａとボールねじ１１０Ｂを組み合わせたボールねじ一体型直動案内ユニット１１０が用いられている。直動案内軸受１１０Ａは、間に空所を隔てて互いに平行に配された２本のレール部１１３Ａ、１１３Ａを有する案内レール１１３と、案内レール１１３の各レール部１１３Ａ、１１３Ａに案内されてスライドする２つのスライド部１１４Ａ、１１４Ａを有するスライダ１１４と、各レール部１１３Ａ、１１３Ａとスライド部１１４Ａ、１１４Ａとの間に配置された不図示の複数の転動体とを備えており、案内レール１１３の端部が、加圧軸２を構成するボールねじ一体型直動ユニット１０のスライダ１４に結合されることで、案内レール１１３の２本のレール部１１３Ａ、１１３ＡがＹ方向に平行に延びている。これら２本のレール部１１３Ａ、１１３Ａは、後述する旋回軸モータ４４の両側に配されており、旋回軸モータ４４は２本のレール部１１３Ａ、１１３Ａの間の空所に収容されている。
【００１７】
また、ボールねじ１１０Ｂは、案内レール１１３の側方に配置されており、案内レール１１３のレール部１１３Ａ、１１３Ａと平行に形成されたボールねじナット（不図示）とボールねじナットを貫通するボールねじ軸１１８と、ボールねじナットの螺旋溝とボールねじ軸１１８の螺旋溝との間に配置された複数のボール（不図示）とを備えている。そして、ボールねじ軸１１８を回転させることにより、スライダ１１４を案内レール１１３のガイドによりＹ方向に直線移動できるようになっている。
【００１８】
また、加圧軸２のスライダ１４及びオフセット軸３のスライダ１１４は、それぞれ加圧軸２のボールねじ１２及びオフセット軸３のボールねじ１１０Ｂによって駆動され、加圧軸２のボールねじ１２及びオフセット軸３のボールねじ１１０Ｂは、それぞれベルト４１Ａ、４１Ｂを介して加圧軸モータ４２及びオフセット軸モータ４３によって駆動される。
【００１９】
オフセット軸３を構成する直動案内軸受１１０Ａのスライダ１１４には、旋回軸ブラケット４８を介して、接合ツール１を回転自在に装着したスピンドル３０が固定されている。接合ツール１は、旋回軸４を構成するスピンドル３０によってツールホルダ３５を介して回転自在に保持され、円柱状のツール基部１ａと、ツール基部下面端のショルダ部１ｂから下方に突出するツール基部１ａより小さい外径のツールピン１ｃとを備えて構成されている。スピンドル３０は、複数の軸受３１と、軸受３１を収容するスピンドルハウジング３２と、軸受３１によって回転自在に保持されたスピンドルシャフト３３とによって構成され、スピンドルシャフト３３の接合ツール１側には、接合ツール１を着脱可能に保持して旋回軸モータ４４によって駆動される。
【００２０】
また、図１に示すように、裏当て部１又はアーム部５０に、裏当て部材５１がＸ−Ｙ平面で旋回可能な角度調整機構６１を設ける。
【００２１】
このように構成された摩擦攪拌接合装置Ｍ１は、接合ツール１と裏当て部材５２の間にワークＷを挟むことで、ワークＷに対して接合ツール１により加圧力を作用させることができるようになっており、接合ツール１をワークＷに押し付けつつ回転させることにより、接合ツール１とワークＷの接触点に摩擦熱を発生させて当該接触点の周囲の材料を軟化させると共に攪拌し、それにより接合ツール１をワークＷに没入させる押し込み動作と、押し込み動作の後、接合ツール１をワークＷの表面方向（図１のＹＡ方向）に移動させるオフセット動作とを行うことで積層されたワークＷを線状に接合する。接合ツール１は、所定の押し込み力を維持しつつ移動し、その際、裏当て部材５２はオフセット方向に傾斜させる。傾斜させる角度は、図４に示すように、裏当て部材の傾斜が無い場合のオフセット動作を行う接合ツール１の始点と終点との没入量の差Ｘと、オフセット動作距離Ｌによって生じる接合ツール１の先端の軌跡Ｔｐとの、ワーク表面との成す角θとする。θは事前に求め、裏当て部材５２を、角度調整機構６１によってθ傾けておく。これにより、オフセット動作時の接合ツール１の押し込み力と接合ツール1の没入量を一定にすることで、接合部でのボイドの発生を防止し、接合部の強度と、外観品質を向上することが出来る。
【００２２】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。
【００２３】
角度調節機構６１の位置は、上述の実施形態では裏当て部材の取付け部付近に設けられているが、裏当て部材５２の角度を調整することが可能であれば、例えばアーム部に設けられていても良い。
【００２４】
また、角度調整機構６１の角度調整方法は、ボルト止めによる調整、固定や、サーボモータ等による自動調整機構のいずれでも良い。
【００２５】
また、摩擦攪拌接合装置Ｍ１のオフセット軸３のオフセット動作方向は加圧軸２に直交する方向であればどの方向でも良い。例えば、図２における左右方向に接合ツール１をオフセット動作させるようにオフセット軸３を配置しても良い。その際、角度調整機構６１の角度調整の方向は、オフセット軸３のオフセット動作方向に対して傾斜可能に配置される。
【００２６】
また、上記実施形態では、加圧軸モータ４２及びオフセット軸モータ４３の動力を加圧軸２やオフセット軸３のボールねじ１８に伝達する方式にベルト方式を採用していたが、カップリングやギヤを介して加圧軸モータ４２及びオフセット軸モータ４３によりボールねじ１８を直結駆動してもよい。カップリングを介して直結駆動することで、より高応答な制御が可能となる。
【符号の説明】
【００２７】
Ｍ１：摩擦攪拌接合装置
１  ：接合ツール
２  ：加圧軸
３  ：オフセット軸
１３：案内レール（本体部）
１４：スライダ（可動部）
３０：スピンドル（回転駆動手段）
３５：ツールホルダ(ツール保持部)
５０：Ｃ字形アーム
５０ａ：基端部
５０ｂ：胴部
５０ｃ：先端部
５２：裏当て部材
６１：傾斜角度調整機構
６５：架台
６６：直動案内装置
６７：ばね部材（付勢部材）
１１３：案内レール（本体部）
１１４：スライダ(可動部)
Ｌ  ：オフセット移動量
Ｔｐ：接合ツール先端の軌跡
Ｗ  ：ワーク  
Ｘ  ：オフセット動作前後での接合ツールのワークに対する没入量
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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