(57)【要約】【課題】ワークに対する傷の発生を抑制しつつ、裏当て部材に対する前記ワークのすべりを検出可能な摩擦攪拌接合装置を提供する。【解決手段】接合ツールをワークの表面に押し付けつつ回転させて、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、接触点周囲のワークを軟化させると共に攪拌し、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の後に、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について、前記摩擦攪拌接合装置には、前記押し込み動作を行う加圧軸の加圧荷重を測定する手段と、前記オフセット動作を行うオフセット軸のオフセット荷重を測定する手段と、前記加圧荷重と前記オフセット荷重との関係がワーク接合時において正常な範囲か判定し、前記関係が正常な範囲から外れた時に摩擦攪拌接合装置を停止するための停止信号を出力する判定手段を有する。【選択図】図１
2014046334.tif 000002
【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、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において、
前記押し込み動作を行う加圧軸の加圧荷重を測定する手段と、前記オフセット動作を行うオフセット軸のオフセット荷重を測定する手段と、前記加圧荷重と前記オフセット荷重との関係がワークの接合時において正常な範囲か判定し、前記関係が正常な範囲から外れた時に前記摩擦攪拌接合装置を停止するための停止信号を出力する判定手段とを有することを特徴と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関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、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、接合ツールとワークの接触点に摩擦熱を発生させて接触点の周囲の材料を軟化させると共に攪拌し、接合ツールをワークに没入させ、没入後、接合ツールをスイングさせることによりワークを線状に接合する摩擦攪拌接合装置が記載されている。
【０００３】
この摩擦攪拌接合装置３００は、図５に示すように、Ｌ字形のアーム３０１の基端部３０１ａに接合ヘッド３０２が固定されており、接合ヘッド３０２が下降して接合ツール３０３が、アーム３０１の先端部３０１ｂ側に保持されたワーク３０４に所定の深さまで押し込まれたときに、接合ヘッド３０２がスイング軸３０５を支点にして矢印３０６の方向にスイングするように構成されている。
【０００４】
また、摩擦攪拌接合装置３００には、ワーク押さえ３１０とばね３１１とが設けられており、ワーク３０４にワーク押さえ３１０が接触後、更に接合ヘッド３０２が下降しても、ワーク押さえ３１０はばね３１１の伸縮によりワーク３０４に弾性接触した状態を保持する。これにより、ワーク押さえ３１０はワーク３０４を傷付けることなく、所定の力でワーク３０４を押さえることが記載されている。
【０００５】
一方、特許文献２に記載の摩擦攪拌接合装置４００では、図６に示すように、裏当て部材４５２として溝を設けた回転部材を用いており、回転部材を回転運動することでワーク４０４を移動させ、接合ツール４０２でワーク４０４を線状に接合することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許４５１１５２６号公報
【特許文献２】特許４６２８７７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に示された摩擦攪拌接合装置３００では、ワーク押さえ３１０を設けているため装置の重量及び体積が増加してしまう。また、積み重ねられた上側ワークの上面の形状が、曲面などの複雑な形状を有する場合、ワーク押さえ３１０の形状を変える必要がある。
【０００８】
また、特許文献２に記載の摩擦攪拌接合装置４００では、上記したように裏当て部材４５２としての回転部材に溝を設けることでワーク４０４と回転部材の接触面との摩擦力を向上させている。しかしながら、裏当て部材４５２が鋼材等で構成されている場合、アルミニウムなどの柔らかいワーク４０４を接合すると、接合ツール４０２をワーク４０４に没入するツール没入領域を接合ツール４０２側から裏当て部材４５２側に投影した領域では、接合ツール４０２より受ける加圧力によって、積み重ねられた下側ワークの裏面が溝に圧入され、傷のような跡が残ることが懸念される。
【０００９】
また、裏当て部材４５２がワーク４０４より柔らかい部材（ゴム等）の場合、接合ツール４０２より受ける加圧力により溝が変形し、傷のような跡は残らない可能性もあるが、変形を伴うためワーク４０４に接合ツール４０２を没入させる量の調整が困難になる。
【００１０】
そのため、裏当て部材４５２は、平面且つ硬く剛性が高い素材を用いるのが望ましいが、そうすると裏当て部材４５２に対してワーク４０４と裏当て部材４５２との間ですべりを生じる虞がある。すべりが発生するとワーク接合部の接合強度が低下してしまう。
【００１１】
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、裏当て部材に対しワークのすべりを検出可能な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】
【００１２】
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、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において、
前記押し込み動作を行う加圧軸の加圧荷重を測定する手段と、前記オフセット動作を行うオフセット軸のオフセット荷重を測定する手段と、前記加圧荷重と前記オフセット荷重との関係が、ワークの接合時において正常な範囲か判定し、前記関係が正常な範囲から外れた時に前記摩擦攪拌接合装置を停止するための停止信号を出力する判定手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
上記に記載の発明によれば、オフセット動作を伴う摩擦攪拌接合において、接合ツールの加圧不良、または、接合ツールのオフセット不良によるワークのすべりが発生した場合に、加圧軸及びオフセット軸に働く荷重が所定の範囲から外れたことを検知することにより、ワークのすべりを検出することができる。これにより、すべりに起因して所望の接合強度が得られない不良品の発生及び接合位置のずれた不良品の発生を即座に把握することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】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２】図２の矢印IIからみた矢視図である。
【図３】ワークすべりの判定基準を示す図である。
【図４】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５】特許文献１に記載の摩擦攪拌接合装置を示す側面図である。
【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斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明の実施形態の摩擦攪拌接合装置について、図に基づいて説明する。
【００１６】
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。
【００１７】
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。図中、符号５１は、加圧圧力検出手段である。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。また、ボールねじナットとスライダ１１４の間にオフセット力の検出手段１１９を有する。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
また、この摩擦攪拌接合装置Ｍ１では、接合ツール１の中心軸線Ｑが加圧軸２の軸線（Ｘ軸）に対して所定の角度だけ傾斜している。傾斜の方向は、オフセット動作において、接合ツール１をオフセット（進行）させる矢印ＹＡ方向である。このように接合ツール１を傾斜させることにより、オフセット動作時の接合ツール１の進行方向に対して、接合ツール１のショルダ部１ｂをワークＷに対して向い角を持って接触させることができるようになる。それにより、流動化したワークＷの材料が、接合ツール１のショルダ部１ｂに対してクサビ状に流れ込む作用が発生し、加圧軸２を大きく移動することなく、ワークＷへの加圧力を保持することができるようになる。
【００２８】
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（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。
【００２９】
この摩擦攪拌接合装置Ｍ１における押し込み動作及びオフセット動作は、ワークＷと裏当て部材５２の素材同士の静止摩擦係数により、すべりが発生しないとされる接合パラメータ（ツール没入方向の加圧力、オフセット力、オフセット軸速度等）の範囲内にて行なわれる。
【００３０】
図４はオフセット接合時において没入方向加圧力とオフセット軸荷重が正常な範囲かどうかを判定する方法を説明するものである。
接合ツールをある没入方向加圧力でワークに押し付けたとき、に裏当てとワークに生じる摩擦力は、裏当てとワークとの間の摩擦係数と没入方向加圧力との積で表される。この摩擦力を図４に２０１としてプロットすると、摩擦力２０１より上の領域２０２では裏当てとワークとの間にすべりが生じず、摩擦力２０１より下の領域２０３ではすべりが生じると判断出来る。
また、ワークＷの成型等に用いる潤滑油、防錆油等の脱脂が不完全な場合、洗浄剤の乾燥が不充分等の理由でワークＷと裏当て部材５２間に液体が浸入した場合、及び摩擦攪拌接合装置Ｍ１やワークＷに異常な振動が加わった場合等において、すべり発生の確率が上昇することを考慮し、領域２０２の範囲内で、例えば、没入方向加圧力の適正な範囲を定め、これを元にすべりが生じないオフセット荷重の範囲を設定し、これを適切な範囲２０４と設定する。そして、加圧圧力検出手段５１および、オフセット軸力検出手段１１９により測定された没入方向加圧力とオフセット軸荷重との関係を図４のグラフ上にプロットし、プロットした点が適切な範囲２０４の領域内に収まっているかどうかを監視する。プロットした点が適切な範囲２０４の領域内であれば、オフセット接合が正常に行なわれていると判断し、プロットした点が適切な範囲２０４の外にある場合はすべり等の異常は生じているものと判断し、例えば停止信号の出力等によって摩擦攪拌接合装置を停止させる。
【００３１】
このように、すべり検出機能が設けられた摩擦攪拌接合装置Ｍ１においては、加圧圧力検出手段５１および、オフセット軸力検出手段１１９により測定された没入方向加圧力とオフセット軸荷重との関係が適切な範囲かどうかを監視することで、すべりの発生を検出し、摩擦攪拌接合装置Ｍ１を停止させることで、ワークすべりに起因した接合強度不足や、接合位置のずれと云った接合不良を即座に把握することができる。
【００３２】
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。
【００３３】
また、上記実施形態では、直動案内軸受１１を方向転換路と戻し通路１６Ｄとを備えて転動通路１６に転動体１５を循環させる方式の直動案内軸受としたが、これに限定されず、転動体１５を循環させる機構を備えない非循環方式の直動案内軸受としてもよい。
【００３４】
また、上記実施形態では、接合ツール１の中心軸線Ｑを加圧軸２の軸線に対して傾斜させたが、これに限定されず、接合ツール１の中心軸線Ｑを加圧軸２の軸線と平行に設定してもよい。
【００３５】
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】
【００３６】
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
６０：すべり検出機構
６１：すべり検出子
６４：移動検知手段
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)
２０１：ワークと裏当て部材との間に生じる摩擦力
２０２：ワークと裏当てとがすべらない領域
２０３：ワークと裏当てとがすべりを生じる領域
２０４：適性なオフセット接合を行うための没入方向圧力、オフセット荷重の範囲
Ｗ  ：ワーク  
【図１】
2014046334.tif 000003
【図２】
2014046334.tif 000004
【図３】
2014046334.tif 000005
【図４】
2014046334.tif 000006
【図５】
2014046334.tif 000007
【図６】
2014046334.tif 000008