(57)【要約】【課題】異形材同士の摩擦接合であってもバリの発生を抑制するとともに接合強度の向上を図ることができる、摩擦接合装置を提供する。【解決手段】本発明の第一実施形態に係る摩擦接合装置１は、接合部材２と被接合部材３とを接合面Ｓで当接させた状態で相対的に摺動させて接合する摩擦接合装置であって、接合部材２の外面に固定される拘束部材４を備え、拘束部材４は、接合部材２を挿入可能な空間を形成する中空部４１と、接合面Ｓ側に形成され中空部４１から外方に向かって拡張した空間を形成する拡張部４２と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合部材と被接合部材とを接合面で当接させた状態で相対的に摺動させて接合する摩擦接合装置において、
前記接合部材の外面に固定される拘束部材を備え、
前記拘束部材は、前記接合部材を挿入可能な空間を形成する中空部と、前記接合面側に形成され前記中空部から外方に向かって拡張した空間を形成する拡張部と、を含む、
ことを特徴とする摩擦接合装置。
【請求項２】
前記拡張部は、断面積が指数関数的に増加する形状、断面積が一定の比率で増加する形状又は断面積が段階的に増加する形状の何れか一つである、請求項１に記載の摩擦接合装置。
【請求項３】
前記拘束部材は、前記接合部材よりも高い強度を有する、請求項１に記載の摩擦接合装置。
【請求項４】
前記拘束部材は、前記拡張部に隣接する外面に配置された切刃を備える、請求項１に記載の摩擦接合装置。
【請求項５】
前記拘束部材は、前記拡張部を含む部分が前記中空部を含む部分に対して着脱可能に構成されている、請求項１に記載の摩擦接合装置。
【請求項６】
前記被接合部材の外面に固定される第二拘束部材を備え、前記第二拘束部材は、前記被接合部材の外面に当接可能な空間を形成する中空部と、前記接合面側に形成され前記中空部から外方に向かって拡張した空間を形成する拡張部と、を含む、請求項１に記載の摩擦接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦接合装置に関し、特に、接合部におけるバリの発生を抑制することができる摩擦接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
摩擦接合は、接合部材同士を当接させ、一方の接合部材を他方の接合部材（被接合部材）に対して摺動させることで摩擦熱を発生させ、接合面近傍を軟化させて接合する技術である。摩擦接合には、接合部材を回転させて接合する回転摩擦接合、接合部材を直線的に変位させて接合する線形摩擦接合、接合部材を超音波で振動させて接合する超音波摩擦接合等、種々の接合方法がある。
【０００３】
ところで、かかる摩擦接合では、昇温された接合部材が接合面で押圧されていることから、接合部材の先端部の外周にはバリが発生する。このバリが生じた部分は、接合面から離れてしまうため相手方の接合部材（被接合部材）に接合することができず、接合面に対して不連続な部分を形成することとなる。したがって、バリが生じた部分は接合欠陥を生じやすい。また、バリは外観的にも好ましくないため、摩擦接合後にバリを除去する処理が必要である。
【０００４】
ここで、特許文献１及び特許文献２には、接合部材の接合面近傍の外周を治具で囲繞し、一方の接合部材を他方の接合部材に対し回転させて接合を行う際、接合面の周囲に発生するバリを治具の空間部に閉じ込めることにより、バリを押さえ込んで接合強度を向上させるようにした摩擦接合装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−５２４２９号公報
【特許文献２】特開２００９−２６９０３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した特許文献１，２に記載された発明では、発生したバリを単に治具の空間に閉じ込めているに過ぎず、バリが生じた部分において十分な接合強度を期待することはできない。また、これらの発明では、接合面の外周を治具で囲繞する構成であることから、接合面の形状が異なる異形材同士の摩擦接合（例えば、スタッド摩擦接合等）には、治具を使用できない、治具の作成が困難である等の問題を生じる。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑み創案されたものであり、異形材同士の摩擦接合であってもバリの発生を抑制するとともに接合強度の向上を図ることができる、摩擦接合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】
【０００８】
本発明によれば、接合部材と被接合部材とを接合面で当接させた状態で相対的に摺動させて接合する摩擦接合装置において、前記接合部材の外面に固定される拘束部材を備え、前記拘束部材は、前記接合部材を挿入可能な空間を形成する中空部と、前記接合面側に形成され前記中空部から外方に向かって拡張した空間を形成する拡張部と、を含むことを特徴とする摩擦接合装置が提供される。
【０００９】
前記拡張部は、断面積が指数関数的に増加する形状であってもよいし、断面積が一定の比率で増加する形状であってもよいし、断面積が段階的に増加する形状であってもよい。
【００１０】
また、前記拘束部材は、前記接合部材よりも高い強度を有していてもよい。
【００１１】
また、前記拘束部材は、前記拡張部に隣接する外面に配置された切刃を備えていてもよい。
【００１２】
また、前記拘束部材は、前記拡張部を含む部分が前記中空部を含む部分に対して着脱可能に構成されていてもよい。
【００１３】
また、前記摩擦接合装置は、前記被接合部材の外面に固定される第二拘束部材を備え、前記第二拘束部材は、前記被接合部材の外面に当接可能な空間を形成する中空部と、前記接合面側に形成され前記中空部から外方に向かって拡張した空間を形成する拡張部と、を含んでいてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
上述した本発明に係る摩擦接合装置によれば、先端に拡張部を備えた拘束部材を接合部材の外面に固定したことにより、摩擦接合時に接合部材が軟化して外方に拡径した場合であっても、拘束部材の拡張部で封じ込むことができるとともに、軟化した接合部材を接合面に押し付けて摩擦接合することができる。また、前記拘束部材は、バリが発生する側の接合部材にのみ配置することもできる。したがって、本発明に係る摩擦接合装置によれば、異形材同士の摩擦接合であってもバリの発生を抑制するとともに接合強度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第一実施形態に係る摩擦接合装置の概略構成図である。
【図２】拘束部材の作用を示す説明図であり、（ａ）は摩擦接合初期段階、（ｂ）摩擦接合終期段階、を示している。
【図３】拘束部材の変形例を示す断面図であり、（ａ）は第一変形例、（ｂ）は第二変形例、（ｃ）は第三変形例、を示している。
【図４】拘束部材の第四変形例を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は図４（ａ）におけるＢ矢視図、（ｃ）は図４（ｂ）におけるＣ矢視図、（ｄ）は図４（ｂ）におけるＤ矢視図、を示している。
【図５】本発明の第二実施形態に係る摩擦接合装置に用いられる拘束部材を示す断面図であり、（ａ）は摩擦接合初期段階、（ｂ）は摩擦接合終期段階、を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図１〜図５（ｂ）を用いて説明する。ここで、図１は、本発明の第一実施形態に係る摩擦接合装置の概略構成図である。図２は、拘束部材の作用を示す説明図であり、（ａ）は摩擦接合初期段階、（ｂ）摩擦接合終期段階、を示している。なお、図２（ａ）及び図２（ｂ）において、摩擦接合装置のうち拘束部材以外の構成部品の図を省略してある。
【００１７】
本発明の第一実施形態に係る摩擦接合装置１は、図１に示したように、接合部材２と被接合部材３とを接合面Ｓで当接させた状態で相対的に摺動させて接合する摩擦接合装置であって、接合部材２の外面に固定される拘束部材４を備え、拘束部材４は、接合部材２を挿入可能な空間を形成する中空部４１と、接合面Ｓ側に形成され中空部４１から外方に向かって拡張した空間を形成する拡張部４２と、を備えている。なお、図１において、斜線を引いた部分はその部分の断面を示している。
【００１８】
また、摩擦接合装置１は、例えば、被接合部材３上に配置される支持部材５と、支持部材５に配置され図の上下方向にヘッド６１を移動させる直進駆動装置６と、ヘッド６１に配置され接合部材２を回転させる回転駆動装置７と、を備えている。なお、図示した摩擦接合装置１の構成は、被接合部材３の広い平面上に細長い円柱形状の接合部材２を摩擦接合するスタッド摩擦接合の場合を想定したものである。
【００１９】
接合部材２及び被接合部材３の材質は、一般に金属であるが、摩擦接合可能であれば金属以外の材質であってもよい。
【００２０】
支持部材５は、被接合部材３の平面に接合部材２の先端を当接させながら摩擦接合する状態を保持することができればよく、図示した構成に限定されるものではない。例えば、支持部材５は、被接合部材３が載置された床面上に配置されていてもよい。直進駆動装置６は、例えば、エアシリンダ、油圧シリンダ、電動シリンダ等のアクチュエータである。
【００２１】
回転駆動装置７は、ヘッド６１に配置された駆動モータ７１と、駆動モータ７１によって回転されるシャフト７２と、シャフト７２の先端に配置された把持部７３と、を備えている。駆動モータ７１とシャフト７２との間には、歯車駆動機構、ベルト駆動機構、チェーン駆動機構等の動力伝達手段を介在させるようにしてもよい。また、図示しないが、駆動モータ７１の出力軸にシャフト７２を直接的に接続するようにしてもよい。
【００２２】
把持部７３は、接合部材２及び拘束部材４を把持する部分である。把持部７３は、いわゆるコレットチャック機構を採用した構成であってもよいし、拘束部材４をボルトやピン等の締結具で固定する構成であってもよいし、拘束部材４を螺合させることによって固定する構成であってもよい。
【００２３】
拘束部材４は、略円筒形状を有するスリーブである。拘束部材４は、例えば、軸心に沿って複数の分割片に分割可能な構成であってもよい。拘束部材４を分割可能に構成した場合には、接合部材２に拘束部材４を容易に固定することができる。このとき、接合部材２を挿入した状態で分割片をボルト等の締結具で接続するようにしてもよい。
【００２４】
また、拘束部材４は、軸心に沿って形成された複数のスリット（図示せず）を有していてもよい。拘束部材４にスリットを形成した場合には、把持部７３がコレットチャック機構を有している場合に最適である。この場合、拘束部材４に接合部材２を挿入した後、把持部７３に拘束部材４を装着することによってスリットが締め付けられ、拘束部材４は接合部材２の外面に強固に固定される。
【００２５】
拘束部材４の軸心部には接合部材２を挿入する中空部４１が形成されている。中空部４１は、接合部材２の外形に適合した面を有するように形成される。また、中空部４１に接合部材２と係合するキー溝や突起を形成するようにしてもよい。例えば、接合部材２の外面に突起が形成されている場合には中空部４１にキー溝が形成され、接合部材２の外面に溝が形成されている場合には中空部４１に突起が形成される。かかる構成により、摩擦接合時における接合部材２の回転方向の滑りを抑制することができる。
【００２６】
中空部４１の先端部には全体が径方向に広がった拡張部４２が形成されている。拡張部４２は、例えば、断面積が指数関数的に増加する形状、いわゆるラッパ形状を有している。拡張部４２の周面形状を画定する母線は、例えば、Ｒ形状又はフィレット形状に設計される。かかる構成により、摩擦接合時に軟化して拡径した接合部材２を拘束部材４の拡張部４２内に封じ込むことができる。
【００２７】
また、拘束部材４は、接合部材２よりも高い強度を有する素材により構成されていてもよい。かかる構成により、接合部材２の外面に拘束部材４を固定した状態で摩擦接合した場合であっても、拘束部材４の変形を抑制することができる。また、摩擦接合完了後に接合部材２から拘束部材４を取り外しやすくするために、拘束部材４の内面（中空部４１及び拡張部４２）に離型剤をコーティング又は塗布するようにしてもよい。離型剤としては、例えば、ＤＬＣ (Diamond-Like Carbon)、セラミックス、ｈ−ＢＮ（六方晶窒化硼素）、滑石粉等を使用することができる。
【００２８】
また、拘束部材４は、接合部材２よりも熱容量の大きな素材により構成されていてもよいし、接合部材２よりも熱膨張率の小さい素材により構成されていてもよい。かかる構成により、摩擦接合時に接合部材２が昇温した場合であっても、拘束部材４の熱変形や熱膨張を抑制することができ、拘束部材４の拘束力を保持することができる。
【００２９】
上述した摩擦接合装置１を使用して摩擦接合する場合には、拘束部材４の中空部４１に接合部材２を挿入し、接合部材２に拘束部材４を固定する。このとき、図２（Ａ）に示したように、接合部材２の先端部分を拘束部材４の先端部よりも少なくとも寄り代Δｍ（摩擦接合時に接合部材２を被接合部材３に接近させる距離）分だけ突出させておく。かかる配置により、摩擦接合時における拘束部材４と被接合部材３との干渉を抑制することができる。
【００３０】
次に、接合部材２に固定した拘束部材４を把持部７３に接続する。続いて、直進駆動装置６を操作して、図２（ａ）に示したように、接合部材２の先端を被接合部材３の表面（接合面Ｓ）に当接させる。次に、回転駆動装置７を駆動させて拘束部材４とともに接合部材２を回転させる。そして、直進駆動装置６により接合部材２の先端を接合面Ｓに押し付けながら、接合部材２を所定の回転数で回転駆動させながら摩擦接合する。
【００３１】
摩擦接合時には、接合部材２の先端は軟化して外方に拡径することとなる。このとき、接合部材２の拡径した部分は、図２（ｂ）に示したように、拘束部材４の拡張部４２によって封じ込まれ、被接合部材３の表面（接合面Ｓ）に押し付けられる。したがって、拘束部材４からの接合部材２のはみ出しを抑制することができるとともに、接合部材２の拡径した部分も接合面Ｓに摩擦接合することができる。その後、把持部７３から拘束部材４を取り外し、接合部材２から拘束部材４を取り外すことにより、摩擦接合が完了する。
【００３２】
このように、本実施形態に係る摩擦接合装置１を使用することにより、バリの発生を抑制することができ、バリを除去する追加工をする必要がなく、作業効率の向上を図ることができる。また、接合部材２の拡径した部分も摩擦接合することができることから、接合強度の向上を図ることができる。また、接合部に不連続な部分が形成されないことから、接合欠陥の発生も抑制することができる。
【００３３】
さらに、拡張部４２によって被接合部材３に摩擦接合された部分は、断面積が指数関数的に増加する形状を有しており、摩擦接合するだけで接合部の根元部分にＲ形状又はフィレットを形成することができる。したがって、摩擦接合部にＲ形状又はフィレットを形成する追加工を省略することができる。
【００３４】
また、本実施形態では、上述したように、拘束部材４は、バリが発生する側の接合部材２にのみ配置すればよく、接合部材２と被接合部材３との形状が異なる異形材同士を摩擦接合する場合であっても、バリの発生を抑制することができるとともに接合強度の向上を図ることができる。なお、本実施形態は、接合部材２と被接合部材３とが同じ形状を有する場合にも適用できることは勿論である。
【００３５】
続いて、拘束部材４の変形例について、図３（ａ）〜図４（ｄ）を参照しつつ説明する。ここで、図３は、拘束部材の変形例を示す断面図であり、（ａ）は第一変形例、（ｂ）は第二変形例、（ｃ）は第三変形例、を示している。図４は、拘束部材の第四変形例を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は図４（ａ）におけるＢ矢視図、（ｃ）は図４（ｂ）におけるＣ矢視図、（ｄ）は図４（ｂ）におけるＤ矢視図、を示している。
【００３６】
図３（ａ）に示した第一変形例は、拡張部４２を断面積が一定の比率で増加する形状に形成したものである。すなわち、拡張部４２は、円錐台形状に形成されている。かかる構成によっても上述した第一実施形態に係る拘束部材４と実質的に同一の効果を発揮し得る。なお、ここでは、拡張部４２を一つの円錐台形状に形成した場合を図示しているが、途中で断面積の増加する比率を変更して円錐台を多段に積層した形状に形成してもよい。
【００３７】
図３（ｂ）に示した第二変形例は、拡張部４２を断面積が段階的に増加する形状に形成したものである。すなわち、拡張部４２は、径の異なる複数の円柱を多段に積層した形状に形成されている。かかる構成によっても上述した第一実施形態に係る拘束部材４と実質的に同一の効果を発揮し得る。なお、ここでは、拡張部４２を二段階に拡径しているが、三段階以上に拡径させるようにしてもよい。
【００３８】
図３（ｃ）に示した第三変形例は、中空部４１を含む部分と拡張部４２を含む部分とを分離可能に構成したものである。具体的には、拘束部材４は、中空部４１を含む本体部４ａと、拡張部４２を含む先端部４ｂと、を備えており、先端部４ｂは本体部４ａに対して着脱可能に構成されている。本体部４ａの先端部４ｂ側の内面には、例えば、ねじ溝が切られており、先端部４ｂの本体部４ａ側には、例えば、本体部４ａのねじ溝に螺合可能なねじ山が切られた凸部が形成されている。凸部の内側には、本体部４ａの中空部４１と滑らかに連通する中空部が形成されている。
【００３９】
このように、拡張部４２を含む先端部４ｂを着脱可能に構成したことにより、例えば、拡張部４２を異なる形状に変更したい場合や先端部４ｂが摩耗した場合に、先端部４ｂを容易に交換することができる。
【００４０】
図４（ａ）〜図４（ｄ）に示した第四変形例は、拘束部材４の拡張部４２に隣接する外面に切刃４３を配置したものである。拘束部材４の先端部の外周には、例えば、図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示したように、環状の凹部４４が形成されている。切刃４３は、凹部４４の対峙する二箇所に配置されている。また、把持部７３がコレットチャック機構を有している場合には、拘束部材４の側面に先端部から後端側に向って延びる複数のスリット４５を形成してもよい。
【００４１】
このように、拘束部材４の外面に切刃４３を配置することにより、摩擦接合時に拡張部４２から拘束部材４の外周にはみ出した接合部材２を切刃４３で切断することができ、バリの発生を抑制することができる。
【００４２】
なお、切刃４３の個数は任意であり、三つ以上の切刃４３を配置してもよい。また、スリット４５の本数は任意であり、三本以上のスリット４５を形成してもよいし、後端から先端側に向って延びるスリットを形成してもよい。
【００４３】
次に、本発明の第二実施形態に係る摩擦接合装置について、図５（ａ）及び図５（ｂ）を参照しつつ説明する。ここで、図５は、本発明の第二実施形態に係る摩擦接合装置に用いられる拘束部材を示す断面図であり、（ａ）は摩擦接合初期段階、（ｂ）は摩擦接合終期段階、を示している。なお、各図において、接合部材、被接合部材及び拘束部材以外の構成部品については図を省略してある。
【００４４】
第二実施形態に係る摩擦接合装置は、被接合部材３の外面に固定される第二拘束部材８を備え、第二拘束部材８は、被接合部材３の外面に当接可能な空間を形成する中空部８１と、接合面Ｓ側に形成され中空部８１から外方に向かって拡張した空間を形成する拡張部８２と、を含むものである。
【００４５】
本実施形態は、被接合部材３が、接合部材２と同様の円柱形状を有している場合に使用することができる。第二拘束部材８は、被接合部材３よりも高い強度を有する素材により構成されていてもよい。また、第二拘束部材８は、被接合部材３よりも熱容量の大きな素材により構成されていてもよいし、被接合部材３よりも熱膨張率の小さい素材により構成されていてもよい。第二拘束部材８のその他の構成については、上述した拘束部材４と実質的に同一の構成を有していることから詳細な説明を省略する。
【００４６】
第二実施形態に係る摩擦接合装置では、接合部材２の外面に拘束部材４を固定し、被接合部材３の外面に第二拘束部材８を固定した後、拘束部材４を把持部７３（図１参照）に接続し、第二拘束部材８を把持部７３と同様の把持部（図示せず）に接続する。その後、図５（ａ）に示したように、直進駆動装置６（図１参照）を操作して、接合部材２の先端と被接合部材３との先端を付き合わせる。そして、接合部材２を回転駆動させながら被接合部材３に押し付けて摩擦接合する。
【００４７】
かかる第二実施形態において、接合部材２のみを回転駆動及び直進駆動させるようにしてもよいし、接合部材２及び被接合部材３の両方を回転駆動及び直進駆動させるようにしてもよい。被接合部材３を回転駆動及び直進駆動させる場合には、接合部材２と同様に、把持部は回転駆動装置（図示せず）に接続されており、回転駆動装置は直進駆動装置（図示せず）に接続される。
【００４８】
上述した第一実施形態及び第二実施形態に係る摩擦接合装置では、回転摩擦接合する場合について説明しているが、駆動装置の構成を変更することにより、本発明は線形摩擦接合や超音波摩擦接合等の他の摩擦接合にも適用することができる。また、拘束部材４は、略円筒形状に限定されるものではなく、配置される接合部材の形状によって任意に変更されるものであり、略角筒形状であってもよいし、その他の筒形状であってもよい。
【００４９】
本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【００５０】
１  摩擦接合装置
２  接合部材
３  被接合部材
４  拘束部材
４ａ  本体部
４ｂ  先端部
５  支持部材
６  直進駆動装置
７  回転駆動装置
８  第二拘束部材
４１  中空部
４２  拡張部
４３  切刃
４４  凹部
４５  スリット
６１  ヘッド
７１  駆動モータ
７２  シャフト
７３  把持部
８１  中空部
８２  拡張部
【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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