(57)【要約】【課題】専用の治具を不要とし、作業効率が高く且つ低コストな摩擦溶接を実現する。【解決手段】動翼１は、桁６とリブ７とが交差してなる骨組部材９を有する本体部２と、本体部２を覆う第１外板３とにより構成されている。第１外板３を骨組部材９の上にかぶせ、第１外板３の表面側から回転プローブ１２を押しつけ、第１外板３と骨組部材９の上端面とを摩擦撹拌接合する。接合箇所２０を散点状に配する。【選択図】　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
立設された縦板と立設された横板とが交差してなる骨組部材と、前記骨組部材を覆う外板とを組み立ててなる中空組立構造物の製造方法であって、
縦板又は横板の端面と外板の裏面とが接触するように、骨組部材の上に外板をかぶせ、
治具を用いることなく外板の表面側からプローブを押しつけ、外板と縦板又は横板とを摩擦撹拌接合又は摩擦圧接接合により接合する中空組立構造物の製造方法。
【請求項２】
ブロック材を削り出すことにより骨組部材を製作する請求項１記載の中空組立構造物の製造方法。
【請求項３】
摩擦撹拌接合又は摩擦圧接接合に際して、外板の接合箇所を散点状に配した請求項１又は２記載の中空構造物の製造方法。
【請求項４】
摩擦撹拌接合又は摩擦圧接接合に際して、外板の接合箇所を線状に配した請求項１又は２記載の中空構造物の製造方法。
【請求項５】
立設された縦板と立設された横板とが交差してなる骨組部材と、前記骨組部材を覆う第１の外板とを備え、
前記第１外板は、前記骨組部材の一方の端面上に重ねられ、当該端面に前記外板の表面側から摩擦撹拌接合又は摩擦圧接接合されている中空組立構造物。
【請求項６】
骨組部材はブロック材を削り出すことにより形成され、骨組部材の縦板及び横板は一体化されている請求項５記載の中空組立構造物。
【請求項７】
骨組部材の他方側を覆う第２の外板を備え、
前記骨組部材及び前記第２外板は、前記ブロック材を削り出すことにより形成され、縦板と横板と第２外板とは一体化されている請求項６記載の中空組立構造物。
【請求項８】
外板と骨組部材との接合箇所が外板上において散点状に配されている請求項５〜７のいずれか一つに記載の中空組立構造物。
【請求項９】
外板と骨組部材との接合箇所が外板上において線状に配されている請求項５〜７のいずれか一つに記載の中空組立構造物。
【請求項１０】
横板は桁を構成し、縦板はリブを構成し、外板は翼面を構成することによって、翼の一部又は全部を構成している請求項５〜９のいずれか一つに記載の中空組立構造物。
【請求項１１】
外面が一方の翼面をなすとともに内面に桁及びリブが一体的に設けられた削り出し部材からなり、内面側に開口部を有する箱状に形成された本体部と、
前記本体部の開口部を覆い、外面が他方の翼面をなす外板とを備え、
前記本体部と前記外板とは、前記外板が前記本体部の桁又はリブの端面上に重ねられ、前記外板の表面側から摩擦撹拌接合又は摩擦圧接接合されて組み立てられている航空機の動翼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中空の組立構造物及びその製造方法に係り、特に、航空機の動翼等にも適用され得る中空組立構造物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の部材を組み立ててなる中空の組立構造物では、それら部材を結合する結合手段が必要である。例えば、そのような結合手段として、接着剤やねじなどが挙げられる。
【０００３】
しかし、接着剤による結合やねじ止めでは、十分な結合強度を確保することは困難である。そこで従来より、十分な結合強度が必要とされる組立構造物に対しては、結合手法として、リベット結合や接合面を溶融させる溶接が用いられてきた。
【０００４】
しかし、リベットによる結合では、組立構造物の重量の増加を招く。一方、接合面を溶融させる溶接では、異種材料の接合が困難であるという課題があった。そこで、これらの課題を克服する技術として、接合部を溶融させないで固相のまま接合する摩擦溶接法が提案されている。
【０００５】
特表平７−５０５０９０号公報には、２つの部材の端面同士を突き合わせ、回転プローブをそれら部材の端面間に沿って移動させることによって塑性流動を起こし、それら部材を接合する摩擦撹拌接合が開示されている。
【０００６】
特開平１０−２４９５５４号公報には、リブの端面をアルミニウム板に当接させ、それらリブとアルミニウム板とを摩擦撹拌接合する技術が開示されている。
【０００７】
特開２０００−６１６６４号公報には、重ね合わせた２枚の平板を摩擦撹拌接合する技術が開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、摩擦溶接に際しては、接合対象物に摩擦を生じさせるためのプローブが用いられる。接合対象物にプローブを押し当てた際に、接合対象物の位置がずれたりふらついたりすると、十分な摩擦力を発生させることが困難となる。そこで、従来の摩擦溶接においては、接合対象物を専用の治具で固定したうえで、プローブを押し当てていた。
【０００９】
しかし、接合対象物に合わせて専用の治具が必要であったため、作業効率が必ずしも高いとは言い難かった。また、治具の分だけ製造コストが上昇していた。
【００１０】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、作業効率が高く且つ低コストな摩擦溶接を実現する技術を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、中空組立構造物を骨組部材と外板とにより構成し、予め骨組部材を摩擦撹拌接合又は摩擦圧接接合に適した形状に形成しておくことにより、治具を不要にすることとした。
【００１２】
本発明に係る中空組立構造物の製造方法は、立設された縦板と立設された横板とが交差してなる骨組部材と、前記骨組部材を覆う外板とを組み立ててなる中空組立構造物の製造方法であって、縦板又は横板の端面と外板の裏面とが接触するように、骨組部材の上に外板をかぶせ、治具を用いることなく外板の表面側からプローブを押しつけ、外板と縦板又は横板とを摩擦撹拌接合又は摩擦圧接接合により接合するものである。
【００１３】
骨組部材は立設された縦板と立設された横板とが交差して構成されているので、骨組部材の端面側から比較的大きな力を加えても、骨組部材が座屈することはない。また、骨組部材の端面側から力を加えた場合に、骨組部材自体の剛性によって十分大きな反力が生じる。そのため、専用の治具がなくても、外板の表面側からプローブを押しつけることによって、外板と骨組部材とを摩擦撹拌接合又は摩擦圧接接合することができる。
【００１４】
前記製造方法は、ブロック材を削り出すことによって骨組部材を製作するものであることが好ましい。
【００１５】
このことにより、骨組部材の強度が高くなり、摩擦撹拌接合又は摩擦圧接接合の信頼性の向上が図られる。
【００１６】
摩擦撹拌接合又は摩擦圧接接合に際して、外板の接合箇所を散点状に配してもよい。
【００１７】
このことにより、摩擦撹拌接合又は摩擦圧接接合を迅速且つ安価に行うことができる。
【００１８】
摩擦撹拌接合又は摩擦圧接接合に際して、外板の接合箇所を線状に配してもよい。
【００１９】
例えば、外板の接合箇所を直線状に配してもよく、曲線状に配してもよい。このことにより、摩擦撹拌接合又は摩擦圧接接合の接合強度を向上させることができる。
【００２０】
本発明に係る中空組立構造物は、立設された縦板と立設された横板とが交差してなる骨組部材と、前記骨組部材を覆う第１の外板とを備え、前記第１外板は、前記骨組部材の一方の端面上に重ねられ、当該端面に前記外板の表面側から摩擦撹拌接合又は摩擦圧接接合されているものである。
【００２１】
このことにより、上記中空組立構造物は、専用の治具を用いることなく外板と骨組部材とを摩擦撹拌接合又は摩擦圧接接合することによって、構成することができる。
【００２２】
骨組部材はブロック材を削り出すことにより形成され、骨組部材の縦板及び横板は一体化されていることが好ましい。
【００２３】
このことにより、骨組部材の強度が高くなり、摩擦撹拌接合又は摩擦圧接接合の信頼性の向上が図られる。
【００２４】
前記中空組立構造物は、骨組部材の他方側を覆う第２の外板を備え、前記骨組部材及び前記第２外板は、前記ブロック材を削り出すことにより形成され、縦板と横板と第２外板とは一体化されていてもよい。
【００２５】
このことにより、密閉型の中空組立構造物が得られる。また、骨組部材に加えて第２外板が一体的に形成されているので、骨組部材の強度が向上し、摩擦撹拌接合又は摩擦圧接接合の信頼性が向上する。
【００２６】
外板と骨組部材との接合箇所は外板上において散点状に配されていてもよい。
【００２７】
このことにより、摩擦撹拌接合又は摩擦圧接接合を迅速且つ安価に行うことができる。
【００２８】
外板と骨組部材との接合箇所は外板上において線状に配されていてもよい。
【００２９】
このことにより、摩擦撹拌接合又は摩擦圧接接合の接合強度を向上させることができる。
【００３０】
前記中空組立構造物は、横板が桁を構成し、縦板がリブを構成し、外板が翼面を構成することによって、翼の一部又は全部を構成していてもよい。
【００３１】
このことにより、摩擦撹拌接合又は摩擦圧接接合によって組み立てられる翼を、高効率且つ低コストに得ることができる。
【００３２】
本発明に係る航空機の動翼は、外面が一方の翼面をなすとともに内面に桁及びリブが一体的に設けられた削り出し部材からなり、内面側に開口部を有する箱状に形成された本体部と、前記本体部の開口部を覆い、外面が他方の翼面をなす外板とを備え、前記本体部と前記外板とは、前記外板が前記本体部の桁又はリブの端面上に重ねられ、前記外板の表面側から摩擦撹拌接合又は摩擦圧接接合されて組み立てられているものである。
【００３３】
このことにより、摩擦撹拌接合又は摩擦圧接接合によって組み立てられる航空機の動翼を、高効率且つ低コストに得ることができる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、立設された縦板と立設された横板とを交差させることによって骨組部材を構成し、外板の外側からプローブを押しつけることによって外板と骨組部材の端面とを摩擦撹拌接合又は摩擦撹拌接合させることとしたので、外板と骨組部材とを専用の治具なしに摩擦撹拌接合又は摩擦圧接接合させることができる。したがって、作業効率が高く且つ低コストな摩擦撹拌接合又は摩擦圧接接合を実現することができる。また、作業効率が高く且つ低コストな摩擦撹拌接合又は摩擦圧接接合により、中空組立構造物及び航空機の動翼を得ることができる。
【００３５】
ブロック材を削り出すことによって骨組部材を製作することとすれば、骨組部材の強度を高めることができ、摩擦撹拌接合又は摩擦圧接接合の信頼性を向上させることができる。
【００３６】
接合箇所を散点状に配することにより、摩擦撹拌接合又は摩擦圧接接合を迅速且つ安価に行うことができる。
【００３７】
接合箇所を線状に配することにより、摩擦撹拌接合又は摩擦圧接接合の接合強度を向上させることができる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００３９】
図１に示すように、本実施形態に係る中空組立構造物は、航空機の動翼１である。動翼１は、本体部２と第１外板３とが組み立てられて構成されている。なお、ここでは説明の便宜上、図１の左側を前側、右側を後側、上側を上側、下側を下側と称することとするが、これらの向きは必ずしも動翼１の使用状態における向きを意味するものではない。
【００４０】
本体部２は、アルミニウムからなるブロック材４を削り出して形成された削り出し部材によって構成されている。本体部２の各部の肉厚は薄く、本体部２はいわゆる薄肉部材によって形成されている。
【００４１】
本体部２には、一方の翼面を形成する第２外板５と、スパン方向（図示Ｙ方向）に延びる桁６と、スパン方向に配列された複数のリブ７とが設けられている。桁６及び各リブ７は、それぞれ平板状に形成されており、主面が水平方向と直交するように立設されている。なお、各リブ７には孔８が形成されている。
【００４２】
桁６とリブ７とは、第１外板３と第２外板５とに覆われる骨組部材９を構成している。桁６は左右方向（＝スパン方向）に延び、各リブ７は前後方向に延び、桁６と各リブ７とは互いに交差している。したがって、骨組部材９の端面は、縦方向（Ｘ方向）に延びる直線部分と横方向（Ｙ方向）に延びる直線部分とを有し、それらが互いに交差している。
【００４３】
第２外板５と桁６とリブ７とは一体化されており、本体部２の全体は、内面側に開口部を有する箱形状に形成されている。本体部２の後側には、スパン方向に延びる薄板状の結合部１０が設けられている。この結合部１０は、第２外板５の後端部から前方に向かうように屈曲してなり、結合部１０の上面はリブ７の後端部の上端面と滑らかに（つまり、段差がないように）連続している。なお、図示は省略するが、本体部２の前側にも、同様の結合部が設けられている。
【００４４】
第１外板３は、他方の翼面を形成する部材であり、湾曲した薄板状のアルミニウムからなっている。第１外板３は、本体部２の外形に沿った形状に形成されており、本体部２の開口部を覆うような形状に形成されている。
【００４５】
図２に示すように、第１外板３と本体部２とは、摩擦撹拌接合により散点的に接合されている。詳しくは、第１外板３上における接合箇所２０は、本体部２の結合部１０及びリブ７の上端面に沿って散点状に配されている。
【００４６】
次に、動翼１の製造方法について説明する。
【００４７】
まず、ブロック部材４を機械加工により削り出し、ブロック部材４から本体部２を形成する。次に、第１外板３を本体部２の外形形状に合うように成形する。次に、第１外板３と本体部２とを接合する。
【００４８】
接合に際しては、まず、本体部２を作業台又は床等の上に置き、第１外板３を本体部２にかぶせる。このとき、第１外板３の裏面と骨組部材９の端面、すなわち桁６又はリブ７の上端面とを接触させ、また、第１外板３の裏面と本体部２の結合部１０の上面とを接触させる。なお、この状態で、第１外板３と本体部２とは、内側に中空部を有するような密閉型の構造体を形成することになる。
【００４９】
次に、回転プローブ１２を有する摩擦撹拌接合用ツール１１を、第１外板３の表面側から押し当てる。これにより、プローブ１２は第１外板３を貫通し、さらに本体部２の一部（つまり、桁６又はリブ７の上端面、及び結合部１０の上面）に挿入される。この際、プローブ１２の挿入箇所において、第１外板３及び本体部２は摩擦熱によって軟化し、撹拌されて塑性流動を起こす。その後、プローブ１２を引き上げる。すると、塑性流動した接合部分は摩擦熱を失い、冷却固化される。この結果、図３に示すように、第１外板３と本体部２の一部とが接合されることになる。
【００５０】
このような作業を接合点ごとに順次繰り返すことにより、第１外板３と本体部２とを散点的に接合することができる。
【００５１】
ところで、本体部２は、互いに交差する桁６及びリブ７からなる骨組部材９を有しているため、それ自体の剛性が比較的大きい。そのため、上側から大きな力を加えても、桁６及びリブ７は座屈しない。また、上側からプローブ１２を押し当てた場合に、本体部２自体の剛性によってプローブ１２に反力が加わるため、専用の治具を用いて本体部２の裏側から外力を加えなくても、プローブ１２を第１外板３及び本体部２に対して正確に挿入することができる。そのため、上記接合作業においては、特別な治具は用いないこととした。
【００５２】
このように本実施形態によれば、本体部２に剛性の高い骨組部材９を設けるとともに、骨組部材９の上側にある程度の幅を有する面部（具体的には、桁６又はリブ７の上端面及び結合部１０の上面）を設け、第１外板３と本体部２の面部とを重ね合わせた状態で第１外板３の表面側から摩擦撹拌接合を行うこととした。そのため、専用の治具を用いることなく第１外板３と本体部２とを摩擦撹拌接合することが可能となった。したがって、作業効率の向上を図ることができ、また、専用の治具が不要な分、製造コストの低減を図ることができる。
【００５３】
また、接合箇所２０を散点的に配したことにより、第１外板３と本体部２との接合を迅速且つ安価に行うことができる。
【００５４】
本体部２を削り出し部材によって一体的に形成したので、本体部２の剛性をより一層高めることができ、摩擦撹拌接合の信頼性を向上させることができる。
【００５５】
なお、上記実施形態は、接合箇所２０を散点的に配したものであったが、接合強度をより一層高めるために、接合箇所２０を直線的に配することも可能である。例えば、図４に示すように、回転プローブ１２をリブ７の上端面に沿って直線移動させることにより、第１外板３と本体部２とをリブ７の上端面に沿った箇所で連続的に接合してもよい。なお、図示は省略するが、接合箇所を点線状に配することも可能である。
【００５６】
また、上記各実施形態は、第１外板３と本体部２とを摩擦撹拌接合するものであったが、第１外板３と本体部２とを摩擦圧接法により接合してもよい。次に、第１外板３と本体部２とを摩擦圧接によって接合する実施形態を説明する。
【００５７】
図５に示すように、摩擦圧接に際しては、先端が平坦に形成された回転プローブ１３を用いる。本実施形態では、第１外板３を本体部２にかぶせた後、プローブ１３を有する摩擦圧接用ツール１４を第１外板３の表面側から押し当てる。これにより、第１外板３と本体部２との接触部分で摩擦が発生し、両接触部分で塑性流動が生じる。その後、プローブ１３を引き上げると、塑性流動した部分は摩擦熱を失い、冷却固化されて接合される。
【００５８】
なお、摩擦圧接接合においても、接合箇所２０を散点的に配してもよく、直線状又は曲線状に配してもよく、点線状に配してもよい。
【００５９】
前記各実施形態においては、第１外板３及び本体部２はアルミニウムによって構成されていたが、第１外板３及び本体部２の一方又は両方をアルミニウム以外の金属で構成してもよく、他の材料によって構成してもよい。第１外板３と本体部２とは同種材料であってもよく、異種材料であってもよい。
【００６０】
本体部２は削り出し部材によって構成されていることが好ましいが、プローブを押しつけた際に形状変化がなく且つ相当程度の反力が生じるような強度を有する限り、複数の部材を組み立てて構成することも可能である。
【００６１】
本発明の適用対象は、動翼１に限定されるものではなく、様々な翼に対して本発明を適用することも可能である。また、航空機のドア類、ヘリコプターのブレード、風車の羽根、船舶のスクリュー、送風機の羽根車、水車の羽根等に本発明を適用することもできる。また、ラックや金属製家具等の組立構造物に対して、本発明を適用してもよい。
【００６２】
前記各実施形態では、桁６及びリブ７がそれぞれ本発明で言うところの横板及び縦板を構成し、骨組部材９は１枚の横板と複数枚の縦板とを有していた。しかし、本発明に係る骨組部材は、１枚又は複数枚の横板と１枚の縦板とを有していてもよく、複数枚の横板と複数枚の縦板とを有していてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】動翼の分解斜視図である。
【図２】動翼の組立方法を説明する図であり、動翼の一部を切り欠いて示す斜視図である。
【図３】動翼の接合部分の拡大断面図である。
【図４】動翼の組立方法を説明する図であり、動翼の一部を切り欠いて示す斜視図である。
【図５】動翼の接合部分の拡大断面図である。
【符号の説明】
１　　動翼（中空組立構造物）
２　　本体部
３　　第１外板（外板）
４　　　　ブロック材
５　　　　第２外板
６　　桁（横板）
７　　リブ（縦板）
８　　孔
９　　骨組部材
１０　結合部
１１　摩擦撹拌接合用ツール
１２　プローブ
１３　プローブ
１４　摩擦圧接用ツール
２０　接合箇所
【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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