(57)【要約】      （修正有）【課題】摩擦撹拌接合工具やその入熱面が無用に冷却されることなく、回転工具やホルダの強度性と良好な接合面を維持して工具の接合能力を最大限発揮させること。【解決手段】ワークの接合部位内に侵入されるピンと接合面に圧接されるショルダ２１を具えた摩擦攪拌接合用回転工具をチャッキングするホルダ１を介して機械主軸に連結された摩擦攪拌接合装置において、前記ホルダ１を、前記ワーク３の塑性流動可能な温度域以上の温度で焼き戻しされる鋼で形成し、一方機械主軸側を２５０℃以下の温度で焼き戻しされる鋼で形成し、前記ホルダ１と機械主軸間に機械主軸側を２５０℃以下の温度に維持する冷却手段を介在させ、特に前記ホルダを機械主軸穴に取り付けるホルダのシャンク部１１表面に冷媒通路４３を設け、該冷媒通路４３を導通する冷却流体によりホルダ１を介して回転工具２０より機械主軸側への熱移動を阻止するように構成する。【選択図】    図１
2004337916.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークの接合部内に侵入するピンと前記ワークの接合面に圧接するショルダとを具えた摩擦攪拌接合工具と、前記摩擦攪拌接合工具を保持するホルダと、前記ホルダを介して前記摩擦攪拌接合用工具が連結された機械主軸と、を備えた摩擦攪拌接合装置において、
前記ホルダを、前記ワークの塑性流動可能な温度域以上の温度で焼戻しされた鋼で形成したことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項２】
前記ホルダが５６０℃乃至７００℃の温度で焼戻された鋼で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項３】
前記機械主軸を、前記ワークの塑性流動可能な温度域以下の温度で焼戻しされた鋼で形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項４】
前記機械主軸が２５０℃以下の温度で焼戻された鋼で形成されたことを特徴とする請求項３に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項５】
前記ホルダと前記機械主軸との間に、前記機械主軸の温度を２５０℃以下の温度に維持する冷却手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項６】
前記冷却手段が、前記機械主軸に設けられた穴と、前記穴に前記ホルダを取り付けるシャンクと、前記シャンクの表面に設けられた冷媒通路と、を備えたことを特徴とする請求項５に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項７】
ホルダを支持する機械主軸側より前記冷媒通路に冷却流体を導通可能に構成したことを特徴とする請求項６記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項８】
前記ホルダのシャンク部下方位置に冷却流体導入通路を設け、回転工具近接側より前記シャンク部側に向け冷却流体を導通可能に構成したことを特徴とする請求項６記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項９】
前記シャンク部表面に形成された冷却通路の放出口が、シャンク部下面に位置するホルダフランジ部と機械主軸底面間の空隙に形成されていることを特徴とする請求項６、７、若しくは８記載の摩擦攪拌接合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、摩擦撹拌接合における回転工具の熱対策を施した装置に係り、特に摩擦撹拌接合中に回転工具が受ける熱影響を排除しうる摩擦攪拌接合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば特表平７−５０５０９０号公報（特許文献１）には、摩擦攪拌による固相接合方法として長尺材同士の新規な接合方法が開示されており、かかる接合方法は、加工物より実質的に硬い材質からなる回転ツ−ルを加工物の接合部に挿入し、回転ツ−ルを回転させながら移動することにより、回転ツ−ルと加工物との間に生じる摩擦熱による塑性流動によって加工物を接合する接合方法で、かかる摩擦接合法は、接合部材を固相状態で、回転ツ−ルを回転させながら移動させつつ軟化させた固相部分を一体化しながら接合できるために、熱歪みがなく接合方向に対して実質的に無限に長い長尺材でもその長手方向に連続的に固相接合できる利点がある。さらに、回転ツ−ルと接合部材との摩擦熱による金属の塑性流動を利用した固相接合のため、接合部を溶融させることなく接合できる。また、加熱温度が低いため、接合後の変形が少ない。接合部は溶融されないため、欠陥が少ないなどの多くの利点がある。
【０００３】
次に摩擦撹拌接合に使用される回転工具について説明する。摩擦撹拌接合は特表平７−５０５０９０号に開示されているように、ブローブ型とボビンツール型の回転工具が存在し、プローブ型工具２０は図４に示すように、ショルダ２１とこのショルダ２１に備えられたプローブ２２とを備えており、このショルダ２１は円形ショルダ面を有している。そして、複数の型材を突き合わせ、若しくは嵌合された状態の接合線表面より、前記プローブ型工具２０を回転させて、プローブ２２を被加工物の接合線に設けた不図示の孔に侵入させるとともに、複数の型材の接合線上で摺接回転するショルダ部２１によって被加工物に摩擦熱が付与されるとともに、プローブ２２周囲が塑性流動化し、この状態でプローブ型工具２０を接合線に沿って移動させることにより、接合線周囲が塑性流動化しつつ接合線に沿って２つの素材が圧力を受けながら撹拌混練され、プローブの後方側に移行する。この結果塑性流動した素材は後方側で摩擦熱を失って急速に冷却固化するので両パネル板は素材同士が混じり合って完全に一体化した状態で接合される。
【０００４】
そして前記回転工具は一般に工作機械のエンドミル加工時等に使用するミーリングチャック（以下ホルダという）を介して機械主軸に固定され、機械主軸よりの回転駆動力を受けて回転させているが、前記回転工具は、通常の工作機械と異なり冷却液により冷却されずに、逆に４５０〜５６０℃の摩擦入熱を受けるために、前記ホルダが焼き戻し状態となり、強度低下が生じ、そのままの状態で接合作業を続けるとホルダのクラックや歪み、更には破損が生じるおそれがある。
【０００５】
このため従来技術においては回転工具の冷却が行われている。そして、摩擦攪拌接合に用いる摩擦攪拌接合装置の冷却は、特開平１０−５２７７０号公報（特許文献２）や特開平１１−１０３６７号公報（特許文献３）に開示されるように、摩擦接合用の回転工具の内部に冷媒を流通させることで回転工具の冷却を行ったり、摩擦攪拌接合用の回転工具の下端部または、下端部近傍の回転工具外表面に冷媒を吹き付けて回転工具の冷却を行っていた。また、ワークの接合部の冷却は、特開平１０−５２７７０号公報（特許文献３）に開示されるように、冷媒が、回転工具の下端部だけでなく、被接合材の接合部の上表面に吹き付けて行われていた。
【０００６】
しかしながら、回転工具の下端部および下端部近傍のみを冷却すると、回転工具自体の寿命を長くすることができるが、回転工具を保持するスピンドルを冷却していないので、摩擦攪拌接合により生じた熱が、回転工具を介してスピンドルに伝わり、スピンドルを回転可能に支持するベアリングを劣化させることがあった。また、摩擦攪拌接合時には、被接合材の接合部の温度が大きく上昇するため、被接合材は全体が高温になるとともに温度分布が生じ、これが原因となって、接合された被接合材が歪んでしまうことがあった。なお、この現象は、被接合材が薄肉で長尺の部材からなる場合は特に顕著に見られる。また、水などを被接合材の接合部に吹き付けると、却って接合部が腐食してしまうことがあった。
【０００７】
かかる課題を解決するために、特開２００１−２０５４５９（特許文献４）において、被接合材を摩擦攪拌接合する回転工具を一端に支持するスピンドルを冷却するためのスピンドル冷却機構を備え、スピンドル冷却機構は、筐体を貫通して筐体とスピンドルとの間に冷媒を供給する冷媒供給口および冷媒を排出する冷媒排出口とを備えてなる構成とした技術が提案されている。
そして更に、前記従来技術は接合部材の回転工具の反力を受ける裏当て治具を基台に支持させるとともに、該基台の内部に、冷媒流通路を有し、冷媒流通路に冷媒を供給する冷媒供給手段と、冷媒流通路から冷媒を排出する冷媒排出手段とを設けた構成としている。
【０００８】
【特許文献１】
特表平７−５０５０９０号公報
【特許文献２】
特開平１０−５２７７０号公報
【特許文献３】
特開平１１−１０３６７号公報
【特許文献４】
特開２００１−２０５４５９
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら前記従来技術においては、接合部材の背面に当接する裏当て部材を基台内に内蔵した冷媒通路により冷却することは、接合部材がシングルスキンのように薄板の場合に、前記冷却熱が接合部材表面の摩擦入熱面に伝播し、結果として余分の摩擦入熱を回転工具側で行わなければならず、回転工具の負荷の増大とともに、駆動源の大型化につながるという課題を有する。
【００１０】
本発明は、かかる課題に鑑み、プローブ型、ボビン型のいずれの工具の場合でも摩擦撹拌接合工具やその入熱面が無用に冷却されることなく、しかも回転工具やホルダの強度性と良好な接合面を維持して工具の接合能力を最大限発揮することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ワークの接合部内に侵入するピンと前記ワークの接合面に圧接するショルダとを具えた摩擦攪拌接合工具と、前記摩擦攪拌接合工具を保持するホルダと、前記ホルダを介して前記摩擦攪拌接合用工具が連結された機械主軸と、を備えた摩擦攪拌接合装置において、
前記ホルダを、前記ワークの塑性流動可能な温度域以上の温度で焼戻しされた鋼で形成し、具体的には前記ホルダが５６０℃乃至７００℃の温度で焼戻された鋼で形成されたことを特徴とする。
この場合、前記機械主軸は、前記ワークの塑性流動可能な温度域以下の温度で焼戻しされた鋼、具体的には前記機械主軸が２５０℃以下の温度で焼戻された鋼で形成するのがよい。
又前記ホルダと前記機械主軸との間に、前記機械主軸の温度を２５０℃以下の温度に維持する冷却手段を設けてもよい。
そして前記冷却手段は、具体的には前記機械主軸に設けられた穴と、前記穴に前記ホルダを取り付けるシャンクと、前記シャンクの表面に設けられた冷媒通路と、を備えて構成され、この場合に前記ホルダを支持する機械主軸側より前記冷媒通路に冷却流体を導通可能に構成してもよく、又前記ホルダのシャンク部下方位置に冷却流体導入通路を設け、回転工具近接側より前記シャンク部側に向け冷却流体を導通可能に構成してもよい。
そして更に前記シャンク部表面に形成された冷却通路の放出口が、シャンク部下面に位置するホルダフランジ部と機械主軸底面間の空隙に形成されているのが好ましい。
即ち具体的には本発明は、前記ワークがアルミニウム若しくはアルミニウム合金鋼である場合に、前記鋼が５６０℃〜７００℃の間の温度で焼き戻しされた鋼、例えば合金工具鋼であり、一方機械主軸を２５０℃以下の温度で焼き戻しされる鋼で形成し、前記ホルダと機械主軸間に機械主軸側を２５０℃以下、好ましくは１５０℃以下の温度に維持する冷却手段を介在させたことを特徴とする。
【００１２】
かかる発明によれば、例えば摩擦攪拌接合により軟化されるアルミニウムの融点は６６０℃であり、従ってかかるアルミ材からなる接合材の場合の軟化温度は４５０℃前後であり、塑性流動可能な温度域は前記軟化温度以上で且つ融点より大幅に低い４５０℃〜５６０℃となる。したがって工具鋼の焼き戻し温度をこの温度以上で且つ焼き入れ温度以下に設定するのがよく、具体的には合金工具鋼が前記５６０℃〜７００℃の間の温度で焼き戻しされるのがよい。
しかしながら合金工具鋼は硬いために機械主軸側まで合金工具鋼で構成すると、材料のコストのみならず、その切削加工に時間やコストがかかる。
そこで本発明は、機械主軸側を２５０℃以下の温度で焼き戻しされる鋼で形成し、更に、前記ホルダと機械主軸間に機械主軸側を２５０℃以下の、好ましくは１５０℃以下の温度に維持する冷却手段を介在させ機械主軸側への熱伝搬を防ぐことにより、機械主軸を既存のもので利用可能となり、特別な主軸の作成が不要になるのみならず、材料のコスト低減等につながる。
そして既存の主軸を利用するには、主軸側へ加工が必要なることは特別な主軸を必要とし、好ましくない。
【００１３】
そこで本発明は、前記ホルダを機械主軸穴に取り付けるホルダのシャンク部表面に冷媒通路を設け、該冷媒通路を導通する冷却流体によりホルダを介して回転工具より機械主軸側への熱移動を阻止するように構成している。
【００１４】
この場合に、ホルダを支持する機械主軸側より前記冷媒通路に冷却流体を導通可能に構成する方式を採用すれば、冷却流体の導入が容易になり、又前記ホルダのシャンク部下方位置に冷却流体導入通路を設け、回転工具近接側より前記シャンク部側に向け冷却流体を導通可能に構成すれば、最も発熱の高い回転工具近接側を冷やすことになり、熱遮断効果が高まる。
【００１５】
かかる発明によれば、冷却流体の通路はホルダのテーパシャンク表面に、スプライン状に溝を形成し、その溝に冷却流体を通すように構成するのがよい。
即ち機械主軸の工具ホルダ取付面に溝を形成すると、工場に既存の工作機械の場合、ホルダ取付面の改造加工が発生し、面倒であるが、ホルダのテーパシャンク表面に溝を形成すれば、工作機械側の改造加工（ホルダ取付面の溝加工）が不要となり、好ましい。
【００１６】
更に本発明は、前記機械主軸のホルダ収納穴と対面するテーパシャンク表面周囲に冷却通路が形成されており、該冷却通路により設定される、冷媒の流れ方向がホルダ収納穴から上方に向かう上昇流であること、即ち摩擦熱を発生させる回転工具から遠ざかる方向に向けて冷媒が流されることにより回転工具側では冷却熱が緩やかに伝播し、ホルダを介しての間接冷却の効果が一層増進する。
すなわち前記従来技術のように摩擦入熱される回転工具に冷媒を流すと、前記冷媒の冷却熱が接合部材表面の摩擦入熱面に伝播し、結果として余分の摩擦入熱を回転工具側で行わなければならず、回転工具の負荷の増大とともに、駆動源の大型化につながる。
これに対し本発明では熱容量の大きいホルダに対面させて、しかも回転工具近接側より前記シャンク部側に向け回転工具から遠ざかる方向に冷媒の冷却熱を流すことにより、熱容量は小さいが摩擦入熱温度が高い回転工具側とホルダを介して機械主軸との間で熱遮断が出来、略４５０℃以上かそれに近い温度域の回転工具側と、焼き戻し温度の低い鋼からなる主軸側との間で無用な熱移動が生じることなく熱遮断が可能となる。従って、主軸側での焼き戻し軟化が起きることがない。
【００１７】
更に、前記シャンク部表面に形成された冷却通路の放出口が、シャンク部下面に位置するホルダフランジ部と機械主軸底面間の空隙に形成されていることにより一層の熱遮断が可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００１９】
図１及び図２は本発明の第１及び第２実施例にかかる摩擦攪拌接合装置の概略構成を示す概略図、図３は図１及び図２のＡ−Ａ線及びＢ−Ｂ線断面図である。
図中３は接合されるワークで、例えばシングルスキンパネル同士を突き合わせて接合する構成をとっている。
またプローブ型工具２０は図４に示すように、円筒ショルダー２１中心軸にプローブ２２が突設するブローブ型回転工具を用い、該工具２０をホルダ１によりチャックするとともに、該ホルダのテーパ状シャンク１１を主軸２のテーパ状ホルダ穴３１に装着させている。
又ワーク３の背面側には定盤４が位置し、該定盤４によりワーク３を位置固定させている。
【００２０】
主軸２は、主軸歯車３２より伝導される回転力により回転駆動される主軸本体３０、該主軸本体３０をベアリング６０によって回転自在に支持させる一対の主軸軸受４０、５０によって構成される。
ホルダ穴３１と対面位置にある下側主軸軸受４０には軸受内筒４１と外筒４２との間の円周面上にスパイラルリング状の冷媒通路４３を設け、該冷媒通路４３の下端側に冷媒導入口４４を、上端側に冷媒排出口４５を夫々設け、該冷媒通路４３により、冷媒の流れ方向がホルダ穴３１から上方に向かう上昇流になるように設定している。
又前記冷媒導入口４４はホルダ穴３１の途中位置に対面させて設け、又冷媒排出口４５は、ホルダ穴３１上方に位置させ、前記冷媒通路４３がホルダ穴３１途中位置よりプローブ型工具２０から遠ざかる方向に形成する。
又前記主軸歯車３２の上方に位置する上側主軸軸受５０も冷媒通路５１を有するが、該冷媒通路５１は単なるリングであり、冷却熱勾配を持たせていない。又冷媒にはクーラントで冷やした鉱物油を用いている。
【００２１】
ホルダ１は主軸２のテーパホルダ穴３１に嵌着され、一体として回転駆動するテーパシャンク１１と、前記プローブ型工具２０をチャッキングにより掴持するチャッキング部１２よりなる。
【００２２】
そして機械主軸５０には、２５０℃以下の温度で焼き戻しされる鋼、たとえばクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４１５）を用いて１１５０℃で焼き入れした後１５０℃〜２００℃で焼き戻しをした鋼で構成する。
【００２３】
そして前記ホルダ１に、空気や液体窒素等の冷却媒体を導通させて、前記ホルダ１の表面に機械主軸５０側を２５０℃以下、好ましくは１５０℃以下の温度に維持する冷媒通路７１及び放出口７２を設けている。
具体的には、前記ホルダ１を機械主軸５０のホルダ取り付け穴３１Ａに取り付けるホルダのシャンク部１００表面に冷媒通路７１を設け、具体的には空気等の冷却媒体の通路７１はホルダのテーパシャンク１００表面に、８つのスプライン状溝（軸方向に沿う溝）を形成し、その冷媒通路７１の溝に冷却媒体を通すように構成するとともに、前記シャンク部１００表面に形成された冷媒通路７１の冷媒放出口７２が、シャンク部１００下面に位置するホルダフランジ部１０２と機械主軸底面５９間のリング状空隙７２に形成されている。この結果、冷媒通路７１〜冷媒放出口７２を導通する冷却流体によりホルダ１を介してプローブ型工具２０より機械主軸５０側への熱移動を阻止することが出来る。
【００２４】
そして図１は、機械主軸中心軸線上に設けた冷媒導入通路５８が、テーパシャンク１００の中心軸線上の導入通路７３に連設し、その途中位置でシャンク部表面のスプライン溝状の冷媒通路に向けて放射状に広がる連絡穴７４を介して冷却媒体が前記冷媒通路７１に導かれ、ホルダ１の冷却を行いながらリング状空隙７２より大気に放出可能に構成されている。
【００２５】
かかる実施例によれば、ホルダ１を支持する機械主軸側５０より前記冷媒通路５８、７１〜７４に冷却流体を導通可能に構成している為に、冷却流体の導入が容易になる。
【００２６】
図２は前記ホルダのシャンク部１００下方位置に冷媒導入通路７５を設け、回転工具２１近接側より前記シャンク部１００側に向け冷却流体（冷媒）を導通可能に構成したもので、プローブ型工具２０のチャック位置近傍に冷媒導入通路７５を設け、テーパシャンク１００の中心軸線上の導入通路７３に連設し、その途中位置でシャンク部１００表面のスプライン溝状の冷媒通路７１に向けて放射状に広がる連絡穴７４を介して冷却媒体が前記冷媒通路７１に導かれ、ホルダ１の冷却を行いながらリング状空隙（冷媒放出口）７２より大気に放出可能に構成されている。
かかる実施例によれば、前記ホルダ１のシャンク部下方位置に冷媒導入通路７５を設け、回転工具２１近接側より前記シャンク部１００側に向け冷却流体を導通可能に構成すれば、最も発熱の高いプローブ型工具２０側を冷やすことになり、熱遮断効果が高まる。
【００２７】
次に前記ホルダ１を、
クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４１５）を用いて１１５０℃で焼き入れした後１５０〜２００℃で焼き戻しをしたもの（比較例１）、
ニッケルクロムモリブデン鋼（ＳＮＣＭ４２０）を用いて１１５０℃で焼き入れした後１５０〜２００℃で焼き戻しをしたもの（比較例２）、
更に合金工具鋼（ＳＫＤ６１）を用いて１１５０℃で焼き入れした後５６０℃〜６５０℃で焼き戻しをしたもの（実施例例１）、
更に又合金工具鋼（ＳＫＤ６）を用いて１１５０℃で焼き入れした後５６０℃〜６５０℃で焼き戻しをしたもの（実施例２）
の４種のホルダを作製して、
前記ホルダ１の冷媒通路７１及び放出口７２に空気や液体窒素等の冷却媒体を導通させて、前記ホルダ１と対面する機械主軸５０側のホルダ取り付け穴３１Ａの温度を１５０℃以下の機械主軸５０の焼き戻し温度に維持した状態で、摩擦攪拌接合用プローブの移動送り速度、０．０５〜２ｍ／分、回転速度は、５００ｒｐｍ〜１５０００ｒｐｍの範囲で適宜選択しながら、前記ワークのアルミもしくはアルミ合金の接合面に４５０℃〜５６０℃の摩擦熱を入熱しながら摩擦攪拌接合を繰り返し５００ｍ〜１０００ｍにわたって摩擦攪拌接合を行った。
この結果、比較例のホルダ１はいずれも強度劣化が生じたのに対し、実施例のホルダ１及び機械主軸は強度劣化が生じていないことが確認された。
【００２８】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、摩擦撹拌接合工具やその入熱面が無用に冷却されることなく、しかも回転工具やホルダの強度性と良好な接合面を維持して工具の接合能力を最大限発揮出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例にかかる摩擦接合装置の全体構成を示す概略図である。
【図２】本発明の第２実施例にかかる摩擦接合装置の全体構成を示す概略図である。
【図３】図１及び図２のＡ−Ａ線及びＢ−Ｂ線断面図である。
【図４】従来技術に係る摩擦撹拌接合のプローブ型回転工具の基本構成図である。
【符号の説明】
１  ホルダ
２  主軸
３  ワーク
４  定盤
２０  回転工具
４３  冷媒通路
４４  冷媒導入口
４５  冷媒排出口
３１  ホルダ穴
７１  冷媒通路
７２  冷媒放出口
【図１】
2004337916.tif 000003
【図２】
2004337916.tif 000004
【図３】
2004337916.tif 000005
【図４】
2004337916.tif 000006