(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ツール本体と、このツール本体の先端にこれと同心状に形成された小径の突起部と、ツール本体の先端部に設けられたばり取り用のカッターとを備え、工具の回転運動に伴う摩擦撹拌接合と並行して接合ビード部に発生したばりをカッターにて切削除去するようにした摩擦撹拌接合用回転工具であって、
先端に切れ刃が形成されたリング状のカッターがツール本体に対し相対回転を阻止されながらその軸心方向にスライド可能に外挿されているとともに、ツール本体とカッターの間にはそのカッターを突起部側に向かって弾性付勢する弾性体が介装されていて、
ツール本体に対してカッターが突起部側に最もスライド変位した状態では、カッターの切れ刃がツール本体の先端面であるショルダー面と整合一致するように設定されていることを特徴とする摩擦撹拌接合用回転工具。
【請求項２】
カッターの切れ刃には、カッター自体の軸心側から外周側に向かって仰角となる逃げ角が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌接合用回転工具。
【請求項３】
カッターの切れ刃には、回転方向前方側から後方側に向かって仰角となるすくい角が設定されていることを特徴とする請求項２に記載の摩擦撹拌接合用回転工具。
【請求項４】
カッターの切れ刃の逃げ角とすくい角が共に同じ大きさに設定されていることを特徴とする請求項３に記載の摩擦撹拌接合用回転工具。
【請求項５】
請求項４に記載の摩擦撹拌接合用回転工具を用いた摩擦撹拌接合方法であって、
ツール本体の先端部よりも上端部側の方が工具送り方向後方側となるようにツール本体に前進角を持たせた状態で摩擦撹拌接合処理を行うにあたり、
ツール本体の前進角をカッターの切れ刃の逃げ角およびすくい角に一致させた状態で摩擦撹拌接合処理を行うことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム等に代表されるような軽合金の摩擦撹拌接合に用いられる回転工具の構造に関し、特に摩擦撹拌接合処理に伴って発生するばりの除去を目的としたカッター機能を備えた摩擦撹拌接合用回転工具の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
摩擦撹拌接合は、図２の（Ａ），（Ｂ）に示すように先端に小径の突起部３１を有する中実円筒状の工具３０を回転させながら例えば突き合わせ状態としたアルミニウム等の被接合部材Ｗ１，Ｗ２に加圧進入させて摩擦熱を発生させる一方で、接合線Ｐに沿って工具３０に送りを与え、変形抵抗を失った被接合部材Ｗ１，Ｗ２同士を塑性流動を基本とする接合力をもって突き合わせ溶接のごとき形態で接合することを基本としている。なお、被接合部材Ｗ１，Ｗ２は裏当て金３２によってバックアップされている。
【０００３】
そして、摩擦撹拌接合は摩擦撹拌によって積極的に塑性流動を発生させるがために接合ビード部ＦにばりＢの発生が不可避であり、そのために工具３０にばり取り用のカッターを付加して摩擦撹拌接合処理といわゆるばり取りとを同時進行させるようにしたものが例えば特開平１０−７１４７７号公報、特開２０００−９４１５８号公報および特開２０００−３３４５７８号公報等にて提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ばり取り用のカッターを備えた従来の摩擦撹拌接合用工具では、いずれのタイプも実質的に工具自体とカッターとが一体構造となっているため、被接合部材と工具との相対位置決めをきわめて高精度に行う必要があり、必ずしも十分なばり取りを行えず、特に三次元形状の被接合部材の接合においてはその傾向が一段と顕著となる。したがって、摩擦撹拌接合処理後に別工程にて再度ばり取り作業を行わなければならず、工数の増加が余儀なくされる。
【０００５】
より具体的には、摩擦撹拌接合では工具の軸心を送り方向後方側にわずかに倒すようにしていわゆる前進角を付与することが行われるが、被接合部材の接合狙い位置に対する工具の押し込み量や前進角等の条件がわずかでも変化すると、カッターにて被接合部材を過剰に削り込んでしまったり、あるいはばりの削り残しが発生して、所期の目的を達成することができなくなるほか、工具とカッターとが一体構造であるがためにばり取り時の切削抵抗によって振動が起こり、本来のの接合品質に悪影響を与えるおそれがあり好ましくない。
【０００６】
本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、摩擦撹拌接合処理と並行してばり取り作業を正確に且つ効率よく行えるようにした摩擦撹拌接合用回転工具とその回転工具を用いた摩擦撹拌接合方法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、ツール本体と、このツール本体の先端にこれと同心状に形成された小径の突起部と、ツール本体の先端部に設けられたばり取り用のカッターとを備え、工具の回転運動に伴う摩擦撹拌接合と並行して接合ビード部に発生したばりをカッターにて切削除去するようにした摩擦撹拌接合用回転工具であって、先端に切れ刃が形成されたリング状のカッターがツール本体に対し相対回転を阻止されながらその軸心方向にスライド可能に外挿されているとともに、ツール本体とカッターの間にはそのカッターを突起部側に向かって弾性付勢する弾性体が介装されていて、ツール本体に対してカッターが突起部側に最もスライド変位した状態では、カッターの切れ刃がツール本体の先端面であるショルダー面と整合一致するように設定されていることを特徴とする。
【００１０】
また、ばり取りを正確且つ確実に行う上では、請求項２に記載のようにカッターの切れ刃にはカッター自体の軸心側から外周側に向かって仰角となる逃げ角が設定されていたり、あるいは請求項３に記載のようにカッターの切れ刃には回転方向前方側から後方側に向かって仰角となるすくい角が設定されていることが望ましく、より望ましくは、請求項４に記載のようにカッターの切れ刃の逃げ角とすくい角とが共に同じ大きさに設定されているものとする。
【００１１】
さらに、請求項１〜４のいずれかに記載の摩擦撹拌接合用回転工具を用いて摩擦撹拌接合を行う場合には、ツール本体の先端部よりも上端部側の方が工具送り方向後方側となるようにツール本体に前進角を持たせた状態で摩擦撹拌接合処理を行うのが望ましく、特に請求項４に記載のようにカッターの切れ刃に逃げ角およびすくい角が共に同じ大きさのものとして設定されている場合には、請求項５に記載のようにツール本体の先端部よりも上端部側の方が工具送り方向後方側となるようにツール本体に前進角を持たせた上で、そのツール本体の前進角をカッターの切れ刃の逃げ角およびすくい角に一致させた状態で摩擦撹拌接合処理を行うことが望ましい。
【００１２】
ここで、上記の前進角は工具の送り速度や回転数ならびに材質の違い等の影響をほとんど受けることがないとされており、一般的には４〜５°程度に設定される。
【００１３】
したがって、請求項１〜４に記載の発明では、例えば被接合部材の接合位置や形状がばらついて工具の被接合部材への押し込み量や前進角等が変化した場合、もしくは摩擦撹拌接合条件の調整のために上記押し込み量や前進角等を積極的に変化させた場合には、弾性付勢されているカッターはそれに応じてツール本体の軸心方向に摺動することから、カッターが被接合部材を過剰に削り込んでしまうこともなければ、ばりの削り残し等も発生しにくくなり、摩擦撹拌接合処理に伴って接合ビード部に発生したばりを綺麗に削り取ることができるようになる。
【００１４】
また、ツール本体とカッターとの間に圧縮コイルスプリング等の弾性体が介装されていて、この弾性体によってカッターが弾性付勢されていることで、ばりの切削除去に伴う振動が弾性体によって吸収されてツール本体には伝わりにくくなるため、摩擦撹拌接合処理とばり取りとを並行して行ったとしてもばり取りに伴う振動が本来の摩擦撹拌接合品質には何ら影響しなくなる。
【００１５】
その上、請求項５に記載のように、カッターの切れ刃の逃げ角とすくい角を共に同じ大きさに設定した上で、さらにそれを工具自体の前進角と一致させて摩擦撹拌接合処理を行うと、工具のうち少なくとも送り方向後方側ではカッターの切れ刃が被接合部材平面（接合ビード平面）に対して平行に当たることになるため、ばりの削り残しがないように綺麗にばりを削り取ることができるようになる。
【００１６】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、ツール本体の先端に装着したばり取り用のカッターが突起部側に向かって弾性付勢されながら軸心方向のスライド自由度を有しているため、工具の押し込み量や前進角が変化したとしても高精度な位置決めを要することなしにカッターを被接合部材平面に忠実に追従させることができることから、被接合部材を過剰に削り過ぎたりあるいはばりの削り残しが発生することがなく、摩擦撹拌接合と並行してばりを綺麗に切削除去することができ、接合品質およびばり取り品質共に飛躍的に向上する。その上、後工程でのさらなるばり取り作業が不要となって、工数削減にも寄与できるようになる。
【００１７】
その上、カッターが弾性部材で付勢されていて、その弾性体がばり取り作業に伴う振動を吸収する機能を発揮することから、ばり取り作業に伴う振動が接合品質に影響することがなくなり、接合品質の一層の向上が期待できるようになる。
【００１８】
さらに、ツール本体に対してカッターが最も下降した時の位置がショルダー面と整合一致する位置に規制されているため、上述した効果に加えて、被接合部材への過剰の削り込みをより確実に防止できる利点がある。
【００１９】
請求項２，３に記載の発明によれば、カッターの切れ刃に逃げ角または逃げ角とすくい角の双方を設定し、さらに請求項４に記載の発明によれば、その逃げ角とすくい角を共に同じ大きさに設定したため、カッターの被削性が向上するともに、カッターの長寿命化を図ることができるようになる。
【００２０】
請求項５に記載の発明によれば、工具の前進角をカッターの切れ刃の逃げ角およびすくい角と一致させた状態で摩擦撹拌接合処理を行うようにしたため、被接合部材平面に対して切れ刃を平行に当てることができるようになって特にばりの削り残しをなくすることができ、ばりの切削除去効率とばり取り作業品質が一段と向上する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る摩擦撹拌接合用回転工具（以下、単に工具という）の好ましい実施の形態を示す図であり、（Ａ）は同工具を用いた加工時の側面図を、（Ｂ）はその平面図をそれぞれ示している。
【００２２】
同図に示すように、工具１は、ツール本体２と、そのツール本体２の先端部に装着されたリング状のばり取り用のカッター３と、それらツール本体２とカッター３との間に介装された弾性体たる圧縮コイルスプリング４とから構成されている。
【００２３】
ツール本体２は、例えば中実円筒状の工具鋼もしくはステンレス鋼等をもって段付き軸状に形成したもので、一般部たる大径部２ａの先端部側に中径部２ｂが設定されていて、さらにその中径部２ｂの先端面２ｃにはピン状の小径の突起部５が一体に形成されている。そして、中径部２ｂの先端面２ｃは、突起部５が被接合部材Ｗ１，Ｗ２に押し込まれる際のショルダー面として機能することになる。
【００２４】
ツール本体２の中径部２ｂには、リング状のカッター３が相対回転を阻止されながら軸心方向にスライド可能に外挿されているとともに、大径部２ａと中径部２ｂとなす段状部とカッター３との間には圧縮コイルスプリング４が介装されていて、これによってカッター３は常時下方にすなわち突起部５側に向かって弾性付勢されている。
【００２５】
より詳しくは、ツール本体２の中径部２ｂには軸心方向に沿って長穴形状となる軸穴６が直径方向に貫通形成されている一方、カッター３には軸穴６を通りながらカッター３自体の直径方向に貫通する軸７が圧入されている。軸７の両端は図示しないボルト，ナットの形態もしくはかしめ加工等によってカッター３からの抜け止めが施されているとともに、軸穴６はその長穴範囲内での軸７の上下動をスムーズに許容するためにその穴径が軸７の直径よりもわずかに大きく形成されている。これにより、カッター３とツール本体２との相対回転が阻止されている一方で、カッター３は軸穴６の長穴範囲内で上下方向にスライド変位可能となっている。
【００２６】
そして、ツール本体２に対するカッター３の最下降位置は軸穴６の下側端面に軸７が当接した状態をもって規制されることになることから、この状態ではカッター３のうち後述する切れ刃８の最内周側の稜線８ａがショルダー面２ｃと整合一致し、且つカッター３には圧縮コイルスプリング４による所定大きさの弾性力が作用するように設定されている。
【００２７】
カッター３の下面には、クラウンギヤのごとき形態をもって例えば４枚の切れ刃８が放射状に形成されている。各切れ刃８には、カッター３自体の軸心と直交する平面例えばショルダー面２ｃを基準とした場合にカッター３自体の軸心側から外周側に向かって仰角となる逃げ角αが設定されているとともに、同様に回転方向前方側から後方側に向かって仰角となるすくい角βが設定されていて、これらの逃げ角αおよびすくい角β共に例えば４〜５°程度に設定されている。言い換えるならば、各切れ刃８は最内周側（ツール本体２の中径部２ｂに最も近い部分）から外周側に向かって仰角となるような傾斜面となっているとともに、同様に回転方向においても回転方向前方側から後方側に向かって仰角となるような傾斜面となっている。
【００２８】
ここで、実際に摩擦撹拌接合処理を行う際には、工具１を一定方向（例えば矢印Ｄ方向）に回転させながら工具１自体の軸心を後方側に所定角度θだけ傾斜させて、すなわち工具１の先端部側よりも上端部側の方が工具送り方向の後方側となるように所定の前進角θを与えた状態で所定速度の送りを与えることになるのであるが、本実施の形態ではその前進角θをカッター３の切れ刃８の逃げ角αおよびすくい角βと等しくなるように設定してある。なお、工具１に前進角θを与えるのは、工具１の送り方向前側での回転摩擦力によって工具１と被接合部材Ｗ１，Ｗ２との相対位置がずれるのを防ぎつつ送り指向性を高め、同時に摩擦力および塑性流動量を増加させて撹拌効率を高めるためである。
【００２９】
このように各切れ刃８の逃げ角αとすくい角βおよび前進角θ共に同じ大きさに設定することにより、各切れ刃８の最内周側の稜線８ａは回転方向のいずれの位置においても被接合部材Ｗ，１Ｗ２の平面と平行となり、且つ切れ刃８そのものを含むすくい面が送り方向の最も後方位置を通過する際に被接合部材Ｗ１，Ｗ２の平面と平行となるように考慮されている。
【００３０】
したがって、図１に示す本実施の形態によれば、摩擦撹拌接合処理に際しては、基本的には従来と同様に突起部５を含む工具１の先端部を被接合部材Ｗ１，Ｗ２に圧入しながらこれを回転させて且つ接合中心線Ｐに沿って送りを与えるものとし、同時に先に述べたように工具１の軸線を鉛直軸線よりも後方側に例えば４〜５°程度倒して前進角θを与える。これにより、被接合部材Ｗ１，Ｗ２に摩擦撹拌接合が施され、それに伴い接合ビード部９の幅方向両端部９ａに隆起するようなかたちでばりＢが発生することになるが（図２の（Ａ）参照）、その摩擦撹拌接合に伴って接合ビード部９に発生したばりＢがツール本体２と一体的に回転するカッター３によって切削除去される。
【００３１】
特に、ばりＢはツール本体２の先端の中径部２ｂが回転しながら移動することによってできる接合ビード部９の幅方向両端９ａすなわち中径部２ｂの直径を幅寸法とする接合ビード部９の幅方向両端９ａに多く発生することになるが、カッター３は摩擦撹拌接合に直接関与するツール本体２の中径部２ｂよりも外側に位置していて、しかもカッター３の切れ刃８は中径部２ｂの円周を始端部としつつ所定の逃げ角αを有しているために、摩擦撹拌接合に伴って発生したばりＢはその発生始端部から綺麗に切削除去される。
【００３２】
この場合、工具１の先端のカッター３とツール本体２とは相対回転が阻止されてはいても、カッター３はツール本体２に対して上下方向にスライド変位可能であることから、例えば摩擦撹拌接合進行中において被接合部材Ｗ１，Ｗ２に対する工具１の圧入量や前進角θが変化した場合、またはそれらの工具圧入量や前進角θを接合条件制御のために積極的に変化させた場合には、それに伴ってカッター３がツール本体２に対して上下方向にスライド変位して、被接合部材Ｗ１，Ｗ２の平面との相対位置関係を一定に保つことになる。そのために、カッター３が被接合部材Ｗ１，Ｗ２を過剰に削り込んでしまうこともなければ、ばりＢの削り残しも発生しにくいものとなる。
【００３３】
より詳しくは、ばり取り用のカッター３の切れ刃８に共に同じ大きさの逃げ角αとすくい角βを予め設定してある一方で、工具１自体の前進角θもまたそれらの逃げ角αおよびすくい角βと同じ大きさに設定してあるため、工具１自体の回転中心よりも前方側では切れ刃８が被接合部材Ｗ１，Ｗ２の平面から浮き上がり気味になる一方で、切れ刃８のうち中径部２ｂに最も近い部分の稜線８ａはどの位置でも被接合部材Ｗ１，Ｗ２の平面と平行となるとともに、工具１自体の回転中心よりも後方側であって且つ送り方向中心線Ｐと合致する位置を通過する際にその稜線８ａが高さ方向で最も低い位置となる。また、切れ刃８そのもの（切れ刃８のうちカッター３の直径方向を指向することになる稜線）は、工具１自体の回転中心よりも後方側であって且つ送り方向中心線Ｐと合致する位置を通過する際に高さ方向で最も低い位置となりながら被接合部材Ｗ１，Ｗ２の平面高さ位置と一致しながらこれと平行となることから、摩擦撹拌接合に伴って発生したばりＢは過不足なく切削除去されることになる。
【００３４】
ここで、送り方向中心線Ｐと直交する線Ｑ上をカッター３の切れ刃８が通過する際にその切れ刃８の根元部の稜線８ａが被接合部材Ｗ１，Ｗ２の平面高さと一致することが理想であるが、その場合には前進角θを設定してあることによって工具１自体の回転中心よりも後方側であって且つ送り方向中心線Ｐと合致する位置を通過する際にその稜線８ａが被接合部材Ｗ１，Ｗ２の平面高さ位置よりも低い位置となるので、少なくとも工具１の回転中心よりも後方側では接合ビード部９を凹状に削り取ってしまうことになり好ましくない。ただし、この接合ビード部９の凹状に削り取りが許容される場合には上記の理想的とされる設定としてもよい。
【００３５】
このように本実施の形態によれば、工具１による摩擦撹拌接合処理と並行してその摩擦撹拌接合に伴って発生したばりＢをカッター３にて過不足なく且つ綺麗に切削除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施の形態を示す図で、（Ａ）は加工中の摩擦撹拌接合用回転工具の半断面説明図、（Ｂ）は同図（Ａ）の平面説明図。
【図２】摩擦撹拌接合の基本原理を示す図で、（Ａ）はその加工中の要部斜視図、（Ｂ）は同図（Ａ）の断面説明図。
【符号の説明】
１…摩擦撹拌接合用回転工具
２…ツール本体
２ｃ…ショルダー面（先端面）
３…カッター
４…圧縮コイルスプリング（弾性体）
５…突起部
６…軸穴
７…軸
８…切れ刃
８ａ…稜線
９…接合ビード部
Ｂ…ばり
Ｗ１，Ｗ２…被接合部材
α…逃げ角
β…すくい角
θ…前進角
【図１】
0004193413.tif 000002
【図２】
0004193413.tif 000003