(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する一方のワークと他方のワークとに一定の相対運動を付与しつつ、推力付与装置で該一方のワークと該他方のワークとに摩擦推力を付与することにより、圧接に充分な状態になるまで相互の接合界面を発熱させる摩擦送り工程と、該相対運動を断ち、該推力付与装置で該一方のワークと該他方のワークとにアップセット推力を付与することにより、該一方のワークと該他方のワークとを該接合界面で摩擦圧接するアップセット工程と、を有する摩擦圧接方法において、
前記推力付与装置としてサーボモータを採用し、前記サーボモータの回転軸はボールねじ軸に係合され、該ボールねじ軸はボールねじナットと螺合され、該ボールねじナットはロードセルを介して該一方のワークを把持する摺動可能に設けられた主軸ボックス又は摺動チャックに係合され、該主軸ボックス又は摺動チャックが受ける力を該ロードセルによって検知される実推力に基づき、前記摩擦送り工程及び前記アップセット工程内で該サーボモータの速度制御を制限された上限値の下で行うことを特徴とする摩擦圧接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は摩擦圧接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ブレーキ法による摩擦圧接方法では、まず、一方のワークを固定し、他方のワークを回転装置に結合された主軸に取り付ける。そして、摩擦送り工程として、他方のワークを一定回転し続け、推力付与装置で相互の接合界面に軸方向の摩擦推力を付与して摩擦させる。この間、初めのうちは、接合界面では、微小な接触点で変形、破壊を生じ、ついには多くの焼付点を生じるようになる。継続して両ワークの相対回転が存在することから、焼付点の発生と破壊が生じ、焼付面積が拡大される。熱は両ワークの深さ方向にも伝導するので、接合界面が高温層を有することとなる。次いで、接合界面の高温層がより厚くなると、接合界面は変形が容易になるので、摩擦推力によって接合界面は激しい変形をし、バリの形成を繰り返す。
【０００３】
この後、通常所定時間の経過を待ってアップセット工程を行う。この際、ブレーキによって主軸の回転を急停止させるとともに、推力付与装置で摩擦推力より増加された軸方向のアップセット推力を付与する。この時には、清浄な材料が溶融していることにより接合界面は圧接に充分な状態になっているので、アップセット推力によって両ワークが摩擦圧接される。
【０００４】
一般的な摩擦圧接方法では、油圧シリンダを推力付与装置として採用している（特開昭５９−１９７３８９号公報等）。また、電動モータを推力付与装置として採用するとともに、電動モータの出力トルクと回転装置の出力トルクとを検知し、これらの偏差に基づいて電動モータのトルク制御を行なう摩擦圧接方法も近年提案されている（特開平３−１２４３８４号公報）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記両摩擦圧接方法では、例え精度の高い素材長のワークを用いたとしても、圧接後の製品の製品長の精度が充分でないことが明らかになった。
すなわち、油圧シリンダを推力付与装置として採用した摩擦圧接方法では、油圧シリンダに送給される作動油の温度変化、劣化等に起因して油圧が変化しやすいため、摩擦推力やアップセット推力を設定値通りに付与することが困難である。
【０００６】
また、電動モータを推力付与装置として採用した従来の摩擦圧接方法では、摩擦送り工程及びアップセット工程中に溶融により接合界面の変形のし易さが変動するにもかかわらず、電動モータのトルク制御を行なうこととしているため、両ワークには設定値以上の摩擦推力やアップセット推力を付与してしまう場合がある。
【０００７】
こうして、付与する摩擦推力が設定値通りでなく、オーバーシュートや変動があれば、接合界面の溶融深さがばらつき、ばらついた溶融深さでアップセット工程を行うと、摩擦圧接後の製品の製品長がばらつくことになる。また、仮に接合界面の溶融深さがばらついていないとしても、付与するアップセット推力が設定値通りでなく、オーバーシュートがあるのであれば、摩擦圧接後の製品の製品長がばらつくことになる。
【０００８】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、精度の高い素材長のワークを用いれば、精度が充分な製品長の製品を圧接可能な摩擦圧接方法を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の摩擦圧接方法は、互いに対向する一方のワークと他方のワークとに一定の相対運動を付与しつつ、推力付与装置で該一方のワークと該他方のワークとに摩擦推力を付与することにより、圧接に充分な状態になるまで相互の接合界面を発熱させる摩擦送り工程と、該相対運動を断ち、該推力付与装置で該一方のワークと該他方のワークとにアップセット推力を付与することにより、該一方のワークと該他方のワークとを該接合界面で摩擦圧接するアップセット工程と、を有する摩擦圧接方法において、
前記推力付与装置としてサーボモータを採用し、前記サーボモータの回転軸はボールねじ軸に係合され、該ボールねじ軸はボールねじナットと螺合され、該ボールねじナットはロードセルを介して該一方のワークを把持する摺動可能に設けられた主軸ボックス又は摺動チャックに係合され、該主軸ボックス又は摺動チャックが受ける力を該ロードセルによって検知される実推力に基づき、前記摩擦送り工程及び前記アップセット工程内で該サーボモータの速度制御を制限された上限値の下で行うことを特徴とする。
【００１０】
この摩擦圧接方法では、摩擦送り工程及びアップセット工程中に溶融により接合界面の変形のし易さが変動していても、制限された上限値の下、検知される実推力に基づいてサーボモータの速度制御を行なうため、両ワークにはほぼ設定値通りの摩擦推力やアップセット推力を付与できる。
こうして、摩擦推力をほぼ設定値通りに付与できるため、接合界面の溶融深さがばらつかない。また、アップセット推力をもほぼ設定値通りに付与できるため、摩擦圧接後の製品の製品長がばらつかない。
【００１１】
したがって、この摩擦圧接方法では、精度の高い素材長のワークを用いれば、精度が充分な製品長の製品を圧接することが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
以下、請求項１の発明を具体化した実施形態１の摩擦圧接方法について詳述する。
まず、この摩擦圧接方法を使用する摩擦圧接機について説明する。この摩擦圧接機では、図１及び図２に示すように、水平面上に載置されたベッド１上の左側のブラケット１ａに推力付与装置としてのサーボモータ２が固定されており、ベッド１上の中央のブラケット１ｂに水平に軸支されたボールねじ軸３はサーボモータ２の回転軸とカップリング４を介して係合されている。また、ボールねじ軸３と平行に形成されたベッド１の直動軸受（リニアガイド）１ｃ上には主軸ボックス５が摺動可能に設けられており、主軸ボックス５のスピンドルにはボールねじナット６及びロードセル７を介してボールねじ軸３が係合されている。
【００１３】
主軸ボックス５には主軸８が水平に軸支されており、ボールねじ軸３の延在方向側である主軸８の先端には回転チャック９が固定されている。また、主軸ボックス５上には回転装置としての主軸モータ１０が固定されており、主軸モータ１０の回転軸はプーリ１１、ベルト１２、図示しないプーリ及び電磁クラッチを介して主軸８と係合されている。
【００１４】
そして、ベッド１上の右側には、回転チャック９と対向する固定チャック１３が固定されているとともに、固定チャック１１の後方にストッパ１４が固定されている。
また、摩擦圧接機の一部を構成する図示しない制御盤では、図３に示すように、ＣＲＴ２０とデジタルＳＷ２１とからなる操作盤２２がコントローラ２３に接続されており、コントローラ２３には、サーボドライバ２４を介して上記サーボモータ２が接続されているとともに、電磁リレー２５を介して上記主軸モータ１０が接続されている。また、コントローラ２３にはＣＲＴ２６とＣＰＵ２７とからなる品質保証装置２８が接続されており、これにより長さ及び時間に関連した信号の伝達が可能になっている。主軸モータ１０に設けられた主軸回転計２９（図１及び図２では図示せず）は品質保証装置２８のＣＰＵ２７に接続され、これにより主軸の回転数に関連した信号の伝達が可能になっている。さらに、コントローラ２３にはトランスミッタ３０を介して上記ロードセル７が接続され、トランスミッタ３０も品質保証装置２８のＣＰＵ２７に接続されて圧力に関連した信号の伝達が可能になっている。
【００１５】
上記のように構成された実施形態１の摩擦圧接機により、摩擦圧接方法を実行する。まず、回転チャック９と固定チャック１３とによりそれぞれワークを把持する。そして、図４に示すように、Ａ時点において、主軸モータ１０により主軸８を回転させる。
「早送り工程」
しばらく経過後、位置制御によりサーボモータ２の早送りを行なう。
「微速送り・素材接触工程」
この後、主軸ボックス５が所定の位置になれば、両ワークが当接するまでトルク制御によりサーボモータ２の微速送りを行なう。
「位相合わせ工程」
また、位相合わせのために位置制御により主軸８の位置を後退させる。
【００１６】
「摩擦送り工程」
この後、Ｂ時点において、サーボモータ２をフルパワーとして両ワークの接合界面に予熱摩擦推力Ｐ0 を付与し、予熱送りを行う。この間、トルク制御を行なうとともに回転速度制御を行なう。
そして、通常所定時間の経過を待って、Ｃ時点において、サーボモータ２をフルパワーとして両ワークの接合界面に予熱摩擦推力Ｐ0 を２倍以下程度で増加した本摩擦推力Ｐ1 を付与し、本摩擦送りを行なう。この間、位置指令、トルク制御及び回転速度制御を行なう。
【００１７】
「アップセット工程」
この後、通常所定時間の経過を待って、Ｄ時点において、ブレーキにより主軸８の回転を急停止させるとともに、サーボモータ２でワークに応じたアップセット推力Ｐ2 （本摩擦推力Ｐ1 の２〜３倍程度）を付与し、アップセット工程を行なう。この間、トルク制御及び回転速度制御を行なう。
【００１８】
「ワーク払い出し工程」
そして、圧力を除去することにより、アップセット推力Ｐ2 の付与を停止した後、位置制御でワークの払い出し位置まで主軸ボックス５を移動させ、位置制御で主軸ボックス５をスライド後退させる。
以上の１回目の摩擦圧接方法の間、サーボモータ２をフルパワーとしているため、サーボモータ２のボールねじ軸３の回転速度の上限値は、摩擦送り工程中で５００ｖ、アップセット工程中で５ｖである。かかるボールねじ軸３の回転速度５００ｖ、５ｖは、ボールねじ軸３及びボールねじナット６のリードとによりサーボモータ２の送り速度ＶA 、ＶB と相関関係を有している。このため、摩擦送り工程内で付与する予熱摩擦推力Ｐ0 及び本摩擦推力Ｐ1 にはオーバーシュート及び変動があり、かつアップセット工程内で付与するアップセット推力Ｐ2 にもオーバーシュートがある。かかるオーバーシュート等は操作盤２２のＣＲＴ２０にて確認可能である。このため、１回目の摩擦圧接方法により得られた製品は製品長がばらつくことになる。
【００１９】
このため、この摩擦圧接方法では、摩擦送り工程内において、寄り代Ｓと関連してＳA ／ＴA からサーボモータ２の摩擦送り速度ＶA を算出する。また、アップセット工程内において、ロードセル７がボールねじナット６と主軸ボックス５のスピンドルとに生じる実推力に関連する信号を出力するため、アップセット推力Ｐ2 が最大値を示す時刻から、ＳB 及びＴB を求め、ＳB ／ＴB からサーボモータ２のアップセット送り速度ＶB を算出している。そして、２回目の摩擦圧接方法として、上記と同様の各工程を実行する際、サーボモータ２の回転速度の上限値を、送り速度が摩擦送り工程中で１．１〜１．５ＶA、アップセット工程中で１．１〜１．５ＶBとになるように回転速度制御を行なう。この回転速度制御はサーボモータ２の送り速度でみれば、送り速度制御である。こうして、サイクル毎にロードセル７が検知する実推力を±５〜１０％以内で変更するように、摩擦送り工程及びアップセット工程内の少なくとも一方で回転速度制御を行なう。仮に３回目の摩擦圧接方法でも図４と同様に予熱摩擦推力Ｐ0 、本摩擦推力Ｐ1 又はアップセット推力Ｐ2 にオーバーシュートや変動があれば、再度、摩擦送り工程又はアップセット工程内で回転速度制御を行なう。予熱摩擦推力Ｐ0 、本摩擦推力Ｐ1 及びアップセット推力Ｐ2 にオーバーシュートや変動がないときの図４と同様の関係を図５に示す。このときには、両ワークにはほぼ設定値通りの予熱摩擦推力Ｐ0 、本摩擦推力Ｐ1 及びアップセット推力Ｐ2 を付与できる。
以上
【００２０】
こうして、摩擦推力をほぼ設定値通りに付与できるため、接合界面の溶融深さがばらつかない。また、アップセット推力をもほぼ設定値通りに付与できるため、摩擦圧接後の製品の製品長がばらつかない。
したがって、この摩擦圧接方法では、精度の高い素材長のワークを用いれば、精度が充分な製品長の製品を圧接することが可能となる。
【００２１】
【実施例】
図６に示すように、個数ｎ＝１００、幅０．１３（μｍ）、標準偏差σn-1 ＝０．０２２５で素材長のばらつきを有するワークを用意する。そして、摩擦送り工程及びアップセット工程において回転速度制御を行いつつ上記実施形態１の摩擦圧接機により摩擦圧接方法を実行する。
【００２２】
得られた製品について、個数ｎ＝３０、幅０．１１（μｍ）、標準偏差σn-1 ＝０．０２７８で製品長のばらつきを調べ、図７を得た。
【００２３】
【比較例１】
実施例で示したばらつきを有する素材長のワークを用い、摩擦送り工程及びアップセット工程において回転速度制限を行わないで上記実施形態１の摩擦圧接機により摩擦圧接方法を実行する。
得られた製品について、個数ｎ＝３０、幅０．１２（μｍ）、標準偏差σn-1 ＝０．０３３１で製品長のばらつきを調べ、図８を得た。
【００２４】
【比較例２】
実施例で示したばらつきを有する素材長のワークを用い、油圧シリンダを推力付与装置とした従来の摩擦圧接機により摩擦圧接方法を実行する。
得られた製品について、個数ｎ＝１００、幅０．２２（μｍ）、標準偏差σn-1 ＝０．０４５４で製品長のばらつきを調べ、図９を得た。
【００２５】
【比較例３】
実施例で示したばらつきを有する素材長のワークを用い、サーボモータを推力付与装置とし、摩擦送り工程及びアップセット工程においてトルク制御のみを行って摩擦圧接方法を実行する。
得られた製品について、個数ｎ＝１００、幅０．１２（μｍ）、標準偏差σn-1 ＝０．０２４８で製品長のばらつきを調べ、図１０を得た。
【００２６】
【評価】
図７〜１０より、実施例では、精度の高い素材長のワークを用いれば、精度が充分な製品長の製品を圧接できることがわかる。
（実施形態２）
実施形態２の摩擦圧接方法を使用する摩擦圧接機では、図１１に示すように、直動軸受１ｃ上に摺動チャック３１が摺動可能に設けられており、摺動チャック３１がボールねじナット６及びロードセル７を介してボールねじ軸３に係合されている。
【００２７】
また、ブラケット１ａにストッパ３２が固定され、ベッド１上の右側に主軸８を軸支する主軸ボックス３３が固定されている。制御盤その他の構成は実施形態１と同様であるため、同様の構成については同一符号を付している。
この摩擦圧接機により摩擦圧接方法を実行すれば、同様の作用及び効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の摩擦圧接方法に係る摩擦圧接機の縦断面図である。
【図２】実施形態１の摩擦圧接方法に係る摩擦圧接機の横断面図である。
【図３】実施形態１の摩擦圧接方法に係る摩擦圧接機における制御装置のブロック図である。
【図４】実施形態の摩擦圧接方法に係り、１回目の時間と、寄り代と、推力と、主軸の回転数との関係を示すグラフである。
【図５】実施形態の摩擦圧接方法に係り、２回目以降の時間と、寄り代と、推力と、主軸の回転数との関係を示すグラフである。
【図６】実施例及び比較例１、２に係り、ワークの素材長のばらつきを示すグラフである。
【図７】実施例に係り、製品の製品長のばらつきを示すグラフである。
【図８】比較例１に係り、製品の製品長のばらつきを示すグラフである。
【図９】比較例２に係り、製品の製品長のばらつきを示すグラフである。
【図１０】比較例３に係り、製品の製品長のばらつきを示すグラフである。
【図１１】実施形態２の摩擦圧接方法に係る摩擦圧接機の横断面図である。
【符号の説明】
２…推力付与装置（サーボモータ）
７…ロードセル
Ｐ0 、Ｐ1 …摩擦推力（Ｐ0 …予熱摩擦推力、Ｐ1 …本摩擦推力）
Ｐ2 …アップセット推力
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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