(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
一方のワークの端面と他方のワークの端面とを押圧力の付与状態の下で互いに当接させつつ相対回転させることにより該両ワークの接合界面に摩擦熱を発生させ、続いて、前記両ワークの相対回転を停止させた上で該両ワークにアプセット圧力を加える摩擦圧接方法において、
前記摩擦熱を発生させるに際して、前記一方のワークの端面と前記他方のワークの端面との当接によって開始される予備摩擦過程と、該予備摩擦過程に連続する本来の摩擦過程とが実行され、
前記予備摩擦過程では、前記押圧力として、前記一方のワークが前記他方のワークに対して曲がりを生じる曲がり押圧力の下限値に達しないものを用いると共に、該予備摩擦過程における摩擦熱を、該押圧力と前記両ワークの相対回転とにより該両ワーク端面同士間に塑性変形を生じさせて、該両ワークの端面状態を該両ワークの曲がりが生じにくくなるように修正するものとし、
前記曲がり押圧力の下限値としては、前記一方のワーク及び前記他方のワークの当接前の端面状態に基づいて定まるものを用いる、
ことを特徴とする摩擦圧接方法。
一方のワークの端面と他方のワークの端面とを押圧力の付与状態の下で互いに当接させつつ相対回転させることにより該両ワークの接合界面に摩擦熱を発生させ、続いて、前記両ワークの相対回転を停止させた上で該両ワークにアプセット圧力を加える摩擦圧接装置において、
ワークを保持するチャック部がそれぞれ備えられ、該両チャック部が対向するようにして配置される一対の保持装置と、
前記一対の保持装置の少なくとも一方に対して駆動可能に関連付けられ、該一対の各保持装置のチャック部にそれぞれ保持されたワークを相対的に近づく方向に移動させる移動用駆動源と、
前記一対の各保持装置におけるチャック部の少なくとも一方に回転駆動可能に関連付けられ、該両チャック部に保持されたワークを相対回転させる回転駆動源と、
前記一対の各保持装置におけるチャック部に保持されるワークの端面同士が押圧し合う押圧力を検出する押圧力検出部と、
前記押圧力検出部からの情報に基づき、前記一対の各保持装置のチャック部に保持されたワークの端面同士が当接した際に、前記移動用駆動源と前記回転駆動源とを制御して、該両ワークの端面同士が押圧し合う押圧力を、該両ワークに曲がりを生じさせる曲がり押圧力の下限値に達しないものにすると共に、該両ワーク端面間に生じる摩擦熱を、該押圧力と前記両ワーク同士の相対回転数とにより、該両ワーク端面同士間に塑性変形を生じさせるものとする制御ユニットと、
を備え、
前記制御ユニットが、
前記回転駆動源の回転数、及び前記両ワークの端面同士が当接する際の押圧力を設定情報として記憶する記憶部と、
前記押圧力検出部からの情報及び前記記憶部が記憶する前記設定情報に基づき、前記一対の各保持装置のチャック部に保持されたワークの端面同士が当接した際に、前記移動用駆動源と前記回転駆動源とを制御して、該両ワークの端面同士を前記曲がり押圧力の下限値に達しない押圧力をもって押圧すると共に、該押圧力と前記両ワーク同士の相対回転数とにより、該両ワーク端面同士間に摩擦熱を発生させて該摩擦熱に基づき該両ワーク端面同士間に塑性変形を生じさせる制御部と、
を備えている、
ことを特徴とする摩擦圧接装置。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかし、上記摩擦圧接方法においては、加工中に、一方のワークが他方のワークに対して曲がった状態で接合される現象が生じることがあり、その現象を確実に防止することが必要となっている。
【0005】
本発明は、このような事情に鑑み、押圧力とワークの端面状態とに着目してなされたもので、その第1の目的は、摩擦過程を適正に行うことを確保しつつ、一方のワークと他方のワークとを曲げた関係にすることなく的確に接合できる摩擦圧接方法を提供することにある。
第2の目的は、前記摩擦圧接方法を具体的に利用した摩擦圧接装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
前記第1の目的を達成するために本発明にあっては、下記(1)〜(5)をもって構成されている。
(1)一方のワークの端面と他方のワークの端面とを押圧力の付与状態の下で互いに当接させつつ相対回転させることにより該両ワークの接合界面に摩擦熱を発生させ、続いて、前記両ワークの相対回転を停止させた上で該両ワークにアプセット圧力を加える摩擦圧接方法において、
前記一方のワークの端面と前記他方のワークの端面との当接の際に、前記押圧力として、該一方のワークが該他方のワークに対して曲がりを生じる曲がり押圧力の下限値に達しないものを用いると共に、前記摩擦熱を、該押圧力と前記両ワーク同士の相対回転とにより、該ワーク端面同士間に塑性変形を生じさせるものとする構成とされている。
この構成によれば、一方のワークの端面と他方のワークの端面との当接の際に、一方のワークが他方のワークに対して曲がりを生じる要素として、押圧力と両ワークの端面状態とにあることに着目し、その両ワークの端面同士の当接の際、押圧力として、一方のワークが他方のワークに対して曲がりを生じる曲がり押圧力の下限値に達しないものを用いることから、両ワークの端面状態の影響を最も受け易いときであっても、押圧力の調整(低下)により、一方のワークと他方のワークとが曲がり状態になることを防止できる。その一方で、同時に、摩擦熱を、上記押圧力とワーク同士の相対回転とにより、両ワーク端面同士間に塑性変形を生じさせるものとすることから、両ワークの端面状態自体を、一方のワークと他方のワークとにおいて、曲がり現象を生じさせる存在でないものに修正することができ、以後、押圧力を、両ワークの端面同士の当接の際の押圧力よりも高めることができ、摩擦過程に必要な摩擦熱を確保できる。このため、摩擦過程を適正に行うことを確保しつつ、一方のワークと他方のワークとを曲げた関係にすることなく的確に接合できる摩擦圧接方法を提供できる。
【0007】
(2)前記(1)の構成の下で、
前記一方のワークの端面と前記他方のワークの端面との当接の際に、前記押圧力として、前記摩擦熱を生じさせない領域の上限値よりも前記曲がり押圧力の下限値に近いものを用いる構成とされている。
この構成によれば、降伏応力が大きいほどその降伏応力にする温度が低くなることを利用して、押圧力を許容できる限り大きくすることにより両ワークの端面間部分を迅速に塑性変形させることができる。このため、両ワークの端面状態の修正処理を迅速に終えることができる。
【0008】
(3)前記(1)の構成の下で、
前記両ワークの端面同士が当接した後、少なくとも前記押圧力を、前記両ワークの端面同士の当接の際のものよりも高めて、前記摩擦熱を、該両ワークの端面同士の当接の際のものよりも高める構成とされている。
この構成によれば、両ワークの端面同士の当接の際に、その両ワークに曲がり関係が生じることを防ぎつつ、本来の摩擦過程に移行することができ、両ワークを曲げた関係にすることなく的確に接合できる。
【0009】
(4)前記(3)の構成の下で、
前記両ワークの端面同士が当接した後、前記両ワークの相対回転数についても、該両ワークの端面同士の当接の際のものよりも高める構成とされている。
この構成によれば、押圧力だけでなく、両ワークの相対回転数をも高めて、摩擦熱の発生を増大させることができ、両ワークの端面同士の当接の際に特有の処理を行う場合であっても、摩擦過程において必要となる摩擦熱を確実に発生させることができる。
【0010】
(5)前記(1)の構成の下で、
前記両ワークの相対回転数を、前記摩擦熱を発生させる間、一定に維持する構成とされている。
この構成によれば、摩擦過程の全域に亘って、両ワークの相対回転数を単一の回転数(定常状態)にすることができ、摩擦過程を適正に行うことを確保しつつ、一方のワークと他方のワークとを曲げた関係にすることなく的確に接合できるだけでなく、回転数制御の簡素化を図ることができる。
【0011】
前記第2の目的を達成するために本発明にあっては、下記(6)〜(9)をもって構成されている。
(6)一方のワークの端面と他方のワークの端面とを押圧力の付与状態の下で互いに当接させつつ相対回転させることにより該両ワークの接合界面に摩擦熱を発生させ、続いて、前記両ワークの相対回転を停止させた上で該両ワークにアプセット圧力を加える摩擦圧接装置において、
ワークを保持するチャック部がそれぞれ備えられ、該両チャック部が対向するようにして配置される一対の保持装置と、
前記一対の保持装置の少なくとも一方に対して駆動可能に関連付けられ、該一対の各保持装置のチャック部にそれぞれ保持されたワークを相対的に近づく方向に移動させる移動用駆動源と、
前記一対の各保持装置におけるチャック部の少なくとも一方に回転駆動可能に関連付けられ、該両チャック部に保持されたワークを相対回転させる回転駆動源と、
前記一対の各保持装置におけるチャック部に保持されるワークの端面同士が押圧し合う押圧力を検出する押圧力検出部と、
前記押圧力検出部からの情報に基づき、前記一対の各保持装置のチャック部に保持されたワークの端面同士が当接した際に、前記移動用駆動源と前記回転駆動源とを制御して、該両ワークの端面同士が押圧し合う押圧力を、該両ワークに曲がりを生じさせる曲がり押圧力の下限値に達しないものにすると共に、該両ワーク端面間に生じる摩擦熱を、該押圧力と前記両ワーク同士の相対回転数とにより、該両ワーク端面同士間に塑性変形を生じさせるものとする制御ユニットと、
を備えている構成とされている。
この構成によれば、前記(1)に係る摩擦圧接方法を使用する装置を具体的に提供できる。
【0012】
(7)前記(6)の構成の下で、
前記制御ユニットは、前記一対の各保持装置のチャック部に保持されたワークの端面同士が当接した際に、前記移動用駆動源を制御して、該両ワークの端面同士が押圧し合う押圧力を、前記摩擦熱を生じさせない領域の上限値よりも前記曲がり押圧力の下限値に近いものとするように設定されている構成とされている。
この構成によれば、前記(2)に係る摩擦圧接方法を使用する装置を具体的に提供できる。
【0013】
(8)前記(6)の構成の下で、
前記制御ユニットは、前記移動用駆動源を制御して、前記両ワークの端面同士が当接した後に、少なくとも、該両ワークの端面同士が押圧し合う押圧力を、該両ワークの端面同士の当接の際のものよりも高めるように設定されている構成とされている。
この構成によれば、前記(3)に係る摩擦圧接方法を使用する装置を具体的に提供できる。
【0014】
(9)前記(6)の構成の下で、
前記制御ユニットが、
前記回転駆動源の回転数、及び前記両ワークの端面同士が当接する際の押圧力を設定情報として記憶する記憶部と、
前記押圧力検出部からの情報及び前記記憶部が記憶する前記設定情報に基づき、前記一対の各保持装置のチャック部に保持されたワークの端面同士が当接した際に、前記移動用駆動源と前記回転駆動源とを制御して、該両ワークの端面同士を前記曲がり押圧力の下限値に達しない押圧力をもって押圧すると共に、該押圧力と前記両ワーク同士の相対回転数とにより、該両ワーク端面同士間に摩擦熱を発生させて該摩擦熱に基づき該両ワーク端面同士間に塑性変形を生じさせる制御部と、
を備えている構成とされている。
この構成によれば、前記(6)に係る摩擦圧接装置をより具体的にしたものを提供できる。
【発明の効果】
【0015】
以上の内容から、本発明によれば、摩擦過程を適正に行うことを確保しつつ、一方のワークと他方のワークとを曲げた関係にすることなく的確に接合できる摩擦圧接方法を提供できる。
また、本発明にあっては、上記摩擦圧接方法を具体的に利用した摩擦圧接装置を提供できる。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
本実施形態に係る摩擦圧接方法においては、概略的には、2つのワークの端面同士を互いに押圧した状態(摩擦圧力付与状態)で相対回転させることにより接合界面に摩擦熱を発生させる摩擦過程と、ワーク同士の相対回転を停止させると共にアプセット圧力をもってそのワーク同士間を押圧するアプセット過程とが、順次、実行され、このうち、摩擦過程においては、本来の摩擦過程に加えて予備摩擦過程が組み込まれている。この実施形態に係る摩擦圧接方法を説明する前に、その摩擦圧接方法を使用する摩擦圧接装置について説明する。
【0018】
上記摩擦圧接装置1は、
図1に示すように、2つのワークW1、W2を摩擦圧接により一体化する役割を有する。
本実施形態においては、一方のワークW1には軸材(具体的に軸材を用いるときも符号W1を用いる)が用いられ、他方のワークW2には傘材(具体的に傘材を用いるときも符号W2を用いる)が用いられている。一方のワークW1としての軸材は、全体的に軸状(例えば6mmの断面円形)に形成され、他方のワークW2としての傘材は、弁体部W21と、その弁体部W21から延びる軸部W22(例えば6mmの断面円形)とを一体的に有している。これらは、傘材W2の軸部W22と軸材W1とを接合一体化することによりエンジンバルブを構成する関係にある。
本実施形態においては、ワークW1とワークW2とは、異種材料をもって構成されている。具体的には、ワークW1(軸材)としては、SUH11が用いられ、ワークW2(傘材)としては、SUH35が用いられている。
【0019】
摩擦圧接装置1は、
図1に示すように、一方向に伸びる長尺な支持台2上に、一対の保持装置として、スピンドル装置3とスライダ装置4とを並設した状態で備えている。
【0020】
スピンドル装置3は、支持台2の上面にその長手方向一方側(
図1中、右側)において固定されている。このスピンドル装置3は、支持台2の長手方向内方側において、一方のワークW1としての軸材の一部をチャック(保持)するチャック部5を備えており、そのチャック部5は、スピンドル装置3が保有する回転駆動源としての回転駆動源部6により回転駆動されることになっている。
【0021】
スライダ装置4は、支持台2の上面にその長手方向他方側(
図1中、左側)において配置されている。このスライダ装置4には、一対のガイドレール7と、既知のボールネジ機構8と、そのボールネジ機構8を作動するための移動用駆動源としての駆動モータ9とが関連付けられており、それらにより、スライダ装置4は、スピンドル装置3に対して接近・離間動可能とされている。
【0022】
このスライダ装置4には、支持台2の長手方向内方側において、チャック部11が備えられている。このチャック部11は、他方のワークW2としての傘材の軸部W22をチャック(保持)するものであり、このチャック部11にその軸部W22がチャックされたときには、その軸部W22が弁体部W21よりもチャック部11から遠のく方向に伸び、その軸部W22の端面が、スライダ装置4のスライド動作に伴い、スピンドル装置3が保持する軸材W1の端面に対して、接近、離間動することになる。
【0023】
摩擦圧接装置1は、
図1に示すように、前述のスピンドル装置3における回転駆動源部6及びスライダ装置4における駆動モータ9を制御すべく、制御ユニット(制御手段、制御装置)Uを備えている。
このため、制御ユニットUには、ワークW1,W2間に作用する圧力を検出する圧力センサ(押圧力検出部)12、スピンドル装置3における回転駆動源部(回転駆動源)6の回転数を検出する回転数検出センサ35からの各種信号が入力され、その制御ユニットUからは、スピンドル装置3における回転駆動源部6、スライダ装置4における駆動モータ9に制御信号がそれぞれ出力されることになる。尚、制御ユニットUには、タイマ機能を発揮するタイマ回路が内蔵されている。
【0024】
前記制御ユニットUには、
図1に示すように、コンピュータとしての機能を確保すべく、記憶部13と、制御部14とが備えられている。
記憶部13は、ROM(Read Only Memory)やRAM(Random Access Memory)等の記憶素子をもって構成されており、その記憶部13には、ワーク同士の摩擦圧接に必要な各種プログラム、スライダ装置4のスライド速度、スピンドル装置3における回転駆動源部6の第1回転数、第2回転数(定常回転数)、後述の設定時間Δt00、Δt0、Δt1、Δt2、後述の設定圧P0,P1,P2等の設定情報が格納されている。これら各種プログラム等は、必要に応じて、制御部14により読み出され、また、必要な情報が記憶部13に適宜、記憶される。
【0025】
制御部14は、CPU(Central Processing Unit)をもって構成されており、その制御部14は、記憶部13から読み出されたプログラムの下で、設定部15と、演算制御部16として機能する。
設定部15は、スピンドル装置3における回転駆動源部6の回転数が第1回転数(定常回転数)になるまでの時間Δt00、スピンドル装置3における回転駆動源部6の第1回転数(定常回転数)及び該第1回転数よりも大きい第2回転数(定常回転数)、予備摩擦過程(摩擦過程)における予備摩擦圧力(押圧力)P0、予備摩擦時間Δt0、本来の摩擦過程における摩擦圧力(押圧力)P1、摩擦圧力制御時間Δt1、アプセット過程におけるアプセット圧力(押圧力)P2、アプセット圧力制御時間Δt2等を設定することになる(
図4参照)。
演算制御部16は、各種プログラムの下で、設定部15における設定情報、センサ12,35からの入力情報に基づき、演算処理をして、各種制御信号をスピンドル装置3における回転駆動源部6、スライダ装置4における駆動モータ9に出力することになる。
【0026】
上記制御ユニットUによる摩擦圧接制御には、実施形態に係る摩擦圧接方法が反映されている。以下に、制御ユニットUによる一般的な摩擦圧接制御、実施形態に係る基本的な摩擦圧接制御、及びその各問題点を説明した上で、実施形態に係る摩擦圧接方法を踏まえつつ、制御ユニットUによる概略的な摩擦圧接制御について説明する。
【0027】
一般的な摩擦圧接制御
一般的な摩擦圧接制御は、
図2に示すように、スピンドル装置3にチャックされたワークW1の端面と、スライダ装置4にチャックされたワークW2の端面とを、摩擦圧力P1をもって互いに押圧しつつ相対回転(一定回転数:本実施形態ではワークW1だけがその軸線を中心として回転)させることによりその両ワークW1,W2の接合界面に摩擦熱を発生させる摩擦過程と、その両ワークW1,W2同士の相対回転を停止させた上で、摩擦圧力P1よりも大きいアプセット圧力P2をもってその両ワークW1,W2同士間を押圧するアプセット過程とが、順次、実行され、このうち、摩擦過程においては、その全域で摩擦圧力P1及びワークW1、W2の相対回転数がそれぞれ一定に維持される。
このような一般的な摩擦圧接制御が行われた場合、
図3に示すように、他方のワークW2としての傘材の軸部W22に対して一方のワークW1としての軸材が曲がって接合(一体化)されることがある。本発明者は、この曲がり現象について検討しているが、傘材W2における軸部W22の端面及び軸材W1における端面の出来栄え状態(特に軸材W1の端面の出来栄え状態)と、摩擦圧力(押圧力)とがその曲がり現象に影響を与え、そのうち、上記端面の各状態(倒れ面、曲がり面等)については、切断機(例えばシャー切断機)の違いが起因していると考えている。尚、
図3中、符号CHは、軸材W2でのチャック部5によるチャック領域を示す。
【0028】
実施形態に係る基本的な摩擦圧接制御
(1)実施形態に係る摩擦圧接制御においては、
図4に示すように、上記現象等を踏まえ、前述の一般的な摩擦圧接制御を基本としつつも、摩擦過程に、本来の摩擦過程の前において予備摩擦過程が組み込まれている。傘材W2の軸部W22に対して軸材W1が曲がって接合されるとすれば、その両者W1,W2の端面形状の影響を最も受ける該両者W1,W2の当接時であると考えられるからである。この予備摩擦過程においては、本来の摩擦圧力P1よりも低い予備摩擦圧力P0が用いられると共に、軸材W1が本来の摩擦過程における回転数よりも低い回転数をもって回転され、本来の摩擦過程に入る前において、傘材W2と軸材W1との端面を馴染ませることが行われる。
しかし、摩擦過程に予備摩擦過程を組み込んでも、その予備摩擦過程の組み込み効果を確認する
図5〜
図7のテストの結果によれば、必ずしも確実な改善結果を得るに至っていない。
【0029】
図5は、その予備摩擦過程の組み込み効果を確認するテスト条件を示している。
図5においては、回転数(主軸回転数)(rpm)は、スピンドル装置3における回転駆動部6により回転されるチャック部5の回転数を示し、P0(推力)は、傘材W2の軸部W22の端面と軸材W1の端面とを合わせた状態で押圧する押圧力として、摩擦圧力P0(MPa)に代えて推力(kN)をテストに用いたことを示している。テストは、下記共通のワークW1,W2を用いつつ、予備摩擦過程を、回転数(rpm)とP0(推力)とを適宜変えた
図5中のNo.1〜No.20の条件の下で行い、その後、本来の摩擦過程、アプセット過程を下記共通条件の下で行った。
【0030】
テストの共通条件
ワークW1:軸材(材質SUH11)、径6mm、チャック部5からの出代16mm
ワークW2:傘材(材質SUH35)、傘材の軸部の径6mm、チャック部11からの出代11mm
予備摩擦過程:予備摩擦時間0.5sec
本来の摩擦過程:P1(推力)(圧力に代えて推力を用いたもの:以下、P1(推力)と示す)6.5kN、摩擦時間0.78sec、回転数3600rpm
アプセット過程:P2(推力)(圧力に代えて推力を用いたもの:以下、P2(推力)と示す)11.3kN、アプセット時間0.31sec、P2L(チャック部5に対する回転停止指示からP2切換えまでの遅れ時間)0.05sec
【0031】
図6は、
図5に示すNo.1〜No.20の条件の下で傘材W2と軸材W1とを接合した後、傘材W2の軸部W22に対する軸材W1の曲がりを測定した測定結果を示している。
この場合、傘材W2の軸部W22に対する軸材W1の曲がりを測定に当たっては、
図8に示すように、傘材W2と軸材W1とを接合したもの(測定物)をセット装置にセットし、それをその中心線を中心として回転させながら、傘材W2と軸材W1との接合界面から2mmの位置において、測定具30により、上記中心線を中心とした本来の軸材W1の径に対する変化値を測定し、その変化値の(1/2)値について、最大値と最小値とを求めた。
図6中、MAXは上記最大値、MINは最小値、AVは各テスト条件下での全ての測定結果の平均値、Rは最大値と最小値との差分を示す。また、
図6のテストNo.B/Mは、
図2に示す一般的な摩擦圧接制御の下で行われた結果を示している。
【0032】
図7は、
図6の測定結果に対する評価結果を示している。
図7において、グレーの色彩を付したものが、実質上、曲がりが生じない良好なものであり、その評価に当たっては、
図6に示す平均値(AVE)の値が0.1mm以下のものを実質上、曲がりが生じない良好なものと判断した。
図7によれば、回転数が1250rpm以上でP0(推力)が1.0〜2.0kNの範囲で良好な結果を示し、P0(推力)が4kN以上、又は0.5kN以下のものについては、回転数の如何にかかわらず良好な結果を示さなかった。また、回転数が1000rpm以下のものについては、P0(推力)の如何にかかわらず良好な結果を示さなかった。
【0033】
実施形態に係る基本的な摩擦圧接制御から得た知見
このような評価結果から、本発明者は、次のような知見が存在すると考えている。
(1)一方のワーク(軸材)W1の端面と他方のワーク(傘材)W2の端面との当接の際に、その両ワークW1,W2の端面同士を所定の押圧力以上をもって押圧した場合には、一方のワークW1が他方のワークW2に対して曲がりを生じる。
テストの評価結果から、P0(推力)が4kN以上である場合には、回転数にかかわらず曲がり現象が必ず生じることになり、一方のワークW1を他方のワークW2に対して曲がらせる曲がり押圧力の下限値の存在が認められるからである。また、一方のワークW1が他方のワークW2に対して曲がり現象を生じる要素として、押圧力と両ワークW1,W2の端面状態とが考えられる中で、ワークW1(W2)の端面状態の程度についてさほど異ならないと考えられる一方で、押圧力の値次第により曲がり現象が生じるか否かが左右されると考えられるからでもある。
【0034】
他方、本発明者は、一方のワーク(軸材)W1の端面と他方のワーク(傘材)W2の端面との当接の際に、
図9に示すように、各ワークW1(W2)に、曲げモーメントによる応力が働く状態の下で圧縮応力が働くと考えており、これが、その両ワークW1,W2の当接の際に、曲がり現象の発生に影響を与えていると考えている。このため、ワークW2に対して曲がり易い傾向にあるワークW1(SUH11)について、曲がり発生推力Pyの試算を試みた。それは、下記式をもって示すことができる。尚、
図9中、符号Lは、チャック部5からのワークW1の出代である。
σ(全応力)=P/A(圧縮応力)+M/Z(曲げモーメントによる応力)
=(P/(πd
2/4))+P(d/2)/(πd
3/32)
ここで、Pは推力(N)、dはワークの径(mm)、A=πd
2/4はワークの断面積(mm
2)、M=P(d/2)は曲げモーメント(Nmm)、Z=πd
3/32は断面円形の断面係数である。
上記式を変形すると、
P=σ/(1/(πd
2/4)+(d/2)/(πd
3/32))
=σπd
2/20・・・・・・・・(A)
上記式(A)において、ワーク(SUH11)の耐力σy=685(N/mm
2)、ワークの直径d=6(mm)を代入すると、ワーク(SUH11)の曲がり発生推力Pyは、
Py=3.87(kN)
となる。この値は、両ワークW1,W2の端面同士の当接の際に、必ず曲がり現象を生じさせるテスト結果(P0(推力)=4.0(kN))に近い値であり、両ワークW1,W2の端面同士の当接の際、曲げモーメントが曲がり現象に影響を与えていると考えられ、この曲げモーメントが、曲がり押圧力の下限値Pblを導いていると考えられる。
このため、前述のテスト結果において、P0(推力)=4.0(kN)以上の下で、両ワークW1,W2に曲がり現象が生じるものは、両ワークW1,W2の当接の際、
図10に示すように、P0(推力)が、曲がり現象を生じさせる曲がり推力領域(曲がり押圧力領域)の下限値Pbl以上になったためと考えられる。
【0035】
(2)一方のワークW1の端面と他方のワークW2の端面との当接の際に、その両ワークW1,W2間において、摩擦熱が生じるとしても塑性変形を生じさせない摩擦熱では、一方のワークW1が他方のワークW2に対して曲がりを生じる。
テストの評価結果から、回転数が1000rpm以下では、P0(推力)が1.0〜2.0kNの範囲で、一方のワークW1が他方のワークW2に対して曲がりを生じ、P0(推力)が0.5kNの下では、回転数が3000rpmまでの範囲で、一方のワークW1が他方のワークW2に対して曲がりを生じるが、これは、そのような予備摩擦過程における回転数とP0(推力)では、それらによって生じる予備摩擦熱によりワークW1、W2間に塑性変形が生じず、各ワークW1(W2)の端面状態が当初のまま本来の摩擦過程に移行し、その本来の摩擦過程において、両ワークW1,W2が、曲がり現象の下限値(押圧力)Pbl(4kN)を超えるP1(推力)を受けることになるためと考えられる。
具体的に
図11をもって説明する。予備摩擦過程において、ワークW1,W2間に塑性変形を生じさせる予備摩擦熱が発生するためには、P0(推力)は、回転数をN0とすれば、その回転数をN0の下では、塑性変形を生じさせる予備摩擦熱を生じさせない押圧力領域の上限値Phu(例えばN0=3000rpmの下ではP0(推力)=0.5kN)を超えている必要がある。ところが、その回転数N0の下で、P0(推力)が上限値Phu以下の場合(例えばN0=3000rpmの下でP0(推力)=0.4kNの場合)には、予備摩擦熱が、両ワークW1,W2間に塑性変形を生じさせないものとなり、各ワークW1(W2)は、その当初の端面状態のまま本来の摩擦過程に移行することになる。このため、ワークW1とW2とは、当初の端面状態で曲がり現象の下限値Pbl(4kN)を超えるP1(推力)を受けることになり、これに基づき両ワークW1とW2との間で曲がり現象が生じると考えられる。
勿論この場合、上記回転数N0が変化すれば、それに伴い、上記上限値Phuも変化することになり、その場合には、P0(推力)は、その変化した回転数N0に応じた上限値Phuを超える必要がある。求める予備摩擦熱が一定である一方、その予備摩擦熱は、回転数と押圧力(P0(推力))とにより決まるからである。
【0036】
上記内容は、
図7に示す各テスト条件についての具体的な摩擦熱からも裏付けることができる。具体的に説明する。
ワークW1、W2間に発生する摩擦熱Qは、摩擦時間を一定とすれば、P0(推力)及び回転数N0に比例することになり、摩擦熱Qは、下記式をもって示すことができる。
Q=k×P0(推力)×N0 (kは定数)
この式に基づき、摩擦熱Qについて計算すれば、
図7において良好な結果を示すものが、最小値でも1500k(1500k〜7200k)となるのに対して、
図7において良好な結果を示さなかったものは、最大値でも2000k(750k〜2000k)となる。このことから、
図7において良好な結果を示さなかったものは、
図7において良好な結果を示すものに比べて、摩擦熱Qが不足している傾向を読み取ることができ、ワークW1、W2は、
図11に示すように、その端面状態が予備摩擦過程で修正を受けずに本来の摩擦過程に移行したものと考えられる。
【0037】
前記制御ユニットUによる概略的な摩擦圧接制御
上記知見(1)(2)から、実施形態に係る制御ユニットUによる摩擦圧接制御においては、
図4、
図12に示すように、摩擦過程に本来の摩擦過程の他に予備摩擦過程を組み込み、その予備摩擦過程において、予備摩擦圧力P0(押圧力)として、一方のワークW1が他方のワークW2に対して曲がりを生じる曲がり押圧力の下限値Pblに達しないものを用いると共に、摩擦熱を、その予備摩擦圧力P0及びワークW1の回転数調整により、両ワークW1,W2端面同士間に塑性変形を生じさせるものとしている。
このため、前述のテスト条件の場合と共通の条件の下では、押圧力として推力を用いて特定すれば、ワークW1の回転数が1250rpm以上(例えば3000rpm)である下では、P0(推力)が0.5kNを超えて4kN未満の範囲の所定値(例えば2kN)に設定されることになる。
この場合、予備摩擦圧力P0は、一方のワークW1が他方のワークW2に対して曲がりを生じる曲がり押圧力の下限値Pbl(前記テスト条件下では4kN)に達しない限度において、できるだけ近いほど好ましく、予備摩擦圧力P0は、所定の摩擦熱を生じさせるために超えなければならない上限値Phuよりも押圧力の下限値Pblに近いものとされている。
図13に示すように、降伏応力が大きいほどその降伏応力にするための温度が低くなることから、それを利用して、両ワークの端面間部分を迅速に塑性変形させるためである。これにより、両ワークの端面状態の修正処理を迅速に終えることができることになる。
【0038】
前記制御ユニットUの制御例を、
図4、
図12に示す各パラメータの動作説明図、
図14に示すフローチャートに基づき、具体的に説明する。尚、
図14におけるSはステップを示す。また、設定情報等の各種情報が予め読み込まれているものとする。
【0039】
スピンドル装置3及びスライダ装置4にワークW1,W2が保持され、制御開始条件が満足されると、タイマがセットされ、スピンドル装置3の回転駆動源部6が第1回転数(例えば前述のテスト条件の場合と共通の条件下では3000rpm(定常回転数))に向けて回転する(S1〜S3)。
タイマがセットされた後(S2)、設定時間Δt00が経過すると、ワークW1,W2の端面同士を当接させるべく、スライダ装置4が移動を開始し(S4、S5)、S6において、摩擦圧力(押圧力)が予備摩擦圧力P0以上になったか否かが判別される。ワークW1,W2の端面同士を予備摩擦圧力P0の下で当接させて、そのワークW1,W2の端面間に摩擦熱を発生させるためである(予備摩擦圧力制御)。この場合、予備摩擦圧力P0としては、一方のワークW1が他方のワークW2に対して曲がりを生じる曲がり押圧力の下限値Pbl(例えば前述のテスト条件の場合と共通の条件下では、推力に換算して4kN)に達しないもの(例えば2.0kN)が用いられ、その予備摩擦圧力P0と前記第1回転数とによる摩擦熱により、両ワークW1,W2端面間部分が塑性変形状態とされる。両ワークW1,W2の当接時に、曲がり押圧力の下限値Pblに達しない予備摩擦圧力P0を用いることにより、その両ワークW1,W2において曲がり現象を生じさせないようにすると共に、その両ワークW1,W2の端面状態を塑性変形により修正して、この後、本来の摩擦圧力P1による押圧がなされるとしても、両ワークW1,W2に曲がり現象が生じないようにするためである。
【0040】
このため、S6がNOのときには、スライダ装置4の移動が続行されて、ワークW1,W2間の押圧力が高められる一方、S6がYESのときには、タイマがリセットされて時間のカウントが開始されると共に、予備摩擦圧力制御が実行される(S7、S8)。その予備摩擦圧力制御においては、スライダ装置4の移動制御により押圧力Pが予備摩擦圧力P0に維持され、その予備摩擦圧力P0の下で、所定時間Δt0だけ、ワークW1,W2の端面間に摩擦熱が発生される(S8、S9)。
【0041】
S7のタイマのリスタートから所定時間Δt0が経過すると、回転駆動源部6による回転数が第2回転数(例えば前述のテスト条件の場合と共通の条件下では、3600rpm(定常回転数))に変更されると共に、予備摩擦圧力制御が終了されて、スライダ装置4による通常の移動が開始される(S9〜S11)。これにより、両ワークW1,W2の端面間の押圧力(摩擦圧力)Pは、予備摩擦圧力P0以上に高められ始める。
【0042】
スライダ装置4が移動を再び開始すると(S11)、S12において、押圧力(摩擦圧力)Pが本来の摩擦圧力P1にまで上昇したか否かが判別される。ワークW1,W2の端面間に摩擦圧力P1の下で本来の摩擦過程での摩擦熱を発生させるためである。このとき、摩擦圧力P1は、前記予備摩擦圧力P0よりも大きいが、両ワークW1,W2の端面状態が予備摩擦過程における塑性変形により修正されているため、両ワークW1,W2に曲がり現象は生じない。
【0043】
S12がNOのときには、スライダ装置4の通常の移動が続行されて、押圧力(摩擦圧力)Pが高められる一方、S12がYESのときには、タイマがリセットされて時間のカウントが開始されると共に、摩擦圧力制御が実行される(S13、S14)。この摩擦圧力制御により、スライダ装置4の移動制御が行われ、押圧力Pが本来の摩擦圧力P1(例えば前述のテスト条件の場合と共通の条件下では、推力に換算して6.5kN)に所定時間Δt1だけ維持される(S14、S15)。
【0044】
摩擦圧力制御が所定時間Δt1だけ実行されると(S15)、摩擦過程が終了したとして、スピンドル装置3における回転駆動源部6の第2回転数制御が終了され、回転駆動源部6に基づくワークW1の回転が停止される(S16)。続いて、次のS17において、スライダ装置4の通常の移動が再開されることにより押圧力Pが高められ、次のS18において、押圧力Pがアプセット圧力P2に至ったか否かが判別される。S18がNOのときには、押圧力Pの増大が続行される一方、S18がYESのときには、タイマがリセットされて時間のカウントが開始されると共に、アプセット圧力制御が実行される(S19、S20)。このアプセット圧力制御により、スライダ装置4の移動制御が行われ、押圧力Pが本来のアプセット圧力P2(例えば前述のテスト条件の場合と共通の条件下では、推力に換算して11.3kN)に所定時間Δt2だけ維持される(S20、S21)。
【0045】
S19のタイマのリスタートからアプセット過程時間Δt2が経過すると(S21)、アプセット圧力制御は終了される(S22)。このアプセット圧力制御の終了に伴い、スライダ装置4に基づくワークW1,W2端面間への押圧の停止、アプセット圧力の開放等が行われ(S23)、一体化されたワークW1,W2は、摩擦圧接装置1から取り出される。
【0046】
図15は、他の実施形態として、前記実施形態の変形例を示すものである。この他の実施形態においては、予備摩擦過程における予備摩擦圧力P0として、曲がり押圧力の下限値Pblに達しないもの(P0(推力)=2kN)が用いられる一方、その予備摩擦過程におけるワークW1の回転数として、本来の摩擦過程におけるワークW1の回転数(例えば、3600rpm)と等しいものが用いられ、摩擦過程(予備摩擦過程及び本来の摩擦過程)における回転数(定常状態)は一定とされている。勿論、このワークW1の回転数と予備摩擦圧力P0とは、協働して、摩擦熱として、両ワークW1,W2端面同士間に塑性変形を生じさせるものを発生させることになる。
したがって、この他の実施形態においては、前記実施形態同様、摩擦過程を適正に行うことを確保しつつ、ワークW1,W2同士を曲げた関係にすることなく適正に接合できるだけでなく、摩擦過程(予備摩擦過程及び本来の摩擦過程)において、ワークW1の回転数を単一の回転数(定常状態)にすることができ、回転数制御の簡素化を図ることができる。
【0047】
以上実施形態について説明したが本発明にあっては、次の態様を包含する。
(1)本実施形態においては、回転数検出センサ35からの検出情報に基づき、設定回転数(定常状態)となるように回転駆動源部6を制御することになっているが、回転駆動源部6としてサーボモータを用い、そのサーボモータの回転状態をエンコーダにより監視し、その監視結果が設定回転数から外れたものであるときには、エラー状態にあるとして、そのサーボモータの回転を停止すること。
(2)ワークW1,W2としては、棒状の端面同士を接合一体化するものであれば、どのようなものでもよいこと。
(3)両ワークW1,W2に曲がりを生じさせる曲がり押圧力の下限値については、切断機、ワークの端面径等に応じて、適宜、見出すこと。
(4)ワークW1,W2のいずれについても、回転駆動させて、ワークW1とW2とを相対回転させること。