(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【背景技術】
【0002】
近年、材料の接合手法として摩擦攪拌接合が用いられている(特許文献1参照)。
摩擦攪拌接合では、回転する接合ツールを被接合物に押し当て、摩擦熱で被接合物を流動化させて接合する。
摩擦攪拌接合において、接合ツールは、摩擦攪拌接合装置の主軸に装着され、被接合物の表面と交差方向の回転軸を中心に回転駆動される。そして、回転状態のまま被接合物の表面の接合部分に沿って移動される。
【0003】
摩擦攪拌接合装置では、接合ツールを高トルクで回転させつつ、軸移動(ツールの移動もしくはワークの移動)により、圧力をかけて摩擦熱を得るため、専用の装置が多用される。一方、主軸の回転、ツールの移動またはワークの移動であれば、汎用の工作機械で代行も可能である。
接合ツールとしては、例えば円柱状のツール本体の下端面に、同軸で下向きに円錐状のピンを形成したものが用いられる。ピンの周囲には段差状のショルダが形成される。
摩擦攪拌接合の動作時には、ピンが被接合物の内部に圧入され、ショルダは被接合物の表面に向かい合う状態に維持される。そして、回転するピンと被接合物との摩擦により摩擦部位が高温となり、被接合物が攪拌されて接合される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
前述のように、摩擦攪拌接合では、接合動作に伴って接合部が高温となり、接合ツールを介して工作機械の主軸へと熱が伝導される。
専用の摩擦攪拌接合装置では、接合ツールからの熱に対する処置がなされている。しかし、汎用の工作機械では、通常の切削加工の範囲でしか、主軸ないし主軸ヘッドに熱が伝導されて高温になるという状況を想定していない。
このため、汎用の工作機械に接合ツールを装着し、摩擦攪拌接合を行う場合、主軸に伝導される熱により、主軸あるいは主軸を支持する軸受ほかの機構部分に好ましくない影響が及ぶ可能性がある。例えば、主軸ヘッドのメインベアリングの損傷、リテーナー部の損傷、熱膨張による回転軸線の芯振れ、テーパシャンク部分におけるフレッチング損傷などが懸念される。
【0006】
本発明の目的は、工作機械の主軸への熱伝導を抑制できる摩擦攪拌接合工具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の摩擦攪拌接合工具は、工作機械の主軸に装着される摩擦攪拌接合工具であって、前記主軸に接続されるシャンク部と、前記シャンク部に接続されたチャック部と、前記チャック部に接続された摩擦攪拌接合用の接合ツールと、を有し、前記チャック部の周面には冷却ジャケットが形成され、前記冷却ジャケットには冷媒を通す冷媒通路が形成されていることを特徴とする。
【0008】
本発明では、冷媒通路にエアまたはクーラントなどの冷媒を供給することで、この冷媒が冷却ジャケットを通過し、通過する際にチャック部を冷却することができる。このため、摩擦攪拌接合の動作に伴って、接合ツールが高温になっても、その熱はチャック部で冷却され、シャンク部ないし主軸への熱伝導を抑制することができる。
【0009】
本発明の摩擦攪拌接合工具において、前記冷媒通路は、前記シャンク部に形成されたセンタホールに接続され、前記冷媒は前記主軸のセンタスルーエアまたはセンタスルークーラントであることが望ましい。
【0010】
本発明では、主軸を通して冷媒を供給することができ、工具全体を主軸とともに回転させることができ、構造を簡素にできる。また、冷媒として、工作機械の主軸に一般的に具備されるセンタスルーエアまたはセンタスルークーラントを利用するため、特別な冷媒供給装置を準備する必要がない。
なお、シャンク部のセンタホールを利用しない場合、回転する工具に外部から冷媒を供給する装備として、スルーツール工具への冷媒供給のような、主軸ヘッドに接続される固定部を設けて冷媒を受け取り、回転するシャンク部およびチャック部に冷媒を引き渡すような構成を別途設けることが望ましい。
【0011】
本発明の摩擦攪拌接合工具において、前記シャンク部と前記チャック部との間には、断熱部が介装されていることが望ましい。
本発明では、接合ツールからチャック部に熱伝導があっても、断熱部により熱を遮断することができ、さらにシャンク部ないし主軸への熱伝導を抑制できる。
断熱部としては、断熱材料で形成された接続部材、接合部分の接触面積を小さくした断熱構造なども利用できる。
【0012】
本発明の摩擦攪拌接合工具において、前記接合ツールに接触する前記チャック部の表面、または前記チャック部に接触する前記接合ツールの表面に、接触防止用の凹部が形成されていることが望ましい。
本発明では、接合ツールとチャック部との間で、凹部により接触面積が小さく形成されているので、接合ツールからチャック部への熱伝導を抑制できる。
凹部としては、接合ツールの端面またはチャック部の底面に十文字状の凸部を残すような凹部であることが好ましい。
【0013】
本発明の摩擦攪拌接合工具において、前記シャンク部は、前記主軸と接触するテーパ部の表面に、接触防止用の凹部が形成されていることが望ましい。
本発明では、シャンク部まで熱伝導があったとしても、凹部により接触面積が小さく形成されているので、主軸への熱伝導を抑制できる。
凹部としては、テーパ部の中間太さ部分に形成することが有効であり、大径リング部と小径リング部との2箇所で主軸と接触する構成(大径リング部と小径リング部との間が凹部)、あるいは大径リング部だけで主軸と接触する構成(大径リング部以外が全て凹部)とすることができる。
【0014】
本発明の摩擦攪拌接合工具において、前記チャック部の周面には、前記チャック部の温度に応じて外観が変化する温度マーカが設置されていることが望ましい。
本発明では、温度マーカにより、動作時のチャック部の温度を監視することができ、過熱状態などを目視確認することで、主軸への影響を未然に回避できる。
温度マーカとしては、温度に応じて表面全体の色彩や明暗が変化するものが好ましい。このように表面全体の外観が変化するものであれば、回転状態であっても外部から識別することができる。数字や文字による表示は、回転状態で判読できないため、温度マーカとしては好ましくない。ただし、回転方向に連続する縞模様の数や太さで表示するものなどであれば、回転状態でも識別することができる。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、工作機械の主軸への熱伝導を抑制できる摩擦攪拌接合工具を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図1および
図2において、本実施形態の摩擦攪拌接合工具1は、工作機械の主軸8に装着されて、被接合物7の摩擦攪拌接合を行うものである。
【0018】
本実施形態の工作機械としては、主軸8の回転およびワーク(本実施形態では被接合物7だが工作機械として用いる際には被切削物)に対する主軸8の相対移動が可能な各種の形式が利用でき、主軸8および摩擦攪拌接合工具1を、被接合物7に対して任意の位置へと移動可能である。
工作機械において、主軸8は工作機械の主軸ヘッドに回転自在に支持され、主軸ヘッドに設置されたモータにより回転駆動される。
【0019】
摩擦攪拌接合工具1は、主軸8に接続されるシャンク部20と、シャンク部20に接続されたチャック部30と、チャック部30に接続された摩擦攪拌接合用の接合ツール10と、を有する。
シャンク部20とチャック部30との間には、断熱部40が介装されている。チャック部30の周面には、冷却ジャケット50が形成されている。冷却ジャケット50には、冷媒を供給する冷媒通路60が形成されている。
さらに、チャック部30の周面には、チャック部30の温度に応じて外観が変化する温度マーカ70が設置されている。
【0020】
接合ツール10は、摩擦攪拌接合用の工具であり、ツール本体11の先端にショルダ12およびピン13を有する。
接合ツール10は、回転状態で被接合物7に圧入されることで、先端のピン13が被接合物7の材料を加熱溶融させつつ被接合物7内に圧入され、被接合物7の継ぎ目を溶融接合することができる。
【0021】
シャンク部20は、JISB6339−2:2011に定められた自動工具交換用7/24テーパシャンク(BTタイプ)とされ、同規格に対応するJISB6340−2:2011に基づく主軸8に着脱可能である。
シャンク部20は、主軸8の円錐面状のチャック孔81に対応したテーパコーン21(テーパ部)を有する。
【0022】
テーパコーン21には
、周面の回転軸線方向の中間部に凹部22が形成され、凹部22の小径側に小径リング部23が形成され、凹部22の大径側に大径リング部24が形成されている。
小径リング部23および大径リング部24は、テーパコーン21の元の表面に対して、凹部22を形成することで、表面が残された部分として形成され、凹部22に対して凸状となっている。
【0023】
シャンク部20を主軸8に装着した際、凹部22はチャック孔の内周面に接触せず、小径リング部23および大径リング部24だけがチャック孔に密着する。これにより、シャンク部20と主軸8とが互いに密着する面積は、凹部22がなくテーパコーン21の全体が、チャック孔に密着した場合の数分の一程度に小さくなり、当該部分での熱伝導が抑制されている。
チャック孔に密着する小径リング部23および大径リング部24は、接合ツール10で摩擦攪拌接合を行う際に、必要なトルクを十分に伝達できる面積、外径および軸方向の幅とされている。
【0024】
チャック部30は、ツール本体11が挿入可能な保持孔31を有する筒状の部材であり、側面には2方向から固定ねじ32がねじ込まれている。
ツール本体11が挿入された状態で、固定ねじ32を締め付けることで、ツール本体11が保持孔31の内部で固定され、これにより接合ツール10は、チャック部30ないしシャンク部20と同一の回転軸線上に保持される。
【0025】
断熱部40は、シャンク部20とチャック部30との間に介装された円筒状の部材であり、各々に対して固定されている。
断熱部40は、セラミックスなどの低熱伝導材料で形成され、接合ツール10からの熱でチャック部30が高温になっても、シャンク部20への熱伝導を大幅に低減ないし遮断することができる。
断熱部40とシャンク部20とを接続するボルト42と、断熱部40とチャック部30とを接続するボルト43とは、それぞれ独立しており、シャンク部20とチャック部30との熱伝導経路中に、必ず低熱伝導材料が介在するように構成されている。
断熱部40にはセンタホール41が形成され、センタホール41はシャンク部20のセンタホール25に連通されている。
【0026】
接合ツール10は、チャック部30に対して、固定ねじ32とツール本体11の周面との間、および、固定ねじ32とは反対側のツール本体11の周面と保持孔31の内周面との間で接触する。
固定ねじ32および保持孔31の内周面との間の接触は、ツール本体11の周面の全体面積に比べて十分小さく、接合ツール10からの熱伝導を抑制することができる。
チャック部30の保持孔31は底面が開放され、接合ツール10の底面は断熱部40と接触することで受けられる。
【0027】
接合ツール10において、ツール本体11の端面には、接触防止用の凹部として「+」字状の切欠き14が形成され、4つの扇状の凸部15が形成されている。このような凸部15だけで保持孔31の底面
にあたる断熱部40と接触させることで、ツール本体11の端面と断熱部40との接触部分においても、熱伝導の抑制が図られている。
ツール本体11の切欠き14は、中心部が断熱部40のセンタホール41に連通され、このセンタホール41を介してシャンク部20のセンタホール25に連通されている。切欠き14は、ツール本体11の外周面まで達しており、切欠き14はツール本体11の外周面と保持孔31の内周面との間の隙間に連通されている。
【0028】
冷却ジャケット50は、チャック部30の外周面を覆うケース部材51と、ケース部材51の内部に収容されたガイド部材52とを有する。
ケース部材51は、接合ツール10側の端部がチャック部30の周面の中間位置に配置され、反対側の端部が断熱部40に接続されている。
ケース部材51の外周面には、多数の放熱フィン53が形成されている。
【0029】
ガイド部材52は、ケース部材51の内部に設置され、内部に形成される空間を導入部61と排出部62とに仕切っている。ガイド部材52の外周面には、螺旋状の凹溝が形成されており、ケース部材51の内周面との間に螺旋状通路63を形成している。螺旋状通路63は、一端が導入部61に連通され、他端が排出部62に連通されている。
【0030】
冷媒通路60は、冷却ジャケット50に形成される導入部61、排出部62および螺旋状通路63を含んで構成される。
導入部61は、チャック部30の表裏を貫通する貫通孔64を介して保持孔31に連通され、保持孔31は接合ツール10の切欠き14、および断熱部40のセンタホール41を通して、シャンク部20のセンタホール25に連通されている。
排出部62は、排出孔65を介して外部に開放されている。
【0031】
シャンク部20のセンタホール25は、主軸8に装着された際に、主軸8のセンタホール82に連通される。
この状態で、主軸8から冷媒として、センタスルーエアあるいはセンタスルークーラントを供給すると、これらは各センタホール82,25,41を通り、冷媒通路60へと導入される。
【0032】
図
2において、シャンク部20のセンタホール25から導入された冷媒Cは、径方向の切欠き14を通してツール本体11の外周に導かれ、チャック部30の内周面(保持孔31より一段外側に拡がった部分)との間の隙間を通って貫通孔64に導入される。貫通孔64に導入された冷媒Cは、ガイド部材52とチャック部30との間の隙間を通り、導入部61へと導入される。
導入部61へ導入された冷媒Cは、螺旋状通路63を所定の時間をかかって通過し、その間にチャック部30を冷却し、排出部62に達し、排出孔65から排出される。
【0033】
温度マーカ70は、チャック部30の接合ツール10に近い外周面に設置されている。
図
4に示すように、温度マーカ70は、板状に形成された表示パネルであり、ねじ止めなどでチャック部30に固定されている。
温度マーカ70は、温度で色彩や明度が変化する感温材料を、パネルの表面に塗布または印刷したものであり、接合ツール10からの熱でチャック部30の温度が上昇した際に、色彩や明度が変化することで、温度上昇を外部から視認することができる。
【0034】
温度マーカ70は、パネル全面の色彩や明度が変化するものであるため、チャック部30が回転状態であっても、外部から視認することができる。
図
5に示すように、チャック部30が回転している場合、温度マーカ70は高速で移動するため、周方向に連続した帯状の移動軌跡71として目視される。
この際、例えば温度マーカ70の表示が文字等であれば、これを読み取ることは難しい。しかし、温度マーカ70は色彩や明度が変化するものであるため、移動軌跡71の色彩や明度の変化として、容易に視認することができる。
【0035】
本実施形態においては、シャンク部20を主軸8に接続することで、摩擦攪拌接合工具1を工作機械に装着する。そして、工作機械で主軸8および摩擦攪拌接合工具1を移動させ、接合ツール10を被接合物7に対向させる。この状態で、主軸8を回転させることで、シャンク部20、チャック部30および接合ツール10が一体に回転駆動される。そして、接合ツール10を被接合物7に圧入することで、摩擦攪拌接合を行うことができる。
【0036】
ここで、接合ツール10においては、被接合物7との摩擦により高温となり、接合ツール10からの熱がチャック部30へと熱が伝導される。
しかし、接合ツール10とチャック部30との間では、切欠き14(接触防止用の凹部)および凸部15により、相互の接触面積が小さく制限されており、接合ツール10からの熱伝導を抑制することができる。
また、チャック部30には冷却ジャケット50および冷媒通路60が設置され、接合ツール10からの熱伝導があっても、これを冷却することができる。
【0037】
さらに、チャック部30とシャンク部20との間には、断熱部40が介装されており、接合ツール10からの熱伝導があっても、これを制限または遮断することができる。
そして、シャンク部20と主軸8との間でも、凹部22により、相互の接触面積が小さく制限されており、接合ツール10からの熱伝導伝導を抑制することができる。
以上により、摩擦攪拌接合に伴って接合ツール10に高熱が生じても、この熱がチャック部30、シャンク部20を経て主軸8に伝導されることを抑制することができる。
【0038】
なお、冷媒通路60による冷却にあたっては、加工段階に応じて、センタスルーエアあるいはセンタスルークーラントを使い分けてもよい。
例えば、摩擦攪拌接合の加工動作中は、冷媒通路60にセンタスルーエアを通し、このエアでチャック部30を冷却する。通過したエアは、大気に放散される。
加工が完了したら、エアに替えて、冷媒通路60にセンタスルークーラントを通し、このクーラントでチャック部30を冷却する。通過したクーラントは、冷却ジャケット50から流下し、工作機械に設置されているクーラント回収経路で受けられて、クーラントタンクに回収される。
このような使い分けを行うことで、加工中はエアにより被接合物7にクーラントが付着することが回避できる。また、加工後は、クーラントにより短時間で冷却を行うことができる。なお、クーラント回収経路ないしクーラントタンクに、クーラント冷却装置が設置されていれば、加工後の冷却をさらに短時間で完了できる。
【0039】
なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形などは本発明に含まれる。
接合ツール10としては、既存の部品をそのまま利用することができる。既存の部品であっても、その端部に切欠き14を設けて凸部15を形成することができる。
シャンク部20における凹部22の範囲などは、実施にあたって適宜設計すればよい。前述した通り、チャック孔に密着する小径リング部23および大径リング部24において、接合ツール10で摩擦攪拌接合を行う際に必要なトルクを十分に伝達できる面積、外径および軸方向の幅が確保できればよい。
【0040】
シャンク部20において、小径リング部23および大径リング部24の両方を形成することは必須ではない。
図
6において、シャンク部20Aのテーパコーン21には、小径の端部まで凹部22が形成されており、大径側の大径リング部24だけが設けられている。
シャンク部20Aにおいては、大径リング部24だけで主軸8と接触するが、大径リング部24の回転中心の軸線方向の長さが所定長さであれば、軸線方向も正しく規制できる。
さらに、凹部22によるシャンク部20の接触面積低減は、本発明に必須ではなく、適宜省略してもよい。
【0041】
断熱部40は、低摩擦材料を用いた中実部材に限らず、中空化あるいは他の断熱手段を組み合わせて用いてもよい。
さらに、断熱部40は、本発明に必須ではなく、省略してもよい。
冷却ジャケット50および冷媒通路60の構成は、前述した実施形態の構成に限定されない。例えば、空冷のための放熱フィン53は適宜省略してもよい。
【0042】
冷媒通路60として螺旋状通路63を用いることは、必須ではない。ただし、螺旋状に循環させることで、冷媒の通過時間を長くでき、冷媒の冷却効果を高めることができる。
ガイド部材52は必須ではなく、冷却ジャケット50内を単なる空洞としてもよい。
冷媒通路60に通される冷媒は、主軸8から供給されるセンタスルーエア、あるいはセンタスルークーラントでなくてもよく、各部のセンタホール82,25,41から導入する構成も必須ではない。