インサートドライブ式摩擦圧接法及び装置
【課題】 ブレーキ動作によらず低入熱でインサート材と被接合材との間の接合を完了する。
【解決手段】 被接合材３、４の間に被接合材３、４の接合面よりも大径のインサート材２を介設し、インサート材２の中心部分Ｘを各被接合材３、４で挟持した状態で加圧すると共にインサート材３、４の外周部分Ｙに回転動力を伝達して回転運動させ、被接合材３、４とインサート材２との間の接合面に接合可能な温度の摩擦熱を発生させる摩擦圧接方法であって、インサート材２の回転軸線方向の肉厚ｔを、摩擦トルクが初期最大値を示す時点以降にインサート材２が中心部分Ｘと外周部分Ｙとに分離される捩りせん断破壊を生じる厚さに設定した。
【解決手段】 被接合材３、４の間に被接合材３、４の接合面よりも大径のインサート材２を介設し、インサート材２の中心部分Ｘを各被接合材３、４で挟持した状態で加圧すると共にインサート材３、４の外周部分Ｙに回転動力を伝達して回転運動させ、被接合材３、４とインサート材２との間の接合面に接合可能な温度の摩擦熱を発生させる摩擦圧接方法であって、インサート材２の回転軸線方向の肉厚ｔを、摩擦トルクが初期最大値を示す時点以降にインサート材２が中心部分Ｘと外周部分Ｙとに分離される捩りせん断破壊を生じる厚さに設定した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの被接合材の間にインサート材を介在させて接合を行うインサートドライブ式摩擦圧接法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的な摩擦圧接法は、一対の被接合材を互いに衝合させる方向に加圧した状態で高速で擦り合わせ、それにより生じる摩擦熱で接合面を軟化させる摩擦発熱工程と、接合面が適当な加熱状態になった時点で更に高い圧力（アプセット圧力）で加圧して接合を完了させるアプセット工程とから構成される。これによれば、被接合材同士を互いに摩擦することで圧接を行うようにしているので、従来から行われているアーク溶接やガス溶接等に比べて、摩擦熱以外の熱源や溶接棒等が不要となると共に、接合時に火花やガスが出ないため製造ラインへの組み込みが容易であるという利点がある。
【０００３】
例えば、特許文献１に開示された摩擦圧接法は、一方の被接合材を固定し、他方の被接合材にクラッチを介して回転動力を伝達させることで、接合面に摩擦熱を発生させると共に、回転軸線方向には密着する加圧力を与えている。そして、接合可能温度に達した時点で該クラッチを切って一方の被接合材を回転自在にすると同時に他方の被接合材の回転にブレーキをかけることで、互いを同調回転させて接合を完了させるようにしている。しかし、この場合には、各被接合材を相対的に回転させる必要があるため、位相合わせを要する角材等を接合することは困難であると共に、被接合材が長大である場合には被接合材自体を回転させることも困難となる。
【０００４】
そこで、特許文献２に開示された摩擦圧接法は、一対の被接合材の間にインサート材を挿入した状態でインサート材を被接合材に対して接触回転させ、その摩擦熱によってインサート材とその両側の被接合材とを接合するインサートドライブ方式としている。この方式によれば、被接合材は固定した状態で接合作業を行うことができるため、被接合材が角材等であっても予め位相合わせをして固定すれば、簡単に正しい位相で接合を完了させることが可能となる。また、被接合材自体は回転させないので、被接合材が長大であっても無理なく接合を行うことができる。
【特許文献１】特開２００３−６２６７６号公報
【特許文献２】特開２００２−２２４８５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、摩擦圧接を完了させるためには、接合面の温度が接合可能な程度に加熱されてからインサート材の回転にブレーキをかけてアプセット工程に移ればよいため、ブレーキタイミングを厳密に考慮せずに十分に長い時間を確保した上で適当なタイミングでブレーキをかけて摩擦圧接を完了してもよい。
【０００６】
しかしながら、摩擦発熱工程の時間が無駄に長くなると、摩擦損耗による寄り代が大きくなってバリが増大し、被接合材の材料が有効利用できなくなると共にバリ除去作業にも負担が生じる。さらに、摩擦時間が長くなって余分な熱量の発生が大きくなると、被接合材の接合部分とは無関係な箇所に熱の影響が及び、母材強度が低下する恐れもある。
【０００７】
よって、インサート材と被接合材との間の接合面が接合可能な温度になってからできるだけ速やかに回転運動を停止させて低入熱で摩擦圧接を完了させることが望ましいが、そうすると接合面が接合可能な温度になった直後にインサート材の回転を急停止させるべくブレーキ等の動作タイミングを制御する必要が生じてコストアップとなる。
【０００８】
そこで、本発明は、ブレーキ動作によらずにインサート材と被接合材との間の接合を完了できるようにすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は上述のような事情に鑑みてなされたものであり、本発明に係るインサートドライブ式摩擦圧接法は、２つの被接合材の間に前記被接合材の接合面よりも大径のインサート材を介設し、該インサート材の中心部分を前記各被接合材で挟持した状態で加圧すると共に前記インサート材の外周部分に回転動力を伝達して回転運動させ、前記各被接合材と前記インサート材との間の接合面に接合可能な温度の摩擦熱を発生させる摩擦圧接法であって、前記インサート材の回転軸線方向の肉厚を、前記インサート材と前記各被接合材との間の摩擦トルクが初期最大値を示す時点以降に前記インサート材が中心部分と外周部分とに分離される捩りせん断破壊を生じる厚さに設定したことを特徴とする。
【００１０】
このようにすると、上記のようにインサート材の肉厚を設定することで摩擦圧接工程中のインサート材に捩りせん断破壊が生じ、被接合材に挟持される中心部分と動力伝達される外周部分とが分離されるので、インサート材の中心部分への動力伝達が自動的に遮断されて、インサート材と被接合材との間の相対速度がゼロとなる。したがって、ブレーキ制御等を行うことなく自動的に摩擦圧接による接合を完了させることが可能となり、生産効率が向上すると共に装置コストも低減することができる。
【００１１】
さらに、摩擦トルクが初期最大値を示す時点以降に捩りせん断破壊が生じるようにインサート材の肉厚を設定しているので、接合面の全面が接合可能温度となった状態でインサート材と被接合材との間の相対速度がゼロとなる。したがって、インサート材と被接合材との間の接合面の全面を確実に接合させることができ、良好な接合強度を得ることができる。
【００１２】
前記インサート材の回転軸線方向の肉厚を、前記インサート材と前記各被接合材との間の摩擦トルクが前記定常状態に移るまでの時間領域で前記捩りせん断破壊を生じる厚さに設定してもよい。
【００１３】
このようにすると、摩擦トルクが定常状態となるまでに捩りせん断破壊が生じるようにインサート材の肉厚を設定しているので、摩擦時間が短くなって摩擦損耗による寄り代やバリが低減されると共に余分な摩擦熱も発生しない。したがって、被接合材の材料が有効利用されてバリ除去作業の負担も軽減できると共に、低入熱で母材強度の低下も防止できる。
【００１４】
前記インサート材は、前記中心部分と外周部分との間の位置で回転軸線方向の肉厚が小となる薄肉部を有していてもよい。
【００１５】
このようにすると、インサート材は薄肉部により中心部分と外周部分とに分断されやすくなるので、他の部位の回転軸線方向の肉厚を厚くすることが可能となる。
【００１６】
前記インサート材は前記各被接合材に挟持されるように回転体に内嵌固定し、前記インサート材のうち前記回転体に固定される外周端部の肉厚は、前記各被接合材の間で挟持される部位の肉厚よりも大きくしてもよい。
【００１７】
このようにすると、前述のような摩擦トルクが初期最大値から定常状態に移るまでの時間領域で捩りせん断破壊が生じるインサート材が回転軸線方向に薄肉であっても、回転体に内嵌固定されるインサート材の外周端部は接合部位よりも厚肉としているので、該外周端部によりインサート材を回転体に対して安定して固定することができる。
【００１８】
また、本発明のインサートドライブ式摩擦圧接装置は、インサート材が内嵌固定される貫通孔を有する中央回転歯車と、前記中央回転歯車の周囲に前記中央回転歯車と噛合状態で配置された複数の支持歯車と、前記支持歯車の少なくとも一つに回転動力を伝達する回転駆動手段と、前記インサート材の両側に対向接触される一対の被接合材を保持する固定側保持手段と、前記各被接合材を前記インサート材に向けて押圧する加圧手段とを備えていることを特徴とする。
【００１９】
一対の被接合材の間にインサート材を介在させた状態で互いを摩擦圧接により接合する際は、回転軸線方向の肉厚が小さいインサート材を回転させようとすると、従来の回転チャック等ではインサート材を安定して保持することが困難となる。
【００２０】
そこで、前記摩擦圧接装置によれば、インサート材を中央回転歯車に内嵌固定する構造としているので、インサート材のサイズに応じた中央回転歯車を用いるだけで、あらゆる肉厚のインサート材も安定して固定することができる。また、中央回転歯車はその周囲に噛合状態で配置された各支持歯車によって径方向の移動が規制されている構造であり、中央回転歯車を保持する主軸等を取り付ける必要がなく、部品点数を削減できる利点がある。さらに、中央回転歯車を保持する部材を設けずに済むことで、回転軸線方向の長さをより短くすることができ、薄肉のインサート材も容易に保持することが可能となる。
【００２１】
前記インサート材は、前記中央回転歯車の回転軸心部に形成された貫通孔に内嵌されてもよい。このようにすると、インサート材を中央回転歯車の回転軸心部に設けることで、インサート材と被接合材との間の摩擦トルクが中央回転歯車に均一に負荷されるため、中央回転歯車を安定して回転させることができる。
【００２２】
前記中央回転歯車は径方向の分割面を有する複数の分割歯車に分割されており、前記各分割歯車が互いに合致した状態で固定されることで前記貫通孔が形成される構成となっていてもよい。
【００２３】
このようにすると、被接合材が長尺である場合であっても、摩擦圧接完了後に中央回転歯車を各分割歯車に分解することで、接合された被接合材を中央回転歯車から簡単に取り出すことができる。
【００２４】
前記中央回転歯車はその外周面から前記貫通孔に通じるネジ穴を有する一方、前記インサート材は外周面に凹部を有し、前記ネジ穴に外周側から通したネジの先端部が前記貫通孔に内嵌された前記インサート材の前記凹部に突き当てられることで、前記インサート材が前記中央回転歯車に固定される構成となっていてもよい。このようにすると、ネジ止めによる簡素な構成でインサート材を中央回転歯車に対して容易に固定することができる。
【発明の効果】
【００２５】
以上の説明から明らかなように、本発明のインサートドライブ式摩擦圧接法によれば、ブレーキ制御等を行うことなく自動的に接合を完了させることが可能となり、生産効率の向上やコスト低減を図ることができる。さらに、インサート材と被接合材との間の接合面の全面を確実に接合させることができ、良好な接合強度を得ることができる。また、本発明のインサートドライブ式摩擦圧接装置によれば、薄肉のインサート材も容易に保持することが可能となると共に、中央回転歯車を保持する部材も削減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明に係る実施形態を図面を参照して説明する。
【００２７】
図１は本発明の第１実施形態に係るインサートドライブ式の摩擦圧接装置１を示す全体図である。図２は摩擦圧接装置１の要部斜視図である。図１および図２に示すように、摩擦圧接装置１は、インサート材２を回転軸心部に内嵌固定する中央回転歯車（回転体）５を有し、この中央回転歯車５の周囲に４つの支持歯車６〜９が配置されている。即ち、中央回転歯車５の径方向の移動は周囲の支持歯車６〜９のみによって規制されている。また、各支持歯車６〜９は中央回転歯車５に対して適度な遊び（バックラッシュ）を有する状態で噛み合わされている。
【００２８】
各支持歯車６〜９のうち一つの支持歯車８には、回転駆動手段となる駆動モータ１０の出力軸１１に設けられた駆動歯車１２が噛み合わされており、駆動モータ１０からの回転動力が支持歯車８を介して中央回転歯車５に伝達されるようになっている。また、中央回転歯車５および支持歯車６〜９の回転軸線方向の両側にはケーシング１９が配置されている。このケーシング１９には、支持歯車６〜９が回転自在に取り付けられていると共に、被接合材３、４が非接触で貫通される孔（図示せず）を有している。
【００２９】
中央回転歯車５と距離をあけた回転軸線方向の両側には、回転軸線方向の移動を許容するスラストベアリング１４がそれぞれ設けられ、これらスラストベアリング１４には略円柱状の被接合材３、４をそれぞれ挟持固定する固定側保持手段である固定側チャック１３がそれぞれ設けられている。これら固定側チャック１３にはそれぞれピストンロッド１５の一端が連結され、これらピストンロッド１５の他端が加圧手段となる油圧シリンダ１６のピストンに接続されている。また、各ピストンロッド１５の軸線方向の中間部分にはアーム１７の一端が固定され、アーム１７の他端にはロードセル１８の検出部が当接している。即ち、アーム１７のモーメントをロードセル１８で受け止めることにより、被接合材３、４に負荷される摩擦トルクをピストンロッド１５およびアーム１７を介してロードセル１８で検出している。
【００３０】
図３（ａ）はインサート材２の中央回転歯車５への固定を説明する斜視図、（ｂ）は断面図である。図４（ａ）は摩擦圧接前の状態を示す図面である。図３（ａ）（ｂ）に示すように、中央回転歯車５は、その外周面に交互に形成された山部５ａと谷部５ｂが設けられていると共に、その回転軸心部にはインサート材２の外径と略同径の貫通孔５ｃが設けられている。さらに、中央回転歯車５には、その外周面の谷部５ｂから貫通孔５ｃに通じるネジ穴５ｄが設けられている。
【００３１】
インサート材２は、図３（ａ）および図４（ａ）に示すように、直径がｄ１、外周端部の厚さがＷの金属円盤であり、その金属円盤の両側端面が直径ｄ２の円形状に凹加工されており、断面Ｉ形状を呈している。即ち、インサート材２の外周端部２ｂの肉厚Ｗは、内側薄肉部２ａの肉厚ｔよりも大きくなっている。さらに、図３（ａ）（ｂ）に示すように、インサート材２の外周面には凹部２ｃが形成されている。そして、中央回転歯車５のネジ穴５ｄに外周側からネジ２０を通して、貫通孔５ｃに内嵌されたインサート材２の凹部２ｃにネジ２０の先端部２０ａを突き当てることにより、例えば１０ｍｍ以下の薄肉のインサート材２であっても中央回転歯車５に対して容易に固定することができる。また、被接合材３、４の接合面３ａ、４ａの直径はｄ３であり、インサート材２の内側薄肉部２ａの直径ｄ２の方が大径（ｄ２＞ｄ３）となるようにしている。
【００３２】
次に、摩擦圧接装置１を使用したインサートドライブ方式の摩擦圧接手順について説明する。図４（ｂ）は摩擦圧接中の状態を示す図面、（ｃ）は捩りせん断破壊を生じた状態を示す図面である。まず、中央回転歯車５に内嵌固定するインサート材２の内側薄肉部２ａの肉厚ｔを、後で詳述するように摩擦トルクが初期最大値から定常状態に移るまでの時間領域でインサート材２に捩りせん断破壊が生じる厚さに設定する。
【００３３】
図１および図４（ｂ）に示すように、両側の油圧シリンダ１６に圧油を供給して各ピストンロッド１５を近接方向に進出させることで、中央回転歯車５に内嵌固定されたインサート材２の内側薄肉部２ａの両側面に被接合材３、４の端面（接合面）３ａ、４ａを加圧状態で押し付ける。これと共に、駆動モータ１０を駆動して出力軸１１に設けた駆動歯車１２を高速回転させることで、これに連動して回転する支持歯車６〜９の回転動力が中央回転歯車５に伝達される。これにより、固定された被接合材３、４に対してインサート材２が相対的に高速回転し、インサート材２と各被接合材３、４との間の界面で摩擦発熱が生じる。その際、中央回転歯車５と支持歯車６〜９との間には若干の遊びがあるため、主軸によって支持されない中央回転歯車５は回転軸線が完全には固定されない状態で回転する。
【００３４】
図４（ｃ）に示すように、そのまま所要時間が経過すると、被接合材３、４の接合面３ａ、４ａの損耗によりバリＢを発生させながら、インサート材２と各被接合材３、４との間の境界面温度が所定値まで上昇して摩擦圧接可能な状態となる。また、これと共に、ロードセル１８で検出されるトルク、即ち、インサート材２の回転駆動力が被接合材３、４に伝達されることで生じる摩擦トルクが上昇する。この摩擦トルクが初期最大値を示した時点で、所定の肉厚ｔに設定されたインサート材２の内側薄肉部２ａは、被接合材３、４の接合面３ａ、４ａと略同径の中心部分Ｘと、その外周部分Ｙとに分断される捩りせん断破壊を生じる。よって、外周部分Ｙに伝達される中央回転歯車５の回転駆動力は中心部分Ｘに伝達されなくなり、被接合材３、４と中心部分Ｘとの相対回転速度は自動的にゼロとなって摩擦圧接による接合が完了される。
【００３５】
次に、インサート材２の内側薄肉部２ａの肉厚ｔについて詳述する。図５（ａ）は摩擦トルク、せん断破壊トルクおよび相対回転速度と時間との関係を示すグラフ、（ｂ）は肉厚ｔ２のインサート材を用いた場合の摩擦トルクおよび相対回転速度と時間との関係を示すグラフである。図５（ａ）に示すように、通常の摩擦圧接工程においては、インサート材と被接合材とが所定の加圧状態で相対回転すると、摩擦温度の上昇と共に摩擦トルクが増加し、ある時点で接合面の全面が摩擦圧接可能な状態となる初期最大値を示した後、摩擦トルクを若干低下させて定常状態へと収束する。
【００３６】
ここで、図５（ａ）にはインサート材２の被接合材３、４により挟持される部位の肉厚がｔ０、ｔ１、ｔ２（ｔ０＜ｔ１＜ｔ２）である場合におけるせん断破壊トルクの曲線がそれぞれ描かれている。せん断破壊トルクとは、前述のようにインサート材２が内外周に分断される捩りせん断破壊を生じる際の摩擦トルクをいう。せん断破壊を生じる断面の面積はπｄ３・ｔであるので、インサート材２のせん断強度をτとすると、インサート材２から被接合材３、４へ伝達可能な摩擦トルクの臨界値であるせん断破壊トルクＴは、以下の数式１で表される。
【００３７】
Ｔ＝（π・ｄ３２・ｔ）τ／２ ・・・（数式１）
そして、常温でのインサート材２のせん断強度をτ０とすると、常温でのせん断破壊トルクＴ０は以下の数式２で表される。
【００３８】
Ｔ０＝（π・ｄ３２・ｔ）τ０／２ ・・・（数式２）
摩擦圧接中においてインサート材２の温度が上昇すると、インサート材２のせん断強度はτ０よりも小さくなるため、時間経過と共にせん断破壊トルクは徐々に減少して最終的には定常値を示すものと考えられる。よって、図５（ａ）では個々のせん断破壊トルクの曲線は時間経過と共に徐々に減少している。
【００３９】
また、図５（ａ）ではインサート材２の被接合材３、４により挟持される部位の肉厚がｔ０、ｔ１、ｔ２と増加するにつれてせん断破壊トルクの値は増加しており、肉厚が大きいほど捩りせん断破壊が生じにくくなっている。
【００４０】
具体的には、肉厚が最も薄いｔ０の場合は、実際の摩擦トルクとせん断破壊トルクの曲線との交点は初期最大値を示す時点より前の時間領域にあるので、インサート材２と被接合材３、４とは接合面の一部で接合されて全面にわたって接合することはできない。
【００４１】
一方、肉厚が最も厚いｔ２の場合には、実際の摩擦トルクとせん断破壊トルクの曲線との交点が定常状態に入った時間領域にある或いは交点がない状態となる。定常状態の時間領域に交点がある場合には、余分な摩擦損耗によりバリＢや寄り代が増大して材料に無駄が生じることとなる。また、交点がない場合には、インサート材２に捩りせん断破壊が生じないため、ブレーキ等によりインサート材２の回転停止を制御しなければならず、自動的に摩擦圧接を完了させることができない。
【００４２】
そこで、ｔ０とｔ２の間の肉厚であるｔ１とすると、実際の摩擦トルクが初期最大値の時点でせん断破壊トルクのラインとの交差するため、インサート材２と被接合材３、４とは接合面の全面にわたって接合され、かつ、余分な摩擦損耗によりバリや寄り代が増大することもなく自動的に摩擦圧接を完了させることができる。即ち、図５（ｂ）に示すように、摩擦トルクが初期最大値を示した時点で、捩りせん断破壊がインサート材２に生じ（図４（ｃ）参照）、インサート材２の分断された中心部分Ｘと被接合材３、４との間の相対回転速度が急減してゼロとなり、摩擦トルクもゼロとなる。なお、図５（ａ）では、肉厚ｔ１の場合にせん断破壊トルクの曲線が実際の摩擦トルクのラインと初期最大値の時点で交差しているが、摩擦トルクが初期最大値から定常状態に移るまでの時間領域でせん断破壊トルクの曲線が交差するようなインサート材２の肉厚ｔであればよい。
【００４３】
以上のようにインサート材２の内側薄肉部２ａの肉厚ｔを前述した値にすれば、摩擦圧接工程中のインサート材２に捩りせん断破壊が生じ、被接合材３、４に挟持される中心部分Ｘと動力伝達される外周部分Ｙとに分離されるので、インサート材２の中心部分Ｘへの動力伝達が自動的に遮断されて、インサート材２と被接合材３、４との間の相対速度がゼロとなる。したがって、ブレーキ制御等を行うことなく自動的に摩擦圧接による接合を完了させることが可能となり、生産効率が向上すると共に装置コストも低減できる。
【００４４】
また、摩擦トルクが定常状態となるまでに捩りせん断破壊が生じるようにインサート材２の肉厚ｔを設定することで、摩擦損耗によるバリや寄り代が低減されると共に余分な摩擦熱も発生しない。したがって、被接合材３、４の材料が有効利用されてバリ除去作業の負担も軽減できると共に、低入熱で母材強度の低下も防止できる。
【００４５】
さらに、摩擦トルクが初期最大値を示す時点以降に捩りせん断破壊が生じるようにインサート材の肉厚ｔを設定することで、被接合材３、４の接合面３ａ、４ａの全面が接合可能温度となった状態でインサート材２と被接合材３、４との間の相対回転速度がゼロとなる。したがって、被接合材３、４の接合面３ａ、４ａの全面をインサート材２に対して確実に接合させることができる。
【００４６】
また、被接合材３と被接合材４とが接合が困難な異種材料であったとしても、インサート材２を各被接合材３、４に対して溶接性の良好な材料とすることで、３種類の異種材料を同時接合することが可能となる。
【００４７】
なお、本実施形態ではインサート材２の外周端部２ｂの外形を円形状としているが、矩形状等のように非円形状としてもよい。
【００４８】
次に、第２実施形態について説明する。
【００４９】
図６（ａ）は第２実施形態の中央回転歯車５０の分解斜視図、（ｂ）は組立後の中央回転歯車５０の斜視図である。図６（ａ）（ｂ）に示すように、第２実施形態の中央回転歯車５０は、径方向の分割面５１ｆ、５２ｆを有する一対の分割歯車５１、５２に分割されている。各分割歯車５１、５２は対称形状であり、外周面に山部５１ａ、５２ａと谷部５１ｂ、５２ｂが設けられていると共に、対向する分割面５１ｆ、５２ｆの中央には半円凹部５１ｃ、５２ｃが設けられている。また、半円凹部５１ｃ、５２ｃの一側の分割面５１ｆ、５２ｆには嵌合凹部５１ｄ、５２ｄが形成され、他側には嵌合凸部５１ｅ、５２ｅが形成されている。さらに、一方の分割歯車５１には、その外周面の谷部５１ｂから半円凹部５１ｃにネジ２０を通すインサート材固定用のネジ穴（図示せず）が設けられている。また、各分割歯車５１、５２には、その外周面の谷部５１ｂ、５２ｂから半円凹部５１ｃ、５２ｃを通らずに相手側の分割歯車５２、５１へとネジ５３、５４を通す歯車固定用のネジ穴（図示せず）が設けられている。
【００５０】
前記構成の中央回転歯車５０へのインサート材２の組み付けは、インサート材２を一方の分割歯車５２の半円凹部５２ｃに嵌めた状態で、各分割歯車５１、５２の嵌合凸部５１ｅ、５２ｅを対向する嵌合凹部５１ｄ、５２ｄに嵌合させる。そして、合致した半円凹部５１ｃ、５２ｃで形成される貫通孔内にインサート材２が配置された状態で、歯車固定用のネジ穴にネジ５３、５４を通して対向する分割歯車５１、５２同士を互いに固定する。また、インサート材固定用のネジ穴に外周側からネジ２０を通して、インサート材２の凹部２ｃにネジ２０の先端部２０ａを突き当てることにより、インサート材２を中央回転歯車５０に固定する。
【００５１】
以上のような構成の中央回転歯車５０を用いることで、被接合材３、４が長尺である場合であっても、摩擦圧接完了後に中央回転歯車５０を各分割歯車５１、５２に分解することで、接合済みの被接合材３、４を中央回転歯車５０から簡単に取り出すことが可能となる。なお、本実施形態では、ネジ２０を上方からのみ挿通させているが、側方からもネジを挿入してインサート材を固定するようにしてもよい。
【００５２】
次に、第３実施形態について説明する。
【００５３】
図７（ａ）は第３実施形態のインサート材２１の正面図、（ｂ）は側面図である。図７（ａ）（ｂ）に示すように、第３実施形態のインサート材２１は、中心部分２１ｂと外周部分２１ａとの間の位置で回転軸線方向の肉厚ｔを小とする溝部２１ｃを円形状に設けることで薄肉部２１ｄを形成している。
【００５４】
本実施形態では、インサート材２１の外周部分２１ａの直径ｄ１および肉厚Ｗは第１実施形態と同様である。溝部２１ｃの内周端の直径ｄ５は、被接合材３、４の接合面３ａ、４ａの直径ｄ３より若干大きくなっている、溝部２１ｃの外周端の直径ｄ４は、ｄ１より小さい値で適宜決定される。なお、本実施形態では中心部分２１ｂの肉厚Ｗ１と外周部分２１ａの肉厚Ｗ２は同一としているが、必要に応じて外周部分２１ａの肉厚Ｗ２を大きくしてもよい。
【００５５】
以上の構成とすると、摩擦圧接を行うことにより発生する摩擦熱が薄肉部２１ｄに伝達され、その薄肉部２１ｄで温度上昇して捩りせん断破壊を生じる。したがって、インサート材２１は薄肉部２１ｄにより中心部分２１ｂと外周部分２１ａとに分断されやすくなるので、中心部分２１ｂの回転軸線方向の肉厚Ｗ１を厚くすることができる。
【００５６】
次に、前記第１実施形態についての具体的な実施例を比較例と対比しながら説明する。インサート材２は、常温では少なくとも初期最大トルクＴｉ以上の摩擦トルクをインサート材２から被接合材３、４へ伝達する必要があるため、インサート材２の内側薄肉部２ａの肉厚ｔ０の下限値は、以下の数式３を満たさなければならない。
【００５７】
ｔ０＞２・Ｔｉ／（π・ｄ３２・τ０） ・・・（数式３）
この数式３に、被接合材３、４の接合面３ａ、４ａの直径ｄ３が１０ｍｍ、せん断強度τ０が２６１ＭＰａ、初期最大トルクＴｉが５０Ｎ−ｍとして代入すると、ｔ０＞１．２２ｍｍとなる。そこで、温度上昇によるインサート材２のせん断強度の低下を考慮して、肉厚ｔに１．７０ｍｍ、３．１５ｍｍ、４．００ｍｍの３種類を用いて実験を行うこととした。
【００５８】
（実施例）
実施例のインサート材２および被接合材３、４には軟鋼材（ＪＩＳ Ｇ４０５１ Ｓ１５ＣＫ）を用いた。インサート材２については、最外径ｄ１が２４ｍｍ、内側薄肉部２ａの直径ｄ２が１４ｍｍ、内側薄肉部２ａの肉厚ｔが３．１５ｍｍ、外周端部２ｂの肉厚Ｗが１０ｍｍとした。また、被接合材３、４の接合面３ａ、４ａの直径ｄ３は１０ｍｍとした。また、インサート材２の回転速度は２７．５ｒｐｓ（１６５０ｒｐｍ）で、摩擦圧力は３６ＭＰａとし、アプセット圧力は付加せずに実験を行った。なお、インサート材２と被接合材３、４との接合面には予めアセトン脱脂を行った。
【００５９】
（比較例１）
比較例１のインサート材２の内側薄肉部２ａの肉厚ｔは１．７０ｍｍとした。なお、その他の条件は前述の実施例と同様である。
【００６０】
（比較例２）
比較例２のインサート材２の内側薄肉部２ａの肉厚ｔは４．００ｍｍとした。なお、その他の条件は前述の実施例と同様である。
【００６１】
（実験結果および考察）
図６は、実施例および比較例１、２の摩擦圧接後の接合部分の正面図と軸線方向で切断した断面図とを示している。実施例では、接合部分の外周の全周からバリが排出され、断面を見ると被接合材３、４の接合面３ａ、４ａの全面をインサート材２が覆っており、良好な継手が得られている。また、バリも少量で済み、寄り代は１ｍｍ以内であった。
【００６２】
一方、比較例１では、インサート材は圧接面の半分程度しか残存しておらず、摩擦トルクが初期最大値を示す前、即ち、圧接面の全面が接合可能温度になる前にインサート材２に捩りせん断破壊が生じたと考えられる。また、比較例２では、インサート材２に捩りせん断破壊が発生せず、インサート材２の外周端部２ｂが分離されないままとなっていると共に寄り代も大きくなっていることが分かる。
【００６３】
以上より、インサート材２の肉厚ｔを、摩擦トルクが初期最大値から定常状態に移るまでの時間領域でインサート材２に捩りせん断破壊が生じる厚さに設定することで、生産効率を向上させながらも良好な継手を得ることができることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
以上のように、本発明に係る摩擦圧接方法は、生産効率の向上やコスト低減等を図ることができると共に、本発明に係る摩擦圧接装置は、薄肉のインサート材も容易に保持することが可能となる優れた効果を有し、インサート材を用いた摩擦圧接に適用するのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の第１実施形態に係るインサートドライブ式の摩擦圧接装置を示す全体図である。
【図２】図１に示す摩擦圧接装置の要部斜視図である。
【図３】（ａ）はインサート材の中央回転歯車への固定を説明する斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図４】（ａ）は摩擦圧接前の状態を示す図面、（ｂ）は摩擦圧接中の状態を示す図面、（ｃ）は捩りせん断破壊を生じた状態を示す図面である。
【図５】（ａ）は摩擦トルク、せん断破壊トルクおよび相対回転速度と時間との関係を示すグラフ、（ｂ）は肉厚ｔ２のインサート材を用いた場合の摩擦トルクおよび相対回転速度と時間との関係を示すグラフである。
【図６】（ａ）は第２実施形態の中央回転歯車の分解斜視図、（ｂ）は組立後の中央回転歯車の斜視図である。
【図７】（ａ）は第３実施形態のインサート材の正面図、（ｂ）は側面図である。
【図８】実施例および比較例１、２の摩擦圧接後の接合部分を示す図面である。
【符号の説明】
【００６６】
１ 摩擦圧接装置
２、２１ インサート材
２ａ 内側薄肉部
２ｂ 外周端部
２ｃ 凹部
３、４ 被接合材
５、５０ 中央回転歯車
５ｃ 貫通孔
５ｄ ネジ穴
６〜９ 支持歯車
１０ 駆動モータ（回転駆動手段）
１３ 固定側チャック（固定側保持手段）
１６ 油圧シリンダ（加圧手段）
２０ ネジ
５１、５２ 分割歯車
ｔ 肉厚
Ｘ 中心部分
Ｙ 外周部分
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの被接合材の間にインサート材を介在させて接合を行うインサートドライブ式摩擦圧接法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的な摩擦圧接法は、一対の被接合材を互いに衝合させる方向に加圧した状態で高速で擦り合わせ、それにより生じる摩擦熱で接合面を軟化させる摩擦発熱工程と、接合面が適当な加熱状態になった時点で更に高い圧力（アプセット圧力）で加圧して接合を完了させるアプセット工程とから構成される。これによれば、被接合材同士を互いに摩擦することで圧接を行うようにしているので、従来から行われているアーク溶接やガス溶接等に比べて、摩擦熱以外の熱源や溶接棒等が不要となると共に、接合時に火花やガスが出ないため製造ラインへの組み込みが容易であるという利点がある。
【０００３】
例えば、特許文献１に開示された摩擦圧接法は、一方の被接合材を固定し、他方の被接合材にクラッチを介して回転動力を伝達させることで、接合面に摩擦熱を発生させると共に、回転軸線方向には密着する加圧力を与えている。そして、接合可能温度に達した時点で該クラッチを切って一方の被接合材を回転自在にすると同時に他方の被接合材の回転にブレーキをかけることで、互いを同調回転させて接合を完了させるようにしている。しかし、この場合には、各被接合材を相対的に回転させる必要があるため、位相合わせを要する角材等を接合することは困難であると共に、被接合材が長大である場合には被接合材自体を回転させることも困難となる。
【０００４】
そこで、特許文献２に開示された摩擦圧接法は、一対の被接合材の間にインサート材を挿入した状態でインサート材を被接合材に対して接触回転させ、その摩擦熱によってインサート材とその両側の被接合材とを接合するインサートドライブ方式としている。この方式によれば、被接合材は固定した状態で接合作業を行うことができるため、被接合材が角材等であっても予め位相合わせをして固定すれば、簡単に正しい位相で接合を完了させることが可能となる。また、被接合材自体は回転させないので、被接合材が長大であっても無理なく接合を行うことができる。
【特許文献１】特開２００３−６２６７６号公報
【特許文献２】特開２００２−２２４８５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、摩擦圧接を完了させるためには、接合面の温度が接合可能な程度に加熱されてからインサート材の回転にブレーキをかけてアプセット工程に移ればよいため、ブレーキタイミングを厳密に考慮せずに十分に長い時間を確保した上で適当なタイミングでブレーキをかけて摩擦圧接を完了してもよい。
【０００６】
しかしながら、摩擦発熱工程の時間が無駄に長くなると、摩擦損耗による寄り代が大きくなってバリが増大し、被接合材の材料が有効利用できなくなると共にバリ除去作業にも負担が生じる。さらに、摩擦時間が長くなって余分な熱量の発生が大きくなると、被接合材の接合部分とは無関係な箇所に熱の影響が及び、母材強度が低下する恐れもある。
【０００７】
よって、インサート材と被接合材との間の接合面が接合可能な温度になってからできるだけ速やかに回転運動を停止させて低入熱で摩擦圧接を完了させることが望ましいが、そうすると接合面が接合可能な温度になった直後にインサート材の回転を急停止させるべくブレーキ等の動作タイミングを制御する必要が生じてコストアップとなる。
【０００８】
そこで、本発明は、ブレーキ動作によらずにインサート材と被接合材との間の接合を完了できるようにすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は上述のような事情に鑑みてなされたものであり、本発明に係るインサートドライブ式摩擦圧接法は、２つの被接合材の間に前記被接合材の接合面よりも大径のインサート材を介設し、該インサート材の中心部分を前記各被接合材で挟持した状態で加圧すると共に前記インサート材の外周部分に回転動力を伝達して回転運動させ、前記各被接合材と前記インサート材との間の接合面に接合可能な温度の摩擦熱を発生させる摩擦圧接法であって、前記インサート材の回転軸線方向の肉厚を、前記インサート材と前記各被接合材との間の摩擦トルクが初期最大値を示す時点以降に前記インサート材が中心部分と外周部分とに分離される捩りせん断破壊を生じる厚さに設定したことを特徴とする。
【００１０】
このようにすると、上記のようにインサート材の肉厚を設定することで摩擦圧接工程中のインサート材に捩りせん断破壊が生じ、被接合材に挟持される中心部分と動力伝達される外周部分とが分離されるので、インサート材の中心部分への動力伝達が自動的に遮断されて、インサート材と被接合材との間の相対速度がゼロとなる。したがって、ブレーキ制御等を行うことなく自動的に摩擦圧接による接合を完了させることが可能となり、生産効率が向上すると共に装置コストも低減することができる。
【００１１】
さらに、摩擦トルクが初期最大値を示す時点以降に捩りせん断破壊が生じるようにインサート材の肉厚を設定しているので、接合面の全面が接合可能温度となった状態でインサート材と被接合材との間の相対速度がゼロとなる。したがって、インサート材と被接合材との間の接合面の全面を確実に接合させることができ、良好な接合強度を得ることができる。
【００１２】
前記インサート材の回転軸線方向の肉厚を、前記インサート材と前記各被接合材との間の摩擦トルクが前記定常状態に移るまでの時間領域で前記捩りせん断破壊を生じる厚さに設定してもよい。
【００１３】
このようにすると、摩擦トルクが定常状態となるまでに捩りせん断破壊が生じるようにインサート材の肉厚を設定しているので、摩擦時間が短くなって摩擦損耗による寄り代やバリが低減されると共に余分な摩擦熱も発生しない。したがって、被接合材の材料が有効利用されてバリ除去作業の負担も軽減できると共に、低入熱で母材強度の低下も防止できる。
【００１４】
前記インサート材は、前記中心部分と外周部分との間の位置で回転軸線方向の肉厚が小となる薄肉部を有していてもよい。
【００１５】
このようにすると、インサート材は薄肉部により中心部分と外周部分とに分断されやすくなるので、他の部位の回転軸線方向の肉厚を厚くすることが可能となる。
【００１６】
前記インサート材は前記各被接合材に挟持されるように回転体に内嵌固定し、前記インサート材のうち前記回転体に固定される外周端部の肉厚は、前記各被接合材の間で挟持される部位の肉厚よりも大きくしてもよい。
【００１７】
このようにすると、前述のような摩擦トルクが初期最大値から定常状態に移るまでの時間領域で捩りせん断破壊が生じるインサート材が回転軸線方向に薄肉であっても、回転体に内嵌固定されるインサート材の外周端部は接合部位よりも厚肉としているので、該外周端部によりインサート材を回転体に対して安定して固定することができる。
【００１８】
また、本発明のインサートドライブ式摩擦圧接装置は、インサート材が内嵌固定される貫通孔を有する中央回転歯車と、前記中央回転歯車の周囲に前記中央回転歯車と噛合状態で配置された複数の支持歯車と、前記支持歯車の少なくとも一つに回転動力を伝達する回転駆動手段と、前記インサート材の両側に対向接触される一対の被接合材を保持する固定側保持手段と、前記各被接合材を前記インサート材に向けて押圧する加圧手段とを備えていることを特徴とする。
【００１９】
一対の被接合材の間にインサート材を介在させた状態で互いを摩擦圧接により接合する際は、回転軸線方向の肉厚が小さいインサート材を回転させようとすると、従来の回転チャック等ではインサート材を安定して保持することが困難となる。
【００２０】
そこで、前記摩擦圧接装置によれば、インサート材を中央回転歯車に内嵌固定する構造としているので、インサート材のサイズに応じた中央回転歯車を用いるだけで、あらゆる肉厚のインサート材も安定して固定することができる。また、中央回転歯車はその周囲に噛合状態で配置された各支持歯車によって径方向の移動が規制されている構造であり、中央回転歯車を保持する主軸等を取り付ける必要がなく、部品点数を削減できる利点がある。さらに、中央回転歯車を保持する部材を設けずに済むことで、回転軸線方向の長さをより短くすることができ、薄肉のインサート材も容易に保持することが可能となる。
【００２１】
前記インサート材は、前記中央回転歯車の回転軸心部に形成された貫通孔に内嵌されてもよい。このようにすると、インサート材を中央回転歯車の回転軸心部に設けることで、インサート材と被接合材との間の摩擦トルクが中央回転歯車に均一に負荷されるため、中央回転歯車を安定して回転させることができる。
【００２２】
前記中央回転歯車は径方向の分割面を有する複数の分割歯車に分割されており、前記各分割歯車が互いに合致した状態で固定されることで前記貫通孔が形成される構成となっていてもよい。
【００２３】
このようにすると、被接合材が長尺である場合であっても、摩擦圧接完了後に中央回転歯車を各分割歯車に分解することで、接合された被接合材を中央回転歯車から簡単に取り出すことができる。
【００２４】
前記中央回転歯車はその外周面から前記貫通孔に通じるネジ穴を有する一方、前記インサート材は外周面に凹部を有し、前記ネジ穴に外周側から通したネジの先端部が前記貫通孔に内嵌された前記インサート材の前記凹部に突き当てられることで、前記インサート材が前記中央回転歯車に固定される構成となっていてもよい。このようにすると、ネジ止めによる簡素な構成でインサート材を中央回転歯車に対して容易に固定することができる。
【発明の効果】
【００２５】
以上の説明から明らかなように、本発明のインサートドライブ式摩擦圧接法によれば、ブレーキ制御等を行うことなく自動的に接合を完了させることが可能となり、生産効率の向上やコスト低減を図ることができる。さらに、インサート材と被接合材との間の接合面の全面を確実に接合させることができ、良好な接合強度を得ることができる。また、本発明のインサートドライブ式摩擦圧接装置によれば、薄肉のインサート材も容易に保持することが可能となると共に、中央回転歯車を保持する部材も削減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明に係る実施形態を図面を参照して説明する。
【００２７】
図１は本発明の第１実施形態に係るインサートドライブ式の摩擦圧接装置１を示す全体図である。図２は摩擦圧接装置１の要部斜視図である。図１および図２に示すように、摩擦圧接装置１は、インサート材２を回転軸心部に内嵌固定する中央回転歯車（回転体）５を有し、この中央回転歯車５の周囲に４つの支持歯車６〜９が配置されている。即ち、中央回転歯車５の径方向の移動は周囲の支持歯車６〜９のみによって規制されている。また、各支持歯車６〜９は中央回転歯車５に対して適度な遊び（バックラッシュ）を有する状態で噛み合わされている。
【００２８】
各支持歯車６〜９のうち一つの支持歯車８には、回転駆動手段となる駆動モータ１０の出力軸１１に設けられた駆動歯車１２が噛み合わされており、駆動モータ１０からの回転動力が支持歯車８を介して中央回転歯車５に伝達されるようになっている。また、中央回転歯車５および支持歯車６〜９の回転軸線方向の両側にはケーシング１９が配置されている。このケーシング１９には、支持歯車６〜９が回転自在に取り付けられていると共に、被接合材３、４が非接触で貫通される孔（図示せず）を有している。
【００２９】
中央回転歯車５と距離をあけた回転軸線方向の両側には、回転軸線方向の移動を許容するスラストベアリング１４がそれぞれ設けられ、これらスラストベアリング１４には略円柱状の被接合材３、４をそれぞれ挟持固定する固定側保持手段である固定側チャック１３がそれぞれ設けられている。これら固定側チャック１３にはそれぞれピストンロッド１５の一端が連結され、これらピストンロッド１５の他端が加圧手段となる油圧シリンダ１６のピストンに接続されている。また、各ピストンロッド１５の軸線方向の中間部分にはアーム１７の一端が固定され、アーム１７の他端にはロードセル１８の検出部が当接している。即ち、アーム１７のモーメントをロードセル１８で受け止めることにより、被接合材３、４に負荷される摩擦トルクをピストンロッド１５およびアーム１７を介してロードセル１８で検出している。
【００３０】
図３（ａ）はインサート材２の中央回転歯車５への固定を説明する斜視図、（ｂ）は断面図である。図４（ａ）は摩擦圧接前の状態を示す図面である。図３（ａ）（ｂ）に示すように、中央回転歯車５は、その外周面に交互に形成された山部５ａと谷部５ｂが設けられていると共に、その回転軸心部にはインサート材２の外径と略同径の貫通孔５ｃが設けられている。さらに、中央回転歯車５には、その外周面の谷部５ｂから貫通孔５ｃに通じるネジ穴５ｄが設けられている。
【００３１】
インサート材２は、図３（ａ）および図４（ａ）に示すように、直径がｄ１、外周端部の厚さがＷの金属円盤であり、その金属円盤の両側端面が直径ｄ２の円形状に凹加工されており、断面Ｉ形状を呈している。即ち、インサート材２の外周端部２ｂの肉厚Ｗは、内側薄肉部２ａの肉厚ｔよりも大きくなっている。さらに、図３（ａ）（ｂ）に示すように、インサート材２の外周面には凹部２ｃが形成されている。そして、中央回転歯車５のネジ穴５ｄに外周側からネジ２０を通して、貫通孔５ｃに内嵌されたインサート材２の凹部２ｃにネジ２０の先端部２０ａを突き当てることにより、例えば１０ｍｍ以下の薄肉のインサート材２であっても中央回転歯車５に対して容易に固定することができる。また、被接合材３、４の接合面３ａ、４ａの直径はｄ３であり、インサート材２の内側薄肉部２ａの直径ｄ２の方が大径（ｄ２＞ｄ３）となるようにしている。
【００３２】
次に、摩擦圧接装置１を使用したインサートドライブ方式の摩擦圧接手順について説明する。図４（ｂ）は摩擦圧接中の状態を示す図面、（ｃ）は捩りせん断破壊を生じた状態を示す図面である。まず、中央回転歯車５に内嵌固定するインサート材２の内側薄肉部２ａの肉厚ｔを、後で詳述するように摩擦トルクが初期最大値から定常状態に移るまでの時間領域でインサート材２に捩りせん断破壊が生じる厚さに設定する。
【００３３】
図１および図４（ｂ）に示すように、両側の油圧シリンダ１６に圧油を供給して各ピストンロッド１５を近接方向に進出させることで、中央回転歯車５に内嵌固定されたインサート材２の内側薄肉部２ａの両側面に被接合材３、４の端面（接合面）３ａ、４ａを加圧状態で押し付ける。これと共に、駆動モータ１０を駆動して出力軸１１に設けた駆動歯車１２を高速回転させることで、これに連動して回転する支持歯車６〜９の回転動力が中央回転歯車５に伝達される。これにより、固定された被接合材３、４に対してインサート材２が相対的に高速回転し、インサート材２と各被接合材３、４との間の界面で摩擦発熱が生じる。その際、中央回転歯車５と支持歯車６〜９との間には若干の遊びがあるため、主軸によって支持されない中央回転歯車５は回転軸線が完全には固定されない状態で回転する。
【００３４】
図４（ｃ）に示すように、そのまま所要時間が経過すると、被接合材３、４の接合面３ａ、４ａの損耗によりバリＢを発生させながら、インサート材２と各被接合材３、４との間の境界面温度が所定値まで上昇して摩擦圧接可能な状態となる。また、これと共に、ロードセル１８で検出されるトルク、即ち、インサート材２の回転駆動力が被接合材３、４に伝達されることで生じる摩擦トルクが上昇する。この摩擦トルクが初期最大値を示した時点で、所定の肉厚ｔに設定されたインサート材２の内側薄肉部２ａは、被接合材３、４の接合面３ａ、４ａと略同径の中心部分Ｘと、その外周部分Ｙとに分断される捩りせん断破壊を生じる。よって、外周部分Ｙに伝達される中央回転歯車５の回転駆動力は中心部分Ｘに伝達されなくなり、被接合材３、４と中心部分Ｘとの相対回転速度は自動的にゼロとなって摩擦圧接による接合が完了される。
【００３５】
次に、インサート材２の内側薄肉部２ａの肉厚ｔについて詳述する。図５（ａ）は摩擦トルク、せん断破壊トルクおよび相対回転速度と時間との関係を示すグラフ、（ｂ）は肉厚ｔ２のインサート材を用いた場合の摩擦トルクおよび相対回転速度と時間との関係を示すグラフである。図５（ａ）に示すように、通常の摩擦圧接工程においては、インサート材と被接合材とが所定の加圧状態で相対回転すると、摩擦温度の上昇と共に摩擦トルクが増加し、ある時点で接合面の全面が摩擦圧接可能な状態となる初期最大値を示した後、摩擦トルクを若干低下させて定常状態へと収束する。
【００３６】
ここで、図５（ａ）にはインサート材２の被接合材３、４により挟持される部位の肉厚がｔ０、ｔ１、ｔ２（ｔ０＜ｔ１＜ｔ２）である場合におけるせん断破壊トルクの曲線がそれぞれ描かれている。せん断破壊トルクとは、前述のようにインサート材２が内外周に分断される捩りせん断破壊を生じる際の摩擦トルクをいう。せん断破壊を生じる断面の面積はπｄ３・ｔであるので、インサート材２のせん断強度をτとすると、インサート材２から被接合材３、４へ伝達可能な摩擦トルクの臨界値であるせん断破壊トルクＴは、以下の数式１で表される。
【００３７】
Ｔ＝（π・ｄ３２・ｔ）τ／２ ・・・（数式１）
そして、常温でのインサート材２のせん断強度をτ０とすると、常温でのせん断破壊トルクＴ０は以下の数式２で表される。
【００３８】
Ｔ０＝（π・ｄ３２・ｔ）τ０／２ ・・・（数式２）
摩擦圧接中においてインサート材２の温度が上昇すると、インサート材２のせん断強度はτ０よりも小さくなるため、時間経過と共にせん断破壊トルクは徐々に減少して最終的には定常値を示すものと考えられる。よって、図５（ａ）では個々のせん断破壊トルクの曲線は時間経過と共に徐々に減少している。
【００３９】
また、図５（ａ）ではインサート材２の被接合材３、４により挟持される部位の肉厚がｔ０、ｔ１、ｔ２と増加するにつれてせん断破壊トルクの値は増加しており、肉厚が大きいほど捩りせん断破壊が生じにくくなっている。
【００４０】
具体的には、肉厚が最も薄いｔ０の場合は、実際の摩擦トルクとせん断破壊トルクの曲線との交点は初期最大値を示す時点より前の時間領域にあるので、インサート材２と被接合材３、４とは接合面の一部で接合されて全面にわたって接合することはできない。
【００４１】
一方、肉厚が最も厚いｔ２の場合には、実際の摩擦トルクとせん断破壊トルクの曲線との交点が定常状態に入った時間領域にある或いは交点がない状態となる。定常状態の時間領域に交点がある場合には、余分な摩擦損耗によりバリＢや寄り代が増大して材料に無駄が生じることとなる。また、交点がない場合には、インサート材２に捩りせん断破壊が生じないため、ブレーキ等によりインサート材２の回転停止を制御しなければならず、自動的に摩擦圧接を完了させることができない。
【００４２】
そこで、ｔ０とｔ２の間の肉厚であるｔ１とすると、実際の摩擦トルクが初期最大値の時点でせん断破壊トルクのラインとの交差するため、インサート材２と被接合材３、４とは接合面の全面にわたって接合され、かつ、余分な摩擦損耗によりバリや寄り代が増大することもなく自動的に摩擦圧接を完了させることができる。即ち、図５（ｂ）に示すように、摩擦トルクが初期最大値を示した時点で、捩りせん断破壊がインサート材２に生じ（図４（ｃ）参照）、インサート材２の分断された中心部分Ｘと被接合材３、４との間の相対回転速度が急減してゼロとなり、摩擦トルクもゼロとなる。なお、図５（ａ）では、肉厚ｔ１の場合にせん断破壊トルクの曲線が実際の摩擦トルクのラインと初期最大値の時点で交差しているが、摩擦トルクが初期最大値から定常状態に移るまでの時間領域でせん断破壊トルクの曲線が交差するようなインサート材２の肉厚ｔであればよい。
【００４３】
以上のようにインサート材２の内側薄肉部２ａの肉厚ｔを前述した値にすれば、摩擦圧接工程中のインサート材２に捩りせん断破壊が生じ、被接合材３、４に挟持される中心部分Ｘと動力伝達される外周部分Ｙとに分離されるので、インサート材２の中心部分Ｘへの動力伝達が自動的に遮断されて、インサート材２と被接合材３、４との間の相対速度がゼロとなる。したがって、ブレーキ制御等を行うことなく自動的に摩擦圧接による接合を完了させることが可能となり、生産効率が向上すると共に装置コストも低減できる。
【００４４】
また、摩擦トルクが定常状態となるまでに捩りせん断破壊が生じるようにインサート材２の肉厚ｔを設定することで、摩擦損耗によるバリや寄り代が低減されると共に余分な摩擦熱も発生しない。したがって、被接合材３、４の材料が有効利用されてバリ除去作業の負担も軽減できると共に、低入熱で母材強度の低下も防止できる。
【００４５】
さらに、摩擦トルクが初期最大値を示す時点以降に捩りせん断破壊が生じるようにインサート材の肉厚ｔを設定することで、被接合材３、４の接合面３ａ、４ａの全面が接合可能温度となった状態でインサート材２と被接合材３、４との間の相対回転速度がゼロとなる。したがって、被接合材３、４の接合面３ａ、４ａの全面をインサート材２に対して確実に接合させることができる。
【００４６】
また、被接合材３と被接合材４とが接合が困難な異種材料であったとしても、インサート材２を各被接合材３、４に対して溶接性の良好な材料とすることで、３種類の異種材料を同時接合することが可能となる。
【００４７】
なお、本実施形態ではインサート材２の外周端部２ｂの外形を円形状としているが、矩形状等のように非円形状としてもよい。
【００４８】
次に、第２実施形態について説明する。
【００４９】
図６（ａ）は第２実施形態の中央回転歯車５０の分解斜視図、（ｂ）は組立後の中央回転歯車５０の斜視図である。図６（ａ）（ｂ）に示すように、第２実施形態の中央回転歯車５０は、径方向の分割面５１ｆ、５２ｆを有する一対の分割歯車５１、５２に分割されている。各分割歯車５１、５２は対称形状であり、外周面に山部５１ａ、５２ａと谷部５１ｂ、５２ｂが設けられていると共に、対向する分割面５１ｆ、５２ｆの中央には半円凹部５１ｃ、５２ｃが設けられている。また、半円凹部５１ｃ、５２ｃの一側の分割面５１ｆ、５２ｆには嵌合凹部５１ｄ、５２ｄが形成され、他側には嵌合凸部５１ｅ、５２ｅが形成されている。さらに、一方の分割歯車５１には、その外周面の谷部５１ｂから半円凹部５１ｃにネジ２０を通すインサート材固定用のネジ穴（図示せず）が設けられている。また、各分割歯車５１、５２には、その外周面の谷部５１ｂ、５２ｂから半円凹部５１ｃ、５２ｃを通らずに相手側の分割歯車５２、５１へとネジ５３、５４を通す歯車固定用のネジ穴（図示せず）が設けられている。
【００５０】
前記構成の中央回転歯車５０へのインサート材２の組み付けは、インサート材２を一方の分割歯車５２の半円凹部５２ｃに嵌めた状態で、各分割歯車５１、５２の嵌合凸部５１ｅ、５２ｅを対向する嵌合凹部５１ｄ、５２ｄに嵌合させる。そして、合致した半円凹部５１ｃ、５２ｃで形成される貫通孔内にインサート材２が配置された状態で、歯車固定用のネジ穴にネジ５３、５４を通して対向する分割歯車５１、５２同士を互いに固定する。また、インサート材固定用のネジ穴に外周側からネジ２０を通して、インサート材２の凹部２ｃにネジ２０の先端部２０ａを突き当てることにより、インサート材２を中央回転歯車５０に固定する。
【００５１】
以上のような構成の中央回転歯車５０を用いることで、被接合材３、４が長尺である場合であっても、摩擦圧接完了後に中央回転歯車５０を各分割歯車５１、５２に分解することで、接合済みの被接合材３、４を中央回転歯車５０から簡単に取り出すことが可能となる。なお、本実施形態では、ネジ２０を上方からのみ挿通させているが、側方からもネジを挿入してインサート材を固定するようにしてもよい。
【００５２】
次に、第３実施形態について説明する。
【００５３】
図７（ａ）は第３実施形態のインサート材２１の正面図、（ｂ）は側面図である。図７（ａ）（ｂ）に示すように、第３実施形態のインサート材２１は、中心部分２１ｂと外周部分２１ａとの間の位置で回転軸線方向の肉厚ｔを小とする溝部２１ｃを円形状に設けることで薄肉部２１ｄを形成している。
【００５４】
本実施形態では、インサート材２１の外周部分２１ａの直径ｄ１および肉厚Ｗは第１実施形態と同様である。溝部２１ｃの内周端の直径ｄ５は、被接合材３、４の接合面３ａ、４ａの直径ｄ３より若干大きくなっている、溝部２１ｃの外周端の直径ｄ４は、ｄ１より小さい値で適宜決定される。なお、本実施形態では中心部分２１ｂの肉厚Ｗ１と外周部分２１ａの肉厚Ｗ２は同一としているが、必要に応じて外周部分２１ａの肉厚Ｗ２を大きくしてもよい。
【００５５】
以上の構成とすると、摩擦圧接を行うことにより発生する摩擦熱が薄肉部２１ｄに伝達され、その薄肉部２１ｄで温度上昇して捩りせん断破壊を生じる。したがって、インサート材２１は薄肉部２１ｄにより中心部分２１ｂと外周部分２１ａとに分断されやすくなるので、中心部分２１ｂの回転軸線方向の肉厚Ｗ１を厚くすることができる。
【００５６】
次に、前記第１実施形態についての具体的な実施例を比較例と対比しながら説明する。インサート材２は、常温では少なくとも初期最大トルクＴｉ以上の摩擦トルクをインサート材２から被接合材３、４へ伝達する必要があるため、インサート材２の内側薄肉部２ａの肉厚ｔ０の下限値は、以下の数式３を満たさなければならない。
【００５７】
ｔ０＞２・Ｔｉ／（π・ｄ３２・τ０） ・・・（数式３）
この数式３に、被接合材３、４の接合面３ａ、４ａの直径ｄ３が１０ｍｍ、せん断強度τ０が２６１ＭＰａ、初期最大トルクＴｉが５０Ｎ−ｍとして代入すると、ｔ０＞１．２２ｍｍとなる。そこで、温度上昇によるインサート材２のせん断強度の低下を考慮して、肉厚ｔに１．７０ｍｍ、３．１５ｍｍ、４．００ｍｍの３種類を用いて実験を行うこととした。
【００５８】
（実施例）
実施例のインサート材２および被接合材３、４には軟鋼材（ＪＩＳ Ｇ４０５１ Ｓ１５ＣＫ）を用いた。インサート材２については、最外径ｄ１が２４ｍｍ、内側薄肉部２ａの直径ｄ２が１４ｍｍ、内側薄肉部２ａの肉厚ｔが３．１５ｍｍ、外周端部２ｂの肉厚Ｗが１０ｍｍとした。また、被接合材３、４の接合面３ａ、４ａの直径ｄ３は１０ｍｍとした。また、インサート材２の回転速度は２７．５ｒｐｓ（１６５０ｒｐｍ）で、摩擦圧力は３６ＭＰａとし、アプセット圧力は付加せずに実験を行った。なお、インサート材２と被接合材３、４との接合面には予めアセトン脱脂を行った。
【００５９】
（比較例１）
比較例１のインサート材２の内側薄肉部２ａの肉厚ｔは１．７０ｍｍとした。なお、その他の条件は前述の実施例と同様である。
【００６０】
（比較例２）
比較例２のインサート材２の内側薄肉部２ａの肉厚ｔは４．００ｍｍとした。なお、その他の条件は前述の実施例と同様である。
【００６１】
（実験結果および考察）
図６は、実施例および比較例１、２の摩擦圧接後の接合部分の正面図と軸線方向で切断した断面図とを示している。実施例では、接合部分の外周の全周からバリが排出され、断面を見ると被接合材３、４の接合面３ａ、４ａの全面をインサート材２が覆っており、良好な継手が得られている。また、バリも少量で済み、寄り代は１ｍｍ以内であった。
【００６２】
一方、比較例１では、インサート材は圧接面の半分程度しか残存しておらず、摩擦トルクが初期最大値を示す前、即ち、圧接面の全面が接合可能温度になる前にインサート材２に捩りせん断破壊が生じたと考えられる。また、比較例２では、インサート材２に捩りせん断破壊が発生せず、インサート材２の外周端部２ｂが分離されないままとなっていると共に寄り代も大きくなっていることが分かる。
【００６３】
以上より、インサート材２の肉厚ｔを、摩擦トルクが初期最大値から定常状態に移るまでの時間領域でインサート材２に捩りせん断破壊が生じる厚さに設定することで、生産効率を向上させながらも良好な継手を得ることができることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
以上のように、本発明に係る摩擦圧接方法は、生産効率の向上やコスト低減等を図ることができると共に、本発明に係る摩擦圧接装置は、薄肉のインサート材も容易に保持することが可能となる優れた効果を有し、インサート材を用いた摩擦圧接に適用するのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の第１実施形態に係るインサートドライブ式の摩擦圧接装置を示す全体図である。
【図２】図１に示す摩擦圧接装置の要部斜視図である。
【図３】（ａ）はインサート材の中央回転歯車への固定を説明する斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図４】（ａ）は摩擦圧接前の状態を示す図面、（ｂ）は摩擦圧接中の状態を示す図面、（ｃ）は捩りせん断破壊を生じた状態を示す図面である。
【図５】（ａ）は摩擦トルク、せん断破壊トルクおよび相対回転速度と時間との関係を示すグラフ、（ｂ）は肉厚ｔ２のインサート材を用いた場合の摩擦トルクおよび相対回転速度と時間との関係を示すグラフである。
【図６】（ａ）は第２実施形態の中央回転歯車の分解斜視図、（ｂ）は組立後の中央回転歯車の斜視図である。
【図７】（ａ）は第３実施形態のインサート材の正面図、（ｂ）は側面図である。
【図８】実施例および比較例１、２の摩擦圧接後の接合部分を示す図面である。
【符号の説明】
【００６６】
１ 摩擦圧接装置
２、２１ インサート材
２ａ 内側薄肉部
２ｂ 外周端部
２ｃ 凹部
３、４ 被接合材
５、５０ 中央回転歯車
５ｃ 貫通孔
５ｄ ネジ穴
６〜９ 支持歯車
１０ 駆動モータ（回転駆動手段）
１３ 固定側チャック（固定側保持手段）
１６ 油圧シリンダ（加圧手段）
２０ ネジ
５１、５２ 分割歯車
ｔ 肉厚
Ｘ 中心部分
Ｙ 外周部分
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの被接合材の間に前記被接合材の接合面よりも大径のインサート材を介設し、該インサート材の中心部分を前記各被接合材で挟持した状態で加圧すると共に前記インサート材の外周部分に回転動力を伝達して回転運動させ、前記各被接合材と前記インサート材との間の接合面に接合可能な温度の摩擦熱を発生させる摩擦圧接法であって、
前記インサート材の回転軸線方向の肉厚を、前記インサート材と前記各被接合材との間の摩擦トルクが初期最大値を示す時点以降に前記インサート材が中心部分と外周部分とに分離される捩りせん断破壊を生じる厚さに設定したことを特徴とするインサートドライブ式摩擦圧接法。
【請求項２】
前記インサート材の回転軸線方向の肉厚を、前記インサート材と前記各被接合材との間の摩擦トルクが前記定常状態に移るまでの時間領域で前記捩りせん断破壊を生じる厚さに設定した請求項１に記載のインサートドライブ式摩擦圧接法。
【請求項３】
前記インサート材は、前記中心部分と外周部分との間の位置で回転軸線方向の肉厚が小となる薄肉部を有している請求項１又は２に記載のインサートドライブ式摩擦圧接法。
【請求項４】
前記インサート材は前記各被接合材に挟持されるように回転体に内嵌固定し、前記インサート材のうち前記回転体に固定される外周端部の肉厚は、前記各被接合材の間で挟持される部位の肉厚よりも大きくしている請求項１乃至３のいずれかに記載のインサートドライブ式摩擦圧接法。
【請求項５】
インサート材が内嵌固定される貫通孔を有する中央回転歯車と、
前記中央回転歯車の周囲に前記中央回転歯車と噛合状態で配置された複数の支持歯車と、
前記支持歯車の少なくとも一つに回転動力を伝達する回転駆動手段と、
前記インサート材の両側に対向接触される一対の被接合材を保持する固定側保持手段と、
前記各被接合材を前記インサート材に向けて押圧する加圧手段と
を備えていることを特徴とするインサートドライブ式摩擦圧接装置。
【請求項６】
前記インサート材は、前記中央回転歯車の回転軸心部に形成された貫通孔に内嵌される請求項５に記載のインサートドライブ式摩擦圧接装置。
【請求項７】
前記中央回転歯車は径方向の分割面を有する複数の分割歯車に分割されており、前記各分割歯車が互いに合致した状態で固定されることで前記貫通孔が形成される構成となっている請求項５又は６に記載のインサートドライブ式摩擦圧接装置。
【請求項８】
前記中央回転歯車はその外周面から前記貫通孔に通じるネジ穴を有する一方、前記インサート材は外周面に凹部を有し、
前記ネジ穴に外周側から通したネジの先端部が前記貫通孔に内嵌された前記インサート材の前記凹部に突き当てられることで、前記インサート材が前記中央回転歯車に固定される構成となっている請求項５乃至７のいずれかに記載のインサートドライブ式摩擦圧接装置。
【請求項１】
２つの被接合材の間に前記被接合材の接合面よりも大径のインサート材を介設し、該インサート材の中心部分を前記各被接合材で挟持した状態で加圧すると共に前記インサート材の外周部分に回転動力を伝達して回転運動させ、前記各被接合材と前記インサート材との間の接合面に接合可能な温度の摩擦熱を発生させる摩擦圧接法であって、
前記インサート材の回転軸線方向の肉厚を、前記インサート材と前記各被接合材との間の摩擦トルクが初期最大値を示す時点以降に前記インサート材が中心部分と外周部分とに分離される捩りせん断破壊を生じる厚さに設定したことを特徴とするインサートドライブ式摩擦圧接法。
【請求項２】
前記インサート材の回転軸線方向の肉厚を、前記インサート材と前記各被接合材との間の摩擦トルクが前記定常状態に移るまでの時間領域で前記捩りせん断破壊を生じる厚さに設定した請求項１に記載のインサートドライブ式摩擦圧接法。
【請求項３】
前記インサート材は、前記中心部分と外周部分との間の位置で回転軸線方向の肉厚が小となる薄肉部を有している請求項１又は２に記載のインサートドライブ式摩擦圧接法。
【請求項４】
前記インサート材は前記各被接合材に挟持されるように回転体に内嵌固定し、前記インサート材のうち前記回転体に固定される外周端部の肉厚は、前記各被接合材の間で挟持される部位の肉厚よりも大きくしている請求項１乃至３のいずれかに記載のインサートドライブ式摩擦圧接法。
【請求項５】
インサート材が内嵌固定される貫通孔を有する中央回転歯車と、
前記中央回転歯車の周囲に前記中央回転歯車と噛合状態で配置された複数の支持歯車と、
前記支持歯車の少なくとも一つに回転動力を伝達する回転駆動手段と、
前記インサート材の両側に対向接触される一対の被接合材を保持する固定側保持手段と、
前記各被接合材を前記インサート材に向けて押圧する加圧手段と
を備えていることを特徴とするインサートドライブ式摩擦圧接装置。
【請求項６】
前記インサート材は、前記中央回転歯車の回転軸心部に形成された貫通孔に内嵌される請求項５に記載のインサートドライブ式摩擦圧接装置。
【請求項７】
前記中央回転歯車は径方向の分割面を有する複数の分割歯車に分割されており、前記各分割歯車が互いに合致した状態で固定されることで前記貫通孔が形成される構成となっている請求項５又は６に記載のインサートドライブ式摩擦圧接装置。
【請求項８】
前記中央回転歯車はその外周面から前記貫通孔に通じるネジ穴を有する一方、前記インサート材は外周面に凹部を有し、
前記ネジ穴に外周側から通したネジの先端部が前記貫通孔に内嵌された前記インサート材の前記凹部に突き当てられることで、前記インサート材が前記中央回転歯車に固定される構成となっている請求項５乃至７のいずれかに記載のインサートドライブ式摩擦圧接装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−１３６４９９（Ｐ２００７−１３６４９９Ａ）
【公開日】平成１９年６月７日（２００７．６．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３３２７９７（Ｐ２００５−３３２７９７）
【出願日】平成１７年１１月１７日（２００５．１１．１７）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１７年８月２０日 社団法人溶接学会発行の「溶接学会全国大会講演概要 第７７集」に発表
【出願人】（５９２２１６３８４）兵庫県 (258)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年６月７日（２００７．６．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１１月１７日（２００５．１１．１７）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１７年８月２０日 社団法人溶接学会発行の「溶接学会全国大会講演概要 第７７集」に発表
【出願人】（５９２２１６３８４）兵庫県 (258)
【Ｆターム（参考）】
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