摩擦攪拌接合による鉄道車両用構体の製造方法
【課題】作業の手間を軽減させた摩擦攪拌接合による鉄道車両用構体の製造方法を提供すること。
【解決手段】第１面板１１同士及び第２面板１２同士でそれぞれ突き合わせた、傾斜面からなる接合端面１１ｍ，１１ｎ，１２ｍ，１２ｎの接合部分について、第１面板１１側及び第２面板１２側両方の全長にわたって隙間Ｐが生じないように、ダブルスキンパネル１０を幅方向に荷重をかけた状態で固定し、その接合部分を摩擦攪拌接合用工具１５０の一対の回転体１５１，１５２によって挟んで押さえ込み、長手方向に沿って回転移動する攪拌軸１５３によって摩擦攪拌して接合する摩擦攪拌接合による鉄道車両用構体の製造方法。
【解決手段】第１面板１１同士及び第２面板１２同士でそれぞれ突き合わせた、傾斜面からなる接合端面１１ｍ，１１ｎ，１２ｍ，１２ｎの接合部分について、第１面板１１側及び第２面板１２側両方の全長にわたって隙間Ｐが生じないように、ダブルスキンパネル１０を幅方向に荷重をかけた状態で固定し、その接合部分を摩擦攪拌接合用工具１５０の一対の回転体１５１，１５２によって挟んで押さえ込み、長手方向に沿って回転移動する攪拌軸１５３によって摩擦攪拌して接合する摩擦攪拌接合による鉄道車両用構体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボビンツール型をした摩擦攪拌接合用工具を使用してダブルスキンパネルを接合することにより鉄道車両用構体を製造するための製造方法に関し、特にダブルスキンパネルの面板同士を隙間無しで行う摩擦攪拌接合による鉄道車両用構体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
新幹線車両などのような高速鉄道車両には、押出成形によって形成されたアルミニウム合金からなるダブルスキンパネルが使用され、その一定幅で長尺なダブルスキンパネル同士を接合することによって鉄道車両用構体が構成される。そして、そうした鉄道車両用構体の製造には、幅方向に突き合わせたダブルスキンパネルの面板同士を、摩擦攪拌によって接合する摩擦攪拌接合が利用されている。例えば、下記特許文献１には、図６に示すようにして行うダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合についての記載がある（第１従来例）。
【０００３】
同文献のダブルスキンパネル１００Ａ，１００Ｂは、二面の平行な面板１０１，１０２と、両面を連結したリブ１０９によって構成され、端部リブ１０８から突き出した自由端の接合部１１１，１１２が形成されている。摩擦攪拌接合に当たっては、ダブルスキンパネル１００Ａ、１００Ｂの両接合部１１１，１１２が突き合わされ、面板１０１，１０２同士が面一に配置される。そして、摩擦攪拌接合用工具であるボビンツール１５０を用いて、接合部１１１，１１２を一対のショルダで挟み込み、摩擦攪拌による接合が行われる。その際、接合部１１１，１１２の接合端面は、突き合わせ方向に直交して形成されており、突き合わせに際してギャップ１２０が生じることがある。そのため、接合部１１１，１１２はギャップ１２０を埋めることができるように肉厚に形成されている。
【０００４】
一方、下記特許文献２，３には、接合部の端面を傾斜面にしたダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合について記載がある。特許文献２は、継手部分の上部開口を継手板で塞ぐものであって、その継手板を端面の傾斜を利用して蓋のように載せて設置することで、隙間による欠陥を生じ難くさせた摩擦攪拌接合である（第２従来例）。また、特許文献３は、ダブルスキンパネルが、両面板の接合部の接合端面を傾斜させ、一方が他方に嵌り込むように形成されている。そのため、ボビンツールの回転体による挟み込みによって、傾斜した接合端面同士が押し付けられ、両面に隙間が生じていたとしても、その隙間を閉じた摩擦攪拌接合が行われる（第３従来例）。
【特許文献１】特許第４０５２４４３号公報（図１、段落００２３〜００２４）
【特許文献２】特開２００４−２４３３７９号公報（図６、段落００４７）
【特許文献３】特開２００７−２８３３７９号公報（図８、段落００５３〜００５７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
鉄道車両用構体を構成するダブルスキンパネルは、例えば２０メートルもの長さを有するため、剛性の低い自由端である接合部は、長手方向に見た場合に、僅かではあるが板厚方向に歪みが生じていることがある。すると、図６に示すようにダブルスキンパネル１００Ａ，１００Ｂの両接合部１１１，１１２の高さが揃っていない場合があり、そのまま摩擦攪拌接合を行えば仕上げ面に段差が残ってしまう。そこで、従来は、摩擦攪拌接合を行うに際し、２０メートルの全長にわたって段差が生じている箇所を探し出し、ハンマーなどでたたいて高さを揃えるといった、煩わしい作業が必要であった。
【０００６】
一方、第３従来例は、接合端面を傾斜させるダブルスキンパネルについて、接合の際にその接合端面に隙間を生じさせた接合方法が記載されている。すなわち、摩擦攪拌接合する一の面板側の突き合わせの際、他の面板側の接合端面間に隙間が空き、一の面板の熱収縮後もその開口量が適正であるような寸法で形成したダブルスキンパネルの接合方法が記載されている。
これに対して、本発明は、傾斜した接合端面間を有するダブルスキンパネルについて、その接合端面間の隙間を積極的に無くし、接合部の高さを揃える手間を軽減させた摩擦攪拌接合による鉄道車両用構体の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る摩擦攪拌接合による鉄道車両用構体の製造方法は、鉄道車両用構体を構成する所定幅の長尺な一対の第１面板と第２面板とを幅方向に並んだ複数のリブによって連結したダブルスキンパネルが、幅方向端部にあって前記第１及び第２面板とほぼ直交する端部リブから前記第１及び第２面板が延長して突き出した接合部を有し、その接合部の接合端面には、同じ幅方向端部において前記第１及び第２面板とで異なる方向に傾斜した接合端面が形成されたものであって、幅方向に並べた２枚の前記ダブルスキンパネルについて、同方向に傾斜した接合端面同士を突き合わせ、両ダブルスキンパネルの接合部を、ボビンツール型をした摩擦攪拌接合用工具の一対の回転体によって挟み込み、その回転体の間の攪拌軸によって前記接合端面同士を突き合わせた接合部分を長手方向に沿って摩擦攪拌して接合するものであり、前記第１面板同士及び第２面板同士の前記接合部分について、前記ダブルスキンパネルの全長にわたって前記第１面板側及び第２面板側の両方に隙間が生じないように、前記ダブルスキンパネルを幅方向に荷重をかけた状態で固定し、その接合部分を摩擦攪拌接合用工具の一対の回転体によって挟んで押さえ込み、長手方向に沿って回転移動する攪拌軸によって摩擦攪拌して接合することを特徴とする。
また、本発明に係る摩擦攪拌接合による鉄道車両用構体の製造方法は、前記摩擦攪拌接合用工具の一対の回転体による接合部の押さえ込みは、前記ダブルスキンパネルに対する幅方向の荷重によって生じる前記接合端面の滑りによる接合部の変形を戻す大きさの荷重で行うことが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、幅方向に荷重をかけてダブルスキンパネルを固定することにより、接合端面の傾斜面による板厚方向の分力によって同方向の歪みを修正するので、従来行っていた煩わしい修正作業を省略することができる。
また、摩擦攪拌接合時に接合部の変形を戻すようにボビンツールで押さえ込むので、仕上げの良い接合を行うことが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に、本発明に係る摩擦攪拌接合による鉄道車両用構体の製造方法について、その一実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。先ず、図１は、鉄道車両構体の一部を示した斜視図である。この鉄道車両用構体８０は、側構体８１、屋根構体８２そして台枠８３が周方向に接合され、長手方向端部には妻構体８４が接合されて構成される。そうした側構体８１や屋根構体８２は、例えば所定の幅をもった長尺なダブルスキンパネル１０が幅方向（周方向）に突き合わされて接合される。その接合には、隣り合うダブルスキンパネル１０の接合端面同士が突き合わされ、車体長さである２０〜２５ｍの距離について摩擦攪拌接合が行われる。
【００１０】
図２は、ダブルスキンパネル１０の接合方法について示した斜視図である。ダブルスキンパネル１０同士を接合させる摩擦攪拌接合装置は、パネル長さに応じて形成された架台１を有し、その上にはダブルスキンパネル１０を当接させる押圧治具２と位置決ブロック３が複数組設けられている。位置決ブロック３は、台形のブロック体であって、垂直面でダブルスキンパネル１０を受けるように架台１に固定されている。一方、押圧治具２は、架台１に固定された支持ブロック２１、その支持ブロック２１に螺合した調節ロッド２２及び、その調節ロッド２２に連結され、位置決ブロック３に対向した押圧ブロック２３によって構成されている。そして、不図示の摩擦攪拌接合装置には、ダブルスキンパネル１０の接合線Ｓに沿って摩擦攪拌を行うボビンツールが設けられている。
【００１１】
次に、図３乃至図５は、本実施形態の製造方法によって行うダブルスキンパネル１０の接合工程を示した図である。各図は、ダブルスキンパネル１０の長手方向端面を示しており、図３は、架台１上に設置した状態を示し、図４は、ダブルスキンパネル１０同士の押し付け状態を示し、図５は、摩擦攪拌を実行している状態を示している。
【００１２】
本実施形態のダブルスキンパネル１０は、図２や図３で示すように横置きにした場合に、ほぼ平行になるように第１面板１１と第２面板１２が一定の距離をとって配置され、その両面板１１，１２を連結するように幅方向（図面左右方向）に複数並べられたリブ１３によって連結されている。ダブルスキンパネル１０は、アルミ材の押出し成形によって形成された中空押出形材であり、その押出し方向（図３の図面を貫く方向）がパネルの長手方向であって、それに直交する方向（図３の左右方向）が幅方向である。
【００１３】
第１及び第２面板１１，１２の間に設けられた複数のリブ１３は、隣り合うもの同士が交互に傾きを変えるように傾斜して配置されたものであるが、幅方向両端の端部リブ１３ａは、第１及び第２面板１１，１２に対して直交するように配置されている。そして、第１面板１１及び第２面板１２は、その端部リブ１３ａから幅方向に突き出し、自由端の接合部１１ａ，１１ｂ及び１２ａ，１２ｂが形成されている。ここで、接合部１１ａ，１２ａは、ダブルスキンパネル１０の幅方向右側端部に形成されたものであり、接合部１１ｂ，１２ｂは、同じダブルスキンパネル１０の幅方向左側端部に形成されたものである。従って、ダブルスキンパネル１０の左右両端部には互いが接合可能な継手になっており、これにより幅方向に並べられたダブルスキンパネル１０同士が接合できるようになっている。
【００１４】
接合部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂは、図５に示すように、ボビンツール１５０の回転体が入り込むスペースができるようにした端部リブ１３ａからの突出量である。そして、先端の接合端面は傾斜した傾斜面になっている。すなわち、ダブルスキンパネル１０の右側端部にある接合部１１ａ，１２ａの接合端面１１ｍ，１２ｍは、互いが向き合う内側に傾斜し、左側端部にある接合部１１ｂ，１２ｂの接合端面１１ｎ，１２ｎは、互いが反対を向いた外側に傾斜して形成されている。従って、ダブルスキンパネル１０は、接合端面１１ｍ，１２ｍへ接合端面１１ｎ，１２ｎが入り込んで嵌合するようになっている。
【００１５】
本実施形態の製造方法は、こうした鉄道車両用構体を構成するダブルスキンパネル１０同士を摩擦攪拌接合によって連結する方法である。ダブルスキンパネル１０は、鉄道車両用構体を構成する隣り合うもの同士が図２に示すように架台１上に設置され、一方の端部に位置決ブロック３を当て、他方の端部からは押圧治具２によって荷重を加えた固定が行われる。接合するダブルスキンパネル１０は、こうした位置決ブロック３と押圧治具２による固定が２０メートルほどの全長にわたって数カ所で行われる。
【００１６】
このとき、一対のダブルスキンパネル１０は、第１面板１１の接合部１１ａ，１１ｂと第２面板１２の接合部１２ａ，１２ｂとが、接合端面１１ｍ，１１ｎ同士と接合端面１２ｍ，１２ｎ同士が突き合わされている。しかし、全ての場合に接合端面同士が綺麗に突き合わされるとは限らず、例えば、図３に示すように、ダブルスキンパネル１０の製作誤差によって、第２面板１２の接合部１２ａ，１２ｂにおいて、その接合端面１２ｍ，１２ｎの間に隙間Ｐが生じてしまうことがある。そうした場合、背景技術の欄で挙げた第３従来例では隙間を許容する方法がとられていたが、本実施形態では、その隙間Ｐを無くした状態にまでダブルスキンパネル１０同士を押圧治具２によって押さえ付ける方法をとっている。
【００１７】
そのため、隙間Ｐを詰めて無くすように、ダブルスキンパネル１０が所定の荷重で押圧される。こうした隙間Ｐは、第１面板１１及び第２面板１２の両方について、しかもダブルスキンパネル１０の全長にわたって無くなるように各押圧治具２による押圧力の調整が行われる。ところで、第１面板１１及び第２面板１２の両方について、それぞれ隙間を無くすように押さえ付けが行われると、例えば図４に示すように、既に当接している反対側の接合部１１ａ，１１ｂには、その接合端面１１ｍ，１１ｎが互いの傾斜面を滑って乗り上げ、矢印で示すように板厚方向（図面上下方向）に変形が生じる。ただし、図３に示す隙間Ｐや図４に示す接合部１１ａ，１１ｂの変形は、その状態が分かりやすいように誇張して表現したものであって、実際はこれほどの隙間間隔や変形量ではなく、極めて微小である。
【００１８】
ダブルスキンパネル１０は、２０メートルほどの長さを有するため、比較的剛性の低い接合部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂは、長手方向に見た場合に、僅かではあるが板厚方向に歪みが生じていることがある。そのため、接合箇所によっては、接合部１１ａ，１１ｂ同士、接合部１２ａ，１２ｂ同士で高さが異なることがあるが、本実施形態では前述した押さえ込みによって解消している。すなわち、一方のダブルスキンパネル１０の接合端面１１ｎ，１２ｎが、他方のダブルスキンパネル１０の接合端面１１ｍ，１２ｍの内側に入り込む。そのため、こうした接合端面同士の噛み合いの際、幅方向に作用する押圧力が、傾斜した接合端面１１ｍ，１１ｎ等を介し、接合部１１ａ，１１ｂ等に板厚方向の分力となって作用する。
【００１９】
接合部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂは、そもそも第１面板１１や第２面板１２の延長上に形成されているため、長手方向に見た場合に波打つように生じる歪みを修正させれれば、接合端面１１ｍ，１１ｎなどの位置も第１面板１１や第２面板１２の高さに揃うことになる。よって、本実施形態では、ダブルスキンパネル１０同士の接合部を幅方向に押圧して突き合わせる。そして、単純に接合端面同士を突き合わせるのではなく、一つは、隙間Ｐが生じている場合にその隙間Ｐを無くすことを目的とし、もう一つは、接合端面の斜面による板厚方向の分力によって同方向の歪みを修正することを目的としている。従って、押圧力は、当該二つの目的を達成できる大きさとする。
【００２０】
こうした押圧治具２によるダブルスキンパネル１０の固定が行われた後は、ボビンツール１５０による摩擦攪拌接合が実行される。図５には、第１面板１１と第２面板１２を同時に行うように表現されているが、実際には図２に示すようにダブルスキンパネル１０が固定され、そのダブルスキンパネル１０に対して第１面板１１側の接合が行われ、その後反転して上に位置した第２面板１２側の接合が行われる。なお、ダブルスキンパネル１０の固定の仕方によっては、図５に示すように第１面板１１と第２面板１２とを同時に行うようにしても良い。
【００２１】
摩擦攪拌接合を行うためのボビンツール１５０は、第１回転体１５１と第２回転体１５２、及びその間に位置する攪拌軸１５３を備え、モータの駆動によって回転体１５１，１５２及び攪拌軸１５３に回転が与えられるように構成されたものである。第１回転体１５１と第２回転体１５２とは、その間隔が調整できるようになっており、所定の荷重をかけて接合部１１ａ，１１ｂなどを挟み込むことができるようになっている。
【００２２】
そこで、ボビンツール１５０は、図５で示すように、その攪拌軸１５３が接合端面１１ｍ，１１ｎの当接位置（接合部分）に重なるように配置し、第１及び第２回転体１５１，１５２によって接合部１１ａ，１１ｂを挟み込む。そして、ボビンツール１５０は、回転しながら図２に示す接合線Ｓに沿って移動することで、攪拌軸１５３が接合端面１１ｍ，１１ｎの当接部分を摩擦攪拌させ、その周囲の材料を塑性流動化させる。その際、接合部１１ａ，１１ｂを押さえ込んだ第１及び第２回転体１５１，１５２が可塑性ゾーンから材料が失われるのを防いでいる。軟化した材料は塑性流動化して攪拌混練され、攪拌軸１５３の後方に流れ、その後方で互いに混じり合った可塑性材が摩擦熱を失って急速に冷却固化して接合が完結する。
【００２３】
ところで、ダブルスキンパネル１０同士を隙間無く幅方向に押さえ付けるため、図４の第１面板１１側に見られるように、接合部１１ａ，１１ｂが互いに矢印で示す方向に乗り上げて変形し、段差部分Ｄを生じさせてしまうことがある。しかし、そうした段差部分Ｄの板厚方向の突き出し量は僅かである。そして、摩擦攪拌時には、接合部１１ａ，１１ｂなどを挟み込む第１及び第２回転体１５１，１５２は、段差部分Ｄの変形を戻す大きさの荷重をかけて上下方向から押さえ込んでいる。そのため、接合線Ｓに沿ってボビンツール１５０が摩擦攪拌を行う途中、段差部分Ｄでは、第１及び第２回転体１５１，１５２による押さえ込みによって変形が戻されるとともに、摩擦攪拌によって他の部分と攪拌混練されて流れる。そして、接合部１１ａ，１１ｂはそもそも同じ高さにあるため、ボビンツール１５０が通過した後の接合部に段差が生じることはなく、また余分な材料によるバリなどもほとんどできない。
【００２４】
第１面板１１側の摩擦攪拌接合が完了した後は、そのダブルスキンパネル１０が上下反転され、架台１の上に第２面板１２側を上にして固定される。そして、ボビンツール１５０が一対の第１及び第２回転体１５１，１５２によって接合部１２ａ，１２ｂを挟み込み、回転しながら接合線Ｓに沿って移動することで、攪拌軸１５３が接合端面１２ｍ，１２ｎの当接部分を摩擦攪拌して接合させる。そして、この第２面板１２側においても、接合部１１ａ，１１ｂが互いに乗り上げていている段差部分Ｄが存在していても、その段差部分Ｄを第１及び第２回転体１５１，１５２で押さえ込むことにより、当該部分の変形を戻しながら摩擦攪拌接合が行われる。
【００２５】
本実施形態の摩擦攪拌接合による鉄道車両用構体の製造方法では、ダブルスキンパネル１０同士を押圧治具２によって幅方向に所定の荷重で押し付けることにより、隙間Ｐを無くすとともに、接合端面同士の接合部分に生じている板厚方向の歪みを修正する。従って、材料が隙間Ｐに流れ込んで接合後に凹みなどを生じさせることなく、仕上がりの良い接合面とすることができる。また、従来は板厚方向の歪みによって生じる段差箇所を探し出し、ハンマーでたたいて修正するという作業が必要であったが、本実施形態によれば、そうした煩わしい作業を省くことが可能になる。
更に、本実施形態によれば、一の面板側の隙間Ｐをなくすようにダブルスキンパネル１０を押し付けると、他の面板側の接合部分に傾斜面を乗り上げた段差部分Ｄを生じるが、それをボビンツール１５０で押さえ込むことにより、変形を戻して仕上げの良い接合を行うことが可能である。
【００２６】
以上、本発明に係る摩擦攪拌接合による鉄道車両用構体の製造方法について一実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
前記実施形態では第１及び第２面板１１，１２が平面のダブルスキンパネル１０を例に挙げて説明したが、ダブルスキンパネル１０は、例えば屋根構体を構成する湾曲したもの同士、或いは湾曲したものと平面のものとの接合でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】鉄道車両構体の一部を示した斜視図である。
【図２】ダブルスキンパネルの接合方法について示した斜視図である。
【図３】ダブルスキンパネルの長手方向端面であって、架台上に設置した状態を示した図である。
【図４】ダブルスキンパネルの長手方向端面であって、ダブルスキンパネル同士を幅方向に押し付けた状態を示した図である。
【図５】ダブルスキンパネルの長手方向端面であって、摩擦攪拌を実行している状態を示した図である。
【図６】従来のダブルスキンパネルの接合方法について示した図である。
【符号の説明】
【００２８】
１ 架台
２ 押圧治具
３ 位置決ブロック
１０ ダブルスキンパネル
１１ 第１面板
１２ 第２面板
１３ リブ
１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ 接合部
１１ｍ，１１ｎ，１２ｍ，１２ｎ 接合端面
１３ａ 端部リブ
１５０ ボビンツール
１５１ 第１回転体
１５２ 第２回転体
１５３ 攪拌軸
Ｐ 隙間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボビンツール型をした摩擦攪拌接合用工具を使用してダブルスキンパネルを接合することにより鉄道車両用構体を製造するための製造方法に関し、特にダブルスキンパネルの面板同士を隙間無しで行う摩擦攪拌接合による鉄道車両用構体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
新幹線車両などのような高速鉄道車両には、押出成形によって形成されたアルミニウム合金からなるダブルスキンパネルが使用され、その一定幅で長尺なダブルスキンパネル同士を接合することによって鉄道車両用構体が構成される。そして、そうした鉄道車両用構体の製造には、幅方向に突き合わせたダブルスキンパネルの面板同士を、摩擦攪拌によって接合する摩擦攪拌接合が利用されている。例えば、下記特許文献１には、図６に示すようにして行うダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合についての記載がある（第１従来例）。
【０００３】
同文献のダブルスキンパネル１００Ａ，１００Ｂは、二面の平行な面板１０１，１０２と、両面を連結したリブ１０９によって構成され、端部リブ１０８から突き出した自由端の接合部１１１，１１２が形成されている。摩擦攪拌接合に当たっては、ダブルスキンパネル１００Ａ、１００Ｂの両接合部１１１，１１２が突き合わされ、面板１０１，１０２同士が面一に配置される。そして、摩擦攪拌接合用工具であるボビンツール１５０を用いて、接合部１１１，１１２を一対のショルダで挟み込み、摩擦攪拌による接合が行われる。その際、接合部１１１，１１２の接合端面は、突き合わせ方向に直交して形成されており、突き合わせに際してギャップ１２０が生じることがある。そのため、接合部１１１，１１２はギャップ１２０を埋めることができるように肉厚に形成されている。
【０００４】
一方、下記特許文献２，３には、接合部の端面を傾斜面にしたダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合について記載がある。特許文献２は、継手部分の上部開口を継手板で塞ぐものであって、その継手板を端面の傾斜を利用して蓋のように載せて設置することで、隙間による欠陥を生じ難くさせた摩擦攪拌接合である（第２従来例）。また、特許文献３は、ダブルスキンパネルが、両面板の接合部の接合端面を傾斜させ、一方が他方に嵌り込むように形成されている。そのため、ボビンツールの回転体による挟み込みによって、傾斜した接合端面同士が押し付けられ、両面に隙間が生じていたとしても、その隙間を閉じた摩擦攪拌接合が行われる（第３従来例）。
【特許文献１】特許第４０５２４４３号公報（図１、段落００２３〜００２４）
【特許文献２】特開２００４−２４３３７９号公報（図６、段落００４７）
【特許文献３】特開２００７−２８３３７９号公報（図８、段落００５３〜００５７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
鉄道車両用構体を構成するダブルスキンパネルは、例えば２０メートルもの長さを有するため、剛性の低い自由端である接合部は、長手方向に見た場合に、僅かではあるが板厚方向に歪みが生じていることがある。すると、図６に示すようにダブルスキンパネル１００Ａ，１００Ｂの両接合部１１１，１１２の高さが揃っていない場合があり、そのまま摩擦攪拌接合を行えば仕上げ面に段差が残ってしまう。そこで、従来は、摩擦攪拌接合を行うに際し、２０メートルの全長にわたって段差が生じている箇所を探し出し、ハンマーなどでたたいて高さを揃えるといった、煩わしい作業が必要であった。
【０００６】
一方、第３従来例は、接合端面を傾斜させるダブルスキンパネルについて、接合の際にその接合端面に隙間を生じさせた接合方法が記載されている。すなわち、摩擦攪拌接合する一の面板側の突き合わせの際、他の面板側の接合端面間に隙間が空き、一の面板の熱収縮後もその開口量が適正であるような寸法で形成したダブルスキンパネルの接合方法が記載されている。
これに対して、本発明は、傾斜した接合端面間を有するダブルスキンパネルについて、その接合端面間の隙間を積極的に無くし、接合部の高さを揃える手間を軽減させた摩擦攪拌接合による鉄道車両用構体の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る摩擦攪拌接合による鉄道車両用構体の製造方法は、鉄道車両用構体を構成する所定幅の長尺な一対の第１面板と第２面板とを幅方向に並んだ複数のリブによって連結したダブルスキンパネルが、幅方向端部にあって前記第１及び第２面板とほぼ直交する端部リブから前記第１及び第２面板が延長して突き出した接合部を有し、その接合部の接合端面には、同じ幅方向端部において前記第１及び第２面板とで異なる方向に傾斜した接合端面が形成されたものであって、幅方向に並べた２枚の前記ダブルスキンパネルについて、同方向に傾斜した接合端面同士を突き合わせ、両ダブルスキンパネルの接合部を、ボビンツール型をした摩擦攪拌接合用工具の一対の回転体によって挟み込み、その回転体の間の攪拌軸によって前記接合端面同士を突き合わせた接合部分を長手方向に沿って摩擦攪拌して接合するものであり、前記第１面板同士及び第２面板同士の前記接合部分について、前記ダブルスキンパネルの全長にわたって前記第１面板側及び第２面板側の両方に隙間が生じないように、前記ダブルスキンパネルを幅方向に荷重をかけた状態で固定し、その接合部分を摩擦攪拌接合用工具の一対の回転体によって挟んで押さえ込み、長手方向に沿って回転移動する攪拌軸によって摩擦攪拌して接合することを特徴とする。
また、本発明に係る摩擦攪拌接合による鉄道車両用構体の製造方法は、前記摩擦攪拌接合用工具の一対の回転体による接合部の押さえ込みは、前記ダブルスキンパネルに対する幅方向の荷重によって生じる前記接合端面の滑りによる接合部の変形を戻す大きさの荷重で行うことが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、幅方向に荷重をかけてダブルスキンパネルを固定することにより、接合端面の傾斜面による板厚方向の分力によって同方向の歪みを修正するので、従来行っていた煩わしい修正作業を省略することができる。
また、摩擦攪拌接合時に接合部の変形を戻すようにボビンツールで押さえ込むので、仕上げの良い接合を行うことが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に、本発明に係る摩擦攪拌接合による鉄道車両用構体の製造方法について、その一実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。先ず、図１は、鉄道車両構体の一部を示した斜視図である。この鉄道車両用構体８０は、側構体８１、屋根構体８２そして台枠８３が周方向に接合され、長手方向端部には妻構体８４が接合されて構成される。そうした側構体８１や屋根構体８２は、例えば所定の幅をもった長尺なダブルスキンパネル１０が幅方向（周方向）に突き合わされて接合される。その接合には、隣り合うダブルスキンパネル１０の接合端面同士が突き合わされ、車体長さである２０〜２５ｍの距離について摩擦攪拌接合が行われる。
【００１０】
図２は、ダブルスキンパネル１０の接合方法について示した斜視図である。ダブルスキンパネル１０同士を接合させる摩擦攪拌接合装置は、パネル長さに応じて形成された架台１を有し、その上にはダブルスキンパネル１０を当接させる押圧治具２と位置決ブロック３が複数組設けられている。位置決ブロック３は、台形のブロック体であって、垂直面でダブルスキンパネル１０を受けるように架台１に固定されている。一方、押圧治具２は、架台１に固定された支持ブロック２１、その支持ブロック２１に螺合した調節ロッド２２及び、その調節ロッド２２に連結され、位置決ブロック３に対向した押圧ブロック２３によって構成されている。そして、不図示の摩擦攪拌接合装置には、ダブルスキンパネル１０の接合線Ｓに沿って摩擦攪拌を行うボビンツールが設けられている。
【００１１】
次に、図３乃至図５は、本実施形態の製造方法によって行うダブルスキンパネル１０の接合工程を示した図である。各図は、ダブルスキンパネル１０の長手方向端面を示しており、図３は、架台１上に設置した状態を示し、図４は、ダブルスキンパネル１０同士の押し付け状態を示し、図５は、摩擦攪拌を実行している状態を示している。
【００１２】
本実施形態のダブルスキンパネル１０は、図２や図３で示すように横置きにした場合に、ほぼ平行になるように第１面板１１と第２面板１２が一定の距離をとって配置され、その両面板１１，１２を連結するように幅方向（図面左右方向）に複数並べられたリブ１３によって連結されている。ダブルスキンパネル１０は、アルミ材の押出し成形によって形成された中空押出形材であり、その押出し方向（図３の図面を貫く方向）がパネルの長手方向であって、それに直交する方向（図３の左右方向）が幅方向である。
【００１３】
第１及び第２面板１１，１２の間に設けられた複数のリブ１３は、隣り合うもの同士が交互に傾きを変えるように傾斜して配置されたものであるが、幅方向両端の端部リブ１３ａは、第１及び第２面板１１，１２に対して直交するように配置されている。そして、第１面板１１及び第２面板１２は、その端部リブ１３ａから幅方向に突き出し、自由端の接合部１１ａ，１１ｂ及び１２ａ，１２ｂが形成されている。ここで、接合部１１ａ，１２ａは、ダブルスキンパネル１０の幅方向右側端部に形成されたものであり、接合部１１ｂ，１２ｂは、同じダブルスキンパネル１０の幅方向左側端部に形成されたものである。従って、ダブルスキンパネル１０の左右両端部には互いが接合可能な継手になっており、これにより幅方向に並べられたダブルスキンパネル１０同士が接合できるようになっている。
【００１４】
接合部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂは、図５に示すように、ボビンツール１５０の回転体が入り込むスペースができるようにした端部リブ１３ａからの突出量である。そして、先端の接合端面は傾斜した傾斜面になっている。すなわち、ダブルスキンパネル１０の右側端部にある接合部１１ａ，１２ａの接合端面１１ｍ，１２ｍは、互いが向き合う内側に傾斜し、左側端部にある接合部１１ｂ，１２ｂの接合端面１１ｎ，１２ｎは、互いが反対を向いた外側に傾斜して形成されている。従って、ダブルスキンパネル１０は、接合端面１１ｍ，１２ｍへ接合端面１１ｎ，１２ｎが入り込んで嵌合するようになっている。
【００１５】
本実施形態の製造方法は、こうした鉄道車両用構体を構成するダブルスキンパネル１０同士を摩擦攪拌接合によって連結する方法である。ダブルスキンパネル１０は、鉄道車両用構体を構成する隣り合うもの同士が図２に示すように架台１上に設置され、一方の端部に位置決ブロック３を当て、他方の端部からは押圧治具２によって荷重を加えた固定が行われる。接合するダブルスキンパネル１０は、こうした位置決ブロック３と押圧治具２による固定が２０メートルほどの全長にわたって数カ所で行われる。
【００１６】
このとき、一対のダブルスキンパネル１０は、第１面板１１の接合部１１ａ，１１ｂと第２面板１２の接合部１２ａ，１２ｂとが、接合端面１１ｍ，１１ｎ同士と接合端面１２ｍ，１２ｎ同士が突き合わされている。しかし、全ての場合に接合端面同士が綺麗に突き合わされるとは限らず、例えば、図３に示すように、ダブルスキンパネル１０の製作誤差によって、第２面板１２の接合部１２ａ，１２ｂにおいて、その接合端面１２ｍ，１２ｎの間に隙間Ｐが生じてしまうことがある。そうした場合、背景技術の欄で挙げた第３従来例では隙間を許容する方法がとられていたが、本実施形態では、その隙間Ｐを無くした状態にまでダブルスキンパネル１０同士を押圧治具２によって押さえ付ける方法をとっている。
【００１７】
そのため、隙間Ｐを詰めて無くすように、ダブルスキンパネル１０が所定の荷重で押圧される。こうした隙間Ｐは、第１面板１１及び第２面板１２の両方について、しかもダブルスキンパネル１０の全長にわたって無くなるように各押圧治具２による押圧力の調整が行われる。ところで、第１面板１１及び第２面板１２の両方について、それぞれ隙間を無くすように押さえ付けが行われると、例えば図４に示すように、既に当接している反対側の接合部１１ａ，１１ｂには、その接合端面１１ｍ，１１ｎが互いの傾斜面を滑って乗り上げ、矢印で示すように板厚方向（図面上下方向）に変形が生じる。ただし、図３に示す隙間Ｐや図４に示す接合部１１ａ，１１ｂの変形は、その状態が分かりやすいように誇張して表現したものであって、実際はこれほどの隙間間隔や変形量ではなく、極めて微小である。
【００１８】
ダブルスキンパネル１０は、２０メートルほどの長さを有するため、比較的剛性の低い接合部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂは、長手方向に見た場合に、僅かではあるが板厚方向に歪みが生じていることがある。そのため、接合箇所によっては、接合部１１ａ，１１ｂ同士、接合部１２ａ，１２ｂ同士で高さが異なることがあるが、本実施形態では前述した押さえ込みによって解消している。すなわち、一方のダブルスキンパネル１０の接合端面１１ｎ，１２ｎが、他方のダブルスキンパネル１０の接合端面１１ｍ，１２ｍの内側に入り込む。そのため、こうした接合端面同士の噛み合いの際、幅方向に作用する押圧力が、傾斜した接合端面１１ｍ，１１ｎ等を介し、接合部１１ａ，１１ｂ等に板厚方向の分力となって作用する。
【００１９】
接合部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂは、そもそも第１面板１１や第２面板１２の延長上に形成されているため、長手方向に見た場合に波打つように生じる歪みを修正させれれば、接合端面１１ｍ，１１ｎなどの位置も第１面板１１や第２面板１２の高さに揃うことになる。よって、本実施形態では、ダブルスキンパネル１０同士の接合部を幅方向に押圧して突き合わせる。そして、単純に接合端面同士を突き合わせるのではなく、一つは、隙間Ｐが生じている場合にその隙間Ｐを無くすことを目的とし、もう一つは、接合端面の斜面による板厚方向の分力によって同方向の歪みを修正することを目的としている。従って、押圧力は、当該二つの目的を達成できる大きさとする。
【００２０】
こうした押圧治具２によるダブルスキンパネル１０の固定が行われた後は、ボビンツール１５０による摩擦攪拌接合が実行される。図５には、第１面板１１と第２面板１２を同時に行うように表現されているが、実際には図２に示すようにダブルスキンパネル１０が固定され、そのダブルスキンパネル１０に対して第１面板１１側の接合が行われ、その後反転して上に位置した第２面板１２側の接合が行われる。なお、ダブルスキンパネル１０の固定の仕方によっては、図５に示すように第１面板１１と第２面板１２とを同時に行うようにしても良い。
【００２１】
摩擦攪拌接合を行うためのボビンツール１５０は、第１回転体１５１と第２回転体１５２、及びその間に位置する攪拌軸１５３を備え、モータの駆動によって回転体１５１，１５２及び攪拌軸１５３に回転が与えられるように構成されたものである。第１回転体１５１と第２回転体１５２とは、その間隔が調整できるようになっており、所定の荷重をかけて接合部１１ａ，１１ｂなどを挟み込むことができるようになっている。
【００２２】
そこで、ボビンツール１５０は、図５で示すように、その攪拌軸１５３が接合端面１１ｍ，１１ｎの当接位置（接合部分）に重なるように配置し、第１及び第２回転体１５１，１５２によって接合部１１ａ，１１ｂを挟み込む。そして、ボビンツール１５０は、回転しながら図２に示す接合線Ｓに沿って移動することで、攪拌軸１５３が接合端面１１ｍ，１１ｎの当接部分を摩擦攪拌させ、その周囲の材料を塑性流動化させる。その際、接合部１１ａ，１１ｂを押さえ込んだ第１及び第２回転体１５１，１５２が可塑性ゾーンから材料が失われるのを防いでいる。軟化した材料は塑性流動化して攪拌混練され、攪拌軸１５３の後方に流れ、その後方で互いに混じり合った可塑性材が摩擦熱を失って急速に冷却固化して接合が完結する。
【００２３】
ところで、ダブルスキンパネル１０同士を隙間無く幅方向に押さえ付けるため、図４の第１面板１１側に見られるように、接合部１１ａ，１１ｂが互いに矢印で示す方向に乗り上げて変形し、段差部分Ｄを生じさせてしまうことがある。しかし、そうした段差部分Ｄの板厚方向の突き出し量は僅かである。そして、摩擦攪拌時には、接合部１１ａ，１１ｂなどを挟み込む第１及び第２回転体１５１，１５２は、段差部分Ｄの変形を戻す大きさの荷重をかけて上下方向から押さえ込んでいる。そのため、接合線Ｓに沿ってボビンツール１５０が摩擦攪拌を行う途中、段差部分Ｄでは、第１及び第２回転体１５１，１５２による押さえ込みによって変形が戻されるとともに、摩擦攪拌によって他の部分と攪拌混練されて流れる。そして、接合部１１ａ，１１ｂはそもそも同じ高さにあるため、ボビンツール１５０が通過した後の接合部に段差が生じることはなく、また余分な材料によるバリなどもほとんどできない。
【００２４】
第１面板１１側の摩擦攪拌接合が完了した後は、そのダブルスキンパネル１０が上下反転され、架台１の上に第２面板１２側を上にして固定される。そして、ボビンツール１５０が一対の第１及び第２回転体１５１，１５２によって接合部１２ａ，１２ｂを挟み込み、回転しながら接合線Ｓに沿って移動することで、攪拌軸１５３が接合端面１２ｍ，１２ｎの当接部分を摩擦攪拌して接合させる。そして、この第２面板１２側においても、接合部１１ａ，１１ｂが互いに乗り上げていている段差部分Ｄが存在していても、その段差部分Ｄを第１及び第２回転体１５１，１５２で押さえ込むことにより、当該部分の変形を戻しながら摩擦攪拌接合が行われる。
【００２５】
本実施形態の摩擦攪拌接合による鉄道車両用構体の製造方法では、ダブルスキンパネル１０同士を押圧治具２によって幅方向に所定の荷重で押し付けることにより、隙間Ｐを無くすとともに、接合端面同士の接合部分に生じている板厚方向の歪みを修正する。従って、材料が隙間Ｐに流れ込んで接合後に凹みなどを生じさせることなく、仕上がりの良い接合面とすることができる。また、従来は板厚方向の歪みによって生じる段差箇所を探し出し、ハンマーでたたいて修正するという作業が必要であったが、本実施形態によれば、そうした煩わしい作業を省くことが可能になる。
更に、本実施形態によれば、一の面板側の隙間Ｐをなくすようにダブルスキンパネル１０を押し付けると、他の面板側の接合部分に傾斜面を乗り上げた段差部分Ｄを生じるが、それをボビンツール１５０で押さえ込むことにより、変形を戻して仕上げの良い接合を行うことが可能である。
【００２６】
以上、本発明に係る摩擦攪拌接合による鉄道車両用構体の製造方法について一実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
前記実施形態では第１及び第２面板１１，１２が平面のダブルスキンパネル１０を例に挙げて説明したが、ダブルスキンパネル１０は、例えば屋根構体を構成する湾曲したもの同士、或いは湾曲したものと平面のものとの接合でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】鉄道車両構体の一部を示した斜視図である。
【図２】ダブルスキンパネルの接合方法について示した斜視図である。
【図３】ダブルスキンパネルの長手方向端面であって、架台上に設置した状態を示した図である。
【図４】ダブルスキンパネルの長手方向端面であって、ダブルスキンパネル同士を幅方向に押し付けた状態を示した図である。
【図５】ダブルスキンパネルの長手方向端面であって、摩擦攪拌を実行している状態を示した図である。
【図６】従来のダブルスキンパネルの接合方法について示した図である。
【符号の説明】
【００２８】
１ 架台
２ 押圧治具
３ 位置決ブロック
１０ ダブルスキンパネル
１１ 第１面板
１２ 第２面板
１３ リブ
１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ 接合部
１１ｍ，１１ｎ，１２ｍ，１２ｎ 接合端面
１３ａ 端部リブ
１５０ ボビンツール
１５１ 第１回転体
１５２ 第２回転体
１５３ 攪拌軸
Ｐ 隙間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄道車両用構体を構成する所定幅の長尺な一対の第１面板と第２面板とを幅方向に並んだ複数のリブによって連結したダブルスキンパネルが、幅方向端部にあって前記第１及び第２面板とほぼ直交する端部リブから前記第１及び第２面板が延長して突き出した接合部を有し、その接合部の接合端面には、同じ幅方向端部において前記第１及び第２面板とで異なる方向に傾斜した接合端面が形成されたものであって、
幅方向に並べた２枚の前記ダブルスキンパネルについて、同方向に傾斜した接合端面同士を突き合わせ、両ダブルスキンパネルの接合部を、ボビンツール型をした摩擦攪拌接合用工具の一対の回転体によって挟み込み、その回転体の間の攪拌軸によって前記接合端面同士を突き合わせた接合部分を長手方向に沿って摩擦攪拌して接合する、摩擦攪拌接合による鉄道車両用構体の製造方法において、
前記第１面板同士及び第２面板同士の前記接合部分について、前記ダブルスキンパネルの全長にわたって前記第１面板側及び第２面板側の両方に隙間が生じないように、前記ダブルスキンパネルを幅方向に荷重をかけた状態で固定し、
その接合部分を摩擦攪拌接合用工具の一対の回転体によって挟んで押さえ込み、長手方向に沿って回転移動する攪拌軸によって摩擦攪拌して接合することを特徴とする摩擦攪拌接合による鉄道車両用構体の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載する摩擦攪拌接合による鉄道車両用構体の製造方法において、
前記摩擦攪拌接合用工具の一対の回転体による接合部の押さえ込みは、前記ダブルスキンパネルに対する幅方向の荷重によって生じる前記接合端面の滑りによる接合部の変形を戻す大きさの荷重で行うことを特徴とする摩擦攪拌接合による鉄道車両用構体の製造方法。
【請求項１】
鉄道車両用構体を構成する所定幅の長尺な一対の第１面板と第２面板とを幅方向に並んだ複数のリブによって連結したダブルスキンパネルが、幅方向端部にあって前記第１及び第２面板とほぼ直交する端部リブから前記第１及び第２面板が延長して突き出した接合部を有し、その接合部の接合端面には、同じ幅方向端部において前記第１及び第２面板とで異なる方向に傾斜した接合端面が形成されたものであって、
幅方向に並べた２枚の前記ダブルスキンパネルについて、同方向に傾斜した接合端面同士を突き合わせ、両ダブルスキンパネルの接合部を、ボビンツール型をした摩擦攪拌接合用工具の一対の回転体によって挟み込み、その回転体の間の攪拌軸によって前記接合端面同士を突き合わせた接合部分を長手方向に沿って摩擦攪拌して接合する、摩擦攪拌接合による鉄道車両用構体の製造方法において、
前記第１面板同士及び第２面板同士の前記接合部分について、前記ダブルスキンパネルの全長にわたって前記第１面板側及び第２面板側の両方に隙間が生じないように、前記ダブルスキンパネルを幅方向に荷重をかけた状態で固定し、
その接合部分を摩擦攪拌接合用工具の一対の回転体によって挟んで押さえ込み、長手方向に沿って回転移動する攪拌軸によって摩擦攪拌して接合することを特徴とする摩擦攪拌接合による鉄道車両用構体の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載する摩擦攪拌接合による鉄道車両用構体の製造方法において、
前記摩擦攪拌接合用工具の一対の回転体による接合部の押さえ込みは、前記ダブルスキンパネルに対する幅方向の荷重によって生じる前記接合端面の滑りによる接合部の変形を戻す大きさの荷重で行うことを特徴とする摩擦攪拌接合による鉄道車両用構体の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−６４６３４（Ｐ２０１０−６４６３４Ａ）
【公開日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２３３４２１（Ｐ２００８−２３３４２１）
【出願日】平成２０年９月１１日（２００８．９．１１）
【特許番号】特許第４２９８７８４号（Ｐ４２９８７８４）
【特許公報発行日】平成２１年７月２２日（２００９．７．２２）
【出願人】（０００００４６１７）日本車輌製造株式会社 (722)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月１１日（２００８．９．１１）
【特許番号】特許第４２９８７８４号（Ｐ４２９８７８４）
【特許公報発行日】平成２１年７月２２日（２００９．７．２２）
【出願人】（０００００４６１７）日本車輌製造株式会社 (722)
【Ｆターム（参考）】
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