JP5864446B2 - 回転ツールユニット、摩擦攪拌接合方法及びダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合方法 - Google Patents
回転ツールユニット、摩擦攪拌接合方法及びダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合方法 Download PDFInfo
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Description
前記固定部材の先端は前記くびれ部に当接していることが好ましい。
また、前記端面同士の隙間を1.00mmより大きく1.75mm以下に設定する場合、 前記金属板の厚さと前記ショルダ間の距離とを、0.4mm≦{(金属板の厚さ)−(ショルダ間の距離)}≦0.8mmとなるように設定することが好ましい。
また、前記スクリューピンの外径を二乗した値を、前記スクリューピンの外径と前記ショルダ間の距離との積で除した値が1.2よりも大きくなるように設定されていることが好ましい。この値が1.2以下になると、スクリューピンが細くなるため抗折力が不足して折れやすくなるが、1.2よりも大きいとスクリューピンが比較的太くなるため折れにくい。
また、前記接合工程において、突き合わされた部分の前記金属板の厚さが異なる場合に、前記金属板の厚さが大きい方の前記金属板を前記ボビンツールの進行方向に対して右側に配置した場合には、前記ボビンツールを左回転させることが好ましい。
しかし、金属板の端面同士の厚さが異なる場合は、金属板の厚さが大きい金属板をシアー側に配置することで金属不足を補うことができるため、より好適に接合することができる。
本発明の実施形態に係る摩擦攪拌装置について、図面を参照して詳細に説明する。図1に示すように、本実施形態に係る摩擦攪拌装置300は、チャック部301と、チャック部301に固定された回転ツールユニット302とで構成されている。摩擦攪拌装置300は、先端に固定された回転ツールユニット302を軸周りに高速回転させて、一対の金属板(図示省略)を摩擦攪拌接合する装置である。
本発明の第二実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図10に示すように、本実施形態に係る摩擦攪拌装置1は、突き合わされた一対の金属板の突き合せ部Nを摩擦攪拌接合する装置である。摩擦攪拌装置1の先端にはボビンツール5が装着されている。まずは、接合する一対の金属板の説明をする。説明における上下前後左右は図10の矢印に従う。
図11の(a)に示すように、本実施形態では中空形材100Aと中空形材100Bとを接合する場合を例示する。中空形材100Aは、アルミニウム合金製の押出形材であって、断面視矩形の中空部100aを有する長尺部材である。中空形材100Aは、中空部100aを備えた本体部101と、本体部101の左側面の上下端からそれぞれ左側(中空形材100B側)に張り出した板状端部102,103とを有する。
図12に示すように、摩擦攪拌装置1は、チャック部1aと、チャック部1aの内部に固定される回転ツールユニット2とで主に構成されている。図13に示すように、チャック部1aは、フランジを備えた円筒状の部材であって、摩擦攪拌装置1の本体DにボルトB1で接続されている。チャック部1aは、摩擦攪拌装置1の回転駆動によって軸周りに回転する部位である。チャック部1aの内周には円筒面1bが形成されている。
第二実施形態の接合方法では、ボビンツール5を右回転させて接合を行う。具体的には、この接合方法では、中空形材同士を突き合わせる突き合せ工程と、突き合せ部Nにボビンツール5を挿入する接合工程と、を行う。ここでは、表面Saを化粧面として設定する。
第三実施形態に係る接合方法では、ボビンツールの螺旋溝の構成及び回転方向が第二実施形態と相違する。第三実施形態の説明においては、第二実施形態と共通する点については、詳細な説明を省略する。
第三実施形態の接合方法では、図18に示すように、ボビンツール5Aを左回転させて接合を行う。具体的には、この接合方法では、中空形材同士を突き合わせる突き合せ工程と、突き合せ部Nにボビンツール5Aを挿入する接合工程と、を行う。ここでは、表面Saを化粧面として設定する。突合工程は、第二実施形態と同等であるため、説明を省略する。
第一変形例では、図19の(a)に示すように、板状端部102Aと板状端部102Bとの厚さが異なる点で前記した実施形態と相違する。板状端部102Bの厚さT1は、板状端部102Aの厚さT2よりも大きくなっている。第一変形例では、板状端部102Aの高さ方向の中点と、板状端部102Bの高さ方向の中点とが重なるように突き合わされている。
第二変形例では、図19の(b)に示すように、板状端部102Cと板状端部102Dとの厚さが異なる点で前記した実施形態と相違する。板状端部102Cの厚さT1は、板状端部102Dの厚さT2よりも大きくなっている。第二変形例では、板状端部102Cの高さ方向の中点と、板状端部102Dの高さ方向の中点とが重なるように突き合わされている。
本発明の第四実施形態について説明する。第四実施形態ではダブルスキンパネルを接合する場合を例示する。本実施形態の説明における上下左右前後は、図20の矢印にしたがう。
第二実施形態に係る摩擦攪拌装置1(ボビンツール5)を用いて、摩擦攪拌接合される金属板(板状端部)の厚さ及び金属板同士の隙間が接合状態にどのような影響を与えるかを調査するための試験を行った。図28に示すように、摩擦攪拌接合される一対の金属板の試験体(A6063−T5材)については、それぞれ厚さを変化させて試験体H1〜H19まで用意した。「Ad側」とは、ボビンツールの回転方向と進行方向が一致する側を意味する。つまり、ボビンツールが右回転の場合は進行方向左側を意味する。「Re側」とは、ボビンツールの回転方向と進行方向が相違する側を意味する。つまり、ボビンツールが右回転の場は進行方向右側を意味する。
第二実施形態に係る摩擦攪拌装置1(ボビンツール5)を用いて、摩擦攪拌接合される金属板(板状端部)の厚さ及び金属板同士の隙間が接合状態にどのような影響を与えるかを調査するための試験を行った。金属板同士の隙間は0〜2.0mmまで0.25mmずつ変化させた。試験に使用したボビンツールは、ショルダ外径(ショルダのうち金属板に接触する面の直径)10mm、スクリューピン外径6mm、ショルダ間距離2.8mmに設定した。ボビンツールの回転数は2000rpm、移動速度は1000mm/min、回転方向は右回転に設定した。また、このボビンツールは、第二実施形態で記載したように、金属板の反りに追従してボビンツールの高さ位置が変化する形態である。摩擦攪拌接合後、X線透過試験と断面ミクロ組織から品質を判定した。
図37は、実施例1において、ショルダ間距離を5.8mmに固定した場合の各ボビンツールの寸法と接合状況を示した表である。図38は、実施例2において、ショルダ間距離を2.8mmに固定した場合の各ボビンツールの寸法と接合状況を示した表である。図39は、参考例において、ショルダ間距離を11.5mmに固定した場合の各ボビンツールの寸法と接合状況を示した表である。図37,38,39には、抗張力/材料抵抗、抗折力/材料抵抗、材料保持傾向を示した。
Y2/(X2−Y2)>0.2・・・・(1)
Y2/YZ>1.2・・・・・・・・(2)
実施例3では、ボビンツールのスクリューピンの刻設された螺旋溝の割合及び螺旋溝の巻回方向が接合後の金属板にどのような影響を及ぼすか調査した。図16の(a)を参照するように、ボビンツールの回転方向をスライド軸側から見て右回転に設定した。また、右ネジの上部螺旋溝13aと左ネジの下部螺旋溝13bとの割合を変化させて5種類の条件A〜Eを設定し摩擦攪拌接合を行った。
条件Bでは、右ネジの上部螺旋溝13aと左ネジの下部螺旋溝13bとの割合を25:75に設定した。
条件Cでは、右ネジの上部螺旋溝13aと左ネジの下部螺旋溝13bとの割合を50:50に設定した。
条件Dでは、右ネジの上部螺旋溝13aと左ネジの下部螺旋溝13bとの割合を75:25に設定した。
条件Eでは、右ネジの上部螺旋溝13aと左ネジの下部螺旋溝13bとの割合を100:0に設定した(左ネジ無し)。
条件Fでは、左ネジの上部螺旋溝13aと右ネジの下部螺旋溝13bとの割合を0:100に設定した(左ネジ無し)。
条件Gでは、左ネジの上部螺旋溝13aと右ネジの下部螺旋溝13bとの割合を25:75に設定した。
条件Hでは、左ネジの上部螺旋溝13aと右ネジの下部螺旋溝13bとの割合を50:50に設定した。
条件Iでは、左ネジの上部螺旋溝13aと右ネジの下部螺旋溝13bとの割合を75:25に設定した。
条件Jでは、左ネジの上部螺旋溝13aと右ネジの下部螺旋溝13bとの割合を100:0に設定した(右ネジ無し)。
次に、本発明の実施例4について説明する。図49は、実施例4の係合形態又は突き合わせ形態を示した正面図であって、(a)はタイプI、(b)はタイプII、(c)はタイプIIIを示す。実施例4では、3種類の供試体を用意して、タイプI、タイプII及びタイプIIIの部分のみにそれぞれ摩擦攪拌接合を行い、接合後のそれぞれの角変形を調査した。
タイプIIは、図49の(b)に示すように、ボビンツール265の進行方向の右側にダブルスキンパネル201Aを、左側にダブルスキンパネル201Bを配置し、第一鉤部212Aと第二鉤部222Bとを係合させている。
タイプIIIは、図49の(c)に示すように、ボビンツール265の進行方向の左側にダブルスキンパネル201Aを配置し、右側にダブルスキンパネル201Bを配置し、第一端面233Aと第二端面243Bとを突き合わせている。
また、同様に、条件4に示すように、螺旋溝が左ネジのボビンツール265を左回転させて、図53の紙面表側から裏側方向に移動させる場合、係合形態をタイプVとすることが好ましい。
実施例5では、実施例4とは異なるサイズのダブルスキンパネルを5枚用いて摩擦攪拌接合を行った。図20を参照すると、実施例5のダブルスキンパネルは、外板厚肉部の板厚a=4.0mmm、肉盛部の厚さ寸法b=0.5mm、左右幅寸法e=400mm、延長寸法12500mmに設定されている。
実施例6では、板状端部の板厚と長さの関係を調査するために試験を行った。図54の(a)に示すように、断面視コの字状を呈し、同形状からなる供試体401,301の端部同士を突き合わせ、突き合せ部Nに対して摩擦攪拌接合を行った。各供試体401は、支持部材402と、支持部材402から垂直に延設された板状端部403と、を備えている。
1a チャック部
2 回転ツールユニット
3 ホルダー
4 スライド軸
5 ボビンツール
11 第一ショルダ
12 第二ショルダ
13 スクリューピン
13a 上部螺旋溝
13b 下部螺旋溝
100A中空形材
100B中空形材
N 突き合せ部
T 金属板の厚さ
W 塑性化領域(接合部)
Z ショルダ間距離
Claims (28)
- 摩擦攪拌装置のチャック部に固定される回転ツールユニットであって、
前記チャック部に固定される筒状のホルダーと、
前記ホルダーの内部に挿入されたスライド軸と、
前記スライド軸の先端に取り付けられたボビンツールと、を有し、
前記ホルダーは、径方向に貫通し互いに対向する一対の長孔を有し、
前記スライド軸は、前記一対の長孔に挿入されるノックピンと、前記スライド軸に対して前記ノックピンを固定する固定部材とを有し、
前記ボビンツールは、前記スライド軸に固定される第一ショルダと、前記第一ショルダに対して離間する第二ショルダと、前記第一ショルダと前記第二ショルダを連結するスクリューピンと、を有し、
前記長孔は、軸方向に沿って延設されており、
前記スライド軸は、前記長孔と前記ノックピンの係合により前記ホルダーと一体的に回転するとともに、前記長孔の範囲で軸方向に移動することを特徴とする回転ツールユニット。 - 前記スライド軸は、軸方向に貫通する貫通孔と前記貫通孔に直交するピン孔とを有し、前記ピン孔に前記ノックピンが挿入され、
前記貫通孔に前記固定部材が挿入され、前記固定部材の先端が前記ノックピンに当接していることを特徴とする請求の範囲第1項に記載の回転ツールユニット。 - 前記ノックピンの中央部には他の部分より細いくびれ部が形成されており、
前記固定部材の先端は前記くびれ部に当接していることを特徴とする請求の範囲第1項に記載の回転ツールユニット。 - 前記ボビンツールは、前記スクリューピンの一端側と前記第一ショルダとを締結する第一締結具と、前記スクリューピンの他端側と前記第二ショルダとを締結する第二締結具と、を有し、
前記第一ショルダの内部には、軸方向に延設され平断面が非円形を呈する第一係合孔が形成されており、
前記第二ショルダの内部には、軸方向に延設され平断面が非円形を呈する第二係合孔が形成されており、
前記スクリューピンは、
前記第一ショルダと前記第二ショルダの間に露出する螺旋溝部と、
一端側に形成され、前記第一係合孔に係合する第一係合軸部と、
他端側に形成され、前記第二係合孔に係合する第二係合軸部と、を有することを特徴とする請求の範囲第1項に記載の回転ツールユニット。 - 前記ボビンツールは、前記スクリューピンの一端側と前記第一ショルダとを締結する第一締結具と、前記スクリューピンの他端側と前記第二ショルダとを締結する第二締結具と、を有し、
前記第一ショルダの内部には、軸方向に延設された第一孔と、前記ショルダの側面側から前記第一孔に連通する第一ネジ係累孔とが形成されており、
前記第二ショルダの内部には、軸方向に延設された第二孔と、前記ショルダの側面側から前記第二孔に連通する第二ネジ係累孔とが形成されており、
前記スクリューピンは、
前記第一ショルダと前記第二ショルダの間に露出する螺旋溝部と、
一端側に形成され、前記第一孔に挿入される第一軸部と、
前記第一軸部の外周面に平坦に形成された第一平坦部と、
他端側に形成され、前記第二孔に挿入される第二軸部と、
前記第二軸部の外周面に平坦に形成された第二平坦部と、を有し、
前記第一ショルダの側面側から前記第一ネジ係累孔に第一係止ネジをねじ込んで、前記第一係止ネジの先端を前記第一平坦部に当接させ、
前記第二ショルダの側面側から前記第二ネジ係累孔に第二係止ネジをねじ込んで、前記第二係止ネジの先端を前記第二平坦部に当接させることを特徴とする請求の範囲第1項に記載の回転ツールユニット。 - 前記第一ショルダの下面及び前記第二ショルダの上面の少なくとも一方には、前記ボビンツールの軸周りに螺旋状に形成された凹溝が形成されていることを特徴とする請求の範囲第1項に記載の回転ツールユニット。
- 請求の範囲第1項に記載の回転ツールユニットを用いて、一対の金属板を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
前記金属板の端面同士を突き合わせる突き合せ工程と、
前記端面同士を突き合せて形成された突き合せ部に回転させた前記ボビンツールのスクリューピンを移動させて前記端面同士を摩擦攪拌接合する接合工程と、を含み、
前記接合工程では、第一ショルダ及び第二ショルダ間の距離を前記金属板の厚さ以下に設定しておき、摩擦攪拌によって前記金属板が変形して前記金属板の位置が前記ボビンツールの軸方向に変位した際に、その変位に追従して前記ボビンツールが軸方向に移動することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 前記端面同士の隙間を1.00mm以下に設定する場合、
前記金属板の厚さと前記ショルダ間の距離とを、0.2mm≦{(金属板の厚さ)−(ショルダ間の距離)}≦0.8mmとなるように設定することを特徴とする請求の範囲第7項に記載の摩擦攪拌接合方法。 - 前記端面同士の隙間を1.00mmより大きく1.75mm以下に設定する場合、
前記金属板の厚さと前記ショルダ間の距離とを、0.4mm≦{(金属板の厚さ)−(ショルダ間の距離)}≦0.8mmとなるように設定することを特徴とする請求の範囲第7項に記載の摩擦攪拌接合方法。 - 前記ショルダのうち前記金属板に接触する面の直径を二乗した値を、前記スクリューピンの外径を二乗した値で除した値が2.0より大きくなるように設定されていることを特徴とする請求の範囲第7項に記載の摩擦攪拌接合方法。
- 前記スクリューピンの外径を二乗した値を、前記ショルダのうち前記金属板に接触する面の直径を二乗した値から前記スクリューピンの外径を二乗した値を引いた値で除した値が0.2より大きく、かつ、前記スクリューピンの外径を二乗した値を、前記スクリューピンの外径と前記ショルダ間の距離との積で除した値が1.2よりも大きくなるように設定されていることを特徴とする請求の範囲第7項に記載の摩擦攪拌接合方法。
- 前記接合工程において、突き合わされた部分の前記金属板の厚さが異なる場合に、前記金属板の厚さが大きい方の前記金属板を前記ボビンツールの進行方向に対して左側に配置した場合には、前記ボビンツールを右回転させることを特徴とする請求の範囲第7項に記載の摩擦攪拌接合方法。
- 前記接合工程において、突き合わされた部分の前記金属板の厚さが異なる場合に、前記金属板の厚さが大きい方の前記金属板を前記ボビンツールの進行方向に対して右側に配置した場合には、前記ボビンツールを左回転させることを特徴とする請求の範囲第7項に記載の摩擦攪拌接合方法。
- 前記接合工程では、
前記第一ショルダと前記金属板の化粧面とを対向させ、かつ、前記スクリューピンの軸方向の中心と前記金属板の板厚方向の中心とを合わせた後、前記端面同士を突き合せて形成された突き合せ部に前記スライド軸側から見て右回転させた前記ボビンツールのスクリューピンを移動させ、
前記スクリューピンの外周面の前記第一ショルダ側に右ネジの螺旋溝が形成されており、この右ネジの螺旋溝が前記第一ショルダ及び前記第二ショルダ間の距離に対して25%以上の割合で形成されていることを特徴とする請求の範囲第7項に記載の摩擦攪拌接合方法。 - 前記外周面のうち前記右ネジの螺旋溝の端部から前記第二ショルダまでの間に、左ネジの螺旋溝が形成されていることを特徴とする請求の範囲第14項に記載の摩擦攪拌接合方法。
- 前記接合工程では、
前記第一ショルダと前記金属板の化粧面とを対向させ、かつ、前記スクリューピンの軸方向の中心と前記金属板の板厚方向の中心とを合わせた後、前記端面同士を突き合せて形成された突き合せ部に前記スライド軸側から見て左回転させた前記ボビンツールのスクリューピンを移動させ、
前記スクリューピンの外周面の前記第一ショルダ側に左ネジの螺旋溝が形成されており、この左ネジの螺旋溝が前記ショルダ間の距離に対して25%以上の割合で形成されていることを特徴とする請求の範囲第7項に記載の摩擦攪拌接合方法。 - 前記外周面のうち前記左ネジの螺旋溝の端部から前記第二ショルダまでの間に、右ネジの螺旋溝が形成されていることを特徴とする請求の範囲第16項に記載の摩擦攪拌接合方法。
- 前記接合工程では、
前記第二ショルダと前記金属板の化粧面とを対向させ、かつ、前記スクリューピンの軸方向の中心と前記金属板の板厚方向の中心とを合わせた後、前記端面同士を突き合せて形成された突き合せ部に前記スライド軸側から見て右回転させた前記ボビンツールのスクリューピンを移動させ、
前記スクリューピンの外周面の前記第二ショルダ側に左ネジの螺旋溝が形成されており、この左ネジの螺旋溝が前記ショルダ間の距離に対して25%以上の割合で形成されていることを特徴とする請求の範囲第7項に記載の摩擦攪拌接合方法。 - 前記外周面のうち前記左ネジの螺旋溝の端部から前記第一ショルダまでの間に、右ネジの螺旋溝が形成されていることを特徴とする請求の範囲第18項に記載の摩擦攪拌接合方法。
- 前記接合工程では、
前記第二ショルダと前記金属板の化粧面とを対向させ、かつ、前記スクリューピンの軸方向の中心と前記金属板の板厚方向の中心とを合わせた後、前記端面同士を突き合せて形成された突き合せ部に前記スライド軸側から見て左回転させた前記ボビンツールのスクリューピンを移動させ、
前記スクリューピンの外周面の前記第二ショルダ側に右ネジの螺旋溝が形成されており、この右ネジの螺旋溝が前記ショルダ間の距離に対して25%以上の割合で形成されていることを特徴とする請求の範囲第7項に記載の摩擦攪拌接合方法。 - 前記外周面のうち前記右ネジの螺旋溝の端部から前記第一ショルダまでの間に、左ネジの螺旋溝が形成されていることを特徴とする請求の範囲第20項に記載の摩擦攪拌接合方法。
- 前記接合工程では、前記金属板の化粧面側を冷却しながら接合することを特徴とする請求の範囲第14項、請求の範囲第16項、請求の範囲第18項又は請求の範囲第20項に記載の摩擦攪拌接合方法。
- 請求の範囲第1項に記載の回転ツールユニットを用いて、一対のダブルスキンパネルの端部同士を摩擦攪拌接合するダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合方法であって、
一方の前記ダブルスキンパネルの外板の端部に形成された鉤部と他方の前記ダブルスキンパネルの外板の端部に形成された鉤部とを係合しつつ、一方の前記ダブルスキンパネルの内板の端部に形成された端面と他方の前記ダブルスキンパネルの内板の端面とを係合させずに突き合わせる準備工程と、
前記準備工程で係合させた係合部及び突き合わせた突き合せ部に対して摩擦攪拌接合を行う接合工程と、を含むことを特徴とするダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合方法。 - 各前記鉤部を、前記外板の厚肉部から延設された薄肉部と、前記薄肉部に連続し板厚方向に張り出した張出部と、を有するように形成し、
前記準備工程では、一対の前記張出部同士を係合することを特徴とする請求の範囲第23項に記載のダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合方法。 - 一方の前記ダブルスキンパネルの前記張出部の側部に張出傾斜面を形成し、
他方の前記ダブルスキンパネルの前記厚肉部に、前記張出傾斜面に面接触する厚肉傾斜面を形成することを特徴とする請求の範囲第24項に記載のダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合方法。 - 前記外板と前記内板の間に支持板が介設されており、
前記支持板から前記端面までの長さをc(mm)及び前記厚肉部の板厚をt(mm)としたとき、
c≦7.0×t+18.5mmを満たすように設定することを特徴とする請求の範囲第24項に記載のダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合方法。 - 前記接合工程では、前記係合部を接合した後に、前記突き合せ部を接合することを特徴とする請求の範囲第23項に記載のダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合方法。
- 前記接合工程では、前記係合部を接合した後に、前記突き合せ部を接合することを特徴とする請求の範囲第27項に記載のダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合方法。
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