JP2020171947A - 摩擦撹拌接合工具用清掃装置 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄基合金とアルミニウム合金を摩擦撹拌接合する際に発生する高硬度の凝着物が存在する場合でも摩擦撹拌接合用工具の先端部から確実に凝着物を除去できる摩擦撹拌接合用工具の清掃装置を提供する。【解決手段】フライス工具１６が内部に設置した第１清掃機器１０と、フライス工具２６および切れ刃を有する複数のチップ２８（２８ａ〜２８ｄ）が内部に配置された第２清掃機器２０と、を備える摩擦撹拌接合工具用清掃装置１とする。また、フライス工具１６についてはエンドミルを適用したり、第２清掃機器２０の内部に設置する複数のチップ２８（２８ａ〜２８ｄ）は、フライス工具２６の周囲に均等に配置しても構わない。【選択図】図３

Description

本発明は、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）工具の先端部分を清掃する摩擦撹拌接合工具専用の清掃装置に関する。

従来は、例えばアルミニウム合金同士の摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）の場合、摩擦撹拌接合用の工具の先端部分に付着した凝着物は、例えば特許文献１で説明されている専用の装置を使用して、凝着物を除去していた。

この装置には、工具の先端と同じ径の専用工具のほかに、その専用工具と摩擦撹拌接合用の工具の間に挟む「あて板」が装着されている。その「あて板」を介することで専用工具の先端と摩擦撹拌接合用の工具先端を圧着して、凝着物を最終的に「あて板」に移動させる（付着させる）方法で凝着物を摩擦撹拌接合用の工具先端から除去する方法である。

また、特許文献２で説明されている接合工具は、中心部と外筒部の２段構成になっており、中心部に付着した凝着物に対して、外筒部を軸方向に可動（ストローク）させることで凝着物を除去する構造である。

特開２００７−８３２９５号公報 特開２００７−２１６２８６号公報

ところが、アルミニウム合金と鋼材の異種金属材料同士を接合する場合には問題が生じる。上述した凝着物は接合材料に大きく依存するため、アルミニウムと鉄による凝着物は接合材料がアルミニウム合金同士に発生する凝着物よりもその硬さが非常に高くなる。そのため、上述した「あて板」では凝着物の硬さにより耐え切れず、破損したり、変形するので「あて板」の材質を更に強固にする必要があった。

また、特許文献２に開示された接合工具の形態では、アルミニウム合金と鋼材の様な異種金属材料同士の接合の場合、工具の先端部分に高硬度の凝着物が強固に付着すると、中心部や外筒部が軸方向に可動できなくなるという問題があった。

そこで、本発明は工具の先端部分に鉄基合金とアルミニウム合金の様な異種金属同士の摩擦撹拌接合による高硬度の凝着物が存在する場合でも、工具の先端部から確実に凝着物を除去できる摩擦撹拌接合工具専用の清掃装置を提供することを課題とする。

鉄基合金とアルミニウム合金の様な異種金属同士の摩擦撹拌接合では、非常に高硬度の金属間化合物による凝着物が工具の先端部分に付着する。その点を考慮して、本発明の清掃装置では主に工具の先端部分のみを清掃する第１清掃機器と工具の先端部分以外の円周部分など他の部分を清掃する第２清掃機器の２段構成とした。

具体的には、単一のフライス工具を内部中央に設置した第１清掃機器と、中央位置に設置したフライス工具およびその周囲に複数のチップを配置した第２清掃機器を備える摩擦撹拌接合工具用清掃装置とした。

この場合、第２清掃機器の内部に設置する複数のチップを同一平面上かつ均等に配置しても構わない。例えば、４枚のチップをフライス工具の円周方向に沿って均等に（中心部の角度が各々９０°間隔となるよう）配置することもできる。

本発明の摩擦撹拌接合用工具清掃装置は、例えば鉄基合金とアルミニウム合金の摩擦撹拌接合後工具の先端部に付着した高硬度の凝着物（金属間化合物を含む）を効率的に除去し、かつ当該工具自体の損傷も防止できるという効果を奏する。

本発明の摩擦撹拌接合用工具清掃装置１の正面図である。 本発明の摩擦撹拌接合用工具清掃装置１の平面図である。 図２に示す摩擦撹拌接合用工具清掃装置１のＡ−Ａ線断面図である。

本発明の摩擦撹拌接合工具用清掃装置の実施形態について、図面を用いて説明する。本発明の一実施形態である摩擦撹拌接合工具用清掃装置１の正面図を図１、平面図を図２にそれぞれ示す。また、図２における摩擦撹拌接合工具用清掃装置１のＡ−Ａ線断面図を図３に示す。

摩擦撹拌接合工具用清掃装置１は、図１および２に示すように大きく分けて第１清掃機器１０，第２清掃機器２０およびこれらの各機器１０，２０を上部に積載するベースプレート３０から構成されている。第１および第２清掃機器１０，２０の配置は、ベースプレート３０との間で自在に着脱可能な様にネジによる締結で固定したり、もしくはベースプレート３０の長さ（幅）を自由に伸縮できる構造にすることで第１清掃機器１０と第２清掃機器２０同士の間隔を任意に変更できる配置形態としても良い。以下、第１清掃機器１０および第２清掃機器２０の詳細な構造について説明する。

まず、第１清掃機器１０の構造について説明する。第１清掃機器１０は、後述する第２清掃機器２０の使用に先立って摩擦撹拌接合工具の先端部に付着した凝着物を最初に除去する機器である。第１清掃機器１０を形成する筒状の本体部１１の最上方には中央に開口部１２を有したトッププレート（天板部品）１３が設置されている。このトッププレート（天板部品）１３の開口部１２から空間的に連なる第１清掃機器１０の内部には、フライス工具（エンドミル）１６が中心位置に設置されている。

このフライス工具１６は、図３に示す様にフライス工具固定治具１７によって軸方向および周方向の移動が制限されている。つまり、摩擦撹拌接合工具の清掃中（再生工程中）にフライス工具１６が回転したり、前進や後退しない様にフライス工具固定治具１７によりフライス工具１６が軸方向に固定されている。

また、トッププレート（天板部品）１３の直下には、摩擦撹拌接合工具が第１清掃機器１０の所定深さ以上に挿入することを防止するストッパー（摩擦撹拌接合工具の位置決め部品）１８と、ストッパー１８の周囲には清掃中において摩擦撹拌接合工具に補助的な回転を与えるための軸受１９が設けられている。この軸受１９の内周（内輪）側には図３に示す様にストッパー１８が嵌め込まれている。

摩擦撹拌接合工具の清掃工程時には、摩擦撹拌接合工具の端面とストッパー１８の上方側の端面が互いに接触した状態で摩擦撹拌接合工具が回転することによりストッパー１８も同時に回転する。つまり、ストッパー１８が摩擦撹拌接合工具と共に回転することで摩擦撹拌接合工具の端面とストッパー１８の端面の間に発生する摩擦熱やそれに伴う摩擦撹拌接合工具およびストッパー１８の摩耗を防止する。

本体部１１の外周部には、図３に示すように外部からの圧縮空気（エア）を第１清掃機器１０の内部へ取り込むためのエア導入口１４および第１清掃機器１０の内部のエア等を外部へ排出するエア排出口（図示なし）が設けられている。このエア導入口１４を介して第１清掃機器１０の内部にエアを送り込み、摩擦撹拌接合工具の清掃時に発生する（除去された）凝着物がエア排出口を介して第１清掃機器１０の外部へ排出する。これは、摩擦撹拌接合工具の先端部から除去された凝着物がフライス工具１６の先端部や第１清掃機器１０内の底部に堆積することを防止するためである。

次に、第２清掃機器２０の構造について説明する。第２清掃機器２０は、前述の第１清掃機器１０の使用に引き続いて摩擦撹拌接合工具の先端とその周囲に付着した凝着物を除去する機器である。第２清掃機器２０は、図１および図３に示す様に第２清掃機器２０を形成する筒状の本体部２１の最上方に開口部２２を有するトッププレート（天板部品）２３を備えており、摩擦撹拌接合工具が挿入できる空間を内部に有している。

その空間には、切れ刃を有する複数のチップ２８（２８ａ〜２８ｄ）が内部に配置されている。当該チップ２８（２８ａ〜２８ｄ）は切削用、旋削用のいすれでもよく、材質はＷＣ（炭化タングステン）等を主成分とする超硬合金やＳｉＣ等を主成分とするセラミックスのいずれでも構わない。

これら複数のチップ２８は、図２に示す様に４枚のチップ２８ａ〜２８ｄが同一平面上で中心部の角度が９０°間隔になるように均等に配置されている。これらのチップ２８ａ〜２８ｄによって摩擦撹拌接合工具の周囲（側周面）に付着している凝着物を削り落とす。また、第１清掃機器１０の場合と同様に第２清掃機器２０の内部にフライス工具（エンドミル）２６をフライス工具固定治具２７を用いて固定、設置する。

この場合、第１清掃機器１０に設置するフライス工具１６（第１フライス工具）とは異なる先端形状のフライス工具２６（第２フライス工具）を第２清掃機器２０の内部に設置することで、第１清掃機器１０を用いても摩擦撹拌接合工具の先端部から完全に除去できなかった、いわゆる残存した凝着物を追加的に除去できる。

また、図３に示す様に第２清掃機器２０内の底部（フライス工具固定治具２７の下方）にバネ２９を設けることもできる。第２清掃機器２０では第１清掃機器１０の場合に加えて複数のチップ２８（２８ａ〜２８ｄ）を配置することで摩擦撹拌接合工具の周方向（周側面）および軸方向に付着した凝着物の除去を同時に行なう。

そのため、摩擦撹拌接合工具の清掃時には第１清掃機器１０を使用する場合よりも摩擦撹拌接合工具の軸方向に多大な圧力を更に負荷した状態で摩擦撹拌接合工具を回転させる。したがって、フライス工具固定治具２７の下方にバネ２９を設けることにより摩擦撹拌接合工具が軸方向に加圧された場合でも、バネ２９の反力を利用してフライス工具２６を軸方向に可動させることでフライス工具２６の折損を防止する。

さらに、第２清掃機器２０の外周部には、第１清掃機器１０と同様に外部からの圧縮空気（エア）を取り込むためのエア導入口２４および第２清掃機器２０の内部のエア等を外部へ排出するエア排出口（図示なし）が設けられている。このエア導入口２４を介して第２清掃機器２０の内部にエアを送り込み、摩擦撹拌接合工具の再生時に発生する除去された凝着物はエア排出口（図示なし）を介して第２清掃機器２０の外部へ排出できる。これは、フライス工具２６の先端部，チップ２８（２８ａ〜２８ｄ）の切れ刃部分，第２清掃機器２０内の底部に摩擦撹拌接合工具の先端部から除去された凝着物が堆積することを防止するためである。

なお、図３では第２清掃機器２０においてフライス工具固定治具２７の下方にバネ２９が設置されている形態を示しているが、つるまきバネや皿バネなどのバネ材の他に摩擦撹拌接合工具を軸方向に加圧した際に所定の反力が生じることでフライス工具２６を軸方向に可動できる物性を有して、それ自身が弾性変形する物であれば、ゴムや樹脂などの弾性体でも構わない。

また、第２清掃機器２０内に配置される複数のチップ２８（２８ａ〜２８ｄ）は、図２に示す形態では４枚のチップを使用した場合を示しているが、使用するチップの枚数は４枚よりも少ない枚数（２枚や３枚）、もしくは４枚よりも多い枚数（５枚以上）でも構わない。また、それら複数のチップの配置は同一平面状で中心部の角度が均等になるよう規則的に配置する形態の他にも各チップの中心部の角度が各々異なるように不規則な配置でも良い。

１ 摩擦撹拌接合工具用清掃装置
１０ 第１清掃機器
１１，２１ 本体部
１２，２２ 開口部
１３，２３ トッププレート
１４，２４ エア導入口
１６，２６ フライス工具（エンドミル）
１７，２７ フライス工具固定治具
１８ ストッパー
１９ 軸受
２０ 第２清掃機器
２８（２８ａ〜２８ｄ） チップ
２９ バネ
３０ ベースプレート

Claims (5)

1. 少なくとも、フライス工具を内部に有する第１清掃機器と、フライス工具および複数枚のチップを有する第２清掃機器と、を備えており、
   前記第１および第２清掃機器のフライス工具は、前記各清掃機器の中央に配置されており、かつ前記複数枚のチップは前記第２清掃機器のフライス工具の周囲に配置されていることを特徴とする摩擦撹拌接合工具用清掃装置。
2. 前記第１および第２清掃機器のフライス工具は、いずれもエンドミルであることを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌接合工具用清掃装置。
3. 前記複数枚のチップはすべて同一平面上で均等に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の摩擦撹拌接合工具用清掃装置。
4. 前記第２清掃機器には前記フライス工具の下方に弾性体をさらに備えていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合工具用清掃装置。
5. 前記第１清掃機器または前記第２清掃機器の少なくとも一方の清掃機器には、エア導入口およびエア排出口を共に有していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合工具用清掃装置。
   

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