线性摩擦接合装置

1.本发明涉及利用摩擦热将被接合材料彼此接合的线性摩擦接合装置。

背景技术：

2.伴随着钢和铝合金等金属材料的高强度化，决定接合构造物的机械特性的接合部处的强度下降成为深刻的问题。与此相对，近年来，接合中的最高到达温度不达到被接合材料的熔点、接合部的强度下降比现有的熔焊小的固相接合法受到瞩目，正在急速地实用化。
3.特别是使被接合材料以抵接的状态进行线性往复运动地接合的“线性摩擦接合”，因为不像摩擦搅拌接合那样需要压入被接合材料的工具，所以对钢和钛那样的高熔点/高强度金属也能够容易地应用，关于该线性摩擦接合中使用的线性摩擦接合装置，研发正在进行。
4.例如，在专利文献1(日本特开2017-42772号公报)中，公开有一种线性摩擦接合装置，其具备：保持第1接合物的第1保持部；能够使该第1保持部激振的第1致动器；保持第2接合物的第2保持部；能够将所述第2接合物向所述第1接合物按压的第2致动器；和驱动控制所述第1致动器和所述第2致动器的控制部，该控制部以以下方式进行控制：以使所述第2接合物按压于所述第1接合物的状态，通过所述第1致动器向与所述第2接合物的轴心正交的方向使所述第1接合物激振，并且通过所述第2致动器从接合开始时起以预先设定的低负荷时间利用第1推压负荷使所述第2接合物向所述第1接合物按压，在经过低负荷时间后利用大于所述第1推压负荷的第2推压负荷使所述第2接合物向所述第1接合物按压。
5.在上述专利文献1中记载的线性摩擦接合装置中，因为从线性摩擦接合开始时起以预先设定的低负荷时间使利用第2致动器的推压负荷降低，所以发挥能够抑制最需要激振负荷的线性摩擦接合开始时的激振负荷，能够实现第1致动器的小型化、装置自身的小型化并且实现制造成本的降低这样优异的效果。
6.此外，在专利文献2(日本特开2018-75591号公报)中，公开有一种线性摩擦接合装置，其具有向一个构件推压另一个构件推压装置、和使所述一个构件对所述另一个构件相对地激振的激振装置，该线性摩擦接合装置具有：位置传感器，其检测所述推压方向上的所述另一个构件的位移量；和控制装置，其以基于所述位置传感器的检测结果，将所述一个构件激振的振幅从第一振幅切换为小于该第一振幅的第二振幅的方式控制所述激振装置。
7.在所述专利文献2中记载的线性摩擦接合装置中，检测推压向一个构件的另一个构件的、该推压方向上的位移量，基于该位移量，将使一个构件激振的振幅，从第一振幅切换为小于该第一振幅的第二振幅。这样，通过利用位置传感器检测另一个构件的位移量，即消耗(burn off)量，能够在线性摩擦接合过程即将结束之前将激振振幅切换为小的激振振幅。当激振振幅变小时，每单位时间的消耗量(消耗速度)变小。由此，即使在激振停止时激振次数多少有了些偏差，也由于消耗速度小而消耗量的偏差小。因此，能够抑制激振次数的偏差引起的尺寸精度的下降。现有技术文献
专利文献
8.专利文献1：日本特开2017-42772号公报专利文献2：日本特开2018-75591号公报

技术实现要素：

发明所要解决的问题
9.线性摩擦接合向具有很多优点的接合法，线性摩擦接合装置也根据各种观点在进行改进，但是线性摩擦接合装置由于其复杂的机构而昂贵且庞大，尽管能够设想很多用途，技术的导入障碍却很高。
10.在上述专利文献1中公开的线性摩擦接合装置中，通过抑制激振负荷实现装置自身的小型化和制造成本的降低，在上述专利文献2中公开的线性摩擦接合装置中，通过在线性摩擦接合过程即将结束之前切换为小的激振振幅，实现激振次数的偏差引起的尺寸精度下降的抑制，但是在激振机构中使用伴随蓄压器产生的复杂的液压机构的方面与现有的线性摩擦接合装置相同，将线性摩擦接合装置飞跃性地价廉且小型化非常困难。
11.鉴于以上那样的现有技术中的问题，本发明的目的在于提供价廉且紧凑的线性摩擦接合装置。此外，本发明的目的还在于提供异材接合和对大型构造体的制造也适用的线性摩擦接合装置。用于解决问题的方式
12.本发明的发明人为了达到上述目，基于能够获得良好的接头的线性摩擦接合的接合条件，对线性摩擦接合装置的各结构反复进行了深入研究，结果发现，在激振机构的驱动源使用高性能的电动机等极为重要，从而达成了本发明。
13.即，本发明提供将一个构件与另一个构件接合的线性摩擦接合装置，该线性摩擦接合装置具备：使所述一个构件与所述另一个构件抵接而形成被接合界面的把持机构；使所述一个构件和所述另一个构件相对地激振的激振机构；和相对于所述被接合界面大致垂直地施加接合压力的按压机构，使用电动机作为所述激振机构的驱动源。
14.此外，本发明提供一种将一个构件与另一个构件接合的线性摩擦接合装置，该线性摩擦接合装置的特征在于，具备：使所述一个构件与所述另一个构件隔着插入材料抵接，形成所述一个构件与所述插入材料抵接的被接合界面(1)和所述另一个构件与所述插入材料抵接的被接合界面(2)的把持机构；在所述一个构件与所述另一个构件之间使所述插入材料相对地激振的激振机构；和相对于所述被接合界面(1)和所述被接合界面(2)大致垂直地施加接合压力的按压机构，使用电动机作为所述激振机构的驱动源。
15.与被接合材料相比较，能够容易地控制插入材料的大小(能够小型化)，因此在使用与液压机构相比力较弱的电动机的情况下，能够成为更合适的线性摩擦接合装置。此处，
通过使插入材料采用与被接合材料相同的材质，即使大型的接合构造物也能够容易地制造。此外，在进行异材接合的情况下能够根据与各被接合材料的接合性，选择适当材质的插入材料。
16.在本发明的线性摩擦接合装置中，使用电动机作为激振机构的驱动源。在现有的线性摩擦接合装置中，使用伴随着被称为蓄能器(accumulator)的蓄压器的复杂的液压机构，在该机构中需要大量的高压箱和液压泵，因此装置必然大型化，价格也上升。蓄能器为了使被接合材料大力地高速滑动而使用，但是本发明的发明人对各种各样的被接合材料(材质、形状和尺寸)进行了线性摩擦接合试验，证明了利用电动机进行的驱动也能够充分地作为接合装置成立。此外，在液压机构中定期换油等维护不可缺少，而在电动机则不需要，电动机的使用在运行成本方面也有利。从正确地控制线性摩擦接合中的被接合材料的移动速度、位置和向被接合材料施加的力的观点出发，优选在电动机中采用电动伺服电动机。
17.此外，通过对激振机构的驱动源使用电动伺服电动机，能够在该电动伺服电动机的能力的范围内，将滑动的振幅和频率设定为所期望的值。
18.在本发明的线性摩擦接合装置中，优选使用滚珠丝杠或进给丝杠将所述电动机的旋转运动转换为直线运动。通过使用滚珠丝杠或进给丝杠，能够实现高的重复位置精度。此外，能够在全行程位置产生最大加压力，能够基于更正确的滑动动作进行线性摩擦接合。
19.此外，在本发明的线性摩擦接合装置中，优选使用曲柄机构、连杆机构和转向节机构中任意的机构，或者它们的组合，将所述电动机的旋转运动转换为直线运动。这些机构与使用滚珠丝杠的机构相比更简单，能够实现价廉的线性摩擦接合装置。
20.此外，在本发明的线性摩擦接合装置中，优选在激振机构的驱动源使用电动伺服电动机的情况下，使所述激振机构的所述激振的振幅和/或频率可变。通过使激振的振幅和/或频率可变，能够以一台线性摩擦接合装置应对各种各样的被接合材料的接合。
21.此外，在本发明的线性摩擦接合装置中，优选使所述激振机构进行的所述激振的振幅和/或频率固定。在激振机构的驱动源不使用电动伺服电动机的情况下，难以使激振机构的激振的振幅和/或频率可变，而另一方面，在被接合材料确定的情况下，线性摩擦接合条件基本上相同。即，通过使用具有简洁的机构的电动机，使激振机构的激振的振幅和/或频率固定，能够实现更价廉且小型的以大量生产为目的线性摩擦接合装置。此处，“振幅和/或频率固定”，是包含具有多个值(例如，3个模式的振幅与频率的组合)的概念。
22.此外，在本发明的线性摩擦接合装置中，优选使所述激振机构进行的所述激振的振幅为0.1～5mm，频率为10～100hz。通过使激振的振幅为0.1～5mm，频率为10～100hz，即使在激振机构的驱动源使用电动机也能够达成线性摩擦接合。此处，如果加大振幅则频率的上限下降，但是只要在上述数值范围，就能够使用电动机实现。
23.进一步，在本发明的线性摩擦接合装置中，优选使所述按压机构产生的按压力为1.5
×
104kg以下。虽然在对被接合材料或插入材料施加了按压力的状态下，需要利用激振机构使其滑动，但是通过使该按压力为1.5
×
104kg以下，即使在激振机构的驱动源使用电动机的情况下也能够在线性摩擦接合达成所需的滑动。另外，还能够根据振幅和/或频率等线性摩擦接合条件，调节使被接合材料或插入材料滑动所需的力。此外，在想要进一步降低用于使被接合材料或插入材料滑动的力，使用利用现有公知的各种方法的外部加热，使被
接合材料或插入材料软化即可。发明的效果
24.根据本发明，能够提供价廉且紧凑的线性摩擦接合装置。此外，根据本发明，还能够提供还适合于异材接合及大型构造体的制造的线性摩擦接合装置。
附图说明
25.图1是表示线性摩擦接合中的状况的示意图。图2是表示使用了中心驱动方式的线性摩擦接合装置的异材接合中的状况和接合温度的关系的示意图。图3是被接合材料和插入材料的强度的温度依赖性的一个例子。图4是表示使用了中心驱动方式的线性摩擦接合装置的异材接合的接合工序的示意图。
具体实施方式
26.以下，参照附图对本发明的线性摩擦接合装置的代表性的实施方式进行详细说明，不过本发明并不限定于这些方式。另外，在以下的说明中，有时对相同或相当部分标注相同的附图标记，省略重复的说明。此外，附图是用于概念性地说明本发明，有时示出的各构成要素的尺寸和它们的比与实际不同。
27.(1)使被接合材料激振的线性摩擦接合装置图1是表示线性摩擦接合中的状况的示意图。线性摩擦接合是以在将被接合材料彼此以线性运动进行摩擦时产生的摩擦热为主要热源的固相接合。通过将因升温而软化的材料从被接合界面作为磨屑排出，能够将在被接合界面形成的氧化覆膜等除去，使新生面彼此抵接，由此获得接合部。
28.本发明的线性摩擦接合装置是用于达成图1所示的接合过程的装置，其特征在于，具备：使一个构件与另一个构件抵接以形成被接合界面的把持机构；使一个构件与另一个构件相对地激振的激振机构；和相对于被接合界面大致垂直地施加接合压力的按压机构，使用电动机作为激振机构的驱动源。
29.关于使用电源电机的激振机构以外的机构，只要无损于本发明的效果就没有特别限定，能够使用现有公知的各种线性摩擦接合装置中使用的机构。此外，使用电动机的激振机构的控制，例如能够使用利用了现有公知的电动机的冲压机的控制系统。
30.在电动机中，优选使用电动伺服电动机。通过使用电动伺服电动机，能够在该电动伺服电动机的能力的范围内，将激振的振幅和频率设定为所期望的值。
31.为了将电动机的旋转运动转换为直线运动，优选使用滚珠丝杠或进给丝杠。通过使用滚珠丝杠或进给丝杠，能够实现高的重复位置精度。此外，能够在全行程位置产生最大加压力，能够基于更正确的滑动动作进行线性摩擦接合。
32.此外，为了将电动机的旋转运动转换为直线运动使用曲柄机构、连杆机构和转向节机构中的任意的机构，或者它们的组合，由此能够实现价廉的线性摩擦接合装置。
33.此外，通过使激振机构进行的激振的振幅和/或频率固定，使用具有简洁的机构的电动机，能够实现更价廉且小型的以大量生产为目的线性摩擦接合装置。
34.激振机构进行的激振的振幅优选为0.1～5mm，更优选为0.5～3mm，最优选为1～2mm。此外，激振机构进行的激振的频率优选为10～100hz，更优选为15～75hz，最优选为25～50hz。如果加大振幅则频率的上限降低，但是只要在上述数值范围，就能够使用电动机实现。特别是通过使振幅为1～2mm，频率为25～50hz，不仅能够充分地有效利用电动机的特性，而且能够应对多种多样的被接合材料的接合。
35.按压机构产生的按压力优选为1.5
×
104kg以下，更优选为1.0
×
104kg以下，最优选为0.5
×
104kg以下。通过使按压力为这些范围内，即使在激振机构的驱动源使用电动机的情况下也能够达成线性摩擦接合所需的滑动。此处，为了使被接合材料或插入材料高速滑动所需的力设想为按压力～按压力的2/3左右即可。
36.(2)使插入材料激振的线性摩擦接合装置(中心驱动方式)中心驱动方式下的本发明的线性摩擦装置包括：使一个构件与另一个构件隔着插入材料抵接，形成一个构件与插入材料抵接的被接合界面(1)和另一个构件与插入材料抵接的被接合界面(2)的把持机构；在一个构件与另一个构件之间使插入材料相对地激振的激振机构；和相对于被接合界面(1)和被接合界面(2)大致垂直地施加接合压力的按压机构，使用电动机作为激振机构的驱动源。
37.在采用中心驱动方式的情况下，也对使用电源电机的激振机构以外的机构，只要无损于本发明的效果就没有特别限定，能够使用现有公知的各种线性摩擦接合装置中使用的机构。此外，使用电动机的激振机构的控制，例如能够使用利用了现有公知的电动机的冲压机的控制系统。
38.由于在中心驱动方式下使插入材料高速移动，所以不需要固定插入材料的把持机构，不过关于激振机构和按压机构的特征与使所述的被接合材料高速移动的情况下基本相同。另一方面，由于插入材料比较容易实现小型化，所以在使用与液压机构相比力较弱的电动机的线性摩擦接合装置中成为有利的结构。此外，在使用中心驱动方式的情况下，优选设有能够相对于被接合界面(1)和被接合界面(2)大致垂直地施加不同的接合压力的按压机构。通过相对于被接合界面(1)和被接合界面(2)大致垂直地施加不同的接合压力，能够获得良好的异材线性摩擦接合接头，详细情况后述。
39.以下，以关于异材接合控制接合温度的情况为例，说明中心驱动方式下的本发明的线性摩擦接合装置的具体例。本发明的线性摩擦接合装置能够实现下述的线性摩擦接合。
40.在图2示意地表示异材接合中的状况和接合温度的关系。使组成不同的一个构件2与另一个构件4隔着插入材料6抵接，形成一个构件2与插入材料6抵接的被接合界面(1)和另一个构件4与插入材料6抵接的被接合界面(2)。
41.通过在该状态下，使插入材料6上下重复滑动，在被接合界面(1)和被接合界面(2)产生摩擦热。此处，在异材接合中在各被接合界面控制接合温度的情况下，相对于被接合界面(1)大致垂直地施加接合压力(1)，相对于被接合界面(2)大致垂直地施加接合压力(2)，将接合压力(1)与接合压力(2)设定为不同的值。图2的上侧所示的曲线图示意地表示一个构件2、另一个构件4和插入材料6的强度的温度依赖性。一个构件2和另一个构件4具有图2所示那样的强度的温度依赖性的情况下，因为不存在使得一个构件2和另一个构件4的强度相同的温度所以不能在被接合界面使一个构件2和另一个构件4相同程度地变形。与此相
对，通过使用具有图2所示那样的强度的温度依赖性的插入材料6，能够在被接合界面(1)和被接合界面(2)，通过新生面彼此抵接获得良好的接头。另外，在一个构件2、另一个构件4和插入材料6相同的情况下，将接合压力(1)与接合压力(2)设定为相同的值。
42.更具体而言，表示插入材料6的强度的温度依赖性的线，与表示一个构件2的强度的温度依赖性的线和表示另一个构件4的强度的温度依赖性的线共有交点。此处，将在被接合界面(1)对应于一个构件2与插入材料6的交点的接合压力(1)设定为在被接合界面(2)对应于另一个构件4与插入材料6的交点的接合压力(2)即可。
43.另外，图2所示的强度的温度依赖性的关系只是一个例子，例如也可以使用具有图3所示那样的强度的温度依赖性的被接合材料和插入材料6的组合。插入材料6只要与一个构件2和另一个构件4具有“交点”即可，能够从现有公知的各种金属材选择。另外，不限于此，一般具有bcc晶体结构的金属多数强度的温度依赖性大，成为将具有fcc晶体结构的金属彼此接合的際的插入材料的候选。另一方面，在将具有bcc晶体结构的金属保持接合的情况下，具有fcc晶体结构的金属成为插入材料的候选。
44.图4是表示使用中心驱动方式的线性摩擦接合装置进行异材接合的情况下的接合工序的示意图。具有：第一工序，使一个构件2与另一个构件4隔着插入材料6抵接，形成一个构件2与插入材料6抵接的被接合界面(1)和另一个构件4与插入材料6抵接的被接合界面(2)；第二工序，相对于被接合界面(1)大致垂直地施加接合压力(1)，相对于被接合界面(2)大致垂直地施加接合压力(2)，将接合压力(1)与接合压力(2)设定为不同的值，通过一个构件2和另一个构件4与插入材料6的滑动产生摩擦热，使被接合界面(1)和被接合界面(2)升温，与滑动的方向大致平行和大致垂直地从被接合界面使磨屑8排出；和停止滑动、形成接合面的第三工序。接合温度能够通过相对于被接合界面大致垂直地施加的接合负荷正确地控制。以下，对各工序进行详细说明。
45.(1-1)第一工序第一工序是使一个构件2与另一个构件4隔着插入材料6抵接，形成一个构件2与插入材料6抵接的被接合界面(1)和另一个构件4与插入材料6抵接的被接合界面(2)的工序。使一个构件2和/或另一个构件4移动至期望接合部的形成的部位，隔着插入材料6使被接合面抵接，形成被接合界面10。
46.一个构件2和另一个构件4的形状和尺寸只要无损于本发明的效果就没有特别限定，只要能够通过插入材料6的滑动使被接合界面10附近升温即可。
47.(1-2)第二工序第二工序是相对于被接合界面(1)大致垂直地施加接合压力(1)，相对于被接合界面(2)大致垂直地施加接合压力(2)，将接合压力(1)与接合压力(2)设定为不同的值，通过一个构件2和另一个构件4与插入材料6的滑动产生摩擦热，使被接合界面(1)和被接合界面(2)升温，与滑动的方向大致平行和大致垂直地从被接合界面使磨屑8排出的工序。
48.优选令接合压力(1)为温度(1)的插入材料6和一个构件2的屈服应力以上拉伸强度以下的值，令接合压力(2)为温度(2)的插入材料6和另一个构件4的屈服强度以上拉伸强度以下的值。通过令固相接合时的压力为被接合材料的屈服应力以上而开始来自被接合界面10的磨屑8的排出，当在至拉伸强度为止的期间使该压力增加时，磨屑8的排出会加速。和屈服应力一样，特定温度的拉伸强度也根据被接合材料大致固定，因此能够实现与设定的
压力对应的接合温度。
49.通过在被接合界面6两个构件都变形，在两个构件的被接合面都形成新生面，能够获得通过该新生面彼此抵接实现的良好的接合部。此处，因为在一个构件2与另一个构件4强度的温度依赖性不同，所以被接合界面10附近处的变形举动和磨屑8的排出状况也不同，不过只要通过该变形和磨屑的排出，在被接合界面10形成新生面即可。
50.(1-3)第三工序第三工序是停止第二工序的滑动形成接合面的工序。通过在从被接合界面10的整个面排出磨屑8后使滑动停止，能够获得良好的接合体。另外，既可以维持第二工序中施加于各被接合材料的接合压力(1)和接合压力(2)不变，也可以为了在排出磨屑8的同时使新生面更牢固地抵接而取更高的值。
51.此处，只要是从被接合界面10的整个面排出磨屑8之后，停止滑动的时刻就没有限定，但是在被接合界面(1)和被接合界面(2)，优选以在这些接合界面的大致整个区域形成新生面的方式设定一个构件2和另一个构件4的靠近余量，更优选在一个构件2和另一个构件4的双方，在被接合界面10的整个区域形成新生面。通过使得一个构件2和另一个构件4的新生面与插入材料6的新生面抵接，能够获得牢固的接合部。此处，更优选于在两个构件的被接合界面10的整个区域形成新生面的时刻，停止靠近余量的增加。通过在该时刻使接合行程结束，能够获得通过被接合界面10的整个区域最高效地与新生面彼此的抵接而接合的良好的接头。通过使得因排出的磨屑8的表面积和被接合材料的变形而增加的被接合界面10的增加量的合计成为接合前的被接合界面10的面积的大致2倍，能够在被接合界面10整个区域形成新生面。
52.以上，对本发明的代表性实施方式进行了说明，不过本发明并不仅限于此，而能够进行各种设计变更可能，这些设计变更全部包含在本发明的技术的范围内。附图标记的说明
[0053]2……
一个构件；4
……
另一个构件；6
……
插入材料；8
……
磨屑；10
……
被接合界面。

技术特征：

1.一种线性摩擦接合装置，其特征在于，是将一个构件与另一个构件接合的线性摩擦接合装置，其具备：把持机构，其使所述一个构件与所述另一个构件抵接而使被接合界面形成；激振机构，其使所述一个构件和所述另一个构件相对地激振；和按压机构，其相对于所述被接合界面大致垂直地施加接合压力，将电动机用作所述激振机构的驱动源。2.一种线性摩擦接合装置，其特征在于，是将一个构件与另一个构件接合的线性摩擦接合装置，其具备：把持机构，其使所述一个构件与所述另一个构件隔着插入材料抵接，形成所述一个构件与所述插入材料抵接的被接合界面(1)和所述另一个构件与所述插入材料抵接的被接合界面(2)；激振机构，其在所述一个构件与所述另一个构件之间使所述插入材料相对地激振；和按压机构，其相对于所述被接合界面(1)和所述被接合界面(2)大致垂直地施加接合压力，对于所述激振机构的驱动源，使用电动机。3.如权利要求1或2所述的线性摩擦接合装置，其特征在于，将所述电动机设为电动伺服电动机。4.如权利要求1～3中任一项所述的线性摩擦接合装置，其特征在于，使用滚珠丝杠或进给丝杠将所述电动机的旋转运动转换为直线运动。5.如权利要求1～3中任一项所述的线性摩擦接合装置，其特征在于，使用曲柄机构、连杆机构和转向节机构中的任一机构、或它们的组合，将所述电动机的旋转运动转换为直线运动。6.如权利要求1～5中任一项所述的线性摩擦接合装置，其特征在于，将由所述激振机构进行的所述激振的振幅和/或频率设为可变。7.如权利要求1或2所述的线性摩擦接合装置，其特征在于，将由所述激振机构进行的所述激振的振幅和/或频率设为固定。8.如权利要求1～8中任一项所述的线性摩擦接合装置，其特征在于，将由所述激振机构进行的所述激振的振幅设为0.1～5mm，将频率设为10～100hz。9.如权利要求1～8中任一项所述的线性摩擦接合装置，其特征在于，将由所述按压机构进行的按压力设为1.5
×
104kg以下。

技术总结

本发明提供价廉且紧凑的线性摩擦接合装置。此外，还提供还适合于异材接合和大型构造体的制造的线性摩擦接合装置。本发明是将一个构件与另一个构件接合的线性摩擦接合装置，该线性摩擦接合装置的特征在于，具备使一个构件与另一个构件抵接而形成被接合界面的把持机构、使一个构件和另一个构件相对地激振的激振机构、和相对于被接合界面大致垂直地施加接合压力的按压机构，将电动机用作激振机构的驱动源。源。源。