複合加工裝置和摩擦攪拌接合方法
2023-05-09 17:19:16 1
專利名稱：複合加工裝置和摩擦攪拌接合方法
技術領域：
本發明涉及進行金屬材料的切削和摩擦攪拌接合的裝置及其方法。例如，適用於機械零件和構造物零件等的加工組裝。
背景技術：
機械零件和構造物零件等的加工組裝用各自的加工裝置進行加工，切削加工用切削工作機械，接合組裝用各種焊接接合裝置。
由切削工作機械進行的複合加工，幾乎都是在複合車床上車削和旋轉工具加工及在加工中心上的旋轉工具加工和車刀加工那樣的切削加工中的複合加工，作為切削加工以外的組合有旋轉工具加工和雷射淬火的組合。
作為接合方法，有摩擦攪拌接合方法(特開平11-90655號公報(USP6050474))。這是邊旋轉插入接合部的圓棒(叫旋轉工具)邊沿接合線移動，使接合部發熱、軟化、塑性流動、固相接合的方法。旋轉工具由插入接合部的小徑部(叫杆)和位於外部的大徑部(叫肩)構成。小徑部和大徑部同軸。使大徑部側旋轉。在接合部上設置凸部。
另外，如特表平9-508073號公報(EP0752926b1)所述那樣，旋轉工具傾斜地插入構件。傾斜方向是在旋轉工具移動方向上使旋轉工具的小徑部位於旋轉工具的大徑部的前方。即，旋轉工具向後方傾斜。
如上所述，現在還沒有以在一臺加工機械上進行切削和接合為目的而設計製造的加工機械。
因此，為了進行切削加工和接合加工需要切削工作機械和接合加工裝置二種類型的加工設備。因此存在設備成本高、佔用場地大、建築面積大、用於從切削到接合的等待時間長、需要切削和接合的操作人員等缺點。
發明內容
本發明的目的在於，提供一種可以用一臺機械進行切削和接合的複合加工裝置。
為了達到上述目的，本發明的複合加工裝置由X、Y、Z各直線移動裝置、繞A、B各轉軸旋轉的旋轉裝置、可以同時控制該5個坐標系的控制裝置、使工具旋轉的主軸、用於保管上述主軸使用的多個工具的保管裝置、用於在上述主軸和上述保管裝置之間交換工具的交換裝置構成，上述保管裝置可以備有切削工具和摩擦攪拌接合工具，上述控制裝置根據程序把上述切削工具或者上述摩擦攪拌接合工具從上述保管裝置經上述交換裝置安裝到上述主軸上，由安裝在上述主軸上的工具進行加工。
圖1是本發明的一個實施例的加工裝置的立體圖。
圖2是由複合加工裝置進行切削加工時的立體3是由複合加工裝置進行摩擦攪拌接合時的立體圖。
圖4是摩擦攪拌接合時的縱向剖視圖。
圖5是表示摩擦攪拌接合工具的插入和轉矩電流的關係的圖。
圖6是表示本發明的一個實施例的加工過程的流程圖。
圖7是本發明的另一個實施例的加工裝置的立體圖。
圖8是本發明的另一個實施例的加工裝置的立體圖。
圖9是本發明的另一個實施例的加工裝置的立體圖。
具體實施例方式
下面，根據圖1至圖6說明作為本發明的一個實施例的加工中心型的複合加工裝置。該裝置由沿X軸方向移動的工作檯(移動臺)11、設置在其上方的橫梁21上的沿Y軸方向移動的移動臺31、設置在移動臺31上的沿Z軸方向移動的移動臺32、設置在移動臺32上的沿C軸方向旋轉的旋轉臺33、設置在旋轉臺33上的沿B軸方向旋轉的旋轉臺34和設置在旋轉臺34上的旋轉安裝工具的主軸35構成。旋轉臺34具有使主軸35旋轉的電動機。
主軸35可以有選擇地安裝切削工具51和摩擦攪拌接合工具52。主軸35可以以適合於工具51、52的轉速旋轉。工具保管裝置40圖未示，但可以分別保管多個切削工具51、摩擦攪拌接合工具52。在主軸35和工具保管裝置40之間，通過工具交換裝置(圖未示)，可以交換工具並把所需要的工具51、52安裝在主軸35上。不僅是工具，包含工具的軸承等的所謂加工頭也可以進行交換，X、Y、Z方向的各移動臺11、31、32的驅動機構、旋轉臺33、34的驅動機構、工具交換裝置都是公知的機構和裝置。
由於同時對這樣的3個直線移動軸和2個旋轉軸共5個軸進行控制，所以得到了特別適合於立體形狀的切削加工和摩擦攪拌接合的複合加工裝置。
加工物101安裝在工作檯11上，加工物101是曲面狀的板零件。
在圖2中，對切削加工進行說明。在5軸切削加工中，可以使主軸35(工具51、52的旋轉軸)直角地作用在加工物101的曲面上並移動。因此與現有的2軸或者3軸那樣不能傾斜工具姿勢的加工相比，工具突出的長度變短，可從在工具系剛性大的狀態下進行加工。因此，很少產生高頻振動和一般振動，可以進行切削速度高的高效率的切削。
另外，在5軸切削加工中，由於可以自由地設定主軸35的姿勢，所以可以使切削工具51的軸A比加工物的接合部的法線R只傾斜後傾角θ，即，相對於曲面後傾地進行加工。在平面工具中，可以使切削刃部分地起作用來進行加工。因此與全面接觸加工相比，切削阻力變小，很少發生高頻振動和一般振動，可以進行切削速度高的高效率的加工。
在圖3和圖4中，對摩擦攪拌接合進行說明。對加工物101、102的對接部進行接合。在加工物101、102的端部的對接部上分別有向上方突出的凸部101b、102b。該加工物101、102是由上述切削製作的，在圖3中，沒有表示凸部101b、102b。在圖4中表示了凸部101b、102b。加工101、102是有曲面的板。摩擦攪拌接合工具52由大徑部52b和其前端部的小徑部52c構成。小徑部52c插入需要接合的部分。大徑部52b的最下端處於加工物的不是凸部101b、102b的部分的上面的延長線和凸部101b、102b的頂部之間。2個凸部101b、102b的寬度比大徑部52b的直徑大。工具52的軸A在工具52的移動方向上進行傾斜以使大徑部52b的軸心位於小徑部52c的軸心的後側。由於工具52邊旋轉邊沿對接部(接合線)移動，所以可以進行摩擦攪拌接合。
加工物101、102通過支持臺(圖未示)承載在工作檯11上。加工物101、102通過支持臺牢固地固定在工作檯11上。特別是在需要接合的對接部的下方有支持臺，這是用於支持摩擦攪拌接合時的大的荷重的。
2個加工物101、102的對接部上即使有間隙，由於大徑部52b壓下的凸部101b、102b的金屬成為填埋上述間隙的原材料，所以可以進行良好的接合。
在沒有凸部101b、102b時，由於把大徑部52b若干插入加工物101、102的面內進行摩擦攪拌接合，所以，在接合部會有凹部。
為了沿曲面同時相對移動方向傾斜地移動，另外為了移動到所希望的位置，同時控制運動坐標系5軸是有效的。
由於在加工物101、102上存在著製造誤差，只按照NC(數值控制)程序表移動工具，很難確保工具的插入位置。
圖5是把摩擦攪拌接合工具52插入加工物時旋轉工具52的電動機的轉矩電流和工具52的插入深度的關係的模式圖。插入深度是從加工物101、102的表面到小徑部52c的前端的距離。隨著工具52的插入深度的增加，轉矩電流緩慢地增加到IS。當工具52的大徑部52b的端部插入加工物內時轉矩電流I急劇地增加，達到Iα。之後的增加由於大徑部52b的直徑是一定的而是緩慢的。工具52在如上所述地傾斜地插入時，從小徑部52c的前端與加工物開始接觸到大徑部52b的端部接觸開始的距離S之間，隨著插入深度的增加轉矩電流平緩地增加而到達Is。工具52的大徑部52b的端部插入加工物中時，轉矩電流在直到大徑部52b的端部全面接觸的距離α之間急劇地增加，到達Iα。
因此，要控制工具52的插入深度，以使轉矩電流值成為Iα以上的規定的電流值。因此，即使加工物是曲面，有製造誤差，也可以維持規定的插入深度，可以進行良好的摩擦攪拌接合。
工具52的轉矩電流通過檢測主軸35的電動機的電流值來求出。由於使用交流伺服電動機或者直流伺服電動機轉動主軸35，所以可以正確地檢測轉矩電流。把該轉矩電流作為判斷值，通過使上述移動臺32上下移動，通常可以保證最適宜的插入深度。另外，通過監視轉矩電流也可以檢測工具的損傷。
另外，根據轉矩電流值I，特別是Iα以上的規定值的檢測，可以檢測當時的移動臺32的下降位置。由此可以檢測加工物101、102的位置。對預先給定的加工物101、102的坐標值與使工具52移動的NC(數值控制)數據之差進行修正。據此可以得到工具52向加工物101、102的正確插入深度。
加工物101、102的位置根據下面的方法也可以檢測。構成經過11、21、31、32、33、34、35、工具52、加工物101、102的通電迴路。在其途中配置高頻電源和它的檢測器。摩擦攪拌接合開始時，使移動臺32下降，使工具52的小徑部52c的前端與加工物101、102接觸。由此構成高頻電流的迴路，用檢測器檢測它。求出檢測時的工具52的位置。而且對預先給定的加工物101、102的坐標值和使工具52移動的NC(數值控制)數據之差進行修正。據此可以得到正確的插入深度。而且，之後可以根據轉矩電流I的檢測將工具52的插入深度管理為規定值。
下面，根據圖6對加工物的製作過程進行說明。把加工物101、102承載在工作檯11上，由工具51主要對其上面進行切削。這時，殘留凸部101b地進行切削。接下來，搬下加工物101，放置加工物102。同樣地切削加工物102。加工物101、102是鋁合金制的板。該板有曲面。切削是幹切削，幹清洗。在把加工物102固定在工作檯11上時，考慮到後面的摩擦攪拌接合，通過支持臺固定加工物102(工序S10)。
接下來，通過支持臺(圖未示)把加工物101載置在工作檯11的上面，與加工物102對接，固定在工作檯11上。另外，由工具交換裝置在工具保管裝置40和主軸35之間交換工具，把摩擦攪拌接合工具52安裝在主軸35上(工序S20)。
接下來，使主軸35旋轉，使上述對接部進行摩擦攪拌接合(工序S30)。
使工具52邊旋轉邊下降，插入到規定位置，開始摩擦攪拌接合。加工物101、102的高度位置，如上所述，可以用高頻電流檢測，也可以用轉矩電流值I檢測。通過該高度位置的檢測進行加工物101、102等的坐標的修正。
接下來，根據預先設定的NC數據，使工具52沿對接部(接合線)移動。在使工具52沿接合線移動時，用轉矩電流值I控制工具52的插入深度。
使工具52沿接合線移動的控制也可以根據預先給定的坐標(NC數據)來進行，也可以根據檢測接合線的位置的檢測器的數據來進行。檢測器是光學傳感器，設置在旋轉臺34上。檢測器檢測對接部的間隙和凸部101b、102b的端部的邊緣，求出對接部的位置。引導工具52到求出的位置。另外，可以用求出的數據修正上述坐標並進行引導。另外，用光學傳感器求出凸部101b、102b的高度，可以控制插入的深度。
接下來，在摩擦攪拌接合終了之後，把主軸35的工具換成切削工具(工序S40)。
接下來，進行切削加工(S50)。作為切削是切削對接部的凸部101b、102b。通過切削使對接部與其他部分的曲面實質上成為同一曲面。這對於把加工物101、102的上面作為製品的外面的情況是有效的。當然也可以把凸部和上述其它部分的曲面都進行切削。
另外，再把成為一體的加工物101、102的外周部等切削成規定的形狀。另外，在上述其他部分曲面上用切削工具51加工出孔、螺紋、凹部等，由於在對接加工物101、102時有間隙，所以在摩擦攪拌接合後的地方可以高精度地加工。
另外，由於摩擦攪拌接合終了，當工具52從加工物101、102中拔出時，在其部分上產生孔，把該孔邊切削成大徑的孔邊或在該孔內加工螺紋。為了加工螺紋，拔出工具52的位置，也可以不是摩擦攪拌接合的接合位置。
切削後進行摩擦攪拌接合時，用於切削的油和切削後清掃用油對摩擦攪拌接合有壞的影響，另外，切屑也會使2個構件的組合精度變壞。然而，如果在摩擦攪拌接合之後進行切削，這些問題就可以被去除。在摩擦攪拌接合之前進行2個構件的切削，該切削油的去除完全可以用其他的機械進行。
再有，在工序S10中，如果加工物101、102的對接部能夠進行適合摩擦攪拌接合那樣的對接，在使加工物101、102對接並載置在工作檯11上的狀態下，可以進行上述切削。這時在對接部的下方配置支持臺。
另外，可以用第1旋轉工具摩擦攪拌接合1組加工物，接下來，在主軸和工具保管裝置之間交換旋轉工具，然後用第2旋轉工具摩擦攪拌接合上述1組加工物的第2接合部。
對圖7的實施例進行說明。這是相對一個工作檯11設置2個加工裝置30、30B的設備，2個加工裝置30、30B設置在1個橫梁21上。2個加工裝置30、30B的構成和功能是像上述的裝置那樣，兩者實質上是相同的。在一個加工裝置30的主軸上設置摩擦攪拌接合工具52。橫梁21的兩端從工作檯11的端部突出，一個加工裝置進行加工作業時，另一個加工裝置可以退避到突出的橫梁上。
如果這樣，就不需要交換工具。另外，由於在摩擦攪拌接合時需要大的插入力，所以，主軸的軸承等必須是高強度的。在摩擦攪拌接合時與一般的切削相比，主軸的轉速可以低些，因此，如果分別製作切削用加工裝置30、摩擦攪拌接合加工裝置30B，可以比較廉價地構成摩擦攪拌接合裝置。
對圖8的實施例進行說明。該實施例的設備由沿水平(X軸)方向移動的柱61、設置在柱61上垂直(Y軸)方向移動的移動臺63、設置在移動臺63上的使安裝的工具旋轉的主軸65、沿主軸65的旋轉軸的水平(Z軸)方向移動的移動臺71、設置在移動臺71的繞B軸旋轉的旋轉臺73和設置在旋轉臺73上的繞A軸旋轉的工作檯74構成。在主軸65和工具保管裝置68之間，通過工具交換裝置(圖未示)可以交換切削工具51和摩擦攪拌接合工具52，可以同時控制直線移動軸3軸，繞軸旋轉的旋轉軸2軸共5軸。
主軸65在水平上不能變更角度，使工作檯74相對主軸傾斜，設定上述後傾角θ。
對圖9的實施例進行說明，加工物111安裝在旋轉臺81上，加工物112的端部插入加工物111的前端，兩者被核對。加工物112的前端支持在尾座83上。對加工物111和112的對接部進行摩擦攪拌接合，在兩者的端部上有凸部111b、112b。有沿旋轉臺81的軸心移動並沿上下方向移動的移動臺91。在移動臺91上有以45度的角度旋轉的旋轉臺92。在旋轉臺92上有旋轉工具52的主軸95。在旋轉臺92上有設置切削工具53的刀杆96。不需要刀杆96旋轉。切削工具是車刀。
在圓筒狀的加工物111的端部上插入加工物112的端部，對接兩者。對接部也可以用電弧焊進行點焊。將其安裝在旋轉臺81上，用尾座支持加工物112。使旋轉臺81和主軸95旋轉，摩擦攪拌接合對接部。接下來，使旋轉臺92旋轉，使車刀53與摩擦攪拌接合部相對。然後，旋轉旋轉臺81，切削接合部的凸部。摩擦攪拌接合的方向可以是除了筒的圓周以外的任意方向。用夾具96進行的切削為周圍方向。
對與設置在工作檯和旋轉臺上的加工物進行接合的加工物的設置可以用機器人裝置進行。
本發明的技術範圍不限於權利要求書中各項權利要求所述的內容或者用於解決課題的各項技術方案所述的內容。也涉及本行業人員容易置換的範圍。例如，複合加工裝置的外觀和體積、工具的大小等不同都包含在本發明的範圍內。
根據本發明，由於一臺就可以進行切削加工和接合加工，所以可以削減設備費用、安放場地、建築面積、加工準備時間和加工成本。
權利要求
1.一種摩擦攪拌接合方法，其特徵在於，檢測將摩擦攪拌接合工具插入加工物時的旋轉軸的轉矩電流值，由該檢測值修正上述加工物的坐標值，根據該修正值控制相對於上述加工物的上述摩擦攪拌接合工具的相對的移動量。
全文摘要
提供一種可以在一臺機械上進行切削和接合的複合加工裝置。可以同時控制的5個軸的運動坐標系由3個直線移動軸和繞上述任一軸旋轉的2個旋轉軸構成，在上述5軸中的1軸上附加工具旋轉功能構成的加工裝置中，設置切削加工工具51和摩擦攪拌接合工具52，這時監視摩擦攪拌接合的工具52旋轉軸的轉矩電流，預先設定工具52的大徑部接觸加工物時的電流值，通過以使該電流值不下降地控制工具52的插入量可以進行良好的接合，可以用一臺機械進行切削和接合，可以削減設備成本、佔用場地、建築面積、加工準備時間和加工成本。
文檔編號B23K20/12GK1644294SQ200510051709
公開日2005年7月27日 申請日期2001年2月15日 優先權日2000年10月27日
發明者吉永文雄 申請人:株式會社日立製作所