專利名稱：利用摩擦攪動的連接方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及借助摩擦熔化和攪動金屬構(gòu)件如鑄件或板材的連接或結(jié)合方法及設(shè)備。
當(dāng)金屬構(gòu)件具有復(fù)雜的三維形狀時，采用點焊，點焊能夠局部連接多個獨立的連接部位。
按照另一種連接技術(shù)，日本專利第2712838號中公開了一種在未熔化的狀態(tài)中進行摩擦攪動的連接方法。按照這種連接技術(shù)，稱為探針的一個凸起在轉(zhuǎn)動中插入并平動進入兩構(gòu)件彼此對接形成的連接表面。連接表面附近的金屬組織借助摩擦熱塑化并連接起來。
日本專利公開文本第10-183316號及第2000-15426號公開了一種在表面處理鑄件如缸蓋相對于缸體的接觸表面中的表面處理方法。按照這種方法，一個在遠端肩部形成有一個凸起的旋轉(zhuǎn)工具在轉(zhuǎn)動中壓入鑄件，因而在鑄件尚未被熱熔化時被攪動。
上述的在未熔化狀態(tài)中的摩擦攪動連接具有下述問題。旋轉(zhuǎn)工具的轉(zhuǎn)速和壓力不能增加得很高。由于抵靠在構(gòu)件上的靜止工具的接受表面面積大于從旋轉(zhuǎn)工具遠端凸出的凸起的表面面積，因而壓力分散在接受表面的整個表面上。旋轉(zhuǎn)工具的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的摩擦熱在接受表面的整個表面上消散。因此，連接耗費時間。
因此，如果工具的轉(zhuǎn)速、工具的壓力的大小、工具的運行速度等增加得超過需要，那么，連接可能變得不完全，或者，被連接部分可能被不合乎需要地被熔化。因此，縮短連接時間受到局限。
按照上述傳統(tǒng)的連接技術(shù)，對于構(gòu)件的厚度或材料來說最佳的控制參數(shù)如工具的轉(zhuǎn)速和壓力大小是事先通過實驗等途徑取得的。由于設(shè)計的改變，當(dāng)準(zhǔn)備連接與傳統(tǒng)構(gòu)件不同的構(gòu)件時，最佳控制參數(shù)必須再次通過實驗等途徑取得。對于連接強度等的質(zhì)量評估是使用實際連接的樣品通過抗拉試驗進行的。這就需要單獨的檢驗過程。
因此，如果實際連接構(gòu)件的質(zhì)量評估能夠與使用控制參數(shù)的連接一起進行的話，那么，構(gòu)件的質(zhì)量評估就能夠在每次連接進行時進行。因此，就能夠適當(dāng)?shù)貞?yīng)對批量生產(chǎn)。另外，由于設(shè)計改變，準(zhǔn)備連接與傳統(tǒng)構(gòu)件不同的構(gòu)件時，最佳控制參數(shù)能夠容易地計算出來。這就能很有效地通過減少有缺陷的產(chǎn)品來提高產(chǎn)量。
但是，尚未研制出在摩擦攪動連接中如上所述的評估質(zhì)量的系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種利用摩擦攪動的連接方法和設(shè)備，其中構(gòu)件的連接狀態(tài)可隨著連接受到管理，從而無需單獨的檢驗過程。
為了解決上述問題，實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，按照本發(fā)明，提供一種利用轉(zhuǎn)動一個旋轉(zhuǎn)工具的摩擦攪動的連接方法，所述旋轉(zhuǎn)工具具有一個第一工具部分和一個第二工具部分，該第二工具部分具有的面積小于第一工具部分的面積并從第一工具部分的遠端突出；彼此重疊第一和第二構(gòu)件；并且進行摩擦攪動，從而連接所述第一和第二構(gòu)件，其特征在于該方法包括在旋轉(zhuǎn)工具正在轉(zhuǎn)動時從第二工具部分將旋轉(zhuǎn)工具推壓入第一構(gòu)件，通過在旋轉(zhuǎn)工具已壓入的構(gòu)件中轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)工具而切削旋轉(zhuǎn)工具周圍的構(gòu)件，通過第一工具部分在構(gòu)件中的摩擦攪動熔化被切削的構(gòu)件，以及使被熔化的區(qū)域向第二構(gòu)件延伸，以便使第一和第二構(gòu)件彼此連接。
當(dāng)與傳統(tǒng)焊接相比較時，焊接所需要的電流等就變得不再必要了，因而可縮短連接時間。
最好在連接結(jié)束時，旋轉(zhuǎn)工具以轉(zhuǎn)動狀態(tài)從構(gòu)件縮回。因此，連接部分在其后被冷卻，連接被完成。
一個靜止工具最好與旋轉(zhuǎn)工具相對地設(shè)置，使第一和第二構(gòu)件夾在靜止工具和旋轉(zhuǎn)工具之間，使相對于旋轉(zhuǎn)工具的分開距離能夠被改變，靜止工具對著旋轉(zhuǎn)工具的遠端形成得具有與旋轉(zhuǎn)工具的第二工具部分的遠端的面積相同的面積。因此，使從連接部分的熱消散受到抑制，連接時間被縮短，連接強度能被增加。
上述連接方法最好還包括下述連接管理步驟檢測在連接過程中熱量產(chǎn)生的狀態(tài)，檢測旋轉(zhuǎn)工具相對于構(gòu)件的受壓力狀態(tài)，檢測構(gòu)件由于熱量產(chǎn)生狀態(tài)和受壓力狀態(tài)的連接狀態(tài)，以及檢查構(gòu)件的連接狀態(tài)是良好或未處于連接狀態(tài)。因此，在連接過程中能夠?qū)B接狀態(tài)進行管理，因而不再需要單獨的檢查過程。在連接過程中，能夠通過使用控制參數(shù)來管理構(gòu)件是否連接良好。
熱量產(chǎn)生狀態(tài)中產(chǎn)生的熱量最好根據(jù)構(gòu)件的動摩擦系數(shù)和作用在構(gòu)件上的載荷來計算，并且受壓力狀態(tài)的壓力大小根據(jù)使旋轉(zhuǎn)工具相對于構(gòu)件垂向移動的電機的編碼器輸出來計算。
按照本發(fā)明，提供一種連接設(shè)備，該設(shè)備利用轉(zhuǎn)動一個旋轉(zhuǎn)工具的摩擦攪動，所述旋轉(zhuǎn)工具具有一個第一工具部分和一個面積小于第一工具部分的面積且從第一工具部分遠端突出的第二工具部分；彼此重疊第一和第二構(gòu)件；以及進行摩擦攪動，從而連接第一和第二構(gòu)件，其特征在于所述設(shè)備包括工具控制裝置，用于當(dāng)旋轉(zhuǎn)工具正在轉(zhuǎn)動時從第二工具部分將旋轉(zhuǎn)工具推壓入第一構(gòu)件，通過使旋轉(zhuǎn)工具在已被壓入旋轉(zhuǎn)工具的構(gòu)件中轉(zhuǎn)動而切削圍繞旋轉(zhuǎn)工具的構(gòu)件，通過在構(gòu)件內(nèi)的摩擦攪動來熔化被切削的構(gòu)件，以及使被熔化的區(qū)域向第二構(gòu)件延伸，從而使第一和第二構(gòu)件彼此連接。
當(dāng)與傳統(tǒng)的焊接進行比較時，焊接所需要的電流等變得不再必要，因而可以縮短連接時間。
一個靜止工具最好設(shè)置得相對于旋轉(zhuǎn)工具，使第一和第二構(gòu)件夾在靜止工具和旋轉(zhuǎn)工具之間，使相對于旋轉(zhuǎn)工具的分開距離能夠被改變，使對著旋轉(zhuǎn)工具的靜止工具的遠端形成得具有至少小于旋轉(zhuǎn)工具的第一工具部分的橫截面積的橫截面積。因此，從連接部分的熱消散受到抑制，連接時間被縮短，連接狀態(tài)被穩(wěn)定。
最好靜止工具的遠端具有與旋轉(zhuǎn)工具的第二部分的遠端面積基本相同的面積，并且靜止工具形成得越靠近遠離靜止工具遠端的對置旋轉(zhuǎn)工具側(cè)，橫截面積越大。當(dāng)靜止工具的遠端磨損時，它可被切割并再次使用。
靜止工具的遠端最好形成一個彎曲表面。因此，可以減小構(gòu)件的應(yīng)力集中和凹陷。即使靜止工具抵靠在構(gòu)件上的角度稍許不同，靜止工具也被一個表面而并非一個點或一條線所接受。因此，連接強度的變化可受到抑制，能夠容易地保證穩(wěn)定的連接質(zhì)量。
第一工具部分最好具有一個同心的肩部，從第一工具部分向著第二工具部分直徑減小以便形成一個臺階。因此，能夠連接三個或更多疊放的構(gòu)件或具有大的板總厚度的構(gòu)件。
連接設(shè)備最好還包括一個連接管理組件，該連接管理組件包括用于檢測在連接過程中構(gòu)件熱量產(chǎn)生狀態(tài)的產(chǎn)生熱量檢測裝置、用于檢測旋轉(zhuǎn)工具相對于構(gòu)件的壓力狀態(tài)的壓力狀態(tài)檢測裝置、用于檢測構(gòu)件由于熱量產(chǎn)生狀態(tài)和壓力狀態(tài)引起的連接狀態(tài)的連接狀態(tài)檢測裝置和用于檢查構(gòu)件連接狀態(tài)是否良好的檢查裝置。因此，構(gòu)件的連接狀態(tài)能夠在連接過程中受到管理，使得單獨的檢查過程變得不再必要。
本專業(yè)技術(shù)人員從下面對本發(fā)明推薦實施例的描述能夠理解其它的目的和優(yōu)點。在描述中將對照附圖，附圖構(gòu)成說明書的一部分，表示本發(fā)明的實例。但是，這種實例并不能窮舉本發(fā)明的各種實施例，因而隨說明書后面的權(quán)利要求書用于限定本發(fā)明的范圍。
下面將描述的實施例是實施本發(fā)明的實例。本發(fā)明能夠應(yīng)用于下述實施例的修改和變化而并不超出本發(fā)明的范圍。[利用摩擦攪動的連接方法]

圖1A和1B是用于說明按照本發(fā)明一實施例的利用摩擦攪動的連接方法的示意圖。
如圖1A和1B所示，該實施例的連接方法用于例如由鋁合金制成的板狀構(gòu)件。至少兩個構(gòu)件被重疊，一個旋轉(zhuǎn)工具1通過在繞其軸線轉(zhuǎn)動時向其最外表面施加一個壓力而壓入第一構(gòu)件W1。因此，彼此重疊的第一構(gòu)件W1和第二構(gòu)件W2的構(gòu)件組織被摩擦熱熔化并被攪動，從而將其連接起來。
一個靜止工具10相對于旋轉(zhuǎn)工具1布置，使第一構(gòu)件W1和第二構(gòu)件W2被靜止工具10和旋轉(zhuǎn)工具1夾住，因而使相對于旋轉(zhuǎn)工具1的分開距離能夠被改變。
旋轉(zhuǎn)工具1是硬度高于構(gòu)件硬度的鋼材(如硬質(zhì)合金)制成的耐磨工具。構(gòu)件的材料并不局限于鋁合金，只要它比旋轉(zhuǎn)工具1軟即可。靜止工具10是由例如鋼材或銅材制成的。
更具體來說，旋轉(zhuǎn)工具1具有一個從其遠端的第一肩部2突出的凸起3。當(dāng)以預(yù)定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)工具1時以預(yù)定的壓力將凸起3壓入被旋轉(zhuǎn)工具1和靜止工具10夾住的第一和第二構(gòu)件W1和W2。當(dāng)凸起3在上述構(gòu)件中轉(zhuǎn)動時，圍繞凸起3的構(gòu)件組織被切割以產(chǎn)生熱量。另外，凸起3切割產(chǎn)生的切屑被兩個工具1和10保持在構(gòu)件中，并被攪動，與周圍的構(gòu)件組織和凸起3碰撞，從而產(chǎn)生熱量。當(dāng)?shù)谝患绮?以預(yù)定壓力壓入并被轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生熱量，使切屑熔化。因此，構(gòu)件組織圍繞第一肩部2的塑性流動被促進時，第一肩部2保持預(yù)定的壓力和轉(zhuǎn)動一個預(yù)定的時間。因此，單位面積的壓力增加，以便增加塑性流動。當(dāng)旋轉(zhuǎn)工具1在轉(zhuǎn)動中被拉出構(gòu)件時，塑性流動中的構(gòu)件組織被冷卻并彼此連接。
當(dāng)這種連接過程連續(xù)進行時，在前面循環(huán)中圍繞凸起3粘附的構(gòu)件組件被熔化，并作為材料在下個循環(huán)中被攪動提供。
此時，靜止工具10的接受面11的面積被減小，因而當(dāng)壓力增加時，向靜止工具10的熱消散得到抑制，塑性流動量增大，因而增加了構(gòu)件間的連接力。
按照這個實施例的連接方法適用于事先壓制成三維形狀的機動車鋼板的搭接(例如后門的外板和它的加強件)。更具體來說，假定壓制成復(fù)雜三維形狀的構(gòu)件準(zhǔn)備在多個分開的連接部分上連接，而且旋轉(zhuǎn)工具1不能連續(xù)移動，在這種情形中，如果使用按照這個實施例的連接方法，構(gòu)件能夠被局部地連接。因此，甚至在平板壓模以后也能夠連接。
按照這種連接方法，在傳統(tǒng)點焊中使用的焊接電流、冷卻水、冷卻空氣等都變得根本不再需要了，因此，可以顯著降低連接所需的能量消耗。由于如上所述用作能源的裝置和設(shè)施變得不再必要，因而可以顯著降低設(shè)施的投資。
在傳統(tǒng)的點焊中使用的焊槍可以使用，因此，與對連接構(gòu)件、連接強度和生產(chǎn)效率中任一種的限制有關(guān)，可以容易地實現(xiàn)相當(dāng)于或高于現(xiàn)有技術(shù)的能力。
圖2A和2B是用于說明利用摩擦攪動的傳統(tǒng)的不熔化連接方法的示意圖。
圖2A和2B所示的傳統(tǒng)的連接方法，與本發(fā)明的方法相同之處在于，設(shè)置第一和第二構(gòu)件W1和W2，使其被旋轉(zhuǎn)工具1和靜止工具10夾住，在使旋轉(zhuǎn)工具1圍繞其軸線轉(zhuǎn)動時加壓，使旋轉(zhuǎn)工具1在最外表面上壓入第一構(gòu)件W1，而與本發(fā)明不同之處在于，在重疊的第一和第二構(gòu)件W1和W2之間的構(gòu)件組織是在它們不被摩擦熱熔化時被攪動的。
不熔化的攪動狀態(tài)意味著，金屬組織是在顯著低于熔點的溫度通過摩擦熱使其軟化而被攪動的，上述熔點是基體中所含各成份或共晶化合物的熔點中最低的。
按照傳統(tǒng)的連接方法，由于金屬組織以未熔化狀態(tài)被攪拌，在電阻焊接等中出現(xiàn)的問題如熱應(yīng)變等能夠得到解決。
另一方面，由于未熔化摩擦攪拌，旋轉(zhuǎn)工具1的轉(zhuǎn)動速度和壓力不能增加得很高。當(dāng)?shù)挚康诙?gòu)件W2的靜止工具10′的接受表面11′的面積大于從旋轉(zhuǎn)工具1的遠端突出的凸起3的面積時，壓力分散在接受表面11′的整個表面上。另外，由于旋轉(zhuǎn)工具1轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的摩擦熱在接受表面11′的整個表面上消散，因而連接消耗時間(例如2至3秒)。
與此對照，按照本發(fā)明，由于摩擦攪動是在熔化狀態(tài)中進行的，因而旋轉(zhuǎn)工具1的轉(zhuǎn)動速度和壓力可以被提高。另外，靜止工具10的接受表面11制成至少比旋轉(zhuǎn)工具1的凸起3的橫截面積小，從而使熱消散得到抑制，在構(gòu)件中的熱積蓄效率得到提高。因此，促進了切屑的熔化和塑性流動，縮短了連接所需要的時間(例如縮短到0.3至0.5秒)。
另外，如圖3所示，重疊的構(gòu)件數(shù)目越多，構(gòu)件的總厚度越大，因而旋轉(zhuǎn)工具1的凸起3的長度必須根據(jù)重疊的構(gòu)件數(shù)目而增加。例如，如圖4A和4B所示，假定具有長度適于連接兩個重疊構(gòu)件的凸起3的旋轉(zhuǎn)工具1用于連接三個重疊構(gòu)件。在這種情形中，如果縮短連接時間，中間和下部的構(gòu)件W2和W3的攪動量就會不足，不能保證足夠的強度(見圖4A)。相反，如果連接時間延長，那么，在上部構(gòu)件W1的板厚度的減小量就會變得過大，不能保證上部和中間構(gòu)件W1和W2之間的足夠強度(見圖4B)。在任一種情形中，在重疊構(gòu)件數(shù)目小的時候使用的工具不能用于重疊構(gòu)件數(shù)目多的連接。
鑒于這種情況，按照本發(fā)明，如圖5和6所示，第二和第三肩部4和5被形成得同心，并且從旋轉(zhuǎn)工具1的遠端至凸起3具有減小的直徑，以便形成至少一個臺階。因此，當(dāng)凸起3的長度保持在適于連接兩個重疊構(gòu)件時，三個或更多重疊構(gòu)件或具有大的總厚度的重疊構(gòu)件也能夠被彼此連接起來。
下面研究在連接過程中靜止工具10的加壓狀態(tài)。采用圖7所示的具有平的接受表面11的靜止工具10，應(yīng)力在接受表面11的角部12集中，靜止工具10向構(gòu)件W內(nèi)的沉陷量增加。鑒于這種情形，按照本發(fā)明，如圖8所示，靜止工具10的接受表面11是彎曲的以形成圓滑的角部12，因而構(gòu)件W的應(yīng)力集中及沉陷都得到減少。由于形成彎曲的接受表面11，因而即使靜止工具10抵靠構(gòu)件W的角度稍有變化，靜止工具10也不會被一個點或一條線接受，而是被一個表面接受。因此，連接強度的變化受到抑制，可以容易地保證穩(wěn)定的連接質(zhì)量。[用于連接的工具]圖9和10的視圖表示按照本發(fā)明的實施例用于摩擦攪動連接的旋轉(zhuǎn)工具的外觀。圖11的前視圖表示按照本發(fā)明的一個實施例的用于摩擦攪動連接的靜止工具。
圖9所示旋轉(zhuǎn)工具用于連接具有較小總厚度的大約二個重疊構(gòu)件。該旋轉(zhuǎn)工具具有圓柱形第一肩部2(相應(yīng)于第一工具部分)和一個圓柱形凸起3(相應(yīng)于第二工具部分)，該凸起具有比第一肩部2的直徑小的直徑，從第一肩部2的遠端2a共軸地突出。
圖10所示的旋轉(zhuǎn)工具用于連接具有大的總厚度的三個或更多的重疊構(gòu)件，具有一個圓柱形第一肩部2、一個具有比第一肩部2的直徑小的直徑(或小的橫截面積)、且從第一肩部2的遠端2a共軸地突出的圓柱形凸起3和圓柱形第二及第三肩部4和5，所述第二和第三肩部是共軸的，并且從第一肩部2向著凸起3具有逐漸減小的直徑，以便形成臺階。
在圖9所示的旋轉(zhuǎn)工具中，第一肩部2的直徑設(shè)定為5mm至13mm，凸起3的直徑設(shè)定為2mm至5mm。
在圖10所示的旋轉(zhuǎn)工具中，第一肩部2的直徑設(shè)定為13mm至16mm，第二肩部4的直徑設(shè)定為10mm至13mm，第三肩部5的直徑設(shè)定為5mm至10mm，凸起3的直徑設(shè)定為2mm至5mm。
為了進一步改善切削性能和攪拌性能，在凸起3的外表面上可形成螺旋或平行槽。當(dāng)準(zhǔn)備形成螺旋槽時，這些螺旋槽是在金屬組織被壓向構(gòu)件內(nèi)的方向上形成的。
圖11所示的靜止工具10具有一個大直徑部分13，該部分呈錐形，離開對置的旋轉(zhuǎn)工具的與接受表面11相背離的那側(cè)越近，橫截面積越大。接受表面11(部分I)形成曲率為大約30mm至50mm的彎曲表面，因而它可以吸收壓力相對于凸起3作用點的飄移。
如果旋轉(zhuǎn)工具形成得如圖10所示，那么，當(dāng)連接各種類型的重疊構(gòu)件及具有各種總厚度的構(gòu)件時，就能夠無需更換工具，從而減少更換傳統(tǒng)工具時出現(xiàn)的連接時間的損失。由于準(zhǔn)備使用的工具類型的數(shù)目減少，因而能夠降低購置/加工工具及保養(yǎng)和管理工具的費用。
如圖11所示，在靜止工具10中，接受表面11的直徑為大約7mm至13mm，大直徑部分13的大直徑為大約13mm至16mm，小直徑部分的直徑按照有關(guān)尺寸從接受表面11至大直徑部分13增加，形成錐形。由于大直徑部分13呈錐形，當(dāng)靜止工具的遠端磨損時，它可被切削并再次被使用。
圖12的前視圖表示旋轉(zhuǎn)工具和旋轉(zhuǎn)工具的安裝托架。
如圖12所示，旋轉(zhuǎn)工具1在其對置凸起3側(cè)的端面有一錐孔6，向著其遠端變細。防轉(zhuǎn)導(dǎo)槽7圍繞錐孔等間距(例如圍繞軸線每隔90°)設(shè)置。安裝托架20的旋轉(zhuǎn)工具1側(cè)的端面呈錐形，向著其遠端變細，裝配在防轉(zhuǎn)導(dǎo)槽7中的防轉(zhuǎn)導(dǎo)承22圍繞安裝托架20的錐面21突出。
旋轉(zhuǎn)工具1的錐孔6和防轉(zhuǎn)導(dǎo)槽7分別與安裝托架20的錐面21和防轉(zhuǎn)導(dǎo)承22配合，因而旋轉(zhuǎn)工具1和安裝托架20是彼此固定的。由于防轉(zhuǎn)導(dǎo)槽7和防轉(zhuǎn)導(dǎo)承22彼此配合，因而旋轉(zhuǎn)工具1和安裝托架20不會彼此相對轉(zhuǎn)動。
安裝托架20形成得在它與旋轉(zhuǎn)工具1固定時，它們整體構(gòu)成一根軸，該軸直徑基本相同，大約為13mm至16mm。安裝托架20的長度設(shè)定成與被連接的構(gòu)件相匹配。直徑大約為10mm至13mm的一個機器人安裝部分23從安裝托架20的對置旋轉(zhuǎn)工具側(cè)的端面延伸。該機器人安裝部分23通過一個座或類似物安裝在多關(guān)節(jié)型機器人(未畫出)的電機軸上，因而被驅(qū)動而隨旋轉(zhuǎn)工具1一起轉(zhuǎn)動。
圖13是固定和驅(qū)動旋轉(zhuǎn)工具的多關(guān)節(jié)型機器人的示意圖。
如圖13所示，多關(guān)節(jié)型機器人30具有第一、第二和第三臂34，37和39。第一臂34連接于在底座31上形成的關(guān)節(jié)32，繞y軸線擺動，并在關(guān)節(jié)33上繞z軸線擺動。第二臂37通過關(guān)節(jié)35連接于第一臂34，繞y軸線擺動，并在關(guān)節(jié)36上繞x軸線擺動。第三臂39通過關(guān)節(jié)38連接于第二臂37，并繞y軸線擺動。
一個連接槍50安裝在第三臂39的遠端上。旋轉(zhuǎn)工具1可轉(zhuǎn)動地安裝在連接槍50上。一個用于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)工具1的電機51和與旋轉(zhuǎn)工具1相對的靜止工具10安裝在連接槍50上。旋轉(zhuǎn)工具1和靜止工具10之間的距離能夠通過致動器52改變。在連接過程中構(gòu)件上的壓力和工具的轉(zhuǎn)速可以被控制，因而能夠處置三個或更多的重疊連接。
各臂、電機和多關(guān)節(jié)型機器人30的致動器是事先設(shè)計好的，由機器人控制器60通過一條動力/控制纜線61控制。
圖14是圖13的連接槍的詳圖。
如圖14所示，在連接槍50中，靜止工具10通過安裝托架57安裝在一個下端臂56上，該下端臂從槍臂55下端水平延伸。
用于轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)工具1和垂向驅(qū)動旋轉(zhuǎn)工具的驅(qū)動裝置58安裝在槍臂55的上端。驅(qū)動裝置58具有一個導(dǎo)向臺53，該導(dǎo)向臺借助作為驅(qū)動源的垂向驅(qū)動電機52由滾珠絲杠機構(gòu)54垂向引導(dǎo)。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機51固定在導(dǎo)向臺53上。旋轉(zhuǎn)工具1通過座或類似物安裝在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機51的轉(zhuǎn)軸51a上，并且對著靜止工具10。
導(dǎo)向臺53被垂向驅(qū)動電機52和滾珠絲杠機構(gòu)54移動，旋轉(zhuǎn)工具1可被導(dǎo)向臺53的垂向運動而移動，并被旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機51旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。
按照這個實施例，由于設(shè)施不正常引起的有缺陷的連接借助上述連接設(shè)施(連接槍、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機、垂向驅(qū)動電機、旋轉(zhuǎn)工具等)的控制參數(shù)而被防止。所產(chǎn)生的熱量根據(jù)被連接的構(gòu)件的動摩擦系數(shù)和作用在構(gòu)件上的負(fù)載(壓力、轉(zhuǎn)速、工具接觸直徑等)計算。連接質(zhì)量在連接過程中根據(jù)所產(chǎn)生的熱量和旋轉(zhuǎn)工具向構(gòu)件內(nèi)的下壓量(板厚的減少量)之間的關(guān)系來檢查。所有的連接能夠以非破壞性方式檢查。是否得到質(zhì)量保證能夠在生產(chǎn)線上(在線)確定。[連接控制]下面描述按照本實施例的借助摩擦攪動的連接控制方法。
圖15的流程圖用于說明按照本實施例借助摩擦攪動連接的控制方法。
如圖15所示，在步驟S1中，根據(jù)被連接材料和板厚的組合，使用一個數(shù)據(jù)庫計算適當(dāng)?shù)倪B接條件，在所述數(shù)據(jù)庫中，連接條件如旋轉(zhuǎn)工具的轉(zhuǎn)速和壓力、連接時間等是事先通過實驗等方式設(shè)定的。
在步驟S3中，旋轉(zhuǎn)工具的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動被啟動。
在步驟S5中，旋轉(zhuǎn)工具等待預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)速。如果旋轉(zhuǎn)工具達到預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)速，則流程進至步驟S7。旋轉(zhuǎn)工具向下移動以開始對構(gòu)件加壓。根據(jù)旋轉(zhuǎn)電機的編碼器值來計算工具的轉(zhuǎn)速。根據(jù)垂向驅(qū)動電機的反饋電流值來計算壓力。根據(jù)通過實驗等事先設(shè)定的槍臂彎曲修正表和垂向驅(qū)動電機的編碼器值計算旋轉(zhuǎn)工具和靜止工具之間的工具與工具的距離。
在步驟S9中，如果旋轉(zhuǎn)工具達到預(yù)定的壓力，并且根據(jù)工具與工具的距離檢測出旋轉(zhuǎn)工具的凸起向構(gòu)件內(nèi)的壓制已經(jīng)完成，那么，旋轉(zhuǎn)工具轉(zhuǎn)動，它的肩部與構(gòu)件接觸，產(chǎn)生熱量。
在步驟S11中計算凸起3相對于構(gòu)件的工具遠端位置(下壓量)。同時，在步驟S13中計算作用在旋轉(zhuǎn)工具上的負(fù)載。
根據(jù)工具與工具的距離計算旋轉(zhuǎn)工具的工具遠端位置(下壓量)。根據(jù)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機的反饋電流值計算作用在旋轉(zhuǎn)工具上的負(fù)載。
在步驟S15中計算上部構(gòu)件板厚的減少量，同時監(jiān)測工具與工具的距離。當(dāng)減少量超過預(yù)定的基準(zhǔn)值時，修正或改變連接條件(壓力、轉(zhuǎn)速)，從而使可能導(dǎo)致有缺陷的連接(連接強度減小)的板厚的減少量下降。另外，在步驟15中修正(改變)的連接條件下，保持步驟S13至S17的連接過程，直至達到在步驟S1中設(shè)定的連接時間。當(dāng)該連接時間過去時，即完成了連接。
上述的壓力是通過設(shè)定在工具遠端上的壓力和在事先的表格中該時間所需要的垂向驅(qū)動電機的電流值之間的關(guān)系，并按照該表格計算壓力修正表達式而進行控制的。對加壓中垂向驅(qū)動電機的反饋電流進行檢測。壓力可以根據(jù)該反饋電流值和壓力修正表達式計算。
如圖19所示，旋轉(zhuǎn)工具的工具遠端位置(下壓量)是通過下述方式計算的對于當(dāng)確認(rèn)上述缺陷時基準(zhǔn)位置上的垂向驅(qū)動電機的編碼器值與旋轉(zhuǎn)工具當(dāng)時所在位置上的該電機的編碼器值進行比較。工具與工具的距離是以下述方式計算的。壓力和槍臂彎曲量之間的關(guān)系如圖19所示事先設(shè)定在一表格內(nèi)。根據(jù)該表格取得彎曲修正表達式。根據(jù)垂向驅(qū)動電機的反饋電流值和彎曲修正表達式計算連接過程中產(chǎn)生的壓力。用該壓力進行加壓時取得的槍臂的彎曲量是根據(jù)彎曲修正表達式計算的。工具與工具的距離是根據(jù)槍臂彎曲量和旋轉(zhuǎn)工具的工具遠端位置之間的關(guān)系計算的。
在上述控制操作中，可以按照作用在旋轉(zhuǎn)工具上的負(fù)載來改變連接時間。
按照這個實施例，連接狀態(tài)是根據(jù)工具遠端位置和負(fù)載檢測的。適于這種連接狀態(tài)的連接條件(壓力、轉(zhuǎn)速、連接時間)受到控制。因此，引起適于被連接材料和板厚的組合的塑性流動，從而減少有缺陷的連接，可保證穩(wěn)定的連接質(zhì)量。[質(zhì)量保證方法]下面描述按照本實施例利用摩擦攪動的連接方法中的質(zhì)量保證方法。
圖16A和16B的流程圖用于說明按照本實施例的摩擦攪動連接方法中的質(zhì)量保證方法。
如圖16A和16B所示，在步驟S21中，在實際的連接開始以前，計算旋轉(zhuǎn)工具1的凸起3不通過構(gòu)件抵靠構(gòu)件的位置。
在步驟S23中，在步驟S21中計算的抵靠位置與預(yù)定的基準(zhǔn)位置比較，從而進行對旋轉(zhuǎn)工具1的凸起3的磨損引起的缺陷的檢查。
關(guān)于基準(zhǔn)位置，通過使用新的無缺陷的旋轉(zhuǎn)工具1，將旋轉(zhuǎn)工具1與靜止工具10接觸并達到預(yù)定壓力的位置規(guī)定為基準(zhǔn)位置。當(dāng)?shù)挚课恢贸^基準(zhǔn)位置一個預(yù)定量時，即確定出現(xiàn)了缺陷。
當(dāng)在步驟S23中確定凸起3具有缺陷時，流程進至步驟S25。確定出現(xiàn)了不正常，其后停止機器人的操作。
通過步驟S23的缺陷檢查，如果確定未出現(xiàn)缺陷，程序在步驟S27中開始，啟動連接過程。
在步驟S31中，開始旋轉(zhuǎn)工具的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。
在步驟S33中，如果根據(jù)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機的編碼器值確定旋轉(zhuǎn)工具已達到預(yù)定轉(zhuǎn)速，那么，流程進至步驟S37。旋轉(zhuǎn)工具1向下移動以開始對構(gòu)件的加壓。如果旋轉(zhuǎn)工具1在預(yù)定時間后未達到預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)速，那么，在步驟S35中可以確定為異常，停止其后的機器人的操作。
在步驟S39中，如果旋轉(zhuǎn)工具已達到預(yù)先設(shè)定的壓力，它被轉(zhuǎn)動，其肩部與構(gòu)件接觸，因而開始產(chǎn)生熱量。在步驟S43中，計算凸起3相對于構(gòu)件的工具遠端位置(下壓量)。同時，在步驟S45中計算作用在旋轉(zhuǎn)工具上的負(fù)載。如果旋轉(zhuǎn)工具在預(yù)定時間過去后未達到預(yù)先設(shè)定的壓力，那么，這可確定為步驟41中的異常，其后的機器人操作被停止。
上述壓力通過設(shè)定工具遠端上的壓力和在該時間事先在表格中所需要的垂向驅(qū)動電機的電流值之間的關(guān)系，并按照這個表格計算壓力修正表達式。在加壓中垂向驅(qū)動電機的反饋電流被檢測。壓力可以根據(jù)反饋電流值和壓力修正表達式計算。
如圖19所示，通過比較當(dāng)確認(rèn)上述缺陷時在基準(zhǔn)位置上垂向驅(qū)動電機的編碼器值和在旋轉(zhuǎn)工具當(dāng)時所在位置上的該電機的編碼器值來計算旋轉(zhuǎn)工具的工具遠端位置(下壓量)。工具與工具的距離是按照下述方式計算的。壓力和槍臂彎曲量之間的關(guān)系事先設(shè)定在一表格上，如圖19所示。從該表格取得彎曲修正表達式。根據(jù)垂向驅(qū)動電機的反饋電流值和彎曲修正表達式計算在連接中產(chǎn)生的壓力。當(dāng)用這個壓力進行加壓時取得的槍臂彎曲量是根據(jù)彎曲修正表達式計算的。工具與工具的距離是根據(jù)槍臂彎曲量和旋轉(zhuǎn)工具的工具遠端位置之間的關(guān)系計算的。
作用在旋轉(zhuǎn)工具上的負(fù)載是以下述方式取得的。各轉(zhuǎn)速的基準(zhǔn)電流事先根據(jù)旋轉(zhuǎn)工具驅(qū)動電機無任何負(fù)載的反饋電流值和被旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機的編碼器檢測的轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系設(shè)定在一表格上。根據(jù)該表格取得基準(zhǔn)電流計算表達式。作用在旋轉(zhuǎn)工具上的負(fù)載是根據(jù)關(guān)于由該基準(zhǔn)電流計算表達式取得的基準(zhǔn)電流和在連接中取得的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機的反饋電流值的表達式1計算的。(表達式1)
(連接中的負(fù)載)＝(連接中旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機的反饋電流值)-(基準(zhǔn)電流)在步驟S47中，加壓引起的構(gòu)件板厚的減小量是根據(jù)旋轉(zhuǎn)工具的工具遠端位置和事先存儲的連接特性文件(見圖18)計算的。
在步驟49中，根據(jù)負(fù)載或壓力、工具轉(zhuǎn)速、構(gòu)件表面阻力(動摩擦系數(shù))和工具的接觸直徑計算摩擦攪動產(chǎn)生的熱量。
在步驟S51中，在監(jiān)測板厚減小量和產(chǎn)生的熱量時確定連接質(zhì)量。當(dāng)連接完成時，如果確定了質(zhì)量不令人滿意，那么，有缺陷的連接被告知操作者，并被修正。板厚的減小量決定連接強度，這是由于連接后剩余板厚顯著影響連接強度。
關(guān)于板厚的減小量，總板厚減去工具與工具的距離所得到的值是板厚減小的總量。板厚減小的總量乘以板厚減小率{(上部構(gòu)件板厚減小量)/(板厚減小的總量)}，從而計算上部構(gòu)件板厚減小量。下部構(gòu)件板厚的減小量是通過從板厚的減小總量減去上部構(gòu)件板厚減小量來計算的(見表達式2至4)。事先通過實驗等取得的值作為板厚減小率。(表達式2)(板厚減小總量)＝(總板厚)-(工具與工具的距離)(表達式3)(上部構(gòu)件板厚減小量)＝(板厚減小總量)×(板厚減小總量)×(板厚減小率){(上部構(gòu)件板厚減小量)/(板厚減小總量)}(表達式4)(下部構(gòu)件板厚減小量)＝(板厚減小總量)-(上部構(gòu)件板厚減小量)圖18表示壓力和連接強度之間的關(guān)系。在連接條件A，B和C下，當(dāng)連接強度超過其下限時確定質(zhì)量可被保證。當(dāng)連接強度低于其下限時確定質(zhì)量不能被保證。[連接質(zhì)量確定方法]下面描述步驟S51中的連接質(zhì)量確定方法。
圖17的流程圖用于說明在按照本發(fā)明的摩擦攪動連接方法中保證質(zhì)量的方法。
如圖17所示，在步驟S55中，在步驟S49中計算的產(chǎn)生的熱量，與通過實驗等取得的產(chǎn)生的熱量一起，在連接部分的面積(或直徑等)的計算表達式中被替代，從而計算連接部分的面積。同時，在步驟S53中，檢查在步驟S47中計算的板厚的減小量是否落入預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)值內(nèi)。如果該減小量落入預(yù)定設(shè)定的值內(nèi)，那么，在步驟S57中檢查連接部分區(qū)域的強度。如果強度超過基準(zhǔn)值，那么，連接強度難于保證，并且確定出質(zhì)量不能被保證。有缺陷的連接被告知操作者，并被修正。
在步驟S57中確定連接部分區(qū)域的強度時，根據(jù)事先存儲的連接特性文件(見圖18)檢查連接部分的面積是否落入基準(zhǔn)值。如果面積落入基準(zhǔn)值內(nèi)，那么，確定出質(zhì)量能夠被保證，連接被完成。如果面積超過基準(zhǔn)值，那么，連接強度難于保證，確定出質(zhì)量不能被保證。有缺陷的連接被告知操作者，并被修正。
如圖18所示，當(dāng)壓力增加時，連接強度在一定的點P開始減小。這是由于板厚的減小量增加，從而影響了連接強度。根據(jù)連接強度開始減小的點P來確定作為基準(zhǔn)值的連接條件(壓力、轉(zhuǎn)速)。
按照這個實施例，由于設(shè)施異常引起的有缺陷的連接能夠借助上述連接設(shè)施(連接槍、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機、垂向驅(qū)動電機、旋轉(zhuǎn)工具等)的控制參數(shù)來檢測。所產(chǎn)生的熱量是根據(jù)被連接的構(gòu)件的動摩擦系數(shù)和施加在構(gòu)件上的負(fù)載(壓力、轉(zhuǎn)速、工具接觸直徑等)計算的，在連接過程中，連接質(zhì)量是根據(jù)所產(chǎn)生的熱量和旋轉(zhuǎn)工具向構(gòu)件內(nèi)的下壓量(板厚的減小量)之間的關(guān)系檢查的。所有的連接能夠以非破壞的方式檢查。質(zhì)量是否可以保證能夠在生產(chǎn)線內(nèi)(在線)確定。
本發(fā)明并不局限于上述實施例，而是能夠在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)進行各種修改和變化。因此，撰寫了權(quán)利要求書以便將本發(fā)明的范圍告知于公眾。
工業(yè)實用性[連續(xù)的連接]在上述實施例中，描述了一種重疊連接的情形，其中旋轉(zhuǎn)工具1壓在連接部分上，并不移動?；蛘?，兩個構(gòu)件可彼此對接，沿著對接表面向前移動或擺動旋轉(zhuǎn)工具1可連續(xù)地使兩構(gòu)件彼此相連接。
這個實施例的連接技術(shù)也可以應(yīng)用于金屬構(gòu)件的表面處理。
表面處理的目標(biāo)是鋁合金鑄件，特別用于在汽車的缸蓋、活塞或制動盤中形成的相鄰的通道之間的部分(汽門對汽門部分)的表面改善處理。鋁合金鑄件的表面改善區(qū)域被摩擦熱熔化并被攪動，使金屬組織變小，共晶硅(Si)顆粒均勻擴散，鑄件的缺陷被減小。因此，在諸如熱疲勞(低循環(huán)疲勞)使用壽命、延伸率和沖擊強度等材料特性方面，可以取得比傳統(tǒng)的再次熔化處理好的效果。
可以向計算機提供存儲介質(zhì)，所述存儲介質(zhì)存儲用于進行相應(yīng)于圖15至17的流程圖的連接控制方法、連接保證方法和連接質(zhì)量確定方法的計算機程序，以及所需的程序編碼。計算機可以閱讀存儲在存儲介質(zhì)中的程序編碼，并執(zhí)行上述實施例的方法。
權(quán)利要求
1.一種利用轉(zhuǎn)動一個旋轉(zhuǎn)工具的摩擦攪動的連接方法，所述旋轉(zhuǎn)工具具有一個第一工具部分和一個第二工具部分，該第二工具部分具有的面積小于第一工具部分的面積并從第一工具部分的遠端突出；彼此重疊第一和第二構(gòu)件；并且進行摩擦攪動，從而連接所述第一和第二構(gòu)件，其特征在于該方法包括在旋轉(zhuǎn)工具正在轉(zhuǎn)動時從第二工具部分將旋轉(zhuǎn)工具推壓入第一構(gòu)件，通過在旋轉(zhuǎn)工具已壓入的構(gòu)件中轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)工具而切削旋轉(zhuǎn)工具周圍的構(gòu)件，通過第一工具部分在構(gòu)件中的摩擦攪動熔化被切削的構(gòu)件，以及使被熔化的區(qū)域向第二構(gòu)件延伸，以便使第一和第二構(gòu)件彼此連接。
2.如權(quán)利要求1所述的利用摩擦攪動的連接方法，其特征在于當(dāng)連接結(jié)束時，旋轉(zhuǎn)工具以轉(zhuǎn)動狀態(tài)從所述構(gòu)件退回。
3.如權(quán)利要求1所述的利用摩擦攪動的連接方法，其特征在于一個靜止工具對著旋轉(zhuǎn)工具設(shè)置，使第一和第二構(gòu)件被靜止工具和旋轉(zhuǎn)工具夾住，并使相對于旋轉(zhuǎn)工具的分開距離可以被改變，與旋轉(zhuǎn)工具相對的靜止工具的遠端被形成得具有與旋轉(zhuǎn)工具的第二工具部分的遠端面積相同的面積。
4.如權(quán)利要求1所述的利用摩擦攪動的連接方法，其特征在于還包括下述連接管理步驟在連接過程中檢測熱產(chǎn)生狀態(tài)；檢測旋轉(zhuǎn)工具相對于所述構(gòu)件的下壓狀態(tài)；根據(jù)熱產(chǎn)生狀態(tài)和下壓狀態(tài)檢測構(gòu)件的連接狀態(tài)；以及根據(jù)連接狀態(tài)檢查構(gòu)件的連接狀態(tài)是否良好。
5.如權(quán)利要求4所述的利用摩擦攪動的連接方法，其特征在于根據(jù)構(gòu)件的動摩擦系數(shù)和作用在構(gòu)件上的負(fù)載計算熱產(chǎn)生狀態(tài)的產(chǎn)生的熱量；以及根據(jù)使旋轉(zhuǎn)工具相對于構(gòu)件垂向移動的電機的編碼器輸出計算下壓狀態(tài)的下壓量。
6.一種連接設(shè)備，該設(shè)備利用轉(zhuǎn)動一個旋轉(zhuǎn)工具的摩擦攪動，所述旋轉(zhuǎn)工具具有一個第一工具部分和一個面積小于第一工具部分的面積且從第一工具部分遠端突出的第二工具部分；彼此重疊第一和第二構(gòu)件；以及進行摩擦攪動，從而連接第一和第二構(gòu)件，其特征在于所述設(shè)備包括工具控制裝置，用于當(dāng)旋轉(zhuǎn)工具正在轉(zhuǎn)動時從第二工具部分將旋轉(zhuǎn)工具推壓入第一構(gòu)件，通過使旋轉(zhuǎn)工具在已被壓入旋轉(zhuǎn)工具的構(gòu)件中轉(zhuǎn)動而切削圍繞旋轉(zhuǎn)工具的構(gòu)件，通過在構(gòu)件內(nèi)的摩擦攪動來熔化被切削的構(gòu)件，以及使被熔化的區(qū)域向第二構(gòu)件延伸，從而使第一和第二構(gòu)件彼此連接。
7.如權(quán)利要求6所述的利用摩擦攪動的連接設(shè)備，其特征在于一個靜止工具與旋轉(zhuǎn)工具相對地設(shè)置，使第一和第二構(gòu)件被靜止工具和旋轉(zhuǎn)工具夾住，并使與旋轉(zhuǎn)工具的分開距離可被改變，靜止工具的與旋轉(zhuǎn)工具相對的遠端被形成得具有至少比旋轉(zhuǎn)工具的第一工具部分的橫截面積小的橫截面積。
8.如權(quán)利要求7所述的利用摩擦攪動的連接設(shè)備，其特征在于靜止工具的遠端具有與旋轉(zhuǎn)工具的第二工具部分的遠端的面積基本相同的面積，靜止工具形成得離開靜止工具的遠端向著對置的旋轉(zhuǎn)工具側(cè)越靠近，橫截面積越大。
9.如權(quán)利要求7所述的利用摩擦攪動的連接設(shè)備，其特征在于靜止工具的遠端形成彎曲表面。
10.如權(quán)利要求7所述的利用摩擦攪動的連接設(shè)備，第一工具部分具有一個同軸的肩部，該肩部從第一工具部分向第二工具部分直徑減小，以便形成一個臺階。
11.如權(quán)利要求6所述的利用摩擦攪動的連接設(shè)備，其特征在于還包括所產(chǎn)生熱的檢測裝置，用于在連接過程中檢測構(gòu)件的熱產(chǎn)生狀態(tài)；下壓狀態(tài)檢測裝置，用于檢測旋轉(zhuǎn)工具相對于構(gòu)件的下壓狀態(tài)；連接狀態(tài)檢測裝置，用于根據(jù)熱產(chǎn)生狀態(tài)和下壓狀態(tài)檢測構(gòu)件的連接狀態(tài)；以及檢查裝置，用于根據(jù)連接狀態(tài)檢查構(gòu)件的連接狀態(tài)是否良好。
全文摘要
當(dāng)以預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)工具(1)時凸起(3)以預(yù)定壓力壓入第一和第二構(gòu)件(W1)和(W2)，使第一和第二構(gòu)件(W1)和(W2)被旋轉(zhuǎn)工具(1)和靜止工具(10)夾住，凸起(3)在這些構(gòu)件中轉(zhuǎn)動以切削圍繞它的構(gòu)件組織，從而產(chǎn)生熱。另外，凸起(3)切削所產(chǎn)生的切屑在構(gòu)件中蓄積，被兩個工具(1)和(10)攪動，碰撞周圍的構(gòu)件組織和凸起(3)，從而產(chǎn)生熱。一個第一肩部(2)也以預(yù)定壓力壓入并轉(zhuǎn)動以產(chǎn)生熱，從而使切屑熔化。當(dāng)周圍構(gòu)件組織的塑性流動被促進時，第一肩部(2)保持預(yù)定的壓力和轉(zhuǎn)速。因此，單位面積壓力增大以增加塑性流動量。在旋轉(zhuǎn)工具在轉(zhuǎn)動中被拉出時，一直進行塑性流動的構(gòu)件組織冷卻并彼此結(jié)合。
文檔編號B23K20/12GK1460041SQ02800968
公開日2003年12月3日 申請日期2002年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月29日
發(fā)明者村上士嘉 申請人:馬自達汽車株式會社