JP2006349051A - リベット及びこのリベットを用いた接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】重ね合わせた被接合部材の剥離に対する抵抗力を大幅に高めることができ、せん断強度が軸部の全周にわたってほぼ等しく、小さな加圧力で打ち込むことが可能なリベット及びこのリベットを用いた接合方法を提供する。
【解決手段】頭部２と、基端が頭部２に連続し且つ先端で開口する中心孔３を具備した中空軸部４を備え、中空軸部４の外周面で且つ軸心と直交する平面上に、溝状を成す凹部６を設けた。重ねた被接合部材ＷＵ，ＷＬをダイＤ１の凹部Ｄａが形成されたワーク載置面Ｄｂ上にセットすると共に、上側の被接合部材ＷＵ上に上記リベットを配置した後、降下させたパンチＰでリベットの頭部２を押圧して打ち込み、上側の被接合部材ＷＵを貫通したリベットの中空軸部４の先端を下側の被接合部材ＷＬに切り込ませて、ダイＤ１の凹部Ｄａに合わせて被接合部材ＷＬ及びリベット１の中空軸部４を変形させることにより、重ねた被接合部材ＷＵ，ＷＬ同士を接合する。
【選択図】図３

Description

本発明は、自己穴あけ式のリベット、所謂セルフピアスリベットに係り、特に、車体の構造部材の接合に用いるのに好適なリベット及びこのリベットを用いた接合方法に関するものである。

上記した自己穴あけ式のリベットとしては、頭部及びこれと同軸を成す軸部を備えた構成を成すものが一般的であり、例えば、このリベットによる重ね合わせた被接合部材の接合は、被接合部材にリベットを打ち込んだ際に引き起こされる軸部及び被接合部材の塑性変形によって成されるようになっている。

このように、自己穴あけ式のリベットでは、頭部と塑性変形した軸部とで被接合部材を挟み込んで接合するようにしているので、軸部先端側の塑性変形量が少ない場合には、剥離に対する抵抗力が強いとはい難い。

従来において、リベットの軸部を断面が楕円形状を成すように形成したり、リベットの軸部に径方向に突出する突起を設けたりすることで、重ね合わせた被接合部材の剥離に対する抵抗力の向上を図っていた。
特開２０００−２０５２１３号 特開２００１−３０４２１４号 特開２００１−１３２７１８号

ところが、従来のリベットにおいて、断面が楕円形状を成す軸部を有するリベットの場合、軸部先端側の塑性変形量は大きくなるものの、軸部断面の長軸方向と短軸方向とでせん断力に対する抵抗力が異なってしまい、軸部の全周にわたってせん断強度に異方性が生じてしまうという問題があった。

一方、径方向に突出する突起を有する軸部を具備したリベットの場合、せん断強度の異方性をなくすことはできるものの、このリベット自体の剛性が高くなることから、被接合部材に打ち込んで座屈変形させる際に大きな加圧力を必要とするうえ、被接合部材として高強度材料や厚肉鋼板を用いた場合には、打ち込みに必要且つ十分な加圧力を確保することが困難であるという問題を有しており、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、重ね合わせた被接合部材の剥離に対する抵抗力を大幅に高めることができるのは勿論のこと、せん断強度が軸部の全周にわたってほぼ等しく、そして、小さな加圧力で打ち込むことが可能なリベット及びこのリベットを用いた接合方法を提供することを目的としている。

本発明のリベットは、頭部と、この頭部と同軸に設けられて基端が頭部に連続し且つ先端で開口する中心孔を具備した中空軸部を備え、この中空軸部の外側表面で且つ軸心と直交する平面上に溝状を成す凹部を少なくとも一つ設けた構成としており、このリベットの構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

また、本発明の接合方法は、重ねた被接合部材の一方の側に位置する被接合部材に対して上記本発明のリベットを打ち込み、上記一方の側に位置する被接合部材を貫通したリベットの中空軸部の先端を上記一方の側に位置する被接合部材と隣接する被接合部材に切り込ませて、重ねた被接合部材同士を接合する構成としている。

本発明のリベットにおいて、重ねた被接合部材の一方の側に位置する被接合部材に打ち込むと、中空軸部の外側表面で且つ軸心と直交する平面上に設けた溝状を成す凹部を起点として中空軸部の先端部分の拡がりが助長されて、この中空軸部の先端部分と一方の側に位置する被接合部材と隣接する他方の側の被接合部材との嵌め合い面積が増大することとなる。

この中空軸部の先端部分と他方の側の被接合部材との嵌め合い面積の増大は、リベットによる重ね合わせた被接合部材の剥離に対する抵抗力を補強することから、良好な接合信頼性を確保し得ることとなる。

この際、リベットの中空軸部には、せん断強度の異方性をなくすための突起などを設けていないので、被接合部材に対して比較的小さな加圧力で打ち込んで座屈変形させ得ることとなり、被接合部材として高強度材料や厚肉鋼板を用いた場合であったとしても、打ち込みに必要且つ十分な加圧力を確保し得ることとなる。

また、本発明のリベットでは、被接合部材に打ち込んだ状態において、中空軸部の断面を円形状とすれば、せん断力に対する抵抗力、すなわち、せん断強度が中空軸部のいずれの方向もほぼ均一になる。

本発明のリベットによれば、上記した構成としているので、重ね合わせた被接合部材の剥離に対する抵抗力の向上を実現することができるのは言うまでもなく、被接合部材として薄肉の鋼板を用いた場合はもとより高強度材料や厚肉鋼板を用いた場合であったとしても、必要且つ十分な加圧力で打ち込むことができ、加えて、せん断強度のばらつきを少なく抑えることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明のリベットにおいて、中空軸部を円筒状又は角筒状とすることができ、このような構成を採用すると、リベットの有する軸対称性により、打ち込み時にはリベットが同心円状に変形することとなり、せん断力に対する抵抗力を中空軸部の全周にわたってほぼ均一にすることが可能となる。したがって、高い信頼性が得られることとなる。

また、本発明のリベットにおいて、軸心を中心にして凹部を対称的に配置した構成を採用することができ、この場合、中空軸部の先端部分は、溝状を成す凹部を起点として同心円状に拡がり変形することとなり、せん断力に対する異方性を持たない抵抗力を確保し得ることとなる。

この際、中空軸部の周長に対する凹部の占める割合を４０％以上とする構成を採用することができるほか、溝状を成す凹部が、中空軸部の外側表面で且つ軸心と直交する平面上において中空軸部の全周にわたって連続して形成してある構成を採用することができる。

さらに、本発明のリベットにおいて、 中空軸部の凹部設置部位よりも先端側部分は、中空軸部の基端側部分と同じ断面形状を成している構成を採用することができる。

ここで、リベット打ち込み時における亀裂や座屈の発生を抑えるうえで、図１に示すように、凹部６の位置、すなわち、凹部６の頭部２からの距離Ｉを０〜１Ｌ／２ｍｍ（Ｌは中空軸部４の長さ）の範囲とすることが望ましい。

また、同じくリベット打ち込み時における亀裂や座屈の発生を抑えるうえで、凹部６の深さｄを０．１Ｄ〜０．５Ｄｍｍ（Ｄは中空軸部４の肉厚）の範囲とすることが望ましい。

そして、凹部６の断面形状が略二等辺三角形状を成す場合には、同じくリベット打ち込み時における亀裂や座屈の発生を抑えるうえで、その頂角θを３０〜９０°の範囲とすることが望ましい。

一方、本発明のリベットを用いて被接合部材を接合する場合には、ワーク載置面に凹部を有するダイと、パンチを使用することが望ましい。

すなわち、重ね合わせた２枚の被接合部材をダイの凹部が形成されたワーク載置面上にセットすると共に、上側に位置する被接合部材上に請求項１〜６のいずれかに記載のリベットを配置した後、上方から降下させたパンチで上記リベットの頭部を押圧してこのリベットを打ち込み、上側の被接合部材を貫通したリベットの中空軸部の先端を下側に位置する被接合部材に切り込ませて、ダイの凹部に合わせて被接合部材及びリベットにおける中空軸部の溝状を成す凹部設置部位よりも先端側部分を変形させることにより、重ね合わせた被接合部材同士を接合する構成を採用することが望ましい。

なお、本発明の接合方法は、２枚重ねの被接合部材同士の接合に限定されるものではなく、３枚以上重ねた被接合部材の接合にも当然適用することができる。

以下、本発明を図面に基づいて説明する。

図１〜図５は本発明の一実施例を示している。

図１及び図２に示すように、このリベット１は所謂セルフピアスタイプのリベットであって、皿状の頭部２と、この頭部２と同軸に設けられて基端が頭部２に連続し且つ先端で開口する中心孔３を具備した円筒状の中空軸部４を備えている。中心孔３の開口部分は、径が漸次広がるように形成したテーパ面５としてあり、リベット１の打ち込み時に中空軸部４が拡径変形し易くしてある。

上記中空軸部４の肉厚（外周面と内周面との距離）は、リベット１を被接合部材に打ち込む際に座屈を阻止し得る寸法に設定してある。

上記中空軸部４には、断面が略二等辺三角形状を成す凹部６が設けてある。この凹部６は、中空軸部４の外周面（外側表面）で且つ軸心と直交する平面上に位置しており、中空軸部４の全周にわたって溝状に連続して形成してあって、中空軸部４の凹部６の設置部位よりも先端側部分と中空軸部４の基端側部分とは互いに同じ断面形状を成している。

この場合、断面が略二等辺三角形状を成す凹部６の頂角θは３０〜１２０°の範囲で形成し、一方、凹部６の深さｄは０．１〜０．５ｍｍの範囲で形成するものとしている。

次に、上記リベット１を用いて被接合部材（例えば、車両のセンタピラーやサイドメンバなどの構造用パネル）を接合する要領を説明する。

まず、図２に示すように、重ね合わせた被接合部材ＷＵ，ＷＬをダイＤ１の凹部Ｄａが形成されたワーク載置面Ｄｂ上にセットすると共に、重ね合わせた被接合部材ＷＵ，ＷＬの上側に位置する被接合部材ＷＵ上にリベット１を配置する。

次いで、図３に示すように、上方からパンチＰを降下させ、このパンチＰでリベット１の頭部２を押圧してこのリベット１を打ち込み、上側に位置する被接合部材ＷＵを貫通したリベット１の中空軸部４の先端を下側に位置する被接合部材ＷＬに切り込ませる。

そして、図４に示すように、リベット１の中空軸部４の先端を下側の被接合部材ＷＬにさらに切り込ませると、中空軸部４の外周面に位置する溝状を成す凹部６を起点として中空軸部４の先端部分の拡がりが助長されて大きく拡径変形すると共に被接合部材ＷＬが変形することから、この中空軸部４の先端部分と被接合部材ＷＬとの嵌め合い面積が増大することとなる。

この中空軸部４の先端部分と被接合部材ＷＬとの嵌め合い面積の増大は、リベットによる重ね合わせた被接合部材の剥離に対する抵抗力を補強することから、図５に示すように、重ね合わせた被接合部材ＷＵ，ＷＬ同士が機械的に強固に接合することとなる。

そこで、上記した構成のリベット（長さ５．０ｍｍ、中空軸部４の直径５ｍｍ）を用いて２枚の被接合部材（厚さ１．２ｍｍ、引張強度２５０ＭＰａ級のアルミニウム合金）同士を接合し、その際のリベット打ち込み性及び接合強度特性を評価した。

この評価試験において、表１の右側部分に示すように、凹部６の位置、すなわち、凹部６の頭部２からの距離Ｉが０〜１Ｌ／２ｍｍ（Ｌは中空軸部４の長さ）の範囲にあり、且つ凹部６の深さｄが０．１Ｄ〜０．５Ｄｍｍ（Ｄは中空軸部４の肉厚）の範囲にあるリベットを凹部６の頂角θを３０，６０，９０°の３段階に変えて合計１８通り作成して実施例１〜１８とした。

一方、凹部６の頭部２からの距離Ｉが０〜１Ｌ／２ｍｍの範囲にあり、且つ凹部６の深さｄが０．７Ｄｍｍであるリベットを凹部６の頂角θを３０，６０，９０°の３段階に変えて合計６通り作成して比較例１〜６とし、凹部６の頭部２からの距離Ｉが２Ｌ／３ｍｍであり、且つ凹部６の深さｄが０．１Ｄ〜０．５Ｄｍｍであるリベットを凹部６の頂角θを３０，６０，９０°の３段階に変えて合計９通り作成して比較例７〜１５とした。加えて、凹部６のないリベットを比較例１６とした。

上記リベット打ち込み性は、打ち込み時における亀裂の有無及び座屈の有無を調べ、表１の左側部分に示すように、亀裂及び座屈がいずれも生じていない場合には「○」を付して打ち込み性良好と評価し、亀裂及び座屈のういちのいずれかが生じてる場合には「△」を付して打ち込み性普通と評価した。

一方、接合強度特性は、表１の中央部分に示すように、ＪＩＳ−Ｚ−３１３６に準拠した試験による剥離強度及びせん断疲労強度を測定し、剥離強度に関しては実施例１〜１８及び比較例７〜９，１６のそれぞれの測定値を比較して評価し、せん断疲労強度に関しては実施例１，４，１１及び比較例１６のそれぞれの測定値を比較して評価した。なお、表１において、「−」を付してある欄は評価を省略していることを示す。

表１に示す接合強度特性の評価結果から判るように、実施例１〜１８のリベットの剥離強度が、比較例１６のリベットの剥離強度を大幅に上回っており、加えて、実施例１，４，１１のリベットのせん断疲労強度が、比較例１６のリベットのせん断疲労強度を大幅に上回っており、これにより、中空軸部４に溝状を成す凹部６を設けることが、剥離強度及びせん断疲労強度を高めるうえで、非常に効果的であることが立証できた。

また、表１に示す打ち込み性の評価結果から判るように、凹部６の深さｄを０．１Ｄ〜０．５Ｄｍｍの範囲とした実施例１〜１８のリベットでは打ち込み性良好であるのに対して、凹部６の深さｄを０．７Ｄとした比較例１〜６のリベットが打ち込み性普通ないし不良であり、これにより、凹部６の深さｄを０．１Ｄ〜０．５Ｄｍｍの範囲とすることが、リベットに亀裂や座屈が生じるのを抑えるうえで有効であることが実証できた。

さらに、表１に示す打ち込み性の評価結果から判るように、凹部６の位置、すなわち、凹部６の頭部２からの距離Ｉを０〜１Ｌ／２ｍｍの範囲とした実施例１〜１８のリベットでは打ち込み性良好であるのに対して、凹部６の頭部２からの距離Ｉを２Ｌ／３ｍｍとした比較例７〜１５のリベットが打ち込み性普通ないし不良であり、これにより、凹部６の頭部２からの距離Ｉを０〜１Ｌ／２ｍｍの範囲とすることが、リベットに亀裂や座屈が生じるのを抑えるうえで有効であることが実証できた。

さらにまた、表１に示す打ち込み性の評価結果から判るように、凹部６の頂角θを３０〜９０°の範囲とした実施例１〜１８のリベットでは、いずれの場合も打ち込み性が良好であることから、凹部６の頂角θを３０〜９０°の範囲とすることが、リベットに亀裂や座屈が生じるのを抑えるうえで有効であることが実証できた。

そして、実施例１〜１８のリベットにより接合した被接合部材の接合部分を切断して断面を観察したところ、被接合部材の貫通部分へのリベットの切り込み量が多くなっており、良好な接合状態になっていることが確認できた。

本発明のリベットの一実施例を示す側面説明図（ａ）及び底面説明図（ｂ）である。（実施例１〜１８） 図１に示したリベットの打ち込み開始時の動作説明図である。 図１に示したリベットの打ち込み途中の動作説明図である。 図１に示したリベットの打ち込み終了時の動作説明図である。 図２〜図４に示した過程を経てリベットにより接合された被接合部材の断面説明図である。

符号の説明

１ リベット
２ 頭部
３ 中心孔
４ 中空軸部
６ 凹部
Ｄ１ ダイ
Ｄａ 凹部
Ｄｂ ワーク載置面
Ｐ パンチ
ＷＵ，ＷＬ 被接合部材

Claims (8)

1. 頭部と、この頭部と同軸に設けられて基端が頭部に連続し且つ先端で開口する中心孔を具備した中空軸部を備え、この中空軸部の外側表面で且つ軸心と直交する平面上に溝状を成す凹部を少なくとも一つ設けたことを特徴とするリベット。
2. 中空軸部を円筒状又は角筒状とした請求項１に記載のリベット。
3. 軸心を中心にして凹部を対称的に配置した請求項１又は２に記載のリベット。
4. 中空軸部の周長に対する凹部の占める割合を４０％以上とした請求項１〜３のいずれか一つの項に記載のリベット。
5. 溝状を成す凹部は、中空軸部の外側表面で且つ軸心と直交する平面上において中空軸部の全周にわたって連続して形成してある請求項１又は２に記載のリベット。
6. 中空軸部の凹部設置部位よりも先端側部分は、中空軸部の基端側部分と同じ断面形状を成している請求項１〜５のいずれか一つの項に記載のリベット。
7. 重ねた被接合部材の一方の側に位置する被接合部材に対して請求項１〜６のいずれかに記載のリベットを打ち込み、上記一方の側に位置する被接合部材を貫通したリベットの中空軸部の先端を上記一方の側に位置する被接合部材と隣接する被接合部材に切り込ませて、重ねた被接合部材同士を接合することを特徴とするリベットを用いた接合方法。
8. 重ねた被接合部材をダイの凹部が形成されたワーク載置面上にセットすると共に、重ねた被接合部材の上側に位置する被接合部材上に請求項１〜６のいずれかに記載のリベットを配置した後、上方から降下させたパンチで上記リベットの頭部を押圧してこのリベットを打ち込み、上側に位置する被接合部材を貫通したリベットの中空軸部の先端を上側に位置する被接合部材と隣接する被接合部材に切り込ませて、ダイの凹部に合わせて被接合部材及びリベットにおける中空軸部の溝状を成す凹部設置部位よりも先端側部分を変形させることにより、重ねた被接合部材同士を接合することを特徴とするリベットを用いた接合方法。

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