JP2021142552A - 自己穿孔型リベットの締結方法及び締結装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】被接合部材間に塗布される接着剤がその接着力をより発揮できるようにするための自己穿孔型リベットの締結方法及び締結装置を提供すること。【解決手段】リベット締結方法は、接着剤層を介して重ねられた少なくとも2枚の板材201、202を準備するステップと、少なくとも2つの開口102a1、102b1、102b2と、前記少なくとも2つの開口が連通されたエア流路102a、102bとを有する棒状のパンチを準備するステップと、貫通孔204dを有する自己穿孔型リベット204を準備するステップと、前記パンチの少なくとも2つの開口の内の1つの開口102a1が前記自己穿孔型リベットの貫通孔と対向するように、前記自己穿孔型リベットを前記少なくとも2枚の板材に前記パンチで打ち込むステップと、を備える。【選択図】図10
Description
本開示は、自己穿孔型リベット(SPR:self-piercing rivet)の締結方法及び締結装置に係り、特に貫通孔を有するSPRの締結方法及び締結装置に関する。
近年、スポット溶接などの直接接合技術に代替する技術として、SPRを用いて母材を機械的に接合する技術が用いられている。SPRは、山状又は皿状の頭部と、頭部の下に空洞を形成する半筒状の脚部とを有する半筒状のリベットである。特許文献1の図1や図2に記載されているような、頭部に貫通孔が形成されたSPRも存在する。特許文献1の図2のように貫通孔を段付きのものとすることによって、SPRの被接合部材への打込み時に、被接合部材のせん断かすが脱落することを防止できることが特許文献1に教示されている。
SPRの打込みは、概略以下のような手順で行われる。まず、接合対象の上板(例えば、アルミニウム板)と下板(例えば、高張力鋼板)が、締結装置のダイとノーズピースによってクランプされる。ノーズピース内に提供されたSPRがパンチにより打ち込まれると、SPRの脚部が上板を穿孔して貫通する。上板を貫通したSPRの脚部が下板内に進入して下板の下面がダイの底部に接すると、ダイのキャビティの底部が下板を押し返す。この結果、SPRの脚部は下板から反力を受けて、下板を貫通することなく下板内で環状に開脚する。SPRの脚部が開脚することによって機械的インターロックが形成され、上板と下板が機械的に接合される。ダイとノーズピースが被接合部材から離れて接合が完了する。
被接合部材は3枚以上であってもよく、例えば3枚の場合は上板と中間板が貫通され、下板は貫通されない。自動車の生産においては、騒音・振動・ハーシュネス(NVH:Noise, Vibration, Harshness)の性能を高めるため、被接合部材間に接着剤が塗布されることが多い。
このような接着剤を用いる従来のSPRの締結方法によれば、接着剤の強度が十分に発揮されていないと考えられる現象が生じることが判明した。
本開示の実施形態の一側面は、このような現象が生じることを抑制し、以て被接合部材間に塗布される接着剤がその接着力をより発揮できるようにするためのSPRの締結方法及び締結装置を提供することを目的とする。
本開示の一実施形態によるリベット締結方法の一側面によれば、
接着剤層を介して重ねられた少なくとも2枚の板材を準備するステップと、
少なくとも2つの開口と、前記少なくとも2つの開口が連通されたエア流路とを有する棒状のパンチを準備するステップと、
貫通孔を有する自己穿孔型リベットを準備するステップと、
前記パンチの少なくとも2つの開口の内の1つの開口が前記自己穿孔型リベットの貫通孔と対向するように、前記自己穿孔型リベットを前記少なくとも2枚の板材に前記パンチで打ち込むステップと、
を備える。
接着剤層を介して重ねられた少なくとも2枚の板材を準備するステップと、
少なくとも2つの開口と、前記少なくとも2つの開口が連通されたエア流路とを有する棒状のパンチを準備するステップと、
貫通孔を有する自己穿孔型リベットを準備するステップと、
前記パンチの少なくとも2つの開口の内の1つの開口が前記自己穿孔型リベットの貫通孔と対向するように、前記自己穿孔型リベットを前記少なくとも2枚の板材に前記パンチで打ち込むステップと、
を備える。
本開示の一実施形態によるリベット締結装置の一側面によれば、
少なくとも2つの開口と、前記少なくとも2つの開口が連通されたエア流路とを有する棒状のパンチと、
前記パンチを挿通可能な内部空洞と、径方向にエアを通過させることが可能なエア通過部とを有する筒状のコレットと、
前記コレットを収容する筒状のノーズピースと、
貫通孔を有する自己穿孔型リベットを供給するとともに、前記ノーズピースを支持するノーズピース支持部であって、前記コレットのエア通過部を通過するエアを外部に排出するための第1の排気口を有するノーズピース支持部と、
を備え、
前記自己穿孔型リベットの打込時に、前記パンチの少なくとも2つの開口の内の1つの開口が前記自己穿孔型リベットの貫通孔と対向するように構成されている。
少なくとも2つの開口と、前記少なくとも2つの開口が連通されたエア流路とを有する棒状のパンチと、
前記パンチを挿通可能な内部空洞と、径方向にエアを通過させることが可能なエア通過部とを有する筒状のコレットと、
前記コレットを収容する筒状のノーズピースと、
貫通孔を有する自己穿孔型リベットを供給するとともに、前記ノーズピースを支持するノーズピース支持部であって、前記コレットのエア通過部を通過するエアを外部に排出するための第1の排気口を有するノーズピース支持部と、
を備え、
前記自己穿孔型リベットの打込時に、前記パンチの少なくとも2つの開口の内の1つの開口が前記自己穿孔型リベットの貫通孔と対向するように構成されている。
本開示の一実施形態によるリベット締結方法の一側面によれば、前記方法は、貫通孔を有する自己穿孔型リベットを、接着剤層を介して重ねられた少なくとも2枚の板材に、少なくとも2つの開口と前記少なくとも2つの開口が連通されたエア流路とを有する棒状のパンチで打ち込むステップを備え、前記パンチの少なくとも2つの開口の内の1つの開口が前記自己穿孔型リベットの貫通孔と対向するように打ち込まれる。したがって、自己穿孔型リベットの打込時に自己穿孔型リベットの脚部で囲まれた内部空洞で圧縮されるエアを、自己穿孔型リベットの貫通孔及びパンチのエア流路を介して外部へ排気することができる。そのため、板材間の接着剤層にエアが流れ出るのを抑制することができるので、締結位置における接着剤の塗布面積を確保することができ、接着剤の接着力をより高めることができる。
同様に、本開示の一実施形態によるリベット締結装置の一側面によれば、自己穿孔型リベットの打込時に、パンチの少なくとも2つの開口の内の1つの開口が前記自己穿孔型リベットの貫通孔と対向するように構成されているので、接着剤の接着力をより高めることができる。
以下、本発明を実施するための形態について、添付の図面を参照しつつ説明する。同一又は類似の部材には同一又は類似の参照番号を付すことにより、重複する説明は省略する。なお、本発明を分かりやすく説明するため、図面のスケールは一定ではない。
<リベット締結装置の全体構成>
まず、図1を参照して、リベット締結装置の構成について説明する。図1に示されているとおり、リベット締結装置10は、制御装置20と、リベット打込装置30と、リベット供給装置40と、Cフレーム移動装置50と、を備える。
まず、図1を参照して、リベット締結装置の構成について説明する。図1に示されているとおり、リベット締結装置10は、制御装置20と、リベット打込装置30と、リベット供給装置40と、Cフレーム移動装置50と、を備える。
制御装置20は、リベット打込装置30、リベット供給装置40、及びCフレーム移動装置50の動作を制御するための装置である。図1では単一の制御装置が図示されているが、リベット締結装置10が複数の制御装置を備えて、リベット打込装置30、リベット供給装置40、及びCフレーム移動装置50の動作の制御がその複数の制御装置により実行されてもよい。また、図1では制御装置がリベット打込装置30、リベット供給装置40、及びCフレーム移動装置50の動作のすべてに関係するように描かれているが、制御装置はリベット打込装置30、リベット供給装置40、及びCフレーム移動装置50の動作のすべてに関係していなくてもよい。例えば、Cフレーム移動装置の移動を人が行ってもよい。
リベット打込装置30は、供給されたリベットを打ち込むための装置であり、不図示のアクチュエータを備える。アクチュエータは制御装置20からの指令に従って動作し、アクチュエータの動作が後述するパンチ102の直線往復運動に変換されてリベットが打ち込まれる。
リベット供給装置40は、リベット打込装置30に対してリベットを供給する装置である。リベット供給装置40は制御装置20からの指令に従って動作し、リベットの供給は圧縮空気の空気圧を利用して行われる。
Cフレーム移動装置50は、被締結部材を所定の位置で保持するための装置である。Cフレーム移動装置50は制御装置20からの指令に従って動作し、被締結部材を所定の位置で保持し、リベットの打込みが完了したら被締結部材をリリースする。いくつかの実施形態では、Cフレーム移動装置の移動は人により行われる。
<制御装置のハードウェア構成>
次に、図2及び図3を参照して、制御装置のハードウェア構成について説明する。図2は、制御装置20のハードウェア構成の一例を示す図であり、制御装置20は例えば制御装置20−1により実現される。
次に、図2及び図3を参照して、制御装置のハードウェア構成について説明する。図2は、制御装置20のハードウェア構成の一例を示す図であり、制御装置20は例えば制御装置20−1により実現される。
制御装置20−1は、プロセッサ21及びメモリ22を備える。メモリ22には、パンチ2の打込動作、Cフレームの移動動作、SPRの供給動作の全部又は一部を行うためのプログラムが格納されており、プロセッサ21がこのプログラムを読み込んで実行することにより各動作が実行される。
プロセッサ21は、例えば、CPU(central processing unit)、GPU(graphics processing unit)、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ又はDSP(digital signal processor)である。
メモリ22は、例えば、半導体メモリ又は磁気ディスクを用いたものである。より具体的には、メモリ22は、RAM(random access memory)、ROM(read only memory)、フラッシュメモリ、EPROM(erasable programmable read only memory)、EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory)、SSD(solid state drive)又はHDD(hard disk drive)である。
図3は、制御装置20のハードウェア構成の他の例を示す図であり、制御装置20は例えば制御装置20−2により実現される。制御装置20−2は、パンチ2の打込動作、Cフレームの移動動作、SPRの供給動作の全部又は一部を行うための専用の処理回路23を備える。
処理回路23は、例えば、ASIC(application specific integrated circuit)、PLD(programmable logic device)、FPGA(field-programmable gate array)、SoC(system-on-a-chip)又はシステムLSI(large-scale integration)である。
各動作は、制御装置20−1又は制御装置20−2のいずれか1つの装置によって実現されてもよいし、制御装置20−1と制御装置20−2を組み合わせて複数の装置によって実現されてもよい。
<リベット締結装置の詳細構成>
<リベット締結装置の詳細構成>
次に、主に図4から図7を参照して、リベット締結装置10の構成について更に詳しく説明する。図4はリベット締結装置10により被締結部材が保持されている部分の部分斜視図であり、図5は図4のAA断面図である。図6はSPRを打ち込むパンチの一部透視図であり、図7はSPRの打込み時にパンチが挿入されるコレットの斜視図である。
図4に示されているとおり、リベット締結装置10は、リベット供給装置40から1つずつ供給される自己穿孔型リベット(SPR)を受け取るレシーバ101と、供給されたSPRを打ち込むためのパンチ102と、パンチ102を摺動可能に保持するパンチホルダ103と、パンチ102の打込時の直線運動を保護するノーズピース104と、被締結部材の一部に当接されるダイ105と、一端がダイ105に連結された、ダイ105を保持するためのCフレーム106と、を有する。なお、図では図示を省略しているが、Cフレーム106の他端はパンチホルダ103を収容する不図示のハウジングを保持する構造となっている。
図5に示されているとおり、レシーバ101は、供給装置から供給されるSPRが通過する通路101bと、通路101bを通過するSPRの前進を停止させるためのリベット通過防止壁101cとを有する。リベット供給装置40は圧縮空気の空気圧を利用してSPRを供給し、レシーバ101にはその圧縮空気を逃がすための排気口101a、101dが備えられている。レシーバ101の上部には凹部101eが形成されており、凹部101eにはパンチホルダ103の先端部が嵌合される。レシーバ101は、凹部101eを形成する壁面の一部に凹部101eに突出するように凸部101fを有するとともに、凸部101fと反対側の壁面には凹部101eから窪むように形成された貫通溝101gを有する。レシーバ101の下部には凹部101hが形成されており、コレット107がノーズピース104に挿入された状態でノーズピース104が凹部101hに圧入される。
パンチホルダ103はパンチ102を摺動可能に保持する。図示は省略しているが、パンチホルダ103を収容する不図示のハウジングがCフレーム106の一端により保持される構造となっている。パンチホルダ103の先端部には、レシーバ101の凸部101fの形状に適合するように形成された凹溝103aと、パンチホルダ103とレシーバ101の嵌合時にレシーバ101の貫通溝101gと対向するように形成された貫通溝103bとが形成されている。凹溝103aはパンチホルダ103の先端部を周方向に例えば1/4周延び、さらにパンチホルダ103の先端に向かって軸方向に沿って延びる。レシーバ101の凸部101fがパンチホルダ103の先端の溝から案内されて軸方向に沿ってスライドされ、更に周方向に回動されることによって、図25のような状態となる。レシーバ101の貫通溝101gとパンチホルダ103の貫通溝103bとは、対向することによって一体的に貫通孔を形成する。この貫通孔に不図示の棒状のロック部材が挿入されることによって、パンチホルダ103とレシーバ101が固定される。
パンチ102は、供給されたSPR204を被結合部材201、202に打ち込むための棒状の部材である。SPR204がリベット通過防止壁101cに当接するまで送出されて、リベット通過防止壁101cと不図示のばね等によるリベット保持部材とにより保持されると、パンチ102はSPR204を被結合部材201、202に打ち込む。パンチ102の打込み動作は、リベット打込装置30により行われる。
SPR204は、図5、図9に示されているように、皿状の頭部204aと、頭部204aから垂下する半筒状の脚部204bを有する。脚部204bは空洞204cを形成し、頭部204は空洞部204cの径よりも径小の貫通孔204dを有する。
パンチ102は、図6に示されているように、パンチ102の軸方向に伸びるエア流路102aと、その軸方向に対して垂直な方向に伸びるエア流路102bとを有する。エア流路102aの一端はSPR204に当接するパンチ102の一端面で開口し、パンチ102の端面に開口102a1が形成されている。エア流路102aの他端はエア流路102bと連通している。エア流路102bの両端はパンチ102の側面で開口し、パンチ102の側面に開口102b1、102b2が形成されている。
パンチ102が有するこれらのエア流路102a、102bは、SPR204の貫通孔204dを通過するエアを逃がすための流路である。すなわち、SPR204の打込み時に、SPR204の空洞204c内のエアは、SPRの頭部204a、脚部204b、上板201に囲まれて圧縮されて高圧となるので、SPR204の貫通孔204dから逃げ出る。パンチ102のエア流路102a、102bは、このようにSPR204の貫通孔204dから逃げ出たエアを更に逃がすための流路である。
このような目的が達成される限り、パンチ102に設けられる流路の形状及び流路を設ける位置は種々の態様を取りうる。例えば、1つの流路がパンチ102内を斜め状やL字状に伸びていてもよい。また、図6のエア流路102bは貫通していなくてもよい。また、パンチ102の軸に対してエア流路102bを90度回転させたような流路を、エア流路102a、102bと連通するように設けてもよい。また、エア流路102bを設ける位置を別の位置、例えば、パンチ102を打込駆動した際にレシーバ101の排気口101aと重なるような位置又は排気口101aに近接する位置に設けてもよい。
ノーズピース104は、図5に示されているとおり、その根元部がレシーバ101の凹部101hに圧入されることによってレシーバ101に取り付けられる。ノーズピース104の内部はコレット107を収容するために空洞となっており、ノーズピース104の空洞にコレット107が挿入された状態でノーズピース104はレシーバ101の凹部101hに圧入される。ノーズピース104は、その先端が上板201に当接して、ダイ105とともに上板201と下板202をクランプする。
図7に示されているように、コレット107は、複数の、例えば2つのコレット片107a、107bを嵌合してなる部材である。例えば、コレット片107aには嵌合凹部107hが、コレット片107bには嵌合凸部107iが設けられ(図17を参照)、嵌合凹部107hと嵌合凸部107iが噛み合うように2つのコレット片107a、107bは嵌合される。コレット片107a、107bが嵌合されることにより、コレット107の内部空洞107eが形成される。いくつかの実施形態では、図5に示されているように、嵌合が外れないようにするため、ゴム製のOリング108を用いてコレット片107a、107bが固定されている。嵌合部はコレット107の内径よりも径大、外径よりも径小、全長よりも短い長さであるので、コレット107の内部壁には内部溝107cが、外部壁には外部溝107dが、SPR挿入側の端部には内部溝107cと外部溝107dを連通する端部溝107fが、それぞれ形成される。これらの溝に沿ってエアは移動することができる。また、コレット片107a、107bが嵌合される部分は密着していないので、高圧のエアはコレット片107a、107bの嵌合部の隙間、すなわち嵌合凹部107hと嵌合凸部107iの隙間を通って径方向へ通過することが可能である。
レシーバ101、パンチホルダ103、及びノーズピース104は、圧縮コイルばねなどの不図示の駆動手段により、一体的にノーズピース104の軸方向に沿って直線運動可能となっている。
ダイ105は、上板202、下板201を支持する部材である。SPR204の打込時に脚部204bが開脚できるようにするため、ダイ105はその頭部にSPR204の脚部204bの外径よりも大きい径のキャビティ105aを有する。
Cフレーム106の一端は、図5に示されているように、ダイ105を保持する。また、Cフレーム106の他端は、パンチホルダ103を収容する不図示のハウジングと固定されている。SPRの打込みでは典型的には20〜100kNの強い力がSPRに印加されるので、Cフレーム106はそのような強い力が印加されてもアラインメントが崩れないような剛性を有する材料からできている。
<動作>
次に、図8のフローチャートを参照しつつ、リベット締結装置10の動作について説明する。図8は、SPRを被締結部材に打ち込んで締結する動作のフローチャートである。なお、図8の動作は、制御装置20による制御の下、リベット打込装置30、リベット供給装置40、及びCフレーム移動装置50が連動して動作することによって行われる。
次に、図8のフローチャートを参照しつつ、リベット締結装置10の動作について説明する。図8は、SPRを被締結部材に打ち込んで締結する動作のフローチャートである。なお、図8の動作は、制御装置20による制御の下、リベット打込装置30、リベット供給装置40、及びCフレーム移動装置50が連動して動作することによって行われる。
先ず、ステップ801において、Cフレーム106が位置決めされて、接着剤を介して重ねられた被締結部材がノーズピース104とダイ105によりクランプされる。この際、パンチホルダ103と、ノーズピース104と、パンチホルダ103及びノーズピース104が取り付けられたレシーバ101とが一体的に降下して、被締結部材がノーズピース104とダイ105によりクランプされる。
次に、ステップ802において、レシーバ101にSPR204が供給される。SPR204は供給装置から圧縮空気の空気圧を利用して送出され、通路101bを通過し、リベット通過防止壁101cに当接する位置まで給送されて、リベット通過防止壁101cと不図示のリベット保持部材とにより保持される。
次に、ステップ803において、パンチ102が所定の力及びスピードにより押下されて、SPR204が被締結部材に打ち込まれる。接着剤硬化までの待ち時間を短縮するため、SPRの被締結部材への打込みは接着剤が硬化していない段階で行うのが一般的である。
次に、ステップ804において、被締結部材がノーズピース104とダイ105からリリースされる。
<作用>
次に、図9〜図11を参照して、本開示の実施形態による作用について説明する。図9〜図11は、SPR204を打ち込む際に、SPR204の空洞部204c内で又はSPR204の脚部204bの外側で圧縮されたエアの流路を示す図である。SPR204を上板201に打ち込もうとすると、SPR204の空洞部204c内のエアは圧縮されて高圧となるので、圧縮されたエアは圧力の低い空間の方へと流れる。SPR204の頭部204aには貫通孔204dが設けられており、貫通孔204dとパンチ102の開口102a1が対向するようにパンチ102が打ち込まれるので、貫通孔204dとエア流路102a、102bとが連通する。
次に、図9〜図11を参照して、本開示の実施形態による作用について説明する。図9〜図11は、SPR204を打ち込む際に、SPR204の空洞部204c内で又はSPR204の脚部204bの外側で圧縮されたエアの流路を示す図である。SPR204を上板201に打ち込もうとすると、SPR204の空洞部204c内のエアは圧縮されて高圧となるので、圧縮されたエアは圧力の低い空間の方へと流れる。SPR204の頭部204aには貫通孔204dが設けられており、貫通孔204dとパンチ102の開口102a1が対向するようにパンチ102が打ち込まれるので、貫通孔204dとエア流路102a、102bとが連通する。
ここで、先に説明したように、コレット107はコレット片107a、107bを嵌合することにより形成されていて、嵌合される部分は密着していないので、圧縮されて高圧となって開口102b1、102b2から流出したエアはコレット片107a、107bの嵌合部を径方向に通過することができる。コレット片107a、107bの嵌合部を通過したエアは、図9の太矢印で示されているように、外部溝107dに沿って移動する。
また、図10の太矢印で示されているように、開口102b1、102b2から流出したエアは、内部溝107cに沿って移動する。なお、SPR204の脚部204bの径方向外側の空間のエアも、SPR204の打込時に圧縮されて内部溝107cに沿って移動する。内部溝107cに沿って移動したエアは、レシーバ101の排気口101aから外部空間へ排出される。
外部溝107dに沿って移動したエアも、図11の太矢印で示されているように、レシーバ101の排気口aから外部空間へ排出される。なお、図11において、外部溝107dに沿って移動したエアがパンチ107を横切って排気口101aから排出されるかのように描かれているが、正確にはパンチ107を横切るのでなく、パンチ107とレシーバ101の隙間を回り込んで排気口101aから排出される。
<十字剥離試験>
<実施例1>
本開示の実施形態によるSPRの締結方法の効果を確認するため、以下の手順に従って十字剥離試験を行った。
<実施例1>
本開示の実施形態によるSPRの締結方法の効果を確認するため、以下の手順に従って十字剥離試験を行った。
まず、40mm×125mmの上板(590Mpaハイテン材、板厚1.6mm)と、40mm×125mmの下板(590Mpaハイテン材、板厚1.6mm)を用意した。
次に、重ね代40mm×40mmにプレス油を塗布した後、接着剤を1mmの厚さとなるように塗布し、図12のように十字状に重ね合わせた。
次に、SPR(SPR560F0C0−4Y1)を、本開示のリベット締結装置を用いて、重ね代の中心に打ち込んだ。
次に、接着剤を、170℃で20分間硬化させた。
次に、引張試験機を用いて締結された板材に引張速度15mm/minで引張荷重を加え、締結部が破断するまでの最大荷重を測定した。
なお、実施例1では、接着剤を加熱して硬化させる例について示したが、接着剤については熱を掛けずに硬化するタイプのものも存在する。したがって、接着剤を加熱すること無く硬化させて、十字剥離試験を行うようにしてもよく、接着剤の種類はその他のものでもよい。
なお、実施例1では、接着剤を加熱して硬化させる例について示したが、接着剤については熱を掛けずに硬化するタイプのものも存在する。したがって、接着剤を加熱すること無く硬化させて、十字剥離試験を行うようにしてもよく、接着剤の種類はその他のものでもよい。
<実施例2>
実施例1と同様の条件で、SPRを打込み、十字剥離試験を行った。
実施例1と同様の条件で、SPRを打込み、十字剥離試験を行った。
<実施例3>
実施例1と同様の条件で、SPRを打込み、十字剥離試験を行った。
実施例1と同様の条件で、SPRを打込み、十字剥離試験を行った。
<比較例1〜3>
実施例の効果を検証するため、パンチ102に代えてエア流路が設けられていない通常のパンチで打ち込んだ以外は、実施例1と同様の条件でSPRを打込み、十字剥離試験を3回行った。
実施例の効果を検証するため、パンチ102に代えてエア流路が設けられていない通常のパンチで打ち込んだ以外は、実施例1と同様の条件でSPRを打込み、十字剥離試験を3回行った。
<試験結果>
以上の十字剥離試験の結果を示すのが表1及び図13である。
以上の十字剥離試験の結果を示すのが表1及び図13である。
図13において、破線円Aで示されている部分は接着剤が剥離する最大荷重(接着剤剥離最大荷重)を表し、破線円Bで示されている部分は試験片が剥離する最大荷重(試験片剥離最大荷重)を表す。
表1の試験結果から、接着剤剥離最大荷重について、実施例の平均値と比較例の平均値とを比較すると、[(4.036−3.844)/3.844]×100≒5%の増加がみられる。
このように接着剤剥離最大荷重が増加した理由について、図14〜図16を参照して説明する。図14は実施例のうちの一例の写真であり、図15は比較例のうちの一例の写真である。何れの写真も試験片を剥離後に、接着剤を塗布した面を望むようにして撮影したものである。実施例に係る図14では、接着剤塗布面に特に特徴的な様子は認められない。これに対し、比較例に係る図15では、接着剤塗布面において各破線円で示した部分に、横方向に2本の白い線が伸びているのが確認できる。なお、図15に向かって左側の試験片が下板であり、右側の試験片が上板である。
この横に伸びる線は、SPR204の内部空洞204c内の圧縮されたエアが接着剤層に流れ出たことによるものと考えられる。すなわち、比較例については、SPR204を、エア流路が設けられていない通常のパンチで打ち込んだので、内部空洞204c内で圧縮されたエアはSPR204の頭部の貫通孔204dから流れ出ることができない。そこで、圧縮されたエアは、貫通孔204d以外に相対的に圧力が低い部分を探して移動しようとするが、そのような相対的に圧力が低い部分として作用するのが板材の間で未だ硬化していない接着剤層である。
図16に示すように、内部空洞204c内で圧縮されたエアは、太矢印で示したように脚部204bを回り込んで接着剤層203に達し、相対的に接着力が弱い特定の一方向から外部空間へと流れ出る。
以上のような原理により、比較例に係る図15では、接着剤塗布面において白い線が形成されたのだと考えられる。このような線は、締結時に、エアが接着剤層に流れ出ることにより締結界面の接着剤が外部へ押し出されてしまったことを示すものと考えられる。この場合、締結位置における接着剤の本来の塗布面積を確保することができず、線の部分で接着剤の本来の接着力が発揮されていないことを意味する。一方、実施例に係る図14では、締結時にエア抜きをより効果的に行うことができるので、締結界面の接着剤が外部へ流れ出ることを抑えており、接着剤塗布面に特に特徴的な様子は認められない。すなわち、実施例に係る図14では、締結位置における接着剤の塗布面積を確保することができ、接着剤の本来の接着力が発揮できている。そのため、表1に示したような接着剤剥離最大荷重の差が生まれたと考えられる。
このように、接着剤剥離最大荷重が高まることにより、接着剤に期待されている接着剤の本来の性能を発揮することが可能となる。すなわち、接着剤剥離最大荷重が高められることによって、従来では剥離が生じていたような引張力で引っ張られても板材は剥離しなくなるので、接着剤による接着状態を維持することができる。これにより、接着剤の騒音・振動・ハーシュネス(NVH)の性能を維持することができる。
また、接着剤による接着力が維持されることにより、接合部の冗長性を維持することができるので、接合部の安全性又は信頼性の向上につながる。すなわち、接着剤による接着状態とSPRによる接合状態が維持されるので、接合部の安全性又は信頼性の向上につながる。
<変形実施形態>
以下、図17〜図19を参照して、本開示による実施形態を変形した変形実施形態について説明する。図17は一変形実施形態によるコレット107’の分解図であり、図18は別の一変形実施形態によるコレット107’’の正面図である。また、図19は、一変形実施形態によるノーズピースの正面図である。
以下、図17〜図19を参照して、本開示による実施形態を変形した変形実施形態について説明する。図17は一変形実施形態によるコレット107’の分解図であり、図18は別の一変形実施形態によるコレット107’’の正面図である。また、図19は、一変形実施形態によるノーズピースの正面図である。
図17に示されているように、変更実施形態では、コレット片107a1、107b1の先端部分の内壁に、これらを嵌合したときに螺旋状の溝となる内壁溝107jが設けられている。内壁溝107jは螺旋状となっているので、内壁溝107jと内部溝107cは連通される。また、内壁溝107jは螺旋状となっているので、パンチ102の打込時に、パンチ102の開口102b1、102b2はパンチ102の向きに依らずに必ず1回は内壁溝107jと対向することとなる。したがって、パンチ102の打込時に、パンチ102の開口102b1、102b2から流れ出るエアを内部溝107cへ導きやすくなり、エア抜きをより効果的に行うことができる。そのため、締結時に締結界面の接着剤が外部へ流れ出ることをより効果的に抑え、締結位置における接着剤の塗布面積をより確実に確保し、接着剤剥離最大荷重の更なる増加が期待できる。
図18に示されているように、別の変更実施形態では、コレットの先端部分に、コレットの内部空洞107eと外部空間を連通する螺旋状の貫通溝107kが設けられている。貫通溝107kは螺旋状となっているので、パンチ102の打込時に、パンチ102の開口102b1、102b2はパンチ102の向きに依らずに必ず1回は貫通溝107kと対向することとなる。したがって、パンチ102の打込時に、パンチ102の開口102b1、102b2から流れ出るエアをコレット107’’の外部へ導きやすくなり、エア抜きをより効果的に行うことができる。そのため、締結時に締結界面の接着剤が外部へ流れ出ることをより効果的に抑え、締結位置における接着剤の塗布面積をより確実に確保し、接着剤剥離最大荷重の更なる増加が期待できる。
図19に示されているように、一変形実施形態によるノーズピース104’は、ノーズピース104’の先端部分に、ノーズピース104’の内部空間と外部空間を連通する螺旋状の貫通溝104aを有する。貫通溝104aは螺旋状となっているので、コレットの外部溝107dの向きに依らずに、貫通溝104aの少なくとも一部はコレットの外部溝107dと対向する。したがって、コレットの外部溝107dへ流れ出てきたエアを、効果的にノーズピース104’の外部空間へ排出することができる。
また、いくつかの実施形態では、ノーズピース104’の貫通溝104aとコレット107’’の貫通溝107kとが重なるように、コレット107’’がノーズピース104’に挿入される。このように配置することにより、貫通溝107kを通って流れ出てきたエアを、効果的にノーズピース104’の外部空間へ排出することができる。
また、いくつかの実施形態では、ノーズピース104’の螺旋状の貫通溝の巻き方向は、コレット107’’の螺旋状の貫通溝107kの巻き方向と逆向きである。このように螺旋の方向を逆向きとすることにより、コレット107’’がノーズピース104’内に挿入された際に、ノーズピース104’の貫通溝とコレット107’’の貫通溝107kとが必ず交差する。したがって、コレット107’’の挿入方向に関係なく、貫通溝107kを通って流れ出てきたエアを、効果的にノーズピース104’の外部空間へ排出することができる。
このように締結時にエア抜きをより効果的に行うことができるので、締結位置における接着剤が外部へ流れ出ることを抑え、接着剤の塗布面積を確保することができ、接着剤剥離最大荷重の更なる増加が期待できる。
SPRを用いた機械締結は、2枚以上の板材料に対して行い、鋼板とアルミ板等、異材接合であることが多い。SPRの鋲の形状は袋形状となっており、材料2枚を締結する時には円筒状の爪(脚部)が上板材料を貫通し、2枚目の板には貫入し、爪(脚部)の先端が広がることで上板と下板を締結させることが出来る。
ここで、爪(脚部)の広がる量をインターロックと言い、このインターロック確保が本締結手法(SPR)で極めて重要な因子となる。また、被締結材料間には接着剤を塗布することが多く、これは、締結構造の堅牢性向上と電蝕防止の狙いがある。故に、接着剤の塗布面積確保も重要な因子となる。
ここで、爪(脚部)の広がる量をインターロックと言い、このインターロック確保が本締結手法(SPR)で極めて重要な因子となる。また、被締結材料間には接着剤を塗布することが多く、これは、締結構造の堅牢性向上と電蝕防止の狙いがある。故に、接着剤の塗布面積確保も重要な因子となる。
従来のSPRの締結方法では、接着剤の強度が十分に発揮されていないと考えられる現象が生じていたが、この点について、本発明は、従来技術におけるより具体的な課題として以下の2点があるということを見出してこれらについて解決したものである。
1.板間に接着剤があり、SPR締結をする場合、接着材溜まりが発生することで、インターロック確保が困難になる。
2.板間に接着剤があり、SPR締結をする場合、リベット形状が袋状になっている為、空気が混入しながらリベットは被締結材へ貫入していき、締結時にその空気が破裂することで締結界面の接着剤が塗れない部位が発生する。これにより、接着面積100%の確保が出来なくなる。
1.板間に接着剤があり、SPR締結をする場合、接着材溜まりが発生することで、インターロック確保が困難になる。
2.板間に接着剤があり、SPR締結をする場合、リベット形状が袋状になっている為、空気が混入しながらリベットは被締結材へ貫入していき、締結時にその空気が破裂することで締結界面の接着剤が塗れない部位が発生する。これにより、接着面積100%の確保が出来なくなる。
本発明は、上記課題に対して、主として、リベットのヘッド部に加工(冷間鍛造時に空気逃しの穴)を施すと共に、パンチを含む締結機構にエア流路を設けたことにより、インターロック量の確保と接着面積の確保を同時に図ることができるようにしたものである。結果として、本発明によれば、インターロック確保により、締結強度確保を図ることができ、また、接着面積確保により、接着剤を併用した機械締結接合の堅牢性確保を図ることができる。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、開示された実施形態の構成要素を組み合わせ、変形し、又は省略して実施することが可能である。
[付記]
以下、本明細書が開示する種々の実施形態のうち、その一部について整理する。
<付記1>
付記1によるリベット締結方法は、
接着剤層を介して重ねられた少なくとも2枚の板材(201、202)を準備するステップと、
少なくとも2つの開口(102a1、102b1、102b2)と、前記少なくとも2つの開口が連通されたエア流路(102a、102b)とを有する棒状のパンチを準備するステップと、
貫通孔(204d)を有する自己穿孔型リベット(204)を準備するステップと、
前記パンチの少なくとも2つの開口の内の1つの開口(102a1)が前記自己穿孔型リベットの貫通孔と対向するように、前記自己穿孔型リベットを前記少なくとも2枚の板材に前記パンチで打ち込むステップと、
を備える。
付記1によるリベット締結方法によれば、自己穿孔型リベットの打込時に自己穿孔型リベットの脚部で囲まれた内部空洞で圧縮されるエアを、自己穿孔型リベットの貫通孔及びパンチのエア流路を介して外部へ排気することができる。そのため、板材間の接着剤層にエアが流れ出るのを抑制することができるので、締結位置における接着剤の塗布面積を確保することができ、接着剤の接着力をより高めることができる。
<付記2>
付記2によるリベット締結方法は、付記1に記載のリベット締結方法であって、
前記重ねられた少なくとも2枚の板材をダイ上に配置するステップを更に備え、
前記自己穿孔型リベットを準備するステップは、前記自己穿孔型リベットを、前記重ねられた少なくとも2枚の板材の、前記ダイと反対側に準備するステップである。
付記2によるリベット締結方法によれば、ダイにより板材を支持することができ、また、ダイが板材に対して自己穿孔型リベットとは反対側に配置されることにより、自己穿孔型リベットの打込時にダイにおいて自己穿孔型リベットの脚部が開脚できるように構成することが可能となる。
<付記3>
付記3によるリベット締結装置は、
少なくとも2つの開口(102a1、102b1、102b2)と、前記少なくとも2つの開口が連通されたエア流路(102a、102b)とを有する棒状のパンチと、
前記パンチを挿通可能な内部空洞(107e)と、径方向にエアを通過させることが可能なエア通過部(107h、107i、107k)とを有する筒状のコレット(107)と、
前記コレットを収容する筒状のノーズピース(104)と、
貫通孔(204d)を有する自己穿孔型リベット(204)を供給するとともに、前記ノーズピースを支持するノーズピース支持部(101)であって、前記コレットのエア通過部を通過するエアを外部に排出するための第1の排気口(101a)を有するノーズピース支持部(101)と、
を備え、
前記自己穿孔型リベットの打込時に、前記パンチの少なくとも2つの開口の内の1つの開口(102a1)が前記自己穿孔型リベットの貫通孔と対向するように構成されている。
付記3によるリベット締結装置によれば、自己穿孔型リベットの打込時に、自己穿孔型リベットの空洞部(204c)のエアは、順に、自己穿孔型リベットの貫通孔(204d)、パンチ内のエア流路(102a、102b)、少なくとも2つの開口(102a1、102b1、102b2)、コレットのエア通過部(107h、107i、107k)、及びノーズピース支持部の第1の排気口(102a)を介して外部に排気することができる。そのため、板材間の接着剤層にエアが流れ出るのを抑制することができるので、締結位置における接着剤の塗布面積を確保することができ、接着剤の接着力をより高めることができる。
<付記4>
付記4によるリベット締結装置は、付記3に記載のリベット締結装置であって、
前記コレットは少なくとも2つのコレット片(107a、107b)からなり、
前記エア通過部は、前記2以上のコレット片の内の第1のコレット片と第2のコレット片が接続される部分の空隙を備える。
付記4によるリベット締結装置によれば、パンチの少なくとも2つの開口からのエアを、コレットの第1のコレット片と第2のコレット片が接続される部分の空隙を介してより効率的にコレットの外部に流すことができ、エア抜きをより効果的に行うことができる。
<付記5>
付記5によるリベット締結装置は、付記3又は4に記載のリベット締結装置であって、
前記エア通過部は貫通溝(107k)を備える。
付記5によるリベット締結装置によれば、パンチの少なくとも2つの開口から流れ出るエアを、貫通溝(107k)を介してより効率的にコレットの外部へ導くことが可能となり、エア抜きをより効果的に行うことができる。
<付記6>
付記6によるリベット締結装置は、付記3から5のいずれか1つに記載のリベット締結装置であって、
前記ノーズピースは前記コレットを通過するエアを外部に排出するための第2の排気口(104a)を有する。
付記6によるリベット締結装置により、コレットの外部溝107dへ流れ出てきたエアを、第2の排気口(104a)を介して効果的にノーズピースの外部空間へ排出することができ、エア抜きをより効果的に行うことができる。
以下、本明細書が開示する種々の実施形態のうち、その一部について整理する。
<付記1>
付記1によるリベット締結方法は、
接着剤層を介して重ねられた少なくとも2枚の板材(201、202)を準備するステップと、
少なくとも2つの開口(102a1、102b1、102b2)と、前記少なくとも2つの開口が連通されたエア流路(102a、102b)とを有する棒状のパンチを準備するステップと、
貫通孔(204d)を有する自己穿孔型リベット(204)を準備するステップと、
前記パンチの少なくとも2つの開口の内の1つの開口(102a1)が前記自己穿孔型リベットの貫通孔と対向するように、前記自己穿孔型リベットを前記少なくとも2枚の板材に前記パンチで打ち込むステップと、
を備える。
付記1によるリベット締結方法によれば、自己穿孔型リベットの打込時に自己穿孔型リベットの脚部で囲まれた内部空洞で圧縮されるエアを、自己穿孔型リベットの貫通孔及びパンチのエア流路を介して外部へ排気することができる。そのため、板材間の接着剤層にエアが流れ出るのを抑制することができるので、締結位置における接着剤の塗布面積を確保することができ、接着剤の接着力をより高めることができる。
<付記2>
付記2によるリベット締結方法は、付記1に記載のリベット締結方法であって、
前記重ねられた少なくとも2枚の板材をダイ上に配置するステップを更に備え、
前記自己穿孔型リベットを準備するステップは、前記自己穿孔型リベットを、前記重ねられた少なくとも2枚の板材の、前記ダイと反対側に準備するステップである。
付記2によるリベット締結方法によれば、ダイにより板材を支持することができ、また、ダイが板材に対して自己穿孔型リベットとは反対側に配置されることにより、自己穿孔型リベットの打込時にダイにおいて自己穿孔型リベットの脚部が開脚できるように構成することが可能となる。
<付記3>
付記3によるリベット締結装置は、
少なくとも2つの開口(102a1、102b1、102b2)と、前記少なくとも2つの開口が連通されたエア流路(102a、102b)とを有する棒状のパンチと、
前記パンチを挿通可能な内部空洞(107e)と、径方向にエアを通過させることが可能なエア通過部(107h、107i、107k)とを有する筒状のコレット(107)と、
前記コレットを収容する筒状のノーズピース(104)と、
貫通孔(204d)を有する自己穿孔型リベット(204)を供給するとともに、前記ノーズピースを支持するノーズピース支持部(101)であって、前記コレットのエア通過部を通過するエアを外部に排出するための第1の排気口(101a)を有するノーズピース支持部(101)と、
を備え、
前記自己穿孔型リベットの打込時に、前記パンチの少なくとも2つの開口の内の1つの開口(102a1)が前記自己穿孔型リベットの貫通孔と対向するように構成されている。
付記3によるリベット締結装置によれば、自己穿孔型リベットの打込時に、自己穿孔型リベットの空洞部(204c)のエアは、順に、自己穿孔型リベットの貫通孔(204d)、パンチ内のエア流路(102a、102b)、少なくとも2つの開口(102a1、102b1、102b2)、コレットのエア通過部(107h、107i、107k)、及びノーズピース支持部の第1の排気口(102a)を介して外部に排気することができる。そのため、板材間の接着剤層にエアが流れ出るのを抑制することができるので、締結位置における接着剤の塗布面積を確保することができ、接着剤の接着力をより高めることができる。
<付記4>
付記4によるリベット締結装置は、付記3に記載のリベット締結装置であって、
前記コレットは少なくとも2つのコレット片(107a、107b)からなり、
前記エア通過部は、前記2以上のコレット片の内の第1のコレット片と第2のコレット片が接続される部分の空隙を備える。
付記4によるリベット締結装置によれば、パンチの少なくとも2つの開口からのエアを、コレットの第1のコレット片と第2のコレット片が接続される部分の空隙を介してより効率的にコレットの外部に流すことができ、エア抜きをより効果的に行うことができる。
<付記5>
付記5によるリベット締結装置は、付記3又は4に記載のリベット締結装置であって、
前記エア通過部は貫通溝(107k)を備える。
付記5によるリベット締結装置によれば、パンチの少なくとも2つの開口から流れ出るエアを、貫通溝(107k)を介してより効率的にコレットの外部へ導くことが可能となり、エア抜きをより効果的に行うことができる。
<付記6>
付記6によるリベット締結装置は、付記3から5のいずれか1つに記載のリベット締結装置であって、
前記ノーズピースは前記コレットを通過するエアを外部に排出するための第2の排気口(104a)を有する。
付記6によるリベット締結装置により、コレットの外部溝107dへ流れ出てきたエアを、第2の排気口(104a)を介して効果的にノーズピースの外部空間へ排出することができ、エア抜きをより効果的に行うことができる。
10:リベット締結装置
20(20−1、20−2):制御装置
21:プロセッサ
22:メモリ
23:処理回路
30:リベット打込装置
40:リベット供給装置
50:Cフレーム移動装置
101:レシーバ(ノーズピース支持部)
101a:排気口(第1の排気口)
101b:通路
101c:リベット通過防止壁
101d:排気口
101e:凹部
101f:凸部
101g:貫通溝
101h:凹部
102:パンチ
102a:エア流路
102a1:開口
102b:エア流路
102b1:開口
102b2:開口
103:パンチホルダ
103a:凹溝
103b:貫通溝
104、104’:ノーズピース
104a:貫通溝
105:ダイ
105a:キャビティ
106:Cフレーム
107、107’、107’’:コレット
107a、107a1、107a2、107b、107b1、107b2:コレット片
107c:内部溝
107d:外部溝
107e:内部空洞
107f:端部溝
107g:Oリング溝
107h:嵌合凹部(エア通過部)
107i:嵌合凸部(エア通過部)
107j:内壁溝
107k:貫通溝(エア通過部)
108:Oリング
201:上板
202:下板
203:接着層
204:自己穿孔型リベット
204a:頭部
204b:脚部
204c:空洞
204d:貫通孔
20(20−1、20−2):制御装置
21:プロセッサ
22:メモリ
23:処理回路
30:リベット打込装置
40:リベット供給装置
50:Cフレーム移動装置
101:レシーバ(ノーズピース支持部)
101a:排気口(第1の排気口)
101b:通路
101c:リベット通過防止壁
101d:排気口
101e:凹部
101f:凸部
101g:貫通溝
101h:凹部
102:パンチ
102a:エア流路
102a1:開口
102b:エア流路
102b1:開口
102b2:開口
103:パンチホルダ
103a:凹溝
103b:貫通溝
104、104’:ノーズピース
104a:貫通溝
105:ダイ
105a:キャビティ
106:Cフレーム
107、107’、107’’:コレット
107a、107a1、107a2、107b、107b1、107b2:コレット片
107c:内部溝
107d:外部溝
107e:内部空洞
107f:端部溝
107g:Oリング溝
107h:嵌合凹部(エア通過部)
107i:嵌合凸部(エア通過部)
107j:内壁溝
107k:貫通溝(エア通過部)
108:Oリング
201:上板
202:下板
203:接着層
204:自己穿孔型リベット
204a:頭部
204b:脚部
204c:空洞
204d:貫通孔
Claims (6)
- 接着剤層を介して重ねられた少なくとも2枚の板材を準備するステップと、
少なくとも2つの開口と、前記少なくとも2つの開口が連通されたエア流路とを有する棒状のパンチを準備するステップと、
貫通孔を有する自己穿孔型リベットを準備するステップと、
前記パンチの少なくとも2つの開口の内の1つの開口が前記自己穿孔型リベットの貫通孔と対向するように、前記自己穿孔型リベットを前記少なくとも2枚の板材に前記パンチで打ち込むステップと、
を備えたリベット締結方法。 - 前記重ねられた少なくとも2枚の板材をダイ上に配置するステップを更に備え、
前記自己穿孔型リベットを準備するステップは、前記自己穿孔型リベットを、前記重ねられた少なくとも2枚の板材の、前記ダイと反対側に準備するステップである、請求項1に記載のリベット締結方法。 - 少なくとも2つの開口と、前記少なくとも2つの開口が連通されたエア流路とを有する棒状のパンチと、
前記パンチを挿通可能な内部空洞と、径方向にエアを通過させることが可能なエア通過部とを有する筒状のコレットと、
前記コレットを収容する筒状のノーズピースと、
貫通孔を有する自己穿孔型リベットを供給するとともに、前記ノーズピースを支持するノーズピース支持部であって、前記コレットのエア通過部を通過するエアを外部に排出するための第1の排気口を有するノーズピース支持部と、
を備え、
前記自己穿孔型リベットの打込時に、前記パンチの少なくとも2つの開口の内の1つの開口が前記自己穿孔型リベットの貫通孔と対向するように構成されたリベット締結装置。 - 前記コレットは少なくとも2つのコレット片からなり、
前記エア通過部は、前記2以上のコレット片の内の第1のコレット片と第2のコレット片が接続される部分の空隙を備える、請求項3に記載のリベット締結装置。 - 前記エア通過部は貫通溝を備える、請求項3又は4に記載のリベット締結装置。
- 前記ノーズピースは前記コレットを通過するエアを外部に排出するための第2の排気口を有する、請求項3から5のいずれか1項に記載のリベット締結装置。
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