JP4746785B2 - 金属板の接合装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層された複数の金属板に塑性変形を与えて接合する金属板の接合装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
積層された複数の金属板を接合する方法として、ポンチとダイにより局所的に変形を与えて接合力を得る方法が実用化されている。これらの方法は、主に以下に示す第1および第2の方法に大別することができる。
【0003】
第1の方法(可動ダイ方式、特開平10−193005号公報参照)では、図11Aに示すように、ポンチ500とダイ502との間に金属板50、52が配置された状態で、前記ポンチ500を下降させて前記金属板50、52を下方に突出変形させる。そして、金属板50、52の変形した端部がダイ502の台座部504で支持され、さらにポンチ500によって圧縮力を与えることにより前記金属板50、52の一部を外径方向に膨出させて接合力を得る。このとき、台座部504の周辺部に設けられた一対のブレード506a、506bは、金属板50、52の膨出部により外径方向に拡開される。
【0004】
また、第2の方法(固定ダイ方式)では、図11Bに示すように、ポンチ510とダイ512との間に金属板50、52が配置された状態で、前記ポンチ510を下降させて前記金属板50、52を下方に突出変形させる。その際、金属板50、52の突出部をダイ512に設けられた浅い円柱状の凹部で受け、この凹部とポンチ510とによって前記金属板50、52に圧縮力を与えて接合する。この場合、第1の方法のような外径方向の膨出部は形成されないが、突出部のうち垂直方向の接合面54は断面が波形に形成されるので、この波形による噛み合い状態により接合力を得ることができる。
【0005】
上記の第1および第2の方法により加工された接合部分は、可動ダイ方式では、一般に外径方向に膨出させて接合力を得ることができる。より具体的には、図12Aに示すように、接合厚みB20と接合深さA20によってせん断力Fhに対抗することができる。接合深さA20の高さと金属板52に食い込んだ膨出量C20によって剥離力Fvに対抗することができる。
【0006】
また、固定ダイ方式においても同様に、接合厚みB21(図12B参照)と接合深さA21と膨出量C21とによって接合力を得ている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この種の接合方法においては、金属板50、52を局所的に塑性変形させるので、加工に必要なポンチ500、510の加圧力が大きくなり、そのために加工設備が大型で高価なものを要してしまう。また、ポンチ500、510およびダイ502、512も加圧力に応じて強度の大きいものが必要とされる。不十分な強度のポンチ500、510およびダイ502、512を使用すると、縁部が欠損するなどの損傷が発生し、工具の寿命が低減するからである。これらの問題に対応すべく、種々の技術が提案されている。
【0008】
図13に示す技術(特開平9−236105号公報参照)においては、押圧面の塑性流動を外径方向へ向かって行わせるために、先端面が球面状のポンチ530を使用している。しかし、この技術では、ポンチ530の最先端面の部分530aにより前記金属板50に働く力は垂直応力となって塑性流動が不十分になる。また、ダイ532側は中央に半球形状の凹部を有する形状であることから、塑性流動を滑らかに行うことはできない。
【0009】
また、図14に示す技術(特開平10−305335号公報参照)においては、ポンチ534およびダイ536のそれぞれの先端部が円錐状に形成されているので、金属板50、52はこの円錐面に沿って塑性流動を行うことができる。しかしながら、ポンチ534の円錐部は、中心部が窪んだ凹状の円錐面534aとなっているので、塑性流動は中心方向に向かって集中するように発生し、中心点近くに流動、集中した金属はそれ以上の進行先がなく、塑性流動が止まってしまう。
【0010】
より具体的には、図15に示すように、金属板50に加わる加圧力Q2は、金属板50、52を下方へ押圧する力である垂直成分Q2Vと、水平成分Q2Hとに分けることができ、この水平成分Q2Hは中心方向へ向かう力となるので、中心方向へ向かって塑性流動が発生する。その結果、外径側に十分な量の膨出部を形成したり、接合面54を十分に深い波形に形成したりすることができない。さらに、水平成分Q2Hは外径側への塑性流動を妨げる力となるので、加圧力を増大させる必要がある。
【0011】
またさらに、加工の初期段階においては、ポンチ534は先端の外周円環部で金属板に当接するので、点接触する場合に較べて加圧力を大きく設定する必要がある。
【0012】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、加工時に金属板の組織を滑らかに塑性流動させ、所望の接合力を維持しながらポンチおよびダイの加圧力を低減することができる金属板の接合装置を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るワークの金属板の接合装置は、積層された複数の金属板を積層方向両側から押圧して、前記金属板に塑性変形を与えて該金属板同士を一体的に接合するポンチおよびダイを備えた金属板の接合装置において、前記ポンチは、前記金属板を押圧して塑性変形を与える端部に、前記金属板に向かって凸状となる錐面を設けるとともに、前記ダイは、前記金属板を押圧して塑性変形を与える台座部に、前記金属板に向かって凸状となる錐面を設けることを特徴とする。
【0014】
これにより、加工時に前記金属板の組織は、前記錐面に沿い、前記ポンチおよび前記台座部の外周側に向かって塑性流動を確実に発生させることができるので、前記ポンチおよび前記ダイに与える加圧力を低減することができる。
【0015】
そして、板厚の異なる2枚の前記金属板が積層されており、前記ポンチおよび前記ダイは、板厚の厚い側の前記金属板に当接する前記錐面の高さが、板厚の薄い側の前記金属板に当接する前記錐面の高さより大きく設定してもよい。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る金属板の接合装置に適用した実施の形態を図1〜図10を参照しながら説明する。
【0018】
まず、第1の実施の形態に係る金属板の接合装置について図1〜図8を参照しながら説明する。
【0019】
図1に示すように、第1の実施の形態に係る金属板の接合装置10は、円柱形状のポンチ12と、ポンチ12の軸線上で下側に配置されたダイ14と、ポンチ12を下方へ駆動する加圧器16と、ポンチ12が嵌通する孔18aを有する押さえ治具18とを備えている。
【0020】
ポンチ12は、加圧器16のチャック部20に固定されており、下面には先端部の頂点12bを中心として、下側に凸状となる円錐面12aが形成されている。ポンチ12は、チャック部20を操作することによって、加圧器16に対して取り外しおよび交換が可能である。
【0021】
加圧器16は、チャック部20を介してポンチ12を下向きに固定しているピストン22と、ピストン22が移動するシリンダ24と、高圧作動油を吐出するポンプ26と、ポンプ26の吐出油をシリンダ24内の上方の受圧室28へ導く油路Pと、油路Pの圧力を制限するリリーフ弁30と、シリンダ24内の下方空間部とタンクとをつなぐ油路Tとを備えている。また、油路Pと油路Tとの間には、互いの油路を切り換えて、ピストン22の動作を逆転させる切換弁(図示せず)が設けられている。
【0022】
ダイ14は、台座部32と、台座部32の両脇に配置された一対のブレード34a、34bとを備えている。台座部32の上端には、頂点32bを中心とした上側に凸状となる円錐面32aが形成されている。ブレード34a、34bは前記頂点32bより距離Lだけ上方に突出し隙間部36を形成している。
【0023】
ブレード34a、34bは、下方の支軸が台座部32の下方の揺動支持部38a、38bで軸支されて、隙間部36から外側へ押圧する力が働いたとき、この揺動支持部38a、38bを揺動軸として、拡開可能な構造になっている。ブレード34a、34bの下端部には突出部40a、40bが形成されている。ブレード34a、34bの上端側は、揺動支持部38a、38bを揺動軸として、自然状態(無負荷状態)において互いに内側に向かって閉じるように作用し、台座部32を挟持している。なお、ブレード34a、34bは3枚以上であってもよい。
【0024】
また、初期状態において、押さえ治具18の孔18aには、ポンチ12の先端部が途中まで挿入されている。そして、押さえ治具18と前記ブレード34a、34bとにより、加工用の金属板50(上側)および金属板52(下側)が固定されるとともに、ポンチ12と台座部32との間には隙間部36が確保されている。
【0025】
次に、このように構成される金属板の接合装置10を用いた金属板の接合方法について説明する。
【0026】
ポンプ26で発生した高圧の作動油は油路Pを通り受圧室28に導かれ、受圧室28において、加圧力F10を発生し、ピストン22を押し下げる。ピストン22が下方向に移動することにより、このピストン22に接続されているポンチ12は上側の金属板50の表面に到達する(図2参照)。その際、まず、ポンチ12の頂点12bが金属板50の一点に押圧力を加えるので、比較的小さい力でも、この金属板50に塑性変形を発生させることができる。
【0027】
さらにピストン22を押し下げると、図3に示すように、ポンチ12によって金属板50、52は、下方へ向かって変形を始める。このとき、金属板50、52は矢印mに示すように、ポンチ12の円錐面12aに沿って外側へ向かって塑性流動を起こす。
【0028】
より具体的には、図4に示すように、金属板50に加わる加圧力Q1は、金属板50、52を下方へ押圧する力である垂直成分Q1Vと、水平成分Q1Hとに分けられる。この水平成分Q1Hは、ポンチ12の外径方向へ向かう力であって塑性流動を促すように作用し、加圧力F10に対する抵抗にならない。従って、円錐面12aに沿って金属板の組織が滑らかに塑性流動することが可能であり、加圧力F10を低減することができる。
【0029】
次に、図5に示すように、下側の金属板52が台座部32の頂点32bに当接すると、ポンチ12が上方から押圧力を加えることで、台座部32も反作用によって金属板52に押圧力を与えて金属板52を塑性変形させる。このとき、頂点32bが金属板52の一点に当接しているので、この一点に応力が集中し、金属板52に容易に塑性変形を発生させることができる。そして、金属板52は円錐面32aに沿って滑らかに塑性流動を起こし、ポンチ12の外径側に流動する。
【0030】
次いで、図6に示すように、ポンチ12がさらに押し下げられると、金属板50、52は隙間部36にほぼ充填する。ポンチ12はさらに押し下げられるので、金属板50、52は円錐面12a、32aに沿って外側へ向かって膨出するように作用し、結果としてブレード34a、34bを外側へ移動させる力nが発生する。
【0031】
そして、図7に示すように、ポンチ12の下端面と台座部32の上端面で挟まれた金属板50、52の外周側に、膨出部53が形成される。膨出部53を形成する力nは、ブレード34a、34bを外側へ向かって拡開させる。
【0032】
このように、ブレード34a、34bは、接合加工の最初の段階においては、押さえ治具18とともに金属板50、52を固定し、さらにポンチ12と台座部32との間に隙間部36を確保する。また、接合加工の後半においては、膨出部53の形成を妨げないように外径側に拡開する。
【0033】
そして金属板50、52に加工ストローク量S10だけ加工したら、図示しない切換弁の操作により油路Pと油路Tとを切り換えて、ポンチ12を上方へ戻して接合加工を終了する。
【0034】
この場合、従来技術と同等の接合力を確保するためには、接合深さA10(図8参照)および接合厚みB10が、従来技術における接合深さA20(図12A参照)および接合厚みB20と等しく設定することが必要である。また、このように設定すると、膨出部53についても従来技術の膨出部と同体積となる。
【0035】
またさらに、膨出部53の体積が等しいならば、ポンチ12の円錐面12aおよび台座部32の円錐面32aで挟まれながら塑性変形した部分の体積V10と、従来技術における同じ部分の体積V20とは等しい。換言すれば、このように体積V10と体積V20とが等しくなるように設定すれば、従来技術と同等の接合力を得ることができる。
【0036】
このように、体積V10と体積V20とが等しくなるようにするためには、ポンチ12の円錐面12aの高さXp、台座部32の円錐面32aの高さXdおよび加工ストローク量S10を適切に設定すればよい。
【0037】
なお、高さXpおよびXdは等しい高さに設定する必要はなく、上側の金属板50と下側の金属板52の板厚に応じて変更するようにしてもよい。板厚が薄ければそれだけ変形代が小さいことになるので、円錐の高さXpまたはXdを小さく設定し、例えば、板厚に比例する高さに設定するとよい。
【0038】
また、円錐面12aおよび32aの縁部同士の距離をT10、頂点12bおよび32b同士の距離をD10としたとき、T10>Xp+Xd>D10となるように設定すると好適である。
【0039】
体積V10および体積V20が等しいので、所謂、体積一定の法則により最終形状にするためのエネルギーは等しいと考えらる。一方、従来技術における加工ストローク量S20(図12A参照)よりも本実施の形態における加工ストローク量(S10+Xd)が大きくなるので、結果的に第1の実施形態における加圧力F10は従来技術における加圧力F20よりも小さい力で足りることが諒解される。
【0040】
加圧力F10が小さくて足りるということは、つまり、受圧室28(図1参照)の圧力が小さくてよいということであり、ポンプ26も小型のもので足りる。また、シリンダ24、油路Pの耐圧およびリリーフ弁30のリリーフ設定圧力等を低く設定することが可能となる。
【0041】
またさらに、ポンチ12および台座部32の強度についても比較的低いもので足りる。
【0042】
次に、第2の実施の形態に係る金属板の接合装置100について図9並びに図10を参照しながら説明する。
【0043】
金属板の接合装置100では、図9に示すように、加圧器16、押さえ治具18およびポンチ12が第1の実施の形態と同じ構成であり、ダイ132のみが異なる。
【0044】
ダイ132は、ポンチ12の軸線上で、金属板50、52の下側に配置されている。そして、ダイ132の上端面132cと押さえ治具18とで金属板50、52を挟持して固定している。
【0045】
ダイ132には、ポンチ12の軸線に同軸で浅い円柱状凹部136が形成されている。円柱状凹部136は、金属板50、52の板厚を考慮した径で、ポンチ12の径よりやや大径に設定されている。
【0046】
円柱状凹部136の底面部(台座部)には、上方へ向かって凸状となる円錐面132aが形成されており、その先端は頂点132bである。
【0047】
このように構成される金属板の接合装置100は、第1の実施の形態と同様に、ポンチ12を金属板50、52に対して押圧し、金属板50、52に塑性変形を発生させて接合する。
【0048】
この加工の工程においても、第1の実施の形態と同様に、ポンチ12およびダイ132のそれぞれの頂点12bおよび132bを中心としてポンチ12およびダイ132の円錐面12aおよび132aに沿って、金属板50、52の組織を外径方向へ滑らかに塑性流動させながら、前記金属板50、52同士を接合する。
【0049】
そして、金属板50、52は、円柱状凹部136の空間に充填するように塑性変形し、変形した部分のうち垂直方向の接合面154(図10参照)は断面が波形状に形成される。
【0050】
この場合も、第1の実施の形態と同様に、ポンチ12先端部の円錐高さXpおよびダイ132の円錐高さXdのそれぞれの高さを調整することにより、ポンチ12とダイ132により圧縮される部分の体積V11、接合深さA11および接合厚みB11を、従来の固定ダイ方式における体積V21(図12B参照)、接合深さA21および接合厚みB21と同等に調整することができる。そして、このときの加工ストローク量S11と高さXdとの和は、従来技術における加工ストローク量S21より大きいので、結果として加圧力F11は従来技術における加圧力F21より小さい力に設定することができる。
【0051】
円錐面12aおよび132aの縁部同士の距離をT11、頂点12bおよび132b同士の距離をD11としたとき、T11>Xp+Xd>D11となるように設定すると好適である。
【0052】
このように、第1および第2の実施形態に係る金属板の接合装置10、100においては、金属板50を押圧して塑性変形を与えるポンチ12の端部に、金属板50、52に向かって凸状となる円錐面12aを設け、さらに台座部32は、金属板50、52を押圧して塑性変形を与える端部に、金属板50、52に向かって凸状となる円錐面32aを設けているので、従来技術と比較して接合力を維持しながら加圧力F10、F20を低減することができる。特に、加工の最初の段階においては、円錐面12aの頂点12bが金属板50の一点に当接するので、この一点に応力集中が発生し、低い加圧力F10、F20でも塑性変形を起こすことができる。
【0053】
そして、円錐面12aの高さXp、円錐面32a、132aの高さXdおよび加工ストローク量S10を適切に設定し、ポンチ12の端部と台座部32のそれぞれの円錐面12aおよび32aで挟まれる部分の金属板50、52の体積V10が、従来技術における同じ部分の体積V20と同体積になるようにすれば、接合深さA10および接合厚みB10を好適な寸法に形成することができるとともに、所要の接合力を確保することができる。
【0054】
金属板50と金属板52の板厚が異なるとき、ポンチ12および台座部32は、板厚の厚い側の金属板50(または52)に当接する円錐面12a(または32a)の高さXdまたはXpが、板厚の薄い側の金属板52(または50)に当接する円錐面32a(または12a)の高さより大きく設定するようにすれば、塑性変形の加工度を均一にすることが可能である。従って、板厚に比して過大な変形を強いることがない。
【0055】
また、円錐面12a、32aおよび132aは円錐に限ることなく、例えば、四角錐など多角形の錐状であってもよい。
【0056】
さらに、金属板の接合装置10および100は油圧式の接合装置である必要はなく、電動式や手動式であってもよい。
【0057】
また、本実施の形態は、プレスマシン(金型)に設けてもよい。
【0058】
駆動方法はポンチ側を固定し、ダイ側を駆動するような方法であってもよい。
【0059】
なお、接合する金属板は3枚以上であってもよい。
【0060】
そしてさらに、この発明に係る金属板の接合装置は、上述の実施の形態例に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【0061】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る金属板の接合装置によれば、金属板を接合加工する際に、金属板の組織を滑らかに塑性流動させることにより、所望の接合力を維持しながら加圧力を低減することができるという効果が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態に係る金属板の接合装置を示す説明図である。
【図2】第1の実施の形態に係る金属板の接合装置において、ポンチが金属板に当接した状態を示す説明図である。
【図3】第1の実施の形態に係る金属板の接合装置において、ポンチが金属板を押圧し塑性変形を開始した状態を示す説明図である。
【図4】本実施の形態に係るポンチが金属板を押圧する力をベクトルで示す説明図である。
【図5】第1の実施の形態に係る金属板の接合装置において、金属板の下面が台座部に当接した状態を示す説明図である。
【図6】第1の実施の形態に係る金属板の接合装置において、金属板が隙間部に充満した状態を示す説明図である。
【図7】第1の実施の形態に係る金属板の接合装置において、金属板の膨出部がブレードを押圧し、ブレードが外側へ拡開する状態を示す説明図である。
【図8】第1の実施の形態に係る接合金属板を示す説明図である。
【図9】第2の実施の形態に係る金属板の接合装置を示す説明図である。
【図10】第2の実施の形態に係る接合金属板を示す説明図である。
【図11】図11Aは、従来技術に係る可動ダイ方式の金属板の接合装置を示す説明図であり、図11Bは、従来技術に係る固定ダイ方式の金属板の接合装置を示す説明図である。
【図12】図12Aは、従来技術に係る可動ダイ方式で接合加工した接合金属板を示す説明図であり、図12Bは、従来技術に係る固定ダイ方式で接合加工した接合金属板を示す説明図である。
【図13】固定ダイ方式の従来技術で、ポンチの先端面が球面である金属板接合装置を示す説明図である。
【図14】固定ダイ方式の従来技術で、ポンチの先端面が凹状の円錐面である金属板接合装置を示す説明図である。
【図15】先端面が凹状の円錐面であるポンチが金属板を押圧する力をベクトルで示す説明図である。
【符号の説明】
10、100…金属板の接合装置
12、500、510、530、534…ポンチ
12a、32a、132a、534a…円錐面
12b、32b、132b…頂点
14、132、502、512、532、536…ダイ
16…加圧器 26…ポンプ
30…リリーフ弁 32、504…台座部
34a、34b、506a、506b…ブレード
50、52…金属板 53…膨出部
Claims (1)
- 積層された複数の金属板を積層方向両側から押圧して、前記金属板に塑性変形を与えて該金属板同士を一体的に接合するポンチおよびダイを備えた金属板の接合装置において、
前記ポンチは、前記金属板を押圧して塑性変形を与える端部に、前記金属板に向かって凸状となる錐面を設けるとともに、
前記ダイは、前記金属板を押圧して塑性変形を与える台座部に、前記金属板に向かって凸状となる錐面を設け、
板厚の異なる2枚の前記金属板が積層されており、
前記ポンチおよび前記ダイは、板厚の厚い側の前記金属板に当接する前記錐面の高さが、板厚の薄い側の前記金属板に当接する前記錐面の高さより大きく設定されることを特徴とする金属板の接合装置。
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