JP5055104B2 - セルフピアスリベットによる接合方法とリベット接合用ダイ - Google Patents

Description

本発明は、セルフピアスリベットによる接合方法とその接合方法に用いるリベット接合用ダイに関し、特にアルミニウム合金板と高張力鋼板（超高張力鋼板を含む）とのセルフピアスリベット継手構造に好適な接合方法と接合用ダイの改良に関するものである。

この種のセルフピアスリベットによる接合方法は特許文献１等にて広く知られており、特に自動車に多用される傾向にあるアルミニウム合金板と高張力鋼板または超高張力鋼板とのセルフピアスリベット接合を考慮した技術が非特許文献１，２で提案されている。

非特許文献１，２では、アルミニウム合金板と高張力鋼板（超高張力鋼板を含む）とのセルフピアスリベット接合において、下板側をアルミニウム合金板とした場合（非特許文献１）および下板側を高張力鋼板とした場合（非特許文献２）のいずれにおいても、ダイ側の凹部の傾斜の度合いやその凹部中央部の突出高さ等を適宜調整することで、板材側の割れあるいはリベットの座屈といった接合不良をある程度未然に防止することができるとされている。
特開２００６−４３７６９号公報 平成１７年度 塑性加工春季講演会（２００５．５．２５〜２７ 三条市），講演論文集Ｐ１０７〜１０８，「セルフピアシングリベットによるアルミニウム合金板と高張力鋼板の接合」，日本塑性加工学会 第５６回塑性加工連合講演会（２００５．１１．１８〜２０ 沖縄市・沖縄県中頭郡），講演論文集Ｐ５５３〜５５４，「セルフピアシングリベットよるアルミニウム合金板と高張力鋼板の接合（第２報：上板アルミ合金板と下板高張力鋼板）」，日本塑性加工学会

非特許文献２に記載の下板側を高張力鋼板とした場合の例では、割れ発生や接合可能板厚の予測・評価は、あくまで板材が１枚モデルでのシミュレーション結果にすぎないために、特に上板の影響が十分に考慮されておらず、実際にセルフピアスリベットの打ち込みを行うと、リベット打ち込み荷重が高いために、ダイの割れのほか、リベット打ち込み装置の過負荷による装置異常が発生するという問題がある。

特にセルフピアスリベットの場合には、サーボモータを駆動源としてボールねじによりパンチを昇降動作させるタイプのリベット打ち込み装置が使用されるために、上記のような装置異常が発生しやすい。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、とりわけリベット打ち込み荷重を低減でき、さらにはダイの割れ、装置の過負荷を未然に防止できるようにしたセルフピアスリベットによる接合方法とその方法に好適なリベット接合用ダイを提供しようとするものである。

請求項１に記載の発明は、複数の板状の被接合部材同士を重ね合わせてそれら複数の被接合部材の一方の面にダイを当接させるとともに、複数の被接合部材の他方の面にダイ側に向けて円環状の軸部を有するセルフピアスリベットを打ち込むことにより複数の被接合部材同士をリベット接合する方法であることを前提としている。その上で、上記ダイは中央部が突出した凹状の加圧拘束面を有していて、この加圧拘束面のうち当該加圧拘束面の最深部を含み且つセルフピアスリベットの少なくとも軸部の投影形状と合致する部分に被接合部材が接触する前にセルフピアスリベットの打ち込みを完了させることを特徴とする。
この場合において、セルフピアスリベットとしては、例えば請求項６に記載のように、ボロン鋼等の鋼系材料製のものとする。

また請求項７に記載の発明は、上記請求項１に記載の技術を当該セルフピアスリベットによる接合方法に用いるダイとして捉えたものであって、上記ダイの加圧拘束面のうち当該加圧拘束面の最深部を含み且つセルフピアスリベットの少なくとも軸部の投影形状と合致する部分に被接合部材が接触する前にセルフピアスリベットの打ち込みが完了するように、少なくもとも上記加圧拘束面の深さおよび中央部の突出高さ位置をそれぞれ設定してあることを特徴とする。

したがって、これらの請求項１，７に記載の発明では、ダイの加圧拘束面のうち当該加圧拘束面の最深部を含み且つセルフピアスリベットの少なくとも軸部の投影形状と合致する部分に被接合部材が接触する前にセルフピアスリベットの打ち込みを完了させることは、リベット打ち込み完了時点においてダイの加圧拘束面の全面が被接合部材に接触しないことにほかならないから、それによってリベット打ち込み荷重を低減、ひいてはダイの割れや装置の過負荷を未然に防止できることになる。

請求項１，７に記載の発明によれば、被接合部材がアルミニウム合金板と高張力鋼板との組み合わせの場合であっても、リベット打ち込み荷重を低減でき、ダイの割れや装置の過負荷を未然に防止できるほか、特にダイに直接当接する被接合部材の過大な変形を抑制して、その被接合部材側での割れの発生をも未然に防止できるようになる。

図１は本発明に係るセルフピアスリベット接合方法のより具体的な実施の形態を示す図で、被接合部材として上板Ｗ１、中板Ｗ２および下板Ｗ３の三枚の板組みで締結接合する場合の例を示している。なお、ここでは上板Ｗ１をアルミニウム合金板、中板Ｗ２を軟鋼板、下板Ｗ３を高張力鋼板とする。

図１の（Ａ）に示すように、上板Ｗ１と中板Ｗ２および下板Ｗ３の三枚の板材を重ね合わせてダイ１の上に位置決めし、ダイ１と対向配置されたパッド２を下降させてそのパッド２にて板材Ｗ１〜Ｗ３を加圧拘束するとともに、上板Ｗ１側からセルフピアスリベット３を供給して位置決めする。

なお、セルフピアスリベット３はフルチューブラリベットに類似した形状ではあるものの、その特殊性として軸部３ｂの長さが極端に短いものとなっている。

ダイ１には打ち込むべきセルフピアスリベット３の大きさに応じた皿状または凹状の加圧拘束面４が形成されていて、その中央部に略円錐形状の突出部５が形成されているために加圧拘束面４全体としては円環状のものとなっている。そして、突出部５の頂部はダイ１そのものの上面とほぼ同一高さ、例えば突出部５の頂部はダイ１そのものの上面と同一高さ位置とするか、または図２に示すように突出部５の頂部５ａはダイ１の上面よりもわずかに低くなるように設定してあるとともに、突出部５の根元部側は滑らかな円弧状面をもって加圧拘束面４の底面に連続している。

したがって、図１の（Ａ）から明らかなように、ダイ１にて三枚の板材Ｗ１〜Ｗ３を支えたときには、ダイ１側の突出部５の頂部はダイ１の上面とともに下板Ｗ３に接するか、あるいは接しないまでも下板Ｗ３ときわめて近接した状態となる。

続いて、図１の（Ｂ）に示すように、パッド２とともにダイ１と対向配置されたパンチ６を下降させてセルフピアスリベット３を上板Ｗ１側から打ち込む。セルフピアスリベット３は名のとおり自己穿孔方式にて板材Ｗ１〜Ｗ３に打ち込まれ、その打ち込み進行に伴い板材Ｗ１〜Ｗ３の一部がダイ１側の加圧拘束面４側に向けて膨出するように塑性変形することになる。そして、同図（Ｃ）に示すように、最終的にはセルフピアスリベット３は上板Ｗ１と中板Ｗ２は貫通するも下板Ｗ３は貫通せず、軸部３ｂの先端が外側に拡がりながら下板Ｗ３に食い込み、頭部３ａが上板ｗ１とほぼ面一となる状態をもってリベット継手としての締結、すなわちセルフピアスリベット３による板材Ｗ１〜Ｗ３同士の締結接合が完了する。

ここで、図１の（Ｃ）の状態をもってセルフピアスリベット３による締結が完了することは先に述べたとおりであるが、ここで重要なことは同図の状態をもってしてもなおも下板Ｗ３側の膨出部Ｐがダイ１側の加圧拘束面４の底面、特にその最深部には接触せず、下板Ｗ３側の膨出部Ｐとダイ１側の加圧拘束面４との間に隙間Ｇが確保されていることである。これは、ダイ１が板材Ｗ１〜Ｗ３に及ぼす加圧拘束力はダイ１の上面のほか突出部５の頂部に集中していることを意味し、同図（Ｂ），（Ｃ）から明らかなようにセルフピアスリベット３の打ち込みに伴い下板Ｗ３がダイ１側に膨出して膨出部Ｐとして成長する過程では、その膨出部Ｐがダイ１によっては何ら拘束されることなくその塑性変形が進行することになる。これにより、リベット打ち込み荷重が過大になりすぎるのを未然に防止することができ、ダイ１の割れ発生防止に大きく貢献することができる。

さらに、上記のように膨出部Ｐがダイ１によっては何ら拘束されることなくその塑性変形が進行することは、下板Ｗ３の過大な変形を抑制して、その下板Ｗ３の割れを未然に防止する上でも有利となる。言い換えるならば、下板Ｗ３のうちセルフピアスリベット３の打ち込みに関与する部分が突出部５で支持されているだけであるので、セルフピアスリベット３が下板Ｗ３に食い込みやすく、セルフピアスリベット３の座屈等を招くこともないから、必要十分な接合強度を確保することができる。

ここで、図１に示した接合方法を前提としたより具体的な実施例について説明する。

上板Ｗ１には板厚が１．２ｍｍの６０００系アルミニウム合金板を、中板Ｗ２には板厚が０．８ｍｍの軟鋼板を、下板Ｗ３には板厚が１．８ｍｍの高張力鋼板をそれぞれ用い、図１と同様の三枚の板組みでセルフピアスリベット３による締結接合を行った。なお、高張力鋼板の引っ張り強度は５９０ＭＰａ、加工硬化指数は０．１以上、一様伸びは８％以上である。また、セルフピアスリベット３はボロン鋼製のものであり、その軸部３ｂの直径（φ）は５．３ｍｍ、長さは５ｍｍ、硬度は４８０Ｈｖとした。また、ダイ１の加圧拘束面４の形状は図２に示したとおりであり、特に突出部５の頂部５ａの高さ位置はダイ１の上面よりも所定量αだけ低く設定した。

さらに、下板Ｗ３として上記高張力鋼板に代えて板厚が２．０ｍｍで引っ張り強度が９８０ＭＰａの超高張力鋼板を用い、それ以外は上記と同条件でセルフピアスリベット３による締結接合を行った。

これらのいずれの場合にも、ダイ１の割れや下板Ｗ３の割れ、あるいはセルフピアスリベット３の座屈等の不具合の発生がなく、必要十分なリベット接合強度が得られることが確認できた。また、いずれの場合にもダイ１の割れのほか、リベット打ち込み装置の過負荷あるいはそれによる装置停止等の異常の発生は認められず、リベット打ち込み荷重は約６５ｋＮであった。

比較のために、図３に示すように加圧拘束面４における中央部の突出部５の頂部高さをダイ１の上面よりも低くしたダイ１を用い、加圧拘束面４の全面が下板Ｗ３に圧接した状態でセルフピアスリベット３の締結接合が完了するように、そのセルフピアスリベット３の打ち込みを行ってみた。このときのリベット打ち込み荷重は約８０ｋＮであった。

以上のことから、図１の（Ｃ）の状態をもってセルフピアスリベット３による締結接合が完了した時点で、下板Ｗ３側の膨出部Ｐがダイ１側の加圧拘束面４の最深部には接触せず、下板Ｗ３側の膨出部Ｐとダイ１側の加圧拘束面４との間に隙間Ｇが確保されていることは、特にリベット打ち込み荷重の低減に大きく寄与できることがわかる。

本発明に係るセルフピアスリベット接合方法の具体的な実施の形態としてその手順を示す工程説明図。 図１のセルフピアスリベット接合方法で使用するダイの諸元を示す要部拡大図。 本発明との比較のために使用したダイの断面説明図。

符号の説明

１…ダイ
２…パッド
３…セルフピアスリベット
３ａ…頭部
３ｂ…軸部
４…加圧拘束面
５…突出部
５ａ…頂部
６…パンチ
Ｇ…隙間
Ｐ…膨出部
Ｗ１…上板（被接合部材）
Ｗ２…中板（被接合部材）
Ｗ３…下板（被接合部材）

Claims (7)

1. 複数の板状の被接合部材同士を重ね合わせてそれら複数の被接合部材の一方の面にダイを当接させるとともに、複数の被接合部材の他方の面にダイ側に向けて円環状の軸部を有するセルフピアスリベットを打ち込むことにより複数の被接合部材同士をリベット接合する方法であって、
   上記ダイは中央部が突出した凹状の加圧拘束面を有していて、
   この加圧拘束面のうち当該加圧拘束面の最深部を含み且つセルフピアスリベットの少なくとも軸部の投影形状と合致する部分に被接合部材が接触する前にセルフピアスリベットの打ち込みを完了させることを特徴とするセルフピアスリベットによる接合方法。
2. 上記ダイに当接する側の被接合部材とセルフピアスリベット打ち込み側の被接合部材との間にもう一枚の被接合部材が介在していることを特徴とする請求項１に記載のセルフピアスリベットによる接合方法。
3. 上記ダイに当接する側の被接合部材が鋼板であり、セルフピアスリベット打ち込み側の被接合部材がアルミニウム系板材であることを特徴とする請求項１または２に記載のセルフピアスリベットによる接合方法。
4. 上記ダイに当接する側の被接合部材が高張力鋼板または超高張力鋼板であり、セルフピアスリベット打ち込み側の被接合部材がアルミニウム合金板であることを特徴とする請求項３に記載のセルフピアスリベットによる接合方法。
5. 上記ダイに当接する側の被接合部材が高張力鋼板または超高張力鋼板であるとともに、セルフピアスリベット打ち込み側の被接合部材がアルミニウム合金板であり、且つ双方の被接合部材同士の間に介在するもう一枚の被接合部材が軟鋼板であることを特徴とする請求項２に記載のセルフピアスリベットによる接合方法。
6. 上記セルフピアスリベットが鋼系材料製のものであることを特徴とする請求項３〜５のいずれか一つに記載のセルフピアスリベットによる接合方法。
7. 請求項１〜６のいずれかに一つに記載のセルフピアスリベットによる接合方法に用いるダイであって、
   上記ダイの加圧拘束面のうち当該加圧拘束面の最深部を含み且つセルフピアスリベットの少なくとも軸部の投影形状と合致する部分に被接合部材が接触する前にセルフピアスリベットの打ち込みが完了するように、少なくとも上記加圧拘束面の深さおよび中央部の突出高さ位置をそれぞれ設定してあることを特徴とするリベット接合用ダイ。

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