KR20180071427A - 리벳 방법 - Google Patents

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Abstract

공작물(42, 44, 46)에 리벳(2)을 삽입하는 방법은, 리벳을 공작물에 삽입하기 위해, 리벳의 종축을 따라 리벳(2)과 공작물(42, 44, 46)을 서로에 대해 상대적으로 움직이는 단계를 포함한다. 리벳은, 그것이 공작물에 접촉하는 시간의 적어도 일부 동안, 공작물에 상대적으로, 그 종축을 중심으로 회전된다. 회전 속도, 또는 리벳의 종축을 따르는 이동 속도는 공작물에의 리벳의 삽입이 완료되기 전에 적어도 한번 변경된다.

Description

리벳 방법{METHOD OF RIVETING}
본 발명은 리벳 방법에 관한 것으로서, 이는 특히, 배타적이지는 않지만, 자동차 산업에 응용된다.
셀프 피어싱 리벳 방법(Self-piercing riveting, SPR)은 스폿 접합 기술(spot-joining technique)로서, 다이 위에 지지되는 다층 공작물(layered workpiece)에, 펀치(punch)에 의해, 셀프 피어싱 리벳(self-piercing rivet)이 삽입되는(driven) 기술이다. 리벳이 다이를 향하여 공작물에 삽입될 때 공작물의 재료가 소성 변형하도록 다이의 형상이 이루어진다. 공작물 재료의 이러한 흐름은 리벳의 환형 선단(tip)이 외측으로 플레어(flare)됨으로써 공작물 재료의 업셋된(upset) 고리에 의해 둘러싸인(encapsulated) 상태로 유지되게 한다. 공작물의 업셋된 고리에 리벳의 플레어된 선단이 맞물리면 리벳이 제거되거나 공작물의 층들이 분리되는 것을 방지할 수 있다.
SPR은 공작물 재료의 소성 유동이 리벳의 관통 및 업셋(upsetting)을 허용하도록 요구하기 때문에, 일부 재료들은 일반적으로 이 기술에 적합하지 않은 것으로 간주된다. 예를 들어, 마그네슘 합금, 초고강도 강(UHSS) 및 항공기 등급 알루미늄은 종래의 SPR용으로 충분한 연성을 가지는 것으로 간주되지 않는다 - 이 경도의 재료들을 관통할 정도로 충분한 기둥 강도(column strength)를 가진 종래의 리벳은 플레어(flaring)가 적절히 업셋되기에는 지나치게 저항이 강하다. 다른 예로서, 고분자 공작물 층들 또는 복합재의 그것들은 리벳과 접촉하면 소성 변형하지 않고 균열을 일으키거나 파단될 수 있으며, 이는 약한 접합부 및/또는 수분 침투를 통해 산화에 더 노출되는 접합부를 생성할 수 있다. 그러므로 SPR은 종래에 표준 등급(standard grades) 강철과 성형 등급(forming grade) 알루미늄과 같은 재료들에만 사용된다.
솔리드 리벳 방법(solid riveting, 즉, 기존의 리벳 방법)은 또 다른 스폿 접합 기술이다. 원통형 생크 및 확장 헤드를 구비한 리벳이, 그것의 헤드가 공작물의 상면에 접촉하여 반대쪽에서 다층 공작물로부터 돌출되도록, 공작물에 미리 형성된 구멍으로 삽입된다. 그러면 생크의 돌출 단부는, 예를 들면 버킹 바(bucking bar)와 함께 해머나 프레스를 이용하여, 업셋됨으로써, 생크의 단부를 피닝(peening)하여 반경 방향 확대 로브(radially enlarged lobe)를 형성하고, 이는 공작물의 층들의 분리 또는 리벳의 제거를 방지한다. 솔리드 리벳팅의 하나의 문제는 공작물에 미리 형성된 구멍이 필요하다는 점이다. 이는 접합 공정의 복잡성과 소요 시간(따라서 비용)을 증가시킨다. 또한, 리벳과 관련 공구들(tooling)이 제 자리로 이동되는 동안 다른 층들이(따라서 그 내부의 구멍들도) 오정렬(misalign)되는 것을 방지하도록, 구멍이 형성된 후에 공작물을 제자리에 고정하는 단계를 밟아야만 한다.
또 다른 알려진 스폿 접합 기술은 마찰 교반 스폿 용접이다. 마찰 교반 스폿 용접에서, 단부에 숄더 프로브(shouldered probe)를 구비한 원통형 펀치가 회전되어, 접합될 공작물 층들로 삽입된다. 프로브와 공작물 층들 사이의 미끄럼 마찰이 층들을 용융시키지 않고 연화시키고 가소화하며(soften and plasticize), 프로브의 회전은 재료를 이동시키고 두 층들의 가소화된 영역들이 서로 섞이게 한다. 펀치가 후퇴하고 공작물이 냉각되게 되는 경우, 서로 섞인 가소화된 영역들이 경화하여 두 층들 사이에 용접 접합부를 생성한다.
전술한 서로 섞인 가소화된 영역들은 공작물의 재료들이 유사한 온도에서 연화하는 경우에만 형성될 수 있기 때문에, 마찰 교반 스폿 용접은 매우 유사한 조성의 재료들을 용접하는 데에만 사용된다. 또한, 일부 재료들은, 예를 들어, 온도에 따라 요구되는 방식으로 연화하지 않는 것들(예컨대 열경화성 플라스틱), 또는 요구되는 온도에서 기계적 성질에 변화가 생기는 것들(예컨대 경화강(hardened steel)은 마찰 교반 스폿 용접의 영역에서 경도가 약해질 수 있다(brought out of temper))은 마찰 교반 스폿 용접에 전혀 적합하지 않다.
본 발명의 목적은 전술한 문제점들 중 하나를 완화 또는 제거하고/하거나 개선되거나 대안적인 리벳 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 측면에 따르면, 공작물에 리벳을 삽입하는 방법이 제공된다. 이 방법은, 리벳을 공작물(workpiece) 내로 삽입하기(driving) 위해 상기 리벳의 종축(longitudinal axis)을 따라 상기 리벳과 상기 공작물을 서로 상대적으로 이동시키는 단계를 포함하고,
상기 리벳이 상기 공작물에 접촉하는 시간의 적어도 일부 동안, 상기 공작물에 상대적으로, 상기 리벳은 그 종축을 중심으로 회전되고;
상기 회전의 속도, 또는 상기 리벳의 상기 종축을 따른 이동 속도는, 상기 공작물 내로의 상기 리벳의 삽입이 완료되기 전에 적어도 한 번 변경되며;
상기 리벳의 축 방향 일 단부는 상기 공작물을 관통하기 위한 선단(tip)을 포함하고 상기 리벳은 상기 선단으로부터 길이 방향으로 연장하는 실질적으로 원통형인 생크(shank)를 포함하며; 그리고
상기 생크는 하나 이상의 표면 요철들(surface irregularities)을 포함한다.
본 발명의 이 측면 또는 임의의 다른 측면에서, 상기 리벳의 종축(longitudinal axis)을 따르는 공작물 내의 상기 리벳의 서로 상대적인 이동은, 상기 리벳을 그 종축을 따라 상기 공작물에 상대적으로 이동시키는 단계, 상기 공작물을 상기 리벳의 종축을 따라 상기 리벳에 상대적으로 이동시키는 단계, 또는 둘 모두를 서로 상대적으로 이동시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 회전의 속도, 또는 상기 리벳의 상기 종축을 따른 이동 속도의 변경은 그 속도의 증가 또는 감소일 수 있다. 상기 변경 전 또는 후의 속도는 실질적으로 제로(zero)일 수 있다. 상기 리벳의 회전 속도 또는 축 방향 속도의 변경은, 상기 리벳이 상기 공작물에 접촉하는 동안, 예컨대 그것이 상기 공작물에 삽입되는 시간 동안, 일어날 수 있다.
하나 이상의 상기 표면 요철들이 반경 방향 외측 생크 표면(radially outer shank surface) 상에 구비될 수 있다.
상기 리벳은 보어(bore)를 포함하되, 상기 보어는 상기 선단를 통하고 상기 생크의 적어도 일부분을 통하여 이어짐으로써 반경 방향 내측 생크 표면(radially inner shank surface)을 제공하며, 하나 이상의 상기 표면 요철들이 상기 반경 방향 내측 생크 표면 상에 구비될 수 있다.
하나 이상의 상기 표면 요철들은 길쭉한 형상일 수 있다.
하나 이상의 상기 길쭉한 표면 요철들은 실질적으로 길이 방향으로 정렬될 수 있다.
대안적으로 또는 부가적으로, 하나 이상의 상기 길쭉한 표면 요철들은 실질적으로 원주 방향으로 정렬될 수 있다.
대안적으로 또는 부가적으로, 하나 이상의 상기 길쭉한 표면 요철들은 각각 실질적으로 나선 호(helical arc) 형상일 수 있다.
하나 이상의 상기 표면 요철들은 각각 돌기 형태를 취할 수 있다.
하나 이상의 상기 표면 요철들은 각각 개구(opening) 형태를 취할 수 있다.
상기 또는 각각의 개구는 오목부(recess), 보어(bore), 또는 평면(상기 평면은 상기 리벳의 나머지 부분의 원통형 외부 표면 뒤에서 효과적으로 오목해진다)의 형태를 취할 수 있다.
리벳이 하나 이상의 상기 개구들을 포함하는 경우, 그 개구들 중 하나 이상은 상기 반경 방향 내측 생크 표면 및 반경 방향 외측 생크 표면 사이에서 연장할 수 있다.
하나 이상의 요철을 포함하는 리벳은 다른 형태의 요철들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 그것은 환형 홈들(grooves)의 축 방향 어레이와 길이 방향 홈들의 원주 방향 어레이를 포함하여, 생크에 널링 표면(knurled surface)을 제공할 수 있다. 다른 예로서, 리벳은 하나의 돌기와 세 개의 개구들을 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 측면에 따르면, 공작물에 리벳을 삽입하는 방법이 제공된다. 이 방법은,
리벳을 공작물(workpiece) 내로 삽입하기(driving) 위해 상기 리벳의 종축(longitudinal axis)을 따라 상기 리벳과 상기 공작물을 서로 상대적으로 이동시키는 단계를 포함하고,
상기 리벳이 상기 공작물에 접촉하는 시간의 적어도 일부 동안, 상기 공작물에 상대적으로, 상기 리벳은 그 종축을 중심으로 회전되고;
상기 회전의 속도, 또는 상기 리벳의 상기 종축을 따른 이동 속도는, 상기 공작물 내로의 상기 리벳의 삽입이 완료되기 전에 적어도 한 번 변경되며; 그리고
상기 리벳의 축 방향 일 단부는 상기 공작물을 관통하기 위한 원주 방향으로 불연속한 선단(tip)을 포함하고, 상기 리벳은 상기 선단으로부터 길이 방향으로 연장하고 반경 방향 외측 생크 표면을 제공하는 실질적으로 원통형인 생크(shank)를 포함한다.
상기 리벳의 종축에 수직이며 상기 선단의 축 방향 최말단 지점과 교차하는 평면에서, 상기 리벳 종축으로부터 적어도 하나의 반경 방향 거리에서 상기 선단이 하나의 각도 위치(angular position)에서 상기 평면과 교차하되 또 다른 각도 위치에서는 상기 평면에 교차하지 않는다면, 원주 방향으로 불연속한 선단이 존재한다고 간주될 수 있다. 즉, 상기 평면에서 상기 선단의 적어도 반경 방향 부분의 형상이 원형 또는 환형이 아닌 경우, 선단이 원주 방향으로 불연속하다고 간주될 수 있다. 예를 들어, 별 모양의 선단은 그것의 반경 방향 외측 부분의 형상이 환형이 아니라는 점에서 원주 방향으로 불연속하다고 간주될 수 있는데, 이는 상기 종축으로부터 반경 방향 원거리에서 상기 선단이 상기 별의 지점들의 각도 위치들(angular positions)에서 상기 평면과 교차하되 그 지점들 사이의 공간들의 각도 위치들(angular positions)에서는 그렇지 않기 때문이다. 다른 예로서, 라이플 총 배럴(barrel) 형상의 선단은 그것의 반경 방향 내측 부분(즉, '강선(rifling)'이 새겨진(cut) 부분)의 형상이 환형이 아니라는 점에서 원주 방향으로 불연속하다고 간주될 수 있는데, 이는 상기 종축으로부터 반경 방향 근거리들에서 상기 선단이 상기 '강선'의 랜드(lands)의 각 위치에서 상기 평면과 교차하되 상기 '강선'의 홈(grooves)의 각도 위치들에서는 그렇지 않기 때문이다.
상기 원주 방향으로 불연속한 선단은 본 발명의 제1 측면과 관련하여 설명된 형태의 하나 이상의 표면 요철들에 의해 제공될 수 있다.
상기 원주 방향으로 불연속한 선단은 복수의 치들(teeth)을 포함할 수 있다.
상기 선단은 그것의 전체 반경 방향 범위(extent)에 걸쳐 원주 방향으로 불연속할 수 있다.
리벳의 종축에 수직이며 상기 선단의 축 방향 최말단 지점과 교차하는 평면에서, 상기 리벳 종축으로부터 적어도 하나의 반경 방향 거리에서 상기 선단이 하나의 각도 위치(angular position)에서 상기 평면과 교차하되 또 다른 각 위치에서는 상기 평면에 교차하지 않는다면, 상기 리벳은 그것의 전체 반경 방향 범위(extent)에 걸쳐 원주 방향으로 불연속하다고 간주될 수 있다. 즉, 상기 평면에서 선단의 어느 반경 방향 부분의 형상도 원형 또는 환형이 아닌 경우, 상기 선단은 그것의 전체 반경 방향 범위(extent)에 걸쳐 원주 방향으로 불연속하다고 간주될 수 있다. 예를 들어, 별 모양의 선단은 그것의 전체 반경 방향 범위(extent)에 걸쳐 원주 방향으로 불연속하다고 간주되지 않을 수 있는데, 이는 그것의 허브 부분(hub portion)의 형상이 환형이라고 간주될 수 있기 때문이며, 이는 상기 선단의 종축으로부터 반경 방향 근거리에서 상기 선단이 그것의 지점들의 모든 각도 위치들에서 상기 평면과 교차하기 때문이다. 다른 예로서, 라이플 총 배럴(barrel) 형상의 선단은 그것의 반경 방향 외측 부분의 형상이 환형이라는 점에서 원주 방향으로 불연속하다고 간주되지 않을 수 있는데, 이는 상기 선단의 종축으로부터 반경 방향 원거리에서 상기 선단이 모든 각도 위치에서 상기 평면과 교차하기 때문이다. 예를 들어, 초승달 모양의 선단은 그것의 전체 반경 방향 범위에 걸쳐 원주 방향으로 불연속하다고 간주될 수 있다. 높낮이가 있거나(undulating) 무딘 톱날 모양의(crenelated) 절단 테두리를 가진 선단은 또한 그것의 전체 축 방향 폭에 걸쳐 원주 방향으로 불연속하다고 간주될 수 있다.
상기 리벳은 보어(bore)를 포함하되, 상기 보어는 상기 선단를 통하고 상기 생크의 적어도 일부분을 통하여 이어짐으로써, 반경 방향 내측 생크 표면을 가진 실질적으로 튜브 형상인(tubular) 생크 부분을 제공할 수 있다.
상기 리벳이 그러한 보어를 가지는 경우, 상기 선단은 상기 실질적으로 튜브 형상인 부분 내의 실질적으로 길이 방향인 슬롯들(slots)에 의해 제공될 수 있다.
상기 슬롯들은 상기 반경 방향 내측 생크 표면과 상기 반경 방향 외측 생크 표면 사이에서 연장할 수 있다.
대안적으로, 상기 슬롯들은 상기 반경 방향 내측 생크 표면이나 상기 반경 방향 외측 생크 표면에 제공되되 상기 생크 벽의 전체 두께를 관통하지 않을 수 있다.
상기 선단은 상기 반경 방향 내측 생크 표면과 교차하는 내측 테이퍼면(inner taper surface)을 포함할 수 있다.
대안적으로 또는 부가적으로, 상기 선단은 상기 반경 방향 외측 생크 표면과 교차하는 외측 테이퍼면(external taper surface)을 포함할 수 있다.
상기 선단이 보어 또는 오목부(concavity)를 포함하지 않는 경우, 상기 외측 테이퍼면은 점(point)(이는 상기 종축에 의해 교차되거나 교차되지 않을 수 있음)으로 테이퍼될 수 있다.
상기 테이퍼면은, 50 도 미만의 각도로, 예컨대 40 도 미만 또는 30 도 미만의 각도로, 상기 표면과 교차할 수 있다.
상기 선단이 내측 및/또는 외측 테이퍼면을 포함하는 경우, 상기 또는 각 테이퍼면은 깎여질(faceted) 수 있다.
대안적으로, 상기 테이퍼면(들)은 매끄럽거나(smooth), (예컨대 널링(knurling)에 의해) 텍스쳐링되거나(textured), 높낮이가 있거나, 또는 임의의 다른 적절한 형상을 가질 수 있다.
상기 선단은 상기 리벳의 상기 종축에 수직하지 않은 평면을 정의할 수 있다.
예를 들어, 상기 평면은 종축에 대해 적어도 1 도의 각도로, 예를 들면, 적어도 5 도 또는 적어도 10 도의 각도로 배치될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 상기 평면은 상기 종축에 대해 40 도 미만의 각도로, 예를 들면 30도 미만 또는 20 도 미만의 각도로 배치될 수 있다.
이러한 선단은 상기 선단이 단일 지점에서 전술한 평면과 교차하는 점에서 원주 방향으로 불연속적이다.
본 발명의 제3 측면에 따르면, 공작물에 리벳을 삽입하는 방법이 제공된다. 이 방법은, 리벳을 공작물(workpiece) 내로 삽입하기(driving) 위해 상기 리벳의 종축(longitudinal axis)을 따라 상기 리벳과 상기 공작물을 서로 상대적으로 이동시키는 단계를 포함하고,
상기 리벳이 상기 공작물에 접촉하는 시간의 적어도 일부 동안, 상기 공작물에 상대적으로, 상기 리벳은 그 종축을 중심으로 회전되고;
상기 회전의 속도, 또는 상기 리벳의 상기 종축을 따른 이동 속도는, 상기 공작물 내로의 상기 리벳의 삽입이 완료되기 전에 적어도 한 번 변경되며; 그리고
상기 공작물은, 마그네슘, 항공기용 알루미늄(aircraft aluminum), 초고강도 강(ultra-high strength steel), 티타늄, 또는 금속 기지 복합재(metal matrix composite)로 이루어진 층을 포함한다.
초고강도 강은 약 1OOO MPa 이상의 최대 인장 강도(ultimate tensile strength)를 가진 강, 또는 약 12.5 % 미만의 연신율을 갖는 강이라고 간주될 수 있다. 항공기 등급 알루미늄은 약 12.5 % 미만의 연신율을 갖는 알루미늄이라고 간주될 수 있다. 항공기 등급의 알루미늄은 예를 들어 7000 시리즈나 2000 시리즈 알루미늄일 수 있다.
상기 공작물은, 마그네슘, 항공기용 알루미늄, 초고강도 강, 티타늄, 금속 기지 복합재, 탄소 섬유 복합재(carbon fibre composite) 또는 폴리머로 이루어진 추가 층(further layer)을 포함할 수 있다.
대신에 또는 추가적으로, 상기 공작물은 표준 등급 강철 또는 성형 등급 알루미늄으로 이루어진 부가 층(additional layer)을 포함하며, 상기 부가 층이 상기 리벳에 의해 접촉되는 최종 층이 되도록 상기 리벳이 상기 공작물에 삽입될 수 있다.
표준 등급 강철은 약 1OOO MPa 미만의 최대 인장 강도(ultimate tensile strength)를 가진 강, 또는 약 12.5 % 이상의 연신율을 갖는 강이라고 간주될 수 있다. 성형 등급 알루미늄은 약 12.5 % 이상의 연신율을 갖는 알루미늄이라고 간주될 수 있다.
본 발명의 제4 측면에 따르면, 공작물에 리벳을 삽입하는 방법이 제공된다. 이 방법은 리벳을 공작물(workpiece) 내로 삽입하기(driving) 위해 상기 리벳의 종축(longitudinal axis)을 따라 상기 리벳과 상기 공작물을 서로 상대적으로 이동시키는 단계를 포함하고,
상기 리벳이 상기 공작물에 접촉하는 시간의 적어도 일부 동안, 상기 공작물에 상대적으로, 상기 리벳은 그 종축을 중심으로 회전되고;
상기 회전의 속도, 또는 상기 리벳의 상기 종축을 따른 이동 속도는, 상기 공작물 내로의 상기 리벳의 삽입이 완료되기 전에 적어도 한 번 변경되며; 그리고
상기 리벳은 알루미늄, 스테인레스 스틸, 티타늄 또는 세라믹으로 이루어질 수 있다.
상기 리벳은 전술한 재료들 중 하나로 이루어짐으로써, 상기 리벳과 그에 의해 형성되는 접합부가 부식(예컨대 산화(oxidation))에 더 잘 저항하도록 할 수 있다.
본 발명의 제5 측면에 따르면, 리벳 공구(riveting tool)를 이용하여 공작물에 리벳을 삽입하는 방법이 제공된다. 이 방법은 리벳을 공작물(workpiece) 내로 삽입하기(driving) 위해 상기 리벳의 종축(longitudinal axis)을 따라 상기 리벳과 상기 공작물을 서로 상대적으로 이동시키는 단계
를 포함하고,
상기 리벳이 상기 공작물에 접촉하는 시간의 적어도 일부 동안, 상기 공작물에 상대적으로, 상기 리벳 공구에 의해 상기 리벳은 그 종축을 중심으로 회전되고;
상기 회전의 속도, 또는 상기 리벳의 상기 종축을 따른 이동 속도는, 상기 공작물 내로의 상기 리벳의 삽입이 완료되기 전에 적어도 한 번 변경되며; 그리고
상기 리벳 공구는 상기 리벳과 마찰 체결된(in frictional engagement) 하나 이상의 회전 구동 요소들(rotary drive components)을 통해 회전하도록 상기 리벳을 삽입한다.
상기 리벳 공구는 공구 노즈(tool nose) 및 그 내부에 상반되게(reciprocally) 구비되는 펀치를 포함할 수 있고, 상기 펀치는 상기 리벳을 상기 공작물에 삽입하도록 상기 리벳에 축력(axial force)을 제공할 수 있다.
상기 리벳의 상기 종축을 따르는 상기 공작물과 상기 리벳의 상대 이동은 상기 공작물을 이동함으로써 발생할 수 있고, 상기 펀치로부터의 상기 축력은 반력(reaction force)일 수 있다.
상기 회전 구동 요소들 또는 그 중 하나는 상기 펀치일 수 있다.
대신에 또는 추가적으로, 상기 회전 구동 요소들 또는 그 중 하나는 상기 공구 노즈일 수 있다.
상기 공구 노즈가 회전 구동 요소인 경우, 리벳 공구는 상기 노즈에 회전 가능하게 장착되는 가압면(pressure surface)을 포함할 수 있고, 상기 가압면은 상기 리벳의 삽입 동안 상기 공작물에 접촉하고 상기 가압면이 상기 공작물에 접촉하는 시간의 적어도 일부 동안 상기 노즈에 상대적으로 회전할 수 있다.
본 발명의 제6 측면에 따르면, 리벳 공구(riveting tool)를 이용하여 공작물에 리벳을 삽입하는 방법이 제공된다. 이 방법은, 리벳을 공작물(workpiece) 내로 삽입하기(driving) 위해 상기 리벳의 종축(longitudinal axis)을 따라 상기 리벳과 상기 공작물을 서로 상대적으로 이동시키는 단계를 포함하고,
상기 리벳 공구는 공구 노즈(tool nose) 및 그 내부에 상반되게(reciprocally) 구비되는 펀치를 포함하고;
상기 펀치는 상기 리벳을 상기 공작물에 삽입하도록 상기 리벳에 축력(axial force)을 제공하며;
상기 리벳이 상기 공작물에 접촉하는 시간의 적어도 일부 동안, 상기 공작물에 상대적으로, 상기 리벳 공구의 상기 노즈에 의해 상기 리벳은 그 종축을 중심으로 회전되고; 그리고
상기 회전의 속도, 또는 상기 리벳의 상기 종축을 따른 이동 속도는, 상기 공작물 내로의 상기 리벳의 삽입이 완료되기 전에 적어도 한 번 변경된다.
상기 펀치는 상기 공작물 내로의 상기 리벳의 삽입 동안 상기 공작물에 상대적으로 회전하지 않을 수 있다.
대안적으로, 상기 펀치는 리벳과 함께 회전할 수 있다. 예를 들어, 상기 펀치는 그것의 자유 회전(freewheel)을 허용하도록 회전 가능하거나, 상기 공구 노즈는 상기 펀치와 구동 가능하게 체결(in driving engagement)되어 있을 수 있다.
상기 리벳과 함께 회전하는 상기 펀치는, 그것이, 상기 펀치와 회전하는 표면(예를 들어 상기 리벳의 표면 또는 상기 리벳 공구의 다른 구성 요소의 표면)의 계면에서 상기 펀치가 겪는 마모의 속도를 감소시킬 수 있는 점에서 유익할 수 있다.
본 발명의 제7 측면에 따르면, 리벳 도구를 이용하여 공작물에 리벳을 삽입하는 방법이 제공된다. 이 방법은, 리벳을 공작물(workpiece) 내로 삽입하기(driving) 위해 상기 리벳의 종축(longitudinal axis)을 따라 상기 리벳과 상기 공작물을 서로 상대적으로 이동시키는 단계를 포함하고,
상기 리벳이 상기 공작물에 접촉하는 시간의 적어도 일부 동안, 상기 공작물에 상대적으로, 상기 리벳 공구에 의해 상기 리벳은 그 종축을 중심으로 회전되고;
상기 회전의 속도, 또는 상기 리벳의 상기 종축을 따른 이동 속도는, 상기 공작물 내로의 상기 리벳의 삽입이 완료되기 전에 적어도 한 번 변경되며; 그리고
상기 리벳 공구는, 상기 리벳의 일부분의 원주 방향 주변부(periphery)에서 상기 리벳과 체결되는 회전 구동 요소를 통해 회전하도록 상기 리벳을 삽입한다.
상기 리벳은, 상기 공작물을 관통하기 위한 선단을 축 방향 일단에 포함할 수 있고, 상기 선단으로부터 길이 방향으로 연장하는 생크를 포함할 수 있으며, 상기 생크로부터 반경 방향 외측으로 연장하는 헤드(head)를 포함할 수 있다.
상기 리벳이 헤드를 갖는 경우, 상기 회전 구동 요소에 의해 체결되는 상기 리벳의 상기 일부분은 상기 헤드에 의해 정의된 반경 방향 가장자리 모서리(radially peripheral edge) 또는 표면을 포함할 수 있다. 대신에 또는 추가적으로, 상기 회전 구동 요소에 의해 체결되는 상기 리벳의 상기 일부분은 상기 헤드와 상기 생크 사이의 교차점에 필렛(fillet) 또는 모따기(chamfer)를 포함할 수 있다.
본 발명의 제8 측면에 따르면, 공작물에 리벳을 삽입하는 방법이 제공된다. 이 방법은, 리벳을 공작물(workpiece) 내로 삽입하기(driving) 위해 상기 리벳의 종축(longitudinal axis)을 따라 상기 리벳과 상기 공작물을 서로 상대적으로 이동시키는 단계를 포함하고,
상기 리벳이 상기 공작물에 접촉하는 시간의 적어도 일부 동안, 상기 공작물에 상대적으로, 상기 리벳은 그 종축을 중심으로 회전되고;
상기 회전의 속도, 또는 상기 리벳의 상기 종축을 따른 이동 속도는, 상기 공작물 내로의 상기 리벳의 삽입이 완료되기 전에 적어도 한 번 변경되며; 그리고
상기 리벳은 그것의 전체 축 방향 길이를 따라 연장하는 길이 방향 보어(bore)를 포함한다.
상기 리벳은 리벳 공구의 회전 구동 요소에 의해 회전되되, 상기 회전 구동 요소는 비 원형(non-circular) 단면을 갖는 상기 보어의 구멍의 구역(section)에 맞물릴 수 있다. 상기 보어의 상기 부분의 단면은, 예를 들어, 정사각형, 육각형 또는 난형(卵形, ovoid)일 수 있다.
상기 회전 구동 요소는 상기 리벳을 상기 공작물에 삽입하도록 상기 리벳에 축력(axial force)을 제공하는 펀치이고, 상기 펀치는 그로부터 돌출하는 상보적 형상의 구동 비트(driving bit)를 통해 상기 보어의 상기 구역에 맞물릴 수 있다.
상기 구동 비트는, 그것이 상기 펀치의 선단면(distal surface)으로부터 돌출하는 연장 위치와, 그것이 상기 펀치의 상기 선단면으로부터 감소된 정도로 돌출하거나 상기 펀치의 상기 선단면과 같은 높이인 후퇴 위치 사이에서 이동 가능할 수 있다.
상기 리벳은 그것의 종축을 따라 실질적으로 대칭일 수 있다.
상기 펀치는 상기 리벳의 축 방향 일단에 상기 축력을 인가하는 프로파일 선단(profiled tip)을 포함하고 상기 공작물에의 상기 리벳의 삽입 동안 상기 리벳의 그 단부를 변형시킬 수 있다.
본 발명의 제9 측면에 따르면, 공작물에 리벳을 삽입하는 방법이 제공된다. 이 방법은, 리벳을 공작물(workpiece) 내로 삽입하기(driving) 위해 상기 리벳의 종축(longitudinal axis)을 따라 상기 리벳과 상기 공작물을 서로 상대적으로 이동시키는 단계
를 포함하고,
상기 리벳이 상기 공작물에 접촉하는 시간의 적어도 일부 동안, 상기 공작물에 상대적으로, 상기 리벳은 그 종축을 중심으로 회전되고;
상기 회전의 속도, 또는 상기 리벳의 상기 종축을 따른 이동 속도는, 상기 공작물 내로의 상기 리벳의 삽입이 완료되기 전에 적어도 한 번 변경되며;
상기 리벳은, 상기 공작물을 관통하기 위한 선단을 축 방향 일단에 포함하고, 상기 선단으로부터 길이 방향으로 연장하는 생크를 포함하며, 상기 생크로부터 반경 방향 외측으로 연장하는 헤드(head)를 포함하며;
상기 헤드는 상기 선단을 향해 보는 밑면(underside)을 정의하며; 그리고
상기 리벳은 상기 헤드의 상기 밑면, 또는 그에 인접한 상기 생크의 일부분에 구비된 캐비티(cavity)를 포함하는데, 그 내부에 공작물 재료가 수용된다.
이러한 캐비티가 상기 생크 내에 구비되는 경우, 그것은 본 발명의 제1 측면에 따른 표면 요철을 구성할 수 있다.
공작물 재료는 상기 공작물로의 상기 리벳의 삽입 동안 상기 캐비티로 들어갈 수 있다.
대안적으로, 상기 캐비티는 만일의 사태에 대비하기 위해 제공될 수 있고, 상기 방법이 정확히 수행된다면 공작물 재료는 상기 캐비티에서 이격되어 유지된다.
본 발명의 제10 측면에 따르면, 공작물에 리벳을 삽입하는 방법이 제공된다. 이 방법은, 리벳을 공작물(workpiece) 내로 삽입하기(driving) 위해 상기 리벳의 종축(longitudinal axis)을 따라 상기 리벳과 상기 공작물을 서로 상대적으로 이동시키는 단계를 포함하고,
상기 리벳이 상기 공작물에 접촉하는 시간의 적어도 일부 동안, 상기 공작물에 상대적으로, 상기 리벳은 그 종축을 중심으로 회전되고;
상기 회전의 속도, 또는 상기 리벳의 상기 종축을 따른 이동 속도는, 상기 공작물 내로의 상기 리벳의 삽입이 완료되기 전에 적어도 한 번 변경되며;
상기 리벳은, 상기 공작물을 관통하기 위한 선단을 축 방향 일단에 포함하고, 상기 선단으로부터 길이 방향으로 연장하는 생크를 포함하며, 상기 생크로부터 반경 방향 외측으로 연장하는 헤드(head)를 포함하며; 그리고
상기 헤드에 가장 가까운 상기 리벳의 단부에 있는 상기 생크의 일부분은 상기 생크의 나머지 부분에 비해 더 큰 직경을 가진다.
상기 생크의 상기 일부분은 본 발명의 제1 측면에 따른 환형 원주 방향 돌기를 구성할 수 있다.
상기 생크의 상기 일부분은 실질적으로 원통형일 수 있다.
대안적으로, 상기 생크의 상기 일부분은 절단된 원뿔형(frustoconical)일 수 있다.
본 발명의 제11 측면에 따르면, 공작물에 리벳을 삽입하는 방법이 제공된다. 이 방법은, 리벳을 공작물(workpiece) 내로 삽입하기(driving) 위해 상기 리벳의 종축(longitudinal axis)을 따라 상기 리벳과 상기 공작물을 서로 상대적으로 이동시키는 단계를 포함하고,
상기 리벳이 상기 공작물에 접촉하는 시간의 적어도 일부 동안, 상기 공작물에 상대적으로, 상기 리벳은 그 종축을 중심으로 회전되고;
상기 회전의 속도, 또는 상기 리벳의 상기 종축을 따른 이동 속도는, 상기 공작물 내로의 상기 리벳의 삽입이 완료되기 전에 적어도 한 번 변경되며; 그리고
상기 공작물로의 상기 리벳의 삽입 전, 삽입 동안 또는 삽입 후 적어도 한 시점에 상기 공작물 및/또는 상기 리벳에 보조 가열(auxiliary heating)이 가해진다.
보조 가열은 상기 리벳과의 접촉을 통한 마찰 가열뿐만 아니라 또는 그 대신에 공작물 재료를 연화하도록 활용될 수 있다.
상기 보조 가열은 적어도 부분적으로 레이저 빔에 의해 제공될 수 있다.
대신에 또는 추가적으로, 상기 보조 가열은 적어도 부분적으로 초음파 에너지에 의해 제공될 수 있다.
상기 보조 가열이 적어도 부분적으로 초음파 에너지에 의해 제공되는 경우, 상기 리벳은 다이를 향해 상기 공작물에 삽입될 수 있고, 상기 초음파 에너지의 적어도 일부가 상기 다이에 의해 상기 공작물에 인가될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 초음파 에너지는 공구 노즈 또는 펀치에 의해 상기 공작물 및/또는 상기 리벳에 인가될 수 있다.
본 발명의 임의의 측면에서, 상기 리벳은 제2 회전 속도로 제2 공작물 층을 관통하기 전에 제1 회전 속도로 제1 공작물 층을 관통할 수 있다.
상기 제1 회전 속도는 상기 제2 회전 속도보다 높을 수 있다.
대안적으로, 상기 제1 회전 속도는 상기 제2 회전 속도보다 낮을 수 있다.
상기 리벳은 제2 축 방향 속도(axial speed)로 제2 공작물 층을 관통하기 전에 제1 축 방향 속도로 제1 공작물 층을 관통할 수 있다.
리벳이 제2 회전 속도로 제2 공작물 층을 관통하기 전에 제1 회전 속도로 제1 공작물 층을 관통하고, 제2 축 방향 속도(axial speed)로 제2 공작물 층을 관통하기 전에 제1 축 방향 속도로 제1 공작물 층을 관통하는 경우, 상기 제1 회전 속도로 관통되는 상기 제1 공작물 층은 상기 제1 축 방향 속도로 관통되는 상기 제1 공작물 층과 동일하거나 동일하지 않을 수 있다. 이와 유사하게, 상기 제2 회전 속도로 관통되는 상기 제2 공작물 층은 상기 제2 축 방향 속도로 관통되는 상기 제2 공작물 층과 동일하거나 동일하지 않을 수 있다.
상기 제1 축 방향 속도는 상기 제2 축 방향 속도보다 높을 수 있다.
대안적으로, 상기 제1 축 방향 속도는 상기 제2 축 방향 속도보다 낮을 수 있다.
상기 리벳은 실질적으로 영(zero)의 회전 속도로 상기 공작물의 적어도 일부를 관통할 수 있다.
실질적으로 영(zero)은 상기 리벳과 상기 공작물의 거동에 무시할 수 있을 정도의 영향을 미칠 정도로 충분히 낮은 영(zero)을 의미하는 것으로 간주될 수 있다.
실질적으로 영인 상기 속도는 전술한 상기 제1 회전 속도 또는 상기 제2 회전 속도일 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.
상기 리벳의 상기 회전 속도는, 상기 공작물 내로의 상기 리벳의 삽입이 완료되기 전에 적어도 두 번 변경될 수 있다.
상기 리벳의 상기 축 방향 속도는, 상기 공작물 내로의 상기 리벳의 삽입이 완료되기 전에 적어도 두 번 변경될 수 있다.
상기 (축 방향 또는 회전) 속도가 적어도 두 번 변경된다는 것이 상기 리벳이 세 개의 다른 축 방향/회전 속도로 이동하는 것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 리벳의 회전 또는 축 방향 속도가 한 번 변경되고 나서 그 속도를 초기값으로 되돌리기 위해 두 번째로 변경될 수 있다.
상기 리벳의 상기 축 방향 또는 회전 속도의 상기 변경들 또는 그 중 적어도 하나는 상기 공작물에 의해 상기 리벳에 인가되는 저항력들에 의해 야기될 수 있다.
예를 들어, 상기 리벳의 속도는, 공작물의 관통된 깊이가 증가함에 따라 (증가된 관통 깊이가 증가된 저항력을 야기할 수 있으므로), 상기 공작물의 층들의 재료의 성분에 무관하게, 또는 상기 리벳이 상기 공작물의 다른 층에 접촉함에 따라(이는 더 어려우므로 증가된 저항력을 제공함), 감쇠할 수 있다.
상기 리벳의 상기 회전 속도의 상기 변경들 또는 그 중 적어도 하나는 상기 리벳을 회전시키기 위해 상기 리벳에 인가되는 토크(torque)의 크기 변화에 의해 야기될 수 있다.
상기 리벳의 상기 축 방향 속도의 상기 변경들 또는 그 중 적어도 하나는 상기 리벳을 상기 공작물에 삽입하기 위해 상기 리벳 또는 상기 공작물에 인가되는 축력의 크기 변화에 의해 야기될 수 있다.
상기 리벳을 상기 공작물에 삽입하기 위해 인가되는 상기 축력은 일정할 수 있다.
상기 리벳의 상기 축 방향 또는 회전 속도의 상기 변화들 또는 그 중 하나는 상기 리벳이 상기 공작물 내의 다른 층들에 접촉하는 결과로서 발생할 수 있다.
상기 속도 변화들은 전술한 바와 같이 저항력들에 따른 것, 또는 능동 제어의 결과로 인한 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 리벳을 삽입하는 리벳 공구는 상기 공작물 내에서 상기 리벳의 위치를 감지하고 그에 대응하여 그것의 속도를 변경할 수 있다.
상기 공작물에 상대적인 상기 리벳의 축 방향 운동은 상기 공작물 내로의 상기 리벳의 삽입이 완료되기 전에 적어도 한 번 정지(paused)될 수 있다. 예를 들면, 상기 공작물에 상대적인 상기 리벳의 축 방향 운동은 상기 리벳이 상기 공작물의 한 층에 최초로 접촉할 때 정지될 수 있다. 상기 층은 상기 공작물의 상부 층일 수 있는데, 이 지점에서 상기 공작물에 상대적인 상기 리벳의 축 방향 운동은 상기 리벳이 상기 공작물에 최초로 접촉할 때 정지될 수 있다.
본 발명의 제12 측면에 의하면, 제품의 제조 방법이 제공된다. 이 방법은, 전술한 방법 중 임의의 방법을 이용하여 공작물의 두 개 이상의 층들을 함께 고정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제13 측면에 따르면, 본 발명의 제12 측면에 따른 방법을 이용하여 제조되는 제품이 제공된다.
본 발명의 제11 또는 제12 측면에서, 상기 제품은 오토바이, 자동차, 밴, 트럭(lorry) 또는 항공기와 같은 운송 수단일 수 있다.
본 발명의 제14 측면에 따르면, 본 발명의 제1, 제2, 제4, 제8, 제9 또는 제10 측면들 중 어느 하나의 특징들을 가지는 리벳이 제공된다.
본 발명의 측면들은 연성이 약 12.5 % 연신율 이하, 예를 들면 약 10 % 연신율 이하인, 하나 이상의 층을 가진 공작물과 함께 사용하기에 특히 적합할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 측면들은 마그네슘으로부터 형성된 공작물과 함께 사용하기에 특히 적합할 수 있다(마그네슘은 약 8 %의 연신율을 가질 수 있다 마그네슘). 본 발명의 측면들은 또한 최대 인장 강도가 약 1000 MPa 이상, 예를 들면 약 1,200MPa 이상인 하나 이상의 층을 가진 공작물과 함께 사용하기에 특히 적합할 수 있다.
첨부된 도면을 참조하여, 예시적으로서만, 본 발명의 구체적인 실시예들이 설명될 것이다:
도 1은 종래의 SPR 리벳의 측 단면도이다;
도 2는 종래의 다른 SPR 리벳의 측 단면도이다;
도 3은 종래의 또 다른 SPR 리벳의 측 단면도이다;
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 제1 실시예에 따른 방법에서의 단계들의 일련의 개략적인 측 단면도이다;
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 방법에 사용되는 장치의 일부의 개략적 인 측 단면도이다;
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 방법에 사용되는 장치의 일부의 개략적 인 측 단면도이다;
도 7a 내지 도 7c은 본 발명의 제4 실시예에 따른 방법의 단계들의 일련의 개략적인 측 단면도이다;
도 8은 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 리벳의 측면도이다;
도 9는 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 다른 리벳의 측면도이다;
도 10은 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 또 다른 리벳의 측면도이다;
도 1은 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 추가적인 리벳의 사시도이다;
도 12는 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 다른 리벳의 측면도이다;
도 13a 내지 도 13c는 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 리벳, 상기 리벳을 삽입하기에 적합한 공구의 일부, 및 상기 리벳을 이용하여 제조된 접합부의 일련의 개략 측면도이다;
도 14는 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 다른 리벳의 측면도이다;
도 15는 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 또 다른 리벳의 측 단면도이다;
도 16은 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 리벳의 일부분의 부분 절개도이다;
도 17은 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 추가적인 리벳의 측면도이다;
도 18은 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 리벳의 사시도이다;
도 19는 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 다른 리벳의 사시도이다;
도 20은 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 또 다른 리벳의 사시도이다;
도 21은 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 추가적인 리벳의 측 단면도이다;
도 22은 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 리벳의 사시도이다;
도 23은 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 다른 리벳의 측 단면도이다;
도 24a 내지 도 24c는 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 리벳과 상기 리벳을 삽입하기에 적합한 공구의 일부의 일련의 개략 측면도이다;
도 25는 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 또 다른 리벳의 측 단면도이다;
도 26a 내지 도 26c는 는 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 또 다른 리벳과 상기 리벳을 삽입하기에 적합한 공구의 일부의 일련의 개략 측면도이다;
도 27은 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 또 다른 리벳의 측면도이다;
도 28은 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 다른 리벳의 측면도이다;
도 29는 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 또 다른 리벳의 측면도이고;
도 30은 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 추가적인 리벳의 측면도이다;
도 31은 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 다른 리벳의 측면도이다.
이제 도면을 참조하면, 도 1은 종래의 셀프 피어싱 리벳(2)를 나타낸다. 리벳(2)은 종축(4)을 정의하는데, 하나의 축 방향 단부에 선단(6)이 있고, 다른 쪽 축 방향 단부에 헤드(8)가 있으며, 그들 사이로 실질적으로 원통형인 생크(10)가 연장한다. 또한 리벳(2)은 리벳 종축(4)과 실질적으로 동축인(coaxial) 보어(12)를 포함한다. 본 실시예에서 보어(12)는 선단(6)을 통해 생크(10)의 전체 길이를 따라 이어진다. 따라서 생크(10)는 반경 방향 내측 표면(14)과 반경 방향 외측 표면(16)을 정의하는데, 이들 각각의 형상은 실질적으로 원통형이다(그리고 종축(4)을 중심으로 실질적으로 원주 방향으로 배치된다). 리벳(2)의 선단(6)은 내측 테이퍼면(18)을 포함하는데, 이는 선단(6)에 환형 절단 테두리(annular cutting rim, 20)를 제공한다. 이 예에서, 내측 테이퍼면(18)은 약 140°의 각도로 생크(10)의 반경 방향 내측 표면(16)과 교차한다. 또한, 내측 테이퍼면(18)은 반경 방향 외측으로 충분히 연장하므로 테이퍼면(18)과 생크의 반경 방향 외측 표면(14)의 교차 지점에서 본 실시예의 절단 테두리(20)가 실질적으로 원주 방향인 절삭날(cutting edge)로 간주될 수 있다.
리벳(2)의 헤드(8)는 원주 방향 외측 주변부(periphery, 22)를 정의하는데, 이는 이 경우에 리벳 종축(4)을 중심으로 실질적으로 원주 방향으로 배치된 실질적으로 원통형인 표면의 형태를 취한다. 또한 헤드(8)는 리벳(2)의 선단(6)에 가장 가까운 헤드의 일측에 밑면(underside, 24)를 정의한다. 이 예에서, 밑면(24)은 필렛 교차 지점(filleted intersection, 26)에서 생크(10)의 반경 방향 외측 표면(14)과 만나는, 리벳 종축을 중심으로 실질적으로 원주 방향으로 배치된 절단된 원뿔형(frustoconical) 표면의 형태를 취한다. 헤드(8)는 가압면(28)을 또한 정의하는데, 리벳(2)을 공작물(미도시)에 삽입하도록 축력이 그곳에 인가될 수 있다.
이 예에서, 보어(12) 생크(10)의 전체 축 방향 길이를 따라 연장되므로, 생크는 실질적으로 튜브 형상(tubular)이다. 그러나, 다른 경우에, 보어(12)는 단지 부분적으로 생크(10)을 따라 연장할 수 있다. 그 경우, 보어(12)가 이어지는, 생크(10)의 일부분은 생크의 실질적으로 튜브 형상인 부분이라고 지칭될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 것과 유사한, 종래의 다른 SPR 리벳(2)을 도시한다. 그러나, 이 예에서, 리벳(2)의 선단(6)은, 도 1의 리벳에서 나타난 내측 테이퍼면(18)이 아니라, 외측 테이퍼면(30)을 포함한다. 외부 테이퍼면(30)은 생크(10)의 반경 방향 외측 표면(14)과 교차한다(이 경우 약 140°의 각도로). 또한, 도 1의 리벳의 절단 테두리(20)는 날카로운 모서리이지만, 도 2의 리벳(2)의 절단 테두리(20)은 리벳 종축(4)을 중심으로 실질적으로 원주 방향으로 배치된 환형 표면의 형태를 취한다. 또한, 이 예에서 리벳(2)의 헤드(8)의 밑면(24)은 필렛(filleted) 교차 지점(26)에 의해 완전히 정의된다. 또한, 헤드(8)의 원주 방향 외측 주변부(22)는, 원통형 표면에 의해서가 아니라, 환형 모서리에 의해 정의된다.
도 3은 종래의 또 다른 SPR 리벳(2)를 도시한다. 도 1 및 도 2의 리벳들과 달리 보어(12)는, 라운드진(rounded) 선단이 아니라, 테이퍼진(tapered) 선단(32)을 갖는다. 또한, 헤드(8)의 밑면(24)은 리벳 종축(4)을 중심으로 실질적으로 원주 방향으로 배치된 환형 표면의 형태를 취하고, 헤드의 밑면과 생크(10)의 원주 방향 외측 표면 사이의 접합부는 필렛 교차 지점을 포함하지 않는다. 또한, 리벳(2)의 선단(6)은 테이퍼면(각각 도 1 및 도 2의 도면부호 18, 30)을 가지지 않는다. 대신에, 절단 테두리(20)는, 리벳 종축(4)을 중심으로 실질적으로 원주 방향으로 배치되되 생크(10)의 반경 방향 외측 및 내측 표면들 사이에서 연장하는, 환형 표면의 형태를 취한다.
이하에서, 도 4a 내지 도 4e를 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 방법을 설명한다. 본 실시예는 (다른 제품의 제조에 사용될 수 있더라도) 자동차(motor vehicle) 제조 공정의 일부이다. 제1 실시예에서 공작물(46)은 마그네슘 합금으로 만들어진 자동차 새시의 일부인 제1 층(42)과, 종래의 성형 등급 알루미늄으로 만들어진 자동차 차체 패널의 일부인 제2 층(44)을 포함하되, 이들은 도 1에 도시된 종류의 리벳(2)을 삽입하여 함께 접합된다. 이 경우, 리벳(2)은 티타늄으로 만들어진다. 본 실시예에서 제2 층(44)은 '부가 층(additional layer)'의 일례이다. 리벳(2)은, 공구 노즈(50) 내에 상반되게 수용되는 펀치(48)와, 다이(52)를 포함하는 리벳 공구를 사용하여 삽입된다. 본 실시예에서 공구 노즈(50)는 실질적으로 튜브 형상이고 펀치(48)는 실질적으로 원통형이며, 공구 노즈와 펀치는 서로에 상대적으로 실질적으로 동축으로 배치된다. 다이(52)는 돌출부(pip, 54)와 환형 캐비티(56)를 포함한다. 돌출부(54)와 캐비티(56)는 또한 실질적으로 서로에 상대적으로 실질적으로 동축이다. 공구 노즈(50)는 펀치(48)에 탄성적으로 연결되어, 펀치가 축 방향으로 이동하면 공구 노즈가 그것과 함께 이동하는 경향이 있지만, 공구 노즈가 이동하는 것이 방지되면 펀치는 그것의 이동을 계속할 수 있다. 본 실시예의 공구 노즈(50)는 또한 그것의 말단(distal tip)에 온도 센서(57)를 갖는다.
이하의 설명에서, 지면에 상대적인 공작물의 공간적인 방향성에 무관하게, 공작물의 '상부(top)'는 리벳이 최초로 접촉하는 공작물의 부분이고 공작물의 '하부(bottom)'은 리벳을 마지막으로 접촉하는(즉, 이 경우 다이에 접촉하는) 부분이다. 예를 들어, 리벳은 아래로부터 공작물에 삽입될 수 있지만, 그럼에도 불구하고 '상부' 층에 최초로 접촉할 것이다.
공작물(46)의 층들(42, 44)을 접합하기 위해, 공작물은 다이(52)의 환형 지지면(57) 상에 배치되고, 리벳(2)은 공구 노즈(50) 내에 장착된다. 더 구체적으로, 이 경우 리벳(2)는 그것의 가압면(28)이 펀치(48)의 선단면(distal surface, 58)에 접촉하도록 장착되고, 공구 노즈(50) 및 펀치(48)와 실질적으로 동축이 되도록 배치된다. (펀치(48) 및 리벳(2)과 함께) 공구 노즈(50)는 다이(52)의 반대편에 배치된다. 따라서 공구 노즈(50), 펀치(48) 및 리벳(2)은 모두 다이(52)의 돌출부(54) 및 캐비티(56)와 실질적으로 동축이다. 펀치는 유압 실린더(미도시)의 형태인 액츄에이터에 의해 그것의 종축(이는 또한 공구 노즈(50) 및 리벳(2)의 종축임)을 따라 공작물(46)을 향해 전진되고, 공구 노즈는 그것과 함께 축 방향으로 이동한다. 공구 노즈(50)가 공작물(46)의 상부에 접촉하면 그것은 더 이상 이동할 수 없지만, 펀치는 공작물을 향해 계속 이동한다. 펀치(48)와 공구 노즈(50) 사이의 탄성적인 연결의 결과로, 펀치의 계속 이동은 공구 노즈를 공작물(46)에 대해 압박한다. 따라서 공작물은 다이(52)와 공구 노즈(50)의 선단(distal end) 사이의 위치에 유지된다. 펀치(48)의 선단면(58)이 리벳(2)의 가압면(28)에 접촉하므로, 펀치(48)가 공구 노즈(50) 내에서 공작물을 향해 축 방향으로 전진하면 리벳도 전진한다. 이는 도 4a에 도시된다. 펀치와 리벳은, 예를 들어 300mm/s의 축 방향 속도로, 공작물을 향해 전진한다.
리벳(2)이 공작물(46)의 상부 표면에 접촉할 때, 펀치(48)(및 나아가 리벳)의 축 방향 이동은 제어부에 의해 정지된다. 그러고 나서 리벳이 공작물(46)에 접촉하고 있는 동안 펀치(48)는 모터에 의해 공구 노즈(50) 내에서 그것의 종축을 중심으로 회전하도록 구동된다. 펀치(48)의 선단면(58)과 리벳(2)의 가압면(28) 사이의 마찰로 인해, 펀치가 회전할 때 리벳이 그것과 함께 회전한다. 따라서 펀치(48)는 리벳(2)과 마찰 체결된 회전 구동 요소로서 기능한다. 펀치는 회전 위치 인코더(rotary positional encoder, 미도시)에 의해 제어부(미도시)에 연결된다. 펀치가 일정한 속도로, 예를 들면 이 경우 6,000RPM으로, 회전하도록, 인코더를 통해, 제어부는 펀치의 속도를 모니터링하고 모터(미도시)의 속도를 조절한다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 리벳(2)이 공작물(46)의 표면에서 그 종축을 중심으로 회전함에 따라 리벳과 공작물 사이의 미끄럼 마찰에 의해 발생된 열은 리벳의 주위에서 공작물을 연화시킨다. 특히, 그것은 리벳의 조기 변형(또는 그 층의 갈라짐) 없이 리벳에 의해 관통될 정도로 충분히 연성이 있도록 제1 층(42)의 마그네슘을 연화시킨다. 제어부는 센서(57)를 이용하여 공작물(46)의 상부의 온도를 모니터링한다. 온도가 충분히 증가했을 때, 제어부는, 펀치(48)가 모터에 의해 회전되는 속도에 조정을 가함으로써 리벳(2)의 회전 속도를 변경한다. 더 구체적으로, 본 실시예세서, 펀치(48)의 속도, 및 나아가 리벳(2)의 속도는 500RPM으로 감소된다. 다음으로 제어부는 유압 실린더(미도시)의 작용 하에서 펀치(48) 및 리벳(2)의 축 방향 전진을 재개한다. 이 때, 리벳은, 예를 들면 200mm/s의 축 방향 속도로 이동한다.
도 4c에 도시된 바와 같이, 공작물(46)에 상대적인 리벳(2)의 계속 이동은, 리벳으로 하여금 공작물의 상부(즉, 제1 층(42))를 관통하기 시작하게 한다. 리벳(2)이 공작물(46)을 관통함에 따라, 공작물의 상부의 일부 공작물 재료(60)는 리벳(2)의 보어(12) 내측으로 압박된다. 또한, 리벳(2)에 의해 공작물(46)에 인가되는 축력은 일부 공작물 재료(62)가 다이(52)의 캐비티(56) 내측으로 압박되게 한다.
리벳(2)는 500RPM으로 회전하면서 공작물(46)을 계속 관통한다. 이 속도는 충분히 낮아서 무시할 정도의 추가 마찰열이 공급되지만, 리벳(2)이 축 방향으로 이동할 때 그것의 회전은 공작물 재료가 리벳에 부착하여 리벳에 의해 공작물(46) 내측으로 끌려 들어가려는 경향의 정도를 감소시킬 수 있다. 이는 바람직할 수 있는데, 그 이유는 공작물 재료가 리벳과 함께 끌려 내려가면 리벳을 둘러싸는 영역에서 공작물의 상부 표면에 심각한 압흔(indentation)이 생길 수 있고, 이는 심미적으로 바람직하지 않을 수 있거나 더 높은 수분 침투 가능성(이는, 이어서 접합부 영역의 산화를 일으킬 수 있음)을 제공할 수 있기 때문이다.
리벳(2)이 제2 공작물 층(44)에 접촉하는 지점까지 공작물(46)을 관통했을 때, 리벳의 축 방향 추가 이동은 그것이 업셋(upset)되게 한다. 제2 층(44)으로부터 캐비티(56)로 압입된 공작물 재료(62)는 돌출부(54)에 의해 반경 방향 외측을 향하게 된다. 리벳(2)의 선단(6)이 공작물의 이 부분까지 침투했으므로, 이 소성 유동은 선단으로 하여금 외측으로 플레어(flare)되게 함으로써 리벳을 업셋(upset)시킨다. 리벳(2)의 삽입 내내, 공작물 재료(60)는 리벳의 보어(12)를 따라 계속 올라간다.
도 4d에 도시된 바와 같이, 리벳(2)이 그 접촉면(28)이 공작물의 상부 표면과 같은 높이가 되는 지점에 도달하면, 공작물로의 리벳(2)의 삽입이 완료된다. 따라서 제어부(미도시)는 펀치(48)의 회전과 축 방향 전진을 중지시키고, 이에 리벳도 이동을 중지한다. 완료된 접합부에서, 리벳(2)의 보어(12)로 진입한 공작물 재료(60)는, 본 실시예에서 보어의 실질적인 전체 부피를 차지하는 '슬러그(slug)'(64)를 형성하고, 다이(52)의 캐비티(56) 내로 압입된 공작물 재료(62)는, (전술한) 리벳의 플레어된 선단(flared tip)을 둘러싸는(encapsulating) 업셋 고리(upset annulus, 66)를 형성한다.
도 4e에 도시된 바와 같이, 접합이 완료된 후 펀치(48)는 후퇴되고, 리벳(2)은 제자리에 남는다. 먼저, 공구 노즈(50)는 펀치(48)와의 탄성 연결로 인해 공작물에 압박된 채로 있지만, 펀치가 충분히 후퇴되었다면 공구 노즈는 그것과 함께 위로 이동하여 공작물의 표면으로부터 위로 이동한다. 다음으로 후속 리벳(2)이 공구 노즈(50) 내에 장착될 수 있으며, 다른 접합부가 생성될 수 있다(공작물(46) 상의 다른 위치, 또는 다른 공작물 상에).
이 실시예에서, 6,000RPM의 회전 속도는 제1 회전 속도의 일례로 간주될 수 있고 500RPM의 회전 속도는 제2 회전 속도의 일례로 간주될 수 있는데, 이 경우 제1 회전 속도가 제2 회전 속도보다 빠르다. 다른 회전 속도들이 사용될 수 있다.
본 실시예의 경우, 상부 층(42)에 가해지는 마찰 교반 가열이, 하부 층(44)이 많이 연화되지 않게 하부 층(44)의 온도를 아직 충분히 올리지 않도록, 리벳(2)에 의한 공작물(46)의 관통이 시작되는 시점은 제어부에 의해 선택된다. 이는 본 실시예에서 제2 공작물 층(44)이 종래의 SPR에 적합한 기계적 특성을 갖는 성형 등급 알루미늄으로 이루어지기 때문이다. 따라서 리벳(2)의 회전 속도의 변화는, 제2 공작물 층(44)이 많이 영향 받지 않고 SPR이 정상적으로(리벳(2)의 회전이 여전히 더 낮은 속도로 일어나더라도) 수행될 수 있도록 타이밍을 맞춘다. 리벳이 삽입되었을 때, 리벳의 회전 속도가 상부 층(42)을 연화시키기에 충분한 속도로 계속되어 왔다면, 하부 층(44)은 너무 연화되어 캐비티(56) 내로 유입하는 동안 리벳을 업셋시킬 수 없을 것이다.
본 실시예가 마그네슘 합금과 알루미늄을 접합하는 것을 언급하지만, 본 실시예는 다른 재료들을 접합하는 데 이용될 수 있다. 6,000RPM, 이서서 500RPM의 회전 속도가 위에서 언급되었지만, 다른 회전 속도들이 사용될 수 있다. 회전 속도들은 실험 테스트를 이용하여 재료들의 조합을 위해 선택될 수 있다.
이제 도 5를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 방법을 설명한다. 제2 실시예는 제1 실시예와 유사하므로 차이점만을 상세히 설명한다. 제2 실시예는 또한 (다른 제품의 제조에 사용될 수 있더라도) 자동차(motor vehicle) 제조 공정의 일부이다. 이 경우, 공작물(46)은, 고분자로 만들어진 단열 패널의 일부인 제1 층(42), 티타늄 합금으로 만들어진 자동차 차체 패널의 일부인 제2 층(44)는, 및 표준 등급 강철로 만들어진 자동차 새시의 일부인 제3 층(70)을 포함한다. 이 경우, 제1 층(42)은 상부 층이고 제3 층(70)은 하부 층이다. 리벳(2)은 또한 도 1과 관련하여 설명된 종류의 것이지만, 본 실시예에서 그것은 스테인레스 스틸로 만들어진다. 본 실시예에서 제1 층(42) 또는 제2 층(44) 중 어느 하나(둘 다는 아님)는 '추가 층(further layer)'를 구성하는 것으로 간주될 수 있으며, 제3 층(70)은 '부가 층(additional layer)'를 구성하는 것으로 간주될 수 있다.
본 실시예에서, 리벳 공구는 베어링들(74)에 의해 공구 노즈(50)에 회전 가능하게 장착되는 클램핑 와셔(clamping washer, 72)를 포함한다. 클램핑 와셔(72)는, 본 실시예에서 공구 노즈(50)(및 펀치(48))의 종축을 중심으로 실질적으로 원주 방향으로 배치되는 환형면(annular surface)의 형태를 취하는 가압면(76)을 포함한다. 본 실시예에서, 공작물(46)은, 제1 실시예의 경우에서와 같이 공구 노즈(50)에 직접 접촉하기보다는, 다이(52)의 지지면(57)과 클램핑 와셔(72)의 가압면(76) 사이의 위치에 유지된다. 또한, 제2 실시예는, 레이저(78)와 레이저(78)로부터 시준된(collimated) 광선(82)을 발산 광선(84)으로 확산시키도록 구성되는 렌즈(80) 형태의 보조 가열부를 포함한다.
이 실시예에서, 회전 구동 요소로서 기능하는 것은 펀치(48)가 아니라 공구 노즈(50)이다. 실제로, 이 실시예에서 펀치(48)는 공작물(46)에 상대적으로 회전할 수 없다. 리벳(2)이 공작물에 삽입되기 전에 공구 노즈(50)에 장착 될 때, 그것은, 리벳(이 경우 리벳의 헤드(8)의 원주 방향 주변부(22))과 억지 끼워 맞춤(interference fit)을 형성하는 크기로 된 공구 노즈(50)의 보어(86)에 삽입된다. 리벳(2)과 보어(86) 사이의 억지 끼워 맞춤(86)은 상당한 마찰 결합을 제공함으로써, 리벳과 공구 노즈가 일체로 회전하도록 공구 노즈(50)로 하여금 리벳(2)를 삽입할 수 있게 한다. 본 실시예에서 보어는 리벳(2)(이 경우 리벳의 헤드(8))의 원주 방향 주변부에 상보적인 형상을 가지지만, 적합한 억지 끼워 맞춤이 얻어지도록 하기 위해 꼭 이러할 필요는 없다. 억지 끼워 맞춤에 대한 대안으로서, 보어(86) 상에 제공된 상보적인 돌기들(features)과 맞물리는 축 방향 융기부들(ridges) 또는 홈들(grooves)이 리벳 헤드에 제공될 수 있다.
레이저(78)는, 다이(52)와 공구 노즈(50)가 (펀치(48) 및 리벳(2)과 함께) 접합부를 형성하는 위치로 이동되기 전에 공작물(즉, 제3 층(70))의 밑면(underside)를 가열하는데 사용된다. 발산 광선(84)은, 리벳 접합이 형성될 제3 층(70)의 일부분으로 향한다. 레이저의 에너지는, (후술하듯이) 반드시 발생하는 마찰 교반 가열의 총량을 감소시키기 위해 제3 층(70)을 가열한다. 제어부(미도시)는, 공작물(46)의 제3 층(70)의 온도를 간접적으로 모니터링하기 위해, 레이저(78)가 작동되는 기간을 모니터링한다. 제3 층(70)이 요구 온도에 도달했을 정도로 충분히 오래 레이저(78)가 작동해 왔다고 제어부가 판단하면, 레이저는 차단되고 공구 노즈(펀치(48) 및 리벳(2)과 함께)와 다이(52)는 접합부가 요구되는 공작물(46)의 일부분에 실질적으로 동일 선상으로(collinearly) 배치된다. 리벳은, 레이저의 작동 전, 작동 중, 또는 작동 후에 (그리고 공구 노즈의 배치 전, 배치 중 또는 배치 후에) 공구 노즈(50)에 장착될 수 있다.
리벳이 공구 노즈(50) 내부에 있고, 공구 노즈와 다이(52)가 제자리에 있을 때, 공구 노즈와 펀치(48)(따라서 또한 리벳(2))는, 예를 들어, 300mm/s의 내 속도로, 다이 위에 지지되는 공작물(46)을 향해 축 방향으로 전진된다. 이 실시예에서, 축 방향 이동은 전기 리니어 액추에이터(미도시), 또는 유압 실린더에 의해 생성된다. 클램핑 와셔(72)의 가압면(76)이 공작물(46)의 상부 표면에 접촉할 정도로 공구 노즈(50)가 충분히 전진했을 때, 전술한 바와 같이 그것은 공작물에 대해 고정된다. 본 실시예에서, 공구 노즈(50)와 펀치(48) 사이의 탄성 연결은, 단지 공작물(46)을 제 자리에 고정하기보다는, 펀치의 계속 이동 중 클램핑 와셔(72)와 다이(52) 사이에 공작물(46)을 클램프하도록 구성된다. 이 경우, 리벳(2)이 공작물(48)에 접하도록 펀치(48)가 공구 노즈(50) 내부에서 충분히 전진했을 때, 인가되는 클램핑 력(clamping force)은 3kN에 도달한다. 일부 경우들에서, 이러한 방식으로 공작물을 클램핑하는 것은, 그 내부에서 재료가 변형될 수 있는, 공작물(46)의 표면적을 제한함으로써 접합부의 품질을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 그것은, (전술한 바와 같이) 공작물이 리벳에 의해 끌려 내려가는 정도를 제한하는 데 도움이 될 수 있다.
리벳(2)이 공작물(46)에 접촉하면, 펀치의 축 방향 이동이 일시 정지된다. 그 시점에, 제어부(미도시)는 모터에 전력을 보내서 그것이 공구 노즈(50)에 2Nm의 토크를 인가하게 함으로써(제어부는 적절한 변환기(transducer)를 통해 공구 노즈에 인가되는 토크를 모니터링함), 공구 노즈가 예컨대 4,000RPM으로 회전하게 한다. 이는, 이어서, 리벳이 공작물의 표면에서 (같은 속도로) 회전하여 마찰 가열을 생성하도록 한다. 리벳(2)과 공작물(46) 사이의 마찰에 더하여, 펀치(48)가 회전하지 않으므로 펀치의 선단면(58)과 리벳(2)의 가압면(28) 사이에 상당한 마찰 가열이 존재한다. 이것이 리벳(2)를 가열하고, 리벳은 이 열의 일부를 공작물(4)에 전도함으로써, 공작물 재료를 연화시키는 데 걸리는 시간의 양을 줄인다. 또한, 리벳(2)이 가열되면 그것의 연성이 증가하므로, 필요할 때 충분히 플레어될 수 있다. 반면, 어떤 응용예들에서 이러한 가열이 없는 경우 리벳의 스테인레스 스틸 재료의 취성이 너무 커서 제대로 변행되지 않을 수도 있다(그러나, 다른 응용예들에서 스테인레스 스틸 리벳은 실온, 또는 공작물과 단독으로 마찰 접촉하여 도달된 온도에서, 충분한 연성을 가질 수 있다).
공구 노즈(50)가 회전하는 반면, 클램핑 와셔(72)는 회전하지 않는다는 것을 주목할 필요가 있다. 클램핑 와셔(72)를 공구 노즈(50)에 연결하는 베어링들(74)은 공구 노즈에 의해 클램핑 와셔에 인가되는 토크를 제한하고, 클램핑 와셔의 가압면(76)과 공작물(46) 사이의 마찰은 클램핑 와셔를 실질적으로 회전 고정 위치(rotationally static position)로 유지한다. 반면, 클램핑 와셔(72)가 공구 노즈(50)와 함께 회전되면 그것은 공작물 자체 내로 파고 들어감으로써 미학적이지 않고 잠재적로 더 약한 접합부를 생성할 수 있다.
리벳(2)이 먼저 회전하기 시작하면, 리벳과 공작물(46) 사이의 마찰, 리벳과 펀치(48) 사이의 마찰 및 베어링 내부의 마찰에 의해 리벳에 인가되는, 회전에 대한 저항은 공구 노즈(50)와 리벳의 회전 속도를, 이 경우 예를 들면 2,000RPM로 제한한다. 그러나, 공작물(46)의 상부가 가열되어 연화됨에 따라, 그것과 리벳 사이의 마찰 저항이 감소한다. 제어부는 공구 노즈(50)의 속도를 모니터링하고, 그 속도가 임계값, 이 경우 예를 들면 3,000RPM까지 증가하면, 펀치(48)는 리벳(2)을 공작물(46)에 대해 압박하기 시작한다. 이 경우, 제어부는 액추에이터를 제어하여 액추에이터가 2kN의 힘을 펀치(48)에 가하게 함으로써 (제어부는 스트레인 게이지와 같은 힘 변환기(force transducer)를 이용함으로써 펀치, 나아가 리벳이 받는 힘을 모니터링함) 리벳을 약 180mm/s로 제1 공작물 층의 고분자 재료에 삽입한다.
리벳이 제2 층(44)에 접촉하면, 리벳(2)이 받는 마찰 저항이 증가하는데 이는 제2 층(42)의 티타늄 재료가 제1 층(42)의 폴리머 재료보다 훨씬 단단하므로 연화되려면 더 높은 온도를 요구하기 때문이다. 이 저항의 증가는 리벳(2)과 공구 노즈(50)의 회전이 느려지게 한다. 이 변화는 제어부에 의해 감지된다. 이에 대응하여, 제어부는 리벳의 축 방향 이동을 일시 중지시키고 모터에 의해 공구 노즈(50)에 인가되는 토크를 5Nm로 증가시키는데, 이는 이어서 리벳(2)의 회전 속도를, 예컨대 5,000RPM으로 증가시킨다. 따라서 리벳(2)은 제2 층(44)의 상부 표면에서 회전함으로써, 이 층의 티타늄 재료를 연화하기 위해 필요한 추가적인 마찰 교반 가열을 위한 시간을 허용한다. 회전에 대한 저항이 다시 줄어들면, 제어부는 연관된 속도 증가를 감지하고 액추에이터가 1.5kN의 축 방향 힘을 인가하도록 제어함으로써 리벳(2)을 140mm/s의 축 방향 속도로 제2 층(44)에 삽입하기 시작한다.
리벳이 제3 층(70)에 도달할 때, 리벳(2)(나아가 공구 노즈(50))의 회전에 대한 저항은 다시 증가한다. 그러나, 이 때, 제어부는 공구 노즈(50)가 구동되는 토크를 변경하지 않는다. 결과적으로, 리벳의 회전 속도는 (이 경우 예컨대 3,000RPM으로) 감소한다. 그러나, 제3 층은 레이저(78)에 의해 가열되어 있기 때문에 (그리고 리벳을 업셋시키도록 이 층이 변형에 대한 일정 정도의 저항을 나타내도록 할 필요로 인해), 제3 층(70)이 SPR을 위해 충분히 연화되는 데에는 리벳(2)으로부터의 마찰 교반 열 입력은 거의 또는 전혀 필요 없다. 따라서 리벳은 제3 층(70)의 표면에서 일시 정지하지 않고 축 방향 이동을 계속하고, 실제로 제어부는 펀치에 인가되는 축력을 3kN으로 증가시킴으로써 리벳의 속도를, 예를 들면, 150mm/s로 증가시킨다. 제3 층(70)의 관통 중에, 전술한 바와 같이 공작물 재료는 다이(52)의 캐비티(56) 내측으로 변형하여 리벳(2)을 업셋시킨다.
본 실시예에서 180mm/s의 축 방향 속도는 제1 축 방향 속도로 간주될 수 있고 140mm/s의 축 방향 속도는 제2 축 "?? 속도로 간주될 수 있는데, 제1 축 방향 속도가 제2 축 방향 속도보다 크다. 용어 "제1 축 방향 속도" 및 "제2 축 방향 속도"는 축 방향 속도 및 후속 축 방향 속도를 구별하기 위한 것이다. 이 용어들은 제1 축 방향 속도 이전에는 축 방향 속도가 없다는 것을 의미하지 않으며 제1 축 방향 속도와 제2 축 방향 속도 사이에 아무 축 방향 속도도 없다는 것을 의미하지도 않는다. 마찬가지로, 본 실시예에서 4,000RPM의 회전 속도는 제1 회전 속도로 간주될 수 있고 2,000RPM 또는 3,000RPM의 속도는 제2 회전 속도로 간주될 수 있다(이 경우 제1 회전 속도는 제2 회전 속도보다 크다). 용어 "제1 회전 속도" 및 "제2 회전 속도"는 회전 속도와 후속 회전 속도를 구별하기 위한 것이다. 이 용어들은 제1 회전 속도 이전에는 회전 속도가 없다는 것을 의미하지 않으며 제1 회전 속도와 제2 회전 속도 사이에 아무 회전 속도도 없다는 것을 의미하지도 않는다.
마찰 교반 가열만으로 제3 층(70)을 연화시키는 것이 가능할 수는 있겠으나, 이를 효과적으로 수행하는 데 필요한 것인 리벳(2)의 회전 속도는 제1 층(42)에 악영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 그러한 속도로 회전하는 리벳은 제1 층(42)를 너무 가열함으로써, 이 층의 공작물 재료가 연화하기보다는 녹거나(이 시점에서 그것은 원심력 하에서 분산하여 접합부의 영역에 불충분한 재료를 남길 수 있음), 빛나게(catch light) 할 수 있다. 본 실시예는, 따라서, 제3 층(70)에 의해 요구되는 추가 가열이 레이저(78)에 의해 제공되도록 함으로써, 이러한 역효과의 위험을 최소화하기 위해, 제2 층(44)의 관통 후 리벳의 회전 속도를 감소시킨다.
본 실시예가 재료들의 특정 조합을 접합하는 것을 언급하지만, 본 실시예는 재료들의 다른 조합들을 접합하기 위해 사용될 수 있다. 재료들의 다른 조합들을 위해 적합한 회전 속도들이 실험적으로 결정될 수 있다.
이제 도 6을 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 방법을 설명한다. 제3 실시예는 또한 제1 실시예와 유사하므로, 차이점만을 여기에서 설명한다. 이 실시예에서 제1 층(42)는 탄소 섬유 복합재로 만들어진 자동차 차체 패널의 일부이고, 제2 층(46)은 성형 등급 알루미늄으로 만들어진 자동차 새시의 일부이다. 이 실시예는 (다른 실시예와 마찬가지로) 또한 다른 재료들 및/또는 다른 제품들을 위해 사용될 수 있고, 또는 리벳이 다른 적절한 재료(예를 들면, 스테인레스 또는 비-스테인레스 스틸, 마그네슘, 티타늄 또는 다른 등급 알루미늄)로 만들어질 수 있다.
본 실시예에서, 공구 노즈(50)는 (예를 들어, 서로 맞물린 마찰 또는 또는 상보적인 축 방향 돌기들로 인해) 리벳(2)에 맞물린 회전 구동 요소이다. 이 경우, 공구 노즈는, 리벳에 마찰 체결하는 네 개의 후퇴 가능한 클램프 조들(clamp jaws, 90)의 실질적으로 원주 방향 어레이를 갖는다. 조들(90)은, 그것들이 반경 방향 내측으로 돌출하여 리벳(2)을 파지하는 폐쇄 위치와, 그것들이 공구 노즈 내부에서 후퇴되는 개방 위치 사이에서 이동 가능하다. 공구 노즈(50)의 선단은 또한, 제어부(미도시)에 연결되는 힘 변환기(92)를 갖는다. 이 실시예에서, 펀치(48)는 자유롭게 회전 가능하다.
조들(90)을 개방한 채, 리벳(2)을 공구 노즈(50)에 장착하려면 리벳은, 전술한 바와 같이, 가압면(28)이 펀치(48)의 선단면(58)에 인접하도록 배치된다. 조들(90)은 그러면 폐쇄되고, 각각이 리벳의 필렛 교차지점(26)의 원주 방향 부분을 클램프한다(도 1에 더 상세히 도시됨). 클램프 조들(90)이 이 경사면에 작용할 때, 리벳(2)은 상측으로(즉, 공작물(46)에서 멀어지도록) 캠 작용을 받는(cammed upward) 경향이 있지만, 이것은 리벳(2)의 가압면(28)과 펀치(48)의 선단면(58) 사이의 접촉에 의해 방지된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 리벳(2)이 공구 노즈(50) 내에 장착되었을 때, 그것의 단부(6)는 공구 노즈의 선단으로부터 돌출한다. 본 실시예에서, 공작물(46)의 제1 층(42)의 두께와 실질적으로 동일한 거리만큼 리벳(2)은 공구 노즈(50)로부터 돌출한다.
제3 실시예는 다이(52)가 초음파 혼(ultrasonic horn, 94)의 일부라는 점에서 또한 제1 실시예와 상이하다. 초음파 혼(94)은 초음파 에너지 공급원(미도시)에 연결 가능하며, 그 공급원에 의해 생성된 초음파 에너지를 집중하고 이를 다이(52)을 통해 공작물(46)로 향하게 하는 역할을 한다. 그러므로 초음파 혼(94)과 초음파 에너지 공급원은 함께 보조 가열부를 형성한다. 이 실시예에서, 초음파 에너지 형태의 보조 가열은 공작물(46)에 공작물(46) 내로의 리벳(2)의 삽입 전과 삽입 내내 공작물(46)에 인가된다. 제어부는 초음파 에너지가 공작물(46)에 인가되어 왔던 기간을 모니터링하고, 초음파 에너지에 의해 공작물(46)의 온도가 충분히 증가한 것으로 판단하면, 펀치(48)(및 나아가 공구 노즈(50) 및 리벳)을 전진시키기 시작한다. 본 실시예에서, 펀치(48)(및 나아가 공구 노즈(50) 및 리벳(2))이 전진되면, 공작물에 최초로 접촉하는 것은 공구 노즈가 아니라 리벳(2)이다. 실제로, 공작물(46)의 제1 층(42)의 두께와 실질적으로 동일한 거리만큼 리벳(2)이 공구 노즈(50)로부터 돌출하기 때문에, 후술하는 바와 같이, 리벳이 제2 층(44)에 도달하면 공구 노즈는 공작물에 접촉하기만 한다.
리벳(2)이 공작물(46)을 향해 전진됨에 따라, 그것은 예를 들어 4,000RPM 의 속도로 회전하도록 (클램프 조들(90)을 통해 공구 노즈(50)에 의해) 구동된다. 펀치(48)의 선단면(58)과 리벳(2)의 가압면(28)의 사이의 마찰 때문에, 리벳이 펀치도 회전시킨다. 리벳이 제1 층(44)의 상부에 접촉하면, 이 층은 다이를 통해 인가되는 초음파 에너지에 의해 충분히 가열되었으므로 그것은 비교적 적은 마찰 교반 가열을 필요로 한다. 따라서 본 실시예에서 리벳(2)의 축 방향 이동이 공작물(46)의 표면 상에서 일시 정지할 필요가 없다. 대신, 펀치(48), 리벳(2) 및 공구 노즈(50)는 계속 전진하고 리벳은 지체 없이 공작물(46)를 관하기 시작한다. 이 층의 탄소 섬유가 연화되지는 않지만, 그것들이 고정되는 모체(matrix)는 연화됨으로써, 리벳이 일부 섬유를 절단하기보다는 이동시키도록 한다. 이는 마모의 정도를 감소시킨다.
리벳(2)이 제2 층(44)에 도달하면, 제어부는 힘 변환기(92)로부터, 공구 노즈(50)가 공작물에 접촉했음을 나타내는 피드백을 수신한다. 이 때, 제어부는 공구 노즈(50)의 회전을 정지시키고, 공구 노즈로부터 리벳을 분리하기 위해 클램프 조들(90)을 후퇴시킨다. 이 시간 동안 펀치(48)의 축 방향 전진은 계속되기는 하나 느려지므로 클램프 조들(90)이 공구 노즈에 상대적인 펀치(48)의 이동에 의해 손상되지 않는다. 이것은 또한 공구 노즈가 상당한 힘으로 공작물에 대해 압박되기 전에 정지하도록 보장하는데, 이는 전술한 바와 같이 공구 노즈가 공작물 내측으로 파고 들어가는 것을 방지한다. 리벳이 제2 층(46)에 삽입되었을 때 더 이상 회전하지 않으므로, 알루미늄 재료는 리벳이 업셋되기에 너무 연화되는 지점까지 가열되지 않는다. 이어서 접합이 완료되고 리벳이 업셋된다.
본 실시예에서 보조 가열에 의해 공작물이 연화됨에 따라 리벳이 공작물의 표면 상에서 일시 정지하지 않더라도, 이것이, 보조 가열이 이용될 때에만 리벳이 정지하지 않고 공작물 내측으로 전진한다는 것을 암시하고자 하는 것은 아니다. 다른 실시예들에서, 예를 들면, 축 방향 이동의 일시 정지가 필요 없을 정도로 마찰 교반 연화가 충분한 속도로 발생하도록, 리벳이 공작물에 접촉할 때 충분한 각속도를 가질 수도 있다.
이제 도 7을 참조하여 본 발명의 제4 실시예에 따른 방법에 대하여 설명한다. 본 실시예는 솔리드(solid) 리벳 방법이다. 그러나, 리벳의 양측에 확대 된 부분들을 생성하도록 리벳을 업셋함으로써 리벳과 공작물 사이의 기계적 연동(mechanical interlock)이 제공되는 종래의 솔리드 리벳 방법과 달리, 본 실시예에서는 리벳(2)이 전혀 변형되지 않는다. 실제로, 본 실시예의 리벳(2)은 세라믹 재료로 만들어지는데, 일반적으로 이는 파단이 일어나기 전에 상당한 정도로 변형될 수 없다. 또한, 본 실시예에서, 리벳이 미리 형성된 개구에 삽입되기보다는 공작물(46)이 리벳(2)에 의해 직접 관통된다.
전술한 SPR 리벳처럼, 본 실시예의 리벳(2)은 실질적으로 원통형의 생크(10), 환형 절단 테두리(annular cutting rim, 20)를 갖는 선단(6) 및 절단된 원뿔형 밑면(frustoconical underside, 24)를 갖는 헤드(8)를 포함한다. 그러나, 이 경우, 리벳(2)의 절단 테두리(20)는, 보어가 아니라 오목부(concavity)의 주변부를 따라 구비된다. 리벳은 또한 90도 간격으로 실질적으로 원주 방향 속도 어레이로 배열된, 네 개의 실질적으로 반경 방향 홈들(grooves, 102, 하나만 도시됨)의 형태인 구동 체결 돌기들을 헤드(80)에 포함한다. 홈들 또는 융기부들(ridges)의 다른 배열들이 사용될 수 있다.
리벳(2)은 또한 생크(10)의 반경 방향 외측 표면(14)에 표면 요철을 갖는다. 이 경우, 표면 요철은 길쭉하고 (개구의 일례인) 홈(104)의 형태를 취한다. 홈(104)은 실질적으로 원주 방향으로 배치되고 리벳 생크(10)의 전체 원주를 따라 이어진다. 따라서 그것은 형상이 환형이고(annular) 좁혀진 허리(즉, 감소된 직경을 가지는 부분)를 가진 리벳 생크(10)를 제공한다.
제4 실시예의 방법은, (이 방법이 다른 재료들 및/또는 제품들을 위해 사용될 수 있지만) 공작물(46)의 제1 및 제2 층들(42, 44)을 접합하는 방법으로서, 각 층은 성형 등급 알루미늄으로 만들어진 자동차 차체 패널의 일부이다. 본 실시예에서 사용되는 리벳 공구(48)는, SPR과 마찬가지로, 공구 노즈(50)와 그 내부에 상반되게 수용된 펀치(48)를 포함한다. 그러나, 이 경우, 펀치(48)는, 리벳(2)의 반경 방향 홈들(102) 내에 수용되도록, 네 개의 반경 방향 융기부들(106, 하나만 도시됨)의 실질적으로 환형 어레이를 포함한다. 또한, 본 실시예의 다이(52)은 코이닝(coining) 다이이다. 그것은 평평한 표면(108)을 포함하고, 그로부터 환형 립(annular lip, 112)이 상측으로 돌출한다. 립(112)은 다이(52)를 통해 보어(110)의 입구를 둘러싼다.
이전의 실시예들과 달리, 본 실시예에서 리벳(2)은 일정한 회전 속도, 예를 들어 6,000RPM으로 공작물(46)에 삽입된다. 또한, 펀치(48)의 직선 운동을 능동적으로 제어하는 대신, 제어부는 액추에이터(미도시)가 일정한 힘, 예를 들면 700N의 힘을 제공하도록 그것을 제어한다. 이에 따라 공작물 내로의 리벳(2)의 축 방향 이동은 선단(6)에 접촉하는 공작물 재료의 상태에 의해 결정될 수 있다. 리벳(2)이 공작물(46)에 접근함에 따라 리벳(2)는 회전된다. 리벳(2)이 공작물(46)에 접촉할 때, 상부 층(42)의 알루미늄 재료는 상온에 있고 따라서 연성이 불충분하다. 따라서 공작물(46)은 리벳(2)에 대한 축 방향 저항을 제공함으로써, 그것이 공작물에 삽입되는 것을 방지한다. 따라서 리벳(2)은 공작물(46)의 상부 표면 상에서 회전한다(spins). 공작물(46)의 상부 영역이 충분한 마찰 교반 연화를 겪었으면, 그것이 리벳(2)에 가하는 축 방향 저항의 양은 감소한다. 리벳(2)에 가해지는 하측 방향 축력이 리벳을 공작물(46)에 삽입하기 시작한다. 충분히 연화되지 않은 공작물(46)의 일부분에 리벳(2)이 접촉할 때 및 접촉함에 따라, 그것의 축 방향 운동이 느려지거나 정지함으로써, 필요한 마찰 가열이 일어날 시간을 제공한다.
공작물(46) 내로 리벳(2)이 이동함에 따라, 오목부 아래에 있는 공작물 재료의 부분은, 리벳과 함께 아래쪽으로 압박되는 슬러그(slug, 64)를 형성한다. 리벳이 공작물(46)을 완전히 관통했을 때, 슬러그는 리벳 선단(6)과 립(lip, 52) 사이에서 전단되고(sheared off) 보어(110)를 통해 낙하하여 폐기된다. 어떤 응용물들에서 공작물에서 슬러그(64)를 절단하는 것이 바람직한데, 이는 (예컨대 심미적 또는 공기역학적 이유로) 공작물의 밑면이 더 평평하도록(flush) 하기 위한 것이다. 이 단계에서의 슬러그(64)의 제거는 또한 그것이 나중에, 예컨대 완성된 제품의 조립 후에, 제거되는 것을 방지하는데, 그 시점에 슬러그(64)가 제품의 다른 구성 요소들을 손상시키거나 제품 내부에 느슨하게 남아 있어서 제품이 움직일 때마다 덜거덕거릴 수 있기 때문이다.
또한 리벳(2)이 공작물(46)을 관통함에 따라, 공작물의 하부 표면이 리벳(52)의 립(lip, 112)에 충분한 힘으로 압박되어 립이 공작물의 하부에 환형 압흔(indentation)을 생성한다. 이것은 공작물 재료를 하부 층(44)으로부터 홈(104) 내측으로 압박함으로써, 제2 층과 리벳(2) 사이에 연동(interlock)을 제공한다. 리벳의 헤드(8)가 제1 공작물 층(43)이 리벳에 상대적으로 위쪽으로 이동하는 것을 방지하고 홈 내의 재료가 하부 층(44)이 리벳에 상대적으로 아래쪽으로 이동하는 것을 방지하므로, 공작물 층들은 함께 고정되고 접합이 완료된다.
위에서 설명한 유형의 솔리드 리벳의 삽입은, 리벳(2)의 관통을 허용하고 리벳과의 기계적 연동(mechanical interlock)을 제공하기 위해서 공작물(46)의 소성 변형을 요구하기 때문에, 제1 내지 제3 실시예들에서 기술된 공작물 층들의 경도(hardness) 및 연성(ductility) 관점의 고려 사항들은 또한 이 기술에 관련이 있다. 그러므로, 솔리드 리벳(2)의 회전 속도 및/또는 축 방향 삽입 속도를 변경하는 것은 SPR에 관하여 설명된 이점들 중 하나 이상을 제공할 수 있다.
본 실시예에서 펀치(48)(리벳을 통해)와 공구 노즈(50)로부터의 힘에 의해 공작물(46)이 다이(52)의 립(112)에 압박되지만, 다른 실시예들에서 그것은 펀치에 의해서만 또는 공구 노즈에 의해서만 그렇게 압박될 수 있다. 또한, 다른 실시예들에서, 공작물(46)이 공구 노즈(50) 및/또는 펀치(48)에 의해 아래쪽으로 압박되는 대신 또는 그 뿐만 아니라, 다이(52)가 리벳 삽입 시간의 적어도 일부 동안 아래쪽으로 압박될 수 있다.
도 8은 전술한 실시예(와 전술한 실시예의 변형례들)에 사용하기에 적합한 대안적인 솔리드 리벳을 나타낸다. 도 8의 리벳(2)은 도 7의 리벳과 유사하게 선단(6), 생크(10) 및 반경 방향 홈들(102)을 가진 헤드(8)를 포함한다. 그러나, 도 8의 리벳은 오목부(concavity, 도 7의 도면부호 100)를 가지지 않는다. 대신에, 리벳(2)의 선단(6)은 리벳의 종축(4)에 실질적으로 수직으로 배치된 실질적으로 원형 표면의 형태를 취한다. 또한, 도 8의 리벳(2)의 홈 (104)은 폭이 충분해서 그것은 생크(10)의 대략 전체 축 방향 길이를 따라 연장하고, 헤드(8)의 밑면(24)과 교차한다. 도 8의 리벳(2)의 홈(104)의 더 큰 부피로 인해 도 7의 리벳의 그것과 비교할 때 더 큰 부피의 공작물 재료가 그것에 들어갈 수 있으므로, 공작물 층들(42, 44)과 리벳(2) 사이의 연동의 강도를 잠재적으로 증가시킨다.
전술한 바와 같이, 슬러그(64)의 거동을 제어하기 위해 리벳이 환형 절단 테두리(annular cutting rim)(도 7의 도면부호 20)을 갖는 것이 도움이 될 수 있지만, 일부 리벳 방법들은 (접합부가 형성되었을 때 공작물의 밑면을 연삭하는 것과 같은) 능동 슬러그 제거 단계를 포함하여, 그러한 특징이 불필요하게 한다.
도 9는 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 추가 리벳을 나타낸다. 이 리벳(2)은, 각각 (실질적으로 절단된 원뿔형(frustoconical)인) 반경 방향 돌기(120) 형태인, 두 개의 표면 요철들을 생크(10)의 반경 방향 외측 표면에 구비하는 점을 제외하면, 도 7a의 리벳과 유사하다. 이 경우, 돌기들(120)은 서로 실질적으로 원주 방향으로 대향하도록 배치된다. 돌출부들(120)은, 예들 들어 하부 공작물 층(44) 내측으로 돌출함으로써, 공작물(64)과의 기계적 연동을 제공할 수 있다. 또한, 리벳이 회전하면서 공작물(46)에 삽입될 때 돌기들은 교반 동작을 제공할 수 있다. 이러한 교반 동작은 두 개의 공작물 층들(42, 44)로부터의 연화된 재료를 혼합하도록 작용함으로써, 혼합 영역을 생성하고 마찰 교반 스폿 용접부를 형성한다. 그러한 용접부는 접합부에 보강 강도를 제공할 수도 있고, (예를 들면 도 9의 리벳(2)의 돌기들(120)이 공작물 층들(42, 44) 사이로 돌출하는 경우) 공작물 층들(44, 46)의 완전한(entire) 연결을 제공하기 위해 이용될 수 있다.
도 9의 리벳(2)이 서로 실질적으로 원주 방향으로 대향하도록 배치되는 두 개의 절단된 원뿔형 돌기들(120)을 포함하지만, 다른 리벳들은 다른 개수의 돌기들, 다른 형상의 돌기들, 및/또는 다른 개수의 돌기들(예컨대 1개, 3개, 4개 또는 더 많이)을 가질 수 있음을 이해하여야 한다. 다른 리벳들의 돌기들은 임의의 적절한 방식으로 배치될 수 있는데, 예컨대 (균일하게 또는 불균일하게 이격되는지에 상관 없이) 그것들은 실질적으로 원주 방향 환형 어레이로 구비될 수 있으며/있거나 리벳의 길이를 따라 다양한 축 방향 지점들에서 이격될 수 있다.
추가 솔리드 리벳(2)이 도 10에 도시된다. 다시, 이 리벳(2)은 도 7과 관련하여 설명된 것과 유사하다. 이 경우, 이 리벳(2)의 생크(10)는 실질적으로 직경 방향으로 대향하는 두 개의 원형 개구들(122)의 형태인 표면 요철들을 갖는다. 두 개구들(122)은 모두 실질적으로 정반대인 관통 구멍(124)에 의해 제공된다. 개구(122)는 리벳(2)의 삽입 중에 공작물 재료를 수용함으로써(이는, 예컨대 코이닝 다이에 의해 이동될 수 있음), 리벳(2)와 공작물 층들(42, 44) 사이의 연동을 제공한다.
도 9의 리벳(2)의 돌기들(120)처럼, 다른 리벳들은 다른 개수, 형태 또는 위치의 개구들을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 10의 리벳의 한 변형례에서, 개구들은 각각 별도의 블라인드 보어에 의해 제공될 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 사용하기에 적합한 SPR 리벳을 나타낸다. 도 7 내지 도 10의 솔리드 리벳들과 마찬가지로, 도 11의 SPR 리벳(2)은 그것의 생크의 반경 방향 외측 표면(14)에 표면 요철들을 포함한다. 이 예에서, 각 표면 요철은 홈(groove, 126) 형태의 길쭉한 개구이다. 각 홈(126)은 리벳(2)의 생크(10) 상에 실질적으로 종방향으로 배치된다. 도 11에서 알 수 있는 바와 같이, 홈들(126)은 종방향 길이가 서로 다르고, 리벳 생크(10) 주위로 실질적으로 원주 방향 어레이로 실질적으로 균등하게 배치되어 있다. 홈들(126)은 리벳(2)과 공작물 간의 필요한 연동을 개선(또는, 리벳이 업셋되지 않는 다른 실시예들에서는 제공)하고/하거나 전술한 교반 동작을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 사용하기에 적합한 추가 솔리드 리벳(2)이 도 12에 도시된다. 이 리벳(2)은, 이 리벳(2)의 생크(10)의 반경 방향 외측 표면의 표면 요철이 나선 형상으로 길쭉한 홈(128)의 형태를 취하는 점을 제외하면, 도 7과 관련하여 설명된 것과 유사하다. 이 홈(128)은 전술한 교반 동작 및/또는 기계적 연동을 제공할 수 있다. 또한 홈(128)의 나선형 특성은 공작물 재료로의 리벳(2)의 삽입 시 리벳이 회전할 때 스크류 나사산의 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 리벳(2)의 삽입 중에, 공작물 재료는 리벳의 선단(6)에 가장 가까운 홈(128)의 부분에 수용될 수 있다. 나사 삽입과 유사한 방식으로, 이 공작물 재료는, 리벳이 계속 회전함에 따라 리벳이 공작물 내측으로 더 압박되도록 할 수 있다. 대안적으로, 홈(128)과 같은 나선형 구조물들은 그 대신(또는 그 뿐만 아니라) 전술한 바와 같이 교반 동작을 제공하거나 기계적 연동을 제공하도록 작용할 수 있다. 예를 들어, 도 12의 리벳(12)은, 홈(128)이 스크류 나사산의 역할을 할 수 있게 하는 것에 반대 방향으로 회전하면서 공작물에 삽입될 수 있다.
이 예에서 리벳(2)이 단일 나선 홈(128)을 포함하지만, 다른 리벳들은 (예를 들어 이중 나선을 형성하는) 두 개 이상의 엮인 나선형 홈들(intertwined helical grooves)을 가질 수 있다. 또한, 이 예에서 홈(128)은 리벳 생크(10)의 두 개 이상의 완전한 회전을 완료하지만, 다른 실시예들은, 나선의 일부의 형상이되 리벳 생크 주위로 완전한 회전을 완료하지 않는 하나 이상의 홈들을 가질 수도 있다. 이러한 홈들은 나선형 원호 형상으로 간주될 수 있다.
도 13a는 본 발명과 함께 사용될 수 있는 추가 SPR을 도시하고, 도 13b는 리벳(2)을 공작물(46)에 삽입하기 위해 사용되는 리벳 공구의 구성 요소들을 도시하며, 도 13c는 이 리벳과 리벳 공구를 이용하여 형성되는 접합부를 도시한다. 도 13a 내지 도 13c의 리벳은 도 1의 것과 유사하므로 차이점만을 여기에서 설명한다. 도 7 내지 도 12의 리벳들과 마찬가지로, 이 리벳(2)은 표면 요철들을 가진다. 이 경우, 리벳(2)은 네 개의 표면 요철들(140a 내지 140d)을 갖는다. 각 표면 요철(140a 내지 140d)은 나선형 리브(helical rib, 즉 나선형의 길쭉한 돌기)의 형태를 취한다. 네 개의 나선형 리브들(140a 내지 140d)은 서로 엮여 있고 각 단부가 리벳(2)의 생크(10)를 둘러쌈으로써, 리벳 생크의 대략 1과 1/4 회전을 한다. 리브들(140a 내지 140d)은 도 12의 리벳의 홈과 관련하여 기술된 이점들 중 임의의 하나를 제공할 수 있다.
도 13a 내지 도 13c의 리벳(2)은 또한 헤드(8)가, 가압면(28)에 구비된 네 개의 실질적으로 반경 방향 홈들(142)의 형태인 체결 돌기들(engagement features)을 가지는 점에서 도 1의 그것과 다르다. 홈들(142)은 대략 90°의 간격으로 실질적으로 원주 방향 어레이로 배열되고, 각 홈(142)이 그것의 반경 방향 선단부를 향해 깊이가 테이퍼진다. 홈들(142)은 필립스(Philips) 드라이브 소켓에 유사하게 가압면(28)에 십자형 압흔을 공동으로 형성한다. 또한, 도 13a 내지 도 13c의 리벳(2)은, 그것의 내측 테이퍼면(18)이 아치형(arcuate)이므로 보어(12)에 트럼펫 형상의 입구(mouth)를 제공한다는 점에서, 도 1의 그것과 상이하다. 즉, 도 1의 리벳의 테이퍼면은 모따기(chamfer)인 반면, 도 13a 내지 도 13c의 리벳(2)의 테이퍼면(18)은 필렛(fillet)이다.
도 13b에 도시된 바와 같이, 리벳 헤드(8)의 가압면(128)의 홈들(142)은 펀치(48)의 선단면(58)의 상보적 형상이며 상보적으로 이격된 융기부들(ridges, 144)에 의해 각각 체결된다 (융기부들(144)은 필립스 드라이브 비트에 유사한 십자형 돌기를 공동으로 형성한다). 도 13b는 또한 도 4 내지 도 6의 그것과 약간 다른 구조의 SPR 다이(52)를 도시한다. 이들 도면에 도시된 다이들이 다이의 지지면(57) 뒤에서 약간 오목해진 돌출부(pip, 54)를 가지는데, 이 경우 돌출부(54)는 그 표면 위로 돌출한다. 또한, 도 13b의 다이의 캐비티(56)는 도 4 내지 도 6의 다이의 그것과 비교하여 감소된 깊이를 가진다.
도 13c는 이 리벳을 사용하여 제조된 접합부를 나타내고, 리벳(2)과 공작물(46) 사이의 연동이 리벳 생크(10)의 플레어(flaring)에 의해서뿐만 아니라 리브들(140a 내지 140c) 사이에 수용되는 공작물 재료에 의해서도 제공된다는 것을 나타낸다.
도 14는 본 발명의 실시예에 사용하기에 적합한 다른 리벳(2)를 나타내는데, 이 경우 솔리드 리벳이다. 이 리벳은, 그것이 각각 길쭉한 홈(144) 형태인 두 개의 표면 요철들을 포함한다는 사실을 제외하면, 도 7의 리벳과 유사하다. 홈들(144)은 그것들의 길이를 따라 만곡되어 있지만, 리벳 생크(10)의 주위에 나선형으로 배치되지 않는다. 대신, 각 홈(144)은 점근적 경로(asymptotic course)를 따른다.
도 7 내지 도 14의 리벳들은, 반경 방향 내측 표면을 정의하는 보어를 리벳이 포함하는, 그것들의 생크의 외측 표면 상에 표면 요철들을 포함하지만, 리벳은 이 반경 방향 내측 표면에 제공되는 하나 이상의 표면 요철들을 가질 수 있다. 도 15는 그러한 내측 표면 요철들을 포함하는 도 13a 내지 도 13c의 리벳의 변형례를 나타낸다. 더 구체적으로, 도 15의 리벳(2)은, 도 13a 내지 도 13c의 리벳에서도 발견되는 바와 같이, 나선형으로 배열된 리브들(140a, 140b)을 포함한다. 그러나, 이 경우, 리브들(140a, 140b)은 생크(10)의 반경 방향 내측 표면(16) 상에 제공된다. 이러한 나선형 리브들(140a, 140b)은 도 13a 내지 도 13c의 리브와 관련하여 설명된 기능을 제공할 수 있다. 도 15의 리벳(2)은 또한 원형 개구들(122)을 포함한다. 이러한 개구들(122) 각각은 생크(10)의 반경 방향 내측 및 외측 표면들(16, 14)을 통과하는 실질적으로 반경 방향 보어의 형태를 취한다. 개구부들(122)이 반경 방향 내측 및 외측 표면들(16, 14) 모두와 교차하기 때문에, 그것들은 내부 및 외부에 모두 배치되는 것으로(즉, 내측 표면과 외측 표면에 배치되는 것으로) 간주될 수 있다. 대안적인 구조에서, 각각의 개구(122)는 한 쌍의 블라인드 보어들에 의해 대체될 수 있는데, 하나는 반경 방향 외측 표면(14)에 있고 하나는 반경 방향 내측 표면에 있다(이 블라인드 보어들이 반드시 서로 정렬될 필요는 없다).
내부 표면 요철들은, 리벳(2) 삽입 동안 보어(12)에 도입되는 공작물 재료의 슬러그가 그 내부에 분명히(positively) 보유되도록 함으로써, 슬러그가 느슨해져서 최종 제품의 성능에 영향을 미칠 가능성(이는 전술한 바와 같다)을 최소화할 수 있다. 예를 들어, 도 15의 리벳(2)에서 슬러그로부터의 공작물 재료는 하나 이상의 개구들(122)의 일부분 및/또는 내측 나선형 리브들(140a, 140b) 사이의 공간의 일부분을 채울 수 있다. 이는 슬러그를 유지하도록 리벳(2)과 슬러그 사이의 연동(interlock)을 제공할 것이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 사용하기에 적합한 다른 SPR 리벳의 선단(6) 및 생크(10)를 도시한다. 이 리벳은, 도 13과 관련하여 설명된 형태의 나선형 리브들(140a, 140c)를 갖고, 또한 내측 원주 방향 홈들(104a, 104b)을 갖는다. 나선형 리브들(140a 내지 140c)은, 도 13과 관련하여 설명된 바와 같이 기능할 수 있고, 내측 원주 방향 홈들(104a, 104b)은 전술 한 바와 같이 공작물 재료의 슬러그를 유지하도록 동작할 수 있다. 도 16의 리벳의 보어(12)는 또한 어깨(146) 형태의 표면 요철을 포함하는데, 이는, 어깨 뒤쪽의 공간을 채우도록 보어(12) 내의 공작물 재료가 변형되면 리벳과 공작물 재료의 슬러그 사이의 연동을 제공하는 역할을 한다.
어떤 응용들에서는 리벳이 원주 방향 불연속 선단을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 원주 방향 불연속 선단은, 리벳의 종축에 수직한 평면에서, 그것의 원주를 따라 균일하지 않은 선단으로 간주될 수 있다. 원주 방향 불연속 선단을 가진 예시적인 리벳이 도 17에 도시된다. 이 리벳(2)은, 길이 방향 슬롯들(150)의 실질적으로 원주 방향 어레이를 가지는 점을 제외하면, 도 1의 것과 유사하다. 슬롯들(150)은 리벳(2)의 선단(6)까지, 그리고 생크(10)의 축 방향 길이의 약 70%를 따라 연장된다. 이 경우, 슬롯들(150)은 생크(10)의 반경 방향 외측 및 반경 방향 내측 표면들(14, 16) 모두와 교차한다. 즉, 그것들은 생크(10)의 원통형 부분의 전체 두께를 통해 반경 방향으로 연장한다.
원주 방향으로 불연속인 선단은, 리벳 선단이 공작물을 단지 이동시키기 보다는 절삭 또는 천공하여 공작물 내로 들어갈 수 있게 하는 점에서 유익할 수 있다. 원주 방향 불연속 선단(6)은, 생크(10)의 상당한 부분 내로 연장하는 길이 방향 슬롯들(150)에 의해 제공되므로, 또한 생크가 원주 방향으로 약해지는 점에서 유익할 수 있다. 이는 리벳을 업셋시키기 위해 공작물 재료의 소성 유동에 의해 제공되어야만 하는 힘의 양을 감소시킬 수 있다.
도 18은 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 다른 SPR 리벳(2)을 나타낸다. 도 17의 리벳과 마찬가지로, 도 18의 리벳(2)은 슬롯들(150)에 의해 제공되는 원주 방향 선단(6)을 포함한다. 그러나, 이 경우, 슬롯들(150)은 생크(10) 내측으로 길이 방향 단거리로(예컨대, 생크의 길이의 4분의 1 미만으로) 연장한다. 이는 생크의 강도를 유지함으로써, 그것이 조기 플레어 없이(without flaring prematurely) 더 단단한 공작물 재료를 관통할 수 있게 한다. 도 18의 리벳(2)은 또한 90°씩 증가하도록 배열된 네 개의 실질적으로 반경 방향 융기부들의 형태인 구동 체결 돌기들(152)을 포함한다. 이 융기부들(152)은 펀치 내의 실질적으로 반경 방향 대응 홈들 내에 수용되도록 구성된다.
도 19는 원주 방향 불연속 선단(6)을 가진 다른 SPR 리벳(2)을 도시한다. 이 경우, 원주 방향 불연속 선단은 실질적으로 균등-이격된 절삭 톱니(154)의 실질적으로 원주 방향 어레이에 의해 제공된다. 이 리벳(2)은 톱니에 실질적으로 피라미드형 궤적을 제공하는 내측 테이퍼면(18)과 외측 테이퍼면(30)을 갖는다. 이 방식으로 날카로운 점까지 오는 이 리벳의 톱니(154)는 특히 적극적인(aggressive) 동작을 제공할 수 있다. 그러나, 톱니는, 도 17 및 도 18의 리벳과 비교할 때, 특히 단단한 재료로의 삽입 동안 선단(6)의 변형이나 마모에 대한 저항이 덜할 수 있다.
도 20은 절삭 톱니(154)를 가진 또 다른 SPR 리벳(2)을 도시한다. 이 리벳의 톱니(teeth, 154)는 톱니(saw-teeth) 궤적을 가지는데, 리벳(2)이 회전하는 방향에 따라 절삭 동작의 적극성(aggressiveness)이 변경될 수 있게 한다. 특히, 리벳이 반시계 방향으로 회전된 경우보다 시계 방향으로 회전된 경우(헤드(8)의 상부에서 보았을 때) 더 적극적인 절삭 동작을 제공할 것이다. 도 20의 리벳(2)의 경우에는, 톱니가, 점보다는 실질적으로 반경 방향 선형 모서리로 종료된다. 이것은, 도 19의 리벳과 비교할 때, 리벳의 삽입시 마모나 변형에 대해 톱니가 더 많이 저항하도록 할 수 있다.
본 발명과 함께 사용하기에 적합한 또 다른 셀프 피어싱 리벳이 도 21에 도시된다. 이 리벳(2)의 원주 방향 불연속 선단(6)은 절단 테두리(20)의 방향성(orientation)에 의해 제공된다. 더 구체적으로, 전술한 리벳 구조들에서 선단이 그 리벳의 종축에 실질적으로 수직인 평면을 정의했던 반면, 이 경우 테두리(20)는 리벳 종축(4)에 대해 약 80°의 각도(162)로 배치되는 평면(160) 내에 있다. 도 21의 리벳(2)은 또한 도 17 내지 도 20의 리벳과 다른 종류의 구동 체결 돌기를 가진다. 이 경우, 리벳(2)의 헤드(8)는 실질적으로 육각형 단면을 가진 소켓(164)을 가지는데, 이는 펀치의 상보적 형상의 육각형 돌기를 수용하도록 구성된다.
원주 방향 불연속 선단(6)을 가진 다른 리벳(2)이 도 22에 도시된다. 이 경우, 리벳(2)은 당업자에게 친숙한 방식으로 맨드릴(mandrel, 172)을 당김으로써 변형되도록 구성되는 본체(170)를 가진, 블라인드 리벳이다. 이 경우, 리벳(2)의 원주 방향 불연속 선단(6)은 맨드릴(172)의 벌브(bulb, 174) 상에 제공되고, (본체(170)에 의해 제공되는) 생크(10)는 벌브(174)의 근위부(proximal portion, 176)(본체(170)를 업셋시키는 맨드릴(172)의 부분)에 의해 그로부터 이격된다. 선단(6)은 (본 실시예에서) 리벳(2)의 종축(미도시)에 의해 교차되는 점(173)까지 테이퍼되는 (외측) 테이퍼면(30)의 형태를 취한다. 이 리벳(2)의 테이퍼면은 깎여진다(faceted). 더 구체적으로, 테이퍼면(30)은 실질적으로 피라미드의 측면들의 형상으로 배열된 네 개의 면들(175)을 갖는다. 도 22의 리벳(2)은 또한, 회전 구동 요소의 그러브 나사(grub screw)에 의한 체결을 위해, 맨드릴 상에 제공되는 구동 체결 평평부(drive engagement flat, 178)를 가진다. 리벳(2)의 헤드(8)는 본체(170)에 의해 제공되고, 도 18과 관련하여 설명된 종류의 반경 방향 융기부들(152)을 갖는다.
도 23은 도 1의 리벳의 또 다른 변형례를 도시한다. 이 경우, 보어(12)는 리벳(2)의 전체 축 방향 길이에 걸쳐 연장된다. 이는 (보어의 단부를 지나 헤드에 의해 제공되는 임의의 기계적 지지를 제거함으로써) 리벳의 원주 방향 강도를 감소시킴으로써 생크가 더 쉽게 업셋될 수 있게 하는 점에서 유익할 수 있다. 완전한 튜브형 리벳은 또한 보어 내부의 공간이 덜 한정되는 점에서 유익할 수 있다. 보어 내의 공간이 너무 작으면, 보어가 채워졌을 때 추가 공작물 재료는 (보어 내측으로가 아니라) 리벳을 따라 아래쪽으로 이동되어 관통을 방해할 것이다.
도 24a 내지 도 24c는 도 23의 리벳의 변형례를 도시한다. 이 경우, 보어(12)는, 단면이 비원형인(non-circular), 보어의 일부분인 구동 체결부(190)를 포함한다. 이 경우, 구동 체결 보어부(190)는 선단(6)에 대향하여 보어(12)(나아가 리벳(2))의 축 방향 단부에 배치되지만, 다른 경우들에서 그것은 다르게 배치될 수 있다. 이 예에서, 구동 체결 보어부(190)는 단면 형상이 실질적으로 팔각형이다. 구동 체결 보어부(190)는 펀치(48)의 선단면(58) 상에 구비되는 상보형(complementarily-shaped) 구동 체결 돌기(192)의 형태인 구동 비트(driving bit)를 수용하도록 구성된다. 이는 도 24b에 도시된다. 공작물 재료가 실질적으로 보어의 전체 길이를 따라 보어(12)로 진입하는 것이 바람직한 경우, 예컨대 (전술한 바와 같이) 보어가 채워져 있어서 삽입에 대한 저항을 피하기 위해, 또는 완료된 접합부의 슬러그의 상부가 리벳의 가압면(28)과 실질적으로 동일한 평면에 있도록 하기 위해, 펀치(8)의 구동 체결 돌기(192)는 후퇴 가능할 수 있다. 이는 펀치(48)가 여전히 리벳(2)에 접촉하고 있는 동안 드라이브 체결 돌기(192)가 구동 체결 보어부(192)로부터 (적어도 부분적으로) 인출될 수 있게 한다. 더 구체적으로, 도 24c에 도시된 바와 같이, 구동 체결 돌기(192)는 그것이 펀치(48)의 선단면(58)과 높이가 같은 위치로 후퇴 가능할 수 있거나, 그것이 여전히 선단면(58)으로부터 돌출하되 감소된 정도로 돌출하는 위치로 후퇴 가능할 수 있다.
도 24a 내지 도 24c에서 구동 체결 보어부(190)가 나머지 부분 또는 보어(12)보다 직경이 크지만, 다른 실시예들에서 구동 체결 보어부는 직경이 더 작거나, 직경은 같지만 형상은 다를 수 있다는 점을 주목해야 한다. 또한, 다른 구조들에서 구동 체결 보어부(190)는 실질적으로 보어의 전체 길이로 연장될 수 있다.
또 다른 완전한 튜브형 리벳(즉, 그것의 전체 축 방향 길이를 따라 연장하는 보어를 가진 리벳)이 도 25에 도시된다. 이 리벳(2)은 그것의 종축(4)을 중심으로 실질적으로 대칭이다(즉, 그것의 종축에 수직인 평면 내에서 대칭이다). 리벳(2)의 축 방향 단부 중 어떤 것도 선단(6)으로 간주될 수 있는데 그 경우 그 단부의 테두리(rim, 20)가 공작물을 관통하는 데 사용되고 다른 쪽 단부의 테두리(20)가 리벳의 접촉면(28)으로 작용한다. 리벳(2)이 그것의 종축(4)을 중심으로 실질적으로 대칭이므로, 리벳의 어느 쪽 단부든 선단(6)으로 기능할 수 있도록 함으로써, 리벳 공구의 공구 노즈에 리벳이 어느 축 방향으로도 공급될 수 있는 점에서 유익하다. 반면, 리벳이 공작물을 관통하기에 적합한 하나의 단부를 가지는 경우, 리벳 공구는, 리벳 선단이 아래쪽을 향하도록 한 채 리벳이 공구 노즈 내에 장착되는 것을 보장하기 위해 배향 메커니즘(orientation mechanism)을 포함해야 할 수도 있다. 이러한 배향 메커니즘은 리벳 공구를 더 복잡하게 하고/하거나 부피가 더 커지게 할 수 있다.
도 26a 내지 도 26c는 도 25의 리벳(2)을 공작물(46)에 삽입하는 방법의 단계들을 도시한다. 전술한 실시예들의 리벳 공구와 마찬가지로, 이 예에서 공구는 펀치(48), 공구 노즈(50), 및 돌출부(54)와 캐비티(56)를 가진 다이(52)를 포함한다.
그러나, 이 경우 공구는 또한 한 쌍의 대치(counterposed) 지지 부재들(200)을 갖는다. 각각의 지지 부재는 리벳 생크(10)에 상보적 형상인 아치형 압흔(202)을 가지며, 생크의 일부분을 수용하도록 구성된다. 도 26의 공구는 또한 펀치(48)가 프로파일 선단(profiled tip)을 가지는 점에서 전술한 실시예들과 상이하다. 더 구체적으로, 펀치(48)의 선단면(58)은 그로부터 돌출하는 돔형(domed) 돌기(204)를 갖는다. 또한, 선행 실시예들에서 펀치(48)가 리벳과 실질적으로 동일한 직경을 가졌지만, 이 경우 펀치(48)는 리벳(2)보다 직경이 훨씬 크다.
공작물(46)에 리벳(2)를 삽입하기 위해, 리벳(2)이 지지 부재들(200) 사이에 장착된다. 공작물(46)의 하부 표면에 다이(52)를 배치하고 지지 부재들(200)을 상부 표면에 안착시킨 채, 리벳(2)은 펀치(48)(이는 리벳과 마찰 체결되는 회전 구동 요소로서 기능한다)에 의해 전진되고 회전된다.
리벳이 공작물의 제1 층(42)으로 삽입되는 동안, 그것이 지지 부재들(200)과 체결되므로 생크(10)가 반경 방향으로 지지되고 외측으로 변형되는 것이 방지된다. 그러나, 리벳(2)이 제2 층(44)에 도달할 때, 지지 부재들(200)은 서로 멀어지도록 이동함으로써, 그것들의 압흔들(202)을 리벳(2)의 생크(10)로부터 분리한다. 이는 펀치(48)가 지지 부재들(200)의 사이를 통과하는 공간을 제공한다. 또한, 그것은 돌기(204)의 작용 하에서 리벳(2)의 상단(즉, 선단(6)에 대향하는 리벳의 축 방향 단부)이 외측으로 플레어되도록(flared outwards) 하는 공간을 제공한다. 이는 리벳(2)의 상단과 공작물(46)의 상부 층(42) 사이의 연동을 제공한다. 동시에, 하부 층(44) 내의 공작물 재료의 소성 유동이, 전술한 바와 같이, 리벳의 선단(6)을 플레어시킨다. 이는 도 26c에 도시된다.
이 경우 서로 대향하는 두 개의 지지 부재들(200)이 리벳(2) 조기 겹침(premature layering)을 방지하기 위해 사용되지만, 다른 실시예들은 다른 방식으로 리벳을 지지할 수 있다. 예를 들어, 다른 실시예들은 다른 개수의 지지 부재들(200)(예컨대 세 개, 네 개, 또는 더 많은 지지 부재들)을 사용할 수 있고, 지지 부재들은 임의의 다른 적합한 구성으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 다른 실시예에서 네 개의 지지 부재들이 사용될 수 있는데, 지지 부재들은 리벳 주변의 다른 원주 방향 위치들에 배치된다. 도 26의 실시예의 다른 변형례에서, 리벳의 생크는 지지 부재들에 의해 전혀 지지되지 않을 수 있다. 예를 들어, 리벳의 구조(geometry)는, 지지 없이 리벳의 상단이 어느 정도 변형되지만 리벳은 여전히 공작물(46)을 효과적으로 관통할 수 있도록 되어 있을 수도 있다. 지지 부재들이 사용되는 경우, 이들은 임의의 다른 적절한 시간에 리벳으로부터 분리될 수 있다. 지지 부재들은 또한 서로 다른 모양일 수 있다. 예를 들어, 그것들은, 압흔을 갖기보다, 리벳에 접촉하는 평평면을 가질 수 있고, 또는 다른 형태의 압흔을 가질 수도 있다. 지지 부재들은, 존재하는 경우, 서로 실질적으로 동일하거나 동일하지 않을 수 있다.
리벳 공구가, 그 종축을 따라 실질적으로 대칭인 리벳의 단부를 변형하기 위한 프로파일 선단(profiled tip)을 가진 펀치를 가지는 다른 구조들에서, 프로파일 선단은, 돔형 돌기가 아니라, 펀치의 선단면으로부터 돌출하는 원뿔형 또는 피라미드형(또는 절단된 원뿔형 또는 절단된 피라미드형) 돌기를 포함할 수 있거나, 펀치의 전체 선단부(distal end)가 그러한 형상을 취할 수 있다. 대안적으로, 펀치 선단은 임의의 다른 적합한 방식으로 프로파일될 수 있다.
공작물에의 리벳의 삽입 동안, 일부 공작물 재료는 공작물의 원래 상부 표면 위로, 위쪽으로 압박될 수 있다. 또한, 리벳이 절삭 또는 천공 동작을 통해 공작물을 관통하는 경우, 그것은 부스러기(swarf)를 생성할 수 있다. 전술한 바와 같이, 공작물 슬러그의 보유(retention)와 유사한 이유로, 일부 응용예들에서 이 재료가 나중에 분리될 가능성을 제공하기 보다는, 그것을 분명히(positively) 보유하는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 이 재료를 보유하기 위해, 리벳들의 헤드의 밑면에, 또는 그에 인접한 그것들의 생크의 일부에 하나 이상의 캐비티를 리벳들에 제공할 수 있다. 도 27 내지 도 29은 세 개의 그러한 리벳들을 도시하는데, 이 경우 SPR 리벳들이다.
도 27의 리벳(2)은 그것의 헤드(8)의 밑면(24)에 제공되는 환형 캐비티(210)를 포함하고, 도 28의 리벳(2)은 헤드(8)의 밑면(24)에 인접한 생크(10)의 일부분에 배치된 환형 캐비티(210)를 포함한다. 도 29는 헤드(8)의 밑면(24)과 그에 인접한 생크(10)의 일부분 사이의 교차점에 배치된 환형 캐비티를 갖는 리벳(2)을 도시한다. 도 29의 캐비티(210)는 대신에, 하나는 헤드(8)에 다른 하나는 생크(10)에 있는 두 개의 결합된(conjoined) 캐비티들이라고 간주될 수 있다.
리벳들(2) 각각의 캐비티들(210)은 실질적으로 원주 방향으로 배치된다. 그러나, 다른 실시예들에서 그것들은 임의의 다른 적당한 방법으로 배치될 수 있다. 또한, 다른 리벳들은 환형이 아닌, 공작물 재료를 보유하기 위한 캐비티들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나의 그러한 리벳은 세 개의 개별 캐비티들의 원주 방향 어레이를 포함할 수 있다. 도 27 및 도 28에 도시된 것들과 같은 리벳들은 리벳의 밑면(24)이 공작물의 상부 표면에 접촉하도록 공작물에 삽입될 수 있는데, 이는 공작물을 더 완전하게 보유할 수 있게 한다(재료가 헤드에 의해 이동되지 않기 때문임). 대안적으로, 그것은, 그것의 가압면(28)이 공작물과 실질적으로 같은 높이가 되도록 공작물에 삽입될 수 있는데, 이는 접합부의 영역에 더 매끄러운 표면을 생성할 수 있다.
일부 응용예들에서, 리벳의 삽입 중에 공작물의 상부 층 또는 층들은 종래의 리벳의 생크에 비해 큰 직경을 갖는 구멍을 남길 수 있다. 예를 들어, 공작물의 상부 층들이 다른 층들 중 하나에 비해 상당히 더 연성을 가지는 경우, 그것은 과연화(oversoftened)될 수 있고(예컨대 용융될 수 있다) 원심력에 의해 리벳으로부터 멀어지도록 외측으로 압박될 수 있다. 이는 리벳과 공작물의 상부 층 사이에 틈을 제공할 수 있는데, 이는 미학적이지 않고/않거나 수분의 침투를 위한 경로를 제공할 수도 있다. 따라서, 생크의 나머지 부분보다 반경 방향으로 더 큰 그것의 헤드 단부에 그것의 생크의 일부분을 가지는 리벳을 이용하는 것이 바람직할 수 있다. 도 30 및 도 31은 두 개의 그러한 리벳들을 도시한다. 도 30의 리벳(2)은, 선단(6)에 인접한 제1 생크부(10a) 및 헤드(8)에 인접한 제2 생크부(10b)를 포함하는 단차 생크(stepped shank, 10)를 갖는다. 제2 생크부(10b)의 직경은 제1 생크부(10a)의 그것보다 크므로, 공작물의 상부 층 또는 층들이 제1 생크 부 (10a)에 의해 관통될 때 리벳으로부터 멀어지도록 확장하면, 생성된 확장 구멍은 제2 생크부(10b)에 의해 채워질 수 있다. 도 31의 리벳(2)은 헤드(8)로부터 선단(6)까지 연속적으로 테이퍼지는 생크(10)를 포함한다. 도 30의 리벳과 유사한 방식으로, 리벳의 헤드 단부에 있는 생크(10)의 일부분은 선단 끝에 있는 생크의 일부분보다 직경이 큰 상부 층(들)의 구멍을 채울 수 있다.
첨부된 청구범위에 의해 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 전술한 실시예들에 대한 다양한 변경들이 이루어질 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들면, 다이와 공구 노즈 사이에 공작물을 클램핑하는 것이 단지 특정 실시예와 관련하여 기술되었지만, 그것은 임의의 다른 적절한 실시예에서 동등하게 사용될 수 있다. 또한, 공작물의 보조 가열이 마찰 교반 가열을 보강하는 것으로 기술되었지만, 다른 실시예들에서 임의의 상당한 마찰 교반 가열을 일으키기에 불충분한 회전 속도로 리벳이 공작물에 삽입될 수 있는데, 그 때 공작물을 연화시키는 데 필요한 공작물의 온도의 실질적인 모든 증가는 보조 가열에 의해 발생될 수 있다. 본 발명의 임의의 실시예에서, 보조 가열은 (존재하는 경우) 초음파 에너지의 인가, 레이저의 사용, 전자기 유도의 사용, 또는 가열 코일 또는 가스 버너와 같은 복사나 대류 가열 요소의 사용과 같은 임의의 적합한 형태를 취할 수 있다. 또한, 하나 이상의 유형의 보조 가열이 한 실시예에서 (다른 시간에 또는 동시에) 이용될 수 있다.
다이와 펀치 및/또는 공구 노즈를 이용하는 본 발명의 임의의 실시예에서, 다이와 펀치 및/또는 공구 노즈는 C-프레임과 같은 힘 반응 프레임(force reaction frame) 상에 서로 대향하도록 장착될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들이 SPR 리벳팅에 관련되고 다른 것들은 솔리드 리벳팅에 관련되지만, SPR과 관련하여 설명된 하나 이상의 특징은 또한 솔리드 리벳팅과 관련하여 존재할 수 있고, 그 역도 성립한다는 것을 이해해야 한다. 이와 유사하게, 블라인드 리벳의 삽입은 또한 리벱 삽입의 회전 및/또는 축 방향 속도의 변화를 가지는 마찰 교반 연화를 이용할 수 있으므로, 본 발명의 하나 이상의 측면들(및 임의의 적절한 선택적 특징들)은 블라인드 리벳 공정에 의해 구현될 수 있다. 이 경우, 그 방법은, 리벳을 업셋시키기 위해, 공작물에 삽입된 블라인드 리벳의 맨드릴을 그 블라인드 리벳의 본체에 상대적으로 이동시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 블라인드 리벳의 구조(anatomy) 및 (본 발명에 따른 방법을 사용하여 공작물에 삽입한 후) 그 블라인드 리벳의 업셋은 통상의 기술자에게 명백할 것이다.
보조 가열의 특정 유형들, 즉 레이저의 사용과 초음파 에너지의 사용이, 특정 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 이러한 유형의 보조 난방(또는 임의의 다른 것)은 본 발명의 임의의 측면의 임의의 실시예와 관련하여 이용될 수 있다.
전술한 실시예들은 자동차의 제조에 관련되지만, 본 발명의 실시예들은 임의의 다른 적절한 제품들의 제조에 사용될 수 있다. 이러한 제품들은 산업 기계, 에어컨 시스템, 도로 표지판, 기계적 지지 구조물, 물 탱크 및 곡물 사일로를 포함한다.
리벳이 보어를 갖는 본 발명의 임의의 실시예에서, 보어는 블라인드 보어 또는 관통 보어(through bore)일 수 있다. 그것은 단면이 실질적으로 원형일 수 있으며, 또는 임의의 다른 적절한 단면 형상을 가질 수 있다. 보어는 리벳의 종축에 평행할 수 있는데, 예를 들면 그것과 동일 선상에 있을 수 있다. 보어는 직경 및/또는 그 길이를 따른 단면 형상이 변경되거나 변경되지 않을 수 있다.
본 발명의 제2 및 제3 실시예들(즉, 공구 노즈가 회전 구동 요소로 기능하는 것들)이 공구 노즈가 리벳의 원주 방향 주변부에서 리벳에 마찰 체결한다고 기술하였지만, 다른 실시예들에서, 공구 노즈는 리벳의 다른 부분과 체결되고/되거나 마찰을 통해 리벳에 체결되지 않을 수 있다. 이와 유사하게, 리벳은 그것의 주변부에, 비마찰적으로(non-frictionally) 및/또는 공구 노즈가 아닌 리벳 공구의 구성 요소에 의해 체결될 수 있다. 예시적으로, 리벳은 비원형(non-circular) 헤드(예컨대 팔각형 헤드)를 가질 수 있고, 노즈 피스(nose piece) 내의 상보적 형상의 보어(예컨대 팔각형 보어, 정사각형 보어) 내에 수용될 수 있다. 이 경우, 리벳은 공구 노즈에 의해 비마찰적으로 체결될 것이다. 다른 예를 들자면, 리벳은 단면이 비원형이고 펀치 내의 상보적 형상의 소켓 내에 수용되는 헤드를 포함할 수 있다 (예컨대 리벳 헤드는 오각형이고 펀치 내의 오각형 소켓에 수용될 수 있다). 이 경우, 리벳은 그것의 원주 방향 주변부에서 체결될 수 있지만, 비마찰적으로 체결될 수 있고 공구 노즈에 의해 체결되지 않을 것이다.
여기서 금속에 관한 언급이 그 금속의 합금들을 포함하는 것을 의도한다는 점을 이해해야 한다. 제2 실시예에서 (이 예에서, 클램핑 와셔 상에 구비되는) 리벳 공구의 가압면이, 그것이 베어링들에 의해 공구 노즈에 장착되므로 공구 노즈에 상대적으로 자유 회전 가능하지만, 다른 실시예들에서 가압면은, 가압면과 공구 노즈 사이의 상대 회전이 억제되는 대안적인 방법으로 공구 노즈에 체결될 수 있다. 이는 마찰열을 생성하도록 가압면이 공작물의 표면에서 어느 정도 회전하도록 압박될 수 있다는 점에서 유리할 수 있다.
지지 부재들은, 종축을 따라 실질적으로 대칭인 리벳을 지지하는 것과 관련하여 설명되었지만, 그들은 다른 실시예들에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 그것들은, 전술한 바와 같이 감소된 강도를 보상하기 위해(또는 헤드의 반경을 증가시키도록 프로파일 펀치(profiled punch)에 의해 헤드에서 변형되는 리벳인 경우), 완전히 튜브 형상이지만 헤드부를 가지는 리벳을 지지할 수 있다. 또한, 그것들은 임의의 다른 유형의 리벳을 지지하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 비교적 연성인 리벳이 사용될 수 있는데(예컨대 부식 저항성을 위해), 그 리벳의 감소된 컬럼 강도(column strength)는 지지 부재들로부터의 지지에 의해 보상된다.
솔리드 리벳팅과 관련하여, 전술한 솔리드 리벳들 각각은 반경 방향으로 확장된 헤드를 포함하지만, 다른 실시예들에서 솔리드 리벳이 그러한 헤드를 포함하지 않을 수 있다. 이 경우, 리벳과 공작물 층들 사이의 기계적 연동은 표면 요철들 내로의 또는 그 주위에서의 공작물 재료의 변형에 의해 완전히 발생될 수 있다(예컨대, 리벳은, 하나가 상부 공작물 층으로부터 재료를 수용하고 다른 하나는 하부 공작물 층으로부터 재료를 수용하는, 두 개의 홈들을 포함할 수 있다).
전술한 실시예들에서 특정 형식의 다이들이 설명되었지만, 본 발명의 다른 실시예들은 다른 형태의 다이를 이용할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예는 평평한 표면을 포함하는 다이, 돌출부(pip)가 없는 오목부를 가진 다이, 오목부가 없는 돌출부(pip)를 가진 다이, 볼록 지지부(convex support service)를 가진 다이 또는 임의의 다른 적절한 형상의 다이를 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 일부 실시예들(예를 들어 블라인드 리벳을 활용하는 것들)에서 다이가 사용되지 않을 수도 있다.
일부 실시예들에서, 특정 형상의 다이는, 다른 재료들을 포함하거나 다른 리벳들을 사용하는 몇 몇 다른 리벳 공정들(예컨대 다른 두께의 공작물들의 접합)에서 사용될 수 있다. 예컨대, 축 방향 길이가 10mm인 리벳들이 총 두께 8mm 또는 12mm인 공작물들을 접합하기 위해 동일한 다이와 함께 사용될 수 있다. 두께 12mm인 공작물의 경우, 공작물 재료가 다이의 캐비티의 전체 깊이까지 캐비티에 들어가지 않거나 리벳 자체가 캐비티에 들어가지 않더라도 다이의 돌출부(pip)는 여전히 리벳을 완전히 업셋시키기에 충분하도록 공작물 재료의 소성 유동을 안내 가능할 수 있다. 두께 8mm인 공작물의 경우 공작물 재료는 증가된 깊이로 캐비티에 들어감으로써, 리벳 선단이 완전히 둘러싸인 채 캐비티에 들어갈 수 있게 할 수도 있다.
SPR이, 공작물의 하부 층 내측으로 업셋되어 공작물 내부에서 둘러싸이는 리벳과 관련하여 설명되었지만, 다른 형태의 리벳팅에서 리벳은 공작물을 완전히 관통할 수 있다. 예를 들어, 리벳은, 공작물의 하부 표면 아래에서 생크의 선단부를 플레어시키도록 다이에 의해 업셋되기 전에, 상당한 정도로 변형되지 않고 공작물을 완전히 관통할 수 있다. 이는, 리벳이 그 내부에서 업셋되기에는 연성이 충분하지 않은 하부 층을 가진 공작물들을 리벳할 때 유용할 수 있다.
전술한 실시예들이 리벳 공정이 모니터링될 수 있는 방식들의 예들을 기술하지만, 임의의 실시예는 정보를 수집하기 위한 임의의 적절한 구성을 이용할 수 있다. 예를 들면, 리벳(또는 리벳 공구의 구성 요소)의 회전 및/또는 선형 위치 또는 속도는 광학(optical)(예컨대, 레이저), 자기(magnetic), 유도(inductive), 정전용량(capacitive) 또는 와전류(eddy current) 인코더와 같은 하나 이상의 위치 인코더들을 사용하여 제어부에 의해 모니터링될 수 있다. 이와 유사하게, 온도 센서들과 힘(또는 토크) 변환기들(transducers)이 각각 특정 위치와 관련하여, 그리고 다수의 다른 특징들과 관련하여, 전술되었지만, 하나 이상의 이러한 센서들(또는 임의의 다른 형태의 변환기)는 임의의 적절한 위치에(예컨대, 공구의 노즈, 펀치, 또는 다이 내에) 포함될 수 있고 본 발명의 임의의 측면의 임의의 적절한 실시예에서 사용될 수 있다. 이와 유사하게, 특정 동작의 지속 기간(예컨대, 리벳이 축 방향 또는 회전 방향으로 이동된 시간, 또는 보조 가열이 인가된 시간)은 본 발명의 임의의 실시예에서 모니터링될 수 있고 언제 후속 동작이 개시되어야 하는지 결정하는데 사용될 수 있다. 대안적으로, 본 발명의 실시예들은 어떤 종류의 피드백도 수집하지 않을 수 있다. 예를 들어, 그 동작들이 조작자에 의해서 완전히 제어되는 리벳 공구를 이용하여 리벳이 삽입될 수 있다.
전술한 실시예들이 고정된 공작물 내측으로 리벳이 축 방향으로 이동된다고 기술하지만, 다른 실시예들에서 고정된 리벳 내측으로 리벳의 종축을 따라 공작물이 이동될 수 있거나, 리벳과 공작물 모두 함께 이동될 수 있다. 따라서, 여기서 리벳의 속도(회전이든 축 방향이든)에 관한 언급은 공작물에 상대적인 리벳의 속도라고 해석되어야 한다.
전술한 실시예들이 몇몇 공작물 층들, 공작물 층 재료들, 리벳 재료들, 축 방향 속도들(및 그 변경들) 및 회전 속도들(및 그 변경들)의 특정한 조합들을 기술하지만, 이것이, 그 선택들이 기술된 조합들에서 사용되기에만 적절하다는 것을 의미하는 것은 아니다. 몇몇 공작물 층들, 공작물 층 재료들, 리벳 재료들, 축 방향 속도들(및 그 변경들) 및 회전 속도들(및 그 변경들)의 임의의 적절한 조합들이 고려된다.
리벳의 축 방향 속도가 조정되는 본 발명의 임의의 실시예에서, 리벳의 회전 속도는 삽입 내내 일정할 수 있다. 이와 유사하게, 리벳의 회전 속도가 조정되는 경우, 리벳의 축 방향 속도는 삽입 내내 일정할 수 있다.
전술한 특정 실시예들이 리벳을 회전시키기 위해 유압 모터나 전기 모터를 이용하지만, 본 발명의 임의의 실시예는 리벳을 회전시키기 위해 임의의 적절한 구성을 사용할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예는, 전기 모터(예컨대, 유도 전동기(induction motor), 동기 모터(synchronous motor) 또는 DC 모터), 유압 모터, 공압(pneumatic) 모터를 이용할 수도 있다. 이와 유사하게, 전술한 실시예들이 리벳을 축 방향으로 삽입하기 위해 유압 실린더 또는 전동 리니어 액추에이터의 사용을 기술하지만, 본 발명의 임의의 실시예는, 솔레노이드, 유압 실린더, 공압 실린더, 또는 전기 리니어 액추에이터와 같은, 임의의 적절한 형태를 이용할 수 있다.
리벳이 하나 이상의 표면 요철들을 포함하는 본 발명의 일 실시예에서, 이것들은 하나 이상의 특정 공작물 층들의 위치에 대응하도록 그 크기 및/위치가 정해질 수 있다.
상기 설명이 길이 방향 슬롯을 가진 생크 및 톱니의 어레이를 대안들이라고 언급하지만, 리벳이 이 특징들을 모두 포함할 수 있다는 것을 이해하여야 할 것이다. 예를 들어, 리벳이 길이 방향 슬롯들을 갖되, 이 슬롯들이 그들 사이에 원주 방향 부분들을 제공하고 각 원주 방향 부분이 하나 이상의 톱니들을 가질 수 있다. 다른 대안으로, 길이 방향 슬롯들이 원주 방향 부분들을 제공하고 그들 각각은 선단(distal tip)을 향해 테이퍼짐으로써 일체형 톱니를 제공할 수 있다.
리벳이 그것의 생크의 실질적으로 튜브 형상(tubular) 부분에 실질적으로 길이 방향 슬롯들을 갖는 경우, 그 슬롯들은 튜브 형상 부분의 전체 축 방향 길이를 따라 이어지거나 이어지지 않을 수 있고, 슬롯들이 튜브 형상 부분의 전체 축 방향 길이를 따라 이어지는 경우, 그것들은 전체 생크의 전체 축 방향 길이를 따라 이어지거나 이어지지 않을 수 있다. 상기 예에서 슬롯들이 균일한 길이 방향 폭과 균일한 반경 방향 깊이를 갖지만, 다른 실시예들에서는 그렇지 않을 수 있다. 예를 들면, 슬롯들의 원주 방향 폭은 선단을 향할수록 (균일하게 또는 불균일하게) 증가하거나 감소할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 슬롯들의 반경 방향 깊이는 선단을 향할수록 (균일하게 또는 불균일하게) 증가하거나 감소할 수 있다. 전술한 예에서, 슬롯들은 실질적으로 동일하고 실질적으로 균일하게 배열되지만, 다른 실시예들에서 슬롯들은 (예컨대 길이 방향 길이, 원주 방향 폭 또는 반경 방향 깊이가) 서로 다르고/다르거나 다르게 배열될 수 있다.
공작물 재료의 슬러그가 완성된 제품의 조립 후 완성된 접합부로부터 분리될 위험성이 있는 경우, 일정량의 접착제를 리벳에(예컨대 SPR 리벳의 보어 또는 솔리드 리벳의 오목부(concavity) 내에) 제공할 수 있고, 이는 슬러그를 리벳에 부착하여 슬러그의 분리 가능성을 낮춘다. 이는 슬러그가 보유될 수 있는 전술한 방식들 중 하나 이상과 함께 사용될 수 있거나, 단독으로 사용될 수 있다.
일정 범위의 재료들로 이루어진 공작물 층들이 기술되었지만, 선택된 범위의 재료들은 단지 예시로 간주되어야 한다. 본 발명의 일 실시예에서, 공작물은 마그네슘, 항공기 등급 알루미늄(aircraft grade aluminum), 초고강도 강(ultra-high strength steel), 티타늄, 또는 금속 기지 복합재(metal matrix composite)와 같은 임의의 적절한 재료로 이루어진 하나 이상의 층들을 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 공작물은 탄소 섬유 복합재(carbon fibre composite), 유리 섬유 복합재(glass fibre composite), 폴리머, 표준 등급 강철(스테인레스 또는 비-스테인레스) 또는 성형 등급 알루미늄과 같은 금속, 가죽과 같은 유기 재료, 또는 임의의 적절한 재료로 이루어진 하나 이상의 층등을 포함할 수 있다.
간결함을 위해, (적용 가능한 경우) 리벳의 움직임에 대한 변화들, 및 리벳의 변형은 단계적으로 층별로(layer-by-layer) 발생하는 것으로 설명되었다. 그러나, 실제로는 리벳의 변형 및/또는 그것의 회전 및/또는 선형 속도의 변경들은 이런 방식으로 발생하지 않을 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 더 단단한 재료로 이루어진 공작물 층에 리벳이 접촉할 때 갑자기 발생하는 것으로 기술된 사건들은 실제로는, 점진적으로 더 냉각되는(따라서 더 단단해지는) 공작물 재료에 리벳이 접촉함에 따라, 더 냉각되는 이 재료가 새로 접촉된 공작물 층의 일부이든 아니든, 점진적인 방식으로 발생할 수 있다. 따라서, 리벳의 움직임은, 공작물의 층들에 상대적인 그것의 위치가 아니라, 그것이 받는 힘들(예컨대 저항력들)에 따라서 제어될 수 있다.
본 발명의 다른 측면들이 개별적으로 또는 특정 조합들로 설명되었지만, 적절한 경우 본 발명의 각 측면은 개별적으로 또는 다른 측면 또는 측면들과 조합하여 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 그것의 원주 방향 주변부(periphery)에서 체결되는 리벳(본 발명의 제7 측면)이 보조 가열의 인가(본 발명의 제11 측면)와 결합하여 설명되었지만, 본 발명에 따른 방법은 이 개념들 중 단지 하나만 이용할 수도 있다. 다른 예로서, 리벳은 그것의 전체 축 방향 길이를 따라 연장하는 보어(본 발명의 제8 측면에 따름)와 그것의 헤드의 밑면(underside)에 구비되는 캐비티(본 발명의 제9 측면에 따름)를 포함할 수 있고, 공구의 노즈에 의해 회전하도록 구동될 수 있다(본 발명의 제8 측면에 따름). 사실, 확대된 생크부를 헤드에 구비하고 공작물 재료를 수용하기 위한 캐비티도 구비하는 리벳은 그 확대된 생크부가 의도적으로 과대해질 수 있다는 점에서 유익할 수 있다. 이는, 합리적으로 예상되는 바와 같이 임의의 크기를 갖는 공작물의 상부의 구멍을 리벳이 채울 수 있고 공작물의 상부의 구멍의 직경이 더 작은 경우 확대된 생크부에 의해 이동된 공작물 재료를 캐비티가 수용하도록 보장할 수 있다.
또한, 특정 기능들 또는 구조들이 본 발명의 일 측면과 관련하여 설명되었지만, 일부는 본 발명의 다른 측면에 관련되는 것으로 동일하게 간주될 수 있다. 예를 들어, 도 14의 리벳은 홈들(grooves)이 표면 요철들이라는 관점에서 설명되었다(즉, 그것은 본 발명의 제1 측면에 관련되어 기술되었다). 그러나, 이러한 홈들은 또한 리벳에 원주 방향 불연속 선단(그것의 반경 방향 범위에서는 원주 방향으로 불연속하지 않은 것이지만)을 제공하고, 따라서 이 리벳은 또한 본 발명의 제2 측면에 관한 것으로 간주될 수 있다. 다른 예로서, 도 17의 리벳은 슬롯들이 원주 방향 불연속 선단을 제공한다는 관점에서 기술되었지만(즉, 그것은 본 발명의 제2 측면에 관련되어 기술되었음), 슬롯들은 또한 개구 형태의 표면 요철들을 구성하므로 이 리벳은 또한 본 발명의 제1 측면에 관련된 것으로 간주될 수 있다.
여기 기술된 선택적 및/또는 선호되는 특징들은, 적절한 경우 및 특히 첨부된 청구항에 기술된 바와 같은 조합들에서, 개별적으로 또는 서로 조합되어 사용될 수 있다. 본 발명의 각 측면에 대한 선택적 및/또는 선호되는 특징들은, 적절한 경우 본 발명의 임의의 다른 측면들에 적용될 수 있다.

Claims (81)

  1. 공작물에 리벳을 삽입하는 방법으로서,
    리벳을 공작물(workpiece) 내로 삽입하기(driving) 위해 상기 리벳의 종축(longitudinal axis)을 따라 상기 리벳과 상기 공작물을 서로 상대적으로 이동시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 리벳이 상기 공작물에 접촉하는 시간의 적어도 일부 동안, 상기 공작물에 상대적으로, 상기 리벳은 그 종축을 중심으로 회전되고;
    상기 회전의 속도, 또는 상기 리벳의 상기 종축을 따른 이동 속도는, 상기 공작물 내로의 상기 리벳의 삽입이 완료되기 전에 적어도 한 번 변경되며; 그리고
    상기 리벳의 축 방향 일 단부는 상기 공작물을 관통하기 위한 선단(tip)을 포함하고 상기 리벳은 상기 선단으로부터 길이 방향으로 연장하는 실질적으로 원통형인 생크(shank)를 포함하는,
    방법.
  2. 제1항에서,
    상기 생크는 하나 이상의 표면 요철들(surface irregularities)을 포함하는,
    방법.
  3. 제2항에서,
    하나 이상의 상기 표면 요철들이 반경 방향 외측 생크 표면(radially outer shank surface) 상에 구비되는,
    방법.
  4. 제2항에서,
    상기 리벳은 보어(bore)를 포함하되, 상기 보어는 상기 선단를 통하고 상기 생크의 적어도 일부분을 통하여 이어짐으로써 반경 방향 내측 생크 표면(radially inner shank surface)을 제공하며, 하나 이상의 상기 표면 요철들이 상기 반경 방향 내측 생크 표면 상에 구비되는,
    방법.
  5. 제2항에서,
    하나 이상의 상기 표면 요철들은 길쭉한 형상인,
    방법.
  6. 제5항에서,
    하나 이상의 상기 길쭉한 표면 요철들은 실질적으로 길이 방향으로 정렬되는,
    방법.
  7. 제5항에서,
    하나 이상의 상기 길쭉한 표면 요철들은 실질적으로 원주 방향으로 정렬되는,
    방법.
  8. 제5항에서,
    하나 이상의 상기 길쭉한 표면 요철들은 각각 실질적으로 나선 호(helical arc) 형상인,
    방법.
  9. 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에서,
    하나 이상의 상기 표면 요철들은 각각 돌기 형태를 취하는,
    방법.
  10. 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에서,
    하나 이상의 상기 표면 요철들은 각각 개구(opening) 형태를 취하는,
    방법.
  11. 제10항에서,
    하나 이상의 상기 개구들은 상기 반경 방향 내측 생크 표면과 상기 반경 방향 외측 생크 표면 사이에서 연장하는,
    방법.
  12. 제1항에서,
    상기 리벳의 축 방향 일 단부는 상기 공작물을 관통하기 위한 원주 방향으로 불연속한 선단(tip)을 포함하고, 상기 리벳은 상기 선단으로부터 길이 방향으로 연장하고 반경 방향 외측 생크 표면을 제공하는 실질적으로 원통형인 생크(shank)를 포함하는,
    방법.
  13. 제12항에서,
    상기 원주 방향으로 불연속한 선단은 복수의 톱니들(teeth)을 포함하는,
    방법.
  14. 제12항에서,
    상기 선단은 그것의 전체 반경 방향 범위(extent)에 걸쳐 원주 방향으로 불연속한,
    방법.
  15. 제12항에서,
    상기 리벳은 보어(bore)를 포함하되, 상기 보어는 상기 선단를 통하고 상기 생크의 적어도 일부분을 통하여 이어짐으로써, 반경 방향 내측 생크 표면을 가진 실질적으로 튜브 형상인(tubular) 생크 부분을 제공하는,
    방법.
  16. 제15항에서,
    상기 선단은 상기 실질적으로 튜브 형상인 부분 내의 실질적으로 길이 방향인 슬롯들(slots)에 의해 제공되는,
    방법.
  17. 제16항에서,
    상기 선단은 그것의 전체 반경 방향 범위(extent)에 걸쳐 원주 방향으로 불연속하고 상기 슬롯들은 상기 반경 방향 내측 생크 표면과 상기 반경 방향 외측 생크 표면 사이에서 연장하는,
    방법.
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에서,
    상기 선단은 상기 반경 방향 내측 생크 표면과 교차하는 내측 테이퍼면(inner taper surface)을 포함하는,
    방법.
  19. 제12항 내지 제17항 중 어느 한 항에서,
    상기 선단은 상기 반경 방향 외측 생크 표면과 교차하는 외측 테이퍼면(external taper surface)을 포함하는,
    방법.
  20. 제18항에서,
    상기 또는 각 테이퍼면은 깎여진(faceted),
    방법.
  21. 제12항 내지 제17항 중 어느 한 항에서,
    상기 선단은 상기 리벳의 상기 종축에 수직하지 않은 평면을 정의하는,
    방법.
  22. 제1항에서,
    상기 공작물은, 마그네슘, 항공기용 알루미늄(aircraft aluminum), 초고강도 강(ultra-high strength steel), 티타늄, 또는 금속 기지 복합재(metal matrix composite)로 이루어진 층을 포함하는,
    방법.
  23. 제22항에서,
    상기 공작물은, 마그네슘, 항공기용 알루미늄, 초고강도 강, 티타늄, 금속 기지 복합재, 탄소 섬유 복합재(carbon fibre composite) 또는 폴리머로 이루어진 추가 층을 포함하는,
    방법.
  24. 제22항 또는 제23항에서,
    상기 공작물은 표준 등급 강철 또는 성형 등급 알루미늄으로 이루어진 부가 층(additional layer)을 포함하며, 상기 부가 층이 상기 리벳에 의해 접촉되는 최종 층이 되도록 상기 리벳이 상기 공작물에 삽입되는,
    방법.
  25. 제1항에서,
    상기 리벳은 알루미늄, 스테인레스 스틸, 티타늄 또는 세라믹으로 이루어지는,
    방법.
  26. 제1항에서,
    상기 리벳 공구는 상기 리벳과 마찰 체결된(in frictional engagement) 하나 이상의 회전 구동 요소들(rotary drive components)을 통해 회전하도록 상기 리벳을 삽입하는,
    방법.
  27. 제26항에서,
    상기 리벳 공구는 공구 노즈(tool nose) 및 그 내부에 상반되게(reciprocally) 구비되는 펀치를 포함하고, 상기 펀치는 상기 리벳을 상기 공작물에 삽입하도록 상기 리벳에 축력(axial force)을 제공하는,
    방법.
  28. 제27항에서,
    상기 회전 구동 요소들 또는 그 중 하나는 상기 펀치인,
    방법.
  29. 제27항에서,
    상기 회전 구동 요소들 또는 그 중 하나는 상기 공구 노즈인,
    방법.
  30. 제29항에서,
    리벳 공구는 상기 노즈에 회전 가능하게 장착되는 가압면(pressure surface)을 포함하고, 상기 가압면은 상기 리벳의 삽입 동안 상기 공작물에 접촉하고 상기 가압면이 상기 공작물에 접촉하는 시간의 적어도 일부 동안 상기 노즈에 상대적으로 회전하는,
    방법.
  31. 제1항에서,
    상기 회전의 속도, 또는 상기 리벳의 상기 종축을 따른 이동 속도는, 상기 공작물 내로의 상기 리벳의 삽입이 완료되기 전에 적어도 한 번 변경되는,
    방법.
  32. 제31항에서,
    상기 펀치는 상기 공작물 내로의 상기 리벳의 삽입 동안 상기 공작물에 상대적으로 회전하지 않는,
    방법.
  33. 제31항에서,
    상기 펀치는 리벳과 함께 회전하는,
    방법.
  34. 제1항에서,
    상기 리벳 공구는, 상기 리벳의 일부분의 원주 방향 주변부(periphery)에서 상기 리벳과 체결되는 회전 구동 요소를 통해 회전하도록 상기 리벳을 삽입하는,
    방법.
  35. 제34항에서,
    상기 리벳은, 상기 공작물을 관통하기 위한 선단을 축 방향 일단에 포함하고, 상기 선단으로부터 길이 방향으로 연장하는 생크를 포함하며, 상기 생크로부터 반경 방향 외측으로 연장하는 헤드(head)를 포함하는,
    방법.
  36. 제35항에서,
    상기 회전 구동 요소에 의해 체결되는 상기 리벳의 상기 일부분은 상기 헤드에 의해 정의된 반경 방향 가장자리 모서리(radially peripheral edge) 또는 표면을 포함하는,
    방법.
  37. 제35항 또는 제36항에서,
    상기 회전 구동 요소에 의해 체결되는 상기 리벳의 상기 일부분은 상기 헤드와 상기 생크 사이의 교차점에 필렛(fillet) 또는 모따기(chamfer)를 포함하는,
    방법.
  38. 제1항에서,
    상기 리벳은 그것의 전체 축 방향 길이를 따라 연장하는 길이 방향 보어(bore)를 포함하는,
    방법.
  39. 제38항에서,
    상기 리벳은 리벳 공구의 회전 구동 요소에 의해 회전되되, 상기 회전 구동 요소는 비 원형(non-circular) 단면을 갖는 상기 보어의 구멍의 구역(section)에 맞물리는,
    방법.
  40. 제39항에서,
    상기 회전 구동 요소는 상기 리벳을 상기 공작물에 삽입하도록 상기 리벳에 축력(axial force)을 제공하는 펀치이고, 상기 펀치는 그로부터 돌출하는 상보적 형상의 구동 비트(driving bit)를 통해 상기 보어의 상기 구역에 맞물리는,
    방법.
  41. 제40항에서,
    상기 구동 비트는, 그것이 상기 펀치의 선단면(distal surface)으로부터 돌출하는 연장 위치와, 그것이 상기 펀치의 상기 선단면으로부터 감소된 정도로 돌출하거나 상기 펀치의 상기 선단면과 같은 높이인 후퇴 위치 사이에서 이동 가능한,
    방법.
  42. 제38항에서,
    상기 리벳은 그것의 종축을 따라 실질적으로 대칭인,
    방법.
  43. 제42항에서,
    상기 펀치는 상기 리벳의 축 방향 일단에 상기 축력을 인가하는 프로파일 선단(profiled tip)을 포함하고 상기 공작물에의 상기 리벳의 삽입 동안 상기 리벳의 단부를 변형시키는,
    방법.
  44. 제1항에서,
    상기 리벳은 상기 헤드의 상기 밑면, 또는 그에 인접한 상기 생크의 일부분에 구비된 캐비티(cavity)를 포함하는데, 그 내부에 공작물 재료가 수용되는,
    방법.
  45. 제44항에서,
    상기 공작물 재료는 상기 공작물로의 상기 리벳의 삽입 동안 상기 캐비티로 들어가는,
    방법.
  46. 제1항에서,
    상기 헤드에 가장 가까운 상기 리벳의 단부에 있는 상기 생크의 일부분은 상기 생크의 나머지 부분에 비해 더 큰 직경을 가지는,
    방법.
  47. 제46항에서,
    상기 생크의 상기 일부분은 실질적으로 원통형인,
    방법.
  48. 제46항에서,
    상기 생크의 상기 일부분은 절단된 원뿔형인(frustoconical),
    방법.
  49. 제1항에서,
    상기 공작물로의 상기 리벳의 삽입 전, 삽입 동안 또는 삽입 후 적어도 한 시점에 상기 공작물 및/또는 상기 리벳에 보조 가열(auxiliary heating)이 가해지는,
    방법.
  50. 제49항에서,
    상기 보조 가열은 적어도 부분적으로 레이저 빔에 의해 제공되는,
    방법.
  51. 제49항에서,
    상기 보조 가열은 적어도 부분적으로 초음파 에너지에 의해 제공되는,
    방법.
  52. 제49항 내지 제51항 중 어느 한 항에서,
    상기 리벳은 다이를 향해 상기 공작물에 삽입되고, 상기 초음파 에너지의 적어도 일부가 상기 다이에 의해 상기 공작물에 인가되는,
    방법.
  53. 제1항에서,
    상기 리벳은 제2 회전 속도로 제2 공작물 층을 관통하기 전에 제1 회전 속도로 제1 공작물 층을 관통하는,
    방법.
  54. 제53항에서,
    상기 제1 회전 속도는 상기 제2 회전 속도보다 높은,
    방법.
  55. 제53항에서,
    상기 제1 회전 속도는 상기 제2 회전 속도보다 낮은,
    방법.
  56. 제1항에서,
    상기 리벳은 제2 축 방향 속도(axial speed)로 제2 공작물 층을 관통하기 전에 제1 축 방향 속도로 제1 공작물 층을 관통하는,
    방법.
  57. 제56항에서,
    상기 제1 축 방향 속도는 상기 제2 축 방향 속도보다 높은,
    방법.
  58. 제56항에서,
    상기 제1 축 방향 속도는 상기 제2 축 방향 속도보다 낮은,
    방법.
  59. 제1항에서,
    상기 리벳은 실질적으로 영(zero)의 회전 속도로 상기 공작물의 적어도 일부를 관통하는,
    방법.
  60. 제1항에서,
    상기 리벳의 상기 회전 속도는, 상기 공작물 내로의 상기 리벳의 삽입이 완료되기 전에 적어도 두 번 변경되는,
    방법.
  61. 제1항에서,
    상기 리벳의 상기 축 방향 속도는, 상기 공작물 내로의 상기 리벳의 삽입이 완료되기 전에 적어도 두 번 변경되는,
    방법.
  62. 제1항에서,
    상기 리벳의 상기 축 방향 또는 회전 속도의 상기 변경들 또는 그 중 적어도 하나는 상기 공작물에 의해 상기 리벳에 인가되는 저항력들에 의해 야기되는,
    방법.
  63. 제1항에서,
    상기 리벳의 상기 회전 속도의 상기 변경들 또는 그 중 적어도 하나는 상기 리벳을 회전시키기 위해 상기 리벳에 인가되는 토크(torque)의 크기 변화에 의해 야기되는,
    방법.
  64. 제1항에서,
    상기 리벳의 상기 축 방향 속도의 상기 변경들 또는 그 중 적어도 하나는 상기 리벳을 상기 공작물에 삽입하기 위해 상기 리벳 또는 상기 공작물에 인가되는 축력의 크기 변화에 의해 야기되는,
    방법.
  65. 제64항에서,
    상기 리벳을 상기 공작물에 삽입하기 위해 인가되는 상기 축력은 일정한,
    방법.
  66. 제1항에서,
    상기 리벳의 상기 축 방향 또는 회전 속도의 상기 변화들 또는 그 중 하나는 상기 리벳이 상기 공작물 내의 다른 층들에 접촉하는 결과로서 발생하는,
    방법.
  67. 제1항에서,
    상기 공작물에 상대적인 상기 리벳의 축 방향 운동은 상기 공작물 내로의 상기 리벳의 삽입이 완료되기 전에 적어도 한 번 일시 정지되는(paused),
    방법.
  68. 제67항에서,
    상기 공작물에 상대적인 상기 리벳의 축 방향 운동은 상기 리벳이 상기 공작물의 한 층에 최초로 접촉할 때 일시 정지되는,
    방법.
  69. 제68항에서,
    상기 공작물에 상대적인 상기 리벳의 축 방향 운동은 상기 리벳이 상기 공작물에 최초로 접촉할 때 일시 정지되는,
    방법.
  70. 제품의 제조 방법에서,
    제1항에 따른 방법을 이용하여 공작물의 두 개 이상의 층들을 함께 고정하는 단계를 포함하는,
    방법.
  71. 제70항에서,
    상기 제품은 운송 수단(vehicle)인,
    방법.
  72. 제70항 또는 제71항에 따른 방법을 이용하여 제조되는 제품.
  73. 제61항에서,
    상기 리벳의 상기 종축을 따른 이동 속도 또는 상기 리벳의 상기 회전 속도의 상기 변경들 또는 그 중 적어도 하나는 상기 공작물에 의해 상기 리벳에 인가되는 저항력들에 의해 야기되는,
    방법.
  74. 제61항에서,
    상기 리벳의 상기 회전 속도의 상기 변경들 또는 그 중 적어도 하나는 상기 리벳을 회전시키기 위해 상기 리벳에 인가되는 토크(torque)의 크기 변화에 의해 야기되는,
    방법.
  75. 제61항에서,
    상기 리벳의 상기 종축을 따른 이동 속도의 상기 변경들 또는 그 중 적어도 하나는 상기 리벳을 상기 공작물에 삽입하기 위해 상기 리벳 또는 상기 공작물에 인가되는 축력의 크기 변화에 의해 야기되는,
    방법.
  76. 제61항에서,
    상기 리벳의 상기 종축을 따른 이동 속도 또는 상기 리벳의 상기 회전 속도의 상기 변경들 또는 그 중 적어도 하나는 상기 리벳이 상기 공작물 내의 다른 층들에 접촉하는 결과로서 발생하는,
    방법.
  77. 제1항, 제2항, 제12항, 제22항, 제25항, 제26항, 제31항, 제34항, 제38항, 제44항, 제46항 및 제49항 중 어느 한 항에서,
    상기 공작물에 상대적인 상기 리벳의 회전에 의해 야기된 상기 리벳과 상기 공작물 사이의 미끄럼 마찰에 의해 발생된 열은 상기 리벳의 주위에서 공작물을 연화시키는,
    방법.
  78. 제1항, 제2항, 제12항, 제22항, 제25항, 제26항, 제31항, 제34항, 제38항, 제44항, 제46항 및 제49항 중 어느 한 항에서,
    상기 리벳은 셀프 피어싱 리벳이고, 상기 공작물은 다층 공작물이며, 상기 공작물은 다이 위에 지지되고,
    상기 공작물로의 상기 리벳의 삽입은 펀치에 의해 수행되며,
    상기 리벳이 상기 다이를 향하여 상기 공작물에 삽입될 때 상기 공작물의 재료가 소성 변형함으로써 상기 리벳의 환형 선단이 외측으로 플레어(flare)되고 상기 공작물의 상기 재료의 업셋된(upset) 고리에 의해 둘러싸인(encapsulated) 상태로 유지되게 하는,
    방법.
  79. 제1항, 제2항, 제12항, 제22항, 제25항, 제26항, 제31항, 제34항, 제38항, 제44항, 제46항 및 제49항 중 어느 한 항에서,
    상기 리벳은, 하나의 축 방향 단부에 구비되는 선단, 다른 쪽 축 방향 단부에 구비되는 헤드 및 상기 선단과 상기 헤드 사이에서 연장하는 원통형인 생크를 포함하는 셀프 피어싱 리벳이고,
    상기 리벳은 상기 리벳 종축과 동축인(coaxial) 보어를 포함하며,
    상기 보어는 상기 선단을 통해 이어지고 적어도 부분적으로 상기 생크를 따라 연장하는,
    방법.
  80. 제79항에서,
    상기 보어는 상기 생크의 전체 축 방향 길이를 따라 연장하여 상기 생크는 튜브 형상(tubular)인,
    방법.
  81. 제80항에서,
    상기 보어는 상기 리벳의 전체 축 방향 길이를 따라 연장하여 상기 리벳은 완전한 튜브 형상 리벳인,
    방법.
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