JP2007064439A - リベットと接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 リベットの先端部の拡がりを大きくし、下側被接合材に対する係合面積を増大でき、剥離に対する抵抗力を高め、せん断強度も異方性がなく、被接合材を良好な接合状態にすることができる、信頼性の高いリベットと接合方法を提供する。
【解決手段】 頭部２と、頭部２の中心軸線Ｏに沿って延びる軸部３と、軸部３の先端部に形成されたエッジ部９と、を有し、重ね合わせた被接合材Ｗ１，Ｗ２に打ち込み、被接合材Ｗ１，Ｗ２の内、打ち込み方向最終位置にある被接合材Ｗ２の内部で軸部３を放射方向に変形させ、頭部２と軸部３の先端部とにより被接合材Ｗ１，Ｗ２を挟持し接合するリベット１であって、軸部５は、頭部２近傍の厚肉部６と、厚肉部６より肉厚を薄くした薄肉部８とを有し、薄肉部８は外径を厚肉部６より減径することにより形成したことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、リベットと、このリベットを用いた接合方法の改良に関する。

最近、スポット溶接の代替手段として、セルフピアスリベットによる接合手段がある。この接合手段は、重ね合わせた被接合材にリベットを打ち込み、上側の被接合材を貫通させるものの、下側の被接合材は貫通することなく締結するもので、下穴の開設必要性や熱発生がなく、高品質な接合が可能な接合手段である。

このような接合手段として、例えば、下記特許文献１に、重ね合わせた高強度鋼板にリベットを打ち込み、機械的に接合する方法が開示されている。ここで使用されているリベットは、軸部の断面形状が中空とされたものであるが、このリベットを用いて高強度鋼板に打ち込み、リベット及び高強度鋼板を塑性変形させて接合しても、リベット先端部の拡がりが小さいため、剥離入力に対する抵抗力が十分でないという問題がある。

下記特許文献２には、被接合材の回転に対する抵抗力を高める接合方法が開示されている。ここで使用されているリベットは、頭部と中空軸部の形状が軸前方向からみたとき円形であるが、被接合材を受けるダイスに形成された溝が楕円状をしたものである。

このリベットを用いて被接合材に打ち込み、リベット及び被接合材を塑性変形させると、ダイスの楕円状溝によりリベットの先端部が均等に拡がらず、接合部分にせん断方向の力が作用すると、これに対する抵抗力が長軸方向と短軸方向で異なるという問題がある。

下記特許文献３には、リベットの軸部側面に頭部側に向って徐々に高くなる突状部を形成したものが開示されている。このリベットを使用すると、前述したせん断強度の異方性をなくすことができるが、突状部によりリベットの剛性が向上し、リベットを打ち込み時の加圧力が大きくなり、特に、被接合材が高強度材料あるいは厚板の場合には、接合に要する加圧力を確保できない虞もある。
特開２０００−２０５２１３号（段落番号「０００６」及び図２参照） 特開２００１−３０４２１４号（段落番号「００２３」及び図３，４，５参照） 特開２００１−１３２７１８号（段落番号「００１９」〜「００２４」及び図１，２，３参照）

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、リベットの軸部先端部の拡がりを大きくし、軸部と下側被接合材との係合面積を増大し、剥離に対する抵抗力を高め、せん断強度も異方性がなく、被接合材を良好な接合状態にすることができる、信頼性の高いリベットと接合方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、頭部と、当該頭部の中心軸線に沿って延びる軸部と、この軸部の先端部に形成されたエッジ部と、を有し、重ね合わせた被接合材に打ち込み、当該被接合材の内、打ち込み方向最終位置にある被接合材の内部で前記軸部を放射方向に変形させ、前記頭部と軸部の先端部とにより前記被接合材を挟持し接合するリベットであって、前記軸部は、前記頭部近傍の厚肉部と、当該厚肉部より肉厚を薄くした薄肉部とを有し、当該薄肉部は外径を前記厚肉部より減径することにより形成したことを特徴とするリベットである。

請求項７に記載の発明は、頭部と、当該頭部の中心軸線に沿って延びる軸部と、この軸部の先端部に形成されたエッジ部と、を有するリベットを、所定深さの凹部を有するダイ上に載置した重ね合わせた被接合材に打ち込み、当該被接合材の内、打ち込み方向最終位置にある被接合材の内部で前記軸部を放射方向に変形させ、前記頭部と軸部の先端部とにより前記被接合材を挟持し接合する接合方法であって、前記リベットの軸部を、前記頭部近傍の厚肉部と、当該厚肉部より肉厚を薄くなるように外径を前記厚肉部より減径して形成した薄肉部とにより形成し、加圧手段により、前記ダイの凹部に向って打ち込み、前記軸部の薄肉部を変形させることを特徴とする接合方法である。

請求項１，７の発明では、リベットの軸部が、厚肉部と薄肉部とを有するため、重ね合わせた被接合材にリベットを打ち込んだとき、厚肉部と薄肉部の肉厚差により打ち込み量が規制されると共に薄肉部の頭部側の端部を起点として薄肉部が大きく曲げ変形し、軸部の先端を、打ち込み方向最終位置にある被接合材の内部に大きく切れ込ませることができ、リベットの先端側と最終被接合材との間の係合面積が増加する。この係合面積が増加すると、せん断力に対する抵抗力に異方性が生じることなく、剥離方向の入力に対する抵抗力が向上する。

次に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の実施の形態に係るリベットを示す斜視図、図２は同リベットの断面図である。

本実施の形態に係るリベットは、セルフピアスリベットであり、車両のセンターピラーやサイドメンバーなどの構造用のパネルの接合に使用される。

図１，２に示すように、リベット１は、頭部２と軸部３とを有している。頭部２は、平坦な頂面２ａを有する円盤状である。

一方、軸部３は、概して、頭部２の中心軸線Ｏに沿って延びる略筒状をしたもので、頭部２から徐々に縮径された中実軸部４と、中実軸部４より一体に伸延された中空軸部５とを有している。

さらに詳述する。中空軸部５は、図２に示すように、中実軸部４の下端から所定の長さＬ１だけ円筒状に延びかつ外径Ｄ及び所定の肉厚Ｔを有する厚肉部６と、厚肉部６から所定角度Ａを有するようにテーパ状に減径されたテーパ部７と、テーパ部７の下端から所定の長さＬ２だけ円筒状に延びかつ外径Ｄ及び前記厚肉部６の肉厚Ｔよりも薄い肉厚ｔを有する薄肉部８と、薄肉部８の下端部分の肉が外方拡がりに削落された端面９ａと外周面８ａが鋭角的に形成されたエッジ部９と、を有している。

リベット１の厚肉部６の肉厚Ｔや薄肉部８の肉厚ｔは、リベット打ち込み時に軸部３が座屈しない厚さに設定されている。例えば、厚肉部６の肉厚Ｔは、個々のリベット１により種々選択できるが、薄肉部８の肉厚ｔは、厚肉部６の肉厚Ｔよりも０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度薄くすることが好ましい。

また、薄肉部８は、頭部２の中心軸線Ｏに対し対称に形成することが好ましく、軸方向長さＬ２に関しては、周長πｄの４０％以上とすることが好ましい。肉厚ｔに関しては、本実施形態では、薄肉部８が全方位に広がるように、円周方向全周にわたり均一に形成されており、接合後にせん断方向の力が作用しても、これに対し異方性のない抵抗力を発揮するようにしている。しかも、薄肉部８は、内部空間Ｓの内周面が厚肉部６から薄肉部８にかけて滑らかな面となるように、つまり、図２の断面形状を有するように、厚肉部６より外径を減径することにより形成している。後に詳述するが、最終位置にある被接合材Ｗ２の内部に大きく切れ込ませることができるようにするためである。

薄肉部８が所定位置から確実に変形するように、また、軸部３が不必要に被接合材Ｗに入り込まないようにするため、厚肉部６と薄肉部８との間に、厚肉部６側から徐々に減径し、所定角度Ａを有するテーパ部７を設けている。

次に、リベットによる接合方法を説明する。

図３は前記リベットによる接合方法の打ち込み開始前の状態を示す断面図、図４は打ち込み直後の断面図、図５は同打ち込み中の断面図、図６は打ち込み完了時の断面図である。

図３に示すように、２枚の被接合材Ｗ（Ｗ１，Ｗ２）を重ね合わせた状態でアップセットダイ１０の上に載置する。リベット１は、アップセットダイ１０の環状凹部１０ａの上方位置にセットする。

図外の駆動源によりパンチ１１を下降し、リベット１の頭部２を叩打すると、リベット１のエッジ部９は、図４に示すように、上側の被接合材Ｗ１に切り込み、貫通するが、下側の被接合材Ｗ２内に入った薄肉部８は、図５に示すように、貫通せず、エッジ部９の傾斜した端面９ａに加圧力が作用し、エッジ部９が下側の被接合材Ｗ２の内部で放射方向に向わされ、下側の被接合材Ｗ２の内部で放射方向に向って変形する。

ここにおいて、エッジ部９が放射方向に向かうのは、テーパ部７による下方への移動量に規制によるところが大きいが、この他に、アップセットダイ１０の環状凹部１０ａから被接合材Ｗ２が押圧されることや、パンチ１１からの加圧力に対するリベット１の内部空間Ｓに存在する被接合材Ｗ１の影響や、被接合材Ｗ２自体からの抵抗の影響にも起因する。

特に、本実施形態のリベット１では、肉厚Ｔの厚肉部６の下方に、肉厚Ｔよりも薄い肉厚ｔの薄肉部８が設けられ、両者の境にテーパ部７が設けられているので、薄肉部８は、テーパ部７の下端を起点として放射方向に拡がり、大きく曲げ変形することになり、被接合材Ｗ２内に大きく切り込むことになる。

この結果、２枚の被接合材Ｗをリベット１の頭部２と薄肉部８の先端部との間で挟持した状態が得られるが、薄肉部８の先端部が、被接合材Ｗ２内に大きく切り込むので、薄肉部８の先端部と被接合材Ｗ２との係合面積（薄肉部８と被接合材Ｗ２との接する面積に相当する）が増加することになり、リベット１の頭部２と薄肉部８による被接合材Ｗの接合状態を剥離する力に対抗する抵抗力が向上する。しかも、リベット１は、円形であり、薄肉部８が全周方向に変形するため、せん断力が作用しても接合強度に異方性がない。このため、両被接合材Ｗ１，Ｗ２の機械的接合は、しっかりとした信頼性のあるものとなる。

［実験例］
前記リベットを種々作成し、実際にリベッチングを行ないその特性を調べる実験を試みた。被接合材Ｗ１，Ｗ２は、厚さが１．２ｍｍのアルミニウム合金板（引張り強度：２５０ＭＰａ級）を使用した。リベット１は、厚肉部６の外径が５ｍｍの皿リベットで、薄肉部８の長さＬは、５．０ｍｍ、１／２Ｌの２．５ｍｍ、１／３Ｌの１．７ｍｍの３種類とし、これら３種類のものそれぞれに対し薄肉部８の肉厚は、標準のものをｔとしたときに、０．３ｔ，０．４ｔ，０．６ｔ，０．９ｔのものを使用し、断面形状を変更した。この断面形状を変更する場合の成形方法としては、外径部分を削落することにより行った。これにより外周面には、削落部Ｒ（図２参照）が形成され、内部空間Ｓの内周面は厚肉部６から薄肉部８にかけて同径で平滑な面を有する、図２の断面形状のものとした。また、これら各３種類の肉厚それぞれに対しテーパ部７の傾斜角度Ａは、３０°，６０°，９０°，１２０°のものを準備した。

実験は、前述した接合方法と同様に、２枚重ねした被接合材をセットアップダイに載置し、パンチによりリベットを被接合材に打ち込み、接合した後に、評価を行った。

評価項目は、リベット打ち込み後の外観、接合強度特性である。外観の評価は、リベットの亀裂の有無と、リベット打ち込み時の座屈の有無について行い、接合強度特性は、ＪＩＳ−Ｚ−３１３６に準拠した試験による剥離強度及びせん断強度を評価した。

得られた評価結果を表１に示す。なお、表１の剥離強度を示す欄の記号「−」は、評価省略を示す。

表１から明らかなように、打ち込み後のリベット外観は、薄肉部８の厚さｔが０．４ｔ以上の場合に良好で、０．３ｔの場合に打ち込み時に座屈が生じた。したがって、打ち込み性を考慮すると、薄肉部の厚さｔは、０．４ｔ以上で０．９ｔ以下のものが好ましい。

リベット打ち込み後の外観は、薄肉部８の長さＬ２が、１／２Ｌまでは良好な結果を示し、１／３Ｌである場合、打ち込み時に座屈が生じたので、打ち込み性を考慮すると、薄肉部８の長さＬ２は１／２Ｌ以下が好ましい。テーパ部７の傾斜角度Ａに関しては、
打ち込み後のリベット外観は、３０°〜９０°では良好な結果を示したが、１２０°のものは、良好な結果が得られなかったので、打ち込み性を考慮すると、傾斜角度Ａが３０°〜９０°が好ましい。

接合強度に関しては、薄肉部８の肉厚ｔが大きい場合を除き、薄肉部８を有していないリベットより剥離強度が大幅に向上している。また、接合部を切断して断面を観察した結果、被接合材の貫通部への切り込み量が大きく、良好な接合状態であることを確認できた。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内で種々改変することができる。例えば、上述した実施形態は、２枚重ねの被接合材の接合例であるが、これのみに限られるものではなく、さらに複数枚重ねた被接合部材の接合にも適用できる。また、上述した実施形態は、リベット１の軸部３は、軸直角断面形状が円形であるが、これのみでなく正多角形であってもよい。

さらに、薄肉部８は、厚肉部６の下方にあって全周均等な肉厚で形成したもののみでなく、中心軸線に対し対称に形成するのであれば、図７に示すように、周方向に断続的に形成してもよい。なお、図６中、図１〜５に示す部材と共通する部材には同一符号を付している。

本発明の実施の形態に係るリベットを示す斜視図である。 同リベット断面図である。 同リベットによる接合方法の打ち込み開始前の状態を示す断面図である。 同リベットによる接合方法の打ち込み直後の状態を示す断面図である。 同リベットによる接合方法の打ち込み中の状態を示す断面図である。 同リベットによる接合方法の打ち込み完了時の状態を示す断面図である。 本発明の他の実施の形態を示す底面図である。

符号の説明

１…リベット、
２…頭部、
３…軸部、
４…中実軸部
５…中空軸部
６…厚肉部、
７…テーパ部、
８…薄肉部、
９…エッジ部、
１０…アップセットダイ、
Ｔ…厚肉部の肉厚、
Ｄ…厚肉部の外径、
ｔ…薄肉部の肉厚、
ｄ…薄肉部の外径、
Ｏ…頭部の中心軸線、
Ｗ１，Ｗ２…被接合材。

Claims (7)

1. 頭部と、当該頭部の中心軸線に沿って延びる軸部と、この軸部の先端部に形成されたエッジ部と、を有し、重ね合わせた被接合材に打ち込み、当該被接合材の内、打ち込み方向最終位置にある被接合材の内部で前記軸部を放射方向に変形させ、前記頭部と軸部の先端部とにより前記被接合材を挟持し接合するリベットであって、
   前記軸部は、前記頭部近傍の厚肉部と、当該厚肉部より肉厚を薄くした薄肉部とを有し、当該薄肉部は外径を前記厚肉部より減径することにより形成したことを特徴とするリベット。
2. 前記軸部は、前記頭部近傍に形成された中実軸部、及び当該中実軸部より一体に伸延された中空軸部からなる請求項１に記載のリベット。
3. 前記軸部は、前記厚肉部から前記薄肉部に至る間を所定の傾斜角度を有するテーパ部としたことを特徴とする請求項１又は２に記載のリベット。
4. 前記軸部は、前記薄肉部が前記中心軸線に対し対称に形成し、当該薄肉部の軸方向長さを周長の４０％以上としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のリベット。
5. 前記軸部は、前記薄肉部を、周方向に沿って断続的に形成したことを特徴とする請求項１に記載のリベット。
6. 前記軸部は、軸直角断面形状が円形又は正多角形である請求項１〜５のいずれかに記載のリベット。
7. 頭部と、当該頭部の中心軸線に沿って延びる軸部と、この軸部の先端部に形成されたエッジ部と、を有するリベットを、所定深さの凹部を有するダイ上に載置した重ね合わせた被接合材に打ち込み、当該被接合材の内、打ち込み方向最終位置にある被接合材の内部で前記軸部を放射方向に変形させ、前記頭部と軸部の先端部とにより前記被接合材を挟持し接合する接合方法であって、
   前記リベットの軸部を、前記頭部近傍の厚肉部と、当該厚肉部より肉厚を薄くなるように外径を前記厚肉部より減径して形成した薄肉部とにより形成し、加圧手段により、前記ダイの凹部に向って打ち込み、前記軸部の薄肉部を変形させることを特徴とする接合方法。

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