JP2009144911A - 自己穿孔エレメント - Google Patents

Abstract

【課題】穿孔及びビーディングによって構造部材に締結することができる自己穿孔エレメントを提供する。
【解決手段】穿孔及びビーディングによって構造部材に締結することができる自己穿孔エレメント１を提供する。自己穿孔エレメント１を設置するための装置及び対応する方法を提供する。自己穿孔エレメント１は、機能性ヘッド１０、座形状部３０、及び切断形状部２０を備え、切断形状部２０は、半径方向外方に配置されたセンタリング用の外側面取り部２２、半径方向内方に配置された内側面取り部２４、及びその間に配置された切り刃２６a、２６bを有する。
【選択図】図９

Description

本発明は、穿孔及びビーディングによって、構造部材、好ましくは自動車製造におけるプラスチック製構造部材に接合可能な自己穿孔エレメントに関する。また本発明は、このような自己穿孔エレメントを締結した構造部材、このような自己穿孔エレメントを打込むための装置、及びこのような自己穿孔エレメントを構造部材に締結することができる締結方法に関する。

自動車製造においては、大面積の構造部材を、例えばはねよけとしてシャシー領域及び車体前端領域に取付ける。このような構造部材は、自動車の他の部分にも使用されるが、繊維強化を施した若しくは施していない様々なプラスチックからなっている。例えばSCT、GMT、CFRP、PP長繊維等の材料が挙げられる。このような構造部材は、自動車のフレーム構造に結合されると共に、自動車の他の部品をさらに載置するための接合点としての機能も果たす。

このような接合点は、一例を挙げるとネジ付きエレメントや孔補強エレメントによって形成される。プラスチック製の構造部材は強度が低い上に、機械的負荷によって緩む傾向にあるので、接合点の選択が必要である。構造部材の製造後、次いでネジ付きエレメントや孔補強エレメントを様々な方法で挿入し、クリンチする場合もある。

さらに別の例としては締結エレメントがあり、これは事前に穿孔された座形状部に接合点を設けるものである。一般に、接合点を締結するための孔や切出しはパンチ操作によって設ける。この場合、打ち抜いたブランクを全て確実に除去することが必要である。一方でこれは、例えばネジ付きインサートを問題なく接合点に装着することができることを保証する。他方で、打ち抜いたブランクを除去することにより、例えば縁のトリミング等、プラスチック製部品を仕上げるための工具を使用することができるようになる。さらに別の選択肢として、座形状部を穿孔やフライス削りによって設けることが挙げられる。しかしながら、これらの方法では非円形形状は限られた程度までしか実施することはできない。さらにこれらの方法では、処理中に生じる削り屑を十分に除去しなければならない。

接合点及びネジ付きエレメントに要求されるねじれ強さは、通常多角形の座形状によって、つまりネジ付きエレメント及びプラスチック製構造部材の座形状を多角形の断面とすることによって保証される。構造部材に非円形孔を予め打抜くと、構造部材に対してエレメントを回転方向に位置決めする必要がある。しかしながら、この回転に抵抗する配置では、エレメントの成形及び構造部材への取り付け工程に追加の経費が必要となる。またこの追加の経費は、単純な方法と比較して、製造工程において欠陥が生じやすくなるという問題とも関連している。

自己打抜きエレメントを使用することは、例えばドイツ特許公報第DE 37 44 450 C2及び特開2002−93489号に記載されている。このような自己打抜きエレメントを使用すると、第二作業工程において円形又は非円形金属製インサートを挿入するために、孔形成後に締結部品を適切に配置する第二作業工程の追加の経費が不要となる。しかしながらそのためには、切断形状部を自己打抜きエレメントに設けなければならない。すると自己打抜きエレメントはそれ自体が工具となる。さらに、自己打抜きエレメントと構造部材との接合部の信頼性を保証するためには、打ち抜きかすや削り屑を確実に除去しなければならない。

自己打抜き型締結具の別の構成がドイツ実用新案公報第DE 20 2005 015 713 U1号に記載されている。この自己打抜き型締結具つまりエレメントは、パンチング及びビーディングによって薄壁状プラスチック部品に接合される。自己打抜きエレメントの切り刃がプラスチック製部品の配置中にパンチつまり穿孔し、次いでプラスチック製部品に締結されるように変形される。自己打抜きエレメント、例えばネジ付きエレメントに要求される回転に抵抗する固定を確実にするためには、エレメントには非円形、通常多角形の座形状部を設ける。費用的な理由から、エレメント及び対応するダイの切断形状部は通常円形とされるが、それにより、特に全生産工程でみると、打抜きかすとプラスチック製部品との間の切断が不完全な材料の接合部は欠陥となり易い。

プラスチック特に繊維強化プラスチックは延性変形性が低いので、パンチングナットによって形成されるアンダーカットへのプラスチックの打出しは不可能である。よって、エレメントを金属製部品内に配置する既知の方法及び構成は使用することができない。従って、自己打抜きエレメントの確実な設置は、切断形状部をクリンチすることによってしか達成することができず、この切断形状部は、ネジ込まれた部品の許容可能な表面圧力を越えないような十分な大きさでなければならない。

よって、既知の従来技術と比較して、本発明の目的は、穿孔及びビーディングによって構造部材、好ましくはプラスチック製構造部材に確実且つ容易に締結可能な自己穿孔エレメントを提供することにある。これに関連して、本発明の別の目的は、この自己穿孔エレメントを締結するための適切な装置及び方法を提供することにある。

上記の課題は、独立請求項１に記載した自己穿孔エレメント、独立請求項１７に記載した自己穿孔エレメントを備える構造部材、独立請求項１８に記載した自己穿孔エレメントを装着するための装置、及び独立請求項２２に記載した構造部材に自己穿孔エレメントを装着するための方法によって解決される。本発明の有利な実施態様は従属請求項、以下の詳細な説明、及び添付図面から明らかになる。

穿孔及びビーディングによって構造部材、好ましくはプラスチック製構造部材に接合可能な自己穿孔エレメントは、以下の特徴を有するものである。エレメントの一端に長手軸と同軸的に配置された機能性ヘッド、エレメントの長手軸と同軸的に配置された切断形状部、機能性ヘッドと切断形状部との間に配置された座形状部を備え、前記切断形状部は、半径方向外方に配置されたセンタリング用外側面取り部、半径方向内方に配置された内側面取り部、及びその間に配置された切り刃を備える。

本発明の自己穿孔エレメントは、軸方向及び回転方向に挿入及び固定することができる。この自己穿孔エレメントは、好ましくはガラス繊維又は炭素繊維強化を施した若しくは施さないデュロプラスチック(duroplastic)又は熱可塑性材料からなる一層又は多層構造の大面積のプラスチック製構造部材に挿入するものであり、事前に穴あけの必要がないものである。自己穿孔エレメントの一般的な応用として、例えば自動車において様々な締結や様々な接合点を設けるために、例えば内側ネジ、外側機能性輪郭部、又は貫通孔を有している。

好ましい実施態様では、切り刃の幅は０．１５±０．１mmである。また外側面取り部が切り刃から０．１〜０．２mmの長さにわたって延在しており、自己穿孔エレメントの長手軸に対して１０°の角度で配置されている。自己穿孔エレメントを後に生じる構造部材とのリング状接触及び／又は構造部材の許容可能な表面圧力に適合させることができるように、切断形状部はその長さで規定することができる。これに関して、自己穿孔エレメントの切り刃は、自己穿孔エレメントの長手軸に対して垂直に配置された長手軸を有する仮想円筒の外表面に沿って延びていることが好ましく、それにより切り刃の一部が他の部分に対して自己穿孔エレメントの長手軸方向にシフトする。切断形状部のこの設計により、自己穿孔エレメントが、自らセンタリングをし、打抜きつまり切断工程を確実に行うことができる。

自己穿孔エレメントのさらに別の実施態様では、自己穿孔エレメントの内側面取り部が長手軸に対して≦４５°の角度で配置される。さらに、この内側面取り部を３０°〜４０°の角度範囲で設けることが好ましい。自己穿孔エレメントのさらに別の実施態様では、内側面取り部は長手軸に対して≧６０°の角度、好ましくは７０°〜８５°の角度範囲で配置される。このような設計の自己穿孔エレメントの製造は、既知のものと比較してコストパフォーマンスが高い。さらにこの設計は、自己穿孔エレメントをCFRP等の硬質材料に設置すること、及び例えば突出部のビーディングが必要ないように自己穿孔エレメントの突出を少なくして設置することに役立つ。さらに別の設計では、自己穿孔エレメントは、外面に設けられたセンタリング用の外側面取り部よりも半径方向外方に配置された第二の外側面取り部を備える。

自己穿孔エレメントの保持性を支援するために、別の実施態様では、座形状部が半径方向外側に支承保持構造及び／又は半径方向内方にシフトした座領域を有する。このような保持構造は、その配置に応じて、例えば自己穿孔エレメントの長手軸方向及び／又は長手軸を中心とした回転方向に設けたアンダーカットとして機能する。

自己穿孔エレメントのさらに別の好ましい実施態様では、座形状部が第一と第二の座領域に分割され、第二の座領域は自己穿孔エレメントを締結するために円錐形状に拡げることができる。さらに第一及び第二の座領域の寸法は、第一座領域が自己穿孔エレメントの接合箇所における構造部材の厚さの３０％、第二座領域が７０％となるように、構造部材に合わせて調節される。

プラスチック、好ましくは延性の変形可能なプラスチック内における自己穿孔エレメントの保持性をさらに高めるために、機能性ヘッドは、切断形状部に対向する側に、自己穿孔エレメントが構造部材に確実に接触するのを助けるヘッド下面の突出輪郭部を備えることが好ましい。これに加えてさらに任意にヘッド下面に溝を設けてもよく、自己穿孔エレメントの設置中にこの溝に材料の盛り上がりを受け入れて、機能性ヘッドを構造部材に設置するのを助けることができる。

本発明による自己穿孔エレメントを構造部材に装着するための装置は以下の特徴を有する。対向配置され、互いの長手軸に平行に接合方向に移動可能なパンチ工具とクリンチ工具、及び自己穿孔エレメントを伴ったパンチ工具のための開口を規定する、移動可能に配置された少なくとも二つのセグメントからなるダイを備え、ダイセグメントの位置は、自己穿孔エレメントを最適に締結することができるように、構造部材の素材及び／又は設置工程の条件に応じて、開口の内面と自己穿孔エレメントの外面との間の空隙の幅を変更することができるように調節可能である。

装置の別の実施態様では、クリンチ工具は自己穿孔エレメントの切断形状部に適合したクリンチ輪郭部を備え、この輪郭部により切断形状部は半径方向外方に変形可能である。さらに、装置のダイには、開口の近く且つパンチ工具に対向する側に、半径方向に伸びて突出する輪郭部を設けることが好ましく、この輪郭部によって構造部材に凹所を形成することができる。

上述の装置を用いて自己穿孔エレメントを構造部材に設置つまり装着する本発明の方法は、以下の工程を含む。切断形状部を有する自己穿孔エレメントをパンチ工具に位置決めする工程と、構造部材をダイ上に位置決めして、パンチ工具を構造部材に向かって前進させ、構造部材から中央の切出片を切出す工程と、ダイセグメントを自己穿孔エレメントから横方向にシフトさせる工程と、クリンチ工具を構造部材に向かって前進させることにより、自己穿孔エレメントの切断形状部を変形させる工程。

設置／装着方法の別の設計では、自己穿孔エレメントを最適に締結することができるように、構造部材の素材及び／又は設置／装着工程の条件に応じて、開口の内面と自己穿孔エレメントの外面との間の空隙の幅を変更できるように、ダイのセグメントを位置決めすることが好ましい。

さらに、自己穿孔エレメントの設置／装着を容易にするために、プラスチック製の構造部材は、少なくとも自己穿孔エレメントの設置箇所の領域において加熱するか、若しくは構造部材が完全に冷える前に装置へ搬入することが好ましい。

図１Ａ〜図１Ｃに、自己穿孔エレメント１の様々な実施態様を示す。長手軸Ｌに対して、自己穿孔エレメント１は、一端に長手軸Ｌと同軸的に設けた機能性ヘッド１０を有する。この機能性ヘッド１０は、構造部材５において発揮する機能によって異なる形状とされる。一実施態様では、機能性ヘッド１０は図１Ａに示すように球形ヘッドからなる。これは例えばスナップ接続の取付けに役立つ。別の実施態様では、機能性ヘッド１０は図１Ｃに示すように支持フランジをなす。図１Ｃに示す自己穿孔エレメントは、構造部材５を例えばネジによってフレーム構造に締結するための孔の補強材として機能する。図１Ｂに示す構造では、機能性ヘッド１０は構造部材５上に支承される。図１Ｃはさらに別の実施態様を示し、機能性ヘッド１０はネジ付きエレメントを備える。図２Ｃ及び図３に示すように、機能性ヘッド１０は皿頭構造に形成することもできる。自己穿孔エレメント１を構造部材５に締結すると、機能性ヘッド１０は構造部材５の表面に埋まり、面一となる。

さらに自己穿孔エレメント１は、長手軸Ｌと同軸的に配置された切断形状部２０と、機能性ヘッド１０と切断形状部２０との間に配置された座形状部３０とを有する。切断形状部２０は、半径方向内方に配置された内側面取り部２４を備える。半径方向内方には支持縁２８も配置され、これで切出片３（以下参照）を捕らえて自己穿孔エレメント１内に詰まるのを防ぐ。

構造部材５に締結した自己穿孔エレメント１を図２、図３、図５、及び図７に示す。大表面構造部材５は、例えば自動車のシャシーや前端部に設けるはねよけとして機能するものである。好ましくは構造部材５は、脆性で非延性及び／又は繊維強化されたプラスチック、例えばデュロプラスチック(duroplastic)又は熱可塑性材料からなる。これらの材料はガラス繊維又は炭素繊維からなる繊維補強材で補強されていてもいなくてもよい。これに関して、SCT、GMT、CFRP、PP長繊維等を例として挙げることができる。さらに、構造部材５は好ましくは一層又は多層構造とすることができる。本発明の自己穿孔エレメント１を用いれば、予めパンチ穴を開けることなく、考え得る多数の構造部材５にこのような自己穿孔エレメント１を設けることが可能となる。

図２及び図３に示すように、機能性ヘッド１０は構造部材５の片側に支承されている。機能性ヘッド１０はその全面が構造部材５の表面に接触していることが好ましい。別の実施態様では、機能性ヘッド１０が支承輪郭部１２のみで構造部材５に接触することも考えられる（図４及び図５との比較）。

切断形状部２０及び座形状部３０によって自己穿孔エレメント１は構造部材５に固定される。この固定は、自己穿孔エレメント１が長手軸L方向に移動しないように作用する。さらにこの固定は、自己穿孔エレメント１が長手軸Lを中心として回転しないようにも作用する。自己穿孔エレメント１のこのような形式の固定を補助するために、切断形状部２０は上から見ると円形、卵形、楕円形、若しくは多角形の形状となっている。上記及び下記に説明する自己穿孔エレメント１の様々な構造的特徴は、図面には選択された組合わせのみを示すが、どのように組合せてもよい。

図９及び図１０に自己穿孔エレメント１の切断形状部２０を詳細に示し、その別の実施態様を図１９及び２０に示す。一般的に、切断形状部２０の断面は円形若しくは多角形に形成され、長手軸Lに対して半径方向内方に位置する上述の内側面取り部２４を備える。自己穿孔エレメント１を設置する際、内側面取り部２４は構造部材５とリング状の接触をなす。内側面取り部２４の面積は、構造部材５の素材に対する最大許容表面圧力を超えないように調節する必要がある。この調節は、内側面取り部２４の軸方向長さ及び周方向長さを介して行うことができる。

さらに切断形状部２０は、半径方向外方に配置された外側面取り部２２を有する。外側面取り部２２は、自己穿孔エレメント１が設置工程中に傾いてしまうのを防ぐために、座形状部３０よりも前にセンタリングを行う役割を果たす。外側面取り部２２は、長手軸Lと平行に０．１〜０．２mmにわたって、長手軸Lに対して１０°の角度をなして延在することが好ましい。

内側面取り部２４と外側面取り部２２との間には、切り刃２６が配置されている。この切り刃２６によって、予めパンチ穴をあけることなく構造部材５に自己穿孔エレメント１を設置することが保証される。好ましい実施態様では、切り刃２６の幅は０．１５±０．１mmである。

さらに別の好ましい設計では、切り刃２６は、後退した切り刃２６ａ、２６ｂ（図８〜図１０参照）として形成される。後退した切り刃２６ａ、２６ｂは、仮想円筒Ｗ（図８）の外表面に沿って延在するように形成される。円筒Ｗの長手軸Ｌ_Wは、自己穿孔エレメント１の長手軸Ｌに対して垂直に配置されている。このことから、切り刃２６の部分２６ａは残りの部分２６ｂから長手軸Ｌの方向にオフセットして配置されていることがわかる。特に切り刃２６ａは座形状部３０の方向に後退している。この構造により、自己穿孔エレメント１を設置する際に、センタリングする自己引抜きパンチつまり穿孔工程が生じる。また切り刃２６の長さは、自己穿孔エレメント１を設置する際に最適な結果が得られるように、円筒Ｗの直径を適切に選択することにより構造部材５の素材に合わせることができる。

切断形状部のさらに別の設計を図１９〜図２３に示す。図１９に自己穿孔エレメント１の好ましい実施態様を示し、図２０には図１９において円で囲った部分の拡大図を示す。この図から、この切断形状部も外側面取り部２２、切り刃２６、及び内側面取り部２４を有することがわかる。図１〜図１１の実施態様では、内側面取り部２４は自己穿孔エレメント１の長手軸に対して角度α≦４５°で設けられている(図６参照)。さらにこれに関して、角度αが小さくなるにつれ、自己穿孔エレメント１の設置工程における拡張つまりビーディングが容易になるので、３０°〜４０°の角度範囲が好ましい。

図１９〜図２２に示す実施態様において、内側面取り部２４は自己穿孔エレメント１の長手軸Ｌに対して角度α≧６０°、好ましくは７０°≦α≦８５°の角度範囲で設ける。外側面取り部２２は自己穿孔エレメント１の長手軸Ｌに対して０°〜３０°の角度βをなす。切り刃２６は内側面取り部２４と外側面取り部２２との間に配置される。切断形状部のこの構成は、自己穿孔エレメント１をCFRP等の硬質プラスチックに設置するのに特に適している。外側面取り部２２にはさらに、これよりも半径方向外方に配置した外側面取り部２３を任意に設けてもよい。この面取り部もまた自己穿孔エレメント１の設置を補助する。また構造部材５に設置した後の突出部が小さい自己穿孔エレメント１に使用することができる。これは例えば、厚さの変動が少ない構造部材５の場合であって、自己穿孔エレメント１の長さを構造部材５の厚さにより適合させることができる。これとは対照的に、図１〜図１１の自己穿孔エレメント１の構成は、軟質プラスチック、若しくは元の成形後でまだ軟らかい状態の構造部材５に自己穿孔エレメント１を挿入する場合に特に適している。好ましい素材は、≧５０°の温度でプレス加熱された状態のポリプロピレン(PP)やガラスマット強化プラスチック（GMT）である。

さらに、図１〜図１１の自己穿孔エレメント１は、構造部材５の厚さの変動を補償するのに適している。自己穿孔エレメント１は、このような様々な厚さの構造部材５に使用し、様々な長さの突出部を形成する。しかしながら、このような長さの突出部は、自己穿孔エレメント１の締結及び保持に貢献し且つ自己穿孔エレメント１を設けた構造部材５の品質に悪影響を及ぼさないように、設置工程において適切にビーディングすることができる。

図４及び図５からわかるように、座形状部３０は第一座領域３２と第二座領域３４とに分けられる。座形状部３０は好ましくは図６に示すように円形に、若しくは図４に示すように多角形に形成される。さらに断面形状は円形、卵形、楕円形、若しくは多角形である。これに関して、第一座領域３２を軸方向に円錐形に形成する実施態様が考えられる。第一座領域３２は、自己穿孔エレメント１の長手軸Lに対して５±０．５°の角度をなす。同様に、座領域３２を円筒形に構成することも当然考えられる。第二座領域３４は第一座領域３２に続き、円筒形状に形成される。

自己穿孔エレメント１の設置／装着工程において、自己穿孔エレメント１を固定するために、第二座領域３４は円錐形に拡張される（図５及び図７参照）。自己穿孔エレメント１の設置におけるこの拡張によって、従来技術と比較して、自己穿孔エレメント１の構造部材５に対する軸方向の固定を顕著に改善することができる。さらに、第二座領域２４が拡張することにより、自己穿孔エレメント１を半径方向にクランプする力が増すことになる。その結果、回転が抑制され、さらに切断形状部２０を上から見て例えば多角形若しくは非円形形状とすることによって補助される。これに関して、好ましい実施態様では、第一座領域３２は、プラスチック部材つまり構造部材５の自己穿孔エレメント１の接合位置における材料厚さの３０％、第二座領域３４は７０％にわたって延在する。自己穿孔エレメント１をこのように寸法取りすることによって、構造部材５の対応する面においてビーディングされた切断形状部２０を平坦にすることができる。さらに、このように厳密に寸法取りしなくても、設置／装着工程後、切断形状部２０は構造部材５の対応する面において無視できる程度（約０．５mm）しか突出しない。

さらに別の設計では、プラスチック製の構造部材５の素材に応じて、機能性ヘッド１０の構造部材５に対向する側に、ヘッド下面の放射状周方向溝１４が設けられる（図５）。特に自己穿孔エレメント１を比較的軟質のプラスチック製構造部材５に設置する場合、ヘッド下面の溝１４は、自己穿孔エレメント１を設置する際に盛り上がった材料１６を受け入れる。この構成を用いることにより、機能性ヘッド１０の構造部材５上への最適な配置を支援することができる。ヘッド下面の溝１４の機能を、図１６を参照して概略的に説明する。図１６は、プラスチック製の構造部材５に自己穿孔エレメント１を設置する工程の様々な状態を連続的に示している。自己穿孔エレメント１を構造部材５に対して接合方向Ｆに圧入すると、接合方向Ｆとは逆方向に材料の流れが生じる。この材料の流れが、自己穿孔エレメント１の座形状部３０に接する材料の盛り上がり１６を形成する。材料の盛り上がり１６が機能性ヘッド１０を構造部材５に配置する妨げとならないように、ヘッド下面の溝１４は、材料の盛り上がり１６を受け入れるような寸法とされている。このように、機能性ヘッド１０は構造部材５に確実に最適に支承される。

さらに別の実施態様では、機能性ヘッド１０の切断形状部２０に対向する側に、ヘッド下面の突出輪郭部１２を設けることが好ましい。ヘッド下面のこの輪郭部１２によって、自己穿孔エレメント１を構造部材５上に確実に接触させることができ、堅固な締結を補助することができる。

自己穿孔エレメント１の構造部材５に対する保持性を支援するさらなる構成を図１９〜図２３に示す。保持構造３６が座形状部３０の半径方向外面に設けられている。自己穿孔エレメント１を設置する際、この保持構造３６が構造部材５の材料内に固定され、自己穿孔エレメント１を構造部材５内に保持するのを支援する。保持構造３６は、長手軸Lに対して平行及び／又は垂直に設けたウェブからなるが、他の方向で設けることも可能である。このように保持構造３６は、例えば構造部材５内で自己穿孔エレメント１が軸方向に移動するのに対抗するアンダーカットを形成する。このために、保持構造３６は、構造部材５の素材に応じて形成される角度の輪郭を有する。この輪郭の角度は、６０°±１０°、若しくは５０°±２０°とし、７０〜１００％の完全なピークを設けることが好ましい。

さらに別の設計では、座形状部３０の半径方向外面に、座領域３０に構造部材５の材料のためのポケットを形成する半径方向内方にオフセットした座領域３８を設ける。内方にオフセットした座領域３８によって、形成されたポケット内に構造部材５の材料が設置工程中及び工程後に緩んで流れ込むことができる。これにより材料の機械的応力が分散し、自己穿孔エレメント１の保持性が支援される。

上述した自己穿孔エレメント１の構成は、自己穿孔エレメントを繊維強化プラスチックに配置する場合に特に効果的である。このような構成により、繊維強化による異方性、及び例えば構造部材５の温度による剛性の変化を克服することができる。さらに、上述した自己穿孔エレメント１の形状の場合、シートメタルの接合とは異なり、特に上記の特徴が必要であることが明らかとなった。

自己穿孔エレメント１の好ましい材料としては、適切な冷間成形材料が使用される。このような材料は、自己穿孔エレメント１を設置する際に抵抗力があり、ビーディング領域、第二座領域３４、及び強い変形を受ける切断形状部２０における自己穿孔エレメント１の割れを防止する。このような材料を選択することにより、切断形状部２０及び第二座領域３４をクリンチする際に、切り刃２６の高い剛性と相俟って割れのないリング状の接触を達成することができる。構造部材５とのこの割れのないリング状の接触により、例えば大きなネジ切り力を伝達することができると共に、構造部材５のプラスチックが緩む傾向を防ぐことができる。

自己穿孔エレメント１は、図１２〜図１５に示す装置によって設置／装着する。図１２〜図１５は、図１７のフローチャートに示した本発明の好ましい実施態様による設置方法の様々な段階を示す。図１２〜図１５に示すように、この装置及び設置方法を、図１Ｂに示した自己穿孔エレメント１の設置を例にとって説明する。

自己穿孔エレメント１を装着するための装置は、内蔵式の装置として構築される。これにより、プラスチック製構造部材５のさらなる処理を行う機械における固定組立体として使用することができる。別の態様としては、この装置を多軸ロボット等の自動処理装置に載置するアタッチメントとして使用することもできる。これに関して、この装置をケーブルガイド付きのフレーム等の手動処理装置に載置するアタッチメントとして使用することも考えられる。

まず始めに、工程I（図１８参照）において自己穿孔エレメント１をパンチ工具４０（図１２参照）に位置決めする。自己穿孔エレメント１の位置決めは、好ましくは慣用の分離手段によって行うのが好ましいが、手動で行うこともできる。

パンチ工具４０は、自己穿孔エレメント１のためのリテーナーを有する受入れ輪郭部４２を備える。受入れ輪郭部４２は、自己穿孔エレメント１に軸方向の接合力を伝達する一方で、クリンチ工具５０（以下参照）による自己穿孔エレメント１の切断形状部２０のクリンチングやビーディングのための対向支持体としての役割を果たす。パンチ工具４０はさらに、クリンチ工具５０と協働するバネ付勢された先導領域４４を有する。

設置／装着工程の前に、構造部材５をダイ６０上に位置決めする（工程VI参照）。ダイ６０は少なくとも二つの可動ダイセグメント６２からなる。ダイセグメント６２間には開口６４が設けられており、その中に設置工程中の自己穿孔エレメント１が係合する。設置工程を開始する前に、工程IIにおいてダイセグメント６２を最適位置に位置決めする。ダイセグメント６２の位置決めによって、構造部材５の素材に応じて開口６４の内面と自己穿孔エレメント１の外面との間の空隙６６の幅を調節する。この空隙の幅の調節について、自己穿孔エレメント１を最適に締結するための設置工程の条件を考慮することも考えられる。

比較的堅固な構造であるGMT等のプラスチックの場合の室温における空隙の幅（例えばGMT GF40、２０℃）は０．２５〜０．４０mmの範囲とすべきである。粘性構造であるPP長繊維等のプラスチックの場合の高温での空隙の幅（例えばPP GF30、６０℃）は、０．０６２５〜０．１１５５mmの範囲とすべきである。

空隙６６の幅及び開口６４の大きさは、シリンダーや押し込みガイド６８を用いてダイセグメント６２を移動させることにより変更することができる。

この方法のさらに任意の工程では、プラスチック製の構造部材５を少なくとも自己穿孔エレメント１の接合箇所の領域において加熱することが好ましい。構造部材５をその製造後、完全に冷える前に装置へ持って行き、設置工程を開始することによっても同様の結果が得られる。構造部材５のプラスチックを加熱することにより、自己穿孔エレメント１による切断、よって設置工程全体が容易となる。

このように構造部材５をダイ６０上に配置した後（工程IV参照）、パンチ工具４０を接合方向Ｆに前進させることにより、構造部材５から切出片３を切出す（工程V）。図１２及び図１３は、パンチ工具４０を前進させることによって自己穿孔エレメント１が構造部材５から切出片３を切出す様子を示している。図１３において、切出片３は既に切出されており、自己穿孔エレメント１は隣接するダイセグメント６２との間に空隙６６がある状態で、開口６４内に配置されている。パンチング工程つまり穿孔工程が完了したら、ダイセグメント６２を半径方向外方にスライドさせる。例えば２〜４個のダイセグメント６２からなるダイ６０を使用する場合には、ダイセグメント６２を押し込みガイド６８で移動させることが好ましい。この押し込みガイド６８は、クリンチ工具５０が前進する際に、ダイセグメント６２が自己穿孔エレメント１から離れる方向に移動するように、クリンチ工具５０の軸方向前進動作と連動している。従って、押し込みガイド６８とクリンチ工具５０との連動を利用して、設置工程のアクティブな工程制御が可能となるが、これは必ずしも必要ではない。

クリンチ工具５０は、自己穿孔エレメント１の切断形状部２０に適合するクリンチ輪郭部５２を備え、このクリンチ輪郭部によって切断形状部２０が半径方向外方に変形される。切出片３は、自己穿孔エレメント１によって切出された後、支持縁５４と閉じたダイ６０とによって保持される。ここで工程VIIにおいてダイセグメントを自己穿孔エレメント１から離すことができ、工程VIIIにおいてクリンチ工具５０を構造部材５に向かって前進させることによって、自己穿孔エレメント１の切断形状部２０を変形させることができる。切出片３がこの工程を中断させることがないように、ダイ６０内の適当な通路６９を介して除去する（工程IX参照）。切出片３の除去は、機械的に送信されるパルス若しくは空気等の媒体の補助によって行うことができる。

切断形状部２０及び第二座領域３４を変形させるために、これらに適合されたクリンチ輪郭部５２が対応する領域を半径方向外方にクリンチする。このように、図２、図３、図５、及び図７に見られるような、切断形状部２０及び第二座領域３４の半径方向外方に丸められた形状が構造部材５内部に形成される。クリンチ輪郭部５２によるこの変形が行われている間、自己穿孔エレメント１を表面と面一にクリンチ又はビーティングすることが特に好ましい。これにより例えば自動車のフレーム構造に対して構造部材５を高さをオフセットさせることなく確実に固定することができる。当然ながら、自己穿孔エレメント１を高さを多少オフセットさせて構造部材５に締結することも考えられる。

上述した自己穿孔エレメント１の面一のクリンチを支援するために、ダイ６０には開口６４に隣接してパンチ工具４０の方向に突出する輪郭部６７を設けることが好ましい（図１７参照）。パンチ工具４０による自己穿孔エレメント１の設置工程中、この突出輪郭部６７が構造部材５内へ押し込まれ、構造部材５に凹所を形成する。自己穿孔エレメント１のクリンチつまりビーディングされた端部は、構造部材表面に突出しているにも関わらず、この凹所（図示せず）内に「消失」し、その結果、構造部材５の下面に対して面一なクリンチつまりビーディングを行うことができる。

ダイセグメント６２とクリンチ工具５０との間に配置された前述の押し込みガイド６８によってダイ６０が半径方向に開く。クリンチ工具５０が前進運動すると、ダイセグメント６２は横方向に離れるように移動するので、切断形状部２０に適合されたクリンチ輪郭部５２へのアクセスを可能とし、クリンチつまりビーディングを容易にするのに十分に広い領域が利用可能となる。

説明した設置方法のさらに別の態様では、プラスチック製の構造部材５を少なくとも自己穿孔エレメント１の設置領域において加熱することが考えられる（工程III参照）。同様に、自己穿孔エレメント１の設置を容易にするために、構造部材５をその製造後、完全に冷える前に装置へ運ぶことも可能である。

自己穿孔エレメント１の設置工程の特徴は、設置工程全体を通して、自己穿孔エレメント１、装置、及び構造部材５を互いに半径方向に固定配置しておくことにある。このように配置する利点は、処理工程間で自己穿孔エレメント１と構造部材５とを新たに位置決めし直す必要がなく、方法の各工程を統合することができることにある。このことにより、方法が中断する可能性を低減し、設置方法の最適化に貢献することができる。

図１Ａ〜図１Ｃは、自己穿孔エレメントの様々な実施態様を示す。 図２Ａ〜図２Ｃは、構造部材に締結した自己穿孔エレメントの様々な実施態様を示す。 図３は、構造部材に締結した自己穿孔エレメントの様々な実施態様を示す。 図４は、自己穿孔エレメントのさらに別の実施態様を示す。 図５は、図４の自己穿孔エレメントを構造部材に締結した状態を示す。 図６は、自己穿孔エレメントのさらに別の実施態様を示す。 図７は、図６の自己穿孔エレメントを構造部材に締結した状態を示す。 図８は、自己穿孔エレメントの一実施態様の特定の特徴の説明を示す。 図９は、図８の自己穿孔エレメントの断面図である。 図１０は、図９の自己穿孔エレメントの拡大断面図である。 図１１は、構造部材に設置する際の自己穿孔エレメントの一実施態様を詳細に示す図である。 図１２は、自己穿孔エレメントを設置するための装置の好ましい実施態様を設置方法の様々な段階で示す図である。 図１３は、自己穿孔エレメントを設置するための装置の好ましい実施態様を設置方法の様々な段階で示す図である。 図１４は、自己穿孔エレメントを設置するための装置の好ましい実施態様を設置方法の様々な段階で示す図である。 図１５は、自己穿孔エレメントを設置するための装置の好ましい実施態様を設置方法の様々な段階で示す図である。 図１６は、自己穿孔エレメントの設置方法を概略的に示す図である。 図１７は、ダイセグメントの一実施態様を示す断面図である。 図１８は、自己穿孔エレメントの設置方法の一実施態様に係るフローチャートである。 図１９は、自己穿孔エレメントのさらに別の実施態様を示す断面図である。 図２０は、図１９にXで示した部分の拡大詳細図である。 図２１は、自己穿孔エレメントのさらに別の実施態様を示す断面図である。 図２２は、自己穿孔エレメントのさらに別の実施態様を示す断面図である。 図２３は、図２２の自己穿孔エレメントを設置した状態で示す図である。

Claims (26)

1. 好ましくはプラスチック製の構造部材（５）に、穿孔及びビーディングによって接合可能な自己穿孔エレメント（１）であって、
   ａ．該要素（１）の一端に、長手軸（Ｌ）と同軸的に配置した機能性ヘッド（１０）と、
   ｂ．該要素（１）の長手軸（Ｌ）と同軸的に配置した切断形状部（２０）と、機能性ヘッド（１０）と切断形状部（２０）との間に配置された座形状部（３０）とを有し、
   ｃ．該切断形状部（２０）が、半径方向外方に配置されたセンタリング用の外側面取り部（２２）と、半径方向内方に配置された内側面取り部（２４）と、両面取り部の間に配置された切り刃（２６）とを備えることを特徴とする、自己穿孔エレメント（１）。
2. 前記切断形状部（２０）が円形又は多角形である、請求項１に記載の自己穿孔エレメント（１）。
3. 前記切り刃（２６）の幅が０．１５±０．１mmである、先行する請求項のいずれか１項に記載の自己穿孔エレメント（１）。
4. 前記外側面取り部（２２）が切り刃（２６）から０．１〜０．２mmの長さにわたって延在しており、自己穿孔エレメント（１）の長手軸（Ｌ）に対して１０°の角度で配置されている、先行する請求項のいずれか１項に記載の自己穿孔エレメント（１）。
5. 前記内側面取り部が、自己穿孔エレメント（１）の長手軸（Ｌ）に対して第一の角度α≦４５°、好ましくは３０°〜４０°、若しくは自己穿孔エレメント（１）の長手軸（Ｌ）に対して第二の角度β≧６０°、好ましくは７０°〜８５°の角度範囲で配置されている、先行する請求項のいずれか１項に記載の自己穿孔エレメント（１）。
6. 外面に配置されたセンタリング用外側面取り部（２２）よりも半径方向外方に配置された第二の外側面取り部（２３）を備える、先行する請求項のいずれか１項に記載の自己穿孔エレメント（１）。
7. 前記座形状部（３０）が半径方向外面に支承保持構造（３６）及び／又は半径方向内方にオフセットした座領域（３８）を有する、先行する請求項のいずれか１項に記載の自己穿孔エレメント（１）。
8. 前記切断形状部（２０）の長さが、要素（１）と構造部材（５）との間に生じるリング状接触、及び／又は構造部材（５）の許容可能な表面圧力に適合可能である、先行する請求項のいずれか１項に記載の自己穿孔エレメント（１）。
9. 前記切り刃（２６）が、仮想円筒（Ｗ）の外表面に沿って延在し、該円筒の長手軸（ＬＷ）は、自己穿孔エレメント（１）の長手軸（Ｌ）に対して垂直に配置されており、それにより切り刃の一部（２６ａ）が残りの部分（２６ｂ）に対して自己穿孔エレメント（１）の長手軸（Ｌ）方向にオフセットする、先行する請求項のいずれか１項に記載の自己穿孔エレメント（１）。
10. 切出片（３）を捕らえて自己穿孔エレメント（１）内に詰まるのを防ぐことができる支持縁（２８）を有する、先行する請求項のいずれか１項に記載の自己穿孔エレメント（１）。
11. 前記座形状部（３０）が第一座領域（３２）及び第二座領域（３４）を有し、第二座領域（３４）が、自己穿孔エレメント（１）を締結するために円錐形状に拡張可能である、先行する請求項のいずれか１項に記載の自己穿孔エレメント（１）。
12. 前記第一座領域（３２）が円筒形又は円錐形に形成され、好ましくは長手軸（Ｌ）に対して円錐角５±０．５°である、請求項１１に記載の自己穿孔エレメント（１）。
13. 前記第一座領域（３２）が、構造部材（５）の厚さの３０％、前記第二座領域（３４）が７０％にわたって延在している、請求項１１又は１２に記載の自己穿孔エレメント（１）。
14. 前記切断形状部（２０）の頂面図が円形、卵形、楕円形、若しくは多角形である、先行する請求項のいずれか１項に記載の自己穿孔エレメント（１）。
15. 前記機能性ヘッド（１０）が、切断形状部（２０）に対向する側に、自己穿孔エレメント（１）を構造部材（５）に確実に接触させるのを助けるヘッド下面に突出する輪郭部（１２）を有する、先行する請求項のいずれか１項に記載の自己穿孔エレメント（１）。
16. 前記機能性ヘッド（１０）が、切断形状部（２０）に対向する側に、機能性ヘッド（１０）が構造部材（５）に接触するのを助けるために、自己穿孔エレメント（１）の装着中に材料の盛り上がりを受け入れることができる、ヘッド下面に設けた溝（１４）を有する、先行する請求項のいずれか１項に記載の自己穿孔エレメント（１）。
17. 先行する請求項のいずれか１項に記載した少なくとも一つの自己穿孔エレメント（１）を備える、好ましくはプラスチック製の構造部材（５）。
18. 自己穿孔エレメント（１）を構造部材（５）に装着するための装置であって、
    ａ．互いに対向して配置され、互いの長手軸に対して平行に接合方向（Ｆ）に移動可能である、パンチ工具（４０）及びクリンチ工具（５０）と、
    ｂ．移動可能に配置された少なくとも二つのセグメント（６２）からなり、自己穿孔エレメント（１）を伴うパンチ工具（４０）のための開口（６４）を規定するダイ（６０）とを備え、
    ｃ．セグメント（６２）の位置は、自己穿孔エレメント（１）を最適に締結することができるように、開口（６４）の内面と自己穿孔エレメント（１）の外面との間の空隙（６６）の幅を構造部材（５）の素材及び／又は装着工程の条件に応じて調節することができるように調節可能であることを特徴とする、装置。
19. 前記クリンチ工具（５０）が、自己穿孔エレメント（１）の切断形状部（２０）に適合したクリンチ輪郭部（５２）を有し、該輪郭部により切断形状部（２０）を半径方向外方に変形可能である、請求項１８に記載の装置。
20. 前記ダイ（６０）が、パンチ工具（４０）に対向する側に、開口（６４）に隣接し半径方向に伸びて突出する輪郭部（６７）を備え、該輪郭部によって構造部材（５）に凹所を形成することができる、請求項１８又は１９に記載の装置。
21. 前記ダイ（６０）が少なくとも一つの通路（６９）を有し、該通路を介して切出片（３）を排出することができる、請求項１８〜２０のいずれか１項に記載の装置。
22. 請求項１８〜２１のいずれか１項に記載の装置を用いて、自己穿孔エレメント（１）を構造部材（５）、好ましくはプラスチック製部材に装着する方法であって、
    ａ．切断形状部（２０）を有する自己穿孔エレメント（１）をパンチ工具（４０）に位置決めする工程（I）と、
    ｂ．構造部材（５）をダイ（６０）上に位置決めする工程（IV）と、パンチ工具（４０）を構造部材（５）に向かって前進させることにより構造部材から切出片（３）を切出す工程（V）と、
    ｃ．自己穿孔エレメント（１）からダイ（６０）のセグメント（６２）を離す工程（VII）と、クリンチ工具（５０、５２）を構造部材（５）に向かって前進させることにより自己穿孔エレメント（１）の切断形状部（２０）を変形させる工程（VIII）とを含む、方法。
23. 自己穿孔エレメント（１）を最適に締結することができるように、構造部材（５）の素材及び／又は装着工程の条件に応じて、開口（６４）の内面と自己穿孔エレメント（１）の外面との間の空隙の幅を適合させることができるように、ダイ（６０）のセグメント（６２）を位置決めする工程（II）をさらに含む、請求項２２に記載の方法。
24. 少なくとも自己穿孔エレメント（１）の設置箇所の領域においてプラスチック製構造部材（５）を加熱する工程（III）、若しくはプラスチック製構造部材（５）を、その製造後、完全に冷える前に、装置へ供給する工程をさらに含み、それにより自己穿孔エレメント（１）の設置を容易にする、請求項２２又は２３に記載の方法。
25. 構造部材（５）から切出片（３）を切出す際に、自己穿孔エレメント（１）の切断形状部（２０）に隣接して構造部材に凹所を形成する工程（VI）をさらに含む、請求項２２〜２４のいずれか１項に記載の方法。
26. 構造部材（５）から切出片（３）を切出した後に、ダイ（６０）に設けた少なくとも一つの通路を介して切出片（３）を排出する工程（IX）をさらに含む、請求項１９〜２２のいずれか１項に記載の方法。

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