JP2009274119A - Method of joining metal sheet by caulking - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、簡便かつ低コストで高接合強度を得ることが可能な金属板のかしめ接合方法に関する。 The present invention relates to a method for caulking and joining metal plates, which can obtain high joining strength easily and at low cost.
重ね合わせた複数枚の金属板を接合する手法としては、スポット溶接法が広く用いられている。スポット溶接法は高い接合強度が安定的に得られるとともに、生産性に優れる接合方法である。しかしながら、板厚が異なる材料や異種材料の接合が困難である。また、めっき材では、材料への熱影響によりめっき層が損傷するため後処理が必要となるとともに、銅電極がめっき層と合金化反応を起こすため電極先端が消耗し電極寿命が5千ショット以下と短い。さらには接合作業の際、溶融金属が周辺に飛散する散りやヒュームが発生し作業環境が悪化するため、排煙設備が必要となる。 A spot welding method is widely used as a method for joining a plurality of stacked metal plates. The spot welding method is a joining method in which high joint strength can be stably obtained and productivity is excellent. However, it is difficult to join materials having different thicknesses or different materials. In addition, with plating materials, the plating layer is damaged due to the heat effect on the material, so post-treatment is required, and the copper electrode causes an alloying reaction with the plating layer, so the electrode tip is consumed and the electrode life is less than 5,000 shots. And short. Furthermore, during the joining operation, the molten metal is scattered around and fume is generated, and the working environment is deteriorated.
また、ボルトやリベットのような締結具を用いた機械的接合法も一般に行われている。このような接合法では、締結具を用いるためコストが高くなる。さらには積層した金属板にあらかじめ下穴を開ける必要があり作業効率が低下するとともに、締結具の一部が接合した金属板の上下表面に突出するため、美観を損なうおそれがある。
そこで、かしめ接合法が採用される場合がある。
In addition, a mechanical joining method using a fastener such as a bolt or a rivet is generally performed. In such a joining method, since a fastener is used, cost increases. Furthermore, it is necessary to make a pilot hole in the laminated metal plate in advance, so that the working efficiency is lowered, and part of the fastener protrudes from the upper and lower surfaces of the joined metal plate, which may impair the aesthetic appearance.
Therefore, a caulking joining method may be employed.
スポットクリンチ接合に代表されるかしめ接合法は、重ね合わせた金属板を片側からパンチにより押圧し当該金属板を塑性変形させ接合する手法であり、締結具が必要ないためコストを低下させることが出来る。さらに、スポット溶接法と比較して、差厚、異種材料の接合が可能となる等素材の制約が少なく、また熱影響がないためめっき材においても後補修が不要となり、金型寿命も10万ショット以上と安定して金属板の接合が可能となる。さらにはプレス成形でかしめ接合を行うことができることから、プレス設備との同調性がよく、ヒュームもでないため作業環境も良好である。そのため、自動車、家電製品、建材分野に広く使用されるようになっている。 The caulking joining method typified by spot clinching joining is a technique of pressing a stacked metal plate with a punch from one side and plastically deforming and joining the metal plate, and can reduce costs because a fastener is not required. . Furthermore, compared to spot welding, there are few material restrictions such as the ability to join different thicknesses and dissimilar materials, and there is no thermal effect, so there is no need for post-repair in the plating material, and the die life is 100,000. Metal plates can be joined stably over shots. Furthermore, since caulking and joining can be performed by press molding, the synchronism with the press equipment is good and the working environment is also good because there is no fume. Therefore, it is widely used in the fields of automobiles, home appliances, and building materials.
従来のかしめ接合法では、積層した金属板に上方からパンチを押し込んで凹型成形し、下面の金属板材料を外側へ塑性流動させ安定した接合強度を得るために大きな加圧力を必要とした。そのため、金型寿命が短かった。
そこで、特許文献1では、平坦なパンチ先端やダイの台座部において少なくとも片側に潤滑性含有樹脂皮膜を形成し、かしめ接合を実施している。また、特許文献2では、パンチ先端部に凹状となる円錐面を設けるとともに、ダイ先端部には凸状となる円錐面を設けた金型を用いてかしめ接合している。
Therefore, in
特許文献1、2で提案された技術は、金型寿命を高寿命化する手段としては有効である。しかしながら、高接合強度を得ようとする課題に対しては十分ではない。
本発明者等は、まずZn−Al−Mg系の溶融めっき鋼板のかしめ接合における十字引張負荷による破壊挙動について検討した。その結果、次のことを見出した。図1のように、従来のかしめ接合による金属板接合断面から、接合のために形成した凹型部において上側金属板の側壁部厚さS1およびインターロック量C1を大きくすることにより接合強度が高くなることがわかった。また、接合した金属板の破壊形態は、インターロック部の抜けと上板の側壁部の破断の2種類に大別された。
この2種類の破壊形態のうち、インターロック部の抜けよりも側壁部の破断形態となるほうが高接合強度となった。従って、十分なインターロック量が確保されれば側壁部厚さS1を大きくすることで、高接合強度を得ることが可能となる。しかしながら、前記特許文献1、2では、側壁部厚さS1を大きくすることはできていない。
The techniques proposed in
The inventors of the present invention first examined the fracture behavior due to the cross tension load in the caulking joint of a Zn—Al—Mg based hot-dip steel sheet. As a result, they found the following. As shown in FIG. 1, from the cross section of the conventional metal plate by caulking, the bonding strength is increased by increasing the side wall thickness S1 and the interlock amount C1 of the upper metal plate in the concave portion formed for bonding. I understood it. Moreover, the fracture | rupture form of the joined metal plate was divided roughly into two types, the omission of an interlock part and the fracture | rupture of the side wall part of an upper board.
Of these two types of fracture modes, the side wall portion has a higher fracture strength than the interlock portion is missing. Therefore, if a sufficient amount of interlock is ensured, it is possible to obtain a high bonding strength by increasing the side wall thickness S1. However, in
このようにかしめ接合では強度の高い接合ができないために、高接合強度が必要な場合には、接合箇所を多くすることが必要となって、結果的にコストを高くしている。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、側壁部厚さS1を大きくして接合強度の向上が可能なかしめ接合方法を提供することを目的とする。
As described above, since high-strength bonding cannot be performed by caulking bonding, when high bonding strength is required, it is necessary to increase the number of bonding portions, resulting in an increase in cost.
The present invention has been devised to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a caulking joining method capable of improving the joining strength by increasing the side wall thickness S1.
本発明の金属板のかしめ接合方法は、その目的を達成するため、先端部に金属板に向かって凹状の円錐面を有する固定アンビル外周に分割配置された可動ブレード上に、複数枚の金属板を重ねて配置し、上方から先端部に凸状の円錐面を有する円柱型パンチを当該金属板に局部的に押し込み、上面の金属板を塑性変形させるとともに、前記可動ブレードをそれぞれ個別に外周方向に逃がすことにより下面の金属板を塑性変形させて上下の金属板を機械的に接合することを特徴とする。 In order to achieve the object, the metal plate caulking and joining method of the present invention has a plurality of metal plates on a movable blade divided and arranged on the outer periphery of a fixed anvil having a conical surface concave toward the metal plate at the tip. Are stacked, and a cylindrical punch having a convex conical surface at the tip is locally pushed into the metal plate to plastically deform the upper metal plate, and the movable blades are individually moved in the outer circumferential direction. The upper and lower metal plates are mechanically joined by plastically deforming the lower metal plates by letting them escape.
本発明により、かしめ接合によって形成された凹型部において、側壁部厚さを大きくするとともにインターロック部が形成されるため高接合強度を有するかしめ接合を行うことが可能となる。高接合強度のかしめ接合が可能になることにより、かしめ接合の打点数を減少させることが可能となるため、コストの低下に繋がる。 According to the present invention, in the concave mold portion formed by caulking, the thickness of the side wall is increased and the interlock portion is formed, so that it is possible to perform caulking bonding having high bonding strength. Since it becomes possible to perform caulking bonding with high bonding strength, it is possible to reduce the number of striking points for caulking bonding, leading to a reduction in cost.
前記した通り、従来のかしめ接合法はスポット溶接法と比較して、高い接合強度を得る場合には十分でない。それはかしめ接合を行った時、接合のために形成した凹型部における側壁部厚さおよびインターロック量が厚くなりにくいからである。
本発明者等は、接合強度に特に影響する側壁部厚さを厚くする手段について鋭意検討を重ねてきた。その結果、かしめ接合に用いる固定アンビルの上面形状と円柱型パンチの下端面形状を工夫することにより、かしめ接合によって形成された凹型部の側壁部厚さを厚くすることが可能であることを見出した。
以下にその詳細を説明する。
As described above, the conventional caulking joining method is not sufficient for obtaining a high joining strength as compared with the spot welding method. This is because when caulking is performed, the thickness of the side wall and the amount of interlock in the concave portion formed for bonding are difficult to increase.
The inventors of the present invention have made extensive studies on means for increasing the thickness of the side wall part that particularly affects the bonding strength. As a result, it has been found that by devising the upper surface shape of the fixed anvil used for caulking and the lower end surface shape of the cylindrical punch, it is possible to increase the thickness of the side wall of the concave portion formed by caulking. It was.
Details will be described below.
通常、かしめ接合では、図2(a)に示すように、二枚の金属板1,2を可動式のブレード6上に重ねて載置した後、ストリッパ4により金属板1,2をブレード6と挟み込んで固定・セットする。その後、図2(b)に示すように、金属板に向かって円柱型パンチ3をセットした金属板1,2を押圧して塑性変形させて金属板1,2を接合する。この際、材料は固定式アンビル5の上面に沿って張り出される。その後、半径方向に可動に取付けられたブレード6とともに、半径方向外側に向けて移動する。そして、インターロックを形成して金属板1,2は接合される。
Normally, in caulking, as shown in FIG. 2A, two
上記のようなかしめ接合の際、図1で示す側壁部厚さS1を大きくするためには、金属板1,2の材料の半径方向外側へのアンビル5の上面に沿っての張り出しをより行いやすくすることが有効であると考えられる。
そのため、本発明では、用いるパンチ3とアンビル5の形状を工夫した。すなわち、図3に示すように、円柱型パンチ3の先端部を金属板に向かって凸状の円錐面とするとともに、円柱状アンビル5の上端面を金属板に向かって凹状の円錐面とした。
In order to increase the side wall thickness S1 shown in FIG. 1 during the caulking and bonding as described above, the
Therefore, in this invention, the shape of the punch 3 and the anvil 5 to be used was devised. That is, as shown in FIG. 3, the tip of the cylindrical punch 3 has a convex conical surface toward the metal plate, and the upper end surface of the cylindrical anvil 5 has a concave conical surface toward the metal plate. .
用いるパンチ3とアンビル5の形状を上記のようなものとすることにより、図3(b)に示すように、金属板1,2の材料の半径方向外側への張り出し・流動が行いやすくなって、金属板1の側壁部厚さS1を大きく確保したまま金属板がアンビル5に接触しインターロック部を形成することが可能となる。
図示はしないが、逆に、円柱型パンチ3の先端部を金属板に向かって凹状の円錐面とすると、パンチ押圧時に金属板1は下方向に大きく引き伸ばされることとなるため、形成される金属板1の側壁部厚さは薄くなる。さらに、円柱状アンビル5の上端面を金属板に向かって凸状の円錐面とすると、凹状の円錐面を有する円柱型パンチで押圧する際、金属板1,2の材料の半径方向外側への張り出し・流動が下方向に行われるため、金属板1の側壁部は大きく引き伸ばされることとなり、金属板1の側壁部厚さはさらに薄くなる。
したがって、本発明のように円柱型パンチ3の先端部を金属板に向かって凸状の円錐面とするとともに、円柱状アンビル5の上端面を金属板に向かって凹状の円錐面とすることで効果的に金属板1の側壁部厚さを厚くすることができる。
By making the shapes of the punch 3 and the anvil 5 used as described above, as shown in FIG. 3B, the
Although not shown, conversely, if the tip of the cylindrical punch 3 is a concave conical surface toward the metal plate, the
Therefore, as in the present invention, the tip of the cylindrical punch 3 has a convex conical surface toward the metal plate, and the upper end surface of the cylindrical anvil 5 has a concave conical surface toward the metal plate. The thickness of the side wall portion of the
なお、パンチ3およびアンビル5における円錐の中心角度θ1およびθ2は等しく、140〜160度程度のものを用いることが好ましい。
パンチ3およびアンビル5における円錐の中心角度θ1およびθ2は140度未満であると、パンチ3を押圧する際に、金属板上板が金属板下板より下部に移動しないため、インターロック部を形成できず、金属板を接合できない。逆にこの角度が160度を超える程に大きくなると、通常の円柱型底部を有するかしめ接合とほぼ同じ変形形態となり、側壁部を増肉する作用が生じなくなる。接合する板厚と形成する凹入部深さにもよるが、効率的な増肉の観点からは、θ1およびθ2の範囲は140〜160度とすることが好ましい。
In addition, it is preferable that the center angles θ1 and θ2 of the cones in the punch 3 and the anvil 5 are equal and about 140 to 160 degrees are used.
When the center angles θ1 and θ2 of the cones in the punch 3 and the anvil 5 are less than 140 degrees, the upper plate of the metal plate does not move below the lower plate of the metal plate when the punch 3 is pressed, so an interlock portion is formed. Cannot join the metal plates. On the other hand, when the angle is increased to exceed 160 degrees, the deformation is almost the same as that of a caulking joint having a normal cylindrical bottom, and the effect of increasing the thickness of the side wall is not generated. Although depending on the thickness of the plate to be joined and the depth of the recessed portion to be formed, the range of θ1 and θ2 is preferably 140 to 160 degrees from the viewpoint of efficient thickening.
本発明の実施の形態を図3に示す。金属板1および金属板2は表1に示す化学成分と機械的性質を有する厚さが1.6mmのZn−Al−Mg系の溶融めっき鋼板を使用した。かしめ用工具として、円柱型パンチ3は直径4.5mm、固定式アンビル5は直径5mmのものを使用した。円柱型パンチ3の先端部はθ1が160度となる凸状の円錐面となっており、アンビル5は先端部の角度θ2が160度となる凹状の円錐面となっている。
両板の接合に当っては、図3(a)に示すように金属板をブレード6上に重ねた状態で位置決めをしてセットした。ついで、ストリッパ4において金属板をブレード6と挟み込んで固定した。図3(b)に示すように、円柱型パンチ3を3.5mm押圧し金属板1および2を塑性変形させ金属板同士を接合した。この際、材料は凹状アンビル5の形状に沿って張り出すため、ブレード6は半径方向へ移動する。かくして図4に示すように、円柱型パンチ3によって、金属板1および2を凹状アンビルに押圧することにより、側壁部厚さを確保したまま、インターロック部を形成した。
An embodiment of the present invention is shown in FIG. As the
In joining the two plates, the metal plate was positioned and set in a state of being superimposed on the
また比較例として、図2に示すような先端面が平らな状態の従来の円柱型パンチおよびアンビルを用いてかしめ接合した。
本発明方法および従来方法でかしめ接合したものについて、接合部断面のインターロック厚さC1と側壁部厚さS1を測定した。併せて、JIS Z3137に準じて十字引張試験を行った。その結果を表2に示す。
本発明の側壁部厚さS1は比較例である従来方法と比較して厚くなっており、十字引張荷重は従来方法と比較して50%増加していた。凸型円錐型パンチおよび凹型円錐アンビルを用いた本発明が有効であることがわかる。
As a comparative example, crimping and joining were performed using a conventional cylindrical punch and anvil having a flat tip surface as shown in FIG.
The interlock thickness C1 and the side wall thickness S1 of the cross section of the joint were measured for those that were caulked and joined by the method of the present invention and the conventional method. In addition, a cross tension test was performed according to JIS Z3137. The results are shown in Table 2.
The side wall thickness S1 of the present invention is thicker than that of the conventional method as a comparative example, and the cross tension load is increased by 50% as compared with the conventional method. It can be seen that the present invention using a convex conical punch and a concave conical anvil is effective.
1:金属板(複合材) 2:金属板(被複合材) 3:円柱型パンチ
4:ストリッパ 5:固定式アンビル 6:可動式ブレード
C1:インターロック量 S1:側壁部厚さ
1: Metal plate (composite material) 2: Metal plate (composite material) 3: Cylindrical punch
4: Stripper 5: Fixed anvil 6: Movable blade
C1: Interlock amount S1: Side wall thickness
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JP2008128999A JP2009274119A (en) | 2008-05-16 | 2008-05-16 | Method of joining metal sheet by caulking |
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CN110170583A (en) * | 2019-05-30 | 2019-08-27 | 西安建筑科技大学 | A kind of heterogeneous plate is without riveting Joining Technology |
JP2020151721A (en) * | 2019-03-18 | 2020-09-24 | 株式会社三五 | Mechanical clinch device of planar member |
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