JP2009523965A - 鋲接続を形成するための方法及びそのための鋲 - Google Patents

Abstract

二部材間の鋲接続を形成するための方法及びそのための鋲が記載されている。鋲は、接合領域において高速で、事前孔開けされていない部材に打ち込まれ、鋲端部は、両部材を完全に貫通すると共に、鋲頭部の円形溝内に突出する円環状の材料隆起部を形成し、鋲頭部から遠い側の部材には、反対方向に突出する噴火口状の材料隆起部が形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、取付装置によって高速で二部材に打込まれる鋲を用いてこれら二部材間の鋲接続を形成するための方法と、そのための鋲とに関する。

本方法は、「ボルト取付け」という用語でも知られているが、鋲(ボルト）が接合すべき部材に高速で打込まれる変形接合方法である。この方法は、一般に接合領域に対して一方向のみから接近可能であればよく、事前孔開け作業も省略できることが多いという点で有利である。ボルト取付けは、鋼建築、外壁建築、金属建築、造船、建築産業等の多くの領域で信頼性のある接合方法として既に使用されている。

鋲（取付ボルト）は、火薬力（powder force）駆動カートリッジの形態の取付装置により鋼、鉄、シートメタル等の金属物質に打込まれるが、例えばＤＥ１５７５１５２、ＤＥ１９４０４４７、ＤＥ１５００７７０から知られている。この種の鋲は通常、鋲頭部、鋲軸及びオジーブ状（弾頭状）の鋲端部からなり、軸は、クロス又は矢状つば部（cross or arrow edgings）、螺旋状に延びたリブ等の形状の表面プロファイルを備える。

ＤＥ−ＧＭ７２２６７１０には、平坦な頭部、円筒形の軸、オジーブ状の鋲端部を有しシートメタルプレートを、より肉厚の金属部分に固定するのに使用される鋲（ボルト）が記載されている。この鋲は、シートメタルプレートに予め形成された孔を貫通して金属部分に打ち込まれる。鋲の頭部及び／又は軸には、金属部分への打込み中にそれから突出した材料を受け入れるための凹部が設けられている。この文書における実施形態によれば、凹部は鋲頭部の下面に設けられており、予め形成された孔を取り囲むシートメタルの縁部は、金属部品の変位された材料によって上方に曲げられ凹部内に入り込んでいる。金属部品の厚さは鋲の長さよりもかなり大きく、金属部品は鋲端部を完全に取り囲んでいる。この文書に開示された方法は、特に、型式プレートを機械に固定するのに使用される。この接合方法は、断面が閉じた押出成形部分や、自動車製造等に要求される高い内圧によって成形される部品にシートメタルプレートを固定するのには適さない。

この用途に適した接合方法は、例えば、所謂「直接ねじ込み」であり、「フロー・ドリリング・スクリュ（flow drilling screw）（ＦＤＳ）」としても知られている。この方法（例えば、ＤＥ１０２４８４２７Ａ１、ＤＥ３９２２６８４Ａ１、ＤＥ３９０９７２５Ｃ１、及びＤＥ１９６３７９６９Ｃ２参照）は、平坦なネジ頭部、ネジ山を備えたネジ軸、及びネジ端部を有するネジを使用する。最初に、高速で且つそれに応じた接触力で接合すべき部品上にネジを当てる。これにより発生した摩擦熱は、変形対象の接合部材の物質を軟らかくする。これにより噴火口状或いは円環状の部分が送り方向及びその反対方向に形成され、その内部に、ネジ山が相手側ネジ山を形成する。このねじ込み手続きは、ネジが部材を貫通しネジ頭部が上方部材に当接したときに完了する。

本発明の目的は、高速で打込まれる鋲を用いて二部材間の鋲接続を形成するための方法と、そのための鋲とを創出することである。この方法及び鋲は、部材に対して一方向からしか接近できない場合にも使用でき、材料に孔を事前に開ける必要がなく、特に、鋲の回転動作がないため短時間の接合プロセスが可能であり、それにもかかわらず高品質の接続を得ることができる。

この目的を達成するための本発明に係る方法は、特許請求項１及び３１に定義されている。この方法のために使用できる鋲は、特許請求項３０及び３４に定義されている。

本発明に係る方法は、下面に設けられた円形溝を備えた鋲頭部と、鋲軸と、鋲端部とを有する。鋲は、取付装置によって高速で接合領域において、事前に孔開けされていない部材に、実質的に回転せずに軸方向に打ち込まれ、鋲端部は完全に両部材を貫通して鋲頭部から遠い側の部材を越えて延び、鋲頭部側の部材には、鋲頭部の円形溝内に突出する円環状の材料隆起部が形成され、鋲頭部から遠い側の部材には、鋲頭部から離れる方向に突出する噴火口状の材料隆起部が形成される。

円形溝の容積は、好ましくは、鋲頭部側部材の材料隆起部の体積と略一致しており、円形溝が完全に材料隆起部で満たされるようになっている。

鋲軸は、円筒形に或いは鋲頭部に向かって細くなる又は太くなるように設計できるが、好ましくは表面プロファイルを備え、表面プロファイルは接合プロセス中に変位した材料によって満たされる。

各部材は、鋼、アルミニウム、マグネシウム、或いは繊維含有又は非含有のプラスチック製とすることができる。鋲は、好ましくは鋼、特に焼戻し鋼で製造されるが、アルミニウム、マグネシウム、或いは繊維強化プラスチックで製造することもできる。

本発明に係る方法は、非常に単純であること及び接合時間が非常に短いことによって特徴付けられる。なぜなら、部材の事前孔開けが不要であり、鋲は、回転動作を伴わずに高速で一回の接合プロセスで二部材内に打込まれるためである。各種実験において裏付けられたことであるが、この方法で形成された二部材間の接続は、接続品質が高いという特徴がある。本発明に係る別の利点は、鋲頭部から遠い側の部材が十分な剛性を有すれば、接合領域に対して二方向から接近できなくてもよいことである。

本発明に係る別の実施形態においては、ステープルボルトの形状の鋲が使用され、鋲は、底面に円形溝が設けられた鋲頭部と、鋸歯プロファイルを備えた鋲軸と、鋲端部とを有する。鋲は、接合領域において取付装置によって高速で、事前孔開けされていない前記部材に実質的に回転することなく軸方向に打ち込まれ、鋲端部は、鋲頭部側部材を貫通し鋲頭部から遠い側の部材に入り、鋲頭部側の部材には、鋲頭部の円形溝内に突出する円環状の材料隆起部が形成され、鋲頭部から遠い側の部材には、鋲頭部から離れる方向に突出する噴火口状の材料隆起部が形成される。鋸歯プロファイルは、好ましくは、各鋸歯が鋲端部に向かって細くなるように調整されている。

本発明のこの実施形態によれば、比較的薄い部材を、寸法の小さなステープルボルトを用いて比較的肉厚の部材に「固定」でき、これにより、例えば、これら二部材間の接着層を硬化させることができる。この場合、鋲頭部から遠い側の部材は、完全に貫通されていても部分的に貫通されていてもよい。

本発明の更に有利な実施形態及び更なる展開は、各従属請求項から作成される。

本発明の各種例示的実施形態を、図面を参照しながら更に詳細に説明する。

図１は、鋲６ａにより部材２と部材４の間の接続を完了した状態を示す。図示の例示的実施形態においては、部材２はシートメタルプレート形状の薄肉部材であり、部材４は、より厚肉な部材、例えば形状部材（profile component）である。これら部材は、例えば自動車製造用の車体部品とすることができるが、本発明はこれに限定されるものではない。

部材２、４は、鋼、アルミニウム、マグネシウム、或いは繊維含有又は非含有のプラスチック製造とすることができる。これら部材は接合プロセス前に事前孔開けされないが、これについて以下、より詳細に説明する。

図１及び図２から分かるように、鋲６ａは、鋲頭部８、鋲軸１０ａ及び鋲端部１２から構成される。

鋲頭部８は平坦なヘッドであり、平らな上面１４、円筒形周囲面１６、及び平らな底面２０を備え、底面２０には、鋲軸１０ａに隣接して円形溝２２が形成されている。円形溝２２は、丸みを帯びた周囲面２４を有し、周囲面２４は一方側において鋲軸１２に接しており、他方側において円錐面２６に接している。

図１、２の例示的実施形態においては、鋲軸１０ａは略円筒形に設計されており、鋲軸１０ａの表面の特定の領域には、表面プロファイル２８ａが設けられている。特に図３から分かるように、図示の例示的実施形態の表面プロファイル１０ａは、複数の円形凹部３０及び畝部３２から構成される。従って、表面プロファイル２８ａは、軸方向断面においては丸みを帯びた波状の輪郭を有し、図示の例示的実施形態においては正弦曲線となるように設計されている。従って、図３においてＲ１と付された凹部３０と畝部３２の半径は同一である。よって、畝部３２の側面間の角度αは９０°程度である。

図示のように、表面プロファイル２８ａの深さは比較的浅い。平均軸直径Ｄに対する表面プロファイル２８ａの深さＴの比は、好ましくは０．１未満、特に好ましくは０．０５未満である。この比は、例えば０．０３程度である。

鋲端部１２は、丸みを帯びた先端３６を備えたオジーブ面３４を有する。オジーブ率（ogivality factor）、即ち、オジーブ面３４の軸直径Ｄに対する半径Ｒ２の比は、例えば２〜６程度であるが、好ましくは３〜５の範囲、特に好ましくは約４である。

頭部、軸及び端部を含む鋲６ａは回転対称に設計されており、これは、図４〜７及び図１１の各例示的実施形態にも適用される。

鋲６ａは、好ましくは鋼製である。しかしながら、用途に応じて、アルミニウム、マグネシウム、真鍮、セラミック或いは繊維強化プラスチック製とすることができる。図示の例示的実施形態においては、鋲６ａはコーティングされていないが、コーティングすることもできる。

図示のように、鋲６ａは一体部品として設計されている。しかしながら、一般に、硬さの異なる２部品により鋲頭部と鋲端部を備えた鋲軸とを製造した後、互いに接続することもできる。従って、例えば、端部を備えた鋲軸を金属で製造し、鋲頭部をアルミニウムで製造し、これらを摩擦溶接により組み合わせることができる。

次に、図１に示す、部材２と部材４を鋲６ａにより接続するための方法を説明する。

既に述べたように、部材２及び４は接合プロセス前に事前孔開けしなくてよい。両部材２及び４が互いに隣接している場合、鋲６ａは、取付装置によって高速で上から両部材２及び４内に打ち込まれる。取付速度は用途によって異なるが、例えば５〜３００ｍ／ｓ、好ましくは１０〜１００ｍ／ｓである。

ボルト取付装置は、例えばボルト発射装置や火薬力駆動カートリッジ等である。図１は、この種の取付装置のピストン４２を示す。更に、詳細には図示していないが、保持装置の口金４４も示す。

既に述べたように、本発明に係る方法は、接合位置への接近が一方向からのみの場合であっても実施できる。しかしながら、部材４の剛性が十分でない場合、スリーブ４６の形状のカウンタホルダを設けるべきであり、その上に部材２、４が支持される。

接合プロセスにおいては、最初に鋲端部１２が部材２に入る。これにより、部材２の上面に材料隆起が生じ、鋲端部１２が部材２に進入するに従って隆起部は大きくなる。

次に、鋲端部１２は下方部材４を貫通する。これにより、噴火口状の材料隆起部４０が生じ、鋲端部１２の貫通に従って進行方向に大きくなる。他方では、材料が表面プロファイル２８ａ内に流れ込み、表面プロファイル２８ａの凹部は完全に材料４で満たされる。これは、好ましくは部材４の材料に関係している。しかしながら、表面プロファイル２８ａの凹部が少なくとも部分的に部材２の材料で満たされることが避けられない場合もある。

接合プロセスは、鋲頭部８の底面が部材２の上面に着座した時に完了する。鋲頭部８は、鋲頭部の下方にクラックが形成されないように、また、鋲の若干の勾配を吸収できるように、或る程度柔軟性を有するように設計されている。取付スタンプ４２が鋲頭部８から離れると、鋲６ａは僅かに弾性的に戻る。従って、部材２、４には互いに張力がかけられ、これにより接続品質が向上する。

円形溝２２の容積は材料隆起部３８の体積と略一致し、円形溝３８は、部材２の材料で完全に満たされる。従って、部材２にコーティング（塗料や陰極ラッカー（cathodic lacquer））が施されるボディシェル用途の場合、トラップされた空気による泡形成をなくすことができる。

図示のように、表面プロファイル２８ａは、鋲軸１０ａの領域であって接続完了時に部材４の物質内に配置される領域にのみ設けられている。このようにすると、引抜き抵抗の高い接続が形成される。これは、鋲軸１０ａと部材４の間の摩擦クロージャ及びフォームクロージャにより、また、鋲頭部８と部材２の間のフォームクロージャにより、部材２と部材４とに互いに張力がかけられるからである。図示のように、部材２及び部材４は境界面においては殆ど変形せず、部材２、４の接触面の平坦さは維持されている。更に、図１から分かるように、鋲端部１２は部材４から略完全に突出している。

容易に分かることではあるが、接合プロセスにおいて唯一必要なのは、上側から接近可能であることである。部材２、４の事前孔開けも鋲６ａの回転動作も必要でないため、この接合プロセスは非常に単純である。接合時間は非常に短い。更に、比較的低い接合力が必要なだけである。それにもかかわらず、引抜き抵抗の高い、高い接続品質が得られる。

更に、既に示したように、表面プロファイル２８ａが丸みを帯びた形状であるため、部材２、４と鋲６ａの間は比較的低い張力で接続されており、これも接続品質に貢献している。

図１から分かるように、鋲頭部８の表面は、鋲頭部８の外縁（周囲面１６）付近まで延びている。平坦に設計された上面１４と周囲面１６の間には、比較的小さな丸み或いは斜面１８が形成されているだけであり、鋲頭部８上のピストン４２は、鋲頭部の幅の略全体に亘って係合するようになっている。

ボルト端部１２が部材２、４に入ると、ピストン４２の取付力の大部分は、鋲頭部８の中央領域に伝達され、それに応じた高い張力が鋲頭部８の中央領域に発生する。取付プロセスの最後において鋲頭部８が部材２の上面に取り付けられると、取付力の大部分はピストン４２から鋲頭部８の半径方向外側領域に伝達され、そこから底面２０の外面を通って部材２、４に伝達される一方で、鋲頭部８の中央領域から圧力が除かれる。

従って、ピストン４２により与えられた取付力は、鋲軸１０ａには伝達されない。この様にして、取付プロセス自体が過剰なエネルギーで行われた場合であっても、鋲６ａの部材２上への配置が「貫通」を惹き起こすことが避けられる。所謂「貫通」の場合、鋲頭部８は部材２に入り、鋲軸１０ａの表面プロファイル２８ａと部材４の孔の間にクラックも形成される。

保持装置４４は、まず、取付プロセス前及び取付プロセス中に部材２と部材４とを互いに対して押すように作用する。ここでは、一般に３ｋＮ未満の保持力で十分である。部材２及び４の材料特性を操作するためのより大きな保持力は一般に必要ない。

スリーブ４６の形状のカウンタホルダは、上述のように、部材４の剛性が十分でない場合にのみ必要である。

図２〜図１０に基づき、本発明に係る方法において使用できる鋲の各種異なる実施形態を説明する。

図４の鋲６ｂは、円筒部４８が鋲端部１２と鋲軸１０ｂの表面プロファイル２８ｂの形成部の間に設けられている点のみが図２の鋲６ａと異なる。このため、鋲軸１０ｂはこれに対応した、より長い長さを有している。鋲軸１０ｂが長いため、鋲端部が部材に入った後で応力を解放でき、これにより部材の変形を低減できる利点がある。

図５の鋲６ｃは、鋲軸１０ａが、鋲端部１２から鋲頭部８の方向に細くなった略円錐形である点が図２の鋲６ａと異なる。従って、表面プロファイル２８ｃは、深さは略一定に維持された状態で、鋲軸１０ｃの円錐形に変形されている。この鋲軸１０ｃの「くびれ」部により接続部の引抜き抵抗を高めることができる。

図６の鋲６ｄの場合、表面プロファイル２８ｄを備えた鋲軸１０ｄは、同様に略円錐形に設計されているが、鋲端部１２から鋲頭部８の方向に広がるようになっている。従って、高張力の配置と表面プロファイル２８ｂの傾きの改良とが達成される。

図７の鋲６ｅは、略円筒形の鋲軸１０ｅを有し、その表面プロファイル２８ｅは、長手方向断面において鋸歯状に設計されている。これにより、より高い引抜き抵抗が達成されるが、接続の張力が高くなる。

図８〜図１０の鋲６ｆは、ネジ山形状の表面プロファイル２８ｆを備えている。ネジ山は、図９に拡大して示すが、微細なネジ山として設計されており、ネジ勾配は好ましくは３．５未満、例えば０．２５程度である。

表面プロファイル２８ｆの設計に関する他の各接合パラメータは、接合プロセス中に鋲６ｆが大きな回転動作を行うことなく、両部材２、４を貫通できるように選択される。上に述べた各例示的実施形態と同様、表面プロファイル２８ｆのネジ山ピッチは、軟らかくなった材料で満たされる。これにより、部材２、４に相手側ネジ山が形成される。従って、鋲６ｆは、取付プロセス後に両部材２、４から取り外すことができる。この目的のために、鋲頭部８ｆは駆動部４６を備えており、工具（図示せず）の助けを借りて鋲６ｆを両部材からねじって外すことができる。

図１１の鋲６ｇは、図４の鋲６ｂと略同様である。即ち、鋲６ｇは、鋲頭部８ｇ、表面プロファイル２８ｇを備えた鋲軸１０ｇ、鋲端部１２、及び鋲端部１２と鋲軸１０ｇの表面プロファイル２８ｇ形成部の間に配置されたプロファイル非形状部５０を有する。しかしながら、図４の例示的実施形態とは異なり、プロファイル非成形部５０はテーパ形状を有する。即ち、プロファイル非成形部の直径は、鋲端部１２の最大直径より小さく、鋲軸の表面プロファイル２８ｇ形成部の直径よりも小さい。図示の例示的実施形態においては、減径部５０は円筒形に設計されているが、一般に、異なる幾何学的形状を有することもできる。

減径部５０の直径が小さくなっているため、鋲８ｇが両部材２、４に入り、鋲端部１２が完全に部材２、４の材料内に入るとすぐに、圧力が低減する。この減圧により、部材２、４の変形が減少し接続能力が高まる。

上述の鋲の取付方法は、部材２、４の接着に使用するのが特に有利である。このハイブリッド接合技法の場合、部材２、４の隣接する表面同士が接着剤を介して互いに接続されるが、これにより部材２、４間に非常に高強度で均一な接続が形成される。従来の接着剤は、各種多様なものが技術水準において知られているが、そのいずれも使用できる。

上述の方法の重要な一利点は、鋲の取付に必要な取付時間が非常に短いことである。更に、既に詳細に説明した方法は、事前孔開けを行わずに、部材に対して一方向から接近できるだけで実施できる。これら有利な特性により、上述の方法は、以下に説明する「連続鋲取付」に特に適している。

２個の部材は、離間した数箇所の接合位置で、例えば接合フランジに沿って互いに接続しなければならない場合が多い。従来の機械的接合プロセスの場合、取付装置は、ロボットによって複数の接合位置に順次移動される。最初に、取付装置は各接合位置で停止し、接合プロセスが実施され、取付装置が再び加速される。これでは当然、サイクル時間は比較的長くなる。従って、最初に述べたＦＤＳ法を用いた場合、パンチリベット締め、クリンチ締め、ブラインドリベット締め、鋲接合の各技法には、２〜７秒、２〜６．５秒、３〜７．５秒、３〜８秒のサイクル時間が必要である。

接合位置における部材の上述の非連続接合に対して、本発明に係る方法では「連続接合」をすることができる。より正確に言えば、ロボットによる取り付け装置の接合位置間の移動は連続であり、鋲は、上に述べた方法に従って、この送り動作間に取り付けられる。両部材は、接合プロセスの連続的な流れの間、対応する張力装置（tensioning device）によって互いに正しい位置に保持されているのが有利である。唯一必要なのは、取付装置が接合位置に接近可能であることである。これは、接合位置が接合フランジに配置されている場合に多い。

鋲の連続取付けは、上述の方法に係る鋲の取り付けにおいては接合位置の正確な制御は一般に必要ないという点で容易である。ロボットが実施する取り付け装置の送り動作は、非接触状態で行うことができる。しかしながら、これに替えて、取付装置に設けた口金（図１の保持装置４４）を上方部材２上に着座させることができる。

いずれの場合においても、ロボットによるブレーキ及び加速の各プロセスが必要でなく、また、従来の機械的接合プロセスに比べて取付時間も短縮できるため、サイクル時間は大幅に低減される。従って、上述のプロセスを用いれば１．５〜３秒程度のサイクル時間が可能であり、サイクル時間は約５０％低減される。

図１に関連して既に説明したように、ボルト取付中は、接続すべき部材２、４を保持装置によって互いに対して押圧することが有利であり、これにより、最大で２０ｋＮ程度の保持力が可能である。保持装置は通常、取付装置の一部を形成している。従って、上述のような鋲の連続取付けは、保持装置を使用する場合は不可能である。しかしながら、保持装置に替えて、接合領域の外側の位置において取付装置とは独立して、対応する力で両部材を互いに対して押圧する静止グリップ機構（図示せず）を設けることもできる。この場合、鋲の連続取付けは、取付装置が非接触状態で動作するため可能であり、取付装置の駆動スパイクのみが、鋲で接続すべき両部材と接触し、取付装置の口金は、鋲頭部側部材の上に所謂「浮いている」状態となる。

図１２及び図１３は、本発明により設計した鋲６ｈの別の実施形態を示す。鋲６ｈの鋲端部１２及び鋸歯プロファイル２８ｈを備えた軸１０ｈは、図７に示す鋲と略同様である。図７と同様に、鋸歯プロファイル２２ｈは、各歯が鋲端部１２に向かって細くなるように調整されている。差異は、鋲頭部８ｈが皿頭部として設計されている点である。

鋲６ｈの鋲頭部８ｈは、その下面に設けられた傾斜延在部５２を有し、これは円形溝２２ｈまで延びている。円形溝２２ｈは、傾斜延在部５２と軸１０ｈの円筒形部分の間に延びているが、傾斜延在部５２に比べて寸法が非常に小さい。傾斜延在部５２は、好ましくは、鋲頭部８ｈと部材２の上面の間の均一な力の分散を確実にするために若干湾曲している。皿頭部として設計された鋲頭部８ｈの厚さも、前出の各例示的実施形態における鋲頭部に比べて非常に小さい。

上述の幾何学的形状に基づけば、鋲６ｈの皿頭部は、部材２の上面に少なくとも部分的に入る。より正確に言えば、鋲８ｈは上方部材２を変形させて漏斗状凹部５４が形成され、凹部５４は鋲頭部８ｈの大部分を収容する。更に、接合領域、即ち、皿頭部の下方の部材２、４は下方に変形し、部材２、４間の接触領域には漏斗状凸部を見ることもできる。

鋲頭部側の部材２が鋼製である場合は特に、比較的小さな材料隆起部３８ｈが材料２の上面に形成されるが、これは円形溝２２ｈを部分的にのみ満たすだけである。ここで、前出の各例示的実施形態における接続も、図１の図示とは対照的に、材料隆起部３８が円形溝２２の一部のみを満たすようにも設計できるということに注意されたい。

図１４、図１５は、鋲６ｉが「ステープルボルト」として設計されている本発明の実施形態を示す。鋲６ｉは、比較的薄い部材２をより肉厚の部材４に「ステープル接続」するものである。この実施形態は、特に、接着層６２が間に設けられた部材２と部材４との接着接続において使用される。これにより、部材２は、接着層６２が硬化できるように、一以上のステープルボルトによって部材４にステープル接続される。

ステープルボルトとして設計された鋲６ｉは、図１〜８の各例示的実施形態に係る円形溝２２を備えた鋲頭部８を有する。鋲６ｉの軸１０ｉは、円筒形部分５６が鋲頭部８に接続される一方、鋸歯プロファイル２８ｉを備えた円錐状テーパ軸部分に延びるように設計されている。鋸歯プロファイル２８ｉは、各歯が鋲端部１２ｉに向かうテーパを有するように調整されており、半径方向に延びる肩面が各歯の鋲頭部８側に形成される。鋸歯プロファイル２８ｉに接続された鋲端部１２ｉは、円錐台形部分５８と頂点状部分６０とからなり、部分５８の円錐角は部分６０の円錐角より小さい。

図示の例示的実施形態による鋲端部１２ｉは、円錐角の異なる二部分５８、６０から構成されているが、鋲端部は異なる方法で設計することもできる。例えば、前出の各例示的実施形態におけるオジーブ状鋲端部として設計できる。鋲端部のテーパ、及び鋸歯プロファイル２８ｉの領域の鋲軸のテーパは重要である。

図１と同様、図１４は、保持装置４４と、スリーブ４６の形状のカウンタホルダとを示す。

ステープルボルトとして設計された鋲６ｉの寸法は、前出の本発明の各実施形態に比べて非常に小さい。従って、このステープルボルトの長さは、例えば６ｍｍ程度である。図示の鋲軸１０ｉ及び鋲端部１２ｉの例によれば、鋸歯プロファイル２８ｉの仮想外形は、鋲端部１２ｉの外形と共に、軸方向断面において放物線と略同じ形状を有する。

鋲軸１０ｉ及び鋲端部１２ｉの幾何学的形状と、特に表面プロファイル２８ｉの調整により、鋲６ｉが、取付装置（図示せず）のピストン４２（駆動スパイク）によって比較的小さな打込み力で部材２、４に打ち込まれることを確実にする。一方、打込み方向に対する引抜き抵抗は、鋸歯プロファイル２８ｉの歯間の肩状面のために比較的高い。ステープルボルトとして設計された鋲６ｉの重要な利点は、鋲６ｉは、「ステープル接続プロセス」中に接着層６２に影響を与えないという点である。各種実験で示されたことであるが、接着層６２の厚さはステープル接続プロセス前後で変わらない。

図１４に示す接続の場合、鋲頭部１２ｉは、部材４の噴火口状の材料隆起部４０を大きく越えて突出する。しかしながら、好ましくは、鋲端部１２ｉの自由端が部材４から若干だけ突出するか或いは全く突出しないように鋲６ｉ及び部材２、４の寸法が決められる。鋲端部１２ｉの自由端が材料隆起部４０の下端を閉じているだけという方法も考えられる。

既に述べたように、本発明に係る方法の重要な利点は、ボルト取付装置から一回打撃を行うことにより、鋲頭部が鋲頭部側部材上に着座するように、鋲を二部材２、４に打込めるということである。これは、図示の全ての実施形態に当て嵌まる。しかしながら、一般に、取付装置からの打撃によって鋲を両部材内に完全に打込まずに、打込み可能な最大経路の例えば８０％〜９０％だけを打込むように、取付プロセスを行うこともできる。その後、頭部までの鋲の打込みの残りを、一以上の追加的な打撃によって行うことができる。これら追加的打撃は、ハンマーを用いて人の手により即ち打撃スパイク（driving spike）により、或いは自動的に行うことができる。各種実験により分かったことであるが、この「多段階」のボルト取付けは、接続安定性に悪い影響を与えるものではなく、これは、アルミニウム製の部材及び鋼製の部材の両方に当て嵌まる。

本発明の方法によって形成した、鋲による二部材間の接続と、接続形成装置の一部とを示す部分断面図である。 図１の鋲の長手方向断面を示す。 図２のＩＩＩ部分の拡大詳細図である。 本発明に係る鋲の変形実施形態の図２に対応する長手方向断面を示す。 本発明に係る鋲の変形実施形態の図２に対応する長手方向断面を示す。 本発明に係る鋲の変形実施形態の図２に対応する長手方向断面を示す。 本発明に係る鋲の変形実施形態の図２に対応する長手方向断面を示す。 本発明に係る鋲の変形実施形態の図２に対応する長手方向断面を示す。 図８のＩＸ部の拡大詳細図である。 図８の鋲の鋲頭部の上面図である。 本発明に係る鋲の別の実施形態の部分断面図である。 本発明の別の実施形態の鋲による二部材間の接続を示す断面図である。 図１２の接続における鋲の部分断面側面図である。 本発明の変形実施形態に係る鋲による二部材間の接続と接続形成装置の一部の断面図である。 図１４の接続の鋲の部分断面側面図である。

Claims (33)

1. 鋲（６ａ〜ｆ）により接合領域において二部材（２、４）間の接続を形成するための方法であって、鋲（６ａ〜ｆ）は、鋲頭部（８；８ｆ）と鋲軸（１０ａ〜ｆ）と鋲端部（１２）とを有し、鋲頭部（８；８ｆ）の底面には円形溝（２２）が設けられており、
   鋲（６ａ〜ｆ）は、前記接合領域において取付装置によって高速で、事前孔開けされていない部材（２、４）に実質的に回転することなく軸方向に打ち込まれ、鋲端部（１２）は、両部材（２、４）を完全に貫通し鋲頭部から遠い側の部材（４）を越えて延び、鋲頭部側の部材（２）には、鋲頭部（８；８ｆ）の円形溝（２２）内に突出する円環状の材料隆起部（３８）が形成され、鋲頭部から遠い側の部材（４）には、鋲頭部から離れる方向に突出する噴火口状の材料隆起部（４０）が形成される方法。
2. 円形溝（２２）の容積は、鋲頭部側の部材（２）の材料隆起部（３８）の体積と略一致することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 円形溝（２２）は、鋲軸（１０ａ〜ｆ）に隣接した丸みを帯びた表面（２４）を有し、この表面は、円錐状表面（２６）につながっていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 鋲軸（１０ａ、ｂ、ｅ、ｆ）は略円筒形に設計されていることを特徴とする、請求項１〜３の一項に記載の方法。
5. 鋲軸（１０ｃ）は、鋲頭部（８）に向かって細くなるように設計されていることを特徴とする、請求項１〜３の一項に記載の方法。
6. 鋲軸（１０ｄ）は、鋲頭部（８）に向かって太くなるように設計されていることを特徴とする、請求項１〜３の一項に記載の方法。
7. 鋲軸（１０ａ〜ｆ）は、接続形成中に変位した材料によって満たされる表面プロファイル（２８ａ〜ｆ）を備えることを特徴とする、請求項１〜６の一項に記載の方法。
8. 表面プロファイル（２８ａ〜ｆ）は、接続完了状態において鋲頭部から遠い側の部材（４）の内部に位置する鋲軸（１０ａ〜ｆ）の一領域にのみ配置されていることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 鋲軸（１０ａ〜ｆ）の平均直径（Ｄ）に対する表面プロファイル（２８ａ〜ｆ）の最大深さ（Ｔ）の比は０．１未満であり、好ましくは０．０５未満、特に好ましくは０．０３未満であることを特徴とする、請求項７又は８に記載の方法。
10. 表面プロファイル（２８ａ〜ｄ）は、軸方向断面が丸みを帯びた波形形状であることを特徴とする、請求項７〜９の一項に記載の方法。
11. 表面プロファイル（２８ｅ）は、軸方向断面が鋸歯形状であることを特徴とする、請求項７〜９の一項に記載の方法。
12. 表面プロファイル（２８ａ〜ｅ）は、複数の円形凹部（３０）及び畝部（３２）から形成されることを特徴とする、請求項７〜１１の一項に記載の方法。
13. 表面プロファイル（２８）はネジ山により形成され、このネジ山は、鋲を両部材（２、４）内に軸方向に打ち込む間に、対応する相手側ネジ山を形成することを特徴とする、請求項７〜１１の一項に記載の方法。
14. 表面プロファイル（２８ｆ）により形成されるネジの勾配は０．３５未満であり、好ましくは０．２５程度であることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
15. 鋲頭部（８ｆ）は、鋲（６ｆ）を再び両部材（２、４）から取り外すために、工具係合用の駆動部（４６）を有することを特徴とする、請求項１３又は１４に記載の方法。
16. 鋲軸（１０ｄ；１０ｇ）の表面プロファイル（２８ｄ；２８ｇ）形成部と鋲端部（１２）の間にプロファイル非成形部（４８；５０）が設けられていることを特徴とする、請求項１〜１５の一項に記載の方法。
17. 鋲軸（１０ｇ）の表面プロファイル（２８ｇ）形成部と鋲端部（１２）の間に減径部（５０）が設けられていることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
18. 鋲の最終位置においては、鋲頭部（８）に加えられた取付力を主に鋲頭部側部材（２）に伝達して鋲が両部材を貫通してしまうことを防止するために、鋲頭部（８）の上面（１４）はその外縁まで略平坦であることを特徴とする、請求項１〜１７の一項に記載の方法。
19. 鋲端部（１２）は、オジーブ率３〜５、特に４のオジーブ形状を有することを特徴とする、請求項１〜１８の一項に記載の方法。
20. 鋲（６ａ〜ｆ）は、鋼、アルミニウム、マグネシウム、真鍮、セラミック又は繊維強化プラスチックで製造された一体品であることを特徴とする、請求項１〜１９の一項に記載の方法。
21. 鋲の軸と頭部とは、硬さの異なる材料で製造され、その後互いに接続されることを特徴とする、請求項１〜１９の一項に記載の方法。
22. 鋲頭部側部材（２）は比較的薄いシートメタルプレートであり、鋲頭部から遠い側の部材（４）は、より肉厚の形状部材であることを特徴とする、請求項１〜２１の一項に記載の方法。
23. 部材（２、４）は、鋼及び／又はアルミニウム及び／又はマグネシウム及び／又はプラスチックで製造されていることを特徴とする、請求項１〜２２の一項に記載の方法。
24. 両部材（２、４）は、接着剤によっても互いに接続されていることを特徴とする、請求項１〜２３の一項に記載の方法。
25. 離間した接合位置において二部材間に複数の接続を形成するための方法であって、ロボットにより鋲を取り付けるための取付装置が前記接合位置に連続的に移動される方法において、
    ロボットが行う取付装置の前記接合位置への移動は連続的に行われ、この連続移動においては、鋲は、請求項１〜２４の一項に記載の方法によって二部材に打ち込まれることを特徴とする方法。
26. 鋲頭部（８ｈ）は皿頭部として設計されており、頭部の底面は、傾斜延在部（５２）と、該延在部から横断方向に延びる小さな円形溝（２２ｈ）とを有し、皿頭部は、鋲頭部側部材（２）の材料に少なくとも部分的に入ることを特徴とする、請求項１〜２５の一項に記載の方法。
27. 部材（２、４）は、取付装置に設けられた保持装置（４４）又は取付装置とは別体の把持機構により、取付プロセスの間、互いに押圧されていることを特徴とする、請求項１〜２６の一項に記載の方法。
28. 鋲（６、６ａ〜ｉ）は、取付装置の一回の打撃によって二部材（２、４）に打ち込まれることを特徴とする、請求項１〜２７の一項に記載の方法。
29. 鋲（６、６ａ〜ｉ）は、主に、取付装置の打撃によって二部材（２、４）に打ち込まれ、人の手により或いは機械的に行われる一以上の追加的な打撃によって、二部材に完全に打ち込まれることを特徴とする、請求項１〜２７の一項に記載の方法。
30. 請求項１〜２９の一項に従って二部材（２、４）間の接続を形成するための鋲であって、鋲頭部（８；８ｆ）と、鋲軸（１０ａ〜ｆ）と鋲端部（１２）とを有し、鋲頭部（８；８ｆ）の底面には、鋲頭部側部材（２）の円環状の材料隆起部（３８）を受け入れるための円形溝（２２）が形成されており、鋲軸（１０ａ〜ｆ）は、鋲頭部から遠い側の部材（４）からの材料を受け入れるための表面プロファイル（２８ａ〜ｆ）を備え、鋲端部（１２）は、オジーブ率３〜５のオジーブ形状を有する鋲。
31. 鋲（６ｉ）により接合領域において二部材（２、４）間の接続を形成するための方法であって、鋲（６ｉ）は、鋲頭部（８ｉ）と、鋸歯状プロファイル（２８ｉ）を備えた鋲軸（１０ｉ）と、鋲端部（１２）とを有し、鋲頭部（８ｉ）の底面には円形溝（２２）が設けられており、
    鋲（６ｉ）は、前記接合領域において取付装置によって高速で、事前孔開けされていない部材（２、４）に実質的に回転することなく軸方向に打ち込まれ、鋲端部（１２ｉ）は、鋲頭部側部材（２）を貫通し鋲頭部から遠い側の部材（４）に入り、鋲頭部側の部材（２）には、鋲頭部（８）の円形溝（２２）内に突出する円環状の材料隆起部（３８）が形成され、鋲頭部から遠い側の部材（４）には、鋲頭部から離れる方向に突出する噴火口状の材料隆起部（４０）が形成される方法。
32. 鋸歯プロファイル（２８ｉ）は、各鋸歯が鋲端部（１２ｉ）に向うテーパを持つように調整されていることを特徴とする、請求項３１に記載の方法。
33. 鋸歯プロファイル（２８ｉ）の外形と鋲端部（１２ｉ）の外形とは、軸方向端面において略放物線状の曲線を形成することを特徴とする、請求項３１又は３２に記載の方法。

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