JP2014100733A - 金属部材の接合方法及び金属部材の接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な方法であって、工程数を低減し、部品管理が容易でありながらも、二つの金属部材をリベットを使用せず、実質リベットかしめを行うことができ、リベット接合方法と同等又はそれ以上の接合力を有する金属部材の接合方法及び金属部材の接合体を提供することを課題とする。
【解決手段】第１金属部材と、適宜の位置に開設された貫通孔を有する第２金属部材とを重ね合わせ、前記貫通孔の孔径よりも大きな直径を有する押圧ポンチによって、前記第１金属部材を、前記第２金属部材の貫通孔の上方から押圧することにより、前記第１金属部材の表部を凹陥させると共に、前記ポンチの押圧により流動されて前記第２金属部材の貫通孔を貫通した前記第１金属部材の一部によって形成される、第２金属部材から突出する突出部をかしめることにより、前記第１金属部材と、前記第２金属部材とを接合する。
【選択図】図３

Description

本発明は、母材である金属部材自体を使用して金属部材どうしを接合する方法に関するものである。

従来より、金属部材に他の金属部材を接合する信頼性のある接合方法として、接合部材であるリベットを用いて接合する方法が公知である。このリベットを用いて接合する方法は、一方の金属部材における平板部の適宜の位置にリベットホールを開設すると共に、他方の部材における平板部の適宜の位置に、前記リベットホールと対応するリベットホールを開設する。そして、両部材を重ね合わせ、連通させたリベットホールにリベットを挿通し、そのリベットの先端をかしめて加工頭を形成することで両部材を接合するものである。

しかしながら、上述したリベットを用いた接合方法によれば、リベットと金属部材との間に間隙が生じると結合品質が低下する。そのため、それぞれの金属部材に、リベット軸部の孔径に対応し、それぞれ連通するリベットホールを開設すると共に、それぞれの金属部材に適宜のピッチでリベットホールを設ける必要がある。この工程は共に、非常に高い精度を求められ、加工作業に手間とコストがかかるものであった。

また、規格サイズ以外のリベットを使用する場合、リベット自体を生産する必要があり、特に少量生産の金属部材の接合には、コスト面、部品管理の面で不向きな接合方法であった。

また、リベットを用いて信頼性の高い接合をするためには、熟練を要するものであった。

そこで、作業工程を低減し、部品管理を容易にするためにリベット等の接合部材を用いずに、母材である金属部材自体を使用して金属部材どうしを接合する方法が公知である（例えば、特許文献１参照）。

当該接合方法は、厚手の金属板である接合材に薄手の金属板である被接合材を接合するもので、予め前記被接合材の接合部分に透孔を形成し、前記両材をダイ上に重ねて置いた後、前記接合材の側から前記透孔に向けて前記接合材をポンチで加圧して局所的に凹陥させることにより、前記透孔を抜けて前記透孔外に膨出する膨径部を形成せしめて薄手の金属板と厚手の金属板とを接合するものである。

この接合方法によれば、金属部材どうしの接合が、被接合材に対する穿孔と、単なるポンチによる押圧動作だけで達成できるので、手間のかかる作業が不要であり、作業工程が少ないので作業の迅速化が図れ、金型がシンプルで廉価なことと相俟って、加工コストをかなり低く抑えることができるとされる。

特開２０００−４２６５８号公報

しかしながら、上述した接合方法によれば、接合部材を用いずに、母材である金属部材自体を使用して金属どうしを接合可能であるので、作業工程が少なく、部品管理も容易であるが、結合力は従来のバーリングかしめにより接合された状態と同様であるため、リベットを用いて接合した場合と比べれば接合力は弱く、耐久性も低いものであった。

そこで、本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、簡易な方法であって、工程数を低減し、部品管理が容易でありながらも、信頼性が高いとされているリベットを用いた接合方法と同等又はそれ以上の接合力を有する金属部材の接合方法及び金属部材の接合体を提供することを課題とする。

前記問題点を解決するために、本発明の金属部材の接合方法及び金属部材の接合体は以下の技術的手段を講じている。

本発明の金属部材の接合方法は、第１金属部材と、適宜の位置に開設された貫通孔を有する第２金属部材とを重ね合わせ、前記貫通孔の孔径よりも大きな直径を有する押圧ポンチによって、前記第１金属部材を、前記第２金属部材の貫通孔の上方から押圧することにより、前記第１金属部材の表部を凹陥させると共に、前記ポンチの押圧により流動されて前記第２金属部材の貫通孔を貫通した前記第１金属部材の一部によって形成される、第２金属部材から突出する突出部をかしめることにより、前記第１金属部材と、前記第２金属部材とを接合するものである。

第１金属部材と、適宜の位置に開設された貫通孔を有する第２金属部材を重ね合わせ、前記貫通孔の孔径よりも大きな直径の押圧ポンチによって押圧することにより、ポンチ下方の第１金属部材は圧縮応力のみを受けることになる。この第１金属部材の応力は、押圧力の増大と共に増大し遂に弾性限界を超えて塑性流動状態となる。

この流動体は、前記第２金属部材の貫通孔を流動貫通し、前記第２金属部材から棒状に突出し、リベットの軸部を形成することになる。

この突出部をかしめることにより、第１金属部材と第２金属部材を確実に接合することができる。

また、凹部を有するダイ上に、前記凹部と前記第２金属部材の貫通口とを対応させて、第１金属部材が上側になるように、第１金属部材と第２金属部材とを載置させることができる。

また、前記第１金属部材の厚みが、前記第２金属部材よりも厚くすることができる。

また、前記第１金属部材の強度が、前記第２金属部材の強度よりも低いものとすることができる。

また、前記第２金属部材に設けられた貫通孔の内周にリング部材を嵌合させることができる。

さらに、前記リング部材が、前記第１金属部材の強度よりも高くすることができる。

本発明の金属部材の接合体は、第１金属部材と、適宜の位置に開設された貫通孔を有する第２金属部材とが接合された接合体であって、前記第１金属部材の表部に設けられた、前記貫通孔よりも大きい孔径を有する凹陥部を有し、前記第２金属部材の前記貫通孔に貫通した前記第１金属部材の一部によって形成された、第２金属部材から突出する突出部がかしめられているものである。

本発明の金属部材の接合方法及び金属部材の接合体によれば、簡易な方法であって、工程数を低減し、部品管理が容易でありながらも、信頼性が高いとされているリベットを用いた接合方法と同等又はそれ以上の接合力を有することができる。

本発明の第１実施形態に係る金属部材の接合方法によって接合される加工前の接合部材の一部を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る金属部材の接合方法の概略を示す工程図である。 本発明の第１実施形態に係る金属部材の接合方法によって接合された金属部材の接合体の一部を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る金属部材の接合方法によって接合された金属部材の接合体の一部を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態における金属部材の接合方法（以下、接合方法という）及び金属部材の接合体を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。

〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態に係る接合方法によって接合される加工前の接合部材の一部を示す断面図である。接合方法の工程に入る前の準備工程として、まず、図１に示すように、第１金属部材１と接合させたい第２金属部材２の適宜の位置に、第１金属部材１の一部を貫通させる貫通孔２ａを開設しておく。この貫通孔２ａは結合させたい金属部材の大きさ、厚さ、形状等に応じて、適宜の孔径を有する貫通孔２ａを適宜の位置に、適宜の数開設しておく。

なお、接合箇所は、両金属部材の平板状の部分どうしを接合すれば、接合部が浮いたり変形したりするおそれがないので、第２金属部材２における平板状の部分に貫通孔２ａを設けることが好ましい。

次に、図２（ａ）に示すように、凹部３ａを有するダイ３に、第１金属部材１が上側になるように、第１金属部材１と前述した準備工程作業により貫通孔２ａが形成された第２金属部材２とを重ね合わせて載置する。このとき、ダイ３に設けられた凹部３ａと、第２金属部材２の適宜の貫通孔２ａとを対応させて載置させる。

ダイ３の凹部３ａの孔径は貫通孔２ａと略同一の孔径に構成されている。またダイ３の凹部３ａの深さは、後述する第２金属部材２の貫通孔２ａを貫通した前記第１金属部材１の一部によって形成される、第２金属部材２から突出させる突出部１ｃの長さよりも長い深さに構成されている。なお、凹部３ａの深さは突出させる突出部１ｃと同一に構成することもできる。

ダイ３に設けられる凹部３ａは、ダイ３の適宜の位置に上下方向に移動可能に設けられたノックアウト棒５を、ダイ３の上面よりも下方側の適宜の位置に配置させることにより形成しても良い。

また、例えば、両金属部材が作業位置を指示、誘導可能な治具によってセットされる構成とすることもできる（図示せず）。

次に、図２（ｂ）に示すように、第２金属部材２に開設された貫通孔２ａの孔径よりも大きな直径を有する押圧ポンチ４によって、第１金属部材１を押圧することにより、第１金属部材１の表部を凹陥させると共に、ポンチの押圧により流動されて第２金属部材２の貫通孔２ａを貫通した第１金属部材１の一部によって形成される、第２金属部材２から突出する突出部１ｃが形成される。

詳述すると、重ね合わされた両金属部材は、第２金属部材２に開設された貫通孔２ａと略同一の孔径を有するダイ３の凹部３ａと、貫通孔２ａとが対応するようにダイ３上に載置される。そして、貫通孔２ａの上方から、貫通孔２ａの孔径よりも大きな直径を有する押圧ポンチ４によって押圧することにより、第１金属部材１の表部が凹陥する。すると、このとき凹陥された第１金属部材１の凹み分量の第１金属部材１が、貫通孔２ａを貫通すると共に、第２金属部材２から突出する突出部１ｃを形成するように流動変形する。

つまり、押圧ポンチ４の直径が、第２金属部材２の貫通孔２ａの孔径及びダイ３の凹部３ａの孔径よりも大きいので、せん断応力を発生させず、第１金属部材１は圧縮応力のみを受けることになる。そして、この第１金属部材１の応力は、押圧力の増大と共に増大し遂に弾性限界を超えて塑性流動状態となり、この流動体は第２金属部材２の貫通孔２ａにフィットした状態で棒状に押し出される。

また、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、ダイ３と対向して第１金属部材１の上面にしわ押さえ６を設けて第１金属部材１を押圧ポンチ４で押圧すれば、加工中のしわの発生を防ぐことができる。また、押圧時の押圧ポンチ４の中心と、貫通孔２ａ及び凹部３ａの中心が対応していることが望ましい。

また、押圧ポンチ４の直径が大きければ大きい程、凹陥部１ａの深さは浅くてすむが、押圧する押出力は当然に大きくなるので、接合したい金属部材に応じて適宜の直径を有する押圧ポンチ４を使用することが望ましい。

最後に、第２金属部材２から突出した突出部１ｃをかしめて加工頭Ｃを形成することにより、第１金属部材１と第２金属部材２とを接合させる。

突出部１ｃをかしめる方法としては、図２（ｃ）に示すように、かしめポンチ７によって突出部１ｃをかしめて加工頭Ｃを形成して接合することができる。

詳述すると、押圧ポンチ４によって押圧されることにより第１金属部材１が流動変形し第２金属部材２の貫通孔２ａに貫通された図２（ｂ）の状態を維持しながら、一旦、ノックアウト棒５により両金属部材を押し上げてダイ３から離すと共に押圧ポンチ４も抜去した後、次のかしめ工程に移る。かしめ工程では、かしめポンチ７を備えたダイ３上に、突出部１ｃがかしめポンチ７と対応する位置に両部材を載置する。そして、再び、押圧ポンチ４を凹陥部１ａに差し込み両金属部材を固定すると共に、かしめポンチ７によって突出部１ｃに打撃を加えることにより突出部１ｃをつぶして加工頭Ｃを形成することにより接合する。図２（ｃ）に示すかしめポンチ７は、先端側が略半球形状のかしめポンチ７を用いて押圧することで、加工頭Ｃを丸頭に形成しているが、かしめポンチ７の先端側を適宜変更して加工頭Ｃを平頭、皿頭等種々の形状に形成することができる。

また、かしめ工程の際、両金属部材を固定する方法として、押圧ポンチ４を凹陥部１ａに差し込むだけでなく、図２（ｃ）に示すように、再びダイ３と対向して第１金属部材１の上面にしわ押さえ６を設けて両金属部材を固定しても良いし、押圧ポンチ４を凹陥部１ａに差し込む構成とせず、第１金属部材１の上方から固定する固定具を備える構成等とすることができる。

この、かしめ工程は、突出部１ｃをかしめて加工頭Ｃを形成することで、第１金属部材１と第２金属部材２とを接合できればよく、かしめる方法は上述したような方法に限られず、例えば、従来のリベットを用いて接合する場合と同様に、空気かしめハンマーで突出部１ｃに打撃を加えることにより突出部１ｃをつぶして加工頭Ｃを形成することにより接合する等、周知のかしめ方法を利用することができる。

上述した接合方法により接合された金属部材の接合体は、図３に示すように、第１金属部材１と、適宜の位置に開設された貫通孔２ａを有する第２金属部材２とが接合された接合体であって、第１金属部材１の表部に設けられた、前記貫通孔２ａの孔径よりも大きい孔径を有する凹陥部１ａを有し、第２金属部材２の前記貫通孔２ａに貫通した第１金属部材１の一部によって形成された、第２金属部材２から突出する突出部１ｃがかしめられている金属部材の接合体となる。

詳述すると、第１金属部の表面側に設けられる凹陥部１ａは、押圧ポンチ４に押圧されることにより凹陥したもので、第２金属部材２の貫通孔２ａの上方に位置する。そして、この金属部材の接合体は、押圧ポンチ４に押圧されることにより凹陥した凹陥部１ａの分量だけ第１金属部が流動して、第２金属部材２の貫通孔２ａにフィットした状態で貫通すると共に、第２金属部材２から突出された突出部１ｃをかしめることにより、第１金属部材１と第２金属部材２とが間隙を有さず接合される。

つまり、本発明の接合方法により接合された金属接合体は、図３に示すように、第２金属部材２の上方側の凹陥部１ａを有する第１金属部材１自体が、従来のリベットを用いて金属部材どうしを結合させた場合の、リベットの頭部Ａに相当し、第２金属部材２の貫通孔２ａを貫通している貫通部分１ｂの第１金属部材１が、リベットの軸部Ｂに相当すると共に、第１金属部材１からなる突出部１ｃをかしめた部分が、リベットの先端をかしめた加工頭Ｃに相当することとなり、母材である第１金属部材１自体がリベットとなって、第２金属部材２と接合する。

よって、少なくとも、従来のリベットによって接合された金属接合体と同様の接合力を有することとなる。しかも、上述したように、第１金属部材１と第２金属部材２とはフィットした状態で接合されているため、別途の部品である従来のリベットを使用した場合と異なり、リベットと金属部材との間に間隙が生じて、結合品質が低下するといったこともなく、従来のリベットによって接合された金属接合体よりも、信頼性、安定性及び耐久性に優れた接合が可能となる。

本発明に使用される第１金属部材１と第２金属部材２については、強度差が大きいものを使用することが好ましく、第１金属部材１の強度が、第２金属部材２の強度より低く、第２金属部材２はダイ３と同様の強度の高い金属部材を用いれば、従来の押出成形と同様の原理で、第１金属部材１を上述したように塑性変形させることができるので好ましい。

第１金属部材は、例えば、低炭素鋼等を使用することが好ましく。第２金属部材は、例えば、高炭素鋼又は特殊鋼の中でもバネ性に優れたばね鋼鋼材（ＳＵＰ６等）等を使用することが好ましい。

また、第１金属部材１は、第２金属部材２よりも厚い方が成形しやすく、さらに、第２金属部材２が薄板状の金属部材であることが好ましい。

以上、説明した本発明の実施形態の接合方法によれば、第２金属部材２の適宜の位置に貫通孔２ａさえ開設しておけば、簡易な方法で金属部材どうしを接合することが可能となるため、従来のリベットを用いた接合方法と比べて、接合し合う接合部材のそれぞれに、リベット軸部Ｂの孔径に対応したリベットホールを開設する共に、それぞれの金属部材に適宜のピッチでリベットホールを設けるといった加工工程が不要となり、工程数を低減できると共にコストの削減も可能となる。

また、別途の接合部材を使用せず母材である第１金属部材１によって、強度差の大きい薄体の第２金属部材２をフィットな状態で接合できるので、部品管理が容易となると共に、従来のリベットを用いた接合方法による接合力と同等又はそれ以上の結合力で接合でき、信頼性、安定性、耐久性、コストの面でも優れる。

また、本実施形態の接合方法によれば、複数個所を同時に接合することも可能であり、生産性が高いものとなる。

さらに、従来のリベットによる接合方法においては、金属部材の接合体に、リベットの頭部Ａや加工頭Ｃがそれぞれ、金属部材の接合体の表面又は裏面に突出するため、例えば、更にその金属部材の接合体に部品等を重ねて接合しようとした場合、リベットの頭部Ａや加工頭Ｃが突起物となって邪魔になり接合出来ず設計変更等を余儀なくされていたが、本実施形態の接合方法によって接合された金属部材の接合体によれば、第１金属部材１側の表面は、凹陥部１ａが設けられるものの、平板部分には従来のような突起物を有さないので、他の部品をさらに接合することが可能となる。

〔第２実施形態〕
第２実施形態の金属部材の接合方法及び金属部材の接合体は、基本的な方法、構成等は第１実施形態と略同様であるが、以下の点が異なる。

第１金属部材１と貫通孔２ａの内周にリング部材８を嵌合させた第２金属部材２とを、第１実施形態と同様の方法によって接合するものである。

貫通孔２ａの内周に嵌合させるリング部材８は、第１金属部材１の強度よりも高い強度を有する材料を用いて形成されたものである。リング部材８の材質として、例えば、第１金属部材１よりも強度が数倍高い、高炭素銅又は特殊鋼等を用いることができる。

そして、リング部材８の内周の孔径よりも大きな孔径を有する押圧ポンチ４によって、第１金属部材１を、第２金属部材２の貫通孔２ａに嵌合させたリング部材８の上方から押圧することにより第１金属部材１の表部を凹陥させると共に、ポンチの押圧により流動されてリング部材８を貫通した第１金属部材１の一部によって形成される、第２金属部材２から突出する突出部１ｃをかしめることにより、第１金属部材１と、第２金属部材２とを接合する。

図４に示すように、押圧ポンチ４の孔径は、リング部材８の内周の孔径よりも大きく、かつ、第２金属部材２の貫通孔２ａの内周の孔径よりも小さい孔径とすることが好ましい。

このとき、リング部材８の内径とダイ３の凹部３ａの孔径が略同一であることが好ましい。

そして、上述した接合方法により接合された金属部材の接合体は、図４に示すように、基本的な構成は第１実施形態の接合方法により接合された接合体と略同様であるが、第２金属部材２に開設された貫通孔２ａの内周に嵌合されたリング部材８の中を、第１金属部材１がフィットした状態で貫通する。

つまり、第１金属部材１のリング部材８の内部を貫通している部分が、従来のリベットの軸部Ｂに相当する。

第１実施形態に係る金属部材の接合方法において接合する金属部材は、上述したように、強度の高い第２金属部材２を強度の低い第１金属部材１に接合する方法として好適であるが、両部材の強度が、同一又は近似する場合は良好な接合は困難である。

しかし、第２実施形態の接合方法によれば、強度の高いリング部材８が貫通孔２ａに嵌入されることにより、第１金属部材１と第２金属部材２との接合を良好に行うことが可能になる。

１ 第１金属部材
１ａ 凹陥部
１ｂ 貫通部分
１ｃ 突出部
２ 第２金属部材
２ａ 貫通孔
３ ダイ
３ａ 凹部
４ 押圧ポンチ
５ ノックアウト棒
６ しわ押さえ
７ かしめポンチ
８ リング部材
Ａ 頭部
Ｂ 軸部
Ｃ 加工頭

本発明の金属部材の接合方法は、第１金属部材と、適宜の位置に開設された貫通孔を有する第２金属部材とを重ね合わせ、前記第１金属部材を上側にして、前記貫通孔の孔径と略同一の孔径を有する凹部を備えるダイに、前記貫通孔と前記凹部とを対応させて載置し、前記貫通孔の孔径よりも大きな直径を有する押圧ポンチによって、前記第１金属部材を、前記第２金属部材の貫通孔の上方から押圧することにより、前記第１金属部材の表部を凹陥させると共に、前記ポンチの押圧により流動されて前記第２金属部材の貫通孔を貫通した前記第１金属部材の一部によって形成される、第２金属部材から突出する突出部が、前記載置した状態で、前記第１金属部材と当接していない側の前記第２金属部材の主面の前記貫通孔の周囲にかしめられることにより、前記第１金属部材と、前記第２金属部材とを接合するものである。

また、前記第１金属部材の強度が、前記第２金属部材の強度よりも低いものとすることができる。前記第１金属部材は、低炭素鋼とし、前記第２金属部材は、高炭素鋼又は特殊鋼とすることができる。

本発明の金属部材の接合体は、第１金属部材と、適宜の位置に開設された貫通孔を有する第２金属部材とが接合された接合体であって、前記第１金属部材の前記第２金属部材と当接していない側の表部に、前記貫通孔よりも大きい孔径を有する凹陥部を有し、前記第２金属部材の前記貫通孔に貫通した前記第１金属部材の一部によって形成された、第２金属部材から突出する突出部が、前記第１金属部材と当接していない側の前記第２金属部材の主面の前記貫通孔の周囲にかしめられているものである。また、前記第１金属部材は、低炭素鋼とし、前記第２金属部材は、高炭素鋼又は特殊鋼とすることができる。

Claims (6)

1. 第１金属部材と、適宜の位置に開設された貫通孔を有する第２金属部材とを重ね合わせ、前記貫通孔の孔径よりも大きな直径を有する押圧ポンチによって、前記第１金属部材を、前記第２金属部材の貫通孔の上方から押圧することにより、前記第１金属部材の表部を凹陥させると共に、前記ポンチの押圧により流動されて前記第２金属部材の貫通孔を貫通した前記第１金属部材の一部によって形成される、第２金属部材から突出する突出部をかしめることにより、前記第１金属部材と、前記第２金属部材とを接合する金属部材の接合方法。
2. 前記第１金属部材の強度が、前記第２金属部材の強度よりも低い請求項１に記載の金属部材の接合方法。
3. 前記第１金属部材の厚みが、前記第２金属部材よりも厚い請求項１又は請求項２に記載の金属部材の接合方法。
4. 前記第２金属部材に設けられた貫通孔の内周にリング部材を嵌合させる請求項１から請求項３に記載の金属部材の接合方法。
5. 前記リング部材が、前記第１金属部材の強度よりも高い請求項４に記載の金属部材の接合方法。
6. 第１金属部材と、適宜の位置に開設された貫通孔を有する第２金属部材とが接合された接合体であって、
   前記第１金属部材の表部に設けられた、前記貫通孔よりも大きい孔径を有する凹陥部を有し、
   前記第２金属部材の前記貫通孔に貫通した前記第１金属部材の一部によって形成された、第２金属部材から突出する突出部がかしめられている金属部材の接合体。

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