JP2020151721A - 板状部材のメカニカルクリンチ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】凹部側面における板状部材の厚みの低下又は割れ若しくは切れ等の欠陥を低減しつつ、複雑な構成及び／又は制御を必要とすること無く、単純な構成により、リベット等の他部材を使用せず、板状部材の塑性変形のみによって板状部材同士の締結力を増大させる。【解決手段】近接・離反自在に対向するパンチ及びダイスを備える、板状部材のメカニカルクリンチ装置において、ダイスの頂面を凹面として形成し、パンチの先端面とダイスの頂面との間の距離が頂面の中心から径方向において外側へ向かうほど小さくなるように構成する。好ましくは、ダイスの頂面を凹状の球面として形成し、パンチの先端面を凸状の球面として形成し、且つ先端面の曲率半径ｒ１を頂面の曲率半径ｒ２よりも大きくする。【選択図】図４

Description

本発明は、板状部材のメカニカルクリンチ装置に関する。

当該技術分野においては、自動車の車体等における板状部材同士の接合方法として、溶接及び接着によらない機械的締結工法の一種である所謂「かしめ工法」が知られている。また、かしめ工法の中でも、リベット等の他部材を使用せず、板状部材の塑性変形のみによって板状部材同士の締結が可能な「メカニカルクリンチ工法」が広く用いられている（例えば、特許文献１を参照）。

メカニカルクリンチ工法においては、当業者に周知であるように、例えば、積層された板状部材に上方からパンチを打ち込むことにより凹型に成形すると共に上側の板状部材を下側に隣接する他の板状部材の内部において径方向における外側へ塑性流動させる。その結果、隣接する２つの板状部材を構成する材料が互いに噛み合っている所謂「インターロック部」が形成され、これらの板状部材が互いに締結される。

上記のようなメカニカルクリンチ工法による板状部材同士の締結力を向上させるためには、パンチの打ち込みによって形成される凹部の側面（以降、「凹部側面」と称呼される場合がある）における板状部材の厚み及びインターロック部における板状部材同士の噛み合いの深さ（以降、「インターロック量」と称呼される場合がある）を大きくすることが望ましい。

そこで、当該技術分野においては、メカニカルクリンチ工法による板状部材同士の締結力の更なる向上を目的とする多種多様な技術が提案されている。例えば、図１３は、従来技術に係るメカニカルクリンチ装置（以降、「従来装置」と称呼される場合がある）の構成及び作動の一例を示す模式図である。

図１３に例示する従来装置２００においては、（ａ）に示すように、先端部に金属板に向かって凹状の円錐面を有するダイス（固定アンビル５）の外周に分割配置された可動ブレード６の上に２枚の金属板１及び２を重ねて配置し、ストリッパ４とブレード６との間に金属板１及び２を挟み込んで固定する。その後、（ｂ）に示すように、先端部に凸状の円錐面を有する円柱形のパンチ３を上方から当該金属板に局部的に押し込み、上側の金属板１を塑性変形させると共にブレード６を外周方向に逃がすことにより下面の金属板２を塑性変形させて、上下の金属板を機械的に接合する。これにより、インターロック部の下側の板状部材（金属板２）を構成する材料の径方向における外側への張り出し量を大きくして、インターロック部を径方向へ拡大させ、締結力を増大させることができる（例えば、特許文献２を参照）。

また、ダイスの軸中心部を構成する第１ダイスとダイスの外周部を構成する第２ダイスとによってダイスを構成し、第１ダイスを打ち込んだ後に第２ダイスをインターロック部のダイス側に打ち込むメカニカルクリンチ工法が提案されている（例えば、特許文献３を参照）。当該メカニカルクリンチ工法によれば、第２ダイスの打ち込みにより、インターロック部のダイス側の部分が径方向における外側に向けて塑性流動し、インターロック部が径方向へ拡大すると共に凹部側面における板状部材の厚みが増大する。その結果、板状部材同士の締結力を増大させることができる。

しかしながら、上記のようなメカニカルクリンチ工法においては、径方向において移動可能に構成されたブレード及び第１ダイスと第２ダイスとによって構成されたダイス等の複雑な可動機構及び当該可動機構の精密な制御が必要とされる。このため、例えば、製造コストの増大及びメンテナンスの煩雑化等の問題に繋がる虞がある。また、インターロック部の下側の張り出し量が増大するため、例えば、周囲の他の部材との干渉及び審美性の低下等の問題に繋がる虞がある。

ところで、板状部材の性状によっては、パンチの打ち込みに伴って、例えば板状部材の厚みの低下又は割れ若しくは切れ等の欠陥が凹部側面において生ずる場合がある。このような欠陥は、例えば、インターロック量の低下及び板状部材同士の締結力の低下等の問題に繋がる。そこで、レーザ光を照射することにより板状部材のパンチが打ち込まれる部位を事前に加熱しておくことにより、板状部材の塑性流動を促進して、上記のような欠陥を低減する技術が提案されている（例えば、特許文献４を参照）。しかしながら、当該技術には、例えば、加工装置の構成及び制御の複雑化等の問題に加えて、エネルギー消費量の増大等の問題がある。

また、上記のような凹部側面における板状部材の厚みの低下又は割れ若しくは切れ等の欠陥は、パンチ側の板状部材に比べてダイス側の板状部材の方がパンチの打ち込みに伴う塑性流動を生じ易い場合により顕著となる。このような場合の具体例としては、例えば、パンチ側の板状部材に比べてダイス側の板状部材の方がより軟らかい場合及びパンチ側の板状部材に比べてダイス側の板状部材の方がより厚い場合等を挙げることができる。

米国特許第４７６０６３４号明細書 特開２００９−２７４１１９号公報 特開２００１−２００８１３号公報 特開２０１９−０００８８３号公報

上述したように、当該技術分野においては、複雑な構成及び／又は制御を必要とすること無く、単純な構成により、リベット等の他部材を使用せず、板状部材の塑性変形のみによって板状部材同士の締結力を増大させることが可能なメカニカルクリンチ装置が求められている。更に、パンチ側の板状部材に比べてダイス側の板状部材の方がパンチの打ち込みに伴う塑性流動を生じ易い場合においても、凹部側面における板状部材の厚みの低下又は割れ若しくは切れ等の欠陥を低減しつつ、板状部材同士の締結力を増大させることが可能なメカニカルクリンチ装置が求められている。

上記課題に鑑み、本発明者は、鋭意研究の結果、メカニカルクリンチ工法によって複数の板状部材を締結するメカニカルクリンチ装置において、互いに対向するパンチの先端面とダイスの頂面との間の距離を頂面の中心から外側へ向かうほど小さくなるように構成することにより、上記要求に応えることができることを見出した。

具体的には、本発明に係る板状部材のメカニカルクリンチ装置（以降、「本発明装置」と称呼される場合がある）は、近接・離反自在に対向するパンチ及びダイスを備える板状部材のメカニカルクリンチ装置である。パンチの先端部には、ダイスに対向する面である先端面が形成されている。ダイスの先端部には、パンチ側に開口するキャビティが形成されており、キャビティの内部には、キャビティの底面からパンチに向かって隆起する凸部が形成されており、凸部の先端部には、パンチの先端面に対向する面である頂面が形成されている。また、本発明装置は、複数の板状部材が重なり合う部分である積層部にパンチを打ち込んでパンチの先端面とダイスの頂面との間に当該積層部を挟むことにより複数の板状部材を締結するように構成されている。

更に、本発明装置においては、ダイスの底面に形成された凸部の頂面が凹面として形成されており、パンチの先端面とダイスの頂面との間の距離は頂面の中心から径方向において外側へ向かうほど小さくなるように構成されている。

好ましくは、ダイスの頂面は凹状の球面として形成されており、パンチの先端面は凸状の球面として形成されており、且つ先端面の曲率半径ｒ１は頂面の曲率半径ｒ２よりも大きい。

本発明装置によれば、複雑な構成及び／又は制御を必要とすること無く、単純な構成により、リベット等の他部材を使用せず、板状部材の塑性変形のみによって板状部材同士の締結力を増大させることができる。また、パンチ側の板状部材に比べてダイス側の板状部材の方がパンチの打ち込みに伴う塑性流動を生じ易い場合においても、凹部側面における板状部材の厚みの低下又は割れ若しくは切れ等の欠陥を低減しつつ、板状部材同士の締結力を増大させることができる。

本発明の他の目的、他の特徴及び付随する利点は、以下の図面を参照しつつ記述される本発明の各実施形態についての説明から容易に理解されるであろう。

本発明の第１実施形態に係る板状部材のメカニカルクリンチ装置（第１装置）が備えるパンチの構成の一例を示す模式図である。 第１装置が備えるダイスの構成の一例を示す模式図である。 図１及び図２に示したパンチ及びダイスが第１装置に組み込まれた状態を示す模式的な部分断面斜視図である。 図３に示したパンチ及びダイスを共通の軸に垂直な方向から観察した場合における模式的な部分断面側面図である。 第１装置においてメカニカルクリンチ工法によって２枚の板状部材が締結される様子を段階的に表す模式的な断面図である。 第１装置が備えるダイスの頂面の形状の具体例を示す模式的な断面図である。 第２装置が備えるパンチの先端面の形状の具体例を示す模式的な断面図である。 第２装置が備えるパンチの先端面及びダイスの頂面の形状の組み合わせの具体例を示す模式的な断面図である。 実施例１において本発明の実施例に係るメカニカルクリンチ装置（実施例装置）によって形成された第１部材と第２部材との締結部分を表す模式的な断面図である。 実施例１において従来技術の比較例に係るメカニカルクリンチ装置（比較例装置）によって形成された第１部材と第２部材との締結部分を表す模式的な断面図である。 実施例２において本発明の実施例に係るメカニカルクリンチ装置（実施例装置）によって形成された第１部材と第２部材との締結部分を表す模式的な断面図である。 実施例２において従来技術の比較例に係るメカニカルクリンチ装置（比較例装置）によって形成された第１部材と第２部材との締結部分を表す模式的な断面図である。 従来技術に係るメカニカルクリンチ装置（従来装置）の構成及び作動の一例を示す模式図である。 従来装置が備えるパンチの構成の一例を示す模式図である。 従来装置が備えるダイスの構成の一例を示す模式図である。 図１４及び図１５に示したパンチ及びダイスが従来装置に組み込まれた状態を示す模式的な部分断面斜視図である。 図１６に示したパンチ及びダイスを共通の軸に垂直な方向から観察した場合における模式的な部分断面側面図である。 従来装置においてメカニカルクリンチ工法によって２枚の板状部材が締結される様子を段階的に表す模式的な断面図である。

《第１実施形態》
以下、本発明の第１実施形態に係る板状部材のメカニカルクリンチ装置（以降、「第１装置」と称呼される場合がある）の種々の実施形態について説明するが、それに先立ち、従来技術に係る板状部材のメカニカルクリンチ装置（従来装置）が抱える問題点について説明する。

〈従来装置の構成〉
図１４の（ａ）は、従来装置が備えるパンチの構成の一例を示す模式的な側面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示したパンチ２１０の先端部２１１の太い破線によって囲まれた部分の拡大図である。図１４に例示したパンチ２１０の先端部２１１には、先端面２１２が平面として形成されている。

次に、図１５の（ａ）は、従来装置が備えるダイスの構成の一例を示す模式的な斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）に示したダイス２２０の先端部の模式的な正面図である。また、（ｃ）は、ダイス２２０の軸を含む平面によるダイス２２０の断面図であり、（ｄ）は、（ｃ）に示したダイス２２０の先端部の太い破線によって囲まれた部分の拡大図である。（ｃ）及び（ｄ）に示すように、ダイス２２０の先端部には、パンチ２１０側に開口するキャビティ２２１が形成されている。また、キャビティ２２１の内部には、キャビティ２２１の底面から（従来装置に組み込まれた状態において）パンチ２１０に向かって隆起する凸部２２２が形成されている。更に、凸部２２２の先端部には、（従来装置に組み込まれた状態において）パンチ２１０の先端面２１２に対向する面である頂面２２３が形成されている。

次に、図１６は、パンチ２１０及びダイス２２０が従来装置２０１に組み込まれた状態を示す模式的な部分断面斜視図であり、図１７は、図１６に示したパンチ２１０及びダイス２２０の共通の軸ＡＸに垂直な方向からパンチ２１０及びダイス２２０を観察した場合における模式的な部分断面側面図である。尚、以下の説明においては「パンチ２１０」という呼称が使用されるが、図１６及び図１７においてはパンチ２１０の先端部２１１以外の部分は省略されている。

図１６及び図１７に示す例においては、パンチ２１０はパンチホルダ２１３の中央に形成された円柱状の空間に収容され、図示しない駆動装置によって駆動されて、軸ＡＸの方向に沿ってダイス２２０に近接したり離反したりするように構成されている。また、ダイス２２０の先端部は、中央部２２０ａと周縁部２２０ｂとによって構成されている。中央部２２０ａはキャビティ２２１の底辺及び凸部２２２を構成しており、周縁部２２０ｂはキャビティ２２１の側面及び周縁部並びにダイス２２０の外周面を構成している。しかしながら、中央部２２０ａと周縁部２２０ｂとは必ずしも別部材として構成されている必要は無く、連続的な一体物としてダイス２２０が構成されていてもよい。

図１６及び図１７に示す従来装置２０１においては、パンチ２１０側の板状部材である第１部材３０１及びダイス２２０側の板状部材である第２部材３０２からなる積層体が、パンチホルダ２１３とダイス２２０の周縁部２２０ｂとの間に挟まれて固定されている。そして、上述した駆動装置によってパンチ２１０の先端部２１１が第１部材３０１側から打ち込まれ、第１部材３０１及び第２部材３０２からなる積層体がパンチ２１０の先端面２１２とダイス２２０の頂面２２３との間に挟まれる。これにより、第１部材３０１と第２部材３０２とが所謂「メカニカルクリンチ工法」によって締結される。

図１８は、図１７において太い破線によって囲まれた部分の拡大図であり、上記のような構成を有する従来装置２０１においてメカニカルクリンチ工法によって第１部材３０１と第２部材３０２とが締結される過程を（ａ）から（ｅ）までの５つの状況に分けて段階的に表している。（ａ）はパンチホルダ２１３とダイス２２０の周縁部２２０ｂとの間に固定されている第１部材３０１にパンチ２１０の先端部２１１が当接したときの状況を表す。次に、（ｂ）は、先端部２１１がダイス２２０のキャビティ２２１に向かって更に押し込まれて第１部材３０１及び第２部材３０２からなる積層体を湾曲させた結果、第２部材３０２がダイス２２０の頂面２２３に接触するようになったときの状況を表す。従って、（ａ）から（ｂ）までの期間においては、第１部材３０１及び第２部材３０２からなる積層体は曲げ加工に付されている。

次に、（ｃ）は、先端部２１１が更に押し込まれて第１部材３０１及び第２部材３０２からなる積層体に凹部が形成されつつある状況を表す。この状況下における積層体は、曲げ加工に加えて、先端部２１１の押し込みにより積層部を潰して径方向における外側へと塑性流動させる所謂「張り出し加工」にも付されている。次に、（ｄ）は、先端部２１１が更に押し込まれて張り出し加工が更に進行し、第１部材３０１が第２部材３０２の中に入り込んで互いに噛み合っている部分であるインターロック部が形成される直前の状況を表す。最後に、（ｅ）は、パンチ２１０の先端部２１１の打ち込みが完了し、インターロック部が形成されている状況を表す。

前述したように、上記のようなメカニカルクリンチ工法による板状部材同士の締結力を向上させるためには、パンチの打ち込みによって形成される凹部の側面（凹部側面）における板状部材の厚み及びインターロック部における板状部材同士の噛み合いの深さ（インターロック量）を大きくすることが望ましい。しかしながら、例えばパンチ側の板状部材に比べてダイス側の板状部材の方がパンチの打ち込みに伴う塑性流動を生じ易い場合等において、凹部側面における板状部材の厚みの低下又は割れ若しくは切れ等の欠陥が発生しがちである。このような場合の具体例としては、例えば、パンチ側の板状部材に比べてダイス側の板状部材の方がより軟らかい場合及びパンチ側の板状部材に比べてダイス側の板状部材の方がより厚い場合等を挙げることができる。

ここで、図１８に示した例においてパンチ２１０（の先端部２１１）側に位置する第１部材３０１よりもダイスの方側に位置する第２部材３０２の方が塑性流動を生じ易い場合（例えば、第１部材３０１よりも第２部材３０２の方がより軟らかい又はより厚い場合等）を想定する。この場合、（ａ）から（ｄ）までの過程においてパンチ２１０の打ち込みに伴って潰れる量は第２部材３０２よりも第１部材３０１の方が少なくなるので、径方向における外側へと塑性流動する第１部材３０１も少なくなる。その結果、凹部側面において第１部材３０１が局所的に延伸されるため、第１部材３０１の厚みが低下したり第１部材３０１が破断したりする。また、インターロック量も小さくなるので、第１部材３０１と第２部材３０２との締結力も小さくなる。

上記のような場合においてインターロック量を大きくするためには、パンチ２１０をより深く打ち込んで第１部材３０１が潰れる量を増大させる必要がある。しかしながら、パンチ２１０をより深く打ち込むことは、凹部側面における第１部材３０１及び第２部材３０２の厚みの更なる低下に繋がってしまう。

上記のように、従来装置において、凹部側面における板状部材の厚みの低下又は割れ若しくは切れ等の欠陥を低減しつつ、複雑な構成及び／又は制御を必要とすること無く、単純な構成により、リベット等の他部材を使用せず、板状部材の塑性変形のみによって板状部材同士の締結力を増大させることは困難である。

〈第１装置の構成〉
そこで、本発明の第１実施形態に係る板状部材のメカニカルクリンチ装置（第１装置）においては、前述したように、互いに対向するパンチの先端面とダイスの頂面との間の距離を頂面の中心から外側へ向かうほど小さくなるように構成することにより、上記課題を解決する。

具体的には、第１装置は、近接・離反自在に対向するパンチ及びダイスを備える板状部材のメカニカルクリンチ装置であり、基本的には、上述した従来装置と同様の構成を有する。従って、例えば、パンチ及びダイスを近接・離反自在に対向するように支持するための機構等、当業者に周知である構成についての説明は省略される場合がある。

パンチの先端部には、ダイスに対向する面である先端面が形成されている。ダイスには、パンチ側に開口するキャビティが形成されており、キャビティの内部には、キャビティの底面からパンチに向かって隆起する凸部が形成されている。このように、キャビティの内部に凸部が形成されているということは、凸部はキャビティの外部へ突出しておらず、キャビティの底面からの凸部の高さはキャビティの深さ（パンチとダイスとが近接・離反する方向における奥行き）以下であることを意味する。尚、凸部の形状は特に限定されないが、パンチが打ち込まれるときの衝撃及び押圧力に耐える必要があることから、典型的には截頭錐体状の形状を有する。

凸部の先端部には、パンチの先端面に対向する面である頂面が形成されている。また、凸部はキャビティの底面から隆起しているので、底面における凸部の周囲は凸部の頂面よりも低く、凸部を取り囲む溝状の形状を呈する。これにより、パンチの打ち込みに伴って塑性流動する板状部材を構成する材料を受け入れて、パンチの打ち込みに対する抗力を低減したり、インターロック部の形成を促進したりすることができる。尚、パンチ及びダイスの全体としての形状及び構造並びに材料等については、例えば、パンチ及びダイスが組み込まれる第１装置の設計及び仕様並びに第１装置によって締結しようとする部材の形状及び構造並びに材料等に応じて適宜定められる。

また、第１装置は、複数の板状部材が重なり合う部分である積層部にパンチを打ち込んでパンチの先端面とダイスの頂面との間に当該積層部を挟むことにより複数の板状部材を締結するように構成されている。積層部を構成する板状部材の数は、複数（即ち、２つ以上）であれば特に限定されないが、典型的には２つである。また、個々の板状部材の厚み及び材料等についても特に限定されないが、典型的には個々の板状部材は金属板である。

積層部にパンチを打ち込んでパンチの先端面とダイスの頂面との間に当該積層部を挟む動作は、所定の位置に固定されたダイスにパンチを近接させることによって達成してもよく、或いは所定の位置において積層部を挟むようにパンチ及びダイスの双方を互いに近接させることによって達成してもよい。尚、パンチとダイスとを近接させたり離反させたりするための駆動装置及び付随する機構等については、当業者に周知であるので、ここでの説明は省略される。

更に、第１装置においては、ダイスの底面に形成された凸部の頂面が凹面として形成されており、パンチの先端面とダイスの頂面との間の距離は頂面の中心から径方向において外側へ向かうほど小さくなるように構成されている。先端面と頂面との間の距離が頂面の中心から径方向において外側へ向かうほど小さくなるように構成されている限り、凹面として形成される頂面の具体的な形状は、特に限定されない。尚、ここで言う「パンチの先端面とダイスの頂面との間の距離」は、パンチとダイスとが近接・離反する方向におけるパンチの先端面とダイスの頂面との間の距離である。

ここで、第１装置の１つの具体例につき、図面を参照しながら、より詳しく説明する。図１の（ａ）は、第１装置が備えるパンチの構成の一例を示す模式的な側面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示したパンチ１１０の先端部１１１の太い破線によって囲まれた部分の拡大図である。図１に例示したパンチ１１０の先端部１１１には、曲率半径がｒ１である球面として先端面１１２が形成されているが、上述した要件を満たす限り、先端面１１２の形状はこれに限定されず、例えば、球面以外の曲面であってもよく、或いは平面であってもよい。

次に、図２の（ａ）は、第１装置が備えるダイスの構成の一例を示す模式的な斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）に示したダイス１２０の先端部の模式的な正面図である。また、（ｃ）は、ダイス１２０の軸を含む平面によるダイス１２０の断面図であり、（ｄ）は、（ｃ）に示したダイス１２０の先端部の太い破線によって囲まれた部分の拡大図である。（ｃ）及び（ｄ）に示すように、ダイス１２０の先端部には、パンチ１１０側に開口するキャビティ１２１が形成されている。また、キャビティ１２１の内部には、キャビティ１２１の底面から（第１装置に組み込まれた状態において）パンチ１１０に向かって隆起する凸部１２２が形成されている。更に、凸部１２２の先端部には、（第１装置に組み込まれた状態において）パンチ１１０の先端面１１２に対向する面である頂面１２３が形成されている。

上述した従来装置２０１が備える凸部２２２の頂面２２３は平面として形成されているのに対し、第１装置１０１が備える凸部１２２の頂面１２３は凹面として形成されている。これにより、詳しくは後述するように、上述した従来装置２０１においては先端面２１２と頂面２２３との間の距離は頂面２２３上の何れの位置においても一定であるのに対し、第１装置１０１においては先端面１１２と頂面１２３との間の距離は頂面１２３の中心から径方向において外側へ向かうほど小さくなるように構成されている。

次に、図３は、パンチ１１０及びダイス１２０が第１装置１０１に組み込まれた状態を示す模式的な部分断面斜視図であり、図４は、図３に示したパンチ１１０及びダイス１２０の共通の軸ＡＸに垂直な方向からパンチ１１０及びダイス１２０を観察した場合における模式的な部分断面側面図である。図１乃至図４に示すように、典型的には、パンチ１１０及びダイス１２０はそれぞれ略円柱状の外観を有し、第１装置において同軸状に（即ち、共通の軸ＡＸを有するように）配置される。尚、以下の説明においては「パンチ１１０」という呼称が使用されるが、図３及び図４においてはパンチ１１０の先端部１１１以外の部分は省略されている。

図３及び図４に示す例においては、パンチ１１０はパンチホルダ１１３の中央に形成された円柱状の空間に収容され、図示しない駆動装置によって駆動されて、軸ＡＸの方向に沿ってダイス１２０に近接したり離反したりするように構成されている。また、ダイス１２０の先端部は、中央部１２０ａと周縁部１２０ｂとによって構成されている。中央部１２０ａはキャビティ１２１の底辺及び凸部１２２を構成しており、周縁部１２０ｂはキャビティ１２１の側面及び周縁部並びにダイス１２０の外周面を構成している。しかしながら、中央部１２０ａと周縁部１２０ｂとは必ずしも別部材として構成されている必要は無く、中央部１２０ａと周縁部１２０ｂとからなる連続的な一体物としてダイス１２０が構成されていてもよい。

図３及び図４に示す第１装置１０１においては、パンチ１１０側の板状部材である第１部材３０１及びダイス１２０側の板状部材である第２部材３０２からなる積層体が、パンチホルダ１１３とダイス１２０の周縁部１２０ｂとの間に挟まれて固定されている。そして、上述した駆動装置によってパンチ１１０の先端部１１１が第１部材３０１側から打ち込まれ、第１部材３０１及び第２部材３０２からなる積層体がパンチ１１０の先端面１１２とダイス１２０の頂面１２３との間に挟まれる。これにより、第１部材３０１と第２部材３０２とがメカニカルクリンチ工法によって締結される。

図５は、図４において太い破線によって囲まれた部分の拡大図であり、上記のような構成を有する第１装置１０１においてメカニカルクリンチ工法によって第１部材３０１と第２部材３０２とが締結される過程を（ａ）から（ｅ）までの５つの状況に分けて段階的に表している。（ａ）はパンチホルダ１１３とダイス１２０の周縁部１２０ｂとの間に固定されている第１部材３０１にパンチ１１０の先端部１１１が当接したときの状況を表す。次に、（ｂ）は、先端部１１１がダイス１２０のキャビティ１２１に向かって更に押し込まれて第１部材３０１及び第２部材３０２からなる積層体を湾曲させた結果、第２部材３０２がダイス１２０の頂面１２３に接触するようになったときの状況を表す。従って、（ａ）から（ｂ）までの期間においては、第１部材３０１及び第２部材３０２からなる積層体は曲げ加工に付されている。

次に、（ｃ）は、先端部１１１が更に押し込まれて第１部材３０１及び第２部材３０２からなる積層体に凹部が形成されつつある状況を表す。この状況下における積層体は、曲げ加工に加えて、先端部１１１の押し込みにより積層部を潰して径方向における外側へと塑性流動させる所謂「張り出し加工」にも付されている。次に、（ｄ）は、先端部１１１が更に押し込まれて張り出し加工が更に進行し、第１部材３０１が第２部材３０２の中に入り込んで互いに噛み合っている部分であるインターロック部が形成される直前の状況を表す。最後に、（ｅ）は、パンチ１１０の先端部１１１の打ち込みが完了し、インターロック部が形成されている状況を表す。

上述したように、第１装置１０１においては、ダイス１２０の頂面１２３は凹面として形成されており、パンチ１１０の先端面１１２とダイス１２０の頂面１２３との間の距離は頂面１２３の中心から径方向において外側へ向かうほど小さくなるように構成されている。これにより、図５の（ａ）から（ｄ）に示したパンチ１１０が打ち込まれる過程において、ダイス１２０側の板状部材である第２部材３０２の径方向における外側への塑性流動が抑制されるので、パンチ１１０の打ち込みに伴って第２部材３０２が潰れる量も減少する。その分、パンチ１１０側の板状部材である第１部材３０１がパンチ１１０の打ち込みに伴って潰れる量が増大し、第１部材３０１の径方向における外側への塑性流動が促進される。

上記の結果、凹部側面における第１部材３０１の局所的な延伸が抑制されるため、第１部材３０１の厚みが低下したり第１部材３０１が破断したりする問題が低減される。また、インターロック量も大きくなるので、第１部材３０１と第２部材３０２との締結力も大きくなる。

〈効果〉
以上のように、第１装置によれば、凹部側面における板状部材の厚みの低下又は割れ若しくは切れ等の欠陥を低減しつつ、複雑な構成及び／又は制御を必要とすること無く、単純な構成により、リベット等の他部材を使用せず、板状部材の塑性変形のみによって板状部材同士の締結力を増大させることができる。

〈第１装置が備えるダイスの頂面の具体例〉
上述したように、第１装置においては、ダイスの底面に形成された凸部の頂面が凹面として形成されており且つパンチの先端面とダイスの頂面との間の距離が頂面の中心から径方向において外側へ向かうほど小さくなるように構成されている限り、ダイスの頂面の具体的な形状は、特に限定されない。

例えば、図６の（ａ）に示すように、第１装置が備えるダイスの凸部１２２の頂面１２３は、凹状の曲面として形成されていてもよい。この場合、頂面１２３は、図６の（ｂ）に示すように、特定の曲率半径ｒ２を有する凹状の球面として形成されていてもよい。或いは、第１装置が備えるダイスの凸部１２２の頂面１２３は、図６の（ｃ）に示すように、特定の円錐角θ２を有する凹状の円錐面として形成されていてもよい。尚、本明細書において「円錐角」とは、円錐面の頂点を通る軸を含む平面による当該円錐面の断面における２つの母線がなす角を意味する。

《第２実施形態》
以下、本発明の第２実施形態に係る板状部材のメカニカルクリンチ装置（以降、「第２装置」と称呼される場合がある）の種々の実施形態について説明する。

上述した図１に例示したパンチ１１０の先端部１１１においては、曲率半径がｒ１である球面として先端面１１２が形成されている。しかしながら、上述したように、パンチの先端面とダイスの頂面との間の距離が頂面の中心から径方向において外側へ向かうほど小さくなるように構成されている限り、パンチの先端面の形状はこれに限定されず、例えば、球面以外の曲面であってもよく、或いは平面であってもよい。

しかしながら、凹部側面における第１部材の薄肉化及び／又は破断を低減したりインターロック量を大きくしたりして第１部材と第２部材との締結力を増大させる観点からは、パンチの打ち込みに伴う第１部材の径方向における外側への塑性流動を促進して凹部側面における第１部材の局所的な延伸を低減することがより好ましい。

〈第２装置の構成〉
そこで、第２装置は、上述した第１装置であって、パンチの先端面が凸面として形成されている、板状部材のメカニカルクリンチ装置である。

上述したように、第１装置においては、ダイスの底面に形成された凸部の頂面が凹面として形成されており且つパンチの先端面とダイスの頂面との間の距離が頂面の中心から径方向において外側へ向かうほど小さくなるように構成されている。これにより、第２部材の径方向における外側への塑性流動が抑制され、パンチの打ち込みに伴って第２部材が潰れる量も減少する。その分、パンチの打ち込みに伴って第１部材が潰れる量が増大し、第１部材の径方向における外側への塑性流動が促進される。これに加えて、第２装置においては、パンチの先端面が凸面として形成されているので、パンチの打ち込みに伴う第１部材の径方向における外側への塑性流動が更に促進される。

〈効果〉
以上のように、第２装置によれば、パンチの打ち込みに伴う第１部材の径方向における外側への塑性流動が更に促進される。その結果、凹部側面における第１部材の局所的な延伸が更に低減され、凹部側面における第１部材の薄肉化及び／又は破断が更に低減され且つインターロック量が更に増大されるので、第１部材と第２部材との締結力を更に増大させることができる。

〈第２装置が備えるパンチの先端面の具体例〉
上述したように、第２装置においては、パンチの先端面が凸面として形成されている。図７は、第２装置が備えるパンチの先端面の形状の具体例を示す模式的な断面図であり、図１の（ｂ）と同様に、パンチ１１０の先端部１１１の模式的な拡大図である。第２装置が備えるパンチ１１０の先端面１１２は、例えば、図７の（ａ）に示すように、凸状の曲面として形成されていてもよい。この場合、先端面１１２は、図７の（ｂ）に示すように、特定の曲率半径ｒ１を有する凸状の球面として形成されていてもよい。或いは、第２装置が備えるパンチ１１０の先端面１１２は、図７の（ｃ）に示すように、特定の円錐角θ１を有する凹状の円錐面として形成されていてもよい。尚、本明細書において「円錐角」とは、円錐面の頂点を通る軸を含む平面による当該円錐面の断面における２つの母線がなす角を意味する。

尚、図８の（ａ）に示すように、パンチ１１０の先端面１１２が凸状の球面として形成されており且つダイス１２０の頂面１２３が凹状の球面として形成されている場合、先端面１１２の曲率半径ｒ１が頂面１２３の曲率半径ｒ２よりも大きいように構成する必要がある。これにより、前述した「パンチの先端面とダイスの頂面との間の距離は頂面の中心から径方向において外側へ向かうほど小さくなる」という本発明装置の要件を満たすことができ、所期の効果を達成することができる。

また、図８の（ｂ）に示すように、パンチ１１０の先端面１１２が凸状の円錐面として形成されており且つダイス１２０の頂面１２３が凹状の円錐面として形成されている場合、先端面１１２の円錐角θ１が頂面１２３の円錐角θ２よりも大きいように構成する必要がある。これにより、前述した「パンチの先端面とダイスの頂面との間の距離は頂面の中心から径方向において外側へ向かうほど小さくなる」という本発明装置の要件を満たすことができ、所期の効果を達成することができる。

ところで、上記のようにパンチの先端面を凸面として形成する場合、パンチの先端面を平面として形成する場合に比べて、先端面の加工が複雑になり、製造コストの増大に繋がる虞がある。従って、ダイスの底面に形成された凸部の頂面が凹面として形成されており且つパンチの先端面とダイスの頂面との間の距離が頂面の中心から径方向において外側へ向かうほど小さくなるように構成されていることにより、十分な効果が達成される場合は、パンチの先端面が平面として形成されていてもよい。

メカニカルクリンチ工法における凹部側面における板状部材の厚みの低下又は割れ若しくは切れ等の欠陥の低減及びインターロック量の増大における本発明の効果を確認する。具体的には、本発明に係るメカニカルクリンチ装置及び従来技術に係るメカニカルクリンチ装置を用いて、異なる材料によって構成される２枚の金属板を締結し、それぞれのインターロック部の断面を観察した。

〈メカニカルクリンチ装置の構成〉
本発明の実施例に係るメカニカルクリンチ装置（以降、「実施例装置」と称呼される場合がある）においては、図１乃至図５、図６の（ｂ）、図７の（ｂ）、及び図８の（ａ）に示したように、パンチの先端面が凸状の球面として形成されており且つダイスの頂面が凹状の球面として形成されている。実施例装置において、パンチの先端面の曲率半径ｒ１は１１ｍｍであり、ダイスの頂面の曲率半径ｒ２は９ｍｍである。これにより、パンチの先端面とダイスの頂面との間の距離が、頂面の中心から径方向において外側へ向かうほど小さくなるように構成されている。

一方、従来技術の比較例に係るメカニカルクリンチ装置（以降、「比較例装置」と称呼される場合がある）においては、図１４乃至図１６に示したように、パンチの先端面及びダイスの頂面が互いに平行な平面として形成されている。即ち、比較例装置においては、頂面上の何れの位置においても、パンチの先端面とダイスの頂面との間の距離が一定である。

〈第１部材及び第２部材〉
パンチ側に配置される板状部材である第１部材としては、１．０ｍｍの厚み及び５９０ＭＰａの引張強度を有する高張力鋼板を採用した。一方、ダイス側に配置される板状部材である第２部材としては、２．０ｍｍの厚みを有するアルミニウム合金（Ａ６０６１−Ｔ６）の板材を採用した。

上記のように、第１部材（高張力鋼板）に比べて第２部材（アルミニウム合金板）の方がより軟らかく且つより厚いため、第１部材に比べて第２部材の方がパンチの打ち込みに伴う塑性流動を生じ易い。従って、上記板状部材の組み合わせは、前述したような凹部側面における板状部材の厚みの低下又は割れ若しくは切れ等の欠陥がより顕著となる組み合わせに該当する。

〈メカニカルクリンチ工法による第１部材と第２部材との締結〉
上述した実施例装置及び比較例装置を用いて、上述した第１部材と第２部材とをメカニカルクリンチ工法によって締結した。実施例装置においては図５を参照しながら説明したように締結過程が進行し、比較例装置においては図１８を参照しながら説明したように締結過程が進行したものと考えられる。

〈第１部材と第２部材との締結部分の断面観察〉
上記のようにして形成された第１部材（高張力鋼板）と第２部材（アルミニウム合金板）との締結部分（パンチの打ち込みによって形成される凹部及びその周辺の部分）をパンチ及びダイスの共通の軸ＡＸを含む平面に沿って切断し、断面の顕微鏡写真を撮影した。図９は実施例装置によって形成された第１部材と第２部材との締結部分を表す模式的な断面図であり、図１０は比較例装置によって形成された第１部材と第２部材との締結部分を表す模式的な断面図である。

上述した第１部材と第２部材との組み合わせについては、実施例装置及び比較例装置の何れによる締結部位においても、凹部側面における第１部材の破断は認められず、インターロック部が形成された（太い破線によって囲まれた領域を参照）。しかしながら、図９と図１０との比較から明らかであるように、凹部側面における第１部材の厚みＴ及びインターロック量Ｌについては、実施例装置による締結部位の方が、比較例装置の何れによる締結部位に比べて、より大きいことが確認された。

これは、ダイスの底面に形成された凸部の頂面が凹面として形成されており且つパンチの先端面とダイスの頂面との間の距離が頂面の中心から径方向において外側へ向かうほど小さくなるように実施例装置が構成されていることに起因するものと考えられる。更に、実施例装置においては、パンチの先端面が凸状の球面として形成されており且つダイスの頂面が凹状の球面として形成されている。これにより、パンチの打ち込みに伴う第１部材の径方向における外側への塑性流動が更に促進されるため、凹部側面における第１部材の局所的な延伸が更に低減され、凹部側面における第１部材の薄肉化が更に低減され且つインターロック量が更に増大されたものと考えられる。

〈効果〉
以上のように、本発明に係る実施例装置によれば、従来技術に係る比較例装置に比べて、凹部側面における第１部材の薄肉化を低減し且つインターロック量を増大させることができるので、第１部材と第２部材との締結力を更に増大させることができる。即ち、本発明によれば、凹部側面における板状部材の厚みの低下又は割れ若しくは切れ等の欠陥を低減しつつ、複雑な構成及び／又は制御を必要とすること無く、単純な構成により、リベット等の他部材を使用せず、板状部材の塑性変形のみによって板状部材同士の締結力を増大させることができる。

〈概要〉
実施例２においては、実施例１と同様のメカニカルクリンチ装置（即ち、実施例装置及び比較例装置）を用いて、異なる材料によって構成される２枚の金属板を締結し、それぞれのインターロック部の断面を観察した。但し、実施例２においては、パンチ側に配置される板状部材である第１部材として、１．０ｍｍの厚み及び１１８０ＭＰａの引張強度を有する超高張力鋼板を採用した。一方、ダイス側に配置される板状部材である第２部材としては、実施例１と同様の２．０ｍｍの厚みを有するアルミニウム合金（Ａ６０６１−Ｔ６）の板材を採用した。

上記のように、実施例２においては、実施例１における第１部材（高張力鋼板）よりも硬い第１部材（超高張力鋼板）を採用した。従って、実施例１に比べて、パンチの打ち込みに伴う塑性流動の生じ易さにおける第１部材と第２部材との差がより大きい。従って、実施例２においては、実施例１に比べて、本発明と従来技術との差がより明確に発現されるものと期待される。

〈第１部材と第２部材との締結部分の断面観察〉
実施例１と同様の締結過程によって形成された第１部材（超高張力鋼板）と第２部材（アルミニウム合金板）との締結部分をパンチ及びダイスの共通の軸ＡＸを含む平面に沿って切断し、断面の顕微鏡写真を撮影した。図１１は実施例装置によって形成された第１部材と第２部材との締結部分を表す模式的な断面図であり、図１２は比較例装置によって形成された第１部材と第２部材との締結部分を表す模式的な断面図である。

図１１に示すように、実施例装置による締結部位においては、超高張力鋼板を第１部材として採用した実施例１に比べて、凹部側面における第１部材の厚みＴ及びインターロック量Ｌがより小さい。しかしながら、実施例装置による締結部位においては、凹部側面における第１部材の破断を生ずること無くインターロック部が形成され（太い破線によって囲まれた領域を参照）、第１部材と第２部材とが良好に締結された。一方、比較例装置による締結部位においては、図１２に示すように、凹部側面における第１部材の破断が生じてしまった。このような破断が生ずると、第１部材と第２部材との締結力が低下する。

〈効果〉
以上のように、パンチの打ち込みに伴う塑性流動の生じ易さにおける第１部材と第２部材との差がより大きい場合においても、本発明に係る実施例装置によれば、凹部側面における第１部材の薄肉化及び破断を低減し且つインターロック量を増大させることができるので、第１部材と第２部材との締結力を更に増大させることができる。即ち、本発明によれば、凹部側面における板状部材の厚みの低下又は割れ若しくは切れ等の欠陥を低減しつつ、複雑な構成及び／又は制御を必要とすること無く、単純な構成により、リベット等の他部材を使用せず、板状部材の塑性変形のみによって板状部材同士の締結力を増大させることができる。

以上、本発明を説明することを目的として、特定の構成を有する幾つかの実施形態及び実施例につき、時に添付図面を参照しながら説明してきたが、本発明の範囲は、これらの例示的な実施形態及び実施例に限定されると解釈されるべきではなく、特許請求の範囲及び明細書に記載された事項の範囲内で、適宜修正を加えることが可能であることは言うまでも無い。

１０１…メカニカルクリンチ装置（本発明）、１１０…パンチ（本発明）、１１１…先端部（本発明）、１１２…先端面（本発明）、１１３…パンチホルダ（本発明）、１２０…ダイス（本発明）、１２０ａ…中央部（本発明）、１２０ｂ…周縁部（本発明）、１２１…キャビティ（本発明）、１２２…凸部（本発明）、１２３…頂面（本発明）、２０１…メカニカルクリンチ装置（従来技術）、２１０…パンチ（従来技術）、２１１…先端部（従来技術）、２１２…先端面（従来技術）、２１３…パンチホルダ（従来技術）、２２０…ダイス（従来技術）、２２０ａ…中央部（従来技術）、２２０ｂ…周縁部（従来技術）、２２１…キャビティ（従来技術）、２２２…凸部（従来技術）、２２３…頂面（従来技術）、３０１…第１部材、３０２…第２部材、ＡＸ…軸、ｒ１…曲率半径（先端面）、ｒ２…曲率半径（頂面）、θ１…円錐角（先端面）、及びθ２…円錐角（頂面）。

Claims (12)

1. 近接・離反自在に対向するパンチ及びダイスを備え、
   前記パンチの先端部には、前記ダイスに対向する面である先端面が形成されており、
   前記ダイスの先端部には、前記パンチ側に開口するキャビティが形成されており、
   前記キャビティの内部には、前記キャビティの底面から前記パンチに向かって隆起する凸部が形成されており、
   前記凸部の先端部には、前記先端面に対向する面である頂面が形成されており、
   複数の板状部材が重なり合う部分である積層部に前記パンチを打ち込んで前記先端面と前記頂面との間に前記積層部を挟むことにより複数の前記板状部材を締結するように構成された、板状部材のメカニカルクリンチ装置であって、
   前記頂面は凹面として形成されており、
   前記先端面と前記頂面との間の距離は、前記頂面の中心から径方向において外側へ向かうほど小さくなるように構成されている、
   板状部材のメカニカルクリンチ装置。
2. 請求項１に記載された板状部材のメカニカルクリンチ装置であって、
   前記頂面は、凹状の曲面として形成されている、
   板状部材のメカニカルクリンチ装置。
3. 請求項２に記載された板状部材のメカニカルクリンチ装置であって、
   前記頂面は、凹状の球面として形成されている、
   板状部材のメカニカルクリンチ装置。
4. 請求項１に記載された板状部材のメカニカルクリンチ装置であって、
   前記頂面は、凹状の円錐面として形成されている、
   板状部材のメカニカルクリンチ装置。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載された板状部材のメカニカルクリンチ装置であって、
   前記先端面は、凸面として形成されている、
   板状部材のメカニカルクリンチ装置。
6. 請求項５に記載された板状部材のメカニカルクリンチ装置であって、
   前記先端面は、凸状の曲面として形成されている、
   板状部材のメカニカルクリンチ装置。
7. 請求項６に記載された板状部材のメカニカルクリンチ装置であって、
   前記先端面は、凸状の球面として形成されている、
   板状部材のメカニカルクリンチ装置。
8. 請求項５に記載された板状部材のメカニカルクリンチ装置であって、
   前記先端面は、凸状の円錐面として形成されている、
   板状部材のメカニカルクリンチ装置。
9. 請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載された板状部材のメカニカルクリンチ装置であって、
   前記先端面は、平面として形成されている、
   板状部材のメカニカルクリンチ装置。
10. 請求項３に記載された板状部材のメカニカルクリンチ装置であって、
    前記先端面は、凸状の球面として形成されており、
    前記先端面の曲率半径ｒ１は前記頂面の曲率半径ｒ２よりも大きい、
    板状部材のメカニカルクリンチ装置。
11. 請求項４に記載された板状部材のメカニカルクリンチ装置であって、
    前記先端面は、凸状の円錐面として形成されており、
    前記先端面の円錐角θ１は前記頂面の円錐角θ２よりも大きい、
    板状部材のメカニカルクリンチ装置。
12. 請求項１乃至請求項１１の何れか１項に記載された板状部材のメカニカルクリンチ装置であって、
    前記凸部は、凹状の頂面を有する截頭錐体として形成されている、
    板状部材のメカニカルクリンチ装置。

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