JP2021115574A - セルフピアスリベット接合用金型 - Google Patents

Abstract

【課題】セルフピアスリベット接合（ＳＰＲ接合）において金型のキャビティに向かってＳＰＲが打ち込まれる際にＳＰＲが受ける反力及び打ち抜き荷重を低減することによりインターロック量を増大させる。【解決手段】ＳＰＲ接合において使用される金型のＳＰＲに対向する金型頂面に開口部を有するキャビティの内側面にＳＰＲの脚部の円筒状の形状の軸を通る直線である第１軸を中心とする環状の窪みであるダイスポケットを設ける。キャビティの内部には、その内底面から開口部側に向かって隆起する凸部が形成されていてもよい。金型頂面のキャビティよりも径方向における外側の領域に、第１軸に平行な方向においてキャビティの内底面とは反対側に向かって隆起する環状の突起である環状突起が形成されていてもよい。【選択図】図４

Description

本発明は、セルフピアスリベット接合用金型に関する。

当該技術分野においては、例えば、自動車の車体等における高張力鋼板とアルミニウム合金板との接合等、複数の異種材料からなる被接合部材の接合において、セルフピアスリベット（以降、「ＳＰＲ」と略称される場合がある）を用いる接合方法が広く採用されている。

当業者に周知であるように、ＳＰＲによる複数の被接合部材の接合においては、ＳＰＲに対向する面である金型頂面に開口部を有するキャビティが形成された金型とＳＰＲとの間に、互いに重ね合わされた複数の被接合部材が配置され、当該キャビティに向かってＳＰＲが打ち込まれる。その結果、複数の被接合部材のうち金型に最も近い被接合部材である金型側被接合部材がキャビティ内に向かって膨出するように変形し、金型側被接合部材よりもＳＰＲ側に位置する被接合部材であるＳＰＲ側被接合部材をＳＰＲの脚部が貫通する。その後、ＳＰＲの脚部は、金型側被接合部材に食い込むと共に、更に拡径するように変形する。これにより、複数の被接合部材が強固に接合される。

尚、以下の説明においては、上記のような接合方法は「セルフピアスリベット接合（ＳＰＲ接合）」と称呼される場合がある。また、ＳＰＲの脚部と金型側被接合部材とが互いに噛み合っている部分は「インターロック部」と称呼される場合がある。更に、当該インターロック部におけるＳＰＲの脚部と金型側被接合部材との噛み合い（インターロック）の深さは「インターロック量」と称呼される場合がある。

図４４は、ＳＰＲ接合によって接合されたＳＰＲ側被接合部材と金型側被接合部材との接合部分近傍の模式的な断面図である。但し、図４４においては、ＳＰＲ及び金型の共通の軸よりも図面に向かって右側の部分のみが描かれている。図４４に示すように、ＳＰＲ３００の脚部３２０がＳＰＲ側被接合部材４０１に貫通して、金型側被接合部材４０２と脚部３２０とが互いに噛み合っているインターロック部ＰＬが形成されている。この例におけるインターロック量（金型側被接合部材４０２と脚部３２０との噛み合いの深さ）はＬによって表されている。

一般に、上記インターロック量が大きいほど、ＳＰＲ接合によって接合されるＳＰＲ側被接合部材と金型側被接合部材との接合強度が大きくなる。しかしながら、従来技術に係るＳＰＲ接合用金型（以降、「従来金型」と称呼される場合がある）を使用するＳＰＲ接合においては、金型のキャビティに向かってＳＰＲが打ち込まれる際に、ＳＰＲが受ける反力及び打ち抜き荷重が大きい。その結果、例えばＳＰＲの脚部が増肉（厚肉化）したり座屈したりして、十分なインターロックの形成（十分なインターロック量の達成）が困難となり、例えば被接合部材の接合強度の低下等の問題に繋がる虞がある。

特許第６４２８８３４号公報 特開２０１８−１７６２３５号公報

上述したように、当該技術分野においては、セルフピアスリベット接合（ＳＰＲ接合）において金型のキャビティに向かってセルフピアスリベット（ＳＰＲ）が打ち込まれる際にＳＰＲが受ける反力及び打ち抜き荷重を低減することによりインターロック量を増大させることができる技術が求められている。

上記課題に鑑み、本発明者は、鋭意研究の結果、ＳＰＲ接合において使用される金型のＳＰＲに対向する面に開口部を有するキャビティの内側面にＳＰＲの脚部の円筒状の形状の軸を通る直線である第１軸を中心とする環状の窪みであるダイスポケットを設けることにより、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ＳＰＲ接合用金型（以降、「本発明金型」と称呼される場合がある）は、ＳＰＲ接合において使用される金型である。ＳＰＲ接合においては、円筒状の脚部を有するＳＰＲと当該脚部に対向する面である金型頂面に開口部を有するキャビティが形成された金型との間に複数の被接合部材が互いに重ね合わされた部分である積層部を配置する。そして、脚部の円筒状の形状の軸を通る直線である第１軸に平行な方向においてキャビティに向かってＳＰＲを積層部に打ち込むことにより、複数の被接合部材を接合する。

更に、接合開始状態において第１軸に直交する平面によるキャビティの断面がキャビティの内底面から開口部へと向かうほど広くなるようにキャビティが形成されている。接合開始状態とは、ＳＰＲ接合の開始時点においてＳＰＲと本発明金型とが所定の位置関係に配置された状態である。加えて、接合開始状態において第１軸を中心とする環状の窪みであるダイスポケットがキャビティの内側面に形成されている。

好ましくは、接合開始状態における第１軸に直交する平面への垂直投影図においてダイスポケットの最も深い部分であるポケット最深部がＳＰＲの脚部の外周面よりも外側に位置するようにダイスポケットが形成されている。より好ましくは、第１軸に直交する平面によるダイスポケットの断面がキャビティの内底面側から開口部側へと向かうほど広くなるようにダイスポケットが形成されている。

上記キャビティの内部には、内底面から開口部側に向かって隆起する凸部が形成されていてもよい。この場合、好ましくは、接合開始状態における第１軸に直交する平面への垂直投影図において凸部の頂面である凸部頂面の外縁がＳＰＲの脚部の内周と外周との間に位置するように凸部が形成されている。より好ましくは、凸部頂面が凹面として形成されており、第１軸を含む平面による断面図において凸部頂面の外縁である突出部がキャビティの開口部側に向かって凸状の曲線を描くように凸部が形成されている。

第１軸に平行な方向においてキャビティの内底面とは反対側に向かって隆起する環状の突起である環状突起が金型頂面のキャビティよりも径方向における外側の領域に形成されていてもよい。この場合、好ましくは、金型頂面のキャビティに隣接する位置に環状突起が形成されている。

本発明金型においては、上記のように、第１軸を中心とする環状の窪みであるダイスポケットがキャビティの内側面に形成されている。従って、ＳＰＲの打ち込みに伴って径方向における外側へと塑性流動する金型側被接合部材の材料の少なくとも一部をダイスポケットによって受け入れることができる。その結果、本発明金型によれば、ＳＰＲ接合において金型のキャビティに向かってＳＰＲが打ち込まれる際にＳＰＲが受ける反力及び打ち抜き荷重を低減し、インターロック量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。

典型的なセルフピアスリベット（ＳＰＲ）の構成の一例を示す模式図である。 本発明の第１実施形態に係るセルフピアスリベット接合（ＳＰＲ接合）用金型（第１金型）の構成の一例を示す模式図である。 ダイスポケットを備えない従来金型を使用するＳＰＲ接合の接合開始状態におけるＳＰＲと金型との位置関係及びＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況の一例を示す模式的な断面図である。 ダイスポケットを備える第１金型を使用するＳＰＲ接合の接合開始状態におけるＳＰＲと金型との位置関係及びＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況の一例を示す模式的な断面図である。 変形例１−１に係る第１金型を使用するＳＰＲ接合の接合開始状態におけるＳＰＲと金型との位置関係の一例を示す模式的な断面図及び垂直投影図である。 本発明の第２実施形態に係るＳＰＲ接合用金型（第２金型）を使用するＳＰＲ接合の接合開始状態におけるＳＰＲと金型との位置関係及びＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況の１つの例を示す模式的な断面図である。 第２金型を使用するＳＰＲ接合の接合開始状態におけるＳＰＲと金型との位置関係及びＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況のもう１つの例を示す模式的な断面図である。 接合開始状態において、複数（２つ）の被接合部材が互いに重ね合わされた部分である積層部が変形例２−１に係る第２金型とＳＰＲとの間に配置された状況の一例を示す模式的な断面図である。 変形例２−２に係る第２金型を使用するＳＰＲ接合の接合開始状態におけるＳＰＲと金型との位置関係の一例を示す模式的な断面図及び垂直投影図である。

本発明の第３実施形態に係るＳＰＲ接合用金型（第３金型）の構成の１つの例を示す模式図である。 第３金型の構成のもう１つの例を示す模式図である。 図１０及び図１１に例示した第３金型を使用するＳＰＲ接合の接合開始状態において互いに対向している第３金型とＳＰＲとの位置関係の一例を示す模式的な断面図である。 接合開始状態において複数（２つ）の被接合部材が互いに重ね合わされた部分である積層部がダイスポケットを備えない従来金型とＳＰＲとの間に配置された状況の一例を示す模式的な断面図である。 図１３に例示した従来金型を使用するＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況を示す模式的な断面図である。 接合開始状態において複数（２つ）の被接合部材が互いに重ね合わされた部分である積層部が第３金型とＳＰＲとの間に配置された状況の一例を示す模式的な断面図である。 図１５に例示した第３金型を使用するＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況を示す模式的な断面図である。 接合開始状態において複数（２つ）の被接合部材が互いに重ね合わされた部分である積層部が変形例３−１に係る第３金型とＳＰＲとの間に配置された状況を示す模式的な断面図である。 変形例３−２に係る第３金型を使用するＳＰＲ接合の接合開始状態におけるＳＰＲと金型との位置関係の一例を示す模式的な断面図及び垂直投影図である。 接合開始状態において複数（２つ）の被接合部材が互いに重ね合わされた部分である積層部が変形例３−３に係る第３金型とＳＰＲとの間に配置された状況を示す模式的な断面図である。 接合開始状態において所定の位置関係に配置された第３金型とＳＰＲとの間に複数（２つ）の被接合部材が互いに重ね合わされた部分である積層部が配置された状況を示す模式的な断面図である。 第３金型を使用するＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況を示す模式的な断面図である。

接合開始状態において所定の位置関係に配置された本発明の第４実施形態に係るＳＰＲ接合用金型（第４金型）とＳＰＲとの間に複数（２つ）の被接合部材が互いに重ね合わされた部分である積層部が配置された状況の１つの例を示す模式的な断面図である。 第４金型を使用するＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況の１つの例を示す模式的な断面図である。 ＳＰＲ接合の開始時点において所定の位置関係に配置された第４金型とＳＰＲとの間に複数（２つ）の被接合部材が互いに重ね合わされた部分である積層部が配置された状況のもう１つの例を示す模式的な断面図である。 第４金型を使用するＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況のもう１つの例を示す模式的な断面図である。 図２０に示した第３金型を用いるＳＰＲ接合において金型側被接合部材を構成する材料がＳＰＲの打ち込みに伴って流動する様子を示す模式的な断面図である。 図２４に示した第４金型を用いるＳＰＲ接合において金型側被接合部材を構成する材料がＳＰＲの打ち込みに伴って流動する様子を示す模式的な断面図である。

接合開始状態において複数（２つ）の被接合部材が互いに重ね合わされた部分である積層部がＳＰＲと実施例金型との間に配置された状況を示す模式的な断面図である。 実施例金型を使用するＳＰＲ接合が達成される過程（ＳＰＲ接合過程）の１つの途中段階における各部材の状況を示す模式的な断面図である。 実施例金型を使用するＳＰＲ接合過程のもう１つの途中段階における各部材の状況を示す模式的な断面図である。 実施例金型を使用するＳＰＲ接合過程のもう１つの途中段階における各部材の状況を示す模式的な断面図である。 実施例金型を使用するＳＰＲ接合過程のもう１つの途中段階における各部材の状況を示す模式的な断面図である。 実施例金型を使用するＳＰＲ接合過程のもう１つの途中段階における各部材の状況を示す模式的な断面図である。 実施例金型を使用するＳＰＲ接合過程が完了した時点における各部材の状況のもう１つの例を示す模式的な断面図である。 接合開始状態において複数（２つ）の被接合部材が互いに重ね合わされた部分である積層部がＳＰＲと比較例金型との間に配置された状況を示す模式的な断面図である。

比較例金型を使用するＳＰＲ接合が達成される過程（ＳＰＲ接合過程）の１つの途中段階における各部材の状況を示す模式的な断面図である。 比較例金型を使用するＳＰＲ接合過程のもう１つの途中段階における各部材の状況を示す模式的な断面図である。 比較例金型を使用するＳＰＲ接合過程のもう１つの途中段階における各部材の状況を示す模式的な断面図である。 比較例金型を使用するＳＰＲ接合過程のもう１つの途中段階における各部材の状況を示す模式的な断面図である。 比較例金型を使用するＳＰＲ接合過程が完了した時点における各部材の状況のもう１つの例を示す模式的な断面図である。 実施例金型を用いるＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況を示す断面写真である。 比較例金型を用いるＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況を示す断面写真である。 実施例において計測される各部位を示すための模式的な断面図である。 ＳＰＲ接合によって接合されたＳＰＲ側被接合部材と金型側被接合部材との接合部分近傍の模式的な断面図である。

《第１実施形態》
以下、本発明の第１実施形態に係るセルフピアスリベット接合用金型（以降、「第１金型」と称呼される場合がある）について説明する。

〈構成〉
第１金型は、セルフピアスリベット接合（ＳＰＲ接合）において使用される金型である。ＳＰＲ接合においては、円筒状の脚部を有するセルフピアスリベット（ＳＰＲ）と当該脚部に対向する面である金型頂面に開口部を有するキャビティが形成された金型との間に複数の被接合部材が互いに重ね合わされた部分である積層部を配置する。そして、脚部の円筒状の形状の軸を通る直線である第１軸に平行な方向においてキャビティに向かってＳＰＲを積層部に打ち込むことにより、複数の被接合部材を接合する。

積層部を構成する被接合部材の数は、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、個々の被接合部材の形状及び材料等についても特に限定されないが、典型的には個々の被接合部材は板状部材又は板状の部分を有する部材であり、より典型的には金属板である。

ＳＰＲの形状及び材料等については、例えば、ＳＰＲ接合に用いられるプレス機等の装置（以降、「ＳＰＲ接合装置」と総称される場合がある）の設計及び仕様並びに被接合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。図１は、典型的なＳＰＲの構成の一例を示す模式的な（ａ）等角投影図、（ｂ）平面図（上面図）、（ｃ）正面図、（ｄ）底面図、及び（ｅ）上記（ｃ）に示す線Ａ−Ａを含む平面による断面図である。図１に示すＳＰＲ３０１は略円筒状の脚部３２０及び脚部３２０の一端に同軸状に形成された略円盤状の頭部３１０からなる。頂部３１０の直径は軸部３２０の直径よりも大きい。また、脚部３２０の他端（頭部３１０の反対側の端部）近傍における内径は、当該端部に近くなるほど大きくなるように構成されている。換言すれば、脚部３２０の他端には、内側から外側に向かって拡がるテーパーが形成されている。

一方、第１金型の形状については、上述した要件及び後述する要件を満足する限り、特に限定されない。第１金型の形状の詳細については後述する。第１金型を構成する材料については、例えば、ＳＰＲ接合装置の設計及び仕様並びに被接合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。

第１金型においては、接合開始状態において第１軸に直交する平面によるキャビティの断面がキャビティの内底面から開口部へと向かうほど広くなるようにキャビティが形成されている。換言すれば、第１金型に形成されたキャビティは、その内底面よりも開口部の方がより広い。接合開始状態とは、ＳＰＲ接合の開始時点においてＳＰＲと第１金型とが所定の位置関係に配置された状態である。

更に、第１金型においては、接合開始状態において第１軸を中心とする環状の窪みであるダイスポケットがキャビティの内側面に形成されている。換言すれば、第１金型に形成されたキャビティの内側面には、第１軸と同軸状に形成された環状の溝として、ダイスポケットが形成されている。ダイスポケットの形状（例えば、幅及び深さ等）及び位置等は、例えば、ＳＰＲ接合におけるＳＰＲの脚部のＳＰＲ側被接合部材への貫通及び金型側被接合部材への進入を実質的に妨げず且つＳＰＲが受ける反力及び打ち抜き荷重を低減することが可能である限り、特に限定されない。このようなダイスポケットの形状及び位置は、例えば有限要素法等の流動解析及び予備実験等により適宜定めることができる。前述したように、複数の被接合部材のうち、金型側被接合部材は金型に最も近い被接合部材であり、ＳＰＲ側被接合部材は金型側被接合部材よりもＳＰＲ側に位置する被接合部材である。

尚、ダイスポケットの形状が所謂「アンダーカット」に該当する場合は、例えばスライドコア等のアンダーカット対策が必要となり、第１金型の構造の複雑化及び／又は製造コストの増大を招く虞がある。従って、第１金型が備えるダイスポケットは、アンダーカットに該当しないように形成されることが望ましい。換言すれば、第１金型においては、第１軸に直交する平面によるダイスポケットの断面がキャビティの内底面側から開口部側へと向かうほど広くなるようにダイスポケットが形成されていることが望ましい。

図２は、第１金型の構成の一例を示す模式的な（ａ）等角投影図、（ｂ）平面図（上面図）、（ｃ）正面図、（ｄ）側面図、（ｅ）上記（ｄ）に示す線Ｂ−Ｂを含む平面による断面図、及び（ｆ）キャビティの開口部近傍の拡大断面図である。図２に例示する第１金型１０１は、略円柱状の形状を有する軸部１２０及び軸部１２０の一端に同軸状に形成され且つ軸部１２０よりも大きい直径を有する略円柱状の頭部１１０からなる。軸部１２０は図示しないＳＰＲ接合装置の所定の位置に第１金型１０１を確実に固定するための部分である。但し、第１金型は必ずしもこのような頭部及び軸部によって構成されている必要は無く、上述した各種要件を満足し且つＳＰＲ接合装置の所定の位置に確実に固定することが可能である限り、第１金型の形状及び構造は特に限定されない。

図２に例示するように、第１金型１０１においては、第１軸に直交する平面によるキャビティ１３０の断面がキャビティ１３０の内底面１３２から開口部へと向かうほど大きくなるようにキャビティ１３０が形成されている。更に、図２の（ｆ）に例示するように、第１金型１０１においては、第１軸を中心とする環状の窪みであるダイスポケット１３４がキャビティ１３０の内側面１３３に形成されている。尚、図２の（ａ）乃至（ｅ）においては、ダイスポケット１３４は省略されている。

〈ＳＰＲ接合過程〉
ここで、ダイスポケットを備えない従来技術に係るＳＰＲ接合用金型（従来金型）を使用するＳＰＲ接合過程と対比しながら、第１金型を使用するＳＰＲ接合過程について以下に詳しく説明する。

図３の（ａ）はダイスポケットを備えない従来金型を使用するＳＰＲ接合の接合開始状態において互いに対向しているＳＰＲと金型との位置関係の一例を示す模式的な断面図であり、図３の（ｂ）は当該ＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況を示す模式的な断面図である。図３の（ｂ）においては、第１軸ＡＸ１よりも図面に向かって右側の部分のみが描かれている。

前述したように、従来金型２０１を使用するＳＰＲ接合においては、従来金型２０１のキャビティ２３０に向かってＳＰＲ３０１が打ち込まれる際に、ＳＰＲ３０１が受ける反力及び打ち抜き荷重が大きい。その結果、例えばＳＰＲ３０１の脚部が増肉（厚肉化）したり座屈したりして、十分なインターロックの形成（十分なインターロック量の達成）が困難となり、例えばＳＰＲ側被接合部材４０１と金型側被接合部材４０２との接合強度の低下等の問題に繋がる虞がある。

一方、図４の（ａ）は上述したようなダイスポケットを備える第１金型を使用するＳＰＲ接合の接合開始状態において互いに対向しているＳＰＲと金型との位置関係の一例を示す模式的な断面図であり、図４の（ｂ）は当該ＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況を示す模式的な断面図である。図４の（ｂ）においても、第１軸ＡＸ１よりも図面に向かって右側の部分のみが描かれている。図４に例示するＳＰＲ接合においては、図２に例示した第１金型１０１が使用されている。

上述したように、第１金型１０１においては、接合開始状態において第１軸ＡＸ１に直交する平面によるキャビティ１３０の断面がキャビティ１３０の内底面１３２から開口部１３１へと向かうほど広くなるようにキャビティ１３０が形成されている。更に、第１軸ＡＸ１を中心とする環状の窪みであるダイスポケット１３４が内側面１３３に形成されている。これにより、ＳＰＲ３０１の打ち込みに伴って径方向における外側へと塑性流動する金型側被接合部材４０２の材料の少なくとも一部をダイスポケット１３４によって受け入れることができる。

従って、第１金型１０１によれば、ＳＰＲ接合においてキャビティ１３０に向かってＳＰＲ３０１が打ち込まれる際にＳＰＲ３０１が受ける反力及び打ち抜き荷重を低減することができる。その結果、例えばＳＰＲ３０１の脚部の増肉（厚肉化）及び座屈等の問題を低減して十分なインターロック量を達成し、ＳＰＲ側被接合部材４０１と金型側被接合部材４０２との接合強度を増大させることができる。

〈効果〉
上記のように、第１金型においては、第１軸を中心とする環状の窪みであるダイスポケットがキャビティの内側面に形成されているので、ＳＰＲの打ち込みに伴って径方向における外側へと塑性流動する金型側被接合部材の材料の少なくとも一部をダイスポケットによって受け入れることができる。従って、第１金型によれば、ＳＰＲ接合において金型のキャビティに向かってＳＰＲが打ち込まれる際にＳＰＲが受ける反力及び打ち抜き荷重を低減し、インターロック量を増大させることができる。その結果、ＳＰＲ側被接合部材と金型側被接合部材との接合強度を増大させることができる。

尚、第１金型によって達成される上記のような効果は、金型側被接合部材を構成する材料がＳＰＲ側被接合部材を構成する材料よりも軟らかい（流動し易い）場合において、より有効である。換言すれば、上記のような効果は、金型側被接合部材を構成する材料がＳＰＲ側被接合部材を構成する材料よりも塑性流動を生じ易い場合において、より有効である。このような場合の具体例としては、例えば、ＳＰＲ側被接合部材が高張力鋼板であり且つ金型側被接合部材がアルミニウム合金板である場合等を挙げることができる。特に、金型側被接合部材を構成する材料がＳＰＲ側被接合部材を構成する材料よりも塑性流動を生じ易く且つ積層部において金型側被接合部材の厚さがＳＰＲ側被接合部材の厚さよりも大きい場合に上記のような効果が更により有効に発揮される。

〈変形例１−１〉
前述したように、ダイスポケットの形状及び位置等は、例えばＳＰＲ接合におけるＳＰＲの脚部のＳＰＲ側被接合部材への貫通及び金型側被接合部材への進入を実質的に妨げず且つＳＰＲが受ける反力及び打ち抜き荷重を低減することが可能である限り特に限定されない。しかしながら、ＳＰＲ接合におけるＳＰＲの脚部のＳＰＲ側被接合部材への貫通及び金型側被接合部材への進入をより確実なものとする観点からは、ＳＰＲの打ち込みに伴って塑性流動する金型側被接合部材の材料の少なくとも一部（好ましくは大部分）がＳＰＲの脚部よりも径方向における外側において受け入れられるようにダイスポケットが形成されていることが望ましい。

そこで、変形例１−１に係る第１金型においては、接合開始状態における第１軸に直交する平面への垂直投影図において、ダイスポケットの最も深い部分であるポケット最深部がＳＰＲの脚部の外周面よりも外側に位置するようにダイスポケットが形成されている。

図５の（ａ）は上述したような構成を有する変形例１−１に係る第１金型を使用するＳＰＲ接合の接合開始状態におけるＳＰＲと金型との位置関係の一例を示す模式的な断面図であり、図５の（ｂ）は（ａ）に示したＳＰＲの脚部の外周面及びポケット最深部の第１軸に直交する平面への垂直投影図である。図５に示すように、変形例１−１に係る第１金型１０１ａにおいては、ダイスポケット１３４の最も深い部分であるポケット最深部ＰＰがＳＰＲ３０１の脚部の外周面Ｃｏｕｔよりも外側に位置するようにダイスポケット１３４が形成されている。

従って、変形例１−１に係る第１金型１０１ａにおいては、ＳＰＲの脚部のＳＰＲ側被接合部材への貫通後にも、金型側被接合部材を構成する材料をダイスポケットが受け入れることができる。その結果、第１金型１０１ａによれば、ＳＰＲ接合におけるＳＰＲの脚部のＳＰＲ側被接合部材への貫通及び金型側被接合部材への進入をより確実なものとすることができる。

《第２実施形態》
以下、本発明の第２実施形態に係るセルフピアスリベット接合用金型（以降、「第２金型」と称呼される場合がある）について説明する。

本明細書の冒頭において説明したように、ＳＰＲ接合において、ＳＰＲの脚部はＳＰＲ側被接合部材を貫通した後に金型側被接合部材に食い込む。この過程において、ＳＰＲの脚部は、径方向における外側へと広がるように変形する（拡径する）。これにより、ＳＰＲ側被接合部材と金型側被接合部材とが強固に接合される。上記のようなＳＰＲの脚部の拡径を促す観点からは、金型側被接合部材のＳＰＲの脚部に対応する部分及び脚部よりも内側の部分を構成する材料の径方向における外側へと向かう伸び変形（塑性流動）を促進することが望ましい。

〈構成〉
そこで、第２金型は、上述した第１金型であって、キャビティの内底面から開口部側に向かって隆起する凸部がキャビティの内部に形成されている、セルフピアスリベット接合用金型である。

凸部の形状、大きさ及び位置等は、本発明によって達成されるべき上述したような効果を実質的に妨げず且つＳＰＲの脚部の拡径を促すことが可能である限り、特に限定されない。このような凸部の形状、大きさ及び位置は、例えば有限要素法等の流動解析及び予備実験等により適宜定めることができる。典型的には、例えば、接合開始状態において第１軸を軸とする円錐台等の截頭錐体として凸部が形成される。

図６の（ａ）は上述したような凸部を備える第２金型を使用するＳＰＲ接合の接合開始状態において互いに対向しているＳＰＲと金型との位置関係の一例を示す模式的な断面図であり、図６の（ｂ）は当該ＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況を示す模式的な断面図である。図６の（ｂ）においても、第１軸ＡＸ１よりも図面に向かって右側の部分のみが描かれている。図６に例示する第２金型１０２は、キャビティ１３０の内底面１３２から開口部１３３側に向かって隆起する凸部１４０がキャビティ１３０の内部に形成されている点を除き、図２に例示した第１金型１０１と同様の構成を有する。

上記のような構成を有する第２金型１０２を使用するＳＰＲ接合においては、図６の（ｂ）において太い矢印によって示すように、第２金型１０２のキャビティ１３０に向かってＳＰＲ３０１が打ち込まれてキャビティ１３０の内底面１３２に向かう力が作用する際に金型側被接合部材４０２を構成する材料が凸部１４０に沿って径方向における外側に向かう塑性流動を生じ易い。その結果、ＳＰＲ３０１の脚部の拡径が促され、インターロック量が増大し、ＳＰＲ側被接合部材４０１と金型側被接合部材４０２とが強固に接合される。

〈効果〉
上記のように、第２金型においては、キャビティの内底面から開口部側に向かって隆起する凸部がキャビティの内部に形成されているので、ＳＰＲの打ち込みに伴う金型側被接合部材を構成する材料の径方向における外側への塑性流動を促進することができる。その結果、第２金型によれば、ＳＰＲの脚部の拡径を促すことにより、インターロック量を増大させて、ＳＰＲ側被接合部材と金型側被接合部材との接合強度を増大させることができる。

尚、ＳＰＲの打ち込みに伴う金型側被接合部材を構成する材料の径方向における外側への塑性流動が過度に促進されると、ＳＰＲ接合過程の早い段階において金型側被接合部材を構成する材料によってダイスポケットが充満されてしまう虞がある。そうすると、金型側被接合部材を構成する材料をダイスポケットによって更に受け入れることができなくなるので、ＳＰＲが受ける反力及び打ち抜き荷重を低減し且つインターロック量を増大させるという本発明の効果を十分に達成することが困難となる虞がある。

上記のような問題を回避するためには、上述したように例えば有限要素法等の流動解析及び予備実験等により、好適な凸部の形状、大きさ及び位置を定めることが重要である。更に、遅くともダイスポケットが上記材料によって充満されてしまう前に当該材料を受け入れてダイスポケットの充満を遅らせることが可能な構造をキャビティに設けてもよい。

例えば、キャビティの内底面の凸部よりも径方向における外側の領域には、キャビティの内側面及び内底面と凸部の外側面とによって画定される環状の溝（以降、「外周溝」と称呼される場合がある）が形成されている。この外周溝の形状、大きさ及び位置を適宜設計することにより、遅くともダイスポケットが上記材料によって充満されてしまう前に当該材料を受け入れてダイスポケットの充満を遅らせることができる。

図７の（ａ）は上記のように構成された外周溝を備える第２金型を使用するＳＰＲ接合の接合開始状態において互いに対向しているＳＰＲと金型との位置関係の一例を示す模式的な断面図である。図７の（ｂ）は当該ＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況を示す模式的な断面図であり、第１軸ＡＸ１よりも図面に向かって右側の部分のみが描かれている。図７に示す第２金型１０２’は、キャビティ１３０の内底面１３２における凸部１４０よりも径方向における外側の領域に形成された外周溝を備える点を除き、図６に例示した第２金型１０２と同様の構成を有する（破線によって囲まれた領域Ｇを参照）。

上記のような構成を有する第２金型１０２’を使用するＳＰＲ接合においては、図７の（ｂ）において太い矢印によって示すように、ＳＰＲ３０１の打ち込みに伴って径方向における外側へと塑性流動する金型側被接合部材４０２の材料の少なくとも一部を外周溝Ｇによって受け入れることができる。外周溝Ｇはダイスポケット１３４よりも径方向における内側に形成されているので、遅くともダイスポケット１３４が充満されてしまう前に外周溝Ｇによる上記材料の受け入れを開始して、ダイスポケットの充満を遅らせることができる。その結果、第２金型１０２’によれば、ＳＰＲが受ける反力及び打ち抜き荷重を低減し且つインターロック量を増大させるという本発明の効果をより確実に達成することができる。

〈変形例２−１〉
尚、第２金型のキャビティ内における凸部の内底面からの高さは、例えば、ＳＰＲの脚部の構成材料及び形状並びにＳＰＲ側被接合部材及び金型側被接合部材の構成材料及び厚さ等に応じて適宜設定されるべきものである。しかしながら、ＳＰＲの脚部によるＳＰＲ側被接合部材の打ち抜きの完了までの過程において当該脚部が受ける反力を低減する観点からは、第２金型の金型頂面からの凸部の深さ（第１軸に平行な方向における距離）はＳＰＲ側被接合部材の厚さと同程度であるか又はＳＰＲ側被接合部材の厚さよりも若干大きいことが望ましい。金型頂面とは、前述したように、本発明金型においてキャビティの開口部が形成された表面を指す。

そこで、変形例２−１に係る第２金型は、凸部と金型頂面との間の第１軸に平行な方向における距離の最小値である凸部深度が金型側被接合部材の厚さを積層部の総厚から減算することによって得られる値以上であるように凸部が形成されている、セルフピアスリベット接合用金型である。

図８は、接合開始状態において複数（２つ）の被接合部材が互いに重ね合わされた部分である積層部が変形例２−１に係る第２金型とＳＰＲとの間に配置された状況の一例を示す模式的な断面図である。図８においては、第１軸ＡＸ１よりも図面に向かって右側の部分のみが描かれている。また、図８においては、紙面の都合上、主要な構成部材を示す符号のみを記載し、各部材の部分を示す符号については省略した。

図８に示す例においては、ＳＰＲ側被接合部材４０１としての１枚の高張力鋼板と金型側被接合部材４０２としての１枚のアルミニウム合金板とが互いに重ね合わされた部分である積層部が変形例２−１に係る第２金型１０２ａとＳＰＲ３０１との間に配置されている。この積層部は、図示しないＳＰＲ接合装置が備えるパッド５００の金型側の表面であるパッド先端面５０１と第２金型１０２ａの金型頂面のキャビティ１３０よりも径方向において外側の部分である外周頂面１９１とによって挟まれることにより、所定の位置に固定されている。

図８に例示する第２金型１０２ａにおいては、凸部１４０と金型頂面（外周頂面１９１）との間の第１軸ＡＸ１に平行な方向における距離の最小値である凸部深度Ｄｐが金型側被接合部材４０２の厚さＴ２を積層部の総厚Ｔａから減算することによって得られる値に等しいように凸部１４０が形成されている（Ｄｐ＝Ｔａ−Ｔ２）。即ち、凸部深度ＤｐがＳＰＲ側被接合部材４０１の厚さＴ１に等しいように凸部１４０が形成されている（Ｄｐ＝Ｔ１）。その結果、第２金型１０２ａによれば、ＳＰＲ３０１の脚部によるＳＰＲ側被接合部材４０１の打ち抜きの完了までの過程において当該脚部が受ける反力をより確実に低減することができる。尚、第２金型１０２ａにおいては、金型側被接合部材４０２の厚さＴ２を積層部の総厚Ｔａから減算することによって得られる値に凸部深度Ｄｐが等しいように凸部１４０が形成されている（Ｄｐ＝Ｔａ−Ｔ２＝Ｔ１）。しかしながら、前述したように、凸部深度Ｄｐは上記値よりも若干大きくてもよい。

〈変形例２−２〉
上述したように、凸部の形状及び位置等は、本発明によって達成されるべき上述したような効果を実質的に妨げず且つＳＰＲの脚部の拡径を促すことが可能である限り、特に限定されない。しかしながら、ＳＰＲの脚部の拡径をより確実に促進する観点からは、ＳＰＲ接合過程においてキャビティの内底面からＳＰＲが受ける反力がＳＰＲの脚部の拡径を促す方向に作用することが望ましい。

そこで、変形例２−２に係る第２金型は、接合開始状態における第１軸に直交する平面への垂直投影図において凸部の頂面である凸部頂面の外縁がＳＰＲの脚部の内周と外周との間に位置するように凸部が形成されている、セルフピアスリベット接合用金型である。

図９は、変形例２−２に係る第２金型を使用するＳＰＲ接合の接合開始状態におけるＳＰＲと金型との位置関係を示す模式的な（ａ）断面図及び（ｂ）垂直投影図である。図８に示すように、変形例２−２に係る第２金型１０２ｂにおいては、ＳＰＲ３０１の脚部３２０の内周Ｃｉｎと外周Ｃｏｕｔとの間に凸部頂面１４１の外縁Ｅｏｕｔが位置するように凸部１４０が形成されている。具体的には、第１軸ＡＸ１に直交する平面への垂直投影図である（ｂ）において、脚部３２０の内周Ｃｉｎと外周Ｃｏｕｔとの間に凸部頂面１４１の外縁Ｅｏｕｔが位置するように凸部１４０が形成されている。

上記のような構成により、第２金型１０２ｂにおいては、ＳＰＲ接合過程においてキャビティ１３０の内底面１３２からＳＰＲ３０１が受ける反力が脚部３２０の拡径を促す方向に作用し易い。その結果、第２金型１０２ｂによれば、ＳＰＲ接合過程における脚部３２０の拡径をより確実に促進することができる。

《第３実施形態》
以下、本発明の第３実施形態に係るセルフピアスリベット接合用金型（以降、「第３金型」と称呼される場合がある）について説明する。

第２金型に関する説明において述べたように、ＳＰＲの打ち込みに伴う金型側被接合部材を構成する材料の径方向における外側への塑性流動が過度に促進されると、ＳＰＲ接合過程の早い段階において金型側被接合部材を構成する材料によってダイスポケットが充満されてしまう虞がある。そうすると、金型側被接合部材を構成する材料をダイスポケットによって更に受け入れることができなくなるので、ＳＰＲが受ける反力及び打ち抜き荷重を低減し且つインターロック量を増大させるという本発明の効果を十分に達成することが困難となる虞がある。

また、特にＳＰＲ側被接合部材を構成する材料に比べて軟らかい（流動し易い）材料によって金型側被接合部材が構成されている場合においては、キャビティに向かってＳＰＲが打ち込まれて金型の内底面に向かう力が作用する際に金型側被接合部材を構成する材料がキャビティの内底面の形状に沿って径方向における外側に向かって優先的に流動し易い。その結果、金型側被接合部材の厚さが過度に薄くなり、例えば接合強度の低下及び金型側被接合部材のひび割れ等の問題に繋がる虞がある。

〈構成〉
そこで、第３金型は、上述した第２金型において、キャビティの内部に形成された凸部の頂面である凸部頂面が凹面として形成されており、第１軸を含む平面による断面図において凸部頂面の外縁である突出部がキャビティの開口部側に向かって凸状の曲線を描くように凸部が形成されている、セルフピアスリベット接合用金型である。

凸部頂面の形状は、凹面として形成されている限り特に限定されず、例えば、ＳＰＲ側被接合部材及び金型側被接合部材の構成材料及び厚さ等に応じて適宜設定することができる。また、ＳＰＲ接合において複数の被接合部材にＳＰＲを打ち込むときの加工荷重（上述した打ち抜き荷重を含む）に耐え得る凸部を形成する観点からは、凹状の頂面を有する截頭錐体として凸部が形成されていることが望ましい。更に、ＳＰＲの脚部の円筒状の形状の軸を通る直線である第１軸を含む平面による断面図において、凸部頂面の外縁である突出部がキャビティの開口部側に向かって凸状の曲線を描くように構成されている。即ち、突出部は、ＳＰＲが打ち込まれる方向に垂直な平面ではなく、開口部側に凸状の曲面によって構成されている。尚、ＳＰＲ接合において複数の被接合部材にＳＰＲを打ち込むときの加工荷重（上述した打ち抜き荷重を含む）に耐え得る凸部を形成する観点からは、凹状の頂面を有する截頭錐体として凸部が形成されていることが望ましい。

具体的には、凸部頂面は、例えば凹状の曲面として形成されていてもよく、この場合、凸部頂面は凹状の球面として形成されていてもよい。この場合における凸部頂面の具体的な形状（例えば、曲率半径及び深さ等）は、例えばＳＰＲ側被接合部材及び金型側被接合部材の構成材料及び厚さ等に応じて適宜設定することができる。或いは、凸部頂面は、凹状の円錐面として形成されていてもよい。この場合における凸部頂面の具体的な形状（例えば、円錐角の大きさ等）もまた、例えばＳＰＲ側被接合部材及び金型側被接合部材の構成材料及び厚さ等に応じて適宜設定することができる。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。

図１０は、第３金型の構成の１つの例を示す模式的な（ａ）等角投影図、（ｂ）平面図（上面図）、（ｃ）正面図、（ｄ）側面図、（ｅ）上記（ｄ）に示す線Ｂ−Ｂを含む平面による断面図、及び（ｆ）キャビティの開口部近傍の拡大断面図である。図１０に例示する第３金型１０３は、キャビティ１３０の内底面１３２から開口部側に向かって隆起する凸部がキャビティ１３０の内部に形成されており、凸部の頂面である凸部頂面１４１が凹状の曲面として形成されており、且つ第１軸ＡＸ１を含む平面による断面図において凸部頂面１４１の外縁Ｅｏｕｔである突出部（以降、「突出部Ｅｏｕｔ」と称呼される場合がある）がキャビティの開口部側に向かって凸状の曲線を描くように凸部が形成されている点を除き、図２に例示した第１金型１０１と同様の構成を有する。

図１１は、第３金型の構成のもう１つの例を示す模式的な（ａ）等角投影図、（ｂ）平面図（上面図）、（ｃ）正面図、（ｄ）側面図、（ｅ）上記（ｄ）に示す線Ｂ−Ｂを含む平面による断面図、及び（ｆ）キャビティの開口部近傍の拡大断面図である。図１０に例示する第３金型１０３’は、キャビティ１３０の内部に形成された凸部の頂面である凸部頂面１４１が凹状の円錐面として形成されている点を除き、図１０に例示した第３金型１０３と同様の構成を有する。尚、図１０の（ａ）乃至（ｅ）及び図１１の（ａ）乃至（ｅ）においては、ダイスポケット１３４が省略されている。

図１２の（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ図１０及び図１１に例示した第３金型１０３及び第３金型１０３’を使用するＳＰＲ接合の接合開始状態において互いに対向している第３金型１０３及び第３金型１０３’とＳＰＲ３０１との位置関係の一例を示す模式的な断面図である。但し、図１２の（ｂ）においては、ＳＰＲ３０１が省略されている。

〈効果〉
以上のように、第３金型においては、キャビティの内底面から開口部側に向かって隆起する凸部が形成されており、凸部頂面が凹状の曲面として形成されており、且つ第１軸を含む平面による断面図においてキャビティの開口部側に向かって凸状の曲線を描くように凸部頂面の外縁（突出部）が形成されている。従って、第３金型によれば、金型側被接合部材がＳＰＲ側被接合部材に比べて塑性流動を生じ易い材料によって構成されている場合であっても、金型側被接合部材を構成する材料がＳＰＲの打ち込みに伴って径方向における外側へと過度に塑性流動して、ＳＰＲ接合過程の早い段階においてダイスポケットが充満されたり、金型側被接合部材が過剰に薄肉化されたりする虞を低減することができる。

上記に加えて、第３金型においては、上述した第１金型と同様に、第１軸を中心とする環状の窪みであるダイスポケットがキャビティの内側面に形成されているので、ＳＰＲの打ち込みに伴って径方向における外側へと塑性流動する金型側被接合部材の材料の少なくとも一部をダイスポケットによって受け入れることができる。従って、第３金型によっても、ＳＰＲ接合において金型のキャビティに向かってＳＰＲが打ち込まれる際にＳＰＲが受ける反力及び打ち抜き荷重を低減し、インターロック量を増大させることができる。その結果、ＳＰＲ側被接合部材と金型側被接合部材との接合強度を増大させることができる。即ち、第３金型によれば、ＳＰＲ接合において、打ち抜き荷重を低減しつつ、金型側被接合部材の過剰な薄肉化の低減及びインターロック量の増大を達成することができる。

〈ＳＰＲ接合過程〉
ここで、ダイスポケットを備えない従来技術に係るＳＰＲ接合用金型（従来金型）を使用するＳＰＲ接合過程と対比しながら、第３金型を使用するＳＰＲ接合過程について以下に詳しく説明する。

図１３は、接合開始状態において複数（２つ）の被接合部材が互いに重ね合わされた部分である積層部がダイスポケットを備えない従来金型とＳＰＲとの間に配置された状況の一例を示す模式的な断面図である。図１３に例示する従来金型２０２は、ダイスポケット１３４を備えない点を除き、図１２の（ａ）に例示した第３金型１０３と同様の構成を有する。尚、図１３においては、第１軸ＡＸ１よりも図面に向かって右側の部分のみが描かれている。また、図１３においては、紙面の都合上、主要な構成部材を示す符号のみを記載し、各部材の部分を示す符号については省略した。

図１３に示す例においては、ＳＰＲ側被接合部材４０１としての１枚の高張力鋼板と金型側被接合部材４０２としての１枚のアルミニウム合金板とが互いに重ね合わされた部分である積層部が従来金型２０２とＳＰＲ３０１との間に配置されている。この積層部は、図示しないＳＰＲ接合装置が備えるパッド５００の金型側の表面であるパッド先端面５０１と従来金型２０２の金型頂面のキャビティ１３０よりも径方向において外側の部分である外周頂面１９１とによって挟まれることにより、所定の位置に固定されている。また、図１４の（ａ）は上記構成によるＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況を示す模式的な断面図であり、図１４の（ｂ）はＳＰＲ３０１、ＳＰＲ側被接合部材４０１及び金型側被接合部材４０２以外の構成部材を（ａ）から削除した図である。

図１３及び図１４に例示する従来金型２０２においても、図１２の（ａ）に例示した第３金型１０３と同様に、キャビティ１３０の内底面１３２から開口部側に向かって隆起する凸部がキャビティ１３０の内部に形成されており、凸部の頂面である凸部頂面１４１が凹状の曲面として形成されており、且つ第１軸ＡＸ１を含む平面による断面図において凸部頂面１４１の外縁（突出部Ｅｏｕｔ）がキャビティの開口部側に向かって凸状の曲線を描くように凸部が形成されている。従って、従来金型２０２によっても、上記のように金型側被接合部材４０２がＳＰＲ側被接合部材４０１に比べて塑性流動を生じ易い材料によって構成されている場合であっても、金型側被接合部材４０２を構成する材料がＳＰＲ３０１の打ち込みに伴って径方向における外側へと過度に塑性流動して、金型側被接合部材４０２が過剰に薄肉化される虞を低減することができる。しかしながら、従来金型２０２はダイスポケットを備えないので、金型側被接合部材４０２を構成する材料をダイスポケットによって受け入れることによりＳＰＲ３０１が受ける反力及び打ち抜き荷重を低減し且つインターロック量を増大させる効果を達成することはできない。

一方、図１５は、接合開始状態において複数（２つ）の被接合部材が互いに重ね合わされた部分である積層部がダイスポケットを備える第３金型とＳＰＲとの間に配置された状況の一例を示す模式的な断面図である。図１５に例示する第３金型１０３は、図１２の（ａ）に例示した第３金型１０３である。尚、図１５においても、第１軸ＡＸ１よりも図面に向かって右側の部分のみが描かれており、紙面の都合上、主要な構成部材を示す符号のみを記載し、各部材の部分を示す符号については省略した。

図１５に示す例においても、ＳＰＲ側被接合部材４０１としての高張力鋼板と金型側被接合部材４０２としてのアルミニウム合金板との積層部が、第３金型１０３とＳＰＲ３０１との間に配置されパッド先端面５０１と外周頂面１９１とによって挟まれて所定の位置に固定されている。また、図１６の（ａ）は上記構成によるＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況を示す模式的な断面図であり、図１６の（ｂ）はＳＰＲ３０１、ＳＰＲ側被接合部材４０１及び金型側被接合部材４０２以外の構成部材を（ａ）から削除した図である。

図１５及び図１６に例示する第１金型１０３は、上述したように、キャビティ１３０の内底面１３２から開口部側に向かって隆起する凸部がキャビティ１３０の内部に形成されており、凸部の頂面である凸部頂面１４１が凹状の曲面として形成されており、且つ第１軸ＡＸ１を含む平面による断面図において凸部頂面１４１の外縁（突出部Ｅｏｕｔ）がキャビティの開口部側に向かって凸状の曲線を描くように凸部が形成されている。従って、上記のように金型側被接合部材４０２がＳＰＲ側被接合部材４０１に比べて塑性流動を生じ易い材料によって構成されている場合であっても、金型側被接合部材４０２を構成する材料がＳＰＲ３０１の打ち込みに伴って径方向における外側へと過度に塑性流動して、金型側被接合部材４０２が過剰に薄肉化される虞を低減することができる。加えて、第３金型１０３はダイスポケット１３４を備える。従って、ＳＰＲ３０１の打ち込みに伴って径方向における外側へと塑性流動する金型側被接合部材４０２の材料をダイスポケット１３４によって受け入れることにより、ＳＰＲ３０１が受ける反力及び打ち抜き荷重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。

〈効果〉
上記のように、第３金型においては、キャビティの内部に形成された凸部の頂面である凸部頂面が凹面として形成されており、第１軸を含む平面による断面図において凸部頂面の外縁である突出部がキャビティの開口部側に向かって凸状の曲線を描くように凸部が形成されている。従って、第３金型によれば、金型側被接合部材がＳＰＲ側被接合部材に比べて塑性流動を生じ易い材料によって構成されている場合であっても、金型側被接合部材を構成する材料がＳＰＲの打ち込みに伴って径方向における外側へと過度に塑性流動して、ＳＰＲ接合過程の早い段階においてダイスポケットが充満されたり、金型側被接合部材が過剰に薄肉化されたりする虞を低減することができる。

〈変形例３−１〉
前述したように、ＳＰＲの脚部によるＳＰＲ側被接合部材の打ち抜きの完了までの過程において当該脚部が受ける反力を低減する観点からは、金型頂面からの凸部の深さ（第１軸に平行な方向における距離）がＳＰＲ側被接合部材の厚さと同程度であるか又はＳＰＲ側被接合部材の厚さよりも若干大きいことが望ましい。従って、上述した変形例２−１に係る第２金型においては、凸部と金型頂面との間の第１軸に平行な方向における距離の最小値である凸部深度が金型側被接合部材の厚さを積層部の総厚から減算することによって得られる値以上であるように凸部が形成されている。

一方、第３金型においては、上記のように、キャビティの内部に形成された凸部の頂面である凸部頂面が凹面として形成されており、第１軸を含む平面による断面図において凸部頂面の外縁である突出部がキャビティの開口部側に向かって凸状の曲線を描くように凸部が形成されている。従って、第３金型においては、突出部と金型頂面（キャビティの開口部が形成された表面）との間の第１軸に平行な方向における距離の最小値が凸部深度に該当する。

そこで、変形例３−１に係る第３金型は、凸部頂面の外縁である突出部と金型頂面との間の第１軸に平行な方向における距離の最小値である凸部深度が金型側被接合部材の厚さを積層部の総厚から減算することによって得られる値以上であるように凸部が形成されている、セルフピアスリベット接合用金型である。

図１７は、接合開始状態において複数（２つ）の被接合部材が互いに重ね合わされた部分である積層部が変形例３−１に係る第３金型とＳＰＲとの間に配置された状況を示す模式的な断面図である。図１７においては、第１軸ＡＸ１よりも図面に向かって右側の部分のみが描かれている。また、図１７においては、紙面の都合上、主要な構成部材を示す符号のみを記載し、各部材の部分を示す符号については省略した。

図１７に示す例においては、ＳＰＲ側被接合部材４０１としての１枚の高張力鋼板と金型側被接合部材４０２としての１枚のアルミニウム合金板とが互いに重ね合わされた部分である積層部が変形例３−１に係る第３金型１０３ａとＳＰＲ３０１との間に配置されている。この積層部は、図示しないＳＰＲ接合装置が備えるパッド５００の金型側の表面であるパッド先端面５０１と第３金型１０３ａの金型頂面のキャビティ１３０よりも径方向において外側の部分である外周頂面１９１とによって挟まれることにより、所定の位置に固定されている。

図１７に例示する第３金型１０３ａにおいては、凸部頂面の外縁である突出部Ｅｏｕｔと金型頂面（外周頂面１９１）との間の第１軸ＡＸ１に平行な方向における距離の最小値が凸部深度Ｄｐに該当し、当該凸部深度Ｄｐが金型側被接合部材４０２の厚さＴ２を積層部の総厚Ｔａから減算することによって得られる値に等しいように凸部１４０が形成されている（Ｄｐ＝Ｔａ−Ｔ２）。即ち、凸部深度ＤｐがＳＰＲ側被接合部材４０１の厚さＴ１に等しいように凸部１４０が形成されている（Ｄｐ＝Ｔ１）。その結果、第３金型１０３ａによれば、前述した変形例２−１に係る第２金型１０２ａと同様に、ＳＰＲ３０１の脚部によるＳＰＲ側被接合部材４０１の打ち抜きの完了までの過程において当該脚部が受ける反力をより確実に低減することができる。尚、第３金型１０３ａにおいては、金型側被接合部材４０２の厚さＴ２を積層部の総厚Ｔａから減算することによって得られる値に凸部深度Ｄｐが等しいように凸部１４０が形成されている（Ｄｐ＝Ｔａ−Ｔ２＝Ｔ１）。しかしながら、前述したように、凸部深度Ｄｐは上記値よりも若干大きくてもよい。

〈変形例３−２〉
上述したように、凸部の形状及び位置等は、本発明によって達成されるべき上述したような効果を実質的に妨げず且つＳＰＲの脚部の拡径を促すことが可能である限り、特に限定されない。しかしながら、ＳＰＲの脚部の拡径をより確実に促進する観点からは、ＳＰＲ接合過程においてキャビティの内底面からＳＰＲが受ける反力がＳＰＲの脚部の拡径を促す方向に作用することが望ましい。

そこで、変形例３−２に係る第３金型は、接合開始状態における第１軸に直交する平面への垂直投影図において凸部の頂面である凸部頂面の外縁である突出部がＳＰＲの脚部の内周と外周との間に位置するように凸部が形成されている、セルフピアスリベット接合用金型である。

図１８は、変形例３−２に係る第３金型を使用するＳＰＲ接合の接合開始状態におけるＳＰＲと金型との位置関係を示す模式的な（ａ）断面図及び（ｂ）垂直投影図である。図１８に示すように、変形例３−２に係る第３金型１０３ｂにおいては、ＳＰＲ３０１の脚部３２０の内周Ｃｉｎと外周Ｃｏｕｔとの間に凸部頂面１４１の外縁である突出部Ｅｏｕｔが位置するように凸部１４０が形成されている。具体的には、第１軸ＡＸ１に直交する平面への垂直投影図である（ｂ）において、脚部３２０の内周Ｃｉｎと外周Ｃｏｕｔとの間に凸部頂面１４１の突出部Ｅｏｕｔが位置するように凸部１４０が形成されている。

上記のような構成により、第３金型１０３ｂにおいては、ＳＰＲ接合過程においてキャビティ１３０の内底面１３２からＳＰＲ３０１が受ける反力が脚部３２０の拡径を促す方向に作用し易い。その結果、第３金型１０３ｂによれば、ＳＰＲ接合過程における脚部３２０の拡径をより確実に促進することができる。

〈変形例３−３〉
ところで、前述したように、キャビティ内における凸部よりも径方向における外側の領域には、キャビティの内側面及び底面と凸部の外側面とによって画定される環状の溝（外周溝）が形成されている。ＳＰＲの打ち込みに伴って径方向における外側へと塑性流動する金型側被接合部材の材料が外周溝へと移動することができるので、ＳＰＲ接合における打ち抜き荷重等の加工荷重を低減することができる。このような観点からは、外周溝は、ＳＰＲの打ち込みに伴って径方向における外側へと塑性流動する金型側被接合部材の材料を受け入れることができる程度に十分に大きい容積を有することが望ましい。

そこで、変形例３−３に係る第３金型は、外周側内底面深度が凸部凹面深度よりも大きいようにキャビティが形成されている、セルフピアスリベット接合用金型である。外周側内底面深度は、キャビティの内底面の凸部よりも径方向における外側の領域である外周側内底面と金型頂面との間の第１軸に平行な方向における距離の最大値である。凸部凹面深度は、凸部頂面と金型頂面との間の第１軸に平行な方向における距離の最大値である。

図１９は、接合開始状態において複数（２つ）の被接合部材が互いに重ね合わされた部分である積層部が変形例３−３に係る第３金型とＳＰＲとの間に配置された状況を示す模式的な断面図である。図１９においても、第１軸ＡＸ１よりも図面に向かって右側の部分のみが描かれており、紙面の都合上、各部材の部分を示す符号については省略され、主要な構成部材を示す符号のみが記載されている。

図１９に示すように、外周側内底面深度Ｄｇは、キャビティの内底面の凸部１４０よりも径方向における外側の領域である外周側内底面と金型頂面（外周頂面１９１）との間の第１軸ＡＸ１に平行な方向における距離の最大値である。また、凸部凹面深度Ｄｔは、凸部頂面の外縁である突出部Ｅｏｕｔと金型頂面（外周頂面１９１）との間の第１軸ＡＸ１に平行な方向における距離の最大値である。そして、変形例３−３に係る第３金型１０３ｃ例においては、外周側内底面深度Ｄｇが凸部凹面深度Ｄｔよりも大きいようにキャビティが形成されている。尚、外周側内底面は、キャビティの内底面の凸部よりも径方向における外側の領域であり、キャビティの内側面及び内底面と凸部の外側面とによって画定される環状の溝（外周溝Ｇ）の底面に該当する。

上記構成により、ＳＰＲ３０１の打ち込みに伴って径方向における外側へと塑性流動する金型側被接合部材４０２の材料が外周溝Ｇへと移動することができるので、ＳＰＲ接合における打ち抜き荷重等の加工荷重を低減することができる。また、外周溝Ｇはダイスポケット１３４よりも径方向における内側に形成されているので、遅くともダイスポケット１３４が充満されてしまう前に外周溝Ｇによる上記材料の受け入れを開始して、ダイスポケットの充満を遅らせることができる。その結果、第３金型１０３ｃによれば、ＳＰＲ３０１が受ける反力及び打ち抜き荷重を低減し且つインターロック量を増大させるという本発明の効果をより確実に達成することができる。

《第４実施形態》
以下、本発明の第３実施形態に係るセルフピアスリベット接合用金型（以降、「第４金型」と称呼される場合がある）について説明する。

以上説明してきたように、第１金型乃至第３金型を始めとする本発明に係るＳＰＲ接合用金型（本発明金型）においては、第１軸を中心とする環状の窪みであるダイスポケットがキャビティの内側面に形成されている。従って、ＳＰＲの打ち込みに伴って径方向における外側へと塑性流動する金型側被接合部材の材料の少なくとも一部をダイスポケットによって受け入れることができる。その結果、本発明金型によれば、ＳＰＲ接合において金型のキャビティに向かってＳＰＲが打ち込まれる際にＳＰＲが受ける反力及び打ち抜き荷重を低減し、インターロック量を増大させることができ、ＳＰＲ側被接合部材と金型側被接合部材との接合強度を増大させることができる。

しかしながら、例えばＳＰＲ及び本発明金型並びに個々の被接合部材の構成（例えば、形状及び材料等）等によっては、複数の被接合部材にＳＰＲが打ち込まれる際に金型側被接合部材を構成する材料がキャビティの内壁面に沿って径方向における外側に向かって過剰に流動してしまう場合がある。この場合、金型側被接合部材を構成する材料の過剰な流動により、インターロック量が減少し、例えば接合強度の低下等の問題に繋がる虞がある。更に、金型側被接合部材を構成する材料の過剰な流動により、ＳＰＲが打ち込まれる向きへのＳＰＲ側被接合部材の変形量が大きくなったりＳＰＲ側被接合部材と金型側被接合部材とＳＰＲとの界面近傍において間隙が生じたりして、例えば接合強度の低下等の問題に繋がる虞がある。

従って、ＳＰＲの打ち込みに伴う金型側被接合部材の径方向における外側への流動を適度に低減することができれば、本発明金型によるインターロック量の増大効果を更に高めて、被接合部材の接合強度を更に高めることができるものと期待される。そこで、本発明者は、更なる研究の結果、金型頂面のキャビティよりも径方向における外側の領域にキャビティを取り囲む環状の突起を設けることにより、ＳＰＲの打ち込みに伴う金型側被接合部材の径方向における外側への流動を適度に低減することができることを見出した。

〈構成〉
即ち、第４金型は、上述した第１金型乃至第３金型を始めとする本発明に係るセルフピアスリベット接合用金型（本発明金型）であって、第１軸に平行な方向において内底面とは反対側に向かって隆起する環状の突起である環状突起が金型頂面のキャビティよりも径方向における外側の領域に形成されている、セルフピアスリベット接合用金型である。

環状突起の具体的な構成（例えば、横断面の形状及び大きさ並びに位置等）は、ＳＰＲの打ち抜き荷重の増大の低減、金型側被接合部材の過剰な薄肉化の低減及びインターロック量の増大を達成しつつ、ＳＰＲの打ち込みに伴う金型側被接合部材を構成する材料の径方向における外側への流動を適度に低減することが可能である限り、特に限定されない。ここでいう「環状突起の横断面」とは、ＳＰＲ接合の開始時点においてＳＰＲとＳＰＲ接合用金型とが所定の位置関係に配置された状態（接合開始状態）における第１軸を含む平面による環状突起の断面である。但し、ＳＰＲの打ち込みに伴う金型側被接合部材を構成する材料の径方向における外側への流動を過度に低減すると、ＳＰＲの脚部の拡径が困難となり、結果的にインターロック量が減少する虞がある。

具体的には、環状突起の横断面の形状は、例えば三角形、台形及び四角形等の多角形であってもよく、或いは例えば半円形及び半楕円形等、内底面とは反対側に向かって隆起する面が曲面となる形状であってもよい。更に、環状突起の横断面の大きさ（例えば、径方向における大きさである幅及び第１軸に平行な方向における大きさである高さ等）は、例えばＳＰＲの打ち抜き荷重の増大の低減、金型側被接合部材の過剰な薄肉化の低減及びインターロック量の増大とＳＰＲの打ち込みに伴う金型側被接合部材を構成する材料の径方向における外側への流動の適度な低減との両立が可能であるように適宜定められる。

加えて、環状突起が形成される位置は、金型頂面のキャビティよりも径方向における外側の領域である限り特に限定されない。一般的には、ＳＰＲの打ち込みに伴う金型側被接合部材を構成する材料の径方向における外側への流動を適度に低減する観点からは、金型頂面のキャビティよりも径方向における外側の領域において、キャビティにより近い位置に環状突起が形成されることが好ましい。典型的には、金型頂面のキャビティに隣接する位置に環状突起が形成される。尚、上記のような要件を満たし得る環状突起の構成は、例えば有限要素法等の流動解析及び予備実験等により適宜定めることができる。

〈機能〉
ここで、ＳＰＲ接合過程において第４金型が備える環状突起によって達成される機能につき、環状突起を備えない本発明の第３実施形態に係るＳＰＲ接合用金型（第３金型）と対比しながら以下に詳しく説明する。

先ず、図２０は、接合開始状態において所定の位置関係に配置された第３金型とＳＰＲとの間に複数（２つ）の被接合部材が互いに重ね合わされた部分である積層部が配置された状況を示す模式的な断面図である。図２１の（ａ）は図２０に示した第３金型を用いるＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況を示す模式的な断面図であり、図２１の（ｂ）は図２１の（ａ）から第３金型、パッド及びパンチを削除して、ＳＰＲ、ＳＰＲ側被接合部材及び金型側被接合部材のみを描いた模式的な断面図である。図２０及び図２１の（ａ）は、第３金型に関する説明において参照した図１５及び図１６にそれぞれ対応する図面である。

図２０に示す例においては、ＳＰＲ側被接合部材４０１としての１枚の高張力鋼板と金型側被接合部材４０２としての１枚のアルミニウム合金板とが互いに重ね合わされた部分である積層部がＳＰＲ３０１と第３金型１０３との間に配置されている。この積層部は、ＳＰＲ接合装置が備えるパッド５００の金型側の表面であるパッド先端面５０１と第３金型１０３の金型頂面のキャビティ１３０よりも径方向において外側の部分である外周頂面１９１とによって挟まれることにより、所定の位置に固定されている。その後、ＳＰＲ接合装置が備えるパンチ６００により、キャビティ１３０に向かってＳＰＲ３０１が打ち込まれ、図２１に示すようにＳＰＲ側被接合部材４０１と金型側被接合部材４０２とが接合される。

前述したように、第３金型１０３においては、凹状の頂面を有する凸部がキャビティの内部に形成されている。従って、第３金型１０３によれば、上記のように金型側被接合部材４０２を構成する材料（アルミニウム合金）がＳＰＲ側被接合部材４０１を構成する材料（高張力鋼板）に比べて塑性流動を生じ易い場合であっても、ＳＰＲ接合において、打ち抜き荷重の増大を低減しつつ、図２１に示すように、金型側被接合部材４０２の過剰な薄肉化の低減及びインターロック量の増大を達成することができる。

一方、図２２は、接合開始状態において所定の位置関係に配置された第４金型とＳＰＲとの間に複数（２つ）の被接合部材が互いに重ね合わされた部分である積層部が配置された状況を示す模式的な断面図である。図２３の（ａ）は図２２に示した第４金型を用いるＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況を示す模式的な断面図であり、図２３の（ｂ）は図２３の（ａ）から第４金型、パッド及びパンチを削除して、ＳＰＲ、ＳＰＲ側被接合部材及び金型側被接合部材のみを描いた模式的な断面図である。

図２２に示す例においても、ＳＰＲ側被接合部材４０１としての１枚の高張力鋼板と金型側被接合部材４０２としての１枚のアルミニウム合金板とが互いに重ね合わされた部分である積層部がＳＰＲ３０１と第４金型１０４ａとの間に配置され、パッド先端面５０１と外周頂面１９１とによって挟まれることにより、所定の位置に固定されている。その後、ＳＰＲ接合装置が備えるパンチ６００により、キャビティ１３０に向かってＳＰＲ３０１が打ち込まれ、図２３に示すようにＳＰＲ側被接合部材４０１と金型側被接合部材４０２とが接合される。

この場合もまた、上記のように金型側被接合部材４０２がＳＰＲ側被接合部材４０１を構成する材料（高張力鋼板）に比べて塑性流動を生じ易い材料（アルミニウム合金）によって構成されている。しかしながら、図２２及び図２３に示すように、第４金型１０４ａにおいては、金型頂面のキャビティよりも径方向における外側の領域に第１軸ＡＸ１に平行な方向において内底面とは反対側に向かって隆起する環状の突起である環状突起１５０が形成されている（破線によって囲まれている部分を参照）。

環状突起１５０の構成（例えば、横断面の形状及び大きさ並びに位置等）は、上述したように、例えばＳＰＲ３０１の打ち抜き荷重の増大の低減、金型側被接合部材４０２の過剰な薄肉化の低減及びインターロック量の増大とＳＰＲ３０１の打ち込みに伴う金型側被接合部材４０２を構成する材料の径方向における外側への流動の適度な低減との両立が可能であるように適宜定めることができる。例えば、図２４及び図２５に示す第４金型１０４ｂが備える環状突起１５０は、上述した、図２２及び図２３に示す第４金型１０４ａが備える環状突起１５０に比べて、より広い幅（径方向における横断面の大きさ）を有する（破線によって囲まれている部分を参照）。従って、ＳＰＲ３０１の打ち込みに伴う金型側被接合部材４０２を構成する材料の径方向における外側への流動を低減する効果は、第４金型１０４ａに比べて、第４金型１０４ｂの方がより大きい。

〈効果〉
第４金型１０４ａ及び１０４ｂの何れにおいても、第３金型１０３を使用する場合に比べて、ＳＰＲ３０１の打ち込みに伴う金型側被接合部材４０２を構成する材料の径方向における外側への流動が適度に低減される。その結果、インターロック量が更に増大すると共に、ＳＰＲ３０１が打ち込まれる向きへのＳＰＲ側被接合部材４０１の変形が低減され、ＳＰＲ側被接合部材４０１と金型側被接合部材４０２とＳＰＲ３０１との界面近傍における間隙の発生が低減される。その結果、ＳＰＲ側被接合部材４０１と金型側被接合部材４０２との接合強度が更に高まる。

上記のような効果は、以下のようなメカニズムによって達成されるものと考えられる。先ず、図２６は、図２０に示した第３金型１０３を用いるＳＰＲ接合において金型側被接合部材４０２を構成する材料がＳＰＲ３０１の打ち込みに伴って流動する様子を示す模式的な断面図である。図２６に示す例においては、環状突起を備えない第３金型１０３が使用されるので、ＳＰＲ３０１の打ち込みに伴うキャビティ内の圧力上昇により、金型側被接合部材４０２を構成する材料がキャビティの内壁面に沿って径方向における外側に向かって流動し、キャビティの外へと流出している（太い矢印を参照）。そのため、ＳＰＲ側被接合部材４０１と金型側被接合部材４０２とＳＰＲ３０１との界面近傍に間隙が生ずると共に（破線によって囲まれている部分を参照）、ＳＰＲ３０１が打ち込まれる向きにＳＰＲ側被接合部材４０１が変形している。結果として、インターロック量及び被接合部材の接合強度において、更なる改善の余地が残っている。

一方、図２７は、図２４に示した第４金型１０４ｂを用いるＳＰＲ接合において金型側被接合部材４０２を構成する材料がＳＰＲ３０１の打ち込みに伴って流動する様子を示す模式的な断面図である。図２７に示す例においては、環状突起を備える第４金型１０４ｂが使用されるので、ＳＰＲ３０１の打ち込みに伴ってキャビティの内壁面に沿って径方向における外側に向かって流動した金型側被接合部材４０２を構成する材料が環状突起１５０によって少なくとも部分的に堰き止められている（太い矢印を参照）。そのため、金型側被接合部材４０２を構成する材料がＳＰＲ側被接合部材４０１と金型側被接合部材４０２とＳＰＲ３０１との界面近傍へと流動するので、当該界面近傍に生ずる間隙がより小さくなり、インターロック量が増大する（破線によって囲まれている部分を参照）。また、ＳＰＲ３０１が打ち込まれる向きへのＳＰＲ側被接合部材４０１の変形量も減少する。結果として、図２６に示した例に比べて、インターロック量及び被接合部材の接合強度が更に増大されている。

以上のように、第４金型においては、金型頂面のキャビティよりも径方向における外側の領域に第１軸に平行な方向において内底面とは反対側に向かって隆起する環状の突起である環状突起が形成されている。その結果、第４金型によれば、ＳＰＲの打ち込みに伴う金型側被接合部材の径方向における外側への流動を適度に低減して、本発明金型によるインターロック量の増大効果を更に高めて、被接合部材の接合強度を更に高めることができる。

尚、第４金型に関する上記説明においては、凹状の頂面を有する凸部がキャビティの内部に形成されている第３金型１０３に環状突起１５０を更に設けた第４金型１０４ａ及び１０４ｂについて説明した。しかしながら、環状突起１５０によって達成される上記効果は、凹状の頂面を有する凸部がキャビティの内部に形成されている第３金型に限定されるものではない。具体的には、凹状ではない頂面を有する凸部がキャビティの内部に形成されている第２金型及び凸部がキャビティの内部に形成されていない第１金型についても、環状突起１５０によって達成される上記効果は同様に達成される。

本発明の実施例１に係るセルフピアスリベット接合用金型（以降、「実施例金型」と称呼される場合がある。）によって達成される効果につき、比較例（従来技術）に係るセルフピアスリベット接合用金型（以降、「比較例金型」と称呼される場合がある。）と比較しながら以下に説明する。

実施例金型は、凹状の頂面を有する凸部及びダイスポケットを備える第３金型１０３である。一方、比較例金型は、凹状の頂面を有する凸部を備えるもののダイスポケットを備えない従来金型２０２である。このような構成を有する実施例金型及び比較例金型のそれぞれにつき、同一のＳＰＲ接合装置において、上述したＳＰＲ３０１を用いて、ＳＰＲ側被接合部材４０１としての１枚の高張力鋼板と金型側被接合部材４０２としての１枚のアルミニウム合金板とを接合した。

〈実施例金型を使用するＳＰＲ接合過程〉
図２８乃至図３４は、実施例金型（第３金型１０３）を使用するＳＰＲ接合が達成される過程（ＳＰＲ接合過程）の種々の段階における各部材の状況を示す模式的な断面図である。図２８は、接合開始状態において複数（２つ）の被接合部材が互いに重ね合わされた部分である積層部がＳＰＲと実施例金型との間に配置された状況を示す模式的な断面図である。尚、図２８乃至図３４においては、ＳＰＲ３０１（の脚部３２０）及び実施例金型の共通の軸である第１軸ＡＸ１よりも図面に向かって右側の部分のみが描かれている。また、図２８乃至図３４においては、紙面の都合上、主要な構成部材を示す符号のみを記載し、各部材の部分を示す符号については省略した。

図２８に示す例においては、ＳＰＲ側被接合部材４０１としての１枚の高張力鋼板と金型側被接合部材４０２としての１枚のアルミニウム合金板とが互いに重ね合わされた部分である積層部がＳＰＲ３０１と実施例（第３金型１０３）との間に配置されている。この積層部は、ＳＰＲ接合装置が備えるパッド５００の金型側の表面であるパッド先端面５０１と第１金型１０１の金型頂面のキャビティ１３０よりも径方向において外側の部分である外周頂面１９１とによって挟まれることにより、所定の位置に固定されている。また、凹状の頂面を有する略截頭錐体として凸部１４０が形成されている。

その後、図示しないＳＰＲ接合装置が備えるパンチ６００によってキャビティに向かってＳＰＲ３０１が打ち込まれ始める。その結果、加工荷重の増大と共にＳＰＲ側被接合部材４０１と金型側被接合部材４０２とからなる被接合部材（以降、「被接合部材４００」と総称される場合がある）がキャビティ側に押し込まれて変形し、図２９に示す状況となる。実施例金型（第３金型１０３）の凸部頂面は凹面として形成されているので、この過程における被接合部材４００の変形を妨げること無く、上記のように変形した金型側被接合部材４０２が凸部頂面１４１の広い領域に接触している状況に到達することができる。

その後、図３０に示すように、パンチ６００によるＳＰＲ３０１の更なる打ち込みに伴って、ＳＰＲ側被接合部材４０１にＳＰＲ３０１が食い込み始めると共に、実施例金型（第３金型１０３）の凸部頂面の外縁である突出部から受ける反力等によりＳＰＲ３０１の脚部が拡径し始める。一方、金型側被接合部材４０２を構成する材料は、キャビティの内底面の凸部１４０よりも径方向における外側の領域に形成された外周溝を充填し始める。その後、ＳＰＲ３０１の打ち込みが更に進行すると、図３１に示すように、被接合部材４００が潰されつつ、ＳＰＲ側被接合部材４０１が脚部３２０によって打ち抜かれる。この時点において、金型側被接合部材４０２を構成する材料のダイスポケット１３４への充填は未だ始まっていない。

その後、ＳＰＲ３０１の更なる打ち込みに伴って、図３２に示すように、金型側被接合部材４０２を構成する材料による外周溝の充填及びＳＰＲ３０１の脚部の拡径が更に進行する。但し、この時点においても、ダイスポケット１３４は金型側被接合部材４０２を構成する材料によって充満されてはおらず、未だ空隙が残っている。従って、実施例金型によれば、キャビティに向かってＳＰＲ３０１が打ち込まれる際に金型側被接合部材４０２を構成する材料をダイスポケット１３４によって受け入れて、ＳＰＲ３０１が受ける反力及び打ち抜き荷重を低減することができる。

その後、打ち込みが更に進行すると、図３３に示すように、ＳＰＲ３０１の脚部が金型側被接合部材４０２の内部へと食い込み始め、金型側被接合部材４０２を構成する材料によってダイスポケット１３４が充満される。その後、図３４に示すように所定の位置（本実施例においてはＳＰＲ３０１の頭部とＳＰＲ側被接合部材４０１の表面とが面一になる位置）までＳＰＲ３０１が打ち込まれ、ＳＰＲ接合過程が終了する。

実施例金型（第３金型１０３）においては、第１軸ＡＸ１を中心とする環状の窪みであるダイスポケット１３４がキャビティの内側面に形成されているので、ＳＰＲ３０１の打ち込みに伴って径方向における外側へと塑性流動する金型側被接合部材４０２の材料の少なくとも一部をダイスポケット１３４によって受け入れることができる。従って、実施例金型によれば、キャビティに向かってＳＰＲ３０１が打ち込まれる際に金型側被接合部材４０２を構成する材料をダイスポケット１３４によって受け入れて、ＳＰＲ３０１が受ける反力及び打ち抜き荷重を低減し、インターロック量を増大させることができる。その結果、ＳＰＲ側被接合部材４０１と金型側被接合部材４０２との接合強度を増大させることができる。

〈比較例金型を使用するＳＰＲ接合過程〉
図３５乃至図４０は、比較例金型（従来金型２０２）を使用するＳＰＲ接合が達成される過程（ＳＰＲ接合過程）の種々の段階における各部材の状況を示す模式的な断面図である。図３５乃至図３９は上述した実施例金型を使用するＳＰＲ接合過程についての図２８乃至図３２に対応し、図４０は上述した実施例金型を使用するＳＰＲ接合過程についての図３４に対応する。

上述したように、比較例金型は、凹状の頂面を有する凸部を備えるもののダイスポケットを備えない従来金型２０２である。上述した実施例金型について説明したように、被接合部材４００が潰されつつ、ＳＰＲ側被接合部材４０１が脚部３２０によって打ち抜かれる時点に対応する図３１に示す状況において、金型側被接合部材４０２を構成する材料のダイスポケット１３４への充填は未だ始まっていない。従って、ダイスポケットを備えない比較例金型（従来金型２０２）を使用するＳＰＲ接合においてもＳＰＲ側被接合部材４０１が脚部３２０によって打ち抜かれる時点に対応する図３８に示す状況までのＳＰＲ接合過程は、ダイスポケットを備える実施例金型（第３金型１０３）を使用するＳＰＲ接合と同様である。従って、図３５乃至図３８についての説明は図２８乃至図３１についての説明と同様であるので省略する。

ＳＰＲ側被接合部材４０１が脚部３２０によって打ち抜かれた後、ＳＰＲ３０１の打ち込みが更に進行すると、図３９に示すように、金型側被接合部材４０２を構成する材料による外周溝の充填及びＳＰＲ３０１の脚部の拡径が更に進行する。但し、比較例金型はダイスポケットを備えないので、実施例金型のようにキャビティに向かってＳＰＲ３０１が打ち込まれる際に金型側被接合部材４０２を構成する材料をダイスポケット１３４によって受け入れてＳＰＲ３０１が受ける反力及び打ち抜き荷重を低減することはできない。

その後、打ち込みが更に進行し、図４に０示すように所定の位置（ＳＰＲ３０１の頭部とＳＰＲ側被接合部材４０１の表面とが面一になる位置）までＳＰＲ３０１が打ち込まれ、ＳＰＲ接合過程が終了する。

比較例金型（従来金型２０２）においては、第１軸ＡＸ１を中心とする環状の窪みであるダイスポケットがキャビティの内側面に形成されていないので、ＳＰＲ３０１の打ち込みに伴って径方向における外側へと塑性流動する金型側被接合部材４０２の材料をダイスポケットによって受け入れることができない。従って、比較例金型においては、実施例金型とは異なり、キャビティに向かってＳＰＲ３０１が打ち込まれる際に金型側被接合部材４０２を構成する材料をダイスポケットによって受け入れて、ＳＰＲ３０１が受ける反力及び打ち抜き荷重を低減し、インターロック量を増大させることができない。その結果、ＳＰＲ側被接合部材４０１と金型側被接合部材４０２との接合強度を増大させることができない。

〈ＳＰＲ接合状態の評価〉
図４１は実施例金型（第３金型１０３）を用いるＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況を示す断面写真であり、図４２は比較例金型（従来金型２０２）を用いるＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況を示す断面写真である。図４１及び図４２に示したＳＰＲ接合の各々につき、インターロック量（Ｌ）、ＳＰＲ開脚径（ＤＬ）、金型側被接合部材の残板厚（Ｔ）、ＳＰＲ高さ（Ｈ）及びＳＰＲの打ち込み時における最大荷重（Ｆｍａｘ）を計測した。

図４３は、この実施例において計測される各部位を示すための模式的な断面図である。インターロック量（Ｌ）は、図４３に示すように、図面に向かって左側のインターロック量（ＬＬ）及び右側のインターロック量（ＬＲ）を計測し、これらの平均値を算出することによって求めた。ＳＰＲの開脚径（ＤＬ）は、ＳＰＲ接合に伴って拡径されたＳＰＲ３０１の脚部の最大径である。金型側被接合部材の残板厚（Ｔ）は、ＳＰＲ接合が完了した時点における金型側被接合部材４０２の最も薄い部分の厚さである。具体的には、キャビティの内部に形成された凸部の頂面の外縁である突出部とＳＰＲ側被接合部材４０１との間における金型側被接合部材４０２の厚さを金型側被接合部材の残板厚（Ｔ）として計測した。金型側被接合部材の残板厚（Ｔ）もまた、図４３に示すように、図面に向かって左側の残板厚（ＴＬ）及び右側の残板厚（ＴＲ）を計測し、これらの平均値を算出することによって求めた。

ＳＰＲ高さ（Ｈ）は、ＳＰＲ接合が完了した時点におけるＳＰＲ３０１の高さ（上述した第１軸方向における寸法）である。この実施例においては、図４３に示すように、図面に向かって左側のＳＰＲ高さ（ＨＬ）をＳＰＲ高さ（Ｈ）として求めた。ＳＰＲの打ち込み時における最大荷重（Ｆｍａｘ）は、ＳＰＲ３０１を被接合部材に打ち込むためのパンチを駆動するプレス機が備えるロードセルによって計測した。このようにして計測された各部位の寸法及び最大荷重（Ｆｍａｘ）を以下の表１に列挙する。

表１に示すように、実施例金型（第３金型１０３）を用いる実施例に係るＳＰＲ接合においては、比較例金型（従来金型２０２）を用いる比較例に係るＳＰＲ接合に比べて、最大荷重（Ｆｍａｘ）が大幅に低減され、開脚径（ＤＬ）が大幅に増大され、且つインターロック量（Ｌ）もまた大幅に増大されている。即ち、実施例においては、比較例に比べて、打ち抜き荷重の増大が低減（寧ろ減少）されたことにより、ＳＰＲの脚部が十分に拡径され且つインターロック量が大幅に増大されている。

尚、金型側被接合部材の残板厚（Ｔ）については、比較例に比べて、実施例の方が僅かに減少している。しかしながら、これは、上述したように実施例金型（第３金型１０３）のキャビティの内側面に形成されたダイスポケットにより金型側被接合部材を構成する材料の径方向における外側への塑性流動が促進されたためであり、本明細書の冒頭において述べたような問題（例えば、接合強度の低下及び金型側被接合部材のひび割れ等）に繋がるものではない。更に、ＳＰＲ高さ（Ｈ）についても、比較例に比べて、実施例の方が増大している。これもまた、上述したように実施例金型（第３金型１０３）のキャビティの内側面に形成されたダイスポケットにより金型側被接合部材を構成する材料の径方向における外側への塑性流動が促進され、最大荷重（Ｆｍａｘ）が大幅に低減されたためであると考えられる。

以上のように、本発明に係る第３金型１０３を用いる実施例においては、従来技術に係る従来金型２０２を用いる比較例に比べて、セルフピアスリベット接合（ＳＰＲ接合）において金型のキャビティに向かってセルフピアスリベット（ＳＰＲ）が打ち込まれる際にＳＰＲが受ける反力及び打ち抜き荷重を低減することによりインターロック量を増大させることができることが確認された。

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。

１０１，１０２，１０２’，１０２ａ，１０２ｂ，１０３，１０３’，１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０４ａ，１０４ｂ…金型、１１０…頭部、１２０…軸部、１３０…キャビティ、１３１…開口部、１３２…内底面、１３３…内側面、１３４…ダイスポケット、１４０…凸部、１４１…凸部頂面、１９１…外周頂面、２０１，２０２…金型（従来技術）、２３０…キャビティ（従来技術）、２３９…底面（従来技術）、２４０…突起（従来技術）、２４１…平面部（従来技術）、２４２…先端面（従来技術）、３００，３０１…セルフピアスリベット（ＳＰＲ）、３１０…頭部、３２０…脚部、４００…被接合部材、４０１…ＳＰＲ側被接合部材、４０２…金型側被接合部材、５００…パッド、５０１…パッド先端面、６００…パンチ、ＡＸ１…第１軸、Ｃｉｎ…脚部の内周、Ｃｏｕｔ…脚部の外周、Ｄｇ…外周側底面深度、Ｄｐ…凸部深度、Ｄｔ…凸部凹面深度、Ｅｏｕｔ…凸部頂面の外縁（突出部）、Ｇ…外周溝、Ｌ…インターロック量、ＰＬ…インターロック部、ＰＰ…ポケット最深部。

Claims (15)

1. 円筒状の脚部を有するセルフピアスリベットと前記脚部に対向する面である金型頂面に開口部を有するキャビティが形成された金型との間に複数の被接合部材が互いに重ね合わされた部分である積層部を配置し前記脚部の円筒状の形状の軸を通る直線である第１軸に平行な方向において前記キャビティに向かって前記セルフピアスリベットを前記積層部に打ち込むことにより複数の前記被接合部材を接合するセルフピアスリベット接合において使用されるセルフピアスリベット接合用金型であって、
   前記セルフピアスリベット接合の開始時点において前記セルフピアスリベットと前記セルフピアスリベット接合用金型とが所定の位置関係に配置された状態である接合開始状態において、
   前記第１軸に直交する平面による前記キャビティの断面が前記キャビティの内底面から前記開口部へと向かうほど大きくなるように前記キャビティが形成されており、
   前記第１軸を中心とする環状の窪みであるダイスポケットが前記キャビティの内側面に形成されている、
   セルフピアスリベット接合用金型。
2. 請求項１に記載されたセルフピアスリベット接合用金型であって、
   複数の前記被接合部材のうち前記セルフピアスリベット接合用金型に最も近い被接合部材である金型側被接合部材を構成する材料が、複数の前記被接合部材のうち前記金型側被接合部材よりも前記セルフピアスリベット側に位置する被接合部材であるＳＰＲ側被接合部材よりも塑性流動を生じ易い、前記セルフピアスリベット接合において使用される、
   セルフピアスリベット接合用金型。
3. 請求項２に記載されたセルフピアスリベット接合用金型であって、
   前記積層部において前記金型側被接合部材の厚さが前記ＳＰＲ側被接合部材の厚さよりも大きい、前記セルフピアスリベット接合において使用される、
   セルフピアスリベット接合用金型。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載されたセルフピアスリベット接合用金型において、
   前記接合開始状態における前記第１軸に直交する平面への垂直投影図において前記ダイスポケットの最も深い部分であるポケット最深部が前記脚部の外周面よりも外側に位置するように前記ダイスポケットが形成されている、
   セルフピアスリベット接合用金型。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載されたセルフピアスリベット接合用金型において、
   前記第１軸に直交する平面による前記ダイスポケットの断面が前記内底面側から前記開口部側へと向かうほど広くなるように前記ダイスポケットが形成されている、
   セルフピアスリベット接合用金型。
6. 請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載されたセルフピアスリベット接合用金型であって、
   前記内底面から前記開口部側に向かって隆起する凸部が前記キャビティの内部に形成されている、
   セルフピアスリベット接合用金型。
7. 請求項６に記載されたセルフピアスリベット接合用金型において、
   前記凸部と前記金型頂面との間の前記第１軸に平行な方向における距離の最小値である凸部深度が複数の前記被接合部材のうち前記セルフピアスリベット接合用金型に最も近い被接合部材である金型側被接合部材の厚さを前記積層部の総厚から減算することによって得られる値以上であるように前記凸部が形成されている、
   セルフピアスリベット接合用金型。
8. 請求項６又は請求項７に記載されたセルフピアスリベット接合用金型において、
   前記接合開始状態における前記第１軸に直交する平面への垂直投影図において前記凸部の頂面である凸部頂面の外縁が前記脚部の内周と外周との間に位置するように前記凸部が形成されている、
   セルフピアスリベット接合用金型。
9. 請求項６乃至請求項８の何れか１項に記載されたセルフピアスリベット接合用金型において、
   前記凸部の頂面である凸部頂面が凹面として形成されており、
   前記第１軸を含む平面による断面図において前記凸部頂面の前記外縁である突出部が前記開口部側に向かって凸状の曲線を描くように前記凸部が形成されている、
   セルフピアスリベット接合用金型。
10. 請求項９に記載されたセルフピアスリベット接合用金型において、
    前記凸部頂面が凹状の曲面として形成されている、
    セルフピアスリベット接合用金型。
11. 請求項１０に記載されたセルフピアスリベット接合用金型において、
    前記凸部頂面が凹状の球面として形成されている、
    セルフピアスリベット接合用金型。
12. 請求項９に記載されたセルフピアスリベット接合用金型において、
    前記凸部頂面が凹状の円錐面として形成されている、
    セルフピアスリベット接合用金型。
13. 請求項９乃至請求項１２の何れか１項に記載されたセルフピアスリベット接合用金型において、
    前記内底面の前記凸部よりも径方向における外側の領域である外周側内底面と前記金型頂面との間の前記第１軸に平行な方向における距離の最大値である外周側内底面深度が前記凸部頂面と前記金型頂面との間の前記第１軸に平行な方向における距離の最大値である凸部凹面深度よりも大きいように前記キャビティが形成されている、
    セルフピアスリベット接合用金型。
14. 請求項１乃至請求項１３の何れか１項に記載されたセルフピアスリベット接合用金型であって、
    前記第１軸に平行な方向において前記内底面とは反対側に向かって隆起する環状の突起である環状突起が前記金型頂面の前記キャビティよりも径方向における外側の領域に形成されている、
    セルフピアスリベット接合用金型。
15. 請求項１４に記載されたセルフピアスリベット接合用金型において、
    前記金型頂面の前記キャビティに隣接する位置に前記環状突起が形成されている、
    セルフピアスリベット接合用金型。

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