JP2022500605A - セルフピアスリベット - Google Patents

Abstract

セルフピアスリベット接合部、及び少なくとも２つの部品（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）間に接合連結部を形成するためのセルフピアスリベット（１０）であって、セルフピアスリベット（１０）は、リベット頭部（１２）と、基部を含む中心胴部ボアを有するリベット胴部（１４）とを備え、リベット胴部（１４）は、円筒形の胴部外面と、中心胴部ボアを制限する胴部内面とを有するとともに、リベット頭部（１２）から離れた方を向く環状穿孔端部（２２）を有し、胴部外面は第１の直径（Ｄｓ）を有し、中心胴部ボアは、中心胴部ボアの基部（１７）と環状穿孔端部（２２）との間のボア深さ（ｔ）を有し、第１の直径（Ｄｓ）とボア深さ（ｔ）との比率が０．５０≦Ｄｓ／Ｔ≦０．６７の範囲内である。【選択図】図１

Description

本開示は、セルフピアスリベットに関し、具体的には、少なくとも２つの部品間に、とりわけ３つの部品間に接合連結部（ｊｏｉｎｉｎｇ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）を形成するための半中空セルフピアスリベットに関する。このセルフピアスリベットは、特に軽量材料で形成された部品又は層間に接合連結部を形成するために使用される。

セルフピアスリベットは部分的に中空であり、頭部と、環状縁部で終端する円筒形の胴部とを有する。リベットが好適な形状のダイを介して少なくとも２つの重なり合ったシート材料内に進入すると、胴部が外向きに広がるようになる。シート材料は、胴部の周囲で変形して、胴部を封入する環帯を形成する。リベットの設定後には、胴部及びリベットの縁部がシート材料に埋め込まれたままになる。セルフピアスリベットは、事前にドリル又はパンチングによって材料に穴を開ける必要なくシート材料を接合することができる。

業界では、接合方法としてのパンチリベッティングが広く使用されている。特に自動車製造では、重量軽減のために、従って消費エネルギー削減のために、アルミニウム又は高強度鋼、マグネシウムシート、プラスチック、炭素繊維強化プラスチック及び同様の材料などの軽量材料が車体パネルに採用されてきた。アルミニウムは、その高い熱伝導率、低い融解範囲及び酸化物表面膜を形成する傾向に起因して、特に鋼に対するスポット溶接がとりわけ困難又は実現不可能である。従って、パンチリベット連結には常に新たな需要が突き付けられている。

軽量材料の接合に特に適したセルフピアスリベットは、数多くの文献に記載されている。

国際公開第２０１４／０１３２３２号には、完全に中空のセルフピアスリベットを使用して、少なくとも２つの軽量金属合金シートのスタックに接合部を形成する方法が開示されている。このリベットは、少なくともそのボアの一部に沿って潤滑剤をコーティングされ、材料の上面を穿孔し、胴部が外向きに変形して材料と連結するが、材料のダイ側には貫通しないようになっている。リベットの胴部の外径は５．４ｍｍ以下である。ダイは、リベットの有効実体積（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｓｏｌｉｄ ｖｏｌｕｍｅ）の６０％又は７０％未満の体積を有する。

米国特許第９３１６２４３号には、頭部と、その長さの少なくとも一部に沿って延びるボアを定めるように少なくとも部分的に中空である実質的に円筒形の胴部とを含み、胴部の外径が少なくとも６ｍｍであり、リベットの有効長が胴部の直径の少なくとも１．３倍であり、ボアの体積がリベットの有効実体積の少なくとも３８％であるセルフピアスリベットが記載されている。このようなリベットは、厚いスタック、マグネシウム合金及びアルミニウム合金などの高強度軽量金属合金との使用に適している。

米国特許出願公開第２０１７／００９７９４号は、少なくとも２つの部品間に接合連結部を形成するための、特に高強度鋼で形成された部品と、壁厚のアルミニウムシート又は鋳造アルミニウムで形成された部品との間に接合連結部を形成するためのセルフピアスリベット、具体的には半中空セルフピアスリベット、並びにその方法に関する。このセルフピアスリベットは、リベット頭部と、中心胴部ボアを有するリベット胴部とを備え、リベット頭部は、上側が所定の頭部直径を有する。リベット胴部は、円筒形の胴部外面と、中心胴部ボアを制限する胴部内面とを有する。胴部外面及び胴部内面は、リベット頭部から離れた方を向くリベット胴部の軸端において平らな胴部端面及び胴部端部半径によって接続され、胴部端部半径は、接線方向に胴部内面に移行し、リベット胴部の最大半径方向幅の少なくとも２倍ほどの大きさである。平らな胴部端面は、刃先によって胴部外面に接続され、リベット胴部の最大半径方向幅と半径方向胴部端面幅との比率は１．５〜２．５である。このセルフピアスリベットには、特定のリベット胴部形状に起因して高強度の最上層を打ち抜くのに十分な軸方向安定性が与えられる。同時に、リベット基部の構造が、高強度の最上層を貫通できるほど十分に鈍い形状と、高強度の最上層に比べて柔らかいさらなる材料層に進入できるほど十分に尖った又は鋭い形状とをもたらす。

国際公開第２０１４／０１３２３２号 米国特許第９３１６２４３号明細書 米国特許出願公開第２０１７／００９７９４号明細書

上述したセルフピアスリベットの形状は、高強度部品又はアルミニウム部品の接合連結部に適合する。しかしながら、依然として、接合品質を高めて新たな材料間に、とりわけ脆弱材料間又は２つよりも多くの部品のスタック間に接合連結部を形成するように適合されたセルフピアスリベットを開発するためのニーズが存在する。具体的に言えば、脆弱材料は塑性的に変形しない（又はほとんど変形しない）ため、非常に低い伸び率を示す。例えば、接合すべき材料が１５％未満又は１２％未満の伸び率しか示さないこともある。

上述した目的は、独立特許請求項１に定めるセルフピアスリベットによって達成される。

少なくとも２つ又は３つの部品間に接合連結部を形成するためのセルフピアスリベットは、リベット頭部及びリベット胴部を備える。リベット胴部は、基部を含む中心ボアと、円筒形の胴部外面と、中心胴部ボアを制限する胴部内面とを有する。リベット頭部から離れたリベット胴部には、環状穿孔端部（ａｎｎｕｌａｒ ｐｉｅｒｃｉｎｇ ｅｎｄ）が設けられる。胴部外面は第１の直径を有し、胴部ボアは、中心胴部ボアの基部と環状穿孔端部との間のボア深さを有する。第１の直径とボア深さとの比率は、０．５０〜０．６７の範囲内である。

形成されるセルフピアスリベットは、低い挿入力及び小さなダイ体積を可能にするリベット胴部の特別な形状を特徴とする。最新技術からは、特別なボア深さ又はリベット長、或いはリベット長とリベット径との間の特別な比率に従う形状のセルフピアスリベットを製造することが知られていた。しかしながら驚くべきことに、複数回の試験では、胴部外面直径とボア深さとの比率が０．５〜０．６７であるセルフピアスリベット形状によって、とりわけアルミニウム合金などの脆弱材料及び３つの部品のスタックについて良好な接合品質のリベットを実行できることが示された。このような比率は、リベット体積を減少させることができるので特に有利である。リベット体積を減少させると、リベットの重量が通常よりも軽くなる。さらに、リベット体積の減少はダイ体積の減少にもつながる。ダイ体積が小さければ、接合連結部のダイ側に配置される可能性がある脆弱材料の接続が可能になる。第１の直径とボア深さとの比率が０．５よりも小さいと、完全な中空リベット又は頭部の厚みが非常に薄いリベットになるため、十分な結果が得られない。リベットが完全に中空である場合には、あらゆる「粉塵」（例えば、設定プロセス中にリベット及びシートから拭き取られたコーティング材）が接合部の頂部に出現してその後の自動車生産において問題を引き起こす恐れがあり、また自動車メーカーは、視覚的要件からも接合部の見た目が平らであることを好む。頭部の厚みが非常に薄い場合には、冷間成形法によって強固に生産することができない（実際に、冷間成形力が高くなりすぎる）。

１つの実施形態では、第１の直径Ｄｓとボア深さＴとの比率が０．５８≦Ｄｓ／Ｔ≦０．６７の範囲内であり、より具体的には０．５８≦Ｄｓ／Ｔ≦０．６３である。本発明者らが行った試験では、このような比率がさらに良好な接合品質をもたらすことが立証された。

１つの実施形態では、第１の直径が５．３ｍｍである。このような直径のセルフピアスリベットは重量が軽く、リベットを挿入するために必要な力も小さい。

１つの実施形態では、基部が、基部の周縁部と胴部内面との間に半径Ｒ２の弓状遷移部（ａｒｃｕａｔｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）を有する円錐状又は円錐台状である。別の実施形態では、基部が丸みを有することもできる。従って、セルフピアスリベットの製造が単純化される。

１つの実施形態では、半径Ｒ２が０．３５〜０．４ｍｍである。このような半径は製造を単純化する。

１つの実施形態では、胴部外面及び胴部内面が、環状穿孔端部において胴部端面及び胴部端部半径Ｒ３によって接続される。

１つの実施形態では、胴部端部半径が１．２〜１．４ｍｍに構成される。とりわけ、胴部端部半径は１．３ｍｍである。このような胴部端部半径は、セルフピアスリベットを材料内に良好に貫通させて材料の流れを改善することができる。

１つの実施形態では、胴部端部半径と胴部端面との間に９０度の内包角を有する円錐状のテーパ面が配置される。従って、円錐状の進入が行われる。

１つの実施形態では、胴部端面が弓状であり、この弓状の胴部端面が０．１５〜０．３ｍｍの曲率半径を有する。このような弓状の胴部端部は、良好な材料貫通を可能にする。別の実施形態では、胴部端面が平らである。平らな胴部端面を有するセルフピアスリベットはさらに強固であって圧潰しない。

１つの実施形態では、頭部が、上部と、上部と胴部との間に定められる遷移領域とを有し、遷移領域は、２．１〜２．３ｍｍの範囲内の、とりわけ２．２ｍｍの曲率半径を有する。従って、材料の応力が低下する。さらに、供給技術（ｆｅｅｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）は従来のリベットに関して不変のままである。別の実施形態では、遷移領域が、０．５〜２．３ｍｍの範囲内の曲率半径を有することができる。曲率半径が小さいと、設定力（ｓｅｔｔｉｎｇ ｆｏｒｃｅｓ）を最小化することができる。

１つの実施形態では、頭部が、基部に対向する上面を有し、基部と上面との間の厚みが１．５〜３．５ｍｍに構成される。遷移領域の曲率半径が小さければ小さいほど、この厚みは大きくなる傾向にある。さらに、リベット頭部は、長手方向軸に沿った０．２ｍｍ〜０．６ｍｍの、とりわけ３ｍｍの高さｈの上部を有する。

１つの実施形態では、ボア深さＴが８ｍｍ〜９ｍｍである。

１つの実施形態では、リベット胴部が長手方向軸に沿って延び、環状穿孔端部が、長手方向軸に沿った０．３ｍｍ未満の長さを有する。

このセルフピアスリベットは、３つの部品のスタックに接合連結部を形成するのに適する。

本発明は、上側加工物、及び脆弱材料から形成された下側加工物と、上述したようなセルフピアスリベットとを含むセルフピアスリベット接合部にも関する。

このセルフピアスリベットは、パンチ、ダイ及び材料スタックを備えたシステムにおいて使用される。ダイに面する材料は脆弱材料とすることができる。例えば、この材料は、１５％未満の、又はとりわけ１２％未満の伸び率を有することができる。例えば、鋳造アルミニウム、アルミニウムシート又はプロファイルを実装することができる。高強度鋼、マグネシウムシート、プラスチック、炭素繊維強化プラスチック及び同様の材料などの他の材料を使用することもできる。ダイの体積は、セルフピアスリベットの体積の１００％〜１２０％に対応する。

以下、添付図面を参照しながら本発明の具体的な実施形態をほんの一例として説明する。

本発明によるセルフピアスリベットの第１の実施形態の断面図である。 図１においてＩＩと表記するリベットの領域の拡大図である。 本発明によるセルフピアスリベットの第２の実施形態の断面図である。 比較目的で準備した、先行技術のセルフピアスリベットを使用したリベット接合部の断面図である。 比較目的で準備した、本発明によるセルフピアスリベットを使用したリベット接合部の断面図である。

これらの異なる図では、同一又は同様の要素を同じ参照符号で示す。

図１及び図３に、リベット頭部１２と、長手方向軸に沿って延びるリベット胴部１４とを含むセルフピアスリベット１０を示す。セルフピアスリベット１０は、少なくとも２つの部品間に、とりわけ図４Ｂに示すようにアルミニウム部品又はアルミニウムシートなどの３つの部品Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３間に接合連結部を形成するのに適する。

リベット胴部１４は、基部１７を有する中心胴部ボア１６を含む。リベット胴部１４は、円筒形の胴部外面１８と、中心胴部ボアを制限する胴部内面２０とをさらに含む。胴部外面は、第１の直径Ｄｓを有する。胴部内面２０は、第２の直径Ｄｉを有する。リベット胴部１４は、リベット頭部１２から離れた方を向く環状穿孔端部２２をさらに含む。中心胴部ボアは、中心胴部ボアの基部と環状穿孔端部との間のボア深さＴを有する。具体的には、ボア深さＴは、長手方向軸に沿った基部１７と環状穿孔端部２２との間の最大距離である。例えば、ボア深さＴは、基部の表面の最も上側の地点（換言すれば、最も頭部の上面近くに位置する基部の地点）と、環状穿孔端部２２の最も低い地点との間の距離である。

セルフピアスリベットの形状は、第１の直径Ｄｓとボア深さＴとの比率が０．５０≦Ｄｓ／Ｔ≦０．６７の範囲内にあるようなものである。具体的には、この比率は、０．５８又は０、５９〜０．６７又は０．６６の範囲とすることができる。従って、リベットの形状は、リベット長Ｌのような他のパラメータを通じてではなく、外径対ボア深さの比率を通じて定められる。

リベット頭部１２は、リベット胴部１４から半径方向外向きに広がる。リベット頭部１２は、上部２４と、上部２４とリベット胴部１４との間に定められる遷移領域とを含む。遷移領域は、２．１〜２．３ｍｍの範囲内の、とりわけ２．２ｍｍの曲率半径Ｒ１を有する。上部２４は、基部１７に対向する上面２６を有する。基部１７と上面２６との間の厚みｔｂｕは、１．５〜３．５ｍｍに構成される。リベット頭部１２の上部２４は、長手方向軸に沿った高さｈを有する。

図面に示すように、基部１７は、円錐状又は円錐台状とすることができる。基部は、丸みを有することもできる。基部は、基部の周縁部と胴部内面との間に半径Ｒ２の弓状遷移部を有することができる。半径Ｒ２は、０．３５〜０．４ｍｍである。

胴部内面２０は、基部から環状穿孔端部２２まで長手方向軸と平行に延びる。胴部外面１８及び胴部内面２０は、図２及び図３に示すように環状穿孔端部において胴部端面２８及び胴部端部半径Ｒ３によって接続される。胴部端部半径Ｒ３は、１．２〜１．４ミリメートル（ｍｍ）である。例えば、胴部端部半径は１．３ｍｍである。

図３に示すように、胴部端面は平らな胴部端面とすることができる。平らな胴部端面は、長手方向軸に対して垂直な軸に沿った幅ｗを有する。胴部端面は、図２に示すような半径Ｒ４を有する弓状の胴部端面とすることもできる。半径Ｒ４は、０．１５〜０．３ｍｍとすることができる。胴部端部半径Ｒ３と胴部端面との間には、円錐状のテーパ面が配置される。円錐状のテーパ面は、９０度の内包角（ｉｎｃｌｕｓｉｖｅ ａｎｇｌｅ）αを有する。

環状穿孔端部は、長手方向軸に沿った０．３ｍｍ未満の長さＬａｐを有する。

上述したように、図１及び図２に示す第１の実施形態では、セルフピアスリベットが、曲率半径Ｒ４の弓状の胴部端面を有する。

第１の変形例では、第１の実施形態によるセルフピアスリベットが以下の寸法を有する。

第２の変形例では、第１の実施形態によるセルフピアスリベットが以下の寸法を有する。

第３の変形例では、第１の実施形態によるセルフピアスリベットが以下の寸法を有する。

図３に示す第２の実施形態では、セルフピアスリベットが平らな胴部端面を有する。

ある変形例では、第２の実施形態によるセルフピアスリベットが以下の寸法を有する。

さらなる変形例では、第２の実施形態によるセルフピアスリベットが以下の寸法を有する。

次に、図面の図４Ａ及び図４Ｂに、セルフピアスリベットによって３つの脆弱アルミニウム合金シートのスタックに形成された接合部を示す。図４Ａには、先行技術のセルフピアスリベットによって３つのアルミニウムシートのスタックに形成された接合部を示す。図４Ｂには、本発明によるセルフピアスリベットによって３つのアルミニウムシートのスタックに形成された接合部を示す。

図４Ａでは、先行技術のセルフピアスリベットが、０．７を上回る第１の直径対ボア深さ比を有する。図４Ａの接合部断面では、最新式のリベットを用いたセルフピアスリベッティングで新しい比較的脆弱なアルミニウム合金を含むこのような構造を接合できないことが明らかである。実際に、このようなリベットでは、残っている最下部のシート材料の厚みが薄すぎて、連続生産環境では亀裂が生じてしまう。また、設定力が非常に高く、現在知られており使用されているセルフピアスリベッティング設備の上限力公差（ｕｐｐｅｒ ｆｏｒｃｅ ｔｏｌｅｒａｎｃｅ）を上回り、この高い力がなければ噛み合いが弱くなりすぎてしまう。

図４Ｂのセルフピアスリベットは、本発明によるものである。図４Ａとは対照的に、図４Ｂには良好に行われた接合が示されている。本発明による軸径対ボア深さ比によれば、残りの材料の厚みがかなり大きく（亀裂のリスクがなく）、設定力が大幅に低い。これによってダイの体積を減少させることができ、従って下側シート材料の変形を抑えることができる（さらに延性の低い材料でも接合することができる）。

従って、本発明によるセルフピアスリベットは、セルフピアスリベッティングの組み立て範囲を広げることができる。

１０ セルフピアスリベット
１２ リベット頭部
１４ リベット胴部
１６ 中心胴部ボア
１７ 基部
１８ 胴部外面
２０ 胴部内面
２２ 環状穿孔端部
２４ リベット頭部の上部
２６ リベット頭部の上部の上面
Ｄｉ 第２の直径
Ｄｓ 第１の直径
ｈ 高さ
ＩＩ 拡大部分
Ｌ リベット長
Ｒ１ 曲率半径
Ｒ２ 弓状遷移部の半径
Ｔ ボア深さ
ｔｂｕ 基部と上面との間の厚み

Claims (14)

1. 少なくとも２つの部品（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）間に接合連結部を形成するためのセルフピアスリベット（１０）であって、
   ａ．リベット頭部（１２）と、基部を含む中心胴部ボアを有するリベット胴部（１４）とを備え、
   ｂ．前記リベット胴部（１４）は、円筒形の胴部外面と、前記中心胴部ボアを制限する胴部内面とを有するとともに、前記リベット頭部（１２）から離れた方を向く環状穿孔端部（２２）を有し、
   ｃ．前記胴部外面は第１の直径（Ｄｓ）を有し、前記中心胴部ボアは、該中心胴部ボアの前記基部（１７）と前記環状穿孔端部（２２）との間のボア深さ（ｔ）を有し、
   前記第１の直径（Ｄｓ）と前記ボア深さ（ｔ）との比率が０．５０≦Ｄｓ／Ｔ≦０．６７の範囲内である、
   ことを特徴とするセルフピアスリベット（１０）。
2. 前記第１の直径（Ｄｓ）と前記ボア深さ（ｔ）との前記比率は、０．５８≦Ｄｓ／Ｔ≦０．６３の範囲内である、
   請求項１に記載のセルフピアスリベット（１０）。
3. 前記第１の直径（Ｄｓ）は５、３ｍｍである、
   請求項１又は２に記載のセルフピアスリベット（１０）。
4. 前記基部は、該基部の周縁部と前記胴部内面との間に半径（Ｒ２）の弓状遷移部を有する円錐状又は円錐台状である、
   請求項１から３のいずれかに記載のセルフピアスリベット（１０）。
5. 前記半径（Ｒ２）は０．３５〜０．４ｍｍである、
   請求項４に記載のセルフピアスリベット（１０）。
6. 前記胴部外面及び前記胴部内面は、前記環状穿孔端部（２２）において胴部端面及び胴部端部半径によって接続される、
   請求項１から５のいずれかに記載のセルフピアスリベット（１０）。
7. 前記胴部端部半径（Ｒ３）は１．２〜１．４ｍｍに構成される、
   請求項６に記載のセルフピアスリベット（１０）。
8. 前記胴部端部半径（Ｒ３）は１．３ｍｍである、
   請求項７に記載のセルフピアスリベット（１０）。
9. 前記胴部端部半径と前記胴部端面との間に円錐状のテーパ面が配置され、該円錐状のテーパ面は９０度の内包角（α）を有する、
   請求項６から８のいずれかに記載のセルフピアスリベット（１０）。
10. 前記胴部端面は弓状であり、該弓状の胴部端面は０．１５〜０．３ｍｍの曲率半径（Ｒ４）を有する、
    請求項６から９のいずれかに記載のセルフピアスリベット（１０）。
11. 前記頭部は、上部と、該上部と前記胴部との間に定められる遷移領域とを有し、該遷移領域は、２．１〜２．３ｍｍの範囲内の、とりわけ２．２ｍｍの曲率半径を有する、
    請求項１から１０のいずれかに記載のセルフピアスリベット（１０）。
12. 前記頭部（１２）は、前記基部に対向する上面を有し、前記基部と前記上面との間の厚み（ｔｂｕ）は１．５〜３．５ｍｍに構成される、
    請求項１から１１のいずれかに記載のセルフピアスリベット（１０）。
13. 前記リベット胴部（１４）は長手方向軸に沿って延び、前記環状穿孔端部（２２）は、前記長手方向軸に沿った０．３ｍｍ未満の長さを有する、
    請求項１から１２のいずれかに記載のセルフピアスリベット（１０）。
14. 上側加工物、及び脆弱材料から形成された下側加工物と、請求項１から１３のいずれかに記載のセルフピアスリベットとを含む、
    ことを特徴とするセルフピアスリベット接合部。

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