JP2023045072A - 加締め装置及び加締め方法 - Google Patents

Abstract

【課題】硬度にばらつきが出やすい部材を加締め対象とする場合においても、加締め量を安定して許容範囲内に収める。
【解決手段】被加締め部材２をパンチ１１で押し潰した際に被加締め部材２に生じる塑性流動で、被加締め部材２に加締め部３を形成するに際し、パンチ１１の先端に、被加締め部材２を押し潰し可能な押し潰し部１４を設けると共に、押し潰し部１４よりもパンチ１１の基端側に、被加締め部材２のうち押し潰し部１４で押し潰されない領域と当接することで押し潰しを規制する規制面１５を設け、パンチ１１による押し潰し時に被加締め部材２が規制面１５に当接したことを検知した場合に、パンチ１１の押し潰し方向の駆動を停止する。
【選択図】図５

Description

本発明は、加締め装置及び加締め方法に関する。

例えば自動車の製造工程では、異種材同士の結合を図るための手段として、一方又は双方の塑性変形により機械的結合を図る加締めが用いられている。ここで、加締め強度は、加締め態様にもよるが、通常、塑性変形量の影響を受けることから、この種の加締め工程においては、加締め時の塑性変形量又はこの変形量に準じたパラメータを管理することが重要となる。

例えば特許文献１には、ナットを軸方向に押込んで当該ナットを径方向内側に塑性変形させることによってボルトとの結合を図るに際して、押込み部の押込み方向のストローク量を制御することが記載されている。詳述すると、特許文献１には、所定の条件を満たす加締め深さを決定する工程と、決定した加締め深さ以上となる押込み部のストローク量を所定の関係に基づいて決定する工程と、決定した押込み部のストローク量以上となる駆動部のストローク量を所定の関係に基づいて決定する工程と、決定した駆動部のストローク量以上でかつ予め設定された加締め部（塑性変形部）が破損する駆動部のストローク量未満となる目標制御ストローク量で、駆動部を制御する工程とを備えた加締め方法が提案されている。

特開２０１６－１９８７７４号公報

ところで、実際の加締め対象となる部材が、例えばアルミなど一般的な自動車用材料である鉄以外の所定の材料からなる場合、硬度に大きなばらつきが見られることがある。このように被加締め部材の硬度が大きくばらつくと、特許文献１に記載の如き従来の方法（ストローク制御）で加締めを行った際、加締め量（加締め状態にするための塑性変形量）にも大きなばらつきが生じることがある。一方で、加締め量の許容範囲は厳格に（狭く）設定されることが多いため、硬度のばらつきが大きな部材に対してこの種の結合手段を適用した場合、全てのワークについて加締め量を許容範囲内に収めることが難しいといった問題が生じる。

以上の事情に鑑み、本明細書では、硬度にばらつきが出やすい部材を加締め対象とする場合においても、加締め量を安定して許容範囲内に収めることを、解決すべき技術課題とする。

前記課題の解決は、本発明に係る加締め装置によって達成される。すなわち、この装置は、被加締め部材を押し潰すためのパンチと、パンチの駆動を制御する制御部とを備え、パンチで被加締め部材を押し潰した際に生じる塑性流動で、被加締め部材に加締め部を形成するための加締め装置において、パンチはその先端に被加締め部材を押し潰し可能な押し潰し部を有すると共に、押し潰し部よりもパンチの基端側に位置し、被加締め部材のうち押し潰し部で押し潰されない領域と当接することで押し潰しを規制する規制面とを有し、制御部は、押し潰し時に被加締め部材が規制面に当接したことを検知した場合に、パンチの押し潰し方向の駆動を停止するよう制御可能に構成される点をもって特徴付けられる。

このように、本発明に係る加締め装置では、被加締め部材を押し潰すためのパンチに、パンチの先端に設けた押し潰し部よりもパンチの基端側に位置し、被加締め部材のうちパンチで押し潰されない領域と当接することで押し潰しを規制する規制面を設けた。そのため、この規制面を設けたパンチを用いて加締めを行うことで、被加締め部材の一定量を超える押し潰しが規制面によって規制される。また、この規制面を有するパンチを用いて加締めを行う際、被加締め部材が規制面に当接したことを検知した場合に、パンチの押し潰し方向の駆動を停止可能とすることによって、押し潰し量が一定の大きさに達した時点でパンチの押し潰し潰し動作を確実に停止することができる。よって、硬度のばらつきが大きな被加締め部材を加締め対象とする場合であっても、安定した加締め量を安定して許容範囲内に収めることが可能となる。

あるいは、前記課題の解決は、本発明に係る加締め方法によっても達成される。すなわち、この方法は、被加締め部材をパンチで押し潰した際に被加締め部材に生じる塑性流動で、被加締め部材に加締め部を形成するための方法において、パンチの先端に、被加締め部材を押し潰し可能な押し潰し部を設けると共に、押し潰し部よりもパンチの基端側に、被加締め部材のうち押し潰し部で押し潰されない領域と当接することで押し潰しを規制する規制面を設け、パンチによる押し潰し時に被加締め部材が規制面に当接したことを検知した場合に、パンチの押し潰し方向の駆動を停止する点をもって特徴付けられる。

このように、本発明に係る加締め方法では、被加締め部材を押し潰すためのパンチに、パンチの先端に設けた押し潰し部よりもパンチの基端側に位置し、被加締め部材のうちパンチで押し潰されない領域と当接することで押し潰しを規制する規制面を設けたパンチを用いて加締めを行うようにした。そのため、本発明に係る加締め装置と同様、被加締め部材の一定量を超える押し潰しが規制面によって規制される。また、この規制面を有するパンチを用いた加締め時に被加締め部材が規制面に当接したことを検知した場合に、パンチの押し潰し方向の駆動を停止することによって、押し潰し量が一定の大きさに達した時点でパンチの押し潰し動作を確実に停止することができる。よって、硬度のばらつきが大きな被加締め部材を加締め対象とする場合であっても、安定した加締め量を得ることが可能となる。

また、本発明に係る加締め方法においては、被加締め部材の硬度が所定のばらつきを示す場合、硬度のばらつきの上限値を示す被加締め部材の押し潰し量が、押し潰し量の許容範囲の下限値以上となるように、押し潰し時の荷重を設定すると共に、硬度のばらつきの下限値を示す被加締め部材の押し潰し量が、押し潰し量の許容範囲の上限値以下となるように、規制面の押し潰し方向の位置を設定してもよい。

本発明に係る加締め方法によれば、たとえ硬度にばらつきがある被加締め部材のうち硬度のばらつきの下限値を示す被加締め部材であっても、規制面により必要以上の押し潰しを防止して、安定した加締め量を得ることが可能となる。加えて、上述のように、硬度のばらつきの上限値を示す被加締め部材の押し潰し量が、押し潰し量の許容範囲の下限値以上となるように、押し潰し時の荷重を設定すると共に、硬度のばらつきの下限値を示す被加締め部材の押し潰し量が、押し潰し量の許容範囲の上限値以下となるように、規制面の押し潰し方向の位置を設定することで、硬度のばらつきの下限値を示す被加締め部材だけでなく硬度のばらつきの上限値を示す被加締め部材についても所望の加締め量を得ることができる。すなわち、たとえ硬度のばらつきが大きな被加締め部材であっても、硬度の大小に関係なく、加締め量を安定して所望の範囲内に収めることが可能となる。

以上のように、本発明によれば、硬度にばらつきが出やすい部材を加締め対象とする場合においても、加締め量を安定して許容範囲内に収めることが可能となる。

本発明の一実施形態に係る加締め装置の全体構成を示す正面図である。 図１に示す加締め装置のＡ部を拡大した図である。 被加締め部材の硬度と押し潰し量との関係を示すグラフの一例である。 加締め時における制御の流れを示すフローチャートである。 加締め動作の概念を説明するための要部拡大図で、（ａ）加締め開始時の要部拡大図と、（ｂ）加締め完了時の要部拡大図である。 （ａ）（ｂ）ともに加締め時における押し潰し量と荷重との関係を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態に係る加締め装置及び加締め方法の内容を図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態に係る加締め装置１０の全体構成を示している。すなわち、本実施形態に係る加締め装置１０は、パンチ１１と、パンチ１１を駆動する駆動部１２と、駆動部１２の制御を行う制御部１３とを具備する。以下、各要素の詳細を説明する。

なお、本実施形態では、加締め相手となるシャフト部１の外周面１ａに嵌合穴２ａが嵌合した状態にある被加締め部材２の端部２ｂを押し潰すことで、被加締め部材２に加締めを施す場合を例にとって説明を行う。

パンチ１１は、被加締め部材２の端部２ｂを押し潰し可能とするもので、被加締め部材２の端部２ｂと正対する向きに配置される。また、パンチ１１はその先端に円環状の押し潰し部１４を有し（図２を参照）、同じく円環状をなす被加締め部材２の端部２ｂを全周にわたって軸方向に押し潰し可能に構成される。

また、パンチ１１は、押し潰し部１４よりもパンチ１１の基端側（図１でいえば上側）に、被加締め部材２の押し潰しを規制するための規制面１５を有する。本実施形態では、規制面１５は平坦な形状をなし、押し潰し部１４の外周に位置している。また、押し潰し部１４の端面１４ａよりも被加締め部材２との接触面積が大きくなるように、規制面１５の径方向寸法が設定されている。規制面１５の押し潰し方向の位置（本実施形態では規制面１５の押し潰し部１４の端面１４ａからのパンチ１１基端側への後退量Ｒ）については、後述する。

駆動部１２は、パンチ１１を被加締め部材２の押し潰し方向に沿って駆動可能とするもので、例えば直線的に往復動可能に構成される。また、駆動部１２は、パンチ１１の押し潰し方向の位置、及びパンチ１１が被加締め部材２から受ける反力を検知可能に構成される。なお、駆動部１２としては、パンチ１１を上述した態様で駆動可能な限りにおいて任意の手段が採用可能であり、例えば高精度な荷重制御を可能とするサーボシリンダが好適である。

制御部１３は、駆動部１２の制御を可能とするもので、例えば後述するようにパンチ１１が被加締め部材２から受けた反力の大きさに基づいてパンチ１１の駆動を制御可能としている。言い換えると、制御部１３は、パンチ１１の駆動を荷重制御可能としている。

次に、加締め時の設定荷重（押し潰し時荷重）について説明すると共に、規制面１５の押し潰し方向の位置について説明する。

図３は、被加締め部材２の硬度Ｈと、被加締め部材２の加締め時における押し潰し量Ｃとの関係を示している。すなわち、図３中の太線ラインで示すように、少なくとも本実施形態に係る加締め態様においては、硬度Ｈと押し潰し量Ｃとの間に一定の相関がみられる。すなわち、硬度Ｈが大きくなるにつれて押し潰し量Ｃは減少し、硬度Ｈが小さくなるにつれて押し潰し量Ｃは増加する傾向がみられる。また、この場合、双方のパラメータＨ，Ｃの関係を示す太線ラインが、加締め時の荷重（押し潰し時の荷重）によって全体的にシフト（平行移動）する傾向がみられる。すなわち、押し潰し時荷重が大きいほど上記太線ラインは上方にシフトし、押し潰し時荷重が小さいほど上記太線ラインは下方にシフトする傾向がみられる。以上の点を踏まえて、例えば被加締め部材２の硬度Ｈが、図３に示すように、下限値Ｈ１から上限値Ｈ２まで所定のばらつきを示す場合、硬度Ｈのばらつきの上限値Ｈ２を示す被加締め部材２の押し潰し量Ｃが、当該押し潰し量Ｃの許容範囲内に収まるように、押し潰し時荷重の大きさが設定される。すなわち、押し潰し量Ｃの許容範囲の下限値がＣ１、上限値がＣ２である場合、硬度Ｈが上限値Ｈ２を示す被加締め部材２の押し潰し量Ｃが、少なくとも押し潰し量Ｃの許容範囲の下限値Ｃ１以上となるように、パンチ１１による被加締め部材２の押し潰し時荷重の大きさが設定される。一例として、硬度Ｈが上限値Ｈ２を示す被加締め部材２の押し潰し量Ｃを許容範囲の下限値Ｃ１より大きな所定の値Ｃ３とする場合、硬度Ｈと押し潰し量Ｃとの関係を示す太線ライン（一点鎖線）が押し潰し量Ｃ３と硬度Ｈ２との交点を通過するように、押し潰し時荷重の大きさが設定される。

また、規制面１５の押し潰し方向に沿った位置に関し、硬度Ｈのばらつきの下限値Ｈ１を示す被加締め部材２の押し潰し量Ｃが、当該押し潰し量Ｃの許容範囲内に収まるように、押し潰し部１４の端面１４ａに対する規制面１５の位置が設定される。すなわち、硬度Ｈが下限値Ｈ１を示す被加締め部材２の押し潰し量Ｃが、押し潰し量Ｃの許容範囲の上限値Ｃ２以下となるように、押し潰し部１４の端面１４ａに対する規制面１５の位置（すなわち押し潰し部１４の端面１４ａからの規制面１５の後退量Ｒ）が設定される。一例として、硬度Ｈが下限値Ｈ１を示す被加締め部材２の押し潰し量Ｃを許容範囲の上限値Ｃ２より小さな所定の値Ｃ４とする場合、当該所定の値Ｃ４と等しい大きさになるように、押し潰し部１４の端面１４ａに対する規制面１５の位置（後退量Ｒ）が設定される。

次に、上記構成の加締め装置１０を用いた加締め方法の一例を、図４に示すフローチャートに沿って説明する。

まず、制御部１３が駆動部１２に指令を送り、押し潰し方向（図１の下向き）にパンチ１１を駆動させる。この場合、パンチ１１の移動速度は所定の大きさに設定される。そして、駆動開始後、駆動部１２は一定時間ごとにパンチ１１が被加締め部材２から受ける反力を検知する。実際には、パンチ１１の押し潰し部１４が被加締め部材２の端部２ｂと当接することで所定の反力が検知可能となり（図５（ａ）を参照）、押し潰しの進行（パンチ１１の下降）に伴って反力が増加していく（図６（ａ）を参照）。

そして、上述のように反力を検知する度に、制御部１３は、検知した反力が予め設定した閾値Ｔ以上であるか否かを判定する。ここで、被加締め部材２が例えば硬度Ｈのばらつきの上限値Ｈ２側の値を示すものである場合、押し潰し量Ｃの値が許容範囲の下限値Ｃ１より大きな値Ｃ３となるような押し潰し時荷重に等しい値を閾値Ｔとする。そして、検知した反力が閾値Ｔ未満であると判定した場合、パンチ１１の押し潰し方向の駆動を継続する（図４を参照）。あるいは、検知した反力が閾値Ｔ以上であると判定した場合、被加締め部材２の端部２ｂが軸方向に寸法Ｃ３分だけ押し潰され、押し潰された領域の内側に必要な大きさの加締め部３が形成されたものとみなして（図５（ｂ）を参照）、パンチ１１の押し潰し方向の駆動を停止する。

一方、被加締め部材２が硬度Ｈのばらつきの下限値Ｈ１側の値を示すものである場合、硬度Ｈのばらつきの上限値Ｈ２側の値を示す場合と比べて、より小さな荷重（反力）で圧し潰し量Ｃが増加する（図６（ｂ）を参照）。そして、規制面１５の後退量Ｒに等しい大きさの押し潰し量Ｃ４に達した時点で、被加締め部材２の押し潰されない領域、すなわち端部２ｂよりも半径方向外側の領域が規制面１５と当接する（図５（ｂ）を参照）。そのため、パンチ１１と被加締め部材２との接触面積が急激に増加し、パンチ１１が被加締め部材２から受ける反力も急激に増加する（図６（ｂ）を参照）。これにより、検知した反力が閾値Ｔ以上であると判定した場合、被加締め部材２の端部２ｂが十分に押し潰されかつ被加締め部材２がパンチ１１の規制面１５と当接したものとみなして、パンチ１１の押し潰し方向の駆動を停止する。これにより、被加締め部材２の許容範囲の上限値Ｃ２を超える押し潰しが防止される。

以上述べたように、本実施形態に係る加締め装置１０及び加締め方法では、被加締め部材２を押し潰すためのパンチ１１に、パンチ１１の先端に設けた押し潰し部１４よりもパンチ１１の基端側に位置し、被加締め部材２のうちパンチ１１で押し潰されない領域と当接することで押し潰しを規制する規制面１５を設けたパンチ１１を用いて加締めを行うようにした。そのため、被加締め部材２の一定量を超える押し潰しが規制面１５によって規制される。また、この規制面１５を有するパンチ１１を用いた加締め時に被加締め部材２が規制面１５に当接したことを検知した場合に、パンチ１１の押し潰し方向の駆動を停止することによって、押し潰し量Ｃが一定の大きさに達した時点でパンチ１１の押し潰し動作を確実に停止することができる。よって、硬度Ｈのばらつきが大きな被加締め部材２を加締め対象とする場合であっても、安定した加締め量を得ることが可能となる。

また、本実施形態では、被加締め部材２の硬度Ｈが所定のばらつきを示す場合において、硬度Ｈのばらつきの上限値Ｈ２（図３を参照）を示す被加締め部材２の押し潰し量Ｃが、押し潰し量Ｃの許容範囲の下限値Ｃ１以上となるように押し潰し時の荷重を設定すると共に、硬度Ｈのばらつきの下限値Ｈ１を示す被加締め部材２の押し潰し量Ｃが、押し潰し量Ｃの許容範囲の上限値Ｃ２以下となるように規制面１５の位置（押し潰し方向の位置）を設定した。このように押し潰し時の荷重Ｃを設定すると共に、規制面１５の押し潰し方向の位置を設定することで、硬度Ｈのばらつきの下限値Ｈ１を示す被加締め部材２だけでなく硬度Ｈのばらつきの上限値Ｈ２を示す被加締め部材２についても所望の加締め量を得ることができる。すなわち、たとえ硬度Ｈのばらつきが大きな（Ｈ２－Ｈ１が大きな）被加締め部材２であっても、硬度Ｈの大小に関係なく、加締め量を安定して所望の範囲内に収めることが可能となる。

以上、本発明の一実施形態について述べたが、本発明に係る加締め装置及び加締め方法は、その趣旨を逸脱しない範囲において、上記以外の構成を採ることも可能である。

例えば、上記実施形態では、規制面１５を平坦な円盤状とした場合を例示したが、もちろん規制面１５の形状はこれには限られない。パンチ１１による被加締め部材２の押し潰しを規制可能な限りにおいて、規制面１５の形状、姿勢、並びにサイズは任意であり、例えば被加締め部材２の被押し潰し領域（ここでは端部２ｂ）以外の領域の形状などを考慮して、設定するのがよい。

また、上記実施形態では、規制面１５をパンチ１１の一部として設けた場合を例示したが、もちろんこれ以外の形態もとり得る。例えば規制面１５を有する部材をパンチ１１とは別体に作製し、これをパンチ１１の外周に取り付けることで、被加締め部材２の押し潰しを規制可能としてもよい。別体とすることで、例えば押し潰し部１４の摩耗に起因するパンチ１１の交換時期とは関係なく、規制面１５の押し潰し方向の位置を簡便に変更できる。

また、上記実施形態では、パンチ１１の押し潰し方向の位置と、パンチ１１による被加締め部材２の押し潰し時荷重の反力としてパンチ１１が被加締め部材２から受ける力を、駆動部１２により検知可能とした場合を例示したが、もちろんこれ以外の形態をとることも可能である。駆動部１２とは別個に設けたレーザー変位計などの位置測定装置や、荷重を測定可能な荷重測定装置で、パンチ１１の押し潰し方向の位置や押し潰し時荷重を直接的に又は間接的に測定してもかまわない。

また、上記実施形態では、硬度Ｈがばらつきの上限値Ｈ２を示す被加締め部材２に加締めを施した際、押し潰し量Ｃのばらつきの下限値Ｃ１に近い値Ｃ３となるように押し潰し時荷重を設定して、被加締め部材２に加締めを施す場合を例示したが（図６（ａ）を参照）、もちろんこれ以外の条件で加締めを施してもよい。すなわち、図示は省略するが、硬度Ｈがばらつきの上限値Ｈ２を示す被加締め部材２に加締めを施した際、被加締め部材２の押し潰されない領域と規制面１５とが当接するように、押し潰し時荷重を設定してもよい。このように設定することで、常に同じ閾値でパンチ１１の押し潰し方向の駆動及び停止を制御できるので、制御態様が非常に簡便となる。

１ シャフト部
１ａ 外周面
２ 被加締め部材
２ａ 嵌合穴
２ｂ 端部
３ 加締め部
１０ 加締め装置
１１ パンチ
１２ 駆動部
１３ 制御部
１４ 押し潰し部
１４ａ 端面
１５ 規制面
Ｃ１ 押し潰し量の許容範囲の下限値
Ｃ２ 押し潰し量の許容範囲の上限値
Ｈ１ 硬度のばらつきの下限値
Ｈ２ 硬度のばらつきの上限値
Ｒ 押し潰し部の端面からの後退量
Ｔ 閾値

Claims (3)

1. 被加締め部材を押し潰すためのパンチと、前記パンチの駆動を制御する制御部とを備え、前記パンチで前記被加締め部材を押し潰した際に生じる塑性流動で、前記被加締め部材に加締め部を形成するための加締め装置において、
   前記パンチはその先端に前記被加締め部材を押し潰し可能な押し潰し部を有すると共に、前記押し潰し部よりも前記パンチの基端側に位置し、前記被加締め部材のうち前記押し潰し部で押し潰されない領域と当接することで前記押し潰しを規制する規制面とを有し、
   前記制御部は、前記押し潰し時に前記被加締め部材が前記規制面に当接したことを検知した場合に、前記パンチの押し潰し方向の駆動を停止するよう制御可能に構成されることを特徴とする加締め装置。
2. 被加締め部材をパンチで押し潰した際に前記被加締め部材に生じる塑性流動で、前記被加締め部材に加締め部を形成するための方法において、
   前記パンチの先端に、前記被加締め部材を押し潰し可能な押し潰し部を設けると共に、前記押し潰し部よりも前記パンチの基端側に、前記被加締め部材のうち前記押し潰し部で押し潰されない領域と当接することで前記押し潰しを規制する規制面を設け、
   前記パンチによる前記押し潰し時に前記被加締め部材が前記規制面に当接したことを検知した場合に、前記パンチの押し潰し方向の駆動を停止することを特徴とする加締め方法。
3. 前記被加締め部材の硬度が所定のばらつきを示す場合、前記硬度のばらつきの上限値を示す前記被加締め部材の押し潰し量が、前記押し潰し量の許容範囲の下限値以上となるように、前記押し潰し時の荷重を設定すると共に、
   前記硬度のばらつきの下限値を示す前記被加締め部材の押し潰し量が、前記押し潰し量の許容範囲の上限値以下となるように、前記規制面の前記押し潰し方向の位置を設定する請求項２に記載の加締め方法。

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