JP3421075B2 - 熱可塑性樹脂部材のかしめ方法及び締結体 - Google Patents

熱可塑性樹脂部材のかしめ方法及び締結体

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resin
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、熱可塑性樹脂部材の一
部をかしめることにより、この熱可塑性樹脂部材を別の
部材に取付けるための熱可塑性樹脂部材のかしめ方法及
びそれによってかしめられた締結体に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】従来から、ボールジョイント機構に於け
る樹脂製ボールシートのハウジングへの取付け、板ばね
用クリップに対する樹脂製クリップシートの取付け、樹
脂成形品への金属電極の取付け、または樹脂成形品のフ
ランジ部への補強板の取付けなど、熱可塑性樹脂部材の
一部をかしめ等により他の部材に取付けることが公知で
ある。
【０００３】例えば、熱可塑性樹脂からなる円柱状部材
をその端面にて板状部材に取付ける場合、図１０の断面
図に示すように、円柱状部材１の端面に設けられたかし
め部分としての小径の円柱状凸部１ａを板状部材２に開
設された孔２ａに挿入後、かしめ型３を矢印Ａの方向に
押し付けることにより、このかしめ型３の凹部３ａの形
状にならって凸部１ａが変形し、かしめ頭部１ａ′を得
るようになっている。
【０００４】図１０に於て凸部１ａの直径を４mm、かし
め後のかしめ頭部１ａ′の外径を６mm、その高さを１．
５mm、また円柱状部材１を熱可塑性樹脂のポリアセター
ル・コポリマー、板状部材２を充分な剛性を有する鋼板
とし、公知の各種かしめ（インサート成型、冷間かし
め、熱間かしめ、熱かしめ、超音波かしめ）により円柱
形部材１を板状部材２に取付けた場合の測定、実験結果
を以下に示す。
【０００５】ここで、図１０に於ける板状部材２を固定
し、円柱状部材１を矢印Ｂの方向へ引っ張った場合のカ
シメ部分の破壊荷重（引張破壊強度）は、かしめ頭部１
ａ′の内部が均一な組織であると仮定すると理論的には
次式により求められる２つの強度のうちの小さい方にな
る。
【０００６】 剪断破壊強度＝剪断力を受ける面積×材料の剪断強さ ＝４mm×円周率×１．５mm×５．４kgf/mm2 ≒１０２kgf 引張破壊強度＝引張力を受ける面積×材料の引張強さ ＝（４mm／２）2×円周率×６．２kgf/mm2 ≒７８kgf
【０００７】現実の強度は形状による応力集中等のため
各々計算値より低くなるので、実際に引っ張り荷重を掛
けた場合には、約７８kgf以下の力で直径４mmの部分が
破断することが予想される。
【０００８】まず、インサート成型により取付けようと
する板状部材２を予め金型に入れてから樹脂を射出成形
する場合、これはかしめではなく、金型の中に被取付部
材をセットした上で溶融した樹脂を圧力を加えつつ流し
込み、樹脂部材の成形と同時に取付けを行うものである
が、上記寸法にて実験した結果、引っ張り破壊強度は理
論強度に近い約９０％程度の約６８〜７４kgfとなっ
た。これは、成形時には樹脂材料が完全に溶融すること
から樹脂部材の内部が均一な組織になったためと考えら
れる。
【０００９】しかしながら、この方法は、被取付部材の
材質或いはこれに付帯する部品等の関係から金型に入れ
るのに適さない場合があり、また完全に溶融した樹脂を
高圧で射出するために、被取付部材の寸法ばらつきによ
りこの被取付部材と金型との隙間に樹脂が回り込み非常
に大きなばりとなってしまう場合もある。更に、被取付
部材の形状・大きさなどによってはインサート成形した
場合に金型取り数、成形サイクル等生産性が下がりコス
ト高になってしまう場合もある。
【００１０】次に、冷間かしめにより、図１０に於て円
柱状部材１と板状部材２とが共に常温又は樹脂融点より
低い温度の状態で、部材１の融点に比べ低温のかしめ型
３で凸部１ａを加圧変形させる場合、表２に示すよう
に、かしめ頭部１ａ′と板状部材２との間に約０．５mm
程の隙間が生じ、引張破壊強度は理論強度の約３０％程
度の約１５〜３１kgfしか得られなかった。また、がた
による異音の発生、耐久性が低い等の欠点があった。
【００１１】
【表１】
【００１２】ここで、かしめ頭部１ａ′と板状部材２と
の間に隙間が生じたのは、常温下での塑性変形により生
じる樹脂部材内部の残留応力によって弾性回復が起こる
ためであり、また塑性変形時の過大な歪みによりかしめ
頭部１ａ′に亀裂等の内部欠陥が生じ、引っ張り破壊強
度が低下したものと考えられる。
【００１３】次に、熱間かしめにより、図１０に於て円
柱状部材１全体を恒温槽等で予備加熱した後に速やかに
板状部材２と組み合わせ、部材１の融点より低温のかし
め型３によって凸部１ａを加熱変形させる場合、樹脂部
材の温度を上げておくことにより、塑性変形時の内部応
力の緩和が期待できるが、表２に示すように、実際には
かしめ頭部１ａ′と板状部材２との間に約０．３mmの隙
間が生じ、引っ張り破壊強度も理論強度の約３５％程度
しか得られず、冷間かしめに比べ著しい改善は認められ
なかった。
【００１４】
【表２】
【００１５】ここで、余熱温度を樹脂部材の融点（検討
例のポリアセタール・コポリマーの場合約１６０℃）近
づければ改善巾も大きくなると思われるが、成形された
樹脂部材全体の温度を融点近くまで上げると予備加熱中
或いは他の部材と組み合わせる際に円柱状部材１全体が
変形する可能性が高くなり実現は困難である。
【００１６】次に、熱かしめにより、図１０に於て円柱
状部材１と被取付部材２とが共に常温又は樹脂融点より
低い温度の状態で、部材１の融点より高温のかしめ型３
により凸部１ａ部を溶融変形させる場合、表３に示すよ
うに、かしめ頭部１ａ′と板状部材２との間には約０．
２mmの隙間が生じ、引っ張り破壊強度は理論値の約４５
％ほどが得られ、熱間かしめに比べやや改善が認められ
た。
【００１７】
【表３】
【００１８】このときのかしめ頭部１ａ′の要部拡大断
面を図１４に示す。しかしながら、図１１に示すように
熱かしめに於ては、加熱かしめ型３を凸部１ａに押し付
けると、この凸部１ａがかしめ型３との接触面１ｂにて
溶け出し、順次外側下方へ流れ出す。このとき樹脂が溶
けるのはかしめ型３と接触している部分のみであること
から、かしめ終了時に於ては、図１２及び図１４に示す
ように流動した部分と溶けなかった元の凸部１ａ表面と
の間に境界面１ｃが生じてしまう。従って、円柱状部材
１が矢印Ｂの方向の荷重を受けると僅かにつながってい
る部分１ｄが容易に破壊することから、その強度は理論
値に比べて著しく低くなる。
【００１９】ここで、この境界面を無くすために、かし
め型３を押し付けた状態のままで長時間保持し凸部の内
部まで完全に溶融するのを待つ方法も考えられるが、高
温のかしめ型で長時間加熱すると樹脂が分解を起こすの
で条件管理が厳しく、また被取付部材側にも熱が伝わ
り、その材質・表面処理の状況等によっては悪影響を及
ぼすことが考えられる。また、かしめ型を長時間押圧保
持すると、生産サイクルが長くなりコスト高となること
も考えられる。更に、凸部１ａ全体が完全に溶融した状
態でかしめ型３を外そうとすると、図１２に示すかしめ
型３と頭部１ａ′の側面との摩擦力或いはそれらの間隙
に生ずる真空状態により、所期のかしめ形状が崩れてし
まったり、或いはかしめ型に樹脂が付着し所謂「糸引
き」と呼ばれる現象が起こる可能性も高くなる。この
「糸引き」の問題を克服するために、完全溶融させた後
かしめ型３を冷却し、中の樹脂が凝固するのを待ってか
ら離型することも考えられるが、生産サイクルに於ては
加熱保持に加え更に冷却・かしめ型の再加熱の時間が必
要となりタイムロスが非常に大きく著しくコスト高とな
ってしまう。
【００２０】また、図１２に於て高温のかしめ型３を外
した時点では、かしめ頭部１ａ′は表面が高温で内部が
低温の状態にある。ところが熱可塑性樹脂は冷えると収
縮する性質があるため、かしめ部分が常温になるにつれ
て表面部近くのみが収縮し引っ張り応力が発生する。こ
の結果、図１３に矢印Ｃ、Ｄに示すように、かしめ部分
の縁部が中心方向に引っ張られて上方に反り返り、板状
部材２との間に間隙が生ずる。従って、前述の完全溶融
・冷却のサイクルによらない限り間隙の無い熱かしめは
原理的に不可能であることが分かる。
【００２１】次に、超音波かしめにより、図１０に於て
円柱状部材１と板状部材２とが共に常温の状態で、超音
波溶接機のホーン先端に取り付けられたかしめ型３を凸
部１ａに押し当てた状態で発振させ、高速微振動による
摩擦発熱を利用して凸部を部分的に溶融させながら変形
させる場合、表４に示すように、かしめ頭部１ａ′と板
状部材２との間の隙間、引っ張り破壊強度共に熱かしめ
に比べて優位性は認められなかった。
【００２２】
【表４】
【００２３】ここで、超音波かしめは、凸部１ａとかし
め型３との接触面１ｂから樹脂が溶け出すという点で熱
かしめと同様であり、良い結果が得られない理由も熱か
しめと同様であると考えられる。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記したよう
な従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、その主
な目的は、作業の複雑化、生産性の低下を伴うことなく
被取付部材に対する熱可塑性樹脂からなる部材の取付強
度を向上することが可能な熱可塑性樹脂部材のかしめ方
法及びそれによってかしめられた締結体を提供すること
にある。
【００２５】
【課題を解決するための手段】上述した目的は本発明に
よれば、熱可塑性樹脂からなる部材に設けられた円柱状
凸部（１ａ）を加熱溶融又は軟化させた後、型面が該熱
可塑性樹脂の融点より低温のかしめ型をもって前記円柱
状凸部を変形させる熱可塑性樹脂部材のかしめ方法であ
って、前記円柱状凸部の輪郭形状に沿い且つ該円柱状凸
部に接触しない凹部（５ａ）を有する加熱具（５）をも
って前記円柱状凸部の全体を覆って前記円柱状凸部を加
熱することを特徴とする熱可塑性樹脂部材のかしめ方
法、並びにこの方法でかしめられた締結体を提供するこ
とによって達成される。
【００２６】
【作用】このようにすれば、溶融後変形した部分には亀
裂、境界面等の内部欠陥がなく、一様な組織となると共
に、該部分の変形時点でかしめ型と接触している表面部
に比べて相対的に高温な内部に、その後冷却、収縮する
際に表面部に発生する内部応力に抗するように内部応力
が発生することにより、このかしめた部分が変形するこ
とがない。
【００２７】
【実施例】以下、本発明の好適実施例を添付の図面につ
いて詳しく説明する。
【００２８】図１及び図２は、本発明が適用された第１
の実施例を示すかしめ装置の断面図である。本実施例は
図１０と同様に、熱可塑性樹脂からなる円柱状部材をそ
の端面にて板状部材に取付ける場合のものである。
【００２９】円柱状部材１の端面にはかしめ部分として
の小径の円柱状凸部１ａが設けられ、板状部材２には、
この円柱状凸部１ａを挿通するための孔２ａが開設され
ている。
【００３０】ここで、従来のかしめ方法と比較するため
に本実施例でも凸部１ａの直径を４mm、かしめ後のかし
め頭部１ａ′の外径を６mm、その高さを１．５mm、また
円柱状部材１を熱可塑性樹脂のポリアセタール・コポリ
マー、板状部材２を充分な剛性を有する鋼板としてい
る。
【００３１】以下に、本実施例に於けるかしめによる熱
可塑性樹脂部材１の被取付部材２への取付け手順を説明
する。
【００３２】まず、熱可塑性樹脂部材１の凸部１ａを被
取付部材２の孔２ａに挿通させた状態で、凸部１ａの形
状に沿う凹部５ａを有する加熱具５を熱可塑性樹脂部材
１の樹脂（ポリアセタール・コポリマー）の溶融温度以
上に加熱し、凸部１ａに対して接触せずにできる限り近
接（本実施例では半径差で０．３mm）させ、この加熱具
５の幅射熱により凸部１ａを全体的に加熱溶融させる。
また、凸部１ａを完全に溶融させずある程度軟化させた
状態であっても良い。
【００３３】上記加熱時に凸部１ａ形状が大きく崩れな
い程度に適宜に溶融させた後に、図２に示すように常温
または樹脂融点より低い適宜の温度のかしめ型３により
凸部１ａを矢印Ａの方向に加圧変形させ、所期のかしめ
形状を得る。このとき、かしめ型３の温度が低く凸部１
ａの樹脂が速やかに固まるので、かしめ型を長時間押し
付けたまま保持する必要はない。
【００３４】上記手順でかしめを行ったものについて、
板状部材２を固定し、円柱状部材１を矢印Ｂの方向へ引
っ張った場合のかしめ頭部１ａ′の引張破壊強度の測定
結果を表５に示す。凸部１ａが変形して形成されたかし
め頭部１ａ′と板状部材２との間の隙間はやや残るもの
の条件によっては測定限界以下であり、引張破壊強度は
理論強度の約７０％以上が得られ、従来のかしめ方法に
比べ飛躍的改善が認められた。このときのかしめ頭部１
ａ′の要部拡大断面を図５に示す。
【００３５】
【表５】
【００３６】本実施例に於ては図５に示すように、従来
方法と異なり凸部１ａ全体が溶融した後に座屈変形する
ので、溶けた部分と溶けなかった部分との境界面は生じ
ず、安定した取付強度を得ることができる。また、かし
め型３は樹脂の融点より低温であるために、かしめ頭部
１ａ′の表面が先に固まった後に内部が凝固するので、
熱かしめのような反り返りは発生せず、逆に凸部１ａが
縮もうとするような内部応力が発生する。このため板状
部材２は両側から締め付けられ、両部材は隙間なく締結
される。
【００３７】尚、本実施例では樹脂凸部１ａを溶融させ
るためにある程度の予熱時間が必要であるが、実際には
加熱具を部材１に接触させる必要がないことから例えば
連続生産を想定した場合には各々同様の加熱具等を備え
た複数のステージにより時間差をもって順番に加熱する
ように設定すれば短い生産サイクルで実施することが容
易に可能となる。
【００３８】一方、板状部材２に熱による悪影響を与え
たくない場合には、図１に想像線にて示すように加熱具
５と板状部材２との間に適宜に断熱材６を配置すれば良
い。
【００３９】図３及び図４は、本発明が適用された第２
の実施例を示す図１及び図２と同様な断面図である。本
実施例ではかしめ型７の中央に樹脂凸部１ａより少し大
きな径（実験時には半径差０．３mmとした）の孔７ａを
設け、その孔７ａに上下動可能なピストン８を設けてい
る。それ以外の構成は第１の実施例と同様である。
【００４０】以下に、本実施例に於けるかしめによる熱
可塑性樹脂部材１の被取付部材２への取付け手順を説明
する。まず、第１の実施例と同様に熱可塑性樹脂部材１
の凸部１ａを被取付部材２の孔２ａに挿通させた状態で
加熱具５の幅射熱により凸部１ａを全体的に加熱溶融さ
せる。次に、図３に示すように常温または樹脂融点より
低い適宜の温度のかしめ型７の孔７ａに凸部１ａを挿入
し、ピストン８を矢印Ａの方向に移動させ、凸部１ａを
加圧変形させて所期のかしめ形状を得る。
【００４１】ここで、本実施例は第１の実施例よりも高
い強度を必要とする場合の実施例であり、かしめ型７の
孔７ａにより樹脂の流動方向が規制されることから溶融
樹脂は矢印Ｅのように流れ、結果として凸部１ａは下部
が膨張するように変形する。
【００４２】上記手順でかしめを行ったものについて、
板状部材２を固定し、円柱状部材１を矢印Ｂの方向へ引
っ張った場合のかしめ頭部１ａ′の引張破壊強度の測定
結果を表６に示す。かしめ頭部１ａ′と板状部材２との
間の隙間は測定限界以下であり、引張破壊強度は理論強
度の約８０％以上が安定して得られた。これはインサー
ト成形した場合と殆ど同じである。また、このときのか
しめ頭部１ａ′の要部拡大断面を示す図６によっても内
部欠陥が殆ど認められないことが分かる。
【００４３】
【表６】
【００４４】また、ピストンを持たない第１の実施例の
ようなかしめ型３ではその先端が被取付部材（板状部
材）に接触した時点で加圧が停止してしまうが、本実施
例では凸部１ａの体積のばらつき等に拘らずピストン８
の加圧力を常に一定にしてかしめを行えるため、バリの
発生やかしめ不足を防止でき、量産時にも強度のばらつ
きを小さく抑えることが容易である。
【００４５】尚、かしめを行って変形される樹脂部材の
形状は、例えば図７又は図８、図９に示すように環状ボ
スその他の形でも構わないことは云うまでもない。ここ
で、図７に於ける符号１１は熱可塑性樹脂からなる部
材、１２は被取付部材としての板状部材、１６はかしめ
型、１８はかしめ型内部で動く加圧用ピストン、１１ａ
はかしめ用凸部、１１ａ′は凸部１１ａが矢印Ｆのよう
に溶融樹脂が流動した後のかしめ頭部である。
【００４６】また、図８は、金属板１９を熱可塑性樹脂
からなる部材２０にかしめを用いて取り付けた例であ
る。２１はシール部材であり、かしめ用凸部２２ａを本
発明による方法でかしめ頭部２２ｂの形状にかしめるこ
とにより、金属板１９に矢印ｃの方向の荷重が加わり、
図９に示すようにシール部材２１が押圧されて凹部２２
ｃに封入され、気密性を持たせることが可能となる。
【００４７】
【発明の効果】以上の説明により明らかなように、本発
明による熱可塑性樹脂部材のかしめ方法によれば、熱可
塑性樹脂部材のかしめる部分を加熱溶融させ、型面が該
熱可塑性樹脂の融点より低温のかしめ型をもってこの部
分を加圧し、変形させてかしめることにより、溶融後変
形した部分には亀裂、境界面等の内部欠陥がなく、一様
な組織となると共に、該部分の変形時点でかしめ型と接
触している表面部に比べて相対的に高温な内部に、その
後冷却、収縮する際に表面部に発生する内部応力に抗す
るように内部応力が発生することにより、このかしめた
部分が変形することがないことから、作業の複雑化、生
産性の低下を伴うことなく被取付部材に対する熱可塑性
樹脂からなる部材の取付強度を向上することが可能とな
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく第１の実施例を示す加熱装置の
断面図である。
【図２】本発明に基づく第１の実施例に於けるかしめの
手順を示す図である。
【図３】本発明に基づく第２の実施例を示すかしめ装置
の断面図である。
【図４】本発明に基づく第２の実施例に於けるかしめの
手順を示す図３と同様な図である。
【図５】本発明に基づく第１の実施例に於けるかしめ後
のかしめ部分の形状を示す拡大断面図である。
【図６】本発明に基づく第２の実施例に於けるかしめ後
のかしめ部分の形状を示す拡大断面図である。
【図７】本発明に基づく第２の実施例の変形実施例を示
す図３と同様な図である。
【図８】本発明に基づく第２の実施例の変形実施例を示
す図３と同様な図である。
【図９】図８のIX-IX線について見た図である。
【図１０】従来のかしめ装置の断面図である。
【図１１】従来のかしめの手順を示す図８と同様な図で
ある。
【図１２】従来のかしめの手順を示す図８と同様な図で
ある。
【図１３】従来のかしめの手順を示す図８と同様な図で
ある。
【図１４】従来のかしめ後のかしめ部分の形状を示す拡
大断面図である。
【符号の説明】
１ 円柱状部材 １ａ 円柱状凸部 １ａ′ かしめ頭部 １ｂ 接触面 １ｃ 境界面 ２ 板状部材 ２ａ 孔 ３ かしめ型 ３ａ 凹部 ５ 加熱具 ５ａ 凹部 ６ 断熱材 ７ かしめ型 ７ａ 孔 ８ ピストン １１ 部材 １１ａ かしめ用凸部 １１ａ′ かしめ頭部 １２ 板状部材 １６ かしめ型 １８ ピストン １９ 金属板 ２０ 部材 ２１ シール ２２ａ 凸部 ２２ａ′ かしめ頭部 ２２ｂ 凹部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 耕一 静岡県富士市宮島973番地 ポリプラス チックス株式会社内 (56)参考文献 実開 昭63−113634（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭50−27502（ＪＰ，Ｂ１) 特公 平３−6900（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B29C 65/00 - 65/82

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 熱可塑性樹脂からなる部材に設けられた
    円柱状凸部を加熱溶融又は軟化させた後、型面が該熱可
    塑性樹脂の融点より低温のかしめ型をもって前記円柱状
    凸部を変形させる熱可塑性樹脂部材のかしめ方法であっ
    て、 前記円柱状凸部の輪郭形状に沿い且つ該円柱状凸部に接
    触しない凹部を有する加熱具をもって前記円柱状凸部の
    全体を覆って前記円柱状凸部を加熱することを特徴とす
    る熱可塑性樹脂部材のかしめ方法。
  2. 【請求項２】 熱可塑性樹脂からなる部材に設けられた
    円柱状凸部を加熱溶融又は軟化させた後、型面が該熱可
    塑性樹脂の融点より低温のかしめ型をもって前記円柱状
    凸部を変形させることによってかしめられた締結体であ
    って、 前記円柱状凸部の輪郭形状に沿い且つ該円柱状凸部に接
    触しない凹部を有する加熱具をもって前記円柱状凸部の
    全体が覆われて前記円柱状凸部が加熱されてかしめられ
    たことを特徴とする締結体。
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