JP4245479B2 - 固定要素 - Google Patents

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Description

本発明は、締結部と管状せん孔および/またはリベット部とを有する締結要素に関する。管状せん孔および/またはリベット部は、金属薄板部品に締結要素を取り付けるために設計されたものであり、締結部は金属薄板部品に物品を取り付けるために設計されたものである。締結部から管状せん孔および/またはリベット部への移行領域において、半径方向および/または円錐形状に延在する接触面が設けられ、この接触面は回転を防止する特徴部を選択的に有するものであり、管状せん孔および/またはリベット部の自由端面は、半径方向内側に、自由端面の方向に広がる円錐状傾斜面すなわち切断面を有し、半径方向外側には丸み付けられた押し込みおよび引出し面を有し、斜めの面すなわち切断面と押込みおよび引出し面とは、管状せん孔および/またはリベット部の自由端面において環状端面縁部で接する。
この種の締結要素は、長年にわたって商品記号表示SBF、SBK、RSFおよびRSKとしてさまざまな形態でプロフィル・フェルビンドゥングステヒニックGmbH&Co.KG社によって市販されている。要素自体、また要素の取付方法や使用されるダイボタンは、特許文献1〜3に詳細に説明されている。
この種の締結要素は金属薄板部品に自己せん孔によって導入されるものであるので、要素はせん孔および/またはリベット部を有する。しかしながら、要素は事前に穴あけされた金属薄板に導入されても良い。事前穴あけは一般に、締結要素の取り付け前または取り付け中に直接金属薄板部品にせん孔する、いわゆる先行ホールパンチを用いて行われる。これは、ホールパンチが締結要素を通らなければならないため、たとえばナット要素などの中空体要素として形成された締結要素に対してのみ可能性がある。
中空体要素と同様、せん孔およびリベット部を設け、金属薄板部品をせん孔および/またはリベット部でせん孔し、生じたスラグを取り除くものも可能である。スラグは、チューブおよびリベット部の中に捕捉され、フォローアップエジェクションピンによって取り除かれる。
事前穴あけされた金属薄板部品とともに上述の要素を用いた場合でも、リベット接続の領域において金属薄板部品を管状の鍔状部へ変形処理をしなければならないため、せん孔および/またはリベット部はかなりの程度の変形作業を行わなければならない。せん孔および/またはリベット部は、半径方向断面でみた場合、管状鍔状部に対するU字型の断面の凹みを形成するため、管状の鍔状部の自由端面の周囲に半径方向外側に変形される。
せん孔および/またはリベット部の必要条件は、事前穴あけを用いるか否かにかかわらず、要求された変形を行うことができるように十分な安定性を有し、リベットビードの形成後は、目的の接続強度が確保されるようにリベットビードの領域において十分な強度を達成することである。これは、金属薄板部品に物品をしっかりと取り付けるために要求される。締結要素については、さらにこれはせん孔および/またはリベット部の強度がネジの強度等級と対応しなければならないことを意味する。締結要素を金属薄板部品に取り付ける際、せん孔および/またはリベット部はねじれてはならない。一方、せん孔および/またはリベット部は、半径方向断面においてU字型のリベットビードに形を作りかえられるように変形性がなくてはならない。
これらの相反する要求によって、管状せん孔および/またはリベット部の半径方向壁厚が締結要素の有効寸法と明らかな関連性を有するようにされている。「締結要素の有効寸法」とは、締結要素に要求される強度である。たとえば、締結要素がボルト要素である場合、締結部の有効寸法はネジ円柱の外径に等しい、すなわち、直径5mmのメートルネジを有する締結要素では、締結部の有効寸法は同様に5mmである。6mmのネジ円柱を有する締結要素では、締結部の有効寸法は6mmである。ナット要素について考えると、有効寸法は正確に同様の方法によって決定される。すなわち、たとえば内径8mmのナット要素では、締結部の有効寸法は8mmであるとされる。また、シャフト部を有し、ジャーナル機能を果たすボルト要素、またはスプリングクリップを受けるか、スナップ接続を形成するように設計されたボルト要素の場合、シャフト部の外径が有効寸法として計算される。たとえば、10mmの直径を有するシャフト部では、締結部の有効寸法は10mmとなる。
自由端面の方向に広がる円錐状切断面の形状、および、せん孔および/またはリベット部の半径方向外側に設けられた丸み付けられた押込みおよび引出し面の形状は、対応する仕事を達成するために公知の締結要素において非常に正確に決定される。
公知の要素において、切断面は、管状せん孔および/またはリベット部の中心長手軸に垂直な辺の長さが、締結部の有効寸法によるが、0.2mm〜0.3mmの仮想の直角三角形の斜辺を有する円錐状面として形成される。この円錐状切断面の意味は、一方では、製造される際半径方向にせん孔スラグを圧縮し、このせん孔スラグがせん孔および/またはリベット部に捕捉されるようにすることである。せん孔および/またはリベット部の続いておきる変形の際に、このようにスラグが捕捉されることで、せん孔および/またはリベット部が硬くなるので有利である。もう一方では、円錐状切断面は、ダイボタンの中央部と共働し、半径方向外側にせん孔および/またはリベット部を偏向させるように働く。両方の機能によって、この切断面が設計の観点からできるだけ広く形成される。
公知の要素における丸み付けられた押込みおよび引出し面は、せん孔および/またはリベット部の内壁に位置する曲率中心を有する。この曲率半径は管状せん孔および/またはリベット部の半径方向の壁厚に対応する長さを有する。他の関連では、公知の要素において丸み付けられた押込みおよび引出し面が管状せん孔および/またはリベット部の円筒状外面に対して接線方向に延在するように曲率中心が設けられている。締結要素の自由端部におけるこの丸み付けられた押込みおよび引出し面は、せん孔および/またはリベット部の自由端面において切断面とともに環状端面縁部を形成し、環状端面縁部における丸み付けられた押込みおよび引出し面の接線が管状せん孔および/またはリベット部の中心長手軸に対して、90°よりかなり小さい鋭角を形成するように切断面と接する。
独国特許第3447006号明細書 独国特許第3446978号明細書 独国特許第3835566号明細書
前記締結要素が長年の間首尾よく実用に供していたとしても、それらには欠点がある。つまり、事前穴あけがされているか否かに関係なく、要素の取り付けは小さなチップ(欠け)を引き起こし、このようなチップはそのうち、ダイボタンの領域においてまたは使用される工具によっては別の場所に付着し、いずれ詰まりや変形を引き起こす。また、これにより、処理される金属薄板部品にも詰まりや変形が引き起こされ、このようなことは望ましくない。
これら小さなチップの発生は、作業領域が中実の金属からなり、製造工程の進行を妨げることなく製造工程を観測できるようないわゆる観測窓を設けることは不可能であるため、大きなプレスにおいてチップが発生するところを見ることはできず、確認が非常に難しい。
本発明の目的は、それ自体は問題がない取り付け方法を変更することなく、接続の技術的な値を低下することなく、従来使用されてきたダイボタンを引き続き使用することが可能で、かつチップの形成を引き起こさない、または、引き起こされるチップの形成がより小さな、冒頭で述べたような種類の締結要素の改良された形態を提供することである。
この目的を達成するために、円錐状切断面は、管状せん孔および/またはリベット部の中心長手軸に垂直な辺の長さが0.10mm±0.03mmの仮想上の直角三角形の斜辺を形成し、管状せん孔および/またはリベット部の半径方向の壁厚が締結部の有効寸法の関数として決められ、
丸み付けられた押込みおよび引出し面は、対応する半径方向の壁厚よりも0.1mm±0.03mm小さい曲率半径を有し、丸み付けられた押込みおよび引出し面の曲率中心は、環状端面縁部から離れる方向に締結部に向かって延在する軸に平行な仮想上の円柱の表面にあり、よって、仮想上の軸方向に平行な円柱の表面において、せん孔および/またはリベット部に沿った点に位置づけられ、丸み付けられた押込みおよび引出し面に対する接線は、環状端面縁部において中心長手軸に垂直であるという
本発明による条件が定められる。
締結要素の特に好ましい実施例は、従属項にて確認できる。
方法を観測する際に生じる困難性にかかわらず、チップには主要な3つの原因があることを解明できることが証明された。まず、金属薄板部品が切られるときにチップが生じる。また、金属薄板部品が管状鍔部に引き出される際にもチップが生じ、さらに、せん孔および/またはリベット部を、引き出された管状鍔部周囲のダイボタンの凹部に巻き込む際にもチップが生じる。
本発明によれば、さらに、円錐状切断面の領域においてせん孔および/またはリベット部の特別な形状および丸み付けられた押込みおよび引出し面の特別な形状によって、チップの形成傾向は、実質的に減少することが見出され、よって本発明の目的は達成される。
本発明は、次に示す図面を参照して以下に詳細に説明される。
図1〜図12および図13〜図18は特許文献1および特許文献2からとったものであり、そこで詳しく説明されているため、特に方法の手順については個々の図面から直接的に明らかであるので、ここでは簡単に説明する。
図1の締結要素は、スタッドボルト要素150である。このスタッドボルト要素150は、シャフト部154(ネジは図示略)とヘッド部152とを含み、ヘッド部152は半径方向フランジと管状せん孔およびリベット部156とを有する。この実施例では、管状せん孔およびリベット部の外壁158は実質的に丸い円筒形状であり、管状せん孔およびリベット部の自由端面において丸みがつけられた押込みおよび引出し端縁160で終端している。
管状せん孔およびリベット部の内壁164は、この実施例では実質的に円筒形であり、かつ円錐状切断面166で終端しており、この円錐状切断面166は、せん孔およびリベット部の自由端面の環状端面縁において丸みがつけられた押込みおよび引出し端縁160と接する。
図2から分かるように、金属薄板部品206がダイボタン180によってプレス工具に支持されている。締結要素150は、プレスのプランジャーの形態のプレス工具によって金属薄板部品206に対して押し付けられ、図3に示すように、せん孔スラグ216が生じ、金属薄板部品は管状鍔部218(図4)の形状に引き込まれる。せん孔スラグ216は、ダイボタンのプランジャー突起184によって管状せん孔およびリベット部の内側に押し入れられ、せん孔およびリベット部156は、リベットビードが形成されるように、ダイボタン180の丸み付けられた巻き込み面202によって、図8の端位置に到達するまで管状鍔部218の自由端面に沿って半径方向外側に巻き込まれる。
図9は、どのようにして複数のボルト要素がプレスのせん孔ヘッド472に次から次へと導入され、プレスのストロークごとにひとつのボルト要素が新たな金属薄板部品へとスタンプされ、リベット留めされるかを示す。図7ではダイボタン特定の形状が示されているが、回転体の形状を有してもよい。すなわち、図7に示される平面的コイニング領域220は必ずしも必要ではない。
図10〜図12は、ボルト要素の代わりにナット要素が用いられた場合を示し、さらに、この実施例において、どのようにしてナット要素が確実に金属薄板部品650へ自己せん孔によって導入されるかを示す。しかし、せん孔スラグは、続いてエジェクションピン642によって押し出され、ダイボタン632の中央通路638を介して排出される。
図13〜図18は、どのようにしてナット要素600がいわゆる先行ホールパンチ122を用いて金属薄板部品に挿入されるかを示す。先行ホールパンチ122は金属薄板部品の事前穴あけを行うもので、せん孔およびリベット部は、ここでは押込みおよび引出し機能を有するが、金属薄板部品のせん孔には使用されない。使用される取り付け方法や締結要素の正確な設計は別として、示されたすべての要素には、せん孔および/またはリベット部が設けられ、せん孔および/またはリベット部の自由端面には、半径方向内側に円錐状傾斜面すなわち切断面が設けられ、半径方向外側には、丸み付けられた押込みおよび引出し縁部が設けられ、押込みおよび引出し縁部はせん孔およびリベット部の環状端面縁部において円錐状傾斜面と接する。
上述したように、本発明は、チップ(欠け)を確実に回避するための自由端面の領域におけるせん孔およびリベット部の特別な設計に関する。
図19および図20の締結要素は、締結部702と管状せん孔および/またはリベット部704とを有するボルト要素700である。せん孔および/またはリベット部は、金属薄板部品に締結要素を取り付けるために設計されたものであり、締結部は金属薄板部品に物品を取り付けるために設計されたものである。締結部702からせん孔およびリベット部への移行領域では、フランジ部706上に形成された半径方向に延在する接触面708が設けられ、この特定の実施例では、ノーズ部710およびリセス712の形態で回転を防止する特徴部が設けられている。回転を防止する特徴部は、作業中、締結要素が金属薄板部品にトルクを伝達しなければならない場合にのみ設けられれば良い。たとえば、物品が締結部702に螺合したナットによって金属薄板部品に固定される場合、ナットの螺合による摩擦によって締結要素にトルクが生じ、そのトルクは金属薄板部品によって引き受けられなければならない。そのようなトルクはまた、ナットが外されるときにも生じ、締結要素と金属薄板部品との接続部によって同様に伝達される。
管状せん孔および/またはリベット部の自由端面714は、半径方向内側に円錐状切断面716を有し、半径方向外側には丸み付けられた押込みおよび引出し面718を有する。切断面716と押込みおよび引出し面とはせん孔および/またはリベット部の自由端面における環状端面縁部720において接する。
管状せん孔および/またはリベット部704は、垂直な円筒状外壁722と垂直な円筒状内壁724とを有する。垂直な円筒状外壁722と垂直な円筒状内壁724とは、締結要素の中心長手軸726に同心配置されている。
本発明による自由端面における管状せん孔および/またはリベット部704の設計、すなわち、図20において細部Aの位置における設計は、締結部の有効寸法が5mm、すなわち、締結部702の外径が5mmである場合の図20による締結要素に関して図21を参照して説明される。
図21から分かるように、半径方向の断面で考えると、円錐状切断面716は、仮想上の直角二等辺三角形の斜辺を形成する。その直角二等辺三角形の等しい長さの辺は、符号717、719で示されている。辺717は、せん孔および/またはリベット部の内壁724の仮想上の連続延長部に相当し、斜めの面または傾斜面716の出発点から、環状端面縁部720から長手方向軸726までの仮想上の半径との交差部まで延びる。環状端面縁部からせん孔および/またはリベット部704の内壁724の仮想上の連続延長部との交差点までの半径の部分は、辺719を構成する。この例では、辺717および719はそれぞれ辺の長さが0.1mmであり、本発明によれば、この辺の長さは、0.1mm±0.3mmとすることができる。必須ではないが、二等辺三角形が好ましいので、中央長手軸726に対する円錐状の交差面のテーパ角が90°である。せん孔および/またはリベット部704の環状端面縁部720と半径方向内側面724との間の距離は、同様に、0.1mm(環状端面縁部720で測定された半径方向の距離)である。
せん孔および/またはリベット部704の半径方向壁厚Rは、サイズM5のボルト要素のこの例では、1.25の±0.05mmである。本発明によれば、丸み付けられた押込みおよび引出し面718は、対応する半径方向の壁厚R(この例では、1.25mm)より0.1mm(±0.03mm)小さい曲率半径を有する。さらに、(環状の)丸み付けられた押込みおよび引出し面の曲率中心727は、環状端面縁部720から離れる方向で締結部702に向かって延在する軸方向に平行な仮想上の円柱728の表面上にある。さらに、曲率中心727は、仮想上の軸方向に平行な円柱728の表面において、せん孔および/またはリベット部に沿った点に位置づけられ、環状端面縁部720への移行点における丸み付けられた押込みおよび引出し面718に対する接線730は、符号723で示されるように、管状せん孔および/またはリベット部704の中心長手軸に垂直である。従って、環状端面縁部720上の曲率中心の高さは、同様に、丸み付けられた押込みおよび引出し面718の曲率半径に対応して1.15mmである。
幾何学的関係によって、せん孔および/またはリベット部704の自由端部のこのような設計は、丸み付けられた押込みおよび引出し面718が環状リベット部の垂直な円筒状壁へ同様に接線方向で続くようにされている。これは、本発明によるサイズM6におけるボルト要素の正確な寸法を示す図22の実施例にも適用される。この実施例では、せん孔および/またはリベット部704の半径方向壁厚は同様に1.25mmである。
しかしながら、図23および図24から分かるように、サイズM8やM10のボルト要素では関係は異なり、せん孔および/またはリベット部704の押込みおよび引出し面718への接線732は、せん孔および/またはリベット部704の円形円筒壁722の母線734と鋭角を形成する。本発明によれば、この事実は発明の邪魔にはならず、またこれはチップ(欠け)の発生の減少に貢献することが分かった。
細かな寸法は別として、図22、図23および図24が図21に対応する図であるので、これら図面を別々に説明する必要はない。そのかわり、図22、図23および図24において図21と同じ符号を用い、図21の説明が図22、図23および図24を代表するものと考えられる。図面のすべての寸法は、mmで示されており、これらの寸法は図面によって明らかである。
さらに、せん孔および/またはリベット部704の自由端面の正確な形状は、この出願に含まれるすべての締結要素に適用されることを記しておく。このような締結要素には、商品記号表示SBF,SBK;RSFおよびRSKが付された締結要素、および(ベアリングジャーナル、クリップレシーバ、スナップ接続の形成のためなどの上述した応用例を含む)クレームされた締結要素のすべての可能性のある用途における締結要素が含まれ、チップ(欠け)をなくしたい場合にこれらのタイプの要素に用いることができる。
すべての実施例において、材料は、既存のSBF,SBK;RSFおよびRSK要素に用いられる機能要素の材料が挙げられる。そのような材料には、冷間変形の条件下でISO(国際標準化機構)標準の第8クラスの強度を達成する合金、例えばDIN(ドイツ工業規格)1654の35B2合金が含まれる。このように形成された締結要素は、特に、質の高い金属薄板部品の引き抜き加工のためのすべての市販の鋼材に適し、また、アルミニウムやその他の合金にも適している。アルミニウム合金、特に高強度のアルミニウム合金、例えばAlMg5も機能要素に用いることができる。高強度のマグネシウム合金、例えばAM50の機能要素も検討されうる。
従来技術に係る金属薄板部品への締結要素の取り付け方法を示す説明図である。 従来技術に係る金属薄板部品への締結要素の取り付け方法を示す説明図である。 従来技術に係る金属薄板部品への締結要素の取り付け方法を示す説明図である。 従来技術に係る金属薄板部品への締結要素の取り付け方法を示す説明図である。 従来技術に係る金属薄板部品への締結要素の取り付け方法を示す説明図である。 従来技術に係る金属薄板部品への締結要素の取り付け方法を示す説明図である。 従来技術に係る金属薄板部品への締結要素の取り付け方法を示す説明図である。 従来技術に係る金属薄板部品への締結要素の取り付け方法を示す説明図である。 従来技術に係る金属薄板部品への締結要素の取り付け方法を示す説明図である。 従来技術に係る金属薄板部品への締結要素の取り付け方法を示す説明図である。 従来技術に係る金属薄板部品への締結要素の取り付け方法を示す説明図である。 従来技術に係る金属薄板部品への締結要素の取り付け方法を示す説明図である。 従来技術に係る先行してホールパンチを用いたナット要素の取り付け方法を示す説明図である。 従来技術に係る先行してホールパンチを用いたナット要素の取り付け方法を示す説明図である。 従来技術に係る先行してホールパンチを用いたナット要素の取り付け方法を示す説明図である。 従来技術に係る先行してホールパンチを用いたナット要素の取り付け方法を示す説明図である。 従来技術に係る先行してホールパンチを用いたナット要素の取り付け方法を示す説明図である。 従来技術に係る先行してホールパンチを用いたナット要素の取り付け方法を示す説明図である。 本発明に係るボルト要素の形態の締結要素を示す端面図である。 本発明に係るボルト要素の形態の締結要素を示す側面図である。 M5の直径を有するボルト要素の図20の領域Aにおけるせん孔およびリベット部の寸法を示す説明図である。 M6の直径を有するボルト要素の図20の領域Aにおけるせん孔およびリベット部の寸法を示す説明図である。 M8の直径を有するボルト要素の図20の領域Aにおけるせん孔およびリベット部の寸法を示す説明図である。 M10の直径を有するボルト要素の図20の領域Aにおけるせん孔およびリベット部の寸法を示す説明図である。

Claims (7)

  1. 締結部(702)と管状せん孔および/またはリベット部(704)とを有する締結要素(700)であって、管状せん孔および/またはリベット部(704)は金属薄板部品へ締結要素を取り付けるために設計されたものであり、締結部は金属薄板部品へ物品を取り付けるために設計されたものであり、締結部(702)から管状せん孔および/またはリベット部への移行領域において、半径方向および/または円錐形状に延在する接触面(708)が設けられ、この接触面は回転を防止する特徴部(710、712)を選択的に有するものであり、管状せん孔および/またはリベット部の自由端面(714)は、半径方向内側に、自由端面の方向に広がる円錐状傾斜面すなわち切断面(716)を有し、半径方向外側には丸み付けられた押込みおよび引出し面(718)を有し、傾斜面すなわち切断面(716)と押込みまたは引出し面(718)とは、管状せん孔および/またはリベット部(704)の自由端面において環状端面縁部(720)で接する締結要素において、
    円錐状傾斜面すなわち切断面(716)は、仮想上の直角三角形の斜辺を形成し、この仮想上の直角三角形の管状せん孔および/またはリベット部(704)の中央長手方向軸(726)に垂直な辺の長さは、0.10mm±0.03mmであり、管状せん孔および/またはリベット部(704)の半径方向壁厚(R)は、締結部の有効寸法に応じて寸法決めされ、
    丸み付けられた押込みおよび引出し面(718)は、対応する半径方向壁厚(R)よりも0.1mm±0.03mm小さい曲率半径を有し、丸み付けられた押込みおよび引出し面(718)の曲率中心(727)は、環状端面縁部(720)から離れる方向で締結部(702)に向って延在する軸に平行な仮想上の円柱(728)の表面上にあり、曲率中心(727)は、仮想上の軸方向に平行な円柱(728)の表面上でかつせん孔および/またはリベット部に沿った点に位置づけられ、環状端面縁部(720)における丸み付けられた押込みおよび引出し面(718)に対する接線(730)は、中心長手軸(726)に垂直であることを特徴とする締結要素。
  2. 管状せん孔および/またはリベット部(704)の半径方向壁厚(R)は、締結部の有効寸法に応じて
    有効寸法が5mmの場合には、Rは1.25±0.05mm、
    有効寸法が6mmの場合には、Rは1.25±0.05mm、
    有効寸法が8mmの場合には、Rは1.50±0.05mm、
    有効寸法が10mmの場合には、Rは1.82±0.05mm、
    のように寸法決めされることを特徴とする請求項1記載の締結要素。
  3. 締結要素はボルト要素であり、締結部にはネジ円柱が設けられるか、あるいはネジ円柱を設けることができ、ネジ円柱の外径によって締結部の有効寸法が構成されることを特徴とする請求項1または2に記載の締結要素。
  4. 締結部は、シャフト部として実現され、回転可能なジャーナルを受けるか、あるいはスナップ結合の形成のための形状の特徴部またはスプリングクリップの取り付け部を有し、シャフト部の外径によって締結部の有効寸法が構成されることを特徴とする請求項1または2に記載の締結要素。
  5. 締結要素はナット要素であり、その締結部は穴を有し、そこに内ネジが設けられるか、ネジ切りまたはネジ形成スクリューを用いて内ネジの形成が予定されており、ネジ付円筒の外径によって締結部またはそれに対応する部分の有効寸法が決まることを特徴とする請求項1または2に記載の締結要素。
  6. 締結要素は中空要素であり、該中空要素は締結部内に回転軸を受けるための穴を有し、穴の径によって締結部の有効寸法が決まることを特徴とする請求項1または2に記載の締結要素。
  7. 締結要素は中空要素であり、該中空要素はクリップマウントを受けるための穴を有し、穴の径によって締結部の有効寸法が決まることを特徴とする請求項1または2に記載の締結要素。
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