JP5055104B2 - Self-piercing rivet joining method and rivet joining die - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、セルフピアスリベットによる接合方法とその接合方法に用いるリベット接合用ダイに関し、特にアルミニウム合金板と高張力鋼板(超高張力鋼板を含む)とのセルフピアスリベット継手構造に好適な接合方法と接合用ダイの改良に関するものである。 The present invention relates to a joining method using a self-piercing rivet and a rivet joining die used for the joining method, and more particularly to a joining method suitable for a self-piercing rivet joint structure of an aluminum alloy plate and a high-tensile steel plate (including a super-high-strength steel plate). And improvement of the joining die.
この種のセルフピアスリベットによる接合方法は特許文献1等にて広く知られており、特に自動車に多用される傾向にあるアルミニウム合金板と高張力鋼板または超高張力鋼板とのセルフピアスリベット接合を考慮した技術が非特許文献1,2で提案されている。
This type of joining method using self-piercing rivets is widely known in
非特許文献1,2では、アルミニウム合金板と高張力鋼板(超高張力鋼板を含む)とのセルフピアスリベット接合において、下板側をアルミニウム合金板とした場合(非特許文献1)および下板側を高張力鋼板とした場合(非特許文献2)のいずれにおいても、ダイ側の凹部の傾斜の度合いやその凹部中央部の突出高さ等を適宜調整することで、板材側の割れあるいはリベットの座屈といった接合不良をある程度未然に防止することができるとされている。
非特許文献2に記載の下板側を高張力鋼板とした場合の例では、割れ発生や接合可能板厚の予測・評価は、あくまで板材が1枚モデルでのシミュレーション結果にすぎないために、特に上板の影響が十分に考慮されておらず、実際にセルフピアスリベットの打ち込みを行うと、リベット打ち込み荷重が高いために、ダイの割れのほか、リベット打ち込み装置の過負荷による装置異常が発生するという問題がある。
In the example when the lower plate side described in Non-Patent
特にセルフピアスリベットの場合には、サーボモータを駆動源としてボールねじによりパンチを昇降動作させるタイプのリベット打ち込み装置が使用されるために、上記のような装置異常が発生しやすい。 In particular, in the case of a self-piercing rivet, a rivet driving device of a type in which a punch is moved up and down by a ball screw using a servo motor as a drive source is used, and thus the above-described device abnormality is likely to occur.
本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、とりわけリベット打ち込み荷重を低減でき、さらにはダイの割れ、装置の過負荷を未然に防止できるようにしたセルフピアスリベットによる接合方法とその方法に好適なリベット接合用ダイを提供しようとするものである。 The present invention has been made paying attention to such a problem, and in particular, a bonding method using a self-piercing rivet that can reduce the rivet driving load and further prevent the cracking of the die and the overload of the apparatus. An object of the present invention is to provide a rivet joining die suitable for the method.
請求項1に記載の発明は、複数の板状の被接合部材同士を重ね合わせてそれら複数の被接合部材の一方の面にダイを当接させるとともに、複数の被接合部材の他方の面にダイ側に向けて円環状の軸部を有するセルフピアスリベットを打ち込むことにより複数の被接合部材同士をリベット接合する方法であることを前提としている。その上で、上記ダイは中央部が突出した凹状の加圧拘束面を有していて、この加圧拘束面のうち当該加圧拘束面の最深部を含み且つセルフピアスリベットの少なくとも軸部の投影形状と合致する部分に被接合部材が接触する前にセルフピアスリベットの打ち込みを完了させることを特徴とする。
この場合において、セルフピアスリベットとしては、例えば請求項6に記載のように、ボロン鋼等の鋼系材料製のものとする。
According to the first aspect of the present invention, a plurality of plate-like members to be joined are overlapped with each other and a die is brought into contact with one surface of the plurality of members to be joined, and the other surface of the plurality of members to be joined is contacted. It is premised on a method of riveting a plurality of members to be joined by driving a self-piercing rivet having an annular shaft portion toward the die side. In addition, the die has a concave pressure constraining surface protruding from the center, and includes the deepest portion of the pressure constraining surface of the pressure constraining surface and at least the shaft portion of the self-piercing rivet. It is characterized in that the driving of the self-piercing rivet is completed before the member to be joined comes into contact with the portion that matches the projected shape .
In this case, the self-piercing rivet is made of a steel material such as boron steel, as described in
また請求項7に記載の発明は、上記請求項1に記載の技術を当該セルフピアスリベットによる接合方法に用いるダイとして捉えたものであって、上記ダイの加圧拘束面のうち当該加圧拘束面の最深部を含み且つセルフピアスリベットの少なくとも軸部の投影形状と合致する部分に被接合部材が接触する前にセルフピアスリベットの打ち込みが完了するように、少なくもとも上記加圧拘束面の深さおよび中央部の突出高さ位置をそれぞれ設定してあることを特徴とする。
The invention described in claim 7, the billing technique described in
したがって、これらの請求項1,7に記載の発明では、ダイの加圧拘束面のうち当該加圧拘束面の最深部を含み且つセルフピアスリベットの少なくとも軸部の投影形状と合致する部分に被接合部材が接触する前にセルフピアスリベットの打ち込みを完了させることは、リベット打ち込み完了時点においてダイの加圧拘束面の全面が被接合部材に接触しないことにほかならないから、それによってリベット打ち込み荷重を低減、ひいてはダイの割れや装置の過負荷を未然に防止できることになる。 Therefore, in the inventions according to the first and seventh aspects of the present invention, the portion of the pressure restraint surface of the die that includes the deepest portion of the pressure restraint surface and that matches the projected shape of at least the shaft portion of the self-piercing rivet is covered. Completing the driving of the self-piercing rivet before contacting the joining member means that the entire pressure restraint surface of the die does not contact the member to be joined at the time when the rivet driving is completed. Reduction, and consequently, cracking of the die and overload of the device can be prevented in advance.
請求項1,7に記載の発明によれば、被接合部材がアルミニウム合金板と高張力鋼板との組み合わせの場合であっても、リベット打ち込み荷重を低減でき、ダイの割れや装置の過負荷を未然に防止できるほか、特にダイに直接当接する被接合部材の過大な変形を抑制して、その被接合部材側での割れの発生をも未然に防止できるようになる。
According to the first and seventh aspects of the invention, even when the member to be joined is a combination of an aluminum alloy plate and a high-tensile steel plate, the rivet driving load can be reduced, and die cracking and overloading of the device can be prevented. In addition to being able to prevent it, it is possible to prevent the occurrence of cracks on the bonded member side by suppressing excessive deformation of the bonded member that is in direct contact with the die.
図1は本発明に係るセルフピアスリベット接合方法のより具体的な実施の形態を示す図で、被接合部材として上板W1、中板W2および下板W3の三枚の板組みで締結接合する場合の例を示している。なお、ここでは上板W1をアルミニウム合金板、中板W2を軟鋼板、下板W3を高張力鋼板とする。 FIG. 1 is a diagram showing a more specific embodiment of the self-piercing rivet joining method according to the present invention, and is fastened and joined by three plate assemblies of an upper plate W1, an intermediate plate W2 and a lower plate W3 as members to be joined. An example of the case is shown. Here, the upper plate W1 is an aluminum alloy plate, the middle plate W2 is a mild steel plate, and the lower plate W3 is a high-tensile steel plate.
図1の(A)に示すように、上板W1と中板W2および下板W3の三枚の板材を重ね合わせてダイ1の上に位置決めし、ダイ1と対向配置されたパッド2を下降させてそのパッド2にて板材W1〜W3を加圧拘束するとともに、上板W1側からセルフピアスリベット3を供給して位置決めする。
As shown in FIG. 1A, the three plates of the upper plate W1, the middle plate W2 and the lower plate W3 are overlapped and positioned on the
なお、セルフピアスリベット3はフルチューブラリベットに類似した形状ではあるものの、その特殊性として軸部3bの長さが極端に短いものとなっている。
Although the self-
ダイ1には打ち込むべきセルフピアスリベット3の大きさに応じた皿状または凹状の加圧拘束面4が形成されていて、その中央部に略円錐形状の突出部5が形成されているために加圧拘束面4全体としては円環状のものとなっている。そして、突出部5の頂部はダイ1そのものの上面とほぼ同一高さ、例えば突出部5の頂部はダイ1そのものの上面と同一高さ位置とするか、または図2に示すように突出部5の頂部5aはダイ1の上面よりもわずかに低くなるように設定してあるとともに、突出部5の根元部側は滑らかな円弧状面をもって加圧拘束面4の底面に連続している。
The die 1 is formed with a dish-like or concave
したがって、図1の(A)から明らかなように、ダイ1にて三枚の板材W1〜W3を支えたときには、ダイ1側の突出部5の頂部はダイ1の上面とともに下板W3に接するか、あるいは接しないまでも下板W3ときわめて近接した状態となる。
Therefore, as apparent from FIG. 1A, when the three plate members W1 to W3 are supported by the
続いて、図1の(B)に示すように、パッド2とともにダイ1と対向配置されたパンチ6を下降させてセルフピアスリベット3を上板W1側から打ち込む。セルフピアスリベット3は名のとおり自己穿孔方式にて板材W1〜W3に打ち込まれ、その打ち込み進行に伴い板材W1〜W3の一部がダイ1側の加圧拘束面4側に向けて膨出するように塑性変形することになる。そして、同図(C)に示すように、最終的にはセルフピアスリベット3は上板W1と中板W2は貫通するも下板W3は貫通せず、軸部3bの先端が外側に拡がりながら下板W3に食い込み、頭部3aが上板w1とほぼ面一となる状態をもってリベット継手としての締結、すなわちセルフピアスリベット3による板材W1〜W3同士の締結接合が完了する。
Subsequently, as shown in FIG. 1B, the
ここで、図1の(C)の状態をもってセルフピアスリベット3による締結が完了することは先に述べたとおりであるが、ここで重要なことは同図の状態をもってしてもなおも下板W3側の膨出部Pがダイ1側の加圧拘束面4の底面、特にその最深部には接触せず、下板W3側の膨出部Pとダイ1側の加圧拘束面4との間に隙間Gが確保されていることである。これは、ダイ1が板材W1〜W3に及ぼす加圧拘束力はダイ1の上面のほか突出部5の頂部に集中していることを意味し、同図(B),(C)から明らかなようにセルフピアスリベット3の打ち込みに伴い下板W3がダイ1側に膨出して膨出部Pとして成長する過程では、その膨出部Pがダイ1によっては何ら拘束されることなくその塑性変形が進行することになる。これにより、リベット打ち込み荷重が過大になりすぎるのを未然に防止することができ、ダイ1の割れ発生防止に大きく貢献することができる。
Here, as described above, the fastening by the self-
さらに、上記のように膨出部Pがダイ1によっては何ら拘束されることなくその塑性変形が進行することは、下板W3の過大な変形を抑制して、その下板W3の割れを未然に防止する上でも有利となる。言い換えるならば、下板W3のうちセルフピアスリベット3の打ち込みに関与する部分が突出部5で支持されているだけであるので、セルフピアスリベット3が下板W3に食い込みやすく、セルフピアスリベット3の座屈等を招くこともないから、必要十分な接合強度を確保することができる。
Further, as described above, the plastic deformation progresses without the bulging portion P being restrained by the
ここで、図1に示した接合方法を前提としたより具体的な実施例について説明する。 Here, a more specific embodiment based on the joining method shown in FIG. 1 will be described.
上板W1には板厚が1.2mmの6000系アルミニウム合金板を、中板W2には板厚が0.8mmの軟鋼板を、下板W3には板厚が1.8mmの高張力鋼板をそれぞれ用い、図1と同様の三枚の板組みでセルフピアスリベット3による締結接合を行った。なお、高張力鋼板の引っ張り強度は590MPa、加工硬化指数は0.1以上、一様伸びは8%以上である。また、セルフピアスリベット3はボロン鋼製のものであり、その軸部3bの直径(φ)は5.3mm、長さは5mm、硬度は480Hvとした。また、ダイ1の加圧拘束面4の形状は図2に示したとおりであり、特に突出部5の頂部5aの高さ位置はダイ1の上面よりも所定量αだけ低く設定した。
The upper plate W1 is a 6000 series aluminum alloy plate having a thickness of 1.2 mm, the middle plate W2 is a mild steel plate having a thickness of 0.8 mm, and the lower plate W3 is a high-tensile steel plate having a thickness of 1.8 mm. Each was used to fasten and join with a self-
さらに、下板W3として上記高張力鋼板に代えて板厚が2.0mmで引っ張り強度が980MPaの超高張力鋼板を用い、それ以外は上記と同条件でセルフピアスリベット3による締結接合を行った。
Furthermore, instead of the high-strength steel plate as the lower plate W3, an ultra-high-strength steel plate having a thickness of 2.0 mm and a tensile strength of 980 MPa was used, and other than that, fastening joining with the self-
これらのいずれの場合にも、ダイ1の割れや下板W3の割れ、あるいはセルフピアスリベット3の座屈等の不具合の発生がなく、必要十分なリベット接合強度が得られることが確認できた。また、いずれの場合にもダイ1の割れのほか、リベット打ち込み装置の過負荷あるいはそれによる装置停止等の異常の発生は認められず、リベット打ち込み荷重は約65kNであった。
In any of these cases, it was confirmed that there was no problem such as cracking of the
比較のために、図3に示すように加圧拘束面4における中央部の突出部5の頂部高さをダイ1の上面よりも低くしたダイ1を用い、加圧拘束面4の全面が下板W3に圧接した状態でセルフピアスリベット3の締結接合が完了するように、そのセルフピアスリベット3の打ち込みを行ってみた。このときのリベット打ち込み荷重は約80kNであった。
For comparison, as shown in FIG. 3, a
以上のことから、図1の(C)の状態をもってセルフピアスリベット3による締結接合が完了した時点で、下板W3側の膨出部Pがダイ1側の加圧拘束面4の最深部には接触せず、下板W3側の膨出部Pとダイ1側の加圧拘束面4との間に隙間Gが確保されていることは、特にリベット打ち込み荷重の低減に大きく寄与できることがわかる。
From the above, when the fastening joining by the self-piercing
1…ダイ
2…パッド
3…セルフピアスリベット
3a…頭部
3b…軸部
4…加圧拘束面
5…突出部
5a…頂部
6…パンチ
G…隙間
P…膨出部
W1…上板(被接合部材)
W2…中板(被接合部材)
W3…下板(被接合部材)
DESCRIPTION OF
W2 ... Middle plate (members to be joined)
W3 ... Lower plate (member to be joined)
Claims (7)
上記ダイは中央部が突出した凹状の加圧拘束面を有していて、
この加圧拘束面のうち当該加圧拘束面の最深部を含み且つセルフピアスリベットの少なくとも軸部の投影形状と合致する部分に被接合部材が接触する前にセルフピアスリベットの打ち込みを完了させることを特徴とするセルフピアスリベットによる接合方法。 A plurality of plate-like members to be joined are overlapped to bring a die into contact with one surface of the plurality of members to be joined, and an annular shaft facing the other side of the plurality of members to be joined toward the die side A method of riveting a plurality of members to be joined by driving a self-piercing rivet having a portion ,
The die has a concave pressure restraint surface with a protruding central part,
Completing the driving of the self-piercing rivet before the member to be joined comes into contact with the portion including the deepest portion of the pressure-restraining surface and matching the projected shape of at least the shaft portion of the self-piercing rivet. A bonding method using self-piercing rivets characterized by
上記ダイの加圧拘束面のうち当該加圧拘束面の最深部を含み且つセルフピアスリベットの少なくとも軸部の投影形状と合致する部分に被接合部材が接触する前にセルフピアスリベットの打ち込みが完了するように、少なくとも上記加圧拘束面の深さおよび中央部の突出高さ位置をそれぞれ設定してあることを特徴とするリベット接合用ダイ。The self-piercing rivet driving is completed before the member to be joined comes into contact with the portion of the pressure-restraining surface of the die that includes the deepest portion of the pressure-restraining surface and matches the projected shape of at least the shaft portion of the self-piercing rivet. Thus, at least the depth of the pressure restraint surface and the protruding height position of the central portion are set, respectively, and a rivet joining die characterized by the above.
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