JP6662925B2 - 接合方法及び接合部材の製造方法 - Google Patents

接合方法及び接合部材の製造方法 Download PDF

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Description

本開示は、接合方法及び接合部材の製造方法に関する。
近年、車両の軽量化が進んでいる。例えば、車両の軽量化を進める方法として、車体を構成するインパネリインフォースメントを薄肉化、小径化することが挙げられる。また、インパネリインフォースメントやその周辺部品の素材にアルミニウムを使用することも挙げられる。しかし、強度の関係からインパネリインフォースメントの基本骨格として鉄部材を使用し、この鉄部材にアルミニウム合金製のブラケットを接合することが考えられる。この場合、鉄とアルミニウムといった種類が異なる部材の接合が必要になる。
特許文献1には、2種類の金属部材の接合方法が開示されている。具体的には、金属部材の穴部分に、棒状の金属部材を圧入して固定することで、2種類の金属部材を接合する方法が開示されている。
特開2013−241998号公報
しかし、特許文献1には、棒状の部材を別部材の穴部分に圧入して接合する接合方法のみが開示されている。一方、棒状でない部材(例えば板状部を有する部材)と別部材との接合が必要になる場合がある。例えば、インパネリインフォースメントにブラケットの板状部を接合する場合などである。特許文献1の接合方法ではこのような場合に対応できないという問題がある。
本開示は、第1部材と、前記第1部材と種類が異なる第2部材と、を接合する新規な接合方法、及び、前記第1部材と前記第2部材とを接合することで形成される接合部材の新規な製造方法、を提供することを目的とする。
本開示の一態様は、第1部材と、第1部材と種類が異なり、第1部材よりも降伏点が低い第2部材と、を接合する接合方法である。前記接合方法は、第2部材を、貫通孔と重なるように配置することを含む。また前記接合方法は、第2部材をパンチで加圧し、第2部材の全部又は一部を塑性変形させて貫通孔の内部に圧入することで、第1部材と第2部材とを接合させることを含む。
このような構成によれば、第1部材と、前記第1部材と種類が異なる第2部材と、を接合する新規な接合方法を提供できる。
本開示の一態様では、パンチで加圧される前の第2部材におけるパンチで加圧される部分の厚みが、貫通孔の軸方向の長さよりも厚くてもよい。
このような構成によれば、パンチを用いて第2部材の全部又は一部を貫通孔に圧入したときに、第2部材が分断されることなく、貫通孔に圧入された第2部材の一部が貫通孔の反対側に到達し、貫通孔から出た第2部材の一部が貫通孔の縁部に係止されやすい。したがって、第2部材におけるパンチで加圧される部分の厚みが貫通孔の軸方向の長さよりも薄い構成と比較して、第1部材と第2部材とを接合する接合力を向上させることができる。
本開示の一態様では、第1部材及び第2部材は、金属製であってもよい。
このような構成によれば、金属製の第1部材と第2部材とを接合する新規な接合方法を提供できる。
本開示の一態様では、第1部材は、鉄合金製であってもよい。また第2部材は、アルミニウム合金製であってもよい。
このような構成によれば、第1部材及び第2部材が共に鉄合金製である場合と比較して、第1部材と第2部材とを接合することで形成される接合部材を軽量化できる。
本開示の一態様では、第1部材は、パイプであってもよい。また貫通孔は、パイプの軸方向周りの壁部に形成されてもよい。
このような構成によれば、インパネリインフォースメント等のパイプ状の部材に対して、第2部材を接合することができる。
本開示の一態様では、第2部材をパンチで加圧し、第2部材の全部又は一部を塑性変形させて貫通孔の内部に圧入することで、第1部材と第2部材とを接合させることは、第1部材における貫通孔周辺の第2部材との当接面に平面を形成することを含んでもよい。
このような構成によれば、第1部材と第2部材との接触が面接触になる。よって、第1部材と第2部材との接触が線接触などの面接触以外の接触である場合と比較して、第1部材と第2部材とが接合された状態において第1部材に対する第2部材の安定性を向上できる。
本開示の一態様では、第2部材をパンチで加圧するに際し、金型の下型が使用されなくてもよい。
このような構成によれば、下型を使用する構成と比較して、製造コストを削減できる。
本開示の一態様は、第1部材と、第1部材と種類が異なり、第1部材よりも降伏点が低い第2部材と、を接合することで形成される接合部材の製造方法である。前記製造方法は、第2部材を、貫通孔と重なるように配置することを含む。また前記製造方法は、第2部材をパンチで加圧し、第2部材の全部又は一部を塑性変形させて貫通孔の内部に圧入することで、第1部材と第2部材とを接合させることを含む。
このような構成によれば、第1部材と、前記第1部材と種類が異なる第2部材と、を接合することで形成される接合部材の新規な製造方法を提供できる。
図1Aはパンチで第2部材を加圧する前の状態を示す図、図1Bはパンチで第2部材を加圧している状態を示す図、図1Cはパンチで第2部材を加圧した後の状態を示す図である。 図2は、実験設備の模式図である。 第1部材における貫通孔周辺に形成される平面を示す図である。 図4Aは、貫通孔を形成する第1部材の内壁面が傾斜のない平坦面である場合の図、図4Bは、貫通孔を形成する第1部材の内壁面がテーパ面である場合の図(1)、図4Cは、貫通孔を形成する第1部材の内壁面がテーパ面である場合の図(2)、図4Dは、貫通孔を形成する第1部材の内壁面がネジ部を有する場合の図、図4Eは貫通孔を形成する第1部材の内壁面が傾斜のない平坦面と、テーパ面と、を有する場合の図(1)、図4Fは貫通孔を形成する第1部材の内壁面が傾斜のない平坦面と、テーパ面と、を有する場合の図(2)である。 図5Aは、面取り部を有する形状の、パンチの先端部を示す図、図5Bは、丸みを帯びた形状の、パンチの先端部を示す図、図5Cは、凸型の、パンチの先端部を示す図、図5Dは、ボビン型の、パンチの先端部を示す図、図5Eは、山型の、パンチの先端部を示す図である。
以下、図面を参照しながら、本開示を実施するための形態を説明する。
[1.構成]
図1A〜図1Cに示す接合方法は、第1部材1と、第1部材1と種類が異なり、第1部材1よりも降伏点が低い第2部材2と、を接合する方法である。また、図1A〜図1Cに示す方法は、第1部材1と第2部材2とを接合することで形成される図1Cに示す接合部材3の製造方法でもある。本実施形態では、接合部材3は、車体に使用される部材である。
第1部材1は、鉄合金製の部材である。図1A〜図1Cに示す例では、第1部材1は、筒状の部材、換言すれば、パイプである。図1A〜図1Cには、第1部材1の断面図が示されている。本実施形態では、第1部材1は、インパネリインフォースメントである。また、第1部材1の軸方向周りの壁部11には、貫通孔11aが形成されている。なお、図1Aにおいて符号11bは、貫通孔11aの軸方向を示す。
第2部材2は、アルミニウム合金製の部材である。つまり、第2部材2は、第1部材1よりも許容応力が小さい部材である。また、第2部材2は、第1部材1よりもヤング率が小さい部材である。
第2部材2は、板状部21を有する。ここでいう板状とは、厚さ方向の寸法に比べて長さ方向及び幅方向の寸法が大きく、厚さ方向の寸法が全体的に大きく変化しない形状を意味する。また、ここでいう板状には、外面(厚み方向と交わる面)が平面状の形状はもちろん、曲面状の形状も含まれる。また、厚みが一定の形状はもちろん、一定に近い形状(例えば外面の一方が平面状で他方が曲面状の形状)もここでいう板状に含まれる。例えば、直方体形状もここでいう板状に含まれる。その一方で、棒状はここでいう板状には含まれない。第2部材2は、インパネリインフォースメントである第1部材1に接合されるブラケットである。
第1部材1の壁部11と第2部材2の板状部21とは厚みが異なる。具体的には、壁部11の方が板状部21よりも厚みが小さい。つまり、降伏点が低い第2部材2の方が、降伏点が高い第1部材1よりも厚みが大きい。
図1A〜図1Cに示す接合方法は、下孔形成工程、配置工程及び加圧工程を含む。
下孔形成工程では、第1部材1の壁部11に貫通孔11aが形成される。本実施形態では、貫通孔11aは丸孔である。また、貫通孔11aを形成する第1部材1の内壁面は、図4Aに示すように傾斜のない平坦面である。
配置工程では、図1Aに示すように、第2部材2の板状部21が、第1部材1に設けられた貫通孔11aと重なる位置に配置される。つまり、板状部21により貫通孔11aを塞ぐように第2部材2が第1部材1の上に配置される。
加圧工程では、パンチ4を用いて、第1部材1と反対側から第2部材2が加圧される。具体的には、第2部材2の板状部21のうち、貫通孔11aを塞いでいる部分がパンチ4で加圧される。このように、降伏点が低い第2部材2側から加圧される。
本実施形態では、パンチ4の先端部は、図5Aに示すように、先端に形成された平坦面41と、該平坦面41の周辺に形成された面取り部42と、を有する形状である。なお、図5A及び後述する図5B〜図5Eは、パンチを横から見た図(換言すれば、図1A〜図1Cにおいてパンチ4の先端を拡大した図)である。
図1A〜図1Cに示す接合方法では、パンチ4は、貫通孔11aの内径と同じ外径を有する。パンチ4で加工することで、第2部材2の板状部21のうち加圧された部分が塑性変形して貫通孔11aに圧入される。そして、圧入された一部が貫通孔11aの反対側から出るまで加圧される。なお、図1A〜図1Cに示す接合方法では、パンチ4は、その先端が貫通孔11aに届く前に停止される。つまり、パンチ4の先端は貫通孔11aに入らないように加工される。
板状部21を塑性変形させて貫通孔11aに圧入させることで、圧入された板状部21の一部が貫通孔11a内で広がろうとし、貫通孔11aを形成する内壁面に貫通孔11aを押し広げようとする力Aが加わる。そして、この力Aと、降伏点が高い第1部材1の、貫通孔11aの形状及び大きさを維持しようとする弾性変形による力Bと、が均衡することで、第1部材1と第2部材2とを接合する接合力が発生する。すなわち、図1A〜図1Cに示す接合方法では、加工の際に各部材1,2に作用する力が、第1部材1の弾性変形領域内、第2部材2の塑性変形領域内であるように加工が行われる。
また、図1A〜図1Cに示す接合方法では、加圧された板状部21の一部が貫通孔11aを通過し、貫通孔11aの反対側から出て外側に広がりわずかに貫通孔11aの縁部に係止される。このため、第2部材2が第1部材1から剥がれにくくなる。
また、図1A〜図1Cに示す接合方法では、金型の下型が使用されない。ここでいう下型とは、パイプである第2部材2の内部に配置されるような下型を意味し、第2部材2を外側から支持するような下型を含まない。
[2.実験結果]
次に、本開示の接合方法に関する実験結果について図2を用いて説明する。
図2は、実験設備の模式図である。図2に示す例では、第1部材5及び第2部材6は共に板状である。第1部材5及び第2部材6の素材は図1A〜図1Cに示す例と同様である。すなわち、第1部材5は、鉄合金製である。また第2部材6は、アルミニウム合金製である。また、図1A〜図1Cに示す例と同様、降伏点が低い第2部材6の方が第1部材5よりも厚みが大きい。また、図2では、L1はパンチ7の外径であり、L2は貫通孔51aの内径であり、L3は第1部材1を支持する2つの支持部材8の間隔である。図2に示す例では、パンチ7の外径L1と第1部材1に形成された貫通孔51aの内径L2とは同径である。
図2に示す例では、図1A〜図1Cに示す例と第2部材6の形状は異なるが、図1A〜図1Cと同様に第1部材5と第2部材6とが接合される。
図2の実験設備を用いて、第2部材6の押し込み量と、接合可否と、の相関関係を調べた。ここでいう第2部材6の押し込み量は、貫通孔51aに圧入された、第2部材6の一部の深さ(貫通孔51aの軸方向51bの長さ)の、貫通孔51aの軸方向51bの長さに対する割合である。第2部材6の一部が貫通孔51aの途中まで押し込まれた場合、押し込み量が100%未満となる。一方、第2部材6の一部が貫通孔51aに押し込まれ、貫通孔51aの反対側から出た場合、押し込み量が100%よりも大きくなる。実験の結果、第2部材6の押し込み量(流入量)が100%以上の場合は、押し込み量が100%未満である場合よりも、第1部材5と第2部材6との接合が強固になることがわかる。
一方、図2の実験設備を用いて、第2部材6の押し込み量とせん断荷重との相関関係を調べた。ここでいうせん断荷重は、第1部材5と第2部材6とが接合された状態における第2部材6の押し込み方向(図2の上下方向)に垂直な平面に平行な方向(図2の左右方向)にかかるせん断荷重である。なお、せん断荷重測定時の第1部材5及び第2部材6の形状(対象形状)は、図1Cに示すような形状である。すなわち、第2部材6の一部が第1部材5の貫通孔51aに圧入された状態で、せん断荷重の測定が行われる。
実験の結果、第2部材6の押し込み量を増加させると、始めはせん断荷重が増加し、押し込み量が100%未満の所定値を超えると、せん断荷重が減少に転じることがわかる。
[3.効果]
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
(1)図1A〜図1Cに示す接合方法によれば、第1部材1と、第1部材と種類が異なり、降伏点が低い板状部21を有する第2部材2と、を接合する新規な接合方法を提供できる。
(2)図1A〜図1Cに示す接合方法では、第1部材1と第2部材2とを接合するために、ビスなどの第1部材1及び第2部材2以外の接合用の材料が使用されない。よって、ビス等の他の接合用の材料を使用する接合方法と比較して、製造コストを削減でき、軽量化にもなる。
(3)図1A〜図1Cに示す接合方法では、パンチ4で加圧される前の第2部材2におけるパンチ4で加圧される部分の厚みが、貫通孔11aの軸方向11bの長さよりも厚い。よって、パンチ4を用いて第2部材2の一部を貫通孔11aに圧入したときに、第2部材2が分断されることなく、貫通孔11aに圧入された第2部材2の一部が貫通孔11aの反対側に到達しやすい。そして、貫通孔11aから出た第2部材2の一部が貫通孔11aの縁部に係止されやすい。したがって、第2部材2におけるパンチ4で加圧される部分の厚みが貫通孔11aの軸方向の長さよりも薄い構成と比較して、第1部材1と第2部材2とを接合する接合力を向上させることができる。
(4)図1A〜図1C及び図2に示す例では、第1部材1,5及び第2部材2,6は、金属製である。したがって、金属製の第1部材1,5と第2部材2,6とを接合する新規な接合方法を提供できる。
(5)図1A〜図1C及び図2に示す例では、第1部材1,5は、鉄合金製であり、第2部材2,6は、アルミニウム合金製である。したがって、第1部材及び第2部材が共に鉄合金製である場合と比較して、第1部材と第2部材とを接合することで形成される接合部材を軽量化できる。
(6)図1A〜図1Cに示す接合方法では、第1部材1は、パイプであり、貫通孔11aは、前記パイプの側面に形成される。よって、インパネリインフォースメント等のパイプ状の第1部材1に対して、第2部材2を接合することができる。
(7)図1A〜図1Cに示す接合方法では、板状部21をパンチ4で加圧するに際し、金型の下型が使用されない。よって、下型を使用する構成と比較して、製造コストを削減できる。
[4.他の実施形態]
以上、本開示を実施するための形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。
(1)第1部材及び第2部材は上記実施形態のものに限られない。例えば、第1部材及び第2部材の材料の組合せは、鉄合金及びアルミウム合金以外の金属の組合せであってもよい。例えば、第1部材がステンレス鋼製、第2部材が鉄合金製であってもよい。また、第1部材及び第2部材のうち少なくとも一方は金属製でなくてもよい。例えば、第1部材及び第2部材のうち少なくとも一方は樹脂製であってもよい。この場合も、第1部材及び第2部材は、じん性が比較的高い材料である。
(2)図3に示す接合方法のように、第2部材10の加圧時に、その加圧時の力によりパイプである第1部材9における貫通孔91a周辺の第2部材10の板状部101との当接面に、平面92が形成されてもよい。
このように貫通孔91a周辺に平面92が形成されると、第1部材9と第2部材10との接触が面接触になる。よって、第1部材9と第2部材10との接触が線接触などの面接触以外の接触である場合と比較して、第1部材9と第2部材10とが接合された状態において第1部材9に対する第2部材10の相対位置の変化を抑制できる。すなわち、接合された状態において第1部材9に対する第2部材2の安定性を向上できる。なお、平面92は、厳密な意味での平面に限定されず、目的とする効果を奏するのであれば厳密に平面でなくてもよい。
(3)上記実施形態では、貫通孔として丸孔を例示したが、貫通孔はこれに限られない。貫通孔は、例えば、角孔や、丸孔及び角孔以外の他の形状の孔であってもよい。
(4)貫通孔を形成する第1部材の内壁面の形状は上記実施形態の形状に限られない。例えば、図4Bに示すように、前記内壁面は、第2部材が圧入される側(第2部材が配置される側。図4A〜図4Fの上側。)に向かって貫通孔が拡径するテーパ面であってもよい。また例えば、図4Cに示すように、前記内壁面は、第2部材が圧入される側に向かって貫通孔が縮径するテーパ面であってもよい。また、図4Dに示すように、前記内壁面は、ネジ溝及びネジ山を有するネジ部51を有してもよい。また、図4Eに示すように、前記内壁面は、第2部材が圧入される側からその反対側(図4Eの上側から下側)にかけて、傾斜のない平坦面61と、上記反対側に向かって貫通孔が拡径するテーパ面62と、が連続する形状を有してもよい。また、図4Fに示すように、前記内壁面は、第2部材が圧入される側からその反対側にかけて、上記反対側に向かって貫通孔が縮径するテーパ面63と、傾斜のない平坦面64と、が連続する形状を有してもよい。
(5)上記実施形態において、パンチ4は、貫通孔11aの内径よりも大きい又は小さい外径を有していてもよい。また、パンチ4が貫通孔11aの内径よりも小さい外径を有する場合において、第2部材2の加圧時にパンチ4の先端が貫通孔11aに入るようにしてもよい。しかし、パンチ4の外径が貫通孔11aの内径よりも小さ過ぎると、第2部材2が貫通孔11aに圧入された際に、第2部材2が貫通孔11aの内壁面に充分に当接せず、接合力が弱くなる場合がある。よって、パンチ4の外径を貫通孔11aの内径よりも小さくする場合は、パンチ4の外径を貫通孔11aの内径よりもわずかに小さくすることが望ましい。
(6)パンチの形状は上記実施形態の形状に限らない。例えば、図5Bに示すように、パンチの先端部は、丸みを帯びた形状でもよい。また例えば、図5Cに示すように、パンチの先端部は、凸型、換言すれば、径が一定の小径部71と、径が一定かつ小径部71よりも径が大きく、小径部71に連続した大径部72と、を有する形状であってもよい。また例えば、図5Dに示すように、パンチの先端部は、ボビン型、換言すれば、先端に形成された平面部81と、該平面部81の近傍においてパンチの軸方向における一部を全周にわたって径方向内側へ凹ませた形状のくびれ部82と、を有する形状であってもよい。また例えば、図5Eに示すように、パンチの先端部は、山型、換言すれば、先端に形成された平面部91と、該平面部91に連続し、徐々に径が拡大していく湾曲部92と、を有する形状であってもよい。
(7)図1A〜図1Cに示す接合方法において、低温加工により第1部材と第2部材との接合力を向上させてもよい。すなわち、降伏点がより低い部材である第2部材が低温でもプレス加工可能な場合、第2部材を低温にして加工することで、加工後、第2部材の温度が常温に戻るときに、第2部材の体積が膨張する。この第2部材の体積が膨張する力を利用して、第1部材と第2部材との接合力を向上させてもよい。
(8)図1A〜図1Cに示す接合方法において、金型の下型が使用されてもよい。
(9)図2に示す例のように、第1部材及び第2部材が共に平板である場合、第1部材及び第2部材を接合するために接着剤を併用し、本開示の接合方法を接着剤が硬化するまでの仮止めとして使用してもよい。このような接合方法は、例えば車両のボデー部品の接合に使用可能である。
(10)第2部材は、例えば、パイプ等の円筒状の壁部を有する部材や、軸方向に沿って延在し、上記軸方向に垂直な断面の形状がU字状の壁部を有する部材などであってもよい。そして、これらの壁部をパンチで加圧することで、該壁部の一部が第1部材の貫通孔に圧入されてもよい。なお、この場合も、第2部材の壁部の板状部の一部が貫通孔に圧入される。
また、第1部材及び第2部材は、インパネリインフォースメント及びブラケット以外の車両に使用される部材であってもよい。特に、第1部材は、パイプ以外の部材であってもよい。また、第1部材及び第2部材は、車両以外の物に使用される部材であってもよい。
(11)上記実施形態における1つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、1つの構成要素が有する1つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、1つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される1つの機能を、1つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言によって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。
1,5,9…第1部材、1…部材、2,6,10…第2部材、3…接合部材、
4,7…パンチ、11…壁部、11a,71a,91a…貫通孔、21…板状部。

Claims (6)

  1. 第1部材と、前記第1部材と種類が異なり、前記第1部材よりも降伏点が低い第2部材と、を接合する接合方法であって、
    前記第2部材を、前記第1部材に形成された貫通孔と重なるように配置することと、
    前記第2部材をパンチで加圧し、前記第2部材の全部又は一部を塑性変形させて前記貫通孔の内部に圧入することで、前記第1部材と前記第2部材とを接合させることと、
    を含み、
    前記第1部材は、パイプであり、
    前記貫通孔は、前記パイプの軸方向周りの壁部に形成され、
    前記第2部材をパンチで加圧し、前記第2部材の全部又は一部を塑性変形させて前記貫通孔の内部に圧入することで、前記第1部材と前記第2部材とを接合させることは、
    前記第1部材における前記貫通孔周辺の前記第2部材との当接面に平面を形成することを含む、接合方法。
  2. 請求項1に記載の接合方法であって、
    前記パンチで加圧される前の前記第2部材における前記パンチで加圧される部分の厚みが、前記貫通孔の軸方向の長さよりも厚い、接合方法。
  3. 請求項1又は請求項2に記載の接合方法であって、
    前記第1部材及び前記第2部材は、金属製である、接合方法。
  4. 請求項3に記載の接合方法であって、
    前記第1部材は、鉄合金製であり、
    前記第2部材は、アルミニウム合金製である、接合方法。
  5. 請求項1から請求項までのいずれか1項に記載の接合方法であって、
    前記第2部材を前記パンチで加圧するに際し、金型の下型が使用されない、接合方法。
  6. 第1部材と、前記第1部材と種類が異なり、前記第1部材よりも降伏点が低い第2部材と、を接合することで形成される接合部材の製造方法であって、
    前記第2部材を、前記第1部材に形成された貫通孔と重なるように配置することと、
    前記第2部材をパンチで加圧し、前記第2部材の全部又は一部を塑性変形させて前記貫通孔の内部に圧入することで、前記第1部材と前記第2部材とを接合させることと、
    を含み、
    前記第1部材は、パイプであり、
    前記貫通孔は、前記パイプの軸方向周りの壁部に形成され、
    前記第2部材をパンチで加圧し、前記第2部材の全部又は一部を塑性変形させて前記貫通孔の内部に圧入することで、前記第1部材と前記第2部材とを接合させることは、
    前記第1部材における前記貫通孔周辺の前記第2部材との当接面に平面を形成することを含む、前記接合部材の製造方法。
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