JP6901539B2 - 部材の接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、部材の接合方法に関する。

自動車の軽量化や安全性向上のために、ハイテンション鋼と呼ばれる高強度の鋼板が使用されている。ハイテンション鋼は軽量化や安全性向上に有効であるが、アルミなどの低比重材料と比較すると重い。また、ハイテンション鋼を使用すると、高強度ゆえに、成形性の低下、成形荷重の上昇、および寸法精度の低下などの問題が生じる。これらの問題を解決するために、近年、鋼よりも低比重のアルミを用いた押し出し成形品、鋳造品、またはプレス成形品を、鋼製部品と合わせて活用するマルチマテリアル化が行われている。

マルチマテリアル化で問題となるのは鋼製部品とアルミ製部品のような異種金属の接合である。一般に、このように性質の異なる異種金属を接合することは困難であるが、例えば、特許文献１および特許文献２では、弾性体を利用することによりマルチマテリアル化における異種金属の接合を可能にする部材の接合方法が開示されている。詳細には、特許文献１および特許文献２の部材の接合方法では、壁面体（板部材）の孔部に管体を挿入し、管体（管部材）の内側に弾性体（ウレタン弾性体）を挿入し、弾性体を加圧することで変形させ、それによって管体を拡管し、壁面体と管体とをかしめ接合している。

特開昭５１−１３３１７０号公報 特開平９−１９２７６０号公報

特許文献１に開示された接合方法では、ポンチ及びダイによって弾性体を加圧して管体を拡管させて壁面体と管体とをかしめ接合している。このため、弾性体で管体を拡管させる際、ポンチ及びダイが弾性体に食い込んで、この弾性体に局所的な歪が発生したり、場合によっては割れてしまったりすることがある。

特許文献２に開示された接合方法では、穴あき円板と、その穴に挿通される心棒を備えた心棒付き円板との間に弾性体を挟持し、心棒を引っ張って円板同士を接近させることにより弾性体を圧縮している。このため、円板が弾性体に食い込んで、前記同様、弾性体に局所的な歪や割れが発生することがある。

本発明は、部材同士を弾性体によって接合する際、弾性体に生じる局所歪や割れを防止することができる部材の接合方法を提供することを課題とする。

本発明は、前記課題を解決するための手段として、筒状の第１部材と、開口部を有する板状の第２部材とを接合する部材の接合方法であって、前記第２部材の開口部に第１部材を挿通するステップと、前記第１部材内に弾性体を挿入するステップと、前記第２部材の両側で、前記第１部材の外径側を一対の外金型でそれぞれガイドするステップと、前記第１部材内の弾性体を一対の内金型で圧縮するステップと、とを含み、前記内金型は、前記外金型が位置する範囲内で前記弾性体を圧縮する、部材の接合方法を提供する。

これによれば、外金型によって第１部材の外径側をガイドし、内金型によって弾性体を圧縮するのは外金型が位置する範囲内であるので、内金型が弾性体に食い込むことがない。したがって、弾性体に局所歪や割れが発生することがない。

前記内金型は、上下にそれぞれ配置され、少なくともいずれか一方の内金型で前記弾性体を圧縮すればよい。

前記外金型は、複数の割型で構成されているのが好ましい。

これによれば、第１部材が長尺な構成であっても、外金型が割型であれば、その周囲に容易に配置することができる。

前記外金型は、端面に向かうに従って徐々に開口面積が大きくなる凹部が形成され、前記内金型は、前記凹部内には突出しないのが好ましい。

これによれば、内金型で弾性体を圧縮する際、凹部の存在により、弾性体をスムーズに圧縮方向とは直交する方向へと弾性変形させることができる。

本発明によれば、部材同士を弾性体によって接合する際、弾性体に生じる局所歪や割れを防止することができる。

本実施形態に係る部材の接合方法に於ける第１ステップを示す模式断面図である。 本実施形態に係る部材の接合方法に於ける第２ステップを示す模式断面図である。 本実施形態に係る部材の接合方法に於ける第３ステップを示す模式断面図である。 本実施形態に係る部材の接合方法に於ける第４ステップを示す模式断面図である。 図３の外金型を２つの割型で構成した例を示す模式平面図である。 他の実施形態に係る外金型の模式断面図である。 他の実施形態に係る外金型の模式断面図である。

以下、本発明に係る実施形態を添付図面に従って説明する。なお、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物、あるいは、その用途を制限することを意図するものではない。また、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは相違している。

図１から図４は、本実施形態に係る部材の接合方法を説明するための模式断面図である。接合する部材は、第１部材１と第２部材２からなる。

第１部材１は中空円筒状である。第２部材２は板状で、第１部材１が挿通可能な円形の開口部３を有する。第２部材２には第１部材１よりも強度の大きい材料が使用されている。強度とは機械的強度を意味し、例えば、引張強度、降伏応力などが該当する。第１部材１には、例えば、アルミニウム合金が使用されている。アルミニウム合金の引張強度は、４００ＭＰａ以下である。第２部材２には、例えば、ハイテンション鋼が使用されている。ハイテンション鋼の引張強度は、４００〜１０００ＭＰａである。

第１部材１と第２部材２の接合に使用される接合装置は、上下一対の内金型４及び外金型５からなる金型と、第１部材１に挿入される弾性体６とで構成されている。

内金型４は炭素鋼などの金型として一般的に使用される材料で構成されている。内金型４は、下方側に配置され、ダイとして機能する第１内金型７と、上方側に配置され、パンチとして機能する第２内金型８とで構成されている。第１内金型７の上端面が後述する弾性体６の下端面に当接する第１当接面７ａである。第２内金型８の下端面が弾性体６の上端面に当接する第２当接面８ａである。第１内金型７と第２内金型８は、鉛直方向に延びる同一軸心ＳＣ上に配置されている。

第１内金型７及び第２内金型８は円柱状で、第２内金型８に対して第１内金型７が昇降するように構成されている。第１内金型７は、接合装置本体（図示せず）に取り付けられている。第２内金型８の昇降には、プレス装置（図示せず）が使用されている。第１内金型７及び第２内金型８の外径寸法は、第１部材１の内径寸法よりも若干小さい。第１内金型７及び第２内金型８は、第１部材１の上下開口端からそれぞれ内部空間へと挿入可能となっている。

外金型５も炭素鋼などの金型として一般的に使用される材料で構成されている。外金型５は、第１外金型９と第２外金型１０とで構成されている。第１外金型９は下方側に配置され、第１内金型７とで第１部材１の外径側をガイドする。第２外金型１０は上方側に配置され、第２内金型８とで第１部材１の外径側をガイドする。第１外金型９と第２外金型１０は、内金型４と同じ、鉛直方向に延びる同一軸心ＳＣ上に配置されている。第２外金型１０は、昇降台（図示せず）に取り付けられ、昇降機構（図示せず）によって昇降する。第２外金型１０の昇降動作は、第２内金型８とは独立している。第２外金型１０が第１設定位置（図３参照）まで降下した後、第２内金型８がさらに第２設定位置（図４参照）まで降下する。

第１外金型９及び第２外金型１０は円筒状で、中心孔１１の内径寸法は第１部材１の外径寸法よりも若干大きい。第１外金型９の内周面と第１内金型７の外周面との間には環状の隙間（第１環状空間１２）が形成され、第１部材１の下方部が挿通可能となっている。第２外金型１０の内周面と第２内金型８の外周面との間にも環状の隙間（第２環状空間１３）が形成され、第１部材１の上方部が挿通可能となっている。また、第１外金型９及び第２外金型１０の端面すなわち対向面には第１凹部１４及び第２凹部１５がそれぞれ形成されている。第１凹部１４及び第２凹部１５は、深さ方向に徐々に開口面積が小さくなる円錐面状に形成されている。ここでは、図４に示すように、第１凹部１４及び第２凹部１５を構成する円錐面と軸心方向との成す角度θが約４５°となるように設計されている。但し、この角度θは、弾性体６の材質やサイズに応じて変化する、圧縮量に対する径方向外側への弾性変形量に基づいて決定すればよい。つまり、弾性体６の弾性変形によって形状を変化させた第１部材１が、第１凹部１４又は第２凹部１５に圧接しないような角度θとすればよい。

弾性体６は円柱状で、弾性材料で構成されている。使用可能な弾性材料は、例えば、ウレタンゴム、クロロプレンゴム、ＣＮＲゴム（クロロプレンゴム＋ニトリルゴム）、シリコンゴムなどが含まれる。使用する弾性材料の硬度はショアＡで３０以上であることが好ましい。弾性体６は、弾性変形前の外径寸法が第１部材１の内径寸法よりも若干小さく、第１部材１に挿通可能となっている。弾性体６は、内金型４によって軸心方向ＳＣに圧縮されることにより径方向外側に弾性変形する。

次に、第１部材１と第２部材２の接合方法について説明する。

図１に示すように、第２内金型８及び第２外金型１０を上昇させた状態で、第１内金型７と第１外金型９との間に形成される第１環状空間１２に第１部材１を挿入する（第１ステップ）。第１外金型９には第１凹部１４が形成されている。このため、挿入された第１部材１を第１凹部１４から第１環状空間１２へとスムーズに案内することができる。挿入された第１部材１は、その下端開口部を接合装置本体の一部に支持され、上下方向に位置決めされる。

図２に示すように、第１部材１内に弾性体６を挿入する（第２ステップ）。弾性体６は、その下端面が第１内金型７の第１当接面に当接することにより上下方向に位置決めされる。

図３に示すように、第１部材１の外径側に第２部材２を配置する（第３ステップ）。すなわち、第２部材２を昇降台に取り付け、第２外金型１０と共に降下させる。これにより、第２部材２の開口部３に第１部材１が挿通し、第２部材２は接合位置ＣＰに移動する。第２部材２が接合位置ＣＰに移動した状態では、第２外金型１０は接合位置ＣＰを中心として第１外金型９とは面対称な位置に位置決めされる。このとき、第２内金型８の第２当接面８ａが弾性体６の上端面に当接する。

図４に示すように、第２内金型８を降下させる（第４ステップ）。第２内金型８の降下により、第１内金型７との間に位置する弾性体６が軸心方向に圧縮され、径方向外側に弾性変形する。弾性体６が径方向外側に弾性変形すると、第１部材１は内周面を押圧されて、径方向外側へと形状を変化させる。第１外金型９と第２外金型１０の中心位置に、第１部材１よりも強度の大きい材料で形成された第２部材２が位置し、第１部材１の径方向外側への変形が阻止されている。このため、弾性体６は、第２部材２が位置する部分では変形を抑えられ、その両側では径方向外側に弾性変形する。弾性体６が第２部材２の両側部分で径方向外側に弾性変形することで、第１部材１は、外周面の一部を第２部材２の開口部３内面に圧接させると共に第２部材２を挟んで断面波形に形状を変化させる。これにより、第１部材１と第２部材２とが接合される。

第２内金型８の降下位置は、その下端部が第２外金型１０内であって、第２凹部１５内には突出しない位置である。つまり、第２内金型８の第２当接面８ａで弾性体６を押圧するのは、第２外金型１０の中心孔１１内となる。このため、第２内金型８で弾性体６を押圧しても、弾性体６は外周面を中心孔１１を構成する内周面によってガイドされ、径方向外側に弾性変形することがない。したがって、第２内金型８の第２当接面８ａの範囲を超えて弾性体６が広がることがない。つまり、第２内金型８の下端部が弾性体６に食い込むことがない。この結果、弾性体６が第２内金型８によって局所的な損傷を受けたり、割れが発生したりすることを防止できる。一方、第１内金型７の第１当接面７ａは、第１外金型９に形成した第１凹部１４の底面と面一となっている。このため、第１内金型７の上端部も弾性体６に食い込むことがない。また、弾性体６は径方向外側に弾性変形するが、第１凹部１４及び第２凹部１５によって徐々に変形量が大きくなるように構成されている。このため、弾性体６の変形量が局所的に急激に大きくなって亀裂などが発生したりすることを防止できる。ここでは、弾性体６の圧縮率を３０％としている。つまり、内金型４によって押圧していない無負荷の状態での弾性体６の体積を１００％とした場合、７０％となるまで圧縮している。

第１部材１と第２部材２が接合されれば、第２内金型８及び第２外金型１０を上昇させ、金型からこれらを取り外す。また、取り外した第１部材１から弾性体６を取り出す。第１内金型７及び第２内金型８による圧縮状態が解除されると、弾性体６は元の円柱形状に復帰する。このため、第１部材１から弾性体６を簡単に取り出すことができる。

前記実施形態に係る第１部材１と第２部材２の接合方法によれば、第２内金型８によって弾性体６を押圧するのは、第２外金型１０が位置する範囲内、詳しくは、中心孔１１内であって第２凹部１５には突出しない範囲である。この範囲であれば、第２内金型８の第２当接面と弾性体６が押圧される範囲とが合致し、第２内金型８の第２当接面８ａが弾性体６に食い込むことがない。このため、弾性体６が第２内金型８に押圧されて局所的な損傷を受けたり、割れを発生させたりすることがない。この結果、弾性体６を長期に亘って繰り返し使用することができ、経済的である。また、既存の設備に外金型５を追加するだけで対応することができ、この点でも経済的である。

なお、前記実施形態では、第１ステップで金型内に第１部材１を配置してから、第２ステップで第１部材１内に弾性体６を挿入するようにしたが、第２ステップを行ってから第１ステップを行うようにしてもよい。また、第３ステップで第１部材１の外径側に第２部材２を配置するのは、第２ステップが終了してからとしたが、第２ステップの前であっても構わない。また、第３ステップで、第１部材１に対して第２部材２と第２外金型１０の位置決めを同時に行うようにしたが、先に第２部材２の位置決めを完了してから第２外金型１０の位置決めを行うようにしてもよい。

本発明は、前記実施形態に記載された構成に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。

前記実施形態では、第２内金型８に対して第１内金型７を昇降させるようにしたが、第１内金型７に対して第２内金型８を昇降させてもよいし、両方を昇降させるようにしてもよい。両方を昇降させる場合、第２部材２を中心として第１外金型９と第２外金型１０を上下にそれぞれ均等に配置し、第１内金型７と第２内金型８を第２部材２に向かって均等に昇降させるようにすればよい。

また金型の軸心方向は鉛直方向に限らず、水平方向など、他の方向に沿うように配置してもよい。金型を水平方向に沿うように配置する場合、鉛直方向の場合のように重量の影響を考える必要がないため、内金型４の両方を均等に移動させる構成を採用しやすくなるという利点がある。

前記実施形態では、外金型５を単一部材で構成するようにしたが、周方向に均等に分割した複数の割型で構成するようにしてもよい。割型は、２つで構成してもよいし、３つ以上で構成してもよい。図５は、外金型５を２つの割型９Ａ，９Ｂ（又は１０Ａ，１０Ｂ）で構成した例を示す模式平面図である。第１部材１が長尺な円筒状であり、上下方向に金型を開放しても挿入が難しかったり、挿入できなかったりする場合などに、外金型５を割型とすることにより第１部材１の周囲に配置することが可能となる。

前記実施形態では、第１部材１の断面形状を円形状としたが、矩形状としてもよいし、三角形状、台形状など他の断面形状とすることもできる。この場合、第２部材２の開口部３の形状も第１部材１の断面形状に合わせる必要がある。例えば、第１部材１を断面矩形状とする場合、第２部材２の開口部３は第１部材１よりも若干大きめの矩形状とすればよい。内金型４の断面形状も、第１部材１に合わせるようにすればよい。外金型５の中心孔１１の形状も同様である。但し、弾性体６は、断面矩形状とした場合でも、圧縮した際、断面円形となるように弾性変形しようとする。このため、各辺の中央部分での外側への弾性変形量が両端側に比べて大きくなってしまう。特に、断面長方形である場合、長辺の中央部分での弾性変形量が大きくなる。外金型５を設けることで、このような変形を抑えることができる。

前記実施形態では、第１外金型９に第１凹部１４、第２外金型１０に第２凹部１５をそれぞれ形成するようにしたが、これらは必ずしも必要なものではない。いずれか一方、あるいは、両方の凹部を不要とすることができる。また、第１内金型７及び第２内金型８は、第１外金型９及び第２外金型１０の中心孔１１内で弾性体６を圧縮するように構成してもよい。これにより、第１内金型７又は第２内金型８が弾性体６に食い込むことがなく、前記同様の効果を得ることができる。

また、第１凹部１４及び第２凹部１５の形状は、前述の円錐面に限らず、この円錐面が湾曲した凹曲面や凸曲面などで構成されていてもよい。図６は、第１凹部１４及び第２凹部１５を構成する内面が凹曲面で構成された例を示す。図７は、第１凹部１４及び第２凹部１５を構成する内面が凸曲面で構成された例を示す。

１…第１部材
２…第２部材
３…開口部
４…内金型
５…外金型
６…弾性体
７…第１内金型
７ａ…第１当接面
８…第２内金型
８ａ…第２当接面
９…第１外金型
１０…第２外金型
１１…中心孔
１２…第１環状空間
１３…第２環状空間
１４…第１凹部
１５…第２凹部

Claims (4)

1. 筒状の第１部材と、開口部を有する板状の第２部材とを接合する部材の接合方法であって、
   前記第２部材の開口部に第１部材を挿通するステップと、
   前記第１部材内に弾性体を挿入するステップと、
   前記第２部材の両側で、前記第１部材の外径側を一対の外金型でそれぞれガイドするステップと、
   前記第１部材内の弾性体を一対の内金型で圧縮するステップと、
   を含み、
   前記内金型は、前記外金型が位置する範囲内で前記弾性体を圧縮し、
   前記外金型は、端面に向かうに従って徐々に開口面積が大きくなる凹部が形成され、前記内金型は前記凹部内には突出せず、
   前記凹部を構成する内面は、凹曲面で構成されている、部材の接合方法。
2. 筒状の第１部材と、開口部を有する板状の第２部材とを接合する部材の接合方法であって、
   前記第２部材の開口部に第１部材を挿通するステップと、
   前記第１部材内に弾性体を挿入するステップと、
   前記第２部材の両側で、前記第１部材の外径側を一対の外金型でそれぞれガイドするステップと、
   前記第１部材内の弾性体を一対の内金型で圧縮するステップと、
   を含み、
   前記内金型は、前記外金型が位置する範囲内で前記弾性体を圧縮し、
   前記外金型は、端面に向かうに従って徐々に開口面積が大きくなる凹部が形成され、前記内金型は前記凹部内には突出せず、
   前記凹部を構成する内面は、凸曲面で構成されている、部材の接合方法。
3. 前記内金型は、上下にそれぞれ配置され、少なくともいずれか一方の内金型で前記弾性体を圧縮する、請求項１または２に記載の部材の接合方法。
4. 前記外金型は、複数の割型で構成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の部材の接合方法。

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