JP7334749B2 - 金属部品の接合方法、接合部品の製造方法、及び金属部品の接合構造 - Google Patents

Description

本発明は、２以上の金属部品の板状部の部分をかしめ加工により接合する接合方法、それを適用した接合部品の製造方法及び金属部品の接合構造に関する技術である。

近年、自動車車体の衝突安全性向上と軽量化を両立させるため、車体部品の異種材接合技術の開発が進んでいる。一般的に自動車プレス部品の接合として、スポット溶接等の接合方法が用いられるが、異種材の接合は金属間化合物などの課題がある。また、超ハイテン材においてもＬＭＥ等の溶接課題があり、溶接以外の接合方法が求められている。

上記スポット溶接の代替として、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）やセルフピアシングリベット、メカニカルクリンチングといった接合方法の開発が進んでいる。しかし、自動車部品の量産にこれらの技術を適用する場合、摩擦撹拌接合やセルフピアシングリベットでは設備投資や追加部品のコストアップ、メカニカルクリンチングでは接合強度の低下といった課題が挙げられる。

ここで、特許文献１には、２枚の金属板の下穴が一致するように重ね合わせ、この状態でバーリング成形を施して筒状のフランジ部を形成した後に、筒状のフランジ部の端部周縁部を他方の金属板を包み込むように拡径方向へ屈曲してかしめることで、端部かしめ部と最外側に位置する金属板の間に、他の金属板を狭着することを記載されている。

また、特許文献２に記載のプレス成形方法は、丸穴を有するベース金属板の上に丸穴を有する被接合金属板を各穴の中心が一致するように重ね合わせ、バーリング加工用のパンチを被接合金属板の丸穴に圧入することで、バーリング部の周縁部がベース金属板の内周部に圧着し、２枚の金属板が接合される、ことが記載されている。

また、特許文献３には、薄板金属板の重ね合わせ部に突き破りポンチを差し込んで、ガイド孔を形成すると共に、このガイド孔の周縁を裏面に向かって屈曲させるバーリング加工を行った後に、カウンタポンチを薄板金属板の裏面から屈曲縁に押し付けることにより、屈曲縁を重ね合わせ部の裏面に折り返すヘミング加工を行って薄板金属板を重ね合わせ部で結合する方法が記載されている。

特開平１１－２３９８３４号公報 特開平８－２１５７７８号公報 特開平６－１９０４７１号公報

しかしながら、特許文献１に記載のプレス成形方法では、バーリング加工により立ち上がるフランジ部が円筒状となっており、金属板面に対して垂直方向（板面に対し９０度以下の立上り）までしか成形されない。このため、筒状のフランジ部の端部周縁部のかしめ工程で、フランジ部の先端部が潰されてかしめができない可能性がある。また、かしめ工程でフランジ部（バーリング部）の先端板端面が金型に潰されることで、当該金型が傷みやすくなり、量産コストが増加する可能性がある。

また、特許文献２に記載のプレス成形方法は、バーリング部の周縁部がベース金属板の端面に圧着する方法であり、この成形方法では、接合する金属板が薄板の場合に、十分な接合強度が得られない可能性がある。

更に、特許文献３に記載のプレス成形方法は、１つの工程で穴開けからかしめ加工まで実施することを前提としているため、金型構造が複雑になり、金型の製作費用や補修費などが増加する可能性がある。また、このプレス成形方法では、接合する板材の強度が高いハイテン材の場合には、金型制約上加工できない可能性がある。

本発明は、上記のような点を鑑みてなされたものであり、金型の構造を複雑化することなく、十分な接合強度を確保できる、かしめ接合の技術を提供することを目的とする。

課題解決のため、本発明の一態様は、複数の金属部品の板状部を重ねてかしめ接合する金属部品の接合方法であって、上記複数の金属部品から選択した金属部品であるかしめ材の板状部に、板厚方向に張り出し且つ平面視で無端環状の張出部を形成する工程と、上記かしめ材以外の金属部品であるかしめ相手材の板状部における接合位置に、平面視おいて、上記無端環状の張出部を差し込み可能な開口を形成する工程と、上記かしめ相手材の開口に上記無端環状の張出部を通して複数の板状部を重ねた状態で、上記かしめ材における上記張出部で囲まれる部分を、当該張出部の張り出し方向と同方向に押圧することで、上記張出部を、上記かしめ相手材における上記開口の外周部の上にかしめるかしめ工程と、を備える。

本発明の態様によれば、無端環状の張出部を形成し、その張出部で囲まれる凹の部分を押し上げるという簡単な操作によって、かしめ接合を行うことができる。

このため、かしめ接合について、金型形状などの金型構造を複雑化することなく、十分な接合強度を確保できる接合構造体を取得することができる。この結果、本発明の態様によれば、例えば、自動車部品におけるハイテン材を用いたかしめ接合や、異種材接合が可能となり、自動車車体の軽量化に貢献できる。

本発明に基づく実施形態に係る接合方法の工程を説明する図である。 開口工程を説明する図である。 予成形工程を説明する図である。 張出部と開口の関係を示す平面図である。 かしめ工程を説明する図である。 予成形工程の別例を説明する図である。 かしめ工程の別例を説明する図である。 従来のかしめ接合の場合を説明する図である。

次に、本発明の実施形態について説明する。
本実施形態は、複数の金属部品の板状部を重ねて、かしめ接合する金属部品の接合技術に関する。

ここで、「金属部品の板状部」と記載しているのは、少なくともかしめ接合される部分が板状となっていればよく、金属部品として、かしめ接合される箇所以外に板形状以外の部分を有していても良いことを表している。

本実施形態では、金属部品全体が板材からなる場合を例にして説明する。このため、金属部品及び金属部品の板状部をともに、金属板とも呼んで説明する。すなわち、本実施形態の例では、複数の金属板をかしめ接合する場合とする。また、かしめる金属板をかしめ材２と呼ぶ。かしめられる、かしめ材２以外の金属板をかしめ相手材１と呼ぶ。

本実施形態の金属部品の接合方法は、図１に示すように、開口工程１０１、予成形工程１０２、及びかしめ工程１０３を備える。

開口工程１０１は、かしめ相手材１の板状部における接合位置に、平面視おいて、無端環状の張出部２Ａを差し込み可能な開口１ａを形成する工程である。開口１ａの大きさは、例えば、無端環状の張出部２Ａの外周輪郭形状と同じ大きさ以上、（当該外周輪郭形状と同じ大きさ＋張出部２Ａの張り出し量）未満である。

予成形工程１０２は、かしめ材２の板状部に、板厚方向に張り出し且つ平面視で無端環状の張出部２Ａを形成する工程である。この工程は、例えば張り出し成形で行う。
かしめ工程１０３は、かしめ相手材１の開口１ａに無端環状の張出部２Ａを通して複数の板状部を重ねた状態で、かしめ材２における張出部２Ａで囲まれる部分を、当該張出部２Ａの張り出し方向と同方向に押圧することで、張出部２Ａをかしめ相手材１の上にかしめる工程である。

また、接合される金属板の引張強度について、特に限定はない。例えば、接合される金属板のうち、少なくともかしめ相手材１は、引張強度が２７０ＭＰａ以上の鋼板やアルミ合金材などの金属板から構成されてもよい。かしめ材２も、引張強度が２７０ＭＰａ以上の鋼板やアルミ合金材などの金属板であってもよい。異種材料同士の接合の場合には、かしめ材２の引張強度が、かしめ相手材１の引用強度よりも大きくなるように設定することが好ましい。
また、かしめ相手材１は、２枚以上であってもよい。

次に、金属部品の具体的な接合方法の例を、図面を参照して説明する。
＜開口工程１０１＞
開口工程１０１は、図２に示すように、かしめ相手材１を厚さ方向でダイ１０と板押え１１とで拘束した状態で、開口形状と同じ断面形状のパンチ１２を板厚方向に下降することで板を打ち抜き、かしめ相手材１に開口１ａを形成する。

＜予成形工程１０２＞
予成形工程１０２は、図３に示すように、下型１３と上型１４とでかしめ材２を板厚方向にプレスして、板厚方向に張り出し且つ平面視で無端環状となった張出部２Ａを形成する。
具体的には、下型１３の上面には、張出部２Ａに倣った形状の無端環状の突起部１３Ａが、無端環状に形成されている。上型１４の下面には、突起部１３Ａにプレス方向で対向し、張出部２Ａに倣った形状の無端環状の凹部１４Ａが形成されている。そして、突起部１３Ａと凹部１４Ａによる張り出し成形によって、上記の無端環状の張出部２Ａが、かしめ材１に形成される。

予成形工程１０２で形成された張出部２Ａは、図４に示すように、無端環状に形成されている。図４では、円環状に形成された場合を例示している。一点鎖線の位置は、かしめ相手材１に形成した開口１ａの開口端位置の例を示す。

＜かしめ工程１０３＞
かしめ工程１０３では、まず、図５（ａ）に示すように、無端環状の張出部２Ａをかしめ相手材１の開口１ａに通すようにして、かしめ材２の上にかしめ相手材１を重ねた状態とする。
上型１６の下面１６ａは、例えば平坦になっていて、張出部２Ａの先端部を横方向（プレス方向に直交する方向）に案内する案内面となっている。なお、案内面は、平坦でなくても良く、例えば、断面が外側に向かうほど低くなるような輪郭形状であってもよい。
その案内面を構成する下面１６ａは、かしめ相手材１における開口の外周部（かしめられる部分）の上方まで延在している。

そして、かしめ工程１０３では、かしめ材２における張出部２Ａで囲まれる凹の部分（以下、内側部分２Ｂとも呼ぶ）を、当該張出部２Ａの張り出し方向と同方向、すなわち下方から上方に向けて、ポンチ１７で押圧して押し上げる。

張出部２Ａが上方に変位することが規制された状態で、内側部分２Ｂを持ち上げることで、張出部２Ａで囲まれた下側に凹の部分が平坦となる方向に変化する。この変化によって、相対的に張出部２Ａの頂部が、上型１６の下面１６ａに案内されて拡径方向（外方）に移動する。この結果、張出部２Ａが、かしめ相手材１の開口１ａの外周部位置に上側に巻き付くように回転変形して、かしめ接合が実行される。
なお、上型１６の下面１６ａとかしめ相手材１の間隔は、例えばかしめ材２の板厚の２倍程度となるように設定する。

なお、上記かしめ工程１０３の後に、平坦な上型（不図示）と下型（不図示）とでプレスして、よりかしめ接合の結合力が強くなるようにしても良い。

（変形例）
（１）ここで、無端環状の張出部２Ａで囲まれた内側部分２Ｂの形状について、特に限定はないが、張出部２Ａの内周側の壁面は、内側に傾斜した傾斜面であることが好ましい。
下型１３の突起部１３Ａの内周側の壁面１３Ａａを内側に傾斜した傾斜面を形成しておけば、実現可能である。

（２）上記実施形態では、無端環状の張出部２Ａで囲まれた内側部分２Ｂの形状が平坦な場合（図５（ａ）等参照）を例示したが、例えば、無端環状の張出部２Ａの頂部で囲まれた部分を、図６に示すように、張出部２Ａの張り出し方向とは反対側に凹の断面円弧形状（球頭形状）としても良い。

すなわち、予成形工程１０２として、図６に示すように、球頭形状の凹部が形成された下型を持ちしてプレス成形することで、無端環状の張出部２Ａの頂部で囲まれた部分を球頭形状の凹部とする。

このように成形すると、張出部２Ａの内周側の壁面を傾斜した形状とすると共に、無端環状の張出部２Ａで囲まれた内側部分２Ｂの断面線長を大きく設定可能となる。
そして、例えば、かし１０３工程として、図７に示すように、断面円弧状の内側部分２Ｂを、上面が平坦なパンチ１７で押し上げることで、張出部２Ａの頂部が上型の下面に１６ａに案内されて拡径方向（外方）に変位するように、張出部２Ａが回転変位してかしめ相手材１の上に巻き付いてかしめが実行される。

図７の例では、上型１６の下面１６ａの形状について、かしめ相手材１の上方に位置する部分を外側に向かうほど低くなるように設定して、より張出部２Ａが回転変位してかしめ相手材１の上に巻き付きやすくしている。

ここで、上記説明では、開口が丸穴である場合を想定して記載しているが、開口の断面形状が円形でなくても良い。例えば開口の断面形状が、四隅の角部にＲや面取りが付与された四角形形状や楕円形状であっても良い。

（動作その他）
通常のバーリング加工を用いたかしめ接合の場合には、かしめ材２に下穴を形成し（打抜きにより打抜き穴を加工し）、下穴に対してバーリング成形を施して、フランジ部２Ｄ（バーリング部）を形成した場合、図８（ａ）に示すように、フランジ部２Ｄは、円筒形状となって板面に対して垂直方向に成形される。このため、かしめの工程（図８（ｂ）～（ｄ）参照）にて、フランジ部２Ｄを上側から押し潰すと、図８（ｃ）のように、フランジ部２Ｄの先端部の端面が潰れて、図８（ｄ）のように、かしめができないか不十分である可能性がある。

これに対し、本実施形態では、かしめ材２に下穴を形成する代わりに、無端環状の張出部２Ａを形成し、その無端環状の張出部２Ａで囲まれる内側部分２Ｂを張出部２Ａの張り出し方向に持ち上げるという簡単な操作によって、張出部２Ａがかしめ相手材１に巻き付いてかしめ接合が行われる。

（その他）
本開示は、以下のような構成も取ることができる。

（１）本実施形態は、複数の金属部品の板状部を重ねてかしめ接合する金属部品の接合方法であって、上記複数の金属部品から選択した金属部品であるかしめ材の板状部に、板厚方向に張り出し且つ平面視で無端環状の張出部を形成する工程と、上記かしめ材以外の金属部品であるかしめ相手材の板状部における接合位置に、平面視おいて、上記無端環状の張出部の外周輪郭形状と同じ大きさの開口を形成する工程と、上記かしめ相手材の開口に上記無端環状の張出部を通して複数の板状部を重ねた状態で、上記かしめ材における上記張出部で囲まれる部分を、当該張出部の張り出し方向と同方向に押圧することで、上記張出部をかしめ相手材の上にかしめるかしめ工程と、を備える。

この構成によれば、無端環状の張出部を形成し、その張出部で囲まれる凹の部分を押し上げるという簡単な操作によって、かしめ接合を行うことができる。
このため、かしめ接合について、金型形状などの金型構造を複雑化することなく、十分な接合強度を確保できる接合構造体を取得することができる。この結果、本発明の態様によれば、例えば、自動車部品におけるハイテン材を用いたかしめ接合や、異種材接合が可能となり、自動車車体の軽量化に貢献できる。

（２）上記金属部品のうち、少なくともかしめ相手材１は、引張強度が２７０ＭＰａ以上の金属板からなる。
この構成によれば、仮にかしめ相手材１がアルミ合金材などの部材から構成されていても、より確実に異種材接合が可能となる。

（３）本実施形態の接合部品の製造方法では、複数の金属部品の板状部を、本実施形態に記載の金属部品の接合方法で接合する。
この構成によれば、バーリング加工を用いた接合部品をより簡易に製造可能となる。
接合部品は、例えば自動車車体部品である。

（４）複数の金属部品の板状部が重ねられ、上記複数の金属部品から選択した金属部品であるかしめ材の板状部が、上記かしめ材以外の金属部品であるかしめ相手材の板状部における接合位置に形成された開口の外周にかしめられて、重ねられた上記複数の板状部分が接合された金属部品の接合構造であって、上記かしめ材の板状部には、上記開口に挿入され、上記開口の開口端部の周方向に沿って配置された張出部を有し、上記張出部が、二つ折りされた形状で、上記開口の外周側に向けてかしめられることで、当該張出部が上記開口の外周部に重なっている、金属部品の接合構造。
本実施形態に基づく上述のかしめ接合方法によって、本構造を構成することが可能である。

１ かしめ相手材
１ａ 開口
２ かしめ材
２Ａ 張出部
２Ｂ 内側部分
１６ 上型
１６ａ 下面
１７ ポンチ
１０１ 開口工程
１０２ 予成形工程
１０３ 工程

Claims (3)

1. 複数の金属部品の板状部を重ねてかしめ接合する金属部品の接合方法であって、
   上記複数の金属部品から選択した金属部品であるかしめ材の板状部に、板厚方向に張り出し且つ平面視で無端環状の張出部を形成する工程と、
   上記かしめ材以外の金属部品であるかしめ相手材の板状部における接合位置に、平面視おいて、上記無端環状の張出部を差し込み可能な開口を形成する工程と、
   上記かしめ相手材の開口に上記無端環状の張出部を通して複数の板状部を重ねた状態で、上記かしめ材における上記張出部で囲まれる部分を、当該張出部の張り出し方向と同方向に押圧することで、上記張出部を、上記かしめ相手材における上記開口の外周部の上にかしめるかしめ工程と、
   を備え、
   上記かしめ工程は、上記張出部の先端部を拡径方向に案内する案内面を有する上型を有し、上記張出部で囲まれる部分を当該張出部の張り出し方向と同方向に押圧した際に、上記張出部の先端部を上記案内面で拡径方向に案内する、
   ことを特徴とする金属部品の接合方法。
2. 上記金属部品のうち、少なくともかしめ相手材は、引張強度が２７０ＭＰａ以上の金属板からなる、請求項１に記載した金属部品の接合方法。
3. 複数の金属部品の板状部を、請求項１又は請求項２に記載の金属部品の接合方法で接合する、接合部品の製造方法。

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