KR102286864B1 - 이종소재 접합을 위한 셀프 드릴링 리벳 접합 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 서로 상이한 재질을 갖는 복수의 판재들(10)을 상하방향을 따라 적층하여 준비하는 단계; 상기 드릴링 리벳을 회전 구동하여 적층된 복수의 판재들(10) 중 최상부에 배치된 고강도 소재(11)에 대해 드릴링 작업을 수행하여 관통 작업을 실시하는 단계; 및 상기 드릴링 리벳에 의해 상기 고강도 소재(11)가 관통된 상태에서, 상기 드릴링 리벳을 가압하여 적층된 복수의 판재들(10) 중 최하부에 배치된 저강도 소재(13)에 대해 압착을 실시하는 단계;를 포함하고, 톱니 형태의 절삭날 구조를 갖는 드릴링 리벳의 회전을 이용하여 상기 고강도 소재(11)에 홀 가공과 함께 상기 드릴링 리벳을 삽입한 이후에 삽입된 드릴링 리벳을 압착하여 상기 고강도 소재(11)의 하부에 배치된 상기 저강도 소재(13) 상에 드릴링 리벳을 최종 접합을 시행함으로써 고강도 및 저강도 소재(13)로 이루어진 이종 소재 상에 홀 가공 접합을 실시하고, 드릴링 리벳을 이용하여 이종 소재가 적층된 구조로 이루어진 접합 대상물에 대한 셀프 드릴링 리벳 접합을 수행하는 것을 특징으로 한다.

Description

이종소재 접합을 위한 셀프 드릴링 리벳 접합 방법{Self drilling rivet joining method for joining dissimilar materials}
본 발명은 이종소재 접합을 위한 셀프 드릴링 리벳 접합기술에 관한 것으로서, 차체 멀티 소재 디자인 적용에 의한 이종소재 접합기술 개발 요구에 따른 셀프 드릴링 리벳 접합 기술에 관한 것이다.
자동차 산업에서는 환경 문제에 따른 연비의 향상을 위해 알루미늄 합금과 플라스틱 재료 등의 사용을 통하여 차체의 경량화를 도모하고 있다. 이를 위해 자동차 업계에서는 차체를 조립하는 통상적인 스폿 용접을 대체할 수 있는 접합 방법에 대한 고찰이 이루어지고 있다.
최근에는 셀프 피어싱 리벳(Self piercing rivet)을 이용한 셀프 피어싱 리벳 접합방법이 적용되는 추세이다. 강판 등의 접합 대상물에 리벳 접합용 구멍을 가공하고 그 구멍에 리벳을 삽입 후 헤드부를 성형하여 접합 대상물을 접합하는 기존의 리벳팅 방식과 달리, 셀프 피어싱 리벳 접합방법은 동종 내지 이종의 판재 형상에 재료 상에 구멍을 선행하여 가공하지 않고 유압 또는 공압으로 리벳을 접합 대상물에 압입하여 리벳을 소성 변형시킴으로써 접합 대상물을 접합하는 방식이다.
셀프 피어싱 리벳 접합 공정은 펀치의 가압으로만 이루어짐으로써 접합 공정시에 열, 먼지, 소음 등이 없어 환경친화적이고 피로 강도가 높아서 수명이 긴 장점이 있다.
다른 한편으로는, 기존에 복합 판재를 연결하기 위하여 셀프 피어싱 리벳 접합 공정을 적용하는 경우에도 기계적 접합 공정의 한계가 있어 왔는바, 구체적으로는 초고강도강 및 복합소재 등에 적용시 강도 차이에 의해 리벳을 이용한 셀프 피어싱이 불가능하다는 점, 클린칭의 경우에 고강도 소재(11)의 성형성 부족으로 인해 상부소재 상에 네킹이 발생한다는 점 및 홀 클린칭의 경우 별도의 홀가공이 필요하며 이로 인한 접합단가 상승아 있다는 문제점이 있어 왔다.
(특허문헌 1) KR10-1865028 B
본 발명은 톱니 형태의 구조를 갖는 리벳의 회전을 이용하여 피어싱이 어려운 고강도 소재(11)에 홀 가공과 함께 리벳을 삽입하고, 이후 삽입된 리벳을 압착하여 고강도 소재(11)의 하부에 배치된 저강도 소재(13) 상에 리벳을 기하학적 접합 형상으로 성형하여 최종 접합을 행함으로써 고강도 및 저강도 소재(13)로 이루어진 이종 소재 상에 홀 가공을 실시하는 방안을 제공하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 드릴링 리벳을 이용하여 이종 소재가 적층된 구조로 이루어진 접합 대상물에 대한 셀프 드릴링 리벳 접합을 수행하고, 서로 상이한 재질을 갖는 복수의 판재들(10)을 상하방향을 따라 적층하여 준비하는 단계; 상기 드릴링 리벳을 회전 구동하여 적층된 복수의 판재들(10) 중 최상부에 배치된 고강도 소재(11)에 대해 드릴링 작업을 수행하여 관통 작업을 실시하는 단계; 및 상기 드릴링 리벳에 의해 상기 고강도 소재(11)가 관통된 상태에서, 상기 드릴링 리벳을 가압하여 적층된 복수의 판재들(10) 중 최하부에 배치된 저강도 소재(13)에 대해 압착을 실시하는 단계;를 포함하고, 톱니 형태의 절삭날 구조를 갖는 드릴링 리벳의 회전을 이용하여 상기 고강도 소재(11)에 홀 가공과 함께 상기 드릴링 리벳을 삽입한 이후에 삽입된 드릴링 리벳을 압착하여 상기 고강도 소재(11)의 하부에 배치된 상기 저강도 소재(13) 상에 드릴링 리벳을 최종 접합을 시행함으로써 고강도 및 저강도 소재(13)로 이루어진 이종 소재 상에 홀 가공 접합을 실시한다.
상기 드릴링 리벳은, 상기 드릴링 리벳의 회전 내지 가압을 위하여 구동축이 결합되는 몸체부(110), 상기 몸체부(110)의 하단 상에 결합된 상태에서 절삭날이 형성된 생크부(120) 및 상기 몸체부(110)의 상단 상에 분리 가능하게 형성된 구동 연결부(130)를 포함한다.
상기 구동 연결부(130)는 상기 몸체부(110)의 회전 구동을 가능하게 하도록 하는 회전축으로서, 상기 몸체부(110)에 연결되는 상기 회전축의 지점은 상대적으로 그 단면적이 작은 구조를 갖는다.
상기 구동 연결부(130)는 상기 몸체부(110)의 가압 구동을 가능하게 하도록 하는 가압축으로서, 상기 몸체부(110)에 형성된 결합홈 상에 분리 가능하게 결합되는 구성을 갖는다.
본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다.
본 발명에 따른 셀프 드릴링 리벳 접합 기술은 리벳 회전을 이용하여 고강도 소재(11) 상에 홀을 가공하는 것으로서 리벳 회전에 의해 발생하는 절삭력을 이용하여 기존 피어싱이 어려운 고강도 소재(11)에 홀 가공과 함께 리벳을 삽입하고, 삽입된 리벳을 고강도 소재(11)의 하단에 적층된 저강도 소재(13) 상에 압착하여 기하학적 접합 형상으로 성형하여 이종 소재 간의 최종 접합을 행한다.
또한, 셀프 드릴링 리벳 접합 공정에 사용되는 리벳에 대하여 절삭력 확보를 위한 톱니 형태의 형상으로 구현함으로써 회전/절삭 가공을 위하여 리벳 형상을 회전을 위한 리벳 형상으로 설정한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 드릴링 리벳에 대한 구체적인 구조를 보인다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따라 드릴링 리벳에 대한 구체적인 구조를 보인다.
도 3은 본 발명에 따라 셀프 드릴링 리벳 접합을 하는 공정을 보인다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예의 구성 및 작용을 상세히 설명한다.
본 발명인 셀프 드릴링 리벳 접합 수행 방법을 설명하기에 앞서, 도 1 및 도 2를 참조하여 드릴링 리벳에 대한 구체적인 구조를 설명한다.
드릴링 리벳(100)은 회전 내지 가압을 위하여 외부의 구동축이 결합되는 몸체부(110), 몸체부(110)의 하단 상에 결합된 상태에서 절삭날(122)이 형성된 생크부(120) 및 몸체부(110)의 상단 상에 분리 가능하게 형성된 구동 연결부(130)를 포함한다.
몸체부(110)는 적층된 복수의 판재를 드릴링 리벳이 관통한 상태에서 고강도 소재(11)의 상면에 위치하는데, 원형의 형상으로 구비된다. 여기서 몸체부(110)는 생크부(120)를 기준으로 그 둘레방향을 따라 가장자리 외측으로 연장된 플랜지를 포함할 수 있다. 몸체부(110)는 원형의 형상으로 구비되는 것에 반드시 한정되지 않고, 원형 이외의 다양한 형상으로도 변경 가능하다.
생크부(120)는 전체적으로는 하부가 개방된 속이 빈 원통 형상으로 이루어진다. 생크부(120)의 중앙 공간(124)은 절삭 가공시 발생하는 칩, 상부 스크랩, 하부 소재가 이동하기 위한 리벳 내부공간이다.
생크부(120)의 하단부에 형성되는 절삭부(122)는 드릴링 가공을 위한 톱니 형상을 갖는다. 한편, 상기 절삭부의 각도는 칩을 리벳의 내부로 보내기 위한 적정한 각도의 톱니 형상을 가질 수 있다.
상기 구동 연결부(130)는 외부 구동부로부터의 회전 구동력을 몸체부(110) 상에 전달하는 기능을 하는 것으로서 몸체부(110)의 회전 구동을 가능하게 하도록 하는 회전축일 수 있다. 구동 연결부(130)의 일시시예로서는, 몸체부(110)에 연결되는 구동 연결부(130)의 지점은 상대적으로 그 단면적이 작은 구조를 갖는다.
구체적으로는, 구동 연결부(130) 상에 회전력을 가하는 외부 구동부를 결합한 상태에서 소정의 회전력을 가하여 드릴링 작업을 하고, 복수의 판재를 관통하여 접합 공정을 실시한 후에는, 구동 연결부(130)를 회전 시의 전단력에 의해 몸체부(110)와의 연결 지점에서 파단시키는 과정으로 분리한다.
도 2를 참조하면, 드릴링 리벳에 대한 다른 실시예(100')를 설명한다.
드릴링 리벳을 이루는 구동 연결부(130')는 몸체부(110')의 가압 구동을 가능하게 하도록 하는 가압축 기능을 하는 것으로서, 상기 몸체부(110')에 형성된 결합홈 상에 분리 가능하게 결합되는 구성을 갖는다.
구체적으로는, 몸체부(110')에 형성된 결합홈 상에 구동 연결부(130')를 강제 압입, 나사 관통 결합 등의 구조를 통하여 삽입 결합한 상태에서 드릴링 및 가압을 하는 형태일 수 있다.
본 발명은 상기 드릴링 리벳을 이용하여 이종 소재가 적층된 구조로 이루어진 접합 대상물에 대한 셀프 드릴링 리벳 접합을 수행한다.
도 3을 참조하여 구체적인 접합 수행 방법을 설명하면 하기와 같다.
먼저, 서로 상이한 재질을 갖는 복수의 판재들(10)을 상하방향을 따라 적층하여 준비한다.
복수의 판재들(10)은 차체의 경량화를 도모하기 위해 이종 소재를 채용한다. 복수의 판재들(10)은 상부에서 하부 방향으로 2 이상의 소재 적층이 가능한데, 구체적으로는 최상부에 배치된 고강도 소재(11) 및 최하부에 배치된 저강도 소재(13)를 적층하여 구성하는 것일 수 있다. 예를 들어, 고강도 소재(11)로는 스틸 소재를 채용함과 동시에 저강도 소재(13)로는 비철소재의 판재을 기계적인 결합 방식으로 접합하는 것일 수 있다. 한편, 3개 이상의 소재들을 적층하여 복수의 판재들(10)을 구성하는 것도 가능할 수 있다.
드릴링 리벳은 스틸 소재로 이루어질 수 있는데, 드릴링 리벳의 표면에 코팅된 알루미늄 또는 아연소재의 도금층을 형성한다. 상기와 같이 드릴링 리벳의 스틸소재 표면에 알루미늄 도금(ALMAC) 또는 아연도금(ZnNi)을 코팅함으로써 서로 다른 소재를 갖는 스틸 소재의 드릴링 리벳과 비철 소재의 결합에 따른 갈바닉 부식을 방지한다.
다음으로, 드릴링 리벳을 회전 구동하여 적층된 복수의 판재들(10) 중 최상부에 배치된 고강도 소재(11)에 대해 드릴링 작업을 수행하여 관통 작업을 실시한다.
다음으로, 드릴링 리벳에 의해 상기 고강도 소재(11)가 관통된 상태에서, 상기 드릴링 리벳을 가압하여 적층된 복수의 판재들(10) 중 최하부에 배치된 저강도 소재(13)에 대해 압착을 실시한다.
드릴링 리벳을 가압하는 과정에서 생크부(120)는 외측으로 벌어지는 구조를 가질 수 있는데, 저강도 소재(13) 상에서 가압되는 생크부(120)의 하측부는 하부 방향으로 갈수록 드릴링 리벳의 중심에서 점점 멀어지는 기하학적 구조를 갖게 됨으로써 저강도 소재(13)와의 강한 결속 상태를 갖게 된다.
결과적으로, 톱니 형태의 절삭날 구조를 갖는 드릴링 리벳의 회전을 이용하여 고강도 소재(11)에 홀 가공과 함께 드릴링 리벳을 삽입한 이후에 삽입된 드릴링 리벳을 압착하여 고강도 소재(11)의 하부에 배치된 저강도 소재(13) 상에 드릴링 리벳을 최종 접합을 시행함으로써 고강도 및 저강도 소재(13)로 이루어진 이종 소재 상에 홀 가공 접합을 실시하는 특징을 갖는다.
본 발명에 따른 셀프 드릴링 리벳 접합 기술은 리벳 회전을 이용하여 고강도 소재 상에 홀을 가공하는 것으로서 리벳 회전에 의해 발생하는 절삭력을 이용하여 기존 피어싱이 어려운 고강도 소재에 홀 가공과 함께 리벳을 삽입하고, 삽입된 리벳을 저강도 소재 상에 압착하여 기하학적 접합 형상으로 성형하여 이종 소재 간의 최종 접합을 행한다.
이상 실시예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.
100 : 드릴링 리벳
110 : 몸체부
120 : 생크부
130 : 구동 연결부

Claims (4)

  1. 드릴링 리벳을 이용하여 이종 소재가 적층된 구조로 이루어진 접합 대상물에 대한 셀프 드릴링 리벳 접합을 수행하는 방법에 있어서,
    서로 상이한 재질을 갖는 복수의 판재들(10)을 상하방향을 따라 적층하여 준비하는 단계;
    상기 드릴링 리벳을 회전 구동하여 적층된 복수의 판재들(10) 중 최상부에 배치된 고강도 소재(11)에 대해 드릴링 작업을 수행하여 관통 작업을 실시하는 단계; 및
    상기 드릴링 리벳에 의해 상기 고강도 소재(11)가 관통된 상태에서, 상기 드릴링 리벳을 가압하여 적층된 복수의 판재들(10) 중 최하부에 배치된 저강도 소재(13)에 대해 압착을 실시하는 단계;를 포함하고,
    상기 드릴링 리벳은, 상기 드릴링 리벳의 회전 내지 가압을 위하여 구동축이 결합되는 몸체부(110), 상기 몸체부(110)의 하단 상에 결합된 상태에서 절삭날이 형성된 생크부(120) 및 상기 몸체부(110)의 상단 상에 분리 가능하게 형성된 구동 연결부(130)를 포함하고,
    상기 구동 연결부(130)는 상기 몸체부(110)의 회전 구동을 가능하게 하도록 하는 회전축으로서, 상기 몸체부(110)에 연결되는 상기 회전축의 지점은 상대적으로 그 단면적이 작은 구조를 갖고,
    톱니 형태의 절삭날 구조를 갖는 드릴링 리벳의 회전을 이용하여 상기 고강도 소재(11)에 홀 가공과 함께 상기 드릴링 리벳을 삽입한 이후에 삽입된 드릴링 리벳을 압착하여 상기 고강도 소재(11)의 하부에 배치된 상기 저강도 소재(13) 상에 드릴링 리벳을 최종 접합을 시행함으로써 고강도 및 저강도 소재(13)로 이루어진 이종 소재 상에 홀 가공 접합을 실시하는 것을 특징으로 하는,
    이종소재 접합을 위한 셀프 드릴링 리벳 접합 방법.
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