KR20110036624A

KR20110036624A - 체결 장치 및 체결 방법

Info

Publication number: KR20110036624A
Application number: KR1020117003903A
Authority: KR
Inventors: 크리스토퍼 제임스 클라크; 로저 스탠턴 두; 마가렛 루카스; 러셀 존 트리니크
Original assignee: 헨롭 리미티드
Priority date: 2008-07-30
Filing date: 2009-06-23
Publication date: 2011-04-07
Also published as: EP2318161A1; US9937548B2; EP2636465A1; KR101685513B1; US20110126396A1; GB0813883D0; WO2010012973A1; EP2318161B1

Abstract

원통 내에 왕복 운동 방식으로 배치된 펀치(16)를 포함하는 체결 툴을 이용하여 2개 이상의 중첩 작업물(W₁, W₂)에서 조인트가 생성된다. 작업물(W₁, W₂)은 체결 툴과 다이(12) 사이에 위치되며, 이 체결 툴은 체결 툴과 다이 사이의 체결 영역에서 작업물을 조인트로 변형하기 위해 압박력을 인가하기 위해 사용된다. 연속적인 초음파 에너지(A)를 조인트 생성 동안의 시간의 적어도 일부분 동안 체결 영역에서 작업물 중의 하나 이상에 인가하여, 체결 영역에서 작업물 중의 하나 이상의 작업물의 연성(ductility)을 증가시킨다. 이것은 형성되어 있는 재료 내에서 어코스토플라스틱 효과(acoustoplastic effect)를 야기하여, 그 재료의 강도를 일시적으로 감소시킴으로써 증가된 연성을 나타내도록 한다. 체결 방법은 SPR(self-piercing riveting)에서 이용되고, 고강도재 또는 두꺼운 시트재에서 실용적 조인트가 형성될 수 있도록 한다.

Description

체결 장치 및 체결 방법{JOINING APPARATUS AND METHOD}

본 발명은 전반적으로 부품을 함께 체결하기 위한 체결 장치 및 체결 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 반드시 이러한 것으로 한정되는 것은 아니지만 금속과 같은 시트재를 리벳 등을 이용하여 체결하는 것에 관한 것이다.

SPR(self-piercing riveting)은 예컨대 시트 금속과 같은 부품을 함께 체결하기 위한 안정된 기술이다. 셀프 피어싱 리벳은 통상적으로 헤드 및 부분적으로 속이 빈 원통형 생크(shank)를 포함하며, 이 생크는 환형 피어싱 에지로 종결되어 있고, 재료의 하나 이상의 시트 내로 삽입된다. 리벳은 세팅 툴의 펀치에 의해 시트 내로 이동되어, 생크가 상위 시트(또는 시트들)를 관통하고, 다이에 의해 지지되면서 외측으로 벌어진다. 리벳은 완전히 관통되지 않도록 삽입되며, 이로써 리벳의 변형된 단부가 시트재의 돌출된 환형부에 의해 인캡슐레이트된 상태로 유지되어, 기계적 인터락을 형성한다. 최하위 시트가 뚫어지지 않기 때문에, 조인트는 부식에 대한 추가의 저항을 갖게 된다. SPR은 사전 드릴링 또는 사전 펀칭에 의해 재료에 구멍을 뚫을 필요 없이 시트재가 체결될 수 있도록 한다.

SPR 기술은 다수의 제조 산업에 응용할 수 있지만, 안정성을 경감시키지 않고서도 경량의 재료를 이용하고자 하는 자동차 산업에서 특히 유용하다. SPR은 스폿 용접이 용이하지 않은 알루미늄 차량 몸체 패널과 같은 부품을 접합하기 위해 사용된다. SPR 기술은 생산 라인에서 용이하게 자동화될 수 있는 우수한 강도 및 피로 특성의 조인트를 생성할 뿐만 아니라 리벳 주위의 시트재의 상면의 뒤틀림(distortion)이 거의 발생하지 않는다는 점에서 조인트가 미적으로 수용 가능하기 때문에 이러한 맥락에서 성공적인 것으로 입증되었다.

SPR은 제조업체가 이 기술을 이용하여 생성하고자 하는 조인트의 타입의 면에서 커지고 있는 도전에 직면하고 있다. 예컨대, 고강도 스틸 및 초고강도 스틸(최대 1400 MPa 또는 그 이상의 궁극적인 신장 강도를 갖는)과 같은 더 높은 강도의 시트재 조성물을 이용하려는 추세에 있다. 더욱이, 더 두꺼운 시트 또는 시트의 적층체를 리벳으로 접합하도록 요망되고 있다. 이러한 개발은 SPR 기술에 대한 요구를 더욱 크게 하고 있다. 리벳은 고강도 금속을 뚫기 위해 요구되는 삽입력을 견뎌내기 위해 더욱 단단하게 구성될 수 있지만, 그에 따라 더 낮은 연성(ductility)을 나타내게 되고, 삽입의 벌어짐 단계(flaring stage of insertion) 동안 파손되기가 쉽다. 체결 성능에서의 진전은 리벳 지오메트리, 리벳에 가해지는 열처리 방식, 및 리벳을 생산하기 위해 사용되는 생산 기술 등의 사항을 수정함으로써 달성되지만, 이러한 사항들의 향상은 그 증가 단계가 점차적으로 작아지고 있다. 더욱이, 더 두껍고 및/또는 더 강성의 재료는 일반적으로 리벳을 삽입하기 위해 증가된 세팅 힘을 요구하고, 그에 따라 세팅 툴, 이 세팅 툴을 지지하는 C-프레임, 및 C-프레임을 운반하는 로봇 핸들러에 대한 요구를 증가시키고 있다.

시트재의 성형성(formability)을 향상시키기 위해 체결된 영역에서의 시트재를 열처리함으로써 SPR의 한계를 확장하고자 하는 시도가 이루어져 왔다. 인덕션 코일을 이용하는 기술 또는 레이저 기술을 채용하여 열을 국소적으로 인가하였지만, 이러한 기술은 금속의 미세구조에 대한 그 결과의 개질이 시트의 나머지 부분에 비하여 좋지 않은 기계적 특성을 갖는 조인트를 제공하는 것으로 판명되었다. SPR에 대하여 더욱 적합하게 되도록 시트 금속 재료의 일반적인 특성을 변경하기 위한 다른 시도가 이루어지고 있다.

SPR에 대한 대안이 되는 다른 체결 기술로는 리벳 없이 시트재에 펀치가 가해지는 클린칭(clinching) 기술이 있다. 시트는 자신의 평면에서 벗어나 특수하게 구성된 다이 내로 국소적으로 변형되어 "버튼" 조인트를 형성하며, 이에 의해 기계적으로 인터록킹되어 안정한 조인트를 형성한다. 이러한 조인트는 일반적으로 SPR에 의해 형성된 조인트만큼 강하지 않으며, 단지 2개의 시트를 체결하는 것과 관련하여 가장 흔하게 이용된다. 더 강하고 더 두꺼운 재료의 시트를 체결하고자 하는 요구는 클린칭 기술에서도 SPR과 관련하여 전술한 것과 유사한 문제점을 나타내고 있다.

클린칭 기술 또는 SPR 기술의 성능을 향상시키고자 하는 한 가지 접근은 리벳 또는 시트재에 대하여 연속적이고 신속한 충격을 가하기 위해 삽입 툴의 일부로서 타격 기구(percussion mechanism)를 이용하는 것이다. 이에 대한 일례가 미국 특허 제6,199,271호(Hahn)에 개시되어 있다. 신속한 타격 충격이 초음파 대역의 고주파로 펀치 또는 다이의 진동에 의해 시트 두께의 방향으로 세로 방향으로 가해지는 다른 예가 미국 특허 제6,862,913호(DaimlerChrysler)에 개시되어 있다(소위 "진동-충격(vibro-impacting)"). 이 충격은 펀치가 시트재를 변형시키는 단계 동안에 높은 피크 힘을 발생시킨다. 그 후, 냉간압 용접을 행하기 위해 콜드-업세팅 단계(cold-upsetting phase) 동안에 비틀림 진동(torsional oscillation)이 가해진다. 이 공정은 초음파 진동에 의해 생성된 마찰 가열로부터 얻어지는 이점을 가지며, 이것은 체결 동안의 부품의 변형에 대한 저항을 감소시킨다.

초음파 에너지는 예컨대 금속의 단조, 성형, 용접 및 딤플링(dimpling)과 같은 다른 금속 형성 기술에 이용된다. 비철 금속의 초음파 용접은 열의 인가 없이 또한 재료의 용융 없이 용접 표면에 평행한 진동의 인가에 의해 달성될 수 있다. 초음파 진동은 표면 산화물을 분산시키고 시트재의 소성 흐름을 촉진하도록 작용하여, 계면이 변형되고 서로에 끼워진다. 초음파 에너지를 이용한 금속 성형의 예는 미국 특허 제3,341,935호(Balamuth)에 개시되어 있으며, 이 특허에서는 시트 금속이 사전 드릴링된 구멍(pre-drilled hole) 주위의 표면에 툴을 가함으로써 사전 드릴링된 구멍 주위에서 딤플링되고 있다. 미국 특허 제3,483,611호(Balamuth)는, 먼저 리벳을 삽입하고, 그 후 리벳에 초음파 에너지를 가하는 동시에 리벳 재료를 연성화하기 위한 정적 힘(static force)을 가하여 리벳 헤드를 형성하는 리벳팅 기술을 개시하고 있다.

본 발명의 목적 중의 하나는 전술한 단점 중의 하나 이상의 제거 또는 경감시키고, 향상된 체결 방법 및 체결 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 제1 특징에 따라, 조인트를 형성하기 위해, 체결 툴에 가장 인접해 있는 제1 표면을 갖는 작업물 내로 셀프 피어싱 리벳(self-piercing rivet)을 삽입하기 위해 펀치를 포함하는 체결 툴을 이용하여 2개 이상의 중첩 작업물에 조인트를 생성하는 방법으로서, 상기 체결 툴과 다이 사이에 상기 작업물을 배치하고, 상기 펀치와 상기 제1 표면 사이에 상기 리벳을 위치시키는 단계, 상기 제1 표면이 상기 리벳에 의해 뚫어지도록 상기 2개 이상의 중첩 작업물 내로 상기 리벳을 삽입하기 위해 상기 펀치를 이용하며, 상기 펀치가 상기 작업물을 상기 체결 툴과 상기 다이 사이의 체결 영역에서 조인트로 변형시키기 위해 리벳 삽입 동안 압박력을 인가하는 단계, 및 상기 체결 영역에서의 상기 작업물의 하나 이상의 작업물의 연성(ductility)을 증가시키기 위해 상기 조인트의 생성 동안의 시간의 적어도 일부분 동안 상기 체결 영역 내의 상기 작업물 중의 하나 이상의 작업물에 연속적인 초음파 에너지를 인가하는 단계를 포함하는 조인트 생성 방법이 제공된다.

리벳을 통해 재료를 변형시키기 위해 압박력을 인가하는 동안 체결되는 재료에 초음파를 인가하는 것은 조인트를 위해 요구되는 평균 성형력(mean forming force)을 감소시킨다. 구체적으로, 리벳을 통해 재료를 변형시키기 위해 압박력을 인가하는 동안 체결되는 재료에 초음파를 인가하는 것은, 성형되고 있는 재료에서, 재료의 강도를 일시적으로 감소시켜 증가된 연성을 나타내도록 하는 소위 어코스토플라스틱 효과(acoustoplastic effect)를 유발한다. 이것은 열에너지를 생성하여 재료에 흡수시키는 열적 연성화 공정과는 상당히 상이하다. 어코스토플라스틱 효과로는, 열에너지 레벨에서의 커다란 증가를 통한 재료의 연성화는 없지만, 단지 소량의 음향 에너지가 인가되는 때에는 에너지가 금속의 격자 전위(lattice dislocation) 내로 흡수되어 이들의 움직임에 대한 저항이 현저하게 감소되는 결과로 연성에서의 거의 순간적인 증가가 달성된다.

압박 변형력을 인가하는 것에 추가하여 초음파 에너지를 별도로 인가하는 것은, 펀치 또는 다이가 리벳 또는 작업물에 신속하고 반복된 충격을 가하여 이들 사이의 접촉부에서의 반복된 파괴가 발생하는 진동-충격 기술을 발생할 수 있다. 이와 달리, 압박 변형력을 인가하는 것에 추가하여 초음파 에너지를 별도로 인가하는 것은, 체결 툴 및/또는 다이와 작업물 간의 연속적인 접촉을 발생하여, 초음파 에너지가 작업물에 연속적으로 투과되도록 할 수 있으며, 예컨대 압박 변형력을 인가하는 것에 추가하여 초음파 에너지를 별도로 인가하는 것은, 연속적인 음향 결합(acoustic coupling)에 좌우될 수 있다. 초음파 에너지가 펀치를 통해 인가되는 곳에서, 접촉부의 성질은 펀치가 작업물에 접근하는 속도 및 진동 속도에 좌우된다.

압박 변형력을 인가하는 것에 추가하여 초음파 에너지를 인가하는 것은, 체결되는 시트재의 제1 표면과 리벳 간의 마찰에 영향을 주어, 요구된 압박력을 낮추도록 한다.

작업물은 시트재일 수도 있고 또는 다른 재료일 수도 있다.

2개 이상의 중첩 작업물은 펀치에 가장 인접한 제1 작업물 및 다이에 가장 인접한 제2 작업물을 포함할 수 있다. 제1 작업물과 제2 작업물 사이에는 하나 이상의 중간 작업물이 존재할 수도 있다. 리벳은 다이에 가장 인접한 작업물을 관통하지 않도록 삽입될 수 있다. 리벳은 적어도 펀치에 가장 인접한 제1 작업물을 뚫을 수 있으며, 또한 하나 이상의 중간 작업물을 관통할 수도 있다. 리벳은 작업물을 완전 관통하지 않도록 삽입되어(즉, 제2 작업물을 뚫지 않음), 리벳의 변형된 단부가 재료의 돌출된 환형부에 의해 인캡슐레이트된 상태로 유지된다.

리벳은 헤드와, 통형이거나 또는 부분적으로 통형인 생크를 가질 수 있다. 이와 달리, 헤드를 갖거나 갖지 않는 고형의 슬러그(solid slug) 형태를 취할 수도 있다.

이와 달리, 체결 방법은 작업물이 리벳을 사용하지 않고서도 체결 툴의 펀치에 의해 기계 방식으로 인터로크되는 조인트로 변형되는 클린칭 방법일 수도 있다. 리벳 또는 슬러그는 추가의 강도를 제공하도록 변형된 후에 클린치된 조인트 내로 삽입될 수 있다. 리벳 또는 슬러그는 어코스토플라스틱 효과를 유도하거나 및/또는 요구되는 힘을 감소시키기 위한 초음파 에너지를 이용하여 삽입될 수도 있고, 또는 이러한 초음파 에너지 없이도 삽입될 수 있다.

다른 대안으로서, 리벳 또는 슬러그는 작업물을 변형시켜 변형된 영역 내로 관통 없이 침투하도록 사용될 수도 있다.

초음파 에너지는 조인트를 형성하기 위해 소요되는 전체 시간 동안 인가되거나, 여러 개의 상이한 시간 동안 인가되거나, 또는 그 시간의 일부분 동안에만 인가될 수도 있다. 작업물에 가해지는 에너지 레벨은 조인트의 형성 동안 변화될 수 있다. 이 에너지는 펀치 및 다이 중의 하나 이상에 의해 인가될 수 있다. 이 에너지는 예컨대 리벳 세팅 툴의 코부(nose)를 포함한 클램핑 특징부에 의해 인가될 수도 있다.

초음파 에너지는 최하위 시트(다이에 인접한)에만 인가될 수도 있고, 다이로부터 여러 개의 하위 시트에 인가될 수도 있고, 또는 다이로부터의 모든 시트에 인가될 수도 있다. 이와 달리, 초음파 에너지는 코부 또는 펀치에 의해 펀치에 가장 인접한 최상위 시트에만 인가될 수도 있고, 여러 개의 상위 시트에 인가될 수도 있고, 또는 모든 시트에 인가될 수도 있다. 초음파 에너지는 필요한 경우 리벳을 통해 인가될 수도 있다.

초음파 에너지는 작업물을 변형시키는 압박력과 실질적으로 동일한 방향으로 인가되는 것이 바람직하다.

작업물은 체결 툴에 의한 변형 전에, 체결 툴에 의한 변형 동안에, 및/또는 체결 툴에 의한 변형 후에 체결 영역 주위에서 클램프될 수 있다. 어떠한 적합한 시퀀스 및 힘 프로파일의 클램핑이 가해질 수 있다. 예컨대, 작업물은 조인트 주위의 영역에서의 작업물의 현저한 변형을 방지하기에 충분한 커다란 힘으로 사전 클램핑될 수도 있다. 사전 클램핑 힘은 작업물 간의 음향 접촉의 적합한 레벨을 보장하도록 설계될 수 있다. 이와 달리, 초기 단계에서는, 클램핑 힘이 가해지지 않거나 또는 무시 가능한 정도의 클램핑 힘이 가해지고, 그 후 변형이 완료되는 즈음에(레이트-클램핑) 또는 변형이 완료된 직후에(포스트-클램핑) 상대적으로 큰 힘이 가해질 수도 있다. 리벳이 삽입되는 경우, "완료"라는 표현은 리벳이 이동되어 조인트를 완성하기 위해 안착하는 지점인 것으로 생각할 수 있다. "무시 가능한 정도의 클램핑 힘을 가한다" 또는 "클램핑 힘을 가하지 않는다"라는 표현은 작업물을 성형 작업 동안 단지 안정 상태로 유지하려고 하거나 또는 체결 툴을 흔들림 없이 작업물에 관련하여 안정 상태로 유지하기에 충분한 작은 힘을 포함하는 것을 의미한다.

본 발명의 제2 특징에 따라, 2개 이상의 중첩 작업물에 리벳 조인트(riveted joint)를 생성하는 체결 장치로서, 상기 작업물을 위에 지지할 수 있는 다이 위에 배치된 왕복 운동 펀치를 갖는 체결 툴을 포함하며, 상기 펀치가 리벳을 상기 작업물 내로 삽입하고 체결 영역에서 상기 작업물에 압박력을 인가하기 위해 상기 다이를 향해 이동 가능하며, 상기 체결 툴, 상기 다이 및 상기 작업물 중의 하나 이상이 초음파 에너지 소스에 연결되어, 초음파 에너지가 상기 조인트의 생성 동안의 시간의 적어도 일부분 동안 상기 체결 영역에서 상기 작업물 중의 하나 이상의 작업물에 인가됨으로써, 상기 체결 영역에서 상기 작업물 중의 하나 이상의 작업물의 연성을 증가시키도록 할 수 있는, 리벳 조인트를 생성하는 체결 장치가 제공된다.

상기 초음파 에너지 소스는 초음파 혼(ultrasonic horn)을 통해 상기 체결 툴, 상기 다이 및 상기 작업물 중의 하나 이상에 연결될 수 있다. 초음파 에너지 소스로는 압전 트랜스듀서(piezo-electric transducer) 등이 가능하며, 초음파 파형의 진폭을 증폭시키도록 작용하는 부스터를 통해 초음파 혼에 연결될 수 있다.

상기 다이의 적어도 일부는 상기 초음파 혼의 적어도 일부에 의해 제공될 수도 있다. 예컨대, 초음파 혼은, 상기 작업물을 마주보고 있고 또한 그 안에 형성된 다이 캐비티(die cavity)를 갖는 제1 표면을 가질 수 있다. 이와 달리, 초음파 혼은 다이에 음향 방식으로 연결될 수도 있다.

상기 다이는 바이어싱 부재에 의해 상기 펀치를 향해 바이어스될 수 있다.

상기 초음파 에너지 소스는, 다이에 연결되는 초음파 에너지 소스와는 달리 또는 이 초음파 에너지 소스에 추가하여, 체결 툴의 펀치 또는 코부에 연결될 수도 있다. 다른 대안으로서, 초음파 에너지 소스는 작업물 중의 하나 이상의 작업물의 표면에 연결될 수도 있다.

상기 코부는 통상적으로 체결 툴의 일단부에 제공되며, 조인트의 생성이 이루어지고 있는 동안에 2개 이상의 중첩 작업물과 접촉하기 위한 접촉 표면을 형성한다. 상기 펀치는, 접촉 표면을 향하여 연장하는 연장 위치와, 상기 코부로부터 연장하지 않아 상기 펀치와 상기 작업물 사이에 리벳을 위한 공간이 남겨지도록 하는 퇴각 위치 사이에서, 상기 코부에 대하여 이동 가능하도록 왕복 운동 방식으로 배치된다.

상기 코부는 상기 작업물에 어떠한 크기 또는 어떠한 프로파일의 클램핑 힘도 인가하도록 작동할 수 있다.

상기 초음파 에너지 소스는 상기 체결 툴과 상기 다이 중의 하나 이상에 연결되어, 초음파 에너지가 상기 펀치에 의해 압박력이 인가되는 방향과 실질적으로 평행한 방향으로 상기 다이로부터 상기 체결 영역으로 전파될 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른, C-프레임 내의 다이 위에 지지된 리벳 세팅 툴을 포함하는 체결 장치의 측면도이다.
도 2는 본 발명에 따라 리벳 세팅 툴의 일부분이 다이 위에 지지된 2개의 작업물과 접촉하고 있고 또한 초음파 에너지가 다이를 통해 인가되고 있는 상태의 개략 표현도이다.
도 3은 초음파 에너지가 작업물에 직접 인가되는 본 발명의 다른 실시예의 일부분에 대한 개략 표현도이다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 단지 예시를 목적으로 첨부 도면을 참조하여 설명한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 리벳 세팅 툴(10)이 하위 아암(arm)에서 지지된 리벳 업세팅 다이(12) 위의 종래의 C-프레임(11)의 상위 아암에 탑재된다. 셀프 피어싱 리벳(R)(도 2에만 도시되어 있음)은 당해 기술 분야에 널리 공지된 바와 같이 다이(12) 위에 지지된 작업물(W)(도 2) 내로 리벳 세팅 툴(10)에 의해 삽입된다. 본 명세서에서 설명되는 구체적인 실시예는 리벳의 급송(feeding) 및 삽입에 관련하지만, 예컨대 슬러그(slug)와 같은 다이를 이용하여 작업물 내에 삽입되는 다른 패스너에도 응용 가능하다는 것을 이해할 것이다.

C-프레임(11)은 필요에 따라 작업물(W)을 향하는 쪽으로 또한 작업물로부터 멀어지는 쪽으로 로봇에 의해 리벳 세팅 툴(10)과 함께 이동 가능한 로봇 조작기(도시하지 않음) 상에 탑재된다. C-프레임(11) 옆의 급송 장치(도시하지 않음)는 벌크 소스로부터 사전 결정되고 제어 가능한 방식으로 리벳(R)을 리벳 세팅 툴(10)에 공급하도록 설계된다. 이것은 예컨대 리벳을 튜브 또는 트랙을 따라 추진시키는 압축 가스(예컨대, 공기) 전달 시스템 또는 테이프 피드(tape feed)를 이용하여 달성될 수 있다. 리벳 세팅 툴과 급송 장치에 대한 제어는 통상적으로 소프트웨어를 통해 이루어진다. 이러한 리벳 공급 시스템 및 제어 시스템은 널러 알려져 있으므로, 여기에서는 설명하지 않을 것이다.

리벳 세팅 툴(10)은 종래 구성의 것이므로, 상세하게 설명하지 않는다. 일반적으로, 리벳 세팅 툴(10)은 공압식, 유압식 또는 전기식 구동에 의해 하우징에 관련하여 병진 운동으로 구동되는 왕복 운동 플런저(reciprocal plunger)를 수용하는 원통형 하우징(15)을 포함한다. 하우징은 조인트가 형성될 작업물과의 접촉을 위한 환형 표면을 갖는 말단 코부(end nose portion)(14)를 가지며, 플런저는 코부를 관통하여 연장하는 통로(17) 내에서 왕복 운동하는 펀치(16)로 종결되어 있다. 리벳(R)을 작업물(W) 내에 삽입하기 위해, 플런저는 펀치가 통로(17)를 하강하여 코부(14)를 지나 연장한 후에 코부(14) 내의 통로(17)의 끝에 급송되어 있는 리벳(R)과 접촉하게 되도록 구동된다. 이러한 힘을 연속적으로 인가함으로써 펀치(16)가 코부(14)를 통과하도록 구동되어, 리벳(R)이 작업물(W)에 삽입된다.

도 2에서, 작업물(W)은 다이(12) 위의 하나 시트 금속 패널의 상면에 다른 하나가 놓여 있는 2개의 시트 금속 패널(W₁, W₂)의 형태로 되어 있다.

리벳 세팅 툴(10)은 코부(14)가 도 1에 도시된 위치로부터 하방으로 이동하여 도 2에 도시된 바와 같이 작업물(W₁, W₂)을 결합하고 필요한 경우 클램프하도록 작동할 수 있다.

다이(12)는, 세팅 툴 펀치(16)를 마주보기 위한 개방된 다이 캐비티(21)를 형성하고 있는 헤드(20)와, 다이(12)의 중심축에 대하여 반경 방향으로 연장하는 환형 표면(23)이 헤드(20)의 밑면 상에 형성되도록 헤드에 비해 감소된 직경으로 되는 디펜딩 스템(depending stem)(22)을 갖는 전반적으로 원통형으로 되어 있다.

다이의 구체적인 일실시예가 도 2에 상세하게 도시되어 있다. 이 특정 구성에서, 다이(12)는 초음파 혼(25)(소노트로드(sonotrode)로도 지칭됨)에 연결된다. 초음파 혼(25)은 예컨대 20 ㎑와 같은 적합한 초음파 주파수에서 진동하도록 구성되는 압전 트랜스듀서(도시하지 않음)에 연결된다. 이러한 음향 진동은 압전 트랜스듀서와 초음파 혼 사이에 개재되어 진동의 진폭을 소정의 이득 계수만큼 증폭하도록 구성된 부스터(도시하지 않음)에 의해 압전 트랜스듀서로부터 초음파 혼으로 투과된다. 이러한 방식으로, 음향 진동(화살표 A로 나타낸)은 다이 스템(22)의 길이를 따라 다이 헤드(20)의 표면으로 전파하며, 이로써 이러한 음향 진동이 다이 표면과 작업물(W₂) 간의 음향 결합에 의해 최저 작업물(W₂)에 가해지며, 이 진동은 펀치(16)에 의해 가해지는 압박력과 실질적으로 동일한 방향으로 전파한다.

작동 시, 위에 올려지는 고강도 스틸로 이루어지는 2개의 시트(W₁, W₂)로 도 2에 도시되어 있는 작업물이 다이(12)와 리벳 세팅 툴(10) 사이에 도입되어, 이들 작업물이 하위 작업물(W₂)의 바닥면(30)을 다이 헤드(20)의 표면과 접촉하게 되는 상태로 다이 헤드(20) 위에 지지된다. 리벳 세팅 툴(10)은 그 후 코부(14)가 하강하여 상위 작업물(W₁)의 상면(31)과 접촉하게 되도록 작동된다. 코부(14)는 코부와 다이(12) 사이의 시트재를 압박하기 위한 커다란 클램핑 힘을 가한다. 이 힘은 리벳 삽입 동작 동안의 재료의 흐름이 영향을 받게 되는 크기로 될 수도 있다. 세로 방향의 초음파 음향 진동은 펀치와 다이에 의해 가해진 압박력(F)과 동일한 보편적 방향으로 하위 시트(W₂)에 투과되며, 어코스토플라스틱 효과(acoustoplastic effect)에 의해 그 시트의 연성을 증가시키도록 작용한다. 그리고나서, 리벳 세팅 툴(10)은 전술한 바와 같이 펀치(16)를 하방으로 구동하여 리벳(R)을 작업물(W) 내로 삽입한다. 리벳(R)이 삽입될 때, 조인트의 영역에서의 가소성 형태의 하위 시트(W₂)는 리벳 생크를 시트재 내로 침투하고 외측으로 벌어지도록 하여 장애 또는 크랙킹(cracking) 없이 강한 기계적 인터락을 제공하기에 충분하게 된다. 리벳(R)은 리벳(R)의 변형된 단부가 시트재의 돌출된 환형부에 의해 인캡슐레이트된 상태로 유지되도록 하위 시트(W₂)를 완전히 뚫지 않는 상태로 삽입된다. 어코스토플라스틱 효과에 의해 야기된 시트재의 연성화는 트랜스듀서(26)가 턴오프되고 시트재의 원래 성질이 복원된 직후에 중단된다.

전술한 구성에서, 리벳(R)의 삽입이 시작되기 전과 리벳이 삽입되는 동안에 초음파 혼(25)에 의해 하위 시트(W₂)에 초음파 음향 에너지가 투과된다. 실제로, 초음파 음향 에너지는 제어 시스템에 의해 결정된 바대로 리벳 삽입 프로세스 동안의 어떠한 적합한 단계에서 트랜스듀서에 의해 인가될 것이다. 예컨대, 초음파 음향 에너지는 리벳(R)이 상단 시트(W₁)와 접촉하기 전, 접촉하는 동안, 또는 리벳(R)이 상단 시트(W₁)를 뚫기 시작하는 시점과 상단 시트(W₁)를 뚫고 있는 동안의 사이의 어떠한 단계에서 인가되어, 하위 시트(W₂)와 접촉하게 될 수 있다. 또한, 초음파 음향 에너지는 리벳(R)이 완전하게 삽입된 후의 단시간 동안 인가될 수도 있다.

초음파 음향 에너지는 제어 시스템에 프로그래밍된 명령에 따라 또는 공정 모니터링의 결과로서 삽입 동안에 수신된 피드백 신호에 따라 트랜스듀서를 턴온 및 턴오프함으로써 소정의 조인트를 위한 리벳 삽입 동안에 불연속적인 시간 간격으로 인가될 수도 있다. 또한, 진폭 및/또는 주파수가 소정의 리벳의 삽입 동안에 변화되거나, 또는 조인트의 특성 및 리벳 타입에 따라 조인트 간에 변화될 수도 있다.

어떠한 크기의 클램핑 힘도 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예컨대, 리벳 연결 동작 동안 단지 시트를 안정하게 유지하도록 고려된 힘을 가하는 것으로 충분할 수도 있다. 이와 달리, 이 힘은 리벳 삽입 공정 동안 조인트 내에의 또한 조인트 주위에의 시트재의 흐름에 영향을 줄 수 있는 있다는 점에서 이것보다 훨씬 클 수도 있다. 클램핑 힘의 크기는 리벳 삽입 동작 동안 어떠한 적합한 방식으로도 변화할 수 있으며 또한 제어 시스템에 의해 후속되는 프로그램에 따라 변화할 수도 있다. 예컨대, 클램핑 힘은 리벳 삽입 전과 리벳 삽입 동안에 상대적으로 크게 될 수도 있거나, 또는 크기를 현저하게 증가시키기 전의 리벳 삽입 공정의 소정 부분 동안에는 거의 무시할 수도 있다. 힘 클램핑 프로파일의 일부 예가 본 출원인이 보유한 특허 US 6,742,235 및 EP 0675774에 개시되어 있으며, 이들 특허는 그 전체 내용이 본 명세서에 원용되어 있다.

다이는 그 전체가 초음파 혼에 의해 형성될 수도 있고, 또는 초음파 혼의 끝에만 형성될 수도 있다. 또한, 다이는 단순히 초음파 혼의 말단면에 형성된 캐비티에 의해 제공될 수도 있다.

20 ㎑가 아닌 다른 초음파 주파수가 이용될 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 18 ㎑ 내지 60 ㎑ 범위의 주파수가 적합할 것으로 생각되지만, 이 주파수는 20 내지 40 ㎑ 범위가 바람직하다. 압전 트랜스듀서에 의해 발생된 음향 진동의 진폭은 통상적으로 8∼10 ㎛의 범위에 있지만, 다른 진폭도 가능할 것이다. 부스터에 의해 가해지는 이득 계수는 통상적으로 1.5 내지 5의 범위이지만, 다른 크기도 가능하다.

다른 실시예에서, 교차 결합된 부스터는 그 입력 및 출력 진동이 정렬(alignment)에서 벗어나게 되도록 사용된다. 즉, 교차 결합된 부스터의 입력 및 출력 진동은 트랜스듀서 진동이 혼 내에서 전파하는 것에 대해 90도를 이루는 방향으로 전파하도록 배치될 수 있다. 이러한 배치에서, 트랜스듀서 및 부스터는 C-프레임(11)의 하위 아암을 따라 놓여질 수 있는 한편, 초음파 혼(25)은 이전과 같이 조인트 형성 영역을 향하여 상방향으로 연장한다.

추가의 다른 실시예에서, 초음파 음향 에너지는 다이(12)에 의해 하위 시트(W₂)에 인가되는 것과 동시에 상위 시트(W₁)에도 인가될 수 있다. 이를 위해, 초음파 에너지가 적어도 상위 시트(W₁)에 가해질 수 있도록 제2 초음파 혼이 코부(14) 및/또는 펀치(16)에 끼워맞춤된다. 코부(14)의 경우, 초음파 에너지가 리벳 주위의 영역에 가해진다. 펀치의 경우, 에너지가 리벳을 통해 투과된다. 다른 구성에서는, 초음파 에너지가 코부 및/또는 펀치를 통해서만 상위 시트(W₁)에 투과될 수 있도록 기기측에 단지 하나의 트랜스듀서가 제공된다.

공진 트랙킹 성능을 갖는 초음파 발생기를 이용하여 부하 하에서의 주파수 및 초음파 진폭의 적합한 제어에 의해, 다이에서, 코부를 경유하여, 또는 펀치 및 리벳을 경유하여 초음파 에너지를 인가함으로써 스택 내의 모든 시트(W)에 음향 에너지가 투과될 수 있다.

도 3에는 초음파 혼(25)이 상위 시트(W₁) 및 하위 시트(W₂)와 직접 접촉하도록 배치되어, 초음파 에너지가 코부/펀치 또는 다이와 무관하게 가해지게 되는 다른 구성이 예시되어 있다. 이 경우의 혼은 이들이 체결 영역을 둘러싸도록 환형으로 도시되어 있지만, 어떠한 다른 적합한 형태를 가질 수도 있다. 실제로는 단지 하나의 혼만이 이용될 수도 있다는 것을 이해할 것이다.

전술한 방법은 리벳을 사용하지 않고 작업물이 그 평면에서 벗어나 다이 내로 직접 변형되는 클린칭 작업(clinching operation)에 적용될 수도 있다. 시트가 버튼 조인트로 변형된 후, 조인트를 강화하기 위해 리벳 또는 슬러그가 삽입될 수도 있다. 본 발명을 적용할 수 있는 클린칭 기술의 예는 WO93/10925를 기반으로 하는 본 출원인의 특허에 개시되어 있으며, 이 특허의 내용이 본 명세서에 원용되어 있다.

전술한 방법은 현재 이용 가능한 것보다 더 강한 재료(예컨대, 초고강도 스틸 또는 오스테나이트계 스테인리스 스틸 301, 316) 또는 더 두꺼운 재료로 조인트를 형성하기 위해 SPR 및 클린칭을 이용할 수 있도록 한다. 조인트는 펀치에 의해 인가되는 더 낮은 압박(삽입) 힘으로 구성될 수 있다. 이것은 여러 가지 장점을 가지며, 구체적으로 C-프레임이 더 경량으로 제조될 수 있음으로써 접근성 및 비용을 향상시킨다. 리벳 세팅 툴 및 클린칭 툴이 경량화 및 소형화될 수 있으며, 이에 의해 로봇 핸들링 장치의 크기 및 비용을 감소시킨다. 이것은 로봇의 이동이 더 높은 속도로 이루어지도록 하며, 이로써 사이클 타임이 감소된다. 경도가 더 작은 리벳이 사용될 수 있으며, 리벳의 연성의 향상에 의해 찢어짐, 크랙킹 또는 다른 파손에 의해 장애의 빈도가 감소된다.

첨부된 청구범위에서 정해지는 바와 같은 본 발명의 사상으로부터 일탈하지 않고 전술한 실시예에 대한 다수의 수정 및 변경이 이루어질 수 있다. 예컨대, 초음파 에너지의 소스는 예컨대 자기변형 트랜스듀서(magnetostrictive transducer)와 같은 압전 트랜스듀서 이외의 어떠한 적합한 트랜스듀서에 의해 제공되어도 된다. 또한, 다이는 삽입력에 상호작용하기에 적합한 어떠한 형태도 가질 수 있으며, 이에는 평탄 표면도 포함된다.

설명 및 도시된 실시예는 발명을 예시하기 위한 것으로, 특징을 제한하기 위한 것은 아니며, 바람직한 실시예만이 도시되어 있고, 청구범위에서 한정되는 바와 같은 본 발명의 사상 내에 있는 모든 변형예 및 수정예도 보호되도록 요구된다는 것을 이해할 것이다. 상세한 설명에서 "바람직한", "바람직하게, 또는 "보다 바람직한" 등의 단어를 사용하는 것은 이와 같이 설명된 특징이 바람직할 것이라는 것으로 제시하지만, 반드시 필수적인 것은 아니며, 이러한 특징이 결여되어 있는 실시예 또한 청구범위에서 정해지는 바와 같은 본 발명의 사상 내에 있다는 것을 이해하여야 한다. 청구범위와 관련하여, "하나 이상" 또는 "적어도 일부분" 등의 단어가 특징부의 서두에 사용될 때에는, 그 청구항에 구체적으로 반대 언급이 없다면, 그 청구항을 이러한 특징으로만 한정하려는 의도는 아니다. "적어도 일부분" 및/또는 "일부분"이라는 표현이 사용되는 때에는, 이 표현은 구체적으로 반대 언급이 없다면 일부분 및/또는 전체 항목을 포함할 수 있다.

Claims

조인트를 형성하기 위해, 체결 툴에 가장 인접해 있는 제1 표면을 갖는 작업물 내로 셀프 피어싱 리벳(self-piercing rivet)을 삽입하기 위해 펀치를 포함하는 체결 툴을 이용하여 2개 이상의 중첩 작업물에 조인트를 생성하는 방법으로서, 상기 체결 툴과 다이 사이에 상기 작업물을 배치하고, 상기 펀치와 상기 제1 표면 사이에 상기 리벳을 위치시키는 단계, 상기 제1 표면이 상기 리벳에 의해 뚫어지도록 상기 2개 이상의 중첩 작업물 내로 상기 리벳을 삽입하기 위해 상기 펀치를 이용하며, 상기 펀치가 상기 작업물을 상기 체결 툴과 상기 다이 사이의 체결 영역에서 조인트로 변형시키기 위해 리벳 삽입 동안 압박력을 인가하는 단계, 및 상기 체결 영역에서의 상기 작업물의 하나 이상의 작업물의 연성(ductility)을 증가시키기 위해 상기 조인트의 생성 동안의 시간의 적어도 일부분 동안 상기 체결 영역 내의 상기 작업물 중의 하나 이상의 작업물에 연속적인 초음파 에너지를 인가하는 단계를 포함하는 조인트 생성 방법.
제1항에 있어서,
상기 2개 이상의 중첩 작업물은 상기 체결 툴에 가장 인접한 제1 작업물 및 상기 다이에 가장 인접한 제2 작업물을 포함하며, 상기 리벳은 상기 제2 작업물을 관통하지 않도록 삽입되는, 조인트 생성 방법.
제2항에 있어서,
상기 제1 작업물과 상기 제2 작업물 사이에 하나 이상의 중간 작업물이 제공되는, 조인트 생성 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초음파 에너지는 상기 다이에 의해 인가되는, 조인트 생성 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다이는 초음파 혼(ultrasonic horn)의 적어도 일부를 형성하는, 조인트 생성 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초음파 에너지는 상기 체결 툴에 의해 인가되는, 조인트 생성 방법.
제6항에 있어서,
상기 초음파 에너지는 상기 펀치에 의해 인가되는, 조인트 생성 방법.
제6항에 있어서,
상기 초음파 에너지는 상기 체결 툴의 코부(nose)에 의해 인가되는, 조인트 생성 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초음파 에너지는 상기 작업물 중의 하나 이상의 작업물에 직접 인가되는, 조인트 생성 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 작업물에 가해지는 에너지 레벨은 상기 조인트의 형성 동안에 변화하는, 조인트 생성 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초음파 에너지는 상기 작업물 중의 하나에만 인가되는, 조인트 생성 방법.
제11항에 있어서,
상기 초음파 에너지는 상기 체결 툴에 가장 인접한 상기 제1 작업물에만 인가되는, 조인트 생성 방법.
제11항에 있어서,
상기 초음파 에너지는 상기 다이 위에 지지되는 상기 제2 작업물에만 인가되는, 조인트 생성 방법.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초음파 에너지는 상기 작업물을 변형시키는 압박력의 방향과 실질적으로 동일한 방향으로 인가되는, 조인트 생성 방법.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 작업물은 상기 조인트를 생성하는데 소요되는 시간의 적어도 일부분 동안 상기 체결 영역 주위의 영역에서의 클램핑 힘에 의해 상기 체결 툴과 상기 다이 사이에 클램프되는, 조인트 생성 방법.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
압박력의 인가에 의해 재료가 변형되는 동안에는 실질적으로 클램핑 힘이 인가되지 않고, 상기 조인트의 생성 후에 클램핑 힘이 인가되는, 조인트 생성 방법.
제16항에 있어서,
상기 조인트의 생성 후에 인가되는 클램핑 힘은 적어도 상기 작업물의 제1 표면에서의 변형을 감소시키는 크기로 되는, 조인트 생성 방법.
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 작업물 중의 하나 이상의 작업물이 금속인, 조인트 생성 방법.
제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초음파 에너지는 상기 작업물에 투과되는 음향 진동 신호인, 조인트 생성 방법.
제19항에 있어서,
상기 음향 진동 신호는 18 내지 60 ㎑ 범위의 주파수를 갖는, 조인트 생성 방법.
제19항 또는 제20항에 있어서,
상기 음향 진동 신호는 2∼50 ㎛의 진폭을 갖는, 조인트 생성 방법.
2개 이상의 중첩 작업물에 리벳 조인트(riveted joint)를 생성하는 체결 장치로서, 상기 작업물을 위에 지지할 수 있는 다이 위에 배치된 왕복 운동 펀치를 갖는 체결 툴을 포함하며, 상기 펀치가 리벳을 상기 작업물 내로 삽입하고 체결 영역에서 상기 작업물에 압박력을 인가하기 위해 상기 다이를 향해 이동 가능하며, 상기 체결 툴 및 상기 다이 중의 하나 이상이 초음파 에너지 소스에 연결되어, 상기 초음파 에너지 소스가 상기 조인트의 생성 동안의 시간의 적어도 일부분 동안 초음파 에너지를 상기 체결 영역에서 상기 작업물 중의 하나 이상의 작업물에 인가하여 상기 체결 영역에서 상기 작업물 중의 하나 이상의 작업물의 연성을 증가시키도록 할 수 있는, 리벳 조인트를 생성하는 체결 장치.
제22항에 있어서,
상기 초음파 에너지 소스는 초음파 혼을 통해 상기 체결 툴 및 상기 다이 중의 하나 이상에 연결되는, 리벳 조인트를 생성하는 체결 장치.
제23항에 있어서,
상기 다이의 적어도 일부가 상기 초음파 혼의 적어도 일부에 의해 제공되는, 리벳 조인트를 생성하는 체결 장치.
제24항에 있어서,
상기 초음파 혼은, 상기 작업물을 마주보고 있고 또한 그 안에 형성된 다이 캐비티(die cavity)를 갖는 제1 표면을 갖는, 리벳 조인트를 생성하는 체결 장치.
제22항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다이는 바이어싱 부재에 의해 상기 펀치를 향해 바이어스되는, 리벳 조인트를 생성하는 체결 장치.
제26항에 있어서,
상기 초음파 에너지 소스는 상기 펀치에 연결되는, 리벳 조인트를 생성하는 체결 장치.
제22항에 있어서,
상기 체결 툴은 상기 작업물과 접촉하기 위한 코부를 포함하며, 상기 펀치는 상기 코부로부터 연장하는 연장 위치와 상기 코부로부터 연장하지 않는 퇴각 위치 사이에서 이동 가능하도록 왕복 운동 방식으로 배치되며, 상기 초음파 에너지 소스가 상기 코부에 연결되는, 리벳 조인트를 생성하는 체결 장치.
제28항에 있어서,
상기 코부는 상기 작업물에 클램핑 힘을 인가하도록 작동할 수 있는, 리벳 조인트를 생성하는 체결 장치.
제22항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초음파 에너지 소스는 상기 체결 툴과 상기 다이 중의 하나 이상에 연결되어, 초음파 에너지가 상기 작업물을 변형시키기 위해 상기 펀치에 의해 인가되는 압박력의 방향과 실질적으로 동일한 방향으로 상기 체결 영역에 인가되는, 리벳 조인트를 생성하는 체결 장치.