KR20160080364A - 셀프 피어싱 리벳, 및 이를 이용한 접합방법 - Google Patents

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KR20160080364A
KR20160080364A KR1020140192020A KR20140192020A KR20160080364A KR 20160080364 A KR20160080364 A KR 20160080364A KR 1020140192020 A KR1020140192020 A KR 1020140192020A KR 20140192020 A KR20140192020 A KR 20140192020A KR 20160080364 A KR20160080364 A KR 20160080364A
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이영득
이문용
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주식회사 성우하이텍
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Abstract

셀프 피어싱 리벳, 이를 이용한 접합방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳은 헤드부와 섕크부로 구성되며, 상기 헤드부는 리벳팅 시 모재가 유입되도록 내부에 상하로 관통된 언더컷홀이 형성되고, 상기 언더컷홀의 내주면 양측에 상하방향으로 회전방지홈이 형성되며, 상기 셀프 피어싱 리벳을 이용한 접합방법은 셀프 피어싱 리벳을 펀치유닛에 공급하고, 모재를 엔빌다이에 안착시키는 소재공급단계; 상기 펀치유닛이 하강하여 모재와 접합된 상태로, 전류를 공급하여 상기 모재의 접합부를 저항 가열하는 접합 및 가열단계; 상기 펀치유닛이 상기 모재의 접합부에 대하여 셀프 피어싱 리벳을 모재에 압입하는 압입단계; 및 상기 셀프 피어싱 리벳이 모재에 압입되는 과정에 상기 언더컷홀과 회전방지홈의 내부로 모재가 유입되도록 하는 유입단계를 포함한다.

Description

셀프 피어싱 리벳, 및 이를 이용한 접합방법{SELF PIERCING RIVET, AND METHOD FOR JOINING USING THE SAME}
본 발명은 셀프 피어싱 리벳을 이용하여 소재를 접합하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 2장 이상의 접합 대상물을 관통함과 동시에 접합할 수 있는 셀프 피어싱 리벳, 및 이를 이용한 접합방법에 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 스폿용접을 대체할 수 있는 접합방법에 대한 고찰이 이루어지고 있다.
이러한 고찰에 따른 접합방법으로, 최근에는 셀프 피어싱 리벳(Self piercing rivet)을 이용한 셀프 피어싱 리벳 접합방법이 적용되는 추세이다.
셀프 피어싱 리벳 접합방법은 강판 등의 접합 대상물에 리벳 접합용 구멍을 가공하고 그 구멍에 리벳을 삽입 후 헤드부를 성형하여 접합 대상물을 접합하는 기존의 리벳팅 방식과 달리, 구멍을 선행하여 가공하지 않고 유압 또는 공압으로 리벳을 접합 대상물에 압입하여 리벳을 소성 변형시킴으로써 접합 대상물을 접합하는 방식이다.
즉, 셀프 피어싱 리벳을 사용하여 2장 이상의 동종 또는 이종 소재간 접합이 가능하다.
도 1은 종래 기술에 따른 셀프 피어싱 리벳을 이용한 접합공정을 나타내는 공정도이고, 도 2는 종래 기술에 따른 소재의 접합 단면을 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 셀프 피어싱 리벳(1)을 이용한 접합공정은 모재(3)를 엔빌다이(13)에 안착시키고, 셀프 피어싱 리벳(1)을 펀치유닛(11)에 공급하는 공급단계(S1)와, 상기 펀치유닛(11)이 하강하여 상기 모재(3)와 접합되는 펀치유닛하강단계(S2)와, 상기 펀치유닛(11)이 상기 셀프 피어싱 리벳(1)을 모재(3)에 압입하는 압입단계(S3) 및 접합완료단계(S4)를 포함한다.
종래의 셀프 피어싱 리벳(1)은 별도의 홀 가공이 필요 없이 펀치유닛(11)에 의해 모재(3)에 압입되어 적어도 2장 이상의 소재를 결합한다.
이러한 종래의 셀프 피어싱 리벳(1)은 도 1에서 도시된 바와 같이, 접합공정이 펀치유닛(11)의 가압력만으로 이루어짐으로써, 종래의 스폿용접에 비하여 작업환경을 개선하는 효과가 있다.
그리고 이러한 셀프 피어싱 리벳을 이용한 접합방법은 특히 스폿용접이 용이하지 않은 알루미늄 차체와 같은 부품을 기구적 접합하기 위해 사용될 수 있다.
그러나 상기한 바와 같은 종래 기술에 따른 셀프 피어싱 리벳 접합은 인장방향 및 압축방향으로는 강한 접합력을 발휘하는 이점은 있으나, 단순 가압력만으로 셀프 피어싱 리벳이 이종 소재를 접합하기 때문에 소재가 초고장력강판(980MPa이상) 또는 두께가 두꺼운 소재 또는 3장 이상의 소재로 이루어지는 경우에는 적용하기 어렵다.
또한, 도 2를 참조하면, 종래 기술에 따른 셀프 피어싱 리벳 접합은 셀프 피어싱 리벳(1)이 모재(3)를 접합하였을 때, 모재(3) 속으로 압입된 셀프 피어싱 리벳(1)의 체적만큼 모재(3)의 하면이 밀려나 돌출부(5)의 돌출높이(h)가 필요이상 높아지는 문제점이 있다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래 기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예는 헤드부의 내부에 역사다리꼴 형상의 언더컷홀과 회전방지홈을 형성하여 셀프 피어싱 리벳팅 공정 시, 상기 언더컷홀과 회전방지홈에 모재가 유입되도록 함으로써 회전방향으로 고정되도록 하여 접합부의 체결력을 높이고, 접합부에 형성되는 돌출부를 최소화하는 셀프 피어싱 리벳 및 이를 이용한 접합방법을 제공하고자 한다.
또한, 피어싱 공정 직전에 모재의 접합부 주변을 저항 가열하여 연성을 확보함으로써, 고강성 소재에 대해서도 적용이 가능하도록 하는 셀프 피어싱 리벳 및 이를 이용한 접합방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 헤드부와 섕크부로 구성되는 셀프 피어싱 리벳에 있어서, 상기 헤드부는 리벳팅 시 모재가 유입되도록 내부에 상하로 관통된 언더컷홀이 형성되고, 상기 언더컷홀의 내주면 양측에 상하방향으로 회전방지홈이 형성되는 셀프 피어싱 리벳이 제공될 수 있다.
또한, 상기 언더컷홀은 상기 헤드부의 중앙의 상단에서 하단으로 갈수록 직경이 작아지는 테이퍼 형상일 수 있다.
또한, 상기 회전방지홈은 상기 언더컷홀의 내주면 양측에 각각 헤드부를 관통하여 일정폭의 홈으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 모재는 알루미늄 시트 또는 초고장력 강판으로 이루어지며, 적어도 2장 이상일 수 있다.
또한, 상기 모재는 이종 재질 또는 동종 재질로 이루어질 수 있다.
그리고 본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 상기한 셀프 피어싱 리벳을 이용하여, 셀프 피어싱 리벳을 펀치유닛에 공급하고, 모재를 엔빌다이에 안착시키는 소재공급단계; 상기 펀치유닛이 하강하여 모재와 접합된 상태로, 전류를 공급하여 상기 모재의 접합부를 저항 가열하는 접합 및 가열단계; 상기 펀치유닛이 상기 모재의 접합부에 대하여 셀프 피어싱 리벳을 모재에 압입하는 압입단계; 및 상기 셀프 피어싱 리벳이 모재에 압입되는 과정에 상기 언더컷홀과 회전방지홈의 내부로 모재가 유입되도록 하는 유입단계를 포함하는 셀프 피어싱 리벳을 이용한 접합방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 유입단계는 상기 셀프 피어싱 리벳의 섕크부 내부에 위치된 모재가 상기 언더컷홀과 회전방지홈의 내부로 유입될 수 있다.
본 발명의 실시 예는 헤드부의 내부에 역사다리꼴 형상의 언더컷홀과 회전방지홈을 형성하여 셀프 피어싱 리벳팅 공정 시, 상기 언더컷홀과 회전방지홈에 모재가 유입되도록 함으로써 회전방향으로 고정되도록 하여 접합부의 체결력을 높이고, 접합부에 형성되는 돌출부를 최소화하는 효과가 있다.
또한, 압입공정 직전에 모재의 접합부 주변을 저항 가열하여 연성을 확보함으로써, 고강성 소재에 대해서도 적용이 가능하다.
이외에 본 발명의 실시 예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 발명의 실시 예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 셀프 피어싱 리벳을 이용한 접합공정을 나타내는 공정도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 소재의 접합 단면을 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳을 이용한 접합공정을 설명하기 위한 공정도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳을 이용한 접합부의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예를 설명한다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 적용하여 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 셀프 피어싱 리벳(1)의 구성도이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳의 평면도이다.
먼저, 도 3과 도 4를 참조하면, 셀프 피어싱 리벳 장치는 C형 프레임(미도시), 상기 C형 프레임의 상측에 구성되는 펀치유닛(11), 상기 펀치유닛(11)에 대응하여 상기 C형 프레임의 하측에 구성되는 엔빌다이(13)를 포함한다.
여기서, 상기 C형 프레임은 당업계에서 널리 알려진 공지의 기술이므로 이에 대한 보다 상세한 설명은 생략한다.
상기 펀치유닛(11)은 셀프 피어싱 리벳(1)이 공급되면, 이를 모재(3)에 압입하도록 상기 셀프 피어싱 리벳(1)에 압력을 가하는 펀치(11a)와, 모재(3)와 접촉하여 접합부(27)를 저항 가열을 하는 전극하우징(11b)을 포함한다.
또한, 상기 엔빌다이(13)는 셀프 피어싱 리벳(1)이 모재(3)에 압입되는 과정에 셀프 피어싱 리벳(1)의 섕크(Shank)부가 벌어지도록 변형시키는 성형골(13a)이 형성된다.
이러한 셀프 피어싱 리벳 장치는 모재(3)를 펀치유닛(11)과 엔빌다이(13) 사이에 위치시킨 상태에서, 펀치유닛(11)의 작동에 의해 셀프 피어싱 리벳(1)을 모재(3)에 압입하면서 상기 셀프 피어싱 리벳(1)의 선단이 엔빌다이(13)의 성형골(13a)을 따라서 외측으로 확장되면서 모재(3)를 일체로 접합하는 작동을 이룬다.
이러한 셀프 피어싱 리벳 장치에 적용되는 본 발명의 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳(1)은 헤드부(21)와 섕크부(23)로 이루어져, 금속 시트재와 같은 상,하판의 접합 대상물을 기계적으로 체결한다.
상기 헤드부(21)는 셀프 피어싱 리벳(1)을 모재(3)에 압입하는 과정에 모재가 유입되는 언더컷홀(25)이 형성된다.
이때, 상기 언더컷홀(25)은 헤드부(21)의 중앙에 상,하 방향으로 관통되어 형성되는데, 그 형상은 헤드부(21) 중앙에 대하여 상단에서 하단으로 갈수록 직경이 작아지는 테이퍼(Taper) 형상의 단면을 갖도록 형성된다.
즉, 본 발명의 실시 예에서는 상기 언더컷홀(25)의 단면이 역사다리꼴의 형상을 가지나, 반드시 한정되는 것은 아니다.
이러한 언더컷홀(25)은 리벳팅 시, 모재(3)의 일부가 유입되어서 모재(3)에 대해 셀프 피어싱 리벳(1)이 빠지는 방향으로 언더컷(UC)이 형성되어 셀프 피어싱 리벳(1)과 모재(3) 사이의 체결력을 높이는 역할을 한다.
또한, 본 발명의 실시 예에서는 셀프 피어싱 리벳(1)은 상기 언더컷홀(25)의 내주면 양측에 상하방향으로 회전방지홈(29)이 형성된다.
즉, 상기 회전방지홈(29)은 상기 언더컷홀(25)의 내주면 양측에 각각 헤드부(21)를 관통하여 일정폭(W)의 홈으로 형성된다.
이러한 회전방지홈(29)은 리벳팅 시, 모재(3)의 일부가 상기 언더컷홀(25)로 유입되면서 함께 유입되어 모재(3)에 대해 셀프 피어싱 리벳(1)이 회전하는 방향으로 스톱퍼 역할을 하여 셀프 피어싱 리벳(1)과 모재(3) 사이의 고정력을 높이는 역할을 한다.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 갖는 셀프 피어싱 리벳(1)을 이용한 접합방법에 대하여 도 5를 참조하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳을 이용한 접합공정을 설명하기 위한 공정도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 셀프 피어싱 리벳(1)을 이용한 접합방법은 다음과 같은 단계별 공정으로 이루어진다.
먼저, 소재공급단계(S11)를 진행한다.
상기 소재공급단계(S11)는 상기 엔빌다이(13)의 상부에 접합하고자 하는 모재(3)를 안착시킨다.
여기서, 상기 모재(3)는 알루미늄 시트, 강판(초고장력강판 포함) 등의 비철금속과 금속 시트재를 포함할 수 있다.
상기 모재(3)는 서로 재질이 동일한 동종재질의 판재를 포함하거나, 서로 재질이 다른 이종재질의 판재를 포함할 수 있다.
이러한 모재(3)는 상기와 같이, 동일한 재질의 소재 또는 이종 재질의 소재가 적어도 2장 이상 겹쳐진 상태로 접합된다.
즉, 본 발명의 실시 예에서는 상기 모재(3)가 2장의 판재가 겹쳐진 상태에서, 셀프 피어싱 리벳(1)을 통해 상호 접합하는 것을 실시 예로 하여 설명하고 있으나, 이에 한정된 것은 아니며, 두께가 서로 다른 2장의 판재, 또는 3장 이상의 판재가 적용될 수 있다.
이러한 모재(3)가 상기 엔빌다이(13)에 안착되고, 본 발명의 실시예에 따른 셀프 피어싱 리벳(1)은 상기 펀치유닛(11)에 공급된다.
상기 소재공급단계(S11)에 이어서, 접합 및 가열단계(S12)를 진행한다.
상기 접합 및 가열단계(S12)는 엔빌다이(13)에 안착된 상기 모재(3)의 상면에 대하여 펀치유닛(11)이 하강하여 접촉된다.
이때, 상기 펀치유닛(11)과 엔빌다이(13)는 모재(3)의 상면과 하면에 각각 접촉된 상태로, 펀치유닛(11)내의 전극하우징(11b)을 통하여 전류를 공급하여 상기 모재(3)의 접합부(27)를 저항 가열한다.
이러한 접합 및 가열단계(S12)는 상기 저항 가열로 인해 상기 모재(3)의 접합부(27)에 대하여 연성을 확보하여 셀프 피어싱 리벳(1)이 모재(3)에 압입될 때, 상기 언더컷홀(25)과 회전방지홈(29)에 모재(3)의 유입이 용이하도록 한다.
상기 접합 및 가열단계(S12)에 이어서, 압입단계(S13)를 진행한다.
상기 압입단계(S13)는 상기 펀치유닛(11)의 펀치(11a)가 상기 모재(3)의 접합부에 대하여 셀프 피어싱 리벳(1)을 압입한다.
이러한 압입단계(S13)와 동시에 유입단계(S14)가 이루어진다.
즉, 상기 유입단계(S14)는 상기 압입단계(S13)의 마지막 과정에 이루어지며, 상기 셀프 피어싱 리벳(1)의 언더컷홀(25)과 회전방지홈(29)에는 상기 모재(3) 중에서, 상판의 일부분이 유입된다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳을 이용한 접합부의 단면도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 셀프 피어싱 리벳(1)을 이용한 접합부(27)의 접합단면은 모재(3)의 일부가 셀프 피어싱 리벳(1)의 언더컷홀(25)과 회전방지홈(29)으로 유입되기 때문에, 상기 유입된 모재(3)의 체적만큼 하판으로 돌출되는 돌출부(5)의 두께가 감소하는 효과가 있다. 여기서, 감소한 돌출부(5)의 두께는 h로 표시한다.
즉, 종래의 셀프 피어싱 리벳(1)을 이용하여 접합한 모재(3) 하면의 돌출부(5) 두께가 h라 하면, 본 발명에 따른 셀프 피어싱 리벳(1)을 이용하여 접합한 모재(3) 하면의 돌출부(5) 두께는 h만큼 감소하여, h-h가 되는 것이다.
결과적으로, 본 발명에 따른 셀프 피어싱 리벳(1)을 이용하여 접합한 모재(3)의 돌출부(5)의 두께가 얇아지는 효과가 있어, 접합 가공물의 외관 품질이 우수한 이점이 있다.
또한, 셀프 피어싱 리벳(1)의 언더컷홀(25)은 테이퍼 형상의 단면으로 모재(3)가 유입되면서 언더컷(UC)을 만들게 된다. 이는 모재(3)와 셀프 피어싱 리벳(1)과의 체결력을 높이는 효과가 있다.
또한, 셀프 피어싱 리벳(1)의 회전방지홈(29)은 상기 모재(3)의 일부가 상기 언더컷홀(25)로 유입되면서 함께 유입되어 모재(3)에 대해 셀프 피어싱 리벳(1)이 회전하는 방향으로 스톱퍼 역할을 하여 상기 모재(3)와 셀프 피어싱 리벳(1) 사이의 회전방향 고정력을 높이는 효과가 있다.
또한, 셀프 피어싱 리벳(1)이 모재(3)에 압입되면서 엔빌다이(13)의 성형골(13a)에 의해 상기 셀프 피어싱 리벳(1)의 섕크부(23)가 외측으로 벌어지면서, 모재(3)와의 사이에 언더컷(UC)을 형성한다.
즉, 상기 언더컷홀(25) 상의 언더컷(UC)은 상기 모재(3)와 셀프 피어싱 리벳(1)사이의 상,하 방향의 체결력을 높여주고, 상기 회전방지홈(29)은 상기 모재(3)와 셀프 피어싱 리벳(1) 사이의 회전방향 고정력을 높여주며, 상기 섕크부(23)에 의한 언더컷(UC)은 상기 상,하판으로 이루어지는 모재(3)의 체결력을 높여준다.
따라서 본 발명의 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳(1), 및 이를 이용한 접합방법에 의하면, 상호 기계적 접합이 어려운 소재도 강한 결합력으로 접합 가능한 이점이 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1 : 셀프 피어싱 리벳
3 : 모재
5 : 돌출부
11 : 펀치유닛
11a : 펀치
11b : 전극하우징
13 : 엔빌다이
13a : 성형골
21 : 헤드부
23 : 섕크부
25 : 언더컷홀
27 : 접합부
29: 회전방지홈
UC : 언더컷

Claims (7)

  1. 헤드부와 섕크부로 구성되는 셀프 피어싱 리벳에 있어서,
    상기 헤드부는
    리벳팅 시 모재가 유입되도록 내부에 상하로 관통된 언더컷홀이 형성되고, 상기 언더컷홀의 내주면 양측에 상하방향으로 회전방지홈이 형성되는 셀프 피어싱 리벳.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 언더컷홀은
    상기 헤드부의 중앙의 상단에서 하단으로 갈수록 직경이 작아지는 테이퍼 형상인 셀프 피어싱 리벳.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 회전방지홈은
    상기 언더컷홀의 내주면 양측에 각각 헤드부를 관통하여 일정폭의 홈으로 형성되는 셀프 피어싱 리벳.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 모재는
    알루미늄 시트 또는 초고장력 강판으로 이루어지며, 적어도 2장 이상인 것을 특징으로 하는 셀프 피어싱 리벳.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 모재는
    이종 재질 또는 동종 재질로 이루어지는 셀프 피어싱 리벳.
  6. 제1항 내지 제3항 중, 어느 하나의 항에 의한 셀프 피어싱 리벳을 이용하여,
    셀프 피어싱 리벳을 펀치유닛에 공급하고, 모재를 엔빌다이에 안착시키는 소재공급단계;
    상기 펀치유닛이 하강하여 모재와 접합된 상태로, 전류를 공급하여 상기 모재의 접합부를 저항 가열하는 접합 및 가열단계;
    상기 펀치유닛이 상기 모재의 접합부에 대하여 셀프 피어싱 리벳을 모재에 압입하는 압입단계; 및
    상기 셀프 피어싱 리벳이 모재에 압입되는 과정에 상기 언더컷홀과 회전방지홈의 내부로 모재가 유입되도록 하는 유입단계;
    를 포함하는 셀프 피어싱 리벳을 이용한 접합방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 유입단계는
    상기 셀프 피어싱 리벳의 섕크부 내부에 위치된 모재가 상기 언더컷홀과 회전방지홈의 내부로 유입되는 것을 특징으로 하는 셀프 피어싱 리벳을 이용한 접합방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20180078041A (ko) * 2016-12-29 2018-07-09 주식회사 성우하이텍 이종소재 접합방법
KR20190046429A (ko) 2017-10-26 2019-05-07 현대자동차주식회사 셀프 피어싱 리벳 및 이를 포함하는 운송 수단
CN110319097A (zh) * 2019-06-24 2019-10-11 上海交通大学 内自锁铆钉、铆钉复合连接装置以及连接方法

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