KR20160097221A - 셀프 피어싱 리벳, 셀프 피어싱 리벳 연결 조인트를 생산하기 위한 방법 및 셀프 피어싱 리벳 연결 조인트 - Google Patents

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Abstract

고강도 강을 연결하기 위한 셀프 피어싱 리벳(10)으로서, 헤드 직경(DH)을 가진 헤드(12) 및 생크 직경(DS)을 가진 생크(14)를 가지며, 상기 헤드(12)와 마주보는 풋 단부(18)에서 상기 생크(14)는 축 방향 깊이(LB)를 가진 축 방향 요홈(22)을 가지고 상기 생크(14)는 상기 풋 단부(18)에서 평평한 표면 섹션(20)을 가지는 셀프 피어싱 리벳에 있어서, 상기 생크 직경(DS)에 대한 상기 요홈(22)의 축 방향 깊이(LB)의 비율은 0.3보다 작다.

Description

셀프 피어싱 리벳, 셀프 피어싱 리벳 연결 조인트를 생산하기 위한 방법 및 셀프 피어싱 리벳 연결 조인트{SELF-PIERCING RIVET AND SELF-PIERCING RIVETING METHOD AND SELF-PIERCING RIVETED JOINT}
본 발명은, 고강도 강을 연결하기 위한 셀프 피어싱 리벳으로서, 헤드 직경을 가진 헤드 및 생크 직경을 가진 생크를 가지며, 상기 헤드와 마주보는 풋 단부에서 상기 생크는 축 방향 깊이를 가진 축 방향 요홈을 가지고 상기 생크는 상기 풋 단부에서 평평한 표면 섹션을 가지는 셀프 피어싱 리벳에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 적어도 한 개의 이상의 공작물 및 하부의 하부 공작물을 가지고 상기 형태를 가지며 변형된 셀프 피어싱 리벳을 가진 셀프 피어싱 리벳연결 조인트에 관한 것이고, 상기 공작물들 중 한 개는 고강도 강으로 제조되며, 상기 리벳의 머리는 상부 공작물에 대해 지지된다.
마지막으로, 셀프 피어싱 리벳 연결 조인트를 생산하기 위한 방법으로서, 상기 방법은 적어도 한 개의 상부 공작물 및 한 개의 하부 공작물을 가진 공작물 배열을 제공하는 단계 및 천공 하중에 의해 상기 셀프 피어싱 리벳을 상기 공작물 배열속으로 가압하는 단계를 포함한다.
상기 형태의 셀프 피어싱 리벳이 문헌 제 EP 1229254A2호에 공지된다. 상기 문헌에서, 공가도 강으로 제조되고 반 튜브(semi- tubular) 구조의 셀프 피어싱 리벳에 의해 서로 연결되는 적어도 두 개의 연결 부분들을 가진 셀프 피어싱 리벳연결 조인트가 제안되고, 상기 셀프 피어싱 리벳은 강으로 제조되고 리벳 머리 및 단부 측부에서 리벳 풋(rivet foot)을 가진 연결 리벳 생크(rivet shank)를 가지며, 상기 리벳 풋은 연결작업이 수행되기전 초기에 절단된 구조(truncated design)를 가진다. 이 경우, 상기 셀프 피어싱 리벳의 형상은, 경금속 (light metal) 공작물을 연결하기 위해 특히 문헌 제 EP 0 833 063 A1호에 공지된 것처럼 셀프 피어싱 리벳의 형상과 동일하기 위한 것이다. 리벳 풋의 절단된 구조는 고강도 연결 부분들을 연결하는 동안 반 관형 구조의 셀프 피어싱 리벳의 유리한 변형 거동을 달성하기 위한 것이고, 뾰족한 리벳 풋과 비교하여 리벳 생크를 확대시키려는 노력이 감소된다. 여기서 확대는 상기 리벳 생크가 상기 리벳 풋과 함께 하측 연결 부분속으로 찌를 때에만 발생하기 위한 것이다. 상기 연결 부분들은 500 N/mm2 을 초과해서 1500 N/mm2까지의 인장 강도를 가진다. 이용되는 반 튜브 구조의 셀프 피어싱 리벳이 가지는 인장 강도는 1200 내지 1400 N/mm2의 범위를 가지지만 심지어 2000N/mm2이르는 값에 도달할 수 있다.
적합한 확대 거동을 보장하기 위해, 생크 공동의 축 방향 깊이 및 리벳 풋의 외경이 가지는 비율(quotient)은 0.3 내지 0.7이다. 상기 생크 공동의 축 방향 깊이가 너무 작을 때, 상기 리벳 생크는 상부 강 시트가 천공된 후에 충분히 확대되지 못한다.
또 다른 반 튜브구조의 셀프 피어싱 리벳이 문헌 제 WO 2007/132194 A1호에 공지된다. 여기서 상기 생크는 중앙의 막힌 구멍을 가지며, 상기 생크의 외경에 대하여 상기 구멍 영역에서 상기 생크가 가지는 외경 및 내경사이의 차이가 가지는 비율은 0.47 내지 0.52의 범위를 가진다.
또한, 문헌 제 EP 2 314 890 A2 호에, 고강도 및 초고강도 강들을 연결하기 위한 반 관형 구조의 셀프 피어싱 리벳이 공개되고, 상기 리벳의 머리 직경은 일반적으로 생크 직경보다 1.3배 이하이다.
그러나 이전과 같이, 고강도 및 초고강도 강들을 연결시키는 종래기술의 셀프 피어싱 리벳 연결 조인트들은 여러 가지 문제점을 가진다. 우선, 확대 크기가 리벳 축에 대해 대칭이 될 수 없다. 또한, 상기 생크는 압축되고 비틀려질 수 있다. 일부 경우에서, 심지어 상기 리벳을 공작물 배열속에 가압할 수 없어서, 상기 셀프 피어싱 리벳은 심지어 부러질 수 있다.
이러한 배경에 대하여, 본 발명의 목적은 고강도 및 초고강도 강들을 연결하기 위한 개선된 셀프 피어싱 리벳, 개선된 셀프 피어싱 리벳연결 조인트 및 개선된 셀프 피어싱 리벳 연결 방법을 제시하는 것이다.
서두에 언급된 셀프 피어싱 리벳에 있어서, 생크 직경에 대한 요홈의 축 방향 깊이의 비율이 0.3보다 작고 특히 0.28보다 작으며 선호적으로 0.25 또는 심지어 0.2보다 작기 때문에 상기 목적이 달성된다.
생크 직경에 대한 요홈의 축 방향 깊이의 비율이 선호적으로 0.05보다 크고 선호적으로 0.1보다 크고 특히 0.12보다 큰 것이 선호된다.
상부 공작물 및 하부 공작물을 가지고 상기 상부 공작물과 하부 공작물 중 적어도 한 개가 고강도 강으로 제조되며 변형된 셀프 피어싱 리벳을 가지고, 상기 셀프 피어싱 리벳의 헤드가 상기 상부 공작물에 대해 지지되며, 상기 셀프 피어싱 리벳은 특히 본 발명을 따르는 셀프 피어싱 리벳인 셀프 피어싱 리벳연결 조인트에 의해 상기 목적이 달성된다.
셀프 피어싱 리벳 연결 조인트 특히, 상기 셀프 피어싱 리벳 연결 조인트를 생산하기 위한 방법으로서, 상기 방법이 적어도 한 개의 상부 공작물 및 한 개의 하부 공작물을 가진 공작물 배열을 제공하는 단계 및 천공 하중에 의해 본 발명을 따르는 형태의 셀프 피어싱 리벳을 상기 공작물 배열속으로 가압하는 단계를 포함하는 방법에 의해 상기 목적이 달성된다.
본 발명을 따르는 셀프 피어싱 리벳에 의해, 상기 셀프 피어싱 리벳 연결 단계 동안 리벳 생크의 팽창에 덜 집중되는 셀프 피어싱 리벳의 변형이 발생된다. 오히려, 상기 요홈이 가지는 상대적으로 짧은 축 방향 깊이에 의해, 연결부가 상기 리벳의 업셋 작업에 의해 형성되고, 상기 업셋 작업은 특히 공작물 배열의 고강도 강을 카운터 압축(counter pressure)하여 이루어진다. 이렇게 하여 형성된 절단부(undercut)는 이 경우 상대적으로 짧을 수 있다. 그러나 고강도 재료에 의해 심지어 상대적으로 짧은 절단부는 요구되는 연결 강도를 충분히 실현한다.
또한, 상기 요홈이 가지는 상대적으로 짧은 축 방향 깊이에 의해, 상기 셀프 피어싱 리벳은 상당히 큰 안정성을 가져서 심지어 고강도 및 초고강도 강을 찌를 수 있다.
셀프 피어싱 리벳 연결 조인트를 생산하는 새로운 방법이 풋 단부에서 평평형한 표면 섹션에 의해 제공된다. 다시 말해, 상기 풋 단부의 일반적인 원형 단부 측는 또한 절단 변부로서 설명되며 상기 단부 측부는 적어도 비교적 평평한 구조를 가지는 것이 선호되고, 특히 상기 셀프 피어싱 리벳의 종 방향 축에 대해 수직으로 향하는 것이 선호된다.
공작물 배열의 상부 공작물은 강으로 제조되는 것이 선호되고 800N/mm2보다 큰 것이 선호되고 특히 1000N/mm2보다 큰 것이 선호되는 인장 강도를 가진다. 상기 상부 공작물의 상기 인장 강도는 1500N/mm2이상일 수 있다.
가열되지 않은 상기 하부 공작물의 인장강도는 약 600N/mm2까지 한정되는 것이 선호된다.
다시 말해, "Usibor®"이라는 상표로 공지된 성형 강은, 열처리하기 전에 미세구조는 특히 페라이트로 형성되며 본 발명을 따르는 셀프 피어싱 리벳에 의해 요구되는 연결강도를 가지며 연결될 수 있다.
물론, 상기 셀프 피어싱 리벳의 강도는 이에 따라 적응된다. 또한, 셀프 피어싱 리벳은 강으로부터 특히 회전 대칭구조로 생산되거나 일체 구조로 생산되는 반 관형 구조의 셀프 피어싱 리벳이다.
세팅 하중을 가능한 작게 유지하기 위해 0.5mm이하의 작은 반경이 생크로부터 헤드까지 전이부에 제공되는 것이 선호된다.
최소 리벳 길이는, 상부 공작물의 두께 및 2mm보다 큰 것이 선호되고 특히 3mm인 길이의 합인 것이 선호된다. 최대 리벳 길이는, 공작물 배열의 두께 범위내에 있는 것이 선호된다.
그러므로 상기 목적이 달성된다.
상기 요홈이 종 방향 섹션에서 원추대 형상을 가지는 것이 특히 선호된다.
선택적으로, 풋 단부 영역에서 상기 요홈의 직경은 상기 요홈의 기저부 영역에서 직경보다 큰 것이 선호된다. 상기 실시예에서, 상기 요홈의 기저부는 평평한 것이 선호되지만 오목하거나 볼록한 곡선을 가질 수도 있다.
선호되는 또 다른 실시예에 의하면, 상기 요홈이 종 방향 섹션에서 아치 형상을 가진다.
여기서 아치 형상은 단일 반경에 의해 형성될 수 있고 따라서 상기 요홈은 종 방향 섹션에서 아치 형상을 가진다.
그러나 상기 요홈은 종 방향 섹션에서 뾰족한 아치 형상 또는 고딕(gothic) 아치 형상을 가지는 것이 특히 선호된다.
상기 아치 형상은 한 개의 점 및 원으로부터 형성된 두 개의 아치들에 의해 형성된다.
여기서 상기 점은 반경에 의해 적합하게 라운딩(rounded)되는 것이 선호된다.
또한, 뾰족한 아치 형상에 있어서 각각 배열된 아치로서 각 아치가 가지는 중심점들은 종 방향 섹션에서 볼 때 셀프 피어싱 리벳의 종 방향 중심 축의 서로 다른 측부들에 배열되는 것이 선호된다.
원추대 또는 아치 형상을 가진 상기 두 개의 실시예들에서 헤드 단부로부터 작용하는 천공 하중은 상기 풋 단부속으로 적합하게 전달되는 것이 유리하다.
또한, 상기 요홈은 원통형 섹션을 가지지 않는 것이 선호된다.
요홈내부의 원통형 섹션은 불안정성을 발생시키고 매우 높은 천공 압력에서 파괴를 야기할 수 있다.
요홈내에서 원통형 섹션을 제거하여 상기 셀프 피어싱 리벳의 안정성이 증가될 수 있다.
제1 항의 전제부와 관련하여 별도의 발명을 구성하는 또 다른 실시예에 의하면,
상기 요홈이 요홈 체적을 가지고, 상기 생크의 체적에 대한 요홈 체적은 0.25보다 작고 특히 0.18보다 작은 비율 및/또는 0.05보다 크고 특히 0.1보다 큰 비율을 가진다.
이 경우 요홈 체적은 상기 셀프 피어싱 리벳의 풋 단부로 시작하여 계산된다. 상기 생크의 체적은, 상기 생크가 일정한 외경을 가지는 즉, 상기 셀프 피어싱 리벳의 헤드까지 전이부 섹션을 가지는 생크의 체적이지만 생크의 체적내에 포함되는 요홈 체적을 포함한다.
상대저으로 짧은 요홈 체적은 우선, 셀프 피어싱 리벳의 안정성을 증가시킨다. 다음에 상부 공작물로부터 분리된 천공 부분이 상기 요홈에 의해 수용되지 않지만 천공 작업 동안 리벳에 의해 리벳 앞에서 압축된다. 상기 수단에 의해 유리하게 달성될 수 있는 효과에 의하면, 재료의 변형은 요홈 내부대신에 셀프 피어싱 리벳 연결 공구의 다이내에서 더 커진다.
또 다른 선호되는 실시예에 의하면, 상기 평평한 섹션은 원형 표면 섹션으로서 설계되고 횡 단면에서 반경 방향 폭을 가지며, 생크 직경에 대한 상기 원형 표면 섹션의 반경 방향 폭의 비율은 0.05보다 큰 비율 및/또는 0.25보다 작은 비율을 가진다.
상기 셀프 피어싱 리벳은 적어도 500 HV10(1630MPa)의 강도, 특히 적어도 650 HV10의 강도, 특히 적어도 700 HV10(1630MPa)의 강도를 가진 강으로부터 생산된다. 상기 강도는 일반적으로 800HV10보다 작다.
본 발명을 따르는 셀프 피어싱 리벳 연결 조인트에서, 상부 공작물의 축 방향 두께는 변형되지 않은 상태에서 요홈의 축 방향 깊이보다 크거나 동일한 것이 선호된다.
본 발명을 따르는 셀프 피어싱 리벳 연결부에 있어서, 천공된 부분이 상기 상부 공작물로부터 분리되고, 상기 천공된 부분의 체적 중 50% 미만, 특히 30% 미만, 선호적으로 25% 미만 및 특히 선호적으로 20% 미만이 상기 변형된 셀프 피어싱 리벳의 요홈내에 위치하는 것이 유리하다.
그 결과, 셀프 피어싱 리벳은 실제로 업셋되고 따라서 요홈의 체적이 감소되며 이에 따라 셀프 피어싱 리벳 연결 작업동안 천공된 부분은 실제로 리벳 형상으로 가압되도록 셀프 피어싱 리벳이 설계된다.
따라서 하부 공작물의 재료는 천공된 부분에 의해 상기 다이내부로 적합하게 이동하고, 그러므로 상기 재료는 상기 셀프 피어싱 리벳내에서 절단부 후방으로 유동한다.
또한, 상기 변형된 셀프 피어싱 리벳의 생크는 헤드를 향하는 하중에 대해 절단부를 형성하고, 생크 직경에 대한 절단부의 비율은 0.1보다 작은 비율 및/또는 0.01보다 큰 비율을 가지는 것이 유리하다.
그 결과 상기 절단부의 크기는 상대적으로 작다. 그러나, 상기 작은 절단부는 고강도 강을 연결할 때 필요한 연결강도를 충분히 실현한다.
셀프 피어싱 리벳 연결 조인트에 관한 또 다른 유리한 실시예에 의하면, 변형 후에 셀프 피어싱 리벳의 축 방향 길이 및 변형 전에 셀프 피어싱 리벳의 축 방향 길이의 비율은 0.8보다 큰 비율 및/또는 0.95보다 작은 비율을 가진다.
그 결과, 상기 셀프 피어싱 리벳은 셀프 피어싱 리벳의 미리 정해진 강도 때문에 상대적으로 작은 크기를 가지며 동이랗게 반경 방향을 따라 상대적으로 작은 절단부를 가진다.
또한, 셀프 피어싱 리벳의 최소 길이는 상부 공작물의 두께와 3 또는 3.5mm가 선호되는 값을 합하여 구해지는 것이 선호되고, 셀프 피어싱 리벳의 최대 길이는 공작물 배열의 전체 두께와 1mm를 합하여 계산되거나 공작물 배열의 전체 두께와 동일한 것이 선호된다.
본 발명을 따르는 방법에 있어서, 적어도 상기 하부 공작물이 가압되는 다이 체적에 의해 상기 공작물 배열이 다이에 의해 지지되고, 상기 셀프 피어싱 리벳의 체적에 대한 다이 체적의 비율은 1.0보다 크거나 동일한 비율 및/또는 1.5보다 작거나 동일한 비율인 것이 유리하다.
다이 체적은 셀프 피어싱 리벳 연결 작업 동안 상기 하부 공작물의 재료가 흘러 들어가는 체적이며, 상기 목적을 위해 제공되는 다이 요홈의 상측 변부는 실제로 지지 표면와 동일 평면을 가진다. 여기서 상기 다이 요홈의 형상은 원추대 형상을 가지며, 상기 지지 표면 영역에서 상대적으로 큰 직경을 가지며 다이체적의 기저부 영역에서 상대적으로 작은 직경을 가진다.
하기 설명이 추가될 수 있다. 종래기술을 따르는 셀프 피어싱 리벳 연결에서, 상기 절단부의 형성은 연결 강도의 품질과 관련된 특징이다. 본 발명을 따르는 리벳이 가지는 고강도에 의해, 상기 특징은 더 이상 적용되지 않는다. 리벳은 상대적으로 강한 상부 공작물을 요구하고, 상부 공작물의 천공 부분은 리벳을 업셋시키며 공정에서 가압하여 다소 떨어지게 만든다. 종래기술의 리벳과 대조적으로, 연결부의 절단부는 종래기술에 따라 팽창에 의해 형성되는 것이 아니라 리벳의 업셋팅 작업에 의해 형성되며, 상기 업셋팅 작업은 고강도 강의 카운터 압축에 의해 형성된다. 종래기술의 리벳에 대하여 차이를 가지는 또 다른 기준은, 상부 공작물이 가지는 일반적인 800N/mm2 특히 1000N/mm2의 인장강도에서만 시작하는 이용 범위이다. 상기 강도 범위의 강들은, 초고강도 시트로부터 제조된 경량 구조의 이용이 증가하기 때문에 차량 제조에서 이용된다. 본 발명을 따르는 셀프 피어싱 리벳의 이용은 8kN의 최소 천공하중에 의해 제한되고, 상기 최소 천공 하중은 고강도 공작물 배열을 천공/찌르기 위한 하중이다. 상기 하중위에서 상기 셀프 피어싱 리벳의 (기본적으로 확대되지 않는) 충분한 업셋팅이 개시되고, 적어도 0.15mm인 것이 선호되는 업셋 요구치가 구해진다. 연결 상태를 평가하기 위해, 절단부의 형성 뿐만 아니라 상기 업셋 정도가 고려되어야 한다. 상기 업셋 정도는 변형 이전에 상기 셀프 피어싱 리벳의 축 방향 길이로부터 변형 이후에 즉 안정된(settled) 상태에서 상기 셀프 피어싱 리벳의 축 방향 길이를 빼서 계산된다.
물론, 상기 특징들 및 하기 특징들은 본 발명의 범위내에서 개별적으로 설명된 조합뿐만 아니라 다른 조합 또는 각 특징에 따라 이용될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들이 도면들에 도시되고 하기 상세한 설명에 의해 설명된다.
도 1은 본 발명을 따르는 셀프 피어싱 리벳의 실시예를 도시한 종 방향 단면도.
도 2는 본 발명을 따르는 셀프 피어싱 리벳의 또 다른 실시예를 도시한 종 방향 단면도.
도 3은 도 1에 도시된 셀프 피어싱 리벳에 의해 생산된 셀프 피어싱 리벳 연결 조인트를 도시한 종 방향 단면도.
회전 대칭구조를 가지는 반 관형 구조의 셀프 피어싱 리벳(10)이 도 1의 종 방향 단면에서 개략적으로 도시된다.
셀프 피어싱 리벳(10)은 강한 강(steel)으로부터 생산되고 선호적으로 500HV를 초과하는 강도를 가진다. 상기 셀프 피어싱 리벳은 특히 압축 변형에 의해 생산된다.
상기 셀프 피어싱 리벳(10)은 헤드(12) 및 상기 헤드와 종 방향으로 연결되는 생크(14)를 가진다. 상기 생크(14)는 전이 섹션(16)에 의해 상기 헤드(12)속으로 합쳐진다. 상기 헤드(12)와 마주보는 상기 생크(14)의 단부는 풋 단부(foot end)로서 설계되고 도 1에서 18로 표시된다.
평평한 표면 섹션(20)은 풋 단부(18)에 형성되고, 상기 표면 섹션은 원형 표면 섹션으로서 형성되며, 상기 표면 섹션의 외경은 상기 생크(14)의 외경에 의해 한정되고, 표면 섹션의 내경은 상기 헤드(12)를 향해 상기 풋 단부(18)로부터 연장되는 요홈(22)의 변부에 의해 한정된다.
도 1에서, 원추대 구조를 가진 상기 요홈(22)은 상기 풋 단부(18)로부터 시작되고 원추 형상으로 연장되는 요홈 전이 섹션(24) 및 요홈 기저부(26)를 가진다. 상기 요홈 기저부(26)는 도시된 것처럼 평평한 구조를 가질 수 있지만 오목하거나 볼록한 구조를 가질 수도 있다.
또한, 도 1에 하기 치수들이 도시되고 상기 치수의 선호되는 값들이 각 경우 아래 표에 작성된다:
명칭 약칭 선호되는 값 비고
축 방향 길이, 셀프 피어싱 리벳 LR 5mm
길이, 생크 LS 3.6mm
축 방향 높이, 헤드 LH 0.5mm
축 방향 깊이, 요홈 LB 1mm
직경, 헤드 DH 7.75mm
외경, 생크 DS 5.5mm
풋 단부에서 요홈 직경 DB 4.5mm
기저부에서 요홈 직경 DB' ~2.5mm
반경 방향 폭, 원형 표면 섹션 BF 0.5mm
원추각, 요홈 αB ~40° 즉, 25°- 50°
원추각, 전이 섹션 αH ~27° 즉, 20° - 50°
도 1에 도시된 셀프 피어싱 리벳에 있어서, 생크 직경(DS)에 대한 상기 요홈(22)의 축 방향 깊이(LB)의 비율은 약 0.18이다.
상기 생크 직경(DS)에 대한 반경 방향 폭(BF)의 비율은 약 0.09이다.
또한, 상기 생크의 체적에 대한 상기 요홈 체적의 비율은 약 0.135이고 상기 요홈의 체적은
VB = (LB·π)/3·[(DB/2)2 + DB ·DB' + (DB'/2)2],
에 의해 대략적으로 계산되고, 상기 생크의 체적은
VS = π·(DS/2)2·LS
에 의해 계산된다.
그 결과 상기 생크의 체적(VS)은 요홈 체적(VB)을 포함한다.
본 발명의 범위내에서 상기 표에 표시된 각각의 치수 및 각도에 관한 수치들은 각각 아래위로 적어도 20%, 선호적으로 각 경우 아래위로 10% 만큼 편차를 가질 수 있다.
또한, 상기 요홈 전이 섹션(24) 및 요홈 기저부(26)사이에서 전이부에 형성된 반경(RB)이 도 1에 도시된다. 상기 RB의 값은 예를 들어, 0.35mm일 수 있다. DB'의 값은 반경 방향에 대하여 대략적으로 상기 요홈(RB)의 중심에서 가지는 근사값이다.
또한, 상기 생크(14) 및 원추형 전이 섹션(16)사이에서 전이부를 형성하는 반경(RH)이 도 1에 도시된다. 상기 RH의 값은 예를 들어, 0.5mm 이하일 수 있다.
본 발명을 따르는 셀프 피어싱 리벳의 선택적 실시예가 도 2에 도시되고 일반적으로 10으로 표시된다. 도 2의 셀프 피어싱 리벳(10)은 일반적으로 구성 및 기능 면에서 도 1에 도시된 셀프 피어싱 리벳(10)에 해당된다. 그러므로 동일한 구성요소들은 동일한 도면부호로 표시된다. 필수적으로 차이에 대해 아래에서 설명한다.
도 2에 도시된 셀프 피어싱 리벳(10)의 요홈(22)은 도 1에 도시된 셀프 피어싱 리벳(10)의 경우와 같이 원추대 형상이 아니며 다소 아치 형상의 구조를 가진다. 좀 더 정확하게 말하면, 도 2에 도시된 요홈(22)은 종 방향 섹션에서 뾰족한 아치 형상을 가지며, 상기 뾰족한 아치는 종 방향 축에서 점을 형성하는 원의 두 개의 아치들로부터 조립된다. 상기 원의 원호의 원점들은 각 경우 상기 원의 아치들과 마주보는 종 방향 축의 측부에 배열된다. 상기 원의 두 개의 아치들에 의해 형성된 점 영역에서, 상기 요홈은 예를 들어, 0.5mm일 수 있는 반경을 가지며 라운딩(rounded)된다. 상기 반경은 도 2에서 개략적으로 R1으로 표시된다.
상기 원의 두 개의 아치들이 가지는 반경은 개략적으로 도 2에서 R2로 표시되고 예를 들어, 약 4mm일 수 있다.
도 2에 도시된 셀프 피어싱 리벳(10)에 있어서, 요홈(22)의 최대 축 방향 깊이는 약 1.5mm인 것이 선호되고 따라서 약 0.273의 LB/DS 비율이 형성된다.
직경(DS), 축 방향 길이(LS) 및 다른 치수들은 도 1에 도시된 셀프 피어싱 리벳(10)의 직경, 축 방향 길이 및 다른 치수들과 동일할 수 있다.
도 1에 도시된 셀프 피어싱 리벳(10)에 의해 형성된 셀프 피어싱 리벳 연결 조인트가 종 방향 단면으로 개략적으로 도시되고 도 3에서 일반적으로 30으로 표시된다.
상기 셀프 피어싱 리벳 연결 조인트(30)는 적어도 한 개의 상부 공작물(34) 및 한 개의 하부 공작물(36)을 포함한 공작물 배열(32)과 연결되고, 상기 상부 공작물과 하부 공작물 중 적어도 한 개의 상부 공작물은 고강도 또는 초고강도 강으로 제조된 강 시트 형태로 생산될 수 있다.
도 3을 참고할 때 셀프 피어싱 리벳(10*)은 셀프 피어싱 리벳 연결작업 동안 상부 공작물(34)로부터 천공(punched out)된 부분(38)으로 절단되고 셀프 피어싱 리벳 자신 앞에서 상기 천공된 부분을 가압한다. 상기 천공된 부분의 하측부 및 상기 하부 공작물(36)의 하측부사이에서 나머지 기저부 두께가 40으로 표시된다. 상기 두께는 예를 들어, 0.5mm를 초과할 수 있다.
또한, 변형된 생크(14*)의 반경 방향 절단부가 도 3에 도시된다. 셀프 피어싱 리벳(10*)이 상부 공작물(34)의 상대적으로 강한 재료에 의해 특히 풋 단부 영역에서 업셋(upset)되고 따라서 상기 셀프 피어싱 리벳의 재료는 상기 풋 단부 영역에서 반경 방향으로 다소 외측으로 유동한다. 상기 셀프 피어싱 리벳(10*)이 가지는 상당한 강도 때문에, 상기 절단부(42)의 크기는 매우 작고 예를 들어, 0.5mm 보다 작을 수 있지만 일반적으로 0.05mm보다 크다. 따라서, 상기 생크 직경(DS)에 대한 상기 절단부(42)의 비율은 0.1 내지 0.01 범위에 있는 것이 선호된다.
마지막으로, 도 3을 참고할 때 상기 헤드(12*)가 상기 상부 공작물(34)의 상측부에 대해 돌출하는 돌출 길이(44)가 도시된다. 상기 돌출 길이(44)는 변형되지 않은 상태에서 상기 셀프 피어싱 리벳(10)의 축 방향 높이(LH) 보다 작은 것이 선호된다.
또한, 도 3을 참고할 때, 변형된 셀프 피어싱 리벳(10*)이 도시된다. 도시된 예에서, 상기 길이는 예를 들어, 약 4.4mm일 수 있다. 변형 후에 상기 셀프 피어싱 리벳(10*)의 축 방향 길이(LR*) 및 변형 전에 상기 셀프 피어싱 리벳(10)의 축 방향 길이(LR)의 비율은 0.8 초과 및/또는 0.95 미만인 것이 선호된다.
상기 설명과 같이, 상기 셀프 피어싱 리벳(10*)은 풋 단부 영역에서 업셋되고 따라서 나머지 요호(22*)의 나머지 체적은 상대적으로 작다. 따라서, 도시된 실시예에서, 상기 천공된 부분(38)의 체적 중 최대 50% 부분 특히 최대 25% 부분이 상기 변형된 요홈(22*) 내에 수용된다.
상기 상부 공작물(34)의 축 방향 두께는 L34로 표시된다. 상기 두께는 변형되지 않은 상태에서 상기 셀프 피어싱 리벳(10)의 축 방향 깊이(LB)보다 크거나 동일할 수 있다. 상기 하부 공작물(36)의 축 방향 두께가 L36으로 표시된다. 상기 두께는 L34보다 큰 것이 선호된다. 상기 하부 공작물(36)은 상기 상부 공작물(34)보다 부드러운 것이 선호된다.
또한, 도 3은 셀프 피어싱 리벳 연결 공구의 다이(50)를 도시하고, 셀프 피어싱 리벳 연결 작업 동안 상기 다이에 의해 축 방향 하중( 천공 하중)(52)이 셀프 피어싱 리벳(10)의 헤드(12)의 상측부에 작용한다. 상기 다이(50)의 요홈이 대략적으로 원추대 구조를 가진다. 상기 제2 공작물(34)이 가지는 다소 부드러운 재료는 상기 천공된 부분(38) 및 상기 다이(50)에 의해 반경 방향으로 가압되고 이 경우 절단부(42) 후방으로 유동하여, 상기 셀프 피어싱 리벳 연결 조인트(30)은 상기 공작물(34,38)들사이에서 상호 구속(interlocking) 연결을 제공한다.
상기 다이 요홈의 체적은 변형되지 않은 상태에서 상기 셀프 피어싱 리벳(10)의 체적보다 크거나 동일한 것이 선호된다. 특히, 상기 셀프 피어싱 리벳(10)의 체적에 대한 다이 체적의 비율은 1.0보다 크거나 동일한 비율 및/또는 1.5보다 작거나 동일한 비율을 가지는 것이 선호된다.
최소 천공 하중(52)은 8kN인 것이 선호된다.
변형되지 않은 상태에서 상기 셀프 피어싱 리벳(10)의 최소 길이는 두께(L34)와 예를 들어, 3 또는 3.5mm일 수 있는 값을 합하여 구해진다. 변형되지 않은 상태에서 상기 셀프 피어싱 리벳(10)의 최대 길이는 전체 두께(L34+ L36) 또는 전체 시트 두께와 예를 들어, 1mm의 값을 합한 값과 동일한 값일 수 있다.
상기 상부 공작물(34)은 800 N/mm2, 특히 1000N/mm2를 초과하는 범위의 인장강도를 가지는 것이 선호된다. 상기 하부 공작물(36)은 600 N/mm2 미만의 인장강도를 가지는 것이 선호된다. 상기 셀프 피어싱 리벳(10)은 650HV 초과의 (비커스) 강도를 가지는 것이 선호된다.
10......셀프 피어싱 리벳,
12......헤드,
14......생크,
18......풋 단부,
22......요홈,
20......표면 섹션.

Claims (15)

  1. 고강도 강을 연결하기 위한 셀프 피어싱 리벳(10)으로서, 헤드 직경(DH)을 가진 헤드(12) 및 생크 직경(DS)을 가진 생크(14)를 가지며, 상기 헤드(12)와 마주보는 풋 단부(18)에서 상기 생크(14)는 축 방향 깊이(LB)를 가진 축 방향 요홈(22)을 가지고 상기 생크(14)는 상기 풋 단부(18)에서 평평한 표면 섹션(20)을 가지는 셀프 피어싱 리벳에 있어서,
    상기 생크 직경(DS)에 대한 상기 요홈(22)의 축 방향 깊이(LB)의 비율은 0.3보다 작은 것을 특징으로 하는 셀프 피어싱 리벳.
  2. 제1항에 있어서, 상기 요홈(22)이 종 방향 섹션에서 원추대 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 셀프 피어싱 리벳.
  3. 제1항에 있어서, 상기 요홈(22)이 종 방향 섹션에서 아치 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 셀프 피어싱 리벳.
  4. 제3항에 있어서, 상기 요홈(22)이 종 방향 섹션에서 뾰족한 아치 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 셀프 피어싱 리벳.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 요홈(22)은 원통형 섹션을 가지지 않는 것을 특징으로 하는 셀프 피어싱 리벳.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항 또는 제1항의 전제부를 따르는 셀프 피어싱 리벳에 있어서, 상기 요홈(22)이 요홈 체적을 가지고, 상기 생크(14)의 체적에 대한 요홈 체적은 0.25보다 작고 특히 0.18보다 작은 비율 및/또는 0.05보다 크고 특히 0.1보다 큰 비율을 가지는 것을 특징으로 하는 셀프 피어싱 리벳.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 평평한 섹션(20)은 원형 표면 섹션(20)으로서 설계되고 횡 단면에서 반경 방향 폭(BF)을 가지며, 생크 직경(DS)에 대한 상기 원형 표면 섹션(20)의 반경 방향 폭(BF)의 비율은 0.05보다 큰 비율 및/또는 0.25보다 작은 비율을 가지는 것을 특징으로 하는 셀프 피어싱 리벳.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 셀프 피어싱 리벳(10)은 적어도 500HV의 강도를 가진 강으로부터 생산되는 것을 특징으로 하는 셀프 피어싱 리벳.
  9. 상부 공작물(34) 및 하부 공작물(36)을 가지고 상기 상부 공작물과 하부 공작물 중 적어도 한 개가 고강도 강으로 제조되며 특히 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항을 따르는 변형된 셀프 피어싱 리벳(10*)을 가지고, 상기 셀프 피어싱 리벳의 헤드(12*)가 상기 상부 공작물(34)에 대해 지지되는 것을 특징으로 하는 셀프 피어싱 리벳 연결 조인트(30).
  10. 제9항에 있어서, 상기 상부 공작물(34)의 축 방향 두께(L34)는 변형되지 않은 상태에서 상기 요홈(22)의 축 방향 깊이(LB)보다 크거나 동일한 것을 특징으로 하는 셀프 피어싱 리벳 연결 조인트.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 천공된 부분(38)이 상기 상부 공작물(34)로부터 분리되고, 상기 천공된 부분(38)의 체적 중 50% 미만, 특히 25% 미만이 상기 변형된 셀프 피어싱 리벳(10*)의 요홈(22*)내에 위치하는 것을 특징으로 하는 셀프 피어싱 리벳 연결 조인트.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변형된 셀프 피어싱 리벳(10*)의 생크(14*)는 헤드(12*)를 향하는 하중에 대해 절단부(42)를 형성하고, 생크 직경(DS)에 대한 절단부(42)의 비율은 0.1보다 작은 비율 및/또는 0.01보다 큰 비율을 가지는 것을 특징으로 하는 셀프 피어싱 리벳 연결 조인트.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 변형 후에 셀프 피어싱 리벳(10*)의 축 방향 길이(LR*) 및 변형 전에 셀프 피어싱 리벳(10)의 축 방향 길이(LR)의 비율은 0.8보다 큰 비율 및/또는 0.95보다 작은 비율을 가지는 것을 특징으로 하는 셀프 피어싱 리벳 연결 조인트.
  14. 셀프 피어싱 리벳 연결 조인트(30) 특히, 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항을 따르는 셀프 피어싱 리벳 연결 조인트(30)를 생산하기 위한 방법에 있어서,
    적어도 한 개의 상부 공작물 및 한 개의 하부 공작물(34,36)을 가진 공작물 배열(32)을 제공하는 단계 및
    천공 하중(52)에 의해 상기 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항을 따르는 셀프 피어싱 리벳(10)을 상기 공작물 배열(32)속으로 가압하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 적어도 상기 하부 공작물(36)이 가압되는 다이 체적에 의해 상기 공작물 배열(32)이 다이(50)에 의해 지지되고, 상기 셀프 피어싱 리벳(10)의 체적에 대한 다이 체적의 비율은 1.0보다 크거나 동일한 비율 및/또는 1.5보다 작거나 동일한 비율인 것을 특징으로 하는 방법.
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