KR20160114310A - 셀프 피어싱 리벳 - Google Patents

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KR20160114310A
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
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    • F16B19/04—Rivets; Spigots or the like fastened by riveting
    • F16B19/08—Hollow rivets; Multi-part rivets
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

셀프 피어싱 리벳이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳은 원형의 헤드부와, 상기 헤드부에 일체로 연결되는 원형의 섕크부를 포함하는 셀프 피어싱 리벳에 있어서, 상기 헤드부와 섕크부는 전체 높이가 접합할 모재 전체의 두께와 동일하게 형성되고, 상기 헤드부는 상면으로부터 상기 섕크부와 연결되는 경사면으로 형성되고, 상기 섕크부는 상기 헤드부의 상면의 직경에 비하여 직경이 더 작은 원형블록으로 형성되어 외주면에 외주방향을 따라 일정간격으로 복수개의 언더컷 홈이 형성되고, 하단부에 열처리된 전단날부가 형성된다.

Description

셀프 피어싱 리벳{SELF-PIERCING RIVET}
본 발명은 셀프 피어싱 리벳에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 리벳이 2장의 모재를 관통한 상태로, 그 외주면에 형성된 언더컷 홈에 각 모재의 전단면의 둘레가 압입되도록 하여 접합하는 셀프 피어싱 리벳에 관한 것이다.
최근 자동차 산업에서는 환경문제에 따른 연비의 향상을 위해 알루미늄 합금과 플라스틱 재료의 사용을 통하여 경량화를 추진중이며, 작업환경과 제품검사의 개선을 위해 점용접을 교체할 수 있는 접합방법에 대한 고찰이 이루어지고 있으며, 이와 같은 기대에 맞는 접합방식으로서 셀프 피어싱 리벳(self-piercing rivet)을 이용한 접합이 한 예이다.
상기 셀프 피어싱 리벳 접합은 종래의 리벳팅이 강판 등의 모재에 리벳 접합용 구멍을 가공하여 모재들을 접합하는데 반해, 유압으로 리벳을 압입하여 모재와 리벳을 소성변형에 의해 접합되도록 하는 리벳팅이며, 최근의 자동차업계에서 많이 채택을 하고 있는 접합방식이다.
도 1은 일반적인 셀프 피어싱 리벳장치의 구성 단면도이고, 도 2는 일반적인 셀프 피어싱 리벳장치의 단계별 작동 상태도이다.
이러한 셀프 피어싱 리벳 접합은, 도 1에서 도시한 바와 같이, 로봇(미도시)의 아암 선단에 장착되는 C형 프레임(1)이 구비되고, 이 프레임(1)의 상측에는 펀치유닛(3)이 구성되며, 상기 펀치유닛(3)에 대응하여 상기 프레임(1)의 하측에 엔빌 다이(5)가 구성된다.
즉, 상기 펀치유닛(3)은 유압에 의해 구동하는 펀치 실린더(11)가 펀치 하우징(13)을 통하여 상기 프레임(1)에 장착되며, 상기 펀치 하우징(13)의 내부에는 펀치 실린더(11)의 작동로드(15)에 의해 상기 앤빌 다이(5)에 대응하여 작동하는 펀치(17)와 클램퍼(19)가 구성된다.
그리고 상기 앤빌 다이(5)는 상면에 성형골(21)을 형성하여 상기 프레임(1)의 하측에 장착된다.
따라서 이러한 구성을 갖는 셀프 피어싱 리벳장치는, 도 2에서 도시한 바와 같이, 펀치유닛(3)에 리벳(10)이 공급되고, 접합할 2장의 강판(20)이 상기 펀치유닛(3)과 앤빌 다이(5) 사이로 위치되면,(S1) 상기 펀치 실린더(11)가 유압에 의해 전진 구동하여 클램퍼(19)가 앤빌 다이(5)와 함께, 2장의 강판(20)을 먼저 클램핑한다.(S2)
이러한 상태로, 상기 펀치 실린더(11)가 계속해서 전진 구동하면, 상기 펀치(17)가 리벳(10)을 접합할 상판(20a)에 압입하며,(S3) 이러한 상태로 계속해서 리벳(10)의 선단을 상판(20a)의 내부로 전단 관통시켜 하판(20b)이 앤빌 다이(5)의 성형골(21)을 따라 리벳(10)의 선단과 함께 침투되도록 함으로써, 상기 2장의 강판(20)은 앤빌 다이(5)의 성형골(21)의 형상을 따라 변형되면서, 리벳(10)의 선단이 반지름 방향으로 확장 변형되어 접합을 이룬 후,(S4) 상기 펀치 실린더(11)가 다시 후진 구동하여 원위치로 복귀 진행된다.(S5)
이러한 셀프 피어싱 리벳 접합은 점용접과 다른 리벳팅에 비해 다음과 같은 특징을 갖는다.
첫째, 리벳 자체가 상판을 관통하여 그 선단이 하판과 함께 확장되면서 상판과 하판의 접합이 이루어짐으로 종전의 리벳팅 작업 시, 상판에 설치하는 구멍이 셀프 피어싱 리벳 접합에서는 불필요하다.
둘째, 이종재료와의 접합이 가능하다. 즉, 플라스틱, 고무, 알루미늄과 강판을 접합할 수 있으며, 알루미늄과 고장력 강판과의 접합도 가능하다.
셋째, 작업환경이 깨끗하다. 즉, 점용접 시, 발생하는 소음과 불꽃, 연기 등이 발생하지 않아 쾌적한 작업환경을 만들 수 있다.
넷째, 접합 사이클이 단시간 내에 진행된다. 즉, 상판의 리벳팅용 구멍에 리벳을 정위치시키는 작업이 생략되고, 리벳의 체결시간이 1초 정도로 매우 짧아서 단시간 내에 리벳팅 접합 사이클을 끝낼 수 있다.
그러나 상기한 바와 같은 종래의 셀프 피어싱 리벳장치는 리벳(10)이 상판(20a)을 전단 관통하여 하판(20b)의 내부로 침투하면서 앤빌 다이(5)의 성형골(21) 내부로 압입되도록 하여 모재를 변형시키는 방식으로 연신율 20% 이상일 때 미려한 단면 형상을 갖게 되나, 변형량이 커서 연신율이 15% 이하인 알루미늄 다이케스팅 소재의 경우, 소성 변형 과정에서 하판(20b)에 크랙이 발생하여 결합강성이 낮아지는 문제점을 갖고 있다.
뿐만 아니라, 하판(20b)이 앤빌 다이(5)의 성형골(21) 내부로 압입되어 접합단면에 볼록한 돌출부(23)를 형성함으로써, 상관 부품과의 간섭으로 설계 자유도가 제한적인 단점이 있다.
본 발명의 실시 예는 앤빌 다이에 상하로 관통되는 전단홀에 대해 펀치의 가압력으로 2장의 모재를 관통한 상태로, 펀치와 클램퍼의 가압력에 의해 각 모재의 일부가 외주면에 형성된 언더컷 홈에 압입되도록 하여 접합함으로써, 연신율이 낮는 소재에 대해서도 모재에 크랙 발생 없이 결합강성을 향상시키는 셀프 피어싱 리벳을 제공하고자 한다.
또한, 2장의 모재의 두께와 동일하게 높이를 적용하고, 앤빌 다이의 전단홀 상면 둘레에 형성되는 소재 압입단에 의해 각 모재의 전단면 둘레가 언더컷 홈에 압입되어 접합되도록 함으로써 모재의 접합단면을 미려하게 하여 상관 부품과의 간섭 없이 설계 자유도를 향상시키는 셀프 피어싱 리벳를 제공하고자 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 원형의 헤드부와, 상기 헤드부에 일체로 연결되는 원형의 섕크부를 포함하는 셀프 피어싱 리벳에 있어서, 상기 섕크부는 외주면에 외주방향을 따라 일정간격으로 복수개의 언더컷 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 셀프 피어싱 리벳을 제공될 수 있다.
또한, 상기 섕크부는 상기 헤드부의 상면의 직경에 비하여 직경이 더 작은 원형블록으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 헤드부는 상면으로부터 상기 섕크부와 연결되는 경사면으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 언더컷 홈은 상기 섕크부의 하면에 대하여 수평인 하면을 가지며, 상기 섕크부의 외주면에 오목하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 헤드부와 섕크부의 전체 높이는 접합할 모재 전체의 두께와 동일하게 할 수 있다.
또한, 상기 섕크부는 하단부에 전단날부가 형성될 수 있으며, 상기 전단날부는 열처리에 의해 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예는 리벳의 외주면에 내측으로 오목한 언더컷 홈을 형성하여 앤빌 다이의 전단홀에 대하여 펀치의 가압력으로 상판 및 하판을 전단 관통 후, 클램퍼의 가압력에 의해 상기 앤빌 다이의 소재 압입단이 하판을 가압하여 하판의 전단면 둘레가 상기 리벳의 언더컷 홈으로 압입되어 접합되도록 함으로써, 접합과정에 모재의 변형량을 작게 하여 연신율이 낮는 소재에 대해서도 모재에 크랙 발생 없이 결합강성을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 모재의 두께와 동일하게 리벳의 높이를 적용하고, 앤빌 다이의 전단홀 상면 둘레에 형성되는 소재 압입단에 의해 모재의 전단부 둘레 하면이 섕크부의 언더컷 홈에 압입되어 접합되도록 함으로써 모재의 접합단면을 미려하게 하여 상관 부품과의 간섭 없이 설계 자유도를 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 셀프 피어싱 리벳장치의 구성 단면도이다.
도 2는 일반적인 셀프 피어싱 리벳장치의 단계별 작동 상태도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳을 이용하여 리벳팅 작업을 이루기 위한 셀프 피어싱 리벳장치의 구성 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳을 이용한 단계별 접합 공정도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳의 접합단계의 공정 확대도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳에 의해 접합된 모재의 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳을 이용하여 리벳팅 작업을 이루기 위한 셀프 피어싱 리벳장치의 구성 단면도이다.
이하, 본 발명의 구성을 설명함에 있어, 종래 기술의 구성과 동일한 기능 및 작용을 하는 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 적용하여 설명한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳(10)은 헤드부(10h)와 섕크부(10s)로 구성된다.
상기 헤드부(10h)와 섕크부(10s)는 원형으로 이루어져 서로 일체로 연결되며, 상기 섕크부(10s)는 직경(D2)이 상기 헤드부(10h) 상면의 직경(D1)에 비하여 더 작은 원형블록으로 형성되고, 상기 헤드부(10h)는 상면으로부터 상기 섕크부(10s)와 연결되는 경사면(F1)으로 형성된다.
이러한 헤드부(10h)와 섕크부(10s)는 전체 높이(H)가 접합할 모재 전체의 두께와 동일하게 형성된다.
그리고 상기 섕크부(10s)는 외주면에 외주방향을 따라 일정간격으로 4개의 언더컷 홈(UCG)이 형성된다.
여기서, 상기 언더컷 홈(UCG)은 상기 섕크부(10s)의 하면에 대하여 수평인 하면(F2)을 가지며, 상기 섕크부(10s)의 외주면에 대하여 오목하게 형성된다.
또한, 상기 섕크부(10s)는 하단부에 전단날부(10c)가 형성되는데, 상기 전단날부(10c)는 열처리에 의해 다른 부분에 비하여 경도가 더 크게 형성된다.
이와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳(10)은 셀프 피어싱 리벳장치에 의해 적어도 2장의 모재를 상호 기계적으로 접합하게 된다.
이하, 상기한 본 발명의 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳(10)을 이용하여 리벳팅 작업을 설명하기 위하여 셀프 피어싱 리벳장치의 구성을 설명한다.
도 4를 참조하면, 셀프 피어싱 리벳장치는 로봇(미도시)의 아암 선단에 장착되는 C형 프레임(1)이 구비되고, 상기 프레임(1)의 상측에는 펀치유닛(3)이 구성되며, 상기 펀치유닛(3)에 대응하여 상기 프레임(1)의 하측에 엔빌 다이(5)가 구성된다.
상기 펀치유닛(3)은 유압에 의해 구동하는 펀치 실린더(11)가 펀치 하우징(13)을 통하여 상기 프레임(1)에 장착되며, 상기 펀치 하우징(13)의 내부에는 펀치 실린더(11)의 작동로드(15)에 의해 상기 앤빌 다이(5)에 대응하여 작동하는 펀치(17)와 클램퍼(19)가 구성된다.
즉, 상기 셀프 피어싱 리벳장치는 상기 펀치(17)의 가압력으로 셀프 피어싱 리벳(10)이 상기 앤빌 다이(5) 상의 접합할 강판(20)인 상판(20a)과 하판(20b)를 상호 접합한다.
본 발명의 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳(10)을 사용하기 위한 상기 앤빌 다이(5)는 다이 몸체(5a)가 구비된다.
상기 다이 몸체(5a)의 중앙에는 상하로 관통되는 원형의 전단홀(5b)이 형성된다.
상기 다이 몸체(5a)의 상면에는 상기 전단홀(5b)의 둘레를 따라 소재 압입단(5C)이 일체로 형성된다.
즉, 상기 소재 압입단(5c)은 상기 다이 몸체(5a)의 상면에 전단홀(5b)의 둘레를 따라 일정 높이로 돌출되어 상면이 원형링 형상의 단면을 갖도록 형성된다.
또한, 상기 다이 몸체(5a)의 하부 외주면을 따라서는 나사탭(N)이 형성되어 상기 프레임(1)의 하부 일측에 나사 체결되는 체결단(5d)이 일체로 형성된다.
이때, 본 발명의 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳(10)은 전단날부(10c)의 직경(D2)이 상기 전단홀(5b)의 내경과 동일하게 형성된다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳을 이용한 단계별 접합 공정도이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳의 접합단계의 공정 확대도이고, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳에 의해 접합된 모재의 단면도이다.
따라서 본 발명의 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳(10)은 상기한 셀프 피어싱 리벳장치에 의해 리벳팅 작업이 진행된다.
도 5를 참조하면, 먼저, 펀치유닛(3)에 셀프 피어싱 리벳(10)이 공급되고, 접합할 2장의 모재인 상판(20a)과 하판(20b)이 겹쳐진 상태로, 상기 펀치유닛(3)과 앤빌 다이(5) 사이로 위치된다.(S11)
이어서, 상기 펀치 실린더(11)가 유압에 의해 전진 구동하여 클램퍼(19)가 앤빌 다이(5)의 소재 압입단(5c)과 함께, 상판(20a)과 하판(20b)을 먼저 클램핑한다.(S12)
이러한 상태로, 상기 펀치 실린더(11)가 계속해서 전진 구동하면, 상기 펀치(17)가 셀프 피어싱 리벳(10)에 가압력을 제공하게 된다.(S13)
이어서, 상기 셀프 피어싱 리벳(10)은, 도 6에서 도시한 바와 같이, 클램퍼(19)에 의해 앤빌 다이(5) 상의 소재 압입단(5c)에 클램핑된 상판(20a)과 하판(20b)을 전단홀(5b)에 대해 상기 펀치(17)의 가압력으로 전단 관통한 후, 상기 펀치(17) 및 클램퍼(19)의 가압력으로 앤빌 다이(5)의 소재 압입단(5c)에 대하여 상판(20a)과 하판(20b)을 가압하여 상기 상판(20a)과 하판(20b)의 각 전단면 둘레를 상기 셀프 피어싱 리벳(10)의 언더컷 홈(UCG)로 압입하여 접합한다.(S14)
즉, 상기 앤빌 다이(5)의 전단홀(5b)에 대해 셀프 피어싱 리벳(10)이 펀치(17)의 가압력으로 상판(20a)과 하판(20b)을 전단 관통하면서 발생되는 스크랩(S)은 상기 전단홀(5b)을 통하여 배출되며, 이후, 상기 펀치(17)와 클램퍼(19)의 가압력에 의해 하판(20b)은 그 전단면 둘레가 상기 소재 압입단(5c)에 의해 상기 셀프 피어싱 리벳(10)의 외주면에 오목하게 형성되는 언더컷 홈(UCG)로 압입되어 접합상태를 이룬다.
여기서, 접합 대상물인 상판(20a)과 하판(20b)은 셀프 피어싱 리벳(10)에 의한 전단과정 및 소재 압입단(5c)에 의한 압입과정이 소재의 변형량을 최소화하여 이루어짐으로 연신율이 15% 이하인 알루미늄 다이케스팅 소재의 경우에도 적용이 가능하며, 접합부에 크랙 발생 없이 결합강성을 높이게 된다.
또한, 상기 셀프 피어싱 리벳(10)의 높이(H)가 상판(20a)과 하판(20b)의 전체두께(T)와 동일하게 적용되고, 앤빌 다이(5) 상의 소재 압입단(5c)에 의해 하판(20b)의 전단면 둘레 하면을 셀프 피어싱 리벳(10)의 언더컷 홈(UCG)에 압입되도록 하여 접합함으로, 접합단면을 돌출부 없이 평평하고 미려하게 형성할 수 있으며, 이로 인해 상관 부품과의 간섭 없이 설계 자유도를 향상시킨다.
이후, 상기 펀치 실린더(11)가 다시 후진 구동하여 원위치로 복귀 진행되면, 도 7에서 도시한 바와 같이, 상판(20a)의 상면이 셀프 피어싱 리벳(10)의 상면과 일치하는 단일면으로 형성되고, 하판(20b)의 하면은 상기 셀프 피어싱 리벳(10)의 전단날부(10c)의 둘레를 따라 압입된 압입홈(25)을 형성하나, 하판(20b)의 하면에 대하여 돌출부를 형성하지 않는 미려한 접합단면의 접합부를 갖는다.(S15)
이상과 같이, 본 발명은 한정된 실시 예와 도면을 통하여 설명되었으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재된 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
1: 프레임
3: 펀치유닛
5: 엔빌 다이
11: 펀치 실린더
13: 펀치 하우징
15: 작동로드
17: 펀치
19: 클램퍼
20: 강판
20a: 상판
20b: 하판
5a: 다이 몸체
5b: 전단홀
5c: 소재 압입단
5d: 체결단
10: 셀프 피어싱 리벳
10h: 헤드부
10s: 섕크부
10c: 전단날부
UCG: 언더컷 홈

Claims (9)

  1. 원형의 헤드부와, 상기 헤드부에 일체로 연결되는 원형의 섕크부를 포함하는 셀프 피어싱 리벳에 있어서,
    상기 섕크부는
    외주면에 외주방향을 따라 일정간격으로 복수개의 언더컷 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 셀프 피어싱 리벳.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 섕크부는
    상기 헤드부의 상면의 직경에 비하여 직경이 더 작은 원형블록으로 형성되는 것을 특징으로 하는 셀프 피어싱 리벳.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 헤드부는
    상면으로부터 상기 섕크부와 연결되는 경사면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 셀프 피어싱 리벳.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 언더컷 홈은
    상기 섕크부의 하면에 대하여 수평인 하면을 가지며, 상기 섕크부의 외주면에 오목하게 형성되는 것을 특징으로 하는 셀프 피어싱 리벳.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 헤드부와 섕크부의 전체 높이는
    접합할 모재 전체의 두께와 동일한 것을 특징으로 하는 셀프 피어싱 리벳.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 섕크부는
    하단부에 전단날부가 형성되는 것을 특징으로 하는 셀프 피어싱 리벳.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전단날부는
    열처리에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 셀프 피어싱 리벳.
  8. 원형의 헤드부와, 상기 헤드부에 일체로 연결되는 원형의 섕크부를 포함하는 셀프 피어싱 리벳에 있어서,
    상기 헤드부와 섕크부는 전체 높이가 접합할 모재 전체의 두께와 동일하게 형성되고,
    상기 헤드부는 상면으로부터 상기 섕크부와 연결되는 경사면으로 형성되고,
    상기 섕크부는 상기 헤드부의 상면의 직경에 비하여 직경이 더 작은 원형블록으로 형성되어 외주면에 외주방향을 따라 일정간격으로 복수개의 언더컷 홈이 형성되고, 하단부에 열처리된 전단날부가 형성되는 것을 특징으로 하는 셀프 피어싱 리벳.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 언더컷 홈은
    상기 섕크부의 하면에 대하여 수평인 하면을 가지며, 상기 섕크부의 외주면에 오목하게 형성되는 것을 특징으로 하는 셀프 피어싱 리벳.
KR1020150040605A 2015-03-24 2015-03-24 셀프 피어싱 리벳 KR101689572B1 (ko)

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