KR20180044624A - 헬리컬 타입의 셀프 피어싱 리벳 - Google Patents

Abstract

헬리컬 타입의 셀프 피어싱 리벳이 개시된다. 개시된 헬리컬 타입의 셀프 피어싱 리벳은 헤드부와, 헤드부에 일체로 연결되는 중실 축의 섕크부와, 섕크부의 외주면에 길이 방향을 따라 나선형으로 형성되며, 헤드부에 일체로 연결되는 복수 개의 리브들을 포함하며, 리브들은 헤드부와 연결되는 섕크부의 연결 단에서 자유 단까지 설정각도 범위의 테이퍼 각이 부여된 것으로 구비될 수 있다.

Description

헬리컬 타입의 셀프 피어싱 리벳 {SELF PIERCING RIVET OF HELICAL}

본 발명의 실시 예는 셀프 피어싱 리벳에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 두 장 이상의 접합 대상물을 관통하여 접합할 수 있는 헬리컬 타입의 셀프 피어싱 리벳에 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 점 용접을 교체할 수 있는 접합 방법에 대한 고찰이 이루어지고 있다.

최근에 들어서는 이와 같은 기대에 맞는 접합방식으로서 셀프 피어싱 리벳 시스템(self piercing rivet system)을 이용한 셀프 피어싱 리벳 접합 방식을 채택하고 있다.

셀프 피어싱 리벳 접합 방식은, 강판 등의 접합 대상물에 리벳 접합용 구멍을 가공하고 그 구멍에 리벳을 삽입 후 헤드부를 성형하여 접합 대상물을 접합하는 기존의 리벳팅 방식과 달리, 구멍을 가공하지 않고 유압 또는 공압으로 리벳을 접합 대상물에 압입하여 리벳을 소성 변형시킴으로써 접합 대상물을 접합하는 방식이다.

상기에서와 같은 셀프 피어싱 리벳 접합 방식에서는 예컨대 금속 시트재와 같은 접합 대상물을 체결하기 위해 헤드 및 부분적으로 속이 빈 원통형 섕크(shank)로 이루어진 셀프 피어싱 리벳을 사용한다.

예를 들면, 셀프 피어싱 리벳은 세팅 툴의 펀치에 의해 섕크가 접합 대상물의 상판을 관통하고, 엔빌에 의해 외측으로 벌어지며, 헤드 부분이 상판을 지지한 상태로 섕크가 하판에 압입되면서 접합 대상물의 상하판을 접합할 수 있다.

따라서, 접합할 2 장의 접합 대상물이 펀치와 엔빌 사이로 위치한 상태에서, 펀치를 통해 셀프 피어싱 리벳을 가압하게 되면, 셀프 피어싱 리벳은 상판을 관통하여 하판으로 침투되고, 이의 선단이 엔빌의 성형골을 따라서 반지름 방향으로 확장 변형되면서 접합 대상물을 일체로 접합하게 된다.

이와 같이 셀프 피어싱 리벳을 이용한 접합 기술은 생산라인에서 용이하게 자동화될 수 있는 우수한 강도 및 피로 특성의 조인트를 생성할 뿐만 아니라, 리벳 주위의 시트재 상면의 뒤틀림(distortion)이 거의 발생하지 않는다는 점에서 조인트가 미적으로 수용 가능하기 때문에 이러한 맥락에서 성공적인 것으로 입증되었다.

한편, 상기에서와 같은 셀프 피어싱 리벳은 종래 기술로서 한국등록특허 제1376964호(선행기술 특허문헌 1) 및 한국등록특허 제1516357호(선행기술 특허문헌 2)에 개시된 바 있다. 종래 기술에서는 헤드부와, 헤드부에 일체로 연결되는 섕크부와, 섕크부의 외주면에 길이 방향을 따라 나선형으로 형성되며 헤드부에 일체로 연결되는 복수 개의 리브들을 가진 헬리컬 타입의 셀프 피어싱 리벳을 개시하고 있다.

도 1에서와 같이, 종래 기술에 따른 헬리컬 타입의 셀프 피어싱 리벳(1)에서 섕크부(5)는 외주 면에 나선형의 리브(7)들을 가지며, 속이 비어 있지 않고 솔리드 한 중실 축으로 이루어진다. 그리고 리브(7)들은 헤드부(3)와 연결되는 섕크부(5)의 연결 단에서 자유 단까지의 깊이 단면적이 동일한 형상으로 이루어진다.

그런데, 종래 기술에 따른 셀프 피어싱 리벳(1)은 리브(7)들이 섕크부(5)의 연결 단에서 자유 단까지의 깊이 단면적이 동일한 형상으로 구비되기 때문에, 도 2에서와 같이 리브(7)들의 끝 부분이 상판부재(101)를 피어싱 하지 못하고, 도 3에서와 같이 리브(7)들의 끝 부분이 좌굴 변형이 일어나는 현상이 발생함을 알 수 있었다.

따라서, 종래 기술에 따른 셀프 피어싱 리벳(1)은 리브(7)들의 끝 부분이 접합 대상물의 상판부재(101)를 뚫고 회전하며, 그 리브(7)들의 끝 부분이 하판부재(102: 도 2 참조)로 파고 들어가며 좌굴 변형되면서 하판부재(102)에 인터 록 되지 못하기 때문에, 접합 대상물의 접합 불량을 야기할 수 있다.

또한, 종래 기술에 따른 셀프 피어싱 리벳(1)은 리브(7)들이 섕크부(5)의 연결 단에서 자유 단까지의 깊이 단면적이 동일한 형상으로 구비되기 때문에, 도 4에서와 같이 상판부재(101)와 리브(7)들 사이에 틈(도면에서 "G"로 표시)이 발생하면서 그 틈으로 인해 접합 대상물의 접합 불량을 야기할 수 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 예들은 접합 대상물의 상판부재를 용이하게 피어싱 하며 하판부재에 인터 록 됨으로써 접합 대상물의 접합 강도를 향상시킬 수 있도록 한 셀프 피어싱 리벳을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳은, 헤드부와, 상기 헤드부에 일체로 연결되는 중실 축의 섕크부와, 상기 섕크부의 외주면에 길이 방향을 따라 나선형으로 형성되며, 상기 헤드부에 일체로 연결되는 복수 개의 리브들을 포함하며, 상기 리브들은 상기 헤드부와 연결되는 상기 섕크부의 연결 단에서 자유 단으로 갈수록 깊이 단면적이 점차 작아지는 형상으로 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 셀프 피어싱 리벳에 있어서, 상기 리브들은 설정각도 범위의 테이퍼 각이 부여된 것으로 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 셀프 피어싱 리벳에 있어서, 상기 리브들의 테이퍼 각은 5~15°를 만족할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 셀프 피어싱 리벳에 있어서, 상기 리브들의 테이퍼 각은 10°를 만족할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 셀프 피어싱 리벳에 있어서, 상기 리브들의 헬리컬 각은 38~41.5°를 만족할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 셀프 피어싱 리벳에 있어서, 상기 리브들의 헬리컬 각은 38°를 만족할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 셀프 피어싱 리벳에 있어서, 상기 셀프 피어싱 리벳의 길이는 4.5~4.8mm를 만족할 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳은, 헤드부와, 상기 헤드부에 일체로 연결되는 중실 축의 섕크부와, 상기 섕크부의 외주면에 길이 방향을 따라 나선형으로 형성되며, 상기 헤드부에 일체로 연결되는 복수 개의 리브들을 포함하며, 상기 리브들은 상기 헤드부와 연결되는 상기 섕크부의 연결 단에서 자유 단까지 설정각도 범위의 테이퍼 각이 부여된 것으로 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 셀프 피어싱 리벳은, 0°보다 크고 10°이하를 만족하는 상기 리브들의 테이퍼 각도 범위에서 그 테이퍼 각이 클수록 회전각이 증가할 수 있다.

본 발명의 실시 예는 리브들에 설정각도 범위의 헬리컬 각 및 테이퍼 각과, 설정길이 범위의 리벳 길이를 부여함에 따라, 리브들이 상판부재를 용이하게 피어싱 하며, 하판부재에 견고히 인터 록 될 수 있고, 리브들과 상판부재 사이에 발생하는 틈을 최소화 할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 리브들과 하판부재의 인터 록 정도를 증대시킴과 아울러 리브들과 상판부재 사이의 틈을 최소화 할 수 있으므로, 접합 대상물의 접합 강도를 더욱 향상시킬 수 있으며, 접합 대상물의 접합 불량을 최소화 할 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 종래 기술의 일 예에 따른 헬리컬 타입의 셀프 피어싱 리벳을 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 4는 종래 기술의 일 예에 따른 헬리컬 타입 셀프 피어싱 리벳의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 헬리컬 타입의 셀프 피어싱 리벳이 적용되는 예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 헬리컬 타입의 셀프 피어싱 리벳을 도시한 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 헬리컬 타입 셀프 피어싱 리벳의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 10 내지 도 22는 본 발명의 실시 예에 따른 헬리컬 타입 셀프 피어싱 리벳의 시뮬레이션 시험 예들을 도시한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "...부", ""...수단" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 헬리컬 타입의 셀프 피어싱 리벳이 적용되는 예를 개략적으로 도시한 도면이다.

우선, 본 발명의 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳(100)을 설명하기에 앞서 하기에서의 접합 대상물은 리벳을 통해 금속 시트재 등을 리벳팅 결합하기 위한 모재로 정의할 수 있으며, 접합 가공물은 접합 대상물을 셀프 피어싱 리벳(100)으로 리벳팅 결합한 가공물로 정의할 수 있다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 셀프 피어싱 리벳(100)은 접합 대상물인 적어도 두 매 이상의 금속 시트재를 일체로 리벳팅 결합(접합)하기 위한 것이다.

이하에서는 상기 두 매 이상의 금속 시트재로서 서로 겹쳐진 제1 판재(101)와 제2 판재(102)를 예로 하여 본 발명의 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳(100)을 설명하기로 한다.

그리고, 이하에서는 상기 셀프 피어싱 리벳(100)을 상하 방향으로 세워 놓고 보았을 때를 기준으로 하여 하기의 구성요소들을 설명하는데, 상측을 향하는 면이 상부면 또는 상면으로 정의될 수 있고, 하측을 향하는 면이 하부면 또는 저면으로 정의될 수 있다.

또한, 상기에서 제1 및 제2 판재(101, 102)는 도면을 기준으로 상측에 위치하는 판재를 이하에서는 설명의 편의 상 상판부재(101)로 명명하며, 상판부재(101)의 하측에 위치하는 판재를 하판부재(102)로 명명한다.

상기와 같은 방향의 정의는 상대적인 의미로서, 셀프 피어싱 리벳(100)의 기준 위치 및 리벳팅 방향 등에 따라서 그 방향이 달라질 수 있으므로, 상기한 기준 방향이 본 실시 예의 기준 방향으로 반드시 한정되는 것은 아니다.

여기서, 상기 셀프 피어싱 리벳(100)은 셀프 피어싱 리벳 시스템을 통해 서로 겹쳐진 상,하판부재(101, 102)의 접합 대상물을 접합할 수 있다. 상기 셀프 피어싱 리벳 시스템은 서로 겹쳐진 상,하판부재(101, 102)에 대하여 셀프 피어싱 리벳(100)을 일정 압력으로 압입시킴으로서 이들 상,하판부재(101, 102)와 리벳(100)의 소성 변형으로서 그 상,하판부재(101, 102)를 일체로 접합할 수 있는 구성으로 이루어진다.

본 발명의 실시 예에서, 상기와 같은 상판부재(101)와 하판부재(102)는 알루미늄 시트, 강판(고장력 강판, 초 고장력 강판 포함) 등의 금속 시트재를 포함할 수 있다. 또한, 상기 상,하판부재(101, 102)는 서로 동일한 동종 재질의 판재를 포함할 수 있으며, 서로 다른 이종 재질의 판재를 포함할 수도 있다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳(100)이 적용 가능한 셀프 피어싱 리벳 시스템은 로봇에 장착되며 셀프 피어싱 리벳(100)으로 가압력을 인가하는 펀치유닛(104)과, 서로 겹쳐진 상,하판부재(101, 102)의 접합 대상물 지지하는 다이(106)를 포함할 수 있다.

예를 들면, 상기 펀치유닛(104)은 셀프 피어싱 리벳(100)이 공급되는 부위로, 유압 또는 공압에 의해 구동하는 펀치 실린더와, 펀치 실린더에 의해 작동하는 펀치 등을 포함할 수 있다. 상기 펀치유닛(104)은 셀프 피어싱 리벳(100) 또는 접합 대상물에 대하여 연속적이고 신속한 충격을 가하기 위해 툴의 일부로서 타격 기구를 이용하고 있다.

이러한 셀프 피어싱 리벳 시스템의 펀치유닛(104)은 당 업계에 널리 알려진 공지 기술의 SPR(Self Piercing Riveting) 시스템에 채용되는 펀치 어셈블리로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

그리고, 본 발명의 실시 예에서 상기 다이(106)는 펀치유닛(104)으로부터 셀프 피어싱 리벳(100)에 작용하는 가압력을 지지할 수 있는 엔빌 다이로 구비된다. 이러한 다이(106)는 일반적으로 C형 프레임에 펀치유닛(104)과 함께 구성되는 엔빌유닛으로 구성될 수 있고, 펀치유닛(104)과 별개로 단순히 접합 대상물의 상,하판부재(101, 102)를 지지할 수 있는 플레이트 타입의 지지 구조물로 구성될 수도 있다.

여기서, 상기 다이(106)에는 상,하판부재(101, 102)에 설정된 리벳팅 타겟 지점의 소성 변형을 지지하기 위한 홀 또는 돔 형상의 지지부(108)를 형성하고 있다. 이와 같은 지지부(108)는 금속의 소성 가공에서 비압축성 금속 재료에 대한 이른 바 체적 일정의 조건을 만족시키기 위해 셀프 피어싱 리벳(100)에 의해 소성 변형되는 상기한 리벳팅 타겟 지점의 변형량(체적)을 수용하는 공간으로 이루어진다.

그리고, 본 발명의 실시 예에서 적용되는 상기 상,하판부재(101, 102)의 리벳팅 타겟 지점은 리벳팅 가공을 위한 프리 홀을 별도로 형성하지 않고 편평한 면을 형성하고 있다.

따라서, 상기와 같은 셀프 피어싱 리벳 시스템에 적용되는 본 발명의 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳(100)은 펀치유닛(104)에 의해 가압되면, 다이(106)의 지지부(108)를 통해 상,하판부재(101, 102)를 소성 변형시키며, 상판부재(101)를 피어싱 하고 하판부재(102)를 파고들며 소성 변형되면서 상,하판부재(101, 102)를 일체로 접합할 수 있다.

이하에서 설명될 본 발명의 실시 예에 따른 상기 셀프 피어싱 리벳(100)은 접합 대상물의 상판부재(101)를 용이하게 피어싱 하며 하판부재(102)에 인터 록 됨으로써 접합 대상물의 접합 강도를 향상시킬 수 있는 구조로 이루어진다.

이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳(100)의 구체적인 구성을 앞서 개시한 도 5와 함께 첨부한 도면들을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 6 및 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 헬리컬 타입의 셀프 피어싱 리벳을 도시한 도면이다.

도 5 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 셀프 피어싱 리벳(100)은 기본적으로, 헤드부(10), 섕크부(30) 및 리브(50)를 포함하고 있다. 이와 같은 셀프 피어싱 리벳(100)은 단조 금형에 리벳 모재(당 업계에서는 "빌렛"이라고도 한다)를 가압 펀칭하는 단조 공정을 통해 성형될 수 있다.

상기에서 헤드부(10)는 위에서 언급한 바 있는 펀치유닛(104)의 가압력을 직접 전달받는 부분으로, 도면을 기준할 때 셀프 피어싱 리벳(100)의 상측 부에 구비되며, 소정 두께를 지닌 원형의 판 형상으로 구비된다.

그리고, 상기 헤드부(10)는 본 발명의 실시 예에 의한 셀프 피어싱 리벳(100)을 통해 서로 겹쳐진 상,하판부재(101, 102)의 리벳팅 타겟 지점을 소성 변형시키며 리벳팅 결합하는 때, 상판부재(101)의 리벳팅 타겟 지점(상면)을 지지하는 기능도 하게 된다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 섕크부(30)는 서로 겹쳐진 상,하판부재(101, 102)의 리벳팅 타겟 지점을 소성 변형시키는 것으로, 헤드부(10)의 저면에 일체로 연결된다.

여기서, 상기 섕크부(30)는 속이 비어 있지 않고, 전체적으로 솔리드 한 원기둥의 단면 형상을 지닌 중실 축으로 이루지는 바, 이로 인해 펀치유닛(104)의 가압력에 의해 길이 방향을 따라 좌굴이 발생할 가능성을 배제할 수 있다.

이하에서는 상기 섕크부(30)에 있어 헤드부(10)에 연결되는 부분을 연결 단(도면에서의 상단부)으로 정의하며, 그 연결 단의 반대쪽 단부를 자유 단(도면에서의 하단부)으로 정의하기로 한다.

상기한 섕크부(30)는 외팔보 형태로 이루어지며, 헤드부(10)의 저면에서 하측 방향을 따라 일정 길이로 연장될 수 있다. 이와 같은 섕크부(30)는 상,하판부재(101, 102)의 두께 등에 따라 그 길이가 가변될 수 있다.

상기와 같은 헤드부(10)와 섕크부(30)를 가진 본 발명의 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳(100)은 예를 들어 4.5~4.8mm의 길이(L)로서 구비될 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 리브(50)는 펀치유닛(104)의 가압력에 의해 섕크부(30)와 함께 상,하판부재(101, 102)의 리벳팅 타겟 지점을 소성 변형시키며, 상판부재(101)를 뚫고 하판부재(102)로 파고들며 소성 변형될 수 있는 부위이다.

상기 리브(50)는 상,하판부재(101, 102)의 리벳팅 타겟 지점을 소성 변형시킨 상태에서, 상판부재(101)를 뚫고 하판부재(102)로 파고들며 인터 록 되는데, 이 때 펀치유닛(104)의 가압력을 회전력으로 변환시키는 기능도 하게 된다.

더 나아가, 상기 리브(50)는 상판부재(101)를 뚫고 하판부재(102)로 파고 들 때 셀프 피어싱 리벳(100)의 회전을 유도하고, 이의 끝 부분이 소성 변형되며 하판부재(102)에 인터 록 되면서 상,하판부재(101, 102)를 조인트시키는 기능을 하게 된다. 즉, 본 발명의 실시 예에서는 상,하판부재(101, 102)를 조인트시키는 리브(50)의 마찰력과 그 리브(50)의 소성 변형에 의해 상,하판부재(101, 102)를 접합(결합)할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 의한 상기 리브(50)는 섕크부(30)의 외주면에 일체로 돌출 형성되며, 그 섕크부(30)의 길이 방향을 따라 나선형으로 배치된다. 여기서, 상기 리브(50)는 복수 개로 구비되며, 섕크부(30)의 외주 방향을 따라 일정 간격으로 이격되게 형성될 수 있다.

구체적으로 설명하면, 본 발명의 실시 예에 의한 상기 리브(50)들은 헤드부(10)의 저면에 일체로 연결되는 바, 섕크부(30)의 연결 단에서 자유 단을 따라 나선형으로 형성되고, 그 섕크부(30)의 내측 중심을 기준으로 원호 방향을 따라 등 간격으로 구비된다.

그리고, 상기 리브(50)들은 섕크부(30)의 연결 단에서 자유 단으로 진행하는 나선을 형성하는 바, 예를 들면 섕크부(30)의 길이 방향을 따라 그 섕크부(30)의 연결 단에서 자유 단까지 시계 방향으로 진행하는 나선을 형성할 수 있다.

대안으로서, 상기 리브(50)들은 도면에서와 같이 시계 방향으로 진행하는 나선을 형성하고 있으나, 반드시 이에 한정되지 않고, 반 시계 방향으로 진행하는 나선을 형성할 수도 있다.

상기 리브(50)들은 섕크부(30)의 축 방향을 기준으로 하는 설정각도 범위의 헬리컬 각(θ1)이 부여되는 바, 그 헬리컬 각(θ1)은 본 발명의 실시 예에서 38~41.5°를 만족할 수 있다.

여기서, 상기 헬리컬 각(helical angle) 이라 함은 섕크부(30)의 연결 단에서 자유 단으로 진행하는 나선의 임의의 한 점과 그 섕크부(30)의 축 방향을 잇는 가상 선이 이루는 각도를 의미하며, 당 업계에서는 통상 리드 각(lead angle) 또는 헬릭스 각(helix angle) 이라고도 한다.

그리고, 본 발명의 실시 예에서 상기 리브(50)들은 섕크부(30)의 원주 방향을 따라서 그 섕크부(30)의 연결 단에서 자유 단으로 진행하는 4 개의 나선을 각각 형성하고 있다.

상기에서와 같은 리브(50)들의 헬리컬 각(θ1)과 개수는 섕크부(30)와 함께 상,하판부재(101, 102)의 리벳팅 타겟 지점을 소성 변형시키며 상판부재(101)를 피어싱 하는 시점에, 펀치유닛(104)의 가압력에 의해 변형을 일으키지 않고, 리브(50)들의 끝 부분이 하판부재(102)로 파고 들어가며 소성 변형을 일으키게 할 수 있는 범위를 기준으로 한 시뮬레이션 시험에 의해서 설정된 것이다.

더 나아가, 본 발명의 실시 예에서 상기 리브(50)들은 접합 대상물인 상,하판부재(101, 102)의 접합 강도를 증대시키기 위해, 섕크부(30)의 연결 단에서 자유 단으로 갈수록 깊이 단면적이 점차 작아지는 형상으로 구비될 수 있다.

즉, 본 발명의 실시 예에서 상기 리브(50)들은 설정각도 범위의 테이퍼 각(taper angle)(θ2)이 부여된 것으로 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 리브(50)들의 테이퍼 각(θ2)은 5~15°를 만족할 수 있다.

여기서, 상기에서 리브(50)의 깊이라 함은 그 리브(50)에서 섕크부(30)의 외주면과 그 원주면에 대응하는 리브 면 사이의 두께를 의미한다. 그리고 상기 테이퍼라 함은 셀프 피어싱 리벳(100)을 정면으로 보았을 때, 리브(50)가 섕크부(30)의 연결 단에서 자유 단까지 수직(스트레이트)으로 이어지지 않고, 섕크부(30)의 중심 측으로 경사진 형태를 의미한다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳(100)을 이용하여 접합 대상물을 접합하는 과정 및 작용을 설명하기로 한다.

우선, 본 발명의 실시 예에서는 접합 대상물로서 서로 겹쳐진 상,하판부재(101, 102)를 다이(106)를 통해 지지한 상태로, 펀치유닛(104)을 상,하판부재(101, 102)의 리벳팅 타겟 지점으로 이동시키며, 셀프 피어싱 리벳(100)을 펀치유닛(104)으로 공급한다. 이 경우 상기 상,하판부재(101, 102)의 리벳팅 타겟 지점은 프리 홀을 형성하고 있지 않고 다이(106)의 지지부(108) 상에 위치하고 있다.

이와 같은 상태에서, 본 발명의 실시 예에서는 펀치유닛(104)의 펀치 실린더를 공압 또는 유압에 의해 전진 구동시키게 되면, 그 펀치유닛(104)의 펀치는 셀프 피어싱 리벳(100)의 헤드부(10)를 가압(타격)한다. 그러면, 본 발명의 실시 예에서는 셀프 피어싱 리벳(100)의 섕크부(30)와 함께 리브(50)들이 상,하판부재(101, 102)의 리벳팅 타겟 지점을 소성 변형시키게 된다.

그 후, 상기 리브(50)들은 도 8에서와 같이, 펀치유닛(104)의 가압력에 의해 끝 부분으로 상판부재(101)를 피어싱 하며, 그 끝 부분이 하판부재(102)로 파고 들어가며 소성 변형을 일으킨다.

여기서, 상기 리브(50)들은 섕크부(30)의 연결 단에서 자유 단으로 갈수록 깊이 단면적이 점차 작아지는 형상으로서 설정각도 범위(5~15°)의 테이퍼 각(θ2)이 부여되어 있기 때문에, 끝 부분이 펀치의 가압력에 의해 좌굴 변형되지 않고, 상판부재(101)를 용이하게 피어싱 할 수 있다.

그리고, 상기 리브(50)들은 섕크부(30)의 연결단에서 자유단으로 진행하는 나선을 형성하며 그 나선을 통해 설정각도 범위(38~41.5°)의 헬리컬 각(θ1)이 부여되어 있기 때문에, 본 발명의 실시 예에 의한 셀프 피어싱 리벳(100)은 리브(50)들의 끝 부분이 상판부재(101)를 피어싱 하는 시점부터 회전하게 된다.

따라서, 본 발명의 실시 예에 의한 셀프 피어싱 리벳(100)은 펀치유닛(104)의 가압력과 리브(50)들에 의해 회전하게 되고, 리브(50)들의 끝 부분은 하판부재(102)에 파고 들어가며 좌굴 변형됨으로써 하판부재(102)와 인터 록 된다.

더 나아가, 본 발명의 실시 예에서는 리브(50)들에 테이퍼 각(θ2)이 부여되어 있기 때문에, 리브(50)들의 끝 부분이 상판부재(101)의 피어싱을 시작하고, 그 리브(50)들의 깊이 단면적이 점차 커지는 부분이 피어싱 구멍을 확장시킴으로써 도 9에서와 같이 상판부재(101)와 리브(50)들 사이에 틈이 생기지 않게 된다.

이로써, 본 발명의 실시 예에서는 상술한 바와 같은 일련의 과정 및 작용을 통해 접합 대상물인 상,하판부재(101, 102)를 셀프 피어싱 리벳(100)으로서 일체로 접합한 접합 가공물을 제조할 수 있다.

이하에서는 시뮬레이션 시험 예들을 통하여 본 발명의 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳(100)의 길이(L), 헬리컬 각(θ1) 및 테이퍼 각(θ2)에 대한 수치 한정이유와 그에 따른 작용 효과를 설명하기로 한다.

<제1 시험 예>

제1 시험 예에서는 도 10에서와 같이, 헬리컬 각(θ1)이 38°, 리벳 길이(L)가 4.5mm, 테이퍼 각(θ2)이 0°인 셀프 피어싱 리벳을 제공하고 있다. 이 경우 제1 시험 예에서는 종래 기술과 같이, 리브(50)들의 끝 부분이 상판부재(101)를 피어싱 하지 못하고, 좌굴 변형이 일어나며, 하판부재(102)에 인터 록 되고 있지 않음을 알 수 있다.

<제2 시험 예>

제2 시험 예에서는 도 11에서와 같이, 헬리컬 각(θ1)이 38°, 리벳 길이(L)가 4.5mm, 테이퍼 각(θ2)이 5°인 셀프 피어싱 리벳을 제공하고 있다. 이 경우 제2 시험 예에서는 제1 시험 예와 달리, 리브(50)들의 끝 부분이 상판부재(101)를 피어싱 하며 좌굴 변형되면서 하판부재(102)에 인터 록 됨을 알 수 있다.

<제3 시험 예>

제3 시험 예에서는 도 12에서와 같이, 헬리컬 각(θ1)이 38°, 리벳 길이(L)가 4.5mm, 테이퍼 각(θ2)이 10°인 셀프 피어싱 리벳을 제공하고 있다. 이 경우 제3 시험 예에서도 제1 시험 예와 달리, 리브(50)들의 끝 부분이 상판부재(101)를 용이하게 피어싱 하며 좌굴 변형되면서 하판부재(102)에 인터 록 됨을 알 수 있다.

<제4 시험 예>

제4 시험 예에서는 도 13에서와 같이, 헬리컬 각(θ1)이 38°, 리벳 길이(L)가 4.5mm, 테이퍼 각(θ2)이 15°인 셀프 피어싱 리벳을 제공하고 있다. 이 경우 제4 시험 예에서도 제1 시험 예와 달리, 리브(50)들의 끝 부분이 상판부재(101)를 피어싱 하며 좌굴 변형되면서 하판부재(102)에 인터 록 됨을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예는 상기와 같은 시험 예들에서와 같이, 리브(50)들에 5~15°의 테이퍼 각(θ2)을 부여하였을 때, 셀프 피어싱 리벳을 통한 상,하판부재(101, 102)의 접합성이 양호함을 알 수 있다.

더 나아가, 상기와 같은 시험 예들에서는 리브(50)들에 10°의 테이퍼 각(θ2)을 부여하였을 때, 리브(50)들의 끝 부분이 상판부재(101)를 용이하게 피어싱 하며 좌굴 변형되면서 하판부재(102)에 인터 록 됨과 아울러, 상판부재(101)와 리브(50)들 사이에 틈이 생기지 않음을 알 수 있다.

또한, 상기와 같은 시험 예들에서는 도 14의 표와 같이, 0°보다 크고 10°이하를 만족하는 리브(50)들의 테이퍼 각도 범위에서 그 테이퍼 각(θ2)이 클수록 회전각이 증가하는 경향을 보이고 있다. 이는 리브(50)들의 끝 부분과 하판부재(102)와의 인터 록 정도를 증대시킴으로써 상,하판부재(101, 102)의 접합성 향상에 기여한 것으로 해석될 수 있다.

<제5 시험 예>

제5 시험 예에서는 상기 제3 시험 예를 기준으로, 도 15에서와 같이, 헬리컬 각(θ1)이 41.5°, 리벳 길이(L)가 4.5mm, 테이퍼 각(θ2)이 10°인 셀프 피어싱 리벳을 제공하고 있다. 이 경우 상기 제5 시험 예에서는 제3 시험 예에 비해 리브(50)들의 끝 부분과 하판부재(102)와의 인터 록 정도가 다소 감소함을 보이나 셀프 피어싱 리벳을 통한 상,하판부재(101, 102)의 접합성은 양호함을 알 수 있다.

<제6 시험 예>

제6 시험 예에서는 상기 제3 시험 예를 기준으로, 도 16에서와 같이, 헬리컬 각(θ1)이 45°, 리벳 길이(L)가 4.5mm, 테이퍼 각(θ2)이 10°인 셀프 피어싱 리벳을 제공하고 있다. 이 경우 상기 제6 시험 예에서는 제3 시험 예에 비해 리브(50)들의 끝 부분이 상판부재(101)를 피어싱 하지 못하고, 좌굴 변형이 일어나며, 하판부재(102)에 인터 록 되고 있지 않음을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예는 상기와 같은 제3, 5, 6 시험 예에서와 같이, 리브(50)들에 38°및 41.5°의 헬리컬 각(θ1)과 10°의 테이퍼 각(θ2) 을 부여하였을 때, 셀프 피어싱 리벳을 통한 상,하판부재(101, 102)의 접합성이 양호함을 알 수 있다.

즉, 상기 제3, 5, 6 시험 예에서는 리브(50)들의 헬리컬 각(θ1)이 45°이상으로 크면, 리브(50)들의 끝 부분이 상판부재(101)를 피어싱 하지 못하기 때문에, 상,하판부재(101, 102)의 접합성이 불량해지는 것을 알 수 있다.

더 나아가, 상기와 같은 제3, 5, 6 시험 예에서는 도 17의 표와 같이, 리브(50)들의 헬리컬 각(θ1)이 커질수록 셀프 피어싱 리벳의 회전각이 작아지는 경향을 보이고 있다.

따라서, 상기 제3, 5, 6 시험 예에서는 헬리컬 각(θ1)이 38°인 경우에 셀프 피어싱 리벳의 회전각이 증가하며 리브(50)들의 끝 부분과 하판부재(102)와의 인터 록 정도를 증대시킴으로써 상,하판부재(101, 102)의 접합성 향상에 기여한 것으로 해석될 수 있다.

<제7 시험 예>

제7 시험 예에서는 상기 제3 시험 예를 기준으로, 도 18에서와 같이, 헬리컬 각(θ1)이 38°, 리벳 길이(L)가 4.6mm, 테이퍼 각(θ2)이 10°인 셀프 피어싱 리벳을 제공하고 있다. 이 경우 상기 제7 시험 예에서는 제3 시험 예에 비해 리브(50)들의 끝 부분과 하판부재(102)와의 인터 록 정도가 다소 감소함을 보이나 셀프 피어싱 리벳을 통한 상,하판부재(101, 102)의 접합성이 양호함을 알 수 있다.

<제8 시험 예>

제8 시험 예에서는 상기 제3 시험 예를 기준으로, 도 19에서와 같이, 헬리컬 각(θ1)이 38°, 리벳 길이(L)가 4.7mm, 테이퍼 각(θ2)이 10°인 셀프 피어싱 리벳을 제공하고 있다. 이 경우 상기 제8 시험 예에서는 리브(50)들의 끝 부분과 하판부재(102)와의 인터 록 정도 및 셀프 피어싱 리벳을 통한 상,하판부재(101, 102)의 접합성이 양호함을 알 수 있다.

<제9 시험 예>

제9 시험 예에서는 상기 제3 시험 예를 기준으로, 도 20에서와 같이, 헬리컬 각(θ1)이 38°, 리벳 길이(L)가 4.8mm, 테이퍼 각(θ2)이 10°인 셀프 피어싱 리벳을 제공하고 있다. 이 경우 상기 제9 시험 예에서는 리브(50)들의 끝 부분과 하판부재(102)와의 인터 록 정도 및 셀프 피어싱 리벳을 통한 상,하판부재(101, 102)의 접합성이 양호함을 알 수 있다.

<제10 시험 예>

제10 시험 예에서는 상기 제3 시험 예를 기준으로, 도 21에서와 같이, 헬리컬 각(θ1)이 38°, 리벳 길이(L)가 4.9mm, 테이퍼 각(θ2)이 10°인 셀프 피어싱 리벳을 제공하고 있다. 이 경우 상기 제10 시험 예에서는 리브(50)들의 끝 부분과 하판부재(102)와의 인터 록 정도 및 셀프 피어싱 리벳을 통한 상,하판부재(101, 102)의 접합성이 양호함을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예는 상기와 같은 제3, 7~10 시험 예에서와 같이, 셀프 피어싱 리벳의 길이(L)가 4.5~4.9mm일 경우, 셀프 피어싱 리벳을 통한 상,하판부재(101, 102)의 접합성이 양호함을 알 수 있다.

더 나아가, 상기와 같은 제3, 7~10 시험 예에서는 도 22의 표와 같이, 셀프 피어싱 리벳의 길이(L)가 길수록 리벳 접합 후 하판부재(102)의 리벳팅 타겟 지점의 두께가 감소함을 알 수 있다.

그리고, 셀프 피어싱 리벳의 길이(L)가 4.5~4.8mm인 경우, 그 리벳의 회전각은 큰 차이를 보이지 않고 있으나, 리벳의 길이(L)가 4.8mm 보다 커지면 회전각이 급격히 증가함에 따라, 리벳 접합 후 하판부재(102)의 리벳팅 타겟 지점이 리브(50)들에 의해 피어싱 되는 결함이 발생될 수 있음을 알 수 있다.

지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 셀프 피어싱 리벳(100)에 의하면, 리브(50)들에 설정각도 범위의 헬리컬 각(θ1) 및 테이퍼 각(θ2)과, 설정길이 범위의 리벳 길이(L)를 부여함에 따라, 리브(50)들의 끝 부분이 상판부재(101)를 용이하게 피어싱 하며, 하판부재(102)에 견고히 인터 록 될 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시 예에 따른 리브(50)들에 설정각도 범위의 헬리컬 각(θ1) 및 테이퍼 각(θ2)과, 설정길이 범위의 리벳 길이(L)를 부여함에 따라, 리브(50)들과 상판부재(101) 사이에 발생하는 틈을 최소화 할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 리브(50)들과 하판부재(102)의 인터 록 정도를 증대시킴과 아울러 리브(50)들과 상판부재(101) 사이의 틈을 최소화 할 수 있으므로, 접합 대상물의 접합 강도를 더욱 향상시킬 수 있으며, 접합 대상물의 접합 불량을 최소화 할 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

10... 헤드부
30... 섕크부
50... 리브
101... 상판부재
102... 하판부재
104... 펀치유닛
106... 다이
108... 지지부
L... 리벳 길이
θ1... 헬리컬 각
θ2... 테이퍼 각

Claims (12)

1. 헤드부;
   상기 헤드부에 일체로 연결되는 중실 축의 섕크부; 및
   상기 섕크부의 외주면에 길이 방향을 따라 나선형으로 형성되며, 상기 헤드부에 일체로 연결되는 복수 개의 리브들;
   을 포함하며,
   상기 리브들은 상기 헤드부와 연결되는 상기 섕크부의 연결 단에서 자유 단으로 갈수록 깊이 단면적이 점차 작아지는 형상으로 구비되는 것을 특징으로 하는 헬리컬 타입의 셀프 피어싱 리벳.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 리브들은 설정각도 범위의 테이퍼 각이 부여된 것을 특징으로 하는 헬리컬 타입의 셀프 피어싱 리벳.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 리브들의 테이퍼 각은 5~15°를 만족하는 것을 특징으로 하는 헬리컬 타입의 셀프 피어싱 리벳.
4. 제2 항에 있어서,
   상기 리브들의 테이퍼 각은 10°를 만족하는 것을 특징으로 하는 헬리컬 타입의 셀프 피어싱 리벳.
5. 제3 항에 있어서,
   상기 리브들의 헬리컬 각은 38~41.5°를 만족하는 것을 특징으로 하는 헬리컬 타입의 셀프 피어싱 리벳.
6. 제3 항에 있어서,
   상기 리브들의 헬리컬 각은 38°를 만족하는 것을 특징으로 하는 헬리컬 타입의 셀프 피어싱 리벳.
7. 제3 항에 있어서,
   상기 셀프 피어싱 리벳의 길이는 4.5~4.8mm를 만족하는 것을 특징으로 하는 헬리컬 타입의 셀프 피어싱 리벳.
8. 헤드부;
   상기 헤드부에 일체로 연결되는 중실 축의 섕크부; 및
   상기 섕크부의 외주면에 길이 방향을 따라 나선형으로 형성되며, 상기 헤드부에 일체로 연결되는 복수 개의 리브들;
   을 포함하며,
   상기 리브들은 상기 헤드부와 연결되는 상기 섕크부의 연결 단에서 자유 단까지 설정각도 범위의 테이퍼 각이 부여된 것을 특징으로 하는 헬리컬 타입의 셀프 피어싱 리벳.
9. 제8 항에 있어서,
   상기 테이퍼 각은 5~15°를 만족하는 것을 특징으로 하는 헬리컬 타입의 셀프 피어싱 리벳.
10. 제9 항에 있어서,
    상기 리브들의 헬리컬 각은 38~41.5°를 만족하는 것을 특징으로 하는 헬리컬 타입의 셀프 피어싱 리벳.
11. 제10 항에 있어서,
    상기 셀프 피어싱 리벳의 길이는 4.5~4.8mm를 만족하는 것을 특징으로 하는 헬리컬 타입의 셀프 피어싱 리벳.
12. 제9 항에 있어서,
    상기 셀프 피어싱 리벳은 0°보다 크고 10°이하를 만족하는 상기 리브들의 테이퍼 각도 범위에서 그 테이퍼 각이 클수록 회전각이 증가하는 것을 특징으로 하는 헬리컬 타입의 셀프 피어싱 리벳.

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