KR20200094690A - 반중공형 펀치 리벳, 반중공형 펀치 리벳에 의한 적어도 2개의 구성 요소의 펀치 리벳 접합부 및 반중공형 펀치 리벳으로 구성 요소들을 연결하는 방법 - Google Patents

반중공형 펀치 리벳, 반중공형 펀치 리벳에 의한 적어도 2개의 구성 요소의 펀치 리벳 접합부 및 반중공형 펀치 리벳으로 구성 요소들을 연결하는 방법 Download PDF

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Abstract

서로의 위에 파일(pile)형으로 배치된 적어도 2개의 구성 요소들 사이에 접합부를 구축할 수 있는 반중공형 펀치 리벳(1)을 개시하며, 반중공형 펀치 리벳은 원통형 측표면(32)을 포함하는 리벳 샤프트(30)가 연장되는 리벳 헤드(10). 리벳 샤프트(30)의 길이 방향 축(LA)에 수직으로 배치된 리벳 푸트 전방 표면(42)을 가지며 리벳 헤드(10)에서 먼 쪽을 향하는 리벳 샤프트(30)의 단부에 제공된 블런트 리벳 푸트, 및 리벳 샤프트(30)의 축방향 횡단면에서 벨 형상이며 헤드에서 먼 쪽을 향하는 단부에서 시작하여 리벳 샤프트(50) 내로 연장되는 샤프트 캐비티(50)를 포함하고, 여기서 벨 형상의 샤프트 캐비티(50)는 리벳 푸트 전방 표면(42)의 반경 방향 내측에서 시작하며 입구 반경(Rs)을 갖는 원호 형상으로 리벳 헤드(10)의 방향으로 연장되는 볼록한 입구 부분(52), 입구 부분(52)이 접선방향으로 천이되며 원통형 측표면(32)에 대하여 예각(α)으로 배치된 선형 연장 연속 부분(54), 및 최종 돔(dome) 부분(56)에 의하여 형성된다.

Description

반중공형 펀치 리벳, 반중공형 펀치 리벳에 의한 적어도 2개의 구성 요소의 펀치 리벳 접합부 및 반중공형 펀치 리벳으로 구성 요소들을 연결하는 방법 {Semi-hollow punch rivet, a punch rivet joint of at least two components by means of a semi-hollow punch rivet as well as a method for connecting the components with the semi-hollow punch rivet}
본 발명은 서로의 위에 파일 형상(pile-shaped)으로 배치된 적어도 2개의 구성 요소 사이의 연결부 또는 접합부를 설정할 수 있는 반중공형 펀치 리벳에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 서로의 위에 파일 형상으로 배치된 적어도 2개의 구성 요소의 펀치 리벳 접합부, 및 반중공형 펀치 리벳에 의하여 적어도 2개의 구성 요소를 연결 또는 접합하기 위한 방법에 관한 것이다.
이산화탄소 배출을 줄이기 위하여, 자동차 제조업체는 중량 감소를 달성할 수 있는 새로운 차체 개발에 초점을 맞추고 있다. 이러한 이유로, 예를 들어 22MnB5 (Usibor)와 같은 최고 강도 재료의 비율이 자동차의 안전 관련 부분에서 증가된다. 또한, 경량 설계는 차량 제조를 위하여 점점 더 사용되고 있다.
상기 적용 분야를 위한 반중공형 펀치 리벳이 예를 들어 DE 10 2009 050 342 B4에 설명되어 있다. 현재까지의 일반적인 펀치 리벳 기하학적 구조와 비교하여 이 펀치 리벳은 더 큰 샤프트 벽 두께뿐만 아니라 더 큰 샤프트 직경을 갖고 있다. 이 반중공형 펀치 리벳으로 최대 1.7 밀리미터를 갖는 시트 두께까지 Usibor-층들이 접합될 수 있다. 그러나, 증가된 샤프트 직경으로 인하여, 반중공형 펀치 리벳을 구성 요소의 파일 내로 도입하기 위해 필요한 펀치력 또는 세팅력(setting force)이 증가된다. 또한, 기본 접합 시스템은 약 5.5 밀리미터 샤프트 직경을 갖는 펀치 리벳 요소를 분리 및 전달하기 위해 설계되었기 때문에 이러한 펀치 리벳을 처리하기에 적합하지 않다. 따라서, 위에서 설명된 반중공형 펀치 리벳이 특별한 해결책이기 때문에 대안적인 접합 요소를 찾고 있다.
위에서 설명된 펀치 리벳 기하학적 구조와 유사한 내성 해결책(resistant solutions)이 DE 10 2013 020 504 A1 및 EP 2 024 651 B2에 개시되어 있다.
EP 0 833 063 B1은 예를 들어 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 경금속의 반중공형 펀치 리벳을 설명하고 있다. 이 반중공형 펀치 리벳은 경금속 시트 등을 접합하기 위하여 사용된다. 이는 강으로 이루어지지 않기 때문에 경금속 시트의 사용 외에 중량 최적화된 연결 또는 접합 요소가 사용된다. 그러나 강 접합부 또는 더 큰 강도의 강을 위한 경금속의 반중공형 펀치 리벳의 사용은 문제가 있다. 이와 관련하여 요구되는 높은 접합력으로 인해, 반중공형 펀치 리벳은 적절한 안정성을 갖고 있지 않다.
위에서 언급된 유럽 특허의 반중공형 펀치 리벳은 헤드에서 먼 쪽을 향하는 샤프트 단부에, 원추형으로 형성된 샤프트 캐비티를 포함하고 있다. 샤프트 캐비티는 리벳 샤프트의 길이 방향 축 주위에 회전 대칭적으로 배치되어 있다. 블런트 리벳 푸트는 뚫려질 구성 요소로부터의 펀치 슬러그의 분리를 실현하지만, 샤프트 캐비티의 원뿔형 형상은 수용될 펀치 슬러그의 기울어짐(canting)으로 이어진다. 이는 샤프트 캐비티의 급격한 유입구(intake)로 인한 것으로서, 이 샤프트 캐비티는 슬러그 재료의 제한된 흐름으로 인하여 완전히 사용할 수 없다. 이러한 단점은, 예를 들어 EP 1 229 254 B1에 설명된 바와 같이 강 구성 요소를 연결할 때 더 크다.
블런트 리벳 푸트를 갖는 반중공형 펀치 리벳의 다른 구성적 가능성이 DE 10 2005 020 416 B4에 설명되어 있다. 리벳 샤프트의 길이 방향 횡단면에서 볼 때, 설명된 반중공형 펀치 리벳은 벨(bell)형 디자인을 갖는 샤프트 캐비티를 포함하고 있다. 리벳 푸트의 반경 방향 내측에서 시작하여 볼록한 형상의 원호는 거의 샤프트 캐비티의 최하부까지 연장되어 있다. 샤프트 캐비티의 최하부에서, 측방향으로 배치된 볼록한 원호들은 2개의 추가 원호의 조합을 통해 서로 연결되어 있다. 원추 형상의 샤프트 캐비티의 위에서 설명된 구성에 반하여, 볼록한 형상의 원호의 사용은 샤프트 최하부의 방향으로의 샤프트 캐비티의 한층 더 증가된 테이퍼링(tapering)을 야기한다. 결과적으로, 슬러그는, 원추형으로 형성된 샤프트 캐비티와 비교하여 제1 구성 요소로부터의 충분한 분리 후에 샤프트 캐비티에 더 일찍 달라붙으며 연결부 또는 접합부의 형성을 방해한다. 또한, 반중공형 펀치 리벳의 원호 형상의 볼록한 벽 디자인의 사용은 더 작은 벽 두께로 인하여 샤프트가 푸트 부분에서 또한 감소된 안정성을 갖는 것을 초래한다. 따라서, 리벳 헤드로부터 축 방향으로 전달된 펀치력이 블런트 리벳 푸트로 효과적으로 전달될 수 없으며 리벳 샤프트가 파손될 위험이 존재한다.
따라서, 종래 기술의 관점에서, 본 발명의 목적은 높은 펀치력의 신뢰성있는 전달 외에 펀치 슬러그의 더 양호한 수용을 또한 보장하는 반중공형 펀치 리벳을 위한 개선된 기하학적 구조를 제공하는 것이다.
본 발명은 서로의 위에 파일형으로 배치된 적어도 2개의 구성 요소 사이의 연결부 또는 접합부를 설정될 수 있는 반중공형 펀치 리벳을 개시한다. 본 발명의 반중공형 펀치 리벳은 원통형 측표면을 포함하는 리벳 샤프트가 연장되는 리벳 헤드, 리벳 샤프트의 길이 방향 축에 수직으로 배치된 리벳 헤드 전방 표면을 가지며 리벳 헤드에서 먼 쪽을 향하는 리벳 샤프트의 단부에 제공된 블런트 리벳 푸트, 및 리벳 샤프트의 축방향 횡단면에서 벨 형상이며 헤드에서 먼 쪽을 향하는 단부에서 시작하여 리벳 샤프트 내로 연장되는 샤프트 캐비티를 포함하며, 여기서 벨 형상의 샤프트 캐비티는 리벳 푸트 전방 표면의 반경 방향 내측에서 시작하며 입구 반경(Rs)을 갖는 원호 형상으로 리벳 헤드의 방향으로 연장되는 볼록한 입구 부분, 입구 부분이 접선방향으로 천이되며 원통형 측표면에 대하여 예각으로 배치된 선형 연장 연속 부분, 및 최종 돔(dome) 부분에 의하여 형성된다.
반중공형 펀치 리벳의 본 발명의 구성은 접합 위치에서 리벳 헤드를 통해 가해지는 펀치력의 개선된 전달을 실현한다. 이때, 바람직하게는 펀치 리벳 기하학적 구조는 펀치 리벳의 변형에 의하여 반중공형 펀치 리벳이 펀치 리벳 접합부의 적어도 제1 구성 요소 내로 들어가기 전 및/또는 들어가는 동안 반중공형 펀치 리벳 내에서의 변형 에너지의 손실이 감소하거나 완전히 방지되는 것을 보장한다. 따라서, 리벳 헤드를 통해 공급되는 기계적 에너지는 바람직하게는 서로의 위에 파일 형상으로 배열된 적어도 2개의 구성 요소 내로의 리벳 샤프트의 도입 또는 관통 그리고 이와 관련된 펀치 슬러그로부터 펀칭을 위해 완전히 이용 가능하다.
한편, 리벳 샤프트의 기하학적 구조는 접합 위치로의 펀치 에너지의 더욱 효과적인 전달을 보장하지만, 리벳 샤프트의 길이 방향 축에 회전 대칭적으로 배치된 샤프트 캐비티는 펀치 슬러그의 개선된 수용을 보장한다. 이는 샤프트 캐비티 내에서 리벳 헤드의 방향으로의 부가적인 선형 연장 연속 부분과의 원호 형상의 볼록하게 형성된 입구 부분의 조합에 의해 실현된다. 한편으로는, 바람직하게는 원호 형상으로 형성된 입구 부분이 펀치 슬러그의 생성시 기계적 장력 정점의 발생을 감소시키는 반면, 선형 연속 부분은 바람직하게는 깊이 방향으로의 샤프트 캐비티의 감소된 테이퍼링(tapering)을 제공한다. 따라서, 펀치 슬러그의 수용을 위해 제공되는 샤프트 캐비티의 체적은 리벳 샤프트의 안정성 손실 없이 펀치 슬러그를 위한 큰 수용 체적을 제공하도록 사용된다.
샤프트 캐비티의 최하부에 제공된 최종 돔 부분은 바람직하게는 폐쇄되거나, 대안적으로는 또한 관통 개구에 의하여 리벳 헤드의 방향으로 개방 형성된다. 돔 부분에서의 본 발명의 바람직한 개구는 리벳 헤드 또는 막힌 구멍에 대한 바람직한 관통 개구에 의하여 펀치 슬러그의 재료를 위한 추가 수용 체적을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 반중공형 펀치 리벳의 샤프트 직경(Da)은 Da≤5.6 ㎜, 바람직하게는 Da=5.5 ㎜의 크기를 갖는다.
반중공형 펀치 리벳은 바람직하게는 위에서 설명된 샤프트 직경으로 실현된다. 이 샤프트 직경은 펀치 리벳 시스템뿐만 아니라 일반적인 공급 시스템에 맞춰지며 시스템 기술의 광범위한 구성적 재설계 없이 이 시스템들과 결합할 수 있다.
또한 위에서 한정된 바와 같이 다른 샤프트 직경을 사용하는 것이 바람직하다. 이는 반중공형 펀치 리벳의 본 발명의 위에서 요약된 기하학적 구조가 위에서 한정된 샤프트 직경과는 독립적으로 더 큰 그리고 더 작은 샤프트 직경으로 동일하게 실현될 수 있기 때문이다.
본 발명의 반중공형 펀치 리벳의 기하학적 구조의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 그의 리벳 푸트 전방 표면은 1/30 Da≤BS≤1/3 Da, 바람직하게는 1/15 Da≤BS≤1/6 Da의 범위 내의, 반경 방향으로 연장된 푸트 폭(BS)을 갖는다.
반중공형 펀치 리벳은 본 발명에서 바람직한 블런트 푸트 기하학적 구조를 포함하고 있다. 이는 리벳 푸트 전방 표면이 리벳 샤프트의 길이 방향 축에 대해 수직으로 연장된다는 것을 의미한다. 리벳 푸트 전방 표면은 리벳 헤드를 통해 가해지는 펀치력을 접합 위치에서의 제1 구성 요소로 선택적으로 전달할 수 있도록 위에서 주어진 반경 방향 폭을 포함하는 것이 또한 바람직하다. 리벳 푸트 전방 표면의 바람직한 크기는 이러한 맥락에서 높은 강도 또는 더 높은 강도의 강들의 접합시 큰 리벳 힘의 전달에 특히 유리하다.
서로 위에 배치되고 동일한 및/또는 다른 재료로 만들어진 적어도 3개의 구성 요소의 파일에 접합 연결부를 생성하기 위하여 바람직한 리벳 푸트 기하학적 구조를 갖는 반중공형 펀치 리벳을 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 이러한 접합 연결부는 먼저, 반중공형 펀치 리벳의 안정성이 접합 위치로의 충분히 큰 기계적 에너지의 도입을 보장한다는 점을 보장해야 한다. 이는 샤프트 기하학적 구조와 조합하는 반중공형 펀치 리벳의 푸트 기하학적 구조에 의하여 실현된다. 이는 리벳 헤드로부터 펀치 푸트로 전달되는 펀치력에 의해 과도한 응력을 받지 않는 샤프트 캐비티의 부분 내의 리벳 샤프트의 충분한 벽 두께를 또한 바람직하게는 보장하는 샤프트 캐비티의 성형으로 인한 것이다. 이와 조합하여, 샤프트 캐비티는, 바람직하게는 적어도 3개의 구성 요소의 연결부에서 접합 방향으로 본 제1 및 제2 구성 요소의 재료로 구성된 펀치 슬러그를 위한 충분히 큰 수용 체적을 제공한다.
입구 반경(RS)은 푸트 폭(BS)에 대한 반중공형 펀치 리벳의 다른 바람직한 실시예에 따라 다음 크기를 갖는다: RS≤20BS, 바람직하게는 0.3 ㎜≤RS≤6 ㎜, 특히 1 ㎜≤RS≤4 ㎜.
블런트 리벳 푸트의 푸트 폭과 입구 반경의 크기 사이의 바람직하게 밀접한 조정(coordination)은 반중공형 펀치 리벳의 기하학적 구조의 이상적인 기능적 방향을 지향한다. 서로 연결될 구성 요소에 따라, 가해질 펀치력은 각각의 푸트 폭 크기를 필요로 한다. 푸트 폭의 반경 방향 내측 에지에서 시작하는 샤프트 캐비티 내로의 입구 부분은 반중공형 펀치 리벳의 리벳 샤프트를 약화시키지는 않지만, 이는 바람직하게는 충분히 큰 수용 체적이 펀치 슬러그를 위하여 샤프트 캐비티 내에 제공되도록 동시에 조절될 수 있다. 따라서, 입구 반경의 크기와 긴밀하게 조정하여 펀치 푸트의 푸트 폭을 선택하는 것이 바람직하다.
반중공형 펀치 리벳의 기하학적 구조의 다른 바람직한 실시예에 따라 연속 부분은 리벳 샤프트의 원통형 측표면에 대해 예각으로 배치된다. 이 예각(α)은 원통형 측표면에 대해 바람직하게는 5°≤α≤30°, 특히 5°≤α≤20°의 범위 내이다.
입구 반경(RS)에 기초하여 원호 형상으로 형성된 입구 부분은 본 발명적으로 바람직하게는 선형 연속 부분으로 직접적으로 접선방향으로 천이된다. 연속 부분은 결과적으로 바람직하게는 원뿔대의 측표면같이 형성된다. 따라서, 샤프트 캐비티 내의 연속 부분의 이 측표면 또는 표면은 각각 리벳 샤프트의 원통형 측표면에 대해 한정된 각도 배향을 갖는다. 5°≤α≤20°의 범위 내의 본 발명의 바람직한 예각(α)의 범위는 가능한 큰 샤프트 캐비티의 수용 체적과 원호 형상의 입구 부분에 대한 이상적인 링크(ideal link) 간의 절충(compromise)을 제공한다.
특히 위에서 설명된 바람직한 샤프트 직경과 조합된 본 발명의 반중공형 펀치 리벳의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 샤프트 직경(Da)에 대한, 1/3 Da≤tB≤2/3 Da 범위 내의 벨 형상의 샤프트 캐비티의 깊이(tB)가 제공된다.
샤프트 캐비티의 수용 체적을 수용될 펀치 슬러그에 대해 그리고 따라서 계획된 접합 연결부에 대해 조절할 수 있도록 하기 위해, 벨 형상의 샤프트 캐비티의 깊이는 조절 가능하다. 이는 바람직하게는 선택된 샤프트 직경에 따라 조절된다. 또한, 위에서 선택된 샤프트 캐비티의 깊이 범위에도 불구하고 샤프트 직경에 따라 반중공형 펀치 리벳의 충분한 안정성이 접합 연결부 또는 접합부의 생성시 보장된다는 것이 반중공형 펀치 리벳의 바람직한 실시예에서 인정되었다.
반중공형 펀치 리벳의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 벨 형상의 샤프트 캐비티는 리벳 샤프트의 길이 방향으로 리벳 헤드로 연장된 중앙 관통 개구 또는 막힌 구멍을 포함하여 중공형 리벳을 형성한다. 이 바람직한 구조적인 수단에 의하여, 위에서 이미 설명된 바와 같이 샤프트 캐비티의 수용 체적의 확장은 실현 가능하다.
본 발명은 서로의 위에 파일 형상으로 배치된 적어도 2개의 구성 요소의 펀치 리벳 접합부를 더 포함하며, 이 구성 요소들은 위에서 설명된 반중공형 펀치 리벳에 의해 서로 연결된다. 반중공형 펀치 리벳의 기하학적 구조의 바람직한 가변성으로 인하여, 하나의 접합 연결부 또는 접합부 내에서 상이한 구성 요소 재료를 처리하는 것이 가능하다. 따라서, 바람직하게는 반중공형 펀치 리벳은 상이한 구성 요소들의 높은 강도의 강(steel)과 더 높은 강도의 강의 접합에 사용된다. 동일한 방식으로, 경금속의 구성 요소들을 접합하기 위해 또는 경금속의 구성 요소와 강의 구성 요소를 접합하기 위해 위에서 설명된 반중공형 펀치 리벳을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한 위에서 설명된 반중공형 펀치 리벳에 의하여 적어도 2개의 구성 요소를 연결 또는 접합하는 방법을 이와 관련하여 개시한다. 이 연결 방법은 다이 또는 앤빌 상에 적어도 2개의 구성 요소를 파일형(pile-shaped) 배열로 서로 위에 배치하는 단계 및 위에서 설명된 바람직한 실시예 중 하나에 따른 반중공형 펀치 리벳을 적어도 2개의 구성 요소 내로 세팅(setting)하는 단계를 포함한다.
첨부된 도면에 기초하여 본 발명의 바람직한 실시예가 상세히 설명될 것이다.
도 1은 반중공형 펀치 리벳의 기하학적 구조를 한정하기 위한 특징적인 치수를 갖는 반중공형 펀치 리벳의 바람직한 실시예의 개략적인 횡단면도이다.
도 2는 볼록한 입구 부분에 대한 입구 반경의 크기 변화 그리고 그에 따른 샤프트 캐비티의 형상 변화의 결과가 보여지는, 도 1의 부분의 확대도이다.
도 3은 샤프트 캐비티의 성형 및 그의 체적에 대한 선형 연장 연속 부분의 예각의 바람직한 변화로 인한 샤프트 캐비티 및 그의 변형된 형상이 보여지는, 도 1의 부분의 확대도이다.
도 4는 반중공형 펀치 리벳의 블런트 리벳 푸트의 푸트 폭의 바람직한 변형을 도시하는, 도 1의 부분의 확대도이다.
도 5는 샤프트 캐비티의 변화된 깊이 및 샤프트 캐비티의 체적에 대한 결과가 도시된, 도 1의 부분의 확대도이다.
도 6은 반중공형 펀치 리벳의 리벳 헤드의 바람직한 디자인의 도면이다.
도 7은 중공형 리벳을 형성하기 위해 샤프트 캐비티로부터 리벳 헤드로의 관통 개구를 갖는 바람직한 본 발명의 반중공형 펀치 리벳의 개략적인 횡단면도이다.
도 8은 2개의 구성 요소를 갖는 바람직한 펀치 리벳 접합부의 개략적인 횡단면도이다.
도 9는 3개의 구성 요소를 갖는 바람직한 펀치 리벳 접합부의 개략적인 횡단면도이다.
도 10은 반중공형 펀치 리벳의 도움으로 연결하는 방법의 바람직한 실시예의 플로우 차트이다.
본 발명의 반중공형 펀치 리벳(1)의 바람직한 실시예가 도 1에 나타나 있다. 도 1은 반중공형 펀치 리벳(1)의 길이 방향 축(LA)을 가로지르는 개략적인 횡단면도이다.
반중공형 펀치 리벳(1)은 리벳 헤드(10)를 포함하고 있으며, 리벳 샤프트(30)는 리벳 헤드로부터 연장된다. 리벳 헤드(10)는 적용의 경우에 따라 도 6에 예시적으로 나타나 있는 바와 같이 바람직한 헤드 형상을 갖는다. 따라서, 바람직하게는 리벳 샤프트(30)는 카운터성크(countersunk) 헤드(도 6a), 리벳 샤프트(30)에 대한 원호형 천이부(transistion)를 갖는 카운터성크 헤드(도 6b) 또는 편평한 만곡 헤드(도 6c)와 결합된다. 리벳 헤드(10)를, 예를 들어 나사식 볼트 또는 너트(도 6d)와 같이 기능적인 요소(12)와 결합하는 것이 또한 바람직하다.
리벳 샤프트(30)는 리벳 헤드(10)와 대향하는 블런트 리벳 푸트(40)를 포함하고 있다. 리벳 푸트(40)는 리벳 푸트 전방 표면(42)을 포함하고 있다. 리벳 푸트 전방 표면(42)은 바람직하게는 리벳 샤프트(30)의 원통형 측표면(32)에 수직으로 배치되어 있다. 마찬가지로, 리벳 푸트 전방 표면(42)은 반중공형 펀치 리벳(1)의 길이 방향 축(LA)에 수직으로 연장되어 있다.
리벳 푸트(40)에서 시작하여, 샤프트 캐비티(50)는 리벳 샤프트(30)의 내부에서 리벳 헤드(10)의 방향으로 연장된다. 샤프트 캐비티(50)는 반중공형 펀치 리벳(1)의 길이 방향 축(LA) 주위에 회전 대칭적으로 배치되어 있다.
도 1의 길이 방향 축(LA)을 따른 횡단면도에 기초하여 알 수 있는 바와 같이, 샤프트 캐비티(50)는 리벳 푸트(40)에 인접한 개구를 갖는 벨(bell)형 디자인을 갖고 있다.
리벳 샤프트(30)의 샤프트 캐비티(50)는 바람직하게는 높은 펀치력에서의 리벳 푸트(40)의 충분한 안정성 외에, 샤프트 캐비티(50) 내의 펀치 슬러그(punch slug)를 위한 충분히 큰 수용 체적이 발생하도록 형성되어 있다. 이와 관련하여, 리벳 샤프트(30)는 바람직하게는 리벳 헤드(10)에서 시작하는 고체 요소로서 형성된다.
고체 요소로서 제공된 리벳 샤프트(30)는 일 실시예에 따라 적어도, 전체 길이(L)를 갖는 반중공형 펀치 리벳(1)의 중간까지 연장된다. 이렇게 하여, 바람직하게는 반중공형 펀치 리벳(1)의 헤드 근방 부분에서의 접합력 또는 펀치력의 광범위한 분포가 보장된다. 이 펀치력은 우선 리벳 푸트(40) 방향으로 리벳 샤프트(30)의 완전한 횡단면에 걸쳐 전달된다. 리벳 샤프트(30)에서 고체 요소의 비율은 아래에서 설명되는 바와 같이 샤프트 캐비티(50)의 깊이에 의해 한정된다.
샤프트 캐비티(50)로 인하여, 리벳 샤프트(30)는 푸트 부분에서 중공형으로 형성된다. 샤프트 캐비티(50)는 리벳 헤드(10)의 방향으로 길이 방향 축(LA) 주위에서 중심 대칭 배열로 연장된다. 샤프트 캐비티(50)의 깊이(tB)는 반중공형 펀치 리벳(1)이 리벳 샤프트(30)의 하부 반분에서만, 따라서 리벳 푸트(40)에 인접한 리벳 샤프트(30)의 반분에서만 세팅(setting) 공정 동안 변형되도록 선택된다. 따라서, 아래에 상세히 설명되는 샤프트 캐비티(50)의 기하학적 구조는 생성된 펀치 리벳 접합부에 언더컷을 형성하기 위해 중공형 샤프트 부분의 충분한 펼쳐짐(spreading)을 또한 보장한다. 이는 도 8 및 도 9의 펀치 리벳 접합부의 개략도에 예시적으로 보여지고 있다.
본 발명의 반중공형 펀치 리벳(1)의 바람직한 실시예에서, 반중공형 펀치 리벳은 Da≤5.6 ㎜의 샤프트 직경(Da)을 갖고 있다. 바람직하게 샤프트 직경(Da)은 5.5 ㎜와 동일하며, 따라서 반중공형 펀치 리벳(1)은 일반적인 펀치 리벳 시스템 및 공급 시스템으로 처리 가능하다.
이와 관련하여, 바람직하게는 리벳 헤드(10)는 7.75 ㎜와 동일한 헤드 직경(Dk)을 갖고 제조된다. 이 기본 크기(default size)는 공지된 접합 시스템 및 리벳 공급 시스템의 사용을 보장한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 위에서 설명된 반중공형 펀치 리벳(1)의 기하학적 구조를 다른 샤프트 직경(Da) 및/또는 헤드 직경(Dk)과 결합하는 것이 또한 바람직하다.
더욱 바람직하게는, 반중공형 펀치 리벳(1)의 리벳 길이(L)는 4 ㎜≤L≤9 ㎜의 범위 내에 있다. 적용의 경우에 따라서, 리벳 길이(L)는 생성될 접합 연결부 또는 접합부에, 또는 서로 연결될 구성 요소들의 파일 두께(pile thickness)에 맞춰진다.
상이한 접합 작업을 실현할 수 있도록, 반중공형 펀치 리벳(1)은 바람직하게는 상이한 재료로 제조될 수 있다. 바람직한 리벳 재료는 강(steel), 알루미늄 또는 구리이다. 여기서, 각각의 접합 작업을 실현하기 위해 추가의 재료 또한 바람직하다.
도 1의 바람직한 샤프트 캐비티(50)의 예시에 기초하여 알 수 있는 바와 같이, 볼록한 입구 부분(52)은 리벳 푸트(40)의 반경 방향 내부 에지에서 시작된다. 볼록한 입구 부분(52)은 리벳 헤드(10)의 방향으로 원호 형상으로 연장된다.
원호 형상의 입구 부분(52)은 본 발명의 실시예에 따라 리벳 푸트(40)의 푸트 폭(BS)에 따라 한정되는 반경(RS)을 갖는다. 리벳 푸트 전방 표면(42)의, 반경 방향으로 연장되는 푸트 폭(BS)은 바람직하게는 1/30 Da≤BS≤1/3 Da의 범위 내에 있으며, 여기서 Da는 위에서 논의된 샤프트 직경을 설명한다. 바람직하게는, 푸트 폭(BS)은 1/15 Da≤BS≤1/6 Da의 범위 내에 있다.
푸트 폭(BS)의 바람직한 변형의 개략적인 도면이 도 4에 보여지고 있다. 증가하는 푸트 폭(BS)이 결과로서 리벳 푸트(40)를 어떻게 강화시키는지 명백하다. 푸트 폭(BS)의 증가가 샤프트 캐비티(50)의 수용 체적의 감소로 이어진다는 것 또한 명백하다.
리벳 푸트 폭(BS)에 대하여 주어진 더 큰 범위의 바람직한 하한은 리벳 푸트(40)가 구성 요소들의 파일(pile) 내의 커버 층 또는 제1 구성 요소의 커버 층을 관통한 후에만 펼쳐지는 것을 보장한다. 이로 인하여, 구성 요소들의 연결부를 지지하는, 펀치 리벳 접합부에서의 더 큰 언더컷 형성이 보장된다.
푸트 폭(BS)이 증가함에 따라 리벳 푸트(40)의 강성도는 증가한다. 따라서, 푸트 폭(BS)이 증가함에 따라 리벳 푸트(40)의 변형 또는 리벳 푸트(40)의 펼쳐짐이 제한되거나 어렵게 된다. 이와 관련하여, 여전히 충분한 푸트 변형 그리고 샤프트 캐비티(50) 내에 펀치 슬러그를 위한 충분히 큰 수용 부피를 제공하기 위해 푸트 폭(BS)을 상기 주어진 상한을 넘어 연장시키지 않는 것이 유리한 것으로 인식되었다.
이에 기초하여, 바람직한 입구 반경(RS)은 특히 RS≤20BS에 따라 푸트 폭(BS)의 배수로 한정된다. 더 바람직하게는, 입구 반경(RS)은 0.3 ㎜≤RS≤ 6 ㎜, 특히 1 ㎜≤RS≤4 ㎜의 크기를 갖는다. 입구 반경(RS)의 바람직한 변형이 도 2에 개략적으로 보여지고 있다.
바람직한 반경 범위 내의 볼록한 입구 부분(52)은 접합 공정 동안 리벳 푸트(40)의 유동 확장을 가능하게 한다. 리벳 푸트(40)의 유동 확장은 바람직하게는 또한 샤프트 캐비티(50) 내로의 펀치 슬러그의 유동 상승에 관련(connected)된다. 커버 층이 구성 요소들의 파일 내의 그리고 그 안에 제공된 펀치 리벳 접합부 내의 제2 층 또는 중간 층으로서 프레스-경강(press-hard steel)과 결합되기 때문에 (도 8 및 도 9 참조), 이는 연성 재료, 예를 들어 알루미늄의 경우에 특히 유리하다.
입구 반경(RS)의 주어진 범위의 바람직한 상한을 초과할 때, 입구 부분(52)은 너무 작은 곡률을 포함한다. 이에 입구 부분(52)은 거의 선형 경로를 가지며 따라서 유동 확장의 효과가 상실된다.
0.3 ㎜ 미만의 하한에 따른 입구 반경(RS)을 작게 선택하면, 날카로운 에지의 입구 부분은 유동 확장 및 유입을 방지한다 (위의 설명 참조). 따라서, 본 발명에 따르면 1 ㎜≤RS≤4 ㎜ 범위 내의 입구 반경(RS)을 제공하는 것이 더욱 바람직하다.
볼록한 입구 부분(52)은 선형적으로 연장되는 연속 부분(54)으로 접선방향으로 천이된다. 연속 부분(54)은, 바람직하게는 입구 부분(52) 바로 뒤를 따르는 원뿔대의 측표면과 유사하게 형성된다.
선형으로 연장되는 연속 부분(54)은 바람직하게는 리벳 샤프트(30)의 원통형 측표면(32)에 대하여 예각(α)(도 1 참조)으로 배치되어 있다. 본 발명의 상이한 바람직한 실시예에 따르면, 연속 부분(54)은 5°≤α≤30°, 바람직하게는 5°≤α≤20° 범위 내의 각도(α)로 배열된다.
연속 부분(54)의 예각(α)은 리벳 푸트(40)의 강성 및 접합 연결부에서의 이와 관련된 언더컷의 형성에 영향을 미친다. 이와 관련하여, 각도 α> 30°는 리벳 푸트(40)의 충분한 펼쳐짐을 방지한다. 또한, 이 큰 각도로 인하여, 펀치 슬러그 수용을 위한 샤프트 캐비티(50)는 과도하게 감소될 것이다.
각도(α)의 변화의 영향이 도 3에 개략적으로 보여지고 있다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 샤프트 캐비티(50)는 깊이(tB)를 갖고 있다. 깊이(tB)는 리벳 헤드(10)에 가장 가까운 돔 부분(56)의 지점과 리벳 푸트 전방 표면(42) 사이의 거리로 한정된다.
바람직하게는, 깊이(tB)는 1/3 Da≤tB≤2/3 Da의 범위 내에 있다. 깊이(tB)는 샤프트 캐비티(50) 내에서의 펀치 슬러그를 위한 수용 체적의 크기를 한정한다. 따라서, 바람직한 실시예에 따르면, 깊이(tB)는 가능한 크게 선택된다. 이와 관련하여, 샤프트 캐비티(50)의 깊이(tB)가 증가함에 따라, 반중공형 펀치 리벳(1)의 강성 또한 푸트 부분(40)에서 감소된다는 것이 주목되어야 한다.
위에 주어진 바람직한 범위는 적어도, 1.2 ㎜까지의 시트 두께가 펀치 슬러그로서 샤프트 캐비티(50) 내에 수용될 수 있도록 선택된다.
도 7에는 관통 개구(60)를 갖는 반중공형 펀치 리벳(1)의 바람직한 실시예가 보여지고 있다. 관통 개구(60)는 샤프트 캐비티(50)를 리벳 헤드(10)의 상부 측에 연결한다. 따라서, 바람직하게는 관통 개구(60)가 부가적으로 펀치 슬러그의 재료의 수용 및 상승을 가능하게 하는 중공형 리벳이 제공된다.
도 10은 위에서 설명된 반중공형 펀치 리벳(1)에 의한 적어도 2개의 구성 요소의 연결 방법의 플로우 차트를 보여주고 있다. 제1 단계(S1)에서, 적어도 2개의 구성 요소(B1, B2)는 다이 또는 앤빌 상에서 파일형 배열로 서로의 위에 배치된다. 다음의 제2 단계(S2)에서, 구성 요소들의 파일 내로의 반중공형 펀치 리벳(1)의 세팅(setting)이 수행되어 구성 요소(B1, B2)들을 서로 연결시킨다.
이에 상응하여, 위에서 설명된 반중공형 펀치 리벳(1)에 의하여 파일형 배열로 서로 연결된 적어도 2개의 구성 요소(B1, B2, B3)의 펀치 리벳 접합부가 제공된다. 생성된 펀치 리벳 접합부의 예시적인 예가 도 8 및 도 9 각각에 보여지고 있다. 도 8에서, 반중공형 펀치 리벳(1)은 2개의 구성 요소(B1 및 B2)를 연결하고 있다. 도 9에서, 구성 요소의 파일의 3개의 구성 요소(B1, B2, B3)는 반중공형 펀치 리벳(1)을 통해 서로 연결되어 있다. 양 펀치 리벳 접합부에서, 밖으로 펀칭된 재료의 일부가 샤프트 캐비티(50) 내에 적어도 부분적으로 수용되는 반면에, 바람직하게는 폐쇄 헤드는 리벳 헤드(10)와 대향하여 형성된다.
1: 반중공형 펀치 리벳
10: 리벳 헤드
30: 리벳 샤프트
32: 원통형 측표면
40: 리벳 푸트
42: 리벳 푸트 전방 표면
50: 샤프트 캐비티
52: 캐비티 입구 부분
54: 연속 부분
56: 돔 부분
L: 전체 길이
LA: 길이 방향 축
B1, B2, B3: 구성 요소

Claims (9)

  1. 서로의 위에 파일(pile)형으로 배치된 적어도 2개의 구성 요소들 사이에 접합부를 구축할 수 있는 반중공형 펀치 리벳(1)으로서,
    a. 원통형 측표면(32)을 포함하는 리벳 샤프트(30)가 연장되는 리벳 헤드(10);
    b. 상기 리벳 샤프트(30)의 길이 방향 축(LA)에 수직으로 배치된 리벳 푸트 전방 표면(42)을 가지며 상기 리벳 헤드(10)에서 먼 쪽을 향하는 상기 리벳 샤프트(30)의 단부에 제공된 블런트 리벳 푸트(40); 및
    c. 상기 리벳 샤프트(30)의 축방향 횡단면에서 벨 형상이며 상기 헤드에서 먼 쪽을 향하는 상기 단부에서 시작하여 상기 리벳 샤프트(50) 내로 연장되는 샤프트 캐비티(50)를 포함하며,
    상기 벨 형상의 샤프트 캐비티(50)는
    i. 상기 리벳 푸트 전방 표면(42)의 반경 방향 내측에서 시작하며 입구 반경(Rs)을 갖는 원호 형상으로 상기 리벳 헤드(10)의 방향으로 연장되는 볼록한 입구 부분(52),
    ⅱ. 상기 입구 부분(52)이 접선방향으로 천이되며 상기 원통형 측표면(32)에 대하여 예각(α)으로 배치된 선형 연장 연속 부분(54), 및
    ⅲ. 최종 돔(dome) 부분(56)에 의하여 형성된 반중공형 펀치 리벳(1).
  2. 제1항에 있어서, Da≤5.6 ㎜, 바람직하게는 Da=5.5 ㎜의 샤프트 직경(Da)을 갖는 반중공형 펀치 리벳(1).
  3. 제2항에 있어서, 상기 리벳 푸트 전방 표면(42)은 1/30 Da≤BS≤1/3 Da, 바람직하게는 1/15 Da ≤BS≤1/6 Da 범위 내의 반경 방향 연장 푸트 폭(BS)을 갖는 반중공형 펀치 리벳(1).
  4. 제3항에 있어서, 상기 입구 반경(RS)은 상기 푸트 폭(BS)에 대하여 RS≤20BS, 바람직하게는 0.3 ㎜≤RS≤6 ㎜, 특히 1 ㎜≤RS≤4 ㎜의 크기를 갖는 반중공형 펀치 리벳(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연속 부분(54)은 상기 원통형 측표면(32)에 대하여 5°≤α≤30°, 바람직하게는 5˚≤α≤20˚ 범위 내의 예각(α)으로 배치된 반중공형 펀치 리벳(1).
  6. 제2항과 조합된 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 샤프트 직경(Da)에 대하여 1/3 Da≤tB≤2/3 Da 범위 내의, 상기 벨 형상의 샤프트 캐비티(50)의 깊이(tB)를 갖는 반중공형 펀치 리벳(1).
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 벨 형상의 샤프트 캐비티(50)는 중공형 리벳을 형성하도록 상기 리벳 샤프트(30)의 길이 방향으로 상기 리벳 헤드(10)로 연장된 중앙 관통 개구(60) 또는 막힌 구멍을 포함하는 반중공형 펀치 리벳(1).
  8. 서로의 위에 파일 형태로 배치되며 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 반중공형 펀치 리벳(1)에 의하여 서로 연결된 적어도 2개의 구성 요소의 펀치 리벳 접합부.
  9. 반중공형 펀치 리벳(1)에 의하여 적어도 2개의 구성 요소를 연결하는 방법에 있어서,
    a. 다이 또는 앤빌 상에서 상기 적어도 2개의 구성 요소를 파일형(pile-shaped) 배열로 서로 위에 배치하는 단계 (단계 S1); 및
    b. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 반중공형 펀치 리벳을 상기 적어도 2개의 구성 요소 내로 세팅(setting)하는 단계 (단계 S2)를 포함하는 방법.
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