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JP2013059770A - 部材の接続方法 - Google Patents

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JP2013059770A
JP2013059770A JP2011198217A JP2011198217A JP2013059770A JP 2013059770 A JP2013059770 A JP 2013059770A JP 2011198217 A JP2011198217 A JP 2011198217A JP 2011198217 A JP2011198217 A JP 2011198217A JP 2013059770 A JP2013059770 A JP 2013059770A
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JP
Japan
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resin
rivet
self
members
matrix resin
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2011198217A
Other languages
English (en)
Inventor
Yuji Urayama
裕司 浦山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
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    • F16B19/04—Rivets; Spigots or the like fastened by riveting
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    • F16B19/086—Self-piercing rivets
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Abstract

【課題】２以上の部材を接続する接続方法であってそのうちの少なくとも一方は樹脂部材からなる接続方法に関し、この接続方法にセルフピアスリベットによる接合方法を適用した場合でも、マトリックス樹脂が割れることがなく、リベットを介して強固に２以上の部材を接続することのできる部材の接続方法を提供する。
【解決手段】２以上の部材の重ね合わせ箇所を形成する少なくとも最下層に熱可塑性樹脂からなる樹脂部材６を配し、環状の凹溝３ｂをその頂面３ａに備えたリベットダイス３上に重ね合わせ箇所を載置し、樹脂部材６を熱処理してマトリックス樹脂を軟化させた状態で胴部５ａの先端を凹溝３ｂに位置合わせしながら重ね合わせ箇所の最上層の部材７の上方からセルフピアスリベット５を打ち込み、この打ち込み過程で胴部５ａの先端が環状の凹溝３ｂ内で塑性変形しながら広がり、マトリックス樹脂の硬化によって重ね合わせ箇所の接続をおこなう。
【選択図】図４

Description

本発明は、２以上の部材の重ね合わせ箇所を接続する部材の接続方法に係り、特に、重ね合わせ箇所を形成する少なくとも最下層に熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とする樹脂部材が配され、重ね合わせ箇所の最上層の部材の上方からセルフピアスリベットを打ち込んで部材同士を接続する方法に関するものである。
樹脂に強化用繊維材が混入されてなる繊維強化樹脂部材（繊維強化プラスチック、ＦＲＰ）は、軽量かつ高強度であることから、自動車産業、建設産業、航空産業など、様々な産業分野で使用されている。
そして、繊維強化樹脂部材同士の接合方法に関しては、接着剤を介して接合する方法やボルトによる接合方法、さらにはそれらを組み合わせた接合方法などが一般に用いられている。
ところで、部材同士の接合に関し、被接合部材がアルミ板や鋼板等からなる場合に、スポット溶接や摩擦攪拌接合、メカニカルクリンチ、ろう付け、ネジ留めといった様々な接合方法がある中で、セルフピアスリベットによる接合方法が適用されることがある。
このセルフピアスリベットによる接合方法は、リベットダイスの頂面にたとえば２枚の金属板を積層姿勢で載置し、端面とこの端面から突出する筒状の胴部（ピアス）とからなるセルフピアスリベットを金属板の上方で位置決めし、パンチでこの胴部を金属板に打ち込むことで胴部を上板に貫通させ、この過程で胴部の先端を外側に塑性変形させながら広げ、さらに胴部を打ち込むことでその先端が下板内でさらに広げられ、この胴部の打ち込み過程で上下の金属板も塑性変形させて双方を胴部を介してインターロック接続するものである。
セルフピアスリベットによる接合方法によれば、たとえば金属上板に対して事前に穴あけをおこなう必要がなく、さらに３枚、４枚といった金属板同士の接合も可能であることから、効率的に２以上の金属部材同士を高強度で接合することができる。
たとえば特許文献１においては、２つのマグネシウム板同士をセルフピアスリベットで接続するに当たり、接合部を２８０℃以上に加熱してリベットを打ち込むことによって接合部の延性を高めることのできるリベット接合方法が開示されている。
ところで、上記するように様々なメリットを奏するセルフピアスリベットによる接合方法を被接続部材の少なくとも一つが上記する樹脂部材（繊維強化樹脂部材を含む）である２以上の部材の接合に適用せんとする試みもおこなわれており、さらには公開技術である特許文献２にもその内容が開示されている。ここで開示される接合方法は、接合される２つの繊維強化樹脂部材間に接着剤を塗工し、この接着剤が未硬化の状態でセルフピアスリベットを打ち込んで、リベットを上方の繊維強化樹脂部材を貫通させて下方の繊維強化樹脂部材内にその先端を留まらせるものである。
しかし、このように被接続部材の少なくとも一方が繊維強化樹脂部材である部材同士の接続にセルフピアスリベットによる接合方法を適用すると、リベットの先端の突き刺さりによってマトリックス樹脂が割れたり、繊維強化樹脂部材中の繊維材が切れたりしてしまい、リベットと繊維強化樹脂部材が金属板のように十分に固定され難い。このことから、特許文献２に開示される接続方法では、繊維強化樹脂部材同士の接続箇所が接着剤のみで接合されるのと実質的に同じとなり、セルフピアスリベット接合の奏する強固なインターロック接続構造を形成できないことから、せん断や曲げといった外力に弱い接続構造となってしまう。
また、特許文献１で開示される２つの金属部材の接合部を加熱処理する方法を少なくとも樹脂部材を含む２以上の部材の接合部に適用した場合であっても、単に接合部を加熱処理するのみでは、セルフピアスリベットが十分に塑性変形して広がることを保証し得ず、少なくとも樹脂部材を含む２以上の部材同士を強固に接続できるか否かは不明である。
特開２０１０−１８８３８３号公報 特開２００７−２２９９８０号公報
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、２以上の部材を接続する接続方法であってそのうちの少なくとも一方は樹脂部材からなる接続方法に関し、この接続方法にセルフピアスリベットによる接続方法を適用した場合でも、マトリックス樹脂が割れることがなく、セルフピアスリベットを介して強固に２以上の部材を接続することのできる部材の接続方法を提供することを目的とする。
前記目的を達成すべく、本発明による部材の接続方法は、２以上の部材の重ね合わせ箇所を筒状の胴部を有するセルフピアスリベットで接続する部材の接続方法であって、前記重ね合わせ箇所を形成する少なくとも最下層に熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とする樹脂部材を配し、環状の凹溝と該凹溝の中にある凸部をその頂面に備えたリベットダイスの該頂面に該重ね合わせ箇所を載置し、前記樹脂部材を熱処理してマトリックス樹脂を軟化させた状態で、セルフピアスリベットの前記胴部の先端をリベットダイスの前記環状の凹溝に位置合わせしながら重ね合わせ箇所の最上層の部材の上方からセルフピアスリベットを打ち込んで前記樹脂部材の内部まで到達させ、この到達の過程で、セルフピアスリベットの胴部の先端が前記環状の凹溝内で塑性変形しながら広がり、マトリックス樹脂の硬化によって重ね合わせ箇所の接続をおこなうものである。
本発明の部材の接続方法は、２以上の部材を筒状の胴部（ピアス）を有するセルフピアスリベットを用いて接続するに当たり、少なくとも胴部の先端が留まる最下層の部材に熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とする樹脂部材を配し、この最下層の樹脂部材を熱処理してマトリックス樹脂を軟化させた状態でセルフピアスリベットを打ち込んで接続するものであり、セルフピアスリベットの打ち込みに当たり、環状の凹溝と凹溝の中にある凸部をその頂面に備えたリベットダイスの該頂面に該重ね合わせ箇所を載置し、胴部の先端をリベットダイスの環状の凹溝に位置合わせしながらセルフピアスリベットを打ち込むことによって、胴部の先端が凹溝に案内されながら効果的に塑性変形することができ、もって接続強度の高い接続構造を形成することができるものである。
セルフピアスリベットが最上層の部材の上方から打ち込まれて最下層の部材以外の部材を貫通し、この過程で胴部の先端が塑性変形して側方へ広がり、最下層の部材内部にこの先端が留まろうとする際に、この最下層の部材が軟化していることで、リベット打ち込みの際に最下層の樹脂部材が割れるといった課題は効果的に解消される。そして、この樹脂部材の割れの解消に加えて、軟化した樹脂部材が硬化することによってセルフピアスリベットと樹脂部材間のシール性も良好となる。
ここで、「少なくとも最下層に熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とする樹脂部材を配し」とは、複数部材のうちの最下層の部材のみが熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とする樹脂部材であることのほかに、２つの部材を接続する場合にその双方の部材がともに熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とする樹脂部材からなる形態や、３つの部材を接続する場合に全ての部材が熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とする樹脂部材からなる形態、３つの部材のうちの最上層および最下層もしくは中間層および最下層の２つの部材が熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とする樹脂部材からなり、残りの部材が熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂とする樹脂部材やアルミニウムやその合金、高張力鋼板などの金属板からなる形態など、接合部材の組み合わせのバリエーションは多様に存在する。
少なくとも最下層の樹脂部材を形成する熱可塑性樹脂としては、ポリアミド（PA）やポリプロピレン（PP）などの結晶性プラスチック、ポリスチレン（PS）やポリ塩化ビニル（PVC）などの非結晶性プラスチックなどを挙げることができる。
さらに、マトリックス樹脂内に繊維材が含有されていてもよく、炭素繊維や、ガラス繊維等の無機繊維、金属繊維、ポリアミド等の有機繊維のいずれか一種もしくは２種以上の混合材を使用することができる。
ここで、「軟化させた状態で」とは、熱可塑性樹脂からなる樹脂部材を軟化点以上の温度であって、かつ融点未満の温度条件で熱処理することにより、樹脂部材が硬質な固体状態ではなく、セルフピアスリベットを挿入し易い程度に軟らかくなっており、しかも液体状態にまでは至っていない硬さ状態を意味している。たとえば熱可塑性樹脂にナイロン６（PA6）を使用した際に、その軟化点は180℃、融点が220℃であることから、180℃〜220
℃の範囲で熱処理して樹脂部材を軟化させることになる。また、熱可塑性樹脂にポリプロピレン（PP）を使用した際に、その軟化点は140℃、融点が165℃であることから、140℃〜165℃の範囲で熱処理して樹脂部材を軟化させることになる。
また、たとえば胴部の先端の内側をテーパー状の先鋭形状に加工しておくことで、非軟化状態で剛性の高い上層の部材を胴部が貫通する過程で胴部の内側にある高剛性の上層部材によってその先端が塑性変形して外側に広がり易くなり、さらにリベットダイスの環状の凹溝に案内されるようにして軟化した最下層の部材内で胴部の先端が塑性変形し、好ましくは胴部の先端がカールして（上方に巻き上がる）最下層の部材内で定着される。
樹脂部材が硬化することによって２以上の部材がセルフピアスリベット接続され、最下層の樹脂部材内で外側に広げられたリベットと各部材との間の摩擦力によって２以上の部材を強固にインターロック接続することができる。
本発明の接続方法を適用することで、セルフピアスリベットの打ち込みに際して最下層の部材のマトリックス樹脂が軟化しているために、最下層の部材がマトリックス樹脂内に繊維材を包含する繊維強化樹脂部材の場合であっても、セルフピアスリベットの打ち込みによって最下層の部材のマトリックス樹脂を割ることなく、さらには繊維材を切断することなくリベット先端を最下層の部材内に配設することができる。
なお、最下層の樹脂部材を軟化させる方法は、ヒータ(ファン、遠赤外線、電熱線など)による熱処理のほか、超音波溶着や振動溶着などの接触加熱処理などを挙げることができる。
さらに、ヒータ内蔵のリベットダイス上に重ね合わせ箇所を載置し、このヒータによる熱処理によってマトリックス樹脂を軟化させてもよい。
また、本発明の部材の接続方法の他の実施の形態は、前記重ね合わせ箇所を形成する少なくとも最下層に熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とする樹脂部材を配し、前記樹脂部材を熱処理してマトリックス樹脂を軟化させた状態で、環状の凹溝と該凹溝の中にある凸部をその頂面に備えたリベットダイスの該頂面に該重ね合わせ箇所を載置し、セルフピアスリベットの前記胴部の先端をリベットダイスの前記環状の凹溝に位置合わせしながら重ね合わせ箇所の最上層の部材の上方からセルフピアスリベットを打ち込んで前記樹脂部材の内部まで到達させ、この到達の過程で、セルフピアスリベットの胴部の先端が前記環状の凹溝内で塑性変形しながら広がり、マトリックス樹脂の硬化によって重ね合わせ箇所の接続をおこなうものである。
この実施の形態の接続方法は、リベットダイスに２以上の部材の重ね合わせ箇所を載置するに当たり、最下層の樹脂部材を熱処理して軟化させた後に重ね合わせ箇所をリベットダイスの頂面に載置する方法である。この方法によっても、リベットダイスの環状の凹溝に案内されるようにして軟化した最下層の部材内で胴部の先端を良好に塑性変形させることができ、２以上の部材を強固にインターロック接続することができる。また、軟化した樹脂部材内にセルフピアスリベットが入り込むことから、樹脂部材の割れが抑制され、軟化した樹脂部材が硬化することによってセルフピアスリベットと樹脂部材間のシール性も良好となる。
以上の説明から理解できるように、本発明の部材の接続方法によれば、接続される２以上の部材の重ね合わせ箇所を形成する少なくとも最下層に熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とする樹脂部材を配し、環状の凹溝と該凹溝の中にある凸部をその頂面に備えたリベットダイスの該頂面に該重ね合わせ箇所を載置し、これを熱処理してマトリックス樹脂を軟化させた状態で最上層の部材の上方からセルフピアスリベットを打ち込んでこの軟化した樹脂部材の内部まで到達させ、マトリックス樹脂の硬化によって重ね合わせ箇所の接続をおこなうことにより、胴部の先端を環状の凹溝内で良好に塑性変形させながら広げることができ、好ましくはカールさせることによって、セルフピアスリベット打ち込みの際に樹脂部材を割ることなく、しかも高い接続強度で部材同士を接続することができる。
（ａ）はセルフピアスリベット接続に供されるシリンダ機構とリベットダイスの縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ矢視図である。 ２つの部材の重ね合わせ箇所がリベットダイスの載置台上に載置されている状態を説明した図である。 リベットダイス内のヒータにて下方の樹脂部材が軟化され、セルフピアスリベットが打ち込まれている状態を説明した図である。 セルフピアスリベットが完全に打ち込まれ、下方の樹脂部材が硬化して２つの部材が接続された状態を説明した図である。
以下、図面を参照して本発明の部材の接続方法の実施の形態を説明する。なお、図示例は２つの部材を接続する方法を示したものであるが、図示する方法を用いて３以上の部材を接続してもよいことは勿論のことである。
（部材の接続方法）
図１〜４はその順に、本発明の部材の接続方法を説明するフロー図となっている。具体的には、図１はセルフピアスリベット接続に供されるシリンダ機構とリベットダイスの縦断面図であり、図２は２つの部材がリベットダイスの載置台上に載置されている状態を説明した図であり、図３はリベットダイス内のヒータにて下方の樹脂部材が溶融され、セルフピアスリベットが打ち込まれている状態を説明した図であり、図４はセルフピアスリベットが完全に打ち込まれ、下方の樹脂部材が硬化して２つの部材が接続された状態を説明した図である。
以下、本発明の部材の接続方法を適用して上下２つの繊維強化樹脂部材同士を接続する方法を説明する。
図１ａで示すように、２つの繊維強化樹脂部材の一部を重ね合わせた重ね合わせ箇所が載置されるリベットダイス３と、その上方に位置してシリンダ１内をパンチ２が摺動自在なシリンダ機構とからなる製造システムを用意する。
リベットダイス３は、図１ｂで示すようにその平面視が円形であり、繊維強化樹脂材が載置される頂面３ａには環状の凹溝３ｂが形成されている。
さらに、リベットダイス３内にはヒータ４が内蔵されている。
シリンダ１内では、その内部で摺動するパンチ２の下面にリベット５が吸着等で仮固定されるようになっている。
使用されるセルフピアスリベット５は、その平面視が円形の端面５ｂと、この端面５ｂから突出する筒状の胴部５ａとからなる縦断面視が門形を呈したものであり、その素材はアルミニウムやその合金、鋼などから形成される。
図２で示すように、用意された製造システムを構成するリベットダイス３の頂面３ａ上に、繊維強化樹脂部材からなる上方の樹脂部材７と下方の樹脂部材６の重ね合わせ箇所を位置決めし、上方の樹脂部材７上にシリンダ１をセットする。
ここで、上方部材７、下方部材６を形成する繊維強化樹脂部材のうち、少なくとも下方部材６のマトリックス樹脂は熱可塑性樹脂からなり、このマトリックス樹脂の内部に適宜の繊維材が混入されている。
樹脂部材６，７のマトリックス樹脂として使用される熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン（PE）やポリプロピレン（PP）、ポリアミド（PA：ナイロン6、ナイロン66など）、ポリアセタール（POM）、ポリエチレンテレフタレート（PET）などの結晶性プラスチック、ポリスチレン（PS）、ポリ塩化ビニル（PVC）、ポリメタクリル酸メチル（PMMA）、ABS樹脂、熱可塑性エポキシなどの非結晶性プラスチックなどのうちのいずれか一種もしくはそれらの２種以上を混合した材料を適用することができる。
また、マトリックス樹脂内に含有されている繊維材（短繊維、長繊維、連続繊維）としては、ボロンやアルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニアなどのセラミック繊維や、ガラス繊維や炭素繊維といった無機繊維、銅や鋼、アルミニウム、ステンレス等の金属繊維、ポリアミドやポリエステルなどの有機繊維のいずれか一種もしくは２種以上の混合材を適用することができる。
なお、下方部材６は熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂としながら繊維材が混入されていない樹脂部材であってもよい。
また、上方部材７は、熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂として繊維材が混入された繊維強化樹脂部材や繊維材が混入されていない樹脂部材、さらには、アルミニウムやその合金、高張力鋼板などの金属素材からなる部材であってもよい。
上方部材７と下方部材６の重ね合わせ箇所を頂面３ａ上に位置決めした状態で、リベットダイス３に内蔵されたヒータ４を稼動させ、リベットダイス３を介して下方部材６を加熱する。より具体的には、下方部材６のマトリックス樹脂として適用された熱可塑性樹脂の軟化点以上の温度であって、かつ融点未満の温度で下方部材６を熱処理し、このマトリックス樹脂を軟化させる。
なお、下方部材６のマトリックス樹脂が軟化した際に、上方部材７のマトリックス樹脂は軟化しておらず、したがって下方部材６に比して上方部材７は高剛性を有している。
図３で示すように、下方部材６のみが軟化している状態でシリンダ１内でパンチ２を摺動させ、パンチ２からセルフピアスリベット５を上方部材７側に押し込むことにより（押圧力Ｑ）、リベット５の胴部５ａが上方部材７に打ち込まれてこれを貫通し、さらに軟化状態の下方部材６に胴部５ａの先端が入り込むことになる。
そして、この胴部５ａは上方部材７を貫通する過程で内側から圧力ｑを受けて塑性変形しながら外側に開き、さらに軟化した下方部材６内に打ち込まれる過程でも内側から圧力ｑを受けて塑性変形しながら外側に開くことになる。
特に、胴部５ａの先端がリベットダイス３の頂面３ａにある環状の凹溝３ｂに位置合わせされた状態で打ち込まれることから、軟化した下方部材６の内部では、胴部５ａが環状の凹溝３ｂに案内されながら外側に効果的に塑性変形することができる。
そして、セルフピアスリベット５の端面５ｂが上方部材７の上面と面一となるまで打ち込まれ、次いで軟化状態の下方部材６を硬化させることにより、上方部材７と下方部材６の重ね合わせ箇所を接続することができる。
図４で示すように、リベット５の胴部５ａはリベットダイス３の凹溝３ｂ内にその一部が収容されるように外側に開き、上方部材７および下方部材６と胴部５ａの間の摩擦力によって双方の部材６，７を強固に接続することができる。
なお、接続方法の他の実施の形態として、下方部材の重ね合わせ箇所を熱処理して軟化させた後にこの重ね合わせ箇所をリベットダイス上に載置し、セルフピアスリベットの打ち込みをおこなう方法であってもよい。
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
１…シリンダ、２…パンチ、３…リベットダイス、３ａ…頂面、３ｂ…凹溝、４…ヒータ、５…セルフピアスリベット、５ａ…筒状の胴部、５ｂ…端面、６…下方部材（樹脂部材、繊維強化樹脂部材）、７…上方部材（樹脂部材、繊維強化樹脂部材）

Claims (5)

  1. ２以上の部材の重ね合わせ箇所を筒状の胴部を有するセルフピアスリベットで接続する部材の接続方法であって、
    前記重ね合わせ箇所を形成する少なくとも最下層に熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とする樹脂部材を配し、環状の凹溝と該凹溝の中にある凸部をその頂面に備えたリベットダイスの該頂面に該重ね合わせ箇所を載置し、
    前記樹脂部材を熱処理してマトリックス樹脂を軟化させた状態で、セルフピアスリベットの前記胴部の先端をリベットダイスの前記環状の凹溝に位置合わせしながら重ね合わせ箇所の最上層の部材の上方からセルフピアスリベットを打ち込んで前記樹脂部材の内部まで到達させ、この到達の過程で、セルフピアスリベットの胴部の先端が前記環状の凹溝内で塑性変形しながら広がり、マトリックス樹脂の硬化によって重ね合わせ箇所の接続をおこなう部材の接続方法。
  2. ２以上の部材の重ね合わせ箇所を筒状の胴部を有するセルフピアスリベットで接続する部材の接続方法であって、
    前記重ね合わせ箇所を形成する少なくとも最下層に熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とする樹脂部材を配し、前記樹脂部材を熱処理してマトリックス樹脂を軟化させた状態で、環状の凹溝と該凹溝の中にある凸部をその頂面に備えたリベットダイスの該頂面に該重ね合わせ箇所を載置し、
    セルフピアスリベットの前記胴部の先端をリベットダイスの前記環状の凹溝に位置合わせしながら重ね合わせ箇所の最上層の部材の上方からセルフピアスリベットを打ち込んで前記樹脂部材の内部まで到達させ、この到達の過程で、セルフピアスリベットの胴部の先端が前記環状の凹溝内で塑性変形しながら広がり、マトリックス樹脂の硬化によって重ね合わせ箇所の接続をおこなう部材の接続方法。
  3. 前記樹脂部材が前記マトリックス樹脂の内部に繊維材を含む繊維強化樹脂部材である請求項１または２に記載の部材の接続方法。
  4. 最下層の前記樹脂部材をヒータ内蔵のリベットダイス上に載置し、ヒータによる熱処理によってマトリックス樹脂を軟化させる請求項１〜３のいずれかに記載の部材の接続方法。
  5. 接続される部材のすべてが熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂としてその内部に繊維材を含む繊維強化樹脂部材である請求項１〜４のいずれかに記載の部材の接続方法。
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