JP5313491B2 - ２部材の結合方法、結合装置及び結合構造 - Google Patents

Description

本発明は、２部材を結合する方法、結合装置及び結合構造に関する。

２部材を、溶接技術を用いることなく結合する方法及び装置として、特許文献１が知られている。この方法及び装置は、２部材の一方に予め貫通穴を形成しておき、他方の部材の一部を第一のパンチ（ハーフシャー用パンチ）によってこの貫通穴内に押し出してハーフシャー部を形成し、このハーフシャー部を第二のパンチ（かしめ用パンチ）によって側方に押し広げることで貫通穴内面に密着させるという着眼に基づいている。
特開平７-１３２４２２号公報

しかしながら、この特許文献１による結合構造では、ハーフシャー部が貫通穴内面に単に密着するだけであり、両者の摩擦抵抗によって剥離強度が定まるため、特に貫通穴を形成する部材の板厚が薄い場合に、十分な剥離強度が得られないという問題があった。

本発明は、以上の問題意識に基づき、２部材の一方に予め貫通穴を設けるという構成は維持しながら、十分な剥離強度が得られる２部材の結合方法、結合装置及び結合構造を得ることを目的とする。

本発明は、２部材のうち、貫通穴のない部材（無貫通穴部材）を貫通穴のある部材（有貫通穴部材）の該貫通穴周囲に変形させるに際し、該貫通穴より外側の平面部分を截頭円錐状に変形させ、この截頭円錐状突起の貫通穴壁面に無貫通穴部材を変形させて密着させることで十分な剥離強度を得るという着眼に基づいてなされたものである。「截頭円錐」とは、頭部を切った円錐の意味である。

本発明は、貫通穴のある有貫通穴部材と、貫通穴のない無貫通穴部材とを結合する方法の態様では、無貫通穴部材を有貫通穴部材の貫通穴に向けて変形させ、該有貫通穴部材の貫通穴より外側の平面部を截頭円錐状突起に変形させるとともに、無貫通穴部材をこの截頭円錐状突起に沿わせかつ貫通穴から突出させて変形させるステップ；及び截頭円錐状突起の貫通穴から突出している無貫通穴部材を変形させ、該貫通穴の内壁面に無貫通穴部材を密着させるステップ；を有することを特徴としている。

有貫通穴部材に截頭円錐状突起を形成するステップでは、貫通穴の内壁面が部材平面に対して直交する方向から傾斜することになり、この傾斜部分に、無貫通穴部材が変形密着することによって、特に高い剥離強度が得られる。

貫通穴の内壁面に無貫通穴部材を密着させるステップでは、無貫通穴部材を貫通穴中心に対して環状に隆起させることが好ましい。

本発明はまた、貫通穴のある有貫通穴部材と、貫通穴のない無貫通穴部材とを結合するための結合装置の別の態様では、有貫通穴部材と無貫通穴部材とを挟着するダイスとかしめ基台；ダイスに形成した上記有貫通穴部材の貫通穴より外側の平面部に接触する環状接触部と、この環状接触部の内側に同心に位置する環状テーパ部；貫通穴より大径であって、無貫通穴部材に接触するかしめ基台からダイスの環状テーパ部に向けて突出し、有貫通穴部材の貫通穴より外側の平面部を環状テーパ部に沿う截頭円錐状に変形させるとともに、無貫通穴部材をこの截頭円錐状突起に沿わせかつ貫通穴から突出させて変形させる第一の基台側かしめパンチ；この第一の基台側かしめパンチより小径で、上記截頭円錐状突起の中心に向けてかしめ基台から突出する第二の基台側かしめパンチ；及びこの第二の基台側かしめパンチとの間に無貫通穴部材を挟着して変形させ、截頭円錐状突起の貫通穴から突出している無貫通穴部材を該貫通穴の内壁面に密着変形させるダイス側かしめパンチ；を備えたことを特徴としている。

第一、第二のかしめ基台側パンチは、別々に設けてもよいが、同心で相対移動可能に構成することが可能である。

ダイス側かしめパンチは、凸円錐状とすることで、無貫通穴部材を貫通穴外囲に沿わせて十分に塑性変形させることができる。

本発明は、貫通穴のある有貫通穴部材と、貫通穴のない無貫通穴部材とを結合した結合構造の態様においては、有貫通穴部材は、貫通穴部分において截頭円錐状突起として変形しており、無貫通穴部材はこの截頭円錐状突起に沿って変形していること；及び無貫通穴部材は、截頭円錐状突起の貫通穴から突出している部分が該貫通穴の内壁面に密着していること；を特徴としている。

無貫通穴部材の截頭円錐状突起の貫通穴から突出している部分は、該貫通穴中心に対して環状に隆起していることが好ましい。

本発明は、２部材のうち、貫通穴のない無貫通穴部材を貫通穴のある有貫通穴部材の該貫通穴周囲に変形させるに際し、該貫通穴より外側の平面部を截頭円錐状に変形させ、この截頭円錐状突起の貫通穴の内壁面に無貫通穴部材を変形させて密着させるので、２部材を十分な剥離強度で結合することができる。

図１は、本発明方法を実施するための装置構成の一実施形態を示している。本結合装置は、貫通穴のない無貫通穴部材（板材）Ａと、内径Ｄの貫通穴Ｈを有する有貫通穴部材（板材）Ｂとを結合するもので、相対接離移動可能なかしめ基台１０とダイス２０とを備えている。本結合装置の要素は、いずれも軸線（貫通穴Ｈ）を中心とする回転対称形状をなしている。

かしめ基台１０は、無貫通穴部材Ａを載置する載置平面１１を備え、この載置平面１１から該載置平面１１と直交する方向に進退（出没）する第一、第二の基台側かしめパンチ１２、１３を備えている。第一、第二の基台側かしめパンチ１２と１３は、互いに同心の筒状体と中実軸とからなっており、軸線方向に相対移動できる。第一の基台側かしめパンチ１２の外径ｄ１は貫通穴Ｈの内径Ｄより大きく（ｄ１＞Ｄ）、第二の基台側かしめパンチ１３の外径ｄ２は貫通穴Ｈの内径Ｄより小さい（ｄ２＜Ｄ）。

ダイス２０は、有貫通穴部材Ｂの貫通穴Ｈと同心の（同心に配置される）筒状をなしており、貫通穴Ｈより外側の平面部に同心に平面状に接触する環状接触部２１と、この環状接触部２１の内側に同心に位置する環状テーパ部２２とを備えている。ダイス２０（環状テーパ部２２）の内径ｄ３は、貫通穴Ｈの内径Ｄより大きい（ｄ３＞Ｄ）。ダイス２０の環状テーパ部２２の母線は、環状接触部２１に対して角度αをなしている。

ダイス２０の中心には、ダイス側かしめパンチ２３が位置している。このダイス側かしめパンチ２３は、ダイス２０と一体でも軸線方向に相対移動可能としてもよい。このダイス側かしめパンチ２３の先端部（有貫通穴部材Ｂに面する端部）は、凸円錐２３ａをなしている。このダイス側かしめパンチ２３の径ｄ４は、貫通穴内径Ｄより大きい（ｄ４＞Ｄ）。

無貫通穴部材Ａと有貫通穴部材Ｂは、以上の結合装置を用いて次のように結合される。かしめ基台１０の載置平面１１上に無貫通穴部材Ａを載置し、この無貫通穴部材Ａ上に、貫通穴Ｈを、第一、第二の基台側かしめパンチ１２、１３及びダイス２０と同心とした有貫通穴部材Ｂを重ねる。この状態でかしめ基台１０とダイス２０を接近させ、両者の間に無貫通穴部材Ａと有貫通穴部材Ｂを挟着する。

この挟着状態で、先端部を面一とした第一、第二の基台側かしめパンチ１２と１３をダイス２０側に突出させる。すると、無貫通穴部材Ａが有貫通穴部材Ｂの貫通穴Ｈ側に押圧されて変形し、有貫通穴部材Ｂの貫通穴Ｈの外側の平面部はダイス２０の環状テーパ部２２に沿って截頭円錐状に塑性変形する。同時に、無貫通穴部材Ａはこの截頭円錐状突起Ｐに沿って塑性変形し、その一部が貫通穴Ｈから外部に突出する（図２上）。以上が有貫通穴部材Ｂに截頭円錐状突起Ｐを形成するステップ（第一のステップ）である。第一の基台側かしめパンチ１２（及び第二の基台側かしめパンチ１３）とダイス２０は、無貫通穴部材Ａを有貫通穴部材Ｂの貫通穴Ｈ周囲とともに変形させる第一かしめパンチを構成する。

この第一のステップにより、有貫通穴部材Ｂの貫通穴Ｈの壁面（内壁面）Ｗは、無貫通穴部材Ａ（有貫通穴部材Ｂ）の部材平面（板厚平面）と直交する方向に対して傾斜する。この傾斜角度は、理想的な加工状態では、環状テーパ部２２の傾斜角度αと等しい。また、このときの貫通穴Ｈの最小内径Ｄ’（図２上）は、第二の基台側かしめパンチ１３の径ｄ２より大きい。

次に、かしめ基台１０とダイス２０による無貫通穴部材Ａと有貫通穴部材Ｂの挟着状態を維持し、第一の基台側かしめパンチ１２を突出させたまま、ダイス側かしめパンチ２３の先端凸円錐２３ａを無貫通穴部材Ａの貫通穴Ｈから突出している部分に当接させ、第一の基台側かしめパンチ１２に対して、第二の基台側かしめパンチ１３を上昇させる（第二のステップ）。すると、無貫通穴部材Ａの貫通穴Ｈから突出している部分が、第二の基台側かしめパンチ１３（ダイス側かしめパンチ２３）の軸部から外方に塑性変形し、貫通穴Ｈの壁面Ｗに密着する（図２下）。第二の基台側かしめパンチ１３は、第一かしめパンチ（第一の基台側かしめパンチ１２とダイス２０）により変形した無貫通穴部材を貫通穴内でさらに変形させる第二かしめパンチを構成し、ダイス側かしめパンチ２３は、第二かしめパンチ（第二の基台側かしめパンチ１３）との間で無貫通穴部材を挟着して無貫通穴部材を貫通穴壁面に密着変形させる第三かしめパンチを構成している。

本実施形態によれば、部材平面に対して傾斜した貫通穴Ｈの壁面Ｗに無貫通穴部材Ａの一部が密着変形するため、無貫通穴部材Ａと有貫通穴部材Ｂとが高い剥離強度で結合される。別言すると、截頭円錐状突起Ｐの中心貫通穴Ｈの最小径Ｄ’よりも外側に無貫通穴部材Ａの一部が盛り上がる。

また実施形態では、ダイス側かしめパンチ２３に先端凸円錐２３ａが形成されているため、貫通穴Ｈ内に突出している無貫通穴部材Ａには、該貫通穴Ｈを中心とする環状の隆起部Ｐ’が形成される。この環状隆起部Ｐ’は、剥離強度を高めるために効果がある。

このように無貫通穴部材Ａと有貫通穴部材Ｂとが結合された状態では、有貫通穴部材Ｂは、貫通穴Ｈ部分において截頭円錐状突起Ｐとして変形しており、かつ、無貫通穴部材Ａはこの截頭円錐状突起Ｐに沿って変形し貫通穴Ｈから突出した環状隆起部Ｐ’を有しており、該環状隆起部Ｐ’が該貫通穴Ｈの壁面Ｗに密着しているため、高い剥離強度を得ることができる。

ダイス側かしめパンチ２３の先端部は、必ずしも凸円錐２３ａとすることを要しない。すなわち、凸円錐２３ａは、より確実に無貫通穴部材Ａに環状隆起部Ｐ’を形成し剥離強度を高めるために有用であるが、ダイス側かしめパンチ２３の先端が平面でも無貫通穴部材Ａを貫通穴Ｈ（截頭円錐状突起Ｐ）の壁面Ｗに密着変形させることができる。

以上の説明から明らかなように、ダイス２０（環状テーパ部２２）の内径ｄ３と、有貫通穴部材Ｂの貫通穴Ｈの内径Ｄとの差は、截頭円錐状突起Ｐの径を決定し、環状テーパ部２２の角度αは、截頭円錐状突起Ｐの傾きを決定する。これらは、高い結合強度が得られるように定める。角度αが小さすぎると（例えば５゜未満であると）、十分な剥離強度が得にくく、大きすぎると（例えば４５゜を超えると）、変形が困難になり、あるいは２部材の結合部分の部材が厚くなりすぎる。

以上の実施形態では、第一、第二の基台側かしめパンチ１２と１３を、軸線方向に相対移動可能な同心の筒状体と中実軸とで構成しており、第一、第二のステップを連続して行うことができるという利点がある。しかし、第一、第二のかしめパンチを別部材とし、第一、第二のステップを別々に行うことも可能である。この態様では、第一のかしめパンチは中実軸とするのがよい。また、第一、第二のかしめパンチの先端部周縁には、適宜面取り部またはテーパ部を設けることができる。

本発明による２部材の結合装置の一実施形態を示す縦断面図である。 図１の結合装置による結合ステップを示す縦断面図である。

Ａ 無貫通穴部材
Ｂ 有貫通穴部材
Ｈ 貫通穴
Ｗ 貫通穴壁面（内壁面）
Ｄ 貫通穴内径
Ｐ 截頭円錐状突起
Ｐ’ 環状隆起部
１０ かしめ基台
１１ 載置平面
１２ 第一の基台側かしめパンチ
１３ 第二の基台側かしめパンチ
２０ ダイス
２１ 環状接触部
２２ 環状テーパ部
２３ ダイス側かしめパンチ
２３ａ 凸円錐

Claims (8)

1. 貫通穴のある有貫通穴部材と、貫通穴のない無貫通穴部材とを結合する方法であって、
   上記無貫通穴部材を有貫通穴部材の貫通穴に向けて変形させ、該有貫通穴部材の貫通穴より外側の平面部を截頭円錐状突起に変形させるとともに、無貫通穴部材をこの截頭円錐状突起に沿わせかつ上記貫通穴から突出させて変形させるステップ；及び
   截頭円錐状突起の貫通穴から突出している無貫通穴部材を変形させ、該貫通穴の内壁面に無貫通穴部材を密着させるステップ；
   を有することを特徴とする２部材の結合方法。
2. 請求項１記載の２部材の結合方法において、上記有貫通穴部材に截頭円錐状突起を形成するステップでは、貫通穴の内壁面が部材平面に対して直交する方向から傾斜する２部材の結合方法。
3. 請求項１または２記載の２部材の結合方法において、上記貫通穴の内壁面に無貫通穴部材を密着させるステップでは、無貫通穴部材を貫通穴中心に対して環状に隆起させる２部材の結合方法。
4. 貫通穴のある有貫通穴部材と、貫通穴のない無貫通穴部材とを結合するための結合装置であって、
   上記有貫通穴部材と無貫通穴部材とを挟着するダイスとかしめ基台；
   上記ダイスに形成した上記有貫通穴部材の貫通穴より外側の平面部に接触する環状接触部と、この環状接触部の内側に同心に位置する環状テーパ部；
   上記貫通穴より大径であって、上記無貫通穴部材に接触するかしめ基台からダイスの環状テーパ部に向けて突出し、有貫通穴部材の貫通穴より外側の平面部を環状テーパ部に沿う截頭円錐状に変形させるとともに、無貫通穴部材をこの截頭円錐状突起に沿わせかつ上記貫通穴から突出させて変形させる第一の基台側かしめパンチ；
   この第一の基台側かしめパンチより小径で、上記截頭円錐状突起の中心に向けてかしめ基台から突出する第二の基台側かしめパンチ；及び
   この第二の基台側かしめパンチとの間に無貫通穴部材を挟着して変形させ、截頭円錐状突起の貫通穴から突出している無貫通穴部材を該貫通穴の内壁面に密着変形させるダイス側かしめパンチ；
   を備えたことを特徴とする２部材の結合装置。
5. 請求項４記載の２部材の結合装置において、第一、第二のかしめ基台側パンチは、同心で相対移動可能である２部材の結合装置。
6. 請求項４または５記載の２部材の結合装置において、ダイス側かしめパンチは、凸円錐状である２部材の結合装置。
7. 貫通穴のある有貫通穴部材と、貫通穴のない無貫通穴部材とを結合した結合構造であって、
   上記有貫通穴部材は、貫通穴部分において截頭円錐状突起として変形しており、無貫通穴部材はこの截頭円錐状突起に沿って変形していること；及び
   上記無貫通穴部材は、截頭円錐状突起の貫通穴から突出している部分が該貫通穴の内壁面に密着していること；
   を特徴とする２部材の結合構造。
8. 請求項７記載の２部材の結合構造において、上記無貫通穴部材の截頭円錐状突起の貫通穴から突出している部分は、該貫通穴中心に対して環状に隆起している２部材の結合構造。

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