JP6692915B2

JP6692915B2 - 自己穿孔型リベットダイ

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Publication number: JP6692915B2
Application number: JP2018545295A
Authority: JP
Inventors: ヘンケ，デニス; ユンクルヴィッツ，ダニエル; マークスコース，アンドレアス; メンネ，フランツ−フェルディナント
Original assignee: ボルホフ・フェルビンダンクシュテヒニーク・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテン・ハフツング
Priority date: 2016-03-04
Filing date: 2017-02-10
Publication date: 2020-05-13
Anticipated expiration: 2037-02-10
Also published as: EP3423211B1; CN109311074A; KR20180110072A; US20190084032A1; JP2019511365A; WO2017148684A1; EP3423211A1; DE102016103999A1; KR102096819B1; CN109311074B; US10632523B2

Description

１．発明の分野
本発明は、少なくとも第一及び第二部品に自己穿孔型リベットを装着するための自己穿孔型リベットダイ、この自己穿孔型リベットダイと組み合わせた装着装置、この自己穿孔型リベットダイによって少なくとも二つの部品間に形成された接合、及びこのような接合の形成方法に関する。

２．発明の背景
従来技術において、少なくとも第一部品と第二部品とを自己穿孔型リベットによって接合することが知られている。このために、少なくとも二つの部品に装着装置によって自己穿孔型リベットを打ち込むが、この装着装置では、この少なくとも二つの部品は、ポンチに対向配置されるダイに支承される。このダイは、その形状から、接合特性に影響を与える。

例えばDE 99 05 528 B4はアンビルダイを開示している。このアンビルダイは平坦な表面を特徴としており、接合する部品を支承するための対向支持面として機能する。このように形成されたダイは、接合部の自己穿孔型リベットとは反対側に、美しい表面を呈する。これは特に目に見える自己穿孔型リベット接合の場合に有利である。しかしながら、自己穿孔型リベットに押しのけられた部品材料が、ダイのキャビティ内に逃げることができないという欠点がある。そのため、通常の自己穿孔型リベット装着工程の場合よりも、自己穿孔型リベットが圧迫され、より強力に開くことになる。これが部品材料に、ひいては接合部全体に応力を与えることとなる。さらに平坦なアンビルダイは、自己穿孔型リベットをより強力に開かせ、その結果、部品材料内部の圧縮応力がより高くなる。またこの圧縮応力の付加により、形成された接合の寿命が短くなる場合もある。

DE 10 2009 039 936 A1では、自己穿孔型リベット接合を形成するためのダイが使用されており、このダイのキャビティは角ばっていて中央に凹所がある。特に自己穿孔型リベットダイがこのように角ばっている態様であるので、リベット工程中に材料が一貫性のない流れとなる。そのため、ダイキャビティ内での材料の分布にまとまりがなくなる。その結果、ダイキャビティはダイ側部品の材料で不均等に満たされ、形成されたクロージングヘッドは、開いたリベットシャフトを均等に包み込むことができない。EP 1 078 701 A1及びEP 2 606 993 B1では、信頼性の高い自己穿孔型リベット接合を形成するために、球面の一部をなす形状の凹所を有する自己穿孔型リベットダイを提案している。この自己穿孔型リベットダイは、シート厚１．５ｍｍ以下のアルミニウム等の延性の高い材料に特に適している。たとえ均等に形成された球面の一部を成す形状の凹所で、リベット装着工程中の材料の均等な流れをサポートしたとしても、自己穿孔型リベットは開かず、圧縮されるだけである。この工程により、形成された接合の寿命が短くなってしまう。

自動車の製造には、マグネシウム及びアルミニウム製の部品を使用することがより普及してきている。重量を低減することができるため、鉄材等と比べると、このような部品は、自動車の重量の軽量化及び燃費の削減に貢献することができる。しかしながら、このような材料からなる部品同士、例えば７０００系アルミニウムからなる部品同士を接合すると、その接合部は、欠点となるクラッキングの影響を受けることがよくある。そこでDE 11 2012 003 904 T5では、このような材料からなる自己穿孔型リベット接合に適した熱処理を提案している。この文献に記載されている熱処理は、クラッキングを低減させることはできるが、このような接合を行うための労力もかさむことになる。よって、本発明の目的は、７０００系アルミニウムやアルミニウム合金等の脆性材料で自己穿孔型リベット接合を形成しても、熱処理を追加で行う必要がない、適切に形成された自己穿孔型リベットダイを提案することにある。

DE 44 04 659 A1も自己穿孔型リベット接合形成のための別の精巧な方法を記載している。この文献における主要な目的は、二つの部品間に液密の自己穿孔型リベット接合を形成することにある。このようにして、自己穿孔型リベットの装着によるクラッキングを防止するのである。そのため、互いに接合される両部品は、自己穿孔型リベット接合の準備として、自己穿孔型リベットと相補的な形状に予備成形される。この目的は、自己穿孔型リベットダイ内に係合するポンチによって達成され、このダイのキャビティは、リベットシャフトのための環状凹部と、リベットシャフト内の空洞のための中央隆起部とによって形成される。このようにして、リベット工程中に半中空の自己穿孔型リベットが開くのを抑える。さらに、ポンチ側部品にかかるリベットシャフトからの圧力が低減されるので、リベット工程においてリベットシャフトはポンチに対向するシート層を打ち抜かない。このように、実際のリベット工程は、リベットシャフトの長さに合わせるダイの深さによって制限される。自己穿孔型リベットに合わせて充分な大きさとしたダイキャビティは、自己穿孔型リベットに対して適切な対向力を与えることができないので、自己穿孔型リベットが圧縮され、充分なアンダーカットが形成される。

WO 2014/009129 A1は、材料の流れのためにダイキャビティ内に環状の障壁を設けた自己穿孔型リベットダイを開示している。この環状障壁は、ダイ側部品の材料が、ダイキャビティの底に押し付けられるとすぐに半径方向外側に流れることを防止することを目的としている。このように、接合形成後に、自己穿孔型リベットの下方に十分な厚さの材料が確実に残るようにしなければならない。さらに、材料流障壁より内側に材料が滞留することにより、材料の強度が自己穿孔型リベットに対抗して、充分にリベットシャフトを開くことができるように担保しなければならない。材料の流れが、環状材料流障壁並びにほぼ垂直にそびえ立つダイの側壁によって妨げられると、ダイキャビティ内では材料がまとまりなく分配されるに過ぎず、よって、形成される自己穿孔型リベット接合の接合力が不均一となる。さらに、ダイキャビティ内の中央に凹所を設けても、自己穿孔型リベット接合中の材料の流れはわずかに改善されるに過ぎない。特にこの凹所を環状材料流障壁と組み合わせると、中央凹所及び環状材料流障壁の内側が、押しのけられたダイ側部品材料によって満たされるまで、ダイキャビティの半径方向外方に一種の遮断が生じる。その後になって初めてダイキャビティの残りの部分に材料が流れ込む。このようにダイキャビティ内にクロージングヘッドを徐々に形成するには、脆性材料の場合は特に、ダイキャビティが充分な大きさの充填容積であることが必要となる。しかしながらこの条件は満たされない場合が多く、自己穿孔型リベット接合が弱体化する原因となっている。

EP 1 294 504 B1には、過剰量の材料をダイキャビティから排出することができる自己穿孔型リベットダイが記載されている。これは例えば、部品材料の排出を可能にする開口をダイキャビティに設けることによって行うことができる。このように、押しのけられた部品材料を排出することにより、ダイキャビティに材料が滞留して、装着された自己穿孔型リベットが崩壊するのを防ぐ。しかしながら同時に、材料がダイキャビティに対して正確に調節されずに排出されるので、過剰な材料の充分な背圧によって、高い信頼性の開き、よって両部品間の永久的な接合を得ることもできない。

ドイツ特許第１９９０５５２８号公報ドイツ特許出願公開第１０２００９０３９９３６Ａ１号公報ヨーロッパ特許出願公開第１０７８７０１Ａ１号公報ヨーロッパ特許第２６０６９９３Ｂ１号公報ドイツ特許第１１２０１２００３９０４Ｔ５号公報ドイツ特許出願公開第４４０４６５９Ａ１号公報国際公開第２０１４／００９１２９Ａ１号公報ヨーロッパ特許第１２９４５０４Ｂ１号公報

よって本発明の目的は、従来技術の欠点を克服して、寿命が長く、信頼性の高い自己穿孔型リベット接合を行うことができる自己穿孔型リベットダイを提案することにある。さらに本発明の別の目的は、対応するパンチリベット接合、このようなパンチリベットダイを有する装着装置、並びにこのような接合を形成するための方法を提供することにある。

３．発明の概要
上記の目的は、独立請求項１に記載の自己穿孔型リベットダイ、独立請求項９に記載の装着装置、独立請求項１０に記載の接合部、並びに独立請求項１２に記載の自己穿孔型リベット装着方法によって解決される。本発明の好ましい実施態様及びさらなる発展形は、以下の説明、添付図面、及び特許請求の範囲から明らかとなる。

本発明による装着装置用の自己穿孔型リベットダイは、複数の部品を自己穿孔型リベット接合し、クロージングヘッドを形成することができる自己穿孔型リベットダイであって、上面とそこに設けられた凹部とを有する本体、好ましくは円筒状本体を備え、この凹部は、自己穿孔型リベットダイの中心軸に対して回転対称に配置され、上面における直径がＤ_Ｍであり、この凹部は、半径方向外側に配置された環状脱型部と、これに続く若しくは隣接する環状溝部と、中央に配置されたダイ底部とを有し、自己穿孔型リベットダイの中心軸に平行な断面において、脱型部の脱型傾斜部は、自己穿孔型リベットダイの上面に対して５°≦α≦４５°の範囲の角度αをなし、脱型傾斜部（１２）は、直線状若しくは半径Ｒ _ＥＳが７／１０Ｄ _Ｍ ≦Ｒ _ＥＳ ≦９／１０Ｄ _Ｍの範囲である凹状曲線状に形成され、脱型傾斜部は、段部を介して、環状溝部の円弧状陥没部へと半径方向内方に移行し、円弧状陥没部（２２）の半径Ｒ _Ｓは８．２／１０００Ｄ _Ｍ ≦Ｒ _Ｓ ≦８．２／１００Ｄ _Ｍの範囲であり、半径方向内方に向かって、円弧状陥没部はダイ底部へと直線的若しくは円弧状に隆起している。

自己穿孔型リベットダイの上記形状は、リベット接合に適したクロージングヘッドを形成するために、リベット工程中にダイ側部品の材料流に好影響を与える。そのため、自己穿孔型リベットダイの所定の形状により、自己穿孔型リベットが所定の態様で開くと共に、リベット脚部内部の機械的張力が低減する。これは特に、リベット脚部領域の負荷軽減のために材料受入空間を提供する環状溝部によって達成される。さらに、環状溝部から環状脱型部への滑らかな移行により、均一な材料流が担保され、よって信頼性の高いクロージングヘッドの形成が支援される。

本発明の自己穿孔型リベットダイの好ましい第一実施態様によれば、脱型傾斜部は直線状に形成される。別の好ましい実施態様によれば、脱型傾斜部は半径Ｒ_ＥＳが７／１０Ｄ_Ｍ≦Ｒ_ＥＳ≦９／１０Ｄ_Ｍの範囲である凹状の円弧形状である。環状脱型部からそれに続く若しくは隣接する環状溝部への移行が、前述の通り滑らかでバリアフリーであるため、自己穿孔型リベットダイの凹部へと押しやられた材料が滞留することはない。このダイ側部品材料は、設けられた空間へと移動することができるので、リベット工程中、自己穿孔型リベットは均一に開く。本発明の別の好ましい実施態様によれば、自己穿孔型リベットダイの上面に対する自己穿孔型リベットダイの円弧状陥没部の最大深さＴ_ＲＫは、６／１００Ｄ_Ｍ≦Ｔ_ＲＫ≦１２／１００Ｄ_Ｍである。ダイ側部品の材料に合わせて、環状空隙部の陥没部の深さは可変的に調節可能である。このように、例えば脆性材料の場合には、クロージングヘッドにクラックが生じるのを防ぐため等、特定の材料挙動を目標とすることができる。本発明によれば、脆性材料の破断点伸びは好ましくは１５％未満である。このような材料としては、特にマグネシウムダイカスト合金、強度９００ＭＰａを越えるよく急冷及び焼き戻しされた鋼鉄、或いは２００系アルミニウム−銅合金並びに７０００系アルミニウム−亜鉛合金が挙げられる。

さらに、脱型傾斜部は、凸状段部によって環状溝部の陥没部へと移行する。本発明によれば、環状溝部の陥没部が凸状段部によってダイ底部へと移行することも好ましい。特に角のある移行を防ぐことが、自己穿孔型リベットダイの凹部内における材料流を促進することがわかっている。従って、脱型傾斜部から陥没部、並びに陥没部からダイ底部への曲線状の移行部が、好ましい接合を生むことになる。リベット工程中に自己穿孔型リベットが予期せぬ圧迫を受けかねない、脱型傾斜部と陥没部との間で角度の付いた材料流によって材料流を妨げることを、このようにして防ぐことができる。

本発明の自己穿孔型リベットダイの別の好ましい実施態様によれば、円弧状陥没部は、隣接する二つの移行点において接線方向に、隣接する凸状段部へと移行する。隣接する移行点間の半径方向距離Ａ_ＵＰが、環状溝部分の円弧状陥没部の幅を規定する。この円弧状陥没部の幅は、好ましくは３／１００Ｄ_Ｍ≦Ａ_ＵＰ≦２０／１００Ｄ_Ｍの範囲である。この規定からわかるように、本発明によれば、自己穿孔型リベットダイの凹部は堅固で均一な壁の輪郭によって規定されることが好ましいのは明らかである。よって、環状溝部の陥没部の深さに加え、環状溝部の陥没部の幅も、ダイ側部品材料の選択に合わせて調節可能である。従って、自己穿孔型リベットダイの凹部に受け入れられる量は、少なくともダイ側部品材料の特性を考慮して特別に設計する。

本発明の別の好ましい実施態様によれば、ダイ底部は、深さＴ_Ａが２／１００Ｄ_Ｍ≦Ｔ_Ａ≦８／１００Ｄ_Ｍの範囲、好ましい直径Ｄ_Ａが１５／１００Ｄ_Ｍ≦Ｄ_Ａ≦３５／１００Ｄ_Ｍの範囲である中央凹部を有する。ダイ底部のこの好ましいデザインにより、自己穿孔型リベットダイの凹部に受け入れられるダイ側部品の材料の量をさらに具体的に調整することができる。さらに、ダイ底部の中央凹部のデザインにより、材料の流動作用、よってクロージングヘッドの形成が支援される。

本発明の別の好ましい実施態様によれば、中央凹部の内側輪郭つまり内側形状を様々に形成することができる。第一の選択肢によれば、中央凹部は円筒形に形成される。別の好ましい実施態様では、中央凹部の中央を隆起させ、或いはさらに円錐状にテーパーした凹みを設ける。また中央凹部の底部にさらに、円弧状隆起部若しくは半楕円状隆起部を含む環状空隙を形成することも好ましい。中央凹部のさらに好ましい実施態様では、深さ方向に円錐状にテーパーを付ける。

本発明はさらに、本発明の上記の好ましい実施態様による自己穿孔型リベットダイを備える装着装置を含む。さらに本発明は、少なくとも第一部品と第二部品との間に形成された接合部を含み、この接合部は、自己穿孔型リベット及び上記の自己穿孔型リベットダイによって、この接合部を特徴付けるクロージングヘッドが自己穿孔型リベットダイと相補的形状となるように形成されている。本発明のさらに別の好ましい実施態様によれば、クロージングヘッドに隣接する第二部品は、感応性で脆性の材料、好ましくは７０００系アルミニウム合金からなる。

本発明はさらに、少なくとも第一部品と第二部品との間に、自己穿孔型リベット、装着装置、及び上記実施態様のいずれか一つによる自己穿孔型リベットダイによって接合部を形成する自己穿孔型リベット法を記載する。この自己穿孔型リベット法は、装着装置のポンチの下方に自己穿孔型リベットダイを提供する工程と、自己穿孔型リベットダイとポンチとの間に第一及び第二部品を配置する工程と、第一及び第二部品に自己穿孔型リベットを装着すると同時に、自己穿孔型リベットダイの内側形状に対して相補的な形状特徴を示すクロージングヘッドを形成する工程とを含む。

本発明の好ましい実施態様を、添付図面を参照してさらに説明する。

図１は、本発明の好ましい自己穿孔型リベットダイの側面図である。図２は、図１の好ましい自己穿孔型リベットダイの頂面図であり、自己穿孔型リベットダイの凹部への接合方向へ見た図である。図３は、本発明の好ましい自己穿孔型リベットダイの凹部の、自己穿孔型リベットダイの中心軸に平行にとった概略側断面図であり、凹部は環状溝部及び平坦なダイ底部を有している。図４は、図３の好ましい自己穿孔型リベットダイの別の概略図であり、環状溝部の様々な深さを示す。図５は、本発明の自己穿孔型リベットダイの別の好ましい実施態様を側部断面図で示す。図６は、本発明の自己穿孔型リベットダイの別の好ましい実施態様の頂面図である。図７は、図６の自己穿孔型リベットダイの好ましい凹部の側部断面図である。図８は、本発明の自己穿孔型リベットダイの凹部の別の好ましい実施態様の概略図であり、ダイ底部に追加の凹部が設けられている。図９は、図８のさらに好ましい自己穿孔型リベットダイの概略図であり、環状溝部、及びダイ底部に設けた中央凹部の様々な深さを示す。図１０は、図８の好ましい自己穿孔型リベットダイの別の概略図であり、ダイ底部に設けた中央凹部の様々な好ましい実施態様を概略的に示す。図１１は、本発明の自己穿孔型リベットダイの凹部の別の好ましい実施態様の頂面図である。図１２は、図１１の好ましい自己穿孔型リベットダイの凹部の側断面図である。図１３は、本発明の自己穿孔型リベットダイの凹部の別の好ましい実施態様の頂面図である。図１４は、図１３の好ましい自己穿孔型リベットダイの凹部の側断面図である。図１５は、別の好ましい自己穿孔型リベットダイの概略図である。図１６は、好ましい自己穿孔型リベットダイを備えたDE 10 2009 049 616に記載の装着装置である。図１７ａ〜図１７ｄは、本発明に従って好ましく形成された接合部の顕微鏡写真図及びクロージングヘッドである。図１７ａ〜図１７ｄは、本発明に従って好ましく形成された接合部の顕微鏡写真図及びクロージングヘッドである。図１７ａ〜図１７ｄは、本発明に従って好ましく形成された接合部の顕微鏡写真図及びクロージングヘッドである。図１７ａ〜図１７ｄは、本発明に従って好ましく形成された接合部の顕微鏡写真図及びクロージングヘッドである。図１８は、図８の自己穿孔型リベットダイによって形成された好ましい接合部の顕微鏡写真図である。図１９は、自己穿孔型リベットダイによる本発明の接合部形成方法の好ましい実施態様のフローチャートである。

５．好ましい実施態様の詳細な説明
図１は、本発明の好ましい自己穿孔型リベットダイ１を側面図で示す。このダイは、好ましくは円筒形の本体３及びダイ基部５とからなる。ここで、本体は立方形、多面体、楕円形、若しくは他の形状に形成されることが好ましい。ダイ基部５は、図１６に示すような公知の装着装置に、公知の態様で自己穿孔型リベットダイ１を配置し、締結する役割を果たす。本発明の自己穿孔型リベットダイは、いかなる設計の公知の装着装置とも組み合わせることができることがわかる。そのために、ダイ基部５の断面は円形である。この円形断面の対称な外形は、切欠き７によって一部が断絶しており、適切なリテーナ内に自己穿孔型リベットダイ１を回転防止配置できるようになっている。

図２には、図１の好ましい自己穿孔型リベットダイを頂面図で示す。この頂面図は、自己穿孔型リベットダイ１をその中心軸に平行な接合方向Ｆから見た図に相当する。本体３は、好ましくは中心軸Ｍに対して回転対称に、本体３の上面８に配置された凹部９を有する。上面８における凹部９の直径はＤ_Ｍである。

凹部９は回転対称的にいくつかの部分に分かれている。上面８、即ち自己穿孔型リベットダイ１の装着装置のポンチに対向する側において、凹部９は半径方向外側に配置される環状脱型部１０から始まる。図５に示す自己穿孔型リベットダイ１の軸方向断面図において、環状脱型部１０は、半径方向外側に配置された脱型傾斜部１２として認識される。上面８は、好ましくは凸状部から脱型傾斜部１２へと移行する。

好ましい実施態様では、上面８から脱型傾斜部１２への移行部の半径Ｒ_ＯＥ（図３参照）は４／１００Ｄ_Ｍに等しい。環状溝２０が脱型部１０から半径方向内方に続く。これは、図５の自己穿孔型リベットダイ１の断面図では、円弧形陥没部２２として認識される。陥没部２２は、好ましくは半径方向内方へ、直線状及び／又は円弧状及び／又は曲線状に延在する領域を経て、ダイ底部３０へと移行する。このダイ底部３０も、中心軸Ｍに対して回転対称に配置されており、図５では平坦領域３２として認識される。

本発明の好ましい接合方法では、自己穿孔型リベット接合を行うために、公知の装着装置（図１６参照）を上記の自己穿孔型リベットダイ１；１’（下記参照）と組み合わせて使用し、これを行う（工程１）。自己穿孔型リベットを装着することによって複数の部品、特に少なくとも第一部品と第二部品とを互いに接合するために、この少なくとも二つの部品をポンチと自己穿孔型リベットダイ１；１’との間に配置する（工程２）。ここで、本発明の自己穿孔型リベットダイ１は、好ましくは７０００系のアルミニウム合金、アルミニウムダイカスト材料、若しくはマグネシウム等の脆性若しくは張力感応性の材料からなるダイ側部品と組み合わせて使用する。さらに、アルミニウム等の弾性係数ＲＭが＜３００MPaの材料、或いはよく急冷及び焼き戻しされた鋼鉄等の弾性係数ＲＭが＜１５００MPaの材料を、ダイに対向する側の部品として有利に使用することができる。一般に、全ての材料、好ましくはプラスチック、強化プラスチック、アルミニウム、マグネシウム、これら金属の合金、即ち一般に軽量材料と言われるもの、並びに鉄鋼及びさらに公知の金属合金が、ポンチ側部品、つまり接合の最上層として適している。

ポンチと自己穿孔型リベットダイ１との間に部品を適切に配置した後、ポンチで自己穿孔型リベットを部品に装着し、それによりこの接合を特徴付けるクロージングヘッドが自己穿孔型リベットダイ１内に形成される（工程３）。クロージングヘッドは、好ましくは自己穿孔型リベットダイ１の凹部９の内部デザインのような印象を与えるものである。よってクロージングヘッドは、凹部９の内側形状に対して相補的に形成された形状を特徴とする。

部品に自己穿孔型リベットを装着し、クロージングヘッドを形成する間、環状脱型部１０の脱型傾斜部１２は、好ましくはクロージングヘッドにクラックが発生するのを抑える。この効果を後押しするために、自己穿孔型リベットダイ１の上面８は、好ましくは凸状に形成された段部１４から脱型傾斜部１２へと移行する。同様に、脱型傾斜部１２を凸状に形成された段部１６を介して陥没部２２、つまり環状溝部２０へと接続することも好ましい。この脱型傾斜部１２と陥没部２２との間に凸状に形成された接続部は、好ましくは約５／１００Ｄ_Ｍの半径Ｒ_１６を有する。さらに図５の凹状実施態様と比較して、脱型傾斜部１２は真直ぐに形成されている。よって脱型傾斜部１２つまり環状脱型部１０は円錐台形の外形となる。脱型部１２を好ましい凹状／円弧状形状とすることにより、その半径Ｒ_ＥＳは７／１０Ｄ_Ｍ≦Ｒ_ＥＳ≦９／１０Ｄ_Ｍとなる。

図３は、脱型部１０、環状溝部２０、及びダイ底部３０を有する自己穿孔型リベットダイ１の概略的に単純化した断面図を示す。図４では、図３の表示に基づいて、理想的な自己穿孔型リベット接合を行なうために、好ましくは上面８に対して環状溝部２０の深さＴ_ＲＫについて特定の調整を行うことが強調されている。陥没部２２内の様々な断続線は、深さＴ_ＲＫの好ましい範囲である６／１００Ｄ_Ｍ≦Ｔ_ＲＫ≦１２／１００Ｄ_Ｍでの変化を示し、ここでＤ_Ｍは本体３の上面８の凹部９の直径である。

環状溝２０つまり陥没部２２の深さＴ_ＲＫについて好ましい特定の調整を、特に脱型傾斜部１２との好ましい組み合わせで行うことにより、接合工程中にリベット脚部に影響する機械的張力が低減する。さらなる効果として、環状溝部２０がダイ側部品の材料流を半径方向外方へ向けることがわかっている。この材料流こそが、自己穿孔型リベットダイ１内で自己穿孔型リベットが確実に且つ制御下で開くことを実現若しくは支援する。よって、本発明の環状溝部２０の平坦な脱型傾斜部１２及び陥没部２２と深さＴ_ＲＫとの好ましい組み合わせ及び形状により、自己穿孔型リベットの開き及びクロージングヘッドを形成するための材料流が最適化される。

自己穿孔型リベットダイ１の凹部９内に好ましい環状溝２０によって形成される追加の空間により、自己穿孔型リベットは、凹部９内の材料が流れ始める際にダイ底部３０から対向力を受ける。これは、半径方向外方に配置された環状溝２０の空間を用いることによって直ぐに取り除くことができ、それにより好ましいダイの実施態様によって、半径方向外方に向けられる材料流の動きを、意識的に開始することができる。これはまた、ダイ底部が陥没部２２の最低点よりも上方に位置することにより好ましく裏付けされる。

環状溝部２０の陥没部２２の半径Ｒ_Ｓは、好ましくは８．２／１０００Ｄ_Ｍ≦Ｒ_Ｓ≦８．２／１００Ｄ_Ｍの範囲である。ここでＤ_Ｍは凹部９の直径を示す（上記参照）。

脱型傾斜部１２は、図３及び図５に示すように、本体３の上面８に対して好ましくは角度αをなす。脱型傾斜部１２が半径方向内方に指向する傾斜なので、この角度の大きさは５°≦α≦４５°、好ましくは２５°≦α≦４５°若しくは５°≦α≦２５°の範囲である。さらに、本発明によれば角度α＝１８°が好ましいことが分かっている。特に脱型傾斜部１２をこのようにフラットに配置することにより、凹部９の側壁が垂直若しくは略垂直である場合とはかなり異なる材料流が凹部９内に生じ、従来よりもクロージングヘッドの形成が改善され、クラックの形成が低減する。ここで、ダイの上面と脱型傾斜部との間の凸状の移行部の半径をＲ＝０．５ｍｍとすることも好ましい。

接合工程中に凹部９内の材料流が制限されないように、陥没部２２からダイ底部３２への移行部は好ましくは凸状段部２４として形成される。このようにして、ダイ側部品の材料流が凹部９内で滞留することを防止する。これは上述した好ましい段部１４、１６にも当てはまる。さらにこの凸状段部２４は、ダイ底部３２から環状溝２０つまり陥没部２２への流れる、即ちバリアフリーの移行部を形成する。この凸状段部２４は好ましくは、接合工程中に自己穿孔型リベットのリベット脚部が調整された状態で滑り、開くように支援する。この目的のために、凸状段部２４の半径Ｒ_２４は９８／１０００Ｄ_Ｍ≦Ｒ_２４≦９８／１００Ｄ_Ｍの範囲で調節可能である。

さらに図４に示すように、環状溝部１０の直径はＤ２０であることが好ましい。直径Ｄ２０を適切に選択することにより、ダイ脚部の開き具合を具体的に制御することができる。よって直径Ｄ２０は、装着する自己穿孔型リベットのヘッド直径に合わせて調節し、リベット脚部が半径方向へリベットヘッドの外側まで開いてしまうことを防止、若しくは少なくとも可能な限り制限できるようにする。従って、ヘッド直径が７．７５ｍｍの自己穿孔型リベットではＤ２０＝７．７５ｍｍ、ヘッド直径が５．５ｍｍの自己穿孔型リベットではＤ２０＝５．５ｍｍである。

さらに円弧状陥没部２２は、両側に隣接している、好ましくは凸状に形成された段部１６、２４へと接線方向に移行することが好ましい。これらの移行点を図５に符号ＵＰで示す。隣接する移行点ＵＰ間の半径方向距離Ａ_ＵＰは陥没部２２の半径方向幅を規定する。好ましくは、この幅は３／１００Ｄ_Ｍ≦Ａ_ＵＰ≦２０／１００Ｄ_Ｍである。自己穿孔型リベットダイ１のさらに別の好ましい実施態様を図６及び図７に示す。図５と比較して、陥没部２２はここでは半径Ｒ_ＥＳがより大きく、深さＴ_ＲＫもより深く形成されている。

図８は本発明の別の好ましい実施態様を概略的に示し、さらに図１１から図１４に、別の好ましい実施態様によって本発明をより詳細に説明する。図８に示すように、陥没部２２はダイ底部３２の高さまで半径方向内方にせり上がっている。図８から図１４の実施態様にも同様に当てはまる自己穿孔型リベットダイ１の上述した特徴に加えて、ダイ底部３２に中央凹部が設けられている。これは中心軸Ｍを中心として対称的に配置されている。この凹部４３は、ダイ側部品の押しのけられた材料を受け入れ、それにより自己穿孔型リベットが圧迫されることを防いでさらに解放する。

このため、凹部３４の深さＴ_Ａは接合目的に合わせて特別に調節可能であり、これを図４の説明及び図示と同様の図９に示す。好ましくは、凹部３４の深さＴ_Ａは２／１００Ｄ_Ｍ≦Ｔ_Ａ≦８／１００Ｄ_Ｍの範囲であり、好ましい直径Ｄ_Ａは１５／１００Ｄ_Ｍ≦Ｄ_Ａ≦３５／１００Ｄ_Ｍの範囲である。従って、直径Ｄ_Ａは好ましくはダイ底部３２の高さで決まる。

図１０に示すように、凹部３４を凹部９内の材料流に影響を与える様々な形状とすることがさらに好ましい。従って、凹部３４は好ましくは円筒状（ａ）に形成される。別の実施態様では、円筒状に形成された凹部３４を深さ方向に円錐状にテーパーさせ（ｄ）、或いは円錐台形（ｅ）とする。さらに別の好ましい実施態様では、凹部３４の底部に周囲方向の環状溝及び中央隆起部を形成し（ｂ）、或いは中央隆起部のみ（ｃ）を形成する。まず、凹部３４の形状に関わらず、中央隆起部により、自己穿孔型リベットの接合方向に対して半径方向外方へ材料を押しのけるよりも、材料を受け入れる形状である接合領域内へ及び／又は接合領域外への方が材料をより容易に押しのけることができようになる。この機能を効果的に利用するために、凹部の深さＴ_Ａは、ダイ側材料層の厚さに合わせて調節する。これに関連して、ダイ側材料層の厚さが厚くなると、より深い深さＴ_Ａの凹部を用いる。上述の環状溝については、延性が低下するにつれ一般的な関係が当てはまる。

図１５は本発明のさらに別の好ましい実施態様を示す。図１５に示す概略断面図において、この自己穿孔型リベットダイ１’は以下の特徴を有する。脱型部１０’の脱型傾斜部１２’は、自己穿孔型リベットダイ１’の上面８’と１０°≦α’≦８０°の範囲の角度α’をなす。この脱型傾斜部１２’は、１／１００D_M≦Ｒ_Ｓ’≦７／１００Ｄ_Ｍの範囲の半径Ｒ_Ｓ’を有する環状溝部２０’の円弧状陥没部２２’へと半径方向内方に移行する。さらに円弧状陥没部２２’は、少なくとも一つ目の段部３６を介して、ダイ底部３２に対して半径方向内方に円弧状に隆起する。環状溝部２０’とダイ底部の漸次的隆起若しくは陥没部２２’からダイ底部３２’の最高点への隆起との特定の組み合わせにより、クラックの形成を低減する均一な材料流の実現に加えて、リベット脚部がさらに強力に横方向に開かれる。このように強力に開くことにより、自己穿孔型リベットの接合方向に対するアンダーカットがより大きくなる。部品の接合がクラックの形成によって弱まることがなく、より大きなアンダーカットが接合の寿命及び強度に有効であるので、この自己穿孔型リベットの形状は、接合の品質改善につながる。また好ましい自己穿孔型リベットダイ１’の別の好ましい実施態様によれば、ダイ底部３２’は、中央に配置された回転対称隆起部４０を備える。この隆起部は、自己穿孔型リベットが特定の開きを呈するように、またアンダーカットを大きくするように、好ましくは曲線的／円弧状若しくは半楕円状若しくは円筒状に形成される。

図１６は、公知の装着装置を本発明の自己穿孔型リベットダイ１；１’と組み合わせて概略的に示す。この装置によって形成された接合を、図１７の顕微鏡写真図によって例示的に示す。図１７ａは、図５の自己穿孔型リベットダイ１を用いて形成された自己穿孔型リベット接合を示す。図１７ｂはこの接合のクロージングヘッドを示す。図１７ｃは、中央凹部３４を有する自己穿孔型リベットダイ１を用いて形成された自己穿孔型リベット接合を示す。この接合のクロージングヘッドを図１７ｄに示す。図１８は、図１５の自己穿孔型リベットダイ１’によって形成された接合の顕微鏡写真図を示す。

上述の自己穿孔型リベットダイの特定の寸法データに基づいて、本発明の例示的な好ましいダイ寸法を以下に示す。ダイ形状を以下の寸法データと組み合わせて分類するために、上述の図面を参照する。

寸法データが以下の通りである図３に類似するダイ形状
Ｄ_Ｍ＝１２．２ｍｍ
Ｄ_２０＝８．３９５ｍｍ
α＝１８°
Ｒ_ＯＥ＝０．５ｍｍ
Ｒ_ＥＳ＝１０．４ｍｍ
Ｒ_Ｓ＝０．２ｍｍ
Ｒ_２４＝１１．１７ｍｍ
Ｒ_１６＝０．６ｍｍ
Ｔ_ＲＫ＝０．９ｍｍ

寸法データが以下の通りである図３に類似するダイ形状
Ｄ_Ｍ＝１２．２ｍｍ
Ｄ_２０＝７．３ｍｍ
α＝１８°
Ｒ_ＯＥ＝０．５ｍｍ
Ｒ_ＥＳ＝１０．４ｍｍ
Ｒ_Ｓ＝０．８ｍｍ
Ｒ_２４＝１．４４ｍｍ
Ｒ_１６＝０．６ｍｍ
Ｔ_ＲＫ＝１．３ｍｍ

寸法データが以下の通りである図９に類似するダイ形状
Ｄ_Ｍ＝１２．２ｍｍ
Ｄ_２０＝８．３９５ｍｍ
α＝１８°
Ｒ_ＯＥ＝０．５ｍｍ
Ｒ_ＥＳ＝１０．４ｍｍ
Ｒ_Ｓ＝０．２ｍｍ
Ｒ_２４＝１１．１７ｍｍ
Ｒ_１６＝０．６ｍｍ
Ｔ_ＲＫ＝０．９ｍｍ
Ｄ_Ａ＝３．６ｍｍ
Ｔ_Ａ＝０．９ｍｍ

寸法データが以下の通りである図９に類似するダイ形状
Ｄ_Ｍ＝１２．２ｍｍ
Ｄ_２０＝８．０９ｍｍ
α＝１８°
Ｒ_ＯＥ＝０．５ｍｍ
Ｒ_ＥＳ＝１０．４ｍｍ
Ｒ_Ｓ＝０．４４ｍｍ
Ｒ_２４＝１０ｍｍ
Ｒ_１６＝０．６ｍｍ
Ｔ_ＲＫ＝１．０５ｍｍ
Ｄ_Ａ＝３．６ｍｍ
Ｔ_Ａ＝０．５ｍｍ

寸法データが以下の通りである図９に類似するダイ形状
Ｄ_Ｍ＝１２．２ｍｍ
Ｄ_２０＝７．７７ｍｍ
α＝１８°
Ｒ_ＯＥ＝０．５ｍｍ
Ｒ_ＥＳ＝１０．４ｍｍ
Ｒ_Ｓ＝０．６ｍｍ
Ｒ_２４＝３ｍｍ
Ｒ_１６＝０．６ｍｍ
Ｔ_ＲＫ＝１．１５ｍｍ
Ｄ_Ａ＝３．７ｍｍ
Ｔ_Ａ＝０．３ｍｍ

寸法データが以下の通りである図９に類似するダイ形状
Ｄ_Ｍ＝１２．２ｍｍ
Ｄ_２０＝７．２８ｍｍ
α＝１８°
Ｒ_ＯＥ＝０．５ｍｍ
Ｒ_ＥＳ＝１０．４ｍｍ
Ｒ_Ｓ＝０．８３ｍｍ
Ｒ_２４＝１．４４ｍｍ
Ｒ_１６＝０．６ｍｍ
Ｔ_ＲＫ＝１．３ｍｍ
Ｄ_Ａ＝３．６ｍｍ
Ｔ_Ａ＝０．９ｍｍ

寸法データが以下の通りである図９に類似するダイ形状
Ｄ_Ｍ＝１２．２ｍｍ
Ｄ_２０＝７．５７ｍｍ
α＝１８°
Ｒ_ＯＥ＝０．５９ｍｍ
Ｒ_ＥＳ＝∞ →傾斜した直線として実施
Ｒ_Ｓ＝０．８３４ｍｍ
Ｒ_２４＝１１．１７ｍｍ
Ｒ_１６＝０．６ｍｍ
Ｔ_ＲＫ＝１．３ｍｍ
Ｄ_Ａ＝３．５ｍｍ
Ｔ_Ａ＝０．７ｍｍ

寸法データが以下の通りである図１０（ｅ）に類似するダイ形状
Ｄ_Ｍ＝１２．２ｍｍ
Ｄ_２０＝８．１８ｍｍ
α＝１８°
Ｒ_ＯＥ＝０．５９ｍｍ
Ｒ_ＥＳ＝∞ →傾斜した直線として実施
Ｒ_Ｓ＝０．７ｍｍ
Ｒ_２４＝∞ →傾斜した直線として実施
Ｒ_１６＝０．６ｍｍ
Ｔ_ＲＫ＝１．３ｍｍ
Ｄ_Ａ＝４．８７ｍｍ（凹部３４の開口側）
Ｄ_Ａ＝２．８６ｍｍ（凹部３４の底部）
Ｔ_Ａ＝０．４７ｍｍ

寸法データが以下の通りである図１０（ｅ）に類似するダイ形状
Ｄ_Ｍ＝１２．２ｍｍ
Ｄ_２０＝７．５３ｍｍ
α＝１８°
Ｒ_ＯＥ＝０．５９ｍｍ
Ｒ_ＥＳ＝∞ →傾斜した直線として実施
Ｒ_Ｓ＝０．８３ｍｍ
Ｒ_２４＝∞ →傾斜した直線として実施
Ｒ_１６＝０．６ｍｍ
Ｔ_ＲＫ＝１．３ｍｍ
Ｄ_Ａ＝４．９４ｍｍ（凹部３４の開口側）
Ｄ_Ａ＝２．８６ｍｍ（凹部３４の底部）
Ｔ_Ａ＝０．４９ｍｍ

１、１’ 自己穿孔型リベットダイ
３本体
５ダイ基部
７切欠き
８上面
９、９’ 凹部
１０、１０’ 脱型部
１２、１２’ 脱型傾斜部
１４、１６凸状段部
２０環状溝部
２２陥没部
２４凸状段部
３０ダイ底部
３２平坦領域
３４凹部
３６段部

Ｆ接合方向
Ｍ中心軸
ＵＰ移行点
Ｔ_Ａ凹部深さ
Ｔ_ＲＫ陥没部深さ
Ｄ_Ｍダイ直径
α 脱型傾斜部角度
Ｒ_ＥＳ脱型傾斜部半径
Ｒ_Ｓ陥没部半径

Claims

複数の部品を自己穿孔型リベット接合し、クロージングヘッドを形成することができる、装着装置用の自己穿孔型リベットダイ（１）であって、該リベットダイは、
ａ．上面（８）とそこに設けられた凹部（９）とを有する本体（３）を備え、該凹部（９）は、自己穿孔型リベットダイ（１）の中心軸（Ｍ）に対して回転対称に配置され、上面（８）における直径がＤ_Ｍであり、
ｂ．前記凹部（９）は、半径方向外側に配置された環状脱型部（１０）と、これに続く環状溝部（２０）と、中央に配置されたダイ底部とを有し、
ｃ．自己穿孔型リベットダイ（１）の前記中心軸（Ｍ）に平行な断面において、
ｃ１．前記脱型部（１０）の脱型傾斜部（１２）は、自己穿孔型リベットダイ（１）の前記上面（８）に対して５°≦α≦４５°の範囲の角度αをなし、前記脱型傾斜部（１２）は、直線状若しくは半径Ｒ _ＥＳが７／１０Ｄ _Ｍ ≦Ｒ _ＥＳ ≦９／１０Ｄ _Ｍの範囲である凹状曲線状に形成され、
ｃ２．前記脱型傾斜部（１２）は、段部（１６）を介して、前記環状溝部（２０）の円弧状陥没部（２２）へと半径方向内方に移行し、該円弧状陥没部（２２）の半径Ｒ _Ｓは８．２／１０００Ｄ _Ｍ ≦Ｒ _Ｓ ≦８．２／１００Ｄ _Ｍの範囲であり、
ｃ３．半径方向内方に向かって、前記円弧状陥没部（２２）は前記ダイ底部（３０）へと直線的若しくは円弧状若しくは曲線的に隆起している、
自己穿孔型リベットダイ（１）。
前記円弧状陥没部（２２）の前記上面（８）に対する最大深さＴ_ＲＫが６／１００Ｄ_Ｍ≦Ｔ_ＲＫ≦１２／１００Ｄ_Ｍの範囲である、請求項１に記載の自己穿孔型リベットダイ（１）。
前記脱型傾斜部（１２）が、前記環状溝部（２０）の前記陥没部（２２）へと凸状段部（１６）によって移行する、請求項１又は２のいずれか１項に記載の自己穿孔型リベットダイ（１）。
前記環状溝部（２０）の前記陥没部（２２）が、前記ダイ底部（３０）へと凸状段部によって移行する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の自己穿孔型リベットダイ（１）。
前記円弧状陥没部（２２）が、隣接する二つの移行点において接線方向に、隣接する凸状段部へと移行し、隣接する移行点ＵＰ間の半径方向距離Ａ_ＵＰが、前記環状溝部分（２０）の前記円弧状陥没部（２２）の幅を規定する、請求項３と組み合わせた請求項４に記載の自己穿孔型リベットダイ（１）。
前記円弧状陥没部（２２）の前記幅が、好ましくは３／１００Ｄ_Ｍ≦Ａ_ＵＰ≦２０／１００Ｄ_Ｍの範囲である、請求項５に記載の自己穿孔型リベットダイ（１）。
深さＴ_Ａが２／１００Ｄ_Ｍ≦Ｔ_Ａ≦８／１００Ｄ_Ｍの範囲、特にダイ底部の高さにおける好ましい直径Ｄ_Ａが１５／１００Ｄ_Ｍ≦Ｄ_Ａ≦３５／１００Ｄ_Ｍの範囲である中央凹部を、前記ダイ底部に有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の自己穿孔型リベットダイ（１）。
前記凹部（９）が円筒状に形成され、若しくは最大深さＴ_Ａの方向に円錐状にテーパーしている、請求項７に記載の自己穿孔型リベットダイ（１）。
請求項１〜８のいずれか１項に記載の自己穿孔型リベットダイ（１；１’）を備える装着装置。
少なくとも第一部品と第二部品との間に、自己穿孔型リベット及び請求項１〜８のいずれか１項に記載の自己穿孔型リベットダイ（１；１’）によって形成された接合部であって、該接合部を特徴付けるクロージングヘッドが自己穿孔型リベットダイ（１）と相補的形状となるように形成された、接合部。
前記クロージングヘッドに隣接する前記第二部品が、張力感応性若しくは脆性材料、好ましくは７０００系アルミニウム合金からなる、請求項１０に記載の接合部。
少なくとも第一部品と第二部品との間に、自己穿孔型リベット、装着装置、及び請求項１〜８のいずれか１項に記載の自己穿孔型リベットダイ（１；１’）によって接合部を形成する自己穿孔型リベット法であって、該方法は、
ａ．装着装置のポンチの下方に前記自己穿孔型リベットダイ（１；１’）を提供する工程（Ｓ１）と、
ｂ．前記自己穿孔型リベットダイ（１；１’）とポンチとの間に第一及び第二部品を配置する工程（Ｓ２）と、
ｃ．第一及び第二部品に自己穿孔型リベットを装着すると同時に、前記自己穿孔型リベットダイ（１；１’）の内側形状に対して相補的な形状的特徴を示すクロージングヘッドを形成する工程（Ｓ３）と
を含む、自己穿孔型リベット法。