(57)【要約】【課題】セルフピアスリベット（ＳＰＲ）接合において、金型側被接合部材がＳＰＲ側被接合部材に比べて塑性流動を生じ易い材料によって構成されている場合であっても、打ち抜き荷重の増大を低減しつつ、金型側被接合部材の過剰な薄肉化の低減及びインターロック量の増大を達成する。【解決手段】ＳＰＲ接合において使用される金型のＳＰＲに対向する面に開口部を有するキャビティの底面に開口部側に向かって隆起し且つ凹面状の頂面を有する凸部を形成し、当該頂面の外縁である突出部を曲面によって構成し且つＳＰＲの脚部の先端に対向する位置に設ける。より好ましくは、キャビティの内側面が底面から開口部へと向かうほど広くなる円錐面状に形成されている。【選択図】図６
2020175440.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の脚部を有するセルフピアスリベットと前記脚部に対向する面である金型頂面に開口部を有するキャビティが形成された金型との間に複数の被接合部材が互いに重ね合わされた部分である積層部を配置し、前記キャビティに向かって前記セルフピアスリベットを前記積層部に打ち込むことにより複数の前記被接合部材を接合するセルフピアスリベット接合において使用されるセルフピアスリベット接合用金型であって、
前記キャビティの内部には、前記キャビティの底面から前記開口部側に向かって隆起する凸部が形成されており、
前記凸部の頂面である凸部頂面が凹面として形成されており、
前記脚部の円筒状の形状の軸を通る直線である第１軸を含む平面による断面図において前記凸部頂面の外縁である突出部が前記開口部側に凸状の曲線を描くように前記凸部が形成されており、
前記セルフピアスリベット接合において使用されるときに前記第１軸に直交する平面への垂直投影図において前記脚部の内周と外周との間に前記突出部が位置するように前記凸部が形成されている、
セルフピアスリベット接合用金型。
【請求項２】
請求項１に記載されたセルフピアスリベット接合用金型であって、
前記凸部頂面が凹状の曲面として形成されている、
セルフピアスリベット接合用金型。
【請求項３】
請求項２に記載されたセルフピアスリベット接合用金型であって、
前記凸部頂面が凹状の球面として形成されている、
セルフピアスリベット接合用金型。
【請求項４】
請求項１に記載されたセルフピアスリベット接合用金型であって、
前記凸部頂面が凹状の円錐面として形成されている、
セルフピアスリベット接合用金型。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載されたセルフピアスリベット接合用金型であって、
前記第１軸に直交する平面による前記キャビティの内側面の断面が前記底面から前記開口部へと向かうほど広くなるように前記キャビティが形成されている、
セルフピアスリベット接合用金型。
【請求項６】
請求項５に記載されたセルフピアスリベット接合用金型であって、
前記第１軸を含む平面による断面図において前記キャビティの内側面が前記底面から前記開口部へと向かうほど離れるように互いに傾斜している２本の直線を描くように前記キャビティが形成されている、
セルフピアスリベット接合用金型。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載されたセルフピアスリベット接合用金型であって、
前記底面の前記凸部よりも径方向における外側の領域である外周側底面と前記金型頂面との間の前記第１軸に平行な方向における距離の最大値である外周側底面深度が前記凸部頂面と前記金型頂面との間の前記第１軸に平行な方向における距離の最大値である凸部頂面深度よりも大きいように前記キャビティが形成されている、
セルフピアスリベット接合用金型。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載されたセルフピアスリベット接合用金型であって、
前記突出部と前記金型頂面との間の前記第１軸に平行な方向における距離の最小値である突出部深度が前記積層部の総厚から前記金型側被接合部材の厚さを減算することによって得られる値に等しいように前記凸部が形成されている、
セルフピアスリベット接合用金型。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載されたセルフピアスリベット接合用金型であって、
前記凸部が凹状の頂面を有する截頭錐体として形成されている、
セルフピアスリベット接合用金型。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載されたセルフピアスリベット接合用金型であって、
前記第１軸に平行な方向において前記内底面とは反対側に向かって隆起する環状の突起である環状突起が前記金型頂面の前記キャビティよりも径方向における外側の領域に形成されている、
セルフピアスリベット接合用金型。
【請求項１１】
請求項１０に記載されたセルフピアスリベット接合用金型において、
前記金型頂面の前記キャビティに隣接する位置に前記環状突起が形成されている、
セルフピアスリベット接合用金型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルフピアスリベット接合用金型に関する。
【背景技術】
【０００２】
当該技術分野においては、例えば、自動車の車体等における高張力鋼板とアルミニウム合金板との接合等、複数の異種材料からなる被接合部材の接合において、セルフピアスリベット（以降、「ＳＰＲ」と略称される場合がある）を用いる接合方法が広く採用されている。
【０００３】
当業者に周知であるように、ＳＰＲによる複数の被接合部材の接合においては、ＳＰＲに対向する面である金型頂面に開口部を有するキャビティが形成された金型とＳＰＲとの間に、互いに重ね合わされた複数の被接合部材が配置され、当該キャビティに向かってＳＰＲが打ち込まれる。その結果、複数の被接合部材のうち金型に最も近い被接合部材である金型側被接合部材がキャビティ内に向かって膨出するように変形し、金型側被接合部材よりもＳＰＲ側に位置する被接合部材であるＳＰＲ側被接合部材をＳＰＲの脚部が貫通する。更に、ＳＰＲの脚部は、金型側被接合部材に食い込むと共に、更に拡径するように変形する。これにより、複数の被接合部材が強固に接合される。
【０００４】
尚、以下の説明においては、上記のような接合方法は「セルフピアスリベット接合（ＳＰＲ接合）」と称呼される場合がある。また、ＳＰＲの脚部と金型側被接合部材とが互いに噛み合っている部分は「インターロック部」と称呼される場合がある。更に、当該インターロック部におけるＳＰＲの脚部と金型側被接合部材との噛み合い（インターロック）の深さは「インターロック量」と称呼される場合がある。
【０００５】
図２５は、ＳＰＲ接合によって接合されたＳＰＲ側被接合部材と金型側被接合部材との接合部分近傍の模式的な断面図である。但し、図２５においては、ＳＰＲ及び金型の共通の軸よりも図面に向かって右側の部分のみが描かれている。図２５に示すように、ＳＰＲ側被接合部材４０１はＳＰＲ３００の脚部３２０によって貫通され、金型側被接合部材４０２と脚部３２０とが互いに噛み合っているインターロック部ＰＬが形成されている。この例におけるインターロック量（金型側被接合部材４０２と脚部３２０との噛み合いの深さ）はＬによって表されている。
【０００６】
ところで、複数の被接合部材にＳＰＲを打ち込んだ際に、金型側被接合部材にひび割れが生じ、例えば複数の被接合部材の接合強度の低下及び金型側被接合部材の腐食等の問題に繋がる場合がある。そこで、当該技術分野においては、上記問題を解消すべく種々の提案がなされている。
【０００７】
例えば、図２６及び図２７に示すように、金型２０１のキャビティ２３０の底面においてＳＰＲ３００の脚部３２０に対向する位置に突起２４０を形成し、突起２４０の先端面２４２を所定の幅Ｗ及び高さＨを有し且つＳＰＲ３００が打ち込まれる方向に垂直な平面として構成し且つ突起２４０の内側に平面部２４１を形成することにより、ＳＰＲ３００によって複数の被接合部材４０１及び４０２同士を接合する際に金型側被接合部材４０２に生ずるひび割れを低減する技術が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００８】
しかしながら、上記のように金型のキャビティの底面に形成された突起の先端面が平面である場合、図２７において２本の矢印によって示すように、ＳＰＲ側被接合部材をＳＰＲの脚部が打ち抜く際に高い反力を受けるため、打ち抜き荷重が増大する。その結果、高い打ち抜き荷重及び反力に起因して、脚部が座屈し、インターロックが形成され難くなり、例えば接合強度の低下等の問題に繋がる虞がある。特に、例えば高張力鋼板及び超高張力鋼板等の高張力部材をＳＰＲ側被接合部材が含む場合は、例えばアルミニウム及びアルミニウム合金等の一般的な部材のみをＳＰＲ側被接合部材が含む場合に比べて、打ち抜き荷重が著しく増大するので、上記問題がより顕著となる。このような問題を低減する観点からは、ＳＰＲ側被接合部材をＳＰＲが打ち抜く際に受ける反力がより低いことが望ましい。
【０００９】
また、例えば、図２８及び図２９に示すように、金型２０２のキャビティ２３０の底面２３９をＳＰＲ３００側に突出する凸面状に構成し、ＳＰＲ３００の打ち込みに伴って金型側被接合部材４０２のＳＰＲ３００の脚部３２０に対応する部分及び脚部３２０よりも内側の部分を径方向における外側に向かって伸び変形（流動）させることにより（矢印）、ＳＰＲ３００によって複数の被接合部材４０１及び４０２同士を接合する際に金型側被接合部材４０２に生ずるひび割れを低減する技術が知られている（例えば、特許文献２を参照）。
【００１０】
しかしながら、上記のようにキャビティの底面がＳＰＲ側に突出する凸面状に構成された金型においては、ＳＰＲ側被接合部材を構成する材料に比べて軟らかい（流動し易い）材料によって金型側被接合部材が構成されている場合、図２９において矢印によって示したように、ＳＰＲ側被接合部材にＳＰＲが打ち込まれて金型の底面に向かう力が作用する際に金型側被接合部材を構成する材料がキャビティの底面の形状に沿って径方向における外側に向かって優先的に流動し易い。その結果、金型側被接合部材の厚さが過度に薄くなり、例えば接合強度の低下及び金型側被接合部材のひび割れ等の問題に繋がる虞がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第６４２８８３４号公報
【特許文献２】特開２０１８−１７６２３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述したように、セルフピアスリベット接合（ＳＰＲ接合）において、金型側被接合部材がＳＰＲ側被接合部材に比べて塑性流動を生じ易い材料によって構成されている場合であっても、打ち抜き荷重の増大を低減しつつ、金型側被接合部材の過剰な薄肉化の低減及びインターロック量の増大を達成することができる技術が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題に鑑み、本発明者は、鋭意研究の結果、ＳＰＲ接合において使用される金型のＳＰＲに対向する面に開口部を有するキャビティの底面に開口部側に向かって隆起し且つ凹面状の頂面を有する凸部を形成し、当該頂面の外縁である突出部を曲面によって構成し且つＳＰＲの脚部の先端に対向する位置に設けることにより、上記要求に応えることができることを見出した。
【００１４】
具体的には、本発明に係るＳＰＲ接合用金型（以降、「本発明金型」と称呼される場合がある）は、ＳＰＲ接合において使用される金型である。ＳＰＲ接合においては、円筒状の脚部を有するセルフピアスリベット（ＳＰＲ）と上記脚部に対向する面である金型頂面に開口部を有するキャビティが形成された金型との間に複数の被接合部材が互いに重ね合わされた部分である積層部を配置する。そして、上記キャビティに向かって上記ＳＰＲを上記積層部に打ち込むことにより、複数の上記被接合部材を接合する。
【００１５】
本発明金型において、上記キャビティの内部には、上記キャビティの底面から上記開口部側に向かって隆起する凸部が形成されており、上記凸部の頂面である凸部頂面が凹面として形成されている。また、上記脚部の円筒状の形状の軸を通る直線である第１軸を含む平面による断面図において上記凸部頂面の外縁である突出部が上記開口部側に凸状の曲線を描くように上記凸部が形成されている。更に、ＳＰＲ接合において使用されるときに上記第１軸に直交する平面への垂直投影図において上記脚部の内周と外周との間に上記突出部が位置するように上記凸部が形成されている。
【００１６】
好ましくは、上記キャビティの内側面は、底面から開口部へと向かうほど広くなる円錐面状に形成されている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明金型によれば、金型側被接合部材がＳＰＲ側被接合部材に比べて塑性流動を生じ易い材料によって構成されている場合においても、打ち抜き荷重の増大を低減しつつ、金型側被接合部材の過剰な薄肉化の低減及びインターロック量の増大を達成することができる。
【００１８】
本発明の他の目的、他の特徴及び付随する利点は、以下の図面を参照しつつ記述される本発明の各実施形態についての説明から容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】典型的なセルフピアスリベット（ＳＰＲ）の構成の一例を示す模式的な（ａ）等角投影図、（ｂ）平面図（上面図）、（ｃ）正面図、（ｄ）底面図、及び（ｅ）断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るセルフピアスリベット接合（ＳＰＲ接合）用金型（第１金型）の構成の一例を示す模式的な（ａ）等角投影図、（ｂ）平面図（上面図）、（ｃ）正面図、（ｄ）側面図、（ｅ）断面図、及び（ｆ）拡大断面図である。
【図３】使用状態において互いに対向している図１に示したＳＰＲと図２に示した第１金型との位置関係を示す模式的な断面図及び投影図である。
【図４】使用状態において、複数（２つ）の被接合部材が互いに重ね合わされた部分である積層部がＳＰＲと第１金型との間に配置された状況を示す模式的な断面図である。
【図５】第１金型を使用するＳＰＲ接合過程においてＳＰＲ側被接合部材と金型側被接合部材との積層部にＳＰＲが打ち込まれてＳＰＲ接合過程における各部材の変化を示す模式的な断面図である。
【図６】第１金型を使用するＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況を示す模式的な断面図である。
【図７】第１金型を使用するＳＰＲ接合過程におけるパンチのストロークと加工荷重との関係を示す模式的なグラフである。
【図８】本発明の第２実施形態に係るＳＰＲ接合用金型（第２金型）の構成の一例を示す模式的な（ａ）等角投影図、（ｂ）平面図（上面図）、（ｃ）正面図、（ｄ）側面図、（ｅ）断面図、及び（ｆ）拡大断面図である。
【図９】使用状態において、複数（２つ）の被接合部材が互いに重ね合わされた部分である積層部がＳＰＲと第２金型との間に配置された状況を示す模式的な断面図である。
【図１０】第２金型を使用するＳＰＲ接合過程においてＳＰＲ側被接合部材と金型側被接合部材との積層部にＳＰＲが打ち込まれてＳＰＲ接合過程における各部材の変化を示す模式的な断面図である。
【図１１】第２金型を使用するＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況を示す模式的な断面図である。
【図１２】第２金型を使用するＳＰＲ接合過程におけるパンチのストロークと加工荷重との関係を示す模式的なグラフである。
【図１３】ＳＰＲ接合の開始時点において所定の位置関係に配置された第１金型とＳＰＲとの間に複数（２つ）の被接合部材が互いに重ね合わされた部分である積層部が配置された状況を示す模式的な断面図である。
【図１４】第１金型を使用するＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況を示す模式的な断面図である。
【図１５】ＳＰＲ接合の開始時点において所定の位置関係に配置された第４金型とＳＰＲとの間に複数（２つ）の被接合部材が互いに重ね合わされた部分である積層部が配置された状況の１つの例を示す模式的な断面図である。
【図１６】第４金型を使用するＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況の１つの例を示す模式的な断面図である。
【図１７】ＳＰＲ接合の開始時点において所定の位置関係に配置された第４金型とＳＰＲとの間に複数（２つ）の被接合部材が互いに重ね合わされた部分である積層部が配置された状況のもう１つの例を示す模式的な断面図である。
【図１８】第４金型を使用するＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況のもう１つの例を示す模式的な断面図である。
【図１９】図１３に示した第１金型を用いるＳＰＲ接合において金型側被接合部材を構成する材料がＳＰＲの打ち込みに伴って流動する様子を示す模式的な断面図である。
【図２０】図１７に示した第４金型を用いるＳＰＲ接合において金型側被接合部材を構成する材料がＳＰＲの打ち込みに伴って流動する様子を示す模式的な断面図である。
【図２１】実施例金型１（第１金型１０１）を用いるＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況を示す断面写真である。
【図２２】実施例金型２（第４金型１０４ａ）を用いるＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況を示す断面写真である。
【図２３】比較例金型（従来金型２０３）を用いるＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況を示す断面写真である。
【図２４】実施例において計測される各部位を示すための模式的な断面図である。
【図２５】ＳＰＲ接合によって接合されたＳＰＲ側被接合部材と金型側被接合部材との接合部分近傍の模式的な断面図である。
【図２６】従来技術に係るＳＰＲ接合用金型の構成の１つの例を示す模式的な断面図である。
【図２７】図２６に示した金型を使用するＳＰＲ接合における反力の作用を示す模式的な断面図である。
【図２８】従来技術に係るＳＰＲ接合用金型の構成のもう１つの例を示す模式的な断面図である。
【図２９】図２８に示した金型を使用するＳＰＲ接合において金型側被接合部材を構成する材料がキャビティの底面の形状に沿って径方向における外側に向かって流動する様子を示す模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
《第１実施形態》
以下、本発明の第１実施形態に係るセルフピアスリベット接合用金型（以降、「第１金型」と称呼される場合がある）について説明する。
【００２１】
〈構成〉
第１金型は、セルフピアスリベット接合（ＳＰＲ接合）において使用される金型である。ＳＰＲ接合においては、円筒状の脚部を有するセルフピアスリベット（ＳＰＲ）と上記脚部に対向する面である金型頂面に開口部を有するキャビティが形成された金型との間に複数の被接合部材が互いに重ね合わされた部分である積層部を配置する。そして、上記キャビティに向かって上記ＳＰＲを上記積層部に打ち込むことにより、複数の上記被接合部材を接合する。
【００２２】
積層部を構成する被接合部材の数は、複数（即ち、２つ以上）であれば特に限定されないが、典型的には２つである。また、個々の被接合部材の形状及び材料等についても特に限定されないが、典型的には個々の被接合部材は板状部材又は板状の部分を有する部材であり、より典型的には金属板である。
【００２３】
ＳＰＲの形状及び材料等については、例えば、ＳＰＲ接合に用いられるプレス機等の装置（以降、「ＳＰＲ接合装置」と総称される場合がある）の設計及び仕様並びに被接合部材の形状及び構造並びに材料等に応じて適宜定められる。図１は、典型的なＳＰＲの構成の一例を示す模式的な（ａ）等角投影図、（ｂ）平面図（上面図）、（ｃ）正面図、（ｄ）底面図、及び（ｅ）上記（ｃ）に示す線Ａ−Ａを含む平面による断面図である。図１に示すＳＰＲ３０１は略円筒状の脚部３２０及び脚部３２０の一端に同軸状に形成された略円盤状の頭部３１０からなる。頂部３１０の直径は軸部３２０の直径よりも大きい。また、脚部３２０の他端（頭部３１０の反対側の端部）近傍における内径は、当該端部に近くなるほど大きくなるように構成されている。換言すれば、脚部３２０の他端には、内側から外側に向かって拡がるテーパーが形成されている。
【００２４】
一方、第１金型の形状については、上述した要件及び後述する要件を満足する限り、特に限定されない。第１金型の形状の詳細については後述する。第１金型を構成する材料については、例えば、ＳＰＲ接合装置の設計及び仕様並びに被接合部材の形状及び構造並びに材料等に応じて適宜定められる。
【００２５】
第１金型において、上述したキャビティの内部には、当該キャビティの底面から上記開口部側に向かって隆起する凸部が形成されており、当該凸部の頂面である凸部頂面は凹面として形成されている。凸部頂面の具体的な形状は、凹面として形成されている限り特に限定されず、例えば、ＳＰＲ側被接合部材及び金型側被接合部材の構成材料及び厚さ等に応じて適宜設定することができる。例えば、凸部頂面は、凹状の曲面として形成されていてもよく或いは凹状の球面として形成されていてもよく、これらの場合における凸部頂面の具体的な形状（例えば、曲率半径及び深さ等）もまた、例えば、ＳＰＲ側被接合部材及び金型側被接合部材の構成材料及び厚さ等に応じて適宜設定することができる。尚、ＳＰＲ接合において複数の被接合部材にＳＰＲを打ち込むときの加工荷重（上述した打ち抜き荷重を含む）に耐え得る凸部を形成する観点からは、凹状の頂面を有する截頭錐体として凸部が形成されていることが望ましい。
【００２６】
また、上述したＳＰＲの脚部の円筒状の形状の軸を通る直線である第１軸を含む平面による断面図において上記凸部頂面の外縁である突出部が上記開口部側に凸状の曲線を描くように上記凸部が形成されている。即ち、突出部は、ＳＰＲが打ち込まれる方向に垂直な平面ではなく、開口部側に凸状の曲面によって構成されている。更に、ＳＰＲ接合において使用されるときに上記第１軸に直交する平面への垂直投影図において上記脚部の内周と外周との間に上記突出部が位置するように上記凸部が形成されている。
【００２７】
尚、第１金型のキャビティ内における突出部の底面からの高さは、例えば、ＳＰＲの脚部の構成材料及び形状並びにＳＰＲ側被接合部材及び金型側被接合部材の構成材料及び厚さ等に応じて適宜設定されるべきものである。しかしながら、ＳＰＲの脚部によるＳＰＲ側被接合部材の打ち抜きの完了までの過程において当該脚部が受ける反力を低減する観点からは、第１金型の金型頂面からの突出部の頂点の深さ（第１軸に平行な方向における距離）はＳＰＲ側被接合部材の厚さと同程度であることが望ましい。従って、第１金型において、突出部と金型頂面との間の第１軸に平行な方向における距離の最小値である突出部深度が積層部の総厚から金型側被接合部材の厚さを減算することによって得られる値に等しいように凸部が形成されていてもよい。
【００２８】
また、詳しくは後述するように、キャビティ内における凸部よりも径方向における外側の領域には、キャビティの内側面及び底面と凸部の外側面とによって画定される環状の溝（以降、「外周溝」と称呼される場合がある）が形成されている。ＳＰＲの打ち込みに伴って径方向における外側へと塑性流動する金型側被接合部材の材料が外周溝へと移動することができるので、ＳＰＲ接合における打ち抜き荷重等の加工荷重を低減することができる。このような観点からは、外周溝は、ＳＰＲの打ち込みに伴って径方向における外側へと塑性流動する金型側被接合部材の材料を受け入れることができる程度に十分に大きい容積を有することが望ましい。従って、第１金型においては、キャビティの底面の凸部よりも径方向における外側の領域である外周側底面と金型頂面との間の第１軸に平行な方向における距離の最大値である外周側底面深度が凸部頂面と金型頂面との間の第１軸に平行な方向における距離の最大値である凸部頂面深度よりも大きいようにキャビティが形成されていてもよい。
【００２９】
図２は、第１金型の構成の一例を示す模式的な（ａ）等角投影図、（ｂ）平面図（上面図）、（ｃ）正面図、（ｄ）側面図、（ｅ）上記（ｄ）に示す線Ｂ−Ｂを含む平面による断面図、及び（ｆ）キャビティの開口部近傍の拡大断面図である。図２に例示する第１金型１０１は、略円柱状の形状を有する軸部１２０及び軸部１２０の一端に同軸状に形成され且つ軸部１２０よりも大きい直径を有する略円柱状の頭部１１０からなる。軸部１２０は図示しないＳＰＲ接合装置の所定の位置に第１金型１０１を確実に固定するための部分である。但し、第１金型は必ずしもこのような頭部及び軸部によって構成されている必要は無く、上述した各種要件を満足し且つＳＰＲ接合装置の所定の位置に確実に固定することが可能である限り、第１金型の形状及び構造は特に限定されない。
【００３０】
図３は、ＳＰＲ接合において使用されるときに第１金型１０１及びＳＰＲ３０１がＳＰＲ接合装置の所定の位置に配設された状態（以降、単に「使用状態」と称呼される場合がある）において互いに対向しているＳＰＲ３０１と第１金型１０１との位置関係を示す模式的な（ａ）断面図及び（ｂ）投影図である。図２及び図３の（ａ）に示すように、第１金型１０１は、使用状態においてＳＰＲ３０１の脚部３２０に対向する面である金型頂面に開口部１３１を有するように形成されたキャビティ１３０を備える。キャビティ１３０の内部には、キャビティ１３０の底面から開口部１３１側に向かって隆起する凸部１４０が形成されており、凸部１４０の頂面である凸部頂面１４１は凹面として形成されている。また、図３の（ａ）に示すように、使用状態においてＳＰＲ３０１の脚部３２０の円筒状の形状の軸を通る直線である第１軸ＡＸ１を含む平面による断面図において突出部１４２が開口部１３１側に凸状の曲線を描くように、凸部１４０が形成されている。
【００３１】
更に、第１軸ＡＸ１に直交する平面への垂直投影図において、脚部３２０の内周と外周との間に凸部頂面１４１の外縁である突出部１４２が位置するように凸部１４０が形成されている。具体的には、第１軸ＡＸ１に直交する平面への垂直投影図である（ｂ）において、脚部３２０の内周Ｃｉｎと外周Ｃｏｕｔとの間に凸部頂面１４１の外縁である突出部１４２の稜線Ｅｏｕｔが位置するように凸部１４０が形成されている。
【００３２】
〈機能〉
ここで、ＳＰＲ接合が達成される過程（以降、「ＳＰＲ接合過程」と称呼される場合がある。）において第１金型の各部分によって達成される機能について以下に詳しく説明する。図４は、使用状態において複数（２つ）の被接合部材が互いに重ね合わされた部分である積層部がＳＰＲと第１金型との間に配置された状況を示す模式的な断面図である。尚、図４並びに後述する図５及び図６においては、ＳＰＲ３０１（の脚部３２０）及び第１金型１０１の共通の軸である第１軸ＡＸ１よりも図面に向かって右側の部分のみが描かれている。また、図４乃至図６においては、紙面の都合上、主要な構成部材を示す符号のみを記載し、各部材の部分を示す符号については省略した。
【００３３】
図４に示す例においては、ＳＰＲ側被接合部材４０１としての１枚の高張力鋼板と金型側被接合部材４０２としての１枚のアルミニウム合金板とが互いに重ね合わされた部分である積層部がＳＰＲ３０１と第１金型１０１との間に配置されている。この積層部は、ＳＰＲ接合装置が備えるパッド５００の金型側の表面であるパッド先端面５０１と第１金型１０１の金型頂面のキャビティ１３０よりも径方向において外側の部分である外周頂面１９１とによって挟まれることにより、所定の位置に固定されている。
【００３４】
尚、図４に示す例においては、凹状の頂面を有する略截頭錐体として凸部１４０が形成されている。また、突出部１４２と金型頂面（開口部１３１が形成された表面）との間の第１軸ＡＸ１に平行な方向における距離の最小値である突出部深度ＤｐがＳＰＲ側被接合部材４０１の厚さ（即ち、積層部の総厚から金型側被接合部材４０２の厚さを減算することによって得られる値）に等しい。更に、キャビティ１３０の底面の凸部１４０よりも径方向における外側の領域である外周側底面と金型頂面との間の第１軸ＡＸ１に平行な方向における距離の最大値である外周側底面深度Ｄｇが凸部頂面と金型頂面との間の第１軸ＡＸ１に平行な方向における距離の最大値である凸部頂面深度Ｄｔよりも大きい。但し、これらの特徴的な構成は、第１金型が満たすべき必須の構成要件ではなく、第１金型によって達成されるべき効果が達成される限りにおいて、これらの特徴的な構成の一部又は全部を第１金型が備えていなくてもよい。
【００３５】
その後、ＳＰＲ接合装置が備えるパンチ６００により、キャビティ１３０に向かってＳＰＲ３０１が打ち込まれ、ＳＰＲ側被接合部材４０１と金型側被接合部材４０２とが接合される。図５は、ＳＰＲ側被接合部材４０１と金型側被接合部材４０２との積層部にＳＰＲ３０１が打ち込まれてＳＰＲ側被接合部材４０１と金型側被接合部材４０２とが接合されるＳＰＲ接合過程における各部材の変化を示す模式的な断面図である。また、図６は、ＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況を示す模式的な断面図である。更に、図７は、上記ＳＰＲ接合過程におけるパンチ６００のストロークと加工荷重との関係を示す模式的なグラフである。
【００３６】
尚、図７に示すグラフにおいて、太い実線は第１金型１０１を使用するＳＰＲ接合におけるパンチ６００のストロークと加工荷重との関係を表し、細い点線は従来技術に係るＳＰＲ接合用金型（以降、「従来金型」と称呼される場合がある）を使用するＳＰＲ接合におけるパンチ６００のストロークと加工荷重との関係を表す。また、図７に示すグラフにおいて、ポイント（Ａ）は図４に示す状況に対応し、ポイント（Ｂ）乃至（Ｅ）は図５に示す状況（Ｂ）乃至状況（Ｅ）に対応し、ポイント（Ｆ）は図６に示す状況に対応する。
【００３７】
先ず、図７に示すポイント（Ａ）に対応する図４に示す状況から、パンチ６００によってキャビティ１３０に向かってＳＰＲ３０１が打ち込まれ始める。その結果、加工荷重の増大と共にＳＰＲ側被接合部材４０１と金型側被接合部材４０２とからなる被接合部材（以降、「被接合部材４００」と総称される場合がある）がキャビティ１３０側に押し込まれて変形し、図７に示すポイント（Ｂ）に対応する図５の（Ｂ）に示す状況となる。
【００３８】
第１金型１０１の凸部頂面１４１は凹面として形成されているので、この過程における被接合部材４００の変形を妨げること無く、上記のように変形した金型側被接合部材４０２が凸部頂面１４１の広い領域に接触している状況に到達することができる。一方、従来金型は凹面として形成された凸部頂面を備えないので、より早期且つより部分的に被接合部材と金型とが接触するため、被接合部材がより早期に潰れ始め、加工荷重の更なる増大が早まる（点線のグラフを参照）。
【００３９】
上記ポイント（Ｂ）（状況（Ｂ））以降の過程においては、パンチ６００によるＳＰＲ３０１の更なる打ち込みに伴って被接合部材４００が潰されつつＳＰＲ側被接合部材４０１が脚部３２０によって打ち抜かれる。従って、パンチ６００のストロークの増大に伴う加工荷重の増大が上記ポイント（Ｂ）以前よりも急峻となる。図７に示すポイント（Ｃ）は当該過程の途中にあり、図５の（Ｃ）に示すように、この時点における被接合部材４００は若干潰れており、ＳＰＲ側被接合部材４０１は脚部３２０によって部分的に打ち抜かれている。
【００４０】
第１金型１０１の突出部１４２は、上述したように、開口部１３１側に凸状の曲面によって構成され且つＳＰＲ３０１の脚部３２０に対向する位置に形成されている。これにより、ＳＰＲ側被接合部材４０１を脚部３２０が打ち抜く際に受ける反力が低減され、結果として打ち抜き荷重を含む加工荷重もまた低減される（実線のグラフを参照）。加えて、径方向における外側への脚部３２０の拡がり（拡径）も促進される。一方、従来金型は上記のような形状を有する突出部を備えないので、上述したように高い打ち抜き荷重及び反力に起因して加工荷重が増大する（点線のグラフを参照）。また、第１金型１０１におけるようなＳＰＲの脚部の拡径効果も達成されない。その結果、ＳＰＲの脚部が座屈し、インターロックが形成され難くなり、例えば接合強度の低下等の問題に繋がる虞がある。
【００４１】
次に、図５の（Ｄ）は、脚部３２０によるＳＰＲ側被接合部材４０１の打ち抜きが完了した時点における状況を示す。この例においては、ＳＰＲ側被接合部材４０１は高張力鋼板であり、金型側被接合部材４０２はアルミニウム合金板である。即ち、ＳＰＲ側被接合部材４０１に比べて金型側被接合部材４０２はより軟らかく塑性流動をより生じ易い。
【００４２】
しかしながら、第１金型１０１の凸部頂面１４１は凹面として形成されているので、金型側被接合部材４０２の塑性流動に伴う潰れが低減され、脚部３２０によるＳＰＲ側被接合部材４０１の打ち抜きが早まる（図７における対応するポイント（Ｄ）を参照）。このようにしてＳＰＲ側被接合部材４０１の打ち抜きが早まる結果として、インターロック形成への移行が早まり、インターロック量が増大するため、接合強度が増大する。一方、従来金型は凹面として形成された凸部頂面を備えないので、金型側被接合部材の潰れに伴う塑性流動が低減されず、ＳＰＲの脚部によるＳＰＲ側被接合部材の打ち抜きが遅れる。その結果、ＳＰＲ側被接合部材が金型の底部側へと引き延ばされ、ＳＰＲ接合過程の完了時におけるＳＰＲ側被接合部材の最終的な厚さが減少すると共に、インターロック形成への移行が遅れ、インターロック量の増大が困難となり、接合強度が低下する虞が高い。
【００４３】
尚、キャビティ１３０の底面の凸部１４０よりも径方向における外側の領域には、キャビティ１３０の底面の凸部よりも外側の領域（外周側底面）と凸部１４０の外側面とキャビティ１３０の内側面とによって画定される環状の溝（外周溝）が形成されている。被接合部材４００の潰れに伴って径方向における外側へと塑性流動する金型側被接合部材４０２の材料が外周溝へと移動することができるので、ＳＰＲ接合過程における加工荷重を低減することができる。
【００４４】
次に、図５の（Ｅ）は、パンチ６００によるＳＰＲ３０１の打ち込みが更に進行し、ＳＰＲ側被接合部材４０１の打ち抜きを完了した脚部３２０が金型側被接合部材４０２の内部へと差し込まれている状況を示す。上述した外周溝には金型側被接合部材４０２を構成する材料が既に充満している。この過程においても、上述したように開口部１３１側に凸状の曲面によって構成され且つＳＰＲ３０１の脚部３２０に対向する位置に形成されている突出部１４２により、脚部３２０の拡径が促進され、インターロック量が増大する。一方、従来金型は上記のような形状を有する突出部を備えないので、このようなＳＰＲの脚部の拡径効果及びインターロック量の増大効果は達成されない。
【００４５】
図６は、上述したようにＳＰＲ接合過程が完了した時点における各部材の状況を示す。以上説明してきたようなＳＰＲ接合過程において第１金型の各部分によって達成される種々の機能により、ＳＰＲ側被接合部材のみならず金型側被接合部材についても最終的な厚さの過剰な低下（薄肉化）が低減され（太い破線によって囲まれた領域を参照）、十分に大きいインターロック量Ｌが達成されている。また、上述したように、ＳＰＲ接合過程における打ち抜き荷重を含む加工荷重を低減することができる。
【００４６】
〈効果〉
以上のように、第１金型によれば、ＳＰＲ接合において、金型側被接合部材がＳＰＲ側被接合部材に比べて塑性流動を生じ易い材料によって構成されている場合であっても、打ち抜き荷重の増大を低減しつつ、金型側被接合部材の過剰な薄肉化の低減及びインターロック量の増大を達成することができる。
【００４７】
《第２実施形態》
以下、本発明の第２実施形態に係るセルフピアスリベット接合用金型（以降、「第２金型」と称呼される場合がある）について説明する。第１金型に関する上記説明において述べたように、キャビティ内に形成される凸部の頂面である凸部頂面の具体的な形状は、凹面として形成されている限り特に限定されず、例えば、ＳＰＲ側被接合部材及び金型側被接合部材の構成材料及び厚さ等に応じて適宜設定することができる。例えば、凸部頂面は凹状の曲面として形成されていてもよく或いは凹状の球面として形成されていてもよい。しかしながら、凸部頂面の具体的な形状は、上記以外の形状であってもよい。
【００４８】
〈構成〉
第２金型は、上述した第１金型を始めとする本発明に係るセルフピアスリベット接合用金型（本発明金型）であって、凸部頂面が凹状の円錐面として形成されている、セルフピアスリベット接合用金型である。第２金型は、凸部頂面が凹状の円錐面として形成されている点を除き、上述した第１金型と同様の構成を有する。従って、以下の説明においては凸部頂面以外の部分についての説明が省略される場合がある。
【００４９】
第２金型における凸部頂面の具体的な形状（例えば、円錐角の大きさ等）もまた、例えば、ＳＰＲ側被接合部材及び金型側被接合部材の構成材料及び厚さ等に応じて適宜設定することができる。尚、本明細書において「円錐角」とは、円錐面の頂点を通る軸を含む平面による当該円錐面の断面における２つの母線がなす角を意味する。
【００５０】
図８は、第２金型の構成の一例を示す模式的な（ａ）等角投影図、（ｂ）平面図（上面図）、（ｃ）正面図、（ｄ）側面図、（ｅ）上記（ｄ）に示す線Ｂ−Ｂを含む平面による断面図、及び（ｆ）キャビティの開口部近傍の拡大断面図である。図８からも明らかであるように、第２金型においては、凸部頂面１４１が凹状の円錐面として形成されている。尚、図８に例示する第２金型１０２もまた、上述した第１金型１０１と同様に略円柱状の形状を有する軸部１２０及び軸部１２０の一端に同軸状に形成され且つ軸部１２０よりも大きい直径を有する略円柱状の頭部１１０からなる。しかしながら、第２金型の形状及び構造もまた当該構成に限定されるものではない。
【００５１】
また、第２金型においても、図３を参照しながら説明した第１金型と同様に、ＳＰＲの脚部の円筒状の形状の軸を通る直線である第１軸を含む平面による断面図において凸部頂面の外縁である突出部がキャビティの開口部側に凸状の曲線を描き且つ使用状態における第１軸に直交する平面への垂直投影図においてＳＰＲの脚部の内周と外周との間に突出部が位置するように凸部が形成されている。
【００５２】
〈機能〉
ここで、ＳＰＲ接合過程において第２金型の各部分によって達成される機能について以下に説明する。図９は、使用状態において複数（２つ）の被接合部材が互いに重ね合わされた部分である積層部がＳＰＲと第２金型との間に配置された状況を示す模式的な断面図である。図１０は、ＳＰＲ側被接合部材４０１と金型側被接合部材４０２との積層部にＳＰＲ３０１が打ち込まれてＳＰＲ側被接合部材４０１と金型側被接合部材４０２とが接合されるＳＰＲ接合過程における各部材の変化を示す模式的な断面図である。また、図１１は、ＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況を示す模式的な断面図である。更に、図１２は、上記ＳＰＲ接合過程におけるパンチ６００のストロークと加工荷重との関係を示す模式的なグラフである。
【００５３】
即ち、図９乃至図１２は、第１金型に関する説明において参照した図４乃至図７にそれぞれ対応する図面である。また、図１２に示すグラフにおいて、ポイント（Ａ’）は図９に示す状況に対応し、ポイント（Ｂ’）乃至（Ｅ’）は図１０に示す状況（Ｂ’）乃至状況（Ｅ’）に対応し、ポイント（Ｆ’）は図１１に示す状況に対応する。第２金型を使用するＳＰＲ接合過程における個々の段階における状況等については、上述した第１金型を使用するＳＰＲ接合過程と同様であるので、ここでの詳細な説明は省略する。
【００５４】
図１１は、第２金型を使用するＳＰＲ接合過程が完了した時点における各部材の状況を示す。上述した第１金型を使用するＳＰＲ接合過程と同様に、ＳＰＲ接合過程において第２金型の各部分によって達成される種々の機能により、ＳＰＲ側被接合部材のみならず金型側被接合部材についても最終的な厚さの過剰な低下（薄肉化）が低減され（太い破線によって囲まれた領域を参照）、十分に大きいインターロック量Ｌが達成されている。また、図１２に示すグラフからも明らかであるように、ＳＰＲ接合過程における打ち抜き荷重を含む加工荷重を低減することができる。
【００５５】
〈効果〉
以上のように、凸部頂面が凹状の円錐面として形成されている第２金型によっても、上述した第１金型と同様に、ＳＰＲ接合において、金型側被接合部材がＳＰＲ側被接合部材に比べて塑性流動を生じ易い材料によって構成されている場合であっても、打ち抜き荷重の増大を低減しつつ、金型側被接合部材の過剰な薄肉化の低減及びインターロック量の増大を達成することができる。
【００５６】
《第３実施形態》
以下、本発明の第３実施形態に係るセルフピアスリベット接合用金型（以降、「第３金型」と称呼される場合がある）について説明する。図５の（Ｅ）及び図１０の（Ｅ’）に示したように、ＳＰＲの脚部によるＳＰＲ側被接合部材の打ち抜きが完了した後、ＳＰＲの打ち込みが更に進行し、金型側被接合部材の内部へとＳＰＲの脚部が差し込まれる。この時点において、上述した外周溝には金型側被接合部材を構成する材料が既に充満している。従って、外周溝に充満している金型側被接合部材を構成する材料は、金型側被接合部材の内部へのＳＰＲの脚部の進行に伴って、径方向における外側へと流動する。このような金型側被接合部材を構成する材料の流動によっても、ＳＰＲの脚部の拡径が促進され、インターロック量が増大する。
【００５７】
上記のように外周溝における金型側被接合部材を構成する材料の流動によってＳＰＲの脚部の拡径の促進する観点からは、外周溝に充満している金型側被接合部材を構成する材料が、金型側被接合部材の内部へのＳＰＲの脚部の進行に伴って、径方向における外側のみならず、金型側の底面側から開口部側（ＳＰＲ側）へも流動することが望ましい。
【００５８】
〈構成〉
そこで、第３金型は、上述した第１金型及び第２金型を始めとする本発明に係るセルフピアスリベット接合用金型（本発明金型）であって、第１軸に直交する平面によるキャビティの内側面の断面がキャビティの底面から開口部へと向かうほど広くなるようにキャビティが形成されている、セルフピアスリベット接合用金型である。換言すれば、第３金型に形成されたキャビティにおいては、その底面よりも開口部の方がより広い。
【００５９】
より好ましくは、例えば図２乃至図６及び図８乃至図１１に示した第１金型及び第２金型のように、第１軸ＡＸ１を含む平面による断面図においてキャビティ１３０の内側面が底面から開口部へと向かうほど離れるように互いに傾斜している２本の直線を描くようにキャビティ１３０が形成されている。尚、このような構成は、より好ましい態様に係る第３金型の構成要件であって、第１金型乃至第３金型の必須の構成要件ではない。
【００６０】
〈効果〉
上記構成により、外周溝に充満している金型側被接合部材を構成する材料は、金型側被接合部材の内部へのＳＰＲの脚部の進行に伴って、径方向における外側へと流動すると共に、金型側から開口部側に向かっても流動することができる。このような金型側被接合部材を構成する材料の流動により、ＳＰＲの脚部の拡径が更に促進され、インターロック量が更に増大することができる。
【００６１】
《第４実施形態》
以下、本発明の第３実施形態に係るセルフピアスリベット接合用金型（以降、「第４金型」と称呼される場合がある）について説明する。
【００６２】
以上説明してきたように、第１金型乃至第３金型を始めとする本発明に係るＳＰＲ接合用金型（本発明金型）によれば、ＳＰＲ接合において、金型側被接合部材がＳＰＲ側被接合部材に比べて塑性流動を生じ易い材料によって構成されている場合であっても、打ち抜き荷重の増大を低減しつつ、金型側被接合部材の過剰な薄肉化の低減及びインターロック量の増大を達成することができる。
【００６３】
しかしながら、例えばＳＰＲ及び本発明金型並びに個々の被接合部材の構成（例えば、形状及び材料等）等によっては、複数の被接合部材にＳＰＲが打ち込まれる際に金型側被接合部材を構成する材料がキャビティの内壁面に沿って径方向における外側に向かって過剰に流動してしまう場合がある。この場合、金型側被接合部材を構成する材料の過剰な流動により、インターロック量が減少し、例えば接合強度の低下等の問題に繋がる虞がある。更に、金型側被接合部材を構成する材料の過剰な流動により、ＳＰＲが打ち込まれる向きへのＳＰＲ側被接合部材の変形量が大きくなったりＳＰＲ側被接合部材と金型側被接合部材とＳＰＲとの界面近傍において間隙が生じたりして、例えば接合強度の低下等の問題に繋がる虞がある。
【００６４】
従って、ＳＰＲの打ち込みに伴う金型側被接合部材の径方向における外側への流動を適度に低減することができれば、本発明金型によるインターロック量の増大効果を更に高めて、被接合部材の接合強度を更に高めることができるものと期待される。そこで、本発明者は、更なる研究の結果、金型頂面のキャビティよりも径方向における外側の領域にキャビティを取り囲む環状の突起を設けることにより、ＳＰＲの打ち込みに伴う金型側被接合部材の径方向における外側への流動を適度に低減することができることを見出した。
【００６５】
〈構成〉
即ち、第４金型は、上述した第１金型乃至第３金型を始めとする本発明に係るセルフピアスリベット接合用金型（本発明金型）であって、第１軸に平行な方向において内底面とは反対側に向かって隆起する環状の突起である環状突起が金型頂面のキャビティよりも径方向における外側の領域に形成されている、セルフピアスリベット接合用金型である。
【００６６】
環状突起の具体的な構成（例えば、横断面の形状及び大きさ並びに位置等）は、ＳＰＲの打ち抜き荷重の増大の低減、金型側被接合部材の過剰な薄肉化の低減及びインターロック量の増大を達成しつつ、ＳＰＲの打ち込みに伴う金型側被接合部材を構成する材料の径方向における外側への流動を適度に低減することが可能である限り、特に限定されない。ここでいう「環状突起の横断面」とは、ＳＰＲ接合の開始時点においてＳＰＲとＳＰＲ接合用金型とが所定の位置関係に配置された状態である接合開始状態における第１軸を含む平面による環状突起の断面である。但し、ＳＰＲの打ち込みに伴う金型側被接合部材を構成する材料の径方向における外側への流動を過度に低減すると、ＳＰＲの脚部の拡径が困難となり、結果的にインターロック量が減少する虞がある。
【００６７】
具体的には、環状突起の横断面の形状は、例えば三角形、台形及び四角形等の多角形であってもよく、或いは例えば半円形及び半楕円形等、内底面とは反対側に向かって隆起する面が曲面となる形状であってもよい。更に、環状突起の横断面の大きさ（例えば、径方向における大きさである幅及び第１軸に平行な方向における大きさである高さ等）は、例えばＳＰＲの打ち抜き荷重の増大の低減、金型側被接合部材の過剰な薄肉化の低減及びインターロック量の増大とＳＰＲの打ち込みに伴う金型側被接合部材を構成する材料の径方向における外側への流動の適度な低減との両立が可能であるように適宜定められる。
【００６８】
加えて、環状突起が形成される位置は、金型頂面のキャビティよりも径方向における外側の領域である限り特に限定されない。一般的には、ＳＰＲの打ち込みに伴う金型側被接合部材を構成する材料の径方向における外側への流動を適度に低減する観点からは、金型頂面のキャビティよりも径方向における外側の領域において、キャビティにより近い位置に環状突起が形成されることが好ましい。典型的には、金型頂面のキャビティに隣接する位置に環状突起が形成される。尚、上記のような要件を満たし得る環状突起の構成は、例えば有限要素法等の流動解析及び予備実験等により適宜定めることができる。
【００６９】
〈機能〉
ここで、ＳＰＲ接合過程において第４金型が備える環状突起によって達成される機能につき、環状突起を備えない本発明の第１実施形態に係るＳＰＲ接合用金型（第１金型）と対比しながら以下に詳しく説明する。
【００７０】
先ず、図１３は、ＳＰＲ接合の開始時点において所定の位置関係に配置された第１金型とＳＰＲとの間に複数（２つ）の被接合部材が互いに重ね合わされた部分である積層部が配置された状況を示す模式的な断面図である。図１４の（ａ）は図１３に示した第１金型を用いるＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況を示す模式的な断面図であり、図１４の（ｂ）は図１４の（ａ）から第１金型、パッド及びパンチを削除して、ＳＰＲ、ＳＰＲ側被接合部材及び金型側被接合部材のみを描いた模式的な断面図である。図１３及び図１４の（ａ）は、第１金型に関する説明において参照した図４及び図６にそれぞれ対応する図面である。
【００７１】
図１３に示す例においては、ＳＰＲ側被接合部材４０１としての１枚の高張力鋼板と金型側被接合部材４０２としての１枚のアルミニウム合金板とが互いに重ね合わされた部分である積層部がＳＰＲ３０１と第１金型１０１との間に配置されている。この積層部は、ＳＰＲ接合装置が備えるパッド５００の金型側の表面であるパッド先端面５０１と第１金型１０１の金型頂面のキャビティ１３０よりも径方向において外側の部分である外周頂面１９１とによって挟まれることにより、所定の位置に固定されている。その後、ＳＰＲ接合装置が備えるパンチ６００により、キャビティ１３０に向かってＳＰＲ３０１が打ち込まれ、図１４に示すようにＳＰＲ側被接合部材４０１と金型側被接合部材４０２とが接合される。
【００７２】
上記のように金型側被接合部材４０２を構成する材料（アルミニウム合金）がＳＰＲ側被接合部材４０１を構成する材料（高張力鋼板）に比べて塑性流動を生じ易い場合であっても、第１金型１０１によれば、ＳＰＲ接合において、打ち抜き荷重の増大を低減しつつ、図１４に示すように、金型側被接合部材４０２の過剰な薄肉化の低減及びインターロック量の増大を達成することができる。
【００７３】
一方、図１５は、ＳＰＲ接合の開始時点において所定の位置関係に配置された第４金型とＳＰＲとの間に複数（２つ）の被接合部材が互いに重ね合わされた部分である積層部が配置された状況を示す模式的な断面図である。図１６の（ａ）は図１５に示した第４金型を用いるＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況を示す模式的な断面図であり、図１６の（ｂ）は図１６の（ａ）から第４金型、パッド及びパンチを削除して、ＳＰＲ、ＳＰＲ側被接合部材及び金型側被接合部材のみを描いた模式的な断面図である。図１５及び図１６の（ａ）は、第１金型に関する説明において参照した図１３及び図１４にそれぞれ対応する図面である。
【００７４】
図１５に示す例においては、ＳＰＲ側被接合部材４０１としての１枚の高張力鋼板と金型側被接合部材４０２としての１枚のアルミニウム合金板とが互いに重ね合わされた部分である積層部がＳＰＲ３０１と第４金型１０４ａとの間に配置されている。この積層部は、ＳＰＲ接合装置が備えるパッド５００の金型側の表面であるパッド先端面５０１と第４金型１０４ａの金型頂面のキャビティ１３０よりも径方向において外側の部分である外周頂面１９１とによって挟まれることにより、所定の位置に固定されている。その後、ＳＰＲ接合装置が備えるパンチ６００により、キャビティ１３０に向かってＳＰＲ３０１が打ち込まれ、図１６に示すようにＳＰＲ側被接合部材４０１と金型側被接合部材４０２とが接合される。
【００７５】
この場合もまた、上記のように金型側被接合部材４０２がＳＰＲ側被接合部材４０１を構成する材料（高張力鋼板）に比べて塑性流動を生じ易い材料（アルミニウム合金）によって構成されている。しかしながら、図１５及び図１６に示すように、第４金型１０４ａにおいては、金型頂面のキャビティよりも径方向における外側の領域に第１軸ＡＸ１に平行な方向において内底面とは反対側に向かって隆起する環状の突起である環状突起１５０が形成されている（破線によって囲まれている部分を参照）。
【００７６】
環状突起１５０の構成（例えば、横断面の形状及び大きさ並びに位置等）は、上述したように、例えばＳＰＲ３０１の打ち抜き荷重の増大の低減、金型側被接合部材４０２の過剰な薄肉化の低減及びインターロック量の増大とＳＰＲ３０１の打ち込みに伴う金型側被接合部材４０２を構成する材料の径方向における外側への流動の適度な低減との両立が可能であるように適宜定めることができる。例えば、図１７及び図１８に示す第４金型１０４ｂが備える環状突起１５０は、上述した、図１５及び図１６に示す第４金型１０４ａが備える環状突起１５０に比べて、より広い幅（径方向における横断面の大きさ）を有する（破線によって囲まれている部分を参照）。従って、ＳＰＲ３０１の打ち込みに伴う金型側被接合部材４０２を構成する材料の径方向における外側への流動を低減する効果は、第４金型１０４ａに比べて、第４金型１０４ｂの方がより大きい。
【００７７】
〈効果〉
第４金型１０４ａ及び１０４ｂの何れにおいても、第１金型１０１を使用する場合に比べて、ＳＰＲ３０１の打ち込みに伴う金型側被接合部材４０２を構成する材料の径方向における外側への流動が適度に低減される。その結果、インターロック量が更に増大すると共に、ＳＰＲ３０１が打ち込まれる向きへのＳＰＲ側被接合部材４０１の変形が低減され、ＳＰＲ側被接合部材４０１と金型側被接合部材４０２とＳＰＲ３０１との界面近傍における間隙の発生が低減される。その結果、ＳＰＲ側被接合部材４０１と金型側被接合部材４０２との接合強度が更に高まる。
【００７８】
上記のような効果は、以下のようなメカニズムによって達成されるものと考えられる。先ず、図１９は、図１３に示した第１金型１０１を用いるＳＰＲ接合において金型側被接合部材４０２を構成する材料がＳＰＲ３０１の打ち込みに伴って流動する様子を示す模式的な断面図である。図１９に示す例においては、環状突起を備えない第１金型１０１が使用されるので、ＳＰＲ３０１の打ち込みに伴うキャビティ内の圧力上昇により、金型側被接合部材４０２を構成する材料がキャビティの内壁面に沿って径方向における外側に向かって流動し、キャビティの外へと流出している（太い矢印を参照）。そのため、ＳＰＲ側被接合部材４０１と金型側被接合部材４０２とＳＰＲ３０１との界面近傍に間隙が生ずると共に（破線によって囲まれている部分を参照）、ＳＰＲ３０１が打ち込まれる向きにＳＰＲ側被接合部材４０１が変形している。結果として、インターロック量及び被接合部材の接合強度において、更なる改善の余地が残っている。
【００７９】
一方、図２０は、図１７に示した第４金型１０４ｂを用いるＳＰＲ接合において金型側被接合部材４０２を構成する材料がＳＰＲ３０１の打ち込みに伴って流動する様子を示す模式的な断面図である。図２０に示す例においては、環状突起を備える第４金型１０４ｂが使用されるので、ＳＰＲ３０１の打ち込みに伴ってキャビティの内壁面に沿って径方向における外側に向かって流動した金型側被接合部材４０２を構成する材料が環状突起１５０によって少なくとも部分的に堰き止められている（太い矢印を参照）。そのため、金型側被接合部材４０２を構成する材料がＳＰＲ側被接合部材４０１と金型側被接合部材４０２とＳＰＲ３０１との界面近傍へと流動するので、当該界面近傍に生ずる間隙がより小さくなり、インターロック量が増大する（破線によって囲まれている部分を参照）。また、ＳＰＲ３０１が打ち込まれる向きへのＳＰＲ側被接合部材４０１の変形量も減少する。結果として、図１９に示した例に比べて、インターロック量及び被接合部材の接合強度が更に増大されている。
【００８０】
以上のように、第４金型においては、金型頂面のキャビティよりも径方向における外側の領域に第１軸に平行な方向において内底面とは反対側に向かって隆起する環状の突起である環状突起が形成されている。その結果、第４金型によれば、ＳＰＲの打ち込みに伴う金型側被接合部材の径方向における外側への流動を適度に低減して、本発明金型によるインターロック量の増大効果を更に高めて、被接合部材の接合強度を更に高めることができる。
【実施例】
【００８１】
本発明の実施例１及び実施例２に係るセルフピアスリベット接合用金型（以降、それぞれ「実施例金型１」及び「実施例金型２」と称呼される場合がある。）によって達成される効果につき、比較例（従来技術）に係るセルフピアスリベット接合用金型（以降、「比較例金型」と称呼される場合がある。）と比較しながら以下に説明する。
【００８２】
実施例金型１は上述したような構成を有する凸部を備える第１金型１０１であり、実施例金型２は上述したような構成を有する凸部及び環状突起を備える第４金型１０４ａである。一方、比較例金型は凸部も環状突起も備えない従来技術に係るセルフピアスリベット接合用金型（以降、「従来金型２０３」と称呼される場合がある。）である。即ち、比較例金型においては、キャビティの底面は平坦であり（凸部が形成されていない）、金型頂面のキャビティよりも外側の領域もまた平坦である（環状突起も形成されていない）。
【００８３】
上記のような構成を有する実施例金型１及び実施例金型２並びに比較例金型のそれぞれにつき、同一のＳＰＲ接合装置において、上述したＳＰＲ３０１を用いて、ＳＰＲ側被接合部材４０１としての１枚の高張力鋼板と金型側被接合部材４０２としての１枚のアルミニウム合金板とを接合した。
【００８４】
図２１は実施例金型１（第１金型１０１）を用いるＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況を示す断面写真であり、図２２は、実施例金型２（第４金型１０４ａ）を用いるＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況を示す断面写真である。一方、図２３は、比較例金型（従来金型２０３）を用いるＳＰＲ接合が完了した時点における各部材の状況を示す断面写真である。図２１乃至図２３に示したＳＰＲ接合の各々につき、インターロック量（Ｌ）、ＳＰＲ開脚径（ＤＬ）、金型側被接合部材の残板厚（Ｔ）、ＳＰＲ高さ（Ｈ）、ＳＰＲ脚部幅（Ｗ）及びＳＰＲの打ち込み時における最大荷重（Ｆｍａｘ）を計測した。
【００８５】
図２４は、この実施例において計測される各部位を示すための模式的な断面図である。インターロック量（Ｌ）は、図２４に示すように、図面に向かって左側のインターロック量（ＬＬ）及び右側のインターロック量（ＬＲ）を計測し、これらの平均値を算出することによって求めた。ＳＰＲの開脚径（ＤＬ）は、ＳＰＲ接合に伴って拡径されたＳＰＲ３０１の脚部の最大径である。金型側被接合部材の残板厚（Ｔ）は、ＳＰＲ接合が完了した時点における金型側被接合部材４０２の最も薄い部分の厚さである。実施例金型１及び実施例金型２においては、金型のキャビティの内部に形成された凸部の頂面の外縁である突出部とＳＰＲ側被接合部材４０１との間における金型側被接合部材４０２の厚さが金型側被接合部材の残板厚（Ｔ）に該当する。金型側被接合部材の残板厚（Ｔ）もまた、図２４に示すように、図面に向かって左側の残板厚（ＴＬ）及び右側の残板厚（ＴＲ）を計測し、これらの平均値を算出することによって求めた。
【００８６】
ＳＰＲ高さ（Ｈ）は、ＳＰＲ接合が完了した時点におけるＳＰＲ３０１の高さ（上述した第１軸方向における寸法）である。この実施例においては、図２４に示すように、図面に向かって左側のＳＰＲ高さ（ＨＬ）をＳＰＲ高さ（Ｈ）として求めた。ＳＰＲの脚部幅（Ｗ）は、ＳＰＲ３０１の脚部の内側がＳＰＲ側被接合部材４０１の内部に打ち込まれている部分の厚さである。ＳＰＲの脚部幅（Ｗ）もまた、図２４に示すように、図面に向かって左側の脚部幅（ＷＬ）及び右側の脚部幅（ＷＲ）を計測し、これらの平均値を算出することによって求めた。ＳＰＲの打ち込み時における最大荷重（Ｆｍａｘ）は、ＳＰＲ３０１を被接合部材に打ち込むためのパンチを駆動するプレス機が備えるロードセルによって計測した。このようにして計測された各部位の寸法及び最大荷重（Ｆｍａｘ）を以下の表１に列挙する。
【００８７】
【表１】
2020175440.tif 000003
【００８８】
表１に示すように、実施例金型１（第１金型１０１）を用いる実施例１に係るＳＰＲ接合においては、比較例金型（従来金型２０３）を用いる比較例に係るＳＰＲ接合に比べて、最大荷重（Ｆｍａｘ）が低減された結果としてＳＰＲ脚部幅（Ｗ）が減少し、且つ開脚径（ＤＬ）が大幅に増大されインターロック量（Ｌ）もまた大幅に増大されている。即ち、実施例１においては、比較例に比べて、打ち抜き荷重の増大が低減（寧ろ減少）されたことによりＰＲの脚部の潰れが低減され、且つＳＰＲの脚部が十分に拡径されてインターロック量が大幅に増大されている。
【００８９】
尚、金型側被接合部材の残板厚（Ｔ）については、比較例に比べて、実施例１の方が大幅に減少している。しかしながら、これは、上述したように実施例金型１（第１金型１０１）のキャビティの内部に形成された凸部の頂面の外縁である突出部とＳＰＲ側被接合部材４０１との間における金型側被接合部材４０２の厚さが金型側被接合部材の残板厚（Ｔ）として計測されるためであり、本明細書の冒頭において述べたような問題（例えば、接合強度の低下及び金型側被接合部材のひび割れ等）に繋がるものではない。更に、ＳＰＲ高さ（Ｈ）についても、比較例に比べて、実施例１の方が大幅に減少している。しかしながら、これは、上述したようにＳＰＲの脚部が十分に拡径されたためであり、被接合部材中へのＳＰＲの打ち込みが浅い訳ではない。
【００９０】
次に、実施例金型２（第４金型１０４ａ）を用いる実施例２に係るＳＰＲ接合においても、基本的には、比較例金型（従来金型２０３）を用いる比較例に係るＳＰＲ接合に比べて、上記と同様の効果が認められた。また、実施例１に係るＳＰＲ接合に比べると、最大荷重（Ｆｍａｘ）が僅かに増大し、開脚径（ＤＬ）が僅かに減少している。これは、実施例金型２（第４金型１０４ａ）が備える環状突起により、ＳＰＲの打ち込みに伴う金型側被接合部材４０２を構成する材料の径方向における外側への流動が低減された影響であると考えられる。その結果、前述したように、金型側被接合部材４０２を構成する材料がＳＰＲ側被接合部材４０１と金型側被接合部材４０２とＳＰＲ３０１との界面近傍へと流動し、インターロック量（Ｌ）が更に増大している。
【００９１】
以上のように、第１金型を用いる実施例１においては、従来金型を用いる比較例に比べて、金型側被接合部材がＳＰＲ側被接合部材に比べて塑性流動を生じ易い材料によって構成されている場合であっても、打ち抜き荷重の増大を低減しつつ、金型側被接合部材の過剰な薄肉化の低減及びインターロック量の増大を達成することができることが確認された。また、第４金型１０４ａを用いる実施例２においては、金型側被接合部材を構成する材料の流動が環状突起によって低減された結果、第１金型を用いる実施例１に比べて最大荷重（Ｆｍａｘ）が僅かに増大し且つ開脚径（ＤＬ）が僅かに減少するものの、インターロック量（Ｌ）を更に増大させることができることが確認された。
【００９２】
以上、本発明を説明することを目的として、特定の構成を有する幾つかの実施形態及び実施例につき、時に添付図面を参照しながら説明してきたが、本発明の範囲は、これらの例示的な実施形態及び実施例に限定されると解釈されるべきではなく、特許請求の範囲及び明細書に記載された事項の範囲内で、適宜修正を加えることが可能であることは言うまでも無い。
【符号の説明】
【００９３】
１０１，１０２，１０４ａ，１０４ｂ…金型、１１０…頭部、１２０…軸部、１３０…キャビティ、１３１…開口部、１４０…凸部、１４１…凸部頂面、１４２…突出部、１５０…環状突起、１９１…外周頂面、２０１，２０２，２０３…金型（従来技術）、２３０…キャビティ（従来技術）、２３９…底面（従来技術）、２４０…突起（従来技術）、２４１…平面部（従来技術）、２４２…先端面（従来技術）、３００，３０１…セルフピアスリベット（ＳＰＲ）、３２０…脚部、４００…被接合部材、４０１…ＳＰＲ側被接合部材、４０２…金型側被接合部材、５００…パッド、５０１…パッド先端面、６００…パンチ、ＰＬ…インターロック部、Ｌ…インターロック量、ＡＸ１…第１軸、Ｃｉｎ…脚部の内周、Ｃｏｕｔ…脚部の外周、Ｅｏｕｔ…突出部の稜線、Ｄｐ…突出部深度、Ｄｇ…外周側底面深度、及びＤｔ…凸部頂面深度。
【図１】
2020175440.tif 000004
【図２】
2020175440.tif 000005
【図３】
2020175440.tif 000006
【図４】
2020175440.tif 000007
【図５】
2020175440.tif 000008
【図６】
2020175440.tif 000009
【図７】
2020175440.tif 000010
【図８】
2020175440.tif 000011
【図９】
2020175440.tif 000012
【図１０】
2020175440.tif 000013
【図１１】
2020175440.tif 000014
【図１２】
2020175440.tif 000015
【図１３】
2020175440.tif 000016
【図１４】
2020175440.tif 000017
【図１５】
2020175440.tif 000018
【図１６】
2020175440.tif 000019
【図１７】
2020175440.tif 000020
【図１８】
2020175440.tif 000021
【図１９】
2020175440.tif 000022
【図２０】
2020175440.tif 000023
【図２１】
2020175440.tif 000024
【図２２】
2020175440.tif 000025
【図２３】
2020175440.tif 000026
【図２４】
2020175440.tif 000027
【図２５】
2020175440.tif 000028
【図２６】
2020175440.tif 000029
【図２７】
2020175440.tif 000030
【図２８】
2020175440.tif 000031
【図２９】
2020175440.tif 000032