(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の金属被加工物を第２の金属被加工物に接続するクリンチング接続部が、ダイ工具および対向工具による局所的な変形によって形成されてなる荷重に耐え得る鋼構造接続部の製造方法であって、
第１の金属被加工物および第２の金属被加工物の一方を他方の上に配置し、かつ第１の金属被加工物および第２の金属被加工物を対向工具の加工面上に整列させるステップと、
ダイ工具のダイを前進させるステップと、
ダイを、一方が他方の上に配置された２つの金属被加工物へと、局所的な変形によってクリンチング接続部が形成されるまで沈めるステップと、
ダイを引き抜くステップとを含み、
第１の金属被加工物が、第１の被加工物厚さを有し、第２の金属被加工物が、第２の被加工物厚さを有し、第１および第２の被加工物厚さを合わせて、８ミリメートルよりも厚い全体としての被加工物厚さをもたらしており、
ダイが、回転軸に関して回転対称であり、ダイの沈めの方向にフランク角度で細くなっている少なくとも２つの円錐形の遷移領域を有し、フランク角が、端面へとつながる下方の遷移領域の第１の角度部分と、上方の遷移領域の第２の角度部分とを有し、第１の角度部分が第２の角度部分よりも大きく、フランク角の第１の角度部分および第２の角度部分の両方がゼロ度以上であり、沈む際に、ダイの上方の遷移領域が、少なくとも部分的に金属被加工物へと沈められ、
ダイが、金属被加工片へ沈められるダイの長さである長さＬを有する円錐形の遷移領域を有し、長さＬが、全体としての金属被加工物厚さｔｔに応じ、０．３ｔｔ≦Ｌ≦２ｔｔであることを特徴とする、方法。
【請求項２】
形鋼、鋼桁、鋼板、成形管、ステンレス鋼、アルミニウムまたは銅プレート、あるいは鋼製プレート形材が、第１の金属被加工物として使用され、鋼板、形鋼、成形管、ステンレス鋼、アルミニウムまたは銅プレート、あるいは鋼製プレート形材が、第２の金属被加工物として使用される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第１の金属被加工物厚さが、第２の金属被加工物厚さよりも大きく、第１の金属被加工物厚さが、４ミリメートル以上であり、第２の金属被加工物厚さが、３ミリメートル以上であることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
ダイが、８ミリメートルよりも厚い全体としての金属被加工物厚さについて、１０から３５ミリメートルの間の直径を有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記直径が、１２から２５ミリメートルの間にあることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
金属被加工物のクリンチング後の分離を可能にするために、ダイの引き抜き時にストリッパーが使用されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
ストリッパーが、分離に先立って第１の金属被加工物の表面に向かって前進させられ、
分離の際に、ストリッパーによって金属被加工物に対してエジェクト力が加えられる一方で、反対の方向に作用する戻り行程力が、ダイを引き戻し、
エジェクト力が、８ミリメートルよりも厚い全体としての金属被加工物厚さについて、４０ｋＮ以下であることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
２つの同一なダイが、互いに隣接して配置されて、同時に使用され、
第１の金属被加工物が、ダイの沈めおよび引き抜きの後の２つの隣接するクリンチング接続部によって、第２の金属被加工物に接続されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
合わせて８ミリメートルよりも厚い全体としての被加工物厚さをもたらす２つの金属被加工物から荷重に耐え得る鋼構造要素を製造するためのクリンチング工具であって、２つの金属被加工物が、少なくともクリンチング接続部によって共に接合され、
クリンチング工具が、フランク角を有する円錐形の遷移領域を有するダイを備え、フランク角が、端面へとつながる下方の遷移領域の第１の角度部分と、上方の遷移領域の第２の角度部分とを有し、第１の角度部分が第２の角度部分よりも大きく、フランク角の第１の角度部分および第２の角度部分の両方がゼロ度以上であり、沈む際に、ダイの上方の遷移領域が、少なくとも部分的に金属被加工物へと沈められ、ダイの金属被加工物側の端面が、金属被加工物側において、ダイの工具側の直径よりも小さい直径を有し、ダイが、金属被加工片へ沈められるダイの長さである長さＬを有する円錐形の遷移領域を有し、長さＬが、全体としての金属被加工物厚さｔｔに応じ、０．３ｔｔ≦Ｌ≦２ｔｔであることを特徴とする、クリンチング工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷重に耐え得るクリンチング接続部を生成するための厚い金属被加工物のクリンチングであって、請求項１の冒頭部分に記載のクリンチング、そのようなクリンチング接続部の鋼構造における使用であって、請求項９の冒頭部分に記載の使用、ならびにそのようにして製造された鋼構造要素（特には、エスカレータ、動く歩道、またはエレベータ装置に使用される）であって、請求項１３の冒頭部分に記載の鋼構造要素に関する。
【背景技術】
【０００２】
クリンチングは、すでに長期にわたって知られている変形接合方法である。この方法は、圧入接続とも称される。クリンチングは、個々の実施形態に応じて、補助の接続部品を必要とせずに達成できる変形に基づく接続技法である。
【０００３】
クリンチングについて、接合要素の形成に関して、さまざまな変形例が存在している。クリンチングを、以下に従って分類することが可能である：
−接合要素の構成による分類：切断部分を有するクリンチングおよび切断部分を持たないクリンチング。
−母型の形状による分類：中実または開いた母型。
−工具の運動学による分類：１段階または複数段階によるクリンチング。
【０００４】
以下において、主たる関心は、切断部分を持たないクリンチングにある。この方法は、例えば溶接、スポット溶接、リベットまたはブラインドリベットによる接続、ならびにポンチリベットの使用など、プレートまたは他の被加工物を接続するために使用される従来からの方法に比べ、いくつかの利点を有する。従来からの接続方法との比較によれば、切断部分を持たないクリンチングは、接続当たりのコストを考慮に入れるとさらに有利である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
４ミリメートルを超える厚さのプレートおよび他の金属被加工物のクリンチングが、米国特許出願公開第２００６／００９６０７５Ａ１号明細書から知られている。しかしながら、本発明の技術的範囲において明らかにされているとおり、この知られている方法においてはクランプ力がきわめて大きく、ダイが引き抜かれるときにプレートまたは金属被加工物の損傷につながる可能性がある。
【０００６】
本発明の目的は、プレートおよび厚板（好ましくは、４ミリメートルを超える厚さを有する）からなる桁材をクリンチングするための方法であって、クリンチングを、将来において、対応する部品により大きなモーメントおよび力を加えることができることが重要である鋼要素の構成においても信頼できる使用を可能にするために、弱いクランプ力で使用する方法を提供することにある。換言すると、クリンチングを、応力に耐え、荷重に耐え、支持をもたらす金属被加工物に使用できるようにしなければならない。その場合、厚い金属被加工物を、そのようなクリンチング接続部の強度を保証するために、最適なアンダーカットプレスおよび可能な限り大きいネック厚さが達成されるように接合しなければならない。
【０００７】
さらに、そのように最適化されたクリンチングの使用、およびそのようにして製造された鋼構造要素も提案される。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は、方法については請求項１の特徴によって達成され、使用については請求項９の特徴によって達成され、鋼構造要素については請求項１３の特徴によって達成される。
【０００９】
本発明の実施形態および発展の好都合な例が、それぞれの従属請求項によって包含または定義される。
【００１０】
本発明によれば、鋼板ならびに鋼製の桁または形鋼（ここでは、広く金属被加工物と称される）であって、全体として８ミリメートルよりも厚い（すなわち、８ミリメートルよりも大きい）総被加工物厚さ（ｔｔ）を有する金属被加工物を弱いクランプ力でクリンチングし、したがって確実に安定かつ荷重に耐える鋼構造要素を生成することが可能になる。
【００１１】
充分な耐荷重性および安定性の鋼製部品は、相応に厚い金属被加工物および本発明によるクリンチング方法によってのみ、確実に生み出すことができる。
【００１２】
これを可能にするために、クリンチング工具を適切に発展させ、最適化させた。本発明による工具は、２つの遷移領域を有して円錐形に形作られたダイを有し、端面の領域の遷移領域が、そこにつながる上方の遷移領域よりも大きな角度を有することを特徴とする。大きい方のフランク角は、１０度以下であってもよく、５度から０度のフランク角へと進むことができる。このダイの直径は、好ましくは１０ミリメートルから３５ミリメートルの間の範囲にある。１２ミリメートル（１４ミリメートル、１６ミリメートル、１８ミリメートル）から２０ミリメートルまたは２５ミリメートルまでの間の直径が特に好ましく、この直径は、接続すべき金属被加工物の厚さならびに必要とされる強度または引っ張り力に依存する。
【００１３】
本発明によれば、クリンチングが、より厚いプレートまたは被加工物（例えば、Ｓｔ−３７、Ｓｔ−４４、Ｓｔ−５２、Ｓｔ−７０プレート、またはＥＮ−Ｓ２３５、Ｓ２７５、Ｓ３５５、Ｓ４６０プレート）あるいは桁材（厚さ＞４ミリメートル）を接続するための接合方法としてこれまで最も使用されてきた溶接の真の代案となる。
【００１４】
本発明によれば、さまざまな厚さおよびさまざまな素材のプレート、形材、ならびに他の金属部品または金属被加工物を、接合することが可能である。２つの金属被加工物の接続が、クリンチングのみにて、接続すべき金属被加工物の材料から直接に生じる。クリンチングによって接続された部材を、ここではクリンチング被加工物と称する。
【００１５】
今や、本発明によれば、金属被加工物の接続（例えば、プレート形材の鋼桁、プレート部品、またはプレートストリップとの接続）を、エレベータおよびエスカレータの建設においてより幅広く使用することも可能になり、とりわけエレベータケージあるいはエスカレータの骨組みまたは支持構造を、クリンチング技法によって製造することが可能である。
【００１６】
しかしながら、荷重を受けるさまざまな付属部品を、例えば耐荷重または支持の骨組み、構造体、ブラケット、彫刻、シャーシ、またはフレームへと、クリンチング技法によって固定することが可能である。したがって、例えばプレートの被覆（パネル）を、クリンチングによって取り付けることができる。
【００１７】
大きな保持力（引っ張り力およびせん断力）をさらに実現する２つの金属被加工物の外れることがない接続が、本発明によって生み出される。このように製造されたクリンチングによる鋼構造要素は、動的な荷重のもとで、スポット溶接による接続部に比べて大幅に良好な耐荷重の挙動を示す。
【００１８】
コート済みおよびコートなしのどちらの材料も、本発明によって問題なく接合することが可能であり、このことが、特にはエレベータおよびエスカレータの建設における材料の選択に新たな可能性をもたらす。すなわち、例えば、メッキされ、塗装され、あるいはプラスチックでコートされたプレートおよび／または鋼製の桁を、被膜にクリンチングによる知覚可能な損傷を生じることなく接合することが可能である。また、金属部品または金属被加工物に、それらをより大きな鋼構造要素を形成するためにクリンチングによって接合する前に、耐食コーティングを設けることができる。
【００１９】
クリンチングのさらなる利点は、接続を生み出すために、前もっての孔あけ作業も、補助の接合部品、接続部品、または接続材料も不要である点にある。しかしながら、従来からの方法に対するクリンチングの原理的な利点は、低い接合コストである。さらに、接続される被加工物への熱の取り込みまたは熱の誘導が生じないため、ひずみ、融着、および構造的な変化が回避され、これは、例えば支持構造体、骨組み、成形枠、安全枠、支持枠、および保持構造などの大きくて長い鋼構造要素において特に有利である。
【００２０】
本発明のさらなる詳細および利点が、実施形態の例に基づき、図面を参照して、以下で説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】クリンチング工具のダイおよびクリンチングによって接合された２つの金属被加工物を、大幅に簡略化した概略図にて示している。
【図２Ａ】本発明によるクリンチングの第１の段階を、概略図にて示しており、ダイの２つの遷移領域は図示されていない。
【図２Ｂ】本発明によるクリンチングの第２の段階を概略図にて示しており、ダイの２つの遷移領域は図示されていない。
【図２Ｃ】本発明によるクリンチングの第３の段階を概略図にて示しており、ダイの２つの遷移領域は図示されていない。
【図３Ａ】クリンチングされた２つの金属被加工物の断面を示している。
【図３Ｂ】本発明によるクリンチング工具の一領域の部分断面または詳細を示している。
【図４Ａ】クリンチングされた２つの金属被加工物または金属部品とクリンチング工具（本発明によるものではない）の一部分とを示す断面を示しており、クリンチング工具のダイの直径は、１２ミリメートルである。
【図４Ｂ】クリンチングされた２つの金属被加工物とクリンチング工具（本発明によるものではない）の一部分とを示す断面を示しており、クリンチング工具のダイの直径は、１４ミリメートルである。
【図４Ｃ】クリンチングされた２つの金属被加工物とクリンチング工具（本発明によるものではない）の一部分とを示す断面を示しており、クリンチング工具のダイの直径は、２０ミリメートルである。
【図５Ａ】本発明によるダイの断面を概略的に示している。
【図６】骨組みまたは支持構造体を備えるエスカレータまたは動く歩道の側面図を示している。
【図７】本発明による２連クリンチング接続部を備える骨組みの一部分の側面図を示している。
【図８Ａ】本発明による２連クリンチング接続部を備える骨組みの一部分の図を示している。
【図８Ｂ】本発明による２連クリンチング接続部の断面Ｇ−Ｇを示している。
【図８Ｃ】現在の技術水準による溶接接続部を備える骨組みの一部分の図を示している。
【図９】本発明による単一クリンチング接続部を備えるさらなる骨組みの一部分の図を示している。
【図１０】本発明によるクリンチング接続部を備える骨組みのための中央支持部の一部分の図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本出願の技術的範囲は、すでに冒頭において示したように、切断部分を持たないクリンチングに関する。クリンチングのこの形態は、純粋な変形接続プロセスである。被加工物の接続は、単純に、凹所の形成およびその後の圧縮成形（ｕｐｓｅｔｔｉｎｇ）に連動した圧入によって実現される。この切断部分を持たない方法の発展の根底にある原理は、主として、材料の閉じ込めをより大きくすることによって接続の剛性を高めたいという要求にある。
【００２３】
本発明の原理が、図１に純粋に概念的に示されている。クリンチング接続部１３によって一体に接続された２つの金属被加工物１１および１２が図示されている。ダイ工具２０（ここでは、ダイと称される）の一部分が、クリンチング接続部１０またはクリンチング点１０の上方に示されている。
【００２４】
クリンチング工具２０は、ダイと、母型または金床として構成できる対向工具３０とを備える。ダイは、回転軸２４に関して回転対称であるように設計されている。ダイは、フランク角Ｗを有しつつ回転軸２４に対して同心に配置されたフランク面２５を有する。ダイの終端である前端面２３に関し、フランク面２５について、前端面２３に隣接しており、フランク角Ｗ１を有するフランク面２５の下部遷移領域２１と、フランク角Ｗ２を有するフランク面２５の上部遷移領域２２とを、区別すべきである。２つの遷移領域２１、２２は、互いにつながることができる。その場合、これらの遷移領域は、図１、図３Ｂ、および図５Ａによる実施形態の例に示されているように、不連続な態様および方法で互いにつながることができ、異なるフランク角Ｗ１、Ｗ２を有することができる。図２Ａから図２Ｃに示されているように、接続される金属被加工物１１、１２（例えば、厚さｔ１の鋼製の桁および厚さｔ２のプレート（ここで、ｔ１＞ｔ２））が、ダイによって、プレスまたは圧縮成形と同様に、塑性変形のもとで母型３０のくぼみ、凹所、空洞、または変形用空間３１へと押し込まれる。押しボタン、圧縮点、またはプレス点と同様の形状を有するクリンチング接続部１３が、くぼみ、凹所、空洞、または変形用空間３１の特別な形態のおかげで生じる。クリンチング接続部１３が、図１、図２Ｃ、図３Ａ、および図４Ａから図４Ｃに概略的に示されているように、形状による固定および強度による固定の方法で、金属被加工物１１、１２を一体に接続する。
【００２５】
図２Ａから図２Ｃは、切断部分を持たないクリンチング接続部１３の形成を、中実な母型３０とともに、３つの段階にて示している。図２Ａから図２Ｃにおいては、２つの金属被加工物１１、１２が、簡単化のために、同じ厚さにて示されている。
【００２６】
図２Ａにおいて、第１の金属被加工物１１および第２の金属被加工物１２が合わせられており、すなわち一方が他方の上に載せられていることを、見て取ることができる。次いで、重ねて配置された２つの金属被加工物１１、１２が、例えばテンプレートによって互いに整列させられ、共に対向工具として機能する母型３０の加工面へともたらされる。図２Ｂに、ダイ工具２０のダイがどのように前進させられるのかが示されており、ダイ工具２０のダイが、すでに途中まで被加工物１１および１２へと沈められている。被加工物１１および１２が、ダイの高い圧力のもとで、交差領域または重複領域において変形し、材料が、母型３０の凹所、空洞、変形用空間、またはくぼみ３１へと「流入」する。ダイの沈み込みまたは押し込みは、第２の金属被加工物１２の下面１４が母型３０の凹所、空洞、変形用空間、またはくぼみ３１の底部に実質的に当接するまで実行される。次いで、さらなる段階において、ダイが引き戻される（この段階は図１に示した状況に実質的に相当する）。
【００２７】
本発明によれば、好ましくは、分離の際に、金属被加工物１１および１２の変形後のダイの分離を容易にするために、ストリッパーまたは押え装置４０が使用される。そのようなストリッパーまたは押え装置４０は、ダイが変形時に生じる力および材料の変形ゆえにクリンチング接続部１３でジャミングしかねない場合に、特に有利である。ストリッパー４０が、ダイ側において上側の金属被加工物１１の表面１５に対して（ある意味）支持される一方で、ダイが引き込まれ、あるいは引き戻される。当業者であれば、本発明を知ることによって、ダイ側のストリッパーに代えて、母型側のストリッパーも当然ながら実現できる。
【００２８】
好ましくは、接続されるべき金属被加工物１１および１２が、図１において符号４１または４０によって特徴付けられている押え装置によって、母型３０に向かって押し付けられ、あるいは母型３０に対して押し付けられる。ダイ工具２０は、金属被加工物１１および次いで１２の方向のいわゆるダイ前進行程を生じさせる圧力シリンダ（例えば、油圧シリンダ、圧縮ガスシリンダ、水気圧シリンダ、サーボ電気式シリンダ）を備える。ダイ前進行程の第１の段階において、ダイが前進させられ（図２Ａ）、次いで、ダイが金属被加工物１１、１２へと沈められ、金属被加工物１１、１２が圧縮成形および変形させられる凹所形成段階が生じる（図２Ｂおよび図２Ｃ）。最後に、ダイ戻り行程と呼ばれる段階が生じる（図１を参照）。次いで、この（半）完成、または接続済み、あるいは接合済みの鋼構造要素を、運び去ることができ、あるいはさらなるクリンチング接続部を形成することができる。
【００２９】
凹所形成の際の圧縮成形圧力の結果として、金属被加工物１１および１２の材料の横方向の流れが生じ、例えば（機械加工による）環状溝の形態であるくぼみ、凹所、空洞、または変形用空間３１を有する母型３０が、実質的または完全に満たされ、ダイ側の金属被加工物１１のアンダーカットｆが、母型側の金属被加工物１２に形成される（図３Ａを参照）。図３Ａに示されているように、アンダーカットｆおよびネック厚さｔｎが、クリンチング接続部１３を評価するために最も重要または最も有効である。これは、クリンチング接続部１３の耐荷重性能が、これらの変数に直接相関しているからである。これら２つの特徴的な大きさが、本発明による鋼構造要素の安定性および強度にとってきわめて重要である。アンダーカットｆの典型的な値は、０．５ミリメートルであり、ネック厚さｔｎの典型的な値は、１．５ミリメートルである。
【００３０】
さらに、クリンチング接続部１３ならびに金属被加工物１１および１２を、以下の事項によって特徴付けることができる。それらは、接続要素またはダイの内径ｄｉ、突き出し高さｈ、母型側の金属被加工物１２の残余の底部厚さｔｂ２、ダイ側の金属被加工物１１の残余の底部厚さｔｂ１、母型側の金属被加工物の厚さｔ２、ダイ側の金属被加工物の厚さｔ１、および被加工物の全体の厚さｔｔである。
【００３１】
それ自体は知られているクリンチングプロセスを最適化し、４ミリメートルを超える厚さの金属被加工物１１、１２をもクリンチングして、過度に大きなクランプ力を発生することなく、鋼構造要素を形成できるように変更するために、さまざまな試験および実験を行った。（実験において）決定された断面、接合力、および押え力をシミュレーションに基づく参照と比較できるよう、シミュレーションを実行し、次いで種々の工具を製作して、接合試験を実行した。切断部分のないクリンチングであって、中実な母型３０によるクリンチングのための工具の設計原理を、工具設計に関する試験のための基礎とした。
【００３２】
最初の試験により、小さなダイの直径（直径Ｄ２＝１２ミリメートルまたは１４ミリメートル）のクリンチング接続部１３の形成において、約４００ｋＮから５１０ｋＮの接合力を使用しなければならず、より大きなダイの直径（Ｄ２＝２０ミリメートル）では、約６７０ｋＮの接合力を使用しなければならない（どちらも、押え力を含む）という結果がもたらされた。これらの結果は、それ自体は、予想される結果の領域にある（しかしながら、工具の潤滑にもかかわらず、被加工物におけるダイのきわめて高度なジャミングが生じた）。
【００３３】
ダイのジャミングに関するより詳細な試験により、ジャミングが、ダイのフランク面に作用する半径方向の応力によって引き起こされていることが明らかにされた。過剰な半径方向の応力が、特にフランク面２５の上部遷移領域２２において生じることが明らかになった。さらなる最適化の段階において、今やダイの幾何形状が、フランク面２５に作用する半径方向の応力を小さくするような方法で選択的に変更された。第１の工具の変形例において、直径Ｄ２＝１２ミリメートルおよびＤ２＝１４ミリメートルのダイのネック厚さｔｎおよびアンダーカット値ｆが、ほぼ同じであったという事実ゆえ、さらなる最適化を行なった。この場合において、さまざまな被加工物全体の厚さｔｔを有し、さまざまな厚さｔ１、ｔ２を有する被加工物１１、１２を有する被加工物について、試験を行った。この場合において、全体としての被加工物の厚さｔｔが８ミリメートルを超える場合に、市販のダイまたは従来からのダイがきわめてジャミングされやすいだけでなく、被加工物１１、１２の間の領域に空洞（図４ＣのＸを参照）が形成されることが明らかになった。この空洞Ｘは、そのようなクリンチング接続部１３の強度ならびに鋼構造要素の全体の安定性を損ない、低下させる。
【００３４】
さまざまな最適化段階により、ダイのフランク面の設計が、ジャミングおよび空洞Ｘの形成に直接的な影響を有するという認識に達した。これら２つの悪い結果を軽減または完全に除去するために、少なくとも一部分が円錐形に形作られたダイを開発し、試験した。該当のフランク角Ｗ、Ｗ１を適切に選択することで、検出可能な空洞の形成につながることなく、ジャミングを低減でき、あるいは完全になくすことができた。これら２つの結果が、部分的にしか相関しておらず、部分的に相反することさえ明らかになった。適切な角度範囲を選択することによって、２つの結果を最小限にすることができた。このようにして、クリンチング接続部１３による安定な鋼構造要素の厚板クリンチングの基礎が確立された。
【００３５】
図４Ａから図４Ｃに示され、以下で説明される試験において、本発明によるダイは、いずれの場合も、一定のダイフランク角Ｗ＝５°を有し、すなわちＤ１＜Ｄ２であり、換言すると、少なくともダイにおいて凹所形成の際に被加工物１１および１２に接触する部分が、下方向（すなわち、ダイの被加工物側の端部の方向）に細くなっている。
【００３６】
種々の試験のいくつかの態様が、本発明によるダイにも同様の方式で当てはまるため、図４Ａから図４Ｃに示されている。種々の直径のダイを使用した場合について、被加工物１１、１２の流れの挙動が示されている。図４Ａには、ダイが１２ミリメートルの直径を有する場合に、２つの金属被加工物１１、１２がどのように変形するかが示されている。図４Ｂには、ダイが直径１４ミリメートルを有する場合に、２つの金属被加工物１１、１２がどのように変形するかが示されている。図４Ｃは、ダイが２０ミリメートルの直径を有する場合に、２つの金属被加工物１１、１２がどのように変形するかを示している。３つの図のすべてに、ダイ戻り行程の前を示す瞬間の図が使用されている。
【００３７】
図４Ａから図４Ｃに基づき、ダイの直径Ｄ２が、材料または金属被加工物の横方向の流れに影響を有することを、見て取ることができる。１２ミリメートルの直径を有するダイの場合には、Ｙによって標識された領域に見ることができるとおり、金属被加工物１２の材料が、くぼみまたは凹所３１によって形成された空洞へと完全には流れない。１４ミリメートルのダイの場合には、くぼみまたは凹所３１の良好な「充填」がもたらされる。２０ミリメートルの直径を有するダイが使用される場合には、被加工物１１および１２の間に空洞（図４ＣにＸで指し示されている）が現れる。
【００３８】
さまざまな実験および研究によって示されているとおり、ダイの直径は、クリンチングプロセスおよびクリンチング接続部１３の強度に直接的な影響を有する種々のパラメータのうちの１つにすぎない。ｔｔ＞８ミリメートルのより厚い被加工物のクリンチングにおいては、フランク面２５の設計が特に重要であり、大きな役割を有することが明らかになっている。
【００３９】
したがって、本発明は、変形時に金属被加工物１１および１２へと沈められるダイが、円錐形であるという事実を特徴とする。ダイの円錐形は、少なくとも被加工物１１、１２へと沈められ、あるいは被加工物１１、１２へと押し込まれるダイの長さＬの一部分（遷移領域２１、２２と称される）に及んでいる。円錐形は、ダイのフランク面２５（図３Ｂを参照）が少なくとも下部遷移領域２１において前端面２３へと円錐形に形作られ、１０度以下（好ましくは、５度以下）のフランク角Ｗ１を有するという事実によってもたらされている。図１および図５Ａにさらに示されているように、上部遷移領域２２のフランク角Ｗ２は、好ましくは０（ゼロ）度に等しく、あるいは同様に、好ましくは５度以下である（図４Ａから図４Ｃならびに図５Ｂによる実施形態の例）。
【００４０】
１０ミリメートルから２０ミリメートルの間の直径Ｄ２を有し、１０度以下（好ましくは、５度以下）である第１の角度Ｗ１から２度以下（好ましくは、０から１度）である第２の角度Ｗ２へと移行するフランク角Ｗ１、Ｗ２を有するダイが、特に満足できることが明らかになっている。その場合、第１の角度Ｗ１が、前端面２３（すなわち、ダイの被加工物側の端部の領域）への直接の（下部の）遷移領域２１に位置し、（上部の）遷移領域２２の第２の角度Ｗ２が、金属被加工物１１、１２から離れるように、金属被加工物１１、１２から延び、金属被加工物１１、１２から突き出している（すなわち、ダイの工具側の領域にある）。
【００４１】
円錐ダイのこの構成によれば、ジャミングの傾向が大幅に少なくなり、空洞Ｘの形成が生じない（あるいは、ほとんど目立たない空洞しか形成されない）。しかしながら、半径方向の応力がより小さく、したがってジャミングの傾向が少ないという利点は、金属被加工物１１、１２の間の空洞Ｘの形成という「代償」を伴い、すなわちフランク角Ｗ、Ｗ１、Ｗ２を任意に選択することは不可能である。これは、そのようにした際、空洞Ｘが大きくなりすぎ、クリンチング接続部の強度が弱くなりすぎると考えられるためである。
【００４２】
フランク角によって生み出されるフランク面の後退またはフランク面の減少が大きすぎないダイの構成の形態が、理想的である。これは、フランク面の後退またはフランク面の減少が大きすぎる場合には、被加工物１１、１２への半径方向の圧力が小さすぎ、材料または金属被加工物の横方向の流れが少なくなってしまうからである。
【００４３】
Ｗ、Ｗ１、Ｗ２の上述の角度の値は、これらのダイによってもたらされるクリンチング接続部が、ネック厚さｔｎおよびアンダーカットｆについて、市販の従来からの純粋に円柱形の薄板ダイと同様かつ同等の値を有することからも、満足できることが明らかになっている。これは、このクリンチング接続部１３が、比較できる同一の引っ張り強度を有することを意味する。
【００４４】
ダイの円錐形は、少なくとも被加工物１１、１２へと沈められるダイの長さＬを有する遷移領域２１、２２に及んでいる。この長さＬは、被加工物の全体の厚さｔｔが８ミリメートルを超える金属被加工物の場合には、０．３ｔｔ≦Ｌ≦２ｔｔのように決定することができ、すなわち円錐形の遷移領域２１、２２が、全体としての被加工物の厚さｔｔの１０分の３と被加工物の厚さｔｔの２倍との間に相当する。
【００４５】
本発明によるさまざまなダイ形状を、以下で図１および図５Ａによって簡単に説明する。
【表１】
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【００４６】
例えば、１２ミリメートルの直径および５°から０°へのダイフランク面を有するダイ（実施形態２、図５Ａ）など、本発明によるダイによって達成されて得られた強度は、平均で５０ｋＮ超または５５ｋＮである。きわめて注意深く選択された条件の場合においては、引っ張り力が、数パーセントにすぎないわずかな公差で約５８ｋＮである。
【００４７】
ストリッパー４０の引き離し力（ストリッパー）の設計について、２つの基準が考慮される。一方では、引き離し力またはストリッパー力が、ダイのジャミング力よりも大きくなければならない。この値は、当然ながら、上述のように、使用されるダイの幾何形状に強く依存するが、工具の潤滑またはコーティングにも依存する。３０ｋＮから４０ｋＮの最大エジェクト力が、きわめて確実な結果をもたらす。ダイのフランク角Ｗまたは円錐度を最適に設計することで、エジェクト力は２５ｋＮとなる。エジェクト力のさらなる低減は、５°から０°へのダイ（実施形態２、図５Ａ）も考慮に入れることができる。これは、ここではダイのジャミングが決して生じないからである。
【００４８】
特に有利な実施形態においては、ストリッパー４０が、同時に押え装置４１としても機能し、被加工物１１、１２のひずみを可能な限り小さく保ち、あるいはひずみのない状態に保つために、金属被加工物１１、１２が受ける変形が可能な限り小さくなるように寸法付けられている。
【００４９】
本発明によるダイ、ならびにそのようなダイを保持または装備するクリンチング工具またはクリンチング装置によれば、きわめて安定かつ荷重に耐える鋼構造要素を、可能な限り簡単で、問題がなく、経済的であり、かつ信頼できる態様および方法で、製造することができる。クリンチング接続部１３を有するそれらの鋼構造要素のコストは、溶接、リベット、またはねじによる接続部のそれよりも低い。クリンチング接続部１３による鋼構造要素の複合材料コストは、ゼロである。さらに、加工時間が、最小限へと限定される。
【００５０】
エスカレータ１が、図６に側面図で示されている。エスカレータ１は、周回する手すりを備える欄干２と、踏み板またはステップ３を備えるエンドレスチェーンとを備える。典型的には、エスカレータまたは動く歩道の欄干２の下方に、２つの階Ｅ１およびＥ２の間の介在空間または支持幅をまたぎ、エスカレータ１または動く歩道の要素、部品、またはサブアセンブリを保持するように構成された鋼構造４が配置されている。
【００５１】
この鋼構造４は、最高の要求を満足させなければならず、したがって製造が高価かつ複雑である。本発明によれば、今や図７に示されるとおりの骨組みの鋼構造要素または骨組み支持要素５が使用される。このような骨組み鋼要素または骨組み要素５は、長手方向に延びる２つの鋼桁または形材桁６．１および６．２を備えることができる。Ｌ字、Ｉ字、またはＵ字の形を有する鋼製の梁、ならびに管または成形管が、特に好ましい。これら２つの鋼桁６．１、６．２が、いくつかの平たいプレートまたは鉄板あるいはいくつかのプレート形材または形鋼６．３、６．４によって、接続される。平たいプレートまたは鉄板あるいはいくつかのプレート形材または形鋼６．３、６．４が、本発明によれば、１つ、２つ、または３つ以上のクリンチング接続部１３によって上記鋼桁または形材桁６．１および６．２のそれぞれへと固定され、安定な骨組み枠、骨組み支持壁、または骨組み支持要素が形成される。
【００５２】
図７に見ることができるとおり、平坦な薄板または鉄板あるいは形鋼またはプレート形材は、典型的には、垂直なステーまたはストラット６．３と斜めのストラットまたは筋交い６．４とが常に交互に続くように配置される。クリンチング接続部１３が、図７において円「Ａ」によって示されている。
【００５３】
本発明による鋼構造要素５の詳細が、図８Ａおよび図８Ｂに示されている。一方の鋼桁６．１、ならびに平たいプレートまたは鉄板あるいは薄板形材または形鋼６．３、６．４のうちの２つを、見て取ることができる。図示の例では、鋼桁６．１が、４ミリメートル超の材料厚さｔ１を有するＬ字桁またはアングル材であり、ストラットまたはステーおよび筋交いが、３ミリメートル以上の材料厚さｔ２を有するアングルプレート形材、鉄板、形鋼、または鋼構造形材６．３、６．４である。互いに隣接して配置された２つのクリンチング接続部１３の断面を、図８Ｂに見て取ることができる。このような接続部は、２連クリンチング接続部とも称される。
【００５４】
本発明によれば、異なる厚さの金属被加工物（例えば、長手方向の桁または形材桁６．１と、プレート形材または形鋼あるいは鋼構造形材６．３、６．４と）を接合してなり、クリンチング接続部１３が好ましくは厚い方の被加工物の側から適用されている（すなわち、クリンチング工具のダイが厚い方の金属被加工物の側から沈められ、クリンチング接続部が反対側に形成される）鋼構造要素が、特に有利であると考えられる（図８Ｂ）。換言すると、厚い方の材料が横方向の流れによって薄い方の材料において局所的な変形によって形を変えることで、固定の接続が形成されるクリンチング接続部が好ましい。
【００５５】
図８Ｃに、比較のために、被加工物６．１、６．２、６．４が５つまたは６つの溶接接続部によって溶接されている骨組みまたは骨組み支持枠の一部分が示されている。このような溶接接続部の製造にコストがかかることは、明らかである。
【００５６】
本発明の実施形態のさらなる形態が、図９に示されている。ここでは、鋼構造要素を製造するために、単一クリンチング接続部１３が使用されている。このような接続は、単一クリンチング接続部と称される。
【００５７】
本発明の実施形態のさらなる形態が、図１０に示されている。ここでもやはり、例えば鋼の構造様式の（中間または中央の）支持部５１を生成するために、クリンチング接続部１３が使用されている。この（中間または中央の）支持部５１は、動く歩道の建造またはエスカレータの建造において使用するための鋼構造要素５０、５の一部であってもよい。形鋼７．１が、概略的に示されているとおり、下側の形鋼７．２に載せられている。２つの形鋼が、クリンチング接続部１３によって接合されている。さらに、７．１および７．３も６．２とクリンチングでき、１つのクリンチング接続部またはいくつかのクリンチング接続部１３を有することができる。長手方向の桁または形材桁６．２が、形鋼７．１に載せられている。いくつかの平たいプレートまたは鉄板あるいはいくつかのプレート形材または形鋼６．５、６．６が、この長手方向の桁または形材桁６．２へとクリンチング接続部１３によって固定されている。
【００５８】
本発明によれば、エレベータ装置の一部である鋼構造要素を構成することも可能である。すなわち、例えば、第１の金属被加工物１１が、エレベータケージの支持または保持要素あるいは固定要素であってもよい。そのとき、第２の金属被加工物１２は、１つ、２つ、または３つ以上のクリンチング接続部１３によって支持または保持要素あるいは固定要素へと固定される平たいプレートまたは鉄板あるいはプレート形材または形鋼である。その結果、例えばエレベータケージの枠または安全枠を、金属薄板または鋼部分からなるいくつかのストラットを有する安定な鋼桁１１から建造することができる。これらのストラットが、鋼桁へと固定にクリンチングされる。さらに、ウインチ格子、駆動格子、駆動梁、エンジンスタンド、ウインチ枠、またはエンジン枠を、形鋼またはプレートとクリンチングすることができる。
【００５９】
しかしながら、第１の金属被加工物１１は、エレベータ装置の釣り合いおもり、釣り合いおもり枠、または釣り合いおもりバスケットの支持または枠要素であってもよい。この場合、第２の金属被加工物１２は、１つ、２つ、または３つ以上のクリンチング接続部１３によって支持または枠要素へと固定される平たいプレートまたは鉄板あるいはプレート形材または形鋼である。
【００６０】
また、本発明によるダイ工具２０によれば、引っ張り強度およびせん断強度をさらに高めるために、互いに隣接する２つのクリンチング接続部１３を形成することも可能である（図８Ａおよび図８Ｂを参照）。この場合、引っ張り強度を、単一クリンチング接続部１３と比べて、ほぼ２倍の大きさの値へと向上させることができることが、明らかになっている。試料に、平均で約１１８ｋＮの荷重を加えることができた。
【００６１】
特に有利なクリンチング工具２０は、互いに隣接して配置され、第１の金属被加工物１１を２つのクリンチング接続部によって第２の金属被加工物１２に接続することができる２つの同一なダイを備える。ここでは、互いに隣接する２つのクリンチング接続部が、前進の運動および凹所形成の運動によって同時に形成される。この２連クリンチング接続部の例が、図８Ａおよび図８Ｂに示されている。本発明によれば、例えばより厚い形鋼の桁部材１１、６．１（第１の金属被加工物）を、互いに隣接配置される２つのクリンチング接続部１３によって、より薄いプレート、鉄板、形鋼、またはプレート形材１２、６．３、６．４（第２の金属被加工物）に接続できることを、図示の例において見て取ることができる。
【００６２】
本発明によれば、クリンチング接続部１３を、切断部分を有することなく、開いた母型によって形成することも可能である。その場合、母型の弾性的に取り付けられたプレートが、ダイの下方の被加工物の材料の半径方向の流れによって、凹所形成プロセスの後で外へと押され、アンダーカットの形成を可能にする。
【００６３】
従来からのクリンチングの利点は別として、母型なしのクリンチングも利用可能であり、母型なしのクリンチングは、その特別な機能の原理ゆえに、以下の利点を有する：
−（接合）ダイと対向工具（金床）との間のずれが、接続部１３の品質を悪化させることがない。したがって、接合装置の精度への要求が少なくなる。
−時間のかかる設定作業を、なくすことができる。
−もはや母型の縁において破損が生じることがあり得ないため、摩耗が少なくなり、加工の信頼性が向上する。
−すべての接続作業に、同じ金床を使用することができる。従来からのクリンチングの場合と異なり、接続作業の変更の場合に、母型を交換する必要がもはやない。
−ジョイント接続部１３が、従来からのクリンチングによってもたらされる接続部と比べ、より平坦であって邪魔にならない。
−薄板の厚さの変更が、工具を変更することなく可能であり、貴重な作業時間が確保される。
−材料の組み合わせの変更が、支出なしで行われる。
−母型なしのクリンチングは、工具セット当たりまたは（接合）ダイ当たりのクリンチング接続部または接合点の数を増加させる。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０】
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