(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された複数の金属板を積層方向両側から押圧して、前記金属板に塑性変形を与えて該金属板同士を一体的に接合するポンチおよびダイを備えた金属板の接合装置において、
前記ポンチは、前記金属板を押圧して塑性変形を与える端部に、前記金属板に向かって凸状となる錐面を設けるとともに、
前記ダイは、前記金属板を押圧して塑性変形を与える台座部に、前記金属板に向かって凸状となる錐面を設け、
板厚の異なる２枚の前記金属板が積層されており、
前記ポンチおよび前記ダイは、板厚の厚い側の前記金属板に当接する前記錐面の高さが、板厚の薄い側の前記金属板に当接する前記錐面の高さより大きく設定されることを特徴とする金属板の接合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層された複数の金属板に塑性変形を与えて接合する金属板の接合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
積層された複数の金属板を接合する方法として、ポンチとダイにより局所的に変形を与えて接合力を得る方法が実用化されている。これらの方法は、主に以下に示す第１および第２の方法に大別することができる。
【０００３】
第１の方法（可動ダイ方式、特開平１０−１９３００５号公報参照）では、図１１Ａに示すように、ポンチ５００とダイ５０２との間に金属板５０、５２が配置された状態で、前記ポンチ５００を下降させて前記金属板５０、５２を下方に突出変形させる。そして、金属板５０、５２の変形した端部がダイ５０２の台座部５０４で支持され、さらにポンチ５００によって圧縮力を与えることにより前記金属板５０、５２の一部を外径方向に膨出させて接合力を得る。このとき、台座部５０４の周辺部に設けられた一対のブレード５０６ａ、５０６ｂは、金属板５０、５２の膨出部により外径方向に拡開される。
【０００４】
また、第２の方法（固定ダイ方式）では、図１１Ｂに示すように、ポンチ５１０とダイ５１２との間に金属板５０、５２が配置された状態で、前記ポンチ５１０を下降させて前記金属板５０、５２を下方に突出変形させる。その際、金属板５０、５２の突出部をダイ５１２に設けられた浅い円柱状の凹部で受け、この凹部とポンチ５１０とによって前記金属板５０、５２に圧縮力を与えて接合する。この場合、第１の方法のような外径方向の膨出部は形成されないが、突出部のうち垂直方向の接合面５４は断面が波形に形成されるので、この波形による噛み合い状態により接合力を得ることができる。
【０００５】
上記の第１および第２の方法により加工された接合部分は、可動ダイ方式では、一般に外径方向に膨出させて接合力を得ることができる。より具体的には、図１２Ａに示すように、接合厚みＢ20と接合深さＡ20によってせん断力Ｆｈに対抗することができる。接合深さＡ20の高さと金属板５２に食い込んだ膨出量Ｃ20によって剥離力Ｆｖに対抗することができる。
【０００６】
また、固定ダイ方式においても同様に、接合厚みＢ21（図１２Ｂ参照）と接合深さＡ21と膨出量Ｃ21とによって接合力を得ている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この種の接合方法においては、金属板５０、５２を局所的に塑性変形させるので、加工に必要なポンチ５００、５１０の加圧力が大きくなり、そのために加工設備が大型で高価なものを要してしまう。また、ポンチ５００、５１０およびダイ５０２、５１２も加圧力に応じて強度の大きいものが必要とされる。不十分な強度のポンチ５００、５１０およびダイ５０２、５１２を使用すると、縁部が欠損するなどの損傷が発生し、工具の寿命が低減するからである。これらの問題に対応すべく、種々の技術が提案されている。
【０００８】
図１３に示す技術（特開平９−２３６１０５号公報参照）においては、押圧面の塑性流動を外径方向へ向かって行わせるために、先端面が球面状のポンチ５３０を使用している。しかし、この技術では、ポンチ５３０の最先端面の部分５３０ａにより前記金属板５０に働く力は垂直応力となって塑性流動が不十分になる。また、ダイ５３２側は中央に半球形状の凹部を有する形状であることから、塑性流動を滑らかに行うことはできない。
【０００９】
また、図１４に示す技術（特開平１０−３０５３３５号公報参照）においては、ポンチ５３４およびダイ５３６のそれぞれの先端部が円錐状に形成されているので、金属板５０、５２はこの円錐面に沿って塑性流動を行うことができる。しかしながら、ポンチ５３４の円錐部は、中心部が窪んだ凹状の円錐面５３４ａとなっているので、塑性流動は中心方向に向かって集中するように発生し、中心点近くに流動、集中した金属はそれ以上の進行先がなく、塑性流動が止まってしまう。
【００１０】
より具体的には、図１５に示すように、金属板５０に加わる加圧力Ｑ2は、金属板５０、５２を下方へ押圧する力である垂直成分Ｑ2Vと、水平成分Ｑ2Hとに分けることができ、この水平成分Ｑ2Hは中心方向へ向かう力となるので、中心方向へ向かって塑性流動が発生する。その結果、外径側に十分な量の膨出部を形成したり、接合面５４を十分に深い波形に形成したりすることができない。さらに、水平成分Ｑ2Hは外径側への塑性流動を妨げる力となるので、加圧力を増大させる必要がある。
【００１１】
またさらに、加工の初期段階においては、ポンチ５３４は先端の外周円環部で金属板に当接するので、点接触する場合に較べて加圧力を大きく設定する必要がある。
【００１２】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、加工時に金属板の組織を滑らかに塑性流動させ、所望の接合力を維持しながらポンチおよびダイの加圧力を低減することができる金属板の接合装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るワークの金属板の接合装置は、積層された複数の金属板を積層方向両側から押圧して、前記金属板に塑性変形を与えて該金属板同士を一体的に接合するポンチおよびダイを備えた金属板の接合装置において、前記ポンチは、前記金属板を押圧して塑性変形を与える端部に、前記金属板に向かって凸状となる錐面を設けるとともに、前記ダイは、前記金属板を押圧して塑性変形を与える台座部に、前記金属板に向かって凸状となる錐面を設けることを特徴とする。
【００１４】
これにより、加工時に前記金属板の組織は、前記錐面に沿い、前記ポンチおよび前記台座部の外周側に向かって塑性流動を確実に発生させることができるので、前記ポンチおよび前記ダイに与える加圧力を低減することができる。
【００１５】
そして、板厚の異なる２枚の前記金属板が積層されており、前記ポンチおよび前記ダイは、板厚の厚い側の前記金属板に当接する前記錐面の高さが、板厚の薄い側の前記金属板に当接する前記錐面の高さより大きく設定してもよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る金属板の接合装置に適用した実施の形態を図１〜図１０を参照しながら説明する。
【００１８】
まず、第１の実施の形態に係る金属板の接合装置について図１〜図８を参照しながら説明する。
【００１９】
図１に示すように、第１の実施の形態に係る金属板の接合装置１０は、円柱形状のポンチ１２と、ポンチ１２の軸線上で下側に配置されたダイ１４と、ポンチ１２を下方へ駆動する加圧器１６と、ポンチ１２が嵌通する孔１８ａを有する押さえ治具１８とを備えている。
【００２０】
ポンチ１２は、加圧器１６のチャック部２０に固定されており、下面には先端部の頂点１２ｂを中心として、下側に凸状となる円錐面１２ａが形成されている。ポンチ１２は、チャック部２０を操作することによって、加圧器１６に対して取り外しおよび交換が可能である。
【００２１】
加圧器１６は、チャック部２０を介してポンチ１２を下向きに固定しているピストン２２と、ピストン２２が移動するシリンダ２４と、高圧作動油を吐出するポンプ２６と、ポンプ２６の吐出油をシリンダ２４内の上方の受圧室２８へ導く油路Ｐと、油路Ｐの圧力を制限するリリーフ弁３０と、シリンダ２４内の下方空間部とタンクとをつなぐ油路Ｔとを備えている。また、油路Ｐと油路Ｔとの間には、互いの油路を切り換えて、ピストン２２の動作を逆転させる切換弁（図示せず）が設けられている。
【００２２】
ダイ１４は、台座部３２と、台座部３２の両脇に配置された一対のブレード３４ａ、３４ｂとを備えている。台座部３２の上端には、頂点３２ｂを中心とした上側に凸状となる円錐面３２ａが形成されている。ブレード３４ａ、３４ｂは前記頂点３２ｂより距離Ｌだけ上方に突出し隙間部３６を形成している。
【００２３】
ブレード３４ａ、３４ｂは、下方の支軸が台座部３２の下方の揺動支持部３８ａ、３８ｂで軸支されて、隙間部３６から外側へ押圧する力が働いたとき、この揺動支持部３８ａ、３８ｂを揺動軸として、拡開可能な構造になっている。ブレード３４ａ、３４ｂの下端部には突出部４０ａ、４０ｂが形成されている。ブレード３４ａ、３４ｂの上端側は、揺動支持部３８ａ、３８ｂを揺動軸として、自然状態（無負荷状態）において互いに内側に向かって閉じるように作用し、台座部３２を挟持している。なお、ブレード３４ａ、３４ｂは３枚以上であってもよい。
【００２４】
また、初期状態において、押さえ治具１８の孔１８ａには、ポンチ１２の先端部が途中まで挿入されている。そして、押さえ治具１８と前記ブレード３４ａ、３４ｂとにより、加工用の金属板５０（上側）および金属板５２（下側）が固定されるとともに、ポンチ１２と台座部３２との間には隙間部３６が確保されている。
【００２５】
次に、このように構成される金属板の接合装置１０を用いた金属板の接合方法について説明する。
【００２６】
ポンプ２６で発生した高圧の作動油は油路Ｐを通り受圧室２８に導かれ、受圧室２８において、加圧力Ｆ10を発生し、ピストン２２を押し下げる。ピストン２２が下方向に移動することにより、このピストン２２に接続されているポンチ１２は上側の金属板５０の表面に到達する（図２参照）。その際、まず、ポンチ１２の頂点１２ｂが金属板５０の一点に押圧力を加えるので、比較的小さい力でも、この金属板５０に塑性変形を発生させることができる。
【００２７】
さらにピストン２２を押し下げると、図３に示すように、ポンチ１２によって金属板５０、５２は、下方へ向かって変形を始める。このとき、金属板５０、５２は矢印ｍに示すように、ポンチ１２の円錐面１２ａに沿って外側へ向かって塑性流動を起こす。
【００２８】
より具体的には、図４に示すように、金属板５０に加わる加圧力Ｑ1は、金属板５０、５２を下方へ押圧する力である垂直成分Ｑ1Vと、水平成分Ｑ1Hとに分けられる。この水平成分Ｑ1Hは、ポンチ１２の外径方向へ向かう力であって塑性流動を促すように作用し、加圧力Ｆ10に対する抵抗にならない。従って、円錐面１２ａに沿って金属板の組織が滑らかに塑性流動することが可能であり、加圧力Ｆ10を低減することができる。
【００２９】
次に、図５に示すように、下側の金属板５２が台座部３２の頂点３２ｂに当接すると、ポンチ１２が上方から押圧力を加えることで、台座部３２も反作用によって金属板５２に押圧力を与えて金属板５２を塑性変形させる。このとき、頂点３２ｂが金属板５２の一点に当接しているので、この一点に応力が集中し、金属板５２に容易に塑性変形を発生させることができる。そして、金属板５２は円錐面３２ａに沿って滑らかに塑性流動を起こし、ポンチ１２の外径側に流動する。
【００３０】
次いで、図６に示すように、ポンチ１２がさらに押し下げられると、金属板５０、５２は隙間部３６にほぼ充填する。ポンチ１２はさらに押し下げられるので、金属板５０、５２は円錐面１２ａ、３２ａに沿って外側へ向かって膨出するように作用し、結果としてブレード３４ａ、３４ｂを外側へ移動させる力ｎが発生する。
【００３１】
そして、図７に示すように、ポンチ１２の下端面と台座部３２の上端面で挟まれた金属板５０、５２の外周側に、膨出部５３が形成される。膨出部５３を形成する力ｎは、ブレード３４ａ、３４ｂを外側へ向かって拡開させる。
【００３２】
このように、ブレード３４ａ、３４ｂは、接合加工の最初の段階においては、押さえ治具１８とともに金属板５０、５２を固定し、さらにポンチ１２と台座部３２との間に隙間部３６を確保する。また、接合加工の後半においては、膨出部５３の形成を妨げないように外径側に拡開する。
【００３３】
そして金属板５０、５２に加工ストローク量Ｓ10だけ加工したら、図示しない切換弁の操作により油路Ｐと油路Ｔとを切り換えて、ポンチ１２を上方へ戻して接合加工を終了する。
【００３４】
この場合、従来技術と同等の接合力を確保するためには、接合深さＡ10（図８参照）および接合厚みＢ10が、従来技術における接合深さＡ20（図１２Ａ参照）および接合厚みＢ20と等しく設定することが必要である。また、このように設定すると、膨出部５３についても従来技術の膨出部と同体積となる。
【００３５】
またさらに、膨出部５３の体積が等しいならば、ポンチ１２の円錐面１２ａおよび台座部３２の円錐面３２ａで挟まれながら塑性変形した部分の体積Ｖ10と、従来技術における同じ部分の体積Ｖ20とは等しい。換言すれば、このように体積Ｖ10と体積Ｖ20とが等しくなるように設定すれば、従来技術と同等の接合力を得ることができる。
【００３６】
このように、体積Ｖ10と体積Ｖ20とが等しくなるようにするためには、ポンチ１２の円錐面１２ａの高さＸｐ、台座部３２の円錐面３２ａの高さＸｄおよび加工ストローク量Ｓ10を適切に設定すればよい。
【００３７】
なお、高さＸｐおよびＸｄは等しい高さに設定する必要はなく、上側の金属板５０と下側の金属板５２の板厚に応じて変更するようにしてもよい。板厚が薄ければそれだけ変形代が小さいことになるので、円錐の高さＸｐまたはＸｄを小さく設定し、例えば、板厚に比例する高さに設定するとよい。
【００３８】
また、円錐面１２ａおよび３２ａの縁部同士の距離をＴ10、頂点１２ｂおよび３２ｂ同士の距離をＤ10としたとき、Ｔ10＞Ｘｐ＋Ｘｄ＞Ｄ10となるように設定すると好適である。
【００３９】
体積Ｖ10および体積Ｖ20が等しいので、所謂、体積一定の法則により最終形状にするためのエネルギーは等しいと考えらる。一方、従来技術における加工ストローク量Ｓ20（図１２Ａ参照）よりも本実施の形態における加工ストローク量（Ｓ10＋Ｘｄ）が大きくなるので、結果的に第１の実施形態における加圧力Ｆ10は従来技術における加圧力Ｆ20よりも小さい力で足りることが諒解される。
【００４０】
加圧力Ｆ10が小さくて足りるということは、つまり、受圧室２８（図１参照）の圧力が小さくてよいということであり、ポンプ２６も小型のもので足りる。また、シリンダ２４、油路Ｐの耐圧およびリリーフ弁３０のリリーフ設定圧力等を低く設定することが可能となる。
【００４１】
またさらに、ポンチ１２および台座部３２の強度についても比較的低いもので足りる。
【００４２】
次に、第２の実施の形態に係る金属板の接合装置１００について図９並びに図１０を参照しながら説明する。
【００４３】
金属板の接合装置１００では、図９に示すように、加圧器１６、押さえ治具１８およびポンチ１２が第１の実施の形態と同じ構成であり、ダイ１３２のみが異なる。
【００４４】
ダイ１３２は、ポンチ１２の軸線上で、金属板５０、５２の下側に配置されている。そして、ダイ１３２の上端面１３２ｃと押さえ治具１８とで金属板５０、５２を挟持して固定している。
【００４５】
ダイ１３２には、ポンチ１２の軸線に同軸で浅い円柱状凹部１３６が形成されている。円柱状凹部１３６は、金属板５０、５２の板厚を考慮した径で、ポンチ１２の径よりやや大径に設定されている。
【００４６】
円柱状凹部１３６の底面部（台座部）には、上方へ向かって凸状となる円錐面１３２ａが形成されており、その先端は頂点１３２ｂである。
【００４７】
このように構成される金属板の接合装置１００は、第１の実施の形態と同様に、ポンチ１２を金属板５０、５２に対して押圧し、金属板５０、５２に塑性変形を発生させて接合する。
【００４８】
この加工の工程においても、第１の実施の形態と同様に、ポンチ１２およびダイ１３２のそれぞれの頂点１２ｂおよび１３２ｂを中心としてポンチ１２およびダイ１３２の円錐面１２ａおよび１３２ａに沿って、金属板５０、５２の組織を外径方向へ滑らかに塑性流動させながら、前記金属板５０、５２同士を接合する。
【００４９】
そして、金属板５０、５２は、円柱状凹部１３６の空間に充填するように塑性変形し、変形した部分のうち垂直方向の接合面１５４（図１０参照）は断面が波形状に形成される。
【００５０】
この場合も、第１の実施の形態と同様に、ポンチ１２先端部の円錐高さＸｐおよびダイ１３２の円錐高さＸｄのそれぞれの高さを調整することにより、ポンチ１２とダイ１３２により圧縮される部分の体積Ｖ11、接合深さＡ11および接合厚みＢ11を、従来の固定ダイ方式における体積Ｖ21（図１２Ｂ参照）、接合深さＡ21および接合厚みＢ21と同等に調整することができる。そして、このときの加工ストローク量Ｓ11と高さＸｄとの和は、従来技術における加工ストローク量Ｓ21より大きいので、結果として加圧力Ｆ11は従来技術における加圧力Ｆ21より小さい力に設定することができる。
【００５１】
円錐面１２ａおよび１３２ａの縁部同士の距離をＴ11、頂点１２ｂおよび１３２ｂ同士の距離をＤ11としたとき、Ｔ11＞Ｘｐ＋Ｘｄ＞Ｄ11となるように設定すると好適である。
【００５２】
このように、第１および第２の実施形態に係る金属板の接合装置１０、１００においては、金属板５０を押圧して塑性変形を与えるポンチ１２の端部に、金属板５０、５２に向かって凸状となる円錐面１２ａを設け、さらに台座部３２は、金属板５０、５２を押圧して塑性変形を与える端部に、金属板５０、５２に向かって凸状となる円錐面３２ａを設けているので、従来技術と比較して接合力を維持しながら加圧力Ｆ10、Ｆ20を低減することができる。特に、加工の最初の段階においては、円錐面１２ａの頂点１２ｂが金属板５０の一点に当接するので、この一点に応力集中が発生し、低い加圧力Ｆ10、Ｆ20でも塑性変形を起こすことができる。
【００５３】
そして、円錐面１２ａの高さＸｐ、円錐面３２ａ、１３２ａの高さＸｄおよび加工ストローク量Ｓ10を適切に設定し、ポンチ１２の端部と台座部３２のそれぞれの円錐面１２ａおよび３２ａで挟まれる部分の金属板５０、５２の体積Ｖ10が、従来技術における同じ部分の体積Ｖ20と同体積になるようにすれば、接合深さＡ10および接合厚みＢ10を好適な寸法に形成することができるとともに、所要の接合力を確保することができる。
【００５４】
金属板５０と金属板５２の板厚が異なるとき、ポンチ１２および台座部３２は、板厚の厚い側の金属板５０（または５２）に当接する円錐面１２ａ（または３２ａ）の高さＸｄまたはＸｐが、板厚の薄い側の金属板５２（または５０）に当接する円錐面３２ａ（または１２ａ）の高さより大きく設定するようにすれば、塑性変形の加工度を均一にすることが可能である。従って、板厚に比して過大な変形を強いることがない。
【００５５】
また、円錐面１２ａ、３２ａおよび１３２ａは円錐に限ることなく、例えば、四角錐など多角形の錐状であってもよい。
【００５６】
さらに、金属板の接合装置１０および１００は油圧式の接合装置である必要はなく、電動式や手動式であってもよい。
【００５７】
また、本実施の形態は、プレスマシン（金型）に設けてもよい。
【００５８】
駆動方法はポンチ側を固定し、ダイ側を駆動するような方法であってもよい。
【００５９】
なお、接合する金属板は３枚以上であってもよい。
【００６０】
そしてさらに、この発明に係る金属板の接合装置は、上述の実施の形態例に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る金属板の接合装置によれば、金属板を接合加工する際に、金属板の組織を滑らかに塑性流動させることにより、所望の接合力を維持しながら加圧力を低減することができるという効果が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る金属板の接合装置を示す説明図である。
【図２】第１の実施の形態に係る金属板の接合装置において、ポンチが金属板に当接した状態を示す説明図である。
【図３】第１の実施の形態に係る金属板の接合装置において、ポンチが金属板を押圧し塑性変形を開始した状態を示す説明図である。
【図４】本実施の形態に係るポンチが金属板を押圧する力をベクトルで示す説明図である。
【図５】第１の実施の形態に係る金属板の接合装置において、金属板の下面が台座部に当接した状態を示す説明図である。
【図６】第１の実施の形態に係る金属板の接合装置において、金属板が隙間部に充満した状態を示す説明図である。
【図７】第１の実施の形態に係る金属板の接合装置において、金属板の膨出部がブレードを押圧し、ブレードが外側へ拡開する状態を示す説明図である。
【図８】第１の実施の形態に係る接合金属板を示す説明図である。
【図９】第２の実施の形態に係る金属板の接合装置を示す説明図である。
【図１０】第２の実施の形態に係る接合金属板を示す説明図である。
【図１１】図１１Ａは、従来技術に係る可動ダイ方式の金属板の接合装置を示す説明図であり、図１１Ｂは、従来技術に係る固定ダイ方式の金属板の接合装置を示す説明図である。
【図１２】図１２Ａは、従来技術に係る可動ダイ方式で接合加工した接合金属板を示す説明図であり、図１２Ｂは、従来技術に係る固定ダイ方式で接合加工した接合金属板を示す説明図である。
【図１３】固定ダイ方式の従来技術で、ポンチの先端面が球面である金属板接合装置を示す説明図である。
【図１４】固定ダイ方式の従来技術で、ポンチの先端面が凹状の円錐面である金属板接合装置を示す説明図である。
【図１５】先端面が凹状の円錐面であるポンチが金属板を押圧する力をベクトルで示す説明図である。
【符号の説明】
１０、１００…金属板の接合装置
１２、５００、５１０、５３０、５３４…ポンチ
１２ａ、３２ａ、１３２ａ、５３４ａ…円錐面
１２ｂ、３２ｂ、１３２ｂ…頂点
１４、１３２、５０２、５１２、５３２、５３６…ダイ
１６…加圧器                      ２６…ポンプ
３０…リリーフ弁                  ３２、５０４…台座部
３４ａ、３４ｂ、５０６ａ、５０６ｂ…ブレード
５０、５２…金属板                ５３…膨出部
【図１】
0004746785.tif 000002
【図２】
0004746785.tif 000003
【図３】
0004746785.tif 000004
【図４】
0004746785.tif 000005
【図５】
0004746785.tif 000006
【図６】
0004746785.tif 000007
【図７】
0004746785.tif 000008
【図８】
0004746785.tif 000009
【図９】
0004746785.tif 000010
【図１０】
0004746785.tif 000011
【図１１】
0004746785.tif 000012
【図１２】
0004746785.tif 000013
【図１３】
0004746785.tif 000014
【図１４】
0004746785.tif 000015
【図１５】
0004746785.tif 000016