(57)【要約】  第１の金属被加工物（１１）の第２の金属被加工物（１２）への荷重に耐え得る、支持的な、安定な接続のためのクリンチング工具（２０）に関する。クリンチング工具（２０）は、雄のダイ（２０）および雌のダイ（３０）を備え、雄のダイ（２０）および雌のダイ（３０）が協働し、局所的な塑性変形または再成形によって第１の金属被加工物（１１）を第２の金属被加工物（１２）へと接続または恒久的に接続するクリンチング接続部（１３）を形成または接合する。雄のダイ（２０）は、回転軸（２４）に対して同心に配置されたフランク面（２５）を有するダイを有する。フランク面（２５）は、回転軸（２４）に対して垂直に配置されたフェース面（２３）を有する。フランク面（２５）は、少なくともフェース面（２３）への下部の遷移領域（２１）において円錐形に形作られ、１０度以下、好ましくは５度以下のフランク角（Ｗ、Ｗ１、Ｗ２）を有する。
2010517786.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイ工具および対向工具（３０）を備え、第１の金属被加工物（１１）の第２の金属被加工物（１２）との荷重に耐え得る接続部を形成するために、ダイ工具および対向工具（３０）が協働して、２つの金属被加工物（１１、１２）を変形させることによって、第１の金属被加工物（１１）および第２の金属被加工物（１２）を接合するクリンチング接続部を形成するクリンチング工具（２０）であって、
ダイ工具が、遷移領域（２１、２２）を有するダイを含み、
ダイが、ダイの回転軸（２４）に関して回転対称であるように構成され、回転軸に対して同心に配置されたフランク面（２５）と、回転軸（２４）に対して垂直に位置する前端面（２３）とを有し、
ダイのフランク面（２５）が、少なくとも前端面（２３）への下方の遷移領域（２１）において円錐形に形作られ、フランク角（Ｗ、Ｗ１、Ｗ２）が、前端面（２３）へとつながる下方の遷移領域（２１）の端部の直近の第１の角度（Ｗ１）から、上方の遷移領域（２２）の第２の角度（Ｗ２）へと移行し、第１の角度（Ｗ１）が第２の角度（Ｗ２）よりも大きいことを特徴とする、クリンチング工具（２０）。
【請求項２】
変形の際に金属被加工物（１１、１２）へと沈められるダイの全長（Ｌ）が、円錐形に形作られていることを特徴とする、請求項１に記載のクリンチング工具（２０）。
【請求項３】
フランク角（Ｗ、Ｗ１、Ｗ２）が、１０度以下であり、好ましくは５度以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載のクリンチング工具（２０）。
【請求項４】
第１の角度（Ｗ１）が、１０度以下であって、好ましくは５度以下であり、第２の角度（Ｗ２）が、２度以下であって、好ましくは０から１度であることを特徴とする、請求項１および３に記載のクリンチング工具（２０）。
【請求項５】
ダイが、１０から３０ミリメートルまたは３５ミリメートルの間の直径（Ｄ２）を有し、直径（Ｄ２）が、好ましくは１２から２０ミリメートルまたは２５ミリメートルの間（これらの値を含む）にあることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のクリンチング工具（２０）。
【請求項６】
対向工具（３０）が、平坦、一様、平面、水平、または平らな作業領域または表面を有する金床として構成されていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のクリンチング工具（２０）。
【請求項７】
対向工具（３０）が、凹所、空洞、変形用空間、またはくぼみ（３１）を有する母型として構成されていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のクリンチング工具（２０）。
【請求項８】
金属被加工物（１１、１２）を固定するための押え装置（４１、４０）および金属被加工物（１１、１２）の変形後にダイを分離させるためのストリッパー（４０）を含み、有し、あるいは備えることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のクリンチング工具（２０）。
【請求項９】
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（１３）によって第２の金属被加工物（１２）に接続できる２つの同一なダイを備えることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のクリンチング工具（２０）。
【請求項１０】
第１の金属被加工物（１１）と第２の金属被加工物（１２）との荷重に耐え得る接続をもたらすために、第１の金属被加工物（１１）を第２の金属被加工物（１２）に接続するクリンチング接続部（１３）が、ダイ工具（２０）および対向工具（３０）による局所的な変形によって形成される変形に基づく接続技術を使用する方法であって、
対向工具（３０）の加工面上に第１の金属被加工物（１１）および第２の金属被加工物（１２）を重ね、準備または整列させるステップ、
ダイ工具（２０）のダイを前進させるステップ、
ダイを、組み合わせられた２つの金属被加工物（１１、１２）へと、第２の金属被加工物（１２）の下面（１４）が対向工具（３０）の領域に当接するまで沈めるステップ、および
ダイを引き戻すステップ
を含み、
ダイが、少なくとも前端面（２３）への下方の遷移領域（２１）において円錐形に形作られたフランク面（２５）を有し、フランク面（２５）が、１０度以下、好ましくは５度以下のフランク角（Ｗ、Ｗ１）を有し、ダイが沈められる際に、少なくとも円錐形に形作られた下方の遷移領域（２１）が金属被加工物（１１、１２）へと進入することを特徴とする、方法。
【請求項１１】
金属被加工物（１１、１２）においてダイまたはダイ工具（２０）のジャミングが生じたときに分離を可能にするために、ダイを引き戻す際にストリッパー（４０）が使用されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
ストリッパー（４０）が、分離に先立って第１の金属被加工物（１１）の表面（１５）へと前進させられ、分離の際に、ストリッパー（４０）によって金属被加工物（１１、１２）に対して力が加えられる一方で、反対方向に作用する力がダイを引き戻すことを特徴とする、請求項１０および１１に記載の方法。
【請求項１３】
対向工具（３０）が、加工面の領域に凹所、空洞、変形用空間、またはくぼみ（３１）を有する母型として構成され、
ダイが、（凹所、空洞、変形用空間、またはくぼみ（３１）の上方の交差領域または重複領域において）加工面に配置された金属被加工物（１１、１２）を、凹所、空洞、変形用空間、またはくぼみ（３１）への材料の半径方向の流れによって局所的なアンダーカット（ｆ）が形成されるような方法で変形させることを特徴とする、請求項１０、１１、または１２に記載の方法。
【請求項１４】
一様、平面、水平、平ら、または平坦な加工領域または表面を有する金床が、対向工具（３０）として使用され、
ダイが、加工面上に配置または整列させられた金属被加工物（１１、１２）を、交差領域または重複領域において、最初に金床側に隆起が形成され、次いで材料の半径方向の流れによって局所的な小さなアンダーカット（ｆ）が形成されるような方法で変形させることを特徴とする、請求項１０、１１、または１２に記載の方法。
【請求項１５】
請求項１から９のいずれか一項に記載のクリンチング工具（２０）の使用であって、
クリンチング工具（２０）が、２つの金属被加工物（１１、１２）を少なくとも１つの局所的なアンダーカット（１３）によって堅固に接合するために使用され、２つの金属被加工物（１１、１２）が、８ミリメートルよりも大きい全体としての厚さ（ｔｔ）を有することを特徴とする、使用。
【請求項１６】
第１の金属被加工物（１１）が、第２の金属被加工物（１２）よりも厚いことを特徴とする、請求項１５に記載の使用。
【請求項１７】
第１の金属被加工物（１１）または第２の金属被加工物（１２）のいずれかが、形鋼、プレート形材、鋼製アングル材、鋼板、鉄板、成形チューブ、プレート部材、プレートストリップ、または鋼製の桁であることを特徴とする、請求項１５および／または１６に記載の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの金属被加工物について荷重に耐え得る接続部を生成するためのクリンチング工具であって、請求項１の冒頭部分に記載のクリンチング工具、荷重に耐え得る接続部を生成すべく金属被加工物をクリンチングするための方法であって、請求項１０の冒頭部分に記載の方法、ならびに請求項１５の冒頭部分に記載のクリンチング工具の使用に関する。
【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】
しかしながら、これまでのところ、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をクリンチングすることは、不可能である。さらには、これまでのところ、クリンチングは、同じ厚さまたは異なる厚さの２枚のプレートの接続に限られている。
【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、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の結果として、相当の高強度のクリンチング接続を保証する方法を提供することにある。さらに、適切な工具が提案され、その使用が最適化される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、工具については請求項１の特徴によって達成され、方法については請求項１０の特徴によって達成され、使用については請求項１５の特徴によって達成される。
【０００８】
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。
【０００９】
本発明によれば、少なくとも一方が４ミリメートルを超える厚さを有する鋼板ならびに鋼製の桁または形鋼材（ここでは、広く金属被加工物と称される）をクリンチングすることが、初めて可能になる。
【００１０】
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。本発明による工具または装置は、円錐形に形作られたダイを有し、そのようなダイのフランク角が、１０度以下であることを特徴とする。フランク角は、好ましくは５度からゼロ度へと進む。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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
今や、本発明によれば、金属被加工物の接続（例えば、鋼の接続、プレート形材の接続、プレート部分の接続、プレートストリップの接続、またはきわめて一般的なプレートの接続）を、エレベータおよびエスカレータの建設へとより幅広く使用することも可能であり、とりわけエレベータケージまたはエレベータならびに／あるいはエレベータの機械室の部分や、エスカレータの骨組みまたは支持構造体を、クリンチング技法によって製造することが可能である。
【００１４】
しかしながら、荷重を受けるさまざまな付属部品、ならびに耐荷重および支持の骨組み、構造体、ブラケット、彫刻、シャーシ、パネル、またはフレームを、クリンチング技法によって固定することが可能である。
【００１５】
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被加工物は、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。
【００１６】
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。
【００１７】
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ないため、ひずみ、融着、および構造的な変化も回避される。
【００１８】
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】
【００１９】
【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、概略図にて示している。
【図２Ｂ】本発明によるクリンチングの第２の段階を、概略図にて示している。
【図２Ｃ】本発明によるクリンチングの第３の段階を、概略図にて示している。
【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５】プレート形材、形鋼材、または鋼製のアングル材が２つのクリンチング接続部によってクリンチングで固定された形鋼材の断面を示している。
【図６Ａ】本発明によるダイの断面を概略的に示している。
【図６Ｂ】本発明によるさらなるダイの断面を概略的に示している。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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６Ａ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。しかしながら、図４Ａから図４Ｃおよび図６Ｂによる実施形態の例に示されているように、下部および上部の遷移領域２１、２２が、互いに連続的につながり、フランク角Ｗ１、Ｗ２が同一であることも可能である。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、異なる厚さまたは同じ厚さｔ１およびｔ２の２枚のプレート）が、ダイによって、プレスまたは圧縮成形と同様に、組成変形のもとで母型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の特別な形態によって生じる。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。
【００２３】
図２Ａから図２Ｃは、剛な母型として構成された対向工具３０による切断部分を持たないクリンチング接続部１３の形成を、３つの段階にて示しており、この母型が、加工面の領域に凹所、空洞、変形用空間、またはくぼみ３１を有し、ダイが、凹所、空洞、変形用空間、またはくぼみ３１の上方の交差領域または重複領域において、加工面上に配置された金属被加工物１１、１２を、材料が半径方向に流れることによって凹所、空洞、変形用空間、またはくぼみ３１に局所的なアンダーカットｆが形成されるような方法で変形させる。図２Ａによる第１の段階において、第１の金属被加工物１１および第２の金属被加工物１２が、互いに当接して配置されていることを見て取ることができる（すなわち、一方が他方に載せられている状態）。次いで、重ねて配置された２つの金属被加工物１１、１２が共に、母型の形態の対向工具３０の加工面に配置される。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、ダイのフランク面がいくらか異なる形態を有するものの、図１に示した状況に実質的に相当する）。
【００２４】
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。
【００２５】
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）。
【００２６】
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凹所、空洞、変形用空間、またはくぼみ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、これらの変数が、クリンチング接続部１３の耐荷重性能に直接関係するからである。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。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。
【００２７】
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。
【００２８】
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）。
【００２９】
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ことゆえ、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まで増加した場合に、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の強度を損ない、低下させる。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
種々の試験のいくつかの態様が、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。
【００３３】
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、凹所、変形用空間、またはくぼみ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、凹所、空洞、変形用空間、またはくぼみ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。
【００３４】
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。
【００３５】
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ことを特徴とする。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を有するということによってもたらされている。図１および図６Ａ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６Ｂによる実施形態の例）。
【００３６】
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Ｗ、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）。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
本発明によるさまざまなダイ形状を、以下で図１、図６Ａ、および図６Ｂによって簡単に説明する。
【表１】
2010517786.tif 000003
【００４２】
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６Ａ）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。
【００４３】
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５を参照）。この場合、引っ張り強度を、ただ１つの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。
【００４４】
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５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（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、鋼板、鉄板、形鋼材、プレート形材、またはプレート形材アングル１２（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。
【００４５】
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６Ａ）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。
【００４６】
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。
【００４７】
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部品、サブアセンブリ、または構成要素を、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を有するそれらの部品、サブアセンブリ、または構成要素のコストは、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による部品、サブアセンブリ、または構成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、削減、または抑制される。
【００４８】
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５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（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、鋼板、鉄板、形鋼材、プレート形材、またはプレートアングル形材１２（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。
【００４９】
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。
【００５０】
従来からのクリンチングの利点は別として、対向工具３０として平坦な加工面を有する金床が使用される母型なしのクリンチングも利用可能であり、ダイが、加工面に配置された金属部品、金属パーツ、または金属被加工物を、交差領域または重複領域において、最初に金床側に隆起が形成され、次いで材料の半径方向の流れによって局所的なアンダーカットｆが形成されるような方法で変形させる。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のように、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５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年12月15日(2008.12.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの金属被加工物について荷重に耐え得る接続部を生成するためのクリンチング工具であって、請求項１の冒頭部分に記載のクリンチング工具、荷重に耐え得る接続部を生成すべく金属被加工物をクリンチングするための方法であって、請求項１０の冒頭部分に記載の方法、ならびに請求項１５の冒頭部分に記載のクリンチング工具の使用に関する。
【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、国際公開第２００６／０４７８４８Ａ１号パンフレットから知られている。しかしながら、本発明の技術的範囲において確認されているとおり、この知られている方法においてはクランピング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、クランピング力が小さく、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の結果として、高強度のクリンチング接続を保証する方法を提供することにある。さらに、適切な工具が提案され、その使用が最適化される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、工具については請求項１の特徴によって達成され、方法については請求項９の特徴によって達成され、使用については請求項１４の特徴によって達成される。
【０００８】
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。
【０００９】
本発明によれば、少なくとも一方が４ミリメートルを超える厚さを有する鋼板ならびに鋼製の桁または形鋼材（ここでは、広く金属被加工物と称される）を小さなクランピング力にてクリンチングすることが、初めて可能になる。
【００１０】
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。本発明による工具または装置は、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、前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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
今や、本発明によれば、金属被加工物の接続（例えば、鋼の接続、プレート形材の接続、プレート部分の接続、プレートストリップの接続、またはきわめて一般的なプレートの接続）を、エレベータおよびエスカレータの建設へとより幅広く使用することも可能であり、とりわけエレベータケージまたはエレベータならびに／あるいはエレベータの機械室の部分や、エスカレータの骨組みまたは支持構造体を、クリンチング技法によって製造することが可能である。
【００１４】
しかしながら、荷重を受けるさまざまな付属部品、ならびに耐荷重および支持の骨組み、構造体、ブラケット、彫刻、シャーシ、パネル、またはフレームを、クリンチング技法によって固定することが可能である。
【００１５】
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被加工物は、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。
【００１６】
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。
【００１７】
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ないため、ひずみ、融着、および構造的な変化も回避される。
【００１８】
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】
【００１９】
【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５】プレート形材、形鋼材、または鋼製のアングル材が２つのクリンチング接続部によってクリンチングで固定された形鋼材の断面を示している。
【図６Ａ】本発明によるダイの断面を概略的に示している。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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６Ａ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、異なる厚さまたは同じ厚さｔ１およびｔ２の２枚のプレート）が、ダイによって、プレスまたは圧縮成形と同様に、組成変形のもとで母型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の特別な形態によって生じる。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。
【００２３】
図２Ａから図２Ｃは、剛な母型として構成された対向工具３０による切断部分を持たないクリンチング接続部１３の形成を、３つの段階にて示しており、この母型が、加工面の領域に凹所、空洞、変形用空間、またはくぼみ３１を有し、ダイが、凹所、空洞、変形用空間、またはくぼみ３１の上方の交差領域または重複領域において、加工面上に配置された金属被加工物１１、１２を、材料が半径方向に流れることによって凹所、空洞、変形用空間、またはくぼみ３１に局所的なアンダーカットｆが形成されるような方法で変形させる。図２Ａによる第１の段階において、第１の金属被加工物１１および第２の金属被加工物１２が、互いに当接して配置されていることを見て取ることができる（すなわち、一方が他方に載せられている状態）。次いで、重ねて配置された２つの金属被加工物１１、１２が共に、母型の形態の対向工具３０の加工面に配置される。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）。
【００２４】
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。
【００２５】
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）。
【００２６】
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凹所、空洞、変形用空間、またはくぼみ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、これらの変数が、クリンチング接続部１３の耐荷重性能に直接関係するからである。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。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。
【００２７】
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、過剰に大きなクランピング力を生じさせることなく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。
【００２８】
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）。
【００２９】
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ことゆえ、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まで増加した場合に、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の強度を損ない、低下させる。
【００３０】
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。
【００３１】
図４Ａから図４Ｃに示され、以下で説明される試験において、（本発明によるものではない）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。
【００３２】
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法で当てはまるため、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。
【００３３】
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、凹所、変形用空間、またはくぼみ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、凹所、空洞、変形用空間、またはくぼみ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。
【００３４】
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。
【００３５】
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ことを特徴とする。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を有するということによってもたらされている。図１および図６Ａ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６Ｂによる実施形態の例）。
【００３６】
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Ｗ、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）。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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６Ａによって簡単に説明する。
【表１】
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【００４２】
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６Ａ）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。
【００４３】
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５を参照）。この場合、引っ張り強度を、ただ１つの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。
【００４４】
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５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（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、鋼板、鉄板、形鋼材、プレート形材、またはプレートアングル形材１２（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。
【００４５】
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６Ａ）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。
【００４６】
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。
【００４７】
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部品、サブアセンブリ、または構成要素を、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を有するそれらの部品、サブアセンブリ、または構成要素のコストは、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による部品、サブアセンブリ、または構成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、削減、または抑制される。
【００４８】
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。
【００４９】
従来からのクリンチングの利点は別として、対向工具３０として平坦な加工面を有する金床が使用される母型なしのクリンチングも利用可能であり、ダイが、加工面に配置された金属部品、金属パーツ、または金属被加工物を、交差領域または重複領域において、最初に金床側に隆起が形成され、次いで材料の半径方向の流れによって局所的なアンダーカットｆが形成されるような方法で変形させる。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のように、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。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の金属被加工物（１１）の荷重に耐え得る第２の金属被加工物（１２）との接続部を形成するためのクリンチング工具（２０）であって、
協働して２つの金属被加工物（１１、１２）を変形させることによって第１の金属被加工物（１１）および第２の金属被加工物（１２）を接合するクリンチング接続部（１３）を形成するダイ工具および対向工具（３０）を備え、ダイ工具がダイ（２１、２２）を含み、ダイが、ダイの回転軸（２４）に関して回転対称であるように構成され、回転軸に対して同心に配置されたフランク面（２５）と、回転軸（２４）に対して垂直に位置する前端面（２３）とを有し、ダイのフランク面（２５）が、少なくとも前端面（２３）への下方の遷移領域（２１）において円錐形に形作られ、１０度以下、好ましくは５度以下のフランク角（Ｗ、Ｗ１、Ｗ２）を有するクリンチング工具（２０）であり、
フランク角（Ｗ、Ｗ１、Ｗ２）が、前端面（２３）へとつながる下方の遷移領域（２１）の端部の直近の第１の角度（Ｗ１）から、上方の遷移領域（２２）の第２の角度（Ｗ２）へと移行し、第１の角度（Ｗ１）が第２の角度（Ｗ２）よりも大きく、変形の際にダイが上方の遷移領域（２２）についても少なくとも部分的に金属被加工物（１１、１２）へと沈められることを特徴とする、クリンチング工具（２０）。
【請求項２】
変形の際に金属被加工物（１１、１２）へと沈められるダイの全長（Ｌ）が、円錐形に形作られていることを特徴とする、請求項１に記載のクリンチング工具（２０）。
【請求項３】
第１の角度（Ｗ１）が、１０度以下であって、好ましくは５度以下であり、第２の角度（Ｗ２）が、２度以下であって、好ましくは０から１度であることを特徴とする、請求項１または２に記載のクリンチング工具（２０）。
【請求項４】
ダイが、１０から３０ミリメートルまたは３５ミリメートルの間の直径（Ｄ２）を有し、直径（Ｄ２）が、好ましくは１２から２０ミリメートルまたは２５ミリメートルの間（これらの値を含む）にあることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のクリンチング工具（２０）。
【請求項５】
対向工具（３０）が、平坦、一様、平面、水平、または平らな作業領域または表面を有する金床として構成されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のクリンチング工具（２０）。
【請求項６】
対向工具（３０）が、凹所、空洞、変形用空間、またはくぼみ（３１）を有する母型として構成されていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のクリンチング工具（２０）。
【請求項７】
金属被加工物（１１、１２）を固定するための押え装置（４１、４０）および金属被加工物（１１、１２）の変形後にダイを分離させるためのストリッパー（４０）を含み、有し、あるいは備えることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のクリンチング工具（２０）。
【請求項８】
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（１３）によって第２の金属被加工物（１２）に接続できる２つの同一なダイを備えることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のクリンチング工具（２０）。
【請求項９】
第１の金属被加工物（１１）と第２の金属被加工物（１２）との荷重に耐え得る接続をもたらすために、第１の金属被加工物（１１）を第２の金属被加工物（１２）に接続するクリンチング接続部（１３）が、ダイ工具（２０）および対向工具（３０）による局所的な変形によって形成される変形に基づく接続技術を使用する方法であって、
対向工具（３０）の加工面上に第１の金属被加工物（１１）および第２の金属被加工物（１２）を重ね、準備または整列させるステップ、
ダイ工具（２０）のダイを前進させるステップ、
ダイを、組み合わせられた２つの金属被加工物（１１、１２）へと、第２の金属被加工物（１２）の下面（１４）が対向工具（３０）の領域に当接するまで沈めるステップ、および
ダイを引き戻すステップ
を含み、
ダイが、少なくとも前端面（２３）への下方の遷移領域（２１）において円錐形に形作られたフランク面（２５）を有し、フランク面（２５）が、１０度以下、好ましくは５度以下のフランク角（Ｗ、Ｗ１、Ｗ２）を有し、第１の角度（Ｗ１）が第２の角度（Ｗ２）よりも大きく、ダイが沈められる際に、上方の遷移領域（２１）も少なくとも部分的に金属被加工物（１１、１２）へと進入することを特徴とする、方法。
【請求項１０】
金属被加工物（１１、１２）においてダイまたはダイ工具（２０）のジャミングが生じたときに分離を可能にするために、ダイを引き戻す際にストリッパー（４０）が使用されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
ストリッパー（４０）が、分離に先立って第１の金属被加工物（１１）の表面（１５）へと前進させられ、分離の際に、ストリッパー（４０）によって金属被加工物（１１、１２）に対して力が加えられる一方で、反対方向に作用する力がダイを引き戻すことを特徴とする、請求項９および１０に記載の方法。
【請求項１２】
対向工具（３０）が、加工面の領域に凹所、空洞、変形用空間、またはくぼみ（３１）を有する母型として構成され、
ダイが、（凹所、空洞、変形用空間、またはくぼみ（３１）の上方の交差領域または重複領域において）加工面に配置された金属被加工物（１１、１２）を、凹所、空洞、変形用空間、またはくぼみ（３１）への材料の半径方向の流れによって局所的なアンダーカット（ｆ）が形成されるような方法で変形させることを特徴とする、請求項９、１０、または１１に記載の方法。
【請求項１３】
一様、平面、水平、平ら、または平坦な加工領域または表面を有する金床が、対向工具（３０）として使用され、
ダイが、加工面上に配置または整列させられた金属被加工物（１１、１２）を、交差領域または重複領域において、最初に金床側に隆起が形成され、次いで材料の半径方向の流れによって局所的な小さなアンダーカット（ｆ）が形成されるような方法で変形させることを特徴とする、請求項９、１０、または１１に記載の方法。
【請求項１４】
請求項１から８のいずれか一項に記載のクリンチング工具（２０）の使用であって、
クリンチング工具（２０）が、２つの金属被加工物（１１、１２）を少なくとも１つの局所的なアンダーカット（１３）によって堅固に接合するために使用され、２つの金属被加工物（１１、１２）が、８ミリメートルよりも大きい全体としての厚さ（ｔｔ）を有することを特徴とする、使用。
【請求項１５】
第１の金属被加工物（１１）が、第２の金属被加工物（１２）よりも厚いことを特徴とする、請求項１４に記載の使用。
【請求項１６】
第１の金属被加工物（１１）または第２の金属被加工物（１２）のいずれかが、形鋼材、プレート形材、鋼製アングル材、鋼板、鉄板、成形チューブ、プレート部材、プレートストリップ、または鋼製の桁であることを特徴とする、請求項１４および／または１５に記載の使用。
【手続補正書】
【提出日】平成21年8月14日(2009.8.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６Ｂ
【補正方法】削除
【補正の内容】
【国際調査報告】
2010517786.tif 000017
2010517786.tif 000018
2010517786.tif 000019
2010517786.tif 000020