(57)【要約】【課  題】繊維強化プラスチック製板材の打ち抜きを剥離や亀裂を抑制して行わせることを可能とする繊維強化プラスチック製板材の打抜き方法及び装置を提供する。【解決手段】接合面１１、１３を合わせて重ねられ少なくとも一方が繊維強化プラスチック製の各板材として各積層板材（ＣＦＲＰ）１，３を軸部１５により打ち抜く繊維強化プラスチック製板材の打抜き方法であって、ＣＦＲＰ１，３の反接合面２７，２９に軸部１５の外径と同等の内径の内孔３１を有すると共に内孔３１の反接合面２７，２９での縁部が断面直角の角部３５とされた支持治具７，９を当接させ、軸部１５による打ち抜きを、支持治具７，９の内孔３１に合わせて行ったことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合面を合わせて重ねられ少なくとも一方が繊維強化プラスチック製の各板材を軸部により打ち抜く繊維強化プラスチック製板材の打抜き方法であって、
前記繊維強化プラスチック製の板材の反接合面に前記軸部の外径と同等の内径の内孔を有すると共に前記内孔の前記反接合面での縁部が断面直角の角部とされた支持治具を当接させ、
前記軸部による打ち抜きを、前記支持治具の内孔に合わせて行った
ことを特徴とする繊維強化プラスチック製板材の打抜き方法。
【請求項２】
昇降可能なステムにより軸部を下降動作させ得る上側の押さえ治具と、この押さえ治具に対する下側のポンチとを備え、接合面を合わせて重ねられ少なくとも一方が繊維強化プラスチック製の各板材を、前記押さえ治具及びポンチ間で前記軸部により打ち抜く繊維強化プラスチック製板材の打抜き装置であって、
前記繊維強化プラスチック製の板材に対向させる前記押さえ治具とポンチとの一方又は双方に、前記繊維強化プラスチック製の板材の反接合面に当接させるための支持治具を備え、
前記支持治具は、前記軸部の外径と同等の内径の内孔を有すると共に前記内孔の前記反接合面での縁部が断面直角の角部とされ、
前記重ねられた板材に前記押さえ治具及びポンチ間で前記支持治具によりクランプ力を負荷させ前記軸部による打ち抜きを前記内孔に合わせて行う、
ことを特徴とする繊維強化プラスチック製板材の打抜き装置。
【請求項３】
昇降可能なステムにより軸部を下降動作させ得る上側の押さえ治具と、この押さえ治具に対する下側のポンチとを備え、接合面を合わせて重ねられ少なくとも一方が繊維強化プラスチック製の各板材を、前記押さえ治具及びポンチ間で前記軸部により打ち抜く繊維強化プラスチック製板材の打抜き装置であって、
前記繊維強化プラスチック製の板材に対向する前記押さえ治具とポンチとの一方又は双方に、前記繊維強化プラスチック製の板材の反接合面に当接させるための部分を備え、
前記部分は、前記軸部の外径と同等の内径の内孔を有すると共に前記内孔の前記反接合面での縁部が断面直角の角部とされ、
前記重ねられた板材に前記押さえ治具及びポンチ間で前記部分によりクランプ力を負荷させ前記軸部による打ち抜きを前記内孔に合わせて行う、
ことを特徴とする繊維強化プラスチック製板材の打抜き装置。
【請求項４】
請求項２又は３記載の繊維強化プラスチック製板材の打抜き装置であって、
前記軸部が、前記押さえ冶具に対し交換可能に支持された、
ことを特徴とする繊維強化プラスチック製板材の打抜き装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化プラスチック製板材を打ち抜くために供する繊維強化プラスチック製板材の打抜き方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維強化プラスチック（CFRP）は金属と比較して比剛性や比強度、疲労特性や腐食性に優れていることから、軽量化のために自動車構造部材等への適用が検討されている。
【０００３】
しかし、金属におけるスポット溶接のように、簡易かつ短時間で接合する方法が存在しないことが、材料置換による軽量化を妨げている要因の一つになっている。
【０００４】
これに対し、CFRP製の積層板材の接合には一般的に接着が用いられている。
【０００５】
しかし、自動車産業における生産性の観点から見ると接着剤の硬化には時間がかかること、また、接着面の処理や洗浄が必要でありコスト高となることなどが問題となる。  
【０００６】
さらに、耐熱性や吸湿による影響、低温環境下、高速変形下での脆性化などの問題点も挙げられる。
【０００７】
一方，機械的接合としてはリベット接合が用いられている。
【０００８】
しかし、穴あけ加工に時間を要すること、工具の摩耗が金属などと比較して早いなどの問題点がある。
【０００９】
このような背景から、低コストかつ短時間で施工可能な接合法が強く求められている。
【００１０】
従来のこの種の接合方法として、特許文献1に記載のものがある。
【００１１】
この特許文献1の接合方法は、リベット頭部及び先端面を開放した中空のリベット胴部を有するセルフ・ピアス・リベット（ＳＰＲ）を用いて，重ね合せられた２枚のＦＲＰ板を締結するものである。
【００１２】
すなわち，一方のＦＲＰ板の被締結部に金属板を密着させ，次いで他方のＦＲＰ板の被締結部から両ＦＲＰ板にセルフ・ピアス・リベット（ＳＰＲ）を打込んでリベット頭部を他方のＦＲＰ板の被締結部に密着させる。また両ＦＲＰ板を貫通したリベット胴部の環状先端部分を金属板に食い込ませて拡径変形させる。こうして、リベット頭部と金属板との間でＦＲＰ板相互を接合する。
【００１３】
しかし、かかる方法では、リベット胴部が金属板に打ち込まれて金属板が塑性変形するため、この塑性変形に応じリベット胴部周囲でＦＲＰ板に剥離や亀裂を招く恐れがあった。したがって、この方法ではほとんど実現性がなく、特許文献１もみなし取り下げとなっている。
【００１４】
【００１５】
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００５−６９４５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
解決しようとする問題点は、繊維強化プラスチック製板材のリベット打ち抜きによる接合で、剥離や亀裂を招く点である。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、繊維強化プラスチック製板材の打ち抜きを剥離や亀裂を抑制して行わせることを可能とするため、接合面を合わせて重ねられ少なくとも一方が繊維強化プラスチック製の各板材を軸部により打ち抜く繊維強化プラスチック製板材の打抜き方法であって、前記繊維強化プラスチック製の板材の反接合面に前記軸部の外径と同等の内径の内孔を有すると共に前記内孔の前記反接合面での縁部が断面直角の角部とされた支持治具を当接させ、前記軸部による打ち抜きを、前記支持治具の内孔に合わせて行ったことを繊維強化プラスチック製板材の打抜き方法の特徴とする。
【００１９】
本発明は、昇降可能なステムにより軸部を下降動作させ得る上側の押さえ治具と、この押さえ治具に対する下側のポンチとを備え、接合面を合わせて重ねられ少なくとも一方が繊維強化プラスチック製の各板材を、前記押さえ治具及びポンチ間で前記軸部により打ち抜く繊維強化プラスチック製板材の打抜き装置であって、前記繊維強化プラスチック製の板材に対向させる前記押さえ治具とポンチとの一方又は双方に、前記繊維強化プラスチック製の板材の反接合面に当接させるための支持治具を備え、前記支持治具は、前記軸部の外径と同等の内径の内孔を有すると共に前記内孔の前記反接合面での縁部が断面直角の角部とされ、前記重ねられた板材に前記押さえ治具及びポンチ間で前記支持治具によりクランプ力を負荷させ前記軸部による打ち抜きを前記内孔に合わせて行うことを繊維強化プラスチック製板材の打抜き装置の特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の繊維強化プラスチック製板材の打抜き方法は、上記手段であるから、内孔の縁部が断面直角の角部とされた支持治具を利用し、軸部による打ち抜きを確実に行わせると共に、打ち抜き時に軸部から繊維強化プラスチック製板材に働く応力集中等を抑制することができ、打ち抜き時の繊維強化プラスチック製板材の剥離や亀裂を抑制することができる。
【００２１】
本発明の繊維強化プラスチック製板材の打抜き装置は、上記手段であるから、軸部による穿孔部周辺の剥離の進展を抑制することができる。
【００２２】
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】板材の接合構造の断面図である。（実施例１）
【図２】セルフ・ピアス・リベットの断面図である。（実施例１）
【図３】座金の断面図である。（実施例１）
【図４】接合工程を示し、（Ａ）は、待機工程、（Ｂ）は、打ち込み開始工程、（Ｃ）は、打ち込み途中工程、（Ｄ）は、打ち込み完了工程、（Ｅ）は、接合完了後の断面図である。（実施例１）
【図５】接合状態の締結力を示す概念図である。（実施例１）
【図６】（Ａ）は、座金有り、（Ｂ）は、座金無しの断面観察写真である。（実施例１）
【図７】（Ａ）は、リベット頭部側におけるＣＦＲＰの打ち抜き後のＣスキャン画像、（Ｂ）は、同外観写真である。（実施例１）
【図８】（Ａ）は、カシメ部側におけるＣＦＲＰの打ち抜き後のＣスキャン画像、（Ｂ）は、同外観写真である。（実施例１）
【図９】板材の接合構造の断面図である。（実施例１）
【図１０】（Ａ）（Ｂ）は、実施例１の変形例、比較例に係る板材の接合構造の断面図である。（実施例１、比較例）
【図１１】（Ａ）（Ｂ）は、変形例に係るセルフ・ピアス・リベットの断面図である。（実施例１）
【図１２】接合工程を示し、（Ａ）は、待機工程、（Ｂ）は、打ち込み開始工程、（Ｃ）は、打ち込み工程、（Ｄ）は、カシメ待機工程、（Ｅ）は、カシメ工程、（Ｆ）は、接合完了後の断面図である。（実施例２）
【図１３】板材の接合構造の断面図である。（実施例３）
【図１４】板材の接合構造の断面図である。（実施例３）
【図１５】接合工程の打ち込み工程を示す第１接合装置の断面図である。（実施例３）
【図１６】接合工程のカシメ工程を示す第２接合装置の断面図である。（実施例３）
【発明を実施するための形態】
【００２４】
繊維強化プラスチック製板材の打ち抜きを剥離や亀裂を抑制して行わせることを可能にするという目的を、接合面を合わせて重ねられ少なくとも一方が繊維強化プラスチック製の各板材を軸部により打ち抜く繊維強化プラスチック製板材の打抜き方法であって、前記繊維強化プラスチック製の板材の反接合面に前記軸部の外径と同等の内径の内孔を有すると共に前記内孔の前記反接合面での縁部が断面直角の角部とされた支持治具を当接させ、前記軸部による打ち抜きを、前記支持治具の内孔に合わせて行ったことにより実現した。
【実施例１】
【００２５】
［リベットによる板材の接合構造、ＳＰＲ、座金］
図１は、板材の接合構造の断面図である。なお、以下の場合において、上下左右は、セルフ・ピアス・リベット（ＳＰＲ）による打ち抜き接合加工時の上下左右とする。
【００２６】
板材の接合構造は、板材として、例えば炭素繊維強化プラスチック（CFRP）製の積層板材１，３を用い、上下の座部材である座金７，９を介してＳＰＲ５により締結接合されている。
【００２７】
積層板材１，３は、接合面１１，１３を合わせて重ねられ、各積層板材１，３の反接合面２７，２９に座金７，９が当接配置されている。座金７，９は、内孔３１を有する平板形状のドーナツ型に形成されている。
【００２８】
リベットであるＳＰＲ５は、リベット頭部１９及びリベット軸部１５を有し、リベット軸部１５は、座金７，９の内孔３１及び各積層板材１，３を打ち抜き貫通した先端にカシメ部１７を有している。
【００２９】
このリベット頭部１９及びカシメ部１７と反接合面２７，２９との間に座金７，９を介在させて各積層板材１，３が締結接合されている。
【００３０】
なお、板材は、積層板材に限らず、薄板材の接合にも適用し、接合面相互の剥離等の抑制を図る効果を奏することができる。
【００３１】
図２は、セルフ・ピアス・リベットの断面図である。
【００３２】
図１、図２のように、ＳＰＲ５は、本実施例１において、ＳＣＭ４３５で形成され、リベット頭部１９及びリベット軸部１５を有している。リベット頭部１９下面とリベット軸部１５周面との間は、加工精度にもよるが、この実施例１では、アールＲを備えている。
【００３３】
リベット軸部１５は、先端に開放された中空形状であり、先端内径部２３がテーパー穴状に拡大開放され、奥側内径部２５が均一径となっている。なお、リベット軸部１５の中空形状は、先端内径部２３がテーパー穴状に拡大開放されれば良く、全体が緩やかなテーパー穴形状であっても良い。
【００３４】
図３は、座金の断面図である。
【００３５】
図１、図３のように、座金７，９は、本実施例１において、金属製、例えばＳ４５Ｃで平板形状である平板ドーナツ形状に形成されている。座金７は、リベット頭部１９と積層板材１の反接合面２７との間に残されたものであり、座金９は、カシメ部１７と積層板材３の反接合面２９との間に残されたものである。
【００３６】
座金７，９は、本実施例において、同一断面形状に形成されている。座金７について説明する。座金７は、ＳＰＲ５のリベット軸部１５を挿通するための内孔３１を備えている。内孔３１は、リベット軸部１５の外径と同等の内径を備えている。この径の設定により、リベット軸部１５の外径に対応した周回範囲まで締結力及び後述するクランプ力を負荷させることができる。
【００３７】
このため、このリベット軸部１５の外径と内孔３１の内径とのクリアランスは、できるだけ小さいのがよい。但し、要求によっては、クリアランスを大きくすることも可能である。
【００３８】
内孔３１のリベット頭部１９側の縁部には、面取り部３３が形成されている。面取り部３３は、ＳＰＲ５側のアールＲの当りを避けて、応力集中を防止している。面取り部３３をアールに代えて当りを避けることもできる。この面取り部３３により、前記クリアランスを極力小さく設定することを可能としている。
【００３９】
内孔３１について、積層板材１の反接合面２７の縁部には、断面直角の角部３５が形成されている。角部３５は、積層板材１に対する締結力及び後述するクランプ力を内孔３１の内径まで負荷させるためのものである。
【００４０】
座金７の外径は、後述する押さえ治具及びポンチによりクランプ力を負荷する場合、このクランプ力の伝達ができれば良く、リベット頭部１９の外径に近づけて径方向突出量を小さくし、或いは同大きくして同突出量を大きくすることができる。径方向突出量をできるだけ小さくすると座金７の積層板材１に対する面圧を高めることができ、同大きくすると積層板材１，３の曲げ変形を抑制し、損傷進展を抑制することができる。
【００４１】
後述する打ち抜き時に、クランプ力を負荷させない場合でも、座金７の外径は、同様に選択することができる。
【００４２】
座金９の場合は、面取り部３３がカシメ部１７側となり、カシメ部１７の当りを緩和する。同様に、角部３５は、積層板材３の反接合面２９側となり、積層板材３に対する締結力及び後述するクランプ力を内孔３１の内径まで負荷させるためのものとなる。
【００４３】
座金９の外径も、座金７同様に大小選択することができる。
【００４４】
なお、なお座金７，９は、異なる材質、形状、内外径、厚みに設定することも可能である。座部材としては、積層板材１、３に対する締結力及び後述するクランプ力を発揮できる設定された硬度を備える樹脂により形成することもできる。この樹脂による座部材は、打ち抜き時に、リベット軸部１５と内孔３１との芯がずれても内孔３１側が削れてそのまま座部材としての機能を奏することができるというメリットがある。
【００４５】
この樹脂による座部材は、打ち抜き時にクランプ力を負荷しない場合でも、積層板材１、３に対する締結力を発揮できる設定された硬度を備える樹脂により形成することになる。
［リベットによる板材の接合方法］
図４は、リベットによる板材の接合方法に係る接合工程を示し、（Ａ）は、待機工程、（Ｂ）は、打ち込み開始工程、（Ｃ）は、打ち込み途中工程、（Ｄ）は、打ち込み完了工程、（Ｅ）は、接合完了後の断面図である。
【００４６】
図４の接合工程では、接合装置３９が使用される。この接合装置３９は、上側の押さえ治具４１と下側のポンチ４３とを備えている。押さえ治具４１は、中空形状であり内部に昇降可能なステム４５を備え、下端に座金支持凹部４７が形成されている。ポンチ４３は、上面に座金支持凹部４９が形成され、中央部にカシメ・ガイド部５１が形成されている。
【００４７】
接合は、図４（Ａ）〜（Ｄ）の待機工程Ｓ１、打ち込み開始工程Ｓ２、打ち込み途中工程Ｓ３、打ち込み完了工程Ｓ４の順を追って一連で行われる。
【００４８】
図４（Ａ）の打ち込み前の待機工程Ｓ１では、接合面１１，１３を合わせて重ねた積層板材１，３の反接合面２７，２９に座金７，９を当接配置し、押さえ治具４１の座金支持凹部４７に座金７を位置決め、ポンチ４３の座金支持凹部４９に座金９を位置決める。
【００４９】
この状態で例えば押さえ治具４１から押圧力が付与され、座金７，９を打ち抜き時の支持治具として積層板材１，３間に座金７，９によりクランプ力を負荷させる。
【００５０】
なお、座金７，９により積層板材１，３間にクランプ力を負荷させずに次工程の打ち抜きが行われることもある。この場合は、座金７の上面高さ位置を検出し、押さえ治具４１の下降位置を座金７に当接する寸前で位置決める。
【００５１】
図４（Ｂ）の打ち込み開始工程Ｓ２では、リベット軸部１５による打ち抜きが、座金７，９の内孔３１に合わせて行なわれる。ステム４５の下降によりＳＰＲ５が追随して下降し、リベット軸部１５の先端が座金７の内孔３１に突入して積層板材１の反接合面２７に当接する。
【００５２】
このとき、座金７が押さえ治具４１の座金支持凹部４７で位置決められ、ＳＰＲ５が押さえ治具４１内に同芯に支持されているから、座金７の内孔３１の中心とリベット軸部１５の軸芯とを容易に一致させることができ、内孔３１に芯を合わせたリベット軸部１５により積層板材１，３を確実に打ち抜くことができる。
【００５３】
ＳＰＲ５がさらに下降すると座金７，９によるクランプ状態でリベット軸部１５が瞬時に穴開け動作を行う。このとき、積層板材１、３は、座金７，９による精度の高いクランプ状態であるため、このクランプ状態により積層板材１、３が円滑に剪断されることになる。
【００５４】
リベット軸部１５の先端が座金７の内孔３１に突入するとき、リベット軸部１５と座金７の内孔３１とが多少芯ずれしていても、リベット軸部１５先端が座金７の面取り部３３にガイドされ、内孔３１内へ的確に突入させることができる。
【００５５】
図４（Ｃ）の打ち込み途中工程Ｓ３では、リベット軸部１５が座金７の内孔３１で相対的にガイドされながら積層板材１，３を打ち抜き、抜きカス５３は、リベット軸部１５の中空内へ収容される。
【００５６】
図４（Ｄ）の打ち込み完了工程Ｓ４では、リベット軸部１５の先端内径部２３がポンチ４３のカシメ・ガイド部５１にカシメ・ガイドされ、カシメ部１７が形成される。
【００５７】
打ち込み時に、リベット頭部１９の衝突力は、座金７が受け治具として受け止めるから、積層板材１の損傷を抑制できる。特に、座金７の面取り部３３がＳＰＲ５のアールＲとの当りを逃げるから、応力集中も避けることができ、確実な打ち込みを行わせることができる。
【００５８】
カシメ・ガイドされカールしたリベット軸部１５の先端を、座金９が受け治具として受けるため、積層板材３の反接合面２９に直接集中して１箇所に当ることでかじり力を受けることがなく、カシメ部１７による締結も積層板材１，３損傷を招くことなく十分に行わせることができる。
【００５９】
したがって、図４（Ａ）〜（Ｄ）によるＳＰＲ５の瞬時の打ち込みで、ＳＰＲ５を用いた積層板材１，３の締結接合を層間剥離や亀裂等の発生を抑制しながら、スポット溶接のように完了させることができ、自動化により量産される自動車等への積層板材１，３使用を実現させることができる。
【００６０】
こうして、支持治具としてクランプ力を負荷した座金７，９が、図４（Ｅ）のように、リベット頭部１９及び反接合面２７間とカシメ部１７及び反接合面２９間とにそのまま残り、締結力を維持する座金７，９として機能する。
【００６１】
なお、図４（Ａ）〜（Ｃ）の待機工程Ｓ１、打ち込み開始工程Ｓ２、打ち込み途中工程Ｓ３までは、ポンチ４３に代えて中空のポンチを使用し、抜きカス５３を中空の排出孔から排出させることもできる。この場合、図４（Ｄ）の打ち込み完了工程Ｓ４では、中空のポンチからカシメ・ガイド部５１を備えたポンチ４３に交換してカシメ部１７を形成することになる。
［接合結果］
図５は、接合状態の締結力を示す概念図である。
【００６２】
図５のように、接合状態では、座金７，９によりリベット軸部１５の外径範囲まで締結力が付与され、積層板材１，３の層間剥離３７を抑制することができる。
【００６３】
図６（Ａ）は、座金有り、（Ｂ）は、座金無しの断面観察写真である。
【００６４】
図６（Ａ）は、図４の工程により接合させた本実施例１に係る断面観察写真であり、この断面観察写真を見れば明らかなように、剥離は多少発生するが、はく離寸法はＳＰＲ５のリベット頭部１９直径よりも小さかった。
【００６５】
これに対し、座金を支持治具として使用しない図６（Ｂ）の比較例では、積層板１，３には大きな損傷が生じ，剥離の進展量も大きかった。
【００６６】
これより、本発明実施例１のリベットによる板材の接合方法及び接合構造により、積層板材（ＣＦＲＰ）１，３に生じる剥離を大幅に抑制でき、実用に十分に対応させることができる。
【００６７】
最大負荷を引張継手強度の約60%として疲労試験を実施し、破断までの繰返し数が８０万回〜１００万回であった。この点においても実用に十分に対応させることができる。
【００６８】
この場合、材料には一方向プリプレグシート（T800SC/#2592，東レ）を用いた。積層構成は[452/02/-452/902]sの疑似等方性とし、オートクレーブ製法により成形した。成形後にはダイヤモンドカッターを用いて長さ１３５ｍｍ、幅３６ｍｍに切り出して使用した。厚さは１．６ｍｍとした。
【００６９】
疲労試験に供したシングルラップ継手試験片の試験片形状はASTM D5961/D5961M-05に準拠したものである。
【００７０】
油圧式疲労試験機（8801 INSTRON）を用いて，疲労試験を実施した。応力比はR=0.1とし、最大負荷σｍａｘを引張継手強度σｆの約６０％である４．４ＫＮと、約４０％である３．２ＫＮとしてそれぞれ実施した。試験周波数は２Ｈzとした。
［剥離の観察］
図７（Ａ）は、リベット頭部側における積層板材（ＣＦＲＰ）の打ち抜き後のＣスキャン画像、（Ｂ）は、同外観写真、図８（Ａ）は、カシメ部側におけるＣＦＲＰの打ち抜き後のＣスキャン画像、（Ｂ）は、同外観写真である。
【００７１】
本発明実施例１ついて，図４の工程完了後にＳＰＲ５を取り外し、穿孔部５５周辺近傍の剥離を超音波探傷機（SDS-5400R 日本クラウトクレーマー）を用いてCスキャン画像を取得した。図７、図８の実線は穿孔部の直径を示し、破線は座金の直径を示す。
【００７２】
図７（Ａ）（Ｂ）のように、リベット頭部側（打ち込み側）における積層板材（ＣＦＲＰ）にはほとんど剥離は生じていない。
【００７３】
図８（Ａ）（Ｂ）のように、カシメ部側（打ち抜き側）の積層板材（ＣＦＲＰ）においては若干の剥離が発生した。
【００７４】
しかし、これらの剥離は、穿孔部近傍にのみ生じており、座金径と比較すると非常に小さかった。また、目視による観察では、リベット頭部側（打ち込み側）には、座金による押し付け痕が見られ、カシメ部側（打ち抜き側）では、穿孔部近傍にて若干の白色した部位が認められる程度であった。
［実施例１の効果］
本発明の実施例１の繊維強化プラスチック製板材の打抜き方法では、図４のように、接合面１１、１３を合わせて重ねられ少なくとも一方が繊維強化プラスチック製の各板材として各積層板材（ＣＦＲＰ）１，３を軸部１５により打ち抜く繊維強化プラスチック製板材の打抜き方法であって、ＣＦＲＰ１，３の反接合面２７，２９に軸部１５の外径と同等の内径の内孔３１を有すると共に内孔３１の反接合面２７，２９での縁部が断面直角の角部３５とされた支持治具７，９を当接させ、軸部１５による打ち抜きを、支持治具７，９の内孔３１に合わせて行った。
【００７５】
このため、軸部１５による打ち抜き時に、内孔の縁部が断面直角の角部とされた支持治具が機能し、軸部による打ち抜きを確実に行わせると共に、打ち抜き時に軸部からＣＦＲＰ１，３に働く応力集中等を抑制することができ、打ち抜き時のＣＦＲＰ１，３の剥離や亀裂を抑制することができる。
【００７６】
そして、軸部１５による打ち抜きに係わらず、積層板材（ＣＦＲＰ）１，３に生じる剥離や亀裂を大幅に抑制でき、実用に十分に対応させることができる。
【００７７】
なお、支持治具７，９を樹脂で形成した場合には、十分なクランプ力を発揮できる剛性を備えながら、軸部１５の先端が内孔３１と干渉する場合は内孔側が削られるものとすれば、軸部１５及び樹脂製の座部材との芯出しは、ある程度ラフにすることができる。
【００７８】
この打ち込み時に、支持治具７，９の特に面取り部３３及び角部３５の存在により、軸部１５の周辺で、ＣＦＲＰ１，３の穿孔部５５周辺に層間剥離や亀裂等の発生を抑制できる。
【００７９】
すなわち、前記のように内孔３１の内径を軸部１５の外径に極力近づけ、両者間のクリアランスを限りなく小さくし、角部３５の働きでクランプ力を内孔３１の内径まで負荷させ、このクランプ力の負荷状態で軸部１５がＣＦＲＰ１，３を瞬時に打ち抜くから、層間剥離や亀裂等の発生を抑制できる。
【００８０】
しかも、接合構造としても、支持治具としてクランプ力を負荷した支持治具７，９が、図４（Ｅ）のように、そのまま残り、締結力を維持する支持治具７，９として機能させることができる。
【００８１】
このため、耐久性も向上し、疲労試験による破断までの繰返し数が８０万回〜１０００万回と、実用に十分に対応させることができる。
本発明の繊維強化プラスチック製板材の打抜き装置は、図４のように、昇降可能なステム４５により軸部１５を下降動作させ得る上側の押さえ治具４１と、この押さえ治具４１に対する下側のポンチ４３とを備え、接合面１１、１３を合わせて重ねられ少なくとも一方が繊維強化プラスチック製の各板材として各積層板材（ＣＦＲＰ）１，３を、前記押さえ治具４１及びポンチ４３間で前記軸部１５により打ち抜く繊維強化プラスチック製板材の打抜き装置であって、前記ＣＦＲＰ１，３に対向させる押さえ治具４１とポンチ４３との一方又は双方、実施例では双方に、ＣＦＲＰ１，３の反接合面２７，２９に当接させるための支持治具７，９を備え、支持治具７，９は、軸部１５の外径と同等の内径の内孔３１を有すると共に内孔３１の反接合面２７，２９での縁部が断面直角の角部３５とされ、重ねられた板材に押さえ治具４１及びポンチ４３間で支持治具７、９によりクランプ力を負荷させ軸部１５による打ち抜きを内孔３１に合わせて行うことで上記打抜き方法を実現できる。
軸部１５が、押さえ冶具４１に対し交換可能に支持されて、上記打抜き方法を実現できる。
［変形例］
図９は、変形例に係り、板材の接合構造の断面図である。
【００８２】
図９では、ＳＰＲ５Ａのリベット頭部１９Ａを皿形状とした。したがって、リベット頭部１９Ａと反接合面２７との間に残される座金７Ａは、リベット頭部１９Ａ側の面にリベット頭部１９Ａ側との干渉を避けるための凹形状部５７を備えた。
【００８３】
したがって、応力集中を避けることができると共に、座金７Ａ及びリベット頭部１９Ａの外面を面一にすることができ、接合後の全体的な高さを抑えることができる。
【００８４】
図１０（Ａ）（Ｂ）は、実施例１の変形例、比較例に係る板材の接合構造の断面図である。
【００８５】
図１０（Ａ）では、ＳＰＲ５Ｂのカシメ部１７側にのみ座金９を用い、リベット頭部１９Ｂ側に座金は用いない。リベット頭部１９Ｂ下面とリベット軸部１５Ｂ周面との間６０は、アールを設けず、積層板材（ＣＦＲＰ）１に対する応力集中を避けている。
【００８６】
図１０（Ｂ）のように、座金を用いない場合は、カシメ・ガイドによりカールするリベット軸部１５の先端外周側が、丸で囲んだ部分のように積層板材３に干渉し、損傷を招く。
【００８７】
したがって、図１０（Ａ）のように座金９のみを用いた場合でも、カシメによる積層板材３の損傷防止の観点から効果を期待することができる。
【００８８】
また、打ち抜き工程においても、座金９を前記のように支持治具として用いることができ、積層板材１，３間に座金９を介してクランプ力を発生せることができる。
【００８９】
接合完了後は、リベット頭部１９Ｂと座金９との間で積層板材１，３に締結力を負荷させることができる。
【００９０】
したがって、座金９のみを用いた場合でも同様の効果を奏することができる。
【００９１】
なお、座金９を用いず、リベット頭部１９Ｂと反接合面２７との間に前記座金７を用いることもできる。この場合でも、打ち抜き工程においても、座金７（図１，図４参照）を前記のように支持治具として用いることができ、積層板材１，３間に座金７（図１，図４参照）を介してクランプ力を発生せることができる。
【００９２】
接合完了後は、リベット頭部１９Ｂと座金７（図１，図４参照）との間で積層板材１，３に締結力を負荷させることができる。
【００９３】
図１１（Ａ）（Ｂ）は、変形例に係るセルフ・ピアス・リベットの断面図である。
【００９４】
図１１（Ａ）は、ＳＰＲ５Ｃの外周に凹部５９を形成して柔軟樹脂６１をコーティングした。柔軟樹脂６１は、リベット頭部１９Ｃにまで至り、リベット頭部１９Ｃ下面とリベット軸部１５Ｃ周面との間に、アールを備えてはいない。
【００９５】
この変形例のＳＰＲ５Ｃでは、柔軟樹脂６１により積層板材１，３の熱膨張による当りや、衝撃時の当りを緩和することができる。
【００９６】
また、アールを備えてはいないので、座金７の面取り部３３も省略することができる。
【００９７】
図１１（Ｂ）は、ＳＰＲ５Ｄの外周に凹部６３を形成して柔軟樹脂６５をコーティングした。柔軟樹脂６５は、リベット軸部１５Ｄにのみ形成され、リベット頭部１９Ｄ下面とリベット軸部１５Ｄ周面との間に、アールを備えている。なお、リベット軸部１５Ｄの中空形状では、先端内径部を含んだ内径部２３Ｄ全体が緩やかなテーパー穴形状となっている。
【００９８】
この変形例でも、柔軟樹脂６５により積層板材１，３の熱膨張による当りや、衝撃時の当りを緩和することができる。
【実施例２】
【００９９】
図１２は、実施例２に係る接合工程を示し、（Ａ）は、待機工程、（Ｂ）は、打ち込み開始工程、（Ｃ）は、打ち込み工程、（Ｄ）は、カシメ待機工程、（Ｅ）は、カシメ工程、（Ｆ）は、接合完了後の断面図である。
【０１００】
この実施例２のリベットによる板材の接合方法及び接合構造では、ＳＰＲ５Ｄのリベット軸部１５Ｅを、中実形状とし、リベット軸部１５Ｅのカシメを、プレス・カシメ又はスピン・カシメとした。リベット軸部１５Ｅの先端縁外周には、Ｃ面取りが施されているが、省略することもできる。
【０１０１】
図１２の接合工程では、接合装置６７が使用される。この接合装置６７では、図４の接合装置３９に対し、下側のポンチ６９が変更され、カシメ用のプレス・ポンチ（又は回転ポンチ）７１が交換して用いられる。
【０１０２】
ポンチ６９は、中空形状であり、上面に座金支持凹部４９が形成され、中央部に抜きカス５３用の排出孔７１が形成されている。
【０１０３】
接合は、図１２（Ａ）〜（Ｅ）の待機工程Ｓ１１、打ち込み開始工程Ｓ１２、打ち込み工程Ｓ１３、カシメ待機工程Ｓ１４、カシメ工程Ｓ１５の順を追って一連で行われる。
【０１０４】
図１２（Ａ）〜（Ｃ）の打ち込み前の待機工程Ｓ１１〜打ち込み工程Ｓ１３までは、図４（Ａ）〜（Ｃ）の打ち込み前の待機工程Ｓ１〜打ち込み途中工程Ｓ３にほぼ対応している。
【０１０５】
但し、この実施例２では、リベット軸部１５Ｅが中実であるため、ポンチ６９の排出孔７１から抜きカス５３が排出される。
【０１０６】
図１２（Ｄ）のカシメ待機工程Ｓ１４では、ポンチ６９がプレス・ポンチ（又は回転ポンチ）７１に交換され、打ち抜き後のリベット軸部１５Ｅに対向配置される。
【０１０７】
図１２（Ｅ）のカシメ待機工程Ｓ１５では、プレス・ポンチ（又は回転ポンチ）７１が上昇し（又は回転しながら上昇し）、リベット軸部１５Ｅの先端をカシメ、カシメ部１７Ｅを形成する。
【０１０８】
こうして、支持治具としてクランプ力を負荷した座金７，９が、図１２（Ｆ）のように、リベット頭部１９及び反接合面２７間とカシメ部１７Ｅ及び反接合面２９間とにそのまま残り、締結力を維持する座金７，９として機能する。
【０１０９】
本実施例２の接合方法の場合、実施例１ほどの簡易さはないが、より強度の高い確実な締結が要求される航空機等に適する。
【０１１０】
その他、本実施例でも、上記実施例と同様な作用効果を奏することができる。
【実施例３】
【０１１１】
図１３、図１４は、実施例３に係り、板材の接合構造の断面図である。なお、基本的な構成は実施例1と同様であり、同一構成部分には同符号を付し、対応する構成部分には同符号にＦを付し、重複した説明は省略する。
【０１１２】
図１３の板材の接合構造は、板材として、例えば金属板１Ｆと炭素繊維強化プラスチック（CFRP）製の積層板材３とを用い、下の座部材である座金９を介してＳＰＲ５Ｆにより締結接合されている。金属板１Ｆとしては、スチールパネル、ステンレスパネル、ジュラルミンパネル、アルミ合金パネルなど、材質は特に限られない。なお、金属板１Ｆ側に上の座部材である座金を併せて用いる構成にすることもできる。
【０１１３】
図１４の板材の接合構造は、板材として、例えば炭素繊維強化プラスチック（CFRP）製の積層板材１と金属板３Ｆとを用い、上の座部材である座金７を介してＳＰＲ５Ｆにより締結接合されている。金属板１Ｆは、金属板３Ｆと同様、材質は特に限定されない。なお、金属板３Ｆ側に下の座部材である座金を併せて用いる構成にすることもできる。
【０１１４】
図１３、図１４の何れの例も、図９、図１０、図１１のＳＰＲ５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄを用いることができる。
【０１１５】
本実施例も、図４、図１２の接合工程により接合させることができる。図４の接合工程を適用する場合、ＳＰＲ５Ｆの奥側内径部２５Ｆをできる限り拡大し、打ち抜かれた金属部分を奥側内径部２５Ｆ内に無理なく収容させることが肝要である。
【０１１６】
ＳＰＲ５Ｆによる打ち抜き時に、図１３の例では金属板１Ｆの接合面１１Ｆが、積層板材３の接合面１３に対する押え治具とし機能することができる。図１４の例では金属板３Ｆの接合面１３Ｆが、積層板材１の接合面１１に対する押え治具とし機能することができる。
【０１１７】
図１４の例において図１０、図１１のＳＰＲ５Ｂ，５Ｃを採用する場合は、上の座金７も不要となる。
【０１１８】
本実施例において、図１５、図１６の様な接合工程を適用してもよい。この接合工程では、第１、第２接合装置７３、７５が使用される。
【０１１９】
第１接合装置７３は、打ち込み工程を行うものであり、ワーク押え７７と下型７９とを備えている。ワーク押え７７は、中空形状であり内孔７７ａは、ステム（図示せず）及びＳＰＲ５Ｆのリベット頭部１９Ｆの外径と同等の内径を有している。下型７９の内孔７９ａは、リベット軸部１５Ｆと同等の内径を有し、リベット軸部１５Ｆによる穿孔穴近傍まで積層板材３に面圧を負荷することができるようにしている。
【０１２０】
第２接合装置７５は、カールポンチ８１と下型８３とを備えている。カールポンチ８１は、ＳＰＲ５Ｆのカシメ部１７Ｆを形成するための凹部８１ａを先端に備えている。下型８３は、リベット頭部１９Ｆを収容する凹部８３ａを備えている。
【０１２１】
図１５の打ち抜き後、図１６の工程でカールポンチ８１によりカシメ部１７Ｆ（図１３）を形成する。
【０１２２】
図１４の例に適用する場合も同様であるが、図１０、図１１のＳＰＲ５Ｂ，５Ｃを採用する場合以外は、図１５の打ち抜き工程でリベット頭部１９Ｆと積層板材１との間に座金７を入れることになる。
本発明の実施例３の繊維強化プラスチック製板材の打抜き方法では、図１５のように、接合面を合わせて重ねられ少なくとも一方が繊維強化プラスチック製の各板材として金属板３とＣＦＲＰ３とを軸部１５Ｆにより打ち抜く繊維強化プラスチック製板材の打抜き方法であって、ＣＦＲＰ３の反接合面に軸部１５の外径と同等の内径の内孔７９ａを有すると共に内孔７９ａの反接合面での縁部が断面直角の角部とされた部分を当接させ、軸部１５Ｆによる打ち抜きを、部分の内孔７９ａに合わせて行った。
本実施例３の繊維強化プラスチック製板材の打抜き装置では、昇降可能なステムにより軸部１５Ｆを下降動作させ得る上側の押さえ治具７７と、この押さえ治具７７に対する下側のポンチ７９とを備え、接合面を合わせて重ねられ少なくとも一方が繊維強化プラスチック製の各板材として金属板３とＣＦＲＰ３とを、押さえ治具７７及びポンチ７９間で軸部１５Ｆにより打ち抜く繊維強化プラスチック製板材の打抜き装置であって、繊維強化プラスチック製の板材に対向する押さえ治具とポンチとの一方又は双方、実施例ではポンチ７９に、ＣＦＲＰ３の反接合面に当接させるための部分を備え、部分は、軸部１５Ｆの外径と同等の内径の内孔７９ａを有すると共に内孔７９ａの反接合面での縁部が断面直角の角部とされ、重ねられた板材に押さえ治具７７及びポンチ７９間で前記部分によりクランプ力を負荷させ軸部１５Ｆによる打ち抜きを内孔７９ａに合わせて行うことで上記打抜き方法を実現できる。
［その他］
座金７，９は、積層板材１，３にクランプ力を確実に伝達できれば良く、その材質、厚さは、適宜選択することができる。
【０１２３】
また、座金７，９は、積層板材１，３に対する接触面以外の一部に皿ばね構造のような弾性機能を付加することもできる。例えば、皿ばねと座金の積層構造等とする。この場合、ＳＰＲ５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ，５Ｅ，５Ｆによる締結後に、緩み防止の効果を得ることができる。
【０１２４】
ＳＰＲは、リベット軸部が中空構造の場合、先端内径部をテーパー構造とせず全体が均一径のストレート構造にすることも可能である。
【０１２５】
適用する板材は、ＳＰＲの打ち込みの影響を受けるものであれば特に限定されず、ＣＦＲＰ製の積層板材に限らず、短繊維のＣＦＲＰ製の板材、ＧＦＲＰなどの繊維強化プラスチック製の板材、単なるプラスチック板材、金属製の薄板材なども含まれる。ＣＦＲＰ、ＧＦＲＰに金属製の薄板材を積層したものも含む。
【０１２６】
ＣＦＲＰ、ＧＦＲＰに用いる樹脂は、熱硬化性、熱可塑性の何れも適用できる。
【０１２７】
熱可塑性樹脂のプリプレグから成形した積層板は、熱硬化性樹脂のプリプレグから成形した積層板に比較して層間剥離を起こし難く、また、織物のプリプレグから成形した積層板も層間剥離を起こし難い。
【０１２８】
一方、本発明の実施例では、熱硬化性樹脂の一方向プリプレグから成形した層間剥離が起こり易い積層板に適用した。
【０１２９】
したがって、熱可塑性樹脂の一方向プリプレグから成形した積層板、織物のプリプレグから成形した積層板においても問題なく適用できる。
【０１３０】
熱可塑性のプリプレグから成形した積層板の結合に際し、ＳＰＲや座金を加熱してから結合すると、ＳＰＲでの穿孔部分等の溶融を促し、層間剥離を止めることが可能となる。
【符号の説明】
【０１３１】
１，３  積層板材（ＣＦＲＰ）
５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ，５Ｅ，５Ｆ  セルフ・ピアス・リベット（ＳＰＲ）
７，９  座金（支持冶具）
１１，１１Ｆ，１３，１３Ｆ  接合面
１７，１７Ｅ，１７Ｆ  カシメ部
１９，１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃ，１９Ｆ  リベット頭部
２３  先端内径部
２３Ｄ  内径部
２７，２９  反接合面
３１、７９ａ  内孔
３３  面取り部
３５  角部
５７  凹形状部
【図１】
2016052682.tif 000003
【図２】
2016052682.tif 000004
【図３】
2016052682.tif 000005
【図４】
2016052682.tif 000006
【図５】
2016052682.tif 000007
【図９】
2016052682.tif 000008
【図１０】
2016052682.tif 000009
【図１１】
2016052682.tif 000010
【図１２】
2016052682.tif 000011
【図１３】
2016052682.tif 000012
【図１４】
2016052682.tif 000013
【図１５】
2016052682.tif 000014
【図１６】
2016052682.tif 000015
【図６】
2016052682.tif 000016
【図７】
2016052682.tif 000017
【図８】
2016052682.tif 000018