(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下面（３０）がシートメタル部品の表面に着座する頭部（１２）および軸部（１６）を有し、かつ該軸部上に少なくともひとつの半径方向の溝を有するとともに、前記下面（３０）の軸部近傍に半径方向リブ（２２）によって区画された窪んだ複数の区画（２０）を有するファスナー要素（１０）を、シートメタル部品（５２）に結合する方法であって、シートメタル部品から離れてこのシートメタル部品の一方の側から突出する材料によるカラー（１２０）が形成されるように、前記シートメタル部品に孔を形成することにより、ファスナー要素をシートメタル部品に結合する方法において、材料による前記カラー（１２０）は、前記シートメタル部品の前記ファスナー要素の頭部とは反対の側に設けられ、前記カラー（１２０）の前記材料が半径方向内側に向かって前記半径方向の溝（２８）の中へ入り込むようにボタン状ダイによって連続的に変形を受け、ボタン状ダイは、テーパー付きくぼみ（１１２）を取り囲む端面から突出して設けられた環状の突起（６４）を有し、この突起は傾斜した内側および外側の側面（２２２、２２６）を有し、この突起（６４）が、前記シートメタル部品を、前記ファスナー要素（１０）の前記頭部（１２）の下に設けられた前記区画（２０）に入り込むよう上方に向かって押し込むとともに、前記カラーの材料を、前記頭部（１２）から前記軸部（１６）への移行部に隣接する前記要素の前記軸部上の前記半径方向の溝（２８）へ入り込むよう半径方向内側に前記軸部（１６）に向かって押し込むことを特徴とする方法。
【請求項２】
テーパー付きのくぼみ（１１２）の底面部分（１１３）は、前記カラー（１２０）が前記要素と係合するよう変形されるときに、前記カラー（１２０）の軸方向最外側端部を画定する、請求項１による方法。
【請求項３】
前記軸部の頭部（１２）から遠い方の端部（１００）を前側にして、シートメタル部品（５２）または他の変形可能な材料からなる板状部品を通して、装着用ヘッドによって前記ファスナー要素をガイドする工程であり、シートメタル部品（５２）は装着用ヘッド（３８）の作用を受け、前記軸部（１６）の端部（１００）によって穿孔され、前記端部（１００）による穿孔によりシートメタル部品（５２）に孔を形成し、これとともに前記カラー（１２０）を形成し、打抜きカス（１１６）を排出する工程と、
ボルト要素の軸部（１６）に形成されたねじ（１４）が押し通ることによってシートメタル部品（５２）に形成された孔を拡大し、同時に孔のダイ側周囲に位置するカラー（１２０）を拡張する工程とを有することを特徴とする請求項２による方法。
【請求項４】
打抜きカス（１１６）をシートメタル部品（５２）から打ち抜くためばかりではなく、むしろ孔の周縁部に少なくとも一個の切り込み、または少なくとも実質的に半径方向の切れ目または裂け目を形成するために、軸部（１６）の頭部（１２）から遠い方の端部（１００）を用いる工程をさらに有することを特徴とする、請求項３による方法。
【請求項５】
孔の周縁部に複数個の切り込み、または少なくとも実質的に半径方向の切れ目または裂け目が形成されることを特徴とする、請求項１による方法。
【請求項６】
前記シートメタル部品の穿孔は、頭部（１２）から遠い方の端部（１００）に小径突起（１０１）を有するボルト要素（１０）を用いて実施され、かつ前記突起がねじの谷径よりいくらか小さい直径を有し、前記ねじに隣接する前記小径突起（１０１）の円錐状に広がる部分が、前記孔の初期の拡張に用いられること、および前記小径突起（１０１）の特徴的形状（１０６）が、前記孔の周縁部において切断作用を及ぼすために用いられること、の少なくとも一方が行われることを特徴とする、請求項３から５のいずれかによる方法。
【請求項７】
前記半径方向の溝に入るよう半径方向内側に前記カラーの材料を変形する工程は、要素の軸部の一周以上のねじ溝（２８）に入るように半径方向内側に前記カラーの材料を変形することからなり、前記一周以上のねじ溝が前記半径方向の溝を形成しているものである先行する請求項のいずれかによる方法。
【請求項８】
ファスナー要素を、前記シートメタル部品を形成する塑性変形可能な金属パネル（５２）にとりつける方法であり、前記頭部（１２）は、前記軸部（１６）の一方の端部から半径方向に広がっている一体の頭部であり、かつ前記半径方向の溝は、前記頭部にほぼ隣接する前記軸部に設けられており、前記方法は、
前記ファスナー要素の軸部（１６）とほぼ等しいか又は大きいが、前記頭部（１２）よりは小さい直径を有する開口部を前記パネルに形成する工程と、
前記パネル開口部を取り囲む前記パネルを、前記パネル開口部のところで小さい直径を有する前記パネルから突出するほぼ円錐形のカラー部分（１２０）に変形させる工程と、
前記ファスナー要素の軸部（１６）を、前記パネルの前記突出した円錐形のカラー部分（１２０）とは反対の側から前記パネル開口部に通す工程と、
次いで、前記円錐形のカラー部分をほぼ管形の部分となるように変形させて、前記ファスナー要素の軸部（１６）に密着させ、これにより前記軸部（１６）を支持する工程と、
前記管形の部分の外側と係合するテーパーを付けられたくぼみ（１１２）を有するボタン状ダイを用いて、前記軸部の半径方向の溝（２８）に入るように前記管形の部分を半径方向内側に向かって変形させて、これによって前記ファスナーが前記パネル開口部から脱落するのを防止する工程とからなる、先行する請求項のいずれかによる方法。
【請求項９】
前記軸部（１６）は、外面にねじが切ってあり、このねじは前記頭部（１２）に隣接する最初の複数個のねじ山（２３４）を含み、かつ前記最初の複数個のねじ山は前記軸部上の残りのねじよりも大きな直径を有し、前記方法は、前記ほぼ管形のパネル部分を半径方向内側に向かって変形させて、前記最初の複数個のねじ山で画定される半径方向の溝に侵入させる工程を含む、請求項８による方法。
【請求項１０】
一体に形成された軸部（１６）と頭部（１２）とからなるファスナー要素がシートメタル部品に取り付けられてなる部品組立体であって、前記軸部には、前記頭部にまで伸びるねじが設けられ、前記ファスナー要素の前記頭部（１２）は、接触面（１８）としてシートメタル部品の表面に着座する下面（３０）を有するとともに、この下面（３０）の軸部近傍に、半径方向リブ（２２）によって区画された複数の窪んだ区画（２０）を有しており、半径方向の溝が、前記頭部の下の前記軸部にある、部品組立体において、前記半径方向の溝は、前記軸部の周りに螺旋状に延在する１周以上のねじ溝によって形成され、前記シートメタル部品は前記頭部（１２）とは反対の側において環状のカラー（１２０）を有し、前記環状のカラーは、前記頭部に隣接する前記１周以上のねじ溝（２８）に入るように半径方向内側に向かって伸び、また前記シートメタル部品（５２）の金属は、前記頭部（１２）の下面側において前記区画（２０）内に入り込むように少なくとも部分的に伸び、前記カラー（１２０）は、前記頭部（１２）から離れる方向に向かって先細となる円錐状のテーパーが付けられた外周面を有していることを特徴とする部品組立体。
【請求項１１】
前記カラーの半径方向外側の形状、および前記シートメタル部品の隣接する表面からの高さが、少なくとも前記シートメタル部品から遠い方の端部において、前記軸部にねじ留めされ、第２のシートメタル部品を第１のシートメタル部品に固定するために用いられるナット要素に設けられた凹部の中に納まるか、あるいはちょうど接触するように選択され、前記第２のシートメタル部品は前記カラーに余裕をもってはまるような孔を有していることを特徴とする、請求項１０による部品組立体。
【請求項１２】
シートメタル部品（５２）が、頭部（１２）の接触面（１８）とは反対の側に存在する溝（８０）を有し、該溝は要素の長手方向の軸と同軸であり、かつ選択的に断続していることを特徴とする、請求項１０による部品組立体。
【請求項１３】
前記溝（８０）は、波状の底面（８１）を有し、電気的接触の目的のために、シートメタル部品（５２）の平面より突出している部分は、断続する溝（８０）の溝の部分と溝の部分の間に設けられていることを特徴とする、請求項１２による部品組立体。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、頭部と軸部とを有するファスナー要素、特にボルト要素を、シートメタル部品に、あるいは変形可能な材料からなる別の板状部品に挿入する方法に関するものであり、ボルト要素は、その頭部とは遠い方の端部を先頭にして、シートメタル部品を貫通するように装着用ヘッドによってガイドされ、その頭部の領域において、装着用ヘッドと、シートメタル部品の装着用ヘッドとは反対の側に配置されたダイとの共同作用によって、シートメタル部品にかしめられる。さらに本発明は、かしめによってシートメタル部品に挿入され得るボルト要素に関し、ボルト要素挿入に用いるかしめ用ダイに関し、またシートメタル部品とボルト要素とからなる部品組立体に関するものである。
発明の背景
最初に挙げた種類の、かしめによってシートメタル部品に挿入し得るファスナー要素は、既に知られており、国際公開第９４／１０１６８８号の国際出願がその例である。このようなファスナー要素においては、要素の軸部はねじを切ったボルトとして形成されており、シートメタル部品の一方の側から、あらかじめ形成された孔に導入され、頭部のフランジ部が、前記と同じ側でシートメタル部品と接触する。シートメタル部品の材料は、装着の過程で引き続いて塑性的に変形され、要素の軸部上に、頭部の接触面と隣接して設けられた非常に小さな溝に入り込み、これによって要素がシートメタル部品に固定される。このような従来の構成では、シートメタル部品は、ボルト要素の挿入に先だって、予備的に成型され、この際にほぼ円錐形のカラーまたはフレアーと前記カラーの狭い部分に開けられた孔とが形成される。カラーの狭い方の端部はボルト要素の頭部と向かい合い、フレアーはボルト要素の挿入に際して平たく押しつぶされ、これにともなってシートメタルが要素の軸部上の溝に入り込む。これと良く似た工程がドイツ特許３７０４７６３に示されている。また国際公開第９４／１０１６８８号は、カラーが反対側を向くように準備されてもよいことを提案している。すなわちこの場合、ボルトはフレアーの最も広い部分でフレアーに進入し、次いでカラーの狭い部分に開けられた孔を通過する。このバリエーションについては詳しく説明されていないが、この提案においても同様にカラーはボルト要素の挿入に際して平たく押しつぶされ、シートメタルの平面と、実質的に全く同一の平面に存在するようになる。
国際公開第９４／１０１６８８号の方法においては、要素の頭部はその接触面に、実質的に放射状に伸びる複数の突起を有しており、これが挿入に際してシートメタル部品に圧入されることによって、共廻り防止を形成する。共廻り防止は、ねじを切られた軸部にナットを装着する際に、シートメタル部品上の要素自身が回転しないことを意図したものである。
このようなシートメタル部品と要素とからなる部品組立体は、例えば自動車や洗濯機の製造のような工業的製造において、シートメタル部品と要素とからなる部品組立体に、さらに他の部品を組み付けたり、あるいはその逆の場合において、頻繁に用いられる。シートメタル部品が圧縮力を受けられるように、頭部の接触面が後から組み付ける他の部品とは反対の側にあることは有利である。
しかしながら、上述した従来の技術における既知のボルト要素は、実用上完全に満足ゆくものではない。なぜなら他の部品を組み付ける前の輸送や保存の過程で、要素がゆるんでしまう危険が比較的大きいからである。特に比較的薄いシートメタルとともに用いられることを意図した、かしめ可能のボルトにおいて、このような危険が大きい。頻繁に起こるゆるみは、要素が脱落したり、あるいはシートメタル部品のその後の機械加工に不適当な向きを向くといった、著しいものである。この種の既知の要素のゆるみはまた、付与された共廻り防止を不十分にすることも引き起こしかねない。この場合は、ナットの装着に際して、十分な締め付け力が発生する以前に要素が共廻りしてしまう。これらのトラブルは、要素の頭部が引っ込んだ中空部にあり、部品組立体が組み付けられた後はもはや接近不可能であるようなボディフレームの構造やその他の部位において、特に顕著な欠点となる。もしこのような状況において要素が共廻りしたり、あるいは脱落したりすれば、製造中の製品、たとえば自動車は、もはや通常の生産の流れでは製造され得ず、その代わりに複雑な方法で修理されなければならない。このような状況はできる限り避けられなければならない。
薄手のシートメタルにおいて特に顕著な別の問題は、共廻り防止を形成する突起が、共廻りを完全に防止するために、一定の高さ、すなわち頭部の接触面からの高さがなくてはならないということにある。薄手のシートメタルにおいては、シートメタル部品の材料が突起によって過度に押し込まれることによって、シートメタル部品の完全な強度がもはや得られなくなってしまい、これがまた実用面でのトラブルにつながる。
さらにもう一つの欠点は、要素をシートメタル部品にかしめる過程において、塑性的に変形されたシートメタル部品を受け入れるための細い溝は、製造することが困難であるばかりか、これによってボルトが不必要に高価になってしまうということである。またその他に、この溝は、その鋭いエッジと断面積の減少によって、ボルトの強度および疲労特性を低下させてしまう。また、溝の寸法によって、要素とシートメタル部品の係合が不十分になり、これが前述したような、シートメタル部品上で要素がゆるみを起こしたり、脱落したりする傾向をさらに悪化させる。
発明の開示
この問題の解決を助けるために、本発明の出願人が先に出願した未公開のドイツ特許出願Ｐ４４１０４７５．８において、目的が設定された。それは、好適な原価で製造および使用することができ、シートメタル部品上でゆるんだり、脱落したりする危険がはるかに少なく、または好ましくは全くなく、シートメタル部品上において要素の良好な共廻り防止、および強力な結合がいずれも可能であり、薄手のシートメタルあるいは、例えばアルミニウムやその合金のような非鉄金属のシートメタルを用いて作業する場合も同様な、冒頭で述べた種類の要素を提供することである。さらに、シートメタル部品と、少なくとも１個のこのような要素を含む部品組立体、それにシートメタル部品にこの要素をかしめるためのダイおよび方法も提供することである。
この目的は先の出願の内容によって十分に解決された。この発明によれば、要素は接触面として機能する下側の面に、周囲を閉じられた複数の凹面区画を有しており、この区画は軸部から外方へ伸びるリブによって部分的に区切られており、リブのシャフト側の端部は軸部に沿って、隆起した形で伸びており、その頭部から遠い方の終端は、軸部を螺旋状にとりまいて走る凹部の少なくとも一つにつながっている。
このような設計によって、軸部と同心に配置された適切なダイにより要素をシートメタル部品にかしめる過程で、リブによってシートメタルの厚みが実質的に薄くなることなく、周囲を閉じられた凹面区画および前述の凹部に入り込むようにシートメタル部品の材料を塑性的に変形できる。これによって、かしめ結合の強度は、従来の既知の要素と比較して、既に相当向上している。リブのシャフト側の端部がシャフトに沿って隆起した形で伸びているということは、凹面区画への材料の入り込みばかりでなく、むしろリブのシャフト側の端部とシートメタル部品との間の噛み合い結合によって共廻り防止が達成されていることを意味する。これによって、共廻り防止が、従来の要素の共廻り防止と比較して、実質的に改善される。要素の挿入の過程でシートメタル部品が不必要に薄くなることがないということは、従来の溝の場合と較べて、頭部の下端からいくらか離して凹部を設けることができることを意味し、よって、製造の観点から見て、この凹部の実現がより容易となる。このことは、凹部の形を、従来の場合よりも、よりすっきりしたものにすることができ、これがダイを用いた変形の過程で、材料が完全に凹部の中に確実に流れ込むようにし、よって要素の脱落に対する抵抗が増加する。
要素の軸部が、頭部から遠い方の軸部よりも、隆起したリブの領域に大きな直径を有し、かつ、この大径部に少なくとも１個の凹部を有することが、特に有利である。この設計により、要素が凹部によって弱くなることがより少ないため、より容易に要素の正常な強度を完全に活用できるとともに、要素の疲労特性も改善される。また共廻り防止もさらに改善される。しかしながらこの設計において特に重要なのは、要素の挿入の過程での、シートメタルの流動挙動が改善され得るということである。シートメタル部品のあらかじめ形成された孔は、要素の軸部が損傷を受けることなく通過できる直径を有さなければならない。大径部では、要素の挿入過程で、大径部が孔を拡大するため、シートメタルはまず外方へ押しやられる。これによって、周囲を閉じられた凹面区画および／または凹部に入り込むべき、追加の材料を提供するのである。
軸部を螺旋状に取り巻く少なくとも１個の凹部は、ねじ溝、特に要素の軸部に存在するねじの続きとして形成されることが有利である。このようにすれば、凹部はねじの形成に用いられるのと同じ工程で実現される。このことは要素の製造過程における実質的な原価低減をもたらすと同時に、凹部がきれいに成型されることにもつながる。好ましい方法に従って、リブがその軸部側の端部において、軸部に沿って隆起した形で伸びるように、ねじ切り加工に先だって成型されるならば、これらの隆起したリブ部分はロール転造によるねじ切り加工によって、凹部のところで終わるような形に簡単に変形され得る。しかしながら、他方において、別の工程で、例えばロール転造加工ででねじ切りを終えた後、始めてリブ部分を加工することも当然考えられる。この場合は凹部は隆起したリブによっていくつかの部分に分断される。しかしながら、軸部に沿って伸びるリブの隆起した部分はあまり長すぎてはならない。なぜならばこれが、取り付けられる部品がきれいに落ちつくのを妨げる恐れがあるからである。これに対する例外は、要素が電気的端子を取り付けるように意図されている場合である。この場合は、延長されたリブ部分が端子の孔の中で望ましいノッチ効果をもたらし、良好な電気的接触を達成するのに有用である。
螺旋状の凹部は、ねじの１周分または２周分をこれにあてることができるが、とりわけ、ねじが多重ねじとして形成されている場合は、ねじの断片の形で存在することもまた可能である。多重ねじは、理論的に可能であり、本発明に属するものである。
螺旋状の凹部は、円周上で連続する凹部に比較して大きな利点を有する。例えば一定の期間が過ぎた後に、ナットが軸部から取り外される場合、ねじ部分および／またはナットの汚れまたは腐食によって、ナットを取り外すのに余分な力が必要であることが予想される。しかしながら、凹部が螺旋形をしているため、このような余分な力によって、要素がますます強くシートメタル部品に押しつけられ、これが要素の共廻りに対する抵抗を向上する。
しかしながら、この凹部はまたピッチ角０°、すなわち円周上で連続する溝として形成されてもよく、このような形の凹部もまた本発明に属する。このようなものは、例えば、要素がねじ付きボルトとして用いられるのではなく、例えばベアリングスピゴットとして用いられるような場合に、特に好都合である。従来の技術と比較して、凹部を頭部の下面から離れた位置に形成することができるという本発明の前述の利点は、円周上で連続する凹部として溝を設計する場合にもあてはまる。
周囲を閉じられた区画は、軸部の近傍において最も深さが大きくなることが好ましく、このことは共廻り防止に対しても要素の挿入の過程でのシートメタル部品の塑性変形に対しても有利である。
また、ヘッド部の接触面積に対する区画の面積の割合を、材質の組み合わせを考慮に入れた上で、理想的な共廻り防止と非臨界的な面圧とを結果として与えるように選択することも、とりわけ重要である。このような利点は、また本発明の要素を、より柔らかいシートメタル、例えばアルミニウムやアルミニウム合金のシートメタルとともに用いることができるようにする。これらの材料は将来、自動車製造においてますます広い用途を見いだすようになるであろう。異種金属接触腐食の問題は今日では要素の適当な表面処理によって対処することができる、すなわち異種金属接触腐食は避け得られるから、本発明による鉄製の要素は、例えばアルミニウム合金のシートメタルとともに、普通に使用することができるのである。
しかしながら、この先の提案においては、ボルト要素の挿入に先だって、ポンチ工具やドリル加工によってシートメタル部品に孔を形成することが必要である。孔は初期の加工段階で形成される。
上述した種類の既知のファスナー要素、すなわち軸部の先端を、シートメタルの孔を通して挿入し、ヘッドの下の部分でかしめを行うファスナー要素においては、別の問題がある。
この別の問題とは、「レバーアウト」に対する抵抗が低いことである。言い換えれば軸部の頭部から遠い方の端部に対して半径方向に加えられる力においては、要素を梃子のようにこじて、シートメタル部品との係合を比較的容易に解除してしまう。その結果、要素はぶらぶらになったり、シートメタルに対して好ましくない角度に傾いてしまったりする。
本発明の目的は、特に薄手のシートメタル、すなわち２．２５ｍｍ以下のシートメタルにおいて、先行技術によって得られるものよりも、質的により良いかしめ結合を保証することである。このことは先の出願によるボルト要素を用いる場合にも達成されなければならず、同時に、このものの挿入の過程でのねじ部の損傷は、少なくとも大部分、避けられなければならない。
特に本発明の目的は、「レバーアウト」に対する抵抗性を改善することであり、その方法は先の出願Ｐ４４１０４７５．８による要素に対しても、またその他の既知の要素、例えば国際公開第９４／１０１６８８号に記載されているものと類似の要素に対しても、適用可能でなければならない。
加えて、本発明の目的は、初期の加工工程において孔を形成するという複雑性を避けるような、改良された方法を開発することである。
本発明の別の目的は、特に薄手のシートメタル部品を用いる場合において、シートメタル部品があらかじめ穿孔されるか、ファスナー要素によって穿孔されるかの如何に拘わらず、ファスナー要素に対して横方向からこじる力およびファスナー要素を押し込むように働く力に対する、ファスナー要素の抵抗性を改善することである。
これらの目的を満足させるために、頭部および軸部を有し、かつ該軸部上に少なくとも一個の半径方向の溝あるいは、１周分以上のねじ溝を有するボルトまたはファスナー要素と、シートメタル部品とを、前記シートメタル部品にあらかじめ孔を形成するか、または前記ファスナー要素の軸部の、頭部から遠い方の端部を用いて穿孔することによって結合する方法であって、前記孔の予備形成あるいは穿孔が、シートメタル部品の、前記ファスナー要素の頭部とは反対の側に、材料によるカラーが形成されるような方法で実施され、かつ前記カラーの材料が引き続いて半径方向内側に向かって、前記半径方向の溝またはねじ溝の中へ入り込むような変形を受けることを特徴とする、ボルトまたはファスナー要素とシートメタル部品とを結合する方法がある。
完全を期すために指摘して置くならば、ファスナー要素の先端を用いてシートメタルに孔を打ち抜く方法は、米国特許２，５９３，５０６号によって既知である。この場合、スタッドのねじを切られた端部の先端はダイの上に置かれたシートメタルを押し通され、スタッドのねじを切られていない端部がかしめられるか、頭を付けられることによって、装着が完成される。ダイは、スタッドが単純な円形の開口部をシートメタルに打ち抜くだけで、カラーやフレアーは形成しないように配置されている。また、スタッドを押し込もうとする力や廻そうとする力に対する抵抗は弱い、なぜならばこれらの力に対する抵抗は、本質的にスタッドの軸部とシートメタルパネルとの間の摩擦力によって達成されるのみだからである。さらに、打ち抜かれた孔を通しての移動や、頭つぶし作業中の圧縮力によって、ねじが損傷を受ける危険性が大きい。
本発明の方法の一態様では、シートメタル部品は軸部の、頭部から遠い方の端部によって、装着用ヘッドの作用を受け、あるいは必要に応じてこれとダイとの共同作用を受けて穿孔され、この際好ましくはシートメタル部品が貫通される過程で打抜きカスが形成され、かつ穿孔された孔は拡張されて、シートメタル部品のダイ側に、孔を取り囲むカラーを形成する。
意外なことには、この技術を用いて、通常のボルト要素の軸部の端面によってシートメタル部品を穿孔し、このようにして形成された孔を通してボルト要素のねじ部分を挿入しても、ねじはそれほど大きな損傷を受けないことが分かった。カラーの形成がねじ部分にとって、開口部を拡大しながら、ねじ山を損傷することなく通過することを容易にしているのであるが、これについては後にさらに詳しく説明する。
引き続きダイを用いてシートメタル部品をボルト要素にかしめる過程で、シートメタル部品とボルト要素との間に特に高品質の結合を生じさせるために、カラーの材料が利用される。
開口部の周縁部、すなわち開口部に隣接するカラーの端部に、少なくとも１個、好ましくは複数個、特に奇数個の切り欠き、あるいは少なくとも実質的に半径方向に向いた、切れ目あるいは裂け目を生じさせることが特に有利である。カラーを通してねじを押し通すとき、これらの切れ目はさらに引き裂かれ、ねじ部を押し通すのに必要な力を相当に低下させ、その結果ねじ山を損傷する危険もまた、実質的に減少するのである。
とりわけ意外な発見は、ボルトの端部がＤＩＮ７８に準拠する、いわゆるＫａ形状を有しているときに、本方法が特に首尾よく実施されるということである。このＫａ形状とは、頭部から遠い方の軸部の端部にある、ねじの谷径よりもいくらか小さな直径を有するスピゴット状の突起を意味している。
スピゴット状の突起は、末広がりの円錐形の部分を介して、ねじが切られた円柱形部分につながっている。スピゴットの端面は、ボルト要素の中心の長手方向の軸に対して、少なくとも実質的に直角に広がっている。
本発明の端部穿孔方式を用いるこのようなボルトの装着は、スピゴット状の突起の外表面に複数個の溝が備わっているならば、改善され得る。本発明によれば、意外なことにこのような溝は、ボルト要素によってシートメタルを穿孔するのに特に有利であることが発見された。
ボルト自身は、その軸部が、頭部から遠い方の端部において、シートメタル部品を穿孔するように形成されていることが特徴である。ボルト要素の特に有利な形状は請求項１０乃至１４に記載されている。またそれに続く請求項１５乃至２６は、シートメタル部品にかしめられる頭部の形状を包含しており、先に出願されたドイツ特許出願番号Ｐ４４１０４７５．８の、請求項１乃至１３に対応している。
ボルト要素のために用いられるかしめ用ダイは、請求項３２乃至３８に見られる。また請求項３２乃至３８は、ボルト要素とシートメタル部品の結合によって生じる部品組立体に関するものである。
さらにそれ以外の、本発明の有利な実施態様は、後に続く請求項３９乃至５１に記載されている。
【図面の簡単な説明】
図面の内、第１図乃至第９図は先の出願Ｐ４４１０４７５．８の対応する図面を示し、また第１０図乃至２５図は本出願の特徴的な設計および方法を示す。
第１図    シートメタル部品にかしめるために用いられる、本発明による要素の一部を縦断面図とした側面図。
第２図    第１図中の矢印ＩＩの方向から見た要素の端面図。
第３図    第１図の要素の、円ＩＩＩで示した部分の拡大説明図。
第４図    第１図の要素の、第３図中の平面ＩＶ−ＩＶによる部分断面図。
第５図    第１図から第４図までの発明による要素を挿入する方法の概要説明図。
第６図    第５図による挿入方法の最終段階を示す。
第７図    第５図および第６図の方法において用いられる、本発明の特に好ましいかしめ用ダイの左側を示す詳細な概要説明図。
第８図    シートメタル部品と、それにかしめられた本発明の要素とからなる部品組立体、すなわち第５図および第６図の方法を用いて製造された部品組立体の、一部を断面図とした概要説明図。
第９図    第８図の部品組立体の、第８図中に円ＩＶで示した部分の拡大説明図。
第１０図    本発明のボルト要素を側面から見た一部を縦断面図とした説明図。
第１０Ａ図  第１０図のボルト要素の端部を矢印・の方向から見た図。
第１１図    シートメタル部品に挿入し、かしめた後の第１０図のボルト要素の概念図。
第１２図    第１０図の要素を挿入する方法において、要素とシートメタル部品が最初に接触した状態を示す。
第１２Ａ図  第１０図の要素をシートメタル部品に挿入する方法において、シートメタル部品を穿孔する直前の状態を示す。
第１３図    第１０図のボルト要素をシートメタル部品に挿入する方法において、シートメタル部品を穿孔した直後で、ねじ部が穿孔された孔を通過する直前の状態を示す。
第１３Ａ図  本方法の第１３図の段階において形成された打抜きカスの典型的な形状を示す概要断面図。
第１４図    第１０図のボルト要素をシートメタル部品に挿入する方法において、穿孔された孔をねじ部により拡大した後で、ボルト要素の頭部をシートメタル部品にかしめる前の状態を示す。
第１５図    第１０図のボルト要素をシートメタル部品に挿入する方法において、頭部をシートメタル部品にかしめた後の状態を示す。
第１６図    予備穿孔された厚手のシートメタル部品の概要説明図。
第１７図    厚手のシートメタル部品に予備穿孔して、カラーを形成するための、本発明の方法に用いられるホールポンチ。
第１８図    第１７図のポンチと、第１９図のボタン状ダイを用いて形成されたカラーの概要説明図。
第１９図    第１７図のポンチとともに用いられるボタン状ダイの概要説明図。
第２０図    本発明に従って形成された、ボルト要素とシートメタル部品からなる部品組立体の概要図。
第２１図    第２０図の組立体を形成するのに用いられるボタン状ダイの、長手方向の軸線を通る断面図。
第２１Ａ図  第２０図のボタン状ダイの端面形状の拡大説明図。
第２２図    本発明に用いられる好ましいボルト要素の一部の概要説明図。
第２３図    第２２図の矢印ＸＸＩＩＩの方向から見た平面図。
第２４図    第２０図中の円によって示された、シートメタル部品の一部の拡大図であるが、ナットで固定された第二のシートメタル部品を含む。
第２５図    第２４図と同様であるが、第二のシートメタル部品が中心からずれた位置にある状態を示す。
発明の実施態様
第１図は、本発明による要素１０を、まず側面図として示している。この要素は頭部１２と、ねじ１４が設けられた軸部１６を有する、ねじ付きボルトである。特に第２、３、４図に見られるようにこの要素は、接触面の一部として機能する頭部の下側１８に、凹面の、周囲を閉じられた複数の区画ないしはポケット２０を有している。区画２０は少なくとも部分的にリブ２２によって区切られており、このリブは軸部１６から外方に向かって伸びており、リブの軸部側の部分２４は側面から見て直角を形成し、軸部１６に沿って隆起した形で伸びており、頭部から遠い側の端部２６において少なくとも１個の凹部２８につながっている。凹部２８は軸部の周囲に螺旋状に配置されていて、ここではねじ溝として、すなわち軸部１６のねじ１４の続きとして、形成されている。
閉じられた区画２０の半径方向外側は、頭部の周囲に円周状に存在する周囲面３０で区切られており、リブはこの周囲面に、段を有することなく一体化している。区画２０の半径方向内側は、軸部の円柱周囲面３２によって区切られている。
リブ２２の半径方向外側に延びる部分の軸部に接する面は、第３図に示した説明図に反して、周囲面３０と同じ平面上にあってもよいし、あるいはまた第３図に示されるように、頭部１２の下側の面３０によって画定される平面３１に対して斜めに、この平面からは後退して存在し、この平面の軸部側を越えて突出しないようになっていてもよい。周囲面３０と、リブ２２の放射状に伸びている領域の軸部側の表面が、頭部１２の実際の接触面を形成する。
閉じられた区画２０は、この実施態様においては平面図において少なくとも実質的に正方形であり、実用的にもこの形は区画２０にとって比較的好ましい。閉じられた区画２０、すなわち全ての側を区切られた区画２０については、これ以外の形を本発明に関連して着想することも、当然可能である。頭部１２の接触領域１８にあり、好ましくは半径方向に延在するリブ部分２２は、第２図および第４図の特定の設計においては、半径方向外側に向かって広くなっている。それは頭部の周囲面２２に、段なく、中断することなく一体化している。この例においては８個のリブが存在しているが、好ましいリブの数は６個ないし８個である。
第１図および第３図から明らかなように、周囲を閉じられた区画２０は、軸部１６の近傍において最大の深さ（要素１０の軸方向３５で測って）を有している。基本的には、周囲面３０と、リブ２２の、軸部側の表面が主たる接触面であるが、これらの閉じられた区画の底面もまた、対応するシートメタル部品を意図的に変形して、閉じられた区画に入り込ませることによって、接触面として利用できる。いずれにおいても、本発明の要素においては、広い接触面を提供することができるので、柔らかいシートメタル部品にも、臨界的な面圧力が生じる恐れなく、使用することができる。閉じられた区画の底面が、少なくとも実質的に、頂角１３０乃至１４０°の円錐面の上に存在することが特に好ましい。この円錐角は、第３図に参照符号αで示されている。
さらに、第１図と第３図とから分かるように、要素は芯出し用くぼみ３４を有する。これは、要素が挿入される過程で、要素が確実に高精度にガイドされるようにするものである。要素はまた、円錐形の挿入側端部３６を有している。この端部は、後で要素に固定されるべき部品を取り付ける際に有用なばかりでなく、対応するシートメタル部品に挿入する際に、また要素を装着用ヘッドにガイドする際にも有用である。
挿入方法は、第５図および第６図に概略的に図示されている。
第５図は、結合用工具４０の装着用ヘッド３８を示しており、この装着用ヘッド３８は、矢印４３の方向に可動の、加圧および結合用のプランジャー４２を備えている。
第５図を参照すると、矢印４３は要素１０を装着用ヘッドに送りだす方向を示している。要素１０は１個づつ装着用ヘッド３８に供給される。第５図に示される要素は、重力によって、また必要に応じて圧縮空気または加圧および結合用プランジャー４２の作用によって、装着用ヘッドのボア４４を通って下降し、要素の頭部１２がボール４８に接触するに至る。この頭部は案内の目的で部分的に球面状に丸みが付けられており、またボールはスプリング４６によって付勢されている。実用的には、このようなスプリングで押されたボール３個が、長手方向の軸５０のまわりに１２０°間隔で配置されていることが好ましい。第５図に示される段階においては、要素１０を挿入するべき、あらかじめ穿孔されたシートメタル部品５２は、すでに装着用ヘッド３８と下側工具５６のかしめ用ダイ５４との間に保持されている。要素のねじ１４を備えた軸部１６は、すでに部分的に、シートメタル部品５２にあらかじめ加工された孔５８を通過しており、さらにこれと同軸に配置されたかしめ用ダイ５４の中心の、円筒状の中心開口部６０を通過している。かしめ用ダイすなわちボタン状ダイ５４自身は、結合用工具に属する下側工具５６の、ボア５７によって取り替え可能に支持されており、さらにプレート５９を介して下側プレス板６１に支持されている。
挿入方法のその後の段階において、装着用ヘッドに備えられた加圧および結合用プランジャー６２はさらに下降し、頭部１２を押し下げて、スプリングにより付勢された３個のボール４８を通過させる。この動きの過程で、孔５８および軸５０と同軸に配置されたかしめ用ダイ５４のクラウン領域６４は、シートメタル部品の材料に押し込まれ、これがシートメタル部品の材料を流動させて、一方では閉じた区画２０、他方では凹部２８に入り込ませ、よって要素１０とシートメタル部品５２の間に信頼性あるかしめ結合を生み出し、これらは一体となって部品組立体を形成する。
かしめ用ダイ５４は、そのクラウン領域が、第７図に示されるような形状を有すことが好ましい。すなわち、このかしめ用ダイのクラウン領域は、シートメタル部品に塑性変形を起こさせるために、軸方向に起伏する山７２と谷７４を有する、環状で波形の端面を有する。このようなかしめ用ダイを用いると、隆起した山７２は、シートメタルの材料を、要素１０の頭部１２の下面にある凹面区画２０に押し込むのに役立つ。谷７４は、リブ２２の半径方向外側に延在する部分が存在する領域で、シートメタル部品と接触するため、本発明においてはリブの領域において、シートメタル部品の重大な厚み減少は起こらないのである。
シートメタル部品がかしめ用ダイと要素１０の頭部１２とに挟まれ締めつけられることにより、シートメタル材料は凹部２８の中にも押し込まれ、所望の固定連結が起こる。要素１０をかしめ用ダイの山と谷に対して角度的に位置決めするための、特別な手段は実際的には必要ではない。なぜならばエネルギー的な理由によって、要素１０は位置エネルギーが最小になるように廻ろうとし、よってかしめ用ダイ５４の山７２が凹状の区画２０と一致するような位置を取るからである。言い換えれば、必要な位置決めは、装着の過程で要素が自動的にわずかに回転することによって、得られるのである。
かしめ用ダイのこのような設計の結果、第８図および第９図に示されるように、なかでも第９図が良く分かるが、要素１０の頭部１２とは離れた側に、要素１０の長手方向の軸３５とは少なくとも実質的に同軸に存在する、１個の溝が形成される。あるいはこの溝は断続する溝であってもよい。この溝は、特にかしめ用ダイが第７図のような形をしているときは、波形の底面を有している。しかしながら波形の底面の山は、シートメタル部品に取り付けるべき他の部品が確実にきれいに落ちつくように、シートメタル部品の下側の面７１を越えて突出してはならない。しかしながら、他の部品が電気的な端子である場合には例外が存在する。この場合、端子に対して高い面圧、すなわちより良い電気接触が確実に生じるように、波形の底面の山の部分は、シートメタル部品の下側の面を越えて突出しても良い。
しかしながら、本発明による要素は、ねじ切りされたボルト以外の形に形成されてもよい。例えば、ベアリングスピゴットの形をした要素１０も考えられる。すなわち、ねじは、円柱状の軸受け面で代替あるいは補足されても良い。あるいはまた、ファスナー要素は軸部が中空になった、ナット要素であっても良い。
前述した頭部、および頭部をシートメタル部品にかしめる方法の特徴は、第１０図乃至第１５図を参照して、以下により詳しく説明するボルト要素にも、制限なく適用される。このため、第１図乃至第９図にも示された第１０図乃至第１５図の図中の要素には、同一の参照符号を付与し、同一の参照符号によって示される部分や機能の説明は、大部分省略することとする。なぜならばこれまでの説明は、第１０図乃至第１５図にもあてはまるからである。異なる部分についてのみ、詳しく説明することとする。基本的に言って、次の三つの主要な差異が存在する。
ａ）要素１０の、頭部１２から遠い側の端部１００の設計
ｂ）端部１００によるシートメタル部品の打ち抜き
ｃ）ダイの形状をいくらか変更することによって行われる、打ち抜き孔の周囲のカラーの形成。
第１０図から明らかなように、ボルト要素１０の、頭部１２から遠い方の端部１００は、ドイツ工業規格（ＤＩＮ）７８に準拠するいわゆるＫａ形状を有している。すなわち端部１００は、スピゴット状の突起１０１になっており、その突起の外径はねじ１４の谷径よりもいくらか小さく、かつ切頭円錐形の部分１０２を介してねじ１４につながっており、この切頭円錐形の部分は頂角９０°をなして、ねじ１４に向かって広がっている。
ＤＩＮ７８による標準的なＫａ形状とは異なり、スピゴット状突起１０１の周囲には、長手方向の軸と平行配置された、複数の切り欠き形の溝１０６がある。この溝の深さ（半径方向に測って）は、軸部１６の端面１０４から連続的に減少し、円錐形部分１０２の始点でゼロになっている。
ボルト要素の端部の基本的Ｋａ形状は、それ自体は公知である。しかしながらそれは、通常まったく違う用途に用いられている。すなわちそれは特に自動ねじ締め装置において、ナットの装着を可能にするのに用いられている。切り欠き形の溝は、本発明による設計の特別な特徴であって、塗料を剥がしやすくするために、ねじ付きボルトの軸に時折り設けられる長手方向の溝と混同すべきものではない。切り欠き形の溝の数は、本発明にとってそれほど重要ではないが、このような溝が奇数個、例えば３個または５個設けられている場合に、特に有利である。
各々の溝は、例えば９０°の傾斜角を有するＶ形の断面のものであり、溝の一方の側面、例えば第１０図の側面１０８は、半径方向の平面上に存在し、他方の面は半径方向の面１０８に対して直角を形成する。Ｖ形の溝の底面は、長手方向の軸に対して、好ましくは約１０°の傾斜角を取る。
溝はその深さが浅いので、平面図で見ると、すなわち第１０図の長手方向の軸５０の方向から見ると、かなり狭く見える。なお、Ｋａ形状のみで十分である場合、溝またはその他の切り欠き形の形状は、通常の強度のシートメタルにおいては絶対必要なものというわけではない。しかしながら、溝またはその他の切り欠き形の形状は、自動車の製造においてますます広く用いられるようになった高強度のシートメタルにおいては有利である。スピゴットの端面は、平坦であり、かつ、要素の軸に対して直角であることが好ましいが、わずかに凹面あるいは凸面であっても良く、この場合凹面形の方が凸面形よりも好ましい。
第１０図は好ましい実施態様を示しているが、その他の実施態様も考えられる。例えば、第１０図による溝１０６は、リブとして形成されても良い。これらのリブは、ボルト要素の長手方向の軸５０と同軸の円の中に存在しなければならず、その円の直径はねじ１４の谷径よりも小さくあるべきである。
端面１０４はわずかに凹面あるいは凸面であっても良く、あるいは尖った形、すなわちＤＩＮ７８に準拠するＡＳＰポイントとして形成されても良い。しかしながら、ボルト要素がシートメタル部品に対して厳密に垂直にガイドされなければ、問題が生じるため、尖った形は特に好ましいものではない。例えば装着用ヘッドがいくらか磨耗していて、装着用ヘッドのなかでボルト要素がわずかでも傾くと、尖った形に形成されたボルト要素の先端は、シートメタル部品に押し込まれてしまうであろう。そうなるとボルト要素の傾いた姿勢はもはや修正され得ない。すなわち、尖った形の端部を有するボルト要素の使用は、装着プロセスの要求を、制限付きでしか満たすことができない。
第１２図乃至第１５図を参照して、ボルト要素１０をシートメタル部品に装着するときの一連の事象をより詳細に説明する。第１１図は、ボルト要素１０とシートメタル部品５２とからなる完成した部品組立体を示している。
第１２図は、装着用ヘッド３８内のボルト要素１０を示しているが、装着用ヘッド３８とかしめ用ダイ５４とを備えた、図示されていないプレスは、すでに作業行程に入っている。装着用ヘッドは、上側工具（図示せず）あるいはプレスの中間プレート（図示せず）に支持されており、シートメタル部品５２が装着用ヘッド３８と、反対側に置かれたダイ５４の端面に挟まれるに至るまで下降している。ダイ５４の端面にある、第７図に示すように形成された、環状に隆起した部分６４がシートメタル部品に、上向きの膨らみを生じさせているのが分かる。プレスが作業行程のなかでさらに閉まると、プランジャー５２はさらに下降し、その間に装着用ヘッドの斜線で示した部分は、プレスの上側工具あるいはプレスの中間プレートに対して後ろ向きの方向に、弾性的にたわむ。第１２図において、プランジャー４２は、ボルト要素の端面１０４がちょうどシートメタル部品５２と接触するに至るまで下降している。第１２図から、ボルト要素のスピゴット状端部１０１の外径は、ダイの端面にあるテーパーの付いた環状のくぼみ１１２の内径よりも、十分に小さいことが明らかである。
つまり、ボルト要素１００の端面にあって、切断用の突起として働くスピゴット状突起１０１は、この切断用突起と、その下側のダイ５４との間に置かれたシートメタル部品５２に接触する。ダイはボルト要素１０の、長手方向の中心軸５０と同軸に配置されている。
テーパーの付いた環状のくぼみ１１２は、平坦なショルダー１１３として形成されたショルダーを介して、１１４の部分につながっている。この部分の直径はテーパー付きの環状のくぼみ１１２の最小の直径よりも小さいが、ボルト要素１０のねじの外径よりも約０．１ｍｍ大きい。テーパーの付いた環状のくぼみ１１２の正確な形状は、第２１図および第２１Ａ図に示される。テーパーの付いたくぼみから平坦なショルダーへの移行部は、丸みがつけられてもよい。さらに、ボタン状ダイ５４の先端穿孔方式に対応する型式においては特に（ただし唯一ではなく）、環状のショルダー１１３からボア１１４への移行部は、直角であるよりは丸みを付けたショルダーとして形成されても良い。これはなによりもボルト１０のガイドを容易にする。
ダイ５４は、打ち抜き／型押し用工具またはプレスに既知の方法で保持される。
第１２Ａ図においては、装着用プランジャーはさらに下降して、ボルト要素の先端はシートメタルをボタン状ダイ５４のテーパー付の付いたくぼみ１１２の中へ押し込んでいる。シートメタル中の応力は増加して、シートメタル５２を打ち抜くのに必要な応力よりわずかに小さいだけとなっている。カラー１２０は、すでにこの段階で少なくとも部分的に予備形成されている。第１３図の状況に至るには、プランジャー４２があとほんの少し下降すれば良い。第１３図の状況では、プレスの上側工具の下降行程により生じる力Ｆの影響により、ボルト要素はすでにシートメタル部品５２から打抜きカス１１６を打ち抜いている。パネルは、パネルから打抜きカスが切り取られる段階では、まずファスナー要素の下側の部分をまず円錐形に形成する。これに続いて、ファスナー（第１０図）の円錐形部分１０２がパネルの円錐形の部分を押し通るにつれて、この円錐形は引き伸ばされ、かつ／または、拡張される。すなわち、成型されたシートメタル部品５２のカラーまたはフレアー１２０は、ダイの自由空間１１８に向かって、管形に変形する。第１３Ａ図の拡大図から、打抜きカス１１６の側縁部１１７は荒れていることに留意すべきであり、このことは環状のカラー１２０、すなわち管形の部分の端面についてもあてはまる。さらに、打抜きカスはシートメタル部品の、支持されていない部分から打ち抜かれたことの結果として、わずかに皿状になっている。
しかしながら、図面からは分からないのは、切り欠き状の溝が、シートメタル部品に切り欠き、切れ目、引き裂きなどを生じさせていることである。これらは切頭円錐形部分１０２の作用によってさらに引き裂かれ、カラーの領域においてシートメタル部品が変形するのに必要な力を減少させるので、特に有益である。
ボルト要素がカラーを押し通るのに必要な力もまた、これに対応して低減する。このことは第１４図に示される挿入方法の、カラーがねじ部によってさらに拡張される、さらに後の段階にもあてはまる。このようにしてねじにかかる力が低減されるので、ねじの損傷の恐れがない。
第１４図の図面によれば、上側工具（かしめ用プランジャー４２）の下降により、プランジャー４２が対応して下降し、その結果として、ボルト要素は、ガイドを形成するダイのボア１２４に入り込む。その過程で、ボルト要素は、第１３図の管形部分をさらに広げ、その大部分を環状のくぼみ１１２に型押し式に押し込んでいる。
このシートメタル材料の成型は、事実上、ボルト要素の最初の２周のねじ山によって起こる。この２周のねじ山は既知の熱処理工程を用いて、比強度等級で例えば８．８になっている後続のねじ山よりも、実質的により硬く、またより高い強度にすることができる。これら２周のねじ山に対する損傷は、強度の増加によって避けられる。最初のねじ山群の硬化はそれ自体、当業界において既知であり、特にセルフタッピングボルトにおいて知られている。この強度の増加も、それ自体既知の方法によって達成することができる。
第１４図の図面の、打ち抜かれた打抜きカス１１６は、自由空間１１８を通って落ちており、既知の方法で処理される。
第１５図に示される段階では、プレスの工具は下死点に近づいている。ダイ５４とボルト要素１０の頭部下面の形状との共同作用により、第１図乃至第９図を参照して前述したように、シートメタル材料と頭部１２との噛み合い固定が行われる。このようなかしめられ、固定された結合は、予備穿孔されたシートメタル部品とボルト要素とからなる先のドイツ特許出願Ｐ４４１０４７５．８の既知の部品組立体よりも強度が高い傾向がある。この理由は、本発明では、カラー１２０が最重要領域において材料を利用可能とし、この材料がプレスの下降にともなって起こる変形の過程で、より完全な方法でボルト要素の環状のくぼみおよび閉じられた区画に押し込まれ、これによって、結合の強度にとって有益であるより高い永久応力がこの領域に発生するためである。
頭部の直下で起こる、シートメタル材料の、ねじ溝内へ入り込む半径方向の動きは、ダイの端面のくぼみ１１２のテーパー形状によって促進される。またパネル材料の、閉じられた区画に入り込む軸方向の動きは、ボタン状ダイの端面の環状の突起によって促進される。この際、環状の突起の側面により、ボルト要素１０の軸部１６上の凹部を画定するねじ溝内へ材料が流れるよう促進される。テーパー付きのくぼみの底部にあるショルダー１１３は、パネル材料の半径方向および軸方向の動きを助けるばかりでなく、半径方向に変形したカラーの軸方向の範囲を限定し、第２４図および第２５図を参照して後述するように、カラーが後から取り付けられる他のシートメタル部品やナットに干渉しないようにする。
プレスを開いて、ボルト要素とかしめられたシートメタル部品を取り出せば、第１１図の部品組立体が得られる。
なお、薄手のシートメタル、一般的には約２．２５ｍｍより薄いシートメタルにおいて、ドイツ特許出願Ｐ４４１０４７５．８に提案された形式のボルト要素を、予備穿孔されたシートメタル部品とともに用いる場合、またはシートメタルが溝［例えばラジアルグルーブ（radial groove）即ち半径方向あるいは周方向の溝］または１周以上のねじ溝と係合される他の任意のファスナーを用いる場合は、押し込み脱落に対する抵抗を与えるために、シートメタル部品の、ファスナー要素の頭部とは反対の側に、カラーを備えることが有利である。
このようなカラーは、穿孔作業において、例えば適当な形状のホールポンチ（前述した穿孔用ボルトの端部に似た形の）を用いることによって首尾よく形成することが可能であり、その形状は本発明の第１１図、第１４図、および第１５図に示されているものと同じか、あるいは少なくとも大体同じである。カラーを備えた予備穿孔された孔に要素を装着する過程において、材料は第１４図および第１５図に示されているのと同じ方法で絞られ、主として半径方向に流れて、ファスナー要素の半径方向の溝またはねじ溝に入り込み、押し込み脱落に対する抵抗を発生させる。この設計はさらに他の利点を有する。カラーとボルト要素の軸方向の係合部分が長いことによって、ファスナー要素とシートメタルとの間に生成する結合は、ファスナー要素に軸方向に対して直角に働く力、または力の成分に対して、非常に高い抵抗性を有する。このような力は、例えば第１１図のＫ方向に働く力のように、一種の「ボタンをはずすような」作用によって、ファスナー要素をこじてシートメタルからはずすように効果的に働くのである。従来から知られている要素は、このような梃子の力に対して、比較的低い抵抗しか持たない。本発明の部品組立体、すなわち例えば第１１図のような、ファスナー要素とシートメタルの組立体は、このような力に対して実質的に高い抵抗性を有する。予備穿孔された孔における本発明の用法は、後ほど第１６図乃至第２１Ａ図を参照して要約することとする。
なお、第１１図乃至第１５図の実施態様において、ファスナー要素の装着は、第１２図の環状のくぼみ１１２の半径方向外側に、同軸に設けられた環状の突起を有するボタン状ダイによって行われる。この環状の突起は、第７図に示されるような形状を有していても良いし、あるいは、例えば第１５図に示されるように、またより詳細に第２１図および第２１図に示されるように、一定の高さのほぼ屋根状の断面形状の環状突起６４であっても良い。
なお、環状のくぼみ１１２の円筒状の壁１１５は、ファスナー要素から離れる方向にわずかにテーパーが付けられている。プレスを閉じ、ボルト要素を装着する過程、すなわちファスナー要素をシートメタルにかしめる過程において、このテーパー付きの表面が、カラー１２０の材料を半径方向内側に向かって変形させて、半径方向の溝やねじ溝に入り込ませるのに役立つ。この金属の動きはまた、凹面区画２０の成型面によっても、即ち角度α（第３図）によっても助けられる。加えて、環状のくぼみ１１２の底面にある半径方向の表面１１３は、ファスナー要素の装着後、カラーに対してきれいな端面を保証し、また、カラーの材料が軸方向にはみ出さないようにし、第一のシートメタル部品にボルト止めされるべき第二のシートメタル部品への不満足な結合を防ぐ。さらにこの表面１１３は、カラーの材料がファスナー要素のヘッドから離れる方向へ軸方向に逃げ出さないようにすることにより、カラーの材料の半径方向への変形を助ける。
加えて、表面１１３は、変形されたシートメタルの材料が、凹面区画２０を確実に満たすようにする。カラー１２０がファスナー要素の挿入に先だって予備成型される場合は、カラーは好ましくはファスナー要素の、半径方向の溝または最後のねじ山の領域における最大外径と同じか、またはわずかに小さい内径を有することが好ましい。予備穿孔作業においてこのようなカラーを付与することは、ファスナー要素を予備穿孔された孔に挿入するときの、芯出しを容易にするという利点もある。
なお、厚手のシートメタル、すなわち約２．２５ｍｍ以上のシートメタルにおいても、ボタン状ダイは類似の形状とされ、よって、ファスナー要素の頭部から離れたシートメタルの平面を越えて突出するカラーもここに形成される。特に、前述したような環状の突起６４を有するボタン状ダイを使用する場合において然りである。このようにして、良好なレバーアウト抵抗値が、厚手と薄手のシートメタル部品の、いずれにおいても達成され得る。
さらに、カラー１２０の外形は、薄手のシートメタルと厚手のシートメタルのいずれにおいても、わずかに円錐形であり、このことが、ファスナー要素の軸部の端部上に置かれ、シートメタル部品５２に対して締め付けられるべき、別のシートメタル部品の芯出しを容易にする。
最後に、リブ２２の放射状に伸びる部分は、凹面区画２０を必ずしも完全に区切るとは限らず、これらの区画の半径方向の境界に沿って、単に途中まで伸びていても良い。
以下、予備穿孔されたパネルに装着されたボルト要素を固定するためのカラーの用法を、第１６図乃至第２１Ａ図を参照してより詳細に説明する。
第１６図は、予備形成された単純な円柱状の孔を有するシートメタル部品５２を示す。この孔は、例えばポンチまたはドリルによって形成されてもよい。シートメタルは、２．２５ｍｍより大きい厚みＳを有するものである。厚みが２．２５ｍｍより大きい場合は、このような単純な円柱状の孔５８を形成することによってパネルを準備すれば十分である。
２．２５ｍｍに等しいか、それより小さい厚みを有するパネルにおいては、パネルは、第１７図に示される形状のホールポンチ２００によって形成される環状のカラーまたはフレアー１２０を伴う開口部５８を有するように準備される。なお、ホールポンチ２００は、その前端部に円柱形のスピゴット２０２を有する。この円柱形のスピゴット２０２は、ホールポンチの長手方向の中心軸２０６に対して直角な、平坦な端面２０４を有する。前端面２０４とスピゴット２０２の円柱形の壁との交点に形成された円形のエッジ２０８は、切断用の刃である。円柱形のスピゴット２０２の背後には、ショルダー２１０があり、その隅角２１２は丸みが付けられていて、ホールポンチの、より大きな直径の円柱形の部分２１４への移行部を形成している。
孔５８の打ち抜きは、ボタン状ダイ２１４を用いて実施される。このダイの、ホールポンチと向き合う端面は、第１９図に長手方向の断面図として示されている。なお、ボタン状ダイは、直径Ｃを有する円筒状中心ボアを有し、このボアはボタン状ダイ２１４の前端面において、半径２１６の丸みを介して、ボタン状ダイの平坦な端面につながっている。対応する寸法Ｃは第１８図にも入れられていて、これがほぼ円錐形のカラー１２０の最大外径に相当し、丸みを付けられたショルダー２１６は、カラーがシートメタル部品５２の平面とつながる点で対応する半径２１８の丸みを形成していることが分かる。
なお、開口部５８の直径Ｄは、ホールポンチ２００の円柱形の部分２１４の直径よりほんのわずか大きい。
ホールポンチ２００の作用、およびそのボタン状ダイ２１４との共同作用は、第１２図乃至第１５図に関連して説明した、先端穿孔方式において起こる状況と非常に良く似ている。
打ち抜き初期の段階は、シートメタルパネルがホールポンチ２００の円柱形のスピゴット２０２より実質的に大きな直径を有するボタン状ダイ２１４の上に支持された状態で、円柱形のスピゴット２０２によって実行される。これにより、第１２Ａ図に示されるように、ここでも、打抜きカス（図示せず）が打ち抜かれる前に、パネル材料が押し込まれる。その後、半径２１２を有するショルダー２０８が、シートメタル部品のフレアーないし開口部の形成を完成し、第１８図に示されるような形状とする。なお、カラーの高さＨおよびエッジの形状は特定のものではなく、単にホールポンチとボタン状ダイの共同作用によって自然に生じたものである。これは、第１８図に示されるように、カラーの端面がわずかに不揃いであることを意味する。
カラーの高さＨは、シートメタル部品５２の厚さＳとは無関係に、通常は最小で１．５ｍｍである。直径Ｄは、用いられるボルトのねじの呼び外径よりほんのわずか大きく、例えば、Ｄはボルトの呼び外径より約０．１ｍｍ大きくされる。
次に第２０図は、好ましい型式のボルト１０が、第１２図の３８のような装着用ヘッドを用い、第２１図により詳細に示されるボタン状ダイ５４との共同作用によって、シートメタル部品５２に打ち込まれた後の部品組立体の概略図を示す。このボルトについては第２２図および第２３図を参照して後述する。ボタン状ダイ５４の端面の正確な形状は、第２１Ａ図に拡大して示されている。この図面は、第２１図中に円で囲って示したボタン状ダイ５４の部分を、円の中に示している。
第２１図および第２１Ａ図から分かるように、ボタン状ダイは傾斜した側面を有するほぼ屋根状の形状の環状の突起６４を有し、その外側の側面２２２はボタン状ダイの平坦な端面２２４につながり、傾斜した内側の側面２２６は、ボタン状ダイの中心ボア内の円柱形のくぼみ２２８につながっている。傾斜した側面２２６は、第１２図乃至第１５図を参照して述べたように、テーパー付きのくぼみ１１２を形成している。円柱状のくぼみ２２８は、その底部に平坦なショルダー１１３を有することが分かる。このショルダーが、使用の際に第１８図のカラー１２０の端部と接触し、ボルト１０が装着された後のカラーの軸方向の最大高さを決定する。
第２０図の部品組立体の円で囲った部分（組立体の長手方向の断面図の一部を囲っている）から分かるように、カラーは高さ２３０で終わり、この高さは第２１Ａ図の平坦なショルダー１１３によって画定されている。この高さ２３０は、カラー１２０がボルト要素１２０の長さの、実質的な部分にわたってボルトと係合しているため、シートメタル部品からかなりの高さで突出している。第２０図はまた、ボタン状ダイの環状の突起６４によって形成された、環状の凹部２３２を明瞭に示している。なお、パネルの材料は、ボルト要素１０の頭部の下の２０で示される凹面区画を埋めるように変形し、またカラー１２０は半径方向に押しやられて、ボルト要素１０の頭部の直下においてねじ部と係合している。カラーの半径方向の厚さは、環状の溝２３２の底部から、変形されたカラーの、ボルト要素の頭部１２から遠い方の端部に向かって、テーパー状にゆるやかに減少している。
厚手のシートメタル部品５２、すなわち厚さＳが２．２５ｍｍより大きなシートメタル部品５２を用いる場合も、第２１図および第２１Ａ図に示されているものと同じ全体形状を有するボタン状ダイが用いられ、これは結果として第２０図に示されるような、シートメタルがボルト要素と係合する領域におけるシートメタルの形状と、正確に対応する形状を与えることを指摘しなければならない。すなわちこの場合もボタン状ダイ５４と、ボルト要素１０に作用する装着用ヘッドとの共同作用がもたらすシートメタルの塑性流れによって、カラーが形成される。
第２２図は、ボルト要素１０の頭部１２の近傍の領域における頭部１２と軸部１６の好ましい設計を一部を縦断面図とした側面図で拡大して示している。
第２２図の矢印ＸＸＩＩＩの方向から見た第２３図の図面に良く示されている凹面区画２０は、ほぼ扇形であり、第１図に示されたほぼ正方形の区画２０とはいくらか異なっている。ここでは６個のリブ２２があり、リブ２２の半径方向に伸びる部分は、ボルト要素１０の軸部１６から離れる方向にわずかに先細になりつつ区画２０を区切っている。ここでも、リブ２２はボルト要素１０の軸部１６に沿って軸方向に伸びる部分を有し、その長さＬはボルトの実際の寸法によるが、例えば５ｍｍのメートルボルトの場合は０．５ｍｍである。
ボルトのねじ１４は、ボルトの残りの部分が冷間成形によって成型された後で、ボルト要素の軸部１６にロール転造加工される。なお、ナットを受け入れるべき領域のねじは、外径Ｇを有し、これよりわずかに大きい直径Ｈを有する軸部にある約３周のねじ山が形成された部分２３４に連続している。ボルトの挿入の際に、カラーは、部分２３４すなわち大きな直径Ｈの領域のねじと係合させられる。大きな直径の領域２３４のねじを、残りのねじよりもいくらか硬くなるように処理することもできる。これは熱処理によって実施可能であるが、この熱処理は、先端穿孔実施態様において、先端部に近い方の最初ののねじ山を硬化することに関連して説明したように、それ自体既知のものである。これは、第２４図により詳細に示されている。第２４図は、シートメタル部品５２と、それに装着されたボルト要素１０とからなる部品組立体の一部の、長手方向の断面図を示しており、さらにシートメタル部品５２上に置かれて、ナット要素２３８によって締め付けられた、別のシートメタル部品２３６を示している。ナット要素２３８はボルト要素１０の軸部１６上の、ねじ部１４に係合している。
第２４図はまた、シートメタル部品５２に設けられた環状のくぼみ２３２と、半径方向に変形されて領域２３４で２ないし２．５周のねじ山と係合した後のカラー１２０とを明瞭に示している。
なお、別のシートメタル部品２３６は、中心開口部２４０を有し、この開口部２４０は、その周縁部とカラー１２０との間にわずかな間隔を残して、半径方向に変形したカラー１２０にはまり込んでいる。ナット２３８は今日、自動車産業において用いられる典型的なナットであって、負荷分散のための一体化されたフランジ２４２を有する。またそれは、そのボアのねじ部に隣接する面取り２４６を有している。また、通常はスパナーまたはレンチを適用するための、多角形の外表面２４８を有している。
環状の溝２３２が空隙であるという事実にも拘わらず、ナットとボルト要素との間の負荷伝達部には十分以上の接触面積が存在し、よって面圧は部品の永久変形が予想される値よりも十分小さく保たれている。
第２５図は、基本的に第２４図と類似の図面であるが、別のシートメタル部品２３６がボルト要素の軸５０（図示せず）に対して、第２４図のように同軸に置かれるのではなく、偏芯的な位置に置かれた状況を示している。この偏芯的な位置取りは、ボルト要素の片側におけるギャップ２５０が第２４図の場合に比べて大きいことに現れている。このような偏芯的な配置は、特に別のシートメタル部品が、１個以上のボルト要素１０にはまらなければならない場合において、許容度の考え方から、実用上予想されることである。ナット、ボルトおよび２個のシートメタル部品からなる、締め付けられた部品組立体における面圧は、偏芯度および孔サイズに関連して期待される正常な許容度の範囲に納まっていることが、これまでに示されている。興味あることに、これは、他の既知のファスナーと比較して、好ましいサイズのボルト要素の頭部直径によっても達成される。
第２４図および第２５図から分かるように、圧締された領域において、シートメタル部品５２の厚みの減少はなく、また、同様にシートメタル部品５２と、ボルト要素１０の頭部の下面１２全体とは良く係合している。加えて、カラー１２０は、ボルト要素の頭部と反対の側において、シートメタル部品の表面を越えて、軸方向に伸びていることが分かる。このような、ボルト要素の軸方向の実質的な長さにわたる、また複数のねじ山にわたる、延長された係合は、ボルトが押し込みおよびレバーアウトによる脱落に対して、極めて良好な抵抗性を有することを確実とする。それはまた共廻りに対しても、極めて良好な抵抗性を有する。なぜならば区画２０がパネルの材料５２によって満たされることによって、シートメタル部品５２の材料とリブ２２の間には完全な係合が生じ、これが共廻りに対する抵抗を発生させるからである。
なお、全ての図面において、共通の部品または共通の機能を有する部品については、同じ参照符号が用いられている。
ドイツ特許出願Ｐ４４１０４７５．８の装着用ヘッドまたは方法を、本出願によるボルト要素を挿入するために用いれば、特に有益である。
さらに、本発明による要素は普通、中炭素鋼、例えばドイツ工業規格（ＤＩＮ）１６５４に準拠する中炭素鋼、３５Ｂ２を用いて成型される。この規格は、アメリカ合衆国におけるＳ１０３５鋼と同等である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１０Ａ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１２Ａ】
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【図１３】
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【図１３Ａ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２１Ａ】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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