JP5276265B2 - 金属ボルトをプラスチックワークピースに連結する方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属ボルトをプラスチックワークピースに連結する方法に関する。この場合、以下に述べる「ボルト」という表現は、本質的に円筒状であり、円周面を有する回転対称なエレメントを意味し、円周面の領域における直径をボルトの直径と見なす。

自動車産業、造船産業、建設産業において、一方がプラスチック及び他方が金属からなり、２つの材料が互いの摩擦により連結する「マルチ材料構造」の利用が増えてきている。このようにして両方の材料の特性が合わさり、改良された特性を有する合成材料が得られる。プラスチックと金属とを互いに連結するために、まず第一に、機械的連結及び接着連結を使うことができる。

適切な機械的連結として、特に、リベット留めかクリンチ連結であるが、以下の問題点がある。まず、ワークピースに高い応力が集中し、その後に、クリープ、水分、及び弛緩の結果として、連結が緩むことである。そして、機械的連結の最後の問題点は、その外観のために目に見える領域において使用することができないこと、或いは、この連結を連続させる必要があることである。

接着連結には、連結強度を判断することが困難であるという問題点がある。更には、接着材を硬化させる必要があるために、接着連結させるサイクル時間が、比較的長くなるという問題が生じる。また、硬化している間に溶剤を放出する可能性があり、接着連結させる時に、放出を監視することが必要となることもある。加えて、硬化するためにより高い温度が必要な場合は、ワークピースが悪影響を受ける可能性がある。そして、信頼性の高い接着連結を得るためには、連結する表面を予め処理する必要があり、これは更にコストが高くなることを意味する。

マルチ材料構造を形成するために、機械的連結及び接着連結の他に溶接連結も公知である。この溶接連結に適用される溶接技術には、超音波溶接、抵抗溶接、振動溶接、誘導溶接、及び赤外線溶接が含まれる。しかしながら、ここでは、次のような主な問題点が明らかとなっている。第一に、溶接連結でも表面の前処理が必要であり、そして、第二に、比較的効率が低いため、そのような溶接連結を形成するためのエネルギー消費が比較的高いことである。また、このように形成された溶接連結は、信頼性が低いので、影響を受け易い領域に使用することができないことである。

一方、２種類以上の従来の接合技術を合わせることで連結特性を向上させようとする「ハイブリッド接合技術」が開発されている。この目的を達成するため、独国特許出願公開１０１４９６３３（ＤＥ，Ａ１）には、金属カラー接合が開示されている。この技術においては、まず、金属部品に孔を開けて孔部を形成し、次に、円形の金属製の「カラー」でその孔部を取り囲む。そして、このカラーは、プラスチック部品の中に圧入され、金属部品と連結する。その結果、ポジティブロック連結される。しかしながら、この圧入の際、髪の毛のように細いヒビがプラスチック部品に発生することがあり、このヒビのために、負荷がかかると連結不良を引き起こしかねない。

他のハイブリッド方式においては、金属とプラスチックは、プラスチックを金属部品に予め形成されたキャビティに注入するようにして、一方のプラスチックと他方の金属の間に、ポジティブロックが形成されて互いに連結される。しかしながら、金属部品の複雑な予備処理のために、このような方式は大変時間がかかり、長いサイクル時間が要求される。

独国特許出願公開１０１４９６３３（ＤＥ，Ａ１）

そのため、先行技術に基づいて、本発明の目的は、簡単に実行できる、一方の金属ワークピースと他方のプラスチックワークピースとの間の連結を信頼できるものにする方法を提供することである。

この目的は、以下のステップを含む、金属製のボルトをプラスチックワークピースに連結する方法によって達成されるものである。
つまり、
− 第１のプラスチックワークピース及び金属製のボルトを提供するステップ、及び、
− 第１のプラスチックワークピースの表面にボルトを圧入させるステップであり、圧入時にボルトが回転し、第１のプラスチックワークピースが可塑化するようにボルトの回転数を選択し、その結果、ボルトは、回転が停止した後にポジティブロックして、第１のプラスチックワークピースに固定される。

本発明の方法によって、一方のプラスチックワークピース及び他方の金属ワークピースを、金属製のボルトを介して互いに連結することができる。この場合、圧入時のボルトの回転によって、まず始めにプラスチックワークピースのボルトを囲む領域が薄く可塑化されることによって、ボルトをプラスチックワークピースに圧入できるという事実を利用している。回転が停止すると、プラスチックワークピースの材料が硬化し、ポジティブロックがボルトとワークピースとの間、特にボルトの軸方向に起こる。このボルトとプラスチックワークピースとの間の連結は、プラスチックワークピースを予め処理することなしに形成すことができる。更には、本発明の方法を実施するための複雑な設定を装置に実施する必要はない。連結の信頼性を確かなものとするために、制御しやすいパラメータ、つまり、ボルトにかかる圧力及びその回転速度を維持するだけでよい。

例えば、スチールの場合のように、ボルト材料の融解温度が高ければ、本発明による方法の好ましい実施形態におけるボルトは、円周面に型出し部を有してもよく、その型出し部とは、らせん状に取り囲むリブとして設計されたものでも、或いは、複数のリングからなるように設計されたものでもよい。この型出し部によってボルトの回転が停止した後、そしてそれに続くプラスチックワークピースの可塑化した材料が硬化した後に、必須であるポジティブロックが軸方向に形成される。

ボルトの型出し部に加えて、或いは、ボルトの型出し部の代わりに、ボルトを可塑化し、変形することもできる。特に、ボルトの先端部をアーチ状に変形することが可能であり、その結果、ボルトの先端部の直径が、ボルトが第１のプラスチックワークピースへ圧入される部分の直径より大きくなる。このような方法の好ましい実施形態は、例えば、アルミニウムの場合のように、ボルトの材料が低い融点を有する場合に利点がある。この変形は、侵入深さが大きくなるにつれて、摩擦や圧力によりボルトに発生した熱が高くなり、その結果、可塑化が起こることを利用して行われる。回転が停止した後にボルトを丸く曲げることで、必須であるボルトとプラスチックワークピースとの間のポジティブロックに、高い負荷に耐えられる連結が提供され、その連結は、特に、ボルトの軸方向において確保されるものである。

別の好ましい実施形態において、２つのプラスチックワークピースが１つの金属ワークピースにボルトを使って連結される場合には、ボルトが圧入される前に第１のプラスチックワークピース上に第２のプラスチックワークピースを配置し、ボルトを回転させながら、第１及び第２のプラスチックワークピースへと圧入させることができる。

更に別の好ましい実施形態においては、第１のプラスチックワークピースの上にボルトが押圧される表面とは、反対側の面に向けて、第１の金属ワークピースを配置する。そして、ボルトの可塑化した先端部が第１の金属ワークピースに接触する深さまで、ボルトを第１のプラスチックワークピースに圧入させる。このようにして、ボルトと第１のプラスチックワークピースとの間に更に好ましい溶接連結を形成することが出来る。これにより、第１のプラスチックワークピースを支持する第１の金属ワークピースが、連結によって影響を受けない表面を有することが確実になる。

本発明の方法の更に別の好ましい実施形態によると、ボルト用の貫通孔を有する第２の金属ワークピースを第１のプラスチックワークピースに配置して、プラスチック及び金属の合わせエレメントを、形成することができる。そして、ボルトは、この孔を貫通し、回転しながら第１のプラスチックワークピースに圧入される。この場合、更に好ましい方法においては、ボルトが十分深くプラスチックワークピースに圧入されるのであれば、第１プラスチックワークピースの第２の金属ワークピースから離れた面に、更に別の金属ワークピースを置き、この別の金属ワークピースとボルトとの間に溶接連結を形成してもよい。

第２の金属ワークピースを第１のプラスチックワークピースに固定するために、ボルトは、直径が大きくなったヘッドを有することが好ましい。また、ボルトの回転により、一方のボルトヘッドと他方の第２の金属ワークピースとの間に摩擦溶接連結を形成することができる。

本発明による方法により、必要であった表面の前処理を行うことなく、金属ワークピース６，８をプラスチックワークピース２に連結することができる。更に、複雑かつ高価な機器が必要なく、連結を形成するためのサイクル時間も、比較的短くて済む。

以下、好ましい実施形態の実施例を示す図を参照して本発明を説明する。図１は、本発明による方法の第１の実施形態のステップを示す図である。図２は、本発明による方法の第１の実施形態によって連結を形成する試験片の断面を示す図である。図３は、プラスチックワークピースを第１の金属ワークピースに連結するための本発明による方法の第２の実施形態のステップを示す図である。図４は、金属ワークピースをプラスチックワークピースに連結するための本発明による方法の第３の実施形態を示す図である。図５は、２つの金属ワークピースをプラスチックワークピースに連結するための本発明による方法の第４の実施形態を示す図である。図６は、プラスチックワークピースに連結するための金属ボルトの２つの実施の形態の実施例を示す図である。

金属製のボルト１をポジティブロックでプラスチックワークピース２に連結するステップを図１に示す。そして、金属ワークピース（図１には図示せず）は、金属ボルト１を用いて第１のプラスチックワークピース２に連結させることができる。

ボルト１を第１のプラスチックワークピース２に連結するために、本発明による本実施形態において、ボルト１は、図中の矢印３で示すように回転しながら設定される（ステップＡ）。更に、ボルト１は、第１のプラスチックワークピース２の矢印４の方向に埋め込まれ、後者に圧入される（ステップＢ）。ボルト１が回転する結果、ボルト１の周りのプラスチックワークピース２の薄い領域が可塑化する。ボルト１を第１のプラスチックワークピース２に対して更に圧入させると（ステップＣ）、摩擦によって供給される熱エネルギーが、ボルト１を通して流出する熱より大きいため、摩擦と圧力によってボルト１の温度が高くなり、ボルト１、特に、その先端部５が可塑化する。可塑化の結果として、本発明による方法の本実施形態におけるボルト１の先端部５は、先端部５の直径Ｄがプラスチックワークピース２に圧入されるボルト１の残りの部分の直径より大きいことによりアーチ状になる。

ボルト１の回転が停止すると、ボルト１の周りの第１のプラスチックワークピース２の可塑化材料が硬化し、丸く曲げられた先端部５が、その状態のままとなるため、プラスチックワークピース２とボルト１との間にポジティブロック連結が形成される（ステップＣ及びステップＤを参照）。このようにして、ボルト１は、第１のプラスチックワークピース２に堅固に固定される。

本発明による方法の本実施例において、第１のプラスチックワークピース２がボルト１に連結可能なだけではなく、ボルト１に面する第１のプラスチックワークピース２の表面に、第２のプラスチックワークピース（図示せず）を配置することも可能である。そして、ボルト１を回転させながらこれらのワークピースに圧入させることができるので、ボルト１が、両方のプラスチックワークピースに連結される。

本発明による方法の第１の実施形態において、ボルト１とプラスチックワークピース２との間のポジティブロックは、ボルト１の先端部５が変形することにより実現される。しかしながら、ボルト１は、十分に高温な融解温度を有することができるので変形せず、プラスチックワークピース２が硬化した後のポジティブロックが、ボルト１の円周面の型出し部のみによって実現することができる。

本発明による方法を実施するための機器を提供することは全く簡単なことである。本発明による方法を実施するために、従来の摩擦融解、或いは、産業用ボール盤を使用しても良く、ワークピースの実装は、摩擦融解、或いは、フライスに対応させることができる。また、プラスチックの応力の集中が低くてもよいので、ボルト１とプラスチックワークピース２との間の連結は、高い機械的強度を有する。ボルト１の先端部５の大きくされた直径Ｄ、及び、それに伴うポジティブロックのために、後者が、特にボルト１の軸方向において高い負荷に耐えられる能力を有する。

本発明による方法の第１の実施形態によって連結が形成される試験片の断面を図２に示す。この場合、図１に関して既に説明したように、アルミニウムからなるボルト１（ＡＡ２０２４−Ｔ３５１）は、回転しながらポリエーテルイミド（ＰＥＩ）からなるプラスチックワークピース２に圧入される。この場合のボルト１の回転速度は、毎分１５０００回転乃至２３０００回転であり、ボルト１がプラスチックワークピース２に対して圧入される圧力は、２乃至１０バールであるため、連結のための接合時間は、０．３乃至３秒である。可塑化の結果として、ボルト１の先端部５が変形することが、断面図からはっきり見て取れる。ボルト１の軸方向における連結の引張強度を測定する試験では、９．５４ｋＮの張力でボルト１が裂けたので、連結自体は、非常に高い負荷に耐えられる。

本発明による方法の第２の実施形態を図３に示す。図３において、第１のプラスチックワークピース２が、ボルト１によって第１の金属ワークピース６に連結され、この第１の金属ワークピース６は、ボルト１が圧入される表面に対向する第１のプラスチックワークピース２の表面を支えている（ステップＡ）。

図１に関して既に説明したように、ボルト１は、回転しながら第１のプラスチックワークピース２に圧入される。正確には、ボルト１の先端部５が、第１の金属ワークピース６の表面に接触するような深さまで圧入される。ボルト１の先端部５と第１の金属ワークピース６との間の摩擦の結果として、先端部５は、可塑化し、アーチ状になる。同時に、第１のプラスチックワークピース２の近くにある第１の金属ワークピース６の領域も可塑化するので、ボルト１の回転が停止した後に、ワークピース２とワークピース６との間に摩擦融解連結７が形成される（ステップＣ参照）。

図４は、第１のプラスチックワークピース２を金属ワークピース８に連結するための、本発明による方法の更に別の実施形態を示す図である。この目的を達成するために、ボルト１’用の貫通孔９を有する第２の金属ワークピース８が、第１のプラスチックワークピース２の表面に配置されている。貫通孔９の直径は、この場合、ボルト１’の外径よりも大きい。また、ボルト１’は、ボルト１’の残りの部分に比べて大きな直径を有するヘッド１０を備える。特に、ヘッド１０の直径は、貫通孔９の直径よりも大きい。

第１の実施形態に関して既に説明したように、ボルト１’を貫通孔９に挿入し、回転させながら第１のプラスチックワークピース２に圧入させる。ボルト１’とプラスチックワークピース２との間の摩擦により、先端部５の変形が起こるので、第１のプラスチックワークピース２とボルト１’との間にポジティブロックが形成される。また、ボルト１’のヘッド１０と第２の金属ワークピース８の表面との間の摩擦によって、これらのエレメント間に摩擦融解連結１１が形成される。これにより、第１のプラスチックワークピース２と第２の金属ワークピース８との間に特に強固な連結が形成される。

最後に、図５は、第１のプラスチックワークピース２が、第１の金属ワークピース６及び第２の金属ワークピース８に連結される、図３及び図４に示した本発明による方法の実施形態を合わせたものを示す図である。この場合、まず、ポジティブロックが、ボルト１’の先端部５の変形によって、ボルト１’と第１のプラスチックワークピース２との間に形成される。次に、融解連結７，１１が、ボルト１’の先端部５と第１の金属ワークピース６との間、及び、ヘッド１０と第２の金属ワークピース８との間に形成される（ステップＣ参照）。

もちろん、本発明による方法を、均一な円周面を有するボルトを使って実施してもよい。円筒状のボルト１の型出し部の２つの好ましい実施形態を図６に示す。 第１の実施例において、ボルト１は、らせん状に走る円周リブ１２を有し、これに対して、第２の実施例では、複数のリング１３が設けられている。どちらの場合においても、型出し部によって、一方のボルト１と他方のプラスチックワークピース２との間の摩擦が増加するので、ボルト１の周りのプラスチックワークピース２のかなり広い領域が可塑化する。更に、型出し部によって、プラスチックワークピース２の可塑化した領域が硬化した後、プラスチックワークピース２とボルト１との間にポジティブロックが形成されるようになる。

本発明による方法により、必要であった表面の前処理を行うことなく、金属ワークピース６，８をプラスチックワークピース２に連結することができる。更に、複雑かつ高価な機器が必要なく、連結を形成するためのサイクル時間も、比較的短くて済む。

本発明による方法の第１の実施形態のステップを示す図である。 本発明による方法の第１の実施形態によって連結を形成する試験片の断面を示す図である。 プラスチックワークピースを第１の金属ワークピースに連結するための本発明による方法の第２の実施形態のステップを示す図である。 金属ワークピースをプラスチックワークピースに連結するための本発明による方法の第３の実施形態を示す図である。 ２つの金属ワークピースをプラスチックワークピースに連結するための本発明による方法の第４の実施形態を示す図である。 プラスチックワークピースに連結するための金属ボルトの２つの実施の形態の実施例を示す図である。

符号の説明

１、１’ ボルト
２ 第１のプラスチックワークピース
３ 矢印
４ 矢印
５ 先端部
６ 第１の金属ワークピース
７ 摩擦融解連結
８ 第２の金属ワークピース
９ 貫通孔
１０ ヘッド
１１ 摩擦融解連結
１２ 円周リブ
１３ リング

Claims (11)

1. 金属製のボルト（１、１’）をプラスチックワークピース（２）に連結する方法であって、
   − 前記第１のプラスチックワークピース（２）及び前記金属製のボルト（１、１’）を提供するステップと、
   − 回転停止後の前記金属製のボルト（１、１’）の周りにおける可塑化した前記第１のプラスチックワークピース（２）の材料が硬化して、圧入した前記金属製のボルト（１、１’）が前記第１のプラスチックワークピース（２）に固定されるように、前記ボルト（１、１’）を、前記第１のプラスチックワークピース（２）の表面に、選択された回転速度で圧入させるステップを含む方法。
2. 前記ボルト（１、１’）は、その円周面に型出し部（１２、１３）を有する請求項１に記載の方法。
3. 前記ボルト（１、１’）は、可塑化し変形する請求項１または２に記載の方法。
4. 前記ボルト（１、１’）の先端部（５）が変形する請求項３に記載の方法。
5. 前記ボルト（１、１’）の前記先端部（５）は、前記先端部（５）の直径（Ｄ）が、前記ボルト（１、１’）の前記第１のプラスチックワークピース（２）に圧入される部分の直径よりも大きくなるように、アーチ状となる、請求項４に記載の方法。
6. 第２のプラスチックワークピースが、前記第１のプラスチックワークピース（２）上に配置され、前記ボルト（１、１’）は、回転しながら前記第１及び前記第２のプラスチックワークピース（２）に圧入される、請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
7. 第１の金属ワークピース（６）は、前記第１のプラスチックワークピース（２）における前記ボルト（１、１’）が圧入される表面の反対側の面に設置され、前記ボルト（１、１’）の前記先端部（５）が、前記第１の金属ワークピース（６）に接触するような深さまで、前記ボルト（１、１’）を、前記第１のプラスチックワークピース（２）に回転させながら圧入させる、請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
8. 融解連結（７）が、前記ボルト（１、１’）と前記第１の金属ワークピース（６）との間に形成される請求項７に記載の方法。
9. 前記ボルト（１、１’）が回転しながら圧入される前記第１のプラスチックワークピース（２）の表面を覆って、前記ボルト（１、１’）用の貫通孔（９）を有する第２の金属ワークピース（８）が配置され、前記ボルト（１、１’）が前記貫通孔（９）を貫通し、前記第１のプラスチックワークピース（２）に回転しながら圧入される、請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
10. 前記ボルト（１、１’）は、前記第１のプラスチックワークピース（２）から離れた端部にヘッド（１０）を有し、前記ヘッド（１０）は、前記貫通孔（９）の直径よりも大きな直径を有する、請求項９に記載の方法。
11. 融解連結（１１）が、前記第２の金属ワークピース（８）と前記ヘッド（１０）との間に形成される、請求項１０に記載の方法。