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May 03, 2023

インジェクションラップリベッティング

Confronto tra rivettatura autoperforante e rivettatura a iniezione rivettatura rivettatura autoperforante (a destra)

セルフピアスリベッティング vs. インジェクションラップリベッティング

セルフピアス リベッティング (右) は、2 枚以上の材料シートを固定するための冷間接合プロセスです。 組み立て中、リベットは制御された力で材料スタックに打ち込まれ、最上層を貫通します。 リベットはダイの影響を受けて最下層またはシート内に放射状に拡張し、強力な機械的連結を形成します。 リベットは最後の素材を突き破りません。

射出ラップリベット締め (左) も同様ですが、その接合原理は可塑性と摩擦に基づいており、表面の破壊や形成はありません。 このプロセスには 2 つの連続した操作が含まれます。 まず、下側シートにダブテールリング穴を加工します。 次に、半管状リベットを上部シートを通して下部シートの穴に押し込みます。

イラスト提供：リスボン大学

研究者らは、アルミニウムシートのアリ穴が、リベットのシャンクの長さが流れ込むダイキャビティとして機能することを発見しました。 リベットは傾斜角 15 度および 30 度の穴を完全に充填しましたが、傾斜角 45 度の穴には充填されていない材料ポケットが見えました。 アンダーカットは傾斜角 45 度の方が大きくなりますが、ポケットが埋められていないため、30 度などの小さな傾斜角を選択することが正当化されます。 角度が小さいほど、リベットを取り付けるのに必要な力が少なくて済むため、有利です。

イラスト提供：リスボン大学

電気テストの結果、リベット留めされたジョイントは、ナットとボルトで固定された同等のジョイントよりも電気抵抗が小さいことがわかりました。

イラスト提供：リスボン大学

インジェクションラップリベット留めプロセスのために、研究者たちは新しい切削工具を発明しました。 これはスプリングによって制御される 2 つの傾斜したカッターで構成されており、上部テーブルが下降するにつれて徐々に開いてダブテール穴が深くなります。 ボール盤やフライス盤に簡単に取り付けることができます。

イラスト提供：リスボン大学

バスバーは電気自動車の重要な部品です。 この金属のストリップまたはバーは、高エネルギーのバッテリー パックから電気モーターやその他のデバイスに電力を効率的に分配します。 通常、バス バーは絶縁されていないため、絶縁された支柱によって空中で支持されるのに十分な剛性が必要です。 これにより、導体の冷却に役立ち、エンジニアは新しい接合部を作成せずにさまざまなポイントを利用できるようになります。

バスバーは通常、銅板をスタンピングして製造されます。 ただし、アルミニウムは銅よりも軽くて安価であるため、エンジニアはその金属をバスバーに使用したいと考えています。 このアイデアの唯一の問題は、アルミニウムは電気抵抗率が大きいため、銅よりも電流容量が小さく、インピーダンスが高いことです。

両方の長所を活かすために、エンジニアは両方の金属を使用するバス バー アセンブリを開発しています。 これらのハイブリッド バス バーは、銅の優れた導電性とアルミニウムの低密度および低コストを組み合わせています。

もちろん、ハイブリッド バス バーを作成するには、電気的な中断を引き起こすことなく 2 つの材料を簡単かつ効果的に接続する方法という課題が生じます。 既存のオプションは、ほぼねじ込みファスナーと溶接技術のみで構成されています。

ねじ込み式ファスナーは、信頼性が高く、組み立てと分解が容易なため、最も普及している技術です。 ただし、留め具によって不均一な接触圧力が生じ、電流の流れが歪む可能性があります。 機械的負荷と熱負荷によりねじ山が緩み、電気的中断を引き起こす可能性があります。 また、分電盤やバスウェイの囲いでは、ネジ留め具を設置できるスペースが限られています。

銅とアルミニウムの溶接の主な技術はレーザー溶接と摩擦撹拌スポット溶接です。 しかし、溶接の有効性は、2 つの材料の異なる化学的、機械的、熱的特性と、硬くて脆い金属間化合物の生成によって制限されます。

クリンチおよびセルフピアス リベット締めは、材料にドリルやパンチ穴をあけることなく、周囲温度で 1 回の操作で接合部を製造できるため、ハイブリッド バス バーの組み立てにも検討されています。 ただし、これらのプロセスでは、シート表面の上下の材料の突起により、電流に歪みが生じる可能性があります。 また、ねじ付きファスナーと同様に、セルフピアスリベットも 3 番目の素材を追加します。

2019年、ポルトガルのリスボン大学の研究者チームは、突起や追加の材料を使わずにハイブリッドバスバーを組み立てる新しい方法を開発しました。 彼らの方法は、放電加工、曲げ、シートバルク圧縮を組み合わせて、重なったシートの厚さ内に密閉された形状に適合した接合部を実現します。 このプロセスは効果的ですが、多段階の一連の成形操作が必要です。

「このプロセスは、進歩的なプレスツールシステムに簡単に組み込むことができます」と、新しいプロセスの開発に貢献したリスボン大学の機械工学教授パウロ・マルティンス博士は言う。

今回、マーティンズ氏と彼の研究チームは、銅をアルミニウムに接合するための別の新しい方法、つまり射出ラップリベットを導入しました。 この新しい技術は、ハイブリッド バス バーの組み立てや、2 枚の金属シートを重ね合わせるその他の用途に使用できます。

このプロセスは周囲温度で 2 段階で実行されます。 まず、下側シートにダブテールリング穴を加工します。 次に、半管状リベットを上部シートを通して下部シートのアリ穴に注入し、かみ合わせ接続を実現します。 作動原理は可塑性と摩擦のみに基づいており、セルフピアス リベット締めは可塑性、摩擦、破壊に依存してリベットがシートを貫通する際にアンダーカットを作成できるのとは対照的です。

マーティンズ氏によると、セルフピアスリベッティングと比較して、インジェクションラップリベッティングには多くの利点があります。 これらには次のものが含まれます。

インジェクションラップリベット留めの主な欠点は、ダブテール穴をドリルで開ける必要があるため、2 段階の作業になることだと Martins 氏は認めます。 そのため、セルフピアスリベット締めよりもプロセスが遅くなります。

主なプロセスパラメータはダブテール穴の傾斜角度です。 穴の深さ。 ダブテール凹部の厚さ。 穴の内径と外径。 そしてリベットのシャンクの長さ。

現時点ではこのプロセスは実験室に限定されているが、マーティンズ氏はすぐに組み立てラインに導入できるだろうと楽観視している。 「ダブテール穴を加工するために私たちが作成した切削工具のコンセプトを既存の板金加工装置にうまく統合できれば、このプロセスが商用技術になる可能性は十分にあります。」と Martins 氏は言います。 「私たちはこれに取り組んでいます。」

Martins 氏は、この技術はバス バー アセンブリ以外にも適用できると付け加えています。 「射出ラップリベット留めは、類似または異種の材料で作られた重ね合わせた金属シートの組み立てに適用できます」と彼は言います。

新しいプロセスをテストするために、研究者らは専用の切削工具を使用して、厚さ 5 ミリメートルのアルミニウム シート (AA 6082) に一連のアリ穴を加工しました。 穴の深さは３、４ミリメートル、傾斜角度は１５度、３０度、４５度に設定した。 穴の内径と外径は一定に保たれ、ダブテール凹部の厚さも一定に保たれました。

切削工具は、バネによって制御される 2 つの傾斜したカッターで構成されており、上部テーブルが下降するにつれて、徐々に開いてダブテール穴が深くなります。 ボール盤やフライス盤に簡単に取り付けることができます。 ツールの設計は柔軟で、研磨用の傾斜カッターを簡単かつ迅速に交換できます。

半管状リベットは、直径 10 ミリメートルの電解銅棒から機械加工されました。 リベットのシャンクの長さは、穴が完全に埋まるように計算されています。

次に、研究者らはプレス機を使ってリベットを穴に取り付けました。 組み立て後、一部のテストジョイントは断面分析のために長さ方向に半分に分割されました。 一部の接合部では引抜き試験とせん断試験が行われ、他の接合部では電流の流れが試験されました。

研究者らは、アルミニウムシートのアリ穴が、リベットのシャンクの長さが流れ込むダイキャビティとして機能することを発見しました。 リベットは傾斜角 15 度および 30 度の穴を完全に充填しましたが、傾斜角 45 度の穴には充填されていない材料ポケットが見えました。 これらのポケットは穴の変形によって生じますが、ジョイントが純粋に機械的な接続を目的としている場合には重要ではありません。 ただし、このようなポケットは、電流の流れに対する追加の抵抗を生み出すため、ハイブリッドバスバーなどの電気接続にとって有害で​​す。

傾斜角が 45 度の場合、アンダーカットは大きくなりますが、材料ポケットが充填されていないため、30 度などのより小さな傾斜角を選択することが正当化される、と Martins 氏は言います。 傾斜角度が小さいと、リベットを取り付けるのに必要な力が少なくて済むため、有利にもなります。

せん断試験と引き抜き試験により、深さ 4 ミリメートルの穴の方が深さ 3 ミリメートルの穴よりも優れていることが判明しました。 両方のテストで測定された最大の力は、シートからのリベットのせん断または剥離による崩壊に相当します。

電気テストの結果、リベット留めされたジョイントは、ナットとボルトで固定された同等のジョイントよりも電気抵抗が小さいことがわかりました。