JP5392168B2 - コイニング加工方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉄鋼材料、軽合金材料等の金属板材に、せん断加工を施して打抜き孔、飾り孔等のせん断加工孔を形成したときに発生したバリを圧潰するコイニング加工方法及びその装置に関する。

特に、せん断加工孔の両端及び内周面に圧縮の残留応力を付与して、せん断加工孔部の疲労特性を向上させることができるコイニング加工方法及びその装置に関する。

金属板材、特に、鋼板材は、塑性加工性に優れるため、打抜き加工等のせん断加工で、打抜き孔や飾り孔等のせん断加工孔を形成することができる。

せん断加工孔には、せん断加工を施す側から、ダレ面、せん断面、破断面、及び、バリを有する。

せん断加工孔の一端に発生したバリは、その突起形状故に、バリの発生部分に応力が集中しやすく、疲労破壊の起点となることが多いことから、バリを除去しておくことが望ましい。また、美観の点からも、バリを除去することは一般的に行われている。

せん断加工孔の一端に発生したバリを除去する方法として、コイニング加工がある。非特許文献１には、熱間圧延高強度鋼板の打抜き孔（せん断加工孔）のバリ発生側に、円錐形のパンチでコイニング加工を施してバリを除去する方法が開示されている。

非特許文献１に開示される方法は、せん断加工孔のバリが発生側から、円錐形のパンチの頭部を、せん断加工孔に挿入し、応力集中の原因となる突起形状を有するバリを圧潰するとともに、コイニング加工によって、せん断加工孔のバリ発生部周辺を圧縮変形することで、せん断加工孔のバリ発生部周辺に圧縮の残留応力を付与し、せん断加工孔部の疲労特性向上を図るものである。

しかしながら、非特許文献１の方法では、圧縮の残留応力が付与されるのは、せん断加工孔のバリ発生側端部と、せん断加工孔の内周面のうち、バリ発生部近傍のみに留まることから、せん断加工孔の両端及び内周面全体における疲労特性の改善は充分ではなかった。

特に、せん断加工孔のうち、バリが発生している端部と反対側のダレ面は、せん断加工時に引き伸ばされているため、引張の残留応力が付与されていおり、せん断加工孔全体の疲労特性を著しく低下させる原因となっている。

せん断加工孔のダレ面側から、上記の円錐パンチを挿入して、せん断加工孔のダレ面側端部と、せん断加工孔の内周面のうちのダレ面近傍に圧縮変形させることは可能であるが、コイニング加工を、バリ発生側とダレ面側とで２回行う必要があり、せん断加工孔を設けた部材の製造コストの上昇を招くという問題がある。

そして、せん断加工孔の両端から円錐パンチでコイニング加工を施した場合、せん断加工孔の両端近傍は、充分に圧縮変形され、付与される圧縮の残留応力も充分に大きいものの、せん断加工孔の内周面のうち、せん断加工孔を設けた部材の板厚中心付近は、充分に圧縮変形されず、付与される圧縮の残留応力も小さい。

また、せん断加工孔の内周面全体としてみた場合、付与される圧縮の残留応力が均一でないため、せん断加工孔部全体の疲労特性を改善することが難しい。

十代田哲夫、三浦正明、中谷道治、熱延ハイテンにおける打抜穴疲労特性の改善、神戸製鋼技報、日本、２００４年１２月、Ｖｏｌ．５４、Ｎｏ．３、第２９頁〜第３２頁

本発明は、上記従来技術における問題に鑑み、金属板材をせん断加工して形成したせん断加工孔の一端に発生したバリをコイニング加工で圧潰するにあたり、１回のコイニング加工で、せん断加工孔の両端と、せん断加工孔の内周面全体に充分かつ均一な圧縮の残留応力を付与し、せん断加工孔全体の疲労特性を向上させることができるコイニング加工方法及びその装置を提供することを目的とする。

まず、本発明者らは、金属板材をせん断加工して形成したせん断加工孔を有するコイニング加工対象物を、第一金型と第二金型とコイニングパンチとを有するコイニング加工装置を使用して、せん断加工孔のバリ発生側からコイニング加工した際に、コイニングパンチの先端形状と、コイニングパンチの挿入量によって、せん断加工孔の内周面に付与される残留応力の分布がどのように変化するかを数値解析で調査した。

図９は、コイニング加工装置とコイニング加工対象物の数値解析モデルの要部を模式化した縦断面図である。

第一金型１０に載置された板厚が３ｍｍのコイニング加工対象物１００は、第二金型３０で第一金型１０に押え付けられ、第一金型１０及び第二金型３０が、コイニングパンチ２０の方向（図９において下方向）へ移動することで、せん断加工孔１２０はコイニング加工される。なお、コイニング加工対象物１００は、バリ発生側１１０をコイニングパンチ２０側にして載置される。

実際のコイニング加工において、第一金型１０、コイニングパンチ２０、第二金型３０、コイニング加工対象物１００は、図９の一点鎖線に対して線対称であることから、数値解析の計算時間を短縮するため、図９に示すように右半分のモデルで数値計算した。

図９に示すように、コイニングパンチ２０の先端は、先細り形状とし、角度θが４５°と６０°の場合について数値解析した。

また、コイニングパンチ２０の挿入量を、０〜２ｍｍの範囲で変化させて数値解析した。なお、コイニングパンチ２０の挿入量は、コイニングパンチ２０の先端面２１が、せん断加工孔１２０のバリ発生側１１０端面に達したところを原点とした、図９中のＵ_ｙで示す長さとした。

結果を図１０に示す。図１０は、コイニングパンチ２０の先端形状及びコイニングパンチ２０の挿入量Ｕ_ｙと、せん断加工孔１２０に付与された残留応力との関係を示すグラフである。図１０（ａ）はせん断加工孔１２０のバリ発生側の残留応力を、図１０（ｂ）はせん断加工孔１２０のダレ面側の残留応力を示す。

なお、せん断加工孔１２０のバリ発生側の残留応力とは、せん断加工孔１２０のバリ発生側１１０の端面からせん断加工孔１２０のせん断面１１７と破断面１１８との境界１３０までの範囲で、せん断加工孔１２０の内周面に付与された残留応力の平均値である。

また、せん断加工孔１２０のダレ側の残留応力とは、せん断加工孔１２０のダレ面側１１５の端面から深さが０．５ｍｍまでの範囲で、せん断加工孔１２０の内周面に付与された残留応力の平均値である。

図１０（ａ）及び（ｂ）において、正の残留応力値は引張の圧縮応力を、負の残留応力値は圧縮の残留応力を示す。

図１０（ａ）及び図１０（ｂ）から明らかなように、コイニングパンチ２０の挿入量Ｕ_ｙの増加とともに、せん断加工孔１２０のバリ発生側の残留応力は小さくなる（圧縮の残留応力が大きくなる）が、せん断加工孔１２０のダレ面側の残留応力は、コイニングパンチ２０の挿入量Ｕ_ｙが約０．７ｍｍとなった時点で、減少が飽和する（圧縮の残留応力が付与が飽和する）。

コイニング加工対象物１００は、バリ発生側１１０では、コイニングパンチ２０の挿入が進行するとともに圧縮変形される。

これに対し、ダレ面側１１５では、コイニング加工対象物１００が、コイニングパンチ２０の挿入方向に圧縮変形しながら、せん断加工孔１２０の中心軸方向（図９において上方向）に伸張変形するため、せん断加工孔１２０のダレ面側内周面に圧縮の残留応力を付与することは難しい。

そこで、本発明者らは、コイニングパンチ２０の先端２１から、コイニングパンチ２０よりも細い中芯を突出させ、その中芯の先端が、せん断加工孔１２０のダレ面側１１５に到達するまで、中芯をせん断加工孔１２０に挿入させつつ、この中芯で、せん断加工孔のダレ面及び内周面を塑性変形させるとともに、コイニングパンチ２０でバリを圧潰し、せん断加工孔１２０の両端と、せん断加工孔１２０の内周面全体とを圧縮変形させることにより、せん断加工孔１２０の両端及び内周面全体に圧縮応力を付与し、せん断加工孔１２０全体の疲労特性を向上させることができることを知見した。

本発明は、上記の知見に基づきなされたもので、その要旨は次の通りである。

（１）せん断加工孔の一端周縁部に発生したバリを圧潰するコイニング加工方法であって、
前記せん断加工孔を有するコイニング加工対象物を第一金型に載置し、該第一金型に対向する第二金型で前記コイニング加工対象物を前記第一金型に押え付け、前記第二金型に対向し前記第一金型と一組をなすコイニングパンチの先端から突出させた中芯を、前記せん断加工孔の一端から、前記せん断加工孔に、前記第二金型に到達するまで挿入しつつ、前記第二金型と前記中芯とで、前記せん断加工孔の他端及び内周面を塑性変形させるとともに、前記バリを前記コイニングパンチで圧潰することを特徴とするコイニング加工方法。

（２）前記中芯の先端が、前記せん断加工孔の深さ方向所定位置に達するまで、前記中芯の外周面と前記せん断加工孔の内周面との間に、間隙が存在することを特徴とする上記（１）に記載のコイニング加工方法。

（３）前記せん断加工孔の深さ方向所定位置は、前記せん断加工孔の、せん断面と破断面との境界よりも、前記中芯の挿入方向手前であることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載のコイニング加工方法。

（４）前記中芯が前端部と本体部とを有する前端部付中芯であり、前記前端部の外周が前記本体部の外周よりも小さいことを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載のコイニング加工方法。

（５）前記せん断加工孔が、打抜き加工孔であることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載のコイニング加工方法。

（６）金属板材をせん断加工して形成した、せん断加工孔を有するコイニング加工対象物を載置する第一金型と、
前記第一金型に対向し、前記コイニング加工対象物を前記第一金型に押え付ける第二金型と、
前記第二金型に対向し前記第一金型と一組をなす、前記せん断加工孔の一端に形成されたバリを圧潰するコイニングパンチと、
前記コイニングパンチから突出し、前記せん断加工孔の、せん断面と破断面との境界の内周よりも大きく、前記せん断加工孔の一端の内周よりも小さい外周を有する中芯と
を備え、
前記中芯が、前記せん断加工孔の一端から、前記せん断加工孔に挿入され、前記中芯の先端を、前記第二金型に到達させることを特徴とするコイニング加工装置。

（７）前記中芯の外周が、前記せん断加工孔の、せん断面と破断面との境界の内周よりも、所定値だけ大きいを特徴とする上記（６）に記載のコイニング加工装置。

（８）前記所定値の最大値が、前記せん断加工孔を形成する、せん断加工パンチとせん断加工ダイとの間隙の上限値と、前記金属板材の板厚値との積であることを特徴とする上記（７）に記載のコイニング加工装置。

（９）前記中芯が前端部と本体部とを有する前端部付中芯であり、前記前端部の外周が前記本体部の外周よりも小さいことを特徴とする上記（６）〜（８）のいずれかに記載のコイニング加工装置。

（１０）前記前端部付中芯の本体部の外周が、前記せん断加工孔の一端の内周と同じであることを特徴とする上記（９）に記載のコイニング加工装置。

（１１）前記せん断加工孔が、打抜き加工孔であることを特徴とする上記（６）〜（１０）のいずれかに記載のコイニング加工装置。

本発明によれば、コイニングパンチで、せん断加工孔のバリを圧潰し、せん断加工孔のバリ発生部を圧縮変形させることに加えて、コイニングパンチから突出させた中芯をせん断加工孔に挿入することによって、せん断加工孔の、バリ発生部とは反対側のダレ面と、せん断加工孔の内周面を圧縮変形させることができ、１回のコイニング加工で、せん断加工孔の両端及び内周面全体に圧縮の残留応力を付与することにより、せん断加工孔部全体の疲労特性を向上させることができる。

本発明のコイニング加工方法を実施するためのコイニング加工装置の一例を示す縦断面図である。図１（ａ）はコイニング加工対象物を第一金型に載置した状態、図１（ｂ）はコイニング加工対象物を第二金型で第一金型に押し付けた状態、図１（ｃ）はコイニング加工中の状態を示す。 コイニングパンチ及び中芯の先端部の要部を拡大した拡大縦断面図である。 中芯の先端が、せん断加工孔の深さ方向所定位置を超えたときの状態を示す縦断面模式図である。図３（ａ）は、中芯の先端が、せん断加工孔の深さ方向所定位置を超え、せん断面と破断面との境界の手前にあるとき、図３（ｂ）は、中芯の先端が、第二金型に到達したときを示す。 鋼板を円筒パンチでせん断加工したコイニング対象物を、本発明のコイニング加工方法でコイニング加工するときの、せん断加工孔、コイニングパンチの先端、中芯の先端の要部を示す縦断面図である。 せん断加工孔が円筒パンチで形成され、コイニングパンチ及び中芯が円筒形状であるときの、変形前の材料と変形後の材料が流動する空間との位置関係を、中芯を省略して示した縦断面図である。 コイニングパンチから突出した前端部付中芯を示す斜視図である。 円筒パンチ以外の形状のせん断加工パンチでせん断加工孔を形成しコイニング対象物としたときの、せん断加工孔と前端部付中芯に関し、せん断加工孔のバリ発生側内周と、せん断面と破断面との境界の内周と、前端部付中芯の本体部の外周面と、前端部付中芯の前端部の外縁部とについて、中心軸周りの位置関係を示した説明図である。 円筒パンチでせん断加工孔を形成したコイニング加工対象物を、本発明の方法でコイニング加工したときの、中芯の外周の大きさと、せん断加工孔に付与される残留応力との関係を数値計算によって求めた結果を示すグラフである。図８（ａ）はせん断加工孔のバリ発生側の残留応力を、図８（ｂ）はせん断加工孔のダレ面側の残留応力を示す。 コイニング加工装置とコイニング加工対象物の数値解析モデルの要部を模式化した縦断面図である。 コイニングパンチの先端形状及びコイニングパンチの挿入量と、せん断加工孔に付与された残留応力との関係を数値解析で求めた結果を示すグラフである。図１０（ａ）はせん断加工孔のバリ発生側の残留応力を、図１０（ｂ）はせん断加工孔のダレ面側の残留応力を示す。

本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。図１は、本発明のコイニング加工方法を実施するためのコイニング加工装置の一例を示す縦断面図である。図１（ａ）はコイニング加工対象物を第一金型に載置した状態、図１（ｂ）はコイニング加工対象物を第二金型で第一金型に押し付けた状態、図１（ｃ）はコイニング加工中の状態を示す。図１中、符号１は本発明のコイニング加工装置を示す。

コイニング加工装置１は、第一金型１０とコイニングパンチ２０と第二金型３０とを有する。第一金型１０と第二金型３０とは対向する位置に配設される。コイニングパンチ２０は、第二金型３０に対向し、第一金型１０と一組をなして配設される。コイニングパンチ２０は、コイニングパンチ２０の先端から突出する中芯４０を有する。

第一金型１０とコイニングパンチ２０とは、摺動するように配設されてもよいし、それぞれが一定の間隙を有して配設されてもよいが、一組をなすものとする。

コイニング加工装置１は、図示しないプレス加工装置に取り付けられ、第二金型３０を上下移動させることでコイニング加工を行う。第一金型１０及び中芯４０の、第二金型３０と反対の側には、弾性体６０を備える。

コイニング加工対象物１００は、第一金型１０に載置される。コイニング加工対象物１００は、鋼板をせん断加工して貫通孔を形成したもので、せん断加工孔１２０を有する。

せん断加工孔１２０の内周面１２５は、ダレ面１１６、せん断面１１７、破断面１１８、バリ１１９を有する。コイニング加工対象物１００を第一金型１０に載置する際には、図１（ａ）に示すように、前記せん断加工孔１２０の一端（バリ１１９発生側）をコイニングパンチ２０側（図１（ａ）において下側）にする。

コイニング加工対象物１００は、鋼板をせん断加工したものに限られず、アルミニウム合金等の非鉄金属の板材をせん断加工したものでもよい。

せん断加工方法は、打抜き加工が一般的であるが、これに限られるものではなく、ファインブランキング等であってもよい。

第一金型１０に載置されたコイニング加工対象物１００は、第一金型１０に対向する第二金型３０で第一金型１０に押え付けられる。そして、図１（ｂ）に示すように、コイニングパンチ２０の先端から突出した中芯４０は、前記せん断加工孔１２０の一端（バリ１１９発生側）から、せん断加工孔１２０に、中芯４０の先端４１が第二金型３０に到達するまで挿入される。

第二金型３０は、さらに、コイニングパンチ２０側に移動され、図１（ｃ）に示すように、コイニング加工対象物１００のバリ発生側１１０を、コイニングパンチ２０で圧縮変形させる。このとき、コイニングパンチ２０で、せん断加工孔１２０の一端周縁部に発生したバリ１１９は圧潰される。

図２は、コイニングパンチ２０及び中芯４０の先端部の要部を拡大した拡大縦断面図である。

せん断加工孔１２０の内周面１２５は、せん断面１１７と破断面１１８との境界１３０において、せん断加工孔１２０の内周が最も小さい。また、せん断加工孔１２０の内周面１２５のうち、せん断加工孔１２０の一端である、バリ１１９の発生している部分の内周が最も大きい。

中芯４０の外周の大きさは、せん断面１１７と破断面１１８との境界１３０の内周よりも大きく、せん断加工孔１２０の一端（バリ１１９の発生側の端部）の内周よりも小さい必要がある。

中芯４０の外周の大きさが、せん断加工孔１２０の一端（バリ１１９の発生側の端部）の内周よりも大きいと、第二金型３０をコイニングパンチ２０側に移動させたときに、中芯４０がせん断加工孔１２０に挿入されることなく、せん断加工孔１２０の一端（バリ１１９の発生側の端部）が圧潰（座屈）する。

中芯４０の外周の大きさが、せん断面１１７と破断面１１８との境界１３０の内周よりも小さいと、中芯４０の先端４１が、第二金型３０に到達したとき（図１（ｂ）及び図１（ｃ）参照）に、中芯４０の外周が、せん断加工孔１２０の内周面１２５に接触せず、かつ、せん断加工孔１２０の他端（ダレ面１１６側の端部）にも接触しない。

中芯４０の外周の大きさを、せん断面１１７と破断面１１８との境界１３０の内周よりも大きく、せん断加工孔１２０の一端（バリ１１９の発生側の端部）の内周よりも小さくすることで、中芯４０をせん断加工孔１２０に挿入したとき、中芯４０の先端４１が、せん断加工孔１２０の深さ方向所定位置２００に達するまで、中芯４０の外周面とせん断加工孔１２０の内周面１２５との間には、空隙Ｇが存在する。

中芯４０の先端４１が、せん断加工孔１２０の深さ方向所定位置２００を超えて、中芯４０をせん断加工孔１２０に挿入されたとき、中芯４０の外周面で、せん断加工孔１２０の内周面１２５を塑性変形させる。

せん断加工孔１２０の深さ方向所定位置２００は、中芯４０の外周の大きさと、せん断加工孔１２０の内周が等しくなる位置である。

せん断加工孔１２０の内周の大きさが、せん断加工孔１２０の一端（バリ１１９の発生側の端部）で最も大きく、せん断面１１７と破断面１１８の境界１３０に向かって小さくなっていくことから、せん断加工孔１２０の深さ方向所定位置２００は、せん断面１１７と破断面１１８との境界１３０よりも、中芯３０の挿入方向手前（図１において下側）となる。

図３は、中芯４０の先端４１が、せん断加工孔１２０の深さ方向所定位置２００を超えたときの状態を示す縦断面模式図である。図３（ａ）は、中芯４０の先端４１が、せん断加工孔１２０の深さ方向所定位置２００を超え、せん断面１１７と破断面１１８との境界１３０の手前にあるとき、図３（ｂ）は、中芯４０の先端４１が、第二金型３０に到達したときを示す。

中芯４０の先端４１が、深さ方向所定位置２００を超え、境界１３０の手前にあるとき、図３（ａ）の矢印で示すように、コイニング加工対象物１００を構成する材料は、第二金型３０の方向に塑性流動する。

そして、中芯４０がさらに挿入され、中芯４０の先端４１が第二金型３０に到達したとき、図３（ｂ）に示すように、中芯４０が挿入される前の変形前材料７０は、ダレ面１１６と第二金型３０と中芯４０とで囲まれた空間７１へ塑性流動しながら圧縮変形される。

図３（ａ）及び図３（ｂ）から明らかなように、せん断加工孔１２０の深さ方向所定位置２００よりも第二金型３０側（図３（ａ）及び図３（ｂ）において上側）にあるコイニング対象物１００を構成する材料は、圧縮変形され、せん断加工孔１２０の内周面１２５に圧縮の残留応力が付与される。

せん断加工孔１２０の一端（バリ１１９発生側）は、図１（ｃ）に示すように、コイニングパンチ２０で圧縮変形され、せん断加工孔１２０の他端（ダレ面１１６側）は、第二金型３０で圧縮変形され、せん断加工孔１２０の一端と他端との間の内周面１２５は、中芯３０で圧縮変形されることで、せん断加工孔１２０全体に圧縮の残留応力が付与され、せん断加工孔１２０全体の疲労特性を向上させることができる。

そして、圧縮変形された、せん断加工孔１２０の両端及び内周面は、表面粗さも改善され、美観が向上することはもちろんのこと、せん断加工孔１２０の表面の切り欠きによる疲労特性の劣化も低減される。

せん断加工孔１２０が、鋼板から円筒パンチでせん断加工（打抜き加工）されるときは、せん断加工孔１２０の断面と、そのせん断加工孔１２０をコイニング加工するコイニングパンチ２０及び中芯４０の断面は図４に示すようになる。

図４は、鋼板を円筒パンチでせん断加工したコイニング対象物１００を、本発明のコイニング加工方法でコイニング加工するときの、せん断加工孔１２０、コイニングパンチ２０の先端、中芯４０の先端の要部を示す縦断面図である。

せん断加工孔１２０の一端（バリ１１９発生側）は直径φ_０、せん断面１１７と破断面１１８との境界１３０は直径φ_１である。そして、直径φ_１と直径φ_０の関係は、φ_１＜φ_０であり、直径φ_１は、せん断加工孔１２０の内周面１２５のうちで最小径である。

中芯４０の外周は、境界１３０の内周よりも大きく、せん断加工孔１３０の一端（バリ１１９発生側）の内周よりも小さくする必要があることから、φ_１＜φ_３＜φ_０の関係を満たす必要がある。

φ_３の下限値は、図３（ｂ）において、変形前材料７０の体積と空間７１の体積とがつり合うような値とすることが好ましい。

せん断加工孔１２０のダレ面１１６周辺は、鋼板をせん断加工するときに、引き伸ばされていることから、ダレ面１１６の周辺は、引張の残留応力が存在している状態であることが一般的である。

このような状態で、中芯３０によって変形前材料７０が塑性変形され、空間７１に塑性流動したとき（図３（ｂ）参照）、変形前材料７０の体積と空間７１の体積とがつり合っている場合には、せん断加工孔１２０のダレ面１１６側の残留応力はゼロに近くなる。

図５は、せん断加工孔１２０が円筒パンチで形成され、コイニングパンチ２０及び中芯４０が円筒形状である（図４参照）ときの、変形前材料７０と空間７１（図３（ｂ）参照）との位置関係を、中芯３０を省略して示した縦断面図である。

図５に示すように、ダレ面１１６とせん断面１１７との変化点１４０を原点としてｘ−ｙ座標を定義し、ダレ面１１６を、放物線ｙ＝（ｄ_０／ｄ_１ ^２）ｘ^２で近似する。

このとき、変形前材料７０の体積と空間７１の体積のつり合いは、次の（ａ）式で表され、（ａ）式におけるφ_３が、φ_３の好ましい下限値である。
２／３×（ｄ_１ ^２／ｄ_０）×（φ_３−φ_１）^３／２＋１／２｛ｔ−（ｄ_１−ｄ_２）｝×（φ_３−φ_１）＋２／３×ｄ_０×ｄ_１＝０ ・・・（ａ）

ここで、図５に示すように、ｔはコイニング加工対象物１００の板厚、ｄ_０はダレ面１１６のせん断加工孔１２０の周方向幅、ｄ_１はダレ面１１６のコイニング対象物１００の板厚方向高さ、ｄ_２はせん断面１１７のコイニング対象物１００の板厚方向高さ、φ_０はせん断加工孔１２０の一端（バリ１１９発生側）の直径、φ_１はせん断加工孔１２０の境界１３０の直径、φ_３は中芯４０の直径である。

一方、中芯４０の直径φ_３の上限値は、せん断加工孔１２０を形成する際の、せん断加工パンチとせん断加工ダイとの間隙の上限値と、コイニング対象物１００の板厚値との積に、せん断加工孔１２０のせん断面１１７と破断面１１８の境界１３０の直径φ_１の値を加えたものであることが好ましい。

図５において、中芯４０の直径φ_３の上限値は、φ_１＋Ｃｔである。ここで、Ｃはせん断加工孔１２０を形成する際の、せん断加工パンチとせん断加工ダイとの間隙（クリアランス）の上限値である。なお、コイニング対象物１００の板厚値ｔは、せん断加工孔形成前の鋼板の板厚値ｔと同一であるものとする。

せん断加工パンチとせん断加工ダイとの間隙は、せん断加工孔の直径及び深さ、せん断加工孔を形成する鋼板の材質によって適正範囲が決まっているが、その適正範囲の上限値を間隙Ｃとする。

ここで、中芯４０の直径φ_３の上限値をφ_１＋Ｃｔ、即ち、せん断面１１７と破断面１１８との境界１３０の直径φ_１にＣｔを加えた値としたのは次の理由による。

中芯４０の直径φ_３がφ_１＋Ｃｔを超えると、せん断加工孔１２０に中芯４０が挿入されたときに、せん断加工孔１２０の内周面１２５に中芯４０の先端４１が食い込んでしまう。

先端４１が、せん断加工孔１２０の内周面１２５に食い込んだまま中芯４０の挿入が進行すると、中芯４０の外周でせん断加工孔１２０の内周面１２５を削ぎ落としてしまうため、中芯４０の先端４１が第二金型３０に到達したときに、ダレ面側１１５（図１（ａ）参照）に、削ぎ落とされた内周面１２５がバリとなって残るため、せん断加工孔１２０のダレ面側１１５端部の意匠性が損なわれる。

したがって、中芯４０の外周４９が、せん断加工孔１２０の内周面１２５を削ぎ落とすことなく、しごき加工するためには、中芯４０の直径φ_３をφ_１＋Ｃｔ以下とすることが好ましい。

また、中芯４０が前端部と本体部とを有する前端部付中芯であり、前端部の外周を本体部の外周よりも小さくした場合には、φ_０＝φ_３とすることができる。

図６は、コイニングパンチ２０から突出した前端部付中芯４５を示す斜視図である。前端部付中芯４５は、本体部４６と前端部４７とを有する。

本体部４６の直径をφ_３、前端部４７の直径をφ_２（φ_２＜φ_３）としたとき、φ_０＝φ_３とすることができる。前端部４７の外縁部４８にＲを付与するとさらに好ましい。

中芯４０を、このような前端部付中芯４５とすることで、前端部付中芯４５の先端４１がせん断加工孔１２０に挿入されるとき、せん断加工孔１２０の中心軸と前端部付中芯４５の中心軸が僅かにずれている場合でも、前端部付中芯４５の外縁部４８がせん断加工孔１２０のバリ１１９発生側の内周に接触せず、円滑に前端部付中芯４５をせん断加工孔に挿入することができる。

それ故、本体部４６の直径φ_３を、前端部付中芯４５が挿入される入口となる、せん断加工孔１２０の一端（バリ１１９発生側）の直径φ_０（図４参照）と同一にすることができる。つまり、せん断加工孔１２０の内周面１２５に塑性変形を加える、本体部４６の直径φ_３が上限値となるため、せん断加工孔１２０の内周面１２５全体に、充分な圧縮の残留応力を付与することができる。

これまで、中芯４０の外周の大きさ及びせん断加工孔１２０の大きさについて、説明を簡略化するために、せん断加工孔１２０を円筒パンチでせん断加工する例で示した実施形態については、これに限られるものではなく、本発明の効果は同様である。

その理由は、φ_０及びφ_１はせん断加工孔１２０の重心の位置からの距離として定義し、せん断加工孔１２０の形状に対する中芯４０のφ_２及びφ_３は、せん断加工孔の重心の位置からの距離として定義したからである。

つまり、せん断加工孔１２０の内周面１２５における任意の位置を表す寸法φ_０及びφ_１と、中芯４０の外周における任意の位置を表す寸法φ_２及びφ_３は、せん断加工孔１２０及び中芯４０の深さ方向位置（図４及び図６において上下方向位置）によって変化するが、φ_０、φ_１、φ_２及びφ_３の開始線（基準線）は同一であることから、φ_０、φ_１、φ_２及びφ_３それぞれの値によって表されたせん断加工孔１２０及び中芯４０における任意の位置は、相対的位置関係として一義的に決まるからである。

せん断加工孔１２０を円筒パンチ以外でせん断加工する例としては、楕円や、頂点にＲを設けた多角形等があり、例えば、図７に示すような形状とすることもできる。

図７は、円筒パンチ以外の形状のせん断加工パンチでせん断加工孔を形成しコイニング対象物１００としたときの、せん断加工孔１２０と前端部付中芯４５に関し、せん断加工孔１２０のバリ発生側内周１２０と、せん断面１１７と破断面１１８との境界１３０の内周と、前端部付中芯４５の本体部４６の外周４９と、前端部付中芯４５の前端部４７の外縁部４８とについて、中心軸周りの位置関係を示した説明図である。

図７に示したように、本体部４６（図６参照）の外周４９が、せん断面１１７と破断面１１８（図４参照）との境界１３０よりも大きく、せん断加工孔１２０の一端（バリ１１９発生側）の内周１２０（図４参照）よりも小さいことが必要である。

前端部付中芯４５は、前端部４７の外縁部４８（図６参照）が本体部４６の外周４９（図６参照）よりも小さいため、本体部４６の外周４９と、せん断加工孔１２０の一端（バリ１１９発生側）内周１２０とを同じにしてもよい。

また、本体部４６の外周の大きさの下限値は、図７におけるＡ−Ａ線に沿う断面が、図３（ｂ）となるときに、変形前材料７０の体積と、空間７１の体積とがつり合うような本体部４６の外周の大きさとすることが好ましい。

一方、本体部４６の外周の大きさの上限は、せん断加工孔１２０のせん断面１１７と破断面１１８との境界１３０の内周の大きさよりも、Ｃｔ×２に相当する分だけ大きくすることが好ましい。即ち、図７において、本体部４６の外周４９と境界１３０との距離Ｌの上限値は、Ｃｔとすることが好ましい。

ここで、Ｃはせん断加工孔１２０を形成する際の、せん断加工パンチとせん断加工ダイとの間隙の上限値である。なお、コイニング対象物１００の板厚値ｔは、せん断加工孔形成前の鋼板の板厚値ｔと同一であるものとする。

次に、本発明を実施例でさらに説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性および効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

円筒パンチを用いて、せん断加工孔１２０を形成したコイニング加工対象物１００について、図４に示した第一金型１０、コイニングパンチ２０、第二金型３０、及び、中芯４０を用いて、せん断加工孔１２０をコイニング加工し、中芯４０の外周の大きさと、せん断加工孔１２０に付与される残留応力との関係を求めた。

まず、数値解析で、事前検討を行った。せん断加工孔１２０のせん断面１１７と破断面１１８との境界１３０の直径φ_１を１０．００ｍｍとした。また、せん断加工対象物１００の板厚は、せん断加工前の鋼板と同一の３．００ｍｍとした。そして、中芯３０の直径φ_３を１０．００〜１０．２５ｍｍの範囲で変化させ、（φ_１−φ_３）を０〜−０．２５ｍｍの範囲で変化させて数値解析した。

結果を図８に示す。図８（ａ）はせん断加工孔１２０のバリ１１９発生側の残留応力を、図８（ｂ）はせん断加工孔１２０のダレ面１１６側の残留応力を示す。

なお、せん断加工孔１２０のバリ１１９発生側の残留応力とは、せん断加工孔１２０のバリ１１９発生側の端面からせん断面１１７と破断面１１８の境界１３０までの範囲で、せん断加工孔１２０の内周面１２５に付与された残留応力値の平均値である。

また、せん断加工孔１２０のダレ面１１６側の残留応力とは、せん断加工孔１２０のダレ面１１６側の端面から深さ０．５ｍｍまでの範囲で、せん断加工孔１２０の内周面１２５に付与された残留応力の平均値である。

そして、図８（ａ）及び図８（ｂ）において、正の残留応力は引張の残留応力を、負の残留応力は圧縮の残留応力を示す。

図８（ａ）及び図８（ｂ）から明らかなように、中芯４０の直径φ_３が大きくなるとともに、バリ１１９発生側、ダレ面１１６側ともに、残留応力の値が小さくなる、即ち、圧縮の残留応力が多く付与されていることが確認できた。

また、図８（ａ）において、（φ_１−φ_３）が−０．１５ｍｍ以下であっても、残留応力値は、−１０００ＭＰａでほぼ一定である。これは、（φ_１−φ_３）を−０．１５ｍｍ以下にしても、圧縮の残留応力を付与する効果が飽和してしまうことを意味している。

したがって、（φ_１−φ_３）の下限値は、−０．１５ｍｍが好ましい。即ち、φ_３の上限値は、φ_１＋０．１５ｍｍであることが好ましい。

そして、図８（ｂ）において、（φ_１−φ_３）が−０．０５ｍｍ以上であると、残留応力値が正、即ち、圧縮の残留応力とならない。

したがって、（φ_１−φ_３）の上限値は、−０．０５ｍｍが好ましい。即ち、φ_３の下限値は、φ_１＋０．０５ｍｍであることが好ましい。

以上の実施例により、本願発明のコイニング加工方法で、せん断加工孔部に圧縮の残留応力を充分に付与できることが確認できた。

なお、上述したところは、本発明の実施形態を例示したものにすぎず、本発明は、特許請求の範囲の記載範囲内において種々変更を加えることができる。

前述したように、本発明によれば、コイニングパンチで、せん断加工孔のバリを圧潰し、せん断加工孔のバリ発生部を圧縮変形させることに加えて、コイニングパンチから突出させた中芯をせん断加工孔に挿入することによって、せん断加工孔の、バリ発生部とは反対側のダレ面と、せん断加工孔の内周面を圧縮変形させることができ、１回のコイニング加工で、せん断加工孔全体に圧縮の残留応力を付与することにより、せん断加工孔全体の疲労特性を向上させることが可能となる。本発明は、工業上、利用価値の高いものである。

１ コイニング加工装置
１０ 第一金型
２０ コイニングパンチ
３０ 第二金型
４０ 中芯
４１ 先端
４５ 前端部付中芯
４７ 前端部
４８ 外縁部
４９ 外周
６０ 弾性体
７０ 変形前材料
７１ 空間
１００ コイニング対象物
１１０ バリ発生側
１１５ ダレ面側
１１６ ダレ面
１１７ せん断面
１１８ 破断面
１１９ バリ
１２０ せん断加工孔
１２５ 内周面
１３０ 境界
１４０ 変化点
２００ 深さ方向所定位置
Ｇ 空隙

Claims (11)

1. せん断加工孔の一端周縁部に発生したバリを圧潰するコイニング加工方法であって、
   前記せん断加工孔を有するコイニング加工対象物を第一金型に載置し、該第一金型に対向する第二金型で前記コイニング加工対象物を前記第一金型に押え付け、前記第二金型に対向し前記第一金型と一組をなすコイニングパンチの先端から突出させた中芯を、前記せん断加工孔の一端から、前記せん断加工孔に、前記第二金型に到達するまで挿入しつつ、前記第二金型と前記中芯とで、前記せん断加工孔の他端及び内周面を塑性変形させるとともに、前記バリを前記コイニングパンチで圧潰することを特徴とするコイニング加工方法。
2. 前記中芯の先端が、前記せん断加工孔の深さ方向所定位置に達するまで、前記中芯の外周面と前記せん断加工孔の内周面との間に、間隙が存在することを特徴とする請求項１に記載のコイニング加工方法。
3. 前記せん断加工孔の深さ方向所定位置は、前記せん断加工孔の、せん断面と破断面との境界よりも、前記中芯の挿入方向手前であることを特徴とする請求項１又は２に記載のコイニング加工方法。
4. 前記中芯が前端部と本体部とを有する前端部付中芯であり、前記前端部の外周が前記本体部の外周よりも小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のコイニング加工方法。
5. 前記せん断加工孔が、打抜き加工孔であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のコイニング加工方法。
6. 金属板材をせん断加工して形成した、せん断加工孔を有するコイニング加工対象物を載置する第一金型と、
   前記第一金型に対向し、前記コイニング加工対象物を前記第一金型に押え付ける第二金型と、
   前記第二金型に対向し前記第一金型と一組をなす、前記せん断加工孔の一端に形成されたバリを圧潰するコイニングパンチと、
   前記コイニングパンチから突出し、前記せん断加工孔の、せん断面と破断面との境界の内周よりも大きく、前記せん断加工孔の一端の内周よりも小さい外周を有する中芯と
   を備え、
   前記中芯が、前記せん断加工孔の一端から、前記せん断加工孔に挿入され、前記中芯の先端を、前記第二金型に到達させることを特徴とするコイニング加工装置。
7. 前記中芯の外周が、前記せん断加工孔の、せん断面と破断面との境界の内周よりも、所定値だけ大きいを特徴とする請求項６に記載のコイニング加工装置。
8. 前記所定値の最大値が、前記せん断加工孔を形成する、せん断加工パンチとせん断加工ダイとの間隙の上限値と、前記金属板材の板厚値との積であることを特徴とする請求項７に記載のコイニング加工装置。
9. 前記中芯が前端部と本体部とを有する前端部付中芯であり、前記前端部の外周が前記本体部の外周よりも小さいことを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載のコイニング加工装置。
10. 前記前端部付中芯の本体部の外周が、前記せん断加工孔の一端の内周と同じであることを特徴とする請求項９に記載のコイニング加工装置。
11. 前記せん断加工孔が、打抜き加工孔であることを特徴とする請求項６〜１０のいずれか１項に記載のコイニング加工装置。

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