(57)【要約】【課題】ショットピーニングにより金属板切断面の疲労強度を向上させる際に、切断面に発生するバリの形状を制御することにより、疲労強度をより向上させる方法およびこの方法を用いた高張力鋼板成形品を提供することである【解決手段】打抜き加工などによる切断面を有する金属板成形品の製造過程で、前記切断面にショットピーニング処理を施し、投射角度を切断面に垂直方向から２０°〜４５°の角度範囲とし、投射速度等の他の処理条件を制御することにより、切断面に発生するバリを、その金属板表面からの板厚方向の高さΔｔと、金属板の長手方向の幅Δｗとの比Δｔ／Δｗが０．２５以下に収まるようにしたのである。それにより、金属板切断面の疲労強度は向上し、母材の疲労強度よりも１０％以上高くなるため、自動車などに使用される機械構造部品の切断面からの疲労亀裂の発生を抑制でき、部品寿命や安全性などの向上に寄与できる。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
切断面を有する金属板成形品の製造過程で、前記切断面にショットピーニング処理を施し、このショットピーニング処理時に前記切断面に発生するバリを、その金属板表面からの板厚方向の高さΔｔと、その金属板板幅方向の幅Δｗとの比Δｔ／Δｗが、０．２５以下に収まるように制御する金属板切断面の疲労強度向上方法。
【請求項２】
さらに前記バリを、その金属板表面からの板厚方向の高さΔｔと金属板の板厚ｔとの比Δｔ／ｔが、０．０２以下に収まるように制御する請求項１に記載の金属板切断面の疲労強度向上方法。
【請求項３】
前記ショットピーニング処理のショットを、前記切断面に垂直な方向に対してそれぞれ２０°〜４５°の角度範囲で、両側から交互に投射するようにした請求項１または２に記載の金属板切断面の疲労強度向上方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載した疲労強度向上方法を用いることにより、切断面の疲労限度を母材疲労限度よりも高めた高張力鋼板成形品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動車をはじめとする機械構造物などに用いられ、特に繰り返し荷重を負荷する金属板の打抜き加工などによる切断面の疲労強度を向上させる方法およびこの方法を用いた高張力鋼板成形品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車をはじめとする機械構造物などに高張力鋼板を採用する場合、例えば、軽量化を目的として、繰り返し荷重が支配的に作用する自動車の足回り部品に高張力鋼板を用いる場合には、静的強度や加工性のみならず、高い疲労強度が要求される。一般に、鋼板の疲労強度は、静的強度が１０００Ｎ／ｍｍ２程度までは、強度の上昇とともに向上するが、高強度化により切り欠き感受性も高くなるため、応力集中部が存在すれは、疲労強度が向上しない場合がある。
【０００３】
鋼板を用いて自動車部品を製造する場合、その外形は、通常、鋼板をプレスによって打抜き加工することによって形成され、この打ち抜いた切断部から疲労破壊が発生することがある。例えば、リアサスペンジョン部品を形成するＵ字型断面のトーションビームでは、両端面の打抜き切断面に高い繰り返し応力が発生するため、コイニング加工やショットピーニング、端面研磨などによる打抜き切断部の疲労強度向上策が検討されている。
【０００４】
これらの向上策の中、コイニング加工による方法では、金属板の厚さなど、端面形状が異なる毎に専用のコイニング型が必要となり、汎用性に欠ける。また、端面研磨による方法では、疲労破壊の起点となり得る表面クラックを除去するだけであるので、母材、即ち金属板内部の疲労強度以上は望めない。
【０００５】
一方、ショットピーニングによる方法では、金属粒などのショットを前記切断面に投射して、端面付近に圧縮残留応力を発生させて疲労強度を向上させ、母材以上の疲労強度の向上が可能であり、また、コイニング加工のように端面形状の影響を受けないなどの利点を有する優れた方法であり、既に歯車など、高負荷が作用する部品に適用されている。このショットピーニングを、打抜き切断部の疲労強度向上策として用いる場合には、表面粗さが大きくなり過ぎないように、ショットの粒度や投射速度などのショットピーニング条件を調整する必要がある。また、歯車などの高負荷部品では、ショットピーニングにより発生した端面近傍の圧縮残留応力が減衰しない程度に、仕上げ表面加工をすることが一般的である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、ショットピーニングを金属部品に施すと、その加工面付近には、塑性変形により、降伏応力の８０％程度の圧縮残留応力を容易に導入することができる。そこで、打抜き加工などによる切断面を有する金属板の場合に、この切断面にショットピーニングを施すことにより疲労強度がどの程度向上するかを確認するために、まず、図１に示すように、鋼板から、試験機への取付け部Ｇ間の円弧状部（Ｒ３０）Ｃを打抜き加工によって形成し、円弧状部Ｃ以外の部分を機械加工して疲労試験片を作製した。そして、円弧状部Ｃの形状に打抜いた切断面Ｓにショットピーニングを施した場合とショットピーニングを施さない場合について、共振型疲労試験機を用いて繰り返し疲労試験を行なった。
【０００７】
その結果、前記切断面Ｓにショットピーニングを施さない場合の疲労強度は、母材、即ち鋼板内部域の６０％程度に低下していたが、切断面Ｓにショットピーニングを施すことにより、母材の疲労強度以上に向上することが確認された。このときの疲労破面の観察結果から、破壊の起点は打抜いた切断面Ｓにはなく、ショットの投射により、この切断面が塑性変形し、張り出して形成したバリの付け根から疲労亀裂が発生することが判明した。一般に、打抜き切断面にショットピーニングを施す場合には、歯車などの場合のように、仕上げ表面加工を行なわないため、このようなバリが存在すると応力集中源となり、疲労強度の向上に悪影響を与える。
【０００８】
そこで、この発明の課題は、ショットピーニングを用いて金属板の打抜き加工などによる切断面の疲労強度を向上させる場合に、前記切断面から張り出すバリの形状を制御することにより、疲労強度をより向上させる方法およびこの方法を用いた高張力鋼板成形品を提供することである
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、この発明では以下の構成を採用したのである。
【００１０】
即ち、切断面を有する金属板成形品の製造過程で、前記切断面にショットピーニング処理を施し、このショットピーニング処理時に前記切断面に発生するバリを、その金属板表面からの板厚方向の高さΔｔと、その金属板板幅方向の幅Δｗとの比Δｔ／Δｗが０．２５以下に収まるように制御したのである。
【００１１】
前述のように、バリが存在すると応力集中源となり、疲労強度の向上に悪影響を与えると考えられる。そこで、厚さ３．２ｍｍの高張力鋼板（強度６１６ＭＰａ）から、図１に示した疲労試験片を作成し、打ち抜き加工によって形成した円弧状部Ｃの打抜き加工面、即ち、打抜いたそれぞれの切断面Ｓに、ショット粒径、投射速度、投射角度等の処理条件を変化させてショットピーニング処理を行ない、発生するバリの大きさを異ならせ、前述の場合と同様の共振型疲労試験機を用いて、繰り返し疲労試験を実施した。その結果、前記切断面Ｓにショットピーニング処理を施すことにより、疲労強度は、いずれのショットピーニング条件でも、母材の疲労強度よりも上昇したが、発生したバリの大きさによって、疲労強度は、最大で母材疲労強度の１０％程度変化することがわかった。また、同じ処理条件でも、即ち圧縮残留応力が同程度であっても、バリを付けたままの試験片とバリを削り落とした試験片とでは、疲労強度が異なることがわかった。これらの結果はいずれも、金属板の打抜き加工などによる切断面に発生するバリの大きさが疲労強度に影響することを裏付けている。
【００１２】
金属板１の打抜き加工などによる切断面２に、前記のショットピーニング処理を施した場合に発生するバリ３の形状を表すパラメータとして、図２に示すように、その金属板１の表面からの板厚方向の高さΔｔとその金属板板幅方向の幅Δｗとの比、即ちアスペクト比Δｔ／Δｗを定義する。
【００１３】
処理条件を変化させて、ショットピーニング処理を、疲労試験片（図１参照）の打抜きにより形成した円弧状部Ｃの切断面Ｓに施し、この疲労試験片を用いて実施した前記疲労試験の試験結果について、この切断面Ｓの疲労強度σＷ　を、引張り強度ＴＳに対する比、即ち疲労限度比（σＷ　／ＴＳ）で表し、前記アスペクト比Δｔ／Δｗと対応づけて整理すると、図３に示すようになる。ここで、金属板表面からの板厚方向の高さΔｔと、金属板の長手方向の幅Δｗとは、例えば、工具顕微鏡等により、拡大して測定することができる。
【００１４】
図３から、疲労限度比、従って疲労強度は、アスペクト比Δｔ／Δｗが０．２５以下の場合に最大となることがわかる。このように、ショットピーニング処理条件を変化させて、バリ３の形状（Δｔ／Δｗ）を制御することにより、切断面の疲労強度が最も向上し、疲労限度比で母材に対して１０％以上向上する。
【００１５】
さらに前記バリを、その金属板表面からの板厚方向の高さΔｔと板厚ｔとの比Δｔ／ｔが、０．０２以下に収まるように制御することが望ましい。
【００１６】
前記アスペクト比Δｔ／Δｗと同様に、バリ３の大きさを表すパラメータとして、前記の板厚方向の高さΔｔと、金属板の板厚ｔとの比、即ち張り出し比Δｔ／ｔを定義する。処理条件を変化させて、このショットピーニング処理を施した前記疲労試験片を用いて実施した前記疲労試験の試験結果について、切断面Ｓの疲労強度σＷを、疲労限度比（σＷ／ＴＳ）で表し、この張り出し比Δｔ／ｔと対応づけて整理すると図４に示すようになる。
【００１７】
図４から、疲労限度比、従って疲労強度は、張り出し比Δｔ／ｔが０．０２以下の場合に最大となることがわかる。このように、ショットピーニング条件を変化させて、バリ３の大きさ、すなわち張り出し量（Δｔ）を制御することによって、切断面の疲労強度が最も向上するため、前記アスペクト比Δｔ／Δｗが０．２５以下であり、かつ、張り出し比Δｔ／ｔが０．０２以下となるようにバリ３を制御することがより好ましい。
【００１８】
前記張り出し比Δｔ／ｔと同種のパラメータとして、バリ３の金属板１の板幅方向の幅ΔＷと板幅Ｗとの比ΔＷ／Ｗも考えられるが、板幅Ｗ自体は疲労強度に対する相関が小さく、また、実部品に、このパラメータΔＷ／Ｗを適用するに際し、板幅自体の定義ができなくなる場合も考えられるため、金属板１の全体形状に対する比率としては、張り出し比Δｔ／ｔの方を用いた。
【００１９】
なお、金属板１の切断面２に、ショットピーニング処理を施した際に発生するバリには、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す形状のもの見られるが、これらのバリ３ａ〜３ｄの場合の金属板１の板幅方向の幅Δｗ、前記板厚方向の高さΔｔは、それぞれ、図中に示した通りである。また、図５（ａ）のように、前記切断面の両側で、バリ３ａ、３ｂの形状が異なる場合には、いずれのバリ３ａ、３ｂについても、それらのアスペクト比Δｔ／Δｗや張り出し比Δｔ／ｔが前記の所要の値を満たす必要がある。
【００２０】
前記ショットピーニング処理時のショットを、前記切断面に垂直な方向に対して、それぞれ２０°〜４５°の角度範囲で、両側の方向から交互に投射するようにすることが望ましい。
【００２１】
前記切断面の片側の方向のみからショットを投射すると、切断面の、投射側と反対側の部位に大きなバリが形成されるため、このように両側の方向から、ショットが干渉しないように、交互に投射することにより、バリの発生を抑制することができる。
【００２２】
一方、投射方向が、切断面に垂直方向から４５°以上になると、投射方向が切断面に対して傾きすぎて十分な圧縮残留応力が導入できない。また、投射方向が、切断面に垂直な方向から２０°よりも小さくなると、切断面に垂直な方向に近づき、バリが発生しやすくなるためである。
【００２３】
このように、ショットの投射角度を適正範囲に保ち、かつ、切断面に対して両側の方向から、ショットが干渉しないように交互に投射するようにすれば、特殊なショットピーニング条件を必要とせず、ショット粒径、投射速度、投射密度等の処理条件を適切に選択するだけで、切断面のバリの発生を抑制することができる。
【００２４】
上述のいずれかの疲労強度向上方法を用いることにより、切断面の疲労強度を母材疲労強度よりも１０％程度高めた高張力鋼板成形品を製造することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施形態を添付の図１、図６および図７に基づいて説明する。
【００２６】
打抜き加工などにより所要の寸法に切断された、高張力鋼板などの金属板が、例えば、空気式ピーニング機械のピーニング室にセットされる。そして、ショット加速装置により、通常、３０〜１００ｍ／ｓの範囲の所定の投射速度が得られるように加速された、粒径が０．１〜１ｍｍの鋼系またはセラミックス系の硬質粒子からなるショットが、図６に示すように、両側に設けた投射ノズル４、４から、金属板１の切断面２に、２０°〜４５°の角度範囲の投射角度θで、切断面２がショットの痕で覆い尽くされるフルカバレージ状態となるまで、ショットが干渉しないように、交互に投射される。その際に、切断面２に発生するバリ３のアスペクト比Δｔ／Δｗが０．２５以下であり、かつ、望ましくは、張り出し比Δｔ／ｔが０．０２以下となるように、金属板１の厚さや目標処理時間などに基づいて、ショット粒径、投射速度、投射密度等の処理条件が適切に選択される。
【００２７】
【実施例】
高張力熱延鋼板（引張り強さ６１６ＭＰａ、板厚３．２ｍｍ）から、打ち抜き加工および機械加工により図１に示した疲労試験片を作製し、円弧状部Ｃの打抜いた切断面Ｓにショットピーニング処理を施した後、繰り返し疲労試験を行なった。
【００２８】
前記ショットピーニング処理は、直径０．６ｍｍまたは同０．３ｍｍのショットを投射速度７３ｍ／ｓ、投射密度２００ｋｇ／ｍ２、投射角度θ（図５参照）を０°、即ち切断面に垂直方向、または３０°として実施した。このショットピーニング処理では投射方向は一方向のみであり、図５に示した両側からの投射と実質的に同等となるように、試験片のセッティング角度を変えて、２回に分けて１回当たり３０秒間投射した。投射角度θが０°の条件については、発生したバリを研磨により取り除いた試験片（試験Ｎｏ．３）についても繰り返し疲労試験を実施した。
また、比較として、切断面Ｓにショットピーニング処理を施さない試験片（試験Ｎｏ．５）、および母材の疲労強度を評価するために、機械加工のみによって仕上げ、切断面を含まない試験片（試験Ｎｏ．６）についても疲労試験を実施した。
【００２９】
前記疲労試験は、電気共振型疲労試験機を用い、実部品に要求される疲労強度に基づいて応力条件を設定し、応力比−１、繰返し速度２０Ｈｚの試験条件で行なった。試験結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
表１から、切断面の疲労強度（σＷ）は、ショットピーニング処理を施すことによりいずれの場合も、ショットピーニング処理を施さない場合の１８０ＭＰａから母材の３１０ＭＰａ以上に向上する。中でも、前記のバリの形状比Δｔ／ΔＷが０．２５以下、かつ張り出し比Δｔ／ｔが０．０２以下の要件を満たした場合（実験Ｎｏ．２）、最も高い疲労強度３５０ＭＰａ（疲労限度比０．５７）が得られていることがわかる。
【００３２】
また、投射角度θが０°で、処理後に研磨によりバリを取り除いた場合（実験Ｎｏ．３）についても、見掛け上、前記形状比および張り出し比の要件を満たし、実験Ｎｏ．２の場合と同様に、最も高い疲労強度３５０ＭＰａ（疲労限度０．５７）が得られている。このように、ショットを切断面に垂直に投射し、発生したバリを研磨により除去した場合にも高い疲労強度を示すのは、主に、研磨により、切断面の形状の不連続部がなくなること、即ち応力集中部がなくなることによるものと考えられる。また、この場合は、ショットピーニング後にバリが発生した金属板１のコーナー部を研磨するだけで、高い疲労強度を得ることができるため、歯車等のショットピーニング後の仕上げ加工のようにショット投射面全体を研磨する必要はなく、仕上げ加工が簡略化される。
【００３３】
図７（ａ）および（ｂ）は他の実施形態を示したもので、金属板１の打抜き加工などによる切断面２に、投射角度θで一方向に配置した投射ノズル４、４ａ、４ｂからショットを投射することもできる。この場合は、ショットを投射中に、金属板１を図７（ａ）に示す状態から、図７（ｂ）に示すように表裏反転させ、投射ノズル４ａからのショットにより、バリ３を鋼板表面に押し付け、バリ３のアスペクト比および張り出し比を小さくすることができる。このようにすれば、バリ３の発生を抑制し、かつ、このバリ３の近傍の金属板１の表面にもショットピーニングの効果が及ぶため、疲労強度をより向上させることができる。なお、この金属板１の表裏反転は、その切断面２がショットの痕で覆い尽くされるフルカバレージとなるまで、複数回行なうようにしてもよい。なお、この一方向からショットを投射する場合にも、投射角度θは、２０°〜４５°の範囲にあることが望ましい。
【００３４】
なお、本発明を適用する金属板の切断面は、必ずしも打抜き加工による切断面に限定するものでなく、シャー切断面や、また、機械加工による切断面にも適用することができる。特に、打抜き加工による切断面やシャー切断面などの、せん断加工による切断面に本発明を適用すると、疲労強度の向上に大きく寄与する。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、高張力鋼板などの金属板を用いた成形品の切断面の疲労強度を、ショットピーニング処理を施すことにより向上させるにあたり、疲労強度は切断面に発生するバリの形状比などの影響を受けることを見出し、バリの発生形態を制御するようにしたので、母材の疲労強度を超えて、切断面の最も高い疲労強度を実現することができる。それにより、自動車などに使用される機械構造部品の切断面からの疲労亀裂の発生を抑制でき、部品寿命や安全性などの向上に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】疲労強度の評価に用いた疲労試験片の正面図
【図２】ショットピーニング処理後の切断面のバリの形状および大きさを定義するための要部を拡大した説明図
【図３】ショットピーニング処理後の切断面のバリのアスペクト比と疲労限度との関係を示す説明図。
【図４】ショットピーニング処理後の切断面のバリの張り出し比と疲労限度比との関係を示す説明図。
【図５】（ａ）ショットピーニング処理後の切断面の他の形態のバリの形状および大きさを定義するための説明図
（ｂ）同上
（ｃ）同上
【図６】実施形態のショットピーニング処理時のショットの投射角度を示す説明図
【図７】（ａ）他の実施形態のショットピーニング処理時の金属板の表裏反転を示す説明図
（ｂ）同上
【符号の説明】
１：金属板　　　　　　２：切断面　　　　３、３ａ〜３ｄ：バリ
４、４ａ、４ｂ：投射ノズル　　　　Ｇ：固定部　　　　　Ｃ：円弧状部
Ｓ：切断面
【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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