(57)【要約】【課題】パンチの磨耗を抑制して長寿命化させることが可能な十字パンチを提供すること。【解決手段】成形用部材の一端部に十字穴を形成する十字パンチであって、成形用部材の一端部の形状に対応する底面部１１ａと、底面部１１ａから十字形状をなして突出する十字状部と、十字状部の先端から錘状をなして突出する頂点Ｐを有する頭頂部としての十字矢先端部１１ｂと、を備え、十字矢先端部１１ｂの高さ方向と直交し、十字矢円錐部１１ｃと十字矢先端部１１ｂとの境界を通過する平面が、頂点と境界とを通過し頂点と境界との距離が最小である直線となす角度が０．０°〜２５．０°である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形用部材の一端部に十字穴を形成する十字パンチであって、
前記成形用部材の一端部の形状に対応する底面部と、
前記底面部から十字形状をなして突出する十字状部と、
前記十字状部の先端から錘状をなして突出する頭頂部と、
を備え、
前記頭頂部の高さ方向と直交し、前記十字状部と前記頭頂部との境界を通過する平面が前記頭頂部の頂点と前記境界とを通過し、前記頂点と前記境界との距離が最小である直線となす角度が０．０°〜２５．０°であることを特徴とする十字パンチ。
【請求項２】
前記頭頂部の高さ方向と直交し、前記十字状部と前記頭頂部との境界を通過する平面が前記頭頂部の頂点と前記境界とを通過し、前記頂点と前記境界との距離が最小である直線となす角度が０．０°〜１５．０°であることを特徴とする請求項１に記載の十字パンチ。
【請求項３】
前記十字状部は、４つの突出部からなり、
前記突出部の前記頭頂部側の境界で該頭頂部の頂点を介して対向する間の距離が、対応する基準値に対して１．０５〜１．１１倍であることを特徴とする請求項１または２に記載の十字パンチ。
【請求項４】
成形用部材の一端部に十字穴を形成する十字パンチであって、
前記成形用部材の一端部の形状に対応する底面部と、
前記底面部から突出する４つの突出部によってから十字形状をなして突出する十字状部と、
前記十字状部の先端から錘状をなして突出する頭頂部と、
を備え、
前記突出部の前記頭頂部側の境界で該頭頂部の頂点を介して対向する間の距離が、対応する基準値に対して１．０５〜１．１１倍であることを特徴とする十字パンチ。
【請求項５】
前記底面部、前記十字状部および前記頭頂部は、表面が硬質膜で覆われていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の十字パンチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ねじ頭部の十字穴を成形する成形用部材に対して所定の十字形状を形成させる十字パンチに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、十字形状をなすねじ穴等を成形する成形用工具（十字パンチ）は、所望の凸形状をなす部分が成形用部材を圧造することで、成形用部材にねじ十字穴と頭部を成形する。図１１は、従来の十字パンチの構成を示す模式図である。図１１に示す十字パンチ１００は、成形用部材であるねじのねじ十字穴と頭部を圧造して、成形用部材を所定形状に成形する成形用工具であって、所定形状に対応する形状をなす成形部１１１と、成形部１１１の土台をなす略柱状の基部１１２と、を有する。
【０００３】
成形部１１１は、成形用部材を圧造し、成形用部材に所定の形状を形成させるための凸状をなす。成形部１１１は、凸状に突出した頂点部分である十字矢先端部１１１ａと、十字形状の側面を形成する十字矢円錐部１１１ｂおよび十字矢傾斜部１１１ｃと、十字矢先端部１１１ａ、十字矢円錐部１１１ｂおよび十字矢傾斜部１１１ｃの基端面となる底面部１１１ｄとを有する。底面部１１１ｄの中央部は、要求されるねじ頭部形状に準じた形状をなし、成形用部材の頭部を圧造する。
【０００４】
十字パンチを製造するメーカーは、所定の基準にしたがって十字パンチの製造を行っている。各ねじメーカーは、要求されるねじ使用に応じた十字パンチを用いて成形用部材に、その形状を圧造している。また、十字パンチは、繰り返しの圧造によって磨耗するため、所定回数使用後に取替えられる。
【０００５】
上述した成形用工具（十字パンチ）を長寿命化させる技術として、成形する際に、パンチの内部に形成した空間部によってパンチ押圧部の弾性変形を積極的に促進し、たわませることで、鍛造時の衝撃による応力を分散・吸収させ、パンチの破壊を抑制し、耐久性を向上させる技術が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。また、成形部の表面にＤＬＣ被膜（ダイヤモンド状カーボン被膜）を被覆してなる成形用工具が開示されている（例えば、特許文献２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−６４１４２号公報
【特許文献２】特開２００３−１１２２２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１，２が開示する技術等、従来は所定の基準により寸法が決まっているため、成形用工具（十字パンチ）に加わる力の軽減による長寿命化は可能であっても、大幅に長寿命化させるには限界があった。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、パンチの磨耗を抑制して長寿命化させることが可能な十字パンチを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる成形用工具である十字パンチは、成形用部材の一端部に十字穴を形成する十字パンチであって、前記成形用部材の一端部の形状に対応する底面部と、前記底面部から十字形状をなして突出する十字状部と、前記十字状部の先端から錘状をなして突出する頭頂部と、を備え、前記頭頂部の高さ方向と直交し、前記十字状部と前記頭頂部との境界を通過する平面が前記頭頂部の頂点と前記境界とを通過し、前記頂点と前記境界との距離が最小である直線となす角度が０．０°〜２５．０°であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明にかかる十字パンチは、上記の発明において、前記頭頂部の高さ方向と直交し、前記十字状部と前記頭頂部との境界を通過する平面が前記頭頂部の頂点と前記境界とを通過し、前記頂点と前記境界との距離が最小である直線となす角度が０．０°〜１５．０°であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明にかかる十字パンチは、上記の発明において、前記十字状部は、４つの突出部からなり、前記突出部の前記頭頂部側の境界で該頭頂部の頂点を介して対向する間の距離が、対応する基準値に対して１．０５〜１．１１倍であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明にかかる十字パンチは、成形用部材の一端部に十字穴を形成する十字パンチであって、前記成形用部材の一端部の形状に対応する底面部と、前記底面部から突出する４つの突出部によってから十字形状をなして突出する十字状部と、前記十字状部の先端から錘状をなして突出する頭頂部と、を備え、前記突出部の前記頭頂部側の境界で該頭頂部の頂点を介して対向する間の距離が、対応する基準値に対して１．０５〜１．１１倍であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明にかかる十字パンチは、上記の発明において、前記底面部、前記十字状部および前記頭頂部は、表面が硬質膜で覆われていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明にかかる十字パンチは、頭頂部の高さ方向と直交し、十字状部と頭頂部との境界を通過する平面が前記頭頂部の頂点と境界とを通過し、頂点と境界との距離が最小である直線となす角度が従来の基準より小さくなるようにしたので、パンチの磨耗を抑制して長寿命化させることが可能であるという効果を奏する。
【００１５】
本発明にかかる十字パンチは、突出部の頭頂部側の境界で頭頂部の頂点を介して対向する間の距離を対応する基準値に対して大きくするようにしたので、パンチの磨耗を抑制して長寿命化させることが可能であるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１にかかる十字パンチの構成を示す模式図である。
【図２】図２は、図１に示す十字パンチの矢視Ａ方向から見た要部の構成を示す平面図である。
【図３】図３は、図２に示す十字パンチの矢視Ｂ方向から見た要部の構成を示す模式図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態２にかかる十字パンチの構成を示す上面図である。
【図５】図５は、本発明の実施例１にかかる比較試験の結果を示すグラフである。
【図６】図６は、図２に示す十字パンチの矢視Ｃ方向から見た要部の構成を示す模式図である。
【図７】図７は、本発明の実施例２にかかる解析試験の結果を示すグラフである。
【図８】図８は、本発明の実施例３にかかる比較試験の結果を示すグラフである。
【図９】図９は、本発明の実施例４にかかる比較試験の結果を示すグラフである。
【図１０】図１０は、本発明の実施例５にかかる解析試験の結果を示すグラフである。
【図１１】図１１は、従来の十字パンチの構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において参照する各図は、本発明の内容を理解でき得る程度に形状、大きさ、および位置関係を概略的に示してあるに過ぎず、従って、本発明は各図で例示された形状、大きさ、および位置関係のみに限定されるものではない。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１にかかる十字パンチの構成を示す模式図である。図２は、図１に示す十字パンチの矢視Ａ方向から見た要部を示す平面図である。図３は、図２に示す十字パンチの矢視Ｂ方向から見た要部を示す模式図である。図１〜図３に示す十字パンチ１は、成形用部材であるねじのねじ穴と頭部を圧造して、成形用部材を所定形状に成形する成形用工具であって、圧造方向に垂直な断面が十字形状をなす成形部１１と、成形部１１の土台をなす略柱状の基部１２と、を有する。
【００１９】
成形部１１は、成形用部材を圧造し、成形用部材に所定の形状を形成させるための十字形状をなす。成形部１１は、成形用部材の一端部の形状に対応する底面部１１ａと、底面部１１ａから十字形状をなして突出する十字状部と、十字状部の先端から錘状をなして突出する頂点Ｐを有する頭頂部としての十字矢先端部１１ｂと、を有する。十字状部は、十字矢円錐部１１ｃおよび十字矢傾斜部１１ｄによって構成される４つの突出部１１ｅを有する。各突出部１１ｅは、それぞれの十字矢傾斜部１１ｄが連結することによって、底面部１１ａに平行な断面形状が十字形状をなす。底面部１１ａは、成形部１１近傍がねじ頭部の形状に準じた形状をなし、成形用部材の頭部を圧造する。
【００２０】
なお、十字パンチ１は、少なくとも成形部１１がハイス鋼によって実現され、ステンレス等で形成される成形用部材に対して所定の形状を圧造する。
【００２１】
十字矢先端部１１ｂは、図３に示すように、十字矢先端部１１ｂの頂点Ｐを通過する成形部１１の軸Ｎ（十字矢先端部１１ｂの高さ方向）に垂直であって、十字矢先端部１１ｂと十字矢円錐部１１ｃとの境界（交点Ｐ１）を通過する面Ｌ１と十字矢先端部１１ｂの頂点Ｐと交点Ｐ１とを通過する直線Ｌ２とのなす角度（十字矢先端角度）θが従来の基準（θ＝２７．５°±０．５°）より小さく、十字矢先端角度θが０．０°〜２５．０°程度である。特に、十字矢先端角度θを０．０°〜１５．０°にすることによって、圧造時に十字矢先端部１１ｂに加わる力をより分散させることができるため、成形部１１の磨耗を一層抑制することが可能となる。なお、直線Ｌ２は、頂点Ｐと十字矢先端部１１ｂおよび十字矢円錐部１１ｃの境界との距離が最小である直線である。また、十字矢先端角度は、直線Ｌ２を含む平面でみたときの平面Ｌ１と直線Ｌ２とのなす角度である。
【００２２】
本実施の形態１によれば、十字矢先端角度θを従来の基準より小さくすることによって、圧造時、十字矢先端部１１ｂが成形用部材に対して行う累積摩擦仕事量を小さくできる。これにより、圧造による十字矢先端部１１ｂの磨耗を抑制することができるので、パンチ自体の磨耗を抑制して長寿命化させることが可能となる。
【００２３】
なお、本実施の形態１にかかる十字パンチは、十字穴付の小皿ねじ、なべ小ねじ、丸小皿ねじ、トラス小ねじ、バインド小ねじ、丸小ねじ、六角タッピンねじや、小ねじ以外の頭部に十字穴を形成するねじすべて、およびこれらのタッピングねじ等に成形用部材を圧造して作成するパンチであれば適用可能である。このとき、成形部１１の底面１１ｅは、上述したねじの頭部に対応した形状をなす。
【００２４】
（変形例）
本実施の形態１にかかる変形例では、少なくとも成形部１１の表面が、厚みが数μｍの硬質膜で被覆される。用いられる硬質膜は、所定の硬度、耐摩耗性、耐熱性などを有するセラミック膜が好ましく、例えば、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）、炭化バナジウム（ＶＣ）等が挙げられる。また、これらの硬質膜を被覆する際には、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；化学気相成長）またはＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；物理気相成長）によって成膜処理が行われる。
【００２５】
本発明の実施の形態１にかかる変形例によれば、少なくとも成形部１１の表面に硬質膜を形成することによって、十字パンチの寿命を、硬質膜を被覆していないものと比して長くすることができる。
【００２６】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２にかかる十字パンチの構成を示す上面図である。本実施の形態２にかかる十字パンチは、図２と同様の構成である基部１２と、十字形状をなす成形部１３と、を有する。
【００２７】
成形部１３は、成形用部材を圧造し、成形用部材に所定の形状を形成させるための十字状をなす。成形部１３は、成形用部材の一端部の形状に対応する底面部１３ａと、底面部１３ａから十字形状をなして突出する十字状部と、十字状部の先端から錘状をなして突出する頂点Ｐを有する頭頂部としての十字矢先端部１３ｂと、を有する。十字状部は、十字矢円錐部１３ｃおよび十字矢傾斜部１３ｄによって構成される４つの突出部１３ｅを有する。各突出部１３ｅは、それぞれの十字矢傾斜部１３ｄが連結することによって、底面部１３ａに平行な断面形状が十字形状をなす。底面部１３ａは、成形部１３近傍がねじ頭部の形状に準じた形状をなし、成形用部材の頭部を圧造する。
【００２８】
ここで、本実施の形態２では、突出部１３ｅの十字矢先端部１３ｂ側の境界で十字矢先端部１３ｂの頂点Ｐを介して対向する点Ｐ２，Ｐ３間を結ぶ線分Ｌ３の距離ｄ１を変更する。従来用いられている長さが、例えばＪＩＳ１０１２Ｈ形十字穴の番号２に相当するものとして、本実施の形態２では、距離ｄ１を１．０５〜１．１１倍に変化させた。
【００２９】
上述した実施の形態２によれば、突出部１３ｅの十字矢先端部１３ｂ側の境界で十字矢先端部１３ｂの頂点を介して対向する点Ｐ２，Ｐ３間を結ぶ線分Ｌ３の距離を大きくすることによって、圧造時、十字矢先端部１３ｂが成形用部材に対して行う累積摩擦仕事量Ψを分散して小さくすることができる。これにより、圧造による成形部１３の磨耗を抑制することができるので、パンチ自体の磨耗を抑制して長寿命化させることが可能となる。
【００３０】
なお、上述した実施の形態２の構成に対して実施の形態１の構成と組み合わせてもよいし、実施の形態にかかる変形例の構成を組み合わせてもよい。また、実施の形態１および変形例を実施の形態２に組み合わせることも可能である。
【実施例】
【００３１】
（実施例１）
本発明にかかる実施例１では、上述した実施の形態１にかかる十字パンチに対して成形可能回数を比較する試験を行った。図５は、比較試験の結果を示すグラフである。なお、グラフでは、横軸が図３に示す十字矢先端角度θの値を示し、縦軸が十字矢先端角度θ＝２７．５°の時の成形可能回数を基準に算出した成形可能回数比を示す。また、十字パンチはハイス鋼を用いて形成され、成形用部材はステンレスを用いて形成されている。本比較試験は、ＪＩＳＢ１０１２の規格に準じて行った。成形可能回数は、圧造によって成形用部材側に形成されたねじ穴に対して、基準寸法に形成された検査ゲージを差し込み、検査ゲージから成形用部材が落下した時点の回数または１回前の回数をとした。
【００３２】
図５に示すように、従来用いられている十字矢先端角度θが２７．５°より小さい方が、成形可能回数比が大きくなっている。これにより、十字矢先端角度θが２７．５°より小さい方が、磨耗が小さく、長寿命化を実現できることが確認された。特に、十字矢先端角度θが０．０°〜１５．０°の場合では、成形可能回数比が１．５以上となっており、成形回数が１．５倍以上に向上している。
【００３３】
（実施例２）
本発明にかかる実施例２では、上述した実施の形態１にかかる十字パンチに対して、有限要素法により圧造時の十字矢先端部１１ｂおよび十字矢円錐部１１ｃの累積摩擦仕事量の解析を行った。図６は、図２に示す十字パンチの矢視Ｃ方向から見た要部の構成を示す模式図である。図７は、図６に示す経路Ｌ４における任意の点Ｐｓの累積摩擦仕事量Ψを示すグラフである。図６に示すように、本実施例２にかかる解析結果のグラフにおいて、横軸は、点Ｐ４を始点とする経路Ｌ４上の位置（Ｐｓ）であり、縦軸は、経路Ｌ４の位置において式（１）によって算出される累積摩擦仕事量Ψである。
【数１】
2012125802.tif 000003
なお、μはクーロン摩擦、Ｐは面圧、Ｖは相対すべり速度、ｔはある点Ｐｓが成形用部材と接触し始めてから加工が完了するまでの時間を示している。
【００３４】
図７に示すように、累積摩擦仕事量Ψは、十字矢先端角度が小さくなるに従って小さくなっている。また、経路Ｌ４の点Ｐ４から１ｍｍの位置で、累積摩擦仕事量Ψの値がピークとなる。この位置は、図６に示す十字矢円錐部１１ｃと十字矢先端部１１ａとの境界に対応しており、この境界部分の累積摩擦仕事量Ψが最大の値をとる。この境界部分においても、十字矢先端角度θが小さいほど、累積摩擦仕事量Ψが小さくなっている。
【００３５】
上述した実施例２によれば、十字矢先端角度θが小さくなるにつれて十字矢円錐部１１ｃおよび十字矢先端部１１ｂの累積摩擦仕事量Ψが小さくなるため、十字矢円錐部１１ｃおよび十字矢先端部１１ｂの磨耗を抑制して長寿命化を実現させることができる。
【００３６】
（実施例３）
本発明にかかる実施例３では、上述した実施の形態１の変形例にかかる十字パンチに対して成形可能回数を比較する試験を行った。十字パンチはハイス鋼を用いて形成され、硬質膜には、炭化バナジウム（ＶＣ）を用いた。また、成形用部材にはステンレスを用いている。図８は、比較試験の結果を示すグラフである。なお、グラフは、横軸に図３に示す十字矢先端角度θの値、縦軸に十字矢先端角度θが２７．５°の時の成形可能回数を基準に算出した成形可能回数比を示す。また、十字矢先端角度θが２７．５°の成形可能回数は、図５と同様、硬質膜を被覆していない成形可能回数となっている。本比較試験は、ＪＩＳＢ１０１２の規格に準じて検査を行っている。
【００３７】
図８に示すように、十字矢先端角度θが２７．５°より小さい方が、成形可能回数比が大きくなっている。これにより、十字矢先端角度θが２７．５°より小さい方が、磨耗が小さく、長寿命化を実現できることが確認された。特に、十字矢先端角度θが０．０°〜１５．０°の場合では、成形可能回数比が２．０以上となっているほか、十字矢先端角度θが２０．０°および２５．０°においても成形可能回数比が１．５以上となっている。これにより、成形部１１に硬質膜を形成することによってさらに十字パンチの長寿命化を図ることが可能となる。なお、上述したような窒化チタン（ＴｉＮ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）等からなる硬質膜でも同様の効果を得ることができる。
【００３８】
（実施例４）
本発明にかかる実施例４では、上述した実施の形態２にかかる十字パンチに対して成形可能回数を比較する試験を行った。図９は、比較試験の結果を示すグラフである。なお、グラフは、横軸に図４に示した距離ｄ１の寸法（距離ｄ１＝１．５４ｍｍ、１．６３ｍｍ）、縦軸に距離ｄ１の寸法が１．４７ｍｍの時の成形可能回数を基準に算出した成形可能回数比を示す。なお、図３等に示した十字矢先端角度θは、それぞれ２７．５°であるものを使用している。また、十字パンチはハイス鋼を用いて形成され、成形用部材にはステンレスを用いている。本比較試験は、ＪＩＳＢ１０１２の規格に準拠し、ＪＩＳ１１１１の皿小ねじＭ４の規格に準じたもので試験を行った。
【００３９】
図９に示すように、寸法が１．４７ｍｍである従来例より距離ｄ１の寸法が大きい方が、成形可能回数比が大きくなっている。これにより、距離ｄ１の寸法が大きい方が、磨耗が小さく、長寿命化を実現できることが確認された。
（実施例５）
本発明にかかる実施例５では、上述した実施の形態２にかかる十字パンチに対して、有限要素法により圧造時の十字矢先端部１３ｂの累積摩擦仕事量Ψ（式（１）を参照）の解析を行った。図１０は、単位面積当たりの累積摩擦仕事量を示すグラフである。本実施例５にかかる解析では、図７同様、図６に示すような点Ｐ４を０とし、この点Ｐ４からある距離の点Ｐｓでの累積摩擦仕事量の解析を行った。
【００４０】
図１０に示すように、点Ｐｓにかかる累積摩擦仕事量は、距離ｄ１の寸法が大きくなるにしたがって小さくなっている。また、経路Ｌ４の点Ｐ４から１ｍｍの位置で、累積摩擦仕事量の値がピークとなる。これは、十字矢先端部１３ｂと十字矢円錐部１３ｃとの境界に対応しており、この境界部分の累積摩擦仕事量が最大の値をとる。この境界部分においても、寸法が１．４７ｍｍである従来例より距離ｄ１の寸法が大きいほど、累積摩擦仕事量が小さくなっている。
【００４１】
上述した実施例５によれば、寸法が１．４７ｍｍである従来例より距離ｄ１の寸法が大きい方が十字矢先端部１３ｂおよび十字矢円錐部１３ｃの累積摩擦仕事量Ψが小さくなるため、十字矢先端部１３ｂおよび十字矢円錐部１３ｃの磨耗を抑制して長寿命化を実現させることができる。
【００４２】
以上のように、本発明にかかる十字パンチは、圧造等の繰り返し使用によるパンチの磨耗の抑制に有用である。
【符号の説明】
【００４３】
１，２，１００  十字パンチ
１１，１３，１１１  成形部
１１ａ，１３ａ，１１１ｄ  底面部
１１ｂ，１３ｂ，１１１ａ  十字矢先端部
１１ｃ，１３ｃ，１１１ｂ  十字矢円錐部
１１ｄ，１３ｄ，１１１ｃ  十字矢傾斜部
１１ｅ，１３ｅ  突出部
１２，１１２  基部
【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】
2012125802.tif 000009
【図７】
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【図８】
2012125802.tif 000011
【図９】
2012125802.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
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