(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の直径の開口部を有する孔を被加工物に明けるためのピアスパンチにおいて、
前記所定の直径の開口部よりも細い先端部と、
前記所定の直径の開口部と同一の直径を有する、前記先端部よりも後端側に形成された孔拡部と、
前記先端部と前記孔拡部との間に滑らかに湾曲して形成された湾曲部とを備え、
該湾曲部は、前記先端部が前記孔拡部の直径の８５％以上９５％以下の範囲内の直径を有する範囲内で湾曲したものであり、
前記孔拡部は、前記孔の深さよりも長いものであり、且つ、
前記孔拡部及び前記湾曲部は、前記先端部で明けられた孔に挿入されることにより、前記被加工物のうち前記孔の周縁部をその周方向に引っ張ると共に前記孔の半径方向に圧縮して、前記孔をその各部分で内径が等しい孔に拡大すると共にこの拡大された孔の内周面の全面でその周方向に圧縮残留応力を誘起させるものであることを特徴とするピアスパンチ。
【請求項２】
前記先端部は、
被加工物に明けられる孔の深さよりも長いものであることを特徴とする請求項１記載のピアスパンチ。
【請求項３】
前記先端部は、
前記所定の直径の開口部の形状に相似する横断面形状を有するものであることを特徴とする請求項１又は２記載のピアスパンチ。
【請求項４】
所定の直径の開口部を有する孔を被加工物に明ける孔明方法において、
前記所定の直径の開口部よりも細い先端部と、
前記所定の直径の開口部と同一の直径を有する、前記先端部よりも後端側に形成された孔拡部と、
前記先端部が前記孔拡部の直径の８５％以上９５％以下の範囲内の直径を有する範囲内で、前記先端部と前記孔拡部との間に滑らかに湾曲して形成された湾曲部とを備えたピアスパンチを用いて、
前記所定の直径の開口部の８５％以上９５％以下の範囲内の直径の開口部を有する小さい孔を、前記先端部によって被加工物に明け、その後、前記湾曲部及び前記孔拡部によって、前記被加工物のうち前記小さい孔の周縁部をその周方向に引っ張ると共に前記小さい孔の半径方向に圧縮することにより、前記小さい孔を拡大して前記所定の直径の開口部を有すると共にその各部分で内径が等しく、且つその内周面の全面でその周方向に圧縮残留応力が誘起された孔を形成することを特徴とする孔明方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被加工物に孔を明ける際に使用されるピアスパンチ、及び、被加工物に孔を明ける孔明方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ピアスパンチを用いて鋼鈑などの被加工物に孔を明ける孔明加工が広く行われている。図３を参照して従来のピアスパンチを用いた孔明方法を説明する。
【０００３】
図３は、従来のピアスパンチと孔明方法を示す模式図であり、（ａ）は、孔を明ける直前の状態を示し、（ｂ）は、孔を明けている途中の状態を示し、（ｃ）は、孔を明けた直後の状態を示す。
【０００４】
ピアスパンチ１０で鋼鈑１２に孔を明けるに当っては、ダイ１４の上に鋼鈑１２を載せてピアスパンチ１０で鋼鈑１２を打ち抜く。ピアスパンチ１０が鋼鈑１２を打ち抜いている途中では、（ｂ）に示すように、鋼鈑１２が孔の中心に向かって（矢印Ａ方向に）引っ張られた状態となる。このため、鋼鈑１２のうち孔の周縁部１２ａに相当する部分では、孔の周方向に圧縮応力が誘起され、また、孔の半径方向には引張応力が誘起される。この結果、（ｃ）に示すように孔が明けられて孔の残骸１３が生じた後は、孔の周縁部１２ａに周方向の引張残留応力が誘起され、疲労強度が低下するおそれがある。
【０００５】
ところで、孔が明けられた被加工物に引張や曲げ荷重を加えると孔の周縁部に応力集中が生じて疲労強度（耐久強度）が低下し、孔の無いもの（平滑材）に比べて耐久性が著しく低下する。この応力集中に起因する疲労強度の低下は切欠効果と呼ばれている。通常、被加工物の形状が同一の場合は応力集中係数も同一であるものの、被加工物の材質が異なると切欠効果が異なる。一般に、高強度材ほど切欠感受性が高く、切欠効果が高い。このため、平滑材であればその引張強度に比例する疲労強度を有していても、平滑材に孔を明けると高強度材及び低強度材双方の疲労強度が接近し、場合によっては逆転することがある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、被加工物に孔を明けるとこの孔の周縁部に引張の残留応力が誘起され、また、孔の明けられた被加工物に荷重を加えると切欠効果が起こる。このように孔が形成された被加工物では、一般に引張の残留応力と孔の切欠効果とが影響し合って、その疲労強度が低下する。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑み、明けた孔に起因する切欠効果を低減できるピアスパンチ及び孔明方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明のピアスパンチは、所定広さの開口部を有する孔を被加工物に明けるためのピアスパンチにおいて、
（１）上記所定広さの開口部よりも細い先端部
（２）上記所定広さの開口部と略同一の太さを有する、上記先端部よりも後端側に形成された孔拡部
を備えたことを特徴とするものである。
【０００９】
ここで、上記先端部は、
（３）被加工物に明けられる孔の深さよりも長いものであってもよい。
【００１０】
また、上記先端部は、
（４）上記所定広さの開口部の形状に相似する横断面形状を有するものであってもよい。
【００１１】
さらに、上記先端部は、
（５）上記孔拡部の太さの８５％以上９５％以下の範囲内の太さを有するものであってもよい。
【００１２】
また、上記目的を達成するための本発明の孔明方法は、所定広さの開口部を有する孔を被加工物に明ける孔明方法において、
（６）上記所定広さの開口部を有する孔よりも小さい孔を被加工物に明け、その後、この小さい孔を拡大して上記所定広さの開口部を有する孔を形成することを特徴とするものである。
【００１３】
ここで、上記小さい孔は、
（７）上記所定広さの開口部の８５％以上９５％以下の範囲内の広さの開口部を有するものであってもよい。
【００１４】
なお、上記（６）の小さい孔の孔明けとこの孔を拡大するために、上記（１）から（５）までに記載したピアスパンチを使用すると連続的に容易に孔明けをできるが、小さい孔を明ける際に周知のドリルやレーザなどを用い、この小さい孔を拡大する際に従来のピアスパンチを用いていもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００１６】
図１は、本発明のピアスパンチ及び孔明方法の一実施形態を示す模式図であり、（ａ）は、孔を明ける直前の状態を示し、（ｂ）は、孔を明けている途中の状態を示し、（ｃ）は、孔を明けた直後の状態を示す。図１では、図３の構成要素と同一の構成要素には同一の符号が付されている。
【００１７】
先ず、ピアスパンチ２０について説明する。
【００１８】
ピアスパンチ２０は、鋼鈑１２に明けられる孔１２ｂの開口部の直径Ｄ’よりも短い直径ｄを有する細い先端部２２と、直径Ｄ’とほぼ同じ直径Ｄを有する太い孔拡部２４を備えている。先端部２２の直径ｄは孔拡部２４の直径Ｄの８５％以上９５％以下の範囲内であり、ここでは９０％にした。先端部２２の直径ｄを孔拡部２４の直径の８５％未満にした場合、明けられた孔１２ｂの周縁部にバーリング（孔の縁が立つこと）が生じるおそれがある。一方、先端部２２の直径ｄが孔拡部２４の直径Ｄの９５％を超えると、後述する圧縮残留応力が小さくなる。孔拡部２４は先端部２２よりもピアスパンチ２０の後端側に形成されており、孔拡部２４と先端部２２との間には滑らかに湾曲した湾曲部２６が形成されている。また、先端部２２の長さＬは鋼鈑１２の板厚ｔ（孔１２ｂの深さ）よりも長い。さらに、先端部２２の横断面の形状は、鋼鈑１２に明けられる孔１２ｂの形状に相似しており、ここでは円形である。
【００１９】
上述したピアスパンチ２０を用いた孔明方法を説明する。
【００２０】
ピアスパンチ２０は、周知の孔明装置にセットされて使用される。図１（ａ）に示す状態からピアスパンチ２０を下降させると、図１（ｂ）に示すように、鋼鈑１２に直径ｄの開口部を有する孔が明けられる。さらにピアスパンチ２０を下降させると、直径ｄの孔にピアスパンチ２０の孔拡部２４が挿入されて、直径ｄの孔が直径Ｄの孔１２ｂに拡大される。この拡大の際に、孔１２ｂの周縁部が周方向に引っ張られると共に半径方向に圧縮された状態になる。このため、孔１２ｂを明け終ってピアスパンチ２０を孔１２ｂから引き抜いた後には、孔１２ｂの直径Ｄ’が孔拡部２４の直径Ｄよりも若干小さくなり、孔１２ｂの周縁部１２ｃでは周方向に圧縮残留応力が誘起される。この結果、この圧縮残留応力に起因する疲労強度の上昇によって、孔１２ｂの切欠効果に起因する疲労強度の低下が軽減されるので、従来方法で孔明けされた鋼鈑よりも鋼鈑１２の疲労強度が向上することとなる。
【００２１】
被加工物として高張力鋼を使用し、従来のピアスパンチ１０（図３参照）と本発明のピアスパンチ２０（図１参照）を用いて孔１２ｂ（直径１２ｍｍ）を明け、高張力鋼の耐久性を比較した。高張力鋼板の縦を２０ｃｍ、横を３ｃｍ、板厚を６ｍｍとし、繰り返し引張応力（２５０ＭＰａ）を加えた。ピアスパンチ２０を用いて孔が明けられた高張力鋼鈑は、ピアスパンチ１０を用いて孔が明けられた高張力鋼鈑に比べ、約４倍の耐久性があった。
【００２２】
なお、上述した例では、鋼鈑１２に円形の孔を明けたが、これに限定されず、楕円形や矩形の孔であっても本発明を適用できる。孔が楕円形や矩形の場合は、ピアスパンチ２０の先端部２２と孔拡部２４の横断面形状も楕円形や矩形にする。
【００２３】
ここで、図２を参照して、図１に示す鋼鈑１２の孔１２ｂの周縁部に残留応力が誘起されていたか否かを判断する方法の一例を説明する。
【００２４】
図２（ａ）は、残留応力の有無を判断するために鋼鈑を切断する手順を示す説明図であり、（ｂ）は、残留応力の有無を判断するための試験片を示す平面図である。
【００２５】
（ａ）に示すように、鋼鈑１２に明けられた孔１２ｂの縁１２ｅから半径方向（矢印Ｂ方向）に鋼鈑１２の板厚（ここでは６ｍｍ）と同じ長さだ鋼鈑１２を所定幅切断し、続けて、孔１２ｂと同心円状に丸く矢印Ｃ方向に切断する。切断に当っては、破線に沿ってレーザまたはウォータージェットにより切断する。この理由は、レーザまたはウォータージェットを用いると容易かつ高精度に所定幅だけ切断でき、しかも切断に伴う熱歪など、加工歪の影響が少ないからである。
【００２６】
上記のようにして切断することにより、（ｂ）に示す試験片３０が得られる。残留応力の有無を判断するためには、半径方向の切断幅Ｗを測定する。この切断幅Ｗが上記の所定幅と同じ場合は、孔１２ｂの周縁部には残留応力が誘起されていなかった、もしくは残留応力がほとんど誘起されていなかった、と判断できる。切断幅Ｗが上記の所定幅よりも減少している場合は、引張の残留応力が誘起されていたと判断できる。この理由は、レーザまたはウォータージェットによる切断によって引張の残留応力が解放されて孔１２ｂの直径Ｄ’が小さくなるからである。一方、切断幅Ｗが上記の所定幅よりも増加している場合は、圧縮の残留応力が誘起されていたと判断できる。この理由は、レーザまたはウォータージェットによる切断によって圧縮の残留応力が解放されて孔１２ｂの直径Ｄ’が大きくなるからである。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のピアスパンチを用いて孔を明けるに当っては、先端部で明けた孔を孔拡部が拡大して所定広さの開口部を有する孔を被加工物に形成することとなる。先端部で明けた孔を孔拡部が拡大することにより、所定広さの開口部を有する孔の周縁部には、周方向に圧縮残留応力が誘起される。この結果、この圧縮残留応力に起因する疲労強度の上昇によって、所定広さの開口部を有する孔の切欠効果が低減され、被加工物の疲労強度が向上する。
【００２８】
ここで、ピアスパンチの先端部が、被加工物に明けられる孔の深さよりも長いものである場合は、明けられた孔の周縁部に誘起される周方向の圧縮残留応力が大きいので、被加工物の疲労強度がいっそう向上する。
【００２９】
また、ピアスパンチの先端部が、所定広さの開口部の形状に相似する横断面形状を有するものである場合は、明けられた孔の周縁部に比較的大きな周方向の圧縮残留応力を誘起できるので、被加工物の疲労強度がいっそう確実に向上する。
【００３０】
さらに、ピアスパンチの先端部が、孔拡部の太さの８５％以上９５％以下の範囲内の太さを有するものである場合は、明けられた孔の周縁部にいっそう大きな周方向の圧縮残留応力を誘起できるので、被加工物の疲労強度がさらに確実に向上する。
【００３１】
本発明の孔明方法によれば、小さい孔を拡大して所定広さの開口部を有する孔を形成するので、この所定広さの開口部を有する孔の周縁部には、周方向に圧縮残留応力が誘起される。この結果、この圧縮残留応力に起因する疲労強度の上昇によって、所定広さの開口部を有する孔の切欠効果に起因する疲労強度の低下が軽減されるので、従来法で孔明けされた被加工物の疲労強度よりも本発明法で孔明けされた被加工物の疲労強度のほうが高い。
【００３２】
ここで、上記の小さい孔が、所定広さの開口部の８５％以上９５％以下の範囲内の広さの開口部を有するものである場合は、明けられた孔の周縁部にはいっそう確実に大きな周方向の圧縮残留応力が誘起されるので、被加工物の疲労強度がいっそう確実に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のピアスパンチ及び孔明方法の一実施形態を示す模式図であり、（ａ）は、孔を明ける直前の状態を示し、（ｂ）は、孔を明けている途中の状態を示し、（ｃ）は、孔を明けた直後の状態を示す。
【図２】（ａ）は、残留応力の有無を判断するために鋼鈑を切断する手順を示す説明図であり、（ｂ）は、残留応力の有無を判断するための試験片を示す平面図である。
【図３】従来のピアスパンチと孔明方法を示す模式図であり、（ａ）は、孔を明ける直前の状態を示し、（ｂ）は、孔を明けている途中の状態を示し、（ｃ）は、孔を明けた直後の状態を示す。
【符号の説明】
１２  鋼鈑
１２ｂ  孔
１２ｃ  孔の周縁部
２０  ピアスパンチ
２２  先端部
２４  孔拡部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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