JP2012112402A - ピアスナットの固着方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ピアスナットを小型化でき、しかも穴抜きダイスにかしめ突起を設ける必要が無く、ダイス寿命を延ばすことができる。
【解決手段】ナット本体２のねじ孔３を含む中央部に突設した、穴抜きパンチとして働くパイロット部４で穴抜きダイス２０上に載置した金属板１０を穴抜き加工して、金属板１０に固着されるピアスナット１の固着方法であって、パイロット部４の高さは、金属板１０の板厚より小さくし、パイロット部４が金属板１０に打ち込まれ、穴抜き加工のせん断が完了したとき、ナット本体２の座面２ａが金属板１０の表面に当接すると共に、金属板１０の穴抜き開口部１１の周側面部分がパイロット部４の外周面に喰い込んで、ピアスナット１が金属板１０に固着され、パイロット部４の端面６は金属板１０を貫通せずに、該金属板１０の裏面より内側に位置する。
【選択図】図６

Description

本発明は、ナット本体のねじ孔を含む中央部に、穴抜きパンチとして働くパイロット部が突設され、前記パイロット部で穴抜きダイス上に載置した金属板を穴抜き加工して、前記金属板に固着されるピアスナットの固着方法に関するものである。

従来のピアスナットは、前記パイロット部が前記金属板を打ち抜いて貫通し、打ち抜いた貫通孔の周縁部をかしめて前記金属板に固着されるようになっている。

例えば、特許文献１及び特許文献２等により知られている矩形状タイプのピアスナット（通称、ユニバーサルタイプ又はフラットタイプ）が、最も基本的な構造であるが、大型で、かつ、前記金属板を打ち抜いて貫通した前記パイロット部が前記金属板の下面から突出して、ねじ締結作業に支障とならないように、ナット打ち込み部の金属板部分にエンボス加工（特許文献１の図５参照）を必要とする等の理由で、現在は殆ど使用されていない。

一方、ナット本体の外周縁に沿って前記パイロット部を囲むように突出する側壁を設けて、前記パイロット部と前記側壁との間に環状溝を形成し、かつ、回転抗力（ピアスナットの回転運動を妨げる力）を向上させるために、前記ナット本体を四角形又は六角形にして前記環状溝の輪郭形状を非円形としたピアスナットは、ハイストレスタイプ（又は凹型）のピアスナットとして、例えば特許文献３、特許文献４及び特許文献５等により知られている。

上記したハイストレスタイプ（又は凹型）のピアスナットは、金属板を打ち抜き貫通する前記パイロット部の高さが金属板の板厚より大きくなり、また、前記環状溝を設けるため、ピアスナット全体が大型になる。しかも、前記パイロット部で打ち抜いた前記金属板の打ち抜き孔周縁部を前記環状溝に圧入するため、穴抜きダイスの上面にかしめ突起を設ける必要があり、該かしめ突起は、前記金属板が厚くなれば破損の頻度が極端に増すという問題があった。

本発明は、ナット本体の中央部に突設するパイロット部が金属板を打ち抜いて貫通するという従来のピアスナットの概念を変え、前記パイロット部の高さは前記金属板の板厚より小さくして、前記金属板に打ち込んだ前記パイロット部は前記金属板を貫通せず、穴抜き加工はせん断完了までとすることで、ピアスナットを小型化でき、しかも前記穴抜きダイスにかしめ突起を設ける必要が無く、ダイス寿命を延ばすことができ、特に板厚の大きい金属板に固着するのに適合したピアスナットの固着方法を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、本発明は、次のような技術的手段を採用したものである。

請求項１に係る発明は、ナット本体のねじ孔を含む中央部に、穴抜きパンチとして働くパイロット部が突設され、前記パイロット部で穴抜きダイス上に載置した金属板を穴抜き加工して、前記金属板に固着されるピアスナットの固着方法であって、前記パイロット部の高さ（Ｈ）は、前記金属板の板厚（Ｔ）より小さく設定し、前記パイロット部が前記金属板に打ち込まれ、穴抜き加工のせん断が完了したとき、前記ナット本体の座面が前記金属板の表面に当接すると共に、前記金属板の穴抜き開口部の周側面部分が前記パイロット部の外周面に喰い込んで、前記ピアスナットが前記金属板に固着され、前記パイロット部の端面は前記金属板を貫通せずに、該金属板の裏面より内側に位置し、さらに、前記パイロット部の穴抜き加工により生じた抜きスラグは前記金属板の前記穴抜き開口部と前記穴抜きダイスの前記抜き穴との間に残存しており、続いて、前記ピアスナットの前記ねじ孔に対して上下動自在に配設された突き出しピンで前記抜きスラグを下方へ押し出し、前記穴抜きダイスの前記抜き穴に排出することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、ナット本体のねじ孔を含む中央部に、穴抜きパンチとして働くパイロット部が突設され、前記パイロット部で穴抜きダイス上に載置した金属板を穴抜き加工して、前記金属板に固着されるピアスナットの固着方法であって、前記パイロット部の高さ（Ｈ）は、前記金属板の板厚（Ｔ）の６０％〜９０％に設定し、前記パイロット部の外径（Ｄ１）と、前記穴抜きダイスの抜き穴の内径（Ｄ２）との寸法差の半分、すなわち（Ｄ２−Ｄ１）／２をクリアランス（Ｃ）と定め、前記パイロット部による穴抜き加工のせん断が、前記金属板の板厚（Ｔ）の５０％前後で完了するように、前記クリアランス（Ｃ）を設定し、前記パイロット部が前記金属板に打ち込まれ、穴抜き加工のせん断が完了したとき、前記ナット本体の座面が前記金属板の表面に当接すると共に、前記金属板の穴抜き開口部の周側面部分が前記パイロット部の外周面に喰い込んで、前記ピアスナットが前記金属板に固着され、前記パイロット部の端面は前記金属板を貫通せずに、該金属板の裏面より内側に位置し、さらに、前記パイロット部の穴抜き加工により生じた抜きスラグは前記金属板の前記穴抜き開口部と前記穴抜きダイスの前記抜き穴との間に残存しており、続いて、前記ピアスナットの前記ねじ孔に対して上下動自在に配設された突き出しピンで前記抜きスラグを下方へ押し出し、前記穴抜きダイスの前記抜き穴に排出することを特徴とする。

前記クリアランス（Ｃ）は、概ね板厚（Ｔ）の７％〜１６％に設定される。

前記ピアスナットは、前記パイロット部の外周面が、端面から前記ナット本体の座面に向けて僅かに縮径するテーパに形成されていると共に、該外周面に多数の凹溝が設けられている。

本発明のピアスナット固着方法に適合する前記金属板は、板厚（Ｔ）が３．０ｍｍ〜１２．０ｍｍの比較的厚い鋼板である。

上述のように、本発明の固着方法によれば、ピアスナットのパイロット部の高さを、固着する金属板の板厚より小さくし、かつ、ナット本体の座面には環状溝等の凹部を設けないので、ピアスナットを小型化でき、かつ、前記パイロット部が前記金属板の裏面に突出しないので、ねじ締結作業に好都合である。

しかも、前記金属板に打ち込んだ前記パイロット部は前記金属板を貫通せず、せん断が完了すると穴抜き工程は終了するので、本発明の固着方法は、板厚（Ｔ）が３．０ｍｍ〜１２．０ｍｍの比較的厚い鋼板にピアスナットを固着するのに適している。

さらに、前記穴抜きダイスにかしめ突起を設ける必要が無くなるので、ダイス寿命が大幅に延びる。

本発明に係る固着方法に使用するピアスナットを示しており、（ａ）は頂面側から見た斜視図、（ｂ）は底面側から見た斜視図である。 （ａ）は同上ピアスナットの一部縦断正面図、（ｂ）は同上ピアスナットの底面図である。 同上ピアスナットと、該ピアスナットを固着する金属板と、穴抜きダイスとの位置関係と寸法関係を示す説明図である。 図３のクリアランス（Ｃ）を設定する測定試験の説明図であり、（ａ）は加圧棒によりピアスナットを加圧する準備状態を示し、（ｂ）はピアスナットのパイロット部によるせん断完了状態を示し、（ｃ）はピアスナットの穴抜き完了状態を示している。 図４に示した測定試験における加圧棒によるピアスナットに対する加圧力の変化を示す線図である。 同上ピアスナットの穴抜き固着工程を示す説明図であり、（ａ）は穴抜き開始状態を示し、（ｂ）はせん断完了及び固着状態を示し、（ｃ）は穴抜き完了状態を示している。 本発明に係る固着方法に使用するピアスナットの変形例で、ナット本体が円柱状の丸型タイプのピアスナットであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は一部縦断正面図、（ｃ）は底面図である。 本発明に係る固着方法に使用するピアスナットの変形例で、ナット本体が四角形の角型タイプのピアスナットであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は一部縦断正面図、（ｃ）は底面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。

図１及び図２は、本発明に係る固着方法に使用するピアスナット１を示している。該ピアスナット１は、ナット本体２が四角ナットの角部に丸みを付けた角丸四角型で、該ナット本体２のねじ孔３を含む中央部に、穴抜きパンチとして働く円筒状のパイロット部４が突設されている。該パイロット部４の外周面５は、端面６から根元、すなわちナット本体２の座面２ａに向けて僅かに縮径するテーパに形成されている。また、外周面５には、周方向に等間隔をおいて、かつ軸線とほぼ平行に延びる多数の凹溝７が設けられており、各凹溝７は断面形状が浅い円弧状に形成されている。

図３は、上述したピアスナット１と、該ピアスナット１を固着する金属板１０と、穴抜きダイス２０との位置関係と寸法関係を示している。

本発明による固着方法は、穴抜きダイス２０の上面に載置した金属板１０にピアスナット１のパイロット部４を打ち込み、該パイロット部４により穴抜き加工して、金属板１０に固着するが、パイロット部４の高さ（Ｈ）は、金属板１０の板厚（Ｔ）より小さくして、金属板１０を貫通させずにパイロット部４による穴抜き加工はせん断が完了するまでとする。そのため、パイロット部４の高さ（Ｈ）は、金属板１０に十分なクリンチ力を確保して固着させるため、板厚（Ｔ）の６０％を基準にして、金属板１０を貫通しない範囲で板厚（Ｔ）の６０％〜９０％に設定する。一方、金属板１０に穴抜き加工する場合、せん断と破断が発生するが、せん断が完了した時点で実質的な穴抜き加工は終了する。その際、せん断長さはパイロッド部４の外径（Ｄ１）と穴抜きダイス２０の抜き穴２１の内径（Ｄ２）との寸法差の半分、すなわち（Ｄ２−Ｄ１）／２により定まるクリアランス（Ｃ）の大きさで決定される。クリアランス（Ｃ）が小さい場合はせん断長さが大きくなり、クリアランス（Ｃ）が大きい場合にはせん断長さは小さくなる。本発明においては、パイロット部４の高さ（Ｈ）を考慮して、パイロット部４による穴抜き加工のせん断が、金属板１０の板厚（Ｔ）の５０％前後で完了するようにクリアランス（Ｃ）を設定する。

図４は、クリアランス（Ｃ）を設定する測定試験の説明図である。穴抜きダイス２は、ピアスナット１のパイロット部４の外径（Ｄ１）より大きい内径（Ｄ２）の抜き穴２１を有し、該穴抜きダイス２０の上面に載置した金属板１０に対してピアスナット１を穴抜きダイス２０と同軸上に位置決めし、該ピアスナット１に当接した加圧棒３０を図示しない万能試験機で加圧して、パイロット部４を金属板１０に打ち込んで穴抜き加工する。加圧棒３０の加圧力を増していくと、パイロット部４による穴抜き加工が進行し、図４（ｂ）に示すように、せん断が完了すると、加圧棒３０の加圧力が急激に低下し、実質的に穴抜き加工は終了する。このパイロット部４による穴抜き加工によって金属板１０に穴抜き開口部１１と抜きスラグ１２が生じる。

さらに、加圧棒３０を押し下げると、ピアスナット１に対する加圧力が増して（図５参照）、ナット本体２の座面２ａが金属板１０に押圧されると共に、パイロット部４が穴抜き開口部１１にかしめられて金属板１０に固着される。一方、穴抜き加工によって生じた抜きスラグ１２の外周面にはせん断面１３と破断面１４が発生するので、図４（ｃ）のように、図示しないピンにより突き出した抜きスラグ１２のせん断面１３の長さ（Ｌ）を測定する。

上記した試験測定を抜き穴２１の内径（Ｄ２）の異なる穴抜きダイス２０を用いて繰り返し行ない、抜きスラグ１２のせん断面１３の長さ（Ｌ）が、金属板１０の板厚（Ｔ）の約５０％になる内径（Ｄ２）を有する抜き穴２１の穴抜きダイス２０を選定する。このようにして選定した穴抜きダイス２０の抜き穴２１の内径（Ｄ２）とパイロット部４の外径（Ｄ１）との寸法差の半分、すなわち（Ｄ２−Ｄ１）／２により定まる図３のクリアランス（Ｃ）が最適クリアランスとなる。該クリアランス（Ｃ）は、金属板１０の材質によっても、異なるが、上述した測定試験の結果、概ね板厚（Ｔ）の７％〜１６％の範囲であることが分かった。

ピアスナット１のパイロット部４の外径Ｄ１：２２．４ｍｍ

ピアスナット１のパイロット部４の高さＨ：５．０ｍｍ

穴抜きダイス２０の抜き穴２１の内径Ｄ２：２４．５ｍｍ

金属板１０が鋼板で、強度：８８０Ｍｐａ，板厚Ｔ：８．０ｍｍ

クリアランスＣ：１．０５ｍｍ（板厚Ｔ：８．０ｍｍの１３．１％）

上記のように設定して、穴抜きダイス２０の上面に載置した金属板１０にピアスナット１のパイロット部４を打ち込み、穴抜き固着したとき、せん断荷重は２９トンで、抜きスラグ１２のせん断面１３の長さ（Ｌ）が金属板１０の板厚（Ｔ）の約５０％であった。また、抜きスラグ１２を突き出す落下荷重は、１００ｋｇ程度であった。

図６は、上記のようにして選定した穴抜きダイス２０を用いてピアスナット１を金属板１０に固着する穴抜き固着工程を示しており、金属板１０は穴抜きダイス２０の上面に載置され、ピアスナット１はパイロット部４の端面６を金属板１０に当接して穴抜きダイス２０と同軸上に位置決め支持された状態で、円筒状の打込みパンチ２５により加圧してパイロット部４が金属板１０に打ち込まれる。打込みパンチ２５には、ピアスナット１のねじ穴２に対して上下動自在に配設される突き出しピン２６が嵌装されている。

図６（ａ）は、パイロット部４が金属板１０に打ち込まれ、穴抜き加工の開始状態を示しており、パイロット部４の端面６周縁と穴抜きダイス２０の抜き穴２１の上端開口縁２１ａとの間でせん断が発生している。

図６（ｂ）は、さらに打込みパンチ２５の加圧力を増し、パイロット部４がさらに金属板１０に打ち込まれて、穴抜き加工のせん断が完了した状態を示しており、金属板１０に穴抜き開口部１１が形成されると共に、抜きスラグ１２が生じる。この状態において、ピアスナット１をさらに加圧すると、ナット本体２の座面２ａが金属板１０の表面に押圧されると共に、穴抜き開口部１１がパイロット部４の外周面に喰い込んで金属板１０にピアスナット１が固着される。このとき、パイロット部４の外周面５が端面６から座面２ａに向けて僅かに縮径するテーパに形成され、かつ、周方向へ等間隔をおいて軸方向へ延びる多数の凹溝７が外周面５に設けられているので、金属板１０に固着されたピアスナット１は十分な引き抜き抗力と回転抗力が得られる。また、パイロット部４の端面６は金属板１０を貫通せずに、金属板１０の裏面より内側に位置してる。このようにパイロット部４が金属板１０を貫通しないでピアスナット１が固着されると、金属板１０の裏面側からボルト等の雄ねじをねじ孔３に螺合してねじ締結する際に好都合である。

一方、抜きスラグ１２は、外周面に金属板１０の板厚（Ｔ）の約５０％の長さ（Ｌ）を有するせん断面１３と破断面１４とが形成されていて、金属板１０の穴抜き開口部１１と穴抜きダイス２０の抜き穴２１との間に残存している。

続いて、図６（ｃ）に示すように、打込みパンチ２５に上下動可能に嵌装した突き出しピン２６が下降して、抜きスラグ１２を突き出し、穴抜きダイス２０の抜き穴２１から排出穴２２を通じて排出して、ピアスナット１の穴抜き固着工程が完了する。

図７及び図８は、本発明に係る固着方法に使用するピアスナットの変形例を示しており、図７はナット本体が円柱状の丸型タイプであり、図８はナット本体が四角形の角型タイプである。

１ ピアスナット
２ ナット本体
２ａ 座面
３ ねじ孔
４ パイロット部
５ 外周面
６ 端面
７ 凹溝
１０ 金属板
１１ 穴抜き開口部
１２ 抜きスラグ
１３ せん断面
１４ 破断面
２０ 穴抜きダイス
２１ 抜き穴
２１ａ 抜き穴２１の上端開口縁
２２ 排出口
２５ 打込みパンチ
２６ 突き出しピン
Ｈ パイロット部４の高さ
Ｔ 金属板１０の板厚
Ｄ１ パイロット部４の外径
Ｄ２ 穴抜きダイス２０の抜き穴２１の内径
Ｃ クリアランス
Ｌ せん断面１３の長さ

米国特許第２，７０７，３２２号明細書 米国特許第３，１５２，６２８号明細書 特公平８−２９３９２号公報 特許第２８１６６４５号公報 特許第３１２４３５７号公報

Claims (5)

1. ナット本体のねじ孔を含む中央部に、穴抜きパンチとして働くパイロット部が突設され、前記パイロット部で穴抜きダイス上に載置した金属板を穴抜き加工して、前記金属板に固着されるピアスナットの固着方法であって、
   前記パイロット部の高さ（Ｈ）は、前記金属板の板厚（Ｔ）より小さく設定し、
   前記パイロット部が前記金属板に打ち込まれ、穴抜き加工のせん断が完了したとき、前記ナット本体の座面が前記金属板の表面に当接すると共に、前記金属板の穴抜き開口部の周側面部分が前記パイロット部の外周面に喰い込んで、前記ピアスナットが前記金属板に固着され、前記パイロット部の端面は前記金属板を貫通せずに、該金属板の裏面より内側に位置し、さらに、前記パイロット部の穴抜き加工により生じた抜きスラグは前記金属板の前記穴抜き開口部と前記穴抜きダイスの前記抜き穴との間に残存しており、
   続いて、前記ピアスナットの前記ねじ孔に対して上下動自在に配設された突き出しピンで前記抜きスラグを下方へ押し出し、前記穴抜きダイスの前記抜き穴に排出することを特徴とするピアスナットの固着方法。
2. ナット本体のねじ孔を含む中央部に、穴抜きパンチとして働くパイロット部が突設され、前記パイロット部で穴抜きダイス上に載置した金属板を穴抜き加工して、前記金属板に固着されるピアスナットの固着方法であって、
   前記パイロット部の高さ（Ｈ）は、前記金属板の板厚（Ｔ）の６０％〜９０％に設定し、
   前記パイロット部の外径（Ｄ１）と、前記穴抜きダイスの抜き穴の内径（Ｄ２）との寸法差の半分、すなわち（Ｄ２−Ｄ１）／２をクリアランス（Ｃ）と定め、前記パイロット部による穴抜き加工のせん断が、前記金属板の板厚（Ｔ）の５０％前後で完了するように、前記クリアランス（Ｃ）を設定し、
   前記パイロット部が前記金属板に打ち込まれ、穴抜き加工のせん断が完了したとき、前記ナット本体の座面が前記金属板の表面に当接すると共に、前記金属板の穴抜き開口部の周側面部分が前記パイロット部の外周面に喰い込んで、前記ピアスナットが前記金属板に固着され、前記パイロット部の端面は前記金属板を貫通せずに、該金属板の裏面より内側に位置し、さらに、前記パイロット部の穴抜き加工により生じた抜きスラグは前記金属板の前記穴抜き開口部と前記穴抜きダイスの前記抜き穴との間に残存しており、
   続いて、前記ピアスナットの前記ねじ孔に対して上下動自在に配設された突き出しピンで前記抜きスラグを下方へ押し出し、前記穴抜きダイスの前記抜き穴に排出することを特徴とするピアスナットの固着方法。
3. 前記クリアランス（Ｃ）が前記金属板の板厚（Ｔ）の７％〜１６％であることを特徴とする請求項２記載のピアスナットの固着方法。
4. 前記パイロット部の外周面が、端面から前記ナット本体の座面に向けて僅かに縮径するテーパに形成されていると共に、該外周面に多数の凹溝が設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のピアスナットの固着方法。
5. 前記金属板が、板厚（Ｔ）３．０ｍｍ〜１２．０ｍｍの鋼板であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のピアスナットの固着方法。

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