JP7255791B2

JP7255791B2 - 超高強度鋼板にピアスナットを固定する方法

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Publication number: JP7255791B2
Application number: JP2018127707A
Authority: JP
Inventors: 義之永山; 好則大山; 智伸三浦; 由一当銘; 陽輔稲垣
Original assignee: Toyoda Iron Works Co Ltd; Nadex Co Ltd
Current assignee: Toyoda Iron Works Co Ltd; Nadex Co Ltd
Priority date: 2018-07-04
Filing date: 2018-07-04
Publication date: 2023-04-11
Anticipated expiration: 2038-07-04
Also published as: JP2020006386A

Description

本発明は超高強度鋼板にピアスナットを固定する方法に関するものである。

鋼板にナットを固定する方法のひとつとして、ピアスナットあるいはかしめナットと呼ばれる特殊なナットを用いる方法がある。通常ピアスナットには、鋼板にボルト用の穴を打ち抜くための環状の突起と、鋼板の材料をピアスナットに食い込ませて固定する（かしめる）ための環状の溝とがあり、鋼板にピアスナットをプレスすることで一工程で穴の打ち抜きと鋼板への固定が同時にできるという利点がある。場合によっては一連のプレス成形工程の中で同じプレス装置によって固定することもできる。

特開２０１０－０７１３１３号公報特開２０１４－１０９２９１号公報

自動車のセンターピラーなど軽量化が求められる構造部材には、高強度材料からなる鋼板が用いられる傾向がある。鋼板が高強度になるほどそれに穴を開けるために高いプレス力が必要になる。そうすると、今度はピアスナットも硬い材料にしないと穴を開けることができず、材料費が高くつく結果となる。また、熱間プレス材など鋼板が超高強度になると、ピアスナットを固定できたとしても安定した締結状態を得ることが困難になる。

特開２０１０－０７１３１３号公報には、鋼板にあらかじめバーリング穴を開けてからそこにかしめナットをかしめて固定することにより、ピアスナットのようにナット自身で穴を打ち抜かないようにしてナットの固定に必要なプレス力を軽減する方法が記載されている。しかし、このようにナット自身で穴を打ち抜かないようにすることはピアスナットの考え方と逆行しており、ピアスナットを用いる場合の良さが得られない。

特開２０１４－１０９２９１号公報には、ピアスナットをかしめる間に鋼板に焼き入れすることによりピアスナットの固定強度を高める方法が記載されている。しかし、焼き入れによる高強度部位は周囲の軟化した熱影響部（ＨＡＺ）との強度の落差が大きく、ピアスナットによる接合部分が製品使用時の荷重に耐えられない可能性がある。

本発明のひとつの態様は超高強度鋼板にピアスナットを固定する方法であって、引張強度１４７０ＭＰａ以上の材料からなる鋼板を局所的に加熱し、打ち抜きの剪断部位が鋼板材料のＡ₃変態点以下の温度になった状態でプレスによりピアスナットの打ち抜き突起で穴を打ち抜くとともにかしめて鋼板に固定する。これにより、安定して穴を打ち抜き出来ない超高強度鋼板でも容易に穴を打ち抜けるとともに、かしめ領域や押さえ部位に大きな強度差が生じて破断しやすくなるのを防げる。

実施形態によっては、鋼板の剪断部位が４００～７００°Ｃになった状態で打ち抜きが行われるようにする。これにより、打ち抜き部位を剪断可能な程度の強度に落としつつ、その周辺のかしめ領域に必要以上に熱が及ばないようにできる。

実施形態によっては、鋼板のかしめ領域の少なくとも一部がＡ₃変態点以下の温度になった状態でかしめが行われるようにする。これにより、ピアスナットのかしめ凹部の壁面にかしめ凹部が窄まる方向の傾斜が付いていても鋼板の材料がピアスナットに食い込みやすくなり、かしめが確実になる。

実施形態によっては、ピアスナットが打ち抜き突起の外側に押さえ突起を有しており、鋼板の押さえ部位の外側を冷却する工程を含む。これにより、接合後に押さえ突起がピアスナットをしっかり保持できる。

実施形態によっては、加熱工程において打ち抜き領域内にレーザーを当てて加熱を行う。これにより、直接加熱される領域を絞りやすく、周囲への熱影響を抑えられる。

実施形態によっては、鋼板にあらかじめ下穴を開けない。これにより、別途の穴開け工程を増やさずピアスナット本来のメリットを活かせる。

実施形態によっては、かしめ後にかしめ領域を強制的に冷却しない。これにより、焼き入れしないため冷却工程を省ける。

実施形態によっては、鋼板として熱間プレス材に熱間プレスにより焼き入れを行って強度を１４７０ＭＰａ以上とした鋼板を用いる。これにより、高強度であっても成形の自由度とピアスナットの固定が両立可能になる。

ひとつの実施形態としての方法に用いることのできるピアスナットの斜視図である。図１のピアスナットのＩＩ－ＩＩ線での断面図である。別の形態のピアスナットの断面図である。ひとつの実施形態としての方法における鋼板の加熱工程の説明図（下段）と打ち抜き時の鋼板の温度分布の例を示すグラフ（上段）である。打ち抜き時の鋼板の強度分布を示すグラフである。打ち抜き工程において穴を剪断する前の鋼板の断面図である。打ち抜き工程において穴の剪断が完了した鋼板の断面図である。打ち抜き工程において穴の縁のかしめが完了した鋼板の断面図である。

以下、本発明の各種実施形態について図面を参照しながら説明する。本願で開示する方法は、超高強度鋼板（超高張力鋼板ともいう）にピアスナットを接合する場合に適する方法である。ここでいう鋼板とは、プレス成形前のブランク材のみならず、一部または全部のプレス成形段階を経た製造途中のワークも含む。本方法に用いることのできる鋼板は、引張強度が１４７０ＭＰａ以上であるものが特に適する。例えば強度１８００ＭＰａや２０００ＭＰａの鋼板を用いることができる。ひとつの実施形態として、鋼板は熱間プレス材（焼き入れ材）に熱間プレスを行って成形と同時に焼き入れをして強度を１４７０ＭＰａ以上とした鋼板とすることができる。別の実施形態として、鋼板は強度が元から１４７０ＭＰａ以上である冷間プレス材としても良い。

本方法では、鋼板の打ち抜き領域にあらかじめバーリング穴などの下穴を開けないことが好ましい。これにより、別途の穴開け工程を増やさずに自身で穴を開けることのできるピアスナット本来のメリットを活かすことができる。

次に、図１～３を参照しながら、本方法で用いることのできる典型的な構造のピアスナット１０を説明する。ピアスナット１０は、ボルト（図示無し）をねじ込むための雌ねじ１４を備えたナット本体１２と、鋼板に穴を開けるための打ち抜き突起１６とを有する。打ち抜き突起１６はナット本体１２の底部から軸方向に突出し、円形などの閉じた形状（環状）であればいかなる形状でもよい。ピアスナット１０は、さらに押さえ突起２０を有することもある。押さえ突起２０は打ち抜き突起１６の外側でナット本体の底部から軸方向に突出し、図１に示す正方形など、環状とは限らない任意の形状とすることができる。打ち抜き突起１６と押さえ突起２０との間には、鋼板の材料を食い込ませる（かしめる）ための環状のかしめ凹部２２が形成される。厚板用のピアスナット１０など、押さえ突起２０がなく、かしめ凹部２２に外側の壁面２６が存在しないものもある。かしめ凹部２２の壁面２４、２６にはかしめ凹部２２を外部に向かって窄ませるような方向に傾斜をつけることにより鋼板の抜け止めとすることもできる。例えば、図２にあるように内側の壁面２４のみを傾斜させることも、図３にあるようにいずれの壁面２４、２６も傾斜させない（鋼板の表面に対して垂直にする）こともできる。打ち抜き突起１６の先端は剪断刃１８となっており、押さえ突起２０よりも軸方向に突出している。

本方法は、ピアスナット１０を固定する前に、鋼板を局所的に加熱する工程を含む。ひとつの実施形態としては、図４に示すように鋼板４０の打ち抜き領域４２にレーザー装置３０が発するレーザー光３２を当てて加熱を行う。レーザー光３２は、例えば打ち抜き領域４２内の一点に照射しても良いし、打ち抜き突起１６の形状に対応させて動かしても良い。一点に照射する場合の照射位置はナット固定箇所の中心（ピアスナット１０の軸上）が好ましく、照射径は例えば１ｍｍ以下とすることができる。実施形態によっては、鋼板の上下面に電極を当てて直接電流を流したり、コイルによる誘導電流を流したりすることによって抵抗加熱や誘導加熱を行っても良い。後に詳しく説明するように、加熱は、鋼板の剪断部位４４、つまりピアスナット１０の打ち抜き突起１６の剪断刃１８が当たる箇所が鋼板材料のＡ₃変態点以下の温度になるように行う。

本方法はさらに、局所的に加熱された鋼板にプレスによりピアスナット１０を固定する工程を含む。この固定工程では、プレスによりピアスナット１０で鋼板に穴を打ち抜くとともにピアスナット１０のかしめ接合を行う。この工程には、鋼板の成形加工に用いられるような大型のプレス装置や、局所的に加圧することのできる小型のプレス装置を用いることができる。プレス装置は、例えば、図６に示すように頂面に環状のかしめ突起５２を有するダイ（下型）と、駆動源によって加圧することのできるパンチ（図示無し）を備えている。環状のかしめ突起５２は鋼板をピアスナット１０のかしめ凹部２２に押し込むためのものであり、概してピアスナット１０のかしめ凹部２２と相補的な形状を有するものである。

図６～８に示すように、ピアスナット１０の固定を行うには、まず鋼板をダイ５０の上にセットし、ピアスナット１０をパンチにセットする。駆動源でパンチに取り付けられたピアスナット１０を鋼板に向かって下ろしていく。図６に示すように、ピアスナット１０の剪断刃１８が鋼板に当たると剪断が始まる。図７に示すように、鋼板はプレス力によってピアスナット１０の打ち抜き突起１６の剪断刃１８とダイ５０のかしめ突起５２の間で剪断を受け、穴４５が打ち抜かれる。打ち抜かれたスクラップはダイ５０の中央の通路を落ちて排出される。さらにプレス力が加わると、ピアスナット１０の押さえ突起２０とダイ５０のかしめ突起５２により鋼板が絞られる。なお、厚板用のピアスナット１０のように押さえ突起２０がない場合は、この絞りは生じない。最終的には、図８に示すように形成された穴４５の周縁領域（かしめ領域４６）がダイ５０のかしめ突起５２によってピアスナット１０のかしめ凹部２２に押し込まれ、塑性変形してかしめ凹部２２の内面に密着する。かしめ凹部２２の壁面２４の傾斜により、鋼板のかしめ領域４６はピアスナット１０のかしめ凹部２２から抜けにくくなる。

前述のレーザー照射はピアスナット１０と同軸で行っても良い。ひとつの実施形態として、図４の破線で示す位置にピアスナット１０を配置した状態でピアスナット１０の穴を通してレーザー光３２を照射することもできる。しかし、別の実施形態として、レーザー装置３０をピアスナット１０の軸から離してからピアスナット１０の固定を行っても良い。

穴の打ち抜きは、前述のように鋼板の剪断部位４４が鋼板材料のＡ₃変態点以下の温度になった状態で行う。これにより、剪断部位４４の鋼が焼き戻って軟化し、従来の方法では安定して穴を打ち抜き出来ないような超高強度鋼板でも容易に穴を打ち抜き、かしめることができる。なお、当業者であればわかるように、Ａ₃変態点（焼き入れ可能な最低温度）は鋼板材料の組成によって異なり、例えば自動車のセンターピラーに一般に用いられる鋼板材料では８３０°Ｃ程度の温度である。鋼板の材料の温度が局所的にＡ₃変態点を超えてしまうと、その部分だけ焼き入れされてマルテンサイト変態が生じる一方、その周囲は環状の熱影響部（ＨＡＺ）となって強度が落ちる。このため、かしめ領域４６や押さえ部位４８に強度の落差が生じ、ボルト締結後の製品使用時に力が掛かるとその箇所を起点として鋼板が破断しやすくなる。上述のように剪断部位４４の加熱温度をＡ₃変態点以下に留めれば、このような破断を避けることができる。

図４と図５はそれぞれ、ひとつの実施形態としての打ち抜き時におけるピアスナット１０の径方向に関する温度分布と強度分布を示すグラフである。レーザー光３２をナット固定箇所の中央（ピアスナット１０の軸上）に照射して加熱する場合、温度は図４に示すように照射点を中心として概して点対称に分布する。温度は中心から周辺に向かって低下していき、あるところで常温となる。一方で、鋼板材料の強度は図５の示すように照射点から周辺に向かって増加していき、鋼板本来の強度（製品強度）に至る。硬度は一般に強度と相関があるため、強度と同様の分布を示すと考えられる。二つのグラフに示すように、ピアスナット１０の固定は、剪断部位４４がＡ₃変態点Ｔ₁よりも低い温度Ｔ₂となるまで加熱し打ち抜き可能な最大強度Ｓ₁よりも低い強度Ｓ₂となった状態で行うのが好ましい。なお、打ち抜き領域４２は最終的にスクラップとして鋼板から脱離するため、打ち抜き領域４２内にレーザー光３２を照射して加熱する場合、図４に示すように打ち抜き領域４２内の一部がＡ₃変態点を超えて焼き入れされても問題はない。しかしながら、必ずしもこのようにする必要はなく、打ち抜き領域４２も含めてピアスナット１０の固定箇所の全体がＡ₃変態点を超えない状態で打ち抜きを行ってもよい。

実施形態によっては、鋼板の剪断部位４４が４００～７００°Ｃになった状態で打ち抜きする。これにより、剪断部位４４を剪断可能な程度の強度に落としつつ、その周辺のかしめ領域４６に必要以上に熱が及ばないように制御できる。温度が７００°Ｃを超えると熱が周辺の広範囲に伝わり、不必要な部分まで軟化する可能性がある。

実施形態によっては、鋼板の剪断部位４４だけでなくピアスナット１０に食い込むかしめ領域４６もＡ₃変態点以下に加熱して軟化させた状態でかしめを行う。好ましくはかしめ領域４６の一部（少なくとも剪断部位４４の近傍）または全部が４００～７００°Ｃになった状態でかしめを行う。これにより、ピアスナット１０のかしめ凹部２２の内側の壁面に傾斜が付いていても鋼板の材料がかしめ凹部２２に食い込みやすくなり、かしめ接合が確実になる。

実施形態によっては、鋼板の押さえ部位４８から外側、つまりピアスナット１０の押さえ突起２０が当たる箇所から外側は、強度を実質的に落とさないようにしてもよい。言い換えれば、加熱による熱影響を押さえ突起２０の内側までで完結させる。押さえ部位４８は製品使用時に大きな力が掛かる部位であるため、この部位を加熱前の強度に保つようにすると接合後に押さえ突起２０が鋼板をしっかり保持できる。例えば、押さえ突起２０が円形である場合は、押さえ部位４８が実質加熱されない（室温に留まる）ように加熱条件を設定することができる。前述のようにレーザー光３２を用いると直接加熱する領域を絞りやすく、周囲への熱影響を抑えられる利点がある。押さえ突起２０が正方形など円形でない場合は、押さえ部位４８のうちレーザー照射点から最も近い点（例えば正方形の一辺の中央）を実質加熱されないようにすれば、押さえ部位４８の全体を加熱されないようにすることができる。実施形態によっては、鋼板の押さえ部位４８から外側の領域を冷却することにより軟化を抑えることもできる。これにより、押さえ突起２０の形状によらず熱影響の及ぶ範囲を制御することができる。冷却は、例えば図４に示すように金属ブロック３４（冷やし金）を鋼板に接触させて吸熱することによって行うこともできる。金属ブロック３４は例えば銅製とすることができ、内部通路に冷却水を通すこともできる。

なお、接合後にはかしめ部を強制的に冷却しない（放冷する）のが好ましい。つまり、本方法は基本的にかしめ部に焼き入れをしないため、焼き入れのための冷却工程は必要ない。

以上、本発明を具体的な実施形態を用いて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、当業者は本発明の目的を逸脱することなく様々な置換、改良、変更を施すことが可能である。

１０ピアスナット
１２ナット本体
１６打ち抜き突起
１８剪断刃
２０押さえ突起
２２かしめ凹部
２４内側の壁面
２６外側の壁面
３０レーザー装置
３２レーザー光
３４金属ブロック
４０鋼板
４２打ち抜き領域
４４剪断部位
４５穴
４６かしめ領域
４８押さえ部位
５０ダイ
５２かしめ突起

Claims

超高強度鋼板にピアスナットを固定する方法であって、引張強度１４７０ＭＰａ以上の材料からなる鋼板の打ち抜き領域内を局所的に加熱することにより、打ち抜き領域の内部に鋼板材料のＡ ₃ 変態点を超える温度となる部分を生じる一方で温度がその部分から周辺に向かって低下して打ち抜きの剪断部位で鋼板材料のＡ₃変態点以下の温度となるようにして剪断部位を軟化させ、その状態でプレスによりピアスナットの打ち抜き突起で穴を打ち抜くとともにかしめて鋼板に固定する方法。
請求項１の方法であって、鋼板の剪断部位が４００～７００°Ｃになった状態で打ち抜きが行われるようにする方法。
請求項１または２の方法であって、鋼板のかしめ領域の少なくとも一部がＡ₃変態点以下の温度になった状態でかしめが行われるようにする方法。
請求項１から３のいずれかの方法であって、ピアスナットが打ち抜き突起の外側に押さえ突起を有しており、鋼板の押さえ部位の外側を冷却する方法。
請求項１から４のいずれかの方法であって、加熱工程において打ち抜き領域内にレーザーを当てて加熱を行う方法。
請求項１から５のいずれかの方法であって、鋼板にあらかじめ下穴を開けない方法。
請求項１から６のいずれかの方法であって、かしめ後にかしめ領域を強制的に冷却しない方法。
請求項１から７のいずれかの方法であって、鋼板として熱間プレス材に熱間プレスにより焼き入れを行って強度を１４７０ＭＰａ以上とした鋼板を用いる方法。