WO2023079800A1 - 金属板の曲げ加工部の疲労き裂進展抑制方法及び自動車部品 - Google Patents

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尚記 山口
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    • C21D7/04—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface
    • C21D7/06—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface by shot-peening or the like

Definitions

  • the present invention is a method for suppressing the growth of fatigue cracks in a bent portion of a metal sheet by bending a metal sheet. method), and an automotive part that has a bent portion formed by bending a metal plate and suppresses the propagation of fatigue cracks in the bent portion.
  • Patent Documents 1 and 2, 1 In the second step, bending is performed with a radius of curvature different from the final shape (including an infinite curvature radius, that is, a straight line), and in the second step, bending is performed to the curvature radius of the final shape, and the inner surface of the bend is A technique is disclosed for suppressing the occurrence of cracks on the inner surface of a curved portion by introducing tensile stress. Moreover, in Patent Document 3, the yield stress is increased by applying a surface hardening treatment by shot peening to the surface of the metal plate to which the bending stress is applied, and shot peening is performed. Techniques for improving post-fatigue strength have been proposed.
  • Patent Document 4 as a method for repairing fatigue cracks generated in a curved plate portion of a steel material, at least one of both sides sandwiching the fatigue crack on the surface of the steel material is peened parallel to the fatigue crack. ) to close the opening of the fatigue crack, and then peening directly above the fatigue crack.
  • Patent Document 1 has the problem of high manufacturing costs because it requires two types of molds because there are two bending processes.
  • Patent Literature 2 has a problem in that its applicable location is limited to the burring portion. Since the technique disclosed in Patent Document 3 uses shot peening, it was necessary to perform the processing in a sealed container to prevent scattering of the projection material.
  • the technique disclosed in Patent Document 4 is a method of peening a flat plate or weld toe using an air hammer peening device. When applied to a part that has a bent part that has been processed, the entire inside of the bent part, which is a risk of cracking, must be hit, resulting in low productivity, and the impact pin used for peening. ), the entire part will be deformed by the impact load, and if the tip radius of the impact pin is larger than the curvature radius of the bent portion, the bending angle of the bent portion will increase. was there.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and is applicable to a bent portion after bending without increasing the manufacturing cost of bending a metal plate, A method for suppressing the growth of fatigue cracks in a bent portion of a metal plate, which can suppress the propagation of fatigue cracks in the bent portion without reducing productivity and without changing the bending angle of the entire part or the bent portion.
  • Another object of the present invention is to provide an automobile part that has a bent portion formed by bending a metal plate and suppresses the propagation of fatigue cracks in the bent portion.
  • a method for suppressing fatigue crack propagation in a bent portion of a metal plate according to the present invention suppresses propagation of a fatigue crack in a bent portion obtained by bending a metal plate, and comprises: (valley line direction) with a space equal to or greater than the plate thickness of the metal plate, in a direction orthogonal to the valley line direction, at least from the bending start point on the inner side of the bending portion to the bending end point A plastic strain is applied within the range up to the bending end point to generate compressive residual stress.
  • the compressive residual stress is reduced by forming an indentation band, which is a series of indentations, on the inner side of the bent portion by needle peening treatment using an impact pin.
  • an indentation band which is a series of indentations
  • the radius of curvature in the cross section perpendicular to the direction of the valley line of the tip portion is less than or equal to the radius of curvature of the bent portion.
  • an automobile part according to the present invention has a bent portion formed by bending a metal plate, and suppresses the propagation of fatigue cracks in the bent portion.
  • a striking pin is used in the direction perpendicular to the valley line direction, at least within the range from the bending start point to the bending end point on the inner side of the bend of the bent portion, with a space equal to or greater than the plate thickness of the metal plate along the It has an indentation band, which is a series of impact marks from the needle peening process.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a method for suppressing fatigue crack propagation in a bent portion of a metal plate according to Embodiment 1 of the present invention and an automobile component according to Embodiment 2 of the present invention ((a) bending (b) Cross-sectional view, (c) Explanatory drawing of crack fracture surface and compressive residual stress occurring inside the bent portion).
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the progress of fatigue cracks in the bent portion and the concept of suppressing the growth of the fatigue cracks as the background to the present invention ((a) normal (general) Crack growth in metal plate, (b) Crack growth in bent portion).
  • FIG. 3A and 3B are diagrams for explaining the stress distribution in the bent portion in the background to the present invention ((a) immediately after bending, (b) after springback).
  • FIG. 4 is a diagram showing the results of examining the stress intensity factor in the bending part in the background to the present invention ((a) schematic diagram of the crack fracture surface, (b) (c) Correspondence between the stress intensity factor K(0) in the lateral direction at the crack tip and the fracture surface).
  • FIG. 5 is a diagram showing a fatigue test piece used in a fatigue test in an example of the present invention ((a) front view, (b) cross-sectional view).
  • FIG. 6 is a diagram explaining a fatigue test method in an embodiment of the present invention.
  • Fatigue cracks occurring on the surface of the metal plate generally extend laterally (along the surface of the metal plate 1) and in the depth direction from the location where the crack 5 occurs, as shown in FIG.
  • a semi-elliptical crack fracture surface expands in both directions (thickness direction of the metal plate 1), and eventually, the crack fracture surface reaches the back surface side of the metal plate 1 and fatigue fracture occurs. up to.
  • the inventor observed in detail the propagation process of fatigue cracks generated on the inner side of bending of the bent portion 3 obtained by bending the metal plate 1.
  • the crack 5 generated on the inner side of the bend of the bent portion 3 immediately after the crack 5 occurs in the depth direction (thickness direction of the metal plate 1) and the lateral direction (the valley line direction of the inner side of the bend) in the bent portion 3.
  • the crack 5 propagates in both directions, as shown in Fig. 2(b), the propagation of the crack 5 in the plate thickness direction stops when it reaches a depth of about 1/4 of the plate thickness t. Crack 5 was found to develop only laterally.
  • the inventor focused on the stress distribution in the bent portion 3 as shown in FIG.
  • the bent portion 3 Immediately after bending the metal plate 1, the bent portion 3 has a compressive stress in the area inside the bending from the neutral axis, and a compressive stress in the area outside the neutral axis in the bending, as shown in FIG. is a tensile stress.
  • the compressive stress remains at a position about 1/4 of the plate thickness t from the inner surface of the bent portion 3 .
  • the present invention has been made through various studies based on the above ideas, and specifically has the following configurations.
  • Embodiment 1 ⁇ Method for Suppressing Fatigue Crack Propagation in Bent Part of Metal Plate>
  • a method for suppressing fatigue crack propagation in a bent portion of a metal plate according to Embodiment 1 of the present invention suppresses the propagation of fatigue cracks occurring in the bent portion 3 obtained by bending the metal plate 1.
  • along the valley line direction inside the bend in the bent portion 3 at least the bent portion 3
  • a compressive residual stress is generated by applying plastic strain within the range from the bending start point 3a to the bending end point 3b on the inside of the bending.
  • the compressive residual stress is reduced from the bending start point 3a to the bending end point 3b on the inner side of bending of the bent portion 3 by needle peening treatment using the striking pin 11. It is generated by forming an indentation zone 9 (see FIG. 1(a)), which is a series of impact indentations 7, within a range of up to .
  • the interval d in the valley line direction of the indentation bands 9 is equal to or greater than the plate thickness t of the metal plate 1 .
  • the curvature radius r of the tip portion 13 of the striking pin 11 in a cross section orthogonal to the valley line direction is less than the curvature radius R of the bent portion 3 on the inner side of the bend.
  • FIG. 4 shows the reason why the method for suppressing the growth of fatigue cracks in the bent portion of a metal plate according to the first embodiment suppresses the propagation of cracks occurring in the bending inner side of the bent portion 3 in the direction of the valley line. A description will be given based on the results of examination of the stress intensity factor at the tip of the crack generated inside the bend of the bent portion 3 of the metal plate 1 shown.
  • FIG. 4(a) is a diagram schematically showing the shape of the crack surface. As shown in FIG. 4(a), the crack generated on the inner surface of the bent portion 3 of the metal plate 1 expands in a semielliptical shape in both the depth direction and the lateral direction. Assuming that
  • FIG. 4(b) is the Newman-Raju equation shown below (publicly known literature: J. C. Newman Jr. and I.S. Raju: Eng. Fract. Mech., Vol. 15, No. 1-2 (1981 ), p.185) was used to calculate the stress intensity factor K at the tip of a crack propagating in both the lateral direction (the valley line direction inside the bend) and the depth direction (thickness direction).
  • ⁇ t is the tensile stress
  • ⁇ c is the bending stress
  • a is the depth direction length of the crack fracture surface (thickness direction)
  • c is the lateral length of the crack fracture surface (crack initiation location to the crack tip in the horizontal direction)
  • b is the plate width of the metal plate 1
  • t is the plate thickness of the bent part 3 (metal plate 1)
  • ⁇ is the straight line L connecting the crack initiation point and the crack tip and the surface of the bent portion 3
  • Q (a, c) and F (a, c, b, t, ⁇ ) are given by each variable function (see above publication).
  • the crack depth a was set to 0.7 mm, which is 1/4 of the plate thickness t of 2.8 mm.
  • FIG. 4(b) shows the relationship between the crack fracture surface ratio c/a, which is an index representing the shape of the semi-elliptic crack fracture surface, and K(0) and K(90). In the above formula, the effect of compressive residual stress at a depth of about 1/4 of the plate thickness t from the inner surface of the bend is not considered.
  • the stress intensity factor K(0) in the lateral direction that is, when the shape of the crack fracture surface is close to a semicircular shape, the value is almost constant and high, and it can be seen that the driving force for crack propagation (growth) in the lateral direction is large.
  • region Q the region where the crack fracture surface ratio
  • region Q the shape of the crack fracture surface spreads in the lateral direction (the absolute value of c/a increases )
  • the stress intensity factor K(0) decreases and the driving force for crack propagation in the lateral direction decreases as the shape becomes semielliptical. That is, the magnitude of the driving force for crack propagation in the lateral direction changes with the crack fracture surface ratio
  • 2 as the boundary.
  • the propagation of cracks in the depth direction is the plate thickness t , and the crack propagates only in the lateral direction.
  • the stress intensity factor K(0) in the depth direction is larger than the stress intensity factor K(90) in the depth direction. It is considered difficult to stop.
  • the stress intensity factor K(0) is The stress intensity factor K(90) of the crack fracture surface ratio c/a is smaller than the stress intensity factor K(90), and it gradually decreases as the absolute value of the crack fracture surface ratio c/a increases. Stopping the propagation would be easy.
  • the crack extends to the region Q where the stress intensity factor K(0) is low in the lateral direction. If the growth of is allowed, compressive residual stress lower than that of region P can stop or suppress cracking.
  • FIG. 4(c) shows a graph showing the relationship between the stress intensity factor K(0) in the lateral direction at the crack tip and the crack fracture surface ratio c/a, and the needle peening treatment using the striking pin 11 as shown in Fig. 1.
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing a crack fracture surface when an indentation zone 9 is formed in the crack region Q by applying compressive residual stress.
  • the stress intensity factor K(0) at the position where compressive residual stress is applied by needle peening is 10 to 12% lower value.
  • the compressive residual stress of the bent portion 3 is generated by the needle peening treatment using an impact pin.
  • the impact pin 11 is generated by forming a is preferably
  • buckling deformation may occur during bending and the curvature radius may become extremely small locally, but the curvature radius R of the bending portion 3 is a macroscopic radius of curvature, except when the radius of curvature of the bent portion 3 changes globally due to buckling.
  • the bending portion 3 of the metal plate 1 and its surroundings are deformed by the striking load of the striking pin, which was a problem in the technique described in the above-mentioned Patent Document 4, and the radius of curvature of the striking pin 11 is less than the bent portion.
  • an impact pin having a radius of curvature r smaller than the radius of curvature of the inner side of the bend of the bent portion 3 is used.
  • the range in which the indentation band 9 is formed in the direction orthogonal to the valley line direction on the inner side of the bent portion 3 may be all or part of the range from the bending start point to the bending end point on the inner side of the bend.
  • the bending start point and the bending end point refer to the bending R stop on the bending inner side of the bent portion 3 .
  • the bent portion in the width direction of the bent portion 3, if the crack generation position is clear due to the stress conditions loaded on the metal plate, such as cracks and wrinkles, the bent portion along the valley line direction on the inner side of the bend. It is not necessary to apply the treatment over the entire range of 3, and compressive residual stress may be generated by forming the indentation zone 9 only around the crack initiation position and applying plastic strain.
  • the life required for the part obtained by bending the metal plate and the allowable crack length for the part It may be determined based on the permissible crack length, such as the lower limit of the crack length that can be found during periodic inspection.
  • the present invention may perform needle peening treatment simultaneously with a plurality of striking pins, and if combined with an automatic construction method using a robot arm or the like, a further improvement in productivity can be expected. Furthermore, in the case of parts with many bending parts such as automobile parts, applying this treatment to the entire bending part reduces productivity, so it is necessary to apply this treatment to parts with a small curvature radius of the bending part, or to prevent fatigue in advance. Testing and stress analysis should be performed only in areas where there is concern about fatigue fracture on the inner side of the bend.
  • the present invention only needs to generate compressive residual stress in the bent portion that can suppress the propagation of cracks in the valley line direction of the bent portion.
  • the treatment is not limited to needle peening, and similar treatment may be performed by methods such as laser peening, shot peening, and cold spray.
  • shot peening the same effect can be obtained by masking the position other than the position where the indentation is to be introduced so as not to cause unnecessary plastic deformation.
  • shot peening the same effect can be obtained by masking the position other than the position where the indentation is to be introduced so as not to cause unnecessary plastic deformation.
  • These methods apply impact to the material to give plastic strain and generate compressive residual stress.
  • Laser peening uses shock waves during laser irradiation, while shot peening and cold spray use By projecting the projecting material, a plastic strain is imparted by giving an impact to the bent portion.
  • the present invention it is possible to effectively improve the fatigue life of a part having a bent portion formed by bending a metal plate. Furthermore, according to the present invention, since it is not necessary to perform a peening treatment on the entire inner surface of the bend in the bent portion, an improvement in productivity can be expected. The effect of improving fatigue life due to stress and work hardening can also be expected.
  • an automobile component according to Embodiment 2 of the present invention has a bent portion 3 obtained by bending a metal plate 1, and suppresses the propagation of fatigue cracks in the bent portion. , along the valley line direction of the bent portion 3, at least from the bending start point to the bending end point on the inner side of the bend of the bent portion 3, in a direction orthogonal to the valley line direction, with a space equal to or greater than the plate thickness of the metal plate. It has an indentation zone, which is a series of impact marks produced by needle peening treatment using an impact pin.
  • the fatigue life is improved because the compressive residual stress generated by the indentation zone created by the needle peening treatment with a gap greater than the plate thickness of the metal plate along the crack suppresses the growth of the crack in the valley line direction.
  • the plastic strain imparted to the bent portion in the automobile component according to Embodiment 2 is due to the needle peening treatment.
  • Needle peening treatment is not a limitation, and laser peening, shot peening, cold spray treatment, or the like may be used.
  • a fatigue test was performed using the fatigue test piece 21 shown in FIG. 5 as a test object, and the fatigue strength was evaluated.
  • the bent portion 23 of the fatigue test piece 21 is subjected to needle peening treatment, and indentations are made at predetermined intervals d along the valley line direction on the inner side of the bend.
  • a band 29 was formed.
  • the fatigue test piece 21 with a different interval d between the indentation bands 29 is subjected to a fatigue test.
  • the test piece 21 was designated as Invention Example 1, Invention Example 2, and Invention Example 3. Further, for comparison, Comparative Example 1 was obtained in which the distance d between the indentation bands 29 was set to 2 mm, which is outside the range of the present invention. Table 1 shows the distance d between the indentation bands 29 formed on the fatigue test piece 21 and the results of the fatigue test.
  • Comparative Example 1 the crack progressed through two or more indentation zones 29 at 200,000 cycles, so it was judged to be unacceptable.
  • invention examples 1 to 3 all reach the fatigue limit without cracks passing through two or more indentation zones 29 even after 500,000 cycles, and are considered acceptable. judged.

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Abstract

本発明に係る金属板の曲げ加工部の疲労き裂進展抑制方法は、金属板１を曲げ加工した曲げ加工部３の疲労き裂の進展を抑制するものであって、曲げ加工部３の谷線方向に沿って金属板１の板厚以上の間隔を空けて、谷線方向に直交する方向に、少なくとも曲げ加工部３の曲げ内側における曲げ始点から曲げ終点までの範囲内に塑性ひずみを付与して圧縮残留応力を発生させる。

Description

金属板の曲げ加工部の疲労き裂進展抑制方法及び自動車部品
　本発明は、金属板（metal　sheet）を曲げ加工（bending）した曲げ加工部の疲労き裂（fatigue　crack）の進展を抑制する金属板の曲げ加工部の疲労き裂進展抑制（fatigue　crack　growth　suppressing　method）方法、及び、金属板を曲げ加工した曲げ加工部を有し、該曲げ加工部における疲労き裂の進展を抑制した自動車部品（automotive　part）に関する。
　金属板のプレス成形（press　forming）により曲げ加工した曲げ加工部においては、局所的に強い圧縮応力（compressive　stress）が負荷されるため曲げ内側の表面にき裂（crack）が発生し、このような曲げ加工部を有する部品に繰り返し荷重（cyclic　load）が負荷すると当該き裂が進展し、疲労寿命（fatigue　life）を低下させることが知られている。そこで、これまでに、金属板を曲げ加工した曲げ加工部を有する部品の疲労寿命を向上する技術がいくつか提案されている。
　特許文献１及び特許文献２には、金属板のコイニング加工（coining）の際に、バーリング加工（burring）部の根元を構成する局部の曲げの内側に亀裂が生じるのを抑制するために、１工程目に最終形状と異なる曲率半径（radius　of　curvature）（曲率半径無限大すなわち直線を含む）の曲げ加工を行い、２工程目に最終形状の曲率半径に曲げ加工を行って曲げの内側面に引張応力（tensile　stress）が導入されるようにすることで、曲部の内側面に亀裂が生じるのを抑制する技術が開示されている。また、特許文献３には、曲げ応力を負荷する金属板の表面にショットピーニング法（shot　peening）による表面硬化処理（surface　hardening　treatment）を施すことによって、降伏応力（yield　stress）を高めてショットピーニング後の疲労強度（fatigue　strength）を向上する技術が提案されている。さらに、特許文献４には、鋼材の曲板部に発生した疲労き裂を補修する方法として、鋼材表面の疲労き裂を挟んだ両側のうち少なくとも一側を疲労き裂と平行にピーニング（peening）することで疲労き裂の開口部を閉じ、その後、疲労き裂の直上をさらにピーニングする技術が開示されている。
特開２０１８－５１６０８号公報 特開２０１８－５１６０９号公報 特開２０００－２２５５６７号公報 特許第４４４１６４１号公報
　特許文献１に開示されている技術は、曲げ加工を施す工程が２工程となるために金型を２種類用意する必要があり、製造コストがかかる問題があった。特許文献２に開示されている技術は、適用可能な箇所がバーリング部に限定されるという問題があった。特許文献３に開示されている技術は、ショットピーニングを用いるため、投射材（projection　material）の飛散防止措置のために密閉した容器の中で加工を行う必要があった。特許文献４に開示されている技術は、平板や溶接止端部（weld　toe）に対してエア式のハンマーピーニング装置（hammer　peening　device）を用いてピーニングを行う方法であるが、金属板を曲げ加工した曲げ加工部を有する部品に適用する場合、き裂発生の危険部位である曲げ加工部の曲げ内側の全てを打撃することになって生産性が低いこと、ピーニングに用いる打撃ピン（impact　pin）の打撃荷重（impact　load）によって部品全体が変形してしまうこと、さらに、打撃ピンの先端半径が曲げ加工部の曲率半径より大きいと曲げ加工部の曲げ角度が拡大してしまうこと、といった問題があった。
　本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、金属板の曲げ加工の製造コストを増加させず、曲げ加工した後の曲げ加工部に対して適用可能であって、生産性を低下せず、部品全体や曲げ加工部の曲げ角度を変化させずに曲げ加工部の疲労き裂の進展を抑制することができる金属板の曲げ加工部の疲労き裂進展抑制方法、及び、金属板を曲げ加工した曲げ加工部を有し、該曲げ加工部における疲労き裂の進展を抑制した自動車部品を提供することを目的とする。
　本発明に係る金属板の曲げ加工部の疲労き裂進展抑制方法は、金属板を曲げ加工した曲げ加工部の疲労き裂の進展を抑制するものであって、前記曲げ加工部の谷線方向（valley　line　direction）に沿って前記金属板の板厚以上の間隔を空けて、前記谷線方向に直交する方向に、少なくとも前記曲げ加工部の曲げ内側における曲げ始点（bending　start　point）から曲げ終点（bending　end　point）までの範囲内に塑性ひずみ（plastic　strain）を付与して圧縮残留応力（compressive　residual　stress）を発生させる。
　また、前記圧縮残留応力は、打撃ピンを用いたニードルピーニング処理（needle　peening　treatment）により前記曲げ加工部の曲げ内側に一連の打撃痕（indentation）である圧痕帯（indentation　band）を形成することにより発生させ、前記打撃ピンとして、その先端部の前記谷線方向に直交する断面における曲率半径が、前記曲げ加工部の曲率半径以下のものを用いる。
　また、本発明に係る自動車部品は、金属板を曲げ加工した曲げ加工部を有し、該曲げ加工部における疲労き裂の進展を抑制した自動車部品であって、前記曲げ加工部の谷線方向に沿って前記金属板の板厚以上の間隔を空けて、前記谷線方向に直交する方向に、少なくとも前記曲げ加工部の曲げ内側における曲げ始点から曲げ終点までの範囲内に打撃ピンを用いたニードルピーニング処理による一連の打撃痕である圧痕帯を有する。
　本発明においては、金属板を曲げ加工した曲げ加工部の曲げ内側に発生するき裂の谷線方向への進展を抑制することができ、当該曲げ加工部を有する自動車部品の疲労寿命を効果的に向上させることができる。
図１は、本発明の実施の形態１に係る金属板の曲げ加工部の疲労き裂進展抑制方法及び本発明の実施の形態２に係る自動車部品を説明する図である（（ａ）曲げ加工部に正対する方向からの平面図、（ｂ）断面図、（ｃ）曲げ加工部の内部に発生するき裂破面と圧縮残留応力の説明図）。 図２は、本発明に至った経緯として、曲げ加工部における疲労き裂の進展と、当該疲労き裂の進展を抑制するための概念を説明する図である（（ａ）通常（一般）の金属板におけるき裂進展、（ｂ）曲げ加工部におけるき裂進展）。 図３は、本発明に至った経緯において、曲げ加工部における応力分布を説明する図である（（ａ）曲げ加工直後、（ｂ）スプリングバック（springback）後）。 図４は、本発明に至った経緯において曲げ加工部における応力拡大係数（stress　intensity　factor）を検討した結果を示す図である（（ａ）き裂破面の模式図、（ｂ）き裂破面における深さ方向及び横方向の応力拡大係数、（ｃ）き裂先端における横方向の応力拡大係数K(0)とき裂破面との対応を表す図）。 図５は、本発明の実施例において、疲労試験（fatigue　test）に用いた疲労試験片を示す図である（（ａ）正面図、（ｂ）断面図）。 図６は、本発明の実施例において、疲労試験方法を説明する図である。
＜本発明に至った経緯＞
　金属板の表面に発生する疲労き裂は、一般的には図２（ａ）に示すように、き裂５の発生箇所から横方向（金属板１の表面に沿った方向）と深さ方向（金属板１の板厚方向）の双方に半だ円状のき裂破面が拡大しながら進展し、やがて、き裂破面が金属板１の裏面側にまで到達して疲労破壊（fatigue　fracture）に至る。
　そこで、発明者は、図２（ｂ）に示すように、金属板１を曲げ加工した曲げ加工部３の曲げ内側に発生する疲労き裂について、その進展過程を詳細に観察した。その結果、曲げ加工部３の曲げ内側に発生するき裂５は、発生直後は曲げ加工部３における深さ方向（金属板１の板厚方向）と横方向（曲げ内側の谷線方向）の双方に進展するが、板厚方向へのき裂５の進展は、図２（ｂ）に示すように、板厚tの1/4程度の深さに達した時点で停止し、その後、き裂５は横方向にのみ進展することが判明した。
　この原因を検討するにあたって、発明者は、図３に示すような曲げ加工部３における応力分布に着目した。曲げ加工部３は、金属板１を曲げ加工した直後においては図３（ａ）に示すように、中立軸（neutral　axis）よりも曲げ内側の領域は圧縮応力、中立軸よりも曲げ外側の領域は引張応力が働く。しかしながら、曲げ加工された曲げ加工部３の曲げモーメント（bending　moment）が除荷（unloading）されてスプリングバックした後においては図３（ｂ）に示すように、曲げ内側の表層部は引張応力に反転し、圧縮応力は、曲げ加工部３における曲げ内側の表面から板厚tの約1/4の位置に残存するようになる。
　このことから、曲げ加工部３の曲げ内側に発生する疲労き裂の深さ方向（板厚方向）への進展が曲げ内側の表面より板厚の約1/4の深さで停止するのは、スプリングバック後も曲げ加工部３の内部に残存する圧縮残留応力が原因であることが判明した。
　そこで、発明者は、曲げ加工部の内部に残存する圧縮残留応力によってき裂の板厚方向の進展が停止するという上記知見に基づいて、谷線方向（横方向）に沿って所定の間隔で塑性ひずみを付与して圧縮残留応力を発生させることにより、曲げ加工部３におけるき裂５の谷線方向（横方向）へのき裂の進展を防止もしくは抑制させることが可能ではないかと着想した。
　本発明は、上記着想に基づいて種々の検討を経てなされたものであり、具体的には以下の構成を備えたものである。
［実施の形態１］
＜金属板の曲げ加工部の疲労き裂進展抑制方法＞
　本発明の実施の形態１に係る金属板の曲げ加工部の疲労き裂進展抑制方法は、金属板１を曲げ加工した曲げ加工部３に発生する疲労き裂の進展を抑制するものであって、図１に示すように、曲げ加工部３における曲げ内側の谷線方向に沿って金属板１の板厚t以上の間隔を空けて、谷線方向に直交する方向に、少なくとも曲げ加工部３の曲げ内側における曲げ始点３ａから曲げ終点３ｂまでの範囲内に塑性ひずみを付与して圧縮残留応力を発生させるものである。
　また、本実施の形態１において、圧縮残留応力は、図１（ｂ）に示すように、打撃ピン１１を用いたニードルピーニング処理により、曲げ加工部３の曲げ内側における曲げ始点３ａから曲げ終点３ｂまでの範囲内に一連の打撃痕７である圧痕帯９（図１（ａ）参照）を形成することで発生させる。このとき、圧痕帯９の谷線方向の間隔dは、金属板１の板厚t以上である。そして、打撃ピン１１の先端部１３の谷線方向に直交する断面における曲率半径rは、曲げ加工部３の曲げ内側の曲率半径R以下である。
　本実施の形態１に係る金属板の曲げ加工部の疲労き裂進展抑制方法により、曲げ加工部３の曲げ内側に発生するき裂の谷線方向の進展が抑制される理由を、図４に示す金属板１の曲げ加工部３の曲げ内側に発生したき裂の先端における応力拡大係数の検討結果に基づいて説明する。
　図４（ａ）は、き裂破面（crack　surface）の形状を模式的に示した図である。金属板１の曲げ加工部３における曲げ内側の表面に発生したき裂は、図４（ａ）に示すように、深さ方向と横方向の双方に半だ円状にき裂破面が拡大しながら進展すると仮定する。
　図４（ｂ）は、以下の式に示すNewman-Rajuの式（公知文献：J.　C.　Newman　Jr.　and　I.S.　Raju:　Eng.　Fract.　Mech.,　Vol.　15,　No.1-2(1981),　p.185）を用いて、横方向（曲げ内側の谷線方向）と深さ方向（板厚方向）のそれぞれに進展するき裂先端における応力拡大係数Kを算出した結果である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　上式において、σtは引張応力、σcは曲げ応力（bending　stress）、aはき裂破面の深さ方向長さ（板厚方向）、cはき裂破面の横方向長さ（き裂発生箇所から横方向のき裂先端までの距離）、bは金属板１の板幅、tは曲げ加工部３（金属板１）の板厚、φはき裂発生箇所とき裂先端を結んだ直線Lと曲げ加工部３の表面とがなす角度であり、H(a,c,t,φ)、Q(a,c)及びF(a,c,b,t,φ)は各変数で与えられる関数である（上記の公知文献参照）。
　図４（ｂ）において、K(0)は、横方向（曲げ内側の谷線方向）、すなわち、φ=0°の方向に進展する応力拡大係数、K(90)は、深さ方向（板厚方向）、すなわち、φ=90°の方向に進展する応力拡大係数であり、K(0)及びK(90)の算出において、板厚t（=2.8mm）、板幅50mm、曲げ荷重100MPaとし、き裂の深さaは、板厚t2.8mmの1/4である0.7mmとした。そして、図４（ｂ）は、半だ円状のき裂破面の形状を表す指標であるき裂破面比c/aとK(0)及びK(90)との関係を示している。なお、上式において、曲げ内側の表面から板厚tの約1/4の深さにおける圧縮残留応力の影響は考慮されていない。
　図４（ｂ）に示すグラフより、横方向の応力拡大係数K(0)は、き裂破面比c/aが|c/a|≦2の領域（以下、当該領域を「領域Ｐ」と称す）において、すなわち、き裂破面の形状が半円状に近い場合、ほぼ一定で高い値であり、横方向へのき裂の伝播（進展）の駆動力（driving　force）が大きいことがわかる。一方、き裂破面比|c/a|＞2の領域（以下、当該領域を「領域Ｑ」と称す）では、き裂破面の形状が横方向に広がる（c/aの絶対値が大きくなる）半だ円状となるに従って、応力拡大係数Ｋ(0)は低下し、横方向へのき裂の伝播の駆動力も小さくなることが分かる。すなわち、横方向へのき裂の伝播の駆動力の大きさは、き裂破面比|c/a|=2を境界として変化する。
　ここで、上記検討結果に基づき、曲げ加工部３の曲げ内側に発生するき裂の谷線方向（横方向）への進展を抑制する考え方を説明する。深さ方向へのき裂の進展は板厚tの約1/4の位置で停止すると仮定すると、き裂破面の深さ方向の長さaは、a≒t/4と表される。よって、き裂破面比c/a＝2のとき、2c≒tの関係が成立する。また、き裂が横方向には左右対称に進展すると仮定すると、2cはき裂破面の横方向の幅である。よって、き裂破面比c/a=2のときの、横方向のき裂破面の幅（=2c）は、金属板１の板厚tとほぼ同じ大きさであることがわかる。
　すなわち、曲げ加工部３の曲げ内側に発生するき裂の谷線方向（横方向）の進展による疲労破壊の防止又は抑制を目的とする場合、き裂の深さ方向への進展が板厚tの1/4の位置で停止し、き裂がさらに横方向にのみ進展する過程において、き裂破面の横方向の幅（=2c）が板厚の大きさt以下である間は、横方向への応力拡大係数K(0)は深さ方向の応力拡大係数K(90)に比べて大きく、横方向へのき裂伝播の駆動力は大きいと考えられるため、当該領域においてき裂伝播を停止させるのは困難であると考えられる。
　しかし、き裂がある程度成長し、き裂破面の横方向の幅（=2c）が板厚の大きさt以上に広がった領域（領域Ｑ）では、応力拡大係数K(0)は深さ方向の応力拡大係数K(90)に比べて小さく、また、き裂破面比c/aの絶対値の増加とともに徐々に低下していることから、当該領域ではき裂伝播の駆動力も小さく、き裂伝播を停止させるのは容易であると考えられる。
　そのため、深さ方向に比べて横方向の応力拡大係数K(0)の高い領域Pにおいてき裂の進展を停止させるよりも、横方向の応力拡大係数K(0)が低い領域Qまでき裂の成長を許容すれば、領域Pよりも低い圧縮残留応力でき裂を停止又は抑制させることが可能となると考えられる。
　図４（ｃ）に、き裂先端における横方向の応力拡大係数K(0)とき裂破面比c/aの関係を表すグラフと、図１に示すように打撃ピン１１を用いたニードルピーニング処理によりき裂の領域Qに圧痕帯９を形成して圧縮残留応力を付与した場合のき裂破面を模式的に表した図を示す。図４（ｃ）に示す例は、図１に示す圧痕帯９の間隔dを板厚t（≒き裂破面比c/a=2の時のき裂破面の横方向の幅2c）よりも大きくしたものであり、ニードルピーニングにより圧縮残留応力を付与した位置における応力拡大係数K(0)は、領域P（-2≦c/a≦2）における応力拡大係数K(0)よりも10～12％低い値である。
　このように、曲げ加工部３の谷線方向に沿って板厚t以上に間隔dを空けて圧痕帯９を形成して圧縮残留応力を付与することにより、谷線方向のき裂の進展を抑制することが可能となる。
　なお、本実施の形態１において、曲げ加工部３の圧縮残留応力は、前述のとおり、打撃ピンを用いたニードルピーニング処理により曲げ加工部３の曲げ内側に一連の打撃痕７である圧痕帯９を形成して塑性ひずみを付与することにより発生するものであるが、打撃ピン１１は、その先端部１３の谷線方向に直交する断面における曲率半径rが、曲げ加工部３の曲率半径R以下であることが好ましい。
　打撃ピン１１の先端部１３の曲率半径rが曲げ加工部３の曲率半径Rよりも大きいと、曲げ加工部３を打撃ピン１１の先端部１３で直接打撃することができず、曲げ加工部３に圧縮残留応力を適切に発生させることができないからである。
　なお、曲げ加工部３の曲げ内側の一部においては、曲げ加工時に座屈変形（buckling　deformation）が生じて局所的に曲率半径が極めて小さくなることがあるが、曲げ加工部３の曲率半径Rは、座屈によって大域的に曲げ加工部３の曲率半径が変化している場合を除き、巨視的な曲率半径とすればよい。
　また、前述した特許文献４に記載の技術において問題であった、打撃ピンの打撃荷重によって金属板１における曲げ加工部３やその周囲が変形することと、打撃ピン１１の曲率半径が曲げ加工部３の曲率半径より大きい場合に曲げ加工部３の曲げ角度が拡大してしまうことに関して、本実施の形態１においては、曲げ加工部３の曲げ内側の曲率半径より小さい曲率半径rを有する打撃ピン１１で打撃することにより、金属板１の変形や曲げ加工部３の曲げ角度の変化を抑制すると同時に、曲げ加工部３に圧縮残留応力を適切に導入することができる。
　また、曲げ加工部３の曲げ内側において谷線方向に直交する方向に圧痕帯９を形成する範囲については、曲げ内側における曲げ始点から曲げ終点までの範囲の全部又は一部のいずれでもよい。ここで、曲げ始点及び曲げ終点とは、曲げ加工部３の曲げ内側における曲げＲ止まりのことをいう。
　この時、曲げ加工部３の幅方向においてき裂やしわ、あるいは金属板に負荷される応力条件等によってき裂発生位置が明らかである場合は、曲げ内側の谷線方向に沿って曲げ加工部３の全範囲に渡って処理をする必要はなく、き裂発生位置の周辺部のみに圧痕帯９を形成して塑性ひずみを付与することにより、圧縮残留応力を発生させればよい。
　曲げ加工部３の曲げ内側の谷線方向における圧痕帯９の間隔dの上限は特に規定されるものではないが、金属板を曲げ加工した部品に要求される寿命、部品として許容されるき裂長さや、定期点検で発見できるき裂長さの下限等、許容可能なき裂の長さに基づいて決定すればよい。
　なお、本発明は、複数の打撃ピンで同時にニードルピーニング処理するものであってもよく、ロボットアームなどによる自動施工方法と組み合わせれば、一層の生産性向上が期待できる。さらに、自動車部品等といった曲げ加工部を多く有する部品の場合は、曲げ加工部の全域にこの処理を適用することは生産性を低減させるため、曲げ加工部の曲率半径が小さい箇所、もしくはあらかじめ疲労試験や応力解析（stress　analysis）等で曲げ内側の疲労破壊が懸念される場所のみを限定して行うとよい。
　また、本発明は、曲げ加工部の谷線方向へのき裂の進展を抑制することができる圧縮残留応力を曲げ加工部に発生させるものであればよいため、圧縮残留応力を発生させる方法はニードルピーニングに限定されるものではなく、レーザーピーニング（laser　peening）、ショットピーニング、コールドスプレー（cold　spray）等の方法で同様の処理を行ってもよい。ショットピーニングの場合は、圧痕を導入したい位置以外にマスキングを行い、不要な塑性変形を起こさないようにすることで、同等の効果を得ることができる。これらの方法は材料に衝撃を加えることにより塑性ひずみを与えて圧縮残留応力を発生させる方法であり、レーザーピーニングはレーザー照射（laser　irradiation）時の衝撃波（shock　wave）により、ショットピーニングとコールドスプレーは投射材を投射することにより、曲げ加工部に衝撃を与えることで塑性ひずみを付与する。
　尚、金属板の曲げ加工が純粋な曲げではなく、軸方向の引張・圧縮を伴って行われる場合は、圧縮残留応力が導入される板厚方向の位置は移動するが、その場合も同様に圧縮残留応力が存在する位置でき裂が停止する。従って、圧縮残留応力の位置が板厚tの1/4から大きく異ならない場合では、圧縮残留応力の深さaとき裂破面の横方向長さcとの関係が2c>4aを満たす条件で施工を行えばよい。
　スプリングバックにより圧縮残留応力が導入される深さ方向の位置が板厚の1/4から大きく離れる場合では、上記方法で再計算を行い、K(0)が減少するc/aの値を元にニードルピーニング処理を施す間隔dを決定すればよい。
　以上、本発明においては、金属板を曲げ加工した曲げ加工部を有する部品の疲労寿命を効果的に向上させることができる。さらに、本発明によれば、曲げ加工部における曲げ内側の全面へのピーニング処理が必要ではないため、生産性の向上も期待でき、曲げ内側の局所的に塑性ひずみが与えられたことによる圧縮残留応力や加工硬化（work　hardening）による疲労寿命向上効果も期待できる。
　さらに、本発明によれば、もともと曲げ加工部の曲げ内側にき裂が発生していない場合でも、しわ（wrinkles）等の微視的な凹凸を平滑化するため、微視的な応力集中（stress　concentration）低減の効果が期待できる。その上、曲率半径の小さな先端部を有する打撃ピンを用いることにより、金属板を変形させて圧痕帯を形成するために必要な打撃荷重を低減させることができる。これにより、反力を抑えることで安定した施工が可能となり、特許文献４に記載の方法を金属板の曲げ加工部を有する部品に適用したときに懸念される部品全体の巨視的な変形を抑制するだけでなく、ロボットアーム等を用いて生産ラインに適用することが可能となる。
　また、本発明においては、打撃ピンが曲げ加工部の曲げ内側の表面に接触せずに打撃が十分になされない可能性を排除することができる。さらに、本発明を自動車部品の製造に適用するにあたっては、特許文献１に記載の方法のように曲げ加工を行う追加のプレス金型を必要とせず、特許文献２に記載の方法のようなバーリング部にも適用が可能であり、さらには、特許文献３に記載の方法のようにショットピーニング処理に必要な飛散防止容器が不要である。
［実施の形態２］
＜自動車部品＞
　本発明の実施の形態２に係る自動車部品は、図１に示すように、金属板１を曲げ加工した曲げ加工部３を有し、曲げ加工部における疲労き裂の進展を抑制したものであって、曲げ加工部３の谷線方向に沿って金属板の板厚以上の間隔を空けて、谷線方向に直交する方向に、少なくとも曲げ加工部３の曲げ内側における曲げ始点から曲げ終点までの範囲内に打撃ピンを用いたニードルピーニング処理による一連の打撃痕である圧痕帯を有するものである。
　本実施の形態２に係る自動車部品においても、前述した本発明の実施の形態１に係る金属板の曲げ加工部の疲労き裂進展抑制方法と同様に、曲げ加工部の曲げ内側の谷線方向に沿って金属板の板厚以上の間隔を空けてニードルピーニング処理による圧痕帯により発生している圧縮残留応力によりき裂の谷線方向の進展が抑制されるため、疲労寿命が向上している。
　そして、本実施の形態２に係る自動車部品において曲げ加工部に付与される塑性ひずみは、ニードルピーニング処理によるものであるが、本発明に係る自動車部品は、曲げ加工部に付与される塑性ひずみは、ニードルピーニング処理によるものに限定されず、レーザーピーニング、ショットピーニング、コールドスプレー等の処理によりものであってもよい。
　本発明の作用効果について確認するための実験を行ったので、これについて以下に説明する。
　本実施例では、図５に示す疲労試験片２１を試験対象として疲労試験を行い、疲労強度を評価した。
　板厚2.9mm、降伏強度（yield　strength）850MPa級の熱延鋼板（hot　rolled　steel　sheet）を200mm×50mmに切り出したものを供試材とし、先端部の曲率半径が3mmの曲げ工具（bending　tool）（パンチ（punch））を備えたプレスブレーキ（press　brake）（曲げ機（bending　machine））を用いて曲げ加工を行い、曲げ内側の曲げ半径R=2mm、板厚t=2.8mmの曲げ加工部２３と、曲げ加工部２３の両端辺から延出する片部２５ａ、２５ｂを有し、片部２５ａ、２５ｂのそれぞれに直径φ8.5mmの穴部２７ａ、２７ｂが設けられた疲労試験片２１を作製した。
　次に、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、疲労試験片２１の曲げ加工部２３に対してニードルピーニング処理を施し、曲げ内側の谷線方向に沿って所定の間隔dで圧痕帯２９を形成した。ここで、ニードルピーニングに用いた打撃ピン１１の先端部の曲率半径rは、曲げ加工部２３の谷線方向の断面における曲率半径R=2mmよりも小さいr=0.2mmとした。
　続いて、曲げ加工部２３にニードルピーニング処理を施した疲労試験片２１について、図６に示す境界条件で疲労試験を行った。疲労試験は、図６に示すように、疲労試験片２１における一方の片部２５ａの穴部２７ａ（図６）を固定点として固定するとともに、他方の片部２５ｂの穴部２７ｂを荷重入力点として繰り返し荷重（荷重2.3kN、繰り返し周波数（repetition　frequency）10Hz）を与えた。
　そして、荷重入力のサイクル数10000回ごとに曲げ加工部２３の浸透探傷試験（penetrant　inspection　test）を行い、曲げ加工部２３に発生するき裂の進展を計測した。そして、進展したき裂が圧痕帯２９を2箇所以上通過した疲労試験片についてはき裂が進展したために不合格と判定し、疲労試験を終了した。また、繰り返し荷重のサイクル数50万回を疲労限とし、疲労限に到達した疲労試験片２１については合格と判定して疲労試験を終了した。
　本実施例では、圧痕帯２９の間隔dを変更した疲労試験片２１について疲労試験を行い、間隔dが本発明の範囲内である金属板１の板厚以上である3mm、4mm及び5mmの疲労試験片２１を発明例１、発明例２及び発明例３とした。また、比較対象とし、圧痕帯２９の間隔dが本発明の範囲外であるd=2mmとしたものを比較例１とした。表１に、疲労試験片２１に形成した圧痕帯２９の間隔dと、疲労試験結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　比較例１は、サイクル数20万回においてき裂の進展が圧痕帯２９を2箇所以上通過したため、不合格と判定された。これに対し、発明例１～発明例３は、いずれも、サイクル数50万回においても２カ所以上の圧痕帯２９を通過するき裂の進展が見られずに疲労限に到達し、合格と判定された。
　以上、本発明によれば、金属板を曲げ加工した曲げ加工部の曲げ内側における疲労き裂の進展を抑制し、疲労寿命を向上できることが示された。
　本発明によれば、金属板の曲げ加工の製造コストを増加させず、曲げ加工した後の曲げ加工部に対して適用可能であって、生産性を低下せず、部品全体や曲げ加工部の曲げ角度を変化させずに曲げ加工部の疲労き裂の進展を抑制することができる金属板の曲げ加工部の疲労き裂進展抑制方法、及び、金属板を曲げ加工した曲げ加工部を有し、該曲げ加工部における疲労き裂の進展を抑制した自動車部品を提供することができる。
　　１　金属板
　　３　曲げ加工部
　　　３ａ　曲げ始点
　　　３ｂ　曲げ終点
　　５　き裂
　　７　打撃痕
　　９　圧痕帯
　１１　打撃ピン
　１３　先端部
　２１　疲労試験片
　２３　曲げ加工部
　２５ａ、２５ｂ　片部
　２７ａ、２７ｂ　穴部
　２９　圧痕帯

Claims (3)

  1. 　金属板を曲げ加工した曲げ加工部の疲労き裂の進展を抑制する金属板の曲げ加工部の疲労き裂進展抑制方法であって、
    　前記曲げ加工部の谷線方向に沿って前記金属板の板厚以上の間隔を空けて、前記谷線方向に直交する方向に、少なくとも前記曲げ加工部の曲げ内側における曲げ始点から曲げ終点までの範囲内に塑性ひずみを付与して圧縮残留応力を発生させる、金属板の曲げ加工部の疲労き裂進展抑制方法。
  2. 　前記圧縮残留応力は、打撃ピンを用いたニードルピーニング処理により前記曲げ加工部の曲げ内側に一連の打撃痕である圧痕帯を形成することにより発生させ、
    　前記打撃ピンとして、その先端部の前記谷線方向に直交する断面における曲率半径が、前記曲げ加工部の曲率半径以下のものを用いる、請求項１に記載の金属板の曲げ加工部の疲労き裂進展抑制方法。
  3. 　金属板を曲げ加工した曲げ加工部を有し、該曲げ加工部における疲労き裂の進展を抑制した自動車部品であって、
    　前記曲げ加工部の谷線方向に沿って前記金属板の板厚以上の間隔を空けて、前記谷線方向に直交する方向に、少なくとも前記曲げ加工部の曲げ内側における曲げ始点から曲げ終点までの範囲内に打撃ピンを用いたニードルピーニング処理による一連の打撃痕である圧痕帯を有する、自動車部品。
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