CN116075375A - 金属板的冲裁装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的金属板的冲压装置11具有：支承金属板1的冲模13、在支承于冲模13上的金属板1上形成圆形的冲压孔3的冲头15，冲头15具有：主体部17；圆柱状的冲裁部19；以能够以冲裁部19的中心轴为旋转轴而旋转的方式配设的旋转部21；设置于旋转部21的外周面的研磨布纸23；以能够在冲裁方向上收缩及伸长的方式配设在主体部17与冲裁部19之间的弹簧25，在直到冲裁部19与金属板1接触并进行冲压为止的期间，弹簧收缩而作为弹性能量蓄积，在对金属板1进行冲压之后，所述弹性能量被释放而弹簧伸长；以及将由弹簧25的伸长引起的冲裁部19的直线运动转换为旋转部21的旋转运动的旋转运动转换机构27。

Description

金属板的冲裁装置
技术领域
本发明涉及金属板(metal sheet)的冲裁(punching)装置，尤其涉及形成提高了剪切端面(sheared edge)的疲劳强度(fatigue strength)的冲孔(punched hole)的金属板的冲裁装置(punching machine)。
背景技术
对于经冲裁加工(blanking)的金属板的冲孔的剪切端面而言，已知其因冲裁加工而产生冲孔圆周方向的拉伸残余应力(tensile residual stress)、端面粗糙等，与用钻头等机械加工(machining)后的孔的端面相比疲劳强度低(参照非专利文献1)，成为汽车部件(automotive part)等的疲劳破坏(fatigue fracture)的原因。因此，希望改善冲裁加工后的金属板的冲孔的剪切端面的性状来提高疲劳强度。
为了形成改善了剪切端面的性状的冲孔，例如提出了以下的技术。在专利文献1及专利文献2中，提出了预先使金属板塑性变形(plastic deformation)而形成压痕(indentation)后进行冲裁的方法。另外，在专利文献3中提出了摩擦冲孔的剪切端面的方法，在冲头的比前端侧的剪切部(shearing part)更靠基端侧(base-end side)设置比剪切部扩径的大模部(a large-size part)，从剪切部贯通金属板的冲孔的状态进一步向冲裁方向移动而使大模部通过，由此摩擦冲孔的剪切端面。而且，在专利文献4中，提出了通过冲头模具(punch)、冲模模具(die)和防皱模具(blank holder)的组合，与冲头模具的移动联动地一边利用防皱模具对金属板进行加压一边进行冲裁加工的方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009－12018号公报
专利文献2：日本特开2008－137073号公报
专利文献3：WO2009－125786号公报
专利文献4：日本特开2004－283875号公报
非专利文献1
吉武他：汽车技术会论文集，Vol.33，No.4，pp.203－208(2002)
发明内容
发明要解决的课题
但是，在专利文献1和专利文献2公开的方法中，由于除了在金属板上形成冲孔的模具(tool)之外，还需要另外的模具，故存在工序数量增加，生产率低的问题。另外，在专利文献3所公开的方法中，存在当大模部通过冲孔时冲孔周边的金属板发生变形的问题。
而且，根据专利文献4所公开的方法，通过提高剪切端面中的剪切面(shearsurface)的比例，能够提高疲劳强度，但即使采用上述方法，由于在剪切端面残留有断裂面(fracture surface)，因此也无法充分抑制断裂面的裂纹(crack)的产生。而且，由于需要特殊形状的防皱模具，所以存在能够适用的部位受到限制的问题。
本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于提供如下的金属板的冲裁装置，除了形成冲孔的模具之外不需要其他的模具，在一个工序中形成改善了剪切端面的性状的冲孔，能够抑制从剪切端面产生裂纹而提高疲劳强度。
用于解决课题的手段
本发明的金属板冲压装置具有冲模(die)和冲头(punch)，所述冲模支承金属板并具有圆形的开口部，所述冲头在支承于所述冲模的所述金属板上形成圆形的冲孔，其中，所述冲头具有：主体部；设置在前端的圆柱状的冲裁部(punching part)；旋转部，其以能够以所述冲裁部的中心轴为旋转轴而旋转的方式配设在所述主体部与所述冲裁部之间；研磨布纸(abrasive cloth and paper)，其设置于所述旋转部的外周面，对所述冲孔的剪切端面进行研磨；弹簧，其以能够在冲裁方向上收缩及伸长的方式配设在所述主体部与所述冲裁部之间，在直到所述冲裁部与所述金属板接触并进行冲裁为止的期间所述弹簧收缩而将冲裁载荷(punching的load)的一部分作为弹性能量蓄积，在将所述金属板冲裁后，所述弹性能量被释放而所述弹簧伸长；和旋转运动转换机构(rotational motion conversiondevice)，其将由所述弹簧的伸长引起的所述冲裁部在冲裁方向上的直线运动(linearmotion)转换为所述旋转部的旋转运动(rotary motion)。
可以是，所述旋转运动转换机构具有：板状齿条(rack)，其从所述主体部的前端向冲裁方向延伸设置；第1齿轮，其具有与所述板状齿条啮合的第1正齿轮(spur gear)部、和与所述第1正齿轮部同轴设置的第1锥齿轮(bevel gear)部，所述第1齿轮以能够绕与冲裁方向正交的轴旋转的方式配设；第2齿轮，其具有与所述第1锥齿轮部啮合的第2锥齿轮部、和与所述第2锥齿轮部同轴设置的第2正齿轮部，所述第2齿轮以能够绕与冲裁方向平行的轴旋转的方式配设；齿轮支承部，其设置于所述冲裁部，将所述第1齿轮和所述第2齿轮分别以可旋转的方式支承；和圆筒状齿条，其设置在所述旋转部的内周面侧，与所述第2正齿轮部啮合。
发明的效果
在本发明中，通过进行冲孔的形成和该冲孔的剪切端面的研磨(polishing)，能够减小该剪切端面的凹凸，并且能够使所述剪切端面的研磨痕的方向与在对形成有所述冲孔的所述金属板反复施加载荷时在所述剪切端面产生的裂纹的方向不一致，不需要冲裁金属板以外的动力源，能够在一个工序中形成疲劳强度优异的剪切端面的冲孔。另外，根据本发明，通过防止在冲裁后进行冲压成型(press forming)时的剪切端面的延性破坏(ductilefracture)，能够期待成型性(formability)的提高、形成有冲孔的金属板在受到静态载荷的状态下经过规定时间后产生脆性(brittleness)破坏的延迟破坏(delayed fracture)特性的提高。进而，通过减小剪切端面的凹凸而减小表面积，也能够期待涂料的涂布性(coating properties)、耐腐蚀性(corrosion resistance)的提高。
附图说明
[图1]图1是说明本发明的实施方式的金属板的冲裁装置及其动作的剖视图((a)冲裁前，(b)弹簧的收缩，(c)刚冲裁后及研磨)。
[图2]图2是表示本发明的实施方式的金属板的冲裁装置的旋转运动转换机构的具体结构的一例的立体图。
[图3]图3是说明本发明的实施方式的金属板的冲裁装置的冲头及其动作的剖视图(其1)((a)冲裁前，(b)弹簧的收缩)。
[图4]图4是说明本发明的实施方式的金属板的冲裁装置的冲头及其动作的剖视图(其2)((a)刚冲裁后及研磨，(b)冲头的拉拔)。
[图5]图5是表示在实施例中用于疲劳试验(fatigue test)的疲劳试样(fatiguespecimen)的图。
[图6]图6是说明通过冲裁加工在金属板上形成的冲孔的剪切端面的剖视图。
具体实施方式
本申请发明人为了解决上述课题，首先对冲裁加工后的冲孔的剪切端面的性状和疲劳强度进行了深入研究。
图6的(a)表示对金属板1进行冲裁加工而形成的冲孔3的剖视图(侧面)。冲孔3的剪切端面5分为剪切面5a和断裂面5b。如果对形成有这样的冲孔3的金属板1反复施加载荷，则如图6的(b)俯视图所示，在剪切端面5的断裂面5b上容易产生裂纹7，以裂纹7为起点导致疲劳破坏。
另外，在断裂面5b的凹凸中，在基于冲头的冲裁方向上凹部相连的部位成为起点，由于由冲裁加工附加的冲孔圆周方向的拉伸应力(tensile stress)、金属板的弯曲等应力，裂纹7发展。而且显然，即使残留在剪切端面5上的研磨痕的方向是冲裁方向，也会促进裂纹7的产生。
因此，发明人得到如下见解：使用如下的冲头对金属板进行冲裁加工而形成冲孔，所述冲头具有圆柱状的冲裁部、能够以该冲裁部的中心轴为旋转轴旋转的旋转部、以及设置于该旋转部的外周面的研磨布纸，在使所述旋转部位于所述冲孔的内侧的状态下使所述旋转部旋转，利用所述研磨布纸研磨冲孔的剪切端面，由此，能够以使研磨痕的方向与裂纹的方向不一致的方式，用一个工序进行冲孔形成和研磨上述剪切端面，能够解决上述问题。
进而还想到，在冲头的主体部与前端的冲裁部之间设置弹簧，将冲裁载荷的一部分作为所述弹簧的弹性能量蓄积，并设置在冲裁后将蓄积在所述弹簧中的弹性能量释放而使旋转部旋转的机构，由此除了冲裁加工的动力源以外不需要使所述旋转部旋转的动力源就能够进行剪切端面的研磨。
以下，对本发明的实施方式的金属板的冲裁装置进行说明。需要说明的是，在本说明书和附图中，对实质上具有相同的功能、结构的要素标注相同的附图标记，从而省略重复说明。另外，在以下的说明中使用的附图中，为了容易理解特征，为了方便有时将成为特征的部分放大表示，但各构成要素的尺寸、比率等未必与实际相同。
本发明的实施方式的金属板的冲裁装置11(以下，称为“冲裁装置11”)如图1中作为一例所示，使用冲模13和冲头15，在金属板1上形成冲孔3。
冲模13具有圆形的开口部13a并支承金属板1。冲头15具有主体部17、设置于冲裁方向的前端的圆柱状的冲裁部19、旋转部21、研磨布纸23、弹簧25以及旋转运动转换机构27。
旋转部21以能够以冲裁部19的中心轴为旋转轴而旋转的方式配置在主体部17和冲裁部19之间。
研磨布纸23设置在旋转部21的外周面上，通过旋转部21的旋转来对冲孔3的剪切端面5进行研磨。
弹簧25以能够在冲裁方向上收缩以及伸长的方式配设在主体部17与冲裁部19之间。并且，在使冲头15向冲裁方向移动而冲裁金属板1的过程中，弹簧25在冲裁部19与金属板1接触而进行冲裁之前的期间收缩，将冲裁载荷的一部分作为弹性能量蓄积，在将金属板1冲裁之后，蓄积于弹簧25的弹性能量被释放而弹簧25伸长。需要说明的是，冲裁方向是指为了在金属板1上形成冲压孔3而使冲头15向冲模13侧相对移动的方向。
旋转运动转换机构27将由弹簧25的伸长引起的冲裁部19在冲裁方向上的直线运动转换为旋转部21的旋转运动。
图2～图4表示旋转运动转换机构27的具体结构的一例。
如图2～图4所示，旋转运动转换机构27具备板状齿条29、第1齿轮31、第2齿轮33以及齿轮支承部35。
板状齿条29从主体部17的前端向冲裁方向延伸设置，在使冲头15向冲裁方向移动时与主体部17一起移动。
如图2所示，第1齿轮31具有与板状齿条29啮合的第1正齿轮部31a、和与第1正齿轮部31a的旋转轴同轴设置的第1锥齿轮部31b，并配设成能够绕与冲裁方向正交的轴(在图2中为绕轴C1)旋转。在此，第1正齿轮部31a和第1锥齿轮部31b以能够同轴旋转的方式通过第1齿轮轴部31c连结。
如图2所示，第2齿轮33具有与第1锥齿轮部31b啮合的第2锥齿轮部33a、与第2锥齿轮部33a的旋转轴同轴设置的第2正齿轮部33b，并配设成能够绕与冲裁方向平行的轴(在图2中为绕轴C2)旋转。在此，第2锥齿轮部33a和第2正齿轮部33b以能够同轴旋转的方式通过第2齿轮轴部33c连结。
如图3及图4所示，齿轮支承部35设置在冲裁部19上，将第1齿轮31及第2齿轮33分别以可旋转的方式支承。
圆筒状齿条37设置在旋转部21的内周面侧，与第2正齿轮部33b啮合。需要说明的是，如图2所示，圆筒状齿条37是与旋转部21相同的部件，在圆筒状齿条37的外周面直接粘贴有研磨布纸23。不过，圆筒状齿条37并不限定于与旋转部21相同的部件，例如也可以另外设置在旋转部21的内周面侧。
接着，参照图1～图4说明使用冲压装置11在金属板1上形成冲压孔3的过程中的冲压装置11的动作。
首先，以跨过冲模13的开口部13a的方式载置金属板1，支承金属板1的两端侧，将冲头15设置在金属板1的上方(图1的(a)，图3的(a))。
接着，使冲头15向冲裁方向移动，从与金属板1接触直到对金属板1进行冲裁为止使弹簧25收缩。由此，冲裁载荷的一部分作为弹性能量蓄积在弹簧25(图1的(b)，图3的(b))。
接着，对冲头15进一步施加冲裁载荷，利用冲裁部19对金属板1进行冲裁，由此，蓄积于弹簧25的弹性能量被释放而弹簧25伸长。由此，冲裁部19朝向冲模13的开口部13a沿冲裁方向直线运动，旋转部21位于冲压孔3的内侧(图1的(c)，图4的(a))。
伴随着该冲裁部19的直线运动，如图2所示，板状齿条29相对地向冲裁方向的相反方向移动，经由与板状齿条29啮合的第1正齿轮部31a而使第1齿轮31旋转。然后，第1齿轮31的旋转传递到与第1锥齿轮部31b啮合的第2锥齿轮部33a，第2齿轮33旋转。
由此，第2齿轮33的旋转传递到与第2正齿轮部33b啮合的旋转部21(在图2中为圆筒状齿条37)，旋转部21旋转。其结果，通过设置在旋转部21的外周面上的研磨布纸23对冲孔3的剪切端面5进行研磨(图1的(c)，图4的(a))。
在弹簧25完全伸长，旋转部21的旋转停止后，使冲头15向与冲裁方向相反的方向移动，将冲头15从冲孔3拉拔出(图4的(b))。
以上，根据本发明的实施方式的金属板的冲裁装置11，将冲头15对金属板1的冲裁载荷的一部分作为弹性能量蓄积在弹簧25中，在冲裁金属板1而形成冲孔3后，通过将蓄积在弹簧25中的弹性能量释放，旋转部21旋转。并且，通过设置在旋转部21的外周面上的研磨布纸23对冲孔3的剪切端面5进行研磨，由此不需要对金属板1进行冲裁的动力源以外的动力源就能够使旋转部21旋转，在一个工序对剪切端面5进行研磨，能够形成减小了凹凸的冲孔3。
而且，能够使利用研磨布纸23研磨后的剪切端面5上的研磨痕的方向与在对形成有冲孔3的金属板1反复施加载荷时在剪切端面5上产生的裂纹的方向不一致。由此，能够抑制在反复施加载荷时在剪切端面5上产生裂纹，能够形成提高了疲劳强度的冲孔3。
进而，根据本实施方式的金属板的冲裁装置11，通过防止在冲裁后进行冲压成形的情况下的剪切端面5的延性破坏来提高成型性、提高冲孔3的延迟破坏特性，通过减小剪切端面5的凹凸而减小表面积，也能够期待涂料的涂布性、耐腐蚀性的提高。
需要说明的是，关于弹簧25的强度，只要能够在冲裁部19与金属板1接触而弹簧25收缩的状态下对金属板1进行冲裁即可。
另外，旋转部21可以使用圆筒形状的部件。而且，研磨布纸23不限于以覆盖旋转部21的整个外周面的方式设置，也可以设置于旋转部21的外周面的一部分。
另外，对于研磨布纸23，为了通过旋转部21的旋转充分地研磨冲孔3的剪切端面5，可以使设置于旋转部21的外周面的研磨布纸23向冲孔部19的外周面的外侧扩展，即，使设置于旋转部21的外周面的研磨布纸23的外径为冲孔部19的外径以上。
不过，若设置于旋转部21的外周面的研磨布纸23的外径与冲裁部19的外径相比过大，则在使外周面设置有研磨布纸23的旋转部21插通于冲孔3之后，研磨布纸23向冲孔3的剪切端面5的外侧扩展。由此，即使能够将旋转部21插通于冲孔3，若使旋转部21旋转，则研磨布纸23不仅研磨剪切端面5，还研磨冲模13的开口部13a，因此研磨布纸23的寿命有可能降低。因此，设置于旋转部21的外周面的研磨布纸23的外径优选为与冲模13的开口部13a的内径相同的程度。
另外，在上述说明中，使用了研磨布纸23的表面与冲裁方向平行、即研磨布纸23的表面与冲裁部19的中心轴正交截面19a所成的角度θ(参照图3的(a))为90°的冲头15。
不过，研磨布纸23的表面与冲裁部19的中心轴正交截面19a所成的角度θ并不限定于90°。例如，作为预备试验，可以不在冲头15上设置研磨布纸23而在金属板1上形成冲孔3，测定剪切端面5处的断裂面5b与金属板1的表面1a所成的角度θ'(参照图6)，使角度θ与通过该预备试验测定的角度θ'成为规定误差范围。作为规定误差范围，例示±3°以下。
由此，能够重点地研磨在反复施加载荷时容易产生裂纹7的断裂面5b。需要说明的是，在以研磨布纸23的表面与冲裁部19的中心轴正交截面19a所成的角度θ成为规定角度的方式设置研磨布纸23时，例如可以适当设定旋转部21的外周面的形状。
另外，研磨布纸23可以使用一般的抛光轮(buff)，但如果研磨布纸23在厚度方向上不具有伸缩性，则有可能无法从冲孔3中拔出，因此优选适当选择研磨布纸23的种类、材质。
进而，关于研磨布纸23的粒度号(yearn count)(粒度(grain size))，也没有特别限定，但优选根据金属板1的硬度等确定，作为金属板1使用一般的钢板的情况下，优选为#80～#240左右。
另外，具有上述的旋转运动转换机构27的冲裁装置11中，在金属板1被冲裁之前的弹簧25收缩时，也会因与板状齿条29啮合的第1正齿轮部31a旋转而使旋转部21旋转。此时的旋转部21的旋转与冲裁金属板1后的旋转部21的旋转方向相反。但是，在对金属板1进行冲裁之前的期间内的旋转部21的旋转无助于冲孔3的剪切端面5的研磨，反而有可能缩短冲裁装置11的齿轮等的寿命。
因此，例如，可以在旋转运动转换机构27中的第1齿轮31的第1正齿轮部31a设置防止旋转部21的反转的棘轮机构(ratchet mechanism)(未图示)，抑制在冲裁金属板1之前的旋转部21的反转。
而且，优选本实施方式的冲裁装置11具有例如图3和图4所示的防落下机构(droppreventing mechanism)39。防落下机构39具有从主体部17的前端向与冲裁方向相反的方向形成的孔部41、和从冲裁部19的后端向主体部17侧延伸设置并插入孔部41的防落下棒43。而且，在防落下棒43的后端设置有用于防止防落下棒43从孔部41脱出的止挡部43a。
这样，根据具有防落下机构39的冲裁装置11，在冲裁金属板1而研磨剪切端面5后将冲头15从冲孔3拉拔出的过程中，由于止挡部43a卡在孔部41的入口，所以能够防止冲裁部19从冲头15落下。
[实施例]
进行了用于确认本发明的金属板的冲裁装置的作用效果的实验，以下对其进行说明。
在实验中，首先，作为金属板1使用780MPa级(MPa－class)的热轧钢板(hotrolled steel sheet)(板厚2.9mm)，通过图1所示的冲裁装置11在金属板1上形成冲孔3。
冲压装置11的冲裁部19的外径为10mm，冲裁部19的外径与冲模13的开口部13a的内径的间隙为10％。
另外，设置于旋转部21的外周面上的研磨布纸23采用粒度号为#120的径向磨砂机(abrasive cloth and paper)，设置于旋转部21上的研磨布纸23的外径为10mm，研磨布纸23和冲裁部19的中心轴正交截面19a形成的角度θ(参照图3的(a))为90°。
接着，由使用冲压装置11形成了冲压孔3的金属板1制作如图5所示的具有冲压孔3的疲劳试样51。然后，使用谢克型平面弯曲试验机(Shenck plane bending fatigue-testing device)，进行对疲劳试样51通过双摆动施加反复载荷的疲劳试验。
在疲劳试验中，将在公称应力(normal stress)300MPa下扭矩(torque)降低30％的时刻判定为破坏(fatigue fracture)，测定直至破坏为止的载荷负荷(load)的反复次数。另外，将载荷负荷的反复次数200万次作为中止次数，结束疲劳试验。
在实验中，将使用了具有使用冲压装置11形成的冲压孔3的疲劳试样51的例子作为发明例。另外，作为比较对象，制作具有采用与冲压装置11的冲裁部19相同直径的一体型冲头(punch)形成的冲压孔3的疲劳试样51，进行与上述相同的疲劳试验，将其作为以往例。表1表示疲劳试验的结果。
[表1]
Figure BDA0004118534080000111
根据表1，在以往例中，在反复次数为48万次时疲劳试样51破坏。与此相对，在发明例中，即使反复次数200万次也未被破坏，与以往例相比，得到疲劳寿命(fatigue life)提高4倍以上的结果。
[工业实用性]
根据本发明，能够提供如下的金属板的冲裁装置，除了形成冲孔的模具以外不需要其他模具，在一个工序形成改善了剪切端面的性状的冲孔，能够抑制从剪切端面产生裂纹而提高疲劳强度。
附图标记的说明
1 金属板
1a 表面
3 冲孔
5 剪切端面
5a剪切面
5b断裂面
7裂纹
11冲裁装置
13 冲模
13a 开口部
15 冲头
17 主体部
19 冲裁部
19a 中心轴正交截面
21 旋转部
23 研磨布纸
25 弹簧
27 旋转运动转换机构
29 板状齿条
31第1齿轮
31a第1正齿轮部
31b第1锥齿轮部
31c第1齿轮轴部
33第2齿轮
33a第2锥齿轮部
33b第2正齿轮部
33c第2齿轮轴部
35 齿轮支承部
37 圆筒状齿条
39 防落下机构
41 孔部
43 防落下棒
43a 止挡部
51 疲劳试样

Claims (2)

1.金属板的冲裁装置，其具有冲模和冲头，所述冲模支承金属板并具有圆形的开口部，所述冲头在支承于所述冲模的所述金属板上形成圆形的冲孔，其中，
所述冲头具有：
主体部；
设置在前端的圆柱状的冲裁部；
旋转部，其以能够以所述冲裁部的中心轴为旋转轴而旋转的方式配设在所述主体部与所述冲裁部之间；
研磨布纸，其设置于所述旋转部的外周面，对所述冲孔的剪切端面进行研磨；
弹簧，其以能够在冲裁方向上收缩及伸长的方式配设在所述主体部与所述冲裁部之间，在直到所述冲裁部与所述金属板接触并进行冲裁为止的期间所述弹簧收缩而将冲裁载荷的一部分作为弹性能量蓄积，在将所述金属板冲裁后，所述弹性能量被释放而所述弹簧伸长；和
旋转运动转换机构，其将由所述弹簧的伸长引起的所述冲裁部在冲裁方向上的直线运动转换为所述旋转部的旋转运动。
2.如权利要求1所述的金属板的冲裁装置，其中，
所述旋转运动转换机构具有：
板状齿条，其从所述主体部的前端向冲裁方向延伸设置；
第1齿轮，其具有与所述板状齿条啮合的第1正齿轮部、和与所述第1正齿轮部同轴设置的第1锥齿轮部，所述第1齿轮以能够绕与冲裁方向正交的轴旋转的方式配设；
第2齿轮，其具有与所述第1锥齿轮部啮合的第2锥齿轮部、和与所述第2锥齿轮部同轴设置的第2正齿轮部，所述第2齿轮以能够绕与冲裁方向平行的轴旋转的方式配设；
齿轮支承部，其设置于所述冲裁部，将所述第1齿轮和所述第2齿轮分别以可旋转的方式支承；和
圆筒状齿条，其设置在所述旋转部的内周面侧，与所述第2正齿轮部啮合。
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