JP2004358514A

JP2004358514A - 打抜き面の疲労強度向上方法

Info

Publication number: JP2004358514A
Application number: JP2003159512A
Authority: JP
Inventors: Koji Seto; 厚司瀬戸
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2003-06-04
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2004-12-24

Abstract

【課題】疲労強度に優れた打抜き面の加工方法を提供する。
【解決手段】金属板をポンチ２及びダイス３を用いて打抜き加工をする際に、ポンチとダイスのクリアランスを板厚の８０〜２００％にして打抜いた後、打抜き面の少なくとも裏面の角部に、外形が打抜き穴径以上で、先端の角度が９０°〜１６０°のポンチを用いて、穴縁単位長さあたりの押し込み量を４９０〜１９６０Ｎ／ｍｍとして押し込み加工を施すことを特徴とする打抜き面の疲労強度向上方法を特徴とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車、家電製品、建築構造物、船舶、橋梁、建設機械、各種プラント、ペンストック等で用いられる鉄、アルミニウム、チタン等の金属板からなる構造部材のうち、打抜き加工によって生じる打抜き面の疲労強度向上方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車、家電製品、建築構造物等の金属部材には、打抜き加工が施されることが多く、図２に示すように打抜き面５の裏面にはバリ１２が発生し、また板厚中央部では中心偏析による割れ１１が発生することが多く、打抜き穴を有する部材に繰返し荷重が負荷された場合、これらが疲労破壊の起点になって疲労強度の低下を引き起こす。
【０００３】
このため、打抜き面５のバリ１２や割れ１１を低減させる方法、および打抜き面５の性状を良くする方法がいくつか提案されている。
【０００４】
まず打抜き面のバリや割れを低減させる方法として、特許文献１および２では、打抜きクリアランスを規定するとともに打抜き工具（ポンチ）の形状を規定した技術が開示されている。また打抜き部分を裏面から板厚途中までプレスした後、表面から打ちぬく方法が特許文献３に開示されている。
【０００５】
またさらに打抜き面の性状を良くする方法として、非特許文献１では板押さえをした状態でクリアランスを極端に小さくする方法が開示されている。さらに打抜き面に仕上げのための加工を加える方法が非特許文献２、特許文献４および特許文献５に開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−５７５５７号公報
【特許文献２】
特開平８−９９１３１号公報
【特許文献３】
特開平１１−２２１６２８号公報
【特許文献４】
特開平１１−３３３５３０号公報
【特許文献５】
特開平６−５７３２５号公報
【非特許文献１】
塑性と加工、Ｖｏｌ．９、Ｎｏ．９２（１９６８−９）
【非特許文献２】
プレス加工便覧、日本塑性加工学会編、丸善株式会社
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術のうち、まず特許文献１では、打抜きポンチに、ポンチ径の５〜２０％の部分を面取りする打抜き型、および打抜き時のクリアランスを板厚の６〜１５％にする方法が開示されている。また特許文献２では、ポンチ径よりも小さな径の凸部を有する打抜き型が示されているが、これらは、８０％以上のクリアランスで打抜き、加工後に打抜き面の裏面の角部を押し込み加工する本発明の方法とは異なる技術である。
【０００８】
次に、特許文献３では、打抜き部分を予め裏面から板厚の途中までプレスしておいた後、表面から打抜くことによりバリ発生を抑制する方法が開示されているが、クリアランスの規定と押し込み加工を併用する本発明とは異なる技術である。
【０００９】
さらに非特許文献１では、打抜きクリアランスを１％以下に小さくして三角形状もくは台形状の板押さえをする、いわゆるファインブランキングの技術が開示されているが、本発明では逆にクリアランスを大きくとり、かつ押し込み加工を行う技術であるので、異なる技術である。
【００１０】
またさらに非特許文献２では、ポンチまたはダイスの刃に丸みを持たせて、クリアランスを０または負にして打抜かれた穴の側面を削りとる、いわゆる仕上げ抜き法が開示されているが、打抜き時のクリアランスを大きくして後に押し込み加工を行う本発明とは異なる技術である。
【００１１】
加えて特許文献４では、打抜きポンチの胴体部に拡径部を設けて、押し込み機能を同時に持たせる工具が開示されているが、クリアランスについての規定は無く、また打抜きポンチが接触する側の角部を押し込む加工であり、少なくとも裏面の角部を押し込む本発明とは異なる加工である。
【００１２】
また、特許文献５では、打抜き面について押し込み加工する体積と加工後の硬度上昇量を規定しているが、クリアランスを大きくした加工を必須として押し込みポンチの角度および押し込み力を規定した本発明とは異なる方法である。
【００１３】
本発明は疲労強度に優れた打抜き面の加工方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の要旨とするところは、
（１）金属板をポンチ及びダイスを用いて打抜き加工をする際に、ポンチとダイスのクリアランスを８０〜２００％にして打抜いた後、打抜き面の少なくとも裏面の角部に押し込み加工を施すことを特徴とする打抜き面の疲労強度向上方法、
（２）外径が打抜き穴径以上で、先端の角度が９０°〜１６０°のポンチを用いて、穴縁単位長さあたりの押し込み力を４９０〜１９６０Ｎ／ｍｍとして押し込み加工を施すことを特徴とする（１）記載の打抜き面の疲労強度向上方法、
にある。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を詳細に説明する。
【００１６】
本発明の方法が疲労特性を向上させるのは以下の理由による。
【００１７】
本発明者は、図２に示すようなバリ１２および中心偏析の割れ１１が発生しやすい打抜き面５の疲労強度を向上する方法を検討した結果、まず、図３および図４に示すように打抜き用ポンチ２と打抜き用ダイス３のクリアランス４を板厚の８０〜２００％とすること、次に打抜き時に裏面に発生したバリを押し込み加工により潰すことにより、打抜きままよりも格段に疲労強度が向上することを見出した。
【００１８】
クリアランスは、打抜き面性状を良くするためには非特許文献１に開示されているように、通常は小さくすればするほど有効であるとされているが、クリアランスが小さいほど、打抜き面近傍は、多軸応力状態となって中心偏析を開口させる応力も発生する結果、中心偏析での割れはごく表面ではあるが微細に残り、疲労き裂の発生起点を完全に無くすることは出来ないことが判明した。そこで、逆にクリアランスを８０％以上にした結果、図１に示すように、打抜き面１は大きく変形し、打抜き面の裏面にバリ１２が発生するものの、打抜き面を含む広い範囲は単軸の引張応力状態であり、中心偏析を開口させる板厚方向の応力は小さくなるため、中心偏析での割れは発生しなくなることを見出した。クリアランスの上限は、大きすぎると打抜き時のせん断力が小さくなって打抜くことが困難になるので板厚の２００％とする。
【００１９】
次に、打抜き後の押し込み加工について説明する。上記のようにクリアランスを板厚の８０％以上にすることにより、板厚中央の中心偏析での割れ発生は低減されるものの、打抜き面の裏面のバリはむしろ増加する傾向を示す。従って疲労強度を向上させるためにはバリを低減する加工が必要となるが、図５および図６に示すように、押込み用ポンチ７により打抜き面裏面の角部６を押し込み加工することが有効であり、かつその押し込みポンチ７については、まず、先端の角度８が９０°以上であると更に効果的であることを見出した。通常の押し込み加工ではポンチの角度は鋭角ほど有効であると言われているが、ポンチ角度を鋭意検討した結果、本発明では、クリアランスが板厚の８０〜２００％と通常より大きいため、打抜き面５が打抜き方向に少し傾く結果、ポンチ角度８が９０°未満ではポンチ７が打抜き面５と全面的に接触して中心偏析部にも影響を及ぼし、割れを誘起する可能性のあることから、９０°以上とした。上限は、角度８が大きくなるとバリ潰しのための変形付与量が減少するので、１６０°以下とした。なお、ポンチ先端８の形状が円錐型でなく、半球形やなめらかな形状の場合には、バリと接触し始めるポンチ部分の接線の角度でもって定義する。また、図７に示すように打抜き裏面に加えて打抜き面表面の角部１３についても押し込み加工を施すことにより、さらに疲労強度が向上する。
【００２０】
次にポンチ７の外径はバリと接触させるため打抜き穴の内径以上とする。上限は特に定めないが押し込み加工を受ける厚みや打抜き面の向きを考慮しても、打抜き穴の内径の２倍あれば十分であり、それ以上大きくすることはコスト増となる。さらに押し込み力については、小さいとバリを潰すほど十分な押し込み効果が得られないので、打抜き穴縁の単位長さあたりの押し込み力は４９０Ｎ／ｍｍ以上とする。しかし押し込み力が大きすぎると押し込み領域が板厚中央にまで及び、中心偏析部にも影響を及ぼすので１９６０Ｎ／ｍｍを上限とする。
【００２１】
また、本発明では押し込み用ポンチ７と押し込み用ダイスの水平方向の間隔である押し込みクリアランス１０を特に定めていないが、押し込みクリアランス１０が小さい場合にはバリを十分潰すことが出来なくなるが、大きくとりすぎると穴広げが行われてしまうので、板厚の１０〜３０％とすることが好ましい。
【００２２】
打抜き加工および押し込み加工に用いる工具の材質は特に限定するものではなく、通常用いられる工具鋼や、その他の材料、および表面に硬化処理等を付与したものでも差し支え無い。
【００２３】
また、本発明の方法の適用先は鋼板に限定するものではなく、アルミ、チタンなど非鉄金属にも適用可能であり、板形状以外に管や複雑な形状の構造部材についても適用することが可能である。
【００２４】
【実施例】
実施例として、表１に示す強度レベルおよび板厚の鋼板を供試材として、幅７０ｍｍ、長さ２５０ｍｍの短冊試験片を作成し、この短冊試験片の中央にまず径１０ｍｍの穴の打抜き加工を行い、次いで押し込み加工を行った（図８）。この短冊試験片を用いて疲労試験を行った。荷重作用方向は試験片の長手方向とした。
【００２５】
疲労試験条件は、応力比（＝最小荷重／最大荷重）を０とする荷重制御疲労試験であり、室温・大気中で行った。荷重の制御が困難となる寿命を破断寿命として、破断寿命が２００万回となる応力範囲で評価した。
【００２６】
疲労試験結果を同じく表１に示す。本発明の方法を適用した実施例Ｎｏ．１〜１９は同じ強度レベルの供試材を用いた比較例Ｎｏ．２０〜２７に比べて全て疲労強度が２０％以上向上している。また。押し込み力が大きい方が疲労強度向上代が大きい傾向にある。押し込みを打抜き穴の表裏について行ったものはさらに疲労強度が向上している。
【００２７】
また比較例ではクリアランスが２００％を超えた試験片は何とか打抜きができたものの穴形状が不良で疲労強度低下が著しい。
【００２８】
【表１】

【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は打抜き面のクリアランスを制御した上で押し込み加工を加えて打抜き穴を含む部材の疲労強度を向上させているため、材料、対象部材の種類によらず打抜き穴の疲労強度を安定して向上させることが可能であり、その工業的意味は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法における打抜き後の打ち抜き面の拡大図である。
【図２】比較の方法における打抜き後の打ち抜き面の拡大図である。
【図３】本発明の方法における打抜き前の状況を示す図である。
【図４】本発明の方法における打抜き後の状況を示す図である。
【図５】本発明の方法における打抜き裏面の押し込み前の状況を示す図である。
【図６】本発明の方法における打抜き裏面の押し込み後の状況を示す図である。
【図７】本発明の方法における打抜き裏面押し込み後の打抜き表面の押し込み後の状況を示す図である。
【図８】本発明の実施例における試験片形状を示すである。
【符号の説明】
１…金属材料
２…打抜き用ポンチ
３…打抜き用ダイス
４…打抜きクリアランス
５…打抜き面
６…打抜き面裏面の角部
７…押し込み用ポンチ
８…押し込み用ポンチの先端角
９…押し込み用ダイス
１０…押し込みクリアランス
１１…中心偏析による割れ
１２…バリ
１３…打抜き面表面の角部

Claims

金属板をポンチ及びダイスを用いて打抜き加工をする際に、ポンチとダイスのクリアランスを板厚の８０〜２００％にして打抜いた後、打抜き面の少なくとも裏面の角部に押し込み加工を施すことを特徴とする打抜き面の疲労強度向上方法。
外径が打抜き穴径以上で、先端の角度が９０°〜１６０°のポンチを用いて、穴縁単位長さあたりの押し込み力を４９０〜１９６０Ｎ／ｍｍとして押し込み加工を施すことを特徴とする請求項１記載の打抜き面の疲労強度向上方法。