JP2006007276A - 皿穴加工方法および皿穴加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 穴あけ加工後の穴広げ加工時でのパネル材の割れを防止する。
【解決手段】 ダイス１１上に載置したパネル材９に対し、円錐ポンチ１３の張出成形部２７を押し付けて張出部９ａを成形する。その後、さらにこの押し付け動作を継続して、円錐ポンチ１３とダイス１１に設けたピアスポンチ２３とで初期貫通穴９ｂを成形するとともに、円錐ポンチ１３の円錐成形面２５を、ダイス１１の円錐受け面１９に押し付けて初期貫通穴９ｂに対する穴広げ加工を行う。
【選択図】 図３

Description

本発明は、パネル材に設けた円錐部の中心に貫通穴を備えた皿穴を加工する皿穴加工方法および皿穴加工装置に関する。

自動車におけるドアロック部品の取付部などに必要となる皿穴形状の成形は、極めて困難な加工であり、成形性の良い鋼板においても、穴あけ後の端面の傷やバリの存在により、その後の穴広げ成形時に割れが発生することがある。近年では、車体軽量化を目的に、軽量のアルミ板を材料として使用することが多くなってきているが、鋼板に比較して成形性の劣るアルミ板においては、上記した割れの問題がさらに顕著となる。

皿穴加工に関連する従来技術としては、例えば下記特許文献１や特許文献２に記載されたものがある。

特許文献１の加工方法は、皿形状ポンチ先端の突起部で、図１３（ａ）に示すようにパネル材１を突き破って初期貫通穴１ａを形成し、その後に皿形状ポンチと皿形状のダイスとを用い、図１３（ｂ）に示すように、穴広げおよび皿形状を加工して、円錐部３ａと貫通穴３ｂとを備える皿穴３を成形する。

一方、特許文献２の加工方法は、ピアスポンチと皿穴形状のダイスとを用い、図１４（ａ）に示すように、初期貫通穴１ｂを成形する穴あけ加工実施後に、図１４（ｂ）に示すように、穴広げおよび皿形状を加工して、円錐部３ａと貫通穴３ｂとを備える皿穴３を成形する。
実開平６−５４４２４号公報 特開平２−２９０６２９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の加工方法では、ポンチ先端の突き破りによって形成した初期貫通穴１ａの端面が、シャープな切断面ではなく、凹凸が存在するので、その後の穴広げおよび皿形状加工時に、成形性の良い鋼板であっても、穴端面の凹凸を起点として割れが発生する。

これに対して、特許文献２に記載の加工方法では、工具同士で穴あけ加工を行うことで、穴端面の凹凸発生を抑えることができるものの、実際には微小な凹凸が存在しており、特に成形性の悪いアルミ材の場合には、この微小な凹凸を起点として、穴広げ加工時に割れが発生してしまう。

そこで、本発明は、穴あけ加工後の穴広げ加工時でのパネル材の割れを防止することを目的としている。

本発明は、パネル材に設けた円錐部の中心に貫通穴を備えた皿穴を加工する皿穴加工方法において、前記パネル材の皿穴加工部位に一方側から他方側に向けて突出する張出部を加工した後、この張出部の中心に初期貫通穴を加工するとともに、この初期貫通穴に対する穴広げ加工を行って、前記円錐部および前記貫通穴を成形することを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、パネル材に対して皿穴加工を行う際に、パネル材への初期貫通穴の加工に先立って、一方側から他方側へ突出する張出部を加工するようにしたので、張出部を穴加工前にあらかじめ加工した分、初期貫通穴加工後の穴広げ成形量が減少し、穴広げ加工時でのパネル材の割れを防止することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の一実施形態を示す皿穴加工装置の正面図で、この皿穴加工装置により、例えば図２に示すような自動車のドアインナパネルの内側におけるドアロック部品の取付部５に必要な皿穴７を加工する。取付部５に図示しないドアロック部品を設置して、図中で紙面裏側のドアインナパネルの外側から皿ねじを締結する。

上記した皿穴加工装置は、図１に示すように、パネル材９を上面に載置したダイス１１と、その上方に位置する円錐ポンチ１３とで、皿穴加工完了後の図３（ｃ）に示す皿穴１５を成形加工する。皿穴１５は、円錐部１５ａの中心に貫通穴１５ｂを備えている。

ダイス１１は、パネル材９を載置するパネル材載置面１７の内側に、前記した皿穴１５の円錐部１５ａに対応する円錐受け面１９を備えている。円錐受け面１９の開き角度θは、９０°である。この円錐受け面１９の下端中央にはピアスポンチ取付穴２１を設け、ピアスポンチ取付穴２１にピアスポンチ２３をダイス１１の下方から挿入して固定する。

ここでピアスポンチ２３は、直径Ｄが６．８ｍｍで、円錐受け面１９の最深部に相当する下端１９ａから円錐ポンチ１３に向けて突出する突出量Ｈを４．５ｍｍとする。また、円錐受け面１９の下端１９ａからパネル材載置面１７までの距離、すなわちダイス１１における円錐受け面１９の深さＬを６．５ｍｍとする。

上記したピアスポンチ２３の突出量Ｈは、パネル材９の板厚をｔとすると、［√２×ｔ≦Ｈ＜Ｌ］の式を満たすよう設定すればよく、上記した数値に限定するものではない。

一方、円錐ポンチ１３は、パネル材９に対向する先端部に、前記皿穴１５の円錐部１５ａに対応する円錐成形面２５を備えるとともに、張出成形部となる端面２７にピアスポンチ２３が入り込むピアスポンチ挿入穴２９を備えている。円錐成形面２５の開き角度θは、円錐受け面１９と同様の９０°である。

そして、このピアスポンチ挿入穴２９の周縁部外周側と、円錐成形面２５の下端との境界部分の角部、すなわち張出成形部（端面２７）の外周側角部３１を、凸状の曲面形状とし、この曲面形状の曲率半径Ｒを１．５ｍｍ以上に設定する。

次に作用を説明する。図１のようにダイス１１のパネル材載置面１７にパネル材９を載置した状態で、図３（ａ）に示すように、円錐ポンチ１３をパネル材９に接近させて端面２７にて張出部９ａをパネル材９に加工する。このときのパネル材９の平面図が図４（ａ）であり、穴加工は施していない。

図３（ａ）の状態から、さらに円錐ポンチ１３をパネル材９に接近させる方向に移動させると、図３（ｂ）に示すように、ダイス１１側のピアスポンチ２３と円錐ポンチ１３との間で初期貫通穴９ｂを加工し、このときピアスポンチ２３はピアスポンチ挿入穴２９に先端が入り込む。このときのパネル材９の平面図が図４（ｂ）であり、初期貫通穴９ｂを備えている。

図３（ｂ）の状態から、さらに円錐ポンチ１３をパネル材９に接近させる方向に移動させると、図３（ｃ）に示すように、円錐ポンチ１３の円錐形成面２５が、パネル材９を押圧して初期貫通穴９ｂに対する穴広げ加工を行い、最終的には、円錐ポンチ１３の円錐形成面２５とダイス１１の円錐受け面１９との間でパネル材９を挟持した状態となって、円錐部１５ａを成形する。このときのパネル材９の平面図が図４（ｃ）であり、図４（ｂ）の初期貫通穴９ｂに対して広がった貫通穴１５ｂを備えており、円錐部１５ａと貫通穴１５ｂとからなる皿穴１５の成形加工が完了する。

上記した皿穴加工装置を用いた皿穴加工方法によれば、パネル材９に対する初期貫通穴９ｂの加工に先立って、パネル材９の皿穴加工部位に張出部９ａを加工するようにしたので、張出部９ａをあらかじめ加工した分、初期貫通穴９ｂの加工後の穴広げ成形量が減少し、穴広げ加工時でのパネル材９の割れを防止することができる。

表１は、上記した実施形態による皿穴加工装置にて皿穴を加工する際に、ダイス１１における張出成形部（端面２７）の外周側角部３１の曲率半径Ｒ（表中ではポンチＲと表記）および、ピアスポンチ２３の突出量Ｈ（表中ではピアス高さＨと表記）を、それぞれ変化させて成形性の良否を、工具Ｎｏ．１〜１２までの１２種類の工具で比較している。

表２は、前記した特許文献１の加工方法に対応するもので、図５に示す第１比較例による皿形状ポンチ３５の先端３７で前記図１３（ａ）のようにパネル材１を突き破って初期貫通穴１ａを形成する場合の上記表１と同様の成形性の良否を、工具Ｎｏ．１３〜１８までの６種類の工具で比較している。図５中で、パネル材１は、ダイス４１上に載置してある。

表３は、前記した特許文献２の加工方法に対応するもので、図６に示すポンチ４３と皿穴形状のダイス４５とで前記図１４（ａ）に示した初期貫通穴１ｂを成形後に、図１４（ｂ）に示すように穴広げおよび皿形状加工を行って皿穴３を成形する場合の上記表１と同様の成形性の良否を、工具１９〜２４までの６種類の工具で比較している。図６中で符号４７は、初期貫通穴１ｂを成形するためのピアスポンチである。

なお、図６に示した第２比較例の工具の基本的な構造は、図１に示した本実施形態の工具と同様である。

なお、表１〜３の加工試験に使用する材料は、鋼板に比べて成形性の劣る５０００系アルミ合金５１８２−０（板厚は１．６ｍｍ）であり、前記図２に示したドアロックの取付部５のように、絞り成形後にトリム加工を実施して、その後に皿穴成形を実施する通常の量産工程を想定し、あらかじめ１８％のストレッチを付与している。

ここで、各工具Ｎｏ．１〜２４は、最終貫通穴径φ２（表中では最終穴径φ２と表記）の直径が８．５ｍｍとなるような初期貫通穴径φ１（表中では初期穴径φ１と表記）を成形可能なものとした。

また、各表中での加工率とは、穴広げ加工における材料の伸びによる板厚減少率であり、一般的な穴あけから穴広げ加工における加工率は３０％前後となることが多く、材料特性が鋼板に対して劣るアルミ板では２０％前後が一般的である。

成形性については、○が良、×が悪、△が中間、×の数が増えるとさらに悪である。

次に、表１〜３に示した試験結果について説明する。

図５に示した第１比較例によれば、表２に示すように、すべての工具で成形性が悪く大きな割れが発生してしまい、アルミ板では成形不可能であった。図７にその割れの状態を斜視図で示す。

また、図６に示した第２比較例によれば、表３に示すように、加工率２９．２％〜３３．８％で、一部割れなしでＯＫとなった工具Ｎｏ．１９があるが、その他の工具Ｎｏ．２０〜２４では、穴端面の一部が薄くなるネッキングが発生した。図８にそのネッキング発生部Ｎの状態を斜視図で示す。

このようなネッキングの発生は、供試材料の伸び（加工率）が２８％前後とアルミ材としては大きく、さらにあらかじめストレッチを付与したことによる伸びの低下が予測されることによるもので、加工率的にも厳しい成形であると言える。

これら第１，第２各比較例に対し、本実施形態による初期貫通穴９ｂの加工に先立って張出部９ａを加工する皿穴加工装置では、工具Ｎｏ．１〜６および１０，１１と多くの工具で、図９に斜視図で示すように割れやネッキングの発生しない、良好な皿穴形状が得られた。

表１において、張出成形部（端面２７）の外周側角部３１の曲率半径Ｒが、０．５ｍｍおよび１．０ｍｍでは、工具Ｎｏ．８および９のように、張出加工時に割れが発生し、成形性としては「×」および「△」となったが、Ｒ≧１．５ｍｍでは、工具Ｎｏ．１〜６および１０，１１で割れおよびネッキングが発生せず、「○」となった。

また、ピアスポンチ２３の突出量Ｈについては、６．５ｍｍ＝Ｌの場合は、工具Ｎｏ．７のように、張出成形が行われないことによるネッキングが発生して「△」となったが、４．５ｍｍの場合には、工具Ｎｏ．１〜６および１０，１１のように割れおよびネッキングが発生せず、「○」となった。

しかし、突出量Ｈを２ｍｍと短くした場合は、工具Ｎｏ．１２に示すように、初期貫通穴９ｂの加工が不完全となって最終貫通穴の加工ができなくなり、「×」となった。

このため、張出部３３の加工を行い、かつ初期貫通穴９ｂの加工を完全なものとするためには、ピアスポンチ２３の突出量Ｈは、Ｌ未満、かつ［√２×ｔ］以上に設定することが必要である。√２は、皿穴形状の開き角度が９０°であり、皿形状に完全に張出成形された状態で、プレス方向（図１中で上下方向）に穴あけすることを想定することにより、導き出せる。

また、表１における「○」となったＲ＝１．５ｍｍでかつＨ＝４．５ｍｍとした工具Ｎｏ．１〜６の６つの工具と、表２および表３の各６つの工具での穴広げ加工後の最終貫通穴径のバラツキを変動係数σ²で表すと、図１０にも示すように、本実施形態の場合には穴径バラツキが小さく、部品の寸法精度も向上することが確認された。

したがって、張出成形部（端面２７）の外周側角部３１の曲率半径Ｒ＝１．５ｍｍ、ピアスポンチ２３の突出量Ｈ＝４．５とすることで、成形性が良好でかつ部品寸法精度の高い皿穴形状を得ることができる。

以上より、本実施形態による皿穴加工装置を用い、「張出加工→穴あけ加工→穴広げ加工」の順に加工を行うことで、皿穴形状の成形性が向上し、かつ最終穴径寸法精度も確保することができる。

本実施形態のような加工方法を用いて高成形性を確保できることにより、パネル材９として鋼板を用いた場合には、成形性の劣る廉価材の適用が可能となり、また鋼板に比べて比重が小さく成形性の悪いアルミ板の加工を容易にし、車体部品への適用によってコスト面や機能面（軽量化）において効果がある。

成形性が向上した要因としては、材料の成形に有利な変形を付与することにある。一般的アルミ合金材の成形限界曲線（Forming Limit Diagram）を図１１に示す（軽金属協会偏自動車のアルミ化技術ガイド成形偏参照）が、これは横軸に最小ひずみ（伸び）、縦軸に最大ひずみ（伸び）をとり、各種材料の限界曲線の上の領域は成形不可、限界曲線の下の領域は成形可の領域であり、限界曲線が最も上部にある「１１００」の材料が最も成形性が高いと言える。

ここで、図１２に示すように、最小ひずみと最大ひずみとがほぼ同等に変形する右側の領域では、等２軸変形領域と言われ（直線Ａが最小ひずみ＝最大ひずみとなる等２軸変形曲線）、成形限界曲線Ｂの左側の変形領域に比べて高成形性が確保できる。

本実施形態では、成形限界曲線Ｂの右側における等２軸変形領域を張出加工の際に利用し、その後穴広げ加工を行うことにより、成形性の悪い穴広げ加工の領域での加工量を低減させ、トータルでの成形性を確保している。

これに対して第１，第２各比較例では、張出加工を行っていないことから、成形限界曲線Ｂの左側の成形性の悪い変形領域を利用していることになり、パネル材の割れなどの発生を招く。

穴あけ後の穴広げ成形は、材料の変形的に不安定な加工であり、穴端面の表面の状態や、工具と材料との間の潤滑のバラツキの影響を受けやすく、穴広げ成形量が多いと、最終穴径のバラツキが大きくなることが確認されている。よって、本実施形態のように、穴広げ加工量を低減することで、最終穴径のバラツキが小さくなる。

本発明によれば、前記張出部を、ダイス上に載置した前記パネル材に対して円錐ポンチの張出成形部を押し付けて加工した後、さらにこの押し付け動作を継続して、前記円錐ポンチと前記ダイスに設けたピアスポンチとで前記初期貫通穴を加工するとともに、前記円錐ポンチの前記円錐部に対応する円錐成形面を、前記ダイスの前記円錐部に対応する円錐受け面に押し付けて前記初期貫通穴に対する穴広げ加工を行うようにしたので、張出部をあらかじめ加工した分、初期貫通穴成形後の穴広げ成形量が減少し、穴広げ加工時でのパネル材の割れを防止することができる。

前記張出成形部の外周側角部を凸状の曲面形状とし、この曲面形状の曲率半径を１．５ｍｍ以上に設定するとともに、前記ピアスポンチの前記円錐受け面から前記円錐ポンチに向けて突出する突出量を、前記パネル材の板厚をｔ、前記ダイスのパネル材載置面から前記円錐受け面の最深部までの深さをＬとすると、［√２×ｔ］以上でかつＬ未満に設定したので、初期貫通穴を確実に成形できると同時に、張出成形も確実に行うことができる。

パネル材に設けた円錐部の中心に貫通穴を備えた皿穴を加工する皿穴加工装置において、前記パネル材を載置するダイスに、前記円錐部に対応する円錐受け面を設けるとともに、この円錐受け面の中心に前記パネル材に向けて突出するピアスポンチを設け、前記パネル材に対し前記ダイスと反対側に位置して前記ピアスポンチとで初期貫通穴を加工するとともに、前記円錐部に対応する円錐成形面を備えてこの円錐成形面と前記円錐受け面との間で前記初期貫通穴に対する穴広げ加工を行って、前記円錐部および前記貫通穴を成形する円錐ポンチに、前記初期貫通穴の加工に先立って、前記パネル材の皿穴加工部位を前記ダイス側に突出させた張出部を加工する張出成形部を設けたので、この張出成形部によって張出部をあらかじめ加工した分、初期貫通穴成形後の穴広げ成形量が減少し、穴広げ加工時でのパネル材の割れを防止することができる。

本発明の一実施形態を示す皿穴加工装置の正面図である。 図１の皿穴加工装置によって皿穴形状を加工する、自動車のドアインナパネルのドアロック部品取付部を示す斜視図である。 図１の皿穴加工装置による加工工程図である。 図３の加工工程に対応するパネル材の平面図である。 図１の皿穴加工装置に対する第１比較例を示す皿穴加工装置の正面図である。 図１の皿穴加工装置に対する第２比較例を示す皿穴加工装置の正面図である。 パネル材の皿穴加工部に割れが発生した例を示す斜視図である。 パネル材の皿穴加工部にネッキングが発生した例を示す斜視図である。 パネル材の皿穴加工部に割れやネッキングが発生しない良好な例を示す斜視図である。 本実施形態および第１，第２各比較例による穴広げ加工後の最終穴径のバラツキを変動係数で示した説明図である。 一般的アルミ合金材の成形限界曲線特性図である。 本実施形態および第１，第２各比較例による成形限界曲線特性図である。 従来技術による皿穴加工時のパネル材の形状図である。 他の従来技術による皿穴加工時のパネル材の形状図である。

符号の説明

９ パネル材
９ａ パネル材の張出部
９ｂ パネル材の初期貫通穴
１１ ダイス
１３ 円錐ポンチ
１５ 皿穴
１５ａ 皿穴の円錐部
１５ｂ 皿穴の貫通穴
１７ パネル材載置面
１９ ダイスの円錐受け面
１９ａ 円錐受け面の最深部に相当する下端
２３ ピアスポンチ
２５ 円錐ポンチの円錐成形面
２７ 円錐ポンチの張出成形部
３１ 張出成形部の外周側角部

Claims (5)

1. パネル材に設けた円錐部の中心に貫通穴を備えた皿穴を加工する皿穴加工方法において、前記パネル材の皿穴加工部位に一方側から他方側に向けて突出する張出部を加工した後、この張出部の中心に初期貫通穴を加工するとともに、この初期貫通穴に対する穴広げ加工を行って、前記円錐部および前記貫通穴を成形することを特徴とする皿穴加工方法。
2. 前記張出部を、ダイス上に載置した前記パネル材に対して円錐ポンチの張出成形部を押し付けて加工した後、さらにこの押し付け動作を継続して、前記円錐ポンチと前記ダイスに設けたピアスポンチとで前記初期貫通穴を加工するとともに、前記円錐ポンチの前記円錐部に対応する円錐成形面を、前記ダイスの前記円錐部に対応する円錐受け面に押し付けて前記初期貫通穴に対する穴広げ加工を行うことを特徴とする請求項１記載の皿穴加工方法。
3. 前記張出成形部の外周側角部を凸状の曲面形状とし、この曲面形状の曲率半径を１．５ｍｍ以上に設定するとともに、前記ピアスポンチの前記円錐受け面から前記円錐ポンチに向けて突出する突出量を、前記パネル材の板厚をｔ、前記ダイスのパネル材載置面から前記円錐受け面の最深部までの深さをＬとすると、［√２×ｔ］以上でかつＬ未満に設定することを特徴とする請求項２記載の皿穴加工方法。
4. パネル材に設けた円錐部の中心に貫通穴を備えた皿穴を加工する皿穴加工装置において、前記パネル材を載置するダイスに、前記円錐部に対応する円錐受け面を設けるとともに、この円錐受け面の中心に前記パネル材に向けて突出するピアスポンチを設け、前記パネル材に対し前記ダイスと反対側に位置して前記ピアスポンチとで初期貫通穴を加工するとともに、前記円錐部に対応する円錐成形面を備えてこの円錐成形面と前記円錐受け面との間で前記初期貫通穴に対する穴広げ加工を行って、前記円錐部および前記貫通穴を成形する円錐ポンチに、前記初期貫通穴の加工に先立って、前記パネル材を前記ダイス側に突出させた張出部を加工する張出成形部を設けたことを特徴とする皿穴加工装置。
5. 前記張出成形部の外周側角部を凸状の曲面形状とし、この曲面形状の曲率半径を１．５ｍｍ以上に設定するとともに、前記ピアスポンチの前記円錐受け面から前記円錐ポンチに向けて突出する突出量を、前記パネル材の板厚をｔ、前記ダイスのパネル材載置面から前記円錐受け面の最深部までの深さをＬとすると、［√２×ｔ］以上でかつＬ未満に設定することを特徴とする請求項４記載の皿穴加工装置。

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