JP2006289491A - 耐割れ特性に優れた高強度鋼薄板の加工方法及び切断加工用切断刃 - Google Patents

Abstract

【課題】５９０ＭＰａ以上の引張強度を有する薄鋼板に、打ち抜き加工や切断加工を行った加工端部の耐割れ特性を改善する加工方法、高強度薄鋼板およびそれで構成される部品を提供する。
【解決手段】５９０ＭＰａ以上の引張強度を有する薄鋼板を打ち抜き加工又は切断加工行う際に、刃元から刃先端部方向にかけて刃元の曲率半径又は幅より０．０１〜３．０ｍｍ連続的に減少し、その高さが前記薄鋼板の板厚の１／２以上１００ｍｍ以下である段差部を有する切断刃を用いて打ち抜きまたは切断加工を行うことを特徴とする耐割れ特性に優れた高強度鋼薄板の加工方法。この加工方法によれば、加工された打ち抜き加工又は切断加工の加工端面における残留応力が、５００ＭＰa以下の引張応力、又は圧縮の残留応力である高強度鋼薄板を得ることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、特に自動車の足回り・衝突安全用補強部材等に使用される高強度鋼薄板の打ち抜き・切断加工方法及び切断刃に関する。

近年、地球環境問題を発端とした自動車の低燃費化に対する要求、および衝突安全性向上の観点から、自動車用鋼板等に対する高強度化の要望が強い。しかし、一般に高強度化は加工性、成形性の低下、さらに製品製造時および使用時の水素の侵入による割れ起因の遅れ破壊が懸念され、高強度、高成形性、耐割れ特性を備える鋼板が要望されている。高強度かつ高成形性の高強度薄鋼板の代表としては、残留オーステナイトのマルテンサイト変態を利用したＴＲＩＰ（ＴＲａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ）鋼や、８００℃以上の高温でプレスを行いながらプレス金型で焼入れを行いマルテンサイト組織とするホットプレス鋼板などがあり、近年用途が拡大しつつある。

このような鋼板の高強度化に伴い、部品製造時に打ち抜き加工（打ち抜きピアス穴加工ともいう）や切断加工により導入される歪や残留応力により、その加工端面に割れが生じる場合がある。このような切断時の残留応力は、鋼板の高強度化と伴に増加する傾向にある。このような割れが生じる事により、自動車部品の信頼性の低下や、打ち抜きピアス穴をさらに穴拡げ加工する場合に、その加工性が低下するなどの問題がある。特に１１８０ＭＰａ以上の強度範囲からはこれらの現象が顕著となる。

これまで、打ち抜きピアス穴部の寸法精度向上を目的として、シェービングや機械研削といった技術により、切断端部を平滑化する技術が存在した（非特許文献１）。また、２回抜きやコイニングによる残留応力低下の方策などもある（特許文献１および非特許文献２）。これらの加工方法は工程付加が必須であり、少なくとも２回の打ち抜きまたは切断加工が必須であったり、端面後処理工程を付加しなくてはならず、コスト上昇や生産性低下は避けられない。

さらには、ポンチ先端の形状として段差をつけた形状を規定することでバリ発生を抑制する打ち抜き加工方法（特許文献２）や強度が４９０ＭＰａ級までの鋼板での加工割れ防止対策として、ポンチ先端を面取りして打ち抜き加工する方法（特許文献３）が開示されているものの、これらは本発明が目的とする５９０ＭＰａ以上級の高強度鋼板で特に懸念される割れ発生を抑制するための考慮は一切ない。

また、特許文献２の従来技術には、加工の際に端面から発生する加工方向へのバリの高さを許容値内に納めるために、金型のクリアランスを厳格に調整することが記載されているが、本発明が目的とする５９０ＭＰａ以上級の高強度鋼板で特に懸念される割れ発生の抑制に関しては言及されていない。

特許文献４には、先端部が小径の打ち抜きパンチ部と大径部を有し、両者を繋ぐテーパーガイド部からなるパンチを有するバーリング加工用金型が記載されているが、この金型は１工程で打ち抜きと曲げ加工を行う際に使用するものであり、本発明が目的とする５９０ＭＰａ以上級の高強度鋼板で特に懸念される割れ発生を抑制するための金型ではない。
「薄板のプレス加工」 実教出版株式会社、１９７７年１０月、中川 威雄ら、図９．１４ 例えばＣＡＭＰ−ＩＳＩＪ ｖｏｌ．１０ （１９９７），ｐ．５１１ 特願２００４−３０９７７９号 特開平５−２３７５５号公報 特開平８−５７５５７号公報 実開平６−５４４２３号公報

本発明は引張強度が５９０ＭＰａ以上を有する高強度薄鋼板を打ち抜き加工又は切断加工した際に、打ち抜きピアス穴加工部や切断加工部の耐割れ特性を改善した加工方法及び切断刃を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記のような課題を克服するために、引張強度５９０ＭＰａ以上の高強度鋼板の打ち抜きピアス穴加工や切断加工の加工端面の耐割れ特性を詳細に検討した結果、その加工方法を工夫する事で加工端部の引張残留応力が減少し、耐割れ特性の向上を図ることが可能なことを見出した。

本発明は、上記知見に基づいて完成されたもので、その要旨とするところは以下の通りである。

（１）５９０ＭＰａ以上の引張強度を有する薄鋼板を打ち抜き加工又は切断加工を行う際に、刃元から刃先端部方向にかけて刃元の曲率半径又は幅より０．０１〜３．０ｍｍ連続的に減少し、その高さが前記薄鋼板の板厚の１／２以上１００ｍｍ以下である段差部を有する切断刃を用いて打ち抜きまたは切断加工を行うことを特徴とする耐割れ特性に優れた高強度鋼薄板の加工方法。
（２）打ち抜き加工又は切断加工の加工端面における残留応力を、５００ＭＰａ以下の引張応力、または圧縮の残留応力とすることを特徴とする（１）記載の耐割れ特性に優れた高強度鋼薄板の加工方法。
（３）前記切断刃による切断方向に対する前記段差部の角度θが、９５°≦θ≦１７９°であることを特徴とする（１）又は（２）に記載の耐割れ特性に優れた高強度鋼薄板の加工方法。
（４）薄鋼板の板厚をｔ（ｍｍ）、刃元の直径又は厚みをＬ（ｍｍ）、ダイの直径又は間隔をＰ（ｍｍ）としたとき、（Ｐ−Ｌ）／２／ｔ×１００で表されるクリアランス（％）が１０％以下となる条件で、打ち抜きまたは切断加工を行うことを特徴とする（１）〜（３）のうちいずれか一つに記載の耐割れ特性に優れた高強度鋼薄板の加工方法。
（５）刃元から刃先端部方向にかけて刃元の曲率半径又は幅より０．０１〜３．０ｍｍ連続的に減少する段差部を有し、前記段差部の高さをＨ（ｍｍ）とし、刃元と刃先端部の曲率半径又は幅の差をＤとしたとき、Ｄ／Ｈが０．５以下であることを特徴とする耐割れ特性に優れた打ち抜き加工用又は切断加工用切断刃。

本発明により、高強度鋼板の課題であった打ち抜きピアス穴加工端部や切断加工端部の耐割れ特性を向上する事ができる。

打ち抜きピアス穴加工端部や切断加工端部における引張の残留応力は、鋼板強度と共に増加する傾向にある。したがって、近年の薄鋼板の急速な高強度化に伴い、打ち抜きピアス穴加工端部や切断加工端部の加工性の劣化による割れの発生や、部品成形後の置き割れなどが問題となる場合がある。

そこで、打ち抜きピアス穴加工や切断加工における加工端面の残留応力を詳細に調査し、引張りの残留応力を減少させる事が１度の打ち抜きまたは切断で可能な加工方法およびその加工範囲を見出し、耐割れ特性を向上させる事に成功した。

以下に本発明を更に詳細に説明する。

まず、（１）に係る本発明における加工範囲の限定理由について説明する。

打ち抜きピアス穴加工や切断加工の加工端面における、塑性加工層や残留応力の影響範囲を詳細に調査した結果、図１において斜線で図示した塑性加工層等（加工影響部）は加工端部から２０００μｍ程度に存在する事を明らかにした。図１に示すように打ち抜き加工や切断加工の際には、鋼板は圧縮された状態で加工され、加工後にその圧縮状態から開放されるために引張の残留応力が生じると考えられる。

そこで、上記塑性加工層等の影響範囲の全断面に対して穴を押し広げるまたは端面前面を押し付ける加工を行う事で、塑性加工による部分的な強度上昇または引張残留応力による圧縮力への反発により、完全切断後の開放変位が圧縮側になるように制御し得る１回での加工方法を見出した。

すなわち、加工端部から２０００μｍ超の範囲の部分におよぶ穴広げまたは押し付け加工をすると、一度穴は広がり端面は押し付けられる。加工後にそれが開放されるため残留応力は端面において圧縮側になる。これをダイおよびポンチを用いた１回加工でなし得るためには、図２、３に示すように刃先端部形状が重要となる。図２の切断刃は、刃元から刃先端部方向にかけて曲率半径が漸減する段差部を有しており、図３の切断刃は、段差部の先端から切断方向に向かって鉛直に延びる先端平行部を有する。

刃元から刃先端部方向にかけて刃元の曲率半径Ｒ又は幅が連続的に減少する（漸減する）段差部を設ける際に、その曲率半径Ｒ又は幅の減少代が０．０１ｍｍ未満であると通常の打ち抜きまたは切断加工と変わらない状態となってしまうため、大きな引張りの応力が端面に残留してしまう。一方、その曲率半径Ｒ又は幅の減少代が３．０ｍｍを越えると、実質的なクリアランスＣが大きくなることから、加工端面のバリが０．４ｍｍより大きくなってしまうので、０．０１〜３．０ｍｍに限定する。

また、刃縦壁部の高さ（段差部高さ）Ｈが被加工鋼板の板厚ｔの１／２未満であると一度打ち抜いてから、段差部の側面により加工端面を押し付けることができなくなるため、通常の打ち抜きまたは切断加工と変わらない状態となり、大きな引張りの応力が加工端面に残留してしまう。一方、その刃縦壁部の高さＨが１００ｍｍを越えるとストロークが大きくなることや刃自体の短寿命化が懸念される。

また、切断刃の平行部と段差部のなす角度（刃縦壁角度θ）についても、９５°以上１７９°以下であることが望ましく、さらには、１４０°以上がより望ましい。

図１、図２では段差部が曲率半径を有する形状を示しているが、刃元から直線的に幅が減少する（漸減する）ものも、当然本発明の範囲に含まれる。

次に、（２）に係る本発明で規定する残留応力については、ゼロまたは圧縮側であれば基本的には端部において鋼板に亀裂が入る方向に応力が作用しないため、割れが生じなくなる。また、５００ＭＰａ以下に押さえることで割れの防止には効果的である。（２）に係る本発明で規定する残留応力は、（１）に係る本発明による打抜き又は切断加工を行うことにより得ることができる。

（４）に係る本発明において、鋼板の板厚をｔ（ｍｍ）、刃元の直径又は厚みをＬ（ｍｍ）、ダイの直径又は間隔をＰ（ｍｍ）としたとき、（Ｐ−Ｌ）／２／ｔ×１００で表されるクリアランス（％）を１０％以下にして打ち抜き加工または切断加工を行うと、更にバリを抑制でき、組み立て時に問題にならないことに加え、割れの起点を減らすことにもなり、割れ発生を抑制できる。なお、バリ高さは組み立て時に問題とならない０．２ｍｍ以下が好ましい。

また、（５）に係る本発明で規定する切断刃の形状については、刃元と刃先端部の曲率半径又は幅の差をＤ（ｍｍ）とし、段差部の高さをＨ（ｍｍ）としたとき、Ｄ／Ｈが重要であり、その値が０．５未満である場合に刃寿命やバリ発生が抑制されるため、０．５以下とすることが望ましい。

一方、特許文献２および３にあるような刃先の面取りなどはバリ低減や刃寿命の延長および比較的低強度鋼板の割れ防止には有効であるが、本発明では、所定の条件で鋼板を成形した後、１度打ち抜いた端面又は切断した端面をもう一度押し広げることが最も重要であるため、残留応力を低減し、更には圧縮側にするためには刃先の面取りなどは特に必要ない。

尚、加工部断面における残留応力の測定は、Ｘ線残留応力測定装置により非特許文献３（「Ｘ線応力測定法標準（２００２年版）−鉄鋼編」社団法人日本材料学会 ２００２年３月）に記載の方法に従い実施した。詳細は、以下の通りである。並傾法により体心立方格子の２１１面の反射Ｘ線を用い、２θ−ｓｉｎ^２ψを測定した。このときの測定２θの範囲は約１５０〜１６２°である。Ｘ線ターゲットとしてＣｒ−Ｋαを使用し、管電流及び管電圧を３０ｋＶ ／ １０ｍＡとし、Ｘ線入射スリットを１ｍｍ角とした。２θ−ｓｉｎ^２ψ線図の傾きに応力定数Ｋをかけた値を残留応力とした。このとき応力定数Ｋは、−３２．４４Ｋｇｆ／ｄｅｇとした。

上記条件下で、ピアス穴断面の場合はψ＝２０，２５，３０，３５，４０，４５を測定し、切断面の場合はψ＝０，２０，２５，３０，３５，４０，４５を測定した。測定は、板厚方向を０°とし、そこから２３°、４５°傾けた方向で計３回測定し、その平均値を残留応力値とした。

また、加工の際に端面から発生する加工方向へのバリ高さは粗度計を用いて測定した。

本発明の対象を５９０ＭＰａ以上の引張強度を有する鋼板に限定したのは、端部の残留応力値の大小は鋼板強度に依存し、５９０ＭＰａ以上の強度を有する鋼板から、打ち抜き加工または切断加工端部における割れ発生が懸念され、７８０ＭＰａで顕著になり、９８０ＭＰａ以上でさらに顕著になるからである。

また、本発明の対象を薄鋼板としたのはプレス成形を実施可能な鋼板に限定するためであり、鋼板の板厚は成形性を確保するため、１０ｍｍ以下で、自動車用鋼板としては３ｍｍ以下が望ましい。

打ち抜き加工又は切断加工の方法は特に限定するものではなく、公知の方法を何れも使用することができ、その加工温度に関しては室温から１０００℃の範囲で本発明の効果が得られる。

次に、実施例で本発明をより詳細に説明する。表１に示すように、５９０ＭＰａ以上の引張強度を有する厚さ１．６〜２．３ｍｍの鋼板を４種類用意した。引張強度はそれぞれ６８５ＭＰａ、７９０ＭＰａ、１５２５ＭＰａおよび１７８５ＭＰａであった。

打ち抜きまたは切断加工部の評価に際しては、これらの成形品から１００ｍｍ×１００ｍｍのサイズに切断して試験片を採取し、その中心部に図２、３に示す形状で、平行部直径又は厚みＬが１０ｍｍおよび２０ｍｍ、先端部の直径又は長さが８〜１３ｍｍのポンチにてクリアランス２．２〜１５．６％で打ち抜きまたは切断加工を行った。これら試験片の耐割れ特性を評価するために、２次加工、加工端部の割れ発生個数、及びＸ線による打ち抜き端部及び切断端部の残留応力を測定した。割れ発生個数の測定は、打ち抜きピアス穴に関しては穴全周を対象に行った。切断端部に関してはその１片を測定した。バリの評価については、バリ高さが０．２ｍｍ以下の場合には良好として“○”で示し、バリ高さが０．２ｍｍよりも大きく、０．４以下の場合には概ね良好として“△”で示し、０．４よりも大きい場合には不良として“×”で示した。また、総合判定評価については、引張残留応力が５００ＭＰａ以下であること、２４ｈ放置後の割れ発生個数が０であること、バリの評価が○又は△であること、これらの条件を全て満足した場合には良好として“○”で示し、これらの条件を一つでも満足しなかった場合には不良として“×”で示した。

上記検討の結果、打ち抜きピアス穴加工および切断加工のどちらの条件においても、本願発明範囲外のものは割れが頻繁に起こったり、大きなバリが発生したりしているのに対し、本発明範囲のものについては割れ発生がなく、バリも０．４ｍｍ以下であった。なお、鋼種番号Ａの製造条件番号１１、鋼種番号Ｂの製造条件番号１１、鋼種番号Ｃの製造条件番号１１、鋼種番号Ｄの製造条件番号９については、段差部の形状が、曲率半径または幅が連続的に減少する形状に形成されていないため、総合判定結果が不良であった。

打ち抜きによる引張り残留応力発生の概念図 本発明の打ち抜き方法 本発明の別の打ち抜き方法

Claims (5)

1. ５９０ＭＰａ以上の引張強度を有する薄鋼板を打ち抜き加工又は切断加工を行う際に、刃元から刃先端部方向にかけて刃元の曲率半径又は幅より０．０１〜３．０ｍｍ連続的に減少し、その高さが前記薄鋼板の板厚の１／２以上１００ｍｍ以下である段差部を有する切断刃を用いて打ち抜きまたは切断加工を行うことを特徴とする耐割れ特性に優れた高強度鋼薄板の加工方法。
2. 打ち抜き加工又は切断加工後の加工端面における残留応力を、５００ＭＰａ以下の引張応力、または圧縮の残留応力とすることを特徴とする請求項１記載の耐割れ特性に優れた高強度鋼薄板の加工方法。
3. 前記切断刃による切断方向に対する前記段差部の角度θが、９５°≦θ≦１７９°であることを特徴とする請求項１又は２に記載の耐割れ特性に優れた高強度鋼薄板の加工方法。
4. 薄鋼板の板厚をｔ（ｍｍ）、刃元の直径又は厚みをＬ（ｍｍ）、ダイの直径又は間隔をＰ（ｍｍ）としたとき、（Ｐ−Ｌ）／２／ｔ×１００で表されるクリアランス（％）を１０％以下として打ち抜きまたは切断加工を行うことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の耐割れ特性に優れた高強度鋼薄板の加工方法。
5. 刃元から刃先端部方向にかけて刃元の曲率半径又は幅より０．０１〜３．０ｍｍ連続的に減少する段差部を有し、前記段差部の高さをＨ（ｍｍ）とし、刃元と刃先端部の曲率半径又は幅の差をＤ（ｍｍ）としたとき、Ｄ／Ｈが０．５以下であることを特徴とする耐割れ特性に優れた打ち抜き加工又は切断加工用切断刃。