JP2007209997A - 金属板の打ち抜き加工用工具 - Google Patents

Abstract

【課題】打ち抜き加工時に被加工材のダイと接する面の穴縁近傍に発生する加工硬化を緩和し、伸びフランジ性を改善する。
【解決手段】円形の穴を打ち抜くダイとパンチからなる金属板の打ち抜き加工用工具において、ダイの内孔表面から内孔表面と垂直で外周に向かう溝を、ダイの厚さ方向の内部に有することを特徴とする金属板の打ち抜き加工用工具。
【選択図】図３

Description

本発明は、鋼板などの金属板を打ち抜き加工する際に用いる工具に関するものである。

鋼板などの金属板の、加工形態の一つに伸びフランジ加工がある。図１はその一例を示すもので、（a）に示す被加工材１１の穴１２に対して、（b）に示す要領で球頭などの工具１３を押し込んでフランジ１４を成形する。

この加工に際しては、金属板（被加工材ともいう）１１に穴１２を設ける工程が必要である。その方法には、打ち抜きや、ドリルなどを用いた切削の適用が考えられるが、生産性の観点からは専ら前者が優位であり、広く用いられている。

一方、最近、産業上の要求から被加工材も変遷を遂げてきている。特に自動車などの輸送機器の分野では、性能を損なわない軽量化を指向する動きが強く、そうした流れに応じて高強度な材料を用いることで使用する材料の厚さを減じようとする試みが一般化している。

材料の高強度化が伸びなどの成形性の低下を伴うことはある程度不可避なことであるから、その影響は様々な加工の難易度にも現れる。伸びフランジ加工も例外ではなく、軟質な材料では問題なく成形出来ていたフランジの成形が、成形は出来ても板厚を貫通する亀裂が発生したり、その発生を回避しようとすると所望のフランジ高さが得られなかったりするなどの成形不良に見舞われることが多くなって来た。

こうした事例は、打ち抜きによって穴を設けた場合に顕著であることが知られている。
その主たる理由は、打ち抜きによって設けられた穴は、ドリルなどを用いて設けられた切削穴に比べて、伸びフランジ成形に対して「低品位」であるからと指摘されている。

図２を使って具体的に説明する。図２は、打ち抜き加工の工程を示す模式図である。金属板（被加工材ともいう）２１は同図（a）に示すように打ち抜きダイ２２上に置かれ、続いて打ち抜きパンチ２３が降下して同図（b）のように打ち抜き穴が加工され、打ち抜かれたスクラップ２４が被加工材から分離する。

この過程を更に詳細に見れば、同図（c）のように、パンチ２３が被加工材２１に食い込むことによって剪断面が形成される初期段階と、工具の先端部分に応力が集中してクラックが発生し、それらが伝播、結合して破断面を形成する第二段階が存在し、その結果、同図（d）に示すような剪断面２５と破断面２６で構成される打ち抜き穴が加工されることが理解できる。

ここで破断面２６は粗度が大きく、かつ場合によっては微細なクラックなどの欠陥が存在するので、これが打ち抜き加工に次いで行われる伸びフランジ加工時の、亀裂の起点になったり、また亀裂の伝播を促進する欠陥となったりすると考えられている。これに対して切削で加工された穴にはこうした欠陥などの問題点は存在しない。

このことが打ち抜きで加工された穴が伸びフランジ加工に対してより低品位であるとされる所以である。

打ち抜き加工された穴の破断面に、伸びフランジ加工に対して好ましくない欠陥が存在する確率、あるいは欠陥の存在量は、被加工材が高強度化し、延性が低下する程に増すことが明らかとなっており、材料の高強度化要求と如何にして整合させるかが大きな課題となっている。

こうした問題の解決に取り組んだ技術が幾つか知られている。
例えば特許文献１には、先端部に所定の面取りを施した打ち抜きパンチ（ポンチ）を用い、かつクリアランスを所定の範囲内にすることによって打ち抜き割れの発生を防止する方法が開示されている。

特許文献２には、先端部に所定の条件を満たす凸部を有する打ち抜きパンチ（ポンチ）を用い、かつクリアランスを所定の範囲内にすることによって打ち抜き割れの発生を防止する方法が述べられている。

特許文献３には、先端部に、穴開け部（切刃）とそれに続く切削部を設けた打ち抜きパンチ（ポンチ）を用いることで穴開け直後に破断面を切削して平滑にし、伸びフランジ加工時の割れ発生を防止する技術が提案されている。

これらは何れも高い工業的価値を有し、一定の効果は有するものの、特許文献１および特許文献２の技術では、パンチの耐久性、すなわち切刃の所謂切れ味の、繰り返し使用に対する持続性が、これらの細工を施さないパンチに対して劣るという問題がある。

また、両技術は、被加工材のパンチ側の表面近傍に加工硬化を付与することを主眼の一つとするものであるから、材料の加工性をそれによってより多く損なうことは明らかで、その程度によっては伸びフランジ性を十分に改善できない可能性を含んでいる。

一方、特許文献３の技術は、打ち抜き加工と、一般に縁仕上げ（シェービング）と呼ばれる加工を組み合わせて一つの工具（パンチ）で連続的工程として行うことを提案したものである。

しかし一般に、縁仕上げ加工で完全な平滑面を得るには、パンチとダイにクリアランスを与えないことが必要とされており、その条件を満足しつつ部品の加工を行うには、工具相互と被加工材に非常に高い精度での位置決めが求められ、結果的に生産性が大幅に低くなることが懸念される。

このように、これまでに提案・開示されている技術には問題点があり、また、十分に検討されていない下記のような問題点も存在する。

本発明者らの研究によれば、破断面の欠陥も勿論伸びフランジ加工時の割れの原因となるが、それと同程度に、被加工材の加工硬化による加工性の劣化も影響していることが明らかとなった。特に、ダイ側表面近傍の穴縁部の加工硬化状況が高い割合で影響していることが明らかとなった。

そこで、本発明者らは当該部分の加工硬化を出来るだけ抑制することが優れた伸びフランジ性を確保する上で重要であることを見出し、それに応え得る技術を特許文献４にて開示した。

当該技術は、円形の打抜き穴を有するダイの面上に、穴中心から見て外側に切刃（端部）側よりも軟質な部分を設けることによって、打抜き時に当該部位の加工硬化を抑制するもので、伸びフランジ性を改善する効果が確かに得られた。

しかし、そのためのダイを得るには、常法に基づいて製作された工具の所定の部位に対してレーザー光を照射し、部分的に軟化熱処理する方法が最も適切であるが、表面からの深さ方向の軟化状況を非破壊で正確に知り得る手段がないため、元々のダイの個体差（焼き入れられた工具鋼の到達硬さのバラツキなど）と相まって特性が必ずしも一定でないという問題点が認識されるに至った。

本発明は、上述した問題を解決し、被加工材のダイ側表面近傍の、穴縁部の加工硬化を出来るだけ抑制する打ち抜き加工用工具を提供することを目的とする。
特開平8-57557号公報 特開平8-99131号公報 特開平6-39450号公報 特開2005-211925号公報

本発明は係る課題を解決するため、望ましい条件を明らかにすることでなされたものであり、
（１）円形の穴を打ち抜くダイとパンチからなる金属板の打ち抜き加工用工具において、ダイの内孔表面から内孔表面と垂直で外周に向かう溝を、ダイの厚さ方向の内部に有することを特徴とする金属板の打ち抜き加工用工具、
（２）上記の溝の内孔表面上の上端から切刃までの距離ｈが2〜7ｍｍであり、前記の溝の打ち抜き方向の幅ｗ（ｍｍ）と、半径方向の深さｄ（ｍｍ）とが以下の式（ア）〜（ウ）を満たすことを特徴とする（１）記載の金属板の打ち抜き加工用工具、
（ア） ｗ≧0.5ｍｍ
（イ） ｗ≦0.176×ｄｍｍ
（ウ） 10ｍｍ≧ｄ≧4ｍｍ
を要旨とするものである。
（３）上記溝は、前記内孔の全周にわたって形成するのが好ましい。

本発明の打ち抜き工具を用いれば、被加工材のダイ側表面近傍の、穴縁部の加工硬化を従来法に比べて抑制することが出来、高い伸びフランジ性を得ることが出来る。また、溝の形状測定から特性を事前に把握できるため高度な品質管理が可能となる。

本発明者らは、被加工材のダイ側表面近傍の、穴縁部の加工硬化が生じる機構を詳細に調査した。その結果、当該部分の加工硬化は、複数の要因で生じるが、そのうち最も寄与が大きいものは、打ち抜き工具が被加工材に接し、剪断が開始するまでの極めて短時間に生じる衝撃的な力であることが明らかとなった。

そこで、そうした衝撃力を緩和する工具を種々検討し、最終的に、ダイの内孔表面から内孔表面と垂直で外周に向かう溝をダイの厚さ方向の内部に設けると、ダイの切刃を含むダイの穴縁部分が打ち抜き開始の瞬間に穴内部に僅かに撓むようになるので、金属板の加工硬化が大幅に緩和でき、その結果として伸びフランジ性も向上することを見出した。

溝は図３(a)に示すように内孔の全周にわたって出来る限り均一に存在することが好ましい。このように、内孔の全周にわたって溝を形成することにより、打ち抜き開始の際にダイの穴縁部分を全体的に撓ませることができるため、金属板に加工硬化が発生するのを確実に防止できる。

溝の内孔表面上の上端から切刃３１までの距離ｈ（ｍｍ）は2〜7ｍｍであることが好ましい。2ｍｍ未満ではダイの切刃部分が脆弱となり僅かな回数の使用で破損することがあるから望ましくなく、7ｍｍより大きい場合には所望の効果が得られにくくなるので上記のように限定することが好ましい。

溝の打ち抜き方向の幅ｗ（ｍｍ）と、半径方向の深さｄ（ｍｍ）は、 ｗ≧0.5ｍｍ、ｗ≦0.176×ｄｍｍ、および10ｍｍ≧ｄ≧4ｍｍの３式を満たしていることが好ましい。これらのうち、ｗ≦0.176×ｄｍｍ、およびｄ≧4ｍｍは実施例にて述べる実験に基づいて見出されたものであり、ｗ＜0.5ｍｍ、およびｄ＞10ｍｍは溝作製（加工）の難易度が高く、特性が安定したダイを容易に得ることが極めて難しいため本発明の範囲から除外した。

本発明の工具（ダイ）を得るには、実施例の中で述べるように、常法に基づいて製作された工具の所定の部位に対して放電加工法を用いて溝加工（中繰り加工）する方法が有効である。この他、中繰りバイトを用いての旋盤加工やウォータージェット加工も用いることが出来る。
（実施例）
引張強さが798MPa、厚さが3.2mmの鋼板を用いて行った実施例について説明する。まず、被加工材として、上記の鋼板を150mm×150mmに切断したものを複数枚用意した。これら被加工材に対して、切刃直径30mmのパンチと切刃内径30.8mmのダイを用いて対角線の中心と穴の中心を揃えて打ちぬき加工を行った。

次に、上記のように打ち抜かれた被加工材を、頂角60°の円錐パンチを使用して伸びフランジ加工し、その過程を目視で観察した。そして、亀裂が板厚を貫通した時点で加工を直ちに停止した。伸びフランジ加工前の内径をｄ_０、加工後のそれをｄとして、（ｄ−ｄ_０）／ｄ_０×１００（％）を拡径率λと定義した。一条件に付き、５枚を試験して各々λを求め、そのうちの最大と最小を除いた３点の平均値をその条件におけるλとした。

打ち抜き工具の材質は全ての試験で同一であり、市販のSKD11製（（株）ミヤギ製、HI-SET A2用）を用いた。

溝を有するダイは、放電加工法で上記の市販のダイに溝を加工することによって作製した。ダイを低速で回転させながら、電極（銅）との間で放電を起こさせ、溝を形成した。印加電圧、電極用銅板の厚さ、および加工時間を種々組み合わせてｗとｄの異なるダイを作製した。

マイクロスコープを用いて溝の形状を観察したところ、内孔表面から内径方向内部に向けて幅は極僅かに狭くなり、最深部は曲面、すなわち内孔の軸を含む断面で見て半球状を成していた。そこで溝の幅ｗは、内孔表面上での測定値、深さｄは内孔表面から最深部（底）までの距離を用いて以下の整理を行った。

また溝の、内孔表面上の上端から切刃までの距離ｈは、1.5mm、2mm、5mm、7mm、および8mmの５水準について行った。

溝を作製しなかったダイ（従来品）を用いた際のλを基準にして、溝を設けたダイを使って打ち抜いた鋼板のλを評価した。図４は、ｄとｗを座標軸にλの向上代を示したグラフである。λの向上代は、従来品でのλをλ_０、溝を設けたダイでのλをλ_Ｓとして、Ｒ＝（λ_Ｓ−λ_０）／λ_０×１００（％）を求め、Ｒが15％以上を白ぬき（〇、□、△）、Ｒが15％未満を黒印（●、■、▲）で表した。

図４から明らかなように、ｈが2、5、および7mmの場合には、ｄ≧4ｍｍ、かつｗ≦0.176×ｄｍｍなる関係を有する場合において伸びフランジ性の改善効果が高い。一方、グラフへの記載は割愛したが、ｈが1.5mmの場合には、伸びフランジ性の改善効果は見られるものの、切刃部分が脆弱で、10回〜30回程度の打ち抜きで欠落や亀裂の発生が認められるものがあり、またｈが8mmの場合にも伸びフランジ性を飛躍的に改善する効果は認められなかった。

こうした理由から本発明の範囲を定めた。

伸びフランジ加工を示す模式図である。 打ち抜き加工による穴あけ加工の工程と、加工された穴について説明する図面である。 （ａ）が溝を有するダイの打ち抜き直交方向の断面図であり、（ｂ）が溝を有するダイの打ち抜き方向の断面図であり、（ｃ）が図３（ｂ）の丸で囲んだ領域の拡大図である。 溝の幅ｗと同最深部までの距離ｄを座標軸にして伸びフランジ性の改善される範囲を示したグラフである。

符号の説明

11：被加工材（金属板）
12：穴（打ち抜き穴）
13：球頭パンチ
14：フランジ
21：被加工材（金属板）
22：ダイ
23：パンチ
24：スクラップ
25：剪断面
26：破断面
31：切刃
32：溝
33：内孔表面

Claims (3)

1. 円形の穴を打ち抜くダイとパンチからなる金属板の打ち抜き加工用工具において、ダイの内孔表面から内孔表面と垂直で外周に向かう溝を、ダイの厚さ方向の内部に有することを特徴とする金属板の打ち抜き加工用工具。
2. 前記溝の内孔表面上の上端から切刃までの距離ｈが2〜7ｍｍであり、前記の溝の打ち抜き方向の幅ｗ（ｍｍ）と、半径方向の深さｄ（ｍｍ）とが以下の式（ア）〜（ウ）を満たすことを特徴とする請求項１記載の金属板の打ち抜き加工用工具。
   （ア） ｗ≧0.5ｍｍ
   （イ） ｗ≦0.176×ｄｍｍ
   （ウ） 10ｍｍ≧ｄ≧4ｍｍ
3. 前記溝は、前記内孔の全周にわたって形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属板の打ち抜き加工用工具。

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