JP2009101407A - パンチング加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】穴加工後の部品性能に配慮し、適切な穴配置を行うことで、開口率を、より高めて一層の軽量化を図ることができるパンチング加工方法を提供することを課題とする。
【解決手段】（ａ）に示すようにモデル４の板材２５は、平板２６に長径が９ｍｍ、短径が３ｍｍの長穴２７を方形状に備えている。（ｂ）に示すモデル５の板材３０は、平板３１に長径が９ｍｍ、短径が３ｍｍの長穴３２を千鳥状に備えている。
【効果】長穴であるため、従来の技術で述べたｗは必然的に大きくなり、この結果、板材の断面が大きくなることで剛性指標である断面二次モーメントＩも大きくなる。すなわち、板材を曲げる力が作用する方向を考慮して長穴を巧みに配置することで、高い強度を得つつ最大限に軽量化できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、板材にパンチング加工を施すパンチング加工方法の改良に関する。

車体等の構造物において、軽量化を主目的として、小さな穴が多数開けられているフレームが採用される（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−８２７９６公報（図２）

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図１７は従来の技術の基本構成を説明する図であり、車両のフード１００はフードアウターパネル１０１に、フードインナーパネル１０２を重ねて構成される。そして、フードインナーパネル１０２は、多数の小さな丸穴１０３が開けられた板材を折り曲げ成形してリブを設けたものである。
多数の小さな丸穴１０３が開けられているため、フードインナーパネル１０２は軽くなる。この丸穴１０３の数が多いほど、又は丸穴１０３の直径が大きいほど、フード１００及び車両の軽量化が図れる。

丸穴１０３の数を増すか、又は丸穴１０３の直径を増大することで、軽量化を高めることができる。反面、軽量化を高めると、ｗは小さくなる。
ｗが小さくなると、大きな外力を受けたときに、丸穴１０３と隣の丸穴１０３との間（ｗの部分）に割れが入り易くなる。また、従来軽量化を穴で行う場合に、軽量化後の部品性能、例えば、剛性、強度などの機械的性能に配慮した穴の配置、穴形状を設定するということは行われていない。

そのため、従来の構造では、丸穴の数や直径に限界があり、軽量化すなわち、開口率を高めることに限界があった。
しかし、穴加工後の部品の機械的性能に配慮し、適切な穴を設定することができれば、開口率を、より高めて一層の軽量化を図ることが可能になる。

本発明は、穴加工後の部品性能に配慮し、適切な穴配置を行うことで、開口率を、より高めて一層の軽量化を図ることができるパンチング加工方法を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、板材にパンチング加工を施すパンチング加工方法において、
曲げ剛性が要求され、且つ前記板材を曲げる力が作用する方向が指定できる場合、前記板材を支えてる支点と前記曲げる力が作用する力点を結ぶ方向に長い長穴を穿設することを特徴とする。

請求項２に係る発明では、板材にパンチング加工を施すパンチング加工方法において、
引張り強さが要求され、且つ前記板材を引張る力の作用する方向が指定できる場合、前記板材を引張る力の作用する方向に長い長穴を方形に配置して穿設することを特徴とする。

請求項３に係る発明では、板材にパンチング加工を施すパンチング加工方法において、
引張り強さが要求され、且つ前記板材を引張る力の作用する方向が指定できない場合、丸穴を方形に配置して穿設することを特徴とする。

請求項１に係る発明では、板材を曲げる力が作用しており、板材を支えてる支点と曲げる力が作用する力点を結ぶ方向に長い長穴をパンチング加工により開けた。長穴であるため、従来の技術で述べたｗは必然的に大きくなり、この結果、板材の断面が大きくなることで剛性指標である断面二次モーメントＩも大きくなる。すなわち、板材を曲げる力が作用する方向を考慮して長穴を巧みに配置することで、高い強度を得つつ最大限に軽量化できる。

請求項２に係る発明では、板材を引張る力の作用する方向に長い長穴を方形にパンチング加工により開けた。長穴であるため、従来の技術で述べたｗは必然的に大きくなり、この結果、引張り応力を下げることができ、割れの発生を解消することができる。すなわち、長穴を方形に配置することで、高い強度が得られる。

請求項３に係る発明では、板材に丸穴を方形にパンチング加工により開けた。これにより、どの方向から見ても板材の断面積が一定に近いため、どの方向から引張られても引張り応力が一定に近くなる。すわなち、丸穴を方形に配置することで、どの方向から引張られても一定の強度が得られる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
先ず、比較実験のために、長さが３００ｍｍ、幅が９６ｍｍ、厚さがｔである５つのモデルを用意する。

図１は本発明に係る板材のモデル（３種類）の平面図であり、（ａ）に示すモデル１の板材１０は、穴が開いていない平板である。（ｂ）に示すモデル２の板材１５は、平板１６に直径が３ｍｍの丸穴１７を方形状に備えている。（ｃ）に示すモデル３の板材２０は、平板２１に直径が３ｍｍの丸穴２２を千鳥状に備えている。

モデル１（穴無し板）の重量がＷ１、モデル２（穴開き板）の重量がＷ２と仮定する。Ｗ２は穴が開いている分だけＷ１より軽くなる。軽くなった重量は（Ｗ１−Ｗ２）であり、この重量が元の重量Ｗ１に比較して大きいほど軽量化は高まる。そこで、（Ｗ１−Ｗ２）／Ｗ１＝軽量化率と定める。
モデル２、３の軽量化率は、共に約２８％に設定した。

図２は本発明に係る板材のモデル（２種類）の平面図であり、（ａ）に示すようにモデル４の板材２５は、平板２６に長径が９ｍｍ、短径が３ｍｍの長穴２７を方形状に備えている。（ｂ）に示すモデル５の板材３０は、平板３１に長径が９ｍｍ、短径が３ｍｍの長穴３２を千鳥状に備えている。
モデル４、５の軽量化率は、共に約２８％に設定した。

図３は実験の概念図であり、長さがＬの板材１０、１５、２０、２５又は３０の一端を固定支点３５とし、他端に下向きにＷの荷重を作用させ力点３６としたときに、先端がｖだけ撓んだとする。このときに、次の等式が成立することが構造力学的に知られている。ｖ＝Ｗ・Ｌ^３／（３ＥＩ）。Ｅはヤング率、Ｉは断面二次モーメントである。
この式を変形すると、Ｉ＝Ｗ・Ｌ^３／（３Ｅｖ）となる。すなわち、撓みｖを実験で求めることで、剛性指標であるＩを求めることができる。

図４はモデル１の曲げ剛性の実験結果を示す図であり、図１（ａ）に示す板材１０の長さＬを３００ｍｍとし、板厚ｔは、０．８ｍｍ、０．９ｍｍ、１．０ｍｍ、１．２ｍｍとした。すなわち、４種類の板材１０を準備した。
先ず、板厚が０．９ｍｍのものについて、図３に示す要領で撓みを求めた。その結果を、図４（ａ）に示す（ｔ＝０．９を添えた黒塗り菱形）。

次に、板厚が１．０ｍｍのものを同様に実験した。ただし、Ｗ、Ｌ、Ｅは変更しない。板厚が増加したため、重量は増加した。一方、撓みは小さくなった。この結果を、加えたものを図４（ｂ）に示す（ｔ＝１．０を添えた黒塗り菱形）。
続いて、板厚ｔが１．１ｍｍ、１．２ｍｍであるものを実験した。全実験の結果を図４（ｃ）に示す（ｔ＝０．８及びｔ＝１．２を添えた黒塗り菱形）。

図５はモデル２の穴の配置図であり、モデル２の板材１５では、丸穴１７の直径が３ｍｍである。丸穴１７の縁と隣の丸穴１７の縁との距離がｗ１、板材の横幅ａが９６ｍｍ、板厚ｔで、丸穴１７は図上下方向に１８個配置されている。ｗ１部の断面積Ｓ１を検討すると、横幅ａから丸穴１７の直径を引いた差ｂ１は、ｂ１＝９６−３×１８＝４２（＝ｗ１×１９）となるので、Ｓ１＝４２×ｔである。ｔが大きいほど強度が高いことが分かる。

図１（ｂ）に示す板材１５の長さＬを３００ｍｍとし、板厚ｔは、０．９ｍｍ、１．０ｍｍ、１．２ｍｍ、１．４ｍｍとした。すなわち、４種類の板材１５を準備した。
そして、板厚が０．９ｍｍのものについて、図３に示す要領で撓みを求めた。

図６はモデル２の曲げ剛性の実験結果を示す図であり、（ａ）に示すように、モデル１（ｔ＝０．９を添えた黒塗り菱形）は穴無し板であるため、重いが、撓みは小さい。これに対して、モデル２（ｔ＝０．９を添えた白丸）は穴開き板であるため、軽いが、撓みは大きいので、黒塗り菱形より左へ移動すると共に上に移動した位置に図示される。

次に、板厚が１．０ｍｍのものを同様に実験した。ただし、Ｗ、Ｌ、Ｅは変更しない。板厚が増加したため、重量は増加した。一方、撓みは小さくなった。この結果を、加えたものを図６（ｂ）に示す（ｔ＝１．０を添えた白丸）。
続いて、板厚ｔが１．２ｍｍ、１．４ｍｍであるものを実験した。全実験の結果を図６（ｃ）に示す（ｔ＝１．２、１．４を添えた白丸）。

図７はモデル４の穴の配置図であり、モデル４の板材２５では、長穴２７の長径が９ｍｍ、短径が３ｍｍである。長穴２７の縁と隣の長穴２７の縁との距離がｗ２、板材の横幅ａが９６ｍｍ、板厚ｔで、長穴２７は図上下方向に１４個配置されている。ｗ２部の断面積Ｓ２を検討すると、横幅ａから長穴２７の短径を引いた差ｂ２は、ｂ２＝９６−３×１４＝５４（＝ｗ２×１５）となるので、Ｓ２＝５４×ｔである。ｔが大きいほど強度が高いことが分かる。

ここで、図５のモデル２と図７のモデル４を比較すると、穴による軽量化率を同等に設定しているので、丸穴１７より面積が大きい長穴２７は穴の個数が少なくなる。このため、モデル２の２つの丸穴１７、１７のピッチｐ１よりモデル４の２つの長穴２７、２７のピッチｐ２が大きくなる。ｐ２＞ｐ１であるから、ｗ２＞ｗ１となり、図左又は右に引張り力が作用した場合には、モデル４の方がモデル２より格段に強度が高いことが分かる。

図８はモデル４の曲げ剛性の実験結果を示す図であり、図２（ａ）に示す板材２５の長さＬを３００ｍｍとし、板厚ｔは、０．９ｍｍ、１．０ｍｍ、１．２ｍｍ、１．４ｍｍとした。すなわち、４種類の板材２５を準備した。
そして、板厚が０．９ｍｍのものについて、図３に示す要領で撓みを求めた。その結果を、図８（ａ）に示す。モデル１とモデル４を比較すると、等しい板厚ｔで軽量化されていることが分かる。なお、板材を支えている支点３５と曲げる力が作用する力点３６を結ぶ方向が長穴２７の長径となる。

次に、板厚が１．０ｍｍのものを同様に実験した。ただし、Ｗ、Ｌ、Ｅは変更しない。板厚が増加したため、重量は増加した。一方、撓みは小さくなった。この結果を、加えたものを図８（ｂ）に示す。
続いて、板厚ｔが１．２ｍｍ、１．４ｍｍであるものを実験した。全実験の結果を図８（ｃ）に示す。

さらに、図１（ｃ）に示すモデル３と、図２（ｂ）に示すモデル５について、図３に示す要領で撓みを求めた。同様に実験した結果を次図に示す。

図９は図４（ｃ）と図６（ｃ）と図８（ｃ）とモデル３とモデル５についての実験結果を合成したグラフである。
この図ではモデル１の任意の重量を基準１．０とし、このときの撓みを１．０として結果を比で表している。なお、重量を変更することにより、板厚ｔのみが変更され、その他の条件である材質、長手方向の大きさ、横幅、丸穴又は長穴の形状などは同じである。

この図から分かるように、モデル１〜５共に、重量を増やすことで撓みが減少する。すなわち、剛性が向上することを意味する。

ここで、重量が等しい場合における、モデル１〜５の撓みに着目すると、モデル４、５がモデル１〜３よりも撓みが小さい。具体的には、任意の重量１．０のとき、モデル１と比較して、丸穴を備えたモデル２及びモデル３が約３０％撓みが小さく、長穴を備えたモデル４、５が約４０％撓みが小さい。すなわち、長穴を備えたモデル４、５の撓みが最も小さく、曲げ剛性が優れていることが分かる。

また、撓みが等しい場合における、モデル１〜５の重量に着目すると、モデル４及びモデル５の重量が小さい。すなわち、等しい剛性を要求された場合に、長穴を備えたモデル４、５の重量が小さくて済む。なお、このときの板厚ｔはモデル１の方が小さい。

すなわち、本発明に係るパンチング加工方法では、板材を曲げる力が作用する方向を指定できる場合に、必要とされる剛性を維持しつつ、板材全体としては軽量化を図ることができる。

次に板材を引張る力が作用する方向を指定できる場合の引張り強さに対する実験について述べる。
なお、実験においては、引張荷重Ｆが作用する方向がモデル４の長穴２７の長径になるようにした。

図１０はモデル１の引張り強さの実験結果を示す図であり、図１（ａ）に示す板材１０の長さＬを３００ｍｍとし、板厚ｔは、０．８ｍｍ、０．９ｍｍ、１．０ｍｍ、１．２ｍｍとした。すなわち、４種類の板材１０を準備した。
そして、板厚が０．９ｍｍのものについて、板材１０長手方向の両端を固定し、両側から引張り荷重を加えて変位を求めた。その結果を、図１０（ａ）に示す。

次に、板厚が１．０ｍｍのものを同様に実験した。ただし、引張り荷重Ｆ、Ｌ、Ｅは変更しない。板厚が増加したため、重量は増加した。一方、変位は小さくなった。この結果を、加えたものを図１０（ｂ）に示す。
続いて、板厚ｔが１．１ｍｍ、１．２ｍｍであるものを実験した。全実験の結果を図１０（ｃ）に示す。

図１１はモデル２の引張り強さの実験結果を示す図であり、図１（ｂ）に示す板材１５の長さＬを３００ｍｍとし、板厚ｔは、０．９ｍｍ、１．０ｍｍ、１．２ｍｍ、１．４ｍｍとした。すなわち、４種類の板材１５を準備した。
そして、板厚が０．９ｍｍのものについて、モデル１と同様に実験して変位を求めた。その結果を、図１１（ａ）に示す。モデル１とモデル２を比較すると、等しい板厚ｔで軽量化されていることが分かる。

次に、板厚が１．０ｍｍのものを同様に実験した。ただし、引張り荷重Ｆ、Ｌ、Ｅは変更しない。板厚が増加したため、重量は増加した。一方、変位は小さくなった。この結果を、加えたものを図１１（ｂ）に示す。
続いて、板厚ｔが１．２ｍｍ、１．４ｍｍであるものを実験した。全実験の結果を図１１（ｃ）に示す。

図１２はモデル４の引張り強さの実験結果を示す図であり、図２（ａ）に示す板材２５の長さＬを３００ｍｍとし、板厚ｔは、０．９ｍｍ、１．０ｍｍ、１．２ｍｍ、１．４ｍｍとした。すなわち、４種類の板材２５を準備した。
そして、板厚が０．９ｍｍのものについて、モデル１と同様に実験して変位を求めた。その結果を、図１２（ａ）に示す。モデル１とモデル４を比較すると、等しい板厚ｔで軽量化されていることが分かる。なお、板材を引張る力の作用する方向が長穴２７の長径となる。

次に、板厚が１．０ｍｍのものを同様に実験した。ただし、引張り荷重Ｆ、Ｌ、Ｅは変更しない。板厚が増加したため、重量は増加した。一方、変位は小さくなった。この結果を、加えたものを図１２（ｂ）に示す。
続いて、板厚ｔが１．２ｍｍ、１．４ｍｍであるものを実験した。全実験の結果を図１２（ｃ）に示す。

図１３は図１０（ｃ）と図１１（ｃ）と図１２（ｃ）とモデル３とモデル５についての実験結果を合成したグラフである。
この図では任意の重量を基準１．０とし、このときの変位を１．０として結果を比で表している。なお、重量を変更することにより、板厚ｔのみが変更され、その他の条件である材質、長手方向の大きさ、横幅、丸穴又は長穴の形状などは同じである。

この図から分かるように、モデル１〜５共に、重量を増やすことで変位が減少する。すなわち、引張り強さが向上することを意味する。

ここで、重量が等しい場合における、モデル１〜５の変位に着目すると、モデル４、５がモデル２、３よりも撓みが小さい。具体的には、任意の重量１．０のとき、丸穴を並列状に備えたモデル２と比較して、長穴２７を並列状に備えたモデル４は約１５％変位が小さい。すなわち、長穴を並列に備えたモデル４の変位が小さく、軽量化しつつ引張り強さも優れていることが分かる。

また、変位が等しい場合における、モデル１〜５の重量に着目すると、モデル４の重量が小さい。すなわち、等しい引張り強さを要求された場合に、長穴２７を並列に備えたモデル４の重量が小さくて済む。なお、このときの板厚ｔはモデル１の方が小さい。

すなわち、本発明に係るパンチング加工方法では、板材を引張る力の作用する方向を指定できる場合に、必要とされる引張り強さを維持しつつ、板材全体としては軽量化を図ることができる。

次に板材を引張る力が作用する方向を指定できない場合の引張り強さに対する実験について述べる。
なお、実験においては、引張荷重Ｆが作用する方向がモデル４の長穴２７の短径になるようにした。

図１４はモデル１の引張り強さの実験結果を示す図であり、図１（ａ）に示す板材１０の長さＬを３００ｍｍとし、板厚ｔは、０．８ｍｍ、０．９ｍｍ、１．０ｍｍ、１．２ｍｍとした。すなわち、４種類の板材１０を準備した。
そして、板厚が０．９ｍｍのものについて、板材１０長手方向の両端を固定し、両側から引張り荷重を加えて変位を求めた。その結果を、図１４（ａ）に示す。

次に、板厚が１．０ｍｍのものを同様に実験した。ただし、引張り荷重Ｆ、Ｌ、Ｅは変更ない。板厚が増加したため、重量は増加した。一方、変位は小さくなった。この結果を、加えたものを図１４（ｂ）に示す。
続いて、板厚ｔが１．１ｍｍ、１．２ｍｍであるものを実験した。全実験の結果を図１４（ｃ）に示す。

図１５はモデル２の引張り強さの実験結果を示す図であり、図１（ｂ）に示す板材１５の長さＬを３００ｍｍとし、板厚ｔは、０．９ｍｍ、１．０ｍｍ、１．２ｍｍ、１．４ｍｍとした。すなわち、４種類の板材１５を準備した。
そして、板厚が０．９ｍｍのものについて、モデル１と同様に実験して変位を求めた。その結果を、図１５（ａ）に示す。モデル１とモデル２を比較すると、等しい板厚ｔで軽量化されていることが分かる。

次に、板厚が１．０ｍｍのものを同様に実験した。ただし、引張り荷重Ｆ、Ｌ、Ｅは変更しない。板厚が増加したため、重量は増加した。一方、変位は小さくなった。この結果を、加えたものを図１５（ｂ）に示す。
続いて、板厚ｔが１．２ｍｍ、１．４ｍｍであるものを実験した。全実験の結果を図１５（ｃ）に示す。

図１６は図１４（ｃ）と図１５（ｃ）とモデル３〜５についての実験結果を合成したグラフである。
この図では任意の重量を基準１．０とし、このときの変位を１．０として結果を比で表している。なお、重量を変更することにより、板厚ｔのみが変更され、その他の条件である材質、長手方向の大きさ、横幅、丸穴又は長穴の形状などは同じである。

この図から分かるように、モデル１〜５共に、重量を増やすことで変位が減少する。すなわち、引張り強さが向上することを意味する。

ここで、重量が等しい場合における、モデル１〜５の変位に着目すると、モデル２がモデル３〜５よりも撓みが小さい。具体的には、任意の重量１．０のとき、長穴を並列状に備えたモデル４と比較して、丸穴を並列状に備えたモデル２は約３５％変位が小さい。すなわち、丸穴１７を並列に備えたモデル４の変位が小さく、軽量化しつつ引張り強さも優れていることが分かる。

また、変位が等しい場合における、モデル１〜５の重量に着目すると、モデル２の重量が小さい。すなわち、等しい引張り強さを要求された場合に、丸穴１７を並列に備えたモデル４の重量が小さくて済む。なお、このときの板厚ｔはモデル１の方が小さい。

すなわち、本発明に係るパンチング加工方法では、板材を引張る力の作用する方向を指定できない場合に、必要とされる引張り強さを維持しつつ、板材全体としては軽量化を図ることができる。

尚、本発明のパンチング加工方法は、実施の形態では板材の長穴は、長径が９ｍｍ、短径が３ｍｍのものに適用したが、長径が１０ｍｍ、２０ｍｍであり、短径が５ｍｍ、８ｍｍ等の任意の値でもよい。また、実施の形態では丸穴は直径が３ｍｍのものに適用したが、直径が５ｍｍ、１０ｍｍ等の任意の値でも適用可能である。

本発明は、車体等に使用する多孔板のパンチング加工方法に好適である。

本発明に係る板材のモデル（３種類）の平面図である。 本発明に係る板材のモデル（２種類）の平面図である。 実験の概念図である。 モデル１の曲げ剛性の実験結果を示す図である。 モデル２の穴の配置図である。 モデル２の曲げ剛性の実験結果を示す図である。 モデル４の穴の配置図である。 モデル４の曲げ剛性の実験結果を示す図である。 図４（ｃ）と図６（ｃ）と図８（ｃ）とモデル３とモデル５についての実験結果を合成したグラフである。 モデル１の引張り強さの実験結果を示す図である。 モデル２の引張り強さの実験結果を示す図である。 モデル４の引張り強さの実験結果を示す図である。 図１０（ｃ）と図１１（ｃ）と図１２（ｃ）とモデル３とモデル５についての実験結果を合成したグラフである。 モデル１の引張り強さの実験結果を示す図である。 モデル２の引張り強さの実験結果を示す図である。 図１４（ｃ）と図１５（ｃ）とモデル３〜５についての実験結果を合成したグラフである。 従来の技術の基本構成を説明する図である。

符号の説明

１０、１５、２０、２５、３０…板材、１７、２２…丸穴、２７、３２…長穴、３５…支点、３６…力点。

Claims (3)

1. 板材にパンチング加工を施すパンチング加工方法において、
   曲げ剛性が要求され、且つ前記板材を曲げる力が作用する方向が指定できる場合、前記板材を支えてる支点と前記曲げる力が作用する力点を結ぶ方向に長い長穴を穿設することを特徴とするパンチング加工方法。
2. 板材にパンチング加工を施すパンチング加工方法において、
   引張り強さが要求され、且つ前記板材を引張る力の作用する方向が指定できる場合、前記板材を引張る力の作用する方向に長い長穴を方形に配置して穿設することを特徴とするパンチング加工方法。
3. 板材にパンチング加工を施すパンチング加工方法において、
   引張り強さが要求され、且つ前記板材を引張る力の作用する方向が指定できない場合、丸穴を方形に配置して穿設することを特徴とするパンチング加工方法。

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