JP2009113051A - 孔開けパンチ - Google Patents

Abstract

【課題】ばりの発生を抑制し、寸法精度の高い多角形孔を簡便に穿孔する。
【解決手段】孔開けパンチ１０は、四角受孔１６を備えるダイス面１２ａに配置された板金１４に対して、四角孔１４ａを開ける。孔開けパンチ１０は、断面が四角受孔１６に対応した形状で、各角部２０が円弧状の柱部２２と、先端面２４の略中央に設けられた錐状の鋭利な突起２６と、先端面２４の各角部２０に対応して設けられた曲面状の膨出部３０とを有する。膨出部３０は、突起２６よりも低い。これにより、突起２６が板金１４に突き刺さって固定され、周囲の板を引き込むように作用するが、やがて膨出部３０が板金１４に当接することから、該膨出部３０に当接した箇所が引き込まれ、全周にわたってバランスよく引き込まれる。
【選択図】図１

Description

本発明は、多角形受孔を備えるダイス面に配置された板に対して、該多角形受孔に対応した多角形の孔を開ける孔開けパンチに関する。

板金からなる自動車のボディには、内装品を固定する等の目的で多数の小孔が設けられている。これらの小孔は、ダイス及びプレスを用い簡便に穿孔することができる。

ダイス及びプレスを用いて板金に穿孔する場合、ばりの発生を抑制し、正確な形状にするためには、ダイスとプレスの相対的な位置決めが精度よくなされていることが必要とされているが、自動車のボディのような複雑な形状のワークに対しては、このような位置決めが難しい。

そこで、特許文献１、特許文献２及び特許文献３記載のプレスでは、先端にワークを突き破るこのとできる１〜Ｎ個の鋭利な突起を設けるとともに、外周角部に丸みを付けたパンチを用いている。このようなパンチによれば、最初に鋭利な突起がワークに突き刺さってその位置は固定され、ワークのうちダイスの孔に対応する部分は、パンチの突起によって全周が引き込まれて、ばりが少なく、寸法精度の高い丸孔が得られる。

特開２００２−１５３９２０号公報 特開２００５−２６２２６３号公報 国際公開第２００４／０９６４６４号パンフレット

板金からなる自動車のボディには、部品の向きを規定することができるように、丸孔だけではなく多角形（例えば、四角形）を設けるとよい。前記の特許文献１〜３で用いているパンチは、丸孔を穿孔することを前提としており、多角形孔には適用されていない。

本願発明者は、多角形受孔に対して特許文献１〜３のパンチが適用可能であるかシミュレーションを行った。つまり、ダイスに四角受孔を設けるとともに、パンチ側面は対応した四角柱とし、パンチ先端中央に突起を設けるとともに、先端周辺部に丸みを持たせて、板金に穿孔するという条件で、各部の応力や伸びを解析した。その結果、四角形の辺のうち、先端突起に近い箇所は応力が大きくなり、先端突起から遠い角部は応力が小さく、アンバランスな状態となり、実際に穿孔を行うと相当のばりが発生することが予想される。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、ばりの発生を抑制し、寸法精度の高い多角形孔を簡便に穿孔することのできる孔開けパンチを提供することを目的とする。

本発明に係る孔開けパンチは、多角形受孔を備えるダイスのダイス面に配置された板に対して、前記多角形受孔に対応した多角形孔を開ける孔開けパンチであって、断面が前記多角形受孔に対応した多角形で、各角部が円弧状の柱部と、先端面の略中央に設けられた錐状の鋭利な突起と、前記先端面の多角形の各角部に対応して設けられた曲面状の膨出部とを有することを特徴とする。

このように、先端面の略中央に錐状の鋭利な突起を設けるとともに、前記先端面の多角形の各角部に対応して曲面状の膨出部を設けることにより、突起が板に突き刺さって固定され、周囲の板を引き込むように作用するが、やがて膨出部が板に当接することから、該膨出部に当接した箇所が優先的に押圧されることになる。したがって、多角形の角部も、辺の中央部とともにバランスよく引き込まれて、全周にわたって適切な破断が発生し、ばりが少なく、寸法精度の高い多角形孔が得られる。

この場合、前記膨出部は、前記突起よりも低いと、突起がより確実に板に突き刺さり、周辺の板を引き込むことができる。

前記柱部における角部の曲率半径は、前記ダイスにおける前記多角形受孔の角部の曲率半径から、柱部の側面と多角形受孔と面との隙間寸法を引いた値以上であると、柱部の角部に過大な集中応力が発生することを抑制できる。

前記多角形は、四角形としてもよい。

前記多角形が長方形である場合、短辺における２つの膨出部の間の谷部の深さを長辺における２つの膨出部の間の谷部の深さよりも浅くしてもよく、短辺側の側面における窪み量を長辺における側面の窪み量よりも小さくしてもよい。これにより、押圧タイミング差が調整されてバランスのよい加工が可能となる。

本発明に係る孔開けパンチによれば、先端面の略中央に錐状の鋭利な突起を設けるとともに、前記先端面の多角形の各角部に対応して曲面状の膨出部を設けることにより、突起が板に突き刺さって固定され、周囲の板を引き込むように作用するが、やがて膨出部が板に当接することから、該膨出部に当接した箇所が優先的に押圧されることになる。したがって、多角形の角部も、辺の中央部とともにバランスよく引き込まれて、全周にわたって適切な破断が発生し、ばりが少なく、寸法精度の高い多角形孔が得られる。

孔開けパンチはダイスの多角形受孔に対して、多少の芯ずれが許容され、簡便な穿孔が可能となる。

以下、本発明に係る孔開けパンチについて実施の形態を挙げ、添付の図１〜図１３を参照しながら説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係る孔開けパンチ１０は、対応するダイス１２とともに用いられ、板金１４に四角孔（多角形孔）を穿孔するために用いられる。以下、説明の便宜上、図１のＸ１方向を下方、Ｘ２方向を上方とする。

ダイス１２は四角受孔（多角形受孔）１６を備えており、所定の厚みと強度を有し、ダイス面１２ａに板金１４が配置される。板金１４は、例えば、車両のボディを構成する薄い金属板である。図１では、理解を容易にするため、板金１４はダイス面１２ａよりも小さくしているが、板金１４の面積はダイス面１２ａに制限されない。板金１４は、ダイス１２に対して適当な固定手段で固定してもよい。

四角受孔１６は、少なくとも開口部が四角形（正方形、又は長方形）の孔である。四角受孔１６の形状は幾何学的な厳密な意味で直角の四隅を有するのではなく、設計条件により該四隅は適度に小さい曲率半径Ｒ１（図４参照）の円弧状に形成されている。四辺は、厳密に直線である必要はなく、多少湾曲していてもよい。四角受孔１６は、台形、平行四辺形、三角形又は六角形等の多角形孔であってもよい。四角受孔１６は、設計条件により貫通孔にし、又は有底にすることができる。

図２及び図３に示すように、孔開けパンチ１０は、柱部２２と、先端面２４の略中央に設けられた錐状の鋭利な突起２６と、先端面２４の四角形の各角部２０に対応して設けられた曲面状の４つの膨出部３０とを有する。柱部２２の四隅の角部２０は曲率半径Ｒ２（図４参照）の円弧状となっている。４つの膨出部は３０は突起２６を中心とした対称形状である。各膨出部３０の頂部３０ａは、下面視で、角部２０に近い箇所に設けられており、突起２６よりは低い。膨出部３０はシャープな角がなく、滑らかな曲面形状であって、頂部３０ａの周辺は略球面で、外側は急な傾斜面であり、内側は緩やかな傾斜面となっている。４つの膨出部３０はそれぞれ同じ高さである。

隣接する膨出部３０同士は滑らかな谷部３４を形成する。突起２６は、板金１４に対して突き刺すことができる程度に十分鋭利である。孔開けパンチ１０は、適度に硬い鋼材で形成されている。

図４に示すように、断面形状では、孔開けパンチ１０は、四角受孔１６よりも多少小さく、該四角受孔１６に挿入可能である。孔開けパンチ１０と四角受孔１６との四方の隙間（隙間寸法）ｔは、例えば、板金１４の厚みと同じかそれよりも大きく設定され、０．３ｍｍ〜２．０ｍｍ程度である。

次に、このように構成される孔開けパンチ１０及びダイス１２を用いて板金１４に四角孔１４ａを穿孔する作用について説明する。

先ず、所定の手段により板金１４をダイス１２のダイス面１２ａに配置する。これは、板金１４とダイス１２との相対的な位置関係を規定するのであって、板金１４を固定しておき、ダイス１２を板金１４の所定の位置合わせて配置してもよいことはもちろんである。この後、四角受孔１６に対して軸心が略一致するように孔開けパンチ１０の位置を設定する。

次に、図５に示すように、所定の押圧手段によって孔開けパンチ１０を四角受孔１６に向かって移動させる。このとき、先ず最初に突起２６が板金１４の表面に当接して突き刺ささり、板金１４は少なくともこの箇所では突起２６に対して相対的位置が固定される。突起２６は、下方に向かって押し下げられることから、周囲の板金１４を下方に向かって引き込むように作用するが、該突起２６は鋭利であることから、この時点では突き刺さって形成された穿刺孔４０が次第に広がるように作用し、板金１４を引き込む力は比較的弱く、特に突起２６から比較的遠い角部２０に対しては板金１４を引き込む力が相当に弱い。

図６に示すように、さらに孔開けパンチ１０を押圧すると、今度は４つの膨出部３０の各頂部３０ａが板金１４に当接して押圧する。膨出部３０は滑らかな曲面形状であることから、板金１４に突き刺さったり又は剪断することはなく、当接箇所を下方に向かって押し込むことになる。

この時点では、谷部３４は板金１４に当接してなく、４つの膨出部３０が先行的に板金１４を押圧する。膨出部３０は角部２０に近い箇所に設けられていることから、板金１４における四角受孔１６の角部１７に適度な応力が発生する。

図７に示すように、孔開けパンチ１０をさらに押し込むと、谷部３４が板金１４に当接して（図７は、谷部３４が板金１４に当接する直前の状態を示す。）、この部分を下方に押し下げる。これにより、板金１４は、四角受孔１６の全周にわたって略均等に引っ張り応力が発生することになる。つまり、応力が小さくなりやすい角部２０の周辺に対して膨出部３０が先行的に当接及び押圧しているので、応力が小さくなることを補償し、全周にわたって略等しい応力が発生するのである。

図８に示すように、孔開けパンチ１０の側面４６と四角受孔１６との間には適度な幅の隙間ｔが設けられており、しかも膨出部３０（又は谷部３４）は滑らかな曲面形状であることから、孔開けパンチ１０を押し込むと、板金１４は剪断するのではなく膨出部３０（又は谷部３４）の面に摺接しながら引き伸ばされる。板金１４は引き伸ばされることにより、やがて四角受孔１６の縁１６ａを基準として、破断部５２で引きちぎられることになり、四角孔１４ａ（図１参照）が形成される。四角孔１４ａは、四角受孔１６の縁１６ａに沿って形成されることから寸法精度が高く、ばりも少ない。

図８から明らかなように、孔開けパンチ１０は、板金１４を剪断するのではなくて押し下げるように作用するのであり、板金１４を引き伸ばすことができるのであれば、隙間ｔの寸法はある程度の誤差が許容される。したがって、孔開けパンチ１０はダイス１２の四角受孔１６に対して、ある程度の芯ずれが許容され、簡便な穿孔が可能となる。

孔開けパンチ１０がダイス１２の四角受孔１６に対して、多少の芯ずれを持っていても、板金１４は、孔開けパンチ１０の突起２６が突き刺さっていることから、この穿刺孔４０を基準として全周が引き伸ばされるので、芯ずれによる加工精度への影響は十分小さい。例えば、規定の隙間ｔが１ｍｍの場合、孔開けパンチ１０とダイス１２との芯ずれがいずれかの方向に０．５ｍｍ程度発生しても加工精度への影響はほとんどないと考えられる。

孔開けパンチ１０を四角受孔１６に対して十分押し込むと、板金１４には、該四角受孔１６に対応した寸法精度の高い四角孔１４ａが形成され、孔開けパンチ１０によって押し出されたスクラップ片５０（図５参照）は四角受孔１６を下方に抜け出る。この後、孔開けパンチ１０を四角受孔１６及び四角孔１４ａから抜き出し、ダイス１２を取り外すことにより穿孔加工が終了する。

このように、本実施の形態に係る孔開けパンチ１０によれば、先端面２４の略中央に錐状の鋭利な突起２６を設けるとともに、先端面２４の多角形の各角部２０に対応して曲面状の膨出部３０を設けることにより、突起２６が板金１４に突き刺さって固定され、周囲の板を引き込むように作用するが、やがて膨出部３０が板金１４に当接することから、該膨出部３０に当接した箇所が優先的に押圧されることになる。したがって、四角受孔１６の角部１７の近傍部も、辺の中央部とともにバランスよく引き込まれて、全周にわたって引き伸ばされて適切な破断が発生し、ばりが少なく、寸法精度の高い四角孔１４ａが得られる。このようにして得られた四角孔１４ａは、部品の向きを規定して取り付けることができ、自動車のボディ等に好適に適用できる。

次に、曲率半径Ｒ１及びＲ２について説明する。四角受孔１６の四隅は、直角になるように曲率半径Ｒ１は可及的に小さくすることが望ましいが、Ｒ１＝０とすると隅に、スクラップ片５０として抜け出されない抜け残り肉部が僅かに残留する。従って、曲率半径Ｒ１は、板金１４が四角受孔１６の四隅における縁１６ａ（図８参照）に沿って抜け落ちるように適度に小さく設定する。

曲率半径Ｒ２については、設計検討段階では先ずは隙間ｔに基づいて設定される。隙間ｔは、基本的には、全周にわたって同一幅とするので、曲率半径Ｒ２は、曲率半径Ｒ１に基づいて求められる。

例えば、Ｒ１＝２ｍｍ、Ｒ２＝１ｍｍ、ｔ＝１ｍｍと設定すると、図４に示すように、曲率半径Ｒ１及びＲ２の中心点が一致する。

一方、図９の仮想線で示すように、例えば、曲率半径Ｒ１及び隙間ｔが、Ｒ１＝ｔ＝１ｍｍの場合には、Ｒ２＝Ｒ１−ｔ＝０ｍｍとなってしまい、円弧形状が形成されなくなってこの部分に応力が集中的に発生することになり、穿孔時にこの部分で板金１４がちぎれる懸念がある。したがって、曲率半径Ｒ２は曲率半径Ｒ１と比較してある程度大きくすることが求められる。

これらの条件を総合して勘案すると、（Ｒ１−ｔ）≦Ｒ２を満たすように設定しておけば（つまり、曲率半径はＲ２を、曲率半径Ｒ１から隙間ｔを引いた値よりも大きくしておけば）、角部２０に過大な集中応力の発生することを相当に抑制できることが理解されよう。この場合の隙間ｔとは設計値又は全周の平均値であり、パンチ加工時の実際の寸法ではないことはもちろんである。前記の通り、隙間ｔは、芯ずれによって多少変動するからである。また、後述する窪み量Ｄ１及びＤ２を無視した値である。

孔開けパンチ１０とダイス１２とは、孔開けパンチ１０が四角受孔１６に挿入可能なように連結された一体構成であってもよい。

次に、変形例に係る孔開けパンチ１０ａについて図１０〜図１３を参照しながら説明する。孔開けパンチ１０ａは、断面が長さＬ１の短辺と長さＬ２の長辺（Ｌ１＜Ｌ２）を有する長方形である。この場合、膨出部３０の高さは全て同じであることから、板金１４の下に向かう押し下げ量も同一であり、そのままでは短辺の方が長辺よりも変形率が大きくなりアンバランスとなる。つまり、押し下げ量をＺとすると、概念的には、短辺では短いＬ１を基準にしてＺ／Ｌ１の変形率であるのに対して、長辺では長いＬ２を基準にしてＺ／Ｌ２の変形率になるからである。

孔開けパンチ１０ａでは、このようなアンバランスを補償するために、２つの対策を設けている。

図１０に示すように、第１の対策としては、短辺における両端２つの膨出部３０の間の谷部３４ａの深さＨ１を長辺における両端２つの膨出部３０の間の谷部３４ｂの深さＨ２よりも浅く設定している。深さＨ１は、短辺における谷部３４ａの最下部５４ａから頂部３０ａまでの高さであり、深さＨ２は、長辺における谷部３４ｂの最下部５４ｂから頂部３０ａまでの高さである。これにより、長辺の谷部３４ｂにおける板金１４に対する押し下げ量Ｚ２に比べて短辺の谷部３４ａの押し下げ量Ｚ１は小さくなる。したがって、概念的には、短辺の変形率Ｚ１／Ｌ１と長辺の変形率Ｚ２／Ｌ２が略等しくなる。したがって、押圧タイミング差が調整されてバランスのよい加工が可能となる。

図１１に示すように、第２の対策としては、孔開けパンチ１０ａの断面上で、短辺側の側面４６ａにおける窪み量Ｄ１を長辺における側面４６ｂの窪み量Ｄ２よりも小さく設定している。これにより、長辺側では四角受孔１６の縁１６ａまでの距離も長くなって押し下げ量Ｚ２も大きくなり、短辺側では縁１６ａまでの距離が短くなって押し下げ量Ｚ１が小さくなる。したがって、第１の対策と同様に、概念的には、短辺の変形率Ｚ１／Ｌ１と長辺の変形率Ｚ２／Ｌ２が略等しくなる。したがって、押圧タイミング差が調整されてバランスのよい加工が可能となる。

設計条件によっては、第１の対策と第２の対策のいずれか一方だけを適用してもよい。第１の対策と第２の対策の両方を適用する場合、図１０に示すように、短辺の最下部５４ａから四角受孔１６の縁１６までの斜めの距離Ｓ１（≒√（Ｄ１²＋Ｈ１²））と、長辺の最下部５４ｂから縁１６までの斜めの距離Ｓ２（≒√（Ｄ２²＋Ｈ２²））とに基づいて設計検討をするとよい。

図１２及び図１３には、変形例に係る孔開けパンチ１０ａで、膨出部３０が板金１４に当接して押圧する状態及び、谷部が板金１４に当接する直前の状態を示すシミュレーション結果による斜視図を示す。

本発明に係る孔開けパンチは、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

本実施の形態に係る孔開けパンチと、板金及びダイスの斜視図である。 孔開けパンチを斜め下方から見た斜視図である。 孔開けパンチの断面側面図である。 孔開けパンチ及びダイスの断面平面図である。 ダイスに対して孔開けパンチを下降させる様子を示す模式図である。 膨出部が板金に当接して押圧する状態を示すシミュレーション結果による斜視図である。 谷部が板金に当接する直前の状態を示すシミュレーション結果による斜視図である。 四角受孔に孔開けパンチが挿入される際の、四角受孔の端部近傍における板金の変形状態を示す解析図である。 ダイスの四角受孔及び孔開けパンチの角部の拡大断面平面図である。 変形例に係る孔開けパンチの斜視図である。 変形例に係る孔開けパンチの断面平面図である。 変形例に係る孔開けパンチで、膨出部が板金に当接して押圧する状態を示すシミュレーション結果による斜視図である。 変形例に係る孔開けパンチで、谷部が板金に当接する直前の状態を示すシミュレーション結果による斜視図である。

符号の説明

１０、１０ａ…孔開けパンチ １２…ダイス
１２ａ…ダイス面 １４…板金
１４ａ…四角孔 １６…四角受孔
１６ａ…縁 １７、２０…角部
２２…柱部 ２４…先端面
２６…突起 ３０…膨出部
３０ａ…頂部 ３４、３４ａ、３４ｂ…谷部
４０…穿刺孔 ４６、４６ａ、４６ｂ…側面

Claims (6)

1. 多角形受孔を備えるダイスのダイス面に配置された板に対して、前記多角形受孔に対応した多角形孔を開ける孔開けパンチであって、
   断面が前記多角形受孔に対応した多角形で、各角部が円弧状の柱部と、
   先端面の略中央に設けられた錐状の鋭利な突起と、
   前記先端面の多角形の各角部に対応して設けられた曲面状の膨出部と、
   を有することを特徴とする孔開けパンチ。
2. 請求項１記載の孔開けパンチにおいて、
   前記膨出部は、前記突起よりも低いことを特徴とする孔開けパンチ。
3. 請求項１又は２記載の孔開けパンチにおいて、
   前記柱部における角部の曲率半径は、前記ダイスにおける前記多角形受孔の角部の曲率半径から、柱部の側面と多角形受孔と面との隙間寸法を引いた値以上であることを特徴とする孔開けパンチ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の孔開けパンチにおいて、
   前記多角形は、四角形であることを特徴とする孔開けパンチ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の孔開けパンチにおいて、
   前記多角形は長方形であって、
   短辺における２つの膨出部の間の谷部の深さを長辺における２つの膨出部の間の谷部の深さよりも浅くすることを特徴とする孔開けパンチ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の孔開けパンチにおいて、
   前記多角形は長方形であって、
   短辺側の側面における窪み量を長辺における側面の窪み量よりも小さくすることを特徴とする孔開けパンチ。

Images