JP2010036195A - 凹部を有するパンチによる打ち抜き加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】打ち抜き面を有する部材の疲労強度を改善する加工端面の打ち抜き方法を提供する。
【解決手段】
パンチ及びダイを用いた打ち抜き加工方法であって、予め数値計算又は疲労試験により被加工材１の打ち抜き面８で最も疲労破壊が起こり易い部位３０を特定し、当該部位を含む領域に対向する刃先形状が、その刃先１５に設けられた直線状または曲線状のシャー角１２により、打ち抜き方向と平行な断面で凹状に形成された凹部１１を有するパンチ１０Ａを用いて、被加工材１を打ち抜くことを特徴とする凹部を有するパンチによる打ち抜き加工方法。
【選択図】図４

Description

本発明は自動車、家電製品、建築構造物、船舶、橋梁、建設機械、各種プラント、ペンストック等で用いられる鉄、アルミニウム、チタン、マグネシウム及びこれら合金等の被加工材の打ち抜き加工方法に関するものであり、特に打ち抜き加工によって生じる打ち抜き加工面の疲労特性向上に好適な打ち抜き加工方法に関するものである。

自動車、家電製品、建築構造物等の被加工材１には、図１のようにダイ３上に被加工材１を載置させた後に、パンチ２を図１に示す矢印方向に押し込むことにより被加工材１を打ち抜く打ち抜き加工が施されることが多い。なお、図１（ａ）は、加工後に被加工材１に穴が形成される打ち抜き穴加工を模式的に示した正面図であり、図１（ｂ）は、加工後に被加工材１に開断面が形成される打ち抜き切断加工を模式的に示した正面図である。

図２に示すように打ち抜き加工が施されることにより形成される被加工材１の打ち抜き面８は、被加工材１がパンチ２により全体的に押し込まれて形成されるダレ４、パンチ２とダイ３のクリアランス内(以下、特に記載がなく“クリアランス"と表記した場合は、パンチとダイのクリアランスを指すこととする。)に被加工材１が引き込まれ局所的に引き伸ばされて形成されるせん断面５、パンチ２とダイ３のクリアランス内に引き込まれた被加工材１が破断して形成される破断面６、及び被加工材１の裏面に生じるバリ７によって構成される。

上述のようにして構成される打ち抜き加工は低コストである利点があるが、レーザー加工や機械加工の場合と比べて打ち抜き面の疲労強度が劣るという短所がある。

以下に打ち抜き面の疲労強度向上を狙った従来技術について述べる。

特許文献１には、打ち抜き面の残留応力を圧縮応力にするために、切り刃(パンチ)の形状に特徴を設けた発明が開示されている。具体的には、特許文献１には、打ち抜き穴の内径よりも小さい直径の先端部と、打ち抜き穴の内径とほぼ同じ直径を有する穴拡部を有するピアスパンチが開示されており、更に、このようなピアスパンチを用いて、所定広さの開口部を有する穴よりも小さい穴を被加工物に明け、その後、該小さい穴を拡大して前記所定広さの開口部を有する穴を形成する方法が開示されている。また、特許文献２には、パンチの刃先に丸みをつけて、打ち抜き時に亀裂発生を遅らせる改良が施された方法が開示されている。また、特許文献３には、先端部に打ち抜き方向と平行な側面を有する切り刃と、切り刃の上部に形成された上方に向けて拡径するテーパー部とを有するパンチが開示されており、更に、このパンチを用いて打ち抜き加工と押し広げ加工とを１ストロークで行う方法が開示されている。

また、打ち抜き後の加工処理に関する発明として、特許文献４には、打ち抜き面を最終穴径よりも小さく打ち抜いた後、自動車ホイール用飾り穴の外周となる打ち抜き面をパンチとダイでしごくことにより当該打ち抜き面に発生した破断面のマイクロクラックを押しつぶし、更に打ち抜き面に圧縮残留応力を負荷して平滑強化して厚肉部を形成する方法が開示されている。

更に、打ち抜き面の疲労特性を直接狙った発明ではないが、非特許文献１には、打ち抜き穴の内径よりも小さい直径の先端部と、打ち抜き穴の内径とほぼ同じ直径を有する穴拡部を有し、刃先に０.０５〜０.４mmRほどの丸み(曲率半径)をつけ、さらに該刃先からパンチ上部(刃先と逆方向)に向けて打ち抜き穴径より細くなって打ち抜き中に打ち抜き面にパンチ側面が接触することをなくし、さらにクリアランスが板厚の０〜３%である打ち抜き方法が開示されている。

また、打ち抜き面の疲労強度向上を直接狙った発明ではないが、特許文献５には、打ち抜きパンチ刃先に凹部を設けた発明が開示されており、これにより被加工材の打ち抜きと成型を同時に行い凸形状の製品を形成する方法が開示されている。また、特許文献６には、パンチの先端面にアーチ型の凹面を設け、これにより打ち抜き時の衝撃音や振動の低減を図る発明が開示されている。また、特許文献７には、パンチ孔の変形防止、穿孔回数の増加、生産性の向上を目的として、刃先の外周部側から中央部に向かって内側に湾曲する湾曲部を有するパンチを備えた走間穿孔装置が開示されている。

特開平１０−２６３７２０号公報 特開平１１−２５４０５５号公報 特開平１１−３３３５３０号公報 特開２００２−１２００２６号公報 特開平４−１０１４２５号公報 特開２００５−２８１０号公報 特開平９−１４１５９９号公報 平成１９年度塑性加工春季講演会予稿集pp.２６７〜２６８

以上の特許文献１〜７、非特許文献１の開示技術は、疲労強度向上の効果や、量産性を考えた場合にいくつかの課題が存在する。

特許文献１〜３に開示された発明は、いずれもいわゆるバニシ加工と呼ばれる打ち抜き面のごく表層を打ち抜きパンチのテーパー部で擦ることにより平滑化する方法であるが、打ち抜き面とパンチ側面が大きく擦られるためにパンチの磨耗量が通常のパンチより大きく、また、バニシ時にパンチ付近の材料をダイ側へ押し流す力がダイ肩付近の素材も流動させ、大きなバリが発生して疲労強度に悪影響を及ぼす場合がある。さらに、特に特許文献３記載の方法のような、打ち抜きと穴拡径を一体パンチで行う場合、穴加工に必要なパンチストローク量が大きくなってしまい、通常、プレス装置にはパンチストローク量に制限が存在するので、プレス装置の能力によっては該方法の使用はできない場合がある。

また、特許文献４に開示の方法は、余肉部が存在してもいいような製品の形状にしか使用できず、適用可能な対象に一定の制限がある。

また、非特許文献１に開示の方法は、クリアランスが被加工材板厚の０〜３%の打ち抜きを対象としたものであり、通常、このようなクリアランス量の範囲内では、打ち抜きによる疲労特性の悪化は起こらないことが知られている。このため、非特許文献１に開示された打ち抜きパンチによって、打ち抜きによる疲労強度の劣化が起こるクリアランス量(被加工材板厚の５〜２０%)で打ち抜いた場合、拡径による素材の押し出し量が不足して破断面を１００%平滑化することはできない。

また、特許文献５〜７に開示の方法では、打ち抜き面の疲労強度向上の効果については記載されておらず、また、これら文献に開示されたパンチと単に同形状のパンチを用いたとしても疲労強度向上の効果は必ずしも望めない。

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて発明されたものであり、その目的とするところは、材料、対象部材の種類によらず、打ち抜き面の疲労強度を向上させ、かつ、量産現場に容易に適用が可能である、疲労強度に優れた打ち抜き加工方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために案出された、本発明の要旨とするところは、以下のとおりである。

(１)パンチ及びダイを用いた打ち抜き加工方法であって、予め数値計算又は疲労試験により打ち抜き面で疲労破壊が起こり易い部位を特定し、当該部位を含む領域に対向する刃先形状が、その刃先に設けられた直線状または曲線状のシャー角により、打ち抜き方向と平行な断面で、刃先から刃元に向かうにつれて徐々に幅狭となるような凹状に形成された凹部を有するパンチを用いて、被加工材を打ち抜くことを特徴とする凹部を有するパンチによる打ち抜き加工方法。

(２)前記刃先に、曲率半径が０.５mm以上の丸みが設けられているパンチを用いて、前記被加工材を打ち抜くことを特徴とする(１)記載の凹部を有するパンチによる打ち抜き加工方法。

(３)前記刃先が、パンチ底面の端縁側から中央側へ０.５mm以上の範囲で面取りされた平面状の傾斜面を有するパンチを用いて、前記被加工材を打ち抜くことを特徴とする(１)記載の凹部を有するパンチによる打ち抜き加工方法。

(４)パンチ側面が、刃元から刃先に向かってパンチ底面の端縁側から中央側に狭まるように、打ち抜き方向に対して１〜３０度の範囲で傾斜されてなるテーパー部を有するパンチを用いて、前記被加工材を打ち抜くことを特徴とする(１)〜(３)の何れか１項に記載の凹部を有するパンチによる打ち抜き加工方法。

(５)パンチ側面が、刃元から刃先に向かうにつれてパンチ底面の端縁側から中央側に狭まるように、打ち抜き方向と平行な断面において曲率を有するパンチを用いて、前記被加工材を打ち抜くことを特徴とする(１)〜（３）の何れか１項に記載の凹部を有するパンチによる打ち抜き加工方法。

本発明により、打ち抜き面の疲労強度を向上させることが可能である。また、本発明は量産性に優れており、現場にも容易に適用可能となっている。

以下に本発明を適用した打ち抜き加工方法と、これを実現するための打ち抜き加工装置について、図面を参照にしながら詳細に説明する。まず、本発明を完成するに至った、本発明者らの行った検討内容について説明する。

打ち抜き加工により破断面６が生じた打ち抜き面８は、その破断面６の凹凸に起因する疲労破壊が多々問題となり、被加工材１の打ち抜き面８の疲労特性に悪影響を及ぼす。本発明者らは、打ち抜き加工時に疲労破壊の起点となる破断面６を出さない打ち抜き方法について鋭意探索した結果、打ち抜き加工時において打ち抜き面８に部分的に大きなせん断面を増やすことのできるパンチを発明した。

図３は、本発明の主要な構成の一つとなるパンチ１０Ａの形状の一例を示すものであり、図３（ａ）は、パンチ１０Ａの側面図を示すものであり、図３（ｂ）は、パンチ１０Ａの正面図を示すものであり、図３（ｃ）は、パンチ１０Ａの底面図を示すものである。

本発明に係るパンチ１０Ａは、図３に示すように、角柱状に形成されている。パンチ１０Ａは、その刃先形状が、その刃先１５に設けられた直線状のシャー角部１２により、打ち抜き方向（図３（ａ）、図３（ｂ）の紙面上下方向）と平行な断面（図３（ａ）の紙面）で下向きに開口されて凹状に形成された凹部１１を有している。このパンチ１０Ａの凹部１１は、パンチ底面１０ａにおいて、打ち抜き方向に対して直交する一方向である方向Ａに延長されて形成されている。パンチ１０Ａの凹部１１は、パンチ１０Ａの打ち抜き方向と方向Ａとに直交する方向Ｂに対して傾斜されて設けられている、二つの異なる傾斜角からなる直線状のシャー角部１２から形成されており、これらシャー角部１２によって、刃先１５から刃元１６に向かうにつれて徐々に凹部１１の幅方向の間隔が幅狭となるように形成されている。これら二つの異なる傾斜角からなる直線状のシャー角部１２の長さは、互いに異なっており、これによって、パンチ１０Ａの凹部１１についての打ち抜き方向と方向Bとに平行な断面形状がへの字型に形成されていることになる。

なお、ここでいう凹部１１の幅方向とは、図３における方向Ｂと同一方向のことを意味している。また、方向Ａは、パンチ側面１０ｂに対して直交する一方向のことを意味している。また、パンチ１０Ａのパンチ側面１０ｂは、打ち抜き加工後の被加工材１の打ち抜き面８の形状に沿った形状とされていることから、パンチ側面１０ｂと直交する方向であって、パンチ１０Ａの打ち抜き方向と直交する方向Ｂは、被加工材１の切断線方向のことを意味している。

パンチ１０Ａの凹部１１を形成するシャー角部１２は、パンチ底面１０ａとの境界において凹縁部１３を形成し、二つの異なるシャー角部１２との境界において頂部１４を形成している。

図４は、このような構成からなるパンチ１０Ａを有する打ち抜き加工装置１００の構成について示す図であり、図４（ａ）は、その正面断面図であり、図４（ｂ）は、その側面断面図である。なお、図４（ａ）は、図４（ｂ）のＤ−Ｄ線断面図に対応しており、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＣ−Ｃ線断面図に対応している。

本発明における打ち抜き加工装置１００は、上述のような構成からなるパンチ１０Ａと、被加工材１が載置されるダイ１０１とを備えている。パンチ１０Ａは、パンチ底面１０ａとパンチ側面１０ｂとの境界の縁部に上刃１５を有しており、ダイ１０１は、ダイ上面１０１ａとダイ側面１０１ｂとの境界の縁部に下刃１０２を有している。パンチ１０Ａの上刃１５のうち、凹部１１の形成されている部分は、ダイ１０１の下刃１０２に対して傾斜した状態とされている。パンチ１０Ａは、上下方向、即ち、打ち抜き方向に動作可能に構成されている。ダイ１０１上に載置される被加工材１は、図示しない板押さえによってダイ１０１との間に挟まれて固定される。

図５は、上述の打ち抜き加工装置１００により、被加工材１を打ち抜いた場合の作用効果を示す図であり、図５（ａ）は、打ち抜き途中の被加工材１等の状態を示す正面断面図であり、図５（ｂ）は、これの側面断面図である。なお、図５（ａ）は、図５（ｂ）のＦ−Ｆ線断面図に対応しており、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＥ−Ｅ線断面図に対応している。

上述のような構成からなる凹部１１を有するパンチ１０Ａによって打ち抜き加工を行った場合、ダイ１０１上に載置される被加工材１は、パンチ１０Ａが打ち抜き方向に動作することにより、ダイ１０１の下刃１０２とパンチ１０Ａの上刃１５との間においてせん断されることになる。

この場合、凹部１１の設けられていない通常のパンチと比べ、図５に示すように、凹部１１の形成されていない部分での上刃１５によるせん断よりも、凹部１１の形成されている部分での上刃１５によるせん断を遅らせることができる。ここで、凹部１１の形状が、シャー角部１２により刃先１５（上刃）から刃元１６に向かうにつれて徐々に幅狭となるように形成されていることから、凹部１１の形成されている部分での上刃１５により、パンチ１０Ａの凹部１１の頂部１４側に向けて、被加工材１内に圧縮応力が作用し、その結果、図５に示すような大きな圧縮応力場Ｆ１を形成させることができる。これにより、凹部１１の頂部１４を中心としたその近傍での上刃１５による被加工材１の破断が遅れることになる。従って、本発明に係るパンチ１０Ａによって、パンチ１０Ａに形成された凹部１１により打ち抜かれて形成された打ち抜き面８の破断面を減らすことができ、特に、凹部１１の頂部１４近傍により打ち抜かれて形成された打ち抜き面８周辺の破断面を大きく減らすことができ、これにより打ち抜き面８の疲労強度を向上させることが可能となる。

実製品の打ち抜き面８で疲労強度が問題となる部位は、打ち抜き後の被加工材１の打ち抜き面８の総てに及ぶわけではなく、打ち抜き面８の所定部位のみが問題となる。この疲労強度が問題となる部位は、打ち抜き後の被加工材１の形状に応じて定まるものである。このため、被加工材１の打ち抜き面８で疲労破壊が起こり易い部位である破壊容易部３０を、予め疲労試験や有限要素法による数値計算により特定し、その破壊容易部３０を含む領域にパンチ１０Ａの凹部１１を対向させて、破壊容易部３０をパンチ１０Ａの凹部１１で打ち抜くことにより、実用する上での製品の疲労強度を向上させることが可能となる（前記（１）に係る発明。）。この場合において、パンチ１０Ａの凹部１１の頂部１４によって、その疲労強度が問題となる破壊容易部３０を打ち抜くようにすれば、一層その疲労強度が問題となる部分の破断面を減らすことができ、疲労強度が更に向上することになる。

図６は、本発明に係る打ち抜き加工方法の工程の一例を説明するための概略図であり、図６に基づいて、本発明に係る打ち抜き加工方法の一例について説明する。

図６（ａ）は、打ち抜き加工前の被加工材１の形状を示す平面図であり、図６（ｃ）は、打ち抜き加工後の被加工材１（成形品）の形状を示す平面図である。打ち抜き加工時においては、図６（ｃ）に示すような形状の被加工材１が得られるように、図６（ａ）に示すように切断線３１を仮想的に設定し、この切断線３１に沿って被加工材１が打ち抜かれるように、図６（ｂ）に示すように、この切断線３１に沿った形状のパンチ側面２ｂを有する通常のパンチ２を被加工材１上に配置する。被加工材１は、被加工材１の下に配置されるダイ１０１上に載置される。このダイ１０１のダイ側面１０１ｂは、パンチ２のパンチ側面２ｂと同様に、切断線３１に沿った形状とされている。被加工材１には、パンチ２とダイ１０１とにより打ち抜き加工が施される。ここで用いられるパンチ２は、パンチ底面に凹部１１が設けられていない。打ち抜き加工後には、図６（ｃ）に示すように、切断線３１に沿って打ち抜かれて打ち抜き面８が形成された被加工材１が得られることになる。

ここで、得られた被加工材１に対して、例えば疲労試験を行なうことによって、疲労破壊が起こりやすい破壊容易部３０を特定する。この後に、パンチ底面１０ａに凹部１１が設けられているパンチ１０Ａと、被加工材１の下に配置され、被加工材１が載置されるダイ１０１とを用いて、図６（ｄ）に示すように、そのパンチ１０Ａの凹部１１によって破壊容易部３０が打ち抜かれるようにして打ち抜き加工を施す。これにより、破壊容易部３０の破断面を減らすことができ、破壊容易部３０の疲労強度が向上することになる。なお、ここで用いられるパンチ１０Ａのパンチ側面１０ａは、図６（ｂ）に示されるパンチ２のパンチ側面２ｂと略同一形状とされている。

なお、この破壊容易部３０は、打ち抜き加工後において疲労破壊の起点となる亀裂が生じる打ち抜き面８の一部であり、打ち抜き加工前においてはこのような打ち抜き面８の一部が形成されるであろう部位のことを意味している。この破壊容易部３０は、打ち抜き後の被加工材１の形状に応じて定まるものであり、例えば、局所的に板幅が狭い部分の近傍に形成される部位や、大きく湾曲させた部位の近傍に形成される部位等が挙げられる。

この破壊容易部３０を市販ソフト（商品名）のABAQUS、LS-DYNA等を用いて、有限要素法による数値計算又は疲労試験により特定する場合、想定される変形のもとに、負荷応力が最大値となる部位を破断容易部３０とすることができる。また、疲労試験により破壊容易部３０を特定する場合、例えば、疲労試験を１０回程度の複数回数に亘って行い、このうち半分以上の回数は同じ部位で破断が生じたなら、この部位を破壊容易部３０とすることができる。

なお、本発明に係る打ち抜き加工装置１００において、ダイ１０１は、図４等に示すように、打ち抜き穴加工を可能とするため、貫通孔が設けられていてもよいし、打ち抜き切断加工を可能とするため、開断面を切断可能に構成されていてもよい。

また、本発明に係るパンチ１０Ａは、シャー角部１２の長さが互いに異なっている必要はなく、略同一の長さであってもよい。また、本発明に係るパンチ１０Ａは、上述の実施形態では角柱状のパンチ１０Ａを例に説明したが、その形状について特に限定するものではない。

また、本発明においては、打ち抜き加工後にダイ１０１上に残る被加工材１にも、打ち抜き加工後に打ち抜かれてダイ１０１上から落ちる被加工材１にも、疲労強度向上の効果が発揮される。

次に、本発明の効果を更に向上させるための他の構成について説明する。因みに、上述したパンチ１０Ａと同一の構成要素については、同一の符号を付すことにより以下での説明を省略する。

図７は、本発明に係る他の実施形態のパンチ１０Ｂの形状を示すものであり、図７（ａ）はその正面図を示し、図７（ｂ）はその側面図を示す。

本発明に係るパンチ１０Ｂは、その刃先形状が、図３に示すような直線状のシャー角部１２により形成されている場合に限定するものではなく、図７に示すパンチ１０Ｂのような、曲線状のシャー角部１７により、刃先から刃元に向かうにつれて徐々に凹部１１の間隔が幅狭となるように形成されていてもよい。このように、刃先形状が曲線状のシャー角部１７からなる凹部１１を有するパンチ１０Ｂの方が打ち抜き時の衝撃力吸収に優れているが、工具作成のコストが増えるというデメリットがある。

図８は、本発明に係る他の実施形態のパンチ１０Ｃの形状を示すものであり、図８（ａ）はその正面図を示し、図８（ｂ）はその側面図を示す。

図８のごとく、刃先１５に、曲率半径が０.５mm以上の丸み１８が設けられているパンチ１０Ｃを用いて被加工材１を打ち抜けば更に材料が破断しにくくなり、打ち抜き加工後の被加工材１の破断面を減らすことができる(前記(２)に係る発明)。破断を明確に遅らせることができる刃先１５の曲率半径は、発明者らがS４０C鋼を対象とした実験により調査したところ、約０.５mm以上であり、あまり大きすぎると(曲率半径１０mm以上)大きなバリが生じることがあった。ただし、これらの値はあくまでもS４０C鋼に対する指標であり、S４０C鋼より優れた延性であれば上下限値は減り、S４０C鋼より低い延性であれば上下限値は増すようにすることが好ましい。

刃先１５の丸み１８は刃先１５の全部分につけても良いし、刃先１５の凹部１１が設けられている部分のみでも良い。ただし、刃先１５の凹部１１が設けられている部分のみに丸み１８をつける際は、パンチ１０Ｃの凹縁部１３近傍の刃先１５により打ち抜かれて形成される被加工材１の打ち抜き面８の部位が荒れることがあり、その部位から疲労亀裂が発生する場合があるので注意が必要となる。

図９は、本発明に係る他の実施形態のパンチ１０Ｄの形状を示すものであり、図９（ａ）はその正面図を示し、図９（ｂ）はその側面図を示す。

図８に示すように、刃先１５に丸み１８を設ける代わりに、刃先１５に、図９のように面取りされた面取り部１９が設けられているパンチ１０Ｄを用いて、被加工材１を打ち抜くようにしてもよい(前記(３)に係る発明)。破断を明確に遅らせることができる面取り量は、発明者らがS４０C鋼を対象とした実験により調査したところ、パンチ底面１０ａの端縁側１０ｅから中央側１０ｃに向かって０.５mm以上の範囲で面取りされていれば良く、あまり大きすぎると(面取り量１５mm以上)大きなバリが生じることがあった。ただし、これらの値はあくまでもS４０C鋼に対する指標であり、S４０C鋼より優れた延性であれば上下限値は減り、S４０C鋼より低い延性であれば上下限値は増すようにすることが好ましい。なお、ここでいう面取り量は、図９にＬ１で示される、面取りされた部分の水平方向長さのことをいう。

刃先１５の面取りは、刃先１５の全部分につけても良いし、刃先１５の凹部１１が設けられている部分のみでも良い。ただし、刃先１５の凹部１１が設けられている部分のみに面取りを施す際は、パンチ１０Ｃの凹縁部１３近傍の刃先１５により打ち抜かれて形成される被加工材１の打ち抜き面８の部位が荒れることがあり、その部位から疲労亀裂が発生する場合があるので注意が必要となる。

図１０は、本発明に係る他の実施形態のパンチ１０Ｅの形状を示すものであり、図１０（ａ）はその正面図を示し、図１０（ｂ）はその側面図を示す。

図１０のように、パンチ側面１０ｂが、刃元１６から刃先１５に向かうにつれて（図１０の紙面下方向）、パンチ底面１０ａの端縁側１０ｅから中央側１０ｃへ狭まるように、打ち抜き方向に対して１〜３０度の範囲で傾斜されてなる平面状のテーパー部２０を有するパンチ１０Ｅを用いて被加工材１を打ち抜いてもよい（前記（４）に係る発明）。これにより、テーパー部２０により被加工材１の破面は擦られて平滑化され、更なる疲労強度の向上が見込める。

打ち抜き穴加工の場合は、パンチ１０Ｅのテーパー部２０により穴が拡大される加工となるためにパンチが穴から抜けなくなる場合があり、量産性を考慮するとパンチ１０Ｅのテーパー２０の打ち抜き方向に対するテーパー角度θ１は、３０度以下、好ましくは２０度以下とした方が望ましい。打ち抜き穴加工でない場合は金型の剛性にもよるが、テーパー部２０にかかるパンチ側方圧のために打ち抜き軸が曲げられてしまうので、金型寿命を考慮してパンチ１０Ｅの打ち抜き方向に対するテーパー部２０のテーパー角度θ１は、打ち抜き穴加工時と同様に、３０度以下、好ましくは２０度以下とした方が望ましい。

図１１は、本発明に係る他の実施形態のパンチ１０Ｆの形状を示すものであり、図１０（ａ）はその正面図を示し、図１０（ｂ）はその側面図を示す。

図１０に示すパンチ１０Ｅのテーパー部２０は、図１１のように、パンチ側面１０ｂが、刃元から刃先に向かうにつれてパンチ底面の端縁側１０ｅから中央側１０ｃに狭まるように、打ち抜き方向と平行な断面において、曲面状に形成されて曲率を有するテーパー部２１が設けられたパンチ１０Ｆとしてもよい(前記(５)に係る発明)。側面にこの曲線状のテーパー部２１が設けられたパンチ１０Ｆを用いて打ち抜き加工を行った場合、直線状のテーパー部２０を用いたと比べて素材の流動が滑らかになり、直線状のテーパー部２０を用いた場合と同様の平滑端面をより少ない加工力で得ることができる(金型寿命が向上する)。図１１に示すように、パンチ１０Ｆのテーパー部２１の角度θ２、即ち、曲率を設けたテーパー部２１とパンチ側面１０ｂとの境界及び曲率を設けたテーパー部２１とパンチ底面１０ａとの境界を通る直線と打ち抜き方向の直線とのなす角度θ２は、パンチ１０Ｅの直線状のテーパー部２０のテーパー角度θ１と同様に、３０度未満とすることが望ましい。

本発明の効果を実証するため、本発明例１としての打ち抜き加工方法と、比較例１としての打ち抜き加工方法とを用いて、被加工材１に対して打ち抜き穴加工を行った後、図１３に示すような形状からなる穴あき疲労試験片４１をシャー切断により採取し、得られた疲労試験片４１を用いて引張疲労試験を行なった。

本発明例１としての打ち抜き加工方法では、図１２に示すような形状からなるパンチ４０Ａを用いた。本発明例１で用いたパンチ４０Ａは、円柱状に形成されており、その刃先形状が、その刃先１５に設けられた直線状のシャー角部１２により、打ち抜き方向と平行な断面で凹状に形成された凹部１１を有している。このパンチ４０Ａの凹部１１は、上記において説明した図３に示されるパンチ１０Ａの凹部１１と比較して、二つのシャー角部１２の長さが略同一とされている点が異なっている。

比較例１としての打ち抜き加工方法では、図示しない通常のパンチを用いた。比較例１で用いた通常のパンチは、シャー角部１２及び頂部１４、即ち、凹部１１を有さない点を除いて、本発明例１で用いた図１２に示すパンチ４０Ａと同一のものを使用した。

疲労試験片４１となる被加工材１は、引張強さが５９０(MPa)となる３.２mm厚の高張力鋼板を用いた。シャー切断後に得られる疲労試験片４１は、図１３に示すような形状からなり、本発明例１、比較例１として用いたパンチにより、その中央部に貫通孔４１ａが形成されるように設定した。

本発明例１としての打ち抜き加工方法では、シャー切断後に得られる穴あき疲労試験片４１において疲労破壊が起こり易い箇所（破壊容易部３０）を予め有限要素法による数値計算により見積もり、見積もった箇所３０が、打ち抜き穴加工時にパンチ４０Ａの凹部１１の頂部１４により打ち抜かれるようにパンチ４０Ａを配置して、パンチ４０Ａにより疲労試験片４１の中央部となる部位に貫通孔４１ａを形成させた。得られたものには、シャー切断を施して図１３に示すような形状の穴あき疲労試験片４１を得て、これに引張疲労試験を行なった。シャー切断では、二つの破壊容易部３０が疲労試験片４１の板幅方向に並ぶように調整した。

なお、今般の実施例１では、パンチにより打ち抜かれて形成された貫通孔４１ａの打ち抜き面であって、疲労試験片４１の側面との板幅方向（引張負荷方向に直交する方向）の間隔が最も狭くなる部位を破壊容易部３０であると見積もった。この根拠は、商用有限要素コードであるABAQUS/STANDARDにより疲労試験片４１の両端部に対してその長手方向に５００(N)の力で引張るという弾性解析を行い、応力値が最大となる（約１７MPa）となる部位を破壊容易部３０として見積もったものである。

比較例１としての打ち抜き加工方法では、疲労試験片４１の破壊容易部３０を見積もらず、通常のパンチにより、疲労試験片４１の中央部となる部位に貫通孔４１ａを形成させて、得られたものにシャー切断を施して図１３に示すような形状の穴あき疲労試験片４１を得て、これに引張疲労試験を行なった。

本発明例１、比較例１の何れの場合も、打ち抜き加工に用いたダイは、図１３に示すような試験片４１の貫通孔４１ａが形成されるように、パンチに応じた形状の貫通孔が設けられたものを使用した。打ち抜き加工時のクリアランスは、疲労試験片４１の板厚の１０%とした。

引張疲労試験の試験条件は、応力比(=最小荷重/最大荷重)を０とする荷重制御疲労試験であり、室温・大気中で行った。疲労試験片４１に対しては、図１３の矢印で示す方向に疲労試験片４１の両側から引張荷重を負荷した。荷重の制御が困難となる寿命を破断寿命として、破断寿命が２００万回となる応力範囲で評価した。

図１４に実施例１における疲労試験結果を示す。本発明例１による打ち抜き加工方法では、比較例１による打ち抜き加工方法に比べて約５%疲労強度が向上していることが確認できる。これにより、前記（１）に係る発明により疲労強度の向上に効果があることが確認された。

本発明の効果を実証するため、本発明例２としての打ち抜き加工方法と、比較例１としての打ち抜き加工方法とを用いて、被加工材１に対して打ち抜き加工を行なった後、図１３に示すような形状からなる穴あき疲労試験片４１をシャー切断により採取し、得られた疲労試験片４１を用いて引張疲労試験を行なった。

本発明例２としての打ち抜き加工方法では、図１５に示すような形状からなるパンチ４０Ｂを用いた。本発明例２で用いたパンチ４０Ｂは、実施例１の本発明例１で用いた図１２に示すパンチ４０Ａと比較して、刃先１５に曲率半径１mmの丸み１８を設けている点のみ異なっており、それ以外の構成は本発明例１で使用したパンチ４０Ａと同じものを使用した。なお、本発明例２のパンチ４０Ｂにおける刃先１５の丸み１８は、シャー角部１２を含む全ての刃先１５に設けた。

比較例１としての打ち抜き加工方法では、実施例１の比較例１で用いたパンチと同一のものを使用した。

疲労試験片４１は、実施例１の疲労試験片４１と同一の条件のものを使用した。

本発明例２としての打ち抜き加工方法は、パンチの形状が異なる点を除いて、実施例１の本発明例１としての打ち抜き加工方法と同一の条件とした。また、比較例１としての打ち抜き加工方法は、実施例１の比較例としての打ち抜き加工方法と同一の条件とした。

この他の、打ち抜き加工に用いたダイ、打ち抜き加工時のクリアランス、引張疲労試験の試験条件は、実施例１と同一の条件とした。

図１６に実施例２における疲労試験結果を示す。本発明例２による打ち抜き加工方法では、比較例１による打ち抜き加工方法に比べて約５%疲労強度が向上していることが確認できる。これにより、前記（２）に係る発明により疲労強度の向上に効果があることが確認された。

本発明の効果を実証するため、本発明例３としての打ち抜き加工方法と、比較例１としての打ち抜き加工方法とを用いて、被加工材１に対して打ち抜き加工を行なった後、図１３に示すような形状からなる穴あき疲労試験片４１をシャー切断により採取し、得られた疲労試験片４１を用いて引張疲労試験を行なった。

本発明例３としての打ち抜き加工方法では、図１７に示すような形状からなるパンチ４０Ｃを用いた。本発明例３で用いたパンチ４０Ｃは、実施例１の本発明例１で用いた図１２に示すパンチ４０Ａと比較して、刃先１５に、パンチ底面１０ａの端縁側１０ｅから中央側１０ｃへ向かって１mmの範囲に渡って面取り部１９を設けている点のみ異なっており、それ以外の構成は本発明例１で使用したパンチ４０Ａと同じものを使用した。なお、刃先１５の面取り部１９は、シャー角部１２を含む全ての刃先１５に設けた。

比較例１としての打ち抜き加工方法では、実施例１の比較例１で用いたパンチと同一のものを使用した。

疲労試験片４１は、実施例１の疲労試験片４１と同一の条件のものを使用した。

本発明例３としての打ち抜き加工方法は、パンチの形状が異なる点を除いて、実施例１の本発明得例１としての打ち抜き加工方法と同一の条件とした。また、比較例１としての打ち抜き加工方法は、実施例１の比較例としての打ち抜き加工方法と同一の条件とした。

この他の、打ち抜き加工に用いたダイ、打ち抜き加工時のクリアランス、引張疲労試験の試験条件は、実施例１と同一の条件とした。

図１８に実施例３における疲労試験結果を示す。本発明例３による打ち抜き加工方法では、比較例１による打ち抜き加工方法と比べて約５%疲労強度が向上していることが確認できる。これにより、前記（３）に係る発明により疲労強度の向上に効果があることが確認された。

本発明の効果を実証するため、本発明例４としての打ち抜き加工方法と、比較例１としての打ち抜き加工方法とを用いて、被加工材１に対して打ち抜き加工を行なった後、図１３に示すような形状からなる穴あき疲労試験片４１をシャー切断により採取し、得られた疲労試験片４１を用いて引張疲労試験を行なった。

本発明例４としての打ち抜き加工方法では、図１９に示すような形状からなるパンチ４０Ｄを用いた。本発明例４で用いたパンチ４０Ｄは、実施例１の本発明例１で用いた図１２に示すパンチ４０Ａと比較して、パンチ側面１０ｂに刃元１６から刃先１５に向かうにつれて、パンチ底面１０ａの端縁側１０ｅから中央側１０ｃへ狭まるように、打ち抜き方向に対して４．１度傾斜されてなる平面状のテーパー部２０を設けている点のみ異なっており、それ以外の構成は本発明例１で使用したパンチ４０Ａと同じものを使用した。

比較例１としての打ち抜き加工方法では、実施例１の比較例１で用いたパンチと同一のものを使用した。

疲労試験片４１は、実施例１の疲労試験片４１と同一の条件のものを使用した。

本発明例４としての打ち抜き加工方法は、パンチの形状が異なる点を除いて、実施例１の本発明得例１としての打ち抜き加工方法と同一の条件とした。また、比較例１としての打ち抜き加工方法は、実施例１の比較例としての打ち抜き加工方法と同一の条件とした。

この他の、打ち抜き加工に用いたダイ、打ち抜き加工時のクリアランス、引張疲労試験の試験条件は、実施例１と同一の条件とした。

図２０に実施例４における疲労試験結果を示す。本発明例４による打ち抜き加工方法では、比較例１による打ち抜き加工方法と比べて約１０%疲労強度が向上していることが確認できる。また、本発明例４による打ち抜き加工方法では、本発明例１による打ち抜き加工方法と比べて約５％疲労強度が向上していることが確認できる。これにより、前記（４）に係る発明により疲労強度の向上に効果があることが確認された。

本発明の効果を実証するため、本発明例５としての打ち抜き加工方法と、比較例１としての打ち抜き加工方法とを用いて、被加工材１に対して打ち抜き加工を行なった後、図１３に示すような形状からなる穴あき疲労試験片４１をシャー切断により採取し、得られた疲労試験片４１を用いて引張疲労試験を行なった。

本発明例５としての打ち抜き加工方法では、図２１に示すような形状からなるパンチ４０Ｅを用いた。本発明例５で用いたパンチ４０Ｅは、実施例１の本発明例１で用いた図１２に示すパンチ４０Ａと比較して、パンチ側面１０ｂに刃元１６から刃先１５に向かうにつれて、パンチ底面１０ａの端縁側１０ｅから中央側１０ｃへ狭まるように、打ち抜き方向に対して傾斜されてなる曲面状のテーパー部２１(曲率半径Ｒ＝１８mm)を設けている点のみ異なっており、それ以外の構成は本発明例１で使用したパンチ４０Ａと同じものを使用した。

比較例１としての打ち抜き加工方法では、実施例１の比較例１で用いたパンチと同一のものを使用した。

疲労試験片４１は、実施例１の疲労試験片４１と同一の条件のものを使用した。

本発明例５としての打ち抜き加工方法は、パンチの形状が異なる点を除いて、実施例１の本発明得例１としての打ち抜き加工方法と同一の条件とした。また、比較例１としての打ち抜き加工方法は、実施例１の比較例としての打ち抜き加工方法と同一の条件とした。

この他の、打ち抜き加工に用いたダイ、打ち抜き加工時のクリアランス、引張疲労試験の試験条件は、実施例１と同一の条件とした。

図２２に実施例５における疲労試験結果を示す。本発明例５による打ち抜き加工方法では、比較例１による打ち抜き加工方法と比べて約１０%疲労強度が向上していることが確認できる。また、本発明例５による打ち抜き加工方法では、本発明例１による打ち抜き加工方法と比べて約５％疲労強度が向上していることが確認できる。これにより、前記（５）に係る発明により疲労強度の向上に効果があることが確認された。

本発明の効果を実証するため、本発明例６としての打ち抜き加工方法と、比較例２としての打ち抜き加工方法とを用いて、被加工材１に対して打ち抜き加工を行なうことにより、図２４（ｂ）に示すような形状からなる疲労試験片４２を作成し、得られた疲労試験片４２を用いて引張疲労試験を行なった。

本発明例６としての打ち抜き加工方法では、図２３に示すような形状からなるパンチ４０Ｆを用いた。本発明例６で用いたパンチ４０Ｆは、角柱状に形成されており、そのパンチ側面１０ｂにおいて、打ち抜き方向に延長される半円状の複数の側面側凹部４３ａ、４３ｂ、４３ｃが形成されている。それぞれの側面側凹部４３ａ、４３ｂ、４３ｃの寸法は、図２３（ｂ）に示すとおりであり、側面側凹部４３ａ、側面側凹部４３ｃ、側面側凹部４３ｂの順に半円の曲率半径が小さくなるように形成されている。パンチ４０Ｆは、その刃先形状が、側面側凹部４３ｂを含む範囲の刃先１５に図２３（ａ）に示すような直線状のシャー角部１２が設けられ、これによって、打ち抜き方向と平行な断面で凹状に形成された凹部１１を有している。このパンチ４０Ａの凹部１１は、上記において説明した図３に示されるパンチ１０Ａの凹部１１と比較して、二つのシャー角部１２の長さが略同一とされている点が異なっている。

比較例２としての打ち抜き加工方法では、図示しない通常のパンチを用いた。比較例２で用いた通常のパンチは、シャー角部１２及び頂部１４、即ち、凹部１１を有さない点を除いて、本発明例６で用いたパンチ４０Ｆと同一のものを使用した。

疲労試験片４２は、引張強さが５９０(MPa)となる３.２mm厚の高張力鋼板を用いた。打ち抜き加工前における疲労試験片４２は、図２４（ａ）に示すように、板幅１４０mmとされている。疲労試験片４２は、本発明例６、比較例２として用いたパンチのパンチ側面１０ｂを平面視した形状に応じた形状の仮想的な切断線３１に沿って、疲労試験片４２の端部から５０ｍｍに亘って打ち抜き加工されるように設定した。これにより、打ち抜き加工後には、図２４（ｂ）に示すような形状の疲労試験片４２が得られる。このようにして得られた疲労試験片４２は、図２４において太線で示すような打ち抜き面８が形成されることになる。

本発明例６としての打ち抜き加工方法では、疲労試験片４２において疲労破壊が起こり易い箇所（疲労破壊部３０）を、通常の打ち抜きパンチによる疲労試験片３８を使った実験（疲労試験）で予め見積もっておき、見積もられた箇所３０が、パンチ４０Ｆの凹部１１の頂部１４により打ち抜かれるように、パンチ４０Ｆの凹部１１の位置、形状を設定した。

比較例２としての打ち抜き加工方法では、疲労試験片４２の破壊容易部３０を見積もらず、通常のパンチにより、上述のような疲労試験片４２に打ち抜き加工を行い、得られたものに引張疲労試験を行なった。

本発明例６、比較例２の何れの場合も、打ち抜き加工に用いたダイは、図示しないが、パンチのパンチ側面に応じた形状のダイ側面が設けられたものを使用した。打ち抜き加工時のクリアランスは、疲労試験片４２の板厚の１０%とした。

引張疲労試験の試験条件は応力比(=最小荷重/最大荷重)を０とする荷重制御疲労試験であり、室温・大気中で行った。疲労試験片４２に対しては、図２４（ｂ）の矢印に示す方向に疲労試験片４２の両側から引張荷重を負荷した。荷重の制御が困難となる寿命を破断寿命として、破断寿命が２００万回となる応力範囲で評価した。

図２５に実施例６における疲労試験結果を示す。本発明例６による打ち抜き加工方法では比較例２による打ち抜き加工方法に比べて約１０%疲労強度が向上していることが確認できる。これにより、前記（１）に係る発明により、打ち抜き加工後に打ち抜かれてダイ上から落ちる被加工材にも、疲労強度の向上に効果があることが確認された。

一般的な打ち抜き加工を模式的に示した正面図である。 打ち抜き加工された被加工材の打ち抜き面の特徴を模式的に示す断面図である。 本発明で用いられるパンチの形状を模式的に示す図であり、（ａ）はその側面図、（ｂ）はその正面図、（ｃ）はその底面図である。 本発明に係るパンチを用いた打ち抜き加工装置の構成を模式的に示す図であり、（ａ）はその正面断面図、（ｂ）はその側面断面図である。 本発明に係るパンチが被加工材の破断を遅らせるメカニズムを模式的に示す図であり、（ａ）はその正面断面図、（ｂ）はその側面断面図である。 本発明に係る打ち抜き加工方法の工程の一例を説明するための概略図である。 曲線状のシャー角部が設けられた本発明に係るパンチの構成を模式的に示す図であり、（ａ）はその正面図であり、（ｂ）はその側面図である。 刃先に丸みを設けた本発明に係るパンチの構成を模式的に示す図であり、（ａ）はその正面図であり、（ｂ）はその側面図である。 刃先に面取りを施した本発明に係るパンチの構成を模式的に示す図であり、（ａ）はその正面図であり、（ｂ）はその側面図である。 テーパー部を有する本発明に係るパンチの構成を模式的に示す図であり、（ａ）はその正面図であり、（ｂ）はその側面図である。 曲面状のテーパー部を有する本発明に係るパンチの構成を模式的に示す図であり、（ａ）はその正面図であり、（ｂ）はその側面図である。 実施例１の本発明例１で用いたパンチの構成を模式的に示す図であり、（ａ）はその正面図であり、（ｂ）はその側面図であり、（ｃ）はその底面図である。 実施例１〜５に用いた穴あき疲労試験片の構成を模式的に示す平面図である。 実施例１の疲労試験結果(SNグラフ)である。 実施例２の本発明例２で用いたパンチの構成を模式的に示す図であり、（ａ）はその正面図であり、（ｂ）はその側面図であり、（ｃ）はその底面図である。 実施例２の疲労試験結果(SNグラフ)である。 実施例３の本発明例３で用いたパンチの構成を模式的に示す図であり、（ａ）はその正面図であり、（ｂ）はその側面図であり、（ｃ）はその底面図である。 実施例３の疲労試験結果(SNグラフ)である。 実施例４の本発明例４で用いたパンチの構成を模式的に示す図であり、（ａ）はその正面図であり、（ｂ）はその側面図であり、（ｃ）はその底面図である。 実施例４の疲労試験結果(SNグラフ)である。 実施例５の本発明例５で用いたパンチをの構成模式的に示す図であり、（ａ）はその正面図であり、（ｂ）はその側面図であり、（ｃ）はその底面図である。 実施例５の疲労試験結果(SNグラフ)である。 実施例６の本発明例６で用いたパンチの構成を模式的に示す図であり、（ａ）はその正面図であり、（ｂ）はその底面図である。 実施例６に用いた穴あき疲労試験片の構成を模式的に示す平面図であり、（ａ）はその打ち抜き加工前の状態を示す図であり、（ｂ）はその打ち抜き加工後の状態を示す図である。 実施例６の疲労試験結果(SNグラフ)である。

符号の説明

１ 被加工材
２ パンチ
３ ダイ
４ だれ
５ せん断面
６ 破断面
７ ばり
８ 打ち抜き面
１０Ａ （直線状のシャー角部を有する）パンチ
１０Ｂ （曲線状のシャー角部を有する）パンチ
１０Ｃ （刃先に丸みが設けられたシャー角部を有する）パンチ
１０Ｄ （刃先に面取りが施されたシャー角部を有する）パンチ
１０Ｅ （テーパー部とシャー角部を有する）パンチ
１０Ｆ （曲面状のテーパー部と、シャー角部を有する）パンチ
１０ａ パンチ底面
１０ｂ パンチ側面
１０ｃ パンチ中央側
１０ｅ パンチ端縁側
１１ 凹部
１２ （直線状の）シャー角部
１３ 凹縁部
１４ 頂部
１５ 刃先（上刃）
１６ 刃元
１７ （曲線状の）シャー角部
１８ （刃先に設けられた）丸み
１９ （刃先に施された）面取り
２０ （シャー角部を有するパンチに設けられた）テーパー部
２１ （シャー角部を有するパンチに設けられた曲面状の）テーパー部
３０ 破壊容易部
３１ 切断線
４０Ａ （実施例１で使用した）パンチ
４０Ｂ （実施例２で使用した）パンチ
４０Ｃ （実施例３で使用した）パンチ
４０Ｄ （実施例４で使用した）パンチ
４０Ｅ （実施例５で使用した）パンチ
４０Ｆ （実施例６で使用した）パンチ
４１ 穴あき疲労試験片
４２ （実施例６で使用した）疲労試験片
１００ 打ち抜き装置
１０１ ダイ
１０２ 下刃
Ｆ１ （シャー角部により発生する）圧縮応力場
θ１ （シャー角部を有するパンチに設けられたテーパー部の）テーパー角度
θ２ （シャー角部を有するパンチに設けられた曲面状のテーパー部を直線に置き換えて換算した）テーパー角度

Claims (5)

1. パンチ及びダイを用いた打ち抜き加工方法であって、予め数値計算又は疲労試験により被加工材の打ち抜き面で疲労破壊が起こり易い部位を特定し、当該部位を含む領域に対向する刃先形状が、その刃先に設けられた直線状又は曲線状のシャー角により、打ち抜き方向と平行な断面で、刃先から刃元に向かうにつれて徐々に幅狭となるような凹状に形成された凹部を有するパンチを用いて、被加工材を打ち抜くことを特徴とする凹部を有するパンチによる打ち抜き加工方法。
2. 前記刃先に、曲率半径が０.５mm以上の丸みが設けられているパンチを用いて、前記被加工材を打ち抜くことを特徴とする請求項１記載の凹部を有するパンチによる打ち抜き加工方法。
3. 前記刃先が、パンチ底面の端縁側から中央側へ０.５mm以上の範囲に渡って面取りされた平面状の傾斜面を有するパンチを用いて、前記被加工材を打ち抜くことを特徴とする請求項１記載の凹部を有するパンチによる打ち抜き加工方法。
4. パンチ側面が、刃元から刃先に向かうにつれてパンチ底面の端縁側から中央側に狭まるように、打ち抜き方向に対して１〜３０度の範囲で傾斜されてなるテーパー部を有するパンチを用いて、前記被加工材を打ち抜くことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の凹部を有するパンチによる打ち抜き加工方法。
5. パンチ側面が、刃元から刃先に向かうにつれてパンチ底面の端縁側から中央側に狭まるように、打ち抜き方向と平行な断面において曲率を有するパンチを用いて、前記被加工材を打ち抜くことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の凹部を有するパンチによる打ち抜き加工方法。

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