JP2010052006A - 打ち抜き後のコイニング加工方法及びコイニング加工用パンチ - Google Patents

Abstract

【課題】打ち抜き面を有する部材の疲労強度を改善可能とする打ち抜き面へのコイニング加工方法を提供する
【解決手段】
金属板１を打ち抜き加工した後に、先端に向かって狭まるテーパー部１１を有するコイニングパンチ１０Ｂを打ち抜き加工の出口側から入り口側へ前進させながら前記金属板１の打ち抜き面９を外方向へ拡大させるコイニング加工方法であって、前記打ち抜き面９と接触する前記テーパー部１１の表面１１ａの動摩擦係数が０．３以上とされ、その進行方向Ｐ１に対する前記テーパー部１１のテーパー角度θ１が１〜３０度とされたコイニングパンチ１０Ｂを用いることを特徴とする打ち抜き後のコイニング加工方法。前記コイニングパンチ１０Ｂは、第１テーパー部１１に続く後方に、その進行方向Ｐ１に対するテーパー角度θ２が４０〜９０度とされた第２テーパー部１２を有することが望ましい。
【選択図】 図６

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後のコイニング加工方法及びこれに用いられるコイニング加工用パンチ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面の疲労特性向上に好適な打ち抜き後のコイニング加工方法及びこれに用いられるコイニング加工用パンチ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（金属板１）には、図１のようにダイ３上に被加工材１を載置させたうえで、板押さえ４により被加工材１をダイ３との間で挟むように押さえつけた後、打ち抜きパンチ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。尚、板押さえ４は、使用しなくても打ち抜き加工をすることができる。

図２に示すように、打ち抜き加工が施されることにより被加工材１に形成される打ち抜き面９は、被加工材１が打ち抜きパンチ２により全体的に押し込まれて形成されるダレ５、打ち抜きパンチ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、打ち抜き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６、打ち抜きパンチ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７、及び被加工材１裏面に生じるバリ８によって構成される。

上述したような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ストロークで行な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。また、特許文献５には、引張強さ４９０Ｎ/ｍｍ^２以上の板材の打ち抜き加工により形成されるバリに対して、コイニング直下の硬さ上昇量がビッカース硬さ（Ｈｖ）５０以上で、かつ加工量が局部体積比３〜３０％である条件で、パンチを押し当てて潰す、いわゆるコイニング加工と呼ばれる方法が開示されている。また、非特許文献１、２には、バリではなく破断面にパンチを押し当てて破断面を平滑化する方法が開示されている。

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６−５７３２５号公報 平成２０年度 塑性加工学会春季講演大会講演論文集pp.285−286 プレス工業技法第９号pp.８−１１

以上の特許文献１〜５、非特許文献１、２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に開示の方法は、１工程で加工が完了するという長所があるが、被加工材の板厚や強度、延性に応じてパンチ形状を設計する必要があり、これら板厚等が異なる素材からなる被加工材が同時に流れる量産ラインの場合は、打ち抜き面に大きなバリが生じたり、または、破断面の平滑化が不十分であったりすることが考えられ、適用が難しい。

また、特許文献４に開示の方法は、特許文献１〜３に開示の方法を打ち抜きと平滑化の２工程に分けるという位置づけの方法なので、特許文献１〜３記載の方法と同様の理由で、板厚や強度、延性が異なる素材からなる被加工材が同時に流れる量産ラインへの適用が難しい。

また、特許文献５に開示の方法は、あくまで打ち抜き面のバリを潰すことにより疲労強度を向上させる技術であり、破断面の凹凸が原因で起こる打ち抜き面の疲労強度劣化には効果が無い。

また、非特許文献１，２に開示の方法は、破断面を平滑化させるのみでバリをつぶすことができず、加工時にバリ側への塑性流動が起こるためにバリが却って成長する場合がある。

そこで、本発明は、上述した問題点を鑑みて発明されたものであり、その目的とするところは、板厚や強度、延性が異なる素材が同時に流れるラインへも適用が容易であり、かつ、打ち抜き面の破断面の平滑化とバリをつぶすこととが同時に行えて、疲労強度に優れた打ち抜き面を得られる、打ち抜き後のコイニング加工方法とこれに用いられるコイニング加工用パンチ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）金属板を打ち抜き加工した後に、先端に向かって狭まるテーパー部を有するコイニングパンチを打ち抜き加工の出口側から入り口側へ前進させながら前記金属板の打ち抜き面を外方向へ拡大させるコイニング加工方法であって、前記打ち抜き面と接触する前記テーパー部の表面の動摩擦係数が０．３以上とされ、その進行方向に対する前記テーパー部のテーパー角度が１〜３０度とされたコイニングパンチを用いることを特徴とする打ち抜き後のコイニング加工方法。

（２）その進行方向に対するテーパー角度が１〜３０度とされた第１の前記テーパー部に続く後方に、その進行方向に対するテーパー角度が４５〜９０度とされた第２テーパー部を更に有する前記コイニングパンチを用いることを特徴とする（１）記載の打ち抜き後のコイニング加工方法。

（３）その進行方向に対するテーパー角度が１〜３０度とされた前記テーパー部のテーパー角度をθ１(度)、打ち抜き加工時のクリアランスをｃｌ(mm)、金属板の板厚に対する打ち抜き面の破断面の割合をｆ、金属板の板厚をｔ(mm)とした場合に、

とされた前記コイニングパンチを用いることを特徴とする（１）または（２）記載の打ち抜き後のコイニング加工方法。

（４）前記第１テーパー部及び／又は第２テーパー部が、凸な曲面状に形成された前記コイニングパンチを用いることを特徴とする（１）〜（３）の何れか１項に記載の打ち抜き後のコイニング加工方法。

（５）先端に向かって狭まる第１テーパー部を有し、該第１テーパー部は、その表面の動摩擦係数が０．３以上とされるとともに、その進行方向に対するテーパー角度が１〜３０度とされてなり、更に、前記第１テーパー部に続く後方に、その進行方向に対するテーパー角度が４０〜９０度とされた第２テーパー部を有することを特徴とする打ち抜き後のコイニング加工用パンチ。

（６）先端から１〜８ｍｍの位置において、前記第２テーパー部を有することを特徴とする（５）記載の打ち抜き後のコイニング加工用パンチ。

（７）前記第１テーパー部は、その表面がローレット加工、または切削加工による凹凸が形成されてなることを特徴とする（５）又は（６）記載の打ち抜き後のコイニング加工用パンチ。

（８）前記第１テーパー部は、その表面のビッカース硬さが１００〜３００とされることを特徴とする（５）〜（７）の何れか１項に記載の打ち抜き後のコイニング加工用パンチ。

（９）前記第１テーパー部及び／又は第２テーパー部は、その表面が凸な曲面状に形成されてなることを特徴とする（５）〜（８）の何れか１項に記載の打ち抜き後のコイニング加工用パンチ。

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、コイニングパンチによる加工であるため、板厚や強度、延性が異なる素材が同時に流れるラインへも適用が容易であり、かつ、打ち抜き面の破断面を平滑化することと、打ち抜き面のバリをつぶすこととが同時に行えるので、従来のバリのみをつぶす打ち抜き後のコイニング加工よりも疲労強度の向上代が大きい。

以下に本発明を適用した打ち抜き後のコイニング加工方法と、これを実現するためのコイニング加工装置について、図面を参照にしながら詳細に説明する。

打ち抜き加工により図２に示すような破断面７、バリ８が生じた打ち抜き面９は、その破断面７の凹凸とバリ８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９の疲労特性に悪影響を及ぼす。本発明者らは、疲労破壊の起点の一つとなる破断面７を平滑化する打ち抜き加工後のコイニング加工方法について鋭意検討した。

図３は、本発明者らの行なった検討内容に基づき案出されたコイニング加工方法を実現可能とするコイニング加工装置１００の構成を模式的に示す正面図である。このコイニング加工装置１００は、コイニングパンチ１０Ａと、ダイ３と、板押さえ４とを備えている。

本発明に係るコイニング加工方法では、まず、図１（ａ）、図１（ｂ）に示すような打ち抜き穴加工、打ち抜き切断加工により、打ち抜きパンチ２を金属板１（被加工材１）の一面側１ａから他面側１ｂに向けて（図１の紙面下方向）移動させて、金属板（被加工材１）に打ち抜き加工を行なう。この後、先端に向かって狭まるテーパー部１１（第１のテーパー部ともいう）を有するコイニングパンチ１０Ａを、打ち抜き加工の出口側から入り口側、即ち、金属板１の他面側１ｂから一面側１ａに向けて（図３の紙面上方向）前進させながら、コイニングパンチ１０Ａのテーパー部１１を金属板１の打ち抜き面９の破断面７に押し当てて、打ち抜き面９を外方向（図３のコイニングパンチ１０Ａの中心軸Ｌ１に対し紙面左右方向）へ拡大させてコイニング加工を行なうことにより、本発明に係るコイニング加工方法の全工程が終了する。なお、ここでいう外方向とは、金属板１の板厚方向に直交する方向であって、コイニングパンチ１０Ａから離間する方向のことを意味している。

ここで、本発明においては、コイニングパンチ１０Ａのテーパー部１１の表面１１ａと金属板１の打ち抜き面９との間における動摩擦係数が０．３以上となるように調整されている。これにより、コイニング加工時において、破断面７を平滑化させることができるうえ、打ち抜き面９の圧縮残留応力を大きくさせることができ、疲労強度に対する効果を向上させることが可能となっている（前記（１）に係る発明）。

この理由を図４、図５を用いて説明する。図４（ａ）は、テーパー部２１の表面２１ａと金属板１の打ち抜き面９との間における動摩擦係数が０．３より低いコイニングパンチ２０によるコイニング加工時の状態を示しており、図４（ｂ）は、打ち抜き面９周辺の拡大図を示している。図５（ａ）は、テーパー部１１の表面１１ａと金属板１の打ち抜き面９との間における動摩擦係数が０．３以上のコイニングパンチ１０Ａによるコイニング加工時の状態を示しており、図５（ｂ）は、打ち抜き面９周辺の拡大図を示している。

図４に示すように、動摩擦係数が０．３より低いコイニングパンチ２０では、テーパー部２１を破断面７に押し当ててコイニングパンチ２０を前進させることにより、金属板１の素材の流動が矢印Ａ１に示すような方向に起こり、素材がせん断面６側のみならずバリ８側にまで押し広げられる。

これに対して、図５のごとく、テーパー部１１の表面１１ａの動摩擦係数が０．３以上のコイニングパンチ１０Ａでは、テーパー部１１を破断面７に押し当てることにより、金属板１の素材の流動が矢印Ａ２に示すような方向のみに起こり、素材がせん断面６側へのみ押し広げられる。

即ち、本発明においては、コイニングパンチ１０Ａのテーパー部１１の表面１１ａでの動摩擦係数を０．３以上とすることにより、金属板１の素材のバリ８側への流動に対して摩擦により抵抗し、その流動を抑えることが可能となっている。

このようなメカニズムにより、バリ８側へ逃げる素材が無くなる為に変形モードがより打ち抜き面９（特に破断面７）を押しつぶすようなモードとなり、破断面７の凹凸を押しつぶす強さが増すので打ち抜き面９の平滑度が増し、かつ、打ち抜き面９の圧縮残留応力が増すことになる。故に、動摩擦係数が低いコイニングパンチ２０を用いた場合に比べて、打ち抜き面９の疲労強度が向上したと思われる。

なお、ここで、コイニングパンチ１０Ａの動摩擦係数を０．３以上と設定したのは、本発明者らの行なった試験研究に基づくものである。また、ここでいう動摩擦係数とは、クーロン摩擦における動摩擦係数のことを意味している。

以下、このような作用効果を奏するコイニング加工方法の詳細について更に説明する。

コイニング加工前に行なわれる打ち抜き加工を実現するための打ち抜き加工装置は、図１（ａ）に示すような、打ち抜き穴加工を実現可能な打ち抜き加工装置１１０Ａであってもよいし、打ち抜き切断加工を実現可能な打ち抜き加工装置１１０Ｂであってもよい。これら打ち抜き加工装置１１０Ａ、打ち抜き加工装置１１０Ｂは、公知の打ち抜き加工装置によって実現されていてもよく、特にその構成について限定しない。

図３に示されるコイニング加工装置１００のダイ３は、金属板１をその上に載置させるものであり、コイニング加工装置１００の板押さえ４は、金属板１をダイ３との間で挟むように押さえつけて、金属板１を固定するものである。このコイニング加工装置１００におけるダイ３や板押さえ４は、打ち抜き加工時に用いられた図１に示されるダイ３や板押さえ４をそのまま用いてもよいし、これとは別のものを用いることとしてもよい。

コイニングパンチ１０Ａは、本実施の形態においては円柱状に形成されているが、その断面形状については特に限定するものではない。コイニングパンチ１０Ａは、公知の駆動手段に基づき、金属板１の板厚方向に動作可能に構成されており、具体的には、図３に示される方向Ｐ１に動作可能とされている。コイニングパンチ１０Ａのテーパー部１１は、その進行方向Ｐ１と平行な断面で、その表面１１ａが平面状に形成されている。

コイニングパンチ１０Ａは、打ち抜き加工装置１１０Ａ、１１０Ｂにおける打ち抜きパンチ２とダイ３とのように、ダイ３のダイ側面３ａに応じた形状のパンチ側面１０ａが形成されていてもよいし、そのように形成されていなくともよい。前者のような形状とされている場合は、打ち抜きパンチ２により打ち抜かれて金属板１に形成された打ち抜き面９の全範囲に亘ってコイニングパンチ１０Ａによるコイニング加工が行うことが可能となる。後者のような形状とされる場合は、例えば、ダイ３のダイ側面３ａの一部に応じた形状のコイニングパンチ１０Ａのパンチ側面１０ａを形成させておくことにより、金属板１に形成された打ち抜き面９のうちの一部の範囲に亘ってコイニングパンチ１０Ａによるコイニング加工を行なうことが可能となる。

図３に示すような、コイニングパンチ１０Ａの進行方向Ｐ１に対するテーパー部１１のテーパー角度θ１は、１〜３０度の範囲となるように形成されている。このようにテーパー角度θ１を設定した理由は、破断面７と被加工材１の上下面の成す角度は、通常の打ち抜き加工において多くの場合１〜３０度であり、テーパー角度θ１が１度未満、または、３０度超であると、テーパー部１１の表面１１ａを金属板１の打ち抜き面９に押し当てることができないためである。なお、図３におけるテーパー角度θ１は、進行方向Ｐ１と略平行な鉛直線とテーパー部１１の表面１１ａとがなす狭角のことをいう。

コイニングパンチ１０Ａのテーパー部１１の表面１１ａの動摩擦係数を高める方法としては、樹脂やセラミックのような非潤滑剤をテーパー部１１の表面１１ａにコーティングするか、金属板１（被加工材）と近い硬度の軟質素材でテーパー部１１の表面１１ａを被覆又は構成する、或いはローレット加工、切削加工によりテーパー部１１の表面１１ａに凹凸の形状を形成させる等の方法が考えられる。上述の試験では切削加工によりテーパー部１１の表面１１ａの動摩擦係数を高めたが、特に、どの加工方法が適しているということは無く、工具加工コストや磨耗要件等を考慮してどのような手法を用いるかを適宜決定することが望ましい。

なお、コイニングパンチ１０Ａのテーパー部１１の表面１１ａの硬度は、１００Ｈｖ未満となるような柔らか過ぎる素材で構成されている場合、コイニングパンチ１０Ａが破損するため好ましくなく、３００Ｈｖを超える素材で構成されている場合、実用上の観点から好ましくない。このため、テーパー部１１の表面１１ａの硬度は、１００〜３００Ｈｖとすることが好ましい。

コイニングパンチ１０Ａをどこまで前進させるかについては、前進量が多すぎるとテーパー部１１が高い動摩擦係数であることからコイニングパンチ１０Ａが抜けなくなり、前進量が少なすぎると打ち抜き面９の疲労強度を向上させる効果が少なくなる。本発明者らは、コイニングパンチ１０Ａの進行方向Ｐ１への前進量は、テーパー部１１の表面１１ａが金属板１の打ち抜き面９に接触してから０．１〜０．６[mm]の範囲であれば大体の素材に対してコイニングパンチ１０Ａが引き抜けなくなることが無く、打ち抜き面９の疲労強度を向上させる効果を十分に得られることを、試行錯誤の結果見出した。ただし、この前進量はあくまでも目安であり、コイニングパンチ１０Ａを駆動する装置の能力や素材の強度によって、この値の上下限は変化する。本発明を実施する場合は、コイニングパンチ１０Ａが引き抜ける上限の前進量を、実施者が使用する素材と装置を使用して予め見積もった上で前進量条件を決定することが望ましい。

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。なお、上述したコイニングパンチ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６（ａ）は、本発明に係る他の実施形態のコイニングパンチ１０Ｂを示すものである。

図３に示されるコイニングパンチ１０Ａは、その進行方向Ｐ１に対するテーパー部１１のテーパー角度θ１が１〜３０度と小さいために、コイニング加工時にテーパー部１１がバリ８に当たらず、バリ８をつぶす作用が不十分となる場合も想定される。これを解決するため、コイニングパンチ１０Ｂは、図６に示すように、その進行方向Ｐ１に対するテーパー角度θ１が１〜３０度とされた第１テーパー部１１に続く後方に、第１テーパー部１１のテーパー角度θ１よりも大きいテーパー角度θ２からなる第２テーパー部１２を更に有している（前記（２）に係る発明）。

このようなコイニングパンチ１０Ｂにより金属板１に対してコイニング加工を行なう場合、図６（ｂ）に示すように、コイニングパンチ１０Ｂの第１テーパー部１１により押しつぶされなかった金属板１のバリ８に対して、図中下側（金属板１の他面側１ｂ）からコイニングパンチ１０Ｂの第２テーパー部１２の表面１２ａを押し当てることになる。これにより、コイニングパンチ１０Ｂの進行方向Ｐ１への前進に伴い、第２テーパー部１２によってバリ８がつぶされることになる。

第２テーパー部１２のテーパー角度θ２は、コイニング加工時に第２のテーパー部１２の表面１２ａにバリ８が当たらなければならないという観点から、４５度〜９０度とすることが好ましい。このように第２テーパー部１２のテーパー角度θ２を設定した理由は、テーパー角度θ２が４５度未満であると第２テーパー部１２にバリ８が当たりにくくなり、９０度を超えると、逆にバリ７を完全に潰すことが難しくなるからである。なお、ここでいう第２テーパー部１２のテーパー角度θ２は、進行方向Ｐ１と略平行な鉛直線とテーパー部１２の表面１２ａとがなす狭角のことをいう。また、第２テーパー部１２の動摩擦係数は特に定めることなく、上記の効果を得ることができるが、動摩擦係数が０．１以上であるとその効果が更に向上するので、好ましい。

打ち抜き面９を平滑化する効果を大きくしつつ、バリ８をつぶす効果を可能な限り大きくするためには、進行方向Ｐ１と平行な断面での第１テーパー部１１の表面１１ａの全面又は広い範囲が打ち抜き面９に接触した後に、第２テーパー部１２の表面１２ａがバリ８に当たる必要がある。このため、第２テーパー部１２の位置は、図７に示すように、進行方向Ｐ１と平行な断面において、第１テーパー部の表面１１ａを通る仮想線Ｌ３と、打ち抜き面９の下端９ａ（打ち抜き方向を正とした場合）から進行方向Ｐ１と逆方向に延長される仮想線Ｌ２との交点Ｑ３から、進行方向Ｐ１に±１ｍｍの位置を開始位置として、第１テーパー部１１から連続して設けられるようにすればよい。このため、第２テーパー部１２は、図７に示される、交点Ｑ３から＋１ｍｍの位置Ｑ１と、交点Ｑ３から−１ｍｍの位置Ｑ２との間を開始位置として、第１テーパー１１から連続して設けられることになる。なお、この±１ｍｍという数値は、実験的な知見に基づき案出されたものである。通常、打ち抜きを行い、かつ、疲労破壊が問題となる金属板１（被加工材）の板厚は２〜７ｍｍであることから、第１テーパー部１１の先端１１ｂが金属板１の上面（一面側１ａ）と略同一高さかそれよりも図中の低い位置にあるという前提のもとで、第２テーパー部１２の具体的な位置は先端１１ｂから１〜８ｍｍとなる。

次に、図５（ａ）に示すような、本発明のコイニングパンチ１０Ａとダイ３とのクリアランスについて説明する。コイニングパンチ１０Ａは、図５（ａ）に示すように、テーパー部１１の途中までしか前進させないで停止させる。従って、図３において、第１テーパー部１１の表面１１ａが金属板１の破断面７と接触できるように、コイニングパンチ１０Ａとダイ３とのクリアランスを０ｍｍ以上確保できれば、クリアランスは特に限定するものではない。

また、図６に示すような、本発明のコイニングパンチ１０Ｂとダイ３とのクリアランスについて説明する。コイニングパンチ１０Ｂは、第２テーパー部１２の途中までしか前進させないで停止させる。従って、図６においても、第２テーパー部１２の表面１２ａが金属板１のバリ８と接触できるように、コイニングパンチ１０Ｂとダイ３とのクリアランスを０ｍｍ以上確保できれば、クリアランスは特に限定するものではない。

また、コイニング加工時に、第１テーパー部１１の表面１１ａが一様に金属板１の破断面７に押し当たる方が、前述の打ち抜き面９を押し広げる効果、即ち、破断面７を平滑化して圧縮残留応力を付与する効果が大きくなる。このようになる第１テーパー部１１のテーパー角度θ１は以下の（１）式で演算することができ、該演算式は、第１テーパー部１１のテーパー角度をθ１(度)、打ち抜き加工時のクリアランスをｃｌ(mm)、金属板の板厚に対する打ち抜き面の破断面の割合をｆ、金属板の板厚をｔ(mm)とした場合に、

で表される（前記（３）に係る発明）。

（１）式は、コイニングパンチ１０Ａの第１テーパー部１１におけるテーパー角度θ１が、金属板１の破断面７の表面と鉛直線とが成す角度θ３とほぼ一致するように、幾何学的に求めた式である。具体的には、図８（ａ）に示すような、打ち抜きパンチ２とダイ３とのクリアランスｃｌは、図８（ｂ）に示すように、打ち抜き加工後に金属板１に形成される打ち抜き面９の水平方向の距離と略同一とされる。ここで、上述したｆ、ｔ、ｃｌ、θ３は、図８（ｃ）に示すような関係にあり、バリ７は通常の打ち抜き加工では板厚に対して微小であるために無視すると上記の（１）式が導き出せる。

図９（ａ）は、本発明に係る他の実施形態のコイニングパンチ１０Ｃを示すものであり、図９（ｂ）はこのコイニングパンチ１０Ｃを用いてコイニング加工を行なっている途中の状態を示すものである。

図８（ａ）に示されるコイニングパンチ１０Ｃは、第１テーパー部１１の表面１１ａが、その進行方向Ｐ１と平行な断面で外側に凸な曲面状と形成されてなるものである（前記（４）に係る発明）。この場合、素材流動が滑らかとなるためにコイニングパンチ１０Ｃの磨耗を抑制でき、パンチ寿命を増すことができる。

このように、進行方向Ｐ１と平行な断面で外側に凸な曲面状と形成されるのは、第１テーパー部１１、第２テーパー部１２の双方の表面１１ａ、１２ａであってもよいし、何れか一方のみであってもよい。ただし、進行方向Ｐ１と平行な断面で、第１テーパー部１１の表面１１ａを曲面状とする場合は、図３に示すような平面状のテーパー形状にする場合と比べて、その表面１１ａが一様に金属板１の破断面７に接触するということが無くなるため、若干、打ち抜き面９の疲労強度向上の効果は小さくなる。

本実施例１では、まず、図１（ａ）に示すような円柱状の打ち抜きパンチと丸穴を有するダイとを用いて、下記の高張力鋼板から直径１０ｍｍの円形状の打ち抜き孔３１が得られるように打ち抜いて穴あき鋼板を得た。この得られた穴あき鋼板には、本発明例１としてのコイニングパンチと比較例としてのコイニングパンチとを、打ち抜きパンチの打ち抜き方向とは逆向きに前進させた。これらコイニングパンチは、テーパー部１１の表面１１ａが破断面７に接触するまで前進させた後に、更に０．８ｍｍ前進させて、テーパー部１１の途中で停止させた。このようにして、コイニングパンチによる打ち抜き面９の平滑化を行った。テーパー部１１の表面１１ａと破断面７の接触は、後述のコイニングパンチ４０Ａに取り付けた歪ゲージの荷重変位により検知した。この後には、図１０に示すような形状からなる穴あき疲労試験片３０を作成して引張疲労試験を行った。打ち抜き孔３１の上端（鋼板表面側）の内径は、コイニングパンチによる平滑化の後においても、１０ｍｍのままである（図４、図５参照）。

本発明例１では、図１０に示すような形状からなるコイニングパンチ４０Ａを用いた。コイニングパンチ４０Ａは、先端に向かって狭まるテーパー部１１を有している。テーパー部１１の表面１１ａは、切削加工により金属やすり状に加工されており、また、潤滑油は使用せず、これらによってその動摩擦係数が０．５程度とされたものを使用した。

比較例では、本発明例１として使用したコイニングパンチ４０Ａと同一の形状からなる図示しないコイニングパンチを用いた。比較例として用いたコイニングパンチは、テーパー部の表面の動摩擦係数を除いて、本発明例１で用いたコイニングパンチ４０Ａと同様の条件とした。比較例としてのコイニングパンチにおけるテーパー部の表面は、窒化チタンコーティングされており、更に、潤滑油を使用して、これらによってその動摩擦係数が０．１程度とされたものを使用した。

本実施例１で用いた高張力鋼板は、その素材の最大引張強さが５９０（MPa）とされ、その板厚が３．２ｍｍのものを用いた。この高張力鋼板から得られる穴あき疲労試験片３０の形状、寸法や、打ち抜き孔３１の寸法等は、図１０に示すとおりである。

本発明例１、比較例の何れにおいても、コイニングパンチと穴あき鋼板の打ち抜き孔３１の中心軸が一致するように、水平方向の位置を設定した。また、本発明例１、比較例の何れにおいても、打ち抜き加工時のクリアランスｃｌは、高張力鋼板の板厚の１０％である０．３２ｍｍ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、N数を１５として室温・大気中で行った。疲労試験片３０に対しては、図１０の矢印で示す方向に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。

実施例１における試験結果は、本発明例１のコイニングパンチ４０Ａによりコイニング加工を施した疲労試験片３０の疲労強度が１６０（MPa）、比較例のコイニングパンチによりコイニング加工を施した疲労試験片３０の疲労強度が１４５（MPa）となった。これにより、本発明を適用したコイニングパンチのように、テーパー部１１の表面１１ａを高摩擦係数化することによる効果を確認することができた。

本実施例２では、上記の実施例１で本発明例１として説明したコイニングパンチ４０Ａに対して、形状のみ異なる本発明例２としてのコイニングパンチ４０Ｂを用いて、実施例１で説明した条件と同様の条件下で打ち抜き加工、コイニング加工及び引張疲労試験を行ない、本発明の効果の検証を行なった。

本発明例２としてのコイニングパンチ４０Ｂは、図１２に示すような形状から構成される。本発明例２としてのコイニングパンチ４０Ｂは、本発明例１として説明したコイニングパンチ４０Ａと比較して、第１テーパー部１１に続く後方に、第２テーパー部１２を有する点のみ相違している。

コイニングパンチ４０Ｂによる平滑化を行なうにあたって、コイニングパンチ４０Ｂは、まず、第１テーパー部１１の表面１１ａが破断面７に接触するまで前進させた後に、更に０．８ｍｍ前進させた。この後には、第２テーパー部１２の表面１２ａがバリ８に接触するまで前進させた後に、更に０．２ｍｍ前進させて、第２テーパー部１２の途中で停止させた（図６（ｂ）参照）。表面１２ａとバリ８の接触は、コイニングパンチ４０Ｂに取り付けた歪ゲージの荷重変位により検知した。

実施例２における試験結果は、本発明例２のコイニングパンチ４０Ｂによりコイニング加工を施した疲労試験片３０の疲労強度が１６５（MPa）、比較例のコイニングパンチによりコイニング加工を施した疲労試験片３０の疲労強度が１４５（MPa）となった。これにより、本発明を適用したコイニングパンチのように、テーパー部１１の表面１１ａを高摩擦係数化することによる効果と、第２テーパー部１２を設けることによってバリ８をつぶす効果が発揮されることを確認することができた。

本実施例３では、上記の実施例２で本発明例２として説明したコイニングパンチ４０Ｂに対して、形状のみ異なる本発明例３としてのコイニングパンチ４０Ｃを用いて、実施例１で説明した条件と同様の条件下で打ち抜き加工、コイニング加工、引張疲労試験を行い、本発明の効果の検証を行った。

本発明例３としてのコイニングパンチ４０Ｃは、図１３に示すような形状から構成される。コイニングパンチ４０Ｃの第１テーパー部１１のテーパー角度θ１(度)は、打ち抜き面の破断面の割合ｆ＝０．７、クリアランスｃｌ＝０．３２(ｍｍ)、被加工材板厚ｔ＝３．２(ｍｍ)を上述の（１）式に代入し、θ１＝８．１(度)として算出したものである。

実施例３における試験結果は、本発明例３のコイニングパンチ４０Ｃによりコイニング加工を施した疲労試験片３０の疲労強度が１７０（MPa）、比較例のコイニングパンチによりコイニング加工を施した疲労試験片の疲労強度が１４５（MPa）となった。これにより、本発明を適用したコイニングパンチのように、テーパー部１１の表面１１ａを高摩擦係数化することによる効果と、第２テーパー部１２を設けることによってバリ８をつぶす効果と、第１テーパー部１１が一様に破断面に接触するように上記の（１）式に基づき設定されたテーパー角度θ１の効果とを確認することができた。

本実施例４では、上記の実施例１で本発明例１として説明したコイニングパンチ４０Ａに対して、形状のみ異なる本発明例４としてのコイニングパンチ４０Ｄを用いて、実施例１で説明した条件と同様の条件下で打ち抜き加工、コイニング加工及び引張疲労試験を行い、本発明の効果の検証を行なった。

本発明例４としてのコイニングパンチ４０Ｄは、図１４に示すような形状から構成される。本発明例４としてのコイニングパンチ４０Ｄは，本発明例１として説明したコイニングパンチ４０Ａと比較して、第１テーパー部１１の表面１１ａが、その進行方向Ｐ１と平行な断面で外側に凸な曲面状とされている点のみ相違している。

実施例４における試験結果は、本発明４のコイニングパンチ４０Ｄによりコイニング加工を施した疲労試験片３０の疲労強度が１５０（MPa）、比較例のコイニングパンチによりコイニング加工を施した疲労試験片３０の疲労強度が１４５（MPa）となった。これにより、テーパー部１１の表面１１ａを曲面状とした場合においても、本発明によるコイニングパンチにより、そのテーパー部１１の表面１１ａを高摩擦係数化することによる効果が発揮されることを確認することができた。

一般的な打ち抜き加工を模式的に示した正面断面図であり、（ａ）は、打ち抜き穴加工の正面断面図であり、（ｂ）は打ち抜き切断加工の正面断面図である。 打ち抜き加工された金属板の打ち抜き面の特徴を模式的に示す断面図である。 本発明に係るコイニング加工装置の構成を模式的に示す正面図である。 テーパー部の表面の摩擦係数が低いコイニングパンチを金属板の打ち抜き面に押し当てる工程を模式的に示す図であり、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその拡大図である。 テーパー部の表面の摩擦係数が高いコイニングパンチを金属板の打ち抜き面に押し当てる工程を模式的に示す図であり、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその拡大図である。 （ａ）第２テーパー部を有する本発明に係るコイニングパンチを模式的に示す正面図であり、（ｂ）はそのコイニング加工を行なっている途中の状態を示す正面図である。 第２テーパー部の開始位置について説明するための図である。 金属板の破断面の表面と鉛直線とがなす角度θ３について説明するための図である。 表面が曲面状とされたテーパー部を有する本発明に係るコイニングパンチを模式的に示す正面図であり、（ｂ）はそのコイニング加工を行なっている途中の状態を示す正面図である。 実施例１〜４に用いた疲労試験片を模式的に示す平面図である。 実施例１で本発明例１として使用したコイニングパンチを模式的に示す正面図である。 実施例２で本発明例２として使用したコイニングパンチを模式的に示す正面図である。 実施例３で本発明例３として使用したコイニングパンチを模式的に示す正面図である。 実施例４で本発明例４として使用したコイニングパンチを模式的に示す正面図である。

符号の説明

１ 金属板（被加工材）
１ａ 一面側
１ｂ 他面側
２ 打ち抜きパンチ
３ ダイ
４ 板押さえ
５ だれ
６ せん断面
７ 破断面
８ ばり
９ 打ち抜き面
９ａ 打ち抜き面の下端
１０Ａ （打ち抜き面後加工用）コイニングパンチ
１０Ｂ （第２テーパー部を有する表面の摩擦係数が高い打ち抜き面後加工用）コイニングパンチ
１０Ｃ （凸な曲面状の表面である打ち抜き面後加工用）コイニングパンチ
１１ テーパー部（第１テーパー部）
１１ａ （打ち抜き面後加工用コイニングパンチのテーパー部の）表面
１２ 第２テーパー部
１２ａ 表面
２０ （表面の摩擦係数が低い打ち抜き面後加工用）コイニングパンチ
２１ テーパー部
２１ａ （低摩擦係数である打ち抜き面後加工用コイニングパンチのテーパー部の）表面
３０ 実施例１〜４に使用した穴あき疲労試験片
４０Ａ （実施例１に使用した）コイニングパンチ
４０Ｂ 実施例２に使用したコイニングパンチ
４０Ｃ 実施例３に使用したコイニングパンチ
４０Ｄ 実施例４に使用したコイニングパンチ
１００ コイニング加工装置
１１０Ａ 打ち抜き加工装置
１１０Ｂ 打ち抜き加工装置
Ｌ１ （コイニングパンチの）中心軸
Ａ１ （表面の摩擦係数が低い打ち抜き面後加工用コイニングパンチを用いた場合の素材の）流動方向
Ａ２ （表面の摩擦係数が高い打ち抜き面後加工用コイニングパンチを用いた場合の素材の）流動方向
Ｐ１ 進行方向
θ１ （打ち抜き面後加工用コイニングパンチのテーパー部の）テーパー角度
θ２ （第２テーパー部の）テーパー角度
θ３ 金属板の破断面の表面と鉛直線とがなす角度

Claims (9)

1. 金属板を打ち抜き加工した後に、先端に向かって狭まるテーパー部を有するコイニングパンチを打ち抜き加工の出口側から入り口側へ前進させながら前記金属板の打ち抜き面を外方向へ拡大させるコイニング加工方法であって、前記打ち抜き面と接触する前記テーパー部の表面の動摩擦係数が０．３以上とされ、その進行方向に対する前記テーパー部のテーパー角度が１〜３０度とされたコイニングパンチを用いることを特徴とする打ち抜き後のコイニング加工方法。
2. その進行方向に対するテーパー角度が１〜３０度とされた第１の前記テーパー部に続く後方に、その進行方向に対するテーパー角度が４５〜９０度とされた第２テーパー部を更に有する前記コイニングパンチを用いることを特徴とする請求項１記載の打ち抜き後のコイニング加工方法。
3. その進行方向に対するテーパー角度が１〜３０度とされた前記テーパー部のテーパー角度をθ１(度)、打ち抜き加工時のクリアランスをｃｌ(mm)、金属板の板厚に対する打ち抜き面の破断面の割合をｆ、金属板の板厚をｔ(mm)とした場合に、
   

   

   とされた前記コイニングパンチを用いることを特徴とする請求項１又は２記載の打ち抜き後のコイニング加工方法。
4. その進行方向に対するテーパー角度が１〜３０度とされた前記テーパー部及び／又は第２テーパー部が、凸な曲面状に形成された前記コイニングパンチを用いることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の打ち抜き後のコイニング加工方法。
5. 先端に向かって狭まる第１テーパー部を有し、該第１テーパー部は、その表面の動摩擦係数が０．３以上とされるとともに、その進行方向に対するテーパー角度が１〜３０度とされてなり、更に、前記第１テーパー部に続く後方に、その進行方向に対するテーパー角度が４０〜９０度とされた第２テーパー部を有することを特徴とする打ち抜き後のコイニング加工用パンチ。
6. 先端から１〜８ｍｍの位置において、前記第２テーパー部を有することを特徴とする請求項1記載の打ち抜き後のコインニング加工用パンチ。
7. 前記第１テーパー部は、その表面がローレット加工、又は切削加工による凹凸が形成されてなることを特徴とする請求項５又は６記載の打ち抜き後のコイニング加工用パンチ。
8. 前記第１テーパー部は、その表面のビッカース硬さが１００〜３００であることを特徴とする請求項５〜７の何れか１項に記載の打ち抜き後のコイニング加工用パンチ。
9. 前記第１テーパー部及び／又は第２テーパー部は、その表面が凸な曲面状に形成されてなることを特徴とする請求項５〜８の何れか１項に記載の打ち抜き後のコイニング加工用パンチ。

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