JP2013169595A - せん断加工用プレス型 - Google Patents

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Abstract

【課題】上型用切刃の鋼材に表面硬化処理を施すことなく切刃破損を防ぐと共に、製品部に切断バリが発生しにくくなる。
【解決手段】被プレス材4の切断プレス加工を行う上型2及び下型3と、上型及び下型に設けられ、被プレス材を切断予定線CPLに沿って切断して製品部分PPから不要部分UPを切り取るための一対の上型用切刃21及び下型用切刃31とを備えたせん断加工用プレス型1において、上型用切刃の先端部分は、横切断面211の形状が、切断プレス加工時に当該上型用切刃が被プレス材を押圧する際、最初に面接触して被プレス材を押圧する水平部211aと、水平部に連設され当該水平部の次に面接触して被プレス材を押圧する円弧部211bと、円弧部に連設され水平部及び円弧部によって押圧されている被プレス材に線接触して当該被プレス材を切断予定線に沿って切断する角部211cとから形成され、角部が当該上型用切刃の肩部となるように、水平部、円弧部及び角部が切断予定線に直交するように配置されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、せん断加工用プレス型に係り、特に被プレス材を切断プレス加工することで、製品部分から不要部分を切り取るためのせん断加工用プレス型に関する。
近年、自動車を製造するにあたり、自動車の燃費改善による二酸化炭素排出量削減と共に衝突安全性の向上を求めるニーズが日々高まってきている。このようなニーズを満たすために、自動車製造メーカーは、車両のボディ骨格部品の高強度薄肉化を効果的に図ることができる引張強度が980MPa級の高張力鋼板(以下、本明細書において「ハイテン材」と称する。)の適用率を拡大してきている。
このような車両のボディ骨格部品は図3(A)に示すように、被プレス材である鋼板素材が、絞り工程、外抜き工程、曲げ工程及び寄せ曲げ工程の一連のプレス工程を経てプレス成形される。具体的には図3(A)、(B)に示すように、鋼板素材51は、最初に絞り工程に移動され、上型52a及び下型53aで所定形状に絞り込まれ、次に、外抜き工程に移動され、上型52b及び下型53bで製品部PPから不要部位UPを切り取る。そして、絞り加工及び外抜き加工された鋼板素材51は、曲げ工程に移動され、上型52c及び下型53cで必要な曲げ部分に所定形状の曲げを施し、最後に寄せ曲げ工程に移動され、上型及52d及び下型53dで必要な寄せ曲げ部分を寄せ曲げて目的の形状に整える。破断
このようにしてプレス成形されるプレス成形品は図3(C)に示すように、絞り工程では、プレス加工の際、鋼板素材51の流入を制御して、製品部分のしわ、面歪みを防止するビード51aが不要部分UPに形成されているので、外抜き工程が必要になっている。ここで、図3(C)において、2点鎖線部は不要部位UPであり、破線部は製品部PPにおける曲げ部分及び寄せ曲げ部分51bを示している。この外抜き工程によるプレス加工に使用されるせん断加工用プレス型の上型用切刃54は図4(A)、(B)に示すように、刃先の切れ味を鋭くするために、材料に食い込ませる刃先の端面が直角形状に形成されている。なお、下型用切刃55も図4(B)に示すように、刃先の切れ味を鋭くするために、材料を破断させる刃先の端面が直角形状に形成されている。
この外抜き工程は図4(B)に示すように、プレス成形時に互いに対向する上型用切刃54と下型用切刃55との間にクリアランスCが形成されているので、材料切断開始及び材料切断初期の各段階においては、鋼板素材51は上型用切刃54及び下型用切刃55で圧縮されていくが、材料切断途中の段階においては、鋼板素材51は上型用切刃54が接触する部位から亀裂が発生することになる。そして、さらに上型用切刃54が下降するにしたがって、この亀裂は下型用切刃55が接触する鋼板素材51の部位へと伝搬していくので、この鋼板素材51は製品部PPから不要部位UPを切り取ることができる。
しかしながら、この外抜き工程においては、上型用切刃54の材料に食い込ませる刃先の端面が直角形状に形成されていることから当該刃先の端面部位に応力が集中するので、上型用切刃54は損傷し易くなる難点があった。特に、鋼板素材51が上述のようなハイテン材の場合、上型用切刃54には打ち抜き負荷が普通鋼板より大きく生じることになるため、普通鋼板に比べて切刃破損を起こし易くなるので、量産化するにあたり上型用切刃54の耐久性の低下は、その適用を阻む課題となっている。
このような切刃破損を防ぐために、上型用切刃の鋼材にPVD(物理的蒸着法)処理などの表面硬化処理を施したり、上型用切刃の刃先に面取りや丸みを施したりすることが考えられる(例えば、特許文献1、特許文献2参照。)。
特開平8−57557号公報 特開平1−293922号公報
しかしながら、上述した背景技術では、上型用切刃の鋼材にPVD処理を施す場合には、その施工処理費用が高くなる難点があった。また、図5(A)に示すように、上型用切刃61の刃先に面取り61aを施している場合には、下型用切刃62及びプレッシャパッド63で挟持された鋼板素材51に上型用切刃61が押圧されると、当該上型用切刃61の刃先の面取り部61aは鋼板素材51に最初に食い込む部位が角形状に形成されていることから、材料強度が高いハイテン材では当該部位に応力が集中するので、上型用切刃61は損傷し易くなる難点があった。さらに、図5(B)に示すように、上型用切刃71の刃先に丸み71aを施して応力を拡散させるようにした場合には、切刃破損を防ぐことはできるが、下型用切刃72及びプレッシャパッド73で挟持されたハイテン材である鋼板素材51を打ち抜く際に刃先の切れ味が低下してしまうので、製品部の端面に切断バリが発生し易くなる難点があった。
本発明は、このような従来の難点を解消するためになされたもので、上型用切刃の鋼材に表面硬化処理を施すことなく切刃破損を防ぐと共に、製品部に切断バリが発生しにくくなるせん断加工用プレス型を提供することを目的とする。
上述の目的を達成する本発明の第1の態様であるせん断加工用プレス型は、被プレス材の切断プレス加工を行う上型及び下型と、上型及び下型に設けられ、被プレス材を切断予定線に沿って切断して製品部分から不要部分を切り取るための一対の上型用切刃及び下型用切刃とを備えたせん断加工用プレス型において、上型用切刃の先端部分は、横切断面の形状が、切断プレス加工時に当該上型用切刃が被プレス材を押圧する際、最初に面接触して被プレス材を押圧する水平部と、水平部に連設され当該水平部の次に面接触して被プレス材を押圧する円弧部と、円弧部に連設され水平部及び円弧部によって押圧されている被プレス材に線接触して当該被プレス材を切断予定線に沿って切断する角部とから形成され、角部が当該上型用切刃の肩部となるように、水平部、円弧部及び角部が切断予定線に直交するように配置されているものである。なお、本明細書において「連設」とは連なった状態で設けられていることを意味する。
このような第1の態様であるせん断加工用プレス型は、上死点に位置している上型を、被プレス材を切断プレス加工するために下降させると、上型に設けられた上型用切刃の先端部分に形成された水平部が最初に被プレス材に対して面接触するので、被プレス材は、この面接触している上型用切刃の水平部と、面接触している下型用切刃とで圧縮される。なお、下型用切刃の刃先の端面では被プレス材に対して線接触となる。引き続き上型を下降させると、被プレス材が上型用切刃の円弧部に沿った状態で面接触するので、被プレス材は、この面接触している上型用切刃の円弧部と、面接触している下型用切刃とで曲げ変形が加えられる。この際、上型用切刃の先端部分は被プレス材に対して面接触していることから、被プレス材の打ち抜き時に生じる打ち抜き負荷を分散させることができるので、被プレス材がハイテン材でも切刃破損を防ぐことができる。さらに、上型を下降させると、被プレス材は上型用切刃の角部に線接触するが、円弧部によって曲げ変形が加えられた被プレス材は、その曲げ変形による塑性歪みの進行とともに降伏し易くなっていくので、上型用切刃の角部に線接触する時点では亀裂が発生し易くなっている。したがって、上型用切刃の角部は円弧部によって分散された打ち抜き負荷が加わるだけで、下型用切刃の刃先の端面で線接触している被プレス材を破断させることができる。
本発明の第2の態様は第1の態様であるせん断加工用プレス型において、円弧部の大きさは、被プレス材に押圧されていく際に、角部で被プレス材に亀裂を発生させることができると共に、当該上型用切刃の当該先端部分が損傷しないように打ち抜き負荷を分散させることができるように、被プレス材の板厚と、切断プレス加工時に互いに対向する上型用切刃と下型用切刃との間に形成されるクリアランスとに基づき設定されているものである。
このような第2の態様であるせん断加工用プレス型によれば、被プレス材の製品部と不要部位の切断形状に対して適切に対応させることができるようになる。
本発明のせん断加工用プレス型によれば、上型用切刃の鋼材に表面硬化処理を施すことなく切刃破損を防ぐと共に、製品部に切断バリが発生しにくくなる。
本発明のせん断加工用プレス型の好ましい実施の形態例を示す図で、(A)は上型用切刃の断面図、(B)は(A)の部分詳細図、(C)は切断プレス加工の状態を示す説明図である。 本発明のせん断加工用プレス型の一例を示す全体断面図である。 (A)はプレス工程を示す模式的工程図、(B)は(A)の各プレス工程でプレス成形されたプレス成形品を示す断面図、(C)はプレス成形されるプレス成形品を示す説明図である。 (A)は従来のせん断加工用プレス型で使用される上型用切刃を示す断面図、(B)は従来のせん断加工用プレス型による切断プレス加工の状態を示す説明図である。 (A)、(B)は従来のせん断加工用プレス型を示す説明図である。
以下、本発明のせん断加工用プレス型を実施するための形態例について、図面を参照して説明する。
本発明のせん断加工用プレス型は、例えば図2に示すように、被プレス材4の切断プレス加工を行う上型2及び下型3と、上型2及び下型3に設けられ、被プレス材4を切断予定線CPL(図1(C)を参照。)に沿って切断して製品部分PP(図1(C)を参照。)から不要部分UP(図1(C)を参照。)を切り取るための一対の上型用切刃21及び下型用切刃31とを備えている。具体的には、上型用切刃21が固定されたダイ22を備え、このダイ22の凹部22aにプレッシャパッド23が上下方向へ移動可能に設けられた上型2と、プレッシャパッド23の成形面に対応した成形面が形成され下型用切刃31が固定されたポンチ32を備えた下型3とから構成され、プレッシャパッド23を常時、下方に向けて押圧する弾性体24がダイ22の凹部22aに組み込まれている。
このせん断加工用プレス型1は、被プレス材4を切断プレス加工するために上型2が下降すると、上型2のプレッシャパッド23が下型3のポンチ32と協働して被プレス材4を所定位置に固定し、さらに上型2が下降すると、プレッシャパッド23は弾性体24の弾性力に抗してダイ22の凹部22aに入り込んでいくので、上型2の上型用切刃21と下型3の下型用切刃31で被プレス材4を所定形状に切断プレス加工することができる。
上型用切刃21の先端部分は図1(A)、(B)に示すように、横切断面211の形状が、切断プレス加工時に当該上型用切刃21が被プレス材4を押圧する際、最初に面接触して被プレス材4を押圧する水平部211aと、水平部211aに連設され当該水平部211aの次に面接触して被プレス材4を押圧する円弧部211bと、円弧部211bに連設され水平部211a及び円弧部211bによって押圧されている被プレス材4に線接触して当該被プレス材4を切断予定線CPL(図1(C)参照。)に沿って切断する角部211cとから形成されている。
また、水平部211aは円弧部211bの一端から接線方向に延出するように連続して形成されている。この円弧部211bの他端は上型用切刃21の縦切断面212と交差することで、角部211cが形成される。このような円弧部211bは、半径R(図1(B)参照。)をもって被プレス材4に面接触する方向へ膨出するように形成される。なお、半径Rは曲率半径でもよい。さらに、角部21cが当該上型用切刃21の肩部となるように、水平部21a、円弧部21b及び角部21cが切断予定線CPLに直交するように配置されている。したがって、角部21cが刃先として機能することになる。
下型用切刃31は、被プレス材4を破断させる刃先の端面が直角形状に形成されている。
このように構成されたせん断加工用プレス型による切断プレス加工について、図1(C)を参照しながら説明する。
上死点に位置している上型2を、被プレス材4を切断プレス加工するために下降させると、上型2に設けられた上型用切刃21の先端部分に形成された水平部211aが最初に被プレス材4に対して面接触するので、被プレス材4は、この面接触している上型用切刃21の水平部211aと、面接触している下型用切刃31とで圧縮される(材料切断初期)。なお、下型用切刃31の刃先の端面では被プレス材4に対して線接触となる。
引き続き上型2を下降させると、被プレス材4が上型用切刃21の円弧部211bに沿った状態で面接触するので、被プレス材4は、この面接触している上型用切刃21の円弧部211bと、面接触している下型用切刃31とで曲げ変形が加えられる(材料切断途中)。この際、上型用切刃21の先端部分は被プレス材4に対して面接触していることから、被プレス材4の打ち抜き時に生じる打ち抜き負荷を分散させることができるので、被プレス材4がハイテン材でも上型用切刃21の切刃破損を防ぐことができる。
さらに、上型2を下降させると、被プレス材4は上型用切刃21の角部211cに線接触するが、円弧部211bによって曲げ変形が加えられた被プレス材4は、その曲げ変形による塑性歪みの進行とともに降伏し易くなっていくので、上型用切刃21の角部211cに線接触する時点では亀裂が発生し易くなっている(材料切断末期)。したがって、上型用切刃21の角部211cは円弧部211bによって分散された打ち抜き負荷が加わるだけで、被プレス材4は上型用切刃21の角部211cが線接触する切断予定線CPLとなる部位から亀裂が発生することになる。この亀裂の箇所は図1(C)の材料切断末期に記載されたばつ印箇所となる。さらに、上型用切刃21が下降するにしたがって、この亀裂は下型用切刃31の刃先の端面で線接触している被プレス材4の部位へと伝搬していくので、この被プレス材4は破断することにより製品部PPから不要部位UPを切り取ることができるようになる。
なお、上型用切刃21の円弧部211bの大きさは、被プレス材4に押圧されていく際に、角部211cで被プレス材4に亀裂を発生させることができると共に、当該上型用切刃21の当該先端部分が損傷しないように打ち抜き負荷を分散させることができるように、被プレス材4の板厚tと、切断プレス加工時に互いに対向する上型用切刃21と下型用切刃31との間に形成されるクリアランスCとに基づき設定されている。このように、上型用切刃21の円弧部211bの大きさを設定することで、被プレス材4の製品部PPと不要部位UPの切断形状に対して適切に対応させることができるようになる。
次に、せん断加工用プレス型の設計に使用するCAE(Computer Aided Engineering)のコンピュータで、上型用切刃の応力解析を行った。本発明のせん断加工用プレス型と従来のせん断加工用プレス型とは、何れも同一の被プレス材で同一のプレス成形品をプレス成形できる同一構造のものを適用し、異なるのは上型用切刃の形状のみである。
この上型用切刃の応力解析を行うためのシミュレーションに適用する従来のせん断加工用プレス型の上型用切刃は、材料に食い込ませる刃先の端面を直角形状に形成させた。一方、本発明のせん断加工用プレス型1の上型用切刃21は図1(B)に示すように、円弧部211bの半径Rを2.6mmに設定し、水平部211aから円弧部211bが開始する位置(円弧部211bの一端)を、縦切断面212から1.0mmだけ水平部21aの方向に移動した位置に設定し、横切断面211から縦切断面212に沿って0.2mm移動した点で、円弧部211bの他端が上型用切刃21の縦切断面212と交差するように設定した。
さらに、本発明のせん断加工用プレス型と従来のせん断加工用プレス型とは、何れも上型用切刃及び下型用切刃の材質をSKD11の鉄鋼材、プレッシャパッドの材質をSX105Vの鉄鋼材、被プレス材の材質をSPC980のハイテン材、被プレス材の板厚を1.4mm、プレス機のプレス荷重Pvを56000Nに設定した。また、切断プレス加工時に互いに対向する上型用切刃21と下型用切刃31との間に形成されるクリアランスは、0.14mm(被プレス材板厚の10%相当)に設定した。
シミュレーションの結果は、従来のせん断加工用プレス型では、切断時に生じる上型用切刃の応力値が7.7×10(N/mm)になるが、本発明のせん断加工用プレス型では、切断時に生じる上型用切刃の応力値が2.6×10(N/mm)になることが確認できた。したがって、本発明のせん断加工用プレス型の上型用切刃に生じる打ち抜き負荷が、従来のせん断加工用プレス型の上型用切刃に生じる打ち抜き負荷の約1/3になることがわかった。
このように、本発明のせん断加工用プレス型によれば、上型用切刃21の円弧部211bは被プレス材4に対して面接触していることから、被プレス材4の打ち抜き時に生じる打ち抜き負荷を分散させることができるので、被プレス材4がハイテン材でも上型用切刃21の鋼材に表面硬化処理を施すことなく当該上型用切刃21の切刃破損を防ぐことができ、また、上型用切刃21の円弧部211bによって曲げ変形が加えられた被プレス材4は、その曲げ変形による塑性歪みの進行とともに降伏し易くなっていくことから、上型用切刃21の角部211cに線接触する時点では亀裂が発生し易くなっているので、製品部分PPに切断バリが発生しにくくなる。
特に、上型用切刃に表面硬化処理であるPVD処理を施した場合には、PVD処理を施さない場合に比べて金型のコストアップを引き起こすことになる。例えば、1500ccクラスの自動車の車両のハイテン材を使用するボディ骨格部品の場合、センターピラーアウタリインフォースメント、フロントピラーリインフォースメント、レールリインフォースメント、及びロッカーアウタリインフォースメントが1車種当り8部品必要となり、それぞれのせん断加工用プレス型に使用する上型用切刃の重量は約200kg必要となる。このような総重量の上型用切刃にPVD処理を施すと、キロ単価が約3500円になるので、1つのせん断加工用プレス型だけで70万円かかることになる。したがって、1車種当りは8つのせん断加工用プレス型が必要なので、PVD処理費用が560万円もかかることになる。このことから、本発明のせん断加工用プレス型を適用すれば、このPVD処理を施したせん断加工用プレス型に比べて1車種当りの金型作成費用を大幅に削減できることがわかる。
これまで本発明について図面に示した特定の実施の形態をもって説明してきたが、本発明は図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する限り、これまで知られたいかなる構成であっても採用することができることはいうまでもないことである。
1……せん断加工用断プレス型
2……上型
21……上型用切刃
211a……水平部
211b……円弧部
211c……角部
212……横切断面
3……下型
31……下型用切刃
4……被プレス材
PP……製品部分
UP……不要部分
CPL……切断予定線

Claims (2)

  1. 被プレス材の切断プレス加工を行う上型及び下型と、前記上型及び前記下型に設けられ、前記被プレス材を切断予定線に沿って切断して製品部分から不要部分を切り取るための一対の上型用切刃及び下型用切刃とを備えたせん断加工用プレス型において、
    前記上型用切刃の先端部分は、
    横切断面の形状が、前記切断プレス加工時に当該上型用切刃が前記被プレス材を押圧する際、最初に面接触して前記被プレス材を押圧する水平部と、前記水平部に連設され当該水平部の次に面接触して前記被プレス材を押圧する円弧部と、前記円弧部に連設され前記水平部及び前記円弧部によって押圧されている前記被プレス材に線接触して当該被プレス材を前記切断予定線に沿って切断する角部とから形成され、前記角部が当該上型用切刃の肩部となるように、前記水平部、前記円弧部及び前記角部が前記切断予定線に直交するように配置されていることを特徴とするせん断加工用プレス型。
  2. 前記円弧部の大きさは、前記被プレス材に押圧されていく際に、前記角部で前記被プレス材に亀裂を発生させることができると共に、当該上型用切刃の当該先端部分が損傷しないように打ち抜き負荷を分散させることができるように、前記被プレス材の板厚と、前記切断プレス加工時に互いに対向する前記上型用切刃と前記下型用切刃との間に形成されるクリアランスとに基づき設定されていることを特徴とする請求項1記載のせん断加工用プレス型。
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