JP2017192963A - プレス金型の製造方法、プレス加工法及びプレス金型機構 - Google Patents

Abstract

【課題】被加工材から複数の形状を一括で打ち抜くプレス加工技術を提供する。【解決手段】パンチ材12に対してレーザービーム14を照射して複数の形状を削り出し、複数の形状を備えた荒加工パンチ材16を形成する工程と、この荒加工パンチ材16と別途用意したダイ20との間で突出し加工を行う工程と、この工程において生じたパンチ側のかえり22に対し、レーザービーム14を照射して除去することにより、複数形状を有するパンチ10を形成する工程と、このパンチ10とダイ20を用いて、被加工材24に対して複数形状の一括打ち抜き加工を実行する工程を備えたプレス加工法。【選択図】図３

Description

この発明は、被加工材から複数の形状を一括で打ち抜くプレス加工技術に関する。

従来、パンチとダイを有する金型を用いて複数形状を加工しようとした場合、ダイについては複数形状を１枚のプレート内にワイヤーカット放電加工を用いて加工されてきたが、パンチについては形状毎にワイヤーカット放電加工機や型彫研削機等により加工した上で、それぞれを順送金型に組み込み、１つの金型内で複数回の加工工程を経て複数形状を有した１つの部品とする加工法が採られてきた。

また、金属箔の高精度打抜き技術として、ダイの形状よりもパンチをわずかに大きく型彫研削機で削り出し、パンチをダイに挿入することでダイの形状にパンチを倣わせ、ゼロクリアランスの金型とする突出し工法が開発されてきた（非特許文献１）。

時計工業におけるプレス加工の現況／山崎雄二／塑性と加工 vol.21 no.234（1980-7）

しかしながら、この突出し工法においても、突出し用のパンチ材は研削加工によって削り出す工法が採用されており、パンチの形状毎に研削加工を進める必要があり、複数形状を一括に削り出す工法の開発には至っていない。

例えば、図１１(a)に示すような微細かつ複雑な複数形状の抜き加工を行う場合、同図(b)〜(d)に示すように、それぞれの抜き形状に対応した３つのパンチをワイヤー放電加工等で別個に作成した上で、部品同士が干渉し合わないよう３工程に分けて加工する必要があった。
この結果、パンチで３個、ダイで少なくとも１個、合計４個の部品製作と位置合わせが求められ、金型製作工数の増大と位置合わせ誤差を生む原因となってきた。

この発明は、従来の上記問題を解決するために案出されたものであり、被加工材から複数の形状を一括で打ち抜くプレス加工技術を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するため、この発明に係る金型の製造方法では、金型材料に対してレーザービーム、電子ビーム、イオンビームの何れかを照射することにより、パンチまたはダイの少なくとも一方の複数の形状を削り出し、突出し加工用の荒加工金型材とすることを特徴としている。
レーザビーム等の所謂量子ビームを用いることにより、量子レベルの微細な加工が可能となり、複数の形状が相互に入り組んで配置された複雑なパターンであっても、形状毎に分割することなく、高精度で一度に刻設することが可能となる。

上記荒加工金型材がパンチ用である場合には、別途用意したダイとの間で突出し加工を行い、また荒加工金型材がダイ用である場合には、別途用意したパンチとの間で突出し加工を行うことにより、複数の微細な加工形状を備えたゼロクリアランスの金型が得られる。
また、突出し加工後にダイまたはパンチをより大きなものに変更して被加工材の打ち抜き加工をすることにより、クリアランスを調整することも可能となる。
突出し加工においては途中でかえり（切削屑／切粉）が発生するが、これに対してもレーザービーム等を照射することにより、容易に除去することができる。

この複数の加工形状を備えた金型を用いてプレス加工を行うことにより、加工対象物に対して一括で複数形状の抜き加工を施すことが可能となる。
この際、パンチの刃丈から被加工材の厚さを減じた寸法よりも薄い板厚を備えたストリッパプレートによって加工対象物の表面を押圧することにより、加工対象物の仮押さえとすると共に、加工後の剥離を確保することが可能となる。

この発明に係る金型の製造方法によれば、複数穴を１回のプレス加工でせん断可能とする金型を得ることができる。この結果、金型の工程数削減が可能となり、合わせて小型省面積化や金型製作工数、段取りやメンテナンス工数の削減、短納期化が可能となる。

また、複数穴の突出し加工により、特に板厚0.050mm以下の金属箔をゼロクリアランスで一括に打抜き加工することが可能となり、従来エッチング加工などに頼るなどしていた金属シート材の穴あけ加工をプレス加工に代替し、高精度かつ高生産性を有した加工が可能となる。

この発明は、予め複数の穴または異形穴を有する雌型であるダイと、複数の雄形状をダイよりもわずかに大きく形状を削り出したパンチを金型に組み込み、パンチをダイ内部に挿入し、ダイの形状にパンチを倣わすことで突出し加工を行う「突き出し加工」を基本にしつつ、その改良を行うものである。

通常、雌型の作成には放電加工や放電加工、研削加工が用いられ、雄型の作成には切削、研削加工、放電加工が利用される。
これに対し、この発明では、(1)雌雄の型の両方、もしくは一方の型の形状加工をレーザービーム、イオンビーム、電子ビーム等の量子ビームを用いた加工法を適用する。
量子ビームでは原子、分子単位での加工が行えることから精度の向上が図れるが、その一方、壁面の垂直性が得られない等の課題がある。

そこで、(2)一方の基準となる型を、通常加工により仕上げる。もしくは、基準側の型を量子ビームにより垂直ないしわずかな逆テーパとなる壁に仕上げる。この時の基準側の型とは、その形状から型に生じる応力が小さい側を言う。

(3)相対する相手側として、基準型に倣わせる型、すなわち調整型については、基準側の型よりわずかに大きい形状に作成する。この時は量子ビーム加工によるテーパ形状などが残っていてもよい。

(4)この時、基準となる型の材料が、調整される型の材料に比べ硬く、剛性が高いこととし、突き出し加工により、基準型の形状が変わらず、調整型が削られる組み合わせとする。
上記で作成した型を組み合わせ、突き出し加工を実施する。突き出し加工においては、形状を整えられる調整型を基準型により切削するが、この時にかえり（切削屑／切粉）が残ってしまうため、打ち抜き加工に必要な深さを一度に突き出し加工することは難しい。

そこで、(5)この付着しているかえりを同じ量子ビームにより切り落とし、その後に突き出し加工を行い、所定の深さまでこれを繰り返す。
完成した調整型は基準型に倣う形で仕上がり、クリアランスが無い（きわめて０に近い）形状となる。
また基準型の公差があっても、そこに倣うため、組み合わせの公差もきわめて０に近い仕上げを得ることを可能とする。

(6)作成できるパンチ・ダイの雌雄型の形状としては、量子ビーム加工を利用する事により、自由度が高くなる。
このため、複数の形状の加工に際しても、その型を一体として作成可能となり、一度の打ち抜きですべての加工を同時に行えるプレス加工法が実現する。

図１(a)に示すような、微細な３個の異形状を組み合わせた複雑な形状の穴加工を、突出し加工によって一括で実現するためには、同図(b)に示すように、打ち抜く形状に対応した形状の凸部と、残す形状に対応した形状の凹部を備えたパンチ10を形成する必要がある。

このため、図２(a)に示すように、パンチ材料12の表面にピコ秒レーザービーム14を照射し、荒加工パンチ材16を切り出した。
この際、レーザービーム14は、せん断加工において被加工材に残されるべき形状に対応したパターンに沿って照射され、当該形状パターンに対応した凹部が刻設される。

パンチ材12としては、被加工材であるSUS304（硬度Hv300レベル）よりも硬いプリハードン鋼（Hv＝400相当）を選択した。
図２(b)及び(c)において、レーザー加工前のパンチ材料（ブランク材）12の外観を示す。

ところで、レーザー加工による突出し用荒加工パンチ材16の切り出しに際しては、図３(a)に示すように、突出し幅18を考慮し、雌型であるダイ20側の凹部の形状よりもパンチ側の凸部形状を若干大きく形成しておく必要がある。
図１(a)に示す複数形状の切り出しでは、レーザー加工時に、角部や微小半径部で突出し幅を一定に加工していくことが難しい。そこで、基本となる突出し幅を１０μｍと設定した上で、さらに角部や微小半径部加工時の切り込み増し分を複数回の加工から平均化した１５μｍとし、突出し幅の基本設定を２つの値を足した２５μｍとしてレーザー加工を行った。

つぎに、レーザー加工によって切り出した突出し用荒加工パンチ材16及びダイ20を金型に組み込み、小型スクリューサーボプレス機で突出し加工を行った。
ダイ20としては、荒加工パンチ材16よりも硬い材質（例えば超微粒子超硬材料）によって構成されている。
その結果、図３(b)及び図４に示すように、ダイ20との間で突出し加工を行った荒加工パンチ材16にはかえり22が形成される。
この突出し加工後のかえり22に対しては、図３(c)に示すように、再度レーザービーム14を照射することで除去した。

この突出し加工とレーザービームの照射によるかえり22の除去を繰り返すことにより、必要な刃丈を備えたパンチ10を完成させた。
つぎに、このパンチ10及びダイ20を組み込んだ金型に、被加工材として板厚0.010mmのSUS304材を挿入し、複数異形穴の一括プレス成型加工を行った。

プレス加工を行った被加工材の電子顕微鏡観察結果を、図５及び図６に示す。
図５(a)は、だれ側（パンチ側）から観察した被加工材24の平面写真であり、図５(b)は上斜め４５度から観察した拡大写真、図５(c)は切り口面の拡大写真である。
また図６(a)は、かえり側（ダイ側）から観察した被加工材24の平面写真であり、図６(b)は上斜め４５度から観察した拡大写真、図６(c)は切り口面の拡大写真である。

図示の通り、だれ側及びかえり側双方の穴の切り口面はきれいにせん断加工がなされており、反りも発生していないことがわかる。
また、それぞれの切り口面の拡大写真から、切り口面にだれやせん断面、破断面が形成されており、パンチとダイの工具によるせん断加工が行われたことがわかる。
かえりもほぼ発生していないレベルであり、突出し加工によるクリアランスが０の加工によって、良好な切り口面が得られている。

この突出し加工による複数異形穴一括プレス加工に用いる金型の構造を、図７に示す。
この金型50は、シャンク52と、ベースプレート（上型）54と、バックプレート56と、パンチプレート58と、パンチガイド60と、カラー62と、パンチ10と、スプリングガイド64と、スプリング66と、ストリッパプレート68と、ポスト70と、ボルト72と、被加工材24と、ダイ20と、ダイガイド74と、ダイプレート76と、バッキングプレート78と、ベースプレート（下型）80と、精密位置決めユニットの軸82及びブッシュ84と、位置決めピン86と、ピン88を備えている。

突出し加工により形成されたパンチ10は、カラー62を介してパンチプレート58に固定される。
これに対しダイ20は、ダイガイド74に設けられた位置決め穴にピン88を打ち込むことで固定される。
パンチプレート58とダイプレート76は、ダイプレート76側に固定された精密位置決めユニットの軸82を、パンチプレート58側に固定されたブッシュ84に嵌合させることにより、位置合わせがなされている。

ストリッパプレート68は、例えばSKDの焼き入れ材よりなり、図８に示すように、ストリッパプレート68の四隅には円形の貫通孔89が形成されており、各貫通孔89には下面側から円筒状のポスト70が挿通され、接着固定されている。
各ポスト70の下端部は上記貫通孔89よりも径大であるため、ストリッパプレート68の脱落が防止されている。

このポスト70の先端は、図９に示すように、パンチガイド60の下面に形成された穴に挿通される。ポスト70の先端開口内にはねじ山が形成されており、これにボルト72が螺合されている。
このボルト72の頂面にはスプリング66が当接しているため、ポスト70は常時下方に向けて付勢されている。
また、ボルト72の頭部がスプリングガイド64の下端の段部に引っ掛かる構造のため、ポスト70がパンチガイド60から脱落することがない。

打抜き加工用金型におけるストリッパプレートには一般に、(1)パンチの位置を合わせる、(2)被加工材を加圧する、(3)打抜き加工後に被加工材とパンチを剥離する、の３つの役割がある。
これに対しこの発明に係る金型50の場合、パンチ10の位置は精密位置決めユニットの軸82及びブッシュ84によって担保されるため、ストリッパプレート68は(1)の位置決めの役割を持たないが、(2)の被加工材を押さえる必要性と、(3)の被加工材を引き剥がす必要性はある。

以下、図１０に基づいて、この発明におけるストリッパプレート68の機能を説明する。
まず、図１０(a)に示すように、ダイ20の表面に被加工材24が載置され、その上にストリッパプレート68が配置される。
ストリッパプレート68には、パンチ10の凸部の形状に対応した形状の開口部（貫通孔）90が設けられている。
また、ストリッパプレート68に接続された各ポスト70の上端がスプリング66によって下方向に付勢されているため、被加工材24の表面はストリッパプレート68によって下方向に加圧されている。

つぎに、図１０(b)に示すように、パンチ10が下降すると、被加工材24はパンチ10の凸部とダイ20の凹部との間でせん断される。
この際も、被加工材24の表面がストリッパプレート68によって下方向に加圧されているため位置ズレが生じることなく、所望の形状で正確に抜くことができる。
また、ストリッパプレート68の板厚は、パンチ10の刃丈92から被加工材24の板厚を減じた値よりも薄くなるように設定されているため、確実な抜き加工が確保されている。

パンチ10が上昇に転じる際にも、被加工材24の表面がストリッパプレート68によって下方向に加圧されているため、図１０(c)に示すように、パンチ10を被加工材24から確実に剥がすことが可能となる。
この後、パンチプレート58をダイプレート76から離してストリッパプレート68を上げ、被加工材24を移動させる。

上記においては、突出し加工によって荒加工パンチ材16をダイ20の形状に倣わせてゼロクリアランスのパンチ10を完成させた後、そのまま当該ダイ20とパンチ10を用いて被加工材24の打ち抜き加工を行う例を説明したが、この発明はこれに限定されるものではない。

例えば、突出し加工によって荒加工パンチ材16をダイ20の形状に倣わせてゼロクリアランスのパンチ10を完成させた後、このダイ20に代えてより大きな雌型形状を備えた他のダイと組み合わせることにより、クリアランスを調整することが可能となる。

また、レーザービームの照射によって荒加工ダイ材を形成しておき、より硬度の高い材料で形成したパンチとの間で突出し加工を行うことにより、パンチの形状に倣わせたゼロクリアランスのダイを完成させることもできる。

突出し加工によって形成したパンチ10に対し、TINコーティング（窒化チタン膜の生成）やTICコーティング（炭化チタン膜の生成）等の表面処理を施し、そのパンチとしての強度を向上させることも有効である。

複数異形の加工形状及びこれに対応するパンチの形状を例示する図である。 荒加工パンチ材の形状等を示す写真である。 突出し加工法によりパンチを形成する際の手順を示す概念図である。 突出し加工中のパンチ材表面の状態を示す写真である。 プレス加工された被加工材のだれ側の状態を示す写真である。 プレス加工された被加工材のかえり側の状態を示す写真である。 金型の構造を示す断面図である。 ストリッパプレートの構成を示す斜視図である。 金型の構造を示す拡大部分断面図である。 ストリッパプレートの機能を説明する概念図である。 複数異形穴の従来の加工方法を説明する図である。

10 パンチ
12 パンチ材料
14 レーザービーム
16 荒加工パンチ材
20 ダイ
24 被加工材
50 金型
58 パンチプレート
66 スプリング
68 ストリッパプレート
76 ダイプレート
82 位置決め機構の軸
84 位置決め機構のブッシュ
86 位置決めピン
92 パンチの刃丈

Claims (7)

1. 金型材料に対してレーザービーム、電子ビーム、イオンビームの何れかを照射してパンチまたはダイの少なくとも一方の複数の形状を削り出し、突出し加工用の荒加工金型材とするプレス金型の製造方法。
2. 上記荒加工金型材がパンチ用である場合に、当該荒加工金型材と別途用意したダイとの間で突出し加工を行う工程と、
   上記工程において生じたパンチ側のかえりに対し、レーザービーム、電子ビーム、イオンビームの何れかを照射して除去することにより、パンチを形成する工程と、
   からなることを特徴とする請求項１に記載のプレス金型の製造方法。
3. 上記荒加工金型材がダイ用である場合に、当該荒加工金型材と別途用意したパンチとの間で突出し加工を行う工程と、
   上記工程において生じたダイ側のかえりに対し、レーザービーム、電子ビーム、イオンビームの何れかを照射して除去することにより、ダイを形成する工程と、
   からなることを特徴とする請求項１または２に記載のプレス金型の製造方法。
4. 上記突出し加工によって形成したパンチまたはダイに表面処理を施し、パンチまたはダイとしての強度を高めることを特徴とする請求項２または３の何れかに記載のプレス金型の製造方法。
5. 金属材料に対してレーザービーム、電子ビーム、イオンビームの何れかを照射して複数の形状を削り出し、複数の形状を備えた荒加工パンチ材を形成する工程と、
   この荒加工パンチ材と別途用意したダイとの間で突出し加工を行う工程と、
   上記工程において生じたパンチ側のかえりに対し、レーザービーム、電子ビーム、イオンビームの何れかを照射して除去することにより、複数形状を有するパンチを形成する工程と、
   このパンチと上記ダイを用いて、被加工材に対して複数形状の一括打ち抜き加工を実行する工程と、
   からなるプレス加工法。
6. 金属材料に対してレーザービーム、電子ビーム、イオンビームの何れかを照射して複数の形状を削り出し、複数の形状を備えた荒加工パンチ材を形成する工程と、
   この荒加工パンチ材と別途用意したダイとの間で突出し加工を行う工程と、
   上記工程において生じたパンチ側のかえりに対し、レーザービーム、電子ビーム、イオンビームの何れかを照射して除去することにより、複数形状を有するパンチを形成する工程と、
   上記ダイを取り外し、より大きな形状を備えた他のダイと組み替えることでクリアランスを調整する工程と、
   このダイ及び上記パンチを用いて、被加工材に対して複数形状の一括打ち抜き加工を実行する工程と、
   からなるプレス加工法。
7. 請求項２に記載のパンチを組み込んだパンチプレートと、
   ダイを組み込んだダイプレートと、
   上記パンチプレート及びダイプレート間の位置を規定する位置決め機構と、
   ダイ上に載置された被加工材の表面に配置されるストリッパプレートと、
   このストリッパプレートをダイ側に加圧する付勢手段とを備え、
   上記ストリッパプレートの板厚が、上記パンチの刃丈から上記被加工材の厚さを減じた厚さよりも薄く形成されており、
   上記パンチによる断被加工材へのせん断加工時に、上記被加工材の表面が上記ストリッパプレートによって加圧されていることを特徴とするプレス金型機構。

Images