JP2021013978A - せん断加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】せん断刃の負荷の上昇及びせん断刃の金属板への押し込み量の増加を抑制し、且つせん断端部の水素誘起割れの発生を低減することができるせん断加工方法を提供する。【解決手段】金属板の平面方向にクリアランスを設け、且つ前記金属板を挟んで位置付けられた上刃及び下刃により、前記金属板の板厚方向に対して０°超２０°未満の方向に前記金属板をせん断するせん断加工方法であって、（１）前記上刃及び前記下刃のいずれか一方又は両方を、前記クリアランスが狭まるように、前記板厚方向に対して斜め方向に移動させて前記金属板に押し込むことにより、前記金属板をせん断する、又は（２）前記上刃を前記板厚方向又は板厚方向に対して斜め方向に移動させて前記金属板に押し当てながら、前記上刃の側面方向に向かって前記金属板を移動させて、前記上刃を前記金属板に押し込むことにより、前記金属板をせん断する、せん断加工方法である。【選択図】図１

Description

本発明は、せん断加工方法に関する。

近年、例えば、自動車用骨格部品の強度をより向上させるため、その素材として９８０ＭＰａ以上の高張力鋼（超ハイテン）が採用されている。自動車用骨格部品は、通常、鋼板にせん断加工を施した後、更にプレス成形を施すことにより製造される。

せん断加工方法として、例えば、特許文献１には、シャーせん断刃に対し、被加工板の前方及び後方を固定しながら、シャーせん断刃を用いて被加工板をせん断するシャーせん断方法が開示されている。

また、せん断加工方法の１つである打ち抜き加工方法として、例えば、特許文献２には、パンチ及びダイを用いて金属板に穴を空ける打ち抜き加工をした後、打ち抜き方向と同一方向に伸びフランジ加工をする金属板の打ち抜き加工方法が開示されている。

特開２００６−２３１４２５号公報 特開２００９−２５５１６７号公報

高張力鋼は強度が高いため、せん断加工の際、せん断刃に強い力を付加する必要がある。そのため、せん断刃の刃先の負荷が大きく、刃先が早期に摩耗してせん断刃の寿命が短くなる傾向があり、せん断刃の交換コストが増大し得る。
また、高張力鋼にせん断加工を施すと、水素起因の遅れ破壊とされる微小な割れ（以下、「水素誘起割れ」と呼ぶことがある）がせん断端部に発生することがあり、最終製品の信頼性が低下し得る。このことは、とりわけ１．２ＧＰａ級の高張力鋼の場合に顕著となり得る。

本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、せん断刃の負荷の上昇を抑制し、且つせん断端部の水素誘起割れの発生を低減することができるせん断加工方法を提供することである。

本発明の態様１は、金属板の平面方向にクリアランスを設け、且つ前記金属板を挟んで位置付けられた上刃及び下刃により、前記金属板の板厚方向に対して０°超２０°未満の方向に前記金属板をせん断するせん断加工方法であって、
（１）前記上刃及び前記下刃のいずれか一方又は両方を、前記クリアランスが狭まるように、前記板厚方向に対して斜め方向に移動させて前記金属板に押し込むことにより、前記金属板をせん断する、又は、
（２）前記上刃を前記板厚方向又は板厚方向に対して斜め方向に移動させて前記金属板に押し当てながら、前記上刃の側面方向に向かって前記金属板を移動させて、前記上刃を前記金属板に押し込むことにより、前記金属板をせん断する、
せん断加工方法である。

本発明の態様２は、前記板厚方向に対して５°以上２０°未満の方向に前記金属板をせん断する態様１に記載のせん断加工方法である。

本発明の態様３は、前記上刃及び／又は前記下刃の刃先が直角形状である態様１又は２に記載のせん断加工方法である。

本発明の実施形態により、せん断刃の負荷の上昇を抑制し、且つせん断端部の水素誘起割れの発生を低減することができるせん断加工方法を提供することができる。

図１は、本発明の実施形態に係るせん断加工方法を示す概略図である。 図２は、本発明の実施形態に係るせん断加工方法を示す概略図である。 図３は、本発明の実施形態に係るせん断加工方法を示す概略図である。 図４は、上刃の形状の例を示す概略図である。 図５は、実施例のＦＥＭ解析に用いたせん断加工方法を示す概略図である 図６は、上刃の負荷と傾斜角度との関係を示すグラフである。 図７は、下刃の負荷と傾斜角度との関係を示すグラフである。 図８は、上刃の分離時ストローク量と傾斜角度との関係を示すグラフである。 図９は、平均相当ひずみと傾斜角度との関係を示すグラフである。 図１０は、加工硬化領域の広さ（要素数）と傾斜角度との関係を示すグラフである。 図１１は、平均残留応力の合計と傾斜角度との関係を示すグラフである。

本発明者らは、上述の課題を解決するために鋭意検討を行った。その結果、本発明者らは、金属板の平面方向にクリアランスを設け、且つ金属板を挟んで位置付けられたせん断刃を用い、クリアランスが狭まるようにせん断刃を斜めに移動させるか、あるいは、せん断刃を金属板に押し当てると同時に金属板を平行移動させることにより、金属板の板厚方向に対して斜め方向に所定の角度で金属板をせん断することを着想した。そして、本発明者らは、このようなせん断方法により、せん断刃の負荷の上昇を抑制し、且つせん断端部の水素誘起割れの発生を低減することができることを見出し、本発明を完成した。
以下、本発明の実施形態に係るせん断加工方法の詳細を説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るせん断加工方法を示す概略図であり、金属板１０を上刃３０及び下刃５０（以下、「せん断刃」と呼ぶことがある）でせん断する直前の様子を示している。また、図１及び後述の図２〜５は、金属板１０の平面方向及びせん断刃の長手方向に垂直な断面を表している。金属板１０の上下方向にはそれぞれ、上刃３０及び下刃５０が位置付けられており、また、上刃３０と下刃５０との間には、金属板１０の平面方向にクリアランスが設けられている。図１に示される状態から、上刃３０の刃先３１と下刃５０の刃先５１とを結ぶ直線（点線）方向、すなわち、金属板１０の板厚方向に対して斜め方向にθ［°］の角度で金属板１０をせん断する。その際、当該直線方向又はその近傍に、せん断力が付加され、且つ亀裂が進展して、金属板１０がせん断される。上記「斜め方向」、すなわち、金属板の板厚方向に対するせん断方向を「傾斜角度」（θ）と呼ぶことがあり、傾斜角度θは０°超２０°未満である。

このように、本発明の実施形態に係るせん断加工方法では、０°超２０°未満の傾斜角度でせん断し、また、せん断力の付加方向と亀裂の進展方向とが略一致するため、小さなせん断力で亀裂の進展を促進させて、せん断することができる。そのため、せん断刃の負荷の上昇を抑制することができる。

また、せん断端部に発生する水素誘起割れは、せん断端部の加工硬化及び残留応力により発生し易くなる傾向がある。本発明の実施形態に係るせん断加工方法では、０°超２０°未満の傾斜角度でせん断し、また、せん断力の付加方向と亀裂の進展方向とが略一致することにより、亀裂の進展が促進されるため、せん断端部において、加工硬化領域の増加を抑制し、更にせん断端部の残留応力を低減することが容易となる。その結果、せん断端部の水素誘起割れの発生を低減することができる。

また、せん断刃を金属板に押し込むにつれて、金属板の押し込み部近傍にダレが生じ、次いでせん断面が現れ、最終的に金属板が破断して破断面が形成し、金属板のせん断が完了する。本発明の実施形態に係るせん断加工方法では、０°超２０°未満の傾斜角度でせん断し、また、せん断力の付加方向と亀裂の進展方向とが略一致することにより、亀裂の進展が促進されるため、せん断刃の金属板への押し込み量の増加を抑制することがより容易となる。金属板に破断が生じた際の、せん断刃の金属板への押し込み量のうち、板厚方向の成分を「分離時ストローク量」と呼ぶことがある。分離時ストローク量は、せん断刃の金属板への押し込み量の指標であり、分離時ストローク量が少ない程、少ない押し込み量で金属板の亀裂を促進させ、より容易に金属板を破断できる。

本発明の実施形態に係るせん断方法では、以下の２つの態様のいずれかで、板厚方向に対して０°超２０°未満の方向に金属板をせん断する。

１つの態様において、上刃３０及び下刃５０のいずれか一方又は両方を、上刃３０と下刃５０とのクリアランスが狭まるように、金属板１０の板厚方向に対して斜め方向に移動させて金属板１０に押し込むことにより、金属板１０をせん断する。これにより、上刃３０を金属板１０に押し込むにつれて、上刃３０の刃先３１と下刃５０の刃先５１とが近接するため、金属板の亀裂を促進させることができる。例えば、図２に示すように、固定した下刃５０上に金属板１０を載置し、金属板１０の板厚方向に対して斜め方向（傾斜角度θ：０°超２０°未満、矢印Ａ）に、上刃３０を金属板１０に押し込むことにより、金属板１０をせん断してよい。この態様において、傾斜角度θは、上刃３０と下刃５０とのクリアランスが狭まる方向を「正（＋）」とし、当該クリアランスが広がる方向を「負（−）」と定義する。また、せん断加工の精度をより高める観点から、図２に示すように、押さえ冶具７０を用いて、金属板１０の上面を押さえてよい。

別の態様において、上刃３０を板厚方向又は板厚方向に対して斜め方向に移動させて金属板１０に押し当てながら、上刃３０の側面方向に向かって金属板１０を移動させて、上刃３０を金属板１０に押し込むことにより、金属板１０をせん断する。例えば、図３に示すように、固定した下刃５０上に金属板１０を載置し、上刃３０を金属板１０の板厚方向（矢印Ｂ）に移動させて金属板１０に押し当てながら、上刃３０の側面方向（矢印Ｃ）に向かって金属板１０を移動させることにより、金属板１０をせん断してよい。この実施形態では、上刃３０が金属板１０の板厚方向に移動すると同時に金属板１０が上刃３０の側面方向に向かって移動するため、相対的に、上刃３０が金属板１０に斜め方向（傾斜角度θ：０°超２０°未満、矢印Ｂのベクトルと矢印Ｃの逆ベクトルとのベクトル和に相当する矢印Ａ）に押し込まれる。その結果、金属板１０の板厚方向に対して斜め方向に金属板をせん断することができる。この態様によれば、例えば、金属板を押し出す機構を備えた金型を用いて、金属板を押し出しながら、連続して金属板をせん断することができる。また、せん断加工の精度をより高める観点から、図３に示すように、押さえ冶具７０を用いて、金属板１０の上面を押さえてよい。

本発明の実施形態に係るせん断加工方法において、金属板の板厚方向に対して５°超の方向に金属板をせん断することが好ましく、また、金属板の板厚方向に対して１５°以下の方向に金属板をせん断することが好ましい。これにより、せん断刃の負荷の上昇、あるいは、せん断端部の加工硬化領域の増加を抑制することがより容易となり、更に、せん断端部の残留応力を低減することがより容易となる。

本発明の実施形態に係るせん断加工方法において、上刃及び／又は下刃の刃先の形状は特に限定されず、図１〜３及び後述の図５に記載されているような直角形状であってよい。また、例えば、上刃の形状は、図４の（ａ）に示すように、Ｒ面取りされていてもよく、図４の（ｂ）及び（ｃ）に示すように、鈍角形状又は鋭角形状であってもよい。これは下刃の形状についても同様である。

本発明の実施形態に係るせん断加工方法の効果は、当然のことながら、実際に金属板にせん断加工を施すことにより実証することができるが、解析ソフトを用いたシミュレーション、例えば、３次元モデルでのＦＥＭ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ；有限要素法）解析によって実証することもできる。ＦＥＭ解析に用いることができる解析ソフトとして、例えば、Ｔｒａｎｓｖａｌｏｒ社製の「ＦＯＲＧＥ」が挙げられる。

ＦＥＭ解析において、延性破壊の条件式として、Ｃｏｃｋｃｒｏｆｔ ＆ Ｌａｔｈａｍの式を用いてよい。
また、延性破壊の閾値は、せん断加工が施された実際の金属板のせん断端部の形状に近似する形状を模擬できるように設定することができ、例えば、実際の金属板のせん断端部のせん断面の長さに合うように設定してよい。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前述及び後述する趣旨に合致し得る範囲で、適宜変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

Ｔｒａｎｓｖａｌｏｒ社製のＦＥＭ解析ソフト「ＦＯＲＧＥ」を用いて、図５に示すせん断方法をシミュレーションして解析した。設定条件は以下の通りである。

・金属板１０
１４７０ＭＰａの高張力鋼板（弾塑性体）、板厚：１．２ｍｍ、
・上刃３０及び下刃５０
弾性体
・押さえ冶具７０
剛体
・上刃３０と下刃５０との間のクリアランス（金属板１０の平面方向）
上刃３０及び下刃５０が金属板１０に当接した状態（初期状態、図５）でのクリアランス：０．１８ｍｍ（板厚の１５％）
・せん断
図５に示す初期状態から、上刃３０を矢印Ａの方向に、傾斜角度θで移動して金属板１０をせん断した。傾斜角度θは、上刃３０と下刃５０とのクリアランスが狭まる方向を「正（＋）」とし、当該クリアランスが広がる方向を「負（−）」と定義した。
・延性破壊の条件式
Ｃｏｃｋｃｒｏｆｔ ＆ Ｌａｔｈａｍの式
・延性破壊の閾値
せん断加工が施された実際の金属板のせん断端部の形状に近似する形状を模擬し、実際の金属板のせん断面の長さに合うように設定

上記設定条件で、傾斜角度θを−１５°〜２０°まで変化させてＦＥＭ解析を行い、（１）上刃３０の負荷、（２）下刃５０の負荷、（３）せん断端部の平均相当ひずみ、（４）せん断端部の加工硬化領域の広さ（要素数）、及び（５）せん断端部の平均残留応力（板厚方向、板面方向）を求めた。なお、分離時ストローク量も参考値として求めた。

・上刃及び下刃の負荷
上刃３０を金属板１０に当接させてから金属板１０が破断するまでの間に、上刃３０及び下刃５０の刃先に付加される相当応力を、分離時ストローク量で積分した値をそれぞれ、上刃３０及び下刃５０の負荷と定義した。相当応力は、各計算ステップにおける値の上位７要素の平均値を用いた。傾斜角度θが０°（従来のせん断方法）の場合よりも負荷が２０％以上高いもの（上刃については１２２８ＭＰａ・ｍｍ以上、下刃については１２０２ＭＰａ・ｍｍ以上）を不合格とした。合格であるものをせん断刃の負荷が低減できたと判定した。

・せん断端部の平均相当ひずみ、せん断端部の加工硬化領域の広さ
せん断端部が加工硬化すると、加工硬化した部分のひずみが高くなる。水素誘起割れが十分に起こり得るひずみ値として、０．２を閾値として選択し、金属板１０の破断後、相当ひずみの値が０．２を超える全要素の平均値を、せん断端部の平均相当ひずみと定義し、相当ひずみの値が０．２を超える要素の領域を加工硬化領域と定義した。各要素のサイズは略同等であるため、要素の数は領域の広さを表す。傾斜角度θが０°（従来のせん断方法）の場合よりも、０．２を超える領域が２０％以上広い（０．２を超える要素の数が２０％以上多い、５６２以上）ものを不合格とした。合格であるものを、加工硬化領域の増加を抑制することができたと判定した。

・せん断端部の平均残留応力
金属板１０の破断後、相当ひずみの値が０．２を超える要素の残留応力の平均値をせん断端部の平均残留応力と定義した。傾斜角度θが０°（従来のせん断方法）の場合よりも平均残留応力が大きいものを負荷が２０％以上高いものを比較例とした。金属板１０の板厚方向及び板面方向のそれぞれの平均残留応力を求め、更にそれらの合計（以下、「平均残留応力の合計」と呼ぶことがある）を求めた。傾斜角度θが０°（従来のせん断方法）の場合と平均残留応力の合計が同じか、あるいは、それ以上のもの（５１７ＭＰａ以上）ものを不合格とした。合格であるものを、平均残留応力の合計を低減することができたと判定した。

ＦＥＭ解析の結果を下記表１及び図６〜１１に示す。図６〜７、１０及び１１の破線は、上記の合否判定の基準を示す。

表１並びに図６及び７から分かるように、本発明の実施形態に規定する条件を満足する実施例は、上刃３０及び下刃５０の負荷の上昇を抑制することができた。とりわけ、上刃３０については負荷を低減することができた。

また、表１並びに図９及び１０から分かるように、実施例は、平均ひずみが比較例と同等であるものの、加工硬化領域の増加を抑制することができた。更に、表１並びに図１０から分かるように、実施例は、平均残留応力の合計を低減することができた。そのため、実施例は、水素誘起割れの発生を低減することが可能である。

これに対して、本発明の実施形態に規定する条件を満足しない比較例は、上刃３０及び下刃５０の負荷、加工硬化領域の広さ、あるいは、平均残留応力の合計が増大した。

１０ 金属板
３０ 上刃
３１ 上刃の刃先
５０ 下刃
５１ 下刃の刃先
７０ 押さえ冶具

Claims (3)

1. 金属板の平面方向にクリアランスを設け、且つ前記金属板を挟んで位置付けられた上刃及び下刃により、前記金属板の板厚方向に対して０°超２０°未満の方向に前記金属板をせん断するせん断加工方法であって、
   （１）前記上刃及び前記下刃のいずれか一方又は両方を、前記クリアランスが狭まるように、前記板厚方向に対して斜め方向に移動させて前記金属板に押し込むことにより、前記金属板をせん断する、又は
   （２）前記上刃を前記板厚方向又は板厚方向に対して斜め方向に移動させて前記金属板に押し当てながら、前記上刃の側面方向に向かって前記金属板を移動させて、前記上刃を前記金属板に押し込むことにより、前記金属板をせん断する、
   せん断加工方法。
2. 前記板厚方向に対して５°以上２０°未満の方向に前記金属板をせん断する請求項１に記載のせん断加工方法。
3. 前記上刃及び／又は前記下刃の刃先が直角形状である請求項１又は２のいずれかに記載のせん断加工方法。