JP2021133406A - プレス加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】金属と樹脂とを複合させたパンチやダイの加工工具を含むプレス金型を使用するプレス加工装置において、金属板金を加工した場合でも樹脂の部分の変形や破損が発生せず、良好で所定の形状の金属部品が得られるプレス加工装置を提供する。【解決手段】対象物を加工するプレス加工装置であって、対象物と接し、金属又はセラミックからなる先端部と、先端部と固定されベースとなる樹脂部分と、で構成されるパンチと、金属又はセラミックからなる部材とベースとなる樹脂部分とで構成されるダイと、を備え、パンチ又はダイの少なくとも一方のベースとなる樹脂部分の中に、先端部、又は、金属もしくはセラミックからなる部材を支持する別部材を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、コイル材や枚葉状態の薄板金属板金を曲げや絞り、所定の形状に打ち抜くプレス用金型において、その金型に用いられるパンチ及びダイを備えた、プレス加工装置に関する。

効率良く金属部品を得るためには、プレス金型を用いる方法がある。コイル状または枚葉状の薄板金属板金を、薄板金属板金に押し付ける雄型のパンチと、パンチにすき間（クリアランス）を設定した雌型のダイとを含むプレス金型により、所定の形状に打ち抜く。また、金属部品の立体的な形状に関しても、薄板金属板金をプレス金型により曲げや絞り加工を行い、最後に所定の形状にプレス金型を用いて打ち抜く方法が取られる。

図６Ａ乃至図６Ｄに薄板金属板金をプレス金型にて所定の形状に打ち抜く加工の各工程の概略断面図を示す。プレス金型は、図６Ａに示すように、パンチ２０１、上ダイセット２０２、パンチプレート２０３、ストリッパプレート２０４にて構成される上型と、ダイ２０５、ダイプレート２０６、下ダイセット２０７から構成される下型とに大きく分けられる。

（１）図６Ａに示すように、上型と下型との間に薄板金属板金２００を配置し、その後、上型が下降する。
（２）次いで、図６Ｂに示すように、薄板板金２００がストリッパプレート２０４とダイ２０５とダイプレート２０６とに接触する。
（３）さらに上型が下降すると図６Ｃに示すように、パンチ２０１も薄板板金２００に接触する。
（４）さらに上型が下降すると、図６Ｄに示すように、パンチ２０１とダイ２０５とによって薄板金属板金２００の打ち抜き加工が行われ、所定の形状を有する金属部品２０８が得られる。

このプレス金型に用いられるパンチ２０１やダイ２０５などの加工工具は、対象物である薄板金属板金２００よりも硬い必要があり、また、耐久性も必要なため、一般的にダイス鋼などの焼入れ鋼材や超硬材料などが用いられている。これらの材料は、複雑な形状を加工するにあたり、切削加工以外に研削加工、放電加工などを併用し、非常に長い時間と工数をかけて製作する必要があり、そのため、複雑形状のプレス加工用工具は、製作に時間とコストがかかることが一般的である。

そこで、金属よりも硬度は劣るが、短い時間で安く加工できるため、加工工具を樹脂で製作する方法も試みられている。また、ＡＢＳやＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン樹脂）材などの樹脂としては硬い材料を切削加工して樹脂工具として用いることにより、少量生産に限定すれば、打ち抜き加工も可能である。また、絞り加工や曲げ加工として、この樹脂工具を用いれば、打ち抜き加工として使用するよりも多い生産数で薄板金属板を加工することが出来る。

さらに、パンチやダイに使用される樹脂工具を、樹脂造形用の三次元造形機（３Ｄプリンター）を用いて製作するという方法も提案されている。樹脂材料を切削加工してプレス加工工具として製作するよりも、三次元造形で製作する方が、製作が短時間で完了する。特に加工工具が複雑形状となった場合、樹脂造形用の三次元造形機を用いることにより、切削加工より短時間でプレス加工用工具を製作することが可能である。

しかしながら、パンチやダイに用いる樹脂工具は、対象物である金属板金よりも軟らかいため、生産数が多くなるにつれて、金属板金と接触する部分に変形や摩耗が発生する。さらに加工荷重の影響により欠けやヒビが発生してしまうこともある。

そこで、パンチとダイにおける金属板金と接する部分のみを金属にする方法が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照。）。
図７は、特許文献１に記載された、板金プレス用樹脂型の縦断面図である。強化体２１０は、強化用繊維製織布を渦巻状に巻いて熱硬化性樹脂を含浸させたものであり、パンチの母型２１１とダイの母型２１２に接合させ、表面を硬化させた樹脂パンチ２１３と樹脂ダイ２１４としている。

図８は、特許文献２に記載された積層堆積システムを使用して構築された金属部品を含む３Ｄ物体の拡大断面図である。ベースとなる樹脂部分２１６は三次元造形機にて製作され、金属板金と接触する部分は金属２１５として構成されている。この３Ｄ物体は、三次元造形機にて樹脂部分を途中まで製作し、造形されたくぼみの部分に金属部品２１５を挿入し、その後、再度三次元造形機にて樹脂を覆いかぶせている。

図９は、特許文献３に記載された樹脂金型を適用したプレス成形装置の概略断面図である。このプレス成形装置は、金属板金の成形加工を行う場合に使用されるもので、パンチのベースとなる部分２１７に樹脂を配置し、金属板金と接する表面部分２１８に金属を配置し、ダイのベースとなる部分２１９に樹脂を配置し、金属板金と接する表面部分２２０に金属を配置し、樹脂と金属とを接合して使用している。

特開平１−１１３１３６号公報 特許第４８３８３５４号公報 特許第３７７９１４８号公報

プレス金型で金属板金を絞りや曲げや抜き加工する場合、プレス金型を構成するパンチやダイの加工工具には大きな加工荷重が作用するが、その加工荷重に対して加工工具の強度が強いため加工が成立する。

一方、上記のように、加工時に被加工材となる金属板金と接する、パンチとダイの加工工具の表面に金属を配置すると共に、それを保持する部分に樹脂を配置した構成の場合、樹脂の部分の強度が非常に弱い。特に、三次元造形機（３Ｄプリンター）により樹脂部分が作製された場合、造形される際に微小な空洞が形成され、さらに弱くなる。

また、金属板金を加工する時、加工工具の表面の金属に大きな荷重が作用し、それと同時にその荷重は金属部分を保持する樹脂部分にも作用する。樹脂部分に大きな荷重が作用すると、もともと強度が弱いため、樹脂部分が変形したり、つぶれたりしてしまう。さらに何回も荷重が作用すると、破損する可能性がある。樹脂部分が変形すると、加工におけるパンチとダイの隙間であるクリアランスに狂いが生じ、加工された金属板金にバリが生じ、所定の形状が得られなくなる。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、金属と樹脂とを複合させたパンチやダイの加工工具を含むプレス金型を使用するプレス加工装置において、金属板金を加工した場合でも樹脂の部分の変形や破損が発生せず、良好で所定の形状の金属部品が得られるプレス加工装置を提供することを目的とする。

本発明に係るプレス加工装置は、対象物を加工するプレス加工装置であって、前記対象物と接し、金属又はセラミックからなる先端部と、前記先端部と固定されベースとなる樹脂部分と、で構成されるパンチと、
金属又はセラミックからなる部材とベースとなる樹脂部分とで構成されるダイと、
を備え、
前記パンチ又は前記ダイの少なくとも一方のベースとなる前記樹脂部分の中に、前記先端部、又は、前記金属もしくはセラミックからなる部材を支持する別部材を有する。

以上のように、本発明に係るプレス加工装置によれば、パンチ又はダイの少なくとも一方のベースとなる樹脂部分の中に、先端部を支持する別部材を有する。そこで、金属板金を加工した場合でも樹脂の部分の変形や破損が発生せず、良好で所定の形状の金属部品が得られる。

実施の形態１に係るプレス加工装置において、パンチ及びダイの樹脂部分に金属製ピンを配置させたプレス金型の断面構造を示す概略側断面図である。 （ａ）は、実施の形態２に係るプレス加工装置において、樹脂部分に金属製ピンを１ヵ所配置したパンチの断面構造を示す概略側断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の平面図である。 （ａ）は、実施の形態２の変形例１に係るプレス加工装置において、樹脂部分に金属製ピンを数ヶ所配置したパンチの断面構造を示す概略側断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の平面図である。 実施の形態２の変形例２に係るプレス加工装置において、異形状の加工形状を有するパンチに対して、バランス良く金属製ピンを配置した平面図である。 （ａ）は、実施の形態２の変形例３に係るプレス加工装置において、樹脂部分に金属製ピンを数ヶ所配置したダイの平面図であり、（ｂ）は、（ａ）の断面構造を示す概略側断面図である。 薄板板金をプレス加工にて打ち抜く加工の一工程を示す概略断面図である。 薄板板金をプレス加工にて打ち抜く加工の一工程を示す概略断面図である。 薄板板金をプレス加工にて打ち抜く加工の一工程を示す概略断面図である。 薄板板金をプレス加工にて打ち抜く加工の一工程を示す概略断面図である。 特許文献１に記載された板金プレス用樹脂型の縦断面図である。 特許文献２に記載された積層堆積システムを使用して構築された金属部品を含む３Ｄ物体の拡大断面図である。 特許文献３に記載された樹脂金型を適用したプレス成形装置の概略断面図である。

第１の態様に係るプレス加工装置は、対象物を加工するプレス加工装置であって、
前記対象物と接し、金属又はセラミックからなる先端部と、前記先端部と固定されベースとなる樹脂部分と、で構成されるパンチと、
金属又はセラミックからなる部材とベースとなる樹脂部分とで構成されるダイと、
を備え、
前記パンチ又は前記ダイの少なくとも一方のベースとなる前記樹脂部分の中に、前記先端部、又は、前記金属もしくはセラミックからなる部材を支持する別部材を有する。

金属板金を加工する場合、先端部に発生する加工荷重はパンチやダイの加工工具のベースである樹脂部分にも作用する。上記構成によれば、パンチやダイの樹脂部分の中に先端部を支持する別部材を有するので、先端部に発生する加工荷重は別部材に作用し、樹脂部分に直接作用する加工荷重が軽減されるため、樹脂部分の変形や破損の発生を抑制できる。これによってバリや変形のない良好な金属部品を得ることができる。

第２の態様に係るプレス加工装置は、上記第１の態様において、前記別部材は、金属、セラミック、及び、エンジニアプラスチックからなる群から選ばれる材料からなり、前記樹脂部分よりも硬度が高くてもよい。

上記構成によれば、金属製ピンは、樹脂部分より硬度が高いので、樹脂部分の変形や破損の発生をより抑制できる。

第３の態様に係るプレス加工装置は、上記第１又は第２の態様において、前記樹脂部分、および、その中に設置される別部材と、金型の土台となるダイセットとの間に、プレートを配置させてもよい。

第４の態様に係るプレス加工装置は、上記第１から第３のいずれかの態様において、前記別部材が、複数個存在してもよい。

第５の態様に係るプレス加工装置は、上記第１から第４のいずれかの態様において、前記樹脂部分の中に貫通穴が設けられ、前記貫通穴の中に、前記別部材が配置されていてもよい。

第６の態様に係るプレス加工装置は、上記第１から第５のいずれかの態様において、前記樹脂部分が、３次元樹脂造形、樹脂射出成形、又は、樹脂切削のいずれかによって製作され、前記樹脂部分の内部に貫通穴が設けられていてもよい。

以下、本実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。図面において、実質的に同一の部材には同一の符号を付している。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係るプレス加工装置１００において、パンチ及びダイの樹脂部分１０２、１０５に金属製ピン１０３、１０６を配置させたプレス金型の断面構造を示す概略側断面図である。
このプレス加工装置１００は、金属と樹脂を複合させたパンチとダイの加工工具を含むプレス金型を用いている。このパンチ及びダイは、金属部分１０１、１０４を保持するベースとなる樹脂部分１０２、１０５の中に、金属部分１０１、１０４と接し、樹脂部分１０２、１０５と同じ長さの別部材である金属製の部品の金属製ピン１０３を内蔵させている。
所定の金属板金部品を得るために、金属板金１０７と接触するパンチの金属部分１０１と、ダイの金属部分１０４とによって、金属板金１０７の打ち抜き加工を行う。パンチの金属部分１０１は、ベースとなる樹脂部分１０２に固定されており、同様に、ダイの金属部分１０４は、ベースとなる樹脂部分１０５に固定されている。パンチの金属部分１０１は、打ち抜き加工の際にダイの穴１２０を貫く先端部を有する。なお、パンチ及びダイは、金属部分１０１、１０４を有するが、金属に限られず、十分な硬度が得られればセラミックからなる部分であってもよい。パンチの樹脂部分１０２とダイの樹脂部分１０５とは、それぞれポリカーボネイトやＭＣナイロンなどの硬い樹脂材料を切削加工などで作られる。なお、３Ｄプリンターを用いて樹脂造形で作ってもよい。パンチとダイの金属部分１０１、１０４は、接着などによる化学的結合、ボルト止めなどの機械的結合にて、パンチとダイの樹脂部分１０２、１０５にそれぞれ固定されている。このとき、パンチの樹脂部分１０２には、穴が加工されており、その穴に金属製ピン１０３が挿入されている。同様に、ダイの樹脂部分１０５にも穴が加工されており、その穴に金属製ピン１０６が挿入されている。

その他、このプレス金型は、上型は、上型のベースとなる上ダイセット１０８、パンチの加工荷重を受けるバッキングプレート１０９、パンチを保持するパンチプレート１１０、スプリング荷重を受けるストリッパバッキング１１１、パンチを位置決めするストリッパプレート１１２を含む。また、下型は、下型のベースとなる下ダイセット１１５、ダイの荷重を受けるダイバッキング１１４、ダイを保持するダイプレート１１３を含む。

図１に示す実施の形態１に係るプレス金型を用いたプレス加工装置において、パンチとダイにより被加工材の金属板金１０７に抜きや絞りなどの塑性加工を行う場合、パンチ先端に設置されている金属部分１０１とダイ先端に設置されている金属部分１０４には大きな加工荷重が発生する。この荷重は、パンチのベースの樹脂部分１０２とダイのベースの樹脂部分１０５とに伝わり、樹脂部分に大きな圧縮荷重が作用する。樹脂の強度は非常に弱いため、通常であればその圧縮荷重にて樹脂がつぶされ全長が短くなったり破損したりする。それを防止するために本実施の形態１では、パンチの樹脂部分１０２に設けられている貫通穴の中に金属製ピン１０２が設置され、ダイの樹脂部分１０５に設設けられている貫通穴の中に金属製ピン１０６が設置させている。この金属製ピン１０３は、樹脂部分１０２と同じ長さで金属部分１０１に接しており、同様に、金属製ピン１０６は、樹脂部分１０５と同じ長さで金属部分１０４に接している。そのため、金属部分１０１、１０４に発生した加工荷重は、金属製ピン１０３、１０６に直接伝わり、樹脂部分１０２、１０５がつぶされ破損するのを防止することが出来る。これによって、樹脂部分１０２、１０５の変形や破損が無くなるため、バリや変形の無い金属板金からの金属加工部品を得る事ができる。

＜金属製ピン＞
この金属製ピン１０３、１０６は、樹脂部分１０２、１０５に加工された貫通穴に設置されるが、樹脂部分は変形しやすいため、その貫通穴は、金属製ピン１０３、１０６の径よりも＋０．１ｍｍ〜＋１．０ｍｍの大きめの穴にするのが適切である。さらにこの金属製ピン１０３、１０６は、加工荷重により変形しないように、熱処理を施して硬度を向上させたＳＫＤ１１（合金工具鋼：ダイス鋼）やＳＫ３（工具用炭素鋼）などが望ましい。また、金属製ピン１０３、１０６は、金属に限られず、十分な硬度が得られればセラミック、エンジニアリングプラスチックからなるものであってもよい。これによって、金属製ピン１０３、１０６は、樹脂部分１０２、１０５より硬度が高いので、樹脂部分の変形や破損の発生をより抑制できる。
さらに、金属製ピン１０３、１０６は、金属部分１０１、１０４と接し、樹脂部分１０２、１０５と同じ長さであってもよい。これによって、パンチとダイの金属部分１０１、１０４が受ける加工荷重を金属製ピン１０３、１０６で受けることができる。

＜上ダイセット、下ダイセット＞
プレス金型において上型のベースとなるのは上ダイセット１０８であり、下型のベースとなるには下ダイセット１１５である。この上ダイセット１０８及び下ダイセット１１５は、大きなプレートになるため、加工が容易なＳ５５Ｃ（機械構造用炭素鋼）やＳＳ４００（一般構造用圧延鋼材）などの軟らかい金属が使用される。

＜バッキングプレート、ダイバッキング＞
ところで金属製ピン１０３、１０６の片側端面は、パンチやダイの金属部分１０１、１０４に接しており、他方の端面は金型のプレートに接するように長さを設定している。この時、パンチ側に金属製ピン１０３は上ダイセット１０８に接し、ダイ側の金属製ピン１０６は下ダイセット１１５に接するようにすると、上ダイセット１０８及び下ダイセット１１５が金属製ピン１０３、１０６からの荷重により、へこみ変形が発生する。そのため、金属製ピンの荷重を上ダイセット１０８と下ダイセット１１５とが直接受けないように、パンチの樹脂部分１０２と上ダイセット１０８の間にバッキングプレート１０９を設置し、またダイの樹脂部分１０５と下ダイセット１１５の間にダイバッキング１１４を設置する。このバッキングプレート１０９及びダイバッキング１１４には、ＳＫＤ１１やＳＫＳ３などの焼き入れ加工し強度を増した金属を使用することができる。これによって、バッキングプレート１０９は、上ダイセット１０８よりも小さく薄くでき、加工が容易になる。また、ダイバッキング１１４は、下ダイセット１１５よりも小さく薄くできる。そのため、上ダイセット１０８や下ダイセット１１５が、金属製ピン１０３、１０６によりつぶされ変形するのを防止できる。

（実施の形態２）
図２（ａ）は、実施の形態２に係るプレス加工装置において、樹脂部分１０２に金属製ピン１０３を１ヵ所配置したパンチの断面構造を示す概略側断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の平面図である。
実施の形態２に係るプレス加工装置では、実施の形態１に係るプレス加工装置と対比すると、樹脂部分１０３に金属製ピンを１ヵ所配置したパンチを含むプレス金型を用いている点で相違する。金属板金の加工荷重が小さい時は、樹脂部分１０２の内部に配置する金属製ピン１０３は、金属部分１０１の中央部に１ヵ所配置すればよい。

（変形例１）
図３（ａ）は、実施の形態２の変形例１に係るプレス加工装置において、樹脂部分に金属製ピンを数ヶ所配置したパンチの断面構造を示す概略側断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の平面図である。
実施の形態２の変形例１に係るプレス加工装置では、パンチの樹脂部分に金属製ピンを数ヶ所配置していることを特徴とする。金属板金を加工する周長が長い場合、金属板金の板厚が厚い場合、あるいは、ステンレス鋼などの金属板金自体の硬度が高い場合は、金属部分１０１に大きな加工荷重が発生する。その時、金属部分１０１と金属製ピン１０３との接触面積を大きくするため、金属製ピンの径を大きくするか、本数を多くする必要がある。そこで、金属部分１０１の外周に沿ってバランスよく金属製ピン１０３を配置する。また、図３（ｂ）に示すように、金属製ピン１０３を樹脂部分１０２の金属部分１０１に近い外周に数ヶ所と中央部に１ヵ所配置することも有効である。

（変形例２）
図４は、実施の形態２の変形例２に係るプレス加工装置において、に異形状の加工形状を有するパンチに対して、バランス良く金属製ピンを配置した平面図である。
図４に示すように、金属板金を加工する形状が異形状の場合、工具の金属部分１０１からの加工荷重を均等に受ける必要がある。そこで、変形例２に係るプレス加工装置では、図４に示すように、異形状の加工形状を有するパンチに対して、バランスよく金属製ピン１０３を配置している。

（変形例３）
図５（ａ）は、実施の形態２の変形例３に係るプレス加工装置において、樹脂部分に金属製ピンを数ヶ所配置したダイの平面図であり、（ｂ）は、（ａ）の断面構造を示す概略側断面図である。
ダイは、金属板金を加工するための穴１２０が金属部分１０４に設置されているため、その穴１２０と外周部分とにバランスよく数ヶ所に金属製ピン１０６を配置させる必要がある。そこで、変形例３に係るプレス加工装置では、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、金属部品１０４を保持するベースとなる樹脂部分１０５の中に、金属部品１０４と接し樹脂部品１０５と同じ長さの金属製ピン１０６を内蔵させている。これにより、樹脂部分１０５の変形や破損が無くなるため、バリや変形の無い金属加工部品を得る事が出来る。

なお、本開示においては、前述した様々な実施の形態及び／又は実施例のうちの任意の実施の形態及び／又は実施例を適宜組み合わせることを含むものであり、それぞれの実施の形態及び／又は実施例が有する効果を奏することができる。

本発明に係るプレス加工装置によれば、パンチ又はダイの少なくとも一方のベースとなる樹脂部分の中に、先端部を支持する別部材を有する。このプレス加工装置によって得られた所定の形状の金属加工部品は、良好で所定の形状を有するので、家電製品、自動車部品、日用品などの部品として適用可能である。

１００、１００ａ プレス加工装置
１０１ パンチの金属部分
１０２ パンチの樹脂部分
１０３ 金属製ピン
１０４ ダイの金属部分
１０５ ダイの樹脂部分
１０６ 金属製ピン
１０７ 加工される金属板金
１０８ 上ダイセット
１０９ バッキングプレート
１１０ パンチプレート
１１１ ストリッパバッキング
１１２ ストリッパプレート
１１３ ダイプレート
１１４ ダイバッキング
１１５ 下ダイセット
１２０ 穴
２００ 薄板板金
２０１ パンチ
２０２ 上ダイセット
２０３ パンチプレート
２０４ ストリッパプレート
２０５ ダイ
２０６ ダイプレート
２０７ 下ダイセット
２０８ 打ち抜かれた金属部品
２１０ 強化用樹脂を含侵させた強化体
２１１ パンチの母型
２１２ ダイの母型
２１３ 表面を硬化させた樹脂パンチ
２１４ 表面を硬化させた樹脂ダイ
２１５ 金属板金と接触する金属部品
２１６ 工具のベースとなる樹脂部分
２１７ パンチの樹脂部分
２１８ パンチの表面の金属部分
２１９ ダイの樹脂部分
２２０ ダイの表面の金属部分

Claims (6)

1. 対象物を加工するプレス加工装置であって、
   前記対象物と接し、金属又はセラミックからなる先端部と、前記先端部と固定されベースとなる樹脂部分と、で構成されるパンチと、
   金属又はセラミックからなる部材とベースとなる樹脂部分とで構成されるダイと、
   を備え、
   前記パンチ又は前記ダイの少なくとも一方のベースとなる前記樹脂部分の中に、前記先端部、又は、前記金属もしくはセラミックからなる部材を支持する別部材を有する、プレス加工装置。
2. 前記別部材は、金属、セラミック、及び、エンジニアプラスチックからなる群から選ばれる材料からなり、前記樹脂部分よりも硬度が高い、請求項１に記載のプレス加工装置。
3. 前記樹脂部分、および、その中に設置される別部材と、金型の土台となるダイセットとの間に、プレートを配置させた、請求項１又は２に記載のプレス加工装置。
4. 前記別部材が、複数個存在する、請求項１から３のいずれか一項に記載のプレス加工装置。
5. 前記樹脂部分の中に貫通穴が設けられ、前記貫通穴の中に、前記別部材が配置されている、請求項１から４のいずれかいずれか一項に記載のプレス加工装置。
6. 前記樹脂部分が、３次元樹脂造形、樹脂射出成形、又は、樹脂切削のいずれかによって製作され、前記樹脂部分の内部に貫通穴が設けられている、請求項１から５のいずれかいずれか一項に記載のプレス加工装置。

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