JP2023128492A - 鍛造用パンチおよび金型 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイが破壊されにくい鍛造用パンチを実現する。【解決手段】パンチ（２０）は、ダイ（１０）に形成された凹部（１３）内に配置された金属鋼板（３０）を押圧することにより金属鋼板（３０）の中央部を増肉させるために用いられる鍛造用パンチである。パンチ（２０）は、押圧方向に垂直な断面が点対称形状であり、上面（２２）から下面（２１）にかけてパンチ（２０）を貫通する中空部（４０）を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、金属鋼板の中央部を増肉するために用いられる鍛造用パンチなどに関する。

ダイに配置された対象物に対してパンチを用いて押圧することにより、対象物における所望の領域を増肉する技術が知られている。例えば、特許文献１には、カップ状に成形されたプレス成形品に対して、パンチを用いて押圧することにより側壁部を増肉させる技術が開示されている。

特開２００３－３１７５６５号公報

パンチを用いて対象物を用いて押圧した場合、パンチに反作用による応力が印加される。当該応力により、パンチは、押圧方向に縮み、押圧方向に垂直な方向に広がる。パンチが押圧方向に垂直な方向に広がると、パンチの外周部がダイと接触し、ダイを押圧する。その結果、ダイが破壊されてしまうという問題があった。

本発明の一態様は、ダイが破壊されにくい鍛造用パンチを実現することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る鍛造用パンチは、ダイに形成された凹部内に配置された金属鋼板を押圧することにより前記金属鋼板の中央部を増肉させるために用いられる鍛造用パンチであって、押圧方向に垂直な断面が点対称形状であり、前記金属鋼板を押圧する面である第１面とは反対側の面である第２面に、押圧方向に沿って延びる中空部を有する。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る鍛造用金型は、金属鋼板が内部に配置される凹部が形成されたダイと、前記凹部に載置された前記金属鋼板を押圧することにより前記金属鋼板の中央部を増肉させるために用いられる鍛造用パンチであって、前記金属鋼板を押圧する面である第１面とは反対側の面である第２面に、押圧方向に沿って延びる中空部を有する鍛造用パンチと、を備える。

本発明の一態様によれば、ダイが破壊されにくくすることができる。

本発明の実施形態１に係る金型について、パンチの中心軸を含む平面で切断した断面図である。 上記パンチの斜視図である。 上記パンチの一部を切り欠いた状態を示す斜視図である。 本発明の実施形態２に係る金型について、パンチの中心軸を含む平面で切断した断面図である。 上記パンチの変形例としてのパンチの上面図である。 所定の条件で増肉加工を行ったと仮定したシミュレーションにおける、各領域の変位量を色の濃淡で示した図である。 所定の条件で増肉加工を行ったと仮定したシミュレーションにおける、各領域の変位量を色の濃淡で示した図である。 所定の条件で増肉加工を行ったと仮定したシミュレーションにおける、各領域に印加される応力の大きさを色の濃淡で示した図である。

〔実施形態１〕
以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。図１は、本実施形態における金型１について、パンチ２０の中心軸を含む平面で切断した断面図である。図２は、パンチ２０の斜視図である。図３は、パンチ２０の一部を切り欠いた状態を示す斜視図である。

金型１は、図１に示すように、ダイ１０と、パンチ２０（鍛造用パンチ）とを備えている。金型１は、ダイ１０に載置された円盤状の金属鋼板３０を、パンチ２０を用いて押圧することにより、金属鋼板３０の中央部を増肉させるための金型である。

ダイ１０は、図１に示すように、側壁１１と、支持部１２とを有している。側壁１１は、円形状にダイ１０の外周部を形成している。

支持部１２は、金属鋼板３０がダイ１０に配置されたときに、金属鋼板３０の下面を支持する。支持部１２は、側壁１１の下端部から内側に向けて突出するように設けられている。側壁１１の内面１１Ａと支持部１２の上面１２Ａとは、押圧方向に平行な平面でダイ１０を切断したときの断面において、例えば、円弧などのなめらかな曲線によって接続されている。

上記のように構成されることにより、ダイ１０には、側壁１１の内面１１Ａおよび支持部１２の上面１２Ａにより、凹部１３が形成される。凹部１３には、金属鋼板３０の増肉加工を行う際に、金属鋼板３０が配置される。

パンチ２０は、ダイ１０に形成された凹部１３内に配置された金属鋼板３０を、図示しないプレス機を用いて押圧するための部材である。パンチ２０は、図２および図３に示すように、押圧方向（図１～３における上下方向）に長い略円柱形状となっている。パンチ２０は、押圧方向に垂直な平面（換言すれば、後述する上面２２に平行な平面）で切断した外縁の形状が、中心軸２３を点対称の基準とする点対称形状となっている。

パンチ２０は、金属鋼板を押圧する面である下面２１（第１面）と、押圧方向において下面２１とは反対側の面である上面２２（第２面）とを有している。

下面２１は、外周部に金属鋼板３０と接触する領域である接触部２１Ａを備えており、接触部２１Ａの内側に位置する中央部２１Ｂがパンチ２０の内部に向けて窪んでいる。接触部２１Ａは、押圧方向に対して垂直な平面と平行になるように形成されている。

パンチ２０には、上面２２から下面２１にかけてパンチ２０を貫通する中空部４０が形成されている。中空部４０は、円柱形状であるパンチ２０の中心軸２３が形成されている位置に設けられている。換言すれば、中空部４０は、押圧方向に垂直な平面で切断したときのパンチ２０の切断面（点対称形状）の中心に設けられている。中空部４０は、押圧方向に垂直な断面における形状が円形状になっており、中心軸２３は、当該円形状の中心を通っている。中空部４０は、図１に示すように、第１領域４１、第２領域４２、および第３領域４３により構成されている。以降の説明では、図１に示すように、パンチ２０において、第１領域４１、第２領域４２、および第３領域４３が形成されている領域を、それぞれ領域Ａ１、領域Ａ２および領域Ａ３と称して説明する。

第１領域４１は、上面２２から押圧方向に所定の距離離れた位置までの領域である。第１領域４１は、下端が、押圧方向において上面２２からパンチ２０の全長（すなわち、押圧方向の長さ）の５０～７０％の位置になるように形成されていてもよい。

第１領域４１は、押圧方向に垂直な断面における直径Ｌ１が、押圧方向に亘って一定となっている。直径Ｌ１は、パンチ径Ｌ０（すなわち、パンチ２０の下面２１の直径）の０．１５倍よりも小さいことが好ましい。なぜならば、直径Ｌ１がパンチ径Ｌ０に０．１５倍以上である場合、パンチ２０において荷重を支える断面積が減少し、パンチ２０が損傷する可能性があるためである。換言すれば、第１領域４１の直径Ｌ１をパンチ径Ｌ０の０．１５倍よりも小さくすることにより、パンチ２０が損傷しにくくすることができる。

第２領域４２は、第１領域４１の下端から下方向に少し離れた位置から下面２１までの領域である。第２領域４２の直径Ｌ２は、第１領域４１の直径Ｌ１よりも小さくなっている。換言すれば、第１領域４１の直径Ｌ１は、第２領域４２の直径Ｌ２よりも大きくなっている。

第３領域４３は、第１領域４１と第２領域４２とを接続する領域である。第３領域４３は、径が押圧方向（下方向）に向かうにつれて徐々に小さくなるように形成されている。図１に示す角度θは、第１領域４１を形成する面と、第３領域４３を形成する面とがなす角度である。角度θは、第１領域４１と第２領域４２とを接続するために、９０°以上かつ１８０°未満である必要がある。しかしながら、角度θが小さすぎると、第３領域４３を形成する面が接触部２１Ａと平行に近くなり、増肉加工を行う際に当該面に対して印加される押圧方向の荷重が大きくなってしまう。そのため、角度θは、１００°以上であることが好ましい。

次に、金型１が上記の構成を有することにより、金型１を用いて金属鋼板３０を増肉させる処理において得られる効果について説明する。

金型１を用いて金属鋼板３０の中央部を増肉させるときには、ダイ１０の凹部１３に配置された金属鋼板３０に対して、パンチ２０の下面２１（より詳細には、接触部２１Ａ）を用いて押圧する。これにより、金属鋼板３０のうち接触部２１Ａにより押圧された領域に存在する物質は、押圧方向に垂直な方向に移動しようとする。その際、金属鋼板３０の外周部はダイ１０の側壁１１と当接するため、金属鋼板３０のうち接触部２１Ａにより押圧された領域に存在する物質は外周方向には移動することができず、金属鋼板３０の中央に向かって移動する。これにより、金属鋼板３０の中央部が増肉する。

金属鋼板３０を押圧するときには、パンチ２０に反作用による応力が印加される。当該応力により、パンチ２０は、押圧方向に縮み、押圧方向に垂直な方向に広がる。以降では、押圧方向に垂直な方向に広がる現象を拡径と称して説明する。パンチ２０において拡径が発生すると、パンチ２０の下面２１に近い領域の外周部がダイ１０と接触し、ダイ１０を押圧する。その結果、ダイ１０の側壁１１と支持部１２とが接続されている隅部に対して回転モーメントが印加され、当該隅部が破壊されてしまう。

この問題を解決するために、本実施形態におけるパンチ２０は、中空部４０を有している。中空部４０は、上記のように、押圧方向に垂直な断面が点対称形状となっており、上面２２から下面２１にかけて貫通し、第１領域４１の直径Ｌ１がその他の領域の直径（すなわち、第２領域４２の直径Ｌ２および第３領域４３の直径）よりも大きい。

上記の構成を備えることにより、他の領域より大きい直径Ｌ１を有する第１領域４１が形成されている領域Ａ１において拡径が起こりやすくなる。そのため、中空部４０が形成されていないパンチと比べて、本実施形態のパンチ２０では、下面２１に近い領域である領域Ａ２における拡径量を小さくすることができる。その結果、パンチ２０の拡径によって印加されるダイ１０への応力が小さくなり、ダイ１０の側壁１１と支持部１２とが接続されている隅部に印加される回転モーメントを小さくすることができる。これにより、ダイ１０が破壊しにくくすることができる。

中空部の直径が大きいほど拡径が起こりやすいため、第２領域４２の直径Ｌ２と第１領域４１の直径Ｌ１とが大きく異なっていない場合、領域Ａ１における拡径量と領域Ａ２における拡径量とが大きく異ならない。そのため、領域Ａ１における拡径量を大きくするとともに領域Ａ２における拡径量を小さくするために、第２領域４２の直径Ｌ２は、第１領域４１の直径Ｌ１の０．５倍よりも小さいことが好ましい。

また、上述したように、本実施形態のパンチ２０では、第１領域４１の下端が、押圧方向において上面２２からパンチ２０の全長の５０％以上の位置に位置している。これにより、金属鋼板３０を押圧することによってパンチ２０が受ける応力が領域Ａ１まで伝達されやすくなるので、領域Ａ１において拡径させやすくできる。

また、中空部４０において第１領域４１が下面２１に近い位置まで形成されていると、下面２１に近い領域において拡径されてしまう。これに対して、本実施形態では、上述したように、第１領域４１の下端が、押圧方向において上面２２からパンチ２０の全長（すなわち、押圧方向の長さ）の７０％以下の位置に位置している。これにより、下面２１に近い領域において拡径されにくくなっている。

また、金属鋼板３０の中央部を増肉させた際に、パンチ２０側において増肉されると、増肉された部分の一部がパンチ２０の中空部４０に侵入してしまう虞がある。そのため、本実施形態におけるパンチ２０では、上記のように、下面２１の接触部２１Ａが押圧方向に垂直な平面となるように形成されている。これにより、パンチ２０により金属鋼板３０を押圧して金属鋼板３０の一部が中央部に増肉された際に、ダイ１０側において増肉させ、パンチ２０側において増肉されないようにすることができる。その結果、中空部４０に増肉された部分が中空部４０に侵入しないようになっている。

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

図４は、本実施形態における金型１Ａについて、パンチ２０Ａの中心軸を含む平面で切断した断面図である。図４に示すように、金型１Ａは、実施形態１における金型１の中空部４０に代えて中空部４０Ａを備えている。

中空部４０Ａは、押圧方向に沿って延びるようにパンチ２０Ａの上面２２側に形成されている。中空部４０Ａは、上面２２から、押圧方向において上面２２から所定の距離離れた位置まで到達するように形成されている。上記所定の距離離れた位置は、実施形態１において説明したように、押圧方向において上面２２からパンチ２０Ａの全長の５０～７０％の位置であることが好ましい。中空部４０は、円柱形状であるパンチ２０Ａの中心軸２３が形成されている位置に設けられている。

中空部４０Ａは、押圧方向に垂直な断面における直径Ｌ３が、押圧方向に亘って一定となっている。直径Ｌ３は、実施形態１において説明した理由と同じ理由で、パンチ径Ｌ０の０．１５倍よりも小さいことが好ましい。以降の説明では、図４に示すように、パンチ２０Ａにおいて、中空部４０Ａが形成されている領域を領域Ａ４、それ以外の領域を領域Ａ５と称して説明する。

上記の構成を有するパンチ２０Ａを備えることにより、金属鋼板３０に対する押圧の反作用により応力がパンチ２０Ａに印加されたときに、中空部４０Ａが形成されている領域Ａ４において拡径が起こりやすくなる。そのため、中空部４０Ａが形成されていないパンチと比べて、本実施形態のパンチ２０Ａでは、下面２１に近い領域である領域Ａ５における拡径量を小さくすることができる。その結果、パンチ２０Ａの拡径によって印加されるダイ１０への応力が小さくなり、ダイ１０の側壁１１と支持部１２とが接続されている隅部に印加される回転モーメントを小さくすることができる。これにより、ダイ１０が破壊しにくくすることができる。

＜変形例＞
図５は、実施形態２におけるパンチ２０Ａの変形例５０としてのパンチ２０Ｂの上面図である。図５に示すように、本変形例におけるパンチ２０Ｂは、実施形態２で説明した中空部４０Ａが複数形成されている。複数の中空部４０Ａは、パンチ２０Ｂの中心軸２３を中心とする円の円周上に等間隔で形成されている。上記の構成を有することにより、パンチ２０Ｂは、実施形態２のパンチ２０Ａと同様に、金属鋼板３０に対する押圧の反作用により応力がパンチ２０Ａに印加されたときに、中空部４０Ａが形成されている領域において拡径が起こりやすくすることができる。

なお、複数の中空部４０Ａは、必ずしもパンチ２０Ｂの中心軸２３を中心とする円周上に等間隔で形成される必要がない。しかしながら、複数の中空部４０Ａをパンチ２０Ｂの中心軸２３を中心とする円周上に等間隔で形成することにより、上記点対称形状となっているパンチ２０Ｂの外周部に亘って略均一に拡径するようにすることができるので、パンチ２０Ｂの拡径によって印加されるダイ１０への応力を小さくすることができる。また、本発明の一態様では、複数の中空部４０Ａの代わりに、実施形態１において説明した中空部４０を複数備えていてもよい。また、本変形例では、４つの中空部４０Ａが形成されている例について説明したが、中空部４０Ａの数は４つに限定されるものではなく、２つであってもよいし、３つであってもよいし、５つ以上であってもよい。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本実施例では、実施例としての実施形態１において説明した実施例１のパンチを用いた金型、および、中空部が形成されていない比較例１としてのパンチを用いた金型を使用して金属鋼板の増肉加工をシミュレーションした結果について説明する。

実施例１のパンチ、比較例１のパンチおよびダイはＪＩＳ Ｇ ４４０３：２０１５において規定されているＳＫＨ５１によって構成されているものとし、増肉加工の対象となる金属鋼板はフェライト系ステンレス鋼によって構成されているものとしてシミュレーションを行った。実施例１のパンチは、実施形態１において説明したパンチ２０と同様の形状を有する形状であるものとしてシミュレーションを行った。具体的には、実施例１のパンチ、比較例１のパンチ、ダイ、および、金属鋼板は以下の形状を有するものとしてシミュレーションを行った。

（実施例１のパンチの形状）
パンチ径Ｌ０：６５ｍｍ
領域Ａ１：上面２２から押圧方向に５３％の位置までの範囲
中空部４０の第１領域４１の押圧方向に垂直な断面における直径Ｌ１：パンチ径Ｌ０の０．０６倍
中空部４０の第２領域４２の押圧方向に垂直な断面における直径Ｌ２：直径Ｌ１の０．３倍
第１領域４１を形成する面と、第３領域４３を形成する面とがなす角度θ：１３５°
（比較例１のパンチの形状）
実施例１のパンチにおいて中空部が形成されていない中実体である。

（ダイの形状）
側壁１１の内径：６５．１ｍｍ
押圧方向に平行な平面でダイ１０を切断した断面において、側壁１１の内面１１Ａと支持部１２の上面１２Ａとの接続部分が半径１．５ｍｍの円弧形状をなしている。

（金属鋼板の形状）
直径６５ｍｍ、厚さ５ｍｍの円盤形状。

増肉加工は、パンチと金属鋼板とのせん断摩擦係数、ダイと金属鋼板とのせん断摩擦係数、および、パンチとダイとのせん断摩擦係数を０．０５とし、押圧方向へのパンチの移動速度を１ｍｍ／ｍｉｎとした条件で行ったものとしてシミュレーションを行った。

（シミュレーション結果）
図６および図７は、上記の条件で増肉加工を行った場合における、各領域の変位量を色の濃淡で示した図である。図８は、上記の条件の増肉加工を行ったとシミュレーションした場合における、各領域に印加される応力の大きさを色の濃淡で示した図である。

図６および図７に示すように、実施例１のパンチを用いた場合には、比較例１のパンチを用いた場合に比べて、大きい直径の中空部が形成されている上面に近い領域の外側への変位が大きく、かつ、小さい直径の中空部が形成されている下面に近い領域の外側への変位が小さくなった。

そのため、図８に示すように、実施例１のパンチを用いた場合には、比較例１のパンチを用いた場合に比べてダイの隅部に印加される応力が小さくなった。具体的には、比較例１のパンチを用いた場合にはダイの隅部に印加される応力が２５００ＭＰａであったのに対し、実施例１のパンチを用いた場合にはダイの隅部に印加される応力が２２００ＭＰａであった。

１、１Ａ 金型
１０ ダイ
１３ 凹部
２０、２０Ａ、２０Ｂ パンチ（鍛造用パンチ）
２１ 下面（第２面）
２２ 上面（第１面）
３０ 金属鋼板
４０、４０Ａ 中空部

Claims (5)

1. ダイに形成された凹部内に配置された金属鋼板を押圧することにより前記金属鋼板の中央部を増肉させるために用いられる鍛造用パンチであって、
   押圧方向に垂直な断面が点対称形状であり、
   前記金属鋼板を押圧する面である第１面とは反対側の面である第２面に、押圧方向に沿って延びる中空部を有する、鍛造用パンチ。
2. 前記中空部は、前記押圧方向において、前記第２面から、前記鍛造用パンチの全長の５０～７０％の位置まで到達している、請求項１に記載の鍛造用パンチ。
3. 前記中空部は、
   前記鍛造用パンチを貫通しており、
   前記第２面から所定の位置までの径が、前記所定の位置から前記第１面までの径よりも大きい、請求項１に記載の鍛造用パンチ。
4. 前記中空部は、上記点対称形状の中心に設けられている、請求項１から３のいずれか１項に記載の鍛造用パンチ。
5. 金属鋼板が内部に配置される凹部が形成されたダイと、
   前記凹部に載置された前記金属鋼板を押圧することにより前記金属鋼板の中央部を増肉させるために用いられる鍛造用パンチであって、前記金属鋼板を押圧する面である第１面とは反対側の面である第２面に、押圧方向に沿って延びる中空部を有する鍛造用パンチと、を備える金型。

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