JP4066239B2 - 深絞り加工装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属薄板から筒状容器を成形するための深絞り加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
製缶分野では、有底円筒形状や有底角筒形状の容器をアルミニウム等の金属薄板から成形するために、深絞り加工装置と呼ばれる一種のプレス成形機が利用されている。図１３は、従来の一般的な深絞り加工装置を用いた成形手順を示す概略図である。
【０００３】
深絞り加工装置は、主要要素としてダイス１１、ポンチ１３及びブランクホルダ（シワ抑え板）１４を有する。加工対象である金属薄板（通常、ブランクと呼ばれるため本明細書でもブランクと称す）１０がブランクホルダ１４によってダイス１１に押圧保持された状態（図１３（Ａ）参照）から、ポンチ１３が下降することにより、ブランク１０の中央部をダイス１１の貫通穴１２に押し込む（図１３（Ｂ）参照）。その押圧に伴ってブランク１０の周縁部は貫通穴１２に徐々に引き込まれ、ブランクホルダ１４とダイス１１との間に挟持されつつ摺動する。そして、最終的には図１３（Ｃ）に示すように、ブランク１０の周縁部全て又はその多くがダイス１１の貫通穴１２内に引き込まれ、ポンチ１３の側周面に被さって容器の側壁を形成する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
こうした従来の深絞り加工方法では、引張りによるブランク１０のシワの発生を抑えるには、ブランクホルダ１４によるブランク１０の周縁部の押圧力を大きくすることが好ましいが、そうすると、ブランク１０の周縁部がダイス１１とブランクホルダ１４との間隙で摺動しにくくなり、ポンチ１３の下降に伴い、ブランク１０の一部、特にポンチ１３先端の角部付近やダイス１１の肩の付近で板厚が薄くなり過ぎて、破れなどが生じ易くなる。こうした影響は、ポンチ１３の進出長が大きくなるほど大きくなる。そこで、例えばビール缶などの底の深い缶を成形する場合には、貫通穴１２及びポンチ１３の径の相違する複数の成形型を用意しておき、成形型を交換する（又は別の装置を用いる）ことにより、容器を段階的に深く成形する必要があった。そのため、装置（成形型）のコストが大きく、また成形時間が長くなるために製造効率の向上を阻む一因となっていた。
【０００５】
また、従来の深絞り加工法は、ポンチ１３の周りでほぼ均一にブランク１０を貫通穴１２内に引き込むことができる円筒容器の成形には対応しているものの、底面形状が例えば正方形であるような角筒容器の成形には適さない。何故なら、角筒容器のコーナ部と直辺部とでは、ポンチ１３が下降するに伴って貫通穴１２内に引き込まれるブランクの移動量が相違するため、板厚が不均一になって破れを生じ易いためである。
【０００６】
本発明はこうした課題を解決するために成されたものであり、その第１の目的とするところは、多数種類のダイスとポンチとを用いることなく、従来よりも効率よく筒状容器を成形することができ、ひいてはコストの削減が可能である深絞り加工装置を提供することである。
【０００７】
また、本発明の第２の目的とするところは、円筒容器のみならず角筒容器についても、１種類又は少数種類のダイスとポンチとを用いて効率よく絞り成形を行うことができる深絞り加工装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、深絞り加工方法を長年研究する過程で、平成１３年度塑性加工春季講演会「Friction Aided Deep Drawing Using Tapered Blank-holder Divided Into Four Segments（分割式可動しわ抑え板を用いた摩擦援用深絞り法の開発）」において、新しい構造の深絞り加工装置を提案している。この深絞り加工装置では、上面円環状のブランクホルダを放射状に４つに等分割し、ポンチを挟んで対向する２個のホルダ分割片を１組として、組毎に交互にそのホルダ分割片を内周方向に移動させるようにする。その移動に伴って、該ホルダ分割片とダイスとで挟持されたブランク周縁部は能動的にダイスの貫通穴内に送り込まれる。これにより、従来のいわば一体型のブランクホルダを使用した場合よりも、ポンチの進出に応じてブランクが円滑に貫通穴へと引き込まれるため、引き込みによる無理な力がブランクに掛かりにくく、１種類のダイス及びポンチを用いながら或る程度の深い容器を成形することが可能である。
【０００９】
しかしながら、ブランクホルダを４分割した構成では、対向する１組のホルダ分割片を中心方向に向けて移動させたとき、他の１組のホルダ分割片とダイスとの間ではブランクの周縁部が外向きに膨らむことが判明した。そのため、組毎に交互にホルダ分割片の移動を繰り返しても、ブランク周縁部が能動的に貫通穴内へと送り込まれる効率は必ずしも高くはない。その結果、繰り返し回数を非常に大きくしなければならず、その分、加工時間が長引いてしまう。
【００１０】
そこで、上記課題に加え、こうした点についても改善を図るために、本発明に係る深絞り加工装置は、被成形素材であるブランクから有底筒状容器を成形するために、穴状又は凹形状の外型が設けられたダイスと、該ダイスの外型内に進出するポンチと、前記ブランクを前記ダイスとの間で挟持するブランクホルダと、を具備する深絞り加工装置において、
前記ブランクホルダは、前記ポンチの周りで放射状に分割された上面扇形状の２ｎ（ｎは３以上）個の分割片を含み、
前記ポンチを外型内に進出させる際に、前記２ｎ個の分割片のうちの、周方向に１個おきのｎ個の分割片と、他のｎ個の分割片とをそれぞれ１組として、各組毎に交互に、内周方向に向かって移動するべく力を付与する駆動手段を、備えることを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態、及び効果】
本発明に係る深絞り加工装置では、例えばｎが３であるときには分割片は６個であるから、ポンチの周りに等分割すると各分割片の開き角度は60°である。また、ｎが４であるときには分割片は８個であるから、ポンチの周りに等分割すると各分割片の開き角度は45°である。すなわち、或る１組の分割片のうちの隣り合う２個の分割片で挟まれる部分（つまりは他の１組の分割片のうちの１個の分割片）の角度幅は狭くなっている。駆動手段により付与される力によって、或る１組の分割片が内周方向に向かって移動するとき、それら分割片に直接接している部分のブランク周縁部は内周方向に移動する。一方、その１組の分割片のうちの隣り合う２個の分割片で挟まれる部分に位置するブランク周縁部には、その両側からそれぞれ圧縮力が加わるが、上記のように角度幅が狭いため、圧縮力のうちの外向き方向の成分は小さく、そのため、ブランク周縁部は外向きに移動（膨らみ）が生じにくい。
【００１２】
したがって、本発明に係る深絞り加工装置によれば、ダイスとブランクホルダとで挟持されたブランクの周縁部が効率よくダイスの外型内へと送り込まれるので、より短時間で底の深い容器を成形することができる。また、こうした底の深い容器を成形する場合でも、多数種類のダイス及びポンチを必要とせず、１種類又は少数種類のダイス及びポンチのみを用いて良好な深絞り成形を行うことができる。それによって、筒状容器の製造コストを引き下げることができる。
【００１３】
また、本発明に係る深絞り加工装置は、円筒形状の容器を成形する際に利用することができるのは当然であるが、特に、角筒形状の容器を成形する際に非常に有用である。すなわち、本発明の一実施形態による深絞り加工装置は、底面形状がｎ角形である角筒容器の深絞り加工を行う深絞り加工装置であって、前記ブランクホルダの前記２ｎ個の分割片のうちの、周方向に１個おきのｎ個の分割片は前記角筒容器のコーナ部に、他のｎ個の分割片は該コーナ部の間の直辺部に対応したものである構成とすることができる。
【００１４】
この構成によれば、全ての直辺部と全てのコーナ部とがそれぞれ交互に内周方向にほぼ一斉に外型へと送られるので、周方向の変形や歪が生じにくく、破れ等を発生させずに深い容器を成形することができる。したがって、１種類のダイスとポンチとの組み合わせによって、深い角筒容器を効率よく成形することができる。
【００１５】
なお、本発明の深絞り加工装置においては、ｎを大きくするほどブランク周縁部の外型内への送り込みの効率はよくなるが、その反面、ブランクホルダや駆動手段の構成が複雑になり実用的でなくなる。したがって、一実施形態としてはｎを４とするとよい。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の一実施例である深絞り加工装置について図面を参照して説明する。この実施例の深絞り加工装置は、底面形状が略正方形状である有底角筒容器を絞り成形するものである。
【００１７】
図１は本実施例の深絞り加工装置のブランクホルダの上面図である。図２は図１中のＡ−Ａ’線における本深絞り加工装置の縦断面図である。図３は本装置における成形動作の説明図であり、（Ａ）は図１中のＡ−Ａ’線における縦端面図、（Ｂ）は同じくＢ−Ｂ’線における縦端面図である。図４はブランクホルダの押し込みによるブランク周縁部の変形の状態を示す図であり、（Ａ）は直辺方向の押し込み、（Ｂ）はコーナ方向の押し込みの状態である。図１〜４において、図１３と同一又は相当する構成要素には同一符号を付して、特に必要としない限り説明を略す。
【００１８】
本実施例の深絞り加工装置では、ブランク１０を押さえるためのブランクホルダ１４は、ポンチ１３の周りにほぼ８等分に分割された、上面形状が扇形状であるホルダ分割片１４ａ１〜１４ａ４、１４ｂ１〜１４ｂ４と、上面形状が円環状であって、その上面が内周側から外周側へ向かうに従い下向きに傾斜する扁平円錐状の傾斜面１５ａである台座１５と、から成る。台座１５の傾斜面１５ａ上には径方向に放射状に延在するガイド片（図示しない）が突設されており、ホルダ分割片１４ａ１〜１４ａ４、１４ｂ１〜１４ｂ４の底面に設けられた溝にそのガイド片が嵌合することにより、ホルダ分割片１４ａ１〜１４ａ４、１４ｂ１〜１４ｂ４はそれぞれ傾斜面１５ａに沿って径方向に摺動自在となっている。
【００１９】
なお、８個のホルダ分割片１４ａ１〜１４ａ４、１４ｂ１〜１４ｂ４はポンチ１３の周りに１個おきの４個が１組となっており、符号１４ａ１〜１４ａ４を付した１組のホルダ分割片（以下、単に符号１４ａと記す）は角筒容器の直辺部を形成するものであり、符号１４ｂ１〜１４ｂ４を付した他の１組のホルダ分割片（以下、単に符号１４ｂと記す）は適度なコーナ半径を有する角筒容器のコーナ部を形成するものである。
【００２０】
上記２組のホルダ分割片１４ａ、１４ｂは、図示しない駆動機構によって、組毎に中心方向に連動して移動するべく外周側から押圧されるように構成される。或る１組のホルダ分割片１４ａ又は１４ｂが中心方向に移動するように押圧されるとき、他の１組のホルダ分割片１４ｂ又は１４ａに対する押圧は解除されており、径方向に自在に移動可能である。したがって、例えば図１中の矢印Ｍ１に示すように、１組のホルダ分割片１４ａが中心方向に向かって移動（前進）すると、該ホルダ分割片１４ａに挟まれた他の組のホルダ分割片１４ｂはそれに押されて図１中の矢印Ｍ２に示すように外周方向に移動（後退）する。
【００２１】
上述したようにホルダ分割片１４ａ、１４ｂは傾斜した台座１５上を摺動するため、前進したホルダ分割片１４ａ又は１４ｂの上面はせり上がり、逆に外周方向へと後退したホルダ分割片１４ｂ又は１４ａの上面は沈み込む。そのため、図１に示す移動の場合、図３（Ａ）に示すように、中心方向へと前進するホルダ分割片１４ａ（図３（Ａ）では１４ａ２、１４ａ４）の上面がブランク１０の周縁部の下面に接触し、該ブランク１０に強い摩擦力を与えながら中心方向へと押す。他方、図３（Ｂ）に示すように、外周方向へ後退するホルダ分割片１４ｂ（図３（Ｂ）では１４ｂ１、１４ｂ３）の上面はブランク１０の下面から離間し、該ブランク１０に対する摩擦力が解除される。
【００２２】
ダイス１１の下面には、ブランク１０との間の摩擦をできる限り軽減するように、例えば潤滑性の高い潤滑剤を貼着しておく。これにより、中心方向に移動するホルダ分割片１４ａ又は１４ｂに従って、ブランク１０の周縁部はダイス１１の下面を摺動し、貫通穴１２内に送り込まれる。
【００２３】
本実施例の深絞り加工装置では、ポンチ１３の進出動作（本実施例では上昇動作）の際に、上記のようなホルダ分割片１４ａ、１４ｂの移動動作を交互に行うことにより、ブランク１０から角形筒状容器を深絞り成形する。具体的に言うと、図３中に矢印Ｐ２に示すようにポンチ１３が進出してブランク１０を押し上げる際に、図４（Ａ）に示すように、直辺部１０ａに位置する４個のホルダ分割片１４ａを前進させる動作（コーナ部１０ｂに位置する４個のホルダ分割片１４ｂは後退）と、図４（Ｂ）に示すように、コーナ部１０ｂに位置する４個のホルダ分割片１４ｂを前進させる動作（直辺部１０ａに位置する４個のホルダ分割片１４ａは後退）とを交互に繰り返す。これら前進動作は、ポンチ１３による貫通穴１２内へのブランク１０の引き込みを積極的に補助する。
【００２４】
図４（Ａ）に示すように、ブランク１０の周縁部にあってホルダ分割片１４ａによる押し込み力（図中の矢印Ｍ３）を受ける面は、摩擦力によってホルダ分割片１４ａとほぼ等しく中心方向へ変位する。一方、上記押し込み力を受けない部分では、前進したホルダ分割片１４ａによる周方向の圧縮力及びポンチ１３による引張力が作用する。両側からの圧縮力を合成すると径方向に外向きの成分が生じるが、この成分よりもポンチ１３による引張力が大きければブランク１０の周縁部は中心方向へと移動する。本実施例では、各ホルダ分割片１４ａ、１４ｂの開き角度が比較的小さいため、上記径方向に外向きの成分は小さい。そのため、この部分のブランク１０周縁部も確実に中心方向へと移動する。なお、このとき、この部分にはホルダ分割片１４ｂによるシワ抑え力が作用しないため、若干のシワが発生する。しかしながら、このシワは押し込みを繰り返す過程で順次押し潰されるので、次第に平坦化されていって最終的にはほぼ完全に消去される。このようにして、ブランク１０の外周縁を徐々に縮めながら、ブランク１０をダイス１１の貫通穴１２内に絞り込むことができる。
【００２５】
図５は、本発明者らが作製した本実施例の深絞り加工装置のパラメータと加工条件とを示す図である。図６は、本装置による角筒容器の成形の際の、ブランク１０の周縁部の各半径位置における押し込み回数と中心方向への変位量との関係を実測した結果を示す図である。押し込み回数が奇数であるときには直辺方向（図１でのＡ−Ａ’線上）のホルダ分割片１４ａによる押し込みを行い、押し込み回数が偶数であるときにはコーナ方向（図１でのＢ−Ｂ’線上）のホルダ分割片１４ｂによる押し込みを行っている。また、境界方向とは、直辺方向のホルダ分割片１４ａと、それに隣接するコーナ方向のホルダ分割片１４ｂとが接する直線の方向である。
【００２６】
図６より、直辺方向及びコーナ方向のいずれにおいても、押し込み力を受ける回数時には全て、半径位置においてホルダ分割片１４ａ又は１４ｂの移動量（１mm）とほぼ等しく変位していることがわかる。一方、押し込み力を受けない回数時には変位量に分布が生じており、半径方向に伸びが生じたことがわかる。また、ダイス１１の肩付近での変位量が直辺方向で約１mmであるのに対し、コーナ方向ではその半分程度になっている。更にまた、境界方向では、押し込みの方向に拘わらず、常にホルダ分割片１４ａ、１４ｂの移動量の中心方向成分（cos22.5°=0.92）にほぼ等しく変位していることがわかる。
【００２７】
図７は多数回の押し込みを繰り返したときのブランク１０の上面図、図８はブランク１０から形成された角筒容器の斜視図である。また、ブランク１０の変形の状態を確認し易いように、ブランク１０には周方向に22.5°間隔の放射線状のけがき線と、径方向に２mm間隔の同心円状のけがき線を入れた場合の、成形後の容器側壁のけがき線の状態を図９に示す。
【００２８】
上記のような変位量の状況から、直辺方向とコーナ方向との交互の押し込みを繰り返してゆくと、境界方向の変位量が他の部分よりも大きくなり、その結果、ブランク１０の周縁部には８つの耳１０ｃが形成されてゆく。
【００２９】
一方、図９より、ホルダ分割片１４ａ、１４ｂの境界方向での貫通穴１２内への流入量が他の部分に比べて大きくなっていることがわかる。また、境界方向のけがき線が直辺方向及びコーナ方向のけがき線とほぼ平行になっていることから、境界方向を跨いだブランク１０の周方向への移動は殆ど生じておらず、ホルダ分割片１４ａ、１４ｂによる押圧によって、ブランク１０の変形が適切に規制されていることがわかる。
【００３０】
発明者らの実験によると、本実施例による深絞り加工装置を用いて、図８に示すような、対辺長さの２倍に相当する高さ（深さ）の有底角筒容器も容易に得ることができることを確認できた。
【００３１】
上記実施例は角筒容器を成形するための深絞り加工装置であるが、円筒容器を成形する場合においても、ブランクホルダ１４の分割数を８程度以上にすることが有用である、という点について次に説明する。
【００３２】
図１０（Ａ）は円筒容器成形用の８分割のブランクホルダ１４を示す上面図、図１０（Ｂ）は４分割のブランクホルダ１４を示す上面図である。また、図１１は、８分割ブランクホルダを用いた深絞り加工装置での円筒容器成形の際の、ブランクの周縁部の各半径位置における押し込み回数と中心方向への変位量との関係を実測した結果を示す図、図１２は４分割ブランクホルダを用いた深絞り加工装置での円筒容器成形の際の同様の実測結果を示す図である。
【００３３】
図１１及び図１２より、Ａ−Ａ’方向及びＢ−Ｂ’方向のいずれにおいても、押し込み力を受ける回数時には全て、半径位置においてホルダ分割片１４ａ又は１４ｂの移動量（１mm）とほぼ等しく変位していることがわかる。これに対し、押し込み力を受けない回数時の変位量には、８分割ブランクホルダと４分割ブランクホルダとでは大きな相違がある。
【００３４】
すなわち、４分割ブランクホルダでは、Ａ−Ａ’方向及びＢ−Ｂ’方向のいずれにおいても、押し込み力を受けない回数時に半径位置が２４mmよりも外周側では変位量がマイナスになっている。これは、その回の押し込み力を受ける前よりも外向きに変位している（つまり膨らんだ）ことを意味している。その理由は、４分割のブランクホルダでは１個のホルダ分割片の開き角度が大きいため、両側から受ける圧縮力を合成した力のうちの径方向外向きの成分が大きくなるからである。したがって、例えば、押し込み力を受ける回数時に押し込みによって１mm中心方向へ変位したとしても、次の押し込み力を受けない回数時には外向きに０〜0.4mm変位してしまい、その結果、１回ずつの交互の押し込み動作によって、最悪0.6mm程度ずつしか押し込みの効果が得られないことになる。これに対し、８分割ブランクホルダでは、押し込み力を受けない回数時にも変位量はプラスを保ち、確実に中心方向へ前進していることがわかる。すなわち、この差が成形時の効率の差となって現れる。
【００３５】
したがって、８分割ブランクホルダを用いた場合、４分割ブランクホルダを用いた場合よりも、同じ高さの円筒容器を成形するめに必要とする押し込みの繰り返し回数が少なくて済み、より短時間で、つまり低コストで円筒容器を絞り成形することができる。
【００３６】
なお、上記実施例はいずれも本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜変形や追加を行えることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例である深絞り加工装置におけるブランクホルダの上面図。
【図２】 図１中のＡ−Ａ’線における本実施例の深絞り加工装置の縦断面図。
【図３】 本実施例の深絞り加工装置における成形動作の説明図であり、（Ａ）は図１中のＡ−Ａ’線における縦端面図、（Ｂ）は同じくＢ−Ｂ’線における縦端面図。
【図４】 ブランクホルダの押し込みによるブランク周縁部の変形の状態を示す図であり、（Ａ）は直辺方向の押し込み、（Ｂ）はコーナ方向の押し込みの状態。
【図５】 本実施例の深絞り加工装置のパラメータと加工条件とを示す図。
【図６】 本実施例の深絞り加工装置による角筒容器の成形の際の、ブランク周縁部の各半径位置における押し込み回数と中心方向への変位量との関係を実測した結果を示す図。
【図７】 本実施例の深絞り加工装置を用いて多数回の押し込みを繰り返したときのブランクの上面図。
【図８】 本実施例の深絞り加工装置を用いてブランクから形成された角筒容器の斜視図。
【図９】 成形後の容器側壁のけがき線の状態を示す図。
【図１０】 円筒容器成形用の８分割のブランクホルダを示す上面図（Ａ）、及び４分割のブランクホルダを示す上面図（Ｂ。
【図１１】 ８分割ブランクホルダを用いた深絞り加工装置での円筒容器成形の際の、ブランクの周縁部の各半径位置における押し込み回数と中心方向への変位量との関係を実測した結果を示す図。
【図１２】 ４分割ブランクホルダを用いた深絞り加工装置での円筒容器成形の際の同様の実測結果を示す図。
【図１３】 従来の一般的な深絞り加工装置を用いた成形手順を示す概略図。
【符号の説明】
１０…ブランク
１０ａ…直辺部
１０ｂ…コーナ部
１１…ダイス
１２…貫通穴
１３…ポンチ
１４…ブランクホルダ
１４ａ、１４ａ１〜１４ａ４、１４ｂ、１４ｂ１〜１４ｂ４…ホルダ分割片
１５…台座
１５ａ…傾斜面

Claims (3)

1. 被成形素材であるブランクから有底筒状容器を成形するために、穴状又は凹形状の外型が設けられたダイスと、該ダイスの外型内に進出するポンチと、前記ブランクを前記ダイスとの間で挟持するブランクホルダと、を具備する深絞り加工装置において、
   前記ブランクホルダは、前記ポンチの周りで放射状に分割された上面扇形状の２ｎ（ｎは３以上）個の分割片を含み、
   前記ポンチを外型内に進出させる際に、前記２ｎ個の分割片のうちの、周方向に１個おきのｎ個の分割片と、他のｎ個の分割片とをそれぞれ１組として、各組毎に交互に、内周方向に向かって移動するべく力を付与する駆動手段を、備えることを特徴とする深絞り加工装置。
2. 底面形状がｎ角形である角筒容器の深絞り加工を行う深絞り加工装置であって、前記ブランクホルダの前記２ｎ個の分割片のうちの、周方向に１個おきのｎ個の分割片は前記角筒容器のコーナ部に、他のｎ個の分割片は該コーナ部の間の直辺部に対応したものであることを特徴とする請求項１に記載の深絞り加工装置。
3. 前記ｎは４であることを特徴とする請求項１又は２に記載の深絞り加工装置。

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