JP4823886B2 - 薄板のブランキングプレス用金型およびブランク加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄系、非鉄系、及び積層材等の各種金属薄板材料のブランキングプレス用金型およびブランクの加工方法に係わり、特に、金型の磨耗等による劣化を検知し、ブランキングによるプレス成形加工工程における伸びフランジ加工時の割れ発生を未然に防止する技術に関する。

金属薄板材料について、プレス成形装置を用いた深絞り加工、曲げ加工等を行う場合には、予め所定の形状に切断する必要があり、生産性及び加工精度の観点から、量産設備においては、せん断加工により材料（ブランク）を打ち抜くブランキングプレスが多用される。

一方、打ち抜かれたブランクの切断端面は、せん断時に発生したダレ、せん断破壊した平滑なせん断面、脆性破壊した粗い破断面、及びバリが発生し、これら端面性状は、次の加工工程や製品性能に大きな影響を及ぼすことが知られている。例えば、プレス成形における、伸びフランジ加工や、バーリング加工における端面割れ、繰り返し荷重が作用する製品の端面を起点とする疲労破壊、突合せ溶接における端面ギャップ過大による溶接不良など、いずれも切断端面の性状が大きく影響する。

このため、切断端面性状を適正に維持するため、ブランキング金型のクリアランスや、刃先磨耗（経時劣化）などを、厳格に管理する必要がある。

これらに対して、金型の寿命予測・判定方法に関して種々の発明が開示されており、例えば特許文献１、２には、材料打抜動作時の金型変位量から寿命判定する方法が開示されている。

また、本発明者らは、摩擦力測定手段としてピエゾ素子又は歪ゲージを、ダイスとしわ押さえ金型の間又はダイス肩に取り付け、プレス加工中の摩擦力を制御することにより、材質のバラツキにかかわらず良好なプレス成形品を製造できる発明を特許文献３に開示した。

特開平５−２８５８８９号公報 特開平５−２８５８９０号公報 特開２００４−２４９３６５号公報

特許文献１、２に開示された、材料打抜動作時の金型変位量から寿命判定する方法は、プレス機自体のガタや弾性変形の影響を含むため、金型自体の磨耗を分離・抽出する事が困難である。

また、特許文献３に開示された発明は、プレス成形時にダイスとしわ押さえ金型に作用する被加工材との摺動摩擦力を測定するものであり、被加工材の摺動が殆ど発生しないブランキング加工において、この情報だけで、金型の磨耗を予測することは困難である。

本発明は前記の点に鑑みてなされたものであり、素材特性のバラツキやブランキング工程における金型の経時劣化等を、簡易的に評価し、良好なプレス成形加工を可能とすることを目的とする。

係る課題を解決するため、本発明の手段は、以下のとおりである。
（１）ポンチ及びダイス金型を有する薄板のブランキングプレス用金型であって、ダイス金型の側面に作用する、ブランキング方向と直角方向の加工反力を測定する加工反力測定手段が、ポンチ及び／又はダイス金型にブランキング方向と直角方向に埋め込まれていることを特徴とする薄板のブランキングプレス用金型。
（２）加工反力測定手段が、ブランク形状に沿って、ポンチ及び／又はダイス金型に複数埋め込まれていることを特徴とする（１）記載の薄板のブランキングプレス用金型。
（３）加工反力測定手段が、プレス成形加工工程において、伸びフランジ変形を生じる部位に対応するブランキングプレスのポンチ及び／又はダイス金型の部位に埋め込まれていることを特徴とする（１）又は（２）記載の薄板のブランキングプレス用金型。
（４）加工反力測定手段が圧電素子であることを特徴とする（１）〜（３）の何れか１項に記載の薄板のブランキングプレス用金型。
（５）更に、ブランキングプレス加工中の反力パターンを記録する記憶手段と、予め記憶した標準の反力パターンと比較する比較手段を有することを特徴とする（１）〜（４）の何れか１項に記載の薄板のブランキングプレス用金型。
（６）更に、標準パターンとの差が予め設定した閾値を超えた部位がある場合に警告を表示する警告手段を有することを特徴とする（５）記載の薄板のブランキングプレス用金型。

（７）前記（５）又は（６）記載の金型を用いてブランキングプレス加工を行う際に、ブランキングプレス加工中に測定された反力パターンと、標準パターンとの差が予め設定した閾値を超えた部位がある場合に、プレス成形加工前に、当該部位のブランク切断端面を研磨することを特徴とするブランク加工方法。

本発明により、ブランキング加工における、金型磨耗等による劣化を検知し、プレス成形加工工程における伸びフランジ加工時の割れ発生を未然に防止することができる。

以下に図面を用いて詳細を説明する。
本発明の実施態様の一形態を図１、２に示す。本発明に係わる薄板のブランキングプレス用金型には、ブランキング方向（紙面垂直方向）と直角方向（紙面に平行な方向）の加工反力を測定する加工反力測定手段３が、ダイス金型１にブランキング方向と直角方向に埋め込まれている。

ブランキング加工中の被加工材には、ブランキング方向の圧縮変形に伴い、高い静水圧が発生し、特にダイス金型の側面には高い圧力（側方圧）が作用する。金型の磨耗劣化が進行すると、実質的に金型クリアランスが増大し、この側方圧に顕著な変化が生じることを見出した。そこで、この側方圧を、加工反力測定手段を用いて測定することで、金型磨耗すなわち実質的な金型クリアランスの経時変化を捉えることが可能となる。また、この側方圧は、素材特性のバラツキによっても変化することから、比較的ゆっくりした経時変化である金型磨耗と共に、短周期の素材特性バラツキをも捉えることができる。

また、金型磨耗は、切断面全体に均一に発生する訳ではないので、加工反力測定手段をブランク外形状に沿って複数設けることが好ましく、さらに金型磨耗により、切断端面の性状が劣化し、プレス成形時に伸びフランジ割れを発生しやすい箇所を、監視することが好ましい。

ここでは、最終的に、図３のような形状の加工品４をプレス成形するため、図４のような形状にブランキング加工する。そのため、プレス成形時に伸びフランジ変形する場所（伸びフランジ５という）に、加工反力測定手段として圧電素子３を用いて反力を測定する。

なお、伸びフランジ変形とは、当初の平面形状のブランクに比較して、成形加工後にフランジ部が伸び変形すること、つまり端部の周長が伸びる部分の変形を言う。

また、加工反力測定手段には、各種歪みゲージや、ロードセル、散乱光を利用した光ファイバー式歪みセンサー、圧電素子などがあるが、局所的な金型圧力を、かつブランキング時の極めて短時間の変化を測定することから、取り付けが容易で、小型かつ高応答である圧電素子を用いることが好ましい。

図５には、ブランキング加工中の反力の一例を示す。図５で、（ｘ_ｉ、Ｒ０_ｉ）は、金型更新直後のデータを示し、（ｘ_ｉ、Ｒ_ｉ）は、金型を２０００回使用した後のデータを示す。ここで、金型更新直後の磨耗が無い場合と、多数回使用により金型が磨耗した場合では、波形に差が現れる。すなわち、金型の磨耗が進行すると、せん断変形時の被加工材に発生する静水圧が低下するため、加工反力が低下してくる。また切れ味が低下するため、反力パターン自体も形が変化する。そこで、波形変化を指標化する方法を示す。ここでは、ブランキング加工中の加工反力の履歴データ（ Ｒ_ｉ（ｉ＝１〜Ｎ） ）と、金型更新直後の磨耗が無い標準状態の履歴データ（ Ｒ０_ｉ（ｉ＝１〜Ｎ） ）との各データ点における、差の標準偏差（ √｛Σ（Ｒ_ｉ−Ｒ０_ｉ）²／（Ｎ−１）｝ ）で、波形変化を表す。（但し、Ｎはデータ点数）さらに、求めた標準偏差を、標準状態における加工反力の平均（ΣＲ０_ｉ／Ｎ）で無次元化した値（Ｄ）を、金型磨耗を示す指標として用いる。本例では、金型更新直後の磨耗が無い標準状態の履歴データ（ Ｒ０_ｉ（ｉ＝１〜Ｎ） ）を“標準の反力パターン”として記憶手段（例えばメモリーなど）に記録しておき、ブランキング加工中の加工反力の履歴データ（ Ｒ_ｉ（ｉ＝１〜Ｎ） ）を記憶手段に記録すると共に、比較手段（例えばコンピュータ）が値（Ｄ）を算出して、標準の反力パターンと比較するように構成することができる。

すなわち、加工中の加工反力の履歴データ（ Ｒ_ｉ（ｉ＝１〜Ｎ） ）および、金型更新直後の磨耗が無い標準状態の履歴データ（ Ｒ０_ｉ（ｉ＝１〜Ｎ） ） （但し、Ｎはデータ点数）から、
Ｄ＝√｛Σ（Ｒ_ｉ−Ｒ０_ｉ）²／（Ｎ−１）｝／（ΣＲ０_ｉ／Ｎ） （ｉ＝１〜Ｎ）
（１）
を金型磨耗を示す指標として用いる。

金型磨耗を示す指標は、この式に限定されるものではなく、反力履歴の生波形に、フーリエ変換など、各種の波形処理を施したデータを用いても構わない。

ブランクを打ち抜く毎に、反力履歴から、上記指標を計算し、予め設定した閾値Ｄｃを超えた場合に、警告を表示する。警告が出たブランクについては、切断不良として、プレス成形工程には直接送らず、廃棄するか、好ましくは、ブランク端面の補修を行うことで、後工程での不良発生を未然に防止できる。さらに、警告が続発するようであれば、金型の寿命が近いことから、金型交換や金型補修を行ことで、後工程での大量の不良品発生を未然に防止できる。

また、警告表示されたブランクの補修は、適当な枚数をまとめて積み重ね、伸びフランジ変形する箇所のみを、例えば、バフ研磨することで、特別な金型等を用いずに、安価に、歩留まり低下を防止できる。

本発明例として、図１に示す、ブランキング用金型を試作した。材料として、板厚１．４ｍｍの高張力鋼板（ＪＳＣ５９０Ｒ）を用いた。

最も伸びフランジ変形の厳しい箇所（図３に示す伸びフランジ部５）に相当する位置として、図１に示す加工反力測定手段取り付け用穴２を金型表面から深さ１０ｍｍで、金型１の内壁７から１０ｍｍの位置に圧電素子を水平方向に取り付けた。

ブランキング加工中、加工反力を１０ｋＨｚでサンプリングし、（１）式に示すＤ値を計算した。ここで、加工反力の標準パターンは、金型更新後、最初の１０回の平均から求めた。

図６に、連続的にブランキング加工を行った際の、Ｄ値の経時変化を示す。

Ｄ値が、閾値Ｄｃ＝０．３を上回った場合には、警告ランプを点灯し、切断不良ブランクとして、取り除いた。ブランキング回数が、８０００回を超えると、切断不良が散発し始め、９０００回を超えると、切断不良が続発したことから、９４３０回まで打ち抜いた後、製造を中断し、予備の金型に交換した。

切断不良ブランクは、伸びフランジ変形部の端面性状が不良であったため、ブランクを積み重ね、当該部位のバフ研磨を行い、次工程へ送った。

その結果、次工程のプレス成形においては、伸びフランジ部の端面割れは、全く発生せず、良品が得られた。

比較例として、切断不良ブランクも、端面の研磨をすることなく、次工程で、同様なプレス成形を行った場合には、１００００枚のブランクに対して、約６％の不良（端面割れ）が発生した。

本発明の薄板のブランキングプレス用ダイス金型の（ａ）平面図、（ｂ）Ｂ−Ｂ断面の縦断面図である。 本発明の薄板のブランキングプレス用ダイス金型の断面図（図１のＡ−Ａ断面）である。 プレス成形加工品の一例である。 図３の成形加工品のブランキング加工後のブランク形状である。 ブランキング加工中の反力の履歴である。 （１）式の金型磨耗指標Ｄの時系列変化を示すグラフである。

符号の説明

１ ブランキングプレス用ダイス金型
２ 加工反力測定手段取り付け用穴
３ 加工反力測定手段（圧電素子）
４ プレス成形加工品
５ 伸びフランジ部
６ ブランク素材
７ 内壁

Claims (7)

1. ポンチ及びダイス金型を有する薄板のブランキングプレス用金型であって、ダイス金型の側面に作用する、ブランキング方向と直角方向の加工反力を測定する加工反力測定手段が、ポンチ及び／又はダイス金型にブランキング方向と直角方向に埋め込まれていることを特徴とする薄板のブランキングプレス用金型。
2. 加工反力測定手段が、ブランク形状に沿って、ポンチ及び／又はダイス金型に複数埋め込まれていることを特徴とする請求項１記載の薄板のブランキングプレス用金型。
3. 加工反力測定手段が、プレス成形加工工程において、伸びフランジ変形を生じる部位に対応するブランキングプレスのポンチ及び／又はダイス金型の部位に埋め込まれていることを特徴とする請求項１又は２記載の薄板のブランキングプレス用金型。
4. 加工反力測定手段が圧電素子であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の薄板のブランキングプレス用金型。
5. 更に、ブランキングプレス加工中の反力パターンを記録する記憶手段と、予め記憶した標準の反力パターンと比較する比較手段を有することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の薄板のブランキングプレス用金型。
6. 更に、標準パターンとの差が予め設定した閾値を超えた部位がある場合に警告を表示する警告手段を有することを特徴とする請求項５記載の薄板のブランキングプレス用金型。
7. 請求項５又は６記載の金型を用いてブランキングプレス加工を行う際に、ブランキングプレス加工中に測定された反力パターンと、標準パターンとの差が予め設定した閾値を超えた部位がある場合に、プレス成形加工前に、当該部位のブランク切断端面を研磨することを特徴とするブランク加工方法。

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