JP4846517B2 - 逆押さえをダイ上面より下げたせん断加工方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は自動車、家電製品、建築構造物、船舶、橋梁、建設機械、各種プラント、ペンストック等で用いられる鉄、アルミニウム、チタン、マグネシウムおよびこれらの合金等の金属板からなる構造部材のうち、せん断加工によって生じるせん断加工端面の伸びフランジ性、疲労特性向上に関するものである。

自動車、家電製品、建築構造物等の金属板には、図１のようにパンチ２とダイ３によるせん断加工（穴抜きせん断加工，切断せん断加工）が施されることが多い。図２に示すようにせん断加工面は、金属板１がパンチ２により全体的に押し込まれて形成されるダレ６、パンチ２とダイ３のクリアランス内（以下特に記載がなく“クリアランス”と表記した場合は、パンチとダイのクリアランスを指すこととする）に金属板が引き込まれ局所的に引き伸ばされて形成されるせん断面７、パンチ２とダイ３のクリアランス内に引き込まれた金属板が破断して形成される破断面８、および金属板裏面に生じるバリ９によって構成される。

伸びフランジ性、疲労特性が良いせん断加工面の条件として、端面は加工硬化が少なく、平滑でなければならない。したがって、非特許文献１に紹介されるパンチ２とダイ３のクリアランスを極力小さくし、被加工材に圧縮力を加えることにより大きなせん断面を得ることを特色とするファインブランキング方法では、端面の加工硬化が大きくかえって伸びフランジ性を悪くしてしまい、疲労特性については未知であった。また、大きなクリアランスや、非加工材の折れこみによるバリの発生と端面の粗度増大は、伸びフランジ性、疲労特性に悪影響を与える。

このような観点から、特許文献１において図３のようなパンチ２にせん断加工によって切断するサイズよりも小さな突出部５を設けたせん断加工方法及び装置が提案されている（以下、図３のパンチを突起付きパンチと呼ぶ）。特許文献１によると、突起により被加工材へ曲げ変形を与え、引張の静水圧と加工硬化を被加工材表面へ加えることにより被加工材は切れ易くなり、破壊が一気に進むために加工硬化の少ない平滑な端面が得られる。また、突起の角部を丸めて効率良く材料へ曲げ変形を与えるせん断加工方法が特許文献２により提案されている。

さらに、一度打ち抜いた端面をシェービングする方法も平滑端面が得られるために伸びフランジ性向上、疲労特性向上に有効であり、例えば特許文献３のようなせん断加工とその後のシェービングを１工程で行う方法と装置が提案されている。

特開平５−２３７５５号公報 特開２００６−２２４１５１号公報 特開平６−３９４５０号公報 第96回塑性加工学講座「板材成形の基礎と応用」

以上、特許文献１〜３に示される発明は、いくつかの難点がある。特許文献１，２に示される突起付きパンチにおいては、伸びフランジ性、疲労特性に効果のある適切な突起高さの決定が難しく、金型試作をいくつか行わなければならずコストがかかるという問題がある。また、シェービング加工はシェービング工程が１工程増えることになるためコストの増大を招くという問題がある。特許文献３のように１工程でシェービングまで行う加工の場合は、摺動距離がのびてしまうことから、金型と被加工材が焼きつく場合がある。
そこで、本発明においては金型試作することなく簡易的に突起付きパンチと同等の効果を得ることのできる打ち抜き方法、装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の要旨とするところは、以下のとおりである。 （１）せん断加工用のパンチとダイ、及び前記パンチと対向して被加工材に荷重を負荷する逆押さえを有するせん断加工装置を用いて、逆押さえの初期位置をダイ上面より被加工材の板厚以下の範囲内で下げた位置としてせん断加工を開始して、途中から逆押さえで被加工材に荷重を負荷しながら前記パンチ及び前記ダイでせん断加工する、せん断加工方法であって、前記逆押さえの初期位置を、被加工材へ亀裂が発生した時点から被加工材が分離するまでの間とすることを特徴とする、逆押さえをダイ上面より下げたせん断加工方法。
（２）被加工材が塑性した後、前記逆押さえにより被加工材を押さえることを特徴とする前記（１）記載の逆押さえをダイ上面より下げたせん断加工方法。
（３）前記（１）又は（２）の何れか１項に記載のせん断加工方法を実施するための装置であって、前記パンチの先端面に、打ち抜き形状よりも小さな突出部を有することを特徴とするせん断加工装置。
（４）前記（１）又は（２）の何れか１項に記載のせん断加工方法を実施するための装置であって、前記逆押さえの荷重発生手段がバネ、サーボモータ、または油圧式クッションピンであることを特徴とするせん断加工装置。

本発明により、せん断加工後の端面の伸びフランジ性、疲労特性向上が期待できる。また、適切に板材への曲げ量を加えるための調整も簡易的に行える。

以下に本発明を詳細に説明する。
本発明は、図４に示すように逆押さえ４を用いたせん断加工方法及び装置であり、予め逆押さえ４の位置をダイ３上面よりも被加工材の板厚以下の範囲内で下げた状態でせん断加工を開始することを特徴とする。

本発明者は、突起付きパンチによる効果を検証するための実験を行った結果、突起の大きさ、高さを適切に設定する、すなわち、被加工材１へパンチ２が食い込み始める前までの曲げ量が適切に設定されなければ伸びフランジ性、疲労特性向上の効果が得られないことを発見した。突起５のサイズ、高さを調整するべく金型を新たに作成することは時間とコストがかかる。そこで、より簡易的に被加工材への曲げ量を調整する方法として、パンチング方向に対して逆向きに被加工材を押さえる機構４（以下、逆押さえ４）を設けた上で、その逆押さえ４の初期位置を調整することによって被加工材にパンチ２が食い込み始める前までに加わる曲げ量を調整する方法、装置を発明した。

逆押さえ４は被加工材１へ圧縮力(紙面上向き方向)を加え、さらに被加工材の折れこみ、すなわち被加工材へ加わる曲げを防ぐために主に用いられる。これらの作用により、せん断面７の割合が大きくバリ９の少ない破面が得られる。特に、シャー切断のような場合は逆押さえ４を用いず、被加工材が大きく曲がった状態で切断されると、材料が折れて分離するような状態になり、非常に大きなバリ９が発生してしまい製品としての形を成さない。さらに、はがれと呼ばれる端面への亀裂が生じてしまい、著しく破面の伸びフランジ性を悪くする。

ここで、逆押さえ４を用いないと曲げが加わるということは、この逆押さえ４の位置をダイ３上面から適切な位置に下げておけば、図５に示すように、被加工材１に曲げが加わり、かつ、その曲げ量を伸びフランジ性、疲労特性に影響を及ぼすバリ９発生に繋がらないように途中で矯正することが可能であるということである。

逆押さえ４の初期位置をどこまで下げるかについては、突起付きパンチの突起５のサイズ、高さと同様に試行錯誤が必要である。しかしながら、逆押さえ４の位置を調整することは容易であり、例えば逆押さえ４の荷重発生手段が図４のようにコイルばね１０である場合はこのばね１０の高さを変更すればよい。

逆押さえ４の初期位置の範囲であるが、ダイ３上面から被加工材の板厚の範囲内に設定する。
これは、せん断加工中に逆押さえ４が被加工材へ加わっている曲げを矯正できるための位置範囲として決定される。

逆押さえ４の初期位置については、パンチ２を押しこむことにより被加工材に亀裂が発生した時点から、更にパンチ２の押しこみが進行し、被加工材が分離するまでの間であれば、本発明による効果は大きい（前記（２）に係わる本発明）。なぜならば、被加工材への曲げを加える理由は亀裂の発生を起こしやすくするためであり、亀裂が発生するまでに被加工材へ曲げが加わり続ければ、それ以前で逆押さえ４により曲げが矯正される場合よりも早く亀裂が発生し、破面の加工硬化が少なくなるためである。曲げが大きくなりすぎると、前述のようにかえって逆効果であるため、この位置範囲内で適切に逆押さえを設定しなければならない。

また、パンチ２が突出部付きであれば逆押さえ４の初期位置決定はより容易となる（前記（４）に係わる発明）。これは、突出部５を有しない場合は、被加工材への曲げとパンチ２の食い込みは同時に起こるが、突出部５を有する場合はパンチ２の食い込み前に曲げが加わることによる。例えば、被加工材表面が塑性変形した段階でパンチ２の食い込みを開始させるなどの細かい設定が可能となる（前記（３）に係わる発明）

前記（５）に係わる発明に関し、逆押さえ４に用いる荷重発生手段はバネ、サーボモータ、又は油圧式クッションピンが望ましい。一般的にはバネ、または油圧式クッションピンが用いられる場合が多い。バネや油圧式クッションピンを用いることが簡略かつ低コストであるが、図１５のごとくサーボモータ１６で逆押さえ４をパンチ２の動きに合わせて駆動して被加工材の曲げを矯正するようにしてもよい。この場合、より精度の高い逆押さえ位置の制御ができるため、本発明の効果はより高くなることが期待できる。

（実施例１）
本発明の効果を実証するため、板厚２．９ｍｍのＳ４５Ｃ材に対し、比較(従来)例として、バネを荷重発生手段とする逆押さえの初期位置をダイ上面と一致させた状態と、本発明例としてダイ上面より１．１ｍｍ下げた状態の２通りで、図６に示す形状となるようにせん断加工する試験を行い、加工後の試験片１２に対して図７に示すように引っ張り荷重１１を応力比０にて加える疲労試験を行った。結果を図８に示す。疲労強度は本発明のせん断加工法による試験片が平均して２０MＰaほど高く、本発明の効果は実証された。

なお、逆押さえの初期位置であるが、被加工材に亀裂が発生するパンチ押し込み量が１ｍｍ程度であることをＦＥＭシミュレーションにより見積もった上で、それより０．１ｍｍ大きくして、ダイ上面より１．１ｍｍ下げて試験した。また、パンチとダイスのクリアランスは板厚の１１％に設定した。

（実施例２）
実施例１と同様の条件によりせん断加工を行い、図９に示す６０°のテーパー付きパンチ１３を押し込むことによる伸びフランジ加工を行った（図１０）。荷重発生手段として、サーボモータを用いた。結果を図１１に示す。割れが発生するパンチ押し込み量は本発明のせん断加工法による試験片が平均して５ｍｍほど大きく、本発明の効果は実証された。

（実施例３）
実施例１と同じ試験材を、図１２に示す、パンチサイズよりも小さな突出部を先端部に設けたパンチ１５と、初期位置をダイ上面より０．８ｍｍ下げた逆押さえを用いてせん断加工した試験材（実施例１と同じく図６に示す形状）に対し、実施例１と同じ疲労試験を行った。荷重発生手段として油圧式クッションピンを用いた。従来方法（突起なし、かつ、逆押さえ位置をダイ上面から下げない）によるせん断加工試験片と対比させた疲労試験結果を図１３に示す。疲労強度は平均して２８ＭＰaほど上昇しており、本発明の効果は実証された。

なお、逆押さえの初期位置であるが、被加工材の表面に歪みゲージを貼り付けることにより塑性変形を開始するタイミングがダイ上面から０．８ｍｍであることをその曲げ量から見積もったうえで、ダイ上面より０．８mm下げて試験した。

（実施例４）
実施例３と同じ方法でせん断加工した試験片に対し、実施例２で行った伸びフランジ加工を行った。従来方法（突起なし、かつ、逆押さえ位置をダイ上面から下げない）によるせん断加工試験片と対比させた割れ発生テーパー付きパンチ押し込み量の結果を図１４に示す。パンチ押し込み量は本発明のせん断加工方法によるものが平均して５．５ｍｍほど大きく、本発明による効果は実証された。

せん断加工を模式的に示す図である。 せん断加工による被加工材の端面を模式的に示す図である。 切断サイズよりも小さな突出部を先端に有するパンチを模式的に示す図である。 本発明である、逆押さえを途中まで下げたせん断加工を模式的に示す図である。 本発明による加工の流れを模式的に示した図である。 実施例１〜４に用いた被加工材の加工前、加工後の形状を示した平面図である。 実施例１、３における、疲労試験時の荷重方向を示すための平面図である。 実施例１における、疲労試験結果を示す図である。 実施例２、４に用いた、伸びフランジ加工を模するためのテーパ付きパンチ形状を示す立面図である。 実施例２，４における伸びフランジ加工を模するための試験方法を示す立面図である。 実施例２における、割れが発生するまでのテーパー付きパンチ押し込み量結果を示す図である。 実施例３，４に用いた、先端に突起を有するパンチ形状を示した図である。 実施例３における、疲労試験結果を示す図である。 実施例４における、割れが発生するまでのテーパー付きパンチ押し込み量結果を示す図である。 逆押さえの駆動力に直動式のサーボモータを用いた例

符号の説明

１ 金属板（被加工材）
２ パンチ
３ ダイ
４ 逆押さえ
５ パンチ先端の突出部
６ だれ
７ せん断面
８ 破断面
９ ばり
１０ バネ
１１ 疲労試験時に加える荷重
１２ 実施例１〜４で使用したせん断加工後の試験材
１３ 実施例２，４で使用した伸びフランジ試験のためのテーパー付きパンチ
１４ 実施例２，４における、伸びフランジ試験時に試験材１２を固定するためのジグ
１５ 実施例３，４に使用した、先端に突出部を有するパンチ
１６ サーボモータ

Claims (4)

1. せん断加工用のパンチとダイ、及び前記パンチと対向して被加工材に荷重を負荷する逆押さえを有するせん断加工装置を用いて、逆押さえの初期位置をダイ上面より被加工材の板厚以下の範囲内で下げた位置としてせん断加工を開始して、途中から逆押さえで被加工材に荷重を負荷しながら前記パンチ及び前記ダイでせん断加工する、せん断加工方法であって、
   前記逆押さえの初期位置を、被加工材へ亀裂が発生した時点から被加工材が分離するまでの間とすることを特徴とする、逆押さえをダイ上面より下げたせん断加工方法。
2. 被加工材が塑性変形した後、前記逆押さえで被加工材を押さえることを特徴とする請求項１に記載の逆押さえをダイ上面より下げたせん断加工方法。
3. 請求項１又は２に記載のせん断加工方法を実施するための装置であって、前記パンチの先端面に、打ち抜き形状よりも小さな突出部を有することを特徴とするせん断加工装置。
4. 請求項１又は２に記載のせん断加工方法を実施するための装置であって、前記逆押さえの荷重発生手段がバネ、サーボモータ、又は油圧式クッションピンであることを特徴とするせん断加工装置。