JP5098205B2 - 電磁鋼板打抜き部の疲労強度および磁気特性向上方法 - Google Patents

Description

本発明は自動車、家電・重電分野の部品等に利用される電磁鋼板の加工端部の疲労強度および磁気特性の向上方法にかかわるものである。

打抜き加工を含むせん断加工により新たに生じる加工端面をもつ鋼に繰返し荷重が作用すると、加工部は切り欠きとなって、加工端面から疲労き裂が発生して破壊に至る。自動車、家電・重電分野などのモーターに使用される電磁鋼板は、打抜き加工等が施された後、高回転速度で使用されると、回転に伴う遠心力により加工端部に応力が集中して疲労破壊することが問題になっている。また他方で打抜きなどの加工に伴って加工前の良好な磁気特性が劣化することが多く、加工部の疲労特性の向上ならびに磁気特性の向上が切望されている。

このうち疲労破壊問題に対し、溶接部等の疲労強度向上を目的とした超音波衝撃処理が近年開発され、超音波衝撃処理を溶接部および機械加工穴に適用することにより疲労強度を向上させる方法が特許文献１に開示されている。なお、超音波衝撃処理とは、超音波発生機から発生された数十KHzの超音波振動をピン等の工具を介して対象物に押し当てて、塑性変形により表面形状の改善および残留応力の緩和・再配置等を行う処理である。

また打抜き部の疲労強度向上を目的として、穴縁に超音波衝撃処理を施す方法が、特許文献２に開示されている。

米国特許6338765号公報 特開2004-115856号公報

特許文献１では超音波エネルギーを振動に変換するトランスデューサーのヘッドに針状の工具を取り付けた装置によるドリル穴への処理方法を開示しており、その方法はドリル穴の端面および角部全周に対して一様に処理する方法であり、電磁鋼板について打抜き加工後の端面の疲労強度および磁気特性の向上を目的とした発明ではない。

また特許文献２では、穴縁から打抜き端面から荷重作用方向と直角方向に伸びるように超音波衝撃処理を施す方法が開示されているが、電磁鋼板について打抜き加工後の端面の疲労強度および磁気特性の向上を目的とした発明ではない。

本発明は、電磁鋼板打抜き加工部の疲労強度および磁気特性の両方を向上させる方法を得ようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その要旨は次のとおりである。
（１）電磁鋼板の打抜き加工により生じる端面角部およびその端面から板厚以上の範囲の裏面について超音波衝撃処理を行うことを特徴とする電磁鋼板加工端部の疲労強度および磁気特性向上方法。
ここで、裏面とは、前記打抜き加工において電磁鋼板のダイが接触する面を指す。
（２）さらに、前記超音波衝撃処理を表面にも行うことを特徴とする、請求項１に記載の電磁鋼板加工端部の疲労強度および磁気特性向上方法。
ここで、表面とは、前記打抜き加工において電磁鋼板のポンチが接触する面を指す。
（３）打抜き加工部の円周方向側面を形成する最小曲率半径の部分について超音波衝撃処理を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の電磁鋼板加工端部の疲労強度および磁気特性向上方法。

本発明による方法は、超音波衝撃処理の位置および長さを規定して電磁鋼板打抜き加工部近傍の残留応力を低減させているため、その原理は広範囲にわたり適用可能である。従って疲労破壊および磁気特性の両方の向上が課題となる電磁鋼板の加工に際し、設計面で特別な配慮を必要とせず高い疲労強度および磁気特性を安定して得ることが可能であり、工業的な価値が極めて高い発明であるといえる。

以下に本発明を詳細に説明する。

本発明者は、疲労特性および磁気特性の向上が問題となっている電磁鋼板の打抜き加工部について両方の特性を両立する方法の検討を行った。

まず、電磁鋼板打抜き加工部の端面付近の変形状況および残留応力分布を検討した結果、塑性変形状態は図3に、残留応力は図4に示す分布をしていることが判明した。すなわち、図３のようにダイ２とポンチ１の間で打抜かれる打抜き部４および残存部３において、打抜き部４の裏面側角部６と残存部３の表面側角部８に引張変形が、打抜き部４の表面側角部７と残存部３の裏面側角部５に圧縮変形が存在する。

これらの塑性変形部は隣接部の拘束を受け、図４に示すように打抜き部４の裏面側角部６と残存部３の表面側角部８の引張変形部には圧縮残留応力が、打抜き部４の表面側角部７と残存部３の裏面側角部５の圧縮変形部には引張残留応力がそれぞれ発生する。またこれら変形部の隣接部9〜12には、変形部の残留応力とバランスする反対符号の残留応力、すなわち残存部３の裏面側角部５の隣接部9および打抜き部４の表面側角部７の隣接部11には圧縮残留応力が、打抜き部４の裏面側角部６の隣接部10および残存部３の表面側角部８の隣接部12には引張残留応力がそれぞれ発生することが判明した。

このような打抜き加工部において、特にダイ２と接触する残存部３の裏面側角部５の鋭利な形状、および裏面側角部５を中心とした圧縮変形により発生する引張残留応力が疲労特性の低下を招いていることを把握した。また磁気特性については、引張・圧縮にかかわらず加工による塑性変形に伴う残留応力の発生が磁気特性を低下させていることも知見した。

この２つの問題の解決手段を鋭意検討した結果、疲労強度向上のために鋭利な裏面側角部５の形状を改善すること、および磁気特性低下防止のために残留応力の絶対値を下げるように塑性変形を与えることが有効との結論に至り、裏面側角部５および／又は表面側角部８を中心に超音波衝撃処理を行うことが疲労特性および磁気特性の向上にさらに有効であることを知見した。超音波衝撃処理は、超音波エネルギーを振動エネルギーに変換して対象物に塑性変形を与え、主に工具の形状にならって表面形状を滑らかに改善する効果、および塑性変形に伴って圧縮残留応力を発生させる効果の２つの効果により対象物の疲労強度を向上させる。

超音波衝撃処理された部分の応力状態を詳細に調査した結果、裏面側角部５では打抜き加工により図３に示すように圧縮変形が生じ、その結果引張残留応力が発生しており、応力とひずみの関係を示すと図５の状態にある。この引張残留応力は、圧縮歪の量およびバランスする隣接部の体積、境界長さ等により変化するが、概ね降伏応力相当の値になっている。

本発明ではこの部分に超音波衝撃処理を施すことにより、引張の塑性変形を与えて図6に示すような応力とひずみの関係とすることにより残留応力を低減させ、疲労強度の向上、ならびに磁気特性の向上を両立させるに至った。この場合、超音波衝撃処理によって付与する引張歪は僅かでも引張残留応力が低減するが、先の打抜き加工による圧縮歪を相殺するように同程度の大きさの引張歪を与えることが好ましい。また、裏面側角部５の形状が改善され、かつ圧縮残留応力になることにより、相対的に表面側角部８からの疲労亀裂発生確率が高まることから、表面側角部８にも超音波衝撃処理を施すことで疲労強度の向上を図れることも判明した。

上述のように裏面側角部５および／又は表面側角部８に超音波衝撃処理を施すことが、残留応力の絶対位置を低減させ、疲労特性および磁気特性を両立することができる。

超音波衝撃処理により疲労強度を向上させるための処理範囲は、加工に伴って形成される周辺の塑性変形領域およびそれに伴って発生する残留応力が発生する領域をカバーする範囲まで行うことが必要である。本発明では、打抜き加工によって発生する塑性変形領域および残留応力分布を調べた結果、概ね加工端から素材の板厚相当の範囲までは加工の影響により変形・残留応力が発生していることから、超音波衝撃処理も加工端から板厚以上の範囲の鋼表面に対して行うこととした。

加工端からの処理長さの上限は特に限定しないが、超音波衝撃処理の長さが長くなると、図7に示すように処理部分15の圧縮残留応力とバランスして処理部分に隣接する部分16に発生する引張残留応力の平均値が上昇して疲労破壊や他の破壊を誘発する恐れがあるため、引張残留応力の上昇を抑制するためには、処理長さ18を処理部15と他の自由端面17との間の長さ19以下とすることが好ましい。

さらに本発明者らは、回転時に遠心力を受ける電磁鋼板について、疲労強度および磁気特性の両方を向上させるのに効果的な処理位置を検討した。そのために打抜きによって磁気特性が低下しやすい部位を検討したところ、図８〜１０に示すようにモーターに用いられる電磁鋼板の打抜き部４はメーカーや製品毎に大きさや形が異なるが長孔になることが多く、その円周方向側面２０は打抜き形状の変化部にあたるため打抜きによって変形やしわが生じやすく、その結果磁気特性が低下しやすいことが判明した。また疲労強度向上の観点から応力分布を検討したところ、遠心力によって生じる応力はやはり円周方向側面２０に集中しやすいことが判明した。したがって、疲労強度と磁気特性の両方を向上させるためには、図８〜１０に示す打抜き部４の円周方向側面20について超音波衝撃処理を施すことが効果的との知見を得た。従って例えば図８の電磁鋼板の場合、図１に示すように円周方向側面20を超音波衝撃処理部15とすることで疲労強度と磁気特性の両方を効果的に向上できる。ただし図２に示すように打ち抜き部全周を超音波衝撃処理部15としても、本発明の効果を損なうものではない。

さらに、打抜き部４の円周方向側面20は複数の曲率半径から成る曲線により形成されていることが多いことから、より効果的な処理位置を検討したところ、曲率半径が小さいほど打抜きによる変形やしわの程度が大きくなり、磁気特性の低下が著しいこと、また疲労強度の観点からも曲率半径が小さいほど疲労強度の低下が顕著であることを見出し、打抜き部の拡大図を図11〜図13に示すように円周方向側面20を形成する最も小さな曲率半径の部分21を超音波衝撃処理することが、疲労強度および磁気特性の両方を向上させるのにさらに効果的であることを見出した。なお、図11に示すように最も小さな曲率半径の部分21が１つの円周方向側面20に複数ある場合には、これらを全て超音波衝撃処理することでさらなる疲労強度向上効果を得ることができる。

付与する超音波は20〜32ｋＨｚ、ピン振幅25〜35μｍとすることが好ましい。

0.5mm厚の無方向性電磁鋼板を、幅108mm、長さ500mmの帯板に加工し、その帯板の中央部に、図１４〜１６に示す穴を打抜き加工し、加工部に超音波衝撃処理を施した。超音波衝撃処理装置は、振動周波数26ｋHz、ピン振幅25〜30μｍ、工具は直径2mmの円筒状ピンを用いて人手により加工端部に押し当てることにより処理した。処理は長さ1cm当たり5秒の速さで一方向にピンを移動させて行い、同じ箇所を２度以上処理することはしなかった。

処理した試験片の長手方向に繰り返し荷重を負荷し、荷重制御、応力比R＝0（完全片振り）の条件において室温大気中で疲労試験を行った。さらに試験片の疲労亀裂発生位置、すなわち打抜き加工部の裏面側端部で円周方向側面に当たる部分について、Ｘ線による残留応力測定を行った。また同じ試験片を日本電機工業規格JEM1432「単板磁気試験方法」に準拠して鉄損を評価した。比較のため超音波衝撃処理を施さない試験片も製作し、同様にX線による残留応力測定（プラスは引張残留応力、マイナスは圧縮残留応力）、疲労試験および磁気特性の評価を行なった。これらの結果をまとめて表１に示す。

まず図14の試験片について見ると、超音波衝撃処理を施さないNo.26の比較例は+165MPaの引張残留応力に対し、本発明の方法であるNo.1〜9は残留応力が低減するか圧縮側に変化しておりかつその絶対値が小さくなっており、その結果、疲労強度は1.3倍以上に増加し、鉄損は75%以下に低減しており、本発明の方法は疲労強度および磁気特性の両方を改善している。No.3〜5は同じ処理長さ5mmの試験片であるが、裏面のみを処理したNo.3の試験片に対して表裏面を処理したNo.4は7%程度、表裏面でかつ円周方向側面のみを処理したNo.5はさらに10%程度の疲労強度向上効果を示している。またNo.6〜8も同じ処理長さ7mmの試験片であるが、裏面のみを処理したNo.6の試験片に対して表裏面を処理したNo.7は10%程度、表裏面でかつ円周方向側面のみを処理したNo.8はさらに5%程度の疲労強度向上効果を示している。No.5およびNo.8の試験片のように本発明の（２）に係る発明の方法も、疲労強度および磁気特性の両方の向上に有効であることが判明した。

次に図15の試験片について見ると、超音波衝撃処理を施さないNo.27の比較例は+172MPaの引張残留応力に対し、本発明の方法であるNo.10〜17は残留応力が全て圧縮側に変化し、かつその絶対値が小さくなっており、その結果、疲労強度は1.3倍以上に増加し、鉄損は75%以下に低減しており、本発明の方法は疲労強度および磁気特性の両方を改善している。No.10〜13は同じ処理長さ5mmの試験片であるが、裏面のみを処理したNo.10の試験片に対して表裏面を処理したNo.11は疲労強度が7%程度向上し、表裏面でかつ円周方向側面のみを処理したNo.12はさらに6%程度の疲労強度向上効果を示している。

表裏面でかつ最小曲率半径の部分を処理したNo.13はNo.12よりもさらに若干の疲労強度向上効果が認められる。またNo.14〜17は同じ処理長さ7mmの試験片であるが、裏面のみを処理したNo.14の試験片に対して表裏面を処理したNo.15は疲労強度が6%程度向上し、表裏面でかつ円周方向側面のみを処理したNo.16はさらに6%程度の疲労強度向上効果を示している。表裏面でかつ最小曲率半径の部分を処理したNo.17はNo.16よりもさらに若干の疲労強度向上効果が認められる。このように、No.12およびNo.16のように本発明の（２）に係る方法、No.13およびNo.17のように本発明の（３）に係る方法は、いずれも疲労強度および磁気特性の両方を向上させることが判明した。

さらに図16の試験片について見ると、超音波衝撃処理を施さないNo.28の比較例は+177MPaの引張残留応力に対し、本発明の方法であるNo.18〜25は残留応力が全て圧縮側に変化しており、かつその絶対値が小さくなっており、その結果、疲労強度は1.4倍以上に増加し、鉄損は80%以下に低減しており、本発明の方法は疲労強度および磁気特性の両方を改善している。No.18〜21は同じ処理長さ３mmの試験片であるが、裏面のみを処理したNo.18の試験片に対して表裏面を処理したNo.19は疲労強度が7%程度向上し、表裏面でかつ円周方向側面のみを処理したNo.20はさらに10%程度の疲労強度向上効果を示している。

表裏面でかつ最小曲率半径の部分を処理したNo.21はNo.20よりもさらに若干の疲労強度向上効果が認められる。またNo.22〜23は同じ処理長さ7mmの試験片であるが、裏面のみを処理したNo.22の試験片に対して表裏面を処理したNo.23は疲労強度が8%程度向上し、表裏面でかつ円周方向側面のみを処理したNo.24はさらに9%程度の疲労強度向上効果を示している。表裏面でかつ最小曲率半径の部分を処理したNo.25はNo.24よりもさらに若干の疲労強度向上効果が認められる。このように、No.20およびNo.24のように本発明の（２）に係る方法、No.21およびNo.25のように本発明の（３）に係る方法は、いずれも疲労強度および磁気特性の両方を向上させることが判明した。

以上、実施例で示したように本発明の方法は電磁鋼板加工部の疲労特性および磁気特性の向上に有効であることが判明した。

本発明における超音波衝撃処理を施す位置を示す図である。 本発明における超音波衝撃処理を施す位置を示す別の図である。 打抜き加工における塑性変形の分布を示す図である。 打抜き加工における残留応力の分布を示す図である。 打抜き等加工による裏面側角部の加工履歴を示す模式図である。 超音波衝撃処理による裏面側角部の加工履歴を示す模式図である。 打抜き等加工による裏面側角部の超音波衝撃処理長さおよび処理部と他の自由端面との間の長さを示す模式図である。 電磁鋼板における打抜き部の例を示す図である。 電磁鋼板における打抜き部の例を示す別の図である。 電磁鋼板における打抜き部の例を示す別の図である。 電磁鋼板における打抜き部の円周方向側面の例を示す図である。 電磁鋼板における打抜き部の円周方向側面の例を示す別の図である。 電磁鋼板における打抜き部の円周方向側面の例を示す別の図である。 本発明の実施例における電磁鋼板帯板の例を示す図である。 本発明の実施例における電磁鋼板帯板の例を示す別の図である。 本発明の実施例における電磁鋼板帯板の例を示す別の図である。

符号の説明

１ ポンチ
２ ダイ
３ 打抜き加工における残存部
4 打抜き部
5 残存部の裏面側角部（引張残留応力）
6 打抜き部の裏面側角部（圧縮残留応力）
7 打抜き部の表面側角部（引張残留応力）
8 残存部の表面側角部（圧縮残留応力）
9 残存部の裏面側角部の隣接部（圧縮残留応力）
10 打抜き部の裏面側角部の隣接部（引張残留応力）
11 打抜き部の表面側角部の隣接部（圧縮残留応力）
12 残存部の表面側角部の隣接部（引張残留応力）
13 表面側
14 裏面側
15 超音波衝撃処理を施した部分
16 超音波衝撃処理部の隣接部（引張残留応力）
17 他の自由端面
18 超音波衝撃処理部の長さ
19 超音波衝撃処理部から他の自由端面までの長さ
20 打抜き部の円周方向側面
21 打抜き部の最小曲率半径の部分

Claims (3)

1. 電磁鋼板の打抜き加工により生じる端面角部およびその端面から板厚以上の範囲の裏面について超音波衝撃処理を行うことを特徴とする電磁鋼板加工端部の疲労強度および磁気特性向上方法。
   ここで、裏面とは、前記打抜き加工において電磁鋼板のダイが接触する面を指す。
2. さらに、前記超音波衝撃処理を表面にも行うことを特徴とする、請求項１に記載の電磁鋼板加工端部の疲労強度および磁気特性向上方法。
   ここで、表面とは、前記打抜き加工において電磁鋼板のポンチが接触する面を指す。
3. 打抜き加工部の円周方向側面を形成する最小曲率半径の部分について超音波衝撃処理を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の電磁鋼板加工端部の疲労強度および磁気特性向上方法。

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