JP5178096B2 - 金属板の円筒深絞り加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、絞り加工時の加工中期以降の成形速度を遅くして深絞り成形性を向上させた金属板の円筒深絞り加工方法に関する。

板厚の薄い金属板素材から、円筒，角筒，半球状等、継目のない有底形状の容器を製造する方法として、パンチ，ダイス又はこれに代わる冶具を用いて深絞り加工する方法が多用されている。
深絞り加工方法ではプレス装置が用いられ、加工対象の薄板ブランクをプレス機械のダイス上にブランクホルダーで固定し、ブランクホルダーにしわ押え力を加えながらパンチを下降，上昇させることにより、ブランクをパンチ形状に変形させるものである。
そして、プレス機械のプレス方式としては、従来、油圧プレスとメカプレスの二方式が採用されている。

油圧プレスは低速成形が可能であるため深絞り加工に適しているが、生産性が低い。これに対して、メカプレスは加工速度が速いため生産性に優れるという利点がある。その反面、加工速度が速いと加工対象の材料に割れが生じやすくなるという難点がある。このため、メカプレスに対して深絞り加工性を向上させるために、リンク機構を付設して絞り成形中の加工速度を遅くしたリンクモーションプレスも使用されている（例えば非特許文献１参照）。
さらに最近では、例えば特許文献１に見られるように、駆動源にＡＣサーボモータを用いてスライドモーションを任意に設定可能なサーボプレスも使用されている。
中田裕康著，「プレスの理論と実際」，（株）コロナ社，1973年2月20日，p.171 特開２００２−２６３７４２号公報

ところで、メカプレスの代表的なものにクランク機構を用いたクランクモーションプレスがある。クランクモーションプレスでの成形速度、すなわちダイス又はパンチを着脱可能に取り付けたスライドの移動速度、通称スライド速度は、機構上スライドの移動長さの中間付近が最も速い。そして、下死点に近づくにつれて遅くなり、下死点では速度はゼロとなる。したがって、深絞り加工を行おうとすると、下死点より高い位置から深絞り加工が開始されるため、加工初期のスライド速度が速くなって加工割れが生じやすくなる。

クランク機構に対して、機械的に特定の範囲だけ理想的な速度にできる機構がリンク機構である。このリンク機構を使って、スライド速度を高速から低速へと、滑らかに変化させて加工にあった速度で加工を行い、加工後は高速に上昇させるリンクモーションプレスがある。
リンクモーションプレスは、プレス加工の速度依存性を利用して絞り性を向上させたり、成形性を向上させたりすることができる。しかし、リンクモーションプレスのスライドの変位，速度変化などの特性は、通常リンクの構造や寸法割合などによって決定されている。このため、通常スライドモーションは１パターンのみで、様々な深さの絞り加工に対して全てに対応するには限界がある。

これまで、絞り加工では加工中のスライド速度は遅い方が良いとされており、リンクモーションなどでも下死点まで、すなわち絞り加工が終了するまでスライド速度が遅く、下死点を過ぎてからスライド速度が速くなるモーションとなっていた。
メカプレスに対して、最近、使用頻度が高くなっているサーボプレスは、駆動源にＡＣサーボモータを用いているため、スライドの正転、逆転、停止、速度切替え等を、任意に行うことができる。また、打抜き時の加工速度を遅くすることによって騒音の低減や、型寿命の向上なども期待できる。

サーボプレスでは、スライドモーションを任意に設定することができるものの、実際にはどのスライド位置が絞り加工性に影響を及ぼすかについて、すなわち生産性良く絞り加工を行うに当って、どのスライド位置での成形速度を早くすることが有効であるかについて把握できていなかったため、絞り加工に対してサーボプレスの特性を活かしきれていなかった。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、ブランクに限界絞り比近くの円筒深絞り加工を施す際、金型条件等を考慮しつつ、成形速度を早くして生産性を高めた金属板の円筒深絞り加工方法を提供することを目的とする。

本発明の金属板の円筒深絞り加工方法は、その目的を達成するため、ダイスとブランクホルダーにより固定された被加工金属板にパンチを押し込んで円筒深絞り加工する際に、ダイスの肩半径をＲd，パンチの肩半径をＲpとするとき、Ｒdを被加工金属板の板厚の３倍以下、かつＲp／Ｒd≧３.０の金型条件で、加工初期ではパンチ押込み速度を速く、パンチの押込みによる成形高さが２／３×パンチ径の位置に達する以前の時点で、パンチ押込み速度を加工初期の速度よりも遅くすることを特徴とする。
この方法により、絞り比：２.０〜２.３で深絞り加工を行うこともできる。

本発明方法では、壁割れのおそれがない領域では加工速度を速く、壁割れが発生しやすい領域においては加工速度を遅くして、生産性の低下を招くことなく成形性を向上させている。
本発明方法により、サーボプレスを用いて油圧プレス並みの加工性を有し、メカプレス以上の生産性で加工を行うことが可能となり、結果的に作業コストの低減化に資することになる。

本発明者等は、ブランクに円筒深絞り加工を施す際に生産性を高めることができるプレス法について検討した。
一般に絞り加工時の成形速度が速くなると、歪みが周囲に伝播するよりも先に変形が進行するため、局部的に歪みが集中して割れに到る場合が多い。単に絞り加工中の成形速度を遅くするだけでは、油圧プレスと同様、生産性が悪くなる。

そこで、絞り成形性に影響の大きい領域のみで成形速度を遅くし、絞り成形性には関係ない領域での成形速度を速くすることを検討した。
検討の結果、被加工金属板の板厚に比べてパンチの肩半径、すなわちＲpが大きく、ダイスの肩半径、すなわちＲdが小さい金型条件で深絞り加工を行う際には、加工終期に壁割れが発生しやすくなるので、加工終期の成形速度を遅くすることにより深絞り成形性が向上することがわかった。
以下に、その詳細を説明する。

一般的に深絞り加工は、図１に示す通り、径Ｄd、肩半径Ｒdを有するダイス１と、径Ｄp、肩半径Ｒpを有するパンチ２を用い、板厚ｔのブランク３を板押え４でダイス１に押圧した状態で、パンチ２をダイス１に押し込むことによって成形している。
ところで、深絞り加工時における代表的な割れは、パンチ肩部での割れである。通常、パンチ肩部の破断耐力と縮みフランジ部の変形抵抗力の大小関係によって割れが発生するかどうかが決まってくる。一般的に、パンチ肩部の破断耐力が縮みフランジ部の変形抵抗力よりも大きい場合は割れずに加工でき、縮みフランジ部の変形抵抗力がパンチ肩部の破断耐力よりも大きい場合はパンチ肩部で割れが発生する。

しかし、ダイスの肩半径（Ｒd）が被加工金属板の板厚に比べて比較的に小さく、また、パンチの肩半径（Ｒp）がダイスの肩半径（Ｒd）に比べて十分に大きい場合には、絞り比が限界絞り比に近くなると、深絞り中期から後期にかけてパンチ肩部ではなく壁部に割れが発生することがある。
パンチの肩半径（Ｒp）が十分に大きい場合には、パンチ肩部でのひずみの集中が起こり難いために、加工初期でのパンチ肩部での割れが発生し難くなっていると推測される。

ダイスの肩半径（Ｒd）がパンチの肩半径（Ｒp）に対して十分に小さく、かつ被加工金属板の板厚に比べて比較的小さく、さらにブランクサイズが限界絞り比近くまで大きい場合、フランジの縮み変形やダイス肩部での曲げ・曲げ戻し変形が大きくなるため、加工中期以降にフランジがダイスキャビティ内へ流入し、壁部となる部位の材料が大きなダメージを受け、破断耐力が低下する。すなわち、ダイスの肩半径（Ｒd）が被加工金属板の板厚に対して十分に小さい状態で深絞り加工を行った場合、加工中期から後期にかけて絞り壁部に割れが発生しやすくなる。

このような加工条件下において、成形速度（加工速度）が速いと歪が周囲に伝播するよりも先に変形が進行するため局部的に歪みが集中し割れが発生しやすい。また変形による加工発熱が大きくなり、被加工材料の破断耐力が一段と低下することになって、壁割れが発生しやすくなる。
このような壁割れは、加工速度を遅くすることにより抑えることができる。すなわち、加工速度を遅くすることにより歪みの局部的な集中を避け、かつ加工発熱を抑え、その結果として被加工材料の破断耐力の低下が抑制され、壁割れの発生が抑制される。

パンチの肩半径（Ｒp）がダイスの肩半径（Ｒd）に比べて小さい場合、パンチ肩部に歪みが集中しやすくなるため、比較的早い段階からパンチ肩部で割れが発生する。
詳細は実施例の記載に譲るが、パンチの肩半径（Ｒp）がダイスの肩半径（Ｒd）に比べてＲp／Ｒd≧３.０の関係にあるとき、パンチ肩部への歪みの集中が抑制され、パンチ肩部での割れが発生し難い。
また、ダイスの肩半径（Ｒd）が被加工金属板の板厚に対して大きいと、ダイス肩部での曲げ・曲げ戻し変形が小さくなるため、壁割れが発生し難くなる。
この詳細も実施例の記載に譲るが、ダイスの肩半径（Ｒd）が被加工金属板の板厚の３倍以下となると壁割れが発生しやすくなる。

さらにブランクサイズについて検討すると、ブランクサイズが小さいと深絞りは可能で、大きくなりすぎると早い段階からパンチ肩部で割れが発生しやすくなる。通常限界絞り比は材料の特性、使用するプレス油の種類、Ｒp、Ｒdにもよるが、一般的に２.０程度までとされており、絞り比が２.０を超えてさらに深絞り加工を行うようになると、壁割れが発生しやすくなる。
このように、壁割れが発生しやすいような条件下で深絞り加工を行う際、成形速度を最初から最後まで一定速度とするのではなく、加工初期における成形速度を速くして生産性を高めるとともに、加工中期以降の壁割れが発生しやすい領域においては加工速度を遅くして加工熱の発生を抑えて破断耐力の低下を抑制して壁割れを発生させることなく、成形性を向上させたものである。その結果として、生産性の低下を招くことなく優れた成形性を確保することができる。

加工速度を遅くするタイミングの設定も詳細は実施例の記載に譲るが、本発明では、図２に示すように、パンチの押込み位置Ｈが遅くとも２／３×パンチ径の位置（Ｈ＝Ｄp×２／３）に達する以前の時点とする（図２の（ｂ））。
加工初期における成形速度は、２００ｍｍ／秒程度とすることが好ましい。また、加工速度を遅くした際の成形速度は１０ｍｍ／秒程度とすることが好ましい。加工初期における成形速度を、２００ｍｍ／秒程度と速くすることにより、１ストロークの加工時間全体もメカプレス法と同程度となり、遜色のない生産性を確保することができる。

供試材として、表１に示す成分組成と表２に示す機械的特性を有する板厚１．０ｍｍ及び１．７ｍｍの冷延焼鈍板を用いた。
金型には、パンチ径：φ１００ｍｍ、ダイス径：φ１０２．５ｍｍ及び１０４ｍｍであって、ダイＲ及びパンチＲを種々変更したものを用いた。
そして、φ２００〜２３０ｍｍのブランクに、１４０ｋＮのしわ押え力を付与して絞り抜けるまでの円筒深絞り加工を、スライド速度を２００ｍｍ／秒と１０ｍｍ／秒とで、各種タイミングで変更して行った。

各深絞り加工を行ったときの割れの発生状況を観察し、金型条件及びスライド速度の変更のタイミングと割れ発生の関係を調査し、表３として整理した。
なお、表３の速度切替えタイミングとは、スライド速度を２００ｍｍ／秒から１０ｍｍ／秒に切り替えるタイミングのことであり、例えば２／３の場合、成形高さがパンチ径の２／３になった時点でスライド速度を切り替えている。
また、表３中、何の問題なく成形できたものを○で、パンチ肩部に破断が起きたものを△で、そして壁に割れが発生したものを▲で示している。

表３に示す結果からもわかるように、速度切替タイミングが遅すぎた試験Ｎｏ．３，７及び９で、深絞り品の壁に割れが発生していた。
試験Ｎｏ．２は、問題なく成形できているが、速度切替タイミングが１／２と速いために加工時間を要し生産性が低下している。
したがって、速度切替タイミングは、成形高さがパンチ径の２／３に近い時点とすることが好ましい。

深絞り加工に用いた金型を表した図 深絞り加工の成形過程を表した図

Claims (2)

1. ダイスとブランクホルダーにより固定された被加工金属板にパンチを押し込んで円筒深絞り加工する際に、ダイスの肩半径をＲd，パンチの肩半径をＲpとするとき、Ｒdを被加工金属板の板厚の３倍以下、かつＲp／Ｒd≧３.０の金型条件で、加工初期ではパンチ押込み速度を速く、パンチの押込みによる成形高さが２／３×パンチ径の位置に達する以前の時点で、パンチ押込み速度を加工初期の速度よりも遅くすることを特徴とする金属板の円筒深絞り加工方法。
2. 絞り比：２.０〜２.３の深絞りを施す請求項１に記載の金属板の円筒深絞り加工方法。

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