JP5234621B2

JP5234621B2 - 金属板の絞り加工方法

Info

Publication number: JP5234621B2
Application number: JP2008284412A
Authority: JP
Inventors: 尚文中村; 宏和佐々木; 茂森川
Original assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2008-11-05
Filing date: 2008-11-05
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2028-11-05
Also published as: JP2010110776A

Description

本発明は、成形精度を高めた深絞り品を、工程数を増やすことなく効率的に製造する方法に関する。

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，ダイスまたはこれに代わる冶具を用いて絞り加工する方法が多用されている。
絞り加工方法は、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。

絞り加工では、パンチ肩部の材料にフランジ部の材料をダイ内に引き込むために必要な力（成形力）が作用しており、加工が進むにつれてパンチ肩部の板厚が減少する。板厚が減少すると破断強度が低下し、成形力がパンチ肩部の破断強度を上回ると割れが生じる。この傾向は、パンチの肩半径（Ｒｐ）が小さくなるほど大きくなる。また、ダイの肩半径（Ｒｄ）もパンチの肩半径と同様、絞り加工性の左右する大きな要因となっている。すなわち、Ｒｄが小さいと材料に余分な面応力を与えることになり、さらにこの部分で生じる板材の曲げおよび戻し変形を余分に多く与えることになって材料は加工硬化して絞り難くなる。

したがって、絞り加工性を向上させるためには、パンチ肩部での材料板厚の減少を抑制する必要がある。一般的に、パンチ肩部の材料の板厚減少を抑制するには、用いるパンチのＲｐを大きくして歪みを広範囲に分散させる方法、または用いるダイのＲｄを大きくして材料の流入を促進させる方法が採用されている。

しかしながら、上記Ｒｐ，Ｒｄを大きくすることは製品の成形精度を低下させることになるため、次工程のリストライクかフランジング加工で製品のコーナＲを矯正して必要なＲを造り出すことが必要となる。この後工程の付加は工程増を招くことになり、コストの上昇につながる。
そこで、ブランクを一旦所望の方向とは逆の方向から予備成形した後、所望の方向にパンチを押込んで絞り加工する、いわゆる逆再絞り加工法が、例えば特許文献１，２で提案されている。

逆再絞り加工法では、所望の方向へのパンチの押込み時に、予備成形したパンチ肩部部分を圧縮する形態となるため、当該パンチ肩部付近の板厚減少が抑制され、破断抵抗力を向上させることにつながっている。
特開平４−２３７５２５号公報特開２００２−１５３９１６号公報

特許文献１で紹介された方法では、一旦逆方法に絞る加工を、液圧そのものを用いる周液圧深絞り工法を採用している。このため、絞り加工装置そのものが大型化し、簡便な加工法の提供とは方向が異なってしまう。
また、特許文献２で紹介された方法では、筒状パンチと錐型ダイスとを協働させることにより平板に一方向における第１段階の絞り加工を行うことによりカップ状の中間物を得た後、その中間物に、そのまま筒状パンチと実中パンチとを協働させることにより反対方向の第２段階の逆絞り加工を行うことにより、最終的なカップ状製品を得ている。

特許文献２で紹介された方法では、金型構造が複雑になるため初期絞りがしわ押さえの利かない構造となっている。したがってブランク径に対する板厚の比（相対板厚比）が大きなものに限られてくるので、製品サイズが大きく板厚の小さいものには適用できない。また、この金型構造では各工程とも完全に絞り込んでやることが必要であり、例えばモーターケースのように絞り加工後にフランジを必要とする製品には適用できない。

本発明は、このような問題点を解消するために案出されたものであり、単純形状の金型を配置した簡素な構造の絞り加工装置を用いることにより、工程数の増加なしに成形高さの高い絞り加工品を製造する方法を提供する。

本発明の金属板の絞り加工方法は、その目的を達成するため、基盤、当該基盤に固定されたパンチ、および同基盤に緩衝機構を介して配置された、前記パンチと所定のクリアランスを有して設けられた開口部を備えたストリッパープレートで構成される雄金型と、基盤、ノックアウト固定手段により前記基盤に固定および摺動可能に取り付けられたノックアウト、および当該ノックアウトと所定のクリアランスを有する開口部を有し、前記基盤に緩衝機構を介して配置されたダイで構成される雌金型を備えた絞り加工装置の、前記ストリッパープレートまたはダイの上に載置されたブランクを、前記ノックアウト固定手段によりノックアウトを基盤に固定した雌金型を雄金型へ向けて相対的に移動することにより、前記ストリッパープレートの開口部に予備的に押込んだ後、前記ノックアウト固定手段による前記ノックアウトの基盤への固定を解除し、その後に、再び前記雌金型を雄金型へ向けて相対的に移動することにより前記パンチとダイに応じた形状に絞り加工することを特徴とする。

前記雌金型の雄金型へ向けての相対的な移動を、サーボモータの駆動で行うことが好ましい。
また、前記ノックアウトを前記ストリッパープレートの開口部に予備的に押込む際、Ｒkp／ｔ、ｈ／Ｒkpおよび前記パンチとダイに応じた形状への絞り加工性との関係を予め求めておき、前記関係に基づき前記ノックアウトの押込みによる予備成形高さを決定することが好ましい。
ただし、Ｒkpはノックアウトの肩部半径、ｔはブランクの板厚、ｈはノックアウトによる予備成形高さとする。

本発明の金属板の絞り加工方法は、基本的には逆再絞り加工法を採用している。このため、予備成形した被加工ブランクのパンチ肩部が逆方向への本成形時に部分的に圧縮されて厚肉となるため、結果的に本成形時にパンチ肩部付近の板厚減少が抑制されて、パンチとしてＲｐの小さなものを用いても、より深い絞り加工品が得られる。
また、ノックアウトを使用して予備成形を行うため、単純形状の金型を配置した簡素な構造の絞り加工装置となり、さらに、基盤の移動をサーボモータの駆動で行えば、ノックアウトによる予備成形、およびパンチによる本成形を行うための基盤のスライドモーション制御が、サーボモータによって容易に行え、金属板の絞り加工が一工程でできることになる。

本発明者等は、絞り加工金属製品を製造する際、成形高さの高い加工製品を工程数の増加を招くことなく、簡素かつ安定的に製造する方法について種々検討を行ってきた。そして、その過程で、前記逆再絞り加工法の有用性を確認した。
従来の逆再絞り加工法には、前記した通り種々の問題点が存在するため、本発明者等は、用いる金型形状を簡素化し、本発明に到達した。

まず、用いる装置について、詳しく説明する。
本発明方法で使用される成形装置は、図１に示すように、雄金型１０と雌金型２０とで構成されている。
雄金型１０は、下基盤１１とその上に固定されたパンチ１２、および下基盤上にスプリング１３等の緩衝機構を介して配置されたストリッパープレート１４で構成されている。ストリッパープレート１４には、前記パンチ１１と所定のクリアランスを有して開口部が設けられている。
そして、パンチ１１、およびストリッパープレート１４開口部の肩部には所定のコーナＲが付されている。

雌金型２０は、上基盤２１とその下面に対して固定および摺動可能に取り付けられたノックアウト２２、および上基盤２１下面にスプリング２３等の緩衝機構を介して配置されたダイ２４で構成されている。上記ノックアウト２２は、ノックアウト固定ピン２５の作動により上基盤２１に対して固定および摺動可能に取り付けられているが、この固定および摺動の切替えは、ノックアウト２２の支持軸に設けた挿入穴へのノックアウト固定ピン２５の押込み、引抜きにより行われる。固定ピンの押込み、引抜きは、油圧式または機械式に行われることが好ましい。ノックアウトの固定手段については、固定ピン以外にも油圧やサーボモータなどを使用しておこなうことができる。また、上記ダイ２４には、前記ノックアウト２２と所定のクリアランスを有して開口部が設けられている。
そして、ノックアウト２２、およびダイ２４開口部の肩部には所定のコーナＲが付されている。

次に、上記のような成形装置を用いて絞り加工する方法を説明する。
本発明方法の最大の特徴点は、逆方向への予備成形を、上記雌金型２０のノックアウト２２をパンチに、雄金型１０のストリッパープレート１４をダイとして行い、その後の、順方向への本成形時に、雌金型２０のノックアウト２５を本来のノックアウトとして用いる点にある。
予備成形は、図１（ａ）に示すように、例えば当該ノックアウト２２の支持軸に設けた挿入穴にノックアウト固定ピン２５を押込んで、ノックアウト２２を上基盤２１に対して固定した状態で行う。

雄金型１０のストリッパープレート１４上に載置したブランクＭに対して、上基盤２１を下方に押圧・移動させる。予備成形高さ分だけスライドさせることにより、ブランクＭに所定深さの予備成形を行う（図１（ｂ）参照）。この際、ダイ２４は、ブランクＭに対して板押さえの作用をなす。
予備成形が終わった時点で、ノックアウト２２の固定が解除され、ノックアウト２２は上基盤２１に対して摺動自在とされる。この切替えは、例えばノックアウト２２の支持軸に設けた挿入穴に押込んでいたノックアウト固定ピン２５を引抜くことにより行われる（図１（ｃ）参照）。切替える際は、上基盤２１を一旦上昇させてノックアウト２２の負荷を除荷した後にノックアウト固定ピン２５を外すようにすると金型全体に対する負担が軽減される。

ノックアウト２２が上基盤２１に対して可動状態にされた後、上基盤２１を再び下方に押圧・移動させて本成形する（図１（ｄ）,（ｅ）参照）。
この際、雄金型１０のストリッパープレート１４は、ブランクＭに対して板押さえの作用をなし、雌金型２０のノックアウト２２は、本来のノックアウトの機能を果たして、パンチ１２がブランクＭをダイ２４に押込む絞り加工が行われる。図１の（ｄ）,（ｅ）に見られるように、予備成形とは逆の方向に絞り変形が進行している。

上記のように、予備成形を逆方向に行うと、正方向に絞り加工して材料が反転する際に広範囲の材料が変形するため、歪みが広範囲に分散する。また、反転する際にパンチ肩に相当する部位の材料に圧縮応力が加わるため、板厚が増加するとともに加工硬化によって材料強度が増加する。その結果、パンチ肩部での割れ発生が起こり難くなる。
順方向に予備成形しても絞り加工性の向上効果は得られない。

ところで、逆再絞り加工法による予備成形の効果は、被成形ブランク自身の加工性や用いる金型の肩部半径、あるいは予備成形量や潤滑剤の使用状況によって変わってくる。
詳細は後記の実施例に譲るが、被成形ブランクがオーステナイト系ステンレス鋼板である場合、前記ストリッパープレートの開口部とパンチの上面で形作られるキャビティ内へのブランクの予備的な押込みは、被加工ブランクの厚さｔの５倍を超える肩部半径Ｒkpを有するノックアウトを有する金型を用い、その深さｈを、Ｙ＝１．８Ｘ^−０．４以上でＹ＝５．３Ｘ^−０．６以下の範囲で示されるＹの値とすることが好ましい。
ただし、Ｙ＝（ｈ／Ｒkp）、Ｘ＝（Ｒkp／ｔ）

板厚が０．８ｍｍのＳＵＳ３０４鋼板であって、径が８８ｍｍの円板形状のブランクに、肩半径Ｒｐ：３ｍｍのパンチおよび肩半径Ｒｄ：３ｍｍのダイを用いて絞り加工を施し、外径が４２ｍｍの有底円筒体を成形した。なお、プレス油としてαソープを用い、雄金型のストリッパープレートからの板押え力（ＢＨＦ）：１０ｋＮ（予備成形時のダイからの板押さえ力は２．５ｋＮでダイに取り付けられたクッションバネにより制御した）で成形した。
予備成形の際、ノックアウトの肩部半径Ｒkpを３〜２０ｍｍ（Ｒkp／ｔ：３．７５〜２５）の範囲で、また押込み高さｈを０〜１６．５ｍｍの範囲で種々変更して行った。
本成形は、割れが発生するまで行い、割れ発生前後の成形高さを測定した。
なお、予備成形を行わずに一工程で通常の絞り加工を行った場合の最大成形高さは１９．１ｍｍである。

用いたノックアウトの肩部半径Ｒｋｐに応じた成形可能臨界高さについての測定結果を図２に示す。
Ｒkpが３ｍｍの場合、予備成形の効果が認められず、Ｒkpが５ｍｍになってはじめて予備成形の効果が認められることがわかる。このＲkpは板厚の５倍を超えている。
また、割れ発生前後の成形高さからＲkp／ｔとｈ／Ｒkpの関係を整理すると、図３に示す通りとなる。ただし、ｔは被加工材の板厚である。
なお、図３中、ｈ／Ｒkpの値がこれ以上だと絞り加工性向上効果が認められるものを▲で、ｈ／Ｒkpの値がこれ以下だと絞り加工性向上効果が認められるものを●で、さらに、絞り加工性向上効果はみとめられなかったものを×で示している。
この結果から、Ｙ＝１．８Ｘ^−０．４以上でＹ＝５．３Ｘ^−０．６以下の範囲で予備成形することが好ましいことがわかる。ただし、Ｙ＝（ｈ／Ｒkp）、Ｘ＝（Ｒkp／ｔ）である。

本発明方法を、手順を追って説明する図ノックアウトの肩部半径Ｒkpに応じた成形可能臨界高さを示す図割れ発生前後の予備成形深さｈとノックアウトの肩部半径Ｒkpおよびブランクの板厚ｔの関係を示す図

符号の説明

１０：雄金型１１：下基盤１２：パンチ１３：スプリング
１４：ストリッパープレート
２０：雌金型２１：上基盤２２：ノックアウト２３：スプリング
２４：ダイ２５：ノックアウト固定ピン２５
Ｍ：ブランク

Claims

基盤、当該基盤に固定されたパンチ、および同基盤に緩衝機構を介して配置された、前記パンチと所定のクリアランスを有して設けられた開口部を備えたストリッパープレートで構成される雄金型と、基盤、ノックアウト固定手段により前記基盤に固定および摺動可能に取り付けられたノックアウト、および当該ノックアウトと所定のクリアランスを有する開口部を有し、前記基盤に緩衝機構を介して配置されたダイで構成される雌金型を備えた絞り加工装置の、前記ストリッパープレートまたはダイの上に載置されたブランクを、前記ノックアウト固定手段によりノックアウトを基盤に固定した雌金型を雄金型へ向けて相対的に移動することにより、前記ストリッパープレートの開口部に予備的に押込んだ後、前記ノックアウト固定手段による前記ノックアウトの基盤への固定を解除し、その後に、再び前記雌金型を雄金型へ向けて相対的に移動することにより前記パンチとダイに応じた形状に絞り加工することを特徴とする金属板の絞り加工方法。
前記雌金型の雄金型へ向けての相対的な移動を、サーボモータの駆動で行う請求項１に記載の金属板の絞り加工方法。
前記ノックアウトを前記ストリッパープレートの開口部に予備的に押込む際、Ｒkp／ｔ、ｈ／Ｒkpおよび前記パンチとダイに応じた形状への絞り加工性との関係を予め求めておき、前記関係に基づき前記ノックアウトの押込みによる予備成形高さを決定することを特徴とする請求項１または２に記載の金属板の絞り加工方法。
ただし、Ｒkpはノックアウトの肩部半径、ｔはブランクの板厚、ｈはノックアウトによる予備成形高さとする。