JP5328029B2 - 金属板の円筒深絞り加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、絞り加工途中で、割れ位置の高さ直前で材料から金型を一旦離すことによ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ものである。

自動車用部品や家電製品部品を製造する方法として、板厚の薄い金属板素材をプレス加工する方法が多く用いられている。プレス加工法の中には、（１）絞り加工法と（２）張出し加工法がある。
絞り加工はブランクとなる材料の外周をダイスの内部に引込みながら中空の容器に加工する塑性加工で、ブランクのサイズが大きくてもパンチのサイズの２〜２．５倍程度までのケースが一般的であり、成形後にフランジをあまり残さないか全くフランジの無い形状の成形に用いられる。
張出し加工はパンチのサイズに比べてブランクのサイズがかなり大きく、成形中にフランジがダイスの内部にほとんど移動せず、パンチを投影した領域の材料の伸び変形のみで加工する塑性加工である。

プレス加工においては、従来より、加工途中にスライドを途中で止める寸動成形や、加工途中にスライドの上げ下げを数回繰り返しながら下死点まで成形する反復ストローク成形を行うことによって成形性が向上することが知られている。
前者は、寸動動作をすることによって、一旦歪みが集中しかけた部位とは別の部位にて歪みが発生するようになるために成形性が向上したものである。
後者は、例えば油圧プレスのようにスライドを手動で操作できるタイプで可能な方法であり、前者の効果に加えて、高面圧下で発生した油切れが金型と被加工材料を離すことによって解消されて潤滑性が回復する結果、成形性が向上している。非常に成形が困難な時には、スライドを上昇させた後に材料面に作業者が潤滑油を塗布する場合もある。

例えば、特許文献１に見られるように、パンチとダイスで金属板を挟圧するプレス成形方法において、前記パンチが前記金属板に最初に接触し成形が開始された後、前記パンチがストローク終端に到達して成形が完了するまでの間に、前記金属板から前記パンチを一旦離し、前記パンチと前記ダイスを用いて、再度金属板を成形する、という動作を、少なくとも１回以上経るプレス成形方法も提案されている。

ところで、プレス機械のプレス方式としては、従来、油圧プレスとクランクプレスの二方式が主流であった。
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、クランク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が、加工速度が速いと割れが生じやすくなるという難点もある。このため、クランクプレスについては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深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２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。

特開２００５−１９９３１８号公報 特開２００２−２６３７４２号公報

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

これまで、プレス加工では加工中のスライド速度は遅い方が成形性は良いとされていたため、リンクモーション等でもプレス加工が終了するまでスライド速度を遅く、下死点を過ぎてからスライド速度を速くするモーションを採用していた。
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、プレス加工時の加工速度を調整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。

上記特許文献１で提案された方法は、成形性向上の観点では有効である。しかしながら、加工途中の金型を被加工金属板から一旦離すタイミングは明確にされていないため、金型を被加工金属板から一旦離すタイミングが適当でない場合、加工性向上効果が十分に得られないこととなる。
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、被加工金属板にパンチを押し込んで円筒深絞り加工を施す際、ダイス又は板押えを被加工金属板から一旦離すタイミングを効果の大きい時点に設定することにより、サーボプレスを用いて成形性を向上させ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、ダイスと板押え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、板押え及びパンチの材質・形状、被加工金属板の材質・形状、しわ押え力、潤滑条件並び加工速度なる条件を実際の深絞り加工条件と同じ条件にして予め割れが発生する深絞り高さまで成形する予備深絞り加工を施し、予備深絞り加工品に発生した割れの位置から深絞り頂部までの高さを測定した後、実際の深絞り加工時に、用いるパンチの肩Ｒを過ぎ、前記割れが発生した絞り位置までの高さに到達するまでの間に、ダイス又は板押えを被加工金属板から一旦離す工程を介在させることを特徴とする。

本発明によれば、ダイス又は板押えを被加工金属板から一旦離す工程を介在させることにより、潤滑剤膜が再生されて成形性が向上する。しかも一旦離すタイミングは割れ危険部位におけるひずみの集中を抑制するのに有効なタイミングとしているので、潤滑剤膜の再生効果がひずみの分散に有効に作用し、深絞り成形性が飛躍的に向上する。
このため、サーボプレスを採用することで、プレス加工時のスライド速度を遅くすることなく生産性が著しく向上する。

金属板に深絞り加工を施す態様を説明する図、（ａ）通常の深絞り加工時、（ｂ）板押えを被加工金属板から離した時 （ａ）予備深絞り加工後の成形品の断面形状を説明する図、（ｂ）板押えを被加工金属板から離すタイミングを説明する図

一般に絞り加工においては、加工が進むにつれてフランジ部の油切れが生じてくるため、フランジ部の摺動性が低下することになる。
そこで、絞り加工を行う際、加工途中に被加工金属板から金型を離して被加工金属板表面の潤滑剤膜を再生している（前記特許文献１）。
本発明者等は、前記特許文献１に記載の金属板のプレス成形方法を参考にして、自由にスライドのモーション設定が可能であるサーボプレスを利用することにより、円筒深絞り加工において深絞り加工に及ぼす金型離脱のタイミングの影響について検討し、本発明に到達した。
その結果、予備深絞り加工品に発生した割れの位置から深絞り頂部までの高さを測定し、実際の深絞り加工時に、用いるパンチの肩Ｒを過ぎ、前記割れが発生した絞り位置までの高さに到達するまでの間に、ダイス又は板押えを被加工金属板から一旦離すことにより、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。

まず、板厚０.８ｍｍの溶融亜鉛めっき鋼板を供試材とし、直径２１０ｍｍの円形にカットしたブランクを用いて、パンチ径φ１０３ｍｍで、成形高さ７８ｍｍの円筒深絞り加工を行った。なお、ダイスはφ１０５ｍｍとし、ダイスの肩Ｒ（Ｒｄ）は２ｍｍとした。パンチの肩Ｒ（Ｒｐ）は５ｍｍとした。プレス油にはパーカー興産社製のノックスラスト３０６０を用い、しわ押え力；１００ｋＮ，スライド速度；２０ｓｐｍでシングルモーションの円筒深絞り加工を行った。
この深絞り加工では絞り深さが２３ｍｍとなった時点で、円筒面の頂部から１９ｍｍの高さの位置で割れが発生した。

次に、同じ条件で再度深絞り加工を行った。ここでは、成形高さ５ｍｍの高さで板押えを被加工金属板から一旦離す工程を挟んだ条件と、成形高さ２３ｍｍの高さで板押えを被加工金属板から一旦離す工程を挟んだ条件で２種の深絞り加工を行ってみた。
前者では、深絞り高さ７８ｍｍの絞り抜きが可能であった。これに対して、後者では、絞り深さが４０ｍｍとなった時点で割れが発生した。

このように、図１（ｂ）に示すような、板押えを被加工金属板から一旦離す工程を、１工程のみの深絞り加工において発生した割れ位置までの高さに成形する前の時点で介在させることにより、深絞り成形性の大幅な向上が可能となる。なお、図１（ａ）は深絞り加工中の状況を示している。詳細は実施例の記載に譲るが、全く同じ条件のもと、絞り高さが予備深絞り加工品に生じた割れ発生位置から絞り頂部までの高さＨ（図２の（ａ）参照）に到達するまでの時点（図２の（ｂ）参照）で板押えを被加工金属板から一旦離す工程を介在させることが有効であることを見出した。

絞り加工においては、歪みが集中し変形量が多い部位で割れが発生する。金型の形状、しわ押え力、材料の特性、潤滑条件、加工速度等によりひずみの集中する位置は変化する。例えば上記溶融亜鉛めっき鋼板の円筒深絞り加工では、割れが生じた部分である深絞り頂部から１９ｍｍの高さの位置が最も歪みが集中し変形量が多い部位に相当すると考えられる。また、絞り加工では、パンチの肩Ｒを過ぎた部位では材料がパンチとの拘束がなくなるため、ひずみが集中しやすい。したがって、歪みが集中しやすい部位を加工する直前で板押えを材料から一旦離して板押えとダイス間の押圧力を解除し潤滑性を回復させてやるのが最も成形性向上効果のあるタイミングと言える。逆にパンチによる拘束がなくなる部位が加工される以前に板押えを材料から一旦離してもほとんど成形性向上効果は認められない。このタイミングの設定も詳細は実施例の記載に譲るが、成形深さが用いるパンチの肩Ｒに相当する深さに達する以前では、成形性向上効果は認められない。

パンチを連続した１ストロークのスライド移動で被加工金属板に押付けて絞り加工を行うとき、被加工金属板表面と板押えおよびダイス表面とは、互いに押圧されながら摺動することになる。成形が進行していく過程において、成形開始時に板押えおよびダイス表面と被加工金属板表面との間に存在していた潤滑剤膜が薄くなり、膜切れが起きると金属同士が部分的に直接接触することになる。
その過程で油膜厚さの減少とともに潤滑性は低下するため、被加工金属板表面と板押えおよびダイス表面との間の摩擦係数が上昇し、潤滑性が低下して被加工金属板に割れが発生する原因になる。
そして、その割れは、歪みが最も集中しやすい部位で発生する。

そこで、歪みが最も集中しやすい部位を予め把握し、深絞り加工中におけるその部位を加工する際の潤滑性を向上させることにより、深絞り成形性を向上させることができると考えられる。
まず、潤滑性を向上させる手段として、板押えを被加工金属板から一旦離す手段を採用する。板押えを被加工金属板から離すと、板押えとダイス間の押圧力が解除されて、一旦歪みが集中しかけた部位とは別の部位にて歪みが発生する効果と、板押えおよびダイス表面の微細凹部内、或いは被加工金属板表面の微細凹部内に高圧で閉じ込められていた潤滑剤が表面に現れて潤滑剤膜を再生し、潤滑性が向上する効果により成形性が向上すると考えられる。板押えを被加工金属板から離す工程に替えてダイスを被加工金属板から離す工程を採用しても全く同じ作用が期待できる。

歪みが最も集中しやすい部位は、連続した１ストロークのスライド移動で深絞り加工を行ったときに絞り頂部から割れが生じた位置までの高さを測定することにより知り得る。
連続した１ストロークのスライド移動で深絞り加工を行ったときに、割れ発生位置から絞り頂部までの高さに成形する以前に板押えおよびダイスを被加工金属板から一旦離す工程を介在させることが良い理由は、連続した１ストロークのスライド移動で深絞り加工を行ったときに割れ発生位置から絞り頂部までの高さとひずみが集中する位置がほぼ同じこと、またひずみが集中してくる直前で板押えまたはダイスを材料から一旦離して、潤滑性を回復させてやるのが最も成形性向上効果があると考えられる。

なお、歪みが最も集中しやすい部位は、材料の機械的特性、表面状態等を含む被加工金属板の物性や、金型の表面状態を含む金型特性、潤滑剤の使用状況、或いは加工速度によって大きく変化する。
したがって、現実に深絞り加工を行おうとする被加工金属板、金型、しわ押え力、使用潤滑剤、並びに加工速度等を全く同じにした予備実験を行って、その条件に応じた割れ発生位置から絞り頂部までの高さＨを予め把握しておく必要がある。

従来のメカプレスでは、成形途中で板押えまたはダイスを材料から一旦離すことは困難であり、油圧プレスでも、そういった反復ストローク的なモーションを自動で行うのは困難である。そこで、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であれば、成形途中で板押えまたはダイスを材料から一旦離すことが可能であるため、成形性を向上させるのに効果的なタイミング（連続した１ストロークのスライド移動で深絞り加工を行ったときの割れ発生位置から絞り頂部までの高さに成形する以前）で板押えまたはダイスを材料から一旦離す動作を行うことができる。
なお、前記した通り、逆にパンチによる拘束がなくなる部位が加工される以前に、具体的には、絞り深さが用いるパンチの肩Ｒに相当する深さに達する以前に、板押えまたはダイスを材料から一旦離してもほとんど成形性向上効果は認められない。

供試材として、板厚０.８ｍｍの溶融亜鉛めっき鋼板を用い、直径２１０ｍｍの円形にカットしたブランクを用い、パンチ径φ１０３ｍｍ、ダイス径φ１０５ｍｍで、成形高さ７８ｍｍの円筒深絞り加工を行った。パンチの肩Ｒ（Ｒｐ）を、５ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍと三種類に変化させて円筒深絞り加工を行った。なお、ダイスの肩Ｒ（Ｒｄ）は２ｍｍとした。
プレス油には前記ノックスラスト３０６０を用い、しわ押え力；１００ｋＮ，スライド速度；２０ｓｐｍでシングルモーションの円筒深絞り加工を行った。そして、割れが発生した時点で円筒深絞り加工を終えた。その後、深絞り高さを測定するとともに、割れ発生位置から絞り頂部までの高さを測定した。
その結果は、表１の絞り深さ及び割れ位置の高さに示す通りである。

次に、同じ条件で再度円筒深絞り加工を行った。ただし、絞り深さが表１のタイミングに記載の高さになったときに、板押えを被加工金属板から一旦離す工程を挟んだ。そして、割れが発生した時点で円筒深絞り加工を終えた。その後、深絞り高さを測定した。
その結果を併せて表１に示す。
表１に示す結果から、用いるパンチの肩Ｒを過ぎ、割れが発生した絞り位置までの高さに到達するまでの間に、ダイス又は板押えを被加工金属板から一旦離す工程を介在させることが有効であることが理解される。

Claims (1)

1. ダイスと板押え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、板押え及びパンチの材質・形状、被加工金属板の材質・形状、しわ押え力、潤滑条件並び加工速度なる条件を実際の深絞り加工条件と同じ条件にして予め割れが発生する深絞り高さまで成形する予備深絞り加工を施し、予備深絞り加工品に発生した割れの位置から深絞り頂部までの高さを測定した後、実際の深絞り加工時に、用いるパンチの肩Ｒを過ぎ、前記割れが発生した絞り位置までの高さに到達するまでの間に、ダイス又は板押えを被加工金属板から一旦離す工程を介在させることを特徴とする金属板の円筒深絞り加工方法。

Images