JP5387022B2 - 面取りダイを用いた打ち抜き加工方法及び金属板伸びフランジ加工用穴打ち抜き装置 - 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合金等の金属板の打抜き装置及び打抜き方法に関するものであり、特に打ち抜き加工によって生じる打ち抜き端面の伸びフランジ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（ａ）のようにパンチ２とダイ３による穴打ち抜き加工や、図１（ｂ）のようにパンチ２とダイ３により被加工材Ｐを前後に切断する切断打ち抜き加工が施されることが多い。

図２に示すように打ち抜き端面は、被加工材Ｐ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４、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）に被加工材Ｐ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５、パンチ２とダイ３のクリアランス内に引き込まれた被加工材Ｐが破断して形成される破断面６、および被加工材Ｐ裏面に生じるバリ７によって構成される。

伸びフランジ加工で割れがしばしば問題となるが、このような割れは打ち抜き端面より発生し、打ち抜き時に、打ち抜き端面の加工硬化や割れを少なくすることが対策として有効である。

このような観点から、従来技術として、突起付きパンチによる打ち抜きやシェービング、パンチ衝撃の緩衝部付きダイ等の対策技術が用いられる場合がある。また、これら以外には面取りが施されたパンチにより打ち抜き面の微小割れの発生を防止して伸びフランジ性を向上させる技術が特許文献１に記載されている。

また、直接打ち抜き端面の伸びフランジ性を狙ったものではないが、打ち抜き時のカス上がりを防止する技術として、ダイの刃先（ダイ刃先とも言う）に面取りを施す方法も特許文献２に記載されている。また、同様に刃先に面取りを施したダイを用いて既に半抜き状態である製品を切断し、板厚方向のバリを抑止する方法が特許文献３に記載されている。

さらに、テーパー付きパンチにより破断面量の少ない意匠性の優れた打ち抜き面を得ることが可能である（特許文献４）。

特開平８−５７５５７号公報 特開平１０−２３０３２９号公報 特開２００６−４３７５７号公報 特開平１１−３３３５３０号公報

しかしながら、これらの開示技術にはいくつかの課題がある。

特許文献１に記載の方法は、打ち抜き端面の加工硬化は却って増すため、用いる素材によっては伸びフランジ性に対して逆効果となる場合もある。

特許文献２に記載のダイ刃先の面取り量は、垂直方向の寸法が０．５ｍｍ程度であるが、このようなダイでの打ち抜き端面は、垂直方向の面取り量０．５ｍｍが転写された細かなバリが生じることがあり、伸びフランジ性向上の効果は期待できない。

特許文献３記載の方法は、面取り量が大きくバリ発生が抑止できて伸びフランジ性向上の効果が期待できるものの、製品が半抜き状態であることが前提であり、工程数が増えるためにコスト増となる。

特許文献４記載のテーパーパンチは、通常のダイと組み合わせて用いた場合、このような打ち抜き面はパンチによるバニシ加工により加工硬化が大きく、伸びフランジ性は通常のパンチによる打ち抜き面よりも劣る。

本発明は、打ち抜き加工端面の伸びフランジ性を向上させる打ち抜き方法及び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）パンチとダイを用いて金属板に穴をあける打ち抜き加工をした後、打ち抜き方向と同一方向に伸びフランジ加工をする金属板の打ち抜き加工方法において、前記打ち抜き加工に使用するダイの刃先は、ダイ上面の平坦部から打ち抜き方向に前記金属板の板厚の０．１〜３倍の寸法だけ下がった位置にあり、かつ、空洞部を挟んで両側に位置する前記ダイの上面が、前記空洞部を含む水平方向寸法が前記パンチの径の２．０３２〜１０倍の領域において面取りされていることを特徴とする面取りダイを用いた打ち抜き加工方法。
（２）前記ダイの面取りされた領域は、凸な曲面状であることを特徴とする（１）記載の面取りダイを用いた打ち抜き加工方法。
（３）前記打ち抜き加工に使用するパンチの刃先は、曲率半径が０．５〜２ｍｍであることを特徴とする（１）または（２）記載の面取りダイを用いた打ち抜き加工方法。
（４）前記パンチは、更にパンチ先端方向に細くなるテーパー形状であることを特徴とする（３）記載の面取りダイを用いた打ち抜き加工方法。
（５）前記ダイの刃先は、曲率半径が０．５〜１ｍｍであることを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１項に記載の面取りダイを用いた打ち抜き加工方法。
（６）パンチとダイを有し、金属板に穴をあける打ち抜き加工装置であって、打ち抜き加工後、打ち抜き方向と同一方向の伸びフランジ加工に用いられ、前記打ち抜き加工に使用するダイの刃先は、ダイ上面の平坦部から打ち抜き方向に前記金属板の板厚の０．１〜３倍の寸法だけ下がった位置にあり、かつ、空洞部を挟んで両側に位置する前記ダイの上面が、前記空洞部を含む水平方向寸法が前記パンチの径の２．０３２〜１０倍の領域において面取りされていることを特徴とする面取りダイを用いた金属板伸びフランジ加工用穴打ち抜き加工装置。
（７）前記ダイの面取りされた領域は、凸な曲面状であることを特徴とする（６）記載の面取りダイを用いた金属板伸びフランジ加工用穴打ち抜き加工装置。
（８）前記パンチの刃先は、曲率半径が０．５〜２ｍｍであることを特徴とする（６）または（７）記載の面取りダイを用いた金属板伸びフランジ加工用穴打ち抜き加工装置。
（９）前記パンチは、更にパンチ先端方向に細くなるテーパー形状であることを特徴とする（８）記載の面取りダイを用いた金属板伸びフランジ加工用穴打ち抜き加工装置。
（１０）前記ダイの刃先は、曲率半径が０．５〜１ｍｍであることを特徴とする（６）〜（９）のいずれか１つに記載の面取りダイを用いた金属板伸びフランジ加工用穴打ち抜き加工装置。

本発明により、コストや金型試作数、工程数を増やすことなく、容易に打ち抜き加工端面の伸びフランジ性を向上させることができる。

一般的な穴打ち抜き加工を模式的に示した図であり、（ａ）は穴打ち抜き加工、（ｂ）は切断打ち抜き加工を示す図である。 打ち抜き加工された被加工材の打ち抜き端面を模式的に示す図である。 本発明に係る傾斜部を有するダイを模式的に示す図である。 傾斜部が凸な形状であるダイを模式的に示す図であり、（ａ）は傾斜部と平坦部の境目付近のみ曲面状となっているダイ、（ｂ）は傾斜部の全てが曲面状となっているダイを示す図である。 刃先が丸められたパンチ断面を模式的に示す図である。 図５のパンチと傾斜部を有するダイを用いた打ち抜きにおける被加工材の破断形態を模式的に示す図である。 刃先が丸められ、かつ、テーパー部を有するパンチ断面を模式的に示す図である。 図７のパンチと傾斜部を有するダイを用いた打ち抜きにおける被加工材の破断形態を模式的に示す図である。 実施例１に用いた打ち抜きパンチとダイを模式的に示した図である。 実施例１における穴広げ試験結果を示したグラフである。 穴広げ試験片のフランジ部に転写されたダイの傾斜部と平坦部の境目による窪みを模式的に示す図である。 実施例２に用いた打ち抜きダイを模式的に示した図である。 実施例２おける穴広げ試験結果を示したグラフである。 実施例３に用いた打ち抜きパンチを模式的に示した図である。 実施例３における穴広げ試験結果を示したグラフである。 実施例４に用いた打ち抜きパンチを模式的に示した図である。 実施例４における穴広げ試験結果を示したグラフである。 実施例５に用いた打ち抜きダイを模式的に示した図である。 実施例５における穴広げ試験結果を示したグラフである。 実施例６に用いた打ち抜きパンチとダイを模式的に示した図である。 実施例６における穴広げ試験結果を示したグラフである。

以下に本発明を詳細に説明する。

図３は、本発明に係る打ち抜き加工用ダイ３の実施の形態を示す。このダイ３は、例えば図１（ａ）に示すような打ち抜き加工に用いられる。ダイ３の刃先８は、上面の平坦部１０から打ち抜き方向に寸法ａだけ下がった位置にあり、刃先８から平坦部１０に向けて、水平方向の寸法ｃの領域において面取りされている。寸法ａは、打ち抜き加工される金属板の板圧の０．１〜３倍の範囲である。また、寸法ｃは、空洞部３０を挟んで両側に位置するダイ３の、それぞれ面取りされた寸法ｃの和に空洞部３０の幅寸法ｄを合わせた水平寸法ｂ、即ちｂ＝２×ｃ＋ｄが、パンチ２の径の１〜１０倍の範囲である。

本発明は、図３に示すように、従来用いられていたダイとは異なり、ダイ３の刃先部分が広く面取りされているので、ダイ３の上面になだらかな傾斜部９が形成され、被加工材Ｐを設置した時点では打ち抜き部周辺がダイ３と接触しないことを特徴としている（前記（１）に係る発明）。

打ち抜きだけを考えた場合、このように大きく面取りを施したダイ３では、打ち抜きが終了した時点で打ち抜き方向に被加工材Ｐが曲がってしまい製品が不良となるが、打ち抜き後に打ち抜き方向と同一方向にフランジ加工をすることによって、打ち抜き方向にフランジアップされるような製品では、このような打ち抜き加工方法が有効である。これは、ダイ３上面の平坦部１０から打ち抜き方向の寸法ａが金属板（被加工材Ｐ）の板厚の０．１倍以上であれば、打ち抜き端面がフランジアップ加工初期の時点で既にある程度フランジアップされた形状となっており、伸びフランジ変形による端面の塑性歪量が少なくて済むこと、および、打ち抜き時にダイ肩部周辺の被加工材Ｐに引張の応力が加わり、少ない塑性歪量で亀裂が発生するためにダイ近傍の打ち抜き端面の加工硬化量が少なくなるためである。また、上記寸法ａが金属板の板厚の０．１倍より小さいと、応力集中部となる小さなバリが発生するために、伸びフランジ加工性は悪化してしまう。

ただし、闇雲にダイに傾斜部９を設ければ伸びフランジ加工時の割れを防げるわけではない。ダイ上面の平坦部１０から打ち抜き方向の寸法ａが金属板の板厚の３倍よりも大きくなると、打ち抜き時点でのダイ３の傾斜量が大きくなりすぎるので、ダイ３と被加工材Ｐが接触する前にパンチ２が被加工材Ｐを突き破る形で打ち抜きが施されるために、却って打ち抜き端面の荒れと加工硬化が大きくなる。

また、前述の水平寸法ｂがパンチ２の径の１倍以下であれば、寸法ａが小さい場合と同様に、応力集中部となる小さなバリが発生して伸びフランジ加工性を悪化させてしまう場合がある。一方、水平寸法ｂがパンチ２の径の１０倍を超えると、被加工材Ｐの設置状態が不安定となり、製品に撓みが発生してしまう。

以上のように、本発明者らは、伸びフランジ性に効果があるダイ３の刃先８部分の傾斜部９を、ダイ上面の平坦部１０から打ち抜き方向の寸法ａが金属板の板厚の０．１〜３倍で、かつ空洞部３０を挟んで両側に位置するダイ３の上面は、空洞部３０を含む水平方向寸法ｂがパンチ２の径の１〜１０倍の領域において面取りされていれば、安定して伸びフランジ性に効果があることを見出した。

図４は異なる実施形態であり、前記（２）の発明に係るダイ３を示す。図４のごとくダイの傾斜部１２、１３を凸な曲面状とすれば、ダイ３の平坦部１０と傾斜部１２、１３との境目１１が被加工材Ｐに転写されるという問題を避けることができる。この際、図４(ａ)のように境目１１を丸める程度でもよいし、図４(ｂ)のように傾斜部１３の全体を凸状に丸めてもよい。

また、本発明による打ち抜き加工はダイ側からの亀裂発生が支配的であるため、図５のごとくパンチ１４の刃先１５を曲率半径０．５〜２ｍｍに丸めることが、金型寿命向上のために有効である（前記（３）に係る発明）。パンチの刃先を丸めた場合、通常のダイを使用すれば打ち抜き部が破断しにくくなるために打ち抜き端面の加工硬化量が増し、伸びフランジ加工性は大きく悪化する。しかし、本発明による面取りされたダイ３と組み合わせて用いる場合は、パンチ１４の刃先１５の曲率半径を０．５ｍｍ以上とすれば、図６のような破断形態となり、加工硬化が大きい部分１６は打ち抜きカス１７の一部となる。打ち抜きカス１７は、打ち抜き加工後の伸びフランジ加工に供さないので、加工硬化が大きい部分１６が除かれた被加工材（図６の被加工材Ｐの紙面右側の部分）は、打ち抜き加工端面の加工硬化量が減少し、伸びフランジ加工性は向上する。一方、このパンチ１４の刃先の曲率半径が２ｍｍを超えるとカス上がり（パンチ刃先に打ち抜きカス１７が付着してしまうことであり、製品を次々と打ち抜き加工するような場合の支障となる。）やパンチの焼き付きに繋がるので好ましくない。従って、パンチ１４の刃先１５の曲率半径は、０．５〜２ｍｍとすることが好ましい。

さらに、図７に示すように、打ち抜きパンチ１９の刃先１５に図６と同様の丸みをつけ、かつ先端方向に細くなるテーパー形状とすれば、図８に示すようにダイ刃先からの亀裂２０がパンチ１９と被加工材Ｐとの接触部より遠ざかる方向に伝播し、より多くの加工硬化が大きい部分１６が打ち抜きカス１７となって除去される。従って、打ち抜き加工後に伸びフランジ加工に供される被加工材Ｐの打ち抜き端面の加工硬化が減るために、伸びフランジ加工性を向上させることができる（前記（４）に係る発明）。この際、テーパー角度２１が過大となればカス上がりやパンチの焼き付きが起こるため、このテーパー角度は、鉛直線に対し５〜３０度程度に抑えることが推奨される。

また、ダイ３の刃先８の曲率半径を０．５〜１ｍｍにすることも、伸びフランジ加工性向上に効果がある（前記（５）に係る発明）。これは、ダイ３の刃先８の曲率半径を０．５ｍｍ以上に丸みをつけた場合に、亀裂発生部以外の被加工材Ｐにおけるダイ肩近傍部はダイ３の刃先８の丸み部との接触圧により圧縮場となって変形しにくくなる作用による。この作用によりダイ肩部の加工硬化領域は狭まるため、伸びフランジ加工時に発生する端面割れの伝播が抑止されて伸びフランジ性が向上されるのである。一方、ダイ３の刃先８の曲率半径が１ｍｍを超えると、大きなバリが発生することがあり、伸びフランジ加工性の悪化の原因となるので、ダイ３の刃先８の曲率半径は１ｍｍ以下とすることが好ましい。

ただし、ダイ３の刃先８に丸みをつけた際の効果は打ち抜き時のクリアランスに大きく影響される。本発明者らの調査によれば、クリアランスが被加工材Ｐの板厚の５〜１０％で効果的であり、これより大きなクリアランスであればあまり効果が得られなかった。

本発明の効果を実証するため、打ち抜き後に円錐穴広げを行う実験を実施した。本発明例として、打ち抜き加工には図９に示す形状のパンチ２４とダイ２５を用い、打ち抜き形状は直径１０mmの丸孔とした。ダイ２５の刃先３１の、平坦部３３から打ち抜き方向の寸法ａ＝１ｍｍ、空洞部を挟んで両側に位置するダイ２５の上面において空洞部の幅を含む面取り領域の水平方向寸法ｂ＝２×５＋２×５．１６＝２０．３２ｍｍである。

比較例として、ダイの刃先を面取りしていない点を除いて本発明例と同じ寸法のパンチとダイを使用した。

円錐穴広げ試験は日本鉄鋼連盟規格ＪＦＳＴ１００１に遵守し、先端の角度が６０度である円錐パンチにより打ち抜き孔を拡径し、打ち抜き端面に発生した亀裂が板厚を貫通した際の拡径率を穴広げ限界値とした。被加工材Ｐには、最大引張強度が５９０ＭＰaである板厚１．６ｍｍの鋼材を使用した。

図１０に、本発明例の打ち抜きによる穴広げ限界値と比較例のパンチ・ダイを用いた穴広げ限界値を示す。本発明による打ち抜き加工は、穴広げ限界値が平均して２０％ほど比較例の打ち抜き加工と比べて向上しており、本発明が打ち抜き端面の伸びフランジ加工性の向上に効果的であることを確認できる。なお、図１１に示すように、被加工材Ｐのフランジ部には、ダイ２５の傾斜部３２と平坦部３３の境目３４が転写された窪み２３が生じた。

本発明例として、図１２に示すように、傾斜部３５が曲面状に面取りされたダイ２６の面取り領域の曲率半径を１３ｍｍの凸状にし、これ以外の条件は全て実施例１と同じである実験を行った。

図１３に本発明例の打ち抜きによる穴広げ限界値と比較例のパンチ・ダイを用いた穴広げ限界値を示す。本発明による打ち抜き加工は、穴広げ限界値が平均して１９％ほど比較例の打ち抜き加工と比べて向上しており、本発明の有効性を確認することができる。この際、実施例１で見られたようなフランジ部の窪みは発生しなかった。

本発明例として、図１４に示すように、パンチ２７の刃先の曲率半径を１．５ｍｍとし、これ以外の条件は全て実施例２と同じである実験を行った。

図１５に本発明例の打ち抜きによる穴広げ限界値と比較例のパンチ・ダイを用いた穴広げ限界値を示す。本発明例による打ち抜き加工は、穴広げ限界値が平均して１５％ほど比較例の打ち抜き加工と比べて向上しており、本発明の有効性を確認することができる。この際、実施例１で見られたようなフランジ部の窪みは発生しなかった。

本発明例として、図１６に示すように、パンチ２８の先端形状を、鉛直線に対し１０度の角度で先端方向に細くなるテーパー形状とし、これ以外の条件は全て実施例３と同じである実験を行った。

図１７に本発明例の打ち抜きによる穴広げ限界値と比較例のパンチ・ダイを用いた穴広げ限界値を示す。本発明例による打ち抜き加工は、穴広げ限界値が平均して２０％ほど比較例の打ち抜き加工と比べて向上しており、本発明の有効性を確認することができる。この際、実施例１で見られたようなフランジ部の窪みは発生しなかった。

本発明例として、図１８に示すように、ダイ２９の刃先３６の曲率半径を１ｍｍとし、これ以外の条件は全て実施例１と同じである実験を行った。

図１９に本発明例の打ち抜きによる穴広げ限界値と比較例のパンチ・ダイを用いた穴広げ限界値を示す。本発明例による打ち抜き加工は、穴広げ限界値が平均して２３％ほど従来の打ち抜き加工と比べて向上しており、本発明の有効性を確認することができる。この際、実施例１で見られたようなフランジ部の窪みは発生した。

本発明例として、ダイ形状を図２０に示すものとし、ダイ４１の鉛直方向の面取り寸法Ｘ（ｍｍ）を０ｍｍ、０．１ｍｍ、０．１５ｍｍ、２ｍｍ、２．２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍの６通りの水準で実験を行った。ダイ４１の水平方向の面取り寸法は、いずれも５ｍｍとした。被加工材Ｐには、最大引張強度５９０ＭＰａである板厚１．６ｍｍの２相組織鋼板を使用した。これら以外の条件は全て実施例１と同じとした。

図２１に、本発明例の打ち抜きによる穴広げ限界値を面取り量Ｘごとに表示した実験結果を示す。図１０等に示した従来の比較例に対して、本発明例の範囲である、Ｘ＝２ｍｍ、２．２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍの条件では、孔広げ性は平均して倍近く向上しており、従来技術である少量の面取り量（Ｘ＝０．１ｍｍ、０．１５ｍｍ）の範囲では、孔広げ性は却って悪化する傾向であることが図２１より分かる。この結果より、本発明の有効性を確認することができる。なお、この際、実施例１で見られたようなフランジ部の窪みは発生した。

本発明は、鉄、アルミニウム、チタン、マグネシウムおよびこれら合金等の金属板の打抜き装置及び打抜き方法に適用できる。

２、１４、１９ パンチ
３ ダイ
４ ダレ
５ せん断面
６ 破断面
７ バリ
８ 刃先
９、１２、１３ 傾斜部
１０ 平坦部
１１ （傾斜部と平坦部の）境目
１５ 刃先
１６ 加工硬化が大きい部分
１７ 打ち抜きカス
２０ 亀裂
２１ テーパー角度
２３ 窪み
２４、２７、２８ パンチ
２５、２６、２９、４１ ダイ
３０ 空洞部
Ｐ 被加工材

Claims (10)

1. パンチとダイを用いて金属板に穴をあける打ち抜き加工をした後、打ち抜き方向と同一方向に伸びフランジ加工をする金属板の打ち抜き加工方法において、
   前記打ち抜き加工に使用するダイの刃先は、ダイ上面の平坦部から打ち抜き方向に前記金属板の板厚の０．１〜３倍の寸法だけ下がった位置にあり、かつ、空洞部を挟んで両側に位置する前記ダイの上面が、前記空洞部を含む水平方向寸法が前記パンチの径の２．０３２〜１０倍の領域において面取りされていることを特徴とする面取りダイを用いた打ち抜き加工方法。
2. 前記ダイの面取りされた領域は、凸な曲面状であることを特徴とする請求項１記載の面取りダイを用いた打ち抜き加工方法。
3. 前記打ち抜き加工に使用するパンチの刃先は、曲率半径が０．５〜２ｍｍであることを特徴とする請求項１または２記載の面取りダイを用いた打ち抜き加工方法。
4. 前記パンチは、更にパンチ先端方向に細くなるテーパー形状であることを特徴とする請求項３記載の面取りダイを用いた打ち抜き加工方法。
5. 前記ダイの刃先は、曲率半径が０．５〜１ｍｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の面取りダイを用いた打ち抜き加工方法。
6. パンチとダイを有し、金属板に穴をあける打ち抜き加工装置であって、
   打ち抜き加工後、打ち抜き方向と同一方向の伸びフランジ加工に用いられ、前記打ち抜き加工に使用するダイの刃先は、
   ダイ上面の平坦部から打ち抜き方向に前記金属板の板厚の０．１〜３倍の寸法だけ下がった位置にあり、かつ、空洞部を挟んで両側に位置する前記ダイの上面が、前記空洞部を含む水平方向寸法が前記パンチの径の２．０３２〜１０倍の領域において面取りされていることを特徴とする面取りダイを用いた金属板伸びフランジ加工用穴打ち抜き加工装置。
7. 前記ダイの面取りされた領域は、凸な曲面状であることを特徴とする請求項６記載の面取りダイを用いた金属板伸びフランジ加工用穴打ち抜き加工装置。
8. 前記パンチの刃先は、曲率半径が０．５〜２ｍｍであることを特徴とする請求項６または７記載の面取りダイを用いた金属板伸びフランジ加工用穴打ち抜き加工装置。
9. 前記パンチは、更にパンチ先端方向に細くなるテーパー形状であることを特徴とする請求項８記載の面取りダイを用いた金属板伸びフランジ加工用穴打ち抜き加工装置。
10. 前記ダイの刃先は、曲率半径が０．５〜１ｍｍであることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の面取りダイを用いた金属板伸びフランジ加工用穴打ち抜き加工装置。

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