JP5396735B2 - 高珪素鋼帯の打ち抜き加工方法及び抜き加工設備 - Google Patents

Description

本発明は、高珪素鋼薄帯の打抜き加工方法およびその実施に好適な抜き加工設備に関するものである。

高珪素鋼帯は高周波磁気特性に優れていることから、高速回転機のコア材料や高周波リアクトルの鉄芯材料として使用されている。高速回転機のコアや高周波リアクトルの鉄芯は、鋼帯を打抜き加工して得られた切り板を多数枚積層させ、この積層体を、カシメやボルト締め、接着剤などにより固定することにより製造される。

鋼帯の高周波磁気特性を改善するには、鋼帯の抵抗を高めて渦電流の発生を少なくすることが有効であり、そのために板厚の薄い高珪素鋼帯（例えば、Ｓｉ含有量３．５質量％以上、板厚０．２５ｍｍ以下）が用いられる。しかし、高珪素鋼帯は硬い脆性材料であるため、打抜き加工時に割れや欠けが発生しやすく、また金型の寿命も低下しやすい。
また、板厚が薄いため、加工端面を適正な性状にするには金型のクリアランスを十分に小さくする必要があり、このようにクリアランスを狭めると、金型寿命はさらに低下することになる。

従来、高珪素鋼帯をスリット加工する方法に関して、加工性を改善するために、鋼帯を温間状態に加熱してスリット加工を行う方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−２３５５１５号公報

しかし、本発明者らが検討した結果、板厚の薄い高珪素鋼帯の打ち抜き加工では、鋼帯を温間状態に加熱して打ち抜き加工を行っても、加工時の割れや欠けの発生を適切に抑えることができず、また、金型寿命の低下の問題も十分に改善ができないことが判った。

したがって本発明の目的は、板厚の薄い高珪素鋼帯を割れや欠けを生じることなく、かつ金型の磨耗を抑え、金型寿命を確保しつつ打ち抜き加工することができる打ち抜き加工方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、そのような打ち抜き加工方法の実施に好適な打ち抜き加工設備を提供することにある。

上記課題を解決すべく本発明者らが検討した結果、板厚の薄い高珪素鋼帯を割れや欠けを生じることなく、しかも金型の磨耗を抑えつつ打ち抜き加工するには、被加工鋼帯を加熱するだけでなく、金型自体を加熱することが重要であることが判った。これは、板厚の薄い高珪素鋼帯の打ち抜き加工で常温の金型を用いると、被加工鋼帯を加熱していても常温の金型との接触により温度低下を生じ、鋼帯を加熱したことによる効果が適切に得られないためであると考えられる。ここで、板厚の薄い高珪素鋼帯を打ち抜き加工するにはクリアランスを十分に小さくする必要があり、それだけでも相当に厳しい加工条件であると言えるが、その上に金型を加熱することになると、さらに厳しい加工条件となり、この点から言っても、金型自体を加熱することは一般的に行われるようなことではない。これに対して本発明では、加熱された被加工鋼帯（板厚の薄い高珪素鋼帯）を同じく加熱された金型で打ち抜き加工することにより、打ち抜き加工性と金型の摩耗抑制効果を顕著に改善できることを見出したものである。

本発明は、このような知見に基づきなされたもので、その要旨は以下とおりである。

［1］搬送手段により鋼帯が送り込まれる打ち抜き装置と、該打ち抜き装置の入側で鋼帯を加熱する加熱手段とを有し、
前記打ち抜き装置は、順送り金型である上金型（４）及び下金型（５）と、鋼板押さえ（６）を有し、
上金型（４）は、装置本体に上下昇降可能に保持されるとともに、金型本体（４１）の幅方向中央位置に、鋼帯送り方向で間隔をおいて突設された複数のパンチ部（４０）を有し、
下金型（５）は、装置本体に固定され、上金型（４）のパンチ部（４０）に対応した複数のダイ部（５０）を有し、
鋼板押さえ（６）は、上金型（４）の各パンチ部（４０）が挿通する挿通孔（６０）を有し、上金型（４）の下面側に配置されて、装置本体に上下昇降可能に保持され、
上金型（４）は、平面的にみて鋼帯通板部の両側に沿ってパンチ部（４０）を挟むような配置形態で、金型を加熱する加熱手段である１対の細長形状の加熱ヒータ（８）を内蔵し、
下金型（５）は、平面的にみて鋼帯通板部の両側に沿ってダイ部（５０）を挟むような配置形態で、金型を加熱する加熱手段である１対の細長形状の加熱ヒータ（８）を内蔵し、
上金型（４）の上面と下金型（５）の下面には、加熱された金型を保熱する保熱手段である保熱板（９）が取り付けられていることを特徴とする鋼帯の打抜き加工設備。
［2］上記［1］の打抜き加工設備を用いた高珪素鋼帯の打抜き加工方法であって、
Ｓｉ含有量が３．５質量％以上、板厚が０．２５ｍｍ以下の高珪素鋼帯を打抜き加工するに際し、打抜き装置の入側で加熱手段により５０〜２００℃に加熱された高珪素鋼帯を、加熱ヒータ（８）により上下金型（４），（５）が５０〜２００℃に加熱された打抜き装置により打抜き加工することを特徴とする高珪素鋼帯の打抜き加工方法。

本発明の打抜き加工方法によれば、鋼帯を温度低下させることなく所望の温間状態で打ち抜き加工することができるので、板厚の薄い高珪素鋼板を割れや欠けを生じることなく、かつ金型の磨耗を抑え、金型寿命を十分に確保しつつ打ち抜き加工することができる。また、本発明の打抜き加工設備によれば、そのような打抜き加工を安定して実施することができる。

図１〜図３は、本発明の打ち抜き加工方法及び打ち抜き加工設備の一実施形態を模式的に示すもので、図１は設備全体の部分断面側面図、図２は同じく平面図、図３は打ち抜き装置を構成する下金型の平面図である。なお、これらの図面においては、便宜上、金型のパンチとダイの形状は簡略に表してある。
図において、１は打ち抜き装置であり、この打ち抜き装置１にはロールフィーダー３などの搬送手段により鋼帯Ｓが送り込まれる。２は、この打ち抜き装置１の入側で鋼帯を加熱する加熱ヒータであり、鋼帯パスラインの上下に配置されている。

前記打ち抜き装置１は、上下金型４，５（順送り金型）と鋼板押さえ６（ストッパー）を有している。
前記上金型４は、装置本体に上下昇降可能に保持され、金型本体４１の幅方向中央位置に、鋼帯送り方向で間隔をおいて突設された複数のパンチ部４０を有している。
前記下金型５は、装置本体に固定され、上金型４の前記パンチ部４０に対応した複数のダイ部５０（雌型孔）を有している。前記上金型４の各パンチ部４０で打ち抜かれた板片（スクラップまたは打ち抜き板）は、各ダイ部５０の孔内に案内され、例えば、ガイド筒７などを通じて下金型５の下方に取り出される。

前記鋼板押さえ６は、上金型４の下面側に配置され、これも装置本体に上下昇降可能に保持されている。この鋼板押さえ６は、上金型４の各パンチ部４０が挿通する挿通孔６０を有しており、この鋼板押さえ６が下金型５に対して鋼帯Ｓをクランプした状態で、上金型４の各パンチ部４０が挿通孔６０内を下降し、鋼帯Ｓを打ち抜き加工するようにしている。
鋼帯Ｓは、順送りされて前記複数組のパンチ部４０とダイ部５０で順次打ち抜かれ、所定の形状の打ち抜き板（製品）が得られる。図４（A）〜（C）は、３組のパンチ部４０とダイ部５０による３段階の打ち抜き工程で順次打ち抜かれる板形状の一例を示すものであり、ステータコア用の打ち抜き板（製品）を得る際の各打ち抜き工程での打ち抜き部を斜線で示している。

上金型４（金型本体４１）と下金型５は、それぞれ加熱ヒータ８を内蔵しており、上下金型４，５はこれらの加熱ヒータ８で加熱される。また、上金型４からの伝熱により鋼板押さえ６も加熱される。通常、各加熱ヒータ８は電熱ヒータで構成されるが、他の形式のヒータであってもよい。
上下金型４，５と鋼板押さえ６のうち、鋼帯と接する部分或いは鋼帯に近い部分が所定の温度に確実に加熱されるようにするため、上下金型４，５の加熱ヒータ８は細長の形状を有し、平面的にみて鋼帯通板部の両側に沿うような配置形態で、それぞれの金型に内蔵されている。

さらに、上金型４の上面と下金型５の下面には、それぞれ保熱手段として保熱板９が取り付けられている。この保熱板９は、例えば、ベークライト板などで構成される。
前記加熱ヒータ２は、一般には電熱ヒータなどで構成されるが、他の形式のヒータ用いてもよい。通常、加熱ヒータ２と打ち抜き装置１との間に鋼帯Ｓの測温計（図示せず）が配置され、この測温計で測定された鋼帯温度に基づき、加熱ヒータ２の加熱温度制御がなされる。
なお、上下金型４，５に対する加熱ヒータ８の設置形態は本実施形態に限定されるものではなく、例えば、それぞれの金型において、鋼帯Ｓの搬送方向に対して直交する方向に複数本配置してもよい。図５は、その一実施形態（設備全体の平面図）を示している。

次に、本発明の打ち抜き加工方法を、上述した打ち抜き加工設備を使用する場合を例に説明する。
本発明法において打ち抜き加工の対象となるのは、打ち抜き加工により割れや欠けが生じやすく且つクリアランスが小さいために金型の摩耗を生じやすい、Ｓｉ含有量が３．５質量％以上、板厚が０．２５ｍｍ以下の高珪素鋼帯である。また、この種の高珪素鋼帯は、磁気特性や製造上の制約などの理由から、一般にＳｉ含有量の実質的な上限は７．０質量％、板厚の実質的な下限は０．０５ｍｍ程度となる。

打ち抜き装置１は、上下金型４，５が加熱ヒータ８により加熱される。この金型加熱の目的は、金型と接触した際の鋼帯の温度低下を防止することにあるので、加熱温度は、打ち抜き加工時の鋼帯温度と同様、２００℃以下、好ましくは５０〜２００℃、より好ましくは８０〜１５０℃とする。

鋼帯Ｓ（高珪素鋼板）は、ロールフィーダー３により打ち抜き装置１に対して打ち抜き工程に合わせて順送りに搬送されるが、打ち抜き装置１の入側において加熱ヒータ２により加熱され、この加熱された状態で打ち抜き加工される。打ち抜き加工される際の鋼帯温度は２００℃以下、好ましくは５０〜２００℃、より好ましくは８０〜１５０℃とする。打ち抜きに際しては、加熱していない常温状態にある場合に比べて、加熱して昇温させることにより加工時の割れや欠けを改善できる。常温を超える温度に加熱しない場合は、加工性の改善が期待できない。このため鋼帯温度は、季節によらず確実に常温を超えた温度にできる５０℃以上が好ましく、８０℃以上がより好ましい。一方、加熱温度が２００℃を超えると、鋼板の酸化や絶縁皮膜の劣化などの問題を生じるおそれがあるため、鋼帯温度は２００℃以下とし、好ましくは１５０℃以下とする。

本発明では金型自体が加熱されているため、鋼帯Ｓを温度低下させることなく所望の温間状態で打ち抜き加工することができ、このため割れや欠けを生じることなく、かつ金型の磨耗を抑えることができる。
なお、上下金型４，５を加熱することにより、材料の加工において重要な因子であるクリアランスが変化することが懸念されるため、加熱した状態で最適なクリアランスとなるべく、事前にクリアランスの調整・設定を行うことが好ましい。

板厚が０．１ｍｍ、Ｓｉ含有量が６．５質量％の高珪素鋼帯を素材とし、本発明法と従来法により、ステータコア用材料（外径φ４０ｍｍ、６脚）の打抜き加工試験を行い、加工端面の性状・欠け発生の有無と金型寿命を調べた。なお、金型にはハイス鋼を用いた。
本発明法では、図１〜図３に示す構造の打ち抜き加工設備を用い、打ち抜き装置１の入側の加熱ヒータ２で鋼帯を８０℃と１００℃の２水準に加熱するとともに、加熱ヒータ８により上下金型４，５を鋼帯加熱温度と同じ温度に加熱した。また、従来法では、鋼帯および金型のいずれをも加熱しない常温状態で打ち抜き加工を行った。

打ち抜き加工された試験材の加工端面について、以下のようにして凹凸高低差を測定して端面の荒れ具合を評価するとともに、加工端面の欠け発生の有無を調べた。その結果を図６に示す。
［凹凸高低差の測定方法］
キーエンス社製「形状測定顕微鏡
ＶＫ−８５５０」を用いて加工端面を観察し、３次元画像処理によるマッピングを行って、加工端面における最大高さと最小高さを求め、最大高さと最小高さの差を凹凸高低差とした。なお、加工端面の凹凸高低差が２５μｍ以上になると、目視でも粗面化が認識されるようになる。

図６によれば、本発明法では加工端面の欠けは発生せず、特に鋼帯および金型を１００℃に加熱して打ち抜き加工した場合には、加熱しない状態である常温（２０℃）で打ち抜き加工した従来法に較べて、凹凸高低差は約半分の値になっており、加工端面の粗面化が防止されている。なお、金型の加熱は行わず、鋼帯の加熱のみを行った場合についても、上記従来法と同程度の結果が得られた。
次に、上記と同じ形の超硬合金製の金型を用い、連続打ち抜き試験を行った。その結果、常温（２０℃）で打ち抜き加工した従来法では、従来５万ショット程度にて金型の研磨が必要になるのに対し、鋼帯および金型を１００℃に加熱して打ち抜き加工した本発明法では２６万ショットでも凹凸高低差は２５μｍ未満であり、加工端面の粗面化は目視では認識されず、研磨が必要なレベルまでは粗面化しておらず、金型寿命を従来法の５倍以上も長くすることができた。

本発明の打ち抜き加工方法及び打ち抜き加工設備の一実施形態を示す部分断面側面図 図１の実施形態の平面図 図１の実施形態の打ち抜き装置を構成する下金型の平面図 複数段階の打ち抜き工程における鋼帯の打ち抜き形状の一例を示す説明図 本発明の打ち抜き加工設備の他の実施形態を示す平面図 実施例の試験材の加工端面の凹凸高低差を測定した結果を示すグラフ

符号の説明

１ 打ち抜き装置
２ 加熱ヒータ
３ ロールフィーダー
４ 上金型
５ 下金型
６ 鋼板押さえ
７ ガイド筒
８ 加熱ヒータ
９ 保熱板
４０ パンチ部
４１ 金型本体
５０ ダイ部
６０ 挿通孔
Ｓ 鋼帯

Claims (2)

1. 搬送手段により鋼帯が送り込まれる打ち抜き装置と、該打ち抜き装置の入側で鋼帯を加熱する加熱手段とを有し、
   前記打ち抜き装置は、順送り金型である上金型（４）及び下金型（５）と、鋼板押さえ（６）を有し、
   上金型（４）は、装置本体に上下昇降可能に保持されるとともに、金型本体（４１）の幅方向中央位置に、鋼帯送り方向で間隔をおいて突設された複数のパンチ部（４０）を有し、
   下金型（５）は、装置本体に固定され、上金型（４）のパンチ部（４０）に対応した複数のダイ部（５０）を有し、
   鋼板押さえ（６）は、上金型（４）の各パンチ部（４０）が挿通する挿通孔（６０）を有し、上金型（４）の下面側に配置されて、装置本体に上下昇降可能に保持され、
   上金型（４）は、平面的にみて鋼帯通板部の両側に沿ってパンチ部（４０）を挟むような配置形態で、金型を加熱する加熱手段である１対の細長形状の加熱ヒータ（８）を内蔵し、
   下金型（５）は、平面的にみて鋼帯通板部の両側に沿ってダイ部（５０）を挟むような配置形態で、金型を加熱する加熱手段である１対の細長形状の加熱ヒータ（８）を内蔵し、
   上金型（４）の上面と下金型（５）の下面には、加熱された金型を保熱する保熱手段である保熱板（９）が取り付けられていることを特徴とする鋼帯の打抜き加工設備。
2. 請求項１に記載の打抜き加工設備を用いた高珪素鋼帯の打抜き加工方法であって、
   Ｓｉ含有量が３．５質量％以上、板厚が０．２５ｍｍ以下の高珪素鋼帯を打抜き加工するに際し、打抜き装置の入側で加熱手段により５０〜２００℃に加熱された高珪素鋼帯を、加熱ヒータ（８）により上下金型（４），（５）が５０〜２００℃に加熱された打抜き装置により打抜き加工することを特徴とする高珪素鋼帯の打抜き加工方法。

Images