JP5400537B2 - 深絞り鉄角缶の多段プレス成型方法および深絞り鉄角缶 - Google Patents

Description

本発明は、冷延鋼板、Ｎｉめっき等の表面処理鋼板を素材とした電池用深絞り角缶、その他深絞り角缶において、深絞り角缶壁面のしごき加工痕（カジリ痕）の無い表面性状に優れた深絞り角缶、および深絞り角缶の多段プレス成型方法で、しごき加工を行わず金型寿命の長いプレス成型方法に関するものである。

冷延鋼板、Ｎｉめっき等の表面処理鋼板を素材とした電池用角缶、その他缶深さの深い角缶は、多段プレス成型方法で成型されている。電池缶等の角缶の多段プレスでは、製品の缶コーナー部は小さな缶コーナーＲに向かって高いしぼり率で板がコーナー部に流入することになり、絞り缶コーナー部の缶高さはプレスを一段絞る毎に顕著に高くなる。一方、長辺部或いは短辺部の直線部では絞り成型が殆どなく、単にダイス肩Ｒ部が流れ込むのみであるため、缶高さの増加は極微かとなる。このような成型を多段繰り返し行うと、コーナー部と直辺部とのメタルフローに大きな差が生じ、コーナー部の鋼板の流入が困難となり、プレス破断が生じることがある。

従来は、電池用角缶の様な缶深さの深い角缶の多段プレス成型は、上述のコーナー部と直辺部の鋼板の流入量差を補うため、ポンチとダイスのクリアランスを板厚より薄く設定ししごき加工を行ってプレス割れを防止するしごきプレス方法が行われている。例えば、特許文献１の［発明の効果］に、「下流のそれぞれの角絞り工程で均一な肉厚が得られるよう角部近辺の肉厚が薄くなるようにしごき成型するようにしたので、（中略）角絞りに起きやすい偏肉現象を抑えて均一な肉厚を得ることができるようになり、金型製作費が安価になるとともにメンテを含む金型調整費が減少する。」と記載されている。

しかし、このしごきプレス成型方法は、しごき加工を行うため、金型のしごき加工面に非常に高い圧縮面圧が負荷された状態で鋼板が摺動し、金型の摩耗が大きくなり金型寿命が極めて短くなること、又、生産性を向上させようとしてプレス速度を速くすると発熱が大きくなり、焼き付きが生じるなどのトラブルが生じやすくなる。更に、製品のしごき加工が施された壁面は、しごき加工痕（カジリ痕）即ちしごき加工時の摺動痕が発生し微小なささくれ状になる。例えば、電池缶の場合は耐食性等のためにＮｉメッキ鋼板が使用されるが、そのＮｉメッキ面に摺動痕が発生し微小なささくれ状になって有効なＮｉメッキ層が薄くなり、ときには鉄面が露出し耐食性を低下させる。そのため、所定の耐食性を確保するには、めっき厚を厚くする必要があるなどの課題がある。

尚、冷延鋼板、Ｎｉめっき等の表面処理鋼板を素材とした電池用角缶の多段プレス成型方法に関する従来技術について調査したが、しごき加工を行わずに所定のプレス成型が出来る成型方法については見あたらなかった。

特許第３１６０７５５号公報

本発明が解決しようとする課題は、冷延鋼板、Ｎｉめっき等の表面処理鋼板を素材とした電池用深絞り角缶等の深絞り角缶において、深絞り角缶壁面のしごき加工痕（カジリ痕）の無い表面性状に優れた深絞り角缶および深絞り鉄角缶の多段プレス成型方法を提供することである。

本発明者らは、深絞り角缶壁面のしごき加工痕（カジリ痕）の無い表面性状に優れた深絞り角缶およびその成型方法を提供することについて検討を行い本発明を完成したものであり、その要旨とするところは下記の通りである。

（１）長辺部および短辺部の直辺部を有し、コーナー部がコーナーＲである深絞り鉄角缶の多段プレス成型方法であって、第１絞り工程以降の全絞り工程において、缶底と缶壁のみからなる絞り缶の缶壁にしごき加工を施さない多段成型方法とし、第２絞り工程に於ける絞り缶の長辺から短辺に至る各位置の絞り缶の高さ増加率（ΔＨ（％）＝（絞り後缶高さ−絞り前缶高さ）／絞り前缶高さ×１００）の最大値ΔＨｍａｘを４０％以下、各位置のΔＨの変動幅（ΔＨｍａｘ−ΔＨｍｉｎ）を２０％以下となるようにし、第３絞り工程以降の全絞り工程において、ΔＨｍａｘを２５％以下、ΔＨｍａｘ−ΔＨｍｉｎを１５％以下となるように、ブランク形状、各絞り工程毎の絞りポンチ輪郭、ダイス輪郭を設定することで、しごき加工を施さなくとも絞り成型を可能とすることを特徴とする深絞り鉄角缶の多段プレス成型方法。
（２）ＦＥＭ数値解析によるシミュレーションを繰り返し行い、使用鋼板の加工性、異方性を考慮し、前記ブランク形状と各絞り工程毎の絞りポンチおよびダイスの輪郭を設定する（１）に記載の深絞り鉄角缶の多段プレス成型方法。
（３）（１）または（２）に記載の多段プレス成型方法によりプレス成型された深絞り鉄角缶。

本発明の深絞り角缶およびその成型方法は、冷延鋼板、Ｎｉめっき等の表面処理鋼板を素材とした電池用深絞り角缶等の深絞り角缶において、深絞り角缶壁面のしごき加工痕（カジリ痕）の無い表面性状に優れた深絞り角缶および従来のしごきプレス成型方法の前記課題が無い深絞り鉄角缶の多段プレス成型方法を提供するもので、従来のしごきプレス成型方法の課題である「金型の摩耗が大きくなり金型寿命が極めて短くなる」こと、又、「生産性を向上させようとしてプレス速度を速くすると発熱が大きくなり、焼き付きが生じるなどのトラブルが生じやすくなる」こと、更に、「製品のしごき加工が施された壁面は、摺動痕が発生し微小なささくれ状になり、例えば、電池缶の場合は耐食性等でＮｉメッキ鋼板が使用されるが、そのＮｉメッキ面に摺動痕が発生し微小なささくれ状になり有効なＮｉメッキ層が薄くなり時には鉄面が露出し耐食性を低下させ、所定の耐食性を確保するにはめっき厚を厚くする必要があるなどの課題がある」等の課題を解決できる。

本発明の深絞り角缶の代表例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。 本発明のブランクの代表例を示す平面図である。 本発明の第１工程〜第３工程のプレス金型の例を示す平面図および断面図である。 図３により成型される第１工程〜第３工程の絞り缶を示す斜視図である。 図３により試作した角缶の第２工程のΔＨ分布を示すグラフである。 図３により試作した角缶の第３工程のΔＨ分布を示すグラフである。

以下に本発明について詳細に述べる。

本発明者らは、先ず、缶内幅Ｗ＝８５ｍｍ、缶内厚みＴ＝１５ｍｍ、缶高さＨ＝４５ｍｍ、缶内コーナー半径Ｒｃ＝１．０ｍｍ、板厚ｔ＝０．４０ｍｍの大型角電池缶（図１参照）について、全絞り工程のポンチとダイスのクリアランスを成型前側壁板厚より大きくし、しごき加工がなされない深絞り鉄角缶の多段プレス成型方法で試作を試みた。１回目は全７工程絞り計画で試作したところ３工程目の絞り時に割れが発生し、２回目の試作では工程数を増やし全９工程絞り計画で試作したところ４工程目の絞りで割れが発生した。その後もポンチ金型の形状を修正し試作を行ったが、何れも、途中段階で、コーナー部と直辺部の境界で割れが発生し、絞り加工が出来なかった。

本発明者らは、なぜ、途中工程で、コーナー部と直辺部の境界で割れが発生し、絞り加工が出来無くなったのかを詳細に検討した。角缶のコーナー部の近似的成型としては、コーナー部を４箇所集めた丸缶、即ち、本試作角缶の場合はＲｃ＝１．０ｍｍ、缶高さＨ＝４５ｍｍであるので、（直径＝２．０ｍｍ）×（Ｈ＝４５ｍｍ）に該当し、単三電池缶（約１３．５φ×約５０．０Ｈ）に比較して極めて過酷な深絞り成型となる。従って、コーナー部近傍の鋼板を、如何にスムースに直辺部にメタルフローさせるかが、成型のポイントであることを見出し、それについて、成型シミュレーション（ＦＥＭ解析）を活用し、種々検討した。その結果、本発明の「第２絞り工程に於ける絞り缶の長辺から短辺に至る各位置の絞り缶の高さ増加率（ΔＨ（％）＝（絞り後缶高さ−絞り前缶高さ）／絞り前缶高さ×１００）の最大値（ΔＨｍａｘ）を４０％以下、各位置のΔＨの変動幅（ΔＨｍａｘ−ΔＨｍｉｎ）を２０％以下となるように、そして、第３絞り工程以降の全絞り工程において、ΔＨｍａｘを２５％以下、ΔＨｍａｘ−ΔＨｍｉｎを１５％以下となるように、ブランク形状、各絞り工程毎の絞りポンチ輪郭、ダイス輪郭に設定すること」を、全工程の各金型設計の基本設計思想、即ち、ブランク形状、各工程の金型設計の良否の判断基準とすることで、しごき加工を施さなくとも絞り成型が可能となり、しごき加工を行わない深絞り角缶のプレス成型を達成する金型設計の最重要なポイントであることを知見した。このようにして成型した深絞り角缶は、角缶壁面にしごき加工が施されていないため、プレス成型した缶壁面にしごき加工痕（カジリ痕）が無く、表面性状に優れた深絞り鉄角缶となる。

尚、本発明の設計思想を持たずに、単に、成型シミュレーションのみを活用しても、鋼板特性、潤滑特性、ブランク形状、各工程の金型形状は、どれか１つを変更すると、成型可否、絞り品の形状、各工程の成型状況（しわ、割れ、缶壁高さ寸法および耳形状、板厚分布）の全てが変化するので、良好な結果を得る成型条件を導き出すには非常に多くの成型条件の組合せがあり、極めて難しい。

以下に、本発明の実施例を、図面にもとづいて説明する。

本発明により成型される角缶は、例えば図１に示すような缶コーナーＲ寸法Ｒｃが小さくそして缶深さＨが深い角電池缶等で、ハイブリッド自動車などに使われる大型のＮｉ−Ｈ角電池、Ｌｉ角電池用角缶等がその代表例である。本発明を適用しその効果が発揮できるのはＨ／Ｒｃ≧１５の場合であり、特にＨ／Ｒｃ≧２５の角缶への適用時には、その効果は顕著である。又、本発明を適用して作られた深絞り角缶は、所定の缶高さ寸法にするためのトリミング加工、壁面等の形状矯正、或いは穴開け加工等が施された後、完成した深絞り角電池缶或いは深絞り角容器缶となる。

図１〜６を用いて本発明の実施例を具体的に説明する。図１は、本発明により作成された深絞り角缶の缶高さをＨ＝４３．０ｍｍにトリミングした角缶１１を示し、（ａ）は上面からみた平面図、（ｂ）は正面図である。

図２〜４は、本発明の成型方法で図１の角缶のプレス成型を行う工程を示すもので、図２はブランク１０の形状、図３は第１絞り工程〜第３（最終）絞り工程でのポンチＰ、ダイスＤ、しわ押さえ（ブランクホルダー）ＢＨの形状、図４は第１工程〜第３工程の絞り缶の外観を示すものである。なお、図３において、１はダイスＤの輪郭、２はポンチＰの輪郭、３はポンチＰ底の輪郭、４は絞り前缶の外ホルダー輪郭、５は絞り前缶の内ホルダー輪郭を示す。絞り前缶の外ホルダー輪郭４はダイスＤと一体であり、絞り前缶の内ホルダー輪郭５はしわ押さえＢＨと一体である。第１工程〜最終の第３工程の絞り缶（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）は、コーナー近傍の割れ、ネッキング、しわの発生もなく、良好な絞り缶が得られている。

図５、図６は、試作した深絞り角缶について、本発明の、第２絞り工程に於ける絞り缶の長辺から短辺に至る各位置の絞り缶の高さ増加率ΔＨの最大値ΔＨｍａｘを４０％以下、各位置のΔＨの変動幅（ΔＨｍａｘ−ΔＨｍｉｎ）を２０％以下、そして、第３絞り工程においてΔＨｍａｘを２５％以下、ΔＨｍａｘ−ΔＨｍｉｎを１５％以下、となっているかどうかを調査したものである。図５に示すように、第２工程の絞り缶のΔＨｍａｘ＝３４％、ΔＨｍａｘ−ΔＨｍｉｎ＝３４％−１８％＝１６％、図６に示すように、第３工程の絞り缶のΔＨｍａｘ＝１７％、ΔＨｍａｘ−ΔＨｍｉｎ＝１７％−８％＝９％と、本発明の範囲で成型されており、しごき加工を行わない全３工程の多段プレス成型方法で、コーナー近傍の割れ、ネッキング、しわの発生もなく、良好な絞り缶が得られた。

尚、図５、図６に示すΔＨは、ＦＥＭ数値解析を用いない方法では、第２絞り加工前の缶壁上端部に例えば２ｍｍピッチで位置番号をマーキングし、位置番号毎の缶底からの缶壁垂直高さを測定してＨ１とし、第２絞り加工後の位置番号毎の缶底からの缶壁垂直高さを測定してＨ２とし、
ΔＨ（％）＝（Ｈ２−Ｈ１）／Ｈ１×１００
を測定し、第３絞り工程以降のΔＨも同様にして算出して求めることができる。又、ＦＥＭ解析時の缶上端部のモード番号（メッシュ番号）毎の缶高さ増加率ΔＨ（％）を求めればよい。

以上のように、ΔＨという定量的指標を用い、本発明の具体的な数値規制を持って、ブランク形状、各絞り工程毎の絞りポンチ輪郭、ダイス輪郭を設定することで、深絞り角缶を、しごき加工を施さなくとも絞り成型することが可能となる。

又、得られた深絞り角缶は、プレス成型した缶壁面のしごき加工痕（カジリ痕）も無く表面性状に優れた深絞り鉄角缶が製造でき、薄目付けのＮｉメッキ鋼板でしごき加工を行わずにプレス成型した深絞り角缶は、良好な耐食性が得られた。

本発明の深絞り角缶に供試される鋼板は、冷延鋼板、Ｎｉめっき或いはＮｉ−Ｓｎ等合金めっき鋼板、更には樹脂フイルム被覆鋼板などの表面処理鋼板、更には、鉄系鋼板（ステンレス等も含む）でも有効な効果を発揮できる。

本発明は、各種鋼板による角缶のプレス成型方法に適用できる。

１ ダイス輪郭
２ ポンチ輪郭
３ ポンチ底輪郭
４ 絞り前缶の外ホルダー輪郭
５ 絞り前缶の内ホルダー輪郭
Ｐ ポンチ
Ｄ ダイス
ＢＨ しわ押さえ

Claims (3)

1. 長辺部および短辺部の直辺部を有し、コーナー部がコーナーＲである深絞り鉄角缶の多段プレス成型方法であって、
   第１絞り工程以降の全絞り工程において、缶底と缶壁のみからなる絞り缶の缶壁にしごき加工を施さない多段成型方法とし、
   第２絞り工程に於ける絞り缶の長辺から短辺に至る各位置の絞り缶の高さ増加率（ΔＨ（％）＝（絞り後缶高さ−絞り前缶高さ）／絞り前缶高さ×１００）の最大値ΔＨｍａｘを４０％以下、各位置のΔＨの変動幅（ΔＨｍａｘ−ΔＨｍｉｎ）を２０％以下となるようにし、第３絞り工程以降の全絞り工程において、ΔＨｍａｘを２５％以下、ΔＨｍａｘ−ΔＨｍｉｎを１５％以下となるように、ブランク形状、各絞り工程毎の絞りポンチ輪郭、ダイス輪郭を設定することで、しごき加工を施さなくとも絞り成型を可能とすることを特徴とする深絞り鉄角缶の多段プレス成型方法。
2. ＦＥＭ数値解析によるシミュレーションを繰り返し行い、使用鋼板の加工性、異方性を考慮し、前記ブランク形状と各絞り工程毎の絞りポンチおよびダイスの輪郭を設定する請求項１に記載の深絞り鉄角缶の多段プレス成型方法。
3. 請求項１または２に記載の多段プレス成型方法によりプレス成型された深絞り鉄角缶。