JP5637011B2 - 被加工材、鋼材の穴抜き方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車、家電製品、建築構造物、船舶、建設機械、各種プラント等で用いられる圧延された被加工材の穴抜き方法に関する。

自動車、家電製品、建築構造物等の金属板に穴を形成する方法として、パンチ及びダイを用いた穴抜き方法が知られている。図９は従来の穴抜き装置の概略図である。同図を参照して、パンチ１０２Ａがダイ１０３に向かって下動することにより、ダイ１０３にセットされた加工板１０１に穴抜き加工が施される。

図１０は穴抜き加工が施された加工板１０１の穴抜き端面の形状を模式的に示す模式図である。同図に示すように穴抜き端面には、ダレ１０４と、せん断面１０５、破断面１０６及びバリ１０７が形成される。ダレ１０４は、パンチ１０２Ａが被加工材１０１を全体的に押し込むことにより形成される。せん断面１０５は、パンチ１０２Ａとダイ１０３とのクリアランス内に被加工材１０１が引き込まれ、局所的に引き伸ばされることにより形成される。破断面１０６は、パンチ１０２Ａとダイ１０３とのクリアランス内に引き込まれた被加工材１０１が破断することにより形成される。バリ１０７は、被加工材１０１の裏面に生じる。

パンチ１０２Ａを打ち抜くことにより形成された穴には、その後バーリング加工が施される。バーリング加工の際に穴縁において割れが発生する場合がある。このような割れは穴抜き面において発生するため、穴抜き方法を工夫することにより防止できる。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穴抜き（特許文献１）、或いは削り抜き（非特許文献１）、面取りが施されたパンチによる穴抜き（特許文献２）、或いは面取りダイスを用いた穴抜き（特許文献３）等が提案されている。

特開平５−２３７５５号公報 特開平８−５７５５７号公報 特開昭５９−７４３７号公報 塑性と加工、Vol.10(1969),pp665-671

以上の特許文献１〜３、被特許文献４に開示される発明は、いくつかの難点がある。特許文献１に記載の方法は、被加工材の強度に応じてバーリング加工に効果のある適切な突起高さが決まっており、複数通りの強度の材料を用いる工程には適用できない。特許文献２に記載の方法は穴抜き面に割れが既に生じているような素材に効果はあるものの、それ以外の素材には効果は無い。特許文献３に記載の方法は円錐バーリングにしか用いることができない。非特許文献１に記載の方法は工程が増えコスト増を招く。

本発明は、被加工材の降伏強さの変化によらず、１工程でバーリング性に優れる穴抜き加工を施すことのできる被加工材の穴抜き方法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、本願発明の要旨とするところは、（１）圧延された被加工材にくさび形状のパンチを当接させることにより、前記被加工材を穴抜きする穴抜き方法において、前記被加工材において延性が最も優れた第１の方向を特定する第１の工程と、前記パンチによる穴抜き方向視において、前記パンチの刃先部と前記第１の方向とのなす角度を１０°以下にして前記パンチを前記被加工材に当接させる第２の工程と、を備え、前記第１の工程において、前記被加工材に対してサイドベンド試験を行うことにより得られる延性に関するデータに基づき前記第１の方向を特定することを特徴とする被加工材の穴抜き方法である。（１）の構成によれば、被加工材の降伏強さの変化によらず、少ない工程でバーリング性に優れる穴抜き加工を施すことができる。また、サイドベンド試験を行うことにより延性に優れる方向を正確に特定することができる。

（２）上記（１）の構成において、前記パンチは、基端部から刃先部に向かって、前記パンチの穴抜き方向中心軸に互いに接近する一対のテーパ面を備えることが好ましい。

（３）上記（１）又は（２）の構成において、前記一対のテーパ面のなす角度をβとしたときに、下記（１）式を満足するのが好ましい。
１０度≦β≦８５度・・・・・・・・・（１）
（３）の構成によれば、パンチの破損が防止される。

（４）上記（１）〜（３）の構成において、前記パンチと前記パンチが挿入されるダイとのクリアランスは、前記被加工材の板厚の０．５〜２０％にするのが好ましい。（４）の構成によれば、パンチのチッピング及びバリの発生を防止することができる。

（５）上記（１）〜（４）の構成において、前記刃先部は、前記穴抜き方向に対して直交する方向に延びる平坦部であってもよい。（６）上記（１）〜（４）の構成において、前記パンチの前記刃先部は、Ｒ形状であってもよい。これらの構成によれば工具寿命の低下を抑制できる。

上記課題を解決するために、本願発明は、別の観点として、（７）圧延された鋼板にくさび形状のパンチを当接させることにより、前記鋼板を穴抜きする穴抜き方法において、前記鋼板は、圧延方向に対して４５度の方向の延性が圧延方向の延性の１．１〜５．０倍であり、前記パンチによる穴抜き方向視において、前記パンチの刃先部と前記圧延方向とのなす角度をαとしたときに、下記（２）式を満足することを特徴とする鋼板の穴抜き方法。
３５度≦α≦５５度・・・・・・・・・（２）

（８）上記（７）の構成において、前記パンチは、基端部から刃先部に向かって、前記パンチの打ち抜き方向中心軸に互いに接近する一対のテーパ面を備えるのが好ましい。

（９）上記（７）又は（８）の構成において、前記一対のテーパ面のなす角度をγとしたときに、下記（３）式を満足するのが好ましい、
１０度≦γ≦８５度・・・・・・・・・（３）
上記（９）の構成によれば、パンチの破損が防止され、バーリング性向上効果の低下を抑制できる。

（１０）上記（７）〜（９）の構成において、前記パンチと前記パンチ
が挿入されるダイとのクリアランスは、前記被加工材の板厚の０．５〜２
０％であるのが好ましい。（１０）の構成によれば、パンチのチッピング及
びバリの発生を防止することができる。

（１１）上記（７）〜（１０）の構成において、前記刃先部は、前記穴抜き方向に対して直交する方向に延びる平坦部であってもよい。（１２）上記（７）〜（１０）の構成において、前記パンチの前記刃先部は、Ｒ形状であってもよい。これらの構成によれば工具寿命の低下を抑制できる。

（１３）上記（７）〜（１２）の構成において、前記鋼板において、圧延方向に対して４５度の方向の延性が圧延方向の延性の１．１〜５．０倍であることを、サイドベンド試験により特定するのが好ましい。

本発明によれば、被加工材の降伏強さの変化によらず、少ない工程でバーリング性に優れる穴抜き加工を施すことができる。

プレス装置の断面図である くさび型パンチを長手方向軸に沿って刃先部の短辺方向に切断した断面図である。 くさび型パンチを長手方向軸に沿って刃先部の長辺方向に切断した断面図である。 被加工材の穴部及びその周辺の平面図である。 サイドベンド試験装置の斜視図である。 サイドベンド試験装置の平面図である。 サイドベンド試験の試験結果である。 くさび型パンチの別の実施形態の断面図である。 従来の穴抜き方向に用いられるプレス装置の断面図である。 穴抜き端面を示す図。

本願出願人は、圧延された被加工材に対してくさび型形状のパンチにより穴抜き加工を施したところ、以下の知見を得た。図１は、本実施形態の被加工材の穴抜き方法を有効に実施するためのプレス装置の断面図である。Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は互いに異なる直交する三軸を示す。なお、「くさび」とは、一端を厚く他端に至るに従って薄く作った刃形をいう（広辞苑 第４版 ７２５頁）。ここでいう刃形は、刃先が平坦、或いはＲ形状であってもよい。

同図を参照して、プレス装置１００は、パンチ２、ダイ３、およびストッパー８を備える。ダイ３には、パンチ２が進退するダイ穴部３ａが形成されている。ストッパー８は、ダイ３に載置された被加工材１を固定する。ダイ穴部３ａに向かって下動したパンチ２は、ダイ３に載置された被加工材１に当接する。パンチ２がさらに下動すると、被加工材１は押圧され、その応力により下方に歪みながら湾曲する。そして、その歪みが生じた状態で、パンチ２及びダイ３のせん断作用により被加工材１に穴が形成される。被加工材１は、圧延されることにより板状に形成されている。

次に、図２及び図３を参照しながら、パンチ２の構造について詳細に説明する。図２はくさび型パンチを長手方向軸に沿って刃先部の短辺方向に切断した断面図である。図３はくさび型パンチを長手方向軸に沿って刃先部の長辺方向に切断した断面図である。Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は互いに異なる直交する三軸を示す。

パンチ２は、下端部にくさび型パンチ部２０を備える。くさび型パンチ部２０は、基端部２３から刃先部２１に向かって、パンチ２の長手方向中心軸に互いに接近する一対のテーパ面２２ａ、２２ｂを備える。つまり、くさび型パンチ部２０は、基端部２３から刃先部２１に近づく程、断面積（穴抜き方向に直交する方向の断面積）が小さくなるくさび型形状に形成されている。ここで、テーパ面２２ａ、２２ｂのなす角度をβとしたときに、１０度≦β≦８５度なる条件を満足するのが好ましい。この条件を満足することにより、くさび型パンチ部２０の破損を起こりにくくすることができる。

くさび型パンチ部２０の先端部には、刃先部２１が形成されている。刃先部２１は、Ｘ軸方向視において細長い長方形に形成されており、Ｙ−Ｚ面に沿って延びている。このように、刃先部２１を平坦に形成することにより、パンチ２が破損するのを防止することができる。すなわち、刃先部２１が鋭角である場合にはパンチ２が破損するおそれがあるが、平坦に形成することによりパンチ２を保護することができる。

本発明者は、圧延された被加工材１の特性を調べたところ、被加工材１を含む面内において、被加工材１には延性に優れる方向と、延性に優れない方向とがあることを発見した。さらに、くさび型パンチ部２０の刃先部２１の長手方向と被加工材１の延性が優れた方向とを一致させた状態で、穴抜き加工を施すことにより、バーリング時の割れなどを少なくすることができる、ということを発見した。

これらの技術的な知見について詳細に説明する。図４は、くさび型パンチ部２０による穴抜き後に、バーリング加工により被加工材１に形成された穴部１ａ及びその周辺の平面図である。点線は、穴抜き時の刃先部２１の位置を示している。穴抜き時に、刃先部２１の長手方向両端部が最初に被加工材１に食い込みため、この箇所（以下、大歪み部と称する）において塑性歪が大きくなる。このため、穴抜き後のバーリング工程において、大歪み部を起点として亀裂伝搬が起こるおそれがある。

したがって、大歪み部における塑性歪を少なくすることにより、バーリング時の亀裂伝搬を効果的に抑制することができる。被加工材１の大歪み部が延性において優れる場合には、塑性歪を少なくすることができる。そこで、本発明者等は、くさび型パンチ部２０の刃先部２１の長手方向と被加工材１の延性が優れた方向とを一致させた状態で、穴抜き加工を施すことを知見した。この方法によれば、穴抜き時に大歪み部において生じる塑性歪を少なくすることができる。その結果、バーリング時における割れの発生を効果的に抑制することができる。

すなわち、刃先部２１の長辺方向に対応した領域において生じる塑性歪を、被加工材１の延性が優れる方向と刃先部２１の長辺方向とを一致させた状態で穴抜き加工を施すことにより、少なくすることができる。

被加工材１の延性が優れる方向は、例えばサイドベンド試験により特定することができる。サイドベンド試験について詳細に説明する。図５及び図６はサイドベンド試験装置の構成概念とその機能を説明する模式図であり、図５は斜視図であり、図６は平面図である。

図５において、サイドベンド試験装置は、一対の腕部４１（４１ａ、４１ｂ）と、把持部４２（４２ａ、４２ｂ）と、荷重付与手段４５とを備える。一対の腕部４１（４１ａ、４１ｂ）は、それぞれ別の位置に固定された二つの支点４４（４４ａ、４４ｂ）にそれぞれ回転自在に取り付けられている。一対の腕部４１（４１ａ、４１ｂ）は、それぞれ先端部４１ａｔ、４１ｂｔと脚部４１ａｆ、４１ｂｆとを備える。把持部４２（４２ａ、４２ｂ）は、被加工材の試験片である試験片４３の両端部をそれぞれ腕部４１（４１ａ、４１ｂ）の先端部４１ａｔ、４１ｂｔと挟み込んで固定する。荷重付与手段４５は、腕部４１（４１ａ、４１ｂ）を押圧することにより、腕部４１（４１ａ、４１ｂ）を回転させるための荷重を付与する。一方の腕部４１ａの脚部４１ａｆは、他方の腕部４１ｂの脚部４１ｂｆと互いに交差する。

試験片４３には、長手方向中央部に円弧状の打抜き部が形成されており、試験片は、この打抜き部の円弧の開放部（以下円弧開口部と称するものとする）側が、試験装置による引張曲げの外側になるように取り付けられる。ここで、図５に示された角度αは、円弧開口部における亀裂予定部を通って荷重付与手段４５が移動する方向に延びる基準線と、試験片４３の圧延方向とがなす角度を示す。

図６を参照して、サイドベンド試験装置の動作を説明する。荷重付与手段４５により１対の腕部４１（４１ａ，４１ｂ）の後端４１ａｅ，４１ｂｅに、矢印方向（紙面右向き）、すなわち腕部の先端部方向に荷重を加える。これによって、腕部はそれぞれ１対の支点４４（４４ａ、４４ｂ）を中心として、１対の腕部の先端部が互いに逆方向に離れるように移動する（図６の（ｃ）の二点鎖線で示す）。すなわち、腕部と把持部からなる係止手段により係止、固定された試験片に引張、及び曲げ力を付与するように機能する。支点(支柱）の間隔は、試験片に十分な引張曲げ変形を与えうるものであればよく、試験片の長手方向の大きさを勘案して適宜設定することができる。

荷重付与手段４５の荷重の付加による引張、曲げ変形により、試験片４３の曲率半径ｒからなる円弧状の打抜き部は、曲率半径が拡大するように変形する。荷重付与が増加すると、試験片はさらに変形し、試験片の板厚方向の端面に微小な割れが発生する。荷重付与の増加と共に、この微小な板厚方向の端面の割れは、板厚方向に貫通する。そしてさらに荷重付与が増加すると、貫通割れが試験片の幅方向に進展し、板厚方向に開口部が広がり、試験片が破断する。このサイドベンド試験装置において試験片４３に与えた荷重によって試験片に変形が生じ、この変形に基づいて、試験片４３の延性を評価することができる。

すなわち、サイドベンド試験装置においては、荷重付加の進展により試験片４３の変形状態が変化する。試験片４３の延性は、試験片の板厚方向の端面（この端面は、曲げの外側にあたる）に割れが貫通した時点（以下、割れ発生時と省略する）での板表面の歪の値から評価することができる。具体的には、試験片４３の延性は、開口率から評価される。なお、開口率ではなくグリッドによる歪測定法であってもよい。ここで、開口率は、図６に示す過重負荷前の開口端距離を開口端距離Ｄ、割れ発生時の開口端距離を開口端距離Ｄ´としたときに、
（Ｄ´−Ｄ）／Ｄ×１００から算出することができる。

なお、荷重付与手段４５は特に限定するものではなく、油圧或いは電動ジャッキなど、腕部の後端に荷重を付与できるものであればよい。また、腕部及び支点など、試験装置を構成する部材の強度は、被試験材の強度等を勘案して決めればよいことはいうまでもない。

図７は、サイドベンド試験の試験結果であり、αを０度、３５度、４０度、４５度、５０度、５５度、９０度の間で変化させたときの開口率を示している。試験片４３には、鋼板を使用した。αを０度に設定した場合には開口率が７５％であり、αを３５度に設定した場合には開口率が８１％であり、αを４０度に設定した場合には開口率が８５％であり、αを４５度に設定した場合には開口率が９０％であり、αを５０度に設定した場合には開口率が８９％であり、αを５５度に設定した場合には開口率が８０％であり、αを９０度に設定した場合には開口率が７１％であった。これらの試験結果から、α＝４５°、すなわち、圧延方向に対する角度が４５°の方向（第１の方向）において延性が最も優れていることがわかった。さらに、前記第１の方向から角度が離れる程、開口率が低下することがわかった。したがって、３５°≦α≦５５°の方向に刃先部２１を位置決めした状態で穴抜き加工を施すことにより、穴広げ時の板厚を貫通するき裂発生を抑制することができる。換言すると、パンチの刃先部２１と前記第１の方向とのなす角度を１０度以下に設定することにより、穴広げ時の板厚貫通亀裂(換言すると、板の厚み方向に貫通するような大きな亀裂)を少なくすることができる。

ここで、被加工材１が鋼板である場合には、圧延方向の延性を１としたとき、圧延方向に対して４５°の方向の延性が１．１〜５．０でなければならない。このような延性特性を備えた被加工材１を用いることにより、穴抜き時に生じる塑性歪を効果的に少なくすることができる。

ここで、図１を参照して、パンチ２とパンチ２が挿入されるダイ３とのクリアランスＣは、被加工材１の板厚ｔの０．５〜２０％に制限するのが好ましい。クリアランスＣが０．５％よりも小さくなると、刃先部２１においてチッピングが生じ、クリアランスＣが２０％よりも大きくなると、被加工材１の湾曲が大きくなることによってバリが発生する。
（他の実施形態）

被加工材１は、鋼以外のアルミニウム、マグネシウム、チタンで構成してもよい。この場合、被加工材１において延性が最も優れた第１の方向を特定し、パンチ２による穴抜き方向視において、パンチ２の刃先部２１と前記第１の方向とのなす角度を１０°以下にしてパンチ２を被加工材１に当接させる。これにより、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。鋼板以外の被加工材であっても、圧延方向に対して４５度の方向の延性が圧延方向の延性の１．１〜５．０倍であることが好ましい。

図８は、くさび型パンチ２０の他の実施形態を示す断面図である。同図に図示するように、くさび型パンチ２０の刃先部２１はＲ形状であってもよい。刃先部２１をＲ形状に形成することにより、パンチ２が破損するのを防止できる。

１ 被加工材 ２ パンチ ３ ダイス ２０ くさび型パンチ部
２１ 刃先部 ２２ａ ２２ｂ テーパ面 ２３ 基端部

Claims (13)

1. 圧延された被加工材にくさび形状のパンチを当接させることにより、前記被加工材を穴抜きする穴抜き方法において、
   前記被加工材において延性が最も優れた第１の方向を特定する第１の工程と、
   前記パンチによる穴抜き方向視において、前記パンチの刃先部と前記第１の方向とのなす角度を１０°以下にして前記パンチを前記被加工材に当接させる第２の工程と、
   を備え、
   前記第１の工程において、前記被加工材に対してサイドベンド試験を行うことにより得られる延性に関するデータに基づき前記第１の方向を特定することを特徴とする被加工材の穴抜き方法。
2. 前記パンチは、基端部から刃先部に向かって、前記パンチの穴抜き方向中心軸に互いに接近する一対のテーパ面を備えることを特徴とする請求項１に記載の被加工材の穴抜き方法。
3. 前記一対のテーパ面のなす角度をβとしたときに、下記（１）式を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の被加工材の穴抜き方法。
   １０度≦β≦８５度・・・・・・・・・（１）
4. 前記パンチと前記パンチが挿入されるダイとのクリアランスは、前記被加工材の板厚の０．５〜２０％であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一つに記載の被加工材の穴抜き方法。
5. 前記刃先部は、前記穴抜き方向に対して直交する方向に延びる平坦部であることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一つに記載の被加工材の穴抜き方法。
6. 前記パンチの前記刃先部は、Ｒ形状であることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一つに記載の被加工材の穴抜き方法。
7. 圧延された鋼板にくさび形状のパンチを当接させることにより、前記鋼板を穴抜きする穴抜き方法において、
   前記鋼板は、圧延方向に対して４５度の方向の延性が圧延方向の延性の１．１〜５．０倍であり、
   前記パンチによる穴抜き方向視において、前記パンチの刃先部と前記圧延方向とのなす角度をαとしたときに、下記（２）式を満足することを特徴とする鋼板の穴抜き方法。
   ３５度≦α≦５５度・・・・・・・・・（２）
8. 前記パンチは、基端部から刃先部に向かって、前記パンチの打ち抜き方向中心軸に互いに接近する一対のテーパ面を備えることを特徴とする請求項７に記載の鋼板の穴抜き方法。
9. 前記一対のテーパ面のなす角度をγとしたときに、下記（３）式を満足することを特徴とする請求項７又は８に記載の鋼板の穴抜き方法。
   １０度≦γ≦８５度・・・・・・・・・（３）
10. 前記パンチと前記パンチが挿入されるダイとのクリアランスは、前記被加工材の板厚の０．５〜２０％であることを特徴とする請求項７乃至９のうちいずれか一つに記載の鋼板の穴抜き方法。
11. 前記刃先部は、前記穴抜き方向に対して直交する方向に延びる平坦部であることを特徴とする請求項７乃至１０のうちいずれか一つに記載の鋼板の穴抜き方法。
12. 前記パンチの前記刃先部は、Ｒ形状であることを特徴とする請求項７乃至１０のうちいずれか一つに記載の鋼板の穴抜き方法。
13. 前記鋼板において、圧延方向に対して４５度の方向の延性が圧延方向の延性の１．１〜５．０倍であることを、サイドベンド試験により特定することを特徴とする請求項７乃至１２のうちいずれか一つに記載の鋼板の穴抜き方法。

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