JP6070625B2 - せん断加工方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属板のせん断加工方法および装置に関する。
本明細書におけるせん断加工とは、広義のせん断加工を意味しており、工具を用いて、金属板を塑性変形（せん断変形）させて、材料の破壊までもっていき、所望の形状・寸法に材料を切断する加工方法をいい、プレス機械を用いて行う打抜き加工を含む。

せん断加工部あるいは打抜き加工部の疲労強度を向上させる方法として、特許文献１には自動車ホイールディスクの風孔縁周辺を冷間圧延する方法が開示されている。
しかしながら、この方法は打抜き孔加工と冷間圧延加工の２工程を必要とするために生産性が低下してしまう。

また、特許文献２には板材のせん断加工ばり部にコイニング加工する方法が開示されている。
しかしながら、この方法も打抜き孔加工とコイニング加工の２工程を必要とするために生産性が低下してしまう。

このように、特許文献１，２は共にせん断加工部等の疲労強度を向上させるための加工（冷間圧延、コイニング加工）をせん断加工とは別工程で行っているため、生産性が劣るという問題があり、この問題を解決するものとして、特許文献３には、被加工材の打抜き面に対して１０〜４０°の範囲で傾斜させた傾斜付ダイス切刃と凸型の段付ポンチ切刃により打抜き加工とコイニング加工を同一工程で行う方法が開示されている。

特開昭６４−１６０２号公報 特開平６−５７３２５号公報 特開平２−１４７１２９号公報

しかしながら、特許文献３に開示された方法は、傾斜付ダイス切刃を用いており、ダイス面が傾斜している。そのため、通常、パンチで打抜く前に被加工材を安定させる目的で行われる板押さえとダイスで被加工材を押さえる工程を適用できず、不安定な打抜き加工となってしまうという問題があった。
また、ダイス面の切刃部分は被加工材のせん断に用いられるとともに、せん断加工後に引き続き段付ポンチと協働して行われるコイニング加工の際に切刃エッジ部に高荷重が付与されるため、工具寿命の低減が避けられないという問題もあった。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、生産性を低下させることなく、安定的に加工が可能で、工具寿命が短くなることなく、せん断加工部の疲労強度を高めることができるせん断加工方法および装置を提供することを目的とする。

（１）本発明に係るせん断加工方法は、被加工材をパンチとダイによりせん断加工する方法であって、前記パンチと前記ダイで前記被加工材をせん断加工することと、前記被加工材の表面であって前記せん断加工により得られたせん断縁から所定の距離だけ離れた部位に半球状または円筒状の凹み部をせん断縁の周方向に複数個生じさせる圧縮加工することを、１回のせん断加工工程で行うことを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、被加工材の板厚ｔとの関係で、前記凹み部の縁までの距離Ｌ、前記凹み部の深さＨ及び前記凹み部の直径φを、それぞれＬ＝0.28ｔ〜1.2ｔ、Ｈ＝0.13ｔ〜0.35ｔ及びφ＝0.9ｔ〜3.5ｔに設定したことを特徴とするものである。

（３）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記せん断加工を、前記ダイと板押えによって前記被加工材を押えて行うことを特徴とするものである。

（４）本発明に係るせん断加工装置は、被加工材をせん断加工する切り刃を有するパンチと、ダイとを有し、前記被加工材をせん断加工するせん断加工装置であって、
前記パンチが、前記パンチにおける前記切り刃の外側に、前記被加工材の表面であって前記せん断加工により得られたせん断縁から所定の距離だけ離れた部位に前記ダイと協働して前記被加工材に半球状または円筒状の凹み部をせん断縁の周方向に複数個生じさせる圧縮加工部を有していることを特徴とするものである。

（５）また、上記（４）に記載のものにおいて、前記圧縮加工部は、前記パンチに対して相対移動可能に設けられ、圧縮加工強度及び／又は加工深さが調整可能になっていることを特徴とするものである。

（６）また、上記（４）又は（５）に記載のものにおいて、被加工材の板厚ｔとの関係で、前記凹み部の縁までの距離Ｌ、前記凹み部の深さＨ及び前記凹み部の直径φが、それぞれＬ＝0.28ｔ〜1.2ｔ、Ｈ＝0.13ｔ〜0.35ｔ及びφ＝0.9ｔ〜3.5ｔになるように前記圧縮加工部の位置が設定されていることを特徴とするものである。

（７）また、上記（４）乃至（６）のいずれかに記載のものにおいて、せん断加工を行う際に、前記ダイと協働して前記被加工材を押える板押えを備えていることを特徴とするものである。

（８）また、上記（７）に記載のものにおいて、前記板押えは、前記パンチに付加されるせん断加工力によって作動し、被加工材を押える押え力が所定の圧力になるように調整する押え力調整部を備えていることを特徴とするものである。

本発明においては、パンチとダイで被加工材をせん断加工することと、前記被加工材の表面であって前記せん断加工により得られたせん断縁から所定の距離だけ離れた部位に凹みを生じさせる圧縮加工することを、１回のせん断加工工程で行うようにしたので、生産性を低下させることなくせん断部およびその近傍の疲労強度を高めることができるようになった。

本発明の一実施の形態に係るせん断加工装置の立断面図である。 図１のＡ−Ａ断面から上方を見た図である。 本発明の一実施の形態に係るせん断加工装置のパンチの要部の説明図である。 本発明の一実施の形態に係るせん断加工装置によって加工された被加工材の平面図である。 図４のＢ−Ｂ矢視断面図のせん断縁近傍を一部拡大して図示したものである。 本発明の一実施の形態に係るせん断加工方法の説明図である。 本発明の一実施の形態に係るせん断加工装置のパンチの他の態様の説明図である（その１）。 本発明の一実施の形態に係るせん断加工装置のパンチの他の態様の説明図である（その２）。 本発明の実施例における実験結果のグラフである（その１）。 本発明の実施例における実験結果のグラフである（その２）。 本発明の実施例における実験結果のグラフである（その３）。

本発明の一実施の形態に係るせん断加工装置１は、被加工材をせん断加工するパンチ切り刃３ａを有するパンチ３と、ダイ５と、せん断加工を行う際に、ダイ５と協働して被加工材を押える板押え７とを有している。
以下、各構成を詳細に説明する。

＜パンチ＞
パンチ３は、全体形状が円柱体からなり、一端にダイ５と協働して被加工材１１をせん断加工（打ち抜き加工）するパンチ切刃３ａを有し、このパンチ切刃３ａの外側に被加工材１１を圧縮加工する圧縮加工部３ｂが設けられている。
また、パンチ３の他端側には、端部に向かって拡径するテーパ部３ｃが形成されている。

圧縮加工部３ｂは、図１に示すように、下方に向かって突出する半球状の凸部からなり、パンチ切刃３ａの外側に例えば、周方向に等間隔で複数形成されている。本例では、図１、図２に示すように、圧縮加工部３ｂが、パンチ３の直径方向に２つ設けられている。
圧縮加工部３ｂの高さは、パンチ切刃３ａの高さよりも低くなっており、せん断加工の際に、パンチ切刃３ａが被加工材１１に当接した後に被加工材１１に当接するようになっている。

圧縮加工部３ｂが被加工材１１に当接することで、図４、図５に示すように、パンチ３によって打ち抜き加工された後の被加工材１１における打ち抜き穴１１ａの周縁近傍に、圧縮加工部３ｂによる凹み部１１ｂが形成される。なお、打ち抜き穴１１ａのせん断端面の付近でせん断端面と被加工材１１の表面との境界をせん断縁１１ｃという。
凹み部１１ｂが形成されることで、当該部位に圧縮の残留応力が生ずると共に加工硬化が生じ、せん断加工部（打ち抜き加工部）の疲労強度を高めることができる。
凹み部１１ｂの位置、深さ、大きさは疲労強度向上と密接に関連しているので、この点について以下、説明する。

被加工材１１の凹み部１１ｂ近傍の断面を示した図５において、被加工材１１の板厚をｔ（mm）、せん断縁から凹み部１１ｂの縁までの距離をＬ（mm）、凹み部１１ｂの深さをＨ（mm）、凹み部１１ｂの直径をφ（mm）で表している。
距離Ｌ、深さＨ、直径φは板厚ｔとの関係で以下のような範囲とすることが望ましい。

距離Ｌは、0.28ｔ〜1.20ｔ（0.28≦Ｌ／ｔ≦1.20）の範囲とすることが望ましい。この理由は次の通りである。
距離Ｌが0.28ｔより短いと、圧縮塑性加工によるせん断縁側への被加工材１１の材料塑性流動が大きく、せん断縁がパンチ切刃３ａを押す力が大きくなり過ぎてパンチ切刃３ａの寿命が短くなる。逆に、距離Ｌが1.20ｔより長いと、せん断加工部の疲労強度を向上させる十分な効果が得られない。

深さＨは、0.13ｔ〜0.35ｔ（0.13≦Ｈ／ｔ≦0.35）の範囲とすることが望ましい。この理由は、深さＨが0.13ｔより浅いと、加工硬化量や残留応力が小さすぎて、十分な効果が得られず、逆に、深さＨが0.35ｔより深いと凹み部１１ｂ周辺の盛り上がりが過大となり効果が得られにくいためである。

直径φは、0.9ｔ〜3.5ｔ（0.9≦φ／ｔ≦3.5）の範囲とすることが望ましい。これは、直径φが0.9ｔより小さいと、加圧面積が小さすぎるため、加工硬化量や残留応力が十分でなく、疲労強度を向上させる十分な効果が得られず、逆に直径φより大きいと加圧面積が広すぎて成形荷重を大きくしなければならずパンチ３が損傷するためである。
凹み部１１ｂの位置、深さ、大きさを上記の範囲に設定することによる効果は後述の実施例で実証している。

なお、凹み部１１ｂの位置、深さ、大きさを上記のような範囲にするために、圧縮加工部３ｂの位置、形状等を適宜設定すればよい。
圧縮加工部３ｂの先端形状は半球状のものに限られず、例えば矩形状、円筒形状、かまぼこ形状などであってもよい。

＜ダイ＞
ダイ５は、パンチ３のパンチ切刃３ａに対応するダイ切刃５ａを有している。
ダイ５の被加工材１１が載置される面は平坦であるため板押え７を用いることができ、安定的に打ち抜き加工することができる。
また、ダイ切刃５ａはせん断加工のみに使用され、圧縮残留応力の付与には関係しないので、特許文献３に示されたもののように、ダイ切刃５ａに負荷が集中することがなく工具寿命が短くなることもない。

＜板押え＞
板押え７は、ダイ５と協働して被加工材１１をせん断加工する際に押圧して、加工の際に生じる跳ね上がりを防止するためのものである。
板押え７は、図１、図２に示すように、全体形状が円筒体からなり、その内側にパンチ３が挿入されるようになっている。
板押え７は、被加工材１１を押圧する押圧部８と、成形荷重を利用して押圧部８を被加工材１１に一定の力で押し付ける押え力調整部９を備えている。

押え力調整部９は、押圧部８の上端部に設けられたリング板形状からなる押圧リング１３と、押圧リング１３上に設置された複数のバネ１５と、バネ１５の上端部に設置された円筒体からなる荷重受け部１７とを有している。
荷重受け部１７の内周面は、パンチ３のテーパ部３ｃに当接する傾斜面１７ａになっており、パンチ３に付加された成形荷重をテーパ部３ｃを介して受けるようになっている。

上記構成を有する板押え７においては、パンチ３に成形荷重が付与されると、パンチ３のテーパ部３ｃによって荷重受け部１７が押し下げられ、バネ１５と押圧リング１３を介して押圧部８を被加工材１１に一定の力で押し付けることができる。

以上のように構成された本実施の形態に係るせん断加工装置１を用いたせん断加工方法を、せん断加工装置１の動作と共に説明する。
被加工材１１を板押え７の押圧部８とダイ５で挟んだ後（図６（ａ）参照）、パンチ３をダイ５に近づく方向に移動させる。このとき、被加工材１１はバネ１５の付勢力による所定の押圧力で押圧部８によって押圧されて安定的に保持される（図６（ａ）参照）。
パンチ切刃３ａが被加工材１１に当接し、被加工材１１が打ち抜き加工されて打ち抜き穴１１ａが形成される（図６（ｂ）参照）。
パンチ切刃３ａが被加工材１１に当接した直後に、圧縮加工部３ｂが被加工材１１における打ち抜き穴１１ａの近傍に当接して圧縮加工を行い、被加工材１１の表面に凹み部１１ｂが形成される（図４及び図６（ｃ）参照）。

以上のように、本実施の形態においては、せん断加工の加工工程において、せん断加工部（打ち抜き加工部）の疲労強度を高めるための圧縮加工が行われ加工効率に優れている。
また、上述したように、ダイ５の被加工材１１が載置される面を平坦にすることができ、板押え７を用いることができ、安定的に打ち抜き加工を行うことができる。

なお、上記の説明では、図１〜図３に示すように、圧縮加工部３ｂはパンチ３に一体的に形成されているものを例に挙げて説明したが、パンチ３の構造はこのようなものに限られず、例えば、図７又は図８に示すような構造としてもよい。なお、図７及び図８において、図１〜図３と同様のものには同一の符号を付している。

図７のパンチ３の構造は、圧縮加工部３ｂをパンチ３とは別体にしてパンチ３に対して相対移動可能に設けるとともに、パンチ３と圧縮加工部３ｂの間に付勢手段１９（例えばバネ）を設けて、圧縮加工荷重を付勢手段１９の付勢力によって制御可能にしたものである。このような構成にすれば、パンチ３のせん断加工荷重に拘わらず、圧縮加工荷重は付勢手段１９の付勢力によって制御されるので、圧縮加工を考慮することなくせん断加工を行うことができ、せん断加工を効率よく行うことができる。
なお、付勢手段１９はバネに限られたものではなく、ガス圧や油圧などを用いてもよい。

図８のパンチ３の構造は、圧縮加工部３ｂをパンチ３とは別体にすると共に、上下方向にスライド可能パンチ３に設置したものである。
圧縮加工部３ｂは、常時はパンチ３に対して下方にスライドした状態にあり、この状態では、図８に示すように、圧縮加工部３ｂの上端面とパンチ３との間に隙間Ｓが形成されている。
打ち抜き加工の際には、圧縮加工部３ｂの先端が被加工材１１の表面に当接した後、圧縮加工部３ｂがパンチ３内に隙間Ｓの分だけ移動した後、圧縮加工が開始される。このような構造にすることで、隙間Ｓにスペーサを入れる等することで、形成する凹み部１１ｂの深さＨや直径φを容易に調整することができる。

また、上記の実施の形態では、凹み部１１ｂを設ける位置として、打ち抜き穴１１ａの周囲に２箇所の場合を例示したが、本発明はこれに限られるものではなく、凹み部１１ｂは打ち抜き穴１１ａの周縁部に全周に亘って所定間隔で設けるようにしてもよいし、あるいは繰り返し応力が作用する方向が予め判っている場合には、繰り返し応力が作用する方向（位置）に凹み部１１ｂを設けるようにすればよい。

本発明のせん断加工方法による作用効果について確認するための実験を行ったので、その結果について以下に説明する。
実験は、図１に示すせん断加工装置１を用いて、パンチ３の圧縮加工部３ｂを変更して試験片をせん断加工し、せん断加工後の試験片について疲労試験を行い、その結果を評価するというものである。
圧縮加工部３ｂは、形成される凹み部１１ｂについて距離Ｌ、深さＨ及び直径φ（図５参照）が変わるように、位置や高さ等を設定した。
試験片の大きさは90mm×30mmとし、板厚が1.4mm、2.3mm、2.9mmの1180MPa級冷延鋼板からそれぞれ採取した。

本発明例１〜３は、板厚ｔと凹み部１１ｂまでの距離Ｌの関係を確認するためのものであり、試験片の板厚ｔ＝1.4mm、距離Ｌを0.4mm、1.0mm、1.6mmとし、いずれもＬ／ｔ＝0.28〜1.20の範囲内とした。その他の条件は共通であり、深さＨ＝0.20mm、直径φ＝2.0mm、凹み形状を半球（曲率半径2.5mm）とした。
本発明例４〜６は、板厚ｔと凹み部１１ｂの深さＨの関係を確認するためのものであり、試験片の板厚ｔ＝2.3mm、深さＨを0.32mm、0.55mm、0.80mmとし、いずれもＨ／ｔ＝0.13〜0.35の範囲内とした。その他の条件は共通であり、距離Ｌ＝0.8mm、直径φ＝3.3mm、凹み形状は円筒（圧縮面形状φ3.3mm）とした。
本発明例７〜９は、板厚ｔと凹み部１１ｂの直径φの関係を確認するためのものであり、試験片の板厚ｔ＝2.9mm、直径φを2.7mm、4.0mm、10.0mmとし、いずれもφ／ｔ＝0.9〜3.5の範囲内とした。その他の条件は共通であり、距離Ｌ＝1.5mm、深さＨ＝0.60mm、凹み形状は半球（曲率半径2.5mm）とした。

本発明例１〜３の比較例として、本発明例１〜３（板厚t=1.4mm）の場合よりも距離Ｌが短いものを比較例１０（距離Ｌ＝0.2mm、Ｌ／ｔ＝0.14）とし、逆に長いものを比較例１１（距離Ｌ＝2.0mm、Ｌ／ｔ＝1.43）とした。
本発明例４〜６の比較例として、本発明例４〜６（板厚t=2.3mm）の場合よりも深さＨが浅いものを比較例１２（深さＨ＝0.20mm、Ｈ／ｔ＝0.09）とし、逆に深いものを比較例１３（深さＨ＝1.20mm、Ｈ／ｔ＝0.52）とした。
本発明例７〜９の比較例として、本発明例７〜９（板厚t=2.9mm）の場合よりも直径φが小さいものを比較例１４（直径φ＝2.0mm、φ／ｔ＝0.7）及び比較例１５（直径φ＝1.3mm、φ／ｔ＝0.4）とした。
上記各条件をまとめたものを表１に示す。

上記条件で試験片をせん断加工したところ、比較例１０については打ち抜き穴の端面に近すぎてパンチ３が損傷したため試験片が得られなかった。また、比較例１４については、加圧面積が広すぎてパンチ３に過大な荷重がかかってパンチ３が損傷したため試験片が得られなかった。

その他の条件については、加工を行った試験片を複数作成して疲労試験を行った。疲労試験は、試験片に対し応力振幅が400MPa、450MPa、500MPaの繰返し荷重を付加して破断までの回数（寿命）を計測するというものである。疲労試験結果のグラフを図９〜図１１に示す。
図９は本発明例１〜３及び比較例１１についてのグラフ、図１０は本発明例４〜６、比較例１２及び比較例１３についてのグラフ、図１１は本発明例７〜９及び比較例１５についてのグラフである。図９〜図１１において、縦軸は応力振幅（MPa）を表し、横軸は寿命（サイクル）を表している。

＜距離Ｌについて＞
図９に示すように、比較例１１は、応力振幅が400MPaの場合で40万サイクル、応力振幅が450MPaの場合で16万サイクル、応力振幅が500MPaの場合で10万サイクルであった。
これに対して、本発明例１〜３は、応力振幅が400MPaの場合で170万サイクル〜200万サイクル、応力振幅が450MPaの場合で40万サイクル〜60万サイクル、応力振幅が500MPaの場合で15万サイクル〜18万サイクルであり、疲労特性が大幅に向上している。
また、本発明例１〜３の中では、距離Ｌが発明例１、３の中間の値である発明例２の疲労強度が最も高くなっている。
このことから、Ｌ／ｔを0.28〜1.20の範囲内とすることが望ましいことが実証された。

＜深さＨについて＞
図１０に示すように、比較例１２は、応力振幅が400MPaの場合で42万サイクル、応力振幅が450MPaの場合で15万サイクル、応力振幅が500MPaの場合で9万サイクルであった。また、比較例１３は、応力振幅が400MPaの場合で30万サイクル、応力振幅が450MPaの場合で13万サイクル、応力振幅が500MPaの場合で9万5千サイクルであった。
これに対して、本発明例４〜６は、応力振幅が400MPaの場合で170万サイクル〜300万サイクル、応力振幅が450MPaの場合で40万サイクル〜80万サイクル、応力振幅が500MPaの場合で18万サイクル〜20万サイクルであり、疲労特性が大幅に向上している。
また、本発明例４〜６の中では、深さＨが発明例４、６の中間の値である発明例５の疲労強度が最も高くなっている。
このことから、Ｈ／ｔを0.13〜0.35の範囲内とすることが望ましいことが実証された。

＜直径φについて＞
図１１に示すように、比較例１５は、応力振幅が400MPaの場合で35万サイクル、応力振幅が450MPaの場合で16万5千サイクル、応力振幅が500MPaの場合で10万5千サイクルであった。
これに対して、本発明例７〜９は、応力振幅が400MPaの場合で165万サイクル〜280万サイクル、応力振幅が450MPaの場合で45万サイクル〜70万サイクル、応力振幅が500MPaの場合で15万サイクル〜19万サイクルであり、疲労特性が大幅に向上している。
また、本発明例７〜９の中では、直径φが発明例７、９の中間の値である発明例８の疲労強度が最も高くなっている。
このことから、φ／ｔを0.9〜3.5の範囲内とすることが望ましいことが実証された。

１ せん断加工装置
３ パンチ
３ａ パンチ切刃
３ｂ 圧縮加工部
３ｃ テーパ部
５ ダイ
５ａ ダイ切刃
７ 板押え
８ 押圧部
９ 押え力調整部
１１ 被加工材
１１ａ 打ち抜き穴
１１ｂ 凹み部
１１ｃ せん断縁
１３ 押圧リング
１５ バネ
１７ 荷重受け部
１７ａ 傾斜面
１９ 付勢手段

Claims (8)

1. 被加工材をパンチとダイによりせん断加工する方法であって、前記パンチと前記ダイで前記被加工材をせん断加工することと、前記被加工材の表面であって前記せん断加工により得られたせん断縁から所定の距離だけ離れた部位に半球状または円筒状の凹み部をせん断縁の周方向に複数個生じさせる圧縮加工することを、１回のせん断加工工程で行うことを特徴とするせん断加工方法。
2. 被加工材の板厚ｔとの関係で、前記凹み部の縁までの距離Ｌ、前記凹み部の深さＨ及び前記凹み部の直径φを、それぞれＬ＝0.28ｔ〜1.2ｔ、Ｈ＝0.13ｔ〜0.35ｔ及びφ＝0.9ｔ〜3.5ｔに設定したことを特徴とする請求項１記載のせん断加工方法。
3. 前記せん断加工を、前記ダイと板押えによって前記被加工材を押えて行うことを特徴と
   する請求項１又は２に記載のせん断加工方法。
4. 被加工材をせん断加工する切り刃を有するパンチと、ダイとを有し、前記被加工材をせん断加工するせん断加工装置であって、
   前記パンチが、前記パンチにおける前記切り刃の外側に、前記被加工材の表面であって前記せん断加工により得られたせん断縁から所定の距離だけ離れた部位に前記ダイと協働して前記被加工材に半球状または円筒状の凹み部をせん断縁の周方向に複数個生じさせる圧縮加工部を有していることを特徴とするせん断加工装置。
5. 前記圧縮加工部は、前記パンチに対して相対移動可能に設けられ、圧縮加工強度及び／
   又は加工深さが調整可能になっていることを特徴とする請求項４記載のせん断加工装置。
6. 被加工材の板厚ｔとの関係で、前記凹み部の縁までの距離Ｌ、前記凹み部の深さＨ及び前記凹み部の直径φが、それぞれＬ＝0.28ｔ〜1.2ｔ、Ｈ＝0.13ｔ〜0.35ｔ及びφ＝0.9ｔ〜3.5ｔになるように前記圧縮加工部の位置が設定されていることを特徴とする請求項４又は５に記載のせん断加工装置。
7. せん断加工を行う際に、前記ダイと協働して前記被加工材を押える板押えを備えている
   ことを特徴とする請求項４乃至６のいずれか一項に記載のせん断加工装置。
8. 前記板押えは、前記パンチに付加されるせん断加工力によって作動し、被加工材を押え
   る押え力が所定の圧力になるように調整する押え力調整部を備えていることを特徴とする
   請求項７記載のせん断加工装置。

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