JP6142927B2 - 鋼板の打ち抜き用工具および打ち抜き方法 - Google Patents

Description

本発明は、薄鋼板の打ち抜き用工具、およびその工具を用いた打ち抜き加工方法に関する。

石油ショックに端を発した自動車の軽量化のニーズに対応して、自動車用として用いられる鋼板の高強度化が進んできた。近年、自動車の衝突安全性の向上ニーズも生じ、更なる自動車用鋼板の高強度化のニーズは高まりつつある。
鋼板は強度が上昇するにつれ、一般には成形性が犠牲にされ、プレス成形時に割れが生じやすくなる。そのため、高強度鋼板の適用に当たっては、そのプレス成形工程において、割れの防止を図る必要がある。特に、自動車用鋼板のプレス成形に当たっては、打ち抜いた端面を周方向に引き伸ばす「打ち抜き穴広げ成形」が多くみられ、そのような成形での割れの防止は重要である。

図１に、従来の平底パンチを用いた打ち抜き工程での被加工材料の変形状態を示す。この打ち抜き工程では、図１（ｂ）に示される硬化層に大きな圧縮または引張の歪が加わるため、その部分が著しく硬化する。そして、そのため、打ち抜き後の端面の延性が劣化し、打ち抜き穴の打ち抜き穴広げ性が著しく劣化していた。この硬化層による端面延性劣化は特に高強度鋼で著しく、近年の自動車軽量化ニーズに対応して多用されるようになった高強度鋼板の打ち抜き穴広げ性の改善が求められている。

この打ち抜き穴広げ性を改善する打ち抜き技術として、突起を先端に付けた打ち抜きパンチを用いて打ち抜きを行う技術が提案されている（特許文献１、２）。

この技術により打ち抜き穴広げ性が改善する原理を以下に説明する。打ち抜き穴広げ性は、打ち抜き工程で、塑性歪が蓄積した加工硬化層が端面上に形成されることにより劣化する。打ち抜き工程では、初めにパンチ、ダイが被加工材料をせん断することによりせん断面が形成される。次にパンチ、ダイの切刃近傍の被加工材料中でき裂が発生、進展することにより破断面が形成される。このき裂が成長し、破断に至る。破断面の加工硬化層上の塑性歪は、せん断面の形成段階で主に生じるため、せん断面の形成段階が短いほど破断面の加工硬化層上の塑性歪は小さくなる。打ち抜きパンチに付けた突起の効果により打ち抜かれる被加工材料のパンチとダイの切刃近傍に引張応力を与え、き裂の進展を促進し、結果的にせん断面の形成段階を短くすることができる。この効果により、打ち抜き端面の歪を抑制し、打ち抜き穴広げ性が改善される。

特許文献１においては、さらに突起による素材のせん断を防ぐため、突起の肩部の曲率半径Ｒｐを０．２ｍｍ以上とすること、または突起肩部角度を１００°以上１７０°度以下にすることが要件となっている。
特許文献２においては、被加工材の端面の延性を改善するために、パンチ切刃から突起に引いた接線の角度が３°〜７０°であることが要件となっている。

特開２００５−９５９８０号公報 特開２００７−３０７６１６号公報

従来技術によって、引張強度が約８００ＭＰａである高強度鋼板において、８０％以上の打ち抜き穴広げ率を得ることができる。この技術により一定の自動車軽量化効果は得られる。しかし、近年更に高まりつつある高強度鋼板のニーズに対応するためには必ずしも十分とは言えない。そのようなニーズに十分に対応するためには、引張強度が約８００ＭＰａである高強度鋼板において、９０％以上の打ち抜き穴広げ率を実現することが求められている。
本発明は、８００ＭＰａ級の高強度鋼板の打ち抜き加工において、打ち抜き穴広げ率９０％以上を実現する打ち抜き加工工具および加工方法を具現化することを課題とする。

本発明者らは、突起付パンチでの打ち抜き加工において、上記課題を解決するため鋭意検討し、以下の知見を得た。

（ａ）ダイの切刃形状の最適化
打ち抜き加工をする際、被加工材である高強度鋼板のパンチ側とダイ側では、力のかかり具合が異なることから、本来、パンチの切刃形状とダイの切刃形状のそれぞれに最適な形状が存在するはずである。従来技術は、パンチの切刃を主体に検討されており、ダイの切刃形状は、最適なものとはなっていない。そこで、本発明者らはダイの切刃形状に着目して詳細な検討を行った。
まず、ダイの肩Ｒ（ダイの曲率半径で切刃の形状に相当）が小さいと、被加工材である鋼板のダイ側が極端な圧縮応力を受ける。そのため、鋼板断面内の圧縮応力域が広くなる。圧縮応力を受けている部分はき裂伝播が抑制されるため、剪断破壊される。それにより、剪断面が増加し、加工硬化層が多くなる。
一方、ダイの肩Ｒが大き過ぎると、鋼板のダイ側も引張応力が働くため、き裂伝播が進み剪断破壊は限定的となる。このため、加工硬化層も減少するため、延性を確保することができる。しかし、肩Ｒが大きいため、切断後の鋼板の変形（パンチ下降方向へのダレ）が発生する可能性がある。
これらのことを考慮し、８００ＭＰａ以上の高強度鋼板においては、ダイの肩Ｒを０．０３ｍｍ〜０．２ｍｍとすることが適していることを見出した。

（ｂ）ダイ肩の２段Ｒ化
さらに、本発明者らはダイ肩（切刃部分）を２つの曲率半径を有する形状（以下、２段Ｒと呼ぶ。）にすることにより、より圧縮応力を抑制しつつ、切断できることを見出した。
ダイ肩が一つの曲率半径を有する形状（以下、１段Ｒとよぶことがある。）であると、ダイ肩での鋼板の曲げにより、鋼板のダイ側に、圧縮応力が作用する領域が生じる。この曲げによる圧縮応力は、せっかく突起付パンチにより鋼板内に生じた引張応力が緩和される。その分、き裂伝播性が悪くなる。
そこで、ダイ肩Ｒを２段にすることにより、ダイ肩での鋼板の曲げを一部緩和し、この曲げによる圧縮応力が作用する領域を減少させ、き裂伝搬性を改善することができる。
また、打ち抜き工具の場合、パンチとダイのクリアランスも重要である。ダイ肩を２段肩Ｒにした場合、パンチ側の円弧部分の曲率半径R1を大きくすると、結果的にクリアランスが広くなり、切れ味が鈍くなる。このため、ダイ肩を2段肩Rにした場合、パンチ側の曲率半径R1を、パンチと逆側（板押さえ側）の曲率半径R2よりも小さくするとよいことを見出した。
さらに、鋼板が切断される際、パンチ側の曲率半径R1が効いてくるため、この曲率半径R1を前述した最適範囲にするとよいことを見出した。
これにより、鋼板に働く圧縮応力を減少することができ、より高い引張応力によるき裂伝播性が得られる。そして、剪断破壊による剪断面を減少させることができ、加工硬化層を減少させることができ、穴広げ性を改善することができる。
ただし、鋼板の弾性域内での変形に留めることが必要なため、ダイ肩部の鋼板落ち込み量を制限する必要がある。

（ｃ）突起付パンチ形状の最適化
一方、切断時に被加工材となる鋼板に効率的に引張応力を発生させることができる突起付パンチの形状についても詳細に検討した。その結果、パンチ切刃となる肩（パンチ切刃端部）から突起肩に引いた接線とパンチ移動方向と直角のなす角度（α）に最適範囲が存在することを見出した。すなわち、αが１２°〜７２°であるときに、引張応力が大きく発生し、き裂の伝播性を高めることが分かった。

本発明は、これら知見を基に成されたものであり、その要旨とするところは以下のとおりである。
（１）
少なくともダイ、板押さえ及び突起付きパンチで構成される鋼板の打ち抜き用工具であって、当該打ち抜き工具のパンチの移動方向に平行で、且つパンチまたはダイの切刃がなす稜線に垂直な断面において、ダイの切刃となる肩部の曲線が２つの曲率半径からなり、パンチに面する方の曲線の曲率半径をＲ１、もう一方の曲線の曲率半径をＲ２とし、
Ｒ１とＲ２による両曲線の交点およびＲ１の曲率中心を通る直線と、パンチの移動方向と直角方向とのなす角をβ、鋼板の板厚をｔとしたとき、
０．０３ｍｍ≦Ｒ１≦０．２ｍｍ
１＜Ｒ２／Ｒ１
３０°≦β≦９０°
であり、
パンチの切刃となる肩から突起の肩に引いた直線とパンチの移動方向と直角方向のなす角度αが１２°以上７２°以下であることを特徴とする、鋼板の打ち抜き用工具。
ただし、Ｒ１、Ｒ２、ｔともに単位はｍｍとする。
（２）
さらに、前記２つの曲率半径Ｒ１，Ｒ２が
１＜Ｒ２／Ｒ１≦７、および
Ｒ２（１−ｓｉｎβ）≦３ｔ
を満足することを特徴とする（１）に記載の鋼板の打ち抜き用工具。
（３）
少なくともダイ、板押さえ及び突起付きパンチで構成され、板押さえとダイで鋼板を挟持し、突起付パンチを移動させて鋼板を打ち抜き切断する鋼板の打ち抜き方法であって、当該打ち抜き工具のパンチの移動方向に平行でパンチまたはダイの切刃がなす稜線に垂直な断面において、ダイの切刃となる肩部の曲線が２つの曲率半径からなり、パンチに面する方の曲線の曲率半径をＲ１、もう一方の曲線の曲率半径をＲ２とし、
Ｒ１とＲ２による両曲線の交点およびＲ１の曲率中心を通る直線と、パンチの移動方向と直角方向とのなす角をβ、鋼板の板厚をｔとしたとき、
０．０３ｍｍ≦Ｒ１≦０．２ｍｍ
１＜Ｒ２／Ｒ１
３０°≦β≦９０°
であり、
パンチの切刃となる肩から突起の肩に引いた直線とパンチの移動方向と直角方向のなす角度αが１２°以上７２°以下であることを特徴とする、鋼板の打ち抜き方法。
ただし、Ｒ１、Ｒ２、ｔともに単位はｍｍとする。
（４）
さらに、前記２つの曲率半径Ｒ１，Ｒ２が
１＜Ｒ２／Ｒ１≦７、および
Ｒ２（１−ｓｉｎβ）≦３ｔ
を満足することを特徴とする（３）に記載の鋼板の打ち抜き方法。

本発明によれば、８００ＭＰａ以上の高強度鋼板の打ち抜き穴広げ性を改善することができ、打ち抜いた鋼板において穴広げ率９０％を達成することができる。そのため、自動車部品用途に高強度鋼板の適用が可能となる。それにより自動車車体の軽量化を図ることが容易となり、自動車の燃費軽減や衝突安全性能の改善に寄与することができる。

従来の平底パンチを示す図である。図１（ａ）はパンチ、ダイ、被加工材の関係を示す図である。図１（ｂ）は被加工材料の変形挙動を示す図である。 従来の突起付きパンチによる打ち抜き中の被加工材料の変形挙動を示す図である。 従来の突起付きパンチを用いた打ち抜き工具の断面を示す図である。 本発明に係る突起付きパンチを用いた打ち抜き工具の断面を示す図である。 ダイ肩の曲率半径Ｒｄと打ち抜き穴広げ率の関係を示す図である。 穴広げ性（伸びフランジ性）を示す参考図である。 図７（ａ）は従来の平底パンチを用いた打ち抜き工具の断面を示し、図７（ｂ）は本発明に係る突起付きパンチを用いた打ち抜き工具の断面を示す図である。 ２段肩Ｒを有するダイ肩部を示す図である。

本発明について図面を用いて説明する。なお、本願でいう形状は、特に断りのない限り、打ち抜き工具のパンチの移動方向に平行でパンチまたはダイの切刃がなす稜線に垂直な断面において観察できる形状をいう。また、特に断りのない限り、曲率半径、板厚などに用いる単位はｍｍである。図３に従来の突起付きパンチを、図４に本発明に係るダイ肩に所定の曲率半径Ｒｄを設けた打ち抜き工具の断面図を示す。

初めに、突起付きパンチにより打ち抜きを行った場合に打ち抜き穴広げ性が改善される効果について説明する。

特許文献１、２で開示されるように、パンチ形状を図３に示すような切刃Ｂ及び突起Ａからなる構造として、切刃Ｂで切断される部分（被加工材料切断部Ｍ）に突起Ａにより引張応力を与えた場合は、切刃Ｂ近傍でのき裂の発生と進展が引張応力により促進され、被加工材料が大きな塑性変形を受けることなく切刃Ｂにより切断されるため、打ち抜き端面の歪は低減し、打ち抜き穴広げ性は改善する。

この際、突起形状を所定の形状にしないと十分な打ち抜き穴広げ性改善の効果が得られない。即ち、切刃Ｂで切断される部分Ｍに曲げによる十分な引張応力を与えるためには、突起Ａにより被加工材料が切断される現象を防ぐ必要がある。しかし、そのためには、突起Ａの肩部に所定の曲率半径Ｒｐを与える、もしくは所定の角度θｐを与える必要がある。そして、本発明においては、突起によるせん断を防ぐため、突起の肩部の曲率半径Ｒｐを０．２ｍｍ以上にするか、または突起肩部角度θｐを１００°以上１７０°以下にすることが必要である。

また、本発明においては、パンチ切刃となる肩（パンチ切刃端部）から突起の肩部に引いた接線とパンチ移動方向に直角方向とのなす角度（α）は、１２°以上、７２°以下とするとよい。この角度αが１２°より小さいと素材のパンチ肩やダイ肩近傍の被加工材料に引張応力を与える効果が十分得られず、突起による歪低減の効果が得られない。好ましくは２０°以上にするとよく、更に好ましくは３０°以上にするとよい。また、角度αが７２°より大きいと、突起による過大な歪が端面に与えられ、打ち抜き穴広げ性は劣化する。好ましくは６０°以下にするとよく、更に好ましくは５０°以下にするとよい。

本発明は、以上の技術を基にして、図４に示すようにダイ肩（切刃）に所定の曲率半径Ｒｄを付けることにより、更なる打ち抜き穴広げ性の改善を図るものである。ダイ肩（切刃）に曲率半径Ｒｄが与えられることより、せん断中にダイ肩（切刃）で生じる塑性歪が分散され、打ち抜き端面の塑性歪が低減されることに起因するものと推定される。これにより打ち抜き穴広げ性が改善される。この効果は、突起付きパンチを用いた場合に得られるものであり、通常の平底のパンチの場合は同様の効果は得られない。

図５には、図４の突起付きパンチを用いた場合に、ダイ肩の曲率半径Ｒｄを変えた場合の打ち抜き穴広げ率の変化を示している。比較対象として、通常の平底パンチを用いた場合も示す。このときのパンチ径は１０ｍｍ、ダイ内径は１０．６５ｍｍである。また、試験に用いた被加工材料は、８２０ＭＰａの引張強度、５９１ＭＰａの降伏強度、３２％の全伸びを持ち、板厚が２．６ｍｍの高強度熱延鋼板である。打ち抜きクリアランス＝１２．５％とした。突起付きパンチの形状については、切刃端部Ｐと突起立ち上げ位置Ｄの距離Ｄｐを１．０ｍｍ、パンチ突起肩部角度θpを１３５°、パンチ突起肩部曲率半径Ｒｐは０．５ｍｍ、パンチ突起高さＨｐを３．０ｍｍとした。

ダイ肩の曲率半径Ｒｄは、通常の打ち抜き工程における操業では、大凡０〜０．０２５ｍｍ（２５μｍ）の間で変化する。即ち、新品のダイではその肩部曲率半径Ｒｄは大凡０ｍｍであり、打ち抜き数が増加するにつれダイ肩部の曲率半径Ｒｄは摩耗により増加する。そして、摩耗が進むとダイは取り換えられる。通常の取り換えの周期では、肩部曲率半径Ｒｄは大凡０．０２５ｍｍ程度まで大きくなる。

また、打ち抜き穴広げ率は、頂角６０°の円錐パンチを初期穴に入れて押し広げ穴端面の板厚方向にき裂が貫通した時点でパンチを止め、その時の穴径の初期穴径（例えば１０ｍｍ）に対する増加率として求めた。尚、打ち抜きクリアランスの定義は、パンチとダイの間隔Ｃ／板厚ｔ×１００（％）である。

図５では、突起付きパンチを用いることにより、平底パンチの場合と比べ打ち抜き穴広げ性は著しく改善している。そして、突起付きパンチを用いた場合、ダイ肩（切刃）の曲率半径Ｒｄが小さすぎると打ち抜き穴広げ率は低い。この理由は、以下のように考えられる。ダイ肩の曲率半径Ｒｄが小さすぎる場合、ダイ肩近傍の被加工材料に歪が集中し、それが打ち抜き端面上に残留するためである。一方、ダイ肩曲率半径Ｒｄが大きすぎても打ち抜き穴広げ性は劣化する。ダイ肩曲率半径Ｒｄが大きい場合、ダイ肩（切刃）からのき裂の発生が遅れ、それによりき裂発生までに端面に加わる歪が増加するためである。

要件を図４に基づいて以下に説明する。本発明に用いる打ち抜きパンチまたはダイは、突起Ａ及び切刃部Ｂの二段構造とする必要がある。これは、切刃Ｂにて被加工材を剪断する前に突起Ａにて被加工材の切断部Ｍに引張応力を与え、切断後の被加工材の切断端面の歪を低減するためである。

パンチ突起肩部の曲率半径Ｒｐは、０．２ｍｍ以上にするとよい。これは、突起肩部の曲率半径Ｒｐが０．２ｍｍ以下であると被加工材が突起Ａにより剪断され、切刃Ｂにより剪断される部分Ｍに十分な引張応力を与えることができないためである。本発明において、突起肩部曲率半径Ｒｐに特に上限はないが、パンチのサイズによっては曲率半径Ｒｐが大きすぎると突起高さＨｐを大きくすることが困難となるので、５ｍｍ以下が好ましい。

また、突起肩部の角度θｐを１００°以上、１７０°以下とするとよい。これは、突起肩部の角度θｐが１００°以下であると、突起Ａにより被加工材料が剪断されるため切刃Ｂにより剪断される部分Ｍに十分な引張応力を与えることができず、また、突起肩部の角度θｐが１７０°以上であると、切刃Ｂにより剪断される部分に十分な引張応力を与えることができないためである。
但し、突起肩部の曲率半径Ｒｐと突起肩部の角度θｐに関する規定は、突起により素材がせん断されることを防ぐための規定であり、そのためにはどちらか一方が満たされていればよい。

本発明による打ち抜きでは端面延性に対する打ち抜きクリアランス（図４中の間隔Ｃ／板厚ｔ×１００（％））の影響は従来技術と同じであり、従来の打ち抜き方法と比べて特段の注意を払う必要はない。

ダイ肩（切刃）Ｒｄ（ダイ切刃部の曲率半径Ｒｄ）が０．０３ｍｍ以上、０．２ｍｍ以下とするとよい。ダイ肩Ｒｄが小さすぎると、ダイ肩（切刃）に接触する鋼板部分（以下、鋼板のダイ肩近傍と言う。）への大きな歪の集中が発生するので、打ち抜き穴広げ性が劣化する。一方、ダイ肩Ｒｄが大きすぎると鋼板のダイ肩（切刃）近傍からのき裂の発生が遅れ、端面への歪が集中する。このため、端面の歪を最小化し、打ち抜き穴広げ性を改善する観点から、上述のダイ肩（切刃）Ｒｄの上下限が設けられる。打ち抜き穴広げ性を特に良好とするためには、ダイ肩曲率半径Ｒｄは０．０５ｍｍ以上、０．１５ｍｍ以下とすることが好ましい。

通常の打ち抜きでは、通常適宜ダイに被加工材料を固定するために板押さえ（皺押え）を用いてもよい。本発明の打ち抜き方法においても、板押さえは用いることが好ましい。板押さえ荷重（板押さえから被加工材料に掛かる荷重）は、特に打ち抜き穴広げ性には影響しないので限定しない。

パンチ速度も、通常の鋼板の打ち抜き加工の範囲内であれば、打ち抜き穴広げ性には大きな影響は与えないので限定しない。多くの場合、打ち抜き工程では金型の磨耗を抑制するため、金型または被加工材料に潤滑油が塗布される。本発明においても、適宜潤滑油を用いてもよい。

また、突起Ａにより十分な引張応力を与えるためには、突起高さＨｐは、被加工材の板厚の１０％以上とすることが好ましい。

また、切刃端部Ｐと突起の立ち上がり位置Ｑの間隔Ｄｐは０．１ｍｍ以上とすることが好ましい。これは、この間隔が０．１ｍｍ以下の場合、切刃Ｂによる被加工材の剪断の際、通常切刃の先端近傍より発生するき裂が発生しにくくなり切刃による切断位置に歪が加わるためである。

また、本発明に係るパンチにおいて、切刃端部Ｐと突起の立ち上がり位置Ｑの間の部分、突起底面部Ｂｐ、および突起Ａの縦壁部分は、パンチの製作上平坦形状が好ましいが、若干の凹凸があっても上述の要件を満たしていれば効果は同じである。

本発明は、従来の切刃Ｂのみであった平底パンチに、突起Ａを付けることにより打ち抜き穴広げ性を良好とするものである。突起Ａを付け、突起高さＨｐを高くすることにより、切刃Ｂと被加工材が接触する面圧が下がるため、切刃端部Ｐの磨耗量も低減される。
この観点から、突起高さＨｐは高いほど好ましい。しかし、高すぎる場合、対象の被加工材料によっては、切刃Ｂと被加工材が接触する前に突起Ａと切刃Ｂの間で被加工材料が破断し、効果が得られない場合もある。このため、そのような場合は突起高さＨｐを概ね１０ｍｍ以下にすることが好ましい。

パンチ切刃となる肩（パンチ切刃端部）から突起肩に引いた接線とパンチ移動方向に直角方向とのなす角度（α）は、１２°以上、７２°以下とするとよい。この角度αが１２°より小さすぎると素材のパンチ切刃近傍の被加工材料に引張応力を与える効果が十分得られず、突起による歪低減の効果が得られない。好ましくは２０°以上にするとよく、更に好ましくは３０°以上にするとよい。また、角度αが７２°大きすぎると、突起による過大な歪が端面に与えられ、打ち抜き穴広げ性は劣化する。好ましくは６０°以下にするとよく、更に好ましくは５０°以下にするとよい。

本発明においては、打ち抜き後の穴広げ成形時のパンチの移動速度を大きくし、端面の周方向歪速度を大きくした方がより大きな打ち抜き穴広げ性を得る上では好ましい。これは、端面の周方向歪速度が大きいほど、同じパンチストロークの時点では、き裂進展量は小さく、穴広げ成形時の打ち抜き端端面上のき裂の進展は遅くなっているためである。この観点から、端面の歪速度は０．１／秒以上とすることが好ましい。一方、この観点からはパンチの移動速度を大きくすることが好ましいが、過度にパンチの移動速度が大きい場合、そのための機械システムの制御が困難となるので、歪速度の上限は５．０／秒とする。

ここで、端面の周方向の歪速度とは、打ち抜きにより生じた端面を、その後のプレス成形工程で図６に示すように周方向に引き伸ばす際の端面の周方向歪（εθ）の増加の速度（dεθ/dt）を指す。

次に２段肩Ｒについて説明する。
図８に２段肩Ｒを有するダイの肩部の断面図を示す。前述したように、この断面は、打ち抜き工具のパンチの移動方向に平行でパンチまたはダイの切刃がなす稜線に垂直な断面である。２段肩Ｒで二つある曲率半径のうち、前述したように、パンチ側の曲率半径Ｒ１は、パンチと反対側（板押さえ側）の曲率半径Ｒ２より小さくするとよい。これにより、パンチとダイス間のクリアランスを保ちつつ、被加工材となる鋼板のダイ側に生じる圧縮応力を緩和することができる。

2つの曲率半径による弧はスムーズにつながらなければならないので、2つの曲率半径の円は接することになる。すなわち、ダイ肩Ｒの変曲点が、２つの曲率半径の円弧の交点（接点）Ｔになる。このときＲ１, Ｒ２の曲率中心Ｏ１、Ｏ２（円弧の中心）と、２つの円弧の接点は、同一直線上にある。このＲ１、Ｒ２の曲率中心を通る直線と、パンチの移動方向に直角方向とのなす角をβとする。2つの曲率半径Ｒ１、Ｒ２と角度βが決まれば、ダイの切刃形状は決定することができる。Ｒ１、Ｒ２と角度βの関係について以下に説明する。

打ち抜き工具の場合、パンチとダイのクリアランスが重要である。ダイ肩を２段肩Ｒにした場合、パンチ側の円弧部分の曲率半径Ｒ１を大きくすると、結果的にクリアランスが広くなり、切れ味が鈍くなる。このため、ダイ肩を２段肩Ｒにした場合、パンチ側の曲率半径Ｒ１を、パンチと逆側（板押さえ側）の曲率半径Ｒ２よりも小さくするとよいことを見出した。さらに、鋼板が切断される際、パンチ側の曲率半径Ｒ１が効いてくるため、この曲率半径Ｒ１を前述した１段肩Ｒの場合の曲率半径Ｒｄの最適範囲にするとよい。

また、切断性（切れ味）を確保する観点から、肩部全体のうち曲率半径Ｒ１の円弧が3分の１（１／３）以上占めるとよい。即ち、βは３０°以上とすることが好ましい。これより小さいと、曲率半径の大きいＲ２の円弧が支配的となり、切断性が劣化するからである。好ましくは、Ｒ１の円弧が半分以上となるβが４５°以上であるとよい。βの上限は特に限定しない。幾何学的に９０°が上限となる。
以上のことから、曲率半径Ｒ１，Ｒ２とβを、
０．０３ｍｍ≦Ｒ１≦０．２ｍｍ
１≦Ｒ２／Ｒ１
３０°≦β≦９０°
にするとよい。

ダイ肩Ｒのパンチとは反対側（板押さえ側）の曲率半径Ｒ２の上限は特に限定されない。しかし、切断時の鋼板の落ち込み量（たわみ量）が大きすぎると、鋼板が塑性変形してしまい、切断後にもその変形が残存することが懸念される。この観点から、曲率半径Ｒ２の上限を規定することができる。ここで鋼板落ち込み量は、図８に示すように、ダイ表面から２つの曲率円との接点Ｔまでのパンチ移動方向の距離であるＲ２（１−ｓｉｎβ）で示される。この鋼板落ち込み量が板厚ｔの３倍以下とすれば、特に変形することなく切断できることを確認した。すなわち、
Ｒ２（１−ｓｉｎβ）≦３ｔ （但し、３０°≦β≦９０°）
にするとよい。

また、Ｒ２の上限は、鋼板の落ち込み量の規定だけでなく、現実的な製造可能性の観点からも規定することができる。製造可能性の観点から、Ｒ２はＲ１の７倍以下とするとよい。Ｒ２は少なくともＲ１以上でなくてはならないことから、Ｒ２とＲ１の関係は以下の式を満足するとよい。すなわち、
１≦Ｒ２／Ｒ１≦７
にするとよい。

Ｒ１とＲ２とβは、これらの関係式を満足できる範囲であれば任意に設定することができ、本発明の効果を十分満足する打ち抜き工具が得られる。ここで、前述した１段肩Ｒのダイは、Ｒ１＝Ｒ２の時であり、このときのβは４５°として考えればよい。
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明の実施態様は、ここに記載された態様に限定されることはない。

［実施例１］
以下に、本発明の実施例について説明する。図７に示す平底パンチ（図７（ａ））、および突起付きパンチ（図７（ｂ））を用いて打ち抜きを行った後、穴広げ試験を行った。供試鋼の機械的特性は、ＴＳ＝８２０ＭＰａ、ＹＰ＝５９１ＭＰａ、Ｔ．Ｅｌ＝３２％である。供試鋼の板厚は、研削により１．２〜５．０ｍｍとした。用いた試験片のサイズは、幅１５０ｍｍ、長さ１５０ｍｍとした。

穴広げ試験は、頂角６０°円錐パンチを用い、「バリ外」の条件、即ち打ち抜き時にダイに接していた鋼板の表面が穴広げ試験時にパンチの反対側となるよう試験片をセットし、行った。パンチを打ち抜き穴に押し込み、打ち抜き端面上に割れが貫通するまでパンチを移動し、その時点での穴径Ｄを測定し、下式より打ち抜き穴広げ率を求めた。
打ち抜き穴広げ率（％）＝（Ｄ（ｍｍ）−Ｄ０（ｍｍ））／Ｄ０（ｍｍ）×１００ （％）

ここで、初期穴径Ｄ０は１０〜５０mmとした（表１記載「パンチ径Ａｐ」の値）。打ち抜きクリアランスは板厚の５〜２０％とした。
表１に、試験条件、および試験に供したパンチ形状、ダイ形状を記載する。表３中のクリアランス（％）はパンチとダイの間隔Ｃ／板厚ｔ×１００（％）で定義した数値である。

試験により得られた打ち抜き穴広げ率も表１に示している。打ち抜き・穴広げ試験共に５枚の試験片にて試験を行った。打ち抜き穴広げ率はその平均値を表している。

水準（１）は、従来の打ち抜きに平底パンチを用いた試験であり、本発明による打ち抜きによる打ち抜き穴広げ率の比較の基準となる。その場合４０％の打ち抜き穴広げ率が得られている。本発明が課題にしている自動車部品軽量化効果を得るために必要な打ち抜き穴広げ率は９０％以上である。

水準（３）、（７）〜（１１）、（１５）、（１７）、（１８）、（２２）、（２５）〜（３１）、（３６）、（３８）、（４３）、（４７）〜（４８）ではパンチ及びダイ形状が全ての条件を満たしており、良好な打ち抜き穴広げ率が得られている。水準（７）〜（１１）は、ダイ肩曲率半径Ｒdを変化させた水準であるが、Ｒｄが０．０３ｍｍ以上、０．２ｍｍ以下の時に良好な打ち抜き穴広げ率が得られており、特にＲｄが０．０５ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下の時に打ち抜き穴広げ率は更に良好になっている。

水準（４７）、（４８）は水準（７）に対して穴広げ成形時のパンチ速度を大きくしたものであるが、端面の周方向の歪速度の増加により、より大きな打ち抜き穴広げ性が得られている。

水準（２）、（６）、（１３）、（１４）、（１６）、（１９）、（２０）、（２１）、（２３）〜（２４）、（３２）〜（３５）、（３７）、（３９）〜（４２）、（４４）〜（４６）は、ダイ肩の曲率半径Ｒｄが小さい。そのため、良好な打ち抜き穴広げ率が得られていない。

水準（４）は、角度αが所定より大きい。そのため、所定の打ち抜き穴広げ率が得られていない。

水準（５）は、角度αが所定より小さい。そのため、所定の打ち抜き穴広げ率が得られていない。

水準（１２）はダイ肩の曲率半径Ｒｄが過度に大きい。そのため、良好な打ち抜き穴広げ率が得られていない。

水準（４９）は穴広げ成形時の端面の周方向歪が大きかったが、パンチ速度も大きかったため、打ち抜き端面上に割れが貫通した時点でパンチを停止することができず、打ち抜き穴広げ率を求めることはできなかった。

［実施例２］
次に、図７（ｂ）に示すダイの肩Ｒ（切刃部のＲ）を2段肩Ｒにした試験を行った。表２に試験条件、打ち抜きパンチおよびダイの形状を示す。実施例１の水準（８）をベースにし、Ｒ１＝０．０５ｍｍ（５０μｍ）、Ｒ２＝０．２ｍｍ（２００μｍ）とした。β＝３０°、４５°、７５°にして試験を行った。供試鋼、穴広げ試験要領等は、実施例１と同じである。試験条件、および試験に供したパンチ形状トダイス形状、打ち抜き穴広げ率を表２に示す。
この結果、実施例１の水準（８）に比較して、打ち抜き穴広げ性が改善したことがわかる。

産業上に利用可能性

本発明は、鋼板の打ち抜き工具に利用することができる。特に８００ＭＰａ以上の高強度鋼板において、その効果を発揮するたけ、自動車用部品などに利用することができる。

１ パンチ
２ ダイ
３ 板押さえ
４ 被加工材
５ き裂
Ａ パンチ突起
Ａｄ ダイ穴内径
Ａｐ パンチ径
Ｂ パンチ切刃（肩）
Ｂｐ 突起底面部
Ｃ パンチ-ダイの間隔
Ｄｐ ＰＱ間の間隔
Ｈｐ 突起高さ
Ｍ 材料切断部
Ｏ１ 2段肩ＲのＲ１の曲率中心
Ｏ２ 2段肩ＲのＲ２の曲率中心
Ｐ パンチ切刃端部
Ｒｐ 突起肩部曲率半径
Ｒｄ ダイ肩部曲率半径
Ｒ１ 2段肩Ｒのパンチ側の曲率半径
Ｒ２ 2段肩Ｒのパンチと反対側の曲率半径
Ｑ 突起立ち上がり部
Ｔ Ｒ１，Ｒ２の円弧の交点（接点）
Ｗｐ 突起縦壁部
ｔ 被加工材の板厚
θｐ 突起縦壁角度
α パンチ切刃端部から突起肩に引いた接線とパンチ移動方向と直角方向のなす角度
β Ｒ１、Ｒ２の曲率中心を通る直線と、パンチの移動方向に直角方向とのなす角

Claims (4)

1. 少なくともダイ、板押さえ及び突起付きパンチで構成される鋼板の打ち抜き用工具であって、当該打ち抜き工具のパンチの移動方向に平行で、且つパンチまたはダイの切刃がなす稜線に垂直な断面において、ダイの切刃となる肩部の曲線が２つの曲率半径からなり、パンチに面する方の曲線の曲率半径をＲ１、もう一方の曲線の曲率半径をＲ２とし、Ｒ１とＲ２による両曲線の交点およびＲ１の曲率中心を通る直線と、パンチの移動方向と直角方向とのなす角をβ、鋼板の板厚をｔとしたとき、
   ０．０３ｍｍ≦Ｒ１≦０．２ｍｍ
   １＜Ｒ２／Ｒ１
   ３０°≦β≦９０°
   であり、パンチの切刃となる肩から突起の肩に引いた直線とパンチの移動方向と直角方向のなす角度αが１２°以上７２°以下であることを特徴とする、鋼板の打ち抜き用工具。
   ただし、Ｒ１、Ｒ２、ｔともに単位はｍｍとする。
2. さらに、前記２つの曲率半径Ｒ１，Ｒ２が
   １＜Ｒ２／Ｒ１≦７、および
   Ｒ２（１−ｓｉｎβ）≦３ｔ
   を満足することを特徴とする請求項１に記載の鋼板の打ち抜き用工具。
3. 少なくともダイ、板押さえ及び突起付きパンチで構成される打ち抜き用工具を用いる鋼板の打ち抜き方法であって、当該打ち抜き工具のパンチの移動方向に平行で、且つパンチまたはダイの切刃がなす稜線に垂直な断面において、ダイの切刃となる肩部の曲線が２つの曲率半径からなり、パンチに面する方の曲線の曲率半径をＲ１、もう一方の曲線の曲率半径をＲ２とし、Ｒ１とＲ２による両曲線の交点およびＲ１の曲率中心を通る直線と、パンチの移動方向と直角方向とのなす角をβ、鋼板の板厚をｔとしたとき、
   ０．０３ｍｍ≦Ｒ１≦０．２ｍｍ
   １＜Ｒ２／Ｒ１
   ３０°≦β≦９０°
   であり、
   パンチの切刃となる肩から突起の肩に引いた直線とパンチの移動方向と直角方向のなす角度αが１２°以上７２°以下であることを特徴とする、鋼板の打ち抜き方法。
   ただし、Ｒ１、Ｒ２、ｔともに単位はｍｍとする。
4. さらに、前記２つの曲率半径Ｒ１，Ｒ２が
   １＜Ｒ２／Ｒ１≦７、および
   Ｒ２（１−ｓｉｎβ）≦３ｔ
   を満足することを特徴とする請求項３に記載の鋼板の打ち抜き方法。

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