JP6269305B2 - 伸びフランジ加工方法および加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車，家電製品，建築構造物，船舶，橋梁，建設機械，各種プラント，ペンストック等に用いられる鉄，アルミニウム，チタン，マグネシウムまたはこれらの合金等からなる被加工材の伸びフランジ加工方法に関するものであり、フランジアップに伴って被加工材の縁部の端面における割れを抑制するのに好適な伸びフランジ加工方法および加工装置に関する。

図３は、被加工材に伸びフランジ加工の状況を示す説明図であり、図３（ａ）は、被加工材１における穴部１ａを押し広げるフランジアップ加工を模式的に示す正面図であり、図３（ｂ）は、被加工材１における穴ではない開断面１ｂをフランジアップする加工方法を模式的に示す正面図である。

図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、自動車、家電製品、建築構造物等の被加工材１には、ダイ３上に被加工材１を載置させた後に、パンチ２を矢印方向に押し込んでフランジアップする伸びフランジ加工が行われる。

しかし、伸びフランジ加工では、しばしば被加工材１の端面１ｃの割れが問題となるため、これまでにも様々な方法が提案されている。

例えば端面を得る切断方法を工夫することにより伸びフランジ加工に伴う割れを抑制できる。このような手法として、特許文献１には、切断パンチの先端に曲げ刃である突出部を設けて伸びフランジ加工を行う発明が開示され、特許文献２には、切断用のシヤーパンチのシヤー角度を伸びフランジ加工に対して最適にして伸びフランジ加工を行う発明が開示されている。

また、非特許文献１や特許文献３には、切断方法以外にカウンターパンチにより端面を押圧しながらフランジアップすることにより端面の割れを抑制する発明が開示されている。

さらに、非特許文献１，２には、フランジアップ前にコイニングにより端面を押圧することにより端面の割れを抑制する方法が開示される。

特開平５−２３７５号公報 特開２０１１−８８１５２号公報 特開２００９−９０３５０号公報

塑性と加工，第１６巻，第１７８号，１０８１−１０８８頁 塑性と加工，第５２巻，第６０３号，４８５−４８９頁

これらの特許文献１〜３や非特許文献１、２により開示された発明は、量産性やその適用範囲の点に関していくつかの課題を有する。

特許文献１，２により開示されるように切断方法を工夫する発明のみでは、被加工材が脆い材料からなる場合には、伸びフランジ加工に伴う割れを十分に抑制することができない。すなわち、切断方法の工夫に加えて伸びフランジ加工方法そのものも改善する必要がある。

図４は、被加工材１の端面１ｃが加工の進行に伴って回転する伸びフランジ加工の一例を示す説明図である。非特許文献１や特許文献３により開示されるように、端面を押圧しながらフランジアップする伸びフランジ加工は、図２に示すように端面１ｃの方向が回転してしまう伸びフランジ加工には、適用できない。

さらに、非特許文献２により開示された発明では、フランジアップ前に端面のコイニング加工を行う必要があるため、工程数の不可避的な増加に伴って製造コストが上昇する。

本発明は、上述した課題に鑑みて発明されたものであり、図４に示すように被加工材１の端面１ｃの方向が回転してしまう伸びフランジ加工であっても、端面１ｃを十分に押圧しながら被加工材１に伸びフランジ加工を行うことができ、伸びフランジ加工時における端面の割れを、効果的かつ低コストで抑制できる伸びフランジ加工方法および加工装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、以下に列記の通りである。

（１）パンチと、パンチに対向して配置されるとともにパンチのパンチング方向に対してパンチに対向する底部がバネ、ガス、または油圧シリンダーによりパンチング方向へ移動自在に構成されるダイとを用い、ダイに載置された金属製の被加工材の縁部に、パンチをパンチング方向へ押し込むことにより、被加工材の縁部を押し広げながらフランジアップする伸びフランジ加工方法であって、
ダイの内部であって底部と被加工材との間に、パンチの押し込み時に縁部の端面を押圧して端面に圧縮力を作用させる粉末を配置すること
を特徴とする伸びフランジ加工方法。

（２）粉末は、粒子１つの体積平均が０．０７ｍｍ^３以下の鉄球である（１）項に記載された伸びフランジ加工方法。

（３）パンチの押し込み時における粉末の温度は２００℃〜５００℃である（１）項又は（２）項に記載された伸びフランジ加工方法。

（４）パンチと、パンチに対向して配置されるとともにパンチのパンチング方向に対してパンチに対向する底部がバネ、ガス、または油圧シリンダーによりパンチング方向へ移動自在に構成されるダイとを備え、ダイに載置された金属製の被加工材の縁部に、パンチをパンチング方向へ押し込むことにより、縁部を押し広げながらフランジアップする伸びフランジ加工装置であって、
ダイの内部であって底部と被加工材との間に、パンチの押し込み時に縁部の端面を押圧して端面に圧縮力を作用させる粉末を備えること
を特徴とする伸びフランジ加工装置。

（５）粉末は、粒子１つの体積平均が０．０７ｍｍ^３以下の鉄球である（４）項に記載された伸びフランジ加工装置。

（６）パンチの押し込み時における粉末の温度は２００℃〜５００℃である（４）項または（５）項に記載された伸びフランジ加工装置。

本発明における「粒子1つの体積平均」は、使用する粉末全体の重量を構成素材の比重で除し、さらにこれを粒子の総数で除したものとして規定する。ここで粒子の総数は各種の粒数カウントが行える装置（例えば光学式光幕センサーを用いるもの等）を用いれば容易に測定可能である。

本発明により、図４に示すように被加工材の端面の方向が回転してしまう伸びフランジ加工であっても、この端面を押圧しながら被加工材に伸びフランジ加工を行うことができ、これにより、伸びフランジ加工時における端面の割れを、効果的かつ低コストで抑制することができるようになる。

図１は、鉄球により被加工材の端面を押圧する本発明に係る伸びフランジ加工装置を模式的に示す説明図である。 図２は、鉄球を加熱するヒータを備える本発明に係る伸びフランジ加工装置を模式的に示す説明図である。 図３は、被加工材に伸びフランジ加工の状況を示す説明図であり、図３（ａ）は、被加工材における穴部を押し広げるフランジアップ加工を模式的に示す正面図であり、図３（ｂ）は、被加工材における穴ではない開断面をフランジアップする加工方法を模式的に示す正面図である。 図４は、被加工材の端面が加工の進行に伴って回転する伸びフランジ加工の一例を示す説明図である。 図５は、シリコンオイルによる液圧を用いる伸びフランジ加工装置を模式的に示す説明図である。

以下に、本発明に係る伸びフランジ加工方法と、これを実施するための伸びフランジ加工装置を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。

はじめに、本発明を完成するに至った検討内容を説明する。

上述した非特許文献１，２により開示されるように、被加工材である金属板（ブランク）の縁部を押圧しながらフランジアップすることにより、伸びフランジ加工時における被加工材の端面の割れ（以下、単に「伸びフランジ割れ」という）を抑制することができる。

本発明者らは、図４により示すように被加工材１の端面１ｃが加工の進行に伴って回転する伸びフランジ加工の場合にも、フランジアップ加工時を通して被加工材１の端面１ｃの押圧し続けることが可能なように、まず、シリコンオイルによる液圧を用いることに想到した。

図５は、シリコンオイルによる液圧を用いる伸びフランジ加工装置４を模式的に示す説明図である。

伸びフランジ加工装置４は、パンチ２、ダイ３および板押え５を備える。

ダイ３は、パンチ２に対向して配置される。また、ダイ３における、パンチ２のパンチング方向（図３における矢印方向）に対してパンチ２に対向する底部６は、バネ，ガス，または油圧シリンダー７によりパンチング方向へ移動自在に構成される。

板押え５は、ダイ３とともに、加工時の被加工材１を挟持して被加工材１を押える。さらに、ダイ３の内部であって底部６と被加工材１との間には、シリコンオイル８が装填されている。

伸びフランジ加工装置４を用い、ダイ３に載置された金属製の被加工材１の縁部１ａに、パンチ２をパンチング方向へ押し込むことにより、縁部１ａを押し広げながらフランジアップ加工を行った。

この際、被加工材（ブランク）１として板厚１．６ｍｍの５９０ＭＰａ級の高張力鋼板を用いたが、端面１ｃに加える圧力が１００ＭＰａ以下しか得られず、この圧力では伸びフランジ割れを抑制する効果は低かった。また、これ以上の圧力を加えることは、被加工材１とパンチ２，ダイ３との隙間からシリコンオイル８が液漏れするため、不可能であった。

図１は、鉄球１０により被加工材１の端面１ｃを押圧する本発明に係る伸びフランジ加工装置９を模式的に示す説明図である。なお、図１に示す本発明に係る伸びフランジ加工装置９の説明は、図５を参照しながら上述した伸びフランジ加工装置４と相違する部分について行い、共通する部分については、同一の図中符号を付けることにより重複する説明を適宜省略する。

図１に示すように、伸びフランジ加工装置９では、ダイ３の内部であって底部６と被加工材１との間に、液漏れのないようにシリコンオイル８に替えて、ショットブラスト用の鉄球１０が多数充填されている。鉄球１０は、本発明における粉末の一例として、用いられる。

伸びフランジ加工装置９では、鉄球１０を用いることにより、パンチ２の押し込み時に被加工材１の縁部１ａの端面１ｃを押圧して端面１ｃに圧縮力を作用させることができる。このため、液漏れなく縁部に５００ＭＰａ以上の圧力を加えることができ、被加工材１の伸びフランジ割れの発生を抑制または解消することができる。

この際、鉄球１０の平均粒径が０．５ｍｍを超えると、被加工材１である鋼板の縁部１ａに大きな凹凸が形成され、却って伸びフランジ割れが誘発されるおそれがある。このため、鉄球１０の平均粒径は０．５ｍｍ以下であることが望ましい。

平均粒径が０．５ｍｍ以下の鉄球１０は、粉塵状に舞い上がって作業環境を悪化させるおそれがある場合には、例えば、鉄球１０に粘性の強いシリコンオイルを混入させることにより鉄球１０の舞い上がりを防止すればよい。

図２は、鉄球１０を加熱するヒータ１１を備える本発明に係る伸びフランジ加工装置１２を模式的に示す説明図である。

また、鉄球１０を収容するダイ３をヒータ１１により２００〜５００℃まで加熱して鉄球１０を２００℃〜５００℃まで加熱したところ、被加工材１にさらに高い高さのフランジを、伸びフランジ割れを生じることなく、形成することができる。この場合、ヒータ１１は図２に示すように、鉄球１０内に埋設されることが望ましい。

なお、ヒータ１１のこのような設置方法以外に、ダイ３そのものを加熱するようにしても同様の効果が得られる。

鉄球１０の加熱温度が２００℃未満では、室温における結果に対して改善効果が小さく、一方、鉄球１０の加熱温度が５００℃を超えると、パンチ２，ダイ３の損耗が激しくなるとともにヒータ１１も高価になる。このため、鉄球１０の加熱温度は２００〜５００℃であることが望ましい。

なお、伸びフランジ加工を行われる被加工材（ブランク）１の形状は、如何なる形状であってもよく、何ら限定を有さない。被加工材（ブランク）１の板厚も、０．５〜３．２ｍｍの範囲内であれば、同様の効果を得られる。

被加工材（ブランク）１の材質は、主に、鉄（鋼）が例示されるが、これに限定されるものではなく、例えば、アルミニウム，チタン，マグネシウムまたはこれらの合金等を適用できる。

以上の説明では、本発明における粉末として、安価な鉄球１０を用いたが、特に鋼球１０である必要はなく、例えばアルミナのようなセラミック粉や砂等の粉末を用いてもほぼ同様の効果が得られる。

さらに、被加工材１とダイ３との間は板押さえ力５によりシールされるため、押し付け力が１０ｔｏｎ以上となるように比較的強い板押さえ５を用いることが望ましい。ただし、これ以下の押し付け圧であっても本発明の効果を充分に得ることができる。

このようにして成形される成形品は、自動車，家電製品，建築構造物，船舶，橋梁，建設機械，各種プラント，ペンストック等の部品として用いられる。

本発明の効果を検証するべく、図２に示す本発明に係る伸びフランジ加工装置１２を用い、被加工材１として、板厚１．６ｍｍの５９０ＭＰａ級鋼板（最大引張強度が５９０ＭＰａ程度），板厚１．６ｍｍの７８０ＭＰａ級鋼板（最大引張強度が７８０ＭＰａ程度），板厚１．６ｍｍの９８０ＭＰａ級鋼板（最大引張強度が９８０ＭＰａ程度）の３種を用い、バーリング試験を行った。

板押え５による板押さえ荷重を１１ｔｏｎとし、ダイ３の底部６は、最大荷重１２ｔｏｎのガスクッション７（３ｔｏｎ×４個）により支持した。

被加工材１のサイズは１００×１００ｍｍとし、その中央には直径１０ｍｍの穴抜き加工を施した。バーリング試験に際して粉末１０として、粒子の平均体積が０．００４〜０．９ｍｍ^３である砂，粒子の平均体積が４．２×１０^−９〜１．８×１０^−７ｍｍ^３であるアルミナ，粒子の平均体積が０．０００２〜０．００１２ｍｍ^３であるショットピーニング用の鉄球をそれぞれ用いた。

また、従来技術として粉末を用いない条件でも試験を行った。

試験結果は、ＪＩＳ Ｚ ２２５６に規定された穴広げ試験に基づき、バーリング加工中に穴端面に破断が生じた際の穴径から初期穴径（直径１０ｍｍ）を減じ、これをさらに初期穴径で除した値（穴広げ率（％））で評価した。５回試行し、その平均を評価値とした。結果を表１にまとめて示す。

表１に示すように、本発明によれば、砂，アルミナ，鉄球のいずれの粉末１０を場合であっても、従来技術に対して穴広げ率が大幅に向上したことが分かる。

本発明の効果を検証するべく、図２に示す本発明に係る伸びフランジ加工装置１２を用い、被加工材１として、板厚１．６ｍｍの５９０ＭＰａ級鋼板（最大引張強度が５９０ＭＰａ程度），板厚１．６ｍｍの７８０ＭＰａ級鋼板（最大引張強度が７８０ＭＰａ程度），板厚１．６ｍｍの９８０ＭＰａ級鋼板（最大引張強度が９８０ＭＰａ程度）の３種を用い、バーリング試験を行った。

板押え５による板押さえ荷重を１１ｔｏｎとし、ダイ３の底部６は、最大荷重１２ｔｏｎのガスクッション７（３ｔｏｎ×４個）により支持した。

被加工材１のサイズは１００×１００ｍｍとし、その中央には直径１０ｍｍの穴抜き加工を施した。

試験に際しては、粉末をショットピーニング用の鉄球１０とし、その平均体積を０．００４ｍｍ^３，０．０７ｍｍ^３，０．１ｍｍ^３，０．５ｍｍ^３の４条件とした。従来技術として鉄球１０を用いない条件においても試験を行った。

試験結果は実施例１と同じ条件で評価した。試験結果を表２にまとめて示す。

表２に示すように、鉄球１０の平均体積が０．０７ｍｍ^３以下は従来技術に対して穴広げ率が改善される。これに対し、鉄球１０の平均体積が０．１ｍｍ^３を超えると従来技術に対する改善代は小さい。

本発明の効果を検証するべく、図２に示す本発明に係る伸びフランジ加工装置１２を用い、被加工材１として、板厚１．６ｍｍの５９０ＭＰａ級鋼板（最大引張強度が５９０ＭＰａ程度），板厚１．６ｍｍの７８０ＭＰａ級鋼板（最大引張強度が７８０ＭＰａ程度），板厚１．６ｍｍの９８０ＭＰａ級鋼板（最大引張強度が９８０ＭＰａ程度）の３種を用い、バーリング試験を行った。

板押え５による板押さえ荷重を１１ｔｏｎとし、ダイ３の底部６は、最大荷重１２ｔｏｎのガスクッション７（３ｔｏｎ×４個）により支持した。

被加工材１のサイズは１００×１００ｍｍとし、その中央には直径１０ｍｍの穴抜き加工を施した。

粉末として、ショットピーニング用の鉄球１０を用い、その平均体積を０．００４ｍｍ^３とした。さらに、鉄球１０群中には通電加熱型の金型用ヒータ１１を埋設した。ヒータ１１を用い、鉄球１０群の表層の温度が所定の温度となった際にバーリング試験を開始した。その温度は１００℃，２００℃，３５０℃，５００℃の４条件とした。なお、５００℃以上はヒータの仕様上、試験が不可能であった。

従来技術として鉄球１０を用いない条件においても試験を行った。

試験結果は実施例１，２と同じ条件で評価した。試験結果を表３にまとめて示す。

表３に示すように、２００℃，３５０℃，５００℃の条件において、従来技術に対して穴広げ率が大きく改善された。１００℃の条件であれば従来技術に対する改善量が小さい。

１ 被加工材
１ａ 縁部
１ｃ 端面
２ パンチ
３ ダイ
５ 板押え
６ 底部
７ 油圧シリンダー
９，１２ 本発明に係る伸びフランジ加工装置
１０ 鉄球
１１ ヒータ

Claims (6)

1. パンチと、該パンチに対向して配置されるとともに前記パンチのパンチング方向に対して前記パンチに対向する底部がバネ、ガス、または油圧シリンダーにより前記パンチング方向へ移動自在に構成されるダイとを用い、前記ダイに載置された金属製の被加工材の縁部に、前記パンチを前記パンチング方向へ押し込むことにより、前記縁部を押し広げながらフランジアップする伸びフランジ加工方法であって、
   前記ダイの内部であって前記底部と前記被加工材との間に、前記パンチの押し込み時に前記縁部の端面を押圧して前記端面に圧縮力を作用させる粉末を配置すること
   を特徴とする伸びフランジ加工方法。
2. 前記粉末は、粒子１つの体積平均が０．０７ｍｍ^３以下の鉄球である請求項１に記載された伸びフランジ加工方法。
3. 前記パンチの押し込み時における前記粉末の温度は２００℃〜５００℃である請求項１または請求項２に記載された伸びフランジ加工方法。
4. パンチと、該パンチに対向して配置されるとともに前記パンチのパンチング方向に対して前記パンチに対向する底部がバネ、ガス、または油圧シリンダーにより前記パンチング方向へ移動自在に構成されるダイとを備え、前記ダイに載置された金属製の被加工材の縁部に、前記パンチを前記パンチング方向へ押し込むことにより、前記縁部を押し広げながらフランジアップする伸びフランジ加工装置であって、
   前記ダイの内部であって前記底部と前記被加工材との間に、前記パンチの押し込み時に前記縁部の端面を押圧して前記端面に圧縮力を作用させる粉末を備えること
   を特徴とする伸びフランジ加工装置。
5. 前記粉末は、粒子１つの体積平均が０．０７ｍｍ^３以下の鉄球である請求項４に記載された伸びフランジ加工装置。
6. 前記パンチの押し込み時における前記粉末の温度は２００℃〜５００℃である請求項４または請求項５に記載された伸びフランジ加工装置。