JP6352065B2 - 成形材製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、筒状の胴部と該胴部の端部に形成されたフランジ部とを有する成形材を製造する成形材製造方法に関する。

例えば下記の非特許文献１等に示されているように、絞り加工を行うことで、筒状の胴部と該胴部の端部に形成されたフランジ部とを有する成形材を製造することが行われている。絞り加工では素材金属板を引き伸ばすことで胴部が形成されるので、胴部の板厚は素材板厚よりも薄くなる。一方で、金属板のフランジ部に相当する領域は胴部の形成に応じて全体として縮むので、フランジ部の板厚は素材板厚よりも厚くなる。

例えば下記の特許文献１等に示されているモータケースとして上記のような成形材を用いる場合がある。この場合、胴部には、モータケース外への磁気漏洩を防ぐシールド材としての性能が期待される。また、モータの構造によっては、ステータのバックヨークとしての性能も胴部に期待される。シールド材又はバックヨークとしての性能は、胴部が厚いほど良好となる。このため、上記のように絞り加工により成形材を製造する際には、絞り加工による板厚の減少量を考慮して、胴部の必要板厚よりも厚い素材金属板が選定される。一方、フランジ部は、モータケースを取付対象に取り付けるために用いられることが多い。このため、フランジ部には一定量の強度を有することが期待される。

さらに、シャシやパネル等の相手部材に成形材を取り付ける際に、成形材と相手部材との間に良好な密着性（気密性）を求められることがある。そのような場合、成形材のフランジ部には、フランジ部の板厚が均一であることや、高精度な平坦度を有することが期待される。

特開２０１３−５１７６５号公報

村川正夫、外３名著「塑性加工の基礎」、初版、産業図書株式会社、１９９０年１月１６日、ｐ．１０４〜１０７

上記のような従来の成形材製造方法では、絞り加工を行うことで筒状の胴部と該胴部の端部に形成されたフランジ部とを有する成形材を製造しているので、フランジ部の板厚は素材板厚よりも厚くなる。このため、フランジ部に期待される性能を満たす板厚を超えて、フランジ部が不必要に厚くなることがある。これは、成形材が不必要に重くなっていることを意味し、モータケース等の軽量化が求められる適用対象において無視できない。

また、フランジ部の板厚を均一にするため、あるいはフランジ部の平坦度を高精度なものとするために、プレス加工によりフランジ部を押圧して薄肉化しようとすることが考えられる。しかしながら、従来の成形材製造方法により製造した成形材のフランジ部の板厚は外周部に向かって徐々に厚くなっているので、板厚の厚い外周部に近い側が優先的に薄肉化されてしまい、フランジ部全体の板厚を均一にすることは困難であった。また、このようなフランジ部をプレス加工により薄肉化するためには、大出力のプレス機が必要となることから、使用するプレス機の制約を受けることとなっていた。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、フランジ部が不必要に厚くなることを回避でき、成形材の軽量化や素材金属板の縮小化ができるだけでなく、フランジ部の板厚の均一化や、高精度な平坦度を得ることが可能な成形材製造方法を提供することである。

本発明に係る成形材製造方法は、素材金属板に対して少なくとも３回の成形加工を行うことで、筒状の胴部と該胴部の端部に形成されたフランジ部とを有する成形材を製造する成形材製造方法であって、少なくとも３回の成形加工には、少なくとも１回の絞り抜け加工と、該絞り抜け加工の後に行われる少なくとも１回の絞り加工と、該絞り加工の後に行われる少なくとも１回のコイニング加工が含まれており、絞り抜け加工は、押込穴を有するダイとパンチとを含む金型を用いて行われ、パンチの後端側の幅が先端側の幅よりも広くされることで、パンチがダイの押込穴に押込まれた状態におけるダイとパンチとの間のクリアランスが先端側に比べて後端側において狭くされており、絞り抜け加工においてパンチとともに素材金属板が押込穴に押込まれることで、素材金属板のフランジ部に相当する領域に対してしごき加工が行われ、コイニング加工は、絞り加工により形成されたフランジ部を押型と受型との間に挟み込んで圧縮し、フランジ部の板厚を減じ、フランジ部の周方向に延在する平坦部を形成する。

本発明の成形材製造方法によれば、絞り抜け加工においてパンチとともに素材金属板が押込穴に押込まれることで、素材金属板のフランジ部に相当する領域に対してしごき加工と、フランジ部を押型と受型との間に挟み込んで圧縮し、フランジ部の板厚を減じ、フランジ部の周方向に延在する平坦部を形成するコイニング加工とが行われるので、フランジ部が不必要に厚くなることを回避でき、成形材を軽量化できるとともに、フランジ部の板厚の均一化や、高精度な平坦度を得ることが可能となる。また、しごき加工を行うことによりフランジ部の板厚が薄くされるので、コイニング加工に必要なプレス能力を大幅に低減することが可能となり、従来に比べてより小出力のプレス機での加工が期待できる。本構成は、モータケース等の軽量化が求められる適用対象において特に有用である。

本発明の実施の形態１による成形材製造方法によって製造される成形材を示す斜視図である。 図１の線ＩＩ−ＩＩに沿う断面図である。 図１の成形材を製造する成形材製造方法を示す説明図である。 図３の絞り抜け加工に用いる金型を示す説明である。 図４の金型による絞り抜け加工を示す説明図である。 図４のパンチをより詳細に示す説明図である。 図３の第１絞り加工に用いる金型を示す説明図である。 図７の金型による第１絞り加工を示す説明図である。 図３のコイニング加工に用いる金型を示す説明図である。 しごき率を変えた場合の第１中間体の板厚の違いを示すグラフである。 図１０の板厚測定位置を示す説明図である。 図１０の各第１中間体から製造された成形材の板厚を示すグラフである。 図１２の板厚測定位置を示す説明図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による成形材製造方法によって製造される成形材１を示す斜視図である。図１に示すように、本実施の形態の成形材製造方法によって製造される成形材１は、胴部１０とフランジ部１１とを有するものである。胴部１０は、頂壁１００と、頂壁１００の外縁から延出された周壁１０１とを有する筒状の部分である。頂壁１００は、成形材１を用いる向きによっては底壁等の他の呼ばれ方をする場合もある。図１では胴部１０は断面真円形を有するように示しているが、胴部１０は、例えば断面楕円形や角筒形等の他の形状とされていてもよい。例えば頂壁１００からさらに突出された突部を形成する等、頂壁１００にさらに加工を加えることもできる。フランジ部１１は、胴部１０の端部（周壁１０１の端部）に形成された板部である。

次に、図２は図１の線ＩＩ−ＩＩに沿う断面図である。図２に示すように、フランジ部１１の板厚ｔ_１１は、胴部１０の周壁１０１の板厚ｔ_１０１よりも薄くされている。これは、以下詳しく説明するように、素材金属板２（図３参照）のフランジ部１１に相当する領域に対してしごき加工が行われることに起因する。なお、フランジ部１１の板厚ｔ_１１とは、周壁１０１とフランジ部１１との間の下側肩部Ｒｄの下端からフランジ部１１の外端までの間におけるフランジ部１１の板厚の平均値を意味する。同様に、周壁１０１の板厚ｔ_１０１とは、下側肩部Ｒｄの上端から上側肩部Ｒｐの下端までの間における周壁１０１の板厚の平均値を意味する。

次に、図３は、図１の成形材１を製造する成形材製造方法を示す説明図である。本発明の成形材製造方法は、平板状の素材金属板２に対して少なくとも３回の成形加工を行うことで成形材１を製造する。少なくとも３回の成形加工には、少なくとも１回の絞り抜け加工と、この絞り抜け加工の後に行われる少なくとも１回の絞り加工と、絞り加工の後に行われる少なくとも１回のコイニング加工とが含まれている。本実施の形態の成形材製造方法では、１回の絞り抜け加工と３回の絞り加工（第１〜第３絞り加工）と１回のコイニング加工とにより成形材１を製造する。素材金属板２としては、冷延鋼板、ステンレス鋼板、及びめっき鋼板等の様々な金属板を用いることができる。

次に、図４は図３の絞り抜け加工に用いる金型３を示す説明図であり、図５は図４の金型３による絞り抜け加工を示す説明図である。図４に示すように、絞り抜け加工に用いる金型３には、ダイ３０、パンチ３１及びクッションパッド３２が含まれている。ダイ３０には、パンチ３１とともに素材金属板２が押し込まれる押込穴３０ａが設けられている。クッションパッド３２は、ダイ３０の外端面に対向するようにパンチ３１の外周位置に配置されている。図５に示すように、絞り抜け加工では、ダイ３０及びクッションパッド３２により素材金属板２の外縁部を完全には拘束せず、素材金属板２の外縁部がダイ３０及びクッションパッド３２の拘束から外れるところまで絞り抜く。素材金属板２のすべてをパンチ３１とともに押込穴３０ａに押し込んで、絞り抜いてもよい。

次に、図６は、図４のパンチ３１をより詳細に示す説明図である。図６に示すように、絞り抜け加工に用いるパンチ３１の後端側３１１の幅ｗ_３１１は、パンチ３１の先端側３１０の幅ｗ_３１０よりも広くされている。一方で、押込穴３０ａの幅は、押込穴３０ａに対するパンチ３１の挿入方向に沿って実質的に均一とされている。換言すると、ダイ３０の内壁は、実質的にパンチ３１の挿入方向と平行に延在されている。

すなわち、図６に示すようにパンチ３１が押込穴３０ａに押込まれた状態におけるダイ３０とパンチ３１との間のクリアランスｃ_{３０−３１}は、パンチ３１の先端側３１０に比べてパンチ３１の後端側３１１において狭くされている。パンチ３１の後端側３１１におけるクリアランスｃ_{３０−３１}は、絞り抜け加工が行われる前の素材金属板２の板厚よりも狭く設定される。これにより、絞り抜け加工においてパンチ３１とともに素材金属板２が押込穴３０ａに押込まれることで、素材金属板２の外縁部に対して、すなわちフランジ部１１に相当する領域に対してしごき加工が行われる。しごき加工により、フランジ部１１に相当する領域の板厚が減少される（減肉される）。

なお、パンチ３１の先端側３１０と後端側３１１との間には、パンチ３１の幅が連続的に変化する傾斜面からなる幅変化部３１ａが設けられている。幅変化部３１ａは、絞り抜け加工においてパンチ３１とともに素材金属板２が押込穴３０ａに押込まれた際に、幅変化部３１ａとダイ３０の内壁との間に、素材金属板２の下側肩部Ｒｄ（図２参照）に相当する領域に接するように配置される。

次に、図７は図３の第１絞り加工に用いる金型４を示す説明図であり、図８は図７の金型４による第１絞り加工を示す説明図である。図７に示すように、第１絞り加工に用いる金型４には、ダイ４０、パンチ４１及び絞りスリーブ４２が含まれている。ダイ４０には、上述の絞り抜け加工により形成された第１中間体２０がパンチ４１とともに押し込まれる押込穴４０ａが設けられている。絞りスリーブ４２は、ダイ４０の外端面に対向するようにパンチ４１の外周位置に配置されている。図８に示すように、第１絞り加工では、第１中間体２０の胴部１０に相当する領域に絞り加工を行うとともに、ダイ４０及び絞りスリーブ４２により第１中間体２０の外縁部を拘束してフランジ部１１を形成する。なお、スリーブ４２の目的は絞り時のしわの発生を防止するためのものであり、しわの発生がない場合は省略してもよい。

図示はしないが、図３の第２及び第３絞り加工は周知の金型を用いて実施できる。第２絞り加工では、第１絞り加工により形成された第２中間体２１（図３参照）の胴部１０に相当する領域にさらに絞り加工を行う。第３絞り加工は、リストライク工程に相当するものであり、第２絞り加工により形成された第３中間体２２（図３参照）の胴部１０に相当する領域にしごき加工を行う。

第１〜第３絞り加工では、フランジ部１１に相当する領域に縮みが生じ、その領域において増肉が生じる。しかしながら、絞り抜け加工においてフランジ部１１に相当する領域の板厚を十分に減少させておくことで、最終的な成形材１において、フランジ部１１の板厚ｔ_１１を胴部１０の周壁１０１の板厚ｔ_１０１よりも薄くすることができる。絞り抜け加工におけるフランジ部１１に相当する領域の板厚の減少量は、絞り抜け加工に用いる金型３のパンチ３１の後端側３１１におけるクリアランスｃ_{３０−３１}を変更することで適宜調節できる。

図９は、図３に示したフランジ部のコイニング加工に用いる金型を示す説明図である。なお、図９では、中央の一点鎖線を挟んでコイニング加工の前後の状態を示している。図９に示すように、金型には、コイニングのための押型５０（上型）とその押型５０を受ける受型５１（下型）とが含まれている。押型５０には最終製品のフランジ形状に対応した段差が設けられている。絞り加工によって形成された第４中間体２３のフランジ部１１が押型５０と受型５１の間に挟み込まれて押圧を受けることにより、製品として必要なフランジ領域が圧縮されて薄肉化される。なお、フランジ部１１のうちコイニング加工により圧縮されていない部分は、コイニング加工の後にトリミングされる。

フランジ部１１は、絞り加工によって素材金属板２の外縁部から形成される部位である。本発明の成形材製造方法によって製造される中間体２０〜２２は、素材金属板２に対し絞り抜け加工を行う際にフランジ部１１に相当する領域がしごき加工によって板厚減少しているので、本発明の成形体製造方法によって製造される成形体１のフランジ部１１は、通常の成形体のフランジ部よりも板厚が薄くされている。そのため、従来よりも小出力のプレス機を用いても、コイニング加工が可能である。なお、コイニング加工とは、数トン程度から場合によっては１００トン超の高い圧力を被加工材に加える圧縮加工である。一般にコイニング加工により被加工材に模様を付すこともあるが、本実施の形態のコイニング加工はフランジ部１１に模様を付すことを伴わなくてよい。

次に実施例を挙げる。本発明者らは、普通鋼の冷延鋼板にＺｎ−Ａｌ−Ｍｇめっきが施された厚さ１．８ｍｍ、直径１１６ｍｍの円形板を素材金属板２として、以下の加工条件にて絞り抜け加工を行った。ここで、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金めっきは、鋼板の両面に施されており、めっきの付着量は、片面あたり９０ｇ／ｍ^２のものを用いた。
・フランジ部１１に相当する領域のしごき率：−２０〜６０％
・金型３の曲率半径：６ｍｍ
・押込穴３０ａの直径：７０ｍｍ
・パンチ３１の先端側３１０の直径：６５．７ｍｍ
・パンチ３１の後端側３１１の直径：６５．７〜６８．６ｍｍ
・幅変化部３１ａの形状：傾斜面
・幅変化部３１ａの位置：下側肩部Ｒｄに相当する領域
・コイニング加工：無し、有り（５００ｋＮ）
・プレス油：ＴＮ−２０

＜しごき率の評価＞
しごき率が３０％以下の場合（パンチ３１の後端側３１１の直径が６７．５ｍｍ以下の場合）には問題なく加工が行えた。一方で、しごき率が３０％より大きくかつ５０％以下の場合（パンチ３１の後端側３１１の直径が６７．５ｍｍより大きくかつ６８．２ｍｍ以下の場合）には、ダイ３０との摺動部に軽いかじり傷が認められた。また、しごき率が５０％を超える場合（パンチ３１の後端側３１１の直径が６７．９ｍｍより大きい場合）には、ダイ３０の内壁との焼き付きや割れが発生した。このことから、絞り抜け加工におけるフランジ部１１に相当する領域のしごき率は、５０％以下が好ましく、３０％以下がさらに好ましいことが分かる。なお、しごき率は、｛（しごき加工前の板厚−しごき加工後の板厚）／しごき加工前の板厚｝×１００によって定義される。ここでは、しごき加工前の板厚として、素材金属板の板厚の値を用いることができる。

次に、図１０は、しごき率を変えた場合の第１中間体２０の板厚の違いを示すグラフである。また、図１１は、図１０の板厚測定位置を示す説明図である。図１０には、しごき率−２０％の絞り抜け加工を行った場合の第１中間体２０の板厚（試験体Ａ、比較例）と、しごき率３０％の絞り抜け加工を行った場合の第１中間体２０の板厚（試験体Ｂ）とを示している。図１０に示すように、しごき率３０％の絞り抜け加工を行った場合（試験体Ｂ）、フランジ部１１に相当する領域（測定位置５０〜７０）の板厚が素材金属板２の板厚（１．８ｍｍ）よりも薄くなっている。一方で、しごき率−２０％の絞り抜け加工の場合（試験体Ａ）、フランジ部１１に相当する領域（測定位置５０〜７０）の板厚が素材金属板２の板厚（１．８ｍｍ）よりも厚くなっている。

次に、図１２は図１０の各第１中間体２０（試験体Ａと試験体Ｂ）から製造された成形材１の板厚を示すグラフであり、図１３は図１２の板厚測定位置を示す説明図である。
図１２の試験体Ａ（比較例）は、しごきを伴わない絞り抜け加工を行った第１中間体２０（図１０の試験体Ａ）に絞り加工を行うとともに、フランジ部１１へのコイニング加工を行わなかったものである。
図１２の試験体Ｂ１（比較例）は、しごきを伴う絞り抜け加工を行った第１中間体２０（図１０の試験体Ｂ）に絞り加工を行うとともに、フランジ部１１へのコイニング加工を行わなかったものである。
図１２の試験体Ｂ２（発明例）は、しごきを伴う絞り抜け加工を行った第１中間体２０（図１０の試験体Ｂ）に絞り加工を行うとともに、フランジ部１１へのコイニング加工を行ったものである。

図１２に示すように、第１中間体２０の段階における板厚の相違が成形材１にもそのまま表れている。すなわち、試験体Ａ（比較例）は、最終的な成形材１においてフランジ部１１の板厚が成形材の胴部の板厚よりも大きい。
試験体Ｂ１（比較例）は、最終的な成形材１においてフランジ部１１の厚みを概ね薄くできている。しかし、フランジ部１１の板厚は均一ではない。
一方、試験体Ｂ２（発明例）は、フランジ部１１の板厚が均一となることがわかる。
なお、しごきを伴う絞り抜け加工を行った成形材１（試験体Ｂ１または試験体Ｂ２）と、しごきを伴う絞り抜け加工を行わなかった成形材１（試験体Ａ）とを同寸法とした場合、試験体Ｂ１またはＢ２の重量は試験体Ａの重量よりも１０％程度軽かった。

なお、しごきを伴う絞り抜け加工を行うと、素材金属板２のフランジ部１１に相当する領域は引き伸ばされる。しごきを伴う絞り抜け加工を行った成形材１（発明例）と、しごきを伴う絞り抜け加工を行わなかった成形材１（比較例）とを同寸法とするには、フランジ部１１に相当する領域が引き伸ばされる量を予め考慮して小さな素材金属板２を用いるか、又はフランジ部１１の不要部分をトリミングすればよい。

このような成形材製造方法及びその成形材１では、絞り抜け加工においてパンチ３１とともに素材金属板２が押込穴３０ａに押込まれることで、素材金属板２のフランジ部１１に相当する領域に対してしごき加工が行われるので、フランジ部１１が不必要に厚くなることを回避でき、成形材１を軽量化できる。さらに、絞り加工後にフランジ部１１に対してコイニング加工を行うことによって、高精度な薄肉板厚ならびに平坦度のフランジ部を得ることができる。本構成は、モータケース等の成形材の軽量化や素材金属板の縮小化、高精度な薄肉フランジ部が求められる適用対象において特に有用である。

また、絞り抜け加工におけるしごき加工のしごき率は５０％以下であるので、焼き付きや割れの発生を回避できる。

なお、実施の形態では絞り抜け加工を１回のみ行うように説明しているが、絞り加工の前に２回以上の絞り抜け加工を行ってもよい。複数回の絞り抜け加工を行うことで、フランジ部１１をより確実に薄くすることができる。複数回の絞り抜け加工は素材金属板２が厚い場合に特に有効である。なお、複数回の絞り抜け加工を行う場合でも、各回のしごき率は焼き付き等を回避するために５０％以下とすることが好ましい。また、しごき率を３０％以下とすることで傷の発生も回避できる。

また、実施の形態では絞り加工を３回行うように説明しているが、絞り加工の回数は成形材１の大きさや要求される寸法精度に応じて適宜変更してよい。

１ 成形材
１０ 胴部
１００ 頂壁
１０１ 周壁
１１ フランジ部
２ 素材金属板
３ 金型
３０ ダイ
３０ａ 押込穴
３１ パンチ
３１ａ 幅変化部
５０ 押型（上型）
５１ 受型（下型）

Claims (3)

1. 素材金属板に対して少なくとも３回の成形加工を行うことで、筒状の胴部と該胴部の端部に形成されたフランジ部とを有する成形材を製造する成形材製造方法であって、
   前記少なくとも３回の成形加工には、少なくとも１回の絞り抜け加工と、該絞り抜け加工の後に行われる少なくとも１回の絞り加工と、該絞り加工の後に行われる少なくとも１回のコイニング加工が含まれており、
   前記絞り抜け加工は、押込穴を有するダイとパンチとを含む金型を用いて行われ、
   前記パンチの後端側の幅が先端側の幅よりも広くされることで、前記パンチが前記ダイの押込穴に押込まれた状態における前記ダイと前記パンチとの間のクリアランスが前記先端側に比べて前記後端側において狭くされており、
   前記絞り抜け加工において前記パンチとともに前記素材金属板が前記押込穴に押込まれることで、前記素材金属板の前記フランジ部に相当する領域に対してしごき加工が行われ、
   前記コイニング加工は、前記絞り加工により形成されたフランジ部を押型と受型との間に挟み込んで圧縮し、該フランジ部の板厚を減じ、該フランジ部の周方向に延在する平坦部を形成する、
   ことを特徴とする成形材製造方法。
2. 前記しごき加工のしごき率は５０％以下である
   ことを特徴とする請求項１記載の成形材製造方法。
3. 前記コイニング加工は、前記絞り抜け加工においてしごき加工が行われた部位であって、製品として必要なフランジ領域に対して行われる
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の成形材製造方法。

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