JP6809530B2 - 剪断加工方法 - 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、各種プラント等で用いる、鉄、銅、亜鉛、スズ、アルミニウム、チタン、マグネシウム、又は、それらを基とする合金からなる金属板の剪断加工方法、特に、溶接して接合した金属板の剪断加工面において、疲労特性及び耐水素脆化特性を高めることが可能な剪断加工方法に関する。

プレスによる金属薄板の打抜きや穴抜きなどの剪断加工は、生産効率が高く、また、加工コストが安価であるので、電子機器や自動車用部品などの加工に広く用いられている。ただし、１０００ＭＰａを超える高強度鋼板を剪断加工すると、打抜き端面（剪断加工面）において引張残留応力（以下、特に断りがない限り、引張残留応力を単に「残留応力」と記載する。）が高くなり、水素脆化割れ（置割れ、遅れ破壊ともいう。）が生じ易くなり、耐疲労特性が低下するという問題がある。

また、同種又は異種の鋼板を溶接によって接合したテーラードブランク（ＴＷＢ：Ｔａｉｌｏｒ Ｗｅｌｄｅｄ Ｂｌａｎｋ）などの被加工材を剪断加工する場合、溶接金属及び熱影響部からなる溶接部（以下、単に「溶接部」という。）の剪断加工面では、耐水素脆化特性及び耐疲労特性が、さらに低下することが知られている。

なお、本明細書で言う金属薄板とは、プレスによる打抜き又は穴抜きの剪断加工を行った後、その剪断部の穴拡げ加工又はフランジアップ加工の対象となる、冷間圧延板、又は、厚さ３．０ｍｍ以下の板であって、鉄、銅、亜鉛、スズ、アルミニウム、チタン、マグネシウム又はそれぞれを基とする合金からなる金属板を指す。

打抜き加工が施された後の被加工材の打抜き端面は、被加工材がパンチにより押し込まれて形成されるダレ、パンチとダイの間の空間（以下、単に「クリアランス」ということがある。）内に被加工材が引き込まれ、局所的に引き延ばされて形成される剪断面、剪断面形成途中、被加工材が破断して形成される破断面、及び、被加工材の打抜き裏面に発生するバリによって構成される。

通常、上述の打抜き端面におけるダレ、剪断面、破断面、及び、バリの発生量を所要の範囲内に抑制することや、伸びフランジ性、耐疲労特性、及び、耐水素脆化特性等、加工後の端面特性を向上させることを狙って、クリアランスや工具形状の調整を行う。

例えば、特許文献１には、ポンチ及び／又はダイの切刃部の先端部に凸部の形状を有する曲げ刃を有し、かつ、所定の曲率半径、刃肩部角度を有する工具を用いて、クリアランスを、被加工材の厚さの２５％以下として、加工後の端面における加工硬化及び引張残留応力を低減することが開示されている。

また、非特許文献１には、クリアランスを、被加工材の厚さとの厚さ比で１％以下として、高い圧縮応力下で剪断加工を行い、抜き面における引張残留応力を低減することが報告されている。また、特許文献２には、延性に優れた方向と、くさび形状のパンチの刃先方向を１０°以下に設定して、バーリング性に優れる穴抜き加工を行う手法が開示されている。

また、特許文献３には、異種部品を成形する上型と、夫々の異種部品を成形する下型を備え、異種部品を同時に成形するプレス成形機が開示されている。前記上型には、夫々の部品を成形する複数の上型部と、前記上型部の中央部に設けられたブランクホルダと、前記アッパブランクホルダの下面に下方に突出して形成された凸状の切断部を有している。

また、特許文献４には、プレス加工された被加工物を支持する下刃と、この下刃に対して前進して前記被加工物の一部を剪断する上刃とからなるトリミング装置が開示されている。トリミング装置は、前記上刃の一部に上刃の進行方向に突出し、上破の下降時に先行して前記被加工物に食い込む突出刃を一体的に設けている。

剪断加工を制御して、剪断端面の残留応力を低減することができれば、耐水素脆化特性や耐疲労特性を向上させることができる（例えば、特許文献１及び非特許文献１、参照）。しかし、特許文献１の方法で形成した剪断加工面には難点がある。即ち、パンチ形状を切断稜線方向に均一にすると、上記剪断加工面において、延性や靭性の低い溶接部で割れが発生し易いという課題がある。

溶接部の残留応力を優先して低減するように剪断加工条件を制御すると、加工材の剪断加工面において、耐疲労特性や耐水素脆化特性をより高めることができるが、非特許文献１の方法のように、パンチとダイのクリアランスを、被加工材の厚さとの厚さ比で１％以下にすると、パンチの僅かなずれによって、パンチがダイに接触し、パンチ及び／又はダイが破損する危険性がある。

また、パンチとダイのクリアランスが、被加工材の厚さとの厚さ比で１％以下であると、パンチ及び／又はダイの側面が摩耗してクリアランスが変化し、加工材の剪断加工面において、耐疲労特性や耐水素脆化特性の向上効果が十分に得られないという課題がある。

また、特許文献２の穴抜き方法、特許文献３のプレス成形方法及び特許文献４のトリミング装置は、いずれも、溶接部と交叉する剪断線で剪断加工する剪断加工を開示していない。すなわち、特許文献１〜３はいずれも、溶接部の剪断加工面の残留応力を低減する条件を開示していない。

特開２００６−２２４１５１号公報 特開２０１４−１１１２８３号公報 特開２００９−１８３９８９号公報 実開平４−０６０３１８号公報

第６３回 塑性加工連合講演会 講演論文集、３３８頁

そこで、本発明は、従来技術の課題に鑑み、溶接部の段差幅が大きい、及び／又は、強度１０００ＭＰａ以上の鋼板と他鋼板（強度１０００ＭＰａ以上の鋼板を含む）を溶接した被加工材を、溶接部と交叉する剪断線で剪断加工する剪断加工において、残留応力が小さい剪断加工面を形成することともに、パンチの寿命を長期化することを課題とし、当該課題を解決する剪断加工方法を提供することを目的とする。残留応力を小さくすることにより、破断面の面性状が改善し、結果として耐水素脆化特性が改善する。

本発明者らは、上記課題を解決する手法について鋭意検討した。その結果、パンチの刃先に、突起、例えば、くさび状の突起を、所要の間隔で２個設け、２個の突起の間に、溶接部の全部又は一部が位置するようにして被加工材を剪断加工すれば、溶接部の段差幅が大きい場合でも、(x)残留応力が小さく、面性状に優れた剪断加工面を形成することができ、かつ、(y)刃先の突起の摩耗の進行を抑制して、パンチの寿命を延長できることを見いだした。

また、本発明者らは、被加工材が、強度１０００ＭＰａ以上の鋼板と他鋼板（強度１０００ＭＰａ以上の鋼板を含む）を溶接した被加工材の場合でも、(x)残留応力が小さく、面性状に優れた剪断加工面を形成することができ、かつ、(y)刃先の突起の摩耗の進行を抑制して、パンチの寿命を延長できることを見いだした。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は以下の通りである。

（１）少なくともダイ、ストッパー及びパンチを有する剪断加工装置を用いて、２枚の金属板を溶接して得られる被加工材の溶接部に交叉するように剪断する剪断加工方法であって、
パンチは、その刃先に、２個の突起を有し、
前記被加工材の溶接部の全部又は一部が、前記パンチの２個の突起の間に位置することを特徴とする剪断加工方法。

（２）前記２個の突起が、パンチの切刃がなす稜線とパンチの移動方向とでなす断面において、パンチの基端部から突起の先端に向かい、互いに対向する辺が離間してゆくことを特徴とする前記（１）に記載の剪断加工方法。

（３）前記２個の突起の先端の形状が、前記パンチの切刃がなす稜線と前記パンチの移動方向とでなす断面において、いずれも、平坦状、円弧状、又は、斜面状であることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の剪断加工方法。

（４）前記２個の突起の先端の形状が、前記パンチの切刃がなす稜線と前記パンチの移動方向とでなす断面において、それぞれ、平坦状、円弧状、又は、斜面状であり、かつ、異なることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の剪断加工方法。

（５）前記２個の突起が、被加工材の溶接部に平行な方向において、同じ高さで形成されていることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれかに記載の剪断加工方法。

（６）前記２個の突起が、被加工材の溶接部に平行な方向において、漸減する高さで形成されていることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれかに記載の剪断加工方法。

（７）前記２個の突起の先端の間隔Ｄ（ｍｍ）が、溶接部の幅ｄ（ｍｍ）に対し、０．８×ｄ以上３．０×ｄ（ｍｍ）以下であることを特徴とする前記（１）〜（６）のいずれかに記載の剪断加工方法。

（８）前記パンチの切刃がなす稜線と前記パンチの移動方向とでなす断面において、前記２個の突起の対向する辺と、前記稜線と、前記２個の突起の先端間を結ぶ線とで囲まれる面積であるＳと、それぞれの突起において、他方の突起と対向する辺と、前記稜線と、突起の先端から前記稜線に下ろした垂線とで囲まれる面積の合計の１／２であるＳ'が、下記式（１）を満たすことを特徴とする前記（１）〜（７）のいずれかに記載の剪断加工方法。
０＜Ｓ≦６×Ｓ'・・・（１）

（９）前記２個の突起の形状が、前記パンチの移動方向に平行な軸に対して対称であり、
前記２個の突起の対向する辺と、前記稜線と、前記２個の突起の先端間を結ぶ線とで囲まれる面積Ｓが、下記式（２）であり、
それぞれの突起において、他方の突起と対向する辺と、前記稜線と、突起の先端から前記稜線に下ろした垂線とで囲まれる面積Ｓ'が、下記式（３）であり、
下記式（２）の値と下記式（３）の値が、下記式（１）を満たすことを特徴とする（８）に記載の剪断加工方法。
０＜Ｓ≦６×Ｓ'・・・（１）
Ｓ＝（Ｌ＋Ｄ）×Ｈ／２＝｛Ｌ＋（Ｌ＋２×Ｈ×tan（θ））｝×Ｈ／２・・・（２）
Ｓ'＝Ｈ×｛Ｈ×tan（θ）｝／２・・・（３）
０．８×ｄ≦Ｄ≦３．０×ｄ
Ｈ：突起の高さ（ｍｍ）
Ｌ：２個の突起の基端部の間隔（ｍｍ）
θ：それぞれの突起において、他方の突起と対向する辺と、当該突起の先端から前記稜線に下ろした垂線により形成される角度（°）
Ｄ：２個の突起の先端の中心の間隔（ｍｍ）
ｄ：溶接部の幅（ｍｍ）

（１０）前記面積Ｓが、前記面積Ｓ’の２倍以上であることを特徴とする（８）又は（９）に記載の剪断加工方法。

（１１）前記角度θが５°以上８０°以下であることを特徴とする前記（９）に記載の剪断加工方法。

（１２）前記２個の突起の形状が、二等辺三角形であることを特徴とする（８）〜（１１）のうちいずれかに記載の剪断加工方法。

（１３）前記パンチとダイのクリアランスが、被加工材の厚さの０．５〜３０％であることを特徴とする前記（１）〜（１２）のいずれか１項に記載の剪断加工方法。

本発明によれば、溶接部の段差幅が大きい、及び／又は、強度１０００ＭＰａ以上の鋼板と他鋼板（強度１０００ＭＰａ以上の鋼板を含む）を溶接した被加工材を、溶接部と交叉する剪断線で剪断加工する剪断加工において、残留応力が小さく、面性状に優れ、引張特性、耐疲労特性、及び、耐水素脆化特性に優れた剪断加工面を形成することができ、かつ、パンチの寿命を長期化することができる。

刃先に突起を２個備えるパンチで、溶接部を含む被加工材の剪断加工を行う剪断加工装置の一態様を示す図である。 図１に示す剪断加工装置で、溶接部に段差がある被加工材を、溶接部の全部を突起で両側から挟むようにして、溶接部に交叉する剪断線で剪断加工する態様を示す図である。 図１に示す剪断加工装置の側面態様を示す図である。 先端の形状が異なる突起を例示する図である。（ａ）は、先端の形状が平坦状の突起を示し、（ｂ）は、先端の形状が円弧状（Ｒ形状）の突起を示し、（ｃ）は、先端の形状が斜面状（傾斜角β）の突起を示す。 突起の長手方向の形状を示す図である。（ａ）は、長手方向の高さが同じ突起を示し、（ｂ）は、長手方向の高さが直線的に漸減する突起を示し、（ｃ）は、長手方向の高さが曲線的に漸減する突起を示す。 板厚の異なる金属板を溶接した被加工材の断面態様と、被加工材の溶接部の両側に当接する２個の突起の断面態様を模式的に示し、本発明の剪断加工方法の基本概念を説明する図である。 パンチの切刃がなす稜線と前記パンチの移動方向とでなす断面において、前記２個の突起の形状が同じ二等辺三角形の場合における、本発明の剪断加工方法の基本概念を説明する図である。 剪断加工面における残留応力を測定した結果を示す図である。（ａ）は、Ｓ／Ｓ'＝２の場合の残留応力を示し、（ｂ）は、Ｓ／Ｓ'＝４の場合の残留応力を示す。 剪断加工面における残留応力を測定した結果を示す図である。（ａ）は、Ｓ／Ｓ'＝６の場合の残留応力を示し、（ｂ）は、Ｓ／Ｓ'＝８の場合の残留応力を示す。（ｃ）は、図８及び図９の横軸が、溶接部の中心位置を０とし、中心位置からの距離ｘ（ｍｍ）であることを示す。 パンチの刃先に２個の突起が設けられていない剪断加工装置を用いて、剪断加工面における残留応力を測定した結果を示す。

以下、本発明の剪断加工方法（以下「本発明方法」ということがある。）について、図面に基づいて説明する。

図１に、刃先に２個の突起を備えるパンチで、溶接部を含む被加工材の剪断加工を行う剪断加工装置の一態様の斜視図を示す。図２は、図１に示す剪断加工装置の正面図であって、溶接部に段差がある被加工材１の溶接部９の全部又は一部が、前記パンチの２個の突起２ｂ、２ｃの間に位置するように、前記被加工材１をダイ３及びストッパー８で固定して、溶接部に交叉する剪断線で剪断加工する態様を示す。図３は、図１に示す剪断加工装置の側面態様を示す。図中、Ｘ軸、Ｙ軸、及び、Ｚ軸は、互いに直交する三軸を示す。

本発明方法において、「突起」は、パンチの刃先から前記パンチの移動方向に突出した突起であり、パンチの切刃がなす稜線とパンチの移動方向とでなす断面において、当該突起の基端部から当該突起の先端方向に沿って、突起の幅が小さくなることが好ましい。

図１及び図２では、先端の形状が先鋭な“くさび形状”の突起２ｂと突起２ｃを図示したが、本発明方法において、突起の先端の形状は、溶接部の剪断加工面の面性状の向上に寄与する限りにおいて、特定の形状に限定されない。

図４に、先端の形状が異なる突起を例示する。図４（ａ）は、パンチの切刃がなす稜線とパンチの移動方向とでなす断面において、先端の形状が平坦状の突起を示す。図４（ｂ）は、パンチの切刃がなす稜線とパンチの移動方向とでなす断面において、先端の形状が円弧状（Ｒ形状）の突起を示す。図４（ｃ）は、パンチの切刃がなす稜線とパンチの移動方向とでなす断面において、先端の形状が斜面状（傾斜角β）の突起を示す。突起の形状は、被加工材の態様、及び、剪断加工の態様に応じて適宜選択するが、詳しくは後述する。なお、図において、Ｗは、突起の基端部の幅で、Ｈは、突起の高さである。

２個の突起は、被加工材の溶接部の全部又は一部が２個の突起の間に位置するようにパンチの刃先に形成する。すなわち、２個の突起は、被加工材の溶接部の全部又は一部を前記溶接部の両側から挟むようにするため、前記パンチのパンチ面上の少なくとも刃先に形成する（図１〜３、参照）。但し、後述するように、突起の高さ（Ｈ）は、必ずしも一定にする必要はない。

図５（ａ）〜（ｂ）に、突起の長手方向（パンチの切刃がなす稜線とパンチの移動方向に垂直な方向）の形状の例を示す。図５（ａ）の突起は、その長手方向において高さが一定であり、図５（ｂ）の突起は、その長手方向において高さが直線的に漸減しており、図５（ｃ）の突起は、その長手方向において高さが曲線的に漸減する。

通常、突起の破損を防止するため、その長手方向において高さが一定の突起をパンチ面上に形成する（図５（ａ）、参照）。しかし、被加工材の態様及び／又は剪断加工の態様を考慮して、例えば、被加工材に比べて、突起を備えるパンチの硬さを十分に確保できる場合や、突起を備えるパンチの損傷が問題とならない場合、図５（ｂ）に示すように、その長手方向において高さが直線的に漸減する突起を形成してもよいし、また、図５（ｃ）に示すように、その長手方向において高さが曲線的に漸減する突起を形成してもよい。

図１及び図２に示すように、剪断加工装置１０は、くさび形状の２個の突起２ｂと突起２ｃを有するパンチ２、ダイ３、及び、ストッパー８を備えている。ストッパー８は、ダイ３の上に載置した被加工材１を固定する。被加工材１は、圧延で板状に成形した、板厚と、必要に応じ強度が異なる２種類の金属板（例えば、鋼板）を溶接して構成されていて、中央に、段差のある溶接部９を有している（図２、参照）。

図２に示すように、剪断加工時において、パンチ２の刃先に設けた２個の突起２ｂと突起２ｃをそれぞれ金属板１ａと金属板１ｂに当接させて、被加工材１の段差のある溶接部９の両側を挟み、溶接部と交叉する剪断線で、被加工材１を剪断加工する。図２には、溶接部に段差のある被加工材を剪断加工する態様を示したが、本発明方法は、溶接部に段差のない被加工材（強度が異なる、同じ板厚の金属板を溶接で接合した被加工材を含む）を、当然に剪断加工することができる。

パンチ２を押し下げると、図２の点線に示されるように、最初に、パンチ２の突起２ｃの先端２ｃ'が、ダイ３に載置された被加工材１の厚さが厚い金属板１ｂに当接する。パンチ２をさらに押し下げると、パンチ２の突起２ｂの先端２ｂ'が、被加工材１の厚さが薄い金属板１ａに当接する。

パンチ２の突起２ｂと突起２ｃとの間に被加工材１の溶接部９を両側で挟んでいる状態で、パンチ２をさらに押し下げて、被加工材１を押圧すると、被加工材１は、突起２ｂと突起２ｃ間に挟まれた溶接部を含む部分が下方に歪んで湾曲する。被加工材１は、下方に歪んだ湾曲状態において、パンチ２とダイ３による剪断作用を受けて剪断される。

前記被加工材の溶接部の全部又は一部が、突起２ｂと突起２ｃの間に位置する必要があるが、溶接部の全部が突起２ｂと突起２ｃの間に位置することが好ましく、少なくとも溶接金属の全部が突起２ｂと突起２ｃの間に位置することが好ましい。

図６は、２個の突起の断面態様を模式的に示し、本発明の剪断加工方法の基本概念を説明する図である。前記パンチの切刃がなす稜線と前記パンチの移動方向（Ｘ方向）とでなす断面において、前記２個の突起の対向する辺２２ｂ、２２ｃと、前記稜線と、前記２個の突起２ｂ、２ｃの先端２ｂ’、２ｃ’間を結ぶ線とで囲まれる面積Ｓとする。図６左側の突起において、他方の突起と対向する辺２２ｂと、前記稜線と突起の先端２ｂ’から前記稜線に下ろした垂線Ｈ_１とで囲まれる面積をＳ’_１とする。同様に、図６右側の突起において、他方の突起と対向する辺２２ｃと、前記稜線と突起の先端２ｃ’から前記稜線に下ろした垂線Ｈ_２とで囲まれる面積をＳ’ _２とする。両突起断面の面積の合計（Ｓ’_１＋Ｓ’_２）の１／２をＳ'とする。このとき下記式（１）を満たすことが好ましい。
０＜Ｓ≦６×Ｓ'・・・（１）
突起間の面積Ｓは、０超であれば拘束効果が得られる。一方、突起間の面積Ｓが６×Ｓ'を超えても、上記拘束効果が十分に発現しないので、突起間の面積Ｓは６×Ｓ'以下が好ましい。

図１、図２及び図６は、２個の突起の基端部が重複しない例であるが、２個の突起は、その断面において重複しても良い。その場合、テーパー面の交点から、突起の先端との間の高さを突起の高さとすればよい。

拘束効果を十分に発現させるためには、突起間の面積Ｓは２×Ｓ'以上が好ましい。すなわち、下記式（１）’を満たすことが好ましい。
２×Ｓ'≦Ｓ≦６×Ｓ'・・・（１）’
より好ましくは３×Ｓ'以上である。
また、上限についても、拘束効果を確実に発現させるためには、より好ましくは５×Ｓ'以下にするとよい。

図７に、板厚の異なる金属板を溶接した被加工材の断面態様と、被加工材の溶接部の両側に当接する２個の突起の断面態様を模式的に示し、パンチの切刃がなす稜線と前記パンチの移動方向とでなす断面において、前記２個の突起の形状が、同じ二等辺三角形の形状の場合を例として本発明の剪断加工方法の基本概念を説明する。Ｘ軸、Ｙ軸、及び、Ｚ軸は、互いに直交する三軸を示す。

パンチの刃先に設ける、突起２ｂと突起２ｃは、被加工材１の剪断線方向において均一な剪断力を確保する点で、同じ形状のものが好ましい。図２には、同じ“くさび形状”の突起を示している。また、突起の形状は、突起の先端の損傷を抑制する点で、左右対称の形状が好ましいが（図４（ａ）及び（ｂ）、参照）、面性状の優れた剪断加工面を確保できる限りにおいて、左右非対称のくさび形状でもよい（図４（ｃ）、参照）。

被加工材の溶接部の段差幅（金属板の板厚の差）が大きい場合、被加工材の幅方向（剪断線方向）において均一な剪断力を確保するため、パンチの刃先に、異なる形状の突起（例えば、図４（ａ）に示す突起と図４（ｂ）に示す突起）を設けてもよいし、また、左右対称の形状の突起（例えば、図４（ａ）に示す突起、又は、図４（ｂ）に示す突起）と左右非対称の形状の突起（例えば、図４（ｃ）に示す突起）を設けてもよい。

突起２ｂ（２ｃ）は、図７に示すように、前記パンチの切刃がなす稜線と前記パンチの移動方向とでなす断面において、パンチの刃先に連なる基端部２３ｂ（２３ｃ）から突起の先端２ｂ'（２ｃ'）に向かって、その幅が小さくなっていることが好ましい。

図７の符号２２ｂ及び２２ｂ’は、図７の左側の突起を構成するテーパ面の輪郭であるので、以下、簡略にするため、「テーパ面２２ｂ」などという。また同様に、符号２２ｃ、２２ｃ’は、図７の右側の突起を構成するテーパ面の輪郭であるので、以下、簡略にするため、「テーパ面２２ｃ」などという。

テーパ面２２ｂとテーパ面２２ｂ’（テーパ面２２ｃとテーパ面２２ｃ’）のなす角度αは、１０°以上１６０°以下が好ましい。αが１０°未満であると、突起が薄型となり、破損し易くなるので、αは１０°以上が好ましい。より好ましくは３０°以上である。一方、αが１６０°を超えると、突起の溶接部に対し圧縮力を作用し、残留応力をキャンセルする効果（以下、「拘束効果」という。）が低下するので、αは１６０°以下が好ましい。より好ましくは１４０°以下である。

図７において、突起２ｂと突起２ｃの高さはＨで、突起２ｂの基端部の幅Ｗｂと突起２ｃの基端部の幅Ｗｃは同じである。突起２ｂと突起２ｃは、突起２ｂの先端２ｂ'と突起２ｃの先端２ｃ'の間隔がＤ、突起２ｂの基端部２３ｂと突起２ｃの基端部２３ｃの間隔がＬで、パンチに設けられている。

突起２ｂ（２ｃ）の先端２ｂ'（２ｃ'）は、Ｚ軸方向に、円弧状に形成されている（図４（ｂ）、参照）が、先端２ｂ'（２ｃ'）は、平坦状に形成されていてもよい（図４（ａ）、参照）。先端２b'（２c'）を、円弧状又は平坦状に形成することにより、パンチの破損を防止することができる。即ち、突起のテーパ面のなす角度αが鋭角の場合、突起が破損する恐れがあるが、先端形状が円弧状又は平坦状であることにより、突起、さらには、パンチを保護することができる。

被加工材１は、板厚ｔ1の厚い金属板１ｂと板厚ｔ2の薄い金属板１ａを溶接で接合した被加工材であり、金属板１ａの熱影響部９ａと金属板１ｂの熱影響部９ｂを含む、幅ｄで段差幅Δｔ（＝ｔ1−ｔ2）の溶接部９を有している。なお、本発明方法は、Δｔ＝０の被加工材の剪断加工も含むものである。

突起２ｂと突起２ｃを有するパンチを押し下げると、突起２ｃの先端２ｃ'が、溶接部９の熱影響部９ｂの外側の金属板１ｂにおける当接点ｓ1に当接する。さらに、パンチを押し下げると、突起２ｂの先端２ｂ'が、溶接部９の熱影響部９ａの外側の金属板１ａにおける当接点ｓ2に当接する。

突起２ｂと突起２ｃが被加工材１に当接した後は、突起２ｂと突起２ｃで溶接部９を両側で挟んで、突起２ｂと突起２ｃが剪断加工時に溶接部の位置を固定するとともに、溶接部９を、突起２ｂのテーパ面２２ｂと突起２ｃのテーパ面２２ｃで両側から押圧しつつ、被加工材１を剪断加工する。

上記剪断加工により、溶接部を含む被加工材の全幅において、残留応力が小さく、面性状に優れた剪断加工面を形成することができる。また、上記剪断加工において、パンチの突起の先端は、硬化した溶接部の熱影響部に当接しないので、突起が溶接部に当接する場合に比べ、突起の摩耗の進行を抑制できて、パンチの寿命を延ばすことができる。

図７には、２個の突起で、被加工材の溶接部の全部を当該溶接部の両側から挟んで剪断加工する態様を示したが、２個の突起で、被加工材の溶接部の一部を当該一部の両側から挟んで剪断加工を行ってもよい。この場合、硬化した溶接部の熱影響部に当接する突起の先端の形状は、所要の剪断力を確保でき、かつ、突起の摩耗が進行し難い形状（例えば、図４（ｃ）、参照）が好ましい。

溶接部を有する被加工材の剪断加工において、パンチに設けた２個の突起の間に溶接部の全部又は一部を挟んだ状態で前記被加工材を剪断加工すると、溶接部を含む被加工材の全幅（溶接部と交叉する剪断線）において、残留応力が小さく、面性状に優れた剪断加工面を形成することができる理由は、次のように推測される。

溶接部の全部又は一部の両側に突起が当接すると、溶接部が、当接した突起間に固定されて、溶接部の位置がダイ上でぶれず（即ち、被加工材がダイ上でぶれず）、かつ、突起のテーパ面により、前記溶接部に圧縮応力が作用し、この状態下で、剪断加工が進行する。

熱影響部を含む溶接部においては、溶接時の入熱で結晶粒が粗大化して、延性及び／又は靭性が低下しているので、通常、剪断加工面には引張応力が残留した場合、剪断加工面において、亀裂が容易に発生する恐れがある。溶接部の剪断加工面に残留する引張応力を低減すれば、剪断加工面における亀裂の発生及び／又は水素脆化割れを抑制することができる。

溶接部に、突起のテーパ面により圧縮応力が作用している状態で、溶接部を剪断加工すると、剪断加工後、剪断加工面に残留する引張応力が緩和されて、残留応力の小さい剪断加工面を形成することができる。したがって、本発明方法においては、溶接部の剪断加工面における亀裂の発生及び／又は水素脆化割れを顕著に抑制することができる。

本発明者は、突起の高さＨを一定にし、突起の刃先の間隔Ｄ、突起の基端部の間隔Ｌ、及び／又は、テーパ―面角度αを変え、かつ、被加工材の溶接部の段差幅Δｔを変えて、被加工材を剪断加工し、溶接部の剪断加工面における亀裂の発生状況を調査し、２個の突起による溶接部の拘束効果を確認した。

その結果、２個の突起による溶接部の拘束効果は、突起の先端の間隔Ｄや、突起の基端部の間隔Ｌに依存し、２個の突起のテーパ面で形成され、溶接部の全部又は一部を覆う空間（「突起空間」ということがある。）の断面積Ｓが、突起の断面積２Ｓ'の１／２（＝Ｓ'）との関係で下記式（１）を満たせば、Δｔに依らず、２個の突起による溶接部の拘束効果が顕著に発現することが判明した。

２×Ｓ'≦Ｓ≦６×Ｓ' ・・・（１）
Ｓ＝（Ｌ＋Ｄ）×Ｈ／２＝｛Ｌ＋（Ｌ＋２×Ｈ×tan（α／２））｝・Ｈ／２
Ｓ'＝Ｈ×｛Ｈ×tan（α／２）｝／２
０．８×ｄ≦Ｄ≦３．０×ｄ
Ｈ：突起の高さ（ｍｍ）
Ｌ：突起の基端部の間隔（ｍｍ）
α 突起の一対のテーパ面がなす角度（°）
Ｄ：突起の先端の中心の間隔（ｍｍ）
ｄ：溶接部の幅（ｍｍ）

更には、前記２個の突起の形状が左右対称の形状であれば、前記２個の突起の形状が二等辺三角形と同様の効果を得ることができる。前記２個の突起の形状が左右対称の形状の場合、図６において、θ_１＝θ_２＝θ、Ｈ_１＝Ｈ_２＝Ｈと表すことができる。

すなわち、前記パンチの切刃がなす稜線と前記パンチの移動方向とでなす断面において、前記２個の突起の形状が、前記パンチの移動方向に平行な軸に対して対称である場合、前記２個の突起の対向する辺と、前記稜線と、前記２個の突起の先端間を結ぶ線とで囲まれる面積Ｓが、下記式（２）であり、それぞれの突起において、他方の突起と対向する辺と、前記稜線と、突起の先端から前記稜線に下ろした垂線とで囲まれる面積Ｓ'が下記式（３）であり、下記式（２）の値と下記式（３）の値が、下記式（１）を満たす場合、２個の突起による溶接部の拘束効果が顕著に発現する。

０＜Ｓ≦６×Ｓ'・・・（１）
Ｓ＝（Ｌ＋Ｄ）×Ｈ／２＝｛Ｌ＋（Ｌ＋２×Ｈ×tan（θ））｝×Ｈ／２・・・（２）
Ｓ'＝Ｈ×｛Ｈ×tan（θ）｝／２・・・（３）
０．８×ｄ≦Ｄ≦３．０×ｄ
Ｈ：突起の高さ（ｍｍ）
Ｌ：２個の突起の基端部の間隔（ｍｍ）
θ：それぞれの突起において、他方の突起と対向する辺と、当該突起の先端から前記稜線に下ろした垂線により形成される角度（°）
Ｄ：２個の突起の先端の中心の間隔（ｍｍ）
ｄ：溶接部の幅（ｍｍ）

尚、前記２個の突起の形状が二等辺三角形の場合と同じ理由により、前記角度θは、５°以上８０°以下であることが好ましい。より好ましくは１５°以上７０°以下である。また、前記面積Ｓが前記面積Ｓ’の２倍以上であり、下記式（１）’を満たすことが好ましい。
２×Ｓ'≦Ｓ≦６×Ｓ'・・・（１）’

図６のように、前記２個の突起の形状が非対称の場合、２個の突起の対向する辺２２ｂ、２２ｃと、前記稜線Ｌと、前記２個の突起２ｂ、２ｃの先端２ｂ’、２ｃ’間を結ぶ線Ｄとで囲まれる面積が下記式（４）であり、それぞれの突起において、他方の突起と対向する辺２２ｂ、２２ｃと、前記稜線Ｌと、突起の先端２ｂ’、２ｃ’から前記稜線Ｌに下ろした垂線Ｈ_１、Ｈ_２とで囲まれる面積Ｓ’_１及びＳ’_２の合計が下記式（５）であり、下記式（４）の値と下記式（５）の値が、下記式（１）を満たし、溶接部の幅ｄと２個の突起の先端の中心の間隔Ｄとの関係が下記式（６）を満たす場合、２個の突起による溶接部の拘束効果が顕著に発現する。

０＜Ｓ≦６×Ｓ'・・・（１）
Ｓ＝Ｄ×（Ｈ_１＋Ｈ_２）×１／２−（Ｓ’_１＋Ｓ’_２）
＝（Ｈ_１ｃｏｓθ_１＋Ｌ＋Ｈ_２ｃｏｓθ_２）×（Ｈ_１＋Ｈ_２）×１／２−［Ｈ_１×｛Ｈ_１×tan（θ_１）｝×１／２＋Ｈ_２×｛Ｈ_２×tan（θ_２）｝×１／２］・・・（４）
Ｓ’＝１／２×（Ｓ’_１＋Ｓ’_２）
＝１／２×［Ｈ_１×｛Ｈ_１×tan（θ_１）｝×１／２＋Ｈ_２×｛Ｈ_２×tan（θ_２）｝×１／２］・・・（５）
０．８×ｄ≦Ｄ≦３．０×ｄ・・・（６）
Ｈ_１、Ｈ_２：それぞれの突起の高さ（ｍｍ）
Ｌ：２個の突起の基端部の間隔（ｍｍ）
θ_１、θ_２：それぞれの突起において、他方の突起と対向する辺と、当該突起の先端から前記稜線に下ろした垂線により形成される角度（°）
ｄ：溶接部の幅（ｍｍ）
Ｄ：２個の突起の先端の中心の間隔（ｍｍ）であり、下記式で表される。
Ｄ＝Ｈ_１ｃｏｓθ_１＋Ｌ＋Ｈ_２ｃｏｓθ_２・・・（７）

前記２個の突起の形状が二等辺三角形の場合と同じ理由により、前記角度θ_１、θ_２はそれぞれ５°以上８０°以下であることが好ましい。より好ましくは１５°以上７０°以下である。また、前記面積Ｓが前記面積Ｓ’の２倍以上であり、下記式（１）’を満たすことが好ましい。
２×Ｓ'≦Ｓ≦６×Ｓ'・・・（１）’

剪断加工時に、２個の突起間に幅ｄの溶接部の全部又は一部が固定するのであるから、２個の突起の先端の中心の間隔Ｄは０．８×ｄ以上が好ましい。より好ましくは１．０×ｄ以上である。一方、突起の先端の当接位置（図５中、ｓ1とｓ2）が、溶接部から離れすぎると、上記拘束効果が発現し難いので、２個の突起の先端の中心の間隔Ｄは３．０×ｄ以下が好ましい。より好ましくは２．８×ｄ以下である。

なお、突起の形状が左右非対称の場合、突起の先端の中心は、突起の中心線が通過する位置とする。例えば、図４（ｃ）に示す、先端形状が傾斜角βの斜面状の、左右非対称の突起の場合、突起の先端の中心は、突起の中心線が通過する位置である。

２個の突起の先端の間隔Ｄが、０．８×ｄ（ｄ：溶接部の幅）以上３．０×ｄ以下の条件下で、上記式（１）を満足する“２個の突起のテーパ面で形成され、溶接部を覆う突起空間の断面積Ｓ”（以下、「突起空間断面積Ｓ」ということがある。）を確保する。

本発明方法においては、剪断加工時に、パンチの刃先に設けた２個の突起で、被加工材の溶接部の全部又は一部を両側から挟んで固定するので、溶接部の段差幅Δｔが大きくても、溶接部の位置が固定されて、被加工材がダイ上でぶれず、剪断加工がなされることになる。それ故、パンチの刃先に突起を設けない従来の剪断加工に比べ、パンチとダイの間隔（以下「クリアランス」ということがある。）を、比較的大きくとることができる。

本発明者らの試験結果によれば、板厚ｔ1の金属板と板厚ｔ2（＜ｔ1）の金属板を溶接し、溶接部に段差幅Δｔ（＝ｔ1−ｔ2）を有する被加工材を剪断加工する場合、クリアランスは、ｔ＝（ｔ1＋ｔ2）／２の０．５〜３０％が好ましい。Δｔ＝０の場合も、クリアランスは板厚ｔ1（ｔ2）の０．５〜３０％が好ましい。

クリアランスが、被加工材の厚さｔ（＝（t1＋t2）／２、t1＝t2の場合も含む）の０．５％未満であると、パンチの刃先、及び／又は、突起の先端においてチッピングが生じる懸念があるので、クリアランスは、被加工材の厚さｔの０．５％以上が好ましい。より好ましくは１．０％以上である。

一方、クリアランスが、被加工材の厚さｔの３０％を超えると、剪断加工時、被加工材の湾曲が大きくなって、大きなバリが発生する懸念があるので、クリアランスは、被加工材の厚さｔの３０％以下が好ましい。より好ましくは２５％以下である。

本発明の剪断加工方法において、パンチの刃先に設けられた２個の突起間に加工材の溶接部の全部又は一部が入るように前記２個の突起を設ける必要があるが、前記２個の突起以外に他の突起が形成されていても良い。但し、剪断加工装置のメンテナンスの簡素化と、前記２個の突起に加わる力を低減させないという観点から、パンチの刃先には、前記２個の突起以外に突起を設けないことが好ましい。

本発明方法で、剪断加工する被加工材は、例えば、銅、亜鉛、スズ、アルミニウム、チタン、マグネシウム、及び、それらを基とする合金からなる金属板を溶接で接合した被加工材である。被加工材の材質は、剪断加工が可能な材質であればよく、特定の材質に限定されない。また、被加工材の厚さは、剪断加工が可能な厚さであればよく、特定の厚さに限定されない。

冷間の剪断加工において、剪断加工品の形状・寸法精度を保つ観点から、被加工材の厚さは、６．０ｍｍ以下が好ましい。特に、剪断加工品の形状・寸法精度が高く要求される場合、被加工材の厚さは３．０ｍｍ以下がより好ましい。被加工材が、板厚が異なる金属板を溶接した、溶接部に段差のある被加工材を剪断加工する場合、厚い金属板の板厚は、前述したように、６．０ｍｍ以下が好ましく、３．０ｍｍ以下がより好ましい。

一方、薄い金属板の板厚が非常に薄くなると、溶接部強度を十分に確保できない場合があるので、薄い金属板の板厚さは０．１ｍｍ以上が好ましい。より好ましくは０．５ｍｍ以上である。

ただし、溶接部を有する被加工材を、溶接部と交叉する剪断線で剪断加工する場合において、溶接部の剪断が円滑に進行し、面性状の優れた剪断加工面が得られる限りにおいて、被加工材の厚さや、溶接部の段差の幅は、特定の範囲に限定されない。

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

（実施例）
板厚１．４ｍｍの７８０ＭＰａ級鋼板と、板厚１．６ｍｍの１１８０ＭＰａ級鋼板を溶接して被加工材（段差幅Δｔ＝０．２ｍｍ、以下「７８−１１８材」という。）を製造し、７８−１１８材を、図１〜３に示す剪断加工装置（パンチの刃先に２個の突起）で剪断加工した。

突起の形状は、高さＨ＝１ｍｍ、基端部の幅Ｗｂ（Ｗｃ）＝２ｍｍ、角度α＝９０°とした。溶接部の幅ｄが２ｍｍであるので、突起の先端の間隔Ｄ＝２〜５ｍｍ、突起の基端部の間隔Ｌ＝０〜３ｍｍとした。

表１に、剪断加工条件を示す。２個の突起のテーパ面で形成され、溶接部を覆う空間の断面積（空間断面積）Ｓは１〜４ｍｍ²で、突起の断面積の２Ｓ’は、１ｍｍ²であるので、ＳとＳ'は、表１中、Ｎｏ．４の条件を除いて、上記式（１）を満たしている。クリアランスは、被加工材の厚さｔ（＝（ｔ1＋ｔ2）／２）の１０％とした。

剪断加工は、サーボプレス機を用い、パンチ速度を１００ｍｍ／秒として行い、溶接部を含む剪断加工面において残留応力を測定した。また、溶接部を含む剪断加工面を、１〜１００ｇ／Ｌの濃度のチオシアン酸アンモニウム液に７２時間浸漬して、耐水素脆化特性を調査した。

図８〜図１０に、剪断加工面における残留応力を測定した結果を示す。図８（ａ）に、表１中Ｎｏ．１のＳ／Ｓ'＝２の場合の残留応力を示し、図８（ｂ）に、表１中Ｎｏ．２のＳ／Ｓ'＝４の場合の残留応力を示し、図９（ａ）に、表１中Ｎｏ．３のＳ／Ｓ'＝６の場合の残留応力を示し、図９（ｂ）に、表１中Ｎｏ．４のＳ／Ｓ'＝８の場合の残留応力を示す。

横軸は、図９（ｃ）に示すように、溶接部の中心位置を０とし、中心位置からの距離ｘ（ｍｍ）である。残留応力は、板厚の中心部で測定した残留応力である。残留応力は、剪断加工面において、格子間距離の変化をＸ線回折法で測定して求めた。

図８（ａ）、図８（ｂ）、及び、図９（ａ）から、Ｓ／Ｓ'が上記式（１）を満たすと、溶接部の剪断加工面における残留応力は小さいことが解る。図９（ｂ）は、Ｓ／Ｓ'＝８で、上記式（１）から外れる場合の残留応力である。溶接部の中心部での残留応力は大きいが、中心部を除く剪断加工面において残留応力は小さいことが解る。これは、突起による溶接部を固定する効果が、中心部まで達しなかったことによると推測される。

図１０は、パンチの刃先に２個の突起が設けられていない剪断加工装置を用いて、剪断加工面における残留応力を測定した結果を示す。溶接部に１０００ＭＰａ以上の高い引張残留応力が生じている箇所がある。

表２に、剪断加工面のチオシアン酸アンモニウム液浸漬試験の結果を示す。

突起を設けないパンチで剪断加工した剪断加工面においては、１０ｇ／Ｌ以上の濃度のチオシアン酸アンモニウム液に７２時間浸漬した後、溶接部において割れが発生した。

一方、パンチに、突起を２個設けて剪断加工して形成した剪断加工面においては、水素脆化割れが抑制されていることが解る。Ｓ＞６Ｓ'の場合、１０ｇ／Ｌ以上の濃度で水素脆化割れ抑制効果を確認できなかった。

前述したように、本発明によれば、溶接部の段差幅が大きい、及び／又は、強度１０００ＭＰａ以上の鋼板と他鋼板（強度１０００ＭＰａ以上の鋼板を含む）を溶接した被加工材を、溶接部と交叉する剪断線で剪断加工する剪断加工において、残留応力が小さく、面性状に優れ、引張特性、耐疲労特性、及び、耐水素脆化特性に優れたた剪断加工面を形成することができ、かつ、パンチの寿命を長期化することができる。よって、本発明は、鋼板加工産業において利用可能性が高いものである。

１ 被加工材
１ａ 薄い金属板
１ｂ 厚い金属板
２ パンチ
２ａ、２ｂ、２ｃ 突起
２ｂ'、２ｃ' 突起の先端
３ ダイ
８ ストッパー
９ 溶接部
９ａ、９ｂ 熱影響部
１０ 剪断加工装置
２２ｂ、２２ｂ’ 突起のテーパ面
２２ｃ、２２ｃ’ 突起のテーパ面
２３ｂ、２３ｃ 突起の基端部
ｔ1、ｔ2 金属板の板厚
ｄ 溶接部の幅
Δｔ 溶接部の段差幅
ｓ1、ｓ2 突起の刃先の当接点
Ｌ 突起の基端部の間隔
Ｄ ２個の突起の先端の中心の間隔
Ｈ 突起の高さ
Ｗ、Ｗb、Ｗc 突起の基端部の幅
α 突起の一対のテーパ面のなす角度

Claims (14)

1. 少なくともダイ、ストッパー及びパンチを有する剪断加工装置を用いて、２枚の金属板を溶接して得られる被加工材の溶接部に交叉するように剪断する剪断加工方法であって、
   パンチは、その刃先に、２個の突起を有し、
   前記被加工材の溶接部の全部又は一部が、前記パンチの２個の突起の間に位置し、
   前記２個の突起に挟まれた前記溶接部を含む部分を前記ダイ側に歪ませて湾曲させた状態で前記被加工材を剪断することを特徴とする剪断加工方法。
2. 前記２個の突起は前記パンチの端部から離間した位置に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の剪断加工方法。
3. 前記２個の突起が、パンチの切刃がなす稜線とパンチの移動方向とでなす断面において、パンチの基端部から突起の先端に向かい、互いに対向する辺が離間してゆくことを特徴とする請求項１又は２に記載の剪断加工方法。
4. 前記２個の突起の先端の形状が、前記パンチの切刃がなす稜線と前記パンチの移動方向とでなす断面において、いずれも、平坦状、円弧状、又は、斜面状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の剪断加工方法。
5. 前記２個の突起の先端の形状が、前記パンチの切刃がなす稜線と前記パンチの移動方向とでなす断面において、それぞれ、平坦状、円弧状、又は、斜面状であり、かつ、異なることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の剪断加工方法。
6. 前記２個の突起が、被加工材の溶接部に平行な方向において、同じ高さで形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の剪断加工方法。
7. 前記２個の突起が、被加工材の溶接部に平行な方向において、漸減する高さで形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の剪断加工方法。
8. 前記２個の突起の先端の間隔Ｄ（ｍｍ）が、溶接部の幅ｄ（ｍｍ）に対し、０．８×ｄ以上３．０×ｄ（ｍｍ）以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の剪断加工方法。
9. 前記パンチの切刃がなす稜線と前記パンチの移動方向とでなす断面において、前記２個の突起の対向する辺と、前記稜線と、前記２個の突起の先端間を結ぶ線とで囲まれる面積であるＳと、それぞれの突起において、他方の突起と対向する辺と、前記稜線と、突起の先端から前記稜線に下ろした垂線とで囲まれる面積の合計の１／２であるＳ'が、下記式（１）を満たすことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の剪断加工方法。
   ０＜Ｓ≦６・Ｓ'・・・（１）
10. 前記２個の突起の形状が、前記パンチの移動方向に平行な軸に対して対称であり、
    前記２個の突起の対向する辺と、前記稜線と、前記２個の突起の先端間を結ぶ線とで囲まれる面積Ｓが、下記式（２）であり、
    それぞれの突起において、他方の突起と対向する辺と、前記稜線と、突起の先端から前記稜線に下ろした垂線とで囲まれる面積Ｓ'が、下記式（３）であり、
    下記式（２）の値と下記式（３）の値が、下記式（１）を満たすことを特徴とする請求項９に記載の剪断加工方法。
    ０＜Ｓ≦６×Ｓ'・・・（１）
    Ｓ＝（Ｌ＋Ｄ）×Ｈ／２＝｛Ｌ＋（Ｌ＋２×Ｈ×tan（θ））｝×Ｈ／２・・・（２）
    Ｓ'＝Ｈ×｛Ｈ×tan（θ）｝／２・・・（３）
    ０．８×ｄ≦Ｄ≦３．０×ｄ
    Ｈ：突起の高さ（ｍｍ）
    Ｌ：２個の突起の基端部の間隔（ｍｍ）
    θ：それぞれの突起において、他方の突起と対向する辺と、当該突起の先端から前記稜線に下ろした垂線により形成される角度（°）
    Ｄ：２個の突起の先端の中心の間隔（ｍｍ）
    ｄ：溶接部の幅（ｍｍ）
11. 前記面積Ｓが、前記面積Ｓ’の２倍以上であることを特徴とする請求項９又は１０に記載の剪断加工方法。
12. 前記角度θが５°以上８０°以下であることを特徴とする請求項１０に記載の剪断加工方法。
13. 前記２個の突起の形状が、二等辺三角形であることを特徴とする請求項９〜１２のうちいずれか１項に記載の剪断加工方法。
14. 前記パンチとダイのクリアランスが、被加工材の厚さの０．５〜３０％であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の剪断加工方法。

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