JP6878999B2 - 打抜き加工用金型及びそれを用いた打抜き加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、打抜き加工用金型及びそれを用いた打抜き加工方法に関する。特に、電磁軟鉄の打抜き加工に適した打抜き加工用金型及びそれを用いた打抜き加工方法に関する。

鉄系の電磁材料は、その優れた軟磁性特性を利用して、トランスやモーター等の鉄心、電磁リレーのアーマチュア（可動鉄片）等に使用されている。

電磁リレーの構成部品であるアーマチュアは、優れた電磁特性が求められる。そのため、その素材には、高い磁束密度、透磁率、小さな保磁力を有する純鉄系の電磁軟鉄が使用されている。板材からアーマチュアを製造する場合、打抜き加工が用いられる。電磁軟鉄の板材を打ち抜いて、所定形状の部材（ブランク材）が得られる。その後、得られた部材の剪断面および破断面を仕上げるためのシュービング加工を施して、所定形状の小型リレー用のアーマチュアを製造するのが一般的である。

打抜き加工においては、打抜き金型とシェービング金型という２種の金型が用いられる。本明細書は、打抜き金型とシェービング金型をまとめて、「打抜き加工用金型」という。打抜き加工用金型は、被加工材と激しく摩擦するため、加工回数の増加とともに磨耗し、パンチとダイとのクリアランスも増大する。金型が損耗した状態で加工を続けると、製品端面のせん断面比率が低下し、破断面比率が上昇するなど、破面の性状が変化し、かえり高さが増大するため、形状不良を発生させる原因となる。そのため、磨耗の進行した金型は、交換もしくは再研磨が行われる。頻繁な交換は、生産性の低下を引き起こし、製造コストの増大につながる。

打抜き加工用金型は、高い硬度と高い摩耗性を必要とされるので、超硬合金が使用されることが多い。超硬合金は、ＷＣを主成分とする材料であり、ＷＣ粉末と結合剤のＣｏ粉末とを混合し焼結して得られる。ＷＣの欠落を抑制するため、結合剤のＣｏ量は、１０質量％程度で含まれる。

電磁材料の打抜き加工に関して、例えば、特許文献１には、Ｓｉ：４．０〜７．０ｗｔ％の高珪素鋼板に対する打抜き加工方法において、硬質相の平均粒径が３μｍ以下である超硬合金製打抜き工具を用いることにより、工具の摩耗及びチッピング発生を抑制し、工具寿命を延命化させたものが記載されている。

特開平１１−３１９９８１号公報

特許文献１の珪素鋼板と異なり、電磁部品で使用される電磁軟鉄は、純鉄に近い組成を有しているので、機械的強度が比較的低い素材であり、打抜き加工に高い荷重を必要としない。しかし、打抜き加工を行うと、被加工材（電磁軟鉄）の一部が超硬合金製の金型表面に貼り付く凝着現象を生じることがある。金型表面に凝着した被加工材の一部は、打抜き加工中に貼り付いた箇所の金型材とともに、金型から欠落するため、金型の磨耗を促進させる要因となる。電磁軟鉄の打抜き加工においては、この凝着が発生することにより、金型の磨耗が激しく、金型寿命が短い。そのため、製造コストが増大し、生産性を低下させるという問題があった。

本発明は、電磁軟鉄の打抜き加工に適した、耐摩耗性および耐凝着性に優れる打抜き加工用金型を提供することを目的する。また、当該金型を用いて電磁軟鉄に対して打抜き加工を行う打抜き加工方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記の課題を解決するため検討した結果、金型の超硬合金中のＣｏ量を低減することにより、電磁軟鉄が金型表面に凝着するのを抑制できることを見出し、本発明に至った。具体的には、本発明は、以下のものを提供する。

（１）本発明は、６質量％以下のＣｏを含み、ＷＣを主体とする焼結部材で構成された、電磁軟鉄の打抜き加工用金型である。

（２）本発明は、前記金型の表面にＡｌ、ＣｒおよびＮを含む硬質皮膜を備えた、（１）記載の電磁軟鉄の打抜き用金型である。

（３）本発明は、（１）または（２）に記載された金型を用いて、電磁軟鉄の打抜き加工を行う、打抜き加工方法である。

本発明によれば、打抜き加工を行っても、電磁軟鉄が金型表面に凝着することが抑制させる。そのため、凝着に起因する金型の磨耗が抑制され、金型寿命が長くなり、打抜き加工の生産性が向上し、製造コストが低減に寄与する。

実施例における打抜き試験を説明するための図である。 実施例における打抜き加工後の金型の外観を示す図である。 実施例における摩耗量の測定方法を説明するための図である。 実施例におけるパンチ先端における摩耗量の測定箇所を説明するための図であり、（ａ）は、直辺部の測定箇所を示す図であり、（ｂ）は、コーナー部の測定箇所を示す図である。 実施例における摩擦係数の測定装置を示す模式図である。 実施例における摩擦係数の時間的変化を示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。本発明は、以下の説明によって限定されるものではない。

本発明に係る打抜き加工用金型は、６質量％以下のＣｏを含み、ＷＣを主体とする焼結部材で構成されている。金型に使用される焼結部材は、ＷＣ粉末をバインダであるＣｏと混合して焼結することで製造される超硬合金からなるものである。打抜き加工は、パンチを被加工材に押し込んで、パンチ及びダイの剪断作用によって、被加工材にクラックを生じさせ、さらに加圧して被加工材を剪断及び破断させる加工形態である。打ち抜きが行われる際、金型（パンチ、ダイ）と被加工材との間で激しい摩擦が起きるため、被加工材が金型表面に凝着することがある。

本発明に係る打抜き加工用金型は、金型材のＣｏの含有量を６質量％以下に規制されたものである。Ｃｏ量を低減した超硬合金製の金型を用いて、電磁軟鉄を打抜き加工すると、金型に電磁軟鉄が凝着する事象を抑制できる。

この理由は明らかでないが、従来の超硬合金製金型における電磁軟鉄の凝着は、金型材に含まれるＣｏ元素と、電磁軟鉄のＦｅ元素との親和性によるものと推測される。本実施形態の金型において、Ｆｅと結合するＣｏの含有量を低減したので、電磁軟鉄の凝着が抑制されたと考えられる。

本発明に係る打抜き加工用金型は、前記金型の表面にＡｌ、ＣｒおよびＮを含む硬質皮膜を備えることが好ましい。上記の硬質皮膜を金型表面に設けることにより、電磁軟鉄と金型との直接的な接触が防止されるので、金型の耐摩耗性や耐凝着性が向上する。また、加工発熱によって金型表面が高温になると、硬質皮膜が変質して剥離する場合がある。それため、硬質皮膜としては、高温で酸化が生じ難く、耐焼付性に優れたＡｌＣｒＮのコーティングが好ましく、金型の耐摩耗性が一層向上するのに寄与する。

以下、本発明に係る実施例について説明する。本発明は、以下の説明によって限定されない。

（試験例１） 打抜き試験による摩耗状態の評価
上述したように、アーマチュア等の部材を打抜き加工により製造する工程において、打抜き金型およびシェービング金型の打抜き加工用金型は、板材との摩擦を繰り返している。そこで、本実施例における打抜き試験は、打抜き金型により板材に穴を打ち抜いた後、その打ち抜かれた穴の打ち抜き面に対してシェ−ビング金型を適用する動作を繰り返すことにより、打抜き加工用金型の性能や表面状態を評価した。

図１は、本実施例の打抜き金型２およびシェービング金型３を含む打抜き加工用金型１による打抜き試験の概要を示したものである。図１に示すように、打抜き金型２により被加工材４を打抜いて加工穴５を形成した後、加工穴５が送り方向７に移送される。次いで、加工穴５の打ち抜き面をシェービング金型３で仕上げて加工穴６を形成する。

打抜き加工用金型１は、パンチとダイとを備えている。図１にはパンチを示している。打抜き金型２におけるパンチ先端面は、図１に示される被加工材４の加工穴５の形状と寸法に対応し、打抜き金型２の先端面は、４．０ｍｍ×４．０ｍｍの寸法を有する。図１に示すように、シェービング金型３は、加工穴５の一端に２．０ｍｍ×０．５ｍｍの削り代を取るように加工穴６を形成するため、そのパンチ先端面は、２．０ｍｍ×４．５ｍｍの形状と寸法を有する。

被加工材４を挟んで、パンチの反対側には、開口部を有するダイ（図示を省略）が設けられている。ダイにおける開口部は、パンチ寸法よりクリアランス分だけ大きい寸法を有している。本実施例のクリアランスは、打抜き金型が０．０６ｍｍ（５％）、シェービング金型が０．０２ｍｍ（１．７％）に設定した。

打抜き加工用金型は、金型の材質が異なる試験用金型Ｎｏ．１、試験用金型Ｎｏ．２を作製し、打抜き試験に供した。
試験用金型Ｎｏ．１：ＷＣ−６質量％Ｃｏの超硬合金材（本発明例）
試験用金型Ｎｏ．２：ＷＣ−１３質量％Ｃｏの超硬合金材（比較例）

試験用金型は、公知の製造方法により作製した。具体的には、市販のＷＣ粉末とＣｏ粉末により原料を調製した。ＷＣ粉末の平均粒径は、本発明例の金型Ｎｏ．１が０．５〜５．０μｍ、比較例のＮｏ．２が０．５〜１．５μｍ（比較例）を用いた。原料粉末を所定量の配合組成に秤量し、ステンレス製ポットにアセトン溶媒と超硬合金製ボ−ルと共に挿入し、ボ−ル含有量および粉砕時間を調整して混合粉砕後、乾燥して混合粉末を得た。これらの混合粉末を加圧成形して、粉末成形体とし、次いで、雰囲気圧力１０Ｐａの真空中で１３００〜１４００℃の温度で１時間加熱保持して焼結した。得られた超硬合金材の表面を所定寸法となるよう研磨し、試験用金型を得た。

板厚１．２ｍｍの電磁軟鉄（ＳＵＹＰ−１）の板材に対して、本発明例および比較例の打抜き加工用金型を用いて、４００ｋＮプレス機により打抜き加工を行った。図１に示すように、打抜き金型２により電磁軟鉄４を４．０ｍｍ×４．０ｍｍの矩形穴を打抜いた後、シェービング金型を用いて、削り代が２．０ｍｍ×０．５ｍｍとなるシェービング加工を行った。この一連の打抜き加工を３００ｓｐｍの加工速度で、合計２０，０００回の打抜き試験を行った。

図２に、２０，０００回のシェービング加工を行った後のシェービング金型（パンチ）の外観を示す。この外観は、パンチの長さ２．０ｍｍの部分の表面を示したものである。図２に示すように、比較例の試験用金型Ｎｏ．２は、その表面に白色部分が観察された。この部分は、電磁軟鉄の一部が凝着した箇所である。とくに、金型のコーナー部（Ｒｃ部）において多くの凝着が認められた。それに対し、本発明例の試験用金型Ｎｏ．１は、コーナー部に若干の凝着が認められた程度であり、表面全体において凝着がほとんど生じていなかった。

次に、上記のパンチの先端部における摩耗量を測定した。測定方法は、次のとおりであある。図３に示すように、パンチ本体の外形を基準線２１，２２とし、側面基準線２１と端面基準線２２をそれぞれ延長した線の交差点２５を設定した。そして、パンチ先端部の外形が当該基準線２１，２２と乖離し始める箇所２３，２４から上記交差点２５までの距離２６，２７を測定し、その距離を摩耗量とした。摩耗量の測定面を応じて、パンチ先端の側面で測定された側面摩耗量２６と、パンチ先端の端面で測定した端面摩耗量２７が得られる。例えば、側面摩耗量２６は、パンチ本体の側面基準線２１と乖離する箇所２３から交差点２５に至るまでの距離に相当する。

本試験では、パンチ先端部において、図４の（ａ）に示す直辺部において、側面方向３１の側面摩耗量２６と端面方向の端面摩擦量２７を測定し、図４の（ｂ）に示すコーナー部において、側面方向３３の側面摩耗量２６と端面方向３４の端面摩耗量２７を測定した。それらの摩耗量（ｍｍ）の測定結果を表１に示す。

表１に示すように、本発明例の直辺部における摩耗量は、側面方向３１において比較例の１４％程度、端面方向３２で比較例の６０％程度にそれぞれ低減した。コーナーの摩耗量は、端面方向３４では比較例と同程度であったが、側面方向３３で比較例の６６％程度に低減した。このように、６質量％以下のＣｏを含有する本発明例の金型は、Ｃｏ含有量の低減により、電磁軟鉄の打抜き加工における金型の摩耗量が大きく低減された。電磁軟鉄の打抜き加工において、金型のＣｏ含有量の低減が、耐凝着性および耐磨耗性の向上に有効であることが分かった。

上記の試験結果の理由は、明らかでない。ＦｅとＣｏとの親和性に起因して、Ｃｏ含有量が高い超硬合金を用いた従来の金型では、加工時に電磁軟鉄中のＦｅと金型中のＣｏとが結合し、金型表面の凝着に至ったものと考えられる。

（試験例２） 摩擦係数の測定
次に、金型の摩擦係数について摺動時間による変化を、本発明例と比較例の各試験用金型を用いて、ピンオンディスク試験の方法により測定した。図５に摩擦係数測定装置の概要を示す。試験用金型の材質からなる板厚５．０ｍｍの試験片（７０ｍｍ×７０ｍｍ）を回転台４１の上に固定した。荷重センサ４４側に設けた支持具４５に、電磁軟鉄からなるピン状の接触子４６を取り付けた。接触子４６を試験片４２の上で、回転中心から半径で１０ｍｍ離れた位置に接触させた。その後、１００ｇの荷重錘４３で負荷を掛けながら、回転台を９．６ｒｐｍの速度で回転させて、接触子４６を試験片４２上の同一円周上を摺動させた。また、打抜き加工時の加工発熱を考慮して、測定装置の周囲に加熱装置を配置し、試験温度を２００℃で実施した。そして、荷重センサ４４により摩擦力を測定し、摩擦係数（＝摩擦力／荷重）を得た。

その測定結果を表２に示す。摩擦係数は、摺動時間とともに計測される。表２に示した摩擦係数の測定値は、５分間での平均値を示したものである。

図６は、表２の測定結果を図示したものである。図６に示すように、本発明例の金型は、試験前の摩擦係数０．２４が摺動時間とともに低減し、２０分以上で０．１３付近のほぼ一定に移行した。それに対し、比較例の金型は、試験前の摩擦係数０．２６が摺動時間とともに上昇し、１０分以上で０．３３付近のほぼ一定に移行した。超硬合金製金型の摩擦係数は、Ｃｏ含有量の低減によって、摺動時間が増えても減少することが分かった。

その理由は、明らかでない。比較例の金型は、電磁軟鉄中のＦｅと超硬合金中のＣｏとの親和性に起因して、金型と電磁軟鉄との摺動により、金型表面にＦｅの凝着が発生し、さらに摩擦熱の発生によって当該凝着が促進されたことにより、摺動時間とともに金型の摩擦係数が増大したものと推測される。それに対し、６質量％以下のＣｏを含有する本発例の金型は、Ｃｏの低減により、凝着の発生が抑制され、凝着によって誘因される摩耗についても抑制されたものと推測される。そして、摺動の摩擦により、金型表面の凹凸（表面粗さ）が削られて平滑になったため、摺動時間の経過とともに摩擦係数が低下したものと考えられる。

（試験例３） 表面コーティングの評価
本発明例の試験用金型Ｎｏ．１に対して、ＰＶＤにより、ＴｉＡｌＮのコーティングを施した試験用金型Ｎｏ．３と、ＡｌＣｒＮのコーティングを施した試験用金型Ｎｏ．４を作製した。これらの金型を用いて、試験例１と同様の打抜き加工を行った後、パンチの外観を観察した。いずれも凝着が抑制された表面性状を示していた。詳細に対比すると、コーティングを有しない金型Ｎｏ．１は、表面全体でコーナー部において若干の凝着が生じていた。それに対し、ＴｉＡｌＮのコーティングを有する金型Ｎｏ．３と、ＡｌＣｒＮのコーティングを有する金型Ｎｏ．４は、コーナー部を含め表面全体で凝着が認めらなかった。

他方で、金型Ｎｏ．３は、刃先近傍の広い範囲で表面が黒く変色し、摩耗の進行が観察された。これは、加工発熱によってＴｉＡｌＮコーティングが酸化して変質し、その結果、摺動が特に激しいコーナー部において、コーティングが部分的に剥離して、集中的な摩耗が生じたものと推測される。それに対し、金型Ｎｏ．４のＡｌＣｒＮのコーティングは、高温においても酸化し難く、耐焼付性に優れた被覆材であるから、金型Ｎｏ．４には大きな損傷が認められなかった。よって、電磁軟鉄の打抜き加工に使用する金型は、ＡｌＣｒＮコーティングにより、さらに金型寿命の向上が可能になることを確認できた。

１ 打抜き加工用金型
２ 打抜き金型のパンチ
３ シェービング金型のパンチ
４ 被加工材（電磁軟鉄）
５ 打抜き加工による加工穴
６ シェービング金型による加工穴
７ 送り方向
２１ 側面基準線
２２ 端面基準線
２３ 乖離箇所（側面）
２４ 乖離箇所（端面）
２５ 基準線の交差点
２６ 側面摩耗量
２７ 端面摩耗量
３１ 側面方向（長辺部）
３２ 端面方向（長辺部）
３３ 側面方向（コーナー部）
３４ 端面方向（コーナー部）
４１ 回転台
４２ 試験片
４３ 荷重錘
４４ 荷重センサ
４５ 支持具
４６ 接触子

Claims (2)

1. ６質量％以下のＣｏを含み、ＷＣを主体とする焼結部材で構成された、打抜き加工用金型であって、さらに、前記金型の表面にＡｌ、ＣｒおよびＮを含む硬質皮膜を備えた、電磁軟鉄の打抜き加工用金型。
2. 請求項１に記載された金型を用いて、電磁軟鉄の打抜き加工を行う、打抜き加工方法。

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