JP7129048B1

JP7129048B1 - アモルファス合金箔のせん断加工法

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Publication number: JP7129048B1
Application number: JP2022011574A
Authority: JP
Inventors: 洋平鈴木; 倖太阿部; 龍彦相澤; 智美白鳥
Original assignee: Toyama University; Komatsu Seiki Kosakusho Co Ltd
Current assignee: Toyama University; Komatsu Seiki Kosakusho Co Ltd
Priority date: 2022-01-28
Filing date: 2022-01-28
Publication date: 2022-09-01
Anticipated expiration: 2042-01-28
Also published as: WO2023145228A1; JP2023110246A

Abstract

【課題】アモルファス合金箔のせん断加工において、パンチ刃先部に機能的な形状を付与することによって工具寿命と品質維持の両立を達成すること。【解決手段】アモルファス合金箔28のプレスせん断加工に用いる工具であって、パンチ先端面12aに形成された第１のエッジE1と、パンチ側周面12bに形成された第２のエッジE2とを備え、第１のエッジE1からパンチ側周面12bまでの水平方向の距離lと、第２のエッジE2からパンチ先端面12aまでの垂直方向の距離hを、それぞれ0.010mm～0.050mmの範囲に設定した。【選択図】図４

Description

本発明は、アモルファス合金箔のプレスせん断加工技術に関する。

プレスせん断加工は極めて生産性が高い加工法であり、自動車部品、家電部品など様々な工業製品に用いられている。
使用される素材は、それぞれ要求される機能によって選択されるが、高強度低延性を特徴とした、加工が困難な素材も製品によっては選択される。
変圧器やモーターに使用されるアモルファス合金箔がその代表例である。アモルファス合金箔に対し引張試験を行うと、図１に示すように、引張強度は2000MPaを超える高強度で、伸びはわずか１％程度しかなく、一般的に流通してしるステンレスや銅、アルミ等の素材と比較すると高強度かつ低延性である。

そのアモルファス合金箔のプレスせん断加工では、工具寿命と加工品質の確保が課題とされている。
一般的に、せん断加工荷重の計算は下記の式１によって求められ、素材の強度が高ければ、せん断加工荷重は比例して高くなる。したがって、工具の負担は大きくなり、工具破損の発生頻度は上昇し、摩耗進行により工具寿命は低下する。
式１： P＝Ts・0.8・t・l
P：せん断荷重
Ts：被加工材の引張強度
T：被加工材の板厚
L：せん断長さ

さらには、素材の低延性により、打抜いた穴及び打抜かれた部品に割れが生じるなど品質にも課題がある。
切口面は、だれ、せん断面、破断面によって構成されるが、だれ、せん断面は、素材の塑性変形によって生成され、破断面は素材が破壊されることによって生成される。
低延性素材であるアモルファス合金箔は、図１に示すように塑性変形が生じづらい。塑性変形が起こる前、または僅かに塑性変形が開始した段階で破壊が生じてしまうために、だれ、せん断面の生成が起こりづらい。
したがって、いかに素材にせん断応力を集中させ、だれ、せん断面を生成するかが切口面の品質（割れがなく、寸法安定性の高い）を確保するうえで重要となる。
しかしながら、せん断応力を集中させるには工具刃先をある程度に鋭利にする必要があり、前述の工具寿命の向上と、品質維持の両立には課題が残されている。

特開２０１３－０１３９０１特公昭５３－８３８８特開平８－５７５５７特開平１０－３２３７２３ R. Tilsley／Machinery 93-2383(1953-7)／151頁増本健／アモルファス金属の基礎（1982）／オーム社／203頁

せん断加工における工具刃先の形状は、一般的に刃先角が90度（以下「エッジパンチ」）であることが多く、その理由は切れ味や期待する切口面の取得など様々あるが、エッジパンチでは期待する結果（耐久性）を得られないこともあり、工具刃先部形状を工夫する対策が取られている。
例えば、かす上り防止のための刃先部へのシャー角の付与（特許文献１）、精密せん断加工における全せん断面の取得のための微小丸みの付与（非特許文献１）、耐焼付き性向上のためのPress Workingパンチ（以下PWパンチ）の採用（特許文献２）、Ｃ面または丸みＲを付与したパンチの開発（特許文献３及び４）などが挙げられる。

しかしながら、アモルファス合金箔のせん断加工における、工具刃先部の機能的な形状およびその寸法範囲について、臨界的意義を示している特許および論文はない。
なお、特許文献３では、パンチ径の5％～20％の面取りを施すことで打抜き割れのない金属板の打抜き型を報告しているが、実際にパンチ直径比で6.5％の面取りを施したパンチを用いて、アモルファス合金箔の積層穴抜きを行うと、積層した１層目の材料が割れを起こし、期待する効果は得られない。
すなわち、低延性素材のアモルファス合金箔を被加工材としていることから起こる現象であり、一般的なプレス加工に多用されるような、例えばステンレスや銅、アルミ材等と加工現象は一致しない。
これまでの技術では、アモルファス合金箔をプレスせん断加工によって量産することは現実的ではなく、ワイヤーカット加工で対応しているのが実情である。

本発明では、アモルファス合金箔のせん断加工において、パンチ刃先部に機能的な形状を付与することによって工具寿命と品質維持の両立を達成することが可能なパンチを提供する。
ここで機能的な形状とは、具体的に、パンチ刃先部への素材からの応力集中を抑制できる形状、且つせん断変形が曲げ変形よりも支配的になる形状である。

上記の目的を達成するため、請求項１に係るせん断工具は、アモルファス合金箔のプレスせん断加工に用いる工具であって、パンチ先端面に形成された第１のエッジと、パンチ側面に形成された第２のエッジとを備え、上記第１のエッジからパンチ側面までの水平方向（横方向）の距離と、上記第２のエッジからパンチ先端面までの垂直方向（縦方向）の距離を最適化することにより、被加工材のダイへの引き込みと被加工材のせん断開始とを実現することを特徴としている。

請求項２に係るせん断工具は、請求項２の工具であって、上記水平方向の距離及び垂直方向の距離が、それぞれ0.010mm～0.050mmの範囲に設定されていることを特徴としている。

請求項３に係るせん断工具は、請求項１または２の工具であって、上記垂直方向の距離が、アモルファス合金箔の板厚の52％以下に設定されていることを特徴としている。

請求項４に係るせん断加工法は、請求項１～３の何れかのせん断工具を用いて、アモルファス合金箔をせん断することを特徴としている。

請求項５に係るせん断加工法は、請求項１～３の何れかのせん断工具を用いて、アモルファス合金箔をせん断することを特徴としている。

本発明によれば、高強度低延性金属素材であるアモルファス合金箔を、プレスせん断加工によって効率的に加工することが可能となり、工具破損も抑制できるため、生産性の向上とコストの削減を実現できる。且つ、打抜いた穴及び打抜かれた製品に変形帯や亀裂等が生じない品質を得ることが可能になる。

アモルファス合金箔の引張試験の結果として、引張強度と伸びの関係を示したグラフである。本発明の実施形態に係る打抜き金型の構成を説明するための構造図である。本発明の実施形態に係るせん断用パンチの先端部分を示す図及びSEM写真である。本発明の実施形態で使用したパンチ刃先部の形状を示す概略図である。電磁鋼板の打抜き加工に際し、５枚の多層で打抜き加工を行う様子を示す模式図である。本発明の実施形態で使用した６種類のパンチの構成を示す表である。６種類のパンチの先端角部の使用前におけるSEM写真である。６種類のパンチの先端角部の加工後におけるSEM写真である。 50,000ショット加工した後におけるパンチ(2)の先端角部のSEM写真である。パンチ(2)の加工前と50,000ショット加工後の刃先部の形状測定結果を示すグラフである。６種類のパンチで加工した穴の積層した５層毎の寸法測定結果を示すグラフである。パンチ(2)で５枚積層したアモルファス合金箔をせん断した際の加工初期から50,000ショットまでの各層における穴寸法の推移を示す図である。６種類のパンチで加工した５層積層のアモルファス合金箔の内、第１層目の穴形状のSEM写真である。６種類のパンチで加工した５層積層のアモルファス合金箔の内、第１層目の穴付近を拡大したSEM写真である。６種類のパンチで加工した５層積層のアモルファス合金箔の内、第１層目の部品形状のSEM写真である。６種類のパンチで加工した５層積層のアモルファス合金箔の内、第１層目の部品の外周部を拡大したSEM写真である。有限要素法解析によって計算した、３種類のパンチによるせん断開始時の最大主応力の分布図である。有限要素法解析によって計算した、２種類のパンチによるせん断開始時の最大主応力の分布図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本実施形態により本発明が限定されるものではない。

［打抜き加工用金型の構成］
図２は、本実施形態に係る打抜き加工用金型10を例示するものであり、パンチ12と、ダイ14と、ストリッパープレート16と、パンチプレート18と、バックプレート20と、スプリング22と、ダイセット24と、ガイドポスト26等で構成される。
ストリッパープレート16とダイ14との間には、加工対象物が載置される。

図示しないプレス機からの押圧力がパンチプレート18に加えられると、パンチ12が下降してダイ14との間で加工対象物を打抜く。
この際、ストリッパープレート16に加わる板押さえ力により、加工対象物を平坦に保った状態で、パンチ12を被加工材から引きはがすことが可能となる。

図３(a)は、パンチ12の先端形状を示すものであり、先端面12aと側周面12bとの間に、第１のエッジ（角部）E1、傾斜面12c、及び第２のエッジ（角部）E2を備えている（詳細は後述）。図３(b)は、パンチ12の先端部分のSEM写真である。
ただし、パンチ12の形状は円柱状に限定されるものではない。

図４は、パンチ12の先端部の拡大断面図であり、パンチ12の先端面12aに形成された第１のエッジE1と、パンチ12の側周面12bとの間の水平方向の距離（幅）をlと、パンチ12の側周面12bに形成された第２のエッジE2と、パンチ12の先端面12aとの間の垂直方向の距離（高さ）をhと、両エッジE1, E2間を繋ぐ傾斜面12cと先端面12aとの外角をθと定義している。
図中のtは、非加工材の板厚を表している。

以下においては、図５に示すように、高強度低延性金属素材であるアモルファス合金箔（各板厚25μm）28a～28eを５枚積層した加工対象物28（合計板厚125μm）を、図２の金型10及び図３のパンチ12を用いて連続プレス打抜き加工するに当たり、lとhの寸法を違えた複数のパンチ12を用いることによって、パンチ破損有無の比較と穴抜き品の表面状態観察及び寸法測定を行った。

図６は、(1)～(6)の６種類のパンチの構成を示すものである。
これらの中、パンチ(1)は従来のエッジパンチを示しており、一つのエッジのみを有しているためθ＝90度であり、l及びhは０となっている。
これに対し、パンチ(2)～パンチ(6)は何れも第１のエッジと第２のエッジを備えており、lとhに０よりも大きな値が設定されている。
パンチ直径は全条件でφ2.003mmとし、同様にダイ直径はφ2.010mmとした。潤滑条件は、無潤滑とした。またパンチの素材としては、一般的な超硬合金を選択した。

図７は、パンチ(1)～(6)の使用前における状態を示すSEM写真であり、図３(b)の四角で囲まれた領域を拡大したものである。

図８に、各パンチの加工後のＳＥＭ写真をそれぞれ示す。
パンチ(1)（エッジパンチ）は、100ショットの加工後において、パンチ刃先部に欠損があることが確認された。同様の実験を３回行ったが、ほぼ同等の加工数で欠損が生じた。

一方で、パンチ(2)、パンチ(3)、パンチ(4)、パンチ(6)では、1,000ショットの加工後において欠損は確認されなかった。
これに対し、l&hが比較的大きいパンチ(5)では、加工初期段階で加工穴に割れが生じたことから、５ショットで加工を中断した。

さらなる耐久性の評価のため、刃先形状がエッジパンチに近く、もっともパンチ刃先部に負荷がかかり欠損の可能性が高いであろうパンチ(2)を用いて、50,000ショットの連続加工を行った。
図９に、50,000ショット加工後のパンチ(2)の先端部のSEM写真を示す。
欠損は確認されず、加工前のSEM写真と比較しても大きな変化は見られなかった。

パンチ(2)の
部の刃先形状部の摩耗量を非接触三次元測定機で加工前後を測定したところ、図１０に示すように加工前の刃先形状寸法lが0.008 mmであったのに対して、加工後においては0.013 mm、刃先形状寸法hは加工前に0.010 mmであったのに対して、加工後に0.013 mmであったことから、僅か５ μm程度しか摩耗は進行していないことを確認した。
以上のことから、パンチ刃先部に微小な除去加工をすることでパンチの欠損が抑制できることが示された。

次に、穴寸法の評価を行った。図１１は、パンチ(1)～パンチ(6)で加工した各層の穴の寸法測定結果である。
刃先形状がl&h=0.050mm以下のパンチ(2)～(4)、またはl=0.050mm, h=0.013mm, θ=15度のパンチ(6)を用いることで、穴抜きされた穴寸法は各層においてパンチ(1)（エッジパンチ）の穴サイズを基準とした場合、±0.005mm以内の精度で加工することができた。

図１２に、パンチ(2)（l&h=0.010mm）による加工初期から50, 000ショットまでの各層における穴寸法の測定結果を示す。
第１層目は、加工初期から50,000ショットまで寸法変化はほぼ変化しなかった。前述したように、パンチの摩耗がほぼ進行しなかったことによる切れ味の維持と、パンチ直径がほぼ変化しなかった結果によるものと考える。
第２層目と第３層目は30,000ショットまではほぼ変化しなかったが、50,000ショットの段階で穴寸法が大きくなった。
第４層目と第５層目は、加工数量が増加するに従い、寸法が大きくなっていった。これはダイの摩耗が進行した結果によるものであり、ダイ素材を高硬度化することで改善できるものと考える。

次に、穴形状の評価を行った。図１３は、６種類のパンチで加工した穴形状のSEM観察結果である。
刃先形状がl&h=0.050mm以下のパンチ(2)～(4)、またはl=0.050mm, h=0.013mm, θ=15度のパンチ(6)を用いることで打抜かれた穴の形状に割れを含む欠落等が無く、パンチ輪郭形状と同等形状に打抜けていることが分かった。

図１４は、６種類のパンチで加工した穴の第１層目の穴付近の表面状態をSEM観察した結果である。
パンチ(1)（エッジパンチ）、パンチ(2)（l&h=0.010mm）、パンチ(6)（l=0.050mm, h=0.013mm, θ=15度）では穴付近の表面にしわの様な変形帯は生じていない。
一方で、l&h=0.025mm以上の刃先形状のパンチ(3)、パンチ(4)、パンチ(5)を用いると変形帯が生じることが分かった。

次に、打抜かれた部品の評価を行った。図１５は、６種類のパンチで加工した際の、打抜かれた部品の第１層目のSEM写真である。また図１６は、打抜かれた部品の外周部を拡大したSEM写真である。
刃先形状がl&h=0.050mm以下のパンチ(1)～(4)、及びパンチ(6)（l=0.050mm, h=0.013mm, θ=15度）を用いることにより、打抜かれた穴の形状に割れを含む欠落等が無く、パンチ輪郭形状と同等形状に打抜けていることが分かった。
これに対し、l&h=0.125mmのパンチ(5)では、外周部に亀裂（割れ）が生じた。

なお、変形帯は素材が曲げ変形することによって起こる現象とされており（非特許文献２）、せん断加工においては、パンチ刃先が加工進行に伴い摩耗し、エッジ形状から丸みＲのような形状変更することによって、曲げ変形が生じることが推測できる。しかしながら、その刃先形状やその寸法の境界条件は明らかになっていない。

刃先形状およびその寸法による変形帯の発生有無の境界条件を、有限要素法解析（FEM解析）によって検証した。
図１７及び図１８は、FEM解析によって計算した、５種類のパンチによって１層のアモルファス合金箔（板厚25μm）を加工する場合の、せん断開始時の最大主応力を示すものである。
すなわち、図１７(a)はパンチ(1)（エッジパンチ）に対応し、図１７(b)はパンチ(2)（l&h=0.010mm）に、図１７(c)はパンチ(3)（l&h=0.025mm）に、図１８(a)はパンチ(6)（l=0.050mm,h=0.013mm, θ=15度）に、図１８(b)は初出のパンチ(x)（l=0.025mm,h=0.014mm, θ=30）にそれぞれ対応している。

パンチ(3)以外の、パンチ(1)、パンチ(2)、パンチ(6)、パンチ(X)では、それぞれせん断が開始している。
なお、せん断変形の定義は、実際の加工においては、パンチ刃先とダイ刃先とを結ぶ領域のせん断応力が大きくなり、せん断すべりが発生することでせん断面が形成されるとされているが、FEM解析において、せん断滑りを判断することはできない。
そこで、本件では、被加工材がパンチ側面に沿う変形、また、その際にパンチ刃先とダイ刃先を結ぶ領域（２次元のFEMでは線上）の応力が周囲と比較して大きくなっていることを、せん断変形と定義する。

一方でパンチ(3)（l&h=0.025mm）では、曲げ変形が起こるのみでせん断変形が始まらなかった。
得られた結果は、図１４で示した穴表面の変形帯の有無と一致していた。
変形帯の発生有無の境界条件は、曲げ変形がせん断変形よりも支配的になることによるものと考えることができる。
パンチ(3)の結果（図１７(c)）とパンチ(X)の結果（図１８(b)）との比較から、せん断変形を支配的にするには、第１のエッジE1が素材に接触してから、第２のエッジE2に接触するまでの時間（距離）が重要な因子であることが分かる。すなわち、第１のエッジE1が素材に接触してから、第２のエッジE2に接触するまでの時間（距離）が短いほど、せん断変形を支配的にすることができる。
これまでの実験から、以下の式２の通り、刃先形状高さhが素材板厚の52％以内であれば、加工の変形モードにおいて、せん断変形が曲げ変形よりも支配的になり、穴表面上に変形帯が生じないことが確かめられた。
式２：0.013（パンチ(6)のh）÷0.025（板厚）＝0.52

12 パンチ
12a パンチの先端面
12b パンチの側周面
12c パンチの傾斜面
E1 第１のエッジ
E2 第２のエッジ
h 第２のエッジとパンチ先端面間の垂直方向の距離
l 第１のエッジとパンチ側周面間の水平方向の距離
14 ダイ
16 ストリッパープレート
18 パンチプレート
20 バックプレート
22 スプリング
24 ダイセット
26 ガイドポスト
28 アモルファス合金箔

Claims

パンチとダイを有するせん断工具を用いて、複数枚積層されたアモルファス合金箔を、パンチの一度の下降で打ち抜くせん断加工法であって、
上記パンチは、パンチ先端面に形成された第１のエッジと、パンチ側面に形成された第２のエッジとを備え、
上記第１のエッジからパンチ側面までの水平方向の距離と、上記第２のエッジからパンチ先端面までの垂直方向の距離が、それぞれ0.010mm～0.050mmの範囲に設定されており、
上記垂直方向の距離が、各アモルファス合金箔の板厚の52％以下に設定されていることを特徴とするアモルファス合金箔のせん断加工法。