JP7164009B2 - 成形材製造方法および成形用金型 - Google Patents

Description

本発明は、筒状の胴部と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ための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、通常、胴部の周壁の板厚は素材板厚よりも薄くなる。

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、上記のような絞り加工により成形された成形材を用いる場合がある。この場合、胴部の周壁には、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周壁に期待される。

シールド材又はバックヨークとしての性能は、周壁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、胴部の板厚減少を見込んで、素材金属板の板厚は、目的とする胴部周壁の板厚よりも厚く選定される。しかし、素材金属板の板厚は、製造条件等の影響を受けるため常に一定ではなく、板厚公差と呼ばれる板厚の許容範囲内で変動する。また、金型状態の変化や材料特性のバラツキ等により、絞り加工における板厚減少量が変動することもある。

一方、近年、モータの高性能化のため、回転子の回転数の上昇が図られている。回転子とモータケースとの僅かなずれが振動及び騒音を生じさせる。モータの振動及び騒音を低減するために、モータケースの内径には高精度な内径真円度が求められることがある。

そのため、通常は、多段絞り加工を終えた後の工程において、胴部に仕上げしごきを行って内径の真円度を向上させることが行われる。この仕上げしごきでは、ダイ及びパンチの隙間（クリアランス）を胴部の材料板厚未満に設定して、それらダイ及びパンチにより胴部の材料を内側と外側の両側から挟み込む。ダイ及びパンチのクリアランスを胴部の材料板厚未満に設定することを、マイナスクリアランスと呼ぶ。

下記の特許文献２等には、素材金属板の板厚が変動したり、金型条件が変動しても、仕上げしごき前の胴部周壁の板厚の増減をコントロールしたりして仕上げしごきの前の胴部素体の周壁板厚を調節することにより、胴部の内径真円度を高精度に維持することが可能な成形材製造方法が開示されている。この成形材製造方法では、マイナスクリアランスの仕上げしごき加工、言い換えると、胴部素体の板厚を減ずる仕上げしごき加工を行うことで内径真円度の高精度化を図っている。

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

特開２０１３－５１７６５号公報 特開２０１６－１９０２４５号公報

上記の成形材製造方法では、仕上げしごき加工を行うことにより、高精度な内径真円度を得ている。しかしながら、仕上げしごき前における胴部素体の周壁板厚制御の精度が低いとき、より具体的には胴部周壁を過剰に増肉したとき、以下の問題が生じることがある

すなわち、仕上げしごき前に胴部周壁を過度に増肉したとき、ダイ及びパンチの隙間への胴部素体の流入が阻害され、胴部素体又は胴部の周壁に破断が生じることがある。
また、素材金属板がその表面にめっきを有する表面処理鋼板である場合には、ダイ及びパンチと素材とが高面圧下で摺動され、めっき滓が発生する虞がある。めっき滓は、成形材の外観を悪化させる原因となり得る。
さらに、ダイ及びパンチと素材との摺動部分におけるかじりの発生、又は金型寿命の低下を引き起こすことがある。しごき率及び仕上げしごきダイス肩半径に制限があり、成形限界が定められる。

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、仕上げしごき加工を行わなくても、胴部の内径真円度を向上できる成形材製造方法及び成形用金型を提供することである。

本発明の成形材製造方法は、素材金属板に対して多段絞りを行うことで、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を含む成形材製造方法であって、多段絞りには、胴部素体を有する予備体を素材金属板から形成する予備絞りと、押込穴を有するダイと、胴部素体の内部に挿入されて胴部素体を押込穴に押込むパンチと、胴部素体の深さ方向に沿う圧縮力を胴部素体の周壁に加える加圧手段とを含む金型を用いて予備絞りの後に行われ、圧縮力を胴部素体に加えながら胴部素体を絞ることで胴部を形成する少なくとも１回の圧縮絞りと、が含まれており、押込穴は、押込穴の入口において押込穴の周方向に延在されるとともに、押込穴の軸方向に対して傾斜して延在されたテーパ面を有し、テーパ面により圧縮力の分力が押込穴の径方向内方に向かうように構成されており、押込穴の入口内径は、該押込穴を有するダイを用いて行われる圧縮絞り前の胴部素体の周壁外径以上とされており、押込穴の軸方向に対するテーパ面の傾斜角度をθ(°)としたとき、以下の式（１）の関係を満たすようにθが決定されている。
２０°≦θ≦６０° ・・・・・式（１）

本発明の成形用金型は、胴部素体を有する予備体に絞り加工を行うための成形用金型であって、押込穴を有するダイと、胴部素体の内部に挿入されて胴部素体を押込穴に押込むパンチと、胴部素体の深さ方向に沿う圧縮力を胴部素体の周壁に加える加圧手段とを備え、圧縮力を胴部素体に加えながら胴部素体を絞るように構成されており、押込穴は、押込穴の入口において押込穴の周方向に延在されるとともに、押込穴の軸方向に対して傾斜して延在されたテーパ面を有し、テーパ面により圧縮力の分力が押込穴の径方向内方に向かうように構成されており、押込穴の入口内径は、該押込穴を有するダイを用いて行われる圧縮絞り前の胴部素体の周壁外径以上とされており、押込穴の軸方向に対するテーパ面の傾斜角度をθ(°)としたとき、以下の式（１）の関係を満たすようにθが決定されている。
２０°≦θ≦６０° ・・・・・式（１）

本発明の成形材製造方法及び成形用金型によれば、テーパ面により圧縮力の分力が押込穴の径方向内方に向かうので、圧縮絞り中に胴部素体の周壁をパンチに押付けることができ、胴部素体又は胴部の内周面をパンチの外周面に隙間なく成形できる。これにより、仕上げしごき加工を行わなくても、胴部の内径真円度を向上できる。

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１を示す斜視図である。 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２の予備絞りに用いる金型を示す説明図である。 図３の金型による予備絞りを示す説明図である。 図２の第１圧縮絞りに用いる金型を示す説明図である。 図５の金型による第１圧縮絞りを示す説明図である。 第１～第３圧縮絞り時に胴部素体の周壁に作用する圧縮力を示した模式図である。 第１～第３圧縮絞り時にリフターパッドにより付与した圧縮力と胴部の周壁板厚分布との関係を示すグラフである。 図８の板厚測定位置を示す説明図である。 第１～第３圧縮絞り工程におけるリフターパッド４２により付与した圧縮力と第３圧縮絞り後における胴部の内径との関係を示すグラフである。 第１～第３圧縮絞り工程におけるリフターパッドにより付与した圧縮力と第３圧縮絞り後の胴部内径真円度との関係を示すグラフである。 表２～表６に示した成形可能範囲とテーパ面の傾斜角度θと圧縮圧力Ｐ（リフターパッドより受ける深さ方向の圧縮力を胴部素体の周壁の断面積で除した値）との関係を示した説明図である。

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。本発明は各実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施の形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。

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に対して多段絞りを行うことで成形材１を製造する。多段絞りには、予備絞りと、この予備絞りの後に行われる少なくとも１回の圧縮絞りが含まれている。本実施の形態の成形材製造方法では、３回の圧縮（第１～第３圧縮）が行われる。素材金属板２としては、様々な鋼板を用いることができる。

予備絞りは、素材金属板２に加工を施すことで、胴部素体２０ａを有する予備体２０を形成する工程である。胴部素体２０ａは、図１の胴部１０よりも直径が広く、かつ深さが浅い筒状体である。胴部素体２０ａの深さ方向は、胴部素体２０ａの周壁の延在方向（高さ方向）によって規定される。本実施の形態では、予備体２０の全体が胴部素体２０ａを構成している。但し、予備体２０として、フランジ部を有するものを形成してもよい。この場合、フランジ部は胴部素体２０ａを構成しない。

第１～第３圧縮絞りは、後に詳しく説明するように、胴部素体２０ａの深さ方向に沿う圧縮力４２ａ（図５参照）を胴部素体２０ａに加えながら胴部素体２０ａを絞ることで胴部１０を形成する工程である。胴部素体２０ａを絞るとは、胴部素体２０ａの直径を縮めるとともに、胴部素体２０ａの深さをより深くすることを意味する。

各圧縮絞り後の予備体２０は、胴部素体２０ａの径方向に対して傾斜して延在されたフランジ部素体２０ｂを有している。フランジ部素体２０ｂは、後に詳しく説明するように各圧縮絞りに用いられるダイ４０に設けられたテーパ面４４に沿って延在されている。本実施の形態の成形材製造方法では、第３圧縮絞り後に予備体２０にリストライク加工が行われる。リストライク加工は、胴部素体２０ａ又は胴部１０の径方向に沿ってフランジ部素体２０ｂが延在するように、平坦状にフランジ部素体２０ｂを矯正する工程である。リストライク加工は後述のテーパ面４４を有しないダイと、ダイと対向するよう配置されるリフターパッドとでフランジ部素体２０ｂを挟み込むことで実施され得る。リストライク加工では、胴部１０又は胴部素体２０ａの周壁径及び高さが同一のまま、フランジ部素体２０ｂの加工が行われる。

本実施の形態の成形材製造方法では、リストライク加工を経ることで予備体２０が成形材１となる。しかしながら、例えばフランジ部１１が胴部１０の径方向に沿って傾斜して延在されていてもよい態様においては、リストライクが省略されて、第３圧縮絞りにより成形材１が得られてもよい。

次に、図３は図２の予備絞りに用いる金型３を示す説明図であり、図４は図３の金型３による予備絞りを示す説明図である。図３に示すように、予備絞りに用いる金型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。押込穴３０ａの周壁面とダイ３０の下面とは互いに直交して延在されており、これら押込穴３０ａの周壁面とダイ３０の下面とは所定の曲率半径を有する曲面状のダイ肩部により接続され得る。ダイ肩部は、９０度円弧面により構成され得る。また、ダイ肩部は、押込穴３０ａの入口外縁を画定する。クッションパッド３２は、ダイ３０の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４の予備絞りでは、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に押し込んで抜いてもよい。上述のようにフランジ部を有する予備体２０を形成する場合には、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の拘束から外れない深さで絞りを止めればよい。

次に、図５は図２の第１圧縮絞りに用いる金型４を示す説明図であり、図６は図５の金型４による第１圧縮絞りを示す説明図である。図５に示すように、第１圧縮絞りに用いる金型４には、ダイ４０、パンチ４１及びリフターパッド４２が含まれている。ダイ４０は、押込穴４０ａを有する部材である。パンチ４１は、胴部素体２０ａの内部に挿入されて胴部素体２０ａを押込穴４０ａに押込む円柱体である。

押込穴４０ａは、テーパ面４４を有している。テーパ面４４は、押込穴４０ａの入口において押込穴４０ａの周方向に延在されるとともに、押込穴４０ａの軸方向に対して傾斜して延在された面である。テーパ面４４は、押込穴４０ａの入口に底面が配置された円錐台の周面と理解することができる。ダイ４０の軸方向に直交する方向の断面において、テーパ面４４はダイ４０の軸方向に対して傾斜して延在された平面を構成する。テーパ面４４は、押込穴４０ａの入口から奥に向かって先細り状となるように設けられている。押込穴４０ａの入口は、パンチ４１側の押込穴４０ａの開口である。図５に示すように、ダイ４０の下方にパンチ４１が配置される態様では、押込穴４０ａの入口は押込穴４０ａの下部開口と理解することができる。

押込穴４０ａの入口内径４０ｂは、その押込穴４０ａを有するダイ４０を用いて行われる圧縮絞り前の胴部素体２０ａの周壁外径以上とされている。すなわち、図５に示す第１圧縮絞りに用いる金型４では、押込穴４０ａの入口内径４０ｂは、予備絞り後であって、第１圧縮絞り前の胴部素体２０ａの周壁外径以上とされている。

入口内径４０ｂと胴部素体２０ａの周壁外径との差は、その胴部素体２０ａの板厚の３倍以上であることが好ましい。このような寸法差を採ることで、搬送等により芯ずれが生じた場合においても胴部素体２０ａがテーパ外側へ外れることなく成形される。そのため、付与される圧縮力により胴部素体２０ａの周壁がダイ４０の下面とリフターパッド４２に挟まれ座屈する虞を低減できる。また、ダイ４０が必要以上に長大となるのを防ぐため、押込穴４０ａの入口内径４０ｂは、各絞り加工終了後に必要とされるフランジ部素体２０ｂの外径以下が好ましい。

リフターパッド４２は、ダイ４０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。具体的には、リフターパッド４２は、パッド部４２０及び付勢部４２１（支持部）を有している。パッド部４２０は、ダイ４０に対向するようにパンチ４１の外周位置に配置された環状部材である。付勢部４２１は、パッド部４２０の下部に配置されており、パッド部４２０を付勢支持している。付勢部４２１は、パッド部４２０を支持する支持力（付勢力）を調整できるように構成されている。パッド部４２０の上には、胴部素体２０ａが載置される。より具体的には、胴部素体２０ａの周壁の下端がパッド部４２０の上に載置される。胴部素体２０ａの周壁は、ダイ４０が降下した際にダイ４０及びパッド部４２０によって挟持される。このようにダイ４０及びパッド部４２０によって胴部素体２０ａの周壁が挟持されることで、付勢部４２１の支持力（リフターパッドによる圧縮力）が胴部素体２０ａの深さ方向に沿う圧縮力４２ａとして胴部素体２０ａに加えられる。すなわち、リフターパッド４２は、胴部素体２０ａの深さ方向に沿う圧縮力４２ａを胴部素体２０ａに加える加圧手段を構成する。

図６に示すように、第１圧縮絞りでは、ダイ４０が降下することによりパンチ４１とともに胴部素体２０ａが押込穴４０ａに押込まれて、胴部素体２０ａが絞られる。このとき、胴部素体２０ａには、ダイ４０及びパッド部４２０によって胴部素体２０ａの周壁が挟持された後に、胴部素体２０ａの深さ方向に沿う圧縮力４２ａが加えられ続ける。すなわち、第１圧縮絞りでは、圧縮力４２ａを加えながら胴部素体２０ａを絞る。この第１圧縮絞りは、パッド部４２０が下死点に到達するまでの間に完了するように行われる。パッド部４２０の下死点とは、機械的にパッド部４２０の降下が制限される位置を意味し、付勢部４２１の構造又はパッド部４２０の降下を規制する部材の位置等により規定される。換言すると、第１圧縮絞りは、パッド部４２０が底付きしないように行われる。パッド部４２０が下死点に到達するまでの間に完了するように第１圧縮絞りが行われることで、第１圧縮絞りの間、付勢部４２１の支持力が圧縮力４２ａとして胴部素体２０ａに作用される。すなわち、第１圧縮絞りでは、圧縮力４２ａを加えながら胴部素体２０ａを絞る。上述のように支持力を調節できるように付勢部４２１が構成されているので、この支持力を調節することで圧縮力４２ａが調節される。圧縮力４２ａが所定の条件を満たす場合、胴部素体２０ａに減肉を生じさせることなく、胴部素体２０ａを絞ることができる。圧縮力４２ａを変化させることによって、第１圧縮絞りを経た胴部素体２０ａの板厚を調整することができる。また、第１圧縮絞りでは、胴部素体２０ａの周壁は、テーパ面４４に押し当てられるとともに、テーパ面４４に沿って押込穴４０ａの奥に押し込まれる。

加工中、リフターパッド４２の下面は、パンチホルダー４３の上面に当接することなく、上下方向に対して上下自在に移動可能な状態にある。これは、リフターパッド４２がいわゆる底突きしておらず、加工中、下降してきたダイ４０と付勢部４２１の付勢力（リフターパッドによる圧縮力）により上昇しようとしているリフターパッド４２が胴部素体２０ａを介してバランスしている状態である。

図２の第２及び第３圧縮絞りは、図５及び図６に示す金型４と同様の構成を有する金型を用いて行われる。但し、ダイ４０、パンチ４１及びテーパ面４４の傾斜角度θ等の寸法は適宜変更される。第２圧縮絞りでは、圧縮力４２ａを加えながら、第１圧縮絞り後の胴部素体２０ａを絞る。また、第３圧縮絞りでは、圧縮力４２ａを加えながら、第２圧縮絞り後の胴部素体２０ａを絞る。これらの第１～第３圧縮絞りを経て、胴部素体２０ａが胴部１０とされる。第２圧縮絞りに用いる金型４では、押込穴４０ａの入口径は、第１圧縮絞り後であって、第２圧縮絞り前の胴部素体２０ａの周壁外径以上とされている。同様に、第３圧縮絞りに用いる金型４では、押込穴４０ａの入口径は、第２圧縮絞り後であって、第３圧縮絞り前の胴部素体２０ａの周壁外径以上とされている。

図７は、第１～第３圧縮絞り時に胴部素体２０ａの周壁に作用する圧縮力を示した模式図である。第１～第３圧縮絞り中に、リフターパッド４２から付与される圧縮力４２ａは、縮径前の部分４６については胴部素体２０ａの深さ方向に作用する。その一方、胴部素体２０ａの周壁がテーパ面４４に押し当てられている部分では、テーパ面４４に沿った圧縮力４２ｂが発生する。この圧縮力４２ｂは、押込穴４０ａの軸方向に直交する方向の成分を有する。すなわち、圧縮力４２ｂの分力は、押込穴４０ａの径方向内方に向かう。

径方向内方に向かう圧縮力４２ａの分力により、テーパ面４４を通過した後の胴部素体２０ａ又は胴部１０の内周壁は、テーパ面４４の延長線上に位置するパンチ４１の外側面に押し当てられる。これにより、胴部素体２０ａ又は胴部１０の内周壁がパンチ４１の外側面と隙間なく成形され、胴部素体２０ａ又は胴部１０の内側の寸法はパンチ４１の形状を転写した形状となる。その結果、仕上げしごきを行わずとも胴部１０の内径真円度を満足し、仕上げしごき加工によるめっき滓の発生等の不具合を回避することができる。

なお、テーパ面４４の傾斜角度θが小さく、テーパ面４４が急峻であるほど、押込穴４０ａの奥側への胴部素体２０ａの流入は促進される。しかしながら、テーパ面４４の傾斜角度θが小さいとき、押込穴４０ａの入口内径４０ｂを圧縮絞り前の胴部素体２０ａの周壁外径以上とするためには、ダイ４０を上下に長く設計する必要があり長大となる。一方、テーパ面４４の傾斜角度θが大きいとき、押込穴４０ａの奥側への胴部素体２０ａの流入が阻害され、寸法精度が低下する可能性がある。

後に具体的に説明するように、押込穴４０ａの軸方向に対するテーパ面４４の傾斜角度をθ(°)としたとき、以下の式（１）の関係を満たすようにθが決定されていることが好ましい。
２０°≦θ≦６０° ・・・・・式（１）
２０°≦θであることで、リフターパッド４２による圧縮力が大きくなったとしても、胴部周壁の板厚が過度に厚くなることを回避することができる。一方、θ≦６０°であることで、リフターパッド４２による圧縮力が小さい場合でも、内径寸法及び内径真円度の精度を向上できる。なお、押込穴４０ａの軸方向は、胴部素体２０ａの押込み方向、又はパンチ４１の進退方向と理解することができる。

また、胴部素体２０ａに付加される圧縮力４２ａを胴部素体２０ａの周壁の断面積で除した値を圧縮圧力Ｐ（単位：Ｎ／ｍｍ²）とし、押込穴４０ａの軸方向に対するテーパ面４４の傾斜角度をθ(°)としたとき、θに応じて、以下の式（２）又は式（３）の関係を満たすようにＰが決定されていることが好ましい。なお、胴部素体２０ａの周壁の断面積は、任意の方法により算出することができるが、出各圧縮絞り前の高さ方向に係る胴部素体２０ａの周壁の平均板厚を用いて算出してよい。
５５ ≦Ｐ≦ ０．９９θ＋１２３ （２０°≦θ≦４５°） ・・・・・式（２）
２．４７θ－５６ ≦Ｐ≦ ０．９９θ＋１２３ （４５°＜θ≦６０°） ・・・・・式（３）
このようにＰが決定されていることにより、破断又はめっき滓等の不具合の発生をより確実に回避できる。

（実施例）
次に、実施例を示す。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、めっき付着量９０ｇ／ｍ²、直径１１６ｍｍの円形板を素材金属板２として、圧縮力４２ａの大きさと、胴部素体２０ａの胴部周壁平均板厚（ｍｍ）との関係を調査した。また、圧縮力を与えない通常減肉加工（比較例１）と、圧縮絞り工程の圧縮力４２ａを変化させて作製した種々の胴部素体２０ａの内径と内径真円度とを調査した。その時の加工条件を表１に示す。

図８は、第３圧縮絞りが終了した後の胴部１０の板厚分布を示すグラフであり、第１～第３圧縮絞り時にリフターパッド４２により付与した圧縮圧力と胴部１０の周壁板厚分布との関係を示す。図９は、図８の板厚測定位置を示す説明図である。図８では、第３圧縮絞り後の胴部１０の周壁板厚を縦軸とし、胴部１０の周壁の板厚測定位置を横軸としている。なお、第１～第３圧縮絞り時の圧縮力は一定とし、板厚測定については素材圧延方向に対し平行となる方向を測定した。

図８に示すように、第１～第３圧縮絞り工程における圧縮圧力が大きくなるにつれて胴部１０の周壁板厚は全体的に増大する。圧縮圧力が９２Ｎ／ｍｍ²以上では肩部近傍（測定位置：５ｍｍ位置）を除いて素材板厚（１．８ｍｍ）以上となる。また、圧縮圧力を１４７Ｎ／ｍｍ²以上とすることで、上部（測定位置：５ｍｍ～１０ｍｍ位置）を除いて胴部周壁の板厚は第３圧縮絞り工程の金型のクリアランス（ダイ４０とパンチ４１の金型隙間の大きさ）に達している。

図１０は、第１～第３圧縮絞り工程におけるリフターパッド４２により付与した圧縮圧力と第３圧縮絞り後における胴部１０の内径との関係を示すグラフである。内径寸法測定位置は図９に示す。素材金属板２は、図８と同様に板厚１．８ｍｍのＺｎ－Ａｌ－Ｍｇめっき鋼板を用い、第１～第３圧縮絞り時の圧縮圧力は一定とした。また、製品規格は３６．１５ｍｍ±０．０５ｍｍとした。圧縮圧力が高くなるにつれて胴部内径は小さくなる傾向にあり、１４７Ｎ／ｍｍ²以上の圧縮圧力を付与すると、実質的に内径は第３絞り時のパンチ径以下となることが分かる。これは、図８にて示した、胴部１０の周壁板厚が上部（測定位置：５ｍｍ～１０ｍｍ位置）を除いて第３圧縮絞り工程の金型のクリアランスに達する圧縮圧力と一致している。このことから、第１～第３圧縮絞り工程において１４７Ｎ／ｍｍ²以上の圧縮圧力を付与すると、胴部１０の周壁板厚が増肉し金型内に素材が充填されることで、胴部１０の周壁がパンチとダイに隙間無く成形されるため内径が小さくなる。

一方、リフターパッド４２による圧縮力を付与しない０Ｎ／ｍｍ²における内径と比較し、５５Ｎ／ｍｍ²～１２９Ｎ／ｍｍ²の圧縮圧力を付与した場合においても内径が小さくなっている。図８にて示したように、この場合の胴部１０の周壁板厚は第３圧縮絞り工程の金型のクリアランス以下であるため、内径が小さいということは胴部１０の周壁－パンチ間の隙間はほとんど無く、胴部１０の周壁－ダイ４０間に隙間が生じていることを示している。測定位置が１５ｍｍの箇所においては５５Ｎ／ｍｍ²の圧縮圧力の付与によって内径とパンチ径の差、つまり胴部１０の周壁とパンチ径の隙間が半分以下となっており、胴部１０の周壁板厚が金型クリアランス以下であっても内径規格を満足することができる。

図１１は、第１～第３圧縮絞り工程におけるリフターパッドにより付与した圧縮圧力と第３圧縮絞り後の胴部内径真円度との関係を示すグラフである。内径真円度は接触式の三次元座標測定機（東京精密製、ＳＶＡ６００Ａ－Ｃ２）を用いて測定した。成形品は非破壊とし、ボール径が４ｍｍである超硬シャフトスタイラスを使用した。胴部素体２０ａの深さ方向に対する任意の高さにおいて、胴部素体２０ａの内側を周方向に２２．５度ピッチで１６点の座標を測定し、これらの測定点から円形形体を抽出し内径真円度を導出した。なお、内径真円度とは胴部素体２０ａの深さ方向に対する任意の高さの内壁形状を円形形体として、この円形形体を二つの同心円で挟んだとき、同心二円の間隔が最小となる場合の二円の半径差で表される。また、内径真円度の製品規格は０．０２ｍｍ以下とした。素材金属板２は、図８と同様に板厚１．８ｍｍのＺｎ－Ａｌ－Ｍｇめっき鋼板を用い、第１～第３圧縮絞り時の圧縮力は一定とした。

圧縮力を付与しない０Ｎ／ｍｍ²の内径真円度は、測定位置が１５ｍｍ、３０ｍｍの箇所において０．０４ｍｍ以上であり製品規格を外れている。これに対して、圧縮圧力を５５Ｎ／ｍｍ²以上付与した場合の内径真円度はいずれの圧縮圧力においても半分以下であり、製品規格である０．０２ｍｍ以下となっている。これは、５５Ｎ／ｍｍ²以上の圧縮圧力を付与することで素材とパンチ４１の間が隙間無く成形され、胴部１０の周壁の内側がパンチ形状を転写し真円形状に近付いたためである。

表２～表６は、本発明における成形可能範囲を示す実験結果である。素材金属板２には、普通鋼の冷延鋼板にＺｎ－Ａｌ－Ｍｇめっきが施された厚さ１．８ｍｍ、めっき付着量９０ｇ／ｍ２、直径１１６ｍｍの円形板を使用した。押込穴４０ａの軸方向に対するテーパ面４４の傾斜角度θを２０°から７０°まで変化させ、内径寸法、内径真円度、めっきかす発生の有無および破断の有無で評価した。内径寸法は３６．１５±０．０５ｍｍ、内径真円度は０．０２ｍｍ以下を製品規格とし、深さ方向の各測位置（１５ｍｍ、３０ｍｍ、４５ｍｍ）全てで製品規格を満足した場合は○、一箇所でも製品規格を外れた場合は×と示す。破断の有無については、第１～第３圧縮絞り工程で成形した円筒状の加工品を、モータケースを模擬した金型を用いてプレス加工を行った際の結果である。成形可否については、各評価項目を全て満足するものを図中の評価欄に○で、１つでも外れたものを×でそれぞれ示している。

テーパ面４４の傾斜角度θが４５°の場合（表４）に、成形可能なリフターパッド４２による圧縮圧力範囲が最も広く、第１～第３圧縮絞り時に５５Ｎ／ｍｍ²以上のリフターパッド４２による圧縮圧力を付与することで、内径寸法および内径真円度は製品規格を満足する。１８４Ｎ／ｍｍ²以上の圧縮圧力を付与した場合、胴部周壁が模擬金型のクリアランスに対して過度に厚くなり胴部周壁のダイ内への流入抵抗が大きくなり加工品頂部で破断が生じた。

テーパ面４４の傾斜角度θが成形可能範囲に及ぼす影響について、テーパ面４４の傾斜角度θが小さい場合は、第１～第３圧縮絞り時にダイ４０内への胴部周壁の流入が促進され胴部周壁の板厚が厚くなる。そのためリフターパッド４２による圧縮力が大きくなると板厚が過度に厚くなり、金型と胴部周壁の面圧が大きくなる。このとき、めっき滓が発生し、胴部周壁のダイ４０内への流入抵抗が大きくなり、頂壁１００及びその近傍で破断を生じ易くなる。そこで、テーパ面４４の傾斜角度θの下限は２０°とすることが好ましい。但し、テーパ面４４の傾斜角度θが２０°の場合は金型を上下に長く設計する必要がある。

一方、テーパ面４４の傾斜角度θが大きい場合は、第１～第３圧縮絞り時にダイ４０内への胴部周壁の流入が阻害され、胴部周壁がテーパ面４４の領域４７を通過した後、テーパ面４４の延長線上にあるパンチ４１の側面に接触することなく成形されることが生じる。そのため、リフターパッド４２による圧縮力が小さい範囲では、内径寸法および内径真円度が製品規格から外れ、テーパ面４４の傾斜角度θが７０°（表６）ではいずれの圧縮圧力においても規格から外れていた。このため、テーパ面４４の傾斜角度θは、以下の式（１）を満たすように決定されることが好ましい。

２０°≦θ≦６０° ・・・・・式（１）

図１２は、表２～表６に示した成形可能範囲とテーパ面４４の傾斜角度θと圧縮圧力Ｐ（リフターパッド４２より受ける深さ方向の圧縮力を胴部素体２０ａの周壁の断面積で除した値）の関係を示した説明図である。各項目を全て満足するものを図中○で、破断又はめっき滓が生じたものを×で、内径寸法又は内径真円度が製品規格を満足していなかったものを▲でそれぞれ示している。図１２の結果から、胴部素体２０ａに付加される圧縮力を胴部素体２０ａの周壁の断面積で除した値をＰ（単位：Ｎ／ｍｍ²）とし、押込穴４０ａの軸方向に対するテーパ面４４の傾斜角度をθ(°)としたとき、θに応じて、以下の式（２）又は式（３）の関係を満たすようにＰを決定することが好ましい。
５５≦Ｐ≦０．９９θ＋１２３ （２０°≦θ≦４５°） ・・・・・式（２）
２．４７θ－５６≦Ｐ≦０．９９θ＋１２３ （４５°＜θ≦６０°） ・・・・・式（３）

このような成形材製造方法及び成形用金型によれば、テーパ面４４により圧縮力の分力が押込穴４０ａの径方向内方に向かうので、圧縮絞り中に胴部素体２０ａの周壁をパンチ４１に押付けることができ、胴部素体２０ａ又は胴部１０の内周面をパンチ４１の外周面に隙間なく成形できる。これにより、仕上げしごき加工を行わなくても、胴部１０の内径真円度を向上できる。仕上げしごき加工を必要としないため、素材表面や金型への負荷が低減し、めっき滓の発生やかじりの発生を回避することが可能となる。本構成は、モータケース等の成形材の高精度な内径真円度が求められる適用対象において特に有用である。

また、押込穴４０ａの軸方向に対するテーパ面４４の傾斜角度をθ(°)としたとき、２０°≦θ≦６０°の関係を満たすようにθが決定されるので、リフターパッド４２による圧縮圧力が大きくなったとしても、胴部周壁の板厚が過度に厚くなることを回避することができるとともに、リフターパッド４２による圧縮圧力が小さい場合でも、内径寸法及び内径真円度の精度を向上できる。

また、胴部素体２０ａに付加される圧縮力を胴部素体２０ａの周壁の断面積で除した値をＰ（単位：Ｎ／ｍｍ²）とし、押込穴４０ａの軸方向に対するテーパ面４４の傾斜角度をθ(°)としたとき、θに応じて、以下の式（２）または式（３）の関係を満たすようにＰが決定されているので、破断又はめっき滓等の不具合の発生をより確実に回避できる。
５５ ≦Ｐ≦ ０．９９θ＋１２３ （２０°≦θ≦４５°） ・・・・・式（２）
２．４７θ－５６ ≦Ｐ≦ ０．９９θ＋１２３ （４５°＜θ≦６０°） ・・・・・式（３）

また、パッド部４２０を支持する支持力を調節できるように構成されているので、素材金属板の板厚によらず第１～第３圧縮絞り工程の圧縮圧力を適正圧力範囲内に合わせこむことができ、安定して高精度な内径真円度を満足する絞り加工を行うことができる。

なお、実施の形態では圧縮絞り加工を３回行うように説明しているが、圧縮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。

また、実施の形態では、パッド部４２０を支持する支持力を調節できるように説明したが、パッド部４２０を支持する支持力が調整可能とされていなくてもよい。

Claims (6)

1. 素材金属板に対して多段絞りを行うことで、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を含む成形材製造方法であって、
   前記多段絞りには、
   胴部素体を有する予備体を前記素材金属板から形成する予備絞りと、
   押込穴を有するダイと、前記胴部素体の内部に挿入されて前記胴部素体を前記押込穴に押込むパンチと、前記胴部素体の深さ方向に沿う圧縮力を前記胴部素体の周壁に加える加圧手段とを含む金型を用いて前記予備絞りの後に行われ、前記圧縮力を前記胴部素体に加えながら前記胴部素体を絞ることで前記胴部を形成する少なくとも１回の圧縮絞りと、
   が含まれており、
   前記押込穴は、前記押込穴の入口において前記押込穴の周方向に延在されるとともに、前記押込穴の軸方向に対して傾斜して延在されたテーパ面を有し、前記テーパ面により前記圧縮力の分力が前記押込穴の径方向内方に向かうように構成されており、
   前記押込穴の入口内径は、該押込穴を有する前記ダイを用いて行われる圧縮絞り前の前記胴部素体の周壁外径以上とされており、
   前記押込穴の軸方向に対する前記テーパ面の傾斜角度をθ(°)としたとき、以下の式（１）の関係を満たすようにθが決定されている
   ２０°≦θ≦６０° ・・・・・式（１）
   成形材製造方法。
2. 前記胴部素体に付加される前記圧縮力を前記胴部素体の周壁の断面積で除した値を圧縮圧力Ｐ（単位：Ｎ／ｍｍ²）とし、前記押込穴の軸方向に対する前記テーパ面の傾斜角度をθ(°)としたとき、
   θに応じて、以下の式（２）または式（３）の関係を満たすようにＰが決定されている
   ５５ ≦Ｐ≦ ０．９９θ＋１２３ （２０°≦θ≦４５°） ・・・・・式（２）
   ２．４７θ－５６ ≦Ｐ≦ ０．９９θ＋１２３ （４５°＜θ≦６０°） ・・・・・式（３）
   請求項１に記載の成形材製造方法。
3. 前記加圧手段は、前記ダイに対向するように前記パンチの外周位置に配置されて前記胴部素体の周壁の下端が載置されるパッド部と、前記パッド部を下方から支持するとともに前記パッド部を支持する支持力を調節できるように構成された付勢部とを有するリフターパッドであり、
   前記少なくとも１回の圧縮絞りは、前記パッド部が下死点に到達するまでの間に完了するように行われ、
   前記胴部素体の圧縮絞りが行われる際に前記支持力が前記圧縮力として前記胴部素体に作用する、
   請求項１又は請求項２に記載の成形材製造方法。
4. 胴部素体を有する予備体に絞り加工を行うための成形用金型であって、
   押込穴を有するダイと、
   前記胴部素体の内部に挿入されて前記胴部素体を前記押込穴に押込むパンチと、
   前記胴部素体の深さ方向に沿う圧縮力を前記胴部素体の周壁に加える加圧手段と
   を備え、
   前記圧縮力を前記胴部素体に加えながら前記胴部素体を絞るように構成されており、
   前記押込穴は、前記押込穴の入口において前記押込穴の周方向に延在されるとともに、前記押込穴の軸方向に対して傾斜して延在されたテーパ面を有し、前記テーパ面により前記圧縮力の分力が前記押込穴の径方向内方に向かうように構成されており、
   前記押込穴の入口内径は、該押込穴を有する前記ダイを用いて行われる圧縮絞り前の前記胴部素体の周壁外径以上とされており、
   前記押込穴の軸方向に対する前記テーパ面の傾斜角度をθ(°)としたとき、以下の式（１）の関係を満たすようにθが決定されている
   ２０°≦θ≦６０° ・・・・・式（１）
   成形用金型。
5. 前記胴部素体に付加される前記圧縮力を前記胴部素体の周壁の断面積で除した値を圧縮圧力Ｐ（単位：Ｎ／ｍｍ²）とし、前記押込穴の軸方向に対する前記テーパ面の傾斜角度をθ(°)としたとき、
   θに応じて、以下の式（２）または式（３）の関係を満たすようにＰが決定されている
   ５５ ≦Ｐ≦ ０．９９θ＋１２３ （２０°≦θ≦４５°） ・・・・・式（２）
   ２．４７θ－５６ ≦Ｐ≦ ０．９９θ＋１２３ （４５°＜θ≦６０°） ・・・・・式（３）
   請求項４に記載の成形用金型。
6. 前記加圧手段は、前記ダイに対向するように前記パンチの外周位置に配置されて前記胴部素体の周壁の下端が載置されるパッド部と、前記パッド部を下方から支持するとともに前記パッド部を支持する支持力を調節できるように構成された付勢部とを有するリフターパッドであり、
   前記少なくとも１回の圧縮絞りは、前記パッド部が下死点に到達するまでの間に完了するように行われ、
   前記胴部素体の圧縮絞りが行われる際に前記支持力が前記圧縮力として前記胴部素体に作用する、
   請求項４又は請求項５に記載の成形用金型。

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