JP7183036B2 - 打ち抜き被加工材の打ち抜き加工方法および打ち抜き被加工材の打ち抜き加工型 - Google Patents

Description

本発明は、例えば自動車用部品の穴開け加工のような、打ち抜き被加工材（鋼板）の打ち抜き加工に関するものであり、特にせん断加工時にせん断面に生じる割れを防止し、平滑なせん断面を得る打ち抜き被加工材の打ち抜き加工方法および打ち抜き被加工材の打ち抜き加工型に関するものである。

自動車部品などの金属板加工では、軽量化を目的とした肉抜き、飾り穴、バーリング加工の下穴等のために、穴開け加工が施されることが多い。加工方法には、レーザー加工、機械加工、打ち抜き加工等がある。このなかでも打ち抜き加工は汎用プレス機を用いて行うことができる加工であり、加工効率が高いため最も広く用いられる穴開け加工方法である。

一方で、穴の、加工される鋼板表面と直交する面の性状は比較的荒れやすい。図１に示すように、穴の、加工される鋼板表面と直交する面は、ポンチ先端の切刃で直接形成されたせん断端面１と、加工の後半過程で打ち抜き屑が鋼板（打ち抜き被加工材）から引き千切られる際に形成される破断面２から構成される。このうち破断面２は粗く、加工の条件によっては微細な割れを伴うなど、問題となる場合も知られている。さらに、破断面２の粗さや微小割れ以外に、鋼板表面に平行な割れ（以下、端面割れ３という。）が生じることがある。この端面割れ３は、部品疲労耐久性の低下や塗装密着性の悪化による耐食性の低下を招く可能性がある。また、外観上の問題で品質不良として扱われ、部品製造の歩留まりを著しく悪化させる原因にもなる。近年の自動車軽量化ニーズに対して、自動車部品に用いる鋼板の高強度化が進められており、鋼板の靭性の低下により端面割れがますます発生しやすくなっている。

特許文献１には、ポンチ先端部にポンチ径の５～２０％の面取りを施したポンチを使用し、打ち抜き初期にせん断き裂発生部に加工硬化を与え、き裂進展の調整を行なうことで端面割れを生じない打ち抜き加工方法が開示されている。これと類似し、特許文献２には、ポンチ先端部に小さな形状の凸部を設けることでせん断き裂発生部に加工硬化を与え、き裂進展の調整を行なうことで端面割れを生じない打ち抜き加工方法が開示されている。

また、特許文献３には、径の差が小さいポンチとダイスを用いて被加工材を半抜きする第一工程と、次いで第一工程で使用したダイスより径の大きなダイスを使用して打ち抜く第二工程で打ち抜いて割れを防止する技術が開示されている。

特許文献４には、ポンチ刃先を構成するいずれの線も被加工材に対して斜めに配置され、一平面からなる刃先面がパンチ軸に対して８０°以下の角度をなしているポンチを用いることで、端面割れを抑制する技術が開示されている。

特開平８－５７５５７号公報 特開平８－９９１３１号公報 特開平９－３１４２５０号公報 特開２００５－３４９４５６号公報

しかしながら、特許文献１と特許文献２に記載の技術は、端面割れに対して一定の効果を有するが、すべての端面割れに対する有効な対策技術とはなっていない。

特許文献３に記載の技術は、打ち抜き工程が２倍になり、さらにダイスを交換する必要がある。このため、加工効率を悪化させるという問題がある。

特許文献４に記載の技術は、端面割れ抑制に一定の効果を有するものの、ポンチ形状がポンチ軸に対して非回転対称であるため、打ち抜き加工で最後にポンチに接触する側の打ち抜き端面、特に高強度鋼板の打ち抜き端面において、端面割れを完全に抑制することができない。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、端面割れを抑制することができる、打ち抜き被加工材の打ち抜き加工方法および打ち抜き被加工材の打ち抜き加工型を提供することを目的とする。

図２（ａ）は打ち抜き加工型により打ち抜き被加工材である鋼板（以下、打ち抜き被加工材を単に鋼板と称することもある）を打ち抜き加工する様子を示す模式図である。図２（ａ）に示すように、打ち抜き加工は、クリアランスのあるポンチ４とダイス５で行われる。打ち抜き時、図２（ｂ）に示すように、鋼板６は、圧縮と引張応力を受ける。このため、ポンチ４とダイス５の両切刃から打ち抜き時にき裂が発生し、き裂はせん断力に沿って伝播する（せん断き裂７）。なお、図２において、破線はポンチ４の中心軸を示す。

発明者らは、鋼板表面に平行な端面割れを抑制するために、割れの発生メカニズムについて研究を行なった。打ち抜き加工をシミュレーションする解析モデルを開発し、打ち抜き加工中にせん断き裂発生部位に発生する応力状態を調べた。その結果、せん断き裂が発生すると同時にせん断き裂発生部位の応力状態は多軸応力場となり、せん断により被加工材を引き千切る方向（最大主応力方向）に直交する方向（最小主応力方向）に引張の応力（以下、垂直応力）が生じるようになり、これが端面割れを発生させる要因となっていることを知見した。上述した特許文献１、２の課題である、せん断き裂進展のずれにより生じる端面割れに対する対策とは全く異なる対策技術が必要となる。

さらに詳細な研究の結果、この垂直応力は、せん断き裂発生のタイミングによりその大きさを低減でき、端面割れ発生を抑制できることを突き止めた。すなわち、打ち抜き加工のせん断き裂はある程度ポンチが押し込まれた段階で発生するが、せん断き裂発生までのポンチ押し込み量を減少させることによって垂直応力を小さくできることが分かった。

発明者らはこれらの研究結果に基づいて、せん断き裂を早期に発生させることができる打ち抜き型形状について鋭意検討を重ねた結果、図３に示す形状のポンチを備える打ち抜き加工型を用いて打ち抜き加工を行うことにより、端面割れを抑制することに成功した。

本発明の要旨は以下のとおりである。
［１］ポンチとダイスを用いた打ち抜き被加工材の打ち抜き加工方法において、前記打ち抜き被加工材に接する前記ポンチ先端の刃先が前記ポンチの最外周側面に対して４５°以上８８°以下の角度を有することを特徴とする、打ち抜き被加工材の打ち抜き加工方法。
［２］前記刃先はＲ形状であることを特徴とする、［１］に記載の打ち抜き被加工材の打ち抜き加工方法。
［３］ポンチとダイスとを備える打ち抜き被加工材の打ち抜き加工型において、
前記打ち抜き被加工材に接する前記ポンチ先端の刃先が前記ポンチの最外周側面に対して４５°以上８８°以下の角度を有することを特徴とする、打ち抜き被加工材の打ち抜き加工型。
［４］前記刃先はＲ形状であることを特徴とする、［３］に記載の打ち抜き被加工材の打ち抜き加工型。

本発明によれば、打ち抜き被加工材の打ち抜き加工において、端面割れを抑制することができる。したがって、打ち抜き加工穴やせん断端面を有する部品の、端面割れに起因する疲労耐久性低下や耐食性の低下などを抑制できる。

図１は、穴の、加工される鋼板表面と直交する面を示す模式図である。 図２は、打ち抜き加工型および打ち抜き加工方法の概要を説明する模式図であり、（ａ）は打ち抜き加工型により鋼板を打ち抜き加工する様子を示す模式図であり、（ｂ）は打ち抜き加工時における割れ発生を説明する模式図である。 図３（ａ）（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る、打ち抜き加工型を示す模式図である。

本発明の打ち抜き加工方法および打ち抜き加工型について、図面を用いて説明する。

図３は、本発明の打ち抜き加工型を示す断面模式図である。本発明の打ち抜き加工型は、図３に示すように、ポンチ４と、ダイス５とを備え、鋼板６に接するポンチ４先端の刃先（切刃部分）は、ポンチ４の最外周側面に対して４５°以上８８°以下の角度θを有していることを特徴とする。

鋼板６に接するポンチ４先端の刃先が４５°以上８８°以下の角度θを有することにより、せん断き裂発生部の応力集中を高め、せん断き裂発生を促進することを狙ったものである。したがって、ポンチ４先端の刃先が、ポンチ４の最外周側面に対して８８°超えの角度になると、ほぼ平坦に近い刃先形状となり、せん断き裂発生のタイミングを早める効果がなくなる。一方で、角度θが４５°未満となると、ポンチから発生・進展するせん断き裂とダイスから発生・進展するせん断き裂が会合せずに、打ち抜き割れが発生する。このため、鋼板６に接するポンチ４先端の刃先は、ポンチ４の最外周側面に対して４５°以上８８°以下の角度θを有する。好ましくは、５５°以上８６°以下であり、より好ましくは６０°以上８５°以下である。

したがって、本発明の打ち抜き加工型を用いて打ち抜き加工を行うことにより、特にせん断加工時にせん断面に生じる端面割れを防止し、平滑なせん断面を得ることができる。

角度θを設けた刃先の高さＨは、０．２ｍｍ以上とすることが好ましい。刃先の高さＨが０．２ｍｍ未満の場合、せん断き裂発生のタイミングを早める効果が小さくなり、端面割れ発生を抑制できないおそれがある。刃先の高さＨの上限については、ポンチ４半径と刃先の角度θにより幾何学的に決まるものであり、加えてせん断き裂発生を早期に発生させる効果には影響を与えないため、特に上限を定めない。

打ち抜き加工型の寿命の観点では、ポンチ４の刃先はＲ形状とするのが好ましい。このときの曲率半径は、刃先の先端の応力集中によるせん断き裂発生促進効果と打ち抜き加工型の負荷軽減効果がバランスする条件として、０．１～０．５ｍｍとすることが好ましい。さらに、打ち抜き加工型の寿命を延ばすために、ポンチ４にコーティング処理を施してもよい。コーティングの材質は、通常工具保護のために用いられるものであれば特に限定する必要はない。

本発明の打ち抜き加工型については、上述したように刃先の角度θが４５°以上８８°以下であれば刃先の先端以外の形状は特に制限されない。例えば、図３（ａ）は刃先の中央が窪んだ円錐状にくり抜かれた形状であるが、図３（ｂ）に示すような、刃先が円錐台形状にくり抜かれた形状であってもよい。

また、打ち抜き加工におけるクリアランスとしては、５～３０％とするのが好ましい。なお、クリアランスは、ポンチ４とダイス５の隙間（ｍｍ）を鋼板６の板厚（ｍｍ）で除して百分率で表した値である。

また、本発明において、打ち抜き被加工材が鋼板である場合、鋼板としては特に制限されないが、引張強さが５９０ＭＰａ以上の鋼板であることが好ましい。本発明の打ち抜き加工型を用いて打ち抜き加工することにより、特に引張強さが５９０ＭＰａ以上の鋼板において認められる端面割れを抑制することができる。

以下に本発明の実施例を説明する。

打ち抜き被加工材は、板厚１．０～６．０ｍｍの高強度鋼板（引張強度は表１を参照）を用いた。打ち抜き加工型は、図３（ａ）または図３（ｂ）に示した形状のポンチ４を用いた。打ち抜き被加工材に対して、打ち抜き速度２００ｍｍ／ｓで円形の穴を開けた。

打ち抜き加工は各材料で２０回行ない、打ち抜き後のせん断端面（図１の破断面）を目視で観察し、端面割れの有無を確認した。端面割れの生じた割合が５％以下のサンプルを合格として評価した。

結果を表１に示す。

表１の結果から、本発明の打ち抜き加工型を用いて打ち抜き加工することにより、端面割れを防止できることが分かる。

１ せん断面
２ 破断面
３ 端面割れ
４ ポンチ
５ ダイス
６ 鋼板（打ち抜き被加工材）
７ せん断き裂
θ 刃先の角度
Ｈ 刃先の高さ

Claims (2)

1. ポンチとダイスを用いた打ち抜き被加工材の打ち抜き加工方法において、
   前記打ち抜き被加工材は引張強さが５９０ＭＰａ以上の鋼板であり、
   前記打ち抜き被加工材に接する前記ポンチ先端の刃先が前記ポンチの最外周側面に対して４５°以上８８°以下の角度を有し、前記ポンチ先端の刃先が曲率半径を０．１～０．５ｍｍとするＲ形状であり、かつ、前記ポンチ先端の刃先の高さが０．２ｍｍ以上であり、前記ポンチは、刃先の中央が窪んだ円錐状にくり抜かれた形状、または刃先が円錐台形状にくり抜かれた形状を有しており、
   前記打ち抜き被加工材の打ち抜き加工における、せん断き裂発生までの前記ポンチの押し込み量を減少させることによって、せん断により被加工材を引き千切る方向に直交する方向に生じる引張の応力を低減することを特徴とする、打ち抜き被加工材の打ち抜き加工方法。
2. ポンチとダイスとを備える打ち抜き被加工材の打ち抜き加工型において、
   前記打ち抜き被加工材は引張強さが５９０ＭＰａ以上の鋼板であり、
   前記打ち抜き被加工材に接する前記ポンチ先端の刃先が前記ポンチの最外周側面に対して４５°以上８８°以下の角度を有し、前記ポンチ先端の刃先が曲率半径を０．１～０．５ｍｍとするＲ形状であり、かつ、前記ポンチ先端の刃先の高さが０．２ｍｍ以上であり、前記ポンチは、刃先の中央が窪んだ円錐状にくり抜かれた形状、または刃先が円錐台形状にくり抜かれた形状を有することを特徴とする、打ち抜き被加工材の打ち抜き加工型。

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