JPH03243240A - 円筒部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、プレス機械を用いた円筒部材の製造方法に係
わり、特に、円柱状金属製の素材の中心軸上に、パンチ
を用いて貫通孔を打ち抜き加工し、これにより、円筒部
材を得るための円筒部材の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

従来、円柱状金属製の素材の中心軸上に、パンチを用い
て貫通孔を打ち抜き加工し、これにより、円筒部材を得
るための円筒部材の製造方法としては、例えば、特公昭
５７−４９２９６号公報に開示されるような穴抜加工装
置を用いた方法が知られている。

第９図は、この穴抜加工装置を用いた方法の概略を示す
もので、この方法では、コンテナ１１内に挿入された、
外径りで、穴径ｄより長い長さを有する素材１３を、パ
ンチ１５で打ち抜き、スクラップ１７をダイボタン１９
の中央部の穴２１に押し込むことにより、第１０図ない
し第１２図の状態を経て、最終的に外径り、内径ｄ、長
さＨ十αのパイプ状の円筒部材２３が形成される。

このような方法によれば、内周部に欠陥の無い円筒部材
２３を、歩留まり良く製造することが可能となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、このような従来の方法では、素材外径り
と打ち抜き穴径ｄとが、 ｄ”　／Ｄ２＜０．３ の関係にある時にのみ実用化が可能であるという制限が
あった。

すなわち、一般に、第１０図において、距離りが、打ち
抜き加工開始時のＬ＝Ｈより順次減少する間の素材の挙
動は一様ではなく、大別して■　流動域 ■　剪断および破断域 との２段階に区別することができる。

ここで、■の流動域とは、変形途中の素材１３における
直径ｄの面で囲まれた中央部と、この面と直径Ｄ＋ｄの
面で囲まれた外周部との間に材料の移動が存在する距離
りの領域である。

また、■の剪断および破断域とは、第１１図および第１
２図に示すように、もはやスクラップ１７の体積が決定
され、ただパンチ１５によってダイボタン１９の穴に、
スクラップ１７となる材料が移動する領域である。

以下、この分岐点となる時点での距離りを第１Ｉ図に示
すように、Ｌ、とし、これ等の領域における材料の挙動
を詳細に説明する。

（１）■の流動域における材料の流動の説明第１３図に
示すように、流動域における材料の挙動は、ｄ２／Ｄ２
の値によって自然に選択され、ｄ”　／Ｄ２＜０．３に
おいては、もっばら後方押出が行なわれ、ｄ２／ｌ）Ｚ
≧０．７においては、もっばら前方押出が行なわれる。

また、０．１＞ｄ”／Ｄｔ≧０．３においては、その発
生し易さの割合で、後方押出および前方押出との両方が
行なわれることが確認されている。

ここにおいて、後方押出の起こる条件を示す曲線をＰＢ
曲線、前方押出の起こる条件を示す曲線をＰＦ曲線とす
ると、これ等の曲線を示す式は、ＰＢ＝Ｋｆ　ｃＸ　（
π／４）ｄ”　　・・・（１）ＰＦ＝Ｋｆ　ｃＸ　（π
／４）（Ｄ”　−ｄ”　）１２）で表され、図の太線で
示される選択曲線ＰＴは、ＰＢとＰＦのどちらか低い方
の値が選択される。

また、トレス力の条件式より、Ｋｆを材料の降伏強さと
すると、 Ｋｆ　ｃ＞２Ｋｆ さらに、拘束条件あるいは摩擦抵抗を加味した場合には
、 Ｋｆ　ｃ＃３Ｋｆ であることが、実際の押出荷重から想定される。

すなわち、第１３図に示したように、ＰＢ曲線が選定さ
れる範囲では、 ＰＴ＞２Ｋｆｘ（π／４）ｄ”　　・・・（３）ＰＴ′
、３ＫｆＸ（π／４）ｄ”　　・　・　・（４）となる
。

〔２〕■の剪断および破断域の解説 理論的に、剪断が発生する条件は、残存する距離りの長
さに係わる式で、τを材料の剪断強さとすると、 ＰＳ＝τ×πｄＬ・・・（５） で表され、第１４図に示すように、Ｌの減少とともに順
次ＰＳは低下し、剪断と破断の分岐点Ｎ以後は、現実的
には、荷重が無くなる。

〔３〕流動域と剪断および破断域壱合威した説明前述し
た式（１）あるいは（２）で得られたＰＴを第１３図に
合成すると第１５図が得られる。

ＰＴとＰＳの交点Ｍは、当然ＰＴ＝ＰＳであり、また、
降伏強さＫｆは、剪断強さτの２倍であるから、（３）
式および（５）式より、 ＰＴ＞２ＫｆＸ　（π／４）ｄ” ＰＴ＝ＰＳ＝　（Ｋｆ／２）ＸπｄＬ これを解くと ａｄ となり、流動域から剪断域への分岐点ＭにおけるＬの長
さり、は、穴径ｄより大きいことが証明される。

これは、素材１３長さＨが穴径ｄより小さい場合には、
流動域は存在せず、・いわゆる薄板抜きの範晴であり、
本発明が対象とする領域は、穴径ｄが素材１３長さＨよ
り小さい、いわゆる厚板抜きの分野であることを示して
いる。

同様に、式（２）を合成すると、（４）弐および（５）
式より、 ＰＴξ３Ｋｆｘ　（π／４）ｄ” ＰＴ＝ＰＳ＝　（Ｋｆ／２）ＸπｄＬ これを解くと、 Ｌｌ　ξ１．５ｄ となり、これは、現実の作業のｄ２／Ｄ”　＜０゜３に
おけるスクラップ１７の長さと殆ど一致する。

〔４］クラック発生と破断の考察 素材１３がパイプ状製品２３とスクラップ１７とに完全
に分離されるまでに、パンチ１５側コーナーおよびダイ
ボタン１９側コーナーよりクラックが発生するが、この
クラックの発生メカニズムもｄ！／Ｄ２に大きく係わっ
ている。

もちろん、材料の延展性やパンチ１５の進行速度、ある
いは、パンチ１５の先端形状、また、パンチ１５とダイ
ボタン１９の寸法差等、このクランクの発生には、他の
要因も充分に関与しているが、ここでは、工業的に最も
一般的な０．２％カーボン程度の鋼材における現象を述
べる。

すなわち、ｄ”　／Ｄ２＜９．３の範囲においては、第
１６図に示すように、ダイボタン１９側から発生するク
ラックは、複数個であり、最後のクラックがパンチ１５
側からのクランクと連結した時点で破断が完了し、パン
チ１５側からのクランクは、１個しか発生せず、従って
、残されたパイプ状製品２３の内径には、二次剪断と称
される欠陥は存在しない。

この時に、スクラップ１７には、−次クラックが残り欠
陥が存在する。

逆に、ｄ”　／Ｄ”　＞０．７の時には、パンチ１５側
から発生するクランクが複数個となり、パイプ状製品２
３の内径に欠陥を残すことになる。

実験結果からは、殆ど複数個というのは、３個であり、
結果的には、２箇所の欠陥が残ることになる。

また、０．７≧ｄ２／Ｄ！≧０．３においては、パイプ
状製品２３にもスクラップ１７にも欠陥が発生する危険
があり、実用的ではない。

この危険範囲は、第１３図における前方押出と後方押出
とが共に行なわれる範囲と一致している。′（５）背景
説明のまとめ 以上述べたように、従来、素材１３からパイプ状製品２
３を得る場合の歩留まりに関して、ｄ２／Ｄ２＜０．３
の範囲内においては、スクラップ１７長さは、Ｌｌであ
り、実用上特段の問題はないが、ｄ２／Ｄ２≧０．３と
なると、Ｌ＝Ｌ、となるまでに、前方押出によりスクラ
ップ１７側に移動した材料は、最終的には、スクラップ
１７となり、歩留まりは、ｄＺ／ＤＺが大きくなるに従
って順次悪化することとなる。

従って、従来、パイプ状製品２３の内径に生ずる欠陥発
生の危険度合いから考察しても、ｄ２／Ｄ２＜０．３の
範囲が実用範囲であった。

なお、ここまで、パイプ状製品２３を製品として、中心
軸側をスクラップ１７とした概念で説明してきたが、中
心軸側を製品として、パイプ状製品側をスクラップとし
て考える場合には、ａ２　／Ｄ２を、（Ｄ”　−ｄ”　
）／Ｄ２に置換するだけで、上述した全ての理論を同様
に適用することが可能である。

本発明者は、かかる従来の問題を解決すべく鋭意研究し
た結果、素材１３からパンチ１５により排出されている
スクラップ１７に所定の背圧を作用させることにより、
前述した方法における、実用限界である、ｄ”　／Ｄ”
　＜０．３の範囲外においても、製品の内径にクラック
等を生じさせることなく、高い歩留まりを得られること
を見出した。

なお、従来、打ち抜き加工におけるクラック発生の防止
および剪断面長さの増長を意図して背圧を設けることは
、例えば、ファインブランキングという手法において公
知であるが、このファインブランキングでは、二次的な
駆動系を用いて背圧を与えているため、スクラップの排
出経路を確保することが困難であり、従来、スクラップ
をパイプ状製品とともにパンチ側に突き出す方法が採用
されている。

従って、この場合には、排出されたパイプ状製品とスク
ラップとの分離の為に、特段の手段が必要になり、生産
性が極端に低下するという問題がある。

本発明は、上述した考察に基づいてなされたもので、素
材の外径と貫通孔の孔径との比に関係なく、欠陥のない
円筒部材を容易、確実に得ることのできる円筒部材の製
造方法を提供することを目的とする。

材の製造方法において、前記貫通孔の形成により排出さ
れたスクラップを、ダイボタンを含むスクラップ排出経
路の途中で、スクラップの断面積が、打ち抜き時のスク
ラップの断面積より小となるように変形し、前記パンチ
により素材から排出されているスクラップに背圧を付与
するものである。

請求項２の円筒部材の製造方法は、請求項１において、
素材の外径をＤ、貫通孔の孔径をｄとした時に、０．６
≧ｄｚ／Ｄｚ≧０．３であるものである。

請求項３の円筒部材の製造方法は、請求項１または２に
おいて、スクラップ排出経路の途中でスクラップに与え
られる断面積の減少率は、３３％以下であるものである
。

〔課題を解決するための手段〕

請求項１の円筒部材の製造方法は、円柱状金属製の素材
の中心軸上に、この素材の長さより小さい貫通孔を、パ
ンチを用いてプレス機械の１行程で打ち抜き加工し、円
筒部材を得るための円筒部〔作　用〕 請求項１の円筒部材の製造方法では、貫通孔の形成によ
り排出されたスクラップを、ダイボタンを含むスクラッ
プ排出経路の途中で、スクラップの断面積が、打ち抜き
時のスクラップの断面積より小となるように変形するよ
うにしたので、このスクラップの変形時に、パンチによ
り排出されているスクラップに、直接、あるいは、スク
ラップ排出経路にある他のスクラップを介して所定の背
圧が作用することになる。

請求項２の円筒部材の製造方法では、請求項１において
、素材の外径をＤ、貫通孔の孔径をｄとした時に、０．
６≧ｄ２／Ｄ２≧０．３であり、この範囲内において、
円筒部材の内面に発生するクランクの発生が特に有効に
防止される。

請求項３の円筒部材の製造方法では、請求項１または２
において、スクラップ排出経路の途中でスクラップに与
えられる断面積の減少率を、３３％以下としたので、円
筒部材の内面に発生するクラックの発生が特に有効に防
止される。

〔実施例〕

以下、本発明の詳細を図面を用いて説明する。

第１図は、本発明の円筒部材の製造方法の一実施例を実
施するための大波加工装置の概略を示すもので、この装
置では、コンテナ３１内に挿入された、外径りで、穴径
ｄより長い長さを有する素材３３を、プレス機械の１行
程でパンチ３５により打ち抜き、スクラップ３７をダイ
ボタン３９の中央部の穴４１に押し込むことにより、最
終的に外径り、内径ｄ、長さＨ＋αのパイプ状の円筒部
材が形成される。

しかして、この実施例では、スクラップ排出経路４３を
形成するダイボタン３９には、スクラップ３７の断面積
が、打ち抜き時のスクラップの断面積より小となるよう
に変形し、パンチ３５により素材３３から排出されてい
るスクラップ４５に背圧を付与するための縮径部４７が
形成されている。

第２図は、上述した大波加工装置を使用しての円筒部材
の製造方法の一実施例を示すもので、図において、（１
）は、例えば、ＳＣＭ４２０　（Ｊ　Ｉｓ）等の材料か
らなる円柱状金属製の素材３３を示している。

（２）は、後方押出し開始時の状態を示しており、図示
しないダイボタン３９内には、前回の打ち抜き加工で形
成されたスクラップ３７が素材３３の下端に当接され、
前前回の打ち抜き加工で形成されたスクラップ５１が縮
径加工されている。

（３）は、後方押出し終了時の状態を示しており、この
時には、（２）と同様に、図示しないダイボタン３９内
には、前回の打ち抜き加工で形成されたスクラップ３７
が素材３３の下端に当接され、前前回の打ち抜き加工で
形成されたスクラップ５１が縮径加工されている。

（４）は、剪断途中の状態を示しており、この時には、
図示しないダイボタン３９内には、今回の打ち抜き加工
で形成途中のスクラップ４５が位置しており、前回のス
クラップ３７の下端部が図示しない縮径部４７により、
縮径加工されている。

（５）は、剪断終了直前の状態を示しており、この時に
は、図示しないダイボタン３９内には、今回の打ち抜き
加工で形成されたスクラップ４５が位置しており、前回
のスクラップ３７が上端部まで図示しない縮径部４７に
より縮径加工されている。

（６）は、剪断終了直後の状態を示しており、前前回の
打ち抜き加工で形成されたスクラップ５１が落下状態と
され、円筒部材５３が形成されている。

なお、上述した実施例は、さらに具体的には、素材３３
の外径をＤ、貫通孔５５の孔径をｄとした時に、ｄ”　
／Ｄ”の値が０．５の時の例を示している。

以上述べたような本発明の円筒部材の製造方法によれば
、貫通孔５５の形成により排出されたスクラップ３７を
、ダイボタン３９を含むスクラップ排出経路４３の途中
で、スクラップ３７の断面積が、打ち抜き時のスクラッ
プ３７の断面積より小となるように変形するようにした
ので、このスクラップ３７の変形時に、パンチ３５によ
り排出されているスクラップ４５に、所定の背圧が作用
することになるため、素材３３の外径と貫通孔５５の孔
径との比に関係なく、欠陥のない円筒部材５３を容易、
ｉｉ実に得ることが可能になる。

そして、本発明の円筒部材の製造方法では、従来のファ
インブランキングのように、スクラップを円筒部材とと
もにパンチ側に突き出す必要がなくなるため、排出され
た円筒部材とスクラップとの分離の為に、特段の手段が
不要になり、生産性を従来より大幅に向上することが可
能となる。

以下、本発明の円筒部材の製造方法において必要な背圧
力について詳細に考察する。

従来技術の〔４〕において、円筒部材５３にクランクを
発生することのないｄＺ／ｐｇの限界について説明した
が、その時の後方押出と前方押出の行なわれ易さの比は
、式（１）および式（２）により、ＰＦ／ＰＢ＝Ｋｆ　
ｃＸ　ｈｒ／４）（Ｄ”　−ｄ”　）／ＫｆｃＸ（π／
４）ｄ” ＝　（Ｄ”　−ｄ”　）／ｄ” ＝　（Ｄ２／ｄ”　）−１ ここで、ｄ”　／Ｄ”　＞０．３であるから、ＰＦ／Ｐ
Ｂ＞２．３３３・・・（６） となる。

また、スクラップ４５の単位面積当たり、ＫｆのＱ倍の
背圧力を設定したとすると、その場合のパンチ３５の総
荷重は、式（２）に関し、総置圧力以外に、トレス力の
条件式内の増大と、更に、拘束および摩擦抵抗の全ての
増大に背圧力の存在が作用し、その曲線をＰＦ”とする
と、 ＰＦ’　＝３　（１＋Ｑ）Ｋｆｘ　（π／４）（Ｄ”ｄ
”　）＋ＱＸＫｆＸ　（ｒ／４）ｄ”　　”　”（７）
となる。

この式において、式（６）の条件をまっとうするＱの値
を第３図に示す。

第３図カラ、ｄ”　／Ｄ”　＝０．５においてもクラッ
クを発生しないＱの値は、１であることがわかる。

次に、上述した必要な背圧力を発生するために必要なス
クラップ３７の断面減少率について詳細に考察する。

すなわち、単位面積当たりＩＫｆの背圧力を発生させる
ためのスクラップ３７の断面減少率は、総置圧力をＰＣ
，変形後のスクラップの径をｄ゛とすると、ＰＣは、ｄ
とｄ゛に関係する式（２）に相当するので、 ＰＣ＝　　１ＫｆＸ（π／４）ｄ” ＰＣξ　３ＫｆＸ　　（π／４）　　（ｄ２−ｄ’　　
２　）であり、これを解くと、断面減少率 （ｄ”　−ｄ’　”　）ＸＩ　ＯＯ／ｄ”　＝３３．３
９Ａを得る。

この値は、実験結果より、３０％以上の断面減少率は、
クラック発生の防止のためには、不必要であったことと
良く一致している。

ここにおいて、総置圧力ＰＣを加味したＰＦ”を第１３
図と合成すると、第４図となる。

次に、背圧力ＰＣの存在する時の剪断および破断につい
て詳細に考察する。

第４図において得たＰＴ”を第１４図に合成すると、Ｐ
Ｓ曲曲線体も背圧ＰＣを得て、ＰＳ“曲線となり、第５
図が得られる。

ここで、ｄ”　／Ｄ”　＝０．５において、Ｑ＝１に相
当する背圧ＰＣを存在させた場合のＬｌ“を計算すると
、 ＰＴ＝３ＫｆＸ（π／４）ｄ” ＰＳ’＝　（１／２）ＫｆｘπｄＬ、’＋Ｑ−Ｋｆ×（
π／４）ｄ” これを解くと Ｌｌ”　＝ｄ となり、実験結果とほぼ一致する。

以上述べたように、本発明の円筒部材の製造方法は、先
ず、円筒部材５３の孔径ｄより素材３３の長さＨが長い
範囲において有効である。

また、ｄ”　／Ｄ”　＜０．３の範囲においては、スク
ラップ５１長さを短くし、歩留まりを上昇させる効果が
ある。

また、素材３３の外径をＤ、貫通孔の孔径をｄとした時
に、ｄ２／［）２≧０．３では、円筒部材５３の内面に
発生するクランクを防止する効果があり、特に、０．６
≧ａ２／［）！≧０．３の範囲内において、この効果が
顕著であり、スクラップ５１の長さも従来より大幅に短
縮され、歩留まりの点でも大いに有効である。

そして、破断面の少ない良好な打ち抜き加工面を得るこ
とができる。

さらに、スクラップ４５に与えるべき断面減少率は、実
用上は、３３％程度であり、３３％以下とする時には、
円筒部材５３の内面に発生するクラックの発生を特に有
効に防止することが可能となる。

なお、単位面積当たりの背圧の応力がＫｆを越えると、
所定の断面減少率が与えられるまでに、スクラップ４５
に圧縮の塑性変形が発生し、スクラップ４５とスクラッ
プ排出経路４３の側壁との間に摩擦抵抗が発生し、結果
的に、総置圧力が増大するとともに、その制御が困難に
なり、実用上は得策ではない。

また、歩留まりの向上に関しては、基本的に、数値的に
は、同一のスクラップを排出しても、Ｈが大きくなれば
、その歩留まり率は向上し、Ｈを固定しなければ、背圧
の設定による歩留まり向上率を表現することは困難であ
る。

第６図は、本発明方法により、ｄ！／Ｄｇの値が０．２
５であるような円筒部材を製造した時の、素材およびス
クラップの変形を示しており、第２図のｄｔ／Ｄ！の値
が０．５の時に対応して示されている。

第７図は、従来方法により、ｄＺ／Ｄｇの値が０．５で
あるような円筒部材を製造した時の、素材およびスクラ
ップの変形を示しており、円筒部材には、クラックおよ
び破断面が発生しているのがわかる。

なお、この時のスクラップの重量は、６８ｇであり、第
２図に示したスクラップの重！３１ｇに対して二倍以上
になっており、本発明では、排出されるスクラップの重
量を従来より大幅に低減できることがわかる。

第８図は、従来方法により、ｄｚ／１）ｚの値が０．２
５であるような円筒部材を製造した時の、素材およびス
クラップの変形を示しており、円筒部材には、破断面が
発生しているのがわかる。

なお、この時のスクラップの重量は、１８ｇであり、第
６図に示したスクラップの重′Ｍ９．２ｇに対して二倍
程度になっており、本発明では、排出されるスクラップ
の重量を従来より大幅に低減できることがわかる。

なお、以上述べた実施例では、ダイボタン３９に縮径部
４７を形威し、スクラップ３７の断面を縮径した例につ
いて述べたが、本発明は、かかる実施例に限定されるも
のではなく、スクラップ排出経路内においてスクラップ
を縮径するような構造であれば良いことは勿論である。

（発明の効果〕 以上述べたように、請求項１の円筒部材の製造方法では
、貫通孔の形成により排出されたスクラップを、ダイボ
タンを含むスクラップ排出経路の途中で、スクラップの
断面積が、打ち抜き時のスクラップの断面積より小とな
るように変形するようにしたので、このスクラップの変
形時に、パンチにより排出されているスクラップに、直
接、あるいは、スクラップ排出経路にある他のスクラッ
プを介して所定の背圧が作用することになるため、素材
の外径と貫通孔の孔径との比に関係なく、欠陥のない円
筒部材を容易、確実に得ることができる。

請求項２の円筒部材の製造方法では、請求項１において
、素材の外径をＤ、貫通孔の孔径をｄとした時に、０．
６≧ｄＺ／Ｄ２≧０．３としたので、この範囲内におい
て、円筒部材の内面に発生するクラックの発生を特に有
効に防止することができる。

請求項３の円筒部材の製造方法では、請求項１または２
において、スクラップ排出経路の途中でスクラップに与
えられる断面積の減少率を、３３％以下としたので、円
筒部材の内面に発生するクラックの発生を特に有効に防
止することができるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の円筒部材の製造方法の一実施例の実施
に使用される大技加工装置を概略的に示す縦断面図であ
る。 第２図は第１図の大技加工装置を使用しての円筒部材の
製造方法を示す説明図である。 第３図ないし第５図は本発明の詳細な説明するためのグ
ラフである。 第６図は本発明の円筒部材の製造方法の他の例を示す説
明図である。 第７図および第８図は従来の円筒部材の製造方法を説明
するための説明図である。 第９図ないし第１６図は従来の円筒部材の製造方法を考
察するための説明図である。 〔主要な部分の符号の説明〕 ３３・・・素材 ３５・・・パンチ ３７．４５．５１・・・スクラップ ３９・・・ダイボタン ４３・・・スクラップ排出経路 ５５・・・貫通孔。 第１図 第３！！！１ ｄ２／Ｄ２→ 第 ２ 図 （ｔン絆瞬瞼） 土！と塁４ 第 図 １」ｂ人笈 第 図 第 図 Ｌ：Ｈ ＬノＡり Ｌ：０ 第 図 Ｑ頃三ツ吐！□へ２ （二２ｉ町酊 ２菫と１１ 第 ８ 図 第 図 第１１ 図 第１０図 第１２ 図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）円柱状金属製の素材の中心軸上に、この素材の長
   さより小さい貫通孔を、パンチを用いてプレス機械の１
   行程で打ち抜き加工し、円筒部材を得るための円筒部材
   の製造方法において、前記貫通孔の形成により排出され
   たスクラップを、ダイボタンを含むスクラップ排出経路
   の途中で、スクラップの断面積が、打ち抜き時のスクラ
   ップの断面積より小となるように変形し、前記パンチに
   より素材から排出されているスクラップに背圧を付与す
   ることを特徴とする円筒部材の製造方法。
2. （２）素材の外径をＤ、貫通孔の孔径をｄとした時に、
   ０．６≧ｄ＾２／Ｄ＾２≧０．３であることを特徴とす
   る請求項１記載の円筒部材の製造方法。
3. （３）スクラップ排出経路の途中でスクラップに与えら
   れる断面積の減少率は、３３％以下であることを特徴と
   する請求項１または２記載の円筒部材の製造方法。