JPH04372397A - 圧電アクチュエータ応用プレスによる金属箔打抜き方法および金型 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電アクチュエータを
ポンチの駆動源としたプレスによる金属箔の打抜き方法
、およびその打抜き方法の実施に使用する金型構造に関
する。

【０００２】

【従来の技術】せん断加工によって製造される精密部品
の精度，品質は、加工技術，金型製造技術の進歩，プレ
ス機械の性能向上などにより近年目覚ましく向上しつつ
あり、昨今ではミクロンオーダーの精度が要求される精
密部品の加工分野でも、例えばリードフレームのように
従来ではエッチング法により製造していた電子部品をせ
ん断加工による製造方式に切り換える試みがなされてい
る。

【０００３】一方、板厚が１００μｍ以下の極薄い金属
箔を加工材料として精密打抜き加工するようにしたプレ
スとして、ミクロンオーダーでの位置制御が可能で、か
つせん断加工に必要な発生力の得られる圧電アクチュエ
ータをポンチの駆動源に用いて加工材料を上下抜きする
プレスが特開平２−１２７９９７号公報などで既に知ら
れている。

【０００４】図５は前記の圧電アクチュエータを応用し
た上下打抜き方式のプレスを示すものであり、図におい
て、フレーム１には上型２，下型３，可動ストリッパ４
，上ダイス５，下ダイス６，上ポンチ７，下ポンチ８、
およびストリッパ４を開放操作する圧電アクチュエータ
９などの各部品が組み込まれており、さらにフレーム１
の上下端には上ポンチ７，下ポンチ８を駆動する圧電ア
クチュエータ１０，１１が可動片（圧電アクチュエータ
の変位をポンチに伝達させるロッド部材）１２ａ，１２
ｂ，予圧ばね１３ａ，１３ｂとともにケース１ａ，１ｂ
に収容して設置されている。なお、１４は型２，３をフ
レーム１の内部に固定する締結ねじ、１５は可動ストリ
ッパ４の付勢ばね、１６はポンチ７，８の復帰ばねであ
る。

【０００５】かかる構成のプレスで加工材料を打抜き加
工するには、まず、圧電アクチュエータ９を動作して可
動ストリッパ４を上方へ押上げて型を開き、この状態で
外部から加工材料（帯状の金属箔）１７を上ダイス５と
下ダイス６との間に送り込み、続いて圧電アクチュエー
タ９を復帰させて加工材料１７を上ダイス５と下ダイス
６との間に押さえ込むようにクランプする。次に、圧電
アクチュエータ１０，１１に電圧を印加して上ポンチ７
，下ポンチ８を後退位置から交互に突き出すように駆動
し、加工材料１７をいわゆる上下抜き法により打抜き加
工する。なお、加工後は再び圧電アクチュエータ９の駆
動により可動ストリッパ４を開いて加工材料１７のクラ
ンプを釈放し、この状態で加工材料１７をピッチ送りす
る。

【０００６】次に、前記した上下抜き法の工程を図６に
より説明する。まず、（ａ）図は加工材料１７を上ダイ
ス５と下ダイス６との間にクランプした初期工程の状態
を示し、この初期状態では上ポンチ７，下ポンチ８はダ
イス５，６の内方に後退して待機している。ここで、上
ポンチ５の圧電アクチュエータ１０（図５参照）に電圧
を印加すると、（ｂ）図のように上ポンチ５が上方から
突出し、加工材料１７に食い込んで上面側にせん断変形
を与えるように半抜きする。続いて上ポンチ７を後退さ
せるとともに、（ｃ）図のように下ポンチ８の圧電アク
チュエータ１１（図５参照）に電圧を印加して下ポンチ
８を下方から突出し駆動し、先の半抜き工程で加工材料
１７に形成したせん断変形部を押し戻すように逆抜きし
て下面側からせん断変形を与える。これにより、打抜き
部１７ａがせん断面に沿って加工材料１７から破断分離
する。最後の工程では（ｄ）図のように上ポンチ５を操
作して上ダイス７の中に突出している打抜き部１７ａを
加工材料１７の中に押し込むようにプッシュバックさせ
る。

【０００７】図７は供試材料として板厚が８０μｍの銅
合金箔を前記の上下抜き法によりせん断加工した切り口
を写した電子顕微鏡写真であり、切り口面の上下部分に
は金型の切刃によるせん断面が、また中央部分には破断
面の生じている様子が観察される。なお、この実験に使
用した金型は、半抜き側ポンチのクリアランスが２％、
逆抜き側ポンチのクリアランスが４％である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、発明者等が
様々な打抜き加工の実験を通じて得た知見によれば、板
厚が１００μｍ以下の金属箔、とりわけ５０μｍ以下の
薄い金属箔を上下抜き法でせん断加工する場合には、ポ
ンチの位置制御の精度に加えて金型のクリアランスが加
工精度に大きく影響を及ぼすことが明らかになった。す
なわち、先記した上下抜き法では、金型のクリアランス
が加工材料の板厚の１０％以下であれば一般に良好なせ
ん断面が得られる。しかし加工材料である金属箔の板厚
が数十μｍで、その打抜き輪郭が複雑になると、通常の
金型加工技術では金型を１０％以下の適正なクリアラン
スにすることが極めて難しく、そのために特にステンレ
ス材などのように硬質材料を打抜く場合には、せん断切
り口に十分なだれ面が形成されずにバリが発生する。

【０００９】図８は図７で表した打抜き加工部品のサン
プルについて、逆抜き直後の切り口断面を写した電子顕
微鏡写真であり、右側部材の切り口の下端に、先端の尖
ったバリ（かえり）の発生している様子が観察される。 このように従来の上下抜法では、特に金属箔の板厚が薄
くなるとバリが発生してせん断不良を引き起こす。

【００１０】本発明は上記の点にかんがみなされたもの
であり、その目的は、先記した圧電アクチュエータ応用
のプレスを用いて板厚が数十μｍ以下の金属箔をバリ無
しに精度よく打抜き加工できるようにした新たな打抜き
方法、およびその打抜き方法の実施に使用する打抜き金
型を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の打抜き方法では、加工材料をダイスの間に
クランプし、かつ加工材料の両面をポンチで加圧拘束し
た状態を保ったまま、半抜き，逆抜き工程を交互に繰り
返すよう各ポンチを上下に振動駆動して加工材料を打抜
くものとする。

【００１２】ここで、前記打抜き方法における半抜き，
逆抜き工程でのポンチのストローク量は、加工材料の板
厚に対して１０〜４０％の比率に設定するものとし、半
抜き，逆抜きの各工程に対応して、２組の圧電アクチュ
エータに正電圧を交互に印加してポンチを上下に振動駆
動することができる。また、この振動駆動の過程で加工
材料を確実に加圧拘束するために、正電圧を印加する圧
電アクチュエータに対し、若干の時間差をおいて反対側
の圧電アクチュエータに負電圧を印加するのがよい。

【００１３】さらに、金型のクリアランスが加工材料の
板厚に比して大きい場合にバリ発生を抑制するための金
型構造として、本発明では上下２組のダイス，ポンチに
対してそのいずれか一方の刃先に面とりを施すものとす
る。

【００１４】

【作用】上記のようにダイスの間にクランプした加工材
料を両側から上ポンチと下ポンチで加圧挟持した状態の
まま、ポンチのストローク量（加工材料へのポンチの食
い込み量）を従来の上下抜き法に比べて少ないストロー
ク量（１０〜４０％）に設定し、この状態で半抜き，逆
抜きを交互に繰り返すように各ポンチを圧電アクチュエ
ータにより振動駆動すると、加工材料には上下からのポ
ンチの僅かな食い込みによるせん断とともに、せん断面
に沿った領域には低サイクル疲労による破断が生じ、最
終的に加工材料はバリ（かえり）の発生無しに打抜かれ
るようになる。

【００１５】この場合に、上ポンチの圧電アクチュエー
タ，下ポンチの圧電アクチュエータに対し交互に正電圧
を印加して上下駆動し、かつ正電圧を印加する圧電アク
チュエータに対して反対側の圧電アクチュエータには若
干の時間差をおいて負電圧を印加することにより、圧電
アクチュエータ固有のばね特性，および印加電圧に対す
る変位量のヒステリシス特性を巧みに利用して加工材料
を加圧状態に拘束保持したまま半抜き，逆抜きが行え、
しかも打抜き過程の間中、加工材料の両面をポンチで加
圧挟持させることで、打抜き加工の際に加工材料に反り
が発生するのを確実に防げる。

【００１６】また、特に加工材料の板厚に対して金型の
クリアランスが５０〜１００％と大きい場合には、半抜
き，逆抜き工程の繰り返しによりクリアランスの両側部
に応力集中が生じていわゆる二重せん断，およびバリの
生じるおそれがあるが、かかる点、上下２組のダイス，
ポンチに対してそのいずれか一方の刃先に面とり（Ｒ加
工，ないしＣ面とり）を施しておくことにより、面とり
を施した側では加工材料に加わる応力集中が緩和される
ので、二重せん断，およびこれに伴うバリ発生を押さえ
て良好なせん断切り口面が得られる。

【００１７】

【実施例】以下本発明の実施例を図面に基づいて説明す
る。図１は本発明による打抜き加工の工程図を示すもの
であり、ここで使用するプレスは図５で述べたと同様な
圧電アクチュエータ応用の打抜きプレスを用いるものと
し、図５に対応する同一部材には同じ符号が付してある
。また、図の上半分は打抜き工程１〜５に対応した上ポ
ンチ７，下ポンチ８のストローク動作，およびこれに伴
う加工材料１７のせん断変形の状態を表し、下半分は上
ポンチ，下ポンチの各圧電アクチュエータの印加電圧を
表している。なお、上下のポンチ７，８を駆動する圧電
アクチュエータ（図５に符号１０，１１で示す）は、正
電圧を印加した際に誘起する発生力でポンチ７，８を加
工材料１７に向けて突出し駆動し、逆に負電圧を印加し
た際にはヒステリシス特性線に沿って後退変位するよう
動作させるものとして、図中の印加電圧（＋）は正電圧
印加を、（−）は負電圧印加の状態を表している。

【００１８】まず、工程１は上ダイス５と下ダイス６と
の間に加工材料１７をクランプした初期の状態であり、
上下のポンチ７，８はともに初期位置に待機している。 続く工程２で表した半抜き工程では、上ポンチ７の圧電
アクチュエータ１０（図５参照）に対し時間ｔ１で正電
圧を印加し、その際の伸び変位により上ポンチ７を加工
材料１７に向けて突出し駆動する。これにより、加工材
料１７は上ポンチ７と下ポンチ８との間に加圧拘束され
た状態のまま、図示のように上ポンチ７が食い込んでせ
ん断変形する。なお、この場合に下ポンチ８の圧電アク
チュエータ１１（図５参照）は上ポンチ７の動きに追随
して圧電アクチュエータ固有のばね定数で縮むことにな
るが、前記時間ｔ１より若干遅れた時間ｔ２で圧電アク
チュエータ１１に負電圧を印加して若干負方向に変位さ
せることにより下ポンチ８がさらに後退するようになる
ので、加工材料１７の加圧拘束状態を保ったまま上ポン
チ７を所定のストローク量（加工材料１７の板厚の１０
〜４０％程度）まで駆動できる。そして、工程２の後半
では時間ｔ３で先に下ポンチ８の圧電アクチュエータ１
１に対する負電圧の印加を停止し、僅かに遅れた時間ｔ
４で上ポンチ７の圧電アクチュエータ１０の正電圧印加
を停止する。

【００１９】次の工程３で表した逆抜き工程では、前記
の半抜き工程とは反対に下ポンチ８の圧電アクチュエー
タ１１に正電圧を印加し、加工材料１７を上下のポンチ
７，８で加圧拘束したまま下ポンチ８を下方から突出し
駆動する。これにより工程２で生じたせん断変形部分が
逆方向に押し込まれるようになる。なお、この工程でも
圧電アクチュエータ１０，１１に対する電圧印加パター
ンの制御を工程２と同様に行う。続く工程４では前記し
た工程２と工程３の動作を交互に複数回ずつ連続的に繰
り返して行う。これにより、加工材料１７は最終的に工
程５で示すように打抜き部１７ａがせん断される。ここ
で、前記打抜き部１７ａのせん断切り口において、Ａ，
Ｂは上下からのポンチの食い込みにより生じたせん断面
，Ｃは低サイクル疲労によりせん断面ＡとＢとの間に生
じた破断面を表している。なお、前記の打抜き部１７ａ
は従来の上下抜き法と同様にプッシュバック操作により
加工材料１７へ押し込み、その後に金型を開いて加工材
料１７を次の打抜き位置にピッチ送りする。

【００２０】図９，図１０は、板厚１３μｍのステンレ
ス金属箔を供試試料として前記の方法で打抜いたサンプ
ルのせん断切り口を写した電子顕微鏡写真を示すもので
ある。ただし、この打抜き加工の実験では金型のクリア
ランスを板厚の約４０％（５μｍ）とし、半抜き，逆抜
きの各ストローク量を板厚の３０％、半抜き，逆抜き工
程の繰り返し回数を１０回として行った。ここで、図９
の写真はサンプルを横から撮影したもので写真の白地部
分が打抜き加工後の輪郭を表しており、左右の輪郭線は
箔面、下端の輪郭線がせん断切り口である。また、図１
０は図９に示したせん断切り口面を正面から撮影した写
真で、写真中央部の左右に伸びた部分がせん断切り口を
表している。これらの写真から判るように切り口面には
バリの発生がなく、切り口の上下端縁には滑らかな”だ
れ”の形成されているのが観察される。なお、せん断切
り口の上下に見える白地部分は写真撮影時に生じたハレ
ーションであり、せん断切り口とは関係がない。

【００２１】次に、前記打抜き法の実施に使用する打抜
き金型について述べる。まず、図２は金型のクリアラン
スを加工材料１７の板厚の５０〜１００％と大きくして
通常の金型により打抜き加工した場合の各工程状態を模
式的に表したものである。すなわち、図２の（ａ）は加
工材料１７を金型にクランプした初期状態、（ｂ）は半
抜き工程の状態、（ｃ）は逆抜き工程の状態を表してお
り、半抜き，逆抜き工程を交互に数回繰り返すことによ
り、最終的に加工材料１７が図２の（ｄ）のようにせん
断される。このように金型のクリアランスが板厚に対し
て大きいと、半抜き，逆抜きの繰り返しにより加工材料
１７にはクリアランスの両側二箇所に塑性変形（塑性変
形領域をＰで示す）が生じ、最終的にせん断されない側
（ダイス５，６の間にクランプされている側）の塑性変
形領域に発生した切込みの深いき裂Ｑがそのまま残って
せん断不良を引き起こすことがある。このような切込み
の深いき裂Ｑの発生は、打抜き過程で金型に挟まれた加
工材料部分に過大な応力集中が加わることに原因がある
。

【００２２】そこで、本発明では、図３の（ａ）に示す
ように加工材料１７をクランプする上ダイス７，下ダイ
ス８について、その刃先にあらかじめ面とり（Ｒ加工な
いしＣ面とり）を施しておくことにより、打抜き過程で
該部に加わる応力集中が少なくなる。この結果、図３の
（ｂ）に示すようにせん断されない側の塑性変形領域に
は多少凹んだ痕跡を残すのみで、図２の（ｄ）で見られ
るような深いき裂Ｑが殆ど発生しなくなる。なお、この
刃先の面とりは図示例とは逆にポンチ側で行っても同様
な効果が得られ、この場合にはダイスに挟まれ部分が破
断分離する。

【００２３】なお、図４は前記振動打抜き法により加工
材料がせん断に至るまでのポンチ食い込み量（ポンチの
ストローク量）とポンチ振動回数（半抜き，逆抜き工程
の繰り返し回数）との関係を表したものであり、傾向的
にはポンチ食い込み量が大きい程、少ない振動回数で加
工材料がせん断され、逆にポンチ食い込み量が小さいと
多い振動回数が必要となる。また、適正なポンチ食い込
み量は加工材料の材質により異なり、軟質の材料では大
きめに，硬質材料では小さくするのがよい。

【００２４】

【発明の効果】以上述べたように本発明による金属箔の
打抜き方法によれば、ミクロンオーダーでの位置制御が
可能な圧電アクチュエータをポンチ駆動源として用い、
ダイスの間にクランプした加工材料の両面をポンチで加
圧拘束した状態を保ったまま、半抜き，逆抜き工程を交
互に繰り返すように各ポンチを圧電アクチュエータで振
動駆動するようにしたので、これにより従来の上下抜き
法ではバリ無しでのせん断が困難であった板厚数十μｍ
程度の薄い金属箔も、バリの発生なしに精度よく打抜き
加工することができる。

【００２５】また、本発明の打抜き方法によれば、金型
のクリアランスが板厚の１０％以上であってもバリ無し
に打抜き加工ができるが、特にダイス，ポンチのいずれ
か一方の刃先に面とりを施しておくと、金型のクリアラ
ンスが加工材料の板厚の５０〜１００％と大きい場合で
も、加工材料に加わる不要な応力集中を緩和して二重せ
ん断に伴うき裂，バリの発生を良好に防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の打抜き方法の実施例で、圧電アクチュ
エータの印加電圧とこれに対応する上下ポンチの動きを
表した打抜き工程図

【図２】クリアランスの大きな金型で打抜き加工した場
合の状態を表した模式図であり、（ａ）は加工材料をク
ランプした初期工程、（ｂ）は半抜き工程、（ｃ）逆抜
き工程、（ｄ）は打抜き加工後の加工材料の切り口断面
の状態図

【図３】本発明実施例の打抜き金型、および該金型で打
抜いた加工材料の切り口断面を表す図であり、（ａ）は
加工材料のクランプ状態、（ｂ）は打抜き加工後の切り
口断面図

【図４】加工材料のせん断に至るまでのポンチ食い込み
量とポンチ振動回数との関係を表す図

【図５】本発明の打抜き方法に使用する圧電アクチュエ
ータ応用プレスの構成図

【図６】従来の上下抜き法を表す工程図であり、（ａ）
は加工材料をクランプした初期工程、（ｂ）は半抜き工
程、（ｃ）は逆抜き工程、（ｄ）はプッシュバック工程
の状態図

【図７】従来の上下抜き法により打抜き加工したサンプ
ルの切り口面を正面から撮影した電子顕微鏡写真

【図８
】図７に表した切り口の断面を撮影した電子顕微鏡写真

【図９】本発明の打抜き方法により打抜き加工したサン
プルの切り口の断面を撮影した電子顕微鏡写真

【図１０
】図９に表した切り口面を正面から撮影した電子顕微鏡
写真

【符号の説明】

５　　　　上ダイス ６　　　　下ダイス ７　　　　上ポンチ ８　　　　下ポンチ １０　　　　圧電アクチュエータ １１　　　　圧電アクチュエータ １７　　　　加工材料（金属箔）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電アクチュエータをポンチの駆動源に用
   いたプレスによる金属箔打抜き方法であって、前記プレ
   スが金属箔の加工材料を挟んでその上下に２組のダイス
   ，　ポンチ，およびポンチ駆動用圧電アクチュエータを
   備え、加工材料をダイスの間にクランプし、かつ加工材
   料の両面を２組のポンチで加圧拘束した状態を保って、
   半抜き，逆抜き工程を交互に繰り返すよう各ポンチを上
   下に振動駆動して加工材料を打抜くことを特徴とする圧
   電アクチュエータ応用プレスによる金属箔打抜き方法。
2. 【請求項２】請求項１記載の打抜き方法において、半抜
   き，逆抜きの各工程におけるポンチのストローク量を加
   工材料の板厚に対して１０〜４０％の比率に設定したこ
   とを特徴とする圧電アクチュエータ応用プレスによる金
   属箔打抜き方法。
3. 【請求項３】請求項１記載の打抜き方法において、半抜
   き，逆抜きの各工程に対応して、２組の圧電アクチュエ
   ータに正電圧を交互に印加してポンチを上下に振動駆動
   することを特徴とする圧電アクチュエータ応用プレスに
   よる金属箔打抜き方法。
4. 【請求項４】請求項３記載の打抜き方法において、正電
   圧を印加する圧電アクチュエータに対し、若干の時間差
   をおいて反対側の圧電アクチュエータに負電圧を印加す
   ることを特徴とする圧電アクチュエータ応用プレスによ
   る金属箔打抜き方法。
5. 【請求項５】上下２組のダイス，ポンチに対し、そのい
   ずれか一方の刃先に面とりを施したことを特徴とする請
   求項１記載の打抜き方法に使用する金型。