JPH06328395A - 薄板材の穴あけ加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 薄板材に対してバリやクラックを発生させず
に高精度な穴あけを実現できる高圧ガスを用いた穴あけ
加工方法を提供し、フレキシブル基板の加工等におい
て、穴径の変更に柔軟且つ迅速に対応することを可能に
すると共に、装置の簡素化によって加工コストの低減化
を図る。 【構成】 所定形状の穴5が形成されたダイス1と、その
ダイス1の穴5と略同形状の穴7が形成されており、その
テーブル面にパッキンシート3を施したワークベース4と
の間に薄板材2を挾圧せしめ、その状態でワークベース4
側の穴7内に高圧窒素ガス等を供給し、薄板材2における
ダイス1の穴5に対応した領域を均等圧条件で押圧せし
め、その領域を前記ダイス1の穴形状に抜き加工する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は薄板材の穴あけ加工方法
に係り、樹脂箔や金属箔を含む薄板材に対する穴あけ工
程、特にフレキシブル基板の穴あけ工程等に適用され、
バリやクラックが発生しない高精度な穴あけ加工を実現
するための方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、全ゆる生産加工分野において常に
加工コストの低減化と加工速度の高速化が求められてい
るが、多品種少量生産がなされる部品についてはその要
求を満たすことが困難である場合が多い。特に、部品生
産工程においては薄板材に対する穴あけ工程が多いが、
従来からその穴あけ加工にはポンチとダイスを用いた打
抜き加工方法が採用されており、穴径の変更等があった
場合には逐一その変更に対応したポンチとダイスに交換
する必要が生じている。

【０００３】また、前記の打抜き加工では、当然にポン
チとダイスの間にクリアランスを設けておく必要があ
り、そのクリアランスは薄板材の材質や厚みによって適
宜選択されるが、経験的に最適クリアランスを設定した
としても加工後の穴の破断部にはバリやクラックが発生
しやすく、微細で高い精度が要求されている電子部品等
ではその要求を満足させることが容易でない。

【０００４】一方、最近では電子機器の小型・軽量化に
伴って、従来から用いられているプリント配線基板に代
わって絶縁樹脂シート(樹脂箔)に銅箔を施したフレキシ
ブル基板が多用されるようになり、多数の微細な穴をバ
リやクラックを生じさせないで高精度に加工することが
求められており、且つその多種多様な配線パターンに対
して柔軟且つ迅速に対応できる加工装置が求められてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記のフレ
キシブル基板のような薄板材に対する打抜き加工におい
ては、その薄さのためにクリアランス部分で材料に適正
な機械的剪断力が作用しない傾向を生じる。従って、あ
る程度厚みのある薄板材に対する場合と比較して、遥か
に小さいクリアランスを設定して加工を行わなければバ
リやクラックが多発する。

【０００６】また、フレキシブル基板等では多数の微細
な穴を穿設する必要があり、微小なクリアランスを構成
するポンチとダイスを多数取り揃えておかねばならず、
更に継続的による摩耗でクリアランスが大きくなった
り、ダイスの切刃が劣化したりすることから、一定期間
使用すると交換を余儀なくされ、ポンチとダイスの製作
に高いコストがかかる。特に、多品種少量生産の場合に
は基板の製造コストに対して加工工具の製作コストが大
きな比率を占めて、基板の価格を高める要因になってい
る。

【０００７】そこで、本発明は、高圧気体を利用した新
規な穴あけ加工の方法を提供し、従来の薄板材に対する
打抜き加工で見られた加工不良やコストの問題を解消さ
せることを目的として創作された。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、薄板材の穴あ
け加工において、所定形状の穴が形成されたダイスと、
前記ダイスの穴に対向する位置に穴が形成されているワ
ークベースを用い、前記ダイスと前記ワークベースの間
に薄板材を挾圧せしめ、その状態で前記ワークベース側
の穴内を高気圧状態とすることにより、前記薄板材を前
記ダイスの穴形状に抜き加工することを特徴とした薄板
材の穴あけ加工方法に係る。

【０００９】

【作用】本発明では、薄板材の穴あけ領域(ダイスの穴
に相当する領域)に対してワークベース側の穴内から高
気圧をかけ、穴あけ領域の全域にわたって均等に押圧さ
せる。そして、押圧された穴あけ領域はバルジ変形を呈
しながらダイスの穴の切刃部分で剪断作用を受け、薄板
材からダイスの穴形状どおりに抜かれる。

【００１０】この場合、薄板材の穴あけ領域には前記の
ように均等圧条件で内圧がかかるため、剪断作用を発生
させる力とダイスの穴の切刃部分にはクリアランスに相
当する要素が存在せず、バリやクラックが発生しない穴
あけ加工が可能になる。尚、パッキンシートを薄板材と
ワークベースとの間に挾装させておけばワークベース側
の穴の気密状態を保て、高圧気体の圧力低下を防止する
ことができる。

【００１１】また、本発明では、その構成上、当然に打
抜き加工のように高精度なポンチとダイスの組合せを必
要とせず、高精度な加工が容易であるダイスと殆ど精度
を要求されないワークベースのみで足りるため、加工装
置のコストを飛躍的に低減化できる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の薄板材の穴あけ加工方法に係
る実験的実施例について、図面を用いて詳細に説明す
る。先ず、図１は穴あけ加工装置のワーク部の要部断面
図であり、1はダイス、2は被加工材である薄板材、3は
パッキンシート、4はワークベースを示す。同図におい
て、ダイス1とパッキンシート3にはそれぞれ直径doの穴
5,6が形成されている。また、ワークベース4のテーブル
側にはその表面で直径doとなるテーパー状開口部7が形
成されていると共に、その開口部7に連続して裏面に貫
通したネジ穴8が形成されており、そのネジ穴8に対して
ガス供給用管9の先端に設けられたシールプラグ10が螺
着されている。尚、本実施例ではパッキンシート3の穴6
の直径及び開口部7のテーブル側表面の直径をダイス1の
穴5の直径doと同一にしているが、必ずしも同一である
必要はなく、doとの関係で少々の大小差があっても差し
支えはない。ここに、ダイス1は素材SKD11に放電細穴加
工して６種類の穴5(do＝１.０〜５.０mm)を形成したも
のを、パッキンシート3としてはテフロンシートを、ワ
ークベース4には圧力による変形を防止するためにステ
ンレス製のものを用い、実験的加工試料である薄板材2
としては、一辺が５cmの正方形で厚みが０.０５mmと０.
１mmのアルミニウム板(Al060H18)及び銅板(C1100H)を用
意した。

【００１３】一方、前記のガス供給用管9に対して高圧
ガスを供給するシステムは図３に示され、本実施例では
窒素ガスボンベの窒素ガスをガス圧縮装置(最高圧縮気
圧:200MPa)11で圧縮し、一旦容量３００ccのリアクタ
(圧力容器)12に蓄えるようになっている。そして、リア
クタ12内の圧力が所要圧力に達した段階でリアクタ12を
ガス圧縮装置11から回路的に切り離し、以降、穴あけ加
工のための圧力はひずみ圧力変換器13で圧力-電圧変換
された電圧値を電圧計14で計測しながら排出弁15で調整
し、その調整された圧力の窒素ガスを前記のガス供給用
管9を通じてワーク部へ供給させる。尚、本実施例にお
いて圧力媒体として窒素ガスを用いたのは安全性と取扱
いの便宜を考慮したためであり、またガス圧縮装置11は
空気圧で作動するポンプで圧縮シリンダを駆動させて窒
素ガスを圧縮し、その空気圧を調整することで圧縮によ
る発生圧力を調節できるようになっている。

【００１４】以上の構成において、穴あけ加工に際して
は、図１に示すように、ワークベース4の開口部7とパッ
キンシート3の穴6を対応させた状態でパッキンシート3
をワークベース4の表面に敷設し、その上に薄板材2をセ
ットし、ダイス1の穴5をワークベースの開口部7に対応
させて薄板材2を押圧し、その状態でガス供給用管9から
高圧窒素ガスをワークベース4の開口部7へ衝撃的に又は
静的に供給する。この状態では、薄板材2はダイス1とパ
ッキンシート3の間に挾圧されており、開口部7がパッキ
ンシート3で完全にシールされているために開口部7内に
充満した高圧窒素ガスはダイス1の穴5の内側に存在する
薄板材2の領域を全域にわたって均等な圧力で押圧し、
そのガスの圧力作用によって薄板材2の前記領域がバル
ジ変形してダイス1の切刃によって剪断される。その結
果、図２に示すように、薄板材2におけるダイス1の穴5
の内側に存在する領域部分2aが抜き加工され、薄板材2
にはその抜き領域部分2aに相当する穴2bが形成されるこ
とになる。

【００１５】そして、前記のバルジ変形状態及び剪断後
の状態をダイス1の切刃付近を拡大して詳細にみると、
図４に示されるような態様での加工がなされている。即
ち、同図(A)は均等圧条件で抜き領域部分2aが上側へ押
圧され、バルジ変形に伴ってダイス1の切刃による剪断
が進行している状態を示し、同図(B)は抜き加工が完了
した後の状態を示しているが、薄板材2に形成された穴2
bはだれ及び剪断面が比較的大きくなっているものの、
かえりのない剪断切り口を呈していることが理解され
る。

【００１６】以下、試料である薄板材2の種類と厚み及
び窒素ガスの圧力を変化させて得られた各種実験結果に
基づいて、加工寸法精度及び穴あけに必要な最小ガス圧
力を考察すると次のようになる。

【００１７】《寸法精度について》加工後における薄板
材2の穴2bに係る寸法精度を表す指標として、ここでは
Δd［＝do(ダイス1の穴5の直径)−d(加工後における薄
板材2の穴2bの直径)］を採用する。 (１) 図５及び図６はそれぞれ窒素ガスの圧力を変化さ
せて直径３mmの穴を形成した場合の寸法精度を板厚０.
０５mm及び０.１mmのアルミニウム板と銅板について調
べた結果を示す。寸法精度はガス圧力の変化に対してほ
ぼ一定の値をとっている。これは、穴の寸法精度はガス
圧力によらないことを示しており、高い圧力で加工を行
っても精度の向上には影響を与えないことが理解され
る。

【００１８】次に、図７及び図８はそれぞれ板厚０.０
５mm及び０.１mmのアルミニウム板と銅板について加工
穴径doを変化させた場合の平均寸法精度を示したもので
ある。この場合の寸法精度についても、０.０１mm程度
のバラツキがあるものの、ほぼ一定の値をとっており、
各穴径についてアルミニウム板では約０.０２５mm、銅
板では約０.０２mmである。そして、双方の薄板材にお
いて、板厚が０.０５mmの場合と０.１mmの場合では、殆
どの穴径で共にその差が０.００５mm程度である。従っ
て、薄板材の板厚を変化させた際の加工精度への影響は
殆どないといえる。また、同一の板厚では材質が変化し
ても精度的には近い値をとっていることから、材質によ
る影響も小さいものと考えられる。

【００１９】ここで、前記の結果を総合すると、本実施
例における穴あけ加工では加工された薄板材2の穴2bの
穴径dはダイス1の穴5の直径doより小さくなっている
が、その加工精度は、前記パラメータの選択範囲におい
て、ガス圧力、穴径、薄板材の板厚、及び材質の変化に
関係なく０〜０.０４mm以内におさまっており、実用上
十分な精度を得られることが判明した。

【００２０】(２) 次に、前記のように薄板材2の穴2b
の穴径dはダイス1の穴5の直径doより小さくなっている
が、その相違が生じる原因である“だれ込み”部分につ
いて検討を加える。図９及び図１０はそれぞれ板厚０.
０５mm及び０.１mmのアルミニウム板と銅板についてガ
ス圧力を変化させたときのだれ込み部分の長さ[図４(B)
のｅ値で示される長さ]を、穴径do＝３mmのダイス1を使
用した場合について測定した結果を示す。ここで、アル
ミニウム板と銅板ではバラツキにおいてその傾向に多少
の差異があるが、ｅ値はガス圧力の変化によらずほぼ一
定の値をとっている。これは、本実施例の穴あけ加工で
は、ガス圧力を変化させても同様に材料の流れが発生し
ながら剪断加工がなされるためである。

【００２１】(３) 図１１及び図１２はダイス1の穴5の
直径doを変化させた場合のｅ値の変化を、同一材質で板
厚を変化させるという条件下で薄板材2に加工された穴
径dについて測定した結果を示す。板厚０.０５mmの条件
ではアルミニウム板と銅板はほぼ等しいｅ値をとってい
るが、板厚０.１mmになると銅板の方が０.０２mm程度大
きな値をとっている。また、厚みが２倍になるとｅ値も
２倍近い値になっており、その傾向はアルミニウム板と
銅板の双方に現れている。

【００２２】《最小ガス圧力について》穴あけ加工を行
う際に、必要以上にリアクタ12内の圧力を高めておくこ
とは、ガス圧縮装置11に高圧縮比のシステムを用い、ま
た高い耐圧性を有したリアクタ12を用いなければならな
いこと等から経済性の点で好ましくない。更に、リアク
タ12内の圧力が高いと、窒素ガスを衝撃的に供給する場
合にはダイス1の劣化が著しくなるため、窒素ガスの圧
力は実用上支障のない範囲でできるだけ低く設定してお
くことが望ましい。

【００２３】ところで、前記のように、加工後の薄板材
2に形成されている穴2bの寸法精度はガス圧力の変化に
対してほぼ一定になっている。そこで、この種の穴あけ
加工にどの程度の圧力を必要とするかを以下に考察す
る。その場合には、一般的な穴あけ・剪断部の釣合い関
係に基づいて、圧力ｐの計算には周知な次式を適用する
ことができると考えられる。 ｐ＝２・ｋs・ｔ／ｒ 但し、ｋsは剪断抵抗、ｔは板厚、ｒはダイスの穴の半
径、ｐは穴あけガス圧力を示す。

【００２４】そして、本実施例では剪断抵抗ｋsとして
薄板材2の引張強さの０.５倍の値を採用し、アルミニウ
ム板に対して各穴径do(=1〜5mm)での穴あけ加工を行う
場合の最小ガス圧力を実験的に測定した。図１３はその
結果を示すグラフであり、プロット○は板厚０.０５m
m、プロット●は板厚０.１mmの場合の実測最小ガス圧力
であり、一点鎖線及び破線で示した曲線はそれぞれの場
合に対応させて前記式から求めた最小ガス圧力を示す。

【００２５】同図から明らかなように、実測値と計算値
には多少の差異が認められるものの、全ての穴径doにつ
いてほぼ近似した傾向を示しており、板厚が２倍になる
と最小ガス圧力もほぼ２倍になっていることが理解され
る。尚、銅板についても同様の検討を行ったが、ほぼ同
様の結果を得られた。従って、本実施例による穴あけ加
工において、穴あけが可能になるガス圧力は前記計算式
から求めることができ、必要な最小ガス圧力を予め数式
的に求めて設定することが可能になる。

【００２６】以上のように、本実施例では、各種の実験
結果に基づいて加工寸法精度及び穴あけに必要な最小ガ
ス圧力を考察したが、フレキシブル基板等の実際の製品
に対する穴あけ加工工程では単一の穴を形成することは
稀であり、同時に多数の穴を穿設する場合が多い。その
ような場合には、穴の所要加工数だけリアクタを用意し
ておいてワークベース4の各開口部7に高圧ガスを独立に
供給することも可能であるが、単一のリアクタ12からワ
ークベース4の各開口部7へ高圧ガスの供給路を設けてお
き、電磁バルブの同時開放によって同時に高圧ガスを衝
撃的に供給させるようにすれば、小規模な加工システム
で多数の穴を一挙に抜き加工することができる。尚、後
者の場合には、ガス圧力を最大径の穴を抜き加工する際
の圧力値に設定しておく必要があるが、圧力の印加から
抜き加工の完了時点までの瞬間的な圧力減少は極めて小
さく、多数の穴を穿設する場合であっても小さな容量の
リアクタで足りる。

【００２７】更に、ダイス側の複数個の穴を含むように
ワークベース側の穴の大きく形成しておき、ワークベー
ス側の穴に高圧ガスを衝撃的に供給させるようにすれ
ば、薄板材に複数個の穴を一挙に抜き加工することが可
能であり、その場合にはリアクタからワークベースへの
配管数を少なくでき、装置の大幅な簡素化が図れると共
に、配管に要する手間を軽減することができる。

【００２８】

【発明の効果】本発明の薄板材の穴あけ加工方法は、以
上の構成を有していることにより、次のような効果を奏
する。 厳密な静水圧条件での穴あけ加工であるため、ダイ
スとの関係で打抜き加工のようなクリアランスが存在せ
ず、バリやクラックが存在しない高精度で美しい破断面
の穴が構成され、バリとり等の二次加工を必要としな
い。 高速な剪断作用によって抜き加工がなされるため、
切口断面形状の不良現象が生じない。 穴径を変更する際にはダイスを交換するだけで足
り、従来の打抜き加工と比較して、加工装置を迅速に製
作できると共に、その製作コストの低減化を図ることが
可能になる。 ダイスに対する摩擦要素がないためにその温度変化
が小さく、常に高い加工精度を保持することができる。 加工に際してオイルを使用しないため、作業環境を
常にクリーンに保て、また加工後の製品に対する洗浄も
不要となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るワーク部の要部断面図で
ある。

【図２】薄板材が抜き加工された後におけるワーク部の
要部断面図である。

【図３】ワーク部に対する高圧ガス供給システムの回路
図である。

【図４】薄板材のバルジ変形状態及び剪断後の状態を示
すダイスの切刃付近の拡大図である。

【図５】アルミニウム板の穴あけ加工について、寸法精
度とガス圧力の関係を示すグラフである。

【図６】銅板の穴あけ加工について、寸法精度とガス圧
力の関係を示すグラフである。

【図７】アルミニウム板の穴あけ加工について、平均寸
法精度とダイスの穴径の関係を示すグラフである。

【図８】銅板の穴あけ加工について、平均寸法精度とダ
イスの穴径の関係を示すグラフである。

【図９】板厚０.０５ｍｍのアルミニウム板及び銅板の
穴あけ加工について、だれ込み部分の長さ[図４(B)のｅ
値]とガス圧力の関係を示すグラフである。

【図１０】板厚０.１ｍｍのアルミニウム板及び銅板の
穴あけ加工について、だれ込み部分の長さ[図４(B)のｅ
値]とガス圧力の関係を示すグラフである。

【図１１】アルミニウム板の穴あけ加工について、だれ
込み部分の長さ[図４(B)のｅ値]とダイスの穴径の関係
を示すグラフである。

【図１２】銅板の穴あけ加工について、だれ込み部分の
長さ[図４(B)のｅ値]とダイスの穴径の関係を示すグラ
フである。

【図１３】ダイスの穴径とアルミニウム板に対する穴あ
け最小ガス圧力の関係を示すグラフである。

【符号の説明】

1…ダイス、2…薄板材、2a…抜き領域部分、2b…薄板材
の抜き領域部分に相当する穴、3…パッキンシート、4…
ワークベース、5…ダイスの穴、6…パッキンシートの
穴、7…ワークベースの開口部、8…ネジ穴、9…ガス供
給用管、10…シールプラグ、11…ガス圧縮装置、12…リ
アクタ、13…ひずみ型圧力変換器、14…電圧計、15…排
出弁、do…ダイスの穴の直径、ｅ…だれ込み部分の長
さ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 薄板材の穴あけ加工において、所定形状
   の穴が形成されたダイスと、前記ダイスの穴に対向する
   位置に穴が形成されているワークベースを用い、前記ダ
   イスと前記ワークベースの間に薄板材を挾圧せしめ、そ
   の状態で前記ワークベース側の穴内を高気圧状態とする
   ことにより、前記薄板材を前記ダイスの穴形状に抜き加
   工することを特徴とした薄板材の穴あけ加工方法。
2. 【請求項２】 ワークベースと薄板材との圧接面にパッ
   キンシートを挾装させることとした請求項１の薄板材の
   穴あけ加工方法。