JPWO2017038976A1 - 穴広げ加工方法、成形用具、及び成形加工品 - Google Patents

Abstract

この穴広げ加工方法は、先端側から後端側に向けて拡径する拡径部及び前記拡径部の表面から外方に向けて突出するように形成された線状突起を有する成形用具と、下穴が形成された被加工材とを準備する準備工程と；前記被加工材の前記下穴の周縁部の一部に対し、前記成形用具の前記線状突起が２回以上点接触するように前記成形用具を前記下穴に押し込むことで前記下穴を逐次的に広げ、伸びフランジを形成する穴広げ工程と；を有する。

Description

本発明は、特に自動車用の部材等で施されるプレス成形による穴広げ加工方法、成形用具、及び成形加工品に関する。
本願は、２０１５年９月３日に日本に出願された特願２０１５−１７３６６９号と、２０１６年１月２６日に日本に出願された特願２０１６−０１２３６０号と、に基づき優先権を主張し、これらの内容をここに援用する。

近年、自動車の燃費及び衝突安全性の向上を目的に、高強度鋼板が適用されることが多くなっている。自動車用の部材には複雑な形状が要求されることも有り、優れた加工性能、すなわち、伸び、及び穴広げ性が重要となる。

穴広げ加工では、打ち抜き加工や切削加工により下穴があらかじめ設けられた被加工材の下穴に、押し込みの進行方向で見た場合に前方から後方にむけて径が拡大する成形用具を押しこむ。そして、下穴の周縁部を成形用具の押し込み方向に延ばしながら径方向に拡大する。この加工方法により、被加工材に対して円筒状に突き出した伸びフランジが形成される。

成形された伸びフランジの肉厚は、伸びフランジの先端部分に近づくほど薄くなる。これは、前記先端部分が被加工材の周縁部に相当し、先端部分に近いほど穴広げ加工時の加工度が大きく、変形量が大きいためである。そのため、例えば図１に示すように、加工前の下穴１１１を穴広げ加工により広げた穴１１２とフランジ１１３とを形成する場合、伸びフランジの先端部分である縁部１１４で伸びフランジ割れ１１５が生じることがある。

一般に、鋼板の伸びと穴広げ性とはトレードオフの関係にあり、伸びが良い高強度鋼板は、一般に、穴広げ性が低下する傾向にある。そのため、鋼の成分組成や組織を制御することにより、伸びと穴広げ性のバランスを図る提案がされている（例えば特許文献１参照）。

他方、穴広げ加工時の伸びフランジ割れを避ける加工技術として、レーザ切断法や、削り抜き法等による加工法が提案されている（例えば下記非特許文献１、２参照）。しかしながら、これらの方法は、コスト及び工数がかかり、生産性に問題がある。

日本国特開２０１５−０８６４１５号公報

白沢秀則ほか：鉄と鋼, Vol. 71, No. 16（1985）, p.1949 中川威雄ほか：塑性と加工, Vol. 10, No. 104（1969）, p.665

穴広げ加工においては、前述の通り、伸びフランジの先端部分で割れが生じることがある。特に、伸びが良い高強度鋼板では穴広げ加工が難しくなる傾向にある。また、プレス成形による穴広げ加工は、非特許文献１、２に記載の方法と比較して加工時間が短いという利点があるが、成形用具を離型する際に、変形させた材料が若干、元に戻るスプリングバックと呼ばれる現象が生じる場合がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、伸びフランジの先端部分での割れを生じさせず、なおかつ加工後のスプリングバックを抑制することもできる、プレス成形による穴広げ加工方法、この穴広げ加工方法に好適に用いられる成形用具、更には成形加工品の提供を課題とする。

要旨は以下の通りである。
（１）本発明の第一の態様は、先端側から後端側に向けて拡径する拡径部及び前記拡径部の表面から外方に向けて突出するように形成された線状突起を有する成形用具と、下穴が形成された被加工材とを準備する準備工程と；前記被加工材の前記下穴の周縁部の一部に対し、前記成形用具の前記線状突起が２回以上点接触するように前記成形用具を前記下穴に押し込むことで前記下穴を逐次的に広げ、伸びフランジを形成する穴広げ工程と；を有する穴広げ加工方法である。

（２）上記（１）に記載の穴広げ加工方法では、前記穴広げ工程において、前記成形用具をその押し込み方向の中心軸線を中心として回転させながら前記下穴に押し込んでもよい。

（３）本発明の第二の態様は、上記（１）又は（２）に記載の穴広げ加工方法で用いる成形用具であって、先端側から後端側に向けて拡径する拡径部と；前記拡径部の表面から外方に向けて突出するように形成された線状突起と；を備え、前記先端側から見た場合に前記線状突起がらせん状であり、前記拡径部の中心軸線を含む断面で見た場合に、前記拡径部の一方の周面において、前記線状突起が２個以上存在する。
（４）上記（３）に記載の成形用具では、前記線状突起が前記胴体部の表面にかけて延在してもよい。

（５）本発明の第三の態様は、上記（２）に記載の穴広げ加工方法で用いる成形用具であって、先端側から後端側に向けて拡径する拡径部と；前記拡径部の表面から外方に向けて突出するように形成された線状突起と；前記拡径部を、その中心軸線回りに回転させる回転機構と；を備える。
（６）上記（５）に記載の成形用具では、前記先端側から見た場合に、前記線状突起が直線状であってもよい。
（７）上記（５）に記載の成形用具では、前記先端側から見た場合に、前記線状突起がらせん状であってもよい。
（８）上記（５）〜（７）のいずれか一項に記載の成形用具では、前記線状突起が前記胴体部の表面にかけて延在してもよい。

（９）本発明の第四の態様は、上記（１）又は（２）に記載の穴広げ加工方法により形成された伸びフランジを有する成形加工品である。

上記態様によれば、伸びが良い高強度鋼板においても穴広げ加工時の伸びフランジ割れの発生を防ぐことができ、なおかつ、スプリングバックの抑制により伸びフランジの形状精度を向上させることができる。したがって、幅広い鋼種に対し、自動車用部材とするための伸びフランジ加工等を適用することができる。また、穴広げ加工後の成形用具の離型が容易となる利点がある。

特に、上記（１）に記載の穴広げ加工方法によれば、被加工材の下穴の周縁部の一部に対し、成形用具の線状突起が２回以上点接触するように成形用具を下穴に押し込むことで前記下穴を逐次的に広げていくため、伸び、くびれの発生、破断という変形が進行する前に線状突起により加えられた力が解放されて変形前の状態にもどるので、伸びフランジ割れを抑制することが可能となる。更に、被加工材の下穴の周縁部の特定部位に着目した場合に当該特定部位は負荷、除荷、再負荷のサイクルを複数回経ることになる。このため、当該特定部位では成形完了時にある程度の応力開放が施されていること、加えて複数回の矯正加工が施されていることと同様の加工状態に至る。このため、周縁部のスプリングバックを抑制することが可能である。
従って、伸びフランジ割れ及びスプリングバックを抑制することが可能である。

上記（２）に記載の穴広げ加工方法によれば、成形用具を回転させながら下穴に押し込むため、一回のプレスにより、下穴の特定部位に線状突起を点接触させる回数を調整することができる。
従って、伸びフランジの先端部分での伸びフランジ割れ及びスプリングバックをより確実に抑制することが可能である。

上記（３）に記載の成形用具によれば、成形用具を下穴に押し込むことで伸びフランジ割れ及びスプリングバックを抑制することが可能である。
上記（４）に記載の成形用具によれば、胴体部の表面にも線状突起が設けられるため、バーリング加工を行う場合の成形用具の離形性を高めることができる。

上記（５）に記載の成形用具によれば、回転機構により成形用具を回転させながら下穴に押し込むことで伸びフランジ割れ及びスプリングバックを抑制することが可能である。また、回転機構により成形用具を回転させるため、直線状の線状突起や、周回数や条数が制限されない螺旋状の線状突起を用いることができる。従って、成形用具の製造コストを抑えることができる。
上記（６）に記載の成形用具によれば、直線状の線状突起を用いるため、成形用具の製造コストを抑えることができる。
上記（７）に記載の成形用具によれば、周回数や条数が制限されない螺旋状の線状突起を用いるため、成形用具の製造コストを抑えることができる。
上記（８）に記載の穴広げ加工方法によれば、胴体部の表面にも線状突起が設けられるため、バーリング加工を行う場合の成形用具の離形性を高めることができる。

上記（９）に記載の成形加工品によれば、伸びフランジ割れが無く高い寸法精度を有する部品を得ることができる。

従来の穴広げ加工方法により生じる板材の縁部の割れを示す斜視図である。 従来の穴広げ加工方法を説明する図であって、穴広げ加工前の状態を示す部分断面図である。 従来の穴広げ加工方法を説明する図であって、穴広げ加工完了時の状態を示す部分断面図である。 従来の穴広げ加工方法に関し、成形用具の角度位置と指標σｎとの関係を時系列に沿って示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る穴広げ加工方法に用いられる成形用具の平面図である。 同成形用具の側面図である。 図４ＡのＡ１−Ａ１線に沿って得られる同成形用具の断面図である。 同成形用具を用いる穴広げ加工方法において、穴広げ加工前の状態を示す部分断面図である。 同成形用具を用いる穴広げ加工方法において、穴広げ加工完了時の状態を示す部分断面図である。 同成形用具と線状突起との関係の変化を説明するための側面図である。 図６ＡのＡ−Ａ線矢視図である。 図６ＡのＢ−Ｂ線矢視図である。 図６ＡのＣ−Ｃ線矢視図である。 図６ＡのＤ−Ｄ線矢視図である。 同実施形態に係る穴広げ加工方法に関し、成形用具の角度位置と指標σｎとの関係を時系列に沿って示すグラフである。 第一変形例に係る成形用具の平面図である。 同成形用具の側面図である。 図８ＡのＢ１−Ｂ１線に沿って得られる同成形用具の断面図である。 第一変形例に係る成形用具を用いる穴広げ加工方法に関し、成形用具の角度位置と指標σｎとの関係を時系列に沿って示すグラフである。 第二変形例に係る成形用具の平面図である。 同成形用具の側面図である。 図１０ＡのＣ１−Ｃ１線に沿って得られる同成形用具の断面図である。 第二変形例に係る成形用具を用いる穴広げ加工方法に関し、成形用具の角度位置と指標σｎとの関係を時系列に沿って示すグラフである。 第三変形例に係る成形用具の平面図である。 同成形用具の側面図である。 図１２ＡのＤ１−Ｄ１線に沿って得られる同成形用具の断面図である。 第三変形例に係る成形用具を用いる穴広げ加工方法に関し、成形用具の角度位置と指標σｎとの関係を時系列に沿って示すグラフである。 第四変形例に係る成形用具の平面図である。 同成形用具の側面図である。 図１４ＡのＥ１−Ｅ１線に沿って得られる同成形用具の断面図である。 第四変形例に係る成形用具用いる穴広げ加工方法に関し、成形用具の角度位置と指標σｎとの関係を時系列に沿って示すグラフである。 第五変形例に係る成形用具の斜視図である。 第六変形例に係る成形用具の斜視図である。 第七変形例に係る成形用具の斜視図である。 第八変形例に係る成形用具の平面図である。 同成形用具の側面図である。 図１７ＡのＦ１−Ｆ１線に沿って得られる同成形用具の断面図である。 第八変形例に係る成形用具を用いる穴広げ加工方法に関し、成形用具の角度位置と指標σｎとの関係を時系列に沿って示すグラフである。 第九変形例に係る成形用具の平面図である。 同成形用具の側面図である。 図１９ＡのＧ１−Ｇ１線に沿って得られる同成形用具の断面図である。 第十変形例に係る成形用具の平面図である。 同成形用具の側面図である。 図２０ＡのＨ１−Ｈ１線に沿って得られる同成形用具の断面図である。 第十一変形例に係る成形用具の平面図である。 同成形用具の側面図である。 図２１ＡのＩ１−Ｉ１線に沿って得られる同成形用具の断面図である。 第十二変形例に係る成形用具の平面図である。 同成形用具の側面図である。 図２２ＡのＪ１−Ｊ１線に沿って得られる同成形用具の断面図である。 同成形用具を用いる穴広げ加工方法において、穴広げ加工前の状態を示す断面図である。 同成形用具を用いる穴広げ加工方法において、穴広げ加工完了時の状態を示す断面図である。 横軸に線状突起の条数、縦軸に指標σを取ったグラフである。 横軸に線状突起のピッチ、縦軸に指標σを取ったグラフである。

本発明者らは、特に高強度鋼板のプレス成形による穴広げ加工方法ついて、穴広げ加工時の伸びフランジ割れを防ぐとともにスプリングバックを低減させる方法について鋭意検討した。その結果、穴広げ加工時に下穴を同心円状に広げるのではなく、下穴を部分的に広げていき、逐次的に穴広げ加工を行うことが有効であることを知見した。

上記の知見に基づいてなされた本発明について、以下、図面を参照して詳細に説明する。

従来の穴広げ加工方法では、図２Ａ、図２Ｂに示すように、被加工材である鋼板１１０に形成された円形の下穴１１１の周縁部全周に、先端側から後端側に向けて径が拡大する拡径部１０１を有する成形用具１００を接触させた状態で、成形用具１００で下穴１１１を押し込む。これにより、下穴１１１を同心円状に広げ、穴１１２を形成する。
成形用具１００が下穴に挿入されるにつれて、鋼板１１０の下穴１１１及びその周縁部は、突出部を形成するように成形用具１００の先端側に向けて押し出される。ここで、成形用具１００の先端側とは、成形用具１００を下穴１１１に挿入する際に、最初に下穴に近づく側を意味する。

図３は、図２Ａ、図２Ｂに示す従来の穴広げ加工方法における加工時点Ｔ１〜Ｔ４について、横軸に角度位置、縦軸に指標σｎを取って示すグラフである。
加工時点Ｔ１は、穴広げ加工が開始する直後の時点であり、。加工時点Ｔ２は、加工時点Ｔ１から時間ｔ１が経過した後の時点であり、加工時点Ｔ３は、加工時点Ｔ２から時間ｔ２が経過した後の時点であり、加工時点Ｔ４は、加工時点Ｔ３から時間ｔ３が経過した後の時点である。時間ｔ１〜ｔ３は必ずしも一定ではない。
角度位置は、成形用具の平面図における中心点（中心軸線）を基準とした角度位置である。
指標σｎは、成形用具が鋼板を押圧する単位面積当たりの荷重ベクトルσｃｏｎｅの大きさである。

図３に示すように、従来の穴広げ加工方法では、それぞれの加工時点における指標σｎはいずれの角度位置でも一定の値とされる。尚、加工時点がＴ１〜Ｔ４に進むに連れて鋼板の加工硬化量が大きくなるため、指標σｎの値は徐々に高くなる。

拡径部１０１の形状としては、先端側から後端側に向けて径が拡大すればよいので、円錐形状、円錐台形状、砲弾形状等が好適に用いられる。拡径部１０１はこれらの形状に限定されるわけではない。
尚、本明細書において拡径部とは、成形用具の中心軸線に垂直な断面の輪郭の直径又は円相当径が、先端側から後端側に向かうに連れて拡大する部位を意味する。

なお、穴広げ加工方法を説明する図では、成形用具及び鋼板のみを図示し、ダイ及びブランクホルダー等は省略する。これら省略された装置については、通常のものを用いればよい。

これに対して、本発明の一実施形態に係る穴広げ加工方法は、成形用具と鋼板とを準備する準備工程と、鋼板に伸びフランジを形成する穴広げ工程とを備え、穴広げ工程においては、鋼板に形成された下穴の周縁部の一部に対して成形用具の線状突起が２回以上点接触するように、成形用具を下穴に押し込むことにより、下穴を逐次的に広げることを特徴とする。
本明細書において、「周縁部の一部に対して点接触する」とは、「周縁部の全周に対して同時に接触する」ことを排除するものであり、有限面積での接触は許容される。
以下、具体的な例を用いて、より詳細に説明する。

本実施形態に係る穴広げ加工方法では、図４Ａ〜図４Ｃに示す成形用具１０を用いることができる。図４Ａは平面図であり、図４Ｂは側面図であり、図４Ｃは図４ＡのＡ１−Ａ１線に沿って得られる断面図である。
この成形用具１０は、図４Ａ〜図４Ｃに示すように、円錐台形状の拡径部１１と、拡径部１１の表面から外方に向けて突出するらせん状の線状突起１２と、拡径部１１の後端側に形成される円柱形状の胴体部１３と、拡径部１１の先端側に形成される頂部１４と、胴体部１３の後端側に形成される底部１５と、底部１５に設けられる把持部１６と、を備える。

この成形用具１０によれば、先端側から見た場合に線状突起１２がらせん状に設けられるとともに、当該線状突起１２は、拡径部１１の中心軸線を含む断面で見た場合に、拡径部の一方の周面において、線状突起が２個以上存在している。
したがって、拡径部１１の水平断面は円形ではないので、この成形用具１０を用いて円形の下穴Ｓ１を押し込む場合、下穴Ｓ１の周縁部全周が成形用具１０と接触するのではなく、周縁部の一部が成形用具１０と点接触することになる。すなわち、線状突起１２が下穴Ｓ１の周縁部の一部に点接触する。そして、この成形用具１０を押し込むことで、被加工材Ｓの下穴Ｓ１の周縁部の一部に対し、線状突起を２回以上点接触させることが可能となる。

より具体的には、図５Ａ、図５Ｂに示すように、被加工材である鋼板Ｓに形成された円形の下穴Ｓ１の周縁部に対し成形用具１０を接触させた状態で、成形用具１０を下穴Ｓ１に押し込むことにより、下穴Ｓ１を広げ、成形加工品が得られる。

図６Ａ〜図６Ｅは、成形用具１０と線状突起１２との関係の変化を模式的に示したものであって、図６Ａは成形用具１０の側面図であり、図６Ｂ〜図６Ｅはそれぞれ、図６Ａに示す成形用具１０のＡ−Ａ線矢視図、Ｂ−Ｂ線矢視図、Ｃ−Ｃ線矢視図、Ｄ−Ｄ線矢視図、Ｅ−Ｅ線矢視図である。図６Ｂ〜図６Ｅに示す断面図において、斜線領域が成形用具１０の断面を示し、その外形曲線が図５Ａ、図５Ｂに示す鋼板Ｓと接触する部位となる。
図２Ａ、図２Ｂに示すような従来の成形用具１００を用いた穴広げ加工方法では下穴１１１が円形を保ったまま拡大されるが、本実施形態に係る穴広げ加工方法では、各断面における線状突起１２が鋼板Ｓと優先的に接触するため成形途中の穴形状は非円形となる。
穴広げ加工時には、鋼板Ｓの一部にらせん状の線状突起１２が点接触するので、鋼板Ｓの一部が成形用具１０に押され、下穴１１１が部分的に広げられる。成形用具１０が進行するにしたがい、図６Ｂから図６Ｅに順次移行して、成形用具１０と鋼板Ｓの接触位置が変化し、下穴１１１は逐次的に広げられる。その結果、穴広げ加工時の伸びフランジ割れを生じさせることなく伸びフランジを形成することができる。

図６Ｂは穴広げ加工の初期の段階であり、下穴Ｓ１の周縁部のうち図中左側が成形用具１０に設けられたらせん形状の線状突起１２と接触しているが、下穴Ｓ１のうち、線状突起１２と接触する部位に隣接する部位は成形用具１０とは接触しない。したがって、下穴の図中左側には成形用具１０により押し広げられる力が集中的に加わる。その後、成形用具１０が鋼板Ｓに対して相対的に移動し、図６Ｃの状態となると、下穴の図中右側が成形用具１０に設けられたらせん形状の線状突起１２と接触しているので、図中右側に、成形用具１０により押し広げられる力が集中的に加わる。図６Ｂ、図６Ｃの間で、下穴１１１の周縁部と成形用具１０とが接触する位置は、成形用具１０の移動に伴い連続的に変化するので、下穴１１１の周縁部のうち成形用具１０により押し広げられる力を集中的に受ける箇所も連続的に変化する。以下、図６Ｄ、図６Ｅも同様に穴広げ加工が進められる。

図７は、本実施形態に係る穴広げ加工方法における加工時点Ｔ１〜Ｔ４について、横軸に角度位置、縦軸に指標σｎを取って示すグラフである。
図７に示すように、加工時点Ｔ１では９０度位置において指標σｎのピークが発生し、加工時点Ｔ２〜Ｔ４に進むに連れて指標σｎのピークが１８０度、２７０度、３６０度に移動する。尚、加工時点Ｔ１から加工時点Ｔ４に進むに連れてピークが徐々に高くなっているのは、被加工板の加工硬化の影響のためである。

本実施形態に係る穴広げ加工方法により、穴広げ加工時の伸びフランジ割れが生じない理由は次のように考えられる。すなわち、従来の穴広げ加工方法によると、図３に示すように、加工中、鋼板１１０の下穴１１１の周縁部全周に常に引張応力が与えられ続け、周縁部が一様に伸びる。さらに引張応力が与えられ続けると、周縁部の一部にくびれが生じ、最終的には伸びフランジ割れが生じる。
一方、本発明の加工方法によれば、図７に示すように、加工中のある時刻において、鋼板Ｓの下穴Ｓ１の周縁部のうち力が加えられる箇所は周縁部の一部であり、時刻の変化とともに力が加えられる箇所は変化する。すなわち、引張応力が与えられる箇所は周縁部の一部であり、さらに、その箇所ではくびれに起因する破断が生じる前に引張応力が開放され、他の箇所に引張応力が与えられる。したがって、力が加えられても、伸び、くびれの発生、破断という変形が進行する前に力が解放され変形前の状態にもどるので、伸びフランジ割れを抑制することが可能となる。

さらに、本実施形態に係る穴広げ加工方法においては、加工中に力が加えられるのは鋼板Ｓの下穴Ｓ１の周縁部の一部のみであり、かつその部位は成形が進行するに連れて移動するため、被加工の周縁部の特定部位に着目した場合に当該特定部位は負荷、除荷、再負荷のサイクルを複数回経ることになる。このため、当該特定部位では成形完了時にある程度の応力開放が施されていること、加えて複数回の矯正加工が施されていることと同様の加工状態に至る。このため、周縁部のスプリングバックを抑制することが可能である。これにより、伸びフランジの形状精度が向上する。
また、加工終了時に成形用具１０が下穴Ｓ１の周縁部と一部のみで接触している場合、成形用具１０の離型が容易となる。

本実施形態に係る穴広げ加工方法においては、上述した形状の成形用具１０に限らず、種々の変形例に係る成形用具を用いることができる。以下、説明の簡素化のために、成形用具１０で既に説明した構成については同じ参照符号を用いる。

第一変形例に係る成形用具１０Ａは、図８Ａ〜図８Ｃに示すように、拡径部１１の表面に二本の線状突起１２ａ、１２ｂが互いに同一方向にらせん状に形成される。図８Ａは平面図であり、図８Ｂは側面図であり、図８Ｃは図８ＡのＢ１−Ｂ１線に沿って得られる断面図である。

図９は第一変形例に係る成形用具１０Ａを用いた場合の穴広げ加工方法における加工時点Ｔ１〜Ｔ４について、横軸に角度位置、縦軸に指標σｎを取って示すグラフである。このグラフに示す通り、第一変形例に係る成形用具１０Ａを用いる場合、同一断面内における指標σｎのピークの数を二つとすることができるため、穴広げ加工時の伸びフランジ割れを防ぐ効果、及び、スプリングバックを低減する効果をより高めることができる。

第二変形例に係る成形用具１０Ｂは、図１０Ａ〜図１０Ｃに示すように、拡径部１１の表面に二本の線状突起１２ｃ、１２ｄが互いに逆方向にらせん状に形成される。図１０Ａは平面図であり、図１０Ｂは側面図であり、図１０Ｃは図１０ＡのＣ１−Ｃ１線に沿って得られる断面図である。

図１１は第二変形例に係る成形用具１０Ｃを用いた場合の穴広げ加工方法における加工時点Ｔ１〜Ｔ４について、横軸に角度位置、縦軸に指標σｎを取って示すグラフである。このグラフに示す通り、第二変形例に係る成形用具１０Ｃを用いる場合にも、第一変形例に係る成形用具１０Ｂと同様、同一断面内における指標σｎのピークの数を増やすことができるため、穴広げ加工時の伸びフランジ割れを防ぐ効果、及び、スプリングバックを低減する効果をより高めることができる。

第三変形例に係る成形用具１０Ｃは、図１２Ａ〜図１２Ｃに示すように、拡径部１１の表面に三本の線状突起１２ｅ、１２ｆ、１２ｇが互いに同一方向にらせん状に形成される。図１２Ａは平面図であり、図１２Ｂは側面図であり、図１２Ｃは図１２ＡのＤ１−Ｄ１線に沿って得られる断面図である。

図１３は第三変形例に係る成形用具１０Ｃを用いた場合の穴広げ加工方法における加工時点Ｔ１〜Ｔ４について、横軸に角度位置、縦軸に指標σｎを取って示すグラフである。このグラフに示す通り、第三変形例に係る成形用具１０Ｃを用いる場合、同一断面内における指標σｎのピークの数を三つとすることができるため、穴広げ加工時の伸びフランジ割れを防ぐ効果、及び、スプリングバックを低減する効果をより高めることができる。

第四変形例に係る成形用具１０Ｄは、図１４Ａ〜図１４Ｃに示すように、拡径部１１の表面に四本の線状突起１２ｈ、１２ｉ、１２ｊ、１２ｋが、二本ずつ逆方向にらせん状に形成される。図１４Ａは平面図であり、図１４Ｂは側面図であり、図１４Ｃは図１４ＡのＥ１−Ｅ１線に沿って得られる断面図である。

図１５は第四変形例に係る成形用具１０Ｄを用いた場合の穴広げ加工方法における加工時点Ｔ１〜Ｔ４について、横軸に角度位置、縦軸に指標σｎを取って示すグラフである。このグラフに示す通り、第四変形例に係る成形用具１０Ｄを用いる場合、同一断面内における指標σｎのピークの数を四つとすることができるため、穴広げ加工時の伸びフランジ割れを防ぐ効果、及び、スプリングバックを低減する効果をより高めることができる。

上述の成形用具１０及び１０Ａ〜１０Ｄでは、いずれも、円錐状の拡径部１１にらせん形状の線状突起１２を単数又は複数設ける構成としている。ただし、本発明の本質は、成形用具が鋼板Ｓに対して相対的に移動するのに伴い成形用具が接触する鋼板Ｓの下穴Ｓ１の周縁部の部位が変化することによって、逐次的に下穴が押し広げられる点にある。すなわち、これを実現できる成形用具であれば、特にらせん形状の線状突起を有するものに限定されるわけではない。
成形用具の先端側からの平面視において、中心から見た任意の方向に線状突起が存在するような形状であれば、成形用具の移動に伴い、成形用具が接触する鋼板Ｓの下穴Ｓ１の周縁部の部位が変化し、逐次的に下穴Ｓ１を押し広げることができる。成形される伸びフランジの形状は成形用具に設けられた線状突起の形状によって変えることができるので、所望の伸びフランジの形状によって、線状突起の形状は適宜調整すればよい。従って、図１６Ａ〜図１６Ｃに示すような変形例に係る成形用具１０Ｅ〜１０Ｇを用いることもできる。
尚、図１６Ａ〜図１６Ｃに示す変形例では、四角錐台形状の拡径部１１’を拡径部１１として用い、拡径部１１’の後端に設けられる四角柱形状の胴体部１３’と胴体部１３として用い、拡径部１１’の先端側に形成される四角形の頂部１４’を頂部１４として用いている。

第五変形例に係る成形用具１０Ｅでは、図１６Ａに示すように、拡径部１１’と胴体部１３’の表面に、分断された複数の線状突起１２ｌが成形用具１０Ｅの軸方向に対し傾斜して形成されている。
第六変形例に係る成形用具１０Ｆでは、図１６Ｂに示すように、拡径部１１’と胴体部１３’の表面に、複数の線状突起１２ｍが互いに平行に、成形用具１０Ｆの軸方向に対し傾斜して形成されている。この変形例では、コーナー部に形成された線状突起１２ｍが成形用具１０Ｆの軸方向に対し傾斜して形成されているため、本発明の効果を得ることが可能である。
第七変形例に係る成形用具１０Ｇでは、図１６Ｃに示すように、拡径部１１’と胴体部１３’の表面に、単一の線状突起１２ｎがらせん状に設けられている。

図１６Ａ〜図１６Ｃに示す第五〜第七変形例に係る成形用具１０Ｅ、１０Ｆ、１０Ｇにおいても、成形用具１０と同様に、成形用具１０Ｅ〜１０Ｇが金属材に対して相対的に移動するのに伴い、線状突起１２ｌ、１２ｍ、１２ｎが接触する鋼板Ｓの下穴Ｓ１の周縁部の部位が変化することによって、逐次的に下穴Ｓ１が押し広げられる。これにより、引張応力が与えられる箇所は周縁部の一部となり、さらに、その箇所ではくびれが生じる前に引張応力が開放され、他の箇所に引張応力が与えられる。したがって、力が加えられても、伸び、くびれの発生、破断という変形が進行する前に力が解放され変形前の状態にもどるので、穴広げ加工時の伸びフランジ割れを抑制することが可能となる。

本実施形態に係る穴広げ加工方法においては、押し込み方向の中心軸線を中心として回転させながら成形用具を下穴に押し込むことで、下穴を広げてもよい。その場合、一回のプレスにより、下穴に線状突起１２を当接させる回数を調整することができる点で好ましい。すなわち、図５Ａ、図５Ｂに示すように、回転させずに押し込む場合には、下穴の所定の角度位置における線状突起の接触回数は４回程度であるが、成形用具１０を回転させて押し込む場合、回転速度に応じその接触回数を増減することができる。

このように、成形用具１０を回転させながら鋼板Ｓの下穴Ｓ１を広げる場合には、回転によって、鋼板Ｓの下穴Ｓ１の周縁部の成形用具１０と接触する位置が逐次的に変化するので、線状突起１２をらせん状に設けたり、複数の線状突起１２を成形用具１０の円周方向に均等に設ける必要はない。
従って、例えば、図１７Ａ〜図１７Ｃに示されるような第八変形例に係る成形用具１０Ｈを用いることができる。
この成形用具１０Ｈは、６本の線状突起１２ｏが拡径部１１に直線状に形成されるとともに、成形用具１０Ｈを回転させる回転機構Ｒが把持部１６に設けられている。この回転機構Ｒにより、成形用具１０Ｈが、鋼板Ｓに対して相対的に移動するのに伴い、成形用具１０Ｈを回転させる。尚、回転機構Ｒは線状突起１２ｏを回転させることができればよく、把持部１６に設けられる形態に限定されるものではない。

図１８は、第八変形例に係る成形用具１０Ｈを回転させながら下穴を広げる加工方法における加工時点Ｔ１〜Ｔ４について、横軸に角度位置、縦軸に指標σｎを取って示すグラフである。このグラフに示す通り、第八変形例に係る成形用具１０Ｈを回転させながら下穴を広げる加工方法では、拡径部１１に直線状の線状突起１２ｏを設けることにより、成形用具１０Ｈを鋼板Ｓの下穴Ｓ１の一部に接触するようにする。その後、成形用具１０Ｈが鋼板Ｓに対して相対的に移動するのに伴い回転させることで、下穴Ｓ１の周縁部で成形用具に接触する箇所は、穴広げ加工に伴い移動する。
すなわち、引張応力が与えられる箇所は周縁部の一部であり、さらに、その箇所ではくびれが生じる前に引張応力が開放され、他の箇所に引張応力が与えられる。したがって、力が加えられても、伸び、くびれの発生、破断という変形が進行する前に力が解放され変形前の状態にもどるので、穴広げ加工時伸びフランジ割れを抑制することが可能となる。

成形用具１０Ｈを回転させる場合、回転数を制御することにより同一断面内における指標σｎのピークの移動速度を調整することができる。従って、単一の成形用具１０Ｈを用いることで鋼板Ｓの材料特性に応じた適切な回転速度を採用することができ、穴広げ加工時の伸びフランジ割れを防ぐ効果、及び、スプリングバックを低減する効果を確実に高めることができる。更に、成形用具１０Ｈのパンチ・ストロークを短くすることができるので、大型のプレス機を使う必要がなくなるという利点もある。

尚、本実施形態に係る穴広げ加工方法で用いられる成形用具１０では、胴体部１３を有しているが、胴体部１３は必須ではなく、拡径部１１の底面に直接把持部１６が設けられてもよい。
ただし、胴体部１３を有する場合には、加工中の伸びフランジの特に先端部が押し広げられ、伸びフランジの内径を均一に整えるバーリング加工を行うことが可能となる点で好ましい。

成形用具１０が胴体部１３を有する場合、線状突起１２は拡径部１１につづいて胴体部１３にまで連続するように設けられてもよい。すなわち、図１９Ａ〜図１９Ｃに示す第九変形例に係る成形用具１０Ｉ、図２０Ａ〜図２０Ｃに示す第十一変形例に係る成形用具１０Ｊ、図２１Ａ〜図２１Ｃに示す第十二変形例に係る成形用具１０Ｋを用いることができる。

第九変形例に係る成形用具１０Ｉでは、図１９Ａ〜図１９Ｃに示すように、線状突起１２が胴体部１３の表面においてもらせん状に連続して形成されている。
図１９Ａは平面図であり、図１９Ｂは側面図であり、図１９Ｃは図１９ＡのＧ１−Ｇ１線に沿って得られる断面図である。

第十変形例に係る成形用具１０Ｊは、図２０Ａ〜図２０Ｃに示すように、線状突起１２が胴体部１３の表面において成形用具１０Ｊの軸方向と平行に直線状に連続して形成されている。
図２０Ａは平面図であり、図２０Ｂは側面図であり、図２０Ｃは図２０ＡのＨ１−Ｈ１線に沿って得られる断面図である。

第十一変形例に係る成形用具１０Ｋは、図２１Ａ〜図２１Ｃに示すように、拡径部１１に直線状に形成された線状突起１２が胴体部１３まで延長して形成されている。
図２１Ａは平面図であり、図２１Ｂは側面図であり、図２１Ｃは図２１ＡのＩ１−Ｉ１線に沿って得られる断面図である。

第九変形例〜第十一変形例に示すように、線状突起１２が胴体部にまで形成される場合には、加工終了後の下穴Ｓ１と成形用具１０Ｉ、１０Ｊ、１０Ｋとの接触面積が小さくなる。従って、スプリングバックの低減により離型を容易にする効果に加えて、更に離型を容易にする効果を得ることが可能となる。

本実施形態に係る穴広げ加工方法では、把持部１６が後端側、すなわち、底部１５に設けられる成形用具１０を用い、把持部１６を押し込むことで穴広げ加工を行う場合について説明した。しかしながら、図２２Ａ〜図２２Ｃに示す第十二変形例に示すように、把持部１６’が頂部１４に設けられる成形用具１０Ｌを用い、把持部１６’を下穴に向けて引き込むことで穴広げ加工を行ってもよい。

なお、プレス成形による穴広げ加工に要する時間は１秒程度である。これは、生産性の観点からは短い時間であるが、材料変形のスピードという観点から考えると、それほど短い時間ではない。つまり、１秒という加工時間は、加工中の鋼板Ｓに引張応力が与えられ、くびれが生じる前にその力が解放され、変形前の状態に戻るという変化には十分な時間であると考えられる。

また、線状突起１２が下穴Ｓ１の同一箇所に接触する回数は２回以上であれば、その箇所における引張応力の負荷と開放を複数回繰り返すことが可能であるため、穴広げ加工時の伸びフランジ割れを防ぐ効果、及び、スプリングバックを低減させる効果を得ることができる。
ただし、線状突起１２が下穴Ｓ１の同一箇所に接触する回数を１０回超とする場合、引張応力の負荷と開放を繰り返す間隔が短くなり、上記の効果を得ることが困難となる。従って、線状突起１２が下穴Ｓ１の同一箇所に接触する回数は１０回以下とすることが好ましい。

以上、本発明を実施形態及び変形例に基づき本発明の具体例を説明したが、本発明はこれらの例示に限定されるものではない。本発明は、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

被加工板は鋼板に限らず、アルミ板やチタン板等の金属板、ＦＲＰやＦＲＴＰ等のガラス繊維強化樹脂板、更にはこれらの複合板を用いることができる。
また、鋼管などの中空の筒状部材を被加工板としてもよい。

線状突起１２の断面形状は、半円以外の形状も採用し得る。ただし、線状突起１２は穴広げ加工により伸びフランジを形成するためのものであるため、下穴の周縁部に接触する箇所については鋭角部を有さないことが好ましい。
線状突起１２の断面形状は、少なくとも下穴の周縁部に接触する箇所が曲率半径０．１ｍｍ以上の円弧形状であることが好ましい。
線状突起１２の突出高さについては下穴の寸法との関係で変わるものではないが、先端側から後端側に向けて漸減するように形成されてもよい。

拡径部１１の傾きは先端部から後端部にかけて一定でなくてもよく、途中で変化してもよい。拡径部１１と胴体部１３との間で径がなだらかに変化するような形状としてもよい。

拡径部１１の先端側に形成される頂部１４は平面である必要はなく、曲面であってもよい。

下穴Ｓ１の形状は、円又は四角に限られず、楕円形やその他多角形であってもよい。
また、成形用具１０を平面視した際の投影形状も、円又は四角に限られず、楕円形やその他多角形であってもよい。

（実施例Ａ）
本発明による穴広げ加工時の伸びフランジ割れ防止効果及びスプリングバック低減効果を確認するための実験を行った。鋼板Ｓ（被加工材）として、板厚２．４ｍｍの７８０ＭＰａ級の高強度熱延鋼板を準備した。

鋼板Ｓに対し、あらかじめ打抜き加工により各種サイズ、形状の下穴を設けた。下穴に対し、各種の成形用具を１０ｍｍ／秒の速度で押し込むことで、穴広げ加工を行った。

穴広げ加工時の伸びフランジ割れ評価については、線状突起を有する発明例と線状突起を有さない比較例それぞれについて、下穴サイズを１ｍｍ単位で小さくしていき、どの程度まで下穴を小さくしても伸びフランジ割れが生じなかったか、により評価した。

スプリングバックについては、本発明例と比較例とで下穴サイズを揃えないと不公平であり、且つ、伸びフランジ割れが生じた場合にはスプリングバックが評価できないため、比較例で伸びフランジ割れが生じた下穴サイズで発明例・比較例それぞれで穴広げ加工を行い、成形用具の断面積と穴面積との比率をＫ値（Ｋ値＝離形後の穴面積／成形用具の平面図投影面積）として評価した。

各種実験例で用いた成形用具の形状、成形用具の寸法、下穴の寸法、回転速度、伸びフランジ割れが発生した下穴の寸法、Ｋ値、及び離形性評価結果を表１〜表３に示す。

発明例１−１では図４Ｂに示す一本の線状突起を有する成形用具を用い、発明例１−２では図１２Ｂに示す三本の線状突起を有する成形用具を用いた。
比較例１では図４Ｂ又は図１２Ｂに示す成形用具から線状突起を取り除いた成形用具を用いた。
表１に示す通り、線状突起を有さない比較例１の場合には下穴寸法が５０ｍｍの場合に伸びフランジ割れが発生したところ、線状突起を有する発明例１−１、発明例１−２では、それぞれ下穴寸法が３５ｍｍ、３１ｍｍの場合に伸びフランジ割れが発生した。すなわち、線状突起を設けることにより優れた割れ抑制効果が得られることが確認できた。
更に、発明例１−１、発明例１−２では比較例１と比較して高いＫ値が得られた。すなわち、線状突起を有することにより、優れたスプリングバック抑制効果を得られることが確認できた。
更には、発明例１−１、発明例１−２の場合にはスプリングバックが低減されていることにより成形用具を引抜く際に鋼板Ｓの穴縁部が成形用具に食い付いて離れにくい事態は生じなかった。すなわち、離型性の向上も認められた。

発明例２−１では図１６Ａに示す成形用具を用い、発明例２−２では図１６Ｂに示す成形用具を用い、発明例２−３では図１６Ｃに示す成形用具を用いた。
比較例２では図１６Ａ、図１６Ｂ、又は図１６Ｃに示す成形用具から線状突起を取り除いた成形用具を用いた。
表２に示す通り、四角錐台形状の拡径部を有する成形用具を用いる場合であっても、線状突起を有することにより優れた割れ抑制効果及びスプリングバック低減効果を発揮できることが確認できた。
更には、発明例２−１、発明例２−２、発明例２−３の場合にはスプリングバックが低減されていることにより成形用具を引抜く際に鋼板Ｓの穴縁部が成形用具に食い付いて離れにくい事態は生じなかった。すなわち、離型性の向上も認められた。

発明例３−１では図１７Ｂに示す成形用具を用い、発明例３−２では図２１Ｂに示す成形用具を用い、金型内に組み込んだモーターの駆動力を歯車伝達機構により成形用具の把持部に伝達させることで、成形用具を回転させながら穴広げ加工を行った。
比較例３−１、比較例３−２では図１７Ｂ、図２１Ｂに示す成形用具から線状突起を取り除いた成形用具を用い、金型内に組み込んだモーターの駆動力を歯車伝達機構により成形用具の把持部に伝達させることで、成形用具を回転させながら穴広げ加工を行った。
表３に示す通り、直線状の線状突起を有する成形用具を用いる場合であっても、回転させながら穴広げ加工を行うことにより、優れた割れ抑制効果及びスプリングバック低減効果を発揮できることが確認できた。
更には、発明例３−１、発明例３−２の場合にはスプリングバックが低減されていることにより成形用具を引抜く際に鋼板Ｓの穴縁部が成形用具に食い付いて離れにくい事態は生じなかった。すなわち、離型性の向上も認められた。特に、発明例３−２においては、胴体部においても線状突起が設けられているため、より優れた離型性が得られた。

（実施例Ｂ）
成形用具の線状突起の条数とピッチが穴広げ加工時の伸びフランジ割れ防止効果及びスプリングバック低減効果に与える影響を確認するための実験を行った。

図４Ａ〜図４Ｃに示す本発明例の成形用具をベースに、らせん角度は４５度で固定して線状突起の条数を変更させて穴広げ加工を行った。

ここで、線状突起での遂次成形が適切に行われる数値指標δを以下のように定義する。ある時刻にて指標σｎの分布を観測した場合に指標σｎの最大値σｍａｘ、最小値σｍｉｎであったとすると、
δ＝｜σｍａｘ−σｍｉｎ｜／σｍａｘ
と定義する。
上記δは、０．０＜δ＜１．０の範囲の値を採り得る。δ＝０．０のときはσｍａｘ＝σｍｉｎになるため指標σｎの山と谷の差が発生しないため部分的な成形用具と鋼板Ｓの接触が発生しておらず遂次成形が実施されない。δ＝１．０ではσｍｉｎ＝０．０［ＭＰａ］となり指標σｎ＝σｍａｘを生じている箇所で部分的接触が行われていることを示す。以上よりδが１．０に近い程部分的接触が発生して遂次成形が適切に行われており、またδが０．０に近い程連続した広い範囲で接触が生じて遂次成形には至っていないことを示す。

図２４に、条数が０〜１２の成形用具を用いて穴広げ加工を行った際の指標δの変化を示す。条数が０の成形用具、すなわち比較例に係る成形用具でバーリング成形を行う場合は穴縁全域で等しい指標σｎが発生するためδ＝０．０である。
遂次バーリング成形用具では１条でも線状突起を設けるとδ＞０．７０以上の高い値を採る。ただしこの成形用具の形状水準では１条らせん、２条らせんの場合は線状突起以外のベース面（円錐面）でも接触する場合がありδ＝１．０よりは低い値に留まった。
３条よりも大きならせん数では多点接触が理想的に実現され遂次成形が行われるためδ＝１．０に近い。条数を増加させていくとδは低下していった。これは接触点が増加していくと非零値のσｍｉｎがσｍａｘの値に近付いて指標σｎの分布に十分な谷が形成されないことで遂次成形が十分に発現されないことを意味する。

以上より、らせんの条数すなわち接触点の数は多過ぎると遂次成形を十分に実現できす、また少な過ぎると線状突起以外での接触を生じて想定される遂次成形の条件からは乖離が認められる。すなわち遂次成形可能な接触部位の数はある範囲に限定される。

また、図２５に指標δのらせんピッチの影響の評価結果を示す。らせん条数は３条のままピッチを変化させた。らせんピッチ＝０．０の成形用具の形状は線状突起無しの円錐パンチ形状に一致するためδ＝０．０である。らせんピッチが小さい範囲では線状突起が密になり、それら線状突起の山と山の間で十分な指標σｎの谷が発生しないことにより遂次成形として適切ではない状況になる。らせんピッチを大きくしていくと徐々に指標σｎの分布に山と谷が発生していくためにδは漸増して１．０に近付く。ピッチが大きいとベース面での接触可能性が高まることにより遂次成形としての適切さが低下する。

以上より接触点の数を固定してらせんピッチを変更した場合、小さ過ぎると線状突起近傍での部分的接触が実現できずに遂次成形から乖離して円錐パンチでの穴広げ加工に近付くため遂次成形が適切に実施されない。らせんピッチが大きい範囲では線状突起以外での接触が生じ易く遂次成形としての適切さが低下する。すなわち遂次成形可能な接触部位のらせんピッチはある範囲に限定される。

本発明によれば、伸びが良い高強度鋼板においても穴広げ加工時の伸びフランジ割れの発生を防ぐことができ、なおかつ、スプリングバックの抑制により伸びフランジの形状精度を向上させることができる。

１０、１０Ａ〜１０Ｌ 成形用具
１１、１１’ 拡径部
１２、１２ａ〜１２ｏ 線状突起
１３、１３’ 胴体部
１４、１４’ 頂部
１５ 底部
１６、１６’ 把持部
１１０ 鋼板
１１１ 下穴
Ｓ 鋼板
Ｓ１ 下穴
１００ 成形用具
１０１ 拡径部
１１０ 鋼板
１１１ 下穴
１１２ 穴
１１３ フランジ
１１４ 縁部
１１５ 伸びフランジ割れ

Claims (9)

1. 先端側から後端側に向けて拡径する拡径部及び前記拡径部の表面から外方に向けて突出するように形成された線状突起を有する成形用具と、下穴が形成された被加工材とを準備する準備工程と；
   前記被加工材の前記下穴の周縁部の一部に対し、前記成形用具の前記線状突起が２回以上点接触するように前記成形用具を前記下穴に押し込むことで前記下穴を逐次的に広げ、伸びフランジを形成する穴広げ工程と；
   を有する
   ことを特徴とする穴広げ加工方法。
2. 前記穴広げ工程では、前記成形用具をその押し込み方向の中心軸線を中心として回転させながら前記下穴に押し込む
   ことを特徴とする請求項１に記載の穴広げ加工方法。
3. 請求項１又は２に記載の穴広げ加工方法で用いる成形用具であって、
   先端側から後端側に向けて拡径する拡径部と；
   前記拡径部の表面から外方に向けて突出するように形成された線状突起と；
   を備え、
   前記先端側から見た場合に前記線状突起がらせん状であり、
   前記拡径部の中心軸線を含む断面で見た場合に、前記拡径部の一方の周面において、前記線状突起が２個以上存在する
   ことを特徴とする成形用具。
4. 前記拡径部の後端側に胴体部が形成され、
   前記線状突起が前記胴体部の表面にかけて延在している
   ことを特徴とする請求項３に記載の成形用具。
5. 請求項２に記載の穴広げ加工方法で用いる成形用具であって、
   先端側から後端側に向けて拡径する拡径部と；
   前記拡径部の表面から外方に向けて突出するように形成された線状突起と；
   前記拡径部を、その中心軸線回りに回転させる回転機構と；
   を備える成形用具。
6. 前記先端側から見た場合に、前記線状突起が直線状である
   ことを特徴とする請求項５に記載の成形用具。
7. 前記先端側から見た場合に、前記線状突起がらせん状である
   ことを特徴とする請求項５に記載の成形用具。
8. 前記拡径部の後端側に胴体部が形成され、
   前記線状突起が前記胴体部の表面にかけて延在している
   ことを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の成形用具。
9. 請求項１又は２に記載の穴広げ加工方法により形成された伸びフランジを有する成形加工品。

Images