WO2022054360A1 - 金属板の打ち抜き装置 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a punching device for a metal sheet, and in particular, punches a metal plate that forms a punched hole with improved fatigue strength of the sheared edge. Regarding the device (punching machine).
  • the sheared end face of the punched hole of the punched metal plate is machined with a drill or the like because tensile residual stress in the circumferential direction of the punched hole is generated by the punching process and the end face is rough. It is known that the fatigue strength is lower than that of the end face of the (machining) hole (see Non-Patent Document 1), which causes fatigue fracture in automobile parts and the like. Therefore, it is desired to improve the properties of the sheared end face of the punched hole of the punched metal plate to improve the fatigue strength.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 propose a method in which a metal plate is plastically deformed to form an indentation and then punched out. Further, in Patent Document 3, a large-size part having a larger diameter than the shearing portion is provided on the base-end side of the shearing part on the tip end side of the punch. A method has been proposed in which the sheared end face of the punched hole is rubbed by moving the sheared portion from the state where the sheared portion penetrates the punched hole of the metal plate in the punching direction and passing the majority of the mold. Further, in Patent Document 4, a metal plate with a wrinkle presser die is linked to the movement of the punch die by combining a punch die (die) and a wrinkle presser die (blank holder). A method of punching while pressurizing is proposed.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 since another die is required in addition to the die (tool) for forming a punched hole in the metal plate, the number of steps is increased and the productivity is increased. There was the problem of being low. Further, the method disclosed in Patent Document 3 has a problem that the metal plate around the punched hole is deformed when most of the mold passes through the punched hole.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to improve the properties of the sheared end face in one step without requiring another die other than the die for forming the punched hole. It is an object of the present invention to provide a punching device for a metal plate capable of forming a punched hole, suppressing the generation of cracks from a sheared end face, and improving fatigue strength.
  • the metal plate punching device has a die that has a circular opening and supports the metal plate, and a punch that forms a circular punching hole in the metal plate supported by the die. ), And the punch is a punching portion between the main body portion, a columnar punching portion provided at the tip, and the punching portion between the main body portion and the punching portion.
  • a rotating portion rotatably arranged with the central axis as a rotating axis, an abrasive cloth and paper provided on the outer peripheral surface of the rotating portion to polish the sheared end face of the punched hole, and the main body portion.
  • a spring that accumulates as elastic energy and expands after the elastic energy is released after punching the metal plate, and the rotation of the punched portion due to the expansion of the spring. It is equipped with a rotary motion conversion mechanism (rotational motion conversion device) that converts the rotary motion of the part.
  • the rotational motion conversion mechanism includes a plate-shaped rack (rack) provided so as to extend from the tip of the main body in the punching direction, a first spur gear portion that meshes with the plate-shaped rack, and the first spur gear.
  • a first gear having a first bevel gear portion coaxially provided with one spur gear portion and rotatably arranged around an axis orthogonal to the punching direction, and the first umbrella. It has a second bevel gear that meshes with the gear and a second spur gear that is provided coaxially with the second bevel gear, and is rotatably arranged around an axis parallel to the punching direction.
  • a second gear a gear support portion provided in the punched portion to rotatably support the first gear and the second gear, and a second flat portion provided on the inner peripheral surface side of the rotating portion. It may be provided with a cylindrical rack that meshes with the gear portion.
  • the unevenness of the sheared end face is reduced by forming the punched hole and polishing the sheared end face of the punched hole, and the direction of the polishing mark on the sheared end face and the punched hole are formed. It is possible to prevent the direction of cracks generated on the sheared end face from matching when a load is repeatedly applied to the metal plate, and it does not require a power source other than punching the metal plate, and it can be done in one step. It is possible to form a punched hole in the sheared end face having excellent fatigue strength. Further, according to the present invention, the formability is improved by preventing ductile fracture of the sheared end face when press forming is performed after punching, and the metal plate having punched holes is formed.
  • the delayed fracture characteristics in which fracture occurs in a brittleness manner when a predetermined time elapses under a static load, can be expected to be improved. Furthermore, by reducing the unevenness of the sheared end face to reduce the surface area, it is expected that the coating properties and corrosion resistance of the paint will be improved.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a metal plate punching device according to an embodiment of the present invention and its operation ((a) before punching, (b) spring contraction, (c) immediately after punching and polishing).
  • FIG. 2 is a perspective view showing an example of a specific configuration of a rotational motion conversion mechanism of a metal plate punching device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a punch of a metal plate punching device according to an embodiment of the present invention and its operation (No. 1) ((a) before punching, (b) contraction of a spring).
  • FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a punch of a metal plate punching device according to an embodiment of the present invention and its operation (No.
  • FIG. 5 is a diagram showing a fatigue test piece (fatigue specimen) used in the fatigue test in the examples.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a sheared end face of a punched hole formed in a metal plate by punching.
  • the inventor of the present invention first diligently examined the properties and fatigue strength of the sheared end face of the punched hole.
  • FIG. 6A shows a cross-sectional view (side surface) of the punched hole 3 formed by punching the metal plate 1.
  • the sheared end surface 5 of the punched hole 3 is divided into a sheared surface 5a and a fracture surface 5b.
  • cracks 7 are likely to occur in the fracture surface 5b of the sheared end face 5, as shown in the top view of FIG. 6B. Starting from 7, fatigue fracture is reached.
  • the starting point is the portion where the recesses are connected in the punching direction by the punch, and the tensile stress in the circumferential direction of the punched hole (tensile stress) added by the punching process and the stress such as bending of the metal plate are applied.
  • the crack 7 grows as a result. Further, it has been clarified that even if the direction of the polishing marks remaining on the sheared end surface 5 is the punching direction, the generation of cracks 7 is promoted.
  • the inventor uses a punch having a columnar punched portion, a rotating portion that can rotate around the central axis of the punched portion as a rotation axis, and a polishing cloth paper provided on the outer peripheral surface of the rotating portion.
  • a punch having a columnar punched portion, a rotating portion that can rotate around the central axis of the punched portion as a rotation axis, and a polishing cloth paper provided on the outer peripheral surface of the rotating portion.
  • a spring is provided between the main body of the punch and the punched portion at the tip, a part of the punching load is stored as the elastic energy of the spring, and after punching, the elastic energy stored in the spring is released.
  • the metal plate punching device 11 (hereinafter referred to as “punching device 11”) according to the embodiment of the present invention uses a die 13 and a punch 15 as an example in FIG. It forms a punched hole 3.
  • the die 13 has a circular opening 13a and supports the metal plate 1.
  • the punch 15 has a main body portion 17, a columnar punching portion 19 provided at the tip in the punching direction, a rotating portion 21, a polishing pad paper 23, a spring 25, and a rotational motion conversion mechanism 27.
  • the rotating portion 21 is rotatably arranged between the main body portion 17 and the punching portion 19 with the central axis of the punching portion 19 as a rotation axis.
  • the polishing pad paper 23 is provided on the outer peripheral surface of the rotating portion 21 and polishes the sheared end surface 5 of the punched hole 3 by the rotation of the rotating portion 21.
  • the spring 25 is arranged between the main body portion 17 and the punching portion 19 so as to be contractible and expandable in the punching direction. Then, in the process of punching the metal plate 1 by moving the punch 15 in the punching direction, the spring 25 contracts until the punching portion 19 comes into contact with the metal plate 1 and punches out, and a part of the punching load is elastic energy. After punching out the metal plate 1, the elastic energy stored in the spring 25 is released and the spring 25 expands.
  • the punching direction is a direction in which the punch 15 is relatively moved toward the die 13 in order to form the punching hole 3 in the metal plate 1.
  • the rotary motion conversion mechanism 27 converts the linear motion of the punching section 19 in the punching direction due to the extension of the spring 25 into the rotary motion of the rotary section 21.
  • FIGS. 2 to 4 show an example of a specific configuration of the rotational motion conversion mechanism 27.
  • the rotational motion conversion mechanism 27 includes a plate-shaped rack 29, a first gear 31, a second gear 33, and a gear support portion 35.
  • the plate-shaped rack 29 is provided so as to extend from the tip of the main body 17 in the punching direction, and moves together with the main body 17 when the punch 15 is moved in the punching direction.
  • the first gear 31 has a first spur gear portion 31a that meshes with the plate-shaped rack 29 and a first captive gear portion 31b provided coaxially with the rotation shaft of the first spur gear portion 31a. And, and are rotatably arranged around an axis orthogonal to the punching direction (around axis C in FIG. 2).
  • the first spur gear portion 31a and the first bevel gear portion 31b are connected by a first gear shaft portion 31c so that they can rotate coaxially.
  • the second gear 33 is a second spur gear provided coaxially with a second bevel gear portion 33a that meshes with the first bevel gear portion 31b and a rotation shaft of the second bevel gear portion 33a. It has a portion 33b and is rotatably arranged around an axis parallel to the punching direction (around axis C 2 in FIG. 2).
  • the second bevel gear portion 33a and the second spur gear portion 33b are connected by a second gear shaft portion 33c so that they can rotate coaxially.
  • the gear support portion 35 is provided in the punched portion 19 to rotatably support the first gear 31 and the second gear 33, respectively.
  • the cylindrical rack 37 is provided on the inner peripheral surface side of the rotating portion 21 and meshes with the second spur gear portion 33b. As shown in FIG. 2, the cylindrical rack 37 is the same as the rotating portion 21, and the abrasive cloth 23 is directly attached to the outer peripheral surface of the cylindrical rack 37. However, the cylindrical rack 37 is not limited to the same as the rotating portion 21, and may be, for example, separately provided on the inner peripheral surface side of the rotating portion 21.
  • the metal plate 1 is placed so as to straddle the opening 13a of the die 13, both ends of the metal plate 1 are supported, and the punch 15 is installed above the metal plate 1 (FIGS. 1A and 3). (A)).
  • the plate-shaped rack 29 moves relatively in the direction opposite to the punching direction with the linear motion of the punched portion 19, and the first spur gear portion 31a meshing with the plate-shaped rack 29.
  • the first gear 31 rotates via the above. Then, the rotation of the first gear 31 is transmitted to the second bevel gear portion 33a that meshes with the first bevel gear portion 31b, and the second gear 33 rotates.
  • the metal plate punching device 11 As described above, according to the metal plate punching device 11 according to the embodiment of the present invention, a part of the punching load of the metal plate 1 by the punch 15 is stored in the spring 25 as elastic energy, and the metal plate 1 is punched out into a punched hole. After forming 3, the rotating portion 21 rotates by releasing the elastic energy stored in the spring 25. Then, the abrasive cloth 23 provided on the outer peripheral surface of the rotating portion 21 polishes the sheared end surface 5 of the punched hole 3, so that the rotating portion 21 can be formed without requiring a power source other than the power source for punching the metal plate 1. It can be rotated and the sheared end face 5 is polished in one step to form a punched hole 3 with reduced unevenness.
  • the direction of the polishing mark on the sheared end surface 5 polished by the polishing pad paper 23 and the direction of the crack generated on the sheared end surface 5 when the metal plate 1 having the punched hole 3 is repeatedly loaded with a load coincide with each other. You can avoid it. As a result, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the shear end face 5 when a repeated load is applied, and to form a punched hole 3 with improved fatigue strength.
  • the formability is improved by preventing ductile fracture of the sheared end surface 5 when press molding is performed after punching, and the delayed fracture characteristics of the punched hole 3. It can be expected that the coatability and corrosion resistance of the paint can be improved by improving the above, reducing the unevenness of the sheared end face 5 and reducing the surface area.
  • the metal plate 1 can be punched out in a state where the punched portion 19 is in contact with the metal plate 1 and contracted.
  • the polishing pad paper 23 is not limited to the one provided so as to cover the entire outer peripheral surface of the rotating portion 21, but may be provided on a part of the outer peripheral surface of the rotating portion 21.
  • the polishing paddy paper 23 provided on the outer peripheral surface of the rotating portion 21 is the outer peripheral surface of the punched portion 19. It is preferable that the outer diameter of the abrasive cloth 23 provided on the outer peripheral surface of the rotating portion 21 is set to be equal to or larger than the outer diameter of the punched portion 19 so as to spread outward.
  • the rotating portion 21 provided with the abrasive cloth 23 on the outer peripheral surface is used in the punching hole 3. After the insertion, the abrasive cloth 23 spreads outward from the sheared end face 5 of the punched hole 3. As a result, even if the rotating portion 21 can be inserted into the punched hole 3, when the rotating portion 21 is rotated, the abrasive cloth 23 polishes not only the sheared end surface 5 but also the opening portion 13a of the die 13. Therefore, the life of the abrasive cloth 23 may be shortened. Therefore, it is desirable that the outer diameter of the abrasive cloth 23 provided on the outer peripheral surface of the rotating portion 21 is about the same as the inner diameter of the opening 13a of the die 13.
  • the surface of the polishing pad paper 23 is parallel to the punching direction, that is, the angle ⁇ between the surface of the polishing pad paper 23 and the cross section 19a orthogonal to the central axis of the punched portion 19 (see FIG. 3A).
  • the punch 15 having a value of 90 ° was used.
  • the angle ⁇ between the surface of the abrasive cloth 23 and the cross section 19a orthogonal to the central axis of the punched portion 19 is not limited to 90 °.
  • a punched hole 3 is formed in the metal plate 1 without providing the abrasive cloth 23 in the punch 15, and the angle ⁇ 'between the fracture surface 5b on the sheared end surface 5 and the surface 1a of the metal plate 1 (FIG. 6) is measured, and the angle ⁇ may be within a predetermined error range from the angle ⁇ 'measured by the preliminary test.
  • An example is ⁇ 3 ° or less as the predetermined error range.
  • the polishing padding paper 23 is installed so that the angle ⁇ formed by the surface of the polishing paddy paper 23 and the cross section 19a orthogonal to the central axis of the punched portion 19 is a predetermined angle, for example, the outer peripheral surface of the rotating portion 21 is installed. It is advisable to set the shape of.
  • polishing pad paper 23 it is preferable to use a general buff for the polishing pad paper 23, but if the polishing pad paper 23 is not elastic in the thickness direction, it may not come out from the punched hole 3, so that the polishing pad paper 23 may not come out. It is desirable to appropriately select the types and materials of 23.
  • the count (yearn count) (grain size) of the abrasive cloth 23 is not particularly limited, but it is desirable to determine it according to the hardness of the metal plate 1 and the like, and the metal plate 1 For general steel sheets, # 80 to # 240 is desirable.
  • the first spur gear portion 31a meshing with the plate-shaped rack 29 rotates even when the spring 25 until the metal plate 1 is punched contracts.
  • the rotating portion 21 rotates.
  • the rotation of the rotating portion 21 at this time is in the opposite direction to the rotation of the rotating portion 21 after punching out the metal plate 1.
  • the rotation of the rotating portion 21 until the metal plate 1 is punched does not contribute to the polishing of the sheared end surface 5 of the punched hole 3, and conversely, the life of the gear or the like of the punching device 11 may be shortened.
  • the first spur gear portion 31a of the first gear 31 in the rotational motion conversion mechanism 27 is provided with a ratchet mechanism (not shown) for preventing the reverse rotation of the rotating portion 21, and the metal plate 1 is punched out. It is preferable to suppress the reverse rotation of the rotating portion 21 up to.
  • the punching device 11 has, for example, a drop preventing mechanism 39 as shown in FIGS. 3 and 4.
  • the fall prevention mechanism 39 is provided with a hole 41 formed in the direction opposite to the punching direction from the tip of the main body 17 and extending from the rear end of the punch 19 toward the main body 17 and inserted into the hole 41. It has a fall prevention rod 43.
  • a stopper 43a is provided at the rear end of the fall prevention rod 43 to prevent the fall prevention rod 43 from coming off from the hole 41.
  • the stopper 43a is at the entrance of the hole 41. It is possible to prevent the punching portion 19 from falling from the punch 15 due to being caught.
  • the outer diameter of the punched portion 19 of the punching device 11 was 10 mm, and the clearance between the outer diameter of the punched portion 19 and the inner diameter of the opening 13a of the die 13 was 10%.
  • a radial sander (abrasive cloth and paper) having a count of # 120 is used, and the outer diameter of the abrasive cloth 23 provided on the rotating portion 21 is 10 mm, and polishing is performed.
  • the angle ⁇ between the cloth paper 23 and the cross section 19a orthogonal to the central axis of the punched portion 19 was set to 90 °.
  • a fatigue test piece 51 having the punched hole 3 was produced from the metal plate 1 in which the punched hole 3 was formed by using the punching device 11. Then, a fatigue test was conducted in which a fatigue test piece 51 was repeatedly loaded with both swings using a Shenck-type plane bending tester (Shenck plane bending fatigue-testing device).
  • an example of the invention was a fatigue test piece 51 having a punching hole 3 formed by using the punching device 11. Further, as a comparison target, a fatigue test piece 51 having a punched hole 3 formed by using an integrated punch having the same diameter as the punched portion 19 of the punching device 11 is produced, and the same fatigue test as described above is performed.
  • Table 1 shows the results of the fatigue test.
  • the fatigue test piece 51 broke after 480,000 repetitions.
  • the fatigue life fatigue life was improved by 4 times or more as compared with the conventional example without being destroyed even if the number of repetitions was 2 million.
  • a punched hole having improved properties of the sheared end face is formed in one step without the need for another die other than the die for forming the punched hole, and cracks from the sheared end face are formed. It is possible to provide a punching device for a metal plate capable of suppressing the occurrence and improving the fatigue strength.

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Abstract

本発明に係る金属板の打ち抜き装置１１は、金属板１を支持するダイ１３と、ダイ１３に支持された金属板１に円形の打ち抜き穴３を形成するパンチ１５と、を備えたものであって、パンチ１５は、本体部１７と、円柱状の打ち抜き部１９と、打ち抜き部１９の中心軸を回転軸として回転可能に配設された回転部２１と、回転部２１の外周面に設けられた研磨布紙２３と、本体部１７と打ち抜き部１９との間に打ち抜き方向に収縮及び伸長可能に配設され、打ち抜き部１９が金属板１に接触して打ち抜くまでの間は収縮して弾性エネルギーとして蓄積し、金属板１を打ち抜いた後は前記弾性エネルギーが解放されて伸長するばね２５と、ばね２５の伸長による打ち抜き部１９の直線運動を回転部２１の回転運動に変換する回転運動変換機構２７と、を備える。

Description

金属板の打ち抜き装置
　本発明は、金属板（metal　sheet）の打ち抜き（punching）装置に関し、特に、せん断端面（sheared　edge）の疲労強度（fatigue　strength）を向上させた打ち抜き穴（punched　hole）を形成する金属板の打ち抜き装置（punching　machine）に関する。
　打ち抜き加工（blanking）した金属板の打ち抜き穴のせん断端面は、打ち抜き加工により打ち抜き穴円周方向の引張残留応力（tensile　residual　stress）が発生すること、端面が粗いこと等から、ドリル等で機械加工（machining）した穴の端面に比べると疲労強度が低いことが知られており（非特許文献１参照）、自動車部品（automotive　part）等における疲労破壊（fatigue　fracture）の原因となっている。そのため、打ち抜き加工した金属板の打ち抜き穴のせん断端面の性状を改善して疲労強度を向上することが望まれている。
　せん断端面の性状を改善した打ち抜き穴を形成するため、例えば、以下の技術が提案されている。特許文献１及び特許文献２には、予め金属板を塑性変形（plastic　deformation）させて圧痕（indentation）を形成した後に打ち抜く方法が提案されている。また、特許文献３には、パンチの先端側の剪断部（shearing　part）よりも基端側（base-end　side）に剪断部よりも拡径した型大部（a　large-size　part）を設け、剪断部が金属板の打ち抜き穴に貫通した状態からさらに打ち抜き方向に移動させて型大部を通過させることにより、打ち抜き穴のせん断端面を擦る方法が提案されている。さらに、特許文献４には、ポンチ金型（punch）とダイス金型（die）としわ押さえ金型（blank　holder）の組み合わせにより、ポンチ金型の移動に連動してしわ押さえ金型で金属板を加圧しながら打ち抜き加工する方法が提案されている。
特開２００９－１２０１８号公報 特開２００８－１３７０７３号公報 ＷＯ２００９－１２５７８６号公報 特開２００４－２８３８７５号公報
吉武他：自動車技術会論文集、Vol.33、No.4、pp.203-208(2002)．
　しかしながら、特許文献１及び特許文献２に開示された方法では、金属板に打ち抜き穴を形成する金型（tool）の他にも別の金型を要するために、工程数が増えて生産性が低いという問題があった。また、特許文献３に開示された方法では、型大部が打ち抜き穴を通過する際に打ち抜き穴の周辺の金属板が変形してしまうという問題があった。
　さらに、特許文献４に開示された方法によれば、せん断端面におけるせん断面（shear　surface）の割合を高めることで疲労強度を向上させることができるとされているが、前記方法をとったとしてもせん断端面に破断面（fracture　surface）が残存するため、破断面におけるき裂（crack）の発生を十分に抑制できない。その上、特殊な形状のしわ押さえ金型を要するために適用できる箇所が限られるという問題があった。
　本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、打ち抜き穴を形成する金型の他に別の金型を必要とせずに、一工程でせん断端面の性状が改善された打ち抜き穴を形成し、せん断端面からのき裂の発生を抑制して疲労強度を向上できる金属板の打ち抜き装置を提供することにある。
　本発明に係る金属板の打ち抜き装置は、円形の開口部を有して金属板を支持するダイ（die）と、該ダイに支持された前記金属板に円形の打ち抜き穴を形成するパンチ（punch）と、を備えたものであって、前記パンチは、本体部と、先端に設けられた円柱状の打ち抜き部（punching　part）と、前記本体部と前記打ち抜き部との間に前記打ち抜き部の中心軸を回転軸として回転可能に配設された回転部と、該回転部の外周面に設けられて前記打ち抜き穴のせん断端面を研磨する研磨布紙（abrasive　cloth　and　paper）と、前記本体部と前記打ち抜き部との間に打ち抜き方向に収縮及び伸長可能に配設され、前記打ち抜き部が前記金属板に接触して打ち抜くまでの間は収縮して打ち抜き荷重（punching　load）の一部を弾性エネルギー（elastic　energy）として蓄積し、前記金属板を打ち抜いた後は前記弾性エネルギーが解放されて伸長するばねと、該ばねの伸長による前記打ち抜き部の打ち抜き方向の直線運動（linear　motion）を前記回転部の回転運動（rotary　motion）に変換する回転運動変換機構（rotational　motion　conversion　device）と、を備える。
　前記回転運動変換機構は、前記本体部の先端から打ち抜き方向に延出して設けられた板状ラック（rack）と、前記板状ラックと噛合する第１平歯車（spur　gear）部と、該第１平歯車部と同軸上に設けられた第１傘歯車（bevel　gear）部と、を有し、打ち抜き方向に直交する軸回りに回転可能に配設された第１歯車と、前記第１傘歯車部と噛合する第２傘歯車部と、該第２傘歯車部と同軸上に設けられた第２平歯車部と、を有し、打ち抜き方向に平行な軸回りに回転可能に配設された第２歯車と、前記打ち抜き部に設けられて前記第１歯車及び前記第２歯車をそれぞれ回転可能に支持する歯車支持部と、前記回転部の内周面側に設けられ、前記第２平歯車部と噛合する円筒状ラックと、を備えるとよい。
　本発明においては、打ち抜き穴の形成と該打ち抜き穴のせん断端面の研磨（polishing）を行うことで該せん断端面の凹凸を小さくするとともに、前記せん断端面における研磨痕の方向と前記打ち抜き穴を形成した前記金属板に繰り返し荷重を負荷させたときに前記せん断端面に発生するき裂の方向とが一致しないようにすることができ、金属板を打ち抜く以外の動力源を必要とせずに、一工程で疲労強度に優れたせん断端面の打ち抜き穴を形成することができる。また、本発明によれば、打ち抜き後にプレス成形（press　forming）を行う場合のせん断端面の延性破壊（ductile　fracture）を防止することによる成形性（formability）の向上や、打ち抜き穴を形成した金属板が静的な荷重を受けた状態で所定時間経過した際に脆性（brittleness）的に破壊が生じる遅れ破壊（delayed　fracture）特性の向上が期待できる。さらに、せん断端面の凹凸を小さくして表面積を小さくすることにより、塗料の塗布性（coating　properties）や耐食性（corrosion　resistance）の向上も期待できる。
図１は、本発明の実施の形態に係る金属板の打ち抜き装置とその動作を説明する断面図である（(ａ)打ち抜き前、（ｂ）ばねの収縮、（ｃ）打ち抜き直後及び研磨）。 図２は、本発明の実施の形態に係る金属板の打ち抜き装置の回転運動変換機構の具体的な構成の一例を示す斜視図である。 図３は、本発明の実施の形態に係る金属板の打ち抜き装置のパンチとその動作を説明する断面図である（その１）（（ａ）打ち抜き前、（ｂ）ばねの収縮）。 図４は、本発明の実施の形態に係る金属板の打ち抜き装置のパンチとその動作を説明する断面図である（その２）（（ａ）打ち抜き直後及び研磨、（ｂ）パンチの引き抜き）。 図５は、実施例において、疲労試験（fatigue　test）に用いた疲労試験片（fatigue　specimen）を示す図である。 図６は、打ち抜き加工により金属板に形成された打ち抜き穴のせん断端面を説明する断面図である。
　本発明の発明者は、上記の課題を解決するために、まず、打ち抜き加工した打ち抜き穴のせん断端面の性状と疲労強度について鋭意検討した。
　金属板１を打ち抜き加工して形成した打ち抜き穴３の断面図（側面）を図６（ａ）に示す。打ち抜き穴３のせん断端面５は、せん断面５ａと、破断面５ｂとに分けられる。このような打ち抜き穴３が形成された金属板１に繰り返し荷重を負荷すると、図６（ｂ）上面図に示すように、せん断端面５における破断面５ｂにき裂７が発生しやすく、き裂７を起点として疲労破壊に至る。
　また、破断面５ｂの凹凸において、パンチによる打ち抜き方向に凹部が連なる部位が起点となって、打ち抜き加工により付加される打ち抜き穴円周方向の引張応力（tensile　stress）や金属板の曲げ等の応力によってき裂７が進展する。さらに、せん断端面５に残る研磨痕の方向が打ち抜き方向であっても、き裂７の発生を促進してしまうことが明らかになった。
　そこで発明者は、円柱状の打ち抜き部と、該打ち抜き部の中心軸を回転軸として回転可能な回転部と、該回転部の外周面に設けられた研磨布紙と、を有するパンチを用い、金属板を打ち抜き加工して打ち抜き穴を形成し、前記回転部を前記打ち抜き穴の内側に位置させた状態で前記回転部を回転させ、前記研磨布紙により打ち抜き穴のせん断端面を研磨することにより、研磨痕の方向とき裂の方向とが一致しないように、一工程で打ち抜き穴の形成と前記せん断端面を研磨することができ、上記問題を解決できるという知見を得た。
　さらに、パンチの本体部と先端の打ち抜き部との間にばねを設け、打ち抜き荷重の一部を前記ばねの弾性エネルギーとして蓄積し、打ち抜いた後、前記ばねに蓄積された弾性エネルギーを解放して回転部を回転させる機構を設けることにより、打ち抜き加工する動力源の他に前記回転部を回転させる動力源を要せずにせん断端面の研磨ができることを着想した。
　本発明の実施の形態に係る金属板の打ち抜き装置について、以下に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能や構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があるが、各構成要素の寸法や比率などが実際と同じであるとは限らない。
　本発明の実施の形態に係る金属板の打ち抜き装置１１（以下、「打ち抜き装置１１」という）は、図１に一例として示すように、ダイ１３と、パンチ１５と、を用いて、金属板１に打ち抜き穴３を形成するものである。
　ダイ１３は、円形の開口部１３ａを有して金属板１を支持するものである。パンチ１５は、本体部１７と、打ち抜き方向の先端に設けられた円柱状の打ち抜き部１９と、回転部２１と、研磨布紙２３と、ばね２５と、回転運動変換機構２７と、を有する。
　回転部２１は、本体部１７と打ち抜き部１９との間に打ち抜き部１９の中心軸を回転軸として回転可能に配設されたものである。
　研磨布紙２３は、回転部２１の外周面に設けられて回転部２１の回転により打ち抜き穴３のせん断端面５を研磨するものである。
　ばね２５は、本体部１７と打ち抜き部１９との間に打ち抜き方向に収縮及び伸長可能に配設されたものである。そして、パンチ１５を打ち抜き方向に移動させて金属板１を打ち抜く過程において、ばね２５は、打ち抜き部１９が金属板１に接触して打ち抜くまでの間は収縮して打ち抜き荷重の一部を弾性エネルギーとして蓄積し、金属板１を打ち抜いた後はばね２５に蓄積された弾性エネルギーが解放されてばね２５が伸長する。なお、打ち抜き方向とは、金属板１に打ち抜き穴３を形成するためにパンチ１５をダイ１３側に相対移動させる方向である。
　回転運動変換機構２７は、ばね２５の伸長による打ち抜き部１９の打ち抜き方向の直線運動を回転部２１の回転運動に変換するものである。
　回転運動変換機構２７の具体的な構成の一例を図２～図４に示す。
　回転運動変換機構２７は、図２～図４に示すように、板状ラック２９と、第１歯車３１と、第２歯車３３と、歯車支持部３５と、を備える。
　板状ラック２９は、本体部１７の先端から打ち抜き方向に延出して設けられたものであり、パンチ１５を打ち抜き方向に移動させた際に本体部１７とともに移動する。
　第１歯車３１は、図２に示すように、板状ラック２９と噛合する第１平歯車部３１ａと、第１平歯車部３１ａの回転軸と同軸上に設けられた第１傘歯車部３１ｂと、を有し、打ち抜き方向に直交する軸回り（図２においては軸C1回り）に回転可能に配設されたものである。ここで、第１平歯車部３１ａと第１傘歯車部３１ｂは、それらが同軸で回転可能となるように第１歯車軸部３１ｃで連結されている。
　第２歯車３３は、図２に示すように、第１傘歯車部３１ｂと噛合する第２傘歯車部３３ａと、第２傘歯車部３３ａの回転軸と同軸上に設けられた第２平歯車部３３ｂと、を有し、打ち抜き方向に平行な軸回り（図２においては軸C2回り）に回転可能に配設されたものである。ここで、第２傘歯車部３３ａと第２平歯車部３３ｂは、それらが同軸で回転可能となるように第２歯車軸部３３ｃで連結されている。
　歯車支持部３５は、図３及び図４に示すように、打ち抜き部１９に設けられて第１歯車３１及び第２歯車３３をそれぞれ回転可能に支持するものである。
　円筒状ラック３７は、回転部２１の内周面側に設けられ、第２平歯車部３３ｂと噛合するものである。なお、円筒状ラック３７は、図２に示すように、回転部２１と同一のものであり、円筒状ラック３７の外周面に研磨布紙２３が直接貼付されたものである。もっとも、円筒状ラック３７は、回転部２１と同一のものに限られず、例えば、回転部２１の内周面側に別途設けられたものであってもよい。
　次に、打ち抜き装置１１を用いて金属板１に打ち抜き穴３を形成する過程における打ち抜き装置１１の動作を図１～図４を参照して説明する。
　まず、ダイ１３の開口部１３ａを跨ぐように金属板１を載置し、金属板１の両端側を支持し、パンチ１５を金属板１の上方に設置する（図１（ａ）、図３（ａ））。
　次に、パンチ１５を打ち抜き方向に移動し、金属板１に接触してから金属板１を打ち抜くまではばね２５を収縮させる。これにより、打ち抜き荷重の一部が弾性エネルギーとしてばね２５に蓄積される（図１（ｂ）、図３（ｂ））。
　続いて、パンチ１５に打ち抜き荷重をさらに与え、打ち抜き部１９により金属板１を打ち抜くことで、ばね２５に蓄積された弾性エネルギーが解放されてばね２５が伸長する。これにより、打ち抜き部１９がダイ１３の開口部１３ａに向かって打ち抜き方向に直線運動し、回転部２１が打ち抜き穴３の内側に位置する（図１（ｃ）、図４（ａ））。
　この打ち抜き部１９の直線運動に伴い、図２に示すように、板状ラック２９が相対的に打ち抜き方向と反対方向へと移動し、板状ラック２９と噛合している第１平歯車部３１ａを介して第１歯車３１が回転する。そして、第１歯車３１の回転が第１傘歯車部３１ｂと噛合している第２傘歯車部３３ａに伝達して第２歯車３３が回転する。
　これにより、第２歯車３３の回転が第２平歯車部３３ｂと噛合している回転部２１（図２においては円筒状ラック３７）に伝達し、回転部２１が回転する。その結果、回転部２１の外周面に設けられた研磨布紙２３により打ち抜き穴３のせん断端面５が研磨される（図１（ｃ）、図４（ａ））。
　ばね２５が伸長しきって回転部２１の回転が止まった後は、パンチ１５を打ち抜き方向と反対方向に移動させて打ち抜き穴３からパンチ１５を引き抜く（図４（ｂ））。
　以上、本発明の実施の形態に係る金属板の打ち抜き装置１１によれば、パンチ１５による金属板１の打ち抜き荷重の一部をばね２５に弾性エネルギーとして蓄積し、金属板１を打ち抜いて打ち抜き穴３を形成した後、ばね２５に蓄積された弾性エネルギーが解放されることにより回転部２１が回転する。そして、回転部２１の外周面に設けられた研磨布紙２３が打ち抜き穴３のせん断端面５を研磨することで、金属板１を打ち抜く動力源以外の動力源を要せずに回転部２１を回転させ、一工程でせん断端面５を研磨して、凹凸を小さくした打ち抜き穴３を形成することができる。
　さらに、研磨布紙２３により研磨したせん断端面５における研磨痕の方向と、打ち抜き穴３を形成した金属板１に繰り返し荷重を負荷させたときにせん断端面５に発生するき裂の方向とが一致しないようにすることができる。これにより、繰り返し荷重が負荷した際にせん断端面５にき裂が発生するのを抑制し、疲労強度を向上させた打ち抜き穴３を形成することができる。
　さらに、本実施の形態に係る金属板の打ち抜き装置１１によれば、打ち抜き後にプレス成形を行う場合のせん断端面５の延性破壊を防止することによる成形性の向上や、打ち抜き穴３の遅れ破壊特性を向上し、せん断端面５の凹凸を小さくして表面積を小さくすることで塗料の塗布性や耐食性の向上も期待できる。
　なお、ばね２５の強度に関しては、打ち抜き部１９が金属板１に接触して収縮した状態で金属板１を打ち抜くことができるものであればよい。
　また、回転部２１は、円筒形状のものを用いるとよい。そして、研磨布紙２３は、回転部２１の外周面の全てを覆うように設けられたものに限らず、回転部２１の外周面の一部に設けられたものであってもよい。
　また、研磨布紙２３は、回転部２１の回転により打ち抜き穴３のせん断端面５を十分に研磨するために、回転部２１の外周面に設けられた研磨布紙２３が打ち抜き部１９の外周面よりも外側に広がるように、すなわち、回転部２１の外周面に設けられた研磨布紙２３の外径を打ち抜き部１９の外径以上にするとよい。
　もっとも、回転部２１の外周面に設けられた研磨布紙２３の外径が打ち抜き部１９の外径よりも大きすぎると、外周面に研磨布紙２３を設けた回転部２１を打ち抜き穴３に挿通させた後、研磨布紙２３が打ち抜き穴３のせん断端面５よりも外側に広がる。これにより、たとえ回転部２１を打ち抜き穴３に挿通させることができたとしても、回転部２１を回転させると研磨布紙２３がせん断端面５だけでなくダイ１３の開口部１３ａも研磨してしまうので、研磨布紙２３の寿命が低下してしまうおそれがある。そのため、回転部２１の外周面に設けられた研磨布紙２３の外径は、ダイ１３の開口部１３ａの内径と同程度であることが望ましい。
　また、上記の説明は、研磨布紙２３の表面が打ち抜き方向と平行、すなわち、研磨布紙２３の表面と打ち抜き部１９の中心軸直交断面１９ａとのなす角度θ（図３（ａ）参照）が90°であるパンチ１５を用いたものであった。
　もっとも、研磨布紙２３の表面と打ち抜き部１９の中心軸直交断面１９ａとのなす角度θは90°に限定されるものではない。例えば、予備試験として、パンチ１５に研磨布紙２３を設けずに金属板１に打ち抜き穴３を形成し、せん断端面５における破断面５ｂと金属板１の表面１ａとのなす角度θ’（図６参照）を測定し、角度θを当該予備試験により測定した角度θ’と所定誤差範囲となるようにするとよい。所定誤差範囲としては±3°以下が例示される。
　これにより、繰り返し荷重を負荷した際にき裂７が発生しやすい破断面５ｂを重点的に研磨することができる。なお、研磨布紙２３の表面と打ち抜き部１９の中心軸直交断面１９ａとのなす角度θが所定の角度となるように研磨布紙２３を設置する際には、例えば、回転部２１の外周面の形状を適宜設定するとよい。
　また、研磨布紙２３には一般的なバフ（buff）を用いるとよいが、研磨布紙２３が厚み方向に伸縮性を有するものでないと打ち抜き穴３から抜けなくなるおそれがあるので、研磨布紙２３の種類や材質については適宜選択することが望ましい。
　さらに、研磨布紙２３の番手（yearn　count）（粒度（grain　size））に関しても、特に限定されるものではないが、金属板１の硬さ等に応じて決定することが望ましく、金属板１として一般的な鋼板に対してであれば#80～#240程度が望ましい。
　なお、上記の回転運動変換機構２７を有する打ち抜き装置１１は、金属板１が打ち抜かれるまでのばね２５が収縮する際にも板状ラック２９に噛合している第１平歯車部３１ａが回転することで回転部２１が回転してしまう。このときの回転部２１の回転は、金属板１を打ち抜いた後の回転部２１の回転とは逆方向である。しかしながら、金属板１を打ち抜くまでの間における回転部２１の回転は、打ち抜き穴３のせん断端面５の研磨に寄与せず、逆に、打ち抜き装置１１の歯車等の寿命を縮める可能性がある。
　そのため、例えば、回転運動変換機構２７における第１歯車３１の第１平歯車部３１ａに、回転部２１の逆回転を防止するラチェット機構（ratchet　mechanism）（図示なし）を設け、金属板１を打ち抜きまでの回転部２１の逆回転を抑えるとよい。
　さらに、本実施の形態に係る打ち抜き装置１１は、例えば図３及び図４に示すような落下防止機構（drop　preventing　mechanism）３９を有することが好ましい。落下防止機構３９は、本体部１７の先端から打ち抜き方向と反対方向に形成された孔部４１と、打ち抜き部１９の後端から本体部１７側に延出して設けられて孔部４１に挿入した落下防止棒４３と、を有する。そして、落下防止棒４３の後端には、孔部４１から落下防止棒４３が抜けないようにするためのストッパー４３ａが設けられている。
　このように、落下防止機構３９を有する打ち抜き装置１１によれば、金属板１を打ち抜いてせん断端面５を研磨した後にパンチ１５を打ち抜き穴３から引き抜く過程において、ストッパー４３ａが孔部４１の入口に引っかかるために、打ち抜き部１９がパンチ１５から落下してしまうことを防ぐことができる。
　本発明に係る金属板の打ち抜き装置の作用効果について確認するための実験を行ったので、これについて以下に説明する。
　実験では、まず、金属板１として780MPa級（MPa-class）の熱延鋼板（hot　rolled　steel　sheet）（板厚2.9mm）を用い、図１に示す打ち抜き装置１１により金属板１に打ち抜き穴３を形成した。
　打ち抜き装置１１の打ち抜き部１９の外径は10mm、打ち抜き部１９の外径とダイ１３の開口部１３ａの内径とのクリアランスは10%とした。
　そして、回転部２１の外周面に設ける研磨布紙２３には、番手が#120のラジアルサンダー（abrasive　cloth　and　paper）を用い、回転部２１に設けた研磨布紙２３の外径は10mm、研磨布紙２３と打ち抜き部１９の中心軸直交断面１９ａとのなす角度θ（図３(a)参照）は90°とした。
　続いて、打ち抜き装置１１を用いて打ち抜き穴３を形成した金属板１から、図５に示すように打ち抜き穴３を有する疲労試験片５１を作製した。そして、シェンク型平面曲げ試験機（Shenck　plane　bending　fatigue-testing　device）を用いて疲労試験片５１に両振りで繰り返し荷重を負荷する疲労試験を行った。
　疲労試験においては、公称応力（normal　stress）300MPaでトルク（torque）が30%低下した時点を破壊（fatigue　fracture）と判定し、破壊に至るまでの荷重負荷（load）の繰り返し回数を測定した。また、荷重負荷の繰り返し回数200万回を打ち切り回数とし、疲労試験を終了した。
　実験では、打ち抜き装置１１を用いて形成された打ち抜き穴３を有する疲労試験片５１を用いたものを発明例とした。さらに、比較対象として、打ち抜き装置１１の打ち抜き部１９と同じ径の一体型パンチ（punch）を用いて形成された打ち抜き穴３を有する疲労試験片５１を作製し、上記と同様の疲労試験を行ったものを従来例とした。表１に、疲労試験の結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１より、従来例においては、繰り返し回数48万回で疲労試験片５１が破壊した。これに対して、発明例においては、繰り返し回数200万回でも破壊されず、従来例と比べて疲労寿命（fatigue　life）が4倍以上向上する結果が得られた。
　本発明によれば、打ち抜き穴を形成する金型の他に別の金型を必要とせずに、一工程でせん断端面の性状が改善された打ち抜き穴を形成し、せん断端面からのき裂の発生を抑制して疲労強度を向上できる金属板の打ち抜き装置を提供することができる。
　１　金属板
　１ａ　表面
　３　打ち抜き穴
　５　せん断端面
　５ａ　せん断面
　５ｂ　破断面
　７　き裂
　１１　打ち抜き装置
　１３　ダイ
　１３ａ　開口部
　１５　パンチ
　１７　本体部
　１９　打ち抜き部
　１９ａ　中心軸直交断面
　２１　回転部
　２３　研磨布紙
　２５　ばね
　２７　回転運動変換機構
　２９　板状ラック
　３１　第１歯車
　３１ａ　第１平歯車部
　３１ｂ　第１傘歯車部
　３１ｃ　第１歯車軸部
　３３　第２歯車
　３３ａ　第２傘歯車部
　３３ｂ　第２平歯車部
　３３ｃ　第２歯車軸部
　３５　歯車支持部
　３７　円筒状ラック
　３９　落下防止機構
　４１　孔部
　４３　落下防止棒
　４３ａ　ストッパー
　５１　疲労試験片

Claims (2)

  1. 　円形の開口部を有して金属板を支持するダイと、該ダイに支持された前記金属板に円形の打ち抜き穴を形成するパンチと、を備えた金属板の打ち抜き装置であって、
    　前記パンチは、
    　　本体部と、
    　　先端に設けられた円柱状の打ち抜き部と、
    　　前記本体部と前記打ち抜き部との間に前記打ち抜き部の中心軸を回転軸として回転可能に配設された回転部と、
    　　該回転部の外周面に設けられて前記打ち抜き穴のせん断端面を研磨する研磨布紙と、
    　　前記本体部と前記打ち抜き部との間に打ち抜き方向に収縮及び伸長可能に配設され、前記打ち抜き部が前記金属板に接触して打ち抜くまでの間は収縮して打ち抜き荷重の一部を弾性エネルギーとして蓄積し、前記金属板を打ち抜いた後は前記弾性エネルギーが解放されて伸長するばねと、
    　　該ばねの伸長による前記打ち抜き部の打ち抜き方向の直線運動を前記回転部の回転運動に変換する回転運動変換機構と、
    　を備える、金属板の打ち抜き装置。
  2. 　前記回転運動変換機構は、
    　　前記本体部の先端から打ち抜き方向に延出して設けられた板状ラックと、
    　　前記板状ラックと噛合する第１平歯車部と、該第１平歯車部と同軸上に設けられた第１傘歯車部と、を有し、打ち抜き方向に直交する軸回りに回転可能に配設された第１歯車と、
    　　前記第１傘歯車部と噛合する第２傘歯車部と、該第２傘歯車部と同軸上に設けられた第２平歯車部と、を有し、打ち抜き方向に平行な軸回りに回転可能に配設された第２歯車と、
    　　前記打ち抜き部に設けられて前記第１歯車及び前記第２歯車をそれぞれ回転可能に支持する歯車支持部と、
    　前記回転部の内周面側に設けられ、前記第２平歯車部と噛合する円筒状ラックと、
    　を備える、請求項１に記載の金属板の打ち抜き装置。
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