JP2020104143A - 打ち抜き被加工材の打ち抜き加工方法および打ち抜き被加工材の打ち抜き加工型 - Google Patents

Abstract

【課題】端面割れを抑制することができる、打ち抜き被加工材の打ち抜き加工方法および打ち抜き被加工材の打ち抜き加工型を提供することを目的とする。【解決手段】ポンチとダイスを用いた打ち抜き被加工材の打ち抜き加工方法において、前記ポンチ先端は前記打ち抜き被加工材に接する平面形状を有し、該平面形状はポンチ最外周側面からポンチ中心軸に向かって０．１〜０．７ｍｍの長さを有することを特徴とする、打ち抜き被加工材の打ち抜き加工方法。【選択図】図３

Description

本発明は、例えば自動車用部品の穴開け加工のような、打ち抜き被加工材（鋼板）の打ち抜き加工に関するものであり、特にせん断加工時にせん断面に生じる割れを防止し、平滑なせん断面を得る打ち抜き被加工材の打ち抜き加工方法および打ち抜き被加工材の打ち抜き加工型に関するものである。

自動車部品などの金属板加工では、軽量化を目的とした肉抜き、飾り穴、バーリング加工の下穴等のために、穴開け加工が施されることが多い。加工方法には、レーザー加工、機械加工、打ち抜き加工等がある。このなかでも打ち抜き加工は汎用プレス機を用いて行うことができる加工であり、加工効率が高いため最も広く用いられる穴開け加工方法である。

一方で、穴の、加工される鋼板表面と直交する面の性状は比較的荒れやすい。図１に示すように、穴の、加工される鋼板表面と直交する面は、ポンチ先端の切刃で直接形成されたせん断端面１と、加工の後半過程で打ち抜き屑が鋼板（打ち抜き被加工材）から引き千切られる際に形成される破断面２から構成される。このうち破断面は粗く、加工の条件によっては微細な割れを伴うなど、問題となる場合も知られている。さらに、破断面２の粗さや微小割れ以外に、鋼板表面に平行な割れ（以下、端面割れ３という。）が生じることがある。この端面割れ３は、部品疲労耐久性の低下や塗装密着性の悪化による耐食性の低下を招く可能性がある。また、外観上の問題で品質不良として扱われ、部品製造の歩留まりを著しく悪化させる原因にもなる。近年の自動車軽量化ニーズに対して、自動車部品に用いる鋼板の高強度化が進められており、鋼板の靭性の低下により端面割れがますます発生しやすくなっている。

特許文献１には、ポンチ先端部にポンチ径の５〜２０％の面取りを施したポンチを使用し、打ち抜き初期にせん断き裂発生部に加工硬化を与え、き裂進展の調整を行なうことで端面割れを生じない打ち抜き加工方法が開示されている。これと類似し、特許文献２には、ポンチ先端部に小さな形状の凸部を設けることでせん断き裂発生部に加工硬化を与え、き裂進展の調整を行なうことで端面割れを生じない打ち抜き加工方法が開示されている。

また、特許文献３には、径の差が小さいポンチとダイスを用いて被加工材を半抜きする第一工程と、次いで第一工程で使用したダイスより径の大きなダイスを使用して打ち抜く第二工程で打ち抜いて割れを防止する技術が開示されている。

特許文献４には、ポンチ刃先を構成するいずれの線も被加工材に対して斜めに配置され、一平面からなる刃先面がパンチ軸に対して８０°以下の角度をなしているポンチを用いることで、端面割れを抑制する技術が開示されている。

特開平８−５７５５７号公報 特開平８−９９１３１号公報 特開平９−３１４２５０号公報 特開２００５−３４９４５６号公報

しかしながら、特許文献１と特許文献２に記載の技術は、端面割れに対して一定の効果を有するが、すべての端面割れに対する有効な対策技術とはなっていない。

特許文献３に記載の技術は、打ち抜き工程が２倍になり、さらにダイスを交換する必要がある。このため、加工効率を悪化させるという問題がある。

特許文献４に記載の技術は、端面割れ抑制に一定の効果を有するものの、ポンチ形状がポンチ軸に対して非回転対称であるため、打ち抜き加工で最後にポンチに接触する側の打ち抜き端面、特に高強度鋼板の打ち抜き端面において、端面割れを完全に抑制することができない。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、端面割れを抑制することができる、打ち抜き被加工材の打ち抜き加工方法および打ち抜き被加工材の打ち抜き加工型を提供することを目的とする。

図２（ａ）は打ち抜き加工型により打ち抜き被加工材である鋼板（以下、打ち抜き被加工材を単に鋼板と称することもある）を打ち抜き加工する様子を示す模式図である。図２（ａ）に示すように、打ち抜き加工は、クリアランスのあるポンチ４とダイス５で行われる。打ち抜き時、図２（ｂ）に示すように、鋼板６は、圧縮と引張応力を受ける。このため、ポンチ４とダイス５の両切刃から打ち抜き時にき裂が発生し、き裂はせん断力に沿って伝播する（せん断き裂７）。なお、図２において、破線はポンチ４の中心軸を示す。

発明者らは、鋼板表面に平行な端面割れを抑制するために、割れの発生メカニズムについて研究を行なった。打ち抜き加工をシミュレーションする解析モデルを開発し、打ち抜き加工中にせん断き裂発生部位に発生する応力状態を調べた。その結果、せん断き裂が発生すると同時にせん断き裂発生部位の応力状態は多軸応力場となり、せん断により被加工材を引き千切る方向（最大主応力方向）に直交する方向（最小主応力方向）に引張の応力（以下、垂直応力）が生じるようになり、これが端面割れを発生させる要因となっていることを知見した。上述した特許文献１、２の課題である、せん断き裂進展のずれにより生じる端面割れに対する対策とは全く異なる対策技術が必要となる。

さらに詳細な研究の結果、この垂直応力は、せん断き裂発生のタイミングによりその大きさを低減でき、端面割れ発生を抑制できることを突き止めた。すなわち、打ち抜き加工のせん断き裂はある程度ポンチが押し込まれた段階で発生するが、せん断き裂発生までのポンチ押し込み量を減少させることによって垂直応力を小さくできることが分かった。

発明者らはこれらの研究結果に基づいて、せん断き裂を早期に発生させることができる打ち抜き型形状について鋭意検討を重ねた結果、図３に示す形状のポンチを備える打ち抜き加工型を用いて打ち抜き加工を行うことにより、端面割れを抑制することに成功した。

本発明の要旨は以下のとおりである。
［１］ポンチとダイスを用いた打ち抜き被加工材の打ち抜き加工方法において、前記ポンチ先端は前記打ち抜き被加工材に接する平面形状を有し、該平面形状はポンチ最外周側面からポンチ中心軸に向かって０．１〜０．７ｍｍの長さを有することを特徴とする、打ち抜き被加工材の打ち抜き加工方法。
［２］ポンチとダイスとを備える打ち抜き被加工材の打ち抜き加工型において、
前記ポンチ先端は前記打ち抜き被加工材に接する平面形状を有し、該平面形状はポンチ最外周側面からポンチ中心軸に向かって０．１〜０．７ｍｍの長さを有することを特徴とする、打ち抜き被加工材の打ち抜き加工型。

本発明によれば、打ち抜き被加工材の打ち抜き加工において、端面割れを抑制することができる。したがって、打ち抜き加工穴やせん断端面を有する部品の、端面割れに起因する疲労耐久性低下や耐食性の低下などを抑制できる。

図１は、穴の、加工される鋼板表面と直交する面を示す模式図である。 図２は、打ち抜き加工型および打ち抜き加工方法の概要を説明する模式図であり、（ａ）は打ち抜き加工型により鋼板を打ち抜き加工する様子を示す模式図であり、（ｂ）は打ち抜き加工時における割れ発生を説明する模式図である。 図３（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明の一実施形態に係る、打ち抜き加工型を示す模式図である。

本発明の打ち抜き加工方法および打ち抜き加工型について、図面を用いて説明する。

図３は、本発明の打ち抜き加工型を示す断面模式図である。本発明の打ち抜き加工型は、図３に示すように、ポンチ４と、ダイス５とを備え、ポンチ４先端は鋼板６に接する平面形状を有し、該平面形状はポンチ最外周側面からポンチ中心軸に向かって０．１〜０．７ｍｍの長さＷを有することを特徴とする。

本発明では、鋼板６にポンチ４先端が接する面積を小さくすることで、せん断き裂発生部にかかる応力を局在化させ、せん断き裂発生を促進する効果が発現する。したがって、ポンチ４先端は鋼板６に接する平面形状を有することとする。さらに、ポンチ最外周側面からポンチ中心軸に向かう長さＷが０．７ｍｍを超えると、せん断き裂発生のタイミングを早める効果が小さくなり端面割れを抑制できない。一方で、ポンチ最外周側面からポンチ中心軸に向かう長さＷが０．１ｍｍ未満では、ポンチ４先端の負荷荷重が過大となりポンチ４の破損を招く。このため、ポンチ最外周側面からポンチ中心軸に向かう長さＷを０．１〜０．７ｍｍに限定する。好ましくは、０．２〜０．５ｍｍである。

したがって、本発明の打ち抜き加工型を用いて打ち抜き加工を行うことにより、特にせん断加工時にせん断面に生じる端面割れを防止し、平滑なせん断面を得ることができる。

本発明の打ち抜き加工型については、上述したように、ポンチ４先端は鋼板６に接する平面形状を有し、該平面形状がポンチ最外周側面からポンチ中心軸に向かう長さＷが０．１〜０．７ｍｍであれば、それ以外の形状は特に制限されない。例えば、図３（ａ）は刃先の中央が窪んだ円筒状にくり抜かれた形状であるが、図３（ｂ）に示すような、刃先が円錐状にくり抜かれた形状であってもよく、図３（ｃ）に示すような、球状にくり抜かれた形状であってもよい。すなわち、ポンチ４先端の中央部が凹んだ形状を有しており、ポンチ最外周側面からポンチ中心軸に向かう長さＷが０．１〜０．７ｍｍを確保できていればよい。

なお、円筒状のザグリ穴や円錐状の穴をポンチ中央部に設けたり、ポンチ本体を中空形状としたりすることにより、ポンチ最外周側面からポンチ中心軸に向かう長さＷが０．１〜０．７ｍｍとなるように加工すればよい。

さらに、加工型の寿命を延ばすために、ポンチ４にコーティング処理を施してもよい。コーティングの材質は、通常工具保護のために用いられるものであれば特に限定する必要はない。

また、打ち抜き加工におけるクリアランスとしては、５〜３０％とするのが好ましい。なお、クリアランスは、ポンチ４とダイス５の隙間（ｍｍ）を鋼板６の板厚（ｍｍ）で除して百分率で表した値である。

また、本発明において、打ち抜き被加工材が鋼板である場合、鋼板としては特に制限されないが、引張強さが５９０ＭＰａ以上の鋼板であることが好ましい。本発明の打ち抜き加工型を用いて打ち抜き加工することにより、特に引張強さが５９０ＭＰａ以上の鋼板において認められる端面割れを抑制することができる。

以下に本発明の実施例を説明する。

打ち抜き被加工材は、板厚１．０〜６．０ｍｍの高強度鋼板（引張強度は表１を参照）を用いた。打ち抜き加工型は、図３（ａ）に示した形状のポンチ４を用いた。打ち抜き被加工材に対して、打ち抜き速度２００ｍｍ／ｓで円形の穴を開けた。なお、ポンチ４中央部に設けた円筒形の穴の深さは１ｍｍとした。

打ち抜き加工は各材料で２０回行ない、打ち抜き後のせん断端面（図１の破断面）を目視で観察し、端面割れの有無を確認した。端面割れの生じた割合が５％以下のサンプルを合格として評価した。

結果を表１に示す。

表１の結果から、本発明の打ち抜き加工型を用いて打ち抜き加工することにより、端面割れを防止できることが分かる。

１ せん断面
２ 破断面
３ 端面割れ
４ ポンチ
５ ダイス
６ 鋼板（打ち抜き被加工材）
７ せん断き裂
Ｗ ポンチ最外周側面からポンチ中心軸に向かう長さ

Claims (2)

1. ポンチとダイスを用いた打ち抜き被加工材の打ち抜き加工方法において、前記ポンチ先端は前記打ち抜き被加工材に接する平面形状を有し、該平面形状はポンチ最外周側面からポンチ中心軸に向かって０．１〜０．７ｍｍの長さを有することを特徴とする、打ち抜き被加工材の打ち抜き加工方法。
2. ポンチとダイスとを備える打ち抜き被加工材の打ち抜き加工型において、
   前記ポンチ先端は前記打ち抜き被加工材に接する平面形状を有し、該平面形状はポンチ最外周側面からポンチ中心軸に向かって０．１〜０．７ｍｍの長さを有することを特徴とする、打ち抜き被加工材の打ち抜き加工型。

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