JP5958565B2 - 打抜き加工方法、打抜き加工装置、および積層鉄心の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、モータの鉄心に用いられる電磁鋼板の打抜き加工方法、打抜き加工装置、および積層鉄心の製造方法に関する。

近年、電気自動車やハイブリッド電気自動車を中心に、モータや発電機の軽量化を目的として、鉄心の小型化が志向され、出力確保のための高回転化（高周波化）が進められている。そのため、鉄心の鉄損抑制の観点から、板厚０．２５ｍｍ以下といった以前よりも板厚の薄い電磁鋼板に対する要請が高まっている。

ところで、モータや発電機の鉄心は、渦電流損抑制のために板厚を薄くした電磁鋼板を母材とし、これを打抜き加工することにより製造される。打抜き加工では、プレス機に加工用の金型が設置され、鋼板を所定幅にスリットした鋼帯がコイル送り装置で送り出されながら、金型で鉄心各部が打ち抜かれる。この打抜き加工後の複数の鉄心素片を、金型の中でカシメを施して一体化させるか、もしくは金型から取り出した後、溶接やボルト固定にて一体化させることにより、鉄心が製造される。このように、薄い電磁鋼板を積層して一体化させて製造される鉄心を、積層鉄心と呼ぶ。

上記のような打抜き加工が一般的に用いられるのは、生産性に優れているためである。一方、通常の打抜き加工では、鉄心素片を１枚ずつ打ち抜く必要があるため、母材の板厚が薄くなると鉄心の製造により多くの素片が必要となり、生産性が急激に低下する。そこで、複数の母材鋼板を重ね合わせた状態で打ち抜く技術およびこれに付随する問題の解決策が開示されている。

例えば、特許文献１，２には、複数枚の鋼板を重ね合わせて同時に金型内に送る場合の鋼板間のずれの問題に対して、金型内のプレス工程初期の打抜き加工が行われる以前の工程で、カシメ等を用いて鋼板同士を固定する技術が開示されている。また、特許文献３には、鋼板同士を固定するために合体係止部を形成し、さらに積層工程で合体係止部の凸形状が障害とならないようにプッシュバックを用いて凸部を平坦化加工する技術が開示されている。これらの技術はいずれも、複数枚の鋼板を同時に打ち抜く際の寸法精度の劣化の問題への対策を開示している。

また、特許文献４，５には、内部にパンチとダイに相当する部分を複数有する金型により、ダレやカエリの増加を防止しつつ、複数枚の鋼板の打抜き加工をプレス１工程で同時に実施可能とする技術が開示されている。

なお、特許文献６には、複数の鋼板において、積層枚数をｎとするとき、結晶粒径を２０ｎ（μｍ）以上として貼り合わせることが開示されている。また、特許文献７には、分割鉄心としたときに生じる鉄心の磁気特性の劣化を回避することを目的とした回転機用無方向性電磁鋼板が開示されている。

特開昭５５−１５６６２３号公報 特開２００３−１５３５０３号公報 特開２００５−２６１０３８号公報 特開２０１２−１１５８９３号公報 特開２０１２−１１５８９４号公報 特開平７−２０１５５１号公報 特開２００３−２５３４０４号公報

一般に、打抜き加工では加工端部が強い塑性変形を受けるため、打抜き端部付近には塑性歪が残留し、磁気特性が劣化することが知られている。また、磁気特性の劣化量を定量的に評価すると塑性歪のみでは説明できないことから、塑性変形に付随して残留する弾性歪も磁気特性の劣化に影響を及ぼしていると考えられている。このように、打抜き加工は、生産性に優れる反面、鉄心の磁気特性を劣化させるという問題点を有する。このような打抜き加工を、複数枚重ねた鋼板に対して行った場合、重ねた鋼板の間の拘束力が弱いため、塑性変形部が大きく広がり、１枚ずつ打抜き加工を行った場合に比べて、さらに磁気特性が劣化する。したがって、複数の電磁鋼板を重ねて同時に打ち抜く際には、鉄心の磁気特性が劣化するという問題が生じる。

しかしながら、上記特許文献１〜５記載の技術では、複数枚の鋼板の打抜き加工による鉄心寸法精度の劣化やダレ・カエリ量の増加のみが着目され、鉄心の磁気特性の劣化に関する改善策は開示されていない。

また、特許文献４，５記載の技術では、重ね合わされた複数枚の鋼板が１つの金型が同時に打ち抜かれるわけではない。そのため、これらの技術には、磁気特性の劣化の観点でのメリットはあるものの、金型構造が複雑なため金型コストが大幅に増加するというデメリットがある。さらに、これらの技術では、複数のパンチ−ダイにて打抜いた複数の鉄心素片を効率的に集積・結合させる方法が開示されていない。

また、特許文献６記載の技術は、複数の鋼板を重ね合わせて打ち抜く際の金型の摩耗を軽減するためのものであり、打抜き加工の際の磁気特性の劣化の防止策については検討されていない。また、この技術は、複数の鋼板を貼り合わせた状態で打抜き加工を施すものであって、複数の鋼板をプレスする直前に重ね合わせて打抜き加工を施すものとは処理の形態が異なる。また、特許文献７記載の技術は、分割鉄心としたときに生じる鉄心の磁気特性の劣化を回避することを目的としたものであって、複数の鋼板を重ね合わせて打抜き加工を施すことは考慮されていない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、重ね合わされた複数の電磁鋼板を鉄損の劣化を最小限に抑えて同時に打ち抜くことが可能な打抜き加工方法、打抜き加工装置、および積層鉄心の製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る打抜き加工方法は、複数の電磁鋼板を重ね合わせた状態で、金型で打ち抜く打抜き加工方法であって、前記電磁鋼板の板厚を０．３５ｍｍ以下、ビッカース硬度（試験力１ｋｇ）を１５０〜４００、平均結晶粒径を５０〜２５０μｍとし、前記金型のクリアランスを、前記複数の電磁鋼板の板厚のうち最小の板厚の７％以上、かつ前記複数の電磁鋼板の板厚の合計の７％以下とし、前記金型の板押さえが前記電磁鋼板に及ぼす圧力を０．１０ＭＰａ以上とすることを特徴とする。

また、本発明に係る打抜き加工方法は、上記発明において、前記電磁鋼板の板厚を０．２５ｍｍ以下とすることを特徴とする。

また、本発明に係る打抜き加工方法は、上記発明において、重ね合わせた前記電磁鋼板の面間の静摩擦係数を０．３以上とし、前記電磁鋼板と該電磁鋼板と接する前記金型のダイプレートの表面、および前記電磁鋼板と前記金型の板押さえの表面との間の静摩擦係数を０．３〜０．８とすることを特徴とする。

また、本発明に係る打抜き加工方法は、上記発明において、前記電磁鋼板に、質量比率で、Ｓｉ：０．５〜６．６％、Ａｌ：２．５％以下、Ｍｎ：０．１〜３．０％を含有させ、結晶粒径０．１〜３．０μｍの鋼中の介在物の個数を１０００〜８０００個／ｍｍ^２の範囲とすることを特徴とする。

また、本発明に係る打抜き加工装置は、金型を備え、複数の電磁鋼板を重ね合わせた状態で打ち抜く打抜き加工装置であって、前記電磁鋼板の板厚が０．３５ｍｍ以下、ビッカース硬度（試験力１ｋｇ）が１５０〜４００、平均結晶粒径が５０〜２５０μｍであり、前記金型のクリアランスが、前記複数の電磁鋼板の板厚のうち最小の板厚の７％以上、かつ前記複数の電磁鋼板の板厚の合計の７％以下であり、前記金型の板押さえが前記電磁鋼板に及ぼす圧力が０．１０ＭＰａ以上であることを特徴とする。

また、本発明に係る積層鉄心の製造方法は、上記発明を用いて打ち抜かれた鉄心素片を積層し一体化させることにより積層鉄心を製造することを特徴とする。

本発明によれば、重ね合わされた複数の電磁鋼板を鉄損の劣化を最小限に抑えて同時に打ち抜くことができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る打抜き加工装置の構成と打抜き加工処理の概要とを説明するための模式図である。 図２は、本実施の形態で製造される積層鉄心を例示する図である。 図３は、本実施の形態で製造される積層鉄心の磁気特性（鉄損）を評価する方法を説明するための図である。 図４は、実施例１におけるクリアランスと鉄損劣化率との関係を示す図である。 図５は、実施例１における板押さえ圧力と鉄損劣化率との関係を示す図である。 図６は、実施例２における電磁鋼板の硬度とモータコアの鉄損劣化率との関係を示す図である。 図７は、実施例２における電磁鋼板の結晶粒径とモータコアの鉄損劣化率との関係を示す図である。 図８は、実施例３における電磁鋼板同士の静摩擦係数とモータコアの鉄損劣化率との関係を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である打抜き加工装置による打抜き加工処理および積層鉄心の製造方法を詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

〔打抜き加工装置の構成〕
まず、図１を参照して本実施の形態の打抜き加工装置の構成および打抜き加工処理の概要について説明する。図１に示すように、打抜き加工装置１０は、プレス機１とピンチロール２とを備える。プレス機１に設置される打抜き加工用の金型３は、パンチ４とダイ５とを備える。ダイ５には、成形すべき鉄心素片の形状に対応した形状の貫通孔であるダイホール６と、鋼板に接するダイプレート７とが形成されている。パンチ４は、図示しない制御装置により、ダイ５に対して昇降可能に構成される。ダイホール６に対応する位置に配置されたパンチ４がダイホール６に挿入されると、金型３に挟み込まれた鋼板がダイホール６の形状に従って剪断され打ち抜かれる。なお、パンチ４とダイ５との間には所定間隔の隙間（クリアランスａ）が設定される。また、金型３は、板押さえ８を備え、打抜き加工の際に鋼板の端部付近をパンチ４側から押さえることにより、鋼板をダイプレート７に押しつけて拘束する。この板押さえ８には、例えば、ばね等の付勢手段９が設けられている。

このような金型３に、鋼板を所定幅に切断した複数の鋼帯コイルＣ（Ｃ１〜Ｃ３）が重ね合わされてピンチロール（コイル送り装置）２で送り出されながら、鉄心素片が打ち抜かれる。この打抜き加工処理後の複数の鉄心素片を、金型３の中でカシメを施して一体化させることにより、積層鉄心が製造される。あるいは、複数の鉄心素片を金型３から取り出した後に、溶接やボルト固定にて一体化させることによって、積層鉄心が製造される。

〔発明の原理〕
本発明は、このように重ね合わせた複数の電磁鋼板（以下、鋼板とも記す）の打抜き加工に際して、積層鉄心（以下、鉄心とも記す）の磁気特性（鉄損）の劣化を抑止するものである。そのために、発明者らは、まず、打抜き加工の際、重ね合わせた（積層した）鋼板間の拘束力の影響に着目した。そして、発明者らは、金型と被加工材料（鋼板）の両方の条件を同時に制御することで鋼板間の拘束力を高め、重ね合わせた状態での打抜き加工における磁気特性（鉄損）の劣化を最小限に抑制することが可能であると考え、本発明に至った。すなわち、複数枚重ね合わせた状態での剪断加工では、個々の鋼板同士は表面の摩擦を介して影響を及ぼし合っているが、通常の条件ではこのような摩擦力は打抜き加工による鉄損の劣化を防止するには不十分である。発明者らは、金型と母材との条件を従来よりも厳密に制御することで、鋼板面間の摩擦力を適正に制御することが可能であると考えた。そこで、発明者らは、このような鋼板面間の摩擦力を利用した拘束力の向上のために、まず打抜き加工時の板押さえが鋼板に及ぼす力に着目し、さらに、鋼板面間の摩擦係数および鋼板と接する金型の面との摩擦係数を適正な範囲に制御しようと考えた。

さらに、上記条件のもとでも、重ね合わせた鋼板の剪断加工中には鋼板端部には強い引張応力がかかることになり、これが継続・伝搬することで磁気特性が劣化した部分が広範囲となる。そこで、剪断加工中に引張応力がかかる時間を短くして応力が残留する範囲を少なくするために、鋼として剪断加工中の破断を起こしやすい硬度の高い材料を用いることが効果的であることが明らかになった。さらに、加工端部からの弾塑性変形領域の広がりを抑制するために、結晶粒径が打抜き条件に適合した範囲にある鋼板を用いることが効果的であることが明らかになった。従来、被加工材の硬度が打抜き加工後の磁気特性に影響する場合があることは知られていたものの、重ね合わせた状態での打抜き加工において、被加工材の硬度を所定の条件とすることが特に有効性が高いことが新たに判明し、本発明に至った。

また、打抜き加工においては、クリアランスａが加工材の形状や特性に影響を及ぼすことが知られている。複数の鋼板を重ね合わせて打抜き加工を行う場合、積層した鋼板間の拘束力の増加と打抜き加工時の弾塑性変形領域の伝播の抑制と同時に、クリアランスａを適正に選択することが非常に有効であることが判明した。発明者らは、クリアランスａの下限は、複数の鋼板のうち、板厚が最小の鋼板の板厚に対する比率で規定し、上限は、複数鋼板の合計の板厚に対する比率で規定すると、有効であることを知見した。これは、積層した複数鋼板の打抜き加工時には、鋼板１枚の打抜き加工時とは、鋼板端部の歪み方が異なるためと考えられる。

さらに、同時に鋼成分と鋼中の介在物の量とを制御することで、打抜き加工中の材料の破断を早期に起こさせ、加工中の弾塑性変形による応力残留量の低減が可能となることが明らかになった。

ここで、重ね合わせた複数の電磁鋼板の打抜き加工において、鉄心の鉄損の劣化を防止するためには、打抜き加工後の鉄心の鉄損の絶対値と劣化率との双方を考慮する必要がある。鉄心の良好な磁気特性のみを追及するのであれば、加工による劣化率を考慮せず、単に鉄心の鉄損の絶対値の低減を目標とすればよい。しかしながら、結晶粒径が粗大で磁気特性が良好な電磁鋼板を鉄心の母材に使用すれば、母材の製造コストの増加が避けられず製品価格が上昇する。そのため、鉄心の総合的なコストを考慮しつつ最良な製品の製造を追及するためには、鉄損劣化率を考慮することも重要である。鉄損劣化率は、次式（１）により求められる。

〔打抜き加工処理〕
本実施の形態の打抜き加工処理は、上記の知見に基づいて規定された以下の要件を満たすものである。なお、本実施の形態では、上記式（１）におけるＷ_０の加工方法にワイヤカット方式を採用した。

〔電磁鋼板の板厚−０．３５ｍｍ以下（望ましくは０．２５ｍｍ以下）〕
本実施の形態では、積層鉄心の母材として板厚０．３５ｍｍ以下の電磁鋼板を使用する。板厚が０．３５ｍｍを超えて厚くなると、鉄心の生産効率向上のために複数枚同時に打抜き加工を行うメリットが小さくなる。また、２枚以上の鋼板の合計の板厚が過大となり、積層状態の鉄心の寸法精度を保つことが困難となるとともに、後述する他の要件で打ち抜くことによっても、必ずしも良好な磁気特性が得られなくなる。

重ね合わせる複数の鋼板は、必ずしも同一の板厚である必要はなく、異なる板厚の鋼板を組み合わせることが可能である。その場合、最も板厚の厚い鋼板の厚さを０．３５ｍｍ以下とすればよい。後述の実施例２に示されるように、使用する鋼板の板厚は、望ましくは０．２５ｍｍ以下である。

〔クリアランス−板厚が最小の鋼板１枚の厚さの７％以上、重ね合わせた鋼板の合計の厚さの７％以下〕
一般に、打抜き加工においてクリアランスａが打抜き端部の形状に影響を及ぼすことが知られている。そのため、板厚に応じてクリアランスａを変更する必要がある。複数の鋼板を重ねて打ち抜く場合、クリアランスａの適正値に影響を与えうる因子として、重ね合わされた鋼板それぞれの板厚および複数の鋼板の板厚の合計値とがある。クリアランスａの適正値は、それぞれの寄与を考慮して規定する必要がある。

本実施の形態では、後述する実施例１および実施例２に基づいて、クリアランスａの下限値は、重ね合わせた複数枚の鋼板のうち板厚が最小の鋼板の厚さの７％以上とする。通常の打抜き加工の場合、クリアランスａが過小となった場合、２次剪断面が生じることがあるものの、磁気特性が顕著な劣化を起こすことはない。しかし、複数の鋼板を重ねた状態で打抜き加工を行う場合、鉄心の磁気特性劣化を防止するためには、クリアランスａの最小値を板厚が最小の鋼板の板厚に合わせて設定する必要がある（後述する実施例２の表２の番号３８，３９，４４，および４５に示す例を参照）。これは、多層の鋼板の打抜き加工では、打抜き端部付近の横方向のずれ量（引き込まれ量）が大きいため、パンチ４上昇に伴って鋼板端部が変形しやすく、この影響は板厚が小さく剛性の低い鋼板ほど顕著となるためと考えられる。従って、クリアランスａ過小によりパンチ４上昇時に受ける変形の影響を軽減するため、クリアランスａは、重ね合わせる複数の鋼板のうち、板厚が最小なものの板厚の７％以上とする。

一方、クリアランスａの上限値は、後述する実施例１，２に基づいて、重ね合わせた複数の鋼板の合計の厚さの７％以下とする。これは、重ね合わせた状態の鋼板を打抜き加工する際に、鋼板のたわみ量を最小限に抑止することで鉄損の劣化を防止するために必要な条件である。本実施の形態では、後述するように、板押さえあるいは、鋼板表面の摩擦係数などを適正に制御することによって複数の鋼板をより一体に近づける方策をとる。しかしながら、１枚の鋼板の打抜き加工と比較して、重ね合わせた複数の鋼板の打抜き加工中には、鋼板のダイホール６に引き込まれる量が増加する傾向にある。そのため、重ね合わせた複数の鋼板の合計の板厚に対するクリアランスａの比率は、複数の鋼板を１枚の鋼板と考えた場合のクリアランスａより小さい値を設定する。

〔板押さえ圧力−０．１０ＭＰａ以上〕
一般に、打抜き加工用の金型３の板押さえ８は、主として打抜き加工の際の被加工材の跳ね上がりを防止するために使用される。これに対し、本実施の形態では、板押さえ８は、鋼板を重ね合わせて打抜き加工を行う場合に、重ね合わされた鋼板の剪断加工が行われる端部付近の拘束力を増加させるために使用される。そのため、板押さえ８が鋼板に及ぼす圧力を十分確保することで、打抜き加工中の鋼板間の位置のずれや鋼板のダイホール６へ引き込まれる量が軽減され、鋼板の端部の変形量が低減される。その結果、鋼板の磁気特性の劣化が軽減される。そのためには、板押さえ８が鋼板に及ぼす圧力（仮押さえ圧力）を少なくとも０．１０ＭＰａとする。板押さえ圧力が０．１０ＭＰａを下回ると、打抜き加工中に複数の鋼板同士の拘束力が低下し、打抜き加工中の端部の局所的なずれ量が増加して磁気特性が劣化する。

本実施の形態では、さらに限定して、後述する実施例１に基づいて、板押さえ圧力は好ましくは０．３０〜０．８０ＭＰａの範囲とする。複数の重ね合わされた鋼板間の拘束力を高める効果は、板押さえ圧力を０．３０ＭＰａ以上とすると特に効果が高くなるといえる。一方、板押さえ圧力が０．８０ＭＰａを超える場合、鋼板間の拘束力は十分に高いといえるが、鉄損劣化率が高くなる。これは、連続して打抜き加工が行われる際に板押さえ８の押さえ板（ストリッパープレート）と鋼板とが衝突する速度が増加して、鋼板に歪が入りやすくなるためと推定される。

板押さえ８が上記機能を担うためには、板押さえ圧力が打抜き加工中のパンチ４近傍の母材の局所的な部分に及ぼされていればよい。ただし、一般的な金型３で板押さえ８が被加工材を押さえる力は、板押さえ８の押さえ板（ストリッパープレート）の全面で均一なため、板押さえ８に作用する力の合計値を板押さえ８の面積で除することにより求められる。

〔電磁鋼板の結晶粒径−平均結晶粒径５０〜２５０μｍ〕
結晶粒径は無方向性電磁鋼板の磁気特性を支配する重要な因子であり、一般的に結晶粒径が大きいほど鉄損に優れることが知られている。しかしながら、打抜き加工が施される電磁鋼板の結晶粒径が打抜き後の鉄心の磁気特性の劣化に及ぼす影響についてはあまり知られていない（特許文献６，７参照）。

本発明は、複数の鋼板を重ね合わせた状態で打抜き加工を施す際に生じやすい磁気特性の劣化を抑止するために、打抜き加工処理の要件と同時に打抜き加工を施す電磁鋼板の結晶粒径を適正な範囲に制御するものである。

複数の鋼板の打抜き加工においては、板押さえ圧力や鋼板面間の摩擦力などにより鋼板間の拘束力を高める必要があるが、それだけでは打抜き加工後の鉄心素片における鉄損の劣化を抑止するには十分ではない。すなわち、重ね合わせた複数の鋼板の中で相対的に拘束力が弱い鋼板において、パンチ４の下降に伴いダイホール６へ引き込まれる量が増加する。このような鋼板の端部に弾塑性変形が生じた状態で打ち抜かれると、打抜き加工後の鋼板端部での歪みの蓄積量が増加して、鉄心の鉄損が劣化する。ここで、弾塑性変形による歪みの蓄積量は、母材内部の機械的特性の不均一性の増加に従って増加すると考えられる。そして、結晶粒径が粗大な鋼板では、粒界部分と結晶粒内とが粗に分布しているため、複数の鋼板を重ね合わせた状態での打抜き加工において、鉄損の劣化が顕著となると考えられる。一方、結晶粒径が細かい鋼板では、結晶粒界が密に分布しているため、鋼板内の変形が均一に起こり、鉄損の劣化が抑止される。

本実施の形態では、後述する実施例２に基づいて、複数の鋼板を重ね合わせて打ち抜き加工を行う際に、板押さえ圧力を高めるとともに、結晶粒径５０〜２５０μｍ（さらに望ましくは１００〜２００μｍ）とする。これにより、鉄損劣化量が小さくかつ打抜き加工後の鉄心の鉄損の絶対値も十分に小さい値が得られる。これに対して板押さえ圧力が十分でない場合には、結晶粒径を５０〜２５０μｍ（１００〜２００μｍ）とした場合であっても鉄心の鉄損の絶対値低減の効果が十分に得られない。すなわち、結晶粒径と板押さえ圧力との双方を適正に制御しないと所望の効果が得られない。

上記のように、結晶粒径が２００μｍないし２５０μｍを超えて大きくなると、重ね合わせて打抜き加工を行う際に鋼板端部に残留する歪みの量が増加して鉄心の鉄損増加量が増加する。よって、結晶粒径の上限は２５０μｍ、好ましくは２００μｍとする。一方、結晶粒径１００μｍないし５０μｍを下回るような場合は、上記のような鉄損の劣化は回避されるものの、鉄心の母材自体の磁気特性が劣るために製造した鉄心の鉄損の絶対値が劣ったものとなるので、高効率モータ用材料として適さない。そこで、結晶粒径の下限は５０μｍ、好ましくは１００μｍとする。

なお、平均の結晶粒径は、鋼板断面の観察によればよい。すなわち、試料断面を切断と研磨により得た後、エッチング処理により結晶粒界を顕にして画像処理により結晶粒径を評価することが適している。

平均結晶粒径の算出は、以下の通りに行う。まず、観察面積中にある結晶粒の数を数え、この結晶粒数で観察面積を割ることにより、平均的な結晶粒が断面中に占める面積が求まる。結晶粒の形状を円と仮定すると、求めた平均的な１結晶粒の面積から平均結晶粒径が算出される。この方法で算出された平均結晶粒径が８０μｍ以下となる場合は、その値を平均結晶粒径として採用する。

一方、結晶粒径が粗大な場合、断面が細かい結晶粒の部分的な含有や粒界三重点付近を切る場合が生じると、上記の方法では粒径の算定に誤差が生じる。そこで、前記の方法で算出された平均結晶粒径が８０μｍを超える場合、断面内で観察された個々の結晶粒の面積率により重み付けした算定をするのが適している。すなわち、個々の結晶の面積をＳ（ｉ）、面積率をｒ（ｉ）とするとき、平均の結晶粒面積は、次式（２）で表される。結晶粒の形状を円とみなすことで、平均の結晶粒面積から円相当径として平均結晶粒径を算出することができる。

〔電磁鋼板の硬度−ビッカース硬度（試験力１ｋｇ）１５０〜４００〕
材料の硬度が上昇すると、伸びが小さくなり、剪断加工過程で被加工材の破断が早期に起こる。すると、ダイホール６に被加工材が引き込まれる量が小さくなり、加工端部付近の歪みの蓄積量が小さくなるため、鉄損の劣化が抑止されると考えられる。前述のように、複数の鋼板を重ね合わせた状態での打抜き加工では、ダイホール６へ被加工材（鋼板）が引き込まれる量が増加しやすいため、被加工材の破断を適正に制御することの重要度が、通常の打抜き加工の際と比べて格段に高くなる。

本発明では、板押さえの条件と電磁鋼板面間の摩擦力とを同時に適正化することにより、電磁鋼板間の拘束力をある程度高めたうえで、さらに材料（電磁鋼板）の硬度を適正な範囲とすることにより、打抜き加工中の破断を適正な位置で起こさせて、鉄損の劣化を抑止する。

このような鉄損の劣化抑止効果は、後述する実施例２に示されるように、母材のビッカース硬度を適正な範囲に制御することで、著しい鉄損劣化の抑止効果が得られる。ただし、２枚以上の電磁鋼板を重ね合わせて打ち抜いた場合の鉄損劣化率は、１枚の電磁鋼板を打ち抜いた場合の鉄損劣化率より劣っており、今後の改善が必要である。

鋼板の硬度は、ビッカース硬度測定により評価することが可能であり、加重１ｋｇでの測定値（ＨＶ１）にて限定することができる。本実施の形態では、上記の鉄損の劣化抑止効果を得るために、電磁鋼板の硬度はビッカース硬度１５０以上とする。後述する実施例２に示すように、ビッカース硬度が１９０以上である鋼板がとくに適している。また、鋼板のビッカース硬度は、４００を超えると金型３の損傷の点などで不利となるので、４００以下に限定する。

〔電磁鋼板面間の静摩擦係数−０．３以上、電磁鋼板と接するダイプレート表面と電磁鋼板、および板押さえ表面と電磁鋼板の間の静摩擦係数−０．３〜０．８〕
前述にように、本発明では、重ね合わされた複数の鋼板を同時に打ち抜く際に、鋼板間の拘束力を高めることにより得られる効果を利用する。このような効果は、鋼板表面の静摩擦係数を高めることにより得られる。すなわち、重ね合わされて打抜き加工が行われる電磁鋼板の面同士の静摩擦係数を制御する必要がある。異なる電磁鋼板を用いる場合には、電磁鋼板の重ね合わされる面同士で静摩擦係数を評価するのがよい。

また、打抜き加工の際に鋼板がダイホール６へ引き込まれることを防止するために、打抜き加工が行われる電磁鋼板と接するダイプレート７表面および板押さえ８表面のなかでとくにパンチ４近傍の摩擦力を同時に高める必要がある。そのために、電磁鋼板表面と上記の金型３部材の表面との静摩擦係数を０．３以上とする必要がある。このような効果を得るために、金型３のダイホール６近傍の１０ｍｍ程度以上の領域の静摩擦係数を制御する必要がある。すなわち、ダイホール６近傍の１０ｍｍ程度以上の幅の領域、あるいは電磁鋼板と接する板押さえ８およびダイプレート７の全面について、粗度を変更するなどの方策で上記の効果を得ることができる。

なお、精密打抜き加工では、板押さえに凸形状を設けてこれを材料に食い込ませることで打抜き加工の際の拘束力を高める方法も取られる。しかしながら、モータ・発電機用の鉄心素材の打抜き加工では、このような凸形状への食い込みは鉄心の磁気特性を劣化させるため好ましくない。

本実施の形態では、後述する実施例３に基づいて、鋼板面間の静摩擦係数は０．３以上、かつ鋼板表面と接する金型部材表面との静摩擦係数は０．３以上とする。また、打抜き加工が行われる電磁鋼板の表面と接する金型表面との摩擦係数が高すぎる場合は、金型３内での電磁鋼板の搬送が円滑に行われず、打抜き後の鉄心の鉄損が劣化するため、静摩擦係数は０．８以下に限定する。

〔電磁鋼板の鋼成分−Ｓｉ：０．５〜６．６％、Ａｌ：２．５％以下、Ｍｎ：０．１〜３．０％〕
本実施の形態では、後述する実施例４に基づいて、鉄心の母材である電磁鋼板の鋼成分として、Ｓｉ，Ａｌ，Ｍｎの含有量を、質量比率でそれぞれ０．５〜６．６％、２．５％以下、０．１〜３．０％とする。これにより、材料のビッカース硬度１５０以上を満足する素地がつくられるとともに、鋼中の介在物の形成が促進される。ここで、ビッカース硬度による効果については上記のとおりである。また、鋼中介在物の効果については後述する。

Ｓｉは、鋼の固有抵抗を増加させることで渦電流損を低下させ、鉄損の低減に寄与する元素である。この添加量（含有量）が質量比率で０．５％に満たないと、その他成分（Ａｌ，Ｃｒ等）を添加しても、材料の鉄損の劣化を伴わずにビッカース硬度を１５０以上に増加させることが困難である。そのため、Ｓｉの含有量は０．５％以上に限定する。また、Ｓｉの含有量が質量比率で６．６％を超えた場合は、母材の脆化のために２枚以上を重ね合わせた状態での打抜き加工を行うことが困難なため、質量比率で０．５〜６．６％に限定した。

Ａｌは、Ｓｉと同様に、鋼の固有抵抗を増加させることにより鉄損の低減に寄与する元素である。また、Ａｌは、鋼中にＡｌＮ，Ａｌ_２Ｏ_３などの介在物を形成し、後述するように打抜き加工中の破断促進に寄与する。ただし、過度に添加すると、鋼中析出物量が過大となり鉄損が劣化するため、含有量は質量比率で２．５％以下に限定した。

Ｍｎは、鋼の固有抵抗を増加させるとともに、熱間圧延時の赤熱脆化を防止する作用を有する。また、Ｍｎは、鋼中でＭｎＳを形成し、後述するように、打抜き加工性の向上に寄与する。これらの効果を得るために、Ｍｎの含有量は、質量比率で０．１％以上とする必要がある。また、Ｍｎの含有量は、質量比率で３％を超えると磁束密度の低下が顕著となるため、質量比率で０．１〜３％に限定した。

上記の他、本発明の要件を満たす析出物を形成させるために、Ｓ，Ｓｅ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｎを鋼中添加元素あるいは不純物として鋼中に存在せしめることが有効である。また、鉄損の低減を意図して、鋼中にＳｂ，Ｓｎ，Ｃｒ，Ｐ等を添加することも、本発明の鉄損の劣化抑止効果を減ずることはなく、さらに鉄損向上の観点から推奨される。

〔鋼中介在物個数−粒径０．１〜３．０μｍの介在物１０００〜８０００個／ｍｍ^２〕
本実施の形態では、複数の鋼板を重ね合わせた状態で打抜き加工を行う場合に、上記の要件に加え、後述する実施例４に基づいて、鋼中の粒径０．１〜３．０μｍの介在物の個数を１０００〜８０００個／ｍｍ^２とする。これにより、打抜き加工後の鉄心の鉄損が低減される。これは、上記の鋼板の硬度についての考察と同様に、打抜き加工中に鋼板がダイホール６中に引き込まれつつ破断する際、介在物が亀裂発生の基点となって鋼板の破断が打抜き加工過程の早期に起こり、打抜き加工後の鉄心に残留する歪みの量が低下するからである。

粒径０．１〜３．０μｍの介在物の個数が１０００個／ｍｍ^２に満たないと、上記の効果が得られず、８０００個／ｍｍ^２を超えて存在する場合には、鋼板自体の磁気特性の劣化を招く。また、粒径０．１〜３．０μｍの介在物を十分に確保すると、鋼板の磁気特性の劣化を最小限に抑えつつ上記効果を得ることが可能である。これらの要請から、介在物の粒径および個数を上記の範囲に限定した。

析出物の含有率については、母材鋼板の断面（板厚１／４付近）観察を行い、観察視野内の介在物の粒径と個数とを計数し、粒径範囲に合致する介在物の個数を、観察視野の面積で除することにより算出することができる。

なお、電磁鋼板中の析出物の量を調整することにより打抜き性や切削性を改善する技術は知られているが、いずれも工具の摩耗を改善することを意図したものであって、磁気特性の劣化抑止について検討されていない。また、他に製鋼段階で介在物分散を適正化した結果として製品として良好な特性を示す鋼板も開示されているが、いずれも本発明のように複数の鋼板を重ね合わせた状態での打抜き加工後の鉄損の改善に繋がるものではない。

〔積層鉄心の製造方法〕
以上の要件を満たす打抜き加工処理により得られた鉄心素片を積層し、一体化させることで、モータ・発電機用の積層鉄心を製造する。

複数の鉄心素片を一体化させる方法には、金型３内部で打抜き加工後に母材から鉄心素片が分断された後、パンチ４による下降を利用して金型３内部でカシメを行う方法（所謂、型内かしめ）がある。この方法は、製造性の点で優れている。他の方法として、金型３での打抜き加工工程でカシメ用のダボの形成のみ行い、打抜き加工後に打抜き用の金型３とは別の装置で押圧を加えてカシメを行う方法を採ってもよい。また、金型３内部で打抜き加工のみ行い、金型３の外で溶接やボルトによる固定、あるいは接着剤の塗布または接着性のコーティングの適用によって、複数の鉄心素片を一体化させてもよい。その他、金型３内部でカシメを施す代わりに、電磁鋼板表面に接着剤を塗布し、鉄心素片同士を接着しつつ打ち抜く方法も本発明に適用可能である。

〔実施例〕
以下、本発明の実施例について説明する。

〔実施例１〕
母材鋼板として、鋼中に質量比でＳｉ：３．０％、Ａｌ：０．８％、Ｍｎ：０．７％、Ｐ：０．０３％を含有する板厚が０．２５ｍｍの電磁鋼板コイルを１６０ｍｍ幅にスリット加工した打抜き加工用の鋼帯コイル２本を用意した。図１に示した打抜き加工装置１０を用いて、この２枚の鋼帯コイル（Ｃ１，Ｃ２）に対して同時に打抜き加工を行った（加工方法：２枚重ね打抜き）。打抜かれた鉄心素片に金型３内でカシメを施して、図２に示すブラシレスＤＣモータ用固定子鉄心（モータコア）を製造した。

打抜き加工の際のクリアランス（片側）ａは、２枚の電磁鋼板の合計の板厚０．５０ｍｍに対し、２〜１５％の範囲で変化させた。また、板押さえが金型３内の電磁鋼板に与える圧力（板押さえ圧力）を０．０５〜１．０ＭＰａの範囲で変化させた。使用した電磁鋼板のビッカース硬度（試験力１ｋｇ）は１９５、平均結晶粒径は８０μｍ、鋼板同士の静摩擦係数は０．２、鋼板と金型３（板押さえ８、ダイプレート７）との間の静摩擦係数は０．２５であった。

比較例として、板厚が０．５０ｍｍである以外は上記の本実施例（発明例）と同条件の電磁鋼板を、重ね合わせずに１枚で打ち抜いた（加工方法：１枚重ね打抜き）。また、打抜き加工による鉄損の劣化率を評価するために、同じ寸法のモータコアをワイヤカットにて作製した（加工方法：ワイヤカット）。

製造したモータコアの鉄損（コア鉄損）を簡易的に評価するため、図３に示すように、コアバック部に励磁用１次コイルｂ１および磁束測定用２次コイルｂ２を巻き付けて磁気回路とし、磁気測定を行ってコア鉄損を評価した。表１は、以上の条件とコア鉄損の評価結果とを示す。

図４は、打抜き加工用の金型３のクリアランスａと上記式（１）で表される鉄損劣化率との関係を示す図である。図４に示すように、１枚重ね打抜きの場合には、クリアランスａの減少に従い鉄損劣化率が抑止されることがわかった。一方、２枚重ね打抜きの場合には、クリアランスａを２枚の電磁鋼板の合計の板厚の３．５〜７％にした場合に、顕著に鉄損劣化率が低減することがわかった。ただし、上記の条件であっても２枚重ね打抜きの場合には、１枚重ね打抜きの場合に対して鉄損劣化率は高めになることがわかり、今後に課題が残った。

また、図５は、板押さえ圧力と鉄損劣化率との関係を示す図である。図５に示すように、１枚重ね打抜きの場合には、鉄損劣化率は板押さえ圧力にほとんど依存しない。一方、２枚重ね打抜きの場合には、板押さえ圧力が０．１０ＭＰａ以上（望ましくは０．３０〜０．８０ＭＰａ）の範囲に制御されている場合に鉄損劣化率が低減することわかった。

〔実施例２〕
母材鋼板として、鋼中のＳｉ、Ａｌ，Ｍｎ，Ｐの含有量を変えて結晶粒径が異なる板厚０．３５ｍｍ、０．２５ｍｍ、０．２０ｍｍ、０．１５ｍｍの電磁鋼板コイルを、１６０ｍｍ幅にスリット加工した打抜き加工用の鋼帯コイルを用意した。そのうち、組み合わせを変えた２枚の鋼帯コイル（Ｃ１，Ｃ２）に対して、図１に示した打抜き加工装置１０を用いて、同時に打抜き加工を行った。打ち抜かれた鉄心素片の外周部を溶接して、ブラシレスＤＣモータ用固定子鉄心（モータコア）を製造した。打抜き加工の際のクリアランス（片側）ａは２５μｍ（２枚合計の板厚の５％）、板押さえ８が金型３内の材料に与える圧力（板押さえ圧力）は０．３５ＭＰａとした。

比較例として、打抜き加工による磁気特性（鉄損）の劣化を評価するために、本実施例（発明例）と同じ寸法のモータコアをワイヤカットにて作製した（加工方法：ワイヤカット）。

製造したモータコアの鉄損（コア鉄損）は、図３に示した磁気回路を用いて簡易的に磁気測定を行って評価した。表２は、以上の条件とコア鉄損の評価結果とを示す。

図６は、電磁鋼板の硬度とモータコアの鉄損劣化率との関係を示す図である。また、図７は、電磁鋼板の結晶粒径とモータコアの鉄損劣化率との関係を示す図である。なお、図６および図７における鉄損劣化率とは、ワイヤカットで作製されたモータコアの鉄損（ワイヤカットコア鉄損）に対する本実施例のモータコアの鉄損(コア鉄損)の増加率を意味する。

図６および図７に示すように、硬度と結晶粒径とが上記実施の形態の要件を満たす場合（発明例）に、鉄損劣化率が低減して、鉄損の増加（劣化）が抑止されていることがわかった。一方、本実施の形態の要件を満たさない場合には、鉄損劣化率が１７％を超えることがわかった。

また、電磁鋼板および加工方法が同等である表２の番号１０，１４，３７，５０に示す例を比較すると、板厚が０．３５ｍｍの場合に比べて０．２５ｍｍ、０．２０ｍｍ、０．１５ｍｍとした方が２枚重ね打抜きでの鉄損劣化率が小さくなることがわかった。このことから、本発明の技術を適用するうえで板厚０．２５ｍｍ以下の電磁鋼板を用いるのが有利といえる。

また、異なる板厚の電磁鋼板（鋼帯コイル）を組み合わせて打抜き加工を行った場合、クリアランスａを最小の板厚の７％以上、合計の板厚の７％以下とすることで、打抜き加工による鉄損の増加が抑制されていることがわかった。

〔実施例３〕
鋼中に質量比率でＳｉ：３．０％，Ａｌ：０．８％，Ｍｎ：０．７％，Ｐ：０．０３％を含有するビッカース硬度（１ｋｇ加重測定）１９５、結晶粒径１００μｍ、板厚０．１０ｍｍの電磁鋼板コイルの表面の静摩擦係数を変化させた。静摩擦係数は、クロム酸−樹脂系コーティングの組成（樹脂配合率、ワックス添加量）を変化させることにより変化させた。このような電磁鋼板コイルから１６０ｍｍ幅の鋼帯コイル３本（Ｃ１〜Ｃ３）を用意した。図１に示した打抜き加工装置１０を用いて、３枚同時に打抜き加工を行った（加工方法：打抜き）。打抜かれた鉄心素片に金型３内でカシメを施して、ブラシレスＤＣモータ用固定子鉄心（モータコア）を製造した。打抜き加工の際のクリアランス（片側）ａは１５μｍ（合計の板厚０．３５ｍｍの４．３％）、板押さえ圧力は０．０６〜０．５ＭＰａとした。

打抜き加工用の金型３にあっては、ダイプレート７の電磁鋼板に接する部分（金型表面１）と板押さえ８の電磁鋼板に接する部分（金型表面２）との粗度を変更することにより、金型３と電磁鋼板との間の静摩擦係数を変化させた。

比較例として、打抜き加工による磁気特性（鉄損）の劣化を評価するために、本実施例（発明例）の同じ寸法のモータコアをワイヤカットにて作製した（加工方法：ワイヤカット）。

製造したモータコアの鉄損（コア鉄損）は、図３に示した磁気回路を用いて簡易的に磁気測定を行って評価した。表３は、以上の条件とコア鉄損の評価結果とを示す。

図８は、鋼板同士の静摩擦係数とモータコアの鉄損劣化率との関係を示す図である。表３および図８に示すように、本実施例では３枚の鋼板を同時に打ち抜くため、２枚の鋼板を同時に打ち抜く場合よりも鉄損劣化率は大きいものの、本発明の要件を満たすことにより、ワイヤカットで作製された鉄心に対する鉄損劣化率が抑止されていることがわかった。とくに、図８に示すように、鋼板同士の静摩擦係数を０．３以上とし、鋼板と金型との間の静摩擦係数を０．３〜０．８の範囲とすることで、鉄損劣化率が２１％以下と安定的に抑止されていることがわかった。

〔実施例４〕
鋼スラブを製造するにあたり脱ガス処理の時間および溶鋼還流速度の調整により鋼中の介在物の大きさと個数とを調整した。ついで、脱ガス処理工程での成分調整により、Ｓｉ，Ａｌ，Ｍｎ，その他の元素の含有量を調整した後、連続鋳造、熱間圧延、熱延板焼鈍・酸洗、冷間圧延を行って、板厚を０．１５ｍｍとした。その後、仕上げ焼鈍、コーティング塗布により電磁鋼板コイルを製造した。このような電磁鋼板コイルから１６０ｍｍ幅の鋼帯コイル２本（Ｃ１，Ｃ２）を用意した。

コーティング塗布の条件はどの鋼帯コイルも同じであり、鋼板同士の静摩擦係数は０．４、鋼板と金型（鋼板と接する面）との間の静摩擦係数は０．４であった。これらの鋼帯コイルについて、結晶粒径、硬度および鋼中の介在物の個数を調査した。

この後、図１に示した打抜き加工装置１０を用いて、２枚同時に打抜き加工を行った（加工方法：２枚重ね）。打抜かれた鉄心素片に金型３内でカシメを施して、ブラシレスＤＣモータ用固定子鉄心（モータコア）を製造した。打抜き加工の際のクリアランス（片側）ａは１２μｍ（２枚の鋼板の合計の板厚の４％）、板押さえ圧力は０．４０ＭＰａとした。ここで、最小板厚の鋼板に対するクリアランスの比率は８％、合計の板厚に対する
クリアランスの比率は４％となる。

製造したモータコアの鉄損（コア鉄損）は、図３に示した磁気回路を用いて簡易的に磁気測定を行って評価した。表４は、以上の条件とコア鉄損の評価結果とを示す。

表４に示すように、鋼中の結晶粒径が０．１〜３．０μｍの介在物の個数を１０００〜８０００個／ｍｍ^２とすれば、２枚重ねの打抜き加工を行った場合にも鉄損劣化率を１５％以下に抑止でき、とくに優れた鉄損の劣化抑止の効果を得られることが確認された。

以上、説明したように、本実施の形態の打抜き加工処理によれば、複数の鋼板を重ね合わせて打抜き加工を行う際、鉄心の鉄損劣化を最小限に抑止することができる。したがって、モータや発電機の高効率回転機用の積層鉄心を、板厚の薄い電磁鋼板から高効率で製造することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者などによりなされる他の実施の形態、実施例および運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

１ プレス機
２ ピンチロール
３ 金型
４ パンチ
５ ダイ
６ ダイホール
７ ダイプレート
８ 板押さえ
９ 付勢手段
１０ 打抜き加工装置
ａ クリアランス
Ｃ 鋼帯コイル（電磁鋼板）

Claims (6)

1. 複数の電磁鋼板を重ね合わせた状態で、金型で打ち抜く打抜き加工方法であって、
   前記電磁鋼板の板厚を０．３５ｍｍ以下、ビッカース硬度（試験力１ｋｇ）を１５０〜４００、平均結晶粒径を５０〜２５０μｍとし、
   前記金型のクリアランスを、前記複数の電磁鋼板の板厚のうち最小の板厚の７％以上、かつ前記複数の電磁鋼板の板厚の合計の７％以下とし、
   前記金型の板押さえが前記電磁鋼板に及ぼす圧力を０．１０ＭＰａ以上とすることを特徴とする打抜き加工方法。
2. 前記電磁鋼板の板厚を０．２５ｍｍ以下とすることを特徴とする請求項１に記載の打抜き加工方法。
3. 重ね合わせた前記電磁鋼板の面間の静摩擦係数を０．３以上とし、前記電磁鋼板と該電磁鋼板と接する前記金型のダイプレートの表面、および前記電磁鋼板と前記金型の板押さえの表面との間の静摩擦係数を０．３〜０．８とすることを特徴とする請求項１または２に記載の打抜き加工方法。
4. 前記電磁鋼板に、質量比率で、Ｓｉ：０．５〜６．６％、Ａｌ：２．５％以下、Ｍｎ：０．１〜３．０％を含有させ、結晶粒径０．１〜３．０μｍの鋼中の介在物の個数を１０００〜８０００個／ｍｍ^２の範囲とすることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の打抜き加工方法。
5. 金型を備え、複数の電磁鋼板を重ね合わせた状態で打ち抜く打抜き加工装置であって、
   前記電磁鋼板の板厚が０．３５ｍｍ以下、ビッカース硬度（試験力１ｋｇ）が１５０〜４００、平均結晶粒径が５０〜２５０μｍであり、
   前記金型のクリアランスが、前記複数の電磁鋼板の板厚のうち最小の板厚の７％以上、かつ前記複数の電磁鋼板の板厚の合計の７％以下であり、
   前記金型の板押さえが前記電磁鋼板に及ぼす圧力が０．１０ＭＰａ以上であることを特徴とする打抜き加工装置。
6. 請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の打抜き加工方法を用いて打ち抜かれた鉄心素片を積層し一体化させることにより積層鉄心を製造することを特徴とする積層鉄心の製造方法。

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