(57)【要約】【課題】ポンチ及びダイを用いて、被加工材となる鋼板を剪断部及び被剪断部に切断して所定形状に加工する際に鋼板打ち抜き用工具及びそれを用いた打ち抜き方法を提供する。【解決手段】ポンチ及びダイを用いて、被加工材となる鋼板を剪断部及び被剪断部に切断して所定形状に加工する打ち抜き用工具であって、前記ポンチかつ／またはダイの切刃の先端部に、凸状の形状を有する突起を有し、かつ、前記ポンチ移動方向の直角方向と前記切刃から前記突起に引いた接線とのなす角度が１０度以上７０度以下であり、かつ、前記切刃と、該切刃から前記突起に引いた接線と該突起の接点との距離が５ｍｍ以下であることを特徴とする鋼板打ち抜き用工具及びそれを用いた打ち抜き方法。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンチ及びダイを用いて、被加工材となる鋼板を剪断部及び被剪断部に切断して所定形状に加工する打ち抜き用工具であって、前記ポンチかつ／またはダイの切刃の先端部に、凸状の形状を有する突起を有し、かつ、前記ポンチ移動方向の直角方向と前記切刃から前記突起に引いた接線とのなす角度が１０度以上７０度以下であり、かつ、前記切刃と、該切刃から前記突起に引いた接線と該突起の接点との距離が５ｍｍ 以下であることを特徴とする鋼板打ち抜き用工具。
【請求項２】
ポンチ及びダイを用いて、被加工材となる鋼板を剪断部及び被剪断部に切断して所定形状に加工する打ち抜き方法であって、前記ポンチかつ／またはダイの切刃の先端部に、凸状の形状を有する突起を設け、かつ、前記ポンチ移動方向の直角方向と前記切刃から前記突起に引いた接線とのなす角度を１０度以上７０度以下とし、かつ、前記切刃と、該切刃から前記突起に引いた接線と該突起の接点との距離を５ｍｍ 以下とすることを特徴とする鋼板打ち抜き方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンチ及びダイを用いて、被加工材となる鋼板を剪断部及び被剪断部に切断して所定形状に加工する鋼板打ち抜き用工具及びそれを用いた打ち抜き方法に関する。
具体的には、鋼板から電動機、自動車部品や家電製品等の部品を製造するために、所定の輪郭に打ち抜く技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車部品等に供される薄鋼板は、初に打ち抜きにより所定の形状に剪断された後、プレス成形等の工程を経て実部品として用いられる。打ち抜きにより生ずる打ち抜き端面は、打ち抜き工程の影響で加工硬化しており、そのため端面の延性が低い。そのため、その後の成形工程で、端面が伸ばされる加工が加わった場合に端面から破断を生じ、成形不良となる。近年自動車軽量化のニーズにより特に元々延性の低い高強度鋼板が用いられており、そのために、打ち抜き端面の延性の劣化による破断等の成形不良の問題は顕著になりつつある。現在発生している打ち抜き端面からの破断の問題を解決し、十分な自動車部品軽量化の効果を得るためには、概ね穴広げ率を通常の打ち抜きの場合の１．２倍以上とすることが求められている。
【０００３】
一方で、打ち抜き工程に起因する問題点として、打ち抜き端面の「バリ」の問題がある。例えば、薄鋼板が家電製品等の部品に加工される際に剪断される際に、ポンチやダイ等の金型の切刃部の磨耗が激しい場合、剪断によって生じる打ち抜き端面にバリが生じる。
その場合、そのブランク板が成形可能であっても、成形後に最終部品に組み合わせる際に他ブランク（またはそれを成形した部品）との組み合わせが悪くなり、最終部品の寸法精度を劣化させる。
また、電動機の鉄心等として用いられる表面を絶縁皮膜で覆われた電磁鋼板は、打ち抜きいたものを最終的に積層して用いる場合が多いが、その場合に打ち抜き端面のバリが大きい場合、積層間にて電気的な短絡を生じ、鉄損が増加し、電動機の効率が低下するといった問題がある。
【０００４】
以上の理由から、薄鋼板を打ち抜く工程では、打ち抜き工程により生ずる端面の加工硬化の抑制（端面延性の改善）と、バリの低減が重要な課題であった。
以下に、打ち抜き端面の加工硬化及びバリ発生の原因について説明する。
図１は、打ち抜き端面の加工硬化、及びバリの発生メカニズムを説明する図である。
打ち抜きは、図１（１）に示すように、ダイ１としわ押さえ２に材料３を挟み、ポンチ４で所定形状に材料３を剪断する工程である。
打ち抜きに用いるポンチやダイ等の金型の切刃部（図１（１）の１３、１４）は、繰り返して打ち抜きを行うことにより、図１（１)に示すように切刃部が磨耗して曲線形状（図中１３、１４の曲線形状）となるが、図1（２）〜（４）のポンチやダイの切刃部（図１（１）の１３、１４）の曲線形状はその状態を示している。
【０００５】
打ち抜きの初期段階では、図１（２）に示すように、ポンチやダイに挟まれた部分１７が剪断変形し、そこが加工硬化する。同時に、ポンチやダイに挟まれた部分１７はポンチ切刃１３やダイ切刃１４の形状に添って変形しダレ形状（図中「６」）が生ずる。
次の段階で図１(３)に示すように、ポンチ切刃１３やダイ切刃１４により剪断面１１が形成され、次にポンチ切刃１３やダイ切刃１４近傍の剪断面から亀裂７が発生する。この時、亀裂７はポンチ切刃１３やダイ切刃１４の先端ではなく、切刃近傍の金型の側面から発生する。このため、ポンチ切刃１３やダイ切刃１４の近傍の材料の切刃形状に添った形状は、亀裂発生後も端面に残留する。
更に、ポンチを移動させると図１（４）に示すようにポンチ切刃１３及びダイ切刃１４から成長した亀裂が会合し、材料３は、剪断部１５と被剪断部５に分離する。
その際、図１(５)に示すように、亀裂の発生箇所がポンチ・ダイ切刃近傍の側面であるため、分離した後の剪断部１５と被剪断部５の端面は、ポンチ・ダイの切刃の形状に添った形状６が凸状に残り、バリ８が形成される。特に、切刃の磨耗量が大きい場合は、ダレ形状６も激しくなるため、バリ８の高さも高くなる。
【０００６】
以上の、打ち抜き工程に起因する端面延性の劣化、バリの発生等の問題に対するこれまでの開発された技術として、非特許文献１には、打ち抜き後に打ち抜き端面直下の端面表層部分（加工硬化層）を除去するシェービングを行う方法が開示されている。本法によって、加工硬化層が除去されるため延性は改善する。更には、そこにあるバリも除去されるものと考えられるが、金型コストの増加と金型寿命の低下という問題点がある。
また、バリを無くす方法として、例えば、特開２００４−１０６０７１号公報のように、超音波振動下で打ち抜きを行うことによりバリを無くす方法が提案されているが、設備費用、管理費用が大きくなるという問題点があった。
【非特許文献１】塑性と加工、Ｖｏｌ１１０、Ｎｏ１０４、Ｐ６６５−６７１（１６９６．６）中川ら、削り抜き法-剪断面の変形能向上策
【特許文献１】特開２００４−１０６０７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、前述のような従来技術の問題点を解決した、鋼板打ち抜き用工具及びそれを用いた打ち抜き方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、前述の課題を解決するため、鋭意検討の結果、ポンチかつ／またはダイに特定形状の突起を付けて鋼板に張力を与えた上でポンチ、ダイの切刃により剪断を行うことにより、剪断時の鋼板の分離を促して、打ち抜き端面の加工硬化とバリの発生を抑制するものであり、その要旨とするところは特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
（１）ポンチ及びダイを用いて、被加工材となる鋼板を剪断部及び被剪断部に切断して所定形状に加工する打ち抜き用工具であって、前記ポンチかつ／またはダイの切刃の先端部に、凸状の形状を有する突起を有し、かつ、前記ポンチ移動方向の直角方向と前記切刃から前記突起に引いた接線とのなす角度が１０度以上７０度以下であり、かつ、前記切刃と、該切刃から前記突起に引いた接線と該突起の接点との距離が５ｍｍ以下であることを特徴とする鋼板打ち抜き用工具。
（２）ポンチ及びダイを用いて、被加工材となる鋼板を剪断部及び被剪断部に切断して所定形状に加工する打ち抜き方法であって、前記ポンチかつ／またはダイの切刃の先端部に、凸状の形状を有する突起を設け、かつ、前記ポンチ移動方向の直角方向と前記切刃から前記突起に引いた接線とのなす角度を１０度以上７０度以下とし、かつ、前記切刃と、該切刃から前記突起に引いた接線と該突起の接点との距離を５ｍｍ 以下とすることを特徴とする鋼板打ち抜き方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、自動車部品や家電製品等の部品の打ち抜き加工において、ポンチに特定形状の突起を付けて鋼板に張力を与えて打ち抜きを行うことにより、打ち抜き後の鋼板の端面の延性の劣化を改善でき、またバリの発生を抑制することにより打ち抜きによる鋼板を用いた、自動車部品、電動機、家電製品等の製品の特性を改善でき、産業上有用な著しい効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明を実施するための最良の形態について図２、図３、図４を用いて詳細に説明する。
図２は、本発明の鋼板の打ち抜き用ポンチを例示する図である。本発明に用いる鋼板の打ち抜き用工具は、ポンチ４及びダイ１、更に適宜しわ押さえ２を用いて、被加工材となる鋼板３を剪断部及び被剪断部に切断して所定形状に加工する打ち抜き用工具であって、前記ポンチかつ／またはダイの切刃の先端部に、凸状の形状を有する突起９を有し、かつ、前記ポンチ移動方向の直角方向と前記切刃から前記突起に引いた接線とのなす角度θが１０度以上７０度以下であり、かつ、前記切刃と、該切刃から前記突起に引いた接線と該突起の接点との距離Ｌが５ｍｍ 以下であることを特徴とする。
【００１１】
図３に本ポンチによる打ち抜きの際の材料の変形挙動を示している。本発明のポンチの切刃の先端部には、図３（１）に示すように所定形状の突起９を有している。本発明は、この突起９によって、鋼板を剪断する際に鋼板に張力を与えることによって、端面の加工硬化を抑制し、またバリを低減するものである。
本発明の金型による打ち抜きの際の材料の変形を以下に説明する。まず、図３（２）に示すように、ポンチ４が進行してダイ１とポンチ４の間で鋼板３を挟んだ際に、鋼板３が突起９によって引張・曲げ変形が加えられ、鋼板の剪断予定部１６に引張応力（張力）１０が発生する。
次に、図３（３）に示すように更にポンチを進行させると、ポンチ切刃１３及びダイ切刃１４近傍から亀裂７が発生し、この亀裂が会合して図３（４）に示すように破断する。
【００１２】
ポンチ切刃１３及びダイ切刃１４から発生する亀裂７は、図１に示す従来の打ち抜き金型の場合鋼板の全厚の４０〜５０％程度をポンチが移動してその厚みの剪断面を形成した後に発生し、その間にポンチとダイに挟まれた材料１７に塑性変形（剪断変形）が加わり大きな加工硬化が発生する。また、ダイやポンチの切刃の形状に添って変形し、バリを生ずる。
しかし、本発明の突起付きポンチの場合（図２）、突起９により剪断予定部に張力が加えられているため、亀裂は剪断面がほとんど形成されていない時点で発生し、即、伝播する。このため、ポンチとダイに挟まれた部分に大きな塑性変形が加わることなく、材料が分離するため、打ち抜き端面の大きな加工硬化は防止され、打ち抜き端面の延性が改善される。
また、同時に、剪断面形成の段階で進行するダイやポンチの切刃の形状に添った材料変形も低減するため、バリも抑制される。
【００１３】
本発明者等は、切刃の先端部に設ける突起の形状を工夫することによって、打ち抜き端面の延性を改善し、かつバリを低減することができることを見出して本発明をなしたものであり、その形状について以下に説明する。
本発明者等は、切刃の先端部に設ける突起の好ましい形状を特定するため、表１に示す供試鋼を対象として、図４に示すような突起付きポンチで打ち抜きを行った。ポンチの詳細な寸法を図４及び表２に示す。
ポンチの形状は、切刃と突起の間隔ｄ、突起高さＨを変えることによりポンチ切刃１３と、ポンチ切刃１３から突起９に引いた接線と突起９の接点（以後「突起肩」と称する。図４中の記号１２）の距離Ｌ及び、ポンチ移動方向の直角方向とポンチ切刃から突起に引いた接線のなす角θを変えている。この試験では、打ち抜きクリアランス、即ち、ポンチとダイの隙間（図２のs）／板厚(図２のt)×１００（％）は１２．５％とした。本ポンチの突起の肩１２には０．２ｍｍのＲが付いている。また、突起肩の角度ωは９０度である。
【表１】
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【表２】
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【００１４】
打ち抜きにより得られた材料の打ち抜き端面の延性を調べるため、穴広げ試験を行った。穴広げ試験では、２０ｍｍ径の打ち抜き穴のある試験片を、打ち抜き穴端面の剪断面が穴広げ成形のポンチ側となるようにセットした後、頂角６０度の円錐ポンチにて打ち抜き穴を押し広げて穴広げ成形を行い、端面の亀裂が板厚方向に貫通した時点の穴径の拡大率（穴広げ率）を求めた。
【００１５】
また、打ち抜き後の材料の断面を図５に示すが、そこで示されるバリ高さＢを測定した。
Ｌ、θが違う場合のバリ高さの測定結果を図６に示している。また図６中には、図中の数字として、各々の打ち抜き条件での穴広げ率を、突起がない従来の打ち抜き条件（θ＝０の水準）での穴広げ率で除した値（各々の打ち抜き条件での、従来の打ち抜きでの穴広げ率に対する改善代）を示している。
打ち抜いた鋼板を用いる部品、製品におけるバリ高さの許容範囲は０．０１５ｍｍ以下であるが、図６に示すように、Ｌが５ｍｍ以下であり、かつθが１０度以上７０度以下であれば、バリ高さが０．０１５ｍｍ未満になっている。
θが１０度以上７０度以下、かつＬが５ｍｍ以下の場合に十分な穴広げ値の改善効果（θ＝０の従来の打ち抜きによる穴広げ値の１．２倍以上）が見られ、かつ、同じ場合にバリ高さも低減している。
【００１６】
θが１０度未満の場合には、穴広げ値の改善効果が見られず、バリが高い。これは、鋼板に働く張力が小さ過ぎ、張力による打ち抜き端面の亀裂発生促進効果が得られないためと考えられる。一方、θが７０度を超えると穴広げ値が劣化するのは張力を与えるための曲げ変形により端面が加工硬化するためと考えられる。また、その場合にバリが高くなるのは、張力を与えるための曲げ変形によりバリが生ずるためと考えられる。
また、Ｌが５ｍｍを超えると穴広げ値の改善効果、バリの抑制効果が見られないのは、その場合、図７に示すように材料が突起に添って曲がらなくなり張力が得られないためであると考えられる。
即ち、本発明は、予め材料３の剪断予定部にポンチ移動方向の直角方向とポンチ切刃１３から突起９に引いた接線のなす角度θの曲げ変形を与え、それにより剪断予定部に張力を与えてバリの低減を図ることを意図しているものであるが、Ｌが大きい場合、図７の灰色部の打ち抜き時の材料の形状の模式図で示すようにポンチ切刃１３と突起９の間で材料３がたわむため、材料の曲げ変形の角度（θｍ）は、θより小さくなる。そのため、十分な張力が得られず、穴広げ値の改善、バリの抑制効果が得られないものと考えられる。
【００１７】
本発明は以上の検討を元に為されたものであり、以下をその要件とする。
本発明の打ち抜きにおいては、ポンチかつ／またはダイの切刃の先端部には、凸状の形状を有する突起を有する必要がある。これは、打ち抜き時に鋼板剪断予定部に張力を与えるためである。
ポンチの移動方向の直角方向と、前記突起の付いたポンチかつ／またはダイの突起に引いた接線とのなす角度を１０度以上７０度以下とする必要がある。これは、該角度が１０度以下の場合、剪断予定部に十分な張力が与えられないためである。一方、該角度が７０度以上の場合、突起により剪断予定部に過剰な張力がかかり、剪断予定部が大きく塑性変形し、それにより打ち抜き端面の加工硬化、バリ高さの増加が起きるためである。
突起の付いたポンチの切刃と、該切刃から突起に引いた接線と該突起の接点との距離Ｌを５ｍｍ 以下とする必要がある。これは、Ｌが大きい場合、ポンチ切刃と突起の間で鋼板がたわむため、鋼板の剪断予定部に十分な張力が得られず、十分な端面の加工硬化抑制、バリの抑制効果が得られないためである。
尚、本発明では、突起の形状によっては、ポンチ切刃から突起に引いた接線と突起の接点が複数存在する場合や、当該接線と突起が、点ではなく線上で接触する場合もあるが、その場合、突起肩はポンチ切刃に最も近い接点と定義し、その点とポンチ切刃の距離をＬと定義する。
【００１８】
本発明に用いられるポンチ、ダイ等の金型の突起は、材料の剪断予定部を変形させ張力を与えることを目的としているが、そのためには、突起により材料が剪断されることを防ぐ必要がある。材料が高強度鋼板や板厚の厚い材料の場合等は、材料の剪断が特に発生しやすいが、そのような場合は、突起による材料の剪断を防ぐため、突起肩部（ポンチ切刃から引いた突起への接線と突起が接する位置、図４の１２）の曲率半径を十分大きくする、または、鈍角形状とする（図４のωを大きくする）ことが好ましい。
本法によっては打ち抜き端面の塑性変形が低減されるために、本法は、打ち抜き端面の塑性変形により生ずる打ち抜き端面の引張残留応力を低減する効果を有する。また、打ち抜き端面の加工硬化により打ち抜き端面の延性が劣化するため、通常の打ち抜き端面には、その延性劣化に起因する微割れが存在する。本法は、打ち抜き端面の加工硬化が小さいため、打ち抜き端面の微割れを抑制する効果を有する。
【００１９】
また、多くの場合打ち抜きにより得られる所定形状の鋼板（ブランク材）は成形加工が為されて実際に部品として用いられるが、通常の打ち抜き方法により打ち抜き端面を成形した場合打ち抜き端面の延性が低いために打ち抜き端面に亀裂が発生し、その亀裂のために成形後の打ち抜き端面の疲労寿命が下がるといった問題がある。本法により打ち抜いた場合打ち抜き端面の延性が改善されており、成形後に打ち抜き端面割れが生じないため、打ち抜き端面疲労寿命が改善される。
本発明の金型は、打ち抜き時の亀裂の発生を早めるため、ポンチやダイの切刃により材料を剪断する工程を短くする効果を有するが、そのため、ポンチやダイの切刃の磨耗が抑制される。このため、それらの金型の寿命を従来より改善する効果を有する。
本発明の突起は、上述のポンチに付けた場合のみならず、ダイに付けた場合、及び双方に付けた場合でも効果は発揮される。また、本発明は、打ち抜く形状が曲線状であっても直線状であっても効果は発揮される。
【実施例】
【００２０】
表３に示すＴＳ３５０ＭＰａ〜９９０ＭＰａの供試鋼を対象として、図８〜図１１に示すような突起付きポンチで打ち抜きを行った。図８〜図１１の図８は、リング状の突起が付いたポンチであり、図９は球面上の突起が付いたポンチであり、図１０は肩部の断面が円弧形状であるコイン状の突起が付いたポンチである。図１１は、肩部にＲが無いコイン状の突起が付いたポンチである。
金型の形状、寸法を表４に示す。打ち抜きクリアランスは５〜２０％で変えた。各々の打ち抜き方法での端面の延性を調べるため、各々の打ち抜き方法で打ち抜き穴を開けた鋼板の穴広げ試験を行い、穴広げ率を求めた結果も表４に示している。
【００２１】
穴広げ試験は、各々の打ち抜き条件により作成した打ち抜き穴のある試験片を、打ち抜き穴端面の剪断面が穴広げ成形のポンチ側となるようにセットした後、頂角６０度の円錐ポンチにて打ち抜き穴を押し広げて穴広げ成形を行い、端面の亀裂が板厚方向に貫通した時点の穴径の拡大率（穴広げ率）を求める試験である。
表中で、「穴広げ率の比」は該当する穴広げ率と同じ供試鋼、クリアランス、ポンチ径での穴広げ率に対する、該当する穴広げ率の比である。
また、打ち抜き後のダイ側材料（被剪断材料）のバリ高さを測定した結果も表４に示している。
Ｎｏ１〜７は従来の打ち抜き方法での試験結果である。
Ｎｏ８〜１３、Ｎｏ１７〜２２はＬ、θが所定の条件を満たしており、良好な穴広げ率を示し、またバリ高さも十分低い。
一方、突起が無いＮｏ１やＬ、θが所定範囲に無いＮｏ１４、１５、１６では穴広げ率が不十分であり、またバリも高い。
【表３】
2006224121.tif 000005
【表４】
2006224121.tif 000006
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】バリの発生メカニズムを説明する図である。
【図２】本発明の鋼板の打ち抜き方法の実施形態を例示する図である。
【図３】本発明の打ち抜き方法にいる材料変形を示す図である。
【図４】本発明に用いるポンチの形状を例示する図である。
【図５】バリ高さを説明する図である。
【図６】本発明におけるθとバリ高さの関係を示す図である。
【図７】Lが５ｍｍ超の場合の材料変形を示す図である。
【図８】本発明の実施例に用いたポンチの形状を例示する図である。
【図９】本発明の実施例に用いたポンチの形状を例示する図である。
【図１０】本発明の実施例に用いたポンチの形状を例示する図である。
【図１１】本発明の実施例に用いたポンチの形状を例示する図である。
【符号の説明】
【００２３】
１：ダイ
２：しわ押さえ
３：材料
４：ポンチ
５：被剪断部
６：ポンチ及びダイの切刃の曲線形状に添った材料変形
７：亀裂
８：バリ
９：突起
１０：打ち抜き時に材料に働く張力
１１：剪断面
１２：ポンチ切刃からポンチ突起に引いた接線とポンチ突起の接点
１３：ポンチ切刃
１４：ダイ切刃
１５：剪断部
１６：剪断予定部
１７：打ち抜き端面加工硬化部
ｓ：ダイとポンチの間隔
Ｌ：ポンチ切刃と、ポンチ切刃からポンチ突起に引いた接線とポンチ突起の接点の距離
ｔ：板厚
θ：ポンチ切刃から、ポンチ切刃からポンチに引いた接線とポンチ突起の接点を見上げる角度
θｍ：Ｌが５ｍｍ超の場合の材料の曲げ角度
ｄ：ポンチ切刃とポンチ突起の間隔
Ｂ：バリ高さ
ω：突起肩角度
【図１】
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【図２】
2006224121.tif 000008
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2006224121.tif 000014
【図９】
2006224121.tif 000015
【図１０】
2006224121.tif 000016
【図１１】
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