(57)【要約】【課題】打ち抜き加工端面の伸びフランジ性を向上させ、かつ、どのような被加工材強度であっても同等の効果を発揮する打ち抜き加工装置を提供する。【解決手段】パンチとダイを有する打ち抜き装置において、前記パンチは、底面の周囲に打ち抜き刃を有する外周部１０と、前記外周部の内側に前記外周部の底面より突出した突出部１１を有し、前記外周部の底面より突出する前記突出部１１の高さが、打ち抜き時の荷重に応じて可変であることを特徴とする打ち抜き装置。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パンチとダイを有する打ち抜き装置において、前記パンチは、底面の周囲に打ち抜き刃を有する外周部と、前記外周部の内側に前記外周部の底面より突出した突出部を有し、前記外周部の底面より突出する前記突出部の高さが、打ち抜き時の荷重に応じて可変であることを特徴とする打ち抜き装置。
【請求項２】
前記外周部が、弾性体を介してパンチの移動方向に可動であることを特徴とする請求項１記載の打ち抜き装置。
【請求項３】
前記外周部が、油圧クッションを介してパンチ移動方向に可動であることを特徴とする請求項１記載の打ち抜き装置。
【請求項４】
前記外周部及び／又は前記突出部が、サーボモータを駆動手段としてパンチ移動方向に可動であることを特徴とする請求項１記載の打ち抜き装置。
【請求項５】
請求項１又は４に記載の打ち抜き装置を用いた打ち抜き方法であって、打ち抜き加工中に打ち抜き荷重を測定して、該打ち抜き荷重が大きいほど、前記外周部の底面より突出する前記突出部の高さを高くすることを特徴とする打ち抜き方法。
【請求項６】
請求項１〜４の何れか１項に記載の打ち抜き装置を用いて、事前に測定された被加工材の降伏応力が大きいほど、打ち抜き加工中に前記外周部の底面より突出する前記突出部の高さを高くすることを特徴とする打ち抜き方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は自動車、家電製品、建築構造物、船舶、橋梁、建設機械、各種プラント、ペンストック等で用いられる鉄、アルミニウム、チタン、マグネシウムおよびこれら合金等の金属板の打抜き装置及び打抜き方法に関するものであり、特に打ち抜き加工によって生じる打ち抜き加工端面の伸びフランジ性向上に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車、家電製品、建築構造物等の金属板には、図１のようにパンチ２とダイ３による打ち抜き加工が施されることが多い。
【０００３】
図２に示すように打ち抜き加工面は、被加工材１がパンチ２により全体的に押し込まれて形成されるダレ４、パンチ２とダイ３のクリアランス内（以下特に記載がなく“クリアランス”と表記した場合は、パンチとダイのクリアランスを指すこととする）に被加工材１が引き込まれ局所的に引き伸ばされて形成されるせん断面５、パンチ２とダイ３のクリアランス内に引き込まれた被加工材１が破断して形成される破断面６、および被加工材１裏面に生じるバリ７によって構成される。
【０００４】
伸びフランジ性が良い打ち抜き加工端面の条件としては、端面の加工硬化が少なく、平滑でなければならない。
【０００５】
このような観点から、図３のように、パンチ２の先端に、打ち抜き加工によって切断するサイズよりも小さな突起８を設けた打ち抜き加工方法、装置が特許文献１で提案されている（以下、突起付きパンチと呼ぶ）。特許文献１によると、突起８により被加工材へ曲げ変形を与え、引張の静水圧と加工硬化を被加工材表面へ加わることにより被加工材が切れ易くなり、少ない塑性変形で被加工材が分離するために加工硬化の少ない平滑な端面を得ることができる。
【０００６】
また、突起８の角部を丸めて効率良く材料へ曲げ変形を与える打ち抜き加工方法と装置が特許文献２により提案されている。
【０００７】
さらに、一度打ち抜いた端面をシェービングする方法も平滑端面が得られるため、伸びフランジ性向上に有効であり、例えば特許文献３のような打ち抜き加工とその後のシェービングを１工程で行う方法と装置が提案されている。
【０００８】
これら以外にも、伸びフランジ性向上を狙ったものではないが、打抜き刃を有するパンチの内周部で、パンチ底面に設けられた可動の押し圧ピンと、凹部が設けられた板逆押さえ（カウンターパンチ）を用い、かつ、加工時に板逆押さえにより被加工材が押し上げられることによって被加工材に引張力を与え、押し圧ピンにより編肉の少ない高精度な凸凹部を有する被加工材を成形することのできる打ち抜き加工方法が特許文献４に記載されている。
【特許文献１】特開平５−２３７５５号公報
【特許文献２】特開２００６−２２４１５１号公報
【特許文献３】特開平６−３９４５０号公報
【特許文献４】特開２０００−２８００３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
以上の特許文献１〜４に開示される発明は、いくつかの難点がある。特許文献１，２に示される突起付きパンチにおいては、被加工材の強度に応じて伸びフランジ性に効果のある適切な突起高さが決まっている。
【００１０】
したがって、被加工材の強度が変化したときには、最適な曲げ変形量を確保することができず、打ち抜き加工断面の良好な伸びフランジ性を得ることができないため、さもなければ強度に応じて金型を交換しなければならず、コストがかかるという問題がある。
【００１１】
シェービング加工においては、シェービング工程が１工程増えることになるためコストの増大を招く。特許文献３記載の一工程で打ち抜き加工とシェービングを行う場合においても、シェービング刃部分の磨耗が問題となり、金型寿命が低下することからやはりコストがかかってしまう。
【００１２】
特許文献４記載の打ち抜き加工方法は適切な押し圧ピンによる押し込み量であれば伸びフランジ性向上の効果が期待できるが、押し圧ピンの押し込み量は成形品の凹凸、すなわち、板逆押さえに設けられた凹部に対応しているため、被加工材の降伏強さが変化した場合、必ずしも伸びフランジ性の向上は望めない。
【００１３】
本発明は、被加工材の降伏強さの変化によらず、打ち抜き加工によって生じる打ち抜き加工端面の伸びフランジ性を向上させる打ち抜き装置及び打ち抜き方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明の要旨とするところは、以下のとおりである。
【００１５】
（１）パンチとダイを有する打ち抜き装置において、前記パンチは、底面の周囲に打ち抜き刃を有する外周部と、前記外周部の内側に前記外周部の底面より突出した突出部を有し、前記外周部の底面より突出する前記突出部の高さが、打ち抜き時の荷重に応じて可変であることを特徴とする打ち抜き装置。
【００１６】
（２）前記外周部が、弾性体を介してパンチの移動方向に可動であることを特徴とする（１）記載の打ち抜き装置。
【００１７】
（３）前記外周部が、油圧クッションを介してパンチ移動方向に可動であることを特徴とする（１）記載の打ち抜き装置。
【００１８】
（４）前記外周部及び／又は前記突出部が、サーボモータを駆動手段としてパンチ移動方向に可動であることを特徴とする（１）記載の打ち抜き装置。
【００１９】
（５）前記（１）又は（４）に記載の打ち抜き装置を用いた打ち抜き方法であって、打ち抜き加工中に打ち抜き荷重を測定して、該打ち抜き荷重が大きいほど、前記外周部の底面より突出する前記突出部の高さを高くすることを特徴とする打ち抜き方法。
【００２０】
（６）前記（１）〜（４）の何れか１つに記載の打ち抜き装置を用いて、事前に測定された被加工材の降伏応力が大きいほど、打ち抜き加工中に前記外周部の底面より突出する前記突出部の高さを高くすることを特徴とする打ち抜き方法。
【発明の効果】
【００２１】
本発明により、異なる降伏強さをもつ複数種類の被加工材を打ち抜き加工するに際し、材料強度に応じた金型交換することなく打ち抜き加工端面の伸びフランジ性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に本発明を詳細に説明する。
【００２３】
本発明は、図４に示すように、底面の周囲に打ち抜き刃を有する外周部１０の内側に、外周部１０の底面より突出した突出部９をパンチ底面に有するパンチを用いた打ち抜き加工装置であり、外周部の底面より突出するその突出部９の高さが打ち抜き時の荷重（被加工材１の降伏強さ）に応じて変化する（前記（１）に係る発明）。
【００２４】
本発明者らは、伸びフランジ性に効果のある突起高さを見積もるべく、突起高さと被加工材１の降伏強さを変化させた実験を行った結果、伸びフランジ性が最も良くなる突起高さは、被加工材１の降伏応力（降伏強さともいう）が大きい程大きくなることを見出した。
【００２５】
この結果は、突起付きパンチによる打ち抜き加工において被加工材１の降伏強さに応じて突起高さを調整する必要があるということであり、本発明者らは、外周部１０が弾性体１２を介してパンチの移動方向に可動である機構を発明した（前記（２）に係る発明）。
【００２６】
図５に示す装置は、パンチの突出部となる押し圧ピン１１を、打ち抜き刃を有する筒状の外周部１０が内包し、押し圧ピン１１のつば１１ａと外周部１０との間に弾性体１２を挟みこんだものである。外周部１０（打ち抜き刃）に加わるせん断荷重により弾性体１２が圧縮され、押し圧ピン１１がパンチ底面より突出する。
【００２７】
この機構により、大きなせん断荷重の場合には、高い突起高さのパンチで打ち抜き加工することが可能となる。被加工材１の降伏強さにもよるが、弾性体１２は打ち抜き荷重以上の耐久力を持たねばならず、高荷重用のウレタンバネや皿バネ等を使用するのが望ましい。
【００２８】
初期の突起高さは、基準となる降伏強さの被加工材１に適した突起高さを予め実験により求めておき、想定される打ち抜き荷重から弾性体１２の変形量を求めれば決定することができる。弾性体１２の弾性係数、初期突起高さについては所望の伸びフランジ特性が得られるべく、加工時にある程度の試行錯誤が必要である。しかし、一度条件が決まってしまえば後の調整はほとんど必要ない。
【００２９】
比較的大きな金型であり、かつ、想定されるパンチ荷重が大きい場合は、例えば図６のように弾性体１２の代わりに、外周部１０が油圧クッション１３を介してパンチ移動方向に可動としてもよい（前記（３）に係る発明）。油圧クッション１３は、設定された荷重値を抵抗力とするブレーキであり、図６に示す装置はパンチ荷重が高い程外周部１０の速度が遅くなるために相対的に突起高さが高くなる。弾性体１２を使用する場合よりも細やかな変位の制御ができるため、弾性体の場合よりも初期の設定（油圧力、突起高さは）が容易となる。
【００３０】
突起高さの制御をさらに詳細に行いたい場合は、外周部１０及び／又は突出部１１がサーボモータ１６を駆動手段としてパンチ移動方向に可動として、押し圧ピン１１の押し込み量を調整してもよい（前記（４）の発明）。この場合は、サーボモータ可動部の剛性の観点から、図７に示すようなねじ式（サーボモータ１４により駆動されるネジ１５）による駆動方法が望ましい。
【００３１】
また、弾性体１２や油圧クッション１３の場合とは異なり、押し圧ピン１１の押し込み量を任意に増やすことも減らすこともできるので、外周部１０を可動部としても良いし（図８）、押し圧ピン１１を可動部としても良い（図９）。
【００３２】
サーボモータ１６を使用する場合は、弾性体１２、油圧クッション１３を使用する場合と違い、打ち抜き時の荷重を測定する、もしくは、予め被加工材の強度を測定しておく必要がある。
【００３３】
前記（１）又は（４）に係る発明の装置を用いて打ち抜き中に荷重を測定する場合は、基準となるパンチ押し込み量でのパンチ荷重を予め決定しておき、打ち抜き中にその基準よりも高い荷重値であれば突起高さを高くし、低ければ突起高さを低くすれば良い（前記（５）に係る発明）。基準の突起高さ、パンチ荷重を決定するためには、上述の弾性体１２、油圧クッション１３を使用する場合と同様試行錯誤が必要となるが、一度基準が決まれば、後の変更はほとんど必要ない。
【００３４】
前記（１）〜（４）の何れか１項に係る発明の装置を用いて、事前に被加工材の降伏応力を測定しておく場合は、その降伏応力が高ければ突起高さを高くし、低ければ突起高さを低くする（前記（６））にかかる発明）。突起高さの指標となる被加工材１の降伏応力はミルシートに記載のものを使用しても良いし、事前に引張試験等によって測定してもよい。    
【００３５】
被加工材のどの降伏強さでどの程度の突起高さとするように設定するかについては、（１）〜（５）に係る発明の場合と同様試行錯誤により決定する。
【実施例１】
【００３６】
本発明の効果を確認するべく、図１０の装置により被加工材１に直径１０[ｍｍ]の丸穴を打ち抜き加工し、その後に打ち抜き加工端面の伸びフランジ性を評価するための円錐穴広げ試験（日本鉄鋼連盟規格JFST１００１）を行った。
【００３７】
図１０の装置は、外周部１０が押し圧ピン１１のつば１１ａとの間に設けられた弾性体である高荷重用ウレタンバネ１７を介してパンチ移動方向に可動であり、打ち抜き荷重が高いほど押し圧ピン１１の突出量が大きくなる。被加工材１には板厚１．６mmである引張強さ５９０MPa級（降伏強さ３３０ＭＰａ級）と引張強さ４４０MPa級（同２５０ＭＰａ級）鋼板の２種類を用いた。
【００３８】
また、初期の押し圧ピン１１の突出量（突起高さ）は、従来の突出部が固定したパンチを使用した事前の実験を行い、引張強さ４４０MPa級鋼板の打ち抜き加工において最も良い伸びフランジ性であった０．３[mm]の突起高さに、ポリウレタンの弾性変形分を補正した０．０８[mm]とした。
【００３９】
従来例の突出部の高さ（固定）は０．３［ｍｍ］である。本発明例では、引張強さ５９０MPa級の鋼板の場合、外周部１０の底面より突出する突出部の高さが０．３５〜０．３７［ｍｍ］の時に外周部１０が被加工材１と接触し、引張強さ４４０MPa級の鋼板の場合、外周部１０の底面より突出する突出部の高さが０．２９〜０．３１［ｍｍ］の時に外周部１０が被加工材１と接触した。突出部の高さは画像計測により測定したウレタンバネの撓み量とプレス機付属のリニアエンコーダにより測定した押し圧ピン１１の変位より概算した。
【００４０】
また、ウレタンバネの弾性係数が５．０[ｔ／ｍｍ]程度となるようにウレタンバネは直径３０[ｍｍ]の円に直径６[ｍｍ]の穴が開いた、厚みが０．４mmであるものを使用した。      
【００４１】
各試行数は２０枚である。
【００４２】
図１１に従来例の突起高さ０．３[ｍｍ]の突起付きパンチと本発明例の可動突起付きパンチにより打ち抜き加工した試験片の穴広げ値を示す。４４０MPa級鋼板の穴広げ値は双方の突起付きパンチでほとんど変わらないが、５９０MPa級鋼板の穴広げ値は本発明例による打ち抜き加工材が平均して１０％程向上している。本発明により、被加工材１の強度に対して適切な突起高さで打ち抜き加工できたためであると思われる。
【実施例２】
【００４３】
本発明による効果を実証するため、図１０のウレタンバネ１７を油圧クッションピン１８に置き換えた以外は実施例１と同様である試験を行った。装置の模式図を図１２に示す。初期突起高さは０[mm]とし、油圧クッションピン１８の荷重は２．７[ｔ]に設定した。
【００４４】
従来例の突出部の高さ（固定）は０．３［ｍｍ］である。本発明例では、引張強さ５９０MPa級の鋼板の場合、外周部１０の底面より突出する突出部の高さが０．３５〜０．３６［ｍｍ］の時に外周部１０が被加工材１と接触し、引張強さ４４０MPa級の鋼板の場合、外周部１０の底面より突出する突出部の高さが０．３１〜０．３２［ｍｍ］の時に外周部１０が被加工材１と接触した。突出部の高さはリニアエンコーダにより測定した油圧クッションピンと押し圧ピン１１の変位量より概算した。
【００４５】
穴広げ値の結果を図１３に示す。４４０MPa級鋼板の穴広げ値は従来例と本発明例の双方の突起付きパンチでほとんど変わらないが、５９０MPa級鋼板の穴広げ値は本発明例による打ち抜き加工材が平均して８％程向上している。本発明により、被加工材１の強度に対して適切な突起高さで打ち抜き加工できたためであると思われる。
【実施例３】
【００４６】
本発明による効果を実証するため、図１０のウレタンバネ１７をネジ駆動式のサーボモータ駆動機構１６に置き換えて実施例１と同様の試験を行った。装置の模式図を図１４に示す。打ち抜き加工中の荷重の測定はパンチ上部に取り付けられたロードセル１９によって行った。
【００４７】
パンチ押し込み量はプレス装置に付属のリニアエンコーダにより測定した。打ち抜き加工中に測定した荷重に応じて変化させる突起高さの制御アルゴリズムとしては、４４０MPa級鋼板を打ち抜き加工した際のパンチ荷重とパンチ押し込み量の関係を基準とし、０．２ｍｍのパンチ押し込み量におけるパンチ荷重値[N]の差に係数０．００００１４を乗じた値だけ突起高さを高くするようにした。また、初期突起高さは０．３[ｍｍ]とした。
【００４８】
従来例の突出部の高さ（固定）は０．３［ｍｍ］である。本発明例では、引張強さ５９０MPa級の鋼板の場合、外周部１０の底面より突出する突出部の高さが０．３５〜０．３５５［ｍｍ］の時に外周部１０が被加工材１と接触し、引張強さ４４０MPa級の鋼板の場合、外周部１０の底面より突出する突出部の高さが０．２９８〜０．３０［ｍｍ］の時に外周部１０が被加工材１と接触した。突出部の高さはサーボモータ付属のロータリーエンコーダにより測定した（モータの回転角度情報より概算した）。
【００４９】
穴広げ値の結果を図１５に示す。４４０MPa級鋼板の穴広げ値は従来例と本発明例の双方の突起付きパンチでほとんど変わらないが、５９０MPa級鋼板の穴広げ値は本発明例による打ち抜き加工材が平均して１１％程向上している。本発明により、被加工材１の強度に対して適切な突起高さで打ち抜き加工できたためであると思われる。
【実施例４】
【００５０】
荷重測定を打ち抜き加工時に測定する代わりに、事前に測定した被加工材１の降伏強さデータを突起高さ制御の指標として、実施例３と同様の試験を行った。装置は実施例３と同じく図１４に示すものである。突起高さの制御アルゴリズムとしては、４４０MPa級鋼板の最大引張強度を基準とし、最大引張強度の差に０．００００８を乗じた値だけ突起高さを高くするようにした。
【００５１】
従来例の突出部の高さ（固定）は０．３［ｍｍ］である。本発明例では、引張強さ５９０MPa級の鋼板の場合、外周部１０の底面より突出する突出部の高さが０．３５〜０．３６［ｍｍ］の時に外周部１０が被加工材１と接触し、引張強さ４４０MPa級の鋼板の場合、外周部１０の底面より突出する突出部の高さが０．２９〜０．３０［ｍｍ］の時に外周部１０が被加工材１と接触した。突出部の高さはサーボモータ付属のロータリーエンコーダにより測定した（モータの回転角度情報より概算した）。
【００５２】
穴広げ値の結果を図１６に示す。４４０MPa級鋼板の穴広げ値は従来例と本発明例の双方の突起付きパンチでほとんど変わらないが、５９０MPa級鋼板の穴広げ値は本発明例により打ち抜き加工された被加工材１が平均して１５％程向上している。本発明により、被加工材１の強度に対して適切な突起高さで打ち抜き加工できたためであると思われる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】打ち抜き加工を模式的に示した図である。（ａ）穴抜きの場合を示す。（ｂ）切断の場合を示す。
【図２】打ち抜き加工された被加工材端面を模式的に示す図である。
【図３】従来の突起付きパンチを模式的に示す図である。
【図４】本発明の可変突起付きパンチを使用する打ち抜き加工装置を模式的に示す図である。（ａ）穴抜きの場合を示す。（ｂ）切断の場合を示す。
【図５】別の本発明の装置を模式的に示す図である。（ａ）穴抜きの場合を示す。（ｂ）切断の場合を示す。
【図６】別の本発明の装置を模式的に示す図である。（ａ）穴抜きの場合を示す。（ｂ）切断の場合を示す。
【図７】サーボモータにより駆動されるネジ駆動式の直動機構を模式的に示す図である。
【図８】図７に示されるサーボモータによりパンチ外周部１０が可動である打ち抜き加工装置を模式的に示す図である。（ａ）穴抜きの場合を示す。（ｂ）切断の場合を示す。
【図９】図７に示されるサーボモータにより押し圧ピン１１が可動である打ち抜き加工装置を模式的に示す図である。（ａ）穴抜きの場合を示す。（ｂ）切断の場合を示す。
【図１０】実施例１に使用した本発明による打ち抜き加工装置を模式的に示す図である。
【図１１】実施例１で得られた穴広げ試験結果を示す図である。
【図１２】実施例２に使用した本発明による打ち抜き加工装置を模式的に示す図である。
【図１３】実施例２で得られた穴広げ試験結果を示す図である。
【図１４】実施例３、４に使用した本発明による打ち抜き加工装置を模式的に示す図である。
【図１５】実施例３で得られた穴広げ試験結果を示す図である。
【図１６】実施例４で得られた穴広げ試験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５４】
１  被加工材
２  パンチ
３  ダイ
４  だれ
５  せん断面
６  破断面
７  ばり
８  従来突起付きパンチにおける突起
９  可動であるパンチ突出部
１０  打ち抜き刃を有するパンチ外周部
１１  押し圧ピン
１１ａ  押し圧ピンのつば
１２  弾性体
１３  油圧クッション機構
１４  サーボモータ
１５  ネジ
１６  ネジを使用したサーボモータの直動機構
１７  高荷重用ウレタンバネ
１８  油圧クッションピン
１９  ロードセル
【図１】
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【図２】
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【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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