(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工材を加圧してせん断加工を行う加圧せん断加工法に用いる金型構造であって、
加工形状に対応した凹部を備え、その上に被加工材が配置されるダイと、
被加工材の表面に配置されるパンチ材と、
パンチ材を加圧する上部台座とを備え、
上記パンチ材として、溶解性あるいは水への分散性を持つ半凝固材を用いたことを特徴とする加圧せん断加工用金型構造。
【請求項２】
上記溶解性あるいは水への分散性を持つ半凝固材として、こんにゃく、寒天、洗濯のり、そば、うどん、餃子用皮、わんたん用皮の何れかを用いたことを特徴とする請求項１に記載の加圧せん断加工用金型構造。
【請求項３】
上記ダイの下に下部台座が配置されており、
この下部台座の平面によってダイの凹部の下端開口が閉塞され、パンチ材に押し出された被加工材が当該下部台座の平面によってガイドされることを特徴とする請求項１または２に記載の加圧せん断加工用金型構造。
【請求項４】
上記ダイの下に配置され、ダイの凹部に連通する貫通孔を備えた下部台座と、
上記貫通孔内に挿入されるカラーを備え、
このカラーによってダイの凹部の下端開口が閉塞され、パンチ材に押し出された被加工材が当該カラーによってガイドされることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の加圧せん断加工用金型構造。
【請求項５】
被加工材の表面に配置されるガイドを備え、
このガイドには、ダイの凹部と対応する位置に貫通孔が形成されており、
この貫通孔内に上記パンチ材が装填されると共に、上部台座が挿入されており、
この上部台座によって加圧されたパンチ材が、上記貫通孔の内壁面によってガイドされることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の加圧せん断加工用金型構造。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかに記載の金型構造を用いた加圧せん断加工法であって、
被加工材を加圧せん断した後に、被加工材の穴内部に入り込んだパンチ材を、水またはお湯、その他の液体によって剥離することを特徴とする加圧せん断加工法。
【請求項７】
請求項１〜５の何れかに記載の金型構造を用いた加圧せん断加工法であって、
複数の凹部を備えたダイを用いることにより、複数の穴または異形穴を一括形成することを特徴とする加圧せん断加工法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、穴や複数穴、さらに異形穴を加圧せん断加工し、加工後に被加工材とパンチ材を剥離する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
板の穴あけ技術として、これまでに加圧せん断加工法が確立されてきた。
例えば、衝撃液圧プレス法（非特許文献１）やゲーリン法（Guerin process）、特許文献１に記載のパンチレス剪断法などが公開され、実用技術として採用されてきている。
【０００３】
【非特許文献１】衝撃液圧を利用した金属板，ＣＦＲＰ板の打抜き加工／山下実、森拓也／第６６回塑性加工連合講演会（2015.10.29〜31）いわき市
【特許文献１】特開昭６２−２２８３９９号公報
【特許文献２】特開２０１５−１７８１２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、非特許文献１の衝撃液圧を用いたせん断加工法の場合、丸穴加工については兎も角、異形穴加工については、加工しようとする形状全体が加圧後同時に破断に至らないと液圧が逃げてしまい、衝撃液圧のみではせん断の未完了な部分が残ってしまうという課題が残されている。
また、層状ゴムを上型とするゲーリン法の場合、型の製作費用が安く済む利点を備えているが、スプリングバックが大きく、微細で複雑な形状の加工には不向きである。
【０００５】
特許文献１のパンチレス剪断法は、加圧材にポリエチレン、ナイロン、ABS等の塑性材料を用い、これをダイに設置した被加工材の上にセットし、電磁プレス等の機構を用いて高速に加工するものであり、アモルファス材等の脆性材料を精度良くせん断加工できる利点がある。
しかしながら、異形穴加工に塑性材料を用いた場合には、せん断加工後に異形穴内部に入り込んだパンチ材である塑性材料を簡便に除去できないという問題があった。
【０００６】
この発明は、従来の上記問題を解決するために案出されたものであり、加圧せん断加工用の金型構造において、異形穴を簡便に穴あけ加工するためのパンチ材の選定を第１の目的としている。
また、加圧せん断加工法として、異形穴あけ後にパンチ材を容易に除去する方法を提示することを第２の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記第１の目的を達成するため、この発明に係る加圧せん断加工用金型構造では、パンチ材として溶解性あるいは水への分散性を持つ半凝固材または粉体を用いたことを特徴としている。
【０００８】
また、上記第２の目的を達成するため、この発明に係る加圧せん断加工法では、パンチ材と被加工材の剥離を水またはお湯、その他液体によって剥離することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
この発明に係る加圧せん断加工用金型構造の場合、加圧せん断加工におけるパンチ材（加圧材）として半凝固材や粉体を用いることで、これまでの丸穴加工だけでなく、Ｒ形状や角形状を複数有する異形状穴を、１回の加圧せん断加工で加工することを可能としている。
【００１０】
また、この発明に係る加圧せん断加工法によれば、せん断加工を行った被加工材を水またはお湯、その他の液体によって剥離することで、被加工材に変形やゆがみを生じることなく、せん断加工形状を確保することが可能となる。
その他の液体としては、アセトン、エタノール、メタノール、炭化水素系溶剤（ガソリン、軽油、灯油）等を用いてもよい。
【００１１】
パンチ材として、こんにゃくや、寒天、そば、うどん、餃子用皮、わんたん用皮、小麦粉、米粉、そば粉、でんぷん等の食材を用いることにより、環境負荷を低減することも期待できる。
【００１２】
また、雄型の作成が不要となるため、従来の雄型と雌型を組み合わせた一般的なプレス金型に比べ、短納期化や金型費用の低減も可能となる。
【００１３】
さらに、本発明によればパンチ材がせん断加工時にダイの異形状穴に倣う形で凹部内に圧入されるため、クリアランスの設定は不要で、理論上クリアランスをゼロとした加工が可能となる。
この結果、これまでエッチング加工に頼るなどした金属箔の穴あけ加工をプレス工法に転換することが可能となる。
【００１４】
金型部品の加工精度や位置合わせ精度は、一般的に0.001mmが下限として考えられてきている。従来の金型設計手順に従えは、例えば板厚0.015mmの金属箔を板厚比５％のクリアランスで加工を行おうとした場合に、クリアランスは0.00075mmとなり、位置合わせ精度0.001mmを下回るため実現が不可能であった。
これを特許文献２に示すような特別な機構を設け、雄型と雌型の隙間量であるクリアランスを0.001mm以下に保つことが可能となってきてはいるが、これらの金型製作には工期を要し、金型製作費は従来金型よりも増大するものと考えられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
この発明に係る加圧せん断加工用の金型構造を、図１に示す。
この金型10は、上部台座12と、パンチ材14と、ダイ16と、下部台座18によって構成される。
ダイ16上に被加工材20が配置され、その表面にパンチ材14が配置される。
ダイ16には、凹部22（抜き形状に対応した貫通孔）が形成されている。
【００１６】
被加工材20に対してダイ16は充分な強度を持つ必要があり、合金工具鋼や超硬材、ステンレス材等で構成されている。
上部台座12及び下部台座18については、機械構造用炭素鋼や合金工具鋼など、衝撃力に耐えうる材料を選択する。
下部台座18には、ダイ16の凹部22に対応した開口が設けられてはおらず、その上部平面24によって凹部22の底の部分を閉塞している（詳細は後述）。
【００１７】
パンチ材14には、溶解性あるいは水への分散性を持つ半凝固材または粉体を用いる。
パンチ材14は、被加工材20の表面において、少なくともダイ16の凹部22の開口よりも広い面積となるように配置される。
【００１８】
溶解性あるいは水への分散性を持つ半凝固材とは、例えばこんにゃく、寒天、洗濯のりをゲル化したもの（ポリビニルアルコールゲル）、そば、うどん、餃子用皮、わんたん用皮等が挙げられる。
【００１９】
また、溶解性あるいは水への分散性を持つ粉体としては、金属では鉄、アルミ、チタン、ステンレス、銅、銅合金などの粉体を示す。その他の粉体としては、小麦粉、米粉、そば粉、でんぷん等が挙げられる。
粉体をパンチ材14とする場合には、単一種で、または複数種を混合した状態で用いられる。
【００２０】
この発明に係る加圧せん断加工の工程を、図２に示す。
まず、図３(a)に示すように、金型10の上部台座12に落錘や電磁プレスによる衝撃荷重を加えると、パンチ材14が被加工材20の表面をダイ16の凹部22内に向けて強く押圧し、被加工材20の抜き部分20aと共に凹部22内に侵入する。この結果、同図(b)に示すように、被加工材20の加圧せん断が実現する（工程１）。
せん断加工終了後には、同図(c)に示すように、上部台座12と下部台座18を開放して、被加工材20及びパンチ材14をダイ16から取り出す（工程２）。
【００２１】
つぎに、図４(a)に示すように、被加工材20の穴20b内に食い込んだパンチ材14を、水またはお湯等の液体30に浸漬させることで、被加工材20から剥離する（工程３）。
つぎに、剥離が終了した被加工材20を液体30から取り出し、同図(b)に示すように、洗剤を用いた水32による洗浄や、超音波洗浄等により洗浄を行う（工程４）。
最後に、同図(c)に示すように、洗浄を行った被加工材20を乾燥させることで、せん断加工部品34として完成する（工程５）。
【００２２】
特許文献１に開示された従来の工法（パンチレス剪断法）では、例えば図５に示す微細かつ複雑な複数の形状（第１の抜き形状、第２の抜き形状、第３の抜き形状）を備えた第１の複数異形穴を加工する場合において、被加工材の板厚が例えば０.０１５mmと金属箔のように薄くなると、パンチ材を金属箔から剥離できない問題があった。
これに対し、この発明に係る加圧せん断方法によれば、被加工材20とパンチ材14の剥離を、パンチ材14そのものの溶解性や水への分散性を利用して実現するため、物理的な荷重を加えることなく被加工材20とパンチ材14を剥離することが可能となる。
【００２３】
この発明の場合、上記のようにダイ16の凹部22の底を下部台座18の上部平面24が閉塞する構造を備えているため、パンチ材14による被加工材20の加圧せん断が確保される。
すなわち、一般的な穴抜き金型では、下部台座にダイの凹部と連通する開口が設けられており、パンチが打抜いた部分は金型の下方向に自由落下するようになっている。
【００２４】
しかしながら、図６(a)に示すように、この発明に係る加圧せん断加工において開口40を備えた下部台座42を用いた場合、同図(b)に示すように、上部台座12に荷重を加えた際に、被加工材20の一部（図中では凹部22の右下端に位置する部分）が先にせん断されてしまう可能性がある。
この結果、パンチ材14が被加工材20の破れ部分44から飛び出し、被加工材20の残りの部分のせん断が出来なくなる場合がある。
【００２５】
そこで、図１に示したように、下部台座18は開口を無くして上部平面24とすることで被加工材20をガイドする形とすれば、図３(a)及び(b)に示した通り、被加工材20の一部が先にせん断してしまうことが少なくなる。
また、仮に被加工材20の一部が先にせん断してしまっても、パンチ材14はダイ16の凹部22内にとどまり、被加工材20を引き続き拘束できるため、被加工材20の残りの部分のせん断加工を行うことが可能となる。
同様な機能を、図６(c)に示すように、下部台座42の開口40内にカラー（カウンターパンチ）46を挿入し、その上部平面47で当該開口40を閉塞することによって実現してもよい。
【００２６】
［加工事例１：金属箔に対する第１の複数異形穴の一括加工（その１）］
図５に示した第１の複数異形穴に対応した凹部を備えたダイを用いて、表１に示す条件で落錘式の加圧せん断加工を行った結果、被加工材であるSUS304超微細粒鋼材に対し複数異形穴を形成するせん断加工に成功した。
【表１】
0006643943.tif 000002
【００２７】
加工後の被加工材には、図７に示すように、押し出されたパンチ材としてのわんたん用皮が、打ち抜いた部分を塞ぐ形で付着していた。背景の白色部分は、撮影時のフラッシュが映り込んだものである。
わんたん用皮の押し出し高さは約０.０３mmであり、板厚の０.０１５mmの倍程度の高さに押し出されていた。
【００２８】
加圧せん断後の被加工材に対しては、１００mlの私水を入れたビーカーに浸し、１０分間の超音波洗浄を施した。
この結果、被加工材に付着したわんたん用皮が水に溶解し、その剥離が容易に実現された。
取り出した被加工材を私水で洗浄し、メタノールに浸した後、摂氏３０度の温風で乾燥させた。
【００２９】
乾燥後の被加工材を電子顕微鏡で観察した結果を、図８に示す。
図示の通り、乾燥後の被加工材には、反りや曲りが生じていない。
図中の(1)〜(5)部の拡大写真である図９(1)〜(5)に示すように、各部の切り口面はだれの割合が大きく、せん断面ははっきりと視認できない。また、破断面も認められない。
【００３０】
［加工事例２：金属箔に対する第１の複数異形穴の一括加工（その２）］
つぎに、パンチ材14をわんたん用皮から強力粉に代え、表２に示す条件で図５に示した第１の複数異形穴の加圧せん断加工を行った。
【表２】
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【００３１】
図１０に、強力粉を用いて複数穴の一括加圧せん断加工を行った場合の、被加工材の電子顕微鏡による観察結果を示す。
上記と同様、乾燥後の被加工材には、反りや曲りはない。
図中の(1)〜(5)部の拡大写真である図１１(1)〜(5)に示すように、各部の切り口面はだれの割合が大きく、せん断面ははっきりと視認できない。また、破断面も認められない。
【００３２】
［加工事例３：金属箔に対する複数丸穴の一括加工］
図１２に示すように、φ2.739の２つの丸穴を配列した形状の加圧せん断加工を、表３に示す条件で被加工材に対し実施した。
【表３】
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【００３３】
図１３に、加工した２穴の中の一方の断面の観察結果を示す。
φ2.379穴の断面は、左端、中間、右端の切り口が全てだれ形状であり、せん断面と破断面が認められない。
【００３４】
［加工事例４：金属箔に対する第２の複数異形穴の一括加工（その１）］
図１４に示すように、複数の角部やＲ部を含んだ第２の複数異形穴の一括加圧せん断加工を、SUS304超微細粒鋼よりなる被加工材に対し、表４の加工条件で実施した。
【表４】
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【００３５】
図１５(a)は、せん断加工後の被加工材を示しており、同図(b)〜(f)は、図中の(1)〜(8)部の走査電子顕微鏡写真（広視野）である。また、図１６(1)〜(8)は、上記(1)〜(8)部の走査電子顕微鏡写真（狭視野）である。
この第２の複数異形穴の加工においても、上記と同様、加工した切り口面はだれが大きく、せん断面と破断面が視認できない特徴が表れている。
【００３６】
［加工事例５：金属箔に対する第２の複数異形穴の一括加工（その２）］
図１４に示した第２の複数異形穴を、SUS316L材よりなる被加工材に対し、表４の加工条件で一括加圧せん断加工を行った。
【００３７】
図１７(a)は、せん断加工後の被加工材を示しており、同図(b)〜(f)は、図中の(1)〜(8)部の走査電子顕微鏡写真（広視野）である。また、図１８(1)〜(8)は、上記(1)〜(8)部の走査電子顕微鏡写真（狭視野）である。
この場合も上記と同様、加工した切り口面はだれが大きく、せん断面と破断面が視認できない特徴が認められる。
【００３８】
図１９(a)は、この発明に係る加圧せん断用金型構造の上記とは別の実施形態を示すものである。ただし、上記の実施形態と実質的に同一の構成要素については同一の符号を付している。
この金型50は、ガイド52と、上部台座54と、パンチ材14と、ダイ16と、下部台座18によって構成される。
【００３９】
上部台座54、下部台座18及びダイ16の材質については、上記の実施態様と同様である。
また、下部台座18には、ダイ16の凹部22に対応した開口が設けられておらず、上部平面24によって凹部22の底の部分が閉塞されている点においても、上記の実施形態と共通している。
【００４０】
上記ガイド52は、例えば機械構造用炭素鋼や合金工具鋼よりなり、ダイ16の凹部22の開口部の外形寸法よりも大きな開口部を備えた貫通孔56が形成されている。
また、上部台座54は、この貫通孔56の開口部に挿入可能な形状及び寸法を備えている。
【００４１】
このガイド52の下端面とダイ16の上端面との間に被加工材20が配置された後、ガイド52の貫通孔56内に所定量のパンチ材14が充填され、上部台座54が貫通孔56の上端開口に挿入される。
【００４２】
ここで、同図(b)に示すように、金型50の上部台座54に落錘や電磁プレスによる衝撃荷重を加えると、上部台座54がガイド52の貫通孔56内に侵入し、パンチ材14を被加工材20の表面に向けて強く押し出す。
この結果、同図(c)に示すように、被加工材20はパンチ材14によって加圧せん断される（工程１）。
【００４３】
後は上記と同様、被加工材20を取り出し（工程２）、剥離（工程３）、洗浄（工程４）、乾燥（工程５）の各工程を経ることにより、所望の形状の抜き加工が施されたせん断加工部品を得ることができる。
【００４４】
この実施形態の場合、上記ガイド52の貫通孔56の内壁面によってパンチ材14の横方向への広がりが規制されるため、その分、被加工材20に対する加圧力が増大し、加工効率を高めることができる。
このため、パンチ材14として粉体を選択する場合に特に有効となる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】この発明に係る加圧せん断加工用金型構造を示す概念図である。
【図２】加圧せん断加工の工程を示すフロー図である。
【図３】加圧せん断加工の工程を示す概念図である。
【図４】加圧せん断加工の工程を示す概念図である。
【図５】第１の複数異形穴の形状・寸法を示す図である。
【図６】下部台座に開口部が形成された場合の問題等を示す概念図である。
【図７】加圧せん断加工後において、被加工材の表面にパンチ材が付着している様子を示す写真である。
【図８】加工事例１の加工結果の全体像を示す写真である。
【図９】加工事例１の加工結果の細部を示す写真である。
【図１０】加工事例２の加工結果の全体像を示す写真である。
【図１１】加工事例２の加工結果の細部を示す写真である。
【図１２】丸穴の形状・寸法を示す図である。
【図１３】加工事例３の加工結果の全体像及び細部を示す写真である。
【図１４】第２の複数異形穴の形状・寸法を示す図である。
【図１５】加工事例４の加工結果の全体像及び細部（広視野）を示す写真である。
【図１６】加工事例４の加工結果の細部（狭視野）を示す写真である。
【図１７】加工事例５の加工結果の全体像及び細部（広視野）を示す写真である。
【図１８】加工事例５の加工結果の細部（狭視野）を示す写真である。
【図１９】他の実施形態に係る加圧せん断加工用金型構造を示す概念図である。
【符号の説明】
【００４６】
10    金型
12    上部台座
14    パンチ材
16    ダイ
18    下部台座
20    被加工材
22    ダイの凹部
24    上部平面
30    水またはお湯等の液体
32    洗剤を用いた水
34    せん断加工部品
50    金型
52    ガイド
54    上部台座
56    ガイドの貫通孔
【図１】
0006643943.tif 000006
【図２】
0006643943.tif 000007
【図３】
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【図４】
0006643943.tif 000009
【図５】
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【図６】
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【図７】
0006643943.tif 000012
【図８】
0006643943.tif 000013
【図９】
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【図１０】
0006643943.tif 000015
【図１１】
0006643943.tif 000016
【図１２】
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【図１３】
0006643943.tif 000018
【図１４】
0006643943.tif 000019
【図１５】
0006643943.tif 000020
【図１６】
0006643943.tif 000021
【図１７】
0006643943.tif 000022
【図１８】
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【図１９】
0006643943.tif 000024