(57)【要約】【課題】バリの発生を低減しつつ鋼板に貫通孔を形成する簡便な剪断打ち抜き加工方法を提供する。【解決手段】剪断打ち抜き加工を行う工具は、凹部１ａを有するダイ１と、凹部１ａと略同形状で且つ凹部１ａに挿入される凸部２ａを有するパンチ２と、鋼板１０をダイ１に押し付けて固定するホルダー３と、を備えている。ホルダー３は、凹部１ａ及び凸部２ａよりも大径な略環状をなしていて、凹部１ａ及び凸部２ａの径方向外方において鋼板１０を押さえつけることができる。そして、ホルダー３により鋼板１０を押さえた上で、パンチ２の凸部２ａとダイ１の凹部１ａとで鋼板１０を挟圧して剪断打ち抜きを行い、鋼板１０に貫通孔を形成する。その際には、式Ｃｈ＝１００×（φｈ−φｐ）／２ｔにより算出されるホルダークリアランスＣｈを１００以下とする。式中のφｈはホルダー３の内径、φｐは凸部２ａの直径、ｔは鋼板１０の板厚を示す。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹部を有するダイと、前記凹部と略同形状で且つ前記凹部に挿入される凸部を有するパンチと、ブランクを前記ダイに押し付けて固定するホルダーと、を用い、前記ブランクである鋼板を前記凸部と前記凹部とで挟圧して剪断打ち抜きを行い、前記鋼板に貫通孔を形成するに際して、
前記凹部よりも大径な略環状の前記ホルダーにより、前記鋼板を前記凹部の外方で押さえた上で、前記剪断打ち抜きを行うとともに、下記式により算出されるホルダークリアランスＣｈが１００以下であることを特徴とする剪断打ち抜き加工方法。
Ｃｈ＝１００×（φｈ−φｐ）／２ｔ
ただし、前記式中のφｈは前記ホルダーの内径、φｐは前記凸部の直径、ｔは前記鋼板の板厚を示す。
【請求項２】
前記鋼板の板厚が０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の剪断打ち抜き加工方法。
【請求項３】
前記鋼板がフェライト系ステンレス鋼板であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の剪断打ち抜き加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、剪断打ち抜き加工により鋼板に貫通孔を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼板を素材とした加工部品は、非常に多くの分野で使用されており、その加工方法は多種に及んでいる。その中でも剪断加工は、成形された部品を素材であるブランクから分離させたり、必要な穴を開けたりする際に不可欠な技術である。最近では、レーザーやプラズマなどで加熱溶融させる分離方法も、量産レベルでの使用が可能になってきたが、膨大に製造される部品の全てに適用するにはほど遠い状況である。したがって、エッジ部を鋭利に加工し切刃としたパンチとダイにより機械的に分離する剪断打ち抜き加工が、圧倒的に主流と言える。
また、剪断打ち抜き加工の中でも特にファインブランキング（精密剪断）と呼ばれる技術分野が、目覚ましく進歩しつつある。特に、剪断端面を良好な状態にすることを目的としており、手入れの工数をかけることなく部品を完成できることから、その活用は広がりつつある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２２４１２１号公報
【特許文献２】特開２００４−２８３８７５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、ファインブランキングでは、通常の剪断加工に比べて、非常に高出力なプレス機を要し、且つ、カウンターパンチを操作するなど複雑な動作機能も必要になるという問題があった。そのため、ファインブランキングは、一般的に普及するには至っていない。
特に、フェライト系ステンレス鋼板は、普通鋼に比べて強度が高いため、剪断打ち抜き加工の金型が摩耗しやすかった。また、不均一伸びが大きいこともあり、剪断打ち抜き加工によって大きなバリが形成されやすかった。そのため、ダイとパンチの間のクリアランスＣｄ（以後はダイクリアランスＣｄと記す）を非常に小さくした上で、金型の動作アライメント管理の厳格化や、頻繁な金型メンテナンスを行う必要があった。それ以外にも、バレル研磨やマシニングなどの後工程を追加してバリ除去の手入れをするなど、部品品質の維持管理には多大な労力を要していた。
【０００５】
ここで、ダイクリアランスＣｄの調整によってバリの低減を行う従来の剪断打ち抜き加工方法について説明する。図３は、従来の剪断打ち抜き加工に一般的に用いられる工具構造の例である。
この工具は、凹部１０１ａを有するダイ１０１と、凹部１０１ａと略同形状で且つ凹部１０１ａに挿入される凸部１０２ａを有するパンチ１０２と、ブランクである鋼板１１０をダイ１０１に押し付けて固定するホルダー１０３と、を備えている。
【０００６】
ダイ１０１は下金型としてプレス機のベッド（図示せず）に固定され、パンチ１０２は上金型としてプレス機のスライド（図示せず）に固定された構造（又はスライドにより押し下げられる構造）となっている。そして、ホルダー１０３は、スプリング１０５を介してパンチ１０２及びスライドに装着されており、スプリング１０５の付勢力によって鋼板１１０をダイ１０１に押し付けるようになっている。
【０００７】
ホルダー１０３で鋼板１１０をダイ１０１の上に固定したら、プレス機のスライドを降下させて、パンチ１０２の凸部１０２ａとダイ１０１の凹部１０１ａとで鋼板１１０を挟圧して剪断打ち抜きを行い、鋼板１１０に貫通孔（打ち抜き穴）を形成する。剪断打ち抜きが終了したら、プレス機のスライドを上昇させて、パンチ１０２の凸部１０２ａをダイ１０１の凹部１０１ａ及び鋼板１１０の貫通孔から抜き出す。このとき、ホルダー１０３が鋼板１１０を固定しているので、鋼板１１０がパンチ１０２と一緒に持ち上がることはない。
【０００８】
このような剪断打ち抜き加工法においては、バリが形成されやすく、特にフェライト系ステンレス鋼板の場合は大きなバリが形成されやすい。そのため、バリを低減して部品の品質を向上させるために、ダイクリアランスＣｄを最適値に調整した上で剪断打ち抜き加工が行われる。ここで、ダイクリアランスＣｄは、Ｃｄ＝１００×（φｄ−φｐ）／２ｔ（％）なる式により算出される。なお、該式中のφｄはダイ１０１の凹部１０１ａの直径、φｐはパンチ１０２の凸部１０２ａの直径、ｔは鋼板１１０の板厚を示す。
【０００９】
ブランクが鋼板である場合は、ダイクリアランスＣｄは５〜１０％程度が好適であると言われているが、鋼板の強度等の機械的特性も影響するため、必ずしもその指針は明確になっておらず、部品の要求仕様に応じて試行錯誤が避けられないのが現状である。
そこで、本発明は、上記のような従来技術が有する問題点を解決し、高出力なプレス機やカウンターパンチなどの特殊な設備を必要とせず、簡便な剪断打ち抜き加工により、バリの発生を低減しつつ鋼板に貫通孔を形成する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】
【００１０】
前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る剪断打ち抜き加工方法は、凹部を有するダイと、前記凹部と略同形状で且つ前記凹部に挿入される凸部を有するパンチと、ブランクを前記ダイに押し付けて固定するホルダーと、を用い、前記ブランクである鋼板を前記凸部と前記凹部とで挟圧して剪断打ち抜きを行い、前記鋼板に貫通孔を形成するに際して、前記凹部よりも大径な略環状の前記ホルダーにより、前記鋼板を前記凹部の外方で押さえた上で、前記剪断打ち抜きを行うとともに、下記式により算出されるホルダークリアランスＣｈが１００以下であることを特徴とする。
Ｃｈ＝１００×（φｈ−φｐ）／２ｔ
ただし、前記式中のφｈは前記ホルダーの内径、φｐは前記凸部の直径、ｔは前記鋼板の板厚を示す。
このような本発明に係る剪断打ち抜き加工方法は、板厚が０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下である鋼板やフェライト系ステンレス鋼板の剪断打ち抜き加工に対して好適である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る剪断打ち抜き加工方法によれば、特殊な設備を用いることなく簡便に鋼板に貫通孔を形成することができるとともに、バリが発生しにくい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る剪断打ち抜き加工方法を実施する工具構造を示す模式的断面図である。
【図２】ホルダークリアランスＣｈとバリの高さとの関係を示すグラフである。
【図３】従来の剪断打ち抜き加工方法を実施する工具構造を示す模式的断面図である。
【図４】図３の工具構造による剪断打ち抜き加工の様子を説明する図である。
【図５】図３の工具構造による別の剪断打ち抜き加工の様子を説明する図である。
【図６】図１の工具構造による剪断打ち抜き加工の様子を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明に係る剪断打ち抜き加工方法を実施する工具構造の一例を、図１の模式的断面図を参照しながら詳細に説明する。
この工具は、凹部１ａを有するダイ１と、凹部１ａと略同形状で且つ凹部１ａに挿入される凸部２ａを有するパンチ２と、ブランクである鋼板１０をダイ１に押し付けて固定するホルダー３と、を備えている。
【００１４】
凹部１ａ及び凸部２ａの形状や大きさは特に限定されるものではなく、鋼板１０に形成したい貫通孔の形状や大きさに応じて決定されるが、凹部１ａの形状は、円筒形状，角筒形状等の筒状であることが一般的であり、凸部２ａの形状は、水平断面形状が凹部１ａと略同形状で且つ凹部１ａに挿入可能な形状である。すなわち、凸部２ａの形状は、円柱形状，角柱形状等の柱状であることが一般的である。
【００１５】
ダイ１は下金型としてプレス機のベッド（図示せず）に固定され、パンチ２は上金型としてプレス機のスライド（図示せず）に固定された構造（又はスライドにより押し下げられる構造）となっている。そして、ホルダー３は、スプリング５を介してパンチ２及びスライドに装着されており、スプリング５の付勢力によって鋼板１０をダイ１に押し付けるようになっている。ホルダー３は、凹部１ａ及び凸部２ａよりも大径な略環状をなしているので、凹部１ａ及び凸部２ａの径方向外方において鋼板１０を押さえつけることができるようになっている。
【００１６】
ホルダー３で鋼板１０をダイ１の上面に固定したら、プレス機のスライドを降下させて、パンチ２の凸部２ａとダイ１の凹部１ａとで鋼板１０を挟圧して剪断打ち抜きを行い、鋼板１０に貫通孔（打ち抜き穴）を形成する。剪断打ち抜きが終了したら、プレス機のスライドを上昇させて、パンチ２の凸部２ａをダイ１の凹部１ａ及び鋼板１０の貫通孔から抜き出す。このとき、ホルダー３が鋼板１０を固定しているので、鋼板１０がパンチ２と一緒に持ち上がることはない。
【００１７】
このような剪断打ち抜き加工法においては、バリが形成されやすく、特にフェライト系ステンレス鋼板の場合は大きなバリが形成されやすい。前述の従来例においては、バリを低減して部品の品質を向上させるためにダイクリアランスＣｄを最適値に調整する方法が用いられ、ホルダーについては何ら考慮されていなかったが、本実施形態の工具においては、ホルダーの形状を調整する方法により、バリの低減を図っている。
【００１８】
一般的に、パンチの刃先の直径（すなわち貫通孔の直径）とパンチの胴部の直径とは同一ではない。図１の例で言えば、パンチ２の凸部２ａの直径（刃先の直径）と、パンチ２の凸部２ａ以外の部分の直径とは、同一ではない。これは、通常、パンチの強度や剛性を保ち、動作アライメントを確保するためには、胴部を太くすることが必要なためである。このため、前述の従来例においては、パンチ１０２の凸部１０２ａの外周面とホルダー１０３の内周面との間に、大きな径方向の隙間が存在した（図３を参照）。
【００１９】
一方、本実施形態の工具においては、略環状のホルダー３が凹部１ａ及び凸部２ａの径方向外方において鋼板１０を押さえつけるが、ホルダー３の形状が、パンチ２の凸部２ａの外周面とホルダー３の内周面との間に大きな径方向の隙間が形成されず小さな径方向の隙間が形成されるような形状となっているため、ホルダー３が、凹部１ａ及び凸部２ａの径方向外方の近接した部分において鋼板１０を押さえるようになっている。その結果、凹部１ａ及び凸部２ａの周辺の鋼板１０の変形が制限され、バリの発生が抑制される。
【００２０】
本発明者らは、ホルダー３の形状を種々変更して剪断打ち抜き加工を行い、鋼板１０の貫通孔の縁部に形成されるバリの高さを調査した。その結果、下記式により算出されるホルダークリアランスＣｈが１００以下となるようなホルダーであれば、バリが低減されることを見出した。このようなホルダー３を用いて剪断打ち抜き加工を行えば、品質の高い部品を製造することができる。ホルダークリアランスＣｈが１００超過となるようなホルダーを使用した場合は、バリを十分に低減することが困難である。
Ｃｈ＝１００×（φｈ−φｐ）／２ｔ
ただし、前記式中のφｈはホルダー３の内径、φｐは凸部２ａの直径、ｔは鋼板１０の板厚を示す。
【００２１】
このような剪断打ち抜き加工方法は、板厚が０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下である鋼板の剪断打ち抜き加工に対して特に好適である。ここで、上記のような剪断打ち抜き加工方法が、板厚が０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下である鋼板の剪断打ち抜き加工に対して特に好適である理由を説明する。
鋼板の剪断打ち抜き加工においては、板厚が薄い場合にバリが発生しにくいことが経験的に知られている。板厚が薄いと、剪断打ち抜き加工の過程でパンチの接触から分離までのパンチストロークが短いので、図４に示すような撓み変形が起こりにくいためと考えられる。また、打ち抜き荷重が小さく、パンチやダイの損耗が実質的に問題のないレベルに留まることも要因と考えられる。
【００２２】
一方、板厚が厚い場合は、打ち抜き荷重が大きくなるので、パンチ及びダイの工具刃先への荷重負荷が急激に大きくなり、摩耗だけでなく欠損の問題も顕著化する。かかる問題の回避には、ホルダークリアランスの管理よりもダイクリアランスの適正化が重要になり、それに加えて剪断打ち抜き加工に用いるプレス機の動作アライメントの厳格管理が不可欠である。
上記のような理由に鑑み、本発明の剪断打ち抜き加工方法に好適な板厚の下限値は０．３ｍｍ、上限値は３．０ｍｍとした。
【００２３】
また、上記のような剪断打ち抜き加工方法は、様々な種類の鋼板に対して適用可能であるが、フェライト系ステンレス鋼板の剪断打ち抜き加工に対して特に好適である。フェライト系ステンレス鋼板は、不均一伸びが大きいためバリが発生しやすく、且つ、高強度であるため金型への摩耗負荷が大きいので、このような素材の剪断打ち抜き加工に適用することが特に効果的である。
【００２４】
なお、ホルダー３の形状は、ダイ１の凹部１ａ及びパンチ２の凸部２ａの形状に対応する形状とすることが好ましい。すなわち、ダイ１の凹部１ａ及びパンチ２の凸部２ａの形状が円筒形状，円柱形状である場合には、ホルダー３の形状も円形状であることが好ましく、ダイ１の凹部１ａ及びパンチ２の凸部２ａの形状が角筒形状，角柱形状である場合には、ホルダー３の形状も多角形状であることが好ましい。
また、ホルダー３は、鋼板１０を押さえる部分が環状に連続する一体的な部材で構成されていることが好ましいが、鋼板１０を押さえる部分が環状に並んだ複数の部材で構成されていてもよい。ただし、その場合には、前記複数の部材同士の間隔は、鋼板１０の貫通孔の縁部に形成されるバリが高くならない程度に、十分に小さくする必要がある。
【００２５】
以下に実施例及び比較例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。
板厚ｔが１．５ｍｍのフェライト系ステンレス鋼板をブランクとして、種々の加工条件で、該鋼板に直径１０ｍｍの円形の貫通孔を形成する剪断打ち抜き加工を行った。すなわち、内径が異なる種々のホルダーを使用することによってホルダークリアランスＣｈを種々変更して、貫通孔の縁部に形成されるバリの高さを調査した。パンチの凸部の直径は１０ｍｍで一定とし、ダイの凹部の直径を変化させることにより、ダイクリアランスＣｄを変化させた場合についても同時に調査した。結果を表１〜４及び図２のグラフに示す。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
【表２】
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【００２８】
【表３】
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【００２９】
【表４】
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【００３０】
表１〜４及び図２のグラフから分かるように、ホルダークリアランスＣｈを小さくして、パンチの凸部及びダイの凹部の径方向外方の近接した部分においてホルダーで鋼板を押さえるようにすれば、バリの高さは低くなり、ホルダークリアランスＣｈが小さいほどバリの高さは低かった。また、ホルダークリアランスＣｈの変更による効果は、ダイクリアランスＣｄに関係なく得られることが分かる。
【００３１】
さらに詳細に結果を分析すると、ホルダークリアランスＣｈが１００％以下の場合に、バリの高さが格段に小さく且つ安定的になり、剪断打ち抜き加工によって良好な貫通孔（剪断打ち抜き穴）が得られることが分かる。
以上のように、ホルダーの形状及びホルダークリアランスＣｈがバリの高さに影響し、ホルダークリアランスＣｈを１００％以下とすることにより、バリの低減という格段の改善効果が得られた。そのメカニズムについては、必ずしも明確になっていないが、発明者らは以下のように推定している。
【００３２】
バリが形成される原因は、剪断打ち抜き加工時にパンチの凸部の近傍で鋼板が浮き上がるように撓み変形することが関係していると考えられる。このような鋼板の浮き上がりは、ホルダークリアランスＣｈが大きく且つダイクリアランスＣｄが大きい場合に顕著となり、バリの高さも大きくなる（図４を参照）。しかし、ホルダークリアランスＣｈが大きくても、ダイクリアランスＣｄが小さければ、鋼板の浮き上がりは起こりにくく、その結果としてバリの高さは小さい（図５を参照）。
【００３３】
これらのことから、ダイクリアランスＣｄが大きい場合であっても、ホルダークリアランスＣｈが小さければ、パンチの凸部の近傍での鋼板の浮き上がりが抑制され、あたかもダイクリアランスＣｄが小さい場合のように鋼板の浮き上が抑制されるものと考えられる（図６を参照）。そして、その結果、バリ高さが小さくなったものと考えられる。
従来、ダイクリアランスＣｄは５〜１０％の範囲で設定されることが多いが、より高品質な剪断打ち抜き穴を得るためには、さらに小さなダイクリアランスＣｄが設定されることも珍しくない。しかしながら、ダイクリアランスＣｄが小さいほどダイやパンチの刃先が摩耗しやすくなり、金型状態の維持管理は容易でなかった。
【００３４】
これに対して、本発明によれば、ダイクリアランスＣｄを小さくすることなく、バリを低減することができる。よって、ダイやパンチの刃先の摩耗も少なく、金型の長寿命化が可能な上、金型状態の維持管理も容易となる。さらに、ホルダークリアランスＣｈの管理は、数十％レベルであり、ダイクリアランスＣｄの管理に較べれば１桁大きいので、管理の厳格さにおいても格段に緩和され、管理が容易である。
【符号の説明】
【００３５】
１      ダイ
１ａ    凹部
２      パンチ
２ａ    凸部
３      ホルダー
１０      鋼板
Ｃｄ      ダイクリアランス
Ｃｈ      ホルダークリアランス
【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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