(57)【要約】【課題】打ち抜き破面に加工が加わる成形品の歩留まりを向上させる【解決手段】打ち抜きパンチ、ダイ、及び打ち抜きパンチのストローク量測定手段を有し、前記打ち抜きパンチの側面には被加工材との距離を測定する変位計が埋め込まれており、更に前記ストローク量測定手段の測定値と、前記変位計の測定値に基づいて被加工材の打ち抜き破面のだれ率、せん断面率、破断面率のいずれか１種以上を算出する演算手段を備えることを特徴とする打ち抜き装置。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
打ち抜きパンチ、ダイ、及び前記打ち抜きパンチのストローク量測定手段を有し、前記打ち抜きパンチの側面には被加工材との距離を測定する変位計が埋め込まれており、更に前記ストローク量測定手段の測定値と、前記変位計の測定値に基づいて被加工材の打ち抜き破面のだれ率、せん断面率、破断面率のいずれか１種以上を算出する演算手段を備えることを特徴とする破面測定機能を備えた打ち抜き装置。
【請求項２】
前記変位計が、非接触式のレーザー変位計又は非接触式の光ファイバー変位計であることを特徴とする請求項１記載の破面測定機能を備えた打ち抜き装置。
【請求項３】
前記変位計が、前記打ち抜きパンチの側面に埋設された弾性手段の弾性力により、被加工材と接触しながら被加工材の変位を測定するピンであることを特徴とする請求項１記載の破面測定機能を備えた打ち抜き装置。
【請求項４】
前記演算手段が、前記変位計の測定値の変動が所定値以下であったときのパンチストローク量をせん断面長さとして、せん断面率を算出する機能を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の破面測定機能を備えた打ち抜き装置。
【請求項５】
前記演算手段が、前記打ち抜きパンチの底面と被加工材の表面が接触を開始する時点のパンチストローク量と、前記変位計の変動が所定値以下となる開始時点のパンチストローク量の差から、前記変位計の設置位置のパンチ底面からの距離を引いた長さをだれ長さとして、だれ率を算出する機能を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の破面測定機能を備えた打ち抜き装置。
【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の合金等からなる金属板の打ち抜き加工とその後の成形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１には、図１のような打ち抜きパンチ２と打ち抜きダイ３により打ち抜き加工が施される場合が多い。図１（ａ）は、丸穴などの閉断面に打ち抜く場合の側断面図（丸穴を有するダイ３の穴中心を通る垂直断面図）を示す。図１（ｂ）は、例えばシャーで帯板を２つに切断して開断面に打ち抜く場合の側面図を示す。
【０００３】
図２に示すように打ち抜き破面は、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だれ４、パンチ２とダイ３のクリアランス内に被加工材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２１、および被加工材１の裏面に生じるばり６によって構成される。
【０００４】
図３のごとく、せん断面は２層（同図（ａ））、３層（同図（ｂ））となる場合もあり、このような破面は２次せん断面７、３次せん断面８と呼ばれる。この場合には、２次せん断面７、３次せん断面８を含めて、せん断面と定義する。
【０００５】
本発明において、図２に示すだれ４の板厚方向の長さをＬ１［ｍｍ］、せん断面５の板厚方向の長さをＬ２［ｍｍ］、破断面２１の板厚方向の長さをＬ３［ｍｍ］、板厚をＬ［ｍｍ］としたとき、
だれ率＝Ｌ１／Ｌ×１００［％］                                ・・・・（１）
せん断面率＝Ｌ２／Ｌ×１００［％］
・・・・（２）
破断面率＝Ｌ３／Ｌ×１００［％］                              ・・・・（３）
と定義する。
【０００６】
同様に、図２、図３の２次せん断面７、３次せん断面８の板厚方向の長さを、それぞれＬ２ｓ［ｍｍ］、Ｌ２ｔ［ｍｍ］とすれば、せん断面率は、（４）式のようになる。
せん断面率（２次、３次せん断面を含む）＝（Ｌ２＋Ｌ２ｓ＋Ｌ２ｔ）／Ｌ×１００［％］・・・・（４）
【０００７】
非特許文献１に記載されているように、これら打ち抜き破面の特徴は、材料特性、打ち抜き速度、打ち抜き荷重やクリアランス量、金型磨耗等の工具条件に影響されることが広く知られている。打ち抜き破面性状に起因する割れ発生が問題となる加工として、伸びフランジ加工が挙げられるが、伸びフランジ特性は非特許文献２に記載されるように、打ち抜き工具のクリアランス量に依存することが公知であり、すなわち、前述の打ち抜き破面の特徴が大きく影響する。
【０００８】
伸びフランジ加工のように、打ち抜きとその後の成形を含む成形品が量産される工場では、成形不良による歩留まり悪化を防止するために、打ち抜き工具のクリアランス量と刃の磨耗管理が行われることが多い。クリアランス量管理のためにはクリアランス量の測定が必要であるが、このような測定技術には、特許文献１記載の非接触式変位計で打ち抜きパンチの芯の位置を測定してクリアランス量を測定する方法や、特許文献２記載のパンチ側面部に変形しやすい素材よりなる試験層を付着させてパンチをダイと嵌め合わせ、その後にパンチ側面部に残された試験層の状態からクリアランス量を測定する方法等が提案されている。刃の磨耗管理については、経験的に決定された打ち抜き回数後に工具交換が行われる場合が多く、これ以外には、測定された打ち抜き工具のアコースティックエミッションより刃の磨耗を推定し、工具交換を決定する方法が非特許文献３および特許文献３に記載されている。
【特許文献１】特開２０００−３０１３９８号公報
【特許文献２】特開平７−１５１５３６号公報
【特許文献３】特開２００５−２１９１７３号公報
【非特許文献１】第96回塑性加工学講座「板材成形の基礎と応用」
【非特許文献２】塑性と加工，第４６巻（2005），pp.625
【非特許文献３】日本機械学会論文集 C Vol.71 No.712 Page.3614-3621 (2005.12.25)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
以上の提案技術には、量産工場への適用を考えた場合、いくつかの課題が存在する。打ち抜き破面の成形性に影響する因子はあくまでも被加工材の打ち抜き破面の加工硬化や、破面形状による応力集中の度合いであり、加工条件は間接的な因子であるため、伸びフランジ成形品の歩留まりを上げるためにはクリアランス量や打ち抜き刃の磨耗のみの測定では不十分である。例えば、材料特性のばらつきや気温のような環境因子も影響する場合がある。上記に説明した従来の提案技術は金型の状態をモニタリングする方法であり、被加工材の状態をモニタリングする方法ではない。また、金型や環境因子より被加工材の状態を推定しようとした場合、これらの因子を全て測定する装置を設けるならば、多大な手間とコストがかかってしまう。
【００１０】
本発明は、材料特性のばらつきや気温のような環境因子の変動によらず、打ち抜き工程の後に打ち抜き破面が加工される成形品の歩留まりを向上させることができる打ち抜き装置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】
【００１１】
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。
（１）打ち抜きパンチ、ダイ、及び前記打ち抜きパンチのストローク量測定手段を有し、前記打ち抜きパンチの側面には被加工材との距離を測定する変位計が埋め込まれており、更に前記ストローク量測定手段の測定値と、前記変位計の測定値に基づいて被加工材の打ち抜き破面のだれ率、せん断面率、破断面率のいずれか１種以上を算出する演算手段を備えることを特徴とする破面測定機能を備えた打ち抜き装置。
（２）  前記変位計が、非接触式のレーザー変位計又は非接触式の光ファイバー変位計であることを特徴とする（１）記載の破面測定機能を備えた打ち抜き装置。
（３）  前記変位計が、前記打ち抜きパンチの側面に埋設された弾性手段の弾性力により、被加工材と接触しながら被加工材の変位を測定するピンであることを特徴とする（１）記載の破面測定機能を備えた打ち抜き装置。
（４）前記演算手段が、前記変位計の測定値の変動が所定値以下であったときのパンチストローク量をせん断面長さとして、せん断面率を算出する機能を有することを特徴とする（１）〜（３）の何れか１項に記載の破面測定機能を備えた打ち抜き装置。
（５）前記演算手段が、前記打ち抜きパンチの底面と被加工材の表面が接触を開始する時点のパンチストローク量と、前記変位計の変動が所定値以下となる開始時点のパンチストローク量の差から、前記変位計の設置位置のパンチ底面からの距離を引いた長さをだれ長さとして、だれ率を算出する機能を有することを特徴とする（１）〜（３）の何れか１項に記載の破面測定機能を備えた打ち抜き装置。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、量産ラインの停止を行うことなく、打抜き後のプレス成形等成形加工の際に生じる伸びフランジ割れの発生の有無を、打抜き時に判別できるので、打ち抜き破面が加工される際の成形品の歩留まり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】
【００１３】
本発明は、金属材料の打ち抜きから成形加工に至る量産ライン上で、成形加工時に伸びフランジ変形を受ける前の、打ち抜き後の段階での打ち抜き破面のだれ率、せん断面率、破断面率を測定することを特徴とする。
【００１４】
本発明において、伸びフランジ変形とは、成形加工により打ち抜き破面に引張応力が加わり変形することをいう。例えば、図４（ａ）に示す鋼板を同図（ｂ）のように成形加工する際に、伸びフランジ部２２が形成されるような変形を言う。また、本発明において、成形不良とは、成形加工に伴う伸びフランジ割れを言う。
【００１５】
本発明者らは、打ち抜き破面の成形性に打ち抜き破面の特徴が影響するという従来知見から、打ち抜き中に打ち抜き破面のだれ率、せん断面率、破断面率のいずれかを測定することができるならば、より高精度にブランクの成形前に成形加工後の部材の不良判定（予測）を行うことができ、量産ラインの歩留まり向上の効果が得られることを見出した。
【００１６】
このような観点から、当初、量産ライン上で、目視による打ち抜き破面の観測を試みたが、板厚１〜３[ｍｍ]に対して１[ｍｍ]以下の精度でせん断面、破断面等の破面形状の違いを見極めなければならず、目視による打ち抜き破面の不良判定は不可能であるとの結論に至った。
実験レベルでのだれ率、せん断面率、破断面率の測定は、主に打ち抜き破面周辺のみを切り出した試験片に対して顕微鏡による破面観察が行われるが、試験片を作成するコストと時間の観点から量産ライン上でこのような観察を行うことは不可能である。
【００１７】
そこで、本発明者等は試行錯誤し、パンチのストローク量を測定できる打ち抜き装置において、図５のごとく被加工材１と打ち抜き中に接しているパンチ２側面に変位計９を埋設し、その出力値とパンチストローク量に基づいて、打抜き破面のだれ率、せん断面率、破断面率を演算することによって、後工程の成形加工により発生する伸びフランジ割れの発生を判別できる打ち抜き装置を発明した（前記（１）に係る発明）。
【００１８】
つまり、初期状態からのストローク量をＸ（ｍｍ）、被加工材との距離をＹ（ｍｍ）とすれば、二次元座標（Ｘ、Ｙ）により、図２、図３に示す打抜き破面の形状を把握でき、この測定値に基づいて、前記（１）〜（４）式に基づいて、打抜き破面のだれ率、せん断面率、破断面率を演算する。
【００１９】
だれ率が所定値より大きいとき、せん断面率が所定値より大きいとき、破断面率が所定値より小さいとき、後工程の成形加工により、伸びフランジ割れが発生する可能性が高いと判別する。
【００２０】
伸びフランジ割れは、打抜き破面のだれ率とせん断面率が大きいほど発生しやすいからである。また、破断面率が所定値より小さくなると、必然的にせん断面率とだれ率のいずれかが大きくなるからである。
【００２１】
変位計９の設置位置は、図４（ａ）に示す伸びフランジ部２１の半円部のように、最も伸びフランジ割れの危険性が高いと考えられる打ち抜き端面を測定でき位置とすることが好ましい。
【００２２】
また、変位計９の測定中心のパンチ２底面からの高さは、予測されるだれ長さＬ１、せん断面長さ（Ｌ２＋Ｌ２ｓ＋Ｌ２ｔ）及びダイ底面からのパンチ下死点の距離Ｌｄ（図５参照）の合計以下であることが望ましい。変位計９付近の刃が剛性不足で欠けることなく、かつ、せん断面までの打ち抜き端面履歴を測定できる高さとしなければならないためである。
【００２３】
前記パンチ２側面に埋設する変位計９を非接触式のものとする場合、レーザー変位計や光ファイバー変位計等が考えられる（前記（２）に係る発明）。
【００２４】
打ち抜き加工のパンチ速度は通常、秒速３０〜２００[ｍｍ]と速いため、これらの変位計は高分解能かつ高応答速度のものでなければならない。被加工材１の板厚にもよるが、レーザー変位計や光ファイバー変位計の分解能は１０〜５０[μm]程度、応答周波数は１[kHz]以上を達成できるから、これらの何れかが望ましい。設置の方法としては例えば図６（a）ように、パンチ２側面に穴加工してネジ式のセンサープローブ１０を埋設することや、センサーヘッド１１自体をパンチ内部に組み込み、ネジ１２により固定することが挙げられる。
【００２５】
前記パンチ２側面に設置する変位計９として、図７のように打ち抜きパンチ２側面にバネのような弾性体１４で支持されたピン１５を埋設して、被加工材と接触させながら被加工材の変位を測定してもよい（前記（３）に係る発明）。この場合、弾性体１４の弾性力をロードセル１３で測定し、変位に変換する。被加工材と接触するピン１５の形状は、図８のように、テーパや丸みを付けて被加工材１に引っかからないような形状とすることが好ましい。また、接触式の変位計も非接触式の変位計と同じように、高分解能、高応答周波数が望ましい。
【００２６】
前記パンチ２側面に設置された変位計９により打ち抜き破面のだれ率、せん断面率、破断面率を演算する方法であるが、平坦な形状が特徴であるせん断面を求める場合は、パンチ２側面変位計９の出力の変動が所定値（分解能程度）以下であったときのパンチストローク量をせん断面の長さとして、（２）式又は（４）式により計算すればよいし（前記（４）に係る発明）、パンチ２の底面が被加工材１の表面と接触を開始するストローク量を事前に測定しておけば、そのストローク量と、変位計９の測定値の変動が所定値以下となる開始時点のストローク量の差から、変位計９の設置位置のパンチ２底面からの高さを引いた長さをだれ量として、（１）式により算出することができる（前記（５）に係る発明）。
【００２７】
また、パンチ２側面変位計９の出力の変動が所定値（分解能程度）以下となる終了時点のパンチストローク量と、変位計９の出力が不連続に変化するときのパンチストローク量の差を元に、（３）式により破断面率を算出することもできる。
【実施例１】
【００２８】
本発明の効果を確かめるため、図９に示す装置による実験を行った。図９に示す装置は、パンチホルダー１７に設けられたローラー式の変位計１６（ストローク量測定手段）によりパンチストローク量が測定可能であり、図６(b)に示すようにパンチ２の内部に組み込まれたレーザー変位計１１によりパンチ２の側面（レーザー変位計１１）から打ち抜き破面までの距離を測定できる。これらの変位計はパソコン１９（演算手段）に接続されており、２つの変位計１１、１６の測定値を処理して、レーザー変位計１１の測定値の変動が０．０４ｍｍ以下であるときのパンチストローク量がせん断面長さとして算出される。また、パンチ２の底面と被加工材１の表面が接触するときのストローク量でのローラー式変位計１６の出力が０[mm]となるように較正をしており、パンチ２の底面と被加工材１の表面が接触を開始する時点からレーザー変位計１１の測定値の変動が０．０４[ｍｍ]以下となるまでのローラー式変位計１６の出力[mm]の差から、レーザ変位計１１の設置位置のパンチ底面からの距離を引いた長さがだれ量として算出される。
【００２９】
この装置により、平面図が図１０に示す打ち抜き切断形状で打ち抜きをそれぞれの水準で１０回ずつ行った。前記レーザー変位計１１は図１０に示す伸びフランジ割れ危険部を測定する。打ち抜きクリアランスは、板厚の５％と１０％の２パターンとした。また、被加工材には引張強度５９０MPa級、板厚１．２[ｍｍ]の高張力鋼板を使用した。この材料は最終形状が図１１のようになるように伸びフランジ成形を行う実験において、せん断面比率が３０％以上となった際に伸びフランジ成形工程で割れが起こる危険性が高いと判断されたものである。なお、本実施例において、２次せん断面、３次せん断面が生じることはなかった。
【００３０】
だれ長さとせん断面長さについて、本装置により測定されたものと、打ち抜き材を切り出して撮影した断面写真より導出したものを図１２（クリアランス５％の場合のだれ長さ（ａ）およびせん断長さ（ｂ））と図１３（クリアランス１０％の場合のだれ長さ（ａ）およびせん断長さ（ｂ））に示す（板厚で除した値がそれぞれの割合となる）。本装置による測定結果は断面写真より導出したものと５％以内の誤差に収まっており、測定が正しく行えた事を示している。
【００３１】
前述の伸びフランジ試験を行ったところ、クリアランス５％の打ち抜き材は伸びフランジ割れが生じ、１０％のものでは生じなかった。本装置による測定結果では、クリアランス５％の打ち抜き材はせん断面率が３０％（＝１．２×０．３＝０．３６）を超えており、被加工材のせん断面比率が３０％以上となった際に伸びフランジ成形工程で割れが起こる危険性が高いという知見と一致する。したがって、本装置により伸びフランジ割れが起こる部材の判別が行え、打ち抜き破面が加工される部材の歩留まりを向上させることができることを示せたといえる。
【実施例２】
【００３２】
本発明の効果を確かめるため、図１４に示す装置による実験を行った。図１４に示す装置は、パンチホルダー１７に設けられたローラー式の変位計１６（ストローク量測定手段）によりパンチストローク量が測定可能であり、パンチ２内部に組み込まれた接触式変位計２０によりパンチ２側面（接触式変位計）と打ち抜き破面までの距離を測定できる。接触式変位計２０は図８(b)のような構成となっている。パンチ２側面に空けられた孔の底面にロードセル１３が埋め込まれており、ロードセル１３と打ち抜き破面に接触するピン１５がコイルバネ１４で連結されている。ロードセル１３による測定荷重値よりバネ１４のたわみ量が得られ、変位に変換される。これらの変位計はパソコン１９（演算手段）に接続されており、２つの変位計１６、２０の測定値を処理して、接触式変位計２０の測定値の変動が０．０４ｍｍ以下であるときのパンチストローク量がせん断面長さとして算出される。また、パンチ２の底面と被加工材１の表面が接触を開始するときのストローク量でのローラー式変位計１６の出力が０[mm]となるように較正をしており、パンチ２の底面と被加工材１の表面が接触を開始する時点から接触式変位計２０の測定値の変動が０．０４[ｍｍ]以下となるまでのローラー式変位計１６の出力[mm]の差から、レーザ変位計２０の設置位置のパンチ底面からの距離を引いた長さがだれ量として算出される。
【００３３】
この装置により、実施例１と同様の試験片形状、打ち抜き条件で打ち抜きを行った。だれ長さとせん断面長さについて、本装置により測定されたものと、打ち抜き材を切り出して撮影した断面写真より導出したものを図１５（クリアランス５％の場合のだれ長さ（ａ）およびせん断長さ（ｂ））と図１６（クリアランス１０％の場合のだれ長さ（ａ）およびせん断長さ（ｂ））に示す（板厚で除した値がそれぞれの割合となる）。本装置による測定結果は断面写真より導出したものと５％以内の誤差に収まっており、測定が正しく行えた事を示している。
【００３４】
前述の伸びフランジ試験を行ったところ、クリアランス５％の打ち抜き材は伸びフランジ割れが生じ、１０％のものでは生じなかった。本装置による測定結果では、クリアランス５％の打ち抜き材はせん断面率が３０％（＝１．２×０．３＝０．３６ｍｍ）を超えており、被加工材のせん断面比率が３０％以上となった際に伸びフランジ成形工程で割れが起こる危険性が高いという知見と一致する。したがって、本装置により伸びフランジ割れが起こる部材の判別が行え、打ち抜き破面が加工される部材の歩留まりを向上させることができることを示せたといえる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】打ち抜きによる切断加工を模式的に示した図である。（ａ）閉断面打抜きの場合を示す側断面図である。（ｂ）開断面打抜きの場合を示す側面図である。
【図２】打ち抜きによる切断加工の被加工材端面を模式的に示す図である。
【図３】２次、３次せん断面をもつ打ち抜き破面を模式的に示す図である。（ａ）２次せん断面を持つ断面の模式図である。（ｂ）３次せん断面を持つ断面の模式図である。
【図４】伸びフランジ変形を模式的に示す図である。（ａ）成形加工前のブランクを示す。（ｂ）成形加工後の部材を示す。
【図５】本発明の装置例を示す側断面図である。
【図６】非接触式変位計のパンチへの組み込み例を模式的に示す図である。（ａ）プローブを埋設する場合オを示す。（ｂ）プローブをパンチヘッドに埋設する場合を示す。
【図７】接触式変位計のパンチへの組み込み例を模式的に示す図である。（ａ）テーパ角付きのピンを示す。（ｂ）丸み付きのピンを示す。
【図８】接触式変位計の構成例と構成部材であるピン形状例を模式的に示す図である。
【図９】実施例１で使用した装置を模式的に示す図である。
【図１０】実施例１、２における打ち抜き部の形状を模式的に示す図である。
【図１１】実施例１，２における、伸びフランジ試験後の被加工材形状を模式的に示す図である。
【図１２】実施例１における、本装置による破面形状測定結果と断面写真より得られた破面形状の測定結果の比較を示す図である。（ａ）だれ長さを示す（クリアランス＝板厚の５％）。（ｂ）せん断面長さを示す（クリアランス＝板厚の５％）。
【図１３】実施例１における、本装置による破面形状測定結果と断面写真より得られた破面形状の測定結果の比較を示す図である。（ａ）だれ長さを示す（クリアランス＝板厚の１０％）。（ｂ）せん断面長さを示す（クリアランス＝板厚の１０％）。
【図１４】実施例２で使用した装置を模式的に示す図である。
【図１５】実施例２における、本装置による破面形状測定結果と断面写真より得られた破面形状の測定結果の比較を示す図である。（ａ）だれ長さを示す（クリアランス＝板厚の５％）。（ｂ）せん断面長さを示す（クリアランス＝板厚の５％）。
【図１６】実施例２における、本装置による破面形状測定結果と断面写真より得られた破面形状の測定結果の比較を示す図である。（ａ）だれ長さを示す（クリアランス＝板厚の１０％）。（ｂ）せん断面長さを示す（クリアランス＝板厚の１０％）。
【符号の説明】
【００３６】
１  被加工材
２  打ち抜きパンチ
３  打ち抜きダイ
４  打ち抜き破面におけるだれ
５  打ち抜き破面におけるせん断面
６  打ち抜き破面におけるばり
７  打ち抜き破面における２次せん断面
８  打ち抜き破面における３次せん断面
９  打ち抜きパンチ側面に埋め込まれた変位計
１０  非接触式変位計のネジ式プローブ
１１  非接触式変位計のセンサーヘッド
１２  非接触式ヘッドを固定するためのネジ
１３  ロードセル
１４  バネのような弾性体（実施例ではコイルバネとして引用）
１５  接触式変位計を構成するピン
１６  ローラー式の変位計
１７  パンチホルダー
１８  板逆押さえ
１９  パソコン
２０  接触式変位計
２１  打ち抜き破面における破断面
２２  伸びフランジ部
【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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