(57)【要約】【課題】打ち抜き加工端面のバリを低減させる打ち抜き装置及び方法を提供する。【解決手段】パンチ８とダイ１１と板押さえ１０を有し、パンチ８は、刃先を含んで同一の断面形状を有する第一の平行部２９と、第一の平行部２９から打ち抜き方向後方に向かって外径が小さくなる逆テーパー部９を有しており、ダイ１１の刃先は打ち抜き方向に傾斜して面取りされており、板押さえ１０はダイ１１の打ち抜き部３０と相似形の空洞部３１を有し、空洞部３１の内周ｃはパンチ８の第一の平行部２９の外周ａ以上ダイ１１の打ち抜き部３０の内周ｂ以下である。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パンチとダイと板押さえを有する金属板の打ち抜き加工装置であり、
前記パンチは、刃先を含んで同一の断面形状を有する第一の平行部と、前記第一の平行部から打ち抜き方向後方に向かって外径が小さくなる逆テーパー部を有しており、
前記ダイの刃先は、打ち抜き方向に傾斜して面取りされており、
前記板押さえは、前記ダイの打ち抜き部と相似形の空洞部を有し、前記空洞部の内周の長さは、前記パンチの第一の平行部の外周以上、かつ前記ダイの打ち抜き部の内周以下であることを特徴とする逆テーパーパンチと面取りダイによる金属板の打ち抜き加工装置。
【請求項２】
前記パンチは、前記第一の平行部の打ち抜き方向前方に、打ち抜き方向後方に向かって外径が大きくなるテーパー部を有することを特徴とする請求項１記載の逆テーパーパンチと面取りダイによる金属板の打ち抜き加工装置。
【請求項３】
前記パンチは、前記テーパー部の打ち抜き方向前方に、前記第一の平行部の外径より小さい第二の平行部を有し、かつ刃先が０．５〜１０ｍｍの曲率半径の曲面状に面取りされていることを特徴とする請求項２記載の逆テーパーパンチと面取りダイによる金属板の打ち抜き加工装置。
【請求項４】
前記パンチは、前記逆テーパー部の代わりに、前記第一の平行部の外径より打ち抜き方向後方の外径が小さくなる段差部を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の逆テーパーパンチと面取りダイによる金属板の打ち抜き加工装置。
【請求項５】
前記ダイの面取りされた傾斜形状が、凸な曲面状であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の逆テーパーパンチと面取りダイによる金属板の打ち抜き加工装置。
【請求項６】
前記ダイの面取りされた傾斜形状は、前記面取りされた傾斜に沿って金属板が曲げられた場合に、前記金属板の弾性変形範囲内を満たすことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の逆テーパーパンチと面取りダイによる金属板の打ち抜き加工装置。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか１項に記載の装置を用いて、ダイと板押さえとで金属板を拘束しながら、パンチの前記第一の平行部が前記金属板の下方に位置するまで前記パンチを前記ダイの打ち抜き部に進行させて前記金属板を打ち抜いた後、前記パンチを打ち抜き方向と逆方向に引き抜いて、前記金属板に発生したバリを前記パンチの前記逆テーパー部又は前記段差部で潰すことを特徴とする逆テーパーパンチと面取りダイによる金属板の打ち抜き加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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バリ低減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（ａ）のようにパンチ２とダイ３による穴打ち抜き加工や、図１（ｂ）のようにパンチ２とダイ３により被加工材１を前後に切断する切断打ち抜き加工が施されることが多い。図２に示すように打ち抜き端面は、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。
【０００３】
打ち抜き端面の平滑度を上げるためには、特許文献１に記載されるようなテーパーパンチを使用して打ち抜き面をバニシしながら打ち抜き切断加工することが有効であるが、この際に押し出された素材が大きなバリとなる場合があり、問題となる。
【０００４】
打ち抜き時のバリを低減させる従来技術は数多く提案されており、例えば、逆テーパー付パンチによる打ち抜き方法が一般的に用いられている。この打ち抜き方法では、パンチ側面と打ち抜き端面の接触面積が減るため、パンチが磨耗しにくく、また、パンチのしゅう動抵抗が減り、ダイ肩へ押し流される肉の量が減るのでバリ発生を抑制できる。一方、打ち抜き後にコイニングを施すことによりバリをつぶすことも行われる（特許文献２）。
【０００５】
また、面取りダイと板押さえを用いて板を曲げた状態で打ち抜きし、バリの発生方向を板厚方向からずらす方法が特許文献３に記載されている。
【０００６】
特許文献４には２段のパンチを用いて、一段目で穴あけ、２段目でバリ除去をする方法が記載されている。
【０００７】
特許文献５にはダイに面取りを施すことによってバリ発生を抑止する方法が記載されている。
【０００８】
非特許文献１にはダイとパンチの刃先の先鋭度に差を付け、ダイ・パンチの一方から亀裂を発生させることによりバリを発生させない方法が記載されている。
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−３３３５３０号公報
【特許文献２】特開平６-５７３２５号公報
【特許文献３】特開２００６−４３７５７号公報
【特許文献４】特開２００６−２８１３２３号公報
【特許文献５】特開２００２−１７２４３５号公報
【非特許文献１】第３９回塑性加工連合講演会講演論文集ｐｐ．４８３−４８６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、以上の開示技術には、いくつかの課題が存在する。
【００１１】
逆テーパー付きパンチや特許文献２、３、５、非特許文献１に記載される方法は、打ち抜き時のバリ発生を抑止する効果はあるが、発生したバリを潰すような作用はなく、前述のテーパーパンチを使用した、押し出しに起因するバリを防ぐことはできない。
【００１２】
特許文献４に開示される方法は、打ち抜き孔内面に伸びる微細なバリには効果があるもの被加工材の板厚方向（打ち抜き方向）に伸びるバリには効果がない。
【００１３】
本発明は、テーパーパンチを使用するような、素材のダイ側への押し出しに起因する比較的大きな（板厚の１０％程度の）バリの発生を防ぐことができる装置と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。
（１）パンチとダイと板押さえを有する金属板の打ち抜き加工装置であり、前記パンチは、刃先を含んで同一の断面形状を有する第一の平行部と、前記第一の平行部から打ち抜き方向後方に向かって外径が小さくなる逆テーパー部を有しており、前記ダイの刃先は、打ち抜き方向に傾斜して面取りされており、前記板押さえは、前記ダイの打ち抜き部と相似形の空洞部を有し、前記空洞部の内周の長さは、前記パンチの第一の平行部の外周以上、かつ前記ダイの打ち抜き部の内周以下であることを特徴とする逆テーパーパンチと面取りダイによる金属板の打ち抜き加工装置。
（２）前記パンチは、前記第一の平行部の打ち抜き方向前方に、打ち抜き方向後方に向かって外径が大きくなるテーパー部を有することを特徴とする（１）記載の逆テーパーパンチと面取りダイによる金属板の打ち抜き加工装置。
（３）前記パンチは、前記テーパー部の打ち抜き方向前方に、前記第一の平行部の外径より小さい第二の平行部を有し、かつ刃先が０．５〜１０ｍｍの曲率半径の曲面状に面取りされていることを特徴とする（２）記載の逆テーパーパンチと面取りダイによる金属板の打ち抜き加工装置。
（４）前記パンチは、前記逆テーパー部の代わりに、前記第一の平行部の外径より打ち抜き方向後方の外径が小さくなる段差部を有することを特徴とする（１）〜（３）の何れか１つに記載の逆テーパーパンチと面取りダイによる金属板の打ち抜き加工装置。
（５）前記ダイの面取りされた傾斜形状が、凸な曲面状であることを特徴とする（１）〜（４）の何れか１つに記載の逆テーパーパンチと面取りダイによる金属板の打ち抜き加工装置。
（６）前記ダイの面取りされた傾斜形状は、前記面取りされた傾斜に沿って金属板が曲げられた場合に、前記金属板の弾性変形範囲内を満たすことを特徴とする（１）〜（５）の何れか１つに記載の逆テーパーパンチと面取りダイによる金属板の打ち抜き加工装置。
（７）前記（１）〜（６）の何れか１項に記載の装置を用いて、ダイと板押さえとで金属板を拘束しながら、パンチの前記第一の平行部が前記金属板の下方に位置するまで前記パンチを前記ダイの打ち抜き部に進行させて前記金属板を打ち抜いた後、前記パンチを打ち抜き方向と逆方向に引き抜いて、前記金属板に発生したバリを前記パンチの前記逆テーパー部又は前記段差部で潰すことを特徴とする逆テーパーパンチと面取りダイによる金属板の打ち抜き加工方法。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、テーパーパンチを使用するような、素材のダイ側への押し出しに起因する比較的大きな（板厚の１０％程度の）バリの発生を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に本発明の詳細を説明する。
【００１７】
本発明は、パンチ側にバリをつぶす部位を設け、さらにダイ側へ発生するバリをつぶし易くする部位を設けることを特徴とするものである。
【００１８】
昨今はサーボプレス機のようなラムがどの位置にあるかにかかわらず全域で安定した荷重を発生させることができる装置の普及が進んでおり、従来考えられていなかった自由な動作を金型に付与することが可能である。本発明者らはパンチ引き抜きのモーションを積極的に用いることに注目し、パンチ形状とダイ形状、ストリッパーを図３のようなものとすれば、打ち抜き加工時に発生する大きなバリを潰すことが可能であることを知見した（前記（１）に係る発明）。
【００１９】
本発明にかかる抜き打ち加工装置は、図３に示すように、打ち抜きパンチ８（逆テーパーパンチ、単にパンチともいう）、刃先に傾斜部１２が形成されたダイ１１、および板押さえ１０を有する。本実施形態のパンチ８は、先端側に、刃先を含んで同一の断面形状を有する第一の平行部２９を有し、その基端側に、打ち抜き方向後方に向かって即ち打ち抜きの進行と共に外径が小さくなる逆テーパー部９を有する。
【００２０】
板押さえ１０は、ダイ１１の打ち抜き部３０と相似形の空洞部３１を有する。板押さえ１０の空洞部３１の内周の長さｃは、クリアランスを０以上とするため、パンチ８の第一の平行部２９の外周ａ以上とし、引き抜き力による製品の撓みを防ぐため、ダイ１１の打ち抜き部３０の内周ｂ以下とする。
【００２１】
図３に示す打ち抜き加工装置を使用すれば、図４のごとく、第一の平行部２９により、被加工材１を丸穴などの所定形状に打ち抜いた後、ダイ傾斜部１２に起因した被加工材１の弾性変形のために、バリ７の発生方向が板厚方向（図４（ａ）紙面下方向）からパンチ８側（同左方向）へ変化し、同図（ｂ）に示すようにパンチ８を引き抜く際にバリ７がパンチ８の逆テーパー部９に接触する。この際に板押さえ１０によりパンチ８の引き抜き力よりも大きな力で被加工材１を抑えておけば、同図（ｃ）に示すように、バリ７が押し潰される（前記（７）に係る発明）。
【００２２】
パンチを引き抜く力は、大きく見積もっても単位打ち抜き線長当たり数十［ｋｇ／ｍｍ］程度であり、ウレタンばねやガス圧クッションを用いる一般的に流通する板押さえの機構であれば、バリ７を潰すのに充分である。
【００２３】
ただし、潰せるバリ７の量はクリアランス量が大きければ減るので、本発明を用いるには、クリアランス量を被加工材板厚の０〜１０％程度とすることが最も効果的である。
【００２４】
逆テーパー部９の位置、角度については、図５のように、パンチ下死点位置でパンチ８の逆テーパー部９の斜面の何れかが被加工材１のバリ７の位置と一致するような位置関係となるように設定しなければならない。下死点の設定については、用いるプレス装置、金型、素材に応じて変化するものであるため、逆テーパー部９に対しては個別の設定が必要となる。
【００２５】
本発明は、打ち抜きの進行と共に外径が大きくなるテーパー部を、パンチの平行部の前方に有する場合に特に有効である（前記（２）に係る発明）。
【００２６】
単純に打ち抜きの進行と共に外径が大きくなり、その後平行部が形成されたテーパーパンチを用いると、材料をダイ側に押し出して平滑端面を得るため、被加工材板厚の０〜１０％程度の少ないクリアランス量であっても大きなバリが発生しやすい。
【００２７】
そこで、図３に示したパンチの第一の平行部２９の前方に、図６に示すように、打ち抜きの進行と共に外径が大きくなるテーパー部１４を設けたパンチ１３とすれば、テーパー部１４で素材をダイ側へ押し流して端面を平滑化するので、従来バリ７となっていた部分を逆テーパー部９で潰すことが可能となる。この際、材料をダイ側へ押し流すため、テーパー部１４のテーパー角度はパンチの焼付きを防ぐべく、鉛直線に対し１０〜３０度程度とすることが望ましい。
【００２８】
更に、図６で示したテーパー部１４の前方に、図７に示すように、第一の平行部２９の外径よりも小さい第二の平行部１７を有し、かつ刃先１６が０．５〜１０ｍｍの曲率半径の曲面状に面取りされているパンチ１５とすれば、パンチ作成のコストは増すが、材料が破断しにくくなるために平滑端面を得るために必要な材料の押し流し量が減り、結果としてパンチと素材の摩擦抵抗が減るので、図６のようなパンチ１３の形状に比べてパンチ寿命を増すことが可能である（前記（３）に係る発明）。
【００２９】
刃先１６の曲率半径が０．５ｍｍ未満になると、刃先に丸みを有しない場合は材料を破断しにくくする効果が薄いので端面の平滑度に大きな差はなく、１０ｍｍを超えると、打ち抜き孔周辺部の材料が多量にダイ部へ引きずり込まれるために打ち抜き孔周辺のダレ量が大きく端面の平滑度がかえって悪化してしまう場合があるので、刃先の曲率半径は０．５〜１０ｍｍとすることが好ましい。この際、パンチの焼き付きを防ぐために、パンチ先端から目標打ち抜き径（第一の平行部２９の径）となるまでのパンチストローク量、即ち、刃先１６の先端から第二の平行部２９とテーパー部１４の境界までの垂直方向長さは、被加工材板厚の１００％未満であることが望ましく、材料を押し流すためのテーパー部１４のテーパー角度は、鉛直線に対し１０〜３０度程度が望ましい。
【００３０】
（１）〜（３）の本発明においては、図８に示すように、逆テーパー部９の代わりに段差部１９を設けてもよい（前記（４）に係る発明）。この場合、バリ７を潰すというよりはバリ７を削りとるということになり、打ち抜き端面の平滑度の向上は図れないが、逆テーパー部９と異なりバリを除去する際のパンチストローク量を若干減らすことができるので、金型磨耗に関して逆テーパー部９を用いる場合よりも優れる。段差高さ（（第一の平行部２９の径−段差部１９の後方部３２の径）／２）はパンチ径（第一の平行部２９の径）の５％以上であれば充分バリを削りとることが可能である。一方、大きすぎると引き抜き力が不足してパンチが引っかかったり、被加工材１上面側にバリが生じたりする場合があり、上記段差は、パンチ径の２０％以下とすることが好ましい。
【００３１】
図３のように、ダイ１１の傾斜部１２が直線状である場合は、打ち抜き時に被加工材１に加わる曲げに起因する歪量は傾斜部１２と平坦部の境目に集中し、打ち抜きされた製品の撓みを防ぐべく傾斜量を少なくしなければならない。しかしながら、図９のように、ダイ２０の傾斜部２１を凸の曲面状とすれば、打ち抜き時の被加工材１に加わる曲げが被加工材１の傾斜部２１と接触する部位全体に拡散され、打ち抜きされた製品に撓みが発生する限界のダイ傾斜量の上限を増やすことができる（前記（５）に係る発明）。ダイの傾斜量を増やせばバリ７の方向をよりパンチ側へずらすことができるので、パンチの逆テーパー部９または段差部１９により除去できるバリ７の量を増やせる。
【００３２】
製品の撓みを防げるダイ傾斜部１２，２１とするためには、ダイ傾斜部１２，２１による被加工材１の撓み量が素材の弾性範囲内に収まるように設計すればよい（前記（６）に係る発明）。打ち抜き形状が直線や円状のような単純形状であれば解析的にダイ傾斜部形状を導出することが可能であるが、多くの場合には複雑な打ち抜き形状であるため、有限要素法のような数値シミュレーションを用いて、ダイ傾斜部１２，２１の形状を導出することが有効である。具体的にはダイ傾斜量を変えたいくつかの有限要素シミュレーションを行って塑性歪が生じない傾斜量限界を見極めればよい。
【実施例１】
【００３３】
本発明例１として、図１０に示すパンチ２２、ダイ２３、板押さえ２４を用いて１０枚の試験片に直径１０ｍｍの円孔を打ち抜き、打ち抜き孔のバリ高さを測定する試験を行った。
【００３４】
打ち抜きのクリアランスは被加工材の板厚の１２％とし、被加工材には引張強さが４４０ＭＰａである厚さ３ｍｍの熱延鋼板を用いた。また、板押さえ２４の荷重発生機構にはガス圧式のクッションを使用しており、パンチ下死点付近で２００ｋｇのパンチ引き抜き荷重を発生することができる。ダイ２３の傾斜部１２の傾斜量は傾斜角度を３度として、ダイ刃先から水平方向に４ｍｍとし、板押さえの空洞部の断面形状は直径１０．５ｍｍの円とした。
【００３５】
比較例として、パンチ２２及び板押さえ２４が本発明例と共通であり、上述の傾斜部１２を有さないダイを使用した。その他の条件は、本発明例と同一とした。
【００３６】
バリ高さは、バリ先端と被加工材下面の板厚方向の距離とし、被加工材１の孔断面を切り出して樹脂埋め込みした試験片の光学顕微鏡画像を画像解析して測定した。
【００３７】
上記の方法で測定した打ち抜き後のバリ高さ測定結果は、本発明例１の場合に平均で1７μｍであり、比較例では、打ち抜き試験片の平均バリ高さ１８μｍとなり、本発明による打ち抜き方法では約５％バリ高さが軽減できた。
【実施例２】
【００３８】
続いて、本発明例２として、パンチのみ図１１に示す形状のパンチ２５とし、それ以外は実施例１と同じ試験を行った。
【００３９】
打ち抜き後のバリ高さ測定結果は、本発明例２の場合に平均で1５μｍであり、比較例として行った従来の打ち抜き方法（パンチ２５のみが本実施例と共通であり、面取りダイを使用しない）による打ち抜き試験片の平均バリ高さ３８μｍに対し、本発明による打ち抜き方法では約６０％バリ高さが軽減できた。
【実施例３】
【００４０】
続いて、本発明例３として、パンチのみ図１２に示す形状のパンチ２６とし、それ以外は実施例１と同じ試験を行った。
【００４１】
打ち抜き後のバリ高さ測定結果は、本発明例３の場合に平均で1３μｍであり、比較例として行った従来の打ち抜き方法（パンチ２６のみが本実施例と共通であり、面取りダイを使用しない）による打ち抜き試験片の平均バリ高さ２５μｍに対し、本発明による打ち抜き方法では約５０％バリ高さが軽減できた。
【実施例４】
【００４２】
続いて、本発明例４として、パンチのみ図１３に示す形状のパンチ２７とし、それ以外は実施例１と同じ試験を行った。
【００４３】
打ち抜き後のバリ高さ測定結果は、本発明例４の場合に平均で1８μｍであり、比較例として行った従来の打ち抜き方法（パンチ２７のみが本実施例と共通であり、面取りダイを使用しない）による打ち抜き試験片の平均バリ高さ３８μｍに対し、本発明による打ち抜き方法では約５０％バリ高さが軽減できた。
【実施例５】
【００４４】
続いて、本発明例５として、ダイのみ図１４に示す形状のダイ２８であり、それ以外は実施例１と同じ試験を行った。
【００４５】
打ち抜き後のバリ高さ測定結果は、本発明例５の場合に平均で1２μｍであり、比較例として行った従来の打ち抜き方法（パンチ２２のみが本実施例と共通であり、面取りダイを使用しない）による打ち抜き試験片の平均バリ高さ１８μｍに対し、本発明による打ち抜き方法では約３０％バリ高さが軽減できた。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、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適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】一般的な穴打ち抜き加工を模式的に示した図であり、（ａ）は穴打ち抜き加工、（ｂ）は切断打ち抜き加工を示す。
【図２】打ち抜き加工された被加工材の打ち抜き端面を模式的に示す図である。
【図３】本発明の打ち抜き加工装置の構成を模式的に示す図である。
【図４】本発明により打ち抜き端面のバリをつぶすメカニズムを模式的に示す説明図であり、（ａ）は打ち抜き中、（ｂ）は打ち抜き後パンチの下死点から引き抜き開始段階を示し、（ｃ）は打ち抜き後パンチの引き抜き中を示す。
【図５】パンチの下死点位置における、望ましい逆テーパー部と打ち抜き端部のバリ位置を示す図である。
【図６】本発明の異なるパンチ形状を模式的に示す図である。
【図７】本発明のさらに異なるパンチ形状を模式的に示す図である。
【図８】本発明のさらに異なるパンチ形状を模式的に示す図である。
【図９】本発明の異なるダイ形状を模式的に示す図である。
【図１０】実施例１に使用した打ち抜き金型を模式的に示す図である。
【図１１】実施例２に使用した打ち抜きパンチ形状を模式的に示す図である。
【図１２】実施例３に使用した打ち抜きパンチ形状を模式的に示す図である。
【図１３】実施例４に使用した打ち抜きパンチ形状を模式的に示す図である。
【図１４】実施例５に使用した打ち抜きダイ形状を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１    被加工材
２    パンチ
３    ダイ
４    ダレ
５    せん断面
６    破断面
７    バリ
８、１３、１５、１８、２２、２５、２６、２７  パンチ
９    逆テーパー部
１０、２４  板押さえ
１１、２０、２３、２８  ダイ
１２、２１  傾斜部
１４  テーパー部
１６  刃先
１７  第二の平行部
１９  段差部
２９  第一の平行部
【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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