NC ダイクッションとスライドモーション制御を適用した
フィルムレスストレッチドロー成形
大阪府立産業技術総合研究所 金属材料科科長
白川 信彦（平成 25 年度一般研究開発助成 AF-2013012）
キーワード：サーボプレス，ストレッチドロー，ステップモーション，NC ダイクッション

１．研究の目的と背景
電池筐体等の深い薄肉容器の成形は，深絞り加工や衝

２．実験方法
供試材料として公称板厚 1.0mm，素板径φ110mm の撃押出し加工で行われているが，それぞれ一長一短があ

冷間圧延鋼板（SPCC）を使用し，これを Table1 に示す

る．深絞り加工では，多段の再絞りやしごき加工といっ条件で一工程目の絞り加工（初絞り）を行って，再絞りた多工程を必要とするため，金型費などのコスト面で不（ストレッチドロー成形）の試験材料とした．初絞り容利であるのに対し，衝撃押出し加工では，寸法精度の問器の外観と概略寸法を Fig.1 に示す．初絞り，再絞りと題や適用できる材料が限られるといった課題がある．まもに，実験装置として NC ダイクッション（最大クッシた，このような深い薄肉容器の成形に関して，製缶分野ョン力 200kN）を搭載した AC サーボプレス（コマツ産

ではストレッチドロー成形法 1)～3)がある．ストレッチド機㈱製 H1F200，加圧能力 2000kN）を使用し，潤滑油ロー成形は，絞りダイのダイ肩半径を通常の絞り成形よと し て フ ォ ー マ 油 （ 豊 国 石 油 ㈱ 製 MS-70 ， 動 粘 度り小さくし，しわ抑え力の負荷で適正な張力をかけなが70mm2/s（40℃））を素板の両面に塗布した．

ら曲げ・曲げ戻しをすることによって，側壁を薄くして再絞りの試験条件を Table2 に，試験金型の外観写真

容器の深さを深くする方法である．慣用の深絞り加工にを Fig.2 に示す．試験金型はガススプリングとダイクッ比べて工程数を削減することができ，さらに容器の形状ションの両方に対応できる構造になっており，最大スト精度の向上 4)も図ることができる．しかし，製缶への適ロークは 75mm である．肩半径 R5 のダイを使用してガ用においては，素板の両面にポリエステル系フィルムをス ス プ リ ン グ に よ っ て し わ 抑 え 力 を 負 荷 （ 6kN ～ラミネート 1)し，良好な摺動性を確保する必要がある．

11.2kN(max)）した場合は通常の再絞り成形に相当し，プレス加工業界で注目を浴びているサーボプレスは，成形中にスライドの引上げと再下降を繰り返すパルスモーションにより，金型－素材間に潤滑油が流入する再潤滑効果 5)が認められている．また成形中にスライドを停止させるステップモーションでは，応力緩和による素板の延性向上 6)の効果 7)も確認されている．また，NC ダイクッションを用いて適正なしわ抑え力を付与し，成形中の割れやしわを防止しつつ細やかな張力の制御を行うことで，成形性の向上を図ることも可能である．
本研究の目的は，深い薄肉容器の成形に対して，製缶分野で著しい成果を挙げているストレッチドロー成形法を適用し，サーボプレスのスライドモーション制御とNC ダイクッションを活用した張力制御により，製缶工程で必要とされているラミネート樹脂フィルムのない一般的な金属材料で，これを実現することである．
具体的には，冷間圧延鋼板の絞り－再絞り加工を対象にして，再絞り加工時にストレッチドロー成形を適用した場合に，一般的な再絞り条件で得られる絞り成形品と比較して 30％以上成形高さを向上させた成形品を得ることのできるサーボプレスのスライドモーション設定，NC ダイクッションの設定条件を明らかにする．

肩半径 R3，R2 のダイを使用して NC ダイクッションに変更しても，Fig.3(b)に示すように，成形高さは 1～5mm

よって高いしわ抑え力を負荷（25kN 以上）した場合に程度しか向上しない．

はストレッチドロー成形になる．
サーボプレスのスライドモーションとしては，低速の以上のとおり，成形高さはダイ肩半径 R5 の通常の再絞り成形（成形高さ 55mm）に比べて 10％程度の増加，ステップモーション（下リンクモーション（5spm 相当）にとどまっているが，ダイ肩半径 R2 で問題なく成形で死点上 50mm からの成形を 10mm 成形毎に 0.1～5 秒間きることが明らかになった．以降のストレッチドロー実停止），パルス停止モーション（下死点上 50mm からの験では，ダイ肩半径 R2 を採用して検討を行った．

成形を 12.5mm 成形毎に 2.5mm 引き上げて 5 秒停止）について検討した．これに NC ダイクッションによるし3.2 リンクモーションでのしわ抑え力制御の効果 8）

わ抑え力制御を組み合わせて，実験を行った．各スライ

最初に，NC ダイクッションでしわ抑え力を負荷する

ドモーションとしわ抑え力制御については，3 章の各節

際に割れ等の成形不良を発生させない最大しわ抑え力をで詳述する．

調べるために，低速のリンクモーションでの成形においまた，成形中の状況を詳細に検討するために，容器底て，しわ抑え力を 25kN，30kN，･･･，と変化させてスから側壁部にかけての成形品の板厚分布測定を行った．

トレッチドロー実験を行った．結果を Fig.4 に示す．

測定はポイントマイクロメータを用い，1mm ピッチで測定した．

図に示すように，しわ抑え力が大きくなるにしたがって成形高さは向上し，しわ抑え力 30kN で成形高さを68mm まで向上させることができた．しかし，しわ抑え３．実験結果
3.1

ダイ肩半径の影響 8）

ストレッチドロー成形のポイントは，絞りダイのダイ肩半径を通常の絞り成形より小さくすることであるが，過度に小さくすることは割れの発生につながる．
そこで，適正なダイ肩半径を選定することも含めて，ダイ肩半径が成形高さに及ぼす影響を調べた．
ここでは，肩半径 R5，R3，R2 のダイを用いて，ガススプリングでしわ抑え力を負荷して成形実験を行った．
プレスストローク設定を 55mm 一定にして成形した
結果を Fig.3(a)に示す．ダイ肩半径が小さいほど，フランジの残り量が大きくなっており，小さいダイ肩 R で曲げ・曲げ戻しすることによる減肉効果が発現していることがわかる．しかし，ガススプリングでの低いしわ抑え力のためにストレッチ効果が低いこともあり，フランジの残り量が同程度になるようにプレスストローク設定を

力 40kN では割れが発生し，パンチ肩近傍の側壁部分にも明瞭なくびれが認められた．Fig.3 で示したように，による成形性向上の効果が裏付けられた．

ダイ肩半径 R5 での成形高さが 55mm であることから，ステップモーションでの成形品（Fig.7(d)）とリンク成形高さ 68mm では約 24％の向上ということになり，モーションでの成形品（Fig.5）の板厚分布測定の結果をしわ抑え力一定の制御ではこれ以上の成形高さの向上は通常の再絞り成形品の板厚分布と併せて Fig.8 に示す．

望めないことがわかった．

リンクモーションでの成形品ではパンチ肩部に近い側壁

そこで，成形前半は低いしわ抑え力で容器底部を形成部での板厚減少は小さく，ストレッチャストレインの発し，成形後半にしわ抑え力を高めて容器側壁全体を引き生領域で大きく板厚が減少しているのに対し，ステップ伸ばすことを狙って，しわ抑え力を 25kN→40kN に変モーションでの成形品は側壁部で比較的均一に板厚が減化させるしわ抑え力制御を適用したところ，Fig.5 に示少しており，容器側壁全体を適切にストレッチ成形できすように，成形高さを 72mm まで向上できることがわかていることがわかる．

．しかしこの場合った（55mm に対し，30.9％の向上）には，側壁部にくびれやストレッチャストレインの発生が認められ，素板の持つ延性の限界に近づいていることが明らかになった．

3.4 応力緩和の効果向上を目指した成形条件の検討
応力緩和による延性向上の効果をより引き出すことのできる成形条件を検討するために，停止時間と成形速度の影響，ステップモーションでの停止時にしわ抑え力を

3.3 ステップモーション適用の効果 8）
前節で述べたくびれやストレッチャストレインを回避する一つの方策として，第 1 章で述べた応力緩和による素板の延性向上の効果を活用することが考えられる．そこで，Fig.6 に示すようなステップモーションとしわ抑え力制御を適用し，成形高さの向上を試みた．結果をFig.7 に示す．
Fig.7(a)は，Fig.5 と同じくしわ抑え力を 25kN→40kNに変化させるしわ抑え力制御(①)を適用した場合であるが，ここでは最終の成形ステップで底抜け割れが発生した．そこで最終ステップの成形時のみしわ抑え力を30kN に下げたところ(②)，Fig.7(b)に示すようにフランジ部の絞り込みが起こり，成形高さが減少した．次に成形中期のしわ抑え力を 45kN にアップしたところ(③)，
Fig.7(c)に示すような顕著なくびれが側壁部に発生した．
最終的には，全ストローク 72mm のうち，成形前半のストローク 30mm の間のしわ抑え力を 30kN，成形中期のストローク 30mm の間のしわ抑え力を 40kN，最終ステップのストローク 12mm のしわ抑え力を 30kN に変化させるしわ抑え力制御(④)により，Fig.7(d)に示すような，くびれやストレッチャストレインの無い成形高さ72mm の成形を実現した．なお，このしわ抑え力制御の条件でリンクモーションによる成形を行ったところ，成形途中に割れが発生したことから，ステップモーション低減させる効果，停止前にスライドを引き上げることによる成形荷重抜重の効果について調べた．

3.4.1

ステップモーションにおける停止時間と成形速度の影響
スライドの加工速度を 10，30，50，80％（設定値）に変化させ，停止時間を 0.1，0.5，1，3，5 秒に変化させてストレッチドロー成形を行い，成形品の外観を比較した．結果を Table3 に示す．
表より，スライド速度が速くなるほど，また停止時間が短くなるほど，成形品にはくびれや割れが発生することがわかる．
すなわち，スライド速度が速くなることは，停止後の再加工時にいわゆるショックマークの発生を誘発しているものと思われ，また，応力緩和の効果を十分に発揮させるためには，1 秒程度以上の停止時間が必要であると考えられる．
3.4.2

ステップモーションにおける停止時のしわ抑え力低減の影響しわ抑え力は圧力制御であるため，これまで検討してきたしわ抑え力制御では，スライド停止時にも素板フランジ部には圧縮荷重が負荷されていた．そこで，スライド停止時にはしわ抑え力を下げて応力緩和の効果を上げ，成形時にはしわ抑え力をこれまで以上に上げることで，成形高さの向上を図ることを試みた．ステップモーショ
ンとしわ抑え力のイメージを Fig.9 に示す．スライド停成形時のしわ抑え力は 40kN
止時のしわ抑え力は 20kN，から 60kN まで 5kN ピッチで変化させた．
その結果，Fig.9 に示した 4 回の成形時全てのしわ抑え力を均等に上げた場合には 45kN で割れが発生した．
また，4 回の成形時のうち前半 2 回のみしわ抑え力を上げた場合は 50kN で割れが発生し，後半 2 回のみしわ抑すなわち，え力を上げた場合は 60kN で割れが発生した．
成形の後半 2 回のみのしわ抑え力を上げた場合にはしわ抑え力 55kN での成形が可能であった．
しかし，このしわ抑え力低減制御は成形高さの顕著な向上にはつながらず，さらには，成形品の板厚分布測定の結果，Fig.10 に示すような成形周期ごと（約 10mm ピッチ）の大きな板厚変動が側壁部に発生しており，成形精度の面でも好ましくないことが明らかになった．
3.4.3 パルス停止モーション適用の効果
前項のしわ抑え力低減制御では，成形荷重に関しては，スライド停止中の低下はわずかであるため，応力緩和の部の残り量が多く，成形高さの向上につながることがわ効果を上げる次の試みとして，スライド停止前にスライかる．また，成形品の板厚分布測定の結果を Fig.13 に示ドを少し引き上げる（これをパルス停止モーションと呼す．成形後半のしわ抑え力を 50kN に上げたことによるぶ）ことにより，成形荷重を完全に抜重する効果を検討

板厚減少と容器底部からパンチ肩近傍にかけての板厚減した．パルス停止モーションとしわ抑え力のイメージを少が認められた．すなわち，これらの適切なストレッチ

Fig.11 に示す．成形後半のしわ抑え力は 40，50，55kN

効果とひずみの分散により，成形高さが向上したものとに変化させた．

考えられる．

その結果，成形後半のしわ抑え力を 50kN まで上げてもくびれや割れ，ストレッチャストレインの発生は認め

４．CAE による成形条件の検証られず，良好な成形品が得られた．成形品の写真をステ

本研究においては，金型設計前の事前検討に CAE を活ップモーションでの成形品と併せて Fig.12 に示す．パル

用したが，最後にしわ抑え力制御の効果について，CAE

ス停止モーションでは，同じ成形高さの設定でフランジによる検証を行った．3.2 節で行ったしわ抑え力制御

の検討と同様に，しわ抑え力を 25kN 一定にした場合としつつ，効果的にストレッチ成形できる条件を見極める

成形後半のしわ抑え力を 40，45，50kN に高める制御をことができている．ストレッチドロー成形でのしわ抑え入れた場合の計算結果を Fig.14 に示す．

力制御の検討に CAE を十分活用できることがわかった．

図に示すように，2545kN の結果と 25 50kN の結果で板厚減少に顕著な差が認められており，割れを回避

５．結言

謝

辞

冷間圧延鋼板を対象にした絞り－ストレッチドロー成形において，サーボプレスのスライドモーション制御と本研究は，天田財団平成 25 年度一般研究開発助成

NC ダイクッションを活用した張力制御を適用し，成形（AF-2013012）により実施したものであり，ここに感高さの向上を試みた．得られた結果をまとめると以下の謝の意を表します．

とおりである．

参考文献（1）ステップモーションとしわ抑え力制御の組合せにおいて，良好なストレッチドロー成形条件を見出し，通1）今津：軽金属，44-2(1994)，110．

常の絞り－再絞りで得られる成形容器と比較して，成形

2）後藤ほか：機論(C)，65-638(1999)，334．

高さの 30.9％の向上を達成した．

3）後藤ほか：機論(C)，65-639(1999)，289．
4）小川ほか：岐阜県機械材料研究所研究報告，5(2012)，（2）スライドの引き上げを伴うパルス停止モーション14．

を考案し，これを適用することにより成形高さをさらに5）玉井ほか：塑性と加工，51-592(2010)，450．

向上できることを明らかにした．また，そのメカニズム

6）K. Hariharan，et.al：Materials & Design，52(2013)，を板厚分布の測定から検証した．

284．
7）山下ほか：平 24 塑加春講論(2012)，107．

（3）しわ抑え力制御の検討において，CAE 技術の活用が有効であることを明らかにした．

8）白川信彦・四宮徳章，第 66 回塑性加工連合講演会講演論文集(2015)，107-108．