Review
Report

せん断加工のメカニズム解明および実加工における進歩・展望
M. Murakawa

村川

正夫 *

図1

t=63.5mm．B=76.2mm の鋼板をせん断するための装置，

1. はじめにせん断加工は基本的には一対のパンチとダイの工具間に被加工材をはさみ，プレスで押圧し，材料を破断にまで変形させるという単純な工程作業から実施できる．しかしながら，変形工程に破断すなわち破壊工程が含まれるために，そのメカニズムを解析的に解明するのは見かけほど容易ではない．
一方その実加工への適用はせん断加工のずば抜けた高生産性の故に多様な用途へと発展した．すなわちせん断加工は理論より応用が完全に先駆けした典型的な加工法である．
本解説では，しかしながら物事の全体像をしっかりと把握するために，敢えてそのメカニズム解明の部分から記述を始めることとする．なお，本特集号はせん断加工の最新の加工技術を紹介するのが趣旨ではあるが，物事の順序として，当該技術がどのような歴史的経緯を経て出現してきたかについても出来るだけ触れることとする．

2. せん断加工のメカニズム解明
前田禎三のせん断加工理論を展望した記事 1） によると，
せん断加工に初めて学術的な観察が入り，研究が始まったのは 20 世紀の初頭（1906）であり，E.G.Izod は特別にせん断試験機を作製し，きわめて純粋せん断に近い条件で各種材料のせん断試験を行い，せん断抵抗と引張り強さとの比を測定した 2）（図 1）．その結果 delta metal（一種の銅合金）における 0.51 から鋳鉄における 1.51 まで広範囲に変化することを明らかにした．また，神馬 敬の展望 3） によると，せん断加工の力学的研究は 1923 年に Bach が軟鋼板の穴あけについてパンチ食い込み初期に材料内に生ずる弾性応力を求めた
4）（図 2）のが始まりという．
その後 1927 年，Crane は，軟鋼のせん断加工においてクリアランスが適当であれば，パンチとダイの刃先より発生するクラック（き裂）がうまく会合し，切り口はきれいである
し，加工に必要な仕事量も最小になることを見出した 5)．
これらの黎明期的研究を先駆として，せん断加工メカニズ
ムについてのいわば具象論的研究・観察はその後も日本，欧米で数多くなされ，せん断現象メカニズムの理解に多大の貢献をなしてきたのであるが，本格的な塑性力学的研究は前田禎三 6）（1959）および神馬敬 7-8）（1962-1965）を待たなければならなかった．研究の詳細な内容はそれぞれの論文に譲る
として，それらのエッセンスを述べると，前田は複刃によるせん断の過程を単純せん断期と薄層せん断期に分けたせん断
模型を導入し，せん断特性の説明と塑性曲線からのせん断抵抗の算出を行った（表 1）．この研究に次いで，神馬は打抜き過程を単純せん断期，せん断面成長期，陥没面成長期，せ＊日本工業大学 名誉教授

-31-

最大荷重 (130ton) までのパンチ食い込み量：14mm，
仕事量：1.7m・ton，破断までのパンチ食い込み量：16.5mm

図2

打抜き初期において材料内に生ずる弾性応力分布（Bach,1923 年 , 単位 : ㎏ / ㎜ 2, 実線 ; 圧縮応力 , 破線 ;
最大圧縮応力 ,2 点鎖線 ; 最大せん断応力）

ん断分離期の 4 段階に分類し，可容速度場による解析を行った．鉛の厚板を用いた実験の裏付けもあって，現実に近い結果を得ているが，だれの成長や引っ張り力による陥没面の生成を述べているのが特徴である 9）（図 3）．

表 1 せん断抵抗の計算値と実測値（前田）（単位は㎏ / ㎜ 2）
クリアランス
材料
1.0
0.8
2.0
0.8
0.7
0.6
1.6
0.9
0.8

黄
銅
ア ル ミ
銅
銅
鱗 青 銅
洋
白
軟
鋼
軟
鋼
亜
鉛

7% 板厚
12% 板厚23.4% 板厚
計算値 実測値 計算値 実測値 計算値 実測値
32.3
31.9
31.7
31.0
31.2
29.0
13.4
13.5
13.1
13.0
13.0
12.4
21.6
20.0
21.3
19.6
21.1
19.6
18.6
17.9
18.3
17.2
17.9
16.4
54.9
49.8
54.2
49.2
53.1
48.2
49.9
44.1
49.1
43.0
48.9
42.2
25.5
29.0
25.0
28.7
24.3
28.1
24.4
28.1
24.1
27.2
23.6
25.2
15.6
12.8
15.4
12.6
15.1
12.1

図 3 アルミニウム板せん断力線図（理論）（神馬）図 4 切削的平滑せん断面形成機構の説明図

近藤一義はせん断加工を理解するためには，加工現象を総合的に整理解明する必要があると感じ，一連の研究を進めた
10，11，12）．その結果，加工分離面の性状を主として支配している平滑せん断面の形成が塑性変形によって行われるものとして，刃角近傍の材料に働く静水圧の大きさを共通の尺度にとり，種々の加工条件が分離面性状に及ぼす影響を比較的一貫してまとめ得ることを確認し，これを新たに切削的平滑せん断面形成機構と名付けた（図 4）．工具の視点から垂直方向に作用するせん断力のみならず，側方に作用する側方力がどの程度になるかを知る事は重要である．斎藤博は円形パンチによる打抜きの際の工具に作用する側圧力を測定している
13）．クリアランスが小さい時に m=35% 程度となることがわかる（図 5）．
これに次いで，前田禎三は平行複刃によるせん断の場合の諸材料支持条件下における側方力を測定している 14)．側方力
ははさみ形で最大約 40% 程度となることがわかる（図 6）．
前田禎三はせん断製品のわん曲についても理論的考察を行っている 15）．その結果，パンチ下の材料に作用する曲げモー
メント G は G=A・P － B・T － C の形で表せることなどを明らかにした（図 7）．
せん断工具切り刃の摩耗についての研究は，加工条件の正しい選択により同工具の寿命を例えば 1.5~2 倍以上に向上することが出来れば，製品精度，経済的側面からも得られる利益は極めて大きい．
しかし，摩耗をその根元にまでさかのぼって考究するに際して，摩耗そのものの調査や測定が困難であり，研究に多くの労力と時間を要する．まずはその方法論であるが，これは図5

円形パンチ打抜きにおける最大側圧力と最大打抜き力の比率 m

図6

平行複刃によるせん断時の側方力の測定結果（はさみ形 ,1.6mm 軟鋼板 , クリアランス :0.02mm）

ドイツで利用が始まった表面粗さ計による摩耗の先駆的研究
手法 16）が日本においても踏襲されている．
日本における先駆的研究としては，斎藤-32-

博の研究 17），図 7 せん断時に被加工材料に作用する力
前田禎三らの研究 18），斎田洋一の研究 19）がある．
研究 18）においては，せん断工具の摩耗の進行状況が打抜
き数 15 万回まで示されている（図 8）．研究 19）においては，
やはりケイ素鋼板（t=0.5mm）を用い，工具として超硬合金を用いたときの，打ち抜き数 100 万回までの摩耗実験結果が示されている．その結論として，工具コーナー部には板厚の1/2 以上の丸み（R）を付けるべきこと，特にコーナー R と直線との接続部の切り刃に生ずる大きな側面摩耗はクリアラ
ンスを小さくすると局部的な摩耗を抑制でき，切り刃各部の摩耗を均一化するのに役立つこと，側面摩耗を小さくするのには潤滑剤を用いる事が極めて有効なことなど有用な知見を提供している．その後，青木 勇はせん断工具の摩耗について，そのメカニズムを総合的に解明・考察している 20）．彼の考えによれば，凝着摩耗の支配側（Holm の説）およびひっかき摩耗の支配側（Rabinowicz の説）よりせん断工具摩耗を究明しようとすれば，工具各部に作用する圧力 P と被加工材のすべり量 l，及び工具材硬さ（Pm），また工具と被加工材の組み合わせ，表面状態から検討されねばならない．かくして，せん断加工は工具切り刃が（相手材へ）新生面を創成するので凝着の問題を必ず引き起こす．さらには，被加工材
は酸化被膜やけい酸被膜を有するものも多く，ひっかき作用も無視できない．摩耗のメカニズム解明において重要因子をなすも，これまで詳細に検討されてこなかったすべりの現象
を① SEM による工具摩耗面の観察を行い，あわせて②被加工材にビッカース圧痕をつけ，せん断変形前後の変位を精密測定することで，摩耗面の観察を材料流動の観察という観点から論じた点が特に先駆的だと思う．図 9 に示される刃先か
ら端面にかけての大小の粒状流れと，同一部分のレプリカ観察により，材料はダイス穴無いへ食い込む一方，端面では外向きに滑っていることを知った．また（図示せぬ）ダイ上における被加工材の比すべり量よりパンチの食い込みとともに最大せん断荷重点付近までは外向きに滑るが，これ以後分離までわずかに逆向きの滑りがあったことを結論づけている．

図910000 回打抜き後の（SKD11）切り刃の SEM 写真像（被加工材 : ベーナイト鋼板（青仕上げ ,t=1mm, クリアラ
ンス =5%t, 潤滑剤有）その後のせん断加工のメカニズム解明に大きな力を発揮しているのが有限要素法（FEM）による研究である．著者はFEM の専門家ではないので，以下の解説・展望はあくまで主としてユーザの視点に立ったものであることを断っておく．
尾崎龍夫らは，1994 年の時点で，せん断加工は極めて狭い領域に厳しい変形を生じさせる非定常加工であり，さらに加工後期には破壊をともなうため，厳密な解析は困難であるとしていた 21）．高石和年らは 1980 年に弾塑性有限要素法を用い，せん断加工初期における，塑性域の進展などを調べた（図 10）．この図から降伏はパンチ刃角に接する要素から始まり，続いてダイ刃角に接する要素が降伏し，さらにパンチ行程が進むと両刃先を結ぶ薄い層に沿って塑性域が伝搬してゆく事がわかる．この研究はまだ有限要素法が確立していなかった時期の研究である．先駆的であり，図 1 の Bach の研究を彷彿とさせる．
さてその後しばらくは FEM を利用したせん断加工メカニ
ズムの研究は著者の知るところでは見当たらない．多分せん断加工が FEM の解析手法で十分に feasible となるのには種々困難があり後回しになったのであろう．その後日本において鍛造法解析において木原茂文らにより剛塑性 FEM を基本とするも，ユーザにとってわずらわしいリメッシュの必要
22）

図8

切り刃の摩耗の進行状況（被加工材 : ケイ素鋼板，
t=0.5mm, クリアランス =0.6%t, 無潤滑）
-33-

図 10

弾塑性 FEM を用いてのせん断加工塑性域の進展を調べた図の無い新しい方法（パーティクル流れモデルの手法）が提案された 23）．この方法では本質的にリメッシュが不要であり，またメッシュの再配置をうまく工夫すれば工具刃角部近傍の特異点における非定常変形を常に細かく解析する事が可能である．そこで竹増光家らは 1995 年にこの方法を使って板材のせん断加工の数値解析を試みた 24）．直刃による板材の片面せん断加工に適用した結果加工初期から工具押し込み
量が板厚の 80% に至る加工後期迄の行程をリメッシュなし
でシミュレートとする事が出来た．図 11 に工具押し込みにともなう材料の変形挙動が解析（左）と実験（右）の結果で比較し示されている．図よりクリアランス内のせん断変形，
上工具刃角部で材料繊維が徐々に断ち切られながら加工が進行してゆく様子，だれ込み部や抜き屑の変形状態などは解析結果と実験結果で良く一致している．この後 1996 年にな
ると，FEM による本格的なせん断加工解析の研究が Taupin
らによって行われた 25）．この時点では彼らの FEM コード（DEFORM-2D）の目的は材料の破壊をシミュレート可能とすることであった．
このため，彼らのコードではまず延性破壊を予知し，該当要素を除去し分離を実現するようにした．彼らによると，これまでの研究では連続的なリメッシングを施すのみだったので，だれの大きさおよび部分的にかえりの大きさのみが予想出来たとする．ここで用いる破壊の基準（クライテリオン）は「損傷値」を応力，歪のみで記述できる McClintockの基準式 26）を用いた．破壊が生ずる領域はメッシュが密に切ってあるので，破壊後該当メッシュを除去しても（体積一定の観点からは）無視できるとしている．図 12 は軟鋼板
（t=0.8mm），刃先丸み =0.05mm，クリアランス =15%t の場合
における，切り口面の実験結果及びシミュレート結果をそれぞれ示している．同じころ，日本でもせん断加工の数値シ-34-(Unit : mm)
Cutting of length
Clearance

図 11

L8C03
0.8
0.03
(3%)

L8C13
0.8
0.13
(13%)

L3C03
0.3
0.03
(3%)

直刃による片面せん断の場合の材料変形挙動（アルミニウム A1050P-H24, 無潤滑 , 工具食い込み量 :(a)，(b)，(c) とも 0.6 ㎜ , 左 : シミュレーション , 右 : 実験）

(a)

(b)
(c)
図 12 せん断加工切り口の比較〈(a): 抜き落とし側，(b): 穴側 ,(c) がシミュレート結果〉
ミュレーションへの本格的研究が小森和武によって開始された 27）．彼の手法では破壊時に節点を Taupin らのように除去するのではなく分離しているのが特徴である．

図 13 には彼の最新の研究結果を示す．破壊時の節点の処理方法とともに破壊のクライテリオンも重要な因子と考えられる．彼は従来良く用いられる，Cockroft らの式 28），Oyaneの試料にはめこみ，同試料上面にひずみゲージを直接貼り付ける方法を組み合わせる事により主要変形域周縁の材料流動が春日保雄らによって調べられている 32）．
図 14 の装置により，例えば，すきま部の材料過不足を工程につれて測定することにより，すきまの大きな場合ほど，工程の初期において破断しやすい条件がもたらされることを確認している．
前述の研究 23）に関してのべたように，せん断加工の FEM
解析の問題点の一つは変形にともなう要素のゆがみが大きくなり計算続行が不可能になる可能性があることであった．そこでリメッシングを自動的に行いたい欲求が出てくる．湯川
伸樹らはこの問題を解決できるアダプティブ・リメッシング法を開発し（1995 年），これをせん断加工の解析にも応用した．古閑伸裕らはこの解析結果の検証を，彼らが開発した
応力・ひずみ自動測定装置 33）を使用しやはりリメッシング
Visioplasticity 法を用い 34），解析を行った 35）（図 15）．

の式 29）の式のほか，Brozzo の式 30) も用いてシミュレーショ
ンの結果比較を行っている．ここでは実験結果と良く合致していると思われる Cockroft の場合のみ引用しておく 31）．

（A）

（B）
図 13

軟鋼厚板（t=9mm）の穴あけにおける切り落とし部と穴部の切り口面比較〈（A）: シミュレーション ,（B）実験 , クリアランス ,(a):3.3%t,（b）:5.6%t,（c）:11.1%t,
素材径 :40mm〉

さて，格子線解析法（Visioplasticity）は材料の変形挙動を実験的に調べるために最も頻繁に用いられる方法であり，特にせん断加工においては，き裂発生後の挙動も追跡できるので有用な解析方法である．しかし，円形打抜きのような閉曲線輪郭の打抜きのように材料の子午線断面における変形挙動
を Visioplasticity により調べる事は，通常の方法では試料の中央合わせ面が分離するために難しい．そこで，子午線断面に格子をけがいた半円状の試料を接着して，それをリング状

図 15

σ y の分布の理論解析値 (a) と実験値 (b) の比較（工具食
い込み量 :15%t,C=10%t, オフカット長さ L=2t,SS400 材）

図 14

その結果，FEM 解析で得た材料内 σy の分布と Visioplasticity
によって得られた分布に良い一致が見られた．その他にもこのシステムを用いれば，材料分離間近な大きな工具食い込み段階におけるせん断工具刃先付近の面圧分布を正確かつ容易に推定できること，比滑り量も同時に測定でき，これらのデー
タを利用し材料拘束の違いによるせん断工具摩耗形態の差異なども定量的に解釈できることを明らかにした．
これらの Visioplasticity 法における歪の値を算出するため

閉曲線輪郭の打抜きにおける材料挙動を調べるための Visioplasticity 装置-35-

の方法を改良した方法が高橋俊典らによって開発され 36），
また同方法がだれの形成に及ぼすクリアランスの影響について調査された 37）．その後 2003 年には，これまで破壊節点の取り扱いを，要素の除去または節点の分離で行っていたが，これらの手法ではき裂形状や（特に）き裂進展方向が要素の大きさや形状，種類によって規定されかねないという恐れがあったことに鑑み，より簡便な方法としてき裂の空孔体積率によって破壊節点を取り扱う方法が開発された 38）．この方法では，空孔の影響を考慮した降伏関数として修正 Gurson
型降伏関数 39）を用いており，その結果き裂形状は要素によって直接表現されるのではなく，空孔体積率がある値（破壊臨
界空孔率）を超えた領域をポストプロセッサーで白く表示し，その際空孔体積率が高い領域では応力を負担しないような定式化が行われている（図 16）．

図 17厚板（t=6mm,SCM415 材）のせん断加工
シミュレーション結果

図 16

修正 Gurson 降伏関数を用いた剛塑性 FEM により求められたせん断加工におけるき裂の発生と進展（φはパンチの押し込み量を示す）

図 18

高村正人らによると，後述するファインブランキング（FB）
および板鍛造の領域において FEM 解析によりせん断後の断面性状を予測することの重要性がたかまっている．
し か し そ の 多 く は 剛 塑 性 FEM に よ る 2 次 元 解 析 で ある．かれらは静的陽解法である TP-STRUCT（市販ソルバー
名 :STAMP-3D）を採用し，Cockroft の延性破壊条件式を用いて鋼板せん断時の破断面およびせん断面の形成を 3 次元的にシミュレートした 40）（図 17）．
実験との対比により，だれの発生が定性的に（すなわちクリアランスが小さい時（C=0.06mm）の方が大きい時（C=0.6mm）よりかなり小さくなっていること）を検証している．
前述したせん断工具摩耗形状についてのシミュレーションについて触れておく．R. Hambli(2001 年 ) の研究 41）は破壊が生ずるまでのせん断変形において工具摩耗モデルを導入した-36-

板厚 t=3.5mm，クリアランス =10%t の円形打抜き時における 20000 回打抜き後の刃先形状比較（(a):FEM 解析による，(b): 実験結果）

剛塑性 FEM により工具摩耗プロファイルを解析し，20000
回打抜き後における工具刃先摩耗（丸み）と実験値が一致した（図 18）としている．使用した被加工材材質が記載されていないなどの不備な点もあるが先駆的研究のように思われる．せん断加工の FEM 解析が実加工においても有用となり得る一つの分野がこの工具摩耗の分野であり，より具体的にはかえりの大きさによって工具再研磨の時期を推定するという事案であろう．
従来のさまざまな実験的知見より，かえりに最も大きな影響を与える因子が工具刃先丸みであるのが判明していることに鑑みると，良い摩耗モデルを確立し，これを組み込んだ
FEM コードを以て打抜き数による丸みの変化すなわちかえ
りの大きさの変化を予想し，再研磨の時期を決定するという事が期待される．
最後に FEM ユーザーの立場から，FEM ソフトの種類とその特徴を纏めておくと，静的陰解法のソフトには，JOH/
NIKE，MARK，ABAQUS，DEFORM などがあり，静的陽解
法 に は ASU， 動 的 陽 解 法 に は LS-DYNA，JSTAMP，PAMSTAMP などがあり，それらの特徴（計算時間や解の安定性等）
は表 2 に示す通りである．
表 2 FEM 解析手法の特徴

42）

説くべき方程式

静 的
陰解法
陽解法
静的つり合い方程式

FEM の構造

全体剛性方程式を解く

解の方程式

板形成問題では解が収束しないこと
がある。

解

法

増分ステップの大
大きさ
一増分ステップ
かなり長いに要する時間
一部分の成形計算 に 必 要 な 増 分 数百
ステップ数

動的陽解法
運動方程式
節点毎独立した
解を求める

安定

安

定

小

非常に小

長い

短

い

数千

数

万

図 19

米国において時計部品を大量生産するためにプレスに取り付けて用いるパンチブロックのスケッチ図（Jacques David レポートによる）

42）

付言すると，牧野内昭武によると ，静的陰解法では各時間増分ステップ内で繰り返し計算を行い，そのステップの最後で必ず釣り合い式を満足するよう解を求めるので，力学的には正確だが，板と工具の接触状態が刻々変化するので計算の収束が得られない恐れがある．接触の微妙な変化に対しても解が安定して得られるのが動的陽解法である．しかし，
もともと衝撃変形を解くためのソフトであるが故，増分ス
テップ数が莫大になるという無理があり，特に静的な釣り合い状態を求める必要のあるスプリングバック過程の計算を正確に行うのは困難である．その点，静的陽解法は適しているが計算時間が長くなるという短所がある．反面工具と板との間の微妙な接触状態の変化に対しても計算は安定で精度のよい解が得られるという重要な長所がある．そうだとすれば，
文献 40）のような解析・シミュレーションを薄板のせん断加工におけるスプリングバック（そり）や湾曲の解明にも活用してもらいたいものである．

われていたスイスの時計会社ロンジンの若き技師長 J. David（後の同社取締役）が米国建国 100 周年を記念してフィラデ
ルフィアにて開催された万国博覧会を機に，米国のウォッチ
製造生産技術をひそかに（産業スパイ的に）調査し，スイスとは全く異なるプレスを用いた大量生産方式を見聞して，特に部品相互の互換性を保証する生産方式に驚愕するとともに，帰国後スイス同業者に警鐘を鳴らしているのである．

3.1 リードフレームのせん断加工
図 20 には半導体用リードフレームの例を示す．

3. せん断実加工における進歩・展望
ここでは，実加工の例として，リードフレームの打抜き，
精密打抜き（ファインブランキング，FB）等を取り上げる．
その前に，歴史的観点から，せん断実加工として最初に取り上げられた時計歯車の製造に触れておく．昔から時計部品（歯車）は数の上ではかなりの量製造する必要があったが，日本
では戦後はじめて福井伸二らが切削加工（ホブ切り）ばかりでなく塑性加工 ( 打抜き加工 ) によっても，条件を選べば（例えばクリアランスを小さくすることで）これと比肩できる精度のものが製作可能なる事実を実証した（1950）43）．しかしながら，時計部品を最初に金型（パンチブロック，現在のユニセット金型）およびプレスを使用して，部品相互の交換性を担保した生産技術は実は米国においてすでに 1870 年代に実施されていた事がレポート 44） よりわかる（図 19）．このレポートは当時米国の安価なウォッチにシェアーを大幅に奪-37-

図 20 IC 用リードフレームの例
プレス打抜きで製作されているものは現在 MAX256 ピンにもなっており，プレス加工によるものはこれが限界と思われる（これ以上のピン数の場合はケミカルエッチングで生産される）．板厚 0.25~0.15mm の打抜きプレスリードフレーム材には次の事項と精度が要求される 45）．①平面度が保たれている
事．② XY 方向はもちろん，z 方向の精度もミクロン単位の加工が必要．③バリ（かえり）やダレがないこと．④うち傷やそりがないこと．被加工材に問題が無ければ，これらの事項が満足されるかどうかは設計時に図面に入れ込んだ事項がプレス機械の動的精度を介して転写されるということになる．
文献 45）の著者によるとプレスの動的精度としては，
1）下死点位置精度と 2）スライドの振れ（縦振れ，横振れ，
傾き）が特に重要であるという．彼の経験によると，
1）下死点位置精度については : ①回転数によって下死点位置が異なる．②連続運転中に下死点が変化する．③プレス
をある時間止めると，その前後で下死点位置が異なってくる．
④プレススタート直後の数ストロークとその後における下死点位置が変化する．⑤同一メーカ，形式プレスでも，同一金型をセットした後，回転数（spm）によって下死点位置変動が相当ある．
2）スライドの振れについては : ①偏心荷重がかかると，金型の構造および剛性によっては製品精度に影響する．②金型ポストの摩耗に不均一な摩耗が生ずる．③プレスを変えると，同一型でもプレス加工クリアランスが変わる場合がある．
これは金型のポスト，リテーナ，ブッシュなどの構造・精度の改善で防止できるなどの知見が得られている．
神馬敬は日本塑性加工学会せん断バリ研究委員会の講演会において，理論的，実験的な考察から，上型の水平変位は二重ガイド金型を用いれば一重ガイドの場合に比べて 1/2 以下に減少させ得る．一方，上型の傾きは二重ガイドの方が一重ガ
イドより小さいがその差はあまりない．つまり，上型の水平方向変位は金型の剛性を高める事によって小さくすることが出来るが，上型の傾きはプレスの剛性と精度によって決定され，金型の剛性をたかめても傾きは殆ど小さくならないことを述べた 46）．神馬 敬らはその後もリードフレームの設計指針になるような実験・考察を精力的に行ない，リードの横曲
り，そり，ねじれについて，①リードのそりは常にかえり面を外側，だれ面を内側とする湾曲になる，②リードのねじれはリード側面の後抜きによる引き込みによって生じる，③板
押さえ力またはリード幅を小さくすると，リードは後抜き工具に近寄る方向へ横曲りを生ずる，④リードは，両側面の打抜き工具クリアランスが小さい側から大きい側へ横曲りを生じる，⑤リードは，先端を工程の最初に打ち抜くほうが，最後に打ち抜く場合に比べて，後抜き工具へ近寄る方向に横曲りが生じる，⑥打抜き工具が摩耗すると，打ち抜きクリアラ
ンス差（0~20µm）および板押え力の強弱に関係なく後抜き工
具へ寄る方向に横曲りを生じるという知見を示し，さらにこの知見を説明するモデルを提案している 47)（図 21）．研究 48）においては①高速打抜きではストリッパーの振動を生じ，板押さえ力が十分に作用しなくなるため製品精度が低下し，提案したストリッパーの振動モデルにより，この振幅がプレス
運転速度の 2 乗に比例することを示した．②ストリッパーのばね力を強くし，かつストリッパーのストッパーの高さを素材
高さにほぼ等しくとって，ストリッパーの素材との衝突後の弾性たわみを減少させる事が，高速運転時における製品精度向上に有効である事を確認した．研究 49）においては，研究 47）と同様な実験・考察を L 字形状のリードについて行った．
さて，電子機器に用いる半導体リードフレームは製造の主たる場がコストの安くて済む海外に移管されて久しいが，最近これにかわり自動車用制御機器に用いるリードフ
レーム，いわゆる「パワーカード」が国内での需要を伸ばしている 50）（図 22）．図 22 より，自動車用パワーカードは電鉄などの社会インフラ級のアプリケーションから，ホーム・エレクトロニックス製品に相当する幅広いレンジの製品が搭載されていることがわかる．

図 22

パワーエレクトロニクス製品における , 一般製品群と自動車用製品の扱うパワーカード電力の比較 50）

このため，車載向けパワーカードでは，「高機能化」，「高出力密度化」，「信頼性」のほか「低価格化」という技術的に厳しい要求事項を満足させる必要がある．しかしながら，最近のハイブリッドカーに使用されるパワーカードは少なくとも 20 枚以上の多数と考えられ 51），ビジネス的には極めて魅力がある． そのため，経済産業省のいわゆる「サポイン事業」にも取り上げられた 52），53）．
ここで対象としている被加工材の厚みは従来リードフレー
ムと異なり 0.5~3mm と厚く，しかも銅合金の「異形圧延コ
イル」を使用している 54）（図 23）．研究開発 52），53）の詳細はそれらの成果報告書に譲るが，概要を述べるならば，現状のパワーカード順送加工の問題点は，工程が多い⇒したがって金型が大型化し，金型重量が増加⇒高 spm での加工が困難になる⇒加工速度の低下⇒製品単価の上昇という結果をもた

図 21 リード変形のメカニズムを説明するモデル-38-

図 23 エコカー用リードフレーム（パワーカード）の形状例

図 24 精密打抜き用ダイセット

55）

らしていた．そこで，開発の目標を成形の工程数を 25% 減とし（重量で上型重量を 360kg →約 100kg 減とした），プレス生産性を 30% 向上させる事に置いた．これらは金型設計，金型加工の精密化とともに，プレスの加圧能力が 80 トンプ
レスで 400spm であるにもかかわらず，熱変形を従来の 1/2 に，繰り返し精度を 0.005mm 以内に押えたプレス開発の相乗効
果により達成され，結果的に製品コスト 20% 低減が達成された．なお，マークラインズ社のハイブリッド車関連業界の規模予測によると，2020 年での予想値の絶対額で最も多いものは当然電池関係（約 1 兆円）であるが，ECU（Electronic
Control Unit）/ エレクトロニクス関連も約 2300 億円と大きなマーケットが予想される．これからの研究競争はグローバ
ル規模となるであろうが，従来タイプのリードフレームに関する先駆的研究も活用されることを期待したい．

3.2 精密打抜き（ファインブランキング，FB）法

図 25

精密打抜き法（以下 FB 法）は歴史的に見れば 1922 年にスイス人の Frits Shiess の発明した「金属素材用油圧せん断装置」がまずドイツで特許公告され（DE371004 号），その後スイス，フランス，英国，米国で（US1625748）特許となった．米国特許の Claim（請求の範囲）を読んでみると，現在の V- リング付板押えの記述はない．その後いつ，どのようにして V- リング有の現行の姿になったかの経緯は定かでな
いが，春日保男により多分はじめて 1960 年に文献 55）上で日

一般打抜き法（左）と FB 法（右）による打抜き面の比較

本に紹介された FB 装置（図 24）（原図は文献 56）に記載）ではすでに V―リング（ナイフエッジ）付のものになっている．
春日の説明文には，「図示のように工具は三動式で，上部の板押え H と，下部のはじき出し板 S の間でまず材料をはさむ，板押え面にはブランク周縁に沿ってナイフエッジを設け，ダイスと板押えの間にはさまれた材料にはこのナイ
フエッジが押し込まれる．この押し込みによって材料が把持されるのみでなく，押し出された材料の一部はブランクの中心に向かって加圧される．このような状態下においいて，隙間のないポンチとダイスによってせん断を行えば破断き裂が生じ難く，せん断加工面の性状が極めて良好となる」とある（図 25 参照）．

-39-

精密打抜きの基礎的研究に関して先駆的研究は，方法の開示として板押えとして，「円錐形状」突起を提案している
Meyer の研究（1962）57） があるが，国内では，前田禎三らのもの，（1965）58），（1968）59），60）がある．研究 58）では純ア
ルミニウムを対象に精密打抜きが可能である事を報告している．研究 59）では板押えの効果について調べており，板押えに比べて逆押さえの効果は小さいことを見出している．研究 60）においては，板押えについて，三角形突起（V リング）にくらべて板にくぼみ跡を残さない台形突起が性能的に劣らないという事を結論の第 1 項に挙げている．これは前述した
ように，Schiess の発明においては平面板押えだったのにその後 V 形状突起の採用が業界の標準になったことを考えると腑に落ちない気もする．多分，研究 59），60）の対象形状が単純な円形だったことから，輪郭形状によっては（あるいは材質によっては）やはり（工作は面倒であるが）V リング突起の採用が必要なることを示唆していたのかもしれない．
研究 59），60）ではその他多数の実験的知見を与えているが，特に（炭素鋼についても）①クリアランスを（0.01mm 以下に）

小さくする事が必須，②ダイ切れ刃の丸味は製品のだれや，わん曲が大きくならない程度につけることで，切り口面の品質が向上する，③慣用の打抜きに比べてだれは小さくなるな
ど，FB 法の利点を引き出すための基本的指針を解明，ほぼ確定している．
その後の FB 法の発展の経緯を概観すると，最初は事務機器に適用されていたのが，日本の自動車産業が急激に発展す
るにつれて，少なくとも日本においては自動車産業向けの適用が急速に増大した．その第 1 段階としては，加工板厚の増大である 61）（図 26）．

図 29 小モジュール高精度ギヤ製造への取り組みてある 65）．
これと同様な性能の FB による高精度歯形の成形法が開発されている 66）．両技術の共通点は歯車のだれを小さくするために，後述するように，負のクリアランスを活用している事である．なお，東洋精密プレスによれば FB による製作可能な微小モジュールの限界は，現在のところ金型製作法・工作機械精度・金型寿命等から 0.3mm あたりであるとしている 67）．

図 26 FB 法の能力を活かした極厚板の打抜き例
次なる段階は，FB と鍛造の複合化である．このような概念が提案され，実加工で初めて平歯車部品に実施された例が
文献 62） に開示されている．この考え方は現在 FB 業界で主

なお，クラウニング付与の技術レベルには達していないが，FB によるヘリカルギヤの成形技術が開発されている事を付言しておく 68），69）．
その他，FB に関連するトピックを取り上げる．①順送加工に適した FB プレス : 前述の板鍛造工法に適した順送工法に十分応えられるように，従来の FB プレスが備えている直径 300~500mm のインサートリングを楕円形かつ厚さを 1.5倍に広げたものが開発された 70）（図 30）．図示のように，高剛性のスライドガイドが上下テーブルの間に組み入れられている．② FB 加工へのトランスファー金型採用 : 順送加工ではパイロット穴が必要だが，これが材料の歩留まりを悪くする．トランスファー工程が可能となれば，分割された各金型ごとに最適な荷重が掛けられるのでより高精度な加工が可能

流の技術となっている板鍛造と呼ばれているものであり，先見性が伺える．板鍛造の最新実加工例を図 27 および図 28 に示しておく 63），64）．

図 27 FB と鍛造の複合板鍛造例(a) バーリング(b) つぶし(c) せん断加工

図 28 種々塑性加工による板鍛造トランスファー加工例
精度的に FB 加工でないと出来ないとされている製品にマニュアルシート・リクライナ―という部品がある．シートは将来自動車が電気自動車になろうが水素自動車になろうが，必ず必要な部品であるゆえに，又シートの単価が高い故に，その製造技術においても熾烈なグローバル競争が行われている．図 29 は同部品の分解図と，これまでの性能動向を示し

-40-

図 30

横方向に長くなったインサートリング上に設置された , 偏心荷重に耐えられる金型セットの概観

（図 31）．③高剛性多軸油圧 FB プレス : このプレになる 71）
スでは，従来順送またはトランスファーで多くの工程を経て成形していた製品を，材料歩留まりの改善を考えて，事前に単片に分離した材料をトランスファー装置で供給し，複数のシリンダーを用いてすべての成形を材料を移動させずに完了させる，いわゆる「縦順送」方式である．これによれば，従来の順送加工の場合は総合圧力 11，850kN 必要だったもの
が 4000kN で済むようになり，設置スペースの大幅な節約が可能になる 72）．その他 FB に関する最新の情報については文
献 73）を参照していただきたい．

図示の機構により切削工程と分離工程の連続化が図れ，これについて実際の差圧機構を組み込んだダイセットを試作し，汎用クランクプレスによる単純な加圧動作のみで対抗ダイスによる 1 工程精密せん断に成功している．
3.3.2 かえり無しせん断
先駆的な研究として，前田禎三による上下抜き加工法 77）がある（1958）（図 33）．

図 33 上下抜きかえり無しせん断法
この方法は創案された当時は金型の製作技術も不十分で必要な小さなクリアランスを保証できないというようなこともあり普及しなかった．しかしながら，かえりが出ないという事は板面を曲げ成形した時に割れが出にくいというようなメ
リットを生む．図 34 には薄板ばね材料の曲げに上下抜き（かえり無し）法が適用されている例を示す 78）．

図 31 トランスファー金型を使用した FB 加工製品の例①ギヤ , ②ギヤ , ③フランジ , ④スプロケット

3.3 その他の板材精密せん断加工技術と関連技術
3.3.1 対抗ダイスによるかえり，だれ無しせん断
近藤一義は負のすき間によるせん断法（対向ダイス法）を創案した 74）．これは切削機構を利用した方法なので，またダ
イ切り刃に FB のような丸みを付ける必要が無いので，かえりも抑制出来，だれもなく，延性の無い材料のせん断も可能となる純国産の技術であった．その後実加工への適用の可能性も検証された 75）．しかし，工具動作が複雑なことや加工因子が多く加工条件の最適化が難しいといった問題があり，工業的な普及に関してはごく限られた範囲に限られた．そこで，近藤一義はその簡便化についても創案した 76）（図 32）．

図 32 差圧を利用した分離機構による対向ダイス法の改善

図 34 上下抜き法による曲げ割れ防止の効果-41-

らず，切断代が小さい時のボウ，ツイスト，キャンバーのような形状不良を防止できることを検証した 83），84），85）．

上下抜き法の「かえり無し」特性を活かしたい分野に極薄板の積層分野がある（例えばトランス用基盤板）．このような分野ではわずかなかえりでも何百枚も積層すると端面が盛り上がり不具合となる．しかし，たとえば 100µm 程度以下の極薄板を上下抜きするためには，工具クリアランスを
1µm 以下とし，パンチストロークもミクロンオーダーで制御する必要が出てくる．そのような要求に応えられる上下抜（図 35）．
き装置が先駆的に開発された 79）

古閑伸裕らはサーボプレスを利用したかえり無しせん断法を創案している 86）．NC サーボを用い，プログラムによりス
ライドの上下動を正確にコントロールできれば，慣用の単抜き型を用いた場合においても，1 工程でのかえり無しせん断が可能なることを実証している．
ここで，ギロチンシヤーの設計に役立つと思われる，弾塑性 3D 有限要素法（ABAQUS コード）による同シヤーの切断解析を行っている研究 87）を紹介しておこう．例えば，図36 にはシヤーの切断荷重の FEM による予測値が示されているが，しっかりと定常切断荷重が予測されている．

図 36

FEM で求めたギロチンシヤーの定常荷重予測（材料 : 引張強度 740MPa,t=10 ㎜の鋼板 , 切断長さ=240mm, クリアランス :5%t）

3.3.3 だれ無し（だれレス）せん断
せん断加工で機能部品を作製する時に常に問題となるのがだれである．生島幸一らはナイフ刃パンチによるコイニング
後に打抜き加工を行う方法を創案した 88）．この方法は負の図 35 極薄板用の上下抜き装置（ピエゾプレス）
このピエゾプレスには圧電セラミックに誘起される厚さ方
向の伸び歪が利用されており，試作プレスでは，最大発生力
が 2800kg，最大発生ストロークが 50µm，60spm で作動可能であった．これにより，t=50µm の SUS304 箔がかえり無し
で打抜かれた．上下抜き法の簡易版に「平押し法」がある
80），81）．1 工程目の半せん断は上下抜き法と同様であるが，2工程目を 2 枚の平板で押圧しているところが要点である．ただし，第 2 工程では板厚と同じ厚さまでしか押し戻せないため，上下抜きとくらべてストロークが制限される．すなわち，第 1 工程では破断を生じさせずに板厚の半分以上の半せん断をする必要がり，そのために負のクリアランスを使用せざるを得ない．そのため，得られる製品の断面形状が「コッペパン」状になり，横バリ状のものが発生する可能性がある．
このような方法を閉輪郭形状の部品の製作に利用しようとすると，平押しの際の被加工材同士のこすれによる切粉が発生しないよう第 1 工程の加工条件選定に注意を払う必要もある．その点，スリッターなどのように被加工材の切断線が開輪郭の場合は同問題が無い．そのようなかえり無しスリッ
ティング法が前田禎三らによって開発されている 82）．
シヤーの分野においても村川正夫らはかえり無しローリン
グカットシヤー（RCS）を創案し，かえり無しの特性のみな-42-

クリアランスによるせん断やナイフエッジによる押し込みの際生ずる材料の盛り上がりを第 2 工程のせん断時に生ずる材
料不足分の穴埋め用に使用し，結果的にだれを極めて小さくしようという考え方に基づいている．
広田健治は，パンチをダイに嵌合させて材料を分離させるにはクリアランスをゼロ以下には出来ないが，この制約がなければクリアランスをゼロ以下，すなわち負にすることも可能になるという視点から，負のクリアランスにおけるせん断
特性について解説している 89）．その中のクリアランスによるだれの変化と加工力の変化を示す図 37 が興味深い．負のクリアランスの絶対値が大きくなるほど，だれの量は小さくなるがある値（10% 程度）を超えると漸減のみである．一方，加工力の方は急激に増大する．したがって，実加工においては，クリアランス -10% 程度のところで妥協することになるであろう．だれの形成過程を FEM により解析した結果 90）が
図 38 に示されている．定性的には図 37 と全く同一の結果である．だれの予測において，負のクリアランスの場合はシャープ形状の領域における材料の速度ベクトルの向きがパンチ進行方向と逆方向を向いており，だれ込もうとする部分に対す

(a)

図 39

負のクリアランスで打抜き品を得るための手段・装置の概観図

その説明をしておく．ダイ 12 に対して，ダイの穴径よより少し大きい外径の押出しパンチ 10 と，ダイの穴径より僅かに小さい外径の打抜きパンチ 11 を，当該ダイに対向する位置にNC 位置制御可能に備えた金型を用いて，サーボ機構プレス上プレート 15a に連結したスライダ 15 を介して，押出しパンチ
をダイ上端直前まで降下させ，材料をダイの穴内に押出し，製品と端材部分を薄皮状のブリッジ部でつながった状態に加工
し，押出しパンチを退避させ，つぎにスライダを横方向に移送して当該スライダに取り付けられた打抜きパンチに切り換え，
当該ブリッジ部で打抜きせん断または破断するシステム．これにより平面度が良く，端面形状および端面表面が平滑な加工が行える．また薄皮状のブリッジ部を打抜くので，騒音も少なくかえりの抑制，そり不良の防止も出来るとしている．
3.3.4 シェービングによる精密せん断
シェービング加工は多分スイスの時計工業において当初は多用されていたと推察される．実加工において注目を浴びた研究はテレタイプライタのような事務機器が大量生産されるようになり出現してきた 92）（図 40）．

(b)
図 37

クリアランスによる ,(a) だれの変化と (b) 加工力の変化（A5052-H34,t=3mm）(a) クリアランス＝ 0mm（0%t）(b) クリアランス =-1.0mm（-0.17%t）
図 38

FB 加工におけるだれ付近の材料の流れを示す速度ベ(a) 素材

クトルの分布図（材料 :AISI-1035, パンチ速度 :10mm/(b) シェービング途中(c) 製品

図 40 シェービングで製作された機能部品の例

s, 工具進入深さ :2mm, 板押さえ力 :110kN, 逆押さえ力 :55kN, 摩擦係数（想定）:0.12）
る材料の補充がなされ，結果的にだれレスとなっている様子がはっきりわかる．
負のクリアランスはパンチとダイの嵌合がない前述の小モジュール歯形形成では当然その恩恵を活かしているのであるが，嵌合のある一般の打抜きではそのままでは活かせない．
すなわち切り残し部分の分離のための工夫が必要である．
このあたりは企業のノウハウにも属するので，なかなか公表された文献は見つからない．公表文献の一例 91）を紹介しておく（図 39）．
-43-

これは重ねシェービングという方法 93）であり，パンチとダイは負のクリアランス関係で配備されている．さらに使用したプレスはスイス ESSA 社製の，パンチが振動する構造の振動プレスが用いられている．シェービングを複動プレス使
用により，「双方向シェービング」をおこない，ギヤの精密せん断に広田健治は成功している 89）（H12 年度塑性加工春季
講演会論文集，pp163-164 も参照）（図 41）．
シェービングのメカニズムについてはすべり線を利用した解析的研究はあったが，本格的に弾塑性有限要素法を使用した研究が笹原弘之によって行われた 94）（図 42）．
この研究では，節点分離方式の処理を行っている．同図よ図 41

双方向シェービング法によって得られた精密ギヤーの例（㈱放電精密研究所提供 , 材 :S35C,t=6mm,4.5mm

図 43 CFRP 板のシェービング穴あけ面の状況について成形した）(a)S=1.0 mm
図 42(b)S=1.4 mm(c)S=1.6 mm(d)S= 1.7 mm(a)PCD 製工具を備えたゼロクリアランス金型の構造

シェービング過程におけるひずみ速度の分布（材料 :t=2.0mm の 7-3 黄銅 , パンチ速度 :500mm/s, クリア
ランス =0.01mm, 取り代 :0.1mm,S: パンチの進入深さ）

り変形域が移動してゆくのがわかる．すなわち (a) においては，ダイ刃先から取り代材料表面方向に変形域があり，刃先と取り代材料表面を結ぶ領域でせん断変形が生じ，切りくず状に取り代材料部が除去されている．（b）以降では少しずつ
ひずみ速度の高い領域が前方のパンチ側へ移動してゆき，同
図 (c) ではダイ刃先とパンチ刃先を結ぶ線上に主な変形領域が移りつつある．同図 (d) ではさらに加工が進み，ダイとパンチをつなぐ線上付近だけが変形しており，切削的な変形は殆どなくなっている事がわかる．
最近軽量かつ強度が高く，難加工性の CFRP（炭素繊維強化プラスチック）が話題になっているので，その穴加工について言及しておく．同材料は航空機産業では PCD ドリルで穴あけを行っているが，自動車用途で注目されている熱可塑性 CFRP 材の穴あけにはドリルでは間に合わない．プレス(b) ゼロクリアランス金型によるせん断実験
図 44 ゼロクリアランス金型の提案によるせん断加工が望まれよう．この分野では，横井秀俊らが先駆的研究を行い，穴あけ装置の開発も行っている 95），96），97）．同装置のコストパフォーマンス上の劣る点について改善された方法，装置も創案された 98）．霍舒揚らは熱可塑性
CFRP 材をプレスシェービングで穴あけすることにチャレンジしている 99）（図 43）．まだ完全な平滑面にはなっていないが，慣用せん断加工に比べて繊維の切り口面へのはみ出しは見られない．
3.3.5 その他の精密せん断（A）ゼロクリアランスせん断 : 三田村一広はゼロクリアラ
ンスによる金型で金属箔の精密せん断するシステムを創案している 100）．生島彰之らはタブリードの精密せん断（かえり高さ 5µm 以下）のためのゼロクリアランス金型を提案している 101）（図 44）．

-44-（B）微細斜め孔の精密せん断 : 小松隆史らは時計部品加工の技術を活かして，燃料噴射斜めオリフィスの加工技術を開発している 102），103）（図 45）．また，加藤正仁らは前記微細斜め孔打抜きにおける材料変形挙動を解明している 104）．なお，
郡司賢一らも CNC プレス加工設備を用いての斜めオリフィ
ス加工技術を開発している 105）．

(a) 斜め孔断面（b）12 孔あるオリフィス

図 45 プレス加工された噴射オリフィス孔の例

（C）PW ダイによる精密せん断 : 村上碩哉らはいわゆるPW パンチ 106) の特性をダイに適用した PW ダイを用いて，汎用プレスにより打抜き品を精密打抜きなみの製品を得ることにチャレンジした．その結果，PW パンチと同様な鏡面の切り口面を得たほか，「据え込み荷重」を付加することで，だれに続くせん断面の凹みを消して，切断面を機能面に適した数 µm の中高の形状に制御できることを明らかにした 107)．
（D）高精度打抜き品の組立て技術 : 村田力らは精密せん
断された薄板を X-Y 方向から集合させ順次 3 次元的に積層れた薄板を X-Y 方向から集合させ順次 3 次元的に積層して各種センサーを得るシステムを開発した（詳細は文献 102)，103)を参照）（図 46）．
積層して各種センサーを得るシステムを開発した（詳細は文献 108），109）を参照）（図 46）．

佐藤鉄工で実用化された（塑性と加工，40-459（1999），同社精密鍛造素材切断機，PHS50）．7m/s の速度が可能となっているが，特に切断後の余剰エネルギーの吸収技術で苦労している．一方，㈱万陽の棒材せん断機は加工衝撃の激しい高速せん断にも耐えるレバープレス機構を取っている事，切断時のみ軸圧を加えて，切断完了と同時にこの軸圧を解放する機構も備えているので高精度のビレットシアリングが可能であるとしている 116)．同社によれば，切断速度は刃物の寿命，
機械本体の損傷からして，0.5m/s~0.7m/s が妥当だとしている．表 3 に鋸刃切断とシヤー切断の比較表を示す 116）．なお，
前述の軸力解放のタイミングを良好に制御する高速せん断実
験は，村川正夫らも行っている 117)．
表 3 鋸刃切断とシヤー切断比較表（φ 60,S45C 切断時）
項目＼方式
生産性
切粉
ランニングコスト
重量精度
直角度
変形
傷、割れ

図 46 プレスシステムの平面図（E）回転穴あけせん断 : 清水慶一らは金属薄板の回転せん
断について，先駆的研究を行っている 110)，111)（図 47）．

図 47 さん孔機構の模式図
その後，昭和精工においても，同様の金属箔回転打抜き技
術が，二次電池や燃料電池用に開発された 112)．

3.4 棒材，板金加工における精密せん断
3.4.1 棒材の精密せん断
日本においては，工藤英明らによって棒材のせん断加工の研究は始められたが，要は板材の精密せん断と同様せん断過程中に発生するき裂を抑制すれば良い．そのような方法が前田禎三らによって創案された 113）．この方法における刃物の寿命試験が軟鋼線材について行われた 114) が，刃物への凝着がひどく応用は困難との結果となり，その後この方法は銅やアルミ二ウムのような非鉄金属材へ適用されるようになった．鋼材については，打抜きにおいて高速せん断が平滑切口面を示すことに鑑み，高速クロッピング（棒材せん断）の研究が活発化した．この分野での先駆的研究が柳原直人らによって行われた 115)．彼らは又，高速せん断におけるせん断
線図や温度の測定も行っている．後にこの装置は苦労の末，

鋸切断
6個/分
切粉 2.5 ㎜ / 個
約3円/個± 0.3％
直角
なし
なし

シャー切断
60 個 / 分
なし
1 円以下 / 個
± 0.3％
1 度以内
あり
あり

3.4.2 板金加工における精密せん断
板金打抜き加工の有用性は今日よく知られているが，それまでは罫書きの手作業によるものだった．ところが 1960 年
代になると穴あけ用の NC パンチプレスという画期的な「工作機械」が開発された 118)．その後は，米国アマダの創始者
Dennis Daniel が 本 格 的 な 板 金 用 CNC（Computer Numerical
119）
Control）パンチングプレスを創案している （図 48）．昭和
50 年代に入ると，商品寿命の短縮化と相俟って，生産様式
は大量生産から多品種少量生産へと変化した．すなわち，必要なものを必要なときに，必要量生産することが要求されるようになった．それにともない，CNC パンチングプレスは事務機等あらゆる分野で活躍するようになった．昭和 60 年
代にはいると，あらゆる種類の紙を扱う電子機器の急増に伴い，CNC パンチングプレスもせん断加工の段階で，継ぎ目，
かえり，きずなどのない高精度板金部品加工を実現する必要に迫られた．平成になると，それまで機械加工によっていた
高精度部品加工が，板金打抜き加工に移行し，レーザーに比べて生産性が高いということで，厚板材料も頻繁に加工されるようになった．これに伴い，打抜き騒音・振動の問題が深刻になってきた．これを解決するために，油圧式 CNC タ
レットパンチが開発された 120）
（図 49）．このプレスの特徴は，
図 50 に示すように，打抜き時間内において，プレスの速度がぐんと低下しており，そのことが打抜き騒音低下に結びついている（在来機種と比べて騒音で 20~24dB，振動で 1/3 と図 48 初期の CNC タレットパンチプレス-45-

図 49 油圧式 CNC タレットパンチプレスの概要
図 52

ファイバーレーザモジュールの原理と基本構成（LD: レーザダイオードのこと）

図 50 ラム変位線図に見る駆動方式の違いなっている）．さらにこの機種では，精密板金で要求される
いわゆる「追い抜き時の継ぎ目無し」という性能がスロッティ
ング金型を使用する事で実現している（図 51）．ここで，最近の技術進歩としてファイバーレーザ加工について触れておく．従来板金切断に用いられてきたレーザビームには，CO2のようなガスレーザと，Nd:YAG レーザのような固体レーザがあった．これに対して近年注目を浴びているのが，ファイバー自身が発信器となるファイバーレーザである 121)（原理
図を図 52 に示す）．
図示のように該モジュールはダブルクラッドファイバーの内側クラッドに外付けファイバーを介して励起光を導入し，これを外側クラッドとの界面で全反射させながら伝搬させ，さらにこのコアファイバーの両端に埋め込まれた回析格子の作用で増幅させている．したがって，このレーザは（CO2 レーザのように）反射ミラーを用いずしかも効率良く共振・増幅できる特徴を持っている．また，発振効率が Nd:YAG レー
ザ（数 %），CO2 レーザ（15%）とくらべて 25~30% と高いので，冷却設備の負担が少なく，設備として空冷チラー（冷し器）があればよく，クーリングタワーは不要となるし，電力効率も大幅に向上し，ランニングコストは大幅に低減できる．さらに，切断の精度を高める高出力のシングルモードビー
ムは図 52 のモジュール単体を直列接続することで実用的にも（例えば）2KW 程度まで高めることが出来る．かくしてファイバーレーザとパンチングの複合機が実現された（例えば
アマダ LC-2515C1AJ，トルンプ TruMatic3000ﬁber など）．当該複合機の技術的に大きな特長の一つは，反射率が高く CO2
レーザ機が苦手としてきたアルミ，黄銅，銅などの厚板も精度よく切断できるようになった事であろう．反面，ファイバー
レーザの波長が 1.08µm（CO2:10.6µm）と短いために反射光線からオペレータの裸眼を保護することに十分な対策が必要となった（結局光線が飛び交う部分を保護板で覆うという解決策が採用されている）．また現時点での技術水準では，ドロスの点，切断面表面粗さの点でも CO2 レーザより優れているとまでは言えないようである．しかし薄板・中厚板の切断を，より高速度を以てかつ高精度・良コストパフォーマン
スで行えるので，複合機の従来の作業特性「パンチ with レーザ」が「レーザ with パンチ」となる可能性を秘めている．

3.5 高度難加工材におけるせん断加工技術

図 51

継ぎ目無し追い抜きを実現するスロッティング金型の作動態様（上が従来の [ 機械式 ], 下が本「油圧式」
パンチングプレス）-46-

3.5.1 アモルファス金属のせん断
1960 年代に登場した材料で，現在でも日本では当該合金
はさまざまな用途に使用されているが中でも重要なかつ大きな用途がトランス鉄心用途である 122)（表 4）．日立金属が年間 10 万トン以上のアモルファストランスを生産しているが，これは従来のケイ素鋼板トランスにくらべて 2% も電力ロスが少ないという重要な特徴を有している．しかし高度難加工性材料である．
当該合金のスリッター加工についてはかなり以前から確立されていた 123）．箔の打抜きについては，中川威雄らや佐野利男らによって先駆的に研究されている（その解説は文献
124）
，125)
を参照）．先駆研究の要点は，金型を実質的にゼロク
リアランスで製作の要ありという点と，刃先の摩耗を防止す

表 4 日本が開発したアモルファス合金素材の推定製造額
2008 年企業調査結果（薄膜、粉末材を除く）
企業名

素材製造額

製品名種類
販売年数
アンテナ
磁性テープ材NEC トーキン
チョークコイル
2003 ～現在
総額約 60 億円
ノイズフィルタ等
マグアンプ用可飽和コア
磁性テープ材
ノイズ抑制素子
東芝1988 ～現在
総額約 300 億円
遅延素子
バルストランス用高透磁率コア等
盗難防止用タグ
磁性細線材
ユニチカ
MI 磁気センサ
1985 ～現在
総額約 150 億円
ボルファ（撚り線材）等
各種トランス鉄心
テープ・薄帯材
スイッチング電源用巻コア
日立金属
1985 ～現在
総額約 800 億円
電波受信アンテナ
ロー材・接合材料 等
磁性テープ材
スイッチング電源用巻コア
旧松下電器
1982 ～現在
総額約 500 億円
電流センサ 等
磁性テープ材
磁気ヘッド（ウォークマンなど）
ソニー
1982 ～現在
総額約 400 億円
音響部品 等
磁性テープ材
磁気ヘッド
アルプス電気1990 ～現在
総額約 300 億円
巻鉄心部品 等
テープ材・複合材
磁気シールド材
その他部品企業
1990 ～現在
総額約 500 億円
電子部品材料 等
概算合計
素材製造額合計＝約 3,000 億円（推定値）

図 53

希塩酸溶液への浸漬試験（pH:1.0 , 浸漬時間 :100 時
間 ,30℃）後における SK85 焼き入れ・焼き戻し材の遅れ破壊状況（図中×印はせん断加工のまま）

4. おわりにる事である．この点について，前述した研究 101）による，ゼロクリアンス金型および刃先への焼結ダイヤモンド採用の研究は解決への示唆を与えると思う．なお，文献 125）中に記載されていた「多層抜き」のアイデア 126) は興味深い．
多層抜きすることにより，結果的に刃物のもちが枚数で2000 枚から 225 万回へと延びるのである．蛇足になるが，機械加工の分野でも多層方式（座布団方式）ドリル穴あけ
でバリなし精密穴あけを実現し，はやぶさ 2 号のエンジン
噴射ノズルの高度精密加工を実現している（碌々産業㈱AFTER JIMTOF2014~ 微細加工技術研究結果報告会 ~ に参加した時に報告者から披露された話）．技術者が壁に当った
時の苦闘の跡が偲ばれ，共感を覚える．
3.5.2 超高強度材のせん断加工
最近特に自動車の軽量化や安全性向上への要求から自動車部品への超高強度材（ウルトラハイテン材 : 引張強度が1200~1800MPa）のホットスタンピング技術への関心が高まっている 127)．そのうち，せん断加工に関係の深い技術に言及しておく．先駆的な研究として，熱間における，森謙一郎らのものがある 128)，129)．ダイクエンチング後の冷間状態での穴あけ（piercing）は可能だろうか．現在 TS1800MPa 級のボロン鋼板が開発されている 130）が，この事例では穴あけは加熱成形時に行っており，いわゆる遅れ破壊（delayed fracture)は発生しなかった．しかしながら，将来的にこのクラスの高度難加工性鋼板が高生産性をはかるため，( レーザ加工ではなく）冷間プレス穴打抜きを行った場合に当該遅れ破壊の問題に対する解決策があると良い筈である．このような観点から，村川正夫らは粗抜き後の穴をプレスシェービング法により冷間加工することにより，TS1800MPa 級の SK85 焼き入れ，焼き戻し材を仕上げた際の遅れ破壊特性を調査し，同方法の有効性を検証している 131）
（図 53）．
最後に，これまでに紹介した研究において潤滑および（または）硬質表面被膜の役割，作用の解明が極めて重要である
ことは認識しているものの，著者の浅学菲才の故，ここでは触れられなかったことをご容赦いただきたい．

-47-

著者はどのような最新の研究にも（特に工学の研究においては）必ず先駆的な研究があり，その上に先進的な研究があると信ずるものです．かくして，本 REVIEW においても，歴史的にかなり古いものまで価値のあるものは丁寧に紹介するよう心掛けました．まだまだ抜けている研究紹介も多数あるかと懸念しますが，なにとぞご寛恕いただきたく思うとともに，諸兄の少しでも参考になれば幸いです．最後に貴重な研究結果・資料を引用させていただいた諸兄，先達の皆様に深く感謝いたします．

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128) 森謙一郎・斎藤翔一・牧清次郎・岸本信・林達志・奥村
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129) 森謙一郎・丸尾佳広・前野智美 : ダイクエンチングされた鋼板の局部通電加熱小穴抜き加工，塑性と加工，52609(2011)，pp 1114-1117.
130) 鈴木貴之・増尾俊二・林康彦・渡部光利・匹田和夫・中山伸之 :1800MPa 級車体部材のホットプレス成形技術の112) 多孔金属箔のロール成形方法及びその方法で成形したコ
イル状の多層金属箔 : 特許第 5458358 号（2014）
（昭和
精工㈱）．
113) 前田禎三・中川威雄 : せん断加工への高圧の応用，塑性
と加工，7-69(1966) pp 543-547.
114) 中川威雄・大島正巳・浅見和也 : 軟鋼線材の拘束せん断における寿命試験，塑性と加工，12-131(1971)，pp 886892.

開発，素形材，55-12(2014)，pp 10-14.
131) M. Murakawa, M. Suzuki, T. Shionome, F. Komuro, A.Harai,
A. Matsumoto, N. Koga, Precision piercing and blanking
of ultrahigh-strength steel sheets, Procedia Engineering,
81(2014), pp 1114-1120.

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