PCD 製工具によるせん断加工
日本工業大学教授

機械工学科

古閑 伸裕

（平成 24 年度一般研究開発助成 AF-2012009）
キーワード：せん断，PCD，工具寿命

１．緒 言

現在，タブリードの生産は，片持ち梁式せん断金型によラミネートタイプのリチウムイオン電池の電極となるタり行われている．金型内の上下動するパンチはガイドによブリードやスマートフォンなどの小型電子機器の部品は，り案内されており，パンチとガイド間には一定の隙間が存

薄板や箔を素材とし，その多くがプレスせん断加工により在する．従って，せん断加工では材料の変形により工具へ製造されている．
これら部品の切口面はかえり高さを数μm

側方力 Fm が作用する 6）ため，上記僅かな隙間分だけパン以下に抑える必要がある．そのため，せん断時のクリアラチが後方へ移動してクリアランスが増加し，これによりかンスをほぼゼロとし，パンチとダイの工具刃先は頻繁に再えりが増大することが考えられる．そこで，Fig.1 に示す研磨を行うなどしてシャープさを維持しなければならない．

ように，せん断加工中にパンチ側方から Fm よりやや大きすなわち，金型メンテナンスに要する時間と労力の削減がな力 Fm+α を作用させた状態（パンチが移動してクリアラ

これら加工における大きな課題とされている．また，タブンスが増大しない状態）でせん断が行える機構を新たに金リードの片持ち梁式せん断では，突然に大きなかえりが発型へ付加した．さらに，工具刃先の摩耗防止や被加工材（ア生する場合があることも問題の１つとされている．

ルミニウム）の工具への凝着が防止できるよう，Fig.2 にさて，著者はこれまで，PCD（焼結ダイヤモンド）1)の塑性加工工具への適用を目指し，深絞り加工や打抜き加工示すような，刃先部に PCD をろう付けした工具（パンチとダイ）を準備し，実験に用いることとした．

工具への PCD の適用に関する研究 2），3）を行ってきた．その結果，いずれの加工においても，PCD 製工具を用いれば，Fm+αGuide

工具摩耗や製品精度の悪化が飛躍的に改善できることが明らかになった．
上記，タブリードのせん断や箔製部品の打抜きなどへ

Workpiece

PCD 製工具が利用できれば，工具の刃先や側面の摩耗低減，被加工材の工具への凝着による切口面精度の悪化が防止で

PmStripperDie

FmPunch
PCDきるようになり，結果として金型のメンテナンスに要するコストが大幅に改善できることが期待できる．
本研究では，まず工具への凝着が発生しやすいアルミニ
ウム製タブリードの片持ち梁式せん断における問題点を明PCD

Back up punch

Fig.1 Schematic of zero-clearance
cantilever-type shearing die

らかにし，その改善策を提案するとともに，PCD 製工具の有効性について調査検討する．さらに，凝着に加え，他の10mm鋼材に比べ工具の摩耗が大きいとされるステンレス箔の打抜きにおける PCD 製工具の活用技術 4），5）を提案し，製作した打抜き金型による実験を行い，PCD 製工具を備えたゼロクリアランス金型の有効性を明らかにする．

２．アルミニウム薄板の片持ち梁式せん断
2.1 金型構造の検討と改善(a) Punch(b) DieFig2. Punch and die with brazed PCD chips

2.2 せん断実験

ゼロクリアランスが加工中維持されたことや，工具刃先の(a) 実験方法および条件摩耗や被加工材の凝着が大幅に軽減されたことにより，

PCD 製工具を組込んだ片持ち梁式ゼロクリアランス金型

Fig.5 に示すように，かえり高さの増大はほとんど認めらにより，板厚 t=0.4mm，板幅 w=10mm の純アルミニウムれなかった．また，Fig.6 に切口面近傍の横断面形状をそ板（A1050-H24, 引張り強さ：113N/mm2，伸び：5％）

れぞれ示すが，刃先をシャープエッジに仕上げたパンチとダイフープ材を 20mm の長さで切断する，無潤滑連続せん断実でせん断された被加工材は，全面せん断面からなる平滑かつ験を行なう．この場合，プレス機械には 300kN サーボプ

直角度の優れた切口面であり，５万回目も初回とほぼ同様のレスを使用し，60spm クランクモーションにて加工を行う．

良好な切口面が得られた．

加工回数は 5 万回とする．
(b) 実験結果

15れの刃先もほとんど摩耗が認められず，被加工材の凝着発生も認められなかった．また，加工後の工具刃先にはチッピングなどの工具不良も一切認められなかった．

End surface

End surface

Burr hight /性状を示す．5 万回せん断後においてもパンチ，ダイいずμｍ

Fig.3 に，加工前と 5 万回加工後の工具（パンチ）刃先
1050Off-cut

RemainderFirst shearing
50μm

side surface(a) Before blanking

side surface

50μm

Off-cut

Remainder

50,000th shearing

Fig.5 Change in burr height with increasing
number of shearing(b) After 50,000 shearing

Fig.3 Shapes of tool edges before and after
50,000 shearing[Remainder][Off-cut]

得られた切口面は，Fig.4 に示すようにゼロクリアランスであるため，ほぼ全域がせん断面となり，5 万回目に得られた切口面も初回切口面とほとんど変化が認められず良好な切口面であった．
[Remainder]

100μm(a) First shearing

100μm[Off-cut]（b） 50,000th shearing

100μm(a) First shearing

100μm

0.5ｍｍ

Fig.6 Cross section of sheared surface after
the first and 50,000th shearing（b） 50,000th shearing

Fig.4 Cut surface obtained after the firstand 50,000th shearing

３．ステンレス箔の打抜き
3.1 金型の製作生産において問題となっていたかえりは，金型構造の改板厚が数十ミクロンの箔材の閉輪郭打抜きを行うには，善によりクリアランスの増大が抑制されたため，すなわちシャープな刃先の工具を用いてクリアランスをほぼゼロに設定しなければ大きなかえりが発生するばかりか，最悪の用し，PCD 製パンチの刃先の一部に割れが発生した．この場合は材料分離ができないことがある．しかし，抜き輪郭ため，Fig.9 に示すような逆押え装置を新たに製作し，こ全域にわたりクリアランスをゼロに設定した金型を製作す

れを金型下方に設置し，ダイクッション力を利用し，逆圧ることは極めて難しい．

力を作用させた状態でストリッピングを行った．
その結果，そこで，Fig.7 に示すような方法でゼロクリアランス打高速度工具鋼（日立金属 HAP10, 800HV）製ダイが問題

抜き金型を製作する．すなわち，硬質なパンチでダイをシなくシェービングできるようになり、ゼロクリアランス円ェービングする方法で，打抜き輪郭全域にわたりゼロクリ形（φ4mm）打抜き金型の製作できるようになった．

アランスを設定した金型を製作する．この場合，被加工材がステンレスという難加工材であるため，工具の寿命を考Coil spring

Guide pin

Buck up punch

慮すると，できる限り耐摩耗性に富む硬質なパンチで，これによりシェービング（切削）可能な，できるかぎり硬質な材質のダイを用いる必要がある．そこで，まずパンチをPCD 製とし，これによりシェービング可能なダイの材質をPlate選定することとした．
選定実験では種々の材質ダイを準備し，いずれも取り代
0.03mm の条件で，サーボプレスを使用し，Fig.8 に示すような振動モーションを利用したシェービングを行った．
Die cushion pin

しかし，慣用シェービング（Fig.7(c)の逆押えがない状態)
では，シェービング後にパンチをダイから抜き取る際（スStripper bolt

Fig.9 Stripping of die after shaving

トリッピング時）に，PCD 製パンチの刃先に引張り力が作
StripperPunch

PCD

δ=0.03ｍｍ(a) 実験方法および条件
ScrapDieCounterpressure(a) Setting

3.2 打抜き実験(b) Shaving

上記方法で製作したゼロクリアランス打抜き金型により，Workpiece

板厚 t=20μm のステンレス箔（SUS304，引張強さ：1290N/mm2，伸び：3％）の連続打抜き実験を行う．比較のため，超硬製パンチにより高速度鋼製ダイをシェービン

Buck up punch(c) Stripping(d) Blanking

グしたゼロクリアランス金型も製作し，これによる打抜き実験も行う．
これら実験においては，いずれも 600kN サーボプレス

Fig.7 Flowchart of fabrication of zeroclearance blanking die and blankingprocessを使用し，30spm にて 1 万回の連続打抜き加工を行う．

Time / sec

Fig.10 に，１万回打抜き後の PCD 製工具の刃先性状を(b) 実験結果の刃先はシャープに成形されており，１万回加工後においてもパンチ，ダイいずれの刃先にも摩耗や被加工材の凝着，Dascendistance：0.02mm
Asceutdistance：0.03mm

Stroke / mm

示す．シェービングにより製作された高速度工具鋼製ダイ

Fig.8 Motion diagram of slide in vibration
shearing

チッピングなどの工具不良は認められなかった．
Fig.11 には，PCD 製パンチと高速度鋼製ダイ，超硬製パンチと高速度鋼製ダイのそれぞれの組み合わせ工具により打抜いた箔の切口面を示す．いずれも１万回まで問題なく打抜くことができたが，超硬製パンチと高速度鋼製ダイにより打抜かれた切口面近傍には変形が認められた．
Fig.12 にそれぞれの工具で打抜かれた初回と 1 万回目に得られた切口面に発生したかえりの高さの測定結果を示す．

超硬製パンチと高速度鋼製ダイの組み合わせ工具により打４．結 言

抜かれた切口面のかえりは，加工回数の増加とともにその焼結ダイヤモンド（PCD）製工具のせん断工具への適用高さが増大したが，PCD 製パンチと高速度鋼製ダイによるを目的とし，アルミニウム薄板の片持ち梁せん断金型と，打抜きでは，かえり高さの増加傾向は極めて小さいものでステンレス箔の打抜き金型への PCD 製工具の適用を試みあった．

た．これら実験研究により得られた知見および成果を以下にまとめる．
1） PCD をせん断工具へ適用する場合に解決しなければならない課題は，PCD チップの工具基材への接合技術と工具刃先をシャープエッジに仕上げるための加工技術の確立であることを改めて認識した．
100μm
100μm

(a) PCD punch(b) High-speed steel die2) 上記課題を解決し，PCD 製工具を備えた片持ち梁式ゼロクリアランスせん断金型を製作し， タブリードを想定したア

Fig.10 Shape of tool edges after 10,000
blanking

ルミニウム薄板の連続無潤滑せん断実験を行った．その結果，5 万回目まで平滑な切口面が得られ，かえり高さの増大も認められないことを確認し, 同金型の実用化の見通し

First blanking10,000th blankingを得ることができた．
3) 閉輪郭の箔材を打抜く際は，パンチでダイをシェービングする方法を用いれば打抜き輪郭全周にわたりクリアランスをゼロに設定できる金型が製作できることを明らかにした．

20μm

20μm

また，シェービング後にダイから PCD 製パンチをストリッピングする際，逆圧力を負荷させた状態で行うことで PCD 製(a) Carbide punch + High-speed steel die
First blanking

パンチへのチッピング発生を防止できることを明らかにし10,000th blanking

た．
4) PCD 製パンチを備えたゼロクリアランス打抜き金型を用いてステンレス箔の連続打抜き加工を行えば，かえり高さが1μm 以下の高精度切口面が安定して得られることを実証した．

20μm

20μm

(b) PCD punch + High-speed steel die

謝 辞
本研究は，公益財団法人天田財団の一般研究開発助成

Fig.11 Cut surfaces obtained after the
first and 10,000th blanking

を賜り実施したものであり，ここに感謝の意を表す．

参 考 文 献21) 鈴木清•二ノ宮進一•岩井学：電気加工学会全国大会講Burr hight / μm

10,000th blanking

演論文集 (2009), 57.

1.5First blanking2) 古閑伸裕•薄憲毅•許昌龍：塑性と加工, 53-612 (2012),

174.
3) 薄憲毅•古閑伸裕：平 24 年度塑性加工連合講演会講演
論文集 (2012), 95.

0.5
0Blanked side

Hole side

PCD punch

Blanked side+

High-speed steel die4) 姜文赫・古閑伸裕：平成 24 年度塑性加工春季講演会

Hole side

Carbide punch
High-speed steel die+

講演論文集，(2012)，137.
5) 古閑伸裕・姜文赫・薄憲毅：塑性と加工, 54-628（2013）,

Fig.12 Change in burr height withincreasing number of blanking

446.
6) 前田禎三：精密機械，24-11（1950），575.