ダレ無しファインブランキング（FB）に関する研究
日本工業大学 機械工学科教授 神 雅彦
（平成 22 年度一般研究開発助成 AF-2010026）
キーワード：ファインブランキング，だれ，材料拘束，FEM，金型材料，潤滑剤

１．研究の目的と背景程度適用可能かについて，重点的に調査した．

特に自動車産業において，機械加工部品をコストダウンの観点からプレス加工部品に代替する試みが盛んになさ

２．研究内容と成果れており，その中でも，精度的にファインブランキング

2・1

材料拘束による FB におけるダレの低減（FB）が注目を浴びている．FB においては，一般プレス(1)材料拘束の効果に関する FEM 解析

FB 歯車製品の加工では困難な全面せん断面を得ることができることは切り口面の実例を図１に示す．歯車部品の FB は自動車用広く知られている．

途を中心に数多く生産されている．この場合の問題点は，しかしながら，一般機械加工品を FB 製品で置き換える

刃先部においてだれが過大になることである．歯車においときに，機械加工品では得ることが容易な「だれ無し」特ては，接触幅さが歯車の負荷性能に影響を与えるので，接性を求められる事は頻繁に発生するが，FB で「だれ無し」

触幅を短くするだれの許容公差は厳しい．さらには，歯車製品を得るのは容易なことではない．そのため従来は FB以外においても凹凸の厳しい部品は多く，FB における大製品のだれ部をやむを得ず機械加工で除去するという FBきな問題点となっている．の良さを減殺してしまい，コストも上昇させてしまう後処理が行われてきた．
このような問題点に鑑み，本研究の第 1 の目的は前述のFB 時において，だれが生ずる根本的メカニズムを理論的，実験的に追求することとした．すなわち，丸型パンチによる FB を想定し，そのプロセスの理論的解析に関して有限要素プログラム DEFORM２D を使用して実施した．FEM
図１

解析を通じて，だれ発生のメカニズムを十分理解し，極小FB 歯車製品の切り口面の実例だれを得るためのキーポイントを発見することとした．特定の板厚，材質の被加工材による FB に関して，板押さえ

従来研究により，FB におけるだれの発生の状況は図２

力や逆押え力などについて，極小なだれを得るための最適のようになることが知られている．すなわち，図(a)の凸輪解を得ることとした．

郭形状においては，材料は製品側からスクラップ側へと流

第 2 の目的は，如上のパラメータの組み合わせにより実動し，結果的に製品凸部に大きなだれが発生する．それに際のだれ無し FB 製品が得られるかどうかに関して，実際対して，図(b)の凹輪郭形状においては，材料は，逆に移の FB 金型により，FB プレスを使用して検証実験を行な動するため，製品側にだれが発生しない．この事実は，前うこととした．すなわち，特定の板厚（特に厚板），材質出の図１における歯車の歯底部にはだれがほとんど発生（ステンレス材のようなだれの出易い材料），輪郭形状（丸していない状況から理解できる．

形形状以外の複雑輪郭形状）の FB 製品を想定し，そのための FB 金型を製作した．同金型を 4,000kN 油圧式 FB プレスに装着して，実際の FB を実施し，目標とするだれ無θ=230°し製品が得られることを確認した．
第 3 の目的は，実際の生産に応用できる事を目標とした

θ=60°検討を行った．まず，本研究による技術に限らず，ある程度の回数の打抜きを行い，型の摩耗状況などを調査するとともに，最適金型材質について検討した．一方，同上の実（a）凸輪郭

際打抜きに対して，良好な潤滑剤に関して検証実験した．

図２

この際には環境負荷を低減させ得る脱塩素潤滑剤がどのー 122 ー（b）凹輪郭

FB における材料の流動方向

一般的に，FB においては，図１からもわかるように，切り口面に破断面を発生させずに平滑なせん断面を得るために，板材をダイと板押さえ，およびパンチと逆押さえにより強力に押さえ込んで，材料内部に静水応力を作用させて打抜きを行う．また，ダイとパンチのクリアランスも～20μm 程度と極めて小さい．そのため，基本的に材料の逃げ場は少なく，結果的にだれの発生も少ないものと考察できる．
本研究では，まず，だれの発生状況を理論的に調べるためために，FEM 解析を行った．解析の条件を表１に示す．
解析ソフトウエアには，DEFORM2DVer.5 を使用した．解析モデルは，2 次元軸対象モデルとし，材料を剛塑性体，工具を剛体として定義した．この条件において，一般的なFB 打抜きの場合と，材料を上下および円周方向を剛体で完全拘束した場合とで，だれの発生状況を調べた．FEM
解析結果の一例を図３に示す．
表１

図４

FEM 解析条件

凸凹輪郭形状を有する試験片
FB 実験条件

表２
ブランク材質S45C，φ49，54，59mm，t=4mm

材料：剛塑性体，工具：剛体

直径，厚み

SUS316，同上

材料定数

S45C（σB=530MPa，λ=26%）

クリアランス

0.02mm（片側）

材料構成式

0.478

板押え，逆押え力

BHF=700kN，CPF=300kN

パンチ形状

直径φ39.98mm，刃先 R0.02mm

ダイ形状

直径φ40.00mm，刃先 C0.3mm

解析モデル2 次元軸対称材料定義

延性破壊条件式

σ=850ε＋385

Rice&Tracy の式

実験条件を表２に示す．ブランクには，炭素鋼 S45C お
よびステンレス鋼 SUS316 の 2 種類を用いた．板厚はt=4mm とした．板押さえには V 字突起を設け，ダイ切れ刃には C0.3 のチャンファを設けた．
金型構造および製品形状の概略図を図５に示す．実験では簡易的に，表２に示した円形ブランクをバックアッププレートで囲う方法で材料の板幅方向を拘束し，FB 時の材料の板幅方向への流動を制限した．バックアッププレート(a)一般的な FB
図３(b)材料を完全拘束した FB

だれの発生状況に関する FEM 解析結果には，SKH51（60HRC）を使用し，ワイヤー放電加工により内径がφ49，φ54，φ59mm の穴を加工し，材料を圧入した．

図(a)の一般的な FB では，パンチ力 PF，逆押さえ CF お
よび板押さえ BHF により材料を拘束しているものの，板幅方向の拘束はなく，解析した条件において，だれおよび微小な破断が発生していることがわかる．それに対して，
図(b)のように，材料の周囲を完全に拘束してしまった場
合，すなわち材料の外部への流動が無い理想状態とした場

PF

パンチ

バックアッププレート

ブランク

製品

ブランク
R2

製品

R2

合には，だれと破断面の発生がないことがわかる．このこ

R1とから，材料の外部への流動を極力抑制することにより，

R2だれを極小化できるものと考えた．
(2)材料拘束金型の製作，実験装置および方法

CPF
先の考

逆押え

察結果を実際の製品において検証した．製品形状には，図４に示すように，凸部および凹部を交互に有する輪郭形状の試験片を準備した．

(a)

BHF
金型断面構造図５ー 123 ーダイ
バックアッププレート
(b)

製品部形状

金型構造および製品形状の概略

だ れ の 大 き さ ℓ、h/ｍ ｍ1.2ℓ
1ℓ0.8h0.6h0.40.20従来FB
図６

板幅拘束FB金型およびプレス機械の外観
図８

だれの大きさの計測結果（S45C）

実際のプレス金型およびプレス機械の外観を図６に示す．プレス機械には，川崎油工 4,000kN プレスのタイプ
PBR2-400 の FB プレス機械を使用した．プレス本体は強固なフレーム構造に独自の耐偏芯荷重構造をあわせもち，また CNC 制御のパネルは成形記憶機能が搭載されている．

2・2

ダレ無 FB における工具寿命を向上させるための金型材料および潤滑油材の検討(1)金型材料の検討

FB においては，一般的に，パンチとダイ刃先に強い衝撃力と共に激しい摩擦力を受ける．従って，刃先の特性としては，耐衝撃性と耐摩耗性とが両立(3)実験結果および考察

製品の凸輪郭部におけるだれした特性が要求される．特に，前章までの拘束 FB においの外観を図７に示す．従来 FB と拘束 FB の場合を比較すては，その特性がより過酷になるものと予測できる．そこ

ると，だれが減少していることがわかる．また，この変化で，本研究では，FB における金型材料に関しても検討をはブランク径が小さいほど，すなわちバックアッププレー行うこととした．

トの剛性が高いほど，より顕著に発生することがわかり，FB の金型材料に要求される材料特性の概念図を図９に示す．ここでは，横軸に耐摩耗性を縦軸に耐衝撃性をとっ材料拘束がだれ低減を実現することがわかった．
材料別でみると，S45C に比べ SUS316 の方が，一般的ている．従来広く用いられているダイス鋼 SKD11 を基準にだれが大きくなるが，バックアッププレートによるだれとして，高速度工具鋼 SKH51（溶解ハイス）などは，耐低減効果は相対的に同様であることがわかった．

摩耗性と耐衝撃性にやや優れる．また，粉末マトリックス

S45C の場合に関して，だれの大きさを定量的に計測しハイスでは，よりじん性が高まり耐衝撃性に優れる．一方，た結果を図８に示す．バックアッププレートの使用（材料最も新しい材料であるミクロ結晶制御を行った粉末マト

拘束 FB）により，バックアッププレートなしの場合（従リックスハイスは，耐衝撃性と耐摩耗性とのバランスに優来 FB）に比べて，だれ長さ ℓ が約 24%，だれ深さ h が約れた材料である．

18% 低減していることがわかる．
従来粉末マトリックスハイス

粉末マトリックスハイス（組織微細化）

従来 FB（S45C）(b)

抗折力(a)

拘束 FB（S45C）SKH51など
SKD11

溶解ハイス

耐摩耗性(a)従来 FB（SUS316）
図７(b)拘束 FB（SUS316）

製品の凸輪郭部におけるだれの外観

図９ー 124 ー

FB の金型材料に要求される材料特性の概念図

本研究では，最近，広く使用されるようになってきた粉末マトリックスハイス A と，今後，利用が期待されてい20

パンチ耐久性の評価を行った．評価条件を表３に示す．
表３

金型材料に関する FB 実験条件

ブランク

S45C，t=4mm

クリアランス0.02mm（片側）プレス機械

4,000kN 油圧 FB プレス

パンチ材質 A

粉末マトリックスハイス（61HRC）

パンチ材質 B

ミクロ結晶制御粉末マトリックス

チッピング数[個]るミクロ結晶制御を行った粉末マトリックスハイスとの金型材A

15105

金型材B
01000

ハイス（64HRC）

5000

10000

ショット数（回）1 万ショットまでの耐久試験を実施して，パンチに生じたチッピング数をカウントした．その結果を図１０に示す．

図１０

パンチに生じたチッピング数のカウント結果（S45C，t=4mm）

従来の粉末マトリックスハイス A では，ショット数 5,000回目にてチッピング数 15 個を数えた．それに対して，新しいミクロ結晶制御した粉末マトリックスハイス B では，1.4

その約 1/3 程度のチッピングに抑制された．すなわち，金1.2

同様に打抜き製品のばり高さの変化に関して調べた結

1

バリ高さ(mm)型材料 B において耐衝撃性が向上していることがわかる．
果を図１１に示す．製品のばり高さが大きくなるということは，刃先が摩耗して丸みをおびたことに相当するので，その変化は，耐摩耗性の指標となる．その結果，従来の粉末マトリックスハイス A では，最大ばり高さが 1.2mm 程度に達した．それに対して，ミクロ結晶制御した粉末マト

0.80.60.4

金型材B0.2

リックスハイス B では，その約半分程度のばり高さに収0まっている．すなわち，金型材料 B において耐摩耗性も0向上していることがわかる．
(2)潤滑材の検討

金型材A

2000

4000

6000

8000

10000

ショット数（回）潤滑剤に関しては，40℃動粘度を 86～110mm2/s の範囲で，および塩素系極圧剤，硫黄系極圧
図１１剤に関して，実験を行った．その結果では，動粘度に関し打抜き製品のばり高さの変化（S45C，t=4mm）ては，粘度が高い方がより耐摩耗性に優れ，極圧添加剤に関しては，塩素系極圧剤の方が優れていることがわかった．
すなわち，FB においては，まだまだ，低粘度化や非塩素参考文献系極圧剤の利用に関して耐久性向上に関する検討が必要

1)

林一雄：塑性と加工，47-546（2012），554．

であることがわかった．

2)

特別座談会：プレス技術，30-6（1992），101．

3)

スペシャルインタビュー：プレス技術，45-6（2007），44．

３．まとめ
本研究では，FB においてだれが生ずる根本的メカニズムを理論的および実験的に追求した．その結果， FEM 解析を通じて，だれ発生のメカニズムを理解し，極小だれを得るためのキーポイントを示した．次に，実際のだれ無し
FB 製品が得られるかどうかに関して，実際の FB 金型により，FB プレスを使用して検証実験を行なった．その結果，まだまだ十分とは言えないが，だれを低減できることを示した．
最後に，実際の生産に応用するために，ある程度の回数の打抜きを行い，型の摩耗状況などを調査するとともに，最適金型材質および潤滑剤に関して検証した．

ー 125 ー