厚手高張力鋼材の穴広げ成形特性
岐阜工業高等専門学校 機械工学科教授 加藤浩三
（平成 16 年度研究開発助成 ＡＦ－2004010）
キーワード：穴広げ，せん断，破断面，高張力鋼
１．緒言
穴広げ成形性は前工程の下穴成形条件に著しく依存しており，例えば 1960 年代の中川らの研究により１），加工硬化層のこのウレタンスプリングを取除いてせん断を実施した．また，クリアランス条件として 12％から 28％の間で表１に示す５条件を採用した．

ない切削穴による穴広げ成形性が最も優れていることが示さパンチれている．また対向ダイスせん断法は，せん断法でありながら，本質的に切削的な分離機構を適用しているため２），３），穴パンチガイド

広げ加工の下穴成形法として有効性は自明である．一方で穴板押え広げ加工を適用している生産現場においては，工具構成の簡ブランク便性のみに観点を絞る場合には，可能な限り慣用せん断法にブランク
位置決め治具近いせん断方法の適用が望ましい．そのため下穴せん断法のダイ選択については，慣用せん断から対向ダイスせん断法に至る

図２ せん断実験工具

下穴せん断方法のうち，最も生産現場の状況に合致した適切な方法を選択することが必要である．
本研究では以上の観点に基づき，下穴せん断条件が穴広げ成形性に及ぼす影響を定量的に明らかにし，生産現場に有用な基礎データを提供することを目的としている．検討に際しては，高張力鋼板を用いた実験的検討を実施し，加工条件が成形性に及ぼす影響を定量的に評価する．本報告では特に１）
下穴せん断時のクリアランス，及び２）材料拘束条件が穴広げ成形限界に及ぼす影響を明らかにする．

図３は穴広げ工程の工具構成を示した図である．また図４は工具組立図である．穴広げ工具は図１に示した能力 1500KNの油圧プレスにダイセットを介して配置されている．下穴を有するブランクの外周部を上部のシリンダにより 65KN の負荷により拘束した後，下方の別のシリンダに直結された円錐形状パンチを上昇させることにより穴広げ成形を実現する．
なお，穴広げ成形に際しては，穴広げ性に有利な条件として下穴せん断時の破断面側を，パンチが最初に当たる下面側としている 1)．

２．実験方法2・1 実験装置
図１は本研究で使用した油圧プレスを示した概観写真である.本プレス機は 3 動油圧プレスであり, 3 系統の油圧シリンダを有している. 最大負荷は 1500kN である. 実験に際しては本油圧プレスにせん断加工用のダイセットあるいは，穴広げ加工用のダイセットを設置して成形実験を実現する．

板押えブランクパンチ

図３ 穴広げ実験工具の概要□200
φ130Blank Holder

10Blank

3.5

Die30°50

図 1 油圧プレス概観写真
図２は本研究に用いた下穴せん断用の工具構成を示した図である．せん断時の板押さえとして 120°間隔で３箇所にウレタンスプリングを配置した．板押え拘束をなくす条件では

φ45Punch

図４ 穴広げ実験工具の組立図

穴広げの程度を定量的に評価する尺度として，(１)式に示す穴広げ率を採用する．ただし， di は穴の初期直径，及びせん断分離面の構成割合の測定には，図７に示すマイクロスコープを用い画像をパソコンに取り込み市販の画像解析ソ

dB は穴広げ後の直径である．
λ= (dB－di ) / di

2・4 せん断分離面の構成割合測定法(1)

フトにより，だれ，せん断面，および破断面の板厚構成割合を求めた．図８は分離面観察のための画像の一例である．

2・2 供試材実験に供した鋼板の条件を表１に示した．供試材としては，引張強さが 440MPa（通称 45 キロ鋼）のものと 590MPa 高張力鋼（６０キロ鋼）の２種類を用いた．両材料のｎ乗硬化特性を表中に併せて示した．

自動車用熱間圧延高張力鋼板（SPFH590）
F 値：964MPa，n 値：0.18

材料寸法

外径 130mm，板厚 3.5mm，下穴直径 36 ㎜
慣用せん断板押え条件：有り・無しの 2 条件
クリアランス：12，16，20，24，28%
パンチ形状 円錐角 30°
外周部押え荷重 65ｋN
潤滑剤：クリアルーブ

せん断工程
穴広げ工程

2・3 穴広げの成形の可否

図７ マイクロスコープ概観写真

だれせん断面

板厚 3.5㎜

通称 60
キロ鋼

材料

通称 45キロ鋼

表１ 実験条件
自動車構造用熱間圧延鋼板（SAPH440）
F 値：722MPa，n 値：0.18

破断面

穴広げの成形の可否は，目視により判断した．図５には穴縁部から割れが発生したテストピースの一例を示す．また，
図６は割れ発生の前段階であるくびれ発生の例である．穴縁に局部的な板厚減少が認められる．

３．結果と考察3・1 せん断時のクリアランスが穴広げ成形性に及ぼす影響
図９は60キロ鋼においてせん断時のクリアランス条件が穴広げ率に及ぼす影響を示した結果であり，せん断時に板押えのある条件である．横軸に前工程のせん断時のクラリアラン
ス，縦軸に穴広げ率を取ったものである．穴広げ成形が問題なく完了した条件を○記号，破断が生じた条件には×記号，及び両案の過渡的状況であるくびれが生じた条件については△記号をプロットした．○記号と△記号との間に近似曲線を描き成形限界曲線とした.得られた成形限界曲線にはクリアランス 24％に極大点があり，穴広げ率が最も良好な条件である．
120
Acceptable
100
NeckingFracture
80
Hole expanding rate (%)

図５ 穴広げ成形による割れ発生例（60 キロ鋼）

図８ マイクロスコープによる分離面観察例

6040200

図６ 穴広げ成形によるくびれ発生例（60 キロ鋼）

4812 16 20 24Clearance (%)

2832

図９ せん断時のクリアランスが穴広げ限界に及ぼす影響（60 キロ鋼，板押え有り）

本実験の範囲において，このように極大点が顕在化した背破断面の影響については，応力集中の負の要因よりも，加工景には，せん断時のクリアランス条件に起因した２つの要因硬化進行程度が少ない正の要因が優勢であると解釈した．

が介在し，これらは互いに異なる傾向を有しているためであ

また，破断面構成割合に極大値が存在する理由についてはると推察される．このうちのひとつは，クリアランスの増加

次のように解釈した．通常のせん断における比較的クリアラとともに『加工硬化領域が分散する』正の要因であり，もうンスの小さい領域においては，クリアランスが増加すると材一方は，クリアランスの増加とともに『分離面が粗くなり応料不足を補う必要があるためダレが発生し，せん断面割合は力集中を起こす』負の要因である．成形限界線の極大点はこ増加減少し，破断面割合が増加する．一方，クリアランスがれら相反する２要因の重ね合わせの結果として顕在化された

極端に大きい場合のせん断では，行程初期では見かけのパンものであると推察する．

チ行程が進行しても，せん断的食い込みが進行しないで，材料が回転する（傾斜する，曲がる）のみである．さらに行程

3・2 板押え条件が穴広げ成形性に及ぼす影響
図 10 は，図９との比較において板押え条件が穴広げ成形性が進行し材料回転により，周辺工具によるサン部についてのに及ぼす影響を検討するためのものであり，図９とはせん断が開始される．そのため，このクリアランス領域では，クリ時の板押え条件のみが異なり，板押さえが無い条件の結果で拘束が大きくなった状況では静水圧が高まり，実質的せん断アランスの増加に伴いせん断面割合が比較的大きくなり破断ある．せん断時のクリアランス 24％で穴広げ率が最も高くな面割合が減少する．本実験の範囲ではクリアランス条件 24％る傾向は同じであるが，クリアランス条件に関わらず，総じが，両クリアランス領域の遷移領域であるため破断面割合がて板押さえのない条件は穴広げ限界が板押えのある条件より極大になった４）．

高く穴広げ性は良好である．この理由については，板押さえ

図 13 は板押えの無い条件について，せん断時のクリアランのない条件の場合には，材料拘束が緩和され加工硬化領域がスがせん断分離面割合に及ぼす影響を示した結果である．定分散され，加工硬化の進展程度が緩和されたためであると推測している．

性的な傾向は，図 12 の板押えのある場合と同様である．
図 14 は，せん断分離面の構成割合について，板押えのある条件（図 12）と板押えの無い条件を比較したものである．破
断面構成割合に着目すると，板押さえの無い条件のほうが上AcceptableNecking
Fracture

10080部にあり，板押さえの無い条件のほうが穴広げ性が良いという結果と対応している．
12060402004812 16 20 24Clearance (%)

2832

図 10 せん断時のクリアランスが穴広げ限界に及ぼす影響

Hole expanding rate (%)

Hole expanding rate (%)

120SAPH440
SPFH59010080
604020（60 キロ鋼，板押え無し）

04

3・3 材料条件が穴広げ成形性に及ぼす影響

質に関わらず 24%で最大穴広げ率が得られることが明らかになった. また, 両材料条件の定量的な比較については，本実験の範囲では，クリアランス 24%において 60 キロ鋼の方が穴広げ限界が約 25%低いという結果が得られた.
3・4 せん断分離面についての考察
図 12 は図９の 60 キロ鋼で板押え有り条件について，せん32100

Composition of section ratio(％)

良い条件である. このことより, 本実験条件下においては材28（45 キロ鋼と 60 キロ鋼，板押え無し）

界曲線を同一図内に併せてプロットし, 穴広げ成形性を比較のクリアランス 24%付近が最も穴広げ率が高く，24％が最も

12 16 20 24Clearance (%)

図 11 材料が穴広げ性に及ぼす影響

図 11 は 45 キロ鋼，及び 60 キロ鋼の両材料について成形限したものである. 45 キロ鋼，及び 60 キロ鋼ともにせん断時

8Shear droop
Sheared surface
Fractured surface

80604020048

12 16 20 24Clearance(％)

2832

断時のクリアランスがせん断分離面割合に及ぼす影響を示した結果である．穴広げ性の最も良好なクリアランス 24％の条件では，破断面割合が最も大きくなっている．このことから，

図 12 クリアランスがせん断分離面割合に及ぼす影響（60 キロ鋼，板押え有り）

り高く穴広げ性は良好である．この理由については，板押さComposition of section ratio(％)

100

えのない条件の場合には，材料拘束が緩和され加工硬化領域

Shear droop
Sheared surface
Fractured surface

80が分散され，加工硬化の進展程度が緩和されたためであると60推測された．

40

では，クリアランス 24%において 60 キロ鋼のほうが穴広げ率20が約 25%低いという結果が得られた.

３）60 キロ鋼と 45 キロ鋼の比較については，本実験の範囲

４）せん断分離面の構成割合が穴広げ成形性に及ぼす影響に32

ついては，穴広げ性の最も良好なクリアランス 24％の条件で

図 13 クリアランスがせん断分離面割合に及ぼす影響

断面の影響については，応力集中の負の要因よりも，加工硬04812 16 20 24
Clearance(％)

28

は，破断面割合が最も大きくなっている．このことから，破Composition of section ratio(%)（60 キロ鋼，板押え無し）
100

化進行程度が少ない正の要因が優勢であると解釈した．

Sheared surface
Fractured surface
With blank holder
Without blank holder

80

謝開発助成の御支援の下に遂行されました．本研究の遂行にあ60たり，多大なご支援を賜わりました天田金属加工機械技術振40

興財団様に厚く御礼申し上げます．また，研究の遂行にあたり，多くの有益な御助言，ご教示を頂きました豊田工業大学

200辞

本研究は天田金属加工機械技術振興財団平成 16 年度研究教授近藤一義先生に厚く御礼申し上げます．
48

12 16 20 24Clearance(%)

2832

図 14 クリアランスがせん断分離面割合に及ぼす影響

参考文献（60 キロ鋼 板押え条件の比較）

１）中川威雄・吉田清太，「打ち抜き穴の伸びフランジ成形限」，理化学研究所報告，44-3（1968），pp.150-162.

４．結言
高張力鋼の穴広げ加工について，下穴せん断条件が穴広げ

２）近藤一義，「せん断加工における平滑面形成機構（第１報，基礎的検討）」，日本機械学会論文集（第３部），成形性に及ぼす影響を定量的に明らかにし，生産現場に有用35-277(1969)，pp. 1965-1971．

な基礎データを提供することを目的として実験的な検討を実

３）近藤一義，「せん断加工における平滑面形成機構（第２施した．その結果，以下の点が明らかになった．

報，分離面性状の改善法）」，日本機械学会論文集（第３部），

１）本研究の範囲で得られた 60 キロ鋼の穴広げについての成35-277(1969)，pp. 1972-1979．

形限界曲線はクリアランス 24％の条件に極大点があり，穴広４）近藤一義，「延性金属板のせん断加工機構（第２法）－げ率が最も良好な条件である．

工具によって与えられる材料拘束条件の影響－」，精密機械，

２）板押さえのない条件は穴広げ限界が板押えのある条件よ

31-8（1965），pp．693-698．

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