多点支持装置を用いたプレス金型のインプロセス挙動の可視化
国士舘大学 理工学部 理工学科 機械工学系
教授 大橋 隆弘
（平成２０年度一般研究開発助成 ＡＦ－２００８０３０）
キーワード：ブランキング，インプロセスセンシング，異常検知
１． 研究の目的と背景

ただし，k：支持ユニットのばね定数，n:支持ユニットの総数，：

プレス技術・数値シミュレーション技術の高まりにつれ，数値解析だけでは解決困難な機差やセッティング不良など物情

支持ユニットの荷重の平均， ：i 番目の支持ユニットが受ける荷重（モデル）不一致に起因する問題に注目が集まり，インプロセ
スでの成形プロセス・金型挙動のモニタリングが重要となってきている．プレス加工（深絞り，打ち抜き）においては，金型・Track of a slide

Slide

装置類の弾性変形，スライド・金型の運動（軌道），不良・異常現象のモニタリングが重要となる．また，単なる検知ではなく，Support unit

これらのモニタリング内容が不良・異常の原因究明・解決（技術における原理解明・原則構築）に資するような可視化技術でDie (Punch plate)あることが高度な生産技術の蓄積のため重要である．筆者らは多点支持装置を用いて大型のプレス金型の支持状態を調整することで，成形時の金型の弾性変形を調整する研究開発，ならびに，支持装置をセンサーとして利用し，金型弾性変形シミュレ

図１ 金型多点支持構造の概念図

ーションに合わせこむことで，インプロセスでの金型のふるまいについて可視化するシステムの研究開発を行なってきた 1-2).

上式は，同じ加工荷重の状態であっても，各支持ユニットが受本研究では，金型多点支持装置を用いて，ブランキング金型ける荷重が平均化するほど支持ユニットが蓄える弾性ひずみエにおける異常（異物の挟み込みなど）時の支持荷重の異常パタネルギが小さくなることを示しており，このとき支持装置のみーンを調査し，モニタリングすることで，インプロセスでの異かけの剛性は大きくなる．また，支持ユニットの高さの弾性変物挟み込みの異常や，ブレイクスルー時の上下型の横ずれによ形量は，受圧する荷重が平均化するほど等しく近づいていくかるパンチ磨耗を可視化あるいは検知する要素技術を開発する．

ら，上記条件はスライドがほとんど変形しないと仮定すれば，２． 実験方法ないように支える条件ともなる．そこで，支持ユニットの水平２．１ 金型の多点支持構造面内の配置を変えることで，上記条件に近づけることを試みる．

実験に使用した多点支持装置の概念図を図１に示す．ダイセッ

手順は以下のとおりである．試し加工をした後に，測定された

トパンチプレートとプレス機スライドの間にばねの役割をする

各支持位置でのピーク荷重から，xy を金型平面内位置，ｚを荷弾性柱を１２個挿入している．この弾性柱は水平方向に固定さ重として NURBS 曲面をフィットする．この曲面を荷重分布曲支持装置がダイプレートをスライドとできるだけ並行に変形しれておらず，回転自由な球面座でパンチプレートに接している面と呼ぶ．この荷重分布曲面の最大勾配方向に予め決めた量だ

ため，スライド－ダイセット間でスラスト力を伝えることはな

け支持装置を移動することで，支持位置を再配置する．この適い．この弾性柱を筆者らは支持ユニットと呼んでいる．支持ユ

応的な再配置作業を筆者らはリロケーションと呼んでいる．上ニットは側面にひずみゲージが貼付されており，各支持ユニッ記の一連の手続きを繰り返すことにより，荷重が大きな部分にトが受ける荷重とたわみも同時に計測できるようになっている．

支持装置が集中することになる．同時に，水平方向のゆれにつこの支持装置について，支持装置全体が蓄える弾性ひずみエネいても測定し，改善がなくなった時点でリロケーションを中止

ルギは次式のとおりとなる．

する．この状態が最適配置であることは保証できないが，要求

1 ⎛ 2 n2⎞
Us =⎜ np + ∑ Δp i ⎟2k ⎝i⎠

仕様を満たす調整が合理的に得られれば工業上は用が足りるた･･･(1)

め，有用な調整方法である．

ー 8 ー

２．２ 実験装置および実験方法

123R11

実験で使用したプレス機の仕様を表１に示す．また，実験に使用した金型と支持ユニットを図２,図３に示す．使用した金型

φ22φ20はパンチプレートの中心および中心からそれぞれ左右 50mm の位置にパンチホルダを持ち，センタ位置および左右の偏心位置16にφ30mm の円形パンチを装着できる．□235ｍｍ×125mm，39

板厚1.2mm の 980MPa 級ハイテン材に中心から右50mm の位

1. Load-bearing part (SKS3).
3. Magnet

置に穿孔を行い，支持荷重の変化をモニタリングした．不良現

2. Strain gauges.

図３ 支持ユニット

象としては，カスあがりを想定した異物の金型－材料間の挟み込みおよび，パンチの焼きつき（磨耗）について評価した．異物挟み込みについては図４に示すような， A5052 片を試験片上の図５に示す点に配置し，金型との間で挟み込んで模擬した．
異物を試験片と同様の鋼ではなくアルミニウム合金片としたのは実験による金型の消耗を避けるためである．
パンチ磨耗に関しては，従来の研究 2)で，支持荷重が不均一の場合に，加圧―ブレイクスルー時の上下型間（パンチホルダーダイプレート間）の動的な横ずれが最大となることがわかっている．そこで支持ユニット位置を変化させることによって荷重分布条件を変え，パンチ磨耗状態を調査した．まず試し加工用パンチを用いて試し加工を行い，２．１節で述べた方法で支持点配置を変え，その後，新しいパンチと交換して，２０回の穿孔実験を行い，支持荷重の不均一性とパンチ表面の磨耗状態を

図４ 異物（抜きカス）を模擬した A5052 切片調査した．

テーブル面積ボルスタ面積アミノ UTM-H TM020E
複動油圧プレス
196kN
98kN
250mm
305mm (インナ＋アウタで単動時)400 x 400mm2
400 x 400mm2100
Y axis / mm

表１ 供試プレス機の仕様
モデル
種別
インナースライド定格
アウタスライド定格
ストローク
デーライト

34958671050100100
X axis / mm

12200

図５ 異物の挟み込み位置（試験片左手前角(0.0), 試験片右奥角(235,125),とする．図はトップビュー）

３． 実験結果
３．１ 異物挟み込みの試験
まず，実験のばらつきを調べるために，異物を置かないで１０回試行を行い，支持荷重の測定を行った．そのときの支持ユニット別の最大荷重の標準偏差を表２に示す．おおよそ最大荷重の２０％程度の支持荷重の変動が見られた．次に，図５に示した各点に異物を置いて，支持ユニット別の最大荷重を測定した．図６と図７は，異物がないときと異物をはさみこんだときの支持荷重分布を比較の一例である．異物置き位置１図８に示
図２ ダイセット

すように両者には差があるものの，表２の結果から見て十分大きいとは言えない．図９に最大荷重時のモーメント中心の座標ー 9 ーを示すが．異物のあるなしで大きな変化はなく，規則性もみら

933れない．

51異物なし表 2 支持ユニット荷重のばらつき（その１）ユ ニ12345ット
標 準
偏 差 19257288
2702645.91195σN

Y axis /mm

869241112136612691990160

表 2 支持ユニット荷重のばらつき（その２）ユ ニ7891011ット
標 準573.4
823.5
336.9
703.2
偏 差 678.6
σN

7162

164
166
X axis / mm

168

170

図９ 異物位置による最大荷重時のモーメント中心の変化（座標面は金型背面．トップビュー）

1978

18016016824

14028608

21648

19228

Y axis / mm

120100

20075

16152

11675

8160

8060
18912

31425

23832

22450

40
200050

100

150

200

250

300

350

X axis / mm

図６ 異物なしのときの支持最大荷重分布（N）

図１０ 異物を挟み込んで穿孔した試験片の様子

180
160
16800

14028560

21504

図１０に異物を挟み込んで穿孔した試験片の様子を示す．ア

19527

120
Y axis / mm

ルミニウム合金片はハイテン材にめり込んでいる．このため，

10020225

15432

11950

8280

最大荷重となる穿孔時に，異物が上型（ストリッパプレートと80パンチホルダ）と下型（ダイホルダ）との接触面に間隙を作る

601884032425

2376022475

40

効果はほとんどなく，支持ユニットの最大荷重の分布から，異20

物挟み込みを検知するのは困難であることが，このことからも

0050

100150200250300350

確認できた．そのため，当初研究計画にあった，金型構造の数X aixs / mm

値解析による，異物挟み込み位置別の各支持ユニットの最大荷図７ 異物置き位置１のときの支持最大荷重分布（N）

重の感度解析は，異物検知にそれほど効果がないであろうことがわかった．
そこで次に，時間変化の中での支持荷重の変化を調査した．
穿孔プロセスは，①まず素材に対してストリッパプレートが接触し，②ばねを介して押圧され，③次にパンチが素材に当たるという順番で，進行する．図１１に異物が無い場合，図１２に異物をおいた場合の時系列下の荷重変化の例を示す．異物なしの場合は，ストリッパプレート接触から，パンチ接触までの荷重は，直線状に上昇していた．この直線状の荷重上昇は，ストリッパプレートを支えるばねによるものであると考えられる．
一方で，異物を置いた条件では，ストリッパプレート接触から，

図８ 異物置き位置１のときと異物なしの支持荷重の差分の分
布（等高線）

パンチ接触までの時間において，支持荷重の動揺が見られた．
この区間において，異物は潰され，試験片にめり込んだと考えられる．従ってこの動揺を検知することで，異物の挟み込みが検知できる．
．

ー 10 ー

位置を変化させることによって荷重分布条件を変え，パンチ磨0

耗状態を調査したところ，より支持荷重が不均一な条件でパンチ磨耗がより進行していることを確認した．支持荷重の不均一性は，上下型横ずれに影響するもので，直接パンチ磨耗を生じLoad /N-10000させるものではないが，個別の生産環境におけるデータを蓄積

Unit no.7
Unit no.8
Unit no.10
Unit no.12-20000-30000
560

580

600

620

することで，パンチ磨耗・焼き付きのリスクについて評価できる可能性がある．

謝辞
640

本研究にご助成戴いた公益財団法人天田財団に深謝いたします．

660

Time ×10-2 /s

参考文献
1) Takahiro Ohashi, Tomoaki Ando, and Noriyuki
Nakaoka, In-Process Measurement of Elastic
Deformation of a Large Deep-Drawing-Die withFusion of Experiment and Numerical Analysis,
International
JournalofAutomation
Technology,3-4(2009), 457-464.
2) T. Ohashi, H-J.Lian, S. Saito, A.Namisashi, T.
Sato, J. Lin, Steel Research International,ICTP2011 Special Edition(2011), 379-384.

図１１ 異物が無い場合の荷重変化例（打ち抜きなし）

0Load /N-10000
Unit no.7
Unit no.8
Unit no.10
Unit no.12-20000-30000740760780 800
Time ×10-2 /s

820840

図１２ 異物位置 No.)9 の荷重変化（打ち抜きなし）

等間隔
変更1回目
変更2回目

Y / mm150
100３．２ パンチ磨耗
２．２節に述べた方法で，支持点位置を変え，荷重の均等化50を図った．その一例を図１３に示す．支持点位置を，初期の格子状とした場合の，パンチの磨耗状態を図１４に示す．また，00

変更２回目の状態でのパンチ摩耗状態を図１５に示す．既報 2)のとおり，支持力の均等化によって横揺れが減り，本研究では，

100200X / ｍｍ300

さらにその結果としてパンチ摩耗が減少したことが確認できた．
図１３ 支持点位置

４． 考察とまとめ
本研究では，金型多点支持装置を用いて，ブランキングでの異物挟み込みの異常や，ブレイクスルー時の上下型の横ずれによるパンチ磨耗を検知する要素技術について検討した．異物挿み込みに関しては，パンチによる打ち抜きが開始される前に，ストリッパプレートが異物を圧縮することで異物が変形し被加工材にめり込んでしまうため，加工荷重（最大荷重）分布に与える影響はほとんどないことがわかった．そこで，ストリッパ

図１４ 等間隔支持におけるパンチ磨耗状態（ネガ）プレート接触から，パンチ接触までの時間帯の荷重の異常をモニタリングすることで，異物挿み込みの異常を検知することができる．この時間帯において本研究で用いた金型は，２つのばねでストリッパプレートを支えるような状態となるため，支持ユニットの支持荷重分布から挿み込み位置を検知，構造解析することは」困難であった，今後の研究課題として，このばねによる支持荷重を直接モニタリングすることにより，挿み込み位置の検知を可能とすることが考えられる．また，，支持ユニット

図１５ 変更２回目におけるパンチ磨耗状態（ネガ）ー 11 ー