JP2011088152A

JP2011088152A - せん断加工条件の設定方法

Info

Publication number: JP2011088152A
Application number: JP2009240947A
Authority: JP
Inventors: Takashi Matsuno; 崇松野
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2009-10-20
Filing date: 2009-10-20
Publication date: 2011-05-06
Anticipated expiration: 2029-10-20
Also published as: JP5493687B2

Abstract

【課題】伸びフランジ加工性に優れるせん断加工端面を得ることができる、パンチ刃の傾斜角度の設計方法を提供する。
【解決手段】切断線方向に対して傾斜角度を有する上刃からなるパンチと、下刃を有するダイによるせん断加工の数値シミュレーションを、該傾斜角度を変えて複数回行い、該数値シミュレーション上でパンチ刃先が被加工材板厚の１０〜３０％の何れかの比率だけ食い込んだ時点において、予め選定された伸びフランジ割れ危険部位を中心とする評価領域の平均の応力３軸度を算出し、該平均応力３軸度が最大となる傾斜角度をせん断加工端面の伸びフランジ性に対する最適な傾斜角度とすることを特徴とする、せん断加工条件の設定方法。ただし、応力３軸度はσ₁,σ₂,σ₃を主応力とした場合に、

である。
【選択図】図６

Description

本発明は自動車、家電製品、建築構造物、船舶、橋梁、建設機械、各種プラント、ペンストック等で用いられる鉄、アルミニウム、チタン、マグネシウムおよびこれら合金等の金属板の打ち抜き装置に関するものであり、特にせん断加工によって生じるせん断加工端面の伸びフランジ性向上に関するものである。

自動車、家電製品、建築構造物等の金属板には、図１のようにパンチ２とダイ３によるせん断加工が施されることが多い。図２に示すようにせん断加工面は、被加工材１がパンチ２により全体的に押し込まれて形成されるダレ４、パンチ２とダイ３のクリアランス内（以下特に記載がなく“クリアランス”と表記した場合は、パンチ２とダイ３のクリアランスを指すこととする）に被加工材１が引き込まれ局所的に引き伸ばされて形成されるせん断面５、パンチ２とダイ３のクリアランス内に引き込まれた被加工材１が破断して形成される破断面６、および被加工材１裏面に生じるバリ７によって構成される。

通常は打ち抜き荷重と騒音の低減のために図３のごとく切断線方向（打ち抜き方向ともいう）に対して傾斜した刃（傾斜刃ともいう）を使用するが、このような刃の場合、該傾斜角度を適切に設定しなければ平坦刃によるせん断加工端面よりも伸びフランジ性が劣る。これは、傾斜刃９によりせん断加工時に亀裂が発生しにくくなり、端面が平坦刃でせん断加工した場合よりも加工硬化しているためであること、および、傾斜刃９による被加工材１の幅方向の撓みと不十分な板逆押さえによる打ち抜き時の被加工材１長手方向の過大な湾曲により、平坦な刃によるものと比べて打ち抜き端面の加工硬化や端面性状の荒れが大きくなることが原因と思われる。

このような観点から、伸びフランジ成形予定部位のみを平坦刃とするせん断加工方法が下記特許文献１に、板湾曲を防ぐために伸びフランジ成形予定部位のみを傾斜した板逆押さえを用いて押さえる方法が下記特許文献２に記載されている。

また、これら以外にも、伸びフランジ性向上を狙ったものではないが、せん断加工形状の精度を向上させるために、傾斜角度及び切断速度を可変自在とする発明が下記特許文献３に、傾斜角刃複数を独立に駆動して切断部分の直線度や切断面の品質を高めることができるせん断装置が下記特許文献４に記載されている。

特開２００９−０５１００１号公報特開２００９−０５１０００号公報特開平０７−１０８４１１号公報特開平８−２５２７１８号公報

以上の特許文献１〜４に開示される技術には、いくつかの課題が存在する。

特許文献１記載の方法は伸びフランジ部が複数の場合、刃が複雑な形状となってしまい、金型コストがかかる。特許文献２記載の方法は、板逆押さえを用いることによりスクラップ処理の手間がかかる。特許文献３、４記載の方法は、装置が複雑となってしまい、コストがかかると同時に汎用性に欠ける。また、伸びフランジ性向上効果についての記載も無い。

本発明は、コスト増や装置・金型の複雑化を避け、傾斜角度とクリアランスの変更のみで伸びフランジ性を向上させることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の要旨とするところは、特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
（１）切断線方向に対して傾斜角度を有する上刃からなるパンチと、下刃を有するダイによるせん断加工の数値シミュレーションを、該傾斜角度を変えて複数回行い、該数値シミュレーション上でパンチ刃先が被加工材板厚の１０〜３０％の何れかの比率だけ食い込んだ時点において、予め選定された伸びフランジ割れ危険部位を中心とする評価領域の平均の応力３軸度を算出し、該平均応力３軸度が最大となる傾斜角度をせん断加工端面の伸びフランジ性に対する最適な傾斜角度とすることを特徴とする、せん断加工条件の設定方法。
ただし、応力３軸度はσ₁,σ₂,σ₃を主応力とした場合に、

である。
（２）切断線方向に対して傾斜角度を有する上刃からなるパンチと、下刃を有するダイによるせん断加工の数値シミュレーションを、該傾斜角度及びパンチとダイとのクリアランスを変えて複数回行い、該数値ミュレーション上でパンチ刃先が被加工材板厚の１０〜３０％の何れかの比率だけ食い込んだ時点において、予め選定された伸びフランジ割れ危険部位を中心とする評価領域の平均の応力３軸度を算出し、該平均応力３軸度が最大となる傾斜角度及びパンチとダイとのクリアランスをせん断加工端面の伸びフランジ性に対する最適な傾斜角度及びパンチとダイとのクリアランスの組み合わせとすることを特徴とする、せん断加工条件の設定方法
ただし、応力３軸度はσ₁,σ₂,σ₃を主応力とした場合に、

である。

本発明によれば、コスト増や装置・金型の複雑化を避け、傾斜角度とクリアランスの変更のみで伸びフランジ性を向上させることができるせん断加工条件の設定方法を提供でき、その結果、伸びフランジ加工性に優れるせん断加工端面を得ることができるパンチ刃の傾斜角度の設計方法を提供することができるなど、産業上有用な著しい効果を奏する。

以下に本発明の詳細を述べる。

本発明者等は、傾斜刃９によるせん断加工において、傾斜角度と被加工材１の伸びフランジ性の関係を実際に評価試験をして調べたところ、特定の傾斜角度で伸びフランジ性がピークとなる傾向を知見した。なお、伸びフランジ予定部とは、例えば図４に示すように、打ち抜き切断加工後のフランジアップ成形に際し、切断面に引張変形が加えられる内周側の伸びフランジ部２１をいう。

実験したせん断加工条件を模擬して数値シミュレーションを行ったところ、傾斜角度には２つの効果、１）被加工材１を回転させる効果による切断予定部への引張り力（図３参照）、２）切断距離が長くなることによる刃先近傍圧縮圧の増加、が確認された。刃先からの亀裂が発生し易い工具条件においてはせん断加工端面の加工硬化が減少し伸びフランジ性は向上する。１）の効果は刃先からの亀裂発生を促進させ、２）の効果は亀裂発生を抑制させることが広く知られており、これらの効果が相乗した最も亀裂発生がし易い傾斜角度において、伸びフランジ性がピークとなったと考えられる。

１）と２）の効果双方を１つの指標で計る手段として、応力３軸度による評価が挙げられる。応力３軸度は１）における引張り力が高ければ増加し、２）の圧縮応力が高ければ減少する。よって、応力３軸度が最も高くなる条件で伸びフランジ性はピークとなる。数値シミュレーションでこの条件を選定する場合、被加工材１のどの領域までの応力３軸度を評価するのかが問題となる。本発明者等は試行錯誤の結果、図５の部位６のような伸びフランジ割れ危険部位を中心とする評価領域１１の平均値により評価すれば実験結果の再現性がよいことを知見した。さらに、実際のせん断加工のように被加工材１の破断をシミュレーションで再現する必要がなく、伸びブランジ予定部にパンチ２が被加工材１の板厚の１０〜３０％の間の何れかの値だけ食い込んだ時点で前記応力３軸度の評価を行えば、切断まで再現する場合と同等の評価結果が得られることが分かった。切断をシミュレーションで再現することは計算負荷が高いため、本手法によれば簡略に評価することができる。

前記危険部位の位置は、実験によって決定し、一番最初に割れた部位とすることが好ましく、評価領域の大きさは、図５に示すように、１）パンチ２、ダイ３間の切断稜線１０の接線方向の距離が被加工材１の板厚、２）板厚方向の距離がパンチ２とダイ３の板厚方向距離、３）切断稜線１０の垂直方向の距離がパンチ２とダイ３のクリアランスの３つを満足する面に囲まれた領域の大きさとすることが好ましく、このような位置と大きさが最も実験の結果を再現することができる。

以上により、特定のクリアランスのもと、傾斜角度のみを変えた複数回の数値シミュレーションを行い、最も上記の応力３軸度評価値が高い傾斜角度を伸びフランジ性に最適な傾斜角度として設計することができる（前記（１）に係る発明）。また、同時にクリアランスも変えた複数回のシミュレーションを行って同様の評価を行うことで、伸びフランジ性に対して最適なクリアランスと傾斜角度の組み合わせを選定することも可能である（前記（２）に係る発明）。なお、シミュレーションを行う回数（工具条件の数）は２度以上であれば良いが、回数が増えるほど最適傾斜角度が精度よく求まる。

本発明の効果を実証することを目的として、３．２ｍｍ厚の最大引張り強度が５９０(MPa)である鋼板を対象に、半径15[mm]の半円を抜き落とすことを想定した図６に示すシミュレーションを行い、伸びフランジ性に対して最適な傾斜角度１２の選定を行った。図６のシミュレーションは商用の有限要素法コードであるABAQUS/STANDARDを用いて行い、板厚方向に２０分割となるように被加工材１を要素分割した。クリアランスは０．３２[mm」に設定し、傾斜角度１２の水準は０度、０．５度、１度、１．５度、２度とした。応力３軸度を評価する際のパンチ２押し込み量は板厚の２０％である。また、評価部は切断線のR部中心である。

図７に、応力３軸度の評価値を示す。傾斜角度１２が０．５度が最も評価値が大きくなっており、傾斜角度０．５度が伸びフランジ性に最適な傾斜角度として選定された。図８は実際に伸びフランジ試験を行った結果である。伸びフランジ試験としては図９に示す、面内曲げ試験を行い、切断端面を亀裂が板厚方向に貫通した際の半円端部間距離８を評価値とした。傾斜角度が０．５度の際に最も伸びフランジ性は良くなっており、シミュレーションによる評価結果と一致していることが分かる。以上より、本発明の有効性が確認された。

本発明の効果を実証することを目的として、実施例１と同じシミュレーションを行い、伸びフランジ性に対して最適な傾斜角度とクリアランスの組み合わせの選定を行った。傾斜角度１２の水準は０度、０．５度、１度、１．５度、２度であり、クリアランスは０．１６[mm]、０．３２[mm]、０．４８[mm]とした。応力３軸度を評価する際のパンチ２押し込み量は板厚の２０％である。また、評価部は切断稜線のR部中心である。

図１０に、応力３軸度の評価値を示す。傾斜角度１２が０．５度、クリアランス０．１６[mm]の組み合わせが最も評価値が大きくなっており、伸びフランジ性に最適な傾斜角度１２とクリアランスの組み合わせとして選定された。図１１は実際に伸びフランジ試験を行った結果である。伸びフランジ試験としては実施例１と同様、図１０に示す面内曲げ試験を行った。傾斜角度１２が０．５度、クリアランスが０．１６[mm]の際に最も伸びフランジ性は良くなっており、シミュレーションによる評価結果と一致していることが分かる。以上より、本発明の有効性が確認された。

一般的なせん断加工を模式的に示した正面図である。せん断加工された被加工材の打ち抜き面を模式的に示す断面図である。傾斜部を有するパンチによるせん断加工を模式的に示す図であり、(a)は立面図、(b)は側面図である。伸びフランジ加工を模式的に示す図であり、(a)は加工前、(b)は加工後を示す。応力３軸度評価領域を模式的に示す図であり、(a)は概観図、(b)は断面図である。実施例１、２で行ったシミュレーションを示す図であり、(a)シミュレーション概要 (b) シミュレーション結果例（応力３軸度コンター）(c) 工具図である。実施例１で行ったシミュレーション結果を示す図である。実施例１で行った実験結果を示す図である。伸びフランジ性評価のための面内曲げ試験を模式的に示す図である。実施例２で行ったシミュレーション結果を示す図である。実施例２で行った実験結果を示す図である。

１被加工材（金属板）
２パンチ
３ダイ
４だれ
５せん断面
６破断面
７ばり
８板押さえ
９パンチの傾斜刃部
１０切断稜線
１１応力３軸度評価部
１２刃の傾斜角度

Claims

切断線方向に対して傾斜角度を有する上刃からなるパンチと、下刃を有するダイによるせん断加工の数値シミュレーションを、該傾斜角度を変えて複数回行い、該数値シミュレーション上でパンチ刃先が被加工材板厚の１０〜３０％の何れかの比率だけ食い込んだ時点において、予め選定された伸びフランジ割れ危険部位を中心とする評価領域の平均の応力３軸度を算出し、該平均応力３軸度が最大となる傾斜角度をせん断加工端面の伸びフランジ性に対する最適な傾斜角度とすることを特徴とする、せん断加工条件の設定方法。
ただし、応力３軸度はσ₁,σ₂,σ₃を主応力とした場合に、

である。
切断線方向に対して傾斜角度を有する上刃からなるパンチと、下刃を有するダイによるせん断加工の数値シミュレーションを、該傾斜角度及びパンチとダイとのクリアランスを変えて複数回行い、該数値ミュレーション上でパンチ刃先が被加工材板厚の１０〜３０％の何れかの比率だけ食い込んだ時点において、予め選定された伸びフランジ割れ危険部位を中心とする評価領域の平均の応力３軸度を算出し、該平均応力３軸度が最大となる傾斜角度及びパンチとダイとのクリアランスをせん断加工端面の伸びフランジ性に対する最適な傾斜角度及びパンチとダイとのクリアランスの組み合わせとすることを特徴とする、せん断加工条件の設定方法
ただし、応力３軸度はσ₁,σ₂,σ₃を主応力とした場合に、

である。