JP2018134645A

JP2018134645A - フランジ付き穴形状の成形方法

Info

Publication number: JP2018134645A
Application number: JP2017028997A
Authority: JP
Inventors: 尾崎　芳宏; Yoshihiro Ozaki; 芳宏尾崎; 亮伸石渡; Akinobu Ishiwatari
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2017-02-20
Filing date: 2017-02-20
Publication date: 2018-08-30
Anticipated expiration: 2037-02-20
Also published as: JP6583305B2

Abstract

【課題】従来のバーリング加工や円筒絞り成形では割れを生じて困難であったフランジ付穴形状を成形することのできるフランジ付き穴形状の成形方法を提供する。【解決手段】本発明に係るフランジ付き穴形状の成形方法は、金属板にフランジ付き穴形状を形成するフランジ付き穴形状の成形方法であって、母材金属板１に下穴３を形成する下穴形成工程と、下穴３を母材金属板１よりも変形しやすい金属板からなる閉塞部材５で塞いで閉塞部材５を母材金属板１に接合して成形用のブランク７とするブランク製造工程と、ブランク７における閉塞部材５を含む部分を円筒絞り成形する円筒絞り成形工程と、円筒形状の底部を切除して閉塞部材５を取り除く工程とを備えたことを特徴とするものである。【選択図】図１

Description

本発明は、金属板を素材とした各種工業製品の成形方法に関し、特に穴フチにフランジを有するフランジ付き穴形状の成形方法に関するものである。

金属板を素材とするフランジ付き穴形状の成形には、例えば、特許文献１に記載されるバーリング加工、あるいは特許文献２に記載される円筒絞り成形が用いられるのが一般的である。

特開２０１０−７５９３１号公報特開２０１０−９４７１６号公報

バーリング加工による加工方法を図５、図６に基づいて説明する。
バーリング加工はブランク１１に製品径より小さい径の下穴３(φd)をあけた後（図５（ａ）参照）、ブランク１１をダイ１３とブランクホルダ１５で挟み、製品の目標穴内径(φD)と同じ直径のパンチ１７で押し広げながらフランジ１１ａを立て（図６（ａ）〜（ｃ）参照）、あるいはさらに所定のフランジ１１ａを残して底部を切除すること（図５（ｂ）参照）で所望の形状を得る（図５（ｃ）参照）。このとき、目標とする穴径だけでなくフランジ１１ａの高さも考慮して下穴径を決める必要がある。すなわち、製品の目標フランジ高さをｈとすれば下穴径φdはｄ+2ｈ=Ｄを目安に調整する必要がある。一方で穴フチの最大伸び率はＤ/ｄなので、フランジ高さ(ｈ)が高いときはｄが小さくなって穴フチの伸び率も大きくなり穴フチには割れを生じやすい。
バーリング加工による従来法では外側（ブランク１１）からの材料流入が殆どない。その結果、下穴３のある中央側からの材料流入が支配的となり、下穴３の穴フチの伸びが大きく割れを生じやすい（図７参照）。

このような課題を解決するため、ブランク１１を伸び変形の大きな材質のものに変更したり、下穴３を打抜きする際にクリアランス調整によって切断時の破断面を少なくしたり、あるいはバリの出る方向をフランジ１１ａの内側にするなどの方法がとられる。

次に、円筒絞り成形による加工方法を図８、図９に基づいて説明する。
円筒絞り成形はブランク１１に下穴３をあけることなく（図８（ａ）参照）、製品の目標穴内径と同じ直径のパンチ１７で円筒形状に絞り加工した後（図９（ａ）〜（ｃ）参照）、所定高さのフランジ１１ａを残して底部を切除することで（図８（ｂ）参照）、フランジ付穴形状を得る（図８（ｃ）参照）。フランジ１１ａを高くするためには円筒絞りを深くする必要があり、目標の円筒絞りに到達せずにパンチ肩部で割れを生じることがある（図１０（ａ）参照）。
この割れを防ぐ対策として円筒絞りのプレス成形におけるシワ押さえ荷重を低減して材料を流入しやすくすると、割れは生じなくなるが、ブランク面にシワが発生して部品の品質（平坦度）が阻害されることもある（図１０（ｂ）参照）。

以上のように、従来の対処方法も、必ずしも十分なものでなく、目標とする製品形状の穴径とフランジ高さによっては成形ができない場合もあった。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、従来のバーリング加工や円筒絞り成形では割れを生じて困難であったフランジ付穴形状を成形することのできるフランジ付き穴形状の成形方法を提供することを目的としている。

（１）本発明に係るフランジ付き穴形状の成形方法は、金属板にフランジ付き穴形状を形成するフランジ付き穴形状の成形方法であって、
母材金属板に下穴を形成する下穴形成工程と、前記下穴を前記母材金属板よりも変形しやすい金属板からなる閉塞部材で塞いで該閉塞部材を前記母材金属板に接合して成形用のブランクとするブランク製造工程と、前記ブランクにおける前記閉塞部材を含む部分を円筒絞り成形する円筒絞り成形工程と、円筒形状の底部を切除して前記閉塞部材を取り除く工程とを備えたことを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記閉塞部材は、強度が前記母材金属板と同等もしくは大きく板厚が前記母材金属板よりも薄い金属板、または強度が前記母材金属板より小さく板厚が前記母材金属板と同等もしくは厚い金属板からなることを特徴とするものである。

本発明においては、母材金属板に下穴を形成する下穴形成工程と、前記下穴を前記母材金属板よりも変形しやすい金属板からなる閉塞部材で塞いで該閉塞部材を前記母材金属板に接合して成形用のブランクとするブランク製造工程と、前記ブランクにおける前記閉塞部材を含む部分を円筒絞り成形する円筒絞り成形工程と、円筒形状の底部を切除して前記閉塞部材を取り除く工程とを備えたことにより、バーリング加工や円筒絞り成形では割れが生じる場合にも、割れを生ずることなく成形することができ、成形できる形状の範囲を拡大できる。

本発明の一実施の形態におけるフランジ付き穴形状の成形方法の説明図である。図１に示したフランジ付き穴形状の成形方法の一部の工程の説明図である。実施例１で行った条件１〜５の説明図である。実施例２で行った条件６、７の説明図である。従来のバーリング加工の説明図である。図５に示したバーリング加工の一部の工程の説明図である。図５に示したバーリング加工の問題点を説明する説明図である。従来の円筒絞り成形の説明図である。図８に示した円筒絞り成形の一部の工程の説明図である。図８に示した円筒絞り成形の問題点を説明する説明図である。

本発明の一実施の形態に係るフランジ付き穴形状の成形方法は、図１に示すように、母材金属板１に下穴３(φd)を形成する下穴形成工程と（図１（ａ）参照）、下穴３を母材金属板１よりも変形しやすい金属板からなる閉塞部材５で塞いで閉塞部材５を母材金属板１に接合して成形用のブランク７とするブランク製造工程と（図１（ｂ）参照）、ブランク７における閉塞部材５を含む部分を円筒絞り成形する円筒絞り成形工程（図２（ａ）〜（ｃ）参照）と、円筒形状の底部を切除して閉塞部材５を取り除く工程（図１（ｃ）〜（ｄ）参照）とを備えたものである。

ブランク製造工程において用いる閉塞部材５は、母材金属板１よりも変形しやすい金属板であればよく、形状、強度（材質）と板厚等を適宜選択することで種々の態様を取り得る。
例えば、強度が母材金属板１と同等で板厚が母材金属板１よりも薄いものを適用できる。また、強度が母材金属板１よりも大きくても、板厚を母材金属板１よりも十分薄くすることで母材金属板１よりも変形しやすくすることもできる。
また、強度が母材金属板１よりも小さく板厚が母材金属板１と同等のものを適用できる。また、強度が母材金属板１よりも十分小さければ、母材金属板１よりも板厚が厚いものも適用できて、母材金属板１よりも変形しやすくすることができる。

加工後は目的のフランジ高さとするため、閉塞部材５は切除されるので、完成部品の形状と品質に応じて閉塞部材５の強度（材質）、径、板厚等を任意に選ぶことができる。つまり、閉塞部材５は、完成部品に残存するわけではなく、フランジ７ａの成形だけを考慮して適宜選択できるので、最も成形に適切なものを選択できる。

閉塞部材５の母材金属板１への接合方法は特に限定されないが、例えば溶接や、樹脂等のいわゆる接着剤を用いてもよい。閉塞部材５を接合する場合、必ずしも全周を接合する必要はなく部分的な接合であってもよく、等間隔で行う点付接合のように偏りなく接合されているとさらによい。
閉塞部材５は母材金属板１に形成した下穴３とほぼ同じか若干小さくして下穴３にはめ込むようにしてもよいし、あるいは下穴径よりも大きな面積で下穴３を覆うようにして塞いでもよい。

円筒絞り成形工程は、図２に示すように、ダイ１３とブランクホルダ１５でブランク７を挟み、パンチ１７をダイ１３側に移動してフランジ７ａを形成する工程である。
円筒絞り成形工程では、下穴３が母材金属板１よりも変形しやすい閉塞部材５で塞がれているため、バーリング加工のような穴フチが過剰に伸ばされることによる割れ発生が回避される。また、かかる円筒絞り成形には、閉塞部材５が伸ばされて径を拡大する変形だけでなく、バーリング加工とは異なるため、円筒部の周辺の母材金属板１が縦壁に流入する変形も寄与する。すなわちフランジに対応する円筒部の縦壁には母材金属板１の下穴周辺と、母材金属板１の周囲の両方から材料が移動して成形されるため下穴フチの広がりは従来のバーリング加工に較べて低減され、それ故に割れが抑制される。

また、閉塞部材５は、母材金属板１よりも変形しやすい材料であるため、従来の円筒絞り成形では成形できない深さ（高さ）まで加工することもできる。

閉塞部材５を取り除く工程では、図１（ｄ）に示すように、閉塞部材５を含む底部全体を切除してもよいし、閉塞部材５は切除するものの底部の一部を残すように切除してもよい。

以上のように、本実施の形態によれば、バーリング加工では穴フチが極度に変形するために生じていたフチ割れの問題と、従来の円筒絞り成形では下穴３を設けないためにパンチ肩部の割れが発生して絞り深さが制約されていたことの両方を解決することできる。
したがって、フランジ付き穴形状の成形において、バーリング加工や円筒絞り成形では割れを生じる場合に本発明を適用することで成形性が向上し、割れのない成形が可能な範囲を拡大できる。

本発明の効果を確認する実験を行ったので、以下これについて説明する。
実施例１では、閉塞部材の材料強度を母材金属板と同等にし、板厚を母材金属板よりも薄くした場合において、その板厚を変化させた場合について検討した。
実験は、板厚0.50mm、200×300mmサイズのフェライト系ステンレス鋼板（YS=310MPa,TS=480MPa）を母材金属板として、中央に穴内径φ100のフランジ付き穴形状を成形するというものである。
加工方法は以下に示す条件１〜５で、いずれの条件でも、直径φ100、パンチ肩RがR=5mmの平頭形状パンチを用いた。また、条件１〜５のそれぞれでパンチのストロークを5、10、15、20、25、30mmと変化させて比較した。

●条件１（比較例）
ブランク１１の中央に下穴３（φ40）をあけ、バーリング加工を行う（図３（ａ）参照）。なお、Ｓはパンチストロークであり、ｈはフランジ高さを示している。
●条件２（発明例）
母材金属板１の中央に下穴３（φ40）をあけ、その下穴３を板厚0.20mmの母材金属板１と同等の材質のフェライト系ステンレス鋼板（閉塞部材５）で塞ぎ、閉塞部材５をレーザーで円周方向12箇所を点付けで突合せ溶接してブランク７とし、これを円筒絞り成形した（図３（ｂ）参照）。
●条件３（発明例）
条件３は、閉塞部材５の板厚を0.25mmとしたものであり、他の条件は条件２と同じである。
●条件４（発明例）
条件４は、閉塞部材５の板厚を0.30mmとしたものであり、他の条件は条件２と同じである。
●条件５（比較例）
ブランク１１に下穴３をあけることなく、円筒絞り成形を行った（図３（ｃ）参照）。

表１に条件１〜５で成形または加工した結果を示す。

実施例１の結果によると、条件１の従来のバーリング加工および、条件５の下穴３のない円筒絞り成形ではフランジ高さ10mm（パンチストローク15mm）が限界であったのに対して、本発明例である条件２〜条件４ではいずも成形可能なフランジ高さの限界が向上した。
上記の結果から、下穴３を塞ぐ閉塞部材５を、母材金属板１より板厚を薄くして、相対的に変形しやすくすることで、成形性向上の効果が得られることが明らかとなった。

なお、表１に示されるように、条件２，３，４の発明例はそれぞれ比較例より改善しているが、成形の限界フランジ高さは必ずしも条件２→３→４の順（あるいはその逆）にはなっていない。閉塞部材５の板厚が薄い（板厚：0.20mm）条件２での変形挙動の割れ形態は条件1に類似し、レーザーで点付け接合されていない穴フチから割れが発生した。
他方、閉塞部材５の板厚0.30mmの条件４での変形挙動の割れ形態は条件５に類似していた。
その結果として、閉塞部材５の板厚を条件２と条件４の中間とする条件３のような最適な条件設定があることが明らかになった。

実施例２では、閉塞部材５の板厚を母材金属板１と同等とし、材料強度を母材金属板１よりも小さくした場合において、その強度を変化させた場合について検討した。
実施例1と同様に、板厚0.50mm、200×300mmサイズのフェライト系ステンレス鋼板（YS=310MPa、TS=480MPa）を母材金属板１として、中央に穴内径φ100のフランジ付き穴形状を成形する。加工方法は以下に示す条件６、７とし、いずれの条件でも、直径φ100、パンチ肩RはR=5mmの平頭形状パンチを用いた。
また、それぞれパンチのストロークを5、10、15、20、25、30mmとして比較した。目標としたフランジ付き穴形状を図４に示す。

●条件６（発明例）
母材金属板１の中央に下穴３（φ40）をあけ、その下穴３を板厚0.50mmでYS=195MPa、TS=400MPaのフェライト系ステンレス鋼板（閉塞部材５）で塞ぎ、閉塞部材５をアーク溶接で穴の全周を接合してブランク７とし、これを円筒絞り成形した。
●条件７（発明例）
条件７は、閉塞部材５の強度をYS=245MPa、TS=429MPaとしたものであり、他の条件は条件６と同じである。
表2には条件1、6、7、5で成形または加工した結果を示す。

表２に示すように、条件１の従来のバーリング加工および、条件５の下穴３のない円筒絞り成形ではフランジ高さ10mmが限界であったのに対して、本発明例である条件6、条件7ではいずれも成形可能なフランジ高さの限界が向上した。
上記の結果から、下穴３を塞ぐ閉塞部材５を母材金属板１より強度を小さくして、相対的に変形しやすくすることで、成形性向上の効果が得られることが明らかとなった。
なお、閉塞部材５がより軟質な条件６での変形挙動と割れ形態は条件1に類似している。他方、閉塞部材５が条件６よりも硬質な条件７での変形挙動と割れ形態は条件５に類似している。

１母材金属板
３下穴
５閉塞部材
７ブランク
７ａフランジ
１１ブランク（従来例）
１１ａフランジ（従来例）
１３ダイ
１５ブランクホルダ
１７パンチ

Claims

金属板にフランジ付き穴形状を形成するフランジ付き穴形状の成形方法であって、
母材金属板に下穴を形成する下穴形成工程と、前記下穴を前記母材金属板よりも変形しやすい金属板からなる閉塞部材で塞いで該閉塞部材を前記母材金属板に接合して成形用のブランクとするブランク製造工程と、前記ブランクにおける前記閉塞部材を含む部分を円筒絞り成形する円筒絞り成形工程と、円筒形状の底部を切除して前記閉塞部材を取り除く工程とを備えたことを特徴とするフランジ付き穴形状の成形方法。
前記閉塞部材は、強度が前記母材金属板と同等もしくは大きく板厚が前記母材金属板よりも薄い金属板、または強度が前記母材金属板より小さく板厚が前記母材金属板と同等もしくは厚い金属板からなることを特徴とする請求項１記載のフランジ付き穴形状の成形方法。