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公開番号2021013978
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210212
出願番号2019129246
出願日20190711
発明の名称せん断加工方法
出願人株式会社神戸製鋼所
代理人個人
主分類B23D 15/08 20060101AFI20210115BHJP(工作機械;他に分類されない金属加工)
要約【課題】せん断刃の負荷の上昇及びせん断刃の金属板への押し込み量の増加を抑制し、且つせん断端部の水素誘起割れの発生を低減することができるせん断加工方法を提供する。
【解決手段】金属板の平面方向にクリアランスを設け、且つ前記金属板を挟んで位置付けられた上刃及び下刃により、前記金属板の板厚方向に対して0°超20°未満の方向に前記金属板をせん断するせん断加工方法であって、(1)前記上刃及び前記下刃のいずれか一方又は両方を、前記クリアランスが狭まるように、前記板厚方向に対して斜め方向に移動させて前記金属板に押し込むことにより、前記金属板をせん断する、又は(2)前記上刃を前記板厚方向又は板厚方向に対して斜め方向に移動させて前記金属板に押し当てながら、前記上刃の側面方向に向かって前記金属板を移動させて、前記上刃を前記金属板に押し込むことにより、前記金属板をせん断する、せん断加工方法である。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
金属板の平面方向にクリアランスを設け、且つ前記金属板を挟んで位置付けられた上刃及び下刃により、前記金属板の板厚方向に対して0°超20°未満の方向に前記金属板をせん断するせん断加工方法であって、
(1)前記上刃及び前記下刃のいずれか一方又は両方を、前記クリアランスが狭まるように、前記板厚方向に対して斜め方向に移動させて前記金属板に押し込むことにより、前記金属板をせん断する、又は
(2)前記上刃を前記板厚方向又は板厚方向に対して斜め方向に移動させて前記金属板に押し当てながら、前記上刃の側面方向に向かって前記金属板を移動させて、前記上刃を前記金属板に押し込むことにより、前記金属板をせん断する、
せん断加工方法。
続きを表示(約 130 文字)【請求項2】
前記板厚方向に対して5°以上20°未満の方向に前記金属板をせん断する請求項1に記載のせん断加工方法。
【請求項3】
前記上刃及び/又は前記下刃の刃先が直角形状である請求項1又は2のいずれかに記載のせん断加工方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、せん断加工方法に関する。
続きを表示(約 6,700 文字)【背景技術】
【0002】
近年、例えば、自動車用骨格部品の強度をより向上させるため、その素材として980MPa以上の高張力鋼(超ハイテン)が採用されている。自動車用骨格部品は、通常、鋼板にせん断加工を施した後、更にプレス成形を施すことにより製造される。
【0003】
せん断加工方法として、例えば、特許文献1には、シャーせん断刃に対し、被加工板の前方及び後方を固定しながら、シャーせん断刃を用いて被加工板をせん断するシャーせん断方法が開示されている。
【0004】
また、せん断加工方法の1つである打ち抜き加工方法として、例えば、特許文献2には、パンチ及びダイを用いて金属板に穴を空ける打ち抜き加工をした後、打ち抜き方向と同一方向に伸びフランジ加工をする金属板の打ち抜き加工方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
特開2006−231425号公報
特開2009−255167号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
高張力鋼は強度が高いため、せん断加工の際、せん断刃に強い力を付加する必要がある。そのため、せん断刃の刃先の負荷が大きく、刃先が早期に摩耗してせん断刃の寿命が短くなる傾向があり、せん断刃の交換コストが増大し得る。
また、高張力鋼にせん断加工を施すと、水素起因の遅れ破壊とされる微小な割れ(以下、「水素誘起割れ」と呼ぶことがある)がせん断端部に発生することがあり、最終製品の信頼性が低下し得る。このことは、とりわけ1.2GPa級の高張力鋼の場合に顕著となり得る。
【0007】
本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、せん断刃の負荷の上昇を抑制し、且つせん断端部の水素誘起割れの発生を低減することができるせん断加工方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の態様1は、金属板の平面方向にクリアランスを設け、且つ前記金属板を挟んで位置付けられた上刃及び下刃により、前記金属板の板厚方向に対して0°超20°未満の方向に前記金属板をせん断するせん断加工方法であって、
(1)前記上刃及び前記下刃のいずれか一方又は両方を、前記クリアランスが狭まるように、前記板厚方向に対して斜め方向に移動させて前記金属板に押し込むことにより、前記金属板をせん断する、又は、
(2)前記上刃を前記板厚方向又は板厚方向に対して斜め方向に移動させて前記金属板に押し当てながら、前記上刃の側面方向に向かって前記金属板を移動させて、前記上刃を前記金属板に押し込むことにより、前記金属板をせん断する、
せん断加工方法である。
【0009】
本発明の態様2は、前記板厚方向に対して5°以上20°未満の方向に前記金属板をせん断する態様1に記載のせん断加工方法である。
【0010】
本発明の態様3は、前記上刃及び/又は前記下刃の刃先が直角形状である態様1又は2に記載のせん断加工方法である。
【発明の効果】
【0011】
本発明の実施形態により、せん断刃の負荷の上昇を抑制し、且つせん断端部の水素誘起割れの発生を低減することができるせん断加工方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
図1は、本発明の実施形態に係るせん断加工方法を示す概略図である。
図2は、本発明の実施形態に係るせん断加工方法を示す概略図である。
図3は、本発明の実施形態に係るせん断加工方法を示す概略図である。
図4は、上刃の形状の例を示す概略図である。
図5は、実施例のFEM解析に用いたせん断加工方法を示す概略図である
図6は、上刃の負荷と傾斜角度との関係を示すグラフである。
図7は、下刃の負荷と傾斜角度との関係を示すグラフである。
図8は、上刃の分離時ストローク量と傾斜角度との関係を示すグラフである。
図9は、平均相当ひずみと傾斜角度との関係を示すグラフである。
図10は、加工硬化領域の広さ(要素数)と傾斜角度との関係を示すグラフである。
図11は、平均残留応力の合計と傾斜角度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0013】
本発明者らは、上述の課題を解決するために鋭意検討を行った。その結果、本発明者らは、金属板の平面方向にクリアランスを設け、且つ金属板を挟んで位置付けられたせん断刃を用い、クリアランスが狭まるようにせん断刃を斜めに移動させるか、あるいは、せん断刃を金属板に押し当てると同時に金属板を平行移動させることにより、金属板の板厚方向に対して斜め方向に所定の角度で金属板をせん断することを着想した。そして、本発明者らは、このようなせん断方法により、せん断刃の負荷の上昇を抑制し、且つせん断端部の水素誘起割れの発生を低減することができることを見出し、本発明を完成した。
以下、本発明の実施形態に係るせん断加工方法の詳細を説明する。
【0014】
図1は、本発明の実施形態に係るせん断加工方法を示す概略図であり、金属板10を上刃30及び下刃50(以下、「せん断刃」と呼ぶことがある)でせん断する直前の様子を示している。また、図1及び後述の図2〜5は、金属板10の平面方向及びせん断刃の長手方向に垂直な断面を表している。金属板10の上下方向にはそれぞれ、上刃30及び下刃50が位置付けられており、また、上刃30と下刃50との間には、金属板10の平面方向にクリアランスが設けられている。図1に示される状態から、上刃30の刃先31と下刃50の刃先51とを結ぶ直線(点線)方向、すなわち、金属板10の板厚方向に対して斜め方向にθ[°]の角度で金属板10をせん断する。その際、当該直線方向又はその近傍に、せん断力が付加され、且つ亀裂が進展して、金属板10がせん断される。上記「斜め方向」、すなわち、金属板の板厚方向に対するせん断方向を「傾斜角度」(θ)と呼ぶことがあり、傾斜角度θは0°超20°未満である。
【0015】
このように、本発明の実施形態に係るせん断加工方法では、0°超20°未満の傾斜角度でせん断し、また、せん断力の付加方向と亀裂の進展方向とが略一致するため、小さなせん断力で亀裂の進展を促進させて、せん断することができる。そのため、せん断刃の負荷の上昇を抑制することができる。
【0016】
また、せん断端部に発生する水素誘起割れは、せん断端部の加工硬化及び残留応力により発生し易くなる傾向がある。本発明の実施形態に係るせん断加工方法では、0°超20°未満の傾斜角度でせん断し、また、せん断力の付加方向と亀裂の進展方向とが略一致することにより、亀裂の進展が促進されるため、せん断端部において、加工硬化領域の増加を抑制し、更にせん断端部の残留応力を低減することが容易となる。その結果、せん断端部の水素誘起割れの発生を低減することができる。
【0017】
また、せん断刃を金属板に押し込むにつれて、金属板の押し込み部近傍にダレが生じ、次いでせん断面が現れ、最終的に金属板が破断して破断面が形成し、金属板のせん断が完了する。本発明の実施形態に係るせん断加工方法では、0°超20°未満の傾斜角度でせん断し、また、せん断力の付加方向と亀裂の進展方向とが略一致することにより、亀裂の進展が促進されるため、せん断刃の金属板への押し込み量の増加を抑制することがより容易となる。金属板に破断が生じた際の、せん断刃の金属板への押し込み量のうち、板厚方向の成分を「分離時ストローク量」と呼ぶことがある。分離時ストローク量は、せん断刃の金属板への押し込み量の指標であり、分離時ストローク量が少ない程、少ない押し込み量で金属板の亀裂を促進させ、より容易に金属板を破断できる。
【0018】
本発明の実施形態に係るせん断方法では、以下の2つの態様のいずれかで、板厚方向に対して0°超20°未満の方向に金属板をせん断する。
【0019】
1つの態様において、上刃30及び下刃50のいずれか一方又は両方を、上刃30と下刃50とのクリアランスが狭まるように、金属板10の板厚方向に対して斜め方向に移動させて金属板10に押し込むことにより、金属板10をせん断する。これにより、上刃30を金属板10に押し込むにつれて、上刃30の刃先31と下刃50の刃先51とが近接するため、金属板の亀裂を促進させることができる。例えば、図2に示すように、固定した下刃50上に金属板10を載置し、金属板10の板厚方向に対して斜め方向(傾斜角度θ:0°超20°未満、矢印A)に、上刃30を金属板10に押し込むことにより、金属板10をせん断してよい。この態様において、傾斜角度θは、上刃30と下刃50とのクリアランスが狭まる方向を「正(+)」とし、当該クリアランスが広がる方向を「負(−)」と定義する。また、せん断加工の精度をより高める観点から、図2に示すように、押さえ冶具70を用いて、金属板10の上面を押さえてよい。
【0020】
別の態様において、上刃30を板厚方向又は板厚方向に対して斜め方向に移動させて金属板10に押し当てながら、上刃30の側面方向に向かって金属板10を移動させて、上刃30を金属板10に押し込むことにより、金属板10をせん断する。例えば、図3に示すように、固定した下刃50上に金属板10を載置し、上刃30を金属板10の板厚方向(矢印B)に移動させて金属板10に押し当てながら、上刃30の側面方向(矢印C)に向かって金属板10を移動させることにより、金属板10をせん断してよい。この実施形態では、上刃30が金属板10の板厚方向に移動すると同時に金属板10が上刃30の側面方向に向かって移動するため、相対的に、上刃30が金属板10に斜め方向(傾斜角度θ:0°超20°未満、矢印Bのベクトルと矢印Cの逆ベクトルとのベクトル和に相当する矢印A)に押し込まれる。その結果、金属板10の板厚方向に対して斜め方向に金属板をせん断することができる。この態様によれば、例えば、金属板を押し出す機構を備えた金型を用いて、金属板を押し出しながら、連続して金属板をせん断することができる。また、せん断加工の精度をより高める観点から、図3に示すように、押さえ冶具70を用いて、金属板10の上面を押さえてよい。
【0021】
本発明の実施形態に係るせん断加工方法において、金属板の板厚方向に対して5°超の方向に金属板をせん断することが好ましく、また、金属板の板厚方向に対して15°以下の方向に金属板をせん断することが好ましい。これにより、せん断刃の負荷の上昇、あるいは、せん断端部の加工硬化領域の増加を抑制することがより容易となり、更に、せん断端部の残留応力を低減することがより容易となる。
【0022】
本発明の実施形態に係るせん断加工方法において、上刃及び/又は下刃の刃先の形状は特に限定されず、図1〜3及び後述の図5に記載されているような直角形状であってよい。また、例えば、上刃の形状は、図4の(a)に示すように、R面取りされていてもよく、図4の(b)及び(c)に示すように、鈍角形状又は鋭角形状であってもよい。これは下刃の形状についても同様である。
【0023】
本発明の実施形態に係るせん断加工方法の効果は、当然のことながら、実際に金属板にせん断加工を施すことにより実証することができるが、解析ソフトを用いたシミュレーション、例えば、3次元モデルでのFEM(Finite Element Method;有限要素法)解析によって実証することもできる。FEM解析に用いることができる解析ソフトとして、例えば、Transvalor社製の「FORGE」が挙げられる。
【0024】
FEM解析において、延性破壊の条件式として、Cockcroft & Lathamの式を用いてよい。
また、延性破壊の閾値は、せん断加工が施された実際の金属板のせん断端部の形状に近似する形状を模擬できるように設定することができ、例えば、実際の金属板のせん断端部のせん断面の長さに合うように設定してよい。
【実施例】
【0025】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前述及び後述する趣旨に合致し得る範囲で、適宜変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【0026】
Transvalor社製のFEM解析ソフト「FORGE」を用いて、図5に示すせん断方法をシミュレーションして解析した。設定条件は以下の通りである。
【0027】
・金属板10
1470MPaの高張力鋼板(弾塑性体)、板厚:1.2mm、
・上刃30及び下刃50
弾性体
・押さえ冶具70
剛体
・上刃30と下刃50との間のクリアランス(金属板10の平面方向)
上刃30及び下刃50が金属板10に当接した状態(初期状態、図5)でのクリアランス:0.18mm(板厚の15%)
・せん断
図5に示す初期状態から、上刃30を矢印Aの方向に、傾斜角度θで移動して金属板10をせん断した。傾斜角度θは、上刃30と下刃50とのクリアランスが狭まる方向を「正(+)」とし、当該クリアランスが広がる方向を「負(−)」と定義した。
・延性破壊の条件式
Cockcroft & Lathamの式
・延性破壊の閾値
せん断加工が施された実際の金属板のせん断端部の形状に近似する形状を模擬し、実際の金属板のせん断面の長さに合うように設定
【0028】
上記設定条件で、傾斜角度θを−15°〜20°まで変化させてFEM解析を行い、(1)上刃30の負荷、(2)下刃50の負荷、(3)せん断端部の平均相当ひずみ、(4)せん断端部の加工硬化領域の広さ(要素数)、及び(5)せん断端部の平均残留応力(板厚方向、板面方向)を求めた。なお、分離時ストローク量も参考値として求めた。
【0029】
・上刃及び下刃の負荷
上刃30を金属板10に当接させてから金属板10が破断するまでの間に、上刃30及び下刃50の刃先に付加される相当応力を、分離時ストローク量で積分した値をそれぞれ、上刃30及び下刃50の負荷と定義した。相当応力は、各計算ステップにおける値の上位7要素の平均値を用いた。傾斜角度θが0°(従来のせん断方法)の場合よりも負荷が20%以上高いもの(上刃については1228MPa・mm以上、下刃については1202MPa・mm以上)を不合格とした。合格であるものをせん断刃の負荷が低減できたと判定した。
【0030】
・せん断端部の平均相当ひずみ、せん断端部の加工硬化領域の広さ
せん断端部が加工硬化すると、加工硬化した部分のひずみが高くなる。水素誘起割れが十分に起こり得るひずみ値として、0.2を閾値として選択し、金属板10の破断後、相当ひずみの値が0.2を超える全要素の平均値を、せん断端部の平均相当ひずみと定義し、相当ひずみの値が0.2を超える要素の領域を加工硬化領域と定義した。各要素のサイズは略同等であるため、要素の数は領域の広さを表す。傾斜角度θが0°(従来のせん断方法)の場合よりも、0.2を超える領域が20%以上広い(0.2を超える要素の数が20%以上多い、562以上)ものを不合格とした。合格であるものを、加工硬化領域の増加を抑制することができたと判定した。
(【0031】以降は省略されています)

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