JPS5919806B2 - 深絞り成形法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、極低温での深絞り方法に関する。

深絞りは、例えば金属板のような平らな素材から浅い側
壁および深い側壁のカップまたは殻体を製造するのに使
用される周知の成形法である。鋼、アルミニウム、銅、
ステンレス鋼等の材料は、いずれも特有の絞り限界を有
している。この絞り限界は、通常、満足に絞り成形する
ことが可能なカップの直径ｄに対するブランク（素板）
の最大直径Ｄｍａｘの比率Ｄｍａｘ／ ｄ（限界しぼり
比）として、あるいは、ブランクの直径からカップの直
径にまで絞り可能な最大縮減率（百分率）１００（１−
ｄ／Ｄｍａｘ）（限界しぼり率）として表わされる。絞
り限界は、また、カップの直径に対するカツプの最大高
さの比Ｈｍａｘ／ｄにひ関連している。従つて材料の絞
り特性は、１回の絞り操作で得られるカツプの高さ対直
径比ｈ／ｄに上限を課する。深絞り限界を高めるために
、深絞り成形すべき材料をその成形操作に先立つて極低
温にまで冷却させること、あるいは、深絞り成形に使用
する絞りダイスを加熱すること、あるいは、深絞りすべ
きブランクの中央部分を加工硬化させることが、従来か
ら提案されている。

これらのどの方法による場合も、深絞り性にある程度の
改良が認められたが、特に面心立方晶構造または稠密六
方晶構造を有する金属または合金の場合には最適な絞り
性が得られない。本発明の特徴は、１回の絞り操作によ
り得られるＨｍａｘ／ｄ比率を改良し、それによつて設
計上の融通性を大きくし、再絞りの必要を回避し、比較
的安価な材料または薄肉の比較的高強度の材料を絞り成
形することを可能にすることである。

本発明の叙上およびその他の目的、特徴ならびに利点は
、添付図を参照して記述した以下の説明から一層明瞭に
なろう。略述すれば、本発明は、中央部とフランジ部と
を有する深絞り成形可能なブランクシートを深絞り成形
する方法において、（ａ）前記ブランクを約−５０℃以
下の温度にまで冷却する工程と、（ｂ）該ブランクのフ
ランジ部と中央部との間に約４０℃〜１５０℃の温度差
を設定するのに十分な温度だけ該フランジ部を中央部よ
り高い温度に加熱する工 、（ｃ）絞り工程を に
当つて該ブランクの中央部の初期温度を ℃以下とし
、かつ、前記工程（ｂ）において設定された温度差を維
持するのに十分な速度で該ブランクを凹状深絞りダイス
内へ該ダイスと合致する凸状パンチを用いて絞る工程と
から成る深絞り成形方法を提供する。

深絞り成形法においては、金属板ブランクの外周即ちフ
ランジ部が、成形加工すべき部分に圧縮力成分を含む力
が加えられる結果として変形される。

この圧縮力成分は、金属板ブランクの被加工部分の肉厚
を増大させる。深絞り成形法は、湾曲成形法とは異なる
。後゛者の場合は、引張力を加える結果として金属板の
少くども一部が変形される。そして引張力を加えられ成
形加工される金属板部分の肉厚は少くとも２％減少され
る。本発明において対象とされる板材は、面心立方（Ｆ
ｃｃ）結晶構造、稠密六方（Ｈｃｐ）結晶構造、または
体心立方（Ｂｅｃ）結晶構造またはそれらの組合せ結晶
構造を有する金属および合金、型打ち成形可能なプラス
チツクシート、型打ち成形可能な複合材料である。適当
な金属または合金の例としては、アルミニウム、銅、オ
ーステナイト型ステンレス鋼（Ｆｃｃ）、亜鉛およびチ
タン（Ｈｃｐ）、鋼およびマルテンナイト型ステンレス
鋼（Ｂｃｃ）などがある。また、型打ち成形可能なプラ
スチツクシートの例としては、ポリカーボネート、ポリ
塩化ビニル、ポリプロピレンがある。複合材料の例とし
ては、ガラス繊維補強プラスチツク、および各種補強繊
維入りアルミニウム板等がある。これらの材料が本発明
の方法でシートの形で使用される。シートは、通常、ロ
ール巻きの形か、あるいは、幅１２０１ｎ１（３０４８
ｍ）以下、厚さ１／４ｉｎ、（６．３５７ｍ）以下の所
定長に切断されたシートとして供給される。もちろん、
シートは、深絞りによつて成形可能なものとされていな
ければならない。シートは、ブランク、即ち所要の寸法
および形状に裁断された未成形素板の形で使用される。
また、このブランクは、それ自体をみた限りでは識別す
ることができないが、外方部分即ちフランジ部と、内方
部分即ち中央部の２つの部分を有する。フランジ部とは
、パンチと実際に接触する前にダイスに接触しており、
後にパンチとダイスの協同によりカツプの側壁の上方部
分として成形される部分と、その外周の残りのフランジ
（存在する場合は）とをいう。ブランクの中央部とは、
成形されたときカツプの底部と、側壁の下方部分となる
部分のことである。前記工程（ａ）において、ブランク
を約−５０℃以下の温度、好ましくは約−１００℃の温
度にまで冷却するが、このような温度は、液体窒素（Ｂ
．Ｐ．−１９６℃）、液体酸素（Ｂ．Ｐ．−１８３℃）
、液体アルゴン（Ｂ．Ｐ．−１８６℃）、液体ネオン（
Ｂ．Ｐ．−２４６℃）、液体水素（Ｂ．Ｐ．−２５２℃
）、または液体ヘリウム（Ｂ．Ｐ．−２６９℃）内で該
工程を実施することによつて得られる。

特に、液体窒素を使用することが好ましい。ドライアイ
スと、メタノール、エタノールまたはアセトンの混合物
は、約−７９℃の温度を有しており、このような混合物
を使用することもできる。工程（ａ）において冷却する
ブランクの温度を低くするほど、ブランクの比熱が低下
し、次の工程でブランクのフランジ部を成形工具（ダイ
ス）上に載せたとき工具との接触によりフランジ部へ伝
達される熱の伝達率が高くなるので、フランジ部と中央
部との間に所望の温度差を設定することが容易になる。
また、工程（ａ）において冷却するブランクの温度を低
くするほど、工程（ｃ）に至るまでブランクの中央部分
を約０℃以下、好ましくは約−５０℃以下に維持するの
が容易となる。中央部の温度は工程（ｃ）に至るまでこ
の範囲に維持することが肝要である。中央部をそのよう
な低温に維持することは、中央部の強度を増大させるこ
とになり、工程（ｃ）においてブランクの破断を生じさ
せることなく高い加エカを加えることを可能にし、従つ
て、深絞り率を増大させることができる。工程（ｂ）に
おいては、ブランクのフランジ部と中央部分との間に約
４０℃〜約１５０℃、好ましくは約７５℃〜約１５０℃
の温度差を設定するのに十分な温度だけ該フランジ部を
中央部より高い温度に急激に加熱する。

この加熱工程は、フランジ部を周囲温度の成形工具に接
触させることによる熱伝達によつて行うことができる。
ほとんどの深絞り成形においてその深絞り操作中ブラン
クのフランジにしわが生じるのを防止するために、深絞
り操作を始めるに当つて、まずブランクを例えばブラン
クホルダとダイスの間に締付けておくのが普通である。
ブランクホルダおよびダイスは周囲温度であるからブラ
ンクのフランジ部を加熱するのにこの締付操作を利用す
ることができる。この宰＝ユニニ：ｉ＝―″′：：Ｓ：
[ヮZ？Ｚ：゛であつて、両面に慣用の油系深絞り用潤滑
痢を塗布した厚さ０．０２０１ｎ（０．５１７ｍ）のア
ルミニウムブランクの場合、ほぼ０．２秒後に最大限１
２５℃の温度差が設定される。この０．２秒という締付
時間は、単に１つの指針としてあげただけである。工程
（５）を実施するための最適所要時間は、ブランクの素
材、ブランクの寸法および厚み、ブランクの表面仕上げ
、成形工具の素材、潤滑剤の種類および量、および締付
圧力の大きさ等のいろいろな要因によつて左右されるが
、特定の絞り成形操作のための最適の所要締付時間は、
単に、最適な成形結果が得られるまでプレスの速度をい
ろいろに変えることによつて容易に見出すことができる
。プレスの速度を過度に高速にし、従つてそれに伴う締
付時間を短くすると、ブランクのフランジ部を加熱し、
所望の温度差を設定するのに十分な時間が得られず、従
つて、深絞り率の向上を達成することはできない。反対
に、プレスの速度を過度に遅くし、それに伴つて締付時
間を長くすると、フランジ部を過度に加熱することにな
り、フランジ部と中央部との温度を均衡させてしまうこ
とになるので、やはり深絞り率の向上は望めない。連続
操作の場合、必要に応じて、ブランクホルダまたはダイ
スの相当な温度低下が生じないように何らかの手段を講
じるか、何らかの操作をすることが望ましい。なぜなら
、ホルダまたはダイスの温度が低下すると、ブランクの
フランジ部の加熱速度が低下し、従つて温度差の大きさ
が低くなるからである。締付時間を最適にする手段とし
てプレスの速度を変えることのほかに、ブランクホルダ
の頂面とパンチの頂部との間の距離を変えることにより
、工程（ｃ）において実際の絞り操作が始められるまで
のフランジ部に対するブランクホルダの接触時間の長さ
を変更するようにしてもよい。プレスの操作速度が一定
であれば、該接触時間は、ブランクホルダとパンチとの
間の距離を大きくするほど増加し、該距離を短くすれば
するほど、接触時間は減少する。次いで、工程（ｃ）は
、ダイスと嵌合する凸状パンチによつてブランクを深絞
り用ダイス内へ押込み、ブランクの一部または全部をダ
イスの形に合致させることによつて達成される。

この絞り工程は、工程（ｂ）において設定された温度差
を維持するような速さで実施する。先に述べたように、
工程（ｃ）においてはブランクの中央部は、最初約０℃
以下、好ましくは約−５０℃以下の温度に保たれる。絞
り操作の「速度」は、パンチの速度またはプレスの速度
によつて表わすことができる。この絞り操作自体がブラ
ンク内へエネルギーを導入し、そのエネルギーの大部分
は、変形量の大きいフランジ部内へ投入され、フランジ
部の温度を中央部に比して更に望ましいレベルに増大さ
せる。最初にブランクを低温に冷却することによつて得
られるもう１つの利点は、冷却の結果として得られるフ
ランジ部の強度の増大が、絞り変形による投入熱を増大
させることになり、従つて中央部とフランジ部との温度
差を増大させることである。当業者には明らかなように
、工程（ｃ）は、ブランクの中央部の初期温度を規定す
ることと、ブランクの中央部とフランジ部との温度差を
維持することを除いては、慣用の深絞り操作である。

従つて、本発明においても深絞り操作自体を行うための
技法としては周知のいろいろな技法を使用することがで
きる。例えば、この絞り工程は、ロール巻きの素材から
順次ブランクを切取り、１回のプレス行程で絞り操作を
行う１回絞りプレスで行うことができ、あるいは、ロー
ル巻き素材からブランクを切取り、それを一定のカツプ
に絞り成形し、次いで１回のプレス行程中にそのカツプ
を更に小径のカツプに再絞りする絞り／再絞りプレスに
よつて行うことができる。更に、本発明の絞り工程は、
深絞りを伴う適宜のプレス成形操作に適合させることが
できる。プレスの速度、素材の種類、ブランクの厚み、
サイズおよび表面仕上げ、および潤滑剤の種類および量
に応じて、最適の温度差および深絞り性を得るようにパ
ンチを冷却させることが有利な場合もある。

バンチの冷却は、例えばパンチ内に設けた内部冷却通路
を通して液体または気体窒素のような冷却流体を通流さ
せることによつて行うことができる。パンチの幾何学的
形態は、臨界的重要性を有するものではなく、プレスは
、液圧駆動のものでも、機械的駆動のものでも使用する
ことができ、単動型、複動型または三重動作型のいずれ
であつてもよい。

本発明の方法によつて得られる利点は、より深い深絞り
成形品を成形することができること、生産能率を高める
こと、より強度の高い、より薄いシート材の使用により
材料の節約を可能にすること、最終製品の強度特性を高
やることである。

低温下で脆弱化するような材料の場合は、工程（ａ）に
おいては、次の加熱工程（ｂ）により絞り加工に必要な
延性を回復することが可能な程度の温度に冷却すること
が望ましい。以下に本発明の実施例を説明する。

実施例 １〜９ 本発明の方法を、単動型液圧プレスによつて上述のよう
にして実施した。

このプレスの工具の寸法および形状は下記の通りであつ
た。ブランクの厚さが０．０２０１ｎ．の場合ダイスの
孔部直径：１．０００１ｎ． ダイスの肩半径：０．１２５１ｎ． パンチ（フラツトノーズ型）の直径：０．９４４１ｎ．
パンチの肩半径：０．１０９１ｎ． ブランクの厚さが０．０４０１ｎ．および０．０６３１
ｎ．の場合ダイスの孔部直径：１．０００１ｎ． ダイスの肩半径：０．２８１１ｎ． パンチ（フラツトノーズ）の直径：０．８２４１ｎ．パ
ンチの肩半径：０．１８８１ｎ．所定の材料の深絞り限
界を測定するために、ブランクの直径を０．０５０１ｎ
．きざみで大きくし、プランクの直径をどの大きさにま
ですれば、パンチの肩部のところでブランクの破断が生
じるかを見定めた。

ブランクホルダの押圧力（しわ押え力）は、ブランクの
フランジ部のしわを押えるように適宜の値に維持した。
ブランクの絞り限界直径のものが確認されたならば、ホ
ルダのしわ押え力を、そのブランクからカツプが満足に
絞り成形される値にまで、あるいは、フランジ部にしわ
が認められるようになる値にまで徐々に減少させていつ
た。この最大限界直径のブランクの満足な絞り込みが達
成されたならば、二番目に径の大きいブランク（即ち、
最大限界直径のものより０．０５０１ｎ．だけ直径の小
さいブランク）を絞り込み、この寸法のブランクが実験
中のその特定の試験条件において満足に絞り込まれるか
どうかを見定めるためにやはりしわ押え力を変化させた
。このような手法を用いて、破断またはしわを生じるこ
となく外径１．０００１ｎ．のカツプに深絞り成形しう
る最大直径のブランクを確認した。これらのブランクを
、工程（ａ）に従つて液体窒素の浴中に浸漬させること
によつて−１９６℃にまで冷却させた。次に、ダイスの
孔部を被う中央部を除くブランク全体をダイスの面とブ
ランクホルダの間に２５０〜７５０１ｂ．の力で締付け
た。ブランクホルダの力即ちしわ押え力は、慣用の空気
圧ダイスクツシヨンを介して供給した。ブランクホルダ
およびダイスは、最初は周囲温度にあり、この成形工具
（ホルダおよびダイス）から工程（ａ）で冷却されてい
るブランクのフランジ部へ伝達されることにより、ブラ
ンクのフランジ部と中央部との間に、０．０２０１ｎ．
厚のブランクの場合で約１２５℃，０．０４０および０
．０６３１ｎ厚のブランクの場合では約８０℃の温度差
（工程（５））が生じた。この温度差の測定は、ブラン
クの締付けられている部分（フランジ部）と締付けられ
ていない部分との間の境界線の両側にそれぞれ境界線か
ら０．１２５１ｎ離して配置した熱電対によつて行つた
。最大温度差はほぼ０，２秒で設定され、その後少くと
も４０℃の温度差が少くとも１秒間維持された。プレス
の作動速度は、実際の絞り成形の始まりを意味するブラ
ンクとパンチとの接触が、ブランクの締付操作後０．２
秒の時点、即ち最大温度差が存在する時点で開始される
ように設定する。工程（ｃ）の開始時におけるブランク
の中央部の温度は、上記締付後０．２秒の時点で−１２
５℃以下であつた。この深絞り工程中終始できるだけ大
きい温度差を維持するために、パンチ内の内部冷却通路
に液体窒素を導入することによつてパンチを−１９６℃
の温度に維持した。使用した合金の種類、シートの厚み
、プレスの操作速度、Ｄｍａｘ／ｄは以下の表１に記載
されている。例１〜６は、アルミニウム合金であり、そ
れらの合金の番号表示はアルミニウム．アソシエーシヨ
ン．インコーポレーテツド発行の「アルミニウムの基準
とデータ１９７６」に記載されているものである。この
文献は、各種合金の成分とその他の特性に関する文献で
ある。例７は、電解タブピッチ（ＥＴＰ）銅シートを使
用した実施例であり、この銅シートは、完全に焼鈍され
た状態のものである。例８および９は、その成分および
性質について米国金属協会発行の「金属便覧」ＶＯｌ．
Ｉ．ｌ９７８に記載されている鋼合金１０１０を使用し
た場合の実施例である。

Ｄｍａｘ／ｄおよびＨｍａｘ／ｄは本書の冒頭に定義さ
れている。実施例 １０〜１５ これらの実施例は、従来の方法を本発明の方法と比較す
る目的で行われた従来方法の実施例である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 中央部とフランジ部とを有する深絞り成形可能なブ
   ランクシートを深絞り成形する方法において、（ａ）前
   記ブランクを約−５０℃以下の温度にまで冷却する工程
   と、（ｂ）該ブランクのフランジ部と中央部との間に約
   ４０℃〜約１５０℃の温度差を設定するのに十分な温度
   だけ該フランジ部を中央部より高い温度に加熱する工程
   と、（ｃ）絞り工程を行うに当つて該ブランクの中央部
   初期温度を約０℃以下とし、かつ、前記工程（ｂ）にお
   いて設定された温度差を維持するのに十分な速度で該ブ
   ランクを凹状深絞りダイス内へ該ダイスと合致する凸状
   パンチを用いて絞り込む工程とから成る深絞り成形方法
   。 ２ 前記シートは金属または合金であり、面心立方晶構
   造を有するものである特許請求の範囲第１項記載の深絞
   り成形方法。 ３ 前記シートは金属または合金であり、体心立方晶構
   造を有するものである特許請求の範囲第１項記載の深絞
   り成形方法。 ４ 前記シートは金属または合金であり、稠密六方晶構
   造を有するものである特許請求の範囲第１項記載の深絞
   り成形方法。 ５ 前記シートは、型打ち可能なプラスチックである特
   許請求の範囲第１項記載の深絞り成形方法。 ６ 前記シートは、型打ち可能な複合材料である特許請
   求の範囲第１項記載の深絞り成形方法。 ７ 前記工程（ａ）における冷却温度は約−１００℃以
   下である特許請求の範囲第１項記載の深絞り成形方法。 ８ 前記工程（ｂ）における前記温度差は約７５℃〜約
   １５０℃であり、前記工程（ｃ）における前記中央部の
   初期温度は約−５０℃以下である特許請求の範囲第７項
   記載の深絞り成形方法。 ９ 前記シートは、面心立方晶構造を有する金属または
   合金である特許請求の範囲第８項記載の深絞り成形方法
   。