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穴広げ性の観点から高張力鋼板の穴抜きについて解説する。高張力鋼板では一般に一様伸びが小さく極限変形能に優れる機械特性で穴広げ性が良く、さらに、穴抜き手法を工夫することで大幅に穴広げ性が改善される。

高張力鋼板の穴広げ性に及ぼす鋼材の機械的特性及び穴抜き手法の影響

1．はじめに

　近年、地球温暖化防止を目的とした二酸化炭素排出規制に伴い、自動車部材の軽量化のニーズが高まっている。また、衝突安全性確保の観点から部材に求められる強度が増していることも相まって、既存の軟鋼から高張力鋼への置換が進んでいる1）。　その一方で、高張力鋼板は軟鋼板に比べてその成形性が低く2）、その中でもバーリングのような穴抜き部の二次加工に伴う割れが課題である。このような割れは、図1に示すような、抜き穴端部に板厚貫

通割れ（写真 1を参照）が生じるまで穴抜き部を拡径する穴広げ試験により評価され 3）, 4）、穴広げ性の改善に向けて材質の改善や加工方法の面から様々な取り組みが行われている。　本報ではこれらの取り組み例を紹介する。まず、穴広げ性に優れる高張力鋼板について述べ、穴抜き性がその重要な因子となることを示す。次に、穴広げ性を改善する穴抜き手法について解説を行う。　

　松　野　　崇　新日鐵住金㈱

図 1　穴広げ試験模式図 写真 1　穴広げによる穴抜き端部の割れ

ダイ

鋼板

板押さえ

円錘パンチ

抜き穴

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特集　高張力鋼板のせん断加工

　2章で述べたように、高張力鋼板の穴広げ性は穴抜きによる損傷の度合い（歪や凹凸）に大きく左右される。したがって、何らかの方法で穴抜き部の損傷を低減すれば、穴広げ性は格段に向上する。穴抜き部の損傷を低減する方法として、削り抜き12）, 13）やコイニング 14）, 15）等の穴抜き部の後加工が比較的有効であることが知られているが、ここでは穴抜き手法そのものの改善に主眼をおいて 1工程の穴抜きに限定する。以下、穴広げ性改善を行う穴抜き方法について、いくつかの事例を紹介する。

3．1　パンチ・ダイ間のクリアランス調整　おそらく、最も頻繁に行われている穴広げ性改善手法は、穴抜き時のパンチ・ダイ間のクリアランス調整であろう。高張力鋼板では破断面率の高い広クリアランスで穴広げ率が高くなる場合が多い15）～ 17）。　図 3は板厚 3mmの 440 ～ 590MPa 級鋼（試作材）に対し、穴広げ性とクリアランスの関係を調査した結果である。穴広げ試験結果を 5回行い、その平均をプロットしている。また、図中の “%t” は被加工材板厚に対する割合を示す。図 3より、440 鋼と590A 鋼では 0 ～ 5%t まではクリアランスの増加と

3．穴抜き方法の改善

　絞りや張り出し等のプレス加工では伸びの良い鋼板ほど成形性が良いとされる。しかしながら、一般に全伸びの良い鋼板ほど抜き穴の穴広げ性は低い 5）。これは伸びが良い鋼板ほど穴抜き部に大きな塑性変形が生じるためであると考えられている。この考えを裏付けるものとして、Comstock ら6）の報告を紹介する。Comstock ら6）は機械加工穴と抜き穴の穴広げ性と鋼板の引張特性との間に以下の関係があることを報告している。　機械加工穴：穴広げ率（%）= 2.0（平均 r値×　　　　　　　全伸び（%））＋5.5 　　　　　　 （1）　抜き穴：穴広げ率（%）= 85.7 ×平均 r値-31.4　　　　　× n値-23.6　　　　　　　　　　　（2）　式（1）から、機械加工穴では鋼板の全伸びが高いほど穴広げ率が高い。それにもかかわらず、式（2）より抜き穴では穴広げ率と一様伸びの指標である n値が負の相関である。これらの式は限られた鋼材より得た回帰式であるからその定量性には疑問が残る。しかしながら、伸びが高いほど機械加工穴に対して穴抜き部の穴広げ率が劣化することを端的に示している。　それでは、穴広げ率と正の相関がある特性はどのようなものであろうか？これは、局部伸びや極限変形能（引張試験片破断部における断面収縮率の自然対数）のような、材料がくびれた後の引張特性となる。これらの特性が伸び量へ及ぼす影響は、一様伸びに比べて小さい。松津ら7）によれば局部伸びが良い鋼板ほど穴広げ率が高く、また、図 2に示すように、極限変形能に対しても穴広げ率は正の相関を示す（590 ～ 780MPa 級の高張力鋼に対

2．穴広げ性に優れる高張力鋼板とは？

図 2　穴広げ率と極限変形能との関係

して調査）。これ以外に、J積分により評価される破壊靭性値（ Jc 値）と穴広げ率との相関も報告されている8）。　上述のように、穴広げ性に優れる高張力鋼板は一様伸び（≒n値）が小さく、局部伸びや極限変形能が大きい。一方では、一般の自動車用部材でバーリングのみが行われるようなことは少ないから、使用する鋼材にはある程度の伸び量が必要であろう。このような背景から、近年では伸びと穴広げ性を両立させることに主眼を置いた鋼材開発が進められている5）, 9）～ 11）。これらの鋼材は伸びを極力低下させずに局部伸びや極限変形能を改善した鋼材である。国内では自動車部品を中心に適用が進んでおり、鋼板の高強度化とともにその活用の拡大が期待される。

0

20

40

60

80

100

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140

0.0

穴広げ率

(%)

極限変形能

2.0 1.5 1.0 0.5

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ともに穴広げ率が減少し、5%t 以上ではクリアランスの増加とともに穴広げ率は改善する。590B 鋼はほぼ同じ傾向であるが、穴広げ率の下限値を示すクリアランスは 10%t となっている。ここで、広クリアランスと狭クリアランスでの穴広げ率の差に着目されたい。590A 鋼を例にとれば、20%t クリアランスの穴広げ率は、5%t クリアランスの穴広げ率に対し約 2倍である。この結果を見る限りでは、バーリング加工のような穴広げ割れの対策として、まずは穴抜き工具のクリアランスを確認することを考えるべきであろう。　広クリアランスで穴広げ率が改善するメカニズムはよく分かっていないが、鋼材が局所的に塑性変形したせん断面に比較し、鋼材が引張破断した破断面で加工硬化が小さいためと考えられている17）。きれいな抜き面ほど穴広げ率がよいと考えがちであるが、穴広げ率は破断面粗さやかえりにあまり影響を受けない 15）, 18）。ただし、単純に破断面率だけで穴広げ率を整理することもできないようである。破断面率はクリアランスに対してほぼ単調に増加するが 15）, 19）、図 3にあるように穴広げ率はあるクリアランスで最下限を示す。したがって、クリアランスと穴広げ率との関係は単に穴抜き部の加工硬化の大小ではなく、破断面のマクロな凹凸の高さ15）やその間隔18）（破断面粗さとは異なる）、穴抜き部の加工硬化の分布19）等の様々な因子が複合した結果と考える方が妥当である。

3．2　精密穴抜き　穴広げを前提とした穴抜き部に小さなだれや高い穴寸法精度を求めることはほぼ無いであろう。高張力鋼板に関しては精密穴抜きの研究例が少なく、筆者の知る限りでは上下抜き（かえり無しせん断法）による 590MPa 級鋼穴抜き部の穴広げ性改善20）が報

告されているのみである。　しかしながら、ファインブランキングを代表とする精密穴抜き部の狭加工硬化領域や高い平滑度合いが穴広げ性向上に寄与することは充分に考えられる。軟鋼板が対象となるが、近藤ら21）は対向ダイスせん断による穴抜き部の穴広げ性改善効果を報告している。文献 21）ではファインブランキング抜き穴の穴広げ性も調査されており、対向ダイスせん断による穴抜きには及ばないものの、クリアランスが10%t 程度の慣用穴抜きに対してファインブランキングによる抜き穴は 1～ 2 割程度の穴広げ性改善効果を示すようである。　プレス機・金型費用等のコストを考慮すると単純に穴広げ性改善のみを狙って高張力鋼板に精密穴抜きを適用することは難しい。抜き面の平滑度と穴広げ性双方が求められる状況において、このような精密穴抜きが有効であると考えらえる。

3．3　温・熱間穴抜き　軟鋼板とステンレス鋼板が対象ではあるが、穴抜き部周辺を局所的に誘導加熱して穴抜きすることで穴広げ性が大きく改善することが報告されている 22）。これは、穴抜き部周辺が局所的に焼鈍されるためである。その原理を考えれば、高張力鋼板においてもこの手法は有効であろう。　また、焼鈍のような金属の再結晶を伴う加工と異なるが、準安定オーステナイトを含む高張力鋼板であるTRIP 鋼の温間穴抜きによる穴広げ性改善が報告されている23）。これは 100 ～ 200℃までの比較的低い温度域の加熱で効果が得られる点が特徴であり、準安定オーステナイトの加工誘起変態が鋼板の加熱により抑制されることがそのメカニズムである。　タクトタイムがかかる点が加熱穴抜きの短所であるが、高張力鋼板では局所加熱は加工荷重低減を

30354045505560657075

0

穴広げ率

クリアランス (%t)

440590A590B

(%)

2015105

図 3　穴広げ率とクリアランスとの関係

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特集　高張力鋼板のせん断加工

狙った技術として着目されている24）。鋼板がさらに高強度化し、加工荷重低減と穴広げ性改善の 2つが問題となった際には、温・熱間穴抜きは 1つの有望な解となると思われる。

3．4　工具形状の工夫　穴抜き工具の形状を工夫すれば簡易的に穴広げ性を改善することができる。ここではその例を 2つ挙げる。　まず、突起付きパンチ25）について述べる。この手法は図 4のごとく、パンチ底面に突起が設けられたパンチにより穴抜きを行う。ファインブランキングのような精密穴抜きでは突起付き板押さえによる静水圧で破断を抑制するが 26）、これとは反対に、突起付きパンチでは突起が鋼板を引き伸ばすことにより負の静水圧を鋼材に生じさせる。負の静水圧は破断を促進するから、突起付きパンチによる穴抜き部は破断面部の割合が通常パンチのものよりも高い。破断部の割合が高ければ穴広げ性が改善することは 3.1節に既に述べた。図 5は突起付きパンチによる穴広げ試験結果であるが、通常の穴抜きに対し、突起付

きパンチを用いた際に穴広げ性は 25%ほど改善している。　次に大面取りダイ27）について述べる。大面取りダイは図 6に示すように、刃先を大きく面取りしたダイである。このようなダイを用いれば鋼材とダイ刃先が接触しない状態で鋼材が破断するため、穴抜き部ダイ側の塑性変形が抑制される。これは、図 7の

図 4　突起付きパンチ 25）

図 5　突起付きパンチ穴の穴広げ試験結果 25）

パンチ ホルダー

被加工材

大面取りダイ

X [mm]

クリアランス

φ10[mm]

φ18 [mm]

図 6　大面取りダイ

図 7　大面取りダイ穴抜き部の硬さ

突起部

突起付きパンチ

パンチ刃先

1.0mm45°

通常パンチ 突起付きパンチ穴

広げ

率(%

)

突起による穴広げ率の改善

120

100

80

60

40

20

0

X

X

XX

X0.08

1.6 = 0.01.4

1.2

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0220 340260 300

[Hv0.05]

[mm

]

硬さ

板かえり側からの距離

= 4.0

= 1.0

= 2.0= 3.0

硬さ [HV0.05]

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　単純に穴広げ率を向上させることを考えれば、3章に述べた穴抜き方法により比較的容易に実現できるであろう。今後は、より一般的なフランジアップ加工へ上記の技術を拡張していくことが必要になる。鋼板のトリム面における伸びフランジ割れではパンチシャー角度28）のような因子も加わるうえ、穴広げ試験のように割れを定量的に評価する方法が確立されていない。工具の影響因子の絞り込みと、こ

4．今後の課題

図 8　大面取りダイ穴抜き部の穴広げ率

れらを取り込んだ評価試験の確立が重要である。　また、CAEによるせん断加工部割れの予測技術も重要である。予測技術が確立されれば、穴広げ率を向上させる 3.1 節のクリアランス調整や 3.4 節の工具形状の変更が格段に容易になる。FEMによる穴抜き・穴広げ一貫解析29）, 30）も報告されているが、既存の延性破壊モデルでは予測は現状では難しいようである。

　本報では、高張力鋼板の穴広げ性という観点から、材料の機械特性・穴抜き手法について解説を行った。　機械特性に関しては一般に一様伸びが小さく極限変形能に優れる鋼材の穴広げ性が良いこと、および、一様伸びと穴広げ性を両立した高張力鋼板の開発を紹介した。　また、穴抜き手法に関しては、穴抜き工具のクリアランス調整や工具形状の工夫で大幅に穴広げ率を

5．結言

改善できること、精密穴抜きや熱間・温間穴抜きも穴広げ性向上に効果があることを述べた。　穴広げ性について述べた報告は数多く、本報では代表的な報告を抜き出してこれらを紹介したつもりである。これから高張力鋼板のバーリング加工を始める現場や、現状でバーリング割れが課題となっている現場に本報が役に立てば幸いである。　

25

45

65

85

105

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165

0

穴広

げ限

界[%]

面取り量Ｘ [mm]

440鋼 590C鋼 590D鋼 780鋼

43.532.521.510.5

590C鋼を対象とした穴抜き部の硬さ測定の結果より確認できる。図 7より、図 6に示す X（面取り量の指標として用いる）が 2～ 3mmのダイを用いた穴抜き部では、面取りを有さない（X=0.0mm）、もしくは、小さい（X=1.0mm）ダイを用いた穴抜き部より板かえり側（ダイ側）の硬さが低い。加工硬化が低減すれば、穴広げ性の向上が期待できる。

　図 8に大面取りダイを用いた際の 440 ～ 780MPa級までの 4種の高張力鋼板の穴広げ率を示す。いずれの鋼種においても、図 7で硬さの低減が確認された X=2.0mm以上で穴広げ性が大きく改善する。ここでは測定結果の記載を省略するが、その効果はクリアランス調整によるものよりも大きい。詳細は文献 27）を参照されたい。

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新日鐵住金株式会社　鉄鋼研究所　加工技術研究部〒293-8511　千葉県富津市新富 20-1TEL. 0439-80-3137　FAX. 0439-80-2743http://www.nssmc.com/

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