第 3 章 中厚板せん断加工における焼付き現象に及ぼす工具形状の影響
3.5 考察
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(a) Unprocessed punch shape
(b) Punch shape of 1st shearing operation Fig.3-14 Profile curve of PW30 -40
-20 0 20 40 60 80 100 120 140
0 2 4 6 8 10 12 14 16
/μm
/mm
-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140
0 2 4 6 8 10 12 14 16
/μm
/mm
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(a) Unprocessed punch shape
(b) Punch shape of 1st shearing operation Fig.3-15 Profile curve of PW45 -40
-20 0 20 40 60 80 100 120 140
0 2 4 6 8 10 12 14 16
/μm
/mm
-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140
0 2 4 6 8 10 12 14 16
/μm
/mm
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(a) Unprocessed punch shape
(b) Punch shape of 1st shearing operation Fig.3-16 Profile curve of R1.5 -40
-20 0 20 40 60 80 100 120 140
0 2 4 6 8 10 12 14 16
/μm
/mm
-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140
0 2 4 6 8 10 12 14 16
/μm
/mm
60
(a) Unprocessed punch shape
(b) Punch shape of 1st shearing operation Fig. 3-17 Profile curve of RA
-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140
0 2 4 6 8 10 12 14 16
/μm
/mm
-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140
0 2 4 6 8 10 12 14 16
/μm
/mm
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解析で算出した表面積拡大比を用いての予測と実験結果に違いが出た要因 を調査するために被加工材の表面と成形品切口面に着目した．酸化膜を観察 するために走査型電子顕微鏡（日立S-3000N）で被加工材を観察した．Fig.3-18 に走査型電子顕微鏡の装置外観写真を示す．
Fig.3-18 Scanning electron microscope
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Fig. 3-19に加工前の被加工材表面の酸化膜，Fig. 3-20に加工後の切口面外
観を示す．酸化膜厚さは約15μmであり，SEM-EDXによる分析の結果，原子 数濃度で酸素が約53.8%，鉄が約 45.0%検出された．また，すべてのパンチで 加工されたせん断面上に黒色の酸化膜が確認できる．各パンチごとに観察す ると，RAではせん断面の上部で酸化膜が途切れ，以降は光沢面になっている．
一方で，PW30 では光沢面がなく，せん断面が完全に酸化膜で覆われている．
残りのPW45，PW60，R1.5ではせん断面の下部にせん断面形状が安定しない
光沢面が確認できる．
Fig.3-19 Oxide scale on plate surface 25μm
Workpiece Oxide scale
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(a) PW30 (b) PW45
(c) PW60
(d) R1.5 (e) RA Fig.3-20 Appearance of burnished surface
Glossy Waved
glossy and
Waved glossy and
Waved glossy and
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PW45，PW60，R1.5 で確認されたせん断面形状が安定しない光沢面の生成
過程を調査するために，PW30，PW60，R1.5 の 3 種類を用いて途中止め実験 を行った．Fig. 3-21にせん断分離時のパンチ刃先周辺の被加工材断面図を示 す．光沢面がみられなかった PW30 では面取り部とランド部の丁度境界で亀 裂が貫通しているのに対して，光沢面がみられた PW60 では面取り部で亀裂 が貫通し，R1.5では刃先丸みの中腹で亀裂が貫通している．Fig. 3-22に R1.5 の被加工材分離後の実験結果と FEM 解析により破断面の材料流動を追跡し た結果を示す．せん断分離時には破断面にあったポイントがしごき加工を受 けることによってせん断面に移動している．このことからせん断分離時に破 断面であった箇所が分離後にしごき加工を受けることにより，せん断面の光 沢部になっていることが判明した．
また，FEM解析によるクラックの発生位置の予測を行った．予測の手法は 第2章と同様である．Fig. 3-23～Fig. 3-27にFEM解析結果を示す．パンチ刃先 の破壊臨界ダメージ値発生箇所はFig. 3-16の実験結果と一致している．よっ て，FEM解析によりしごき加工の有無を予測することが可能である．
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(a) PW30 (b) PW60
(c) R1.5
Fig.3-21 Cross-section of plate at separated stroke
2mm Punch
Punch
2mm
2mm
Punch Punch
Punch
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Fig.3-22 Generation process of glossy part on burnish depth by R1.5 punch
67
Fig.3-23 Damage value of PW30 by FEM simulation
68
Fig.3-24 Damage value ofPW45 by FEM simulation
69
Fig.3-25 Damage value of PW60 by FEM simulation
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Fig.3-26 Damage value ofR1.5 by FEM simulation
71
Fig.3-27 Damage value of RA by FEM simulation
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切口面にある酸化膜を調査するために，PW30，R1.5，RA で加工された被 加工材の切口面を走査型電子顕微鏡（日立S-3000N）で観察した．PW30，RA の観察結果をFig.3-28，R1.5 の観察結果を Fig. 3-29に示す．PW30はせん断 面全体にわたり酸化膜が付着しているのに対して，RAではせん断面上部で酸 化膜が確認できるが，それ以降の光沢面では酸化膜がほとんど確認できない．
(a) PW30 (b) RA Fig. 3-28 Cross-section view of burnished surface by SEM
0.5mm Workpiece
0.5mm Workpiece Oxide scale
Glossy surface Oxide scale
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(a) Observation point
Fig. 3-29 Cross-section view of burnished surface (R1.5)
A
B
Workpiece
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(b-1) Point of A
(b-2) Point of B
(b) Cross-section view by SEM
Fig. 3-29 Cross-section view of burnished surface (R1.5) 0.01mm
Workpiece
Workpiece
0.01mm Oxide scale
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Fig. 3-29について，A地点では酸化膜が確認できるのに対して，FEM解析
によってしごき加工により破断面がせん断面に移行した B 地点には酸化膜が ないことが確認できる．破断面は破壊により生成された酸化膜のない新生面 であり，この破断面がせん断面光沢部へと移行する過程がPW45，PW60，R1.5 の焼付き発生原因である．よって，PW30のように面取り上部で被加工材が分 離し，全面が酸化膜に覆われたせん断面を得られる条件が，焼付き防止性が 高い．
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せん断面の光沢部の焼付きへの影響を確認するため，途中止め実験を行っ
た．Fig. 3-30 に被加工材が分離する直前で止めた場合の試験片断面とR1.5 パ
ンチ表面の焼付き状態を示す．パンチ側にクラックが発生しておらず，破断 面からせん断面光沢部への移行過程が発生していないことが確認できる．こ の実験条件下ではパンチ表面に焼付きは確認されなかった．よって，破断面 からせん断面へ移行した光沢部がPW45，PW60，R1.5 パンチにおいて焼付き を発生させる主要因であることが確定した．せん断面光沢部の発生しない PW30とRA を焼付きの差から，RA の焼付きが激しい理由はその高い表面積 拡大比によるものと結論付けられる．FEM解析によりパンチ刃先のクラック 発生位置を予測できることから，実加工前にFEM解析を行うことにより，面 取り上部で被加工材が分離し，上記の破断面からせん断面光沢部への移行過 程が発生しない，高い耐焼付き能を有する工具形状の最適条件を設定できる．
(a) cross-section of plate (b) Surface appearance of R1.5 punch Fig. 3-30 Cross-section of the plate and surface appearance of R1.5 punch when
shearing process is interrupted before separated
1 2 3
Shearing number
0.5mm 0.5mm 0.5mm
(a )
(b )
2mm
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