ブスバー打抜きのプレス力選定

打抜き力は、ブスバー加工において、第一原理から約30秒で正確に計算できる数少ない項目の一つです。また、前の機械に倣って決めることが最も多い項目の一つでもあります。この2つの事実は、計算自体が難しくなく、誤りのコストが双方向に発生するため、不都合な共存状態にあります。すなわち、小型のプレスは最も重要な1つの作業で詰まり、大型のプレスは不要な資本支出となります。

計算式

打抜きは、材料から円筒状の部分をせん断します。せん断される面積は穴の周長に板厚を掛けて得られ、力はその面積に材料のせん断強度を掛けて計算します。

F = perimeter × t × τ

円形穴の場合、周長は π × d となり、多くの人が暗記する以下の形式になります。

F = π × d × t × τ

d と t の単位は mm、τ の単位は N/mm² とし、力の単位はニュートン (N) となります。1000で割ると kN、9807で割るとメトリックトンとなります。

成形穴（スロット、長方形、丸角長方形、ダクト用ルーバなど）の場合、周長は展開切断長となり、呼び寸法ではありません。角R5 mmの20 × 40 mm長方形スロットの場合、周長は約 2 × (20 + 40) − 8 × 5 + 2π × 5 となり、角を無視した場合の120 mmではなく、約111 mmとなります。単穴の場合はこの差は無視できますが、8個一組の穴の場合、無視できません。

実用的なせん断強度値

せん断強度は答えを左右する変数であり、推定されることが多い項目です。以下の数値は、ブスバーとして実際に使用される合金・状態について、公開されたツール供給業者データによるものです。これらはサイズ決めのための典型的な値であり、保証最小値ではありません。製材証明書の方が、チャートよりも信頼性が高いです。

circulated informally with two corrections. First, copper is often quoted at 200-230 N/mm², which is high; those figures are tensile strengths that have been used as though they were shear strengths. Under EN 13601, Cu-ETP bar is specified at 220-260 N/mm² tensile for R220 soft, 240-300 for R240 half-hard and 300-360 for R290 hard. The measured shear values above are roughly 0.65-0.70 of the corresponding tensile figure, not the 0.8 that the common rule of thumb suggests. Where nothing better than a tensile figure exists, 0.8 × tensile is a conservative fallback and it will overestimate copper by 15-20%.

Second, "aluminium is about 80 N/mm²" is only true for the soft 1xxx conductor grades. 6101-T6, which is the standard alloy for extruded busbar wherever mechanical strength and creep resistance matter, is roughly double that. A press sized on 80 N/mm² and then fed 6101-T6 bar will be short of force, and the failure mode is not a clean stall but a half-punched hole with the punch stuck in it.

計算例

一般的なケース：10 mm 半硬銅板における M12 スルーホード、直径 13 mm。

F = π × 13 × 10 × 179
  = 40.84 × 10 × 179
  = 73 100 N
  ≈ 73 kN  (7.5 tonnes)

6101-T6 アルミニウム製バーの同一孔、τ ≈ 150:

F = π × 13 × 10 × 150 = 61 300 N ≈ 61 kN

さらに、中型機種で一般的に要求される最大の孔：16 mm 硬銅板における 32 mm 孔。

F = π × 32 × 16 × 193 = 310 400 N ≈ 310 kN  (31.7 tonnes)

最後のこの数値が、どの機種を購入するかを決定します。これは1行の計算から導き出されます。任意の孔と材料の組み合わせに対する同一計算は、ブスバー穴あけ力計算ツールで実行できます。

ストリッピング力とその総力への包含理由

スラグが分離した後、バーはバネのように元に戻りパンチの側面を掴みます。パンチを引き抜くには実際の力が必要で、これはストリッパーによって供給され、機械全体に反力が作用します。

公開されている經驗則では、ストリッピング力は穴あけ力の5-20%とされており、MetalForming社の金型設計ガイダンスでは10-30%と引用し、柔らかい材料や狭いクリアランスではより多くの力が必要と注記しています。銅は柔らかく、この範囲の上限寄りになる傾向があります。銅ブスバーのサイズ選定目的では、パンチ力の15%は妥当な作業値であり、クリアランスが許容範囲の狭い側で設定される場合は20%です。

310 kN の例では、それに約45-60 kN が追加されます。これは峰值穴あけ力と同時に発生するものではないため、単にトン数要求に加算されるわけではありませんが、ストリッパー、工具保持具、フレームには負荷がかかり、これが公称容量が適切なように見える機械でも振動や穴位置のずれが発生する原因です。ストリッピング力が大きい場合、原因は通常プレス機ではなくクリアランスにあり、これはパンチ-ダイクリアランスに関する記事で扱われています。

平均ではなく最悪ケースでサイズ選定する

配電盤工事における平均的な孔は、6-10 mm 銅板の M10 または M12 スルーホードで、40-75 kN が必要です。この数値で機械をサイズ選定すると、その仕事は確実にこなせなくなります。

最悪ケースは、以下の組み合わせです。

• 図面セットにおける最大の孔（スロットやカットアウトを含む）。公称サイズではなく展開外周で計測
• 加工される最厚のバー。通常、最大孔を有するバーとは異なる場合がある
• 許容される最高硬度の_temper_。硬引けバーは、半硬銅に対して約8%、軟化銅に対して約27% Shear強度が高い。供給が逼迫すると、調達部門は Temper を代替することがある
• 1ストロークで複数の孔を穴あけする場合の最大バンドル数

実際の部品でこれらが全て同時に発生する必要はなく、それらが発生し得るだけでよい。引仕様書に「銅板厚12mm以下」とあり、図面セットに32mm穴がある場合、12mmの硬銅に32mm穴をあけるという状況が前提となる。その荷重は233 kNであり、当該部品がまだ存在しない場合でも同じである。

材質変更の代替は特に注目に値する。外観は同一に見えるからだ。最初の症状は通常、バリ高と穴位置のズレであり、先月まで正常だった機械で発生する。

多連穴・連続穴あけ加工

1ストロークで複数の穴をあけると、穴の数だけ打抜き力が正確に倍増する。10mm厚の半硬銅板にM12穴4つを1ストロークであける場合、打抜き力は4 × 73 = 292 kNとなる。ダイスとの密着やフレームのたわみを考慮すると、300 kNの機械では収まらない。

多連穴あけを経済的に行う方法は2つある。1つはパンチ長さをずらし、同時ではなく順次に当たるようにすることである。これによりストローク全体に荷重を分散できるが、代わりにストロークが長くなり、側面荷重が増大する。もう1つは、高ヒットレートで順次打抜きを行うことで、CNCブスバー加工機がこの目的で設計されている。150-200ヒット/分では、多連穴あけではなく個別に4つの穴をあける場合の時間ロスは2秒未満であり、荷重の問題は完全に解消される。ほとんどの配電盤作業において、この取引は受け入れるべきものである。

シヤー研削パンチ面

平坦なパンチ面は全周を同時に切断するため、ピーク荷重は計算値そのものとなり、スナップスルーによる急激な荷重解放が発生する。パンチ面にシヤー研削を施すことで、切断をずらし、ピーク荷重を低減できる。

効果はシヤー深さと材料厚の比率に依存し、厚いブスバーにおいては、マーケティングで示されるものほど大きくはない。Roper Whitneyの公開ガイダンスによると、シヤーは打抜き力を最大50%低減できるが、有効なのは14ゲージ（約1.9mm）以下であるとの条件が付く。H. Weissのシヤーファクターチャートは、これらの板厚においてより有用である：板厚1/4 in (6.35 mm)で、シヤー深さ1/16 in (1.6 mm)でファクター0.90、3/32 in (2.4 mm)で0.85、3/16 in (4.8 mm)で0.65となる。

ブスバーにおける実用的な解釈は、適度なシヤー深さが6mm銅板で10-15%の効果をもたらすが、12mmではその比率を維持するためにシヤー深さを厚さに応じて大きくする必要があるため、効果は比例的に低下するということである。機械の選定は、シヤーが解決策となるという想定で行うべきではない。シヤーはスナップスルー衝撃への保険およびスラグ制御支援として扱い、荷重はパンチ面が平坦な場合の数値から計算すべきである。

最小の穴以外には、ルーフトップシヤー（両面シヤー）が用いられる。片面シヤーでは、非対称な側面荷重がパンチをたわませ、ガイドに負荷をかける。

マージン則

最悪条件下の打抜き力が算出され、次に、数式でモデル化されない要因に対してマージンが適用される。

• ツールの状態: 鈍ったパンチは鋭いものよりも著しく大きな力が必要です。これは刃先の半径が大きくなり、切り込みの大部分が変形になるためです。これは最大の未考慮項です。
• テンパーおよび板厚公差: バーは板厚公差の上限および強度範囲の上限にあることが頻繁にあり、無視できません。
• フレームのたわみおよび油圧のディレーティング: 公称力は、定格圧力で、指定温度において、ラム部分での値です。
• 今後の変化: 機械は15年間工場に設置され、作業内容は変化します。

経験則として、最悪の場合の計算上の力が機械の公称力の約60〜70%以下になるように選定します。これは規格ではなく、蓄積された実績に基づくものですが、公表されている機械の限界と一致しています。以下の800 kN機械において、公表されている最大板厚における最大穴径の計算値は、硬銅で約485 kNであり、公称力の約61%に相当します。これは偶然ではありません。

実際の機械グレードとの対応

各フレームサイズの公表容量に対して最悪の場合の算出を行うと、明確な選定表が得られます。以下の数値はすべて、最も不利なケースである硬銅（193 N/mm²）を使用しています。

「公表最大値」と記載されている行は、メーカーが指定板厚において公表している最大穴径です。「算出」と記載されている2行は、これらの機械が最大穴径を公表していないため、公称力の約2/3の力で算出可能な最大穴径です。

この表は選定ガイドとして、価格表として読むべきではありません。300 kNクラスは、160 × 15 mmバーでM12およびM16の穴パターンを扱う配電盤作業をカバーし、特殊な用途ではありません。400 kN EMAC-BP-40は、150 hits/minで12 mmバーのほとんどのスイッチギアをカバーします。600 kNへのステップは、単に力が大きくなるだけでなく、16 mmの能力を獲得し、800 kNへのステップは20 mmおよび40 mmの穴を獲得します。

作業内容に大きなカットアウト、ダクトルーバー、または展開周長が100 mmを超えるようなものがある場合は、丸穴の計算結果に関わらず、1クラス上の機械が必要です。周長は最も速く成長する項目です。

800 kNクラスは、穴とは全く関係のない理由でも重要です。複合打抜き・せん断機において、せん断スタジションはバーの全断面を切り落とす必要があり、300 × 20 mmの銅バーでは切断面積は6000 mm²になります。せん断に必要な力は、単純な周長の公式ではなく、ブレードの几何形状と rake angle によって支配されますが、フレームがその力に耐えなければならず、広幅の重いバーでは、パンチではなくせん断の方がフレームサイズを決定することが頻繁にあります。

公式でわからない2つのこと

力と能力は同一ではありません。十分なトン数を有しても位置精度が不十分なプレスは、誤った位置に穴を作ります。これはDIN 43673-1に定められたボルト締め穴パターンにおいて、バースクラップを意味します。穴ピッチ精度、繰返し精度、およびバー送りの剛性は別々の仕様であり、別途検討すべきです。

また、力は打抜き速度について何も語りません。しかし、打抜き速度は機械の経済性を決定します。150 hits/minの400 kN機械と200 hits/minの800 kN機械は、生産性が全く異なります。作業内容がM10およびM12のクリアランス穴が中心で、どちらの機械も力の限界に近づかない場合、打抜き速度のみが重要な数値です。打抜き速度、パンチ寿命、および穴あたりの実際のコストの関係はパンチ寿命と穴あたりコストで、切り込み自体の力学は打抜き工程の概要で説明しています。