CN103260781A - 圆筒成形加工用材料的设计方法及圆筒成形加工品 - Google Patents

Abstract

圆筒成形加工用材料的设计方法及圆筒成形加工品，用于设计具有如下机械特性的材料：能够使对具有多种多样的机械特性和板厚的材料进行圆筒成形加工后的回弹角为预定值。圆筒成形加工用材料的设计方法的特征在于，在对实施基于弯曲加工的圆筒成形加工的金属材料进行设计时，算出所述金属材料的屈服强度YP、杨氏模量E及板厚t，以便在弯曲曲率半径r为5mm以上、弯曲角θ为90度以上且180度以下的条件下对金属材料实施圆筒成形加工时的回弹角Δθ为预定值，并以具有该算出的屈服强度YP及杨氏模量E的方式设计所述金属材料。

Description

圆筒成形加工用材料的设计方法及圆筒成形加工品

技术领域

本发明涉及能够使圆筒成形加工时的回弹角为预定值的金属材料的设计方法及圆筒成形加工品。

背景技术

在食品容器、医疗器械、金属容器、装置部件等中，使用对金属材料实施基于弯曲加工的圆筒成形加工(以下，称为圆筒成形加工)而制造出的圆筒状的加工品。例如，在由盖、主体、底构成的三部分罐中，在主体部使用实施了圆筒成形加工的圆筒状的加工品。

一般来说，对金属材料(金属板)实施圆筒成形加工，之后除去载荷后，金属材料因弹性的恢复而引起回弹，其结果是圆筒形状变化。因此，在进行圆筒成形加工的情况下，需要预先考虑该回弹来确定加工条件。

作为最近的趋势，为了实现原材料成本的降低而寻求使金属材料的板厚变薄(以下，称为薄壁化)。然而，存在如下问题：若薄壁化，则回弹角变大而无法确保预定的圆筒形状、即预定的卷宽。这里，所谓回弹角是通过在弯曲加工中从负载时的弯曲角至除去载荷后的弯曲角的变化量来定义的。另外，如图1所示，卷宽被定义为通过圆筒成形加工形成圆筒状的金属板的一端与相反侧的一端的间隔，因此卷宽的值表示为：设两端相接的状态为0，打开的状态为正，重叠的状态为负。

当卷宽因薄壁化而变化时，会妨碍之后的工序(例如焊接端部而形成三部分罐的主体部的工序)，因此即使进行薄壁化也需要使卷宽不变化。因此，在圆筒成形加工工序中，在由板厚较厚的金属材料替换成薄的金属材料的情况下，只有重新设定成形加工条件或者改造成形装置，从而妨碍生产率的提高和成本的降低。

因此，如果能够设计出即使在降低板厚的情况下也能够得到预定的圆筒形状(卷宽)那样的金属材料，则不需要成形加工条件的再设定或成形装置的改造。即，需要设计出即使变更板厚也能够得到与板厚变更前同等的回弹角的金属材料。

然而，假设供加工的金属材料为不产生加工硬化的完全弹塑性体，则能够在理论上通过下述式(2)算出回弹角(参照非专利文献1)。

Δθ/θ＝3(YP·r)/(E·t)-4[(YP·r)/(E·t)]³…(2)

其中，Δθ：回弹角(度)，θ：弯曲角(度)，r：弯曲曲率半径(mm)，t：板厚(mm)，YP：屈服强度(MPa)，E：杨氏模量(MPa)。

因此，利用式(2)根据作为目标的板厚和回弹角算出金属材料所需的机械特性(杨氏模量、屈服强度)，并设计出具有该机械特性的金属材料即可。

然而，根据非专利文献2，报告了由上述式(2)表示的理论式不一定准确地再现实验事实。进而，在非专利文献2中，提出了以不锈钢板为对象的实验式，但金属材料不限定于不锈钢板，不能说适用于多种多样的金属材料，从而在通用性的方面留有课题。

现有技术文献

非专利文献1：马场、桥田：铁和钢日本钢铁协会会志、49(3)(1963)P507

非专利文献2：杉本、福井、三井、渡边、中村：铁和钢、66(1980)S976

发明内容

发明所要解决的课题

本发明正是鉴于上述情况而完成的，本发明新发现了算出对具有多种多样的机械特性和板厚的金属材料进行圆筒成形加工时的回弹角的方法，本发明的目的在于提供利用该算出方法设计具有能够使回弹角为预定值的材质(机械特性)的金属材料的方法以及对通过该方法设计出的金属材料实施圆筒成形加工而制造出的加工品。

用于解决课题的技术方案

本发明的主要内容如下。

【1】圆筒成形加工用材料的设计方法的特征在于，在对实施基于弯曲加工的圆筒成形加工的金属材料进行设计时，基于下述(1)式算出所述金属材料的屈服强度YP、杨氏模量E及板厚t，以便在弯曲曲率半径r为5mm以上、弯曲角θ为90度以上且180度以下的条件下对金属材料实施圆筒成形加工后的回弹角Δθ为预定值，并以具有该算出的屈服强度YP及杨氏模量E的方式设计所述金属材料，

Δθ/θ＝-5.52[(YP·r)/(E·t)]²+4.13(YP·r)/(E·t)…(1)

这里，Δθ：回弹角(度)，θ：弯曲角(度)，YP：屈服强度(MPa)，E：杨氏模量(MPa)，t：板厚(mm)，r：弯曲曲率半径(mm)。

【2】圆筒成形加工品的特征在于，所述圆筒成形加工品是通过对利用权利要求1所述的方法设计出的金属材料实施基于弯曲加工的圆筒成形加工来制造的。

发明效果

根据本发明，能够容易地设计出能够使回弹角为预定值的金属材料，从而对圆筒成形加工工序中的生产率提高和成本降低有很大帮助。

附图说明

图1是用于说明卷宽的示意图。

图2是示出Δθ/θ和(YP·r)/(E·t)的关系的图。

具体实施方式

在对具有相同的机械特性的板厚不同的金属材料，在同一条件下实施圆筒成形加工时，因板厚的不同而导致回弹角不同，从而难以得到恒定的卷宽(圆筒形状)。因此，在生产现场进行圆筒成形加工的情况下，只有在每次改变板厚时改造成形装置或者根据板厚调整加工条件，从而阻碍了生产率等。为了解决该问题，考虑到根据板厚而变更成机械特性不同的其他金属材料。即、如果使用具有如下机械特性的金属材料则可得到圆筒成形加工后卷宽不变化的加工品：在将板厚从t1变更成t2的情况下，回弹角与板厚t1的金属材料的回弹角相同。

因此，需要明确金属材料的板厚、机械特性及成形加工条件等各个因素对回弹角造成的影响。因此，本发明者们首先对各个因素中的哪个因素对回弹角造成影响进行研究。其结果为，确认了这些因素是弯曲角、弯曲曲率半径、板厚、屈服强度及杨氏模量。

接着，在对这些因素进行各种各样的变化的条件下，进行弯曲加工并测定回弹角，定量地评价各个因素的影响程度从而导出给出了回弹角和这些因素的关系的实验式。以下，详细地进行说明。

如上所述，通常，在对金属材料施加弯曲加工后除去载荷后，由于弹性的恢复，从负载状态下的形状稍微变化。这被称作回弹。若由于回弹使弯曲角θ(度)变成θ’(度)，则回弹角Δθ(度)由式(3)表示。另外，在弯曲加工中，若没有圆周方向的应变变化的面的曲率半径因回弹而从r(mm)变成r’(mm)，则得到由下述式(4)表示的关系。

Δθ＝θ-θ’…(3)

Δθ/θ＝(1/r-1/r’)/(1/r’)…(4)

在除去载荷前后没有上述应变变化的面处于板厚的中央位置时，对因除去载荷而引起的曲率变化使用上述式(4)，则下述式(5)成立。

Δθ/θ＝(M·r)/(E·I)…(5)

这里，M是弯矩(MPa·mm³)，I是截面二次例句(mm⁴)。

根据单纯的弯曲理论，弯矩M由述下式(6)表示，因此通过将式(6)代入上述式(5)，得到下述式(7)。而且，若假设金属材料是不产生加工硬化的完全弹塑性体，则n(加工硬化指数)＝0，因此由式(7)得到所述式(2)。但是，在实际的金属材料中使n＝0并不妥当，n的值因金属材料而不同。

【数学式1】

$M=\frac{\mathrm{EI}}{r}\{{\frac{2}{2+n}\left(\frac{2r\·\mathrm{YP}}{\mathrm{Et}}\right)}^{1-n}-\frac{1-n}{2+n}{\left(\frac{2r\·\mathrm{YP}}{\mathrm{Et}}\right)}^3\}---\left(6\right)$

【数学式2】

$\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{\mathrm{\θ}}=\frac{3}{2+n}{\left(\frac{2r\·\mathrm{YP}}{E\·t}\right)}^{1-n}-\frac{1-n}{2+n}{\left(\frac{2r\·\mathrm{YP}}{E\·t}\right)}^3---\left(7\right)$

在前述的非专利文献2中，从以不锈钢板为对象的实验中，发现在Δθ/θ和(YP·r)/(E·t)之间存在关系，并导出式(8)。但是对象不限于不锈钢板，因此能够决定Δθ/θ的因素的范围狭窄(0＜(YP·r)/(E·t)≤0.11)，缺乏通用性。

Δθ/θ＝1.9[(YP·r)/(E·t)]^0.62…(8)

因此，本发明者们在多种多样的金属材料(铝板、铜板、不锈钢板、钢板)及板厚条件下，实际实施弯曲加工并测定回弹角。此时，弯曲曲率半径在5mm以上的范围，弯曲角在90～180度的范围。进而关于板厚，在0.1～2.0mm的范围。这些范围，在食品容器、医疗器械、金属容器、装置部件等领域可足够实用地应对，具有通用性。

由Δθ/θ与(YP·r)/(E·t)的关系整理出的结果如图2所示。图中，○为本测量结果。根据这些测量结果求出能够精度良好地再现的回归公式，得到所述式(1)(参照图中的实线)。该式(1)在(YP·r)/(E·t)在0.33以下的区域能够使用，从而比非专利文献2的使用范围更广。即，该式(1)能够适用于多种多样的金属材料，由该式能够算出在期望的板厚下形成预定的回弹角的机械特性(YP、E)。而且，只要设计出具有该算出的机械特性那样的金属材料即可。另外，在具有预定的机械特性的金属材料的情况下，也能够求出形成预定的回弹角的板厚。此外，也能够根据期望的板厚及机械特性算出回弹角。另外，在图2中，非专利文献2中的测定数据由Δ表示，式(8)由虚线表示，并且作为理论式的式(2)也由虚线示出。

以下，对设计用于在使实施圆筒成形加工的金属材料的板厚降低的情况下即使板厚变化也使回弹角不变化(使卷宽不变化)的金属材料的步骤进行说明。

首先，测定板厚变更前的回弹角Δθ。对具有任意的尺寸的试验片在例如弯曲曲率半径12.7mm及弯曲角180度的条件下进行弯曲加工。接着，测定除去载荷后的试验片的弯曲角θ’，并由所述式(3)算出回弹角Δθ。在将回弹角Δθ作为已知数据保存的情况下，也可以省略该步骤。

将如上所述得到的回弹角Δθ及弯曲角θ(＝180°)代入式(1)，由于在右边弯曲曲率半径r和板厚t已知，所以确定屈服强度和杨氏模量的比(YP/E)的应取值。接着，考虑实施圆筒成形加工的金属材料的规格，并根据上述求出的YP/E确定屈服强度YP及杨氏模量E，从而设计出具有该机械特性的金属材料。而且，关于材料的设计，可以从金属材料数据库选定满足上述机械特性的材料，在从数据库无法找到的情况下，也可以以该YP和E为指标设计新材料。

作为其他的实施方式，对变更实施圆筒成形加工的金属材料的机械特性的情况进行说明。首先，对变更机械特性前的金属材料与上述相同地进行弯曲加工，求出回弹角。接着，以所述回弹角、预先确定的屈服强度YP及杨氏模量E、以及弯曲加工条件(弯曲曲率半径、弯曲角)为基础，由式(1)计算出板厚t。若对具有该板厚及机械特性的金属材料实施圆筒成形加工，则得到与变更机械特性前同等的卷宽。

在上述的本发明中，在变更金属材料的要求特性(板厚及机械特性)的情况下，首先明确变更前的金属材料的回弹角，然后，在满足式(1)的条件下依次确定金属材料的特性，由此能够在圆筒成形后确保预定的卷宽。

【实施例】

在实施圆筒成形加工的金属材料的板厚降低的情况下，对寻求与板厚降低前同等的卷宽的金属材料进行材质设计。首先，示出如下例子：在将板厚降低前的金属材料的规格为t＝0.153mm、YP＝400MPa、E＝206000MPa、Δθ＝96度、θ＝180度、r＝12.7mm、卷宽＝-10.5～-9.0mm(平均值：-9.6mm)的钢板降低至t＝0.117mm的情况下，为了得到与板厚降低前同等的卷宽，研究屈服强度YP的最优化以使回弹角恒定。在式(1)中，代入Δθ＝96度、E＝206000MPa、t＝0.117mm，只要YP为大约310MPa，即得到达成目的的结果。

以该结果为基础，制作两种板厚为0.117mm且屈服强度YP不同的钢板，切出各个尺寸为165.4mm×136.5mm的试验片10张，并以与板厚降低前相同的条件进行圆筒成形加工。表1中示出了测定圆筒成形后的卷宽的结果。对于得到与板厚降低前的金属材料同等的卷宽合格与否的判定，考虑到卷宽的偏差，只要处于现有材料的平均卷宽的±10％以内即合格。使用YP＝300MPa的钢板(No.2)进行圆筒成形后的卷宽的平均值为-10.5mm，能够得到包括偏差在内与板厚降低前的金属材料的卷宽同等程度的卷宽。另一方面，使用YP＝362MPa的钢板(No.3)进行圆筒成形后的卷宽的平均值为+5.0mm，从而无法得到与板厚降低前的金属材料同等程度的卷宽。

【表1】

接着，示出如下例子：在将板厚降低前的金属材料的规格为t＝0.242mm、YP＝310MPa、E＝206000MPa、Δθ＝54.3度、θ＝180度、r＝12.7mm、卷宽＝-12.0～-8.0mm(平均值：-10.0mm)的钢板降低至t＝0.226mm的情况下，为了得到与板厚降低前同等的卷宽，研究杨氏模量E的最优化以使回弹角恒定。在式(1)中，代入Δθ＝54.3、YP＝310～320MPa、t＝0.226mm，只要E为大约230000MPa，即得到达成目的的结果。

以该结果为基础，制作两种板厚为0.226mm且杨氏模量E不同的钢板，切出各个尺寸为165.4mm×136.5mm的试验片10张，并以板厚降低前的条件进行圆筒成形加工。表2中示出了测定各个圆筒成形后的卷宽的结果。对于得到与板厚降低前的金属材料同等的卷宽合格与否的判定，考虑到卷宽的偏差，只要处于现有材料的平均卷宽的±10％以内即合格。使用E＝231000MPa的钢板(No.2)进行圆筒成形后的卷宽的平均值为-10.5mm，能够得到包括偏差在内与板厚降低前的金属材料的卷宽同等程度的卷宽。另一方面，使用E＝214000MPa的钢板(No.3)进行圆筒成形后的卷宽的平均值为-2.4mm，从而无法得到与板厚降低前的金属材料同等程度的卷宽。

【表2】

在上述实施例中，对在板厚降低的情况下固定了屈服强度及杨氏模量中的任意一方并使另一方最优化的例子进行说明，但也可以使双方变化。另外，在上述实施例中，对在板厚降低的情况下进行屈服强度或杨氏模量的最优化以使回弹角(卷宽)在板厚降低前后不变化的例子进行了说明，但也可以使回弹角变化成某个值。此外，也能够求出不改变屈服强度及杨氏模量而使板厚变化的情况下的回弹角。或者，也能够求出不改变屈服强度及杨氏模量而形成期望的回弹角的板厚。

Claims (2)

1.一种圆筒成形加工用材料的设计方法，其特征在于，

在对实施基于弯曲加工的圆筒成形加工的金属材料进行设计时，基于下述(1)式算出所述金属材料的屈服强度YP、杨氏模量E及板厚t，以便在弯曲曲率半径r为5mm以上、弯曲角θ为90度以上且180度以下的条件下对金属材料实施圆筒成形加工后的回弹角Δθ为预定值，并以具有该算出的屈服强度YP及杨氏模量E的方式设计所述金属材料，

Δθ/θ＝-5.52[(YP·r)/(E·t)]²+4.13(YP·r)/(E·t)…(1)

这里，Δθ：回弹角(度)，θ：弯曲角(度)，YP：屈服强度(MPa)，E：杨氏模量(MPa)，t：板厚(mm)，r：弯曲曲率半径(mm)。

2.一种圆筒成形加工品，其特征在于，

所述圆筒成形加工品是通过对利用权利要求1所述的方法设计出的金属材料实施基于弯曲加工的圆筒成形加工来制造的。

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