CN107427888B - 金属板的成形方法及成形品 - Google Patents
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Abstract
一种成形方法，其特征在于，其是在金属板的成形中不改变金属板的材质、及成形工序地按照金属板不断裂的方式进行成形的成形方法，在成形前在金属板的一部分上接合增强材料，之后对金属板进行成形。
Description
技术领域
本发明涉及在拉深成形、拉伸凸缘成形、弯曲成形、鼓凸成形那样的金属板的成形中不产生断裂的成形方法和通过该成形方法成形的成形品。
背景技术
通常，金属板的强度越是上升则金属板的成形性越是下降。因此，特别是在将强度高的金属板进行成形时，若在被成形的部位塑性变形无法追随，则内部应力超过断裂耐力而断裂。
图1中示出金属板的拉深成形中的冲头的肩部处的断裂的形态。一边以压料圈4对坯料材1的凸缘部1’进行按压，一边将金属板的坯料材1以冲头3压入冲模2中而进行拉深成形。拉深成形在冲头3的肩部3’处的坯料材1的断裂耐力与作用于坯料材1的凸缘部1’的牵引力的均衡的基础上进行拉深成形。
并且，当凸缘部1’的变形阻力6变得和与冲头3的肩部3’相接的坯料材1的断裂耐力相等时，凸缘部1’的变形(向冲模2内的牵引)停止，另一方面，仅在与冲头3的肩部3’相接的坯料材1的部位进行变形而断裂。
为了在坯料材的拉深成形中避免断裂，与冲头的肩部相接的部位的断裂耐力高是重要的，迄今为止，提出了几种防止拉深成形时的坯料材的断裂的技术。
在专利文献1中，提出了在将坯料材进行压制成形时，在坯料材的板厚预计会减少的部位设置2条以上的焊道后进行压制成形的方法。
在专利文献2中，提出了深拉深成形性优异的压制成形用拼焊坯料材，其按照如下所述得到：强度×板厚比中心部的材料低15％以上、或延性比中心部的材料高5％以上的高张力钢板除深拉深成形后成为制品的部分以外，遍及在成形时赋予防皱力的部分的拉深凸缘部的全周地进行钢板彼此的焊接。
但是，在任一种技术中，均由于在坯料材的焊接线能量部处材质变脆，坯料材的材质变得不均匀，所以难以完全地避免压制成形时的坯料材的断裂。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平10-175024号公报
专利文献2：日本专利第4532709号公报
发明内容
发明所要解决的问题
一般，作为在金属板的成形中防止断裂的方法，大致分类，可考虑成形工序的改良、及金属板的材质改善。例如，在拉深成形工序的改良中，考虑模具的分割法、压制工序数的增加，但在这些方法中，成形成本的上升、生产率的下降不可避免。
在专利文献1及2中，作为高强度钢板的材质改善，公开了由部分淬火引起的材质的变化(强化)、异质材料的接合。然而，这些方法也同样地无法避免成形成本的上升、生产率的下降。
因此，本发明的课题是在金属板的成形中不改变金属板的材质及成形工序地按照金属板不断裂的方式进行成形，目的是提供解决该课题的成形方法和通过该成形方法成形的成形品。
用于解决问题的手段
本发明人们对解决上述课题的手段进行了深入研究。其结果是，本发明人们发现，在金属板的成形时，若在需要必要的断裂耐力的部位接合增强材料(Reinforcingmaterial)，则上述部位处的断裂耐力提高，能够防止断裂。
本发明是基于上述见解而进行的发明，其主旨如下所述。
(1)一种金属板的成形方法，其特征在于，其是对金属板进行成形的方法，其在成形前在上述金属板的一部分上接合增强材料，之后对上述金属板进行成形。
(2)根据上述(1)的金属板的成形方法，其特征在于，上述增强材料被接合于在成形中上述金属板的板厚减少的部位。
(3)根据上述(1)或(2)的金属板的成形方法，其特征在于，上述金属板为抗拉强度为590MPa以上的高强度钢板。
(4)根据上述(1)～(3)中任一项的金属板的成形方法，其特征在于，上述增强材料为纤维强化塑料。
(5)根据上述(4)的金属板的成形方法，其特征在于，按照上述纤维强化塑料的纤维的方向沿着上述金属板的需要断裂耐力的方向的方式进行接合。
(6)根据上述(1)～(3)中任一项的金属板的成形方法，其特征在于，上述增强材料为高强度钢箔。
(7)一种成形品，其特征在于，其是通过上述(1)～(6)中任一项的高强度钢板的成形方法进行拉深成形而成的。
发明效果
根据本发明，能够在金属板的成形中，不改变金属板的材质、及成形工序地提高需要断裂耐力的部位的断裂耐力，提高金属板的成形性，防止拉深成形中的断裂。
附图说明
图1是表示高强度钢板的拉深成形中的在冲头的肩部处的断裂的形态的图。
图2是表示在高强度钢板的拉深成形中在需要断裂耐力的部位接合纤维强化塑料的片材而防止断裂的形态的图。
图3是表示在高强度钢板的拉深成形中在需要断裂耐力的部位接合有纤维强化塑料作为增强材料的形态的图。(a)表示在需要断裂耐力的环状部位接合有环状的纤维强化塑料的形态，(b)表示将(a)中所示的坯料材进行拉深成形而成的成形品的截面。
图4是表示在高强度钢板的拉深成形中在需要断裂耐力的部位接合有纤维强化塑料作为增强材料的其它形态的图。(a)表示在需要断裂耐力的2重的环状部位分别接合有环状的纤维强化塑料的形态，(b)表示将(a)中所示的坯料材进行拉深成形而成的成形品的截面。
图5是表示在需要断裂耐力的环状部位将作为增强材料的环状的纤维强化塑料的补片分割而接合的形态的图。
图6是表示在深拉深成形中预想成为断裂担忧部位的冲头肩的位置的图。
图7是表示在拉伸凸缘成形中预想成为断裂担忧部位的凸缘端的位置的图。
图8是表示在弯曲成形中预想成为断裂担忧部位的弯曲的位置的图。
图9是表示在鼓凸成形中预想成为断裂担忧部位的冲头鼓凸部位的位置的图。
图10是表示用于决定难以预测需要断裂耐力的部位的复杂的形状的金属板的成形中的接合增强材料的位置的流程的图。
图11是表示在高强度钢板的需要断裂耐力的部位接合纤维强化塑料的片材的方法的图。
图12是表示在高强度钢板的拉深成形中在需要断裂耐力的部位不接合纤维强化塑料的片材而进行拉深成形的情况和接合纤维强化塑料的片材而进行拉深成形的情况的图。(a)表示在需要断裂耐力的部位不接合纤维强化塑料的片材而进行拉深成形的情况，(b)表示在需要断裂耐力的部位接合纤维强化塑料的片材而进行拉深成形的情况。
具体实施方式
本发明的金属板的成形方法的特征在于，其是将金属板进行成形的成形方法，其中，在需要断裂耐力的部位(以下称为“断裂担忧部位”)预先接合增强材料后进行拉深成形。
本发明的成形品的特征在于，其是通过本发明的成形方法成形而成的。
基于附图对本发明的成形方法进行说明。
图2中，作为本发明的一个例子，示出在高强度钢板的拉深成形中在需要断裂耐力的部位接合纤维强化塑料的片材而防止断裂的形态。
一边以压料圈4对坯料材1的凸缘部1’进行按压，一边将高强度钢板的坯料材1用冲头3压入冲模2中而进行拉深成形。拉深成形在冲头3的肩部3’处的坯料材1的断裂耐力与作用于坯料材1的凸缘部1’的牵引力的均衡的基础上进行。
并且，如上述那样，当凸缘部1’的变形阻力6变得和与冲头3的肩部3’相接的坯料材1的断裂耐力相等时，凸缘部1’的变形(向冲模2内的牵引)停止，另一方面，仅在与冲头3的肩部3’相接的坯料材1的部位进行变形而断裂(参照图1)。
另一方面，在图2中所示的高强度钢板的拉深成形中，在需要断裂耐力的部位7处，预先接合纤维强化塑料的片材8作为增强材料后进行拉深成形。
在坯料材1的拉深成形中，若在拉深成形中有断裂的担忧的部位、即需要断裂耐力的部位7处接合纤维强化塑料的片材8，则在需要断裂耐力的部位7中断裂耐力提高，在拉深成形中，坯料材1不会断裂。
图2表示在高强度钢板的拉深成形中将纤维强化塑料片材8按照包裹拉深成形品的底部的方式接合，以使纤维强化塑料片材8可靠地接合在需要断裂耐力的部位7而能够充分地发挥断裂耐力提高功能的形态。将增强材料接合在需要断裂耐力的部位的形态不限定于图2中所示的接合形态，只要将增强材料可靠地接合在需要断裂耐力的部位，则可以采用各种接合形态。对于这点，示出其它的接合形态在后面叙述。
已知有在成形品上与成形品的形状相匹配地粘接另外成形的碳纤维强化塑料(CFRP、Carbon Fiber Reinforced Plastic)的片材或补片而提高或增强成形品的机械特性或功能性的方法(例如，参照日本平成22年度战略的基础技术高度化支援事业报告书“自動車構造部材用CFRP－金属ハイブリッド部品のプレス成形加工技術に関する研究”、及日本平成26年度塑性加工春季讲演会中发表的“筒状態の衝撃曲げ変形におけるCFRP板の補強効果に関する基礎的検討”)。
但是，本发明的成形方法是以在被成形原材料(坯料材)上在成形前接合增强材料并一体化而提高接合有该片材或补片的部位的成形性作为基本思想，在这点上，本发明成形方法与在成形后在成形品上粘接纤维强化塑料的片材或补片而提高或增强成形品的机械特性或功能性的上述方法在根本上不同。
在坯料材1的成形中，若在成形中有断裂的担忧的部位、即需要断裂耐力的部位接合纤维强化塑料片材，则在需要断裂耐力的部位中断裂耐力提高，在成形中，坯料材不会断裂，这是本发明人们发现的新颖的见解，是本发明的成形方法的特征。
图3表示在高强度钢板的拉深成形中，在需要断裂耐力的部位接合有纤维强化塑料的补片的形态。图3(a)是在需要断裂耐力的环状部位接合有环状的纤维强化塑料的补片的形态，图3(b)表示将图3(a)中所示的坯料材进行拉深成形而成的成形品的截面。
在图3(a)中所示的坯料材1中，按照将在拉深成形中有断裂的担忧的部位、即与冲头的肩部抵接且需要断裂耐力的环状的部位覆盖的方式，接合有环状的纤维强化塑料片材8a作为增强材料。
如图3(a)中所示的那样，在高强度钢板的拉深成形中，只要能够在拉深成形前确定在拉深成形中有断裂的担忧的部位、即与冲头的肩部抵接且需要断裂耐力的部位，则能够按照将确定的部位完全覆盖的方式接合比确定的部位的宽度宽幅的纤维强化塑料的片材，在该部位中提高断裂耐力而谋求成形性的提高。
如图3(b)中所示的那样，在将图3(a)中所示的坯料材进行拉深成形而成的成形品1a中，在接合有纤维强化塑料片材8a的在拉深成形中有断裂的担忧的部位、即与冲头的肩部抵接且需要断裂耐力的部位中，不会产生断裂。
图4中示出在高强度钢板的拉深成形中在需要断裂耐力的部位接合有纤维强化塑料补片的其它的形态。图4(a)中示出在需要断裂耐力的2重的环状部位分别接合有环状的纤维强化塑料的补片的形态，图4(b)中示出将图4(a)中所示的坯料材进行拉深成形而成的成形品的截面。
在图4(a)中所示的坯料材1中，按照将在拉深成形中有断裂的担忧的部位、即与冲头的肩部抵接且需要断裂耐力的2重的环状部位分别覆盖的方式，接合有环状的纤维强化塑料片材8b及8c。
如图4(a)中所示的那样，在高强度钢板的拉深成形中，即使存在多个在拉深成形中有断裂的担忧的部位、即与冲头的肩部抵接且需要断裂耐力的部位，也只要能够确定该部位的位置，则能够按照将确定的部位完全覆盖的方式接合纤维强化塑料片材，在上述确定的多个部位中提高断裂耐力而谋求成形性的提高。
如图4(b)中所示的那样，在将图4(a)中所示的坯料材进行拉深成形而成的成形品1b中，在接合有纤维强化塑料的片材8b及8c的在拉深成形中有断裂的担忧的部位、即与冲头的肩部抵接且需要断裂耐力的2重的环状部位中，不会产生断裂。
图3及图4中示出对圆形的坯料材实施轴对称的拉深成形的情况，但坯料材不限定于圆形的坯料材，此外拉深成形不限定于轴对称的拉深成形。
根据本发明的成形方法，由于需要断裂耐力的部位(断裂担忧部位)的断裂耐力提高，所以坯料材的形状的自由度、成形形态的自由度、及成形品的形状的自由度大大扩大。
在本发明的成形法中，只要能够确定在坯料材的拉深成形中有断裂的担忧的部位、即与冲头的肩部抵接且需要断裂耐力的部位，则能够按照将确定的部位覆盖的方式接合增强材料，在上述确定的部位中提高断裂耐力而防止断裂。
图3及图4中示出在需要断裂耐力的部位接合环状的纤维强化塑料的片材作为增强材料的形态。增强材料的形状不限定于特定的形状，只要根据特定的需要断裂耐力的部位的形状、位置等而适当设定即可。
图3及图4示出在需要断裂耐力的部位的外侧接合环状的纤维强化塑料的片材的形态，但接合增强材料的部位不限定于需要断裂耐力的部位的外侧，可以是需要断裂耐力的部位的内侧、外侧、及两侧中的任一者。接合增强材料的部位只要根据需要断裂耐力的部位的形状、位置等而适当决定即可。
进而，将增强材料接合在需要断裂耐力的部位时，也可以适当分割而接合。
图5中示出在需要断裂耐力的环状部位将作为增强材料的环状的纤维强化塑料分割而接合的形态。在图5中，将环状的纤维强化塑料进行4次分割，将纤维强化塑料8a'排列成环状而接合。
在将增强材料分割而进行接合时，分割形态只要根据特定的需要断裂耐力的部位的形状、位置等而适当设定即可。
以上，以拉深成形为例对本发明的成形方法进行了说明。本发明的成形方法并不限定于拉深成形，在图6～9中所示那样的各种成形中也能够适用。图6～9中示出各种成形中的断裂担忧部位。图6表示深拉深成形，图7表示拉伸凸缘成形，图8表示弯曲成形，图9表示鼓凸成形。若是这样的一般的成形，则断裂担忧部位的预测比较容易。
具体而言，若是深拉深成形，则冲头肩61成为断裂担忧部位，若是拉伸凸缘成形，则凸缘端71成为断裂担忧部位，若是弯曲成形，则弯曲部位81成为断裂担忧部位，若是鼓凸成形，则冲头鼓凸部位91成为断裂担忧部位。因此，只要在将金属板进行成形前，按照将成形时成为该部位的位置覆盖的方式接合增强材料，进行成形即可。
在难以预测需要断裂耐力的部位的复杂的形状的金属板的成形的情况下，如图10中所示的那样，只要通过利用CAE(computer aided engineering，计算机辅助工程)预测在不使用增强材料的情况下板厚减少的断裂担忧部位，将在断裂担忧部位接合有增强材料时的成形再次以CAE进行解析，确定接合增强材料的位置即可。
增强材料只要是在成形时能够负担断裂担忧部位所受到的应力的材料，则材质没有关系。若考虑强度和易处理性，则优选使用纤维强化塑料的片材、高强度钢箔。纤维强化塑料只要是以纤维强化的塑料即可，不限定于特定的纤维或塑料。作为适宜的例子，可列举出碳纤维强化塑料。作为高强度钢箔，可例示出常温下的抗拉强度达到600MPa以上的钢箔。
在使用纤维强化塑料作为增强材料时，优选按照纤维强化塑料的纤维的方向沿着需要断裂耐力的方向的方式、具体而言将产生的龟裂横断的方式进行接合。
增强材料由于是在需要断裂耐力的部位中谋求破坏耐力的提高的材料，所以需要必要的厚度，但不限定于特定的厚度。增强材料的厚度只要考虑坯料材的材质、拉深成形方式、成形品的形状等而适当设定即可。
将在需要断裂耐力的部位接合有增强材料的坯料材进行成形而成的成形品根据用途，可以将增强材料除去后使用，此外，也可以在接合有增强材料的状态下使用。
因此，在需要断裂耐力的部位接合增强材料时的接合强度只要根据成形品的用途而适当选择即可。
将增强材料接合在需要断裂耐力的部位的方法没有特别限定。当增强材料为纤维强化塑料时，优选使用粘接剂或树脂。粘接剂或树脂的种类没有特别限定，只要考虑从成形品除去增强材料、或保持原状来适当选择粘接剂即可。若增强材料为高强度钢箔，且不需要从成形品除去增强材料，则也可以通过扩散接合进行接合。
这里，对通过接合增强材料而断裂耐力提高且成形性提高的机制进行说明。
一般，在将坯料材通过冲模和冲头进行拉深成形时，与冲头的肩部抵接的坯料材的断裂耐力：Pbreak可以通过下述式(1)而算出(参照塑性加工技术系列13“プレス絞り加工－工程設計と型設計－”(CORONA PUBLISHING CO.,LTD.)、23页)。
Pbreak＝2πRt0F{2(r+1)(r+2)/3(2r+1)}(n+1)/2(n/e)n (1)
R：冲头的半径
t0：坯料材的厚度
r：兰克福特值
e：纳皮尔数(自然对数的底数)
F、n：Swift式的参数
将坯料材的断裂担忧部位(在拉深成形中有断裂的担忧的部位)、即与冲头的肩部抵接且需要断裂耐力的部位以增强材料增强时的坯料材的断裂耐力：P'break可以通过下述式(2)而定义。
P'break＝Pbreak+2πRtfrpTSfrp (2)
P'break：与冲头的肩部抵接的坯料材的断裂耐力
R：冲头的半径
tfrp：增强材料的厚度
TSfrp：增强材料的抗拉强度
如上述式(2)中所示的那样，若在坯料材的断裂担忧部位接合纤维强化塑料的片材或补片作为增强材料，则由于接合后的破坏耐力：P'break超过坯料材的破坏耐力：Pbreak，所以能够在上述断裂担忧部位中预料到成形性的提高。这样，本发明的成形方法在理论上也能够证实。
本发明的成形方法不论作为被加工材的金属板、成形内容如何都发挥效果。特别是对于存在成形性变低的倾向的抗拉强度为590MPa以上的高强度钢板的成形发挥大的效果。
实施例
接着，对本发明的实施例进行说明，但实施例中的条件是为了确认本发明的可实施性及效果而采用的一条件例，本发明并不限定于该一条件例。只要不脱离本发明的主旨且达成本发明的目的，则本发明可以采用各种条件。
(实施例)
如图11中所示的那样，在厚度为1.0mm、直径为108mm的坯料材(双相钢)112上，将厚度为0.7mm、直径为58mm的粘接剂片材(聚丙烯树脂片材)113和厚度为0.23mm、直径为58mm的碳纤维强化塑料的片材111依次重叠，以温压接机114在180℃下加热1分钟后，以0.049MPa(≈5tonf/m2)加压1分钟后进行空气冷却，将碳纤维强化塑料111与坯料材112接合。
将接合有碳纤维强化塑料111的坯料材112使用比较例中使用的冲头和冲模进行拉深成形。
(比较例)
将板厚为1.0mm、直径为108mm的坯料材(双相钢)使用下面的冲头和冲模进行拉深成形。
冲头肩：R5冲头直径：50mm
冲模肩：R5冲模直径：60mm
压料圈压力：0.098MPa(≈10tonf/m2)
将结果示于图12中。(a)为在需要断裂耐力的部位不接合纤维强化塑料的片材地进行拉深成形的比较例，(b)为在需要断裂耐力的部位接合纤维强化塑料的片材而进行拉深成形的实施例的结果。
产业上的可利用性
根据本发明，能够在金属板的成形中，不改变金属板的材质、及成形工序地提高需要断裂耐力的部位的断裂耐力，提高金属板的成形性，防止成形中的断裂。本发明不论作为被加工材的金属板、成形内容如何都发挥效果。特别是对于存在成形性变低的倾向的高强度钢板的拉深成形、鼓凸成形、拉伸凸缘成形、弯曲成形发挥大的效果。本发明在金属制品制造产业中可利用性高。
符号的说明
1 坯料材
1’ 凸缘部
1a、1b 成形品
2 冲模
3 冲头
3’ 肩部
4 压料圈
5 断裂
6 变形阻力
7 需要断裂耐力的部位
8 纤维强化塑料的片材
8a、8a' 纤维强化塑料的增强材料
8b、8c 纤维强化塑料的增强材料
61 冲头肩
71 凸缘端
81 弯曲部位
91 冲头鼓凸部位
111 碳纤维强化塑料的片材
112 坯料材
113 粘接剂片材
114 温压接机
Claims (5)
1.一种金属板的成形方法，其特征在于，其是对金属板进行成形的方法，其在成形前对所述金属板的需要断裂耐力的部位进行预测，在所述需要断裂耐力的部位上接合纤维强化塑料，之后对所述金属板进行成形。
2.根据权利要求1所述的金属板的成形方法，其特征在于，所述需要断裂耐力的部位为在成形中所述金属板的板厚减少的部位。
3.根据权利要求1或2所述的金属板的成形方法，其特征在于，所述金属板为抗拉强度为590MPa以上的高强度钢板。
4.根据权利要求1或2所述的金属板的成形方法，其特征在于，按照所述纤维强化塑料的纤维的方向沿着所述金属板的需要断裂耐力的方向的方式进行接合。
5.一种成形品，其特征在于，其是通过权利要求1～4中任1项所述的金属板的成形方法进行拉深成形而成的。
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