JP2005186113A - 金属板のプレス成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 フランジ部分の形状精度（板厚精度や平坦度の精度）として良いものが要求される製品の機能上の制約、あるいは凹凸の繰り返し配置等隣接部との材料の引込みが競合する製品の形状による制約のため、周囲から素材金属板を流入させる絞り成形が困難な場合の金属板のプレス成形における成形限界をより高めること。
【解決手段】 凸部１Ａを有したパンチ１と凹部２Ａを有したダイ２とを用い、凸部１Ａを凹部２Ａに挿入して金属板４を挟圧し、縦壁を有する形状の部材を成形するプレス成形方法において、前記縦壁を成形する際の凸部１Ａの外壁面と凹部２Ａの内壁面との間のクリアランスをｃ、成形前の金属板４の板厚をｔとしたとき、ｃ＜ｔの関係、より好ましくは、0.3ｔ≦ｃ≦0.9ｔの関係を有するようにして成形を行うことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は金属板のプレス成形方法に関し、特に製品の機能上の制約、あるいは製品の形状による制約のため、周囲から素材金属板を流入させる絞り成形が困難な場合に適した金属板のプレス成形方法に関する。

薄鋼板等の金属板のプレス成形は、周囲から素材金属板を流入させる絞り成形と、素材金属板を流入させない張出し成形に大別される。通常は両者が複合しており、形状によりその比率配分は様々である。薄鋼板等の金属板の成形には一般的にプレス成形を用いるが、成形高さが高い（深さが深い）場合にはワレやシワ等の不具合を生じやすくなる。またワレやシワが生じなくとも、一旦プレス成形された部材が形状凍結されずに型抜きと同時に弾性的に変形する、いわゆるスプリングバックにより、所望の形状が精度良く得られない場合も少なくない。かかる不具合は、経験的知見をもとにプレス成形条件のパラメータ（クッション圧、潤滑、ブランク形状等）を変更することで対症療法的に対応し、なお解決を得ない場合には何回かに分けてプレスする多段工程と呼ばれる方法により成形するのが一般的である（例えば、特許文献１）。成形高さが高い部材の成形方法としては、例えば一例として特許文献２に示されているようなＤＩ缶の製造方法がある。これは金属板を深絞り成形（Deep draw）したのち、しごき加工（Ironing)を別々の工程で行う方法である。なお、近年ではシミュレーション計算による不具合予測と対処法予測が可能になってきているが、最終的には現場での試行錯誤が避けられないのが実状である。
特開２０００−３１７５３１号公報 特開平８−１６８８２８号公報

金属板をプレス成形する場合には、図５に示すように、凸部１Ａを有したパンチ１と凹部２Ａを有したダイ２とを用い、凸部１Ａを凹部２Ａに挿入して素材である金属板４をプレス成形する。その場合、従来は、パンチ１の凸部１Ａ外周壁とダイ２の凹部２Ａ内周壁との間の縦壁部４１のクリアランスｃを、成形前の金属板４の板厚ｔより大きくして行っていた。しかしながら、フランジ部分の形状精度（板厚精度や平坦度の精度）として良いものが要求される場合、周囲からの素材金属板の流入が比率として多いと、フランジ部の均一な減肉、平坦な形状のままの流入が難しくなってその実現が困難になる問題があるのと、凹凸の繰り返し配置等隣接部との材料の引込みが競合する場合等においては、プレス成形時、周囲からの素材金属板の流入が実質的に期待し得ない問題があるのと、双方の理由により、上記のクリアランスｃを成形前の金属板４の板厚ｔより大きくする従来の方法では成形ができない場合がある、という問題が生じていた。
また、従来の張出し成形は、素材金属板のプレス時の伸びに負うところが大きく、その伸びが乏しい場合には成形ができないという問題も生じていた。特にいわゆるハイテンと呼ばれる引張強さ４００MPa以上の高強度の薄鋼板や、ステンレス鋼板等の金属板は、通常の軟鋼に比べて伸びが小さいため問題は深刻であり、その解決が待ち望まれていた。
さらに、従来のＤＩ缶の製造方法は、深絞り成形としごき加工を別々の工程で行うため、どうしてもその分時間がかかり、生産能率向上の観点からさらに良い方法がないかと考えられていた。
本発明はかかる問題を解決するべくなされたものであり、金属板のプレス成形における成形限界をより高め、しかもそれを従来のＤＩ缶の製造よりも短時間で行える方法を提案するものである。

本発明の方法は、凸部を有したパンチと凹部を有したダイとを用い、前記凸部を前記凹部に挿入して金属板を挟圧し、縦壁を有する形状の部材を成形するプレス成形方法において、前記縦壁を成形する際の前記凸部外壁面と前記凹部内壁面との間のクリアランスをｃ、成形前の前記金属板の板厚をｔとしたとき、ｃ＜ｔの関係を有するようにして成形を行うことを特徴とする。なお、この場合、0.3ｔ≦ｃ≦0.9ｔ、とすることが特に好ましい。

本発明の金属板のプレス成形方法よれば、金属板を用いた縦壁を有する部材の成形に際して、その縦壁部が引張りと、しごきによる剪断変形を受けて破断することなく減肉される。それにより、クリアランスｃを成形前の金属板４の板厚ｔより大きくする従来の方法ではワレやシワ等の不具合の発生が避けられなかった形状の部材を、それも、例えば高強度の薄鋼板やステンレス鋼板等の金属板を用いた場合でもワレやシワ等の不具合を発生させることなく短時間で成形が可能となり、成形後の部材の品質の安定化が図れる。加えて、しごきによる剪断変形（塑性変形）を受けた結果、成形後の部材のスプリングバックが抑制され、形状凍結性も向上し、所望の形状が精度良く得られる、という効果もある。

図１は本発明の金属板のプレス成形方法の実施形態を説明するための図である。本発明は、凸部１Ａを有したパンチ１、凹部２Ａを有したダイ２、加工素材である金属板４を押さえるホルダー３等を用い、パンチ１の凸部１Ａをダイ２の凹部２Ａ内に挿入して金属板４を挟圧し、プレス成形する際に、成形後の金属板４に形成しようとする突起４０の縦壁部４１におけるパンチ１とダイ２との間のクリアランスｃを、成形前の金属板４の板厚ｔより小さくして（ｃ＜ｔ）、金属板４の成形を行う。すなわち、金属板４をプレス成形して縦壁部４１を形成する際に、パンチ１の凸部１Ａの外壁面とダイ２の凹部２Ａの内壁面との間のクリアランスｃを、成形前の金属板４の板厚ｔより小さくして成形を行う。なお、パンチ１の凸部１Ａをダイ２の凹部２Ａ内に挿入する方法は、ダイ２を固定しておいてパンチ１の方を移動させる方法と、パンチ１を固定しておいてダイ２の方を移動させる方法のどちらによってもよい。このようにすることで、金属板４に成形される縦壁部４１は、引張り変形と、しごきによる剪断変形を受け、破断することなく減肉が可能となる。従って、ほとんど引張り変形によって縦壁部の成形が行われる、クリアランスｃを成形前の金属板４の板厚ｔより大きくする従来の方法に比べて、プレス成形の成形限界（成形高さ）をより高めることができる。また、絞り成形と張出し成形が複合しているとはいえ、これとしごき加工が別々の工程ではなく、一つの工程の中で行われるため、絞り成形としごき加工が同時に行われる分、ＤＩ缶の製造方法より短時間での成形が可能になる。

なお、ここにいう縦壁部は、必ずしも図１に示すような垂直なものに限られず、プレス時にしごきによる剪断変形を受けるものであればよく、他の形状、例えば傾斜したものも含む。ちなみに、縦壁部が傾斜している場合は、ダイ２の凹部２Ａの中でパンチ１の凸部１Ａをその側壁に沿うように周回させるような方法で加工するような方法がある。

また、成形前の金属板４の板厚ｔに対してクリアランスｃが小さいほど、剪断変形の比率が増し、張出しの成形限界が高まるが、クリアランスｃが小さすぎると打抜き加工(すなわち破断)の状態になり、張出し成形の目的から外れてしまう。この破断が生じるか否かは、部材の形状や素材金属板４の延性によるが、後述の実施例で述べる実験結果から判断すると、クリアランスｃの下限は0.3とし、上限は剪断変形を多くし引張変形を少なくするため0.9とし、併せて、0.3ｔ≦ｃ≦0.9ｔ、とすることが好ましい。

次に、図２に示す断面図に表されるような形状の部材を成形するに際し、クリアランスｃを種々変更し実験した結果を示す。図２の部材は繰り返し突起４０を有する形状のため、周囲からの素材金属板４の流入が実質的に期待し得ず、張出し成形主体の成形にならざるを得ない。ここでは、図３の（ａ）→（ｂ）に示す第１工程が本発明のプレス成形方法を用いて行ったものであり、図４の（ｃ）→（ｄ）に示す第２工程は、従来から行われていた、クリアランスｃを成形前の金属板４の板厚ｔより大きくする方法による。図３、図４において、１Ａ，１Ｂはパンチ１の凸部、２Ａ，２Ｂは被加工素材である金属板４を所望の形状に成形するダイ２の凹部である。従って、第１工程では、ダイ２の凹部２Ａにパンチ１の凸部１Ａが挿入されて成形が行われ、第２工程では、ダイ２の凹部２Ｂにパンチ１の凸部１Ｂが挿入されて成形が行われる。

ここで、成形前の板厚０．６mm、引張強さ５９０MPaの鋼板（金属板）４に対して、第１工程におけるクリアランスｃをＡ〜Ｆの６種類に設定し、その他の条件を同じくして、それぞれ第１工程におけるプレス成形を行った結果について次の表１に示す。

表１に示すように、従来のクリアランスｃを成形前の金属板４の板厚ｔより大きくする方法でプレス成形を行った場合（Ａ）には、第１工程で所定成形高さの９０％にて割れを生じ、成形不可能となった。これに対し、ｃ＜ｔとした本発明のプレス成形方法によった場合（Ｂ〜Ｆ）には、第１工程で割れを生じることなく成形が完了したことから、成形高さをより高くでき、しかも第１工程だけで、いずれも所定成形高さを達成できた。従って、例えば図３（ｂ）に示すような形状を最終形状とする場合には、ｃ＜ｔとすることで成形が可能である。

続いて、第１工程で所定成形高さを達成した条件Ｂ〜Ｆで成形した各部材に対して、第２工程のプレス成形を行った。なお、この第２工程において、使用した金型（パンチ１及びダイ２）を除くプレス条件は、条件Ｂ〜Ｆに各対応するプレス条件と同じである。そして、この第２工程のプレス成形による各部材の成形結果も表１に併せて示した。それを見ると、第１工程でのクリアランスｃを条件Ｃ、Ｄ、Ｅとして成形した部材を用いてその第１工程での被成形部を第２工程で再成形したものは目標形状の成形を達成できたが、第１工程でのクリアランスｃを条件ＢおよびＦとして成形した部材を用いてその第１工程での被成形部を第２工程で再成形したときには割れを生じている。これは、条件Ｂの場合には、ｃ＜ｔであるものの、比較的クリアランスｃが大きく、第１工程による縦壁部の変形において、剪断変形が少なく引張り変形が多くなったために、第１工程終了時には割れとして顕在化しなかった局所的なネッキングが潜在していたためと考えられる。また、条件Ｆの場合には、第１工程で形成された縦壁部が過薄で、かつ加工硬化により延性が乏しくなったため、第２工程ではついに引張応力に抗しきれずに破断したものと考えられる。

上記の実験の結果から、ｃ＜ｔの関係を有するようにしてプレス成形を行うことで、従来に比して成形高さをより高くでき、成形性が向上したことがわかる。そして、0.3ｔ≦ｃ≦0.9ｔの関係を有するようにして成形を行うことで、より複雑な形状の部材でも割れを生ぜずに成形が可能になることがわかる。
なお、本発明のプレス成形方法で成形できる突起の形状は、図１または図３に示した形状に限られるものではなく、断面楕円形、多角形、円錐形、円錐台形等、しごきによる剪断変形を受けるものであれば、各種の形状のものがあると言えよう。

本発明は、金属板のプレス成形に広く利用できる。そして特に、フランジ部分の形状精度（板厚精度や平坦度の精度）として良いものが要求される製品の機能上の制約、あるいは凹凸の繰り返し配置等隣接部との材料の引込みが競合する製品の形状による制約のため周囲から素材金属板を流入させる絞り成形が困難な場合にも適用可能な金属板のプレス成形方法として、自動車や電気機器等に用いる縦壁を有する部材の成形に利用できる。

本発明のプレス成形方法の実施形態を説明するための図。 本発明のプレス成形方法を仲介して成形する部材の断面形状を示す図。 本発明のプレス成形方法を適用した第１工程について説明するための図。 目標の断面形状を得るための第２工程について説明するための図。 従来方法について説明するための図。

符号の説明

１…パンチ、１Ａ，１Ｂ…パンチの凸部、 ２…ダイ、２Ａ，２Ｂ…ダイの凹部、３…ホルダー、 ４…金属板、４０…金属板の突起、４１…縦壁部。

Claims (2)

1. 凸部を有したパンチと凹部を有したダイとを用い、前記凸部を前記凹部に挿入して金属板を挟圧し、縦壁を有する形状の部材を成形するプレス成形方法において、
   前記縦壁を成形する際の前記凸部外壁面と前記凹部内壁面との間のクリアランスをｃ、成形前の前記金属板の板厚をｔとしたとき、ｃ＜ｔの関係を有するようにして成形を行うことを特徴とする金属板のプレス成形方法。
2. 前記クリアランスｃと、成形前の前記金属板の板厚ｔとの関係を、0.3ｔ≦ｃ≦0.9ｔ、とすることを特徴とする請求項１記載の金属板のプレス成形方法。

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