JP2006218501A - 突合せ溶接金属板のプレス成型金型および成型方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
従来のテーラードブランク材のプレス成形性の欠点を解決し、優れたプレス成形性能を有するテーラードブランク材プレス用金型およびプレス方法を提供すること。
【解決手段】
板厚乃至強度の異なる金属板を突合せ溶接した板材をプレス成型する金型において、少なくとも母材の板厚と引張強度の掛けた値の大きい方の材料の一部を、カウンターパンチ若しくは磁性体若しくはサンクション装置の少なくともいずれか一つにより、パンチに押し付けることを特徴としたプレス成型金型および成型方法。
【選択図】 図３

Description

本発明は複数の金属板をつき合わせ溶接し、プレス加工に供される金属板に関するものであり、更に詳しくは、板厚及び強度の一方又は双方が異なる金属板を接合して製造される金属板のうち、プレス等の塑性加工に供されるためのものであり所謂テーラードブランク材を成型するためのプレス成型金型およびプレス成型方法に関するものである。

自動車用プレス部品は、工程簡素化、金型数削減などのため、２種以上の部品を一体成形する技術が広く取り入れられている。しかし、一体成形部品を素板から生産する場合にはスクラップとなる部分が多くなることから、素板歩留まり向上のために同一・同材質の薄板類をレーザー溶接やマッシュシーム溶接、電子ビーム溶接、ＴＩＧ溶接、アーク溶接などで連続溶接し、一体プレス成形を行う手法が開発された。さらに、最近では衝突安全性の観点から、部品の一部に必要な材料強度や板厚を変えた素板を連続溶接して用いる、所謂異材質テーラードブランク材が多く用いられるようになっている。

図１はテーラードブランク材のレーザー突合せ溶接プロセスの俯瞰図である。

テーラードブランク材は、鋼板同士をレーザー突合せ溶接することによって製造されている。例えば、図１に示すように、突合せた鋼板１、鋼板２同士のギャップ部分にレーザートーチ３からレーザービーム５を溶接ゾーン７に照射し、レーザートーチを突合せ線に沿って溶接進行方向６に移動もしくは、固定されたレーザートーチに対し鋼板を溶接進行方向６に移動しながら、溶接ビード４を形成してテーラードブランク材とするものである。

これら溶接により結合されたテーラードブランク材は、先に列記した経済的効果を有するが、連続溶接部分の材質劣化などにより、プレス成形時の成形不良が問題となっている。プレス成形時の破断としては、溶接ビード部と平行に素板が延ばされたとき、材質劣化した溶接ビード部が破断に至る「延性律速モード」と、溶接ビードを挟んで素板が引き延ばされたとき、低強度側の素板の母材破断に至る「応力律速モード」に分けられる。

このような事態に対し、例えば、 異厚・異材質テーラードブランク材のプレス成形において，強度律速に起因する低強度（もしくは低板厚）材側での破断を回避することを目的として、高引張強さ側材料の加工硬化特性値（ｎ1）と低引張強さ側材料の加工硬化特性値（ｎ2）の比（ｎ1／ｎ2）を０．７５以上３．８以下とすることを特徴とする成形性に優れたプレス成形用テーラードブランク材（例えば、特許文献１参照）や、レーザービーム、電子ビーム、プラズマアークなどの高密度エネルギービームによる溶接後にプレス成形を行なう場合に良好な成形性を示す極低炭素冷延鋼板として、２．６＜ｆ（Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｂ）＜１２．５を満足する鋼板（但し、Ｂ≦０．０００５％の場合は、ｆ（Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｂ）＝１００［％Ｃ］＋［％Ｓｉ］＋２［％Ｍｎ］＋５０［％Ｐ］＋９０００［％Ｂ］、そして、Ｂ＞０．０００５％の場合は、ｆ（Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｂ）＝１００［％Ｃ］＋［％Ｓｉ］＋２［％Ｍｎ］＋５０［％Ｐ］＋１０００（［％Ｂ］−０．０００５）＋４．５）のが発明されている（例えば、特許文献２参照）。しかし、このような材料の発明だけではプレス金型成型時の材料の破断を効果的に防止するには十分でない。例えば、極低炭素鋼板では昨今の高強度が要望される部材に必要な強度を満足できない場合があることと、溶接ビード部の特性向上により「延性律速モード」の破断に対しては効果が認められるが、「応力律速モード」の破断に対しては効果が低いことが判明した。

この点について、応力律速モードの破断時のひずみ分布については従来知見（例えば、非特許文献１参照）により素板の強度比で２種以上の素板に加わるひずみ比が初等解析で求まることが知られている。即ち、２種類の材料の応力−ひずみ関係式を添字１：高強度材、添字２：低高強度材とすると、σ₁＝Ｋ₁ε₁ ⁿ¹、σ₂＝Ｋ₂ε₂ ⁿ²で表せられる。接合部では力が釣り合っているために、σ₁ｔ₁＝σ₂ｔ₂が成り立つ。よってこれらの式を解くと、低強度材側が破断限界に達したときの高強度材側のひずみ（ε_1max）は、ＴＳ₁、ＴＳ₂の値から求めると下記（１）で与えられる。
ε_1max＝ｎ₁｛（ｔ₂／ｔ₁）（ＴＳ₂／ＴＳ₁）｝^1/n1・・・・（１）
ここで、σ：引張応力［ＭＰａ］、Ｋ：塑性係数［ＭＰａ］、ε：対数塑性ひずみ、ｎ：加工硬化指数、ＴＳ：最大引張強度［ＭＰａ］を意味する。

しかし、高強度材側の最大ひずみは計算できても「応力律速モード」でのプレス成型時の破断を改善する方法については記されていなかった。従ってプレス現場では、異材質テーラードブランク材での「応力律速モード」が生じた場合には、素板強度比を下げるために板厚比を低減するか、強度比を下げざるをえなかった。

例えば、板厚の異なるテーラードブランク材のプレス成型方法を、図２および図３にテーラードブランク材のハットプレス成型時の断面図として示す。図２に示すように、板厚の異なるテーラードブランク材をハットプレス成型するには、パンチ８、ダイ９と板押え１０とを備えたハットプレス成型装置を用いて、パンチ８上の中央部にテーラードブランク材１２の溶接位置１１が合うように板押え１０でセットし、パンチ８を矢印方向に上昇させて成型を行う。成型時には、図３に示すように、溶接ビード方向と直角方向の引っ張りによる歪が成型の律速となってしまう。このため、高加工量のハットプレス成型では、引っ張り強度の低い板厚の薄い鋼板部分が、引っ張り強度の高い板厚の厚い鋼板よりも伸びることとなり、溶接位置１１近傍の薄い鋼板部分に亀裂発生が生じる。即ち、プレス中所謂「応力律速モード」の破断に至り、成型性を阻害するため、従来は低加工量の製品にしかテーラードブランク材を適用することが出来なかった。

特開２０００−３０９８４３号公報 特開平７−２６３４６号公報 池本公一ら、「塑性と加工」、Ｖｏｌ．３２、Ｎｏ．３７０（１９９１）１３８３〜１３９０

本発明は、上記した従来のテーラードブランク材のプレス成型性についての欠点を解決し、優れたプレス成形性能を有するテーラードブランク材プレス用金型およびプレス成型方法を提供することを目的とする。

本発明者等は、テーラードブランク材に関するプレス成形不良、とりわけ今まで有効な対策をたてることができなかった「応力律速モード」の破断に対して、プレス金型との摩擦を利用して成型限界の向上を図ることが「応力律速モード」の破断に対して有効であることを見出して、本発明を完成した。

本発明の要旨は、次の通りである。

（１） 板厚及び強度の一方又は双方が異なる金属板を突合せ溶接した板材をプレス成型する金型において、カウンターパンチをもつことを特徴とする、プレス成型金型。

（２） 板厚及び強度の一方又は双方が異なる鋼板を突合せ溶接した板材をプレス成型する金型において、成型金型の一部に磁性体を設けたことを特徴とする、プレス成型金型。

（３） 板厚及び強度の一方又は双方が異なる金属板を突合せ溶接した板材をプレス成型する金型において、成型金型の一部にサクション装置を設けたことを特徴とする、プレス成型金型。

（４） 板厚及び強度の一方又は双方が異なる金属板を突合せ溶接した板材のプレス成型方法において、少なくとも母材の板厚と引張り強度を掛けた値の大きいほうの材料の一部を、カウンターパンチ若しくは磁性体若しくはサクション装置の少なくともいずれか一つにより、パンチに押し付けることを特徴としたプレス成型方法。

本発明によれば、テーラードブランク材のプレス加工時において、板厚及び強度を掛け合わせた値が大きいほうの材料の一部を金型に押し付け、その際に生じる摩擦を利用して、プレス加工時に溶接線が、板厚及び強度を掛け合わせた値が大きいほうの材料の方向に移動することを減少させることができるので、プレス加工時に材料に破断を生じることなく、成型性を高めることが可能となる。テーラードブランク材を金型に押し付ける手段としては、カウンターパンチを設けるか、電磁石などの磁性体を金型に埋め込むことや、パンチ表面に設けた空気穴からのサクションによって材料と金型の摩擦を高める手段を採用することが出来る。

以下図を参酌して本発明を説明する。
図３はテーラードブランク材のハットプレス成型時の断面図である。板厚の異なるテーラードブランク材をハットプレス成型するには、パンチ８、ダイ９と板押え１０とを備えたハットプレス成型装置を用いて、パンチ８上の中央部にテーラードブランク材１２の溶接位置１１が合うように板押え１０でセットし、パンチ８を矢印方向に上昇させて成型を行う。成型時には、図３に示すように、溶接ビード方向と直角方向の引っ張りによる歪が成型の律速となってしまう。このため、高加工量のハットプレス成型では、引っ張り強度の低い板厚の薄い鋼板部分が、引っ張り強度の高い板厚の厚い鋼板よりも伸び、溶接線が板厚もしくは強度の高い方の材料の方向に移動することとなり、溶接位置１１近傍の薄い鋼板部分に亀裂発生が生じる。即ち、プレス中所謂「応力律速モード」の破断に至り、成型性を阻害するため、従来は低加工量の製品にしかテーラードブランク材を適用することが出来なかった。

例えば、板厚１．４ｍｍ、ｎ値（硬化特性値）０．２５、最大引張強度４００ＭＰａの鋼板をプレス加工したときには、この材料は概ね２５％の伸びを許容する。例えば金型との摩擦が無視できるとして鋼板の両端を３００ｍｍの幅で拘束した状態でハット曲げプレスをした場合、３００ｍｍの幅は２５％伸び７５ｍｍになるので、３８ｍｍ程度の高さまでプレスすることが出来る。次に、板厚は１．０ｍｍであるが、同じｎ値、最大引張強度の鋼板をプレス加工したときも、この材料は概ね２５％の伸びを許容するため、例えば金型との摩擦が無視できるとして幅３００ｍｍの鋼板の両端を拘束した状態でハット曲げプレスをした場合には、３８ｍｍ程度の高さまでプレスすることが出来る。

しかし、このような材料を突合せ溶接し、溶接線を中心に両側に幅１５０ｍｍの場所を拘束した状態でハット曲げプレスを実施した場合には、板厚１．０ｍｍの材料が、限界の２５％まで伸びたときに、板厚１．４ｍｍの材料は６〜７％しか伸びておらず、トータルでの鋼板の幅３００ｍｍの幅は、厚み１．０ｍｍで幅１５０ｍｍの鋼板の３７．５ｍｍと、厚み１．４ｍｍで幅１５０ｍｍの鋼板の９．５ｍｍでトータル４７ｍｍの伸びとなり、プレス高さは２３．５ｍｍまでしかプレスすることが出来ない。

このとき板厚１．４ｍｍの材料は未だ変形する余地を残すものの、すでに板厚１．０ｍｍの材料は伸びの限界にまで達しており、これ以上プレスすると板厚１．０ｍｍの材料でワレが発生する。このように板厚及び強度の一方又は双方が異なる材料により構成されたテーラードブランク材は、その母材単体に比して著しく成型性が悪化する。

本発明はその成型限界付近でも、板厚若しくは強度の高い方の材料が未だ変形する余地を残していることに着目し、板厚若しくは強度の高い方の材料の変形を簡単な方法で促すことにより、成型性を高めるものである。

具体的にはプレス加工時に溶接線が板厚もしくは強度の高い方の材料の方向に移動することをカウンターパンチにて減少させることを特徴とする。

図４は、カウンターパンチを設けたハットプレス成型断面図である。図４に示すように、ハットプレス成型装置には、パンチ８と向かい合う位置にカウンターパンチ１４を設けある。テーラードブランク材をハットプレス成型するときには、成型の間テーラードブランク材１２をカウンターパンチ１４でパンチ８に押し付けて、パンチ８とカウンターパンチ１４とでテーラードブランク材を挟持するようにする。図４の例では、板厚の厚い鋼板部分をパンチ８とカウンターパンチ１４とで挟持している。このように挟持することで、テーラードブランク材とパンチおよびカウンターパンチとの間で摩擦が発生するので、プレス加工時に溶接線が板厚もしくは強度の高い方の材料の方向に移動することを減少させることが可能となる。

すなわち、テーラードブランク材をパンチとカウンターパンチとで挟持しない従来例では、板厚１．０ｍｍの材料は板幅１５０ｍｍの２５％すなわち３７ｍｍ伸びるのに対し、板厚１．４ｍｍの材料は幅１５０ｍｍの６％すなわち９ｍｍしかのびない。したがって上記プレス加工時には、溶接線は、パンチの中心から１．４ｍｍの材料側に２９ｍｍ移動する。

これに対して、本発明によるカウンターパンチを適用し、その溶接ビード単位長手方向の単位長さ辺りの押さえ力をＦ、金属板とパンチおよびカウンターパンチとの摩擦係数μとすれば、接合部では力が釣り合っているために、σ₁ｔ₁＝σ₂ｔ₂＋２μＦが成り立つ。ここで、σは引張り応力、ｔは板厚をあらわす。

よってこれらの式を解くと、低強度材側が破断限界に達したときの高強度材側のひずみ（ε_1max）は、最大引張り強さＴＳ₁、ＴＳ₂の値から求めると下記（２）で与えられる。
ε_1max＝ｎ₁｛（ｔ₂×ＴＳ₂＋２μＦ）／（ｔ₁×ＴＳ₁）｝^1/n1・・・・（２）
ここで、ε：対数塑性歪、ｔ：板厚、ＴＳ：最大引張り強さ（ＭＰａ）、ｎ：加工硬化指数を意味する。
例えば、上記テーラードブランク材のプレス加工時、摩擦係数０．３カウンターパンチ反力２００Ｎ／ｍｍのとき、板厚１．０ｍｍの材料が２５％伸びて成型限界に達したとき、板厚１．４ｍｍの材料の延びは、従来例の６％から１１％に増加し、成型高さは従来例での２３．５ｍｍから２７ｍｍに改善することが可能となった。

本発明の効果は、上記のように、テーラードブランク材のプレス加工時において、板厚及び強度を掛け合わせた値が大きいほうの材料の一部を金型に押し付け、その摩擦を利用して成型性を高めることにより発揮されるものであり、同様に材料を金型に押し付ける手段として、電磁石などの磁性体を金型に埋め込むことや、パンチ表面に設けた空気穴からのサクションによって材料と金型の摩擦を高めることが出来る。

図５は、電磁石をパンチに設けたハットプレス成型の断面図である。図５に示すように、少なくとも１個以上の電磁石１５をパンチ８の表面部に埋め込み、テーラードブランク材のプレス加工時において、溶接線が板厚もしくは強度の高い方の材料（板厚及び強度を掛け合わせた値が大きいほうの材料）の方向に移動することを減少させるようにパンチ８に磁力によりテーラードブランク材を引きつけ、その磁力を利用して成型性を高めるようにしたものである。

図６は、サクションをパンチに設けたハットプレス成型の断面図である。図６に示すように、少なくとも１個以上のサクション管１６をパンチ８に設けている。このサクション管を設けた例では、テーラードブランク材のプレス加工時において、溶接線が板厚もしくは強度の高い方の材料（板厚及び強度を掛け合わせた値が大きいほうの材料）の方向に移動することを減少させるようにサクションによりテーラードブランク材をパンチ８に引きつけて、成型性を高めているものである。

このようなカウンターパンチ・磁性体・サクションは、パンチに複数設けプレス成型の過程において、そのプレス加工進展に応じて予めその強さや作動のＯＮ／ＯＦＦをプログラムしておけば、更なる成型性向上も望める。

板厚が１ｍｍと同じで、引っ張り強度が６００ＭＰａと４００ＭＰａの材料を組み合わせて突合せレーザー溶接したテーラードブランク材、および、板厚が１．４ｍｍで引張り強度が４００ＭＰａの材料と板厚が１．０ｍｍで引っ張り強度が４００ＭＰａの材料とを組み合わせて突合せレーザー溶接したテーラードブランク材を、供試材として用いハットプレス成型試験を実施した。ハットプレス成型試験では、本発明例は、図４に示すカウンターパンチを設けたハットプレス成型装置を用い、そして、比較例は、カウンターパンチのない従来のハットプレス成型装置を用いて試験を行った。その試験に供した材料、ハット曲げプレス成型高さ、および、成型性の判定を表１に併せて記載した。

カウンターパンチのない比較例１では、ハット曲げプレス成型高さ（限界成型高さ）が２３．５ｍｍ、比較例２では、ハット曲げプレス成型高さ（限界成型高さ）が２３．５ｍｍであった。そして、これ以上成型高さを大きくすると、比較例１では板厚１．０ｍｍの材料の方で、比較例２では４００ＭＰａの材料の方で亀裂が発生した。

これに対して、カウンターパンチを用いた本発明例では、カウンターパンチの押し付け力を２００Ｎ／ｍｍとしたとき、発明例１（比較例１と同じ材料を用いている）の成型高さは２７ｍｍに向上させることができ、発明例２（比較例２と同じ材料を用いている）の成型高さは２４．２ｍｍに向上させることができた。

発明例１および２に対する比較例１および２についてのハット曲げ成型高さ（ｍｍ）の関係を図７に示す。図７に示すように、本発明によれば成型性が大幅に向上することが分かる。

以上の試験結果から明らかなように、カウンターパンチを用いた本発明例では、テーラードブランク材の成型性を大幅に向上させることが可能となった。

テーラードブランク溶接プロセスの俯瞰図である。 テーラードブランクのハットプレス成型前の断面図である。 テーラードブランクのハットプレス成型時の断面図である。 カウンターパンチ有りのテーラードブランクのハットプレス成型断面図である。 電磁石をパンチに設けたテーラードブランクのハットプレス成型断面図である。 サクションをパンチに設けたテーラードブランクのハットプレス成型断面図である。 ハット曲げ高さ（ｍｍ）の関係を示す図である。

符号の説明

１ 鋼板
２ 鋼板
３ レーザートーチ
４ 溶接ビード
５ レーザービーム
６ 溶接進行方向
７ 溶接ゾーン
８ パンチ
９ ダイ
１０ 板押え
１１ 溶接位置
１２ テーラードブランク材
１３ 亀裂発生
１４ カウンターパンチ
１５ 電磁石
１６ サクション管

Claims (4)

1. 板厚及び強度の一方又は双方が異なる金属板を突合せ溶接した板材をプレス成型する金型において、カウンターパンチをもつことを特徴とする、プレス成型金型。
2. 板厚及び強度の一方又は双方が異なる鋼板を突合せ溶接した板材をプレス成型する金型において、成型金型の一部に磁性体を設けたことを特徴とする、プレス成型金型。
3. 板厚及び強度の一方又は双方が異なる金属板を突合せ溶接した板材をプレス成型する金型において、成型金型の一部にサクション装置を設けたことを特徴とする、プレス成型金型。
4. 板厚及び強度の一方又は双方が異なる金属板を突合せ溶接した板材のプレス成型方法において、少なくとも母材の板厚と引張り強度を掛けた値の大きいほうの材料の一部を、カウンターパンチ若しくは磁性体若しくはサクション装置の少なくともいずれか一つにより、パンチに押し付けることを特徴としたプレス成型方法。

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