JP2006224122A

JP2006224122A - 打ち抜き端面の成形性及び疲労特性に優れた、薄鋼板のブランク板

Info

Publication number: JP2006224122A
Application number: JP2005038786A
Authority: JP
Inventors: Yuzo Takahashi; 雄三高橋; Teruki Hayashida; 輝樹林田; Masahiro Obara; 昌弘小原
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2005-02-16
Filing date: 2005-02-16
Publication date: 2006-08-31

Abstract

【課題】打ち抜きにより製造されプレス成形工程を経て最終的に自動車部品等として用いられるブランク板において、打ち抜き端面の延性を良好なブランク板を提供する。
【解決手段】薄鋼板から打ち抜き加工により製造されたブランク板であって、対象の薄鋼板の加工硬化指数をＮとした場合、打ち抜き端面の硬さ増加率が２７０×Ｎ以下である打ち抜き端面を有することを特徴とする、打ち抜き端面の延性に優れたブランク板。
【選択図】図１０

Description

本発明は、薄鋼板を打ち抜くことにより製造され、成形等の工程を経た後最終的に自動車等の部品として用いられる、ブランク板に関するものである。

省エネルギー、燃費軽減の必要性から、自動車の軽量化ニーズが高く、特に、元々厚手の鋼材を用いている足回り部品への軽量化ニーズは大きい。
そのために、足回り部品に適用する鋼板の薄手化が進んでいる。薄手化するに当たり、薄手化しても部品として強度、剛性を確保するために、部品の応力集中部をより複雑形状とし、薄手化による断面係数の低下を補う構造とする必要が生ずるが、そのためには素材となる鋼板により厳しい成形加工をする必要が生ずる。以上の背景から、自動車軽量化ニーズに対応するためには、より高い成形性の鋼板が求められている。
鋼材の成形性が改善する程、複雑な成形が可能となるため、より大きな軽量化効果が得られる。特に、自動車足回り部品の成形では、多くの場合、素材の端部（打ち抜き端面）からの破断が発生し、その成形限界により軽量化の限界が左右される。多くの自動車部品メーカーでは、自動車部品に適用している鋼板の板厚を、１ゲージ（元厚の約１０〜１５％）低減することが目標であるが、多くの部品では、１０％の板厚低下による部品強度・剛性の低下を補う形状とするため、鋼材の端部（打ち抜き端面）の延性を従来の１．２倍以上に改善することが要求される。

以下に、自動車用部品の打ち抜き端面の延性の劣化の問題についてより詳細に説明する。
ホイール、アーム、メンバー等の自動車足回り部品は、図１に示すように、素材の薄鋼板が打ち抜き加工により所定形状のブランク板とされ、次に成形加工がなされて部品形状とされた後、溶接工程、塗装等の工程を経て自動車用部品として組み立てられ用いられる。

図２に、上記の製造工程における打ち抜き工程での材料変形挙動を示す。打ち抜きとは、しわ押さえ１及びダイ２で材料４を挟み、ポンチ３で材料４を所定の形状に剪断する工程である。図２の打ち抜き中を表す図、及び写真１に示すように、打ち抜き端面８は、ダレ１１、剪断面５、破断面６からなり、また、剪断面５、破断面６の下には打ち抜きにより加工硬化した層７がある。
以上のような打ち抜き端面８を持つブランク板もしくはそれから製造される部品は、打ち抜き端面8に上述の諸々の打ち抜きの影響が残っているため、打ち抜き端面８の延性が低い。このために、打ち抜きの次工程の成形工程で打ち抜き端面に加工が加わった際に端面から亀裂を生じ、成形不良となりやすい。

本発明は、以上の課題を解決し、自動車足回り部品の軽量化に資する、端面延性の優れたブランク板を提供することを目的とする。
上記の打ち抜き工程に起因する問題を解決する技術として、例えば、特許文献１に示すような、打ち抜きでなくレーザー切断を用いることが考えられる。これは、打ち抜きでなくレーザー切断することで打ち抜き端面の破断面にあるよう凹凸形状のないレーザー切断端面が得られるため、その効果により端面の延性を改善可能と考えられる。しかし、このレーザー切断を近年の軽量化ニーズに対応した合金量の多い高強度鋼板に適用するとレーザー切断による硬質な焼入れ層中が端面に生ずるため、成形時に亀裂が生じやすくなるため、高強度鋼板で成形性は改善されるとは考えられない。
また、下記の非特許文献１に開示されている、打ち抜き後に端面表層部分を除去するシェービングを行う方法を用いることによって端面の加工硬化部を除去し打ち抜き端面の延性を改善することができる可能性があるが、金型コストの増加と金型寿命の低下という問題点があり、経済的なコストで得ることは困難である。
特開昭６１−２８３４８２号公報塑性と加工、Ｖｏｌ１１０、Ｎｏ１０４、Ｐ６６５−６７１（１６９６．６）中川ら、削り抜き法-剪断面の変形能向上策

本発明は、上記に鑑み、従来の打ち抜きにより得られるブランク板に対して、打ち抜き端面の延性を改善したブランク板を提供することを課題とする。

本発明者らは、上記に鑑み、端面延性が良好（従来の１．２倍以上）であるブランク板を実現すべく鋭意検討を行った結果なされたものであり、その要旨とするところは特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
（１）薄鋼板から打ち抜き加工により製造されたブランク板であって、対象の薄鋼板の加工硬化指数をＮとした場合、打ち抜き端面の硬さ増加率が２７０×Ｎ以下である打ち抜き端面を有することを特徴とする、打ち抜き端面の延性に優れたブランク板。
初めに、諸々の鋼材を用い、従来の打ち抜き方法による打ち抜き端面の加工硬化の状態と延性を調べた結果について説明する。
表１の材料Ａ〜Ｃを対象に、図３の通常の打ち抜き金型にて打ち抜きを行った。その際、クリアランスは１２．５％とした。クリアランスは、ポンチとダイの間隔ｓ／板厚ｔ×１００（％）によりえ得られる金型寸法を表す値である。次に、得られた試験片の打ち抜き穴近傍の材料断面の図４に示す位置１６、１７で硬さ測定を行い、（位置１６での硬さ平均値―位置１７での硬さ平均値）／位置１７での硬さ平均値×１００（％）として打ち抜き端面の硬さ増加率を求めた。硬さは荷重１ｋｇでビッカース硬さを測定し求めた。打ち抜き端面硬さ増加率は、図５で示される、打ち抜き端面から０．１ｍｍ位置での硬さの、打ち抜きの影響が無い部分の硬さに対する増加率（ｂ／ａ×１００（％））である。

また、各々の材料の打ち抜き端面の延性を調べるために、穴広げ試験を行った。穴広げ試験は、２００ｍｍ×２００ｍｍに切断した素材の中央部に、上述条件で打ち抜き穴を開けた後、頂角６０度の円錐ポンチにより打ち抜き穴を押し広げ、打ち抜き端面に入る亀裂が板厚を貫通した時点での穴径の拡大率（穴広げ率）を求めた。その際、試験片は打ち抜き穴のバリが円錐ポンチの反対側となるように試験片をセットした。
打ち抜き端面の硬さ増加率は、歪の対する材料の加工硬化のしやすさに依存すると想定される。そこで、打ち抜き端面の硬さ増加率と対象の材料の加工硬化指数（ｎ値）の関係を整理した結果を図６に示す。その結果、打ち抜き端面の硬さ増加率は、従来の打ち抜き方法では、ｎ値×３００（％）程度の値であった。

図６中に、各々の材料の穴広げ値も示しているが、前述の課題を達成するには、穴広げ値にして、１．２倍以上に改善することが目標である。
鋼材は、硬いものほど延性が低いので、打ち抜き端面の延性の劣化には、打ち抜き端面の硬さの増加が関係していることが想定される。そこで、次に、本発明者らは、打ち抜き端面の硬さ増加率を低減したブランク板を作成し、端面の延性（穴広げ率）を調べた。
打ち抜き端面の硬さ増加率を低減したブランク板を得た方法は以下のようなものである。

まず、打ち抜き時の材料の変形挙動と打ち抜き端面加工硬化の原因について図７を用いて説明する。打ち抜き初期の段階（図７（２））で、ポンチ３の移動に伴い材料４に剪断面５が形成される。この時に、ポンチ３とダイ２に挟まれた部分７は塑性加工（剪断変形）が加えられ、加工硬化する。更に、ポンチが移動する（図７（３））と、ポンチとダイの肩近傍から亀裂８が発生する。この亀裂８が伝播して生成する新生面９が破断面６となる。更にポンチが進む（図７（４））と、亀裂８が会合し、材料４が、ポンチ側材料１０とダイ側材料１２に分離する。
以上を鑑みると、打ち抜き端面の加工硬化は剪断面の形成段階で進んでいると考えられるので、打ち抜き時に材料に張力を付与し剪断面形成段階に発生する亀裂の発生、伝播を促進して剪断面形成段階を短くすることにより加工硬化層７の塑性変形を低減し加工硬化層７の加工硬化を抑制することができるものと考えられる。この原理に基づいて、図８に示す形状のポンチにて打ち抜きを行った。図８のポンチは、図９に示すようにポンチ３の先端に付けられた突起１３により材料４を変形させ、剪断予定部１４に張力１８を与えることを意図したものである。

具体的には、表１の材料Ａ〜Ｃを対象に、表２に示すＰ１〜Ｐ５のポンチにての金型にて打ち抜きを行った。その際、クリアランスは１２．５％とした。Ｐ１は従来のポンチ例であり、Ｐ２〜Ｐ５は、前述図９に示すようにポンチ３の先端に付けられた突起１３により剪断予定部１４に張力１８を与えることを意図したものである。
Ｐ２〜Ｐ５のポンチで打ち抜く際は、ポンチ切刃１５から突起肩１９を見上げる角度θと同じ角度で材料の剪断予定部に曲げ変形が加わるものと推定されるが、本試験では、その角度θを変えることにより、剪断予定部１４の曲げ角度を調整し、そこに働く張力を制御した。θは突起高さｈ、切刃と突起の間隔dを変えることにより変えた。

図１０に突起の付いたＰ２〜Ｐ５のポンチで打ち抜いた試験片での打ち抜き端面増加率の、従来ポンチＰ１による試験片の打ち抜き端面増加率に対する比を横軸として、Ｐ２〜Ｐ５のポンチで打ち抜いた試験片の穴広げ値率の、従来ポンチによる試験片の穴広げ値に対する比を縦軸として整理した結果を示す。これより、打ち抜き端面の硬さの増加率を材料毎に従来の０．９倍以下、即ち、対象材料の加工硬化指数をＮとして、２７０×Ｎ以下とすることにより穴広げ値が十分改善されていることが分かる。

以上から、十分な端面延性を有するブランク板を得るには、対象材料の加工硬化指数をＮとしたときに、打ち抜き端面の硬さの増加率を２７０×Ｎ以下とする必要があることが分かった。
本発明は、以上を下に為されたものであり、以下をその要旨とする。
薄鋼板から打ち抜き加工により製造されたブランク板であって、対象の薄鋼板の加工硬化指数をＮとした場合、打ち抜き端面の硬さ増加率が２７０×Ｎ以下である打ち抜き端面を有することを特徴とする、打ち抜き端面の成形性に優れたブランク板。

本発明により自動車部品の成形を容易とすることにより自動車部品の製造コストを低減し、更に、高強度鋼板の適用を通して、自動車軽量化、燃費軽減に寄与する。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
本発明のブランク板においては、対象の薄鋼板の加工硬化指数をＮとした場合、打ち抜き端面の硬さ増加率を２７０×Ｎ以下とする必要がある。これは、加工硬化率がそれ以下であると、十分な端面の延性が得られないためである。
対象の薄鋼板の加工硬化指数Ｎは、引張試験を行い歪・応力曲線を得て、それを用いて公称伸びで３％から一様伸びの間の歪（真歪）と応力（公称応力）の値を用い、下式でのフィッティングによりｎを求め、決定するものとする。
σ＝Ｆ×εⁿ
但し、各々の記号は下記を表す。
σ：真応力
ε：真歪
Ｆ：フィッティングにより求まる係数
ｎ：フィッティングにより求まる加工硬化指数。

打ち抜き端面の硬さ増加率は、前述と同じように、得られた試験片の打ち抜き穴断面の図４に示す位置で硬さ測定を行い、（位置１６での硬さ平均値―位置１７での硬さ平均値）／位置１７での硬さ平均値×１００（％）として求める。
本発明のブランク板は、破断面直下の加工硬化が小さいために、それに起因して打ち抜き時に発生する打ち抜き端面の微割れない。また、本発明では、打ち抜き端面の加工硬化、即ち打ち抜き時の塑性変形がより小さいため、それに起因する引張残留応力もより低減されている。そのため、打ち抜き端面疲労寿命が良好である。打ち抜き時の端面の加工硬化に伴いより顕著となると考えられる、打ち抜き端面のバリは、本発明のブランクにおいてはより軽微となる効果を有する。

本発明のブランク板は、前述の打ち抜き方法により得ることが好ましい。即ち、図８に示すような突起付き打ち抜きポンチを用い、打ち抜き時に材料に張力を与え、亀裂の発生、伝播を促進し、剪断面形成段階を短くすることにより得る。図８のポンチを用いる場合、ポンチ切刃１５から突起１９を見上げる角度θは２度以上７０度以下とすることが好ましい。θが２度より小さいと材料に十分な張力が働かず、７０度より大きいと突起による曲げ変形が大きすぎるためにそれによる加工硬化が過大となるためである。また、突起の肩部（図８のポンチ切刃１５とポンチ切刃１５から突起１３に引いた接線と突起１３の接点）の形状については、突起により材料が剪断されるのを防ぐため、曲線形状としてＲ＞０．１ｍｍとする、かつ／または鈍角形状（ω＝１００〜１７０度）とすることが好ましい。

以下に本発明の実施例を示す。
表３の鋼Ｄ、Ｅを対象に、図３に示す従来ポンチ、及び図８に示す突起付きポンチにて打ち抜きを行った。金型の寸法を表４に示す。クリアランスは１２．５％とした。Ｑ１は従来のポンチ例であり、Ｑ２〜Ｑ６は、ポンチ３の先端に付けられた突起１３により剪断予定部１４に張力１８を与えることを意図したものである。
Ｑ２〜Ｑ６のポンチでは、突起高さｈ、切刃と突起の間隔dが変わっており、それによりポンチ切刃１５から突起肩１９を見上げる角度θが変わっている。本試験では、そのθを変えることにより剪断予定部１４の打ち抜き時の材料の曲げ角度を調整し、そこに働く張力を制御し、打ち抜き時の材料の変形、加工硬化挙動を制御した。
得られた試験片で、打ち抜き端面の硬さ増加率を求め、また端面の延性の指標として穴広げ率を調べた結果を表５に示す。打ち抜き端面の硬さ増加率、穴広げ率の調査方法は、前述の方法に従った。

即ち、得られた試験片の打ち抜き穴近傍の材料断面の図４に示す位置で硬さ測定を行い、（位置１６での硬さ平均値―位置１７での硬さ平均値）／位置１７での硬さ平均値×１００（％）として打ち抜き端面の硬さ増加率を求めた。また、穴広げ率は、２００ｍｍ×２００ｍｍに切断した素材の中央部に上述条件で打ち抜き穴を開けた後、頂角６０度の円錐ポンチにより打ち抜き穴を押し広げ、打ち抜き端面に入る亀裂が板厚を貫通した時点での穴径の拡大率（穴広げ率）を求めることにより求めた。その際、試験片は打ち抜き穴のバリが円錐ポンチの反対側となるように試験片をセットした。
水準１、７は従来の打ち抜きによる例である。
表５より、各々の材料の加工硬化指数をＮとした時に、打ち抜き端面の硬さ増加率（％）が２７０×Ｎ以下である、水準３〜５、９〜１１で、通常の打ち抜きと比べ、１．２倍以上の十分な穴広げ率の改善が見られる。
しかし、打ち抜き端面の硬さ増加率（％）が２７０×Ｎより大きい水準の２、６、8、１２では、十分な穴広げ率の改善効果は見られない。

自動車部品の製造工程を説明する図である。打ち抜き工程での材料変形を説明する図である。従来の打ち抜き金型を説明する図である。打ち抜き端面の硬さ測定位置を測定する図である。打ち抜き端面の硬さ増加率を測定する図である。加工硬化指数と打ち抜き端面の硬さ増加率の関係を示す図である。打ち抜き工程での材料変形挙動を説明する図である。試験に用いた打ち抜き金型を示す図である。突起付きポンチでの打ち抜き時の材料変形挙動を示す図である。打ち抜き端面硬さ層化率の比と穴広げ率の比を表す図である。

符号の説明

１：しわ押さえ
２：ダイ
３：ポンチ
４：材料
５：剪断面
６：破断面
７：加工硬化層
８：打ち抜き端面
９：亀裂による新生面
１０：打ち抜かれた後のポンチ側材料
１１：ダレ
１２：打ち抜かれた後のダイ側材料
１３：突起
１４：剪断予定部
１５：ポンチ切刃
１６：硬さ測定値
１７：硬さ測定値
１８：張力
１９：突起肩
ｔ：板厚
ｓ：ポンチとダイの間隔
ａ：打ち抜きの影響が無い部分の硬さ
ｂ：打ち抜きによる硬さの増加
Ｌ：ポンチ切刃と、ポンチ切刃から突起に引いた接線と突起の接点の距離
θ：ポンチ切刃から突起肩を見上げる角度θ
ω：突起肩角度
Ｒ：突起肩Ｒ
ｈ：突起高さ
ｐ：ポンチ径
ｄ：切刃と突起の間隔

Claims

薄鋼板から打ち抜き加工により製造されたブランク板であって、対象の薄鋼板の加工硬化指数をＮとした場合、打ち抜き端面の硬さ増加率が２７０×Ｎ以下である打ち抜き端面を有することを特徴とする、打ち抜き端面の延性に優れたブランク板。