JP2007111725A - 形状凍結性に優れたプレス成形方法及びプレス金型 - Google Patents

Abstract

【課題】プレス成形部品の肩部における角度の開きと壁部の反りを防止するプレス成形方法を提供する。
【解決手段】２回以上のプレス成形で所定の製品寸法となるようにプレス金型を設計し、２回目以降の最後のプレス成形において、１回目のポンチ幅Ｗ_１よりポンチ幅Ｗ_２を広げることで金属板のスプリングバックを低減させる。また、最後のプレス成形の成形下死点Ａにおいて、ポンチ及びダイスで被加工材を押さえながらプレス成形することで、スプリングバック低減効果をさらに向上させることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は金属板のプレス成形方法及びプレス金型に関するものであって、特に高強度鋼板やアルミニウム合金板などの場合に生ずるスプリングバックを防止して良好な形状凍結性を確保するためのプレス成形方法及びプレス金型に関するものである。

近年、自動車部品に高強度鋼板やアルミニウム合金板等の金属板が多用されつつあるが、それらを自動車部品に成形する際に発生する形状凍結不良が問題になっている。すなわち、ハット型断面形状の部品をＵ字型の曲げ加工用金型を用いて成形する場合には、スプリングバックと呼ばれる形状凍結不良が発生し、寸法精度が得られないことが問題となっている。この形状凍結不良は最終製品の外観品質を著しく損なうばかりでなく、成形後に行われる組立作業において溶接不良の原因となるため、特にメンバーやフレームなどの構造部品では形状凍結不良の防止が重要視されている。

ここで、先ず、ハット型成形部品の加工に用いられるプレス成形装置の概略について簡単に述べておくと、プレス成形装置は、例えば図１に示すように、断面凹部状に形成されたダイス５と、このダイス５の凹部と対応する形状に形成されると共に、当該凹部内に向かって伸長可能に構成されたポンチ３とを備えている。さらに、プレス成形装置には、製品にしわが発生しないようにするために、ダイス５の周縁部と対応する位置にて鋼板を狭圧して、しわ押さえ力を負荷するしわ押さえ４が設けられている。このような構成において、被加工材である金属板のブランク（未加工材）６をダイス５に載置し、しわ押さえ４でしわ押さえ力を負荷しながら、ポンチ３を成形下死点Ａまで伸長させることにより、金属板が所望の凹部状に成形されて最終製品Ｓとしてのハット成形部品を得る。

従来のプレス成形方法は、前記したようにポンチ３としわ押さえ４及びダイス５を用い、成形下死点Ａにおいて製品寸法になるようにプレス成形し（図１（ａ）→（ｂ））、成形下死点Ａに到達後（図１（ｂ））、しわ押さえ４とポンチ３を同時に離型していた（図１（ｃ））。そのため、曲げ−曲げ戻し変形をうける製品の壁部は、材料の弾性回復によって壁反りを生じるという問題があった。

曲げ加工で頻繁に観察される形状不良として知られているスプリングバックは、曲げ加工時に金型板に生じた残留応力が除荷時に弾性回復変形するために生ずる現象で、成形下死点での残留応力が板厚方向に不均一に分布することが原因である。一般に、プレス加工により曲げ成形した際に、型から開放すると金属板のスプリングバックにより、ポンチの肩部に開きを生じる。この問題を解決するため、特許文献１には、曲げ肩部に成形方向とは逆方向に凹む凹状段部を同時に成形するプレス成形方法及び成形品が開示されている。これはスプリングバックに対抗する逆モーメントを発生させて両者を釣り合わせて、ポンチ肩付近の角度の開きを防止するものである。

しかし、図２に示すように、最終製品Ｓとしてのハット型成形部品におけるスプリングバックは肩部１の角度変化だけではなく、例えば高強度鋼板やアルミニウム合金板のように材料強度が高くなると、壁部２が平面から曲率を持つ曲面に変形する「壁反り」といわれる現象も顕在化し、特許文献１に開示された手法では壁部の反りを充分に防止することはできない。なお、図中の破線は、成形下死点での金属板の形状を示している。

また、特許文献２には図３に示すように、２種類のパンチを用いて予備加工及び本加工を行うことで、壁部の反りを低減できることが開示されている。これは１回目のプレス成形に球頭工具７を用いることで（同図（ａ）、（ｂ））、製品のポンチ底周長を２回目のポンチ底部の周長より大きく設定できるので（同図（ｃ）、（ｄ））、２回目のプレス成形で受ける曲げ曲げ戻し変形量（曲げモーメント）を従来法より少なくすることができる。また、１回目のプレス成形に球頭工具７を用いることで、２回目のプレス成形でパンチ底のたるみをつぶせるので、パンチ肩部の開き角度を低減することができる。

これにより、パンチ肩部の開きとパンチ肩付近の壁部の反りを低減できるが、この手法の場合、しわ押さえ４に近い側の縦壁部５には曲げ曲げ戻し変形が残るので、縦壁全体の反りをゼロにすることは困難である（同図（ｅ）〜（ｇ））。

特開平７−１８５６６３号公報 特開２００４−１８１５０２号公報

本発明は、このような事情に基づいてなされたものであり、プレス成形部品の壁部全体の反りを防止して形状凍結性に優れたプレス成形方法及びプレス金型を提供することを目的とする。

係る課題を解決するため、本発明の要旨とするところは下記の通りである。
（１） １回目のプレス成形において、しわ押さえ力を負荷しながらダイス及び最終製品形状の底部の一部と形状の等しい平面を有するポンチを用いて所定の幅及び深さになるように金属板をプレス成形した後、２回目以降のプレス成形において、前記幅より広くなるように、しわ押さえ力を負荷しながら少なくとも１回プレス成形することを特徴とする形状凍結性に優れたプレス成形方法。
（２） １回目のプレス成形において、ダイス及び最終製品形状の底部の一部と形状の等しい平面を有するポンチを用いて所定の幅及び深さになるように非拘束状態の金属板をプレス成形した後、２回目以降のプレス成形において、前記幅より広くなるように、しわ押さえ力を負荷しながら少なくとも１回プレス成形することを特徴とする形状凍結性に優れたプレス成形方法。
（３） ２回目以降の最後のプレス成形において、ポンチ及びダイスで被加工材のポンチ底部を押さえながらプレス成形することを特徴とする前記（１）又は（２）記載の形状凍結性に優れたプレス成形方法。
（４） ポンチが内側と外側に分割され、内側のポンチのみが成形下死点に到達した後、内側のポンチが上昇することなく、外側のポンチが前記成形下死点まで移動自在であることを特徴とする形状凍結性に優れたプレス金型。

本発明によれば、プレス成形部品の壁部全体の反りを防止することができ、寸法精度に優れる形状凍結性の良好なハット型成形部品を得ることができる。
つまり、本発明では、１回目のプレス成形において、ダイス及び最終製品形状の底部の一部と形状の等しい平面を有するポンチを用いることで、１回目のプレス成形で得られた製品の壁部全体に２回目のプレス成形で充分な逆曲げ変形が付与できるので、壁部全体の反りをほぼゼロにすることができる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明者らはコの字型断面形状を有するハット型成形部品の壁部の反りを防止するためのプレス成形方法とプレス成形金型について検討し、以下に詳しく説明するプレス成形方法とプレス金型を採用することにより金属板のスプリングバックを防止できることを知見した。

本発明者らは、２回以上のプレス成形で所定の製品寸法となるようにプレス金型を設計し、２回目以降の最後のプレス成形において、１回目のポンチ幅Ｗ_１よりポンチ幅Ｗを広げることで金属板のスプリングバックを低減できることを知見した。また、最後のプレス成形の成形下死点Ａにおいて、ポンチ及びダイスで被加工材を押さえながらプレス成形することで、この効果がさらに向上することも知見した。

前記（１）に係る発明は、１回目のプレス成形において、しわ押さえ力を負荷しながらダイス及び最終製品形状の底部の一部と形状の等しい平面を有するポンチを用いて所定の幅及び深さになるように金属板をプレス成形した後、２回目以降のプレス成形において、前記幅より広くなるように、しわ押さえ力を負荷しながら少なくとも１回プレス成形することを特徴とする。その好ましい実施形態としては、例えば図４に示すように、１回目のプレスに用いるポンチ幅Ｗ_１の第１のポンチ７（同図（ａ））及び、２回目のプレスに用いるポンチ幅Ｗ₂の第２のポンチ（フォーム用）８（同図（ｃ））を別個に備えた構成とし、２回目のポンチ幅Ｗ（＝Ｗ₂）が１回目のポンチ幅Ｗ_１よりも大きくなるように設定する。即ち、第１のポンチ７は、最終製品形状の底部の一部と形状の等しい平面を有するポンチであり、本例においては最終製品の底部形状が平面であるので、その底部が平面に形成されたポンチを用いている。

そして、しわ押さえ４によりしわ押さえ力を負荷しながら第１のポンチ７を用いて幅Ｗ_１及び深さＤ_１になるように１回目のプレス成形を行った後（図４（ａ）→（ｂ））、しわ押さえ力を負荷しながら第２のポンチを用いて幅Ｗ₂（＞Ｗ_１）及び深さＤ_１になる２回目のプレス成形で最終製品Ｓが得られるようにする（図４（（ｃ）→（ｆ））。これにより金属板のスプリングバックを低減できるのは、図４（ｄ）に示すように、壁部の内側に金属板を曲げようとする逆曲げ変形を製品の壁部に付与できるためである。

即ち、１回目のプレス成形に用いるポンチは、最終製品形状の底部の一部と形状の等しい平面を有するポンチであればよく、上述の例のポンチの他に、例えば図５に示すような、プレスを行った際の製品１１の壁部がポンチ３の底部に対して垂直な形状（図５（ａ））及び傾斜している形状（図５（ｂ））、または、パンチ３の底部が壁部に対して傾斜している形状（図５（ｃ））などのポンチを適用することができる。但し、２回目のプレス成形に使用するポンチ幅は、１回目ポンチ幅より大きく設定することが重要である。

前記（２）に係る発明は、１回目のプレス成形において、しわ押さえ力を負荷しないでダイス１及び最終製品形状の底部の一部と形状の等しい平面を有するポンチを用いて所定の幅及び深さになるように、非拘束状態の金属板をプレス成形した後、２回目以降のプレス成形において、前記幅より広くなるように、しわ押さえ力を負荷しながら少なくとも１回プレス成形することを特徴とする。その好ましい実施形態としては、例えば図６に示すように、しわ押さえ力を負荷しない状態で第１のポンチ７を用いて幅Ｗ₁及び深さＤ₁になるように１回目のプレス成形を行った後（図６（ａ）→（ｂ））、しわ押さえ４によりしわ押さえ力を負荷しながら第２のポンチ８を用いて幅Ｗ₂（＞Ｗ_１）及び深さＤ₁になる２回目のプレス成形で最終製品Ｓが得られるようにする（図６（（ｃ）→（ｆ））。これにより金属板のスプリングバックを低減できるのは、１回目のプレス成形でしわ押さえ力を負荷しないで（非拘束状態で）プレス成形された製品は、ポンチ肩とダイ肩による曲げ変形のみなので、しわ押さえ力を付与した場合（図４（ｂ））のようなダイ肩Ｒ部による曲げ曲げ戻し変形が付与されないため、製品の壁部に生じるひずみと応力を大幅に低減できるためである。

前記（３）に係る発明は、２回目以降の最後のプレス成形において、ポンチ及びダイスで被加工材のポンチ底部を押さえながらプレス成形することを特徴とする。
２回目以降の最後のプレス成形において、被加工材のポンチ底を押さえないでプレス成形を行うと、例えば図７に示すように、製品のポンチ底にたるみが発生する場合があるので、製品の壁部に逆曲げ変形を十分に付与することができず、壁反りを十分に抑制できない。本発明の目的とする作用は、壁部に逆曲げ成形を付与することであるので、確実に壁反りを防止するためには、被加工材のポンチ底を押さえることが好ましい。

前記（４）に係る発明は、ポンチが内側と外側に分割され、内側のポンチのみが成形下死点に到達した後、内側のポンチが上昇することなく、外側のポンチが前記成形下死点まで移動自在であることを特徴とする。その好ましい実施形態としては、例えば図８に示すように、１回目のプレスに用いるポンチ幅Ｗ_１の第１のポンチ１０ａを内筒とし、この第１のポンチ１０ａの周縁部を囲むポンチ幅Ｗ₂のリング状の第２のポンチ１０ｂを外筒とする分割ポンチ１０を備えた構成とする。第１ポンチ１０ａ及び第２のポンチ１０ｂは、各々が独立して伸長可能なように構成されている。この場合にも、上述の例と同様に、内側のポンチである第１のポンチ１０ａは、最終製品形状の底部の一部と形状の等しい平面を有している。

そして、先ず、第１のポンチ１０ａにより幅Ｗ_１及び深さＤ_１になるように１回目のプレス成形を行った後（図８（ａ）→（ｂ））、第１のポンチ１０ａが成形下死点Ａに残した状態で第２のポンチ１０ｂを用いて幅Ｗ₂（＞Ｗ₁）及び深さＤ_１になる２回目のプレス成形で最終製品Ｓが得られるようにする（図８（ｃ）→（ｆ））。なお、しわ押さえ力は、上述の場合と同様に１回目及び２回目の両方に負荷してもよく、あるいは１回目には負荷しないようにしてもよい。

上記（１）〜（３）に記載のプレス成形方法は、１回目と２回目のプレス金型がそれぞれ独立にあっても良いが、図７に示す金型構造を採用すると、２回のプレス成形を１回に集約して連続して成形することができるという利点がある。また、１回目のプレス成形後に被加工材のポンチ底部を押さえながらプレス成形することができるので、この場合には上記（３）に記載の効果も期待できるので好ましい。

なお、上記説明では２回目のプレスで最終製品が得られる例を説明したが、本発明においては、プレスの回数は２回に限られず、複数回のプレスを行って最終製品を得るように設計した場合にも上記の効果は期待できる。

続いて本発明の効果を確認するために行った実施例について以下に説明する。

（実施例１）
本発明例として、板厚１．０mmで、引張り強さ５９０ＭＰａ級の鋼板を用いてプレス試験を行った。試験片幅は幅１００mm、長さ２８０mmとして、ポンチ幅８０ｍｍ、ポンチ肩Ｒ５ｍｍ、ダイス幅８２mm、ダイ肩Ｒ５mm、成形高さを８０mmとしてハット成形試験を行った。本発明の効果について検討するため、２回目のプレス成形で所定寸法形状になるように設計した。１回目のポンチ幅７５mm、ポンチ肩Ｒ５mm、成形深さを７０ｍｍ又は８０ｍｍとし、さらに２回目のポンチ幅８０ｍｍ、ポンチ肩Ｒ５ｍｍ、成形高さを８０mmとしてハット成形試験を行い、この効果について検討した。１回目と２回目のしわ押さえ力は１００ｋＮとした。このとき、１回目のしわ押さえ力は負荷しない条件でもプレス成形を行った（条件３）。また、比較例として、発明例と同じ鋼板を１回のプレスにて成形する試験を行った。

曲げ試験を行った成形品は三次元形状測定装置にてハット型の中央断面の形状を測定し、壁部の反り曲率半径ρ（ｍｍ）及び開き幅Ｗ_d（ｍｍ）を測定した。これらの測定値から壁部の反り１／ρ（１／ｍｍ）と、以下の式により開き幅ΔＷ_d（ｍｍ）の評価値を求めた。
ΔＷ_d＝Ｗ_d−８０

（実施例２）
実施例２として、上記実施例１と同一の鋼種、試験片サイズ、プレス金型を用いて成形試験を行った。本発明の効果について検討するため、１回目と２回目のプレス金型がそれぞれ独立して別個に存在するもの（条件２）と、図８に示すような分割ポンチを採用したもの（条件３）でハット成形試験を行い、金型形状の影響について検討した。またこの例においても、比較例として、発明例と同じ鋼板を１回のプレスにて成形する試験を行った。

上記実施例１〜２の測定結果を表１〜２に示す。表中における壁部の反りに対する効果については、外反りのものにプラス、内反りのものにマイナスとして評価した。これらの結果から分かるように、本発明によれば、従来の手法に相当する比較例よりも寸法精度が向上した形状凍結性の良好なハット型成形部品を得ることができることが確認された。また被加工材のポンチ底を押さえて２回目以降のプレス成形を行うことで更に良好な寸法精度に優れるハット型成形部品を得ることができた。

従来のプレス加工方法の概念図である。 （ａ）成形前、（ｂ）成形下死点、（ｃ）ポンチ、しわ押さえ離型、（ｄ）スプリングバック後の製品形状 角度変化、壁反り、開き幅を測定する試験片の断面図を示す。 特許文献２のプレス加工方法の概念図である。 （ａ）成形前、（ｂ）成形下死点、（ｃ）ポンチ、しわ押さえ離型、（ｄ）スプリングバック後の製品形状 本発明のプレス加工方法の概念図である。 （ａ）１回目の成形前、（ｂ）１回目の成形下死点、（ｃ）２回目の成形前、（ｄ）２回目の成形中、（ｅ）２回目の成形下死点、（ｆ）ポンチ、しわ押さえ離型、（ｇ）スプリングバック後の製品形状 １回目のプレス成形による製品形状の概念図である。 （ａ）垂直壁を有する製品、（ｂ）傾斜壁を有する製品、（ｃ）ポンチ底部に傾斜を有する製品 本発明のプレス加工方法の概念図である。 （ａ）１回目の成形前、（ｂ）１回目の成形下死点、（ｃ）２回目の成形前、（ｄ）２回目の成形中、（ｅ）２回目の成形下死点、（ｆ）ポンチ、しわ押さえ離型、（ｇ）スプリングバック後の製品形状 被加工材のポンチ底面を押さえない場合のプレス加工方法の概念図である。 （ａ）２回目の成形前、（ｂ）２回目の成形中 本発明のプレス成形金型の概念図である。 （ａ）１回目の成形前、（ｂ）１回目の成形下死点、（ｃ）２回目の成形中、（ｄ）２回目の成形下死点

符号の説明

１ 肩部
２ 壁部
３ ポンチ
４ しわ押さえ
５ ダイ
６ ブランク
７ 第１のポンチ
８ 第２のポンチ（フォーム用）
９ 被加工材
１０ 分割ポンチ
１１ １回目のプレス成形で成形された製品
Ｗ_ｄ 開き幅
Ａ 成形下死点
Ａ_１ １回目の成形下死点
Ｄ 成形深さ
Ｄ_１ １回目の成形深さ
Ｗ ポンチ幅
Ｗ_１ １回目のポンチ幅
Ｗ_２ ２回目のポンチ幅

Claims (4)

1. １回目のプレス成形において、しわ押さえ力を負荷しながらダイス及び最終製品形状の底部の一部と形状の等しい平面を有するポンチを用いて所定の幅及び深さになるように金属板をプレス成形した後、２回目以降のプレス成形において、前記幅より広くなるように、しわ押さえ力を負荷しながら少なくとも１回プレス成形することを特徴とする形状凍結性に優れたプレス成形方法。
2. １回目のプレス成形において、ダイス及び最終製品形状の底部の一部と形状の等しい平面を有するポンチを用いて所定の幅及び深さになるように非拘束状態の金属板をプレス成形した後、２回目以降のプレス成形において、前記幅より広くなるように、しわ押さえ力を負荷しながら少なくとも１回プレス成形することを特徴とする形状凍結性に優れたプレス成形方法。
3. ２回目以降の最後のプレス成形において、ポンチ及びダイスで被加工材のポンチ底部を押さえながらプレス成形することを特徴とする請求項１又は２記載の形状凍結性に優れたプレス成形方法。
4. ポンチが内側と外側に分割され、内側のポンチのみが成形下死点に到達した後、内側のポンチが上昇することなく、外側のポンチが前記成形下死点まで移動自在であることを特徴とする形状凍結性に優れたプレス金型。

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