JP2007144507A - プレス成形部材およびプレス成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】形状凍結に優れたプレス成形部材およびその成形方法を提供する。
【解決手段】プレス成形途中の素材金属板Ｗが稜線成形部を通過することで曲げ曲げ戻し変形を受けた部位、例えば離型後の絞りプレス成形部材Ｗｂの縦壁部Ｗｂ１に、その通過方向Ｓに対して略垂直方向に波深さＤが０．３ｍｍ以下の波板形状Ｗｂ１１が成形されたプレス成形部材。また波板形状Ｗｂ１は、その成形面であるポンチ１及びダイス２の縦壁成形部１１、２１に凹凸が噛合う線状凹凸形状１１１、１１２及び２１１、２１２を彫り込み加圧成形する。
【選択図】図１０

Description

自動車のボデー部材として使われる薄鋼板のプレス成形部材およびプレス成形方法に関し、離型後の弾性回復により発生するプレス成形部材の縦壁部の反りといった形状精度不具合の改善に関するものである。

技術背景

近年、自動車ボデーの軽量化のため薄鋼板のハイテン化が進められているが、それに伴いプレス成形部材の縦壁部の反りといった離型後の弾性回復による形状精度不具合が大きな問題となっている。図１はハット断面形状を絞り成形するプレス型の断面で、素材となる薄鋼板Ｗがシワ押さえ３の上に投入され、ダイス２がプレス方向Ｐに降下する状態を示す。ダイス２が更に降下すると、薄鋼板Ｗはシワ押え部２３とバネ４に支持されたシワ押え３とで押圧され沈み込み、ポンチ上部１２に接触すると絞り成形が始まる。更に降下してダイス２ａ及びシワ押え３ａの位置まで降下すると、薄鋼板Ｗはプレス成形部材Ｗａとなり絞り成形が完了する。プレス成形部材Ｗｂは、離型後のプレス成形部材Ｗａを示し、弾性回復により縦壁部Ｗｂ１が反り返る形状精度不具合を示す。この不具合は、成形途中の薄鋼板Ｗがダイス２の稜線成形部２２を通過するときの曲げ曲げ戻し変形がもたらす板厚内の偏った残留応力によるものと考えられている。形状精度の改善としては次のような技術が知られている。
１．予め弾性回復量を予想して成形形状を見込む。
２．絞り成形下死点付近の張出し成形。
３．特開２００１−８７８１６のようにプレス成形部材の縦壁部に線状凹形状を加圧成形する。

前記１の方法は、弾性回復量を的確に予想することが難しく、精度修正に多大な工数を必要とする。また薄鋼板のハイテン化に伴い見込み量が著しく増大する傾向にあるが、見込む形状がプレス方向で負角となり、適切な形状見込みができない場合がある。また前記２の方法は、成形工程を増やす、もしくは特殊なプレス機械を必要とする。さらに絞り成形部材の外周に、成形下死点付近で材料の流入を完全拘束するための掴み代が必要となり、素材の歩留りが悪化する。また前記３の方法は、線状凹形状部の板厚が減少するためプレス成形部材の強度低下が避けられず、車両骨格部材に採用した場合、板厚を厚くする必要がある。さらに厚板のハイテン材に線状凹形状部を成形すると、線状凸成形部に多大な面圧が掛かるため線状凸成形部の硬度を高める必要があり、薄鋼板に表面処理しためっき膜を傷付け防錆性能を低下させる恐れもある。

本発明を説明するに際し、その効果確認のため行った実験について説明する。実験に用いた試料鋼板ＴＷは、溶融亜鉛めっき処理の４４０Ｎ級ハイテン材で板厚１．４ｍｍ、幅２４ｍｍ、長さ４８ｍｍとした。図２は、試料鋼板ＴＷを長手板厚方向から見たもので、試料鋼板ＴＷに施した前処理を示す。まず平板の試料鋼板ＴＷをＲ４０にて曲げ成形して試料鋼板ＴＷａを作成。次に試料鋼板ＴＷａを平らな成形面で再度プレスして試料鋼板ＴＷｂを作成。次に試料鋼板ＴＷｂをプレス機から取出し弾性回復したものを、本実験に使用する反り量δａの試料鋼板ＴＷｃとした。試料鋼板ＴＷａは、絞り成形途中に曲げ曲げ戻し変形を受けたプレス成形部材の縦壁部を想定したものである。試料鋼板ＴＷｂは、絞り成形下死点のプレス成形部材の縦壁部を想定したものである。試料鋼板ＴＷｃは、絞り成形後に弾性回復したプレス成形部材の縦壁部を想定したもので、板厚内の偏った残留応力による反りを再現した。実際の絞り成形部材とは異なるが、効果の確認としては問題ないと考えられる。

図３は、本実験のプレス型の断面図を示す。ポンチＴ１及びダイスＴ２の成形面Ｔ１１及びＴ２１には、凹凸が噛合う線状凹凸形状Ｔ１１１、Ｔ１１２及びＴ２１１、Ｔ２１２が形成されており、これらは平坦面にＲ１０のカッターで送りピッチ８ｍｍ、深さ０．６ｍｍで切削した。図４は、図３に示す反り量δａの試料鋼板ＴＷｃをプレス方向Ｐに押圧して波板成形した状態を示す。図５は、図４の波板成形部Ａの拡大図である。本実験は、線状凸形状Ｔ１１１、Ｔ２１１による波板成形時の波深さＤａを変えプレス成形し、離型後に弾性回復した試料鋼板ＴＷｃの反り量δｂ及び波深さＤｂを測定した。図６は、本実験の反り改善結果を示す。左側縦軸の反り改善率は、（δａ−δｂ）／δａ×１００（％）にて算出した。実験結果から波板成形が、板厚内の偏った残留応力による反りに対し有効であることが確認できる。また波板形状は、プレス成形部材にとって好ましくない形状であるが、弾性回復により波深さが十分浅くなることも確認できる。また試料鋼板ＴＷｃに表面処理した溶融亜鉛めっき膜も破損することなく良好であった。本実験は、実際のプレス成形では歪取りのリストライク成形に当たる。実験していないが、絞り成形と同時に波板成形しても同様の効果が得られると予想できる。

波板成形の反り改善メカニズムは必ずしも明らかでないが、次のように推察できる。図７，８、９は、図５における波板成形部の成形途中を示す。まず図７は、波板成形が始まる状態を示し、試料鋼板ＴＷｃは線状凸形状Ｔ１１１、Ｔ２１１に押圧され平坦になっている。ただし試料鋼板ＴＷｃは、前処理として平面プレスの履歴（試料鋼板ＴＷｂ）が有る。そのため板厚全域が弾性変形域で、中立面を境に上半分が引張方向で下半分が圧縮方向の偏った応力分布を示し、板表面部の応力は降伏点に達している。これにより線状凸形状Ｔ１１１が波板成形を始めると直ちに塑性変形を開始する。図８は、波板成形途中を示し、線状凸形状Ｔ２１１側の板表面部が弾性変形限界に達した状態を示す。線状凸形状Ｔ１１１側では、応力集中により板表面付近の塑性変形が進行しているのに対し、線状凸形状Ｔ２１１側は、板厚全域が弾性変形域のままである。また線状凸形状Ｔ２１１側の応力は、図７に対し引張圧縮の方向が反転した応力となる。図９は、波板形状が更に深く成形された状態を示す。線状凸形状Ｔ２１１側の方がより多く弾性変形域を残すが、引張圧縮の方向が反転したほぼ対称の応力となる。以上から推察する波板成形の反り改善メカニズムは、まず波板成形の凹部と凸部で引張圧縮の方向が反転した応力分布となり、波板成形前の板厚内の偏った応力分布を緩和することにある。また波板成形の際、板厚内の偏った応力分布の圧縮応力側においては、引張応力側に較べ先行して塑性変形を始め、応力集中により局部的に曲がる。これらのことから波板成形が、試料鋼板ＴＷｃの反りを改善したと考えられる。

以上の実験から導かれた本発明は以下の通りである。請求項１に記載された本発明は、プレス成形途中の素材金属板が稜線成形部を通過することで曲げ曲げ戻し変形を受けた部位に、その通過方向に対して略垂直方向に波板形状が成形されたプレス成形部材であって、その波深さが０．３ｍｍ以下となるプレス成形部材である。ただし本発明の波板形状は、本来のプレス成形部材にとって不要の形状で、深過ぎる波板形状は様々な問題を引き起こす。例えばスポット溶接不良、ウエルドナット等の面直度不良、ウェザーストリップ等のシール不良などである。そのため本発明では波板形状の波深さを０．３ｍｍ以下とするが、前記不良が懸念される部位は、深くとも０．１ｍｍ程度に波深さを抑えることが望ましい。また前記実験では、波板形状の波深さだけを変えて反り改善効果を確認したが、波板形状の波ピッチを小さくすれば、より浅い波深さで同様の効果が期待できる。また素材金属板は、鋼板に限らずアルミ板等でも同様の効果が期待できる。

請求項２に記載された本発明は、プレス成形途中の素材金属板が稜線成形部を通過することで曲げ曲げ戻し変形を受けた部位に、その通過方向に対して略垂直方向に凹凸が噛合う線状凹凸形状を成形面であるポンチ及びダイスに彫り込み加圧成形することで波板形状を成形するプレス成形方法であって、離型後の波深さが０．３ｍｍ以下となるプレス成形方法である。ただし波板形状の波ピッチを極端に小さくすると、波板成形に大荷重が必要となり、その成形部であるダイスが歪むことで波深さの管理が困難になる。そのため厚板や極端なハイテン材の場合、波板形状の波ピッチの設定とダイスの剛性には注意が必要である。

請求項１に記載された発明によれば、前記実験結果が示すように波板形状がもたらす反り改善効果により、反りの無いプレス成形部材を提供できる。また波板形状は十分浅いため、プレス成形部材の強度低下を招くことは無い。また請求項２に記載された発明によれば、波板形状がもたらす反り改善効果により、反りの無いプレス成形部材が生産可能で、精度修正工数を大幅に削減できる。また絞り成形または曲げ成形で波板形状を同時に成形すれば、成形工程を増やす必要が無く、絞り又は曲げの成形性を妨げない。また波板成形には少なからずプレス機械の成形能力を必要とするが、特殊なプレス機械を必要としない。さらに素材の歩留を詰めても反り改善効果が低下することは無い。また厚板のハイテン材であっても、波板成形の成形部となる線状凸形状は、その他の成形部と同等の硬度で対応できる。さらに素材に表面処理しためっき膜も波板成形により破損することは無く、防錆性能を損ねることは無い。

図１０は、ハット断面形状を有する本発明のプレス成形部材Ｗｂを示す。図１１は、プレス成形部材Ｗｂを絞り成形する本発明のプレス型断面を示し、素材となる薄鋼板Ｗがシワ押さえ３の上に投入され、ダイス２がプレス方向Ｐに降下する状態を示す。ポンチ１の縦壁成形面１１とダイス２の縦壁成形面２１には、線状凹凸形状１１１、１１２及び２１１、２１２が多数彫り込まれている。図示しないがダイス２が降下すると、薄鋼板Ｗはシワ押え部２３とバネ４に支持されたシワ押え３とで押圧され沈み込む。そしてポンチ上部１２が薄鋼板Ｗに喰い込むと、薄鋼板Ｗの両端部はシワ押え部２３と稜線成形部２２を滑りながら内側に流入し、絞り成形が始まる。更にダイス２が降下してダイス２ａ及びシワ押え３ａの位置まで降下すると、薄鋼板Ｗは絞り成形部材Ｗａとなり絞り成形が完了する。この時、線状凹凸形状１１１、１１２及び２１１、２１２は、凹凸が噛み合いプレス成形部材Ｗａの縦壁部Ｗａ１に波深さＤａの波板形状Ｗａ１１を成形する。通過方向Ｓは、薄鋼板Ｗが成形途中に稜線成形部２２を通過する方向で、縦壁部Ｗａ１は稜線成形部２２を通過する際に曲げ曲げ戻し変形を受けている。また線状凹凸形状１１１、１１２及び２１１、２１２は、通過方向Ｓに対し垂直方向に形成されている。このプレス成形部材Ｗａを型から取出し、弾性回復したものが図１０に示すプレス成形部材Ｗｂである。プレス成形部材Ｗｂの縦壁部Ｗｂ１には波板形状Ｗｂ１１が通過方向Ｓに対し垂直方向に成形され、その波深さＤｂは０．３ｍｍ以下で弾性回復により成形時の波深さＤａより浅くなっている。絞り成形途中の縦壁部Ｗａ１は、曲げ曲げ戻し変形を受けており、板厚内の偏った内部応力により反り返ろうとする。しかし絞り成形末期の縦壁部Ｗａ１に波板形状Ｗａ１１が成形されると、前記実験結果が示す波板形状Ｗａ１１の反り改善効果により、型から取出しても反りの無いプレス成形部材Ｗｂとなる。ただし波板成形がプレス方向Ｐに対し負角とならないため、プレス成形部材Ｗｂの縦壁部Ｗｂ１の開き角度θ１は少なくとも３°程度開いている必要がある。

波板形状Ｗｂ１１は、本来のプレス成形部材Ｗｂにとって不要の形状であり、線状凸形状２１１による曲げ成形の塑性変形量を最小にして、波深さＤｂを浅くすることが好ましい。また絞り成形と同時に波板成形する場合の線状凸形状２１１は、波板成形途中の縦壁部Ｗａ１に対し鋭角に接触し若干量移動する。そのため線状凸形状２１１の成形Ｒが小さいと磨耗したり、プレス成形部材Ｗｂのめっき膜を破損したりする心配がある。図１２は、ポンチ１とダイス２で線状凸形状の成形Ｒを変えた波板成形部の断面で、波板成形が完了した状態を示し、角度θ２は、波板形状の変曲点における接線角度を示す。ポンチ１の線状凸形状１１１の成形Ｒに対し、ダイス２の線状凸形状２１１の成形Ｒを大きく設定してある。線状凸形状１１１の成形Ｒは小さくしても縦壁部Ｗａ１の移動が無いため磨耗の心配がなく、小さな成形Ｒは波板成形時の応力集中を起こし易くなる。一方、大きな成形Ｒの線状凸形状２１１は、波ピッチと接線角度θ２が同じ場合、波深さＤａを小さく設定できる。そのため波深さＤａを浅くして線状凸形状２１１による曲げ変形を弾性変形域、もしくは最小限の塑性変形に留めることができ、プレス成形部材Ｗｂの波深さＤｂを浅くすることができる。また大きな成形Ｒの線状凸形状２１１側は広範囲に接触するため、小さい成形Ｒの線状凸形状１１１側は局部的に曲げ変形し易い。また波板形状を絞り成形と同時成形すると、プレス方向Ｐは図のように縦壁部Ｗａ１に対し鋭角に滑りながら接触するが、大きな成形Ｒの線状凸形状２１１は、磨耗に十分耐えることができる。

これまで絞り成形型での実施例を取上げた。しかし複雑な形状の曲げ成形の場合、曲げ成形過程で曲げ曲げ戻し変形を受けることがある。また自動車のサイドアウタパネル等の外周部には、絞り成形で一次の、そして寄曲げ成形で二次の曲げ曲げ戻し変形を受ける部位が少なからずある（図示無し）。このような場合、曲げ曲げ戻し変形を受けた部位の曲げ成形面に凹凸が噛合う線状凹凸形状を彫り込み、波板形状を成形してもプレス成形部材Ｗｂの反りを改善することが可能である（図示無し）。

従来の絞り成形型の断面図 実験用に前処理した試料鋼板を長手板厚方向から見た図 本実験のプレス型の断面図（波板成形前の状態） 本実験のプレス型の断面図（波板成形が完了した状態） 波板成形部Ａの拡大図 本実験の反り改善結果を示すグラフ 波板成形部Ａの拡大図（成形直前） 波板成形部Ａの拡大図（成形途中） 波板成形部Ａの拡大図（成形完了） 本発明のプレス成形部材 本発明の絞り成形型 ポンチとダイスで線状凸形状の成形Ｒを変えた波板成形部の断面図

符号の説明

１ ポンチ、２ ダイス、３ シワ押さえ、４ バネ、Ｗ 薄鋼板
ＴＷ、ＴＷａ、ＴＷｂ、ＴＷｃ 試料鋼板
Ｗａ、Ｗｂ プレス成形部材
１１、２１、Ｗａ１、Ｗｂ１ 縦壁部
Ｗａ１１、Ｗｂ１１ 波板形状
２２ 稜線成形部
１１１，２１１ 線状凸形状
１１２、２１２ 線状凹形状
Ｄａ、Ｄｂ 波深さ
Ｐ プレス方向、Ｓ 通過方向

Claims (2)

1. プレス成形途中の素材金属板が稜線成形部を通過することで曲げ曲げ戻し変形を受けた部位に、その通過方向に対して略垂直方向に波板形状が成形されたプレス成形部材であって、その波深さが０．３ｍｍ以下となるプレス成形部材。
2. プレス成形途中の素材金属板が稜線成形部を通過することで曲げ曲げ戻し変形を受けた部位に、その通過方向に対して略垂直方向に凹凸が噛合う線状凹凸形状を成形面であるポンチ及びダイスに彫り込み加圧成形することで波板形状を成形するプレス成形方法であって、離型後の波深さが０．３ｍｍ以下となるプレス成形方法。

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