JP2008023534A - 金属板のプレス成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金型の形状を修正したり、金属板の材質を特殊なものに変える等の特別な手立てを講じることなく、金属板に割れが発生する成形限界を向上する。
【解決手段】ポンチとダイスで金属板を挟圧するプレス成形方法において、ポンチが金属板に最初に接触し成形が開始された後、ポンチがストローク終端に到達して成形が完了するまでの間に、プレス成形機に設置した荷重検出器により検出された信号に基づき、プレス成形荷重が所定の値になった場合に、金属板からポンチを一旦離し、ポンチとダイスとを用いて、再度金属板を成形する。
【選択図】図３

Description

本発明は、自動車や家電の部品等を製造する際の金属板のプレス成形方法に関し、ポンチやダイス等のプレス成形用金型（単に金型とも称す）の形状修正（研削等）や、金属板の材質を特殊なものに変える、等の特別な手立てを講じなくとも、金属板に割れが発生する成形限界を向上できる金属板のプレス成形方法に関する。

ここで、プレス成形とは、ポンチとダイス等の一対の型（多くの場合、金型）で金属板を挟圧して所望の形状に成形することをいう。

自動車や家電の部品等の製造には、薄鋼板等の金属板のプレス成形が多く用いられる。

プレス成形には、図５に示すように、（ａ）絞り成形（周囲から素材金属板（ブランクと称する）１００を金型（ダイス２０）内に流入させる）、（ｂ）張り出し成形（ビード４０を設けて周囲から素材金属板１００を金型（２０）内に流入させない）、等がある（非特許文献１）。ちなみに後出の限界絞り比ＬＤＲについて、同文献に記載の定義を図６に示す。限界成形高さＬＤＨの定義については図７に示す。限界絞り比や限界成形高さが大きいほど成形性に優れることを表す。図において、１０は、ダイス２０と共にプレス用金型を構成するポンチ、３０は、しわ押さえである。

図８（ａ）に示すように、従来から一般的に、プレス成形は、素材金属板（ブランク）１００が、例えば、図中上側にあるダイス２０と、図中下側から上昇してくるポンチ１０で成形され、最終目標形状に至る（ポンチが上死点に到達する）まで、ほぼ一定速度でポンチ１０が移動するようにして行われていた（ダイスが下側でポンチが上側の場合もある。その場合は、ポンチが下死点に到達して成形が完了する）。その間、ブランク１００の外縁にしわが発生するのを抑制する目的で、多くの場合、しわ押さえ３０を配し、ダイス２０との間で金属板（ブランク１００）を挟んだ状態でポンチ１０を移動させて成形を完了させるようにしていた。なお、しわ押さえ３０を配さない場合もある。

しわ押さえ３０とダイス２０との間で金属板（ブランク１００）を挟む力は、ブランク１００の外縁にしわが発生するのを抑制するのに足りるだけで十分であり、過度に大きくする必要はない。図５（ａ）に示す絞り成形の例の通り、しわ押さえ３０とダイス２０との間で挟まれている金属板（ブランク１００）は、しわ押さえ３０とダイス２０それぞれと摺動しながらダイス２０の奥側に引き込まれていくため、過度に大きくすると、却って摺動が妨げられ、プレス成形中の金属板（ブランク１００）に割れが発生しやすくなるからである。ちなみに図５（ｂ）に示す張り出し成形の例の場合は、ビード４０でむしろこの摺動を積極的に妨げ、金属板（ブランク１００）がダイス２０の奥側に引き込まれていくのを抑制する。

ところで、プレス成形には様々な種類の成形不良が発生し得るが、特に、プレス成形しようとする部品の形状が複雑であったり、素材金属板（ブランク）が高強度であったりすると、ブランクに割れが発生しやすくなる、という問題がある。

これを抑制するための一般的な方法としては、ポンチやダイス等のプレス成形用金型の形状を修正したり、ブランクの形状を最初から違う形に変更して成形したり、ブランクの材質を特殊なものに変える、等の方法が挙げられる。

しかし、金型の形状を修正したり、ブランクの形状や材質を変更する、等の方法をとるには、多大な時間、労力、それにコスト等を要することから、これらの方法をとることなく割れの発生を抑制できる方法が検討、開発されてきている。

例えば、非特許文献２や特許文献１では、ポンチやダイス等のプレス成形用金型を超音波等を利用して微小振動させることで、金型とブランクとの間の摩擦力を低減し、成形性を向上させる方法が記載されている。

また、発明者は、特許文献２において、ポンチが金属板（ブランク）に最初に接触し成形が開始された後、ポンチがストローク終端に到達して成形が完了するまでの間に、金属板（ブランク）からポンチを一旦離し、ポンチとダイスを用いて、再度金属板（ブランク）を成形する方法を提案した。

特開平１−１２２６２４号公報 特開２００５−１９９３１８号公報 鉄鋼便覧VI ｐ２５２、ｐ２５９ 塑性と加工 Ｖｏｌ．２３ ｎｏ．２５６ （１９８２−５）， ｐ４５８

しかしながら、特許文献１、非特許文献２のようなポンチやダイス等のプレス成形用金型を微小振動させる方法は、超音波等により金型に微小な振動を加える必要があり、実験用の小さな装置ならともかく、大きな成形荷重やしわ押さえ力の仕様を持つ自動車用等のプレス成形機実機では、金型を振動させるのに十分な出力が得られなかったり、それを得ようとすると多大なコストを要したり、実機に適用するのが現実的に困難、という問題があった。

また、運良く適用できても、金型に高周波の振動を加えるため、プレス成形機実機の各部位に、引張、圧縮、の力が繰り返し加えられるため、部分的な疲労破壊等、プレス成形機実機の耐久性の問題もあった。

さらに、特許文献２のようなブランクからポンチを一旦離し、再度成形する方法であると、ポンチを一旦離すべきタイミングの予測が難しく、ブランクを破断させたり開口させてしまう場合があり、改善の余地を残していた。

本発明は、上記のような従来技術における問題を解決するべくなされたものであり、ポンチやダイス等のプレス成形用金型の形状を修正したり、ブランクの形状や材質を特殊なものに変更したり、ポンチやダイス等のプレス成形用金型を超音波等を利用して微小振動させたりする、等の特別な手立てを講じることなく、プレス成形しようとする部品の形状が複雑な場合や、素材金属板が高強度な場合でも、金属板に割れが発生する成形限界を向上することができ、かつ大型のプレス成形機実機にも適用が容易で、しかも低コストな方法を提供することを課題とする。

本発明は、ポンチとダイスで金属板を挟圧するプレス成形方法において、前記ポンチが前記金属板に最初に接触し成形が開始された後、前記ポンチがストローク終端に到達して成形が完了するまでの間に、プレス成形機に設置した荷重検出器により検出された信号に基づき、プレス成形荷重が所定の値になった場合に、前記金属板から前記ポンチを一旦離し、前記ポンチと前記ダイスを用いて、再度金属板を成形する、という動作を、少なくとも１回経ることにより、前記課題を解決したものである。

本発明によれば、ポンチやダイス等のプレス成形用金型の形状を修正したり、ブランクの形状や材質を特殊なものに変更したり、ポンチやダイス等のプレス成形用金型を超音波等を利用して微小振動させたりする、等の特別な手立てを講じることなく、金属板に割れが発生する成形限界を向上でき、プレス成形機実機にも適用が容易で、しかも低コストな金属板のプレス成形方法を提供できる。

以下、本発明の実施形態について、図８に示した円筒カップ絞り成形の例を用いて説明する。円筒カップ絞り成形は、素材金属板（ブランク）の深絞り性を評価するための試験方法として広く用いられている。円形ブランクを所望の寸法の円筒カップに絞り成形するものであり、破断、割れもしくはしわを発生することなく成形可能な、プレス成形開始前の円形ブランクの最大寸法（直径）を、成形限界として評価する方法である。

図８（ａ）に示したように、一般的な従来の方法によれば、ブランク１００は図中上側にあるダイス２０としわ押さえ３０の間で挟圧され、しわ押さえ力を付与された後、ポンチ１０がブランク１００に最初に接触すると同時に成形が開始され、ポンチがストローク終端に到達して金属板（ブランク１００）の成形が完了するまで、すなわちポンチ１０が成形完了予定位置（上死点）に達するまで、ほぼ一定速度でポンチ１０が移動し、ポンチ１０とブランク１００は、成形開始から完了まで、接触したままの状態で成形が完了する。

これに対し、図８（ｂ）に示したように、特許文献２の方法によれば、しわ押さえ３０とダイス２０で金属板（ブランク１００）を挟んだ状態でポンチ１０がブランク１００に最初に接触し成形が開始された後、ポンチがストローク終端に到達して金属板（ブランク１００）の成形が完了するまでの間に、ポンチ１０を金属板（ブランク１００）から一旦離し、同じポンチ１０とダイス２０としわ押さえ３０を用いて再度金属板（ブランク１００）の成形を行う。

この点、本発明では、図１に示すように、しわ押さえ３０とダイス２０で金属板（ブランク１００）を挟んだ状態でポンチ１０がブランク１００に最初に接触し成形が開始された後、ポンチがストローク終端に到達して金属板（ブランク１００）の成形が完了するまでの間に、荷重検出器６０により測定された成形荷重が所定の値に到達した際に、ブランク１００とポンチ１０を一旦離し、同じポンチ１０とダイス２０を用いて再度金属板（ブランク１００）の成形を行う。

金属板（ブランク１００）とポンチ１０を離してから、同じポンチ１０とダイス２０を用いて再度金属板（ブランク１００）を成形するまでの間は、ポンチ１０の移動は停止しても継続しても良い。

発明者らは、本発明の方法によれば、特許文献２の方法に匹敵するほど、深絞り性が向上し、成形限界を向上できるとともに、ポンチを一旦離すべきタイミングの予測も適正に行え、ブランクを破断させたり開口させたりするのを防止できることを見出した。

発明者らは、ブランクからポンチを一旦離し、再度成形することで、深絞り性が向上する作用を以下のように推定した。

成形途中の状態を思い浮かべると、ポンチ１０やダイス２０等の金型表面と、ブランク１００の表面とが、押圧されながら摺動する。このことで、成形開始時にポンチ１０とブランク１００との間、あるいは、ダイス２０とブランク１００との間に存在していた潤滑剤５０の膜が、成形が進行していく過程で一時的に薄くなり、図２の上段に示す如く、金属同士が部分的に直接接触する。

その結果、ポンチ１０やダイス２０等の金型と、ブランク１００との間の摩擦係数が一時的に上昇し、摺動性が低下してブランク１００に割れが発生したり、金型とブランク１００との間に凝着が起こって、型かじり等のトラブルが発生したりすることになる。概して、金型とブランク１００との間の摺動距離が長い成形の場合ほど、このような成形不良がよく発生する、という経験的な事実からしても、上記の推定は正しいものと思われる。

そこで、本発明では、ポンチがストローク終端に到達して金属板（ブランク１００）の成形が完了するまでの間に、荷重検出器６０により測定された成形荷重が所定の値になった際に、ブランク１００とポンチ１０を一旦離す。ここで、離すとは、図８（ｂ）（２）のようにブランク１００とポンチ１０を完全に離す場合のほか、ポンチ１０の底面だけが離れていて、側面は接触している場合も含む意味とする。又、成形荷重が所定の値になった、に言う「所定の値」は、例えば成形時の破断荷重に対し係数（０〜１）を乗じたものとすれば良い。破断荷重はシミュレーション等により決定しても良いし、予め予備実験を行い求めても良い。図１に示すように、歪みゲージ式荷重計などの荷重検出器６０により成形時のプレス荷重をオンラインで計測し、検出された荷重が予め定めておいた所定の値になった場合に、プレス成形機８の駆動装置に制御信号を入力し、ポンチ１０をブランク１００から離すような動作をさせてやれば良い。

こうすると、図２の下段に示す如く、潤滑剤５０の膜厚が回復し、同じポンチ１０とダイス２０を用いて、再度金属板（ブランク１００）の成形を行う、という動作に入ったときに、摺動性が回復してブランク１００に割れが発生したり、型かじりが発生したりするのを抑制することができる。

本発明による摺動性改善効果を荷重線図で説明すると図３のようになる。特許文献１のような従来方法では、成形の進行とともに成形荷重が増加し、素材の破断荷重に到達するとブランクが破断してしまう。これに対し本発明では、荷重検出器６０により測定した成形荷重が、予め定めておいた所定の値に到達した場合に、プレス成形機８に信号を送り、ポンチとブランクを離すという動作を行なう。その際、成形荷重は０まで低下し、再度成形を開始することで、荷重が再び発生するが、ポンチとブランクの間の摺動性が改善されているため、従来の通常成形に比べ成形荷重が低下することになる。その結果、成形完了までの間に成形荷重が破断荷重を超えることがなくなり、破断することなく成形が可能になる。

ブランク１００とポンチ１０を離すと、どうして摺動性が回復するのか、その理由は明らかではないが、図２に示すように、ブランク１００や金型（図中ではポンチ１０）の表面の微小な凹部中に封入されていた潤滑剤５０が表面に引き出される作用によるものと思われる。

なお、再度金属板（ブランク１００）の成形を行う、という動作に入ると、成形が進行していく過程で、再度潤滑剤５０の膜が薄くなって、成形荷重が再び上昇し、ブランク１００に割れが発生したり、金型とブランク１００との間に凝着が起こって、型かじり等のトラブルが発生しやすくなる問題が再発するおそれがある。このような場合は、荷重検出器６０により成形荷重を測定し続け、成形荷重が所定の値になった場合に、再度ブランク１００とポンチ１０を一旦離せばよい。成形開始から成形完了まで成形荷重を計測し、成形荷重が所定の値に到達するたびに、ブランク１００とポンチ１０を一旦離すことで、ブランクとポンチの間の摺動性は改善され、成形荷重を所定の荷重以下に低減することが可能になる。

ここでは便宜的に円筒カップ絞り成形を例にとり本発明の作用を説明したが、本発明は、円筒カップ絞り成形だけでなく、張り出し成形や、複雑な形状を有する部品等、絞り成形と張り出し成形の混合した成形等、プレス成形全般に適用できる。

自動車や家電の部品のプレス成形等のように、量産用の大型のプレス成形機実機に本発明を適用する場合は、ポンチ１０が金属板（ブランク１００）に最初に接触した後のポンチ１０の位置および移動速度を自在に制御可能な油圧式もしくは電動モータ式のサーボプレス機を使用し、プレス成形途中のプレスモーション制御を行っても良い。

いずれにしても、本発明の効果は、そのプレス成形機の形式等に影響を受けるものではなく、ポンチ１０が金属板（ブランク１００）に最初に接触した後、ポンチがストローク終端に到達して金属板（ブランク１００）の成形が完了するまでの間に、プレス成形機８に設置した荷重検出器６０により検出された信号に基づき、プレス荷重が所定の値以上になった場合に、金属板（ブランク１００）とポンチ１０を離し、同じポンチ１０とダイス２０を用いて再度金属板（ブランク１００）を成形する、という動作を、少なくとも１回経るような成形ができさえすれば、成形限界が向上する効果を得られる。

しかも、本発明は、大型のプレス成形機実機にも適用が容易で、低コストでそれが実現できる。

表１に示す３種類の冷延鋼板（板厚１．２ｍｍ）を用いて円筒カップ絞り成形を実施した。

供試材Ａは一般的な絞り用の冷延鋼板であり、供試材Ｂは特殊な製造方法でランクフォード値（ｒ値）を高くした深絞り用冷延鋼板、供試材Ｃはフェライト系ステンレスのＳＵＳ４３０の冷延鋼板であり、一般の高強度炭素鋼板相当の機械特性値を有するものである。球頭張り出し試験機を用いてビード部分を無くしてポンチ１０を円筒絞り成形用のものに替えて試験した。ポンチ１０は直径φ３３ｍｍ、肩半径を３ｍｍとした。ダイス２０の肩半径は３ｍｍとした。

供試材Ａ、Ｂについては荷重リミットを４０ｋＮに設定し、供試材Ｃについては荷重リミットを７０ｋＮに設定して本発明を実施した。

円筒カップ絞り成形における成形限界の評価は、ＬＤＲ（限界絞り比）を用いた。

試験結果を図４に示す。本発明を適用することで、一般的な絞り用の冷延鋼板である供試材ＡのＬＤＲが、深絞り用冷延鋼板である供試材ＢのＬＤＲより大きくなり、本発明の適用により成形限界が向上することが検証された。また、供試材Ｂは特許文献２のような従来方法を用いた場合でも、もともとＬＤＲは大きかったが、本発明の適用により更に成形限界が向上した。また、供試材Ｃでも、本発明を適用することで、特許文献２のような従来方法を用いた場合よりも、成形限界が向上することが検証された。

ポンチとダイスで金属板を挟圧するプレス成形方法において、ポンチやダイス等のプレス成形用金型の形状を修正したり、ブランクの形状や材質を特殊なものに変更したり、ポンチやダイス等のプレス成形用金型を超音波等を利用して微小振動させたりする、等の手立てを講じることなく、プレス成形しようとする部品の形状が複雑な場合や、素材金属板が高強度な場合でも、金属板に割れが発生する成形限界を向上することができ、かつ大型のプレス成形機実機にも適用が容易で、しかも低コストな方法を提供することができる。

本発明の方法を説明するための図 本発明の作用を推定して説明するための拡大図 本発明の方法を説明するための図 実施例の円筒カップ絞り成形における本発明の効果について説明するための線図 （ａ）絞り成形と（ｂ）張り出し成形について説明するための図 限界絞り比ＬＤＲの定義を説明するための図 限界高さ比ＬＤＨの定義を説明するための図 従来の方法を円筒カップ絞り成形に適用した場合について比較して説明するための図

符号の説明

８…プレス成形機
１０…ポンチ
２０…ダイス
３０…しわ押さえ
５０…潤滑剤
６０…荷重検出器
１００…ブランク

Claims (1)

1. ポンチとダイスで金属板を挟圧するプレス成形方法において、
   前記ポンチが前記金属板に最初に接触し成形が開始された後、前記ポンチがストローク終端に到達して成形が完了するまでの間に、プレス成形機に設置した荷重検出器により検出された信号に基づき、プレス成形荷重が所定の値になった場合に、前記金属板から前記ポンチを一旦離し、前記ポンチと前記ダイスを用いて、再度金属板を成形することを特徴とする金属板のプレス成形方法。

Images