JP2008110361A - ハット型金属製部品のプレス成形用ブランク - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な加工上の手段によって、ねじれや変形のない形状凍結性に優れたハット型金属製部品をプレス成形できるような手段を提供すること、特にそのための素材を提供すること。
【解決手段】天井部、縦壁部及びフランジ部よりなり、コの字型又はハの字型の断面形状を有するハット型金属製部品をプレス成形する際、少なくとも成形後縦壁部となるブランクの一部に、プレス成形時に発生する応力を緩和する幅１０ｍｍ以下の穴を複数形成したブランクを使用する。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車の車体パネルなどの構成部品として用いられているハット型金属製部品をプレス成形により製造する際、素材として用いられるブランクに関する。

自動車の車体パネルなどの構成部品として、コの字型又はハの字型の断面形状を有する長尺のハット型金属製部品が多く用いられている。そのような部品は、例えば冷延鋼板よりなるブランク材を、プレス装置によりコの字型などに曲げて製造される。ハット型の金属製部品は、図１に示すように途中に屈曲部を有するものも多く、プレス成形後に、残留応力によるスプリングバック、そり、ねじれなどの形状凍結不良が発生しやすい問題があった。

従来、そのような問題を解決するための方法として、例えば特許文献１に示されているように、プレス金型に特別な工夫をしてスプリングバックを抑制する手段があったが、この手段では、対象製品ごとに特別なプレス金型を使用しなければならず、汎用性やコストの面で問題があった。

またプレス金型によらず、プレス成形用の素材（ブランク）の工夫によって発生する歪や残留応力を逃がす方法も知られている。

特許文献２には、曲げ成形部を曲げ加工するようにしたプレス成形方法において、曲げ部に予め複数の下穴があけてられているブランクを曲げ加工し、曲げ加工後に下穴にバーリング加工を施すようにし、予め曲げ部に形成した下穴の作用で、材料の弾性回復によって曲げ角が減少するスプリングバック量が減少し、かつ、この下穴に施したバーリング加工により下穴周辺の剛性が増して成形精度が保持されるようにする技術が開示されている。
この技術は曲げ部の下穴による強度低下を、バーリング加工により補う必要があり、強度上やコスト上の問題がある。

特許文献３には、多数の孔をあけて軽量化したプレス成形用の板材に、さらに、Ｘ字形の孔パターンの応力緩和孔を一定の間隔で板材全面に多数設けることにより、応力緩和孔がプレス成形の際に変形して、局部応力の増加を抑える技術が開示されている。
この技術は、軽量化には有効であるが、強度を必要とする部材には使用できないという問題がある。

特許文献４には、板厚の異なる板材同士を互いに溶接して構成された集合ブランク部材において、厚板側の板材には、薄板側の板材との溶接部位端縁部に近接して複数の孔部を設けることにより、この集合ブランク部材にプレス成形作業を施す際に、厚板側の第１板材側から薄板側の第２板材側に伸びが集中することがなく、第１板材と第２板材との板厚差に起因する部分的な応力集中の発生を阻止する技術が開示されている。
この技術は、板厚の異なる板材同士を互いに溶接して構成された集合ブランク部材の溶接部に限定される技術であり、他の製品への応用の点で問題がある。

以上のように、特許文献２〜４に開示されている技術は、それぞれ上記のような問題があり、かつ、特定の製品に対する技術であり、図１に示すようなハット型部品の形状凍結不良の解消にそのまま適用できないという問題がある。

特開平１１−２９０９５１号公報 特開平７−１４８５２８号公報 特開平５−３３７５８０号公報 特開平６−２１８５４０号公報

そこで、本発明は、簡単な加工上の手段によって、ねじれや変形のない形状凍結性に優れたハット型金属製部品をプレス成形できるような手段を提供すること、特にそのための素材を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明は次のようにしたことを特徴とする。
天井部、縦壁部及びフランジ部よりなり、コの字型又はハの字型の断面形状を有するハット型金属製部品のプレス成形用ブランクについて、
（１）少なくとも成形後縦壁部となるブランクの一部に、プレス成形時に発生する応力を緩和する幅１０ｍｍ以下の穴が複数形成されていることを特徴とする。
（２）前記ブランクが、金属帯のプレス成形用のブランクとなる部分にあらかじめ前記穴があけられた金属帯から切り出されたものであることを特徴とする。
（３）前記ブランクが、金属板のプレス成形用のブランクとなる部分にあらかじめ前記穴をあけられた金属板から切り出されたものであることを特徴とする。
（４）前記穴が、成形しようとするハット型金属製部品のプレス成形後の応力分布あるいは歪分布を求め、該応力分布あるいは歪分布から求められた位置に形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、プレス成形前のブランクの一部に穴を開けるという簡単な手段によって形状凍結性に優れたハット型金属製プレス部品を得ることができる。
また、本発明によれば、ブランクとして切り出す前の素材の状態であらかじめ穴をあけることができ、形状凍結性に優れたハット型金属製部品を容易に大量生産することができる。
さらに、本発明によれば、あらかじめ効率的に穴を形成する位置を決定することができる。

図１に示すようなプレス成形された長尺のハット型部品では、特にプレス成形後に発生するそりやねじれなどの形状凍結不良が問題になる。本発明者らは、そのようなそりやねじれの発生は、プレス成形後のハット型部品の長手方向における残留応力分布に基づくものであり、特に、ねじれの発生は、ハット型部品の縦壁部における長手方向応力の不均一に基づくものであることを見出した。

そして、特許文献２〜４によって示されているような、素材にあけた穴の変形を利用して、プレス成形後に発生する残留応力を緩和する方法を、ハット型部品の長手方向応力の不均一の解消に応用することについて検討し、成形後に残留応力が偏析する部分を調べ、その部分にあらかじめブランクの段階で応力緩和用の穴をあけることによって、成形後の形状凍結不良が低減できることを見出した。

以下、図２、３を参照して本発明の実施の形態を説明する。
ブランクの段階であらかじめ応力緩和用の穴をあけるために、まず、通常のブランクを用いてハット型部品にプレス成形し、成形品での残留応力分布を調べ、その結果に基づいて実際のブランクでの穴あけ位置を求めるようにする。

図２（ａ）に、フランジ部及び天井部の稜線が水平方向に不連続に曲がっているハット型部品について、ＦＥＭ解析による残留応力の分布を模式的に示す。図２（ａ）で、線で囲った部分が応力の偏析した部分であり、１は引張残留応力、２は圧縮残留応力の部分を示す。斜線の部分はそれぞれにおいてより応力の偏析が強い部分を表している。
なお、歪ゲージなどを用いて、実際にハット型部品に成形した後の歪の分布を調べ、歪値の偏析した部分を抽出するようにしてもよい。

そして、応力が偏析した部分について、例えば、成形後応力が引張強度の５０％以上になる部分を計算で求め、図２（ｂ）に示すように成形品での穴３あけ位置を決定する。
特に、縦壁には、ねじれを解消するために、圧縮と引張の残留応力が対になっている場所に穴を開ける必要がある。また、上ぞりの発生したハット型部品では、上面の残留応力が偏析している箇所に必要な穴を開けるようにする。

穴は、１箇所の応力が偏析した部分について２個以上あけるのがよく、また、上記のようにして決定した位置に実際に穴をあけてみて、ねじれやそりなどの低減状態を確認し、その結果によって穴をあける位置や個数を調整するのがよい。

成形品での穴位置が決まったら、その位置をＦＥＭなどを利用して平面に展開し、ブランクでの穴位置を決定する。そして、決定した穴位置に基づいてブランクに穴３をあけて、図２（ｃ）のようなブランク材を得て、それをハット型部品に成形する。

ブランクに穴をあけることによって、プレス成形時に圧縮残量応力の発生する箇所では、穴が圧縮応力の方向と直角方向に変形し、引張り残量応力の発生する箇所では、穴が引張り応力の方向に平行な方向に変形し、それぞれ応力を緩和でき、全体として形状凍結不良を低減できる。

形成する穴の形状は、全ての方向の応力に対応する点や、加工の容易さから円形が望ましいが、特許文献２に記載されているような長円形のものでもよく、穴の大きさは、小さいと応力緩和作用が低いので幅３ｍｍ以上が望ましく、また、大き過ぎると形成する個数が限られて効果的に穴を形成できなくなるから、１０ｍｍ以下とする必要がある。大きさとしては８ｍｍ程度が好適である。なお、幅は穴の最大幅とする。

穴の個数は、多いほど応力緩和の効果が大きいが、ハット型部品に必要な強度を確保する点から制限される。ハット型部品の縦壁部のみに穴をあける場合には、縦壁部の面積の１０％以下とし、天井部及びフランジ部にも穴を開ける場合でも、縦壁部、天井部及びフランジ部の総面積の１０％以下とする。

上記のようにして決定された穴の位置や個数に基づいて、あらかじめ穴をあけられたブランク材を得る方法については、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す方法がある。
（ａ）は、ブランク４に切り出された後に穴３をあける方法であり、（ｂ）は、ブランク取りする前の金属板５の状態で穴３をあける方法である。
（ｃ）は、板に切断する前のコイルの状態で穴３をあける方法であり、コイル６を巻き戻しながら金属帯に穴あけし、穴あけ後金属帯を再度巻取ってコイルの状態とする。その後、ハット型部品の製造時に、コイルは再度巻き戻され、巻き戻された金属帯は通常のブランキングラインを経てプレス成形される。この方法では、ハット型部品の製造時に穴あけ工程がないので、形状凍結不良のないハット型部品を生産性よく製造することができる。

穴あけ手段としては、穴の形状や個数などに応じて、パンチやドリルあるいはレーザなどの周知の加工手段が適宜採用できる。

以上のように、本発明は、ハット型部品にプレス成形する際、残留応力が偏在して発生する箇所にあらかじめ応力緩和用の穴があけられたブランク材を用いるものであり、ブランク材の成形時に、穴が変形して残留応力を緩和できるので、成形後のそりやねじれなどの形状凍結不良の発生を低減できるとともに、生産性が良いので、部品個数が多い場合や穴あけ箇所が多い場合でも有効である。

以下に、本発明の実施例を説明する。

引張強さ７８０ＭＰａ級のＴＳ７８０ＭＰ材と、９８０ＭＰａ級のＴＳ９８０ＭＰ材よりなる板厚０．８ｍｍと１．２ｍｍの鋼板１〜鋼板４から作成したブランクをプレス成形して、図４（ａ）に示す寸法のフランジ部及び天井部の稜線が水平方向に不連続に曲がっているハット型部品を作成した。得られたハット型部品にはねじれが発生していた。
そこで、成形後の応力分布をそれぞれＦＥＭ解析で調べ、長手方向成形後応力が引張強度の５０％以上である部分の範囲を求め、それぞれの範囲において、応力の大きさによって穴あけ個数と穴あけ位置を求めた。

上記のような解析結果に基づいて、図２（ｂ）のように、成形後のハット型部品の側壁部に、あるいは側壁部、天井部及びフランジ部に実際に穴をあけ、ねじれの減少の程度を調べ、最終的な穴あけ位置を決定した。
そして、ハット型部品に成形後に上記のようにして求めた位置に穴が来るように、ブランクの状態での穴の位置をＦＥＭ解析にて求めた。

次に、鋼板１〜４を用いて、それぞれ次の（１）〜（３）のようにして穴あきブランクを準備した。
（１）切り出されたブランクに、図３（ａ）のように穴をあけた。（ブランクに穴あけ）
（２）コイルからブランク取りするための板材を切り出した後に、上記のようにして求めた位置に穴が来るように、板材のブランクとなる部分の一部に、図３（ｂ）のように穴をあけ、その後板材からブランクとして切り出した。（切り出し時に穴あけ）

（３）コイルから巻き戻した金属帯のブランクとして切り出される部分に、ブランクに切り出し後に上記のようにして求めた位置に穴が来るように、金属帯での穴の位置を求めておき、この穴位置に基づいてコイルから巻き戻された金属帯の一部に、図３（ｃ）のように穴をあけた後、一旦コイルに巻取り、その後、再度コイルを巻き戻して、巻き戻された金属帯から所定の位置でブランクとして切り出した。（コイルに穴あけ）

鋼板１〜４のそれぞれについて、上記（１）〜（３）のようにして準備したブランクを用いて、図４（ａ）に示す形状のハット型部品にプレス成形し、得られたハット型部品のねじれ角θを測定した。なお、図４（ｂ）に示すように、端部Ａの天井部が水平になるようにしたときの端部Ｂの天井部が水平からなす角をねじれ角θとした。
また、穴の形成されていないブランクを用いて成形した場合（穴あけなし）、及び、穴の形成されていないブランクを用いて成形後、上記のようにして求めた位置に穴をあけた場合（成形後穴あけ）のねじれ角θも測定した。

結果を鋼板の板厚ごとにまとめて表１、２に示す。
本発明に基づき、あらかじめ応力を緩和するための穴が形成されたブランクを用いた場合は、ねじれ角θが低減されており、形状凍結性に優れるハット型部品を得ることができた。特に、穴の形成されていないブランクを用いて成形後に残留応力が偏析する部分に穴をあけることによっても、ねじれ角θを低減することができるが、あらかじめ穴があけられたブランクを使用することによりさらに形状凍結性に優れるハット型部品を得ることができることが確認できた。
また、成形後に穴をあけてねじれ角θの低減状態を調べ、それをブランクでの穴あけ位置の決定に利用できることも確認できた。

以上では、図１に示されるようなハット型金属製部品を例にして本発明の実施の形態を説明したが、その実施の形態は本発明の例であり、本発明は、該実施の形態により制限されるものではなく、特許請求の範囲の請求項に記載される事項によってのみ規定されており、上記以外の実施の形態も実施可能である。

ハット型金属製部品の一例を示す図である。 本発明に基づくハット型金属製部品のプレス成形用ブランクを得るための説明図である。 本発明のブランクの一例を説明するための図である。 本発明の実施例を説明するための図である。

符号の説明

１ 引張残留応力の偏析した範囲
２ 圧縮残留応力の偏析した範囲
３ 残留応力を緩和するための穴
４ ブランク
５ ブランクを切り出す前の板材
６ コイル

Claims (4)

1. 天井部、縦壁部及びフランジ部よりなり、コの字型又はハの字型の断面形状を有するハット型金属製部品のプレス成形用ブランクであって、少なくとも成形後縦壁部となるブランクの一部に、プレス成形時に発生する応力を緩和する幅１０ｍｍ以下の穴が複数形成されていることを特徴とするブランク。
2. ブランクとなる部分にあらかじめ前記穴があけられた金属帯から切り出されたものであることを特徴とする請求項１に記載のブランク。
3. ブランクとなる部分にあらかじめ前記穴があけられた金属板から切り出されたものであることを特徴とする請求項１に記載のブランク。
4. 前記穴が、成形しようとするハット型金属製部品のプレス成形後の応力分布あるいは歪分布を求め、該応力分布あるいは歪分布から求められた位置に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のブランク。

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