JP2008119736A - プレス成形金型装置およびプレス成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】素材として高抗張力鋼を用いても、従来より工程を増加させることなく、伸びフランジ成形が含まれるプレス成形品の寸法精度を向上するとともに、伸びフランジ割れを確実に防止しうるプレス成形用金型装置およびそれを用いたプレス成形方法を提供する。
【解決手段】パンチ、ダイスおよびブランクホルダー５を有し、伸びフランジ成形を含むプレス成形に用いられる金型装置であって、前記ダイスとブランクホルダー５の押え面５１のうち伸びフランジ成形を担う部位である伸びフランジ成形担当部位に、ダイ肩６から反パンチ側に向かって、平面との周長の差が徐々に増加していく周長差増加部を少なくとも有する余肉付与部７を設けたことを特徴とするプレス成形金型装置。
【選択図】図３

Description

本発明は、湾曲ハットチャンネルなど伸びフランジ成形を伴うプレス成形に用いられる金型装置およびそれを用いた成形方法に関する。

近年、自動車の軽量化や安全性向上を目的として高抗張力鋼（ハイテン鋼）が多く用いられるようになってきた。

しかしながら、ハイテン薄鋼板を素材とし、例えば自動車の補強部材など断面ハット形状で長手方向に湾曲したプレス成形品（湾曲ハットチャンネル）を成形する場合には、湾曲部内輪側のフランジ面に対して、いわゆる伸びフランジ成形と呼ばれる成形が行われる。すなわち、プレス成形時に湾曲ハットチャンネルの湾曲部内輪側の縦壁面が絞り加工される際、その縦壁面のさらに内輪側のフランジ面となる部分は湾曲部の周方向に沿って引き伸ばされるように加工される。その結果、成形後この部分に引張応力が残留し、スプリングバックが発生して製品の寸法精度が低下したり、酷い場合はこの部分にいわゆる伸びフランジ割れと呼ばれる割れが発生したりする問題があった。

このような伸びフランジ成形にともなう寸法精度の悪化や伸びフランジ割れを防止する対策として、例えば特許文献１に開示されるように、断面ハット型で平面弓形状の製品をプレス成形する方法において、コイル状板材から平面弓形の打ち抜き素材を形成するのに際し、平面弓形素材の内縁部に複数の三角状のビードを予め形成しておき、前記三角状のビードを押し潰しながら素材をハット型断面形状にプレス成形し、前記素材の内縁部側に生じる残留引張り応力を三角状のビードで打ち消すようにしたプレス成形方法が提案されている。

また、特許文献２には、伸びフランジ成形などの延ばし成形を含むプレス成形を行うに先立って、１次成形品の延ばし成形が施される湾曲部相当部分に周長が増加する複数の凹部によって形成される余肉部を付与し、プレス成形時における余肉部の延びによって湾曲部相当部分の周長を増加せしめることによって、型の板押さえ面に従う延び変形が無理なく達成され、プレス成形後のスプリングバックの発生による変形が有効的に抑制されるとする成形方法が提案されている。
特開平１１−９０５３４号公報（特許請求の範囲など） 特開２００２−１４４５号公報（特許請求の範囲など）

しかしながら、上記特許文献１に記載の成形方法では、打ち抜き素材を形成するのに、素材を打ち抜く工程の前に三角形のビードを形成するという余分な工程を必要とし、従来より工程が複雑になる問題がある。

また、上記特許文献２に記載の成形方法では、本番のプレス成形の工程に先立って、余肉部を形成するという余分な工程を必要とし、やはり従来より工程が複雑になる問題がある。

そこで本発明の目的は、素材として高抗張力鋼を用いても、従来より工程を増加させることなく、伸びフランジ成形が含まれるプレス成形品の寸法精度を向上するとともに、伸びフランジ割れを確実に防止しうるプレス成形用金型装置およびそれを用いたプレス成形方法を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、パンチ、ダイスおよびブランクホルダーを有し、伸びフランジ成形を含むプレス成形に用いられる金型装置であって、前記ダイスと前記ブランクホルダーの押え面のうち伸びフランジ成形を担う部位である伸びフランジ成形担当部位に、ダイ肩から反パンチ側に向かって、平面との周長の差が徐々に増加していく周長差増加部を少なくとも有する余肉付与部を設けたことを特徴とするプレス成形金型装置である。

請求項２に記載の発明は、前記ビードは、幅方向断面の形状が山形または波形である請求項１に記載のプレス成形金型装置である。

請求項３に記載の発明は、前記余肉付与部は、平面との周長の差が長手方向の位置によらず略一定である周長差一定部をさらに有する請求項１または２に記載のプレス成形金型装置である。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のプレス成形金型装置を用いて、被成形部材の伸びフランジ成形が施される部分である伸びフランジ成形部に前記余肉付与部により余肉を付与した後、前記パンチと前記ダイスによる絞り成形の際に前記余肉の伸びによって前記伸びフランジ成形部の周長を増加させるようにしたことを特徴とするプレス成形方法である。

請求項５に記載の発明は、前記被成形部材は、高抗張力鋼である請求項４に記載のプレス成形方法である。

本発明によれば、伸びフランジ成形が施される部分への余肉の付与と、この余肉が付与された部分の絞り成形とが一つの金型装置により一度に行われるので、素材として高抗張力鋼を用いても、従来より工程を増加させることなく、プレス成形品の寸法精度を向上できるとともに、伸びフランジ割れを確実に防止できるようになった。

以下、本発明の実施形態に係るプレス金型装置を用いて、断面ハット形状で長手方向に屈曲して延在する湾曲ハットチャンネルをプレス成形して製造する場合を例に挙げて、図を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るプレス金型装置１を用いて金属板をプレス加工し、湾曲ハットチャンネル２に成形した状態を示す部分縦断面図である。

図１において、湾曲ハットチャンネル２は、略水平な頂面（ウェブ面）２１と、その両端から立ち下がる縦壁面２２と、この縦壁面２２の下端からさらに外側へ略水平に延びるフランジ面２３からなる。そして、図２の湾曲ハットチャンネル２の平面図に示すように、フランジ面２３のうち、伸びフランジ成形を受ける対象部位は、湾曲部内輪側に相当する部位（以下、「伸びフランジ成形部」という。）Ａである。

図１に示すように、本発明の実施形態に係るプレス成形金型装置１は、従来のプレス金型装置と同様、パンチ３、ダイス４およびブランクホルダー５を有する。

そして、ダイス４およびブランクホルダー５の各押え面４１,５１のうち伸びフランジ成形を担う部位（以下、「伸びフランジ成形担当部位」という。）にそれぞれ、被成形部材に余肉を付与するための余肉付与部を設ける。

以下、余肉付与部の好ましい形状を詳しく説明するが、説明をわかりやすくするために、図３に、ブランクホルダー５のみの部分斜視図を示す。なお、余肉付与部７は、平面との周長の差が、ダイ肩６から反パンチ側へ向かって徐々に増加する部位（以下、「周長差増加部」という。）のみからなる場合を例に挙げて説明する。同図に示すように、例えば、余肉付与部７は幅方向断面の形状を山形とするのがよい。そして、余肉付与部７は、平面との周長の差が、ダイ肩６から反パンチ側へ向かって徐々に増加するように、ダイ肩６から反パンチ側に進むにつれて余肉付与部７の幅を一定に維持しつつ高さを徐々に拡大するようにしている。

そして、図示を省略したが、ダイス４の押え面４１のほうには、上記幅断面形状が山形の余肉付与部７の表面形状と合致する表面形状を有する幅断面形状が谷形の余肉付与部を設ける。

ここに、余肉付与部７の周長とは、押え面４１，５１の湾曲部の周方向に沿う縦断面内における余肉付与部７の表面の曲線長さＬ_Ｂを指し、平面の周長とは、同断面内における余肉付与部７の底面の直線長さＬ_Ｈを指すものとする（図４参照）。したがって、余肉付与部７の、平面との周長の差は、Ｌ_Ｂ−Ｌ_Ｈで定義される。

つぎに、このような余肉付与部７を設けたプレス金型装置１で湾曲ハットチャンネル２を成形することで奏される作用効果について説明する。

すなわち、本実施形態のプレス成形金型装置１による湾曲ハットチャンネル２の成形は以下のようにして行われる（図１参照）。まず、成形品の湾曲形状に近似した湾曲形状に打ち抜かれた平面状の金属板（ブランク）をプレス金型装置１のダイス４とブランクホルダー５の押え面４１，５１で挟持（ブランクホールド）する。すると、このブランクホールドの際に、上記金属板の湾曲部内輪側の部分、すなわち伸びフランジ成形部Ａとなる部分には、押え面４１，５１に設けられた１対の余肉付与部７によりビード状の余肉が付与される。

そして、金属板を押え面４１，５１で挟持したままパンチ３を上昇させてダイス４の凹部に押し込んでいくことにより絞り成形を行うと、上記金属板の幅方向中央部は絞り成形されていくとともに、上記金属板の幅方向端部であるフランジ面２３となる部分は、ダイ肩４方向に引き込まれていく。この際、上記金属板の湾曲部内輪側の部分（伸びフランジ成形部Ａとなる部分）は周長方向に引き伸ばされるが、ビード状の余肉が付与されているので、この余肉の伸びによって周長が増加し、成形後の伸びフランジ成形部Ａに残留する引張応力が緩和される。この結果、ねじれ等による変形が防止されて寸法精度が向上するとともに、伸びフランジ割れが確実に防止されることとなる。

さらに、余肉付与部７の、平面との周長の差Ｌ_Ｂ−Ｌ_Ｈが、ダイ肩６から反パンチ側に進むにつれて徐々に増加するようにしたことで、余肉付与部７による余肉付与時に発生する曲げ歪を緩和するとともに、絞り成形時における金属板の滑りを容易にすることができる。

なお、上記余肉付与部７の長手方向断面の形状は、上記余肉付与時に発生する曲げ歪の緩和および絞り成形時における金属板の滑りの容易さの観点の他、成形品のフランジ部にビード形状を残せるかどうかの観点も加味して設定する必要がある。例えば、成形品のフランジ部にビード形状を残しても支障ない場合は、ダイ肩４からすぐに山高さを増加させてもよいが（図５（ａ）参照）、成形品のフランジ部にビード形状を残せない場合は、ダイ肩６から成形品のフランジ部の幅に相当する分だけ水平部を残した後に山高さを増加させる必要がある（図５（ｂ）参照）。

また、余肉付与部７の表面形状は、ダイ肩６から反パンチ側へ向かって平面との周長差が徐々に増加していく周長差増加部を有するものである限り特に限定されるものではないが、上記余肉付与部７による余肉付与時に発生する曲げ歪を緩和するとともに、絞り成形時の金属板の滑りを容易にするために、可能な限り滑らかな形状とするのが望ましい。たとえば、図４に示すように、余肉付与部７の幅方向断面（フランジ部の長手方向断面）の山形形状をその山頂から山裾までなだらかに曲率が変化するように形成し、その曲率を幾何学的に成立する範囲でできるだけ小さく（すなわち、曲率半径をできるだけ大きく）するのが望ましい。また、余肉付与部７の長手方向断面（フランジ部の幅方向断面）の形状も、図示を省略したが、上記幅方向断面（フランジ部の長手方向断面）と同様の考え方で、できるだけ滑らかな形状とするのが望ましい。

なお、上記実施形態では、余肉付与部７の幅方向断面の山形形状として、ダイ肩６から反パンチ側に進むにつれて山裾の幅を一定に維持しつつ山高さのみを徐々に拡大する例を示したが、山高さを一定に維持しつつ山裾の幅のみを徐々に拡大するようにしてもよいし、山高さと山裾の幅をともに徐々に拡大するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、余肉付与部７の幅方向断面の形状を山形（谷形）とする例を示したが、山形と谷形とが交互に連なる波形としてもよい。

また、上記実施形態では、一つの伸びフランジ成形担当部位に対して余肉付与部７を１対設ける例を示したが、２対以上設けてもよい。

また、上記実施形態では、余肉付与部７は、ダイ肩６から反パンチ側に向かって徐々に平面との周長差が増加していく周長差増加部のみで形成される例を示したが、この周長差増加部に加えて、平面との周長差が長手方向の位置によらず略一定である周長差一定部をさらに有するようにしてもよい（図５（ｃ）参照）。このように、余肉付与部７に平面との周長差Ｌ_Ｂ-Ｌ_Ｈを略一定とした周長差一定部を設けたことで、金属板の伸びフランジ成形部Ａとなる部分に順次略一定量の余肉が供給されるので、上記残留引張応力の緩和がより確実になされる。なお、周長差一定部における山高さｈと山裾の幅Ｌ_Ｈの比ｈ／Ｌ_Ｈは、０．０５以上０．５以下の範囲とするのが好ましい。０．０５未満では余肉が十分に付与できず応力緩和の効果が小さく、いっぽう０．５を超えると余肉付与時に発生する曲げ歪が過大になり、割れが発生するおそれが高まるからである。また、上記のように、平面との周長差Ｌ_Ｂ-Ｌ_Ｈを、最初ダイ肩６から反パンチ側へ向かうにつれて徐々に増加させ、その後一定とする場合には、上記周長差Ｌ_Ｂ-Ｌ_Ｈを増加状態から略一定へ変更する位置は、成形品の伸びフランジ成形部Ａにおける残留応力およびねじれ等による寸法誤差ができるだけ小さくなるように、伸びフランジ成形部Ａのフランジ幅、曲率、肉厚、材質などに応じて適宜調整すればよい。

なお、本発明に係るプレス金型装置を用いたプレス成形法を適用する金属板の材質は、特に限定されるものではないが、スプリングバックを発生しやすい高抗張力鋼（ハイテン鋼）に適用するのが特に推奨される。

本発明の作用効果を確認するため、湾曲ハットチャンネルを成形する場合における、余肉付与部のない従来のプレス金型装置を用いた場合（比較例）と、余肉付与部を設けた本発明に係るプレス金型装置を用いた場合（発明例）のそれぞれについて、３次元塑性加工計算モデルを用いて、伸びフランジ成形が施された部分における残留応力およびねじれ量を計算で求め、両者の比較を行った。

［計算条件］
プレス金型装置は、パンチの幅が１００ｍｍ、ダイスの絞り部の幅が１０３．０８ｍｍ、深さが８０ｍｍとし、ダイ肩のＲが５ｍｍのものとし、ダイス長手方向において、端部から２００ｍｍの直線部を有し、これに引き続いてＲ１０００ｍｍで長さ１２５ｍｍの湾曲部（すなわち、伸びフランジ成形を担う部分）を有するものとした。

そして、比較例では、押え部は完全にフラットなものとした。

いっぽう、発明例では、押え部に、ダイ肩から２１ｍｍフラット部を残した後、反パンチ側に向かって平面との周長差が徐々に増加する周長差増加部と、これに引き続く平面との周長差が一定の周長差一定部からなる余肉付与部を設けたものとした。この余肉部の幅断面形状は、図６に示すように、周長差一定部において、水平線１０１上に存在する弦１０２の長さ６０ｍｍ、高さ１５ｍｍの円弧１０３と、この円弧１０３および上記水平線１０１の両方に同時に接するＲ８０ｍｍの円弧１０４とで形成されたものとした。したがって、余肉付与部の山高さｈは１５ｍｍ、山裾の幅Ｌ_Ｈは１１５ｍｍであり、よって、ｈ／Ｌ_Ｈ＝０．１３である。そして、周長が徐々に増加する周長差増加部の幅断面形状は、上記図６に示したものと相似形とした。すなわち、ダイ肩から反パンチ側に向かって、ｈ／Ｌ_Ｈ＝０．１３を維持しつつ、山高さと山裾の幅をともに徐々に増加させるようにした。

そして、被成形部材として用いる金属板は、板厚１．４ｍｍの高抗張力鋼板（引張強度：７８０ＭＰａ）とした。

［計算結果］
計算結果を図７および図８に示す。

図７は、伸びフランジ成形部における、ダイ肩から１０ｍｍ離れた位置での周方向残留応力の分布を示す図である。なお、同図において残留応力は、＋側が引張応力、−側が圧縮応力を示す。この図から明らかなように、余肉の付与を行わない比較例では、伸びフランジ成形部に５００〜７５０ＭＰａの引張応力が残留しているのに対し、余肉の付与を行った発明例では、一部の領域でむしろ圧縮応力となるなど、上記比較例に比べ、大幅に残留引張応力が低下しているのがわかる。

また、図８は、成形後の成形品の各部におけるねじれ量を示す図である。ここに、ねじれ量とは、図９のハット形状の縦断面図に示す、頂面（ウェブ面）２１のパンチ肩Ｒ止まり部２４Ａ，２４Ｂにおけるスプリングバック前後のプレス方向変位量ａ，ｂの差（ｂ−ａ）で定義される値である。

この図から明らかなように、発明例では、比較例に比べ、特に余肉付与を行った部位（図中Ａ，Ｂ）でのねじれ量が明確に減少しており、寸法精度が向上しているのがわかる。

本発明の実施形態に係るプレス金型装置を用いて金属板をプレス加工し、湾曲ハットチャンネルに成形した状態を示す部分縦断面図である。 湾曲ハットチャンネルの伸びフランジ成形が施される部分を示す平面図である。 ブランクホルダーの、余肉付与部が設けられた伸びフランジ成形担当部位を示す部分斜視図である。 余肉付与部の幅方向の縦断面形状を示す部分縦断面図である。 余肉付与部の長手方向の縦断面形状を示す部分縦断面図である。 発明例における余肉付与部の幅方向の縦断面形状を示す部分縦断面図である。 伸びフランジ成形部における周方向残留応力の分布を示すグラフ図である。 成形後の成形品の各部におけるねじれ量を示すグラフ図である。 ねじれ量の定義を説明するための縦断面図である。

符号の説明

１…プレス成形金型装置
２…湾曲ハットチャンネル
２１…頂面（ウェブ面）
２２…縦壁面
２３…フランジ面
２４Ａ、２４Ｂ…頂面（ウェブ面）２１のパンチ肩Ｒ止まり部
３…パンチ
４…ダイス
４１…押え面
５…ブランクホルダー
５１…押え面
６…ダイ肩
７…余肉付与部
Ａ…伸びフランジ成形部

Claims (5)

1. パンチ、ダイスおよびブランクホルダーを有し、伸びフランジ成形を含むプレス成形に用いられる金型装置であって、前記ダイスと前記ブランクホルダーの押え面のうち伸びフランジ成形を担う部位である伸びフランジ成形担当部位に、ダイ肩から反パンチ側に向かって、平面との周長の差が徐々に増加していく周長差増加部を少なくとも有する余肉付与部を設けたことを特徴とするプレス成形金型装置。
2. 前記余肉付与部は、その幅方向断面の形状が山形または波形である請求項１に記載のプレス成形金型装置。
3. 前記余肉付与部は、平面との周長の差が長手方向の位置によらず略一定である周長差一定部をさらに有する請求項１または２に記載のプレス成形金型装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のプレス成形金型装置を用いて、被成形部材の伸びフランジ成形が施される部分である伸びフランジ成形部に前記余肉付与部により余肉を付与した後、前記パンチと前記ダイスによる絞り成形の際に前記余肉の伸びによって前記伸びフランジ成形部の周長を増加させるようにしたことを特徴とするプレス成形方法。
5. 前記被成形部材は、高抗張力鋼である請求項４に記載のプレス成形方法。

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