JP2009061477A - 薄板プレス成形シミュレーションにおける伸びフランジ割れの推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】自動車用実部品の伸びフランジ形状設計指針又は設計限界を策定するために、シミュレーション上で伸びフランジ割れを事前予測する方法を提供する。
【解決手段】予め材料の剪断面比率γと限界引張歪εcrとの関係を求めた後、実部品の成形前の剪断面比率γpartを測定する。剪断面比率γpartから実部品の限界歪εcr partを求める。次に、有限要素法で実部品の成形解析を行い、有限要素法の要素毎に算出されたフランジ部の引張歪εと実部品の限界歪εcr partを比較して、伸びフランジ割れの有無を推定する。剪断面比率は、材料の板厚に対する剪断面の板厚方向の長さの割合と定義される。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に、金属板をプレス成形加工することにより自動車用部品等を設計・製造するにあたり、伸びフランジ割れを回避する部品形状を事前評価するため、シミュレーションにより伸びフランジ割れを推定する方法に関するものである。

金属薄板のプレス成形加工により自動車部品を製造する際の成形不具合として、材料破断現象である割れが発生することがある。これを加工前に予測することは非常に重要であり、今日、有限要素法等によるシミュレーション計算を利用して割れを予測することが定常的に行われている。具体的には、板厚限界線や成形限界線図（以下、ＦＬＤと記す）等の限界歪を実験的あるいは理論的に導出しておき、その限界歪状態とシミュレーションにより計算上得られる歪状態とを比較することにより、割れ発生の有無を判定することが実施されている。

従って、従来、割れ発生箇所および発生時点の予測には、ある程度定量性が得られている。例えば特許文献１には、成形限界線図を用いてプレス成形の際の破断を防止するためのコンピュータシミュレーションによるプレス成形システムが開示されている。

加えて、板端面の加工方法は伸びフランジ割れに影響することが知られている。例えば、伸びフランジ成形の一種である穴拡げ成形試験では、穴を切削加工により形成した場合と打抜き加工により形成した場合では、穴拡げ率が異なることが知られている。更に、打抜き加工による場合は、打抜きクリアランスによって穴拡げ率が変化することも知られている（非特許文献１）。

特開２００６−１６７７６６号公報 「プレス絞り加工」，(社)日本金属プレス工業協会編，日刊工業新聞社刊，中村・桑原著，９１〜９４頁

しかしながら、前記特許文献１に開示されているような従来の予測技術では、薄板の縁部が伸ばされて割れが発生する破断現象である伸びフランジ割れの事前予測が困難である。前記特許文献１に記載された発明も含めて、従来、割れ評価に利用されてきた球頭パンチ張出成形や円筒パンチ張出成形により得られる成形限界線図は、板内部の破断現象を取り扱っているため、伸びフランジ割れの評価には適していない。したがって、前記非特許文献に記載されているような端面の加工状態の影響を反映して伸びフランジ割れを高精度で予測するシミュレーション方法は存在しない。

本発明の目的は、自動車用実部品の伸びフランジ形状設計指針又は設計限界を策定するために、シミュレーション上で伸びフランジ割れを事前予測する方法を提供することにある。

上記問題を解決するため、本発明は、シミュレーションにより薄板材料のプレス成形時の伸びフランジ割れの有無を推定する方法であって、予め材料の剪断面比率γと限界引張歪εcrとの関係を求めた後、実部品の成形前の剪断面比率γpartを測定し、前記関係に基づいて前記剪断面比率γpartから前記実部品の限界歪εcr partを求め、次に有限要素法で実部品の成形解析を行い、有限要素法の要素毎に算出されたフランジ部の引張歪εと前記実部品の限界歪εcr partを比較して、伸びフランジ割れの有無を推定することを特徴とする、薄板プレス成形シミュレーションにおける伸びフランジ割れの推定方法を提供する。但し、剪断面比率は、前記材料の板厚に対する剪断面の板厚方向の長さの割合と定義される。

また、本発明は、シミュレーションにより薄板材料のプレス成形時の伸びフランジ割れの有無を推定する方法であって、予め材料の剪断面比率γと限界引張歪εcrとの関係を求めた後、実部品の成形前の剪断面比率γpartを測定し、前記関係に基づいて前記剪断面比率γpartから実部品の限界歪εcr partを求め、次に理論成形限界線図又は実験成形限界線図の単軸引張歪が前記実部品の限界歪εcr partと一致するように前記理論成形限界線図又は実験成形限界線図のあわせ込みを行った後、有限要素法で実部品の成形解析を行い、有限要素法の要素毎に算出されたフランジ部の引張歪εと、前記あわせ込み後の理論成形限界線図又は実験成形限界線図の単軸引張での限界歪εcr partを比較して、伸びフランジ割れの有無を推定することを特徴とする、薄板プレス成形シミュレーションにおける伸びフランジ割れの推定方法を提供する。但し、剪断面比率は、前記材料の板厚に対する剪断面の板厚方向の長さの割合と定義される。

前記材料の丸穴を打ち抜いた部分の剪断面比率γを測定し前記材料の穴拡げ試験を行って限界引張歪εcrを求めることを繰り返し行うことにより、前記剪断面比率γと限界引張歪εcrとの関係を求めてもよい。

また、前記剪断面比率γの代わりに、前記材料の打抜き時のクリアランスＣを測定して前記クリアランスＣと限界引張歪εcrとの関係を求めると共に、実部品の成形前の剪断面比率γpartを測定する代わりに前記実部品の打抜き時のクリアランスＣpartを測定してもよい。

さらに、有限要素法の各要素の積分点毎に、フランジ部の引張歪εと前記実部品の限界歪εcr partを比較して伸びフランジ割れの有無を推定してもよい。

本発明によれば、従来の割れ限界予測では評価困難であった金属板のプレス成形加工における伸びフランジ割れの事前予測が可能になる。また、伸びフランジ割れ予測に打抜き加工条件の影響を含めることで、さらに予測精度を向上させることができる。それにより、実部品の設計段階において、割れを生じない最適な伸びフランジ形状を採用することを容易にし、設計・試作工程の短縮、さらには新車開発コストの低減に寄与する。

本発明者らは、従来の板厚限界やＦＬＤを利用した割れ予測を、シミュレーションを利用して実施・検討したところ、ブランク縁部での材料破断現象である伸びフランジ割れの予測精度は低く、特に延性の低い高強度材において予測困難なことを確認した。この予測精度低下を克服するため、伸びフランジ割れのみに着目した割れ限界基準の適用が必要であること、また、打抜き端面性状又は打抜きクリアランスにより変化する影響を含めることにより予測精度向上を可能にすることを見出した。以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。

本発明の第一の実施形態を、以下に説明する。

実験または理論により、評価対象部品の被加工材について、後述する剪断面比率γと限界引張歪εcrとの関係を求め、図１に示すように、εcr＝ｆ（γ）の関数を設定しておく。

金属板の被加工材には、図２に示すように、パンチ２とダイ３による打抜き切断加工が施されることが多い。打抜き切断された被加工材１の加工面は、図３に示すように、被加工材１がパンチ２によって押し込まれて形成されるダレ４、パンチ２とダイ３のクリアランス内（以下、特に記載がなく「クリアランス」と表記した場合は、パンチとダイのクリアランスを指すこととする）に被加工材１が引き込まれ局所的に引き伸ばされて形成される剪断面５、パンチ２とダイ３のクリアランス内に引き込まれた被加工材１が破断して形成される破断面６、および加工面の裏側に向けて生じるバリ７によって構成される。このような加工面において、剪断面５の板厚方向の長さＴｓ／板厚Ｔ×１００（％）を、剪断面比率γと定義する。

εcr＝ｆ（γ）の関数を設定するための実験データとしては、切り欠き引張試験、穴あき引張試験、穴拡げ試験等で試験片の端面を打抜きにより作成した場合の試験から得られた結果を用いる。理論データもまた、延性破壊限界などの打抜き端面の影響を考慮可能な理論計算から得られた結果を用いる。

その後、評価対象部品の打抜きブランクにおける伸びフランジ割れ予測対象部位の打抜き端面観察を、成形加工前に実施し、この部位の剪断面比率γpartを求める。

この剪断面比率γpartを、図１に示す関数ｆ（γ）に代入することにより、伸びフランジ割れ予測対象部位の限界歪εcr part＝ｆ（γpart）を求める。

さらに、有限要素法により、評価対象部品の成形シミュレーションを実施し、得られた予測対象部位の各要素の引張歪εを、図１で得られた限界歪εcr partと比較し、
ε＜εcr part
であれば、伸びフランジ割れが発生せず、
ε＝εcr part または ε＞εcr
であれば、伸びフランジ割れが発生する、というように、伸びフランジ割れを推定する。

次に、本発明の第二の実施形態について説明する。先ず、対象材料の関数εcr＝ｆ（γ）を設定し、それを用いて限界歪εcr partを特定する手順までは、上記第一の実施形態と同様である。

その後、従来利用されている理論ＦＬＤまたは実験ＦＬＤを用い、図４に示すように、それらの単軸引張歪（図４の紙面上向きの座標軸における歪）がεcr partと一致するように実験または理論ＦＬＤを合わせ込む。即ち、図４において、前記上向きのε１軸上の点εcr partを通りε２軸に平行な点線で示した直線Ｌ₁と、単軸引張方向を示す傾き−２の直線Ｌ_２との交点ａを通るように、実験または理論ＦＬＤを、図４の紙面下方向に、原点を中心として相似形となるように移動する。なお、理論ＦＬＤは、使用する理論によっては、全体的に破断歪を過小評価する場合があるため、破断歪のレベルを、合わせ込みによって実現象に合せ込む必要がある。合わせ込みの際には、元になるＦＬＤに、歪比毎に定率を掛けることが望ましい。即ち、合わせ込み前のＦＬＤ上の点（ε２，ε１）に対して、（α×ε２，α×ε１）を新たなＦＬＤ上の点として利用する。ここで、
α＝εcr part／ε
である。この方法に依れば、ＦＬＤ表示機能を有した商用のＣＡＥソフトウェア上にて、本実施形態を容易に実施可能である。

その後、上記第一の実施形態と同様に、有限要素法により得られた各要素の引張歪εを限界歪εcr partと比較し、伸びフランジ割れを推定する。

次に、本発明の第三の実施形態について説明する。

打抜きにより穴加工を施した試験片に対して、成形前打抜き端面観察から剪断面比率γを求め、また、穴拡げ試験を実施して限界引張歪εcrを求めることを繰り返し行う。こうして、図１に示すεcr＝ｆ（γ）の関数を、実験値により設定する。その後の手順は、上記各実施形態と同様である。

その際、剪断面比率は、打抜きクリアランスＣを変えて調整するが、クリアランスＣは、板厚ｔに対して、Ｃ／ｔ＝３％程度の間隔で５以上の水準で実験しておくことが望ましい。εcrは穴拡げ率λ（％）からεcr＝ln（１＋λ／100）の関係式を通じて求めてもよいし、またはスクライブドサークルやグリッドを計測することで求めても良い。

次に、本発明の第四の実施形態について説明する。

本実施形態では、上記各実施形態におけるεcr＝ｆ（γ）の関数の代わりに、図５に示すように、打抜き時のクリアランスC／ｔと限界引張歪εcrとの関係を求める。さらに、実部品の成形前の剪断面比率γpartを測定する代わりに、実部品の打抜き時のクリアランスＣpartを測定して、限界歪εcr partを求める。打抜き時のクリアランスCはレーザ変位計等で直接測定することが望ましいが、パンチ寸法とダイ寸法から間接的に推定した値を用いても良い。クリアランスCは、板厚ｔに対して、Ｃ／ｔ＝３％程度の間隔で５以上の水準で実験しておくことが望ましい。その後の手順は、上記各実施形態と同様である。

さらに、本発明の第五の実施形態について説明する。本実施形態では、有限要素法の各要素に複数の積分点が配置されている場合に、各積分点毎にフランジ部の引張歪εと前記実部品の限界歪εcr partとを比較して、伸びフランジ割れ判定を実施する。その他の手順は、上記各実施形態と同様である。

有限要素解析は通常、2〜10ｍｍ程度の初期要素サイズにて計算されるが、伸びフランジ割れにはそれらの要素サイズよりも小さな領域での歪集中が問題になることがある。このような場合には、要素の各積分点毎の歪状態から伸びフランジ割れを判定することにより、大幅な計算時間増加を伴うことなく、比較的狭い領域での伸びフランジ割れ評価が可能である。

図６に示すような形状のブランク板１１を打抜き加工により作成し、これを図７に示す伸びフランジ成形用金型にて成形試験を実施した。金型およびブランク板１１の伸びフランジ部の形状は、コーナー曲率半径Ｒと直線部開き角θにより構成される。本実施例では、Ｒ＝60ｍｍ、θ＝120°のブランク形状を打抜き、かつ、Ｒ＝60ｍｍ、θ＝120°の形状を有するダイ１３およびパンチ１２にて伸びフランジ成形を実施した。ブランク板１１の表面には2ｍｍグリッドをエッチングにより転写しておき、これからひずみ測定を実施した。

ブランク板１１の供試材には、板厚1.6ｍｍ、引張強さ780ＭＰａ級冷延鋼板を用いた。ブランク板１１の幅Ｗは一定で140ｍｍとした。伸びフランジ変形を受けるＶ字状のコーナー部については、専用の打抜き金型を用いて打抜き加工により作成した。板厚1.6ｍｍの薄板材を基準として11％の打抜きクリアランス、パッド背圧5トンの条件で打抜き加工を施した。フランジ高さHが10，15，20，25，30ｍｍの５水準のブランク板を成形した。なお、伸びフランジ変形を受けるフランジ高さＨは、図６において、ブランク板１１の中央部の全長Htotalから、パンチ１２とパッド１４に挟まれるブランク板１１の平坦部の中央部長さHflatを引いた寸法（H＝Htotal−Hflat）となる。この成形試験の結果、各フランジ高さHに対する成形可否は表１のようになった。

また、成形限界を求めるため、日本鉄鋼連盟規格に則った穴拡げ試験を実施した。試験片形状は120ｍｍ×120ｍｍの矩形で、その中央部に打抜き加工により直径10ｍｍの穴加工を施した。ダイス径を変えることで打抜きクリアランスを変更した。また、各クリアランス毎に端面観察用の打抜きサンプルも採取し、打抜き端面の剪断面比率γを、光学顕微鏡観察により求めた。穴縁の限界引張歪は、穴拡げ率から対数歪に換算した値を用いた。この実験により得られた打抜きクリアランスＣ／ｔと剪断面比率γ、及び限界引張歪εcrの関係を表２に示す。

表２の結果より、成形部品ブランクの打抜きクリアランス11％に対応した引張限界歪は、0.35であった。

さらに、上記の伸びフランジ成形試験及び穴拡げ試験とは別に、有限要素法により、成形部品の成形解析を実施した。フランジ高さＨは、実成形品と同じＨ＝10，15，20，25，30ｍｍの５水準について、解析を行った。要素タイプとして、定歪要素を用いた場合と、１要素中に４積分点を有する要素を用いた場合の２種類のケースに関して計算した。後者のケースでは完全積分要素を用い、２点でのガウス積分で規定される位置に積分点が配置されている。初期要素サイズは両ケースとも同じ2ｍｍとした。その結果、図６のブランク板１１に示したコーナー中央部Ｒに歪が集中する解析結果が得られた。これは実験結果の割れ位置に一致した。各解析結果による最大伸び歪を表３に示す。

いずれの解析においても、定歪要素よりも４積分点要素を用いた方が歪の値が大きくなり、４積分点要素の方が、伸びフランジ部の歪集中を精度よく再現できていることが示された。表２から得られた打抜きクリアランス11％に対応した引張限界歪0.35と、表３の解析から得られた歪値とを比較すると、Ｈ＝10，15，20では割れが無く、H=25，30では割れが発生すると判断される。これは表１の成形試験結果と一致し、本発明の推定方法が適正であることが確認された。

実施例１の試験結果の表２から、クリアランスＣと限界歪εcrの関係を５次多項式で近似すると、以下の関係式を得た。
εcr＝A5×(C／t)⁵＋A4×(C／t)⁴＋A3×(C／t)³＋A2×(C／t)²＋A1×(C／t)＋A0
ただし、A5＝0.00000703，
A4＝−0.00048276，
A3＝0.012476072，
A2＝−0.15145209，
A1＝0.877166791，
A0＝−1.660942137

また、実施例１と同様に、図６に示す形状のブランク板１１を打抜き加工により作成し、これを図７に示す伸びフランジ成形用金型にて成形試験を実施した。金型形状およびブランク板１１の形状も同じ水準で実施した。この成形試験における打抜きクリアランスは規定値Ｃ／ｔ＝11％としたが、これを以下の方法により実測した。使用する打抜き型にブランク板を設置せず、代わりに、打抜きに使用するダイの打抜き刃に粘土を盛った。この状態で一度プレス機を稼動すると、パンチ打抜き刃の作用により粘土が削られる。その後、ダイ側に残存した粘土の高さがクリアランスＣを示すことになる。実測の結果、残存粘土の高さは0.182ｍｍであった。

これより、板厚1.6ｍｍの供試材に対しての打抜きクリアランスは、C／t＝11.375％と推定された。このクリアランスの値を上記関係式に代入すると、推定限界歪εcr＝0.339と推定される。伸びフランジ成形時において、端部は必ず単軸引張状態になることを考慮すると、推定限界歪においての面内の主ひずみは、（ε１，ε２）＝（0.339，−0.1695）となる。

対象鋼種の成形限界線図（ＦＬＤ）を局所分岐理論に基づき計算した曲線が図８に示す理論ＦＬＤである。これに対して、ＦＬＤ上の単軸引張側限界ひずみの値を前述の方法にて推定された推定限界歪εcr=0.339に合せ込んだＦＬＤが、図８に示す「εcrを反映したＦＬＤ」である。図９は、図８の単軸引張側に定歪要素を用いた解析ケースの最大伸び歪を重ねてプロットしたものである。図９より、元の理論ＦＬＤで割れ発生の有無を判断すると、フランジ高さＨ＝20ｍｍの成形サンプルは、理論ＦＬＤの限界線を越えた歪状態が計算されているため、割れ発生と判断される。これに対して「εcrを反映したＦＬＤ」によれば、Ｈ＝20ｍｍの解析結果は僅かながら下回る歪状態が実現されているため、割れ発生無しと判断されることになり、これは表１の実験結果に符合する判定結果である。加えて、この結果には、打抜きクリアランスの実測値の影響が定量的に反映されているため、従来のＦＬＤを用いた割れ評価方法では予測不可能な伸びフランジ割れの事前予測が可能である。

本発明は、プレス成形加工される薄板の金属板の伸びフランジ割れの予測に適用できる。

剪断面比率γと限界引張歪εcrの関係を示すグラフ。 パンチとダイによる打抜き切断加工の縦断面図。 打抜きブランク板の加工面の断面の模式図。 単軸引張歪をεcr partに一致させるＦＬＤ合わせ込みの説明図。 クリアランスＣ／ｔと限界引張歪εcrの関係例を示すグラフ。 実施例１，２における成形品のブランク板の平面図。 実施例１，２における伸びフランジ成形金型の構成を示す斜視図。 実施例２における理論ＦＬＤおよび推定限界歪εcrを反映したＦＬＤを示すグラフ。 実施例２における理論ＦＬＤおよび推定限界歪εcrを反映したＦＬＤと数値解析結果より得られた成形サンプルに発生した歪の比較を示すグラフ。

符号の説明

１ 被加工材
２，１２ パンチ
３，１３ ダイ
４ だれ
５ 剪断面
６ 破断面
７ ばり
１１ ブランク板
１４ パッド

Claims (5)

1. シミュレーションにより薄板材料のプレス成形時の伸びフランジ割れの有無を推定する方法であって、
   予め材料の剪断面比率γと限界引張歪εcrとの関係を求めた後、
   実部品の成形前の剪断面比率γpartを測定し、前記関係に基づいて前記剪断面比率γpartから前記実部品の限界歪εcr partを求め、
   次に有限要素法で実部品の成形解析を行い、有限要素法の要素毎に算出されたフランジ部の引張歪εと前記実部品の限界歪εcr partを比較して、伸びフランジ割れの有無を推定することを特徴とする、薄板プレス成形シミュレーションにおける伸びフランジ割れの推定方法。
   但し、剪断面比率は、前記材料の板厚に対する剪断面の板厚方向の長さの割合と定義される。
2. シミュレーションにより薄板材料のプレス成形時の伸びフランジ割れの有無を推定する方法であって、
   予め材料の剪断面比率γと限界引張歪εcrとの関係を求めた後、
   実部品の成形前の剪断面比率γpartを測定し、前記関係に基づいて前記剪断面比率γpartから実部品の限界歪εcr partを求め、
   次に理論成形限界線図又は実験成形限界線図の単軸引張歪が前記実部品の限界歪εcr partと一致するように前記理論成形限界線図又は実験成形限界線図のあわせ込みを行った後、
   有限要素法で実部品の成形解析を行い、有限要素法の要素毎に算出されたフランジ部の引張歪εと、前記あわせ込み後の理論成形限界線図又は実験成形限界線図の単軸引張での限界歪εcr partを比較して、伸びフランジ割れの有無を推定することを特徴とする、薄板プレス成形シミュレーションにおける伸びフランジ割れの推定方法。
   但し、剪断面比率は、前記材料の板厚に対する剪断面の板厚方向の長さの割合と定義される。
3. 前記材料の丸穴を打ち抜いた部分の剪断面比率γを測定し前記材料の穴拡げ試験を行って限界引張歪εcrを求めることを繰り返し行うことにより、前記剪断面比率γと限界引張歪εcrとの関係を求めることを特徴とする、請求項１または２に記載の薄板プレス成形シミュレーションにおける伸びフランジ割れの推定方法。
4. 前記剪断面比率γの代わりに、前記材料の打抜き時のクリアランスＣを測定して前記クリアランスＣと限界引張歪εcrとの関係を求めると共に、実部品の成形前の剪断面比率γpartを測定する代わりに前記実部品の打抜き時のクリアランスＣpartを測定することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の薄板プレス成形シミュレーションにおける伸びフランジ割れの推定方法。
5. 有限要素法の各要素の積分点毎に、フランジ部の引張歪εと前記実部品の限界歪εcr partを比較して伸びフランジ割れの有無を推定することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の薄板プレス成形シミュレーションにおける伸びフランジ割れの推定方法。

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