JP2009119476A - 対向液圧成形方法および対向液圧成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】素板に高強度材を使用した場合でも、高品質なパネル部品を能率良く製造することができる対向液圧成形方法および対向液圧成形装置を提供する。
【解決手段】対向液圧成形の終了近傍において、液圧制御ユニット１３を用いて液圧室１２内の液圧をパルス状に繰り返し変動させて、材料１０にパルス状の繰り返し液圧を負荷する。
【選択図】図１

Description

本発明は、板材の対向液圧成形方法に関するものであり、特に、自動車や家電のパネル部品を高品質で成形することが可能な対向液圧成形方法および対向液圧成形装置に関するものである。

近年、特に自動車産業においては環境問題に起因した車体の軽量化により、パネル部品に使用する材料の薄肉化と高強度化が進められている。このようなパネル部品の製作には製作コストに優れたプレス成形が用いられることが多いが、薄肉化や高強度化された材料を用いるプレス成形では材料の割れやしわが発生しやすい。

このような問題に対して、材料の割れやしわを抑制することを可能にする成形方法として、液圧を用いた対向液圧成形法が知られている。

この対向液圧成形法は、例えば非特許文献１に紹介されており、一例を図１７に示すように、液体を満たした液圧室１２を有するダイ１１と、液圧室１２内の液体の圧力（液圧）を制御する液圧制御ユニット１３を設け、材料（素板、ブランク）１０をダイ１１とブランクホルダー１４により押圧挟持し、パンチ１５によりブランク１０を液圧室１２に向けて押し込むことによって、ブランク１０を所定の形状に深絞り成形または張り出し成形するプレス加工法である。なお、図１８（ａ）、（ｂ）は、その際の液圧の与え方（液圧パターン）の例を示すものである。

そして、関連する技術として、特許文献１に液圧成形法（ハイドロフォーム法）を応用した寸法精度の高い製品を作る金型（ダイとパンチ等）が開示され、特許文献２に超高圧で液圧成形を行う超高圧液圧成形機が開示されている。

なお、後述する［実施例１］において、下記の非特許文献２を参照するので、ここに併せて記載しておく。
特開平１−２７３６２６号公報 特開平２−０２５２９６号公報 中村和彦、「対向液圧成形法とは」、プレス技術、第３９巻第９号（２００１年９月号）、ｐ１９〜２３ 「プレス難易成形ハンドブック 第３版」、日刊工業新聞社、ｐ２５２（図５．１０）

対向液圧成形法には従来のパンチとダイによるプレス成形法に比べて、そのプレス成形性（加工性や寸法精度等）に長所があるが、近年の使用材料の高強度化に伴い従来の手法では十二分とはいえない。

一般に液圧を高くすることにより寸法精度が向上するので、前記非特許文献１には、成形下死点において液圧を上げる手法が紹介されているが、高強度材（高張力鋼板）の成形には高い液圧を必要とし、巨大な背圧が発生して金型を破損する危険性がある。

また、特許文献１に開示されている金型は、良好な形状精度を得るのに一定の効果があるものの、下死点で高い液圧を負荷することを考えておらず、また高い背圧を抑えるための構造がないため、十分な高圧を負荷することができないことから、良好な寸法精度が得られない。

また、下型（底付き型）で部分的に成形を行う手法もあるが、成形中下型が弾性変形によりたわみ、目的の形状まで材料を変形させることができなく、所定の寸法精度を得られない。また下型を製造するためのコストがかかり、生産性がよいとは言えない。

また、特許文献２に開示されている超高圧液圧成形機は、上半フレームと下半フレームをボルトで締結する構造のため、背圧を抑えるのはこのボルトとなり、十分な背圧を負荷することができない。また、一枚成形するたびに、上半フレームと下半フレームの結合を解除し、上半フレームをクレーン等で吊り上げる必要があるので、生産性が極めて悪い。

このように、従来技術には、素板に高強度材を使用した場合でも、割れやしわの発生がなく、所定の寸法精度等を満たすパネル部品を能率良く製造する技術は見当たらない。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、自動車産業や家電産業等における量産体制に適用できるような、素板に高強度材を使用した場合でも、高品質なパネル部品を能率良く製造することができる対向液圧成形方法および対向液圧成形装置を提供することを目的とするものである。

上記の課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。

［１］液体を満たした液圧室を有するダイと、液圧室内の液体の圧力を制御する液圧制御装置を設け、ブランクをダイとブランクホルダーにより押圧挟持し、パンチによりブランクを液圧室に向けて押し込むことによって、ブランクを所定の形状に成形する対向液圧成形方法において、成形終了近傍で液圧室内の液体の圧力をパルス状に繰り返し変動させることを特徴とする対向液圧成形方法。

［２］液圧制御装置として、液圧室内に液体を供給する液圧制御装置と、液圧室内から液体を排出する液圧制御装置を設けることを特徴とする前記［１］に記載の対向液圧成形方法。

［３］ダイとブランクホルダー間および／またはパンチとブランクホルダー間に、背圧を抑制するための背圧ストッパーを取り付けることを特徴とする前記［１］または［２］に記載の対向液圧成形方法。

［４］液体を満たした液圧室を有するダイと、液圧室内の液体の圧力を制御する液圧制御装置と、ブランクをダイとの間で押圧挟持するブランクホルダーと、ブランクを液圧室に向けて押し込むパンチとを備えた対向液圧成形装置において、成形終了近傍で液圧室内の液体の圧力をパルス状に繰り返し変動させるようになっていることを特徴とする対向液圧成形装置。

［５］液圧制御装置が、液圧室内に液体を供給する液圧制御装置と、液圧室内から液体を排出する液圧制御装置とからなっていることを特徴とする前記［４］に記載の対向液圧成形装置。

［６］ダイとブランクホルダー間および／またはパンチとブランクホルダー間に、背圧を抑制するための背圧ストッパーが取り付けられていることを特徴とする前記［４］または［５］に記載の対向液圧成形装置。

本発明においては、素板に高強度材を使用した場合でも、高品質なパネル部品を能率良く製造することができる。そこ結果、自動車産業や家電産業等における量産体制に対応することが可能となる。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１において用いる対向液圧成形装置を示すものである。この対向液圧成形装置は、前述の図１７に示したものと同様であり、液体を満たした液圧室１２を有するダイ１１と、液圧室１２内の液体の圧力（液圧）を制御する液圧制御ユニット１３を備え、材料（ブランク）１０をダイ１１とブランクホルダー１４により押圧挟持し、パンチ１５によりブランク１０を液圧室１２に向けて押し込むことによって、ブランク１０を所定の形状に深絞り成形または張り出し成形するようになっている。

その上で、この実施形態においては、図３（ａ）に液圧パターンの一例、図３（ｂ）にその際のパンチ１５の変位を示すように、対向液圧成形の終了近傍（パンチ１５のストローク下死点近傍）において、液圧制御ユニット１３により液圧室１２内の液圧をパルス状に繰り返し変動させる。これによって、材料１０にパルス状の繰り返し液圧が負荷され、材料１０の変形が促進される。その結果、割れやしわを発生させることなく、成形品（パネル部品）の寸法精度が向上する。また、寸法精度が向上することにより、Ｒ部が所定の大きさに成形されるため、張り剛性が向上する。さらに、面ひずみも低減する。

ここで、上記のパルス状繰り返し液圧の周波数は０．５Ｈｚ以上が好ましい。また、パルス状繰り返し液圧の負荷時間はその繰り返し回数が５回以上となる時間が好ましい。また、パルス状繰り返し液圧の振幅は、パルス状繰り返し液圧を負荷する直前の液圧（パルス開始前液圧）の１０％以上が好ましい。

そして、パルス状繰り返し液圧の与え方（液圧パターン）は、図３（ａ）に示すように、パルス開始前液圧を基準にして高圧側で振動させるか、図３（ｂ）に示すように、パルス開始前液圧を基準にして低圧側で振動させるか、図３（ｃ）に示すように、パルス開始前液圧を挟んで振動させるかのいずれでもよいが、パルス開始前液圧を基準にして高圧側で振動させるのが最も効果が大きい。

また、パルス状繰り返し液圧を成形終了近傍（下死点近傍）で負荷することに加えて、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、パルス状繰り返し液圧を成形途中にも負荷するようにしてもよい。ただし、成形途中で液圧を変動させると、材料１０が不必要に成形され、割れを生じる危険性があるので、材料に割れが生じない範囲で行う必要がある。

また、パルス状繰り返し液圧を負荷する時には、パンチ１５が停止している必要はないが、成形される材料１０とパンチ１５は接触していることが好ましい。

なお、成形に使用する液体は、水、各種油、エマルジョン、ゲル等の粘性流体、といった容易に変形する流動性物質であればなんでもよい。また、これら流動性物質に空気等の気体が混入してもよく、常温大気圧で気体の体積が流動性物質の体積の２０％以下であればよい。

このようにして、この実施形態においては、対向液圧成形の終了近傍で、液圧室１２内の液圧をパルス状に繰り返し変動させて、材料１０にパルス状繰り返し液圧を負荷するようにしているので、材料１０に高強度材の使用した場合でも、高品質な成形品（パネル部品）を能率良く製造することができる。

しかも、パルス状の繰り返し液圧を負荷するので、所定時間一定の高圧を負荷する場合に比べ、装置を耐荷重構造（耐圧構造）にする必要は必ずしも無い。

なお、材料１０にパルス状繰り返し液圧を負荷するには、パンチ１５を振動させる方法も考えられるが、対向液圧成形ではパンチ１５の後退時にしわが発生するため、適用外である。

（実施形態２）
前述の実施形態１において用いた対向液圧成形装置は、図１に示すように、液圧室１２内の液体の液圧を制御する液圧制御ユニット１３を１系列備えているが、パルス状繰り返し液圧の周波数を高くした場合、液圧室１２内への液体の供給・排出の応答速度が不十分になり、所望のパルス状繰り返し液圧を負荷することができない可能性がある。

そこで、本発明の実施形態２においては、図５に示すように、液圧制御ユニット１３として、液圧室１２内に液体を供給する液圧制御ユニット１３ａと、液圧室１２内から液体を排出する液圧制御ユニット１３ｂの２系列を備えるようにしている。

これによって、液圧室１２内への液体の供給・排出の応答速度が高速化され、高周波数のパルス状繰り返し液圧を負荷することが可能になる。

（実施形態３）
前述したように、パルス状繰り返し液圧の液圧パターンとしては、図３（ａ）に示すように、パルス開始前液圧より高圧側で振動させるのが最も効果が大きいが、その分だけ、金型（ダイ１１、ブランクホルダー１１、パンチ１５）に大きな負荷（背圧）が発生する。

そこで、本発明の実施形態３においては、それに耐えられるような金型構造としている。すなわち、背圧を抑制するために、図６に示すように、ダイ１１とブランクホルダー１４の間に背圧ストッパー１６を取り付けるとともに、パンチ１５とブランクホルダー１１の間にも背圧ストッパー１７を取り付けている。

この背圧ストッパー１６は、ダイ１１の側面とブランクホルダー１４の側面のそれぞれに設けられた出っ張り部１１ａ、１４ａを上下から挟み込むようにして取り付けられており、広い面積で荷重を受けるため、発生する背圧を容易に抑えることができる。しかも、上下から挟み込むため、取り付け・取り外しも容易で、生産性を損なうことが無い。

このようにして、この実施形態においては、背圧ストッパー１６、１７によって背圧が抑制されるので、パンチ１５の押圧力、ブランクホルダー１４の押圧力を低減でき、パルス状繰り返し液圧をパルス開始前液圧より高圧側で振動させる場合でも、それに耐えられる金型構造になっている。

（実施形態４）
本発明の実施形態４は、前述の実施形態２と実施形態３を複合したものである。

すなわち、実施形態４においては、図７に示すように、液圧制御ユニット１３として、液圧室１２内に液体を供給する液圧制御ユニット１３ａと、液圧室１２内から液体を排出する液圧制御ユニット１３ｂとに分かれた２系列を備えているとともに、ダイ１１とブランクホルダー１４の間に背圧ストッパー１６が取り付けられ、パンチ１５とブランクホルダー１１の間にも背圧ストッパー１７を取り付けられている。

これによって、高周波数でかつ高圧のパルス状繰り返し液圧を負荷することが可能となり、より一層高品質な成形品（パネル部品）を能率良く製造することができる。

本発明の実施例として、図１あるいは図１７に示した対向液圧成形装置を用いて、自動車のドアアウターパネルの成形を行った。

まず、成形に供した素板の材料特性を表１に示す。ここでは、一般に自動車のドアアウターパネルに用いられる２７０ＭＰａ級鋼板（Ａ）、３４０ＭＰａ級鋼板（Ｂ）、４４０ＭＰａ級鋼板（Ｃ）の３種類を用いた。板厚はいずれも０．６５ｍｍである。

そして、負荷した液圧条件を図８に示す。従来例として、図８（ａ）、（ｂ）に示すような一般的な液圧条件ａ、ｂで成形し、これに対して、本発明例として、図８（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）に示すような、成形の終了近傍でパルス状繰り返し液圧を負荷する液圧条件ｃ、ｄ、ｅで成形した。なお、図８（ｃ）〜（ｅ）のパルス状繰り返し液圧は、いずれも周波数を２Ｈｚ、負荷時間を１０秒間とした。

上記のようにして成形した成形品（ドアアウターパネル）について、その品質評価を寸法精度と張り剛性と面ひずみの３項目で行った。それぞれの評価項目の評価位置を図９に示し、測定方法を表２に示している。

これらの従来例と本発明例の品質評価結果を表３に示す。

まず、液圧条件ａで成形した従来例１〜３では、いずれも成形品の品質が出荷許容値を外れていた。また、液圧条件ｂで成形した従来例４〜６では、金型の荷重が耐荷重限界を超えたため、いずれの項目も評価できなかった。

これに対して、液圧条件ｃで成形した本発明例１〜３、液圧条件ｄで成形した本発明例４〜６、液圧条件ｅで成形した本発明例７〜９では、いずれも成形品の品質が出荷許容値内であり、良好なパネルが作成できた。

以下に、それぞれの品質評価項目についての具体的な評価結果を示す。

（ア）寸法精度
従来例２の成形品と本発明例２の成形品の断面形状（ビード端からの位置とパネル高さ）を測定した結果を図１０に示す。本発明例２の成形品は、従来例２の成形品に比べスプリングバック量が小さく、設計形状に近いパネルが得られており、寸法精度が極めてよいことが分かる。

また、従来例１〜３の成形品と本発明例１〜３の成形品について、図１１に●印で示す寸法精度評価位置における設計形状からの乖離量を測定した。その結果、図１２に示すように、本発明例１〜３の成形品の乖離量は従来例１〜３の成形品の乖離量に比べて非常に小さく、寸法精度が大幅に向上していることが分かる。

（イ）張り剛性
いずれも３４０ＭＰａ級鋼板を用いた、従来例２、本発明例２、５、８の各成形品について、その張り剛性試験の結果を図１３に示す。なお、圧子は先端半径５０Ｒ、負荷荷重４９Ｎで実施し、そのへこみ量を測定した。本発明例２、５、８の各成形品のへこみ量は従来例２の成形品のへこみ量に比べて小さく、張り剛性が向上していることが分かる。

（ウ）面ひずみ
一般的に、ドアアウターパネルのハンドル近傍には面精度不良が発生しやすく、この実施例においても、図１４（ａ）に示す位置に面ひずみが発生した。この面ひずみについて、図１４（ｂ）に示すように、ゲージレングス５０ｍｍの３点曲率で定量評価した（非特許文献２参照）。なお、面ひずみは曲率曲線の最大最小差で評価される。

従来例２の成形品と本発明例２の成形品の曲率曲線（ハンドル長手方向の各位置における曲率）を図１５に示す。本発明例２の成形品は曲率曲線の最大最小差が従来例２の成形品に比べて非常に小さく、大幅に面ひずみが低減している。また、従来例１〜３の成形品と本発明例１〜３の成形品の面ひずみについて、素材の降伏点ＹＳとの関係で整理したものを図１６に示す。これから、本発明例の面ひずみ抑制効果は、高強度材ほど大きいことが分かる。

本発明の実施形態１における対向液圧成形装置を示す図である。 本発明の実施形態１における液圧パターンの一例を示す図である。 本発明の実施形態１における液圧パターンの他の例を示す図である。 本発明の実施形態１における液圧パターンの他の例を示す図である。 本発明の実施形態２における対向液圧成形装置を示す図である。 本発明の実施形態３における対向液圧成形装置を示す図である。 本発明の実施形態４における対向液圧成形装置を示す図である。 本発明の実施例１における液圧パターンを示す図である。 本発明の実施例１における評価用測定位置を示す図である。 本発明の実施例１において成形後の断面形状を比較した図である。 本発明の実施例１における寸法精度の評価位置を示す図である。 本発明の実施例１において寸法精度を比較した図である。 本発明の実施例１において張り剛性（へこみ）を比較した図である。 本発明の実施例１における面ひずみ評価位置と評価方法を示す図である。 本発明の実施例１において曲率プロフィルを比較した図である。 本発明の実施例１において面ひずみを比較した図である。 通常の対向液圧成形装置を示す図である。 通常の液圧パターンの一例を示す図である。

符号の説明

１０ 材料（ブランク）
１１ ダイ
１２ 液圧室
１３ 液圧制御ユニット
１３ａ 供給側液圧制御ユニット
１３ｂ 排出側液圧制御ユニット
１４ ブランクホルダー
１５ パンチ
１６ 背圧ストッパー
１７ 背圧ストッパー

Claims (6)

1. 液体を満たした液圧室を有するダイと、液圧室内の液体の圧力を制御する液圧制御装置を設け、ブランクをダイとブランクホルダーにより押圧挟持し、パンチによりブランクを液圧室に向けて押し込むことによって、ブランクを所定の形状に成形する対向液圧成形方法において、成形終了近傍で液圧室内の液体の圧力をパルス状に繰り返し変動させることを特徴とする対向液圧成形方法。
2. 液圧制御装置として、液圧室内に液体を供給する液圧制御装置と、液圧室内から液体を排出する液圧制御装置を設けることを特徴とする請求項１に記載の対向液圧成形方法。
3. ダイとブランクホルダー間および／またはパンチとブランクホルダー間に、背圧を抑制するための背圧ストッパーを取り付けることを特徴とする請求項１または２に記載の対向液圧成形方法。
4. 液体を満たした液圧室を有するダイと、液圧室内の液体の圧力を制御する液圧制御装置と、ブランクをダイとの間で押圧挟持するブランクホルダーと、ブランクを液圧室に向けて押し込むパンチとを備えた対向液圧成形装置において、成形終了近傍で液圧室内の液体の圧力をパルス状に繰り返し変動させるようになっていることを特徴とする対向液圧成形装置。
5. 液圧制御装置が、液圧室内に液体を供給する液圧制御装置と、液圧室内から液体を排出する液圧制御装置とからなっていることを特徴とする請求項４に記載の対向液圧成形装置。
6. ダイとブランクホルダー間および／またはパンチとブランクホルダー間に、背圧を抑制するための背圧ストッパーが取り付けられていることを特徴とする請求項４または５に記載の対向液圧成形装置。