JP2009145138A - サイドベンド試験装置及び試験方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】それぞれ異なる位置の支点に回動自在に取り付けられた1対の腕部と、前記腕部の先端部において、上面または下面に罫書き線または標点がマーキングされた試験片の両端部の上下面をそれぞれ前記腕部と共に固定する1対の把持部と、前記1対の腕部の後端に荷重を加える荷重付与手段を有し、前記1対の腕部は、脚部が互いに交差するように構成されているサイドベンド試験装置であり、この装置を用いて試験片に曲げ変形を与え、フランジ割れが発生する限界歪を計測する。
【選択図】図1
Description
たとえば、図14の(a)、(b)に示すように部材によっては、伸びフランジ変形のみを受ける場合や、或いは伸びフランジ変形と穴拡げ変形などを併せて受ける場合などがあり、部品形状、すなわち鋼板が受ける変形の程度に応じた材料の選定が必要となる。
例えば、穴拡げ試験法では、i)歪分布が周方向に急激に変化するのに対して、伸びフランジ変形では周方向半径方向に緩やかな歪勾配を有して変化するものである。また、ii)材料の異方性は穴拡げ率(λ)に反映されないが、材料の伸びフランジ性はブランキング方向(材料の採取方向)により影響を受け、異方性がある。また、iii )穴拡げ試験では抜きシャー角は考慮できないが、伸びフランジ性には大きな影響を与える。
このように、従来から用いられている穴拡げ試験では、実際に部材を成形する場合の成形部品形状や、ブランクの性状の影響を反映した伸びフランジ性を評価しうるものとはなっておらず、成形の実情に即した伸びフランジ性を的確に評価することが難しい。
非特許文献1の試験方法では、プレス成形する場合において、成形形状や成形部位の状況に応じた伸びフランジ性、すなわち、破断や亀裂を生じない歪(限界歪)を評価する点において有効な方法である。
また、特許文献2の方法によれば、引張試験における伸びを、自動的に測定することはできるが、この場合の伸びは、試験片が破断した後の状態において伸びを測定しており、プレス成形における伸びフランジ性を評価する際の限界歪の自動計測方法とすることはできない。
(1)それぞれ異なる位置の支点に回動自在に取り付けられた1対の腕部と、前記腕部の先端部において上面または下面に罫書き線または標点がマーキングされた試験片の両端部の上下面をそれぞれ前記腕部と共に固定する1対の把持部と、前記1対の腕部の後端に荷重を加える荷重付与手段を有し、前記1対の腕部は、脚部が互いに交差するように構成されているサイドベンド試験装置であって、
前記荷重付与手段により前記後端に荷重を加えて、それぞれ前記支点を中心として、前記1対の腕部の先端部がそれぞれ逆方向に移動して離れることにより、前記腕部と前記把持部とで固定された試験片の長手方向中央部における板厚方向の端面に引張及び曲げ変形を付与する機能を有することを特徴とするサイドベンド試験装置。
言い換えると、成形する部材の形状の違いによる歪分布度(歪勾配)に関して、試験片の形状(抜き半径r、あるいは抜き深さd)を変えることにより、限界歪−歪勾配チャートを容易に作成することができ、さまざまな部材形状における伸びフランジ変形に対応して、伸びフランジ性を評価することができる。
図1において、サイドベンド試験装置は、それぞれ別の位置に固定された二つの支点(支柱) 4(4a、4b)にそれぞれ回動自在に取り付けられ、それぞれ先端部1at,1btと脚部1af、1bfを有する一対の腕部1(1a,1b)と、この腕部の先端部1at,1btにおいて、試験片3の両端部の上下面をそれぞれ腕部の先端部1at,1btと共に固定する1対の把持部2(2a、2b)と、前記1対の腕部1a,1bの脚部1af、1bfに近い側の後端1ae、1beに荷重を加える荷重付与手段5を有し、前記1対の腕部は、一方の腕部の脚部1afが、他方の腕部の脚部1bfと互いに交差するように構成されている。なお、腕部の先端部1at、1btと脚部1af、1bfは、上記支点(支柱)4(4a、4b)を境として区分するものとする。
なお、図1の(b)では、把持部の板厚が腕部の板厚と同じにされており、このため、この正面図(b)では腕部と把持部とが重なった状態で示されている。
なお、試験片には、後述するように、長手方向中央部に円弧状の打抜き部が形成されており、試験片は、この打抜き部の円弧の開放部側が、試験装置による引張曲げの外側になるように取り付けられる。
荷重付加を開始すると試験片に変形が始まり((a)→(b))、板厚方向の端面には微小な割れ(毛割れ)が生じる。この時点で測定された歪は、限界歪(プレス成形の伸びフランジ変形において割れが生じない最大の歪)に対して50%程度であり、限界歪に対する評価精度は低い。荷重付加がさらに増加すると変形が進行し((b)→(c))、板厚方向の端面に割れが貫通する。この時点で測定された歪は、限界歪に対して80〜100%前後となっており、限界歪に対する測定精度は極めて高い。そしてさらに、荷重付加が増加すると、試験片が破断(板厚方向の端面に開口部が生じる状態を含む)((c)→(d))する。
この時点で測定された歪は、上記の限界歪を大きく超えており(120%程度)、限界歪に対する測定精度は低いものとなっている。これは、例えば引張試験における破断伸びの状態となっており、この時点の歪では、本発明が目的とする、プレス成形における伸びフランジ性を適正に評価することはできない。
言い換えれば、図2の(b)の時点では荷重付加を停止するタイミングが早すぎ、(d)の時点では荷重付加を停止するタイミングが遅すぎ、いずれも伸びフランジ変形における限界歪を適正に評価することはできない。
したがって、本発明では、伸びフランジ性を評価するに際しては、試験片の長手方向中央部の板厚方向の端面に貫通割れが生じた時点の歪を限界歪として評価するものとする。この時点は、上記の図2の(c)に示したように、板厚方向の端面に上面〜下面に割れが貫通した状態をいうものであり、この割れが進展して開口部(破断部)を形成した状態(破断)とは区別する。
このように、試験片の長手方向中央部の板厚方向の端面と、長手方向中央部の上面または下面を観察することにより、試験片の板厚方向の端面に貫通割れが生じたかどうかを判定することができる。
先ず、図5は、本発明のサイドベンド試験装置及び試験方法において使用する試験片の形状を説明する図である。試験片3は、鋼板から採取された矩形の板(長手方向長さl(mm)、幅w(mm)、板厚t(mm))であり、長手方向中央部に円弧状の打抜き部7が形成されている。打抜き部7の曲率半径r(mm)、打抜き深さd(mm)(打抜き部の円弧の頂点と試験片の幅方向の円弧開放部側の端部との距離)は、特に限定するものではなく、プレス成形対象部材の伸びフランジ変形を受ける部位の曲率半径、打抜き深さ等を勘案して決めれば良い。すなわち、後述するように、曲率半径rや打抜き深さdを変えることにより、歪勾配を変えた場合の伸びフランジ変形の限界歪を把握することもできる。通常、l:100mm、w:35mmであり、rは15mm、またdは15mmである。
また、本試験装置による試験方法においては、試験片の打抜き部の表面性状、すなわち、打抜き部の板厚方向の端面の表面性状を適宜調整することも可能である。例えば、打抜き部7の板厚方向の端面は剪断面(シャー面)とすることが好ましい。通常、プレス成形で使用される金属材料板のブランクが剪断により製作されていることを勘案すると、その状態も含めて伸びフランジ成形性に反映させて評価できるからである。
なお、通常、打抜きのクリアランスは、板厚tが3〜4mmの場合、板厚の17〜22%程度であるが、これに限定されるものではない。
試験片の上面または下面には、上述の図5に示すように罫書き線8、または標点(図示せず)がマーキングされる。これは、試験装置によって変形させた後、罫書き線8或いは標点の間隔を計測することにより、変形(歪)を計算するためのものである。罫書き線また標点の間隔は特に限定するものではないが、通常1mm〜3mmである。罫書き線または標点のマーキングは、試験片の上面、下面のいずれでもよく、試験片の観察し得る面に施せばよい。
計測する罫書き線の間隔の個数は、被試験材料の伸びフランジ性の程度に応じて設定すればよく、通常1〜3個である。
すなわち、本発明のサイドベンド試験装置による伸びフランジ性の試験方法においては、試験中、試験装置の操作者が肉眼で、試験片の長手方向中央部の板厚方向の端面、並びに試験片の長手方向中央部の上面または下面の双方を観察しながら試験装置の荷重付加を制御し、板厚方向の端面に貫通割れが発生したことを確認した時点で荷重付加を停止する。その後、上述のように、試験片にマーキングした罫書き線または標点の間隔を測定し、間隔の変化から、伸びフランジ変形における限界歪を求めるものである。
なお、前述のとおり、限界歪は、貫通割れの生じた時点で、端面と罫書き線との交点近傍で測定した歪をいうものである。
この図から判るように、打抜き深さdが大きいほど、歪勾配を高くなり、限界歪が大きくなる。
このことは、伸びフランジ成形する部位の打抜き深さによって、すなわち歪勾配の大きさによっても、伸びフランジ成形の限界歪が異なることを意味しており、各種の成形部材をプレス成形する場合、ブランクの各部位に要求される伸びフランジ成形性を評価する上で重要である。
上記第一及び第二の観察手段は、特に限定するものではないが、ITV或いはCCDカメラなどが使用でき、これらの観察手段により得られた画像を記憶する手段としては、画像を記憶できる通常のコンピューター、パーソナルコンピューターなど公知の手段を適宜使用することができる。
試験片において貫通割れが発生し易い箇所は、通常、打抜き部の長手方向中央部の端面であることから、これらの観察手段は、少なくともこれらの範囲が観察可能となるように設定されることは言うまでもない。
なお、この実施形態では、第一の観察手段、第二の観察手段を備えるものとし、また、試験片の上面に罫書き線または標点が設けられ、従って第二の観察手段は、試験片を上面から観察するようなものとしている。
架台板17には、1対の腕部1(1a,1b)を回動自在に支持するための支点として1対の支柱4(4a,4b)が、架台板17上において、垂直方向に間隔を開けた異なる位置に固定され、この1対の支柱4(4a,4b)には、把持部2(2a,2b)と共に、腕部の先端部1at,1btにより試験片の係止手段を構成する1対の腕部1(1a,1b)が、脚部1af,1bfを互いに交差するようにして取り付けられている。
第一の観察手段11としてのCCDカメラ11’の高さ方向及び水平方向の位置は、試験片3の位置に対して調整可能とされており、この貫通孔20を通して、試験片の長手方向中央部(打抜き部)の板厚方向の端面を観察可能となっている。
図10に示したような本発明のサイドベンド試験装置を用いて、鋼板の伸びフランジ性を確認する試験を行った。この実施例では、第一の観察手段及び第二の観察手段を使用することなく、肉眼で観察しながら試験を行った。なお、試験片の係止手段である腕部の先端部1at,1btおよび把持部2a,2bの試験片の上下面と対向して接触する部分には格子状に凹凸を形成し、粗面とした。
試験に使用した鋼板は、自動車の車体部材として一般に使用される板厚3.2mmの熱延鋼板とした。また、鋼板の圧延方向が試験片の長手方向となるように採取した。
試験片は図5に示した形状とし、長さl:100mm、幅w:35mm、板厚t:3.2mmとし、打抜き部は、曲率半径r:15mm、打抜き深さd:15mmとしてシャークリアランスを板厚の20%として、鋼板を打ち抜いて形成した。試験片の上面には、罫書き線の間隔(ゲージ長さ:GL)を2mmとしてマーキングした。
そして図1に示すように、試験片の打抜き部の円弧の開放端が引張曲げの外側になるように、係止手段により試験片3をサイドベンド試験装置に取り付け、荷重付与手段5によって1〜5トンの荷重を腕部の後端1ae,1beに加え、試験片に引張曲げ変形を付与した。このとき、試験片の長手方向中央部の板厚方向の端面、及び長手方向中央部の上面を拡大鏡を使用して肉眼で観察しながら、荷重付加を制御し、試験片の長手方向中央部の板厚方向の端面に貫通割れが生じた時点で荷重の付与を停止した。
試験終了後、試験片を取り外し、罫書き線の間隔を罫書き線と端面との交点近傍において測定し、歪を計算した。測定した罫書き線の間隔数は3個(GL=2mm×3=6mm)とした。同様の試験を5個の試験片について繰り返した。その結果、歪は78〜96%で、平均値は87%と、ややばらつきが大きかったが、伸びフランジ性の限界歪を測定することができた。
図3の(a)に示すように、腕部の先端部及び把持部が試験片の係止面と対向する面に形成していた粗面の模様が、ずれたりすることなく試験後の試験片の両端部の上面及び下面に鮮明に転写されており、確実に力が伝達されていることが判った。
図10に示したような本発明のサイドベンド試験装置において、第一の観察手段及び第二の観察手段としてそれぞれCCDカメラを設けて試験を行い、試験中、試験片の長手方向中央部の板厚方向の端面、および長手方向中央部の上面の罫書き線を含む領域を連続して観察、撮影し、その画像をコンピューターに記憶させた。荷重付与手段による腕部への荷重付与は、1〜5トンとし、試験片が破断するまで付与した。なお、使用した試験片の材料、および試験片の形状は、実施例1と同じとした。また、試験装置の係止手段については実施例1と同様に粗面を形成した。
試験後、コンピューターから記憶させた第一の観察手段及び第二の観察手段による画像を再現し、再現画像に基づいて、試験片の長手方向中央部の板厚方向の端面に貫通割れが発生した時点を試験者が目視により確認した。
次いで、第一の観察手段及び第二の観察手段によって確認した貫通割れの発生時点における第二の観察手段の画像に基づいて試験片の上面の罫書き線を確認し、その間隔を罫書き線と端面との交点近傍で測定して歪を計算した。測定した罫書き線の間隔数は3個(GL=2mm×3=6mm)とした。同様の試験を5個の試験片について繰り返した。その結果、歪は86〜92%で、平均値は89%であり、実施例1に比べて、やや大きな歪が得られ、ばらつきが小さくなっており精度が向上していることが判った。また、実施例1と同様、係止手段の粗面の模様が、ずれを生じることなく試験後の試験片の両端部の上面及び下面に転写されており、確実に力が伝達されていることが確認された。
図10に示したような本発明のサイドベンド試験装置を用い、実施例2と同様に、第一の観察手段及び第二の観察手段としてそれぞれCCDカメラを設けて試験を行い、試験片の長手方向中央部の板厚方向の端面、および長手方向中央部の上面の罫書き線を含む領域を観察、撮影し、その画像をコンピューターに記憶させた。さらに、罫書き線の画像に基づいて歪を自動的に計算する手段(キーエンス社製のCV3500および高解像度カメラを用いたシステム)を有するコンピューターを用いた。荷重付与手段による腕部の後端への荷重付与は、実施例2と同様に1〜5トンとし、試験片が破断するまで付与した。なお、使用した試験片の材料、および試験片の形状は、実施例1と同じとした。また、試験装置の係止手段については実施例1と同様に粗面を形成した。
試験後、コンピューターに記憶させた第一の観察手段及び第二の観察手段による画像を再現し、再現画像に基づいて、試験片の長手方向中央部の板厚方向の端面に貫通割れが発生した時点を試験者が目視により確認した。
次いで、第一の観察手段によって確認した貫通割れの発生時点の第二の観察手段の画像を、画像に基づいて歪を計算する手段を有するコンピューターに送り、歪を自動的に計算した。
同様の試験を5個の試験片について繰り返した。その結果、歪は88〜92%で、平均は90%であった。実施例1に比べて、やや大きな歪が得られ、ばらつきもさらに小さくなっており測定の精度が向上していることが判った。また、実施例1と同様、係止手段の粗面の模様が、ずれを生じることなく試験後の試験片の両端部の上面及び下面に転写されており、引張曲げ力が確実に伝達されていることが確認された。
比較のため、図11の(a)に示すような従来の引張曲げ試験装置を用いて試験を行った。使用した試験片の材料、試験片の形状は、実施例1と同様としたが、試験片の取り付けには、本発明のような把持部を有する係止手段を使用せず、図11の(a)に示すように試験片3の両側端部にノックピン穴(φ10mm)を設け、ノックピンにより試験片を試験装置に係止、固定した。試験方法は、実施例1と同様に、荷重付与手段によって1〜5トンの荷重を腕部の後端に荷重を加え、試験片に引張曲げ変形を付与した。
このとき、試験片の長手方向中央部の板厚方向の端面、及び長手方向中央部の上面を拡大鏡を使用して肉眼で観察しながら、荷重付与を制御し、試験片の長手方向中央部の板厚方向の端面に貫通割れが生じた時点で荷重の付与を停止した。
なお、試験後、実施例1と同様に歪の計測、計算を行った。同様の試験を5個の試験片について繰り返した。その結果、歪は75〜95%と大きくばらついており、平均は85%であり、本発明の1〜3に比べ低い値となり、正確な伸びフランジ性の限界値を測定することができなかった。また、試験後の試験片の両端部のノックピンのピン穴が図11の(c)に示すよう、試験片の長手方向に変形しており、引張曲げ力が均等に伝達されておらず、上記のような歪の測定値のばらつきの原因となっていることが確認された。
1at、1bt 腕部の先端部
1af、1bf 腕部の脚部
1ae、1be 腕部の後端
2 2a,2b 把持部
2’ ボルト
3 試験片
3a,3b 試験片の端部(両端部)
4 4a,4b 支点(支柱)
5 荷重付与手段
6 板厚方向の端面
7 打抜き部
7’ 打抜部の円弧の開放部
8 罫書き線
9 貫通割れ部
10 破断部
11 第一の観察手段
11’ CCDカメラ
12 第二の観察手段
12’ CCDカメラ
13 サイドベンド試験装置
14 基台
15 補強支材
16 壁部材
17 架台板
18 支持板
19 載置台
20 貫通孔
22 垂直支柱
23 高さ調整部材部材
24 水平部材
25 水平距離調整部材
26 支持片
27 支持部材
28 油圧シリンダー
29 ヘッド
30 アクチュエーター
41 押し上げパンチノックピン孔
42 ノックピン孔
43 試験片
44 回転中心ピン
45 油圧ジャッキ
46 押し上げパンチの脚部
47 切り欠き部
48 罫書き線
51 中心軸
52 自転機構
53 加圧ヘッド
54 帯状試料
55 保持チャック
56 張力付加機構
57 画像認識手段
58 張力測定器
61 引張り試験機
62 試験片
62a 試験片の罫書き線
63 第一照明装置
64 第二照明装置
65 CCDカメラ
66 画像処理装置
d 試験片の打抜き部の打抜き深さ
l 試験片の長さ
r 試験片の打抜き部の曲率半径
R 試験片の切欠き部の曲率半径
t 試験片(金属板)の板厚
w 試験片の幅
z 粗面
Claims (6)
- それぞれ異なる位置の支点に回動自在に取り付けられた1対の腕部と、前記腕部の先端部において、上面または下面に罫書き線または標点がマーキングされた試験片の両端部の上下面をそれぞれ前記腕部と共に固定する1対の把持部と、前記1対の腕部の後端に荷重を加える荷重付与手段を有し、前記1対の腕部は、脚部が互いに交差するように構成されているサイドベンド試験装置であって、前記荷重付与手段により前記後端に荷重を加えて、それぞれ前記支点を中心として、前記1対の腕部の先端部がそれぞれ逆方向に移動して離れることにより、前記腕部と前記把持部とで固定された試験片の長手方向中央部における板厚方向の端面に引張及び曲げ変形を付与する機能を有することを特徴とするサイドベンド試験装置。
- 前記試験片の長手方向中央部における板厚方向の端面を観察する第一の観察手段と、試験片の長手方向中央部における上面または下面を観察する第二の観察手段と、前記第一の観察手段及び前記第二の観察手段で観察した画像をそれぞれ記憶する記憶手段を有することを特徴とする請求項1に記載のサイドベンド試験装置。
- 前記第一の観察手段により観察した試験片の板厚方向の端面の画像情報と、前記第二の観察手段により観察した前記罫書き線または標点に基づいて、試験片の端面の板厚方向に割れが貫通したときの歪を算出する計算手段を有することを特徴とする請求項2に記載のサイドベンド試験装置。
- 請求項1に記載のサイドベンド試験装置を用いて、上面または下面に罫書き線または標点がマーキングされた試験片の両端部の上下面を、前記の1対の腕部の先端部において前記腕部と前記把持部でそれぞれ固定した後、前記荷重付与手段により前記後端に荷重を加えて、試験片の長手方向中央部における板厚方向の端面が広げられるように引張及び曲げ変形を付与し、前記罫書き線または標点に基づいて、前記試験片の端面の板厚方向に割れが貫通したときの歪を算出することを特徴とするサイドベンド試験方法。
- 請求項2に記載のサイドベンド試験装置を用いて、上面または下面に罫書き線または標点がマーキングされた試験片の両端部の上下面を、前記1対の腕部の先端部において前記腕部と前記把持部でそれぞれ固定した後、前記荷重付与手段により前記後端に荷重を加えて、試験片の長手方向中央部における板厚方向の端面が広げられるように引張及び曲げ変形を付与し、前記記憶手段により記憶した前記第一の観察手段で観察した画像に基づいて、前記第一の観察手段により観察した試験片の端面の板厚方向に割れが貫通したときの歪を、前記第二の観察手段で観察した前記罫書き線または標点に基づいて算出することを特徴とするサイドベンド試験方法。
- 前記歪を、請求項3記載の計算手段で算出することを特徴とする請求項5に記載のサイドベンド試験方法。
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