JP2011045905A5 - - Google Patents

Description

プレス成形方法

本発明は、プレス成形方法に関し、特に、プレス成形後のスプリングバックを低減する技術に関する。

平板状のブランクを用いて、長手方向に向けた湾曲形状を有し、かつ、箱型又はハット型の断面形状を有する金属部品をプレス成形する場合、プレス成形用の金型から離型後、金型から加えられる曲げ応力が解放され、当該曲げ応力が解放される方向に向けて金属部品が反り戻る不具合（スプリングバック）が生じる。特に、金属部品の湾曲部分にスプリングバックが生じ易く、金属部品を湾曲形状に成形した後に寸法精度が悪化することが広く知られている。
従来、上記のような問題を解消するために、予め成形後のスプリングバック量を金型に見込んで、金型形状を調整することによって所望の寸法精度を確保していた。しかし、近年の金属部品の軽量化、高強度化の要請により、金属部品の材料として高強度鋼板の適用が進んでいる。高強度鋼板は、プレス成形後のスプリングバック量が多いため、寸法精度確保が非常に困難であり、金型の調整回数が数回では収まらないという問題がある。また、金型の調整回数の増加に伴い、製作期間・コストの増大に繋がっていた。
上記のような問題を解消する手段として、以下に示す特許文献１、及び特許文献２のような技術が開示されている。

特許文献１では、長手方向に向けて湾曲する形状を有する金属部品を成形するプレス成形方法であって、第一成形工程でエンボスを天板面に設けた中間品を成形し、第二成形工程で前記エンボスがなくなるように押圧しつつ、製品形状へ成形する方法が開示されている。これによれば、長手方向の引張応力を低減でき、スプリングバック量を低減できる。
しかしながら、特許文献１に記載のプレス成形方法によって成形される製品は、フラットな天板面を有するため、図１４（ａ）に示すように、前記第一成形工程で金属部品１００の天板面１１０に付与されるエンボス１２０を前記第二成形工程で押圧する際に、金属部品１００の長手方向に直交する方向（幅方向）に板厚表裏面の応力差が新たに発生し、この応力差に起因して幅方向にスプリングバックが生じる。この幅方向のスプリングバックは、図１４（ｂ）に示すように、金属部品１００の長手方向におけるスプリングバックの要因となるため、寸法精度の確保が困難となる点で不利である。

また、特許文献２では、仕上げポンチを用いた仕上げ加工前に、仕上げポンチより径の小さい予備加工ポンチで天板面部分及び壁面部分を予備加工するプレス成形方法が開示されている。これによれば、予備加工ポンチにより壁面部分に製品形状と反対向きの曲げ加工を施すことができ、仕上げ加工後の壁面に生じる反りを低減できる。
さらに、前記仕上げ加工に際して、天板面部分に凹部を設けた所定の断面形状を得るためのポンチと、該ポンチの凹部に応じた凸部を有する天板面成形工具を前記ポンチと対向するダイス側の部位に設けた加工工具を用いて、成形ストロークの下死点到達直前で前記天板面となる部分を内側に向かって凸形状に成形する技術が開示されている。
しかしながら、特許文献２に開示されるプレス成形方法では、図１５に示すように、予備加工ポンチ１５０による予備加工後の仕上げポンチ１６０による仕上げ加工時に、壁面１７０全体を金型１８０で拘束できないため、成形後の金属部品にしわ発生、素材割れ等の成形不良が生じ得る点で不利である。特に、図１５に示すように、壁面１７０と天板面１９０との境界部分１７５でしわ・割れが発生し易い点で不利である。

特開２００７−２２２９０６号公報 特許第３８６４８９９号公報

本発明は、寸法精度を向上するとともに、金型補正回数の低減等を通じて量産準備のためのコストを低減することが可能なプレス成形方法を提供することを課題とする。

請求項１に記載のプレス成形方法は、成形素材を、ハット型断面が長手方向に連続するとともに、該長手方向に頂面側に突出した湾曲部分を含む、所定の形状を有する製品に成形するプレス成形方法であって、前記製品の湾曲部分の一部に、当該製品の頂面よりも高い位置に突出する余肉を有する中間製品を、前記中間製品の壁部全体を拘束しつつ、前記余肉を、当該余肉の突出方向と反対向きに突出するまで成形し、前記中間製品を前記所定の形状に成形する。

前記プレス成形方法において、前記中間製品の余肉は、前記製品の頂面の範囲内のみに付与されることが好ましい。

請求項２に記載のように、プレス成形方法において、前記中間製品に前記余肉が付与される領域内で、前記中間製品の長手方向に対して直交する任意位置断面における前記余肉の開始点から終了点までの線長と、当該任意位置断面における前記製品の余肉開始点相当位置から余肉終了点相当位置までの線長と、が略等しいことが好ましい。

請求項３に記載のように、プレス成形方法において、前記中間製品に前記余肉が付与される領域内で、前記中間製品の長手方向断面における、前記余肉の頂点のプロフィールと、前記製品の長手方向断面における、前記余肉の突出方向と反対向きに突出して成形される凹部の底点のプロフィールと、が略相似形状であることが好ましい。

本発明のプレス成形方法によれば、寸法精度を向上できるとともに、金型補正回数の低減等を通じて量産準備のためのコストを低減できる。

本発明のプレス成形方法により得られる製品を示す側面図である。 製品を示す平面図である。 第一金型を示す概略図である。 第一金型を用いた第一プレス成形工程を示す概略図である。 第一金型を用いて成形される中間製品を示す側面図である。 中間製品を示す平面図である。 中間製品に付与される余肉を示す概略端面図である。 第二金型を示す概略図である。 第二金型を用いた第二プレス成形工程を示す概略図である。 中間製品及び製品を示す拡大斜視図であり、（ａ）は中間製品、（ｂ）は製品を示す。 幅方向の余肉の付与量を示す概略端面図である。 長手方向の余肉の付与形状及び付与量を示す概略端面図である。 余肉の別形態を示す概略端面図である。 中間製品にエンボスを設けた従来のプレス成形方法を示す図であり、（ａ）は幅方向における概略図、（ｂ）は長手方向における概略側面図である。 予備加工工程を含む従来のプレス成形方法を示す図である。

以下では、添付の図面を参照して、本実施形態に係るプレス成形方法について説明する。プレス成形方法は、プレス成形用の金型である各金型１・２を用いて所定の形状を有する製品５を成形する多段プレス成形方法である。
第一金型１は、成形素材であるブランク３を、所定形状を有する中間製品４に成形し、第二金型２は、中間製品４を、所定形状を有する製品５に成形する。
なお、以下において、中間製品４及び製品５の長手方向と直交する方向を、中間製品４及び製品５の幅方向として説明する。

ブランク３は、高い引張強度（例えば９８０ＭＰａ程度）を有する高強度鋼板であり、所定の大きさを有する薄板状の部材である。
製品５は、ハット形状を有する金属部品であり、幅方向の断面視において、ハット型断面が長手方向に連続する形状を有し、長手方向において、頂面側に突出した湾曲形状を有する部材である。製品５は、金型１・２により得られる最終製品であり、第一金型１により成形される中間製品４を、さらに第二金型２により成形することにより得られる。製品５は、例えばセンターアウターピラー、補強材等の自動車部品である。

図１及び図２に示すように、製品５は、金型１・２のプレス方向に対向する天板面５１と、天板面５１の幅方向の両端部から連続して成形される略直立状の壁面５２・５２と、壁面５２・５２の天板面５１と対向する側の端部（図１において下端部）に成形されるフランジ面５３・５３とを有する。ここで、天板面５１は、ハット型断面を有する製品５の頂面として成形される部位であり、詳細には、製品５の頂面側（図１において上面側）の曲げ稜線の一側壁面５２側のＲ止まり５２ａ（図７、図１１等参照）から、対向する壁面５２側のＲ止まり５２ａまでに成形される部位である。壁面５２・５２は天板面５１に対して同じ方向に屈曲されており、フランジ面５３・５３は壁面５２・５２の端部から幅方向外側に延出している。
図１及び図２に示すように、天板面５１は、長手方向の一部（より厳密には、天板面５１の長手方向の中途部から一端部に亘る部位であり、図示において「曲面」として示される領域）に天板面５１側に突出して湾曲する曲面５４を有する。ただし、天板面５１の曲面５４以外の部分（図示において「平面」として示される領域）は、曲率を有さない平面として成形されているものとする。

図３に示すように、第一金型１は、ダイ１０、パンチ１１、しわ押さえ１２・１２を具備する。図４に示すように、第一金型１では、ダイ１０としわ押さえ１２・１２とでブランク３を挟持し、パンチ１１によりブランク３を所定形状に成形する。
ダイ１０は、所定形状を有する凹部１０ａを有し、パンチ１１は、ダイ１０の凹部１０ａと所定間隔を空けて（より厳密には、ブランク３の厚みに略等しい間隔を空けて）凹部１０ａ内に収容可能な凸部１１ａを有する。また、ダイ１０、パンチ１１、及びしわ押さえ１２・１２は、互いに相対移動可能である。

図４に示すように、第一金型１を用いた第一プレス成形工程では、（ａ）ブランク３を載置したしわ押さえ１２・１２をダイ１０に対して移動させることにより、（ｂ）しわ押さえ１２・１２とダイ１０とによりブランク３を挟持し、（ｃ）パンチ１１をブランク３に対して移動させることにより、ブランク３をダイ１０の凹部１０ａとパンチ１１の凸部１１ａとにより形成される所定の空間形状に曲げ成形し、中間製品４を得る。
第一プレス成形工程を経た後、中間製品４を第一金型１から離型し、第二金型２による第二プレス成形工程に移行する。
なお、第一金型１を用いた第一プレス成形工程は、本実施形態のものに限定されず、所定形状を有する中間製品４を成形可能であれば適用可能である。つまり、最終的に製品５を成形する予備成形として、製品５の曲面（湾曲部分）５４の一部に、製品５の天板面（頂面）５１よりも高い位置に突出する余肉４５を有する中間製品４を成形するものであれば良い。

図５及び図６に示すように、第一金型１により成形される中間製品４はハット型断面を有するとともに、その頂面に成形される天板部４１と、天板部４１の幅方向端部から連続して成形される略直立状の壁部４２・４２と、壁部４２・４２の天板部４１と対向する側の端部（図５において下端部）に成形されるフランジ部４３・４３とを有する。
天板部４１は、長手方向に曲率を有する形状に成形されており、壁部４２及びフランジ部４３は、製品５の壁面５２及びフランジ面５３と略同形状に成形されている。言い換えれば、中間製品４と製品５とは、頂面部分（天板部４１と天板面５１）の成形形状に大きな差異を有する。

図１及び図５に示すように、中間製品４は、天板部４１において、製品５における天板面５１の曲面５４の端部（より厳密には、曲面５４の開始点又はその近傍を含む位置）から中途部にかけて、製品５の天板面５１より高い位置に成形される余肉４５が付与された形状を有する。
より具体的には、図７に示すように、中間製品４における天板部４１は、製品５の天板面５１と壁面５２・５２との境界部分（Ｒ止まり５２ａ・５２ａ）から、部品高さ方向（図７において上方向）に向けて隆起して成形されている。このように中間製品４において、製品５の天板面５１より上方に突出している部分が、天板部４１に付与されている余肉４５である。つまり、中間製品４は、頂面部分に金型１・２のプレス方向に向けて突出する余肉４５が成形されている点で製品５と大きく異なっている。

図８に示すように、第二金型２は、パンチ２０、曲げ刃２１、パッド２２を具備する。図９に示すように、第二金型２では、パンチ２０とパッド２２とで中間製品４を挟持し、曲げ刃２１により中間製品４の天板部４１を所定形状に成形する。
パンチ２０は、所定形状を有する凹部２０ａを有し、曲げ刃２１は、パンチ２０の凹部２０ａと所定間隔を空けて（より厳密には、中間製品４の厚みに略等しい間隔を空けて）凹部２０ａ内に収容可能な凸部２１ａを有する。パッド２２は、パンチ２０のフランジ部４３及び壁部４２と所定間隔を空けて（より厳密には、中間製品４の厚みに略等しい間隔を空けて）係合可能に構成されており、特に、中間製品４に付与された余肉４５以外の部分を拘束可能に構成されている。また、パンチ２０、曲げ刃２１、及びパッド２２は、互いに相対移動可能である。

図９に示すように、第二金型２を用いた第二プレス成形工程では、（ａ）中間製品４をパンチ２０に載置し、（ｂ）パッド２２をパンチ２０に対して移動させることにより、パッド２２とパンチ２０とにより、中間製品４の余肉４５以外の部位（特に、中間製品４の壁部４２・４２全体）を拘束し、（ｃ）曲げ刃２１を中間製品４に対して移動させることにより、中間製品４の余肉４５を潰しつつ、余肉４５の突出形状（凸形状）が当該突出方向と反対向きの突出形状（凹形状）になるまで曲げ成形し、製品５を得る。
なお、本実施形態では、第二金型２の曲げ刃２１とパッド２２とが別体として構成されているが、中間製品４又は製品５の形状等の必要に応じて、これらを一体的に設けても良く、第二金型２によって、中間製品４の余肉４５以外の部位を適宜拘束可能な構成であれば良い。前記「中間製品４又は製品５の形状に応じて」とは、例えば、製品５が箱型断面を有し、中間製品４にフランジ部４３がない場合である。

図９及び図１０に示すように、第二金型２により成形される製品５の天板面５１の一部（幅方向略中央部）には、中間製品４に付与される余肉４５の突出方向（図示において上向き）と反対向き（図示において下向き）に突出する凹部５５が成形されている。この凹部５５は、中間製品４において余肉４５が付与されていた部位の長手方向全域に亘って成形されており、凹部５５の底面は、略平坦な面として成形されている。つまり、製品５において、天板面５１の曲面５４の一部には、長手方向に沿って略平坦な凹部５５が成形されている。

以上のように、プレス成形工程は、第一金型１を用いてブランク３を、余肉４５が付与された中間製品４に成形する第一プレス成形工程と、第二金型２を用いて中間製品４の余肉４５を押圧し、突出方向が反対向きになるまで曲げ成形して製品５に成形する第二プレス成形工程とを含む。
第一金型１を用いた第一プレス成形工程により得られる中間製品４は、長手方向に向けた曲率を有する天板部４１の曲面部分の一部に余肉４５が付与された形状を有する（図１０（ａ）参照）。
第二金型２を用いた第二プレス成形工程により得られる製品５は、その天板面５１の曲面５４に、略平坦な底面を含む凹部５５を有する形状となる（図１０（ｂ）参照）。

このように、第二プレス成形工程において、中間製品４に付与される余肉４５に残留する長手方向の引張応力に対して、中間製品４の天板部４１の曲面部分に付与される余肉４５を圧縮して反対向きに突出するまで成形することによって、長手方向に対する圧縮応力を付加して、天板面５１の長手方向への残留引張応力を緩和できる。これにより、製品５の長手方向へのスプリングバックを低減できる。
さらに、余肉４５を圧縮して反対向きに突出することにより、余肉４５を平面に潰す過程で生じる幅方向の板厚表裏面の応力差が緩和されることで、余肉４５の幅方向の曲げ癖が除去され、特許文献１のように余肉を平面に潰す場合に生じる製品５の幅方向のスプリングバックの弊害（余肉潰しに伴う長手方向のスプリングバック発生）を低減できる。

また、第一プレス成形工程において、中間製品４に付与される余肉４５は、製品５の天板面５１の範囲内のみに成形されていることによって、第二プレス成形工程において、余肉４５を曲げ成形により潰す際に、第二金型２により余肉４５以外の部分を十分に拘束することができる。
これにより、第二プレス成形工程において、成形素材が天板面５１以外に逃げて（移動して）、天板面５１への圧縮応力の付加が不十分となることを防止でき、天板面５１の残留引張応力を十分に低減できる。従って、これに起因するスプリングバックの発生を効果的に防止でき、余剰な素材によるしわの発生も防止できる。また、天板面５１以外の成形素材が天板面５１に流入し、天板面５１の応力低減が不十分になることに起因するスプリングバックの発生も防止できる。ひいては、これらに起因する成形不良を防止できる。

以上のように、製品５の長手方向及び幅方向へのスプリングバックを低減できるので、製品５の成形素材の種類を問わず、最終的に製品５に発生するスプリングバック量を容易に金型１・２に見込むことができ、製品５の寸法精度を向上できる。ひいては金型補正回数の低減等を通じて量産準備のためのコストを低減できる。
このように、本実施形態によれば、箱型又はハット型断面を有し、かつ、長手方向に曲率を有する金属部品をプレス成形により成形する際に、プレス成形の寸法精度を向上できるとともに、金型補正回数の低減等を通じて量産準備のためのコストを低減できる。

また、前記プレス成形工程によって得られる製品５の天板面５１は、上述のように曲面５４において凹部５５を有する。この凹部５５は、天板面５１の頂面から製品５の内側に向けた突出形状を有するため、製品５を自動車車体等に組み付ける際に他の部材と干渉することを防止できる。また、凹部５５の底面は平坦な面として成形されているため、製品５を他の部材と溶接して固定する際に、溶接作業性は損なわれず、作業性は確保される。
このように、第一プレス成形工程で付与される余肉４５は、天板面５１の頂面から上方に向かって突出する形状に成形され、製品５に付与される凹部５５の底面は平坦な面として成形されることが好ましい。

また、中間製品４に付与される余肉４５は、製品５の天板面５１の形状に応じた位置に適宜付与されていれば良く、長手方向の曲げ応力が最も大きい位置に付与されていれば良い。例えば製品５が長手方向の全体に亘って曲面を有する形状である場合は、その曲面の曲率の変化する箇所（長手方向断面における変曲点）を含むように余肉４５の付与位置を設定する。これにより、長手方向に向けた残留引張応力を最大限に低減できるので、長手方向のスプリングバック量を効果的に低減できる。

以下では、図１１及び図１２を参照して、中間製品４に対する余肉４５の付与形態（付与量、付与形状）について詳細に説明する。
まず、幅方向の余肉４５の付与量について、中間製品４に付与される余肉４５の幅方向任意位置の断面における線長Ｈ１と、同一断面における製品５の天板面５１の線長Ｈ２との幅方向線長比Ｈ２／Ｈ１を用いて示す。
図１１に示すように、線長Ｈ１は、一側の壁面５２のＲ止まり５２ａを開始点とし、その壁面５２に対向する壁面５２のＲ止まり５２ａを終了点として設定される余肉４５の断面の長さであり、線長Ｈ２は、同じく一側の壁面５２のＲ止まり５２ａを開始点とし、その壁面５２に対向する壁面５２のＲ止まり５２ａを終了点として設定される天板面５１の断面の長さである。

幅方向線長比Ｈ２／Ｈ１は、第二プレス成形工程において余肉４５を曲げ成形する際の圧縮作用及び成形素材の流入量／流出量を考慮して、１．０程度とすることが好ましく、１．１以下とすることがより好ましい。
これにより、余肉４５を凹形状に曲げ成形する際に、製品５に長手方向の引張応力を緩和する圧縮作用と、幅方向に適度な引張作用とを付与することができる。従って、製品５の天板面５１の新たな応力発生を最低限に抑えることができ、製品５の寸法精度を向上できる。
ただし、余肉４５を付与する領域は、製品５の曲面５４の長手方向端部（特に、曲率の変化の大きい箇所）をその内部に含むように設定されているため、余肉４５の長手方向端部においては、必ずしも上記幅方向線長比の値を満たす必要はない。

図１２に示すように、中間製品４の幅方向の余肉４５の頂点を長手方向断面で見たプロフィールＰ１と、製品５の凹部５５の底点（底面）を長手方向断面で見たプロフィールＰ２とが略相似形状（より厳密には、余肉４５の長手方向両端部を除いて相似形状）となるように余肉４５を付与することが好ましい。従って、第二プレス成形工程において、中間製品４に付与される余肉４５を押圧する際に、製品５の天板面５１の新たな応力発生を抑制でき、寸法精度を向上できるとともに、製品５の凹部５５の底面でのしわの発生を抑制できる。
プロフィールＰ１・Ｐ２を略相似形状に構成する具体例としては、長手方向断面で見た場合に曲面として構成されている凹部５５の底面形状を、多面体で構成する等が挙げられる。このように凹部５５を多面体として構成することにより、溶接面の精度管理を容易にでき、量産工程に適用し易いという効果を奏する。

また、長手方向の余肉４５の付与量について、中間製品４に付与される余肉４５の長手方向と直交する断面の頂点部分の長手方向断面における線長Ｌ１と、製品５の凹部５５の底面の長手方向断面における線長Ｌ２との長手方向線長比Ｌ２／Ｌ１を用いて示す（図１２参照）。図１２に示すように、線長Ｌ１・Ｌ２は、プロフィールＰ１・Ｐ２の線長である。
長手方向線長比Ｌ２／Ｌ１は、第二プレス成形工程において余肉４５を曲げ成形する際の圧縮作用及び成形素材の流入量／流出量を考慮して、１．０以下とすることが好ましい。
また、幅方向線長比Ｈ２／Ｈ１と長手方向線長比Ｌ２／Ｌ１との積が１．０程度となるように設定しても良い。例えば、幅方向線長比Ｈ２／Ｈ１を１．１とした場合でも、長手方向線長比Ｌ２／Ｌ１を０．９とすることで、余肉４５の表面積と余肉４５が成形されていた部分の天板面５１の表面積とを略等しくできるため、余肉４５の曲げ成形の際に余肉４５内で材料の流入及び流出を行うこととなり、成形素材のしわ・割れの発生をより確実に防止することができる。

なお、第一金型１によって中間製品４に付与される余肉は、その一部が製品５の天板面５１の成形高さより高い位置に突出して付与されていれば良く、例えば、図１３に示すような余肉６５としても良い。この余肉６５は、天板面５１の凹部５５の壁部５６・５６の頂部５７・５７から上方に向けて天板面５１よりも突出するように滑らかに成形されている。つまり、中間製品４の頂面である天板部４１と余肉６５とが滑らかに接続されるように成形されている。
このような場合でも、第二金型２により余肉６５を反対向きに圧縮して潰す際に、幅方向の残留引張応力が解消され、幅方向へのスプリングバック量を低減することができる。また、同様に長手方向へのスプリングバック量を低減できる。

１ 第一金型
２ 第二金型
３ ブランク（成形素材）
４ 中間製品
５ 製品
４１ 天板部（中間製品の頂面）
４５ 余肉
５１ 天板面（製品の頂面）
５５ 凹部

Claims (3)

1. 成形素材を、ハット型断面が長手方向に連続するとともに、該長手方向に頂面側に突出した湾曲部分を含む、所定の形状を有する製品に成形するプレス成形方法であって、
   前記製品の湾曲部分の一部に、当該製品の頂面よりも高い位置に突出し、かつ、前記製品の頂面の範囲内のみに付与される余肉を有する中間製品を、
   前記中間製品の壁部全体を拘束しつつ、前記余肉を、当該余肉の突出方向と反対向きに突出するまで成形し、前記中間製品を前記所定の形状に成形するプレス成形方法。
2. 前記中間製品に前記余肉が付与される領域内で、
   前記中間製品の長手方向に対して直交する任意位置断面における前記余肉の開始点から終了点までの線長と、
   当該任意位置断面における前記製品の余肉開始点相当位置から余肉終了点相当位置までの線長と、が略等しい請求項１に記載のプレス成形方法。
3. 前記中間製品に前記余肉が付与される領域内で、
   前記中間製品の長手方向断面における、前記余肉の頂点のプロフィールと、
   前記製品の長手方向断面における、前記余肉の突出方向と反対向きに突出して成形される凹部の底点のプロフィールと、が略相似形状である請求項１又は請求項２に記載のプレス成形方法。