JP2011198305A

JP2011198305A - ホットプレス成形品の強度予測方法および強度制御方法

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Publication number: JP2011198305A
Application number: JP2010067100A
Authority: JP
Inventors: Takanobu Saito; 孝信斉藤
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2010-03-24
Filing date: 2010-03-24
Publication date: 2011-10-06
Anticipated expiration: 2030-03-24
Also published as: JP5505014B2

Abstract

【課題】金属板のホットプレス成形を行うに際して、ホットプレス成形品の強度を的確に予測することができるホットプレス成形品の強度予測方法を提供する。
【解決手段】有限要素法用モデルの作成とホットプレス成形条件の設定を行って、伝熱構造解析プログラムによる連成解析を行い、前記のホットプレス成形条件として設定した金属板の加熱時間と前記連成解析で得られた金属板の加工量とに基づく加工ＣＣＴ曲線の作成を行い、前記連成解析で得られた金属板の温度履歴と前記加工ＣＣＴ曲線とを用いて各要素の硬度を算出し、算出した硬度を強度に換算することを特徴とするホットプレス成形品の強度予測方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属板をホットプレス成形した際の成形品の強度を予測する方法および強度を制御する方法に関するものであり、主に自動車の構造部品のホットプレス成形に用いられる。

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材料の薄肉化と高強度化が進められている。このような部品の製作にはプレス成形が用いられることが多いが、高強度化された材料（金属板）を用いるプレス成形では材料の割れや寸法精度不良が発生しやすい。

このような問題に対し、材料（金属板）の割れや寸法精度不良を抑制することを可能にした成形方法として、ホットプレス成形（熱間プレス成形）が知られている。この技術は、非特許文献１に紹介されており、例えば鋼板を９００℃程度のオーステナイト域まで加熱し、金型で接触冷却しながらプレス成形することで焼入れ（ダイクエンチ）を行い、鋼板の強度を高める成形方法である。

このようなホットプレス成形においては、成形後の製品（成形品）の強度は、成形時の材料の温度履歴（冷却速度等）や加工履歴（加工量等）によって定まるが、成形中は高温となるため、材料の温度履歴や加工履歴を観測するのは困難である。したがって、事前に計算機によるシミュレーションによって、材料の温度履歴や加工履歴を解析し、それに基づいて成形品の強度を予測したり、あるいは、成形品が所望の強度を得られる成形条件（材料の加熱温度、金型の初期温度、ダイクエンチ時間等）を見出したりすることが有効である。

ちなみに、ホットプレス成形に関する計算機シミュレーションとしては、特許文献１に、金型温度のシミュレーション方法が開示されている。

しかし、この特許文献１に開示されている方法では、金型温度は分かるものの、成形品の強度を予測することはできず、また、成形品が所望の強度を得られるようにホットプレスの成形条件を調整することもできない。

特開２００８−０５５４８８号公報

プレス技術第４３巻第９号（２００５年８月号）

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、金属板のホットプレス成形を行うに際して、ホットプレス成形品の強度を的確に予測することができるホットプレス成形品の強度予測方法、および、その強度予測結果に基づいて、成形品が所望の強度を得られるようにホットプレスの成形条件を適切に調整することを可能にするホットプレス成形品の強度制御方法を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。

［１］金属板をホットプレス成形するに際して、そのホットプレス成形品の強度を有限要素法による伝熱構造解析プログラムによって予測するホットプレス成形品の強度予測方法であって、
有限要素法用モデルの作成とホットプレス成形条件の設定を行って、伝熱構造解析プログラムによる連成解析を行い、前記のホットプレス成形条件として設定した金属板の加熱時間と前記連成解析で得られた金属板の加工量とに基づく加工ＣＣＴ曲線の作成を行い、前記連成解析で得られた金属板の温度履歴と前記加工ＣＣＴ曲線とを用いて各要素の硬度を算出し、算出した硬度を強度に換算することを特徴とするホットプレス成形品の強度予測方法。

［２］前記［１］に記載のホットプレス成形品の強度予測方法による強度予測結果に基づいて、当該ホットプレス成形品が目標の強度を得られるようにホットプレス成形条件を調整するホットプレス成形品の強度制御方法であって、
前記［１］に記載のホットプレス成形品の強度予測方法による強度予測結果が目標強度を満足しているか否かを判断し、目標強度を満足していない場合には、当該ホットプレス成形品を所定数の区画に分けるとともに、ホットプレス成形条件の中で変更可能な成形条件として予め定めてある変更可能成形条件の内から任意の変更可能成形条件を選択し、選択した変更可能成形条件の値を前記の各区画毎に設定し、前記［１］に記載のホットプレス成形品の強度予測方法による強度の予測を行うことによって、目標強度を満足するホットプレス成形条件を検出することを特徴とするホットプレス成形品の強度制御方法。

本発明のホットプレス成形品の強度予測方法によって、ホットプレス成形品の強度を的確に予測することができる。また、本発明のホットプレス成形品の強度制御方法によって、ホットプレス成形品が目標の強度を得られるように、ホットプレス成形条件を適切に調整することが可能になる。

本発明の実施形態１を示すフロー図である。加工ＣＣＴ曲線を示す図である。本発明の実施形態２を示すフロー図である。本発明の実施形態２における成形品の区画分けの一例を示す図である。

本発明の実施形態を以下に述べる。

［実施形態１］
本発明の実施形態１は、金属板（ブランク）をホットプレス成形するに際して、その成形品の強度を有限要素法による伝熱構造解析プログラムによって予測するものであり、図１にフロー図を示すように、下記の（Ｓ１）〜（Ｓ６）のステップを備えている。

（Ｓ１）有限要素法モデルの作成とホットプレス成形条件の設定を行う。ここで、有限要素法モデルの作成は、金型とブランクについて、要素分割や物性値等を定めるものであり、ホットプレス成形条件の設定は、ブランクの加熱温度や加熱時間、金型の初期温度、金型の移動速度、ダイクエンチ時間等の設定を行うものである。

（Ｓ２）そして、伝熱構造解析プログラムによる連成解析を行う。なお、伝熱構造解析プログラムとしては、例えば、市販されている汎用の伝熱構造解析プログラムを用いることができる。

（Ｓ３）上記（Ｓ１）でホットプレス成形条件として設定したブランクの加熱時間と、上記（Ｓ２）の連成解析で得られたブランクの加工量とに基づいて、その加熱時間と加工量に応じた加工ＣＣＴ曲線を作成する。なお、加工ＣＣＴ曲線については後述する。

（Ｓ４）上記（Ｓ２）で得られたブランクの温度履歴と、上記（Ｓ３）で作成した加工ＣＣＴ曲線とを用いて、成形品の各要素の硬度を算出する。なお、硬度の算出方法については後述する。

（Ｓ５）上記（Ｓ４）で得られた各要素の硬度を強度に換算する。なお、強度への換算方法については後述する。

（Ｓ６）上記（Ｓ５）で得られた各要素の強度をマッピングする。

ここで、前述したように、加工ＣＣＴ曲線について図２によって説明する。

通常、ＣＣＴ曲線（Continuous Cooling Transformation diagram：連続冷却変態線図）は実験室で作成されるが、その際には、試験片の加熱時間が比較的短く、かつ試験片に加工が加わらない。これに対して、ホットプレス成形では、ブランクの加熱時間が比較的長く、かつブランクが加工される。そこで、この実施形態においては、図２に示すように、実験室で作成したＣＣＴ曲線（実験室ＣＣＴ曲線）をホットプレス成形用に校正したＣＣＴ曲線として、両者の加熱時間差と加工量差に応じて変態点を嵩上げしたＣＣＴ曲線（加工ＣＣＴ曲線）を作成し、その加工ＣＣＴ曲線をホットプレス成形品の硬度の算出に用いるようにしている。

その際に、変態点の嵩上げ温度ΔＴは、次式で算定している。

ΔＴ＝Ｔ・ｋ・Δｔ・（−ｌｎ（Ｌ）／ａ）
ここで、Ｔ：実験室ＣＣＴ曲線での変態点
Δｔ：加熱時間差
Ｌ：加工量（ホットプレス成形による真ひずみ量）
ａ：係数
ｋ：係数

次に、前述したように、加工ＣＣＴ曲線に基づく硬度の算出方法について説明する。

実験室で作成したＣＣＴ曲線（実験室ＣＣＴ曲線）には、試験片の冷却曲線、変態開始及び終了温度、変態量及び試験片の硬度（ビッカース硬度Ｈｖ）が記載されている。これを上記のようにホットプレス成形用に校正したＣＣＴ曲線（変態点を嵩上げしたＣＣＴ曲線（加工ＣＣＴ曲線））にも、同様に試験片の冷却曲線、変態開始及び終了温度、変態量及び試験片の硬度（ビッカース硬度Ｈｖ）が記載されている。よって、この加工ＣＣＴ曲線に伝熱構造解析プログラムによる連成解析（Ｓ２）によって得られたブランクの温度履歴を当てはめれば組織と仮の硬度（ビッカース硬度Ｈｖ_ｔｍｐ）を推定できる。この加工ＣＣＴ曲線から推定される仮の硬度（ビッカース硬度Ｈｖ_ｔｍｐ）に、次式で示される硬度変化量ΔＨｖ（加工によるひずみで再結晶粒径が小さくなる影響と、加熱時間差により結晶粒が大きくなる影響、および金属組織比率が変化した影響を考慮した硬度変化量）を加算することによりホットプレス品の硬度（ビッカース硬度Ｈｖ_ｔｒｕｅ）を算出することができる。

Ｈｖ_ｔｒｕｅ＝Ｈｖ_ｔｍｐ＋ΔＨｖ
ΔＨｖ＝ｍ／（−ｌｎ（Ｌ）−Δｔ）^１／２ｎ＋ｐ・ΔＴ・Ｈｖ_ｔｍｐ
ここで、Ｈｖ_ｔｒｕｅ：ホットプレス品の硬度（ビッカース硬度）
Ｈｖ_ｔｍｐ：加工ＣＣＴ曲線から推定される仮の硬度（ビッカース硬度）
ΔＨｖ：硬度変化量
Δｔ：加熱時間差
ΔＴ：変態点の嵩上げ温度
Ｌ：加工量（ホットプレス成形による真ひずみ量）
ｍ：温度、加工量、材料特性に応じて定まる係数
ｎ：温度、加工量、材料特性に応じて定まる係数
ｐ：温度、加工量、材料特性に応じて定まる係数

また、前述したように、硬度から強度への換算方法について説明する。

硬度と強度のあいだに相関関係があり、引張強度ＴＳ（ＭＰａ）がビッカース硬度Ｈｖの３倍程度の値になることは従来より知られている。そこで、予め、硬度（ビッカース硬度Ｈｖ）と強度とを対応付けたデータを多数蓄積し、データベースを作成しておき、硬度から強度を換算する換算式を作成しておく。この換算式に、上記の加工ＣＣＴ曲線に基づいて算出した硬度（ビッカース硬度Ｈｖ）を当てはめれば、対応する強度を求めることができる。

上記のようにすることによって、この実施形態１においては、ホットプレス成形品の強度を的確に予測することができる。

［実施形態２］
本発明の実施形態２は、前記の実施形態１によるホットプレス成形品の強度予測結果に基づいて、当該成形品が目標の強度を得られるようにホットプレス成形条件を調整するものであり、図３にフロー図を示すように、下記の（Ｓ０）〜（Ｓ１１）のステップを備えている。なお、（Ｓ１）〜（Ｓ６）は、実施形態１と同様である。

（Ｓ０）成形品の目標強度（分布）を設定する。

（Ｓ１）有限要素法モデルの作成とホットプレス成形条件の設定を行う。

（Ｓ２）そして、伝熱構造解析プログラムによる連成解析を行う。

（Ｓ３）上記（Ｓ１）で設定したブランクの加熱時間と、上記（Ｓ２）の連成解析で得られたブランクの加工量とに基づいて、その加熱時間と加工量に応じた加工ＣＣＴ曲線を作成する。

（Ｓ４）上記（Ｓ２）で得られたブランクの温度履歴と、上記（Ｓ３）で作成した加工ＣＣＴ曲線とを用いて、成形品の各要素の硬度を算出する。

（Ｓ５）上記（Ｓ４）で得られた各要素の硬度を強度に換算する。

（Ｓ７）上記（Ｓ６）で得られた強度が、上記（Ｓ０）で設定した目標強度を満足しているか否かを判断する。満足していれば、（Ｓ１１）に進む。満足していなければ、（Ｓ８）に進む。

（Ｓ８）成形後のブランク（成形品）を所定数の区画に分割する。例えば、図４に示すような成形品の区画分けを行う。

（Ｓ９）成形条件の中で変更可能な成形条件として予め定めてある変更成形条件（変更パラメータ）の内から任意の変更パラメータを選択する。ここでは、ブランクの加熱時間、金型の初期温度、ダイクエンチ時間（金型の隙間）を変更パラメータとしている。

（Ｓ１０）上記（Ｓ８）で区画分けしたそれぞれの区画に対して、上記（Ｓ９）で選択した変更パラメータについて、その値（変更値）を設定する。そして、上記（Ｓ２）に戻る。なお、変更パラメータの変更値の設定については後述する。

（Ｓ１１）上記（Ｓ７）において目標強度を満足していると判断された成形条件がこのホットプレス成形の最適条件であるとして、終了する。

ここで、前述したように、変更パラメータの変更値の設定について説明する。

変更パラメータをＸとして、その初期値（（Ｓ１）で設定）をＸ_０、それにより得られた予測強度をＴｓ_０とし、ｉ回目の変更値をＸ_ｉ、それにより得られた予測強度をＴｓ_ｉとした時に、ｉ＋１回目の変更値Ｘ_ｉ＋1を以下のように設定する。

Ｘ_ｉ＋1＝Ｘ_ｉ＋ΔＸ_ｉ＋1
ΔＸ_ｉ＋1＝（Ｘ_ｉ−Ｘ_０）×｜（Ｔｓ_ｉ−Ｔｓ_０）／Ｔｓ_０｜

上記のようにすることによって、この実施形態２においては、ホットプレス成形品が目標の強度を得られるように、ホットプレス成形条件を適切に調整することが可能になる。

Claims

金属板をホットプレス成形するに際して、そのホットプレス成形品の強度を有限要素法による伝熱構造解析プログラムによって予測するホットプレス成形品の強度予測方法であって、
有限要素法用モデルの作成とホットプレス成形条件の設定を行って、伝熱構造解析プログラムによる連成解析を行い、前記のホットプレス成形条件として設定した金属板の加熱時間と前記連成解析で得られた金属板の加工量とに基づく加工ＣＣＴ曲線の作成を行い、前記連成解析で得られた金属板の温度履歴と前記加工ＣＣＴ曲線とを用いて各要素の硬度を算出し、算出した硬度を強度に換算することを特徴とするホットプレス成形品の強度予測方法。
請求項１に記載のホットプレス成形品の強度予測方法による強度予測結果に基づいて、当該ホットプレス成形品が目標の強度を得られるようにホットプレス成形条件を調整するホットプレス成形品の強度制御方法であって、
請求項１に記載のホットプレス成形品の強度予測方法による強度予測結果が目標強度を満足しているか否かを判断し、目標強度を満足していない場合には、当該ホットプレス成形品を所定数の区画に分けるとともに、ホットプレス成形条件の中で変更可能な成形条件として予め定めてある変更可能成形条件の内から任意の変更可能成形条件を選択し、選択した変更可能成形条件の値を前記の各区画毎に設定し、請求項１に記載のホットプレス成形品の強度予測方法による強度の予測を行うことによって、目標強度を満足するホットプレス成形条件を検出することを特徴とするホットプレス成形品の強度制御方法。