JP2013128956A - プレス成形用金型設計方法、プレス成形用金型 - Google Patents

Abstract

【課題】プレス成形途中で曲げ性が支配する割れの発生を防ぐために必要となる金型形状を予測し、曲げ性が支配する割れが発生しない金型を設計する。
【解決手段】延性が支配する割れが発生する場合の金属板表面のひずみを、プレス成形用金型の最小曲率半径Ｒ_０と成形限界線図における平面ひずみ領域の限界ひずみε_ｆから求めることで、それが限界表面ひずみε_{ｃｒｉｔｉｃａｌ}以下となる場合には曲げ性が支配する割れが発生しないと判定できる予測式『Ｒ_０／ｔ≧（２Ｒ／ｔ＋（２Ｒ／ｔ＋１）ε_ｆ）／２（１−（１＋２Ｒ／ｔ）ε_ｆ）』を導く。そして、曲げ性が支配する割れの発生を防止するために金型に必要となる最小の曲率半径Ｒ_０を予測し、曲率半径Ｒ_０以上の曲率半径を有する金型を設計する。
【選択図】図４

Description

本発明は、金属板に割れを発生させることなく所望の形状にプレス成形ができるプレス成形用金型設計方法、及びこれを用いて作製したプレス成形用金型に関するものである。

プレス成形は、一対の金型の間に金属板を挟んで挟圧し、鋼板等の金属板を型の形状に倣うよう成形して所望の形状の部品を得ようとする代表的な金属加工方法の一つであり、自動車部品、機械部品、建築部材、家電製品等、幅広い製造分野で用いられている。
近年では、特に自動車部品のプレス成形において、高強度鋼板の利用が拡大しているが、被加工材の強度が増加するほどプレス成形性が低下する事が問題視されている。その対策として、金属組織を硬質な相と軟質な相の２相で構成させた鋼板（Dual Phase鋼板）や、残留オーステナイトを活用した鋼板（ＴＲＩＰ：Transformation Induced Plasticity）などのように強度と伸びの両立を図り、金属板自体の機械的特性を向上させる方法がある。これはプレス成形性が金属板の伸びと相関があるためである。

一般に、金属板のプレス成形性は成形限界線図で表される。この成形限界線図は金属板に様々な２軸応力を与え、金属板に割れが生じた段階または直前のひずみを限界値とする線図である。この成形限界の測定や予測の精度を向上させるための試みは盛んに行われており、様々な材料特性との影響が検証されている（例えば、非特許文献１参照）。
また、この成形限界線図を用いることで有限要素法によるプレス成形シミュレーションを行い、金属板に割れが生じない成形条件を探る方法も行われている（例えば、特許文献１参照）。

「鉄と鋼」、顧莉薇、外３名、日本鉄鋼協会、第８８巻（２００２年）、第２号、ｐ８８〜９４、「薄板材料のプレス成形における成形限界の予測と加工硬化特性の影響」

特開２００７−１５２４０７号公報

発明者らは高強度鋼板のプレス成形を様々な成形条件で実施したところ、プレス成形シミュレーションを用いた割れの予測結果と大きく乖離する事例が多々あり、図１の（ａ）に示すような延性が支配する割れとは異なる割れが発生していることを発見した。鋭意検討を重ねた結果、この割れは金属板の曲げ性との相関が強く、図１の（ｂ）に示すような板表面から亀裂が発生して割れに至る曲げ性が支配的な割れであり、伸びの優れた高強度鋼板を用いてプレス成形をした際においても起こることが明らかになった。つまり、曲げ性が支配的な割れが発生する場合には、金属板の延性を基準としてプレス成形性の評価や割れの予測をする従来の方法では、金属板が優れた延性を有していても、プレス成形途中に割れが生じてしまう可能性があった。
本発明は、上記の問題点を解決すべく発明したものであり、プレス成形途中で曲げ性が支配する割れの発生を防ぐために必要となる金型形状を予測し、曲げ性が支配する割れが発生しない金型を設計することを課題としている。

上記の課題を解決するために、発明者らは、曲げ性が支配する割れの発生に関して種々の検討を重ねた結果、金属板の曲げ性Ｒ／ｔと相関が強いことを見出した。ここで、曲げ性Ｒ／ｔは曲げ試験により得られる金属板の機械的特性であり、金属板の表面に亀裂が発生しない最小の曲げ半径（割れが発生することなく曲げられる最小の曲げ半径（限界曲げ半径））Ｒを板厚ｔで除して表される。発明者らは、種々の金属板に９０度Ｖ曲げ試験を実施し、金属板表面に亀裂が発生する際の曲げ外側表面のひずみを限界表面ひずみε_{ｃｒｉｔｉｃａｌ}と定めると、プレス成形時の金属板表面のひずみが限界表面ひずみε_{ｃｒｉｔｉｃａｌ}を超えた場合に、曲げ性が支配する割れが発生することを知見した。

そこで、延性が支配する割れが発生する場合の金属板表面のひずみを、プレス成形用金型の最小曲率半径Ｒ_０と成形限界線図における平面ひずみ領域の限界ひずみε_ｆから求めることで、それが限界表面ひずみε_{ｃｒｉｔｉｃａｌ}以下となる場合には曲げ性が支配する割れが発生しないと判定できる以下の予測式を発明した。
Ｒ_０／ｔ≧（２Ｒ／ｔ＋（２Ｒ／ｔ＋１）ε_ｆ）／２（１−（１＋２Ｒ／ｔ）ε_ｆ）
すなわち、曲げ性が支配する割れの発生を防止するために金型に必要となる最小の曲率半径Ｒ_０を上記の式から予測し、曲率半径Ｒ_０以上の曲率半径を有する金型を設計する。

本発明によれば、対象となる金属板をプレス成形する際に、曲げ性が支配する割れの発生を防止することができるため、プレス成形を安定して行うことができ、プレス成形品の不良率の低減にも大きく寄与することができる。
また、プレス成形用金型の形状を設計段階で精度良く予測できるようになり、プレス成形用金型の製造期間の短縮に貢献できる。
さらに、自動車のパネル部品、構造・骨格部品等の各種部品をプレス成形する際に用いる金属板の選定が適切であるか精度良く予測できるという効果もある。

延性が支配的な金属板の割れ形態、及び曲げ性が支配的な金属板の割れ形態を示す図である。 成形限界線図を作成する際に使用する試験片の形状を示す図である。 成形限界線図を説明する図である。 供試材Ａ、供試材Ｂの成形限界線図を示す図である。 ハット成形金型の形状を示す図である。 ハット成形に用いる試験片の形状を示す図である。 割れが発生するまでハット型形状に成形した供試材を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（成形限界線図の作成方法）
成形限界線図（ＦＬＤ：Forming Limit Diagram）を作成するには、まず、金属板を、図２に示すような幅が１０〜１００ｍｍで種々の幅を有する試験片に加工する。ここで、幅を変えた試験片を種々準備する理由は、ひずみ比（最小主ひずみと最大主ひずみの比）を広範囲に変化させるためである。

次いで、金属板表面にマーキングを施す。マーキングの形状は、サークルパターン、ドットパターン、グリッドパターン、同心円パターン等、成形後にひずみを計測できればよい。また、マーキング方法は、電解エッチング、フォトエッチング、インクによる転写（スタンプ印刷）等があるが、何れの方法を用いてもよいが、けがきは亀裂発生を誘発するため好ましくない。

次いで、上記試験片を先端の曲率半径が２５ｍｍ以上の球頭形状のパンチを用いて張出し成形し、板が割れるか、くびれが発生した時点、または板表面に亀裂が生じた時点で成形を終了する。なお、パンチ先端の最小曲率半径を２５ｍｍに限定する理由は、２５ｍｍを下回ると、パンチ先端部分の変形領域における曲げ変形の影響が無視できないためである。

上記張出し成形終了後、パンチ先端が当接した部分のマーキング位置もしくは形状変化を計測して、最大主ひずみと最小主ひずみを求める。これを、種々の幅の試験片について繰り返して行うことで、最大主ひずみ及び最小主ひずみを広範囲に亘って得ることができる。そして、上記のようにして得た最大主ひずみ及び最小主ひずみの測定結果を二次元表示し、図３に示すような成形限界線図を得る。ここで、曲げ変形のような最小主ひずみが０に近い領域を平面ひずみ領域といい、その限界ひずみは図３のε_ｆで表される。
なお、金属板の延性を判定基準とした従来の割れの予測手法では、成形限界線図の成形限界線を挟んで割れ発生領域と、割れなし領域の何れ側に存在するかを確認し、割れ発生領域に存在する場合に、割れが発生すると予測していた。

（予測式の導出）
金属板に必要とされる曲げ性を予測した実施例について説明する。
対象とする金属板の９０度Ｖ曲げ試験における限界曲げ半径をＲ、金属板の板厚をｔとすると、純曲げ理論に基づき、曲げ外側の限界表面ひずみε_{ｃｒｉｔｉｃａｌ}は式（１）で表される。
ε_{ｃｒｉｔｉｃａｌ}＝ｔ／（ｔ＋２Ｒ） ………（１）

また、プレス成形時に平面ひずみ領域で曲げ変形を受ける金属板に関して、金型の最小曲げ半径（最小曲率半径）をＲ_０とすると、金属板表面の限界ひずみε_Ｒ０は、成形限界線図における平面ひずみ領域の限界ひずみε_ｆに、曲げ変形によるひずみ増加分を加えた式（２）で表される。
ε_Ｒ０＝ε_ｆ＋ｔ／（ｔ＋２Ｒ_０） ………（２）
ここで、ε_{ｃｒｉｔｉｃａｌ}は、平面ひずみ領域において、曲げ性が支配する割れが発生しないひずみの限界値であるため、曲げ影響割れが発生しないための条件は式（３）となる。
ε_{ｃｒｉｔｉｃａｌ}≧ε_Ｒ０ ………（３）
式（１）〜（３）より、曲げ性が支配する割れを防止するために必要な金型の最小曲げ半径（最小曲率半径）Ｒ_０は、下記の式（４）から求められる。
Ｒ_０／ｔ≧（２Ｒ／ｔ＋（２Ｒ／ｔ＋１）ε_ｆ）／２（１−（１＋２Ｒ／ｔ）ε_ｆ）
………（４）
したがって、金型の最小曲げ半径（最小曲率半径）を式（４）に示す最小曲げ半径（最小曲率半径）Ｒ_０以上となるように設計することで、プレス成形時に曲げ性が支配する割れが発生しない金型を設計できる。

なお、本実施形態が対象とする金型は、最小曲げ半径（最小曲率半径）Ｒ_０が２５ｍｍ未満のものを想定している。これは、最小曲げ半径（最小曲率半径）Ｒ_０が２５ｍｍ以上の金型を用いて金属板をプレス成形する場合、曲げ変形の影響が小さくなり、延性が支配的な割れ形態となりやすいからである。

また、本実施形態が対象とする金属板は、板厚ｔが０．５ｍｍ以上、引張強度が９８０ＭＰａ以上、限界曲げ半径Ｒが１ｍｍ以上のものを想定している。これは、板厚ｔが０．５ｍｍよりも小さくなると、金属板に曲げ変形を加えても曲げ外側表面に発生するひずみが小さく、曲げ性が支配的な割れが発生しにくいからである。また、引張強度が９８０ＭＰａを下回るような素材は一般的に曲げ性が優れており、また、限界曲げ半径Ｒが１ｍｍよりも下回るような曲げ性Ｒ／ｔが優れている素材では、一般的にプレス成形にて使用する金型の最小曲げ半径（最小曲率半径）の範囲では曲げ性が支配的な割れが問題にならないからである。

（実施例）
先ず、延性（全伸び）がほぼ等しく、曲げ性が異なる表１に示す２種類の供試材Ａ、Ｂを、図２に示すような形状で、最狭部の幅が１０〜１００ｍｍである試験片を数種類作製し、この試験片表面に、電解エッチングでドットパターンを標点間距離１．０ｍｍでマーキングした。次いで、上記試験片を、先端の最小曲率半径が２５ｍｍの球頭パンチを用いて張出し成形した。なお、球頭パンチを用いた張出し成形では、鋼板に貫通割れが発生するまで成形を行った。次いで、張出し成形後の試験片について、パンチ先端近傍のドット間隔の変化を測定し、最大主ひずみ及び最小主ひずみを求め、成形限界線図を作成した。

＊ ：９０度Ｖ曲げ試験

上記の方法で作成した供試材Ａの成形限界線図を図４の（ａ）、供試材Ｂの成形限界線図を図４の（ｂ）にそれぞれ示す。なお、平面ひずみ領域は、理論上は最小主ひずみが０になる領域であるが、実際は摩擦などの影響を受けるので、必ずしも最小主ひずみ＝０の軸上に一致するわけではない。ここで、供試材の限界曲げ半径Ｒ、及び曲げ性Ｒ／ｔを測定する際には、９０度Ｖ曲げ試験に限らず、Ｕ曲げ試験などの曲げ試験方法でも構わない。各供試材の成形限界線図から平面ひずみ領域における限界ひずみε_ｆを求めると表２となった。

次に、限界ひずみε_ｆと金属板の曲げ性Ｒ／ｔ、板厚ｔを用いて式（４）から金型に必要な最小曲げ半径（最小曲率半径）Ｒ_０を予測すると、各供試材Ａ、Ｂにおいて曲げ性が支配的な割れが発生せずにプレス成形できる金型の最小曲げ半径（最小曲率半径）Ｒ_０は表３のように予測できる。

（実施例の検証）
平板状の被加工材をハット型形状に成形する図５に示した金型を使用し、上記の金型に必要な最小曲げ半径（最小曲率半径）Ｒ_０の予測結果の検証を行う。供試材は図６に示す矩形状に加工したのち、種々のパンチ肩半径Ｒ_０で供試材を成形する。潤滑には一般的な防錆油を使用し、しわ押さえ荷重は１５トン、成形高さは５０ｍｍとし、供試材に曲げ性が支配的な割れが発生するのかを確認した。
実験結果を曲げ性が支配的な割れが発生した場合を×、曲げ性が支配的な割れが発生せずに成形できた場合を○として表４に示す。供試材Ａでは金型の最小曲げ半径（最小曲率半径）Ｒ_０が３ｍｍ以下、供試材Ｂでは金型の最小曲げ半径（最小曲率半径）Ｒ_０が１９ｍｍ以下の場合には、成形途中で割れが発生した。

曲げ性が支配的な割れが発生するまで成形を行った供試材について、パンチ肩部近傍の模式図を図７に示す。各供試材は表面から亀裂が発生しており、曲げ性が支配的な割れが発生している。この結果から、発明した予測式（４）を用いて金型の最小曲げ半径（最小曲率半径）Ｒ_０を決めることで、曲げ性が支配的な割れを防ぐ金型を設計できることが分かる。

（産業上の利用可能性）
本発明は、上記に説明した内容に限られるものではなく、例えば、上記実施例では、引張強さが９８０ＭＰａ級以上の鋼板（１１８０ＭＰａ級の鋼板）に適用した例を示しており、本発明は、このような高強度鋼板のプレス成形に適用することが好ましいが、鋼板以外の金属板に適用することもできる。

Claims (3)

1. プレス成形用金型の最小曲率半径をＲ_０、プレス成形用金属板の平面ひずみ領域にて割れが発生する限界ひずみをε_ｆ、前記プレス成形用金属板の板厚をｔ、前記プレス成形用金属板の表面に割れが発生することなく曲げられる最小の曲げ半径をＲと定義し、
   前記プレス成形用金型の最小曲率半径Ｒ_０を、下記式を満たす範囲に設定することを特徴とするプレス成形用金型設計方法。
   Ｒ_０／ｔ≧（２Ｒ／ｔ＋（２Ｒ／ｔ＋１）ε_ｆ）／２（１−（１＋２Ｒ／ｔ）ε_ｆ）
2. 前記限界ひずみε_ｆを、前記プレス成形用金属板の成形限界線図から求めることを特徴とする請求項１に記載のプレス成形用金型設計方法。
3. 請求項１又は２に記載のプレス成形用金型設計方法を用いて作製したプレス成形用金型。
   

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