JP2013180336A - プレス成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ビードのクリアランスを厳密に管理することなくワークを良好に拘束可能、かつ、良好な材料歩留りを実現可能なプレス成形装置を提供する。
【解決手段】下型１０及び上型２０のしわ押さえ面には、ワークＷのプレス成形時に当該ワークＷの流入を抑制するための段状のビード１３・２３が形成され、ビード１３・２３は、下型１０及び上型２０のしわ押さえ面に対して略垂直に形成される縦壁面１３ａ・２３ａと、当該縦壁面１３ａ・２３ａから下型１０及び上型２０の外側に向けて形成される底面１３ｂ・２３ｂと、を有し、縦壁面１３ａ・２３ａは、絞りプロファイルに沿って形成され、プレス方向から見て、波状に形成される形状を有することを特徴とするプレス成形装置１である。
【選択図】図３

Description

本発明は、プレス成形装置に関し、特に張り出し成形においてワークを拘束する技術に関する。

板状のワークに対するプレス成形には、張り出し成形と、絞り成形との二つの形態が存在する。
張り出し成形とは、ワークを拘束しつつ、当該ワークを成形する方法であり、自動車のドアアウタ、フードアウタ等を作製する際に用いられる。
絞り成形とは、ワークをプレス方向に流入させつつ、当該ワークを成形する方法であり、自動車のドアインナ、サイドアウタ等を作製する際に用いられる。

従来、張り出し成形におけるワークを拘束する技術として、金型のしわ押さえ面に、ワークの流入を抑制するためのビードを設けることが広く知られている。

特許文献１には、一方の金型のしわ押さえ面に、他方の金型のしわ押さえ面に向けて突出する凸状のビードを形成すると共に、他方の金型のしわ押さえ面に、前記ビードの形状に合わせて凹状のビード収容部を形成する技術が開示されている。
しかしながら、ワークの拘束には、大きな力が必要とされるため、前記凸状のビードと凹状のビード収容部との間のクリアランスを厳密に管理する必要があり、当該クリアランスの調整に多大な時間を要する点で不利である。

特許文献２には、一対の金型のしわ押さえ面に台形状のビードを形成し、当該ビードの縦壁（台形の斜辺部分）を波状に形成する技術が開示されている。
当該技術によって、ビードのクリアランスを厳密に管理することなく、ワークに対する拘束力の増大を実現させている。
しかしながら、このような台形状のビードによってワークを拘束する場合、当該ワークの拘束部分の面積を多く確保する必要があるため、材料歩留りが悪化する点で不利である。

特開平８−２６７１５４号公報 特開平９−２９３４８号公報

本発明は、ビードのクリアランスを厳密に管理することなくワークを良好に拘束可能、かつ、良好な材料歩留りを実現可能なプレス成形装置を提供することを課題とする。

本発明に係るプレス成形装置は、一対の金型を具備し、各金型のしわ押さえ面でワークを拘束しつつ、当該ワークにプレス成形を施すプレス成形装置であって、各金型のしわ押さえ面には、前記ワークのプレス成形時に当該ワークの流入を抑制するための段状のビードが形成され、各ビードは、各金型のしわ押さえ面に対して略垂直に形成される縦壁面と、当該縦壁面から各金型の外側に向けて形成される底面と、を有し、各ビードの縦壁面は、前記一対の金型の絞りプロファイルに沿って形成され、プレス方向から見て、波状に形成される形状を有する。

本発明に係るプレス成形装置において、各ビードの縦壁面は、プレス方向から見て、同一の断面形状がプレス方向に連続する形状を有し、正弦曲線状に形成されることが好ましい。

本発明によれば、ビードのクリアランスを厳密に管理することなくワークを良好に拘束できると共に、良好な材料歩留りを実現できる。

本発明に係るプレス成形装置を示す断面図。 本発明に係るプレス成形装置における金型のビードを示す断面図。 クッションリングのしわ押さえ面に形成されたビードを示す斜視図。 ワークの波状部分に生じる応力を示す図。 従来の台形ビードを示す図であり、（ａ）は、図５（ｂ）におけるＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は、平面図。 ビードの性能を評価する実験におけるビードのパラメータを示す図。 ワークの引き抜き試験を示す図。

以下では、図１を参照して、本発明に係るプレス成形装置の一実施形態であるプレス成形装置１について説明する。
プレス成形装置１は、板状のワークＷに対して、張り出し成形を行う装置である。
なお、説明の便宜上、図１における右方向をプレス成形装置１の外側とし、図１における左方向をプレス成形装置１の内側とする。つまり、ワークＷの端部側をプレス成形装置１の外側とし、ワークＷの中央部側をプレス成形装置１の内側とする。
また、図１における上下方向をプレス成形装置１の上下方向とする。プレス成形装置１の上下方向は、プレス方向に一致する。

図１に示すように、プレス成形装置１は、一対の金型である、下型１０及び上型２０を具備する。

下型１０は、ポンチ１１と、クッションリング１２とを具備する。

ポンチ１１は、所定の位置に固定されており、その上面には、上方に突出する凸状の成形面が形成されている。

クッションリング１２は、ポンチ１１の外側に設けられている。クッションリング１２は、油圧シリンダ等によって上下方向に移動可能に構成されている。
クッションリング１２の上面には、ワークＷの外側端部を拘束するためのしわ押さえ面が形成されており、当該しわ押さえ面が下型１０のしわ押さえ面として機能する。クッションリング１２のしわ押さえ面には、ワークＷのプレス成形時に当該ワークＷの流入（プレス成形装置１の内側への移動）を抑制するためのビード１３が形成されている。
ビード１３の構成については後述する。

上型２０は、ポンチ１１及びクッションリング１２の上方に設けられている。上型２０は、所定のアクチュエータによって上下方向に移動可能に構成されている。
上型２０の下面の中央部には、上方に窪んだ凹状の成形面が形成されている。上型２０の成形面は、ポンチ１１の成形面に対向し、ポンチ１１の成形面の形状に合わせて形成されている。
上型２０の下面の外側端部、つまり上型２０における成形面の外側には、ワークＷの外側端部を拘束するためのしわ押さえ面が形成されている。上型２０のしわ押さえ面は、クッションリング１２のしわ押さえ面に対向し、クッションリング１２のしわ押さえ面の形状に合わせて形成されている。上型２０のしわ押さえ面には、ワークＷのプレス成形時に当該ワークＷの流入を抑制するためのビード２３が形成されている。
ビード２３の構成については後述する。

以上のように構成されたプレス成形装置１においては、上型２０のしわ押さえ面、及びクッションリング１２のしわ押さえ面によってワークＷの外側端部が上下方向から拘束された状態で、上型２０が下降することで、ポンチ１１の成形面にワークＷが接触し、ポンチ１１の成形面、及び上型２０の成形面の形状に沿って、ワークＷに張り出し成形が施される。

以下では、図２〜図４を参照して、下型１０におけるクッションリング１２のしわ押さえ面に形成されたビード１３、及び上型２０のしわ押さえ面に形成されたビード２３について詳細に説明する。

図２に示すように、ビード１３は、クッションリング１２のしわ押さえ面の外側部分が下方に窪んだ段状に形成されている。
ビード１３は、縦壁面１３ａと、底面１３ｂとを有する。

図３に示すように、縦壁面１３ａは、クッションリング１２における内側端部から外側端部にかけての中途部において、クッションリング１２のしわ押さえ面から下方に向けて形成されている。縦壁面１３ａは、プレス成形装置１の絞りプロファイル（ポンチ１１の成形面とクッションリング１２のしわ押さえ面との境界線）に沿って連続的に形成されると共に、クッションリング１２のしわ押さえ面に対して略垂直に形成されている。
ここで、縦壁面１３ａがクッションリング１２のしわ押さえ面に対して「略垂直」な状態とは、縦壁面１３ａがクッションリング１２のしわ押さえ面に対して完全に垂直な状態と、縦壁面１３ａの上端部がその下端部よりも内側に位置するように、縦壁面１３ａがクッションリング１２のしわ押さえ面に対して若干傾斜している状態とを含む。
本実施形態においては、縦壁面１３ａは、上端部が下端部よりも内側に位置するように、クッションリング１２のしわ押さえ面に対して若干傾斜している。

縦壁面１３ａは、平面視で（プレス方向から見て）、波状に形成され、略同一の断面形状が上下方向に連続する形状を有する。
本実施形態においては、縦壁面１３ａは、平面視で、概ね正弦曲線状に形成されている。

底面１３ｂは、縦壁面１３ａからクッションリング１２の外側に向けて形成されている。
詳細には、底面１３ｂは、縦壁面１３ａの下端部からクッションリング１２の外側端面にかけて、クッションリング１２のしわ押さえ面に対して平行に形成されている。

図２に示すように、ビード２３は、上型２０のしわ押さえ面の外側部分が下方に突出した段状に形成されている。ビード２３は、ビード１３の形状に合わせて形成されている。
ビード２３は、縦壁面２３ａと、底面２３ｂとを有する。

縦壁面２３ａは、上型２０の外側端部近傍において、上型２０のしわ押さえ面から下方に向けて形成されている。縦壁面２３ａは、前記絞りプロファイルに沿って連続的に形成されると共に、上型２０のしわ押さえ面に対して略垂直に形成されている。
縦壁面２３ａは、ビード１３の縦壁面１３ａと同様の波形状を有する（不図示）。

底面２３ｂは、縦壁面２３ａから上型２０の外側に向けて形成されている。
詳細には、底面２３ｂは、縦壁面２３ａの下端部から上型２０の外側端面にかけて、上型２０のしわ押さえ面に対して平行に形成されている。

ワークＷのプレス成形を行う際には、前述のように、上型２０のしわ押さえ面、及びクッションリング１２のしわ押さえ面によってワークＷの外側端部を上下方向から拘束する。
この時、ワークＷの外側端部は、クッションリング１２のしわ押さえ面に形成されたビード１３、及び上型２０のしわ押さえ面に形成されたビード２３に沿った形状に成形される。

ビード１３・２３は、段状に形成されているため、ワークＷの外側端部が段状に成形される。
これにより、ワークＷのプレス成形時に内側に流入しようとするワークＷにおいて、ビード１３の縦壁面１３ａ及びビード２３の縦壁面２３ａに沿って成形された部分が、縦壁面１３ａ・２３ａによってその移動を阻害される。
したがって、ワークＷのプレス成形時に、当該ワークＷの流入がビード１３・２３によって抑制されることとなる。

更に、ビード１３の縦壁面１３ａ及びビード２３の縦壁面２３ａは、波状に形成されているため、ワークＷにおける、ビード１３の縦壁面１３ａ及びビード２３の縦壁面２３ａに接触する部分が波状に成形される。
そのため、図４に示すように、ワークＷのプレス成形時に、ワークＷの波状部分には、ワークＷの流入方向とは反対方向の力が働く。
詳細には、ワークＷにおけるプレス成形装置１の内側に対して凸形状を成す部分（図４における左側部分）には、プレス成形装置１の絞りプロファイルに対して平行となる方向（図４における左右方向）に引張応力が生じ、ワークＷにおけるプレス成形装置１の内側に対して凹形状を成す部分（図４における右側部分）には、プレス成形装置１の絞りプロファイルに対して平行となる方向に圧縮応力が生じ、ワークＷの波状部分における接線方向に、ワークＷの流入方向とは反対方向の成分を含む応力が働く（図４における白塗り矢印参照）。
これにより、ワークＷがビード１３・２３を通過する際の抵抗が増加し、ワークＷのプレス成形時に当該ワークＷの流入を抑制することが可能となる。
したがって、ビード１３とビード２３との間のクリアランスを厳密に管理することなく、ワークＷを良好に拘束させることができる。

なお、本実施形態においては、クッションリング１２のしわ押さえ面に、下方に窪んだ段状のビード１３を形成し、上型２０のしわ押さえ面に、下方に突出した段状のビード２３を形成したが、クッションリング１２のしわ押さえ面に、上方に突出した段状のビードを形成し、上型２０のしわ押さえ面に、上方に窪んだ段状のビードを形成することも可能である。

以下では、図５を参照して、本発明に係るプレス成形装置１が奏する、従来のプレス成形装置に対する有利な効果について説明する。

図５は、特開平９−２９３４８号公報に記載の台形状のビード（以下、「台形ビード」と記す）を示す図である。
図５（ａ）に示すように、台形ビードは、クッションリングのしわ押さえ面に対して略垂直に形成された二つの縦壁面と、当該二つの縦壁面に連続する底面を有する。
図５（ｂ）に示すように、台形ビードの各縦壁面は、ビード１３の縦壁面１３ａ及びビード２３の縦壁面２３ａと略同様の波形状を有する。

ここで、台形ビードにおいて、しわ押さえ面と二つの縦壁面との境界線間の距離をＤとし、底面と二つの縦壁面との境界線間の中央位置（以下、「ビードセンター」と記す）の曲率半径をＲとする。
この場合、内側（図５（ｂ）における上側）に位置する、台形ビードの稜線（しわ押さえ面と縦壁面との境界線）において、内側に対して凸形状を成す部分（以下、「稜線凸部」と記す）の曲率半径は、Ｒ＋Ｄ／２となり、内側に対して凹形状を成す部分（以下、「稜線凹部」と記す）の曲率半径は、Ｒ−Ｄ／２となる。
このように、稜線凸部の曲率半径と稜線凹部の曲率半径との間に差が生じるため、稜線凸部と稜線凹部との間で、ワークに対する拘束力に差が生じ、曲率半径の大きい稜線凸部においてワークが流入するおそれがある。
また、台形ビードの縦壁面の曲率半径を小さくするほど、ワークに対する拘束力が増加するが、一般的に、底面と二つの縦壁面との境界線間の距離は、１０ｍｍ程度であり、上型とクッションリングとによってワークを拘束する際に当該ワークが破断しないような台形ビードの形状を考慮すると、台形ビードの縦壁面の曲率半径を２０ｍｍ未満とすることが困難である。

これに対し、本発明に係るビードは、底面と、一つの縦壁面とから成る段状に形成されているため、当該ビードにおける稜線凸部の曲率半径と稜線凹部の曲率半径とを略同一にすることが可能となり、曲率半径の差に起因するワークの流入を抑制することができる。
更に、本発明に係るビードの曲率半径を１ｍｍ程度にまで小さくすることが可能となり、ワークに対する拘束力を増加させることができる。

本発明に係るビードは、従来の台形ビードと比較して、縦壁面が少ない分、ワークに対する拘束力が小さいと思われるが、前述のように、稜線凸部の曲率半径と稜線凹部の曲率半径とを略同一にでき、かつ、ビードの縦壁面の曲率半径を小さくできるため、従来の台形ビードと同等、又はそれ以上のワークに対する拘束力を発生させることができるのである。
また、本発明に係るビードは、従来の台形ビードと比較して、ワークの拘束部分の面積を小さくすることができる点で有利である。
詳細には、従来の台形ビードによってワークを拘束しようとする場合には、台形ビードを跨ぐようにしてワークを配置する必要があるが、本発明に係るビードによってワークを拘束しようとする場合には、ビードの外側端面が縦壁面よりも若干外側に位置する程度にワークを配置すれば良いため、ワークの拘束部分の面積を小さくすることができるのである。
これにより、良好な材料歩留りを実現することができる。

以下では、実験結果に基づいて、本発明に係るプレス成形装置１のビードの性能について説明する。

実験を行うにあたり、図６に示すように、本発明に係るビードの側面断面形状におけるパラメータを定義した。
第一のパラメータとして、金型のしわ押さえ面と、ビードの底面との最短距離を「高さ」とした。「高さ」の値を大きくする程、ワークに対する拘束力が増加するが、材料歩留りの悪化等を招くおそれがある。そのため、「高さ」の値を、「断面アール」（後述の第三のパラメータ）×２＋１ｍｍ以上に設定することが好ましく、具体的には、「高さ」の値を、２ｍｍ〜６ｍｍに設定することが好ましい。
第二のパラメータとして、プレス方向に対するビードの縦壁面の傾斜角度を「角度」とした。「角度」の値を小さくする程、ワークに対する拘束力が増加する。そのため、「角度」の値を、０°〜１５°に設定することが好ましい。しかしながら、ビードの縦壁面が波状であるため、縦壁面において「角度」の値がマイナスになる部分が生じる可能性がある。そのため、「角度」の値を、５°に設定することがより好ましい。
第三のパラメータとして、稜線の丸み（詳細には、クッションリング１２のしわ押さえ面とビード１３の縦壁面１３ａとが成す境界部分の曲率半径、及びード２３の縦壁面２３ａとビード２３の底面２３ｂとが成す境界部分の曲率半径）を「断面アール」とした。「断面アール」の値を小さくする程、ワークに対する拘束力が増加する。しかしながら、「断面アール」の値を、０．５ｍｍ以下に設定すると、ワークのメッキが剥がれる等の問題が生じることに加えて、ビードの加工も困難となる。そのため、「断面アール」の値を、０．５ｍｍ〜１．５ｍｍに設定することが好ましい。
第四のパラメータとして、二つの縦壁面同士の最短距離を「縦壁クリアランス」とした。「縦壁クリアランス」の値を小さくする程、ワークに対する拘束力が増加する。しかしながら、「縦壁クリアランス」の値を小さくし過ぎると、ビードの製作精度の影響を受け易くなり、ビードの造り込みが困難となる。そのため、「縦壁クリアランス」の値を、０．１ｍｍ〜０．３ｍｍに設定することが好ましい。
更に、本発明に係るビードの縦壁面が成す波形状におけるパラメータを定義した。
第五のパラメータとして、波形状の振幅を「振幅」とした。「振幅」の値を大きくする程、ワークに対する拘束力が増加するが、材料歩留りの悪化等を招くおそれがある。一方で、「振幅」の値を、１ｍｍ以下に設定すると、「縦壁クリアランス」の影響を強く受けるようになることに加えて、ビードの加工も困難となる。そのため、「振幅」の値を、１ｍｍ〜６ｍｍに設定することが好ましい。
第六のパラメータとして、波形状の曲率半径を「平面アール」とした。「平面アール」の値を小さくする程、ワークに対する拘束力が増加するが、ビードによってブランクが破断するおそれがある。しかしながら、「平面アール」のワークに対する拘束力への影響は大きく、材料歩留りの悪化を招くことおそれがないため、「平面アール」の値を小さくすることが望ましい。そのため、ビードを加工する際の困難性を考慮して、「平面アール」の値を、１ｍｍ〜３０ｍｍに設定することが好ましい。
また、従来の台形ビードのパラメータを本発明に係るビードと同様に定義した。

ビードの性能を評価する実験として、プレス成形装置の金型に相当するテストピースを、異なるパラメータ値を有するビードごとに作製し、各テストピースを用いてワークの引き抜き試験を行った。
詳細には、図７に示すように、テストピースによってワークの長手方向における一端部を所定の押圧力で拘束し、ワークが破断するまで、ワークを長手方向における他端部に向けて（図７における黒塗り矢印参照）引き抜く試験を行った。
なお、引き抜き試験の対象のワークとして、自動車のドアアウタ及びフードアウタ等に一般的に採用される、引張強度３４０ＭＰａのベークハード鋼を用いた。当該ワークの寸法を、６００ｍｍ×４０ｍｍ×０．７ｍｍとした。

下記の表１に示すように、実験例１〜実験例６、並びに比較例１及び比較例２におけるテストピースごとに、「ギャップ」、「下限圧」、及び「割れ」の三つの項目についてビードを評価した。実験例１〜実験例６においては、本発明に係るビードが形成されたテストピースを用い、比較例１及び比較例２においては、従来の台形ビートが形成されたテストピースを用いた。
ここで、「ギャップ」は、ワークのプレス加工時における金型の撓みを考慮した場合に、ワークを拘束できるか否かの評価項目である。詳細には、ワークのプレス加工時における金型の撓みとして考えられる最大量を０．３ｍｍとし、これをテストピースとワークとのスキ量に設定して引き抜き試験を行った。
「下限圧」は、テストピースによってワークを拘束する際の押圧力を２０ｋｇｆ／ｍｍとした場合に、ワークを拘束できるか否かの評価項目である。この押圧力の値は、従来の台形ビードによってワークを拘束可能な押圧力の下限値である。
「割れ」は、テストピースによってワークを拘束した際に、ワークが破断するか否かの評価項目である。
なお、「ギャップ」及び「下限圧」の項目について、ワークの流入量（引き抜き方向への移動距離）が１ｍｍ未満である場合、かつ、ワークの破断箇所がビードに接触している部分ではない場合には、ワークを良好に拘束できたものとして、表１に○を記入し、ワークの流入量が１ｍｍ以上である場合、又は、ワークの破断箇所がビードに接触している部分である場合には、ワークを拘束できなかったものとして、表１に×を記入し、ワークの流入量が１ｍｍ未満であって、ワークの破断箇所がビードに接触している部分ではないものの、ワークの流入量が比較的大きい等、望ましい結果ではなかった場合には、表１に△を記入した。
また、「割れ」の項目について、テストピースによってワークを拘束した際に、ワークが破断しなかった場合には、表１に○を記入した。
また、本実験において評価される項目ではないが、材料歩留りの評価項目である「歩留り」についても表１に記入した。「歩留り」の項目について、従来の台形ビードに対しては、表１に×を記入し、従来の台形ビードよりも材料歩留りが大幅に改善しているビードに対しては、表１に○を記入し、従来の台形ビードよりも材料歩留りが若干改善しているビードに対しては、表１に△を記入した。

実験例１においては、「ギャップ」の項目で望ましくない評価が得られ、「下限圧」の項目で若干望ましくない評価が得られた。
これは、実験例１においては、比較例１及び比較例２と同一の平面アールを適用しており、本発明に係るビードが従来の台形ビードよりも縦壁面が少ない分、比較例１及び比較例２と同一の平面アールでは、ワークに対する拘束力が不足したためと考えられる。

実験例２においては、すべての項目で望ましい評価が得られた。
特に、平面アールを１０ｍｍに設定しても、テストピースによってワークを拘束した際に、ワークが破断せず、ワークを良好に拘束することができた。

実験例３においては、「ギャップ」の項目で望ましくない評価が得られ、「下限圧」の項目で若干望ましくない評価が得られた。
これは、実験例３においては、高さが３ｍｍと実験例２よりも低く、ワークに対する拘束力が不足したためと考えられる。

実験例４においては、引き抜き試験における評価としては、すべての項目で望ましい評価が得られたが、「歩留り」が若干望ましくない。
これは、実験例４においては、振幅が４ｍｍと実験例２よりも大きく、ワークにおいて拘束される面積が大きくなったためである。

実験例５においては、すべての項目で望ましい評価が得られた。
特に、高さを実験例３と同一の低い値（３ｍｍ）としても、ワークを良好に拘束することができた。
これは、平面アールを実験例３よりも小さくし、ワークに対する拘束力が増加したためである。

実験例６においては、すべての項目で望ましい評価が得られた。
特に、平面アールを２ｍｍという極めて小さい値にしても、テストピースによってワークを拘束した際に、ワークが破断せず、ワークを極めて高い拘束力で良好に拘束することができた。

以上のように、本発明に係るビードにおいては、平面アールを、従来の台形ビードでは実現不可能であった小さい値（例えば、２ｍｍ）に設定できることが明らかとなった。
更に、平面アールを小さい値に設定することで、従来の台形ビードよりも縦壁面が少ない、本発明に係るビードであっても、ワークを良好に拘束できることが明らかとなった。
なお、パラメータ値によっては、本発明に係るビードにおいても、望ましい結果とならなかったが、上記のような実験の結果に基づいて、適切なパラメータ値を設定すればよい。

１ プレス成形装置
１０ 下型
１１ ポンチ
１２ クッションリング
１３ ビード
１３ａ 縦壁面
１３ｂ 底面
２０ 上型
２３ ビード
２３ａ 縦壁面
２３ｂ 底面

Claims (2)

1. 一対の金型を具備し、
   各金型のしわ押さえ面でワークを拘束しつつ、当該ワークにプレス成形を施すプレス成形装置であって、
   各金型のしわ押さえ面には、前記ワークのプレス成形時に当該ワークの流入を抑制するための段状のビードが形成され、
   各ビードは、各金型のしわ押さえ面に対して略垂直に形成される縦壁面と、当該縦壁面から各金型の外側に向けて形成される底面と、を有し、
   各ビードの縦壁面は、前記一対の金型の絞りプロファイルに沿って形成され、プレス方向から見て、波状に形成される形状を有する、
   ことを特徴とするプレス成形装置。
2. 各ビードの縦壁面は、プレス方向から見て、同一の断面形状がプレス方向に連続する形状を有し、正弦曲線状に形成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載のプレス成形装置。

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