JP2015044204A - プレス成形方法及び該プレス成形方法によって成形されたプレス成形部品 - Google Patents

Abstract

【課題】部品長手方向に沿って湾曲する湾曲部を有するプレス成形部品に対して、「反り」と「捩り」の両方のスプリングバックを軽減できるプレス成形方法及び該プレス成形方法によって成形されたプレス成形部品を提供する。【解決手段】本発明に係るプレス成形方法は、基本となる金型の形状データを用いてプレス成形解析を行い、下死点における外側フランジ部７と内側フランジ部１１の応力分布を取得するプレス成形解析工程（Ｓ１）と、該プレス成形解析工程で取得した応力分布において、圧縮応力部Ｃ及び／又は弱応力部Ｎにステップ形状１９が形成されるようにプレス成形を行うプレス成形工程（Ｓ２）とを備えたことを特徴とするものである。【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、自動車車体の部品などに用いられる、天板部と、該天板部の両側に連続するように形成された縦壁部と、該両側の縦壁部の端部に形成されたフランジ部とを有し、平面視で長手方向に沿って湾曲する湾曲部を備えてなるプレス成形部品をフォーム成形により成形するプレス成形方法及び該プレス成形方法によって成形されたプレス成形部品に関する。

近年、車体の軽量化のため、自動車部品に高強度鋼板が多用されつつある。自動車部品の製作には、製作コストに優れたプレス成形が用いられることが多いが、高強度鋼板のプレス成形後に発生するスプリングバックによる形状不良が問題となっている。

このような問題を解決するための技術として、例えば特許文献１には、「ダイとパンチの相対的な直進移動によって金属板を成形するプレス成形方法において、プレス末期工程のプレス下死点前で縮みフランジ成形部位となる部分に複数の余肉ビードを形成し、縮みフランジ成形部位に引張応力を与えて、縮みフランジ成形部位の残留応力を平準化することで、プレス成形品の残留応力を平準化することを特徴とする形状凍結性に優れたプレス成形方法。」（特許文献１の請求項１参照）が提案されている。

特開2009-255117号公報

部品長手方向に沿って湾曲する湾曲部を有するハット断面形状のプレス成形部品３１（図１０参照）においては、部品が天板部３３側に湾曲する「反り」と、部品の軸回りに回転する「捩り」と言われるスプリングバックが生ずる。
以下に、「反り」と「捩り」について図１１、図１２に基づいて説明する。なお、図１１及び図１２において、点線が離型前の形状を表し、実線が離型後（スプリングバック後）の形状を表している。

「反り」（図１１参照）を発生させる駆動力は、板厚表裏の応力差及び、天板部の下死点における引張応力である。この下死点における引張応力は、離型後においては圧縮変形の駆動力となり、そのため天板部が長手方向に縮もうとして、「反り」が発生するのである。図１１は平面視で部品長手方向に真っ直ぐで中央が凸になっているプレス成形部品４３における「反り」を説明する説明図であり、プレス成形部品４３は離型後においてその両端が図１１中の白抜き矢印で示す方向に引き上げられ、全体として反りが発生する。なお、「反り」は、プレス成形部品４３のように、側面視で天板部４５の中央が凸になるように湾曲している部品により顕著に表れる。

「捩り」（図１２参照）を発生させる駆動力は、湾曲部を有するハット断面形状における湾曲のフランジ部に発生する圧縮応力及び引張応力である。

特許文献１に開示されたプレス成形方法は、湾曲の外側に位置するフランジ部を縮みフランジ成形部位、湾曲の内側に位置するフランジ部を伸びフランジ成形部位と捉え（特許文献１の図１を参照）、縮みフランジ成形部位となる部分に複数の余肉ビードを形成して引張応力を与え、伸びフランジ成形部となる部分には中間品の段階でエンボスを成形してプレス下死点でエンボスを潰すことで圧縮応力を付与するというものである。

しかしながら、このように、湾曲の外側のフランジ部を縮みフランジ成形部位として捉え、湾曲の内側のフランジ部を伸びフランジ成形部位として捉えると、湾曲の外側のフランジ部には一律に引張応力を付与し、湾曲の内側のフランジ部には一律に圧縮応力を付与することとなる。このような対策は、「捩り」の防止に対して効果があるが、「反り」の防止には効果がない。特に、湾曲の内側のフランジ部には圧縮応力を付与しているので、「反り」の防止に対しては逆効果となる。
以上のように、特許文献１のプレス成形方法によれば、「捩り」を緩和することはできるが、「反り」を緩和することはできないという問題点がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、部品長手方向に沿って湾曲する湾曲部を有するプレス成形部品に対して、「反り」と「捩り」の両方のスプリングバックを軽減できるプレス成形方法及び該プレス成形方法によって成形されたプレス成形部品を提供することを目的としている。

「反り」を防止するためには、金型の離型後において天板部を長手方向に引っ張るような変形を生じさせればよい。そのためには、フランジ部に引張力を付与し、離型後においてフランジ部が縮むようなスプリングバックを生じさせることが考えられる。
他方、「捩り」を防止するためには、フランジ部における引張応力を有する部位には、プレス成形中に圧縮応力を付与することで、離型後においてフランジ部が伸びるようなスプリングバックを生じさせ、圧縮応力を有する部位にはプレス成形中に引張応力を付与することで、離型後においてフランジ部が縮むようなスプリングバックを生じさせることが考えられる。

しかしながら、特許文献１のように、湾曲の外側のフランジ部は縮みフランジ成形部位であり、湾曲の内側のフランジ部は伸びフランジ成形部位であるとうように一律に捉えると、フランジ部に引張力又は圧縮力を一律に付与することで「反り」と「捩り」の両方を緩和することはできない。

そこで発明者は、下死点におけるフランジ部の応力分布が実際にはどのような状態になっているのかを調査した。
調査に際して、基本となる金型の形状データを用いてプレス成形解析を行い、下死点におけるフランジ部の応力分布を取得した。これを図３に示す。
図３に示すように、湾曲の外側のフランジ部（外側フランジ部７）でも、内側のフランジ部（内側フランジ部１１）でも圧縮応力となっている部位や引張応力となっている部位がある。このように、湾曲の外側が縮みフランジ成形部となり、湾曲の内側が伸びフランジ成形部となるという単純なものではないことが判明した。

このことから、湾曲の外側及び内側のいずれのフランジ部においても下死点において圧縮力を有する部位が存在し、湾曲の外側及び内側のいずれのフランジ部にもプレス成形中に引張力を付与することが可能であり、「反り」の防止と「捩り」の防止を両立できるとの知見を得た。
本発明は、かかる知見に基づくものであり、具体的には以下の構成からなるものである。

（１）本発明に係るプレス成形方法は、天板部と、該天板部の両側に連続するように形成された縦壁部と、該両側の縦壁部の端部に形成されたフランジ部とを有し、平面視で長手方向に沿って湾曲する湾曲部を備えてなるプレス成形部品をフォーム成形により成形するプレス成形方法であって、
基本となる金型の形状データを用いてプレス成形解析を行い、下死点における前記フランジ部の応力分布を取得するプレス成形解析工程と、
該プレス成形解析工程で取得したフランジ部の応力分布において、下死点での圧縮応力を有する部位及び／又は下死点での応力の絶対値が材料の引張強度の20%以下になっている部位にステップ形状が形成されるようにプレス成形を行うプレス成形工程とを備えたことを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記フランジ部に形成するステップ形状は、フランジ部と同一平面上にある下フランジ面部と、該下フランジ面部に連続する傾斜フランジ面部と、該傾斜フランジ面部の上端に連続する上フランジ面部によって構成されていることを特徴とするものである。

（３）本発明に係るプレス成形部品は、天板部と、該天板部の両側に連続するように形成された縦壁部と、該両側の縦壁部の端部に形成されたフランジ部とを有し、平面視で長手方向に沿って湾曲する湾曲部を備えてなるプレス成形部品であって、
前記フランジ部にステップ形状を有し、該ステップ形状が上記（１）又は（２）に記載のプレス成形方法によって形成されたことを特徴とする。

本発明においては、基本となる金型の形状データを用いてプレス成形解析を行い、下死点におけるフランジ部の応力分布を取得し、該取得した応力分布において、下死点での圧縮応力を有する部位及び／又は下死点での応力の絶対値が材料の引張強度の20%以下となる部分にステップ形状が形成されるようにプレス成形を行うことにより、部品長手方向に沿って湾曲する湾曲部を有するプレス成形部品に対して、「反り」と「捩り」の両方のスプリングバックを軽減できる。

本発明の一実施の形態に係るプレス成形方法のフローチャートである。 本発明の一実施の形態に係るプレス成形方法のプレス成形対象となるプレス成形部品の斜視図である。 本発明の一実施の形態に係るプレス成形方法のプレス成形解析工程における解析結果の一例の説明図である。 本発明の一実施の形態に係るプレス成形方法のステップ形状の一例の説明図である。 本発明の一実施の形態に係るプレス成形方法のプレス成形工程によって成形されたプレス成形部品の一例の説明図である。 本発明の実施例に係るステップ形状の説明図である。 本発明の実施例に係る実験結果の評価方法の説明図である（その１）。 本発明の実施例に係る実験結果の評価方法の説明図である（その２）。 本発明の一実施の形態に係るプレス成形部品の他の態様の説明図である。 本発明の課題を説明するための図であり、プレス成形対象であるプレス成形部品の一例の斜視図である。 本発明の課題の説明図である（その１）。 本発明の課題の説明図である（その２）。

本発明の一実施の形態に係るプレス成形方法は、図１に示すように、基本となる金型の形状データを用いてプレス成形解析を行うプレス成形解析工程（Ｓ１）と、該プレス成形解析工程で取得した解析結果に基づいて基本となる金型の形状に変更を加えた金型を用いてプレス成形を行うプレス成形工程（Ｓ２）とを備えている。
以下、各工程について詳細に説明する。なお、以下の説明においては、図２に示すフォーム成形によって成形されるプレス成形部品１を成形対象とする。

プレス成形部品１は、図２に示すように、天板部３と、該天板部３の両側に連続するように形成された外側縦壁部５及び内側縦壁部９、これら外側縦壁部５及び内側縦壁部９のそれぞれの端部に形成された外側フランジ部７及び内側フランジ部１１を有しており、平面視で長手方向に沿って湾曲している。

天板部３は、図２に示すように、一端に幅方向に広がる平坦面部３ａと、平坦面部３ａよりも幅狭の幅狭面部３ｂと、他端に幅狭面部３ｂから下方になだらかに傾斜する傾斜面部３ｃとを有している。このように、プレス成形部品１の天板部３は平坦でないが、本発明のプレス成形の対象としているプレス成形部品は天板部と、該天板部の両側に連続するように形成された縦壁部と、該両側の縦壁部の端部に形成されたフランジ部とを有していればよく、天板部３のような形状も本発明の天板部に含まれる。

＜プレス成形解析工程＞
プレス成形解析工程は、基本となる金型の形状データを用いたプレス成形解析を行い、下死点における外側フランジ部７及び内側フランジ部１１の応力分布を取得する工程である（Ｓ１）。

解析結果の一例を図３に示す。図３は、プレス成形部品１全体について取得した下死点（離型前）における長手方向の板厚中央の応力分布を、プレス成形部品１の形状上にコンター図として表したものである。なお、図３において、図１のプレス成形部品１と同様の部位には同一の符号を付している。また、このように、フランジ部（外側フランジ部７及び内側フランジ部１１）以外の部分についても応力分布を取得してもよい。

図３に示すように、外側フランジ部７及び内側フランジ部１１において、圧縮応力を有する部位（以下、「圧縮応力部Ｃ」という）と引張応力を有する部位（以下、「引張応力部Ｔ」という）が交互に存在している。
また、圧縮応力部Ｃと引張応力部Ｔの境界部分は弱応力部Ｎとなっている。ここでいう弱応力部Ｎとは、下死点応力の最大値と比較して応力が十分に小さい部分（圧縮応力部Ｃと引張応力部Ｔの中間（ニュートラル）の状態の部分）であり、引張、圧縮ともに、応力の絶対値が材料鋼板（ブランク）の引張強さの20%以下であればこれに含む。

上記応力分布は下死点（離型前）におけるものであるので、離型後において、各部分には逆向きの変形が発生する。つまり、圧縮応力部Ｃであった部分には引張変形が発生し、引張応力部Ｔであった部分には圧縮変形が発生する。
これにより、フランジ部（外側フランジ部７と内側フランジ部１１）と天板部３において変形のバランスが不均衡となり、部品長手方向両端が反り上がるスプリングバック（反り変形）が生じる。
また、外側フランジ部７と内側フランジ部１１においても変形のバランスが不均衡となり、部品長手方向に捩れるスプリングバック（捩れ変形）が生じる。

＜プレス成形工程＞
プレス成形工程は、プレス成形解析工程で取得した応力分布において、外側フランジ部７及び内側フランジ部１１における圧縮応力部Ｃ及び／又は弱応力部Ｎに、ステップ形状が形成されるようにプレス成形を行う工程である（Ｓ２）。
プレス成形は、上述した基本となる金型の形状に、ステップ形状を形成可能なように変更を加えた金型を用いて行う。

ステップ形状は、これを形成することで、長手方向のフランジ線長が長くなるような形状であれば良い。この点について以下に詳細に説明する。なお、ステップ形状は、外側フランジ部７に形成される場合と内側フランジ部１１に形成される場合とで同様であるので、以下の説明では、外側フランジ部７に形成される場合を例に挙げる。

図４は、外側フランジ部７に形成されたステップ形状の一例の断面を模式的に表したものである。
図４のステップ形状１９は、点線の枠で囲んだ部分に示すように、外側フランジ部７と同一平面上にある下フランジ面部１９ａと、下フランジ面部１９ａに連続する傾斜フランジ面部１９ｂと、傾斜フランジ面部１９ｂの上端に連続する上フランジ面部１９ｃによって構成されている。本実施形態では下フランジ面部１９ａと上フランジ面部１９ｃは水平になっている。傾斜フランジ面部１９ｂは、幅がw、高さがhとなっており、傾斜に沿う長さは√(w²+h²)で表すことができる。また、傾斜フランジ面部１９ｂの傾きはh/wで表すことができる。

なお、図４には厳密に図示していないが、実際にプレス成形をする場合において、下フランジ面部１９ａと傾斜フランジ面部１９ｂの境界（以下、「屈曲部」という）には、半径Rのアール部が形成されて下フランジ面部１９ａと傾斜フランジ面部１９ｂとが滑らかに連続している。この点は傾斜フランジ面部１９ｂと上フランジ面部１９ｃにおいても同様である。

外側フランジ部７にステップ形状１９が形成される際、外側フランジ部７の一部（線長がw）が伸ばされて傾斜フランジ面部１９ｂとなる。外側フランジ部７の線長は、ステップ形状１９形成前がwであり、形成後が√(w²+h²)であるので、√(w²+h²)-wだけ長くなる。
このように線長が長くなることに起因するひずみは、下死点において引張応力を生じさせ、離型後において部品長手方向にフランジ部に圧縮変形を生じさせる駆動力となる。

ただし、ステップ形状１９を形成した部分のひずみが鋼材の一様伸びの値を超えると、ステップ形状１９の形成の効果は十分に得られず、最悪の場合、製品にワレが発生する可能性がある。なお、ステップ形状１９の形成によるフランジのひずみ量は長手方向の材料流入に依存するため、手計算での予測は困難であるが、数値解析によって予測可能である。

ステップ形状１９は、下死点（離型前）の圧縮応力部Ｃや弱応力部Ｎに相当する部分に形成することが効果的である。
図５は、ステップ形状１９が形成されたものの一例としてのプレス成形部品１を図示したものである。プレス成形部品１は、外側フランジ部７及び内側フランジ部１１における弱応力部Ｎ（図３参照）にステップ形状１９が形成されている。

このようにすることで、ステップ形状１９によって離型後に圧縮変形が発生し、天板部３に発生する圧縮変形とのバランスが最適化されて反り変形を低減することができる。
また、外側フランジ部７と内側フランジ部１１とで変形のバランスを最適化することができ、捩れ変形を大幅に低減させることができる。

一方で、下死点（離型前）の引張応力部Ｔにステップ形状１９を形成しても十分な効果は得られない。これは、離型前の引張応力に加えて、さらにステップ形状１９にて引張応力を加えるため、線長変化がフランジの引張弾性限界歪みを超えて塑性域まで到達し、与えた線長変化に対して弾性変形と比較して塑性変形の占める割合が大きくなるためである。さらに、ひずみ量が大きくなりすぎるとワレの危険も大きくなる。従って、ステップ形状１９を引張応力部Ｔに形成することは好ましくない。

以上のように、本実施の形態においては、外側フランジ部７及び内側フランジ部１１における圧縮応力部Ｃ及び／又は弱応力部Ｎにステップ形状１９を形成することにより、反り変形と捩れ変形の低減を両立させることができる。

次に、本発明の効果を確認する実験を行ったのでその結果について説明する。
実験は、図２に示す形状のプレス成形部品１を対象とし、ステップ形状を形成する位置によって、スプリングバック量がどのように変化するかを数値解析により確認するというものである。
材料は厚さ1.4mmの980MPa級鋼板とした。

ステップ形状は、形成した部位に十分な引張応力が与えられ、かつワレなどの成形不良が生じなければどのような形状でも良いが、ここでは図６に示す断面を持つ形状とした。
図６のステップ形状２１は、図４に示すステップ形状１９の屈曲部を、半径がR（mm）の滑らかなアール形状としたものである。ステップ形状２１の各寸法（高さh、幅w、半径R）は、ワレを生じることなく成形可能なようにh=5mm、w=10mm、R=5mmとした。ステップ形状２１はステップを形成させる位置とステップ形状２１の傾斜フランジ面部２１ｂの中央とが一致するように形成した。なお、図６は外側フランジ部７に形成した場合を図示したものであるが、内側フランジ部１１に形成する場合も同様である。

ステップ形状２１の形成位置は以下のように決定した。
まず、上記実施の形態で説明したように、ステップ形状２１を形成する前の部品形状についてプレス成形解析を行い、成形下死点における応力分布を取得した（図３参照）。
そして、取得した応力分布に基づいて、プレス成形部品１の外側フランジ部７及び内側フランジ部１１にそれぞれ6箇所ずつ、計12箇所となるように、引張応力部Ｔ、圧縮応力部Ｃ、弱応力部Ｎのいずれかを選択した。
選択のパターンは、全て弱応力部Ｎ、全て圧縮応力部Ｃ、全て引張応力部Ｔ、弱応力部Ｎと圧縮応力部Ｃの組み合わせ、外側フランジ部７は引張応力部Ｔで内側フランジ部１１は圧縮応力部Ｃなど、様々にした。

スプリングバック量は、金型形状を基準としたプレス成形部品１の離型後の形状の乖離量で定義した。スプリングバック量の定義について図７及び図８に基づいて詳細に説明する。図７及び図８は、金型形状２３とプレス成形部品１の離型後の形状とを比較した図である。
乖離量の測定は、図７中の点線の枠で囲んだ部分に示すように金型と部品の一端の位置合せを行い、他端において行った。本実施例では、プレス成形部品１の平坦面部３ａの端部について金型２３と位置合わせを行い、他端である傾斜面部３ｃの端部において乖離量の測定を行った。そして、該他端において、図８（ａ）に示すように、プレス成形部品１の天板部３中央（図８（ａ）中に黒丸で示す）と金型２３の天板部中央との鉛直方向変位ｄを反り量（mm）とし、図８（ｂ）に示すように、金型２３の天板部の水平方向を基準とした、プレス成形品１の天板部３の捩れ角θを捩れ量（°）とした。
実験結果を表１に示す。

表１は、成形条件（ステップ形状２１の各寸法（mm）及びステップ形状２１の形成位置や数）毎に成形結果（成形可否と稜線反り変形及び捩れ変形）についてまとめたものである。
表１の成形結果における成形可否には、ワレが発生しない場合を成形可と記載している。また、稜線反り変形及び捩れ変形については、スプリングバック量としての反り量（mm）、捩れ量（°）の他に、ステップ形状２１を形成しない場合（従来例）のスプリングバック量（反り量及びねじれ量）を基準としたスプリングバック量の低減率（％）を示した。低減率は値が大きければスプリングバック抑制の効果が高いことを意味している。

表１に示すとおり、本発明例１〜４は、圧縮応力部Ｃもしくは弱応力部Ｎとなる位置にステップ形状２１を形成したものであり、いずれもスプリングバック量の低減率が大きくて、効率よくスプリングバックを抑制できることが確認された。
比較例１は、ステップ形状２１を内側フランジ部１１の圧縮応力部Ｃしか形成しなかったため、スプリングバック量の低減率が小さかった。
比較例２及び比較例３は、引張応力部Ｔにステップ形状２１を形成したものであり、スプリングバック量の低減率が小さくて、スプリングバック抑制に大きな効果が期待できないことが確認された。

以上のように、本発明に係るプレス成形方法によれば、圧縮応力部Ｃもしくは弱応力部Ｎとなる位置にステップ形状２１を形成することで、反り変形及び捩れ変形の両方を低減可能であることが確認された。

なお、上記ではステップ形状として、ステップ形状１９（図４参照）、ステップ形状２１（図６参照）を例に挙げたが、本発明のステップ形状は上記のものに限られず、種々のものに変更可能である。
もっとも、ステップ形状の傾斜部の傾き（h/w）は30°〜45°が好ましい。また、ステップ形状の屈曲部は、ステップ形状２１のように滑らかなアール形状とすることが好ましく、屈曲部の半径Rは5mm〜10mmとするのが好ましい。

なお、上記の説明では、図２に示すように天板部３が平坦でないプレス成形部品１を例に挙げて説明したが、発明が解決しようとする課題において例示した図１０に示した天板部３３が平坦なプレス成形部品３１の場合であっても、図９に示すように、外側フランジ部３７、内側フランジ部４１にステップ形状１９を形成することで、天板部３が平坦でない場合と同様に本発明の効果が得られることはいうまでもない。

Ｃ 圧縮応力部
Ｔ 引張応力部
Ｎ 弱応力部
１ プレス成形部品
３ 天板部
３ａ 平坦面部
３ｂ 幅狭面部
３ｃ 傾斜面部
５ 外側縦壁部
７ 外側フランジ部
９ 内側縦壁部
１１ 内側フランジ部
１９ ステップ形状
１９ａ 下フランジ面部
１９ｂ 傾斜フランジ面部
１９ｃ 上フランジ面部
２１ ステップ形状（実施例）
２１ａ 下フランジ面部
２１ｂ 傾斜フランジ面部
２１ｃ 上フランジ面部
２３ 金型形状
３１ プレス成形部品
３３ 天板部
３５ 外側縦壁部
３７ 外側フランジ部
３９ 内側縦壁部
４１ 内側フランジ部
４３ プレス成形部品
４５ 天板部

Claims (3)

1. 天板部と、該天板部の両側に連続するように形成された縦壁部と、該両側の縦壁部の端部に形成されたフランジ部とを有し、平面視で長手方向に沿って湾曲する湾曲部を備えてなるプレス成形部品をフォーム成形により成形するプレス成形方法であって、
   基本となる金型の形状データを用いてプレス成形解析を行い、下死点における前記フランジ部の応力分布を取得するプレス成形解析工程と、
   該プレス成形解析工程で取得したフランジ部の応力分布において、下死点での圧縮応力を有する部位及び／又は下死点での応力の絶対値が材料の引張強度の20%以下になっている部位にステップ形状が形成されるようにプレス成形を行うプレス成形工程とを備えたことを特徴とするプレス成形方法。
2. 前記フランジ部に形成するステップ形状は、フランジ部と同一平面上にある下フランジ面部と、該下フランジ面部に連続する傾斜フランジ面部と、該傾斜フランジ面部の上端に連続する上フランジ面部によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載のプレス成形方法。
3. 天板部と、該天板部の両側に連続するように形成された縦壁部と、該両側の縦壁部の端部に形成されたフランジ部とを有し、平面視で長手方向に沿って湾曲する湾曲部を備えてなるプレス成形部品であって、
   前記フランジ部にステップ形状を有し、該ステップ形状が請求項１又は２に記載のプレス成形方法によって形成されたことを特徴とするプレス成形部品。