JP2015047605A - 曲げ内側割れの評価方法および予測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】薄鋼板等の金属製の板材の曲げ変形後の曲げ戻し変形時に曲げ内側に発生する曲げ内割れの評価方法を提供することにある。【解決手段】曲げ半径を種々に変更して金属製の板材を曲げ変形させる曲げ試験を行い、曲げ終了時の前記板材の曲げ内側の実際の曲げ半径を測定し、その後、最大１８０度まで前記板材を曲げ戻し変形させる曲げ戻し試験を行って曲げ内側で前記板材に割れが発生する前記実際の曲げ半径での限界曲げ半径を求め、その限界曲げ半径を前記板材の板厚で除した値をその板材での曲げ内割れ限界とすることを特徴とする曲げ内割れ評価方法である。【選択図】図２

Description

本発明は、薄鋼板等の金属性の板材をプレス成形して自動車用部品等を製造する際に曲げの内側に生ずる曲げ内割れの発生の有無を、部品生産前に設計段階等で評価および予測する方法に関するものである。

プレス成形による自動車部品の製造時の不具合の一つに割れがあり、部品生産前に割れの発生を予測し、プレス金型形状やプレス条件を最適化することは極めて重要である。張り出し成形部や絞り成形部に発生する割れに関しては通常、成形限界線図（以下「ＦＬＤ」と呼ぶ。）と、有限要素法等によるプレス成形シミュレーションから求まる部品のひずみ状態とを比較することで、割れ発生の有無の予測が行われている（非特許文献１参照）。

一方、曲げ成形部に発生する割れに関しては、曲げの外側表面から発生する曲げ外割れが多く、その予測方法に関する発明も従来からなされている（特許文献１〜３参照）。例えば、特許文献１では、張力を加えながらＶブロック法で曲げ変形させて、曲げ部にくびれや割れ、破断を生じないパンチ先端半径および張力の限界条件をあらかじめ求めておき、プレス成形時の張力を予測して、パンチによる曲げ半径とその予測した張力とから曲げ外側へのくびれや割れ、破断の発生の有無を予測している。

また、特許文献２では、板材の断面に板厚方向の罫書き線を描いておいてその板材を曲げ変形させ、割れに至る直前の曲げ半径での曲げ変形後の板材の罫書き線の曲げ外側最外層かつ曲げ中央部における間隔の変化から伸びひずみを測定し、それを曲げ限界ひずみとして、有限要素法等で予測した部品成形時の伸びと比較することで、部品成形時の曲げ外側への割れ発生の有無を予測している。

そして、特許文献３では、板材に割れが発生する限界表面ひずみを測定しておき、板材を所望の部品形状にプレス成形するシミュレーションにおいて表面ひずみが最大となる曲げ外側の部位を求め、その部位の最大表面ひずみを、先に測定した限界表面ひずみと比較することで、部品成形時の曲げ外側への割れ発生の有無を予測している。

特開２０１１−２３５３０１号公報 特開２０１１−０４３４５２号公報 特開２０１２−０１１４５８号公報

「プレス成形難易ハンドブック第３版」、薄鋼板成形技術研究会編、日刊工業新聞社、Ｐ６４４

しかしながら、比較的板厚の厚い部品の製造の際には、曲げ変形とその後の曲げ戻し変形とを受ける部位において曲げの内側から割れが発生する場合がある。曲げ内側には曲げ変形時に非常に大きな圧縮ひずみが導入されるため、座屈や高ひずみによる材料の脆化が発生し、これらが原因で曲げ戻し変形時に曲げ内割れが発生すると考えられるが、曲げ内側に発生する割れであることから、部品製造後の目視による割れ有無の判断が困難である。このため、部品製造前の割れ発生予測および適切なプレス条件の設定が重要であるが、現状ではこの曲げ内割れの評価方法や、割れ発生の閾値に関する知見はなく、部品製造前の曲げ内割れの発生予測は困難である。

それゆえ本発明は、薄鋼板等の金属製の板材の曲げ変形後の曲げ戻し変形時に曲げ内側に発生する曲げ内割れの評価方法および発生予測方法を提供することを目的とする。

本発明者は、曲げ内割れの再現および評価方法を種々検討した結果、曲げ試験とその後の曲げ戻し試験とにより曲げ内割れが再現可能であるという知見を得た。また、曲げ試験時に曲げ内側に発生する限界相当塑性ひずみもしくは限界相当応力を数値解析により求め、これらを閾値として成形解析に適用することで、部品の成形解析により曲げ内割れの発生の予測が可能であるという知見を得た。

上記知見に基づき前記目的を達成する本発明の曲げ内割れ評価方法は、
（１）曲げ半径を種々に変更して金属製の板材を曲げ変形させる曲げ試験を行い、曲げ終了時の前記板材の曲げ内側の実際の曲げ半径を測定し、その後、最大１８０度まで前記板材を曲げ戻し変形させる曲げ戻し試験を行って曲げ内側で前記板材に割れが発生する前記実際の曲げ半径での限界曲げ半径を求め、その限界曲げ半径を前記板材の板厚で除した値（限界曲げ半径／板厚）をその板材での曲げ内割れ限界とすることを特徴とするものである。

なお、前記曲げ試験としては１８０度Ｕ曲げを行い、前記曲げ戻し試験としては９０度曲げ戻しを行うこととすると、曲げ内割れの評価および事前予測を確実に行うことができるので好ましい。

また、上記知見に基づき前記目的を達成する本発明の曲げ内割れ予測方法は、
（２）前記曲げ内割れ評価方法における曲げ試験と同じ曲げ変形の成形解析を数値解析で実施し、前記成形解析中の曲げ内側の曲げ半径が、前記曲げ内割れ評価方法における曲げ戻し試験で求まる限界曲げ半径となるときの相当塑性ひずみを限界相当塑性ひずみとして求め、その限界相当塑性ひずみを部品の成形解析時に閾値として適用することを特徴とするものである。

一方、本発明の曲げ内割れ予測方法は、
（３）前記曲げ内割れ評価方法における曲げ試験と同じ曲げ変形の成形解析を数値解析で実施し、前記成形解析中の曲げ内側の曲げ半径が、前記曲げ内割れ評価方法における曲げ戻し試験で求まる限界曲げ半径となるときの相当応力を限界相当応力として求め、その限界相当応力を部品の成形解析時に閾値として適用することを特徴とするものである。

本発明の曲げ内割れ評価方法によれば、曲げ半径を種々に変更して金属製の板材を曲げ変形させる曲げ試験を行い、曲げ終了時の前記板材の曲げ内側の実際の曲げ半径を測定し、その後、最大１８０度まで前記板材を曲げ戻し変形させる曲げ戻し試験を行って曲げ内側で前記板材に割れが発生する限界曲げ半径を求め、その限界曲げ半径を前記板材の板厚で除した値（限界曲げ半径／板厚）をその板材での曲げ内割れ限界とするので、板材の曲げ内割れを板厚によらずに評価することができる。

また、本発明の曲げ内割れ予測方法によれば、前記曲げ試験と同じ曲げ変形の成形解析を数値解析で実施し、前記成形解析中の曲げ内側の曲げ半径が、前記曲げ戻し試験で求まる限界曲げ半径となるときの相当塑性ひずみを限界相当塑性ひずみとして求め、または前記成形解析中の曲げ内側の曲げ半径が、前記曲げ戻し試験で求まる限界曲げ半径となるときの相当応力を限界相当応力として求め、その限界相当塑性ひずみまたは限界相当応力を部品の成形解析時に閾値として適用するので、部品の成形解析の際にその限界相当塑性ひずみまたは限界相当応力を超える相当塑性ひずみまたは相当応力の有無を判断することにより、曲げ内割れの発生を精度良く予測することができる。

本発明の曲げ内割れ評価方法の一実施形態における１８０度Ｕ曲げ試験方法を示す略線図である。 上記実施形態の曲げ内割れ評価方法における９０度曲げ戻し試験方法を示す略線図である。 本発明の曲げ内割れ予測方法の一実施形態における成形解析の結果を示す説明図である。 上記実施形態の曲げ内割れ予測方法における実Ｒ／ｔと相当応力との関係を示す関係図である。 本発明の曲げ内割れ予測方法の他の一実施形態における実Ｒ／ｔと相当塑性ひずみとの関係を示す関係図である。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。本発明者が、実際の部品で発生する曲げ内割れの発生挙動および割れ部分を詳細に観察した結果、比較的小さな曲げ半径の曲げ成形において、曲げ内側はミクロな座屈を伴う非常に大きな圧縮変形受けることで脆化し、その後のスプリングバック変形や曲げ戻し変形時に、脆化部分から割れが発生することが明らかになった。また本発明者は、上記（１）に記載したように、このような実部品での現象は、金属製の板材からなる小型のサンプルでの曲げ試験およびその後の曲げ戻し試験により再現可能であり、限界曲げ半径／板厚によって評価可能であることを確認した。

（１）記載の曲げ試験は、板材の曲げ性を評価するために一般的に用いられる、Ｕ曲げ、Ｖ曲げおよびＬ曲げの曲げ試験の何れでもよい。また（１）記載の曲げ戻し試験は、板材の曲げ内側にパンチが接すると割れを抑制し、正確な評価がされない可能性があるため注意する必要があるが、板材の曲げ内側にパンチが接しない方法であれば問題はない。

また、曲げ内割れの発生予測は、部品の設計上重要であり、上述の通り、曲げ内割れの要因は大きな圧縮ひずみによる脆化であるので、部品の成形解析段階で曲げ内側の相当塑性ひずみもしくは相当応力を評価することで、割れ発生の事前予測が可能である。よって、上記（１）に記載した限界曲げ半径を導出する曲げ試験と同様の数値解析を行い、限界曲げ半径時の曲げ内側の相当ひずみもしくは相当応力を導出し、実際の部品の成形解析に適用することで、上記（２），（３）に示すように、曲げ内側の割れの発生の事前予測が可能である。

（２），（３）記載の曲げ試験の数値解析は、求める相当塑性ひずみや相当応力の精度を確保するために、２次元もしくは３次元のソリッド要素を使用するのが好ましい。また、曲げ半径が小さい場合は、メッシュサイズが解析結果に大きく影響するため、メッシュサイズは板厚を充分微細に分割できるように、０．２ｍｍ以下、さらには０．１ｍｍ以下とすることが好ましい。

さらに、評価材料によっては９０度Ｖ曲げやＬ曲げ試験では、曲げ内割れを発生させるために必要な圧縮ひずみを導入することが困難な場合がある。そこで上述のように、曲げ試験として１８０度Ｕ曲げを行い、その後に曲げ戻し試験として９０度曲げ戻しを行うこととすれば、曲げ内割れを発生させるために必要な圧縮ひずみを板材に確実に導入できるので、曲げ内割れの評価および事前予測を確実に行うことができる。

（実施例）
板材として引張強度が５９０ＭＰａ級（ＳＰＨ５９０）および７８０ＭＰａ級（ＳＰＨ７８０）で板厚ｔが２．６ｍｍ〜３．２ｍｍの鋼板を用いて、上記実施形態の方法により曲げ内割れの再現試験を実施し、曲げ内割れの評価を行った。曲げ内割れの再現試験は、図１に示す如き１８０度Ｕ曲げ試験と図２に示す如き９０度曲げ戻し試験とで実施した。なお、図中符号Ｓは板材としての鋼板のサンプル、１および２は１８０度Ｕ曲げ試験用のパンチおよびダイ、３および４は、９０度曲げ戻し試験用のパンチとダイをそれぞれ示す。

ここで、サンプルＳは、１００ｍｍ×３０ｍｍの寸法を有し、１８０度Ｕ曲げ試験用のパンチ１は、全体的に板状をなすとともにその先端部に図示のようにＵ字状の縦断面形状を有しており、そのパンチ１と組み合わされたダイ２は、パンチ１の先端部と共働してサンプルＳを曲げ成形する、互いに対向する二箇所の丸められた角部を有している。また、９０度曲げ戻し試験用のパンチ３は、全体的に板状をなすとともにその先端部に図示のように略Ｖ字状の縦断面形状を有しており、そのパンチ３と組み合わされたダイ４は、平坦な上面を有している。

１８０度Ｕ曲げ試験用のパンチ１は、曲げ半径（断面Ｕ字状の先端部の半径すなわちパンチ半径）が１．０ｍｍ〜４．５ｍｍ（１．０Ｒ〜４．５Ｒ）のものを使用した。また、９０度曲げ戻し試験用のパンチ３は、断面略Ｖ字状の先端部の先端とサンプルＳの曲げ内側部分との接触を避けるために、その断面略Ｖ字状の先端部の先端がパンチ１の断面Ｕ字状の先端部の半径よりも大きい半径で丸められているものを使用した。以下の表１に、１８０度Ｕ曲げ試験およびその後の９０度曲げ戻し試験による曲げ内割れの評価結果（○印は曲げ内割れなし、×印は曲げ内割れ有り、−印は実施せず）を示す。この評価結果から明らかなように、何れの材料も曲げ内割れの再現が可能であり、限界曲げ半径の導出が可能であった。

また、図３は、本発明の曲げ内割れ予測方法の一実施形態として、１８０度Ｕ曲げの成形解析を数値解析で行って求めた相当応力の計算例を示す。数値解析は、有限要素解析（ＦＥＡ）を行う汎用解析プログラムであるＡＢＡＱＵＳを使用し、２次元のソリッド要素を用い、要素サイズは０．１ｍｍに設定し、静的陰解法で実施した。相当応力は、サンプルの曲げ内側頂点（曲げ内側最外層かつ曲げ中央部）の位置で求めた。なお、１８０度Ｕ曲げ試験では、曲げ成形中におけるサンプルＳの実際の曲げ半径がパンチ半径よりも小さくなる現象が観察されたが、数値解析でも、同様の現象が確認された。

図４は、上記実施形態の曲げ内割れ予測方法における、実曲げ半径Ｒ／板厚ｔと相当応力との関係を示す。この関係図と、曲げ試験およびその後の曲げ戻し試験により求まる限界曲げ半径とを用いることで、限界相当応力を導出することが可能であり、その限界相当応力を実部品の成形解析に適用することで、曲げ内割れの事前予測を行うことができる。

図５は、本発明の曲げ内割れ予測方法の他の一実施形態として、図３に示すと同様に１８０度Ｕ曲げの成形解析を数値解析で行って求めた相当塑性ひずみを用いる場合の、実曲げ半径Ｒ／板厚ｔと相当塑性ひずみとの関係を示す。この関係図と、曲げ試験およびその後の曲げ戻し試験により求まる限界曲げ半径とを用いることで、限界相当塑性ひずみを導出することが可能であり、その限界相当塑性ひずみを実部品の成形解析に適用することで、曲げ内割れの事前予測を行うことができる。

以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上述の例に限られるものでなく、所要に応じて特許請求の範囲の記載範囲内で適宜変更し得るものであり、例えば、曲げ試験は、Ｕ曲げに限られず、Ｖ曲げ試験やＬ曲げ試験としてもよく、その場合に、その後の曲げ戻し試験は、曲げ試験後のサンプルを曲げ戻すのに適した形状のパンチを用いればよい。

かくして本発明の曲げ内割れ評価方法によれば、曲げ半径を種々に変更して金属製の板材を曲げ変形させる曲げ試験を行い、曲げ終了時の前記板材の曲げ内側の実際の曲げ半径を測定し、その後、最大１８０度まで前記板材を曲げ戻し変形させる曲げ戻し試験を行って曲げ内側で前記板材に割れが発生する限界曲げ半径を求め、その限界曲げ半径を前記板材の板厚で除した値（限界曲げ半径／板厚）をその板材での曲げ内割れ限界とするので、板材の曲げ内割れを板厚によらずに評価することができる。

また、本発明の曲げ内割れ予測方法によれば、前記曲げ試験と同じ曲げ変形の成形解析を数値解析で実施し、前記成形解析中の曲げ内側の曲げ半径が、前記曲げ戻し試験で求まる限界曲げ半径となるときの相当塑性ひずみを限界相当塑性ひずみとして求め、または前記成形解析中の曲げ内側の曲げ半径が、前記曲げ戻し試験で求まる限界曲げ半径となるときの相当応力を限界相当応力として求め、その限界相当塑性ひずみまたは限界相当応力を部品の成形解析時に閾値として適用するので、部品の成形解析の際にその限界相当塑性ひずみまたは限界相当応力を超える相当塑性ひずみまたは相当応力の有無を判断することにより、曲げ内割れの発生を精度良く予測することができる。

１，３ パンチ
２，４ ダイ
Ｓ サンプル

Claims (4)

1. 曲げ半径を種々に変更して金属製の板材を曲げ変形させる曲げ試験を行い、
   曲げ終了時の前記板材の曲げ内側の実際の曲げ半径を測定し、
   その後、最大１８０度まで前記板材を曲げ戻し変形させる曲げ戻し試験を行って曲げ内側で前記板材に割れが発生する前記実際の曲げ半径での限界曲げ半径を求め、
   その限界曲げ半径を前記板材の板厚で除した値をその板材での曲げ内割れ限界とすることを特徴とする曲げ内割れ評価方法。
2. 前記曲げ試験としては１８０度Ｕ曲げを行い、
   前記曲げ戻し試験としては９０度曲げ戻しを行うことを特徴とする請求項１記載の曲げ内割れ評価方法。
3. 請求項１または２記載の曲げ内割れ評価方法における曲げ試験と同じ曲げ変形の成形解析を数値解析で実施し、
   前記成形解析中の曲げ内側の曲げ半径が、前記曲げ内割れ評価方法における曲げ戻し試験で求まる限界曲げ半径となるときの相当塑性ひずみを限界相当塑性ひずみとして求め、
   その限界相当塑性ひずみを部品の成形解析時に閾値として適用することを特徴とする曲げ内割れ予測方法。
4. 請求項１または２記載の曲げ内割れ評価方法における曲げ試験と同じ曲げ変形の成形解析を数値解析で実施し、
   前記成形解析中の曲げ内側の曲げ半径が、前記曲げ内割れ評価方法における曲げ戻し試験で求まる限界曲げ半径となるときの相当応力を限界相当応力として求め、
   その限界相当応力を部品の成形解析時に閾値として適用することを特徴とする曲げ内割れ予測方法。