JP2018130745A - プレス成形方法、プレス成形金型 - Google Patents

Abstract

【課題】離型後の形状凍結性に優れ、曲げＲ部に逆曲げの跡が残らず、良好な製品を一度のプレス成形で得ることができる方法およびプレス成形方法、プレス成形金型を提供する。【解決手段】本発明に係るプレス成形方法は、金属板を押えるパッド７と、パンチ肩Ｒ部１３に内方に凹陥する逃し部１７を有するパンチ３と、平面視で逃し部１７に対応する位置にパンチ３の外壁３ａよりも内方に突出する突起部１９を有するダイ５とを有するプレス成形金型１を用いたプレス成形方法であって、パンチ３に金属板１１を載置してパッド７で押え、ダイ５をパンチ３に近づけてパンチ肩Ｒ部１３で曲げＲ部１５を成形する工程と、成形下死点において突起部１９によって曲げＲ部１５に曲げＲ部１５の曲げ方向と逆方向の曲げ方向となる弾性域の変形を与える工程とを備えたたことを特徴とするものである。【選択図】 図１

Description

本発明は、金属板の曲げ成形を行うプレス成形方法、該プレス成形方法に用いるプレス成形金型に関する。
金属板とは、熱延鋼板、冷延鋼板、あるいは鋼板に表面処理（電気亜鉛めっき、溶融亜鉛めっき、有機皮膜処理等）を施した表面処理鋼板をはじめ、ステンレス、アルミニウム、マグネシウム等の各種金属類から構成される板を含む。

近年、自動車の車体構造部材では、素材としての軽量化を図るために、板厚の薄い高張力鋼板や比重の小さいアルミニウム合金板をプレス成形して適用することが増加してきている。

プレス成形とは、その対象物である材料（ブランク）に金型を押し付けることにより、金型の形状をブランクに転写して加工を行う方法のことである。プレス成形においては、プレス成形品を金型から取り出した後に、そのプレス成形品内の残留応力が弾性回復することによって起こる形状不良、いわゆるスプリングバックが発生し、所望の形状とは異なってしまう問題がしばしば発生する。
このため、スプリングバック後の形状を設計形状に近づけるために、生産現場では熟練者によって金型を幾度も修正して、トライアル＆エラーを重ねなければならず、その結果、生産準備期間が長期化してしまう。
したがって、スプリングバックを効果的に低減できる方法を開発することは、自動車の開発期間やコストを削減する上でもますます重要な課題であり、種々のスプリングバック対策が提案されており、高張力鋼板やアルミニウム合金板などにおいては曲げＲ部におけるスプリングバックがクローズアップされ、形状不良の発生し難いプレス成形方法がいくつか提案されている。

例えば、特許文献１には、１工程目で成形した曲げＲ部を２工程目で縦壁部に曲げる方法が開示されている。
また、特許文献２には、曲げＲ部の稜線に沿って成形曲げ方向と逆方向の成形（塑性変形）を付与した後、成形曲げ方向に成形する方法が開示されている。
さらに、特許文献３には曲げＲ部のＲ（アール）の稜線に沿って成形曲げ方向と逆方向の成形を付与する方法が開示され、特許文献４には１工程目で塑性変形により予備曲げ部を形成し、２工程目で平面に成形する方法が開示され、特許文献５には、ポンチ肩部に材料を流入させることで逆曲げを誘発する方法が開示されている。

特許第４０１５３９８号公報 特許第３３７９５９５号公報 特許第３４７３８６８号公報 特許第４７６６０８４号公報 特許第４５７９５０５号公報

しかしながら、特許文献１では、単純な曲げ形状であっても２工程が必要であり、効率が悪いという問題がある。
また、特許文献２では２工程が必要でかつ１工程目の塑性変形による逆曲げＲ部を２工程目のパンチ肩部で押しつぶす成形になるため、ブランクが高張力鋼板の場合には金型が損傷することが懸念される。

特許文献３では、曲げＲ部に塑性変形に至るまでの逆曲げを与え、特許文献４では塑性変形による予備曲げ部を平坦にしようとするため、曲げ戻した後に曲げＲ部に跡が残るという問題がある。また、特許文献５ではパンチを引抜く際に、縦壁部とフランジとの曲げ部で材料が折り重なる問題がある。

本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、離型後の形状凍結性に優れ、曲げＲ部に逆曲げの跡が残らず、曲げ部の折り重なりがなく、良好な成形品を一度のプレス成形で得ることができるプレス成形方法およびプレス成形金型を提供することを目的としている。

（１）本発明に係るプレス成形方法は、金属板を押えるパッドと、パンチ肩Ｒ部に内方に凹陥する逃し部を有するパンチと、平面視で前記逃し部に対応する位置に前記パンチの外壁よりも内方に突出する突起部を有するダイとを有するプレス成形金型を用いたプレス成形方法であって、
前記パンチに前記金属板を載置して前記パッドで押え、前記ダイを前記パンチに近づけて前記パンチ肩Ｒ部で曲げＲ部を成形する工程と、成形下死点において前記突起部によって前記曲げＲ部に該曲げＲ部の曲げ方向と逆方向の曲げ方向となる弾性域の変形を与える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、前記パンチ肩Ｒ部のＲの始点と終点を結んだ曲線の長さに対して、前記逃し部における凹陥の始点と終点を前記曲線に沿うように結んだ曲線の長さが１/２以下に設定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金型は、パンチと、ダイと、パッドとを有し、前記パンチに載置した金属板を前記パッドで押え、前記ダイによってパンチ肩Ｒ部で曲げＲ部を曲げ成形するプレス成形金型であって、
前記パンチはパンチ肩Ｒ部に内方に凹陥する逃し部を有し、前記ダイは平面視で前記逃し部に対応する位置に前記パンチの外壁よりも内方に突出する突起部を有し、
前記ダイの突起部が、成形下死点において、前記金属板の曲げＲ部に該曲げＲ部の曲げ方向と逆方向の曲げ方向となる変形を与え、かつ該変形が弾性域となるように前記ダイの下死点位置が設定されていることを特徴とするものである。

（４）また、上記（３）に記載のものにおいて、前記パンチ肩Ｒ部のＲの始点と終点を結んだ曲線の長さに対して、前記逃し部における凹陥の始点と終点を前記曲線に沿うように結んだ曲線の長さが１/２以下に設定されていることを特徴とするものである。

本発明のプレス成形方法は、金属板を押えるパッドと、パンチ肩Ｒ部に内方に凹陥する逃し部を有するパンチと、平面視で前記逃し部に対応する位置に前記パンチの外壁よりも内方に突出する突起部を有するダイとを有するプレス成形金型を用いたプレス成形方法であって、
前記パンチに前記金属板を載置して前記パッドで押え、前記ダイを前記パンチに近づけて前記パンチ肩Ｒ部で曲げＲ部を成形する工程と、成形下死点で前記曲げＲ部に該曲げＲ部の曲げ方向と逆方向の曲げ方向となる弾性域の変形を与える工程とを備えたことにより、離型後の形状凍結性に優れ、曲げＲ部に逆曲げの跡が残らず、良好な成形品を一度のプレス成形で得ることができる。

本発明の一実施の形態におけるプレス成形金型及びプレス成形方法の説明図である。 図１の一部を拡大して示す拡大図である。 本発明の一実施の形態のプレス成形方法における曲げＲ部の応力状態を説明する説明図である。 実施例におけるスプリングバックの評価方法の説明図である。 実施例の結果を説明するグラフである。 本発明が解決しようとする課題を説明する説明図である（その１）。 本発明が解決しようとする課題を説明する説明図である（その２）。 曲げＲ部にスプリングバックが発生するメカニズムを説明する説明図である。

従来から図６（ａ）に示すように、パンチ２１、ダイ２３及びパッド２５を有するプレス成形金型２７を用いて、図６（ｂ）に示すように金属板１１をパッド２５で押えた状態でダイ２３を成形下死点まで移動して曲げ成形すると、図７に示すように、離型後の成形品２９には弾性回復により、曲げＲ部３１にスプリングバックが生じ、形状不良が発生することはよく知られている。

このような曲げＲ部３１に生ずるスプリングバックのメカニズムを図８に基づいて説明する。
図８（ａ）は成形下死点における曲げＲ部３１の応力状態を示しており、図８（ｂ）は離型後の曲げＲ部３１の応力状態を示している。
成形下死点では、図８（ａ）に示すように、中立軸の外側では引張応力が残留し、中立軸の内側では圧縮応力が残留する。離型によって、この残留応力が消費されるように成形品に変形（スプリンブバック）が生ずる。
そこで、本発明は、スプリングバックを防止し、良好なプレス成形品を得るため以下の構成とした。

本実施の形態に係るプレス成形金型及びプレス成形方法を図１〜図３に基づいて説明する。
本実施の形態のプレス成形金型１は、図１に示すように、パンチ３と、ダイ５と、パッド７と、ストッパ９を有し、パンチ３に載置した金属板１１をパッド７で押え、ダイ５によってパンチ肩Ｒ部１３で曲げＲ部１５を曲げ成形するものである。
各構成を詳細に説明する。

＜パンチ＞
パンチ３はパンチ肩Ｒ部１３に内方に凹陥する逃し部１７を有している。逃し部１７は、図１の一部拡大図に示すように、パンチ肩Ｒ部１３におけるＲ（アール）の始点Ａと終点Ｂを繋ぐ円弧ＡＢの途中に設けられ、逃し部１７の始点ａと終点ｂを円弧ＡＢに沿うように繋ぐ円弧ａｂの長さが円弧ＡＢの長さの1/2以下に設定されている。
逃し部１７の形状をこのように設定しているのは、円弧ａｂの長さがこれ以上になると金属板１１を支持する面積が小さくなってパンチ肩Ｒ部１３で曲げＲ部１５が成形されにくくなるからである。

逃し部１７における凹陥の形状については特に限定されず、成形下死点で金属板１１が逃げることができる形状であればよく、図１では一例として直角に凹む形状を示す。

＜ダイ＞
ダイ５は平面視で逃し部１７に対応する位置にパンチ３の外壁３ａよりも内方に突出する突起部１９を有している。パンチ３に形成された逃し部１７とダイ５に形成された突起部１９との関係は、図２に示すように、成形下死点において、逃し部１７の始点ａ（図１の一部拡大図参照）からダイ５の成形壁５ａまでの距離Ｌ_１よりも、ダイ５の成形壁から突起部１９の壁までの距離Ｌ_２が等しいか短くなるように、すなわちＬ_１≧Ｌ_２となるように設定されている。

このように設定することで、成形下死点において、平面視で突起部１９が逃し部１７に対応する位置に配置され、金属板１１にパンチ肩Ｒ部１３の曲げ方向と逆方向の曲げ方向となる弾性変形を与えることができる。

＜パッド＞
パッド７はパンチ３の上面と協働して金属板１１を押えるものであり、パッドで金属板１１を押える位置は、前記パンチ肩Ｒ部より内側がよい。

＜ストッパ＞
ストッパ９は、ダイ５の突起部１９が、成形下死点において、金属板１１の曲げＲ部１５にパンチ肩Ｒ部１３による曲げ方向（曲げＲ部の曲げ方向）と逆方向の曲げ変形を与え、かつ該変形を弾性域とするように前記ダイ５の成形下死点の位置を規制するものである。
変形を弾性域とする理由は以下の通りである。
成形下死点において、突起部１９が金属板１１の曲げＲ部１５に変形を与えるため、金属板１１の板厚中心線が成形下死点において内方（パンチ逃し部１７側）にずれる。そして、離型後にはこの変形が弾性回復するが、このとき成形下死点で与えた変形が大きすぎると板厚中心線に生じたずれが元の状態（内方にずれない状態）に戻らず（塑性変形）、逆に変形が小さい場合には元の状態に戻る（弾性変形）。
よって、変形が弾性域とは、板厚中心線が上述の元の状態に戻る程度の変形という意味である。

このようなダイ５の成形下死点での位置は、成形下死点での金属板１１の板厚変化率、すなわち板厚変化量Δｔを板厚ｔで除算した値（Δｔ/ｔ）が0.1〜0.4の範囲となるように設定されるのが望ましい。
Δｔ/ｔが0.1よりも小さいと、スプリングバック抑制効果が不十分となる。他方、Δｔ/ｔが0.4を越えると、離型後に板厚中心線が内方にずれたままの塑性変形状態となって変形が残ってしまう。

上記のように構成されたプレス成形金型１を用いて金属板１１に曲げ加工を行うプレス成形方法は、パンチ３に金属板１１を載置してパッド７で押え、ダイ５をパンチ３に近づけてパンチ肩Ｒ部１３で曲げＲ部１５を曲げ成形して、成形下死点において突起部１９によって曲げＲ部１５に曲げＲ部１５の曲げの方向と逆方向の曲げ方向となる弾性域の変形を与えるというものである。

上記のようなプレス成形におけるスプリングバック抑制効果が得られるメカニズムを図３に基づいて説明する。
成形下死点の直前では、図３（ａ）に示すように、金属板１１はパンチ肩Ｒ部１３で曲げＲ部１５が形成され、曲げＲ部１５の中立軸の外側では引張応力が残留し、中立軸の内側では圧縮応力が残留した状態になる。

図３（ａ）の状態の後、成形下死点ではパンチ３の突起部１９が金属板１１の曲げＲ部１５に当接して曲げＲ部１５とは曲げの方向が逆方向となる微小な弾性変形を与える（図３（ｂ））。この微小な変形は、曲げＲ部１５とは曲げの方向が逆方向であるため、図３（ａ）の残留応力とは応力の向きが逆、すなわち中立軸の外側では圧縮応力となり中立軸の内側では引張力となる。このため、図３（ｂ）の状態では、図３（ａ）で発生した残留応力が相殺されると共にわずかな応力が残留する。

図３（ｂ）で与えられる変形は弾性域であるため、離型することで、曲げＲ部１５とは曲げの方向が逆方向となる微小な曲げはそのスプリングバックによって元の曲げＲ部１５形状に弾性回復し、この弾性回復時に図３（ｂ）の残留応力は消費される。
これによって、図３（ｃ）に示すように、曲げＲ部１５とは曲げの方向が逆となる微小な曲げ変形の残らない円弧状の曲げＲ部１５が成形される。

以上のように、本実施の形態のプレス成形金型１によってプレス成形することにより、離型後の形状凍結性に優れ、曲げＲ部１５に逆曲げの跡が残らず、良好な製品を一度のプレス成形で得ることができる。

本発明の作用効果について、具体的な実施例に基づいて説明する。
本発明の効果を確認するために、1180MPa級高張力鋼板、板厚1.2mmの金属板を、Ｒ６mmの曲げＲ部１５を成形するプレス成形を行い、従来方法と本発明方法において、スプリングバック量を比較する実験を行った。
本発明ではパンチ肩Ｒ部１３における凹陥する逃し部１７について、パンチ肩Ｒ部１３の始点から終点までの円弧長さに対し逃し部１７の円弧長さを１/３として逃し部１７の始点からダイの成形壁５ａまでの距離Ｌ_１よりもダイの成形壁５ａから突起部１９の壁までの距離Ｌ_２を短くして（Ｌ_１＞Ｌ_２）、ダイの成形下死点での鋼板の板厚変化率Δｔを板厚ｔで除算した値（Δｔ/ｔ）を0.3とした。従来方法は図６に示す通り、パンチ肩部を曲げＲ形状のままとした。
スプリングバック量の比較は、図４に示すように、成形品の離型前後の縦壁の開き角度θによって評価した。

図５は実験結果を示すグラフであり、図６に示した従来方法ではθ＝12°であったものが本発明によればθ＝3°となり、大幅にスプリングバックが低減された。

なお、上記の実施の形態においては、図１、図２においては、突起部１９の形状として外面が円弧状のものを示したが、本発明の突起部１９の形状は特に限定されず、平坦なものや傾斜面でもよい。

１ プレス成形金型
３ パンチ
３ａ パンチの外壁
５ ダイ
５ａ ダイの成形壁
７ パッド
９ ストッパ
１１ 金属板
１３ パンチ肩Ｒ部
１５ 曲げＲ部
１７ 逃し部
１９ 突起部
２１ パンチ（従来例）
２３ ダイ
２５ パッド
２７ プレス成形金型
２９ 成形品
３１ 曲げＲ部

Claims (4)

1. 金属板を押えるパッドと、パンチ肩Ｒ部に内方に凹陥する逃し部を有するパンチと、平面視で前記逃し部に対応する位置に前記パンチの外壁よりも内方に突出する突起部を有するダイとを有するプレス成形金型を用いたプレス成形方法であって、
   前記パンチに前記金属板を載置して前記パッドで押え、前記ダイを前記パンチに近づけて前記パンチ肩Ｒ部で曲げＲ部を成形する工程と、成形下死点において前記突起部によって前記曲げＲ部に該曲げＲ部の曲げ方向と逆方向の曲げ方向となる弾性域の変形を与える工程とを備えたことを特徴とするプレス成形方法。
2. 前記パンチ肩Ｒ部のＲの始点と終点を結んだ曲線の長さに対して、前記逃し部における凹陥の始点と終点を前記曲線に沿うように結んだ曲線の長さが１/２以下に設定されていることを特徴とする請求項１記載のプレス成形方法。
3. パンチと、ダイと、パッドとを有し、前記パンチに載置した金属板を前記パッドで押え、前記ダイによってパンチ肩Ｒ部で曲げＲ部を曲げ成形するプレス成形金型であって、
   前記パンチはパンチ肩Ｒ部に内方に凹陥する逃し部を有し、前記ダイは平面視で前記逃し部に対応する位置に前記パンチの外壁よりも内方に突出する突起部を有し、
   前記ダイの突起部が、成形下死点において、前記金属板の曲げＲ部に該曲げＲ部の曲げ方向と逆方向の曲げ方向となる変形を与え、かつ該変形が弾性域となるように前記ダイの下死点位置が設定されていることを特徴とするプレス成形金型。
4. 前記パンチ肩Ｒ部のＲの始点と終点を結んだ曲線の長さに対して、前記逃し部における凹陥の始点と終点を前記曲線に沿うように結んだ曲線の長さが１/２以下に設定されていることを特徴とする請求項３記載のプレス成形金型。