JP2018164939A - プレス成形荷重の測定装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プレス金型の大きさが異なっても、プレス金型に発生する分布荷重およびトータル荷重を簡便かつ高精度に測定することが可能なプレス成形荷重の測定装置および方法を提供する。【解決手段】プレス成形荷重の測定装置１０は、プレス機械Ｐ１０のスライドＰ１６に着脱自在に固定される上プレート１２と、下面に上金型Ｐ１８Ｕを吊り下げ保持する保持部を有し、該保持部を介して上金型Ｐ１８Ｕがセットされる下プレート１４と、上プレート１２と下プレート１４とを連結するとともに、前記上プレートに対して、前記下プレートおよび前記上金型の吊り下げ方向の重量を保持する複数のサポートピン１８と、上プレート１２と下プレート１４との間に配置された複数の荷重センサ１６とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、自動車部品等のプレス成形における成形荷重の測定装置および方法に関する。

自動車の衝突安全性と軽量化の両立のために、近年９８０ＭＰａ以上の高強度鋼板の適用が進んでいる。高強度鋼板は素材強度の増加とともに延性が小さくなることによる、ワレやシワなどのプレス成形上の問題のほかに、素材を加工するために従来よりも大きなプレス成形荷重が必要になるという問題がある。

近年、高強度かつ板厚の厚い材料の成形が必要となり、成形荷重の増加により従来のプレス機械では荷重能力不足が問題となってきた。その対応として、荷重の能力の高いプレス機械を新規に導入することも進んでいるが、その経済的負担は非常に大きくなっている。

プレス荷重低減のために、部品形状の単純化、プレス工程の多段化などを部品設計および工程設計で検討する必要あり、精度の高いプレス荷重測定方法や計算方法が望まれてきた。

例えば、特許文献１には、プレス加工における成形荷重をシミュレーションにより計算する方法が提案されている。この方法では、現状のシミュレーションによるプレス成形荷重の計算値は実際プレス成形荷重と大きく異なる点を指摘し、実験により求めた相関近似式によりプレス下死点の成形荷重を推定するものである。

特許文献２では、プレス機械のコラムにひずみゲージを取り付け、プレス成形時に発生するコラムのひずみ量からプレス機械の荷重を得る方法が提案されている。この方法によれば、従来のプレス荷重測定用の圧力検出センサでは、プレス圧の増大に応じて圧力センサも大型化する問題を解消し、プレス機械の長大化を避ける荷重測定方法が実現できるとされている。

特許文献３では、プレス装置に設置した過負荷吸収用油圧室に発生する圧力とプレス加工力の関係から、プレス加工時の加工力を算出する方法が提案されている。この方法によれば、プレス機械に取り付けたひずみゲージによる負荷荷重測定に比べ、測定のバラツキ低減や作業の手間の削減が可能となるとされている。

特許文献４では、プレス金型の動的変形測定方法および装置について提案されている。プレス成形時の金型弾性変形量の測定に加えて、プレス金型下部に複数個配列された荷重センサによりプレス荷重を測定する方法が提案されている。

特許第５６１０５７４号公報 特開平６−５５３００号公報 特開２００１−９６００号公報 特許第５４１７１９４号公報

プレス部品は３次元的に複雑な形状を有しており、それをプレス加工する場合、部品の各部位によって異なる成形荷重が発生している。プレス荷重発生のメカニズム把握および荷重低減方法の検討において、トータルのプレス成形荷重の測定に加えて、プレス金型各部位に発生する荷重分布を精度良く測定することが必要である。

しかしながら、従来の提案ではプレス金型各部位に発生する分布荷重を簡便に測定することは困難であった。

特許文献２および３で提案されている技術では、プレス機械に設置された圧力センサもしくはひずみセンサによりプレス荷重を測定するものであり、金型に発生する分布荷重を測定することは困難である。特許文献２の開示技術によれば、プレス機械の複数のコラムのひずみ測定値の差から分布荷重をある程度推定することは可能と考えられるが、測定精度の点で問題がある。

特許文献１は、シミュレーションにより成形荷重を算出する方法であり、シミュレーションを用いることで金型に発生する分布荷重を計算することは可能である。しかしながら、荷重を推定するために用いられる相関近似式は、プレス機械の全体荷重で検定されたものであり、分布荷重の推定結果の妥当性は検証できていないという問題がある。

特許文献４は、プレス金型下部に複数個配列された荷重センサによりプレス荷重分布を算出することが可能となっている。しかしながら、プレス機械下部に設置することが必要なため、金型シワ押さえ力を発生させるために配列されたクッションピン等と干渉するため、様々な金型へ適用することは難しいという問題がある。また、特許文献４には、荷重を測定する測定装置を上金型とスライドとの間に配置することも可能であるとの記載がされているが、測定装置の下方にどのようにして上金型を留めて置くかについて検討されていない。仮に、上金型とスライドとの間に測定装置の配置空間を維持しつつ、スライドから上金型を吊り下げ保持する構成とする場合には、専用の冶具が必要になるとともに、プレス金型のサイズ変更に伴い、その冶具も変更する必要が生じて手間とコストが増大する。

本発明は、上記従来技術の問題を解消し、プレス金型の大きさが異なっても、プレス金型に発生する分布荷重およびトータル荷重を簡便かつ高精度に測定することが可能なプレス成形荷重の測定装置および方法を提供することを目的とする。

本発明のプレス成形荷重の測定装置は、上記課題を解決するため、プレス機械のスライドに着脱自在に固定される上プレートと、下面に上金型を吊り下げ保持する保持部を有し、該保持部を介して上金型がセットされる下プレートと、前記上プレートと前記下プレートとを連結するとともに、前記上プレートに対して、前記下プレートおよび前記上金型の吊り下げ方向の重量を保持する複数のサポートピンと、前記上プレートと前記下プレートとの間に配置された複数の荷重センサとを備えている。

なお、本発明のプレス成形荷重の測定装置にあっては、前記サポートピンは、前記上プレートおよび前記下プレートの、前記複数の荷重センサが配置される領域の外側に配置されていることが好ましい。

また、本発明のプレス成形荷重の測定装置にあっては、前記複数の荷重センサは、前記上プレートおよび前記下プレートの双方に固定されていることが好ましい。

さらに、本発明のプレス成形荷重の測定装置にあっては、前記複数の荷重センサには、前記サポートピンによって予荷重が加えられていることが好ましい。

さらに、本発明のプレス成形荷重の測定装置にあっては、前記下プレートはその上面に前記荷重センサの底部を収容する複数の凹部を有することが好ましい。

さらに、本発明のプレス成形荷重の測定装置にあっては、前記下プレートはその下面に上金型保持具と係合する、前記保持部としてのＴ溝を有することが好ましい。

また、本発明のプレス成形荷重の測定方法は、上記課題を解決するため、プレス機械のスライドと上金型との間に、本発明のプレス成形荷重の測定装置を設置し、プレス機械で被成形品をプレスした際のプレス成形荷重を前記複数の荷重センサにより測定するものである。

なお、本発明のプレス成形荷重の測定方法にあっては、プレス金型の大きさおよび／または形状に応じて前記荷重センサの配置を変更するのが好ましい。

本発明によれば、プレス金型の大きさが異なっても、プレス金型に発生する分布荷重およびトータル荷重を簡便かつ高精度に測定することが可能なプレス成形荷重の測定装置および方法を提供することができる。また、下プレートの下面に保持部を設け、該保持部を介して上金型を下プレートに直接、吊り下げ保持する構成としたので、上金型をスライドに固定するための専用の冶具が不要であり、プレス金型のサイズ変更にも容易に対応することができる。

本発明の一実施形態のプレス成形荷重の測定装置を、それが装着されるプレス機械とともに示す概略正面図である。 図１の測定装置の外観を示す分解斜視図である。 図１の測定装置の斜視図である。 本発明の他の実施形態のプレス成形荷重の測定装置における下プレートを示す斜視図である。 下プレートに形成される凹部の異なる配置例を示した平面図である。 図４の測定装置において、荷重センサの配置例を示す図である。 図４の測定装置において、荷重センサの他の配置例を示す図である。 図４の測定装置を用いて被成形品を実際にプレス成形したときの荷重分布の測定結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態のプレス成形荷重の測定装置（以下、単に「測定装置」ともいう。）を、それが装着されるプレス機械とともに示す概略正面図であり、図２は図１の測定装置の外観を示す分解斜視図であり、図３は図１の測定装置の斜視図である。

図１に示すように、プレス機械Ｐ１０は、フレームＰ１２と、フレームＰ１２の下部に固定されるボルスタＰ１４と、フレームＰ１２内にボルスタＰ１４に対して近接、離間方向に移動可能に設けられたスライドＰ１６と、スライドＰ１６をボルスタＰ１４に対して近接、離間移動させる図示されない駆動機構と、プレス金型Ｐ１８とを備えている。駆動機構は、モーターの回転運動をクランク機構などを用いて往復運動に変える機械式でも、液体に圧力をかけてスライドＰ１６を動作させる液圧式のどちらでもよい。

ボルスタＰ１４の上面にはプレス金型Ｐ１８の下金型Ｐ１８Ｌが固定される。スライドＰ１６は、実施形態の測定装置１０を介して上金型Ｐ１８Ｕを保持する。測定装置１０は、スライドＰ１６の下面（ボルスタＰ１４に対向する面）に形成された、通常はプレス金型Ｐ１８の上金型Ｐ１８Ｕを吊り下げ保持するＴ溝Ｐ１６ａに保持されている。また、プレス機械Ｐ１０は、ボルスタＰ１４側にブランクホルダ（しわ押さえ）Ｐ２２と、図示しないダイクッションからの力をブランクホルダＰ２２に伝達するクッションピンＰ２４とを備えている。

図２に示すように、測定装置１０は金属製、例えば鋼製の上プレート１２および下プレート１４と、上プレート１２および下プレート１４間に配置された複数の圧縮型の荷重センサ１６（ロードセル）と、上プレート１２および下プレート１４を連結する複数のサポートピン１８とを備えている。

下プレート１４はその下面に保持部としての複数のＴ溝２０を有している。Ｔ溝２０は、スライドＰ１６の下面に形成されたＴ溝Ｐ１６ａに対応する位置、大きさで形成されていることが好ましい。このＴ溝２０には、プレス金型の上金型Ｐ１８Ｕに固定された上金型保持具としてのクランプ（図１参照）Ｐ２６が着脱可能に係合される。また、下プレート１４の上面には、荷重センサ１６を固定できるよう各荷重センサ１６に対してそれぞれ６つのねじ穴２２が形成されている。しかし、ねじ穴２２の数はこれに限定されない。また、図示例では、荷重センサ１６を最大で１３個配置できるようにねじ穴２２が形成されているが、荷重センサ１６の数もこれに限定されない。下プレート１４の周縁部には、サポートピン１８を挿通させる座ぐり穴２４が形成されている。座ぐり穴２４は、下プレート１４のＴ溝２０および荷重センサ１６と干渉しない位置に形成される。

上プレート１２はその周縁部に、スライドＰ１６の下面に形成されたＴ溝Ｐ１６ａと係合するクランプ２６（図１参照）を挿通させる複数の切欠き２８が形成されている。各切欠き２８は、図１に示すようなプレス機械Ｐ１０への装着状態においてスライドＰ１６のＴ溝Ｐ１６ａに対応する位置に配置されている。クランプ２６は、例えば、Ｔ溝Ｐ１６ａと係合するヘッド部２６ａおよび該ヘッド部２６ａにつながり雄ねじが形成されたロッド部２６ｂからなるＴスロットボルトと、該Ｔスロットボルトのロッド部２６ｂに螺着されるナット２６ｃとからなる。

また、上プレート１２の周縁部にはサポートピン１８が螺着される複数のねじ穴３０が形成されている。上プレート１２の周縁部の内側には、荷重センサ１６を上プレート１２に固定する図示しないねじが挿通される座ぐり穴３２が形成されている。座ぐり穴３２は各荷重センサ１６に対してそれぞれ６つ形成されている。しかし、座ぐり穴３２の数はこれに限定されない。

サポートピン１８は、上プレート１２と下プレート１４とを連結するとともに、上プレート１２に対して、下プレート１４および上金型Ｐ１８Ｕの吊り下げ方向の重量を保持するものであり、上プレート１２のねじ穴３０にねじ込まれるボルト１８ａと、緩み止めナット１８ｂとからなる。緩み止めナット１８ｂは、荷重センサ１６に加える予荷重の調整後に、上プレート１２の下面に圧接される。

荷重センサ１６は、力の大きさを電気信号に変換して図示しないコンピュータ等に出力するものである。荷重センサ１６の個数および配置は、プレス金型Ｐ１８の各部位に発生する分布荷重を測定できるようプレス金型Ｐ１８の大きさや形状に応じて適宜決定することができる。また、図示例では、荷重センサ１６は円柱形状を有しているが、これに限らず角柱形状等であってよい。

図３は組み立て後の測定装置１０を示している。上プレート１２と下プレート１４はサポートピン１８によって連結されている。上プレート１２と下プレート１４との間に配置された荷重センサ１６には、サポートピン１８の上プレート１２へのねじ込みにより所定の予荷重が加えられている。

次に、このように構成される測定装置１０を用いて、プレス金型Ｐ１８の各部位に発生する分布荷重を測定する、この発明の一実施形態のプレス成形荷重の測定方法について説明する。まず、下プレート１４の上に所要数の荷重センサ１６をプレス成形荷重を測定したい位置に配置するとともに、下プレート１４にねじで固定する。次に、荷重センサ１６の上に上プレート１２を配置し、上プレート１２を荷重センサ１６にねじで固定する。次に、上プレート１２と下プレート１４をサポートピン１８で連結するとともに、荷重センサ１６に所定の予荷重が加わるようにサポートピン１８のねじ込み量を調整し、所定の予荷重が得られた後、緩み止めナット１８ｂを上プレート１２の下面に対して締め付ける。次に、組み立てられた測定装置１０をプレス機械Ｐ１０のスライドＰ１６の下面にクランプ２６を用いて固定する。次に、測定装置１０の下プレート１４にクランプＰ２６を介して上金型Ｐ１８Ｕを固定する。そして、上金型Ｐ１８Ｕと下金型Ｐ１８Ｌとの間に被成形品を投入し、通常のプレス加工と同様にしてプレス加工を行う。この際、上プレート１２と下プレート１４との間に複数個配列された荷重センサ１６により、分布荷重およびトータル荷重が測定される。トータル荷重は個々の荷重センサ１６により測定される荷重の合計である。プレス金型Ｐ１８が変更される場合には、測定装置１０をプレス機械Ｐ１０から一旦取り外し、プレス金型Ｐ１８の大きさ、形状に応じて荷重センサ１６の配置を変更し、再度組み立てた後、先の手順に従ってプレス機械Ｐ１０に装着すればよい。

したがって、この実施形態の測定装置１０によれば、測定装置１０はスライドＰ１６と上金型Ｐ１８Ｕとの間に配置されるので、プレス機械Ｐ１０下部に設置されるブランクホルダＰ２２やクッションピンＰ２４等との干渉を考慮する必要なく、プレス成形時の分布荷重およびトータル荷重を測定することができる。また、荷重センサ１６の配置および個数を適宜変更することができるので、大きさや形状の異なるプレス金型Ｐ１８においても成形荷重を測定することができる。

また、荷重センサ１６には、サポートピン１８によって予荷重が加えられているため、例えば、プレス成形時における上金型Ｐ１８Ｕと下金型Ｐ１８Ｌとの食い込みにより、引張り荷重が発生した際にはサポートピン１８にこれを引き受けさせて、引張り荷重によって荷重センサ１６が破損したり上金型Ｐ１８Ｕが落下したりする事態を防止することができる。さらに、サポートピン１８によって荷重センサ１６に予荷重が加えられていることで、荷重センサ１６と上プレート１２および下プレート１４とを隙間無く接触させることができるため、プレス成形時にプレス金型Ｐ１８、特に上金型Ｐ１８Ｕが弾性変形して撓んだ際に発生する引張り荷重の検出も可能となる。

図４は、この発明の他の実施形態の測定装置１０を示す斜視図であり、上プレート１２およびサポートピン１８は先の実施形態のものと同じであるため図示を省略している。この実施形態の測定装置１０は、下プレート１４がその上面に荷重センサ１６の底部を収容する複数の凹部３４を有する点で先の実施形態の測定装置１０と異なる。

このように下プレート１４の上面に荷重センサ１６の底部を収容する凹部３４を設けることにより、下プレート１４上に荷重センサ１６を配置する際の位置決めを容易に行うことができるとともに、プレス成形時の下プレート１４の微小な弾性変形に起因した荷重センサ１６の位置ずれを防止することができる。この点に関し、凹部３４の深さは、０．５ｍｍ〜５ｍｍの範囲内とすることが好ましい。

なお、図示例では、円柱形状の荷重センサ１６に適合させるため凹部３４の形状を円形としているが、凹部３４の形状はこれに限定されず、例えば荷重センサ１６の形状が角柱形状の場合には矩形とすることができる。

また、凹部３４の配置は特に限定されず、成形対象とするプレス部品の形状等に応じて決めることができる。例えば、凹部３４はプレス成形中にしわが発生する部位や入り組んだ複雑な形状を有する部位など高い成形荷重が発生すると予想される部位の直上に配置すると良い。また、凹部３４は図５（ａ）に示すように等間隔で配置してもよいが、図５（ｂ）に示すように互い違い、つまり正面視または側面視で凹部３４が部分的に重なるように配置してもよく、これによれば、凹部３４同士の間隔を小さくして荷重の測定位置の間隔を狭めることができる。さらに凹部３４は、図５（ｃ）に示すように隣り合う凹部３４とつながり、その重なり合う部分を共有するようにしてもよい。その際、各凹部３４の形状が円形である場合には、円周上の異なる２つ以上の円弧部分が残るように凹部３４をつなげることが好ましく、凹部３４の形状が四角形などの多角形である場合には、異なる３辺における各１点以上が残るように凹部３４をつなげることが好ましく、このようにすれば荷重センサ１６の位置決めは容易となる。

図４に示す例では、凹部３４は１３個設けられているが、凹部３４の数はこれに限定されない。また、荷重センサ１６は、最左列で正面側および背面側に２つ、中央列で正面側および背面側に２つ、最右列で正面側および背面側に２つの計６つ配置されているが、荷重センサ１６の個数および配置はプレス金型Ｐ１８の大きさや形状に応じて適宜に変更することができる。

図６は、荷重センサ１６の他の配置例を示している。この配置例では、荷重センサ１６は、最左列で正面側および背面側に２つ、中央列で中央に１つ、最右列で正面側および背面側に２つの計５つ配置されている。

図７に示す荷重センサ１６のさらに他の配置例では、荷重センサ１６は、左列（最左列と中央列との間の列）に２つ、中央列で正面側および背面側に２つ、右列（最右列と中央列との間の列）に２つの計６つ配置されている。

以下に、自動車用センターピラーを対象にした本発明の実施例を示す。高強度鋼板(強度レベル９８０ＭＰａ、板厚１．６ｍｍ)を用いて、自動車用センターピラーのプレス成形時の成形荷重測定試験を実施した。測定装置１０としては、図４に示した下プレート１４に荷重センサ１６用の凹部３４を備えたものを使用した。荷重センサ１６の個数および配置は、図４と同じに、最左列で正面側および背面側に２つ、中央列で正面側および背面側に２つ、最右列で正面側および背面側に２つの計６つ配置した。この測定装置１０をプレス機械Ｐ１０のスライドＰ１６と上金型Ｐ１８Ｕとの間に装着し、プレス金型Ｐ１８の上金型Ｐ１８Ｕと下金型Ｐ１８Ｌとの間に被成形品をセットした後、通常どおりにプレス成形を行い、自動車用センターピラーを製造した。

図８は、被成形品を実際にプレス成形したときの荷重分布の測定結果であり、（ａ）はプレス金型の背面側（奥側）位置での荷重分布を示し、（ｂ）はプレス金型の正面側（手前側）位置での荷重分布を示し、（ｃ）はプレス金型に発生するトータル荷重を示している。図８（ａ）において、「Back Center(Ａ)」は背面側における中央位置での測定荷重を示し、「Back Left (Ｂ)」は背面側における左位置での測定荷重を示し、「Back Right (Ｆ)」は背面側における右位置での測定荷重を示し、図８（ｂ）において、「Front Center(Ａ)」は正面側における中央位置での測定荷重を示し、「Front Left(Ｂ)」は正面側における左位置での測定荷重を示し、「Front Right(Ｆ)」は正面側における右位置での測定荷重を示し、図８（ｃ）において、「Total」はトータル荷重を示している。この試験結果からも、本発明により、プレス金型に発生する分布荷重およびトータル荷重を簡便かつ高精度に測定することが可能であることが分かる。

本発明によれば、プレス金型の大きさが異なっても、プレス金型に発生する分布荷重およびトータル荷重を簡便かつ高精度に測定することが可能なプレス成形荷重の測定装置および方法を提供することができる。

１０ 測定装置
１２ 上プレート
１４ 下プレート
１６ 荷重センサ
１８ サポートピン
２０ Ｔ溝
２２ ねじ穴
２４ 座ぐり穴
２６ クランプ
２８ 切欠き
３０ ねじ穴
３２ 座ぐり穴
３４ 凹部
Ｐ１０ プレス機械
Ｐ１２ フレーム
Ｐ１４ ボルスタ
Ｐ１６ スライド
Ｐ１８ プレス金型
Ｐ１８Ｕ 上金型
Ｐ１８Ｌ 下金型

Claims (8)

1. プレス成形荷重の測定装置であって、
   プレス機械のスライドに着脱自在に固定される上プレートと、
   下面に上金型を吊り下げ保持する保持部を有し、該保持部を介して上金型がセットされる下プレートと、
   前記上プレートと前記下プレートとを連結するとともに、前記上プレートに対して、前記下プレートおよび前記上金型の吊り下げ方向の重量を保持する複数のサポートピンと、
   前記上プレートと前記下プレートとの間に配置された複数の荷重センサとを備えることを特徴とするプレス成形荷重の測定装置。
2. 前記サポートピンは、前記上プレートおよび前記下プレートの、前記複数の荷重センサが配置される領域の外側に配置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荷重の測定装置。
3. 前記複数の荷重センサは、前記上プレートおよび前記下プレートの双方に固定されていることを特徴とする、請求項１または２に記載のプレス成形荷重の測定装置。
4. 前記複数の荷重センサには、前記サポートピンによって予荷重が加えられていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一項に記載のプレス成形荷重の測定装置。
5. 前記下プレートはその上面に前記荷重センサの底部を収容する複数の凹部を有することを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一項に記載のプレス成形荷重の測定装置。
6. 前記下プレートはその下面に上金型保持具と係合する、前記保持部としてのＴ溝を有することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一項に記載のプレス成形荷重の測定装置。
7. プレス成形荷重の測定方法であって、
   プレス機械のスライドと上金型との間に、請求項１から６までのいずれか一項に記載のプレス成形荷重の測定装置を設置し、
   プレス機械で被成形品をプレスした際のプレス成形荷重を前記複数の荷重センサにより測定することを特徴とするプレス成形荷重の測定方法。
8. プレス金型の大きさおよび／または形状に応じて前記荷重センサの配置を変更することを特徴とする、請求項７に記載のプレス成形荷重の測定方法。