JP2020001042A - プレス成形評価試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プレス成形時に板材と金型の間に生じるかじりや凝着を精細に発生させられるプレス成形評価試験装置を提供する。【解決手段】本発明は、プレス成形時にかじりまたは凝着を生じる条件を評価するために用いるプレス成形評価試験装置（Ｓ）である。所定角をなす第１平面部（３１）および第２平面部（３２）と、それらの間を滑らかに接続する凸状の曲面部（３３）とを有し、少なくとも曲面部の一部で帯状の試験片（Ｔ）が摺接し得る摺接型（３）と、第１平面部の後方側にあり摺接型に張架された試験片の後端側を把持すると共に試験片に後方張力を印加できる把持手段（１）と、第２平面部の先方側にあり摺接型に張架された試験片の先端側を把持すると共に試験片を先方へ牽引する牽引手段（２）とを備える。摺接型は、さらに、試験片側へ突出して試験片と摺接する略球状曲面からなる頭部を有する突出ピン（３４）を曲面部に備える。【選択図】図１

Description

本発明は、板材とプレス型（金型）の間で生じ得るかじり・凝着を模擬的に発生させて、それらの生じる条件を評価するために用いるプレス成形評価試験装置に関する。

自動車や家電製品などには、多くのプレス成形品が用いられている。プレス成形時、割れや皺等が生じないことに加えて、かじりや凝着が生じないことも重要である。プレス成形品の表面にかじり（引っかき傷状の欠陥）が生じると、通常、そのプレス成形品は不良品となり、歩留まりが悪化する。また、プレス型（金型）の表面に凝着が生じると、成形性の低下や型寿命の低下を招く。

そこで、かじりや凝着（以下、両者を併せて単に「かじり」という。）を生じない条件範囲で、プレス成形に用いる金型設計や工程設計がなされることが望まれる。このような条件範囲は、素材（板材）の材質や成形条件（温度、速度等）により変化する。種々の素材や成形条件について、実物をプレス成形する前に、かじりの発生やかじりを生じる条件等が予めわかると、好都合である。かじりに関する評価方法が種々提案されており、例えば、下記の特許文献に関連する記載がある。

特開２００６−２５５７４１号公報 特開２０１０−１６７４３７号公報

特許文献１の評価方法（装置）では、押し付け手段と引き抜き手段を別々に設ける必要があり、装置の大型化や複雑化を招く。特許文献２の評価方法では、かじりを生じる条件範囲を詳細に求めることができない。

本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、かじりを生じる条件範囲を適切に評価できるプレス成形評価試験装置を提供することを目的とする。

本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、突出ピンを組み込んだ特定形状の摺接型を用いて、試験片を摺動させつつ曲げ・曲げ戻し変形させ、かじりを生じる条件範囲を的確に評価できることを新たに見出した。この成果を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。

《プレス成形評価試験装置》
本発明は、プレス成形時にかじりまたは凝着を生じる条件を評価するために用いるプレス成形評価試験装置であって、所定角をなす第１平面部および第２平面部と、該第１平面部と該第２平面部の間を滑らかに接続する凸状の曲面部とを有し、少なくとも該曲面部の一部で帯状の試験片が摺接し得る摺接型と、該第１平面部の後方側にあり該摺接型に張架された試験片の後端側を把持すると共に該試験片に後方張力を印加できる把持手段と、該第２平面部の先方側にあり該摺接型に張架された試験片の先端側を把持すると共に該試験片を先方へ牽引する牽引手段とを備え、前記摺接型は、さらに、該試験片側へ突出して該試験片と摺接する略球状曲面からなる頭部を有する突出ピンを前記曲面部に備えるプレス成形評価試験装置である。

本発明のプレス成形評価試験装置（単に「試験装置」という。）によれば、評価対象となる素材（板材）からなる帯状の試験片が、後方から先方へ移動する際に、突出ピンの頭部（略球状曲面の頂面）と確実に摺接しつつ、曲げ・曲戻しされる。このような状況は、実際のプレス成形において、素材が金型の肩部（例えば、ダイの開口縁部やパンチの頭縁部、特にその丸め部分）と摺接しつつ曲げ・曲戻し変形する様子を模擬的に再現したものとなっている。

また、把持手段による後方張力、牽引手段による試験片の移動速度（摺動速度）、突出ピンの形態（例えば、頂面の曲率半径や表面粗さ、曲面部表面からの突出量）等を調整することにより、プレス成形を模擬した様々な条件を効率的に設定できる。従って、本発明の試験装置によれば、かじりを生じる条件範囲を効率的に画定することも可能となる。

《その他》
（１）本発明は、上述した試験装置を用いたプレス成形のかじり評価方法またはかじり試験方法としても把握できる。

（２）本明細書では、説明の便宜上、試験片の移動方向に沿って、上流方向（把持手段により把持される側）を後方、下流方向（牽引手段により把持される側）を先方という。

（３）特に断らない限り本明細書でいう「ｘ〜ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ〜ｂ」のような範囲を新設し得る。

試験装置の全体を模式的に示す概要図である。 摺接型を示す中央断面図である。 実物の突出ピンとそれを組み込んだ摺接型とを示す写真である。 突出ピンが有る試験装置を用いて行ったかじり試験後の試験片の写真である。 突出ピンが無い試験装置を用いて行ったかじり試験後の試験片の写真である。 突出ピンが有る試験装置を用いて行ったかじり試験後の試験片の幅方向の粗さ曲線である。 突出ピンが無い試験装置を用いて行ったかじり試験後の試験片の幅方向の粗さ曲線である。 かじり試験後の突出ピンの頂面を観察した写真である。 かじり試験後の突出ピンの頂面を測定した粗さ曲線である。

上述した本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成要素を付加し得る。本明細書で説明する内容は、本発明の試験装置のみならず、それを用いた試験方法や評価方法にも適宜該当する。いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。

《摺接型》
（１）摺接型は、所定角をなす二つの平面部とそれらの間を滑らかに接続する曲面部と曲面部に配設された突出ピンとを備える。帯状の試験片は、それらの表面上に押し付けられて摺動しつつ、曲げ・曲げ戻し変形を受けることにより、特定条件下でかじりを生じ得る。

両平面部がなす所定角（内角）は、例えば、略直角とするとよい。所定角は、厳密に９０°でなくてもよく、９０°前後（例えば８５°〜９５°さらには８８°〜９２°）でもよい。曲面部は、それら両平面部により形成される仮想的な角部を丸め面取りした部分（いわゆる角アール部）と考えることもできる。また、両平面部と曲面部からなる部分は、実際のプレス成形型の肩部（ダイの開口内周縁部やパンチの頭部外周縁部等）に相当すると考えることもできる。

試験片には、それが架け渡された摺接型を介して、把持手段による後方張力と牽引手段による先方への牽引力（先方張力／パンチによる成形荷重に相当）が印加される。このため、摺接型へ押し付ける手段等は特別に必要ない。つまり、上述した各張力により、試験片は、摺接型に押し付けられて、摺接型上を摺動しつつ、曲げ・曲げ戻し変形を受ける。

（２）摺接型は、さらに、曲面部に突出ピンを備える。摺接型上を摺動する試験片は、少なくとも突出ピンと強く接触する。このため、突出ピンと試験片の間で、確実にかじりを発生させ易くなる。突出ピンの頭部が曲面部の表面から突き出す高さ（突出量）は、例えば、０．１〜２ｍｍさらには０．３〜１ｍｍ程度でもよい。

突出ピンの突出量、頂面の表面粗さ等を変化させることにより、かじりを生じる条件範囲を調整できる。このような調整は、形態（突出量、表面粗さ等）の異なる突出ピンを多数用意しておき、突出ピンを着脱交換することで、容易かつ安価に行える。なお、突出量の調整だけなら、突出ピンの着脱交換以外に、取付け部に厚さの異なるスペーサを介在させても行える。勿論、油圧シリンダー等のアクチュエーターを用いて突出量を連続的または精緻に調整してもよい。

突出ピンの配置は、例えば、第１平面部と第２平面部がなす所定角の中央位置に配設されるとよい。その所定角が上述した略直角である場合なら、突出ピンは、その中心（軸線）が、一方の平面部に対して４５°前後（例えば４２°〜５３°さらには４４°〜４６°）となるように配設されるとよい。

かじりの発生の有無は、通常、素材が滑らかな金型表面を摺動する場合を前提としている。このため本発明の試験装置でも、突出ピンの頭部の外周縁が試験片に引っ掛かるような状況は好ましくない。このため突出ピンは、頭部の頂面だけで試験片と接触するように、頭部の外周縁は曲面部の表面から突出しないように配置されるとよい。

《その他》
（１）本発明の試験装置は、冷間プレス成形に限らず、温間プレス成形や熱間プレス成形で生じ得るかじりも対象としてもよい。また、冷間プレス成形でも、プレス成形が繰り返しなされることにより型温度は上昇する。このような状況を再現できるように、本発明の試験装置は、摺接型（特に突出ピン）や試験片の昇温、温度調整または温度管理が可能であると好ましい。少なくとも、突出ピンの頭部の温度（試験開始前の初期温度）を調整できる温度調整手段が設けられると好ましい。

（２）かじりの発生や程度は、摺動速度（滑り速度）、温度、潤滑状態等の他、接触面圧の影響も大きい。そこで、試験片と摺接型の間に作用する押圧力を測定できる押圧力測定手段があると好ましい。また、牽引手段による試験片の牽引力を測定できる牽引力測定手段もあると好ましい。さらに把持手段が、後方張力を測定できる後方張力測定手段を備えると好ましい。これらの測定により、各試験条件下で、試験片に作用する張力等と押圧力の関係を明らかにすることもできる。

本発明の試験装置は、試験片と摺接型の摺動速度を測定できると好ましい。例えば、単位時間あたりにおける試験片の移動量または牽引手段のストローク量等が測定されると、摺動速度がわかる。

試験片にかじりを生じる条件範囲を明らかにできる試験装置を製作した。この試験装置を用いて、種々のかじり評価試験を行った。このような具体例を挙げつつ、以下に本発明をさらに詳しく説明する。

《試験装置》
製作した試験装置Ｓの模式図を図１に示した。試験装置Ｓは、把持手段１と、牽引手段２と、摺接型３と、保持手段４と、基台５を備える。

把持手段１は、帯状の板材からなる試験片Ｔの後端部をビード１１１を介して把持する把持具１１と、把持具１１に後方張力を印加できる油圧シリンダー１２と、油圧シリンダー１２と把持具１１を仲介するロッド１２１と、油圧シリンダー１２により駆動されるロッド１２１を後方へ案内する水平スライダー１３と、把持具１１とロッド１２１の間に配設されて試験片Ｔに作用している後方張力を検出する引張ロードセル１４とを備える。

牽引手段２は、試験片Ｔの先端部をビード２１１を介して把持する把持具２１と、把持具２１に先方張力（牽引力）を印加できる油圧シリンダー２２と、油圧シリンダー２２により駆動されて把持具２１を先方へ押し下げるパンチ２２１と、パンチ２２１を先方へ案内する垂直スライダー２３と、油圧シリンダー２２とパンチ２２１の間に配設され試験片Ｔに作用する先方張力（牽引力）を検出する圧縮ロードセル２４とを備える。

摺接型３は、平面部３１（第１平面部）、平面部３２（第２平面部）、曲面部３３と、突出ピン３４とを備える略角柱状をしている。

摺接型３は、図２Ａに示すように、突出ピン３４と突出ピン３４を取り付ける取付部３５を有する。取付部３５は、略円筒状の収容部３５２と、雌ねじ３５３と、熱電対を嵌挿する貫通穴３５４を有する。取付部３５の中心（軸心）は、平面部３１と平面部３２のなす直角（所定角）の中央（４５°）方向に延在しており、収容部３５２の開口３５１は曲面部３３の中央に配置されている。

突出ピン３４は、図２Ｂに示すように、略球面状の頂面３４１１を有する頭部３４１と、略円柱状の胴部３４２と、雄ねじ３４３と、雄ねじ３４３の先端から頂面３４１１の近傍まで内部が穿孔された袋穴３４４を有する。突出ピン３４は、胴部３４２の下端面を収容部３５２の底面に当接させ、雄ねじ３４３を雌ねじ３５３に螺合させて固定される。袋穴３４４には、貫通穴３５４から挿通した熱電対が嵌挿されて固定される。なお、熱電対の固定は、袋穴３４４内に導電性樹脂材料を充満させ、入口をエポキシ樹脂で硬化させてなされる。

図２Ａ、図２Ｂ（両者を併せて単に「図２」という。）に示すように、突出ピン３４の頂面３４１１は取付部３５の開口周縁３５１２から突出している。一方、突出ピン３４の外周縁３４１２はその開口周縁３５１２から突出していない。このため試験片Ｔは、突出ピン３４の頂面３４１１と摺接しても、その外周縁３４１２にひっかかることはない。

保持手段４は、固定具４１と、棒状ヒータを内蔵した加熱体４２（温度調整手段）と、断熱体４３と、受圧体４４と、圧縮ロードセル４５と、リニアガイド４６とを備える。固定具４１は水冷される。固定具４１と加熱体４２の間は断熱体４３により遮熱される。摺接型３は、加熱体４２により所定温度に設定可能となっている。摺接型３に作用する試験片Ｔの押付荷重は、受圧体４４と圧縮ロードセル４５（押圧力測定手段）により検出される。

基台５は、水平支持台５１と、垂直支持台５２と、傾斜支持台５３、５４とを備える。摺接型３および保持手段４は、水平支持台５１上に設けられた傾斜支持台５３、５４により支持されている。牽引手段２は、垂直支持台５２により支持されている。

なお、試験装置Ｓとは別に、摺接型３の曲面部３３に突出ピン３４と取付部３５を設けない試験装置Ｓｃも用意した。但し、それら以外の共通する部材（構成）については、便宜上、試験装置Ｓと試験装置Ｓｃで同符号を用いて説明する。

《かじり試験》
試験装置Ｓと試験装置Ｓｃを用いて、次のような条件下で試験片と摺接型を摺接させる試験を行った。得られた結果を図３Ａ〜図６に示した。具体的にいうと、次の通りである。

（１）試験条件（共通）
試験片 … 材質：高張力鋼板（SPC440）、サイズ：335mm×15mm×ｔ1.4mm
潤滑油 … プレス洗浄防錆油（試験片の摺接表面に付着）、付着量：7.5g/m²
摺接型 … 材質：合金工具鋼（SKD11）、曲面部の曲率半径：10mm
表面粗さ（Ｒｚ）：0.3μｍ
突出ピン… 材質：合金工具鋼（SKS3）、表面処理：Ｃｒメッキ
胴部のサイズ：φ８mm×９．２mm、頂面の曲率半径：７mm
突出量：0.5mm（曲面部表面から突き出した頂面の最大高さｈ）
頂面の初期表面粗さ（Ｒｚ）：1.2μｍ
摺動速度… 50 mm/s
後方張力… ２kNまたは７kN
パンチ２２１の下降量… 120mm
摺接型の平面部３２とパンチ２２１とのクリアランス… 1.85mm（板厚1.4mm＋0.45mm）

（２）試験結果
試験装置Ｓの突出ピン３４の初期温度または試験装置Ｓｃの曲面部３３の初期温度を、２０℃、８０℃、１４０℃または２００℃のいずれかに設定して、試験片Ｔを摺接型３に押し付けつつ摺動させた。こうして得られた各試験片Ｔの表面を観察した写真を図３Ａ（突出ピン：有）と図３Ｂ（突出ピン：無）にそれぞれ示した。なお、各初期温度は、突出ピンの頂面近傍または曲面部の表面近傍に埋め込んだ熱電対により測定した。温度調整は、その測定温度に基づいて、加熱体４２を制御して行った。

また、試験後の各試験片の表面を幅方向に、表面粗さ測定機で測定した粗さを曲線を図４Ａ（突出ピン：有）と図４Ｂ（突出ピン：無）にそれぞれ示した。

さらに、試験後の突出ピン３４の各表面を観察した写真と、それら各表面を測定した粗さを曲線を図６に示した。

《評価》
図３Ａ、図３Ｂ（両者を併せて単に「図３」という。）と図４Ａ、図４Ｂ（両者を併せて単に「図４」という。）から明らかなように、突出ピンを設けることにより、低温域から高温域にかけて、程度の異なるかじりを発生させることができた。従って、試験装置Ｓを用いると、かじりを発生する条件を精細に検討し易くなる。

一方、突出ピンを設けない場合（試験装置Ｓｃを用いた場合）、後方張力を７ｋＮまで大きくしているにも拘わらず、２００℃でもかじりが発生しなかった。

図５、６から明らかなように、試験装置Ｓを用いると、試験片に生じるかじりと併せて、突出ピン側（金型側）に凝着を生じる条件も精細に検討できることがわかった。

《まとめ》
突出ピンの頭部形状（頂面や肩の丸め形状）、突出量、後方張力等を調整することにより、突出ピンと試験片の間に作用する接触面圧等を種々変更できる。このようなかじり条件の変更は、廉価な突出ピンの取り替えにより容易に行える。従って、本発明の試験装置を用いると、多種多様な条件下で数多くの評価試験を効率的に低コストで行うことが可能となる。

多くの試験結果に基づいて、かじりを生じる影響要因を定量化または定式化できれば、プレス成形時にかじりを生じる範囲の予測（かじり予測）が可能となる。また、かじりを生じる範囲を回避して、金型設計や工程設計（プレス成形の条件設定等）を行うことにより、設計作業が効率化されると共に、健全なプレス成形品を安定的または低コストで得ることが可能となる。

一例として、自動車ボディの内外板をプレス成形する場合に、金型（ダイス、パンチ等）の肩部（いわゆる丸アール部）や成形品突起部等で、かじりや凝着を生じるか否かの評価を本発明の試験装置により模擬的に行うことが可能となる。

１ 把持手段
２ 牽引手段
３ 摺接型
３１ 第１平面部
３２ 第２平面部
３３ 曲面部
３４ 突出ピン
Ｔ 試験片

Claims (6)

1. プレス成形時にかじりまたは凝着を生じる条件を評価するために用いるプレス成形評価試験装置であって、
   所定角をなす第１平面部および第２平面部と、該第１平面部と該第２平面部の間を滑らかに接続する凸状の曲面部とを有し、少なくとも該曲面部の一部で帯状の試験片が摺接し得る摺接型と、
   該第１平面部の後方側にあり該摺接型に張架された試験片の後端側を把持すると共に該試験片に後方張力を印加できる把持手段と、
   該第２平面部の先方側にあり該摺接型に張架された試験片の先端側を把持すると共に該試験片を先方へ牽引する牽引手段とを備え、
   前記摺接型は、さらに、該試験片側へ突出して該試験片と摺接する略球状曲面からなる頭部を有する突出ピンを前記曲面部に備えるプレス成形評価試験装置。
2. 前記突出ピンは、前記頭部の外周縁が前記曲面部の表面から突出していない請求項１に記載のプレス成形評価試験装置。
3. 前記突出ピンは、前記所定角の中央位置に配設される請求項１または２に記載のプレス成形評価試験装置。
4. 前記突出ピンは、着脱による交換が可能である請求項１〜３のいずれかに記載のプレス成形評価試験装置。
5. 少なくとも前記突出ピンの頭部の温度を調整できる温度調整手段を備える請求項１〜４のいずれかに記載のプレス成形評価試験装置。
6. 前記試験片と前記摺接型の間に作用する押圧力を測定できる押圧力測定手段を備える請求項１〜５のいずれかに記載のプレス成形評価試験装置。