JP2020001068A - 穴広げ試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ひずみ履歴（平面ひずみ）を有する試験片についても、プレス成形性等を的確に評価できる新たな穴広げ試験方法を提供する。【解決手段】本発明は、端部が把持された試験片（１２）の穴（１２３）へポンチ（Ｐ）を押し込んで、穴縁に割れを生じる条件等を評価するために行う穴広げ試験方法である。試験片には、試験前に予め平面ひずみが付与されている。試験片の穴は、平面ひずみの最大主ひずみ方向を長軸とする楕円穴である。ポンチは、中心軸に直交する断面が楕円となる側面を有する楕円錐ポンチである。穴広げ試験は、楕円錐ポンチの楕円の短軸を平面ひずみの最大主ひずみ方向に配設してなされる。楕円穴と楕円錐ポンチは、例えば、長径に対する短径の比率である楕円率が０．７５〜０．９５であるとよい。本発明の穴広げ試験方法によれば、試験片の平面ひずみ領域に割れが生じ得る。【選択図】図７

Description

本発明は、プレス成形性を評価するために行われる穴広げ試験方法に関する。

プレス成形される鋼板等の伸びフランジ性を評価するため、従来から穴広げ試験が行われており、「金属材料の穴広げ試験方法」が日本工業規格（ＪＩＳ）にも規定されている（JIS Z 2256）。

具体的にいうと、穴広げ試験方法は次のようにしてなされる。先ず、試験片に開けた円形の（打抜き）穴を円錐状のポンチで押し広げる。次に、穴縁の少なくとも１カ所に、厚さ方向に貫通した割れが生じたときの穴径（ｄ１）を測定する。初期の穴径（ｄ０）に対する試験前後の穴径の拡大量（ｄ１−ｄ０）の比率（１００×（ｄ１−ｄ０）／ｄ０）、つまり穴広げ率（％）を算出する。穴広げ率が、プレス成形される金属材料の穴広げ限界または伸びフランジ性等の評価指標となる。穴広げ試験方法に関連する記載は、例えば、下記の特許文献にもある。

特開２０１７−１０９２２７号公報

特許文献１には、１次プレス成形後（予変形後）の対象材に対して、円錐ポンチで穴広げ試験を行う旨の記載がある。しかし、その穴広げ試験は、ＪＩＳ等に規定された従来通りの方法でなされている。

本発明者の研究によると、予変形を受けた試験片に対して、従来の方法で穴広げ試験を行った場合、本来生じるべき位置（領域内）に割れが生じないことがわかった。つまり、予変形等によるひずみを有する試験片の場合、従来の穴広げ試験方法では、適切な成形性の評価ができないことが明らかとなった。

本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、ひずみ履歴を有する試験片についても、穴広げ限界等を的確に評価できる新たな穴広げ試験方法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、試験片に設ける穴とその穴を押し広げるポンチ（治具）の形状を、従来から変更することにより、本来生じるべき位置（ひずみ領域内）に割れを発生させ得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。

《穴広げ試験方法》
（１）本発明は、端部が把持された試験片の穴へポンチを押し込んで穴縁に割れを生じさせる穴広げ試験方法であって、前記試験片には、試験前に予め平面ひずみが付与されており、前記試験片の穴は、該平面ひずみの最大主ひずみ方向を長軸とする楕円穴であり、前記ポンチは、中心軸に直交する断面が楕円となる側面を有する楕円錐ポンチであり、前記穴広げ試験は、該楕円錐ポンチの楕円の短軸を該平面ひずみの最大主ひずみ方向に配設してなされる穴広げ試験方法である。

（２）本発明の穴広げ試験方法（単に「試験方法」ともいう。）では、平面ひずみを有する試験片の楕円穴を、楕円錐ポンチで適切に広げる。これにより、試験片の穴の周方向にひずみ勾配を生じ、本来生ずべき特定領域（平面ひずみ領域）内に、割れ（クラック）を適正に生じさせることが可能となった。従って、本発明の試験方法によれば、予変形が付与された試験片についても、穴広げ限界（割れを生じときの穴径）等を的確に測定でき、穴広げ限界のひずみ履歴依存性等も適正に評価できるようになる。

また、本発明の試験方法により得られた試験結果を利用すれば、プレス成形の金型や工程を設計する際に予め行う事前評価（解析評価）の精度を高めることができ、ひいては、金型の製作や補修に要する時間や費用の低減、さらには成形品の低コスト化を図れるようになる。

《治具／試験片》
本発明は、上述した試験方法を行う際に用いる治具または試験片としても把握できる。例えば、本発明は、中心軸に直交する断面が楕円となる側面を有する楕円錐ポンチからなり、上述した試験に用いられる穴広げ試験用治具であってもよい。また本発明は、平面ひずみが付与されており、該平面ひずみの最大主ひずみ方向を長軸とする楕円穴を備えた穴広げ試験用試験片でもよい。

《その他》
（１）プレス成形される板材（試験片）のひずみ状態は、例えば、直交する各主軸方向に生じる主ひずみ（ε）を用いて表され得る。平面ひずみ（状態）は、厳密にいうと、最大主ひずみ（ε１）が正（＞０）で、最小ひずみ（ε２）が零の場合である。しかし、ひずみ比（εｒ＝｜ε２｜／ε１）が小さい場合、実質的に平面ひずみ状態と考えることができる。そこで本明細書では、０≦εｒ≦０．１であるときを「平面ひずみ（状態）」という。

本明細書では、説明の便宜上、適宜、最大主ひずみ方向をｘ方向、それに直交する方向（通常は最小主ひずみ方向）をｙ方向という。また、試験片に設ける穴の中心からｘ方向へ延在する軸をｘ軸、その中心からｙ方向へ延在する軸をｙ軸という。

円穴の大きさは、単に半径（Ｒ）または直径（φ）で示す。楕円穴の大きさは、長径と短径で示す。長径は、楕円により切り取られる長軸（線分）の長さの半分である。短径は、楕円により切り取られる短軸（線分）の長さの半分である。

（２）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。

試験片にプレス成形される前の板片を示す平面図である。 成形型とプレス成形過程を示す模式断面図である。 プレス成形された試験片を示す平面図である。 試験片の各部に生じるひずみ比を示すＣＡＥによる解析結果である。 穴広げ試験の実施過程を示す模式断面図である。 楕円錐ポンチを示す正面図、平面図および右側面図である。 実施例（本発明）に係る穴広げ試験結果を示す写真である。 比較例（従来）に係る穴広げ試験結果を示す写真である。

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、本発明の試験方法のみならず、それに用いる治具や試験片にも該当し得る。

《試験片》
（１）試験片は、通常、金属の板片からなる。板片は、評価対象に適した材質、板厚等を有する。例えば、厚さは０．５〜２ｍｍ程度の板材を加工した板片が試験片に供される。

楕円穴は、予変形（平面ひずみ）を付与した試験片に対して、切削加工、せん断（打抜き）加工、レーザー加工等を施して形成される。楕円穴の大きさ（径）は適宜選択され得る。例えば、短径（短軸半径：ｂ／短軸長：２ｂ）で５〜５０ｍｍさらには１０〜４０ｍｍとするとよい。

試験片の楕円穴は、長径に対する短径の比率である楕円率を、例えば、０．７５〜０．９５さらには０．８〜０．９とするとよい。楕円率が過小になると、従来の穴広げ試験との乖離が大きくなり、穴広げ限界の的確な評価が困難となる。楕円率が過大（つまり１近傍）であると、従来の穴広げ試験と同様となる。

（２）試験片の楕円穴は、平面ひずみの最大主ひずみ方向を長軸とするとよい。これにより、穴広げ試験後の割れが平面ひずみ領域に的確に発生し得る。

《楕円錐ポンチ》
（１）楕円錐ポンチ（単に「ポンチ」ともいう。）は、中心軸に直交する断面が楕円となる側面を有するものであれば、楕円錐体状でも楕円錐台状でもよい。中心軸は、各断面の楕円の中心の軌跡であり、（仮想）頂点から各断面への垂線でもある。

ポンチの楕円も、例えば、楕円率が０．７５〜０．９５さらには０．８〜０．９であるとよい。試験片の楕円穴とポンチの楕円（断面形状）は、楕円率が異なっていてもよいし、同じでもよい。

（２）試験片の楕円穴の一面側から他面側へポンチを移動させる。これにより、ポンチの側面は楕円穴と当接する。その結果、試験片の楕円穴はポンチの側面に沿って変形し、拡張する。この際、ポンチは、その楕円が平面ひずみの最大主ひずみ方向を短軸とする方向に配設されるとよい。つまり、試験片の楕円穴の長軸方向とポンチの楕円の長軸方向とを直交するように配置して、ポンチが試験片の楕円穴へ押し込まれるように、穴広げ試験を行うとよい。このような穴広げ試験により、平面ひずみ領域に、割れをより的確に発生させられる。

予変形（平面ひずみ）を付与した試験片に対して、従来の方法と本発明の方法により、穴広げ試験を行い、各試験結果を評価した。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。

《試験片》
（１）板片（ブランク材）
次のようにして、平面ひずみが付与された皿状の試験片を製作した。先ず、図１に示す板片１０（試験片となるブランク材）を用意した。板片１０は、厚さ０．９５ｍｍの板材（ＪＩＳ ＳＰＣＣ）を、図１に示す形状、寸法に切断および切削してなる。これらの加工は数値制御（ＮＣ）工作機械を用いて行った。後述する下穴（初期穴）の穿孔も同様である。ちなみに、板片１０の端部（図１の上下端部）に設けた一組の半円弧状の切欠き１０１、１０２により、プレス成形後（予変形後）の試験片１１は、平面ひずみが付与された状態となる。

平面ひずみを付与する切欠き１０１、１０２の平頭部に、ポンチ肩部での割れを回避しながら、大きなひずみを与えるために板片２０も用意した。板片２０は、厚さ１ｍｍの板材（ＪＩＳ ＳＰＣＣ）を、図１に示す形状、寸法に、板片１０と同様に加工してなる。板片２０は、半円弧状の切欠き２０１、２０２に加えて、中央部に穴２０３を有する。穴２０３は、板片１０から製作した試験片の穴広げ試験を阻害しない大きさとなっている。

（２）プレス成形
板片１０と板片２０を重ねた積層板３０を、図２に示すようにプレス成形した。具体的にいうと、次の通りである。先ず、積層板３０の両端部（切欠き１０１、１０２、２０１、２０２がない部分）を、皺押え面上に設けた直線状のビードｂを介して、ダイＤｄとホルダーＤｈで把持した。各部の形状、寸法は図２に示した通りである。

次に、ダイＤｄの円筒部に嵌挿する円柱状のポンチＤｐを、板片２０側から移動させた。こうして板片１０と板片２０はそれぞれ、外周側に略環状（φ１７０ｍｍ×φ４００ｍｍ）のフランジ部１１４、２１４を有する有底円筒状（φ１６０ｍｍ×深さ１８ｍｍ）の成形体１１、２１となり、それらの積層体である成形体３１が得られた。

成形体３１（成形体１１）の中央に、種々の大きさの下穴１２３（初期穴）を穿孔した。下穴１２３は、後述するように、円形状または楕円形状とした。穿孔後の成形体３１（「成形体３２」という。）を穴広げ試験に供した。但し、穴広げ試験の対象である試験片は、穿孔後の成形体１１（「成形体１２」という。）である。

《平面ひずみ》
（１）下穴１２３の大きさ（半径Ｒ１）を種々変更した成形体１２の各部に生じるひずみ状態を、ＣＡＥ（ＬＳ-ＤＹＮＡ）を用いて数値解析した。その結果を図４に示した。θ（横軸）は、図４に示すように設定したＸＹ座標のＸ軸からの回転角を示す。ひずみ比（縦軸）は、Ｘ方向のひずみ（εｘ）に対するＹ方向のひずみ（εｙ）の比率（εｙ／εｘ）である。

（２）図４から明らかなように、θ＝７７°〜９０°の範囲で、ひずみ比は０．１以下となった。また、そのθの範囲で、ひずみ比の変化は緩やかであった。従って、試験片（成形体１２）の特定領域（対称性を考慮すると、θ＝７７°〜１０３°または−７７°〜−１０３°となる範囲）は、実質的に平面ひずみ状態になるといえることがわかった。

《穴広げ試験》
（１）穴広げ試験は、図５に示すように行った。すなわち、先ず、成形体３２の両端部をダイＤｄとホルダーＤｈで挟持する。錐体状のポンチＰを成形体２１側から移動させて、ポンチＰの側面で成形体１２の下穴１２３を押し広げる。下穴１２３の内縁にクラックが生じたところで、ポンチＰの移動を終了する。なお、穴広げ限界や穴広げ率は、その試験後の穴径（または穴の最大径）を測定することにより求まる。

（２）穴広げ試験は、２種類のポンチＰをそれぞれ用いて行った。一つは、図６に示す楕円錐体状のポンチＰ１である。ポンチＰ１は、中心軸ｃに垂直な断面が楕円となる側面ｓを有する。もう一つは頂角６０°、底面側の最大径φ１６０ｍｍの円錐体状のポンチＰ２（図略）である。

（３）下穴１２３の大きさを種々変更した試験片に対して穴広げ試験を行った結果を図７、図８に示した。

図７は、下穴１２３を楕円穴とし、ポンチＰ１を用いた場合である。穴広げ試験で最初に割れ（クラック）を生じた角度位置（θｃ）を測定し、その結果を図７に併せて示した。割れが複数箇所に生じているときは、各角度位置の平均値をθｃとした（以下同様）。楕円穴の長軸は、平面ひずみの最大主ひずみ方向であるＸ方向とした。各楕円穴の長径（２Ｒ_ＢＸ）と短径（２Ｒ_ＢＹ）は、図７に併せて示した。いずれの楕円穴も楕円率：０．８５とした。ポンチＰ１は、楕円（断面）の短軸が平面ひずみの最大主ひずみ方向（Ｘ方向）となるように配置した。ポンチＰ１の楕円率も０．８５とした。

図８は、下穴１２３を円穴とし、ポンチＰ２を用いた場合である。穴広げ試験で最初に割れを生じた角度位置（θｃ）を測定し、その結果を図８に併せて示した。また、その円穴の初期径（２Ｒ１）も図８に併せて示した。

《評価》
（１）図７から明らかなように、楕円状の下穴に対して楕円錐状のポンチにより穴広げ試験を行うと、割れの発生位置（θｃ）が平面ひずみ領域内（θ＝７７〜９０°）となった。

（２）一方、図８に示すように、従来と同様に、円状の下穴に対して円錐状のポンチで穴広げ試験を行うと、割れの発生位置（θｃ）が平面ひずみ領域外（θ＝６２〜７１°）となった。

以上から、本発明の試験方法によれば、従来の試験方法とは異なり、割れを平面ひずみ領域に的確に発生させ得ることが確認できた。

Ｐ ポンチ
１２ 成形体（試験片）
１２３ 下穴

Claims (2)

1. 端部が把持された試験片の穴へポンチを押し込んで穴縁に割れを生じさせる穴広げ試験方法であって、
   前記試験片には、試験前に予め平面ひずみが付与されており、
   前記試験片の穴は、該平面ひずみの最大主ひずみ方向を長軸とする楕円穴であり、
   前記ポンチは、中心軸に直交する断面が楕円となる側面を有する楕円錐ポンチであり、
   前記穴広げ試験は、該楕円錐ポンチの楕円の短軸を該平面ひずみの最大主ひずみ方向に配設してなされる穴広げ試験方法。
2. 前記楕円穴と前記楕円錐ポンチは、長径に対する短径の比率である楕円率が０．７５〜０．９５である請求項１に記載の穴広げ試験方法。