JP2020116601A - プレス成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ハット型断面形状のプレス成形品のスプリングバックを抑制するプレス成形方法を提供する。【解決手段】本発明に係るプレス成形方法は、天板部３と、天板部３から連続する縦壁部５と、縦壁部５から連続するフランジ部７とを有するハット型断面形状のプレス成形品１を成形するものであって、金属板２７を、プレス成形品１の目標形状と同形状の天板部３及びフランジ部７と、外側に突出した段差部１３が形成された段差部付き縦壁部１５と、を有する中間成形品１１に成形する第１成形工程と、中間成形品１１を目標形状のプレス成形品１に成形する第２成形工程と、を備え、段差部１３は、その天板部側の端部を凹状に屈曲した凹状Ｒ部１３ａとし、フランジ部側の端部を凸状に屈曲した凸状Ｒ部１３ｂとすることを特徴とするものである。【選択図】 図１

Description

本発明は、ハット型断面形状のプレス成形品のプレス成形方法に関する。

プレス成形品をプレス成形により製作した場合、成形後にプレス成形品を金型から離型すると弾性回復（スプリングバック）により該プレス成形品に形状不良が生じ、目標形状に成形することが困難になる。そのため、スプリングバックを抑制するためのプレス成形方法の開発が望まれている。

これまでに、天板部と縦壁部とフランジ部とを有するハット型断面形状のプレス成形品のスプリングバックによる壁反りを抑制するプレス成形方法がいくつか報告されている。
例えば、特許文献１には、成形目標形状における縦壁部の横壁部側の端部同士の間隔が成形部材の成形目標形状の縦壁部の横壁部側の端部同士の間隔に対して短く形成された仮成形体を絞り成形し、その後、成形目標形状にて縦壁部を押し広げる技術が開示されている。そして、この技術によれば、仮成形体の縦壁部を逆曲げ、曲げ戻しすることができ、仮成形体の縦壁部に存在した壁反りの原因となる応力が解消され、成形金型から離型した後の壁反りを抑制できるとされている。

また、特許文献２では、特許文献１と同様、成形目標形状よりもパンチ底部が小さくなるような中間成形品を成形し、次工程にて目標形状に成形することで、離型後のスプリングバックによる壁反りを相殺する変形を残留させる技術が開示されている。

特開２００８−３０７５５７号公報 特許４６８１４２０号公報

ハット型断面形状のプレス成形品のスプリングバックによる壁反りを抑制するためには、例えば、ドロー成形において曲げ曲げ戻し変形される縦壁部に付与される反りによって生じる応力を如何にして緩和若しくは相殺するように適切な部位に応力や変形を付与することが重要である。

特許文献１及び特許文献２に開示されているプレス成形方法は、第１成形工程にて中間成形体を成形し、第２成形工程にて、縦壁部を張り出すことにより、第１成形工程において中間成形体の縦壁部の内側に加わる圧縮応力、外側に加わる引張応力が作用しないように壁開きの駆動応力を相殺する応力や変形が付与された中間成形体を成形した後に、さらに第２成形工程で縦壁部を張り出して目標形状のハット型断面形状のプレス成形部品を成形するものである。

しかしながら、これらの方法では、第２成形工程にて縦壁部の張り出しにおける内側の圧縮応力、外側の引張応力が加わって、離型後における縦壁部の壁反りを解消できず、しかも、成形されたプレス成形部品のフランジ部の目標形状に対する位置が変化してしまう。そのため、該フランジ部を介して他の部品と接合するに際して問題が生じる場合があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、ハット型断面形状のプレス成形品を成形した場合において、他の部品と接合されるフランジ部のスプリングバックによる位置の変化を抑制することができるプレス成形方法を提案することを目的とする。

（１）本発明に係るプレス成形方法は、天板部と、該天板部から連続する縦壁部と、該縦壁部から連続するフランジ部とを有するハット型断面形状のプレス成形品を成形するものであって、金属板を、前記プレス成形品の目標形状と同形状の天板部及びフランジ部と、外側に突出した段差部が形成された段差部付き縦壁部と、を有する中間成形品に成形する第１成形工程と、該中間成形品を前記目標形状のプレス成形品に成形する第２成形工程と、を備え、前記第１成形工程における段差部は、その天板部側の端部に凹状に屈曲する凹状Ｒ部を有し、フランジ部側の端部に凸状に屈曲する凸状Ｒ部を有していることを特徴とするものである。

本発明においては、天板部と、該天板部から連続する縦壁部と、該縦壁部から連続するフランジ部とを有するハット型断面形状のプレス成形品を成形するものであって、金属板を、前記プレス成形品の目標形状と同形状の天板部及びフランジ部と、外側に突出した段差部が形成された段差部付き縦壁部と、を有する中間成形品に成形する第１成形工程と、該中間成形品を前記目標形状のプレス成形品に成形する第２成形工程と、を備え、前記第１成形工程における段差部は、その天板部側の端部に凹状に屈曲する凹状Ｒ部を有し、フランジ部側の端部に凸状に屈曲する凸状Ｒ部を有していることにより、前記プレス成形品の離型後における前記縦壁部の壁反りを抑制し、前記プレス成形品を離型した後のスプリングバックによるフランジ部の位置の変化を抑制することができる。

本発明の実施の形態に係るプレス成形方法において、（ａ）第１成形工程で成形する中間成形品、及び、（ｂ）目標形状のプレス成形品、の長手方向直交断面図である。 本発明の実施の形態に係るプレス成形方法において、（ａ）中間成形品の成形に用いる第１の金型、及び、（ｂ）目標形状のプレス成形品の成形に用いる第２の金型、の一例を示す断面図である。 ハット型断面形状のプレス成形品の離型後におけるスプリングバック（縦壁部の壁反り、フランジ部のはね）を説明する図である。 本実施の形態に係るプレス成形方法において、中間成形品を目標形状のプレス成形品に成形する過程において段差部付き縦壁部に生じるモーメントを示す図である。 本実施の形態に係るプレス成形方法において、中間成形品の段差部付き縦壁部に形成する段差部の形状を説明する図である。 実施例において、中間成形品及び目標形状のプレス成形品の成形に用いた金型の形状及び寸法を示す図である。 実施例において、離型後におけるプレス成形品のフランジ部のはね量を説明する図である。 実施例において、引張強度440MPa級の鋼板を用いて成形したプレス成形品の離型後の形状とフランジ部のはね量の解析結果である（（ａ）従来例１、（ｂ）発明例１）。 実施例において、引張強度980MPa級の鋼板を用いて成形したプレス成形品の離型後の形状とフランジ部のはね量の解析結果である（（ａ）従来例２、（ｂ）発明例２）。

本発明の実施の形態に係るプレス成形方法は、図１（ｂ）に例示するような、天板部３と、天板部３から連続する縦壁部５と、縦壁部５から連続するフランジ部７とを有するハット型断面形状のプレス成形品１を成形するものであって、図１（ａ）に示すような中間成形品１１に成形する第１成形工程と、中間成形品１１を目標形状のプレス成形品１に成形する第２成形工程と、を備えたものである。
以下、上記の各工程について説明する。

＜第１成形工程＞
第１成形工程は、図２（ａ）に例示するように、ダイ２３とパンチ２５とを備えた第１の金型２１を用いて、金属板２７を、プレス成形品１（図１（ｂ））の目標形状と同形状の天板部３及びフランジ部７と、外側に突出した段差部１３が形成された段差部付き縦壁部１５と、を有する中間成形品１１（図１（ａ））を成形する工程である。

段差部１３は、その天板部側の端部に外側に向かって凹状に屈曲する凹状Ｒ部１３ａと、フランジ部側の端部に外側に向かって凸状に屈曲する凸状Ｒ部１３ｂと、凹状Ｒ部１３ａと凸状Ｒ部１３ｂとの間に設けられてそれぞれのＲ止まりと接続する接続面部１３ｃと、を有する。
そして、凹状Ｒ部１３ａは、Ｒ止まりにて天板部３から連続する天板部側の縦壁部１５ａに接続している。一方、凸状Ｒ部１３ｂは、Ｒ止まりにてフランジ部７から連続するフランジ部側の縦壁部１５ｂに接続している。
これにより、段差部１３が形成された段差部付き縦壁部１５は、天板部側の縦壁部１５ａに比べてフランジ部側の縦壁部１５ｂが外側に突出した段差となる形状である。

＜第２成形工程＞
第２成形工程は、図２（ｂ）に例示するように、ダイ３３とパンチ３５とパッド３７を備えた第２の金型３１を用いて、中間成形品１１を目標形状のプレス成形品１に成形する工程である。ここで、パッド３７は、パンチ３５のパンチ底部３５ａと協働して中間成形品１１の天板部３を押さえるものである。

次に、本実施の形態に係るプレス成形方法により、スプリングバックによるフランジ部７の位置の変化を抑制することができる理由を以下に説明する。

図２（ｂ）に示すような第２の金型３１を用いて、１工程で金属板を目標形状のプレス成形品１に成形すると、プレス成形品１の離型後においては、図３に示すように、パンチ肩Ｒ部４の開き（天板部３と縦壁部５の開き角度の増加）と縦壁部５の壁反りの双方のスプリングバックが複合することにより、左右の縦壁部５の開口幅が目標形状（成形下死点形状）の開口幅よりも開くように変形する。

プレス成形品１のフランジ部７を他の部品と接合（例えば、スポット溶接）させるためには、他の部品の接合面（例えば、当該他の部品のフランジ部）に対するフランジ部７の位置を合せる必要がある。しかしながら、図３に示すようにパンチ肩Ｒ部の開きや壁反りが生じると、フランジ部７の位置が変化、すなわちフランジ部７のはねが生じ、他の部品と接合できない場合があった。特に、このようなフランジ部７のはねは、金属板の材料強度が高くなると顕著であり、目標形状から大幅に乖離する。

これに対し、本発明に係るプレス成形方法は、段差部付き縦壁部１５が形成された中間成形品１１を第２成形工程において目標形状のプレス成形品１に成形する過程において、図４に示すように、パンチ肩Ｒ部１７、段差部付き縦壁部１５の凹状Ｒ部１３ａ及びダイ肩Ｒ部１９におけるモーメントと逆向きのモーメントが凸状Ｒ部１３ｂが付与される。

そして、パンチ肩Ｒ部１７、凹状Ｒ部１３ａ及びダイ肩Ｒ部１９に付与されたモーメントは離型後のスプリングバック成分、すなわち、外側に開く成分となるのに対し、凸状Ｒ部１３ｂに付与されたモーメントは離型後のスプリングゴー成分、すなわち、内側に閉じる成分となる。

そのため、第２成形工程で成形したプレス成形品１の離型後においては、パンチ肩Ｒ部１７、凹状Ｒ部１３ａ及びダイ肩Ｒ部１９におけるスプリングバック成分と凸状Ｒ部１３ｂにおけるスプリングゴー成分とが打ち消し合い、縦壁部５のスプリングバック（壁反り）が抑制される。その結果、プレス成形品１の離型後におけるフランジ部７の位置の変化を低減することができる。

なお、本発明に係るプレス成形方法において、段差部付き縦壁部１５に形成される段差部１３の形状は、図５に示すように、凹状Ｒ部１３ａの曲率半径Ra、凸状Ｒ部１３ｂの曲率半径Rb、段差部１３の高さh及び段差部の幅Wにより規定することができる。そして、凹状Ｒ部１３ａの曲率半径Ra、凸状Ｒ部１３ｂの曲率半径Rb、段差部１３の高さh及び段差部の幅Wは、成形に供する金属板の限界における曲げ半径と板厚との比をr/t、中間成形品１１の目標成形高さをH及び天板部３の長さをLとしたとき、以下に述べる範囲内に設定することが好ましい。

まず、段差部１３の凹状Ｒ部１３ａの曲率半径Ra、凸状Ｒ部１３ｂの曲率半径Rbは、r/t≦(Ra、Rb)＜H/3の関係を満たすことが好ましい。
凹状Ｒ部１３ａの曲率半径Ra、凸状Ｒ部１３ｂの曲率半径Rbがr/t未満の場合、第１成形工程において凹状Ｒ部１３ａや凸状Ｒ部１３ｂに材料割れが生じるおそれがある。また、中間成形品１１のパンチ肩Ｒ部１７の曲率半径とダイ肩Ｒ部１９の曲率半径が凹状Ｒ部１３ａの曲率半径Raや凸状Ｒ部１３ｂの曲率半径Rbと等しい場合には、曲率半径を４箇所配置する幾何学形状の制約（図５（ｃ））から曲率半径RがH/3以上の段差部１３は形成することができない。

また、段差部１３の高さhは、図５（ｂ）に示すように、フランジ部７から凸状Ｒ部１３ｂのＲ止まり（凸状Ｒ部１３ｂと接続面部１３ｃとの境界）までの高さとし、H/2≦h≦2H/3の関係を満たすことが好ましい。
段差部１３の高さhを変更することで離型後における凸状Ｒ部１３ｂでのスプリングゴー成分によるフランジ部側の縦壁部１５ｂの位置変化を調整することができる。そして、高さhがH/2未満の場合、フランジ部側の縦壁部１５ｂの位置変化が過小となり、高さhが2H/3超えの場合、フランジ部側の縦壁部１５ｂの位置変化が過大となり、その結果、フランジ部７のはねを抑制できないおそれがある。

さらに、段差部１３の幅Wは、段差部１３における凹状Ｒ部１３ａのＲ止まりと凸状Ｒ部１３ｂのＲ止まりとの間の距離、すなわち、接続面部１３ｃの幅として、0≦W≦L/2、の関係を満たすことが好ましい。
ここで、幅W＝0の場合は、凹状Ｒ部１３ａと凸状Ｒ部１３ｂとがそれぞれのＲ止まりにて直接つながっているものである。
また、幅WがL/2以上の場合、第２成形工程において、段差部１３の幅Wの部位の反りが大きくなり、壁反りを助長させるため、好ましくない。

段差部１３の形状を上記の好適範囲内に設定することによるフランジ部７のはねを抑制することができるという効果に関しては、後述する実施例において実証する。

なお、図１（ａ）に示す中間成形品１１は、中間成形品１１の長手方向直交断面において天板部側の縦壁部１５ａとフランジ部側の縦壁部１５ｂとが平行のものであったが、本発明は、天板部側の縦壁部１５ａとフランジ部側の縦壁部１５ｂとが平行でないものであってもよい。

さらに、図１（ａ）に示す中間成形品１１は、接続面部１３ｃは平面形状であって天板部３と平行のものであったが、本発明は、接続面部１３ｃと天板部３とが平行でないものであってもよい。

また、上記の説明において、第１成形工程（図２（ａ）参照）及び第２成形工程（図２（ｂ）参照）は、いずれもフォーム成形で中間成形品１１及び目標形状のプレス成形品１に成形するものであったが、本発明は、第１成形工程及び第２成形工程の成形工法をこれに限定するものではない。

さらに、上記の説明では、第１成形工程では、図２（ａ）に示すように、金属板２７をダイ２３とパンチ２５により成形するものであったが、パッドを用いて金属板２７を押さえて成形してもよい。また、第２成形工程では、パッド３７を用いずに成形してもよい。

なお、上記の説明において、第１成形工程で成形される中間成形品１１の成形高さHは、第２成形工程において中間成形品１１を成形したときに目標形状のプレス成形品の成形高さH_０としたとき、以下に示す式により決定してもよい。
H0≦H＋W＋Rp＋Ra＋Rb＋Rd
ここで、Wは段差部１３の幅、Rpはパンチ肩部の曲率半径、Rdはダイ肩部の曲率半径である（図５参照）。

本発明に係るプレス成形方法の作用効果について確認するため、プレス成形とスプリングバックのCAE解析を行ったので、その結果について以下に説明する。

本実施例では、図１（ｂ）に示すような、天板部３と縦壁部５とフランジ部７とを有するハット型断面形状のプレス成形品１を成形対象とした。プレス成形品１の目標形状の寸法は、天板部３の長さLを30mm、目標成形高さH₀を53mm、フランジ部７の幅を20mmとした。また、パンチ肩Ｒ部４及びダイ肩Ｒ部６の曲率半径はいずれも4mmとした。

このような目標形状のプレス成形品１を、図６（ａ）に示す形状及び寸法の第１の金型２１を用いて金属板２７を中間成形品１１（図１（ａ））に成形する第１成形工程と、図６（ｂ）に示す形状及び寸法の第２の金型３１を用いて中間成形品１１を目標形状のプレス成形品１（図１（ｂ））に成形する第２成形工程のプレス成形解析を行った。
次いで、第２成形工程において成形下死点まで成形されたプレス成形品１の離型後におけるスプリングバック解析を行った。

第１成形工程で成形される中間成形品１１は、図１（ａ）に示すように、段差部付き縦壁部１５に形成された段差部１３が目標形状の縦壁部５（図１（ｂ））に比べて外側に突出する形状とした。
中間成形品１１の天板部３及びフランジ部７は、目標形状のプレス成形品１の天板部３及びフランジ部７と同じ形状となるよう、天板部３の長さをL＝30mm、フランジ部７の幅を20mm、パンチ肩Ｒ部１７とダイ肩Ｒ部１９の曲率半径をそれぞれ4mmとし、目標成形高さをH＝35mmとした。
さらに、段差部１３の凸状Ｒ部１３ｂの曲率半径R、段差部１３の高さh、及び段差部１３の幅Wを、前述の本実施の形態で説明した本発明の好適範囲内となるよう、R＝4mm、h＝17.5mm、W＝6mmとした。

そして、スプリングバック解析においては、離型後におけるプレス成形品１の形状を求め、スプリングバックによるフランジ部７のはね量を求めた。
フランジ部７のはね量は、図７に示すように、目標形状のフランジ部７を基準面とし、離型後のフランジ部７中央の評価点（図７中の黒丸）の成形高さ方向における位置より算出した。

表１に、本実施例で用いた金属板２７の材料強度と、第１成形工程で形成する段差部１３の凹状Ｒ部１３ａの曲率半径Ra及び凸状Ｒ部１３ｂの曲率半径Rb、段差部１３の高さh及び幅Wと、スプリングバック解析により求めたフランジ部７のはね量をまとめて示す。

表１において、発明例１、発明例２は、本発明のプレス成形方法により、段差部１３が形成された中間成形品１１を目標形状のプレス成形品１に成形したものである。また、従来例１、従来例２は、比較対象として、従来のプレス成形方法により目標形状のプレス成形品を１工程で成形したものである。

図８に、材料強度440MPa級の鋼板を用いた従来例１及び発明例１に係るプレス成形品１のスプリングバック解析により得られた断面形状を示す。
従来例１（図８（ａ））及び発明例１（図８（ｂ））ともに、プレス成形品１に壁反りが生じてフランジ部７のはねが生じている。しかし、従来例１においては、フランジ部７のはね量が2.0mmであるのに対し、発明例１においては、フランジ部７のはね量が1.6mmであり、従来例１よりも低減した。
さらに、発明例１において、離型後のプレス成形品１を目標形状と比較すると、縦壁部５においては第１成形工程で成形された段差部１３の形状がわずかに残っているものの、フランジ部７の位置は目標形状と概ね一致した。

図９に、材料強度980MPa級の鋼板を用いた従来例２及び発明例２に係るプレス成形品１のスプリングバック解析により得られた断面形状を示す。
前述の図８に示した結果と同様、従来例２（図９（ａ））及び発明例２（図９（ｂ））ともに、プレス成形品１に壁開きが生じてフランジ部７のはねが生じている。しかし、従来例２においては、フランジ部７のはね量が6.2mmであるのに対し、発明例１においては、フランジ部７のはね量が4.2mmであり、従来例２よりも低減した。

以上より、本発明に係るプレス成形方法において、目標形状の縦壁部よりも外側に突出する段差部が形成された段差部付き縦壁部を有する中間成形品を成形し、次いで目標形状のプレス成形品に成形することで、スプリングバックによる縦壁部の壁反りを抑制し、フランジ部のはねを低減することができることが示された。

１ プレス成形品（目標形状）
３ 天板部
４ パンチ肩Ｒ部
５ 縦壁部
６ ダイ肩Ｒ部
７ フランジ部
１１ 中間成形品
１３ 段差部
１３ａ 凹状Ｒ部
１３ｂ 凸状Ｒ部
１３ｃ 接続面部
１５ 段差部付き縦壁部
１５ａ 天板部側の縦壁部
１５ｂ フランジ部側の縦壁部
１７ パンチ肩Ｒ部
１９ ダイ肩Ｒ部
２１ 第１の金型（第１成形工程）
２３ ダイ
２５ パンチ
２５ａ パンチ底部
２７ 金属板
３１ 第２の金型（第２成形工程、従来技術）
３３ ダイ
３５ パンチ
３５ａ パンチ底部
３７ パッド

Claims (1)

1. 天板部と、該天板部から連続する縦壁部と、該縦壁部から連続するフランジ部とを有するハット型断面形状のプレス成形品を成形するプレス成形方法であって、
   金属板を、前記プレス成形品の目標形状と同形状の天板部及びフランジ部と、目標形状の縦壁部に比べて外側に突出した段差部が形成された段差部付き縦壁部と、を有する中間成形品に成形する第１成形工程と、
   該中間成形品を前記目標形状のプレス成形品に成形する第２成形工程と、を備え、
   前記第１成形工程における段差部は、その天板部側の端部には凹状に屈曲した凹状Ｒ部を有し、フランジ部側の端部には凸状に屈曲した凸状Ｒ部を有することを特徴とするプレス成形方法。