JP2020116632A - プレス成形品の設計方法、プレス成形品およびプレス成形品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スプリングバックを効率的に抑制することができ、剛性向上によるスプリングバック低減効果の大きいプレス成形品の設計方法を提案する。【解決手段】板状材料からプレス成形されるプレス成形品の形状を設計するに際し、プレス成形品の長手方向に第１の剛性付加形状を配置し、長手方向と交差する方向に第２の剛性付加形状を配置するプレス成形品の設計方法とする。そのプレス成形品の設計方法に基づき、剛性付加形状が配置されたプレス成形品を提供する。また、板状材料をプレス成形するに際し、板状材料の長手方向に第１の剛性付加形状を成形する工程を含み、長手方向と交差する方向に第２の剛性付加形状を第１の剛性付加形状と同時にまたは別の工程で成形するプレス成形品の製造方法を提案する。【選択図】図３

Description

本発明は、金属板を主とする板状材料のプレス成形において、成形品を金型から離型する際に生じるスプリングバックを低減し、プレス成形品の寸法精度を高めるプレス成形品の設計方法、プレス成形品およびプレス成形品の製造方法に関するものである。

近年、エネルギー問題や地球環境問題を契機に、燃費の向上を目的とした自動車車体の軽量化の要求が高まる一方で、衝突時の乗員保護のため、衝突特性、例えば、車体剛性の向上に対する要求も年々高まっている。この相反する二つの要求に応えるため、高強度鋼板の適用拡大が進んでいる。高強度鋼板を適用することによって、板厚を大きくすることなく、自動車車体の強度、剛性や衝突時の吸収エネルギーを高めることができる。

しかしながら、一般に車体部品の加工に多用されているプレス成形においては、スプリングバックと呼ばれる形状凍結不良が問題となる。スプリングバックは、板状材料としての鋼板からプレス成形したプレス成形品を金型から離型した際に生じ、鋼板の材料強度の高まりに伴って大きくなる。スプリングバックは外観品質を損なうだけでなく組立て時の溶接不良の原因ともなるため、高強度鋼板の適用拡大には、スプリングバック対策が必要不可欠である。

スプリングバックの原因は、残留応力の不均一によって生じる曲げモーメントがプレス成形品の離型時に解放されることによる弾性回復である。このため従来から、スプリングバック対策として残留応力の不均一を緩和させる方法等が提案されている。しかしながら、低剛性部品は、部品の形状剛性が低く、低い応力でもスプリングバックが生じるため、残留応力を低減させるよりも部品剛性を向上させる方が効果的であると考えられる。

特許文献１では、伸びフランジ部にエンボスを配置し、縮みフランジ部に余肉ビードを配置した中間品を成形し、最終成形品の成形において、伸びフランジ部にはエンボスを潰すことで圧縮応力を与え、縮みフランジ部には余肉ビードによって引張応力を与えることで、プレス成形品の残留応力分布を平準化する技術が提案されている。

特許文献２では、角形絞り容器において、底パネル部の底辺角部近傍の容器内側に凸ビードを設けることでパネルのそりを防止する技術が提案されている。

特許文献３では、平面部の周縁の少なくとも一部に略直角に折り曲げられたフランジ部を有するプレス成形品の上記フランジ部の端縁に沿って複数の三角ビードを形成することで平面度を矯正する技術が提案されている。

特許文献４では、スプリングバック抑制対策部品として、プレス成形品の解析モデルの各要素にスプリングバックを生じさせる応力状態を設定して形状最適化解析を行い剛性に寄与の高い部位を検出し、この検出された部位に基づいてプレス成形品の特定部位に剛性向上のための手段を講じる技術が提案されている。

特開２００９−２５５１１７号公報 特開２００８−１０５０８８号公報 特開平１１−２７７１５５号公報 特開２０１４− ４６３４９号公報

残留応力を平準化させる方法として、特許文献１では伸びフランジ部にエンボスを形成するとともに縮みフランジ部に余肉ビードを形成する方法を提案しているが、本発明が主に対象としている低剛性部品は、低応力でもスプリングバックが生じるため、特定部分の応力を低減させても不十分な場合がある。また、特定部分の応力を低減させた結果生じる新たな応力状態で、別の形態のスプリングバックが生じるおそれがある。

特許文献２では、底パネル部の底辺角部近傍の容器内側に凸ビードを設けることでパネルのそりを防止する技術を提案しているが、本発明が主に対象としている自動車骨格部品の中には複雑な形状を有する低剛性部品もあり、底辺角部近傍のみ剛性を上げる方法では対策として不十分な場合がある。

特許文献３では、曲げフランジ部を有する部品を対象としているが、低剛性部品の中には曲げフランジ部を持たないエッジを有する部品もあり、そのような部位の剛性の低さがパネル全体の平坦度を悪くする場合もあるため、対策として不十分な場合がある。

特許文献４では、最適化解析により特定した部位に剛性向上対策を講じることでパネルの寸法精度を向上させる技術を提案しているが、最適化解析は解析に多大な時間を要するうえ、適用不可能な形状となる場合もあり、実際の商品開発フェーズでは利用できない場合がある。

すなわち、従来の技術の解決すべき課題を列記すると以下のようになる。
（１）形状剛性が低い部品に対して、スプリングバック抑制に有効な部品形状であること。
（２）スプリングバック抑制に有効なビード配置や部品形状が簡便に設計できること。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、部品の剛性向上によるスプリングバック抑制対策において、有効な部品形状であり、プレス成形後のスプリングバック量が小さく、形状凍結性に優れた製品を簡便に設計できるプレス成形品の設計方法を提案し、プレス成形品を提供するとともに、プレス成形品の製造方法を提案することを目的としている。

発明者らは鋭意検討の結果、低剛性部品のスプリングバックによる成形品パネルのゆがみに対して、ビードや張出形状、ステップ形状などの形状凍結性に優れた剛性付加形状を適切に配置することでスプリングバックを低減できることを見出した。
上記課題を有利に解決する本発明のプレス成形品の設計方法は、板状材料からプレス成形されるプレス成形品の形状を設計するに際し、上記プレス成形品の長手方向に第１の剛性付加形状を配置し、該長手方向と交差する方向に第２の剛性付加形状を配置することを特徴としている。

また、上記課題を有利に解決する本発明のプレス成形品は、板状材料からプレス成形されるとともに、剛性付加形状が配置されたプレス成形品において、上記プレス成形品の長手方向に第１の剛性付加形状が配置されたとともに、該長手方向と交差する方向に第２の剛性付加形状が配置されたことを特徴としている。

また、上記課題を有利に解決する本発明のプレス成形品の製造方法は、剛性付加形状を配置したプレス成形品を板状材料からプレス成形によって製造するに際し、前記プレス成形品の長手方向に第１の剛性付加形状を成形する工程を含み、該長手方向と交差する方向に第２の剛性付加形状を前記第１の剛性付加形状と同時にまたは別の工程で成形することを特徴としている。

本発明のプレス成形品の設計方法によれば、部品の形状剛性を向上させる剛性付加形状、たとえば、ビードやステップ形状、張出形状を配置したプレス成形品を設計し、剛性付加形状を組み込んだプレス成形品を成形することで、スプリングバックを低減できる。

しかも、本発明のプレス成形品の設計方法によれば、第１の剛性付加形状であるビードやステップ形状、張出形状を長手方向に配置することで、長手方向のスプリングバックの一形態であるキャンバーバックを抑制し、さらに長手方向と交差する方向に第２の剛性付加形状を配置することで，部品の長手方向を軸としたねじれを抑制できる。

そして、本発明のプレス成形品およびプレス成形品の製造方法によれば、プレス成形品の形状設計で配置した剛性付加形状を組み込んでプレス成形するので、スプリングバックを低減して、成形精度の高いプレス成形品とすることができる。

板状材料のプレス成形品の一例の斜視図である。 従来法によるプレス成形品のスプリングバック後のＺ方向変位を示す等高線図である。 本発明の一実施形態に係るビードの配置を示すプレス成形品の斜視図である。 本発明の一実施形態に係るＡ−Ａ’視断面図である。 本発明の一実施形態に係るプレス成形品のスプリングバック後のＺ方向変位を示す等高線図である。 本発明の他の実施形態に係るステップ形状と張出形状を組み合わせて配置したプレス成形品の斜視図である。

本発明の一実施形態のプレス成形品の設計方法では、剛性向上を見込んだ剛性付加形状を配置して、プレス成形品の部品形状を設計する。たとえば、「剛性付加形状」として、ビードを配置する場合には、以下のように設計することが好ましい。

まず、部品の長手方向のスプリングバックの一形態であるキャンバーバック対策として、長手方向に直線状の第１のビードを配置する。キャンバーバック抑制の効果を高めるため、第１のビードは部品の長手方向全長の８０％以上の長さで配置するのが好ましい。より好ましくは、９０％以上９５％以下の長さの範囲である。ここで、部品の長手方向とは、プレス成形品を平面に投影して、最小面積の長方形で外接させたときの長辺に平行な方向をいい、短手方向とは、同平面内で長手方向に直交する方向をいう。また、第１のビードは、長手方向と完全に一致する方向でなくとも、可能な限り長いビードを形成できる方向とすることが好ましい。

次に、長手方向を軸としたねじれの対策として、長手方向と交差する方向に第２のビードを配置する。第２のビードは、長手方向の位置が両端部近傍、または、長手方向で部品剛性が大きく変化する位置に配置するのが好ましい。また、交差する方向も長手方向に直交する短手方向、または、部品剛性が大きく変化する方向が好ましい。剛性が大きく変化する位置や方向とは、たとえば、部品形状がくびれる位置や、張出形状が何もないフラットな平面部などがあげられる。また、断面二次モーメントを計算して、剛性が変化する位置や方向を厳密に計算してもよい。

長手方向の第１のビードと、長手方向と交差する方向の第２のビードとを連結して一体とすると交差部分の剛性が低下するため、第２のビードは、第１のビードから分離して配置するのが好ましい。交差部における第１のビードと第２のビードの開始点との間隔ｄは、ビードの高さｈに対し、同等以下とするのが好ましい。

剛性付加形状としては、上記した直線状のビードのほか、その他の張出形状やステップ形状などの連続した線状構造が適用できる。また、それらを組み合わせて適用してもよい。なお、追加でビードを成形することによる応力発生を回避するために、剛性向上を見込んだ張出形状やステップ形状をあらかじめ織り込んだ部品形状を設計するのが望ましい。

本発明の一実施形態であるプレス成形品は、板状材料からプレス成形されるとともに、上記プレス成形品の設計方法によって、配置された長手方向の第１の剛性付加形状および長手方向と交差する方向の第２の剛性付加形状を有するものである。

本発明の一実施形態であるプレス成形品の製造方法は、剛性付加形状を配置したプレス成形品を板状材料からプレス成形によって製造するに際し、上記プレス成形品の設計方法で配置した長手方向の第１の剛性付加形状を板状材料に成形する工程を含み、長手方向と交差する方向に第２の剛性付加形状を第１の剛性付加形状と同時にまたは別の工程で成形して製造するものである。

（実施例１）
実部品のフロントピラーロアインナーの成形に本発明を適用した。概略長さ７００ｍｍ×幅４００ｍｍの部品である。材料は、９８０ＭＰａ級冷間圧延鋼板（ハイテン）で、板厚が１．２ｍｍであり、機械特性は、降伏点（ＹＰ）が６２０ＭＰａ、引張強さ（ＴＳ）が１０３０ＭＰａ、伸び（Ｅｌ）が１５％であった。

図１にプレス成形品１の形状を斜視図で示す。平板部２をＸＹ面とし、長手方向を右側向き（部品下側から上側への向き）にＸ軸、短手方向をステップ部３から離れる向きにＹ軸と置き、平板面２に垂直にＺ軸とする座標系とする。以下に、同じ。手前側（Ｙ値の小さい側の辺）に曲線に沿って断面Ｚ形のステップ部３を有している。本部品を従来法でプレス成形するとスプリングバックにより部品下側（図１上では左側）がＺ方向負側に変位し、部品上下方向（図１上では左右方向）を軸にしたねじれが発生する。

図２に、従来法によるプレス成形品のスプリングバック後のＺ方向変位を等高線図で示す。図２では平板部２のみを上面視で表している。図２の各コーナーの数値は、各コーナー部のＺ方向の変位量を表す。

図３に本発明の一実施形態に係るプレス成形品の斜視図を示す。部品長手方向に第１の剛性付加形状として直線状のビード４を配置し、長手方向と交差する方向に第２の剛性付加形状として直線状のビード５を配置している。第１のビード４は、長手方向全長にわたって有効に配置できる位置に、第２のビード５は、部品形状がくびれて、剛性が大きく変化している位置に配置している。図４に第２のビード５に沿ったＡ−Ａ’視断面図を示す。第２のビード５は長手方向の第１のビード４との交差部で分離している。第１のビードと第２のビードの開始点との間隔ｄと、ビードの高さｈとは、同等である。

図５に本発明を適用したプレス成形品のスプリングバック後のＺ方向の変位を等高線図で示す。図５も図２と同様平板部２のみを上面視で表している。併せて、第１および第２のビード４、５の位置を示す。図５の各コーナーの数値は、各コーナー部のＺ方向の変位量を表し、図２と同じ単位である。この結果から、本発明を適用することで長手方向のキャンバーバックおよび長手方向を軸とするねじれが大幅に改善され、スプリングバックを低減できていることがわかる。

（実施例２）
図６に本発明の他の実施形態に係るプレス成形品の斜視図を示す。部品長手方向に第１の剛性付加形状として直線状のステップ６を配置し、長手方向と交差する方向に第２の剛性付加形状として直線状の張出し７を配置している。実施例１と同様、ステップ６は、長手方向全長にわたって有効に配置できる位置に、張出し７は、部品形状がくびれて、剛性が大きく変化している位置に配置している。ステップの端から張出開始までの間隔ｄと、張出し高さｈとは、ほぼ同等である。この他の実施形態においても、実施例１と同様長手方向のキャンバーバックおよび長手方向を軸とするねじれが大幅に改善され、スプリングバックを低減できていることを確認した。

以上、図示例に基づき説明したが、本発明のプレス成形品の設計方法、プレス成形品およびプレス成形品の製造方法は上記例に限定されるものでなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で適宜変更し得るものであり、例えば、プレス成形品の形状は、図３に示すもの以外でもよく、剛性付加形状も図３に示すビード以外でもよい。

かくして本発明のプレス成形品の設計方法、プレス成形品およびプレス成形品の製造方法によれば、スプリングバックを効率的に抑制することができる。本発明の技術は、平板部の加工量が少なく低剛性の部品に適用して好適である。

１ プレス成形品
２ 平板部
３ ステップ部
４ 第１の剛性付加形状（ビード）
５ 第２の剛性付加形状（ビード）
６ 第１の剛性付加形状（ステップ）
７ 第２の剛性付加形状（張出し）

Claims (3)

1. 板状材料からプレス成形されるプレス成形品の形状を設計するに際し、
   前記プレス成形品の長手方向に第１の剛性付加形状を配置し、該長手方向と交差する方向に第２の剛性付加形状を配置することを特徴とするプレス成形品の設計方法。
2. 板状材料からプレス成形されるとともに、剛性付加形状が配置されたプレス成形品において、
   前記プレス成形品の長手方向に第１の剛性付加形状が配置されたとともに、該長手方向と交差する方向に第２の剛性付加形状が配置されたことを特徴とするプレス成形品。
3. 剛性付加形状を配置したプレス成形品を板状材料からプレス成形によって製造するに際し、
   前記プレス成形品の長手方向に第１の剛性付加形状を成形する工程を含み、該長手方向と交差する方向に第２の剛性付加形状を前記第１の剛性付加形状と同時にまたは別の工程で成形することを特徴とするプレス成形品の製造方法。

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