JP2020131232A

JP2020131232A - 曲げ加工方法

Info

Publication number: JP2020131232A
Application number: JP2019027063A
Authority: JP
Inventors: 尚記山口; Naoki Yamaguchi; 裕一時田; Yuichi Tokita
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2019-02-19
Filing date: 2019-02-19
Publication date: 2020-08-31

Abstract

【課題】疲労強度に優れた曲げ部を形成することができる金属板の曲げ加工方法を提供する。【解決手段】本発明に係る曲げ加工方法は、金属板における曲げ部に相当する部位に曲げＲ部を有する曲げ工具を当接させて曲げ加工するものであって、前記曲げ部の曲げ稜線方向に直交する方向における断面形状が孤状に湾曲した先端部を有する打撃工具を用い、該先端部により前記金属板における前記曲げ部に相当する部位を打撃して打撃痕を形成する打撃工程と、該打撃痕に前記曲げ工具の曲げＲ部を当接させて前記金属板を曲げ加工して前記曲げ部を形成する曲げ工程と、を備えたことを特徴とするものである。【選択図】図１

Description

本発明は、金属板を曲げ加工した後の疲労特性を向上する曲げ加工方法に関する。

鋼板等の金属板の曲げ加工を行う際、該金属板における曲げ内側（曲率中心側）の表面に微小なしわやき裂が生じて当該しわや亀裂を起点として曲げ加工品の疲労特性が低下してしまう問題があった。その原因の一つに、曲げ加工時に曲げ工具の曲げＲ部が金属板に十分に接触しておらず（型馴染みしていない）、該曲げＲ部との間で自由表面となった金属板の曲げ内側で座屈が発生し、しわや亀裂が生じることが挙げられる。

これまでに、曲げ加工において金属板の曲げの内側に発生するしわを抑制する技術がいくつか提案されている。
特許文献１〜特許文献５には、Ｖ字曲げにおいて、金型の構造を変更して曲げ加工の初期に曲げパンチと金属板の曲げ内側を接触させることで、該曲げ内側のしわを抑制する方法が開示されている。
さらに、特許文献６及び特許文献７には、コイニング加工の際に、バーリング部の曲げ内側にしわが発生するのを防ぐため、１工程目に最終形状と異なる曲率半径（曲率半径無限大すなわち直線を含む）の曲げ加工を行うことで２工程目に引張応力が導入されるようにすることで、しわの発生の防止と曲げ内部に導入される引張残留応力の低減を実現する方法が開示されている。

特開２００４−０３４０７４号公報特開平０６−１５４８６３号公報特表２００２−５０４８６２号公報特開平０４−１７８２１９号公報特開平０３−０９４９１８号公報特開２０１８−０５１６０８号公報特開２０１８−０５１６０９号公報

近年、機械特性等の機能性に優れた鋼板の要求は高まっており、合金元素を多く含んだ鋼板が開発されている。鋼板は、熱間圧延で材料表面に酸化スケールが発生して圧延中に鋼板表面に押し込まれるため、デスケーリング工程で酸化スケールを除去しても、鋼板の表面に粗さレベルの凹凸が生じる。

特許文献１〜特許文献５の方法で金型を鋼板表面に押し付けて曲げても、合金元素を多く含む鋼板は変形抵抗が大きくて金型の先端では金型と密着できない表面が残り、結果として自由表面と同様となり、しわが生じる問題があった。また、曲げ加工後に鋼板の弾性回復（スプリングバック）によって、曲げ内側では疲労特性に不利な引張の残留応力が生じる問題があった。更に、特許文献１〜特許文献５の方法では金型が複雑になり、コストがかかる問題があった。

さらに、特許文献６及び特許文献７の方法においても上記と同様の変形抵抗が大きいことから、１工程目での型馴染みが充分でないのでしわの発生を抑制できない上に、金型を２種類用意する必要がありコストがかかる問題があった。

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、金属板を曲げ加工した際に曲げ内側に発生するしわを抑制することで疲労強度を向上することができる曲げ加工方法を提供することを目的とする。

前述した曲げ加工における課題について鋭意検討を重ねた結果、特許文献１〜特許文献５のような金型を押し付けてから曲げる方法でもしわが発生してしまう原因が、金型を金属板に押し付けても、凹凸により金型と密着できない表面が残存するためであることを解明した。

そこで、金属板と金型との密着性（型馴染み）を改善する解決策をさらに検討した結果、金属板に金型を一度押し付けるよりも、間欠的で瞬間的に高い荷重が繰り返し負荷することにより材料表面の粗さを改善することが効果的であり、曲げ加工時における金型と金属板の型馴染みを向上し、曲げ加工した曲げ部の曲げ内側におけるしわの発生を抑制することが可能であるという知見を得た。

さらに、曲げ加工後のスプリングバックによる曲げ内部の引張残留応力を低減するためには、金属板における曲げ内側に相当する部位の表層を打撃により加工硬化させ、該表層の圧縮残留応力を大きくすることが有効であるという知見を得た。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、具体的には以下の構成からなるものである。

（１）本発明に係る曲げ加工方法は、金属板における曲げ部に相当する部位に曲げＲ部を有する曲げ工具を当接させて曲げ加工するものであって、前記曲げ部の曲げ稜線方向に直交する方向における断面形状が孤状に湾曲した先端部を有する打撃工具を用い、該先端部により前記金属板における前記曲げ部に相当する部位を打撃して打撃痕を形成する打撃工程と、該打撃痕に前記曲げ工具の曲げＲ部を当接させて前記金属板を曲げ加工して前記曲げ部を形成する曲げ工程と、を備えたことを特徴とするものである。

（２）上記（１）に記載のものにおいて、前記打撃工具の先端部の曲率半径は、前記曲げ工具の曲げＲ部の曲率半径との差が±10%以内であることを特徴とするものである。

本発明においては、金属板における曲げ部に相当する部位に曲げＲ部を有する曲げ工具を当接させて曲げ加工するものであって、前記曲げ部の曲げ稜線方向に直交する方向における断面形状が孤状に湾曲した先端部を有する打撃工具を用い、該先端部により前記金属板における前記曲げ部に相当する部位を打撃して打撃痕を形成する打撃工程と、該打撃痕に前記曲げ工具の曲げＲ部を当接させて前記金属板を曲げ加工して前記曲げ部を形成する曲げ工程と、を備えたことにより、金属板と曲げ工具との型馴染みを向上させて曲げ部の曲げ内側における微小なしわや亀裂の発生を抑制するととも曲げ内側に相当する部位を加工硬化させて圧縮残留応力を大きくすることができ、疲労強度を向上させることができる。

本発明の実施の形態に係る曲げ加工方法を説明する断面図である（（ａ）打撃工程前、（ｂ）打撃工程後（ｃ）曲げ工程前、（ｄ）曲げ工程後）。本実施の形態に係る曲げ加工方法において、打撃工程で金属板に形成された打撃痕の曲率半径を説明する断面図である。本実施の形態に係る曲げ加工方法において、打撃工程で打撃工具を走査させて金属板表面に連続形成した打撃痕を説明する平面図である。実施例において、疲労試験の試験対象とした疲労試験片の形状を示す断面図である。実施例における疲労試験方法を説明する図である。

本実施の形態に係る曲げ加工方法は、図１に示すように、打撃工具として打撃ピン１を用いて、金属板３に打撃痕５を形成する打撃工程（図１（ａ）〜（ｂ））と、曲げ工具７を用いて、打撃痕５が形成された金属板３を曲げ加工して曲げ部９を形成する曲げ工程（図１（ｃ）〜（ｄ））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。

＜打撃工程＞
打撃工程は、図１（ａ）〜（ｂ）に示すように、断面形状が孤状に湾曲した先端部１ａを有する打撃ピン１を用い、金属板３における曲げ部９（図１（ｄ））に相当する部位３ａを先端部１ａで打撃し、金属板３の曲げ稜線方向に打撃痕５を形成する工程である。

ここで、曲げ稜線方向とは、図１（ｄ）に示す曲げ部９においては紙面に対して垂直方向である。さらに、打撃ピン１として先端部１ａの断面形状が円弧であるものを用いることにより、先端部１ａは、曲げ稜線方向に直交する方向における断面形状が孤状に湾曲した形状となる。

打撃工程では、金属板３には打撃ピン１の先端部１ａの形状が転写されて、打撃痕５の曲率半径r’（図２）は、先端部１ａの曲率半径r（図１（ａ））とほぼ一致する。

また、打撃することで、金属板３の表面の凹凸が平滑となるとともに、打撃痕５に圧縮の残留応力が与えられる。

さらに、打撃ピン１は、図３に示すように、曲げ稜線方向に走査させることにより曲げ部９の曲げ稜線方向に連続した打撃痕５が形成される。なお、連続した打撃痕５を形成する際、１本の打撃ピン１で金属板３を打撃する必要はなく、複数の打撃ピンを曲げ稜線方向に並列させてもよい。

＜曲げ工程＞
曲げ工程は、打撃痕５に曲げ工具７の曲げＲ部７ａを当接させて金属板３を曲げ加工し、曲げ部９を形成する工程である（図１（ｃ）〜（ｄ））。曲げ工程においては、打撃痕５の中心が曲げ中心と一致するように金属板３と曲げ工具７を配置し（図１（ａ）及び図（ｃ）参照）、曲率半径Rの曲げＲ部７ａを打撃痕５に当接させて金属板３を所定の角度（図１（ｄ）では90°）まで曲げ加工を行う。

打撃痕５の曲率半径r’が曲げＲ部７ａの曲率半径Rに比べ極端に小さいと、曲げ工程において、曲げ工具７の先端と金属板３の表面とを密着できず、曲げ部９の曲げ内側にしわを発生させる可能性がある。
一方、打撃痕５の曲率半径r’が曲げＲ部７ａの曲率半径Rに比べて極端に大きいと、金属板３に打撃痕５を形成するための十分な圧力を確保できないおそれがある。また、仮に金属板３に打撃痕５を形成することが可能であったとしても、曲げ工具７の曲げＲ部７ａの先端は、打撃痕によって平坦になった面を曲げることになり、曲げ工程においては、曲げＲ部７ａの先端付近以外と金属板３との間に隙間が生じてしまう。そのため、曲げＲ部７ａと金属板３とを十分に密着させることができずに型馴染みの効果が期待できず、曲げ部９の曲げ内側にしわを発生させる可能性がある。
したがって、打撃ピン１の先端部１ａの曲率半径rは、曲げＲ部７ａの曲率半径Rと±10%以内の差であることが望ましい。

また、打撃痕５の板厚方向における深さは、金属板３の最大粗さ(約30μm)程度の深さとなるように打撃痕５を形成して金属板３の凹凸を平滑にすることで、曲げＲ部７ａと金属板３との型馴染みが良好となる。

以上、本実施の形態に係る曲げ加工方法によれば、金属板の表面を打撃して打撃痕を形成することで、該表面を平滑化し、金属板の凹凸に起因して生じる曲げ内側の微小なしわや亀裂を抑制することができ、疲労強度を向上することができる。

さらに、本実施の形態に係る曲げ加工方法によれば、金属板における曲げ部の曲げ内側表層に相当する部位を打撃して加工硬化させることで、当該曲げ内側表層の圧縮残留応力を大きくし、疲労強度をさらに向上することができる。
また、本発明は、金属板表層と中央との強度の差を生じさせることにより、曲げ工程後の曲げ部におけるスプリングバックによる引張残留応力も低減できて、曲げ部の形状不良を抑制することができる。その上、曲げ加工に供する金属板の前処理に金型を使用することを要しないので、コストの面でも他の技術よりも優位である。

なお、上記の説明において、打撃工程は、打撃工具として打撃ピン１を用いて金属板３に打撃痕５を形成するものであったが、本発明は、打撃工具として打撃ピンを用いるものに限らず、曲げ稜線方向に沿って走査させることで打撃痕５を連続的に形成できるものであればよく、例えば、鏨のように、その先端部が、曲げ稜線に直交する方向における断面形状が弧状に湾曲した形状であればよい。

また、上記の説明は、図１（ｃ）〜（ｄ）に示すように、金属板３の下面側を支持工具１１で支持した状態で上面側から曲げＲ部７ａを金属板３に当接させて自由Ｖ曲げを行う場合についてのものであった。もっとも、本発明は、所定の曲率半径Rの曲げＲ部を有する曲げ工具を押し当てて曲げ部を形成するものであれば、曲げ加工する工法を特に限定するものではない。例えば、Ｌ曲げ加工やＵ曲げ加工、さらには、成形金型を用いて金属板をプレス成形するものであってもよい。

本発明の作用効果について確認するための実験を行ったので、これについて以下に説明する。
本実施例では、図４に示す疲労試験片２１を試験対象として疲労試験を行い、疲労強度を評価した。

＜供試材および疲労試験片＞
板厚2.9mm、引張強度980MPa級の熱延鋼板を200mm×50mmに切り出したものを供試材とした。そして、本発明に係る曲げ加工方法に係る打撃工程と曲げ工程との２工程により、曲げ部２３と、曲げ部２３の両側から連続する一対の片部２５及び片部２６とを有する疲労試験片２１を作製した。

＜打撃工程＞
打撃工程では、空圧式のニードルピーニング装置を用いて打撃ピン１を走査し、供試材３１に打撃痕５を形成した（図１〜図３参照）。そして、３次元形状測定機を用いて打撃痕５の曲率半径r’を測定した。
本実施例では、打撃ピン１の先端部１ａの曲率半径rを、4.4mm、4.5mm、5.0mm、5.4mm、5.5mの５種類とした。打撃工程におけるピーニング条件を表１に示す。

＜曲げ工程＞
曲げ工程では、曲率半径R＝5mmの曲げＲ部７ａの曲げ工具７を備えたプレスブレーキを用いて、打撃痕５が形成された供試材３１を曲げ角度90度となるまで自由Ｖ曲げ加工し、図４に示す形状の疲労試験片２１を作製した。なお、疲労試験片２１には、後述する疲労試験における荷重入力点及び固定点として、片部２５及び片部２６に穴２７及び穴２８を形成した。

＜疲労試験＞
図５に示すように、疲労試験片２１における一方の片部２５に形成した穴２７（図４）を固定点として固定するとともに、他方の片部２６に設けた穴２８を荷重入力点として繰り返し荷重を与え、疲労試験片２１が破断するまでの繰り返し荷重のサイクル数を計測することにより、疲労寿命を評価した。

疲労試験においては、固定点と荷重入力点を回転自由拘束とした。また、疲労試験片２１に負荷する繰り返し荷重は、図５に示す荷重負荷方向に0kNから2kNの間の引張荷重を与えるものとし、応力比(最小応力／最大応力)が0である片振りとした。なお、繰り返し荷重の入力には、油圧サーボ試験機を用いた。
表２に、疲労試験における条件を示す。

本実施例では、上記の打撃工程と曲げ工程の２工程により作製した疲労試験片２１を発明例とした。さらに、比較対象として、打撃工程を省略して曲げ工程のみにより作製した疲労試験片２１を比較例とし、発明例と同様に疲労試験を行った。
表３に、疲労試験結果を示す。なお、表３には、打撃工程で用いた打撃ピン１の先端部１ａの曲率半径rと、打撃痕５の曲率半径r’の結果もあわせて示す。

表３より、打撃ピン１の先端部１ａの曲率半径rと、当該曲率半径rの打撃ピン１を用いて形成された打撃痕５の曲率半径r’とが一致していることがわかる。

そして、打撃痕５を形成した供試材３１を用いて作製した発明例に係る疲労試験片２１においては、比較例に比べて疲労強度が向上している事がわかる。
さらに、打撃ピン１の先端部１ａの曲率半径rと曲げ工具７の曲げＲ部７ａの曲率半径Rとの差が±10%以内である場合、疲労強度が顕著に向上する結果が得られた。

１打撃ピン
１ａ先端部
３金属板
５打撃痕
７曲げ工具
７ａ曲げＲ部
９曲げ部
１１支持工具
２１疲労試験片
２３曲げ部
２５片部
２６片部
２７穴
２８穴
３１供試材

Claims

金属板における曲げ部に相当する部位に曲げＲ部を有する曲げ工具を当接させて曲げ加工する曲げ加工方法であって、
前記曲げ部の曲げ稜線方向に直交する方向における断面形状が孤状に湾曲した先端部を有する打撃工具を用い、該先端部により前記金属板における前記曲げ部に相当する部位を打撃して打撃痕を形成する打撃工程と、
該打撃痕に前記曲げ工具の曲げＲ部を当接させて前記金属板を曲げ加工して前記曲げ部を形成する曲げ工程と、を備えたことを特徴とする曲げ加工方法。
前記打撃工具の先端部の曲率半径は、前記曲げ工具の曲げＲ部の曲率半径との差が±10%以内であることを特徴とする請求項１記載の曲げ加工方法。