JP2021104537A - 伸びフランジ性評価方法、プレス金型設計方法、及びプレス部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属板の伸びフランジ性の評価をより高精度に実行可能とすることを目的としている。【解決手段】金属板の伸びフランジ性を評価する伸びフランジ性評価方法である。金属板に対し、複数の成形条件にて伸びフランジ試験を実行して、各成形条件におけるフランジ部での成形限界量を求める個別限界量取得工程１Ａと、伸びフランジ試験によってフランジ部に生じた割れの破壊形態がくびれを伴う破壊形態か否の判別によって、複数の成形条件を、くびれを伴う第１の破壊形態とくびれを伴わない第２の破壊形態との２つの破壊形態に区分けする分類工程１Ｂと、各破壊形態に属する成形条件での成形限界量を用いて、２つの破壊形態毎に個別に成形可能領域を求める個別成形可能領域設定工程１Ｃと、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、金属板の伸びフランジ性評価方法、プレス金型設計方法、及びプレス部品の製造方法に関する。

プレス部品のうち、例えば自動車用プレス部品は、金型を用いたプレス加工（プレス成形）により量産成形される。このプレス加工の際に、金属板のフランジ部となる部分に伸びフランジ変形を伴う。伸びフランジ変形によってフランジ部に割れが生じた場合、そのプレス部品は成形不良となる。したがって、このような割れが発生しない適正な成形仕様（成形製品形状、プレス用金型形状等）を選定することが必要である。
また、現実の量産プレス成形においては、材料特性の変動やフランジ部のブランク加工端面における性状の変動によって、意図しない伸びフランジ割れが発生している。したがって伸びフランジ割れに対してその原因を特定し、原因に応じた対策をすることが生産能率の向上に不可欠である。

ここで、適正な成形仕様を選定するための手法として、有限要素法解析（ＦＥＭ解析）と材料試験とを組み合わせて、成形可否を判別する方法が知られている（特許文献１参照）。一般には、設定した成形仕様で加工されたとした場合におけるプレス品のひずみ状態をＦＥＭ解析により計算し、これを伸びフランジ成形試験における成形可否と比較することによって、成形仕様における暫定成形条件でのプレス成形の可否を判定している。
プレス部品のフランジ部における変形限界ひずみは、板材の材料特性、ブランク加工条件、フランジ部の成形条件に依存することが知られている（例えば非特許文献１参照）。

更に特許文献１においては、フランジ部における変形限界ひずみはフランジ部近傍のひずみ勾配に依存することが示されている。より詳しくは、特許文献１においては、フランジ部における変形限界ひずみに対して板材の材料特性、ブランク加工条件を一定として、フランジ部近傍のひずみ勾配とフランジ部における変形限界との関係を求めることで、ひずみ勾配−成形限界の関係からなる成形可能領域を明示できることが記載されている。更には、特許文献１に、成形可能領域を暫定成形条件におけるフランジ部近傍のひずみ勾配とフランジ部における変形限界とを比較することで、効果的にせん断縁における伸びフランジ割れを予測することが可能であることが示されている。

塑性と加工：４６−５３４（２００５）、６２５−６２９．

特許第４９３５７１３号公報

しかしながら、近年、自動車用構造部材に採用されている超ハイテン鋼板材においては、フランジ部近傍のひずみ勾配が比較的小さい領域で、特許文献１の手法で予想されるよりも低い伸び率で割れが生じることがある。
本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、金属板の伸びフランジ性の評価をより高精度に実行可能とすることを目的としている。

発明者らは、超ハイテン鋼板材に代表される延性の低い材料において、伸びフランジ変形が低ひずみ勾配である場合には、伸びフランジ部に端縁に沿った板厚において不均一な板厚減少が生じ、それに続く形でフランジ端縁の割れが生じているとの知見を得た。以下では、このような伸びフランジ部の不均一な板厚減少によるくびれ発生を、ひずみの局所化とも記載する。そして、発明者らは、このようなひずみの局所化を伴う伸びフランジ割れ現象のために、超ハイテン鋼板材においてはひずみ勾配が比較的低い領域で成形性が低下し、効果的な伸びフランジ割れの予測や対策手法の決定がなされていなかったとの知見を得た。更に、発明者らは、この知見に基づき検討した結果、伸びフランジでの割れに破壊形態によって、成形可能限界の境界が異なることを突き止めた。本発明は、このような知見に基づきなされたものである。

課題解決のために、本発明の一態様は、金属板の伸びフランジ性を評価する伸びフランジ性評価方法であって、金属板に対し、複数の成形条件にて伸びフランジ試験を実行して、各成形条件におけるフランジ部での成形限界量を求める個別限界量取得工程と、上記伸びフランジ試験によって上記フランジ部に生じた割れの破壊形態がくびれを伴う破壊形態か否の判別によって、上記複数の成形条件を、くびれを伴う第１の破壊形態とくびれを伴わない第２の破壊形態との２つの破壊形態に区分けする分類工程と、各破壊形態に属する成形条件での上記成形限界量を用いて、上記２つの破壊形態毎に個別に成形可能領域を求める個別成形可能領域設定工程と、を有することを要旨とする。

本発明の態様によれば、２つの破壊形態毎の成形可能領域を用いることで、金属板の伸びフランジ性の評価をより高精度に実行可能となる。
この結果、本発明の態様を適用することで、より伸びフランジ性が良好なプレス部品を提供可能となる。

本発明に基づく実施形態に係る伸びフランジ性評価方法の工程例を示す図である。 ひずみの局所化の有無による伸びフランジ破壊における性状の差異を示す説明図である。 ２種の成形限界線とその材料特性への依存性の模式図である。 第２の破壊形態に対する複数の成形限界線を設定した図である。 穴広げ率とひずみ勾配との関係の一例を表す図である。 鋼板Ａにおける成形限界図である。 鋼板Ｂにおける成形限界図である。 鋼板Ｃにおける成形限界図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
ここで、本実施形態の伸びフランジ性評価方法は、例えば、金属板を目的のプレス部品にプレス成形（プレス加工）する際の、金型の設計、金属板の材料条件、及びプレス部品の製造に対し適用できる。金属板の材料条件とは、鋼種や金属板の厚さなどである。
本実施形態は、特に、超ハイテン鋼板材などのように伸び率が低い金属材料に好適な技術である。本実施形態は、例えば、ＪＩＳ ２２４１に準拠する金属材料引張試験方法で、一様伸びが１６％以下の金属材料に対し、特に効果的である。

（構成）
本実施形態の伸びフランジ性評価方法の工程１として、図１に示すように、個別限界量取得工程１Ａ、分類工程１Ｂ、個別成形可能領域設定工程１Ｃ、及び評価工程１Ｄを備える。

＜個別限界量取得工程１Ａ＞
個別限界量取得工程１Ａは、金属板に対し、複数の成形条件にて伸びフランジ試験を実行して、各成形条件におけるフランジ部での成形限界量を求める処理を実行する。
本実施形態の個別限界量取得工程１Ａは、試験工程１Ａａと、成形限界算出工程１Ａｂとを備える。
試験工程１Ａａは、伸びフランジ試験を実行する実験工程である。伸びフランジ試験は、例えば、穴広げ試験である。

本実施形態の試験工程１Ａａでは、複数の成形条件にて穴広げ試験を実行して、破壊に至った時点での穴広げ率を測定する。穴広げ試験での成形条件（穴広げ試験条件）は、例えば、試験片（金属板）に形成する初期穴径と、穴広げ用ポンチ形状（成形工具形状）との２つの変数で規定（特定）される。この２つの変数の少なくとも一方を変更することで、複数の成形条件を設定する。
成形限界算出工程１Ａｂは、各成形条件毎にフランジ部での成形限界量を算出する。
ここで、試験工程１Ａａで求めた穴広げ率を、成形限界量としてもよい。この場合、成形限界算出工程１Ａｂは、個別限界量取得工程１Ａとは別工程となる。

本実施形態での成形限界量は、ひずみ勾配とフランジ成形量の組からなる。本実施形態では、真ひずみをフランジ成形量とする。真ひずみは、初期穴径と穴広げ率から求まる、周方向に沿ったひずみを、真ひずみに変換することで求めることが出来る。
成形限界算出工程１Ａｂは、解析（ＦＥＭ解析や物理的な初等解析による）計算により、伸びフランジ試験の破断が生じた状態でのフランジ部近傍のひずみ勾配を算出する。
例えば、成形限界算出工程１Ａｂは、評価する金属板と同じ板条件を有する金属板に対し、設定した成形条件（以下、穴広げ試験条件とも呼ぶ）での穴広げ試験の成形解析を実施する。

板条件とは、通常、金属板を解析する際に設定する金属板の特性条件（材料条件）であり、例えば、材料強度、板の機械的特性、板厚などである。
この成形解析にて、穴広げ率と穴端縁から半径方向に沿ったひずみ勾配との関係が求められる。ひずみ勾配は、例えば、端面から５ｍｍ以内の範囲について実行する。
また、成形解析中の穴広げ率を真ひずみに換算して穴端縁の穴周方向に沿った真ひずみとする。なお、真ひずみは、成形解析を用いずに求めても良い。
成形限界算出工程１Ａｂは、上記の処理によって、上記穴広げ試験に設定した成形条件に対応する、穴端縁の真ひずみとひずみ勾配との関係からなる成形限界量の情報を、成形条件に紐付けて求め、その試験データをデータベースに格納する。

＜分類工程１Ｂ＞
分類工程１Ｂは、試験工程１Ａａで設定した複数の成形条件について、伸びフランジ試験によってフランジ部に生じた割れの破壊形態がくびれを伴う破壊形態か否の判別によって、第１の破壊形態と第２の破壊形態に区分けして分類する。区分けした情報は、データベース中の各試験データに付与する。付与する情報は、第１の破壊形態と第２の破壊形態のどちらの破壊形態に属するか情報である。
本明細書で、上記の「くびれ」のことを、「ひずみの局所化」とも記載する。
第１の破壊形態は、くびれを伴う破壊形態の場合とし、第２の破壊形態は、くびれを伴わない破壊形態の場合とする。このとき、例えば、割れ発生時の伸びフランジ部における、端面での、割れが発生していない位置１１ａでの板厚に対する、割れ発生部１１ｂでの板厚の板厚減少率が１０％以上の場合に、くびれを伴う破壊形態と定義する（図２参照）。

くびれを伴う破壊形態か否の判別は、伸びフランジ試験の試験後の試験片に対し、官能試験や形状測定を実行することによって判定する。この判定は、例えば、伸びフランジ部に対し、図２（ａ）のようなひずみの局所化を伴うか否かで判定する。
ここで、図２（ａ）は、ひずみの局所化を伴ってフランジ伸び破壊が発生した例である。この場合、割れ（亀裂）が発生した部分が、部分的に板厚減少が発生した板厚減少領域となっている。図２（ｂ）は、ひずみの局所化を伴わないでフランジ伸び破壊が発生した例である。この場合、周方向に沿ってほぼ均質に変形しつつ亀裂が発生している。

＜個別成形可能領域設定工程１Ｃ＞
個別成形可能領域設定工程１Ｃは、各破壊形態に属する成形条件での上記成形限界量を用いて、２つの破壊形態毎に個別に成形可能領域を求める処理を実行する。
個別成形可能領域設定工程１Ｃは、データベース上に格納した試験データのうち、第１の破壊形態に属する試験データを用いて、第１の破壊形態における成形限界の境界線（成形限界線Ｘ）を算出する。その成形限界線Ｘより下方の領域を、第１の破壊形態での成形可能領域とする（図３参照）。

同様に、個別成形可能領域設定工程１Ｃは、データベース上に格納した試験データのうち、第２の破壊形態に属する試験データを用いて、第２の破壊形態における成形限界の境界線（成形限界線Ｙ）を算出する。その成形限界線Ｙより下方の領域を、第２の破壊形態での成形可能領域とする（図３参照）。
なお。各試験データは、フランジ割れ発生時のひずみ勾配と真ひずみ（フランジ成形量）とを有するので、回帰分析などによって、対応する複数の試験データを通過する線を、成形限界線Ｘ、Ｙとして求めればよい。成形限界線Ｘ、Ｙは、ひずみ勾配と真ひずみとを変数とした関数で表すことができる。
成形可能領域を特定する成形限界線Ｘ、Ｙの変数として、金属板の材料種類やフランジ部の加工条件などを含めても良い。また、材料特性の変動による成形限界のばらつきなどを含めることも可能である。

＜評価工程１Ｄ＞
評価工程１Ｄは、上記個別成形可能領域設定工程１Ｃが求めた２つの成形可能領域の両方を用いて、対象とする金属板における伸びフランジ性を評価する処理を実行する。
評価工程１Ｄでは、例えば、評価する金属板に対しプレス成形を模擬した成形解析を実施し、その成形解析における評価対象の金属板の端縁でのひずみ勾配及び真ひずみ（フランジ成形量）と、個別成形可能領域設定工程１Ｃで求めた２つの成形可能領域との関係から、金属板の伸びフランジ性を評価する処理を実行する。
この処理は例えば次のように実行する。

まず、プレス成形の暫定した暫定成形仕様について、ＦＥＭ解析や物理的な初等解析による解析計算によって、成形完了後の変形量（真ひずみ）及びフランジ部近傍のひずみ勾配を求める。
次に、求めた変形量とひずみ勾配が、個別成形可能領域設定工程１Ｃで求めた、２つの成形可能領域の重複領域に存在するか否かを調べる、重複領域に存在する場合は成形可能と評価し、重複領域に存在しない場合は成形不可能と評価する。評価は、２つの成形可能領域の重複領域を特定する成形限界線Ｘ、Ｙからの距離（真ひずみの差など）で評価してもよい。
また、評価は、評価する金属板の端部のうちから代表位置を複数選定し、その選定した全ての位置について実行する。選定する位置は、伸びフランジが発生する端部とする。

＜伸びフランジ性評価後の処理＞
評価工程１Ｄでの全ての代表位置での評価が成形可能の場合は、量産成形に実用しうる成形仕様として決定する。
一方、評価工程１Ｄにおける、一部の代表位置での評価が成形不可能の場合は、暫定成形仕様の変更を行って、再び、上記の評価工程１Ｄを実行する。但し、金属板の金属材料を変更する場合には、個別限界量取得工程１Ａから再実行する。
ここで、暫定成形仕様の変更には、設定したプレス金型の設計を変更する処理でも構わない。この場合、本実施形態の伸びフランジ性評価方法を用いることで、金属板端面での割れを抑制した、適切なプレス金型を設計することが可能となる。

＜プレス部品の製造＞
評価工程１Ｄにおける全ての代表位置での評価が成形可能と評価され、量産成形に実用しうる成形仕様として決定すると、決定された成形仕様に基づき、金属板をプレス加工して目的とするプレス部品を製造する。すなわち、決定した設計仕様に基づき作製したプレス金型を用いて、決定した設計仕様に基づき決定したプレス成形の際に伸びフランジ割れが発生しない材料条件の金属板を用いて、プレス部品を製造する。
ここで、上記決定された成形仕様に基づきプレス部品の量産を実行するにつれて、経時的に、ブランク金型、プレス金型の摩耗、材料特性の変動といった変動要因によって、製造したプレス部品に対し意図しない割れが発生することがある。

このようなフランジ割れの発生を検出したら、次の、フランジ割れの分析工程を実行する。
フランジ割れの分析工程では、割れが発生した部品箇所についての、ひずみ勾配と真ひずみからなる割れデータを取得し、その割れデータと上記決定した成形仕様に基づき、量産変動によって、ひずみの局所化による割れ（成形限界線Ｘ）と、一様変形下での割れ（成形限界線Ｙ）の破壊形態とのうちの、どちらの成形限界に到達したか推測して、フランジ割れをもたらした破壊機構を判別する。

これは、割れデータが、２つの成形可能領域のどちらの領域から逸脱したかで判別可能である。また、実際に割れたプレス成型品を用いて、官能試験や形状測定によって、フランジ割れにひずみの局所化を伴うか否かを判定して、２つの成形可能領域のどちらの領域から逸脱したか判定してもよい。
判定した破壊形態毎に、例えば、以下のようなフランジ割れの対策を実行することが可能である。
すなわち、第１の破壊形態による割れの場合には、フランジ割れがひずみの局所化による割れであるので、金属材料の延性の管理を行う。延性の管理とは、例えば鋼板材料の伸びや加工硬化率、その異方性の管理、または以上の諸特性の規格範囲の厳格化を指す。延性の改善に加えて、成形条件や金型の見直しにより、フランジ部の成形ひずみを小さくすることでも対策が可能である。

また、第２の破壊形態による割れの場合には、フランジ割れがひずみの局所化を伴わない割れであるので、端面組織耐割れ性の管理を行う。耐割れ性の管理とは、例えば亀裂進展の原因になる鋼材中介在物の低減、材料組織の適正化による当破壊形態での穴広げ率の改善、または以上の諸特性範囲の厳格化、あるいは打抜き金型管理の厳格化によるクリアランスの適正化が挙げられる。
このような割れに対する改善処理を実行することで、フランジ割れによる量産トラブルに対し効果的な対策を実行する。この結果、フランジ割れによるトラブルの危険性が低減された、従来よりも高い効率を有するプレス生産ラインの構築が可能になる。

ここで、第２の破壊形態による割れの場合には、端面の性状を変更することで割れを回避することが可能である。
このため、次のように処理を実行しても良い。
すなわち、金属板の端面性状が異なる複数種類の金属板毎に、上記第２の破壊形態での成形可能領域（成形限界線Ｙ、Ｙ１、Ｙ２）を求めておく（図４参照）。そして、評価する金属板の端面性状では、第１の破壊形態での成形可能領域内（成形限界線Ｘ内）に位置するが、第２の成形可能領域（成形限界線Ｙ内）に位置しない場合と判定し、更に、他の端面性状での第２の破壊形態での成形可能領域内（成形限界線Ｙ２内）に位置すると判定した場合には、プレス成形する金属板の端面性状を上記他の端面性状に変更する。この場合、例えば、端面性状の改善対応に、プレス工程の前工程として、金属板の端面（主に割れが発生した端面）をリーマーなどで磨いたり、削ったりする前処理を実行してもよい。

（作用その他）
発明者らは上述の課題の原因を考究し、解決手段を鋭意検討した結果、次のような知見を得た。
（１）伸びフランジ割れの発生機構は、成形条件によって次の２つに分類可能である。すなわち、第１の分類は、ひずみ勾配が比較的低い場合に生じうる、フランジ周縁部でのひずみの局所化を伴う伸びフランジ割れの場合である（第１の破壊形態）。第２の分類は、ひずみ勾配が比較的高い場合に生じうる、フランジ周縁部でのひずみの局所化を伴わない伸びフランジ割れの場合である（第２の破壊形態）。

（２）第１の破壊形態を伴う伸びフランジ割れでは、図２（ａ）のように、フランジ周縁部で不均一な板厚減少が観察され、この不均一な板厚減少に続いて、すみやかに穴縁面に割れが生じる。第２の破壊形態での伸びフランジ割れでは、図２（ｂ）のように、フランジ部がほぼ均一に板減した状態で、フランジ端面から亀裂が発生、進展して破壊に至る。

（３）第１の破壊形態での伸びフランジ割れについては、伸びや加工硬化率をはじめとした材料の延性が高いほど、伸びフランジ部の成形限界ひずみが増加する。一方で、第２の破壊形態での伸びフランジ割れについては、フランジ端面の加工による損傷の小ささ、また（材料組織に依存した）当破壊形態における穴広げ率の高さに代表される、フランジ端面の耐割れ性が高いほど、伸びフランジ部の成形限界ひずみが増加する。

（４）第１の破壊形態での伸びフランジ割れと、第２の破壊形態での伸びフランジ割れは競合関係にあり、成形条件に依存したフランジ部近傍のひずみ勾配と、材料特性との関係でどちらの破壊機構の伸びフランジ割れが発生するか決定する。

（５）ひずみ勾配と伸びフランジ変形限界量の関係は、穴広げ試験方法において初期穴径及びポンチ形状を種々変えて穴広げ実験を行うことにより得られる。更に伸びフランジ割れにひずみの局所化を伴うか否かについては、例えば試験片フランジ部の板厚減少が均一であるか否かを調べることにより判別が可能である。

このような知見に基づく本実施形態によれば、被成型品の材料特性と成形条件によるひずみ勾配とを、変形限界量と伸びフランジ割れの発生機構に関連付けて成形可否判別を行うため、従来よりも高い判別精度によって量産プレス成形工程での伸びフランジ割れを予測することができる。したがって、プレス成形工程でのフランジ割れを低減することが可能である。

また、本実施形態により予測された成形可能条件に基づいて量産でのプレス成形を行い、意図しない伸びフランジ割れが生じた場合でも、当該成形条件にて予期される破壊機構に従って、適切な対策を取ることが可能である。具体的には、ひずみの局所化を伴う伸びフランジ割れには材料の延性の管理を、ひずみの局所化を伴わない伸びフランジ割れには端面の耐割れ性の管理をすることで効果的に伸びフランジ割れを低減することができる。
また、本実施形態は、特に超ハイテン鋼板材の伸びフランジ割れによる品質不良を効果的に低減する。したがって、本発明を取り入れたプレス生産方法はより高い生産性を実現することができる。
すなわち、本実施形態は、次のような効果を奏する。

（１）本実施形態は、金属板の伸びフランジ性を評価する伸びフランジ性評価方法であって、金属板に対し、複数の成形条件にて伸びフランジ試験を実行して、各成形条件におけるフランジ部での成形限界量を求める個別限界量取得工程１Ａと、伸びフランジ試験によってフランジ部に生じた割れの破壊形態がくびれを伴う破壊形態か否の判別によって、複数の成形条件を、くびれを伴う第１の破壊形態とくびれを伴わない第２の破壊形態との２つの破壊形態に区分けする分類工程１Ｂと、各破壊形態に属する成形条件での成形限界量を用いて、２つの破壊形態毎に個別に成形可能領域を求める個別成形可能領域設定工程１Ｃと、を有する。

そして、例えば、個別成形可能領域設定工程１Ｃが求めた２つの成形可能領域の両方を用いて、対象とする金属板における伸びフランジ性を評価する。
この構成によれば、従来よりも精度良く、伸びフランジ割れの可否を評価することが出来る。
ここで、例えば、割れ発生時の伸びフランジ部における、割れが発生していない位置での板厚に対する、端面での、割れ発生部での板厚の板厚減少率が１０％以上の場合に、くびれを伴う破壊形態と定義（規定）すると良い。

（２）本実施形態では、評価する金属板に対しプレス成形を模擬した成形解析を実施し、その成形解析における評価対象の金属板の端縁でのひずみ勾配及びフランジ成形量と、２つの成形可能領域との関係から、金属板の伸びフランジ性を評価する。
この構成によれば、伸びフランジ割れを抑えたプレス成形のための成形仕様を、より精度良く求めることが出来る。

（３）本実施形態の伸びフランジ性評価方法を用いて、金属板端面での割れを抑制したプレス金型を設計しても良い。そして、そのプレス金型の設計に基づき作製したプレス金型を用いて、金属板をプレス部品にプレス成形する。
この構成によれば、伸びフランジ割れを抑えたプレス部品を製造可能となる。

（４）本実施形態は、金属板をプレス成形してプレス部品を製造するプレス部品の製造方法であって、本実施形態の伸びフランジ性評価方法に基づき、プレス成形の際に伸びフランジ割れが発生しない金属板の材料条件を選定し、選定した材料条件に合った金属板を用いてプレス部品を製造するようにしてもよい。
この構成によれば、伸びフランジ割れを抑えたプレス部品を製造可能となる。

（５）本実施形態では、金属板の端面性状が異なる複数種類の金属板毎に、第２の破壊形態での成形可能領域を求めておき、評価する金属板の端面性状では、第１の破壊形態での成形可能領域内に位置するが、第２の成形可能領域に位置しない場合であって、他の端面性状での第２の破壊形態での成形可能領域内に位置すると判定した場合には、プレス成形する金属板の端面性状を他の端面性状に変更するようにしても良い。
この構成によれば、第２の破壊形態と判定された場合に、割れの状況によっては、金属板の端面性状を変更することで、割れを簡易抑制することが可能となる。

以下、本実施形態に基づく実施例について説明する。
第１の実施例では、薄鋼板材料Ａ〜Ｃについて、本実施形態に基づき成形可能領域を調査した。薄鋼板材料Ａ〜Ｃは、表１に示したように、降伏強度（ＹＳ）、引張強度（ＴＳ）、一様伸び（Ｕ．Ｅｌ）、全伸び（Ｔ．Ｅｌ）、厚さ（Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）、並びに鉄連規格の穴広げ率λ（初期穴径１０ ｍｍ、クリアランス１２％、ポンチ頂角６０°における値）を有した。なお、クリアランスＣは、金属板の板厚ｔに対する、カッターの上刃と下刃の隙間ｄの比（ｄ／ｔ）の百分率で定義する。

このとき、ひずみ勾配の異なる場合の伸びフランジ成形性を調べるため、成形条件として、表２に示す、初期穴径とポンチ形状の組合せによる穴広げ試験を行った。この際、端面組織の損傷の大小が伸びフランジ成形性に及ぼす効果を比較するため、表２に付記するように、穴端面の加工条件には一般的なクリアランス１２％での打抜きと、打抜きに対して端面の加工硬化が比較的小さい機械加工後リーマー仕上げによるものとを用意した。
ここで、薄鋼板Ａ〜Ｃの材料は、鉄連規格の穴広げ率λや、伸びに代表される延性に大きな差異があるため、端面の耐割れ性とひずみの分散性とが成形可能領域に及ぼす影響を比較して例示することが可能である。

初めに、表１の各薄鋼板材料について、２種類の端面加工状態のそれぞれについて、表２に示す成形試験（穴広げ試験）を行った。ここで、条件Ｄが鉄連規格による穴広げに対応している。ここでは鋼種と成形条件に応じて、破壊機構と限界穴広げ率とが組み合わせて記録された。
次に、成形条件が、表２に基づく場合の穴広げ率とひずみ勾配の関係を、ＦＥＭ解析計算により算出した。図５に、成形の進行に伴う穴広げ率と板端面付近のひずみ勾配との関係の一例を示した。但し、ひずみ勾配の値の計算方法としては、一例として特許文献１と同様に、フランジ部端面から５ｍｍだけ離れた位置までの平均を用いて算出した。

図６、図７、図８は、ひずみの局所化による成形限界線Ｘ、及び一様変形下での成形限界線Ｙを、成形試験とＦＥＭ解析計算に基づいて計算し、成形限界線ＸとＹから特定される成形可能領域を、それぞれ薄鋼板Ａ、Ｂ、Ｃの材料について、穴端面が打抜きの場合と機械加工の場合を比較して示したものである。

（評価）
これらの実施例によると、延性の低い薄鋼板Ａ、Ｃにおいては、ひずみ勾配−成形限界の関係からなる成形可能領域は、比較的低ひずみ勾配でのひずみの局所化を伴う割れ（成形限界線Ｘ）と、比較的高ひずみ勾配でのひずみの局所化を伴わない割れ（成形限界線Ｙ）とで明らかに区別して存在すると分かった。
これらの実施例から明らかなように、ひずみ勾配が比較的高い場合には、穴端面の加工状態が機械加工の場合には打抜きの場合に比べ高い成形限界を示した（成形限界線Ｙ）。これは穴端面が機械加工の場合には、フランジ端面の加工硬化をはじめとした損傷の度合いが比較的小さく、端面の耐割れ性が優れていたためである。
しかし、ひずみ勾配が比較的低い場合においては、穴端面の加工状態の影響は存在せず、穴端面の加工状態によらずに同じ成形限界を示した（成形限界線Ｘ）。

以上のように、端面の加工状態は成形限界線Ｙにのみ影響を与えるが、成形限界線Ｘには影響を与えなかった。したがって、端面の加工状態はひずみの局所化を伴わない場合での伸びフランジ成形限界には影響を与えるが、ひずみの局所化を伴う場合での成形限界には影響を与えなかった。一方で薄鋼板Ａ、Ｂ、Ｃの実施例の比較からは、伸びに代表される延性の高い材料であるほど成形限界線Ｘの表す限界ひずみが高いことが分かった。
したがって、ひずみの局所化を伴う割れ限界（成形限界線Ｘ）は延性によりその高低が決まり、ひずみの局所化を伴わない割れ限界（成形限界線Ｙ）はフランジ端面の耐割れ性によってその高低が決まることが明らかになった。

上述の図３は、成形限界線Ｘ、Ｙとその材料特性への依存性を模式的に示したものである。即ち、伸びに代表される延性が高いほどひずみの局所化を伴う割れ限界（成形限界線Ｘ）は高限界伸びフランジ成形量側にシフトする。一方で、端面の耐割れ性が高いほど、ひずみ局所化を伴わない割れ限界（成形限界線Ｙ）は高限界伸びフランジ成形量側にシフトする。このように２種類の異なる成形限界線ＸとＹが交錯することで、超ハイテン鋼板材の伸びフランジ成形性は決定されていると分かった。

このように、成形可能領域が明らかに示されたことから、本発明に基づく成形可能領域を用いれば、特許文献１と同様の方法で暫定成形仕様における伸びフランジ成形の可否を判別し、成形仕様の決定を行うことが可能である。また、本発明による手法は特許文献１に比較して、成形限界の境界領域を成形限界線Ｘ、Ｙの２種類により特定するため、より正確に伸びフランジ割れ成形限界の予測が可能であることが分かった。
また、成形仕様の決定を行い、実際に量産ラインでの実施を行う場合、一般に予期しないフランジ割れの発生が生じうる。割れが発生した成形条件が図５、図６、図７のような成形可能領域の内で、成形限界線Ｘ、Ｙのどちらにより近いかを判別することで、伸びフランジ割れが発生した機構を判別することができる。すなわち、プレス成形事後であっても、ひずみの局所化を伴う割れ（成形限界線Ｘ）と、ひずみの局所化を伴わない割れ（成形限界線Ｙ）とに判別が可能である。

この手法で判別した伸びフランジ割れの機構に応じて、図３の模式図に示したように適切な材料特性を管理することで、効果的な伸びフランジ割れ対策が可能になる。このような対策は実際の量産ラインに適用することが可能である。したがって本特許により、超ハイテン材の伸びフランジ割れ機構に基づいた、適切な対策の方法が明らかにできることから、従来よりも効率的にフランジ割れ対策と、生産変動の管理とを行うことのできるプレス生産方法の構築が可能となった。

１Ａ 個別限界量取得工程
１Ａａ 試験工程
１Ａｂ 成形限界算出工程
１Ｂ 分類工程
１Ｃ 個別成形可能領域設定工程
１Ｄ 評価工程
Ｘ 成形限界線（第１の破壊形態）
Ｙ 成形限界線（第２の破壊形態）

Claims (10)

1. 金属板の伸びフランジ性を評価する伸びフランジ性評価方法であって、
   金属板に対し、複数の成形条件にて伸びフランジ試験を実行して、各成形条件におけるフランジ部での成形限界量を求める個別限界量取得工程と、
   上記伸びフランジ試験によって上記フランジ部に生じた割れの破壊形態がくびれを伴う破壊形態か否の判別によって、上記複数の成形条件を、くびれを伴う第１の破壊形態とくびれを伴わない第２の破壊形態との２つの破壊形態に区分けする分類工程と、
   各破壊形態に属する成形条件での上記成形限界量を用いて、上記２つの破壊形態毎に個別に成形可能領域を求める個別成形可能領域設定工程と、
   を有することを特徴とする伸びフランジ性評価方法。
2. 割れ発生時の伸びフランジ部における、割れが発生していない位置での板厚に対する、割れ発生部での板厚の板厚減少率が１０％以上の場合に、くびれを伴う破壊形態と定義することを特徴とする請求項１に記載した伸びフランジ性評価方法。
3. 上記個別成形可能領域設定工程が求めた２つの成形可能領域の両方を用いて、対象とする金属板における伸びフランジ性を評価することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載した伸びフランジ性評価方法。
4. 上記成形可能領域は、ひずみ勾配とフランジ成形量で規定されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載した伸びフランジ性評価方法。
5. 評価する金属板に対しプレス成形を模擬した成形解析を実施し、その成形解析における評価対象の金属板の端縁でのひずみ勾配及びフランジ成形量と、上記２つの成形可能領域との関係から、金属板の伸びフランジ性を評価することを特徴とする請求項４に記載した伸びフランジ性評価方法。
6. 上記金属板は、ＪＩＳ ２２４１に準拠する金属材料引張試験方法で、一様伸びが１６％以下の金属材料からなることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載した伸びフランジ性評価方法。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の伸びフランジ性評価方法を用いて、金属板端面での割れを抑制したプレス金型を設計することを特徴とするプレス金型設計方法。
8. 請求項７に記載したプレス金型設計方法に基づき作製したプレス金型を用いて、金属板をプレス部品にプレス成形するプレス部品の製造方法。
9. 金属板をプレス成形してプレス部品を製造するプレス部品の製造方法であって、
   請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載した伸びフランジ性評価方法に基づき、プレス成形の際に伸びフランジ割れが発生しない金属板の材料条件を選定し、選定した材料条件に合った金属板を用いて上記プレス部品を製造することを特徴とするプレス部品の製造方法。
10. 金属板の端面性状が異なる複数種類の金属板毎に、上記第２の破壊形態での成形可能領域を求めておき、
    評価する金属板の端面性状では、第１の破壊形態での成形可能領域内に位置するが、第２の成形可能領域に位置しない場合であって、他の端面性状での第２の破壊形態での成形可能領域内に位置すると判定した場合には、プレス成形する金属板の端面性状を上記他の端面性状に変更することを特徴とする請求項９に記載したプレス部品の製造方法。

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