JP2021122839A - プレス成形品の製造方法 - Google Patents

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伸麻 吉川
Nobuo Yoshikawa
伸麻 吉川
光晴 山形
Mitsuharu Yamagata
光晴 山形
賢 鈴木
Masaru Suzuki
賢 鈴木
豪 加藤
Takeshi Kato
豪 加藤
知弘 瀬詰
Tomohiro Sezume
知弘 瀬詰
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Abstract

【課題】底面部と側壁部とを有するプレス成形品を成形するに際して、底面部に対する側壁部の破断、割れを抑制することが可能なプレス成形品の製造方法を提供する。【解決手段】プレス成形品10の製造方法は、第一の型31は側壁部12となる部分の第一の成形面22aに接する第一の型面31aを有し、第二の型32は側壁部12となる部分の第二の成形面22bに接する第二の型面32bを有し、前記第一の型面を前記第一の成形面に対して前記底面部から離間する向きに相対移動させるとともに、前記第二の型面を前記第二の成型面に対して前記底面部に近接する向きに相対移動させて、第一の型面31aと第二の型面32bとによって側壁部12となる部分を熱間でしごき加工する際に、第一の型面31aと第一の成形面22aとの摩擦係数μ1と第二の型面32bと第二の成形面22bとの摩擦係数μ2とが以下の式(1)の関係を満たす。μ1<μ2 ・・・・・式(1)【選択図】図4

Description

本発明は、プレス成形品の製造方法に関する。
鋼板などの金属材料からなる板材から成形品を製造する加工方法として板鍛造がある。板鍛造は、通常の板金プレスの中に局所的に鍛造を取り入れて肉厚を制御する方法である。肉厚を制御する方法としては、すえ込み、押出し、しごきなどの加工方法がある。しごき加工を伴う板鍛造では、板材の板厚よりも狭く設定されたパンチとダイスの間に板材を挟み込む。そして、パンチに対してダイスを板厚に直交する方向に移動させることで、板材を板厚方向に圧縮変形させつつ、板厚に直交する方向に引張変形させるように塑性加工を行う。この際、板材には、板厚に直交する方向に変形することに対して変形抵抗が生じるとともに、パンチ及びダイスそれぞれと板材とが接する面との間に摩擦抵抗が生じ、これら変形抵抗及び摩擦抵抗による応力が発生する。しごき加工時における変形抵抗及び摩擦抵抗による応力が板材の破断応力以上になってしまうと割れや破断に至ってしまう。このため、板鍛造を用いて板材を成形するに際しては、割れや破断に至らないような応力となるように制御することが求められている。
例えば、特許文献1では、熱間プレス法によってプレス成形品を製造するに際して、成形中におけるパンチ及びダイスと鋼板との間の摩擦係数を0.3以下とする点が開示されている。このようにパンチ及びダイスと鋼板との間の摩擦係数を制御することで、成形時に破断や割れなどを発生させることなく熱間プレス法によってプレス成形品を製造することが可能であるとされている。
特開2013−176803号公報
しかしながら、特許文献1に開示された技術であったとしても、パンチ及びダイスと鋼板との間に発生した摩擦抵抗に応じた応力が生じてしまう。このため、変形抵抗が破断や割れが生じないような程度となるように加工力を抑制する必要があり、さらなる成形限界の向上が求められている。特に、特許文献1のような熱間加工においては、熱間温度において板材の破断応力が低下するため、さらなる成形限界の向上が求められている。
そこで、この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、底面部と側壁部とを有するプレス成形品を成形するに際して、底面部に対する側壁部の破断、割れを抑制することが可能なプレス成形品の製造方法を提供するものである。
上記の課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明の一態様に係るプレス成形品の製造方法は、底面部と前記底面部から突出する側壁部とを有するプレス成形品を成形する際に、第一の型と第二の型とにより前記側壁部の一部または全部をしごき加工するプレス成形品の製造方法であって、前記第一の型は、前記側壁部となる部分の第一の成形面に接する第一の型面を有し、前記第二の型は、前記側壁部となる部分の第二の成形面に接する第二の型面を有し、前記第一の型面を前記第一の成形面に対して前記底面部から離間する向きに相対移動させるとともに、前記第二の型面を前記第二の成型面に対して前記底面部に近接する向きに相対移動させて、前記第一の型面と前記第二の型面とによって前記側壁部となる部分を熱間でしごき加工する際に、前記第一の型面と前記第一の成形面との摩擦係数μ1と、前記第二の型面と前記第二の成形面との摩擦係数μ2とが以下の式(1)の関係を満たす。
μ1<μ2 ・・・・・式(1)
この方法によれば、第一の型面を第一成形面に対して底面部から離間する向きに、第二の型面を第二成形面に対して底面部に近接する向きに相対移動させることで、第一の型面と第二の型面との間にある側壁部となる部分は、熱間でしごき加工される。この際、第一の成形面には、第一の型面が接しており底面部から離間する向きに摩擦力が生じる。また、第二の成形面には、第二の型面が接しており底面部に近接する向きに摩擦力が生じる。このため、しごき加工時に、側壁部と底面部との接続部分には、第一の型面による底面部から離間する向きに作用する摩擦力と、第二の型面による底面部に近接する向きに作用する摩擦力との合力が作用する。ここで、第一の型面と第一の成形面との摩擦係数μ1を第二の型面と第二の成形面との摩擦係数μ2よりも小さくすることで、側壁部と底面部との接続部分とに作用する第一の型面及び第二の型面による摩擦力の合力を、引張力であってより小さくすることができ、または、圧縮力とすることができる。このため、熱間でのしごき加工時における底面部に対する側壁部の破断、割れを抑制することができる。
また、上記プレス成形品の製造方法において、前記側壁部の成形は熱間加工によって実施され、前記摩擦係数μ1及び前記摩擦係数μ2は、前記熱間加工における熱間加工温度での摩擦係数であるものとしても良い。
この方法によれば、熱間加工における熱間加工温度で、第一の型面と第一の成形面との摩擦係数μ1を第二の型面と第二の成形面との摩擦係数μ2よりも小さくすることで、熱間でのしごき加工において、底面部に対する側壁部の破断、割れをより確実に抑制することができる。
また、上記プレス成形品の製造方法において、前記第一の型面と前記第一の成形面との間に第一の潤滑剤を介在させるものとしても良い。
この方法によれば、第一の潤滑剤により、第一の型面と第一の成形面との摩擦係数μ1を第二の型面と第二の成形面との摩擦係数μ2よりも小さくすることができる。
また、上記プレス成形品の製造方法において、前記第二の型面と前記第二の成形面との間に、前記第一の潤滑剤とは異なる種類の第二の潤滑剤を介在させるものとしても良い。
この方法によれば、第二の潤滑剤により、第二の型面と第二の成形面との間の摺動状態を良好なものとしつつ、第一の型面と第一の成形面との摩擦係数μ1を第二の型面と第二の成形面との摩擦係数μ2よりも小さくすることができる。
また、上記プレス成形品の製造方法において、前記第一の型は、型本体と、型本体の表面に配された第一のコーティング層とを有し、前記第一のコーティング層の表面によって前記第一の型面が構成されて前記摩擦係数μ2よりも低い摩擦係数μ1を付与しているものとしても良い。
この方法によれば、第一のコーティング層により、第一の型面と第一の成形面との摩擦係数μ1を第二の型面と第二の成形面との摩擦係数μ2よりも小さくすることができる。
また、上記プレス成形品の製造方法において、前記第二の型は、型本体と、型本体の表面に配された第二のコーティング層とを有し、前記第二のコーティング層の表面によって前記第二の型面が構成されて前記摩擦係数μ1よりも高い摩擦係数μ2を付与しているものとしても良い。
この方法によれば、第二のコーティング層により、第二の型面と第二の成形面との間の摺動状態を良好なものとしつつ、第一の型面と第一の成形面との摩擦係数μ1を第二の型面と第二の成形面との摩擦係数μ2よりも小さくすることができる。
また、上記プレス成形品の製造方法において、前記第二の型とともに前記底面部を挟んで押える押え型を有するものとしても良い。
この方法によれば、第二の型と押え型とによって底面部を挟んで押さえた状態で、第一の型と第二の型とによって、側壁部と底面部との破断や割れを抑制しつつ側壁部となる部分をしごき加工することができる。
また、上記プレス成形品の製造方法において、前記第一の型面は、前記第一の成形面と対応して直線状に形成されているものとしても良い。
この方法によれば、第一の成形面と対応する直線状の第一の型面によって、第一の成形面を広い範囲にわたって押さえてしごき加工をすることで、第一の成形面を精度良く成形しつつ、広い範囲にわたって押さえることによって生じる摩擦力の影響を最小限に抑えることができる。
本発明によれば、底面部と側壁部とを有するプレス成形品を成形するに際して、底面部に対する側壁部の破断、割れを抑制することができる。
第1の実施形態のプレス成形品の製造方法で製造されるプレス成形品を示す断面図である。 図1に示すプレス成形品を製造するための鋼材を示す平面図である。 第1の実施形態のプレス成形品の製造方法を説明するフロー図である。 第1の実施形態のプレス成形品の製造方法を用いてプレス成形品を製造するための加工装置である。 第1の実施形態のプレス成形品の製造方法を説明する手順図である。 第1の実施形態のプレス成形品の製造方法において、鋼材に対して作用する力の成分を説明する説明図である。 摩擦係数と摺動距離との関係を評価したグラフである。 第2の実施形態のプレス成形品の製造方法を用いてプレス成形品を製造するための加工装置である。 第1の実施形態のプレス成形品の製造方法でプレス成形品を製造する際の応力状態を有限要素法で解析した実施例1の結果を示す解析図である。 第1の実施形態のプレス成形品の製造方法でプレス成形品を製造する際の応力状態を有限要素法で解析した実施例2の結果を示す解析図である。
(第1の実施形態)
以下、本発明に係る第1の実施形態について図1から図10を参照して説明する。図1は、本実施形態のプレス成形品の製造方法で製造されるプレス成形品の例を示している。図1に示すように、プレス成形品10は、カップ形状に形成されており、円板状の底面部11と、底面部11の周縁から突出する円筒状の側壁部12とを備える。このようなプレス成形品10は、例えば、底面部11を軸部材に取り付け、側壁部12が他部品と係合または摩擦により接続される動力伝達部材として用いられる。なお、他部品へ動力を伝達するために、側壁部12に周方向に沿って複数の凸部を設けた歯車形状とするようにしても良い。このようなプレス成形品10は、例えば、図2に示す円板状の鋼材20から、本実施形態のプレス成形品10の製造方法を用いた熱間の板鍛造によって成形される。すなわち、鋼材20の中心L20を含む円形状の中心部21がプレス成形品10における底面部11となり、中心部21の外周に位置する円環状の環状部22が塑性変形することでプレス成形品10における側壁部12となる。側壁部12を形成する際には肉厚を減少させるしごき加工が施される。また、プレス成形品10の側壁部12において、外周面12aが本実施形態のプレス成形品10の製造方法を用いて成形される第一の成形面に相当し、内周面12bが同方法を用いて成形される第二の成形面に相当する。なお、特に断りの無い限り、本実施形態では、プレス成形品10の中心軸L10に沿う方向を上下方向Xとし、底面部11が下側、側壁部12が上側に配置され、底面部11から側壁部12が上向きに延びるようにプレス成形品10及び対応する加工装置が配置されているものとして説明する。
次に、本実施形態のプレス成形品10の製造方法の詳細について説明する。図3は、本実施形態のプレス成形品10の製造方法の詳細を説明するフロー図である。図3に示すように、本実施形態のプレス成形品10の製造方法は、鋼材20をAc3変態点以上の温度まで加熱させる加熱工程S1と、Ac3変態以上の温度となっている鋼材20に加工を行う加工工程S2とを備える。加熱工程S1では、加熱時オーステナイト変態完了温度であるAc3変態点以上となる温度まで鋼材20を加熱することで、鋼材20は、オーステナイト相となる。
図4は、加工工程S2で用いられる加工装置の一例を示している。図4に示すように、加工装置30は、ダイス(第一の型)31と、ダイス31とともに鋼材20の環状部22を挟み込むパンチ(第二の型)32と、ダイス31とともに鋼材20の中心部21を挟み込む押え型33とを備えている。ダイス31は、プレス成形品10における側壁部12の外周面12aと対応して円周面状に形成された第一の型面31aを有する筒状の部材である。図4に示すように、プレス成形品10の中心軸L10を含む断面において、第一の型面31aは、側壁部12の外周面12aと対応して直線状に形成された直線部31bと、直線部31bの上端から上方へと延びるに従って拡径し上方に開口する導入部31cとを有する。パンチ32は、底面部11の形状と対応する円形状に形成された下面である押圧面32aと、押圧面32aの周縁から上方に延びる円周面であり側壁部12の内周面12bと対応した第二の型面32bとを有する。ダイス31の第一の型面31aにおける直線部31bの内径とパンチ32の第二の型面32bの外径との差が、プレス成形品10の側壁部12の厚さt12に相当する。また、押え型33は、パンチ32の押圧面32aとともに、プレス成形品10における底面部11となる中心部21を挟み込む支持面33aを有する。
ダイス31の第一の型面31aには第一の潤滑剤が塗布されている。また、パンチ32の第二の型面32bには第二の潤滑剤が塗布されている。これら、第一の潤滑剤及び第二の潤滑剤による潤滑効果により、ダイス31の第一の型面31aと鋼材20の環状部22において側壁部12の外周面12aとなる面22aとの摩擦係数μ1、及び、パンチ32の第二の型面32bと鋼材20の環状部22において側壁部12の内周面12bとなる面22bとの摩擦係数μ2が制御されている。具体的には、第一の潤滑剤及び第二の潤滑剤により、摩擦係数μ1及び摩擦係数μ2が、それぞれ潤滑油がない状態と比較して低減されつつ、摩擦係数μ1と摩擦係数μ2との間には式(1)のような関係が満たされている。
μ1<μ2 ・・・・・式(1)
式(1)の関係を満たすための第一の潤滑剤、第二の潤滑剤の具体例については後述する実施例で示すが、上記式(1)を満たす限り潤滑剤の種類は限定されない。
図5は、加工工程S2で行われる加工の詳細を示している。図5(a)に示すとおり、鋼材20は、まず中心部21が押え型33の支持面33a上に、環状部22が押え型33からはみ出すようにして配置される(ステップS21)。また、鋼材20は、押え型33に支持された下面と反対側となる上面がパンチ32の押圧面32aで押えられることでパンチ32と押え型33との間に挟み込まれる。この段階でダイス31は、鋼材20の環状部22の下方となる位置で押え型33の外周に配されている。次に、ダイス31を上方に移動させてしごき加工を行う(ステップS22)。ダイス31が上方に移動すると、鋼材20の環状部22の下面がダイス31に当接する。さらにダイス31が上方に移動すると、図5(b)に示すように、鋼材20の環状部22は、中心部21に対して折れ曲がり、第一の型面31aの導入部31cの傾斜に従って案内される。さらにダイス31が上方に移動すると、図5(c)に示すように、第一の型面31aの直線部31bと第二の型面32bの一部が相対するようになる。第一の型面31aの直線部31bと第二の型面32bとの離間寸法は、鋼材20の厚さt20よりも小さく設定されている。このため、鋼材20は第一の型面31aの直線部31bと第二の型面32bとにより、環状部22の板厚方向に圧縮塑性変形しながら、環状部22の板厚方向と直交する上下方向Xに引張塑性変形するしごき加工が施される。そして、図5(d)に示すように、環状部22が上下方向Xに引張塑性変形して側壁部12として求められる長さL12となるまで第一の型面31aを移動させる。この際、鋼材20の環状部22は、加工工程S2前よりも加工工程S2による圧縮塑性変形量分だけ板厚方向の寸法が小さくなっている。加工工程S2前の環状部22の板厚方向の寸法に対する加工工程S2実施後の板厚方向における圧縮塑性変形量の比の百分率のことをしごき率という。環状部22がプレス成形品10における側壁部12として、所定の長さL12となるように形成された後も、ダイス31、パンチ32及び押え型33が鋼材20に接した状態を維持して、所定の冷却速度で冷却する(ステップS23)。そして、鋼材20の温度が冷却完了温度に達したら、ダイス31を下降させるとともに、パンチ32を上昇させることでプレス成形品10が取り出される(ステップS24)。
ここで、ダイス31を上昇させて環状部22をしごき加工する間、ダイス31とパンチ32とによって鋼材20の環状部22には塑性変形をさせるための加工力Pが作用し、鋼材20の環状部22にはこの加工力Pにより変形抵抗が生じる。図6に示すように、この変形抵抗は、上下方向Xへの引張変形に対する軸方向変形抵抗Fcと、板厚方向への圧縮変形に対する板厚方向変形抵抗とを有する。また、ダイス31及びパンチ32の上記動作によりパンチ32が側壁部12の内周面12bに対して底面部11に近接する方向に相対移動し、また、ダイス31が側壁部12の外周面12aに対して底面部11から離間する方向に相対移動する。このため、鋼材20の環状部22において側壁部12の外周面12aとなる面には、ダイス31の第一の型面31aとの摩擦によって上下方向Xで底面部11から離間する上向きの第一の摩擦力Fdが生じる。また、鋼材20の環状部22において側壁部12の内周面12bとなる面には、パンチ32の第二の型面32bとの摩擦によって上下方向Xで底面部11に近接する下向きの第二の摩擦力Fpが生じる。このため、環状部22と中心部21との接続部分、すなわちプレス成形品10における底面部11と側壁部12とを接続する肩部13には、底面部11と側壁部12とを離間させる向きに以下の式(2)で表わされる軸方向力Fが作用する。なお、式(2)におけるF、Fc、Fd、Fpはスカラー量を表わしており、正は上向き、負は下向きの力を示している。
F=Fc+Fd−Fp ・・・・・式(2)
したがって、肩部13には上記軸方向力Fに応じた軸方向応力σpが生じている。上記しごき加工において肩部13で破断や割れが生じないようにするためには、軸方向応力σpが、鋼材20の破断応力を超えないようにする必要がある。
本実施形態の加工方法では、上記のとおり、ダイス31の第一の型面31aと鋼材20の環状部22における第一の成形面となる面22aとの摩擦係数μ1と、パンチ32の第二の型面32bと鋼材20の環状部22における第二の成形面となる面22bとの摩擦係数μ2との間には、上記式(1)のような関係が満たされるように摩擦係数が制御されている。したがって、式(2)において、第一の摩擦力Fdを摩擦係数μ1により抑制しつつ、軸方向Fを小さくする第二の摩擦力Fpを摩擦係数μ2により相対的に大きくすることで、軸方向Fを小さくしてしごき加工時における肩部13での割れや破断を防止することができる。言い換えれば、軸方向応力σpが鋼材20の破断応力を超えない範囲において、軸方向変形抵抗Fcを大きくできるため、鋼材20に作用させる加工力Pを大きくすることができ、成形限界を向上させることができる。ここで、摩擦係数μ1及びμ2は、しごき加工を実施する際の温度における値であることが好ましい。このため、本実施形態では、700〜850℃における摩擦係数であることが好ましい。
図7は、ダイス31及びパンチ32に用いられる部材と、ダイス31及びパンチ32でしごき加工される鋼材20との摩擦係数について、摺動距離との関係を評価した実験例を示している。ダイス31及びパンチ32に用いられる部材には、材種SKD61を用いた。供試材には非めっきの1.5GPa級ホットスタンプ用鋼板を用いた。供試材評価方法としては、日本国特開2018−008278号公報に記載されている試験方法に準じた。具体的には、熱間摺動試験装置を用い、上記供試材からなり温度を850℃とした試験片を3kN(面圧10MPa)で加圧し、引き抜き速度13mm/sで引き抜く際の摺動距離20〜40mmにおける摩擦係数の平均値を求め、各供試材における摩擦係数とした。潤滑剤の有無、及び、潤滑剤の種類による違いを評価するために、試験片の表面に潤滑剤を塗布しない実験例Y0、潤滑剤1を塗布した実験例Y1、潤滑剤2を塗布した実験例Y2の3つの例について評価を行った。潤滑剤1は、大同化学工業株式会社製の白色系非乾燥型潤滑剤(製品名:300HVS)である。また、潤滑剤2は、大同化学工業株式会社製の白色系乾燥型潤滑剤(製品名:E−25)である。図7に示すとおり、実験例Y0では、摩擦係数は0.6となった。実験例Y1では、摩擦係数は0.25となった。実験例Y2では、摩擦係数は0.5となった。このように予め各潤滑剤を用いた場合の摩擦係数を求め、式(1)を満たすように潤滑剤を選定すれば良い。なお、上記実験例Y0〜Y2は一例であり、他の潤滑剤についても適用可能である。
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。図8は、本発明の第2の実施形態を示したものである。この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。
図8は、本実施形態のプレス成形品10の製造方法で用いられるダイス41及びパンチ51を示している。図8に示すように、本実施形態では、ダイス(第一の型)41は、型本体42と、型本体42の表面に配された第一のコーティング層43とを有している。また、パンチ(第二の型)51は、型本体52と、型本体52の表面に配された第二のコーティング層53とを有している。なお、ダイス41、パンチ51とも、コーティング層は型本体42、52の表面全体にコーティングされているものとしているが、少なくとも第一の型面43a及び第二の型面53aを形成する部分として鋼材20と接する部分にコーティングされていれば良い。そして、本実施形態では、第一の型面31aと第一の成形面との摩擦係数μ1と第二の型面32bと第二の成形面との摩擦係数μ2とが上記式(1)の関係を満たすように第一のコーティング層43及び第二のコーティング層53の材種が選択される。例えば、上記のように鋼材20としてNS22CBを用いた場合、第一のコーティング層43としてはCrNを主成分とするコーティング層が選択される。また、第二のコーティング層53としてはTiNを主成分とするコーティング層が選択される。このような材種を選択することで、摩擦係数μ1が0.4、摩擦係数μ2が0.6となり式(1)を満たし同様の作用効果を得ることができる。
<実施例1>
図9は、15%のしごき率における解析結果を示している。解析方法としては有限要素法を用いた。鋼材20としては非めっきの1.5GPa級ホットスタンプ用鋼板、直径126mm、板厚4.0mmとした。ダイス(第一の型)31において、第一の型面31aの内径はしごき率15%の場合は86.8mm、しごき率30%の場合は85.6mmとした。また、パンチ(第二の型)32において、第二の型面32bの外径は80mm、第二の型面32bと押圧面32aとの間のR部の半径を5mmとした。鋼材20の中心部21をパンチ32と押え型33とで挟み込むクランプ力は98kNとした。鋼材20の加工開始時の温度を900℃とし、ダイスの移動速度を13mm/sとした。加工時の冷却速度は200℃/sであった。図9に示すように、このような条件の下、実施例1では、ダイス31と鋼材20との摩擦係数μ1を0.25、パンチ32と鋼材20との摩擦係数μ2を0.5とし、しごき率15%となるまでしごき加工を行った。また、比較例1−1、比較例1−2では、同様のしごき率15%として摩擦係数μ1、μ2を変更して式(1)を満たさないものとした。具体的には、比較例1−1では、摩擦係数μ1、μ2をそれぞれ0.5、0.25、また、比較例1−2では、摩擦係数μ1、μ2をそれぞれ0.6、0.25として、摩擦係数μ1を摩擦係数μ2に対して大きくした。図9に示すとおり、実施例1では、しごき率15%で側壁部12を成形し、側壁部12の長さを39.38mmに成形することができた。なお、図中に示すコンターは加工完了後における温度分布を示している。一方、比較例1−1、1−2では、しごき率15%に至るまでに、部位Aで示すとおり、破断・割れに至る部分が示された。
<実施例2>
図10は、30%のしごき率における解析結果を示している。解析方法としては実施例1同様に有限要素法を用いた。その他、解析条件については実施例1と同様である。図10に示すように、実施例2では、ダイス(第一の型)31と鋼材20との摩擦係数μ1を0.25、パンチ(第二の型)32と鋼材20との摩擦係数μ2を0.5とし、しごき率30%となるまでしごき加工を行った。また、比較例2−1、比較例2−2では、同様のしごき率30%として摩擦係数μ1、μ2を変更して式(1)を満たさないものとした。具体的には、比較例2−1では、摩擦係数μ1、μ2をそれぞれ0.25、0.25と同じ値とし、また、比較例1−2では、摩擦係数μ1、μ2をそれぞれ0.6、0.25として、μ2に対してμ1を大きくした。図10に示すとおり、実施例2では、しごき率30%で側壁部12を成形し、側壁部12の長さを43.79mmに成形することができた。なお、図中に示すコンターは加工完了後における温度分布を示している。一方、比較例2−1、2−2では、しごき率15%に至るまでに、部位Aで示すとおり、破断・割れに至る部分が示された。
<実施例3>
表1は、15%、30%、50%の3種類のしごき率における熱間円筒しごき試験を実施した結果を示している。本熱間円筒しごき試験では、予め冷間深絞り成形にて製作したカップ部品を用いた。当該カップ部品の側壁部12の内径は80mm、側壁部12の板厚は4mmとした。そして、当該カップ部品に対して、素材温度850℃、ダイスの移動速度13mm/sで、しごき率15%、30%及び50%のしごき加工を施した。供試材には、1.5GPa級ホットスタンプ用鋼板を用い、摩擦条件による成形可否を評価した。実施例3−1、3−2、3−3では、ダイス(第一の型)31の第一の型面31aと側壁部12の外周面12aとなる面22aとの摩擦係数μ1、及び、パンチ(第二の型)32の第二の型面32bと側壁部12の内周面12bとなる面22bとの摩擦係数μ2について、摩擦係数μ1を摩擦係数μ2よりも小さくして式(1)を満たすようにした。一方、比較例3−1では摩擦係数μ1を摩擦係数μ2よりも大きくして式(1)を満たさないようにした。また、比較例3―2では、摩擦係数μ1、μ2が略等しくなるようにした。そして、実施例3−1及び比較例3−1ではしごき率を15%、実施例3−2及び比較例3−2ではしごき率30%、実施例3−3ではしごき率を50%として試験を行った。結果を表1に示す。
Figure 2021122839
表1に示すとおり、実施例3−1、3−2、3−3では、いずれのしごき率でも破断、割れなどが生じず、目標のしごき率までしごき加工をすることができた。一方、比較例3−1、3−2では、いずれも目標とするしごき率に至るまでに割れが発生してしまった。
<実施例4>
表2は、しごき率30%における熱間円筒しごき試験を実施した結果を示している。本熱間円筒しごき試験でも、実施例3同様に予め冷間深絞り成形にて製作したカップ部品を用いた。当該カップ部品の側壁部12の内径は80mm、側壁部12の板厚は4mmとした。そして、当該カップ部品に対して、素材温度850℃、ダイスの移動速度13mm/sで、しごき率15%及び30%のしごき加工を施した。供試材には、1.5GPa級ホットスタンプ用鋼板を用い、潤滑条件による成形可否を評価した。潤滑剤に、上記潤滑剤1(大同化学工業株式会社製の白色系非乾燥型潤滑剤(300HVS))及び潤滑剤2(大同化学工業株式会社製の白色系乾燥型潤滑剤(E−25))を用いた。すなわち、実施例4−1では、ダイス(第一の型)31の第一の型面31aに塗布する第一の潤滑剤に潤滑剤1を適用し、パンチ(第二の型)32の第二の型面32bは潤滑剤無しとした。これにより、ダイス(第一の型)31の第一の型面31aと側壁部12の外周面12aとなる面22aとの摩擦係数μ1、及び、パンチ(第二の型)32の第二の型面32bと側壁部12の内周面12bとなる面22bとの摩擦係数μ2について、摩擦係数μ1を摩擦係数μ2よりも小さくして式(1)を満たすようにした。また、実施例4−2では、ダイス(第一の型)31の第一の型面31aに塗布する第一の潤滑剤に潤滑剤1を、パンチ(第二の型)32の第二の型面32bに塗布する第二の潤滑剤に潤滑剤2を適用し、摩擦係数μ1を摩擦係数μ2よりも小さくして式(1)を満たすようにした。結果を表2に示す。
Figure 2021122839
表2に示すとおり、実施例4−1、4−2では、破断、割れなどが生じず、目標のしごき率までしごき加工をすることができた。
<実施例5>
表3は、30%のしごき率における熱間円筒しごき試験を実施した結果を示している。本熱間円筒しごき試験でも実施例3同様に、予め冷間深絞り成形にて製作したカップ部品を用いた。当該カップ部品の側壁部12の内径は80mm、側壁部12の板厚は4mmとした。そして、当該カップ部品に対して、素材温度850℃、ダイスの移動速度13mm/sで、しごき率30%のしごき加工を施した。供試材には、1.5GPa級ホットスタンプ用鋼板を用い、コーティング層による成形可否を評価した。実施例5−1では、ダイス(第一の型)41には第一のコーティング層としてCrNを主成分とするコーティング層を設け、パンチ(第二の型)51には第二のコーティング層を設けなかった。また、実施例5−2では、ダイス41には第一のコーティング層としてTiNを主成分とするコーティング層を設け、パンチ51には第二のコーティング層を設けなかった。また、実施例5−3では、ダイス41には第一のコーティング層としてCrNを主成分とするコーティング層を設け、パンチ51には第二のコーティング層としてTiNを主成分とするコーティング層を設けた。これらコーティング層の組み合わせによって実施例5−1、5−2、5−3いずれにおいても式(1)を満たすようにした。結果を表3に示す。
Figure 2021122839
表3に示すとおり、実施例5−1、5−2、5−3では、いずれでも破断、割れなどが生じず、目標のしごき率の30%までしごき加工をすることができた。
以上のように、第1、第2の実施形態及び実施例1〜5のプレス成形品10の製造方法によれば、第一の型面と第一の成形面との摩擦係数μ1を第二の型面と第二の成形面との摩擦係数μ2よりも小さくすることで、肩部に作用する第一の型面及び第二の型面による摩擦力の合力を、引張力であってより小さくすることができ、または、圧縮力とすることができる。これにより、軸方向変形抵抗Fcを含めて肩部に作用する軸方向力Fを小さくして軸方向応力σpを小さくすることができる。このため、しごき加工時における底面部11に対する側壁部12の破断、割れを抑制することができるとともに、破断、割れが生じない範囲において軸方向変形抵抗Fcを大きくすることができ、これにより成形限界の向上を図ることができる。特に、熱間加工における熱間加工温度で、第一の型面と第一の成形面との摩擦係数μ1を第二の型面と第二の成形面との摩擦係数μ2よりも小さくすることで、熱間でのしごき加工において、底面部11に対する側壁部12の破断、割れを抑制することができる。また、パンチ(第二の型)と押え型とによって底面部11を挟んで押さえた状態で、ダイス(第一の型)とパンチ(第二の型)とによって、側壁部12と底面部11との破断や割れを抑制しつつ側壁部12となる部分をしごき加工することができる。さらに、第一の成形面と対応する直線状の第一の型面によって、第一の成形面を広い範囲にわたって押さえてしごき加工をすることで、第一の成形面を精度良く成形しつつ、広い範囲にわたって押さえることによって生じる摩擦力の影響を最小限に抑えることができる。
なお、第1の実施形態及び実施例4においては、ダイス31及びパンチ32の少なくとも一方に潤滑剤を塗布することにより摩擦係数μ1、μ2を制御するものとしたがこれらに限られるものではない。鋼材20において第一の成形面及び第二の成形面となる面の少なくとも一方に潤滑剤を塗布するものとしても良い。さらに、式(1)を満たすために潤滑油以外の手段により摩擦係数を制御するものとしても良い。
また、第2の実施形態及び実施例5におけるコーティング層は一例であり、他の材種によるコーティング層としても良く、また、第一の型面43aまたは第二の型面53aの一方をコーティング層によって形成しても良い。また、コーティング層上に潤滑油を塗布するものとしても良い。少なくとも第一の型面31aと第一の成形面との摩擦係数μ1と第二の型面32bと第二の成形面との摩擦係数μ2とが上記式(1)の関係を満たすことで底面部11に対する側壁部12の破断、割れを抑制するという作用効果を得ることができる。
また、上記各実施形態及び実施例においてプレス成形品10は、円板状の底面部11及び円筒状の側壁部12を備えるカップ形状とするものとしたが、これに限られるものではなく、底面部11が矩形状のものや、側壁部12が底面部11の周縁の一部に形成されているものとしも良い。例えば、自動車骨格部材のサイドシルやセンターピラーに使用される断面U字形や断面ハット形である長尺部品にも適用可能である。また、プレス成形品10は、円板状の鋼材20から上記方法により加工されるものとしたがこれに限られるものではなく、矩形状の鋼材20や、鋼材20以外の金属材で形成されたものとしても良い。また、深絞り加工などにおいても、少なくとも側壁部12における一部においてしごき加工がなされる場合には、底面部11に対する側壁部12の破断、割れを抑制するという作用効果を得ることができる。
以上、本発明の実施形態及び実施例について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
10 プレス成形品
11 底面部
12 側壁部
12a 外周面
12b 内周面
20 鋼材
21 中心部
22 環状部
22a 外周面となる面(第一の成形面)
22b 内周面となる面(第二の成形面)
31、41 ダイス(第一の型)
31b 直線部
32、51 パンチ(第二の型)
33 押え型
42 型本体
52 型本体
43 第一のコーティング層
53 第二のコーティング層

Claims (8)

  1. 底面部と前記底面部から突出する側壁部とを有するプレス成形品を成形する際に、第一の型と第二の型とにより前記側壁部の一部または全部をしごき加工するプレス成形品の製造方法であって、
    前記第一の型は、前記側壁部となる部分の第一の成形面に接する第一の型面を有し、
    前記第二の型は、前記側壁部となる部分の第二の成形面に接する第二の型面を有し、
    前記第一の型面を前記第一の成形面に対して前記底面部から離間する向きに相対移動させるとともに、前記第二の型面を前記第二の成型面に対して前記底面部に近接する向きに相対移動させて、前記第一の型面と前記第二の型面とによって前記側壁部となる部分を熱間でしごき加工する際に、前記第一の型面と前記第一の成形面との摩擦係数μ1と、前記第二の型面と前記第二の成形面との摩擦係数μ2とが以下の式(1)の関係を満たすプレス成形品の製造方法。
    μ1<μ2 ・・・・・式(1)
  2. 前記側壁部の成形は熱間加工によって実施され、
    前記摩擦係数μ1及び前記摩擦係数μ2は、前記熱間加工における熱間加工温度での摩擦係数である請求項1に記載のプレス成形品の製造方法。
  3. 前記第一の型面と前記第一の成形面との間に第一の潤滑剤を介在させる請求項1または請求項2に記載のプレス成形品の製造方法。
  4. 前記第二の型面と前記第二の成形面との間に、前記第一の潤滑剤とは異なる種類の第二の潤滑剤を介在させる請求項3に記載のプレス成形品の製造方法。
  5. 前記第一の型は、型本体と、型本体の表面に配された第一のコーティング層とを有し、前記第一のコーティング層の表面によって前記第一の型面が構成されて前記摩擦係数μ2よりも低い摩擦係数μ1を付与している請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のプレス成形品の製造方法。
  6. 前記第二の型は、型本体と、型本体の表面に配された第二のコーティング層とを有し、前記第二のコーティング層の表面によって前記第二の型面が構成されて前記摩擦係数μ1よりも高い摩擦係数μ2を付与している請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のプレス成形品の製造方法。
  7. 前記第二の型とともに前記底面部を挟んで押える押え型を有する請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のプレス成形品の製造方法。
  8. 前記第一の型面は、前記第一の成形面と対応して直線状に形成されている請求項1から請求項7のいずれか一項に記載のプレス成形品の製造方法。

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023119633A1 (ja) * 2021-12-24 2023-06-29 国立大学法人大阪大学 積層成形材及びその製造方法

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