JP2021146365A - プレス成形用金型とそれを用いたプレス成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来とは逆転の発想により、成形品質の安定化や長寿命化等を図れるプレス成形用金型を提供する【解決手段】本発明は、素材のプレス成形に用いる金型であり、凸状の成形面からなる凸部を有する。凸部は、素材上に摺接しつつ素材を圧接する肩部を有する。肩部は、その周囲よりも摩擦係数が大きい成形面である高摩擦面を少なくとも一部に有する。高摩擦面は、例えば、その周囲にある成形面よりも 摩擦係数が０．１以上大きいとよい。具体的にいうと、高摩擦面の摩擦係数は、例えば、０．２５〜０．６であるとよい。このような高摩擦面は、例えば、その周囲にある成形面よりも表面粗さが大きい粗面部や、肩部の成形面上に形成したテクスチャー部等により実現される。【選択図】図５

Description

本発明は、プレス成形用金型等に関する。

自動車、家電、家具・雑貨等の各種分野で、プレス成形した製品（単に「成形品」ともいう。）が多用されている。プレス成形により、複雑な形状の部材も効率的に量産可能となる。

ところで、成形品の品質（寸法精度、面粗度等）の確保とその低コスト化とを図るためには、安定した成形性が長期的に維持される必要がある。そこで従来から、素材（「被加工材」またわ「ワーク」ともいう。）と金型の成形面との間に作用する摩擦力（摩擦係数）の低減を主眼に、種々の開発・研究がなされてきた。これに関連する記載が、例えば、下記の特許文献にある。

特開平６−１３４５０４号公報（特許２７９９１１４号公報） 特開２００６−２８９４６０号公報 特開２０１８−１５８３５５号公報

特許文献１は、アルミニウム合金板（素材）の表面粗度の調整とその表面を被覆する固体潤滑被膜とを組み合わせて、金型表面（成形面）と素材の間の摩擦係数を安定的に低減させる旨を提案している。

特許文献２は、アルミニウム合金板のミルフィニッシュ材（素材）に現れる摩擦係数の異方性に起因した成形性の悪化を抑制するため、金型の表面粗度を調整して、金型表面にオイル溜まりを形成することを提案している。これにより、金型表面と素材の間の摩擦係数を、安定的に０．２０程度まで低減させている。

特許文献３は、チタン板（素材）をプレス成形する金型の表面に、ＣｒＮ膜、Ｃｒ膜、中間膜およびＤＬＣ膜を形成することを提案している。これにより、金型表面（成形面）と素材の間を低摩擦化し、耐摩耗性、耐凝着性、金型寿命の向上を図っている。

本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、従来とは異なる新たな手法により、金型の高寿命化や成形品質の安定化等を図れるプレス成形用金型等を提供することを目的とする。

本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、従来の技術常識に囚われない逆転の発想により、素材と金型表面（成形面）の摺接間の摩擦係数を増大させることで、金型の摩耗を抑制できることを新たに見出した。この成果を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。

《プレス成形用金型》
（１）本発明は、素材のプレス成形に用いる金型であって、凸状の成形面からなる凸部を有し、該凸部は、該素材上に摺接しつつ該素材を圧接する肩部を有し、該肩部は、その周囲よりも摩擦係数が大きい成形面である高摩擦面を少なくとも一部に有するプレス成形用金型である。

（２）本発明のプレス成形用金型（単に「金型」という。）では、摩耗し易く金型寿命に大きな影響を及ぼす肩部の摩擦係数を、従来の技術常識とは逆に大きくしている。これにより肩部の摩耗量が減少し、金型全体の摩耗が均衡化して、金型寿命の長期化が図られる。その結果、プレス成形に係るコスト低減と共に、成形品の品質安定化も可能となる。

（３）摩耗し易い肩部の成形面を高摩擦面とすることで、その摩耗が抑制される理由や機序は必ずしも定かではない。現状、次のように考えられる。高摩擦面により、素材と肩部表面との摩擦が増大し、両者間の摺動距離が短縮される結果、摩耗に要する仕事量（エネルギー）も低減されたことが一因と推察される。なお、高摩擦面を設けることにより、素材と金型（成形面）との間に作用する面圧が低下し得ることも、新たにわかった。この点も、高摩擦面による肩部の摩耗低減に関係していると考えられる。

《プレス成形方法》
（１）本発明はプレス成形方法としても把握できる。すなわち、本発明は、肩部に高摩擦面を有する上述した金型を用いて、素材をプレス成形する方法でもよい。さらに、本発明は、そのプレス成形方法により得られた成形品としても把握され得る。

（２）本発明でいうプレス成形は、深絞り成形等のように一対の金型（上型と下型、パンチとダイ等）により板材を所望形状に塑性変形させる場合に限らず、打ち抜き、鍛造等でもよい。プレス成形は、冷間状態、温間状態または熱間状態のいずれでなされてもよい。プレス成形は、素材と金型の成形面との少なくとも一方に、潤滑剤（油）、潤滑膜、摺動膜等が形成されていてもよい。

《その他》
特に断らない限り、本明細書でいう「ｘ〜ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ〜ｂ」のような範囲を新設し得る。また特に断らない限り、本明細書でいう「ｘ〜ｙμｍ」はｘμｍ〜ｙμｍを意味する。他の単位系についても同様である。

肩部を平坦部よりも高い摩擦係数にした場合を例示する模式図である。 曲率半径（肩Ｒ）が小さい肩部を高い摩擦係数にした場合を例示する模式図である。 高摩擦面を構成する粗面部を例示する模式図である。 高摩擦面を構成するテクスチャー部の形態例を示す模式図である。 数値解析に用いたプレス成形のモデルを示す断面図である。 摩擦係数と滑り距離比の関係を示す散布図である。 摩擦係数と面圧比の関係を示す散布図である。 摩擦係数と成形荷重比の関係を示す散布図である。 摩擦係数と、最大摩耗量または限界ショット数との関係を示す散布図である。

上述した本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成要素を付加し得る。本明細書で説明する内容は、金型のみならず、プレス成形方法やそれにより得られた成形品等にも適宜該当し得る。方法的な構成要素でも物に関する構成要素ともなり得る。いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。

《金型》
金型は、素材の摺接する肩部が形成された凸部を少なくとも一箇所備える限り、具体的な形態やプレス成形の種類等を問わない。例えば、金型がパンチとダイからなる場合、肩部は、パンチ肩部でもダイ肩部でもよい。パンチ肩部は、例えば、凸部の頂面の外周縁部に形成される部位である。ダイ肩部は、例えば、凹状の成形面からなる凹部の内周縁部（素材の導入部）に形成される部位である。いずれの肩部も、通常、凸状の曲面に丸められており、各曲率半径（「肩アール」または「肩Ｒ」という。）は適宜調整される。なお、金型は、複数型（例えばパンチとダイ）に限らず、単数型（例えば成形ピン）でもよい。金型が複数型からなる場合、いずれかの型に、高摩擦面が設けられる肩部があればよい。

《高摩擦面》
（１）摩擦係数
高摩擦面は、高摩擦面の周囲にある成形面よりも摩擦係数が、例えば、０．１以上、０．１５以上、０．２以上、０．２５以上さらには０．３以上大きいとよい。但し、高摩擦面とその周囲にある成形面との摩擦係数差が過大になると、高摩擦面の摩耗量が増加し始める。このため摩擦係数差は、例えば、０．６以下、０．５以下さらには０．４ 以下であるとよい。

摩擦係数自体は、素材の材質や表面状態（表面粗さ、被膜、潤滑剤の有無等）、金型の表面状態（テクスチャー、表面粗さ、被膜、潤滑剤の有無等）や成形面の形態（特に肩Ｒの程度）、成形条件（成形方法、温度等）などにより変化し得る。このため、摩擦係数自体の好適な範囲は直接的に規定し難い。但し、一般的に、素材と金型の成形面との間の摩擦係数は０．０５〜０．２さらには０．１〜０．１５程度に設定される。そこで高摩擦面の摩擦係数は、例えば、０．２〜０．６、０．２５〜０．５５さらには０．３〜０．５であるとよい。高摩擦面の周囲の摩擦係数が０．０５〜０．２なら、高摩擦面の摩擦係数は０．３以上とするとよい。また高摩擦面の周囲の摩擦係数が０．１〜０．１５なら、高摩擦面の摩擦係数は０．２５以上とするとよい。

本明細書でいう摩擦係数は、実際のプレス成形に用いられる素材と金型（高摩擦面）、またはそれらを模した試験装置を用いて測定される。このとき、摩擦係数の測定には平板摺動試験を用いる。平板摺動試験は、プレス成形において、ダイとしわ抑え板に挟持された素材（板材）の摺動現象を模擬した試験であり、押付け力(Ｐ）と引抜き力(Ｆ）から、μ＝Ｆ／２Ｐとして摩擦係数(μ)が求まる（参照：薄鋼板成形技術委員会，プレス成形難易ハンドブック−第4版−,p.135.）。なお、特に断らない限り、本明細書でいう摩擦係数（μ）は、動摩擦係数である。

（２）配置
高摩擦面は、プレス成形により摩耗し易い凸部の部位（領域）に設けられるとよい。例えば、図１Ａに示すように、凸部に平坦部と肩部があるとき、その肩部（その成形面の全体または一部）を高摩擦面にするとよい。また、図１Ｂに示すように、凸部に肩Ｒの異なる複数の肩部があるとき、少なくとも肩Ｒの小さい肩部に高摩擦面を設けるとよい（図１Ｂ参照）。

高摩擦面は、素材に接触する成形面の面圧が周囲よりも大きい高面圧域に形成されてもよい。高摩擦面を設けることにより、高面圧域の面圧が低下して、特定域の摩耗を抑制し得る。

高摩擦面は、方向によらずに摩擦係数が略一定でも（摩擦等方性）、方向により摩擦係数が異なってもよい（摩擦異方性）。高摩擦面が摩擦異方性を有する場合、例えば、素材との摺接方向の摩擦係数が大きく、他方向の摩擦係数が小さくされるとよい。なお、高摩擦面に摩擦異方性がある場合、高摩擦面の摩擦係数は、その最大値により指標する。

（３）形態
高摩擦面の摩擦係数は、例えば、その周囲にある成形面よりも表面粗さが大きい粗面部（図２Ａ参照）、または肩部の成形面上に形成したテクスチャー部（図２Ｂ参照）等により増大し得る。粗面部は、例えば、面粗さＲａ（算出平均粗さ／基準長さ：０．８ｍｍ／JIS B 0601またはISO4287）が、０．１ａ〜０．８ａさらには０．２ａ〜０．７ａであるとよい。

テクスチャー部は、例えば、周囲の成形面よりも高い突起または周囲の成形面よりも低い窪み（溝）等を、規則的または不規則的に配置することにより形成される。突起の高さや窪みの深さは、テクスチャー部を顕微鏡等で観察した視野（０．８ｍｍ×０．８ｍｍ）において、各突起の最大高さまたは各窪みの最大深さの算術平均値として求まる。このような粗面部やテクスチャー部は、例えば、切削や研削、ブラストやショット、溶射等の加工により形成される。この他、高摩擦面とその周囲の成形面との摩擦係数差は、摺動膜の成膜、潤滑剤の付着等により調整されてもよい（参照：特開平６−１３４５０４号公報（図４）、Menezes,P.L.et al., "STUDIES ON FRICTION IN STEEL-ALUMINUM ALLOY TRIBO-SYSTEM:ROLE OF SURFACE TEXTURE OF THE SOFTER MATERIAL", Proceedings of the STLE 2011 Annual Meeting & Exhibition, pp.1-3 ）。

《素材》
プレス成形の対象となる素材の材質や形態（形状、サイズ等）は問わない。例えば、素材は、鉄基材、アルミニウム基材、マグネシウム基材、チタン基材等でもよい。なお、「Ｘ基材」は、Ｘの純金属または合金（化合物を含む）を意味する。

素材は、例えば、（薄）板状である。その厚さは適宜調整されるが、例えば、０．０１〜３ｍｍ、０．０５〜２ｍｍさらには０．１〜１ｍｍである。板状の素材は、必ずしも平板でなくてもよい。本明細書でいうプレス成形は、一次成形に限らず、予成形された素材をさらに成形する二次成形や三次成形等でもよい。

金型の肩部の摩擦係数がプレス成形に及ぼす影響を数値解析した。このような実施例に基づいて、本発明をさらに詳しく説明する。

《モデル》
（１）金型
図３に示すモデルを用いてシミュレーションを行った。金型モデルは、凸状の成形面からなる凸部を有する下型（パンチ）と、その凸部に対応する凹状の成形面からなる凹部を有する上型（ダイ）とを用いた。図３中に示した「Ｒ・・・」は各肩部の半径（肩Ｒ）を示し、「Ｌ・・・」は長さを示す。いずれも長さの単位はｍｍである。

図３に示した単独の数値は、肩部間を接続する架橋部の摩擦係数である。パンチ肩部の摩擦係数（μｐ）とダイ肩部の摩擦係数（μｄ）は、便宜上、μｐ＝μｄ（＝μ）として、その摩擦係数（μ）を種々変更した。

金型は、上型も下型も剛体モデルとして解析した。

（２）素材
プレス成形される被加工材である素材は鉄基材からなる薄板（板厚ｔ０．１ｍｍ）を想定し、面外異方性弾塑性モデルとして解析した。

《数値解析》
（１）条件
解析ソフト（ＬＳ-ＤＹＮＡ／ver.971R9）を用いて、上述したモデルのプレス成形をシミュレーションした。プレス成形は冷間成形（室温状態）とした。成形は、素材全周に対称境界条件を設定し、上型を加圧方向（下方）へ０．３５ｍｍ下降させて行った。上型と下型の各摩擦係数は、０．１、０．１５、０．２、０．３、０．４、０．５または０．６とした。

（２）結果
μを変化させて得られたシミュレーション結果を図４Ａ〜図４Ｃ（これらを併せて単に「図４」という。）と図５に示した。

図４Ａ〜図４Ｃには、いずれもパンチ肩部について、μ＝０．１のときを基準に、滑り距離比、面圧比および成形荷重比をそれぞれ示した。図５には、そのパンチ肩部における１ショットあたりの最大摩耗量を左側縦軸に、その最大摩耗量に基づく合計摩耗量が０．０１ｍｍとなるとき（このときを「金型寿命」と定義した。）までのショット数（「限界ショット数」という。）を右側縦軸にそれぞれ示した。

《評価》
（１）図４Ａおよび図４Ｂからわかるように、μが増加すると、肩部における滑り距離と面圧が低下することがわかる。また図４Ｃからわかるように、μが増加すると、成形荷重も微増した。但し、通常、高摩擦面を設ける領域は成形面全体の極一部であるため、高摩擦面を設けても、実際の成形荷重は殆ど変化しないと考えられる。

（２）図５からわかるように、μが増加すると、最大摩耗量が大幅に減少することがわかった。特に、μが０．３〜０．６さらには０．３５〜０．５となる付近で、最大摩耗量が極小傾向となり、それに相応して金型寿命（ショット数）も極大傾向となった。

以上のことから、従来の一般的な摩擦係数（０．１〜０．１５程度）よりも大きな摩擦係数を有する高摩擦面を設けることにより、金型摩耗の局部化が抑制されて均衡化が図られることがわかった。これにより、金型寿命の長期化が可能となり、ひいては成形品の品質安定化やコスト低減も可能となる。

Claims (7)

1. 素材のプレス成形に用いる金型であって、
   凸状の成形面からなる凸部を有し、
   該凸部は、該素材上に摺接しつつ該素材を圧接する肩部を有し、
   該肩部は、その周囲よりも摩擦係数が大きい成形面である高摩擦面を少なくとも一部に有するプレス成形用金型。
2. 前記高摩擦面は、その周囲にある成形面よりも摩擦係数が０．１以上大きい請求項１に記載のプレス成形用金型。
3. 前記高摩擦面は、摩擦係数が０．２５〜０．６である請求項１または２に記載のプレス成形用金型。
4. 前記高摩擦面は、前記素材と前記成形面の間に作用する面圧が周囲よりも大きい高面圧域に形成される請求項１〜３のいずれかに記載のプレス成形用金型。
5. 前記高摩擦面は、方向により摩擦係数が異なる摩擦異方性を有する請求項１〜４のいずれかに記載のプレス成形用金型。
6. 前記高摩擦面は、その周囲にある成形面よりも表面粗さが大きい粗面部または前記肩部の成形面上に形成したテクスチャー部からなる請求項１〜５のいずれかに記載のプレス成形用金型。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の金型を用いて素材をプレス成形する方法。

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