JP2022075243A - アルミニウム板材の成形方法及び成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プレス成形において、アルミニウム板材における開口の周縁部の伸びフランジ成形による割れ等を抑制する。【解決手段】開口を有するアルミニウム板材をプレス成形する成形方法は、アルミニウム板材における開口ＯＰの周縁部をプレスにより伸びフランジ成形するとき、開口ＯＰの周縁部の板押さえ力Ｆ１、Ｆ２を、プレスストロークの成形開始位置から成形終了位置に近くなるほど大きくする。【選択図】図５

Description

本発明は、アルミニウム板材の成形方法及び成形装置に関する。

アルミニウム及びアルミニウム合金は、機械的強度を備えた軽量な材料であるため、様々な部品、用途に広く活用されている。しかし、アルミニウム合金板は、一般的に鋼板に比べて成形性に劣るため、絞り成形性を向上させる手法が検討されてきた。

従来の絞り成形性を向上させる手法として、しわ押え力を制御する方法が知られている。特許文献１では、絞り成形においてしわ押さえ力を成形後期で徐々に低下させ、パンチ肩の破断を回避する方法が採用されている。

特開２００９－２７９５９１号公報

アルミニウム板材のプレス成形において、成形形状が複雑な例としては、張出しが大きく、縦壁の高さが大きいもの、張出し部の間に複数の突出部が密に存在するもの、凹部の底部にさらに凹部を有する二重構造を有するもの等が挙げられる。このような複雑な形状をアルミニウム合金板でプレス成形する場合には、特に成形品の底部と縦壁との間の角部に割れが発生したり、縦壁が裂けたりしやすい。

例えば、自動車車体のサイドパネルは深い形状とドア開口が存在しており、プレス成形する際、絞り成形による割れと、ドア開口部の伸びフランジ成形（穴広げ成形）による割れが課題となる。絞り成形性を上げるために材料を流入させすぎるとドア開口の周縁部の端部がより伸ばされるため、伸びフランジ割れが起こりやすくなる。一方、ドア開口の周縁部の端部が伸びすぎないように材料を固定するための板押え力を強めにしすぎると、材料流入が抑制されて絞り成形性が低下し、パンチ肩で割れが生じる。このように、サイドパネルのプレス成形は、絞り成形と伸びフランジ成形（穴広げ成形）の両立が難しい。

そこで本発明は、
おいて、アルミニウム板材における開口の周縁部の伸びフランジ成形による割れ等を抑制することを目的とする。

本発明は下記の構成からなる。
（１）開口を有するアルミニウム板材をプレス成形する成形方法であって、
前記アルミニウム板材における前記開口の周縁部をプレスにより伸びフランジ成形するとき、前記開口の周縁部の板押さえ力を、プレスストロークの成形開始位置から成形終了位置に近くなるほど大きくする、アルミニウム板材の成形方法。
（２）パンチと、前記パンチを固定するパンチホルダと、前記パンチホルダに対向して配置されるダイと、を備え、前記パンチと前記ダイとの間で、開口を有するアルミニウム板材をプレス成形する成形装置であって、
前記アルミニウム板材の前記開口の周縁部に当接して配置される第１ブランクホルダと、
前記アルミニウム板材の外周部に当接して配置される第２ブランクホルダと、
基端部が前記パンチホルダに固定され、先端部が前記第１ブランクホルダを支持する複数のスプリング支持体と、
基端部が共通のクッション機構に固定され、先端部が前記第２ブランクホルダを支持する複数のクッションピンと、
を備え、
一本の前記スプリング支持体は、プレスストロークの成形開始位置から成形終了位置に近くなるほど反発力が大きくなる弾性特性を有する、アルミニウム板材の成形装置。

本発明によれば、開口の周囲部が伸びフランジ成形されるとき、ブランク開口の周縁部の端部が破断限界以上に伸びることが抑制され、開口の周縁部の端部やパンチ肩部での割れを抑制できる。

図１は、本発明の一実施形態のプレス成形方法に用いる第１構成例の金型の概略縦断面図である。 図２は、ブランクの加工前の状態を示す斜視図である。 図３は、ガススプリングの概略断面図である。 図４の（Ａ）はプレス成形工程前における金型の概略縦断面図、（Ｂ）はプレス成形工程における金型の概略断面図、（Ｃ）はプレス成形工程後における金型の概略縦断面図である。 図５の（Ａ）はプレス成形工程前におけるアルミニウム板材の概略縦断面図、（Ｂ）はプレス成形工程の初期におけるアルミニウム板材の概略断面図、（Ｃ）はプレス成形工程の終期における金型の概略縦断面図である。 図６の（Ａ）はクッションピンのみ使用する参考例におけるプレス成形工程前における金型の概略縦断面図、（Ｂ）はプレス成形工程における金型の概略断面図、（Ｃ）はプレス成形工程後における金型の概略縦断面図である。 図７は、アルミニウム板材を用いた絞り成形品の斜視図である。 図８は、第２構成例の成形装置の概略縦断面図である。 図９は、第２構成例における成形装置の具体例を示す概略平面図である。 図１０は、図９に示す成形装置の長手方向に切断した断面図である。 図１１は、図９に示す成形装置の短手方向に切断した断面図である。 図１２は、８本スプリング支持体の配置例を示す成形装置の分解斜視図である。 図１３は、図９の概略平面図に対応した、スプリング支持体及びクッションピンによる第１、第２ブランクホルダの支持構造を示す説明図である。 図１４は、コイルスプリング、ガススプリングにおける、ストロークと荷重との関係を示す特性図である。 図１５は、ストローク下死点手前の距離に対するブランクの開口の孔径の変化特性を示すグラフである。 図１６は、上型下死点手前高さに対するしわ押さえ荷重の変化特性を示すグラフである。 図１７の（Ａ）は試験例１におけるフランジ（割れ無し）の外観写真、（Ｂ）はガススプリング４本を使用した比較例におけるフランジ（割れ有り）の外観写真である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
＜第１の構成例＞
図１は、本発明の一実施形態のプレス成形方法に用いる第１構成例の成形装置１１の概略縦断面図である。
成形装置１１の金型は、円環状の凹部ＣＶ１、ＣＶ２を有するダイ２と、第１ブランクホルダ３及び第２ブランクホルダ４と、円環状の突部となるパンチ１０と、ダイ２を固定するダイホルダ３０と、ダイホルダ３０及びダイ２に対向して配置され、かつパンチ１０を固定するパンチホルダ４０と、を備える。

ダイ２、第１ブランクホルダ３、第２ブランクホルダ４、及びパンチ１０により金型が構成される。本構成においては、ダイ２は上金型であり、第１ブランクホルダ３、第２ブランクホルダ４及びパンチ１０は下金型となる。

成形装置１１は、パンチ１０とダイ２との間で、開口ＯＰを有するブランク（材料）Ｗをプレス成形する。

第１ブランクホルダ３は、ブランクＷの開口ＯＰの周縁部に当接して配置される。第１ブランクホルダ３は、内側に配置されるインナーホルダである。第２ブランクホルダ４は、ブランクＷの外周部に当接して配置される。第２ブランクホルダ４は、外側に配置されるアウターホルダである。

また、図１に示す金型は、各ブランクホルダを支持する支持部材として、第１ブランクホルダ３を支持するスプリング支持体としてのガススプリング２０と、第２ブランクホルダ４を支持するクッションピン６ａ、６ｂと、を有する。ガススプリング２０は、気体又は液体を弾性体として使用する流体ばねの一種であり、流体として空気や不活性ガス等を使用するものである。但し、ガススプリング２０は一例であって、これに限定されるものではない。

ガススプリング２０は、基端部が取付部２３を介してパンチホルダ４０に固定され、先端部が第１ブランクホルダ３の底面に当接して第１ブランクホルダ３を弾性的に支持する。取付部２３は、パンチホルダ４０に設けられた取付凹部４１に埋設される。

クッションピン６ａ、６ｂは、基端部が共通のクッション機構（図１では不図示、図１３の符号６０参照）に固定され、先端部が第２ブランクホルダ４の底部に当接し、第２ブランクホルダ４を弾性的に支持する。クッションピン６ａ、６ｂは、パンチホルダ４０に設けられた貫通孔４３を経由して、パンチホルダ４０の下方に設けられる共通のクッション機構に支持される（図１２参照）。

図１では、第１ブランクホルダ３の支持構造は、第２ブランクホルダ４の支持構造と異なる。これにより、第１ブランクホルダ３における荷重を、スプリング支持体であるガススプリング２０の弾性特性、使用する本数、複数本のガススプリングの配置（レイアウト）の少なくとも一つにより、第２ブランクホルダ４と区別して独立に設定できる。これにより、ブランクの割れ、裂け、しわの発生等を効果的に抑制できる。なお、配置（レイアウト）の変更に関しては、例えばスプリング支持体の配置（レイアウト）を開口の外形等に応じて変更することで、第１ブランクホルダ３の荷重を適切に分散させ、荷重が面内で均一化されるように調整することも可能である。

上型としてのダイ２と、下型としての第１ブランクホルダ３、第２ブランクホルダ４及びパンチ１０は、型締め方向である上下方向に重なって配置され、上型と下型とが上下方向に互いに近接及び離間するよう、相対移動可能に不図示の支持機構によって支持される。ブランクＷは、上型と下型との間に挟み込まれ、所望の形状に成形される。なお、金型は上記の縦型構造に限らず、一対の型を水平方向に配置した横型構造であってもよく、金型の設置環境や成形品の形状やサイズに応じて適宜に変更が可能である。

図２は、ブランクＷの加工前の状態を示す斜視図である。
ブランクＷとしては、中央に円形の開口ＯＰを有する円板状の、６０００系アルミニウム合金（Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金）の板材を使用できる。６０００系アルミニウム合金は、主にＭｇとＳｉの添加によって、強度、耐食性に優れる。

図３は、ガススプリング２０の概略断面図である。
ガススプリング２０は、チューブ２１と、ロッド２２と、取付部２３と、オリフィス２４を備えるピストン２５と、ロッドガイド２６を有する。ピストン２５は、チューブ２１の内部において、圧縮ガス２７とオイル２８とを隔てる。ロッド２２の基端部には取付部２３が固定されており、先端部にはピストン２５が固定されている。ロッド２２は、ロッドガイド２６にガイドされて、チューブ２１の内壁面に沿って可動である。

ガススプリング（広義にはスプリング支持体）２０は、プレスストローク（単にストロークという場合もある）の進行に伴って、反発力（荷重）が増加する弾性特性を有する流体ばねの一種である。圧縮ガス２７としては、空気、又はアルゴンやヘリウム等の不活性ガスを使用できる。一定温度下では気体の体積は圧力に逆比例するというボイルの法則が、ガススプリングの弾性を生み出す基本原理である。

使用する圧縮ガス２７の種類の選択、その密度の選択、ピストン２５の平面視における面積の調整等によって、ばね定数や最大耐荷重等を設計できる。また、圧縮ガス２７が封入されている部分のチューブ２１に沿う長さの調整によって、スプリングの高さを変更でき、必要なストローク長に設定できる。また、オリフィス２４によって減衰力を発生させるとともに、調整弁を設けることでスプリングの高さを一定に保つことも可能である。

ガススプリングは、例えば、同じ条件下の金属ばねと比較してばね定数を小さくすることも可能であり、また、弾性特性（ばね特性）の設定の自由度が高く、省スペースで大きな荷重（反力）を発生できる。

本構成では、ブランクＷの開口周縁部であるフランジに当接する第１ブランクホルダ３に関して、上記の長所をもつガススプリング等のスプリング支持体を使用し、第２ブランクホルダでの荷重特性とは区別して、独自の荷重特性を設定可能としている。この点の詳細については後述する。

図４の（Ａ）はプレス成形工程前における金型の概略縦断面図、（Ｂ）はプレス成形工程における金型の概略断面図、（Ｃ）はプレス成形工程後における金型の概略縦断面図である。以降の説明では、図１と共通する部分には同じ符号を付与することで、その説明を省略又は簡単化する。なお、図１においては、第１ブランクホルダ３を支持する支持体としてガススプリング２０を示していたが、図４では、広義のスプリング支持体３５として示している。すなわち、本明細書では、「スプリング支持体」は、ガススプリングの他、コイルスプリングも含む広義の用語である。

スプリング支持体３５は、ストローク量に比例して荷重（反力）が増加する可変クッションである。スプリング支持体３５として、ガススプリングを使用するか、コイルスプリングを使用するかは、使用状況等に応じて、適宜、決定できる。ガススプリングとコイルスプリングの各特性の相違点については後述する。

クッションピン６ａ、６ｂは、通常、成形機に付属するクッション機構に支持されるものであり、スプリング支持体３５とは異なり、プレスストロークの過程で、ストローク量に比例して荷重が増大することを前提として設計されるものではない。すなわち、各クッションピンが分担すべき荷重を、時間経過に対して変化させることを特別に考慮して設計するものではなく、総荷重をピン数で均等割りすることで１本あたりの荷重が一律に定まり、荷重は一定となる。この点で、クッションピン６ａ、６ｂは、上記の「可変クッション」に対して、「固定クッション」ということができる。以下の説明では、「スプリング支持体」を「可変クッション」と称し、一方、例えば成形機の共通のクッション機構を利用する「クッションピン」を、「固定クッション」と称する場合がある。

図４の（Ａ）に示されるように、第１ブランクホルダ３の支持構造と、第２ブランクホルダ４の支持構造は異なる。つまり、支持構造として、クッションピン（固定クッション）６と、スプリング支持体（可変クッション）３５とが混在する構造が採用されている。

図４の（Ａ）では、第１ブランクホルダ３及び第２ブランクホルダ４上に、ブランクＷが載置されており、ダイ２が、矢印Ｓ１の方向（型締め方向）に移動する。

図４の（Ｂ）では、ブランクＷは、ダイ２と、第１ブランクホルダ３、第２ブランクホルダ４との間に挟持される。ダイ２の型締め方向への移動に伴い、第１ブランクホルダ３、第２ブランクホルダ４は沈み込む。パンチ１０は、第１ブランクホルダ３、第２ブランクホルダ４に対して相対的に上昇し、ブランクＷの下面に当接し、ブランクＷを上方に屈曲させる。

このとき、ブランクＷの開口周縁部であるフランジでは、伸びフランジ成形となり、開口ＯＰとは反対側の端部である外周部では、縮みフランジ成形となる。伸びフランジ成形される箇所では、材料が、フランジから屈曲部の肩部（パンチ肩部）に向けて流入する。この流れは、図４の（Ｂ）では、矢印Ｍ１で示されている。また、この材料の流れに伴い、開口ＯＰの孔径（開口サイズ）が矢印Ｍ２で示すように増大する。

図４の（Ｃ）では、絞り成形（型締め）が完了し、ダイ２が上昇する。また、第１ブランクホルダ３、第２ブランクホルダ４は初期位置に復帰する。この段階では、開口ＯＰの孔径は、図４の（Ｂ）の段階よりも大きくなっている。このプレス成形によって、フランジＫ１、縦壁Ｋ２、天板Ｋ３を備える立体的な断面形状を有するプレス品が得られる。なお、天板は、金型によっては底板となることがある。

図５の（Ａ）はプレス成形工程前におけるアルミニウム板材の概略縦断面図、（Ｂ）はプレス成形工程の初期におけるアルミニウム板材の概略断面図、（Ｃ）はプレス成形工程の終期における金型の概略縦断面図である。図５の（Ａ）～（Ｃ）は、図４の（Ａ）～（Ｃ）に対応したブランクの断面形状の変化を示している。

図５の（Ａ）では、ブランクＷの開口ＯＰの孔径（穴径）は、初期孔径φｄ０である。図５の（Ｂ）では、成形が進行するにつれて、第１ブランクホルダ３がブランクＷを面的に押圧する力である板押さえ力Ｆ１も徐々に増大する。板押さえ力Ｆ１は、伸びフランジ成形におけるブランクＷの材料の流れを止めない程度に設定されている。この段階で、開口ＯＰの孔径はφｄ１に拡径される。図５の（Ｃ）では、成形下死点（上型下死点）における板押さえ力Ｆ２がＦ１よりも増大し、フランジＫ１が伸びすぎる（孔径ＯＰが拡大しすぎる）ことを抑制する。これにより、開口ＯＰの孔径は所望の孔径φｄ２となる。つまり、図４の（Ｃ）では孔径の拡大が抑制される。

つまり、絞り成形性を向上するために絞り部分へ材料を流入させすぎると、開口ＯＰの孔径が広がり、伸びフランジ割れが生じやすくなる。図５の（Ｃ）では、板押さえ力Ｆ２が増加して開口ＯＰの拡径が抑制され、開口ＯＰの孔径φｄ２が広がりすぎることがない。よって、フランジの開口付近（開口端部）Ｖ１に割れが生じることがない。

一方、フランジが伸びすぎないように板押え力を強めすぎると、材料の流入が抑制され絞り成形性が落ち、パンチ肩（パンチ肩部）で割れが起こりやすくなる。この点、図５の（Ｂ）の段階で板押さえ力Ｆ１を比較的弱くすることで、材料の絞り部分への供給が促進されるため、その後の板押さえ力Ｆ２を強くしても、絞りに必要な材料は既に確保済みとなり、パンチ肩部Ｕ１で割れが生じることがない。

（参考例）
ここで、図６を参考例として説明する。図６の（Ａ）はクッションピンのみ使用する参考例におけるプレス成形工程前における金型の概略縦断面図、（Ｂ）はプレス成形工程における金型の概略断面図、（Ｃ）はプレス成形工程後における金型の概略縦断面図である。図の（Ａ）～（Ｃ）は、図４の（Ａ）～（Ｃ）に対応する。

図６の成形装置１では、第２ブランクホルダ４の支持構造においてもクッションピン（固定クッション）が用いられている。つまり、図４におけるスプリング支持体３５が、図６ではクッションピン６ｃに置き換えられている。

図６の（Ｃ）では、フランジの開口端部Ｖ１、又は、パンチ肩部Ｕ１において割れが生じやすい。クッションピンは、スプリング支持体のように、成形の進行とともに荷重（反力）を増大させることができず、また、多くのクッションピンに対して共通のクッション機構が使用されることから、第１ブランクホルダ３を支持するクッションピン６ｃの特性を、第２ブランクホルダ４を支持するクッションピン６ａ、６ｂとは異なるもとして調整することはできない。

したがって、図６の（Ｂ）における成形の途中で、絞り部に材料が流入しすぎると、開口ＯＰの孔径が広がりすぎて、開口端部Ｖ１にて伸びフランジ割れが起こりやすくなる。一方、フランジが伸びすぎないように板押え力を強めすぎると、材料の流入が抑制されて絞り成形性が低下し、パンチ肩部Ｕ１で割れが生じやすくなる。

図７は、アルミニウム板材を用いた絞り成形品の斜視図である。図１、図４の金型を備える成形装置１１によれば、図７に示されるような、二重の縦壁を有する絞り成形品５０が割れおよびしわを生じさせることなく安定して得られる。

＜第２の構成例＞
次に、金型の第２の構成例を説明する。
図８は、第２構成例の成形装置１２の概略縦断面図である。先に説明した図１に示すパンチ１０は１つの円環状の突部を有していたが、本構成の成形装置１２ではパンチの数が３つとなっている。これに伴い、ダイ２には、左端のパンチ１０に対応した凹部ＣＶ３が形成されている。

また、第１ブランクホルダ３も２つとなり、各々に３－１、３－２の符号を付して、各々を区別して表している。同様に、ブランクＷの開口ＯＰも２つとなり、各々にＯＰ－１、ＯＰ－２の符号を付している。第１ブランクホルダ３－１、３－２は、スプリング支持体としてのガススプリング２０－１、２０－２によって支持される。また、図８の右端に位置する第２ブランクホルダ４は、クッションピン６ｂにより支持され、図８の左端に位置する第２ブランクホルダ４は、クッションピン６ｃにより支持されている。

図９は、第２構成例における成形装置１２の具体例を示す概略平面図である。図１０は、図９に示す成形装置１２の長手方向に切断した断面図である。図１１は、図９に示す成形装置１２の短手方向に切断した断面図である。図１２は、８本のスプリング支持体（ガススプリング）の配置例を示す成形装置１２の分解斜視図である。ガススプリングは、図９に示すように、合計１６本であってもよく、図１２に示すように合計８本としてもよい。

図１０に示すダイ２の側部にはガイド７が設けられている。型締め時には、図１１に示すようにダイ２が、ガイド７によって案内されつつ下降し、図１０に示すように、第１ブランクホルダ３－１、３－２及び第２ブランクホルダ４が、ダイ２とパンチホルダ４０によって挟まれた状態となる。

図９～図１１に示すように、成形装置１２の金型は、ダイ２及びパンチホルダ４０によって上下に挟まれるように、第１ブランクホルダ３－１、３－２、第２ブランクホルダ４、スプリング支持体としてのガススプリング２０－１（符号ａ～ｈで示され、２０－１ａ～２０－１ｈともいう。）、２０－２（符号ｉ～ｐで示され、２０－２ｉ～２０－２ｐともいう。）、パンチ１０が配置される。

クッションピンは、図９に示すように、パンチホルダ４０の外周部に、合計で２４本が配置されている。

図１２に示すように、第２ブランクホルダ４は中空の枠状体である。図９に示すように、第２ブランクホルダ４は、外側の２４本のクッションピン６により支持される。第１ブランクホルダ３－１、３－２は、第２ブランクホルダ４の内側に配置される。

図１２に示す構成の場合、第１ブランクホルダ３－１は、４本のガススプリング２０－１ａ～２０－１ｄによって支持される。同様に、第１ブランクホルダ３－２は、４本のガススプリング２０－２ａ～２０－２ｄによって支持される。第１ブランクホルダ３－１、３－２のブランク載置面（上面）には、ブランクＷの開口ＯＰに対応する位置に、円形の溝Ｒ１、Ｒ２が設けられる。

パンチ１０には、２つの第１ブランクホルダ３－１、３－２それぞれに対応する開口が設けられる。ガススプリング２０－１、２０－２は、パンチ１０の各開口を通じて、パンチホルダ４０の取付凹部４１－１、４１－２に固定される。

なお、図１２に示すように、第２ブランクホルダ４は、パンチホルダ４０の周囲に設けられている貫通孔４３を貫通する複数のクッションピン６（図８の符号６ｂ、６ｃ等）によって支持されるが、図１２では、これらクッションピンを省略している。

スプリング支持体、つまりガススプリング２０－１は、第１の開口ＯＰ－１に対応する円形の溝Ｒ１に沿うように配置される。同様に、第２の開口ＯＰ－２に対応する円形の溝Ｒ２に沿うようにガススプリング２０－２が配置される。

また、図９に示す構成の場合、第１ブランクホルダ３－１は、８本のガススプリング２０－１（ａ～ｈ）によって支持され、第１ブランクホルダ３－２は、８本のガススプリング２０－２（ｉ～ｐ）によって支持される。

ここで、第１の開口ＯＰ－１の周りに配置されているガススプリング２０－１の配置パターンと、第２の開口ＯＰ－２の周りに配置されているガススプリング２０－２の配置パターンは異なっているが同じであってもよい。つまり、例示した配置パターンは一例であって、種々の配置パターンを自由に選択可能である。

第２の開口ＯＰ－２の周りに配置されているガススプリング２０－２ｉ～２０－２ｐの配置パターンに着目すると、２本のガススプリング２０－２ｊ、２０－２ｋは、第２の開口ＯＰ－２に対応する溝Ｒ２の内部に配置されている。２本のガススプリング２０－２ｊ、２０－２ｋは、平面視で、ブランクＷの第２の開口ＯＰ－２の内側に位置することになる。

これら２本のガススプリング２０－２ｊ、２０－２ｋは、ブランクＷに直接的に荷重（反力）を与えることはできないが、実際には、上側からブランクＷに荷重を加えているダイ２を実質的に支持することになり、これによって、結果的にブランクＷに加わる荷重が調整される。よって、２本のガススプリング２０－２ｊ、２０－２ｋは、実質的に、ブランクＷの支持に寄与している。このように、ガススプリング（広義にはスプリング支持体３５）の配置の自由度は高く、場合によっては、平面視で、ブランクＷの開口ＯＰの内側にスプリング支持体３５が配置されることを許容してもよい。

ブランクＷの開口の大きさ（開口の孔径又は穴径）は様々であり、開口が大きい場合には、スプリング支持体が開口に重なるように配置される場合もあり得る。その場合でも、スプリング支持体は、板押さえ力（第１ブランクホルダがブランクに加える力）の発生に寄与するのであり、特に問題はない。ブランクの開口に対応する位置においてもスプリング支持体（可変クッション支持体）の配置を許可することで、配置の自由度、すなわち、レイアウト設計の自由度を高められる。

図１３は、図９の概略平面図に対応した、スプリング支持体及びクッションピンによる第１、第２ブランクホルダの支持構造を示す説明図である。
図１３では、パンチホルダ４０の外側に配置されたクッションピンに関して、２本のクッションピン６ｄ、６ｅによるクッション機構６０も含む断面構造を示している。ガススプリングに関しては、第１の開口ＯＰ－１の周縁に配置されている２本のスプリング支持体２０－１ｄ、２０－１ｅを含む断面構造を示している。図１３においても、ガススプリングは、２０－１、２０－２で示す部分に符号ａ～ｈ、ｉ～ｐで示している。

クッションピン６ｄ、６ｅは、パンチホルダ４０を貫通して下方に導出され、成形機に付属の共通のクッション機構６０により支持される。

クッション機構６０は、油圧や空圧により各クッションピン（６ａ～６ｈ等）への荷重を制御する。

（荷重の設計例）
例えば、ダイ２がブランクＷに加える総荷重を１００ｔｏｎとするとき、図１３の配置例では、１つの開口（ＯＰ－１、ＯＰ－２）の周りに各８本のスプリング支持体（ガススプリング）２０－１、２０－２が配置される。

ここで、ガススプリング２０－１ａ～２０－２ｐはいずれも同じ弾性特性（ばね特性）を有し、かつ１本の最大許容荷重（成形下死点において発生する荷重）を例えば２．５ｔｏｎとすると、開口ＯＰ－１周りの８本の支持体により、２０ｔｏｎ（２．５ｔｏｎ×８本）の荷重（反力）が生じる。これが、成形下死点における、第１ブランクホルダ３－１がブランクＷを面で押す力（板押さえ力）となる。

このことは、第１ブランクホルダ３－２についても同様であり、第１ブランクホルダ３－２がブランクＷに加える板押さえ力は２０ｔｏｎとなる。

２つの第１ブランクホルダ３－１、３－２で、合計４０ｔｏｎ（２０ｔｏｎ×２）の板押さえ力を発生できるので、残りの６０ｔｏｎ（１００－４０ｔｏｎ）の荷重を、外側に配置されている２４本のクッションピンで均等に分担することになる。すなわち、１本のクッションピンは、２．５ｔｏｎ（６０ｔｏｎ÷２４本）の荷重を分担することになる。

このように、本構成では、第１ブランクホルダからブランクＷに加える板押さえ力を、スプリング支持体の弾性特性、本数及び複数本のスプリング支持体の配置の少なくとも一つにより調整できる。

先に図６に示した参考例では、クッションピンのみを使用するため、ダイによる総荷重、及び使用するクッションピンの本数が定まると、１本のクッションピンの荷重は、総荷重を本数で均等割りすることで一律に定まる。したがって、第１ブランクホルダに関する荷重（板押さえ力）を独自に設定できず、設計の自由度が低下することになる。

一方、本構成によれば、スプリング支持体の弾性特性としての最大許容荷重（成形下死点での荷重）を調整することで、発生する荷重を可変に制御できる。また、使用するスプリング支持体の選択によっても発生する荷重を可変に制御できる。さらに、これら２つの調整を併用して発生する荷重を調整してもよい。複数本のスプリング支持体の配置を調整することで、ブランクホルダが発生する荷重の面的な分布を調整できる。例えば開口の外形に応じてスプリング支持体の配置を適宜、変更して適正な荷重分布とし、ブランクに割れやしわが生じにくくしてもよい。

（クッションピンとスプリング支持体の荷重特性例）
図１４は、コイルスプリング、ガススプリングにおける、ストロークと荷重（反力）の関係を示す特性図である。
特性線Ｑ１１はコイルスプリングの荷重特性、特性線Ｑ１２はガススプリングの荷重特性を示す。なお、ここで示す各特性は一例であって、これに限らない。

開口ＯＰの周縁部では、先に説明したように「伸びフランジ成形」となることから、成形初期には、しわ押さえ力を軽くして、材料の流入を促進する必要がある。特性線Ｑ１１、Ｑ１２の傾きは共に小さく、成形初期のしわ押さえ力を弱くできる。

ガススプリング（流体スプリング）の特性線Ｑ１２に着目すると、ストロークが零のときに初期荷重Ｐ０を発生できるため、成形開始時から、ある程度のしわ押さえ力をかけることができ、好ましい。また、特性線Ｑ１２の傾きは特性線Ｑ１２より緩やかであり、成形開始位置から成形下死点（成形終了位置）に近づくにつれて徐々に荷重（反力）が増大し、成形下死点（成形終了位置）では、必要な板押さえ力が得られる荷重を発生できる。

一方、コイルスプリングの特性線Ｑ１１は、ストロークが零のときに初期荷重も零であり、成形開始時にしわ押さえ力を生じないが、開口の周縁部では材料が伸びながらパンチ肩部へ流入することが促進され、割れの発生を抑制する効果が得られる。また、特性線Ｑ１１の傾きは、特性線Ｑ１２の傾きよりも大きいため、ストロークの増加によって成形初期のしわ押さえ力をすぐに確保できる。このように、コイルスプリングも、成形開始時から、軽めのしわ押さえ力を発生でき、ストロークの増加に伴って板押さえ力を増加でき、必要な荷重を発生できる。

金型として、自動車ボディのサイドパネル形状を模擬して２つの開口を有した金型を使用した。材料（ブランク）としては、６０００系（Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系）のアルミニウム合金の板材で、板厚１．２ｍｍのものを使用した。潤滑剤としては防錆洗浄油を使用した。総荷重は１００ｔｏｎｆとした。スプリング支持体としてはガススプリングを使用した。

＜クッションピン及びガススプリングの本数と配置＞
ブランクの外周部を支持するクッションピンの配置としては、図９（図１３）に示す配置するパターン、つまりブランクの外周に２４本を配置するパターンを使用した。
ガススプリングに関しては、比較のために、１つの開口の周縁部に４本を配置したパターン（図１２に示すガススプリング２０－１ａ～２０－１ｄ、２０－２ａ～２０－２ｄの配置を参照）と、１つの開口の周縁部に８本を配置したパターン（図９又は図１３におけるガススプリングａ～ｈ、ｉ～ｐの配置を参照）を用意し試験を実施した。また、複数本のガススプリングの各々は、いずれも同じ弾性特性（ばね特性）を有するものを採用した。

クッションピンの荷重について、説明の便宜上、「成形下死点における荷重」と表現する場合があるが、上述のとおり、クッションピンは、本来、成形開始位置から成形下死点（成形終了位置）に近づくにつれて荷重を徐々に増やすことを前提としておらず、成形時に固定の荷重を生じさせる固定クッションである。

＜試験例１＞
図１５は、ストローク下死点手前の距離に対するブランクの開口の孔径の変化特性を示すグラフである。図１５において、横軸は、ストローク下死点（成形下死点）を基準とした手前距離（単位ｍｍ）であり、縦軸は、成形後の開口の孔径（単位ｍｍ）である。また、特性線Ｑ１は、ガススプリングを４本使用した場合の特性を示し、特性線Ｑ２は、ガススプリングを８本使用した場合の特性を示す。

ガススプリングが４本の場合も８本の場合も、下死点手前１８ｍｍ～７ｍｍまでは、成形の進展とともに孔径がほぼ直線状に増大する。但し、４本の場合は板押さえ力が弱いため、孔径は８本の場合よりも大きくなる。

下死点手前７ｍｍから下死点位置に到る工程でも、孔径は直線状に増大するが、但し、４本の場合も８本の場合も、孔径の増大の程度は７ｍｍ以前に比べて鈍化し、孔径の拡大が抑制される。

これは、先に図５の（Ａ）～（Ｃ）を用いて説明した内容と一致する。すなわち、試験例１では、成形の初期、中期では、適度な押圧力は確保されつつ、材料の、フランジからパンチ肩部への流入が優先され、これに伴って開口の孔径が大きく変化する。先に説明したように、材料の順調な流入は、パンチ肩部における材料不足を生じにくくさせ、パンチ肩部における割れを抑制する。

続いて、成形の後期では、押圧力が徐々に増大し、板材の流入を抑制する効果が生じる。これに伴い、開口の孔径の拡大が抑制される。先に説明したように、このことは、材料の流入量が多すぎて孔径が大きくなりすぎ、フランジ端部で割れが生じやすくなることを抑制する。

＜試験例２＞
図１６は、上型下死点手前高さに対するしわ押さえ荷重の変化特性を示すグラフである。図１６において、横軸は、上型下死点（成形下死点）手前の高さ（単位ｍｍ）であり、縦軸は、しわ押さえ荷重（換言すれば、１つの第１ブランクホルダが板材を押す力である板押さえ力：単位ｍｍ）である。

図１６では、３つの特性線Ｑ１０、Ｑ２０、Ｑ３０が示される。まず、特性線Ｑ１０について説明する。特性線Ｑ１０はクッションピンについての特性を示す。

先に説明した図９（図１３）では、クッションピン２４本とガススプリング１６本（８本×２）が使用されていたが、特性線Ｑ１０を得るには、ガススプリングを使用せず、すべてをクッションピンとした場合を想定する。この場合、クッションピンの総数は４０本（８本×２＋２４本）となる。

総荷重１００ｔｏｎが、４０本のクッションピンで均等に分散されるため、１本のクッションピンの荷重は２．５ｔｏｎ（１００ｔｏｎ÷４０本）となる。ここで、１つの開口周りに８本のクッションピンを配置した場合を想定すると、２０ｔｏｎ（２．５ｔｏｎ×８本）の荷重（反力）で１つの第１ブランクホルダ３－１（又は３－２）を支持することになり、この２０ｔｏｎが、１つの第１ブランクホルダがブランクを押圧する力（しわ押さえ力、又は板押さえ力）となる。

また、クッションピンについては、成形が開始されるとすぐに押圧力が増大して最大荷重が発生する。よって、図１６における特性線Ｑ１０は、成形の進行に関係なく、２０ｔｏｎの固定荷重を示すものとなる。但し、これは１つのブランクホルダを８本のクッションピンで保持する場合を想定したものである。

特性線Ｑ２０、Ｑ３０については、１本のガススプリングの最大荷重（最大許容荷重）を３．５ｔｏｎとして計算している。１つの開口周りに４本のガススプリングを配置する場合（特性線Ｑ２０）では、成形下死点（上型下死点）において、１４ｔｏｎ（３．５ｔｏｎ×４本）の荷重が発生する。

１つの開口周りに８本のガススプリングを配置する場合（特性線Ｑ３０）では、成形下死点において、２８ｔｏｎ（３．５ｔｏｎ×８本）の荷重が発生する。成形下死点の荷重は、使用するガススプリングの弾性特性がみな同じであるとすると、使用する本数を２倍とすれば、押圧力も２倍に調整できる。

ここで、下死点手前高さ５０ｍｍの位置に着目すると、特性線Ｑ２０では荷重が８ｔｏｎであり、特性線Ｑ３０では荷重が１６ｔｏｎである。以下同様に、下死点手前高さ４０ｍｍｍ、３０ｍｍ、２０ｍｍ、１０ｍｍの各位置における特性線Ｑ２０の荷重は９ｔｏｎ、１０．５ｔｏｎ、１１．５ｔｏｎ、１２．５ｔｏｎであり、特性線Ｑ３０の荷重は１８ｔｏｎ、２１ｔｏｎ、２３ｔｏｎ、２５ｔｏｎである。ストローク長が変化しているときでも、特性線Ｑ３０の荷重は、特性線Ｑ２０の荷重の２倍を維持できている。

したがって、複数本のガススプリングの特性（弾性特性）を事前に調整して最適化し、例えばみな同じ弾性特性とし、その数を例えば２倍とすることで、ストローク長が変化しているときでも、発生する荷重を２倍に制御可能となる。つまり、ガススプリングの特性（弾性特性）と本数を可変に制御することで、成形開始位置から成形下死点に至るまでの荷重を正確に可変に制御できる。

このように、ガススプリングの特性と本数を制御し、成形の前半では、軽めのしわ押さえ力を発生させつつ、パンチ肩部での材料不足を生じさせないように材料の流入を優先させた荷重を生じさせ、成形の後半では、荷重を重くし、開口の広がり過ぎを抑止してフランジ端部での材料不足が生じないようにする、という高度な押圧力の微調整が可能である。

＜結果＞
図１７の（Ａ）はガススプリングを８本用いる試験例１における、フランジ（割れ無し）の外観写真、（Ｂ）はガススプリング４本を使用した比較例における、フランジ（割れ有り）の外観写真である。

ガススプリング８本を使用した例を示す図１７の（Ａ）では、割れは生じていない。ガススプリングを４本使用した例を示す図１７の（Ｂ）では、フランジの箇所Ｓにおいて、細い割れが生じている。これは、ガススプリング４本では押圧力が不足し、開口の孔径の広がり過ぎを十分に抑制できず、フランジの端部で材料不足が生じたためと考えられる。逆に、ガススプリング８本を用いた図１７の（Ａ）では、成形下死点付近で十分な押圧力を発生できたことから、フランジの割れが生じていない。

したがって、本発明によれば、例えばガススプリングの特性や本数を適切に選択することで、材料の流入不足によるパンチ肩部における割れを無くすことができ、また、開口の孔径（穴径）が大きくなりすぎることを抑制して、フランジの端部が破断限界以上に伸びることによる割れを無くすことができる。すなわち、プレス成形において、アルミニウム板材における開口の周縁部の伸びフランジ成形による割れや裂け、及び絞り成形による割れや裂けを防止できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、これらも保護を求める範囲に含まれる。

以上のとおり、本明細書には次の事項が開示されている。
（１）開口を有するアルミニウム板材をプレス成形する成形方法であって、
前記アルミニウム板材における前記開口の周縁部をプレスにより伸びフランジ成形するとき、前記開口の周縁部の板押さえ力を、プレスストロークの成形開始位置から成形終了位置に近くなるほど大きくする、アルミニウム板材の成形方法。
このアルミニウム板材の成形方法によれば、板押さえ力を可変に制御し、徐々に大きくすることで、フランジからパンチ肩への材料流入を確保して材料の流入不足によるパンチ肩部における割れや裂けを抑制し、また、開口の孔径（穴径）が大きくなりすぎることを抑制して、フランジの端部が破断限界以上に伸びることによる割れや裂けを抑制できる。

（２）パンチを固定するパンチホルダと、ダイとの間の金型内において、
前記アルミニウム板材の前記開口の周縁部に第１ブランクホルダを配置し、
前記アルミニウム板材の外周部に第２ブランクホルダを配置し、
前記第１ブランクホルダと前記第２ブランクホルダの間にパンチを配置し、
前記第２ブランクホルダを、共通のクッション機構に取り付けられる複数のクッションピンにより支持し、
前記第１ブランクホルダを、プレスストロークの成形開始位置から成形終了位置に近くなるほど荷重が大きくなり、成形終了位置では所定の荷重が発生している弾性特性を有する複数のスプリング支持体を介して前記パンチホルダに支持させる、（１）に記載のアルミニウム板材の成形方法。
このアルミニウム板材の成形方法では、第１ブランクホルダと第２ブランクホルダとで支持構造を異ならせ、第１ブランクホルダは所定の弾性特性を有するスプリング支持体により支持し、第２ブランクホルダはクッションピンにより支持する。フランジの周縁部を支持する第１ブランクホルダについて、第２ブランクホルダとは別に、自由度の高い支持構造の設計が可能となり、ブランクの割れやしわの抑制が可能である。

（３）前記第１ブランクホルダから前記アルミニウム板材に加える板押さえ力を、前記スプリング支持体の弾性特性、本数及び複数本の前記スプリング支持体の配置の少なくとも一つにより調整する、（２）に記載のアルミニウム板材の成形方法。
このアルミニウム板材の成形方法によれば、スプリング支持体の弾性特性及び本数の少なくとも１つを選ぶことで、成形開始位置から成形下死点に至るまでの荷重を可変に制御でき、また、複数本のスプリング支持体の配置を選ぶことによっても、第１ブランクホルダにおける面荷重（板押さえ力）の分布を調整でき、例えば開口の形状等に合わせて配置を変更して、荷重の分布を微調整することで割れをより効果的に防止することもできる。これらによって支持構造の設計の自由度が高まる。

（４） 前記スプリング支持体としてガススプリングを用いる、（２）又は（３）に記載のアルミニウム板材の成形方法。
このアルミニウム板材の成形方法によれば、弾性特性の設定の自由度が高く、省スペースで大きな荷重を発生できる。また、ストロークが零のときに初期荷重を発生できるため、成形開始時から、必要となるしわ押さえ力を発生できる。

（５）前記アルミニウム板材は、６０００系アルミニウム合金である、（１）～（４）のいずれか１つに記載のアルミニウム板材の成形方法。
複雑な形状を、６０００系アルミニウム合金板でプレス成形する際は、特に成形品の底部と縦壁との間の角部に割れが発生したり、縦壁が裂けたりしやすい。上記のアルミニウム板材の成形方法によれば、割れ、裂けの発生を効果的に抑制することができ、アルミニウム合金へのプレス成形の適用を促進できる。

（６）パンチと、前記パンチを固定するパンチホルダと、前記パンチホルダに対向して配置されるダイと、を備え、前記パンチと前記ダイとの間で、開口を有するアルミニウム板材をプレス成形する成形装置であって、
前記アルミニウム板材の前記開口の周縁部に当接して配置される第１ブランクホルダと、
前記アルミニウム板材の外周部に当接して配置される第２ブランクホルダと、
基端部が前記パンチホルダに固定され、先端部が前記第１ブランクホルダを支持する複数のスプリング支持体と、
基端部が共通のクッション機構に固定され、先端部が前記第２ブランクホルダを支持する複数のクッションピンと、
を備え、
一本の前記スプリング支持体は、プレスストロークの成形開始位置から成形終了位置に近くなるほど荷重が大きくなり、成形終了位置では所定の荷重が発生している弾性特性を有する、アルミニウム板材の成形装置。
このアルミニウム板材の成形装置によれば、プレス成形品の割れ、裂けを抑制して、アルプレス成形品の歩留まりを上げ、量産性を向上させることができる。

（７） 前記スプリング支持体は、ガススプリングである、（６）に記載のアルミニウム板材の成形装置。
このアルミニウム板材の成形装置によれば、弾性特性の設定の自由度が高く、省スペースで大きな荷重を発生できる。また、ストロークが零のときに初期荷重を発生できるため、成形開始時から、必要となるしわ押さえ力を発生できる。

２ ダイ
３、３－１、３－２ 第１ブランクホルダ
４ 第２ブランクホルダ
６、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ クッションピン
７ ガイド
１０ パンチ
１１、１２ プレス成形装置（成形装置）
２０ ガススプリング
２１ チューブ
２２ ロッド
２３ 取付部
２４ オリフィス
２５ ピストン
２６ ロッドガイド
２７ 圧縮ガス
２８ オイル
３０ ダイホルダ
３５ スプリング支持体
４０ パンチホルダ
４１、４１－１、４１－２ 取付凹部
４３ 貫通孔
６０ クッション機構
Ｗ ブランク
ＯＰ（ＯＰ－１、ＯＰ－２） 開口
ＣＶ１～ＣＶ３ ダイの凹部
Ｋ１ フランジ
Ｋ２ 縦壁
Ｋ３ 天板

Claims (7)

1. 開口を有するアルミニウム板材をプレス成形する成形方法であって、
   前記アルミニウム板材における前記開口の周縁部をプレスにより伸びフランジ成形するとき、前記開口の周縁部の板押さえ力を、プレスストロークの成形開始位置から成形終了位置に近くなるほど大きくする、アルミニウム板材の成形方法。
2. パンチを固定するパンチホルダと、ダイとの間の金型内において、
   前記アルミニウム板材の前記開口の周縁部に第１ブランクホルダを配置し、
   前記アルミニウム板材の外周部に第２ブランクホルダを配置し、
   前記第１ブランクホルダと前記第２ブランクホルダの間にパンチを配置し、
   前記第２ブランクホルダを、共通のクッション機構に取り付けられる複数のクッションピンにより支持し、
   前記第１ブランクホルダを、プレスストロークの成形開始位置から成形終了位置に近くなるほど反発力が大きくなる弾性特性を有する複数のスプリング支持体を介して前記パンチホルダに支持させる、
   請求項１に記載のアルミニウム板材の成形方法。
3. 前記第１ブランクホルダから前記アルミニウム板材に加える板押さえ力を、前記スプリング支持体の弾性特性、本数及び複数本の前記スプリング支持体の配置の少なくとも一つにより調整する、請求項２に記載のアルミニウム板材の成形方法。
4. 前記スプリング支持体としてガススプリングを用いる、請求項２又は３に記載のアルミニウム板材の成形方法。
5. 前記アルミニウム板材は、６０００系アルミニウム合金である、請求項１～４のいずれか１項に記載のアルミニウム板材の成形方法。
6. パンチと、前記パンチを固定するパンチホルダと、前記パンチホルダに対向して配置されるダイと、を備え、前記パンチと前記ダイとの間で、開口を有するアルミニウム板材をプレス成形する成形装置であって、
   前記アルミニウム板材の前記開口の周縁部に当接して配置される第１ブランクホルダと、
   前記アルミニウム板材の外周部に当接して配置される第２ブランクホルダと、
   基端部が前記パンチホルダに固定され、先端部が前記第１ブランクホルダを支持する複数のスプリング支持体と、
   基端部が共通のクッション機構に固定され、先端部が前記第２ブランクホルダを支持する複数のクッションピンと、
   を備え、
   一本の前記スプリング支持体は、プレスストロークの成形開始位置から成形終了位置に近くなるほど反発力が大きくなる弾性特性を有する、
   アルミニウム板材の成形装置。
7. 前記スプリング支持体は、ガススプリングである、請求項６に記載のアルミニウム板材の成形装置。

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