JP3633012B2 - 形状凍結性に優れたプレス加工方法 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、主として自動車ボデイーに用いられる金属薄板の曲げ加工を高精度で行う方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年自動車車体重量の軽減を図るために、素材として従来よりも板厚が薄い高張力鋼板とか、比重が小さいアルミニウム合金板などが使用されるようになった。
これらの材料はプレス加工によって様々な部品に成形されるが、従来材料に比べて強度が大きいか、またはヤング率( 縦弾性係数) が小さいため所定の形状が確保できない場合が生じる。
【0003】
例えば、金属板1から図2(a)のようなハット形の部品を成形によって得る場合、その断面は図2(b)に示す通り、目標とする実線の形状であるべきところが、二点鎖線に示すようにスプリングバックした形状を呈したり、図2(c)のような比較的板厚が厚く、長さの短いU字形の部品のような場合、図2(d)のように鞍型の反りdが生じる場合がある。
【0004】
これらの部品はポンチ、ダイスおよび必要に応じて用いるしわ押さえ工具によってプレス加工されるが、プレス金型で拘束された離型前の状態がそのまま凍結されれば問題とならない。しかし、実際にはスプリングバックのために図2(b)、(d)のような形状になる。
スプリングバックが甚だしいと、車体を組み立てる際に、他部品との接合がうまくいかず、トラブルが生じる。
【0005】
この原因は材料が金型内で成形され、拘束されているときの曲げ部のモーメントのためである。成形体が金型から外されると、このモーメントがゼロになるように材料が変形する。これがスプリングバックの基本原理である。
材料強度が大きいほど、このモーメントは大きく、またモーメントによってスプリングバックする量はヤング率が小さいほど大きい。
【0006】
このため、高張力鋼板とか、アルミニウム合金板ではスプリングバックが大きい。
この対策として最も簡単な方法としては、スプリングバック後に所定の形状になるように、曲げ加工時に目標角度より数度だけ余分に曲げる方法がよく用いられている。ただし、スプリングバックを見込んでそれ以上に曲げるのは、ポンチが上下にしか移動しないプレス機械の機構上、不可能である場合もある。
【0007】
また、別の方法としてサイドからの成形とか、成形工程を増すなどの方法を採ればスプリングバックの問題は解消されるが、設備費用等が嵩む。つまり、曲げ加工時に目標角度より数度だけ余分に曲げる方法は限定された成形でのみ採用できる技術である。
一方、成形時にモーメントを減少させる方法として引張変形を与える方法がある。図3は曲げを受けている金属板1の板厚内の応力分布を模式的に示したものであり、図3(a)は張力が少ない場合で、板厚内応力は圧縮応力と、引張応力とが存在している。図3(b)は張力が比較的大きい場合で、板厚内応力はほとんど引張応力になっている。
【0008】
板厚tの中心からの距離をηとすれば、その時のモーメントMは次式(1)のようになる。
【0009】
【数1】
【0010】
ここでσは引張応力であり、引張応力を正の値、圧縮応力を負の値として計算する。上式(1)から板厚内の応力分布が引張応力側にシフトすればモーメントMが減少する。つまりスプリングバックが小さくなる。
張力を付与する方法として、図4のようにプレス成形時にしわ押さえ圧力を増す方法が一般的に採用されている。図4において1は金属板、2はダイス、3はポンチ、4はしわ押え、5はしわ押え荷重である。
【0011】
しわ押さえ荷重を増すとしわ押さえ、ダイス間の摩擦力が増加し、曲げ部での材料の板厚内の応力分布が図3(b)のように均一になりやすい。
しかしながらこの方法では、図4に示す金属板1のポンチ肩部aまたは縦壁部bで破断が生じやすい。もともとこれらの部位は最も破断しやすい箇所であり、材料特性、潤滑剤等の適正な選択でこの破断を回避しているが、基準以上の張力がかかると破断する危険性が増す。
【0012】
張力を増加させスプリングバックを減少させるためのその他の方法として、図4に示す材料(金属板1)端部c、d部を外側に引張る方法がある。この方法でも破断の危険は増加するであろうし、引張るための余剰材が必要で、材料歩留りが低下する。
スプリングバックを減少させる方法として以上のような従来技術があるが、自動車車体軽量化用のスプリングバックしやすい材料でプレス加工を行う場合は充分な対策とはいえず、さらに効果的な方法が望まれていた。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は曲げを伴うプレス部品を対象に、従来の問題点を解決すべく創案されたもので、主に強度の大きい高張力鋼板や、ヤング率の小さいアルミニウム合金板を素材とするプレス加工において、スプリングバックの少ないプレス加工方法を提供することを目的とするものである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ポンチおよびダイスによって構成される曲げ加工装置を用い金属板の曲げ加工を行うにあたり、成形ストロークの最終工程で、曲げ加工を受けた前記金属板の凸面側の少なくともその一部に、前記金属板板厚の20%以下の深さでかつ開口部の面積の合計が曲げ加工部のR部凸面側表面積の 10 %以上、 50 %以下の凹部を付与することを特徴とする形状凍結性に優れたプレス加工方法である。
【0015】
なお、本発明においては前記凹部は前記金属板板厚の5%以上、より好ましくは板厚の10%以上の深さを有する凹部であることが好ましい。
また、本発明の適用される金属板としては引張強さが35kgf/mm2 以上の高張力鋼板等の金属板、またはヤング率(縦弾性係数)Eが7000kgf/mm2 以下のアルミニウム合金板等の金属板が好ましい。
【0016】
本発明においては、成形ストロークの最終工程で、曲げ加工を受けた金属板の凸面側の曲げ稜線部全長にわたり前記凹部を付与する方法も好ましく用いられる。
さらに本発明においては、前記曲げ加工装置においてポンチおよびダイスに加えて必要に応じてしわ押さえ工具を用いてもよい。
【0017】
【作用】
以下に本発明を詳細に説明する。
プレス加工時の成形ストロークの最終工程で曲げを受けた部分の金属板板厚内応力分布も図3(a)と同様となり、曲げの内側部は圧縮応力が、外側部では引張応力が生じている。
【0018】
従来技術で行われている全体を長手方向に引張る方法では、図3(b)で説明したのと同様に材料内側の圧縮部分も引張り側に移動し、モーメントが減少する。
本発明は、破断の危険が伴うこの引張り法に代わるもので、図1に示すように引張りを受けている材料の外側(曲げ加工を受けた金属板1の凸面側)の少なくとも一部を凹ませるものである。これにより、それまで引張り側であった部分は一転して圧縮側になり、モーメントが減少する。
【0019】
図1で示すy方向に圧縮を受けた部分は体積一定の原理により、x方向にも伸びようとするが、これが周囲で拘束されるため圧縮応力が生じる。このため、従来の破線で示される応力分布が実線のようになり、モーメントが小さくなり、スプリングバックが小さくなる。
この凹み(凹部1a)を付与する方法としては、成形後期のポンチストロークエンドに図5(a)、(b)に示すように曲げ部の材料(金属板1)外側に突起6を付けた金型を対向して設置し、これで凹み(凹部)を付与する方法が簡便である。
【0020】
凹み(凹部)形状は図6に例示するように目的に応じて用いることができる。また、本発明において前記凹み(凹部)は、図6(a)、(b)、(c)に示すように曲げ加工を受けた金属板の凸面側の稜線部8に付与することが好ましい。
なお図6において、破線は曲げ加工を受けた金属板の凸面側の稜線を示す。
【0021】
例えば、図6(a)、(b)は主に図2(b)のようなスプリングバック防止を目的とするものであり、図6(c)は図2(d)のような鞍反りの軽減を目的とした凹み形状である。
図1に示す凹部1aの凹みの深さHは、部品にもよるが、組み立てられた後に引張荷重とか、繰り返し荷重等を受ける場合も想定され、凹みによってむやみに板厚を減少させるのは得策でなく、凹みの深さHは金属板板厚の20%以下が好ましい。
【0022】
また、本発明の目的とするスプリングバックの防止、鞍反りの軽減を達成するためには、図1に示す凹部1aの凹みの深さHは金属板板厚の5%以上、より好ましくは板厚の10%以上が好ましい。
なお、本発明においては前記凹部の面積(凹部の開口部の面積)の合計が曲げ加工部のR部凸面側表面積の10%以上、50%以下の凹部を付与した。好ましくは、上限は40%以下である。10%未満であるとスプリングバックの防止、鞍反りの軽減の効果が少なく、また50%超えの場合前記と同様に強度の面から好ましくない。
【0023】
【実施例】
スプリングバックにより、曲げ角度が曲げ加工後に変化する場合について本発明を適用し改善が得られた例について説明する。
用いた材料は板厚1.2mmの軟鋼板(引張強さ:30kgf/mm2 )、高張力鋼板(引張強さ:45kgf/mm2 )、ならびに5000系のアルミニウム合金板(ヤング率:7000kgf/mm2 )である。
【0024】
本実施例では、図5に示す金型〔ダイス2、パッド7、ポンチ3〕を用い90度の曲げ加工を行った。
すなわち、金型は図5に示したもので、ポンチの先端の半径は5mmで、このポンチ成形最終ストロークでは90度の曲げを与えるものである。
本実施例における凹部の凹み形状は図6(b)を基本形状とし、金属板の曲げ稜線部全長にわたり凹部を付与した。図1に示す凹部1aの凹み深さHは0.2mm(金属板板厚の17%)、幅Bは3mm、また凹部の面積(凹部の開口部の面積)の合計は曲げ加工部のR部凸面側表面積の31%とし、従来方法との比較を行った。
【0025】
従来方法は、ポンチ成形最終ストロークを図5(b)と同一とし90度の曲げを与えたが、凹部を付与しないものである。
曲げ加工後の金属板の断面角度およびその測定は図7に示すように行った。
結果を図8に示す。
従来方法の場合、ヤング率の最も小さいアルミニウム合金板のスプリングバックが最も大きく、次いで高張力鋼板、最もスプリングバックが小さいのが軟鋼板である。ただし、軟鋼板でも曲げ加工後の角度は95度であり、曲げ加工時の角度90度から5度離れている。
【0026】
本発明方法を用いると効果が顕著に現われ、全ての材料で曲げ加工後の角度が90±2度に収まることがわかる。
【0027】
【発明の効果】
本発明方法によれば、強度の大きな、またはヤング率の小さな金属板に対しても簡便な方法でスプリングバックが小さい曲げ加工が可能となり、工業的に顕著な効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す側面図。
【図2】スプリングバック、および鞍型の反りを示す説明図。
【図3】曲げ加工時の金属板板厚内の応力分布を模式的に示す断面図。
【図4】金属板のしわ押え、または金属板端部を外側に引張る従来の曲げ加工方法を示す側面図。
【図5】本発明の実施例を示す側面図。
【図6】本発明において付与する凹部を有する金属板の斜視図。
【図7】本発明の実施例における曲げ加工後の金属板の断面の角度、およびその測定法を示す側面図。
【図8】本発明方法および従来方法による曲げ加工後の金属板の断面の角度を示すグラフ。
【符号の説明】
1 金属板
1a 凹部
2 ダイス
3 ポンチ
4 しわ押え
5 しわ押え荷重
6 突起
7 パッド
8 稜線部
Claims (1)
- ポンチおよびダイスによって構成される曲げ加工装置を用い金属板の曲げ加工を行うにあたり、成形ストロークの最終工程で、曲げ加工を受けた前記金属板の凸面側の少なくともその一部に、前記金属板板厚の20%以下の深さでかつ開口部の面積の合計が曲げ加工部のR部凸面側表面積の 10 %以上、 50 %以下の凹部を付与することを特徴とする形状凍結性に優れたプレス加工方法。
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