JP3854525B2

JP3854525B2 - プレス成形方法および成形装置

Info

Publication number: JP3854525B2
Application number: JP2002103266A
Authority: JP
Inventors: 亨吉田; 浩二橋本; 幸久栗山
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-04-05
Filing date: 2002-04-05
Publication date: 2006-12-06
Anticipated expiration: 2022-04-05
Also published as: JP2003290833A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は金属板の曲げ成形方法及び装置に関するものであって、特に高強度鋼板やアルミニウム合金板などの場合に生ずるそり等のスプリングバックを防止して良好な形状凍結性を確保するためのプレス成形方法及びプレス成形装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車部品に高強度鋼板やアルミニウム合金板が多用されつつあるが、それらを自動車部品に成形する際に発生する形状凍結不良が問題になっている。すなわち、ハット型断面形状の部品をＵ字型の曲げ加工用金型を用いて成形する場合には、図１に示すようにスプリングバックと呼ばれる壁反りや角度変化などの形状凍結不良が発生し、寸法精度が得られないことが問題となっている。この形状凍結不良は最終製品の外観品質を著しく損なうばかりでなく、成形後に行われる組立作業において溶接不良の原因となるため、特にメンバーやフレームなどの構造部品では形状凍結不良の防止が重要視されている。
【０００３】
曲げ加工で頻繁に観察される形状不良として知られているスプリングバックは、曲げ加工時に金属板に生じた残留応力が除荷時に弾性回復変形するために生ずる現象で、残留応力が板厚方向に不均一に分布することが原因である。
それに対して、壁反りはダイス肩での曲げ・曲げ戻し変形によるスプリングバックに加え、ポンチとダイス間のクリアランス内における被加工材の変形状態が影響する複雑な現象である。すなわち、成形中に被加工材がダイス肩部を通過する際、ダイス肩の入口で曲げ変形を受けた後、ダイス肩出口で曲げ戻し変形を受けるが、このときに完全に元の平坦形状に曲げ戻されないため、反りの形状を生じる。一般には外向きの反りとなるが、クリアランス内で被加工材が複雑に変形する場合には、曲げ戻し変形が強く働いて内側に反ることもある。
【０００４】
一般に、スプリングバックは曲げ変形部に引張の塑性変形が与えられるまで張力を付与すれば軽減できることが知られている。その場合、板押さえ力を高めたり、ドロービードを設けて被加工材に加わる張力を高めるなどの対策がとられるが、延性の劣る高強度鋼板やアルミニウム合金板では張力を強くすると側壁部が破断する恐れがある。そのため、従来は新たにリストライク工程を設けて、反りと反対側に曲げ変形を加えて形状を矯正する方法が用いられているが、この方法では工程が増すため、設備コストや生産性に大きく欠点があった。特に、縦壁形状が垂直に近い形状となるハット型部品では壁反りと反対側に曲げを加えるためにはダイがポンチに対してオーバーハング形状となってしまうため、通常のプレス成形金型だけでなく縦側を横側から加圧するカム金型が必要であり、金型コストを増大させる要因となっていた。
【０００５】
この問題を解決するため、特開昭５６−１１７８３１号公報では、そりの発生機構の詳細な研究からダイス肩での曲げ半径とポンチ〜ダイス間のクリアランスを特定の範囲に設定し、ダイス肩出口での曲げ戻し変形を制御して、反りを防止する方法を提案している。しかし、この方法では、最適な曲げ戻し変形の大きさが被加工材の板厚や機械的特性に強く依存し、特に４００MPa以上の高強度鋼板を被加工材とする場合では逆曲げの制御が難しいため、所定の寸法精度が確保できない場合が多い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、高強度鋼板やアルミニウム合金板などのハット型部品の曲げ成形加工において、成形工程数を増やすことなく反りを安定して小さい範囲に抑制できるプレス成形方法および装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述の課題を解決したものであり、その要旨は次の通りである。
（１）ポンチ、ダイ及びブランクホルダーを有するプレス成形金型を用いたプレス成形方法において、ポンチでブランクを成形した後に、前記ポンチと反対側に位置するパッドによりブランクのポンチ底部を拘束し、前記パッドをポンチストローク方向と反対方向に移動させ、ブランクの縦壁に曲げ変形を加えることを特徴とするプレス成形方法。
（２）ポンチ、ダイ及びブランクホルダーを有するプレス成形金型と、前記ポンチと反対側に位置するパッドを有し、前記パッドは前記ポンチによりブランクのポンチ底部を拘束し、かつポンチストローク方向と反対方向に移動する機能を有し、前記ダイは前記ブランクの縦壁部が曲げ変形可能なダイ逃がし部を有することを特徴とするプレス成形装置。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図２は本発明の実施例に係わるプレス成形方法を実施するための成形装置の構造を示すものであるが、この例を用いて本発明の詳細を説明する。本加工装置は通常のプレス成形で用いられるポンチ２、ダイ３、ブランクホルダー４と、ポンチと反対側に位置するパッド９を有し、パッド９はブランク１のポンチ底部を拘束し、パッド９はパンチ２の成形ストロークと反対方向に移動する（図３、図４の場合、ポンチ２が下方向に移動するときは、パッド９は下方向に移動する）機能を有し、ダイ３にはブランク１の縦壁部が曲げ変形可能なダイ逃がし部１５を備えている。ポンチ２の反対側に位置するパッド９は下型であるポンチ２に対して上下方向だけに所定距離だけ進退可能に設置されており、ブランク１のポンチ底全面を同時に拘束することが可能な形状になっている。また、パッド９に連結された押圧手段により、ポンチストローク方向と反対方向にブランク１のポンチ底部を移動させる機構になっている。
【０００９】
押圧手段には上型に固定されたガスシリンダ１２を複数備え、このガスシリンダ１２から下方に延伸するロッドがパッド９に当接する。ポンチ成形工程の下死点においてガスシリンダ１２に成形荷重による負荷が加わらないようにストッパ１４を設けておくことが望ましい。また、ポンチ９は対抗する荷重に応じて加圧された方向に移動する手段を介して下型プレート７に設置されている。この例では荷重に応じて移動する手段としてガスシリンダ１１を用いているが、ポンチ成形工程時に加わる加圧力でガスシリンダ１１が下限に達しないように必要な最大荷重が得られるように複数設置する必要がある。その他の移動手段としては、相当する荷重を発生できるようにウレタンスプリングやコイルスプリングを必要数用いても良い。ダイ３の縦壁部分にはダイ逃がし部１５を設けておき、パッド９の移動持に発生するブランク１の縦壁部の圧縮応力による曲げ変形が起き得るように設計しておく。また、パッド９の加圧力がブランク１をとおしてダイホルダー４まで移動しないように下型にポンチストッパ１３を設けておくことが望ましい。
【００１０】
このように構成される金型の動作について、本発明のプレス成形方法との関連で図２〜図４により以下に説明する。まず、ブランクホルダー４をポンチ２に対し上方に配置しておき（図示しない）、ブランク１が投入される。そして上型が下降し、ダイ３とブランクホルダー４によりブランク１のフランジ部が拘束され、ダイクッションの加圧がクッションピン１０をとおしてダイホルダー４に伝達し、フランジ部が一定の荷重で挟持される。そして、ブランク１のフランジ部がブランクホルダー４とダイ３に挟持された状態で上型が下降し（図２から図３）、ポンチ２による成形が進行する。ポンチ移動用に下型に固定したガスシリンダ１１はポンチ２とブランク１が接触する前に駆動しておく。図３は上型が下死点に達し、ポンチ成形工程が終了した状態を示す図である。
【００１１】
ポンチ成形工程が終了すると、上型に固定されたガスシリンダ１２が駆動し、パッド９を介してブランク１のポンチ底部を加圧することにより、ポンチ底部は下降される。このときブランクホルダー４はポンチ成形工程が終了すると同時に下型に設置されたスペーサー５が下型プレート７に接触し、それ以上は下降しない構造にしておく。パッド９からの加圧力がブランク１の縦壁部に伝播し、縦壁部に圧縮応力が発生するので、反りの原因である板厚方向の応力差を均一化する方向に働く。また、さらに加圧すると、縦壁部が座屈により加工による反りと逆方向に曲がる現象が発生し、残留応力の板厚方向の不均一を完全に解消する。残留応力の均一化工程が加わることで除荷した状態での壁反りが除去され、真直ぐな縦壁形状を有する加工品が得られる。高強度鋼板では材料の強度が上昇すると残留応力の不均一が大きくなり、壁の反りが大きくなるが、本加工方法では材料強度に応じてパッドの加圧力を最適に設定することで、鋼種ごとに均一な応力状態を与えることができ、成形品の反りを取り除くことができる。
【００１２】
【実施例】
供試材として板厚１．６mmの冷延鋼板である軟鋼板ＳＰＣＥと高強度鋼板（４４０MPa、５９０MPa）を用いた。ブランクの寸法は３００×２６０mmで、各鋼板の機械的特性は表１のとおりである。通常成形方法におけるハット金型での加工をダイクッション圧を変化させて行った。ハット金型の寸法は幅８０mmで、パンチ肩Ｒ４mm、ダイ肩Ｒ４mm、成形高さ８０mmである。高さ加工中の材料強度σ_TS［MPa］に対する縦壁張力σ_t［MPa］の比と壁反り残留曲率の一般的な関係を図５に示す。この図では横軸のσ_t／σ_TSは無次元化縦壁張力であり、これが１に達すると破断が発生すると考えられる。縦壁張力は以下の式で計算した。
σ_t＝Ｐ／２ｂｔ
Ｐ：ポンチ成形最大荷重［MPa］
ｂ：板幅（＝３００mm）
ｔ：初期板厚（＝１．２mm）
【００１３】
このように、縦壁張力を大きくすると壁反り残留曲率が減少することが一般に知られているが、高強度鋼板では破断を起こさない限界までダイクッション圧を加えても軟鋼板に比べ壁反りが大きく残留することが分かる。また、プレス設備の能力によっては破断に近い状況までダイクッション圧を負荷できない場合が多く、σ_t／σ_TSの低い領域でしか加工できないことが想定されるので、高強度鋼板の壁反りはさらに大きくなることが考えられる。そこで、通常成形後にパッド側から加圧し、縦壁部に逆曲げを発生させる本発明に係わる方法によりハット金型での成形を行った。
【００１４】
なお、本発明例では、パッド側からの加圧手段として加圧力８０kN、ストローク８０mmのガスシリンダを６個使用し４８０kNの加圧力を負荷できるようにした。ダイ逃がし部としてダイの縦壁部両側についてダイ肩Ｒ止まりから６０mmの領域を最大で２０mmの深さを有する溝を設けた。ここで、図６はダイクッションを３００kNにした場合の通常成形方法による比較例と本発明例に係わる成形方法により得られた加工成形サンプルの壁反り曲率を測定した結果を示す。本発明例では高強度鋼板を用いた場合でも壁反りをほとんど発生させずに成形が可能で、工程数を増やすこともなく、高精度の成形品を容易に加工することができた。
【００１５】
【表１】

【００１６】
【発明の効果】
本発明により、高強度鋼板やアルミニウム合金板などのハット型部品のプレス成形加工において、成形工程数を増やすことなく成形品の壁反りを安定して小さい範囲に抑制したプレス成形を容易に行えるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】通常のプレス成形方法における形状凍結不良現象である壁反りと角度変化を示す説明図である。
【図２】本発明の実施例に係わるプレス成形方法を実施するための金型を用いてブランクをセットした状態の概略縦断面図である。
【図３】本発明の実施例に係わるプレス成形方法を実施するための金型を用いてポンチ成形が下死点に達した状態の概略縦断面図である。
【図４】本発明の実施例に係わるプレス成形方法を実施するための金型を用いて、逆成形工程においてブランクの縦壁に曲げ変形を加わっている状態の概略縦断面図である。
【図５】通常成形方法の縦壁の反り量と無次元化縦壁張力との関係図である。
【図６】通常成形方法及び本発明例例に係わる成形方法で得られた成形品の縦壁部の反り量の説明図である。
【符号の説明】
１…ブランク２…ポンチ
３…ダイ４…ブランクホルダー
５…下型スペーサー６…上型スペーサー
７…下型プレート８…上型プレート
９…パッド１０…クッションピン
１１…ガスシリンダ１２…ガスシリンダ
１３…ポンチストッパー１４…パッドストッパー
１５…ダイ逃がし部

Claims

ポンチ、ダイ及びブランクホルダーを有するプレス成形金型を用いたプレス成形方法において、ポンチでブランクを成形した後に、前記ポンチと反対側に位置するパッドによりブランクのポンチ底部を拘束し、前記パッドをポンチストローク方向と反対方向に移動させ、ブランクの縦壁に曲げ変形を加えることを特徴とするプレス成形方法。
ポンチ、ダイ及びブランクホルダーを有するプレス成形金型と、前記ポンチと反対側に位置するパッドを有し、前記パッドは前記ポンチにより成形されたブランクのポンチ底部を拘束し、かつポンチストローク方向と反対方向に移動する機能を有し、前記ダイは前記ブランクの縦壁部が曲げ変形可能なダイ逃がし部を有することを特徴とするプレス成形装置。