JP4182352B2 - エンボス構造の金属板から車体用構造部品を製造する方法及び加工ツール - Google Patents

Description

本発明は、金属板、特に車体用金属板から構造部品を製造する方法、及びそのような構造部品を製造する加工ツールに関する。

自動車車体構造物における多くの構造部品は、固有の安定性及び曲げ剛性に関する厳密な要求を満たさなければならない。こうした構造部品は一般に金属板から製造され、固有の安定性及び曲げ剛性を強化するために通常はビードが設けられる。しかし、金属板のビーディングにより、極めて方向性のある硬さを増す結果となり、そのため、縦方向に配置されたビードを備えた金属板片は、縦方向の曲げに対しては明らかに硬いが、ねじり剛性は低く、横方向には曲げやすい。したがって、こうしたビードの加工では、金属板の一様で均一な剛性は確保できない。

ビードを設ける代わりに、隆起の成形によって金属板にエンボス構造を施すことで、実質的に方向に依存することの少ない剛性が達成できる。この方法は、例えば特許文献１に記載されている。成形中に金属板の可塑化が起こるような、（例えば深絞り成形のような）従来の成形加工に比べて、金属板は、エンボス加工中は単に局部的に折り曲げられるに過ぎないので、これに伴って原料の表面は、わずかに膨張するだけである。隆起の成形は、継続的な工程で実施されるので、原料の金属板全体（又はその帯状領域）にエンボス構造が施される。強化された剛性をもつ車体構造部品を製造するには、これらの原料の金属板から素材を切り抜いて、更なる工程によってこれらの素材から望ましい構造部品が製造される。したがって、例えば、特許文献２は、エンボス構造が施された金属板を深絞り成形して製造する自動車の床について記載している。

しかし、エンボス構造を有する金属板の車体部品が、従来の接合加工工程（スポット溶接、ねじ留め接続、等）を使用して他の構造部品に接続される場合、問題が発生する。これは、構造部品のエンボス構造が原因で、エンボス構造の構造部品が他の構造部品に接合される接続ゾーンにおいて、接合される部材を確実に互いに平面的に合わせることができない。こうした構造部品について、溶接加工又は押し込み係合式のねじ留め接続によって、制御された極めて強い接合を確保できるようにするために、構造部品がこれら接続ゾーンにおいて他の隣接する半組立部品の（平坦な）接続領域上で平面的に支えられるように、接続ゾーンにおいては構造部品のエンボス構造を最大限可能な限り取り除かなければならない。

独国特許出願公開第 ４４ ３７ ９８６ Ａ１号明細書 独国特許出願公開第 １９９ ４２ ３８３ Ａ１号明細書

本発明の目的は、エンボス構造を局部的に平滑化できる方法を提案することである。さらに、エンボス構造を有する構造部品上の局部的に限定された接続ゾーンについて、単純で制御された方法で平滑にできるツールを提供することも、本発明の目的である。

この目的は、本発明にしたがって請求項１及び３の特徴により達成される。

したがって、望ましい構造部品を製造するために、構造部品の素材、すなわち適正に成形されたエンボス構造を有する金属板の部品は、パンチとダイとを備えた加工ツールで成形される。加工ツールは、剛性ゾーンの領域においては構造部品の素材上に元々存在するエンボス構造には影響を与えず、その一方で接続ゾーンにおいてはエンボス構造を平滑化するように設計される。これを達成するためには、加工ツールのパンチは、複数の部分からなる構造となる。このパンチは、構造部品の剛性ゾーンに対応するパンチ領域に配置された固定パンチを備え、その機能は、ダイに対して前に出た位置にある固定要素との相互作用により、加工ツール内で素材を変形しないように固定することである。さらに、上記パンチは、固定パンチに対して移動可能であり、構造部品の接続ゾーンに対応するパンチ領域に配置された成形パンチを備えており、その機能は、この成形領域に面するダイの一部と相互に作用して、金属板を接続ゾーンでは局部的に平滑化することである（請求項３参照）。

構造部品を製造するには、最初に、加工ツールの固定パンチが引き上げられ、構造部品の素材が固定パンチの上に望ましい向きで置かれ、加工ツールのダイを降下させることで、上記素材は、ダイに対して前に出た位置にある固定要素によって、パンチに対して剛性ゾーンの領域に定位置に締め付けられる。これによって加工ツール内の素材の位置は固定される。ダイはさらに降下され、その過程で、互いに対応するパンチとダイとの成形領域の間で、接続ゾーンが形成される（請求項１参照）。

これによって、エンボス構造がほとんど取り除かれた平滑化された接続ゾーンを、本発明による加工ツールによって、エンボス構造を有する素材上に形成することができる。これら接続ゾーンにおいて、構造部品は、次に続く製造工程において、従来の接合加工、例えばホワイトボディ段階でのスポット溶接若しくはシーム溶接、又は組立て中のねじ留め接続等の援助により、接続部品に接続される。この工程で、剛性ゾーンのエンボス構造は変形せずに保持される。したがって、選択された剛性ゾーンに（多少の方向性をもつ）エンボス構造が施されつつも、隣接する接続ゾーンには多少の平滑な表面構造を有する構造部品が、本発明による加工ツールによって製造可能である。

本発明の有利な構成では、固定パンチの端面には、素材のエンボス加工に対応する表面輪郭が設けられる（請求項４参照）。これには、素材が加工ツールの中に挿入される際に、上記素材を上記加工ツール内の規定されたとおりの向きと位置に置くのを助ける利点があり、この向きと位置は、固定パンチの表面構造に対応する。この方法では、特に、金属板のエンボス構造は、加工ツールの成形領域に対して極めて正確に向きを決めることができるので、エンボス加工作業の過程で形成される平滑化された接続ゾーンは、剛性ゾーンのエンボス構造に対して極めて正確に位置決めされる。

固定パンチと相互に作用する、ダイの固定要素は、好ましくは弾性素材、特にゴム製である（請求項５参照）。ダイに誘導された固定要素が、固定されるべき素材のエンボス構造の表面上に降下する際、固定パンチの端面自身がエンボス構造に弾力的に適合する。ダイがさらに降下する間、固定要素によって素材にかかる固定の圧力が増大する結果、固定要素は圧縮される。これによって、素材は、接続ゾーンが平滑化される間、固定パンチと固定要素との間の高い圧力で（このようにして滑らないように）、定位置に締め付けられる。

別の方法として、固定要素は、ばねを介して取り付けられたスライドとして設計されてもよく、その端面には、（固定パンチの端面に対応する）エンボス構造が施される（請求項６参照）。この場合、素材は、剛性ゾーンの領域で、固定要素と固定パンチとの間に押し込み係合により定位置に締め付けられる。

接続ゾーンを平滑化する過程において、素材の製造過程におけるエンボス加工中に形成される表面の拡大分は、特定の方法で削減しなければならない。加工工程で構造部品上に折り重なりが形成されること及び／又は放射状模様が形成されることを回避するためには、過剰な原料についての定められた流れを確保する「消費部」を提供することが適当である。接続ゾーンに設けられるビードは、好ましくは剛性ゾーンへの変わり目に近接し、こうした「消費部」の役目を果たす（請求項２）。これらのビードを成形するには、ビード領域が加工ツールの成形領域に設けられる（請求項７参照）。

本発明について、図面に示す例示された実施形態を参照しつつ、以下に詳細を説明する。

図１ａはエンボス構造を有する金属板の素材１を示し、この金属板から本発明による加工方法によって図１ｂに示す構造部品、本実施例では自動車リヤパネル３、が製造される。構造部品２の外側輪郭は、図１ａの素材１上に破線によって示されている。構造部品２は、素材１の本来のエンボス加工が保持されているエンボス構造を有する剛性ゾーン４を有する。周縁ゾーン６、６’、６’’及び構造部品２の内部に位置する領域７において、構造部品２にはほとんどエンボス構造のない平坦なフランジの形状をした接続ゾーン８、９が設けられている。本発明の実施形態では、素材１又は構造部品２の剛性ゾーン４におけるエンボス構造５は、六角形の対称的規則性、すなわち図１ａ、１ｂに概略的に示される、ハニカム模様の要素を有する。この場合、格子定数１０及びハニカム模様５のエンボス構造の高さは、構造部品２の厚み及び、構造部品２の望ましい剛性の増加（又は所望の振動特性）に適合するよう調整される。図１ａ、１ｂに示す六角形のエンボス構造５の代わりとして、素材１又は構造部品２は、三角形又は長方形をベースとする対称性を持つエンボス構造を備えてもよい。

エンボス構造の素材１は、平坦な金属板（図示せず）から隆起工程によって製造されるもので、例えば特許文献１に詳述されている。エンボス構造５は、継続的工程で導かれるので、素材１は、表面全体にエンボス構造５を有する。別の方法として、素材１は、１つ（又はそれ以上）の（隆起工程の送り出し方向に沿った）帯状の細長い部分にエンボス構造５を備えるが、隣接する上記細長い部分にはエンボス構造がなくてもよい。

構造部品２のほぼ平坦な接続ゾーン８、９は、素材１上に本発明による方法を使用して形成され、上記構造部品を他の半組立部品に接続する役目を果たす。この半組立部品には、車体のホワイトボディ段階又は組立て中に、構造部品２が（特に溶接又はねじ留めで）取り付けられる。

本発明によると、図１ａの素材１から図１ｂの構造部品２を製造するのに、加工方法が使用される。関連する加工装置の例として、図２ａ〜２ｃは、往復運動するプレスラム１２と空間的に固定されたプレス台１３とを含む、プレス１１の詳細を、概略的で大幅に単純化した図で示す。構造部品の素材１を成形するのに必要な加工ツール１４は、パンチ１５とダイ１６とからなる。本実施例において、静止部品としてのパンチ１５はプレス台１３に固定され、往復運動部品としてのダイ１６はプレスラム１２に固定される。ダイ１６及びパンチ１５の斜視図を図３ａ、３ｂに示す。

ダイ１６は、基本ダイ本体１７を含んで構成され、前に出た位置にある固定要素１８が２つ突き出ている。前に出た位置にある固定要素１８は、筒形状のゴム部分１９によって形成され、この筒形状のゴム部分１９はそれらの内部を通るピン２０で位置が固定されている。基本ダイ本体１７は、まずエンボス領域２１を有し、その端面２２は、素材１に対応するエンボス構造５を有する。このエンボス構造５は、より適切に識別するために、図２ａ〜２ｃに大幅に誇張して図示してある。さらに、基本ダイ本体１７は、実質的に平滑な表面を有する平滑領域２３、２４を有する。最後に、基本ダイ本体１７は、凹部２５を有する。

パンチ１５は、２つの部分からなる構造で、中央の固定パンチ２６が環状の成形パンチ２７に囲まれてなる。固定パンチ２６は、２つのほぼ円形の加圧領域２８と、周囲を取り囲む周縁領域２９とを有し、これらの端面には、素材１のエンボス構造５に対応する表面輪郭３０、３０’が設けられている。固定パンチ２６の周縁領域２９の表面輪郭３０’は、基本ダイ本体１７のエンボス領域２１の輪郭と正確に相補関係にあり、これによって、プレスラム１２が降下する際には、ダイ１６とパンチ１５とが互いに一致し、エンボス領域２１と、周縁領域２９とにおいて押し込み係合される。成形パンチ２７は、反対側のダイ１６の平滑領域２３と相補する構造の平滑領域３１を有する。実質的な平坦領域に加えて、ダイ１６及び成形パンチ２７のそれぞれの平滑領域２３、３１は、それぞれ相補的な突起３２と凹部３３とを有し、これらは素材１にビード３４を加工する役目を果たす。以下に説明するように、構造部品２上のこれらビード３４は、接続ゾーン８において加工工程中に蓄積する過剰な原料を受け入れる「消費部」として働く。

図２ａ〜２ｃは、本発明による加工ツール１４による構造部品２の製造中の、複数の段階を示す。図２ａは、加工工程開始時点の開放状態の加工ツール１４を示している。図１のエンボス構造を有する半完成品の切り抜きである素材１は、素材１のエンボス構造５の位置と向きとが、固定パンチ２６の加圧領域２８及び周縁領域２９上に設けられたエンボス構造の表面輪郭３０の位置と向きとに正確に一致するように、加工ツール１４に挿入される。このことは重要であるが、それは（特に剛性ゾーン４と接続ゾーン８との間の変わり目３５において）金属板のエンボス構造５の向きが、構造部品２の方向による剛性に影響するからである。本実施例では、例えば、剛性ゾーン４のエンボス構造５は、数多くの強度審査の過程で確認されたように、構造部品２の対称軸３６が、図１ｂに示すように、六角形のエンボス構造５の対称軸の１つに一致するような向きに置かれるべきである。さらに、接続ゾーン８は、上部の周縁ゾーン６’の領域においては、剛性ゾーン４と接続ゾーン８との間の変わり目３５’がエンボス構造５の鋸歯状の縁辺によって形成され、その一方で底部の周縁ゾーン６’’においては、剛性ゾーン４と接続ゾーン８との間の変わり目３５’’がエンボス構造５の六角形の中心を通るように、剛性ゾーン４に対して配置されなければならない。この対称軸３６に対するエンボス構造５の望ましい向きは、加工ツール１４内で、固定パンチ２６の表面輪郭３０、３０’の向きによって事前に決定される。

固定パンチ２６に対する素材１の極めて正確な位置決めは、２つの異なる方法によって実施可能である。１つは、素材１の選択された縁辺３７、３７’が素材１のエンボス構造５に対して極めて正確な位置と向きになるような極めて正確なサイズに素材１を裁断することが可能で、これによって、例えば、図１ａの素材１は、縁辺３７、３７’が、隣接するハニカム模様の中心点を正確に通るようなサイズに正確に裁断される。この場合、固定パンチ２６における素材１の極めて正確な位置決めは、位置決めピン（図示せず）によって実施され、この位置決めピンに対して素材１の縁辺３７、３７’は固定される。これは、素材１が必要な精度（一般に０．１ｍｍ）をもって切り取られることを前提としている。もう１つ別の方法として、または上記方法に加えて、素材１のエンボス構造５が固定パンチ２６の表面輪郭３０、３０’の所定のエンボス構造の向きに正確に一致するように、重力を利用して素材１が固定パンチ２６に挿入されるように、固定パンチ２６内での素材１の向きを調整してもよい。固定パンチ２６の表面輪郭３０に対する素材１の極めて正確な向きは、加工工程中の剛性ゾーン４内において素材１のエンボス構造５の損傷をできるだけ小さくするために必要で、これによってこの剛性ゾーン４を、構造部品２においてできるだけ損傷せずに維持することでできる。

図２ａに示すとおり、固定パンチ２６はばねを介して取り付けられており、加工ツール１４が開放状態のときは、成形パンチ２７に対して前に出るように配置される。よって、加工ツール１４が開放状態のときは、平滑領域３１に設けられた突起３２を備えた成形パンチ２７は、固定パンチ２６から垂直方向に補うように配置され、それによって前に出た位置にある固定パンチ２６は、この加工ツールの位置では、素材１に対してエンボス構造を施す加圧領域２８と周辺領域２９とを提供し、素材１は上記加圧領域２８と周辺領域２９上にはっきりと規定された位置と向きで置くことができる。

素材１が、図２ａに示すとおり、加工ツール１４の中に望ましい位置と向きで挿入されると、プレスラム１２が降下される（図２ｂ参照）。この工程では、まず初めに、前に出た位置にある固定要素１８が素材１と接触する。プレスラム１２がさら降下する間に、素材１は、ダイ１６に対して前に出た位置にある固定要素１８とこの固定要素に面する固定パンチ２６の加圧領域２８との間の定位置で締め付けられる。この定位置での締め付けにより、素材１が確実に、加工作業中に滑らずに、加工ツール１４における望ましい位置と向きとに固定される。

プレスラム１２がさらに降下する間に、固定要素１８上に作用するプレス圧力は固定要素１８を圧縮し、この固定要素１８は素材１に対する追加圧力をもたらし、よって加工ツール１４におけるより一層の固定をもたらす。弾性を有する固定要素１８がアーチ形状になることが工程中に生じるが、このことは、固定要素１８に隣接するダイ１６の領域のゆとり空間である凹部２５があるので、妨げられることはない。固定要素１８の硬度又は前に出た位置にある部分の距離３９は、実際の加工工程が開始する際、固定要素１８によって一定の望ましい維持圧力が素材１に加えられるように大きさが調整される。図２ａ〜２ｃに示すゴムばねとしての固定パンチ１８の構成には、固定パンチ１８の弾性素材が、素材１のエンボス構造５における許容誤差または素材１の挿入中の不正確さを埋め合わせできるという利点がある。ゴム素材は横方向に曲げやすいことから、素材１は、固定要素１８によって、固定パンチ２６上にある反対側の加圧領域２８のエンボス構造を有する表面輪郭３０に同時にプレスすることができる。また別の方法として、固定要素１８は、ガス圧縮ばねによって形成されてもよい。このガス圧縮ばねの端面には、加圧領域２８に対して相補的なエンボス構造が施される。さらに、必要ならば、許容誤差の補正用に、ゴム製のマットを加圧領域２８と素材１との間に置くことができる。

ダイ１６のエンボス領域２１が素材１に触れる程度にプレスラム１２が降下した場合、素材１は、ダイ１６と固定パンチ２６との間のこれらの領域において、定位置に締め付けられる。さらに、プレスラム１２をさらに繰り出すと、結果としてばねで取り付けられた固定パンチ２６が定位置に締め付けられた素材１と共に押し戻される。この工程で、定位置に締め付けられた素材１は、固定パンチ２６の周りの成形パンチ２７にプレスされ、その結果これらの領域に設けられた側部の接続ゾーン８とビード３４とが素材１上に成形され、中央の接続ゾーン９が同時に成形される。これら接続ゾーン８、９及びビード３４を加工するために、プレスラム１２は下死点まで降下される。この加工工程中、固定パンチ２６は締め具としての役目を果たし、変わり目３５において、隣接する剛性ゾーン４から接続ゾーン８へ定められた原料の流れが可能となる。

接続ゾーン８の成形は、この領域における原料の再分配に関連する。特に、加工の過程において生成される表面の拡大分は、構造部品２上において折り重なり又は放射状模様が形成されるのを回避するために、意図的に消費しなければならない。これはビード３４によって達成され、このビード３４は特定の原料の流れをもたらし、構造部品２の寸法を適切に安定させ、構造部品２における長い波状の隆起構造（フロッグと呼ばれる）の形成を防ぐ。この場合、ビード３４の正確な位置、高さ、幅、及び向きは、便宜上加工工程のシミュレーションで決定され、このシミュレーションは、使用される原料の膨張特性、ハニカム構造の特性等を明確に考慮する。ビード３４は、構造部品２における長い波状の隆起構造が回避されるように互いに合わせられる。

さらにビード４０が、剛性ゾーン４の中央に設けられた接続ゾーン９の縁辺を取り囲んで設けられ、この取り囲んでいるビード４０は、消費部の役割を果たし、一方で平滑な接続ゾーン９における折り重なりの形成を防ぎ、もう一方で剛性ゾーン４に延びる放射状模様を回避する。このビード４０を成形するために、接続ゾーン９に対応する固定パンチ２６上の平坦領域４１は、その周りの表面に輪郭をつけた周縁領域２９に対して沈んでおり、これによって固定パンチ２６上のこの位置に段差４２（消費部に対応する）が設けられる。相補する構造の段差４２’は、基本ダイ本体１７上に設けられる。

加工工程の終了後、図１ｂの構造部品２を得るため、成形された素材１はレーザーで形を整えられる。また別の方法として、加工作業後の仕上げは、裁断ツールで実施してもよい。

本発明による方法は、特にアルミ板の構造部品２を製造するのに適しているが、深絞り成形が可能な原料ならどのような原料で製造した素材１でも、その成形に使用することができる。

エンボス構造の素材の図である。 図１ａの素材から形成される構造部品の図である。 構造部品を製造中の本発明による加工ツールの断面図である。 素材を挿入する際の開放した状態の加工ツールの図である。 前に出た位置にある固定要素により加工ツール内に素材を固定する図である。 完成した構造部品を含む閉じた状態の加工ツールの図である。 本発明による加工ツールの斜視図である。 前に出た位置にある固定要素を備えたダイの図である。 ２つの部分からなるパンチの図である。

Claims (6)

1. 金属板から、剛性を増加させるエンボス構造が施された剛性ゾーンと、エンボス構造のない接続ゾーンとを有する構造部品を製造する方法であって、
   寸法どおりに裁断されたエンボス構造が施された金属板が前記構造部品の製造用の素材として使用され、
   パンチ（１５）とダイ（１６）とを備えた加工ツール（１４）に前記素材（１）を挿入するステップと、
   前記ダイ（１６）を降下することで、前記素材（１）を、前記エンボス構造が施された前記剛性ゾーン（４）の領域において、前記ダイ（１６）に対して前に出た位置にある固定要素（１８）によって、前記パンチ（１５）を構成する固定パンチ（２６）の端面に設けられた前記素材（１）の前記エンボス構造（５）に対応する表面輪郭（３０）に対して固定するステップと、
   前記ダイ（１６）をさらに降下させることにより、前記接続ゾーン（８、９）をパンチ（１５）とダイ（１６）との間で成形するステップと、を含む方法。
2. 前記接続ゾーン（８、９）の成形過程において、前記接続ゾーン（８、９）にビードが形成されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. エンボス構造が施された金属板の素材から出発して、エンボス構造が施された剛性ゾーンとエンボス構造がない接続ゾーンとを有する構造部品を製造する加工ツールにおいて、
   前記加工ツールはパンチとダイとを有し、
   前記ダイ（１６）は、前記素材（１）を前記加工ツール（１４）に固定するための前に出た位置にある固定要素（１８）と、基本ダイ本体（１７）とを有し、
   前記加工ツール（１４）の前記パンチ（１５）は、複数の部分からなる構造で、前記ダイ（１６）の前記固定要素（１８）と相互に作用して前記素材（１）を変形しないように固定するため、その端面に前記素材（１）のエンボス構造（５）に対応する表面輪郭（３０）が設けられた固定パンチ（２６）と、前記固定パンチ（２６）に対して移動可能な成形パンチ（２７）とを含み、
   前記基本ダイ本体（１７）及び前記成形パンチ（２７）には、前記構造部品（２）に平滑な前記接続ゾーン（８、９）を成形するための、相互に作用する平滑領域（３１、４１、２３、２４）が設けられていることを特徴とする加工ツール。
4. 前記ダイ（１６）に対して前に出た位置にある前記固定要素（１８）は、弾性素材、特にゴム製であることを特徴とする請求項３に記載の加工ツール。
5. 前記ダイ（１６）に対して前に出た位置にある前記固定要素（１８）は、ばねを介して取り付けられたスライドとして設計され、その端面にエンボス構造が施されていることを特徴とする請求項３に記載の加工ツール。
6. 前記ダイ（１６）及び前記パンチ（１５）の前記平滑領域（３１、４１、２３、２４）は、前記構造部品（２）に加工されるビード（３４、４０）のための、ビード領域（３２、３３、４２、４２’）を含むことを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の加工ツール。

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