JP4436224B2

JP4436224B2 - プレス成形方法及びプレス成形装置

Info

Publication number: JP4436224B2
Application number: JP2004295692A
Authority: JP
Inventors: 一郎青木
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-10-08
Filing date: 2004-10-08
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2024-10-08
Also published as: JP2006102797A

Description

本発明は、薄板をプレス成形した成形品に、リストライクとして横押し金型を用いて横押し成形を行う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。

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、成形完了時点で金型除去前の成形品寸法が図１（ａ）に示す形状であるのに対し、金型除去後の成形品寸法において図１（ｂ）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。成形加工に用いられる高強度鋼板の強度が増大すればするほど、スプリングバック量が増大する傾向が見られる。

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。

そのため従来から、薄板をプレス成形した成形品に、リストライクとして横押し金型を用いて横押し成形を行う工程を設けて、スプリングバックと反対側まで成形品をさらに押し込むことによって形状を矯正する方法が用いられている。

一方特許文献１では、プレス成形の途中で鋼板に与える張力を変更するなど、工程上の工夫によるスプリングバックの防止方法が記載されている。また特許文献２には、予め成形シミュレーション等によりスプリングバック量を予想し、スプリングバック量を見込んだ金型を使用することによるスプリングバック防止方法が記載されている。さらに特許文献３には、スプリングバックが発生しがたい材質を開発し、これによってスプリングバックを防止する技術が開示されている。

特開平１１−２１６５２７号公報特開平８−２４３６５７号公報特開２００２−３６３６９５号公報

特許文献３に記載のものは、スプリングバックが生じがたい材質の鋼板を用いるものであり、本特許のスプリングバック防止方法とは異なる。

特許文献１、２いずれに記載された方法も、特定の材料に発生するスプリングバック量は常に一定であるとしてスプリングバックを防止しようとする技術である。また薄板をプレス成形した成形品に、リストライクとして横押し金型を用いて横押し成形を行うプレス成形方法においても、プレス成形品の形状、板厚、薄板の規格に応じて横押し金型による押し込み量を予め定め、スプリングバックの矯正を図っている。

ところが、プレス成形品の形状、鋼板の板厚、薄板の規格は同一であるにもかかわらず、規格内のバラツキがあるため、成形品毎に、矯正が不十分であったり逆に矯正が過剰になることがあり、所定の寸法精度が確保できない場合がある。特に薄板の強度が５９０ＭＰａ以上の高強度鋼板を用いた場合に寸法精度が十分保てなくなることが多い。

本発明は、薄板をプレス成形した成形品に、リストライクとして横押し金型を用いて横押し成形を行うプレス成形方法及びプレス成形装置において、横押し成形後の寸法精度の高い成形を可能にするプレス成形方法及びプレス成形装置を提供することを目的とする。

プレス成形に用いる鋼板は、同じ規格・同じ板厚であっても、そのロット毎に規格内のバラツキがあり微妙に異なる。従来、横押し成形によってスプリングバックを矯正するに際し、所定の寸法精度が確保できなかった理由は、このロット毎に異なる規格内のバラツキが原因であることが判明した。

一方、横押し金型に反力計を備え、横押し金型で成形品を押し込む際において成形品から金型が受ける反力を計測したところ、横押し金型の押し込み位置毎に得られる反力の挙動が鋼板のロット毎に変動することがわかった。そして、プレス成形を行う各タイミング毎に、この反力の挙動に応じて横押し金型の押し込み量を調整することにより、スプリングバック矯正に関するロット毎の挙動差を吸収することが可能となり、極めて寸法精度の高い成形が可能になった。

本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、即ち、その要旨とするところは以下のとおりである。
（１）薄板をプレス成形した成形品１に、リストライクとして横押し金型２を用いて横押し成形を行うプレス成形方法であって、横押し金型２にかかる反力を測定し、横押し金型２にかかる反力値に応じて、横押し成形の押し込み量Ｌ_SBを算出すると共に、横押し金型の押し込み位置について、成形品形状の目標位置を０点とし、横押し金型に反力がかかり始める位置をａ点とし、押し込み量の変動に対する反力の変動の傾きが最初に小さくなる変曲点の位置をｂ点とし、０点とａ点との距離Ｌａの絶対値が大きくなるほど押し込み量Ｌ_SBを大きくし、ｂ点における反力値Ｆbが大きくなるほど押し込み量Ｌ_SBを大きくすることを特徴とするプレス成形方法。
（２）前記ｂ点よりさらに押し込みが進行した位置であって、押し込み量の変動に対する反力の変動の傾きが最初に大きくなる変曲点の位置をｃ点とし、前記ｂ点における反力値に代えてｃ点における反力値を用いることを特徴とする上記（１）に記載のプレス成形方法。
（３）前記ｃ点よりさらに押し込みが進行した位置であって、押し込み量の変動に対する反力の変動の傾きが小さくなる変曲点の位置をｄ点とし、前記ｃ点における反力値に代えてｄ点における反力値を用いることを特徴とする上記（２）に記載のプレス成形方法。
（４）算出された押し込み量Ｌ_SBに従って、横押し金型２の押し込みを制御することを特徴とする上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のプレス成形方法。

本発明は、薄板をプレス成形した成形品に横押し金型を用いて横押し成形を行うプレス成形方法において、横押し金型にかかる反力を測定し、反力値に応じて、横押し成形の押し込み量を算出することにより、スプリングバックを矯正してかつ成形寸法誤差の極めて少ない成形品を製造することが可能となる。

本発明のプレス成形方法及びプレス成形装置において、まずハット型断面形状の部品を加工用金型を用いて成形する（図１（ａ））。このまま金型を外すと、図１（ｂ）に示すようにスプリングバックと呼ばれる形状凍結不良が発生し、寸法精度が得られない。本発明においては、薄板をプレス成形した後、図１（ｃ）に示すように成形品１に横押し金型２を用いて横押し成形を行う。横押し金型２をハット型断面形状部材の横腹に押し当て、過剰に押し込むことによってスプリングバックを矯正する。

本発明のプレス成形方法は、リストライクとして横押し金型２を用いて横押し成形を行うに際し、横押し金型２にかかる反力を測定することを特徴とする。そして、横押し金型２にかかる反力値に応じて、横押し成形の押し込み量Ｌ_SBを算出する。さらに算出された押し込み量Ｌ_SBに従って、横押し金型２の押し込みを制御する。

本発明のプレス成形装置は、図１（ｃ）に示すように横押し金型２に反力計３を備えたことを特徴とする。反力計３は、成形品１を押し込むことによって横押し金型２にかかる反力を測定する。反力計３としては、ロードセル等の荷重測定装置を用いることができる。プレス成形装置は押し込み量算出装置４を備え、横押し金型２にかかる反力値に応じて横押し成形の押し込み量Ｌ_SBを算出する。またプレス成形装置は制御装置５を備え、算出した押し込み量Ｌ_SBの通りに横押し金型を押し込むことができる。

以下、本発明をより具体的に説明する。

横押し成形前、横押し成形後のいずれにおいても、成形品先端部の設計上の位置（最終目標位置）と実際の位置との間の水平距離を、ここでは「成形寸法誤差Ｚ」と呼ぶ。横押し成形前の成形寸法誤差Ｚが図２（ａ）に示されている。横押し成形後の成形寸法誤差がプラスであれば成形品は外側に広がっており、即ちスプリングバックの矯正が不十分であることを意味する。成形寸法誤差がマイナスであれば成形品は内側に折れ曲がっており、即ちスプリングバックの矯正が過剰であったことを意味する。

横押し成形を実施する過程を図２に示す。図２（ａ）は横押し成形前であって、成形品１は成形寸法誤差Ｚを有している。図２（ｂ）は横押し金型２が成形品１に接触した瞬間を表しており、この点における横押し金型位置をａ点と称する。横押し金型２をさらに押し込んだ図２（ｃ）において、成形品形状は最終目標位置１０と一致する。さらに横押し金型２を押し込み、図２（ｄ）まで進んだら押し込みを終了する。この点における押し込み位置を押し込み量Ｌ_SBと称する。押し込み量Ｌ_SBが適正であった場合、図２（ｅ）に示すように、横押し成形終了後の成形品形状は最終目標形状１０と一致する。

横押し金型の押し込み位置座標としては、原点をいずれかの場所に設定することができる。横押し金型による押し込みの途上において、図２（ｂ）に示すように成形品の形状が最終目標形状１０と一致する位置が存在する。この位置を成形品形状の目標位置即ち０点と称し、横押し金型の押し込み位置座標原点とすると好ましい。押し込み位置座標の原点を０点としたとき、横押し金型の押し込み量Ｌ_SBについても、０点からの距離として表すことが好ましい。

薄板をプレス成形してハット型断面形状の成形品とし、その後に横押し金型を用いて横押し成形を行う際において横押し金型２にかかる反力を測定し、横押し金型の押し込み位置毎の反力を評価すると、図３に示すグラフを得ることができる。図３（ａ）は鋼板として９８０ＭＰａのものを用いた場合であり、図３（ｂ）は鋼板として５９０ＭＰａのものを用いた場合である。図３の横軸は０点を原点として記載している。

図３において、ａ点よりも押し込み位置がマイナスではまだ横押し金型２が成形品に接触しておらず反力はゼロであり、ａ点において横押し金型２が成形品１に接触して反力が立ち上がり、その後押し込み位置がプラス側に移動するに従って反力が増大する。成形品が弾性変形する領域では、押し込み量の変動に対する反力の変動の傾きがほぼ一定である。その後、ｂ点において、押し込み量の変動に対する反力の変動の傾きが急に小さくなる。逆に言うと、押し込み量の変動に対する反力の変動の傾きが最初に小さくなる変曲点の位置をｂ点とする。

図３（ｂ）の例では、ｂ点を経過後は押し込み量の変動に対する反力の変動の傾きが小さいままであるが、図３（ａ）の例では、ｂ点よりさらに押し込みが進行した位置であって、押し込み量の変動に対する反力の変動の傾きが最初に大きくなる変曲点が存在する。この変曲点の位置をｃ点と名付ける。ｃ点よりさらに押し込みが進行した位置であって、押し込み量の変動に対する反力の変動の傾きが小さくなる変曲点が存在し、この変曲点の位置をｄ点と名付ける。

０点とａ点との間の距離をここではＬａとおく。Ｌａはマイナスの値となる。同一規格・同一板厚の鋼板を用いてプレス成形を行っても、鋼板のロット毎にこのＬａの値が変化することがわかった。鋼板のロット毎に鋼板の材質が規格内で微妙に変化するためである。そして、横押し成形における押し込み量Ｌ_SBを一定にしたのでは矯正後の寸法精度が十分に確保できない理由も、同じく鋼板のロット毎に鋼板の材質が微妙に変化するためである。

ここにおいて、Ｌａの値の絶対値が大きくなるほど横押し成形における押し込み量Ｌ_SBを大きくするようにＬ_SBの値を調整すると、横押し成形後の成形品の寸法精度が飛躍的に向上することがわかった。Ｌａの値の絶対値の変化代とＬ_SBの変化代とを、ほぼ１：１としたときに最も良好な寸法精度を得ることができる。

また、押し込み量の変動に対する反力の変動の傾きが最初に小さくなる変曲点の位置をｂ点とした。ｂ点における反力Ｆbの値については、同一規格・同一板厚の鋼板を用いてプレス成形を行っても、鋼板のロット毎にＦbの値が変化することがわかった。鋼板のロット毎に鋼板の材質が規格内で微妙に変化するためである。

そして、上記Ｌａの値に応じてＬ_SBを変動させることに加えて、Ｆbが大きくなるほど押し込み量Ｌ_SBを大きくする調整を加算することにより、成形品の寸法精度はさらに飛躍的に向上することがわかった。

Ｌａの値とＦbの値によってＬ_SBの値を調整する具体的な手段としては、例えば下記（１）式を用いることができる。
Ｌ_SB＝−Ｋ₀×Ｌａ＋（Ｆb＋Ｋ₁）^K2＋Ｋ₃ （１）
ここで、Ｋ₀、Ｋ₁、Ｋ₂、Ｋ₃は定数であり、各プレス成形の金型毎、材質毎、板厚毎にプレス成形実績に応じて定めることができる。特にＫ₀はほぼ１に近い数値となり、通常は０．９≦Ｋ₀≦１．１の範囲にある。Ｋ₂の値についても、鋼板が５９０ＭＰａ級の強度を有する場合にはほぼ１に近い数値にある。

上記（１）式におけるＫ₀×Ｌａの項は、Ｌａの高次の関数であっても良い。その場合においても、数値が０．９×Ｌａから１．１×Ｌａまでの範囲に入っていればよい。

Ｌ_SBの算出にあたっては、ｂ点における反力Ｆbを用いるかわりに、ｃ点における反力Ｆc、あるいはｄ点における反力Ｆｄを用いることもできる。Ｌ_SB算出のための反力測定点としてｂ点、ｃ点、ｄ点のいずれとするかは、図３（ａ）もしくは、図３（ｂ）において曲線の傾きの変化が明確に表れる点を選べばよい。９８０ＭＰａ以下の範囲ではｂ点が最も明確である事が多いが、高強度化に伴って、ｃ点、ｄ点も次第に明確になってくる傾向がある。

横押し金型の押し込み位置と反力値との関係からｂ点、ｃ点、ｄ点を定めるに際し、押し込み位置と反力との関係は微少変動成分を有し、スムーズな図表にならないことがある。本発明においては、横押し金型の押し込み位置の進行に伴って増加する横押し金型反力の測定値を、バンドパスフィルターにより平滑化した後に微分処理し、傾きが下がりこの値が一定値を下回った点をｂ点とみなし、ｂ点位置を定めることができる。ｃ点、ｄ点については、同じく、横押し金型反力の測定値をバンドパスフィルターにより平滑化した後に微分処理し、ｂ点手前で傾きが上がりこの値が一定値を上回った点をｃ点とみなす。また、ｂ点より先で傾きが上がりこの値が一定値を上回った点をｄ点と見なす。

薄板をプレス成形によってハット断面形状に成形した成形品１に、リストライクとして横押し金型２を用いて横押し成形を行うプレス成形において、図１（ｃ）に示す成形装置を用いて本発明を適用した。

成形後における成形品の形状は、幅１４０ｍｍ、高さ８０ｍｍのハット形状である。用いた鋼板は、強度が９８０ＭＰａ、板厚が１．６ｍｍの９８０ＭＰａ級高張力鋼板である。

本発明例においては、Ｌ_SBの算出に（１）式を用いた。事前に（１）式の各係数を実績値に基づいて最適化したところ、Ｋ₀＝１．０、Ｋ₁＝０．５４４、Ｋ₁＝３．０６８、Ｋ₃＝−１５．５９であった。

（実施例１）
９８０ＭＰａ級高張力鋼板として規格内にある５水準の材料を選択した。この５水準は異なった５ロットから採取したものであり、同一水準の材料は同一ロットから採取された鋼板であることを意味している。

５水準の各材料について、プレス成形後の成形品に横押し成形を行うに際し、横押し金型の押し込み量を変えて何回かの試験成形を行い、横押し成形後の成形寸法誤差を最小にして製品寸法を最適化するための最適な押し込み量を求めた。これにより、各水準の材料毎に最適な押し込み量を定めることができる。

このように材料ロット毎に試行錯誤で求めた押し込み量の最適値を横軸に取り、本発明に基づいて横押し金型にかかる反力値に応じて（１）式から求めた押し込み量算出値Ｌ_SBを縦軸に取ったのが図４である。この図から明らかなように、本発明に基づいて横押し金型にかかる反力値に応じて算出した横押し金型の押し込み量が、試行錯誤の結果として最適化した押し込み量と極めて良く一致していることがわかる。即ち、本発明によって横押し金型の横押し量を定めることにより、材料のロット毎変動に対応した最適な押し込み量を算出できることが明らかである。

（実施例２）
実施例１で用いたのと同じ５水準の材料を用い、薄板をプレス成形した成形品に、横押し金型２を用いて横押し成形を行うプレス成形を行った。本発明例においては、上記（１）式に基づいて押し込み量Ｌ_SBを定めた。比較例においては、Ｌ_SB＝６．９ｍｍ（一定）で処理を行った。図５には、横軸に各材料の横押し成形前の成形寸法誤差Ｚを取り、縦軸に横押し成形後の成形寸法誤差Ｚをプロットした。図５から明らかなように、比較例においては材料毎に横押し成形後の成形寸法誤差Ｚが材料ロット毎に大きくばらついているのに対し、本発明例は横押し成形後の成形寸法誤差Ｚが材料ロットによらずほぼゼロの値となっていることがわかる。

（実施例３）
本発明法と比較法とにより、横押し金型２を用いて横押し成形を行った。本発明例においては、上記（１）式に基づいて押し込み量Ｌ_SBを定めた。比較例においては、Ｌ_SB＝６．９ｍｍ（一定）で処理を行った。用いた鋼板は、同じ９８０ＭＰａ級高張力鋼板の規格内にある複数ロットから採取した鋼板である。

多数の成形を行った後、成形寸法誤差Ｚの標準偏差を評価した。図６に成形寸法誤差Ｚの標準偏差について、横押し成形前、比較例における横押し成形後、本発明例における横押し成形後の値を棒グラフにして表示した。図６から明らかなように、比較例では横押し成形前後で成形寸法誤差の標準偏差がほとんど変化していないのに対し、本発明例では、横押し成形後において成形寸法誤差の標準偏差が激減していることが明らかである。

プレス成形後に横押し成形を行うプレス成形方法を示す断面図であり、（ａ）はドロー成形完了時点で金型除去前、（ｂ）は金型除去後の成形品形状、（ｃ）は本発明のプレス成形装置を用いて横押し成形を行っている状況を示す図である。横押し成形の経過を示す図であり、（ａ）は横押し成形開始前、（ｂ）は横押し金型が成形品に接触した瞬間、（ｃ）は成形品形状が最終目標形状と一致した位置、（ｄ）は横押し金型が押し込み量に達した位置、（ｅ）は横押し成形終了後の状況を示す図である。横押し金型の押し込み位置と横押し金型にかかる反力値との関係を示す図であり、（ａ）は鋼板に９８０ＭＰａ高張力鋼板を用いた場合、（ｂ）は鋼板に５９０ＭＰａ高張力鋼板を用いた場合の図である。材料水準毎に試行錯誤で求めた最適押し込み量と、本発明法で求めた押し込み量との関係を示す図である。本発明例と比較例の横押し成形後の成形寸法誤差の比較を行った図である。成形寸法誤差の標準偏差について、横押し成形前、比較例の横押し成形後、本発明例の横押し成形後の間で比較を行った図である。

符号の説明

１成形品
２横押し金型
３反力計
４押し込み量算出装置
５制御装置
６金型
１０最終目標形状
Ｚ成形寸法誤差

Claims

薄板をプレス成形した成形品に、リストライクとして横押し金型を用いて横押し成形を行うプレス成形方法であって、横押し金型にかかる反力を測定し、横押し金型にかかる反力値に応じて、横押し成形の押し込み量を算出すると共に、横押し金型の押し込み位置について、成形品形状の目標位置を０点とし、横押し金型に反力がかかり始める位置をａ点とし、押し込み量の変動に対する反力の変動の傾きが最初に小さくなる変曲点の位置をｂ点とし、０点とａ点との距離の絶対値が大きくなるほど押し込み量を大きくし、ｂ点における反力値が大きくなるほど押し込み量を大きくすることを特徴とするプレス成形方法。
前記ｂ点よりさらに押し込みが進行した位置であって、押し込み量の変動に対する反力の変動の傾きが最初に大きくなる変曲点の位置をｃ点とし、前記ｂ点における反力値に代えてｃ点における反力値を用いることを特徴とする請求項１に記載のプレス成形方法。
前記ｃ点よりさらに押し込みが進行した位置であって、押し込み量の変動に対する反力の変動の傾きが小さくなる変曲点の位置をｄ点とし、前記ｃ点における反力値に代えてｄ点における反力値を用いることを特徴とする請求項２に記載のプレス成形方法。
算出された押し込み量に従って、横押し金型の押し込みを制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のプレス成形方法。