JP4582630B2 - 衝撃吸収特性に優れた構造用部材のプレス成形方法 - Google Patents
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一般に、自動車用構造部材は少なくとも2つ以上の部品をスポット溶接等によって接合して、いわゆるハット型の閉断面が構成され、長手方向(軸方向)に衝撃荷重を受けたときに蛇腹状に座屈変形することで衝撃エネルギーを吸収するように設計されている。
この際、高い衝撃吸収性能を得るためには、蛇腹状の座屈変形を効率的に受けること、並びに座屈時の変形荷重を高くすること、の2つの要件が必要不可欠となる。
一方、座屈時の変形荷重を高くするために、材料面では、板厚の厚い鋼板を用いたり、高強度の鋼板を用いたりしている。また、特許文献2では、加工面から、プレス加工後に高密度のエネルギー源、例えばレーザー光を鋼板に照射して板厚を貫通して凝固域を形成させることで高強度化することが提案されている。
さらに、加工面からの対策であるレーザー光を照射して鋼板全体を高強度化する方法については、多くの工数を必要とし、また熱変形が大きく出現する等の問題がある。
BHF=(P−P´)÷μ ・・・(1)
P 1 ×1000/(2btσ B )≦0.28 ・・・(5)
(P 2 −P 1 )×1000/(2btσ B )≧0.36
・・・(6)
P 2 ×1000/(2btσ B )<1 ・・・(7)
ただし、BHF:ブランクホルダー力(kN),P:パンチ成形荷重(kN),P´:金型のダイ肩R部を通過するブランク材の曲げ・曲げ戻しの加工力として最低必要なパンチ成形荷重(kN),μ:ブランク材と金型間の摩擦係数,b:ブランク材の板幅(mm),t:ブランク材の板厚(mm),σ B :ブランク材の引張強度(MPa)
このため、簡素なプレス成形方法により衝撃吸収特性に優れた構造用部材が低コストで得られ、自動車用構造部材の高性能化に大きく寄与する。
この際、フランジ部のしわの発生やスプリングバック等の影響による形状変化を極力抑制して寸法精度に優れたプレス成形品を得るために、ダイ12とパンチ14間のクリアランス,ブランクホルダー力BHFやパンチ成形荷重Pの調整等を行っている。このため、上記プレス成形条件の違いにより、プレス成形品の特性も変化する。なお、図1中、tはブランクとなる鋼板11の厚さ、σtはブランク縦壁部に作用する引張り応力、Sはプレス成形時の成形ストロークである。
例えば、引張強度644MPaの鋼板(板厚1.46mm)を、前記図1に示すようなプレス成形方法で、表1に示す条件のもとでプレス成形したハット型断面部材を背面部材と組合せた構造用部材について衝撃吸収エネルギー量を調べてみると、期待通りの衝撃吸収エネルギー量が得られない。
この縦壁部板厚の減肉は、ブランクホルダー力が比較的高かったために、フランジ部から縦壁部への材料供給が十分に行われなかったためと思われる。この不具合を解消するためには、ブランクホルダー力を低くすることが想定されるが、フランジ部でのしわの発生やフランジ部と縦壁部との変形度合い等を考慮すると、形状精度に優れたプレス成形品を得ようとするとき、必ずしもブランクホルダー力を低くすることが有効であるとはいえない。
すなわち、パンチとダイとブランクホルダーを備えたプレス成形金型装置を用いてフランジ付きの構造用部材をプレス成形する際に、ブランクホルダー力を使い分け、比較的低いブランクホルダー力のもとでの材料流入が十分に行われる断面U字加工工程と、その後の高いブランクホルダー力のもとで高いパンチ成形荷重を加えて断面U字加工品の縦壁部を構成する鋼板に引張力を加えて当該部分の鋼板を加工硬化させる強化工程とに分けることで、断面U字加工品、すなわちフランジ付きの構造用部材の衝撃吸収エネルギー特性を高めることができることに到達したものである。
ブランク(成形対象)となる鋼板11を、ダイ12とブランクホルダー13の間に保持した状態で低圧のブランクホルダー力BHFを加え、パンチ先端面が成形ストロークSの全工程の下死手前の例えば5mm程度まで絞り成形し(断面U字加工工程)、その後引続いて高圧のブランクホルダー力BHFとなるように自動制御で切替えてブランクに対する縦壁部張力σtを付加させた状態で下死点まで絞り込む(矯正・強化工程)。
図1に示すように、鋼板をプレス成形するとき、実際に加えられたブランクホルダー力BHFとパンチ成形荷重Pとの間には、金型のダイ肩R部を通過するブランク材の曲げ・曲げ戻しの加工力として最低必要なパンチ成形荷重をP´,ブランク材と金型間の摩擦係数をμとすると、次式(1)が成り立つ。
BHF=(P‐P´)÷μ ・・・(1)
なお、最低必要なパンチ成形荷重P´並びにブランク材と金型間の摩擦係数μは、図3に示すように、被加工鋼板と使用金型の組合せに応じた事前試験によってパンチ成形荷重Pとブランクホルダー力BHFの関係を知ることにより、予め求められる。
この図3から、BHF=0のy軸切片より、最低必要なパンチ成形荷重P´=121kNが得られる。さらに前記(1)式に従うと同図上の直線の傾きが摩擦係数μに相当するから、μ=0.227であることがわかる。これらP´及びμの値を用いて、再び前記(1)式により、BHF=(P‐P´)/μを計算すると、任意のパンチ成形荷重Pにおけるブランクホルダー力BHFを設定できる。
P1=2bt×σt1 /1000 ・・・(2)
P2=2bt×σt2 /1000 ・・・(3)
落重試験は、図4に示す方法で行った。すなわち、図4は、ハット型断面部材の軸方向に衝撃荷重を作用させて軸圧潰させた場合のハット型断面部材に作用する荷重と変位との関係を調査するための試験方法(この試験方法を本明細書中では単に「落重試験」と記す)を示す概念図である。
落錘44が部材41に衝突した以降の移動量(変位量)は、非接触式変位計(図示せず)を用いて連続測定し、荷重−変位曲線を得る。
上記態様で作製した構造部材について行った落重試験の結果を表3に併せて示す。また各部の肉厚を測定し、最小肉厚部、すなわち最大肉厚減少率と衝撃吸収エネルギー量の関係を図6に示した。
なお、図6中のNo.6の条件では、第一段階でのブランクホルダー力及びパンチ成形荷重が高すぎて、早い段階から縦壁部の肉厚減少が進行したものと思われる。
σt1/σB=P1 ×1000/(2btσB)=130kN×1000/(2×300×1.46×644)≒0.23
となる。
また、設定BHF値は、前記図3に従って算出され、例えば条件No.1の成形初期・中期の設定BHF値は、
BHF=(P−P´)/μ=(130kN−121kN)÷0.227≒40kN
となる。
E=‐3.171407×(σt1/σB)+0.7244857×([σt2−σt1]/σB)+13.23 ・・(4)
したがって、板厚1.46mm,板幅300mmのブランク材を用い上記態様で作製した70mm×70mmのサイズの構造用部材において、所望の最低衝撃吸収エネルギー量を12.6kJ以上とすると、図7上からはσt1/σBが0.28以下であり、図8上からは(σt2−σt1)/σBが0.36以上であることが要求されることになる。
P1=2bt×σt1 /1000 ・・・(2)
P2=2bt×σt2 /1000 ・・・(3)
したがって、σt1/σB≦0.28は次の(5)式に、(σt2−σt1)/σB≧0.36は次の(6)式に置き換えられる。
P1 ×1000/(2btσB)≦0.28 ・・・(5)
(P2−P1)×1000/(2btσB )≧0.36 ・・・(6)
すなわち、板厚1.46mm,板幅300mmで引張強度σBの鋼板をブランク材として用いて70mm×70mmサイズの構造用部材を二段階に分けてプレス成形するとき、それぞれの段階でのパンチ成形荷重P1,P2を上記(5),(6)式を満たすように調整すれば、縦壁部での肉厚減少が改善されるばかりでなく、加工硬化されて12.6kJを超える衝撃吸収エネルギー特性を有する構造用部材が得られる。
P2 ×1000/(2btσB)<1 ・・・(7)
また、当然ながら、所望のパンチ成形荷重P1とP2を設定するためには、ブランクホルダー力BHFで制御する必要があり、最初に検討したように、(1)式を活用して調整するとよい。
BHF=(P−P´)÷μ ・・・(1)
P1 ×1000/(2btσB)≦0.28
・・・(5)
(P2−P1)×1000/(2btσB )≧0.36
・・・(6)
P2 ×1000/(2btσB)<1
・・・(7)
Claims (1)
- パンチとダイとブランクホルダーを備えたプレス成形金型装置を用いてフランジ付きの構造用部材をプレス成形する際に、その工程を、パンチを押し込んで鋼板のブランク材を絞り成形する成形初期・中期の第一工程と、成形初期・中期工程後に連続して、成形末期に当たる下死点直近において鋼板の縦壁部に張力を付与する成形末期の第二工程とに分け、前記第一工程のパンチ成形荷重P 1 と前記第ニ工程のパンチ成形荷重P 2 を(5)〜(7)式を満たす成形荷重とし、前記第一工程のブランクホルダー力BHF 1 と前記第ニ工程のブランクホルダー力BHF 2 を前記パンチ成形荷重P 1 及び前記パンチ成形荷重P 2 と(1)式より求まるブランクホルダー力として、第二工程でのブランクホルダー力BHF 2 及びパンチ成形荷重P 2 を第一工程でのブランクホルダー力BHF 1 及びパンチ成形荷重P 1 よりも高く設定することを特徴とする衝撃吸収特性に優れた構造用部材のプレス成形方法。
BHF=(P−P´)÷μ ・・・(1)
P 1 ×1000/(2btσ B )≦0.28 ・・・(5)
(P 2 −P 1 )×1000/(2btσ B )≧0.36 ・・・(6)
P 2 ×1000/(2btσ B )<1 ・・・(7)
ただし、BHF:ブランクホルダー力(kN),P:パンチ成形荷重(kN),P´:金型のダイ肩R部を通過するブランク材の曲げ・曲げ戻しの加工力として最低必要なパンチ成形荷重(kN),μ:ブランク材と金型間の摩擦係数,b:ブランク材の板幅(mm),t:ブランク材の板厚(mm),σ B :ブランク材の引張強度(MPa)
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