JP4621185B2 - 形状凍結性に優れた２段プレス成形用金型の設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車車体の部材に用いられる部材の長手方向に３次元形状での反り形状を呈する曲がり部を有する断面ハット型形状部材をプレス成形するための形状凍結性に優れた金型の設計方法に関する。

近年、自動車用車体の強度補強部材には断面ハット型形状部材が多く用いられている。しかしながら、この断面ハット型形状部材は、図１に示すような形状に成形加工されるが、この断面ハット型形状部材４は部材長手方向に３次元形状での屈曲形状を呈する曲がり部５を有している。例えば、図２に示すように、長さ５００ｍｍ、ハット頭部幅５０ｍｍ、壁部長さ７０ｍｍの断面ハット型形状部材１を曲率半径Ｒ：３００ｍｍの曲がり部（開き角θ：約１４５°）を有するように成形加工された場合、成形後の残留応力に起因するスプリングバックが生じ、その反り量は約５．５ｍｍにまで達する（図２の点線参照）。すなわち、この３次元形状での反り形状の修正は、従来の２次元形状での反りの矯正では律しきれないものである。このように、断面ハット型形状部材の成形においては３次元での形状凍結性の確保が非常に重要な技術課題となっている。
尚、本発明において、開き角θとは、図２に示すように、曲がり部の起点６，７における２本の接線の交点のなす角度と定義し、曲がり部は、起点６，７の間で曲率半径Ｒ（ｍｍ）の円弧からなるものとする。

この形状凍結性を確保するため、例えば、特許文献１では、金属板に向かって凸となる断面半円形状の凸部を頭部に有するポンチを用い、断面ハット型形状の壁部となる金属板部分にポンチの凸部を接触させ、金属板のハット頭部となる部分が外側に向かって凸となる凸形状に成形する予備加工を行い、次いで所定のハット形状を得るためのポンチを用い仕上げ加工を施す２段プレス成形を行う加工方法が提案されている。しかしながら、この加工方法は軸長手方向一定形状を有する断面ハット型部材に対する加工方法で、しかも２次元の板反りにしか適用できず、図１および図２に示すような部材長手方向に３次元形状での反り形状を呈する曲がり部５を有する断面ハット型形状部材４の反り形状精度を改善するには適用できない技術である。

このように、自動車車体の部材に用いられる部材長手方向に３次元形状での屈曲形状を呈する曲がり部を有する断面ハット型形状部材の形状凍結性を向上させるニーズが高まっている一方、これを改善する提案はなされていないのが現状である。

特開２００４−１８１５０２号公報

本発明は上記課題に鑑み、特に自動車の車体の部材に用いられる部材長手方向に３次元形状での屈曲形状を呈する曲がり部を有する断面ハット型形状部材の形状凍結性を向上させるための金型の設計方法を提供する。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その要旨は、
（１）部材の長手方向に曲がり部を有する断面ハット型形状部材を２段プレス成形により製造するための金型の設計方法において、予め製品の曲がり部の曲率半径毎に第２段プレスのパンチ肩半径ＰＲ０に対する第１段プレスのパンチ肩半径ＰＲ１の比率（ＰＲ１／ＰＲ０）と、前記曲がり部の開き角との関係を求める第１工程と、前記曲がり部の曲率半径及び前記開き角に基づいて前記製品の曲がり部の起点を算出する第２工程と、前記関係に基づいて前記開き角及び前記曲がり部の曲率半径に対応する前記比率を求め、前記比率に基づいて第１段プレスのパンチ肩半径を求める第３工程からなることを特徴とする形状凍結性に優れた２段プレス成形用金型の設計方法。
（２）第１工程における関係を、製品の曲がり部の曲率半径が５０ｍｍ〜４００ｍｍの場合は、製品の肩部の曲率半径に対する第１プレスのパンチ肩半径の比率を、１．１〜３．５とすることを特徴とする（１）記載の形状凍結性に優れた２段プレス成形用金型の設計方法。
にある。

本発明により、製品の長手方向のスプリングバックによる反りを大幅に低減しうるものである。

本発明は、パンチ、ダイス及びしわ押さえ加工工具を用いた、断面ハット型で部材の長手方向に曲がり部５をもつ製品４（図１参照）の２段プレス成形に用いる金型の設計方法であり、図６に示すように、本発明の対象とするプレス成形は第一段成形でパンチ肩半径ＰＲ１（図６の例では２Ｒと表示）を製品の肩部の曲率半径ＰＲ０（図６の例ではＲと表示）より大きく成形し、第２段成形で所定の製品の肩部の曲率半径ＰＲ０と同じパンチ肩半径ＰＲ０（図６の例ではＲと表示）を有する金型で成形するものであり、本発明は第一段成形に用いる金型の設計方法である。図３に本発明による第２段成形時の断面ハット型部材における作用断面図を示した。図３において、１は成形される鋼板、２はダイス、３はパンチである。

通常の成形においては、主に曲がり部のパンチ底に大きな引張応力が発生し、また、曲がり部のダイフェースにあたるフランジ部には大きな圧縮応力が発生する。これらの引張−圧縮の応力がドライビングフォースとなり、曲がり部を起点とした長手方向の製品の大きな反りが起こり、製品の形状精度が悪化することになる。

本発明者らは、断面ハット型部材の成形において、曲がり部における引張−圧縮の応力バランスを極小とすべく鋭意検討し、成形を２段階とし、第１段の成形で曲がり部（又は製品全周の）のパンチ肩半径ＰＲ１を最終製品の肩部の曲率半径（後述の第２段のパンチ肩半径ＰＲ０と同じ）より大きくとり、好ましくは通常ＰＲ０の１．１〜３．５倍とり曲がり部のパンチ底に引張応力だけが作用するように成形し、次いで通常成形の第２段成形工程にて所定のパンチ肩半径ＰＲ０で成形して最終形状に成形することを試みた。その結果、曲がり部のパンチ底中央部における引張応力は肩部に比較し極端に小さくなっており、最終形状においては肩部では引張応力が、中央部では圧縮応力が作用することで引張−圧縮の応力バランスを極小化することできることを知見した。このような成形方法により、曲がり部のパンチ底部分に発生する引張応力を圧縮方向に是正することができ、製品長手のスプリングバックによる反りを大幅に低減することが可能となる。

本発明者らは、上述した図１、図２に示した断面ハット型部材４の曲がり部５の曲率半径Ｒと開き角θのスプリングバックへの影響を調査したところ、従来の唯１回の成形方法ではスプリングバック量が約６．３ｍｍであったものが、図４に示すように、第１段の成形を、例えばパンチ肩半径ＰＲ１：１０ｍｍで成形し、第２段の成形を所定のパンチ肩半径ＰＲ０：５ｍｍで成形した場合には、曲がり部の曲率半径Ｒ２＝３００ｍｍ、開き角θ＝１４０度とすると、上記スプリングバック量が約２．５ｍｍまで低減しうることを知見し、この知見を基に、成形前にスプリングバック量を最小にしうる第１段成形に用いる金型の設計方法について種々探索した。その結果、これらのデータを基に具体的には第１段成形および第２段の成形を図７に示すような手順で行うことが好ましいことが判明した。

１．第１工程
先ず、図５に示すように、予め製品の曲がり部の曲率半径Ｒ１、Ｒ２、・・・毎に第２段プレスのパンチ肩半径ＰＲ０に対する第１段プレスのパンチ肩半径ＰＲ１の比率ＫＰＲ（＝ＰＲ１／ＰＲ０）と、前記曲がり部の開き角θとの関係を求める。
上記関係は、曲がり部の曲率半径Ｒおよび開き角θから、第１段成形でのパンチ肩半径ＰＲ１を決定するための係数ＫＰＲを図４のデータを基にスプリングバック量に応じた、曲がり部の曲率半径Ｒと開き角θ°との関係から、第１段成形でのパンチ肩半径ＰＲ１の設定係数（ＫＰＲ）選定テーブルとして、実験や数値実験により図５のごとく作成する。
２．第２工程
次に、部品長手方向での曲がり部の曲率半径Ｒと開き角θ°を抽出し、曲がり部の曲率半径Ｒ及び前記開き角θに基づいて製品の曲がり部の起点を算出する。
起点とは、図２に示すように、製品（断面ハット型形状部材）において、曲率半径Ｒ及び開き角θをなす円弧部分の始点６及び終点７をいい、何れを始点、終点としても良い。製品により、曲がり部５の位置が予め決定されているので、曲率半径Ｒ及び前記開き角θに基づいて、製品毎に上記円弧部分の始点６及び終点７を算出することができる。製品（部材）が全長にわたって一様な曲率半径Ｒを有していれば、製品の両端部が起点となる。
３．第３工程
次いで、図５に示した関係に基づいて製品の曲がり部の開き角θ及び製品の曲がり部の曲率半径Ｒに対応する設定係数ＫＰＲ（前記比率ＫＰＲと同じ）を求め、前記比率ＫＰＲに基づいて、第１段成形における金型のパンチ肩半径ＰＲ１を求める。
このＰＲ１は、ＰＲ１＝ＫＰＲ×ＰＲ０、によって求められる。このようにして算出されたＰＲ１と曲がり部の起点より第１段成形での金型形状を設計することができる。

なお、長手方向曲がり部が、上記手順実施箇所以外に確認された場合には、その他の箇所に対し、上記手順を再度適用することで本発明の目的に叶う第１段成形での金型形状が設計することができる。
また、第１工程における関係を
製品の曲がり部の曲率半径が５０ｍｍ〜４００ｍｍの場合は、製品の肩部の曲率半径に対する第１プレスのパンチ肩半径の比率を、１．１〜３．５
とすると、スプリングバックによる反りを低減でき、かつパンチ肩での部材破断などが少ない良好な成形加工を行うことができるので、好ましい。
また、対象とする反りが、製品の長手方向における３次元の反りであると、複雑な部品形状の３次元の反りを低減できるので、好適である。
３次元の反りを求めるには、所定の断面における要求形状と、スプリングバック後の断面形状の差を幾何学的に計測することによって求めることができる。

このような設計方法をとることで、製品形状を何ら変更することなく、また成形工程の増加や、金型費用の増加させることなく目的とする断面ハット型部材を成形するための金型の設計が可能となった。

図１に示すような、パンチ底幅５０ｍｍ、フランジ高さ７０ｍｍを有する水平面投影長さ５００ｍｍで，長手方向中央部（水平面投影長さで端部より２５０ｍｍの位置）で曲がり部の曲率半径Ｒ：３００ｍｍの屈曲部５を有し，曲がり部の開き角θ：１４５°、製品肩の曲率半径ＰＲ０：５ｍｍである断面ハット型部材の金型を、本発明に基づいて設計した。
まず、第１工程として、予め図５に示すテーブルを数値実験により求めた。次に、第２工程として、部品長手方向での曲がり部の曲率半径Ｒと開き角θ°を抽出した。上記部材寸法より、長手方向中央部で曲がり部の曲率半径Ｒ：３００ｍｍ、開き角度θ：１４５°、製品肩部の曲率半径ＰＲ０：５ｍｍと抽出した。これら曲がり部の曲率半径Ｒと開き角θ°から曲がり部の起点を算出した。起点は、水平面投影長さで、製品の両端部からそれぞれ１６０ｍｍの位置とした。次に、曲がり部の曲率半径Ｒと開き角θ°から第１段成形でパンチ肩半径ＰＲ１を決定するための係数ＫＰＲを予め作成したテーブルから選定する。図５に基づくと、開き角θ１４５°で、曲がり部の曲率半径Ｒ３００ｍｍでの係数ＫＰＲは、図中に点線で示したごとく、ＫＰＲ：２．００が選定できる。その後、部品の肩半径ＰＲ０を抽出し、第１段成形でパンチ肩半径ＰＲ１を決定する。上記形状より、ＰＲ０：５ｍｍが抽出できる。ＰＲ１は、ＫＰＲ（２．００）×ＰＲ０（５ｍｍ）より、ＰＲ１＝１０ｍｍと算出できる。
このようにして算出されたＰＲ１と曲がり部の起点より第１段成形での金型形状を設計した。上記手順にて設計した第１段プレスの金型と、所定形状の第２段プレスの金型を用いた、２段プレス成形を用いた成形加工を実施した。
その結果、スプリングバックによる反り量は、従来の成形方法ではその量が約５．５ｍｍと非常に大きかった値に対し、本発明例は約１．８ｍｍと約７０％も改善されるという大きな効果を達成することができた。

断面ハット型部材の製品形状を示す図。 断面ハット型部材の成形後のスプリングバックの状態を示す図。 断面ハット型部材の作用断面図。 部材の曲がり部の曲率半径と開き角のスプリングバックへの影響を示す図。 設定係数のテーブルの例を示す図。 本発明における成形状態を示す図で、（ａ）は第１段成形状態を、（ｂ）は第２段成形途中の状態を示す図で、（ｃ）は第２段成形最終近傍の状態における応力状態を示す図。 本発明による部材成形における設計方法のフローチャート。

符号の説明

１ 鋼板
２ ダイ
３ パンチ
４ 断面ハット型形状部材
５ 曲がり部
６ 起点（円弧部分の始点）
７ 起点（円弧部分の終点）
ＰＲ１ 第１段プレスのパンチ肩半径（ｍｍ）
ＰＲ０ 第２段プレスのパンチ肩半径（ｍｍ）
Ｒ、Ｒ１、Ｒ２ 曲がり部の曲率半径（ｍｍ）
θ 曲がり部の開き角（度）

Claims (2)

1. 部材の長手方向に曲がり部を有する断面ハット型形状部材を２段プレス成形により製造するための金型の設計方法において、
   予め製品の曲がり部の曲率半径毎に第２段プレスのパンチ肩半径ＰＲ０に対する第１段プレスのパンチ肩半径ＰＲ１の比率（ＰＲ１／ＰＲ０）と、前記曲がり部の開き角との関係を求める第１工程と、
   前記曲がり部の曲率半径及び前記開き角に基づいて前記製品の曲がり部の起点を算出する第２工程と、
   前記関係に基づいて前記開き角及び前記曲がり部の曲率半径に対応する前記比率を求め、前記比率に基づいて第１段プレスのパンチ肩半径を求める第３工程からなることを特徴とする形状凍結性に優れた２段プレス成形用金型の設計方法。
2. 第１工程における関係を
   製品の曲がり部の曲率半径が５０ｍｍ〜４００ｍｍの場合は、製品の肩部の曲率半径に対する第１プレスのパンチ肩半径の比率を、１．１〜３．５とすることを特徴とする請求項１記載の形状凍結性に優れた２段プレス成形用金型の設計方法。

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