JP4629965B2 - 薄板のプレス金型装置及びプレス成形方法 - Google Patents

薄板のプレス金型装置及びプレス成形方法 Download PDF

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Description

本発明は、薄板のプレス金型装置及びプレス成形方法に係わり、特にプレス加工時にしわ押さえ荷重の分布を調節できる金型装置及び成形方法に関する。
しわ押さえ力を制御する成形方法には種々の発明が開示されており、例えば特許文献1には、プレス素材の形状や機械的性質、化学的性質、メッキなどの積層特性、油量等の表面状況などの物理量と、所定のプレス品質が得られる適正しわ押さえ荷重との関係を予め求めておき、その関係から実際の物理量に応じて適正しわ押さえ荷重を求め、その適正しわ押さえ荷重でプレス加工が行われるようにエアシリンダのエア圧を調圧する方法が開示されている。
また、特許文献2には絞り成形時のしわ押さえ力を、成形初期から中期では高くしてしわ発生と成長を抑える一方、成形後期では適正な値に減圧することで割れの発生と材料の過剰な流れ込みによるしわの残留を防ぐ方法が開示されている。更に、特許文献3には均圧化用の油圧シリンダを備えたダイクッション装置において、流量調節弁の開き制御により油圧シリンダ内の油圧を一時的に変化させてしわ押さえ荷重をコントロールする発明が開示されている。
特開平7−266100号公報 特開平9−38728号公報 特開平6−190464号公報
特許文献1〜3等にしわ押さえ荷重を制御する発明は開示されていても、素材特性の変動、金型の摩耗、金型温度等々、多数の変動要因に対して、予め適正なしわ押さえ荷重を求める事は困難である。特に金型との潤滑特性は、常に変動しており、毎回上記特性を測定することは生産性を著しく低下させる。
ダイクッション装置等でしわ押さえ荷重を制御することは、プレス装置の大幅な改造が必要であり、また適正なしわ押さえ荷重を予め予測することが困難である。
本発明は、各種変動要因に対する適正なしわ押さえ荷重を予め求めることなく、その場でしわ押さえ荷重を求め、適正な荷重設定が可能なプレス金型装置及びそれを用いたプレス成形方法を提供することを目的とする。
このような課題を解決するために、本発明の手段は、以下のとおりである。
(1)ポンチ、ダイス及びしわ押さえ金型と、前記ダイス及び前記しわ押さえ金型の間に取り付けられる摩擦力測定手段と、前記摩擦力測定手段によって測定された摩擦力実測値Fmと摩擦力制御目標値Fcの差に相当する値だけしわ押さえ力目標値を変化させ、それに合わせるようにしわ押さえ力を加工中に変化させる手段とを有することを特徴とする薄板のプレス金型装置。
(2)ポンチ、ダイス及びしわ押さえ金型と、ダイス肩に取り付けられる摩擦力測定手段と、前記摩擦力測定手段によって測定された摩擦力実測値Fmと摩擦力制御目標値Fcの差に相当する値だけしわ押さえ力目標値を変化させ、それに合わせるようにしわ押さえ力を加工中に変化させる手段とを有することを特徴とする薄板のプレス金型装置。
(3)しわ押さえ金型が複数に分割され、分割されたしわ押さえ金型毎に、摩擦力測定手段を有することを特徴とする(1)又は(2)記載の薄板のプレス金型装置。
(4)前記しわ押さえ金型と被加工材の間又は前記ダイスと被加工材の間に摩擦力測定手段としてピエゾ素子又は歪ゲージを配設し、前記しわ押さえ金型と被加工材との間のせん断歪から摩擦力を測定可能にしたことを特徴とする(1)〜(3)の何れか1項に記載の薄板のプレス金型装置。
(5)分割されたしわ押さえ金型毎に独立制御可能なしわ押さえ荷重調整手段を有することを特徴とする(3)又は(4)記載の薄板のプレス金型装置。
(6)前記(1)〜(5)のいずれか1項に記載のプレス金型装置を用いた薄板のプレス成形方法であって、前記摩擦力測定手段によって測定された摩擦力が加工中所定範囲となるように、しわ押さえ荷重、ポンチ速度の少なくともいずれか1つを制御することを特徴とする薄板のプレス成形方法。
(7)前記(1)〜(5)のいずれか1項に記載のプレス金型装置を用いた薄板のプレス成形方法であって、前記摩擦力測定手段によって測定された摩擦力を用いて、前回の成形で測定した摩擦力としわ押さえ荷重及びポンチ速度の関係に基づいて、前記摩擦力が所定範囲となるようにしわ押さえ荷重、ポンチ速度の少なくともいずれか1つを制御することを特徴とする薄板のプレス成形方法。
本発明により、金型と被加工物の間の潤滑性や表面性状などの変動要因によらず、適正な摩擦力を付与することができ、素材特性のばらつきや環境変化によらず、常に良好な成形品を得ることができる。
以下に図面を用いて詳細を説明する。
前記(1)記載の金型装置を組み込んだ、プレス金型装置の断面図を図1に示す。しわ押さえ金型3の表面に摩擦力測定手段4を組み込んだ金型装置を取り付け、検出された摩擦力に応じて、しわ押さえ荷重調整手段5を介して、しわ押さえ力を制御する。図4は、図1のダイス2としわ押さえ金型3の片側の拡大図を示したものであり、摩擦力測定手段4を組み込んだ金型装置の断面図を示す。
ポンチ1の上昇に従い、周辺をしわ押さえ金型3とダイス2で挟まれた被加工物6は、周辺を摩擦力で引っ張られながらダイス2の空腔内に引き込まれ、ポンチ1に沿った形状に成形される。この際に、張力が過大であると材料が破断する場合があり、また過小であると、しわの発生や、下金型に沿った形状に成形できない、といった形状不良が発生するという問題がある。そのため、良好な製品形状を得るためには、適正なしわ押さえ荷重を設定する必要がある。一方、材料に作用する張力は、被加工物6とポンチ1及びダイス2との間の摩擦力に起因するものであり、面圧と摩擦力の関係、すなわち摩擦係数を変化させるために、潤滑油の特性や、ポンチ及びダイスの表面粗度を変えたり、ビードを付与することなどが、一般に行われる。しかしながら、摩擦係数は、温度や面圧、表面性状などの影響で刻々と変化するため、その都度しわ押さえ力を調整する必要がある。
これに対して、図1に示すような構成で、加工物6としわ押さえ金型3及びダイス2の間の摩擦力を摩擦力測定手段4で直接測定し、摩擦力が所定の値になるよう、しわ押さえ荷重調整手段5を用いてしわ押さえ荷重力を調整すること、ポンチ速度を調整することの少なくとも何れか1つを制御することにより、摩擦係数の変動によらず常に適正な張力を材料に付与することが可能となる(前記(1)()()に記載の発明)。
前記(2)記載の金型装置を組み込んだ、プレス金型装置の断面図を図2に示す。この例では、ダイス2の肩に摩擦力測定手段4を組み込んだ金型装置を取り付け、検出された摩擦力に応じてしわ押さえ荷重調整手段5を介して、しわ押さえ力を制御する。図2では、ダイス肩だけでなく、しわ押さえ金型3の表面にも摩擦力測定手段4が組み込まれているが、ダイス肩のみに摩擦力測定手段4を設置しても良い。
また、図3に示すように、しわ押さえ金型3を複数に分割しておけば、分割したしわ押さえ金型毎の摩擦力を摩擦力測定手段4により測定することが可能となる(前記(3)に記載の発明)。
また、しわ押さえ荷重調整手段5を分割されたしわ押さえ金型毎に設置し、それぞれ独立して制御できるようにしておくことで、しわ押さえ力の分布も適切に調節することができる(前記()に記載の発明)
前記(3)記載のしわ押さえ金型を図3に示す。図のようにしわ押さえ金型は複数に分割され、分割されたしわ押さえ金型ごとに摩擦力測定手段4を有する。
次に、摩擦力を直接測定する原理について図4を用いて説明する。被加工物6が一対の金型、すなわちダイス2と平板7で把持され、平板7はしわ押さえ金型3と図中左右方向に、弾性変形できる状態で、例えばボルト等で締結されている。また平板7としわ押さえ金型3の間には、歪み測定素子4が挟み込まれている。この時、被加工物6が矢印の方向(図面左向き)に摺動すると、歪み測定素子4に、せん断歪みが発生し、ここで歪み測定素子4にピエゾ素子(圧電素子)または歪みゲージを用いれば、歪みを電圧として容易に取り出し、摩擦力を測定する事が可能である(前記(4)に記載の発明)。
図3では、しわ押さえ金型3の片面のみで摩擦力を測定する場合を示しているが、例えば被加工物6の表裏面および一対のダイス2及びしわ押さえ金型3の表面の性状が異なる場合には、被加工物6の上下面で摩擦力を測定することによりさらに測定精度を向上させることも可能である。平板7としては構造用炭素鋼、工具鋼等を使用することができる。
図1又は図2に示した金型装置の制御方法のうち、前記()記載の制御方法、すなわち摩擦力測定手段4によって測定された摩擦力が加工中所定範囲となるように、しわ押さえ荷重またはポンチ速度の少なくともいずれか1つを加工中に制御する方法について、図に示すフローチャートを用いて説明する。ここで下付き添え字iは成形中の制御回数を表す。
101:成形開始、このときi=1である。
102:ここではポンチのストロークをΔS[mm]だけ進めるという処理を行う。たとえばi=1のとき、S=0[mm]であるのでS=ΔS[mm]となる。ΔS[mm]については加工前に決めておく。
103:ここではストロークがS[mm]での摩擦力Fm[N]を測定するという処理を行う。
104:ここでは103で測定した摩擦力Fm[N]と摩擦力制御目標値Fc[N](加工前に予め設定しておく)の大小を比較する。
105:104で大小を比較した結果、Fm>Fcであれば図中105に式で示してあるように、測定値と目標値の摩擦力の差(Fm−Fc)に応じてしわ押さえ荷重BHFi+1[N]を小さくするか、ポンチストローク増分ΔSi+1[mm]を小さくする処理の少なくとも何れか1つを行う。
106:104で大小を比較した結果、Fm<Fcであれば図中106に式で示してあるように、測定値と目標値の摩擦力の差(Fm−Fc)に応じてしわ押さえ荷重BHFi+1[N]を大きくするか、ポンチストローク増分ΔSi+1[mm]を大きくする処理の少なくとも何れか1つを行う。
107:以上のようにして、1回の成形の中でフィードバック制御を行いながら加工を行い、ストロークS[mm]が加工終了時のストロークSmax[mm]以上となれば加工終了、それ以下であればループは102の前に戻る。このときiの値は1つ増える。
具体的なしわ押さえ荷重BHFi+1[N]またはポンチストローク増分ΔSi+1[mm]は比例定数α、β、γ、δを用いた図の関係式より算出する。このループをポンチストロークS[mm]が成形終了時のポンチストロークSend[mm]に達するまで繰り返す。
上記の制御を一定時間間隔Δt[sec]ごとに行えば、ポンチ速度Vp[mm/s]はΔS/隔Δtで求められるので、ポンチ速度はポンチストローク増分によって制御できる。
にこの制御方法を用いたときの、摩擦力実測値Fm[N]としわ押さえ荷重BHF[N]のポンチストローク履歴の例を示す。摩擦力実測値Fmと摩擦力制御目標値Fc[SI単位]の差に相当する値だけBHF制御目標値は変化し、それに合わせるようにBHF実測値が加工中に変化していくのがわかる。
次に、図1に示した金型装置の制御方法の一つである前記()の発明について図に示すフローチャートを用いて説明する。ここで下付き添え字jはプレス加工工程における成形回数を表す。
201:成形1回目、j=1
202:j回目成形時の時間t[sec]における摩擦力の履歴Fm(t)[N]を測定する。
203:j回目成形時の時間t[sec]を任意に分割し、既定の摩擦力下限値をFcl(t)[N]としたとき、それぞれの微小時間t[sec]において、Fm(t)>Fcl(t)であれば、(j+1)回目成形時のその微小時間tの範囲のBHFj+1(t)[N]またはポンチ速度Vpj+1(t)[mm/s]について図中に式で示してあるように、測定値と既定下限値の摩擦力の差(Fm(t)−Fcl(t))に応じてしわ押さえ荷重BHFj+1を小さくするか、ポンチ速度Vpj+1(t)を遅くする処理の少なくともい ずれか1つを行う。
204:既定の摩擦力上限値をFcu(t)[N]としたとき、それぞれの微小時間t[sec]において、Fm(t)<Fcu(t)であれば、(j+1)回目成形時のその微小時間tの範囲のBHFj+1(t)[N]またはポンチ速度Vpj+1(t)について図中に式で示してあるように、測定値と既定上限値の摩擦力の差(Fm(t)−Fcu(t))に応じてしわ押さえ荷重BHFj+1[N]を大きくするか、ポンチ速度Vpj+1(t)[mm/s]を速くする処理の少なくともいずれか1つを行う。
205:以上のように、j回目成形時の成形条件を元に(j+1)回目成形時の成形条件を予め設定し、jが全成形回数jmaxであれば成形終了。でなければ202の前に戻る。
具体的なしわ押さえ荷重BHFj+1(t)[N]またはポンチ速度Vpj+1(t)[mm/s]の値は、比例定数α、β、γ、δを用いた図の関係式より算出する。このようにして得られたしわ押さえ荷重BHFj+1(t)[N]またはポンチ速度Vpj+1(t)[mm/s]を用いてj+1回目の成形を行う。この制御を成形回数jが最大成形回数jmaxに達するまで繰り返す。
にこの制御方法を用いたときの、摩擦力実測値Fm[N]としわ押さえ力BHF[N]の時間履歴の例を示す。摩擦力上限値Fcu(t)[N]より摩擦力Fm(t)[N]が大きい、または摩擦力下限値Fcl(t)[N]より摩擦力Fm(t)[N]が小さいt[sec]の範囲で、BHF制御目標値をBHFからBHFj+1に変化させ、その変化させたBHF制御目標値BHFj+1を用いてj+1回目の加工を行う。
また、ポンチ1はしわ押さえ金型3と同様に分割構造とし、分割したポンチ毎に油圧シリンダで加圧しても良いが、金型装置が複雑になり設備も高価になるため、ポンチ1は一体化し通常の外側シリンダで均一圧下し、ポンチ1表面に前述した方法で締結(固定)かつ分割されたしわ押さえ金型3内に図に示すように油圧室8を内蔵し、個別に圧力を調整することにより、安価に分割されたしわ押さえ金型毎のしわ押さえ荷重の制御が可能となる。
上述の発明を元に、本発明例として図1に示す金型装置を試作し、薄鋼板を用いたプレス成形を行った。摩擦力測定手段4としてピエゾ素子を使用し、平板7は表面焼き入れしたS45Cを使用した。表1に用いた鋼板の特性を示す。いずれも板厚1:2mmの合金化溶融亜鉛メッキ鋼板で、合金化度を変えた2種類の鋼板を用いた。
成形試験は、50mm×50mmの角筒深絞り成形を連続して行い、その際の成形荷重と成形品の破断およびしわ発生の有無を調査した。100mm×100mmの四角形素板から、図2のように周囲を8分割したしわ押さえ金型を用いて成形実験を行った。表2に、連続100回成形した試験結果を示す。
比較例として、しわ押さえ荷重調整手段のない金型装置を使用し、しわ押さえ圧を一定にした場合の結果を表3に示す。
全ての分割金型に対して摩擦力が一定(0:25[kN/金型])になるよう成形した本発明例1では、しわ押さえ荷重を20[kN]一定(摩擦係数を0:1と仮定した場合、摩擦力合計が2[kN])とした比較例1及びしわ押さえ荷重を40[kN]一定(摩擦係数を0:1と仮定した場合、摩擦力合計が4[kN])とした比較例2と比べ、成形荷重の変動が非常に少なく、概ね良好な成形が得られた。ただし合金化度の低い素材Bは、成形回数が増大するに従い、金型へ亜鉛の凝着が発生し、摩擦が不均一になり、角部に軽微なしわが見られた。そのため、材料の流入の大きい平行部の摩擦力を0:2[kN/金型]に下げ、一方角部の摩擦力を0:3[kN/金型]に上げた設定で成形実験を行った本発明例2では、いずれの材料でも成形回数によらず良好な成形結果が得られた。
上述の発明を元に、本発明例として図5に示す金型装置を試作し、薄鋼板を用いたプレス成形を行った。測温手段10として熱電対を使用し、平板7は表面焼き入れしたS45Cを使用した。実験に用いた鋼板は実施例1で使用したものと同じである。
成形試験は、50mm×50mmの角筒深絞り成形を連続して行い、その際の成形荷重と成形品の破断およびしわ発生の有無を調査した。100mm×100mmの四角形素板から、図6のように周囲を8分割したしわ押さえ金型を用いて成形実験を行った。表4に、連続100回成形した試験結果を示す。比較例としては、実施例1のそれと同じである。
全ての分割金型に対して温度が一定(180[℃])になるよう成形した本発明例3では、しわ押さえ荷重を20[kN]一定(摩擦係数を0:1と仮定した場合、摩擦力合計が2[kN])とした比較例1及びしわ押さえ荷重を40[kN]一定(摩擦係数を0:1と仮定した場合、摩擦力合計が4[kN])とした比較例2と比べ、成形荷重の変動が非常に少なく、概ね良好な成形が得られた。ただし合金化度の低い素材Bは、成形回数が増大するに従い、金型へ亜鉛の凝着が発生し、温度が不均一になり、角部に軽微なしわが見られた。そのため、材料の流入の大きい平行部の温度を150[℃]に下げ、一方角部の摩擦力を200[℃]に上げた設定で成形実験を行った本発明例4では、いずれの材料でも成形回数によらず良好な成形結果が得られた。
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しわ押さえ金型3の表面に摩擦力測定手段4を有するプレス金型装置の断面図を示す。 しわ押さえ金型3の表面及びダイス肩に摩擦力測定手段4を有するプレス金型装置の断面図を示す。 複数に分割したしわ押さえ金型と摩擦力測定手段の平面図を示す。 図1のダイス2としわ押さえ金型3の片側の拡大断面図を示す。 摩擦力を制御する別の本発明例のフローチャートを示す。 図5のフローチャートに示す制御方法を適応した場合のしわ押さえ荷重また は摩擦力の時間履歴を示す。 摩擦力を制御する別の本発明例のフローチャートを示す。 図7のフローチャートに示す制御方法を適応した場合のしわ押さえ荷重また は摩擦力の時間履歴を示す。 油圧室を内蔵したしわ押さえ荷重調整手段の拡大断面図を示す。
符号の説明
1 ポンチ 2 ダイス
3 しわ押さえ金型 4 摩擦力測定手段(歪み測定素子)
5 しわ押さえ荷重調整手段 6 被加工物(薄板)
7 平板 8 油圧

Claims (7)

  1. ポンチ、ダイス及びしわ押さえ金型と、前記ダイス及び前記しわ押さえ金型の間に取り付けられる摩擦力測定手段と、前記摩擦力測定手段によって測定された摩擦力実測値Fmと摩擦力制御目標値Fcの差に相当する値だけしわ押さえ力目標値を変化させ、それに合わせるようにしわ押さえ力を加工中に変化させる手段とを有することを特徴とする薄板のプレス金型装置。
  2. ポンチ、ダイス及びしわ押さえ金型と、ダイス肩に取り付けられる摩擦力測定手段と、前記摩擦力測定手段によって測定された摩擦力実測値Fmと摩擦力制御目標値Fcの差に相当する値だけしわ押さえ力目標値を変化させ、それに合わせるようにしわ押さえ力を加工中に変化させる手段とを有することを特徴とする薄板のプレス金型装置。
  3. しわ押さえ金型が複数に分割され、分割されたしわ押さえ金型毎に、摩擦力測定手段を有することを特徴とする請求項1又は2記載の薄板のプレス金型装置。
  4. 前記しわ押さえ金型と被加工材の間又は前記ダイスと被加工材の間に摩擦力測定手段としてピエゾ素子又は歪ゲージを配設し、前記しわ押さえ金型と被加工材との間のせん断歪から摩擦力を測定可能にしたことを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の薄板のプレス金型装置。
  5. 分割されたしわ押さえ金型毎に独立制御可能なしわ押さえ荷重調整手段を有することを特徴とする請求項3又は請求項4記載の薄板のプレス金型装置。
  6. 請求項1〜5のいずれか1項に記載のプレス金型装置を用いた薄板のプレス成形方法であって、前記摩擦力測定手段によって測定された摩擦力が加工中所定範囲となるように、しわ押さえ荷重、ポンチ速度の少なくともいずれか1つを制御することを特徴とする薄板のプレス成形方法。
  7. 請求項1〜5のいずれか1項に記載のプレス金型装置を用いた薄板のプレス成形方法であって、前記摩擦力測定手段によって測定された摩擦力を用いて、前回の成形で測定した摩擦力としわ押さえ荷重及びポンチ速度の関係に基づいて、前記摩擦力が所定範囲となるようにしわ押さえ荷重、ポンチ速度の少なくともいずれか1つを制御することを特徴とする薄板のプレス成形方法。
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