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

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）（６）（７）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（５）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（６）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５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_ｉ［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＝０［ｍｍ］であるのでＳ_１＝ΔＳ_１［ｍｍ］となる。ΔＳ_１［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_ｉ［ｍｍ］での摩擦力Ｆｍ_ｉ［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_ｉ［Ｎ］と摩擦力制御目標値Ｆｃ_ｉ［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_ｉ＞Ｆｃ_ｉ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_ｉ−Ｆｃ_ｉ）に応じてしわ押さえ荷重ＢＨＦ_ｉ＋１［Ｎ］を小さくするか、ポンチストローク増分ΔＳ_ｉ＋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_ｉ＜Ｆｃ_ｉ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_ｉ−Ｆｃ_ｉ）に応じてしわ押さえ荷重ＢＨＦ_ｉ＋１［Ｎ］を大きくするか、ポンチストローク増分ΔＳ_ｉ＋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Ｓ_ｍａｘ［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ＢＨＦ_ｉ＋１［Ｎ］またはポンチストローク増分ΔＳ_ｉ＋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_ｉ［ｍｍ］が成形終了時のポンチストロークＳ_ｅｎｄ［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_ｉ［ｍｍ／s］はΔＳ_ｉ／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。
図６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（７）の発明について図７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_ｊ（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_ｊ（ｔ）＞Ｆｃｌ_ｊ（ｔ）であれば、（ｊ＋１）回目成形時のその微小時間ｔの範囲のＢＨＦ_ｊ＋１（ｔ）［Ｎ］またはポンチ速度Ｖｐ_ｊ＋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_ｊ（ｔ）−Ｆｃｌ_ｊ（ｔ））に応じてしわ押さえ荷重ＢＨＦ_ｊ＋１を小さくするか、ポンチ速度Ｖｐ_ｊ＋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_ｊ（ｔ）＜Ｆｃｕ_ｊ（ｔ）であれば、（ｊ＋１）回目成形時のその微小時間ｔの範囲のＢＨＦ_ｊ＋１（ｔ）［Ｎ］またはポンチ速度Ｖｐ_ｊ＋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_ｊ（ｔ）−Ｆｃｕ_ｊ（ｔ））に応じてしわ押さえ荷重ＢＨＦ_ｊ＋１［Ｎ］を大きくするか、ポンチ速度Ｖｐ_ｊ＋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ｊ_ｍａｘ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ＢＨＦ_ｊ＋１（ｔ）［Ｎ］またはポンチ速度Ｖｐ_ｊ＋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ＢＨＦ_ｊ＋１（ｔ）［Ｎ］またはポンチ速度Ｖｐ_ｊ＋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ｊ_ｍａｘに達するまで繰り返す。
図８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_ｊ（ｔ）［Ｎ］より摩擦力Ｆｍ_ｊ（ｔ）［Ｎ］が大きい、または摩擦力下限値Ｆｃｌ_ｊ（ｔ）［Ｎ］より摩擦力Ｆｍ_ｊ（ｔ）［Ｎ］が小さいｔ［ｓｅｃ］の範囲で、ＢＨＦ制御目標値をＢＨＦ_ｊからＢＨＦ_ｊ＋１に変化させ、その変化させたＢＨＦ制御目標値ＢＨＦ_ｊ＋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９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 油圧室

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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