JP4645202B2 - 板材ワーク及び枠形状加工方法 - Google Patents

Description

本発明は板材ワーク及び枠形状加工方法に係り、特に、任意の平面形状を有し、プレス金型による曲げ加工を受ける板材ワークと、その板材ワークを用いて枠形状製品を成形する枠形状加工方法に関する。

素材の板材を絞り加工によって所定の製品形状に成形するプレス金型加工においては、製品形状部分に過度な変形により割れ等が生じないように、素材をうまく流れるようにする金型形状やプレス工程条件等の工夫が行われる。例えば、特許文献１には、枠形状の製品のための絞り加工を行う際に、素材の製品形状部に囲まれる範囲に意図的に破断部を形成し、破断により分離した素材を絞り量の増加に応じて製品形状部へ引き込むための割りビードを有する金型を開示する。割りビードとは、断面が略三角形状をなす所定長さの凸部であり、この略三角形状の金型部分によって素材が所定の形状で破断される。

特開２００１−８７８１８号公報

特許文献１に開示される割りビード法を用いるには、複雑な形状の金型を用いた割りビード工程の追加が必要となる。また、割りビードは、破断を生じさせるために傾斜がかなり急な金型構造となり、その動作には複雑なカム機構等を必要とする。

このように、素材の板材を枠形状等に成形するプレス金型加工において、製品形状部分に過度な変形により割れ等が生じないように成形余裕度を確保するには、複雑な金型形状や追加的機構、追加的工程、あるいは複雑な工程条件等を伴っている。

本発明の目的は、曲げ金型の変更によらずに、成形製品の成形余裕度を確保できる板材ワーク及び枠形状加工方法を提供することである。

本発明に係る板材ワークは、任意の平面形状を有し、その後のプレス加工によって、板厚を薄くしてその分延びることで素材を自由端の方に流して任意のＲで曲げる曲げ部と、曲げ部からの素材の流れによってその分板厚が厚くなる自由端と、が割り当てられ、プレス加工において素材が流れる方向に平行な板材端面を有する板材ワークであって、
板材端面における曲げ部の位置と自由端位置との間の平面形状が、直線形状から板材の素材のある側にくぼませる端面形状であり、上方に傾斜する両端部を有してさらに枠形状に曲げ加工を受けることを特徴とする。

また、本発明に係る枠形状加工方法は、上方に傾斜する両端部を有してさらに枠形状のための曲げ部を有する枠形状製品を成形する枠形状加工方法であって、枠形状を平面展開した平面形状を有する板材ワークに板材を加工する前工程と、プレス金型を用い、上方に傾斜する両端部の部分でさらに枠形状のための曲げ部において、板厚を薄くしてその分延びることで素材を自由端の方に流して任意のＲで曲げ、枠形状に成形する後工程と、を含み、前工程は、板材端面における曲げ部の位置と自由端位置との間の平面形状を、直線形状から板材の素材のある側にくぼませる端面形状に予め変更することを特徴とする。

上記構成により、板材ワークの平面形状は、延びが大きい曲げ部に比較して延びの少ない任意の部分において、そのプレス加圧を受ける面積を、曲げ部のプレス加圧を受ける面積よりも少なくすることとするので、その部分の延びが、そのようにしない場合に比較して大きくできる。したがって、曲げ工程において、この付加的な延びのために曲げ部における局部的な過度の延びが抑制され、成形余裕度が確保できる。

また、前記延びの少ない任意の部分は、板材ワークの曲げ部と自由端部との間の部分であるとする。自由端部は、製品の外形機能を担うことがあるが、一方で金型の加圧が開放されるので、曲げ部に対し素材の延びが一般的に少ない。したがって、曲げ部と自由端部との間の部分において、平面形状を調整することで、製品の外形機能にあまり影響させずに、成形余裕度が確保できる。

また、前記延びの少ない部分の平面形状は、板材ワークの曲げ部と自由端部とを結ぶ板材ワークの端面の平面形状を、直線形状よりも内側にくぼませることとする。このようにすることで、この部分のプレス加圧を受ける面積を、曲げ部のプレス加圧を受ける面積よりも少なくすることができ、直線形状の場合に比較して延びを大きくできる。したがって、曲げ工程において、この付加的な延びのために曲げ部における局部的な過度の延びが抑制され、成形余裕度が確保できる。

また、板材ワークは、枠形状に曲げ加工を受ける車両用フレーム用板材ワークとするので、車両用フレームの成形において割れの発生等を抑制できる。

上記のように、本発明に係る板材ワーク及び枠形状加工方法によれば、板材ワークの平面形状を変更することで、曲げ金型の変更によらずに、成形製品の成形余裕度が確保できる。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下の説明では、板材ワークを曲げ成形等により得られる成形製品を、車両用フレームを構成するフロントクロスメンバーとするが、曲げ加工を受ける板材ワークを用いるものであれば、車両用のその他の製品でもよい。また、車両用以外に用いられる成形製品であってもよい。素材板材から、所望の平面形状の板材ワークに加工する前工程は、機械加工でもよく、プレスによる抜き加工でもよい。

図１は、車両用フレーム１０の構成を説明する図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。車両用フレーム１０は、柱１２と呼ばれる部材に、ゼロクロスメンバー１４、リアクロスメンバー１６、＃２クロスメンバー１８、フロントクロスメンバー２０等の複数のクロスメンバーを取り付けて構成される。柱１２と各クロスメンバーとの間の取り付けは、各クロスメンバーの端部と柱１２との間に適当な接続部材を介し、溶接あるいはボルト締め等によって行うことができる。クロスメンバーの数は車種によって異なるが、例えば７，８本程度が用いられる。これらの部材は、素材板材を所定の平面形状に加工した板材ワークを、曲げ、絞り等の各種成形を行って得ることができる。以下では、代表例として、フロントクロスメンバー２０の板材ワーク及びそれを用いる成形加工について説明する。

図２は、成形加工後のフロントクロスメンバー２０の様子を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は車両の前後軸方向から見た側面図である。フロントクロスメンバー２０の形状の特徴は、全体的にはコの字断面を有し、両端部２２で急激に上方部に向かって傾斜し、かつその部分２４には比較的小さい曲率断面を有していることである。なお、図６（ｃ）及び（ｄ）に、両端部２２において図に示す矢印方向から見た断面形状をそれぞれ示す。このように、フロントクロスメンバー２０の端部２２は、枠形状断面を有している。これらの図において、曲げ部Ａ、自由端部Ｇをそれぞれ符号で示す。この符号は、後述する図３以下に用いられる符号と同じ意味を有するものである。

フロントクロスメンバー２０は、次の２つの工程を経て得ることができる。すなわち、第１の工程は、フロントクロスメンバー２０の立体形状をプレス加工前の平面形状に展開した形状に板材を加工し、プレス加工用の板材ワークを得る工程である。素材の板材は、一例として、厚みが約２．９ｍｍの鉄板を用いることができる。板材ワークへの加工は、プレス抜きを用いてもよい。板材ワークの平面形状の条件については後述する。第２の工程は、金型を用いて板材ワークを所定のフロントクロスメンバー２０の立体形状に成形する工程である。フロントクロスメンバー２０は図２に示すように複雑な形状を有するので、複数段の成形加工が行われ、金型も複数種類用いられる。フロントクロスメンバー２０の特徴形状である両端部２２の部分については、曲げ加工が主な内容となる。

図２で説明したように、フロントクロスメンバー２０は、板材ワークからプレス金型等を用いて、両端部２２の部分２４の曲げ部Ａにおいて比較的小さいＲで曲げられて成形されるため、曲げ部Ａにおいては板厚が薄くなり、その分延びることになる。これに対応し、自由端では延びた素材が流れてきて板厚が厚くなる。このように、フロントクロスメンバー２０の端部２２では、成形加工によって、板厚の不均一が生じ、板厚が最も薄くなる曲げ部Ａにおいて、それが過度になると、クラックが生ずることがある。したがって、成形加工における局部的板厚の変化には制限が加えられ、例えば、板厚変化を１５％以下とする等の管理目標値が設けられる。

図３、図４は、フロントクロスメンバー２０の端部２２の形状と、その各部位における成形後の板厚変化の関係を示す図である。図３（ａ）は、本発明に係る実施の形態における端部２２の形状で、（ｂ）は、比較のために、ごく一般的に採用される端部２３の形状を示す。これらの図は、いずれもフロントクロスメンバー２０を車両の前後軸方向から見たときのもので、上記のように各部位のうち、曲げ部Ａ、自由端Ｇは、図２に対応させて符号が付されている。

図３（ｂ）は、曲げ部Ａと自由端Ｇとの間の形状を直線形状としたものである。これに対し、図３（ａ）では、曲げ部Ａと自由端Ｇとの間の形状を直線形状よりも内側に、すなわちワークの素材のある側に、くぼませた形状となっている。このような形状とするには、曲げ加工の前における板材ワークの平面形状について、曲げ部Ａに対応するところと、自由端Ｇとの間の形状を直線形状よりも内側にくぼませればよい。その詳細については後述する。

図４は、フロントクロスメンバー２０の端部における各部位の板厚変化率をグラフ化したものである。横軸には、図３に示す端部２２，２３における各測定部位をとり、縦軸には、曲げ加工前の板材ワークの板厚を基準として、曲げ加工後の板厚の変化率をとってある。ここで、板厚変化率がマイナスとは、曲げ加工によってその測定部位の素材が板厚を減少させて延びて他の部位に流れたことを示し、板厚変化率がプラスとは、曲げ加工によってその測定部位に他の部位から素材が流れてきて板厚を増加させたことを示す。

図４において黒丸のデータが図３の（ａ）の端部形状に対応し、白丸のデータが図３（ｂ）の端部形状に対応する。

図４（ｂ）からわかるように、ごく一般的に用いられる直線形状の端部形状では、測定部位Ａにおいて管理限界値−１５％を超える。すなわち、曲げ部Ａにおいて局部的に過度な延びが生じている。これに対し、図３（ａ）に示す形状を用いると、すべての測定部位において管理目標値を満たす。すなわち、外形形状を変更するだけで、曲げ金型を変更することなく、板厚減少率を均一化の方向にすることができ、過度の局部的な延びが抑制される。

図４の結果を詳細に観察すると、（ａ）のデータでは、外形形状をくぼませた部位Ｄにおいて板厚減少率がプラスからマイナスに大幅に変化していることがわかる。つまり、くぼませた部位Ｄでは、板厚が減少し、他の部位に素材が流れ出している。このことで、今まで過度に素材が流出していた曲げ部Ａにおける素材の流出が抑制され、全体として板厚減少率を均一化の方向にしているものと理解することができる。

そのことを、図５（ａ），（ｂ）に、曲げ加工前の板材ワーク３０，３１の平面形状を用いて模式的に示す。図５（ａ），（ｂ）は、それぞれ図３（ａ），（ｂ）に対応する。すなわち、ごく一般的に用いられる直線形状の端部形状の場合には、図５（ｂ）に示すように、板材ワーク３１は、曲げ部Ａと自由端部Ｇとの間は直線形状である。したがって、曲げ部Ａが金型で曲げられると、その部分が延びるために白抜き矢印で示す方向に素材が流れる。その結果、曲げ部Ａでは板厚が減少し、素材は自由端Ｇに向かって流れるので、自由端Ｇでは板厚が増加する。

これに対し、図５（ａ）に示すように、曲げ部Ａと自由端Ｇとの間の平面形状を、直線形状から内側に、すなわち板材の素材のある側に、くぼませる平面形状を有する板材ワーク３０の場合は、後加工において、くぼませた部位Ｄにおいて、白抜き矢印で示すように、延びが増大し、素材が曲げ部Ａ及び自由端Ｇに向かって流れる。その理由の１つの可能性として、部位Ｄにおいて、金型からプレス加工の加圧を受ける面積が、くぼませた分だけ少なくなり、それに対応して面積あたりの加圧が増大し、延びやすくなるものと考えることができる。このように、後加工において、部位Ｄが延びやすくなり、その分、曲げ部Ａの素材の流れが抑制され、延びが減少し、板厚減少率を全体として均一化の方向にすることができることになる。

くぼませた部位は、曲げ部Ａと、自由端部Ｇとの間の部分が好ましい。すなわち、曲げ部Ａは金型条件等に影響する機能的な部分、あるいは位置であり、自由端部Ｇもフロントクロスメンバー２０の最外の端部で、図１で説明したように、車両用フレーム１０の柱１２に接続される機能的外形を担っている。曲げ部Ａと自由端部Ｇとの間は、比較的外形的機能の割合が少ないか、ほとんどないので、この部分をくぼませることが望ましい。

また、曲げ部Ａと自由端部Ｇとの間でくぼませる部位は、１箇所に限られず、複数箇所であってもよい。くぼみの形状は、図５に示すように略三角形でもよく、略円弧でもよく、任意の曲線形状であってもよい。また、くぼませる代わりに、曲げ部Ａと自由端部Ｇとの間の素材領域に、適当な穴等を設け、その部分のプレス加圧を受ける面積を減少させてもよい。

このように、プレス金型による曲げ加工を受ける板材ワークの平面形状を、延びが大きい曲げ部に比較して延びの少ない任意の部分において、その部分の平面形状を予め変更し、変更しない場合に比べ延びを大きくすることで、板厚減少率を均一化の方向にすることができ、曲げ部の過度の局部的な延びが抑制される。

本発明に係る実施の形態の板材ワーク及び枠形状加工方法が適用される車両用フレームの構成を説明する図である。 本発明に係る実施の形態の板材ワーク及び枠形状加工方法が適用される、成形加工後のフロントクロスメンバーの様子を示す図である。 フロントクロスメンバーの端部の形状を、従来例と比較して示す図である。 図３におけるフロントクロスメンバーの端部の各部位における成形後の板厚変化の様子を、従来例と比較して示す図である。 本発明に係る実施の形態における板材ワークの平面形状を、従来例と比較して示す図である。

符号の説明

１０ 車両用フレーム、１２ 柱、１４ ゼロクロスメンバー、１６ リアクロスメンバー、１８ ＃２クロスメンバー、２０ フロントクロスメンバー、２２，２３ 端部、２４ 部分、３０，３１ 板材ワーク。

Claims (2)

1. 任意の平面形状を有し、その後のプレス加工によって、板厚を薄くしてその分延びることで素材を自由端の方に流して任意のＲで曲げる曲げ部と、曲げ部からの素材の流れによってその分板厚が厚くなる自由端と、が割り当てられ、プレス加工において素材が流れる方向に平行な板材端面を有する板材ワークであって、
   板材端面における曲げ部の位置と自由端位置との間の平面形状が、直線形状から板材の素材のある側にくぼませる端面形状であり、
   上方に傾斜する両端部を有してさらに枠形状に曲げ加工を受けることを特徴とする板材ワーク。
2. 上方に傾斜する両端部を有してさらに枠形状のための曲げ部を有する枠形状製品を成形する枠形状加工方法であって、
   枠形状を平面展開した平面形状を有する板材ワークに板材を加工する前工程と、
   プレス金型を用い、上方に傾斜する両端部の部分でさらに枠形状のための曲げ部において、板厚を薄くしてその分延びることで素材を自由端の方に流して任意のＲで曲げ、枠形状に成形する後工程と、
   を含み、
   前工程は、板材端面における曲げ部の位置と自由端位置との間の平面形状を、直線形状から板材の素材のある側にくぼませる端面形状に予め変更することを特徴とする枠形状加工方法。

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