JP4700568B2 - 形状凍結性に優れた多段プレス成形方法 - Google Patents

Description

本発明は金属板の多段プレス成形方法に関するものであって、特に高強度鋼板やアルミニウム合金板などを用いた場合に生ずるスプリングバックを防止して良好な形状凍結性を確保するための多段プレス成形方法に関するものである。

近年、自動車部品に高強度鋼板やアルミニウム合金板が多用されつつあるが、それらを自動車部品に成形する際に発生する形状凍結不良が問題になっている。すなわち、ハット型断面形状の部品をＵ字型の曲げ加工用金型を用いて成形する場合には、スプリングバックと呼ばれる形状凍結不良が発生し、寸法精度が得られない問題がある。この形状凍結不良は最終製品の外観品質を著しく損なうばかりでなく、成形後に行われる組立作業において溶接不良の原因となるため、特にメンバーやフレームなどの構造部品では形状凍結不良の防止が重要視されている。

曲げ加工で頻繁に観察される形状不良として知られているスプリングバックは、曲げ加工時に金型板に生じた残留応力が除荷時に弾性回復変形するために生ずる現象で、成形下死点での残留応力が板厚方向に不均一に分布することが原因である。一般に、プレス加工により曲げ成形した際に、型から開放すると金属板のスプリングバックにより、パンチの肩部に開きが発生したり、製品の縦壁部にそりが発生したりする。

これらの問題を解決するため、特許文献１には、曲げ肩部に成形方向とは逆方向に凹む凹状段部を同時に成形するプレス成形方法及び成形品が開示されている。これはスプリングバックに対抗する逆モーメントを発生させて釣り合わせ、ポンチ肩付近の角度の開きを防止するものである。

また、特許文献２には、成形中にオーバーランを発生させて縦壁部のそりを解決する方法が開示されている。

しかし、スプリングバックはパンチ肩部の角度変化や壁そりだけではなく、図１のような自動車のフロントサイドメンバ等に用いられる実部品形状の場合には、図１中点線で示すように、製品のウェブ面が基準面（設計上定められた面であって、図１の実線で示す）に対してねじれる「ねじれ」といわれる現象も顕在化し、特許文献１、２に開示された方法ではこれらの問題を防止することはできない。

また、特許文献３には、断続的なエンボスをウェブ面の内側に設置し、これを曲げ成形と共に所定寸法に押圧加工することで所定の形状を得る方法が開示されている。しかし、スプリングバック量に応じたリブの押圧加工が必要となる為、押圧加工量の調整の為の工数・費用がかかる上、断続的なエンボスを押圧加工後にも、リブあるいはリブ跡が製品形状として残る為、部品上使用が限定されるといった問題があった。また、部品形状が複雑な場合には、しわが発生する可能性があり、汎用的には適用できないといった問題がある。
特開平７−１８５６６３号公報 特開２００４−１５４８５９号公報 特開昭５９−２２０２１５号公報

本発明は、製品のウェブ面がねじれる現象を防止する多段プレス成形方法を提供することを目的とする。

係る課題を解決するため、本発明の要旨とするところは下記の通りである。

（１） コの字型又はハの字型断面形状を有し、長手方向に縦壁部が凹状および凸状に湾曲する金属製の製品を成形する多段プレス成形方法であって、１回目のプレス成形工程で前記製品の縦壁部の長手方向で凹状および凸状の湾曲部に相当する位置に、前記縦壁部の一端に位置する天井部側から前記縦壁部の他端に位置するフランジ部側に向かって厚くなる凸形状のエンボスを１又は複数設けた中間品を成形し、２回目のプレス成形工程で前記凹状および前記凸状の湾曲部の前記エンボスの成形後の厚さが０．２ｍｍ以下となるように押圧しつつ、製品形状へ成形することを特徴とする、形状凍結性に優れた多段プレス成形方法。

（２） 製品の縦壁部の湾曲部の長手方向の長さをＬ[ｍ]、中間品の縦壁部の湾曲部に設けた前記エンボスの長手方向の長さをＬ’[ｍ]とした時に、１＜Ｌ’/Ｌ＜１．２の条件となるように前記中間品を成形することを特徴とする、（１）記載の形状凍結性に優れた多段プレス成形方法。

（３） 製品のコの字型又はハの字型断面の幅が、長手方向に異なることを特徴とする（１）又は（２）に記載の形状凍結性に優れた多段プレス成形方法。

（４） 製品が幅方向に湾曲していることを特徴とする（１）〜（３）の何れか１項に記載の形状凍結性に優れた多段プレス成形方法。

（５） 製品のフランジ部及び／又は天井部の稜線が水平方向及び／又は垂直方向に連続的な曲率又は不連続な曲率を有することを特徴とする（１）〜（４）の何れか１項に記載の形状凍結性に優れた多段プレス成形方法。

（６） 製品の垂直断面において、両側の壁部の高さが互いに異なることを特徴とする（１）〜（５）の何れか１項に記載の形状凍結性に優れた多段プレス成形方法。

尚、本発明で「長手方向に湾曲」とは、例えば図１に示すように、縦壁部の稜線の何れか又は両方が長手方向に連続的又は不連続に曲がっていることをいう。

本発明により、ねじれの発生を防止した寸法精度に優れる良好なハット型成形部品（製品）を得ることができる。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明者らはコの字型断面形状を有するハット型成形部品のねじれを防止する多段プレス成形方法について検討し、それらの課題を解決できることを知見した。なお、成型部品の断面形状がハの字型であっても、本発明を適用することができる。

従来のプレス成形では、１回のプレス成形工程で所定形状の製品が得られるようにパンチとダイスの金型を作り込んでいた。本発明者らは、プレス成形工程を少なくとも２回に分け、１回目のプレス成形工程で、製品の縦壁部の長手方向で凹状の湾曲部に相当する位置に１又は複数の凸形状のエンボスを設けた中間品を成形し、２回目のプレス成形工程で、このエンボスがなくなるように押圧することで、金属板のスプリングバック（ねじれ）を低減できることを知見した。また、１回目のプレス成形工程で、更に製品の縦壁部の長手方向で凸状の湾曲部に相当する位置に１又は複数の凸形状又は凹形状のエンボスを設けることでも、金属板のスプリングバックを低減できることを知見した。さらに、さまざまな部品形状においても、本発明が適用できることを知見した。

上記（１）に係る発明は、コの字型又はハの字型断面形状を有し、長手方向に縦壁部が凹状および凸状に湾曲する金属製の製品を成形する多段プレス成形方法であって、１回目のプレス成形工程で、製品の縦壁部の長手方向で凹状および凸状の湾曲部に相当する位置、前記縦壁部の一端に位置する天井部側から前記縦壁部の他端に位置するフランジ部側に向かって厚くなる凸形状のエンボスを１又は複数設けた中間品を成形し、２回目のプレス成形工程で前記凹状および前記凸状の湾曲部の前記エンボスの成形後の厚さが０．２ｍｍ以下となるように押圧しつつ、製品形状へ成形することを特徴とする。

通常のプレス成形によって、図２に示すような長手方向で湾曲した製品１を作製すると、製品１のハット断面がねじれる現象が発生する。このメカニズムは、図２のＡ断面における応力状態を示す図３において、製品１の縦壁部１１の湾曲部（図３の領域Ｂ、Ｃ）で長手方向への引張り応力や圧縮応力が発生し、この応力分布が釣り合わないことにある。なお、図３に示す領域Ａは、湾曲部以外の領域であって、長手方向において曲率を持たないストレート領域を示す。

これに対し、本発明では、１回目のプレス成形工程で、成形時に引張り応力や圧縮応力が発生する領域Ｂ、Ｃにエンボスを設け、２回目のプレス成形工程の際にこのエンボスがなくなるように（具体的には、成形後のエンボスの厚さが０．２ｍｍ以下となるように）押圧することにより、引張り応力を圧縮応力に変化させることができる。上述したように、本発明では、通常（１回だけ）のプレス成形工程で製品１の縦壁部１１に発生する長手方向の応力状態を、エンボスの成形によって自由に変更することができるので、スプリングバックを低減することができる。

なお、本発明では、１回目のプレス成形工程で用いられる金型として、エンボスを備えた中間品が得られる金型を用い、２回目のプレス成形工程で用いられる金型として、製品形状が得られる金型を用いている。

図４は、本発明のエンボスの配置を説明する模式図であり、中間品２の外観を示す斜視図である。図４では、中間品２の縦壁部２１（製品１の縦壁部１１に相当する）の長手方向で凹状の湾曲部２１ａ（紙面の手前側）に凸形状のエンボス２１ｃを１個設け、縦壁部２１の長手方向で凸状の湾曲部２１ｂ（紙面の奥側）に凸形状のエンボス２１ｄを１個設けている。エンボス２１ｄが、上記（２）に係る発明により、１回目のプレス成形工程において、エンボス２１ｃと共に設けたものである。

１回目のプレス成形工程で、図４に示すような中間品２を作製し、２回目のプレス成形工程で、湾曲部２１ａに設けた凸形状のエンボス２１ｃが無くなるように押圧しつつ、湾曲部２１ｂに設けた凸形状のエンボス２１ｄを残すことで、図３の引張り応力が作用する部位を圧縮応力に変化させることができ、長手方向の応力分布を釣り合わせることができる。

上記（２）に係る発明は、製品の縦壁部の湾曲部の長手方向の長さをＬ[ｍ]、中間品の縦壁部の湾曲部に設けた前記エンボスの長手方向の長さをＬ’[ｍ]とした時に、１＜Ｌ’/Ｌ＜１．２の条件となるように前記中間品を成形することを特徴とする。

ねじれの原因となる長手方向の応力を釣り合わせるためには、エンボス形状の設計が重要となる。図５は、図４に示す中間品のＢ断面を説明する模式図である。ここで、図５中の実線は、製品１の縦壁部１１の形状を示し、点線は、中間品２の縦壁部２１の形状を示している。

図５において、製品１の縦壁部１１の湾曲部の長さをＬ［ｍ］、中間品２の縦壁部２１の湾曲部２１ａに配置したエンボス２１ｃの長手方向の線長をＬ’［ｍ］とすると、１＜Ｌ’/Ｌ＜１．２の条件になるようにエンボス形状を設計することで、スプリングバックを大幅に低減することができる。

Ｌ’/Ｌが１以下であると、２回目のプレス成形工程でエンボスの押込みができないため、湾曲部２１ａに圧縮応力を発生させることができず、Ｌ’/Ｌが１．２以上になるとエンボスの押込み跡が残りやすくなるので、上記の範囲とすることが好ましい。

本発明は、製品１の縦壁部１１に発生する引張り応力と圧縮応力を変化させることを目的としているので、図４に示すように、エンボス２１ｃを縦壁部２１の長手方向で凹状の湾曲部２１ａ（図５の領域Ｂ）に配置する必要があり、更に、縦壁部２１の長手方向で凸状の湾曲部２１ｂ（図５の領域Ｃ）にもエンボス２１ｄを配置することが望ましい。

図５に示すように、縦壁部２１のうち長手方向で凹状の領域Ｂには、凸形状のエンボス２１ｃを配置し、二回目のプレス成形工程でこのエンボス２１ｃをつぶすことで引張り応力を圧縮応力に変化させることができる。また、縦壁部２１のうち長手方向で凸状の領域Ｃに、凸形状（又は凹形状）のエンボス２１ｄを配置することで、縦壁部の領域Ｃ（ウェブ面）に作用する圧縮応力を引張り応力に変化させることができる。

エンボスとして、凸状のエンボスを用いる場合において、図６に示すように、製品（又は中間品）の長手方向で１又は２以上の凸形状のエンボスＥ１、Ｅ２を用いれば本発明の効果を得ることができる。

また、各エンボスＥ１、Ｅ２の厚さは、製品（又は中間品）の天井部２２（図４参照）側からフランジ部２３（図４参照）側に向かって徐々に厚くすることが好ましい。

また、凹状のエンボスを用いる場合においても、製品（又は中間品）の長手方向で１又は２以上の凹形状のエンボスを用いれば、本発明の効果を得ることができる。

上記（３）に係る発明は、製品のコの字型又はハの字型断面の幅（互いに向かい合う縦壁部の間隔）が、長手方向に異なることを特徴とする。本発明の効果を得るためには、互いに向かい合う２つの縦壁部のうち少なくとも一方の縦壁部が長手方向で湾曲していることが前提にあり、図７に示すような、製品の断面形状の幅が長手方向に異なっている製品においても、同様に本発明の効果を得ることができる。

ここで、図７（ａ）は、製品の外観斜視図であり、図７（ｂ）は、製品の側面図であり、図７（ｃ）は、製品の平面図である。図７に示す数値は、製品の各部における寸法を示している。例えば、製品の縦壁部における凹状の湾曲部（領域Ｂ）の長さＬが３４ｍｍ、この湾曲部の曲率半径が１００Ｒ、凸状の湾曲部（領域Ｃ）の長さＬが３４ｍｍ、この湾曲部の曲率半径が１００Ｒとなっている。

上記（４）に係る発明は、製品が幅方向に湾曲していることを特徴とする。すなわち、図８や図１１に示す製品形状の場合においても、本発明を適用し、上述した本発明の効果を得ることができる。

ここで、図８（ａ）は、製品の外観斜視図であり、図８（ｂ）は、製品の側面図であり、図８（ｃ）は、製品の平面図である。図８に示す数値は、製品の各部における寸法を示している。例えば、製品の縦壁部における凹状の湾曲部（領域Ｂ）の曲率半径が１００Ｒ、凸状の湾曲部（領域Ｃ）の曲率半径が３５０Ｒとなっている。

また、図１１（ａ）は、製品の外観斜視図であり、図１１（ｂ）は、製品の側面図であり、図１１（ｃ）は、製品の平面図である。図１１に示す数値は、製品の各部における寸法を示している。例えば、製品の縦壁部における凹状の湾曲部（領域Ｂ）の長さが３４ｍｍ、曲率半径が１００Ｒ、凸状の湾曲部（領域Ｃ）の曲率半径が１００Ｒとなっている。

ここで、製品の断面形状（製品の長手方向と直交する面で切断したときの形状）については、図９に示す様々な断面形状を用いることができ、これらの断面形状においても、本発明を適用でき、上述した本発明の効果を得ることができる。図９に示すＳ１〜Ｓ８は、互いに異なる製品の断面形状を示す。Ｓ１、Ｓ３〜Ｓ５、Ｓ７、Ｓ８については、フランジ部が形成されている。

上記（５）に係る発明は、製品のフランジ部及び／又は天井部の稜線（縦壁部との境界線）が水平方向及び／又は垂直方向に連続的な曲率又は不連続な曲率を有することを特徴とする。すなわち、図１０に例示するように、水平方向に製品が不連続に曲がっている形状においても、本発明を適用でき、上述した本発明の効果を得ることができる。

ここで、図１０（ａ）は、製品の外観斜視図であり、図１０（ｂ）は、製品の側面図であり、図１０（ｃ）は、製品の平面図である。図１０に示す数値は、製品の各部における寸法を示している。例えば、製品の縦壁部における凹状の湾曲部（領域Ｂ）の曲率半径が１００Ｒ、凸状の湾曲部（領域Ｃ）の曲率半径が３５０Ｒとなっている。図１０に示す製品では、凹状の湾曲部および凸状の湾曲部が、互いに向かい合う位置に形成されておらず、製品の長手方向において互いに異なる位置に形成されている。

上記（６）に係る発明は、製品の垂直断面（製品の長手方向と直交する面）において、両側の縦壁部（互いに向かい合う縦壁部）の高さが互いに異なることを特徴とする。すなわち、図９のＳ３やＳ７に示すような製品の断面形状においても、本発明を適用でき、上述した本発明の効果を得ることができる。

本発明例として、板厚１．２ｍｍで、引張り強さ５９０ＭＰａ級の鋼板を用いたプレス成形を実施した。本発明の効果について検討するため、１回目のプレス成形工程でエンボス成形を行い、２回目のプレス成形工程で中間品の縦壁部の湾曲部（領域Ｂ）に配置した凸形状のエンボスのみをつぶす成形を行った。その後、最終的な製品の縦壁部（ウェブ面）のキャンバー量を測定した。比較例として、エンボスを配置せずに１回でプレス成形工程を完了させたプレス成形も実施した。エンボスの配置部位は、図４に示す中間品２の縦壁部２１の長手方向で凹状の湾曲部２１ａに１個の凸形状のエンボス２１ｃを設け、縦壁部２１の長手方向で凸状の湾曲部２１ｂに１個の凸形状のエンボス２１ｄをそれぞれ設けた。また、図４において、縦壁部（ウェブ面）の長手方向で凹状の湾曲部２１ａのみに１個の凸形状のエンボス２１ｃを設けたものも同様に試験を行った。

製品形状は図７に示す形状とし、キャンバーに及ぼすエンボス線長とエンボス形状の影響について検討した。製品の断面形状は、図９のＳ１とした。

評価項目は、図１２に示すスプリングバック前後での製品のウェブ面端部のパンチ肩Ｒ止まりにおける変位量Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４をそれぞれ測定し、その平均値を求めた。図１２において、実線は、スプリングバック前の製品の形状、言い換えれば、設計上での形状を示し、点線は、スプリングバックが生じたときの製品の形状を示す。ここで、変位量はウェブ面に対して、上方向への変位をプラス、下方向への変位をマイナスとして評価した。

実施例２として、実施例１と同一の鋼種を用いて、図７の製品形状が得られるようにプレス成形を実施した。本発明の効果について検討するため、キャンバーに及ぼす製品の断面形状の影響について検討した。製品の断面形状は図９のＳ１からＳ８とし、エンボス形状は図６のＥ１とし、評価項目については上記と同一とした。比較例としては、上記と同一の製品形状を１回だけのプレス成形によって成形した。

実施例３として、実施例１と同一の鋼種を用いて、さまざまな製品形状（図７，８，１０，１１に示す形状）が得られるようにプレス成形を実施した。本発明の効果について検討するため、キャンバーに及ぼす部品形状の影響について検討した。製品の断面形状は図９のＳ１、エンボス形状は図６のＥ１とし、評価項目については上記と同一とした。比較例としては、上記と同一の製品形状を１回だけのプレス成形によって成形した。

上記実施例１〜３の測定結果を表１〜３に示す。表１〜３に示す測定結果から明らかなように、本実施例によれば、比較例よりもスプリングバックによる変位量が小さくなっていることが分かる。

このため、本発明によれば、比較例よりも寸法精度が向上し、良好な寸法精度に優れる製品を得ることができた。

ねじれを説明する模式図を示す。 ねじれのメカニズムを説明する製品の模式図を示す。 ねじれのメカニズム（応力状況）を説明する製品のウェブ断面図を示す。 本発明を説明する製品の模式図を示す。 本発明を説明する製品の縦壁部の断面図を示す。 本発明に適用可能なエンボス形状図を示す。 本発明の効果が得られる部品形状（ａ）全体図、（ｂ）側面図、（ｃ）平面図を示す。 本発明の効果が得られる部品形状（ａ）全体図、（ｂ）側面図、（ｃ）平面図を示す。 本発明の効果が得られる製品の断面形状を示す。 本発明の効果が得られる部品形状（ａ）全体図、（ｂ）側面図、（ｃ）平面図を示す。 本発明の効果が得られる部品形状（ａ）全体図、（ｂ）側面図、（ｃ）平面図を示す。 ねじれの測定項目を説明する模式図を示す。

符号の説明

１ 製品
１１ 縦壁部
２ 中間品
２１ 縦壁部
２１ａ 凹状の湾曲部
２１ｂ 凸状の湾曲部
２１ｃ、２１ｄ エンボス
２２ 天井部
２３ フランジ部
Ａ 製品の縦壁部のストレート部
Ｂ 製品の縦壁部の長手方向で凹状の湾曲部
Ｃ 製品の縦壁部の長手方向で凸状の湾曲部
Ｌ’中間品の縦壁部の湾曲部に設けたエンボスの長手方向の長さ
Ｌ 縦壁部の湾曲部の長手方向の長さ

Claims (6)

1. コの字型又はハの字型断面形状を有し、長手方向に縦壁部が凹状および凸状に湾曲する金属製の製品を成形する多段プレス成形方法であって、
   １回目のプレス成形工程で製品の縦壁部の長手方向で凹状および凸状の湾曲部に相当する位置に、前記縦壁部の一端に位置する天井部側から前記縦壁部の他端に位置するフランジ部側に向かって厚くなる凸形状のエンボスを１又は複数設けた中間品を成形し、
   ２回目のプレス成形工程で前記凹状および前記凸状の湾曲部の前記エンボスの成形後の厚さが０．２ｍｍ以下となるように押圧しつつ、製品形状へ成形することを特徴とする、形状凍結性に優れた多段プレス成形方法。
2. 前記製品の縦壁部の湾曲部の長手方向の長さをＬ[ｍ]、前記中間品の縦壁部の湾曲部に設けた前記エンボスの長手方向の長さをＬ’[ｍ]とした時に、１＜Ｌ’/Ｌ＜１．２の条件となるように前記中間品を成形することを特徴とする、請求項１に記載の形状凍結性に優れた多段プレス成形方法。
3. 前記製品のコの字型又はハの字型断面の幅が、長手方向に異なることを特徴とする請求項１又は２に記載の形状凍結性に優れた多段プレス成形方法。
4. 製品が幅方向に湾曲していることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の形状凍結性に優れた多段プレス成形方法。
5. 前記製品のフランジ部及び／又は天井部の稜線が水平方向及び／又は垂直方向に連続的な曲率又は不連続な曲率を有することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の形状凍結性に優れた多段プレス成形方法。
6. 前記製品の垂直断面において、両側の縦壁部の高さが互いに異なることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の形状凍結性に優れた多段プレス成形方法。

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