JP4711396B2

JP4711396B2 - 高強度鋼板の打ち抜き加工方法

Info

Publication number: JP4711396B2
Application number: JP2005041485A
Authority: JP
Inventors: 阿部　　雅之; 和久楠見; 雄三高橋; 展弘藤田; 寛哲佐藤; 俊之神田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2005-02-18
Filing date: 2005-02-18
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2025-02-18
Also published as: JP2006224151A

Description

本発明は主に、薄鋼板を自動車等の部品などとして用いるために、所定の輪郭に打ち抜く技術に関するものである。

薄鋼板は自動車の部品として成形加工される際、多くの場合打ち抜き加工が施される。また、近年、これらの部品は地球環境問題に端を発した自動車の軽量化ニーズにより、より高強度化を求められるようになってきている。一般に鋼板を高強度化していくと伸びやｒ値が低下して成形性が低下し、特に引張強度が５００ＭＰａを超えるような鋼板では打ち抜き穴の穴広げ性が低下したり、１０００ＭＰａを超えるような高強度鋼板では延性の低下に伴い打ち抜き端部の残留応力が高く、水素脆化（置き割れ、耐遅れ破壊とも呼ばれることがある）が生じやすくなる。

図８は、従来の打ち抜きに用いられる金型、及び、打ち抜き時の材料変形の状態を示す模式図である。図８（ａ）は被加工材３を打ち抜くに際し、ポンチ１がダイ２の方向に移動する状態を示し、図８（ｂ）はポンチ１がポンチ移動方向５のような移動が行われ、被加工材剪断部７と被加工材被剪断部８とに、打ち抜き工程による材料の変形が起こり、図中に示されるような硬化層６に大きな圧縮または引張の歪が加わるため、そこの材料が著しく硬化し、この硬化部の延性の劣化により端面の延性が劣化し、打ち抜き穴の穴広げ性が著しく劣化したり、端面に存在する残留応力が高くなる。なお、符号４は切刃を示す。

この硬化層６による端面延性劣化や残留応力の程度は、一般的に引張強度が高く延性が低下する高強度鋼板ほど大きくなる。穴広げの場合、実部品の成形に要求される穴拡げ値は概ね６５％程度であり、高強度鋼板においてこの値を上回る穴拡げ値を得ることが求められる。
上記に対して、本発明者らは特願２００３−２０７８０６号（特許文献１）にて、ポンチかつ／またはダイの切刃部の先端部に凸状の形状を有する曲げ刃を有し、かつ曲げ刃肩部の曲率半径が０．２ｍｍ以上であり、かつ／または曲げ刃肩部角度が１００度以上１７０度以下であることを特徴とする打ち抜き用工具を用いることにより、穴広げ性を改善できることを開示した。

一方、更なる高強度化ニーズに対し、ダイクエンチやホットプレスと言われ、特開２００３−３４８４４号公報（特許文献２）に開示されるように特定成分の鋼板をオーステナイト単相域に加熱し、その後のプレス金型による成形と冷却過程において硬質相に変態させ形状凍結性と強度を兼ね備えた１４７０ＭＰａ級高強度鋼板では、上記の穴広げ性とは別の課題が存在する。このホットプレス工法にて製造された１４７０ＭＰａ級鋼板は成形と同時に金型にて冷却してマルテンサイト変態させ強化しているもので、加工後に変態させるため通常の冷間プレス材のような加工による残留応力が殆どないのが大きな特徴とされる。

しかし、部品の２次加工、例えばせん断や打ち抜きを行うと打ち抜き端部での残留応力が高くなり、特に引張の残留応力が存在する部分にては環境から侵入する水素により遅れ破壊が生じることがある。この遅れ破壊は環境から侵入する水素量と鋼材にかかる応力や残留応力との関係でその発生危険度は変わり、一概に水素量や負荷応力で決まるものではないが、例えば、松山晋作著：「遅れ破壊」日刊工業新聞社（１９８９）（非特許文献１）のＰ７０に示されるように、１５００ＭＰａ程度での許容水素量は１０００ＭＰａ程度に比べ約１０分の１であり、水素の許容範囲を大きくするためにも負荷応力や残留応力を低減させることが重要である。

本発明者らは上述の特願２００３−２０７８０６号にて開示した技術をもとに、１４７０ＭＰａ級の鋼板の残留応力低減について、種々検討を行い遅れ破壊性を改善するための打ち抜き時の残留応力低減方法を確立した。

特願２００３−２０７８０６号特開２００３−３４８４４号公報松山晋作著：「遅れ破壊」日刊工業新聞社（１９８９）

自動車等に使用されるようになってきた１４７０ＭＰａ級のような高強度材においては従来から知られているように遅れ破壊という本質的な課題がある。この水素脆化は冷延鋼板のみならず、アルミめっきや亜鉛めっきを施しためっき鋼板もその対象となる。ホットプレスされた１５００ＭＰａ級鋼板の耐遅れ破壊特性を低下させないためには、素材に侵入する水素量を下げることに加え、残留応力等の負荷応力をできるだけ下げることが望ましく、打ち抜き加工端面の遅れ破壊を防止する観点からは引張残留応力を１０００ＭＰａ以下に下げられれば水素の許容量も１０００ＭＰａ級の鋼板に近くなるものと考えられる。本発明は、上記に鑑み、鋼板のせん断加工や打ち抜き穴での残留応力を低減し、耐遅れ破壊性の劣化を防止する発明を提供するものである。

本発明は以下をその要旨とする。
被加工材となる１５００ＭＰａ級の鋼板またはホットプレスされた１５００ＭＰａ級の鋼板をダイ及びポンチを用いて剪断部及び被剪断部に切断することにより被加工材を所定形状とする打ち抜き用工具において、ポンチかつ／またはダイの切刃部の先端部に、凸部の形状を有する曲げ刃を有し、かつ、曲げ刃肩部の曲率半径が０．２ｍｍ以上であり、かつ曲げ刃肩部角度が１００度以上１７０度以下である打ち抜き用工具を用いてクリアランスを２５％以下とすることを特徴とする鋼板打ち抜き方法にある。

本発明によれば、自動車部品等として高強度鋼板を適用でき、自動車軽量化、ひいては省エネルギーに寄与する極めて優れた効果を奏するものである。

以下、本発明について図面に従って詳細に説明する。
本発明者らは、上記課題に鑑み、ポンチ形状を図１に示す曲げ刃Ａ及び切刃Ｂの二段構造とすることにより打ち抜き端面の残留応力を低減できることを知見した。この理由については次のように考えられる。通常のうち抜きでは、従来の打ち抜きに用いられる金型、及び、打ち抜き時の材料変形の状態を示す模式図である図８に示される、ポンチ１とダイ２による変形が加わる部分（硬化層６）に大きな引張りまたは圧縮の歪が加わり、このため、そこが著しく加工硬化するため、端面の延性が劣化する。

しかし、ポンチ形状を、本発明の打ち抜きに用いる金型の模式図である、図１に示すような切刃Ｂ及び曲げ刃Ａからなる二段構造として、本発明の打ち抜き時の材料変形挙動を示す模式図である図２のように、切刃Ｂで切断される部分（材料切断部Ｍ）に曲げ刃Ａにより引張応力を与えた場合は、切刃Ｂ及びダイ肩より発生した亀裂の進展が引張応力により促進され、材料が圧縮されることなく切刃Ｂにより切断されるため、打ち抜き後の引張残留応力が低くなり、環境から侵入する水素の許容量が下がるのを抑制する。

更に、本発明者らは、曲げ刃の形状について更に詳細な検討を加え、曲げ刃形状を所定の形状としないと十分な残留応力低減効果が得られないことを知見した。即ち、曲げ刃Ａの形状が所定形状でない場合、曲げ刃Ａにより材料が切断されるため、切り刃Ｂで切断される部分Ｍに十分な曲げによる引張応力を与えることができない。しかし、曲げ刃形状を、曲げ刃自体による材料の切断が行われない形状とすることにより残留応力が低減できることを知見した。

図３に、厚さ２．０ｍｍのＴＳ１４７０ＭＰａ級の焼入れ鋼板を用いて、曲げ刃の高さＨｐを０．３ｍｍ、クリアランス５％、曲げ刃縦壁角度θｐを９０度として、曲げ刃Ａの肩部に所定の曲率半径Ｒｐを付けた場合の曲率半径Ｒｐと残留応力の関係を示す。曲率半径が０．２ｍｍ以上になると残留応力が低減することが判明した。ここで残留応力は切断面についてＸ線回折法により格子間距離の変化を測定することにより求めた。

測定面積は１ｍｍ角領域とし、切断面板厚中心を測定した。ポンチを用いた穴あけの場合、切断面に対して垂直方向からＸ線を照射することはできないため、板厚方向の残留応力を測定できるようにＸ線照射角度を変化させて測定した。また、ここでクリアランスは、ポンチとダイの間隔Ｃ／板厚ｔ×１００（％）である。その他の打ち抜き条件は、ポンチ径Ａｐ＝２０ｍｍ、切刃端部Ｐと曲げ刃立ち上げ位置Ｄの距離Ｄｐ＝１．０ｍｍの条件である。

また、図４に、厚さ１．８ｍｍのＴＳ１４７０ＭＰａ級の焼入れ鋼板を用いて、曲げ刃の高さＨｐを０．３ｍｍ、クリアランス５．６％、曲げ刃肩曲率半径を０．２ｍｍとして曲げ刃Ａの縦壁部に所定の角度θｐを付けた場合の角度θｐと残留応力の関係を示す。これより、曲げ刃縦壁部角度θｐを１００度以上１７０度以下とすることにより残留応力が低減することが分かる。その他の打ち抜き条件は、ポンチ径Ａｐ＝２０ｍｍ、切刃端部Ｐと曲げ刃立ち上げ位置Ｄの距離Ｄｐ＝１．０ｍｍの条件である。

図５に、厚さ１．４ｍｍのＴＳ１４７０ＭＰａ級の焼入れ鋼板を用いて、曲げ刃Ａの肩部の曲率半径Ｒｐを０．３ｍｍ、曲げ刃Ａの縦壁部の角度θｐを１３５度、クリアランスを７．１％の条件において、曲げ刃の高さＨｐを０．３〜３ｍｍとした場合の曲げ刃の高さと残留応力の関係を示す。これより、曲げ刃肩曲率半径Ｒｐを０．２ｍｍ以上とし、または、曲げ刃縦壁部角度θｐを１００度以上１７０度以下とすることにより、曲げ刃がないＨｐ＝０の通常の場合に比べて残留応力が低減することが分かる。その他の打ち抜き条件は、ポンチ径Ａｐ＝２０ｍｍ、切刃端部Ｐと曲げ刃立ち上げ位置Ｄの距離Ｄｐ＝１．０ｍｍの条件である。

また、図６に厚さ１．６ｍｍのＴＳ１４７０ＭＰａ級の焼入れ鋼板を用いて、曲げ刃Ａの肩部の曲率半径Ｒｐを０．３ｍｍ、曲げ刃Ａの縦壁部の角度θｐを１３５度、曲げ刃の高さＨｐを０．３ｍｍとした条件において、残留応力に及ぼす打ち抜きクリアランスの影響を示す。その他の打ち抜き条件は、ポンチ径Ａｐ＝２０ｍｍ、切刃端部Ｐと曲げ刃立ち上げ位置Ｄの距離Ｄｐ＝１．０ｍｍの条件である。クリアランスも残留応力に影響し、クリアランスが２５％を超えて大きくなると残留応力も大きくなる。これは曲げ刃による引張効果が小さくなるものと考えら、クリアランスとしてはクリアランスを２５％以下にすることが必要である。

本発明は以上の検討を元に為されたものであり、以下をその要件とする。本発明に用いる打ち抜きポンチまたはダイは、曲げ刃部Ａ及び切刃部Ｂの二段構造とする必要がある。これは、切刃Ｂにて被加工材を剪断する前に曲げ刃Ａにて被加工材の切断部Ｍに引張応力を与え、切断後の被加工材の切断端面に残留する引張の残留応力を低減するためである。曲げ肩曲率半径Ｒｐは、０．２ｍｍ以上とする必要がある。これは、曲げ肩曲率半径Ｒｐが０．２ｍｍ以下であると被加工材が曲げ刃Ａにより剪断され、切刃Ｂにより剪断される部分Ｍに十分な引張応力を与えることができないためである。

曲げ刃肩角度θｐを１００度以上、１７０度以下とする必要がある。これは、曲げ刃肩角度θｐが１００度未満であると、曲げ刃Ａにより材料が剪断されるため切刃Ｂにより剪断される部分Ｍに十分な引張応力を与えることができず、また、曲げ刃肩角度θｐが１７０度を超えると、切刃Ｂにより剪断される部分に十分な引張応力を与えることができないためである。

以上の曲げ刃肩曲率半径Ｒｐ及び曲げ刃肩角度θｐに関する条件は、どちらか一方が満たされることにより大きな効果が得られるが、両者が満たされた場合金型に接触する材料の接触面圧が軽減されるため金型磨耗が抑えられる。従って、メンテナンス上は両条件が満たされることが好ましい。また、通常の打ち抜きでは、通常適宜ダイに材料を固定するために板押さえを用いるが、本発明の打ち抜き方法においても、板押さえは適宜用いてもよい。しわ押さえ荷重（板押さえから材料に掛かる荷重）は、特に残留応力には大きく影響しないので通常用いられる範囲でよい。

ポンチ速度も通常工業的に用いられる範囲、例えば０．０１ｍ／ｓｅｃ〜数ｍ／ｓｅｃ等に変化しても残留応力に対し大きな影響は与えないので、いかなる値でも良い。また、多くの場合、打ち抜き工程では金型の磨耗を抑制するため、金型または材料に潤滑油が塗布されるが、本発明においても、そのために適宜潤滑油を用いてもよい。
また、曲げ刃Ａにより十分な引張応力を与えるためには、曲げ刃高さＨｐは、被加工材の板厚の１０％以上とすることが好ましい。

また、切刃端部Ｐと曲げ刃の立ち上がり位置Ｑの間隔Ｄｐは０．１ｍｍ以上とすることが好ましい。これは、この間隔がこれ以下の場合、切刃Ｂによる被加工材の剪断の際、通常切刃肩部近傍より発生する亀裂が発生しにくくなり切刃による切断位置に歪が加わるためである。また、本発明のポンチにおいて、切刃端部Ｐと曲げ刃の立ち上がり位置Ｑの間の部分や曲げ刃Ａの底面部分や曲げ刃Ａの縦壁部分は、ポンチの製作上平坦形状が好ましいが、若干の凹凸があっても上述の要件を満たしていれば効果は同じである。

本発明は、従来の切り刃Ｂのみのポンチに更に曲げ刃Ａを付けることにより打ち抜き時の端面残留応力を低減するものであるが、曲げ刃Ａを付け、更により曲げ刃高さＨｐを高くすることにより、切り刃Ｂと被加工材が接触する面圧が下がるため、切り刃端部Ｐの磨耗量も低減されが、Ｈｐが高すぎると切り刃Ｂと被加工材が接触する前に曲げ刃Ａと切刃Ｂの間で材料が破断し、効果が得られない場合もあるため、そのような場合は曲げ刃高さＨｐを概ね１０ｍｍ以下とすることが好ましい。

本発明において、曲げ刃肩部曲率半径Ｒｐに特に上限はないが、ポンチのサイズによっては曲率半径Ｒｐが大きすぎると曲げ刃高さＨｐを大きくすることが困難となるので、５ｍｍ以下が好ましい。
以上ではポンチのみに曲げ刃を付けた場合の効果について説明したが、ポンチ及びダイの両方に曲げ刃を付けた場合やダイのみに曲げ刃を付けた場合も、以上で説明したポンチのみに曲げ刃を付けた場合と同じ材料に引張応力を与える効果を有するため、同様の効果が得られる。それらの場合の曲げ刃寸法に関する制約は、以上で説明したポンチのみに曲げ刃を付けた場合の制約と同じである。

表１に示す成分のアルミめっき鋼板（厚み１．６ｍｍ）を９５０℃にて１分間保定後、８００℃で平板金型にて焼入れし、供試材を作成した。供試材の強度はＴＳ＝１５４０ＭＰａ、ＹＰ＝１１２０ＭＰａ、Ｔ−Ｅｌ＝６％である。この鋼板に、図７に示すタイプＡ〜Ｄのの金型を用いて、表２に示す条件にて穴あけ加工した。打ち抜きクリアランスは、５〜４０％の範囲で調整した。この後、打ち抜き断面の残留応力を前述したＸ線回折法により測定した。その結果を表２に条件とともに示す。

Ｎｏ．１は、Ａタイプの金型を用いた従来の打ち抜き試験で本発明による打ち抜きによる残留応力の基準となる水準であり、鋼板強度に近い高い引張の残留応力が発生している。Ｂタイプの金型を用いた試験では、Ｎｏ．２において曲げ刃肩部の角度θｐが大きく、かつ曲げ刃肩曲率半径Ｒｐが小さく、残留応力の低減効果が小さい。Ｎｏ．３は、クリアランスが大きく、残留応力の低減効果が小さい。Ｎｏ．４は、曲げ刃肩部θｐの角度が小さく、かつ曲げ刃肩曲率半径Ｒｐが小さい。このため、この打ち抜きにより得られる穴拡げ値は従来法と比べ改善されていない。

Ｃタイプの金型を用いた試験において、Ｎｏ．９はポンチが通常のポンチであり、かつダイの突起の肩部角度θｄ、肩部曲率半径Ｒｄが所定の条件を満たしていないため、残留応力の低減効果が認められない。Ｎｏ．１０は、クリアランスが大きく、残留応力の低減効果が小さい。

Ｄタイプの金型を用いた試験において、Ｎｏ．１４は、ポンチの突起の肩部角度θｐ、肩部曲率半径Ｒｐ、ダイの突起の肩部角度θｄ、肩部曲率半径Ｒｄが所定の条件を満たしていないため、残留応力の低減効果が見られない。またＮｏ．１５は、クリアランスが大きく、残留応力の低減効果が小さい。
上記以外の、Ｎｏ．５、６、７、８、１１、１２、１３、１６、１７、１８は本発明の条件を満たし、打ち抜き断面での残留応力低減効果が認められた。

本発明の打ち抜きに用いる金型の模式図である。本発明の打ち抜き時の材料変形挙動を示す模式図である。曲げ刃曲率半径Ｒｐと残留応力の関係を示す図である。曲げ刃縦壁角度θｐと残留応力値の関係を示す図である。曲げ刃高さＨｐと残留応力の関係を示す図である。クリアランスと残留応力の関係を示す図である。打ち抜きに用いる金型の模式図である。従来の打ち抜きに用いられる金型、及び、打ち抜き時の材料変形の状態を示す模式図である。

符号の説明

１ポンチ
２ダイ
３被加工材
４切刃
５ポンチ移動方向
６硬化層
７被加工材剪断部
８被加工材被剪断部
９板押さえ
１０ポンチ径Ａｐ
１１曲げ刃底面部
１２曲げ刃縦壁部
１３ダイ穴内径Ａｄ
Ａ曲げ刃
Ｂ切刃
Ｃポンチ−ダイ間間隔
Ｄｐポンチ曲げ刃切り刃間隔
Ｒｐポンチ曲げ刃肩部曲率半径
θｐポンチ曲げ刃肩部角度
Ｈｐポンチ曲げ刃高さ
Ｄｄダイ曲げ刃切り刃間隔
Ｒｄダイ曲げ刃肩部曲率半径
θｄダイ曲げ刃肩部角度
Ｈｄダイ曲げ刃高さ

特許出願人新日本製鐵株式会社
代理人弁理士椎名彊他１

Claims

被加工材となる１５００ＭＰａ級の鋼板またはホットプレスされた１５００ＭＰａ級の鋼板をダイ及びポンチを用いて剪断部及び被剪断部に切断することにより被加工材を所定形状とする打ち抜き用工具において、ポンチかつ／またはダイの切刃部の先端部に、凸部の形状を有する曲げ刃を有し、かつ、曲げ刃肩部の曲率半径が０．２ｍｍ以上であり、かつ曲げ刃肩部角度が１００度以上１７０度以下である打ち抜き用工具を用いてクリアランスを２５％以下とすることを特徴とする鋼板打ち抜き方法。