JP4734266B2

JP4734266B2 - プレス成形金型装置およびプレス成形方法

Info

Publication number: JP4734266B2
Application number: JP2007025743A
Authority: JP
Inventors: 俊二樋渡; 規之鈴木; 卓也桑山
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2007-02-05
Filing date: 2007-02-05
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2027-02-05
Also published as: JP2008188634A

Description

本発明は薄板を被加工材とするプレス成形金型装置およびプレス成形方法に係わり、特にプレス成形時の材料流入の異常を検知でき、さらには材料流入を制御できる金型装置および成形方法に関する。

薄板の絞り成形では、材料が流入しすぎると、ダイキャビティ内で材料が余り、しわが発生する。一方、材料流入が不足すると、ダイキャビティ内で材料が不足し、ネッキングや破断が発生する。特許文献１ではパルスジェネレーターを接続した車輪を材料に押し付けて材料流入量を測定する材料流入量測定手段が開示されている。

また、材料の流入量に影響する因子として金型と材料の間に発生する摩擦力があるが、特許文献２ではダイ肩に摩擦力測定手段を有する金型装置とそれを用いて摩擦力が所定範囲となるようにしわ押さえ圧を制御するプレス成形方法が開示されている。
特開２００３−３１１３４１号公報特開２００４−２４９３６５号公報

特許文献１の発明によれば、材料の流入量を直接、測定できるが、このような材料流入量測定手段を取り付けた金型の製造は非常に煩雑であり、高価となる。また、金型の構造によっては材料流入量測定手段の取り付け位置が制約され、常に成形性に対し重要な位置で測定できるとは限らない。

特許文献２の発明によれば、ダイ肩の摩擦力は測定できるが、材料の流入量は摩擦力だけで決まっているわけではないため、この文献の発明では、必ずしも、材料の流入量を測定できているわけではない。ダイ肩に到達する以前にビードのような凹凸があると、凹凸を通過する際の材料の変形抵抗も流入に影響する。

また、金型に形状が無くても、成形途中で材料にしわが発生し、材料の流入抵抗を増すことがある。したがって、プレス成形中に不具合発生の危険性をモニタリングするには、摩擦抵抗だけでは不十分で、最終的な流入量の過不足を測定するのが好ましい。

本発明は不具合発生と関係の深い材料流入量の異常を検出するプレス成形装置およ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。

係る課題を解決するため、本発明の手段は以下の通りである。
（１）ポンチ、ダイ、およびしわ押さえ金型と、前記ダイまたは前記しわ押さえ金型の内部に取り付けられる接触力測定手段を有し、前記接触力測定手段がダイ肩入り側より材料流入方向外側に位置することを特徴とする薄板のプレス成形金型装置。

（２）ポンチ、ダイ、およびしわ押さえ金型と、前記ダイまたは前記しわ押さえ金型の内部に取り付けられる接触力測定手段を有し、前記ダイ及び前記しわ押えは、一方に絞りビードを、他方に前記絞りビードに対向する凹部を有し、前記接触力測定手段が前記絞りビード及び前記凹部より材料流入方向外側に位置することを特徴とする薄板のプレス成形金型装置。

（３）前記接触力測定手段が圧電素子又は歪ゲージであることを特徴とする（１）又は（２）記載の薄板のプレス成形金型装置。

（４）金型表面から前記接触力測定手段の取り付け位置までの深さをｈ（ｍｍ）としたとき、前記接触力測定手段が、成形下死点での材料端からｈ（ｍｍ）だけ材料流入方向外側に位置する第１の位置より材料流入方向内側の範囲内に位置することを特徴とする（１）〜（３）の何れか１項に記載の薄板のプレス成形金型装置。

（５）接触力測定手段が、成形下死点での材料端からｈ（ｍｍ）だけ材料流入方向内側に位置する第２の位置より材料流入方向外側の範囲内に位置することを特徴とする（４）記載の薄板のプレス成形金型装置。

（６）金型表面から前記接触力測定手段の取り付け位置までの深さをｈ（ｍｍ）としたとき、前記接触力測定手段がダイ肩入り側又は絞りビード入り側からｈ（ｍｍ）だけ材料流入方向外側の範囲内に位置することを特徴とする（１）〜（３）の何れか１項に記載の薄板のプレス成形金型装置。

（７）前記（１）〜（６）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、プレス成形中に前記接触力測定手段によって測定した接触力をしわ押さえ荷重で除した値が所定範囲を超えたとき又は所定範囲を下回ったときに流入量異常と判定することを特徴とするプレス成形方法。

（８）前記（１）〜（６）のいずれか１項に記載のプレス金型装置を用いたプレス成形方法であって、前記接触力測定手段によって測定した接触力をしわ押さえ荷重で除した値が所定範囲となるようにポンチ又はダイの加圧力、しわ押さえ荷重の何れか１種以上を調節しながらプレス成形することを特徴とするプレス成形方法。

本発明により、プレス成形時の材料の流入量異常を検知することができ、プレス後のしわ、ネッキング、破断などの不具合を検査する対象を、流入量異常を示した製品に絞り込むことが可能となる。また、これをプレス条件の制御に使うことで成形不具合の発生を防止できる。すなわち、プレス成形から品質検査・出荷までの生産性を大きく高めることができる。

以下に図面を用いて詳細を説明する。

前記（１）記載の本発明に係るプレス成形金型装置の断面図を図１または図２に示す。図１は単動プレス機を使用する場合の金型装置であり、図２は複動プレスを使用する場合であるが、いずれもポンチ１、ダイ２、しわ押さえ金型３からなる。被加工材４はダイ２としわ押さえ金型３に挟まれた状態でポンチ１に押し付けられ、張力がかかった状態で所定の形状に加工される。

その際に、ダイ２としわ押さえ金型３間の材料はダイキャビティに向かって流入する。流入が小さすぎると材料に張力がかかり過ぎていることになり、材料にネッキングや破断が発生しやすい。また、流入が大きすぎると、張力の不足により、しわが発生しやすい。

また、プレス成形中に材料にかかる張力は、金型から材料を取り出したときに発生するスプリングバックにも影響し、成形品の寸法精度を確保する上でも重要となる。したがって、不具合のないプレス成形を行うためには、材料にかかる張力をコントロールすることが重要であり、そのために、しわ押さえ圧や絞りビードなどで材料の流入抵抗を増減させている。材料の流入抵抗を増減した結果、ダイ２としわ押さえ金型３の間に存在する材料の残り量が変化する。

本発明者らは、この材料の残り量がダイ２またはしわ押さえ金型３の中に取り付けられた接触力測定手段５の出力と相関が高いことを見出した。流入量を検出するためにはダイ２またはしわ押さえ金型３内のダイ肩６の入り側７よりも材用流入方向外側に接触力測定手段５を取り付けることが重要である（前記（１）に係る本発明）。ダイ肩６の入り側７とは、材料端からダイの縦壁部に向かってダイ肩の曲率半径が開始する位置と定義する。

特に、図３に示すように、ダイ肩６の入り側７よりも材料流入方向外側（図３のｘで示す紙面右向きの側）に付けられる絞りビード８と対向する凹部９を用いて材料の流入量を制御する場合があるが、その際は絞りビード８及び凹部９より材料流入方向外側に接触力測定手段５を取り付けると、材料端により近い位置での測定になるので、好ましい（前記（２）に係る本発明）。

このとき、接触力測定手段として、材料との接触にともなう金型の弾性変形を検知できれば特に限定することなく本発明の効果を奏することができるが、取扱いが簡便である点で圧電素子やひずみゲージが好適である（前記（３）に係る本発明）。

さらに、接触力測定手段の取り付け位置が材料の端部に近ければ近いほど、流入量検知の信頼性が増す。金型製作の段階では流入時の材料端部の位置が正確にわからない場合もありえるが、できるだけ信頼性の高い検出のために望ましい取り付け位置を、図３を用いて説明する。

接触力測定手段５（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）の取り付け深さは金型表面に近いほど感度がよいが、金型に穴を開けて取り付ける場合、金型表面に近すぎると金型の強度や耐久性を損なう危険性もある。そこで、ある程度、金型表面から離して取り付ける。その深さをｈ（ｍｍ）とする。

材料端から材料流入方向外側では金型と材料の間に接触力が発生しないため、材料端から材料流入方向外側にｈ（ｍｍ）に位置する第１の位置Ｆ、ｆより材料流入方向外側（図３のＸ，ｘの側）に離れると流入量に対する感度が低下してしまう。そのため、成形下死点での材料端部から材料流入方向外側にｈ（ｍｍ）に位置する第１の位置Ｆ、ｆより材料流入方向内側（図３のＹ、ｙで示す紙面内向きの側）の範囲とすることが好ましい（前記（４）に係る本発明）。

図３の取り付け位置Ａ及びＢは、第１の位置Ｆ、ｆより材料流入方向内側（図３のＹ、ｙの側）で、かつ、成形下死点での材料端から材料流入方向内側（図３のＹ，ｙで示す紙面内向き側）にｈ（ｍｍ）に位置する第２の位置Ｓ，ｓより材料流入方向外側の範囲内に取り付けた例である。材料端から材料流入方向外側に離れる場合ほどではないが、材料端から材料流入方向内側に離れる場合にも、接触力測定手段の感度が下がる。接触力測定の感度を更に上げるためには、接触力測定手段５を第１の位置Ｆ，ｆと第２の位置Ｓ，ｓとの間に設けることが好ましい（前記（５）に係る本発明）。

図３の取り付け位置Ｃは接触力測定手段の位置が絞りビード８の入り側１０からｈ（ｍｍ）だけ材料流入方向外側の範囲内に位置する例である。絞りビード８の入り側１０とは、絞りビードを除く平坦部又は曲面部から絞りビードを形成する曲率半径が開始する位置と定義する。絞りビード８の入り側１０の代わりにダイ肩６の入り側７を基準としてもよい（前記（６）に係る本発明）。

これらは接触力測定手段取り付け時には、未だ、プレス下死点での材料端部の位置がわかっていないか決まっていない場合に、感度を犠牲にしてでも、確実に流入量と相関する情報を得るために好適な位置である。通常、これらの位置ではプレス成形下死点でもしわ押さえ金型とダイの間から材料が抜け出ていないため、接触面積に応じた接触力が確実に発生する。接触面積は材料の残り量に相当するため、流入量との相関を得ることができる。

なお、図３の例に示すように接触力測定手段５の取り付けの方向は限定されない。例えば取り付け位置Ｄは材料端から材料流入方向内側にｈ（ｍｍ）以内に流入方向と平行に取り付けた例である。金型は３次元的に複雑な境界条件にさらされており、表面での接触力は金型内部では位置に応じて多種多様な応力またはひずみとして、接触力測定手段により観測される。

最大主応力（最大主ひずみ）方向の応力（ひずみ）を観測するように配置するのが感度上は好ましいが、最大主応力（最大主ひずみ）方向を事前に知ることは容易でなく、金型装置製作上、現実的な方向に取り付けることを優先してもよい。実際の応力（ひずみ）は多軸状態なので、接触力測定手段の方向に応じた応力（ひずみ）成分が検知できる。

さらに、このようなプレス金型装置を用いて、プレス成形中に接触力を測定しておき、流入量および量産時の品質（板厚減少やネッキング、破断、しわ、寸法精度）との相関を取っておくと品質管理に活用できる。すなわち、接触力をしわ押さえ荷重で除した値が所定範囲を超えたとき又は所定範囲を下回ったときに流入異常と判定することで、プレス成形品の全数検査を避けて、不具合の危険性のあるプレス成形品のみを選択し、検査することができる（前記（７）に係る本発明）。

さらには、接触力出力をしわ押さえ荷重で除した値が所定の範囲内に入るように、ポンチ又はダイの加圧力、しわ押さえ荷重の何れか１種以上のプレス条件を調節し、流入量を安定させることも可能である（前記（８）に係る本発明）。これは接触力測定手段が流入量の異常を検知したときに、その都度、手動でプレス条件を調節してもよいが、サーボ制御プレス機などを用いて接触力測定手段の出力をしわ押さえ荷重で除した値に応じて自動でプレス条件をコントロールさせてもよい。

本発明例として、図４に示すプレス成形品を製造するための金型装置を試作し、薄鋼板に対して様々な潤滑条件、下死点での加圧力、しわ押さえ荷重でプレス成形を行い、流入量と接触力測定手段の出力をしわ押さえ荷重で除した値との相関を評価した。接触力測定手段として圧電素子又は歪ゲージを用いて、表１に示す条件でそれぞれ図４に示すＰ部又はＱ部に対応するダイ又はしわ押さえ金型の内部に１個づつ配置した。

表１にその結果を合わせて示す。

流入量平均値の場合の材料端からの距離は、ブランクホールド時の材料端からの距離を流入量とし、実験したすべての流入量の値の相加平均として求めた。潤滑条件、加圧力、しわ押さえ荷重の組合せとしての個々の条件に対し圧電素子出力を測定し、それをしわ押さえ荷重で除した値を算出した。

また、その条件での流入量と流入量平均値との差を測定し、流入残り量とした。その上で、例えば、No.5に対する図５や、No.3に対する図６に示すように、「圧電素子出力をしわ押さえ荷重で除した値」と「流入残り量」の関係をプロットし、その相関係数を求めたものが表１の相関係数である。No. 1, 3, 5, 6, 7, 8は本発明範囲内であり、流入量との相関係数が0.94以上の高い値となった。

さらにNo.6とNo.3の例に対し、圧電素子出力をしわ押さえ荷重で除した値と流入量と不具合の関係を調べた。図５に示すように、No.6の圧電素子の出力をしわ押さえ荷重で除した値が高いほど、図４のＰ部の流入残り量が多く（流入量が少なく）、ネッキングや破断を発生しやすい。

この場合、圧電素子出力をしわ押さえ荷重で除した値が43を超えたら、ネッキングや破断に着目した検査が必要となることがわかる。また、図６に示すように、No.3の圧電素子出力をしわ押さえ荷重で除した値が高いほど、図４のＱ部の流入残り量が少なく（流入量が多く）、しわが発生しやすい。この場合、圧電素子出力をしわ押さえ荷重で除した値が34を下回ったら、しわに着目した検査が必要になることがわかる。

また、No.6の条件に対し、図４の開き幅の金型寸法からのずれを開きとし、流入残り量との相関を調べたものが図７である。開きを0.8ｍｍ以内に抑えるためには流入残り量の平均値との差を-1.2mm以上とする必要がある。図５を参考にして、No.6の圧電素子出力をしわ押さえ荷重で除した値との関係を調べたところ、ネッキングや破断を避けつつ、開きを0.8ｍｍ以内に抑えるためには、圧電素子出力をしわ押さえ荷重で除した値を32〜42の間に入れればよいことがわかる。

そこで、ポンチの加圧力としわ押さえ荷重の何れか１種以上を調整してこれを達成した事例を表２に示した。

このように、接触力の出力を用いた制御により、プレス成形不具合の回避が可能となる。なお、ここでは複動プレス機を用いたのでポンチの加圧力を調整しているが、単動プレス機を用いる場合、ダイの加圧力を調整することで同様の効果が期待できる。

単動プレス機を使用する場合のプレス金型装置の断面図を示す。複動プレス機を使用する場合のプレス金型装置の断面図を示す。接触力測定手段の取り付け位置の例（複動プレス機用の金型装置の場合）を示す。実施例で使用したプレス成形品の外観図を示す。接触力出力をしわ押さえ荷重で除した値と流入量とネッキング、破断との関係を示す。接触力出力をしわ押さえ荷重で除した値と流入量としわとの関係を示す。流入量と開きの関係を示す。

符号の説明

１ポンチ
２ダイ
３しわ押え金型
４被加工材（薄板）
５Ａ，Ｂ、Ｃ、Ｄ接触力測定手段
６ダイ肩
７ダイ肩の入り側
８絞りビード
９凹部
１０絞りビードの入り側
Ｆ、ｆ第１の位置
Ｓ，ｓ第２の位置
Ｘ、ｘ材料流入方向外側
Ｙ，ｙ材料流入方向内側

Claims

ポンチ、ダイ、およびしわ押さえ金型と、前記ダイまたは前記しわ押さえ金型の内部に取り付けられる接触力測定手段を有し、前記接触力測定手段がダイ肩入り側より材料流入方向外側に位置することを特徴とする薄板のプレス成形金型装置。
ポンチ、ダイ、およびしわ押さえ金型と、前記ダイまたは前記しわ押さえ金型の内部に取り付けられる接触力測定手段を有し、前記ダイ及び前記しわ押えは、一方に絞りビードを、他方に前記絞りビードに対向する凹部を有し、前記接触力測定手段が前記絞りビード及び前記凹部より材料流入方向外側に位置することを特徴とする薄板のプレス成形金型装置。
前記接触力測定手段が圧電素子又は歪ゲージであ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成形金型装置。
金型表面から前記接触力測定手段の取り付け位置までの深さをｈ（ｍｍ）としたとき、前記接触力測定手段が、成形下死点での材料端からｈ（ｍｍ）だけ材料流入方向外側に位置する第１の位置より材料流入方向内側の範囲内に位置する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成形金型装置。
前記接触力測定手段が、成形下死点での材料端からｈ（ｍｍ）だけ材料流入方向内側に位置する第２の位置より材料流入方向外側の範囲内に位置することを特徴とする請求項４記載の薄板のプレス成形金型装置。
金型表面から前記接触力測定手段の取り付け位置までの深さをｈ（ｍｍ）としたとき、前記接触力測定手段がダイ肩入り側又は絞りビード入り側からｈ（ｍｍ）だけ材料流入方向外側の範囲内に位置する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成形金型装置。
請求項１〜６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、プレス成形中に前記接触力測定手段によって測定した接触力をしわ押さえ荷重で除した値が所定範囲を超えたとき又は所定範囲を下回ったときに流入異常と判定することを特徴とするプレス成形方法。
請求項１〜６のいずれか１項に記載のプレス金型装置を用いたプレス成形方法であって、前記接触力測定手段によって測定した接触力をしわ押さえ荷重で除した値が所定範囲となるようにポンチ又はダイの加圧力、しわ押さえ荷重の何れか１種以上を調節しながらプレス成形することを特徴とするプレス成形方法。