JP4814829B2 - 薄板プレス成形における金属板の伸びフランジ性評価試験方法 - Google Patents

Description

本発明は主に、金属板をプレス成形加工することにより自動車用部品を設計・製造するにあたり、伸びフランジ割れを回避する設計形状を評価するための技術に関するものである。

金属薄板のプレス成形加工により自動車部品を製造する際の成形不具合として、伸びフランジ割れが知られている。伸びフランジ割れは薄板の縁部が伸ばされて割れが発生する破断現象である。従来割れ評価に利用されてきた球頭パンチ張出成形や円筒パンチ張出成形により得られる成形限界線図（FLD）は板内部の破断現象を取り扱っているため、伸びフランジ割れの評価には適さない。

伸びフランジ成形性の評価方法として穴拡げ試験が一般的に利用されるが、穴拡げ試験では円形のフランジ縁部がより大きな円へと伸ばされる伸びフランジ変形が発生する。穴縁の輪郭曲線は小さな円から大きな円への等方的かつ周方向に一様な変形を受けるため、図１（ａ）のごとく軸対称なひずみ分布を生ずる。しかしながら実際の自動車用部品の伸びフランジ部は丸穴の穴拡げ成形とは異なる非軸対称形状を有する場合が少なくない。例えば図１（ｂ）のごとく伸びフランジ部が直線とそれに連続する湾曲部から成る部品形状の場合、フランジ縁部の伸び変形は特定箇所にひずみが集中する非一様なひずみ分布を生じる。このような伸びフランジ変形は穴拡げ試験の一様変形状態とは異なるため、従来の穴拡げ試験ではこの実部品における非軸対称変形の影響すなわち形状因子の影響を反映することはできない。

実部品形状を想定した伸びフランジ性評価試験方法としては非特許文献１に挙げられる実部品を模したモデル形状の成形試験がある。この試験では直線部分とコーナーR部とから構成される縁部を有するブランクをプレス成形することにより、実部品伸びフランジ部に近い形状の成形試験を実施可能にしている。しかしながら実際の部品設計や工程設計においては単一形状の割れ有無のみを問題にするのではなく、複数種類考えられる形状の中から伸びフランジ割れを生じない最適形状を選定する必要に迫られるため、形状因子を変化させてその影響を調査することが可能な評価試験方法および評価結果が要求される。

更に同一部品形状の成形においても、ブランクの切り出し加工方法により伸びフランジ成形性が変化することも知られている。例えば打抜き加工によりブランクを作成する場合は打抜きクリアランスにより伸びフランジ性が変化することが知られるし、またレーザー切断でブランクを作成した場合は一般に打抜き加工によるブランクよりも伸びフランジ性が向上する。この影響により、試作段階でレーザー切断したブランクでは割れが認められないが、量産段階で打抜きブランクの成形を実施すると伸びフランジ割れが発生し問題化する事例が知られる。このため形状因子のみならず量産部品のブランク加工方法すなわち打抜き加工の影響も評価試験に反映する必要があると考えられる。
第57回塑性加工連合講演会 講演論文集 第137頁

本発明は自動車用実部品の伸びフランジ形状設計指針もしくは設計限界を策定するのに直接利用可能な伸びフランジ性評価結果を得るための評価試験方法を提供することを目的とする。

本発明は以下をその要旨とする。
発明１はパンチ、ダイス及びパッドを用いて、Ｖ字状に切断したコーナーを有する金属製のブランクをプレス成形して金属板の伸びフランジ成形性を評価する試験方法であって、前記ブランクのコーナーの曲率半径Ｒ［ｍｍ］、開き角θ［度］、フランジ高さＨ［ｍｍ］及びブランクの幅Ｗ[ｍｍ]のブランク形状変数のうち少なくとも１種以上を変えて、繰り返しプレス成形を行い、前記ブランク形状変数と伸びフランジ性の評価マップを作成し、成形限界を求めることを特徴とする薄板プレス成形における金属板の伸びフランジ性評価試験方法である。
ただし、伸びフランジ性は直径ａ１［ｍｍ］のスクライブドサークル又は間隔ｂ１［ｍｍ］のグリッドを予めブランクに描いて、試験後の直径をａ２［ｍｍ］、グリッド間隔をｂ２［ｍｍ］としたとき、伸びフランジ性評価値＝（ａ２−ａ１）／ａ１×１００［％］又は（ｂ２−ｂ１）／ｂ１×１００［％］で表される。

発明２はパンチ、ダイス及びパッドを用いて、Ｖ字状に切断したコーナーを有する金属製のブランクをプレス成形して金属板の伸びフランジ成形性を評価する試験方法であって、前記パンチ及び前記ダイスのそれぞれＶ字状を形成するコーナーの曲率半径Ｒｐ、Ｒｄ［ｍｍ］及び開き角θｐ、θｄ［度］、並びに前記パンチ及び前記ダイスの高さＨｐ、Ｈｄ［ｍｍ］の金型形状変数のうち少なくとも１種以上を変えて、繰り返しプレス成形を行い、前記金型形状変数と伸びフランジ性の評価マップを作成し、成形限界を求めることを特徴とする薄板プレス成形における金属板の伸びフランジ性評価試験方法である。
ただし、伸びフランジ性は直径ａ１［ｍｍ］のスクライブドサークル又は間隔ｂ１［ｍｍ］のグリッドを予めブランクに描いて、試験後の直径をａ２［ｍｍ］、グリッド間隔をｂ２［ｍｍ］としたとき、伸びフランジ性評価値＝（ａ２−ａ１）／ａ１×１００［％］又は（ｂ２−ｂ１）／ｂ１×１００［％］で表される。

発明３は金属板をＶ字状に切断したブランクのコーナーの曲率半径Ｒ［ｍｍ］、開き角θ［度］、フランジ高さＨ［ｍｍ］及びブランクの幅Ｗ[ｍｍ]のブランク形状変数のうち少なくとも１種以上を変えて、繰り返しプレス成形を行い、前記ブランク形状変数及び前記金型形状変数と伸びフランジ性の評価マップを作成し、成形限界を求めることを特徴とする前記発明２記載の薄板プレス成形における金属板の伸びフランジ性評価試験方法である。

発明４は前記ブランク形状変数及び前記金型形状変数の何れか又は両方のうち２種以上を変えて繰り返し試験を行い、前記２種以上のうちのいずれか一つの第１の変数と前記２種以上のうちの他の一つの第２の変数で伸びフランジ性又は割れ発生の有無の評価マップを作成し、成形限界を求めることを特徴とする前記発明１〜３の何れか１項に記載の薄板プレス成形における金属板の伸びフランジ性評価試験方法である。

発明５はＶ字状のコーナー部を打抜き加工することによりブランクを作成することを特徴とする前記発明１〜４の何れか１項に記載の薄板プレス成形における金属板の伸びフランジ性評価試験方法である。

発明６は前記コーナー部を打抜き加工する際の打抜きクリアランス及びパッド圧のブランク打抜き条件の何れか又は両方を変えてブランクを作成し、ブランク打抜き条件を含めて成形限界を求めることを特徴とする前記発明５記載の薄板プレス成形における金属板の伸びフランジ性評価試験方法である。

本発明によれば、金属板のプレス成形加工における伸びフランジ性へ形状因子が与える影響を調査するとともに最適形状選定に有効な伸びフランジ性の評価マップを提供でき、かつ実ブランクの打抜き加工方法の影響をも試験結果に反映可能である。このことにより実部品の設計段階において割れを生じない最適な伸びフランジ形状を採用することを容易にし、設計・試作工程の短縮、さらには新製品開発コストの低減に寄与する。

本発明者らは伸びフランジ部の形状変数であるコーナーR、直線部開き角θ、伸びフランジ高さH並びにブランク幅Ｗ[ｍｍ]を変化させて伸びフランジ成形試験を実施することによりこれら形状の影響を定量的に取り込んだ評価結果を得られる方法を発明した。かつ、それらのブランク形状を打抜き加工方法を変えて作成することにより量産加工条件を考慮した評価結果を得られる方法をも発明
した。本発明は以下を要件とする。

本発明１における評価試験方法は図１(b)に示すような非軸対称変形を生じる伸びフランジ部の成形試験を実現するため、図２に示すようにV字状の伸びフランジ部を有するブランクよりモデル成形品をプレス加工により成形する。このブランクの伸びフランジ部形状はコーナーの曲率半径R［mm］、開き角θ［度］、フランジ高さH［mm］並びにブランク幅Ｗ[ｍｍ]の形状変数により規定される。これらブランク形状変数のうち少なくとも1種以上が異なるブランクを複数用意しておき、予めスクライブドサークルまたはグリッドを転写しておく。成形金型によりブランクが成形加工された後、亀裂発生箇所のスクライブドサークルの直径またはグリッドの辺長変化から面内主ひずみを求めて、伸びフランジ性評価値として穴縁限界ひずみを評価する。転写するスクライブドサークルの初期直径またはグリッドの初期辺長は板厚以上10mm以下が望ましい。

なお、伸びフランジ性を評価するにあたり、径ａ１［ｍｍ］のスクライブドサークル又は間隔ｂ１［ｍｍ］のグリッドを予めブランクに描いて、試験後の直径をａ２［ｍｍ］、グリッド間隔をｂ２［ｍｍ］としたとき、伸びフランジ性評価値＝（ａ２−ａ１）／ａ１×１００［％］又は（ｂ２−ｂ１）／ｂ１×１００［％］で表される。

成形に使用するパンチのコーナー曲率半径Rｐおよび開き角θｐ、あるいはダイスのコーナー曲率半径Rdおよび開き角θｄはブランク形状と同一のものを用意して試験実施する。フランジ高さHおよびブランクの幅Wは模擬する実部品形状を考慮して設定する。また割れ発生にはばらつきが伴うことがあるため、同一ブランク形状においての成形試験を最低3回以上繰り返して、そのうち1回以上の割れ発生が認められた際に成形失敗と判断することが望ましい。

試験結果として、選択されたブランク形状変数に対して成形の成功又は失敗をプロットすることにより、成形の成功又は失敗を示すマップ（割れ発生の有無の評価マップ）が得られる。また、ブランク形状変数に対して伸びフランジ性評価値＝（ａ２−ａ１）／ａ１×１００［％］又は（ｂ２−ｂ１）／ｂ１×１００［％］をプロットすることにより、伸びフランジ性の評価マップが得られる。以下発明２〜６においても伸びフランジ性評価値を事前に転写したスクライブドサークルまたはグリッドから求めること、成形の成功または失敗の判断基準は発明１と同様である。

本発明２における評価試験方法はある特定のブランク形状に対して、パンチ及び前記ダイスのコーナーの曲率半径Ｒｐ、Ｒｄ［ｍｍ］及び開き角θｐ、θｄ［度］、並びに前記パンチ及び前記ダイスの高さＨｐ、Ｈｄ［ｍｍ］の金型形状変数のうち少なくとも１種以上を変えて成形試験を実施する。その結果からパンチ形状およびダイス形状の影響を示す割れ評価マップを作成する。

本発明３における評価試験方法は、前記発明２において、ブランク形状変数をも変数として採用し、パンチ形状、ダイス形状、ブランク形状のそれぞれが影響しあう場合の伸びフランジ割れ評価マップを取得するための試験方法である。すなわちパンチ形状、ダイス形状、ブランク形状の少なくともいずれか１種以上を変えて複数種類のブランク形状水準を用意し、成形試験を実施する。

本発明４における評価試験方法は、前記発明１〜３の何れか１項において、ブランク形状変数及び金型形状変数の何れか又は両方のうち、2種類以上を変えて繰り返し試験を行い、前記２種以上のうちのいずれか一つの第１の変数と前記２種以上のうちの他の一つの第２の変数に対する伸びフランジ性又は割れ発生の評価マップを取得するための試験方法である。この場合の伸びフランジ性評価マップ又は割れ発生評価マップは複数の形状変数に対して成形成功もしくは失敗の結果が割り当てられる。

本発明５における評価試験方法においては、前記発明１〜４の何れか１項において、量産加工にて多用される打抜き加工の伸びフランジ成形性に及ぼす影響を調査すべく、規定のパンチ、ダイスにより成形されるブランクのＶ字状のコーナー部を打ち抜き加工によって作成する。この場合、伸びフランジ成形を受けるＶ字状のコーナー部が打抜き加工によって作成される必要があり、それ以外の伸びフランジ変形を生じない直辺部分については必ずしも打抜き加工に依らずに作成されてもよい。打抜きクリアランスは量産にて多用される5〜25％の範囲の値に固定して実施することが望ましい。

本発明６における評価試験方法においては、量産加工に多用される打抜き加工によりブランクが作成される場合を模擬し、同一のブランク形状に対して、前記コーナー部を打抜き加工する際の打抜きクリアランス及びパッド圧のブランク打抜き条件の何れか又は両方を変えてブランクを作成し、複数水準のブランク打抜き条件にて作成したブランクを用意し、ブランク打抜き条件を含めて伸びフランジ性評価マップを作成する。ブランク作成時の打抜きクリアランスは量産にて多用される5〜25％の範囲の値から3水準以上を選択して実施することが望ましい。

本発明例１として、図3に示すような伸びフランジ性の評価試験用成形金型を作成し、試験を実施した。金型はパンチＡ、ダイスＢ、パッドCの３部品から構成され、それぞれが独立に交換可能な金型構成にしてある。Ｄはブランクである。パンチＡが下方に移動することにより、ブランクＤがプレス成形され、Ｖ字状のコーナーはフランジアップされ、フランジ高さＨ［ｍｍ］を有する部材に成形される。図４に金型形状変数（パンチ形状変数およびダイ形状変数）の説明図を示す。表１に示す6水準の形状を有するパンチとダイスを用意した。パンチおよびダイのコーナーの曲率半径Rｐ、Rｄは等しくなるように、又パンチおよびダイのコーナーの開き角θｐ、θｄは等しくなるように組み合わせて使用した。パンチのコーナー曲率半径Rｐおよび開き角θｐは、ブランクのコーナーの曲率半径Ｒ［ｍｍ］および開き角θ［度］に等しく、また、ダイスのコーナー曲率半径Rdおよび開き角θｄも、ブランクのコーナーの曲率半径Ｒ［ｍｍ］および開き角θ［度］に等しくした。

ブランクの供試材には板厚1.6mm、引張強さ780MPa級冷延鋼板を用いた。ブランク幅Wを140mmで一定とした。伸びフランジ変形を受けるＶ字状のコーナー部については専用の打ち抜き金型を用いて打抜き加工により作成したブランクを用意した。板厚1.6mmの薄板材を基準として11%の打抜きクリアランス、パッド背圧５トンの条件で打抜き加工を施した。ブランク形状変数のうち、コーナー部形状Ｒ、θは表１に示すパンチ形状Ｒｐ、θｐと同じ寸法形状の6水準を用意した。フランジ高さHは10、15、20、25、30mmの5水準の高さで変えたブランクを用意した。

以上の金型およびブランクを用意することで、ブランクのフランジ高さH、パンチのコーナー曲率半径Rｐ（＝Ｒｄ＝R）、パンチのコーナー開き角θｐ（＝θｄ＝θ）の3種の形状因子を変化させて成形試験を実施した。今回、同一条件下での成形試験を3回繰り返して実施し、3個全ての試験片にて伸びフランジ割れ発生が認められなかった場合のみ成功、3個中1個でも割れ発生が認められた試験片については成形失敗と判定した。

図５に成形試験の結果得られた割れ発生の有無の評価マップを示す。成形成功の場合を○印で、成形失敗の場合を×印で表した。この評価マップから成形成功の条件範囲内であれば、その成形は伸びフランジ割れを生じずに成形可能なことが判り、実部品の設計指針として活用することが可能である。

また図６にブランク形状変数を縦軸、伸びフランジ性評価値を横軸とするグラフである伸びフランジ性の評価マップを示す。コーナー曲率半径R（＝Ｒｐ＝Ｒｄ）が大きいほど、また開き角θ（＝θｐ＝θｄ）が大きいほどに発生するひずみが小さくなり、伸びフランジ割れ危険性が低下することが定量的に評価可能となった。

本発明例２として、本発明例１で用いた伸びフランジの評価試験用成形金型を用いて後述する試験を実施した。表１に示した6水準のパンチおよびダイス形状のうち、Ｒｐ＝Ｒｄ＝60mm、θｐ＝θｄ＝120°の金型を用いた。ブランクは幅Wを140mmで一定とした。ブランク形状変数はＲ＝60mm、θ＝120°で一定とした。伸びフランジ変形を受けるV字状のコーナー部については専用の打ち抜き金型を用いて打抜き加工により作成したブランクを用意した。この際にブランクのフランジ高さHは10、15、25mmの3水準が用意できるように調整して打抜き加工を実施した。専用の打抜き金型のダイスは複数の規定位置にスライドして固定できる機構を備えており、板厚1.6mmの薄板材を基準として5%、11%、20％の3水準の打抜きクリアランスで打抜き加工を実施しブランクを用意した。また、打抜きクリアランス11%の打抜き加工において、パッド背圧0トン、2.5トン、5トンの3水準に変えて打抜き加工を実施したブランクも用意した。パッド背圧0トンの条件はパッドを取り外して打抜き加工を実施することにより実現した。

図７に成形試験の結果得られた割れ発生の有無の評価マップを示す。成形成功の場合を○印で、成形失敗の場合を×印で表した。この評価マップから、打抜きクリアランスおよび打抜き時パッド背圧の打抜き加工条件に対する伸びフランジ割れの成形可能性が判明し、量産時の打抜き加工の影響をも考慮しての実部品設計指針として当該の評価マップを活用することが可能である。また図８にブランク打抜き条件を縦軸、伸びフランジ性評価値を横軸とするグラフである伸びフランジ性の評価マップを示す。打抜きクリアランスが僅少な場合、またパッド背圧が負荷されない場合において小さい歪で伸びフランジ割れが発生していることが定量的に把握可能である。

穴拡げ試験片（ａ）と実部品伸びフランジ（ｂ）の板縁部におけるひずみ分布の違いを示す図。 伸びフランジ性の評価試験に使用されるブランク形状とブランク形状変数の説明図。 伸びフランジ性の評価試験に使用される金型構成の説明図。 パンチ形状変数及びダイ形状変数の説明図であり、（ａ）パンチ形状変数、（ｂ）ダイ形状変数 実施例１の試験結果より得られた割れ発生の有無の評価マップの図。 実施例１の試験結果より得られた伸びフランジ性評価値に対する形状変数の影響を示す図。 実施例２の試験結果より得られた割れ発生の有無の評価マップの図。 実施例２の試験結果より得られた伸びフランジ性評価値に対するブランク打抜き条件の影響を示す図。

符号の説明

W：実用評価試験用ブランクの幅
R：実用評価試験用ブランクのコーナーの曲率半径
θ：実用評価試験用ブランクのコーナーの開き角
Lp：パンチ縁部の形状曲線
Htotal：ブランク中央部の全長
Hflat：パンチとパッドに挟まれるブランク平坦部の中央部長さ
H：伸びフランジ変形を受けるフランジ高さ（H＝Htotal−Hflat）
A：パンチ
B：ダイス
C：パッド
D：ブランク
Rp：パンチのコーナー部の曲率半径
θｐ：パンチのコーナー部の開き角
Hｐ：パンチ高さ
Rｄ：ダイのコーナー部の曲率半径
θｄ：ダイのコーナー部の開き角
Hｄ：ダイ高さ

Claims (6)

1. パンチ、ダイス及びパッドを用いて、Ｖ字状に切断したコーナーを有する金属製のブランクをプレス成形して金属板の伸びフランジ成形性を評価する試験方法であって、前記ブランクのコーナーの曲率半径Ｒ［ｍｍ］、開き角θ［度］、フランジ高さＨ［ｍｍ］及びブランクの幅Ｗ[ｍｍ]のブランク形状変数のうち少なくとも１種以上を変えて、繰り返しプレス成形を行い、前記ブランク形状変数と伸びフランジ性の評価マップを作成し、成形限界を求めることを特徴とする薄板プレス成形における金属板の伸びフランジ性評価試験方法。
   ただし、伸びフランジ性は直径ａ１［ｍｍ］のスクライブドサークル又は間隔ｂ１［ｍｍ］のグリッドを予めブランクに描いて、試験後の直径をａ２［ｍｍ］、グリッド間隔をｂ２［ｍｍ］としたとき、伸びフランジ性評価値＝（ａ２−ａ１）／ａ１×１００［％］又は（ｂ２−ｂ１）／ｂ１×１００［％］で表される。
2. パンチ、ダイス及びパッドを用いて、Ｖ字状に切断したコーナーを有する金属製のブランクをプレス成形して金属板の伸びフランジ成形性を評価する試験方法であって、前記パンチ及び前記ダイスのそれぞれＶ字状を形成するコーナーの曲率半径Ｒｐ、Ｒｄ［ｍｍ］及び開き角θｐ、θｄ［度］、並びに前記パンチ及び前記ダイスの高さＨｐ、Ｈｄ［ｍｍ］の金型形状変数のうち少なくとも１種以上を変えて、繰り返しプレス成形を行い、前記金型形状変数と伸びフランジ性の評価マップを作成し、成形限界を求めることを特徴とする薄板プレス成形における金属板の伸びフランジ性評価試験方法。
   ただし、伸びフランジ性は直径ａ１［ｍｍ］のスクライブドサークル又は間隔ｂ１［ｍｍ］のグリッドを予めブランクに描いて、試験後の直径をａ２［ｍｍ］、グリッド間隔をｂ２［ｍｍ］としたとき、伸びフランジ性評価値＝（ａ２−ａ１）／ａ１×１００［％］又は（ｂ２−ｂ１）／ｂ１×１００［％］で表される。
3. 金属板をＶ字状に切断したブランクのコーナーの曲率半径Ｒ［ｍｍ］、開き角θ［度］、フランジ高さＨ［ｍｍ］及びブランクの幅Ｗ[ｍｍ]のブランク形状変数のうち少なくとも１種以上を変えて、繰り返しプレス成形を行い、前記ブランク形状変数及び前記金型形状変数と伸びフランジ性の評価マップを作成し、成形限界を求めることを特徴とする請求項２記載の薄板プレス成形における金属板の伸びフランジ性評価試験方法。
4. 前記ブランク形状変数及び前記金型形状変数の何れか又は両方のうち２種以上を変えて繰り返し試験を行い、前記２種以上のうちのいずれか一つの第１の変数と前記２種以上のうちの他の一つの第２の変数で伸びフランジ性又は割れ発生の有無の評価マップを作成し、成形限界を求めることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の薄板プレス成形における金属板の伸びフランジ性評価試験方法。
5. Ｖ字状のコーナー部を打抜き加工することによりブランクを作成することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の薄板プレス成形における金属板の伸びフランジ性評価試験方法。
6. 前記コーナー部を打抜き加工する際の打抜きクリアランス及びパッド圧のブランク打抜き条件の何れか又は両方を変えてブランクを作成し、ブランク打抜き条件を含めて成形限界を求めることを特徴とする請求項５記載の薄板プレス成形における金属板の伸びフランジ性評価試験方法。