JP4865243B2 - 金属板のプレス成形方法 - Google Patents

Description

プレス成形とは、ポンチとダイス等の一対の型（多くの場合、金型）で金属板を挟圧して所望の形状に成形することをいう。

本発明は、自動車や家電の部品等を製造する際の金属板のプレス成形方法に関し、金型の形状修正（研削等）や、金属板の材質を特殊なものに変える、等の特別な手立てを講じなくとも、金属板に割れが発生する成形限界を向上できる金属板のプレス成形方法に関する。

自動車や家電の部品等の製造には、薄鋼板等の金属板のプレス成形が多く用いられる。

プレス成形には、図５に示すように、（ａ）絞り成形（周囲から素材金属板（ブランクと称する）１００を金型（ダイス２０）内に流入させる）、（ｂ）張り出し成形（ビード４０を設けて周囲から素材金属板１００を金型（２０）内に流入させない）、等がある（非特許文献１）。ちなみに後出の限界絞り比ＬＤＲについて、同文献に記載の定義を図６に示す。限界成形高さＬＤＨの定義については図７に示す。限界絞り比や限界成形高さが大きいほど成形性に優れることを表す。図において、１０は、ダイス２０と共にプレス用金型を構成するポンチ、３０は、しわ押さえである。

図１（ａ）に示すように、従来から一般的に、プレス成形は、素材金属板（ブランク）１００が、例えば、図中上側にあるダイス２０と、図中下側から上昇してくるポンチ１０で成形され、最終目標形状に至る（ポンチが上死点に到達する）まで、ほぼ一定速度でポンチ１０が移動するようにして行われていた（ダイスが下側でポンチが上側の場合もある。その場合は、ポンチが下死点に到達して成形が完了する）。その間、ブランク１００の外縁にしわが発生するのを抑制する目的で、多くの場合、しわ押さえ３０を配し、ダイス２０との間で金属板（ブランク１００）を挟んだ状態でポンチ１０を移動させて成形を完了させるようにしていた。なお、しわ押さえ３０を配さない場合もある。

しわ押さえ３０とダイス２０との間で金属板（ブランク１００）を挟む力は、ブランク１００の外縁にしわが発生するのを抑制するのに足りるだけで十分であり、過度に大きくする必要はない。図５（ａ）に示す絞り成形の例の通り、しわ押さえ３０とダイス２０との間で挟まれている金属板（ブランク１００）は、しわ押さえ３０とダイス２０それぞれと摺動しながらダイス２０の奥側に引き込まれていくため、過度に大きくすると、却って摺動が妨げられ、プレス成形中の金属板（ブランク１００）に割れが発生しやすくなるからである。ちなみに図５（ｂ）に示す張り出し成形の例の場合は、ビード４０でむしろこの摺動を積極的に妨げ、金属板（ブランク１００）がダイス２０の奥側に引き込まれていくのを抑制する。

ところで、プレス成形には様々な種類の成形不良が発生しうるが、特に、プレス成形しようとする部品の形状が複雑であったり、素材金属板（ブランク）が高強度であったりすると、ブランクに割れが発生しやすくなる、という問題がある。

これを抑制するための一般的な方法としては、ポンチやダイス等のプレス成形用金型（単に金型とも称す）の形状を修正したり、ブランクの形状を最初から違う形に変更して成形したり、ブランクの材質を特殊なものに変える、等の方法が挙げられる。

しかし、金型の形状を修正したり、ブランクの形状や材質を変更する、等の方法をとるには、多大な時間、労力、それにコスト等を要することから、これらの方法をとることなく割れの発生を抑制できる方法が検討、開発されてきている。

例えば、非特許文献２や特許文献１では、ポンチやダイス等のプレス成形用金型を超音波等を利用して微小振動させることで、金型とブランクとの間の摩擦力を低減し、成形性を向上させる方法が記載されている。
特開平１−１２２６２４号公報 鉄鋼便覧ＶＩ，ｐ２５２、ｐ２５９ 塑性と加工，Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．２５６，（１９８２−５），ｐ４５８

しかしながら、この方法は、超音波等により金型に微小な振動を加える必要があり、実験用の小さな装置ならともかく、大きな成形荷重やしわ押さえ力の仕様をもつ自動車用等のプレス成形機実機では、金型を振動させるのに十分な出力が得られなかったり、それを得ようとすると多大なコストを要したり、実機に適用するのが現実的に困難、という問題があった。

また、運良く適用できても、金型に高周波の振動を加えるため、プレス成形機実機の各部位に、引張、圧縮、の力が繰り返し加えられるため、部分的な疲労破壊等、プレス成形機実機の耐久性の問題もあった。

本発明は上記のような従来技術における問題を解決するべくなされたものであり、ポンチやダイス等のプレス成形用金型の形状を修正したり、ブランクの形状や材質を特殊なものに変更したり、ポンチやダイス等のプレス成形用金型を超音波等を利用して微小振動させたりする、等の手立てを講じることなく、プレス成形しようとする部品の形状が複雑な場合や、素材金属板が高強度な場合でも、金属板に割れが発生する成形限界を向上することができ、かつ大型のプレス成形機実機にも適用が容易で、しかも低コストな金属板のプレス成形方法を提供することを課題とする。

本発明は、ポンチとダイスで金属板を挟圧するプレス成形方法において、前記ポンチが前記金属板に最初に接触し成形が開始された後、前記ポンチがストローク終端に到達して成形が完了するまでの間に、前記金属板から前記ポンチを一旦離し、前記金属板と前記ポンチが接触する面に潤滑剤を供給した後、前記ポンチと前記ダイスを用いて、再度金属板を成形する、という動作を、少なくとも１回以上経ることにより、前記課題を解決したものである。

本発明によれば、ポンチやダイス等のプレス成形用金型の形状を修正したり、ブランクの形状や材質を特殊なものに変更したり、ポンチやダイス等のプレス成形用金型を超音波等を利用して微小振動させたりする、等の特別な手立てを講じることなく、金属板に割れが発生する成形限界を向上でき、プレス成形機実機にも適用が容易で、しかも低コストな金属板のプレス成形方法を提供できる。

本発明の作用について、図１に示した円筒カップ絞り成形の例を用いて説明する。円筒カップ絞り成形は、素材金属板（ブランク）の深絞り性を評価するための試験方法として広く用いられている。円形ブランクを所望の寸法の円筒カップに絞り成形するものであり、破断、割れもしくはしわを発生することなく成形可能な、プレス成形開始前の円形ブランクの最大寸法（直径）を、成形限界として評価する方法である。

図１（ａ）に示したように、本発明以前の従来の方法によれば、ブランク１００は図中上側にあるダイス２０としわ押さえ３０の間で挟圧され、しわ押さえ力を付与された後、ポンチ１０がブランク１００に最初に接触すると同時に成形が開始され、ポンチがストロ−ーク終端に到達して金属板（ブランク１００）の成形が完了するまで、すなわちポンチ１０が成形完了予定位置（上死点）に達するまでほぼ一定速度でポンチ１０が移動し、ポンチ１０とブランク１００は、成形開始から完了まで、接触したままの状態で成形が完了する。

これに対し、図１（ｂ）に示したように、本発明の方法によれば、ポンチ１０がブランク１００に最初に接触し成形が開始された後、ポンチがストローク終端に到達して金属板（ブランク１００）の成形が完了するまでの間に、ブランク１００とポンチ１０を一旦離し（図１（ｂ）−（２）参照）、ブランク１００とポンチ１０の間に潤滑剤（例えば高潤滑性油など）を供給し、同じポンチ１０とダイス２０を用いて再度金属板（ブランク１００）の成形を行う、という動作を１回以上経る。

発明者らは、本発明の方法によれば、従来の方法に比べ、深絞り性が向上し、成形限界を向上できることを見出した。

その作用を以下のように推定した。

成形途中では、ポンチ１０やダイス２０等の金型表面と、ブランク１００の表面とが、押圧されながら摺動する。このことで、成形開始時にポンチ１０とブランク１００との間、あるいは、ダイス２０とブランク１００との間に存在していた潤滑剤５０の膜が、成形が進行していく過程で一時的に薄くなり、金属同士が部分的に直接接触する。

その結果、ポンチ１０やダイス２０等の金型と、ブランク１００との間の摩擦係数が一時的に上昇し、摺動性が低下してブランク１００に割れが発生したり、金型とブランク１００との間に凝着が起こって、型かじり等のトラブルが発生したりすることになる。概して、金型とブランク１００との間の摺動距離が長い成形の場合ほど、このような成形不良がよく発生する、という経験的な事実からしても、上記の推定は正しいものと思われる。

そこで、本発明では、ポンチがストローク終端に到達して金属板（ブランク１００）の成形が完了するまでの間に、ブランク１００とポンチ１０を一旦離す。ここで、離すとは、図１（ｂ）（２）のようにブランク１００とポンチ１０を完全に離す場合のほか、ポンチ１０の底面だけが離れていて、側面は接触している場合も含む意味とする。

このときブランク１００とポンチ１０が接触していた面に対し、潤滑油を再供給することで、油切れしていたブランク１００とポンチ１０の摺動面に潤滑油が再び行き渡ることで摺動性が回復し、ブランク１００に割れが発生したり、型かじりが発生したりするのを抑制することができる。

なお、再度金属板（ブランク１００）の成形を行う、という動作に入ると、成形が進行していく過程で、再度潤滑剤５０の膜が薄くなって、ブランク１００に割れが発生したり、金型とブランク１００との間に凝着が起こって、型かじり等のトラブルが発生しやすくなる問題が再発するおそれがある。

そういう場合は、金属板（ブランク１００）とポンチ１０を一旦離し、潤滑油を再供給した後、同じポンチ１０とダイス２０を用いて再度金属板（ブランク１００）の成形を行う、という動作を２回以上経るようにすればよい。

金属板（ブランク１００）とポンチ１０を離し、同じポンチ１０とダイス２０を用いて再度金属板（ブランク１００）の成形を行う、という動作を経る回数は、ポンチ１０が金属板（ブランク１００）に最初に接触した後、最終目標形状まで金属板（ブランク１００）の成形が完了するまでの間に、少なくとも１回以上であれば本発明の効果を得ることができる。

回数を増やすことで成形限界を更に向上できるが、あまり増やしすぎると効果が飽和するとともに、成形に要する時間が長くなり、生産性が悪化する。従って、成形しようとする部品の最終目標形状、特に深さに応じて、成形限界に達しない最大成形深さと、必要最少な回数を実験的に求め、量産時にはその必要最少な回数でプレス成形を行うことにより最大限の生産性の確保が可能になる。

ここでは便宜的に円筒カップ絞り成形を例にとり本発明の作用を説明したが、本発明は、円筒カップ絞り成形だけでなく、張り出し成形や、複雑な形状を有する部品等、絞り成形と張り出し成形の混合した成形等、プレス成形全般に適用できる。

自動車や家電の部品のプレス成形等のように、量産用の大型のプレス成形機実機に本発明を適用する場合は、ポンチ１０が金属板（ブランク１００）に最初に接触した後のポンチ１０の位置および移動速度を自在に制御可能な油圧式もしくは電動モータ式のサーボプレス機を使用し、プレス成形途中のストローク制御を行っても良いし、成形限界に達しない最大成形深さまでポンチ１０が移動したときに図示しないリミットスイッチ等のセンサに感応することでポンチ１０が停止し、自動的にポンチ１０が後退した後、後退したところに有る図示しない別のリミットスイッチ等のセンサに感応することで、再度自動的にポンチ１０が成形を再開するよう移動する、という具合にシーケンス回路を組んでもよい。

潤滑油を再供給する方法は、高圧コンプレッサにより圧縮された気体を利用してブランク１００とポンチ１０の間に潤滑油を噴霧しても良いし、例えば図２に図示したようにポンチ１０内部に潤滑油供給用の配管を施し、ブランク１００とポンチ１０が離れた瞬間にポンプなどを利用して潤滑油が噴出される仕組みとしても良い。

潤滑油を再供給する場所は、ブランク１００とポンチ１０が接触する全面でも良いが、あらかじめ特にブランク１００とポンチ１０間の接触面圧が高く、油切れが生じやすく破断の危険性が高い部位がわかっていれば、その場所に限定して潤滑油を供給しても同じような成形性向上効果が得られ効率的である。

潤滑油の量は、ブランク１００と金型との摺動面に行き渡るように塗油されれば少量で十分であり、多量の潤滑油を使用しても効果は変わらない。

いずれにしても、本発明の効果は、そのプレス成形機の形式や潤滑油再供給装置の仕様や供給方式に影響を受けるものではなく、ポンチ１０が金属板（ブランク１００）に最初に接触した後、ポンチがストローク終端に到達して金属板（ブランク１００）の成形が完了するまでの間に、金属板（ブランク１００）とポンチ１０を離し、そのタイミングで金属板とポンチ１０の間に潤滑剤を強制的に供給し、同じポンチ１０とダイス２０を用いて再度金属板（ブランク１００）を成形する、という動作を、少なくとも１回以上経るような成形ができさえすれば、成形限界が向上する効果を得られる。

しかも、本発明は、大型のプレス成形機実機にも適用が容易で、低コストでそれが実現できる。

以下、実施例について説明する。

表１に示す３種類の冷延鋼板（板厚１．２ｍｍ）を用いて円筒カップ絞り成形を実施した。

供試材Ａは一般的な絞り用の冷延鋼板であり、供試材Ｂは特殊な製造方法でランクフォード値（ｒ値）を高くした深絞り用冷延鋼板、供試材Ｃはフェライト系ステンレスのＳＵＳ４３０の冷延鋼板であり、一般の高強度炭素鋼板相当の機械特性値を有するものである。球頭張り出し試験機を用いてビード部分をなくしてポンチ１０を円筒絞り成形用のものに替えて試験した。ポンチ１０は直径φ３３ｍｍ、肩半径を３ｍｍとした。ダイス２０の肩半径は３ｍｍとした。また使用した潤滑剤には、動粘度１５ｍｍ^２／ｓ程度の一般的な防錆油を用いた。

ポンチ１０が金属板（ブランク１００）に最初に接触してから、ポンチ１０が１５ｍｍ移動した位置で一旦ポンチ１０とブランク１００を離し、その後潤滑油を再供給し、同じポンチ１０とダイス２０を用いて再度金属板（ブランク１００）を成形する、という動作を１回行って、ポンチがストローク終端に到達するまでプレス成形を完了（絞りぬけ）させた。

円筒カップ絞り成形における成形限界の評価は、ＬＤＲ（限界絞り比）を用いた。

試験結果を図３に示す。本発明を適用することで、一般的な絞り用の冷延鋼板である供試材ＡのＬＤＲが、深絞り用冷延鋼板である供試材Ｂの従来法を用いた場合のＬＤＲより大きくなり、本発明の適用により成形限界が向上することが検証された。また、供試材Ｂは従来方法を用いた場合でも、もともとＬＤＲは大きかったが、本発明の適用により更に成形限界が向上した。また、供試材Ｃでも、本発明を適用することで、従来方法を用いた場合よりも、成形限界が向上することが検証された。

実施例１と同じ表１に示した供試材Ａ、Ｂ、Ｃを用いて、実施例１と同じ球頭張り出し試験機を用いて、ビード４０でブランク１００の移動を拘束し、本発明の効果を検証した。

球頭張り出し試験は、球頭張り出し試験中に一旦ポンチ１０とブランク１００を離し、その後、プレス成形が完了（破断発生）するまで成形する方法とした。本実施例では、ポンチ１０が金属板（ブランク１００）に最初に接触してから、ポンチ１０が２５ｍｍ移動した位置で一旦ポンチ１０とブランク１００を離した。

ポンチは直径１００ｍｍとした。本実施例の球頭張り出し試験では、素材金属板（ブランク１００）がダイス２０中に流入しないようにビード４０でブランク１００の移動を拘束している。本実施例の張り出し成形における成形性評価は、ＬＤＨ（限界成形高さ）を用いた。

図４に試験結果を示す。供試材Ａよりも伸び特性にも優れた（高ＥＬ）深絞り用冷延鋼板の供試材ＢのＬＤＨは大きくなったが、本発明を適用することで供試材ＡのＬＤＨは大きく上昇し、一般的な絞り用の冷延鋼板である供試材ＡのＬＤＨが、本発明を適用しない場合（従来法を用いた場合）の深絞り用冷延鋼板の供試材ＢのＬＤＨより大きくなることがわかり、本発明の適用により、張り出し成形においても成形限界が向上することが検証された。また、供試材Ｃでも、本発明を適用することで、従来方法を用いた場合よりも、成形限界が向上することが検証された。

ポンチとダイスで金属板を挟圧するプレス成形方法において、ポンチやダイス等のプレス成形用金型の形状を修正したり、ブランクの形状や材質を特殊なものに変更したり、ポンチやダイス等のプレス成形用金型を超音波等を利用して微小振動させたりする、等の手立てを講じることなく、プレス成形しようとする部品の形状が複雑な場合や、素材金属板が高強度な場合でも、金属板に割れが発生する成形限界を向上することができ、かつ大型のプレス成形機実機にも適用が容易で、しかも低コストな方法を提供することができる。

従来の方法と本発明の方法とを、円筒カップ絞り成形に適用した場合について比較して説明する図で、（ａ）は従来の方法、（ｂ）は本発明の方法を説明する。 潤滑油再供給方法の例を説明する図で、（ａ）は全体図（断面図）、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂポンチ断面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ断面図である。 実施例１の円筒カップ絞り成形における本発明の効果について説明する図。 実施例２の球頭張り出し成形における本発明の効果について説明する図。 （ａ）絞り成形と（ｂ）張り出し成形について説明する図。 限界絞り比ＬＤＲの定義を説明する図。 限界成形高さＬＤＨの定義を説明する図。

符号の説明

１０…ポンチ
２０…ダイス
３０…しわ押さえ
４０…ビード
１００…ブランク

Claims (1)

1. ポンチとダイスで金属板を挟圧するプレス成形方法において、前記ポンチ内部に潤滑油供給用配管を施し、ポンプを利用して前記潤滑油供給用配管から前記金属板と前記ポンチが接触する面に潤滑油を供給する潤滑油供給装置を設け、前記ポンチが前記金属板に最初に接触し成形が開始された後、前記ポンチがストローク終端に到達して成形が完了するまでの間に、前記金属板から前記ポンチを一旦離し、前記ポンプを利用して前記潤滑油供給用配管から前記金属板と前記ポンチが接触する面に潤滑油を供給した後、前記ポンチと前記ダイスを用いて、再度金属板を成形する、という動作を、少なくとも１回以上経ることを特徴とする金属板のプレス成形方法。

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