JP5082886B2 - 金属板のプレス成形方法およびプレス成形装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属板のプレス成形方法およびプレス成形装置に関するものであり、その成形品は自動車や家電製品の部品に用いられる。

通常、自動車（普通乗用車、トラック、自動二輪車等）や家電製品（冷蔵庫、洗濯機等）の部品（パネル部品等）を製作する際には、製作コストに優れたプレス成形（例えば、特許文献１）が用いられることが多い。

図１４（ａ）〜（ｃ）に、金属板の基本的なプレス成形方法（量産に用いられるシングルアクション型のプレス成形装置９による成形方法）を示す。成形される材料（金属板；ブランク）１０は、ダイ１３とブランクホルダー１２によって挟持され、ダイ１３の下降に伴って、まずパンチ１１と接触し、その後ダイ１３と接触し、成形されていく。

しかし、近年、特に自動車産業においては、環境問題に基づいて車体の軽量化により材料の薄肉化や高強度化が進められており、薄肉化や高強度化された材料を用いた場合、プレス成形では材料の割れが発生しやすく、また寸法精度も悪化する傾向になる。

このような問題に対し、液体の圧力を用いる対向液圧成形（例えば、非特許文献１）が有効なことが知られている。対向液圧成形は、成形される材料を液体に対して押し込んでいく成形方法である。

また、窒素ガス等の気体の圧力を用いた成形方法として、例えば特許文献２に高温気体加圧によるものが公開されており、アルミニウム合金の温間成形に関する技術が記載されている。

また、空気圧を利用した成形方法として、特許文献３に中空の溶融樹脂材料を用いた空気圧による成形方法が開示されており、特許文献４に加熱軟化した樹脂板を空気圧により成形する方法が開示されている。
特開平６−１５４８９６号公報 特開２００１−０７１０４６号公報 特開平４−１１０１３１号公報 特開２００５−１２５６５４号公報 中村和彦、「対向液圧成形法とは」、プレス技術、第３９巻第９号（２００１年９月号）、ｐ１８〜２３

しかし、前述の特許文献２〜４や非特許文献１に記載の従来技術では、以下の理由により、量産のプレス成形には適さない。

まず、非特許文献１に記載されている対向液圧成形は、生産速度が低く、大型部品では２ｓｐｍ（ストローク／分）が限界で、特許文献１に記載されているようなメカニカルプレス成形の１０〜１３ｓｐｍ（ストローク／分）には遠く及ばないため、量産には適さない。

また、特許文献２に記載のアルミニウム合金の温間成形に関する技術では、成形される材料を金型に押し付けるため、凸の形状が出にくい。しかも、成形速度が遅いため、生産速度が低い。

また、特許文献３に記載の中空の溶融樹脂材料を用いた空気圧による成形方法、および特許文献４に記載の加熱軟化した樹脂板を空気圧により成形する方法では、いずれも樹脂用の成形方法であり、金属板の成形には、塑性変形挙動の違いから用いることはできない。仮に用いたとしても、成形される材料を金型に押し付けるため、凸の形状が出にくく、溶融または加熱軟化させることが必要なため、生産速度が低く、量産には適さない。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、その解決すべき課題は、生産速度を低下させることなく、割れを抑制し、寸法精度を向上させることができる金属板のプレス成形方法およびプレス成形装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。

［１］金属板をダイとブランクホルダーで挟持し、当該金属板をダイとパンチ間で挟圧して所定の形状に成形する金属板のプレス成形方法において、ダイと金属板の間に形成される空間または／およびパンチとブランクホルダーと金属板の間に形成される空間に対して気体を吸入・排出する気体吸排機構を設け、該気体吸排機構によって前記空間に気体を吸入・排出して、前記空間内の圧力を増減させることで、金属板がダイあるいはパンチにより成形される前に金属板を予成形し、その後にダイあるいはパンチで金属板を本成形する２工程からなることを特徴とする金属板のプレス成形方法。
［２］金属板をダイとブランクホルダーで挟持し、当該金属板をダイとパンチ間で挟圧して所定の形状に成形する金属板のプレス成形方法において、ダイと金属板の間に形成される空間（ダイ側空間）およびパンチとブランクホルダーと金属板の間に形成される空間（パンチ側空間）に対して気体を吸入・排出する気体吸排機構を設け、該気体吸排機構によって、前記パンチ側空間から気体を排出してパンチ側空間の圧力を負に減圧するとともに、前記ダイ側空間に気体を吸入してダイ側空間の圧力を正に増圧することで、金属板がダイあるいはパンチにより成形中に成形を補助することを特徴とする金属板のプレス成形方法。

［３］記気体吸排機構に、気体の吸入・排出の応答性を高めるための気体保留手段を設けることを特徴とする前記［１］または［２］に記載の金属板のプレス成形方法。

［４］前記空間からの漏洩を抑止するシール手段を設けることを特徴とする前記［１］〜［３］のいずれかに記載の金属板のプレス成形方法。

［５］金属板をダイとブランクホルダーで挟持し、当該金属板をダイとパンチ間で挟圧して所定の形状に成形する金属板のプレス成形装置において、ダイと金属板の間に形成される空間または／およびパンチとブランクホルダーと金属板の間に形成される空間に対して気体を吸入・排出する気体吸排機構を備え、該気体吸排機構によって前記空間に気体を吸入・排出して、前記空間内の圧力を増減させることで、金属板がダイあるいはパンチにより成形される前に金属板を予成形し、その後にダイあるいはパンチで金属板を本成形する２工程を行う手段を備えたことを特徴とする金属板のプレス成形装置。
［６］金属板をダイとブランクホルダーで挟持し、当該金属板をダイとパンチ間で挟圧して所定の形状に成形する金属板のプレス成形装置において、ダイと金属板の間に形成される空間（ダイ側空間）およびパンチとブランクホルダーと金属板の間に形成される空間（パンチ側空間）に対して気体を吸入・排出する気体吸排機構を備え、該気体吸排機構によって、前記パンチ側空間から気体を排出してパンチ側空間の圧力を負に減圧するとともに、前記ダイ側空間に気体を吸入してダイ側空間の圧力を正に増圧することで、金属板がダイあるいはパンチにより成形中に成形を補助する手段を備えたことを特徴とする金属板のプレス成形装置。

［７］前記気体吸排機構は、気体の吸入・排出の応答性を高めるための気体保留手段を備えていることを特徴とする前記［５］または［６］に記載の金属板のプレス成形装置。

［８］前記空間からの漏洩を抑止するシール手段を備えていることを特徴とする前記［５］〜［７］のいずれかに記載の金属板のプレス成形装置。

本発明においては、金属板が気体の圧力による予成形によって均一に変形した後に、金型（ダイとパンチ）で本成形されるあるいは成形中に気体の圧力によって成形を補助されるのいずれかまたは両方を行うので、金属板の局所的な板厚減少が低減して成形余裕量が大きくなり、割れを抑制することができる。同時に、金属板の金型へのなじみが良くなり、寸法精度を向上させることができる。その結果、生産速度を低下させることなく、割れのない、寸法精度も良好な成形品を製造することが可能になる。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態におけるプレス成形装置１を示すものである。

このプレス成形装置１の基本的構造は、前述の図１４に示したシングルアクション型のプレス成形装置９と同様である。すなわち、成形される材料（金属板）１０をダイ１３とブランクホルダー１２によって挟持し、ダイ１３を下降させて、ダイ１３とパンチ１１間で材料１０を挟圧し、所定の形状に成形するようになっている。

その上で、この実施形態のプレス成形装置１においては、パンチ１１の内部に流路２１が形成されていて、その先端がパンチ１１の上面（材料１０と接触する面）に開口しているとともに、その他端が気体の吸排ユニット（気体用ポンプ）２２に連結しており、これによって、パンチ１１とブランクホルダー１２と材料１０の間に形成される空間Ｍに対して気体を吸入・排出できるようになっている。同様に、ダイ１３の内部に流路２３が形成されていて、その先端がダイ１３の下面（材料１０と接触する面）に開口しているとともに、その他端が気体吸排ユニット（気体用ポンプ）２４に連結しており、これによって、ダイ１３と材料１０の間に形成される空間Ｎに対して気体を吸入・排出できるようになっている。

そして、上記のように構成されたプレス成形装置１を用いて材料１０を成形する際には、ダイ１３の下降に連動させて、空間Ｍと空間Ｎに対して気体を供給・排出して、空間Ｍと空間Ｎ内の圧力を増減させることで、材料１０を予成形し、その後に、金型（パンチ１１、ダイ１３）で材料１０を本成形する、または、金型で材料１０を成形中に気体の供給・排出により成形の補助とする、のいずれか一方または両方を行う。

以下に、上述のようなプレス成形過程の具体例（具体例１、具体例２）を述べる。

まず、具体例１を図２、図３に基づいて説明する。ここで、図２（ａ）〜（ｅ）がそのプレス成形過程を示す図であり、図３（ａ）、（ｂ）はその際にパンチ側空間Ｍとダイ側空間Ｎの圧力をダイ１３の下降変位に連動させてどのように変化させたかを示す図である。なお、図２においては、比較のために、従来のプレス成形装置９で成形した場合の材料の挙動を点線で示してある。

（Ｓ１−１）図２（ａ）に示すように、材料１０をダイ１３とブランクホルダー１２によって挟持する。

（Ｓ１−２）次に、図２（ｂ）および図３（ａ）、（ｂ）に示すように、ダイ１３の下降変位に伴って、パンチ側空間Ｍに気体を吸入してパンチ側空間Ｍの圧力を正に増圧するとともに、ダイ側空間Ｎから気体を排出してダイ側空間Ｎの圧力を負に減圧する。これにより、材料１０がパンチ１１に接触する前にダイ１３側に張り出す。この張り出し変形は均一変形のため、割れにつながる局所的な板厚減少抑制に有効である。

（Ｓ１−３）次に、さらにダイ１３が下降して、成形が進むと、図２（ｃ）に示すように、材料１０の一部がダイ１３に接触して成形される状態になるが、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、今度は、パンチ側空間Ｍから気体を排出してパンチ側空間Ｍの圧力を負に減圧するとともに、ダイ側空間Ｎに気体を吸入してダイ側空間Ｎの圧力を正に増圧する。これにより、図２（ｄ）に示すように、材料１０の一部がパンチ１１側に膨らみ、その部分がダイ１３に接触する前に均一に変形するため、割れが抑制され、金型なじみが向上する。

（Ｓ１−４）そして、さらにダイ１３が下降して下死点になると、図２（ｅ）に示すように、材料１０がパンチ１１とダイ１３の間で挟圧され、所定の形状に成形される。なお、下死点近傍になると、気体の圧力が材料１０を金型に押し付けるように作用するため、寸法精度が向上する。

続いて、具体例２を図４、図５に基づいて説明する。ここで、図４（ａ）〜（ｅ）がそのプレス成形過程を示す図であり、図５（ａ）、（ｂ）はその際にパンチ側空間Ｍとダイ側空間Ｎの圧力をダイ１３の下降変位に連動させてどのように変化させたかを示す図である。
なお、図４においては、比較のために、従来のプレス成形装置９で成形した場合の材料の挙動を点線で示してある。ちなみに、具体例２では、パンチ１１の形状を考慮して、パンチ１１側の流路２１を２本設けている。

（Ｓ２−１）図４（ａ）に示すように、材料１０をダイ１３とブランクホルダー１２によって挟持する。

（Ｓ２−２）次に、図４（ｂ）および図５（ａ）、（ｂ）に示すように、ダイ１３の下降変位に伴って、パンチ側空間Ｍから気体を排出してパンチ側空間Ｍの圧力を負に減圧するとともに、ダイ側空間Ｎに気体を吸入してダイ側空間Ｎの圧力を正に増圧する。これにより、材料１０の一部がパンチ１１に接触した後に、パンチ１１に接触していない他の部分がパンチ１１側に張り出す。この張り出し変形は均一変形のため、割れにつながる局所的な板厚減少抑制に有効である。

（Ｓ２−３）次に、さらにダイ１３が下降すると、図４（ｃ）および図５（ａ）、（ｂ）に示すように、いったん、パンチ側空間Ｍの圧力とダイ側空間Ｎの圧力を０（大気圧）に戻す。

（Ｓ２−４）次に、さらにダイ１３が下降して、成形が進むと、材料１０のかなりの部分がダイ１３に接触して成形される状態になるが、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、再度、パンチ側空間Ｍから気体を排出してパンチ側空間Ｍの圧力を負に減圧するとともに、ダイ側空間Ｎに気体を吸入してダイ側空間Ｎの圧力を正に増圧する。これにより、図４（ｄ）に示すように、材料１０の一部がパンチ１１側に膨らみ、その部分がダイ１３に接触する前に均一に変形するため、割れが抑制され、金型なじみが向上する。

（Ｓ２−５）そして、さらにダイ１３が下降して下死点になると、図４（ｅ）に示すように、材料１０がパンチ１１とダイ１３の間で挟圧され、所定の形状に成形される。なお、下死点近傍になると、気体の圧力が材料１０を金型に押し付けるように作用するため、寸法精度が向上する。

以上のようにして、この実施形態においては、材料１０が気体の圧力による予成形によって均一に変形した後に、金型（パンチ１１とダイ１３）で本成形されるので、材料１０の局所的な板厚減少が低減して成形余裕量が大きくなり、割れを抑制することができる。同時に、材料１０の金型へのなじみが良くなり、寸法精度を向上させることができる。その結果、生産速度を低下させることなく、割れのない、寸法精度も良好な成形品（パネル部品）を製造することが可能になる。

なお、上記のおいて、パンチ側空間Ｍとダイ側空間Ｎに付与する圧力の範囲は、材料１０の強度と板厚から選択するのが好ましい。大き過ぎると材料が余るためシワの原因になり、小さ過ぎると効果が発現されない。

また、使用する気体は、通常の空気でも問題は無い。必要に応じて、圧縮性の安定性の観点から、吸入時に窒素を供給してもよい。なお、気体は圧縮により発熱するので、流路２１、２３を冷却することにより、量産性を安定させることが可能である。

また、気体の流路については、具体例１（図２）では、パンチ１１側とダイ１３側にそれぞれ１本ずつ設け、具体例２（図４）では、パンチ１１側に２本、ダイ１３側に１本設けているが、適宜、必要な本数を設ければよい。場合によっては、パンチ１１側あるいはダイ１３側のいずれか一方のみに流路を設けるようにしてもよい。さらに、ブランクホルダー１２に流路を設けるようにしてもよい。なお、外板部品など流路の開口穴の跡が残るのを避けたい場合は、跡がついても良い部分に開口穴を設けることや、開口穴の径を小さくして目立たなくすることも有効である。

さらに、上記の構成に加えて、気体の吸入・排出の応答性を高めるための気体保留手段を設けることが好ましい。すなわち、プレス速度が１０〜１３ｓｐｍ（ストローク／分）であり、数秒間のうちにプレス成形が終了するため、高い応答性が必要である。このため、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、気体の流路２１（あるいは流路２３）に気体の保留用の空隙２５を設ける。この気体保留用空隙２５に気体を保留しておき、必要時に弁２６、２７の開放により短時間で金型内の空間Ｍ、Ｎの圧力を変化させて、材料１０を変形させる。この気体保留用空隙２５は、金型（パンチ１１、ブランクホルダー１２、ダイ１３）内に設けるのが望ましいが、金型外に配置することも可能である。

また、パンチ１１とブランクホルダー１２の合わせ部（摺動面）にシールを設けることが望ましい。すなわち、パンチ１１とブランクホルダー１２と材料１０で囲まれるパンチ側空間Ｍは、ブランクホルダー１２がパンチ１１の側面に沿って摺動するため、その部分から気体の漏洩が起こりやすく、パンチ側空間Ｍの圧力が上昇し難いためである。図７（ａ）に示すように、ゴムのような粘性材料のシール材２９を貼り付けるだけでもよいし、図７（ｂ）に示すように、ブランクホルダー１２の下降に伴って先端がガイド溝３２に沿って移動するようになったシール材３１を設けてもよい。

そして、上記では、現在量産に主に使用されるシングルアクション形のプレス成形装置に適用した場合で説明したが、当然、本発明はダブルアクション形のプレス成形装置にも適用可能である。

本発明の実施例を以下に述べる。

ここでは、自動車のサイドパネルの成形を行うこととし、本発明例として、上記の本発明の実施形態に基づいて成形し、従来例として、図１４に示した従来のプレス成形装置を用いて成形した。

まず、成形に供した材料（鋼板）の材料特性を表１に示す。ここでは、自動車のサイドパネルに主に用いられる２７０ＭＰａ級鋼板（Ａ）以外に、高張力鋼（ハイテン）である３４０ＭＰａ級鋼板（Ｂ）および４４０ＭＰａ級鋼板（Ｃ）も供した。

そして、本発明例において、パンチ側空間Ｍとダイ側空間Ｎに付与した圧力条件を図８と図９に示す。ちなみに、図８に示す圧力条件１は、前述の具体例１に対応しており、図９に示す圧力条件２は、前述の具体例２に対応している。

上記のようにして成形した成形品（サイドパネル）について、その品質評価を割れと寸法精度の２項目で行った。表２に従来例（従来例１〜３）と本発明例（本発明例１〜６）の品質評価結果を示す。

まず、従来例においては、２７０ＭＰａ級鋼板（Ａ）では、成形できたものの、寸法精度は出荷品質許容値を超えた。また、３４０ＭＰａ級鋼板（Ｂ）および４４０ＭＰａ級鋼板（Ｃ）では、割れが発生し、寸法精度は評価できなかった。

これに対して、本発明例においては、いずれの強度の鋼板においても割れなく成形ができ、寸法精度も出荷品質許容内であった。

次に、２７０ＭＰａ級鋼板（Ａ）を用いた従来例１と本発明例１について、図１０に示す成形品（サイドパネル）の断面位置で断面形状（ビード端からの距離とパネル高さ）を測定し、設計形状と比較した結果を図１１に示す。

従来例１では、スプリングバックにより、Ｒ部の乖離や面の落ち込みが発生したが、本発明例１では、従来例１に比べスプリングバック量が小さく、設計形状に近いパネルが得られており、寸法精度が極めてよいことが分かる。

また、従来例１と本発明例１〜６について、図１２に●印で示す寸法精度評価位置における設計形状からの乖離量を測定した結果を図１３に示す。なお、図１２において、パネル外側の●印は、フランジ部であることを示している。

従来例１では、乖離量がほとんどの評価位置で０．５ｍｍを大きく超えたが、本発明例１〜３（圧力条件１）および本発明例４〜６（圧力条件２）では、いずれも乖離量が０．５ｍｍ以下で非常に良好な寸法精度が得られた。

本発明の一実施形態のプレス成形装置を示す図である。 本発明の一実施形態におけるプレス成形過程の具体例１を示す図である。 本発明の一実施形態における気体の圧力変化の具体例１を示す図である。 本発明の一実施形態におけるプレス成形過程の具体例２を示す図である。 本発明の一実施形態における気体の圧力変化の具体例２を示す図である。 本発明の他の実施形態のプレス成形装置を示す図である。 本発明の他の実施形態のプレス成形装置を示す図である。 本発明の実施例１における気体の圧力条件１を示す図である。 本発明の実施例１における気体の圧力条件２を示す図である。 本発明の実施例１における断面形状の評価位置を示す図である。 本発明の実施例１における断面形状の評価結果を示す図である。 本発明の実施例１における寸法精度の評価位置を示す図である。 本発明の実施例１における寸法精度の評価結果を示す図である。 従来のプレス成形方法を示す図である。

符号の説明

１ プレス成形装置
９ プレス成形装置
１０ 金属板（材料）
１１ パンチ
１２ ブランクホルダー
１３ ダイ
２１ 流路（パンチ側）
２２ 吸排ユニット（パンチ側）
２３ 流路（ダイ側）
２４ 吸排ユニット（ダイ側）
２５ 気体保留用空隙
２６、２７ バルブ
２９ シール材
３１ シール材
３２ ガイド溝

Claims (8)

1. 金属板をダイとブランクホルダーで挟持し、当該金属板をダイとパンチ間で挟圧して所定の形状に成形する金属板のプレス成形方法において、ダイと金属板の間に形成される空間または／およびパンチとブランクホルダーと金属板の間に形成される空間に対して気体を吸入・排出する気体吸排機構を設け、該気体吸排機構によって前記空間に気体を吸入・排出して、前記空間内の圧力を増減させることで、金属板がダイあるいはパンチにより成形される前に金属板を予成形し、その後にダイあるいはパンチで金属板を本成形する２工程からなることを特徴とする金属板のプレス成形方法。
2. 金属板をダイとブランクホルダーで挟持し、当該金属板をダイとパンチ間で挟圧して所定の形状に成形する金属板のプレス成形方法において、ダイと金属板の間に形成される空間（ダイ側空間）およびパンチとブランクホルダーと金属板の間に形成される空間（パンチ側空間）に対して気体を吸入・排出する気体吸排機構を設け、該気体吸排機構によって、前記パンチ側空間から気体を排出してパンチ側空間の圧力を負に減圧するとともに、前記ダイ側空間に気体を吸入してダイ側空間の圧力を正に増圧することで、金属板がダイあるいはパンチにより成形中に成形を補助することを特徴とする金属板のプレス成形方法。
3. 前記気体吸排機構に、気体の吸入・排出の応答性を高めるための気体保留手段を設けることを特徴とする請求項１または２に記載の金属板のプレス成形方法。
4. 前記空間からの漏洩を抑止するシール手段を設けることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の金属板のプレス成形方法。
5. 金属板をダイとブランクホルダーで挟持し、当該金属板をダイとパンチ間で挟圧して所定の形状に成形する金属板のプレス成形装置において、ダイと金属板の間に形成される空間または／およびパンチとブランクホルダーと金属板の間に形成される空間に対して気体を吸入・排出する気体吸排機構を備え、該気体吸排機構によって前記空間に気体を吸入・排出して、前記空間内の圧力を増減させることで、金属板がダイあるいはパンチにより成形される前に金属板を予成形し、その後にダイあるいはパンチで金属板を本成形する２工程を行う手段を備えたことを特徴とする金属板のプレス成形装置。
6. 金属板をダイとブランクホルダーで挟持し、当該金属板をダイとパンチ間で挟圧して所定の形状に成形する金属板のプレス成形装置において、ダイと金属板の間に形成される空間（ダイ側空間）およびパンチとブランクホルダーと金属板の間に形成される空間（パンチ側空間）に対して気体を吸入・排出する気体吸排機構を備え、該気体吸排機構によって、前記パンチ側空間から気体を排出してパンチ側空間の圧力を負に減圧するとともに、前記ダイ側空間に気体を吸入してダイ側空間の圧力を正に増圧することで、金属板がダイあるいはパンチにより成形中に成形を補助する手段を備えたことを特徴とする金属板のプレス成形装置。
7. 前記気体吸排機構は、気体の吸入・排出の応答性を高めるための気体保留手段を備えていることを特徴とする請求項５または６に記載の金属板のプレス成形装置。
8. 前記空間からの漏洩を抑止するシール手段を備えていることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の金属板のプレス成形装置。

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