JP5114688B2 - 形状凍結性に優れた金属部材の成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば自動車の車体の構造用部材に用いられる、長手方向に屈曲部を有する断面ハット型形状部材等の金属部材の形状凍結性を向上させる成形方法に関する。

近年、自動車の車体の構造用部材には、長手方向に垂直な断面の形状がハット型形状である部材（以下、断面ハット型形状部材という）が多く用いられている。断面ハット型形状部材１は、例えば図１に示すような形状に成形加工され、フランジ部を外側にして長手方向に屈曲させた屈曲部２を有する。

このように屈曲部２を有するように断面ハット型形状部材を成形加工した場合、残留応力に起因するスプリングバックが生じ、図２の点線に示すように屈曲点を中心として長手方向に３次元方向の垂れ下がりが発生する。この垂れ下がり形状の修正は、従来の２次元形状でのスプリングバック（図１のＩ−Ｉ断面内におけるコの字型断面の開き）の矯正では律しきれないものである。なお、スプリングバック量は、製品の先端部の所望の形状からの鉛直方向の垂れ下がり量の値と定義している。

このように、断面ハット型形状部材の成形においては形状凍結性の確保が非常に重要な技術課題となっている。

特開２００４−１８１５０２号公報 特開２００７−２１５６８号公報

形状凍結性を確保するため、例えば特許文献１では、金属板に向かって凸となる断面半円形状の凸部を頭部に有するパンチを用い、断面ハット型形状の壁部となる金属板部分にパンチの凸部を接触させ、金属板のハット頭部となる部分が外側に向かって凸となる凸形状に成形する予備加工を行い、次いで所定のハット形状を得るためのパンチを用い仕上げ加工を施す加工方法が提案されている。しかしながら、この加工方法は軸長手方向一定形状を有する断面ハット型形状部材に対する加工方法で、しかも２次元の板反りにしか適用できず、図１及び図２に示すようなフランジ部を外側にして長手方向に屈曲させた屈曲部２を有する断面ハット型形状部材１の長手方向の３次元形状での垂れ下がりを改善するには適用できない技術である。

また、例えば特許文献２では、部材長手方向に屈曲部を有する断面ハット型形状部材の成形方法において、前記部材をパンチ、ダイス及びしわ押さえ加工工具を用い、第一段成形でパンチ肩の半径ｒ（ｍｍ）を製品の肩の半径Ｒ（ｍｍ）より大きく成形し、第２段成形で、第１段成形と同じ幅で、かつ製品の肩の半径Ｒ（ｍｍ）に成形する３次元の形状凍結性に優れた断面ハット型形状部材の成形方法が提案されている。しかしながら、この成形方法はフランジ部を内側にして長手方向に屈曲させた断面ハット方形状部材に対する成形方法であり、図１及び図２に示すようなフランジ部を外側にして長手方向に屈曲させた屈曲部２を有する断面ハット型形状部材１の長手方向の３次元形状での垂れ下がりを改善するには適用できない技術である。

このように、フランジ部を外側にして長手方向に屈曲させた屈曲部２を有する断面ハット型形状部材１の形状凍結性を向上させるニーズが高まっている一方、これを改善する提案はなされていないのが現状である。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、長手方向に垂直な断面にて、両側の縦壁部と、前記両側の縦壁部のうち少なくとも一方につながるフランジ部とを有するとともに、前記フランジ部を外側にして長手方向に屈曲させた屈曲部を有する金属部材の形状凍結性を向上させる成形方法を提供することを目的とする。

本発明の形状凍結性に優れた金属部材の成形方法は、パンチとダイスとを用いて、長手方向に垂直な断面にて、両側の縦壁部と、前記両側の縦壁部のうち少なくとも一方につながるフランジ部とを有するとともに、前記フランジ部を外側にして長手方向に屈曲させた屈曲部を有する金属部材を成形する方法であって、
前記金属部材の最終形状を得るためのダイスのダイス肩半径をＲ₀として、前記ダイス肩半径Ｒ₀よりも大きなダイス肩半径Ｒ₁を有するダイスにより一回又は複数回の成形をした後、前記ダイス肩半径Ｒ₀のダイスにより成形し、
前記ダイス肩半径Ｒ ₁ を１．１Ｒ ₀ 以上で、３．５Ｒ ₀ 以下の範囲で設定することを特徴とする。
また、本発明の形状凍結性に優れた金属部材の成形方法の他の特徴とするところは、前記金属部材は、長手方向に垂直な断面にて、両側の縦壁部と、前記両側の縦壁部のうち少なくとも一方につながるフランジ部と、前記縦壁部につながる天板部とを有するとともに、前記フランジ部を外側にして長手方向に屈曲させた屈曲部を有する点にある。
また、本発明の形状凍結性に優れた金属部材の成形方法の他の特徴とするところは、前記金属部材は断面ハット型形状部材である点にある。

本発明によれば、長手方向に垂直な断面にて、両側の縦壁部と、前記両側の縦壁部のうち少なくとも一方につながるフランジ部とを有するとともに、前記フランジ部を外側にして長手方向に屈曲させた屈曲部を有する金属部材において、長手方向のスプリングバックによる垂れ下がりを大幅に低減し、形状凍結性を向上させることができる。

図１は、断面ハット型形状部材の製品形状を示す図である。 図２は、断面ハット型形状部材の成形後のスプリングバックの状態を示す図である。 図３は、断面ハット型形状部材を成形するための加工工具を示す図である。 図４Ａは、従来の成形方法による、図１のＩ−Ｉ断面での断面ハット型形状部材の成形におけるスプリングバックの原因応力の分布を示す図である。 図４Ｂは、本実施形態の断面ハット型形状部材の成形方法による、図１のＩ−Ｉ断面での断面ハット型形状部材の成形におけるスプリングバックの原因応力の分布を示す図である。 図５は、本実施形態の断面ハット型形状部材の成形方法における図１のＩ−Ｉ断面での成形状態を示す図である。 図６は、本実施形態の断面ハット型形状部材の成形方法の手順を示すフローチャートである。 図７は、実施例によるスプリングバック改善効果を示す図である。 図８Ａは、本発明を適用可能な金属部材の例を示す図である。 図８Ｂは、本発明を適用可能な金属部材の例を示す図である。 図８Ｃは、本発明を適用可能な金属部材の例を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
本実施形態で成形する金属部材である断面ハット型形状部材１は、図１に示すような形状に成形加工される。すなわち、断面ハット型形状部材１は、長手方向に垂直な断面（例えばＩ−Ｉ断面）にて、両側の縦壁部１ｂ、１ｂと、各縦壁部１ｂにつながる両側のフランジ部１ａ、１ａと、両側の縦壁部１ｂ、１ｂにつながる天板部１ｃとを有するとともに、フランジ部１ａ、１ａを外側に、換言すれば天板部１ｃを内側にして長手方向に屈曲させた屈曲部２を有する。

このような断面ハット型形状部材１を成形する場合、図３に示すように、パンチ５、ダイス４、及び必要に応じて不図示の板押さえ、を含む加工工具を用いて、鋼板３を成形加工する。

図４Ａは、従来の成形方法、すなわち一回のプレス成形による、図１のＩ−Ｉ断面での断面ハット型形状部材の成形におけるスプリングバックの原因応力の分布を示す図である。従来の成形においては、図４Ａに示すように、主に屈曲部２のフランジ部１ａ、１ａに大きな引張応力が発生し、また、屈曲部２のパンチ底（天板部１ｃ）には大きな圧縮応力が発生する。これらの引張−圧縮の応力がドライビングフォースとなり、屈曲部２を起点とした長手方向の製品の大きな垂れ下がりが起こり、製品の形状精度が悪化することになる。

そこで、本発明者は、上記引張−圧縮の応力バランスを極小とすべく鋭意検討し、図５に示すように、プレス成形を二段階とすることに想到した。図５は、本実施形態の断面ハット型形状部材の成形方法における図１のＩ−Ｉ断面での成形状態を示す図である。なお、図５において、符号６はダイス４及び鋼板３のダイス肩を示す。また、図６は、本実施形態の断面ハット型形状部材の成形方法の手順を示すフローチャートである。

最終形状を得るためのダイス４のダイス肩半径をＲ_０［ｍｍ］とする。第一段階の成形において、ダイス肩半径Ｒ_０［ｍｍ］よりも大きなダイス肩半径Ｒ_１［ｍｍ］を有するダイス４により成形し（ステップＳ１０１）、屈曲部２のフランジ部１ａ、１ａに引張応力だけが作用するようにする。図５の状態ａは第一段階終了時の鋼板３を示す。ダイス肩半径Ｒ_１は、好ましくは１．１Ｒ_０以上で、３．５Ｒ_０以下の範囲で設定する。ダイス肩半径Ｒ_１を３．５Ｒ_０以下としたのは、ダイス肩半径Ｒ_１が大きすぎると、成形品に皺ができやすくなる傾向にあるためである。

次いで、第二段階の成形において、図５の状態ｂ、状態ｃに示すように、ダイス肩半径Ｒ_０［ｍｍ］のダイス４により最終形状に成形する（ステップＳ１０２）。

第一段階及び第二段階ともに、パンチ幅は同じとする。また、第一段階の成形で、ダイス肩半径Ｒ_１は、屈曲部２を含め長手方向の全域に亘り適用することが望ましいが、一部、例えば屈曲部２近傍のみに適用することもできる。

図４Ｂは、本実施形態の断面ハット型形状部材の成形方法による、図１のＩ−Ｉ断面での断面ハット型形状部材の成形におけるスプリングバックの原因応力の分布を示す図である。プレス成形を二段階とすることによって、屈曲部２のフランジ部１ａ、１ａにおける引張応力が、図４Ａに示すフランジ部１ａ、１ａの引張応力に比較して極端に少なくなっており、最終形状においては、フランジ部１ａ、１ａでは圧縮方向に緩和された応力が作用することで引張−圧縮の応力バランスを極小化することできる。このような成形方法をとることで、屈曲部２のフランジ部１ａ、１ａに発生する引張応力を圧縮方向に是正し、長手方向のスプリングバックによる垂れ下がりを大幅に低減することが可能となる。

図１に示すように、長さ５００［ｍｍ］、ハット頭部幅（天板部幅）４０［ｍｍ］、フランジ部１ａ、１ａのエッジ間の幅１００［ｍｍ］、縦壁部長さ５０［ｍｍ］の断面ハット型形状部材１を、長手方向の中央部にて半径Ｒ_ｂ：３００［ｍｍ］の屈曲部２（曲げ角度：約１７０［°］）を有するように成形加工した。

本発明例では、図５の状態ａに示す第一段階の成形で、屈曲部２のダイス肩半径Ｒ_１［ｍｍ］を、ダイス肩半径Ｒ_０：８［ｍｍ］の１．２５倍の１．２５Ｒ_０：１０［ｍｍ］で大きめに成形してフランジ部１ａ、１ａに引張応力を作用させた。次いで、図５の状態ｂに示すように、パンチ幅は第一段階と同じで、ダイス肩半径Ｒ_０：８［ｍｍ］のダイス４を用いて、フランジ部１ａ、１ａに発生する引張応力を圧縮方向に是正する成形加工した。

同様に、他の本発明例では、図５の状態ａに示す第一段階の成形で、屈曲部２のダイス肩半径Ｒ_１［ｍｍ］を、ダイス肩半径Ｒ_０：８［ｍｍ］の１．５倍の１．５Ｒ_０：１２［ｍｍ］で大きめに成形してフランジ部１ａ、１ａに引張応力を作用させた。次いで、図５の状態ｂに示すように、パンチ幅は第一段階と同じで、ダイス肩半径Ｒ_０：８［ｍｍ］のダイス４を用いて、フランジ部１ａ、１ａに発生する引張応力を圧縮方向に是正する成形加工した。

一方、比較例として、ダイス肩半径Ｒ：８［ｍｍ］のダイス４を用いて、従来の方法のように一段階で成形加工した。

その結果、図７に示すように、比較例ではスプリングバック量が約４．４２［ｍｍ］にまで達し、非常に大きかった。それに対して、第一段階の成形で屈曲部２のダイス肩半径Ｒ_１［ｍｍ］を１．５Ｒ_０：１２［ｍｍ］とした本発明例では約２．９６［ｍｍ］となり、約３３％も改善されるという驚くべき効果を達成することができた。

表１に、ダイス肩半径の比Ｒ_１／Ｒ_０と、スプリングバック量との関係を示す。表１に示すように、Ｒ_１／Ｒ_０＝１の場合、すなわち従来の方法のように一段階で成形加工した場合に比べて、Ｒ_１／Ｒ_０を大きくすることにより、スプリングバック量を減らすことができた。Ｒ_１／Ｒ_０を大きくすればスプリングバック量も減っていくが、Ｒ_１／Ｒ_０＝３．８の場合にようにダイス肩半径Ｒ_１が３．５Ｒ_０を超えると、成形不良が発生した。

以上、本発明を種々の実施形態と共に説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。例えば、上記実施形態ではプレス成形を二段階とする例を説明したが、三段階以上としてもよい。すなわち、ダイス肩半径Ｒ_０よりも大きなダイス肩半径Ｒ_１を有するダイスにより複数回の成形をする。この場合、ダイス肩半径Ｒ_１は、ダイス肩半径Ｒ_０を超えない範囲で順を追って小さくしていく。その後、ダイス肩半径Ｒ_０のダイスにより成形する。

また、上記実施形態では、フランジ部１ａ、１ａを外側にして（すなわち、天板部１ｃを内側にして）鉛直方向に屈曲させた例を説明したが、天板部１ｃを内側にして斜め上方に屈曲させる場合にも本発明を適用することが可能である。すなわち、天板部１ｃを内側にして鉛直方向の成分を含むように屈曲させる場合に本発明を適用することが可能である。

また、上記実施形態では、長手方向に垂直な断面の形状が一段のハット型形状である部材を例に説明したが、例えば図８Ａ、図８Ｂに示すような多段のハット型形状である金属部材にも本発明は適用することが可能である。また、例えば図８Ｃに示すような長手方向に垂直な断面において両側の縦壁部１ｂ、１ｂと天板部１ｃとが滑らかに連続するような形状の金属部材にも本発明は適用することが可能である。

本発明は、例えば自動車の車体の構造用部材に用いられる断面ハット型形状部材等、長手方向に垂直な断面にて縦壁部と前記縦壁部につながるフランジ部とを有するとともに、前記フランジ部を外側にして長手方向に屈曲させた屈曲部を有する金属部材において、長手方向のスプリングバックによる垂れ下がりを大幅に低減することができる。

Claims (3)

1. パンチとダイスとを用いて、長手方向に垂直な断面にて、両側の縦壁部と、前記両側の縦壁部のうち少なくとも一方につながるフランジ部とを有するとともに、前記フランジ部を外側にして長手方向に屈曲させた屈曲部を有する金属部材を成形する方法であって、
   前記金属部材の最終形状を得るためのダイスのダイス肩半径をＲ₀として、前記ダイス肩半径Ｒ₀よりも大きなダイス肩半径Ｒ₁を有するダイスにより一回又は複数回の成形をした後、前記ダイス肩半径Ｒ₀のダイスにより成形し、
   前記ダイス肩半径Ｒ ₁ を１．１Ｒ ₀ 以上で、３．５Ｒ ₀ 以下の範囲で設定することを特徴とする形状凍結性に優れた金属部材の成形方法。
2. 前記金属部材は、長手方向に垂直な断面にて、両側の縦壁部と、前記両側の縦壁部のうち少なくとも一方につながるフランジ部と、前記縦壁部につながる天板部とを有するとともに、前記フランジ部を外側にして長手方向に屈曲させた屈曲部を有することを特徴とする請求項１に記載の形状凍結性に優れた金属部材の成形方法。
3. 前記金属部材は断面ハット型形状部材であることを特徴とする請求項２に記載の形状凍結性に優れた金属部材の成形方法。

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