JP5185558B2 - プレス成形用ブランクおよびプレス成形方法 - Google Patents

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本発明は、自動車パネル、自動車部品、電気機械用部品等の成形に際して、同一板内に強度分布を設けることによりプレス成形性を向上させた、アルミニウム合金ブランク(プレス成形用切板素材の意味)、およびそのブランクを使用したプレス成形方法に関する。
近年、自動車は、省燃費化を目的として、外板部品(フード、ドア、フェンダー、ルーフ、トランク)などに、従来の鋼板から変わってアルミニウム合金板を用い、軽量化することが活発になっている。このアルミニウム合金板には、成形性を重視したAl−Mg系合金や塗装焼付後に強度が向上するAl−Mg−Si系合金が適用されている。
一般に自動車部品のプレス成形は、鋼板あるいはアルミニウム合金板をシートあるいはコイルの状態から、プレス製品(成形パネル)に適正な大きさのブランクにカットする。そして、このブランクを、絞り加工(ドロー)、リストライク、ピアシング等の加工を経て製品化(パネル化)する。しかしながら、アルミニウム合金板の場合、鋼板に比べて成形性が悪いため、高い成形性が必要とされる部品形状では、絞り成形時に割れやしわが生じるため、うまく製品を成形することができない場合がある。
絞り成形では、ブランクのフランジ部の縮み変形に伴う素材変形抵抗による荷重を、パンチ肩部で支持して成形する。この際、フランジ部の変形抵抗力と比較してパンチ肩部の破断抵抗力が大きい場合、破断なく成形することができる。また、ブランクの変形抵抗力および破断抵抗力は、何れも各部位の素材耐力に依存する。
そのため、パンチ肩部と接触するブランク部位の素材耐力が高く、かつフランジ部の素材耐力が低いブランクであれば、素材特性が同一板内で均一なブランクと比較して、プレス成形時の絞り性は向上する。このようなブランクとして、フランジ部の素材耐力を加熱により局部的に下げた、局部加熱ブランクがあり、成形性が向上することが試験によって実証されている(特許文献1、非特許文献1参照)。
特開2004−124151号公報 軽金属学会第102回春期大会講演概要(2002)、P283−284、「局所溶体化プロセスによる6061アルミニウム合金の深絞り性向上」、西脇武志、金武直幸、
上記の通り、同一板内で強度差があるような局部加熱ブランクは、深絞り成形に有効であるが、最適な強度分布は、成形対象であるプレス製品(成形パネル)により各々異なる。そして、プレス製品に応じた、これら最適な強度分布は、必ずしも明確では無かった。
このため、同一板内で強度差を設けても、実際のプレス製品を成形するブランクにおいては、それが最適な強度分布とはなりにくいため、部分的に割れなどの問題が生じて、うまく製品を成形できていなかったのが実情である。
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであって、その目的はアルミニウム合金製のブランクに成形対象に応じて最適な強度分布を与えることにより、深絞り成形性を向上させ、大型で複雑な形状であっても破断が生じずに製品を得ることができるブランクを提供することである。
この目的を達成するための本発明アルミニウム合金ブランクの要旨は、深絞り成形によって角筒形状あるいは円筒形状のパネルとして製品化するプレス成形により成形されるアルミニウム合金ブランクであって、前記製品のうち絞り高さが最も高い成形部位において、プレス成形時に縮みフランジ変形をする縮みフランジ変形部位(12)の素材0.2%耐力(単位:MPa、以下同様)を、プレス成形時にパンチ底が接触するパンチ底接触部位(10)の素材0.2%耐力よりも予め低くするとともに、前記パンチ底接触部位(10)の素材0.2%耐力を、プレス成形時にパンチ肩に接触するパンチ肩接触部位(11)よりも予め低くし、これを加熱手段としての高周波加熱あるいは所定温度に温度調節可能な金属ブロックからなる加圧加熱体を用いて行っており、更に前記縮みフランジ変形部位(12)と前記パンチ底接触部位(10)との両部位によって挟まれ、前記絞り高さが最も高い成形部位における最大高さが100mm以上である壁部となる絞り高さに相当する部位(8)も前記加熱手段により加熱して、この部位(8)における加熱温度を連続的乃至段階的に変化させて、前記素材0.2%耐力を連続的に遷移させたことである。
ここで、前記縮みフランジ変形部位と前記パンチ底接触部位との両部位によって挟まれた壁部となる絞り高さに相当する範囲のうち、パンチ肩R接触部を除いた範囲のブランク強度が連続的に遷移(変化)することが好ましい。また、前記絞り高さが最も高い成形部位における、前記壁部の最大高さが100mm以上であることが好ましい。また、前記製品の底となるブランク領域のブランク強度を、前記パンチ底接触部位よりも低くすることが好ましい。また、前記縮みフランジ変形部位の素材耐力が60〜150MPa、前記パンチ底接触部位の素材耐力が150〜260MPaであることが好ましい。
この目的を達成するための本発明のプレス成形方法要旨は、上記いずれかの要旨のプレス成形用ブランクを深絞り成形によってパネルとして製品化するプレス成形方法であって、前記ブランクに、成形される製品の形状に応じた強度分布を予め設けたことである。
本発明によれば、成形対象に応じてブランクに最適な強度分布を与えることができる。そのため、アルミニウム合金製ブランクを用いて大型で複雑な形状を深絞り成形した際にも、破断が生じず良好なプレス成形品を得ることができる。
以下に本発明の実施の形態について図を用いて詳細に説明する。まず、図1(a)〜(c)を用いて、角筒形状のアルミニウム合金製品(成形品)にプレス成形するためのブランクおよび成形方法について以下に説明する。
図1(a)はブランク1を単純な角筒形状に成形する際の断面図である。図1(a)の成形方法では、ブランク1を、ダイス3(図の下側に位置)とブランクホルダ4(図の上側に位置)とで挟持し、角筒形状のパンチ2をダイス3に対して相対的に移動させて(図では上側からパンチ2を下降させて)、角筒形状のアルミニウム合金製品に成形する。
図1(b)は図1(a)のブランク1の平面図である。角筒形状のアルミニウム合金製品(成形品)形状では、この製品の平面形状を想定して、図1(a)のブランク1の平面図に近似的に重ねてみると、ブランク1においては、縮みフランジ変形部位5がブランク外周側の周縁部にあり、パンチ底との接触部位6がブランク内部側の中央部にある。縮みフランジ変形部位5は、例えば、形状は違うが、後述する図2の12に相当し、パンチ底との接触部位6は後述する図2の10に相当する。また、この両部位の間に挟まれた領域7(長さh)は、製品の縦壁部分に相当し(以下、壁相当部7と言う)、製品の縦壁部分(例えば後述する図2の8に相当、高さが約h)に成形される。
ここで、成形時にブランク1に生じる荷重は、縮みフランジ変形部位5での縮みフランジ変形抵抗により生じる荷重が主であり、この荷重を下げることで製品が破断しにくくなる。縮みフランジ変形抵抗はブランク強度(より厳密には、素材耐力)に依存するため、成形荷重を下げるためには、縮みフランジ変形部位5のブランク強度を低くすることが好ましい。
一方、パンチ底接触部位6において、パンチ2の肩(肩R)に接触する付近で、上記成形時の荷重を支持するため、この部分のブランク強度が高いほうが破断しにくくなる。そのため、パンチ2の肩(肩R)に接触する付近のブランク強度(より厳密には、素材耐力)を高くすることが好ましい。このようにすれば、ブランク1の外周部と内周部とで、ブランク強度が異なるため、その間のブランク強度は変化することになる。
図1(c)は、図1(b)のブランク1の製品(成形品)の壁相当部7の短辺側部位のブランク強度を示す。実際の強度分布は、引張試験もしくは硬度測定により測定され、ここでは比較的容易に測定可能な硬度分布を示している。本発明例の製品角筒形状を成形するためのブランク1にあっては、壁相当部7の絞り高さhが、ブランク1(製品)の全域(全周)で一定となっているため、壁相当部7(製品壁部8)のどの部分も最大絞り高さ相当部となる。ここで、プレス成形時に縮みフランジ変形する部位5のブランク強度は、プレス成形時にパンチ底が接触するパンチ底接触部位6のブランク強度よりも低くなっており、上記両部位5、6によって挟まれた範囲である壁相当部7では、ブランク強度が連続的に遷移(変化)している。なお、本発明で言うブランク強度の連続的な遷移(変化)とは、この間のブランク強度が段階的に遷移(変化)する意味である。
本発明において、製品における最も絞り高さが高い成形部位とは、その製品(プレス成形品)における凹凸のうち、最も絞り深さが高くなっている凹部または凸部の成形部位一帯を意味する。したがって、ブランクとしての製品における最も絞り高さが高い成形部位に対応する部位は、これらの製品部位に対応する部位となる。
一般に絞り成形では、絞り高さが高くなるほど破断が生じやすく成形性が厳しくなる。そのため、単に最大高さ部位のみを取り上げているのではなく、最も絞り高さが高い成形部位を含む凹部または凸部の成形部位一帯で強度が遷移する領域を設ける。例えば、単純な円筒形状であれば、外周の縦壁部一面を指す。また、最も絞り深さが高くなっている凸部が製品外周に亙って設けられていて、部分的に絞り高さが他の部位よりも低くなっている部位がある場合もある。
次に、図2(a)〜(c)を用いて、前記図1の場合よりも比較的複雑な角筒形状の、アルミニウム合金製品パネル(成形品パネル)にプレス成形するためのブランクおよび成形方法について説明する。図2(a)は製品の平面図、図2(b)は図2(a)のAA' 部の断面図を示す。図2(c)は、図2(b)の製品断面に相当するブランク各部位のブランク強度を示す。
この発明例の製品パネル形状は、パネルの外周部で最も絞り深さが高くなっている凸部11があり、絞り高さhは100mm以上程度の110mmを想定している。また、パネルの中央部には、窪みである凹部の中に凸な部分を、中央部から図の上側にずれた位置に有する、比較的低い高さの底部10が成形されている。そして、この中央部の底部10の外側周縁部には、この底部10を囲む比較的低い高さで成形された凸部11がある。
ここで、図2(c)に示すように、縮みフランジ変形部位12に相当するブランク強度は、前記凸部11であるパンチ底接触部位に相当するブランク強度よりも低くなっている。そして、これら両部位によって挟まれた成形品の壁部8に相当する範囲ではブランク強度が連続的に遷移している。また、中央の底部10に相当するブランクの領域において、プレス成形時にパンチ肩(肩R)に接触するブランク相当部位(パンチ肩接触部位)11よりも、強度を低くしている。そのため、中央の底部10に、比較的低い高さで凸部を成形するような複雑な形状となっても、成形中のブランクの破断を防ぐことができる。
次に、図3を用いて、図2の本発明態様をより詳細に説明する。この図3は、図2(b)のB部のみを部分的に拡大した図である。図3(a)は図2(b)と同じく製品パネルの断面図を示し、図3(b)は製品パネルに相当する各部位のブランク強度を示す。
図3(a)において、パネル中央側からパンチ底との接触部11、壁部8、縮みフランジ変形部12があり、壁部8にはパンチ肩Rとの接触部15がある。本発明例では、強度が遷移(変化)することを示す線13のように、パンチ肩Rとの接触部15でも、ブランク強度が連続的に遷移(変化)している。
ブランクの成形時には、パンチ肩Rとの接触部位15の付近で荷重を支持するため、このパンチ肩Rとの接触部15で破断が生じやすい。
したがって、図3(b)のブランクの部位による強度の遷移線14のように、ブランク強度が連続的に遷移する範囲から、パンチ肩R接触部15の範囲を除いてもよい。但し、ブランク強度が連続的に遷移する範囲のうち、必ずしもパンチ肩R接触部15を除く必要はない。
本発明例のパネルにおいて、壁部の最大高さとなる絞り高さhは前記した通り、110mmを想定している。本発明では、製品の最も絞り高さが高い成形部位における、壁部の最大高さhが100mm以上であることが好ましい。壁部の最大高さhが100mm未満であれば、同一板内に強度差を設けないブランクでも成形可能であるため、本発明は不要である。
また、前記縮みフランジ変形部位の素材耐力が60〜150MPa、前記パンチ底接触部位の素材耐力が150〜260MPaであることが好ましい。これら両部位の強度が、各々この範囲を外れた場合、うまく成形できないことがある。
(ブランクに強度差をつける手段)
本発明のようにブランクに強度差を設ける手段は、基本的にブランクの部分的な加熱の有無によって、アルミニウム合金の材料的には、ブランクの部分的な焼鈍処理や人工時効処理によって行う。即ち、図1で言うと、例えば、プレス成形時に縮みフランジ変形する部位5を、部分的に、550℃までの選択される温度に所定時間加熱することによって焼鈍し、加熱しない(室温である)パンチ底接触部位6よりも、ブランク強度を低くする。加熱手段は、高周波加熱により、あるいは前記所定温度に温度調節可能な金属ブロックからなる加圧加熱体により、片側あるいは両側から押しつけ(押圧)して行う。また、逆に、6000系などの時効硬化型アルミニウム合金では、250℃までの温度に所定時間加熱することによってパンチ底接触部位6を部分的に人工時効硬化させて強度を上げ、加熱しない(室温である)縮みフランジ変形する部位5よりも高強度にしても良い。勿論、これに空冷や水冷による急冷(焼入れ処理)など、冷却速度制御を組み合わせて、強度を調整しても良い。
また、これら両部位5、6によって挟まれた範囲である壁相当部7において、ブランク強度を連続的(段階的)に遷移(変化)させる場合には、壁相当部7の領域における加熱温度を、上記加熱手段や冷却手段を用いて、部位5から部位6まで連続的(段階的)に、例えば、室温まで低くなるように変化させる。前記高周波加熱時間や、前記金属ブロックの押しつけ時間など、加熱温度との組み合わせで、段階的に加熱時間を変化させても良い。これらの加熱温度と加熱時間とは、アルミニウム合金の種類と、その調質条件と強度との関係、部位によって選択されるブランク強度に応じて、選択される。
(適用アルミニウム合金板)
本発明ブランクには、JISに規格化された、あるいはJIS規格に相当する乃至近似する、1000系、3000系、5000系、6000系などのアルミニウム合金板(圧延板)が使用できる。但し、フード、ドア、フェンダー、ルーフ、トランク等の成形が困難な自動車パネルとして必要な、基本的な強度、成形性、耐食性などの諸特性を有するためには、Al−Mg−Si系である6000系あるいはAl−Mg系である5000系アルミニウム合金とすることが好ましい。
(ブランク製造)
本発明ブランク用のアルミニウム合金板は、溶解・鋳造−均質化熱処理−熱間圧延−(中間焼鈍)−冷間圧延の工程を経る常法で製造された0.5mm〜2.5mm程度の板厚の板が適用できる。これらの板は、冷間圧延ままか、バッチ式あるいは連続式の焼鈍炉により、溶体化あるいは焼鈍などの熱処理(調質)を適宜行い、アルミニウム合金板のコイルあるいはシートの状態とされる。製品パネルにプレス成形される本発明ブランクは、これらコイルあるいはシートの状態から、製品(パネル)に適正な大きさのブランクにカットされて得られる。
(プレス成形)
プレス成形自体は、従来のアルミニウム合金ブランクの成形のための公知の方法で行う。即ち、これらのブランクを、前記した図1のように、絞り成形(ドロー)、リストライク、ピアシング等の3〜4回のプレス工程を経て、前記自動車パネルなどとして製品化(パネル化)する。本発明は、ブランクの成形性を向上させているので、従来のアルミニウム合金ブランクのプレス成形のための公知の方法や条件、あるいは、場合によっては、鋼板製ブランクのプレス成形のための公知の方法や条件も適用できる利点さえある。
本発明によれば、成形対象に応じてアルミニウム合金製ブランクに最適な強度分布を与えることができる。そのため、アルミニウム合金製ブランクを用いて大型で複雑な形状を深絞り成形した際にも、破断が生じず良好なプレス成形品を得ることができる。
本発明の実施形態を示し、図1(a)は成形過程を示す断面図、図1(b)はブランクの平面図、図1(c)は製品の各部位に相当するブランク各部位の強度を示す説明図である。 本発明の別の実施形態を示し、図2(a)は製品の平面図、図2(b)は製品の断面図、図2(c)は製品の各部位に相当するブランク各部位の強度を示す説明図である。 図2(b)の部分拡大図であり、図3(a)は製品の断面図、図3(c)は製品の各部位に相当するブランク各部位の強度を示す説明図である。
符号の説明
1:ブランク、2:パンチ、3:ダイス、4:ブランクホルダ、5:縮みフランジ変形相当部、6:パンチ底接触相当部、7:壁相当部、8:最大絞り高さ相当部、h:絞り高さ、10:底部、11:パンチ接触部位(凸部)、12:縮みフランジ変形部、13:強度遷移線、14:強度遷移線、15:パンチ肩R接触部、

Claims (3)

  1. 深絞り成形によって角筒形状あるいは円筒形状のパネルとして製品化するプレス成形により成形されるアルミニウム合金ブランクであって、前記製品のうち絞り高さが最も高い成形部位において、プレス成形時に縮みフランジ変形をする縮みフランジ変形部位(12)の素材0.2%耐力(単位:MPa、以下同様)を、プレス成形時にパンチ底が接触するパンチ底接触部位(10)の素材0.2%耐力よりも予め低くするとともに、前記パンチ底接触部位(10)の素材0.2%耐力を、プレス成形時にパンチ肩に接触するパンチ肩接触部位(11)よりも予め低くし、これを加熱手段としての高周波加熱あるいは所定温度に温度調節可能な金属ブロックからなる加圧加熱体を用いて行っており、更に前記縮みフランジ変形部位(12)と前記パンチ底接触部位(10)との両部位によって挟まれ、前記絞り高さが最も高い成形部位における最大高さが100mm以上である壁部となる絞り高さに相当する部位(8)も前記加熱手段により加熱して、この部位(8)における加熱温度を連続的乃至段階的に変化させて、前記素材0.2%耐力を連続的に遷移させたことを特徴とするプレス成形用ブランク。
  2. 前記縮みフランジ変形部位(12)の素材0.2%耐力が60〜150MPa、前記パンチ底接触部位(10)の素材0.2%耐力が150〜260MPaとなるように、前記縮みフランジ変形部位(12)の素材0.2%耐力を、前記パンチ底接触部位(10)の素材0.2%耐力よりも予め低くすることを特徴とする請求項1に記載のプレス成形用ブランク。
  3. 請求項1または2の何れか1項に記載のプレス成形用ブランクを深絞り成形によってパネルとして製品化するプレス成形方法であって、前記ブランクに、成形される製品の形状に応じた強度分布を予め設けたことを特徴とするプレス成形方法。
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