JP5423574B2

JP5423574B2 - 金属板の曲げ加工時の限界条件の決定方法及びプレス成形時の金属板の曲げ加工部の不具合の予測方法

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Publication number: JP5423574B2
Application number: JP2010107457A
Authority: JP
Inventors: 浩一佐藤; 正昭水村; 亨吉田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2010-05-07
Filing date: 2010-05-07
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2030-05-07
Also published as: JP2011235301A

Description

本発明は、金属板の曲げ加工時の限界条件の決定方法及びプレス成形時の金属板の曲げ加工部の不具合の予測方法に関する。

所謂ハイテンと呼ばれる高強度鋼板は、優れた機械的強度を有する反面、曲げ加工等の成形加工において、形状凍結性が低下する傾向にあり、複雑な形状に加工する場合は加工そのものが困難になりつつある。また、軟鋼板や非鉄金属板においても、成形加工について高強度鋼板のように顕著ではないものの、曲げ加工部におけるネッキングや割れが起きる場合がある。

従来、金型を用いて金属板を複雑な部品形状にプレス成形する際、プレス成形が可能か否かは、過去のデザインを参考にした経験則により判断していた。また、金属板の曲げ加工時の割れに対する限界条件を見極めるために、非特許文献１に記載のＶブロック法を用いた曲げ試験を実施し、最小曲げ半径から限界条件を予測することが行われていた。

図７に、Ｖブロック法を利用した最小曲げ半径の測定方法の一例を示す。一対の傾斜面１０１ａ、１０１ａからなる断面Ｖ字状の溝部１０１ｂを有するダイ１０１と、先端部１０２ａに先端半径Ｒを有するパンチ１０２を用意し、ダイ１０１の上面１０１ｃに試験片としての金属板１０３を置き、パンチ１０２を下降させて金属板１０３をパンチ１０２とダイ１０１で挟んで曲げ加工を行い、加工後の曲げ半径を測定する。そして、パンチ１０１の先端半径Ｒを適宜変更して曲げ加工を行い、曲げ加工部に割れが生じない最小曲げ半径を求めている。

鉄鋼便覧第４版（ＣＤＲＯＭ版），第４巻２編，８・２・３ｈ．，日本鉄鋼協会編

しかし、Ｖブロック法によって求めた最小曲げ半径を参考にして金型設計を行い、実際にプレス成形を実施すると、曲げ加工部においてネッキング、割れまたは破断といった不具合が発生する場合があった。このように、Ｖブロック法による評価と、実際のプレス成形の結果が一致しないため、金型設計を効率良く行うことが困難になっていた。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、精度に優れた金属板の曲げ加工時の限界条件の決定方法及びプレス成形時の金属板の曲げ加工部の不具合の予測方法を提供することを目的とする。

Ｖブロック法による評価と、実際のプレス成形の結果とが一致しない点について、本発明者が鋭意検討したところ、実際のプレス成型では曲げ加工部の両側から張力が加わった状態で曲げ加工がされるため、試験片を何ら拘束しないＶブロック法に比べて、金属板に負荷が加わった状況でプレス成形されていることが判明した。そこで本発明者らは、Ｖブロック法において金属板に張力を加えた状態で金属板を曲げ加工することで、曲げ加工時の限界条件を精度よく予測する以下の方法を見出した。

［１］金属板に張力を印加した状態で前記金属板に先細り形状のパンチを押し込んで曲げ加工を実施する際、前記張力及び前記パンチの先端半径を適宜変更して曲げ加工を行い、前記金属板の曲げ部にネッキング、割れまたは破断を発生させない限界条件を、前記張力と前記パンチの先端半径との関係で求めることを特徴とする金属板の曲げ加工時の限界条件の決定方法。
［２］前記パンチの受けとして、一対の傾斜面に区画された溝部を有するダイを用いて、前記曲げ加工を行って前記限界条件を求めることを特徴とする［１］に記載の金属板の曲げ加工時の限界条件の決定方法。
［３］金属板に張力を印加した状態で前記金属板に先細り形状のパンチを押し込んで曲げ加工を実施する際、前記張力及び前記パンチの先端半径を適宜変更して曲げ加工を行い、前記金属板の曲げ部にネッキング、割れまたは破断を発生させない限界条件を、前記張力と前記パンチの先端半径との関係で予め求めておき、プレス成形金型を用いて別の金属板に曲げ加工部を設けるプレス成形をする際に、前記曲げ加工部に加わる加工時の張力を予め予測し、前記加工時の張力に基づき、前記限界条件を参照して、前記曲げ加工部におけるネッキング、割れまたは破断の発生の有無を予測することを特徴とするプレス成形時の金属板の曲げ加工部の不具合の予測方法。
［４］前記パンチの受けとして、一対の傾斜面に区画された溝部を有するダイを用いて、前記曲げ加工を行って前記限界条件を求めることを特徴とする［３］に記載のプレス成形時の金属板の曲げ加工部の不具合の予測方法。
［５］前記曲げ加工部に加わる加工時の張力の予測を、有限要素法によって求めることを特徴とする［３］または［４］に記載のプレス成形時の金属板の曲げ加工部の不具合の予測方法。

本発明の金属板の曲げ加工時の限界条件の決定方法によれば、金属板に印加する張力及びパンチの先端半径を適宜変更して曲げ加工を行い、金属板の曲げ部にネッキング、割れまたは破断を発生させない限界条件を求めるので、実際のプレス成形時の加工条件に近似した条件下で曲げ加工部に不具合が生じない限界条件を求めることができ、精度の高い限界条件を得ることができる。

また、本発明のプレス成形時の金属板の曲げ加工部の不具合の予測方法によれば、実際のプレス成形時の加工条件に近似した条件下で求められた限界条件に加えて、実際のプレス成形時の曲げ加工部に加わる加工時の張力を予め予測し、これらを参照して実際の曲げ加工部における不具合の発生を予測するので、プレス成形時の不具合を高い精度で予測できる。
また、実際のプレス成形時の曲げ加工部に加わる加工時の張力を有限要素法によって求めるので、プレス成形時の不具合をより高い精度で予測できる。

図１Ａは、本発明の実施形態である金属板の曲げ加工部の不具合の予測方法に用いられるプレス機の一例を説明する模式図である。図１Ｂは、本発明の実施形態である金属板の曲げ加工部の不具合の予測方法に用いられるプレス機の一例を説明する模式図である。図２Ａは、本発明の実施形態である金属板の曲げ加工部の不具合の予測方法に用いられるプレス機の別の例を説明する模式図である。図２Ｂは、本発明の実施形態である金属板の曲げ加工部の不具合の予測方法に用いられるプレス機の別の例を説明する模式図である。図３は、図１Ａ及び図１Ｂに示すプレス機によって測定された限界条件を先端Ｒと張力との関係で示すグラフである。図４は、図２Ａ及び図２Ｂに示すプレス機によって測定された限界条件を先端Ｒと張力との関係で示すグラフである。図５は、プレス成形によって製造する部品の一例を示す斜視図である。図６Ａは、図５に示す部品をプレス成形する際の有限要素法による解析結果を示す模式図である。図６Ｂは、図５に示す部品をプレス成形する際の有限要素法による解析結果を示す模式図である。図６Ｃは、図５に示す部品をプレス成形する際の有限要素法による解析結果を示す模式図である。図６Ｄは、図５に示す部品をプレス成形する際の有限要素法による解析結果を示す模式図である。図７は、Ｖブロック法による金属板の曲げ試験方法を説明する模式図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

本発明の金属板の曲げ加工時の限界条件の決定方法（以下、決定方法という）は、金属板に張力を印加した状態で金属板に先細り形状のパンチを押し込んで曲げ加工を実施する際に、張力及びパンチの先端半径を適宜変更して曲げ加工を行い、金属板の曲げ部に不具合を発生させない限界条件を、張力とパンチの先端半径との関係で求めるというものである。

また、プレス成形時の金属板の曲げ加工部の不具合の予測方法（以下、予測方法という）は、上記決定方法により限界条件を求めた後、プレス成形金型を用いて別の金属板に曲げ加工部を設けるプレス成形をする際の曲げ加工部に加わる加工時の張力を予め予測し、この加工時の張力に基づき、既に得られた限界条件を参照して、曲げ加工部における不具合の発生の有無を予測するというものである。

以下、本発明の決定方法及び予測方法を順次説明する。

「決定方法」
図１Ａに、本発明の決定方法において使用するプレス機を示す。図１Ａに示すプレス機１０は、一対の傾斜面１ａ、１ａからなる断面Ｖ字状の溝部１ｂを有するダイ１と、先端部２ａに先端半径Ｒ_１の曲面を有するパンチ２と、金属板３に張力を印加する張力制御部４と、から概略構成されている。

ダイ１にはその上面１ｃに一対の傾斜面１ａ、１ａで区画された溝部１ｂが設けられており、ダイ１は金属板３の下方に設置されている。
また、パンチ２は、先端部の形状が溝部１ｂの形状に対応するようにくさび型の形状をしており、先端部２ａに先端半径Ｒ_１の曲面が設けられている。先端半径Ｒ_１の大きさは、例えば０．２〜２．０ｍｍの範囲である。また、パンチ幅とダイ肩幅とは一致させることが好ましい。なお、ダイ肩幅は一対の傾斜面１ａ、１ａと上面１ｃの各交点間の幅寸法である。

また、ダイ１の両側に、金属板３に張力を印加する張力制御部４がダイ１に離間して備えられている。張力制御部４は、下部治具４ａと上部治具４ｂとから構成されており、上部治具４ｂによって金属板３を押圧することで、下部治具４ａと上部治具４ｂの間において金属板３を挟んで保持している。そして、金属板３に曲げ加工が施される際に、下部治具４ａ及び上部治具４ｂに対して金属板３が摺動するように上部治具４ｂの押圧力が調整されている。また、下部治具４ａのうち金属板３が載置される上面４ｃは、ダイ１の上面１ｃより常に高い位置にある。また、上面４ｃのダイ１寄りのコーナー部は、曲面コーナー４ｄとされており、曲げ加工時に金属板３が容易に摺動できるようになっている。

金属板３は、鋼板やステンレス鋼板でもよく、また、銅やニッケル等の非鉄金属板でもよい。鋼板としては、軟鋼板、高強度鋼板のいずれでもよい。

次に、本発明の決定方法について説明する。
図１Ａに示すようにプレス機１０に金属板３をセットする。次いで、図１Bに示すように、ポンチ２を溝部１ｂに向けて押し込んで金属板３の曲げ加工を行う。ポンチ２を押し込むことにより、金属板３が溝部１ｂに押し込まれ、金属板３に曲げ部３ａが設けられる。このとき張力制御部４は、金属板３に一定の張力が加わるように金属板３を摺動自在に保持しており、金属板３に常に一定の張力が印加された状態で曲げ加工が施される。張力制御部４によって金属板３が一定の張力下で摺動することで、曲げ加工時に金属板３が破断するおそれが少なくなる。

ダイ１とパンチ２の間に挟まれた金属板３は、図１Bに示すように、曲げ加工部３ａにおいて上面３ｂがポンチ２の先端部２ａに接する。また、曲げ加工部３ａの左右両側において下面３ｃがダイ１の傾斜面１ａに接し、更にその外側において上面３ｂがパンチ２に接し、更にその外側において張力制御部４に保持された状態になっている。このようにして、ダイ１とパンチ２の間で金属板３が撓んだ状態になっている。

曲げ加工終了後、金属板３の曲げ部３ａを観察して、ネッキング、割れまたは破断といった不具合の有無を観察する。ここでネッキングとは、曲げ部３ａにおいて金属板３の板厚が部分的に薄くなる現象をいう。また、割れとは、曲げ部３ａの外面（図１Ｂでは下面３ｃ）においてクラックが生じる現象をいう。更に、破断とは、金属板３が曲げ部３ａ近傍において完全に２つに割れる現象をいう。

不具合の有無の確認後、張力制御部４における上部治具４ｂの押圧力を変更するか、先端部２ａの先端半径Ｒ_１が異なるポンチ２を用意して、次の金属板３の曲げ加工を行い、不具合の有無の確認をする。
この作業を更に繰り返すことによって、張力及び先端半径Ｒ_１毎に、曲げ部３ａの不具合の発生の有無を確認する。

曲げ部３ａの不具合の発生状況を調査した結果の一例を図３に示す。
図３は、幅３０ｍｍ、長さ２００ｍｍ、厚み１．４ｍｍのＳＰＣ９８０鋼板を金属板として使用し、パンチ３の先端半径Ｒ_１を１．２、０．５、１．０、１．５、２．０ｍｍとし、ダイ肩幅を１２ｍｍとし、金属板３に印加する張力を０、５、１５、２０ｋＮとする条件で曲げ加工を行った結果である。図３は、横軸を張力とし、縦軸をパンチの先端半径Ｒ_１とする散布図であり、張力及び先端半径Ｒ_１毎の不具合の発生状況を○、□、△、×で示している。ここで、○は良好であり、□はネッキングが発生したものであり、△は金属板３の下面３ｃに割れが発生したものであり、×は破断したものである。

また、図３には、張力及び先端半径Ｒ_１毎の不具合の発生状況に基づき、ネッキング限界線、割れ限界線、破断限界線をそれぞれ示している。図３に示すように、ネッキング限界線より上側の領域が、曲げ部３ａに不具合を生じさせない限界条件になる。

図３に示す限界条件は、ダイ１を用いた曲げ加工における金属板３の曲げ部３ａの限界条件であるが、以下に説明するように、ダイ１を用いない曲げ加工における金属板３の曲げ部３ａの限界条件を決定することもできる。

すなわち、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、ダイ１を省略した以外は、図１Ａ及び図１Ｂと同様のプレス装置２０を用意する。すなわち、図２Ａ及び図２Ｂに示すプレス装置２０は、ポンチ２と張力制御部４とから構成されている。そして、このプレス装置２０を用いて金属板３の曲げ加工を行う。

図２Ａに示すようにプレス機２０に金属板３をセットし、次いで、図２Bに示すように、ポンチ２を金属板３に向けて押し込んで金属板３の曲げ加工を行う。ポンチ２を押し込むことにより、金属板３が変形して曲げ部３ａが設けられる。このとき、張力制御部４が金属板３を一定の張力が加わるように摺動自在に保持しており、金属板３に常に一定の張力が印加された状態で曲げ加工が施される。張力制御部４によって金属板３が一定の張力下で摺動することで、曲げ加工時に金属板３が破断するおそれが少なくなる。

パンチ２に押し込まれた金属板３は、図２Bに示すように、曲げ加工部３ａにおいて上面３ｂがポンチ２の先端部２ａに接し、曲げ加工部３ａの左右両側が張力制御部４によって引っ張られた状態になる。図２Ｂに示す例では、図１Ｂの場合に比べて、金属板３の下面３ｃがダイ１に拘束されずに撓みが少なくなるため、金属板３の歪みが曲げ部３ａに集中した形になる。

図２Ａ及び図２Ｂに示すプレス装置２０によって金属板３の曲げ部３ａの不具合の発生状況の調査結果の一例を図４に示す。
図４は、図３と同様に、幅３０ｍｍ、長さ２００ｍｍ、厚み１．４ｍｍのＳＰＣ９８０鋼板を金属板として使用し、パンチ２の先端半径Ｒ_１を１．２、０．５、１．０、１．５、２．０ｍｍとし、金属板３に印加する張力を０、５、１５、２０ｋＮとする条件で曲げ加工を行った結果である。
また、図４には、図３と同様に、張力及び先端半径Ｒ_１毎の不具合の発生状況に基づき、ネッキング限界線、割れ限界線、破断限界線をそれぞれ示している。図４に示すように、ネッキング限界線より上側の領域が、曲げ部３ａに不具合を生じさせない限界条件になる。

図４に示す限界条件は、図３の限界条件と同様に張力の増加に従って不具合が生じやすくなるが、図４の限界条件は図３の限界条件に比べて、先端半径Ｒ_１が約１．５ｍｍ以下の範囲において、限界条件が高張力寄りに広がっている。一方、図４の限界条件は図３の限界条件に比べて、先端半径Ｒ_１が約１．５ｍｍより大きい範囲において、限界条件が低張力寄りに狭まっている。

図３に示す限界条件は、ダイ１とパンチ２を有するプレス装置１０によって得られた条件である。従って、図３に示す限界条件は、金属板３に張力が印加された箇所に対して、プレス成形用の上型と下型の両方が接した状態での、不具合の発生の予測に用いることが好適な限界条件である。

一方、図４に示す限界条件は、パンチのみを有するプレス装置によって得られた条件である。従って、図４に示す限界条件は、金属板３に張力が印加された箇所に対して、プレス成形用の上型または下型の一方のみが接した状態での、不具合の発生の予測に用いることが好適な限界条件である。

「予測方法」
次に、上記の限界条件を利用した不具合の予測方法について、図５〜図６を参照して説明する。

先ず、プレス成形金型を用いて金属板に曲げ加工部を設ける際に、曲げ加工部に加わる加工時の張力を予め予測する。
具体的には、図５に示す部品３１のプレス成形を想定する。図５に示す部品３１は、自動車用の部品であって、図５の仮想面Ａにおける断面が略ハット形状になるように薄鋼板をプレス成形して製造される部品である。

図６Ａは、部品３１の製造に用いられるプレス成型用の金型と、薄鋼板とを示す断面図であり、図５に示す仮想面Ａに対応する断面図である。
図６Ａに示すように、プレス成形用の金型３２は、下型３２ａと、上型３２ｂと、押さえ金型３２ｃとから構成されている。上型３２ｂには貫通部３２ｂ_１が設けられ、貫通部３２ｂ_１内に押さえ金型３２ｃが進退自在に設置されている。また、下型３２ａには台部３２ａ_１及び台部３２ａ_１から突出する凸部３２ａ_２が設けられており、凸部３２ａ_２が上型３２ｂの貫通部３２ｂ_１に挿入可能とされている。
図６Ａでは、下型３２ａと、上型３２ｂ及び押さえ金型３２ｃとの間に、薄鋼板３３を挿入した状態を示している。
また、図６Ａに示す金型３２においては、下型３２ａの谷部３２ａ_３と、上型３２ｂの稜部３２ｂ_２とによって加工される箇所が、部品３１のうち最も高い張力が加わる箇所と予測されている。なお、上型３２ｂの稜部３２ｂ_２は先端半径Ｒ_２の曲面になっている。

そこで、図６Ａに示す金型を用いた場合の、薄鋼板３３の当該箇所に印加される張力を、有限要素法によって求める。

有限要素法の前提条件となる成型金型３２の動作は、図６Ｂ〜図６Ｄに示すとおりである。まず、図６Ｂに示すように、上型３２ｂ及び押さえ金型３２ｃに対して下型３２ａを相対的に上昇させて、下型３２ａの凸部３２ａ_２と押さえ金型３２ｃによって薄鋼板３３を挟んで保持する。この段階では、薄鋼板３３に張力は印加されていない。

次に、図６Ｃに示すように、上型３２ｂに対して、押さえ金型３２ｃ及び下型３２ａを相対的に上昇させて、下型３２ａの凸部３２ａ_２を貫通部３２ｂ_１に挿入させ、凸部３２ａ_２、貫通部３２ｂ_１及び押さえ金型３２ｃによって薄鋼板３３をＵ曲げ加工する。
このとき、薄鋼板３３は、凸部３２ａ_２と貫通部３２ｂ_１と押さえ金型３２ｃとに拘束される。また薄鋼板３３は、下型３２ａの台部３２ａ_１と上型３２ｂに挟まれて拘束される。これにより、薄鋼板３３は、図６Ｃの矢印Ｄ及びＥに示す方向に引っ張られ、張力が印加された状態になる。

更に図６Ｄに示すように、上型３２ｂに対して、押さえ金型３２ｃ及び下型３２ａを相対的に更に上昇させる。これにより、下型３２ａの谷部３２ａ_３と、上型３２ｂの稜部３２ｂ_２とによって薄鋼板３３を加工して曲げ加工部３３ａを形成する。

以上の成形金型３２の動作を前提として、図６Ｃに示す段階において薄鋼板３３に印加される加工時の張力を、有限要素法によって求める。

そして、有限要素法によって算出された加工時の張力と、上型３２ｂの稜部３２ｂ_２の先端半径Ｒ_２との関係が、例えば図３に示す限界条件の範囲内に含まれるかどうかを検討する。これにより、実際に製品３０をプレス成形によって製造する際に、曲げ加工部３３ａにおいてネッキング、割れ、若しくは破断といった不具合を発生させるかどうかを高い精度で予測可能になる。

本実施形態の金属板の曲げ加工時の限界条件の決定方法によれば、金属板３に印加する張力及びパンチの先端半径Ｒ_１を適宜変更して曲げ加工を行い、金属板３の曲げ部３ａにネッキング、割れまたは破断を発生させない限界条件を求めるので、実際のプレス成形時の加工条件に近似した条件下で曲げ部に不具合が生じない限界条件を求めることができ、精度の高い限界条件を得ることができる。

また、本実施形態のプレス成形時の金属板の曲げ加工部の不具合の予測方法によれば、実際のプレス成形時の加工条件に近似した条件下で求められた限界条件に加えて、実際のプレス成形時の曲げ加工部３３ａに加わる加工時の張力を予め予測し、これらを参照して実際の曲げ加工部３３ａにおける不具合の発生を予測するので、プレス成形時の不具合を高い精度で予測できる。
また、実際のプレス成形時の曲げ加工部３３ａに加わる加工時の張力を有限要素法によって求めるので、プレス成形時の不具合をより高い精度で予測できる。

１…ダイ、１ａ…傾斜面、１ｂ…溝部、２…パンチ、３…金属板、３ａ…金属板の曲げ部、３２…金型（プレス成形金型）、３３…薄鋼板（別の金属板）、３３ａ…曲げ加工部、Ｒ_１…パンチの先端半径。

Claims

金属板に張力を印加した状態で前記金属板に先細り形状のパンチを押し込んで曲げ加工を実施する際、前記張力及び前記パンチの先端半径を適宜変更して曲げ加工を行い、前記金属板の曲げ部にネッキング、割れまたは破断を発生させない限界条件を、前記張力と前記パンチの先端半径との関係で求めることを特徴とする金属板の曲げ加工時の限界条件の決定方法。
前記パンチの受けとして、一対の傾斜面に区画された溝部を有するダイを用いて、前記曲げ加工を行って前記限界条件を求めることを特徴とする請求項１に記載の金属板の曲げ加工時の限界条件の決定方法。
金属板に張力を印加した状態で前記金属板に先細り形状のパンチを押し込んで曲げ加工を実施する際、前記張力及び前記パンチの先端半径を適宜変更して曲げ加工を行い、前記金属板の曲げ部にネッキング、割れまたは破断を発生させない限界条件を、前記張力と前記パンチの先端半径との関係で予め求めておき、
プレス成形金型を用いて別の金属板に曲げ加工部を設けるプレス成形をする際に、前記曲げ加工部に加わる加工時の張力を予め予測し、
前記加工時の張力に基づき、前記限界条件を参照して、前記曲げ加工部におけるネッキング、割れまたは破断の発生の有無を予測することを特徴とするプレス成形時の金属板の曲げ加工部の不具合の予測方法。
前記パンチの受けとして、一対の傾斜面に区画された溝部を有するダイを用いて、前記曲げ加工を行って前記限界条件を求めることを特徴とする請求項３に記載のプレス成形時の金属板の曲げ加工部の不具合の予測方法。
前記曲げ加工部に加わる加工時の張力の予測を、有限要素法によって求めることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のプレス成形時の金属板の曲げ加工部の不具合の予測方法。