JP5472518B1 - 伸びフランジの限界ひずみ特定方法およびプレス成形可否判定方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明に係る伸びフランジの限界ひずみ特定方法は、伸びフランジ限界ひずみを、荷重を付加した際に金属板端部から内部方向に向かうひずみ勾配と、荷重方向に交差する金属板の板厚方向のひずみ勾配を用いて下式の関係を満たすように特定することを特徴とするものである。
εθlim=A〔a・Δεθ/Δr+b・Δεθ/Δt〕+c
ただし、εθlim: 伸びフランジ限界ひずみ(板縁正接方向)
Δεθ/Δr:内部方向のひずみ勾配
Δεθ/Δt:板厚方向のひずみ勾配
A、a、b:影響係数
c:ひずみ勾配が0(ゼロ)の場合の限界ひずみ
【選択図】 図1
Description
伸びフランジ成形は、成形仕様(成形製品形状、あるいはプレス用金型形状など)によっては、プレス成形途中に板縁が破断限界に達して割れを生ずる場合がある。そこで、適正な成形仕様を選定することが重要である。
適正な成形仕様を選定するためには、当該成形仕様によって実際に成形したときに伸びフランジ成形が破断限界に達するか否かを判定する必要がある。
しかしながら、伸びフランジ成形による板縁の変形の態様は部分ごとに異なり、一律に規定できない。従って、成形可否を判断する上で、どの様な変形の態様でも適用できる統一した指標が必要である。
特許文献1に開示された方法は、種々の工具条件および穴径条件での穴広げ試験等(図19参照。図19(a)は円錐ポンチ穴広げ試験、図19(b)は円筒ポンチ穴広げ試験)を行って破断限界を調べ(材料試験)、穴縁の破断限界ひずみ(伸びフランジ限界ひずみ)と穴縁から径方向のひずみ勾配をFEM解析によって算出し、該算出した伸びフランジ限界ひずみと径方向ひずみ勾配との関係から、伸びフランジ限界ひずみ線図を求めて指標にする。ここで求められた伸びフランジ限界ひずみ線図の一例を図20に示す。
しかし、特許文献1の技術では板厚方向のひずみ分布の影響が考慮されておらず、板厚が厚くなると、伸びフランジ限界ひずみと径方向のひずみ勾配の関係のばらつきが大きくなり、伸びフランジ限界ひずみの指標としては不十分なものになる可能性があった。
εθlim=A〔a・Δεθ/Δr+b・Δεθ/Δt〕+c
ただし、εθlim: 伸びフランジ限界ひずみ(板縁正接方向)
Δεθ/Δr:内部方向のひずみ勾配
Δεθ/Δt:板厚方向のひずみ勾配
A、a、b:影響係数
c:ひずみ勾配が0(ゼロ)の場合の限界ひずみ
εθlim=A〔b・Δεθ/Δt〕+c
ただし、εθlim: 伸びフランジ限界ひずみ(板縁正接方向)
Δεθ/Δt:板厚方向のひずみ勾配
A、b:影響係数
c:ひずみ勾配が0(ゼロ)の場合の限界ひずみ
金属材料を用いて初期穴径と穴広げ用ポンチ形状とを変えて穴広げ試験を行ってせん断縁での伸びフランジ限界ひずみを求める伸びフランジ限界ひずみ取得工程と、
前記穴広げ試験後のせん断縁近傍における初期穴の径方向のひずみ勾配を求める径方向ひずみ勾配検出工程と、
前記穴広げ試験後のせん断縁近傍における板厚方向のひずみ勾配を求める板厚方向ひずみ勾配検出工程と、
前記伸びフランジ限界ひずみ取得工程で得られた伸びフランジ限界ひずみと、径方向ひずみ勾配検出工程で得られた径方向ひずみ勾配と、板厚方向ひずみ勾配検出工程で得られた板厚方向ひずみ勾配を用いて、伸びフランジ限界ひずみεθlimと、径方向ひずみ勾配と板厚方向ひずみ勾配を加算したもの〔a・Δεθ/Δr+b・Δεθ/Δt〕との関係を表す実験式を求め、該実験式を用いて伸びフランジひずみを生ずるプレス成形の可否を判定する判定工程とを備えたことを特徴とするものである。
金属材料を用いて初期穴径と穴広げ用ポンチ形状を変えて穴広げ試験を行ってせん断縁での伸びフランジ限界ひずみを求める伸びフランジ限界ひずみ取得工程と、
前記穴広げ試験後のせん断縁近傍における板厚方向のひずみ勾配を求める板厚方向ひずみ勾配検出工程と、
前記伸びフランジ限界ひずみ取得工程で得られた伸びフランジ限界ひずみと、板厚方向ひずみ勾配検出工程で得られた板厚方向ひずみ勾配を用いて、伸びフランジ限界ひずみεθlimと、板厚方向ひずみ勾配〔b・Δεθ/Δt〕との関係を表す実験式を求め、該実験式を用いて伸びフランジひずみを生ずるプレス成形の可否を判定する判定工程とを備えたことを特徴とするものである。
本発明に係る伸びフランジの限界ひずみ特定方法は、伸びフランジ限界ひずみを、荷重を付加した際に金属板端部から内部方向に向かうひずみ勾配(穴広げ試験の場合、径方向のひずみ勾配)と、荷重方向に交差する金属板の板厚方向のひずみ勾配を用いて式(1)の関係を満たすように特定することを特徴とするものである。
εθlim=A〔a・Δεθ/Δr+b・Δεθ/Δt〕+c ・・・(1)
ただし、式(1)において、εθは穴縁部の円周方向ひずみ(伸びフランジひずみ)、εθlimは伸びフランジ限界ひずみ、Δεθ/Δrは内部方向のひずみ勾配(径方向ひずみ勾配)、Δεθ/Δtは板厚方向のひずみ勾配、A、a、bは影響係数であり、cはひずみ勾配が0(ゼロ)の場合の限界ひずみである。
以下に、本発明に至る経緯について詳細に説明する。
まず試験片となる金属板1に予め所定の径の穴をあけておき、該穴の中心とポンチ(円錐ポンチ3、円筒ポンチ5)の中心とを一致させた状態で、金属板1の下面から上面側に向けてポンチを押し上げることによって穴を拡径させる。さらにポンチの押し上げを継続させて穴縁部に亀裂7を生じさせて(円錐ポンチ3の場合は図19(a)参照、円筒ポンチ5の場合は図19(b)参照)、そのときの穴の円周方向のひずみ量(伸びフランジ限界ひずみ)を測定する。
図3は、板厚2.6mmの鋼種Aからなる金属板に対して円錐ポンチ3および円筒ポンチ5を用いて穴広げ試験を行った結果をグラフに表したものである。図4は、板厚3.2mmの鋼種Bからなる金属板に対して円錐ポンチ3および円筒ポンチ5を用いて穴広げ試験を行った結果をグラフに表したものである。図3および図4において縦軸は伸びフランジ限界ひずみを表し、横軸は内部方向(径方向)のひずみ勾配(mm-1)を表している。
このように、穴広げ用ポンチ形状(円筒ポンチ5と円錐ポンチ3)の違いによって穴広げ試験結果が異なるのは、金属板の変形の態様が異なるためであると推察される。この点について以下に詳細に説明する。
例えば板縁におけるある部位で破断限界を超える状態になると、該部位にミクロな割れの起点が生じ、そこから板厚方向および内部方向(径方向)に亀裂が進展して破断すると考えられる。
亀裂の進展は比較的早い現象であり、板縁におけるある部位で破断限界に達したのち、板縁から板厚方向および内部方向(径方向)にある程度進んだ部位まで破断限界状態になると、一気に亀裂が進展して、破断として観測される。
なお、亀裂7(図19)が板厚方向と内部方向(径方向)どちらの方向に優先的に進展するかは、材料特性や板厚条件によって異なる。
図5(a)は円筒ポンチ5を用いた穴広げ試験時の金属板1の変形の態様を板厚方向の断面図で表したものであり、図5(b)は図5(a)における穴縁部の点線の丸で囲んだ部分を拡大して図示したものである。図6(a)は円錐ポンチ3を用いた穴広げ試験時の金属板1の変形の態様を板厚方向の断面図で表したものであり、図6(b)は図6(a)における穴縁部を一部拡大して図示したものである。図5(b)および図6(b)において、両向き矢印の長さは円周方向のひずみ量の大きさを表している。
従って、図3および図4に示す通り、金属板の下面側の部分による保護効果の分だけ、円錐ポンチ穴広げ試験結果のグループが円筒ポンチ穴広げ試験結果のグループよりも高くなっていると推察される。
以上のように、板厚の厚い金属板1の場合、内部方向(径方向)のひずみ勾配と板厚方向のひずみ勾配との両方が伸びフランジ限界ひずみに影響していると考えられる。
伸びフランジ限界ひずみεθlimとひずみ勾配dxの一般的な関係は、式(2)で示される。
εθlim=A・dx+c ・・・(2)
上述したとおり、伸びフランジ限界ひずみには内部方向(径方向)のひずみ勾配と板厚方向のひずみ勾配との両方が影響していることから、ひずみ勾配dxを内部方向(径方向)のひずみ勾配と板厚方向のひずみ勾配との重ね合わせで表現すると式(3)で表される。
dx=a・Δεθ/Δr+b・Δεθ/Δt ・・・(3)
εθlim=A〔a・Δεθ/Δr+b・Δεθ/Δt〕+c ・・・(1)
ただし、式(1)において、εθは穴縁部の円周方向ひずみ(伸びフランジひずみ)、εθlimは伸びフランジ限界ひずみ、Δεθ/Δrは内部方向(径方向)ひずみ勾配、Δεθ/Δtは板厚方向のひずみ勾配、A、a、bは影響係数であり、cはひずみ勾配が0(ゼロ)の場合の限界ひずみである。
εθlim=a’・{Δεθ/Δr}n+b’・{Δεθ/Δt}m+c ・・・(4)
ただし、式(4)において、a’、b’、nおよびmは影響係数であり、他の変数は式(1)と同様である。式(4)においてn=1、m=1に設定すると式(1)になる。
なお、内部方向(径方向)のひずみ勾配および板厚方向のひずみ勾配は穴広げ試験における、初期穴径、穴広げ用ポンチ形状、工具寸法を変更することで、変化させることが可能である。
図3および図4に示した穴広げ試験の結果を、横軸を径方向のひずみ勾配と板厚方向のひずみ勾配とを加算した値(a・Δεθ/Δr+b・Δεθ/Δt)(mm-1)にしてプロットし直したものを図1および図2に示す。
従って、図2中の近似直線L2も上記近似直線L1の場合と同様に、板厚3.2mmの鋼種Bからなる金属板の伸びフランジ限界ひずみ線として用いることができる。
これを数式によって表現すると以下のようになる。
実際、限界線上は割れ発生と判断する。さらには前述のように使用した素材のばらつき、プレス時の変形挙動のわずかな変化等の製造工程のばらつきを考慮して、安全率を設けるとよい。
上記実施の形態1は、内部方向(径方向)のひずみ勾配と板厚方向のひずみ勾配の両方を考慮する場合について説明したが、鋼種によっては板厚方向のひずみ勾配のみを考慮すればよいのではないかという推察のもと実験を行ったので、その結果について以下に説明する。
実験は、組成および組織が異なる3つの鋼種(鋼種C〜鋼種E)からなる金属板(板厚2.6mm)に対して、実施の形態1と同様に円錐ポンチおよび円筒ポンチを用いて穴広げ試験を行った。試験前の穴の大きさは、10φ、20φ、25φ、50φとした。
図7〜図9の縦軸は共通して伸びフランジ限界ひずみを表しており、横軸のみが異なる。
図7の横軸は径方向のひずみ勾配(mm-1)、図8の横軸は板厚方向のひずみ勾配(mm-1)、図9の横軸は径方向のひずみ勾配と板厚方向のひずみ勾配とを加算した値(a・Δεθ/Δr+b・Δεθ/Δt)(mm-1)を表している。
影響係数a、bは、例えばa+b=1として最適値を求めることが可能である。
上述したとおり、近似直線のR2値は1に近い方が、近似直線によって各試験結果をよく近似しており、高精度に伸びフランジ割れを予測可能である。
径方向のひずみ勾配と板厚方向のひずみ勾配の両方を考慮する方が、最も高精度に伸びフランジ割れを予測可能であるが、板厚方向のひずみ勾配のみを考慮する場合でも、十分高精度に予測可能である。
径方向のひずみ勾配を横軸とした場合、図10に示すように、近似直線L6のR2値は0.8181であり、やや低い。
一方、板厚方向のひずみ勾配を横軸とした場合、図11に示すように、近似直線L7のR2値は0.9610である。
径方向のひずみ勾配と板厚方向のひずみ勾配とを加算した値を横軸とした場合については、図12に示すように、近似直線L8のR2値は0.9617であり、最も高い値を示した。
このように、径方向のひずみ勾配と板厚方向のひずみ勾配とを加算した値を横軸とした場合が最も良好であるが、板厚方向のひずみ勾配を横軸とした場合でも十分高精度に予測可能である。
径方向のひずみ勾配を横軸とした場合、図13に示すように、近似直線L9のR2値は0.7575と低いが、板厚方向のひずみ勾配を横軸とした場合は、図14に示すように、近似直線L10のR2値は0.9216と高く、好適であった。
径方向のひずみ勾配と板厚方向のひずみ勾配とを加算した値を横軸とした場合、図15に示すように、径方向の影響係数aの最適値が0となることで、近似直線L11のR2値は0.9216であり、その結果、図14の場合と同様であった。
εθlim=A〔b・Δεθ/Δt〕+c ・・・(5)
また、さらに一般化した式としては、式(4)において、a’=0とすることで下式(6)として得られる。
εθlim=b’・{Δεθ/Δt}n++c ・・・(6)
なお、本発明は板厚2.0mm以上の金属板の伸びフランジ変形に適用するとよりよい精度で伸びフランジ限界ひずみを特定できるものである。
図16〜図18は、板厚3.2mmの鋼種Fからなる金属板において、円筒ポンチ3および円錐ポンチ5を用いて穴広げ試験を行った結果を、横軸のみを変えてグラフ化したものである。図16〜図18において、縦軸は伸びフランジ限界ひずみを表している。
図16は、発明例として、横軸が径方向のひずみ勾配と板厚方向のひずみ勾配とを加算した値(a・Δεθ/Δr+b・Δεθ/Δt)(mm-1)を表したものである。
図17は、比較例として、横軸が径方向のひずみ勾配(Δεθ/Δr)(mm-1)を表したものである。また、図18は、他の発明例として、横軸が板厚方向のひずみ勾配(Δεθ/Δt)(mm-1)を表したものである。
他方、図17において各試験結果に基づいて作成された近似直線L13は、式:y=5.29x+0.32で表され、R2値は0.85であった。また、図18において各試験結果に基づいて作成された近似直線L14は、式:y=9.48x+0.42(実施の形態2の実験式に相当する)で表され、R2値は0.90であった。
このように、図16に示す近似直線L12のR2が最も高く、次に図18に示す近似直線L14のR2が高く、図17に示す近似直線L13のR2が最も低い値となった。
近似直線L14のR2値が近似曲線12のR2値よりも低下した理由としては、鋼種Fが径方向に割れを生じやすい鋼種であることから径方向のひずみ勾配の影響が大きかったためと考えられる。もっとも、径方向のみを考慮した近似曲線L13のR2値よりもR2値の値は高く、径方向のみを考慮していた従来方法よりも高精度であることは実証されている。
ただ、ひずみ勾配を計算する設定領域の計算精度に与える影響は材料によって異なるため、材料毎に設定領域を適宜変更して、実験式を求め、該実験式を実部品のプレス成形可否判定に用いる場合も、同じ領域でひずみ勾配を計算して可否判定を行うようにすることが好ましい。
もっとも、多くの場合、板厚程度、板厚の2倍程度の領域、もしくは5mm程度、7mm程度といった固定された値の領域をひずみ勾配を計算する領域とすることで実験式の精度を大きく低下させることなく実用に供することができることを確認している。
また、板厚方向のひずみ勾配については、板厚方向の最も板縁に近い部位(最エッジ部)のひずみ勾配をとっても、領域内の平均値を取った場合と傾向が変わらないことが殆どであるため、計算を簡易に行うため最エッジ部の板厚方向ひずみ勾配を採用してもよい。
なお、この場合も、実験式を求める場合と、実部品でのプレス成形可否判定の場合とで同様にすること、つまり実験式を求める場合に最エッジ部の板厚方向ひずみ勾配を採用したのであれば、実部品でのプレス成形可否判定の場合も最エッジ部の板厚方向ひずみ勾配を採用することが重要である。
さらに、鋼種、板厚毎に予め限界線を求め、データベースを作成しておき、そのデータベースを用いて実部品の伸びフランジ成形性を判定すれば、判定を行う前に限界線を逐一作成する必要はない。その際にも、材料のロット毎のばらつき等を考慮し、限界線に安全率を設けることで、より安全側の判定が可能となる。
1 金属板
3 円錐ポンチ
3a 傾斜部
5 円筒ポンチ
7 亀裂
Claims (4)
- 伸びフランジ限界ひずみを、荷重を付加した際に金属板端部から内部方向に向かうひずみ勾配と、荷重方向に交差する金属板の板厚方向のひずみ勾配を用いて下式の関係を満たすように特定することを特徴とする伸びフランジの限界ひずみ特定方法。
εθlim=A〔a・Δεθ/Δr+b・Δεθ/Δt〕+c
ただし、εθlim: 伸びフランジ限界ひずみ(板縁正接方向)
Δεθ/Δr:内部方向のひずみ勾配
Δεθ/Δt:板厚方向のひずみ勾配
A、a、b:影響係数
c:ひずみ勾配が0(ゼロ)の場合の限界ひずみ - 伸びフランジ限界ひずみを、荷重を付加した際に荷重方向に交差する金属板の板厚方向のひずみ勾配を用いて下式の関係を満たすように特定することを特徴とする伸びフランジの限界ひずみ特定方法。
εθlim=A〔b・Δεθ/Δt〕+c
ただし、εθlim: 伸びフランジ限界ひずみ(板縁正接方向)
Δεθ/Δt:板厚方向のひずみ勾配
A、b:影響係数
c:ひずみ勾配が0(ゼロ)の場合の限界ひずみ - 金属材料のプレス成形可否判定方法であって、
金属材料を用いて初期穴径と穴広げ用ポンチ形状とを変えて穴広げ試験を行ってせん断縁での伸びフランジ限界ひずみを求める伸びフランジ限界ひずみ取得工程と、
前記穴広げ試験後のせん断縁近傍における初期穴の径方向のひずみ勾配を求める径方向ひずみ勾配検出工程と、
前記穴広げ試験後のせん断縁近傍における板厚方向のひずみ勾配を求める板厚方向ひずみ勾配検出工程と、
前記伸びフランジ限界ひずみ取得工程で得られた伸びフランジ限界ひずみと、径方向ひずみ勾配検出工程で得られた径方向ひずみ勾配と、板厚方向ひずみ勾配検出工程で得られた板厚方向ひずみ勾配を用いて、伸びフランジ限界ひずみεθlimと、径方向ひずみ勾配と板厚方向ひずみ勾配を加算したもの〔a・Δεθ/Δr+b・Δεθ/Δt〕との関係を表す実験式を求め、該実験式を用いて伸びフランジひずみを生ずるプレス成形の可否を判定する判定工程とを備えたことを特徴とするプレス成形可否判定方法。 - 金属材料のプレス成形可否判定方法であって、
金属材料を用いて初期穴径と穴広げ用ポンチ形状を変えて穴広げ試験を行ってせん断縁での伸びフランジ限界ひずみを求める伸びフランジ限界ひずみ取得工程と、
前記穴広げ試験後のせん断縁近傍における板厚方向のひずみ勾配を求める板厚方向ひずみ勾配検出工程と、
前記伸びフランジ限界ひずみ取得工程で得られた伸びフランジ限界ひずみと、板厚方向ひずみ勾配検出工程で得られた板厚方向ひずみ勾配を用いて、伸びフランジ限界ひずみεθlimと、板厚方向ひずみ勾配〔b・Δεθ/Δt〕との関係を表す実験式を求め、該実験式を用いて伸びフランジひずみを生ずるプレス成形の可否を判定する判定工程とを備えたことを特徴とするプレス成形可否判定方法。
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