JP5561203B2 - 伸びフランジ割れ判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、伸びフランジ割れ判定方法に関し、詳しくは、自動車部品等のプレス部品の設計段階において、ＣＡＤ（Computer Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）上で容易に穴広げ部、フランジアップ部のプレス割れ危険性を判定できて、部品の形状設計に寄与する、伸びフランジ割れ判定方法に関する。

本発明の背景技術として特許文献１〜３がある。特許文献１では、プレス部品の穴広げの穴縁の割れ可能性を判定するために、予め材料の穴広げ特性を、穴縁のひずみと穴縁近傍のひずみ勾配とで表わした変形限界に関連付けておき、部品設計時に有限要素法による解析（以下、ＦＥＭ解析ともいう）を実施し、その解析結果のひずみ及びひずみ勾配から変形限界に達しているかどうかを判定している。又、特許文献２では、予め伸びフランジ変形部の板端のひずみと鋼板のせん断比率と変形限界とを関連付けておき、部品設計時にＦＥＭ解析を実施し、その解析結果のひずみ及び鋼板のせん断比率から、変形限界に達するかどうかを判定している。更に、特許文献３では、特許文献２の判定法に加え、ひずみ勾配を考慮することを謳っている。

特開２００９−２０４４２７号公報 特開２００９−６１４７７号公報 特開２０１０−６９５３３号公報

しかしながら、特許文献１〜３の何れの技術も、それらを部品設計段階で役立てるにはＦＥＭ解析が必要である。すなわち背景技術では、部品設計段階において部品の図面作成時にＣＡＤ上で穴広げ成形部の形状設計を行う際に、穴広げ成形部の穴縁からの亀裂発生や破断、又はフランジアップ成形部の板端からの亀裂発生や破断の判定をＦＥＭ解析によって行う必要がある。そのため計算に時間がかかるという問題や、又、暫定的な製品形状の設計を完了してモデル化しないとＦＥＭ解析が行えずそのモデル化にも時間がかかるという問題があり、これらが未解決の課題として存在した。

発明者らは、プレス部品の穴広げ成形部の穴縁又はフランジアップ部のひずみ及びひずみ勾配を、ＦＥＭ解析にはよらず、初等解析から導出した簡易計算式にて算出し、該算出した結果が、ＦＥＭ解析にて算出した結果と良く一致することを見出し、本発明をなした。
すなわち本発明は、以下のとおりである。
［１］ランクフォード値ｒが既知であり、且つ穴広げ成形加工の変形限界として、穴端から距離ΔＬ以内の部分における最大主ひずみ及びひずみ勾配で表される成形可能領域が既知である被加工材を用いるプレス部品の設計段階で、
前記プレス部品の穴広げ成形部の下穴半径をＲ_０、製品穴半径をＲ_１として、下記の式(1)(2)(3)を用いて前記最大主ひずみに相当する穴縁の周方向ひずみε_θ及びひずみ勾配ｄを算出し、
該算出したε_θ及びｄが前記成形可能領域内にあれば合格、そうでなければ不合格と判定する
ことを特徴とする伸びフランジ割れ判定方法。

［２］前記下穴半径Ｒ_０は、製品図上から幾何学的に推定される長さである［１］に記載の伸びフランジ割れ判定方法。
［３］前記下穴半径Ｒ_０として、フランジアップ部の内曲がり側縁の曲率半径を用いる［２］に記載の伸びフランジ割れ判定方法。
プレス部品を設計するにあたり、ＣＡＤ内で［１］〜［３］のいずれかに記載の伸びフランジ割れ判定方法を実行することが好ましい。

本発明によれば、プレス部品設計段階での伸びフランジ割れ判定を、ＦＥＭ解析計算によらず簡易式計算により実行でき、計算時間が短縮して設計能率が向上する。

被加工材の変形前後の形状を示す概略図 実施例の部品設計形状を示す立体図 図３のＡ部の断面寸法図 図３のＡ部の伸びフランジ割れ判定結果を示すグラフ 図３のＢ部の断面寸法図 図３のＢ部の伸びフランジ割れ判定結果を示すグラフ

本発明では、被加工材のランクフォード値（略してｒ値）ｒが既知であること（前提１）が必要である。被加工材は金属板例えば鋼板であり、プレス部品成形用の金属板は通常、ｒ値が測定済みであるから前提１は難なく満たされる。
又、本発明では、被加工材の穴広げ成形加工における変形限界として、穴端から距離ΔＬ以内の部分における最大主ひずみ及びひずみ勾配で表わされる成形可能領域が既知であること（前提２）が必要である。前記成形可能領域は、特許文献１に記載されるところの、「所定の形状を有す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変形限界量を求める実験工程と、解析計算により前記穴広げ試験後のせん断縁近傍のひずみ勾配を算出し、該ひずみ勾配と前記変形限界量を関連づけて成形可能領域を決定する第１の計算工程と」（特許文献１請求項１参照）を、予め実行して求めておくことで、既知とすることができるから、前提２も満たされる。

尚、前記成形可能領域は、特許文献１に図示されるように、変形限界における最大主ひずみをひずみ勾配の線型増加関数で表わしたものを限界線として、この限界線の下側の領域で表される。又、前記穴端から距離ΔＬ以内の被加工材部分というときの距離ΔＬは、特許文献１にいうΔｒに相当し、好ましくは１〜１０ｍｍ程度、より好ましくは３〜５ｍｍであるとされている。

特許文献１では、「暫定成形仕様について解析計算を行い、せん断縁の変形量およびせん断縁近傍のひずみ勾配を求める第２の計算工程と、該第２の計算工程で求めた変形量およびひずみ勾配が、前記成形可能領域内にあるかないかによって前記暫定成形仕様での成形可否を判定する判定工程と」（特許文献１請求項１参照）を有するが、その第２の計算工程における解析計算は、ＦＥＭ解析計算であって、上述したように部品設計段階において時間がかかる問題がある。本発明では、ＦＥＭ解析計算に代えて、簡易式である上記式(1)(2)(3)を用いた簡易式計算とすることで、この問題を解決した。

前記簡易式は、図１に示す被加工材１の変形前後の形状から、以下に述べる初等解析を行って導出した。
変形前に半径Ｒ位置にあった材料（被加工材１）が変形後は半径Ｒ_１位置まで広がるものとし、面内等方硬化を仮定すると、周方向（θ方向ともいう。添字θを付す）、半径方向（Ｒ方向ともいう。添字Ｒを付す）の真ひずみε、公称ひずみλはそれぞれ、数２の各式で表わされる。数２においてε_θの式中の変数Ｒに、穴広げ前の半径Ｒ_０を代入して、式(1)が導出される。

ここで、ａは、θ方向のひずみに対するＲ方向のひずみの比に負号を付したもの（−ε_Ｒ/ε_θ）であり、解析領域が単純引張状態であると仮定すると、数３に示すように体積一定則とｒ値の定義とから、式(3)で表わされることが導出される。尚、数３においてε_ｔは板厚方向の真ひずみである。

さて、穴広げ前の半径Ｒ_０位置から半径Ｒ位置までの間が、穴広げ後に長さＬになったとすると、Ｌは、数４に示すように、半径Ｒ位置における微小領域（ｄＲ）の半径方向伸び（（１＋λ_Ｒ）ｄＲ）を半径Ｒ_０位置から半径Ｒ位置まで積分することで計算でき、最終的に式(4)で表わされる。尚、穴広げ前の半径Ｒ_０を、本発明では下穴半径Ｒ_０と称する。

ひずみ勾配ｄは、式(5)に示すとおり、Ｌ＝０におけるε_θとＬ＝ΔＬにおけるε_θとの差をΔＬで割ったものである。よって、式(4)をＲについて解き、Ｌ＝０、Ｌ＝ΔＬのときのＲをそれぞれ求め、数２のε_θの式に代入して計算した値を式(5)に代入することで、ｄを表す式(2)が導出される。

前記簡易式（式(1)(2)(3)）は、被加工材の板厚中心部でのひずみのみを考慮して作成されており、被加工材の板厚が４ｍｍ程度を超えるほどに大きくなると、ＦＥＭ解析との一致が得難くなるので、本発明は板厚４ｍｍ以下の被加工材に適用するのがよい。
ところで、部品設計段階において、式(1)(2)(3)中の変数のうち、ｒ値ｒは前記前提１により既知、Ｒ_１は製品図から既知、ΔＬは前記前提２により既知である。しかし、下穴半径Ｒ_０は、実際のプレス成形段階では穴開け用パンチ半径として既知になるものの、部品設計段階では未知である場合が多く、その場合には何らかの方法でＲ_０の値を定める必要があり、その方法として、製品図上から幾何学的に推定される長さを用いる方法が挙げられる。この方法では、例えば図２にＡ部として示す穴縁部について図３に断面寸法を示すように、製品図上から、穴部断面形状の垂直部（長さｈの部分）の長さｈと、該垂直部に一端が連なり他端が水平部に連なる曲率半径Ｒ_ｓの１/４円弧部（Ｒ_ｓ部）の孤長ｓとを求め、前記垂直部と前記Ｒ_ｓ部との連結線は直線を単に曲げてなるものであると仮定して、図中に示す式：Ｒ_０≒Ｒ_１＋Ｒ_ｓ−（ｓ＋ｈ）、の計算により、下穴半径Ｒ_０の値を推定する。

又、本発明は、パンチ穴の穴縁部のみならず、例えば図２にＢ部として示すフランジアップ部にも適用することができる。かかるフランジアップ部の場合、図５に示すようにＢ部（フランジアップ部）の内曲がり側縁の曲率半径が下穴半径Ｒ_０であるとみなし、図３の場合と同様に計算してその値を推定することができる。
本発明の伸びフランジ割れ判定方法は、ＣＡＤ内で実行することにより、プレス部品設計段階での設計能率を大幅に向上させることができる。

ｒ値が1.0、板厚が2.9ｍｍである、ＪＩＳ ＪＳＨ５９０Ｂ相当鋼板を被加工材とし、穴広げを含むプレス加工により、図２に製品形状を示す自動車ロアアームの設計に本発明を適用した。
実施例１では、被加工材のＡ部について、成形可能領域は図４で「ＯＫ」と記した領域すなわち最大主ひずみとひずみ勾配との直線関係式で表される限界線の下側の領域であることが既知である。尚、「ＮＧ」と記した領域は割れ領域である。この成形可能領域は特許文献１に記載の方法で予め求められた。

実施例１ではΔＬ＝５ｍｍとし、図３に示した方法でＲ_０を求め、式(1)(2)(3)にてε_θ及びｄを計算した。その結果を図４にプロットして示す。又、検証用に比較例１としてＡ部及びその近傍についてＦＥＭ解析計算によりε_θ及びｄを算出した。その結果を併せてプロットした。図示のとおり、実施例１、比較例１ともほぼ同じところにプロットされること、且つ、限界線の上側すなわち割れ領域にあることが分る。又、このＡ部では実プレス品において割れが発生したことが確認されている。

実施例２では、被加工材のＢ部について、成形可能領域は図６で「ＯＫ」と記した領域すなわち最大主ひずみとひずみ勾配との直線関係式で表される限界線の下側の領域であることが既知である。尚、「ＮＧ」と記した領域は割れ領域である。この成形可能領域は特許文献１に記載の方法で予め求められた。
実施例２ではΔＬ＝５ｍｍとし、図５に示した方法でＲ_０を求め、式(1)(2)(3)にてε_θ及びｄを計算した。その結果を図６にプロットして示す。又、検証用に比較例２としてＡ部及びその近傍についてＦＥＭ解析計算によりε_θ及びｄを算出した。その結果を併せてプロットした。図示のとおり、実施例２、比較例２ともほぼ同じところにプロットされること、且つ、限界線の下側すなわち成形可能領域にあることが分る。又、このＢ部では実プレス品において割れが発生しなかったことが確認されている。

以上のことより、本発明によれば、ＦＥＭ解析計算を必要とせずに、穴広げ成形における伸びフランジ割れ判定、及びフランジアップ成形における伸びフランジ割れ判定が、可能であることが分る。

１ 被加工材

Claims (3)

1. ランクフォード値ｒが既知であり、且つ穴広げ成形加工の変形限界として、穴端から距離ΔＬ以内の部分における最大主ひずみ及びひずみ勾配で表される成形可能領域が既知である被加工材を用いるプレス部品の設計段階で、
   前記プレス部品の穴広げ成形部の下穴半径をＲ_０、製品穴半径をＲ_１として、下記の式(1)(2)(3)を用いて前記最大主ひずみに相当する穴縁の周方向ひずみε_θ及びひずみ勾配ｄを算出し、
   該算出したε_θ及びｄが前記成形可能領域内であれば合格、そうでなければ不合格と判定する
   ことを特徴とする伸びフランジ割れ判定方法。
   

   
2. 前記下穴半径Ｒ_０は、製品図上から幾何学的に推定される長さである請求項１に記載の伸びフランジ割れ判定方法。
3. 前記下穴半径Ｒ_０として、フランジアップ部の内曲がり側縁の曲率半径を用いる請求項２に記載の伸びフランジ割れ判定方法。
   

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