JP5648172B2 - 板材の曲げ限界値判定方法とこれを用いたプレス加工部品の曲げ割れ判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼板、アルミニウム板、マグネシウム板のような金属製の板材の曲げ限界値判定方法と、これを用いたプレス加工部品の曲げ割れ判定方法に関するものである。

自動車部品などは金属板をプレス加工して成形されるものが多い。鋼板の場合には、低強度鋼板は延性に優れているためにプレス加工も行い易いが、最近では軽量化を図るためにハイテンと呼ばれる高強度鋼板が採用されており、この板材は比較的延性に乏しいためにプレス装置によって強い曲げ加工を行ったときに曲げ割れを生ずることがある。またアルミニウム板、マグネシウム板等の板材についても同様の傾向がある。このため従来は実物の試作を繰り返して曲げ割れの有無を確認していたが、最近では有限要素法などの数値計算により実物を製作することなく割れ発生の有無を事前に判定し、設計期間の短縮と設計費用の削減が図られている。

このような曲げ割れ判定を正確に行うためには、板材自体の曲げ限界値を正確に知ることが必要である。このために従来から特許文献１、２に示されるような曲げ試験が行われている。特許文献１の曲げ試験は所定スパンの支持体の上面に板材を載せ、先端Ｒを備えたポンチによって板材の中央を加圧する方法であり、特許文献２の曲げ試験はＶ型パンチとＶ型ダイスとにより板材をＶ曲げする方法である。強い曲げ加工を行うプレス加工部品については、Ｖ曲げ試験やL曲げ試験などが行われる。

ところが本発明者が実験を繰り返すと、Ｖ曲げ試験によって求めた曲げ限界値を超えても実物は割れなかったり、逆にＶ曲げ試験によって求めた曲げ限界値を超えないのに実物は割れたりする現象が確認され、従来の曲げ試験に基づく曲げ割れ判定の精度に疑問が生じていた。

特開昭５８−１６８９４０号公報 特開昭６３−２３８９２８号公報

従って本発明の目的は上記した従来の問題点を解決し、実験により板材の曲げ限界値を正確に判定することができる板材の曲げ限界値判定方法と、これを用いてプレス加工部品の曲げ割れを数値計算により正確に判定することができるプレス加工部品の曲げ割れ判定方法を提供することである。

上記の課題を解決するためになされた本発明の板材の曲げ限界値判定方法は、プレス加工部品の曲げ加工部分のひずみが板材の曲げ限界値を超えるか否かを判断するために、Ｖ型パンチとＶ型ダイスとにより厚さｔの板材をＶ曲げし、割れ発生の有無により板材の曲げ限界値を判定する方法であって、Ｖ型パンチの先端Ｒを０．１＜Ｒ/ｔ＜１００の範囲で変化させ、かつそれぞれのＲ/ｔについてＶ型ダイスのスパンＷを１＜Ｗ/ｔ＜１０００の範囲で変化させて割れ発生の有無を観察し、板材の曲げ限界値を当該板厚ｔにおけるＲとＷの関数として決定することを特徴とするものである。なお請求項２のように、板材の曲げ限界値としてＶ曲げされた板材の外側の最大ひずみを用いることが好ましい。

また本発明のプレス加工部品の曲げ割れ判定方法は、上記の方法で求めた板材の曲げ限界値を用い、プレス加工部品の曲げ加工部分の割れ発生の有無を数値計算または、プレス加工部品のひずみの実測により予測することを特徴とするものである。

本発明の板材の曲げ限界値判定方法は、従来は無視されていたＶ型ダイスのスパンの影響を考慮したもので、Ｖ曲げの強度を示すＶ型パンチの先端Ｒを板厚ｔで割ったＲ/ｔの他に、スパンの影響を示すスパンＷを板厚ｔで割ったＷ/ｔの値を取り入れ、板材の曲げ限界値を当該板厚ｔにおけるＲとＷの関数として決定する。この結果、後述するデータに示されるようにＶ曲げ加工時の曲げ限界値が正確に求められるようになった。従来は、試験箇所ごとにV型ダイスのスパンWが異なり、同じ材料での割れが発生する曲げRの判定に違いが生じる問題があったが、本発明により解決することが可能になった。すなわち、同じ材料のV曲げ試験では、スパンWを同一にすることにより、試験箇所が異なっても割れが発生する曲げRに違いが生じなくなった。また、スパンWが異なる試験であっても、上記の曲げ限界値をRとWの関数から換算することができるようになった。さらに、このような実験により得られた曲げ限界値を用いればプレス加工部品の曲げ加工部分の割れ発生の有無を数値計算により正確に予測することが可能となり、実物を製作することなく割れ発生の有無を事前に判定することが可能となった。

Ｖ曲げ試験機の説明図である。 Ｖ曲げ試験のデータを集約したグラフである。 板厚ｔ＝１．４ｍｍ、先端Ｒ＝２ｍｍ、スパンＷ＝４０ｍｍとした場合の曲げ先端部の拡大図である。 板厚ｔ＝１．４ｍｍ、先端Ｒ＝２ｍｍ、スパンＷ＝１８．４ｍｍとした場合の曲げ先端部の拡大図である。 板厚ｔ＝１．４ｍｍ、先端Ｒ＝２ｍｍ、スパンＷ＝９．６ｍｍとした場合の曲げ先端部の拡大図である。 各スパンＷにおける頂点のひずみの履歴を示すグラフである。 ひずみと先端ＲとスパンＷとの関係をまとめたグラフである。 曲げ試験における先端ＲとスパンWと割れ発生の有無をまとめたグラフである。

以下に本発明の実施形態を説明する。図１は本発明において用いられるＶ曲げ試験機の説明図であり、１はＶ型パンチ、２はＶ型ダイスである。図示のようにＶ型ダイス２の上に厚さｔの板材をセットし、Ｖ型パンチ１によって中央部を加圧してＶ型パンチ１とＶ型ダイス２との間でＶ曲げを行う。Ｖ型パンチ１とＶ型ダイス２の斜面間角度は何れも９０°であり、Ｖ型パンチ１の先端には先端Ｒが形成されている。なおＶ型ダイス２の下端は丸みのないピン角または、幅1〜4mmの溝となっている。

図１のようなＶ曲げ試験機を用いて厚さｔの板材をＶ曲げし、割れ発生の有無により板材の曲げ限界値を判定する。このときＶ型パンチ１の先端Ｒを変えて曲げ強度を変化させることは従来と同様であり、曲げ強度はＶ型パンチの先端Ｒを板厚ｔで割ったＲ/ｔで表わされる。本発明ではＶ型パンチ１の先端Ｒを０．１＜Ｒ/ｔ＜１００の範囲で変化させる。Ｒ/ｔが０．１よりも小さいＶ曲げは実際に行われる可能性が小さいためにデータを採取する意味がなく、Ｒ/ｔが１００よりも大きいＶ曲げでは割れ発生の可能性が小さいためにやはりデータを採取する意味がないからである。

従来は上記のようにＲ/ｔを変えてＶ曲げ試験を行い割れ発生の有無を観察していたのであるが、本発明ではそれぞれのＲ/ｔについてＶ型ダイスのスパンＷを１＜Ｗ/ｔ＜１０００の範囲で変化させて割れ発生の有無を観察し、板材の曲げ限界値をＲとＷの関数として決定する点に最大の特徴がある。スパンＷは図１に示すようにＶ型ダイス上面の開き幅である。

図２は板厚ｔが１．４ｍｍの鋼板について上記のＶ曲げ試験のデータを集約したグラフであり、横軸は曲げＲ（先端Ｒ）、縦軸はＶ曲げされた板材が割れたときの板材の外側の最大主ひずみである。ここでは板材の曲げ限界値をＶ曲げされた板材の外側の最大主ひずみとしたが、これと等価な変形量や応力を用いることも可能である。しかし曲げ試験中に局部的な応力値を正確に検出することは必ずしも容易ではないのに対して、歪は予め板材の表面や端面に罫線を入れておくことにより比較的容易かつ正確に測定できるので、ここでは板材の外側の最大主ひずみを用いた。

図２のグラフに示されるように、曲げＲが大きくなるほど板材の外側の最大主ひずみが小さくなることは当然であるが、Ｖ曲げ試験の結果では曲げＲが同一であってもスパンＷが大きくなるほど板材の外側の最大主ひずみは減少する傾向（矢印で示す）にある。しかし曲げＲが板厚ｔに近い条件下では、スパンＷが大きくなると逆に最大主ひずみが増加する傾向（破線の円で示す）を示す。このようなＶ曲げ試験におけるスパンＷが板材の曲げ限界値に及ぼす影響については従来知られておらず、スパンＷの影響を無視した曲げ限界値を採用していたため、Ｖ曲げ試験によって求めた曲げ限界値を超えても実物は割れなかったり、逆にＶ曲げ試験によって求めた曲げ限界値を超えないのに実物は割れたりする現象が生じていたものと考えられる。

以下に、本発明者が究明したスパンＷが板材の曲げ限界値に及ぼす影響を説明する。
図３から図５は板厚ｔを１．４ｍｍ、先端Ｒを２ｍｍの一定値（Ｒ/ｔ＝１．４）とし、スパンＷを４０ｍｍ（Ｗ/ｔ＝２８．６）、１８．４ｍｍ（Ｗ/ｔ＝１３．１）、９．６ｍｍ（Ｗ/ｔ＝６．９）とした場合の拡大図である。左右対称のため、右側半分の拡大図のみ示している。まず図３に示すようにスパンＷを４０ｍｍと大きくした場合には、板材のたわみ量が大きくなるために、曲げ途中において板材とＶ型ダイス２とは頂点に近い接触点Ａで接触する。このためＶ型パンチ１の先端Ｏとの距離をスパンとする曲げにシフトし、実質的なスパンは小さくなる。更にＶ型パンチ１が下降すると板材とＶ型パンチ１との接触点ＢはＶ型パンチ１の肩側に移動し、板材とＶ型ダイス２とは接触点Ａは頂点側（中心側）に移動する。このためにひずみが増大する。

図４に示すようにスパンＷを１８．４ｍｍとした場合には、曲げ途中における板材のたわみ量は小さく、下死点直前に至るまで板材とＶ型ダイス２との接触は生じない。このため実質的なスパンの変化は生じにくく、これが下死点直前におけるひずみの増大が抑制される理由と推定される。

図５に示すようにスパンＷを９．６ｍｍとした場合には、曲げ途中における板材のたわみ量は無視できるほど小さく、板材とＶ型ダイス２との接触は生じない。このため速い段階から小スパンとしてＶ型パンチ１の頂点付近のひずみは高くなるが、その後、Ｖ型パンチ１との接触点ＢはＶ型パンチ１の肩側に移動してパンチとなじまなくなるので、頂点でのひずみの増加が滞留する。このため、この場合には純曲げと比較してひずみが低くなるものと推定される。

図６は上記の図３から図５についての説明内容をまとめたグラフであり、下死点までの距離によって板材の外側の最大主ひずみが異なる曲線を描いて変化する様子を示している。しかもＶ型パンチ１が下死点に達したときの最終的な最大主ひずみは、スパンＷが１８．４ｍｍの場合に小さくなっている。

上記したように、それぞれのＲ/ｔについてＶ型ダイスのスパンＷを１＜Ｗ/ｔ＜１００の範囲で変化させて得られた板材の曲げ限界値は、先端ＲのみならずスパンＷによっても変化することが確認されたので、これをＲとＷの関数として決定する。図７はその結果を示したグラフであり、純曲げの場合の板材の外側の最大主ひずみ（理論値）を併せて示した。

図７中に（１）として示すように、先端ＲとスパンＷが大きい領域ではＶ曲げ試験によって求めた曲げ限界値は純曲げの場合に近づいている。このためこのような領域では従来技術を用いても正確に曲げ割れ判定が可能である。しかし図７中に（２）として示すように、先端Ｒが板厚ｔよりも小さい領域では、たわみの発生と関連してＶ曲げ試験によって求めた曲げ限界値と純曲げの場合のひずみとの差が大きくなるスパンＷがある。また図７中に（３）として示すように、先端Ｒが板厚ｔよりも小さくかつスパンＷが小さくても、パンチとのなじみと関連して純曲げの場合との差がさらに大きくなることがある。さらに図７中に（４）として示すように、板厚ｔに近い曲げＲでは実質スパンの変化に起因して、ひずみの傾向が逆転するスパンＷがある。

以上に述べたとおり、本発明の板材の曲げ限界値判定方法によれば、先端ＲとスパンＷとの関係において変化する曲げ限界値を正確に把握することができる。図８は板厚tを１．４mmの一定値とした場合の曲げ試験における先端ＲとスパンWと割れ発生の有無をまとめたグラフであり、割れ発生が先端ＲのみならずスパンWの影響を受けることが明確に示されている。

このように本発明によれば先端ＲとスパンＷとの関係において変化する曲げ限界値を正確に把握することができるので、数値計算により求めたプレス加工部品の曲げ加工部分のひずみがこのようにして得られた板材の曲げ限界値（ひずみ）を越えるか否かを判断することによって、割れ発生の有無を従来よりも正確に予測することが可能となる。この結果、従来のようにＶ曲げ試験によって求めた曲げ限界値を超えても実物は割れなかったり、逆にＶ曲げ試験によって求めた曲げ限界値を超えないのに実物は割れたりする現象を矛盾なく説明することが可能となり、実物を製作することなく割れ発生の有無を事前に判定することが可能となる。

なお、上記の説明は板厚tを１．４mmの一定値とした場合の実験に基づくものであるが、板厚tが変化しても本発明を同様に適用することができる。また鋼板のみならず、その他の金属板材や非金属板材についても適用可能である。

１ Ｖ型パンチ
２ Ｖ型ダイス

Claims (3)

1. プレス加工部品の曲げ加工部分のひずみが板材の曲げ限界値を超えるか否かを判断するために、Ｖ型パンチとＶ型ダイスとにより厚さｔの板材をＶ曲げし、割れ発生の有無により板材の曲げ限界値を判定する方法であって、
   Ｖ型パンチの先端Ｒを０．１＜Ｒ/ｔ＜１００の範囲で変化させ、かつそれぞれのＲ/ｔについてＶ型ダイスのスパンＷを１＜Ｗ/ｔ＜１０００の範囲で変化させて割れ発生の有無を観察し、板材の曲げ限界値を当該板厚ｔにおけるＲとＷの関数として決定することを特徴とする板材の曲げ限界値判定方法。
2. 板材の曲げ限界値として、Ｖ曲げされた板材の外側の最大ひずみを用いることを特徴とする請求項１記載の板材の曲げ限界値判定方法。
3. 請求項１または２の方法で求めた板材の曲げ限界値を用い、プレス加工部品の曲げ加工部分の割れ発生の有無を数値計算により予測することを特徴とするプレス加工部品の曲げ割れ判定方法。