JP5790350B2 - プレス成形装置及びプレス成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属素板のプレス成形装置およびプレス成形方法に関する。

例えば図１０（ｂ）に示すような自動車の車体を構成する構造部材などはプレス成形によって製造される。このような構造部材には種々の形状のものがあるが、主要な断面形状として図１０（ａ）に示すような断面がハット状になったハット状断面形状のものがある。
図１１はこのようなハット状断面形状の構造部材をプレス成形する装置及び方法を説明する説明図である。まず、図１１に基づいてハット状断面形状のプレス成形装置及び方法を概説する。

図１１のプレス成形装置４１は、成形目標形状に対応した凹陥部が形成されたダイ４３と、ダイ４３に形成された凹陥部に挿入可能なパンチ４５と、成形時に成形対象となる金属素板７を押さえて該金属素板にしわが形成されるのを防止するしわ押さえ４７を備えて構成される。
このように構成されたプレス成形装置４１によってハット状断面形状の部材を成形する方法は、ダイ４３の凹陥部を覆うように金属素板７を配置すると共にしわ押さえ４７によって金属素板７を所定の押圧力で押え、パンチを金属素板の上面から凹陥部に挿入する。

上記のようなプレス成形においては、成形後の部材における弾性回復によって、いわゆるスプリングバックという現象が生じ、所望の形状が得られないことがある。
そこで、このような現象を極力小さくして所望の形状を得ようとした工夫が行われている。
例えば、特許文献１においては、第１成形工程で成形した仮成形体がダイの成形凹部に収容保持された状態でパンチをダイの成形凹部に挿入する第２成形工程を行う成形方法が開示されている。

特開２００８−３０７５５７号公報

ハット状断面形状をプレス成形する場合、フランジと縦壁部とをつなぐ部位（例えば、図１０（ａ）では曲率半径Ｒが３ｍｍとなっている部位）のようにほぼ直角に屈曲する部位においては、その曲率（曲率半径の逆数）が大きい場合（曲率半径が小さい場合）、金属素板が急激な塑性変形に耐えられず破断する場合があり、特に引張強度の大きい高強度鋼板を成形する場合には破断の可能性が高くなる。
このようなフランジと縦壁部とをつなぐ部位の曲率が大きいハット状断面形状をプレス成形する場合、例えば特許文献１において適用されている２工程での成形が考えられる。つまり、いったん小さな曲率を持つ金型で中間的な形状にプレス成形し、その後この中間的な形状のプレス成形対象物をさらに大きな曲率を持つ金型でプレス成形するというものである。
しかし、このようなプレス成形方法だと、金型が２種類必要であり、かつ金型を代えての２工程でのプレス成形となり、経済性、生産性に劣る。

本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、ハット状断面形状におけるフランジと縦壁とを繋ぐ部位の曲率が大きい場合においても、効率的な成形ができるプレス成形装置及び方法を得ることを目的としている。

（１）本発明に係るプレス成形装置は、成形目標形状に対応した凹陥部が形成されたダイと、ダイに形成された凹陥部に挿入可能なパンチと、成形時に成形対象となる金属素板を押さえて該金属素板にしわが形成されるのを防止するしわ押さえを備え、断面がハット状の成形部材を成形するプレス成形装置であって、
前記ダイは、前記凹陥の肩部に開口孔が形成されていると共に該開口孔に出没可能に配設された先端に曲率を有する肩部材と、該肩部材を常時は先端が前記開口孔の内部に引っ込んだ状態で保持し、成形途中において前記開口孔から出る方向に押圧する押圧手段を備え、
前記肩部材の曲率は前記開口部の開口孔端部を繋いで形成される円弧の曲率半径よりも小さい曲率半径を有することを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記開口端部を繋いで形成される仮想的な曲率半径をＲ１、前記肩部材の曲率半径をＲ４としたときに、Ｒ１とＲ４とが、0.25≦Ｒ４／Ｒ１≦0.8という関係を満たすことを特徴とするものである。

（３）本発明に係るプレス成形方法は、上記（１）または（２）に記載のプレス成形装置を用いたプレス成形方法であって、ダイ上に金属素板を載置すると共にしわ押さえにより所定の押圧力で前記金属素板を押さえた状態で前記パンチによって金属素板を略ハット状に成形する第１工程と、
該第１工程において、前記パンチが全ストロークの７０％以上移動したときに前記肩部材を前記開口孔から突出させて前記ハット状断面の縦壁とフランジ部の連結部を成形する第２成形工程とを備えてなることを特徴とするものである。

本発明によれば、ハット状断面形状におけるフランジと縦壁とを繋ぐ部位の曲率が大きい場合（曲率半径が小さい）においても、単一の金型で効率的な成形を行うことができる。

本発明の実施の形態におけるプレス成形装置を示した図である。 図１に示したプレス成形装置の右半分を拡大して示した図である。 本発明の実施の形態におけるプレス成形装置のダイの肩部を拡大して示した図である。 本発明に実施の形態におけるプレス成形装置を用いたプレス成形の手順の概略を説明した図である。 本発明の他の実施の形態におけるプレス成形装置の右半分を拡大して示した図である。 比較例１、２のプレス成形方法について説明した説明図である。 比較例３、４のプレス成形方法について説明した説明図である。 本発明の効果を確認するための実験結果を示した図である。 本発明の効果を確認するための実験結果を示した図である。 一般的な自動車を構成する部品について説明した説明図である。 従来の一般的なプレス成形方法について説明した説明図である。

〔実施の形態１〕
本発明の実施の形態について図１〜図４に基づいて説明する。本実施の形態は、金属素板７をハット断面形状にプレス成形するプレス成形装置１を示している。図１１に示したものと天地逆になっているが、原理的には同じである。

プレス成形装置１は、成形目標形状に対応した凹陥部が形成されたダイ３と、ダイ３に形成された凹陥部に挿入可能なパンチ５と、成形時に成形対象となる金属素板７を押さえて金属素板７にしわが形成されるのを防止するしわ押さえ９を備えている。

ダイ３は、凹陥の肩部に開口孔１１が形成されていると共に開口孔１１に出没可能に配設された先端に曲率半径Ｒ４（図３参照）を有する肩部材１３と、肩部材１３を常時は先端が開口孔１１の内部に引っ込んだ状態で保持し、成形途中において肩部材１３を開口孔１１から出る方向に押圧する押圧手段として油圧シリンダ１５を備えている。
油圧シリンダ１５には図示しない油圧ポンプが接続されており、油圧ポンプはやはり図示しない制御装置によって駆動制御され、それによって作動油が配管１７を介して肩部材１３を押圧する先端部１８に送られる。これによって、ダイ３の下降途中における予め定められたタイミングにて肩部材１３は開口孔１１から突出するように押圧される。

なお、図１では油圧シリンダ１５は、しわ押さえ９とダイ３における周縁部に設けられた段部との間に挟み込むように設置されているが、これは油圧シリンダ１５における加圧時の反力をしわ押さえ９で受けるためであり、この反力を受けることができるものであれば、前記のような設置方法に限らない。

肩部材１３の曲率半径Ｒ４は、図３に示すように、開口孔１１端部を繋いで形成される円弧の曲率半径Ｒ１（以下、「ダイ３肩部の曲率半径Ｒ１」という）よりも小さい曲率半径を有する。ここで開口孔１１端部とは、開口孔１１の縁の円弧が始まる点をいう。なお、ダイ３における縦壁及び横壁と開口孔１１端部を繋いで形成される円弧との関係を説明すると、前記縦壁及び横壁が前記円弧の接線となるという関係を有する。
開口孔１１の端部には、図３に示すように曲率半径Ｒ２、Ｒ３をもつ滑らかな円弧状が形成されている。

ダイ３は、図示しない油圧シリンダにより昇降可能になっており、油圧シリンダは、図示しないポンプやタンクや配管からなる油圧回路に接続され、油圧シリンダの駆動は図示しない制御装置によって制御される。

次に、図４に基づいて本実施の形態のプレス成形方法を説明する。なお、図４（ｂ）〜（ｅ）は、左右対称であるため左側の図示を省略してある。また、図４においては、油圧シリンダ１５は図示を省略している。

まず、成形開始前の状態は、図４（ａ）に示すように、肩部材１３はその先端がダイ３の開口孔１１に引っ込んだ状態で保持され、金属素板７がダイ３としわ押さえ９によって挟持されている。
成形が開始されると、図４（ｂ）に示すように、ダイ３が下降してパンチ５によって金属素板７がダイ３の凹陥部に入り込むように変形される。その後、図４（ｃ）の状態を経て図４（ｄ）に示すようにダイ３が下死点に達すると、図４（ｅ）に示すように、肩部材１３を開口孔１１から突出させ、ハット状断面形状におけるフランジと縦壁部とをつなぐ部位を肩部材１３によって成形する。

なお、上記の説明ではダイ３が下死点に達した後で肩部材１３を突出させる例を示したが、ダイ３が下死点に達する前であっても、ハット状断面形状における縦壁部の長さが十分な寸法に形成されていれば、肩部材１３を開口孔１１から突出させるようにしてもよい。ここでいう十分な寸法とは、ハット状断面形状の縦壁の７０％以上の寸法が好ましい。このように、ダイ３が縦壁の７０％以上の寸法を成形した時点で肩部材１３を突出させるようにすることで、肩部材１３の突出のタイミングの制御が容易になる。つまり、肩部材１３の突出のタイミングをダイ３が下死点に達した時点として厳格に制御しようとすると、実機においてはダイ３が下死点に達したかどうかを厳格に検知するのが難しいことから、肩部材１３の突出のタイミング制御が難しくなるのである。
なお、肩部材１３を突出させるタイミングとして、ハット状断面形状の縦壁の７０％以上が成形される前に肩部材１３を突出させると、肩部材１３の先端の曲率が大きい（曲率半径が小さい）ので抵抗が大きくなり、成形不良が生ずる可能性がある。

以上のように、本実施の形態によれば、フランジと縦壁部とをつなぐ部位の曲率が大きなハット状断面形状でも、ダイ３、肩部材１３およびパンチ５で構成される一組の金型を用いて一度の工程でプレス成形することができるので、効率的である。

なお、肩部材１３の曲率半径Ｒ４のダイ３肩部の曲率半径Ｒ１に対する比は、下記式(１)に示す通り、０．２５乃至０．８とするのが好ましい。
０．２５≦Ｒ４／Ｒ１≦０．８ （１）

上記のように設定する理由は以下の通りである。
Ｒ４／Ｒ１の値が０．２５を下回ると、曲率半径Ｒ１に対して肩部材１３の曲率半径Ｒ４が相対的に小さく、先端が尖った形状になるため、肩部材１３を開口孔１１から突出させて金属素板７を押圧する際に、肩部材１３によって金属素板７に穴があく可能性がある。
またＲ４／Ｒ１の値が０．８を超えると、肩部材１３を開口孔１１から突出させ金属素板７を押圧しても、プレス成形後の金属素板７のスプリングバックにより、成形目標形状に成形できない可能性がある。

また、肩部材１３を、開口部の開口孔１１端部を繋いで形成される円弧よりも引込ませる距離ｄは（図３参照）、金属素板７の板厚以下とするのが好ましい。このようにする理由は以下の通りである。
肩部材１３を引き込ませる距離ｄが、金属素板７の板厚を超えている場合、金属素板７をプレス成形していく過程において、開口孔１１に金属素板７が入り込み、開口孔１１端部によって金属素板７に穴が開いてしまう可能性がある。
しかし、距離ｄが金属素板７の板厚以下であれば、プレス成形していく過程において、金属素板７を肩部材１３の先端で保持することができるため、金属素板７が開口孔１１に入り込まず、金属素板７に孔が開いてしまうことを防ぐことができる。

〔実施の形態２〕
本発明の他の実施の形態のプレス成形装置３１を図５に基づいて説明する。
実施の形態１においては押圧手段として油圧シリンダ１５を示したが、本実施の形態においては押圧手段の他の例として、カム装置によるものを示す。なお、本実施の形態のプレス成形装置３１は、押圧手段以外のパンチ５やしわ押さえ９等は実施の形態１のプレス成形装置と同じであるので、図５中では実施の形態１と同じものについては、同じ符号を付している。

プレス成形装置３１における押圧手段としてのカム装置３２について説明する。カム装置３２は、しわ押さえ９に固定された固定カムドライバ３５と、ダイ３３に設けられた横孔３３ａに水平方向に移動可能に設置され固定カムドライバ３５によって駆動されるカムスライダ３７によって構成されている。
固定カムドライバ３５には、傾斜面３５ａが形成されている。また、カムスライダ３７の一端部には固定カムドライバ３５の傾斜面３５ａと当接可能な第１傾斜面３７ａが形成され、またカムスライダ３７の他端部には肩部材１３の基端側の端面１３ａと当接可能な第２傾斜面３７ｂが形成されている。
また、図示を省略しているが、カムスライダ３７には、カムスライダ３７を固定カムドライバ３５方向に常時引っ張るバネなどの弾性手段が設けられている。
なお、肩部材１３は実施の形態１と同様に、ダイ３３の開口孔１１に出没可能に設置され、常時はダイ３３の開口孔１１の中に引っ込んだ状態となっている。

次に、上記のように構成された本実施の形態の押圧手段の動作について以下に説明する。
プレス成形時には、ダイ３３が下降するにつれ、ダイ３３に設置されたカムスライダ３７がダイ３３と共に下降し、カムスライダ３７の第１傾斜面３７ａと固定カムドライバ３５の傾斜面３５ａが当接する。この状態でダイ３３がさらに下降すると、カムスライダ３７は固定カムドライバ３５に押され、ダイ３３の横孔３３ａ内を内側に移動する。カムスライダ３７がダイ３３の内側に移動すると、肩部材１３の端面１３ａがカムスライダ３７の第２傾斜面３７ｂに押され、肩部材１３が開口孔１１から突出する

また、プレス成形後、ダイ３３が上昇すると、カムスライダ３７と肩部材１３は前記のプレス成形時にダイが下降する場合とは逆の動きをし、カムスライダ３７は前記弾性手段によって固定カムドライバ３５の方向に引っ張られダイ３３の下降前の位置に戻り、肩部材１３はカムスライダ３７からの押圧力から解放された状態になる。

以上のように、本実施の形態のように押圧手段としてカム装置３２を用いることにより、肩部材１３の押圧のタイミングを特別な制御装置を用いることなく、行うことができ、装置そのものを簡易にできる。

なお、上記の実施の形態１，２においては、押圧手段の例として油圧シリンダ１５の例とカム装置３２の例を示したが、本発明における押圧手段は、上記の実施の形態１、２に示したものに限られるものではなく、例えば、油圧以外の流体圧によって作動するものでもよく、あるいは電磁力によって作動するアクチュエータによって構成してもよい。

また、上記の各実施の形態１、２では、いずれもダイ３、３３が下降してプレス成形するタイプを示したが、図１１に示したように、パンチが下降してプレス成形するタイプのものであっても本発明は同様に適用できる。

本発明の効果を確認するために、実施例１として、本発明を適用してハット断面形状ａ（図１０（ａ）に示すフランジと縦壁とをつなぐ部位の曲率半径Ｒが３ｍｍのハット状断面形状）を成形目標形状とするプレス成形を行った。
実施例１では、図３に示すダイ肩部の曲率半径Ｒ１が１０ｍｍ、肩部材１３の曲率半径Ｒ４が３ｍｍとした。肩部材１３の曲率半径Ｒ４のダイ肩部の曲率半径Ｒ１に対する比は０．３であり、式１の条件を満たしている。

また、実施例２として、本発明を適用してハット断面形状ｂ（ハット断面形状ａにおけるフランジと縦壁とをつなぐ部位の曲率半径Ｒを２ｍｍに設定したハット断面形状）を成形目標形状とするプレス成形を行った。
実施例２では、ダイ肩部の曲率半径Ｒ１が５ｍｍ、肩部材１３の曲率半径Ｒ４が２ｍｍとした。肩部材１３の曲率半径Ｒ４のダイ肩部の曲率半径Ｒ１に対する比は０．４であり、式１の条件を満たしている。

また、比較例１として、図６に示すように２組の金型を用いて２工程でハット断面形状ａを成形目標形状とするプレス成形を行った。
比較例１では、ダイ肩部の曲率半径が１０ｍｍの第１工程用のダイ５３と、これに対応する第１工程用のパンチ５５で構成される第１工程用の金型５１を用いてプレス成形して中間的な形状に加工し（図６（ａ）を参照）、その後、この中間的な形状のプレス成形対象物に対して、ダイ肩部の曲率半径が３ｍｍの第２工程用のダイ６３と、これに対応する第２工程用のパンチ６５で構成される第２工程用の金型６１を用いてプレス成形し（図６（ｂ）を参照）、ハット状断面形状におけるフランジと縦壁部とをつなぐ部位の曲率半径Ｒが３ｍｍとなるようにした。

また、比較例２として、比較例１と同様に、２組の金型を用いて２工程でハット断面形状ｂを成形目標形状とするプレス成形を行った。
比較例２では、ダイ肩部の曲率半径が５ｍｍの第１工程用のダイと、これに対応する第１工程用パンチで構成される第１工程用の金型と、ダイ肩部の曲率半径が２ｍｍの第２工程用のダイと、これに対応する第２工程用のパンチで構成される第２工程用の金型を用いた。

また、比較例３として、図７に示すように、ダイ７３とパンチ７５で構成される１組の金型７１を用いて１工程でハット断面形状ａを成形目標形状とするプレス成形を行った。また、比較例４として、比較例３と同様に、別の１組の金型を用いて１工程でハット断面形状ｂを成形目標形状とするプレス成形を行った。

上記の各実施例および各比較例の金属素板７には降伏応力５８０ＭＰａ、引張強さ９８０ＭＰａの鋼板を用いた。

表１に上記の各実施例および各比較例のプレス成形の結果をまとめたものを示す。

比較例１および比較例２の第１工程用のダイ５３のダイ肩部の曲率半径は、実施例１，２のダイのダイ肩部の曲率半径Ｒ１に相当し、第２工程用のダイ６３のダイ肩部の曲率半径は肩部材１３の曲率半径Ｒ４に相当するため、表１中にそのように表記している。
また、比較例３および比較例４のダイ７３のダイ肩部の曲率半径は、肩部材１３の曲率半径Ｒ４に相当するため、表１中にそのように表記している。
また、表１中の成形欄では、プレス成形ができた場合は○印を、金属素板７の破断等によって成形できなかった場合は×印を表記している。また、精度欄ではＲ４／Ｒ１の値が同じものと比較的して精度が高いものに○印を、比較的精度が低いものには×印を、プレス成形ができず精度を比較できないものは‐印を表記している。

また、成形精度を比較する図として図８、図９を示す。図８は、実施例１、比較例１を示し、図９は実施例２、比較例２を示している。図８、図９において、縦軸はハット断面形状ａにおける縦方向の長さを示し、横軸は横方向の長さを示している。

実施例１では、金属素板７を破断させることなく成形することができ、図８に示す通り、Ｒ４／Ｒ１の値が同じ０．３である比較例１と比較してみると、ハット断面形状におけるフランジのスプリングバック量は同程度であるものの、縦壁は成形目標形状に近づいており、プレス成形の精度を高くすることができた。
実施例２でも、実施例１と同様に金属素板７を破断させることなく成形することができた。また、Ｒ４／Ｒ１の値がおなじ０．４である比較例２と比較してみると、図９に示す通り、ハット断面形状におけるフランジのスプリングバック量が小さく押さえられ、縦壁も成形目標形状に近づいており、プレス成形の精度を高くすることができた。

比較例１、２では、ハット状断面形状におけるフランジと縦壁部とをつなぐ部位において金属素板７を破断させることなく、プレス成形することができた。しかし、上述のとおり、Ｒ４／Ｒ１の値がおなじ実施例と比較すると、精度が低いものとなっている。

比較例３、４では、ハット状断面形状におけるフランジと縦壁部とをつなぐ部位の曲率半径が小さすぎるために金属素板７を破断させ、プレス成形することができなかった。

以上のように、本発明によれば、２工程で成形を行う比較例１、２の場合よりも精度が向上することが実証された。つまり、本発明によれば、２工程で成形を行うよりも、成形の効率が向上するのみならず、精度向上も実現できるのである。

１ プレス成形装置
３ ダイ
５ パンチ
７ 金属素板
９ しわ押さえ
１１ 開口孔
１３ 肩部材
１３ａ 端面
１５ 油圧シリンダ
１７ 配管
１８ 先端部
３１ プレス成形装置
３２ カム装置
３３ ダイ
３３ａ 横孔
３５ 固定カムドライバ
３５ａ 傾斜面
３７ カムスライダ
３７ａ 第１傾斜面
３７ｂ 第２傾斜面
５１ 第１工程用の金型
５３ 第１工程用のダイ
５５ 第１工程用のパンチ
６１ 第２工程用の金型
６３ 第２工程用のダイ
６５ 第２工程用のパンチ
７１ １組の金型
７３ ダイ
７５ パンチ

Claims (3)

1. 成形目標形状に対応した凹陥部が形成されたダイと、ダイに形成された凹陥部に挿入可能なパンチと、成形時に成形対象となる金属素板を押さえて該金属素板にしわが形成されるのを防止するしわ押さえを備え、断面がハット状の成形部材を成形するプレス成形装置であって、
   前記ダイは、前記凹陥の肩部に開口孔が形成されていると共に該開口孔に出没可能に配設された先端に曲率を有する肩部材と、該肩部材を常時は先端が前記開口孔の内部に引っ込んだ状態で保持し、成形途中において前記開口孔から出る方向に押圧する押圧手段を備え、
   前記肩部材の曲率は前記開口部の開口孔端部を繋いで形成される円弧の曲率半径よりも小さい曲率半径を有することを特徴とするプレス成形装置。
2. 前記開口端部を繋いで形成される仮想的な曲率半径をＲ１、前記肩部材の曲率半径をＲ４としたときに、Ｒ１とＲ４とが、0.25≦Ｒ４／Ｒ１≦0.8という関係を満たすことを特徴とする請求項１記載のプレス成形装置。
3. 請求項１又は請求項２記載のプレス成形装置を用いたプレス成形方法であって、
   ダイ上に金属素板を載置すると共にしわ押さえにより所定の押圧力で前記金属素板を押さえた状態で前記パンチによって金属素板を略ハット状に成形する第１工程と、
   該第１工程において、前記パンチが全ストロークの７０％以上移動したときに前記肩部材を前記開口孔から突出させて前記ハット状断面の縦壁とフランジ部の連結部を成形する第２成形工程とを備えてなることを特徴とするプレス成形方法。

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