JP5794025B2

JP5794025B2 - 金型設計方法及びプレス成形方法

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Publication number: JP5794025B2
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Inventors: 正樹卜部
Original assignee: JFE Steel Corp
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Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2015-10-14
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Description

本発明は、スプリングバックに起因するプレス成形品の形状精度悪化を抑制するプレス成形用の金型設計方法、及びその金型を用いたプレス成形方法に関する。

高張力鋼板等の板材のプレス成形において、板材のスプリングバック（弾性変形）に起因する形状精度悪化がしばしば問題となっており、特に、細長い部品におけるねじれの問題は対策が困難であった。とりわけその成形がフォーム成形（ブランク周囲を拘束せずに成形を行う手法）の場合、成形条件の変更での対策を行うことができないため、対策が困難である。従来は、主として金型の見込みで対処されてきた。

しかしながら、スプリングバックが大きいと、その見込み量が大きいために正確な見込みが困難であり、何度も金型を修正する必要がある。また、プレス方向に対して負角となる場合には、見込みをそれ以上大きくすることができない。
そこで、板材のプレス成形において生じるスプリングバックを低減し、反りやねじれ等の形状不良を防止するプレス成形方法として、例えば特許文献１に記載の技術が提案されている。この技術は、前工程で板材の変形発生位置にエンボスを成形し、後工程で当該エンボスを潰すものである。しかしながら、この方法では、エンボスを成形する前工程と当該エンボスを潰す後工程の少なくとも２工程が必要であり、工法や金型構造の変更を伴う。さらに、後工程においてエンボスを潰しきれない場合には、新たな形状不良の起因となる懸念がある。

また、特許文献２には、少なくとも一部にコの字型断面形状又はハの字型断面形状を有する部材のプレス成形方法として、水平断面が閉断面となるように成形してから、余肉部分をせん断する方法が提案されている。しかしながら、この方法では、ドロー成形にしか適用できないこと、歩留まりが低下すること、縦壁部分のプレスせん断が困難であることなどの問題があり、工業生産性が悪い。

さらに、特許文献３には、直線状の稜線の折り曲げ部分において、成形後にスプリングバックによって角度開きが発生するという不良に対して、折り曲げの終了後に底部に凹み形状を付与する成形を行い、これを補正しようする成形方法が提案されている。
しかしながら、この方法では、折り曲げ終了後において凹みを付与するため、箱体の場合であって直線状の稜線を持つ形状の角度開きを低減することしかできず、凹状の湾曲した稜線を持つ長尺の形状で発生するスプリングバックなど、角度開き以外の原因によって発生する長手方向のねじれなどのスプリングバックを低減することはできない。さらに、折り曲げの終了後に凹み形状を形成するので、少なくとも２工程の成形が必要であり、費用とコストが増大する。

また、特許文献４には、凸状の湾曲形状の縦壁部分に発生する引張応力を緩和することで、スプリングバックを抑制するようにしたプレス成形方法が提案されている。ここでは、凸状の湾曲形状の縦壁部分に相当する部分に、該部分の周長が増加する余肉部（凹部）を付与した後、プレス成形するようにしている。しかしながら、この方法では、凸状の湾曲形状の縦壁部分に発生する引張応力を緩和することはできるが、凹状の湾曲部分のフランジ部位に発生する引っ張り応力を低減することはできない。さらに、折り曲げの終了後に凹み形状を形成するので、少なくとも２工程の成形が必要であり、費用とコストが増大する。

さらにまた、特許文献５には、曲げ肩部に生じるスプリングバックによる曲げ部分の角度開きを防止するためのプレス成形方法が提案されている。ここでは、プレス成形時に曲げ肩部を成形する際、該曲げ肩部に、成形曲げ方向とは逆方向に凹む凹状段部を同時に形成するようにしている。しかしながら、この方法では、角度開きの防止のみを目的としており、長手方向のねじれに対しては十分な効果が得られない。

特開２００９−２５５１０６号公報特開２００８−２６４８５７号公報特開昭５８−１５７５２７号公報特開２００２−１４４５号公報特開平０７−１８５６６３号公報

上述したように、上記各特許文献に記載の方法では、凹状に湾曲した縦壁部分にフランジ部が形成された長尺の形状を有するプレス成形品のプレス成形時におけるスプリングバックを効率良く低減することができない。
そこで、本発明は、プレス成形時におけるスプリングバックを効率良く低減することができる金型設計方法及びプレス成形方法を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、本発明に係る金型設計方法は、底壁と該底壁の少なくとも一方の幅方向端部に一端が連結された側壁とからなり長手方向に延在する本体部と、少なくとも一方の前記側壁の他端に、幅方向外向きに突出形成されたフランジ部と、を備え、前記フランジ部が形成された一方の前記側壁が水平面内で凹状に湾曲した湾曲部を有するプレス成形品を成形するための金型を設計する金型設計方法であって、前記底壁に凹凸部が付与されていない形状となる金型を基準金型とし、有限要素法解析システムを用いたプレス成形解析を行い、前記基準金型でプレス成形した被成形材の各部位における離型前の残留応力を算出し、さらに、前記被成形材を複数の領域に分割するとともに、各領域の離型前の残留応力を消去したデータに基づいてスプリングバック解析を行って、離型後の前記被成形材の形状を算出し、各領域において離型前の残留応力を消去する前と消去した後のスプリングバック量の変化から、前記各領域ごとのスプリングバックへの寄与度を算出する第１ステップと、前記第１ステップにより前記各領域ごとのスプリングバックへの寄与度を算出した結果、前記湾曲部を有する前記側壁に形成された前記フランジ部の離型前の長手方向への引張応力がねじれの主要因とされ、１工程のみの成形途中で、前記引張応力に抗する圧縮応力を前記フランジ部に発生させるべく、前記底壁に付与する凹凸部の形状及び成形位置を設定する第２ステップと、記凹凸部の形状及び成形位置に基づいて、前記本体部を成形するポンチ及びダイが、それぞれ前記凹凸部を成形する表面形状を有するように、前記金型の形状を決定する第３ステップとを含み、前記底壁に凹凸部を付与することにより、前記フランジ部の材料を前記凹凸部側へ流入させて前記圧縮応力を前記フランジ部に発生させ、これにより、前記フランジ部の離型前の長手方向への引張応力を低減することを特徴としている。

このように、成形金型のポンチ底（底壁）に対応する部分に、フランジ部の離型前の長手方向外側への引張応力に抗する圧縮応力を発生させる凹凸部を成形するための凹凸形状を配置するので、プレス成形途中の下死点付近でフランジ部の材料をポンチ側に流入させ、フランジ部の離型前の引張応力を緩和することができる。フランジ部の離型前の引張応力は、スプリングバックによるねじれ発生の主要因であることがプレス成形解析等によりわかっているため、これを緩和することで離型後のプレス成形品の長手方向のねじれなどのスプリングバックを低減することができる。

さらに、上記において、前記本体部は、前記側壁が前記底壁の幅方向両端部にそれぞれ形成された断面略コの字型であることを特徴としている。
これにより、湾曲部による伸びフランジ変形の影響で、特に底壁に大きな引張応力が広範囲に分布する傾向があり、長手方向のねじれが発生し易い断面略コの字型のプレス成形品に対して、大きなスプリングバック低減効果が期待できる。

また、上記において、前記凹凸部の成形位置を、前記底壁における前記湾曲部の長手方向領域内とすることを特徴としている。
これにより、フランジ部の離型前の引張応力を効果的に緩和することができ、プレス成形品のスプリングバックを大幅に低減することができる。
さらに、上記において、前記凹凸部の形状を、前記底壁に直交する方向において、前記湾曲部を有する前記側壁が存在する側に凸となる形状とすることを特徴としている。

これにより、プレス成形途中の下死点付近で、適切にフランジ部の材料をポンチ側に流入させることができる。
また、上記において、前記凹凸部の形状を、前記底壁に直交する方向において、前記湾曲部を有する前記側壁が存在する側とは反対側に凸となる形状とすることを特徴としている。

これにより、プレス成形途中の下死点付近で、フランジ部の材料をダイレクトにポンチ側に流入させることができる。そのため、凹凸部の形状を前記側壁が存在する側に凸となる形状とする場合と比較して、少ない線長増加量で上記引張応力の緩和効果を得ることができる。
さらにまた、上記において、前記凹凸部の長手方向の長さを、前記フランジ部の幅と前記側壁の高さとの合計の１／２倍以上とすることを特徴としている。

これにより、プレス成形品のスプリングバックを低減するのに十分な上記引張応力の緩和量を確保することができる。
また、上記において、前記凹凸部の付与による前記底壁の幅方向の線長増加量を、前記フランジ部の幅と前記側壁の高さとの合計の１／５０倍以上とすることを特徴としている。

これにより、プレス成形品の長手方向のねじれなどのスプリングバックを低減するのに十分な上記引張応力の緩和量を確保することができる。
さらに、本発明に係るプレス成形方法は、上記の何れかの金型設計方法で設計された金型を用いて被成形材をプレス成形し、前記プレス成形品を成形することを特徴としている。

このように、プレス成形途中の下死点付近でフランジ部の材料をポンチ側に流入させるプレス成形用金型を用いてプレス成形を行うので、側壁が成形され始めた後で底壁に凹凸部を成形することができる。したがって、効果的にフランジ部の離型前の引張応力を緩和することができる。また、１工程のみでスプリングバックが低減されたプレス成形品を得ることができる。

本発明によれば、離型前のフランジ部に引張応力が発生することで引き起こされる形状不良に対して効果的に対処することができる。その際、工法や金型構造の大きな変更や歩留まりの低下を伴わないため、生産コストの増加を抑制することができる。また、しわ押さえを使用するドロー成形、しわ押さえを用いないフォーム成形、曲げ成形など、手法を問わず適用可能である。

本実施形態におけるプレス成形方法で成形するプレス成形品を示す斜視図である。金型設計処理手順を示すフローチャートである。被成形材を模式的に示す平面図である。スプリングバック解析を行う領域を示す図である。スプリングバック解析結果を示す図である。ねじれ要因部位及びＺ変位要因部位を示す図である。スプリングバック要因とその対策手法を示す図である。凹ビード形状を示す断面図である。ビード成形領域を示す図である。ねじれ角との関係を示す図である。ビード深さの評価方法を説明するための図である。凸ビード形状を示す断面図である。実施例１〜６を模式的に示す平面図である。実施例１〜６の効果を示す図である。プレス成形品の別の例を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
ここでは、ハイテン材をフォーム成形で、自動車のサイドメンバ等に見られる断面略ハット型の底壁における幅に対する長さが２倍以上の長尺の形状に板状部材を加工してプレス成形品を作製する事例を用いて説明する。
図１は、本実施形態におけるプレス成形方法で成形するプレス成形品を示す斜視図であり、（ａ）は右斜視図、（ｂ）は左斜視図である。

図中、符号１１はプレス成形品である。このプレス成形品１１は、底壁１２と底壁１２の幅方向両端部にそれぞれ肩部（Ｒ部）１３ａを介して一端が連結された側壁１３とからなる断面略コの字型の本体部１４の幅方向両側に、外向きのフランジ部１５を有する断面略ハット型の形状を有する。本体部１４は長手方向（断面の法線方向）に延在しており、一方の側壁１３は水平面内で凹状に湾曲した湾曲部１８を有する形状となっている。本実施形態では、湾曲部１８は、本体部１４の長手方向における両側部１７に挟まれた略中央部に形成される。

さらに、底壁１２における湾曲部１８の長手方向領域内には、本体部１４のコの字内側（図１の下側）に凸となる凹形状、または本体部１４のコの字外側（図１の上側）に凸となる凸形状のビード（凹凸部）１６が１工程のプレス成形途中で付与される。
なお、図１では、凹形状と凸形状のビード１６をそれぞれ１つずつ付与した場合について示しているが、複数付与するようにしてもよいし、凹形状、凸形状の何れか一方のビード１６を１つ又は複数付与するようにしてもよい。また、複数のビード１６の形状は全て同一形状としてもよいし、それぞれ異なる形状としてもよい。

ビード１６は、基準金型形状でプレス成形した被成形材の各部位における離型前の残留応力のうち、離型後のスプリングバック（弾性変形）に大きく影響を及ぼしている残留応力を相殺するような応力を発生させるためのものである。ここで、基準金型形状とは、離型前の被成形材の形状が、図１に示すプレス成形品１１において底壁１２にビード１６が付与されていない形状となるような金型のことをいう。

図２は、上述したプレス成形品１１を作製するための金型の形状決定を行う一連の処理（金型設計処理）手順を示すフローチャートである。この処理は、図示しないＣＰＵやメモリを有するパーソナルコンピュータなどの計算機によって実行される。
先ず、ステップＳ１で、有限要素法（ＦＥＭ）解析システムを用いたプレス成形解析を行い、基準金型形状でプレス成形した被成形材の各部位における離型前の残留応力について、それぞれスプリングバックへの寄与度を算出する。

スプリングバックは、離型前の残留応力を初期応力とした弾性回復であるため、ここでは、被成形材を複数領域に分割し、各領域において離型前の残留応力を消去する前と消去した後とでスプリングバック量がどのように変化するかを確認する。そして、特定領域の上記残留応力を消去してスプリングバック解析を行った結果、当該領域のスプリングバックが効果的に低減されている場合、その残留応力のスプリングバックへの寄与が高いものと判断する。

スプリングバック量を評価する指標としては、ねじれ角（°）及びＺ方向変位（ｍｍ）を用いる。先ず、これら評価指標について説明する。
図３は、被成形材１を模式的に示す平面図である。図中符号２は底壁、３は側壁、４は本体部、５はフランジ部であり、それぞれ図１に示すプレス成形品１１の底壁１２、側壁１３、本体部１４、フランジ部１５に対応する部位である。以下の説明では、被成形材１の長手方向をＸ方向、幅方向をＹ方向、高さ方向をＺ方向とする。また、Ｙ方向プラス側を紙面の上方向、Ｙ方向マイナス側を紙面の下方向とする。また、Ｚ方向プラス側を紙面手前の方向、Ｚ方向マイナス側を紙面奥の方向とする。さらに、被成形材１の上側の側壁３を上側側壁３ａ、水平面内で凹状に湾曲した湾曲部を有する下側の側壁３を下側側壁３ｂとし、上側のフランジ部５を上側フランジ部５ａ、下側のフランジ部５を下側フランジ部５ｂとする。

ねじれ角は、図３に示すように、点Ｐ１〜Ｐ３を固定点としたときのねじれ評価点Ａ−Ａ´の角度（傾き）のスプリングバック前後における変化量である。ねじれ評価点Ａ及びＡ´は、被成形材１の本体部４の一端の切り口をなす評価断面ＳＡ内の所定の２点である。ねじれ角は、ねじれ評価点Ａがねじれ評価点Ａ´よりもＺ方向プラス側に動いたとき、正値となる。また、Ｚ方向変位は、評価断面ＳＡ内の所定の変位評価点ＢのＺ方向の変位量である。

そして、被成形材１を図４に示す複数の領域に分割し、各領域の離型前の残留応力を消去したデータに基づいてスプリングバック解析を行って、離型後の被成形材１の形状を算出し、ねじれ角及びＺ方向変位を算出する。スプリングバック解析においては、各領域の離型前の残留応力を消去したデータについて、プレス金型による拘束力を除去し、離型後の被成形材１の形状を算出するものとする。

図４に示すように、被成形材１の領域分割は、Ｙ方向とＸ方向とについてそれぞれ行う。Ｙ方向については、図４（ａ）に示すように、部位毎に領域Ａ１〜Ａ５を設定する。すなわち、図３との対比において、領域Ａ１は上側フランジ部５ａに相当する領域、領域Ａ２は上側側壁（Ｒ部含む）３ａに相当する領域、領域Ａ３は底壁２に相当する領域、領域Ａ４は下側側壁（Ｒ部含む）３ｂに相当する領域、領域Ａ５は下側フランジ部５ｂに相当する領域となる。また、Ｘ方向については、図４（ｂ）に示すように、所定間隔毎にＸ方向マイナス側から順に領域Ｂ１，Ｂ２，…，Ｂ５を設定する。

図５は、図４に示す領域毎にスプリングバック解析を行った結果である。図５（ａ）に示すように、領域Ａ５Ｂ２（下側フランジ部５ｂの領域Ｂ２）の残留応力を消去した場合に、基準値（残留応力を消去せずにスプリング解析を行った結果）に対して、ねじれ角が大きく低減されることがわかる。また、領域Ａ５Ｂ１（下側フランジ部５ｂの領域Ｂ１）、領域Ａ４Ｂ４（下側側壁３ｂの領域Ｂ４）の残留応力を消去した場合にも、ねじれ角が比較的低減される。すなわち、図６（ａ）の黒塗り矢印に示す領域Ａ５Ｂ２の部位の残留応力が、ねじれ角に大きく影響を与えており、次に白抜き矢印に示す領域Ａ５Ｂ１及び領域Ａ４Ｂ４の部位の残留応力がねじれ角に影響を与えていることになる。

また、図５（ｂ）に示すように、領域Ａ３Ｂ１（底壁３の領域Ｂ１）の残留応力を消去した場合に、基準値に対して、Ｚ方向変位が大きく低減されることがわかる。また、領域Ａ５Ｂ２（下側フランジ部５ｂの領域Ｂ２）、領域Ａ５Ｂ３（下側フランジ部５ｂの領域Ｂ３）、領域Ａ５Ｂ４（下側フランジ部５ｂの領域Ｂ４）の残留応力を消去した場合にも、Ｚ方向変位が比較的低減される。すなわち、図６（ｂ）の黒塗り矢印に示す領域Ａ３Ｂ１の部位の残留応力が、Ｚ方向変位に大きく影響を与えており、次に白抜き矢印に示す領域Ａ５Ｂ２、領域Ａ５Ｂ３及び領域Ａ５Ｂ４の部位の残留応力がＺ方向変位に影響を与えていることになる。

このようにして、スプリングバック量に及ぼす影響が大きい部位が特定される。
次に、図２のステップＳ２では、前記ステップＳ１のプレス成形解析により特定されたスプリングバックへの寄与が大きい残留応力を相殺するような応力を発生するために、底壁１２に付与するビード１６の形状及び成形位置を設定する。
前記ステップＳ１のスプリングバック解析結果により、領域Ａ５Ｂ２（下側フランジ部５ｂの領域Ｂ２）の引張応力がねじれの主要因であることがわかる。また、スプリングバック時の固定点周辺である領域Ａ３Ｂ１（底壁３の領域Ｂ１）の形状変化や、領域Ａ５（下側フランジ部５ｂ）の引張応力による長手方向への収縮がＺ方向変位の主要因であることがわかる。すなわち、ねじれ角、Ｚ方向変位に共通する下側フランジ部５ｂの引張応力を緩和すれば、スプリングバック量を低減することができる。

ところで、下側フランジ部の引張応力を無くすための手法として、当該下側フランジ部の所定領域をカットする手法が考えられる。しかしながら、この場合、スプリングバック低減効果は確実に得られるが、プレス成形品としての剛性などに悪影響を及ぼす懸念がある。また、下側フランジ部に新たな形状を付与して引張応力を無くす手法もあるが、フランジ部は一般に他の部品との接合部として用いられるため、新たな形状を付与することなく平坦な形状のまま保持しておくことが望ましい。

そこで、本実施形態では、底壁２の形状変更、具体的には底壁２へのビード追加を行うことで、下側フランジ部５ｂの引張応力を緩和する手法を採用する。これは、底壁２の形状変更によるプレス成形品の部品性能への影響が限定的であると考えられるからである。これにより、図７（ａ）に示すような下側フランジ部５ｂの長手方向外側への引張応力は、図７（ｂ）に示すような底壁２へのビード６の付与によって発生する圧縮応力により間接的に変化し、緩和されると考えられる。この圧縮応力は、上記引張応力に抗する方向の応力であり、下側フランジ部５ｂのビード６側への材料流入によって発生するものである。

次に、ビード６の具体的な形状設定について説明する。
図８は、ビード６の形状を示す断面図であり、ここではビード６を凹形状とした場合について示している。この図８において、Ｗｐは下側フランジ部５ｂの幅、Ｈｐは下側側壁３ｂの高さである。また、Ｗｂはビード６の幅（幅方向の直線距離）、Ｄｂはビード６の深さ（底壁２からの深さ）、Ｌｂはビード６の線長（幅方向の道のり）である。

ビード６の形状は、下側フランジ部５ｂの離型前の引張応力を効果的に低減可能な形状とする。ここでは、ビード６を付加することによる底壁２の線長増加量（＝Ｌｂ−Ｗｂ）を、フランジ幅Ｗｐと側壁部の高さＨｐとの合計の１／５０倍以上に設定する。また、ビード６の深さＤｂは、後述するように所望のねじれ角を実現できる深さに設定する。さらに、ビード６の長手方向（Ｘ方向）の長さ（ビード長さ）は、フランジ幅Ｗｐと側壁部の高さＨｐとの合計の１／２倍以上とする。

例えば、湾曲部１８の長手方向の長さ（湾曲部長さ）が５７０ｍｍ、フランジ幅Ｗｐが２０ｍｍ、側壁高さＨｐが２０ｍｍである場合、線長増加量は０．８ｍｍ以上、ビード長さは２０ｍｍ以上となる。また、ビード６の成形位置についても、下側フランジ部５ｂの離型前の引張応力を効果的に低減可能な位置に設定する。ここでは、図１のプレス成形品１１において、ビード１６が底壁１２における湾曲部１８の長手方向領域内に付与されるように、図９の斜線に示すビード成形領域ＥａおよびＥｂ内に設定する。この図９において、ＣｅｂはＸ方向の基準位置となるビード成形領域Ｅｂの中央位置を示している。

なお、上記ビード長さについては、その長さが長いほど下側フランジ部５ｂの引張応力緩和範囲は広がるものの、緩和量は減少する傾向にあるため、１２０ｍｍ程度（フランジ幅Ｗｐと側壁部の高さＨｐとの合計の３倍程度）が適当である。
図１０は、成形対象材料として、板厚１．２ｍｍの７８０ＭＰａ級冷延鋼板を用いた場合の、線長増加量及びビード長さとねじれ角との関係を示す図である。ここで、図１０（ａ）に示すねじれ評価結果は、図１１に示すように、点Ｐ１〜Ｐ３を固定点としたときの、本体部４の一端の切り口をなす評価断面ＳＡ内のねじれ評価点Ａ−Ａ´のねじれ角度である。また、図１０（ｂ）に示すねじれ評価結果は、本体部４の他端の切り口をなす評価断面ＳＣ内のねじれ評価点Ｃ−Ｃ´のねじれ角度である。この図１０（ａ）及び図１０（ｂ）からもわかるように、線長増加量及びビード長さを変えることで、ねじれ角を自由にコントロール可能である。

なお、本実施形態の線長増加量は、側壁部の高さＨｐとフランジ幅Ｗｐとの合計の１／５０倍以上に設定しているため、線長増加量／（壁高さ＋フランジ幅）が０．０２以上の範囲が本実施形態の適用範囲となる。また、本実施形態のビード長さは、側壁部の高さＨｐとフランジ花Ｗｐとの合計の１／２倍以上に設定しているため、ビード長さ／（壁高さ＋フランジ幅）が０．５以上の範囲が本実施形態の適用範囲となる。

また、ビード６を凸形状とする場合には、図１２に示す形状とする。この図１２において、Ｗｂはビード６の幅（幅方向の直線距離）、Ｈｂはビード６の高さ（底壁２からの高さ）である。凸形状の場合にも、線長増加量及びビード長さの設定条件は、凹形状の場合と同様とする。
次に、図２のステップ３では、プレス成形品１１を成形するための金型形状を決定し、金型設計処理を終了する。ここでは、前記ステップＳ２で設定したビード６の形状及び成形位置に基づいて、成形金型のポンチ底部分に対応する部分に、ビード６に相当する凸部及び凹部を配置する。

すなわち、ビード６を凹ビードとする場合には、パンチにビード６の形状及び成形位置に応じたビード成形凹部を配置し、ダイにビード成形凹部に嵌合するビード成形凸部を配置する。そして、ビード６を凸ビードとする場合には、ダイにビード６の形状及び成形位置に応じたビード成形凹部を配置し、パンチにビード成形凹部に嵌合するビード成形凸部を配置する。

そして、上記の金型設計処理により決定された成形金型を用いてプレス成形を行うと、プレス成形途中の下死点付近でフランジ部１５の材料がポンチ側に流入することになる。すなわち、プレス成形品１１の側壁１３が成形され始めた後で、ビード成形凹部及びビード成形凸部によってビード１６が成形される。これにより、スプリングバックを抑制して良好な形状凍結性が確保されたプレス成形品１１が成形される。

（実施例）
以下、実施例により本発明の効果を具体的に説明する。
図１３は、実施例１〜６のプレス成形品１１を模式的に示す平面図である。ここでは、実施例１〜６として、図１３（ａ）〜（ｆ）に示すように、底壁１２に付与するビード１６の形状及び成形位置がそれぞれ異なるプレス成形品１１を作製し、スプリングバック解析を行った。また、比較例として、プレス成形品１１において底壁１２にビード１６が付与されていないものを作製し、スプリングバック解析を行った。

プレス成形品１１としては、フランジ幅Ｗｐが２０ｍｍ、側壁高さＨｐが２０ｍｍ、底壁の幅が１００ｍｍであるものを使用した。また、ビード１６を凹ビードとする場合には、ビード幅Ｗｂを１３．５ｍｍ、ビード深さＤｂを４ｍｍ、ビード線長Ｌｂを１６．５ｍｍとし、線長増加量を３ｍｍとした。一方、ビード１６を凸ビードとする場合には、ビード幅Ｗｂを２３ｍｍ、ビード高さＨｂを１．６ｍｍとし、線長増加量を１．９ｍｍとした。また、図９に示すビード成形領域Ｅｂを、長手方向２７０ｍｍの領域とした。

実施例１は、ビード１６の形状を凹ビードとし、ビード長さを１２０ｍｍとした。また、ビード１６の成形位置は、図１３（ａ）に示すように、ビード成形領域Ｅｂ内において湾曲部１８の長手方向略中央となる位置で、且つ下側のフランジ部１５の近傍（下側の側壁１３からビード１６の中心までの距離を１５ｍｍ）とした。
実施例２は、ビード１６の形状を実施例１と同一とし、ビード１６の成形位置を、図１３（ｂ）に示すように、ビード成形領域Ｅｂ内において湾曲部１８の長手方向略中央となる位置で、且つ上側のフランジ部１５の近傍（上側の側壁１３からビード１６の中心までの距離を１５ｍｍ）とした。

実施例３は、ビード１６の形状を凸ビードとし、ビード長さを６０ｍｍとした。また、ビード１６の成形位置は、図１３（ｃ）に示すように、ビード成形領域Ｅｂ内において湾曲部１８の長手方向略中央となる位置で、且つ下側のフランジ部１５の近傍（下側の側壁１３からビード１６の中心までの距離を２０ｍｍ）とし、凸面を側壁１３に直結させないようにした。

実施例４は、ビード１６の形状を実施例３と同一とし、ビード１６の成形位置を、図１３（ｄ）に示すように、ビード成形領域Ｅｂ内におけるＸ方向マイナス側端部の近傍（Ｘ方向基準位置Ｃｅｂからビード１６の中心までの距離を１０５ｍｍ）、且つ下側のフランジ部１５の近傍とし、凸面を下側の側壁１３に直結させるようにした。
実施例５は、実施例１の凹ビードと実施例３の凸ビードとを両方用いた。ここで、実施例３の凸ビードの成形位置は、図１３（ｅ）に示すように、ビード成形領域Ｅｂ内におけるＸ方向マイナス側端部の近傍とした。

実施例６は、ビード１６の形状を凸ビードとし、ビード長さを１２０ｍｍとした。また、ビード１６の成形位置は、図１３（ｆ）に示すように、ビード成形領域Ｅｂ内において湾曲部１８の長手方向略中央となる位置で、且つ下側のフランジ部１５の近傍（下側の側壁１３からビード１６の中心までの距離を２０ｍｍ）とした。
上記の条件でプレス成形したプレス成形品１１に対して、それぞれスプリングバック解析を行い、ねじれ角及びＺ方向変位を調査した。その結果を図１４に示す。図１４を参照すると、実施例１〜６は、いずれもビード１６を付与しない比較例と比較してスプリングバック低減効果が得られていることがわかる。以下、各実施例について具体的に検証する。

実施例１と実施例２とは、ビード１６の成形位置が異なるだけでその形状は同一である。そして、これら２つの実施例の解析結果を比較すると、同等の効果が得られていることがわかる。すなわち、凹ビードを下側のフランジ部１５の近傍に配置した場合と、下側のフランジ部１５から離れた位置に配置した場合とでは効果はほぼ同じである。このように、凹ビードのＹ方向位置の設定はスプリングバック低減効果に大きく影響しない。但し、実施例１のように下側のフランジ部１５の近傍にビード１６を配置する方が、上側のフランジ部１５への悪影響が無い（少ない）ため望ましい。

実施例３は、ビード１６を、比較的ビード長さが短い凸ビードとした例である。この実施例３の解析結果を見ると、スプリングバック低減効果はあるもののビード長さが短いと効果が低いことがわかる。一方、実施例３と同一形状の凸ビードであっても、実施例４のように、ビード１６の成形位置をビード成形領域ＥｂにおけるＸ方向マイナス側端部の近傍とし、その凸面を下側の側壁１３に直結させるようにすると、ねじれ角が大幅に改善される。これは、下側の側壁１３及び下側のフランジ部１５からビード１６への材料流入をダイレクトに行い、下側のフランジ部１５の引張応力を効果的に低減することができるからである。

そして、実施例１の凹ビードと実施例３の凸ビードとを両方付与した実施例５では、非常に高いスプリングバック低減効果が得られることがわかる。このように、ビード１６を凹ビード＋凸ビードとし、さらに凸ビードの成形位置をビード成形領域ＥｂにおけるＸ方向マイナス側端部の近傍とすることで、特にねじれ角は、半分以下の値まで改善することができる。

実施例６と実施例１とは、ビード１６の形状が異なるだけで、その成形位置及びビード長さは同一である。実施例６の解析結果を見ると、実施例１と同等の効果が得られていることがわかる。また、ビード長さのみが異なる実施例３の解析結果と比較しても、ビード１６を凸ビードとした場合、十分なビード長さを確保すれば高いスプリングバック低減効果が得られることがわかる。

また、上述したように、ビード１６を凹ビードとする場合には線長増加量を３ｍｍとし、ビード１６を凸ビードとする場合には線長増加量を１．９ｍｍとしている。すなわち、実施例６と実施例１との解析結果から、凸ビードの場合、凹ビードよりも小さな線長増加量でスプリングバック低減効果が得られることがわかる。これは、凸ビードでは、引張応力を消去したい側の側壁１３からの成形途中での材料流入を、凹ビードの場合と比較してよりダイレクトに行うことができるからである。

このように、本実施形態では、断面略ハット型で且つ一方の側壁が水平面内で凹状に湾曲した湾曲部を有する形状のプレス成形品を作製するに際し、底壁にビードを付与するようにする。これにより、プレス成形時に、上記湾曲部を有する側壁に形成されるフランジ部の材料をポンチ側に流入させることができるので、当該フランジ部の長手方向外側の引張応力を、底壁のビードによって発生する圧縮応力により間接的に変化させ緩和することができる。プレス成形解析により、上記湾曲部を有する側壁に形成されるフランジ部の長手方向外側の引張応力が、スプリングバックによるねじれ発生の主要因であることがわかっているため、これを緩和することでスプリングバックを低減することができ、良好な形状凍結性を確保し所望形状のプレス成形品を得ることができる。

このとき、成形金型のポンチ底部分に対応する部分に、ビード成形凹部及びそれに嵌合するビード成形凸部を配置するので、プレス成形途中の下死点付近でフランジ部の材料をポンチ側に流入させ、ビードを成形することができる。つまり、プレス成形品の側壁が成形され始めた後で底壁にビードを成形することができ、効果的にフランジ部に発生する引張応力を緩和することができる。また、ポンチ及びダイの一方にビード成形凹部、他方にビード成形凸部を付加するだけなので、金型構造を大幅に変更する必要がない。さらに、成形工程を増やすことなく、１工程のみのプレス成形でスプリングバック低減効果が得られたプレス成形品を作製することができる。

また、本手法は、本体部の断面形状が略コの字型のプレス成形品に対して適用する。断面略コの字型の場合、湾曲部による伸びフランジ変形の影響で、特に底壁に大きな引張応力が広範囲に分布する傾向がある。したがって、このような傾向のある形状に本手法を適用することで、より大きなスプリングバック低減効果が得られる。
また、ビード長さをフランジ部の幅と側壁部の高さとの合計の１／２倍以上、ビードの付与による底壁の幅方向の線長増加量をフランジ部の幅と側壁部の高さとの合計の１／５０倍以上とし、ビードの成形位置を底壁の中央部の所定領域内とするので、これらの条件で成形されたビードによって発生する圧縮応力により、フランジ部の引張応力を確実に緩和することができる。その結果、長手方向のねじれを効果的に低減することができる。
さらに、以上のように、工法や金型構造の大きな変更を伴わず、また歩留まりの低下も伴わないため、生産コストの大幅な増加もない。

（応用例）
なお、上記実施形態においては、プレス成形品１１として、図１の形状を有する自動車部品を適用する場合について説明したが、図１の形状のような凹状の湾曲部をその一部あるいは全部に有する部品であれば自動車部品に限定されない。また、プレス成形としては、フォーム成形に限定されず、ドロー成形や曲げ成形にも適用可能である。

さらに、上記実施形態においては、プレス成形品１１の断面形状を、本体部が略コの字型のハット型とする場合について説明したが、フランジ部が形成された一方の側壁が水平面内で凹状に湾曲した湾曲部を有するものであれば、それ以外のものについても本発明を適用可能である。
例えば、図１５（ａ）に示すように、湾曲部を有する側壁３ｂのみにフランジ部が形成されており、側壁３ａ，３ｂが幅方向において左右非対称のものであってもよい。また、図１５（ｂ）に示すように、湾曲部を有する側壁を片側のみに有する（側壁３ｂ，フランジ部５ｂのみが形成され、側壁３ａ，フランジ部５ａが無い）ものであってもよい。さらには、図１５（ｃ）に示すように、側壁３ａが、上下方向において、湾曲部を有する側壁３ｂとは異なる方向に延在するものであってもよい。これらの場合も、上記実施形態と同様のスプリングバック低減効果が得られる。

また、上記実施形態においては、スプリングバック評価指標としてねじれ角及びＺ方向変位を用いる場合について説明したが、スプリングバック量と相関関係にある値であれば適用可能である。例えば、被成形材１の一端の切り口をなす評価断面における所定の評価点と、被成形材１の他端の切り口をなす評価断面における所定の評価点とのなす角の、スプリングバック前後における変化量を用いることもできる。

１…被成形材、２…底壁、３…側壁、３ａ…上側側壁、３ｂ…下側側壁、４…本体部、５…フランジ部、５ａ…上側フランジ部、５ｂ…下側フランジ部、６…ビード（凹凸部）、１１…プレス成形品、１２…底壁、１３…側壁、１４…本体部、１５…フランジ部、１６…ビード（凹凸部）、１７…両側部、１８…湾曲部

Claims

底壁と該底壁の少なくとも一方の幅方向端部に一端が連結された側壁とからなり長手方向に延在する本体部と、少なくとも一方の前記側壁の他端に、幅方向外向きに突出形成されたフランジ部と、を備え、前記フランジ部が形成された一方の前記側壁が水平面内で凹状に湾曲した湾曲部を有するプレス成形品を成形するための金型を設計する金型設計方法であって、
前記底壁に凹凸部が付与されていない形状となる金型を基準金型とし、有限要素法解析システムを用いたプレス成形解析を行い、前記基準金型でプレス成形した被成形材の各部位における離型前の残留応力を算出し、さらに、前記被成形材を複数の領域に分割するとともに、各領域の離型前の残留応力を消去したデータに基づいてスプリングバック解析を行って、離型後の前記被成形材の形状を算出し、各領域において離型前の残留応力を消去する前と消去した後のスプリングバック量の変化から、前記各領域ごとのスプリングバックへの寄与度を算出する第１ステップと、
前記第１ステップにより前記各領域ごとのスプリングバックへの寄与度を算出した結果、前記湾曲部を有する前記側壁に形成された前記フランジ部の離型前の長手方向への引張応力がねじれの主要因とされ、１工程のみの成形途中で、前記引張応力に抗する圧縮応力を前記フランジ部に発生させるべく、前記底壁に付与する凹凸部の形状及び成形位置を設定する第２ステップと、
前記凹凸部の形状及び成形位置に基づいて、前記本体部を成形するポンチ及びダイが、それぞれ前記凹凸部を成形する表面形状を有するように、前記金型の形状を決定する第３ステップとを含み、
前記底壁に凹凸部を付与することにより、前記フランジ部の材料を前記凹凸部側へ流入させて前記圧縮応力を前記フランジ部に発生させ、これにより、前記フランジ部の離型前の長手方向への引張応力を低減することを特徴とする金型設計方法。
前記本体部は、前記側壁が前記底壁の幅方向両端部にそれぞれ形成された断面略コの字型であることを特徴とする請求項１に記載の金型設計方法。
前記凹凸部の成形位置を、前記底壁における前記湾曲部の長手方向領域内とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の金型設計方法。
前記凹凸部の形状を、前記底壁に直交する方向において、前記湾曲部を有する前記側壁が存在する側に凸となる形状とすることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の金型設計方法。
前記凹凸部の形状を、前記底壁に直交する方向において、前記湾曲部を有する前記側壁が存在する側とは反対側に凸となる形状とすることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の金型設計方法。
前記凹凸部の長手方向の長さを、前記フランジ部の幅と前記側壁の高さとの合計の１／２倍以上とすることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の金型設計方法。
前記凹凸部の付与による前記底壁の幅方向の線長増加量を、前記フランジ部の幅と前記側壁の高さとの合計の１／５０倍以上とすることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の金型設計方法。
前記請求項１〜７の何れか１項に記載の金型設計方法で設計された金型を用いて被成形材をプレス成形し、前記プレス成形品を成形することを特徴とするプレス成形方法。