JP5900427B2 - 成形限界測定方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、試験材をプレス成形装置に装着し、成形限界に達した部分の歪み比が変わるようにプレス成形を行うことにより歪み比毎の成形限界を求める成形限界測定方法、および該方法を実施するための成形限界測定装置に関する。

鋼板をプレス成形するに際して、有限要素法（Finite Element Method：略号FEM。以下、「FEM」とも記す）による成形解析で、成形時の割れ判定が行われている。
FEMによる成形時の割れ判定に関し、室温成形時の成形解析で割れ判定をする際は、一般に成形限界線図（Forming Limit Diagram：略号FLD。以下、「FLD」とも記す）が使われている。
FLDは、横軸を最小主歪み、縦軸を最大主歪みとした直交座標図中に、プレス成形試験で測定した、成形中の割れ発生時における試験材の最小主歪みと最大主歪みのデータから、両者の関係曲線として成形限界線を描いた線図であり、この成形限界線より下側の領域が、割れの生じない成形条件範囲であると判定される。

このFLDは、非特許文献1記載の中島法やマルシニアック（Marciniak）法により測定されている。
中島法とは、球頭パンチにより張出し成形を行い、試験材の成形限界を評価する方法である。中島法では試験材の板幅を変更することにより、単軸引張りから等２軸引張りまでの歪み比の成型限界を求めることができる。
マルシニアック法とは、円筒パンチを用いて張出し成形を行い、パンチ底で試験材を破断させて、成形限界を評価する方法である。マルシニアック法では、駆動板と呼ばれる穴を開けた板を工具と試験材との間にいれて成形することで、パンチ底で試験材を無摩擦の状態にすることができる。

最近では、軽量化等の観点から高強度鋼板が用いられることが多くなっているが、高強度鋼板をプレス成形する際の課題として、成形荷重の増加や成形性の低下が挙げられている。その対策として、成形荷重低減や成形性の向上が期待できる高強度鋼板を加熱して成形を行う温熱間成形技術を適用することが考えられる。
温熱間成形でも、通常の室温成形と同じようにFEMによる成形解析で、成形時の割れ判定が可能である事が望ましく、この場合にもFLDを基準とする事が望ましい。
従来、温熱間成形で成形限界線を測定（詳しくは、上述のように成形試験で測定したデータから推定）する場合、所定の温度まで昇温させた金型を用いて、中島法により測定するか、または、駆動板を用いたマルシニアック法による測定が行われている。

プレス成形難易ハンドブック第3版（2007）p.136〜138

しかしながら、温熱間成形での成形限界線を測定する場合に適用されている中島法には次のような問題がある。
すなわち、中島法では、金型を所定の温度に昇温・保持する必要があり、装置が複雑且つ高価になる。また、試験材を金型と同じ温度まで昇温するため、試験時間が長くかかる。さらに、試験材と金型が高温になった状態では、金型と試験材間の摩擦係数が極めて大きく且つ不安定となる為、試験材そのものの変形限界が的確に測定できない。

一方、温熱間成形での変形限界線をマルシニアック法で求める場合には以下のような課題がある。
すなわち、試験材における駆動板部位（駆動板は金型と接触している）と接触した部分は、相対的に温度低下が大きく強度が増すため、その部分の変形が金型の形状により抑制される。そのため、試験材がパンチ底で破断する以前に、パンチの肩付近で破断するという問題がある。このことから、試験材の破断限界が不明となり、成形限界線の測定が困難である。また、マルシニアック法では、試験ごとに駆動板を製作する必要があり、コストが大きくなる。さらに、試験材と駆動板を重ねて金型に装着するため、手動でセットする場合には作業員の危険が伴う。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、中島法やマルシニアック法によらず、加熱した試験材の成形限界線を求めるための成形限界測定方法及び装置を得ることを目的とする。

発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討し、室温の球頭パンチや円筒パンチを用いて高温の試験材の成形を行うと、金型と接触した低温部分と金型と接触していない高温部分の界面付近の高温部分で、試験材が破断すること知見した。

本発明は、かかる知見に基づいてなされたものであり、具体的には以下の構成からなるものである。

（１）本発明に係る成形限界測定方法は、試験材をプレス成形装置に装着し、成形限界に達した部分の歪み比が変わるようにプレス成形を行うことにより歪み比毎の成形限界を求める成形限界測定方法であって、
前記試験材を加熱する試験材加熱工程を有し、
前記プレス成形は、加熱した試験材に、金型と接触して低温になる部分と、金型と非接触で高温の部分が隣り合って存在し、両者の境界付近の高温部分で、前記試験材にネッキングまたはクラックが発生するようにプレス成形を行う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、プレス成形を行うパンチを変えることによって歪み比を変更することを特徴とするものである。

（３）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、一つの歪み比について温度を変更して複数の成形限界値を測定し、所定温度における成形限界値を前記複数の成形限界値に基づいて推定することを特徴とするものである。

（４）また、本発明に係る成形限界測定装置は、加熱された試験材をプレス成形装置に装着し、成形限界に達した部分の歪み比が変わるようにプレス成形を行うことにより歪み比毎の成形限界を求める成形限界測定装置であって、
プレス成形装置と、温度測定手段と、ネッキングまたはクラック発生確認手段とを有し、
前記プレス成形装置は、前記試験材の周縁部を挟持するダイ及びホルダーと、前記試験材の中央部に配置されたパンチとを備え、該パンチは複数種類の径のものに取り換え可能になっていることを特徴とするものである。

本発明においては、加熱した試験材に、金型と接触して低温になる部分と、金型と非接触で高温の部分を隣り合って存在させ、両者の境界付近の高温部分で、試験材にネッキングまたはクラックが発生するようにプレス成形を行うことで、成形限界値を特定の部位において確実に取得することができる。そして、歪み比を変えてプレス成形を複数行って、その都度取得した成形限界値に基づけば、温熱間成形のFEM成形解析に有用な高温でのFLDを的確且つ容易に求める事ができる。

本発明の一実施の形態に係る成形限界測定方法に用いるプレス成形装置の説明図である。 本発明の一実施の形態に係る成形限界測定方法のプレス成形についての説明図である。 本発明の一実施の形態に係る成形限界測定方法における歪み比の一例の説明図である。 本発明の一実施の形態に係る成形限界測定方法における歪み比の他の例の説明図である。 本発明の一実施の形態に係る成形限界測定方法のプレス成形における、試験材の温度測定方法の一例の説明図である。 本発明の一実施の形態に係る成形限界測定方法における成形限界値の推定方法の説明図である（その１）。 本発明の一実施の形態に係る成形限界測定方法における成形限界値の推定方法の説明図である（その２）。 本発明の一実施の形態に係る成形限界測定装置の説明図である。 本発明の実施例において作成された成形限界線図である。

本発明は、加熱した試験材についてのFLDを作成することを目的として、そのために必要な歪み比毎の成形限界を正確に測定するための方法である。
ここで歪み比とは、ある条件のプレス成形における最大主歪みと最小主歪みの比である。歪み比毎にネッキングまたはクラッキングが発生する限界（成形限界）が異なる。

加熱した試験材について行うプレス成形においては、試験材における金型と接触して低温になる部分（低温部分）と、金型と非接触で高温の部分（高温部分）の境界付近の高温部分においてネッキングまたはクラックが発生する。
従って、加熱した試験材についてのネッキングまたはクラック発生時における最大主歪みと最小主歪みを測定するには、低温部分と高温部分の境界付近の高温部分を観察すればよい。

FLDを作成するためには、歪み比が異なる変形状態での試験を行って、複数の成形限界を求める必要がある。従って、上記方法はさらに歪み比を変えることができるものでなければならない。

以上のことを前提として、本発明の一実施の形態に係る成形限界測定方法について以下に説明する。
本発明の一実施の形態に係る成形限界測定方法は、試験材を加熱する試験材加熱工程を有し、プレス成形は、加熱した試験材に、金型と接触して低温になる部分と、金型と非接触で高温の部分が隣り合って存在し、両者の境界付近の高温部分で、試験材にネッキングまたはクラックが発生するように行うことを特徴としている。
このような成形限界測定方法を実施するためのプレス成形装置１について、図１に基づいて説明する。

＜プレス成形装置＞
プレス成形装置１は、試験材３の周縁部を挟持するダイ５及びホルダー７と、試験材３の中央部に配置された円筒パンチ９とを備え、円筒パンチ９は複数種類の径のものに取り換え可能になっている。
ダイ５及びホルダー７は、試験材３を挟持したまま上下動可能になっており、試験材３を円筒パンチ９に押し付けることで成形を行う。
ダイ５及びホルダー７には、試験材３の周縁部の挟持を強固にするためのドロービード１１が設けられており、試験材３がプレス成形中に中央に向かって流入しないようになっている。

円筒パンチ９の径は、ダイ５の開口部よりも小さいものを用いる。このようにすることで、プレス成形中に、試験材３が円筒パンチ９やダイ５等と接触しない部分ができ、当該部分を高温のままに保つことができる。
この点について図２に基づいて詳細に説明する。図２は、プレス成形中におけるパンチ肩部９ａ（図１の丸で囲んだ部分）の拡大図である。

図２に示すように、試験材３における円筒パンチ９に直接接触する部分（境界線１３の円筒パンチ９中央側の部分）は、円筒パンチ９によって抜熱されて、急速に温度が低下する部分（低温部分）である。
一方、試験材３における円筒パンチ９に直接接触しない部分は、多少空冷されるが、接触する部分と比較して高温が保たれる部分（高温部分）である。

本発明におけるプレス成形で重要なことは、上記のように低温部分と高温部分が隣り合い、これらの境界部分が存在することである。プレス成形装置１においては、パンチ肩部９ａで成形される部分が上記のような境界部分に相当する。そのためプレス成形が進むと、低温部分と高温部分の境界部分の高温側の部分（図２の丸で囲んだ部分）に、ネッキングやクラックが発生させることができ、当該部分において最大主歪みと最小主歪みを測定することができる。
また、パンチ肩部９ａ付近であれば観察も容易である。

FLDを作成するには、上記のようにして測定されるネッキングやクラック発生時の最大主歪みと最小主歪みを複数測定する必要がある。
この点、プレス成形装置１は、円筒パンチ９を複数種類の径のものに取り換え可能になっており、円筒パンチ９の径を変更すれば、成形限界に達した部分の歪み比が変わるようにプレス成形を行うことができる。
この点について以下に詳細に説明する。

図３は、ネッキングまたはクラック発生時において、試験材３を上方から見た模式図である。一番外側の実線は試験材３の外形線、その内側の点線はドロービード位置１５、さらに内側の点線は試験材３が円筒パンチ９に接触して低温になった部分と、試験材３がパンチに接触していない高温部分の境界線１７である。ネッキングやクラックは、上述したように、試験材３の低温部分と高温部分の境界付近の高温部分（例えば、図３の四角で囲んだ部分）に発生する。
図３に示すように、円筒パンチ９で張り出し成形を行うと、周方向歪みが最小主歪みとなり、半径方向歪みが最大主歪みとなる。

図４は、図３に示したものよりも大径のパンチを用いてプレス成形を行った場合において、ネッキングまたはクラック発生時に、試験材３を上方から見た模式図である。
円筒パンチ９の直径が小さい図３の場合には、最小主歪み（周方向歪み）と最大主歪み（半径方向歪み）の比が1に近くなり、円筒パンチ９の直径が大きい図４の場合には、最小主歪み（周方向歪み）と最大主歪み（半径方向歪み）の比が0に近くなる。

プレス成形においては、試験材３のネッキングやクラックが発生した場所の温度を正確に測定してもよい。こうすることで、後述するように、他の複数の成形限界値に基づいて所定温度における成形限界値を推定（内挿）することもできる。
測定には例えば熱電対１９を用いる。熱電対１９は、図５に示すように、試験材３の低温部分と高温部分の境界になると考えられる部分に、円筒パンチ９の半径方向に沿って一列に装着する。

成形中において、試験材３は同心円状に同一温度の温度分布になっているため、ネッキングやクラックが発生したら、該発生位置から円筒パンチ９中心までの距離を半径とする円上の熱電対１９の温度をもって、発生場所の温度とする。
なお、試験温度は、加熱温度を変えるか、または、加熱後にプレス成形を開始するまでの時間を変えることにより設定する。

なお、ネッキングまたはクラック発生は、図示しないCCDカメラを用いて光学的に観察するようにしてもよい。あるいは、光学的な方法に限られず、その他の方法として、アコースティックエミッションなどの音響学的な方法を用いて検知することも可能であるし、オペレータが目視で確認することもできる。

以上のように構成されたプレス成形装置１を用いた成形限界測定方法の一例を、プレス成形装置１の動作と共に説明する。
ネッキングやクラックの発生部分の最大主歪みと最小主歪みは、室温のプレス成形と同様にスクライブドサークルを用いて測定することができる。また、試験材３にグリッドを印刷しておき、CCDカメラなどを用いて光学的に歪みを求めることも可能である。

試験材３の加熱温度が高く、スケール生成などにより、スクライブドサークルやグリッドが消えてしまう場合には、プレス成形の数値解析を行って、ネッキングやクラックが発生した時点での最大主歪みおよび最小主歪みを計算することができる。
本例では、スクライブドサークルを用いて測定する方法とした。試験材３には、予めネッキングやクラックが発生する箇所にスクライブドサークルをマーキングしておく。
パンチは、従来方法のように加熱する必要はなく、試験開始時のパンチは室温である。

まず、試験材３を高温に加熱して（試験材加熱工程）、プレス成形装置１に装着する。
ダイ５とホルダー７で挟持したまま下動させて、試験材３をパンチに押し付けて成形する。
成形中はCCDカメラを用いて、ネッキングまたはクラックの発生を確認する。ネッキングやクラックが発生したらプレス成形を終了し、最小主歪みと最大主歪みを測定する。
そして、上記のようなプレス成形を、成形限界に達した部分の歪み比が変わるようにパンチの径を変更して複数行い、その度、ネッキングまたはクラック発生時の最小主歪みと最大主歪みを測定する。
これらの測定結果に基づけば変形限界線を作成することができる。

成形限界線図の測定温度は、プレス成形開始時の温度を採用しても、上記熱電対等を用いて測定したネッキングまたはクラックの発生時の温度を採用してもよい。
いずれにせよ、成形限界は温度に依存するため、いずれの歪み比においても、同じ温度で成形限界値を測定することが好ましいが、ネッキングまたはクラックが発生した時の温度を採用する場合、工具の形状の違いや使用した材料の表面性状や板厚の違いによって、同じ温度で試験することは実際には困難である。

例えば、あるパンチを用いた場合でネッキングまたはクラックが発生した時の温度は590℃であったが、他のパンチを用いた場合は580℃であった、という具合にネッキングまたはクラック発生温度に多少のバラツキがある。
上記のような多少のバラツキを許容して作成された成形限界線を用いても実用上は特に問題はないが、より正確な温度における成形限界値を求めたい場合には、他の値から推定してもよい。
例えば、一つの歪み比について温度を変更して複数の成形限界値を測定し、所定温度における成形限界値を複数の成形限界値に基づいて推定する。この方法の具体例を図６に基づいて説明する。

図６は、600℃における最大主歪みおよび最小主歪みを求める場合の例である。図６は、温度と最大主歪みおよび最小主歪みの関係を表したグラフであり、温度（℃）を横軸として、縦軸の上段に最大主歪み、縦軸の下段に最小主歪みとしている。
図６に示すように、600℃よりも低い温度と600℃よりも高い温度で最大主歪みおよび最小主歪みを測定し、これらの値（図６中白丸参照）から600℃における最大主歪みおよび最小主歪みを内挿によって求める（図６中黒丸参照）。

ある歪み比における、クラックまたはネッキングが発生する最大主歪みと最小主歪み（それぞれ臨界最大主歪み、臨界最小主歪みと称する）のもう一つの求め方を説明する。
この例では、温度が400、500、600℃での成形限界線の求め方を示す。その歪み比を実現できる金型（例えば、ある直径の円筒パンチ９と、ある内径を持つダイ５とホルダー７）を用いて、所定温度に加熱した材料をプレス成形し、臨界最大主歪みと臨界最小主歪みを測定する。

加熱温度を変えて測定したデータを図７中の白丸に示すようにプロットする。測定データから、温度と臨界最大主歪み、温度と臨界最小主歪みの関係を示す近似曲線をそれぞれ作成し、該近似曲線と温度400、500、600℃の線との交点から、最大主歪み、最小主歪みを読み取り、読み取った各値を、それぞれの温度での成形限界線上の1点としてプロットすることができる。パンチ径等を変更し、別の歪み比でプレス成形して、同様に各温度における臨界最大主歪みと臨界最小主歪みを測定すれば、各温度での成形限界線上の別の1点をプロットすることができる。同じことを繰り返せば、各温度での成形限界線を求めることができる。

上記は、工具の形状等の違いによる測定温度の違いについての説明であったが、温熱間成形において試験材３は空冷されるため、プレス成形開始からネッキング発生までの時間の違いによっても測定温度が異なる。この点について以下に説明する。
プレス成形で通常使用される板厚１〜3mmの金属材料では、空冷時の冷却速度はせいぜい20℃/秒であり、プレス成形開始からネッキングまたはクラック発生までの時間を0.5秒以下とすれば、空冷による温度低下は10℃以下になる。この程度の温度変化が成形限界線に与える影響は、実用上無視できるレベルである。
よって、本発明ではプレス成形時間を0.5秒以下にすることが望ましい。0.5秒以下であれば、測定温度として、プレス成形開始時の温度を採用しても、ネッキングまたはクラックの発生時の温度を採用しても、実用上の成形限界線の差は生じない。ただし、歪み比を変えた試験で、同じタイミングで測定した温度にすべきであることは言うまでもない。

以上のように、本実施の形態においては、低温部分と高温部分が隣り合って存在し、両者の境界付近の高温部分で、試験材３にネッキングまたはクラックが発生するようにプレス成形を行うことができる。そして、円筒パンチ９の径を変更すれば、歪み比を変えてプレス成形をすることができ、その都度取得した成形限界値に基づけば、温熱間成形のFEM成形解析に有用な高温でのFLDを的確且つ容易に求める事ができる。

なお、上記では試験材３の温度測定に熱電対１９を用いた例について説明したが、放射温度計などを用いてもよい。

また、上記の説明では、歪み比を変えるために円筒パンチ９の径を変更するものを例に挙げたが、これに限られず、試験材３の形状を変更することによって、歪み比を変える方法も本発明にも適用可能である。具体的には、例えば、円形ブランクおよびその両側を円弧でカットしたブランクを使用し、これをドロービード１１で固定した後に張り出し成形する。この場合、カット度合いを変えることによって歪み比を変化させることができる。

また、必須ではないが、自動的に温度を測定するための温度測定手段２３や、ネッキングまたはクラックの発生を自動的に検知するネッキングまたはクラック発生確認手段２１を設けて成形限界測定装置２５としてもよい（図８参照）。

本発明の成形限界測定方法の具体的な実施例に基づいて説明する。
本実施例では、引張強度が980MPaの高張力鋼板について、600℃で成形したときの成形限界線を測定した。
試験材３の板厚は1.6mm、試験材３の外形は直径300mmの円形であった。
本発明の方法を用いた場合の金型は図１に示す形状で、ドロービード１１は直径180mmの円形であり、円筒パンチ９の直径は、15mm、45mm、90mm、140mmとした。パンチ肩部９ａのＲは5mmとした。

試験材３は加熱炉にて700℃に加熱して、プレス成形装置１に搬送し、600℃でプレス成形を開始した。プレス成形中の試験材３の温度は、放射率を測定対象物固有の値に正しく合わせた放射温度計にて測定した。プレス成形速度は200mm/秒とした。
クラックは、試験材３の低温部と高温部の境界付近の高温部に発生した。クラックの発生はオペレータが目視で判定し、クラックが発生したところでプレス成形を終了した。プレス成形終了時のクラックが発生した場所の温度は、いずれの条件でも590℃以上であった。
最大主歪みと最小主歪みは、スクライブドサークル法にて測定した。測定は張り出し領域（最小主歪みがプラスの領域）で行った。

測定結果に基づいて作成されたFLDを図９に示す。図９は縦軸が最大主歪みであり、横軸が最小主歪みである。図９においてプロットは、右から順に円筒パンチ９の直径を15mm、45mm、90mm、140mmとした際の成形限界値を表している。

１ プレス成形装置
３ 試験材
５ ダイ
７ ホルダー
９ 円筒パンチ
９ａ パンチ肩部
１１ ドロービード
１３ 境界線
１５ ドロービード位置
１７ 境界線
１９ 熱電対
２１ ネッキングまたはクラック発生確認手段
２３ 温度測定手段
２５ 成形限界測定装置

Claims (4)

1. 試験材をプレス成形装置に装着し、成形限界に達した部分の歪み比が変わるようにプレス成形を行うことにより歪み比毎の成形限界を求める成形限界測定方法であって、
   前記試験材を加熱する試験材加熱工程を有し、
   前記プレス成形は、加熱した試験材に、金型と接触して低温になる部分と、金型と非接触で高温の部分が隣り合って存在し、両者の境界付近の高温部分で、前記試験材にネッキングまたはクラックが発生するようにプレス成形を行うことを特徴とする成形限界測定方法。
2. プレス成形を行うパンチを変えることによって歪み比を変更することを特徴とする請求項１記載の成形限界測定方法。
3. 一つの歪み比について温度を変更して複数の成形限界値を測定し、所定温度における成形限界値を前記複数の成形限界値に基づいて推定することを特徴とする請求項１又は２記載の成形限界測定方法。
4. 加熱された試験材をプレス成形装置に装着し、成形限界に達した部分の歪み比が変わるようにプレス成形を行うことにより歪み比毎の成形限界を求める成形限界測定装置であって、
   プレス成形装置と、温度測定手段と、ネッキングまたはクラック発生確認手段とを有し、
   前記プレス成形装置は、前記試験材の周縁部を挟持するダイ及びホルダーと、前記試験材の中央部に配置されたパンチとを備え、該パンチは複数種類の径のものに取り換え可能になっていることを特徴とする成形限界測定装置。