JP5979164B2 - プレス成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、フランジを有する成形品に金属板をプレス成形する技術に係り、特に、面内に伸びフランジ変形する部位での板縁の割れを回避するための技術に関する。

プレス成形において、割れによる成形不良は重要な問題である。割れの回避には、成形時に型内に流入する材料の量を促進する対策が採られる。しかし、サイドアウターのドアオープニング部等のプレス部品では、材料の流入を多くすると、板縁がより多く引張変形するため、プレス割れの不具合が生じる可能性がある。そこで、割れを回避するために素材の流入量を抑制すると、今度は、フランジに連続した壁部での割れに繋がる。このような不具合に対処するため、従来、金型のしわ押さえのクッション力調整による材料の流入量をコントロールする等のプレス条件適正化が行われている。

ここで、フランジ付き成形部材のプレス成形としては、例えば特許文献１に記載の技術がある。この特許文献１では、板縁の輪郭が凹んだ凹状外周縁に形成される凸状フランジ部の中央部下端に生じる伸びフランジ割れを防止するために、凸状フランジ部となるブランク部の輪郭形状を、滑らかに結ばれた輪郭形状とすることが提案されている。

特開２００９−１６０６５５号公報

特許文献１に記載の伸びフランジ割れ防止では、凹状外周縁の輪郭の中央部の円弧を中心として滑らかに結ばれた輪郭形状に設定しているが、伸びフランジ割れは、必ずしも凸状フランジ部の中央部下端に発生するとは限らず、伸びフランジ割れの発生箇所の位置に対して自由に対応できないおそれがあり、また、面内に伸びフランジ変形する部位への適用も難しい。
また単純にクッション力調整による材料の流入量をコントロールする方法では、成形性の大幅な改善は望めない。

本発明は、予想される伸びフランジ割れの位置に応じて、適切に伸びフランジ割れの防止を行うことを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の一態様のプレス成形方法は、板縁の輪郭が凹形状となっている凹形状輪郭部のフランジを有する成形品にプレス成形する方法であって、上記成形品にプレス成形することで発生する、上記凹形状輪郭部のフランジにおける最大の伸び変形部を特定する工程と、上記特定した最大の伸び変形部の両側若しくは片側に対し板厚方向に変形した予備変形部を形成する予備成形工程と、を備え、上記予備変形部を形成後に、上記成形品の形状へのプレス成形のうち、少なくとも凹形状輪郭部のフランジを目的の形状にプレス成形することを特徴とする。

このとき、上記予備成形工程での予備変形部の形成は、ダイ及びしわ押さえの一方の面に凸を形成し、ダイ及びしわ押さえの他方の面に、上記凸に対向する凹を形成し、その凸及び凹によって上記予備変形部を形成すると良い。
また、上記予備変形部は、上記最大の伸び変形部でのプレス成形による変形量の７割の変形量以下の位置に設定すると良い。
また、上記板縁の輪郭の凹形状を単一の円弧と見なした場合に、その円弧の半径以下に、上記予備変形部と上記最大の伸び変形部との離隔距離を設定すると良い。
また、上記予備成形工程で形成する予備変形部を成形することによる、上記板縁に沿った凹形状輪郭部のフランジの断面線長増加量を、成形品での断面線長増加量以下に設定すると良い。

本発明によれば、伸びフランジの割れを効果的に防止することが出来る。

本発明に基づく実施形態に係る処理の工程例を示す図である。 板縁の輪郭が凹形状となっている凹形状輪郭部のフランジの例を示す図である。 成形品の例を示す図である。 板縁に沿ったフランジでの板厚減少率の分布を示す図である。 本発明に基づく実施形態に係る金型の例を示す概念図である。 実施例での成形品を示す図である。 ＣＡＥ解析による板厚減少率分布を示す図である。 実施例及び比較例で設定した予備成形の位置を示す図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
一般に、プレス成形を行う際には、割れの抑制と同時にしわの抑制も重要である。しわの抑制に対しては、予肉（本実施形態の予成形相当）を付与する対策がしばしば採られる。一方、割れの抑制に対する予肉の活用については、しわ押え面での材料流入に伴い伸びフランジ変形する部位への適用があるが、その部位や量について適正でなく、逆効果となる場合もある。
そこで発明者は、効果的に予肉を活用することについて調整研究を行い、材料をしわ押えで押さえる段階で、伸びフランジ割れを回避する予肉の活用方法を考えることで、本発明に到った。

本実施形態のプレス成形方法は、しわ押さえ面での材料流入に伴って伸びフランジ変形する部位の伸びフランジ割れの回避に有効なプレス成形方法を提供するものである。
本実施形態のプレス方法は、図１に示すように、最大変形部特定工程１、予備成形工程３、及び最終成形工程４を備える。

「最大変形部特定工程」
最大変形部特定工程１は、金型のしわ押さえ面からの材料流入に伴い伸びフランジ変形する部位において、その板厚あるいは歪み分布をシミュレーションや試作品で調べ、その調査に基づき最大の伸び変形部を特定する工程である。
上記伸びフランジ変形するフランジは、図２に示すように、板縁の輪郭が凹形状となっている凹形状輪郭部のフランジＦである。ただし、割れに繋がる最大伸び変形部は、板縁の輪郭が凹形状の中央部位置とは限らない。このため、上記のように試験品を作成したり、ＣＡＥによるシミュレーションによって板厚減少率の分布や歪み分布を調べて、最大の伸び変形部（以下、単に最大変形部と呼ぶ場合もある）を特定する。図２の成型品では、破線の○部分が割れの可能性がある最大の伸び変形部である。すなわち、シミュレーションで特定した最大の伸び変形部の全てに本発明の予備成形工程を適用する必要はなく、設定変形量以上の箇所だけに本発明の予備成形工程を適用しても良い。

「予備成形工程」
予備成形工程３は、特定した最大の伸び変形部の両側若しくは片側に対し板厚方向に、変形した予備変形部（以下、予備成形部とも呼ぶ）を形成する。図２では、Ｙ位置が予備変形部を形成する位置の例である
本実施形態では、上記予備成形部は、上記最大の伸び変形部でのプレス成形による変形量の７割の変形量以下の位置まで上設最大の伸び変形部から離して設定する。好ましくは、上記最大の伸び変形部でのプレス成形による変形量の５割の変形量以下の位置まで上設最大の伸び変形部から離隔して設定することが好ましい。
上記板縁の輪郭の凹形状を単一の円弧と見なした場合に、その円弧の半径以下に、上記予備成形部と上記最大の伸び変形部との離隔距離を設定する。例えば、凹形状の中央部及び左右両端部の３点を通る円を想定する。

本実施形態では、最大の伸び変形の両側に予備変形部を成形する場合を例示するが、最大の伸び変形の片側にだけ予備成形部を形成しても良い。また、片側に形成する予備成形部は一個だけ形成しても良いし２個以上並べて形成しても良い。
上記予備成形部の形状は、板厚方向にコブ状に形成される。
予備成形工程３で形成する予備成形部を成形することによる、上記板縁に沿った凹形状輪郭部のフランジの断面線長増加量を、成形品での断面線長増加量以下に設定する。断面線長増加量は大きいほど割れに対して有効であるが、しわ発生を抑える為に、成形品での断面線長増加量以下に設定する。なお予備成形部を形成しない場合での断面線長増加量の１．５倍以内、好ましくは１．３倍以内に抑える。

「最終成形工程」
最終成形工程４は、予備変形部を形成後に、上記成形部品の形状へのプレス成形のうち、少なくとも凹形状輪郭部のフランジを目的の成形形状（成形品の形状）にプレス成形する。本実施形態では、最終形状に成形する。
上記のように、最大変形部特定工程１は、必ずしも金型を使用しない処理工程である一方、予備成形工程３及び最終成形工程４は、金型を使用するプレス工程である。本実施形態では、予備成形工程３及び最終成形工程４の工程を一度のプレス工程で実現し、成形タイミングをずらすことで先に予備成形工程３の処理を実現するものである。

図３は、本実施形態で成形した成形品の例である。この例は、自動車のサイドアウター部品である。この成形品の場合には、予備成形工程３の前工程としてドア部開口工程２を有する（図１参照）。
ドア部開口工程２は、平坦な金属板からなるブランク材に対し、せん断によってドア部位置を開口する処理を行う。
図３に示す成形品の場合には、○で示した位置が、板縁の輪郭が凹形状となっている凹形状輪郭部のフランジのうち、伸びフランジ割れの可能性があるフランジの例である。上記のようにドア部をせん断開口することによるダメージも板縁に負荷されて、さらに伸びフランジ変形による割れが発生し易いため、更に本発明が割れ防止に有効となる。
上記コブ状の予備成形を行わずに、目標の成形品とする場合、板縁の輪郭が凹形状となっている凹形状輪郭部のフランジ（伸びフランジ変形フランジとも呼ぶ）での板縁に沿った板厚減少率は、例えば図４のような板厚分布となる。これは、有限要素解析法その他の公知の解析手法によるシミュレーションを行えば取得することが可能である。

この図４の板厚分布では、ピーク値であるＰ位置が、最大の伸び変形部となる。この特定を最大変形部特定工程１で行う。最大の伸び変形部での板厚減少率が１８％である場合、その７割の板厚減少率は１２．６％となる。従って、その板厚減少率が１２．６％より小さい位置に上記予備変形部を設定する。但し、あまり最大の伸び変形部から離隔して予備変形部を設定しても、割れ防止に対する効果が薄いと思われるため、板縁の輪郭の凹形状を単一の円弧と見なした場合、その円弧の半径以下を離隔する距離の上限とする。そして例えば、板厚減少率が７％の位置に予備成形部を形成する。
尚、上記最大の伸び変形部と予備成形部の離隔は、最大の伸び変形部と、予備成形によるコブの裾の位置との離隔とする。すなわち、予備成形によるコブの裾の位置で、最大の伸び変形部に対する板厚変形率が７割以下となるように設定する。

次に、上記予備成形工程３及び最終成形工程４のプレス成形の例について説明する。
本実施形態では、図５のような金型を使用してプレス成形を行う。
図５では、符号１０がダイであり、符号１１がパンチである。また符号１２がしわ押さえを構成する。ダイ１０としわ押え１２で挟んだ板部分は、ダイ１０の下降による成形に伴いパンチ１１とダイ１０との隙間に流入していく。

そして、上記ダイ１０及びクッション構造のしわ押さえ１２のうち、上記予備成形部を形成する部分のしわ押さえ面１２Ａには、予備成形部を形成するように、金属板の板厚方向に、凸１４及び凹１３の組みが対向するように形成されている。図５では、ダイ側に凸１４の形状が形成され、しわ押さえ１２側に凹１３の溝が形成されている場合であるが、逆でも構わない。
そして、予めドア開口部をせん断加工で形成した金属板１５をダイ１０とパンチ１１の間に配置し、ダイ１０としわ押さえ１２とで板を押さえる。このとき、予備成形部を形成する板部分は、上記凸１４と凹１３とによって板厚方向に変形する成形が行われる。この工程が、上記予備成形工程３となる。

この状態から、ダイ１０を下降させることで、目的の成形品の形状にプレス成形が行われる。この時、しわ押さえ１２で押さえられていた板部分は、ダイ１０の下降に伴い、パンチ１１とダイ１０との隙間に流入していく。この処理工程が最終成形工程４の処理となる。
上記プレス成形では、１つの金型を使用して一工程で、予備成形工程３及び最終成形工程４の処理を行う場合であるが、予備成形工程３と最終成形工程４とを別の金型を使用して個別にプレス成形するように構成しても良い。

ここで、最大伸び変形部の位置に対して上記予備変形部を形成する事も考えられるが、発明者らの実験によれば、最大伸び変形部の位置に予備変形部を形成しても、伸びフランジ成形の割れ防止には不十分であるか割れ易くなった。すなわち、最大伸び変形部の位置に予備変形部を形成して目的の成形品にプレス成形しても、板厚減少率の分布は、当該予備変形部を形成しない場合と殆ど同じであった。
これに対して、本実施形態のような予備成形工程３を施してから目的の成形品にプレス成形をした場合には、板厚減少率が分散されて、最大伸び変形部での板厚減少率が小さくなっていることを確認した。

このように、本発明に基づくプレス成形方法を採用することで、伸びフランジ割れを抑制することが可能となる。
ここで、本発明は、自動車部品に限らず板材をプレス成形する加工全てに対して適用することが可能である。また、プレス成形の素材は鉄鋼に限らずステンレス等の鉄合金、さらには非鉄材料に対しても適用可能である。

以下の実施例では、図６示す長手方向に２箇所湾曲する断面ハット状の成形品に加工する場合で、本実施形態の効果を確認する実験を行った。
ここで、金属板からなるブランクとして、板材料がＪＡＣ２７０Ｄで板厚が０．７ｍｍのものを使用した。
まずＣＡＥ解析によって板厚減少率の分布をシミュレートした。図７がその結果を示す図である。このシミュレートでは、板縁が凹状の円弧となっているフランジで最大の伸び変形が発生している。図８及び表１に示すように、円弧のフランジのうちＡ位置で最大変形量（板減少率最大）となっていた。またＡ位置の変形量を１とした場合の変形量の比が０．４であるＢ位置若しくはＣ位置を本発明法に基づく予備変形部の予備成形位置の候補とした。

そして、表２に示すように、選択した予備成形位置Ａ、Ｂ、Ｃとその位置での予備成形量を変えて実験を行った。すなわち、矩形の板をフランジ板縁となる位置でせん断加工した後に、上記予備成形工程３及び最終成形工程４を実施した。その結果も表２に併せて記載する。

表２から分かるように、最大の伸び変形量の位置であるＡ位置に予備成形部を形成しても割れ防止に効果が無いことが分かった。
一方、Ａ位置の近傍であるＢ位置若しくはＣ位置に予備成形部を形成した場合には、最大板厚減少率が小さくなって、割れ防止に効果があることが分かった。

１ 最大変形部特定工程
２ ドア部開口工程
３ 予備成形工程
４ 最終成形工程

Claims (5)

1. 板縁の輪郭が凹形状となっている凹形状輪郭部のフランジを有する成形品にプレス成形する方法であって、
   上記成形品にプレス成形することで発生する、上記凹形状輪郭部のフランジにおける最大の伸び変形部を特定する工程と、
   上記特定した最大の伸び変形部の両側若しくは片側に対し板厚方向に変形した予備変形部を形成する予備成形工程と、を備え、
   上記予備変形部を形成後に、上記成形品の形状へのプレス成形のうち、少なくとも凹形状輪郭部のフランジを目的の形状にプレス成形することを特徴とするプレス成形方法。
2. 上記予備成形工程での予備変形部の形成は、ダイ及びしわ押さえの一方の面に凸を形成し、ダイ及びしわ押さえの他方の面に、上記凸に対向する凹を形成し、その凸及び凹によって上記予備変形部を形成することを特徴とする請求項１に記載したプレス成形方法。
3. 上記予備変形部は、上記最大の伸び変形部でのプレス成形による変形量の７割の変形量以下の位置に設定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載したプレス成形方法。
4. 上記板縁の輪郭の凹形状を単一の円弧と見なした場合に、その円弧の半径以下に、上記予備変形部と上記最大の伸び変形部との離隔距離を設定することを特徴とする請求項３に記載したプレス成形方法。
5. 上記予備成形工程で形成する予備変形部を成形することによる、上記板縁に沿った凹形状輪郭部のフランジの断面線長増加量を、成形品での断面線長増加量以下に設定することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載したプレス成形方法。

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