JP5987942B1 - プレス成形金型 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、フランジ部を有さない長手方向に外側に向かって平面視で凸状に湾曲する縦壁部を有するプレス成形品の縦壁部におけるしわの発生を抑制するプレス成形方法及びプレス成形金型を提供する。【解決手段】本発明は、少なくとも天板部１３と天板部１３に接続部１４を介して連続する縦壁部１５とを有し、縦壁部１５の全体もしくは一部がプレス成形品１１の外側に向かって平面視で凸状に湾曲したプレス成形品１１をダイ９とパンチ５でフォーム成形するプレス成形方法であって、ブランク材３の先端部をダイ９の縦壁成形部９ａに常に接触させ、かつ、該接触以外の拘束をしない状態で縦壁部１５を成形することを特徴とするものである。【選択図】 図１

Description

本発明は、金属板のプレス成形方法及びプレス成形金型に関し、特に、フォーム成形においてしわの発生を抑制するプレス成形方法及びプレス成形金型に関する。

近年、環境問題に起因した車体の軽量化のため、自動車部品に高強度鋼板が多用されつつある。自動車部品の製作には、製作コストに優れたプレス成形が用いられることが多いが、高強度鋼板は低強度な鋼板と比較し延性が劣るため、ブランク材の先端部をブランクホルダーによって把持してしわ押さえ力を付与するドロー成形においては、ブランク材の先端部近傍に大きな歪みが生じるので材料破断に至りやすい。
そのため、このような場合においては、ブランクホルダーを使用しない曲げ加工主体のプレス成形であるフォーム成形を適用するケースが多い。しかしフォーム成形ではブランク材にかかる張力がわずかであるため、部品形状に起因する材料余りがしわ発生の直接要因となり易く、所望形状のプレス成形品を得ることは難しい。

特許文献１には、プレス加工によるＬ形製品の製造方法が示されている。当該方法によれば、しわ押さえパッドを使用してプレス加工することで、Ｌ形製品の上壁におけるしわの発生及び伸びフランジ成形における割れを回避することができるとされている。

特許文献２には、角部に円弧状部を有する部品を、縦壁にしわを発生させずに製造する方法が開示されている。当該方法は、円弧状部を成形しない中間成形品を作成する工程と、該工程により作製された中間成形品から円弧状部を絞り成形して角部を完成させる工程からなり、円弧状部に至らない部分にフランジ部のエッジ側から始まる切り欠きを１個以上いれることでしわの発生を回避することができるとされている。

特許文献３には、金属板素材をハット形断面に曲げ加工し、曲げ加工完了した直後に金属板素材の縦壁部に圧縮力を付与するようにしたプレス型が開示されている。

ＷＯ２０１２／０７０６２３ 特公平６−４７１３５号公報 特開２００５−２５４２７９号公報

プレス成形時に発生するしわを抑制する手法としては、プレス機とは別動力のしわ押さえパッド機構を用いて、しわが生じる部位に予めパッド荷重を付与しておくことで、材料余りによるブランク材の座屈を防止する方法がある。しかしながら、当該方法は、プレス成形初期にパンチとパッドにより挟持することができる部品上面に適用することは可能であるが、プレス機の駆動方向に対して大きな傾斜角を有する部品縦壁には適用できない。

特許文献１に記載のプレス加工によるＬ形製品製造方法は、パンチとパッドによってブランク材を挟圧し、そのままパッドの高さを維持することで上壁の湾曲部分近傍のしわを抑制するものであるが、製品上壁のみにおいてしわの発生を抑制できるものであって、縦壁にしわが発生するようなフォーム成形部品には適用できない。

特許文献２に記載の方法は、部品の製造に少なくとも２工程が必要となるため生産性に難がある上、ブランク材に切り欠きを入れる必要があるので、本来得るべき部品形状と異なるものになってしまう問題があった。

特許文献３に記載のプレス型は、上型に摺動可能に取り付けられた吊りスライダによってダイの上曲げ刃が横方向に移動し、縦壁部の上半分を挟持するとともに下半分に押圧して縦壁部を圧縮するものである。しかしながら、本願が扱う長手方向に対して外側に湾曲する縦壁部を有する部品のプレス成形では、曲げ加工する過程において縦壁部の湾曲の曲率が変化するため、前記プレス型の上曲げ刃の形状を曲げ加工過程における湾曲の曲率に併せて変化させなくてはならないが、特許文献３のプレス型では、上曲げ刃の形状を曲げ加工過程において変化させることはできない。そのため、特許文献３に記載のプレス型では外側に向かって平面視で凸状に湾曲する縦壁部を有するプレス成形品を製造することはできない。

本発明は、プレス成形品の長手方向の外側に向かって平面視で凸状に湾曲する縦壁部を有するプレス成形品のフォーム成形において、ブランク材に切り欠きを入れることなく、又、縦壁部を１工程で成形することができ、縦壁部にしわが発生するのを抑制するプレス成形方法及びプレス成形金型を提供することを目的とする。

（１）本発明に係るプレス成形方法は、少なくとも天板部と該天板部に接続部を介して連続する縦壁部を有し、該縦壁部の全体もしくは一部がプレス成形品の外側に向かって平面視で凸状に湾曲したプレス成形品をダイとパンチでフォーム成形するプレス成形方法であって、ブランク材の先端部を前記ダイの縦壁成形部に常に接触させ、かつ、前記縦壁成形部においては前記ダイにより該接触以外の拘束をしない状態で前記縦壁部を成形することを特徴とするものである。

（２）上記（１）に記載のものにおいて、前記ブランク材の先端部は、前記ブランク材の先端から板厚の４倍までの距離の範囲である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金型は、上記（１）又は（２）に記載のプレス成形方法に用いるものであって、パンチとダイを有し、前記縦壁成形部の断面形状は、縦壁成形中においてブランク材の先端部が前記ダイの縦壁成形部に常に接触する形状であることを特徴とするものである。

（４）上記（３）に記載のものにおいて、前記縦壁成形部の断面形状は、縦壁成形中において、前記ブランク材の先端から板厚の４倍までの距離の範囲が前記縦壁成形部に常に接触する形状であることを特徴とするものである。

（５）本発明に係るプレス成形金型は、少なくとも天板部と該天板部に接続部を介して連続する縦壁部を有し、該縦壁部の全体もしくは一部がプレス成形品の外側に向かって平面視で凸状に湾曲した前記プレス成形品をフォーム成形するものであって、ブランク材が載置される天板成形部と、該天板成形部に連続するとともに前記プレス成形品の前記湾曲に沿うパンチ肩部と、前記パンチ肩部に連続する縦壁成形部を有するパンチと、該パンチに対して相対移動して前記プレス成形品の前記縦壁部を成形する縦壁成形部を有するダイを備え、該ダイの前記縦壁成形部は、その断面形状が、前記天板成形部上における前記湾曲の曲率半径の中心となる点を原点とし、水平方向をＸ軸、鉛直方向をＹ軸とするＸＹ座標上において下式によって表される曲線を最適曲線とし、任意のＸ座標位置における前記最適曲線の接線の傾斜角度を最適傾斜角度としたとき、前記Ｘ座標位置における接線の水平方向に対する傾斜角度が前記最適傾斜角度以上となる曲線で表されることを特徴とするものである。
ただし、
pr：パンチ半径[mm]
R：パンチ肩部の曲率半径[mm]
br：ブランク材半径[mm]
t：ブランク材板厚[mm]
θ：ブランク材のパンチ肩部への巻き付き角（0≦θ≦π/2）[rad]

本発明に係るプレス成形方法及びプレス成形金型においては、少なくとも天板部と該天板部に接続部を介して連続する縦壁部を有し、該縦壁部の全体もしくは一部がプレス成形品の外側に向かって平面視で凸状に湾曲した前記プレス成形品をダイとパンチでフォーム成形する際に、ブランク材の先端部を前記ダイの縦壁成形部に常に接触させ、かつ、該接触以外の拘束をしない状態で前記縦壁部を成形することにより、前記ブランク材に切り欠けを入れることなく、しわの発生を抑制して前記縦壁部を１工程で容易に成形することができる。

本発明の実施の形態１に係るプレス成形方法の説明に用いるプレス成形金型であり、かつ、実施の形態２に係るプレス成形金型の断面図である。 本発明に係るプレス成形品の斜視図である。 従来のプレス成形金型を用いて成形したプレス成形品の斜視図である。 プレス成形中のブランク材の先端部における変形挙動を説明する図である。 本発明に係るダイの縦壁成形部が平坦な傾斜面であるプレス成形金型の断面図である。 従来のプレス成形金型を説明する図である。 本発明の実施の形態２に係るプレス成形方法に用いるプレス成形金型の断面形状を説明する図である。 本発明の実施の形態２におけるプレス成形中のブランク材の先端の軌跡の説明図である。 本発明の実施の形態２におけるブランク材の変形とダイの縦壁成形部の水平方向に対する傾斜角度を説明する図である。 ブランク材の先端の軌跡と最適曲線の計算結果の図である。 本発明の実施の形態２におけるプレス成形金型の斜視図である。 本発明の実施の形態２における縦壁成形部の許容断面形状の説明図である（その１）。 本発明の実施の形態２における縦壁成形部の許容断面形状の説明図である（その２）。 本発明の実施の形態２におけるブランク材のサイズの説明図である。 実施例１及び実施例３で対象とするプレス成形品の説明図である。 実施例２において対象とするプレス成形品を成形するためのブランク材の形状を説明する図である。

［実施の形態１］
本発明の実施の形態１に係るプレス成形方法は、図２に示すような、少なくとも天板部１３と、天板部１３に接続部１４を介して連続する縦壁部１５とを備え、縦壁部１５の全体もしくは一部が外側に向かって平面視で凸状に湾曲したプレス成形品１１を、図１に示すように、パンチ５とパッド７とダイ９でフォーム成形するプレス成形方法であって、ブランク材３の先端部をダイ９に常に接触させ、かつ、縦壁成形部９ａにおいてはダイ９により該接触以外の拘束をしない状態でプレス成形品１１の縦壁部１５を成形するものである。
以下、該プレス成形方法により縦壁部１５に発生するしわを抑制することができる理由を図２から図４に基づいて詳細に説明する。

前記のような外側に向かって平面視で凸状に湾曲した縦壁部１５を有するプレス成形品１１を従来のフォーム成形により製造すると、プレス成形品１１の縦壁部１５の高さがある高さ以上になると、縦壁部１５の下端に縮み変形が集中してしわ１９が発生する（図３参照）。
このしわは以下のメカニズムによって発生するものと考えられる。

外側に向かって平面視で凸状に湾曲した縦壁部１５を成形する場合、縦壁部１５の下端に相当するブランク材３の先端部が座屈せずに線長が短くなる変形をする場合、該先端部の変形には面内方向への縮み変形エネルギーと板厚増加の変形エネルギーを要する。

しかしながら、ブランク材３の先端部が座屈して線長の減少を抑制するように面外方向へ変形した場合、面内方向への縮み変形エネルギーと板厚増加の変形エネルギーと面外方向への曲げ変形エネルギーの和が、前記先端部が座屈しない場合の面内方向への縮み変形エネルギーと板厚増加の変形エネルギーの和よりも小さい場合、前記先端部は座屈変形する。その結果、縦壁部１５の下端にしわが外側に向かって生じる。

そこで、本発明で目標形状とするプレス成形品１１を成形する場合、ブランク材３の先端部をダイ９によって外側に広がらないように押さえることにより、外側にしわが発生することを抑制することができる。

一方で、前記先端部の外側を押えながら成形した場合、前記先端部は内側に向かって折れ曲がりが発生することが懸念される。図４にはプレス成形品１１の縦壁部１５先端部の水平断面（天板部１３の平面と平行な方向）を示す。図４（ａ）に示す前記先端部が成形過程において図４（ｃ）に示すように面外方向内側に変形して、ブランク材３の先端部が内側に折れ曲がった状態となるためには、図４（ｂ）に示すような一度線長がわずかながら短い状態を経由しなければならない。しかしながら、変形エネルギーの観点からすると、図４（ｂ）に示すような内側に折れ曲がって線長がわずかながら短い状態になるような変形は、面内方向への縮み変形に比べて圧倒的に生じにくい。すなわち、ダイ９によってブランク材３の先端部を外側から押え込んでも、ブランク材３が内側に折れ曲がってしわが発生することは極めて起こりにくい。

以上より、ブランク材３の先端部をダイ９によって外側から押え込むように接触させ、かつ、該接触以外の拘束をしない状態で成形することで該先端部が外側に変形するのを防止し、しわが発生するのを抑制することができる。そして、しわが外側に向かって生じやすい状態は成形途中から成形終了時まで継続するので、ブランク材３の先端部を常にダイ９に接触させて該先端部を外側から押え込む必要がある。

ブランク材３の先端部を常にダイ９に接触させて成形する方法としては、以下の実施の形態２に示すように、ダイ９の縦壁成形部９ａの断面形状を工夫するなどの方法がある。

なお、本実施の形態１は、ブランク材３の上面をパッド７で押さえながらフォーム成形するプレス成形方法であるが、パッド７でブランク材３を抑えずに成形するものであっても、成形中においてブランク材３の先端部を常にダイ９の縦壁成形部９ａに接触させ、かつ、該接触以外を拘束しないものであれば、プレス成形品１１の縦壁部１５にしわを発生せずに成形することができる。

なお、成形中にダイ９の縦壁成形部９ａに接触させるブランク材３の先端部は、後述する実施例１のとおり、ブランク材３の先端から板厚の４倍までの距離の範囲であればよく、この場合においては、縦壁部１５にしわを発生させずに成形することができる。

［実施の形態２］
本発明の実施の形態２に係るプレス成形金型１を、成形途中の状態を示す図１に基づいて説明する。
本発明に係るプレス成形金型１は、実施の形態１と同様に図２に示すような、少なくとも天板部１３と、天板部１３に接続部１４を介して連続する縦壁部１５を有し、縦壁部１５の全体もしくは一部が外側に向かって平面視で凸状に湾曲したプレス成形品１１を成形するものである。プレス成形金型１は、図１に示すように、平板状のブランク材３の下面を支持するパンチ５と、パンチ５の天板成形部５ａで支持されたブランク材３の上面を押圧するパッド７と、パンチ５とパッド７で挟持されたブランク材３に縦壁成形部９ａが当接して曲げ加工を行うダイ９とを備えている。

＜パンチ＞
パンチ５は、天板成形部５ａと、天板成形部５ａの端部から斜め下方に連続するパンチ肩部５ｂと、パンチ肩部５ｂの下端側から下方に連続する縦壁成形部５ｃを有している。天板成形部５ａは平坦面であるブランク材３の下面を支持する。また、パンチ肩部５ｂの断面形状は曲率半径Rの円弧である。

＜パッド＞
パッド７は、パンチ５の天板成形部５ａに対向するように配置され、昇降可能になっている。ブランク材３をパンチ５の天板成形部５ａに載置し、パッド７をパンチ５側に移動させて押圧することで、パンチ５とパッド７によりブランク材３を挟持することができる。

＜ダイ＞
ダイ９は、ブランク材３に当接して曲げ加工をし、プレス成形品１１の縦壁部１５を成形する縦壁成形部９ａを有している。縦壁成形部９ａは、その断面形状が図１に示すような曲線である。縦壁成形部９ａの断面形状を曲線とすることで、成形中においてブランク材３の先端部を常に縦壁成形部９ａに接触させることができる。
もしくは、後述するように、図５に示すような断面形状が直線である縦壁成形部３９ａを有するダイ３９を用いても、成形中においてブランク材３の先端部を常に縦壁成形部３９ａに接触させることができる。

次に、ブランク材３の先端部を常にダイ９に接触させるために要求されるダイ９の縦壁成形部９ａの断面形状を、図６〜図９に基づいて説明する。なお、図６〜図９において、図１と同一又は相当する部位には同じ符号を付している。

図６に示すようなパンチ５とパッド７とダイ２９を備える従来のプレス成形金型２１を用いて天板部と縦壁部とフランジ部を有するプレス成形品をプレス成形する場合、ダイ肩部２９ｂの断面形状は前記プレス成形品における縦壁部とフランジ部の接続部の断面形状によって定められる。

他方、本発明が対象とするようなフランジ部を有さないプレス成形品１１をプレス成形する場合、プレス成形後にプレス成形品１１に生じる割れやしわなどの成形不良を除けば、ダイ肩部２９ｂの断面形状はプレス成形品１１の成形後の製品形状に関わらず設定できる。

そこで、上記の点に着目し、成形中において常にブランク材３の先端をダイ９に接触させるための縦壁成形部９ａの断面形状を検討した。
まず、図７に示すような、ダイ９の縦壁成形部９ａを傾斜角度一定の傾斜面とした場合について検討した。

ダイ９の縦壁成形部９ａを前記傾斜面とした場合、ブランク材３の先端がダイ９に常に接触して成形されるためには、ダイ９の前記傾斜面の水平方向に対する傾斜角度θ₂は、成形下死点におけるブランク材３の先端付近、すなわち、プレス成形品１１の縦壁部１５の水平方向に対する傾斜角度θ₁以上であることが必要である。
しかし、前記角度が一定である傾斜面の傾斜角度θ₂を、ブランク材３の先端付近の前記傾斜角度θ₁以上の一定値とすると（図７）、ブランク材３を成形下死点まで曲げ加工するためには縦壁部が垂直に近いため傾斜面の傾斜角度θ₂を90度近くにする必要があって、ダイ９の成形ストロークを非常に長くしなくてはならない。

一方、プレス成形品１１の縦壁部１５に相当するブランク材３の先端の水平方向に対する傾斜角度は、成形中において変化する。そこで、本発明者は、成形中においてブランク材３の先端が接触する位置に併せて縦壁成形部９ａの水平方向に対する傾斜角度が変化する曲線で表される断面形状とすれば、成形ストロークを長くすることなく、ブランク材３の先端を常に縦壁成形部９ａに接触させることが可能であることを見出した。

縦壁成形部９ａの水平方向に対する傾斜角度が変化する具体的な断面形状は以下のように決定した。
図８に示すように、パンチ５の天板成形部５ａの水平方向に平行な面内のパンチ半径をpr[mm]、パンチ肩部５ｂの曲率半径をR[mm]、ブランク材３の天板成形部５ａの水平方向に平行な面内のブランク材半径をbr[mm]、ブランク材３の板厚をt[mm]とすると、パンチ肩部５ｂに当接して曲げ加工されたブランク材３がパンチ肩部５ｂから離れる点（図８中の点Ａ）からブランク材３の先端までの距離Lは、ブランク材３のパンチ肩部５ｂへの巻き付き角θ[rad]を媒介変数として、次式により与えられる。

これより、成形中におけるブランク材３の先端位置の軌跡は、天板成形部５ａ上の水平方向における湾曲の曲率半径の中心となる点を原点Oとし、天板成形部５ａの水平方向をx軸、天板成形部５ａの鉛直方向をy軸とするxy座標上において、次式で表される点(x,y)によって表すことができる。

図９に示すように、ブランク材３の先端におけるブランク材３の縦壁成形部９ａに平行な水平方向に対する角度θ_Bがブランク材３のパンチ肩部５ｂにおける巻き付き角θと等しいことから、ダイ９の縦壁成形部９ａがブランク材３の先端に常に接触する断面形状であるためには、ブランク材３の先端が接触する点（図９中の点Ｂ）における縦壁成形部９ａの水平方向に対する傾斜角度φは常に角度θ_B以上であることが必要であり、ブランク材３のパンチ肩部５ｂにおける巻き付き角θとが
θ≦φ ・・・（１）
の関係を満たす必要がある。これより、縦壁成形部９ａの高さ、すなわち成形ストロークをできる限り短くしたい場合、φが最小、すなわちθ＝φの条件を満たせば良い。

したがって、縦壁成形部９ａの最適断面形状は、パンチ５の天板成形部５ａ上の水平方向における前記湾曲の曲率半径の中心となる点を原点Oとし、天板成形部５ａの水平方向をX軸、天板成形部５ａの鉛直方向をY軸とするXY座標上において、縦壁成形部９ａの表面の座標を(X、Y)とすると、縦壁成形部９ａはXの増加に伴い、角度φ（=θ）でYが減少することから、次式の関係を満たすように定めればよい。

以上より、上記XY座標上において、縦壁成形部９ａの最適断面形状は次式により与えられる最適曲線により表すことができる。

上式を整理すると、最適曲線は式（２）により表される。

図１０に、一例として、pr＝80mm、R＝5mm、br＝100mm、t＝1.2mmとし、θ[rad]をπ/180刻みで0≦θ≦π/2の範囲において数値計算により求めたブランク材３の先端の軌跡及び最適曲線を示す。

このように、式（２）中の各パラメータを与えて最適曲線を求めることにより、縦壁成形部９ａの最適断面形状を決定することができ、縦壁成形部９ａを最適断面形状とすることで、ブランク材３の先端を縦壁成形部９ａに常に当接させつつ、成形ストロークの増加を防ぐことができる。
図１１に、上記の方法により決定した最適断面形状を有する縦壁成形部９ａの一例を示す。

さらに、前記XY座標上の任意のX座標位置における前記最適曲線の接線の水平方向に対する傾斜角度を最適傾斜角度とした時、前記X座標位置における接線の水平方向に対する傾斜角度が前記最適傾斜角度以上となる曲線で表される断面形状（以下、許容断面形状という）の縦壁成形部９ａであれば、成形中において常に式（１）の条件を満たすことになるため、成形中においてブランク材３の先端は常に縦壁成形部９ａに接触して曲げ加工され、プレス成形品の縦壁部に発生するしわを抑制することができる。

図１２に式（１）を満たす縦壁成形部９ａの許容断面形状の例を示す。なお、プレス成形開始時のブランク材３の先端は必ず縦壁成形部９ａに接触するものとする。
図１２（ａ）は縦壁成形部９ａが傾斜角度φ₂一定の傾斜面である許容断面形状であり、該傾斜角度φ₂は最適傾斜角度φ₁よりも大きい。
図１２（ｂ）は最適断面形状を相似拡大して得られた許容断面形状であり、任意のX座標位置において、該許容断面形状を表す曲線の水平方向に対する接線の傾斜角度φ₂は最適傾斜角度φ₁よりも大きい。
図１２（ｃ）は曲率半径の大きい円弧で表される許容断面形状であり、任意のX座標位置における前記円弧の接線の傾斜角度φ₂は最適傾斜角度φ₁よりも大きい。
よって、図１２（ａ）〜図１２（ｃ）のいずれの場合において縦壁成形部９ａの断面形状は式（１）の条件を満たすため、ブランク材３の先端を縦壁成形部９ａと常に接触して曲げ加工することができる。

さらに、任意のX座標位置において式（１）の条件を満たすものであれば、図１３（ａ）のように、前記X座標位置における接線の水平方向に対する傾斜角度φ₂が途中で小さくなる曲線で表される断面形状であっても構わない。

しかしながら、縦壁成形部９ａの断面形状が、例えば図１３（ｂ）に示すように、あるX座標位置X_Aにおける接線の傾斜角度φ₂が最適傾斜角度φ₁よりも小さくなる曲線で表される断面形状である場合、式（１）の条件を満たさないため、ブランク材３の先端以外の部位が縦壁成形部９ａと接触してしまう。そのため、図１３（ｂ）に示すような断面形状を有する縦壁成形部９ａは好ましくない。
ただし、縦壁成形部９ａの断面形状が、縦壁成形中において、ブランク材３の先端から板厚の４倍までの距離の範囲が縦壁成形部９ａに常に接触する形状であれば、しわの発生を抑制することができる。

なお、縦壁成形部９ａの最適断面形状を求める際に与えたブランク材（以下、「基本ブランク材４１」という）のブランク材半径brよりも半径の小さいブランク材（以下、「小ブランク材４３」という）を成形する場合に対しても、本発明に係るプレス成形金型１を用いることで、しわの発生を抑制することができる。この点については、図１４に基づいて以下に説明する。

図１４（ａ）に示すように、基本ブランク材４１の成形中、パンチ５の天板成形部５ａの高さを基準としたダイ９の移動距離Lsにおいて、パンチ肩部５ｂへの巻き付き角がθであり、基本ブランク材４１の先端が縦壁成形部９ａと接触する点（図１４（ａ）中の点Ａ）におけるダイ９の接線の水平方向に対する傾斜角度をφ₁とする。
同様に、図１４（ｂ）に示すように、小ブランク材４３の成形中、ダイ９のパンチ５側への移動距離Lsにおいて、パンチ肩部５ｂへの巻き付き角がθ’であり、小ブランク材４３の先端が縦壁成形部９ａと接触する点（図１４（ｂ）中の点Ｂ）におけるダイ９の接線の水平方向に対する傾斜角度がφ₂とする。

図１４に示すように、いずれのダイ９の移動距離Lsにおいても、小ブランク材４３の巻き付き角θ’は基本ブランク材４１の巻き付き角θよりも常に小さい値となる。さらに、小ブランク材４３の先端が縦壁成形部９ａに接触する点におけるダイ９の接線の傾斜角度φ₂はθ’よりも大きい値となる。したがって、基本ブランク材４１を基に決定された断面形状である縦壁成形部９ａを有するダイ９を用いて小ブランク材４３を成形する場合、必ず式（１）の関係を満たすため、小ブランク材４３の先端は常に縦壁成形部９ａに接触した状態で成形され、しわの発生を抑制することができる。ただし、小ブランク材４３をダイ９にプレス成形開始時から接触させるため、小ブランク材４３の半径はパンチ半径より大きくする必要がある。

なお、ダイ９の縦壁成形部９ａの断面形状を上記のように決定する部位は、プレス成形品１１の縦壁部１５にしわが発生するのを抑制する対象部位のみでも構わないし、縦壁部１５全体でもよい。
さらに、外側に向かって平面視で凸状に湾曲する縦壁部１５の曲率半径が縦壁部１５全体にわたって一定ではない場合においても、湾曲の曲率半径が等しい部位毎に縦壁部１５を分割し、該分割した部位毎にダイ９の縦壁成形部９ａの断面形状を上記方法に従って決定し、前記分割部位毎に決定された断面形状を有する縦壁成形部９ａをつなぎ合わせてダイ９を設計すればよい。

本発明に係るプレス成形方法及びプレス成形金型において、ブランク材の先端から板厚の４倍までの距離の範囲の先端部をダイの縦壁成形部に常に接触させ、かつ、該接触以外の拘束をしない状態で成形することで、プレス成形品の外側に向かって平面視で凸状に湾曲した縦壁部にしわが発生するのを抑制することができることを検証する実験を行ったので、以下これについて説明する。

本実施例１では、図１５に示す円板状の天板部５３に接続部５４を介して連続する縦壁部５５を有するプレス成形品５１をフォーム成形する場合を対象とした。
プレス成形品５１の寸法は、天板部５３の半径rが90mm、接続部５４の曲率半径が8mmである。また、プレス成形品５１の成形に使用するブランク材３は、板厚t=1.2mm、引張強度590MPaの鋼板Ａ又は板厚t=1.6mm、引張強度590MPa級の鋼板Ｂの２種類とした。さらに、円板状の天板部５３を有するプレス成形品５１を成形するため、ブランク材３は円板形状であり、その半径(ブランク材半径)は鋼板Ａにおいては105mm、鋼板Ｂにおいては107mmとした。

上記仕様のブランク材３に対して図１に断面を示すような本発明に係るプレス成形金型１を用いてプレス成形品５１をフォーム成形によりプレス成形するにあたり、パンチ５のパンチ半径を90mm、パンチ肩部５ｂの曲率半径を8mmとした。
ダイ９の縦壁成形部９ａは、式（２）中のパラメータをpr=90mm、R=8mm、t=1.2mmとし、br=100〜105mmまで1mm毎に決定した断面形状であるものとした。

プレス成形に用いるブランク材３のブランク材半径は105mmであるため、式（２）のブランク材３の半径をbr=105mmとして最適断面形状を求めた縦壁成形部９ａの場合、ブランク材３の先端のみが縦壁成形部９ａに接触して成形される。一方、ブランク材３のブランク材半径よりも小さいbrを与えて断面形状を決定した縦壁成形部９ａの場合、ブランク材３の先端から内側に入った部位を含む先端部が縦壁成形部９ａに接触して成形される。ここで、ブランク材３のブランク材半径と式（２）のbrとの差が大きいほど、縦壁成形部９ａが接触する前記先端部の範囲は拡大する。

鋼板Ａ及び鋼板Ｂを前記条件の下でフォーム成形し、プレス成形品５１の縦壁部５５に発生するしわの有無、ならびに、縦壁成形部９ａに接触するブランク材３先端部の範囲を求めた。表１に鋼板Ａ及び鋼板Ｂを用いた場合の結果を示す。

表１より、鋼板Ａ及び鋼板Ｂともに、ブランク材３の先端部の範囲ａと板厚の比が4.0倍までダイ９の縦壁成形部９ａに常に接触して外側から押え込まれることで、プレス成形品５１に発生するしわを抑制する効果が実証された。
すなわち、ブランク材３の先端から板厚の4.0倍までの範囲のブランク材３の先端部をダイ９の縦壁成形部９ａに接触するような縦壁成形部９ａの断面形状を式（２）に基づいて決定することで、凸状に外側に湾曲した形状を有するプレス成形品５１をフォーム成形により成形した際に縦壁部５５に発生するしわを抑制することができる。

本実施例２では、図２に示す外側に向かって平面視で凸状に湾曲する縦壁部１５を有するプレス成形品１１を、図１に示す本発明に係るプレス成形金型１を用いてフォーム成形により成形した時に縦壁部１５に発生するしわの有無を検証した。

プレス成形品１１の寸法は、天板部１３と縦壁部１５の接続部１４の断面の曲率半径が5mm、天板部１３の水平方向に平行な面内の湾曲の曲率半径が80mmであり、ブランク材３は板厚1.2mm、引張強度980MPa級の鋼板とした。
プレス成形品１１の各寸法を基に、式（２）中の各パラメータをpr=80mm、R=5mm、t=1.2mm、br=100mmとして、ダイ９の縦壁成形部９ａの最適断面形状Ａを決定した。なお、実施の形態２で述べたように、br=100mmよりも小さくてパンチ５の半径Prより大きいブランク材半径のブランク材３は本発明の範囲内である。なお、ブランク材３のブランク材半径は、図１６に示すように、ブランク材３の先端における湾曲の曲率半径である。

上記最適断面形状Ａの縦壁成形部９ａを有するダイ９を備えたプレス成形金型１（本発明例１）に加え、図５に示すような水平方向に対する傾斜角度一定の縦壁成形部３９ａのダイ３９を備えたプレス金型３１（本発明例２）、及び、図６に示すような曲率半径一定（=5mm）のダイ肩部２９ｂを有する従来形状のダイ２９を備えたプレス成形金型２１（比較例１）それぞれを用いて半径の異なるブランク材３をフォーム成形し、各場合においてプレス成形品１１のプレス成形品高さhを変更し、しわの発生の有無を求めた。
なお、本発明例２における縦壁成形部３９ａの水平方向に対する傾斜角度は、プレス成形品１１の縦壁部１５の水平方向に対する傾斜角度から与えられる最大傾斜角度（＝87.7°）とした。
結果を表２に示す。

本発明例１及び本発明例２においてはブランク材半径100mmにおいてもしわを発生せずに成形できて、従来のプレス成形金型２１により成形した比較例１に比べて良好であった。

また、本発明例１における成形ストロークは80mmであったのに対し、本発明例２における成形ストロークは470mmであり、ダイ９の縦壁成形部９ａを最適断面形状Ａとすることで、成形ストロークの増加を防ぐことができた。

以上より、ダイの縦壁成形部をブランク材の先端部が常に接触するような断面形状とすることで、プレス成形品高さhを高くしてもプレス成形品１１の縦壁部に発生するしわを抑制できることが実証された。
さらに、ダイの縦壁成形部を最適断面形状とすることで、成形ストロークを大きく増加することなく成形できることが示された。

実施例３では、本発明に係るプレス成形金型１を用い、図１５に示す円板状のプレス成形品５１をフォーム成形により成形し、プレス成形品５１の縦壁部５５におけるしわの発生の有無を検証した。

プレス成形品５１は、天板部５３と縦壁部５５を有し、曲率一定の円弧状曲面である接続部５４により天板部５３と縦壁部５５とが連続して接続されている。
プレス成形品５１は板厚1.2mm、引張強度590MPa級の鋼板をブランク材３として図１に断面を示すプレス成形金型１により成形した。プレス成形品５１の寸法は、天板部５３の半径rが90mm、天板部５３と縦壁部５５の接続部５４の曲率半径が8mmである。

プレス成形品５１の上記各寸法を基に、式（２）中の各パラメータをpr=80mm、R=5mm、t=1.2mmとし、ダイ９の縦壁成形部９ａの最適断面形状を決定した。本実施例３では、br=110mmとした最適断面形状Ｂ（発明例３）又はbr=105mmとした最適断面形状Ｃ（発明例４）である２種類の縦壁成形部９ａについて検討した。
さらに、図６に示すような従来のプレス成形金型２１を用いてフォーム成形した場合と比較することで、本発明の効果を検証した。従来のプレス成形金型２１は、ダイ肩部２９ｂの曲率半径を2mm（比較例２）又は8mm（比較例３）の２種類とした。

縦壁成形部９ａが最適断面形状のプレス成形金型１（発明例３又は発明例４）又は従来のプレス成形金型２１（比較例２又は比較例３）を用いてブランク材半径の異なるブランク材３をフォーム成形し、得られたプレス成形品５１の縦壁部５５におけるしわ発生の有無を確認した。
表３に結果を示す。

ダイ肩部２９ｂの曲率半径が2mmである比較例３に比べて、曲率半径が大きい比較例２の方がしわ防止効果がわずかに良いものの、本発明例３、４に示す最適断面形状Ｂ又は最適断面形状Ｃの縦壁成形部９ａを有するプレス成形金型１を用いると、さらに大きなブランク材半径までしわを発生せずにプレス成形することができた。
以上より、本発明に係るプレス成形金型を用いることにより、従来のプレス成形金型と比較してしわ防止効果を著しく向上できることが実証できた。

１ プレス成形金型
３ ブランク材
５ パンチ
５ａ 天板成形部
５ｂ パンチ肩部
５ｃ 縦壁成形部
７ パッド
９ ダイ
９ａ 縦壁成形部
１１ プレス成形品
１３ 天板部
１４ 接続部
１５ 縦壁部
１９ しわ
２１ プレス成形金型（従来）
２９ ダイ（従来）
２９ｂ ダイ肩部（従来）
３１ プレス成形金型
３９ ダイ
３９ａ 縦壁成形部
４１ 基本ブランク材
４３ 小ブランク材
５１ プレス成形品
５３ 天板部
５４ 接続部
５５ 縦壁部

Claims (1)

1. フランジ部を有さないプレス成形品であって、少なくとも天板部と該天板部に接続部を介して連続する縦壁部を有し、該縦壁部の全体もしくは一部がプレス成形品の外側に向かって平面視で凸状に湾曲した前記プレス成形品をフォーム成形するプレス成形金型であって、
   ブランク材が載置される天板成形部と、該天板成形部に連続するとともに前記プレス成形品の前記湾曲に沿うパンチ肩部と、前記パンチ肩部に連続する縦壁成形部を有するパンチと、
   該パンチに対して相対移動して前記プレス成形品の前記縦壁部を成形する縦壁成形部を有するダイを備え、
   該ダイの前記縦壁成形部は、その断面形状が、
   前記天板成形部上における前記湾曲の曲率半径の中心となる点を原点とし、水平方向をＸ軸、鉛直方向をＹ軸とするＸＹ座標上において下式によって表される曲線を最適曲線とし、任意のＸ座標位置における前記最適曲線の接線の傾斜角度を最適傾斜角度としたとき、
   前記Ｘ座標位置における接線の水平方向に対する傾斜角度が前記最適傾斜角度以上となる曲線で表されることを特徴とするプレス成形金型。
   ただし、
   pr：パンチ半径[mm]
   R：パンチ肩部の曲率半径[mm]
   br：ブランク材半径[mm]
   t：ブランク材板厚[mm]
   θ：ブランク材のパンチ肩部への巻き付き角（0≦θ≦π/2）[rad]