JP6176429B1 - プレス成形品の製造方法 - Google Patents

Abstract

長手方向に沿って湾曲した天板部およびフランジ部とフランジ部の長手方向端部に縦壁部とを有する部品に対し、形状凍結性に優れたプレス成形品の製造方法を提供する。天板部（１）とフランジ部（２）とが側壁部（３）を介して幅方向で連続していると共に、天板部（１）及びフランジ部（２）が長手方向に沿って天板部（１）側に凸となるように湾曲し、天板部（１）の長手方向端部に天板部（１）よりも幅方向の寸法が大きい張出部（５）が連続し、更にフランジ部（２）の長手方向端部に連続して天板部（１）側に立ち上がって上端が張出部（５）に連続する縦壁部（６）を有する製品形状に、金属板をプレス成形によって製造する際に、フランジ部（２）の長手方向端部と縦壁部（６）との連続部分の線長を製品形状での線長よりも短くした形状に予備成形した後に、目的とする製品形状にプレス成形する。

Description

本発明は、金属板を、長手方向に沿って湾曲した天板部およびフランジ部を有するハット形断面の製品形状にプレス成形してプレス成形品を製造する技術に係り、フランジ部の長手方向端部に天板部側に立ち上がった縦壁部を有する製品形状に金属板をプレス成形する場合に有効な技術に関する。

近年、自動車車体の衝突安全性向上と軽量化を両立させるために、車体構造部品に対して５９０ＭＰａ以上のハイテン材の適用が進んでいる。５９０ＭＰａ以上のハイテン材は降伏強度や引張強度が高いため、プレス成形を行う上で、スプリングバックなどの成形不良が課題となる。
車体構造部品に用いられるプレス成形品の一つとして、Ｂピラーアウターがある。このような部品は、長手方向に所定の曲率半径で天板部側に湾曲した湾曲部分を有する天板部およびフランジ部と、長手方向端部側に天板部とフランジ部をつなぐ縦壁部とを有し、上記湾曲部分が上記の縦壁部に対向して延在するハット形断面となっているハット形断面部品である。このようなハット形断面部品に金属板を単純にプレス成形した場合、金型の成形下死点で天板部に引張応力が発生すると共にフランジ部に圧縮応力が発生し、これらの応力差によりスプリングバック（キャンバーバック）が発生する。このような部品への成形にハイテン材からなる金属板を適用した場合、前述の下死点での応力差が大きくなり、スプリングバックが増加するといった課題がある。

このようなスプリングバックを抑制する従来技術としては、特許文献１や特許文献２に記載の技術がある。
特許文献１に記載のプレス成形方法は、長手方向の面内で湾曲した形状を有するプレス成形品に成形する方法である。特許文献１に記載のプレス成形方法では、プレス成形品に形成される複数湾曲部のうち、少なくとも一つの湾曲部について、第１成形工程において曲率半径が最終製品の曲率半径よりも小さくなるように成形しておき、第２成形工程において、第１成形工程で得られた部品の曲率半径より大きい曲率半径として成形する。これによって、特許文献１では、第１成形工程で発生する応力を第２成形工程で発生する応力でキャンセルすることにより、スプリングバックを抑制する。

特許文献２に記載のプレス成形方法は、コの字型またはハット形の断面で、長手方向に湾曲した形状を有するプレス成形品に成形する方法である。特許文献２に記載のプレス成形方法では、第１成形工程において製品形状と同一曲率で、かつ製品形状より幅を小さくして成形し、第２成形工程において第１成形工程における幅より大きく、曲率半径を変えずに成形する。これによって、特許文献２では、第１成形工程で発生する応力を第２成形工程で発生する応力でキャンセルすることにより、スプリングバックを抑制する。

特開２００８−２２１２８９号公報 特開２０１０−６４１３９号公報

しかしながら、特許文献１に記載のプレス成形方法では、第１成形工程において、製品形状よりも線長を長くして成形する。このため、特許文献１に記載のプレス成形方法は、長手方向に湾曲したハット形断面部品にプレス成形するときの圧縮応力が発生するフランジ領域には適用できず、スプリングバックを抑制することは出来ない。
また特許文献２に記載のプレス成形方法では、第１成形工程と第２成形工程の幅が異なる。このため、第２成形工程において第１成形工程で成形された際のパンチ肩の曲げ癖が残り、開き量に悪影響を与える可能性がある。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、長手方向に沿って湾曲した天板部およびフランジ部と、フランジ部の長手方向端部に縦壁部とを有する部品に対し、形状凍結性に優れたプレス成形品を製造可能な製造方法を提供することを目的とする。

課題を解決するために、本発明の一態様によれば、天板部とフランジ部とが側壁部を介して幅方向で連続していると共に、上記天板部及び上記フランジ部が長手方向に沿って上記天板部側に凸となるように湾曲し、上記天板部の長手方向端部に上記天板部よりも幅方向の寸法が大きい張出部が連続し、更に上記フランジ部の長手方向端部に連続して上記天板部側に立ち上がって上端が上記張出部に連続する縦壁部を有する製品形状に、金属板をプレス成形して製造する際に、上記フランジ部の長手方向端部と上記縦壁部との連続部分の線長を上記製品形状での線長よりも短くした形状に予備成形する第１の工程と、上記第１の工程の後に、目的とする上記製品形状にプレス成形する第２の工程を有することを特徴とする。

本発明の一態様によれば、第１の工程でフランジ部の長手方向端部と縦壁部との連続部分の線長を短くした部品形状に予備成形を行うことで、長手方向に沿って湾曲したハット形断面部品のスプリングバックを低減することができることから、目標とする部品形状に近い高精度なハット形断面で且つ長手方向に湾曲を有する形状の製品形状からなるプレス成形品を得ることができることから、本発明の方法は形状凍結性に優れている。
この結果、本発明の一態様によれば、寸法精度の高い部品が得られ、歩留まりの向上に繋がる。さらに、ハット形断面形状の部品を用いて車体構造部品とする際に、部品の組立てを容易に行うことが可能となる。

ハット形断面部品におけるスプリングバックを説明する概略図である。 本発明に基づく実施形態に係る製品形状を示す模式図であり、（ａ）が斜視図で、（ｂ）が側面図である。 本発明に基づく実施形態に係るプレス成形品の製造方法の工程を示す図である。 連続部分を説明するための、フランジ部と縦壁部との関係を示す側方からみたときの概念図であり、（ａ）が全体図、（ｂ）がその全体図のうち、連続部分を拡大した図である。 第１の工程後の状態を解析した応力分布を示す図である。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
天板部１の幅方向両側が側壁部３を介してフランジ部２に連続しているハット形断面部品であって、長手方向に沿って天板部１側が凸となるように湾曲したハット形断面部品に、ブランク材からなる金属板をプレス成形すると、図１（ａ）に示すように、湾曲部分の天板部１において引張残留応力が発生すると共に、フランジ部２において圧縮残留応力が発生する。そして、プレス金型から部品を外して、これらの応力が開放されることによって、図１（ｂ）に示すようなスプリングバックが発生する。このとき、金属板の材料強度の増加に伴い、この残留応力が増加して、スプリングバック量が大きくなる傾向がある。すなわち、５９０ＭＰａ以上のハイテン材を金属板として採用するとスプリングバックが大きくなる。

本実施形態に係るプレス成形品の製造方法では、平板状の金属板に対し予備成形（第１の工程）を施した後に、本成形のプレス成形（第２の工程）を行うことで、プレス成形による形状凍結性を向上させる。
ここで、本実施形態が目的とするプレス成形により製造する製品形状は、図２に示すように、本体部４と、その本体部４の長手方向端部に形成された張出部５とを有する。
本体部４は、天板部１とフランジ部２とが側壁部３を介して幅方向で連続してハット形断面の部品となっていると共に、天板部１及びフランジ部２が長手方向に沿って天板部１側に凸となるように湾曲した形状となっている。

また、張出部５は、天板部１の長手方向両端部に連続して形成される。各張出部５の幅は、天板部１の幅よりも幅方向の寸法が大きいことから、上面視において製品形状の長手方向端部側の天板面が、Ｌ字形状若しくはＴ字形状となっている。図２では、Ｔ字形状の場合を例示している。更にフランジ部２の長手方向端部に縦壁部６の下端部が連続している。該縦壁部６は、天板部１側に立ち上がり、その上端が上記張出部５に連続する。上記形状によって、縦壁部６に対し、湾曲部分を有する本体部４が垂直方向側に延在する。すなわち、本体部４の長手方向に対向するように縦壁部６が立ち上がった形状となっている。長手方向片側のみに縦壁部６が存在する形状であっても良い。
なお、Ｌ字形状の場合には、幅方向の片側にだけ縦壁部６が存在するか、若しくは一方の縦壁部６は張出部５に接続していない構造となっている。

そして、本実施形態のプレス成形品の製造方法は、金属板を上記の製品形状に成形するための加工として、図３に示すように、予備成形（第１の工程）と、本成形（第２の工程）とを有する。プレス成形品の製造のためのプレス工程を２段階の多工程とすることで、製品のスプリングバック抑制などの寸法精度を向上させることができる。
ここで、フランジ外周をトリムするトリム加工（不図示）を有する。トリム加工は、第１の工程の前に実施しても良いし、第１の工程と第２の工程の間で実施しても良いし、第２の工程の後に実施しても良い。本実施形態では、トリム加工を第１の工程でのプレス加工の後に実施する場合で説明する。この場合、中間部品は、フランジ外周のトリム加工が行われた状態の部品となる。

第１の工程は、フランジ部２の長手方向端部と縦壁部６との連続部分の線長を製品形状での線長よりも短くした以外は、目的とする製品形状と同様な部品形状に予備成形する工程である。
ここで、図２のように、フランジ部２の長手方向端部が左右両側にある場合には、両端部にそれぞれ上記線長を短くする予備成形を適用しても良いが、本体部４の湾曲によるひずみの影響が大きい側の長手方向端部側だけ線長を短くなるように、予備成形を実施しても良い。

図４は、側面視でのフランジ部２、縦壁部６、及び張出部５のプロフィールを模式的に示した図である。連続部分とは、フランジ部２と縦壁部６の接続部Ｓ及びその前後の位置を表し、連続部分には、接続部Ｓに連続するフランジ部２の長手方向端部の一部が少なくとも含まれる。
図４（ｂ）において、第１の工程での成形後の連続部分をＬ２で示し、対応する位置の第２の工程での成形後の連続部分をＬ１で示している。この例では、予備成形時に、接続部Ｓでのアール（曲率半径）を大きくすることで連続部分の線長を短く設定した場合の例である。なお、図４（ｂ）において、一点鎖線は、第２の工程後の形状を示し、図４（ｂ）では、Ｌ１，Ｌ２で連続部分の位置と長さ（線長）を示している。

第１の工程での予備成形は、例えばドロー成形やフォーム成形によって実施すればよい。
また本実施形態では、第１の工程での上記プレス成形後に、フランジ外周のトリム加工を施す。トリム加工には、せん断加工やレーザ切断加工などの公知の加工方法を採用すれば良い。
第２の工程は、第１の工程で予備成形された部品形状を目的の製品形状にプレス成形する本成形の工程である。第２の工程における製品形状への成形は、例えば公知の加工方法であるリストライク加工を採用すれば良い。

以上のプレス成形品の製造方法においては、スプリングバックを低減するために、第１の工程で、フランジ部２の長手方向端部と当該フランジ部２の端部に交わる縦壁部６を繋ぐ連続部分の線長を、製品での線長よりも短く成形し、第２の工程で、第１の工程で得られた部品形状を製品形状に成形して目的のプレス成形品に製造する。これにより、第２の工程でフランジ部２に対し張力が加わることで、フランジ部２の圧縮応力が低減する。この結果、本実施形態では、製品形状の凍結性が向上して、プレス成形後のスプリングバックを抑制することが可能となる。

本実施形態のプレス成形品の製造方法は、金属板として５９０ＭＰａ以上のハイテン材を対象とした場合に好適であるが、金属板は、鋼板やアルミニウム板などを用いてもよい。
予備成形（第１の工程）において製品形状に対して連続部分の線長を短くすれば、スプリングバック抑制の効果はあるが、その短くする線長は例えば、次のようにして求めれば良い。
金属板をプレスで製品形状とするシミュレーション解析（応力解析などのＣＡＥ解析）をコンピュータで行うことで、フランジ部２の湾曲部分に発生する長手方向圧縮応力領域での上記長手方向の線長Ｌｏと長手方向平均ひずみ量εｏとを求める。

図５に金属板を目的の製品形状にプレス成形した際における下死点での、フランジ部２に発生する長手方向圧縮応力分布の模式図を示す。図５中、ハッチング位置が所定以上の圧縮応力が発生している領域である。そして、長手方向圧縮応力領域は、湾曲の頂点を含んだ圧縮応力領域で、圧縮応力が発生している長手方向の領域である。
そして、連続部分における、製品形状での線長をＬ１、上記予備成形後の線長をＬ２と定義した場合、最低限短く成形した方が好ましい線長短縮分ΔＬはΔＬ＝Ｌｏ×εｏで表される。したがって例えば、下記（１）式を満足するように、予備成形において線長を短くする量を設定する。
Ｌ１−Ｌ２ ≧ Ｌｏ×εｏ ・・・・（１）

好ましくは、下記（２）式を満足するように線長を短くすることが好ましい。
（Ｌｏ×εｏ） ≦ Ｌ１−Ｌ２ ≦ ３×（Ｌｏ×εｏ）・・・・（２）
ここで、ΔＬ（＝Ｌ１−Ｌ２）がΔＬｏよりも小さい場合、第２の工程において、フランジ部２に十分な張力が加わらないために圧縮応力が低減せず、スプリングバックが十分抑制されないおそれがある。
一方、ΔＬが３×ΔＬｏよりも大きい場合、第２の工程において、フランジ部２に発生する張力が過大になり、割れが発生する可能性がある。
ここで、割れを考慮すると、（Ｌｏ×εｏ） ≦ Ｌ１−Ｌ２ ≦ ３×（Ｌｏ×εｏ）の範囲が好ましい。

以上のように、本実施形態のプレス成形品の製造方法によれば、フランジ部２の長手方向端部と縦壁部６との連続部分の線長を短くした部品形状に予備成形を行うことで、長手方向に湾曲したハット形断面部品のスプリングバックを低減することができる。このため、目標とする部品形状に近い高精度なハット形断面で且つ長手方向に湾曲を有する形状の製品形状からなるプレス部品を得ることができるので、本実施形態の製造方法は形状凍結性に優れている。
この結果、本実施形態によれば、寸法精度の高い部品が得られ、歩留まりの向上に繋がる。さらに、本実施形態によれば、ハット形断面形状の部品を用いて車体構造部品とする際に、部品の組立てを容易に行うことが可能となる。

本発明に係るプレス成形方法を用いたプレス成形品の製造方法によるスプリングバック抑制効果を確認するため、有限要素法（ＦＥＭ）によるプレス成形解析およびスプリングバック解析を行った。
その結果について以下に説明する。
本実施例では図２に示す長手方向に沿って湾曲したハット形断面部品を目的とする製品形状として、プレス成形する場合を対象とした。
なお、プレス成形に使用する金属板は板厚ｔ＝１．４ｍｍであって、引張強度が５９０ＭＰａ級〜１４７０ＭＰａ級の鋼板とした。

本実施例では、第１の工程で使用する金型のダイにおける連続部分を成形するアール形状を、第２の工程で使用する金型のダイにおける連続部分を成形するアール形状よりも曲率半径が大きくなるように設定することで、第１の工程での線長短縮分ΔＬ（＝Ｌ１−Ｌ２）を、ΔＬｏ若しくは３・ΔＬｏのいずれかに変更した。
従来法では、第１の工程を行うこと無く、第２の工程だけで金属板を製品形状にプレス成形するという条件とした。
表１にプレス成形条件および評価結果をまとめて示す。

表１から分かるように、従来法であるＮｏ．１〜４では、予備成形を行うことなく、つまり線長を変更せずにプレス成形およびスプリングバックの解析を実施した場合、製品形状との最大乖離量は１４７０ＭＰａ材で１０．７ｍｍ発生した。
一方、本発明の例であるＮｏ．５〜８では、第１の工程で連続部分の線長短縮分（Ｌ１−Ｌ２）をΔＬｏとして変更して、プレス成形およびスプリングバックの解析を実施した場合、最大スプリングバック量は１４７０ＭＰａ材で７．３ｍｍに低減した。
更に、本発明の例であるＮｏ．９〜１２では、第１の工程での線長短縮分（Ｌ１−Ｌ２）を３・ΔＬｏとして変更して、プレス成形およびスプリングバックの解析を実施した場合、最大スプリングバック量は１４７０ＭＰａ材で４．１ｍｍに低減した。

以上から分かるように、本発明に基づく予備成形を採用することで、スプリングバックが大幅に低減していることが分かる。
以上、本願が優先権を主張する、日本国特許出願２０１６−０２７１１６（２０１６年２月１６日出願）の全内容は、参照により本開示の一部をなす。
ここでは、限られた数の実施形態を参照しながら説明したが、権利範囲はそれらに限定されるものではなく、上記の開示に基づく各実施形態の改変は当業者にとって自明なことである。

１ 天板部
２ フランジ部
３ 側壁部
４ 本体部
５ 張出部
６ 縦壁部
Ｌ１、Ｌ２ 連続部分の線長

Claims (5)

1. 天板部とフランジ部とが側壁部を介して幅方向で連続していると共に、上記天板部及び上記フランジ部が長手方向に沿って上記天板部側に凸となるように湾曲し、上記天板部の長手方向端部に上記天板部よりも幅方向の寸法が大きい張出部が連続し、更に上記フランジ部の長手方向端部に連続して上記天板部側に立ち上がって上端が上記張出部に連続する縦壁部を有する製品形状に、金属板をプレス成形して製造する際に、
   上記フランジ部の長手方向端部と上記縦壁部との連続部分の線長を上記製品形状での線長よりも短くした形状に予備成形する第１の工程と、
   上記第１の工程の後に、目的とする上記製品形状にプレス成形する第２の工程を有することを特徴とするプレス成形品の製造方法。
2. 上記金属板をプレスで上記製品形状とするシミュレーション解析をコンピュータで行うことで、上記フランジ部に発生する長手方向圧縮応力領域での上記長手方向の線長Ｌｏと長手方向平均ひずみ量εｏとを求め、
   上記連続部分の、上記製品形状での線長をＬ１、上記予備成形後の線長をＬ２と定義した場合、
   上記第１の工程で、下記（１）式を満足するように線長を短くすることを特徴とする請求項１に記載したプレス成形品の製造方法。
   Ｌ１−Ｌ２ ≧ Ｌｏ×εｏ ・・・・（１）
3. 上記第１の工程で、下記（２）式を満足するように線長を短くすることを特徴とする請求項２に記載したプレス成形品の製造方法。
   （Ｌｏ×εｏ） ≦ Ｌ１−Ｌ２ ≦ ３×（Ｌｏ×εｏ）・・・・（２）
4. 上記第１の工程での予備成形をドロー成形またはフォーム成形で行い、その後の上記第２の工程での製品形状へのプレス成形をリストライクによる加工で行うことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載したプレス成形品の製造方法。
5. 上記金属板の材料強度が５９０ＭＰａ以上の鋼板であ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品の製造方法。

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