JP6569837B1 - 板材のプレス成形方法 - Google Patents

Abstract

天板部に、閉塞突出形状の突起部を有する成形部材をプレス成形するに際し、予備成形後、目標形状に成形するものとし、その際、予備成形における成形形状を、プレス成形解析により、以下に述べるＳ1、Ｓ2の手順で求めることにより、高強度鋼板を、破断やしわの発生なしに目標形状に成形することができる板材のプレス成形方法を提供する。Ｓ1：目標形状の突起部領域を有限要素解析用の平面要素と節点に離散化するＳ2：離散化した部位に対し、その内側から平面要素の法線方向に内力を加え、次の条件ａ、ｂのもとで変形させる（ａ）構成する平面要素の変形は弾性変形範囲内（ｂ）隣り合う平面要素同士の角度は変化自由

Description

本発明は、金属素板から自動車部品等の部材をプレス成形によって作製する場合に、材料の破断を防ぎつつ、目標の形状を安定して得ることができる板材のプレス成形方法に関するものである。

近年、環境問題に起因した自動車車体の軽量化のため、自動車部品として高強度鋼板が多用されつつある。
また、自動車部品の作製には、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。

しかし、高強度鋼板は、低強度な鋼板と比較すると、延性が低く破断を生じやすいため、目標形状の部材をプレス成形によって得ることは必ずしも容易ではない。
また、車体軽量化を目的とした使用鋼板の高強度化は、鋼板の薄肉化と同義であるが、板厚の薄い鋼板ほどプレスしわが生じやすいところにも問題を残していた。
したがって、破断やプレスしわを抑制するためのプレス成形工法の開発が強く要求されている。

特許文献１および特許文献２には、破断およびプレスしわが発生しない中間成形体を作製し、その後の工程でプレス成形を行うことで、最終的に破断およびプレスしわが発生しない製品を得るための手法が開示されている。

国際公開第2017-006793号公報 特許第5867657号公報

プレス成形時における破断を抑制する手法としては、予備成形工程として形状を緩和した中間成形体を作製し、その後にリストライク成形を行って、目標とする形状とする手法が有効と考えられる。

前掲した特許文献１および特許文献２はいずれも、破断を抑制するための中間成形体を作製し、その後にリストライクを行う工法を提案したものである。

しかし、特許文献１は、後工程にて大規模な素材の流入と回転を利用するものであるため、周囲が解放されていて、材料の移動が容易なフランジ部の破断危険部のみにしか適用することができない。

また、特許文献２は、製品内部の成形不良を抑止するために中間成形体の設計指針を示すものであるが、最終形状を格子状に区切るか、図心から放射状に設定した断面内における形状変更の議論に止まっている。実際のリストライク成形時の材料挙動は、必ずしも格子状に区切った方向や図心から放射状に変形するものではなく、任意の方向に三次元的であるため、それを考慮せずに中間成形体を設計した場合には、材料の流入をコントロールすることができない。また、その実施に際しては多大の労力と時間を要するという問題もあった。

本発明は、上記の課題を有利に解決するもので、三次元的変形を考慮した上で、プレス成形を２工程に分け、最初の工程で目標形状と表面積がほぼ同一でかつ成形が簡易な形状に予備成形し、その後に破断なしに目標形状に成形することからなる板材のプレス成形方法を提案することを目的とする。

すなわち、本発明の要旨構成は以下の通りである。
１．天板部と縦壁部およびフランジからなる断面ハット形であって、該天板部に、閉塞突出形状の突起部を有する成形部材を、金属素板からプレス成形するに際し、
まず、プレス成形解析により、上記突起部領域の天板部について、下記に述べるＳ1、Ｓ2の手順で、目標とする形状と表面積の弾性変形内の変化を許容しかつ成形が簡易な予備成形形状を求め、
ついで、金属素板を、求めた上記予備成形形状にプレス成形し、しかる後、該当箇所を目標とする最終形状にフォーム成形する、
板材のプレス成形方法
記
Ｓ1：目標形状の突起部領域を有限要素解析用の平面要素と節点に離散化する
Ｓ2：離散化した部位に対し、その内側から平面要素の法線方向に内力を加え、次の条件ａ、ｂのもとで変形させる
（ａ）構成する平面要素の変形は弾性変形範囲内
（ｂ）隣り合う平面要素同士の角度は変化自由

本発明によれば、天板部と縦壁部およびフランジからなる断面ハット形で、かつ天板部に、周囲が閉じた突出形状の突起部を有する成形部材を、金属素板から成形するに際し、有限要素解析を用いて最適な中間成形体を自動的に設計することができるようになり、その結果、割れやプレスしわを生じることのない金属素板からのプレス成形が可能となった。

天板部に、閉塞突出形状の突起部を有する成形部材を示す図である。 本発明の考え方を示す概略図であり、目標とする突出部の形状の一例である。 上記突出部を平面要素と節点に離散化した状態を示す図である。 上記突出部の予備形状を示す図である。 突起部周辺を離散化した状態を示す図である。 図３Ａの要部拡大図である。 離散化した部位に内圧を付与した後の中間成形体の形状を示す図である。 離散化した部位の目標形状を示す図である。 第一工程が浅絞り成形、第二工程がパッドつき曲げ成形からなる比較法を示す図である。 図５Ａにおけるパッド押さえ位置を示す図である。 従来法１にて成形した際の板厚減少率を示す図である。 比較法１にて浅絞り成形（第一工程）した際の板厚減少率を示す図である。 比較法１にてパッドつき曲げ成形（第二工程）した際の板厚減少率を示す図である。 本発明法１に従って中間成形体形状に成形した際の板厚減少率を示す図である。 本発明法１に従って目標形状に成形した際の板厚減少率を示す図である 実施例２で対象とする部品形状を示す図である。 実施例２の対象部品を従来法２にて成形した際の板厚減少率を示す図である。 実施例２の対象部品を比較法２にて浅絞り成形（第一工程）した際の板厚減少率を示す図である。 実施例２の対象部品を比較法２にてパッドつき曲げ成形（第二工程）した際の板厚減少率を示す図である。 実施例２の対象部品の破断危険部付近を離散化した状態を示す図である。 図１５Ａの要部拡大図である。 離散化した部位に内圧を付与した後の中間成形体の形状を示す図である。 離散化した部位の目標形状を示す図である。 本発明法２に従って中間成形体形状に成形した際の板厚減少率を示す図である。 本発明法２に従って目標形状に成形した際の板厚減少率を示す図である。

以下、本発明を具体的に説明する。
例えば、図１に示すような、天板部11と縦壁部12およびフランジ13からなる断面ハット形の成形部材であって、かつ天板部11に、周囲が閉じた突出形状すなわち閉塞突出形状の突起部14を有するような形状になる成形部材10について、プレス成形金型を用いて１回の工程で成形しようとしても、目標形状が複雑かつ使用材料の延性が低い場合には、上記突起部付近で破断を生じ、目標とする形状の製品を得ることができない。

この問題を解決するために、プレス成形工程を複数に分割する手法が採られることがある。すなわち、予備成形工程にて緩慢な形状にプレス成形し、後の工程で目標形状にすべく再度プレス成形（リストライク）を行う方法である。このとき、予備成形工程で作製する成形体（以下、予備成形体または中間成形体と呼ぶ）の形状の設計は、従来は、設計者の経験やノウハウによって行われていた。

最近では、破断領域を含む格子状または図心から放射状の製品断面をとり、その断面線長を適切な範囲内としながら変形させることで、リストライク工程における材料の伸び縮みが抑制され、破断やしわのない製品を得ることができる、という考え方に基づいた設計が行われるようになってきている（例えば特許文献２）。
しかし、リストライクが行われた際の材料の変形は、格子状または図心から放射状の断面内に沿って行われることは稀であり、通常は任意の方向に三次元的な材料の移動がほぼ全ての領域にわたって発生する。したがって、特許文献２に記載される断面線長を合わせるという考え方のみでは、リストライク時に破断やしわの不具合を生じる場合が多く、試行錯誤を繰り返して中間成形体の形状を決定しなければならず、最悪の場合は適した中間成形体の形状が求まらないこともあった。

そこで、本発明者らは、断面線長を用いた考え方では対応できない三次元的な材料の変形に対応するため、プレス成形解析として三次元有限要素法を利用することにより最適な中間成形体を求めることを考えた。
以下、本発明の考え方を、図２Ａ〜図２Ｃに基づいて説明する。

図２Ａに、目標とする突出部の形状の一例を示す。図２Ａ〜図２Ｃでは、分りやすくするため二次元断面で示しているが、実際は三次元的な形状を考慮する必要がある。
ついで、この目標形状とするための突出部領域１〜８を、図２Ｂに示すように平面要素と節点に離散化する（メッシュを作成する）。なお、図中、番号１〜８で示した各節点間の距離はできるだけ等しくなるようにするのが好ましい。

ついで、有限要素法（Finite Element Method）を用いて、次工程で最終成形が簡便となるような緩慢な予備形状を求める（図２Ｃ）。このとき各節点で接続された各辺は、折れ曲がりが自由であり、また求めた緩慢な予備形状と目標形状とは表面積がほぼ同一となるようにするのが好ましい。

すなわち、離散化した部位に対し、その内側から平面要素（シェル要素ともいう）の法線方向に内力を加えて、予備形状を決定するが、その際重要なのが、（ａ）構成する平面要素の変形は弾性変形範囲内とすることと、（ｂ）隣り合う平面要素同士の角度は変化自由とすることである。
かくして、図２Ｃに示すような、緩慢な形状の予備形状が決定される。

次に、実際のプレス成形においては、上記のようにして求めた予備形状（図２Ｃ）の金型を作製し、ブランクを予備形状に成形したのち、リストライクにより目標形状（図２Ａ）に成形するのである。

次に、上記の方法を利用した具体的な手順について説明する。
まず、図１に示した目標形状のなかで破断やしわが問題となる部位を含む、天板部11および縦壁部12との接続稜線部を、平面要素と節点に離散化し、近接する節点を線分で結び、線分で囲まれた領域を平面要素とする（メッシュを作成する）。この模式図を図３Ａに示す。なお、図３Ｂは、要部拡大図である。
この時、離散化された各節点の間隔は特に制限されないが、板厚の50％〜300％程度とするのが好ましい。

次に、離散化した部位を構成する平面に、部位の内側から平面要素の法線方向に内圧を付与して変形させる有限要素解析を実施する。このとき、構成する各平面要素の変形は弾性変形範囲内とし、また隣り合う平面要素同士の角度は変化自由の条件で行う。
以上により、目標形状よりも形状が緩慢なため成形が容易で、かつ目標形状とほぼ同じ表面積を持つ中間成形体の形状を、容易に求めることができる。得られる中間成形体の形状の例を図４Ａに示す。図４Ａは、内圧を付与した後の中間成形体の形状（予備形状）、図４Ｂは、目標形状である。

このようして得られた中間成形体は、目標形状よりも形状が緩慢で局所的な変形や応力集中を回避できるため、破断やしわは発生しない。また、続いて中間成形体から目標形状へとフォーム成形すると、このフォーム成形では各平面要素と節点に曲げ変形が施されるのみなので平面要素が変形しにくい。したがって、破断やしわの発生しない中間成形体が得られ、その中間成形体から目標形状へのプレス成形時には新たな伸び縮みは発生せず、そのため、最終的に破断やしわの発生なしに目標とする形状を得ることができる。

（実施例１）
図１に示した形状の部材を、プレス成形により作製する。材料は1180MPa級、板厚1.2mmの鋼板とする。
従来法としては、ドロー成形の１工程のみとした（従来法１）。
また、比較法としては、図５Ａに示すように、第一工程を浅絞りドロー成形、第二工程をパッドつきフォーム成形とした（比較法１）。ここで、図５Ａは成形形状、図５Ｂはパッド押さえ位置を示す。
本発明法としては、第一工程をドロー成形、第二工程をフォーム成形とした（本発明法１）。

まず、従来法１にて成形した結果を図６示す。同図に示すように、従来法１では、局所的に大きな板厚減少が生じ、この部位から破断を生じる。

また、比較法１にて、中間成形体に浅絞りドロー成形した結果を図７に、さらに目標形状にパッドつきフォーム成形した結果を図８に示す。この比較法１に従った場合には、第一工程の浅絞りドロー成形時、第二工程のパッドつきフォーム成形時ともに局所的な板厚減少が生じており、この部位からの破断が懸念される。

次に、本発明法１の実施に当たり、中間成形体を有限要素法によりプレス成形解析した。図３Ａ、Ｂに示したように縦壁の一部と天板面を平面要素と節点に離散化した。離散化に際して節点の間隔は板厚と同等の約1.2mmとした。次に、有限要素解析を用いて各平面要素の法線方向に内圧を与えた。その結果を図４Ａに示す。これを中間成形体の形状とし、金型を作製してドロー成形した結果を図９に示す。図６とは勿論のこと、図７や図８と比較しても板厚減少が緩和され、破断が回避されていることが分かる。
さらに、第二工程として、目標形状を有する金型でフォーム成形を行った結果を図10に示す。第二工程においても顕著な板厚減少が発生してなく、破断に至らず、本発明が有効であることが確認された。

（実施例２）
図11に示す形状の部材を、プレス成形により作製する。材料は1180MPa級、板厚1.2mmの鋼板とする。
実施例１と同様に、従来法としては、ドロー工程の１工程のみとした（従来法２）。
比較法としては、第一工程を浅絞りドロー成形、第二工程をパッドつきフォーム成形とした（比較法２）。
本発明法としては、第一工程をドロー成形、第二工程をフォーム成形とした（本発明法２）。

まず、従来法２にて成形した結果を図12示す。
同図に示したように、従来法２では、局所的に大きな板厚減少が生じ、この部位から破断を生じる。

また、比較法２にて浅絞りドロー成形した結果を図13に、さらにパッドつきフォーム成形した結果を図14に示す。この比較法２に従った場合には、第一工程の浅絞りドロー成形時、第二工程のパッドつきフォーム成形時ともに、局所的な板厚減少が生じており、やはりこの部位からの破断が生じやすい。

次に、本発明法２の実施に当たり、中間成形体を有限要素法によりプレス成形解析した。図15Ａ、Ｂに示すように、縦壁の一部と天板面を平面要素と節点に離散化した。離散化に際して節点の間隔は板厚と同等の約1.2mmとした。次に、有限要素解析を用いて各平面要素の法線方向に内圧を与えた結果を図16Ａに示す（なお、図16Ｂは、目標形状である）。これを中間成形体の形状とし、ドロー成形金型により成形した結果を図17に示す。図12とは勿論のこと、図13や図14と比較しても板厚減少が緩和され、破断が回避されていることが分かる。
さらに、第二工程として目標形状を有する金型でフォーム成形を行った結果を図18に示す。第二工程においても顕著な板厚減少が発生しておらず、破断に至らず、本発明が有効であることが確認された。

１〜８ 突出部領域の各節点
10 成形部材
11 天板部
12 縦壁部
13 フランジ
14 突起部

Claims (1)

1. 天板部と縦壁部およびフランジからなる断面ハット形であって、該天板部に、閉塞突出形状の突起部を有する成形部材を、金属素板からプレス成形するに際し、
   まず、プレス成形解析により、上記突起部領域の天板部について、下記に述べるＳ1、Ｓ2の手順で、目標とする形状と表面積がほぼ同一でかつ成形が簡易な予備成形形状を求め、
   ついで、金属素板を、求めた上記予備成形形状にプレス成形し、しかる後、該当箇所を目標とする最終形状にフォーム成形する、
   板材のプレス成形方法。
   記
   Ｓ1：目標形状の突起部領域を有限要素解析用の平面要素と節点に離散化する
   Ｓ2：離散化した部位に対し、その内側から平面要素の法線方向に内力を加え、次の条件ａ、ｂのもとで変形させる
   （ａ）構成する平面要素の変形は弾性変形範囲内
   （ｂ）隣り合う平面要素同士の角度は変化自由

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