JP6624292B2 - プレス品製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、板材を二段階以上のプレス成形の工程によって最終部品形状に成形するプレス品製造方法に関する。板材は、鋼板やアルミ板その他の金属板が好適であるが、非金属材料からなる板材であっても良い。

プレス成形による部品製造において、成形品の歩留り向上、および成形性の向上は重要な課題である。一般に、歩留りを向上させるためには、プレス成形する際に材料が型内に流入する量を出来るだけ小さくし、張り出し成形に近い成形条件とすることが望ましい。
しかし、型内への材料の流入が小さすぎると、成形時に型内の材料が足りなくなることによって、成形領域で板厚が過度に薄くなり、割れが生じるといった不具合が生じる。一方、割れを回避するために絞り主体の成形とすると、歩留りの低下を招くおそれがある。

そのような不具合に対処するため、過去様々な取り組みが行われてきた。一般に、プレス成形を行う際には、多段階の成形工程で成形を行うことにより成形性が向上することが知られている。これは、一度に最終形状まで成形を行う場合と比較して、多段階で成形を行った場合の方が、ひずみが一箇所に集中せず全体に分散するためである。
例えば、特許文献１では最終形状の断面線長の情報を基に予成形形状を設計する方法が開示されている。
ここで、最終部品にエンボスからなる凹凸パターンを付与することで、板の剛性を高める技術として、特許文献２や特許文献３に記載のような技術が公開されているが、本発明とは技術思想を異にするものである。

特許第５８６７６５７号公報 特開２００２−６０８７８号公報 特開２０１２−４５６２２号公報

しかし、特許文献１に記載の技術では、成形性の向上効果は得られるが、ＣＡＥ解析を使用した予成形形状の設計に時間が掛かる。
本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、より簡易に成形性を向上することが可能なプレス品製造方法を提供することを目的としている。

発明者らは、歩留り向上と成形性向上との双方の需要を同時に解決するため、効果的に予成形を行うための調査研究を行い、予成形段階で、凹凸からなる単位形状が繰り返し配置された凹凸パターンに予成形しておき、凹凸パターンの凹凸が無くなる方向へプレスしながら本成形を行えば、付与した凹凸パターンに従い、凹凸パターンを付与した領域の材料が折り紙を開くように広がる結果、材料の広範囲において均一にひずみが導入されて、成形性が向上するという、知見を得た。

そして課題を解決するために、本発明の一態様は、板材をプレス成形で最終部品形状に成形するプレス品製造方法であって、上記板材を予成形形状に予成形して中間部品を製造する予成形工程と、上記中間部品を上記最終部品形状にプレス成形する本成形工程とを有し、上記予成形工程は、上記本成形工程による成形領域のうちの少なくとも一部の領域を予成形領域とし、上記予成形領域を、板面に沿った一方向若しくは二方向以上に向けて、板厚方向に変形した湾曲形状からなる１種若しくは２種以上の単位形状を繰り返し配置した凹凸パターンに予成形し、上記本成形工程は、上記凹凸パターンの凹凸が小さくなる方向に変形しつつ上記最終部品形状に成形することを特徴とする。

本発明の態様によれば、プレス成形を行う際に、単位形状の繰り返しからなるという簡便な予成形形状に予成形するだけで、本成形での成形性が向上し且つ高い歩留りを達成することが可能となる。

本発明に基づく実施形態に係る成形工程を示す図である。 変形例における最終部品形状の例を示す図である。 変形例における予成形領域の例を示す図である。 実施例における最終部品形状を示す図である。 実施例における予成形領域を示す図である。 実施例における単位形状を示す図である。 実施例における凹凸パターンの例を示す図である。 実施例での予成形工程を説明する図である。 実施例での本成形工程を説明する図である。

張り出し成形を行う場合に、一回で板材を最終部品形状に成形を行うとパンチ底では摩擦抵抗によりほとんど材料はひずまないが、パンチ肩部やダイ肩部では材料が過度に薄くなり、割れが生じる可能性が高くなる。そのため、予成形段階で最終部品形状におけるパンチ底部にひずみを導入しておくことにより、擬似的に最終成形段階での成形性を向上させることができる。ひずみは全体に均一に入れることが望ましいため、予成形は、本成形でひずみが均一になりやすいように予成形を行うことが望ましい。

本発明に基づく実施形態の成形方法では、予成形時に材料の少なくとも一部の領域に凹凸パターンからなる予成形形状を付与してひずみを導入し、その後の本成形工程でその凹凸を折り紙が広がるように伸ばすことにより、過大な板厚減少を抑えて成形性を向上させることができる。また、本発明に基づく実施形態の成形方法では、ひずみが全体に均一に入る領域を簡易に設定することも可能である。

凹凸パターンは、本成形での成形領域全体に同じ単位形状での凹凸パターンを設定することで、ひずみを全体に均一に導入させることが出来る。よりひずみを均一に導入したい場合には、ひずみ難い領域ほど高低差が大きな単位形状を適用すればよい。例えば、上記の張り出し成形に採用する場合、パンチ底でのひずみが小さいことを考慮して、パンチ底に当接する領域だけに凹凸パターンを予成形したり、成形領域全体に凹凸パターンを形成する際に、パンチ底に当接する領域に形成する凹凸パターンの高低差を相対的に大きく設定したりする。このように、本実施形態では、簡易に広範囲でひずみが均一に制御することができる。

次に、本発明に基づく実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態では、板材がスチールその他の鋼材若しくはアルミ板の場合を想定して説明する。
＜構成＞
本実施形態のプレス品製造方法は、板材を少なくとも２段階（２工程）のプレス成形で最終部品形状に成形するプレス品製造方法である。具体的には、本実施形態のプレス品製造方法は、図１に示すように、予成形工程１Ａと本成形工程１Ｂとを有する。予成形工程１Ａの前に予備的なプレス成形の工程を行っても良い。この場合には、予備的なプレス成形後の材料が、予成形工程１Ａの対象となる板材である。板材は例えば２ｍｍ厚以下の板材である。
予成形工程１Ａは、板材を予成形形状に予成形して中間部品を製造する工程である。本成形工程１Ｂは、中間部品を最終部品形状にプレス成形する本成形の工程である。最終部品形状の部品を更にプレス成形する他の工程を有していても良い。

＜予成形工程＞
予成形工程１Ａは、本成形工程１Ｂによるプレス成形で加工される成形領域のうちの少なくとも一部の領域を予成形領域とし、その予成形領域に対し、板面に沿った一方向若しくは二方向以上に向けて、板厚方向に変形した湾曲形状からなる１種若しくは２種以上の単位形状を複数回繰り返し配置することで形成される凹凸パターンの形状にプレス成形する。予成形領域は、本成形工程１Ｂでの成形領域のうち、ひずみを導入したい領域に設定すればよい。また、予成形領域を二箇所以上設けて、それぞれに個別の凹凸パターンを形成するようにしてもよい。
この予成形工程は、板材からブランクを切り抜く際に実行しても良い。例えば、板を抑える抑え具の面に凹凸パターンを形成しておいて転写するようにしても良い。

ここで、凹凸パターンは、予成形領域において、予成形形状での表面積が最終部品形状での表面積以下、特に最終部品形状での表面積よりも小さくなるように設定することが好ましい。この場合、予成形領域において、最終部品形状での表面積よりも凹凸パターンを付与した部位の表面積が等しいか小さいことから、本成形時に金型内で少なく予成形領域では材料が余らず、予成形時に付与された凹凸パターンの凹凸が、折り紙が広がるように伸ばされて、最終部品形状になる。

一方、凹凸パターンが、予成形領域において、予成形形状での表面積が最終部品形状での表面積よりも大きくなるように設定した場合には、本成形工程１Ｂによる最終成形後に、予成形時で付与した凹凸形状が若干残留する。この場合、予成形形状での表面積が最終部品形状での表面積よりも小さくなるように設定した場合に比して、最終部品形状の形状精度が劣るものの、凹凸形状によって剛性、放熱性の向上等の効果を見込むことができる。
予成形領域において、予成形形状での表面積をＡ０とし最終部品形状での表面積をＡ１とした場合、下記式を満足することが好ましい。この条件にすれば、同一断面において、最終部品形状の断面線長と予成形形状の断面線長が同一に近づくように設定される。
｜Ａ１ −Ａ０｜ ≦ ０．１×Ａ１

また単位形状の湾曲形状は、板厚方向の高低差の差が３［ｍｍ］以上となるように設定することが好ましい。板厚方向の高低差の上限は、他の要素の規定から自ずと制限される。
また単位形状は、プレス方向の投影面積が正方形形状に換算して４００［ｍｍ^２］以上１００００［ｍｍ^２］以下であることが好ましい。即ち、単位形状のプレス方向の投影形状が正方形形状若しくは略正方形形状の場合には、その正方形の一辺が２０〜１００［ｍｍ］の範囲にすることが好ましい。

更に、単位形状のプレス方向の投影面積をＡ０［ｍｍ^２］、その単位形状の表面積をＡ１［ｍｍ^２］とした場合に、（１）式および（２）式の少なくとも一方の式を満足することが好ましい。
Ａ１ ＜ Ａ０×（１＋ε０）^２ ・・・（１）
Ａ１ ＜ （Ａ０×ｔ０）／ｔ１ ・・・（２）
ここで、
板材の一様伸び限界：ε０［無次元量］
板材の初期板厚：ｔ０［ｍｍ］
最終部品形状での最小板厚：ｔ１［ｍｍ］
とする。
ここで、（１）式において、Ａ１が上限（右項）を超えた場合、単位形状で伸ばされた部位にくびれが発生し、破断する可能性がある。（２）式において、Ａ１が上限（右項）を超えた場合、単位形状で伸ばされた部分の板厚が過少となるおそれがある。

また、単位形状は、材料に当たる面が全て滑らかな面（曲率が急峻する部分がない面）で構成されており、かつ、隣接する単位形状と滑らかに接続される形状の金型で形成されることが好ましい。すなわち、凹凸パターンの形状は、面方向に沿った形状に、曲率が急峻する部分（曲率急峻部）が無いように設定することが好ましい。滑らかに接続されない場合、その部分が特異点となり、本成形工程１Ｂでの成形時に、曲率急峻部の急峻度合いにもよるが、曲率急峻部にひずみが集中して割れが発生する恐れがある。隣接する単位形状と滑らかに接続されるのであれば、単位形状のプレス方向への投影形状は、四角形でも、三角形でも、どのような幾何学形状でも構わない。
隣接する単位形状の間に接続できない隙間領域が形成される場合には、その隙間領域間を接続するための他の形状の単位形状を介在させればよい。但し、凹凸パターンのプロフィールに極力、曲率急峻部が無いように設定することが好ましい。曲率急峻部は、例えばＬ字状の角形状など尖るような形状である。

＜動作その他＞
本実施形態では、予成形工程１Ａにおいて、ひずみを均一に付与したい部分に単位形状の繰り返しからなる凹凸パターンを付与しておく。この結果、本成形工程１Ｂで最終部品形状に、張り出し成形などでプレス成形した際に、予成形で付与した凹凸部分の材料が折り紙を開くように広がることで均一にひずみが導入される。このように、凹凸パターンを付与した領域では、材料が広範囲に且つ均一にひずみを導入される結果、成形性が向上する。
このとき、プレス成形を行う際に、単位形状の繰り返しからなるという簡便な予成形形状に予成形するので、設計も簡易となる。
ここで、凹凸パターンで形成される面内全てが滑らかな曲面（一部に平面を含んでいても良い）で構成されることが好ましい。この構成によれば、凹凸パターンを形成した領域でのひずみが集中することを確実に防止可能となる。

＜変形例＞
ここで、成形領域２０全体に均一にひずみを導入したい場合には、導入するひずみの方向に応じて、成形領域２０全体に上記の凹凸パターンを付与するように予成形を施せば良い。但し、上述の通り、本成形時にひずみを多く導入したい領域ほど、高低差の大きな凹凸パターンに設定すると、より均一にひずみを導入し易くなる。
また、成形領域２０の一部に、製品として他の部品からの荷重を受ける部分など剛性を確保したい部分（板厚を減少したくない部分）がある場合には、その部分、つまり最終部品形状１２において相対的に剛性を確保する第１の領域２０Ａには、上記凹凸パターンを形成しないようにすればよい。例えば図２に示すような最終部品形状１２において、頂部中央部分に、板厚を減少させたくない領域１２Ａ（第１の領域２０Ａ）が設定される場合、図３のように、板材１０における上記第１の領域２０Ａに対応する部分に凹凸パターンを形成しないように、成形領域２０のうち第２の領域（図３におけるハッチング部分）にだけ凹凸パターンを形成すればよい。尚、第１の領域２０Ａの一部に多少の凹凸パターンが形成されていても良い。

この場合、凹凸パターンを形成した予成形領域２０Ｂ（第２の領域）が、凹凸パターンを形成しない第１の領域２０Ａよりも、凹凸パターンが伸びて（材料が面方向に広がって）ひずみが導入されやすいことから、第１の領域２０Ａでの板厚減少を抑えることが出来ると共に、凹凸パターンによって、予成形領域２０Ｂでの過度の板厚減少も抑制することが可能である。ここで、成形領域２０のうち、第１の領域２０Ａ以外が第２の領域２０Ｂとなる。
このように、本実施形態にあっては、均一のひずみを導入したい部分を簡易に制御する事も可能である。
また、最終部品形状１２が、例えば半円筒形状の場合には、材料は主として円周方向に伸びればよいので、そのひずみを導入する円周方向にだけ波打つような凹凸パターンの形状に設定すればよい。
また、予成形領域は、本成形での成形領域に対応する板材での領域のうちの一部だけに設定しても良い。

＜第１の実施例＞
まず、第１の実施例について説明する。
第１の実施例では、最終部品形状１２が、図４に示すような、円筒形状の場合を例にして説明する。
この第１の実施例では、図５のように本成形工程１Ｂにおける成形領域２０全体に、二次元的に単位形状１５を繰り返し配置した凹凸パターンの形状を形成する。
ここで、プレスで予成形可能で且つ本成形で十分に予成形によるひずみ分散の効果を十分に得られるようにするために、以下の要件を設定して単位形状１５を設計した。
（１）予成形領域２０Ｂでの面内が全て滑らかな曲面で構成される。
（２）隣の単位形状１５と滑らかに接続される。
（３）平面に対し全方向の線長増大を図ることが出来る。

本実施例の単位形状１５は、プレス方向の投影形状を正方形とした。その単位形状１５の湾曲形状は、中央部を通過し、正方形の一の辺と平行な方向（基準方向と呼ぶ）のプロフィールを、中央部が一番窪んだ、一波長分のサインカーブ形状に設定し、その位置から基準方向に直交する方向に向かうにつれてサインカーブの位相を連続的にずらして、単位形状１５の辺位置で中央に対し位相が９０度ずれるような形状に設定した。その単位形状１５の例を図６に示す。

この設計した単位形状１５を、辺同士を接続するようにして、Ｘ方向及びＹ方向の二方向に並べて凹凸パターンを形成することで、隣り合う単位形状同士を滑らかに接続する事が可能となる。
このとき、本成形での変形の方向性をキャンセルするために、図７に示すように、単位形状１５の並びを９０度ずつ回転変位させながら、並び方向に順番に配置するようにして凹凸パターンを設計した。
そして、図８に示すように、その凹凸パターンを加工面に有する上型３１と下型３２で、板材１０をプレス成形することで、予成形形状に予成形して、中間部品１１を製造する（予成形工程１Ａ）。尚、実施例では、予成形領域２０Ｂにおいて、予成形形状での表面積と最終部品形状１２での表面積とを等しく設定した。

次に、図９に示すように、円筒張り出し成形用のダイ３３とパンチ３４を使用して、上記予成形を施した中間部品１１を、最終部品形状１２にプレス成形する（本成形工程１Ｂ）。ここで、パンチ径１５０ｍｍφ、パンチＲを５ｍｍの円筒張り出し成形とした。
また比較例として、別途、予成形を行うことなく本成形工程１Ｂだけを実施して製品を作製した。
そして、限界成形高さについて求めみたところ、本発明に基づく実施例は、比較例に比べて約２倍の限界成形高さになっていた。このように、１回成形の比較例の場合と比較して、本発明に基づく実施例では十分高い成形性が得られることを確認した。

＜第２の実施例＞
次に、第２の実施例について説明する。
この第２の実施例では、各実施例及び各比較例について、上記第１の実施例と同じ条件にて、凹凸パターンを付与する予成形工程１Ａと本成形工程１Ｂとの２工程を実施して、それぞれのプレス品（最終部品）を製造した。但し、採用する単位形状１５におけるサインカーブ形状のうち、振幅および１波長分の長さをそれぞれ変えることで、実施例１〜５及び比較例１〜６における各凹凸パターンを設計した。
表１に、各実施例及び各比較例における、投影面積Ａ０、板厚方向の高低差、及び上述の式（１）及び式（２）の関係（判定式）について記載する。なお、判定式を用いる際、破断が生じた場合は最小板厚ｔ１を０として判定した。
また表１には、各実施例及び比較例の評価結果についても併せて記載する。
評価は、部品の成形回数に対して割れが発生する割合である不良率を用いた。
その不良率評価は、次の通りである。
◎：不良率３％未満
○：不良率３％以上５％未満
×：不良率５％以上

表１から分かるように、上記条件でのプレス品製造方法においては、比較例１では、投影面積Ａ０および板厚方向の高低差が小さいために、板材にくびれが生じて板厚が過小となってしまい、破断が頻発した。また、比較例２では、投影面積Ａ０に対して板厚方向の高低差が過大であったため、中間部品の製造時に板材の延性が不足して破断が頻発した。
また、比較例３〜４では板厚方向の高低差が小さいために、最終部品の製造時に、比較例３では板材にくびれが生じて板厚が過小となって破断が頻発し、比較例４では破断する部品が頻発した。
また、比較例５〜６では投影面積Ａ０を広く設けたが、比較例５では投影面積Ａ０に対して板厚方向の高低差が小さいため最終部品の製造時に破断が頻発し、比較例６では板厚方向の高低差が過大となり中間部品の製造時に破断が頻発した。
これに対し、実施例１〜３では、中間部品および最終部品の製造時に破断が生じることや、板厚が過小となることなく製造できた。特に、実施例２〜３では不良率が少なかった。

また、実施例４〜５は、比較例５〜６と同様に投影面積Ａ０を広く設けた例であるが、実施例４〜５では、中間部品および最終部品の製造時に破断が生じることや、板厚が過小となることが少なく、特に、実施例４では不良率が少なかった。
このように、第２の実施例から、中間部品および最終部品の製造工程を採用してプレス品を製造する際に、単位形状の湾曲形状は、板厚方向の高低差が３［ｍｍ］以上で、且つプレス方向の投影面積が正方形形状に換算して４００［ｍｍ^２］以上１００００［ｍｍ^２］以下であり、更に上記の（１）式又は（２）式を満足するように設計することが好ましいことが分かる。特に上記の（１）式および（２）式の両方の式を満足するように設計することがより好ましいことが分かる。

以上、本願が優先権を主張する、日本国特許出願２０１６−１４０６９６（２０１６年７月１５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。

１Ａ 予成形工程
１Ｂ 本成形工程
１０ 板材
１１ 中間部品
１２ 最終部品形状
１５ 単位形状
２０ 成形領域
２０Ａ 第１の領域
２０Ｂ 予成形領域（第２の領域）

Claims (5)

1. 板材をプレス成形で最終部品形状に成形するプレス品製造方法であって、
   上記板材を予成形形状に予成形して中間部品を製造する予成形工程と、上記中間部品を上記最終部品形状にプレス成形する本成形工程とを有し、
   上記予成形工程は、上記本成形工程による成形領域のうちの少なくとも一部の領域を予成形領域とし、上記予成形領域を、板面に沿った二方向以上に向けて、板厚方向に変形した湾曲形状からなる１種若しくは２種以上の単位形状を繰り返し配置した凹凸パターンに予成形し、
   上記本成形工程は、上記凹凸パターンの凹凸が小さくなる方向に変形しつつ上記最終部品形状に成形し、
   上記単位形状の湾曲形状は、板厚方向の高低差が３［ｍｍ］以上で、繰り返し方向で隣接する単位形状同士が、曲率が急峻する部分が無いように滑らかに接続された形状となっていることを特徴とするプレス品製造方法。
2. 上記凹凸パターンは、上記予成形領域において、上記予成形形状での表面積が上記最終部品形状での表面積以下に設定されることを特徴とする請求項１に記載したプレス品製造方法。
3. 上記本成形工程による成形領域は、相対的に、剛性を確保する第１の領域と該第１の領域外の第２の領域とを有し、
   上記予成形工程は、上記第２の領域に対応する上記板材の領域のうちの少なくとも一部の領域を上記予成形領域とすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載したプレス品製造方法。
4. 上記単位形状の湾曲形状は、板厚方向の高低差が３［ｍｍ］以上で、且つプレス方向の投影面積が正方形形状に換算して４００［ｍｍ^２］以上１００００［ｍｍ^２］以下である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品製造方法。
5. 上記単位形状のプレス方向の投影面積をＡ０［ｍｍ^２］、その単位形状の表面積をＡ１［ｍｍ^２］とした場合に、（１）式および（２）式の少なくとも一方の式を満足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品製造方法。
   Ａ１ ＜ Ａ０×（１＋ε０）^２ ・・・（１）
   Ａ１ ＜ （Ａ０×ｔ０）／ｔ１ ・・・（２）
   ここで、
   板材の一様伸び限界：ε０［無次元量］
   板材の初期板厚：ｔ０［ｍｍ］
   最終部品形状での最小板厚：ｔ１［ｍｍ］
   である。

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