JP6828851B2 - 金型形状の設計方法及びプレス部品の製造方法 - Google Patents
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Description
プレス成形性の主な課題として、割れとしわがある。割れは、プレス成形によって、金属板が自身の延性を超えて伸ばされることで発生する。しわは、金属板が自身の座屈耐力よりも小さく圧縮されることで発生する。
また、特許文献4には、最終部品形状を展開する途中で得られる展開途中形状を前工程のプレス成形品形状とする方法が記載されている。特許文献4では、最終部品形状のフランジ部分を部品の幅方向外側方向にそれぞれ開くことで、上記の展開途中形状を設定することが好ましいとされている。
また、特許文献2は、前工程(予成形工程)の形状の断面線長を最終形状の断面線長と合わせるように金型形状を設計する方法であり、様々な部品形状に適用できる可能性がある。しかし、複雑な部品形状にプレス成形する場合には、断面形状を考慮していない部位で割れやしわが発生する恐れがある。逆に、全ての断面を網羅して設計しようとすると、設計時間や手間が増大することになる。
また、特許文献3では、3次元の部品形状を繰り返し設計することで、形状を適正化する方法が提案されている。しかし、3次元の形状設計は、変数を限定しなければ膨大な時間と手間が必要となるため、複雑な部品形状に対しては不向きである。
また本発明の一態様のプレス部品の製造方法は、金属板を立体形状の部品にプレス成形するプレス部品の製造方法において、少なくとも一部の形状が上記立体形状の部品を平坦となる方向に押し潰した形状からなる予成形形状の中間部品に金属板をプレス成形する第1の工程と、上記中間部品を上記立体形状の部品にプレス成形する第2の工程と、を備えることを要旨とする。
そして、本発明の一態様によれば、簡易な手段によって適正な予成形形状を決定できるので、簡易に複雑な部品形状を成形することが可能となる。
目的のプレス部品形状(立体形状)の部品を製造する際に、1回のプレス成形では割れやしわが発生するような立体形状からなる部品を成形する場合、通常、複数段のプレス工程で金属板を目的とする立体形状の部品に成形する。本発明は、そのような複雑な立体形状の部品をプレス成形で製造する場合に好適な発明である。
また、本発明では、より強度が高い金属板を成形することも可能となるため、本発明は、強度が高い金属板から立体形状の部品に成形する場合にも有効である。例えば、金属板が鋼板の場合、引張り強度590MPa以上の素材を対象とすることが好ましく、引張り曲げ強度980MPa以上の素材はさらに好ましい。
本実施形態では、複数段のプレス工程で金属板を目的とする立体形状の部品にプレス成形する。
複数段のプレス工程は、図1に示すように、第1の工程2と第2の工程4とを有する。
[第1の工程]
第1の工程2は、目的とする立体形状の部品5の少なくとも一部の形状が、目的とする立体形状の部品を平坦となる方向に押し潰した形状からなる予成形形状3の中間部品に金属板1をプレス成形するプレス工程である。
上記の「少なくとも一部」は、例えば1回のプレス成形で目的とする立体形状とする場合に割れやしわが発生すると推定される箇所を含む部分とする。
なお、同一の立体形状を平坦にする方向に押しつぶしても、部品を規定する素材などによって、押しつぶした形状が異なる可能性がある。
以下の説明では、予成形形状3として、目的とする立体形状の部品5の立体形状全体を平坦となる方向に押し潰した形状とする場合を例に挙げて説明する。
予成形形状3を決定する際の押し潰しの割合は、例えば、荷重負荷方向(通常は、プレス方向)において、最終部品形状としての立体形状(荷重を負荷する前の形状)の部品からの高さ方向の変化量が10%以上となるように設定する。好ましくは高さ方向の変化量を50%以上とする。高さ方向の変化量の上限について特に限定は無いが、例えば90%以下とする。
第2の工程4は、中間部品を目的とする立体形状の部品5にプレス成形するプレス工程である。
第1の工程2と第2の工程4の間に、他のプレス工程を有していても良い。第1の工程2の前に、他の予成形工程用のプレス工程を設けても良い。
また、第1の工程2を、複数段のプレス工程として構成しても良い。例えば、立体形状の部品5の押し潰しの割合が異なる複数の予成形形状3を求め、上流側の第1の工程2ほど、押し潰しの割合が大きな予成形形状3を成形形状とした中間部品にプレス成形するプレス工程として設定する。
第1の工程2で作製する予成形形状3の決定方法について説明する。
本実施形態では、立体形状の部品5として、図2(a)に示すような、天板部5A、天板部5Aの左右両側に連続する左右一対の縦壁部5B、及び各縦壁部5Bに連続するフランジ部5Cを有する断面ハット型形状の部品とする。また本例の立体形状の部品5は、図2(a)に示すように、長手方向に沿って上下に湾曲していて、長手方向に沿って材料の圧縮及び伸長がある立体形状の部品の場合とする。
目的とする立体形状の部品5が平坦となる方向に荷重を負荷する荷重負荷条件は、立体形状の部品5が平坦となる方向、つまり荷重負荷方向を、例えば第2の工程4におけるプレス機のストローク方向、つまりプレス方向に設定する。荷重負荷方向は、例えば、次工程の第2の工程4で、部品の天板部に掛かる荷重方向と同方向に設定する。
本実施形態では、目的の立体形状の部品を水平面に置いた際に、鉛直下方向となる方向を荷重負荷方向に設定する。
目的とする立体形状の部品が平坦なるように荷重を負荷して求める予成形形状3は、実際に立体形状の部品5に対して上側から荷重を負荷して潰すことで求めても良い。ただし、コンピュータを用い、有限要素法等の成形シミュレーション(構造解析)を行って求める方が簡便である。
部分的に負荷する荷重の大きさや方向が異なるように設定しても良い。
立体形状の部品5を押し潰す際の下方への移動を拘束する拘束面11の形状は荷重方向に直交する平面などの平面形状でもよい。ただし、図2(a)のように、部品形状が上下に湾曲したりねじれたりする立体形状の部品の場合、単純な平面形状の拘束面に対し立体形状の部品を上側から押し付けた場合、図6のようにフランジ部5Cや縦壁部5Bが座屈して部品内側へ折れる場合がある。
本例のように各縦壁部5Bの下端部にフランジ部5Cが連続した形状である場合には、拘束面11を、例えば、フランジ部5Cの下面形状を延長した面形状とすればよい。
図2は、上側から拘束面11に向けて、立体形状の部品5全体に同じ大きさの荷重を負荷して、立体形状の部品5が平坦となる方向に押し潰した場合の例である。そのときの各断面の変化を図3〜図5に示す。
また、立体形状の部品5に対し上側から荷重を負荷すると、フランジ部5Cが、拘束面11に沿って左右方向へ開くように変位する。このとき、天板部5Aに対し縦壁部5Bの角度が広くなるように、各縦壁部5Bが変化しながら押し潰される。
また、押し潰す際に、パンチ肩やダイ肩部などの曲がった部位が起点となって平坦に戻り、その他の部位はあまり変形しない特徴があるため、部品の断面線長はほとんど変化しない。
このように、自動的に適切な予成形形状3に変形することになる。
押し潰しの割合は、例えば、荷重負荷方向での最終部品形状としての立体形状の部品5(荷重を負荷する前の形状)からの高さ方向の変化量が10%以上であれば効果がある。より好ましくは高さ方向の変化量が50%以上である。変化量は、高さ方向への変化が一番小さい位置で判定すればよい。
ただし、押し潰しの割合は、フランジ部5Cや縦壁部5Bが座屈して部品内側へ折れる状態が発生する前までの割合とする。
本発明に基づき設計した予成形形状3に金属板1を成形できれば、第2の工程4及びその他の次工程は、フォーム成形やカム曲げ成形などの曲げ変形を主体としたプレス成形法で部品形状を成形することが可能である。
このように予成形形状3の形状を再設定して、予成形形状3を高さ方向に縮小した形状に変更することで、第1の工程2(予成形工程)で伸び縮みが不十分であった部位が次工程で変形する。このため、金属板1の変形が分散して割れやしわが起こりにくくなるという効果がある。
そして、本実施形態によれば、一般的なプレス金型を用いた場合に比べて、簡易に複雑な部品形状を成形することができる。
ここで、上記の実施形態では、断面ハット型の立体形状の部品5を例に挙げて説明しているが、立体形状はフランジ部5Cがない断面コ字状の立体形状の部品5であっても良い。また立体形状の部品5は、断面ハット型や断面コ字状に限定されず、断面円弧状など、プレス成形で加工可能な他の立体形状の部品でも対応可能である。
表1に示す4種類の材料からなる金属板A〜Dを対象に本発明の検証を行った。対象とする立体形状の部品5は、長手方向に湾曲した複雑形状をもつ図2(a)に示した部品とした。
この予成形形状3を基に設計した金型形状に対応する予成形形状が図7である。
また、予成形形状3をそのフランジ部5Cを延長した面上を基準として、プレス機のストローク方向に0.8倍、0.5倍と縮小した予成形形状3が図8及び図9である。
金属板A〜Dを種々の金型を用いてプレス成形した結果を表2に示す。
比較例1は、図2(a)の部品形状をドロー成形のみの1回のプレス成形で作製した場合である。
この比較例1では、金属板Aでは天板部5Aに軽微なしわが発生し、金属板1B〜Dでは顕著な割れとしわが発生した。
<実施例1>
実施例1は、図7と同じ予成形形状3をドロー成形で成形し(第1の工程2)、次工程(第2の工程4)でフォーム成形を用いて部品形状に成形した。
この実施例1では、金属板A〜Bは割れもしわも発生せず、金属板1C〜Dでは軽微な板厚減少が発生した。
実施例2では、図8と同じ予成形形状3をドロー成形で成形し(第1の工程2)、次工程(第2の工程4)でフォーム成形を用いて部品形状に成形した。
この実施例3では、金属板A〜Cは割れもしわも発生せず、金属板1Dでは軽微な板厚減少が発生した。
<実施例3>
実施例3では、図9と同じ予成形形状3をドロー成形で成形し(第1の工程2)、次工程(第2の工程4)でドロー成形を用いて部品形状に成形した。
この実施例3では、金属板A〜Dの全てで割れもしわも発生しなかった。
次に、特許文献4に記載の方法(比較例4−1)と、本発明に基づく方法(実施例4−1)との比較を行った。
対象とする部品5の立体形状は、図10(a)に示すように、長手方向に沿って上下に湾曲し、図10(b)〜(d)に示すように、部品の断面形状が一定でない複雑な形状を有する部品である。
材料はとしては、表1における金属板Cを用いた。
比較例4−1では、図11と同じ予成形形状30をドロー成形で成形し、次工程でドロー成形を用いて図10に示した部品形状に成形した。
この図8の予成形形状30は、図10に示す目的の立体形状に対し、左右のフランジ端をそれぞれ60mm外側へ平行移動した形状である。この形状では、高さ方向の変形量は最大43%であった。
この比較例4−1の予成形形状30では、パンチ肩とダイ肩、エッジで板厚が大きく減少した。また、材料が伸ばされてしまったため、最終部品形状よりも長い線長の予成形形状となってしまった。
実施例4−1では、図12の形状の予成形形状3をドロー成形で成形し(第1の工程2)、次工程(第2の工程4)でドロー成形を用いて部品形状に成形した。
この実施例4−1では、割れもしわも発生しなかった。
この実施例4−1の予成形形状3は、図10に示す立体形状の形状全体を押し潰した形状であり、高さ方向の変形量を84%に設定した。
この実施例4−1の予成形形状3は、板厚の減少は最大でも0.01%と極めて少ない。また、実施例4−1の予成形形状3は、材料の伸び縮みがほとんど発生しないため、線長が最終部品形状と変わらない予成形形状となっている。
以上から、実施例4−1は、目的とする立体形状が複雑であっても、比較例4−1と比較して割れやシワの発生をより確実に防止しつつ、目的とする立体形状の部品を製造出来ることが分かった。
2 第1の工程
3 予成形形状
4 第2の工程
5 立体形状の部品
5A 天板部
5B 縦壁部
5C フランジ部
11 拘束面
Claims (12)
- 複数段のプレス工程で金属板を立体形状の部品に成形する際における、最終のプレス工程よりも前工程のプレス工程で使用する金型形状を設計する方法であって、
上記立体形状の部品に対し当該立体形状が平坦となる方向に荷重を負荷する荷重負荷条件で上記立体形状を変形させた形状からなる、上記立体形状の部品を押し潰した形状を求め、上記押し潰した形状からなる予成形形状のプレス部品となるように、金型形状を設計し、
上記予成形形状を決定する際の押し潰しの割合は、上記荷重を負荷する方向での上記立体形状からの高さ方向の変形量が10%以上90%以下となるように設定する、
ことを特徴とする金型形状の設計方法。 - 上記平坦となる方向に負荷する荷重は、静水圧若しくは等分布荷重で行うことを、特徴とする請求項1に記載した金型形状の設計方法。
- 上記平坦となる方向を上下方向としたとき、上記荷重を負荷する面積は、上記立体形状の部品における上下を向く面の面積の50%以上とすることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載した金型形状の設計方法。
- 上記押し潰した形状は、上記立体形状の部品の立体形状全体を平坦とする方向に押し潰した形状であることを、特徴とする請求項1又は請求項2に記載した金型形状の設計方法。
- 金属板を立体形状の部品にプレス成形するプレス部品の製造方法において、
上記立体形状の部品に対し当該立体形状が平坦となる方向に荷重を負荷する荷重負荷条件で上記立体形状を変形させた形状からなる、上記立体形状の部品を押し潰した形状を求める工程と、
上記押し潰した形状からなる予成形形状の中間部品に金属板をプレス成形する第1の工程と、
上記中間部品を上記立体形状の部品にプレス成形する第2の工程と、を備え、
上記予成形形状を決定する際の押し潰しの割合は、上記荷重を負荷する方向での上記立体形状からの高さ方向の変形量が10%以上90%以下となるように設定する、
ことを特徴とするプレス部品の製造方法。 - 上記平坦となる方向に負荷する荷重は、静水圧若しくは等分布荷重で行うことを、特徴とする請求項5に記載したプレス部品の製造方法。
- 上記平坦となる方向を上下方向としたとき、上記荷重を負荷する面積は、上記立体形状の部品における上下を向く面の面積の50%以上とすることを特徴とする請求項5又は請求項6に記載したプレス部品の製造方法。
- 上記押し潰した形状は、上記立体形状の部品の立体形状全体を平坦とする方向に押し潰した形状であることを、特徴とする請求項5又は請求項6に記載したプレス部品の製造方法。
- 上記立体形状の部品は、天板部とその天板部の幅方向両側に連続する左右一対の縦壁部とを有し、
各縦壁部の下端面を、その下端面の長手方向の輪郭形状を左右に延長した面形状である拘束面で当該拘束面の法線方向への移動を拘束した状態で、上記立体形状の部品に荷重を負荷する条件で上記押し潰した形状を決定することを特徴とする請求項5〜請求項8のいずれか1項に記載したプレス部品の製造方法。 - 上記立体形状は、上記各縦壁部の下端部にフランジ部が連続した形状であり、
上記拘束面は、フランジ部の下面形状を左右に延長した面形状となっていることを特徴とする請求項9に記載したプレス部品の製造方法。 - 上記荷重を負荷する方向を、上記第2の工程でのプレス機のストローク方向とすることを特徴とする請求項5〜請求項10のいずれか1項に記載したプレス部品の製造方法。
- 更に、上記押し潰した形状を、上記荷重を負荷する方向に予め設定した同一の縮小割合で全体を縮小した形状に変更して上記予成形形状の形状を設定することを特徴とする請求項5〜請求項11のいずれか1項に記載のプレス部品の製造方法。
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