JP6844593B2 - プレス成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、天板部と縦壁部とを有し、該縦壁部に外側に凸となる段差部が形成されたプレス成形品を成形するプレス成形方法に関する。

金属板のプレス成形には、しばしば高い形状精度が要求される。しかしながら、プレス成形下死点における残留応力がプレス成形品のプレス成形金型からの離型時に解放されることでスプリングバックと呼ばれる弾性戻り変形が発生し、該プレス成形品の形状精度が悪化することがしばしば発生する。このようなスプリングバックによる形状精度の悪化は、曲げ成形においても発生するものである。
そのため、これまでに、曲げ成形されたプレス成形品のスプリングバックを低減する様々な技術が提案されている。例えば、特許文献１には、金属素板の曲げ加工時に生じるスプリングバックを矯正しながら所定の曲げ角に屈曲させる技術が開示されている。

特開昭６１−８２９３０号公報

本発明で成形対象とするプレス成形品５０は、図８に例示するように、天板部５１と、天板部５１から曲がり部５３を介して連続する縦壁部５５とを有し、縦壁部５５においては段差部５７から先端側の面部５５ａと曲がり部５３側の面部５５ｂとの間に外側に凸となる段差部５７が形成されている。なお、図８は天板部５１の中心を対称面として1/2の領域を表示したものであり、プレス成形品５０は、断面コ字形状のものである。

このようなプレス成形品５０は、離型時において、縦壁部５５で壁反りのスプリングバックが生じ、離型後のプレス成形品５０は、その目標形状から乖離するという問題があった。特に、プレス成形品５０の縦壁部５５が他の部品と接合する部位となっている場合にあっては、縦壁部５５においては特に高い形状精度が求められる。
しかしながら、特許文献１に開示されている技術は、上記のように縦壁部に段差部が形成されたプレス成形品を対象としたものではなかったため、当該技術では、段差部が形成された縦壁部のスプリングバックを抑制することはできなかった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、縦壁部に外側に凸となる段差部が形成されたプレス成形品の離型後におけるスプリングバックを低減するプレス成形方法を提供することを目的とする。

発明者は、図８に示すようなプレス成形品５０に壁反りのスプリングバックが生じる原因について鋭意検討した。

従来、プレス成形品５０は、例えば図９に示すような、パンチ側天板成形面部６１とパンチ肩Ｒ部６３とパンチ側縦壁成形面部６５とを有し、パンチ側縦壁成形面部６５にパンチ側段差形成部６７が設けられたパンチ６０と、ダイ側縦壁成形面部２１とダイ肩Ｒ部２３とを有し、ダイ側縦壁成形面部２１にダイ側段差形成部２５が設けられたダイ２０と、パッド３０と、を備えたプレス成形金型３を用いて成形されていた。なお、図９は、成形開始（図９（ａ））から成形下死点（図９（ｄ））までのダイ２０の動作と、これに伴う金属板４０の変形を図示したものである。

このようなプレス成形金型３を用いて成形したプレス成形品５０を離型すると、図７に示す曲がり部５３における弾性回復による角度変化に加えて、縦壁部５５における壁反りといったスプリングバックが発生する。

曲がり部５３における角度変化は、縦壁部５５に段差部５７が形成されていないプレス成形品（図示なし）においても生じるものである。縦壁部５５における壁反りは、段差部５７により縦壁部５５に段差形状が付与されたプレス成形品５０に特有のスプリングバックである。

段差部５７が形成された縦壁部５５に壁反りが生じる理由を、図１０に示す成形過程における金属板４０の変形挙動に基づいて説明する。

プレス成形金型３を用いてプレス成形品５０をプレス成形する場合、パッド３０により金属板４０をパンチ６０のパンチ側天板成形面部６１に押さえ付けた状態で、ダイ２０をパンチ６０側に相対移動させると、まず、ダイ２０のダイ肩Ｒ部２３が金属板４０の表面に当接し（図１０（ａ））、パンチ側縦壁成形面部６５におけるパンチ肩Ｒ部６３側の成形面部６５ａとダイ側縦壁成形面部２１におけるダイ肩Ｒ部２３側の成形面部２１ａとの間に隙間が形成された状態で、金属板４０は、パンチ肩Ｒ部６３に沿うように曲げられる（図１０（ｂ））。

そして、パンチ側縦壁成形面部６５における成形面部６５ｂとダイ側段差形成部２５におけるダイ肩Ｒ部２３側の成形面部２１ａとで金属板４０が挟持され、該挟持された状態でダイ側段差形成部２５のＲ部２５ａが金属板４０に当接し、金属板４０は曲げ変形を受ける（図１０（ｃ））。

その後、ダイ２０がパンチ６０側に相対移動すると、前記曲げ変形を受けた部位は、パンチ側縦壁成形面部６５の成形面部６５ａとダイ側縦壁成形面部２１の成形面部２１ａとで挟持されて曲げ戻し変形を受けると共に、金属板４０におけるダイ側段差形成部２５のＲ部２５ａが新たに当接する部位は新たな曲げ変形を受ける（図１０（ｄ）、（ｅ））。

さらにその後、ダイ２０を成形下死点まで相対移動させると、パンチ側段差形成部６７とダイ側段差形成部２５とで段差部５７が形成される（図１０（ｆ））。このようにプレス成形されたプレス成形品５０は、縦壁部５５における段差部５７よりも曲がり部５３側の面部５５ｂ（図８参照）においては、成形過程における曲げ／曲げ戻し変形が起因となる壁反りのスプリングバックが発生する。

そして、例えば、プレス成形品５０の面部５５ａと面部５５ｂとが平行（図８においてΔθ＝0°）なものを目標形状としてプレス成形した場合であっても、面部５５ｂに壁反りのスプリングバックが発生すると、図８に示すように、面部５５ａと面部５５ｂとの間に角度差（Δθ≠0°）が生じ、目標形状から乖離してしまう。

そこで、本発明者は、段差部５７が形成された縦壁部５５の成形過程における曲げ／曲げ戻し変形を小さくする方法を鋭意検討した。その結果、成形過程においてダイ側段差形成部２５のＲ部２５ａによる金属板４０の曲げ変形の曲率半径が大きくなるようにすることで、金属板４０における縦壁部５５に相当する部位の曲げ／曲げ戻し変形量を小さくし、縦壁部５５のスプリングバックによる壁反りを軽減することを着想するに至った。
本発明は、かかる着想に基づいてなされたものであり、具体的には以下の構成からなるものである。

（１）本発明に係るプレス成形方法は、金属板を、天板部と該天板部から曲がり部を介して連続する縦壁部とを有し、該縦壁部に外側に凸となる段差部が形成されたプレス成形品に、パンチとダイを用いて成形するものであって、前記パンチは、前記天板部を成形するパンチ側天板成形面部と、前記縦壁部を成形するパンチ側縦壁成形面部を有し、該パンチ側縦壁成形面部には、前記段差部を形成するパンチ側段差形成部と、該パンチ側段差形成部よりも前記パンチ側天板成形面部側に前記金属板を逃がすために凹んだ凹部とが設けられ、前記ダイは、前記縦壁部を成形するダイ側縦壁成形面部を有し、該ダイ側縦壁成形面部には、前記パンチ側段差形成部と協働して前記段差部を形成するダイ側段差形成部が設けられ、前記ダイを前記パンチ側へと相対移動させて前記縦壁部を成形する過程において、前記ダイ側段差形成部が前記金属板に当接して該金属板に生じる曲げ変形を前記凹部に逃がし、その後、前記ダイを前記パンチ側へ相対移動させて前記金属板の曲げ変形を曲げ戻し、さらにその後、前記ダイを前記パンチ側へ相対移動させて前記パンチ側段差形成部と前記ダイ側段差形成部とで前記段差部を形成することを特徴とするものである。

本発明によれば、金属板における縦壁部に相当する部位の曲げ／曲げ戻し変形を軽減することができ、離型後の前記縦壁部の壁反りによるスプリングバックを抑制し、プレス成形品の形状精度を向上させることができる。

本発明の実施の形態に係るプレス成形方法と、該プレス成形方法で用いるプレス成形金型を説明する図である。 本実施の形態に係るプレス成形方法において、成形過程で金属板に生じる曲げ／曲げ戻し変形を説明する図である。 本発明の実施の形態に係るプレス成形方法において、成形過程でパンチの凹部に金属板の曲げ変形が逃げてたわみが生じている様子を示す図である。 本実施の形態に係るプレス成形方法により成形されたプレス成形品と、従来のプレス成形方法により成形されたプレス成形品の離型後の形状の違いを示す図である（（ａ）斜視図、（ｂ）断面図）。 本発明の実施例でのプレス成形解析に用いたプレス成形金型の形状及び寸法を示す図である。 本発明の実施例でのプレス成形解析により求めた成形下死点における応力分布を示すコンター図である。 本発明の実施例において、離型後のプレス成形品の壁開きの評価に用いた角度変化量の求め方を説明する図である。 本発明で成形対象とする縦壁部に外側に凸となる段差部が形成されたプレス成形品を説明する図である（（ａ）斜視図、（ｂ）断面図）。 従来のプレス成形方法により、縦壁部に外側に凸となる段差部が形成されたプレス成形品を成形する過程を説明する図である。 従来のプレス成形方法において、成形過程で金属板に生じる曲げ／曲げ戻し変形を説明する図である。

まず、本実施の形態に係るプレス成形方法で用いるプレス成形金型について説明する。
＜プレス成形金型＞
本実施の形態で用いるプレス成形金型１は、図１に例示するように、パンチ１０とダイ２０とパッド３０とを備えてなるものであり、図１（ａ）〜（ｄ）に示す成形過程により、金属板４０をプレス成形品５０（図８参照）に成形するものである。

パンチ１０は、天板部５１を成形するパンチ側天板成形面部１１と、縦壁部５５を成形するパンチ側縦壁成形面部１５とを有するものであり、パンチ側縦壁成形面部１５は、パンチ側天板成形面部１１からパンチ肩Ｒ部１３を介して連続して設けられている。さらに、パンチ側縦壁成形面部１５には、段差部５７を形成するパンチ側段差形成部１７と、パンチ側段差形成部１７を挟んで成形面部１５ａ及び成形面部１５ｂとが設けられ、パンチ側段差形成部１７よりもパンチ側天板成形面部１１側の成形面部１５ａには、金属板４０を逃がすために内側に凹んだ凹部１９が設けられている。

ダイ２０は、縦壁部５５を成形するダイ側縦壁成形面部２１と、ダイ側縦壁成形面部２１の先端に設けられたダイ肩Ｒ部２３を有し、ダイ側縦壁成形面部２１には、パンチ側段差形成部１７と協働して段差部５７を形成するダイ側段差形成部２５が設けられている。

さらに、ダイ側縦壁成形面部２１は、ダイ側段差形成部２５を挟んで連続する成形面部２１ａと成形面部２１ｂを有してなり、さらにダイ側段差形成部２５は、成形面部２１ｂに接続するＲ部２５ａを有している。

パッド３０は、パンチ側天板成形面部１１に載置された金属板４０を所定のパッド荷重で押さえつけるものである。なお、本発明に係るプレス成形方法は、パッド３０を必ずしも要するものではない。

＜プレス成形方法＞
本発明の実施の形態に係るプレス成形方法は、図１に例示するプレス成形金型１を用いて、図８に例示するプレス成形品５０を成形するものである。以下、図２及び図３に基づいて本実施の形態に係るプレス成形方法を説明する。

まず、従来のプレス成形方法（図１０参照）と同様に、パンチ１０のパンチ側天板成形面部１１に載置された金属板４０をパッド３０で押さえ付けた状態で、ダイ２０をパンチ１０側に相対移動させると、図２（ａ）〜（ｂ）に示すように、ダイ２０のダイ肩Ｒ部２３が金属板４０に当接し、パンチ側縦壁成形面部１５における成形面部１５ａとダイ側縦壁成形面部２１における成形面部２１ａとの間に隙間が形成された状態で、金属板４０は、パンチ肩Ｒ部１３に沿うように曲げられる。

そして、パンチ側縦壁成形面部１５における成形面部１５ｂとダイ側縦壁成形面部２１における成形面部２１ａとで金属板４０が挟持され（図２（ｂ））、該挟持された状態でダイ２０がさらに相対移動すると、ダイ側段差形成部２５のＲ部２５ａが金属板４０に当接し、金属板４０は曲げ変形を受ける（図２（ｃ））。

このとき、パンチ側縦壁成形面部１５には、金属板４０の曲げ変形を逃がすための凹部１９が設けられているため、金属板４０は、ダイ側段差形成部２５のＲ部２５ａによる曲げ変形のたわみが凹部１９に向かって生じる。これにより、ダイ側段差形成部２５のＲ部２５ａによる金属板４０の曲げ変形の曲率半径は、従来のプレス成形方法（図１０（ｃ）〜（ｅ））に比べて大きくなる。

その後、ダイ２０をパンチ１０側に相対移動させると、金属板４０におけるダイ側段差形成部２５のＲ部２５ａが当接する部位に曲げ変形が生ずるとともに、該曲げ変形された部位には成形方向に張力が作用して曲げ戻される（図２（ｄ）、（ｅ））。
さらにその後、ダイ２０を成形下死点までパンチ１０側に相対移動させると、パンチ側段差形成部１７とダイ側段差形成部２５により段差部５７が形成される（図２（ｆ））。

このように、本実施の形態に係るプレス成形方法は、ダイ側段差形成部２５のＲ部２５ａが金属板４０に当接して金属板４０に生じる曲げ変形がパンチ１０の凹部１９に逃げて、凹部１９にたわみが生じることを許容するため（図３参照）、Ｒ部２５ａによる曲げ変形の曲率半径を大きくすることができる。

これにより、図４に示すように、離型後における縦壁部５５の壁反りが低減する。なお、図４は、本発明に係るプレス方法により成形されたプレス成形品の離型後の形状（図４（ａ）中の薄灰色）と、従来のプレス成形方法により成形されたプレス成形品の離型後の形状（図４（ａ）中の濃灰色）とを重ねて図示したものである。図４（ｂ）に示すように、本発明における面部５５ａと面部５５ｂの角度差Δθは、従来のプレス成形方法における角度差Δθ’と比べて小さくなることが分かる。

以上、本実施の形態に係るプレス成形方法によれば、金属板４０のＲ部２５ａによる曲げ変形の曲率半径を大きくすることにより、縦壁部５５の成形過程における曲げ／曲げ戻し変形量が低減し、離型後の縦壁部における壁反りによるスプリングバックを低減することができる。

なお、本発明に係るプレス成形方法に用いるパンチ１０は、パンチ側縦壁成形面部１５に凹部１９が設けられたものであるが、凹部１９は、パンチ肩Ｒ部１３とパンチ側段差形成部１７との間の成形面部１５ａに設けられているものであれば、位置及び範囲については特に制限はなく、成形過程における曲げ／曲げ戻し変形を小さくするように、適宜設定すればよい。また、後述する実施例においては、パンチ１０に設けた凹部１９の好適な位置と範囲について検討している。

また、上記の説明は、断面コ字形状のプレス成形品５０（図８参照）を成形対象とするものであったが、本発明に係るプレス成形方法の成形対象はこれに限るものではなく、天板部と、該天板部から連続する縦壁部を有し、該縦壁部に外側に凸となる段差部を有するプレス成形品であればよい。

本発明に係るプレス成形方法の作用効果について確認するための検証を行ったので、これについて以下に説明する。

本実施例では、図８に示すプレス成形品５０を解析対象としてプレス成形解析を行い、該プレス成形解析の解析結果を用いてスプリングバック解析を行った。そして、当該スプリングバック解析結果に基づいて、プレス成形品５０の縦壁部５５におけるスプリングバック量を評価した。なお、本実施例でのプレス成形解析及びスプリングバック解析には、市販の有限要素法解析ソフトウェアを用いた。

そして、本実施例でのプレス成形解析は、前述の実施の形態で示したプレス成形金型１を用いるものであり、その詳細な形状及び寸法を図５に示す。
なお、本実施例におけるプレス成形解析及びスプリングバック解析では、プレス成形品５０の中央に対称面を設定した1/2の領域を解析対象としているため、図５に示すプレス成形金型１においても、対称面を中心とした1/2の領域とした。また、パンチ１０、ダイ２０、パッド３０及び金属板４０の紙面奥行方向（長手方向）の長さは、いずれも150mmとした。

プレス成形解析においては、金属板４０には、引張強度1470MPa級、板厚1.2mmの鋼板を用い、ブランク長さ（金属板４０の中心から先端までの長さ）を150mmとした。さらに、パッド３０により金属板４０を押さえ付けるパッド荷重を1tonとし、金属板４０の中心を固定して解析を行った。

本実施例では、図５に示すプレス成形金型１を用いてプレス成形品５０を成形する場合を発明例とし、プレス成形金型１のパンチ１０に設けられた凹部１９の位置（パンチ側天板成形面部１１から凹部１９上端までの成形方向距離L1）と、凹部１９の範囲（凹部１９の上端位置L1と下端位置L2の差）を変更した。
さらに、比較対象として、図９に示すプレス成形金型３を用いてプレス成形品５０を成形する場合を従来例とした。
表１に、発明例として設定した凹部１９の凹み深さD、上端位置L1及び下端位置L2を示す。

表１において、従来例は、パンチ６０のパンチ側縦壁成形面部６５に凹部が設けられていない従来のプレス成形方法によるものであるため、凹み深さをD＝0mmとした。
発明例１〜発明例７は、パンチ側縦壁成形面部１５に凹み深さD＝5mmの凹部１９が設けられたパンチ１０を用いる本発明に係るプレス成形方法によるものである。
そして、発明例１〜発明例４は、凹部１９の下端位置（＝L2）を変更せずに上端位置（＝L1）のみを変更したものである。
さらに、発明例５〜発明例７は、凹部１９の上端位置（＝L1）を変更せずに下端位置（＝L2）のみを更したものである。

図６に、従来例と発明例１及び発明例７についてのプレス成形解析により求めた成形下死点でのプレス成形品５０の応力分布を示す。ここで、図６に示す応力分布は、プレス成形品５０におけるパンチ１０（又はパンチ６０）側の成形方向の表面応力を表示したものである。そして、図６において正の応力の値は、離型後に縦壁部５５が閉じる（天板部５１と縦壁部５５のなす角度が小さくなる）方向に寄与するものであるのに対し、負の応力の値は、離型後に縦壁部５５が開く（天板部５１と縦壁部５５のなす角度が大きくなる）方向に寄与するものである。

図６より、従来例と発明例１及び発明例７のいずれにおいても、段差部５７では、縦壁部５５が閉じる方向の応力と開く方向の応力とが見られる（図６にて点線楕円で囲まれる領域）。もっとも、これらの応力は離型後に相殺されるものであり、面部５５ａと面部５５ｂの角度に対する影響は同程度である。

しかし、縦壁部５５における段差部５７よりも曲がり部５３側の面部５５ｂでは開き方向の応力が残存しており（図６にて破線楕円で囲まれる領域）、この開き方向の応力の値は、従来例に比べて発明例の方が小さくなっている。

この結果から、本発明に係るプレス成形方法によれば、縦壁部５５を成形する過程における曲げ／曲げ変形量が小さくすることができ、開き方向の応力を小さくできることが示された。

次に、プレス成形解析により得られた解析結果を用いてスプリングバック解析を行い、プレス成形品５０の離型後における縦壁部５５の壁開きを評価した。

本実施例では、縦壁部５５の壁開きは、以下のように評価した。
まず、図７に示すように、天板部５１と縦壁部５５の面部５５ａそれぞれの長手方向（図８参照、図７においては紙面に垂直な方向）中央に、基準点(Ａ１、Ａ２)と基準点(Ｂ１、Ｂ２)を設定した。そして、プレス成形品５０の離型前と離型後において、線分Ａ１−Ａ２と線分Ｂ１−Ｂ２のなす角度をそれぞれ求めて離型による角度変化量を算出し、スプリングバックによる壁開きとして評価した。ここで、角度変化量は、離型後に縦壁部５５が開く方を正、閉じる方を負とした。

このように算出した角度変化量は、離型後における曲がり部５３のスプリングバックによる角度開きの影響が含まれるものである。ただし、パンチ肩Ｒ部１３のＲが同じであるので、本実施例は、段差部５７の形状を変更せずにパンチ１０に設ける凹部１９の位置と範囲を変更するものである。そのため、各条件で算出した角度変化量の違いは、凹部１９の位置と範囲を変更したことの影響を表すものである。
前掲した表１に、離型による角度変化量の結果を示す。

表１より、発明例１〜発明例７はいずれも、従来例よりも角度変化量が小さくなり、離型後における縦壁部５５の壁開きを低減できたことが分かる。この結果は、パンチ１０の成形面部１５ａに凹部１９を設けることにより、成形過程において金属板４０の曲げ変形を凹部１９に逃がすことができ、これにより金属板４０の曲げ／曲げ変形量が軽減し、成形下死点において面部５５ａに残存する応力が低減したためである。

また、凹部１９の下端位置を一定（L2＝40mm）として上端位置（L1）を変更した発明例１〜発明例４を比較すると、上端位置（L1）がパンチ肩Ｒ部１３に近づくほど、角度変化量が低下する結果となった。
さらに、凹部１９の上端位置を一定（L1＝7mm）として下端位置(L2)を変更した発明例１及び５〜発明例７を比較すると、下端位置をパンチ肩Ｒ部１３とパンチ側段差形成部１７の中間付近に設定した発明例７における角度変化量が最も小さい結果となった。

以上より、本発明に係るプレス成形方法によれば、縦壁部に外側に凸となる段差部が形成されたプレス成形品を成形するに際し、金属板における縦壁部に相当する部位に生じる曲げ変形をパンチに設けた凹部に逃がし、その後、該曲げ変形を曲げ戻すことにより、縦壁部における壁反りによるスプリングバックを低減できることが実証された。さらに、パンチに設ける凹部の位置と範囲を適宜変更することにより、壁反りをさらに低減できることが示された。

１ プレス成形金型
３ プレス成形金型（従来方法）
１０ パンチ
１１ パンチ側天板成形面部
１３ パンチ肩Ｒ部
１５ パンチ側縦壁成形面部
１５ａ 成形面部
１５ｂ 成形面部
１７ パンチ側段差形成部
１９ 凹部
２０ ダイ
２１ ダイ側縦壁成形面部
２１ａ 成形面部
２１ｂ 成形面部
２３ ダイ肩Ｒ部
２５ ダイ側段差形成部
２５ａ Ｒ部
３０ パッド
４０ 金属板
５０ プレス成形品
５１ 天板部
５３ 曲がり部
５５ 縦壁部
５５ａ 面部
５５ｂ 面部
５７ 段差部
６０ パンチ
６１ パンチ側天板成形面部
６３ パンチ肩Ｒ部
６５ パンチ側縦壁成形面部
６７ パンチ側段差形成部

Claims (1)

1. 金属板を、天板部と該天板部から曲がり部を介して連続する縦壁部とを有し、該縦壁部に外側に凸となる段差部が形成されたプレス成形品に、パンチとダイを用いて曲げ成形するプレス成形方法であって、
   前記パンチは、前記天板部を成形するパンチ側天板成形面部と、前記縦壁部を成形するパンチ側縦壁成形面部を有し、該パンチ側縦壁成形面部には、前記段差部を形成するパンチ側段差形成部と、該パンチ側段差形成部よりも前記パンチ側天板成形面部側に前記金属板を逃がすために凹んだ凹部とが設けられ、
   前記ダイは、前記縦壁部を曲げ成形するダイ側縦壁成形面部を有し、該ダイ側縦壁成形面部には、前記パンチ側段差形成部と協働して前記段差部を形成するダイ側段差形成部が設けられ、
   前記ダイを前記パンチ側へと相対移動させて前記縦壁部を曲げ成形する過程において、前記ダイ側段差形成部が前記金属板に当接して該金属板に生じる曲げ変形を前記凹部に逃がし、
   その後、前記ダイを前記パンチ側へ相対移動させて前記金属板の曲げ変形を曲げ戻し、曲げ／曲げ戻し変形を小さくして、
   さらにその後、前記ダイを前記パンチ側へ相対移動させて前記パンチ側段差形成部と前記ダイ側段差形成部とで前記段差部を形成することを特徴するプレス成形方法。