JP6870674B2

JP6870674B2 - プレス成形方法

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Publication number: JP6870674B2
Application number: JP2018215286A
Authority: JP
Inventors: 靖廣岸上
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2018-11-16
Filing date: 2018-11-16
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2038-11-16
Also published as: JP2020082090A

Description

本発明は、金属部材のプレス成形方法に関するものである。
ここで金属部材とは、熱延鋼板、冷延鋼板、あるいは鋼板に表面処理（電気亜鉛めっき、溶融亜鉛めっき、有機皮膜処理等）を施した表面処理鋼板をはじめ、ステンレス鋼、アルミニウム、マグネシウム等、各種金属類から構成される板でもよい。

近年、CO₂排出量削減を目的とした自動車車体の軽量化のため、自動車部品に対して高強度薄鋼板の適用が進められている。そして、自動車部品の製造においては、製造コストに優れたプレス成形が適用されることが多い。
しかしながら、例えば長手方向に亘って天板部とフランジ部が凹状に湾曲したハット型の断面形状の部品をプレス成形する場合、天板部となる部材に成形過程においてしわが発生しやすいという課題があり、高強度薄鋼板を用いた場合は、発生したしわを潰すことが困難であるために特に問題となっている。

このような長手方向に亘って凹状に湾曲した天板部のしわ発生を抑制する技術として、特許文献１には、しわの発生が予測される部位に中間絞り工程にてビード（膨出部）を成形し、最終工程でビードを引き延ばすことによってしわの発生を抑制する技術が開示されている。

また、特許文献２には、中間絞り工程にて鞍型屈曲部の少なくとも一端部に削ぎ面を設けて、鞍型屈曲部の両端部に高低差を有する中間形状品を成形することでしわの発生を抑制し、仕上げ絞り工程において削ぎ面を膨出して消失させつつ所期の製品外形へと絞り成形する方法が開示されている。

特公昭６４−２４５２号公報特許第５２３４２６２号公報

特許文献１に開示されている方法は、中間絞り工程にて、しわの発生が予測される部位にビード（膨出部）を成形するものであるが、しわ発生箇所を的確に予測することや、高強度薄鋼板を用いると一旦形成されたビードを完全に消去することが困難である。

また、特許文献２に開示されている方法は、樋形断面の成形品への適用に留まっており、本発明が対象とする断面形状がハット形であるようなフランジ部を有する成形品をフォーム成形する際には新たな課題の発生が予想される。

本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、天板部とフランジ部がそれぞれ長手方向に亘って凹状に湾曲し、天板部の曲率半径がフランジ部の曲率半径よりも小さいことによって天板部にしわが発生するようなハット形断面のプレス成形品を成形するにあたり、ビード等の膨出部を形成することなく、天板部のしわを低減してフォーム成形することができるプレス成形方法を提供することを目的としている。

本発明にかかるプレス成形方法は、長手方向に沿って凹形状となる天板部と該天板部の両側に続く一対の縦壁部と、該一対の縦壁部に続く長手方向に沿って凹形状となるフランジ部を有し、目標形状として、前記フランジ部の曲率半径ｒ２よりも前記天板部の曲率半径ｒ１が小さい断面ハット形状のプレス成形品のプレス成形方法であって、天板部、縦壁部及びフランジ部を有し、前記フランジ部に材料余りによって生じた撓みを有する中間形状プレス成形品を成形する第１成形工程と、該第１成形工程で成形された前記中間形状プレス成形品を、目標形状に成形する第２成形工程とを備え、前記第１成形工程は、天板成形部、縦壁成形部及びフランジ成形部を有するパンチ及びダイであって、下死点において、前記パンチと前記ダイのフランジ成形部の間に長手方向全長に亘って１ｍｍ以上５ｍｍ以下の隙間があり、前記ダイにおける天板成形部と縦壁成形部を繋ぐ稜線の曲率半径Ｒ１と前記ダイにおける縦壁成形部とフランジ成形部を繋ぐ稜線の曲率半径Ｒ２とがＲ１≧Ｒ２という関係を満たす第１成形金型を用いることを特徴とするものである。

本発明に係るプレス成形方法においては、第１成形金型を用いて、天板部、縦壁部及びフランジ部を有し、前記フランジ部の長手方向全長に亘って材料余りによって生じた撓みを有する中間形状プレス成形品を成形する第１成形工程と、該第１成形工程で成形された前記中間形状プレス成形品を、目標形状に成形する第２成形工程とを備えたことにより、長手方向に亘って天板部とフランジ部が凹状に湾曲する断面ハット形状のプレス成形品を成形する際に、ビード等の膨出部を形成することなく、天板部のしわを低減してフォーム成形することができる。

本発明に係るプレス成形方法を説明する図であり、（ａ）は第１成形工程に用いられる金型、（ｂ）は第２成形工程で用いられる金型を説明する図である。本発明に係るプレス成形方法により成形されたプレス成形品を説明する図であり、（ａ）は第１成形工程により成形された中間形状のプレス成形品の説明図、（ｂ）は第２成形工程により成形された目標形状のプレス成形品の説明図である。本発明に係る第１成形工程で用いる第１ダイの形状を示す図である。本発明に係る天板部のシワを抑制する過程を説明する図であり、（ａ）は成形開始前、（ｂ）は第１ダイがブランクに当接する時点、（ｃ）は下死点における、第１ダイと第１パンチを示す図である。本発明に係る第１成形工程の下死点における金型とプレス成形品の断面形状を説明する図であり、（Ａ）はＡ−Ａ断面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ断面図である。本発明に係る第２成形工程で用いる第２ダイの形状を示す図である。本発明に係る第２成形工程の下死点における金型とプレス成形品の断面形状を説明する図であり、（Ａ）はＡ−Ａ断面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ断面図である。本発明において目標形状とするプレス成形品の一例を示す図である。従来のプレス成形方法における問題点を説明する図であり、（ａ）は従来のプレス成形に用いられる金型、（ｂ）は従来のプレス成形方法によるプレス成形品を示す図である。従来のプレス成形方法における天板部のシワが発生する過程を説明する図であり、（ａ）は成形開始前、（ｂ）はダイがブランクに当接する時点、（ｃ）は下死点における、ダイとパンチを示す図である。

本発明の実施の形態に係るプレス成形方法は、金属板からなるブランクを図８に示すような断面ハット形状のプレス成形品６にフォーム成形するものである。
以下、本実施の形態において成形対象とするプレス成形品６について説明した後、本実施の形態に係るプレス成形方法の各工程を詳細に説明する。

＜プレス成形品＞
本実施の形態が目標形状とするプレス成形品６は、図８に示すような、長手方向に沿って凹形状となる天板部１と天板部１に続く縦壁部３と、縦壁部３に続く長手方向に沿って凹形状となるフランジ部５を有する断面ハット形状に成形されたものである。
ここで、図８に示すように、天板部1と縦壁部３をつなぐ稜線（以下、天板側稜線１５という）の曲率半径を天板側曲率半径ｒ１とし、縦壁部３とフランジ部５をつなぐ稜線（以下、フランジ側稜線１７という）の曲率半径をフランジ側曲率半径ｒ２とする。
本発明は、目標形状におけるフランジ側曲率半径ｒ２が天板側曲率半径ｒ１よりも大きいものを対象とするものである。
以降、従来のプレス成形方法および本実施の形態に係るプレス成形方法によって成形されるプレス成形品についても、同様の部分には同じ符号を用いて説明する。

上記のようなプレス成形品６は、従来、図９（ａ）に示すような、ダイ３７とパンチ３９からなる金型４１を用いて、ダイ３７とパンチ３９の相対移動によって金属板を挟み込んで曲げ成形を行う、１工程からなる成形方法によって成形されている。
なお、図９（ａ）は金型４１の形状をわかりやすく説明するため、金型４１の右半分であって、かつ、金型４１におけるブランクに当接する面（以下、成形面部という）のみを図示している。以降の金型に関する図示についても同様である。

従来のプレス成形方法で成形されたプレス成形品４３では、図９（ｂ）のように、天板部にシワ４５が発生していた。
このようなシワ４５の発生原因について、図１０を用いて以下に説明する。

図１０は従来のプレス成形方法において、パンチ３９に対しダイ３７を鉛直下降させる成形途中の状態を示しており、図１０（ａ）はダイ３７がブランクに当接する前、図１０（ｂ）はダイ３７がブランクに当接する時点、図１０（ｃ）は下死点での縦壁成形部側から見た成形面部の様子を簡略的に示した図である。なお、説明簡略化のため、ブランクの図示を省略している。

フランジ側曲率半径ｒ２が天板側曲率半径ｒ１よりも大きい（ｒ１＜ｒ２）目標形状を１工程でプレス成形しようとすると、図１０（ｂ）に示すとおり、ダイ３７の長手方向両端部がブランクに当接して縦壁部３の成形が始まり（破線丸参照）、その後順に中央部に向かって縦壁部３が成形されていく。
縦壁部３の成形が始まると先に挟持される長手方向端部から中央部に向かって材料が移動し、下死点において天板部１を成形する際、長手方向中央部にシワ４５が発生する。
特に、使用する金属板が延性の低い高強度鋼板である場合には、発生したシワ４５を後から潰すことが困難であるため、シワ４５の発生を低減するプレス成形方法が要求される。

そこで、本発明の実施の形態に係るプレス成形方法は、図１（ａ）に示すような第１成形金型７を用いて、ブランクを中間形状プレス成形品９（図２（ａ）参照）に成形する第１成形工程と、図１（ｂ）に示すような第２成形金型１１を用いて、中間形状プレス成形品９を目標形状プレス成形品１３（図２（ｂ）参照）に成形する第２成形工程とを備えることで、材料移動によるシワ４５（図９（ｂ）参照）の発生を低減するというものである。
以下に各工程について具体的に説明する。

＜第１成形工程＞
第１成形工程は、図１（ａ）に示すような、第１パンチ１９と第１ダイ２１を有する第１成形金型７を用いて、ブランク２３を図２（ａ）に示すような、中間形状プレス成形品９に成形する工程である。

≪第１成形金型≫
第１成形金型７の第１パンチ１９および第１ダイ２１は天板成形部１９ａ、２１ａと、縦壁成形部１９ｂ、２１ｂと、フランジ成形部１９ｃ、２１ｃをそれぞれ有している。

第１パンチ１９と第１ダイ２１は、下死点において、第１パンチ１９のフランジ成形部１９ｃと第１ダイ２１のフランジ成形部２１ｃの間における長手方向全長に亘って１ｍｍ以上の隙間ｈができるよう形成されている。
なお、第１成形工程における下死点では、第１パンチ１９の天板成形部１９ａと第１ダイ２１の天板成形部２１ａによってブランク２３が挟持される。

図３は第１ダイ２１における成形面部の形状を示すものである。
第１ダイ２１における、天板成形部２１ａと縦壁成形部２１ｂをつなぐ稜線（以下、天板側稜線２５という）の曲率半径を天板側曲率半径Ｒ１とし、縦壁成形部２１ｂとフランジ成形部２１ｃをつなぐ稜線（以下、フランジ側稜線２７という）の曲率半径をフランジ側曲率半径Ｒ２としたとき、フランジ側曲率半径Ｒ２は天板側曲率半径Ｒ１より小さくなるよう設定されている（Ｒ１＞Ｒ２）。言い換えれば、第１ダイ２１において、天板側稜線２５よりもフランジ側稜線２７のほうが、曲りが急な稜線となっている。

第１ダイ２１のフランジ側曲率半径Ｒ２が天板側曲率半径Ｒ１より小さいことで、第１ダイ２１の長手方向に直交する方向（以下、単に「長手直交方向」という）における線長は、長手方向中央部における線長L_Aよりも、長手方向端部近傍における線長L_Bの方が短くなっている（L_A＞L_B）。

また、第１ダイ２１の天板側曲率半径Ｒ１は目標形状の天板側曲率半径ｒ１と略同じに設定されており、さらに、第１ダイ２１の長手方向中央部（縦壁の高さが一番高い部分）における縦壁成形部２１ｂ高さは目標形状の縦壁部３高さと略同じに設定されている。

第１パンチ１９の形状は第１ダイ２１の形状に合わせて、図４（ｃ）に示すように、第１ダイ２１のフランジ成形部２１ｃとの間における長手方向全長に亘って隙間ｈが生じるよう、以下のように設定されている。
第１パンチ１９の天板側稜線およびフランジ側稜線は、対応する第１ダイ２１の天板側稜線２５およびフランジ側稜線２７と曲率半径がそれぞれ同じである。
また、第１パンチ１９の縦壁成形部１９ｂの高さは、長手方向全長に亘って、第１ダイ２１の縦壁成形部２１ｂの高さより、隙間ｈ分高くなっている。
よって、第１成形工程の下死点において、フランジ成形部１９ｃ、２１ｃの間には、長手方向全長に亘って隙間ｈが生じるようになっている。

≪成形過程とプレス成形品≫
上記のような第１成形金型７を用いて行う第１成形工程の成形過程を、図４を用いて以下に説明する。
図４は本実施の形態において、第１パンチ１９に対し、第１ダイ２１を鉛直下降させる第１成形工程の途中の状態を示しており、図４（ａ）は第１ダイ２１がブランクに当接する前、図４（ｂ）は第１ダイ２１がブランクに当接する時点、図４（ｃ）は下死点での縦壁成形部側から見た成形面部の様子を簡略的に示した図である。なお、図１０と同じく説明簡略化のため、ブランクの図示を省略している。

図１０を用いて説明した従来のプレス成形方法に対して、図４に示す本発明の第１成形工程では、フランジ側曲率半径Ｒ２が天板側曲率半径Ｒ１より小さい（Ｒ１＞Ｒ２）第１パンチ１９および第１ダイ２１を用いているため、第１ダイ２１の長手方向中央部がブランクに当接して縦壁部３の成形が始まり（破線丸参照）、その後に順に両端部に向かって縦壁部３が成形されていく。
これによって、先に挟持される長手方向中央部から両端部に向かって材料が移動するので、中央部にシワ４５が発生しない。

また、前述したとおり、第１ダイ２１の長手直交方向における線長は、長手方向中央部における線長L_Aよりも、長手方向端部近傍における線長L_Bの方が短くなっているため（L_A＞L_B）（図３参照）、第１成形工程の成形が進むにつれ、ブランク２３における長手方向端部近傍では、さらにブランク２３の材料余りが生じる。

図５に示す通り、ブランク２３の天板部１および縦壁部３は第１パンチ１９と第１ダイ２１の天板成形部１９ａ、２１ａおよび縦壁成形部１９ｂ、２１ｂに挟持されているが、ブランク２３のフランジ部５は第１パンチ１９と第１ダイ２１のフランジ成形部１９ｃ、２１ｃの間に隙間ｈが生じて挟持されていないため、長手方向端部近傍で生じたブランク２３の材料余りは、フランジ部５に移動し、フランジ部５の長手方向全長に亘って撓みを生じさせる。

このように、第１成形工程では、長手方向の中央部から成形を始めることで、材料が端部から中央部に移動することで起こっていた天板部３のシワ４５の発生を抑制し、かつ、長手方向両端部で材料余りを生じさせると共にフランジ成形部１９ｃ、２１ｃの間に隙間ｈを設けたことにより、フランジ部５の長手方向全長に亘って材料余りによる撓みを生じさせた中間形状プレス成形品９を成形することができる（図２（ａ）参照）。

なお、フランジ部５に撓みを十分に生じさせるためには、隙間ｈは１ｍｍ以上必要である。

しかしながら、隙間ｈが大きすぎると上述したブランク２３の長手方向両端部で生じた材料余りがフランジ部５に集中してしまい、後述する第２成形工程においてフランジ部５に集中した材料余りを縦壁部３の成形に充当しきれず、フランジ部５にシワが残存する場合がある（図示なし）。
そのため、隙間ｈは５ｍｍ以下にするのが好ましい。

＜第２成形工程＞
第２成形工程は、図１（ｂ）に示すような、第２パンチ２９と第２ダイ３１を有する第２成形金型１１を用いて、第１成形工程で成形した中間形状プレス成形品９を図２（ｂ）に示すような、目標形状プレス成形品１３に成形する工程である。

≪第２成形金型≫
第２成形金型１１（図１（ｂ））の第２パンチ２９および第２ダイ３１は天板成形部２９ａ、３１ａと、縦壁成形部２９ｂ、３１ｂと、フランジ成形部２９ｃ、３１ｃをそれぞれ有している。
天板成形部２９ａ、３１ａおよび縦壁成形部２９ｂ、３１ｂ、フランジ成形部２９ｃ、３１ｃは目標形状と同形状に設定される。

図６は第２ダイ３１における成形面部の形状を示すものである。
第２ダイ３１における、天板成形部３１ａと縦壁成形部３１ｂをつなぐ稜線（以下、天板側稜線３３という）の曲率半径ｒ１、縦壁成形部３１ｂとフランジ成形部３１ｃをつなぐ稜線（以下、フランジ側稜線３５という）の曲率半径ｒ２において、フランジ側曲率半径ｒ２は天板側曲率半径ｒ１より大きい（ｒ１＜ｒ２）。言い換えれば、第２ダイ３１において、天板側稜線３３よりもフランジ側稜線３５のほうが、曲りが緩やかな稜線となっている。

また、長手直交方向の線長に関して言えば、第１ダイ２１では長手方向中央部の線長L_Aより長手方向端部近傍の線長L_Bの方が短かったのに対し（L_A＞L_B）、第２ダイ３１では長手方向中央部の線長l_aより長手方向端部近傍の線長l_bの方が長くなっている（l_a＜l_b）。
第１ダイ２１の長手方向中央部の線長L_Aと第２ダイ３１の長手方向中央部の線長l_aの長さは同じであるため（L_A＝l_a）、第２ダイ３１の線長l_bは、第１ダイ２１の線長L_Bよりも、長くなっている（L_B＜l_b）（図３、図６参照）。

≪プレス成形品≫
上記のような第２成形金型１１を用いて行う第２成形工程によって得られるプレス成形品について、以下に説明する。

前述したとおり、長手方向端部近傍における長手直交方向の線長は、第２ダイ３１の線長l_bが、第１ダイ２１の線長L_Bよりも、長くなっている（L_B＜l_b）（図３、図５参照）。
そのため、第２成形工程の下死点において、ブランク２３では、フランジ部５の長手方向全長に亘って撓みを生じさせていた材料が、高さが高くなった長手方向端部近傍の縦壁部３に移動することで、フランジ部５の撓みは解消される（図７参照）。

このように、第２成形工程では、中間形状プレス成形品９のフランジ部５に撓みを生じさせていた材料余りを、高さが高くなった縦壁部３に充当することで、図２（ｂ）に示すような、目標形状プレス成形品１３を成形することができる。
本実施の形態によるプレス成形方法で成形された図２（ｂ）に示す目標形状プレス成形品１３と、従来のプレス成形方法で成形された図９（ｂ）に示すプレス成形品４３を比較すると、天板部のシワが低減していることがわかる。

上述した実施の形態における要件を満たしてプレス成形を実施した場合の具体例について以下に説明する。

表１のNo.1-1〜1-8は天板側曲率半径ｒ１＝４００ｍｍ、フランジ側曲率半径ｒ２＝１００００ｍｍである断面ハット形プレス成形品を目標形状としてプレス成形を行ったものである。
また、No.2-1〜2-4は天板側曲率半径ｒ１＝５００ｍｍ、フランジ側曲率半径ｒ２＝１００００ｍｍである断面ハット形プレス成形品を目標形状としてプレス成形を行ったものである。
上記２種類の目標形状に対して、従来のプレス成形方法と本発明のプレス成形方法にてプレス成形を行い、得られたプレス成形品における天板部の板厚増加率に対して評価を行った。

No.1-1およびNo.2-1は１工程からなる従来のプレス成形方法にて成形を行ったものである。また、No.1-2、1-3、1-5〜1-8およびNo.2-2〜2-4は２工程からなる本発明のプレス成形方法にて成形を行ったものである。No.1-4は本発明と同じく２工程によるものであるが、隙間ｈの値が本発明の適用外であるため、比較例として記載している。
Ｒ１は、ダイの天板側曲率半径（ｍｍ）、Ｒ２は、ダイのフランジ側曲率半径（ｍｍ）を示すものである。
ｈは、第１成形工程下死点でのフランジ成形部１９ｃ、２１ｃの間の隙間（ｍｍ）を示すものである。
天板部板厚増加率は、成形後のプレス成形品の天板部においてもっとも厚みがある箇所について、成形前のブランクに対する板厚増加率を示すものである。
評価は、「○」が従来例よりも天板部板厚増加率が減少してシワが抑制され、かつ、天板部板厚増加率が５％未満に抑えられたものを示している。

No.1-2〜1-4では第１成形工程のＲ２の値を等しく設定し、隙間ｈの値を変化させて天板部板厚増加率を測定した。
本発明例であるNo.1-2および1-3では（１≦ｈ≦５）、従来例と比較して天板部板厚増加率が減少し、シワが抑制された。比較例であるNo.1-4（５＜ｈ）では、フランジ部にシワが残存したため、評価を「×」とした。

No.1-5〜1-8およびNo.2-2〜2-4は第１成形工程の隙間ｈの値を等しく設定し、第１成形工程のＲ２の値を変化させて天板部板厚増加率を測定した。
第１成形工程のＲ２を小さく設定すると板厚増加率が低く、よりシワを低減できる傾向にあったが、第１成形工程のＲ１と等しくなるまでＲ２を大きくしてもシワの低減効果がみられた。

上述したとおり、２種類の目標形状において、従来のプレス成形方法に比べて本発明のプレス成形方法で得られたプレス成形品ではいずれも天板部板厚増加率が減少しており、シワの発生が低減された。

１天板部
３縦壁部
５フランジ部
６プレス成形品（目標形状）
７第１成形金型
９中間形状プレス成形品
１１第２成形金型
１３目標形状プレス成形品
１５天板側稜線（目標形状）
１７フランジ側稜線（目標形状）
１９第１パンチ
１９ａ天板成形部
１９ｂ縦壁成形部
１９ｃフランジ成形部
２１第１ダイ
２１ａ天板成形部
２１ｂ縦壁成形部
２１ｃフランジ成形部
２３ブランク
２５天板側稜線（第１ダイ）
２７フランジ側稜線（第１ダイ）
２９第２パンチ
２９ａ天板成形部
２９ｂ縦壁成形部
２９ｃフランジ成形部
３１第２ダイ
３１ａ天板成形部
３１ｂ縦壁成形部
３１ｃフランジ成形部
３３天板側稜線（第２ダイ）
３５フランジ側稜線（第２ダイ）
３７ダイ（従来例）
３９パンチ（従来例）
４１金型（従来例）
４３プレス成形品（従来例）
４５シワ
ｒ１天板側曲率半径（目標形状）
ｒ２フランジ側曲率半径（目標形状）
Ｒ１天板側曲率半径（第１ダイ）
Ｒ２フランジ側曲率半径（第１ダイ）

Claims

長手方向に沿って凹形状となる天板部と該天板部の両側に続く一対の縦壁部と、該一対の縦壁部に続く長手方向に沿って凹形状となるフランジ部を有し、目標形状として、前記フランジ部の曲率半径ｒ２よりも前記天板部の曲率半径ｒ１が小さい断面ハット形状のプレス成形品のプレス成形方法であって、
天板部、縦壁部及びフランジ部を有し、前記フランジ部に材料余りによって生じた撓みを有する中間形状プレス成形品を成形する第１成形工程と、
該第１成形工程で成形された前記中間形状プレス成形品を、目標形状に成形する第２成形工程とを備え、
前記第１成形工程は、天板成形部、縦壁成形部及びフランジ成形部を有するパンチ及びダイであって、下死点において、前記パンチと前記ダイのフランジ成形部の間に長手方向全長に亘って１ｍｍ以上５ｍｍ以下の隙間があり、前記ダイにおける天板成形部と縦壁成形部を繋ぐ稜線の曲率半径Ｒ１と前記ダイにおける縦壁成形部とフランジ成形部を繋ぐ稜線の曲率半径Ｒ２とがＲ１≧Ｒ２という関係を満たす第１成形金型を用いることを特徴とするプレス成形方法。