JP6981502B2 - プレス成形金型、プレス成形方法 - Google Patents

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するプレス成形金型及びプレス成形方法に関し、特に、面内方向に凹凸部を有する天板部と、該天板部に連続して形成されたフランジ部を有するプレス成形品のプレス成形金型及びプレス成形方法に関する。

近年、環境問題に起因した自動車車体の軽量化のため、自動車部品に高強度鋼板が多用されつつある。
しかし、高強度鋼板は強度の低い鋼板と比較して延性に乏しく、加工中に破断を生じやすい。また、高強度鋼板を用いた場合、さらなる軽量化のために薄肉化も同時に行うため、鋼板の座屈が生じやすくてプレス成形中にしわが発生しやすいという問題もある。そのため、破断やしわを抑制するためのプレス成形工法の開発が強く求められている。

例えば、特許文献１には、パンチおよびダイとは別体で駆動するしわ抑えパッドを利用することで、製品内部のしわや伸びフランジ割れを生じやすい自動車部品を、成形不具合なく製造するプレス成形方法が開示されている。
特許文献１に開示された方法によれば、製品内部のしわや割れを生じやすい自動車部品を、成形不具合なく製造することができるとされる。

特許６０３２３７４号公報

しかしながら、特許文献１に開示のプレス成形方法は、フランジから離れた製品内部をしわ抑えパッドを用いて拘束することが必要とされる方法である。そのため、フランジ部そのものにしわや割れを生じる形状には適用できないという課題がある。

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、フランジそのものにしわや割れの生ずるプレス成形品にも適用でき、フランジに生ずるしわと割れを同時に抑制できるプレス成形金型及びプレス成形方法を提供することを目的とする。

（１）本発明に係るプレス成形金型は、面内方向で外側に突出する凸辺部と面内方向で内側に凹む凹辺部が連結辺部を介して連続する凹凸辺部を有する天板部と、該天板部における前記凹凸辺部に形成され連続したフランジ部とを有するプレス成形品を成形するものであって、
前記凹凸辺部に沿ってフランジ部を曲げ成形する上型及び下型と、前記上型及び下型と協働してブランクを挟持する下パッド及び上パッドとを備え、
前記上型は、前記凸辺部にフランジ部を成形する凸辺フランジ成形部と、前記凹辺部にフランジ部を成形する凹辺フランジ成形部と、前記連結辺部にフランジ部を成形する連結辺フランジ成形部とを有し、前記凸辺フランジ成形部が前記凹辺フランジ成形部よりもプレス成形方向に突出すると共に、前記連結辺フランジ成形部が前記凸辺フランジ成形部から前記凹辺フランジ成形部に向かって傾斜してなり、
前記下パッドは、前記上型に形成された前記凸辺フランジ成形部、前記凹辺フランジ成形部及び前記連結辺フランジ成形部にそれぞれ対応した形状を有してなり、
成形初期に、前記凸辺部に前記凸辺フランジ成形部によってフランジ部を成形すると共に、前記連結辺フランジ成形部によって該フランジ部に連続して前記凹辺部に向かってねじれた形状のねじり形状部を成形し、
成形後期に、前記連結辺フランジ成形部によってねじり形状部をフランジ部に成形すると共に、前記凹辺フランジ成形部によって前記凹辺部にフランジ部を成形して、目標形状に成形できることを特徴とするものである。

（２）本発明に係るプレス成形方法は、面内方向で外側に突出する凸辺部と面内方向で内側に凹む凹辺部が連結辺部を介して連続する凹凸辺部を有する天板部と、該天板部における前記凹凸辺部に形成され連続したフランジ部とを有するプレス成形品を、上記（１）記載のプレス成形金型を用いて成形するプレス成形方法であって、
前記上パッド及び下型によってブランクの一部を挟持すると共に、前記下パッドでブランクの一部を支持して、前記上型をプレス成形方向に移動することで、前記凸辺フランジ成形部によって前記凸辺部にフランジ部を成形すると共に、前記連結辺フランジ成形部によって前記凹辺部に向かってねじれた形状のねじり形状部を該フランジ部に連続して成形する初期成形工程と、
前記上型及び前記下パッドをプレス成形方向に移動して、前記連結辺フランジ成形部によってねじり形状部をフランジ部に成形すると共に、前記凹辺フランジ成形部によって前記凹辺部にフランジ部を成形して、目標形状に成形する後期成形工程と、を備えたことを特徴とするものである。

本発明のプレス成形金型によれば、フランジそのものにしわや割れの生ずるプレス成形品に適用でき、フランジに生ずるしわと割れを同時に抑制することができる。
しかも、金型を同一方向の動きであるワンアクションによってプレス成形することができ、効率よくプレス成形することができる。

本発明の実施の形態に係るプレス成形金型の説明図である（その１）。 本発明の実施の形態に係るプレス成形金型の説明図である（その２）。 本発明の実施の形態に係るプレス成形金型の説明図である（その３）。 本発明の実施の形態に係るプレス成形金型の説明図である（その４）。 本発明の実施の形態に係るプレス成形方法の説明図である。 本発明の実施の形態に係るプレス成形方法の成形開始前工程の金型の状態の説明図である（その１）。 本発明の実施の形態に係るプレス成形方法の成形開始前工程の金型の状態の説明図である（その２）。 本発明の実施の形態に係るプレス成形方法の初期成形工程の金型の状態の説明図である。 図５の初期成形工程の成形品におけるＡＡ部の太い矢印の方向から見た拡大図である。 初期成形工程においてしわの発生が抑制されるメカニズムを説明する説明図である。 本発明の実施の形態に係るプレス成形方法の後期成形工程の金型の状態の説明図である。 図５の後期成形工程の目標形状におけるＢＢ部の太い矢印の方向から見た拡大図である。 後期成形工程において割れの発生が抑制されるメカニズムを説明する説明図である。 実施の形態における目標形状と、該目標形状の成形過程で生ずる課題を説明する説明図である。 図１４に示した目標形状の成形過程でしわと割れが生ずるメカニズムを説明する説明図である。

本実施の形態に係るプレス成形金型及びプレス成形方法の説明に先立ち、本発明が成形対象としているプレス成形品の一例について、図１４、図１５に基づいてその形状と課題について説明する。
図１４に示すプレス成形品１は、自動車部品であるスライドドアレールの斜視図であり、天板部３と、フランジ部５とを有している。
天板部３は、面内方向で外側に突出する凸部７と凸部７に隣接して面内方向で内側に凹む凹部９を有しており、天板部３の外周辺は、凸部７の外周辺である凸辺部１１ａと、凹部９の外周辺である凹辺部１１ｂと、凸辺部１１ａと凹辺部１１ｂを連結する連結辺部１１ｃによって構成された凹凸辺部１１となっている。そして、凹凸辺部１１にフランジ部５が形成されている。
なお、実際のスライドドアレールの場合には、天板部３におけるフランジ部５が形成された凹凸辺部１１に対向する辺部に屈曲部が形成されるが、図１４においては、当該屈曲部の図示を省略している。

このようなプレス成形品１を従来のプレス成形方法で成形した場合、凸辺部１１ａに形成するフランジ部５では縮みフランジ変形となり（図中の丸い破線で囲んだａ部）、材料余りによりしわが生じやすくて、凹辺部１１ｂに形成するフランジ部５では伸びフランジ変形となり（図中の丸い破線で囲んだｂ部）、材料不足による割れが生じやすい。

このしわと割れが生ずるメカニズムを図１５に基づいて説明する。
図１５は、図１４の破線で囲んだＥＥ部における成形過程における材料流れを説明する図であり、図１４を上面視（図１５（ａ））及び側面視（図１５（ｂ））した状態を示している。また、図１５において、破線が成形前のブランクの先端であり、実線が目標形状に成形されたフランジ部５の端辺である。
また、図中のＤ点及びＢ点は成形前のブランクにおける凸辺部１１ａのＲ止まりに相当する点であり、これらに対応して上面図においてＤ点及びＢ点から目標形状の端辺に対して垂直に向かう線と目標形状の端辺との交点が、Ｄ´点及びＢ´点である。
同様に、図中のＡ点及びＥ点は成形前のブランクにおける凹辺部１１ｂのＲ止まりに相当する点であり、これらに対応して上面図においてＥ点及びＡ点から目標形状の端辺に対して垂直に向かう線と目標形状の端辺との交点が、Ａ´点及びＥ´点である。
図１５（ａ）上面図に示すように、材料は稜線（曲げの線）にほぼ垂直に流れるので、ａ部では材料が寄る方向に流れ、ｂ部では材料が離れる方向に流れる。そのため、ａ部ではしわが発生しやすくて、ｂ部では割れが発生しやすい。

このような問題を解決するため、発明者は、縮みフランジ変形を生ずる部位から伸びフランジ変形を生ずる部位へと材料を流入しやすくする中間成形品を成形途中に介在させることで、それぞれの部位への圧縮ひずみ及び引張ひずみの集中を回避できると考え、このようなプレス成形方法を実現できるプレス成形金型を考案したものであり、具体的には以下の構成からなるものである。

本実施の形態に係るプレス成形金型１３は、例えば図１４に示すように、面内方向で外側に突出する凸辺部１１ａと面内方向で内側に凹む凹辺部１１ｂが連結辺部１１ｃを介して連続する凹凸辺部１１を有する天板部３と、天板部３における凹凸辺部１１に形成され連続したフランジ部５とを有するプレス成形品１を成形するものであって、図１〜図４に示すように、凹凸辺部１１（図５）に沿ってフランジ部５を曲げ成形する上型１５及び下型１７と、上型１５及び下型１７と協働してブランク１９を挟持する下パッド２１及び上パッド２３とを備えている。なお、上型、下型の上下は相対的な関係を示すものであって、必ず上または下にあるものではなく、対の関係のみを示している。
本実施の形態のプレス成形金型１３は、下型１７上にブランク１９（図６）を載置して上パッド２３で挟持し、上型１５及び下パッド２１を移動することで、ブランク１９の縁部にフランジ部５を曲げ成形するものであり、上型１５及び下型１７における曲げ刃部分には、天板部３の凹凸辺部１１と同様に載置されるブランク１９の面内方向に凹凸する凹凸面が形成されている。

上型１５は、凸辺部１１ａにフランジ部５を成形する凸辺フランジ成形部１５ａと、凹辺部１１ｂにフランジ部５を成形する凹辺フランジ成形部１５ｂと、連結辺部１１ｃにフランジ部５を成形する連結辺フランジ成形部１５ｃとを有している（図４参照）。
そして、凸辺フランジ成形部１５ａが凹辺フランジ成形部１５ｂよりもプレス成形方向（載置されるブランク１９の面外方向で図１〜図４では下方向）に突出すると共に、連結辺フランジ成形部１５ｃが凸辺フランジ成形部１５ａから凹辺フランジ成形部１５ｂに向かって傾斜している（図２、図４参照）。

また、下パッド２１は、上型１５に形成された凸辺フランジ成形部１５ａ、凹辺フランジ成形部１５ｂ及び連結辺フランジ成形部１５ｃにそれぞれ対応した形状を有している。すなわち、下パッド２１における上型１５の凸辺フランジ成形部１５ａに対応する部位（下パッド凸辺フランジ成形部２１ａ）は、上型１５の凹辺フランジ成形部１５ｂに対応する部位（下パッド凹辺フランジ成形部２１ｂ）よりもプレス成形方向に凹んでいると共に、上型１５の連結辺フランジ成形部１５ｃに対応する部位（下パッド連結辺フランジ成形部２１ｃ）が、下パッド凹辺フランジ成形部２１ｂから下パッド凸辺フランジ成形部２１ａに向かって傾斜している（図１、図３参照）。

次に、上記のような本実施の形態のプレス成形金型１３を用いて、図１４に示したスライドドアレール部材を成形する方法について説明する。
本実施の形態のプレス成形方法は、図５に示すように、ブランク１９をプレス成形金型１３にセットする成形開始前工程Ｓ１、初期成形工程Ｓ３、後期成形工程Ｓ５とを備えたものである。
以下、各工程について、図５〜図１３に基づいて詳細に説明する。なお、金型の動きを説明する図７、図８、図１１においては、ブランク１９の成形状態を示すため、上型１５及び上パッド２３は透視図としている。

＜成形開始前工程＞
成形開始前工程Ｓ１では、図６に示すように、金属板からなるブランク１９を下型１７上に載置して、図７に示すように、ブランク１９の一部を上パッド２３で挟む。このとき、下パッド２１の最上面（例えば、下パッド凹辺フランジ成形部２１ｂ）は、下型１７の上面と面一になっている。そして、ブランク１９における天板部３に相当する部位が下型１７上に配置され、ブランク１９におけるフランジ部５に対応する部位が下パッド２１における下パッド凹辺フランジ成形部２１ｂ上に配置されている。

＜初期成形工程＞
初期成形工程Ｓ３では、図８に示すように、上パッド２３及び下型１７によってブランク１９の一部を挟持した状態で、下パッド２１でブランク１９の一部を支持して、上型１５をプレス成形方向に相対的に移動する。
これによって、凸辺フランジ成形部１５ａによって凸辺部１１ａにフランジ部５が成形されると共に、連結辺フランジ成形部１５ｃによって凹辺部１１ｂに向かってねじれた形状のねじり形状部２５がフランジ部５に連続して成形される。

初期成形工程Ｓ３では、天板部３の凸辺部１１ａにはフランジ部５が成形されるが、凹辺部１１ｂは下パッド凹辺フランジ成形部２１ｂに支持されているため、フランジ部５が成形されない。このため、凸辺部１１ａから凹辺部１１ｂに至る連結辺部１１ｃにはフランジ部５ではなくねじり形状部２５が成形される。このねじり形状部２５は、図９に示すように、一端側が凸辺部１１ａに形成されたフランジ部５に繋がり、他端側が平坦な天板部３に繋がっていることから、ねじれた形状となっている。
ねじり形状部２５の成形の際には、図９の矢印で示すように、形成されるフランジ部５側から平坦な方向に向かって材料流入が生じ、縮みフランジ変形における材料余りが緩和され、しわの発生が抑制される。

この材料流れが生ずるメカニズムを図１０に基づいて説明する。
図１０は、図９の破線で囲んだＣＣ部の成形過程における材料流れを説明する図であり、図９を上面視および側面視した状態を示している。また、図１０において、目の細かい破線が成形前のブランクの端辺であり、目の粗い破線がねじり形状部２５の端辺であり、実線が目標形状の端辺である。
図中のＡ〜Ｅ点及びＡ´〜Ｅ´点は、図１５に示したものと同一の点である。
すなわち、図中Ａ点は、ブランク１９における湾曲部のＲ止まりであり、変形がほとんどないねじり形状部２５の先端位置となる。Ｂ点は、従来の縮みフランジ変形を生じるブランク部位の一方のＲ止まりに対応する点で、Ｂ´点は上面図においてＢ点からねじり形状部２５の端辺に対して垂直に向かう線とねじり形状部２５の端辺との交点である。
Ｄ点はブランク１９における湾曲部のＲ止まり、Ｄ´点は上面図においてＤ点から目標形状の端辺に対して垂直に向かう線と目標形状の端辺との交点である。

縮みフランジ変形のため、Ｂ´点からＤ´点までの距離はＢ点からＤ点までの距離よりも短い（Ｂ´Ｄ´＜ＢＤ）ため、材料余りによって凸辺部１１ａに形成されるフランジ部５にはしわが発生しようとする。
他方、Ａ点からＢ´点までの距離は、３次元的にみると、Ａ点からＢ点までの距離よりも長い（ＡＢ´＞ＡＢ）ため、材料はＡ点側に引っ張られて「稜線にほぼ垂直」からずれて流れる。そのため、従来の図１５のしわ発生領域での矢印の材料流れに比べてＡ点寄りの図１０の矢印で示す材料流れが生じ、この材料流れにより、初期成形工程で成形される縮みフランジ変形での材料余りが緩和され、しわの発生が防止される。

＜後期成形工程＞
後期成形工程Ｓ５では、図１１に示すように、上型１５及び下パッド２１をプレス成形方向に移動する。これにより、連結辺フランジ成形部１５ｃによってねじり形状部２５がフランジ部５に成形されると共に、凹辺フランジ成形部１５ｂによって凹辺部１１ｂにフランジ部５が成形され、目標形状が成形される。
後期成形工程Ｓ５の成形過程では、図１２の太い矢印で示すように、ねじり形状部２５から伸びフランジ変形部へと材料流入が生じるため、伸びフランジ変形部の材料不足が緩和され、割れの発生が抑制される。

この材料流れが生ずるメカニズムを図１３に基づいて説明する。
図１３は、図１２の破線で囲んだＤＤ部の成形過程における材料流れを説明する図であり、図１２を上面視および側面視した状態を示している。また、図１３において、目の細かい破線が成形前のブランクの端辺、目の粗い破線がねじり形状部２５の端辺、実線が目標形状におけるフランジ部５の端辺である。

また、図中のＡ〜Ｅ点及びＡ´〜Ｅ´点は、図１５、図１０に示したものと同一の点である。すなわち、図中Ａ´点は、Ａ点から上面図において目標形状の稜線に対して垂直に向かう線と目標形状との交点である。Ｅ点は、従来の伸びフランジ変形を生じるブランク部位の一方のＲ止まりに対応する点で、Ｅ´点は上面図においてＥ点から目標形状の端辺に対して垂直に向かう線と目標形状の端辺との交点である。
伸びフランジ変形のため、Ａ´点からＥ´点までの距離は、Ａ点からＥ点までの距離より長く（Ａ´Ｅ´＞ＡＥ）、材料不足により凹辺部１１ｂに形成されるフランジ部５では割れが発生しようとする。
他方、３次元的にみると、Ｄ´点からＥ´点までの距離は、Ｄ´点からＥ点までの距離よりも短い（Ｄ´Ｅ´＜Ｄ´Ｅ）ため、材料はＡ´側に押されて「稜線にほぼ垂直」からずれて流れる。そのため、従来の図１５の割れ発生領域での矢印の材料流れに比べてＡ点寄りの図１３の矢印で示す材料流れが生じ、この材料流れにより、後期成形工程Ｓ５で成形される伸びフランジ変形での材料不足が緩和され、割れの発生が防止される。

以上のように、本実施の形態のプレス成形金型１３であれば、成形初期に、凸辺部１１ａに凸辺フランジ成形部１５ａによってフランジ部５を成形すると共に、連結辺フランジ成形部１５ｃによってフランジ部５に連続して凹辺部１１ｂに向かってねじれた形状のねじり形状部２５を成形し、成形後期に、連結辺フランジ成形部１５ｃによってねじり形状部２５をフランジ部５に成形すると共に、凹辺フランジ成形部１５ｂによって凹辺部１１ｂにフランジ部５を成形して、目標形状に成形することができる。
このため、成形初期において、縮みフランジ変形となる部位のみを先に成形することで、伸びフランジ変形となる部位側への材料流れを促進するようなねじり形状部２５が成形され、成形後期において、伸びフランジ変形となる部位を成形することで、ねじり形状部２５からの材料流れにより、伸びフランジ変形での材料不足を抑制して目標形状を成形できる。

このように、伸びフランジ割れの発生する危険部位および縮みフランジしわの発生する危険部位のひずみを分散させることで、初期成形工程Ｓ３では、縮みフランジ変形によるしわ発生が抑制され、後期成形工程Ｓ５では伸びフランジ変形による割れ発生が抑制され、全工程を通じてしわと割れの発生を抑制できる。
しかも、金型を同一方向の動きであるワンアクションによってプレス成形することができ、効率よくプレス成形することができる。

本発明の効果確認のため、図１４に示すような、スライドドアレール部材の例を目標形状としてプレス成形を行った。
材料は、引張強度が1180MPa級、板厚1.4mmの鋼板とした。
まず、比較例として、ねじり形状部２５を成形することなく一工程で目標形状を成形し、天板部をパッドで押さえるパッドフォーム成形によるプレス成形を行った。
次に、本発明の実施例としては、実施の形態で説明したプレス成形金型１３を用いて、凸辺部１１ａにフランジ部５を、連結辺部１１ｃにねじり形状部２５を成形する初期成形工程Ｓ３と、ねじり形状部２５をフランジ部５に成形すると共に凹辺部１１ｂにフランジ部５を成形する後期成形工程Ｓ５を有し、いずれの成形工程も天板部をパッドで押さえるパッドフォーム成形としたプレス成形を行った。

比較例の場合には、図１４に示すａ部にしわが、ｂ部に割れが生じ、目的の形状を得ることができなかった。
他方、本発明の実施例では、フランジ部５の割れ・しわともに発生せず、高品質なプレス成形品を得ることができた。
以上により、天板部３に面内方向に凹凸を有するプレス成形部品の成形に際し、伸びフランジ割れおよび縮みフランジしわを抑制するために本発明が有効であることが示された。

１ プレス成形品
３ 天板部
５ フランジ部
７ 凸部
９ 凹部
１１ 凹凸辺部
１１ａ 凸辺部
１１ｂ 凹辺部
１１ｃ 連結辺部
１３ プレス成形金型
１５ 上型
１５ａ 凸辺フランジ成形部
１５ｂ 凹辺フランジ成形部
１５ｃ 連結辺フランジ成形部
１７ 下型
１９ ブランク
２１ 下パッド
２１ａ 下パッド凸辺フランジ成形部
２１ｂ 下パッド凹辺フランジ成形部
２１ｃ 下パッド連結辺フランジ成形部
２３ 上パッド
２５ ねじり形状部

Claims (2)

1. 面内方向で外側に突出する凸辺部と面内方向で内側に凹む凹辺部が連結辺部を介して連続する凹凸辺部を有する天板部と、該天板部における前記凹凸辺部に形成され連続したフランジ部とを有するプレス成形品を成形するプレス成形金型であって、
   前記凹凸辺部に沿ってフランジ部を曲げ成形する上型及び下型と、前記上型及び下型と協働してブランクを挟持する下パッド及び上パッドとを備え、
   前記上型は、前記凸辺部にフランジ部を成形する凸辺フランジ成形部と、前記凹辺部にフランジ部を成形する凹辺フランジ成形部と、前記連結辺部にフランジ部を成形する連結辺フランジ成形部とを有し、前記凸辺フランジ成形部が前記凹辺フランジ成形部よりもプレス成形方向に突出すると共に、前記連結辺フランジ成形部が前記凸辺フランジ成形部から前記凹辺フランジ成形部に向かって傾斜してなり、
   前記下パッドは、前記上型に形成された前記凸辺フランジ成形部、前記凹辺フランジ成形部及び前記連結辺フランジ成形部にそれぞれ対応した形状を有してなり、
   成形初期に、前記凸辺部に前記凸辺フランジ成形部によってフランジ部を成形すると共に、前記連結辺フランジ成形部によって該フランジ部に連続して前記凹辺部に向かってねじれた形状のねじり形状部を成形し、
   成形後期に、前記連結辺フランジ成形部によってねじり形状部をフランジ部に成形すると共に、前記凹辺フランジ成形部によって前記凹辺部にフランジ部を成形して、目標形状に成形できることを特徴とするプレス成形金型。
2. 面内方向で外側に突出する凸辺部と面内方向で内側に凹む凹辺部が連結辺部を介して連続する凹凸辺部を有する天板部と、該天板部における前記凹凸辺部に形成され連続したフランジ部とを有するプレス成形品を、請求項１記載のプレス成形金型を用いて成形するプレス成形方法であって、
   前記上パッド及び下型によってブランクの一部を挟持すると共に、前記下パッドでブランクの一部を支持して、前記上型をプレス成形方向に移動することで、前記凸辺フランジ成形部によって前記凸辺部にフランジ部を成形すると共に、前記連結辺フランジ成形部によって前記凹辺部に向かってねじれた形状のねじり形状部を該フランジ部に連続して成形する初期成形工程と、
   前記上型及び前記下パッドをプレス成形方向に移動して、前記連結辺フランジ成形部によってねじり形状部をフランジ部に成形すると共に、前記凹辺フランジ成形部によって前記凹辺部にフランジ部を成形して、目標形状に成形する後期成形工程と、を備えたことを特徴とするプレス成形方法。

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