JP7021696B1 - プレス成形品の形状変化予測方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】上面視で湾曲したコ字型断面形状又はZ字型断面形状のプレス成形品の時間経過による形状変化を予測する。【解決手段】本発明に係るプレス成形品の形状変化予測方法は、天板部3と一対の縦壁部5とを有してなるコ字型断面形状であり、上面視で長手方向に沿って湾曲した形状を含むプレス成形品1について、金型から離型してスプリングバックした後の時間経過に伴う応力緩和による長手方向端部側が捩れる形状変化を予測するものであって、スプリングバックした直後のプレス成形品1の形状及び残留応力を取得する工程(S1)と、スプリングバックした直後のプレス成形品1の少なくとも一対の縦壁部5のいずれか一方に対し、スプリングバック直後の残留応力よりも緩和減少した応力の値を設定する工程(S3)と、緩和減少した応力の値を設定したプレス成形品1について力のモーメントが釣り合う形状を求める工程(S5)と、を含むものである。【選択図】 図1

Description

本発明は、プレス成形品の形状変化予測方法に関し、特に、コ字型断面形状又はZ字型断面形状であり、上面視で長手方向に沿って湾曲した形状を含むプレス成形品について、金型から離型してスプリングバックした後の時間経過に伴って生じる形状変化を予測するプレス成形品の形状変化予測方法に関する。
プレス成形は金属部品を低コストかつ短時間に製造することができる製造方法であり、多くの自動車部品の製造に用いられている。近年では、自動車の衝突安全性と車体の軽量化を両立するため、より高強度な金属板が自動車部品のプレス成形に利用されている。
高強度な金属板をプレス成形する場合の主な課題の一つにスプリングバックによる寸法精度の低下がある。プレス成形により金属板を変形させる際にプレス成形品に発生した残留応力が駆動力となり、金型から離型したプレス成形品がプレス成形前の金属板の形状にバネのように瞬間的に戻ろうとする現象をスプリングバックと呼ぶ。
プレス成形時に発生する残留応力は高強度な金属板(例えば、高張力鋼板)ほど大きくなるため、スプリングバックによる形状変化も大きくなる。したがって、高強度な金属板ほどスプリングバック後の形状を規定の寸法内におさめることが難しくなる。そこで、スプリングバックによるプレス成形品の形状変化を精度良く予測する技術が重要となる。
スプリングバックによる形状変化の予測には、有限要素法によるプレス成形シミュレーションの利用が一般的である。当該プレス成形シミュレーションにおける手順としては、まず、金属板を成形下死点までプレス成形する過程のプレス成形解析を行い、プレス成形下死点での残留応力を予測する第1段階(例えば特許文献1)と、金型から離型した(取り出した)プレス成形品がスプリングバックにより形状が変化する過程のスプリングバック解析を行い、離型したプレス成形品における力のモーメントと残留応力との釣り合いがとれる形状を予測する第2段階(例えば特許文献2)に分けられる。
特許5795151号公報 特許5866892号公報 特開2013-113144号公報
これまでに、前述した第1段階のプレス成形解析と第2段階のスプリングバック解析とを統合したプレス成形シミュレーションを行うことにより、金型から離型してスプリングバックした直後のプレス成形品の形状が予測されてきた。
しかしながら、発明者らは、プレス成形シミュレーションにより予測されたプレス成形品の形状と実際にプレス成形されたプレス成形品の形状とを比較した際、プレス成形シミュレーションによる形状予測精度が低くなるプレス成形品があることに気づいた。
そこで、プレス成形シミュレーションによる形状予測精度が低くなるプレス成形品に関して調査したところ、図2に一例として示すような、天板部3と一対の縦壁部5とを有してなるコ字型断面形状であり、上面視(天板部方向から見た場合)で長手方向に沿って湾曲したプレス成形品1や、図5に一例として示すような、天板部13と縦壁部15とフランジ部17とを有してなるZ字型断面形状であり、上面視で長手方向に沿って湾曲したプレス成形品11においては、離型して数日経過した後では、長手方向中央部に対して長手方向端部側が捩れるような変形が生じてしまい、プレス成形直後と数日経過後とでは形状が異なることを発見した。
このようなプレス成形品の時間単位の経過に伴う形状変化は、クリープ現象のように外部から高い荷重を受け続ける構造部材が徐々に変形する現象(例えば、特許文献3)と類似しているように思われるが、外部から荷重を受けていないプレス成形品に起こる形状の変化はこれまでに知られていなかった。
さらに、従来のプレス成形シミュレーションにおける第2段階(スプリングバック解析)は、金型から取り出した瞬間にスプリングバックした直後のプレス成形品の形状を予測するものである。そのため、本願が目的とするスプリングバックしたプレス成形品について、例えば数日経過した後の形状変化を予測することに関しては、これまでに何ら検討されていなかった。
その上、スプリングバックしたプレス成形品の時間単位の経過による形状変化は、前述したように、外部からの荷重を受けずに生じるものである。そのため、プレス成形品の時間単位の経過による形状変化の予測を試みたとしても、クリープ現象による形状変化を取り扱う解析手法を適用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、コ字型断面形状又はZ字型断面形状であり上面視で長手方向に沿って湾曲した形状を含むプレス成形品について、金型から離型した瞬間にスプリングバックした後の時間単位の経過による前記プレス成形品の形状変化を予測するプレス成形品の形状変化予測方法を提案することを目的とする。
(1)本発明に係るプレス成形品の形状変化予測方法は、天板部と該天板部から連続する一対の縦壁部とを有してなるコ字型断面形状であり、上面視で長手方向に沿って湾曲した形状を含むプレス成形品について、金型から離型した瞬間にスプリングバックした後の時間経過に伴う応力緩和による長手方向端部側が捩れる形状変化を予測するものであって、
前記プレス成形品のスプリングバック解析により、スプリングバックした直後の前記プレス成形品の形状及び残留応力を取得するスプリングバック直後の形状・残留応力取得工程と、
スプリングバックした直後の前記プレス成形品の少なくとも前記一対の縦壁部のいずれか一方に対し、スプリングバックした直後の残留応力よりも緩和減少した応力の値を設定する残留応力緩和減少設定工程と、
緩和減少した応力の値を設定した前記プレス成形品について力のモーメントが釣り合う形状を求める残留応力緩和形状解析工程と、を含む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品の形状変化予測方法は、天板部と該天板部から連続する縦壁部と該縦壁部から連続するフランジ部とを有してなるZ字型断面形状であり、上面視で長手方向に沿って湾曲した形状を含むプレス成形品について、金型から離型した瞬間にスプリングバックした後の時間経過に伴う応力緩和による長手方向端部側が捩れる形状変化を予測するものであって、
前記プレス成形品のスプリングバック解析により、スプリングバックした直後の前記プレス成形品の形状及び残留応力を取得するスプリングバック直後の形状・残留応力取得工程と、
スプリングバックした直後の前記プレス成形品の少なくとも前記天板部及び/又は前記フランジ部に対し、スプリングバックした直後の残留応力よりも緩和減少した応力の値を設定する残留応力緩和減少設定工程と、
緩和減少した応力の値を設定した前記プレス成形品について力のモーメントが釣り合う形状を求める残留応力緩和形状解析工程と、を含むことを特徴とするものである。
(3)上記(1)又は(2)に記載のものにおいて、
前記残留応力緩和減少設定工程において、スプリングバックした直後の残留応力よりも5%以上緩和減少した応力の値を設定することを特徴とするものである。
(4)上記(1)乃至(3)のいずれかに記載のものにおいて、
前記プレス成形品のプレス成形に供するブランクは、引張強度が150MPa級以上2000MPa級以下の金属板であることを特徴とするものである。
本発明においては、コ字型断面形状又はZ字型断面形状であり上面視で長手方向に沿って湾曲した形状を含むプレス成形品について、金型から離型してスプリングバックした後の時間経過に伴う前記プレス成形品の長手方向端部が捩れる形状変化を精度良く予測することができる。その結果、自動車部品や車体等の製造工程において、従来よりもさらに寸法精度の優れたプレス成形品を得て、製造能率を大幅に向上できる。
本発明の実施の形態1に係るプレス成形品の形状変化予測方法の処理の流れを示すフロー図である。 本発明の実施の形態1で対象とした、コ字型断面形状であり上面視で長手方向に沿って湾曲した形状のプレス成形品の一例を示す図である((a)斜視図、(b)上面図)。 ひずみを付与した後に一定に保持した状態で時間の経過とともに応力が緩和して減少する応力緩和現象を説明する図である。 図2に示したコ字型断面形状のプレス成形品の一対の縦壁部における応力緩和による形状変化を説明する図である((a)プレス成形直後の成形下死点、(b)スプリングバック直後、(c)時間経過後)。 本発明の実施の形態2で対象とした、Z字型断面形状であり上面視で長手方向に沿って湾曲した形状のプレス成形品の一例を示す図である((a)斜視図、(b)上面図)。 図5に示したZ字型断面形状のプレス成形品の天板部及びフランジ部における応力緩和による形状変化を説明する図である((a)プレス成形直後の成形下死点、(b)スプリングバック直後、(c)時間経過後)。 本発明の実施の形態2で対象とした、Z字型断面形状であり上面視で長手方向に沿って湾曲した形状のプレス成形品の他の例を示す図である((a)斜視図、(b)上面図)。 図7に示したZ字型断面形状のプレス成形品のフランジ部及び天板部における応力緩和による形状変化を説明する図である((a)プレス成形直後の成形下死点、(b)スプリングバック直後、(c)時間経過後)。
[実施の形態1]
本発明の実施の形態1に係るプレス成形品の形状変化予測方法は、一例として図2に示すように、コ字型断面形状であって上面視で長手方向に沿って湾曲した形状を含むプレス成形品1について、金型から離型しスプリングバックした後の時間経過に伴う応力緩和による長手方向端部側が捩れる形状変化を予測するものであって、図1に示すように、スプリングバック直後の形状・残留応力取得工程S1と、残留応力緩和減少設定工程S3と、残留応力緩和形状解析工程S5と、を含むものである。
これらの各工程について説明するに先立ち、実施の形態1において形状予測の対象とするプレス成形品1について、金型から離型した瞬間にスプリングバックした後のさらなる時間経過に伴って長手方向端部側が捩れる形状変化が生じる理由を説明する。
<コ字型断面形状のプレス成形品の時間経過に伴う形状変化>
本実施の形態1で対象としたプレス成形品1は、図2に一例として示すように、天板部3と、天板部3から連続する一対の縦壁部5と、を有してなるコ字型断面形状であり、上面視で長手方向に沿って湾曲した形状を含み、天板部3と縦壁部5とはパンチ肩R部7を介して連続する。また、一対の縦壁部5は、湾曲の内側に位置する縦壁部5aと、湾曲の外側に位置する縦壁部5bと、からなる。なお、湾曲の内側とは、上面視において湾曲の曲率中心と同じ側とし、湾曲の外側とは、上面視において湾曲の曲率中心と反対側とする(以下、同じ)。
このようなプレス成形品1についてスプリングバックした後の時間経過に伴う形状変化を検討した結果、発明者らは、図3の応力―ひずみ線図に示すように、ひずみを付与した後に一定に保持したまま時間の経過とともに応力が徐々に緩和する応力緩和現象に着目した。そして、スプリングバックした後のプレス成形品1においても、湾曲内側の縦壁部5aと湾曲外側の縦壁部5bの残留応力が時間の経過とともに徐々に緩和することで、プレス成形品1の力のモーメントと釣り合う形状が変化することを突き止めた。
プレス成形品1における残留応力の緩和による形状変化について、図4に示す模式図を用いて説明する。なお、図4(b)(ii)及び図4(c)(ii)において、実線はプレス成形品1の長手方向端部におけるA1-A1'断面の形状、破線はプレス成形品1の長手方向中央部におけるA0-A0'断面の形状を示す。
プレス成形品1のプレス成形において、金属板(ブランク)は図2に示すように上面視で湾曲した形状に曲げられるため、成形下死点では、図4(a)(i)に示すように、湾曲内側の縦壁部5aではブランク端部の線長が伸びる伸びフランジ変形が生じて引張応力が発生し、湾曲外側の縦壁部5bではブランク端部の線長が縮まる縮みフランジ変形が生じて圧縮応力が発生する。
次に、金型からプレス成形品1を取り外すと、プレス成形時に発生した残留応力を駆動力としてスプリングバックが発生する。このスプリングバックにおいて、湾曲内側の縦壁部5aは縮もうとし、湾曲外側の縦壁部5bは伸びようとする。
しかしながら、縦壁部5aの縮みや縦壁部5bの伸びといった面内での変形は剛性が大きくて生じにくいため、図4(b)(ii)に示すように、プレス成形品1の長手方向中央部に対して長手方向端部側に捩れが生じる。そして、成形下死点において湾曲内側の縦壁部5a及び湾曲外側の縦壁部5bに発生した残留応力(図4(a)(i)に示す引張応力及び圧縮応力)は、絶対値が小さくなるか、場合によっては図4(b)(i)に示すように成形下死点とは残留応力が反転した状態となり、力のモーメントが釣り合う形状となる。
その後、スプリングバックした直後の湾曲内側の縦壁部5aにおける残留応力(図4(b)(i)においては圧縮応力)と湾曲外側の縦壁部5bにおける残留応力(図4(b)(i)においては引張応力)は、時間経過とともに外部からの強制を受けないまま緩和して減少する。これにより、力のモーメントと釣り合う形状が変化するため、図4(c)(ii)に示すように、プレス成形品1の長手方向端部においてはさらに捩れが発生する。
このように、コ字型断面形状であって上面視で湾曲した形状のプレス成形品1においては、プレス成形してスプリングバックした後のさらなる時間の経過に伴って湾曲内側の縦壁部5aと湾曲外側の縦壁部5bの残留応力が緩和することに起因して、長手方向端部側に捩れが発生し、成形下死点形状(図4(a)(ii))からさらに乖離した形状になるという知見が得られた。
そこで、発明者らは、上記の新たな知見に基づいて、プレス成形品1についてスプリングバックした後の時間経過に伴う応力緩和による形状変化を予測する方法について検討をすすめた。その結果、前述したプレス成形シミュレーションの第2段階(スプリングバック解析)で得られるスプリングバックした直後のプレス成形品1の少なくとも湾曲内側の縦壁部5a及び/又は湾曲外側の縦壁部5bの残留応力を緩和させ、プレス成形品1の力のモーメントと釣り合う形状を求める第3段階の解析をさらに行うことで、前述したようなプレス成形品1の時間経過に伴う形状変化(長手方向端部側の捩れ)を予測できることを見い出した。
<プレス成形品の形状変化予測方法>
次に、本実施の形態1に係るプレス成形品の形状変化予測方法(図1)におけるスプリングバック直後の形状・残留応力取得工程S1と、残留応力緩和減少設定工程S3と、残留応力緩和形状解析工程S5と、について説明する。
≪スプリングバック直後の形状・残留応力取得工程≫
スプリングバック直後の形状・残留応力取得工程S1は、プレス成形品1のスプリングバック解析により、スプリングバックした直後のプレス成形品1の形状及び残留応力を取得する工程である。
スプリングバックした直後のプレス成形品1の形状及び残留応力を取得する具体的な処理の一例としては、実際のプレス成形品1のプレス成形に用いる金型をモデル化した金型モデルを用いて、金属板を成形下死点までプレス成形する過程のプレス成形解析を行い、成形下死点におけるプレス成形品1の形状及び残留応力を求める第1段階と、該求めた成形下死点におけるプレス成形品1を金型モデルから離型した後のプレス成形品1の力のモーメントの釣り合いが取れる形状及び残留応力を求めるスプリングバック解析を行う第2段階と、を有する有限要素法によるプレス成形シミュレーションが挙げられる。
≪残留応力緩和減少設定工程≫
残留応力緩和減少設定工程S3は、スプリングバック直後の形状・残留応力取得工程S1において取得したスプリングバックした直後のプレス成形品1の少なくとも一対の縦壁部5のいずれか一方に対し、スプリングバックした直後の残留応力よりも緩和減少させた応力の値を設定する工程である。
ここで、残留応力緩和減少設定工程S3における残留応力とは、スプリングバックした直後のプレス成形品1に残留する引張応力及び圧縮応力のことをいう。
また、一対の縦壁部5は、前述したように、湾曲内側の縦壁部5aと湾曲外側の縦壁部5bをいう。
さらに、残留応力緩和減少設定工程S3において残留応力を緩和減少させた応力の値とは、スプリングバックした直後のプレス成形品1において、湾曲内側の縦壁部5aに残留する圧縮応力(負の値)や湾曲外側の縦壁部5bに残留する引張応力(正の値)の絶対値をそれぞれ緩和減少させた値のことをいう。
≪残留応力緩和形状解析工程≫
残留応力緩和形状解析工程S5は、残留応力緩和減少設定工程S3において緩和減少した応力の値を設定したプレス成形品1について、力のモーメントが釣り合う形状を求める解析を行う工程である。
残留応力緩和形状解析工程S5における解析には、スプリングバック直後の形状・残留応力取得工程S1におけるスプリングバック解析と同様の解析手法を適用することにより、残留応力を緩和減少させた応力の値を設定した後のプレス成形品1の形状及び残留応力を得ることができる。
このように、本実施の形態1に係るプレス成形品の形状変化予測方法によれば、スプリングバック解析により取得した、スプリングバックした直後のプレス成形品1の少なくとも湾曲内側の縦壁部5a又は湾曲外側の縦壁部5bのいずれか一方に対し、スプリングバックした直後の残留応力よりも緩和減少した応力の値を設定し、緩和減少した応力の値を設定したプレス成形品1について力のモーメントと釣り合う形状を求める解析を行うことで、実際のプレス成形品1における時間経過による応力緩和と形状変化を模擬し、金型から離型してスプリングバックした後のプレス成形品1の時間経過に伴う長手方向端部側が捩れる形状変化を予測することができる。
なお、上記の説明において、残留応力緩和減少設定工程S3は、プレス成形品1における少なくとも湾曲内側の縦壁部5a又は湾曲外側の縦壁部5bのいずれか一方、すなわち、少なくとも縦壁部5a及び/又は縦壁部5bに対し、それら各部位の残留応力を緩和減少させた応力の値を設定するものであった。
もっとも、本実施の形態1において、残留応力緩和減少設定工程S3は、プレス成形品1における湾曲内側の縦壁部5aや湾曲外側の縦壁部5b以外の他の部位に対しては、スプリングバックした直後の残留応力をそのまま設定してもよいし、残留応力を緩和減少させた応力の値を設定してもよい。また、プレス成形品1全体に対して残留応力を緩和減少させた応力の値を設定してもよい。
さらには、残留応力緩和減少設定工程S3は、湾曲内側の縦壁部5aや湾曲外側の縦壁部5b等の部位ごとに残留応力を緩和減少させる割合や値を変えてもよい。
[実施の形態2]
本発明の実施の形態2に係るプレス成形品の形状変化予測方法は、一例として図5に示すように、Z字型断面形状であって上面視で長手方向に沿って湾曲した形状を含むプレス成形品11について、金型から離型しスプリングバックした後の時間経過に伴う応力緩和による長手方向端部側が捩れる形状変化を予測するものであって、前述した実施の形態1と同様に(図1参照)、スプリングバック直後の形状・残留応力取得工程と、残留応力緩和減少設定工程と、残留応力緩和形状解析工程と、を含むものである。
これらの各工程について説明するに先立ち、本実施の形態2において形状予測の対象とするプレス成形品11について、金型から離型した瞬間にスプリングバックした後のさらなる時間経過に伴って長手方向端部側が捩れる形状変化が生じる理由を説明する。
<Z字型断面形状のプレス成形品の時間経過に伴う形状変化(その1)>
本実施の形態2で対象としたプレス成形品11は、図5に示すように、天板部13と、天板部13から連続する縦壁部15と、縦壁部15から連続するフランジ部17とを有してなるZ字型断面形状であり、上面視で長手方向に沿って湾曲した形状を含み、天板部13と縦壁部15とはパンチ肩R部19を介して連続し、縦壁部15とフランジ部17とはダイ肩R部21を介して連続する。さらに、フランジ部17は湾曲内側に位置し、天板部13は湾曲外側に位置する。
このようなプレス成形品11についても、前述した実施の形態1と同様に図3に示す応力緩和現象に着目し、時間経過に伴って形状変化が生じる理由を検討した。その結果、スプリングバックした後のプレス成形品11においても、湾曲内側のフランジ部17と湾曲外側の天板部13の残留応力が時間の経過とともに徐々に緩和することで、プレス成形品11の力のモーメントと釣り合う形状が変化することを突き止めた。
プレス成形品11における残留応力の緩和による形状変化について、図6に示す模式図を用いて説明する。なお、図6(b)(ii)及び図6(c)(ii)において、実線はプレス成形品11の長手方向端部におけるB1-B1'断面の形状、破線はプレス成形品11の長手方向中央部におけるB0-B0'断面の形状示す。
プレス成形品11のプレス成形において、金属板(ブランク)は図5に示すように上面視で湾曲した形状に曲げられるため、成形下死点では、図6(a)(i)に示すように、湾曲内側のフランジ部17ではブランク端部の線長が伸びる伸びフランジ変形が生じて引張応力が発生し、湾曲外側の天板部13ではブランク端部の線長が縮まる縮みフランジ変形が生じて圧縮応力が発生する。
次に、金型からプレス成形品11を取り外すと、プレス成形時に発生した残留応力を駆動力としてスプリングバックが発生する。このスプリングバックにおいて、湾曲内側のフランジ部17は縮もうとし、湾曲外側の天板部13は伸びようとする。
しかしながら、フランジ部17の縮みや天板部13の伸びといった面内での変形は剛性が大きくて生じにくいため、図6(b)(ii)に示すように、プレス成形品11の長手方向中央部に対して長手方向端部側に捩れが生じる。そして、成形下死点において湾曲内側のフランジ部17及び湾曲外側の天板部13に発生した残留応力(図6(a)(i)に示す引張応力及び圧縮応力)は、絶対値が小さくなるか、場合によっては図6(b)(i)に示すように成形下死点とは残留応力が反転した状態となり、力のモーメントが釣り合う形状となる。
その後、スプリングバックした直後の湾曲内側のフランジ部17における残留応力(図6(b)(i)においては圧縮応力)と湾曲外側の天板部13における残留応力(図6(b)(i)においては引張応力)は、時間経過とともに外部からの強制を受けないまま緩和して減少する。これにより、力のモーメントと釣り合う形状が変化するため、図6(c)(ii)に示すように、プレス成形品11の長手方向端部においてはさらに捩れが発生する。
このように、上面視で湾曲したZ字型断面形状のプレス成形品11においては、プレス成形してスプリングバックした後のさらなる時間の経過に伴って湾曲内側のフランジ部17と湾曲外側の天板部13の残留応力が緩和することに起因して、長手方向端部側に捩れが発生し、成形下死点形状(図6(a)(ii))からさらに乖離した形状になる。
そこで、発明者らは、前述した実施の形態1と同様、プレス成形シミュレーションの第2段階(スプリングバック解析)で得られるスプリングバックした直後のプレス成形品11の少なくとも湾曲内側のフランジ部17及び/又は湾曲外側の天板部13の残留応力を緩和させ、プレス成形品11の力のモーメントと釣り合う形状を求める第3段階の解析をさらに行うことで、前述したようなプレス成形品11の時間経過に伴う形状変化(長手方向端部の捩れ)を予測できることを見い出した。
<プレス成形品の形状変化予測方法>
次に、本発明の実施の形態2に係るプレス成形品の形状変化予測方法におけるスプリングバック直後の形状・残留応力取得工程と、残留応力緩和減少設定工程と、残留応力緩和形状解析工程と、について説明する。
≪スプリングバック直後の形状・残留応力取得工程≫
スプリングバック直後の形状・残留応力取得工程は、プレス成形品11のスプリングバック解析により、スプリングバックした直後のプレス成形品11の形状及び残留応力を取得する工程である。
≪残留応力緩和減少設定工程≫
残留応力緩和減少設定工程は、スプリングバック直後の形状・残留応力取得工程において取得したスプリングバックした直後のプレス成形品11の少なくともフランジ部17及び/又は天板部13に対し、スプリングバックした直後の残留応力よりも緩和減少させた応力の値を設定する工程である。
≪残留応力緩和形状解析工程≫
残留応力緩和形状解析工程は、残留応力緩和減少設定工程で緩和減少した応力の値を設定したプレス成形品11について、力のモーメントが釣り合う形状を求める解析を行う工程である。
このように、本実施の形態2に係るプレス成形品の形状変化予測方法によれば、スプリングバック解析により取得した、スプリングバックした直後のプレス成形品11の少なくともフランジ部17及び/又は天板部13に対し、スプリングバックした直後の残留応力よりも緩和減少した応力の値を設定し、緩和減少した応力の値を設定したプレス成形品11について力のモーメントと釣り合う形状を求める解析を行うことで、実際のプレス成形品11における時間経過による応力緩和と形状変化を模擬し、金型から離型してスプリングバックした後のプレス成形品11の時間経過に伴う長手方向端部側が捩れる形状変化を予測することができる。
本実施の形態2に係る上記の説明は、Z字型断面形状であって上面視で湾曲したプレス成形品として、図5に一例として示したように、湾曲内側に位置するフランジ部17と湾曲外側に位置する天板部13とを有するプレス成形品11を対象とするものであった。
もっとも、実施の形態2に係るプレス成形品の形状変化予測方法は、Z字型断面形状であって上面視で湾曲したプレス成形品を対象とするものであればよく、図7に他の例として示すように、湾曲内側の天板部33と湾曲外側のフランジ部37とを有するZ字型断面形状のプレス成形品31を対象とすることができる。
<Z字型断面形状のプレス成形品の時間経過に伴う形状変化(その2)>
プレス成形品31は、図7に示すように、天板部33と、天板部33から連続する縦壁部35と、縦壁部35から連続するフランジ部37とを有してなるZ字型断面形状であり、上面視で長手方向に沿って湾曲した形状を含み、天板部33と縦壁部35とはパンチ肩R部39を介して連続し、縦壁部35とフランジ部37とはダイ肩R部41を介して連続する。そして、天板部33及びフランジ部37は、図5に示すプレス成形品11の天板部13及びフランジ部17と、湾曲内側と湾曲外側の位置関係が反対である。
そして、このようなプレス成形品31についても、前述した図3に示す応力緩和現象のように、湾曲内側の天板部33と湾曲外側のフランジ部37の残留応力が時間の経過とともに徐々に緩和することで、図8に示すように、プレス成形品31の長手方向端部側が捩れる形状変化が生じることを説明できる。なお、図8(b)(ii)及び図8(c)(ii)において、実線はプレス成形品31の長手方向端部におけるC1-C1'断面の形状、破線はプレス成形品31の長手方向中央部におけるC0-C0'断面の形状を示す。
図8(a)(i)に示すように成形下死点まで成形したプレス成形品31を金型から離型するとスプリングバックが生じ、湾曲内側の天板部33及び湾曲外側のフランジ部37の残留応力(図8(a)(i)に示す圧縮応力及び引張応力)は、絶対値が小さくなるか、場合によっては図8(b)(i)に示すように成形下死点とは残留応力が反転した状態となり、力のモーメントが釣り合う形状となる。これにより、図8(b)(ii)に示すように、プレス成形品31の長手方向中央部に対して長手方向端部側に捩れが生じる。
その後、スプリングバックした直後の湾曲内側の天板部33における残留応力(図8(b)(i)においては圧縮応力)と湾曲外側のフランジ部37における残留応力(図8(b)(i)においては引張応力)は、時間経過とともに外部からの強制を受けないまま緩和減少する。これにより、力のモーメントと釣り合う形状が変化するため、図8(c)(ii)に示すように、プレス成形品31の長手方向端部においてはさらに捩れが発生する。
このように、湾曲内側の天板部33と湾曲外側のフランジ部37とを有するZ字型断面形状のプレス成形品31においても、プレス成形してスプリングバックした後のさらなる時間経過に伴って天板部33とフランジ部37との残留応力が緩和することに起因して、長手方向端部側が捩れる形状変化が発生し、成形下死点形状(図8(a)(ii))からさらに乖離した形状になる。
そのため、プレス成形品31の時間経過に伴う形状変化を予測する場合においても、プレス成形品31を対象として上記のスプリングバック直後の形状・残留応力取得工程と、残留応力緩和減少設定工程と、残留応力緩和形状解析工程と、を実施することにより、プレス成形品31に対して、金型から離型しスプリングバックした後の時間経過に伴う応力緩和による長手方向端部側が捩れる形状変化を予測することができる。
ここで、残留応力緩和減少設定工程は、スプリングバックした直後のプレス成形品31の少なくともフランジ部37及び/又は天板部33に対し、スプリングバックした直後の残留応力よりも緩和減少させた応力の値を設定する。
なお、本実施の形態2において、スプリングバック直後の形状・残留応力取得工程におけるスプリングバック解析と、残留応力緩和形状解析工程における解析は、実施の形態1で述べた手法を適用すればよい。
また、本実施の形態2において、残留応力緩和減少設定工程は、例えばZ字型断面形状のプレス成形品11を対象とする場合、フランジ部17や天板部13以外の他の部位に対しては、スプリングバックした直後の残留応力をそのまま設定してもよいし、残留応力を緩和減少させた応力の値を設定してもよい。また、プレス成形品11の全体に対して残留応力を緩和減少させた応力の値を設定してもよい。さらには、残留応力緩和減少設定工程は、フランジ部や天板部等の部位ごとに残留応力を緩和減少させる割合や値を変えてもよい。
なお、本発明は、コ字型断面形状のプレス成形品(図2)又はZ字型断面形状のプレス成形品(図5及び図7)のいずれの場合も、残留応力緩和減少設定工程においては、スプリングバックした直後の残留応力よりも5%以上緩和減少させた応力の値を設定することにより、時間経過した後の形状変化を良好に予測できて好ましい。
また、上記の説明は、断面形状が異なるものの、長手方向の全長にわたって上面視で湾曲した形状のプレス成形品を対象とするものであった。もっとも、本発明は、長手方向における一部の部位が上面視で長手方向に沿って湾曲した形状のプレス成形品であればよく、例えば、湾曲した湾曲部と、該湾曲部の湾曲の端から長手方向の外方の両側又は片側に直線状に延出する辺部とを含むプレス成形品を対象とすることができる。
なお、本発明に係るプレス成形品の形状変化予測方法において、プレス成形に供するブランク(金属板)や、プレス成形品の形状、種類には特に制限はないが、プレス成形品の残留応力が高くなる金属板を用いてプレス成形した自動車部品に対してより効果がある。
具体的には、ブランクの板厚については、0.5mm以上4.0mm以下であることが好ましい。
また、ブランクの引張強度については、150MPa級以上2000MPa級以下であることが好ましく、440MPa級以上1470MPa級以下であることがより好ましい。
引張強度が150MPa級未満の金属板は、プレス成形品に利用されることが少ないため、本発明に係るプレス成形品の形状変化予測方法を用いる利点が少ない。引張強度150MPa級以上の金属板を用いた自動車の外板部品等の剛性が低いものについては、残留応力の変化による形状変化を受けやすいため、本発明を適用する利点が多くなるので本発明を好適に適用できる。
一方、引張強度が2000MPa級を超える金属板は延性が乏しいため、例えば、図2に示すようなコ字型断面形状のプレス成形品1のパンチ肩R部7や、図5に示すZ字型断面形状のプレス成形品11のパンチ肩R部19及びダイ肩R部21では、それらのプレス成形過程で割れが発生しやすく、プレス成形することができない場合がある。
さらに、プレス成形品の種類としては、ルーフサイドレールやフロントピラーアッパなどの上面視で湾曲したコ字型断面形状又はZ字型断面形状の骨格部品を対象とすることが好ましく、コ字型断面形状又はZ字型断面形状であって上面視で湾曲した形状を含み、プレス成形した後の時間経過により長手方向端部側の捩れが発生して寸法精度が低下する自動車部品に本発明を広く用いることができる。
なお、本発明で対象とするプレス成形品のプレス成形方法についても、曲げ成形、フォーム成形又はドロー成形等、特に問わない。
<コ字型断面形状のプレス成形品>
実施例1では、図2に示すように、コ字型断面形状であって上面視で長手方向に沿って湾曲したプレス成形品1について、金型から離型してスプリングバックした後の時間経過に伴う形状変化を予測し、その妥当性を検証した。
プレス成形品1は、天板部3と一対の縦壁部5とを有し、上面視において、縦壁部5aが湾曲内側に位置し、縦壁部5bが湾曲外側に位置する。そして、プレス成形品1の成形下死点形状は、縦壁部5bとパンチ肩R部7の境界における湾曲の曲率半径を湾曲外側が540mm、湾曲内側が490mmとし、プレス成形方向における縦壁部5の縦壁高さを50mmとした。
実施例1では、まず、金属板の一例として、以下の表1に一例を示す機械的特性を持つ鋼板Aを用い、プレス成形品1をプレス成形した。
Figure 0007021696000002
そして、成形下死点までプレス成形した後に金型から離型してスプリングバックした直後と、スプリングバックして3日経過した後において、プレス成形品1の形状を測定し、長手方向中央の天板部3を基準とする長手方向端部の天板部3の傾きを捩れ角として実測した。
次に、プレス成形品1の時間経過による長手方向端部の捩れを予測する解析を行った。
解析では、まず、プレス成形に用いる金型をモデル化した金型モデルを用いて、鋼板Aを成形下死点までプレス成形する過程のプレス成形解析を行い、成形下死点におけるプレス成形品1の形状及び残留応力を求めた。
続いて、成形下死点におけるプレス成形品1を金型モデルから離型した直後のプレス成形品1の形状及び残留応力を求めるスプリングバック解析を行った。
さらに、スプリングバック解析により求めた、スプリングバックした直後のプレス成形品1の湾曲内側の縦壁部5a及び/又は湾曲外側の縦壁部5bに対し、残留応力の絶対値を所定の割合で低下させた応力の値を設定した。
そして、残留応力を低下させたプレス成形品1について力のモーメントが釣り合う形状を求める解析を行い、長手方向中央の天板部3を基準とする長手方向端部の天板部3の傾きである捩れ角の予測値を求めた。
実施例1では、スプリングバック解析により取得したプレス成形品1の湾曲外側の縦壁部5bのみ、又は、湾曲内側の縦壁部5a及び湾曲外側の縦壁部5bの双方に対し、スプリングバックした直後の残留応力を所定の割合(応力緩和減少率)で緩和減少させ応力の値を設定したものを発明例1~発明例3とした。
また、比較対象として、発明例1~発明例3と同様にプレス成形品1のプレス成形解析及びスプリングバック解析を行ったものの、残留応力を緩和減少させた応力の値を設定して力のモーメントが釣り合う形状を求める解析を行わなかったものを比較例1とした。
表2に、発明例1~発明例3及び比較例1における残留応力の緩和減少率と、実測値からの天板部3の長手方向端部における捩れ角の乖離量の結果をまとめて示す。ここで、長手方向中央の天板部3を基準とする長手方向端部の天板部3の傾きである捩れ角の実測値は5.8°であった。
Figure 0007021696000003
表2において、予測値は、長手方向中央の天板部3を基準とする長手方向端部の天板部3の傾きである捩れ角の予測値である。また、実測値と予測値との差分及び実測値に対する予測値の誤差を算出し、合わせて記載した。
比較例1においては、捩れ角の予測値は4.6°であり、実測値と予測値との差分は1.2°であり、予測値の誤差は20.7%であった。
発明例1は、湾曲外側の縦壁部5bのみに対して残留応力を5%緩和減少させた応力の値を設定したものであり、予測値は5.2°と増加し、実測値と予測値との差分は0.6°、予測値の誤差は10.3%となり、比較例1よりも実測値に近づく結果となった。
発明例2は、湾曲内側の縦壁部5aと湾曲外側の縦壁部5bの双方に対して残留応力を5%緩和減少させた応力の値を設定したものであり、予測値は5.6°に増加し、実測値と予測値との差分は0.2°、予測値の誤差は3.4%となり、比較例1及び発明例1よりも実測値に近づく結果となり、良好であった。
発明例3は、湾曲内側の縦壁部5aと湾曲外側の縦壁部5bの双方に対して残留応力を10%緩和減少させた応力の値を設定したものであり、予測値は6.1°に増加し、実測値と予測値との差分は-0.3°、予測値の誤差は-5.2%となり、いずれも負の値であるが、絶対値で比較すると比較例1及び発明例1よりも改善し、良好であった。
<Z字型断面形状のプレス成形品(その1)>
実施例2では、図5に示すように、Z字型断面形状であって上面視で長手方向に沿って湾曲したプレス成形品11について、金型から離型してスプリングバックした後の時間経過に伴う形状変化を予測し、その妥当性を検証した。
プレス成形品11は、天板部13と縦壁部15とフランジ部17とを有し、上面視において、フランジ部17が湾曲内側に位置し、天板部13が湾曲外側に位置する。そして、プレス成形品11の成形下死点形状は、縦壁部15とパンチR肩部19の境界における湾曲の曲率半径を600mm、プレス成形方向における縦壁部5の縦壁高さを80mmとした。
実施例2では、まず、金属板の一例として、前掲した表1に一例を示す機械的特性を持つ鋼板Aを用い、プレス成形品11をプレス成形した。
そして、プレス成形品11を成形下死点までプレス成形した後、金型から離型してスプリングバックした直後と、スプリングバックして3日経過した後において、プレス成形品11の形状を測定し、長手方向中央の天板部13を基準とする長手方向端部の天板部13の傾きを捩れ角として実測した。
次に、プレス成形品11の時間経過による長手方向端部の捩れを予測する解析を行った。
解析では、まず、プレス成形に用いる金型をモデル化した金型モデルを用いて、鋼板Aを成形下死点までプレス成形する過程のプレス成形解析を行い、成形下死点におけるプレス成形品11の形状及び残留応力を求めた。
続いて、成形下死点におけるプレス成形品11を金型モデルから離型した直後のプレス成形品11の形状及び残留応力を求めるスプリングバック解析を行った。
さらに、スプリングバック解析により求めた、スプリングバックした直後のプレス成形品11の湾曲内側のフランジ部17及び/又は湾曲外側の天板部13に対し、残留応力の絶対値を所定の割合で緩和減少させた応力の値を設定した。
そして、残留応力を緩和減少させたプレス成形品11について力のモーメントが釣り合う形状を求める解析を行い、長手方向中央の天板部13を基準とする長手方向端部の天板部13の傾きである捩れ角の予測値を求めた。
実施例2では、スプリングバック解析により取得したプレス成形品11の湾曲内側のフランジ部17のみ、又は、湾曲外側の天板部13及び湾曲内側のフランジ部17の双方に対し、スプリングバックした直後の残留応力を所定の割合(応力緩和減少率)で緩和減少させ応力の値を設定したものを発明例4~発明例6とした。
また、比較対象として、発明例4~発明例6と同様にプレス成形品11のプレス成形解析及びスプリングバック解析を行ったものの、残留応力を緩和減少させた応力の値を設定して力のモーメントが釣り合う形状を求める解析を行わなかったものを比較例2とした。
表3に、発明例4~発明例6及び比較例2における残留応力の緩和減少率と、実測値からの天板部13の長手方向端部における捩れ角の乖離量の結果をまとめて示す。ここで、長手方向中央の天板部13を基準とする長手方向端部の天板部13の傾きである捩れ角の実測値は7.7°であった。
Figure 0007021696000004
表3において、予測値は、長手方向中央の天板部13を基準とする長手方向端部の天板部13の傾きである捩れ角を予測した値である。また、実測値と予測値との差分及び実測値に対する予測値の誤差を算出し、合わせて記載した。
比較例2においては、捩れ角の予測値は6.8°であり、実測値と予測値との差分は0.9°であり、予測値の誤差は11.7%であった。
発明例4は、湾曲内側のフランジ部17のみに対して残留応力を10%緩和減少させた応力の値を設定したものであり、予測値は7.0°と増加し、実測値と予測値との差分は0.7°、予測値の誤差は9.1%となり、比較例2よりも実測値に近づく結果となった。
発明例5は、湾曲外側の天板部13と湾曲内側のフランジ部17の双方に対して残留応力を10%緩和減少させた応力の値を設定したものであり、予測値は7.4°に増加し、実測値と予測値との差分は0.3°、予測値の誤差は3.9%となり、比較例2及び発明例4よりも実測値に近づく結果となり、良好であった。
発明例6は、湾曲外側の天板部13と湾曲内側のフランジ部17の双方に対して残留応力を20%緩和減少させた応力の値を設定したものであり、予測値は8.0°に増加し、実測値と予測値との差分は-0.3°、予測値の誤差は-3.9%となり、いずれも負の値であるが、絶対値で比較すると比較例2及び発明例4よりも改善し、発明例5と同等に良好であった。
<Z字型断面形状のプレス成形品(その2)>
実施例3では、図7に示す、Z字型断面形状であって上面視で長手方向に沿って湾曲したプレス成形品31について、金型から離型してスプリングバックした後の時間経過に伴う形状変化を予測し、その妥当性を検証した。
プレス成形品31は、図7に示すように、天板部33と縦壁部35とフランジ部37とを有し、上面視において、天板部33が湾曲内側に位置し、フランジ部37が湾曲外側に位置する。そして、プレス成形品31の成形下死点形状は、縦壁部35とパンチ肩R部39の境界における湾曲の曲率半径を800mm、プレス成形方向における縦壁部5の縦壁高さを60mmとした。
実施例3では、まず、金属板の一例として、前掲した表1に一例を示す機械的特性を持つ鋼板Aを用い、プレス成形品31をプレス成形した。
そして、プレス成形品31を成形下死点までプレス成形した後、金型から離型してスプリングバックした直後と、スプリングバックして3日経過した後において、プレス成形品31の形状を測定し、長手方向中央の天板部33を基準とする長手方向端部の天板部33の傾きを捩れ角として実測した。
次に、プレス成形品31の時間経過による長手方向端部の捩れを予測する解析を行った。
解析では、まず、プレス成形に用いる金型をモデル化した金型モデルを用いて、鋼板Aを成形下死点までプレス成形する過程のプレス成形解析を行い、成形下死点におけるプレス成形品31の形状及び残留応力を求めた。
続いて、成形下死点におけるプレス成形品31を金型モデルから離型した直後のプレス成形品31の形状及び残留応力を求めるスプリングバック解析を行った。
さらに、スプリングバック解析により求めた、スプリングバックした直後のプレス成形品31の湾曲内側の天板部33及び/又は湾曲外側のフランジ部37に対し、残留応力の絶対値を所定の割合で緩和減少させた応力の値を設定した。
そして、残留応力を緩和させたプレス成形品31について力のモーメントが釣り合う形状を求める解析を行い、長手方向中央の天板部33を基準とする長手方向端部の天板部33の傾きである捩れ角の予測値を求めた。
実施例3では、スプリングバック解析により取得したプレス成形品31の湾曲外側のフランジ部37のみ、又は、湾曲外側のフランジ部37及び湾曲内側の天板部33の双方に対し、スプリングバックした直後の残留応力を所定の割合(応力緩和減少率)で緩和減少させ応力の値を設定したものを発明例7~発明例9とした。
また、比較対象として、発明例7~発明例9と同様にプレス成形品31のプレス成形解析及びスプリングバック解析を行ったものの、残留応力を緩和減少させた応力の値を設定して力のモーメントが釣り合う形状を求める解析を行わなかったものを比較例3とした。
表4に、発明例7~発明例9及び比較例3における残留応力の緩和減少率と、実測値からの天板部33の長手方向端部における捩れ角の乖離量の結果をまとめて示す。ここで、長手方向中央の天板部33を基準とする長手方向端部の天板部33の傾きである捩れ角の実測値は7.8°であった。
Figure 0007021696000005
表4において、予測値は、長手方向中央の天板部33を基準とする長手方向端部の天板部33の傾きである捩れ角を予測した値である。また、実測値と予測値との差分及び実測値に対する予測値の誤差を算出し、合わせて記載した。
比較例3においては、捩れ角の予測値は7.2°であり、実測値と予測値との差分は0.6°であり、予測値の誤差は7.7%であった。
発明例7は、湾曲外側のフランジ部37のみに対して残留応力を10%緩和減少させた応力の値を設定したものであり、予測値は7.6°と増加し、実測値と予測値との差分は0.2°、予測値の誤差は2.6%となり、比較例3よりも実測値に近づく結果となった。
発明例8は、湾曲外側のフランジ部37に対して残留応力を10%緩和減少させた応力の値を設定し、かつ湾曲内側の天板部33に対して残留応力を5%緩和減少させた応力の値を設定したものであり、予測値は7.9°に増加し、実測値と予測値との差分は-0.1°、予測値の誤差は-1.3%となり、いずれも負の値であるが、絶対値で比較すると比較例3及び発明例7よりも改善し、良好であった。
発明例9は、湾曲外側のフランジ部37に対して残留応力を20%緩和減少させた応力の値を設定し、かつ湾曲内側の天板部33に対して残留応力を10%緩和減少させた応力の値を設定したものであり、予測値は8.2°に増加し、実測値と予測値との差分は-0.4°、予測値の誤差は-5.1%となり、いずれも負の値であるが、絶対値で比較すると比較例3よりも改善し、良好であった。
1 プレス成形品
3 天板部
5 縦壁部
5a 縦壁部(湾曲内側)
5b 縦壁部(湾曲外側)
7 パンチ肩R部
11 プレス成形品
13 天板部(湾曲外側)
15 縦壁部
17 フランジ部(湾曲内側)
19 パンチ肩R部
21 ダイ肩R部
31 プレス成形品
33 天板部(湾曲内側)
35 縦壁部
37 フランジ部(湾曲外側)
39 パンチ肩R部
41 ダイ肩R部

Claims (4)

  1. 天板部と該天板部から連続する一対の縦壁部とを有してなるコ字型断面形状であり、上面視で長手方向に沿って湾曲した形状を含むプレス成形品について、金型から離型した瞬間にスプリングバックした後の時間経過に伴う応力緩和による長手方向端部側が捩れる形状変化を予測するプレス成形品の形状変化予測方法であって、
    前記プレス成形品のスプリングバック解析により、スプリングバックした直後の前記プレス成形品の形状及び残留応力を取得するスプリングバック直後の形状・残留応力取得工程と、
    スプリングバックした直後の前記プレス成形品の少なくとも前記一対の縦壁部のいずれか一方に対し、スプリングバックした直後の残留応力よりも緩和減少した応力の値を設定する残留応力緩和減少設定工程と、
    緩和減少した応力の値を設定した前記プレス成形品について力のモーメントが釣り合う形状を求める残留応力緩和形状解析工程と、を含むことを特徴とするプレス成形品の形状変化予測方法。
  2. 天板部と該天板部から連続する縦壁部と該縦壁部から連続するフランジ部とを有してなるZ字型断面形状であり、上面視で長手方向に沿って湾曲した形状を含むプレス成形品について、金型から離型した瞬間にスプリングバックした後の時間経過に伴う応力緩和による長手方向端部側が捩れる形状変化を予測するプレス成形品の形状変化予測方法であって、
    前記プレス成形品のスプリングバック解析により、スプリングバックした直後の前記プレス成形品の形状及び残留応力を取得するスプリングバック直後の形状・残留応力取得工程と、
    スプリングバックした直後の前記プレス成形品の少なくとも前記天板部及び/又は前記フランジ部に対し、スプリングバックした直後の残留応力よりも緩和減少した応力の値を設定する残留応力緩和減少設定工程と、
    緩和減少した応力の値を設定した前記プレス成形品について力のモーメントが釣り合う形状を求める残留応力緩和形状解析工程と、を含むことを特徴とするプレス成形品の形状変化予測方法。
  3. 前記残留応力緩和減少設定工程において、スプリングバックした直後の残留応力よりも5%以上緩和減少した応力の値を設定することを特徴とする請求項1又は2に記載のプレス成形品の形状変化予測方法。
  4. 前記プレス成形品のプレス成形に供するブランクは、引張強度が150MPa級以上2000MPa級以下の金属板であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のプレス成形品の形状変化予測方法。
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