JP7092107B2 - 伸びフランジ性評価方法、プレス金型設計方法、及びプレス部品の製造方法 - Google Patents
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Description
また、現実の量産プレス成形においては、材料特性の変動やフランジ部のブランク加工端面における性状の変動によって、意図しない伸びフランジ割れが発生している。したがって伸びフランジ割れに対してその原因を特定し、原因に応じた対策をすることが生産能率の向上に不可欠である。
プレス部品のフランジ部における変形限界ひずみは、板材の材料特性、ブランク加工条件、フランジ部の成形条件に依存することが知られている(例えば非特許文献1参照)。
本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、金属板の伸びフランジ性の評価をより高精度に実行可能とすることを目的としている。
この結果、本発明の態様を適用することで、より伸びフランジ性が良好なプレス部品を提供可能となる。
ここで、本実施形態の伸びフランジ性評価方法は、例えば、金属板を目的のプレス部品にプレス成形(プレス加工)する際の、金型の設計、金属板の材料条件、及びプレス部品の製造に対し適用できる。金属板の材料条件とは、鋼種や金属板の厚さなどである。
本実施形態は、特に、超ハイテン鋼板材などのように伸び率が低い金属材料に好適な技術である。本実施形態は、例えば、JIS 2241に準拠する金属材料引張試験方法で、一様伸びが16%以下の金属材料に対し、特に効果的である。
本実施形態の伸びフランジ性評価方法の工程1として、図1に示すように、個別限界量取得工程1A、分類工程1B、個別成形可能領域設定工程1C、及び評価工程1Dを備える。
個別限界量取得工程1Aは、金属板に対し、複数の成形条件にて伸びフランジ試験を実行して、各成形条件におけるフランジ部での成形限界量を求める処理を実行する。
本実施形態の個別限界量取得工程1Aは、試験工程1Aaと、成形限界算出工程1Abとを備える。
試験工程1Aaは、伸びフランジ試験を実行する実験工程である。伸びフランジ試験は、例えば、穴広げ試験である。
成形限界算出工程1Abは、各成形条件毎にフランジ部での成形限界量を算出する。
ここで、試験工程1Aaで求めた穴広げ率を、成形限界量としてもよい。この場合、成形限界算出工程1Abは、個別限界量取得工程1Aとは別工程となる。
成形限界算出工程1Abは、解析(FEM解析や物理的な初等解析による)計算により、伸びフランジ試験の破断が生じた状態でのフランジ部近傍のひずみ勾配を算出する。
例えば、成形限界算出工程1Abは、評価する金属板と同じ板条件を有する金属板に対し、設定した成形条件(以下、穴広げ試験条件とも呼ぶ)での穴広げ試験の成形解析を実施する。
この成形解析にて、穴広げ率と穴端縁から半径方向に沿ったひずみ勾配との関係が求められる。ひずみ勾配は、例えば、端面から5mm以内の範囲について実行する。
また、成形解析中の穴広げ率を真ひずみに換算して穴端縁の穴周方向に沿った真ひずみとする。なお、真ひずみは、成形解析を用いずに求めても良い。
成形限界算出工程1Abは、上記の処理によって、上記穴広げ試験に設定した成形条件に対応する、穴端縁の真ひずみとひずみ勾配との関係からなる成形限界量の情報を、成形条件に紐付けて求め、その試験データをデータベースに格納する。
分類工程1Bは、試験工程1Aaで設定した複数の成形条件について、伸びフランジ試験によってフランジ部に生じた割れの破壊形態がくびれを伴う破壊形態か否の判別によって、第1の破壊形態と第2の破壊形態に区分けして分類する。区分けした情報は、データベース中の各試験データに付与する。付与する情報は、第1の破壊形態と第2の破壊形態のどちらの破壊形態に属するか情報である。
本明細書で、上記の「くびれ」のことを、「ひずみの局所化」とも記載する。
第1の破壊形態は、くびれを伴う破壊形態の場合とし、第2の破壊形態は、くびれを伴わない破壊形態の場合とする。このとき、例えば、割れ発生時の伸びフランジ部における、端面での、割れが発生していない位置11aでの板厚に対する、割れ発生部11bでの板厚の板厚減少率が10%以上の場合に、くびれを伴う破壊形態と定義する(図2参照)。
ここで、図2(a)は、ひずみの局所化を伴ってフランジ伸び破壊が発生した例である。この場合、割れ(亀裂)が発生した部分が、部分的に板厚減少が発生した板厚減少領域となっている。図2(b)は、ひずみの局所化を伴わないでフランジ伸び破壊が発生した例である。この場合、周方向に沿ってほぼ均質に変形しつつ亀裂が発生している。
個別成形可能領域設定工程1Cは、各破壊形態に属する成形条件での上記成形限界量を用いて、2つの破壊形態毎に個別に成形可能領域を求める処理を実行する。
個別成形可能領域設定工程1Cは、データベース上に格納した試験データのうち、第1の破壊形態に属する試験データを用いて、第1の破壊形態における成形限界の境界線(成形限界線X)を算出する。その成形限界線Xより下方の領域を、第1の破壊形態での成形可能領域とする(図3参照)。
なお。各試験データは、フランジ割れ発生時のひずみ勾配と真ひずみ(フランジ成形量)とを有するので、回帰分析などによって、対応する複数の試験データを通過する線を、成形限界線X、Yとして求めればよい。成形限界線X、Yは、ひずみ勾配と真ひずみとを変数とした関数で表すことができる。
成形可能領域を特定する成形限界線X、Yの変数として、金属板の材料種類やフランジ部の加工条件などを含めても良い。また、材料特性の変動による成形限界のばらつきなどを含めることも可能である。
評価工程1Dは、上記個別成形可能領域設定工程1Cが求めた2つの成形可能領域の両方を用いて、対象とする金属板における伸びフランジ性を評価する処理を実行する。
評価工程1Dでは、例えば、評価する金属板に対しプレス成形を模擬した成形解析を実施し、その成形解析における評価対象の金属板の端縁でのひずみ勾配及び真ひずみ(フランジ成形量)と、個別成形可能領域設定工程1Cで求めた2つの成形可能領域との関係から、金属板の伸びフランジ性を評価する処理を実行する。
この処理は例えば次のように実行する。
次に、求めた変形量とひずみ勾配が、個別成形可能領域設定工程1Cで求めた、2つの成形可能領域の重複領域に存在するか否かを調べる、重複領域に存在する場合は成形可能と評価し、重複領域に存在しない場合は成形不可能と評価する。評価は、2つの成形可能領域の重複領域を特定する成形限界線X、Yからの距離(真ひずみの差など)で評価してもよい。
また、評価は、評価する金属板の端部のうちから代表位置を複数選定し、その選定した全ての位置について実行する。選定する位置は、伸びフランジが発生する端部とする。
評価工程1Dでの全ての代表位置での評価が成形可能の場合は、量産成形に実用しうる成形仕様として決定する。
一方、評価工程1Dにおける、一部の代表位置での評価が成形不可能の場合は、暫定成形仕様の変更を行って、再び、上記の評価工程1Dを実行する。但し、金属板の金属材料を変更する場合には、個別限界量取得工程1Aから再実行する。
ここで、暫定成形仕様の変更には、設定したプレス金型の設計を変更する処理でも構わない。この場合、本実施形態の伸びフランジ性評価方法を用いることで、金属板端面での割れを抑制した、適切なプレス金型を設計することが可能となる。
評価工程1Dにおける全ての代表位置での評価が成形可能と評価され、量産成形に実用しうる成形仕様として決定すると、決定された成形仕様に基づき、金属板をプレス加工して目的とするプレス部品を製造する。すなわち、決定した設計仕様に基づき作製したプレス金型を用いて、決定した設計仕様に基づき決定したプレス成形の際に伸びフランジ割れが発生しない材料条件の金属板を用いて、プレス部品を製造する。
ここで、上記決定された成形仕様に基づきプレス部品の量産を実行するにつれて、経時的に、ブランク金型、プレス金型の摩耗、材料特性の変動といった変動要因によって、製造したプレス部品に対し意図しない割れが発生することがある。
フランジ割れの分析工程では、割れが発生した部品箇所についての、ひずみ勾配と真ひずみからなる割れデータを取得し、その割れデータと上記決定した成形仕様に基づき、量産変動によって、ひずみの局所化による割れ(成形限界線X)と、一様変形下での割れ(成形限界線Y)の破壊形態とのうちの、どちらの成形限界に到達したか推測して、フランジ割れをもたらした破壊機構を判別する。
判定した破壊形態毎に、例えば、以下のようなフランジ割れの対策を実行することが可能である。
すなわち、第1の破壊形態による割れの場合には、フランジ割れがひずみの局所化による割れであるので、金属材料の延性の管理を行う。延性の管理とは、例えば鋼板材料の伸びや加工硬化率、その異方性の管理、または以上の諸特性の規格範囲の厳格化を指す。延性の改善に加えて、成形条件や金型の見直しにより、フランジ部の成形ひずみを小さくすることでも対策が可能である。
このような割れに対する改善処理を実行することで、フランジ割れによる量産トラブルに対し効果的な対策を実行する。この結果、フランジ割れによるトラブルの危険性が低減された、従来よりも高い効率を有するプレス生産ラインの構築が可能になる。
このため、次のように処理を実行しても良い。
すなわち、金属板の端面性状が異なる複数種類の金属板毎に、上記第2の破壊形態での成形可能領域(成形限界線Y、Y1、Y2)を求めておく(図4参照)。そして、評価する金属板の端面性状では、第1の破壊形態での成形可能領域内(成形限界線X内)に位置するが、第2の成形可能領域(成形限界線Y内)に位置しない場合と判定し、更に、他の端面性状での第2の破壊形態での成形可能領域内(成形限界線Y2内)に位置すると判定した場合には、プレス成形する金属板の端面性状を上記他の端面性状に変更する。この場合、例えば、端面性状の改善対応に、プレス工程の前工程として、金属板の端面(主に割れが発生した端面)をリーマーなどで磨いたり、削ったりする前処理を実行してもよい。
発明者らは上述の課題の原因を考究し、解決手段を鋭意検討した結果、次のような知見を得た。
(1)伸びフランジ割れの発生機構は、成形条件によって次の2つに分類可能である。すなわち、第1の分類は、ひずみ勾配が比較的低い場合に生じうる、フランジ周縁部でのひずみの局所化を伴う伸びフランジ割れの場合である(第1の破壊形態)。第2の分類は、ひずみ勾配が比較的高い場合に生じうる、フランジ周縁部でのひずみの局所化を伴わない伸びフランジ割れの場合である(第2の破壊形態)。
また、本実施形態は、特に超ハイテン鋼板材の伸びフランジ割れによる品質不良を効果的に低減する。したがって、本発明を取り入れたプレス生産方法はより高い生産性を実現することができる。
すなわち、本実施形態は、次のような効果を奏する。
この構成によれば、従来よりも精度良く、伸びフランジ割れの可否を評価することが出来る。
ここで、例えば、割れ発生時の伸びフランジ部における、割れが発生していない位置での板厚に対する、端面での、割れ発生部での板厚の板厚減少率が10%以上の場合に、くびれを伴う破壊形態と定義(規定)すると良い。
この構成によれば、伸びフランジ割れを抑えたプレス成形のための成形仕様を、より精度良く求めることが出来る。
この構成によれば、伸びフランジ割れを抑えたプレス部品を製造可能となる。
この構成によれば、伸びフランジ割れを抑えたプレス部品を製造可能となる。
この構成によれば、第2の破壊形態と判定された場合に、割れの状況によっては、金属板の端面性状を変更することで、割れを簡易抑制することが可能となる。
第1の実施例では、薄鋼板材料A~Cについて、本実施形態に基づき成形可能領域を調査した。薄鋼板材料A~Cは、表1に示したように、降伏強度(YS)、引張強度(TS)、一様伸び(U.El)、全伸び(T.El)、厚さ(Thickness)、並びに鉄連規格の穴広げ率λ(初期穴径10 mm、クリアランス12%、ポンチ頂角60°における値)を有した。なお、クリアランスCは、金属板の板厚tに対する、カッターの上刃と下刃の隙間dの比(d/t)の百分率で定義する。
ここで、薄鋼板A~Cの材料は、鉄連規格の穴広げ率λや、伸びに代表される延性に大きな差異があるため、端面の耐割れ性とひずみの分散性とが成形可能領域に及ぼす影響を比較して例示することが可能である。
次に、成形条件が、表2に基づく場合の穴広げ率とひずみ勾配の関係を、FEM解析計算により算出した。図5に、成形の進行に伴う穴広げ率と板端面付近のひずみ勾配との関係の一例を示した。但し、ひずみ勾配の値の計算方法としては、一例として特許文献1と同様に、フランジ部端面から5mmだけ離れた位置までの平均を用いて算出した。
これらの実施例によると、延性の低い薄鋼板A、Cにおいては、ひずみ勾配-成形限界の関係からなる成形可能領域は、比較的低ひずみ勾配でのひずみの局所化を伴う割れ(成形限界線X)と、比較的高ひずみ勾配でのひずみの局所化を伴わない割れ(成形限界線Y)とで明らかに区別して存在すると分かった。
これらの実施例から明らかなように、ひずみ勾配が比較的高い場合には、穴端面の加工状態が機械加工の場合には打抜きの場合に比べ高い成形限界を示した(成形限界線Y)。これは穴端面が機械加工の場合には、フランジ端面の加工硬化をはじめとした損傷の度合いが比較的小さく、端面の耐割れ性が優れていたためである。
しかし、ひずみ勾配が比較的低い場合においては、穴端面の加工状態の影響は存在せず、穴端面の加工状態によらずに同じ成形限界を示した(成形限界線X)。
したがって、ひずみの局所化を伴う割れ限界(成形限界線X)は延性によりその高低が決まり、ひずみの局所化を伴わない割れ限界(成形限界線Y)はフランジ端面の耐割れ性によってその高低が決まることが明らかになった。
また、成形仕様の決定を行い、実際に量産ラインでの実施を行う場合、一般に予期しないフランジ割れの発生が生じうる。割れが発生した成形条件が図5、図6、図7のような成形可能領域の内で、成形限界線X、Yのどちらにより近いかを判別することで、伸びフランジ割れが発生した機構を判別することができる。すなわち、プレス成形事後であっても、ひずみの局所化を伴う割れ(成形限界線X)と、ひずみの局所化を伴わない割れ(成形限界線Y)とに判別が可能である。
1Aa 試験工程
1Ab 成形限界算出工程
1B 分類工程
1C 個別成形可能領域設定工程
1D 評価工程
X 成形限界線(第1の破壊形態)
Y 成形限界線(第2の破壊形態)
Claims (10)
- 金属板の伸びフランジ性を評価する伸びフランジ性評価方法であって、
金属板に対し、複数の成形条件にて伸びフランジ試験を実行して、各成形条件におけるフランジ部での成形限界量を求める個別限界量取得工程と、
上記伸びフランジ試験によって上記フランジ部に生じた割れの破壊形態がくびれを伴う破壊形態か否の判別によって、上記複数の成形条件を、くびれを伴う第1の破壊形態とくびれを伴わない第2の破壊形態との2つの破壊形態に区分けする分類工程と、
各破壊形態に属する成形条件での上記成形限界量を用いて、上記2つの破壊形態毎に個別に成形可能領域を求める個別成形可能領域設定工程と、
を有することを特徴とする伸びフランジ性評価方法。 - 割れ発生時の伸びフランジ部における、割れが発生していない位置での板厚に対する、割れ発生部での板厚の板厚減少率が10%以上の場合に、くびれを伴う破壊形態と定義することを特徴とする請求項1に記載した伸びフランジ性評価方法。
- 上記個別成形可能領域設定工程が求めた2つの成形可能領域の両方を用いて、対象とする金属板における伸びフランジ性を評価することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載した伸びフランジ性評価方法。
- 上記成形可能領域は、ひずみ勾配とフランジ成形量で規定されることを特徴とする請求項1~請求項3のいずれか1項に記載した伸びフランジ性評価方法。
- 評価する金属板に対しプレス成形を模擬した成形解析を実施し、その成形解析における評価対象の金属板の端縁でのひずみ勾配及びフランジ成形量と、上記2つの成形可能領域との関係から、金属板の伸びフランジ性を評価することを特徴とする請求項4に記載した伸びフランジ性評価方法。
- 上記金属板は、JIS 2241に準拠する金属材料引張試験方法で、一様伸びが16%以下の金属材料からなることを特徴とする請求項1~請求項5のいずれか1項に記載した伸びフランジ性評価方法。
- 請求項1~請求項6のいずれか1項に記載の伸びフランジ性評価方法を用いて、金属板端面での割れを抑制したプレス金型を設計することを特徴とするプレス金型設計方法。
- 請求項7に記載したプレス金型設計方法に基づき作製したプレス金型を用いて、金属板をプレス部品にプレス成形するプレス部品の製造方法。
- 金属板をプレス成形してプレス部品を製造するプレス部品の製造方法であって、
請求項1~請求項6のいずれか1項に記載した伸びフランジ性評価方法に基づき、プレス成形の際に伸びフランジ割れが発生しない金属板の材料条件を選定し、選定した材料条件に合った金属板を用いて上記プレス部品を製造することを特徴とするプレス部品の製造方法。 - 金属板の端面性状が異なる複数種類の金属板毎に、上記第2の破壊形態での成形可能領域を求めておき、
評価する金属板の端面性状では、第1の破壊形態での成形可能領域内に位置するが、第2の成形可能領域に位置しない場合であって、他の端面性状での第2の破壊形態での成形可能領域内に位置すると判定した場合には、プレス成形する金属板の端面性状を上記他の端面性状に変更す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。
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