JP7181506B2 - プレス成形金型 - Google Patents

Description

本発明は、プレス成形金型に関し、特に、ブランクをポンチ底部と該ポンチ底部に深さの浅い凹形状部又は高さの低い凸形状部を有するプレス成形品にプレス成形するプレス成形金型に関する。
本願において、ブランクとは、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、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金属板のことをいう。
また、本願において、ポンチ底部とは、ポンチとダイとで成形されるプレス成形品においてポンチがダイ側に押し込まれて底になった部位のこと指す。
さらに、本願において、「直下」、「下方」及び「上方」等の方向を表す語句は、プレス成形方向におけるポンチとダイの相対的な上下方向を表すものであり、例えば、ダイがポンチの上側にある場合、ポンチに対して「直下」及び「下方」とは、プレス成形方向においてダイと反対側の方向を意味し、ポンチに対して「上方」とは、プレス成形方向においてダイ側の方向を意味する。

自動車の軽量化による燃費向上、衝突安全性向上のニーズの高まりから、自動車車体における高張力鋼板の適用が拡大している。しかしながら、高張力鋼板を用いて自動車車体の部品をプレス成形により製造する場合、高張力鋼板の延性の低さによる成形性の低下や、高い材料強度に起因する寸法精度の悪化が課題とされている。これに加えて、部品の成形に要する成形荷重の増加も大きな問題となっており、プレスラインの変更や部品の分割が必要となるなど、高張力鋼板を適用する上での阻害要因となっている。

そこで、高張力鋼板を用いたプレス成形において成形荷重を低減するための技術がこれまでにいくつか提案されている。
例えば、特許文献１には、ダイとパンチで金属板を成形するに際し、パンチが金属板に接触して該パンチのストローク終端に達するまでの間に、パンチを停止させ、所定時間経過後に金属板の成形を再開する動作を行うことで、金属板の応力を緩和し、成形荷重を低減する方法が開示されている。
また特許文献２には、ダイとポンチによるブランク材のプレス加工において、該ポンチを分割可動させることでブランク材を所定領域毎に逐次成形することにより、プレス加工時の成形荷重を低減する方法が開示されている。

特開２０１１－２４５５２５号公報 特開２０１０－２０７９０７号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている方法においては、成形中にパンチを停止するためにサーボプレスが必要となり、設備の制約を受ける。
また、特許文献２に開示されている方法では、金型構造が複雑になり高価になる上、成形性の低い高張力鋼板では成形時に割れやしわといった不具合を生じる場合があった。

さらに、例えば、図２に示すように、ポンチ底部２３に深さの浅い凹形状部２５を有するプレス成形品２１をプレス成形する場合にあっては、板厚に近い深さの凹形状であるため、板厚をプレスで薄くする成形に類似して、その成形下死点付近において成形荷重の増大が顕著に見られ、成形荷重を低減することが重要な課題であった。しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載させている方法は、このようなプレス成形品２１を成形対象とするものではなく、板厚に近い深さの凹形状や凸形状にプレス成形する際の成形荷重を十分に低減させることが困難であった。そのため、ポンチ底部２３に深さの浅い凹形状部２５（又はプレス成形方向に高さの低い凸状の凸形状部）を有するプレス成形品２１のプレス成形過程における成形荷重を低減する技術が望まれていた。

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、複雑な機構や構造を要せずに、プレス成形方向に凹状の凹形状部又は凸状の凸形状部がポンチ底部に形成されたプレス成形品のプレス成形過程における成形荷重を低減することができるプレス成形金型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、ポンチとダイとを備えてなり、ポンチ底部と該ポンチ底部に深さの浅い凹形状部又は高さの低い凸形状部とを有するプレス成形品をプレス成形するものであって、
前記ポンチは、該ポンチの下部を構成する下ホルダ部と、該下ホルダ部の上方に設けられたブロック部と、を備え、
該ブロック部は、前記ポンチ底部を成形するポンチ底成形面部と、該ポンチ底成形面部に設けられて前記凹形状部を形成する凹形状形成部又は前記凸形状部を形成する凸形状形成部と、前記ポンチ底成形面部の下方に設けられた空洞部と、を有し、
該空洞部は、前記ブロック部における前記凹形状形成部又は凸形状形成部の直下の範囲を含み、かつプレス成形方向の投影面積が前記凹形状形成部又は凸形状形成部の投影面積の110%以上であることを特徴とするものである。

本発明によれば、ポンチ底部と該ポンチ底部に深さの浅い凹形状部又は高さの低い凸形状部とを有するプレス成形品をプレス成形するに際し、ポンチのブロック部における前記ポンチ底部を成形するポンチ底成形面部の下方に空洞部を設け、プレス成形過程において前記ポンチ底成形面部が前記空洞部側にたわむようにすることで、前記ポンチ底成形面部における凹形状形成部又は凸形状形成部とブランクとのなじみを容易にし、成形下死点付近における成形荷重の増加を抑制することができる。

本発明の実施の形態に係るプレス成形金型の構成を説明する図である。 本発明において成形対象とする、ポンチ底部にプレス成形方向に凹状に形成された凹形状部を有するプレス成形品の一例を示す図である。 従来のプレス成形金型の構造を示す図である。 従来のプレス成形金型を用いた場合における成形下死点でのプレス成形金型の変形を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係るプレス成形金型を用いた場合における成形下死点でのプレス成形金型の変形とたわみを示す模式図である。 実施例において、従来例に係るプレス成形金型の成形下死点付近における変形量のプレス成形解析結果を示す図である。 実施例において、発明例に係るプレス成形金型の成形下死点付近における変形量のプレス成形解析結果を示す図である。 実施例において、プレス成形解析により求めたプレス成形過程における成形ストロークと成形荷重の関係を示すグラフである（（ａ）成形開始～成形下死点、（ｂ）成形下死点付近の拡大図）。 実施例において、成形下死点付近における成形荷重の従来例と発明例の結果を示すグラフである。 実施例において、空洞部のプレス成形方向の投影面積A₁と凹形状形成部の投影面積A₂との比と、成形荷重との関係を示すグラフである。

本発明の実施の形態に係るプレス成形金型１は、図１に一例として示すように、ポンチ３とダイ５とブランクホルダ７を備えてなり、図２に例示するように、ポンチ底部２３とポンチ底部２３に凹状に形成されて深さが浅い凹形状部２５とを有するプレス成形品２１をプレス成形するものである。
ここで、凹形状部２５の深さが浅いとは、少なくともプレス成形品２１の成形高さよりも小さいことをいい、例えば、凹形状部２５の深さが10mm以下で板厚に近い深さのものであるとする。
以下、本実施の形態に係るプレス成形金型１の各構成について説明する。なお、以下の説明においては、同一の機能を有する要素については同一の符号を付して、説明を割愛した。

ポンチ３は、ポンチ３の下部を構成する下ホルダ部９と、下ホルダ部９の上方に設けられて着脱可能に支持されたブロック部１１と、を備える。

ブロック部１１は、プレス成形品２１のポンチ底部２３を成形するポンチ底成形面部１１ａと、ポンチ底成形面部１１ａに設けられてポンチ底部２３に凹形状部２５を形成する凹形状形成部１１ｂと、ポンチ底成形面部１１ａの下方（プレス成形方向においてダイ５と反対側）に設けられた空洞部１１ｃと、を有する。

空洞部１１ｃは、ブロック部１１における凹形状形成部１１ｂの直下の範囲を含み、かつプレス成形方向の投影面積が凹形状形成部１１ｂの投影面積の110%以上である。

ダイ５は、ブランク１３を挟んでポンチ３に対向して配置され、ポンチ３側に相対移動してポンチ３と協働してプレス成形品２１を成形するものであり、プレス成形品２１のポンチ底部２３を成形するポンチ底成形面部５ａと、ポンチ底部２３に凹形状部２５を形成する凹形状形成部５ｂと、を有する。

ブランクホルダ７は、ブランク１３を挟んでダイ５に対向してポンチ３側に配設され、ダイ５と協働してブランク１３の端部を挟持してポンチ３側に相対移動するものである。

次に、上記のように構成された本実施の形態に係るプレス成形金型１を用いてプレス成形品２１をプレス成形する場合におけるプレス成形金型１の動作とその作用効果について、図３に一例として示す従来のプレス成形金型３１を用いた場合と対比して説明する。

図３に示すような、ポンチ３３とダイ５とブランクホルダ７とを備えた従来のプレス成形金型３１を用いてプレス成形品２１をプレス成形する場合、まず、ポンチ３３とダイ５との間にブランク１３を配置し、ブランク１３の両端部をダイ５とブランクホルダ７とで挟持する。続いて、ダイ５とブランクホルダ７とでブランク１３を挟持した状態のまま、ダイ５とブランクホルダ７をポンチ３３側に相対移動させることにより、ポンチ底部２３が成形される。そして、成形下死点付近においてプレス成形品２１が決め押しされる際に、ダイ５の凹形状形成部５ｂがブランク１３をポンチ３３の凹形状形成部３７ｂ側に押し込むことにより、ポンチ底部２３に凹形状部２５が形成される。

このとき、成形下死点付近においては、図４に示すように、ポンチ３３及びダイ５は、それぞれの表面が弾性変形して図４中の矢印の方向に押し潰される。なお、図４において、破線は、ポンチ３３及びダイ５の変形前の表面形状を示し、斜線でハッチングされた領域は、成形下死点付近においてポンチ３３(ポンチ底成形面部３７ａ)及びダイ５（凹形状形成部５ｂ）が弾性変形により押し潰された領域を示したものである。

しかしながら、ポンチ３３及びダイ５は弾性変形しづらいためにその変形量は小さく、ブランク１３をポンチ３３の凹形状形成部３７ｂになじませて凹形状部２５を形成するためには、成形下死点付近においてダイ５に板厚をプレス成形して薄くするような大きな成形荷重を作用させてブランク１３をポンチ３３側に押し込むことを要する。

これに対し、図１に示すような本実施の形態に係るポンチ３とダイ５とを備えたプレス成形金型１を用いてプレス成形品２１をプレス成形する場合においても、ダイ５とブランクホルダ７とによりブランク１３の両端部を挟持した状態でダイ５及びブランクホルダ７をポンチ３側に相対移動させると、図５に示すように、成形下死点付近においてポンチ３及びダイ５の表面は図５中の矢印の方向に変形する。ここで、図５中の破線は、ポンチ３及びダイ５の変形前の表面形状を示す。

このとき、ダイ５においては、従来のプレス成形金型３１と同様、成形下死点付近においてダイ５の表面（凹形状形成部５ｂ）が弾性変形により押し潰される（図５中のダイ５における斜線でハッチングされた領域）。
一方、ポンチ３においてはブロック部１１におけるポンチ底成形面部１１ａの下方であって凹形状形成部１１ｂの直下を含む範囲に空洞部１１ｃが設けられているため、成形下死点付近においてポンチ底成形面部１１ａが空洞部１１ｃ側にたわむことで、ブロック部１１におけるポンチ底成形面部１１ａ及び凹形状形成部１１ｂの表面が変形する（図５中のポンチ３におけるハッチングされた領域）。

そして、ポンチ底成形面部１１ａの凹形状形成部１１ｂのたわみによる変形量は、従来のプレス成形金型３１におけるポンチ３３の弾性変形による変形量に比べて大きいため、ブロック部１１の凹形状形成部１１ｂとブランク１３とが容易になじむ。
その結果、本実施の形態に係るプレス成形金型１によれば、成形下死点付近における成形荷重の増加を抑制して凹形状部２５が形成されたプレス成形品２１をプレス成形することができる。

特に、本発明は、590MPa級以上の高張力鋼板をブランクとして用いてプレス成形する場合に、成形下死点付近における成形荷重の増加を抑制する効果が顕著である。

また、本発明は上記のとおり、ポンチの空洞部のプレス成形方向の投影面積を、凹形状形成部の投影面積の110%以上とすることで、プレス成形過程においてポンチ底成形面部をたわませることを可能とするものであるが、ポンチ底成形面部のプレス成形方向における厚みに関しては、ポンチ底成形面部をたわませることが可能となるように適宜設定すればよい。なお、凹形状形成部の投影面積とは、ポンチ底成形面部１１ａの凹形状形成部１１ｂの底の部分から投影した面積である。

なお、上記の説明は、ポンチ底部２３に凹状に形成されて深さが浅い凹形状部２５を有するプレス成形品２１を成形する場合についてのものであったが、本発明に係るプレス成形金型は、ポンチ底部と該ポンチ底部に凸状に形成されて高さの低い凸形状部とを有するプレス成形品（図示なし）をプレス成形するものであってもよい。

ここで、凸形状部の高さが低いとは、少なくともプレス成形品の成形高さよりも小さいことをいい、例えば、凸形状部の高さが10mm以下であって、板厚に近い高さプレス成形品について、本発明を好適に適用することができる。

そして、凸形状部がポンチ底部に形成されたプレス成形品を本発明に係るプレス成形金型を用いてプレス成形する場合であっても、ダイをポンチ側に相対移動させて成形下死点付近において凸形状部を形成する際に、ダイがポンチ側に押し込まれてポンチのブロック部におけるポンチ底成形面部が下方の空洞部側にたわむことによりポンチ底成形面部及び凸形状形成部が変形し、ブランクがブロック部の凸形状形成部になじみやすくなり、成形下死点付近におけるプレス成形荷重の増加を抑制して凸形状部を形成することができる。

また、本実施の形態に係るプレス成形金型１は、図１に示すように、ポンチ３の上方にダイ５が配置され、ダイ５をポンチ３側に下降させる方向をプレス成形方向とするものであったが、本発明は、ポンチ３をダイ５側に上昇させる方向をプレス成形方向とするものであってもよい。

さらに、本発明に係るプレス成形金型は、ポンチの下方にダイが配置され（図示なし）、ポンチをダイ側に下降させるものや、ダイをポンチ側に上昇させるもの等であってもよく、ポンチとダイの位置関係やプレス成形方向を特に限定するものではない。

上記の説明において、図１に示すプレス成形金型１は、ブランクホルダ７を備え、ダイ５とブランクホルダ７とによりブランク１３の両端部を挟持してドロー成形によりプレス成形品２１をプレス成形するものであったが、本発明は、ブランクホルダを備えず、ポンチ３とダイ５を備えてなり、フォーム成形によりプレス成形品２１をプレス成形するプレス成形金型であってもよい。

なお、上記の本実施の形態に係るプレス成形金型１において、ポンチ３は、下ホルダ部９の上面部にブロック部１１が積み重ねられてブロック部１１が直接保持された構造であったが、本発明に、下ホルダ部に積み重ねられたブロック部が保持された構造のポンチに限らず、下ホルダ部がブロック部を下方から保持し、かつ該ブロック部が着脱可能な構造や形状のポンチであればよい。

本発明に係るプレス成形金型の作用効果を検証する実験を行ったので、以下、これについて説明する。

実験では、図２に示すプレス成形品２１をプレス成形する過程のプレス成形解析を行い、該プレス成形する過程におけるプレス成形金型の変形と成形荷重を評価した。

プレス成形解析では、ブランク１３として引張強度1180MPa級、板厚1.2mmの高張力鋼板を用いた。成形対象とするプレス成形品２１は、図２に示すように、ポンチ底部２３と、ポンチ底部２３にプレス成形方向に凹状に形成されて深さの浅い凹形状部２５を有する断面ハット形状であり、各部位の寸法は図２に示すとおりである。
なお、ポンチ底部２３に形成する凹形状部２５の深さは3mmとし、プレス成形品２１の成形高さ（＝20mm）に比べて小さくて板厚に近いものとした。

実験では、図１に示すポンチ３とダイ５とブランクホルダ７とを備え、鋼材からなるプレス成形金型１を用いてプレス成形品２１をプレス成形する過程のプレス成形解析を行ったものを発明例とした。
発明例において、ポンチ３は、ポンチ３の下部を構成する下ホルダ部９と、下ホルダ部９の上方に設けられたブロック部１１と、を備え、ブロック部１１は、プレス成形品２１のポンチ底部２３を成形するポンチ底成形面部１１ａと、ポンチ底部２３に凹形状部２５を形成する凹形状形成部１１ｂと、ポンチ底成形面部１１ａの下方に設けられた空洞部１１ｃと、を有する鋼材からなるものである。そして、空洞部１１ｃは、凹形状形成部１１ｂの直下の範囲を含み、かつプレス成形方向の投影面積A₁が凹形状形成部１１ｂの投影面積A₂の110%とした。

さらに、比較対象として、図３に示すポンチ３３とダイ５とブランクホルダ７とを備えてなる従来のプレス成形金型３１を用いてブランク１３をプレス成形品２１にプレス成形する過程のプレス成形解析を行ったものを従来例とした。

ここで、従来例に係るポンチ３３は、ポンチ３３の下方を構成する下ホルダ部３５と、下ホルダ部３５の上方に設けられたブロック部３７と、を備え、ブロック部３７は、ポンチ底部２３を成形するポンチ底成形面部３７ａと、凹形状部２５を形成する凹形状形成部３７ｂと、を有し、ポンチ底成形面部３７ａの下方には空洞部が設けられていない中実の鋼材からなるものとする。

図６及び図７に、成形下死点付近におけるポンチ及びダイのプレス成形方向の変形量の従来例及び発明例の結果を示す。
図６に示す従来例においては、ブロック部３７の凹形状形成部３７ｂ及びダイ５の凹形状形成部５ｂの端縁近傍にプレス成形方向の変形が見られ、変形量の最大値は約0.02mmであった。
一方、図７に示す発明例においては、ブロック部１１の凹形状形成部１１ｂの下方と、ダイ５の凹形状形成部５ｂの上方それぞれの範囲にプレス成形方向の変形が見られ、変形量の最大値は約0.05mmであり、従来例に比べて変形する範囲及び変形量が増加する結果であった。

図８に、プレス成形過程における成形ストロークと成形荷重の関係を示す。
図８より、従来例及び発明例における成形荷重はいずれも、成形開始（成形ストローク0mm）とともに徐々に増加し、成形下死点付近（成形ストローク約21～23mm）において急激に増加した。
そして、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、成形開始から成形下死点付近（成形ストローク約22.7mm）までの従来例と発明例の成形荷重はほぼ等しい結果であった。
しかしながら、図８（ｂ）に示すように、成形下死点付近においては、従来例に比べて発明例は成形荷重が低下していることが分かる。

図９に、成形下死点（成形ストローク23mm）における従来例と発明例の成形荷重を比較したグラフを示す。
図９より、発明例においては、従来例に比べて成形荷重が約2.1tonf低下する結果となった。

次に、ポンチ３における凹形状形成部１１ｂの大きさを変えて、凹形状形成部１１ｂの直下の範囲を含む空洞部１１ｃのプレス成形方向の投影面積A₁と凹形状形成部１１ｂの投影面積A₂との比を変えて、成形下死点における成形荷重を比較し、結果を図１０に示した。

図１０より、本発明の範囲である空洞部１１ｃの投影面積A₁と凹形状形成部１１ｂの投影面積A₂との比が110%以上で成形荷重が著しく低下することがわかる。
なお、空洞部１１ｃが凹形状形成部１１ｃの直下から外れた場合は、図１０に示す投影面積A₁とA₂との比が100%未満の結果と同等になり、成形荷重を十分に低減することができなかった。

上記の結果は、プレス成形方向に凹状の凹形状部がポンチ底部に形成されたプレス成形品を成形対象としたものであったが、本発明は、プレス成形方向に凸状であって高さの低い凸形状部がポンチ底部に形成されたプレス成形品を成形対象とする場合であっても、成形下死点付近において成形荷重の増加を抑制する結果が得られることも確認した。

以上、本発明に係るプレス成形金型によれば、ポンチ底部にプレス成形方向に凹状の凹形状部又は凸状の凸形状部が形成されたプレス成形品をプレス成形する場合において、ポンチのブロック部におけるポンチ底成形面部を該ポンチ底成形面部の下方に設けられた空洞部側にたわませることにより、成形下死点付近における成形荷重の増加を抑制して前記プレス成形品をプレス成形できることが実証された。

１ プレス成形金型
３ ポンチ
５ ダイ
５ａ ポンチ底成形面部
５ｂ 凹形状形成部
７ ブランクホルダ
９ 下ホルダ部
１１ ブロック部
１１ａ ポンチ底成形面部
１１ｂ 凹形状形成部
１１ｃ 空洞部
１３ ブランク
２１ プレス成形品
２３ ポンチ底部
２５ 凹形状部
３１ プレス成形金型（従来構造）
３３ ポンチ
３５ 下ホルダ部
３７ ブロック部
３７ａ ポンチ底成形面部
３７ｂ 凹形状形成部

Claims (1)

1. ポンチとダイとを備えてなり、ポンチ底部と該ポンチ底部に深さが１０ｍｍ以下の浅い凹形状部又は高さが１０ｍｍ以下の低い凸形状部とを有し、該凹形状部又は該凸形状部は成形下死点付近において成形荷重の増大を伴い形成されるプレス成形品をプレス成形するプレス成形金型であって、
   前記ポンチは、該ポンチの下部を構成する下ホルダ部と、該下ホルダ部の上方に設けられたブロック部と、を備え、
   該ブロック部は、前記ポンチ底部を成形するポンチ底成形面部と、該ポンチ底成形面部に設けられて前記凹形状部を形成する凹形状形成部又は前記凸形状部を形成する凸形状形成部と、前記ポンチ底成形面部の下方に設けられた空洞部と、を有し、
   該空洞部は、前記ブロック部における前記凹形状形成部又は凸形状形成部の直下の範囲を含み、かつプレス成形方向の投影面積が前記凹形状形成部又は凸形状形成部の投影面積の110%以上とし、プレス成形過程において前記ポンチ底成形面部を前記空洞部側にたわませることを特徴とするプレス成形金型。

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