JP7264116B2 - プレス成形品の剛性評価方法、形状決定方法およびプレス成形品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、プレス成形品のべこつきの有無を判定する剛性評価方法およびそれを用いたべこつきのないプレス成形品の形状決定方法およびプレス成形品に関するものである。

近年、エネルギー問題や地球環境問題を契機に、燃費の向上を目的とした自動車車体の軽量化の要求が高まる一方で、衝突時の乗員保護のため、衝突特性、例えば、車体剛性の向上に対する要求も年々高まっている。この相反する二つの要求に応えるため、高強度鋼板の適用拡大が進んでいる。高強度鋼板を適用することによって、板厚を大きくすることなく、自動車車体の強度、剛性や衝突時の吸収エネルギーを高めることができる。

しかしながら、一般に車体部品の加工に多用されているプレス成形においては、スプリングバックと呼ばれる形状凍結不良が問題となる。スプリングバックは、板状材料としての鋼板からプレス成形したプレス成形品を金型から離型した際に生じ、鋼板の材料強度の高まりに伴って大きくなる。スプリングバックは外観品質を損なうだけでなく組立て時の溶接不良の原因ともなるため、高強度鋼板の適用拡大には、スプリングバック対策が必要不可欠である。

スプリングバックの原因は、残留応力の不均一によって生じる曲げモーメントがプレス成形品の離型時に解放されることによる弾性回復である。このため従来から、スプリングバック対策として残留応力の不均一を緩和させる方法等が提案されている。

特許文献１では、伸びフランジ部にエンボスを配置し、縮みフランジ部に余肉ビードを配置した中間品を成形し、最終成形品の成形において、伸びフランジ部にはエンボスを潰すことで圧縮応力を与え、縮みフランジ部には余肉ビードによって引張応力を与えることで、プレス成形品の残留応力分布を平準化する技術が提案されている。

特許文献２では、製品形状での曲率半径よりも小さい曲率半径にプレス成形して中間部品を製造し、製造した中間部品を製品形状にプレス成形することで天板部とフランジ部の応力差により発生する曲げモーメントを低減し、キャンバーバックを抑制する技術が提案されている。

特許文献３では、プレス成形後の金属パネルの表面をＮヶの領域に分割し、それぞれの領域において前記金属パネルの表面に圧子を押し付けて変位と荷重の関係を測定し、べこつきの発生分布およびべこつきの発生荷重分布を求めることができる金属パネルの張り剛性評価方法が提案されている。

特開２００９－２５５１１７号公報 国際公開２０１７／１４９９５５号 特開２０１３－ ２９３３２号公報

残留応力を平準化させる方法として、特許文献１では伸びフランジ部にエンボスを形成するとともに縮みフランジ部に余肉ビードを形成する方法を提案しているが、本発明が主に対象としている低剛性部品は、低応力でもスプリングバックが生じるため、特定部分の応力を低減させても不十分な場合がある。また、特定部分の応力を低減させた結果生じる新たな応力状態で、別の形態のスプリングバックが生じるおそれがある。

特許文献２では、連続するハット形状が湾曲している場合を扱うが、本発明が主に対象としている低剛性部品は、成形深さが浅く、天板部の張出形状の有無により応力状態が大きく変わるため、特許文献２の技術のように一様の方法で応力低減を行うことはできない。

特許文献３では、パネルの一部がべこつく場合には有効であるが、外周全体を拘束して測定するため、べこつきがパネル全体のねじれやゆがみ、外周の一部のハネあげや落ち込みにつながる場合には有効に判定できない問題があった。また、精度よく測定するには測定点数が多くなってしまう問題もあった。

また、上記の技術および従来の対策技術により、スプリングバックを低減することができても、わずかなパネルのゆがみによりべこつきが発生する可能性がある。また、形状剛性が低い部品の場合はスプリングバックがゼロであってもべこつきが発生する可能性がある。そのため、べこつきを低減させるためには、従来のスプリングバック対策のみでは不十分であり、べこつきそのものの発生有無を評価し、部品の形状剛性を高め、べこつきが発生しない部品形状を決定する方法が必要である．
即ち、従来の技術の解決すべき課題を列記すると以下のようになる。
（１）べこつきそのものを評価する方法が必要であること。
（２）べこつきの評価と剛性向上をひとつのプロセスとして、同プロセスを複数回繰り返すことでべこつきの発生しない部品形状を決定する方法が必要であること。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、プレス成形品のべこつきの発生有無が判定可能な剛性評価方法を提案し、べこつきを発生させないプレス成形品の形状決定方法を提案するとともに、決定されたプレス成形形状を有するプレス成形品を提供することを目的としている。

上記課題を有利に解決する本発明のプレス成形品の剛性評価方法は、プレス成形した成形品の剛性を評価する方法であって、成形品の外周の２点および該２点で分割された前記外周の一方を拘束し、他方の外周の１点にプレス方向の変位を与え、変位を作用させた点の変位量と荷重の関係からべこつき発生有無を判断することを特徴としている。

また、本発明のプレス成形品の剛性評価方法は、プレス成形した成形品の剛性を評価する方法であって、ＣＡＥ解析を用いて、成形品形状データの外周の２点および該２点で分割された前記外周の一方を拘束し、他方の外周の１点にプレス方向の変位を与え、変位を作用させた点の変位量と荷重の関係からべこつき発生有無を判断することを特徴としている。

また、本発明のプレス成形品の形状決定方法は、上記プレス成形品の剛性評価方法によりプレス成形品のべこつきの発生有無を判断する剛性評価工程と、剛性付加形状を付加したプレス成形品を設計する剛性向上対策工程と、を繰り返し適用し、べこつきのないプレス成形形状を決定することを特徴としている。

さらに、本発明のプレス成形品は、上記プレス成形品の形状決定方法によりプレス成形形状を決定し、プレス成形されたことを特徴としている。

本発明のプレス成形品の剛性評価方法によれば、成形品の外周の２点および該２点で分割された前記外周の一方を拘束し、他方の外周の１点にプレス方向の変位を与え、変位を作用させた点の変位量と荷重の関係からべこつき発生有無を判断することとしたので、プレス成形品のねじれやゆがみによるべこつきを精度よく判断できる。

また、本発明のプレス成形品の剛性評価方法によれば、ＣＡＥ解析を用いて、成形品形状データの外周の２点および該２点で分割された前記外周の一方を拘束し、他方の外周の１点にプレス方向の変位を与え、変位を作用させた点の変位量と荷重の関係からべこつき発生有無を判断することとしてので、プレス成形することなく、事前にプレス成形品のべこつきを精度よく判断できる。

さらに、本発明のプレス成形品の剛性評価方法では、前記成形品または前記成形品形状データの外周の４隅のうち、３点を拘束し、他の１点に変位を与えることが好ましい。略四角形状の外周を有するプレス成形品では、簡便かつ効率的な剛性評価ができる。

また、本発明のプレス成形品の形状決定方法によれば、上記プレス成形品の剛性評価方法によりプレス成形品のべこつきの発生有無を判断する剛性評価工程と、剛性付加形状を付加したプレス成形品を設計する剛性向上対策工程と、を１回または２回以上繰り返し適用し、べこつきのないプレス成形形状を決定することとしたので、そのプレス成形品は、形状凍結性に優れ、他の部品との接合にあたって接合部のずれが少ない部品とすることが可能となり、たとえば、自動車の生産性向上に寄与することができる。

本発明の一実施形態にかかるべこつきのないプレス成形品の成形形状を決定する工程を示す概略フロー図である。 本発明を適用する前のプレス成形形状を模式的に示す斜視図である。 本発明の一実施形態にかかる剛性評価のための測定点および拘束点を模式的に示す斜視図である。 図４の実施形態にかかる変位－荷重測定結果を示すグラフである。 本発明の一実施形態にかかる成形形状の決定方法により剛性付加形状を付加したプレス成形形状を模式的に示す斜視図である。 図５の実施形態にかかる変位－荷重測定結果を示すグラフである。 本発明の他の実施形態にかかる成形形状の決定方法により剛性付加形状を付加したプレス成形形状を模式的に示す斜視図である。

発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意検討した結果、プレス成形した成形品の外周の２点およびその２点で分割された成形品の外周の一方を拘束し、他方の外周の１点にプレス方向の変位を与え、変位を作用させた点の変位量と荷重の関係からプレス成形品の剛性を評価して、べこつき発生有無を判断することができることを見出した。また、べこつきが発生するプレス成形品については、剛性を向上させるビードや張出形状などからなる剛性付加形状を付加する剛性向上対策を施すことがべこつきの低減に有効であることを見出した。加えて、剛性評価と剛性向上対策を１回または２回以上繰り返し、べこつきのないプレス成形形状を決定できることを見出した。

本発明の一実施形態のプレス成形品の剛性評価方法は、成形品の外周の２点およびその２点で分割された成形品の外周の一方を支持し、または、拘束し、他方の外周の１点にプレス方向の荷重を与え、変位を作用させた点の変位量と荷重の関係を用いて剛性を評価し、べこつき発生有無を判断するものである。ここで、拘束点、支持点や変位点は、厳密に外周上に位置するものではなく、必要に応じて所定長さ、外周から内側に位置していてもよい。また、支持し、または、拘束する側の外周は、１点で支持し、または、拘束してもよいが、複数点や線状の支持・拘束方法であっても構わない。支持する場合には、変位点に荷重を与えた場合に、支持点が変位しないように支持する必要がある。また、プレス方向は、たとえば、平板部の板厚方向である。たとえば、プレス成形後の成形品の４隅のうち対角の２隅を完全拘束し、他の対角の一方を支持し、または、拘束し、残る１隅にプレス方向の正負２方向に荷重を加えていくことが好ましい。４隅の決め方は、四角形あるいは矩形形状およびそれらに近似できる形状の場合は、頂点相当部４カ所とすることができる。その他の多角形形状や複雑形状の場合には、部品外周の任意の２点を結ぶ対角線の両端点と、その対角線によって分割される一方の外周上の１点と、他方の外周上の１点と、を選ぶことが好ましい。ここで、外周を略１／２に分断する対角線を選び、分断された一方の外周を支持し、または、拘束し、他方の外周の１点を測定点（変位点）とすることができる。さらに、４隅と定めた点のうち、対角線の両端点以外の２点は、対角線に対し軸対称の位置にあることが好ましい。「外周を略１／２」とは、たとえば、対角線がプレス成形品の重心を通るように構成とすることができる。なお、４隅の決定に際して、たとえば、突起状の形状のような極端に剛性が低い場所は、変位を与えた際に、変位点近傍のみが変形するのを避けるため、周方向や内側にずらして測定することが好ましい。また、外周上の５点以上を用いることも可能であり、外周上であれば、４点以上を拘束しても構わない。拘束する外周上の範囲は、プレス成形品の形状にもよるが、線長で１／６以上２／３程度までとすることが好ましい。あまりに拘束する範囲を狭くしすぎたり、広くしすぎたりすると、成形品全体のねじれや外周のゆがみに基づくべこつきの評価精度が低くなってしまう。

本実施形態では、上記のようにして決定した４隅のうち、３点を拘束し、残る１点にプレス方向の正負２方向の２条件を評価するものとして、合計８条件の剛性評価を行う。この剛性評価は、実験により、または、ＣＡＥ（ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｉｄｅｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）解析により、対象位置の変位－荷重関係を調査する。

本実施形態で用いる成形品や成形品形状データは、正規寸法または正規寸法に準拠してプレス成形した成形品、もしくは正規寸法の形状データを用いることが好ましい。スプリングバック後の成形品の剛性を評価する場合には、スプリングバック後の成形品またはスプリングバック解析後の成形品データを用いることが好ましい。

以上のような条件で変位－荷重測定実験またはＣＡＥによる弾性解析を実施し、変位測定点の変位－荷重関係を調査する。十分な剛性を有する成形品では、変位－荷重曲線が単調増加になる。一方、形状剛性が不十分でべこつきが発生する場合には、変位－荷重曲線が降下や停滞し、または振動し、単調増加とならない。これをもってべこつきの有無を判断する。なお、変位量は、少なくとも板厚の１．０倍以上とし、１００ｍｍ程度までとすることが好ましく、通常プレスにおける下死点までとすることがより好ましい。測定する変位量が少なすぎるとべこつきが確認できず、多すぎると塑性変形を生じてしまうからである。

また、べこつきの有無の判断において、変位－荷重曲線に加えて、実験中の、または、ＣＡＥでの弾性解析中の成形品パネル全体のプレス方向への変位分布を用いることも有効である。画像解析や、レーザー測距、有限要素法での解析を利用できる。

次に、本発明の他の実施形態としてのプレス成形品の形状決定方法では、まず、上記実施形態に係るプレス成形品の剛性評価方法を用いてべこつきの発生有無を判断する（剛性評価工程）。次に、べこつきが発生していると判断された部位およびその周辺にビードや張出形状等の剛性付加形状を付加してプレス成形形状を設計する剛性向上対策を実施する（剛性向上対策工程）。この剛性評価工程と剛性向上対策工程とを１回または２回以上繰り返し適用し、べこつきが発生しないプレス成形形状を決定する。

また、本発明の他の実施形態としてのプレス成形品は、上記プレス成形品の形状決定方法でべこつきが発生しない形状を決定し、その形状をプレス成形して製造することで、形状凍結性に優れ、成形品の外周にねじれやゆがみが発生しにくい部品とすることができる。それゆえ、他の部品との接合にあたって、ずれの生じにくい高精度で効率的な接合を不具合なく実施することができる。たとえば、自動車の部品にこの実施形態を適用することで自動車の生産効率を高めることができる。

（実施例１）
実部品のＡピラーロアインナーの成形に上記実施形態を適用し、ＣＡＥによる弾性解析による剛性評価を行った。概略長さ７００ｍｍ×幅４００ｍｍの略矩形の部品である。材料は、９８０ＭＰａ級冷間圧延鋼板（ハイテン）で、板厚が０．９ｍｍであり、機械特性は、降伏点（ＹＰ）が６２０ＭＰａ、引張強さ（ＴＳ）が１０３０ＭＰａ、伸び（Ｅｌ）が１５％であった。

図１に適用した実施形態にかかるプレス成形品の形状決定方法を示す工程フローを示す。まず、プレス成形品の形状データを準備する（Ｓ１０）。その形状データを用いて、ＣＡＥによる弾性解析により、変位－荷重曲線を求め（Ｓ１１）、べこつきの有無を判断する（Ｓ１２）剛性評価を行う（剛性評価工程）。べこつきが発生すると判断された場合には、剛性付加形状を付加して剛性向上対策を実施する（Ｓ１３：剛性向上対策工程）。べこつきが発生しない形状となるまで、剛性評価工程と剛性向上対策工程を繰り返す。べこつきが発生しない形状をプレス成形の形状として決定する（Ｓ１４）。

図２には、本実施例で用いるプレス成形品１００の形状を斜視図で示す。長手方向右側の幅が大きい、略矩形形状となっており、手前側に断面Ｚ形のステップ部１２を有している。平板部１１をＸＹ面とし、長手方向を右側向きにＸ軸、幅方向をステップ部１２から離れる方向にＹ軸と置き、平板部１１に垂直でステップ部１２を折り曲げた方向をＺ軸の負とする座標系とする。以下に、同じ。

図３に本実施例で選択した４隅の位置を●印１、２、３、４で示す。上記実施形態に従い、４隅の内３点を拘束点とし、残り１点を変位－荷重測定点とする。たとえば、位置２および４を対角線の両端とし、位置３を成形品の外周１３上の拘束点とし、位置１にＺ軸上正負方向への荷重を与える。ＣＡＥによる弾性解析により、各点１、２、３、４の変位－荷重曲線を求め、図４に示す。図４では、変位を４０ｍｍまで解析した。荷重の最大値は１４０Ｎであった。図４の結果から、Ｚ軸負の方向への変位では、２および３の位置の荷重が停滞しており、Ｚ軸正の方向の変位では、１、２、３の位置の荷重が、停滞、下降または振動していることがわかる。

そこで、図５に示すように平板部１１右側の広くなっている部分の中央より位置３に近い側に剛性付加形状としての張出形状１４を設け、剛性向上対策後のプレス成形品１０１とした。そして、上記と同様の剛性評価を再度行った。各測定点１、２、３、４での変位－荷重曲線を求めて、図６に示す。上記と同様変位量は４０ｍｍまで解析した。荷重の最大値は１４０Ｎであった。図６から明らかなように剛性を向上させた図５の形状では、各測定点の変位－荷重曲線が単調増加となり、べこつきの発生が改善された。

（実施例２）
実施例１と同様の外形形状の成形品に、剛性付加形状として、ビード１５を設け、剛性向上対策後のプレス成形品１０１とした。ビードの設計にあたって、位置２から位置４まで直線状の第１のビード１５とし、位置３から第１のビードへの垂線を垂らすように第２のビード１５を設け、反対側の外形線までビードを延長した。ただし、交差するビード１５が重ならないように、位置３からの第２のビード１５は第１のビード１５に交差する前後で分断するようにした。

この剛性向上対策品も実施例１と同様、４隅の剛性評価結果、変位－荷重曲線が一様に増加するものとなった。

かくして本発明のプレス成形品の剛性評価方法は、べこつきによるパネルのねじれやゆがみを精度よく判断できるようになる。そして、本発明のプレス成形品の形状決定方法およびプレス成形品によれば、べこつきの発生を効率的に抑制することができる。本発明の技術は、形状剛性の低い平板状部品に適用して好適である。

１００ プレス成形品
１０１ 剛性向上対策後のプレス成形品
１１ 平板部
１２ ステップ部
１３ 外周
１４ 張出部（剛性付加形状）
１５ ビード（剛性付加形状）
１、２、３、４ 測定点および拘束点（支持点）

Claims (6)

1. プレス成形した成形品の剛性を評価する方法であって、成形品の外周の２点および該２点で分割された前記外周の一方を支持し、または、拘束し、他方の外周の１点にプレス方向の荷重を与え、変位を作用させた点の変位量と荷重の関係を用いて剛性を評価するにあたり、
   変位－荷重曲線が単調増加するか否かで形状剛性を判定することを特徴とするプレス成形品の剛性評価方法。
2. プレス成形した成形品の剛性を評価する方法であって、ＣＡＥ解析を用いて、成形品形状データの外周の２点および該２点で分割された前記外周の一方を支持し、または、拘束し、他方の外周の１点にプレス方向の荷重を与え、変位を作用させた点の変位量と荷重の関係を用いて剛性を評価するにあたり、
   変位－荷重曲線が単調増加するか否かで形状剛性を判定することを特徴とするプレス成形品の剛性評価方法。
3. 前記成形品または前記成形品形状データの外周の４隅のうち、対角の２隅を拘束し、他の対角の一方を支持し、または、拘束し、他の１隅に変位を与えることを特徴とする請求項２に記載のプレス成形品の剛性評価方法。
4. 前記変位量と前記荷重との関係からべこつき発生有無を判断することを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のプレス成形品の剛性評価方法。
5. 請求項４に記載のプレス成形品の剛性評価方法によりプレス成形品のべこつきの発生有無を判断する剛性評価工程と、剛性付加形状を付加したプレス成形品を設計する剛性向上対策工程と、を繰り返し適用し、べこつきのないプレス成形形状を決定することを特徴とするプレス成形品の形状決定方法。
6. 請求項５に記載のプレス成形品の形状決定方法によりプレス成形形状を決定し、プレス成形することを特徴とするプレス成形品の製造方法。

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