JP7364905B2

JP7364905B2 - 板金成形品の製造方法、板金成形品の製造装置、及びフランジアップ工具

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Publication number: JP7364905B2
Application number: JP2020064322A
Authority: JP
Inventors: 聡白神
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2020-03-31
Publication date: 2023-10-19
Anticipated expiration: 2040-03-31
Also published as: JP2021159951A

Description

本発明は、板金成形品の製造方法、板金成形品の製造装置、及びフランジアップ工具に関し、特に、Ｂ型伸びフランジ変形を受ける湾曲フランジ部（以下、単に「フランジ部」ともいう）を有する板金成形品の製造方法、板金成形品の製造装置、及びフランジアップ工具に関する。

近年、環境負荷低減を目的とした車体軽量化と衝突安全性の両立に加え、乗り心地の観点から車体の高剛性化が求められている。そのため、車体骨格部材には、高強度鋼板が適用されることが多くなるとともに、締結フランジの高さ向上や連続化のような複雑な形状を要求されることがあり、このような形状ではフランジ部は伸びフランジ変形を受ける場合がある。

一般的に、車体骨格部材は金属板のプレス成形によって量産される。伸びフランジ変形は、あらかじめ打ち抜き加工や切削加工により所定形状とされたブランクの面部を拘束し、周辺部を、曲げ稜線がブランクの面内方向に凹形状となるように、ブランクの面外方向に曲げながら引き延ばす加工を施した場合に、成形されたフランジに生じる変形である。これにより、ブランク面外方向に突き出し、ブランクの面内方向に凹形状を有する曲げ稜線に沿って湾曲したフランジが成形される。

一般的に、伸びフランジ変形を受けるフランジの板厚は、湾曲部頂点付近で最も薄く、次いでこの領域に近い領域ほど薄くなる。このような現象は、これらの領域で伸びフランジ成形時の加工度が大きく、ひいては変形が大きいためである。そのため、加工前の加工部位を伸びフランジ成形によって、所定のフランジに成形する際に、特に、フランジの湾曲部頂点付近で割れが生ずることがある。伸びフランジ割れは、金属板が高強度化すると、特に問題となる。

伸びフランジ割れが発生した場合には、フランジ高さを小さくする、又は、フランジの湾曲部そのものを切欠き除去することが考えられる。しかしながら、フランジは、通常、部品と部品を締結するために設置されているため、このような対策を施した場合、車体剛性を著しく損なう恐れがある。

そこで、伸びフランジ成形に用いる工具の形状を改良することにより、伸びフランジ割れを防止する、フランジ付成形部材の加工技術について、種々の提案がなされている。

特許文献１は、コーナーフランジ部を一工程で成形することができ、伸び変形によるコーナー中心及びその近傍でのひずみの局在化を抑制して伸びフランジ割れを防止し、品質と生産性を両立可能なプレス成形型を提供することを課題とし、ダイコーナー部を有するダイと、パンチコーナー部を有するパンチとを備え、パンチコーナー部は、ストローク方向の先端面において、コーナー中心の両側の２つの弧状凸部の間に凹部を有する輪郭形状であり、先端面と平行な断面の輪郭形状は、断面が先端面から離れるにつれて凹部が小さくなると共に２つの弧状凸部が接近して外向きコーナー形状に収束するプレス成形型を開示している。

特開２０１７－１４８８４７号公報

特許文献１の技術によれば、コーナーフランジ部を一工程で成形することができるが、金型の高さが大きくなり、従来のプレス成形装置を用いようとした場合、クッションストロークの変更等が必要となる。さらに、高さが著しく大きくなる場合は、ダイハイトの大きいプレス機への変更が必要となる。

金型の観点からは、金型製作コスト、メンテナンス性、スペース制約から、構造が簡易であり、かつサイズが小さいことが求められる。すなわち、従来のプレス成形装置に、金型サイズを拡大することなく適用可能な技術が求められている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、ブランクの面外方向に突き出し、ブランクの面内方向に凹形状を有する曲げ稜線に沿って湾曲するフランジを対象とし、従来の金型構造の範囲の比較的単純な形状で構成された工具を用いて、フランジ部に導入される変形量を低減することで割れの発生を抑制することを課題とする。

本発明者らは、ブランクの面外方向に突き出し、湾曲するフランジの整形において、従来の金型構造の範囲の比較的単純な形状で構成された工具を用いて、フランジ部に導入される変形量を低減することで割れの発生を抑制する方法について鋭意検討した。

その結果、フランジ成形をフランジアップ工程とリストライク工程の２工程に分け、それぞれの工程で異なる工具を用い、フランジアップ工程工具の曲率部をリストライク工程工具の曲率部よりも大きい曲率を有する曲率部とこれらに挟まれる直線部で構成し、さらに、フランジアップ工程工具の製品のフランジ部に対応する凸状部の線長を短くすることで、割れが発生する危険性の高い、ひずみ量が最大となる部位近傍におけるひずみ分布が平坦化され、ひずみ量の最大値を小さくし、伸びフランジ割れを生じさせることなく所望の曲率および高さの連続したフランジを成形することができることを見出した。ここで、「工具」とは、「パンチ」と「ダイ」の一方、又は両方をいう。

本発明は、上記の知見に基づき、さらに検討を進めてなされたものであって、その要旨は以下のとおりである。

（１）外周縁の一部が内方に向かって突出した凹状外周縁部を有する天板部と、前記凹状外周縁部から連続して内方に向かって湾曲するフランジ部とを備えた板金成形品の製造方法であって、ブランクに前記フランジ部を形成し予成形品を得るフランジアップ工程と、前記予成形品を目標形状の板金成形品にリストライクするリストライク工程を備え、平面視で、前記予成形品の前記フランジ部は、前記板金成形品の前記フランジ部を構成する曲率部の曲率よりも大きい曲率を有する２つの大曲率部と、これらに挟まれる前記板金成形品の前記フランジ部を構成する曲率部の曲率よりも小さい曲率を有する小曲率部で構成され、前記予成形品の前記フランジ部は、平面視における線長が、前記板金成形品の前記フランジ部の平面視における線長と比較して短いことを特徴とする板金成形品の製造方法。

（２）前記小曲率部は、平面視で直線部であることを特徴とする前記（１）の板金成形品の製造方法。

（３）外周縁の一部が内方に向かって突出した凹状外周縁部を有する天板部と、前記凹状外周縁部から連続して内方に向かって湾曲するフランジ部とを備えた板金成形品を製造する板金成形品の製造装置であって、前記凹状外周縁部に対応する凸状部を有するフランジアップ用工具、前記凹状外周縁部に対応する凸状部を有するリストライク用工具を備え、前記フランジアップ用工具の凸状部は、平面視で、前記リストライク用工具の凸状部を構成する曲率部の曲率よりも大きい曲率を有する２つの大曲率部と、これらに挟まれる前記板金成形品の前記リストライク用工具の凸状部を構成する曲率部の曲率よりも小さい曲率を有する小曲率部で構成され、前記フランジアップ用工具の凸状部は、平面視における線長が、前記リストライク用工具の凸状部の平面視における線長と比較して短いことを特徴とする板金成形品の製造装置。

（４）前記小曲率部は、平面視で直線であることを特徴とする前記（３）の板金成形品の製造装置。

（５）前記（３）の板金成形品の製造装置に用いるフランジアップ用工具であって、板金成形品にフランジを形成するための凸状部を備え、前記凸状部は、平面視で、２つの大曲率部、及び前記２つの大曲率部に挟まれる、前記大曲率部よりも曲率が小さい小曲率部を有することを特徴とするフランジアップ用工具。

（６）前記小曲率部は、平面視で直線であることを特徴とする前記（５）のフランジアップ用工具。

本発明によれば、従来の金型構造の範囲の比較的単純な形状で構成された工具を用いて、フランジ部に導入される変形量を低減することで割れの発生を抑制することができる。

本発明の板金成形品の製造方法に用いる工具の正面方向上方からの斜視図である。フランジアップ工程工具の凸状部、リストライク工程工具の凸状部を拡大し、重ねて描いた図である。パンチ、ダイ、ブランクホルダーを用いて、ブランクを伸びフランジ成形する際の模式図である。本発明の板金成形品の製造方法におけるフランジ周方向のひずみ分布と、従来技術による板金成形品の製造方法におけるフランジ周方向のひずみ分布を比較した図である。フランジアップ用工具の形状を説明する図である。フランジアップ用工具の形状とひずみの最大値の関係を示す図である。

以下に、本実施形態に係る板金成形品の製造方法及び板金成形品の製造装置について、詳細に説明する。

図１は本実施形態に係る板金成形品の製造方法に用いる工具の正面方向上方からの斜視図であり、図２は工具の凸状部（図１のＡ）を平面視した拡大図であり、フランジアップ用工具の曲率部２１、リストライク用工具の曲率部２６を重ねて描いたものである。

フランジアップ工程工具とリストライク工程工具は、おおまかには近い形状であるが、図２に示すように、フランジアップ用工具の凸状部は、平面視でリストライク用工具の凸状部を構成する曲率部よりも大きい曲率を有する大曲率部とこれらに挟まれるリストライク用工具の凸状部を構成する曲率部よりも小さい曲率を有する小曲率部で構成されており、また、フランジアップ用工具の凸状部は、平面視における線長が、リストライク用工具の凸状部の平面視における線長と比較して短くなっている。小曲率部は曲率ゼロ、すなわち、直線であってもよい。

図２の例では、リストライク用工具の凸状部を構成する曲率部が１つであるのに対し、フランジアップ用工具の凸状部は、リストライク用工具の凸状部を構成する曲率部と比較して曲率が大きい２つの大曲率部を有し、平面視で、２つの大曲率部２２が、小曲率部である直線部２３で結ばれている。図２の例では、この直線部２３は、リストライク用工具と重ねると、平面視で、リストライク用工具の凸状部を構成する曲率部の内側を通るので、フランジアップ用工具の凸状部は、平面視における線長が、リストライク用工具の凸状部の平面視における線長と比較して短くなっている。

以上に示す成形工具を用いた伸びフランジ成形は、たとえば、以下のように行う。

図３はダイ３１、パンチ３２、ブランクホルダー３３を用いて、ブランク３４を伸びフランジ成形する例を示す模式図である。同図に示す例では、ダイ３１とブランクホルダー３３とによりブランク３４を挟んだ状態で、ブランク３４の端部をパンチ３２の上面に乗せる。次いで、ダイ３１を鉛直方向下方に引き下げて伸びフランジ成形を行い、天板部とフランジ部を有する板金成形品を製造する。なお、ブランクホルダーはダイスと共にブランクを挟み込むためのものであるが、ブランクホルダー無しでプレス成形を行うことも可能である。

より詳細には、本実施形態の板金成形品の製造方法は、まず、パンチ３２としてフランジアップ用パンチを用いて、フランジ部を形成し、予成形品を得るフランジアップ工程を備え、次いで、パンチ３２としてリストライク用パンチを用いて、予成形品を目標形状の板金成形品にリストライクするリストライク工程を備える。

プレス成形工程が２工程以上で構成されるのは、一般的である。しかしながら、通常、フランジ部を形成する工具（ダイ及びパンチ）、リストライクを行う工具は、製品である板金成形品と同じ形状であり、同一の曲率を有している。

これに対して、本実施形態の板金成形品の製造方法で用いる工具（ダイ、パンチの一方又は両方）は、フランジアップ用工具とリストライク用工具で形状が異なる。具体的には、フランジアップ用工具の凸状部はリストライク用工具の曲率部より大きな曲率の大曲率部を有する。このような形状とすることにより、フランジ部の該曲率部が接触する部位での引張変形量が増加する。

これにより、フランジアップ工程におけるフランジ部の変形領域がフランジの周方向に拡大し、周方向における引張変形が広い範囲で行われるので、ひずみが分散する。その結果、ひずみの最大値が低減する。言い換えれば、局所的なひずみの集中を避けることができる。フランジの湾曲部頂点付近で割れが生じるのは、その領域にひずみが集中し、局所的に変形が大きくなるためである。本実施形態によれば、フランジ部に導入されるひずみ量の最大値が低減し、フランジの湾曲部頂点付近での割れの発生が抑制される。

図４は、本実施形態の板金成形品の製造方法におけるフランジ周方向のひずみ分布と、従来技術による板金成形品の製造方法におけるフランジ周方向のひずみ分布を比較した図である。本実施形態によれば、図４に示すように、フランジ周方向に変形領域が拡大し、ひずみが分散して局所的に集中することがなくなり、ひずみの最大値が低下する。

図５はフランジアップ用工具の形状を説明する図である。図５の５０はリストライク用工具の凸状部の平面視である。リストライク用工具の凸状部の曲率半径をＲとする。５１はフランジアップ用工具の凸状部の比較例であり、凸状部の線長がリストライク用工具の凸状部の線長と同じになっている。フランジアップ用工具の凸状部５１の曲率半径をｒとする。このとき、５０の曲率の中心から５０へ引いた垂線と、５１の曲率の中心から上記垂線と平行に引いた線の距離をＬと定義する。

５２はフランジアップ用工具の凸状部の発明例である。このとき、５０の曲率の中心から５０へ引いた垂線に平行に、５２の曲率の中心から平行に引いた直線と、５１の曲率の中心から上記垂線と平行に引いた線の距離を、上記のＬを基準としてα×Ｌと定義する。５３はフランジアップ用工具の凸状部の比較例であり、凸状部の線長がリストライク用工具の凸状部の線長よりも長くなっている。この形状についても同様にα×Ｌを定義する。ここで、αは、リストライク用工具の凸状部の先端への方向を＋、凸状部から遠ざかる方向を－とする。

図６（ａ）、（ｂ）は、引張強さ７８０ＭＰａの鋼板を用いて、曲率半径Ｒのフランジを成形するときの、フランジアップ用パンチの上記ｒ、αと、最大主ひずみの低減効果（曲率半径Ｒの曲率部のみを有するパンチとの比較）を示す図である。曲率半径Ｒは、（ａ）はＲ＝１５ｍｍ、（ｂ）はＲ＝３０ｍｍである。鋼板の板厚は（ａ）、（ｂ）とも１．８ｍｍである。どちらの例でも広い範囲でひずみの低減が確認できた。

このようなひずみの分散の効果はフランジアップ工程における変形領域を、製品形状比べて拡大することにより得られるので、その効果が得られれば、上記ｒ、αは特に限定されるものではないが、－０．２３Ｒ＋１．７≦α≦－０．１７Ｒ＋２．３、０．５７Ｒ≦ｒ≦ ０．７７Ｒとするのが好ましい。

以上のように、ひずみを分散することにより、特定箇所におけるひずみの集中を低減することができる。したがって、本実施形態の板金成形品の製造方法によれば、フランジの湾曲部頂点付近において割れが生じることが抑制された、伸びフランジを有する板金成形品を得ることができる。

また、前述のとおり、一般的に、プレス成形工程は２工程以上で構成されている。したがって、本発明は、従来のプレス成形装置を工具形状の変更のみで適用することができる。そして、本実施形態は、フランジアップ工程とリストライク工程で、工具の凸状部の形状を変えることにより実施できるので、金型サイズ、工具以外の金型構成部品の仕様、製品形状の変更は必要なく、従来のプレス成形装置を使用することができる。

２１フランジアップ用工具の凸状部
２２大曲率部
２３直線部（小曲率部）
２６リストライク用工具の凸状部
３１ダイ
３２パンチ
３３ブランクホルダー
３４ブランク
５０リストライク用工具の凸状部
５１フランジアップ用工具の凸状部（比較例）
５２フランジアップ用工具の凸状部（発明例）
５３フランジアップ用工具の凸状部（比較例）

Claims

外周縁の一部が内方に向かって突出した凹状外周縁部を有する天板部と、前記凹状外周縁部から連続して内方に向かって湾曲するフランジ部とを備えた板金成形品の製造方法であって、
ブランクに前記フランジ部を形成し予成形品を得るフランジアップ工程と、
前記予成形品を目標形状の板金成形品にリストライクするリストライク工程を備え、
平面視で、前記予成形品の前記フランジ部は、前記板金成形品の前記フランジ部を構成する曲率部の曲率よりも大きい曲率を有する２つの大曲率部と、これらに挟まれる前記板金成形品の前記フランジ部を構成する曲率部の曲率よりも小さい曲率を有する小曲率部で構成され、
前記予成形品の前記フランジ部は、平面視における線長が、前記板金成形品の前記フランジ部の平面視における線長と比較して短い
ことを特徴とする板金成形品の製造方法。
前記小曲率部は、平面視で直線部である
ことを特徴とする請求項１に記載の板金成形品の製造方法。
外周縁の一部が内方に向かって突出した凹状外周縁部を有する天板部と、前記凹状外周縁部から連続して内方に向かって湾曲するフランジ部とを備えた板金成形品を製造する板金成形品の製造装置であって、
前記凹状外周縁部に対応する凸状部を有するフランジアップ用工具、前記凹状外周縁部に対応する凸状部を有するリストライク用工具を備え、
前記フランジアップ用工具の凸状部は、平面視で、前記リストライク用工具の凸状部を構成する曲率部の曲率よりも大きい曲率を有する２つの大曲率部と、これらに挟まれる前記板金成形品の前記リストライク用工具の凸状部を構成する曲率部の曲率よりも小さい曲率を有する小曲率部で構成され、
前記フランジアップ用工具の凸状部は、平面視における線長が、前記リストライク用工具の凸状部の平面視における線長と比較して短い
ことを特徴とする板金成形品の製造装置。
前記小曲率部は、平面視で直線であることを特徴とする請求項３に記載の板金成形品の製造装置。
請求項３に記載の板金成形品の製造装置に用いるフランジアップ用工具であって、
板金成形品にフランジを形成するための凸状部を備え、
前記凸状部は、平面視で、２つの大曲率部、及び前記２つの大曲率部に挟まれる、前記大曲率部よりも曲率が小さい小曲率部を有する
ことを特徴とするフランジアップ用工具。
前記小曲率部は、平面視で直線であることを特徴とする請求項５に記載のフランジアップ用工具。