JP7425306B2 - 成形品、自動車用構造部材および成形品の製造方法 - Google Patents

成形品、自動車用構造部材および成形品の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、成形品、自動車用構造部材および成形品の製造方法に関する。
自動車などの車両の車体は、各種の構造部材によって構成されている。ほとんどの構造部材は、鋼板をプレス成形することによって形成される。近年、自動車の構造部材(特に長尺部材)では、衝突安全性能を高めるため、三点曲げ試験における特性が高いことが求められている。たとえば、特許文献1(特開2008-265609号公報)および特許文献2(特開2008-155749号公報)の図には、鋼板が3重に折り重ねられた部分を含む衝撃吸収部材が開示されている。
一方、近年利用されている高強度鋼板は、望ましい強度を備えるものの、衝突による変形時にひずみが集中するため、最大荷重や吸収エネルギーが低下するという問題がある。そのため、強度特性を十分に活かすことができておらず、高強度鋼板の材料強度に見合った性能を得られないという問題がある。衝突を想定した高強度鋼板からなる断面ハット形状の長尺部材において、衝突特性を向上させるため、部材の塑性仕事量(変形量と変形領域の積)を増大させる目的で補強部材を配置したり、ビード上の凹凸形状を付与したりする対策が一般になされている。一方で自動車部品には低コストで且つ、軽量化が要求されているため、より効率良い対策を実施することが重要になっている。そのため、補強部材を配置する場合は補強部材を成形するためのコストがかかるデメリットがある。またビード上の凹凸形状を付与する場合もより重量効率の良い部材形状にする必要がある。
上記の課題を解決するため、特許文献3(国際公開第2018/190316号)では、天板部に密着曲げ部を付与した形状とその製造方法を提案している。
しかし、特許文献3の技術に係る形状は、密着曲げ部を成形するために、プレス成形時に被加工材を所定温度以上に加熱するホットスタンプ工法を用いることが前提である。ホットスタンプ工法では、材料の延性が高くなるために密着曲げにおいて成形時に破断することなく成形が可能となる。しかし、被加工材を高強度鋼板として、特許文献3に開示されるような形状をホットスタンプ工法ではなく、冷間プレス成形で成形しようとすると、低延性に起因する破断が密着曲げ部で発生するという問題が生じていた。
特開2008-265609号公報 特開2008-155749号公報 国際公開第2018/190316号
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、三点曲げ試験における特性が高い成形品および自動車用構造部材、並びに三点曲げ試験における特性が高い成形品の製造方法を提供することを目的とする。
(1)本発明の一態様に係る成形品は、
天板と、天板に隣接する2つの縦壁とを含む、金属板で形成された長尺の成形品であって、
天板の面外方向に突出する重ね合わせ部を有し、
重ね合わせ部において、重ね合わせ部を形成する金属板の一部が挟み込み部を介して重なり合う
ことを特徴とする。
(2)上記(1)に記載の成形品では、
重ね合わせ部が、天板から成形品の内側に向けて突出していてもよい。
(3)上記(1)又は(2)に記載の成形品では、
重ね合わせ部を形成する金属板の一様伸びが8%超でありかつ、
重ね合わせ部を形成する金属板の厚さをt、挟み込み部の厚さをt、天板を形成する金属板の極限変形能を|εt|としたとき、下記の式1を満たしてもよい。
|εt|>ln((2t+t)/(t+t))・・・式1
(4)上記(1)から(3)のいずれか1項に記載の成形品では、
成形品の長手方向に垂直な断面視で、挟み込み部の高さ方向に沿って、重ね合わせ部を形成する金属板が折り曲げられた重ね合わせ部の先端部の内壁面から挟み込み部の端部までの距離をL、挟み込み部の厚さをt、としたとき、下記の式2を満たしてもよい。
0≦L≦10t・・・式2
(5)上記(1)から(4)のいずれか1項に記載の成形品では、
重ね合わせ部と天板が稜線部を介して接続され、成形品の長手方向に垂直な断面視で、挟み込み部の高さ方向に沿って、重ね合わせ部を形成する金属板が折り曲げられた重ね合わせ部の先端部の内壁面から挟み込み部の端部までの距離をL、内壁面から重ね合わせ部と稜線部との境界までの長さをLとしたとき、下記の式3を満たしてもよい。
0≦L≦L ・・・式3
(6)上記(1)から(5)のいずれか1項に記載の成形品では、
挟み込み部が成形品を形成する金属板とは異なる部材から構成されてもよい。
(7)上記(6)に記載の成形品では、
成形品の長手方向に垂直な断面視で、挟み込み部の一部が重ね合わせ部を超えて天板に沿って延在していてもよい。
(8)上記(1)から(5)のいずれか1項に記載の成形品では、
成形品は2つの金属板から形成され、
挟み込み部が2つの金属板のうちの一方の金属板の一部から形成され、
重ね合わせ部において、折り曲げられた他方の金属板によって、挟み込み部が挟まれていてもよい。
(9)上記(1)から(8)のいずれか1項に記載の成形品では、
重ね合わせ部は、天板の幅方向の中央に形成されていてもよい。
(10)上記(1)から(9)のいずれか1項に記載の成形品では、
引張強度が440MPa以上である金属板から形成されていてもよい。
(11)本発明の一態様に係る自動車用構造部材は、上記(1)から(10)のいずれか1項に記載の成形品を含んでもよい。
(12)本発明の一態様に係る成形品の製造方法は、
天板と、天板に隣接する2つの縦壁とを含み、天板の面外方向に突出する重ね合わせ部を有し、重ね合わせ部において、重ね合わせ部を形成する金属板が挟み込み部を介して重なり合う、金属板で形成された長尺の成形品の製造方法であって、
素材金属板から、天板となる第1の部分と、縦壁となる第2の部分と、重ね合わせ部となる第3の部分とを含む予成形品を形成する予成形工程と、
予成形品をプレス成形して、天板と、縦壁と、重ね合わせ部とを形成するプレス成形工程と、
を含み、
第3の部分は、第1の部分の面外方向へ突出し、
予成形工程の前に、素材金属板の第3の部分となる範囲の少なくとも一部に挟み込み部を設けるか、又は
予成形工程の後に、第3の部分の少なくとも一部に挟み込み部を設ける挟み込み部形成工程をさらに含む
ことを特徴とする。
(13)本発明の一態様に係る成形品の製造方法は、
天板と、天板に隣接する2つの縦壁とを含み、天板の面外方向に突出する重ね合わせ部を有し、重ね合わせ部において、重ね合わせ部を形成する金属板が挟み込み部を介して重なり合う、金属板で形成された長尺の成形品の製造方法であって、
2つの金属板が重なるように接合して、素材金属板を形成する金属板接合工程と、
素材金属板から、天板となる第1の部分と、縦壁となる第2の部分と、重ね合わせ部となる第3の部分とを含む予成形品を形成する予成形工程と、
予成形品をプレス成形して、天板と、縦壁と、重ね合わせ部とを形成するプレス成形工程と、
を含み、
金属板接合工程において、2つの金属板が重なる部分の一部と第3の部分となる範囲の一部とが重なるように2つの金属板同士を接合し、
第3の部分は、第1の部分の面外方向へ突出し、
第3の部分において、2つの金属板のうちの一方の金属板の一部が挟み込み部を構成し且つ、折り曲げられた他方の金属板の間に位置する
ことを特徴とする。
本発明によれば、三点曲げ試験における特性が高い成形品および自動車用構造部材、並びに三点曲げ試験における特性が高い成形品の製造方法を提供できる。
第1実施形態に係る成形品の概略的な斜視図である。 第1実施形態に係る成形品の長手方向(x方向)の任意の位置における、成形品の長手方向に垂直な平面を断面視した断面図である。 図2の重ね合わせ部を拡大した概略的な断面図である。 中島法を説明するための模式図である。 中島法を説明するための模式図である。 第1実施形態に係る図2の重ね合わせ部を拡大した概略的な断面図である。 第1実施形態に係る成形品の変形例を説明するための図であり、成形品の長手方向に垂直な平面を断面視した断面図である。 接合部の形態を説明するための図であり、成形品の長手方向に垂直な平面を断面視した断面図である。 接合部の形態を説明するための図であり、成形品の長手方向に垂直な平面を断面視した断面図である。 第2実施形態に係る成形品の長手方向(x方向)の任意の位置における、成形品の長手方向に垂直な平面を断面視した断面図である。 第2実施形態に係る成形品の長手方向(x方向)の任意の位置における、成形品の長手方向に垂直な平面を断面視した断面図である。 第3実施形態に係る自動車用構造部材の長手方向(x方向)の任意の位置における、自動車用構造部材の長手方向に垂直な平面を断面視した断面図である。 第3実施形態に係る自動車用構造部材の長手方向(x方向)の任意の位置における、自動車用構造部材の長手方向に垂直な平面を断面視した断面図である。 第3実施形態に係る自動車用構造部材の長手方向(x方向)の任意の位置における、自動車用構造部材の長手方向に垂直な平面を断面視した断面図である。 第4実施形態に係る予成形品の概略的な断面図である。 第4実施形態に係るプレス成形装置を説明するための概略的な断面図である。 第4実施形態に係るプレス成形装置を説明するための概略的な断面図である。 第4実施形態に係るプレス成形装置を説明するための概略的な断面図である。 第5実施形態に係る素材金属板の概略的な斜視図である。 図19に示す素材金属板の概略的な断面図である。 第5実施形態に係る予成形品の概略的な断面図である。 第5実施形態に係るプレス成形装置を説明するための概略的な断面図である。 第5実施形態に係るプレス成形装置を説明するための概略的な断面図である。 第5実施形態に係るプレス成形装置を説明するための概略的な断面図である。 第5実施形態に係る素材金属板の他の例を説明するための概略的な断面図である。 第5実施形態に係る予成形品の他の例を説明するための概略的な断面図である。 実施例で用いた構造部材を説明するための模式図である。 比較例で用いた構造部材を説明するための模式図である。 参照例で用いた構造部材を説明するための模式図である。 実施例のシミュレーションを行った三点曲げ試験を模式的に示す図である。 実施例の結果を示すグラフである。
以下、本発明の実施形態について例を挙げて説明するが、本発明は以下で説明する例に限定されないことは自明である。以下の説明では、具体的な数値や材料を例示する場合があるが、本発明の効果が得られる限り、他の数値や材料を適用してもよい。また、以下の実施形態の各構成要素は、互いに組み合わせることができる。
[第1実施形態]
本実施形態に係る成形品は、天板と、天板に隣接する2つの縦壁とを含む、金属板で形成された長尺の成形品である。この成形品では、天板の面外方向に突出する重ね合わせ部を有し、重ね合わせ部において、重ね合わせ部を形成する金属板の一部が挟み込み部を介して重なり合う。
図1に、本実施形態に係る成形品100の概略的な斜視図を示す。図1に示すように、成形品100は、長尺の成形品であり、天板110と、天板110に隣接する2つの縦壁120とを含む。この成形品100では、天板110の面外方向に突出する重ね合わせ部130を有する。
成形品100は、金属板で形成されている。金属板としては、鋼板(TRIP鋼板、複合組織鋼板、ホットスタンプ用鋼板、析出強化鋼板等を含む鋼板)、アルミニウム系合金やマグネシウム系合金、あるいはこれらの合金を含む金属板等が挙げられる。金属板としては、鋼板が好ましく用いられる。
成形品100は、全体としては長尺形状を有する。天板110、縦壁120、重ね合わせ部130、およびフランジ部140は、いずれも成形品100の長手方向に連続的又は断続的に延びている。重ね合わせ部130は、成形品100の長手方向全体にわたって形成されていてもよいし、成形品100の長手方向の一部のみに形成されていてもよい。天板110や縦壁120には、重ね合わせ部130を除く部位に凹凸や切り欠き等が設けられていてもよい。
図1の成形品100の例では、フランジ部140を含むが、フランジ部140は必須ではない。重ね合わせ部130を除く成形品100の断面は、底部がほぼ平らなU字状の部分を含んでもよい。成形品100がフランジ部140を含む場合、重ね合わせ部130を除く成形品100の断面は、略ハット形状であってもよい。
天板110と縦壁120とがなす角度のうちで小さい方の角度は、90°またはその近傍であることが好ましいが、この角度は、90°~150°の範囲にあってもよい。2つの縦壁120のそれぞれと天板110とがなすそれぞれの角度が異なっていてもよいが、これらの角度はほぼ同じ(両者の差が10°以内)であることが好ましく、これらの角度は同じであってもよい。
図2に、成形品100の長手方向(x方向)の任意の位置において、成形品100の長手方向に垂直な平面を断面視した断面図を示す。図2に示すように、重ね合わせ部130において、重ね合わせ部130を形成する金属板の一部が挟み込み部132を介して重なり合う。重ね合わせ部130は側部131と先端部133を有し、重ね合わせ部130と天板110とは、稜線部134を介して接続される。側部131は、一方の端部で先端部133に接続され、他方の端部で稜線部134に接続される。
重ね合わせ部130は、天板110の面外方向に突出していればよく、その方向は限定されない。他の部品と成形品100との配置関係を考慮すると、図2に示すように、重ね合わせ部130は、天板110から成形品100の内側に向けて突出していることが好ましい。成形品100の内側とは、天板110と2つの縦壁120とによって囲まれる空間が位置する側を意味する。
また、図2に示すように、重ね合わせ部130を形成する金属板と挟み込み部132とは、側部131において、接合部135によって接続されていてもよい。接合部135は、溶接(スポット溶接、アーク溶接、レーザ溶接など)、接着剤、ろう付け、リベット、ボルト締め、および、摩擦攪拌接合のいずれかであってもよい。等によって構成されてもよい。接合部135は、成形品100の長手方向に沿って、連続的又は断続的に設けられることが好ましい。接合部135の形状は限定されず、挟み込み部132が重ね合わせ部130に対して固定されていればよく、成形品100の重量を考慮して適宜形成されればよい。
図3に、図2の重ね合わせ部130を拡大した概略的な断面図を示す。本実施形態に係る成形品100は、重ね合わせ部130を形成する金属板の一様伸びが8%超でありかつ、重ね合わせ部130を形成する金属板の厚さをt、挟み込み部132の厚さをt、天板110を形成する金属板の極限変形能を|εt|としたとき、下記の式1を満たすことが好ましい。厚さtは側部131における金属板の厚さとしてもよい。
|εt|>ln((2t+t)/(t+t))・・・式1
式1は、重ね合わせ部130の先端部133における金属板の外表層のひずみを低減させることに着目して見いだされた式であり、これを満たすことにより、重ね合わせ部130に生じるひずみを低減させることができる。ここで、理想状態で、図3に示すような重ね合わせ部130の断面をU字状の二重半円形状とみなした場合、その半円の外周部の長さは、π(t+ta/2)で表せる。また、この二重半円の板厚中心部の長さは、その曲げ部となる曲げる前の素材長さとみなすことができ、その長さは、π(t/2+ta/2)と表せる。これらの比が先端部133に生じるひずみと考えることができ、真ひずみとして式1が得られる。式1は、理想状態での式であるが、現実に生じるひずみ状態はこの式で近似できる。
金属板の「極限変形能|εt|」は、平面ひずみ引張における極限変形能として定義できる。具体的には、板厚tの板を引張変形させて、板の幅方向の収縮がないと仮定した、平面ひずみ状態で板を破断させたときの破断部位の板厚をt1としたとき、極限変形能|εt|は以下の(式A)で表すことができる。
|εt|=ln(t1/t0)・・・式A
平面ひずみ状態で板を破断させる方法は、中島法(Nakajima Test)と呼ばれる下記の方法を採用するものとする。すなわち、図4に示したように、素材から板厚はそのままで、縦2:横1の矩形材料(例えば、縦200mm:横100mm)を採取し、中央部に曲率半径が横幅と同じである切り欠き(cutout)を横幅の10%(横100mmの場合、10mm)まで入れる。試験片寸法精度は±0.05mmとする。この切り欠きを両側に付与した形状の材料を試験片10として用いる。また、図5に示すように、ダイ3001、ホルダ3002、及び球頭パンチ3003を備える球頭張出し試験金型3000を準備する。球頭パンチ3003は、その直径が試験片10の前記横幅の長さと同一(±0.05mm)である球頭パンチを用いる。ダイ3001及びホルダ3002と、球頭パンチ3003との間のクリアランスは2mmとする。材料が流入しない程度に大きいしわ押さえ力を付与するようにダイ3001とホルダ3002とにより試験片10の一部を挟み込み、球頭張出し試験(ISO 12004-2:2008)によって破断させる。尚、試験片10と球頭パンチ3003との間には、厚さ0.1mmのテフロン(登録商標)シート2000を配置して試験片10と球頭パンチ3003との間の摩擦係数を極力低減させる。ISO 12004-2:2008における平面ひずみ条件で試験することを優先させるが、成形品からISO 12004-2:2008に準拠した試験片10を採取できない場合には、平面ひずみ状態において破断させる方法として、ISO 12004-2:2008における平面ひずみ条件に対して、板厚を除く形状を相似形で縮小した寸法の球頭パンチと試験片で試験を実施してもよい。本試験後の、破断部の板厚を球頭マイクロメータで5箇所測定し平均値を求める。
鋼板の「一様伸び」は、引張試験において、試験片の平行部がほぼ一様に変形する永久伸びの限界値を意味する。具体的には、JIS Z 2241(2011)に規定される引張試験によって得られる一様伸びとして定義できる。より具体的に、一様伸びは、ブランクから13B号(平行部幅12.5mm、平行部厚さ全厚、平行部60mm、GL50mm)を1枚採取し、引張り試験を行い最大荷重到達時点の公称ひずみとして求める。
図6に、図2において重ね合わせ部130を拡大した概略的な断面図を示す。成形品100の長手方向に垂直な断面視で、挟み込み部132の高さ方向に沿って、重ね合わせ部130を形成する金属板が折り曲げられた重ね合わせ部130の先端部133の内壁面133aから挟み込み部の端部までの距離をL、挟み込み部の厚さをt、としたとき、下記の式2を満たすことが好ましい。
0≦L≦10t・・・式2
距離Lは、図6に示すように、重ね合わせ部130の先端部133の内壁面133aのうちで挟み込み部132から最も遠い箇所と、挟み込み部132の端部のうちで先端部133に近い方の端部との間の距離であり、挟み込み部132の高さ方向に沿った距離である。
式2は、重ね合わせ部130の先端部133における金属板の外表層のひずみを低減させることに着目して見いだされた式であり、これを満たすことにより、板を挟み込む効果を向上させることができる。金属板の特性にもよるが、具体的にはLが10tよりも大きい場合は重ね合わせ部130の先端部において挟み込み部132が存在しなくなるため、先端部において挟み込み部132の効果が得られにくくなる。
なお、重ね合わせ部130の先端部133は、その形状が加工され、成形品100の長手方向に垂直な断面において、半円形上、半楕円形状、三角形状など、種々の態様をとることができ、これにより距離Lを0とすることができる。
成形品の長手方向に垂直な断面視で、挟み込み部の高さ方向に沿って、重ね合わせ部を形成する金属板が折り曲げられた重ね合わせ部の先端部の内壁面から挟み込み部の端部までの距離をL、重ね合わせ部の長さをLとしたとき、下記の式3を満たすことが好ましい。
0≦L≦L・・・式3
距離Lは、図6に示すように、重ね合わせ部130の先端部133の内壁面133aのうちで挟み込み部132から最も遠い箇所とから重ね合わせ部130と稜線部134との境界136までの距離であり、挟み込み部132の高さ方向に沿った距離である。なお、重ね合わせ部130と稜線部134との境界136は、換言すれば、側部131と稜線部134との境界である。
本実施形態に係る成形品100では、挟み込み部132が成形品100を形成する金属板とは異なる部材から構成されてもよい。挟み込み部132の材料は特に限定されないが、樹脂、木材、金属材料、セラミック材料、CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)等が挙げられる。成形品100の衝突特性を確保するという観点からは、挟み込み部132の材料は硬い材料であることが好ましい。挟み込み部132の材料としては、強度が高く且つ衝突時の破断を抑制できるという観点から、鉄がより好ましい。あるいは、製造コストを抑制しつつ、成形品100の衝突特性を確保するという観点や電蝕を抑制する観点からは、挟み込み部132の材料は天板110や縦壁120と同じ材料であることが好ましい。
図7は、成形品200の変形例を説明するための図であり、成形品200の長手方向に垂直な平面を断面視した断面図である。本実施形態に係る成形品200では、図7に例示するように、成形品200の長手方向(x方向)に垂直な断面視で、挟み込み部232の一部が重ね合わせ部230を超えて天板210に沿って延在していてもよい。挟み込み部232の一部が天板210まで延在することで、成形品200の剛性が向上する。
図7のような形状の挟み込み部232の場合、図8に示すように、側部231において、接合部235は重ね合わせ部230を構成する金属板と挟み込み部232とを接続してもよい。また、図9に示すように、接合部235は天板210と挟み込み部232とを接続してもよい。あるいは、天板210と重ね合わせ部230の双方に、挟み込み部232との接合部が設けられてもよい。
挟み込み部132の板厚は、軽量化しつつ衝突特性を向上させるという理由から、0.4~4.5mmであることが好ましい。
本実施形態に係る成形品では、重ね合わせ部130において、重ね合わせ部130を構成する側部131の対向する面の間の距離が、挟み込み部132の板厚方向において、挟み込み部132の板厚の0~110%であることが好ましい。
本実施形態に係る成形品100では、挟み込み部132を除く部材が、一枚の鋼板をプレス成形することにより成形されていてもよい。あるいは、いわゆるテイラードブランク鋼板等のように、2枚以上の鋼板から形成されてもよい。
本実施形態に係る成形品では、重ね合わせ部130は、天板110の幅方向の中央に形成されていてもよい。天板110の幅方向とは、成形品100の長手方向と天板110の板厚方向とに垂直な方向を意味する。図2に示すような断面視において、天板110の幅方向はz方向に対応する。天板110の幅方向の中央とは、幅方向において、一方の縦壁120から天板110の長さの1/3離れた箇所からさらに天板110の長さの1/3離れた箇所までの範囲を意味する。
衝突安全性および軽量化の観点から、本実施形態に係る成形品を構成する鋼板の引張強度は高いことが好ましい。本実施形態に係る成形品を平板状の金属板(素材金属板、ブランクとも称する)から形成する場合、金属板の引張強度が440MPa以上、590MPa以上、780MPa以上、980MPa以上、又は1200MPa以上であることが好ましい。金属板の引張強度の上限に限定はなく、一例では2500MPa以下である。引張強度が440MPa以上である金属板から形成されていることがより好ましく、980MPa以上の鋼板であることがより好ましい。ここで、引張強度は、天板110や縦壁120における平坦な部位から試験片を採取し、JIS Z 2241:2011に従って引張試験を行うことにより求められる引張強度である。
本実施形態に係る成形品を構成する鋼板の板厚は、0.4mm~4.0mmであることが好ましく、0.8mm~2.0mmであることがより好ましい。
挟み込み部132と重ね合わせ部130とは、1又は複数の箇所において、上述した接合部を有していてもよい。
本実施形態に係る成形品100は、そのまま各種の構造部材として用いることが可能である。あるいは、後述するように、他の部材(たとえば鋼板部材)と組み合わせて用いてもよい。
[第2実施形態]
次に、第2実施形態に係る成形品について説明する。第2実施形態の成形品については、上述した第1実施形態の成形品の各構成を採用することができる。図10は、本発明の成形品の他の実施形態を説明するための図であり、成形品300の長手方向に垂直な平面を断面視した断面図である。本実施形態に係る成形品300は、天板311および312と、天板311および312に隣接する2つの縦壁321および322とを含む、金属板で形成された長尺の成形品である。この成形品300では、天板311および312の面外方向に突出する重ね合わせ部330を有し、重ね合わせ部330において、重ね合わせ部330を形成する金属板の一部が挟み込み部332を介して重なり合う。
図10の成形品300は2つの金属板301および302から形成され、挟み込み部332が2つの金属板301および302のうちの一方の金属板の一部から形成され、重ね合わせ部330において、折り曲げられた他方の金属板によって、挟み込み部332が挟まれている。また、重ね合わせ部330は、側部331aおよび側部331bと、側部331aと側部331bとを接続する先端部333と、側部331aと天板311とを接続する稜線部334a、側部331bと天板312とを接続する稜線部334bを有する。
より具体的には、図10の例では、重ね合わせ部330において、挟み込み部332が金属板302の一部から構成されている。そして、折り曲げられた金属板301によって、挟み込み部332が挟まれている。
本実施形態に係る成形品300の構成とすることで、例えば、縦壁321と縦壁322を構成する材料の板厚、強度を変更することでより軽量化を図ることができるという利点がある。
図11は、第2実施形態に係る成形品の変形例を説明するための図であり、成形品400の長手方向に垂直な平面を断面視した断面図である。
図11の成形品400は2つの金属板401および402から形成され、重ね合わせ部430において、挟み込み部432が金属板402の一部から構成されている。そして、折り曲げられた金属板401によって、挟み込み部432が挟まれている。金属板401の端部は、重ね合わせ部430を超えて、金属板402から構成される天板412に沿って延在する。このような構成とすることで、成形品400の剛性がより向上するという利点がある。
本実施形態に係る成形品300、400では、挟み込み部332、432を除く部材が、2枚の鋼板をプレス成形することにより成形されているが、3枚以上の鋼板から形成されてもよい。
本実施形態の成形品の他の構成については、第1実施形態の成形品と同様であるため、説明を省略する。
[第3実施形態]
本実施形態に係る自動車用構造部材は、第1実施形態又は第2実施形態で説明した成形品を含む。本実施形態に係る自動車用構造部材の一例としては、上述した各実施形態の成形品と、成形品と閉断面を構成するように成形品に固定された鋼板部材とを含むように構成された構造部材が挙げられる。すなわち、成形品と鋼板部材とは、中空体を構成してもよい。図12~図14に、自動車用構造部材の断面図の一例を示す。
図12~図14の断面図は、図2の断面図と同様に、成形品100の長手方向、すなわち構造部材の長手方向に垂直な平面を断面視したものである。図12の例では、成形品100と板状の他の部材150とがフランジ部140にて接続されている。図13の例では、成形品100と断面視においてハット形状を有する他の部材160とがフランジ部140にて接続されている。図14の例では、重ね合わせ部130が成形品100の縦壁120の高さより大きく形成され、他の部材170の内側まで達している。
上記の実施形態に係る自動車用構造部材としては、バンパー、サイドシル、センターピラー、Aピラー、ルーフレール、ルーフアーチ、ベルトラインレインフォースメント、またはドアインパクトビーム等が挙げられる。
[第4実施形態]
次に、本発明に係る成形品の製造方法について説明する。
本実施形態に係る成形品の製造方法は、天板と、天板に隣接する2つの縦壁とを含み、天板の面外方向に突出する重ね合わせ部を有し、重ね合わせ部において、重ね合わせ部を形成する金属板が挟み込み部を介して重なり合う、金属板で形成された長尺の成形品の製造方法であって、素材金属板から、天板となる第1の部分と、縦壁となる第2の部分と、重ね合わせ部となる第3の部分とを含む予成形品を形成する予成形工程と、予成形品をプレス成形して、天板と、縦壁と、重ね合わせ部とを形成するプレス成形工程と、を含み、第3の部分は、第1の部分の面外方向へ突出し、予成形工程の前に、素材金属板の第3の部分となる範囲の少なくとも一部に挟み込み部を設けるか、又は予成形工程の後に、第3の部分の少なくとも一部に挟み込み部を設ける挟み込み部形成工程をさらに含む。
本実施形態に係る成形品の製造方法では、挟み込み部を設ける工程を含むことで、三点曲げ試験における特性が高い成形品を製造することができる。
以下では、図1又は図2に示すような成形品100を製造する場合を例に説明するが、本実施形態に係る成形品の製造方法は、この例に限定されない。図15に、図2の成形品100の断面図に対応する予成形品500の概略的な断面図を示す。
まず予成形工程(S11)では、素材金属板(図示せず)を変形し、図15に示すような、天板110となる第1の部分510と、縦壁120となる第2の部分520と、重ね合わせ部130となる第3の部分530とを含む予成形品500を形成する。また、図15の例では、フランジ部140に対応する第4の部分540を形成する。
第3の部分530は、第1の部分510の面外方向へ突出するように形成され、その先端部において折り返されている。図15の例では、第3の部分530は、第1の部分510から第2の部分520側へ向けて突出している。予成形品500は、一般的なプレス成形によって形成できる。第1の部分510、第2の部分520、第3の部分530および第4の部分540は、それぞれ稜線部によって接続されている。
予成形品500において、第1~第4の部分の間には明確な境界を設けずともよく、第1~第4の部分の間に何らかの境界があってもよい。
挟み込み部形成工程(S12)は、予成形工程の前でも後でもよい。挟み込み部形成工程(S12)が予成形工程(S11)の前に行われる場合、素材金属板の第3の部分530となる範囲の少なくとも一部に挟み込み部532を設ける。挟み込み部形成工程(S12)が予成形工程(S11)の後に行われる場合、第3の部分530の少なくとも一部に挟み込み部532を設ける。
挟み込み部532は、接合部535によって、素材金属板の第3の部分530となる範囲の少なくとも一部、又は第3の部分530の少なくとも一部に接続される。
プレス成形工程(S13)では、予成形品500をプレス成形して天板110と、縦壁120と、重ね合わせ部130とを形成する。
プレス成形工程(S13)で用いられるプレス成形装置1000を図16に示す。プレス成形装置1000は、2つの可動パンチ1001、2つのスライド型1002、上型1003、およびプレート1004を含む。可動パンチ1001は、プレート1004上を水平方向にスライドする。スライド型1002も、水平方向に移動する。スライド型1002は、上型1003の下降によって駆動されるカム機構によって動かされてもよい。あるいは、スライド型1002は、油圧シリンダなどのアクチュエータ(図示せず)によって動かされてもよい。
まず、図16に示すように、プレス成形装置1000に予成形品500を配置する(配置工程S13A)。可動パンチ1001は、第3の部分530を挟むように、予成形品500の内側に配置される。図16の一例では、2つの可動パンチ1001は、第1の部分510および第2の部分520に対応するように配置されている。
プレス成形工程(S13)の途中の状態を図17に示す。また、プレス成形工程(S13)の終了時の状態を図18に示す。図17および図18に示すように、2つの可動パンチ1001を2つの第2の部分520の外側から相対的に近接する方向へ移動させることによって、2つの可動パンチ1001で第3の部分530を挟んで重ね合わせ部130を形成する。スライド型1002によって第2の部分520を押すことによって、可動パンチ1001が押される。このとき、第2の部分520は、可動パンチ1001とスライド型1002とに挟まれた状態で移動する。
図18に示すように、2つの可動パンチ1001で挟まれた第3の部分530は、重ね合わされて重ね合わせ部130となる。このようにして成形品100を形成する。2つの可動パンチ1001を移動させている間、図18に示すように上型1003を下降させて天板110となる第1の部分510が面外方向に変形しない程度の力で押圧する。
本実施形態に係る成形品の製造方法では、プレス成形品が複数の重ね合わせ部を含む場合、予成形品は、重ね合わせ部の数に対応する第3の部分を含む。この場合、3つ以上の可動パンチを用いればよい。隣接する2つの可動パンチで挟まれた第3の部分に対応して重ね合わせ部が形成される。
なお、工程の順序としては、(S11)、(S12)、(S13)の順序でもよく、(S12)、(S11)、(S13)の順序でもよい。工程の順序は、素材金属板や挟み込み部の材質、これらの表面処理、接合部の材質等によって適宜設定される。
本実施形態に係る成形品の製造方法では、プレス成形中の被加工材の温度は特に限定されないが、本実施形態に係る成形品の製造方法は冷間プレス(~80℃)に好ましく用いることができる。本実施形態に係る成形品の製造方法では、挟み込み部を設ける工程を含むことで、重ね合わせ部において、重ね合わせ部を形成する金属板が挟み込み部を介して重なり合う成形品を製造できる。そのため、素材金属板の引張強度が590MPa以上の金属板を冷間プレスによって成形する場合、重ね合わせ部の先端部等に局所的な応力が生じることを抑制できる。
なお、本実施形態に係る成形品の製造方法では、上述したプレス成形工程後に、所定温度以上の加熱と冷却とを含む、焼き入れ処理を施してもよい。
[第5実施形態]
次に、本発明に係る成形品の製造方法の他の実施形態について説明する。第5実施形態の成形品の製造方法については、上述した第4実施形態の成形品の製造方法の各構成を採用することができる。
本実施形態に係る成形品の他の製造方法は、天板と、天板に隣接する2つの縦壁とを含み、天板の面外方向に突出する重ね合わせ部を有し、重ね合わせ部において、重ね合わせ部を形成する金属板が挟み込み部を介して重なり合う、金属板で形成された長尺の成形品の製造方法であって、2つの金属板が重なるように接合して、素材金属板を形成する金属板接合工程と、素材金属板から、天板となる第1の部分と、縦壁となる第2の部分と、重ね合わせ部となる第3の部分とを含む予成形品を形成する予成形工程と、予成形品をプレス成形して、天板と、縦壁と、重ね合わせ部とを形成するプレス成形工程と、を含み、金属板接合工程において、2つの金属板が重なる部分の一部と第3の部分となる範囲の一部とが重なるように2つの金属板同士を接合し、第3の部分は、第1の部分の面外方向へ突出し、第3の部分において、2つの金属板のうちの一方の金属板の一部が挟み込み部を構成し且つ、折り曲げられた他方の金属板の間に位置する。
本実施形態に係る成形品の製造方法では、2つの金属板のうちの一方の金属板の一部が挟み込み部を構成することで、三点曲げ試験における特性が高い成形品を製造することができる。
以下では、図10に示すような成形品100を製造する場合を例に説明するが、本実施形態に係る成形品の製造方法は、この例に限定されない。
金属板接合工程(S21)では、2つの金属板を接合して素材金属板を形成する。図19に、2つの金属板601および602を接合した素材金属板600Bの概略的な斜視図を示す。金属板接合工程(S21)において、2つの金属板601および602が重なる部分650の一部と第3の部分630となる範囲660の一部とが重なるように2つの金属板同士を接合する。第3の部分630となる範囲660は、所定の幅を有し、素材金属板600Bの長手方向(x方向)に沿って形成されている。図19に示すように、金属板601と金属板602とは接合部635によって接合されている。図19の例では、第3の部分となる範囲660において、接合部635は断続的に素材金属板600Bの長手方向(x方向)へ形成されている。
図20に、素材金属板600Bの長手方向(x方向)に垂直な断面における断面図を示す。図20の例では、接合部635を通る断面図を示している。
予成形工程(S22)では、素材金属板600Bから、天板311および312となる第1の部分611および612と、縦壁321および322となる第2の部分621および622と、重ね合わせ部330となる第3の部分630とを含む予成形品600を形成する。
第3の部分630は、第1の部分611および612の面外方向へ突出するように形成される。図21の例では、第3の部分630は、第1の部分611および612から第2の部分621および622側へ向けて突出している。第1の部分611および612、第2の部分621および622、第3の部分630および第4の部分641および642は、それぞれ稜線部によって接続されている。予成形品600は、一般的なプレス成形によって形成できる。
第3の部分630において、2つの金属板601および602のうちの一方の金属板602の一部が挟み込み部632を構成し且つ、折り曲げられた他方の金属板601の間に位置する。
プレス成形工程(S23)では、予成形品600をプレス成形して天板311および312と、縦壁321および322と、重ね合わせ部330とを形成する。
第5実施形態に係る成形品の製造方法では、第4実施形態で説明したプレス成形装置1000を用いることができる。プレス成形装置1000は、2つの可動パンチ1001、2つのスライド型1002、上型1003、およびプレート1004を含む。可動パンチ1001は、プレート1004上を水平方向にスライドする。スライド型1002も、水平方向に移動する。スライド型1002は、上型1003の下降によって駆動されるカム機構によって動かされてもよい。あるいは、スライド型1002は、油圧シリンダなどのアクチュエータ(図示せず)によって動かされてもよい。
まず、図22に示すように、プレス成形装置1000に予成形品500を配置する(配置工程S23A)。可動パンチ1001は、第3の部分630を挟むように、予成形品600の内側に配置される。図22の一例では、2つの可動パンチ1001は、第1の部分611および612および第2の部分621および622に対応するように配置されている。
プレス成形工程(S23)の途中の状態を図23に示す。また、プレス成形工程(S23)の終了時の状態を図24に示す。図23および図24に示すように、2つの可動パンチ1001を2つの第2の部分621および622の外側から相対的に近接する方向へ移動させることによって、2つの可動パンチ1001で第3の部分630を挟んで重ね合わせ部130を形成する。スライド型1002によって第2の部分621および622を押すことによって、可動パンチ1001が押される。このとき、第2の部分621および622は、可動パンチ1001とスライド型1002とに挟まれた状態で移動する。
図24に示すように、2つの可動パンチ1001で挟まれた第3の部分630は、重ね合わされて重ね合わせ部130となる。このようにして成形品100を形成する。2つの可動パンチ1001を移動させている間、図24に示すように上型1003を下降させて天板110となる第1の部分611および612が面外方向に変形しない程度の力で押圧する。
図25に、第5実施形態に係る素材金属板の変形例を示す。図25に示す素材金属板700Bを用いて、図11に示すような成形品100を製造できる。
図25は、2つの金属板701および702を接合した素材金属板700Bの長手方向(x方向)に垂直な断面における概略的な断面図である。金属板接合工程(S21)において、2つの金属板701および702が重なる部分750の一部と第3の部分730となる範囲760の一部とが重なるように2つの金属板同士を接合する。第3の部分730となる範囲760は、所定の幅を有し、素材金属板700Bの長手方向(x方向)に沿って形成されている。図25に示すように、金属板701と金属板702とは接合部735によって接合されている。第3の部分となる範囲760において、接合部735は断続的に素材金属板700Bの長手方向(x方向)へ形成されている。図25の例では、2つの金属板701および702が重なる部分750が、第3の部分730となる範囲760を超えて金属板702側へ延在している。
予成形工程(S22)では、素材金属板700Bから、天板411および412となる第1の部分711および712と、縦壁421および422となる第2の部分721および722と、重ね合わせ部430となる第3の部分730とを含む予成形品700を形成する。
図26に示すように、第3の部分730は、第1の部分711および712の面外方向へ突出するように形成される。図26の例では、第3の部分730は、第1の部分711および712から第2の部分721および722側へ向けて突出している。
第3の部分730において、2つの金属板701および702のうちの一方の金属板702の一部が挟み込み部732を構成し且つ、折り曲げられた他方の金属板701の間に位置する。また、金属板701の一部が、第3の部分730を超えて、金属板702の第1の部分712側へ延在している。
このような予成形品700を、上述した予成形品600と同様に、プレス成形装置1000によってプレス成形することで、図11に示すような成形品400を得ることができる。
本実施形態に係る成形品の製造方法では、プレス成形中の被加工材の温度は特に限定されないが、本実施形態に係る成形品の製造方法は冷間プレス(~80℃)に好ましく用いることができる。本実施形態に係る成形品の製造方法では、2つの金属板のうちの一方の金属板の一部が挟み込み部を構成することで、重ね合わせ部において、重ね合わせ部を形成する他方の金属板が挟み込み部を介して重なり合う成形品を製造できる。そのため、素材金属板の引張強度が590MPa以上の金属板を冷間プレスによって成形する場合、重ね合わせ部の先端部等に局所的な応力が生じることを抑制できる。
本発明について、次の実施例によって、より詳細に説明する。
本発明に係る成形品に対する最大荷重の向上効果を検証するために、上記実施形態で説明した挟み込み部に相当する挟み板を有する発明例としての構造部材Aと、挟み板を重ね合わせ部の外側に取り付けた比較例としての構造部材Bと、挟み板を設けずに重ね合わせ部のみを形成した構造部材Cについて、三点曲げ試験のシミュレーションを行った。シミュレーションには、汎用のFEM(有限要素法)ソフト(LIVERMORE SOFTWARE TECHNOLOGY社製、商品名LS‐DYNA)を用いた。
シミュレーションに用いた構造部材の断面図を、図27、図28および図29に模式的に示す。図27の構造部材Aは、成形品800と、そのフランジ部840に溶接された裏板850とからなる。図28の構造部材Bは、挟み込み部832が重ね合わせ部830の外側に配置されている点で構造部材Aとは異なる。図29に示す、構造部材Cの長手方向における単位長さあたりの質量は、構造部材Aから挟み板を除いた場合の長手方向における単位長さあたりの質量と同じになるように設計した。
・挟み込み部832の長さD:15.0mm
・挟み込み部832の厚さt:1.0mm
・鋼板の厚さt:1.0mm
・重ね合わせ部830の先端部の内壁面から挟み込み部832の端部までの距離L:0.5mm
・重ね合わせ部830の長さL:20.0mm
・長手方向の長さ:800.0mm
構造部材AおよびBは、引張強度が1500MPaである鋼板からなるものであると仮定した。成形品のフランジ部と裏板とは、成形品の長手方向において40mmのピッチでスポット溶接して固定したと仮定した。挟み込み部を設けた成形品Aと、挟み込み部を重ね合わせ部の外側に設けた構造部材Bは、長手方向における単位長さあたりの質量が同じになるように設計した。また、図29に示す、構造部材Cの長手方向における単位長さあたりの質量は、構造部材Aから挟み板を除いた場合の長手方向における単位長さあたりの質量と同じになるように設計した。また、重ね合わせ部と挟み込み部とは、成形品の長手方向において40mmのピッチでスポット溶接して固定したと仮定した。構造部材A、BおよびCの材質は、いずれも同一であると仮定した。
シミュレーションで用いた三点曲げ試験の方法を図30に模式的に示す。三点曲げ試験は、2つの支点5にサンプルを載せ、インパクタ6によって上方からサンプルを押すことによって実施した。2つの支点5の間の距離Sは400mmとした。支点5の曲率半径は30mmとした。インパクタ6の曲率半径は150mmとした。インパクタ6の衝突速度は7.5km/hとした。三点曲げ試験では、各サンプルの上方からインパクタ6を衝突させた。インパクタ6の衝突方向を、図30中の矢印で示す。
図31に、重ね合わせ部を形成する金属板の一部が挟み込み部を介して重なり合う構造部材Aと構造部材Bについて、挟み込み部の板厚を変化させた場合の、挟み板を有さない構造部材Cに対する最大荷重の向上効果を表すグラフを示す。図31に示すように、いずれの板厚の挟み込み部においても、挟み込み部を設けた構造部材Aの最大荷重は構造部材Bと比較して向上していることがわかる。上記の実験例からわかるように、本発明に係る成形品においては、挟み込み部(挟み板)を有し且つ、重ね合わせ部を形成する金属板の一部が挟み込み部を介して重なり合うことで、最大荷重が顕著に向上する。
本発明では、三点曲げ試験における特性が高い成形品および自動車用構造部材、並びに三点曲げ試験における特性が高い成形品の製造方法を提供できるため、高い産業上の利用可能性を有する。
100、200、300、400、800 成形品
110、210、311、312、411、412、810 天板
120、220、321、322、421、422、820 縦壁
130、230、330、430、830 重ね合わせ部
131、231、331a、331b、431a、431b、831 側部
132、232、332、432、532、632、732、832 挟み込み部
133、233、333、433、833 先端部
134、234、334a、334b、434a、434b、834 稜線部
135、235、335、435、535、635、735、835 接合部
136、236、336a、336b、436a、436b、836 境界
140、240、341、342、441、442、840 フランジ部
301、302、401、402、601、602、701、702 金属板
500、600、700 予成形品
510、611、612、711、712 第1の部分
520、621、622、721、722 第2の部分
530、630、730 第3の部分
540、641、642、741、742 第4の部分
1000 プレス成形装置
1001 可動パンチ
1002 スライド型
1003 上型
1004 プレート

Claims (13)

  1. 天板と、前記天板に隣接する2つの縦壁とを含む、金属板で形成された長尺の成形品であって、
    前記天板の面外方向に突出する重ね合わせ部を有し、
    前記重ね合わせ部において、前記重ね合わせ部を形成する金属板の一部が挟み込み部を介して重なり合う
    ことを特徴とする成形品。
  2. 前記重ね合わせ部が、前記天板から前記成形品の内側に向けて突出している
    ことを特徴とする請求項1に記載の成形品。
  3. 前記重ね合わせ部を形成する前記金属板の一様伸びが8%超でありかつ、
    前記重ね合わせ部を形成する前記金属板の厚さをt、前記挟み込み部の厚さをt、前記天板を形成する金属板の極限変形能を|εt|としたとき、下記の式1を満たす
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の成形品。
    |εt|>ln((2t+t)/(t+t))・・・式1
  4. 前記成形品の長手方向に垂直な断面視で、前記挟み込み部の高さ方向に沿って、前記重ね合わせ部を形成する前記金属板が折り曲げられた前記重ね合わせ部の先端部の内壁面から前記挟み込み部の端部までの距離をL、前記挟み込み部の厚さをt、としたとき、下記の式2を満たす
    ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の成形品。
    0≦L≦10t・・・式2
  5. 前記重ね合わせ部と前記天板が稜線部を介して接続され、前記成形品の長手方向に垂直な断面視で、前記挟み込み部の高さ方向に沿って、前記重ね合わせ部を形成する前記金属板が折り曲げられた前記重ね合わせ部の先端部の内壁面から前記挟み込み部の端部までの距離をL、前記内壁面から前記重ね合わせ部と前記稜線部との境界までの長さをLとしたとき、下記の式3を満たす、
    ことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の成形品。
    0≦L≦L ・・・式3
  6. 前記挟み込み部が前記成形品を形成する金属板とは異なる部材から構成される
    ことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の成形品。
  7. 前記成形品の長手方向に垂直な断面視で、前記挟み込み部の一部が前記重ね合わせ部を超えて前記天板に沿って延在している
    ことを特徴とする請求項6に記載の成形品。
  8. 前記成形品は2つの金属板から形成され、
    前記挟み込み部が前記2つの金属板のうちの一方の金属板の一部から形成され、
    前記重ね合わせ部において、折り曲げられた他方の金属板によって、前記挟み込み部が挟まれている
    ことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の成形品。
  9. 前記重ね合わせ部は、前記天板の幅方向の中央に形成されている
    ことを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の成形品。
  10. 引張強度が440MPa以上である金属板から形成されている
    ことを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の成形品。
  11. 請求項1から10のいずれか1項に記載の成形品を含む自動車用構造部材。
  12. 天板と、前記天板に隣接する2つの縦壁とを含み、前記天板の面外方向に突出する重ね合わせ部を有し、前記重ね合わせ部において、前記重ね合わせ部を形成する金属板が挟み込み部を介して重なり合う、金属板で形成された長尺の成形品の製造方法であって、
    素材金属板から、前記天板となる第1の部分と、前記縦壁となる第2の部分と、前記重ね合わせ部となる第3の部分とを含む予成形品を形成する予成形工程と、
    前記予成形品をプレス成形して、前記天板と、前記縦壁と、前記重ね合わせ部とを形成するプレス成形工程と、
    を含み、
    前記第3の部分は、前記第1の部分の面外方向へ突出し、
    前記予成形工程の前に、前記素材金属板の前記第3の部分となる範囲の少なくとも一部に挟み込み部を設けるか、又は
    前記予成形工程の後に、前記第3の部分の少なくとも一部に挟み込み部を設ける挟み込み部形成工程をさらに含む
    ことを特徴とする成形品の製造方法。
  13. 天板と、前記天板に隣接する2つの縦壁とを含み、前記天板の面外方向に突出する重ね合わせ部を有し、前記重ね合わせ部において、前記重ね合わせ部を形成する金属板が挟み込み部を介して重なり合う、金属板で形成された長尺の成形品の製造方法であって、
    2つの金属板が重なるように接合して、素材金属板を形成する金属板接合工程と、
    前記素材金属板から、前記天板となる第1の部分と、前記縦壁となる第2の部分と、前記重ね合わせ部となる第3の部分とを含む予成形品を形成する予成形工程と、
    前記予成形品をプレス成形して、前記天板と、前記縦壁と、前記重ね合わせ部とを形成するプレス成形工程と、
    を含み、
    前記金属板接合工程において、前記2つの金属板が重なる部分の一部と前記第3の部分となる範囲の一部とが重なるように前記2つの金属板同士を接合し、
    前記第3の部分は、前記第1の部分の面外方向へ突出し、
    前記第3の部分において、前記2つの金属板のうちの一方の金属板の一部が前記挟み込み部を構成し且つ、折り曲げられた他方の金属板の間に位置する
    ことを特徴とする成形品の製造方法。
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