JPWO2020145063A1 - 金属板のせん断加工方法及びプレス部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

高強度鋼からなる金属板を使用しても、耐遅れ破壊に優れたプレス部品を提供する。高強度鋼板からなる金属板（１０）のせん断加工方法である。金属板（１０）の端部の少なくとも一部の端部に対し２度せん断加工を施し、上記２度せん断加工のうちの２度目のせん断加工の切り代（ΔＣ）を、上記金属板（１０）の板厚の１．２倍以上２０倍未満とする。

Description

本発明は、引張強度が５９０ＭＰａ以上の高強度鋼板からなる金属板のせん断加工方法、及びプレス部品の製造方法に関する。

現在、自動車には、軽量化による燃費向上と衝突安全性の向上が求められている。そして、車体の軽量化と衝突時の搭乗者保護を両立する目的で、自動車用構造部品には高強度鋼板が使用される傾向にある。特に近年では、高強度鋼板として、更に高強度の引張強度９８０ＭＰａ以上を有する超高強度鋼板が車体に適用されてきている。
高強度鋼板の車体適用時における課題の一つに遅れ破壊がある。特に、高強度鋼板のうち、引張強度が１１８０ＭＰａ以上の高強度鋼板では、せん断加工後の端面（以下せん断端面とも呼ぶ）から発生する遅れ破壊が重要な課題となっている。

ここで、せん断端面には、大きな引張応力が残留することが知られている。この引張り応力の残留によって、プレス後の製品（プレス部品）において、経時的な、せん断端面での遅れ破壊の発生が懸念される。せん断端面での遅れ破壊を抑制するためには、せん断端面の引張り残留応力を低減させる必要がある。
せん断端面の引張り残留応力を低減する方法としては、例えば、せん断加工時の鋼板温度を上昇させる方法（非特許文献１、２）や、穴抜き加工時に段付きパンチを用いる方法（非特許文献３）、更にシェービングによる方法（非特許文献４、特許文献１）がある。

しかし、せん断加工時に鋼板の温度を上昇させる方法は、鋼板の加熱に時間を要する。このため、この方法は自動車などの量産工程に適していない。また、段付きパンチを用いる方法は、耐遅れ破壊特性の改善効果が小さいという課題がある。更に、シェービングによる方法は、シェービング工程でのクリアランス管理が難しいという課題がある。
以上のように、従来から、量産への適用が容易で、かつ十分な耐遅れ破壊効果が得られる、金属板に対するせん断加工方法の開発が求められている。

森健一郎他：塑性と加工，52-609(2011),1114-1118 森健一郎他: 塑性と加工,51-588(2010),55-59 第326回塑性加工シンホ゜シ゛ウム「せん断加工の最前線」,21-28 M. Murakawa, M. Suzuki, T. Shinome, F. Komuro, A. Harai, A. Matsumoto, N. Koga: Precision piercing and blanking of ultrahigh-strength steel sheets, Procedia Engineering, 81(2014), pp.1114-1120

特開２００４−１７４５４２号公報

高強度鋼板は、プレス成形後に、せん断端面から発生する遅れ破壊が懸念されている。
本発明は、上記のような課題を解決すべく考案したものであり、高強度鋼からなる金属板を使用しても、耐遅れ破壊特性に優れたプレス部品を提供可能とすることを目的としている。

本発明の一態様は、せん断端面の遅れ破壊発生を防ぐために、金属板のせん断端面の引張り残留応力を低減して、せん断端面の耐遅れ破壊特性が良好である金属板のせん断加工技術を提供する。
出願人は、金属板を２度せん断加工し、かつ２度目の切り代を適切に設定することで、量産への適用が容易、且つせん断加工後のせん断端面の残留応力を低減できることを発見した。そして、せん断加工後のせん断端面の残留応力を低減することで、プレス成形されたプレス部品において、遅れ破壊の発生が抑制されることを見いだした。

すなわち、本発明の一態様は、高強度鋼板からなる金属板のせん断加工方法であって、金属板の少なくとも一部の端部に対し２度せん断加工を施し、上記２度せん断加工のうちの２度目のせん断加工の切り代を、上記金属板の板厚の１．２倍以上２０倍未満とすることを要旨とする。
また、本発明の他の態様のプレス部品の製造方法は、金属板を、１又は２以上のプレス成形を経てプレス部品を製造するプレス部品の製造方法において、金属板として、上記のせん断加工方法でせん断された金属板を使用することを要旨とする。
ここで、本明細書で高強度鋼板とは、引張強度が５９０ＭＰａ以上の鋼板を指す。

本発明の態様によれば、せん断加工時に発生する高強度鋼板からなる金属板のせん断端面の引張り残留応力を低減することができる。この結果、本発明の態様によれば、自動車のパネル部品、構造・骨格部品等の各種部品に高強度鋼板を適用する際に耐遅れ破壊特性を向上することができる。

本発明に基づく実施形態に係る工程例を示す図である。 ２度せん断加工の金属板を示す概念図である。 １度目のせん断加工を説明する概念図である。 ２度目のせん断加工を説明する概念図である。 工具の刃先半径を示す概念図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態では、プレス成形で使用する金属板について説明する。
本実施形態で使用する金属板は、せん断端面の引張り残留応力によって、プレス成形後に経時的に、端部で遅れ破壊が起こる可能性のある高強度鋼板からなる。本発明は、引張強度が５９０ＭＰａ以上の高強度鋼板であれば適用可能であるが、遅れ破壊が特に懸念される９８０ＭＰａ以上を有する高強度鋼板に効果的であり、１１８０ＭＰａ以上を有する高強度鋼板により効果的な技術である。

本実施形態では、図１に示すように、プレス成形の前工程としてのトリム工程１と、プレス工程２とを有する。本実施形態で製造した金属板は、せん断端面に引張り残留応力が発生するようなプレス成形用の金属板として好適である。
トリム工程１では、金属板を、プレス部品の部品形状に応じた輪郭形状に切断する。
この切断の際に、金属板の全周を２度続けてせん断加工（２度せん断加工１Ａ）を施す。

この際、図２のように、２度目のせん断によって、目的の輪郭形状に切断するように設定し、１度目の切断では、図２（ａ）→図２（ｂ）に示すように、その目的の輪郭形状に対し、２度目の切断加工での切り代ΔＣ分だけ大きな仮の輪郭形状に切断するように設定する。図２（ｂ）の破線位置が目的の輪郭形状の位置を示す。図２（ｃ）が、２度目の切断後の金属板１０の例である。
本実施形態では、２度目の切断時の切り代ΔＣの大きさは、金属板１０の板厚ｔの１．２倍以上２０倍未満に設定する。

プレス工程では、本発明に基づく２度せん断加工を施した金属板１０を、金型を使用してプレス成形を行い、目的のプレス部品とする。なお、プレス成形は、例えば、フォーム成形やドロー成形である。
ここで、上記説明では、金属板１０の全周に、本発明に基づく２度せん断加工を施す場合を例示した。しかし、本発明は、それに限定されない。例えば、金属板１０の一辺にだけ、本発明に基づく２度せん断加工を施しても良い。この場合、プレス成形で引張り残留応力が所定以上発生する端部をＣＡＥ解析によって推定し、所定以上の引張り残留応力が発生すると推定される辺にのみ、本発明に基づく２度せん断加工を施す。

また、本発明に基づく２度せん断加工を施す場合、金属板１０の外周に対し、同時期に全部の端部に対し２度せん断加工を施す必要はない。例えば、第１の辺に対して本発明に基づく２度せん断加工を施した後に、第２の辺に対して本発明に基づく２度せん断加工を別途、施しても良い。
また、プレス部品の形状が複雑化するほど、多段階のプレス成形でプレス部品が製造される。この場合、本発明に基づく２度せん断加工を、必ずしも最初のプレス成形の前に実施する必要はない。例えば、本発明に基づく２度せん断加工を、最後のプレス方法を除く任意のプレス成形後に実施しても良い。また、本発明に基づく２度せん断加工における、１度目のせん断加工と２度目のせん断加工の間に、１又は２以上のプレス成形の工程を行っても良い。

本実施形態によれば、せん断加工時に発生する高強度鋼板からなる金属板１０のせん断端面の引張り残留応力を低減することができる。この結果、本発明の態様によれば、自動車のパネル部品、構造・骨格部品等の各種部品に高強度鋼板を適用する際に耐遅れ破壊特性を向上することができる。
なお、上記説明では、本発明に基づく２度せん断加工を施した金属板１０をプレス成形して目的の製品にする場合を例示しているが、プレス成形を行わずに用いられる金属板１０であっても、本発明のせん断加工方法は適用可能である。
また、本発明に基づく２度せん断加工の前に他のせん断加工が施されていても良い。

以上のように、本実施形態によれば、金属板１０のせん断加工時に同じ端部に対して２度せん断加工を施し、２度目のせん断工程において適切な切り代ΔＣでせん断する。これによって、本実施形態によれば、せん断端面の引張り残留応力が低減でき、せん断端面からの遅れ破壊の発生を抑制することができる。

次に、この原理を説明する。
せん断は、例えば、図３に示すように、下刃１１と板押さえ１２で金属板１０を拘束した状態で、下刃１１に対して相対的に上刃１３を板厚方向に移動することで行われる。下刃１１や上刃１３は、例えばパンチやダイスである。
例えば、１度目のせん断は、図３のように、通常のせん断加工である。
２度目のせん断加工でも、図４に示すように下刃２１及び板押さえ２２で再び金属板１０を拘束する。なお、２度せん断する一連のせん断加工において、１度目も２度目も同一の下刃及び同一の板押さえ１２を使用しても構わない。

図４（ｂ）、図４（ｃ）に示すように、上刃２３の下降に伴い金属板１０の端部に曲げ変形を伴って切断が行われる。この曲げ変形が、１度目のせん断加工によって生じたせん断加工部分（せん断端部）の破断を促進する。この破断の促進を、本発明に基づく２度目のせん断で抑制する。すなわち、本発明に基づく２度せん断加工によれば、通常のせん断端面に比べてせん断端面の加工硬化領域を小さくする。この結果、２度目のせん断後における、せん断端面の残留応力を低減させることができる。また、２度目のせん断の切り代ΔＣを調整することで、せん断端面のバリを抑制することも可能である。
なお、２度目のせん断に使用する上刃２３は、１度目のせん断に使用する上刃１３と同じのものであっても構わない。

ここで、同様の加工方法として、シェービング加工がある。しかし、この場合、例えば特許文献１に記載されているように、シェービング加工は、２度目のせん断の切り代が非常に小さく、且つ１度目のせん断加工時の塑性加工領域の除去を目的としていることが特徴である。シェービング加工は、せん断端面の引張り残留応力低減効果が大きいが、２度目のせん断加工時の切り代の管理が難しく、工具に被加工材が接触する問題が発生する。これに対し、本実施形態では、切り代ΔＣを大きくとるため、工具接触の問題が発生する可能性は小さく、２度目のせん断加工の自由度が高い。

次に、２度目のせん断加工の際の切り代ΔＣについて補足する。
本発明者が詳細な検討を行ったところ、高強度鋼板、特に引張強度１１８０ＭＰａ以上の金属板１０において、２度目のせん断で金属板１０の端部に曲げ変形を与えられる切り代ΔＣは、板厚ｔの１．２倍以上とする必要があることが分かった。板厚ｔの１．２倍よりも小さい切り代ΔＣの場合、部材に十分な曲げ変形が与えられず、せん断加工部の破断が促進できないおそれがある。

また、２度目のせん断での切り代ΔＣを板厚ｔの２０倍以上とした場合、せん断加工時の抜き落とし側の被加工材の剛性が高く、せん断加工部の曲げ変形が促進できないため、抜き残し側のせん断端面に大きな曲げ変形が与えられないおそれがあった。その傾向は、使用する金属板１０の引張強度が高くなるほど高くなるが、引張強度１１８０ＭＰａ以上の金属板１０であっても、２度目のせん断での切り代ΔＣを板厚ｔの２０倍未満に抑えることで、せん断端面の引張り残留応力が低減できる。この結果、本実施形態によれば、せん断端面からの遅れ破壊の発生を抑制されて、耐遅れ破壊特性が向上したことを確認している。

以上の理由から、本実施形態では、２度目のせん断における切り代ΔＣは、金属板１０の板厚ｔの１．２倍以上２０倍未満にする。より望ましくは、２度目のせん断における切り代ΔＣは、１．２倍以上３倍未満とである。
また、２度目のせん断加工において、使用する上刃２３と下刃２１の隙間ｄと金属板１０の板厚ｔの比であるクリアランス（ｄ／ｔ）は、５％以上かつ３０％未満であることが望ましい。
クリアランス（ｄ／ｔ）が５％より小さい場合、せん断加工時に２次せん断面が発生し、せん断端面の状態として好ましくないおそれがある。更に、引張り残留応力が大きくなるおそれもある。

一方、クリアランス（ｄ／ｔ）が３０％以上である場合、せん断端面に所定以上のバリが発生し、せん断端面の成形性を大きく損なうおそれがある。更に、せん断加工終了までに加工面に不均一な変形応力が付与されるため、せん断加工終了後の引張残留応力が大きくなるおそれがある。
これに対し、クリアランス（ｄ／ｔ）は、５％以上かつ３０％未満とすることで、せん断加工時に２次せん断面を抑制し、更に、引張り残留応力が大きくなることもない。更に、せん断端面に所定以上のバリが発生せず、せん断端面の成形性を大きく損なうことがないし、せん断加工終了までに加工面に不均一な変形応力が付与されることが防止されるため、せん断加工終了後の引張残留応力が大きくならない。
より好ましいクリアランス（ｄ／ｔ）は１０％以上かつ２０％未満である。

また、図５に示すような、せん断加工に使用する上刃２３や下刃２１を構成する工具の刃先半径Ｒ１、Ｒ２は、小さいほどよい。刃先半径Ｒ１、Ｒ２が大きいと、加工後のせん断端面の引張り残留応力が大きくなる。よって、せん断に使用する工具の刃先半径Ｒ１、Ｒ２は、１ｍｍ以下であることが好ましく、より好ましくは０．１ｍｍ以下である。
例えば、引張強度が１１８０ＭＰａ以上の金属板１０の場合、金属板１０は、プレス成形性の観点では、板厚は０．８ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であることが好ましい。板厚が０．８ｍｍ以下であるとプレス成形時に金属板１０が容易に破断する。一方、板厚が３．０ｍｍ以上であるとプレス成形時の成形荷重が大きくなり、非常に大きな設備能力が必要とされる。

次に、本実施形態に関する実施例について説明する。
ここでは、板厚が１．４ｍｍの高強度鋼板からなる、二種類の供試材Ａ、Ｂを対象とした。供試材Ａ、Ｂのせん断前の寸法は、１００ｍｍ×１００ｍｍである。
まず、供試材を、１度目の切断で１００ｍｍ×５０ｍｍの寸法に切断した。
本発明のせん断加工方法の効果を検証するサンプルは、１度目の切断加工後、切り代ΔＣを変更して２度目の切断を実施した。なお、１度目と２度目の切断加工ともに切断加工時のクリアランスは１２．５％とした。

サンプル作製後、Ｘ線による切断後のせん断端面の残留応力測定を実施した。更に、作製したサンプルに対し、ｐＨが３の塩酸に９６時間浸漬し、その後のサンプルの端部割れの有無を確認し、耐遅れ破壊特性を評価した。
その割れの確認は、Ｘ線による測定であり、測定範囲を直径３００μｍとした。また、せん断加工後のせん断端面の板面、板厚の両方向に対して中央の位置の応力を測定した。
表１に、供試材の引張強度及びサンプルの２度目の切り代の量、せん断端面の残留応力及び浸漬試験の割れ判定結果を示す。

表１から分かるように、２度切断することによりせん断端面の引張残留応力が低減しており、また、浸漬試験の割れ判定結果も対応していることが分かる。
ただし、２度目の切断加工の切り代を板厚の２０倍とした場合には、引張残留応力低減効果が表れていない。このように、表１から分かるように、２度目のせん断加工の切り代ΔＣを、上記金属板１０の板厚の１．２倍以上２０倍未満とすることで、耐遅れ破壊特性が大幅に向上することが分かった。

また、表２に、２度せん断した場合における、上刃１３及び下刃１１を構成する工具刃先半径を変化させた場合のせん断端面の残留応力及び浸漬試験の結果を示す。

表２から分かるように、工具刃先半径が２ｍｍの場合ではせん断端面の残留応力が大きくなっており、浸漬試験で割れが発生している。
また、表３に、２度せん断した場合における、クリアランスを変化させた場合のせん断端面の残留応力及び浸漬試験の結果を示す。

表３から分かるように、クリアランスの条件を変えた場合では、クリアランス３％の条件ではせん断端面の残留応力が大きくなっている。これは、２次せん断面が発生したことによる残留応力上昇が原因と推定される。また、クリアランスが３０％になると、過大なバリが発生することが確認され、残留応力も大きくなっていた。
以上より、適切な切り代、工具刃先半径、クリアランスを設定することで、本手法によるせん断加工方法が引張り残留応力の低減に有効であるといえる。

ここで、本願が優先権を主張する、日本国特許出願２０１９−００２１９４（２０１９年 １月 ９日出願）の全内容は、参照により本開示の一部をなす。ここでは、限られた数の実施形態を参照しながら説明したが、権利範囲はそれらに限定されるものではなく、上記の開示に基づく各実施形態の改変は当業者にとって自明なことである。

１ トリム工程
１Ａ ２度せん断加工
２ プレス工程
１０ 金属板
１１ 下刃（１度目のせん断用）
１３ 上刃（１度目のせん断用）
２１ 下刃（２度目のせん断用）
２３ 上刃（２度目のせん断用）
ΔＣ ２度目のせん断の切り代
ｔ 板厚

Claims (5)

1. 高強度鋼板からなる金属板のせん断加工方法であって、
   金属板の少なくとも一部の端部に対し２度せん断加工を施し、
   上記２度せん断加工のうちの２度目のせん断加工の切り代を、上記金属板の板厚の１．２倍以上２０倍未満とすることを特徴とする金属板のせん断加工方法。
2. 上記２度目のせん断加工で使用する上刃と下刃において、金属板の板厚ｔに対する上刃と下刃の隙間ｄの比であるクリアランス（ｄ／ｔ）を、５％以上３０％未満の範囲に設定することを特徴とする請求項１に記載した金属板のせん断加工方法。
3. 上記金属板の引張強度が１１８０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載した金属板のせん断加工方法。
4. 金属板を、１又は２以上のプレス成形を経てプレス部品とする際に、
   上記金属板として、請求項１〜請求項３のいずれか１項のせん断加工方法でせん断された金属板を使用することを特徴とするプレス部品の製造方法。
5. 上記２度せん断加工における１度目のせん断加工と２度目のせん断加工は、上記１又は２以上のプレス成形の最後のプレス成形の前までそれぞれ個別に実施されることを特徴とする請求項４に記載したプレス部品の製造方法。

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