KR102334109B1

KR102334109B1 - 금속판의 전단 가공면에서의 변형 한계의 평가 방법, 균열 예측 방법 및 프레스 금형의 설계 방법

Info

Publication number: KR102334109B1
Application number: KR1020207004923A
Authority: KR
Inventors: 유스케 후지이; 켄토 후지이; 유지 야마사키
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2017-08-23
Filing date: 2018-07-13
Publication date: 2021-12-01
Also published as: EP3674009A4; MX2020001988A; US20200292429A1; EP3674009A1; CN110997172B; KR20200033910A; CN110997172A; JP6558515B2; WO2019039134A1; US11609166B2; JPWO2019039134A1

Abstract

전단 가공된 소판의 단면에서의 굽힘 가공에 의한 균열의 평가 방법과 예측 수법을 제공하여, 프레스 금형의 설계 방법에 반영해야 할 기술을 제공한다. 전단 가공된 금속판(1)을 프레스 성형할 때에 있어서의, 금속판(1)의 전단 가공면(10A)에서의 변형 한계를 평가하는 변형 한계의 평가 방법이다. 굽힘 가공을 받는 금속판(1)의 굽힘 외측 표면과 전단 가공면(10A)의 경계 근방에 발생하는 왜곡의 분포 중, 평가 위치의 전단 가공면(10A)에서의 판두께 방향 X의 표면 왜곡 분포의 구배와, 상기 전단 가공면(10A)으로부터 떨어지는 방향을 향하는 굽힘 가공에 의한 굽힘 능선 방향 Y의 표면 왜곡 분포의 구배의 2개의 표면 왜곡 분포의 구배로부터 구한 지표값과 전단 가공면에 발생하는 장력의 관계에 기초하여, 전단 가공면(10A)에서의 변형 한계를 평가하거나 균열을 예측하거나 한다.

Description

금속판의 전단 가공면에서의 변형 한계의 평가 방법, 균열 예측 방법 및 프레스 금형의 설계 방법

본 발명은, 전단 가공한 후의 금속판(소재(raw material))을, 굽힘 가공을 포함하는 프레스 성형으로 성형하여 가공할 때에 있어서의, 전단 가공면(단면(end surface))에 발생하는 균열(cracks)을 평가, 예측하는 기술 및, 그 기술에 기초하여 금속판의 균열을 억제 가능한 금형 형상의 설계 방법(결정 방법)에 관한 기술이다.

프레스 성형은, 대표적인 금속 가공 기술의 하나로서, 한 쌍의 금형의 사이에 금속판을 사이에 끼워 협압하여, 그 금속판을 금형의 형(die) 형상을 모방하도록 성형함으로써, 금속판을 소망하는 제품 형상으로 가공하는 기술이다. 그리고, 이 프레스 성형은, 자동차 부품, 기계 부품, 건축 부재, 가전 제품 등, 폭넓은 제조 분야에서 이용되고 있다.

이 프레스 성형에 있어서의 성형성의 주된 과제의 하나로서 균열이 있다. 이 균열에는, 주로, 소재의 인장 변형에 의한 균열과, 굽힘 변형에 의한 균열과, 그들의 복합 변형에 의한 균열이 있다. 인장 변형에 의한 균열은 소재의 연성에 크게 기인하여, 성형 한계선도를 이용한 균열의 예측 수법으로 평가하는 것이 일반적이다. 한편, 굽힘 변형에 의한 균열은, 금형의 굽힘 반경 R과 소재의 판두께 t의 비인 굽힘성(bendability) R/t에 크게 기인하여, 소재의 표면에 균열이 발생하지 않는 최소의 굽힘 반경과 판두께 t의 비를 실험적으로 구함으로써, 균열의 예측을 하는 방법이 일반적이다. 인장 변형과 굽힘 변형의 복합 변형에 의한 균열의 예측 수법으로서는, 예를 들면, 금형의 굽힘 반경 R과 금속판에 발생하는 장력을 이용한 예측 수법(특허문헌 1)이 있다.

상기의 균열은, 모두 금속판의 표면으로부터 균열이 발생하여, 균열이 판두께 방향으로 관통하는 경우의 사례이다.

그러나, 그 외에, 균열 발생의 사례로서, 전단 가공된 소재의 단면이 변형을 받음으로써, 단면으로부터 균열이 발생하여 균열에 이르는 사례가 있다. 소재의 단면은, 전단 가공에 의해 강한 변형을 이미 받고 있기 때문에 연성이 부족하고, 또한, 파단면이나 버어(burr)와 같은 요철로 응력이 집중함으로써, 균열이 발생하기 쉽다는 특징이 있다. 이 때문에, 균열에 대한 평가 방법이나 예측 방법이 상기와는 상이하다.

종래에는, 이 소재의 단면의 균열에 관해서는, 인장 변형에 의해 일어나는 신장 플랜지 균열에 대한 평가 방법에 대해서 많은 검토가 이루어지고 있고, 예를 들면, 단면을 따른 방향의 왜곡 구배(strain gradient)나 단면과 직교하는 면 내 방향의 왜곡 분포의 구배를 이용한 예측 수법(특허문헌 2) 등이 제안되고 있다. 여기에서 말하는 왜곡 분포의 구배(본 명세서에서는 「왜곡 구배」라고도 기재함)란, 어느 길이에 분포하는 왜곡의 단위 길이당의 왜곡의 변화이다. 그러나, 굽힘 변형이나, 인장 변형과 굽힘 변형의 복합 변형에 의해 일어나는 소재의 단면의 균열에 관해서는, 유효한 예측 방법이나 평가 방법이 적다. 그러나, 이러한 소재의 단면에서의 균열에 관하여, 특히 인장 강도 590㎫급 이상의 고강도 강판에서 과제로서 현재화하기 시작하고 있다.

일본특허 제5630312호 공보 일본특허 제5146395호 공보

카자마 코우이치, 나가이 야스토모 저 「판의 굽힘 가공 시에 발생하는 단부 휨 변형의 해석」, 소성과 가공, 제45권, 제516호, 2004년, p.40-44

본 발명은, 상기와 같은 점에 착안하여 이루어진 것으로서, 전단 가공된 소판(금속판)의 단면에 굽힘 변형이나 인장 변형과 굽힘 변형의 복합 변형에 의해 일어나는 균열의 평가나 예측의 수법을 제공하여, 프레스 금형의 설계 방법에 반영해야 할 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.

과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 태양은, 전단 가공된 금속판을 굽힘 가공을 포함하는 프레스 성형으로 성형할 때에 있어서의, 상기 금속판의 전단 가공면에서의 변형 한계를 평가하는 변형 한계의 평가 방법으로서, 굽힘 가공을 받는 금속판의 굽힘 외측 표면과 전단 가공면의 경계 근방에 발생하는 왜곡의 분포 중, 평가 위치에 있어서의, 전단 가공면에서의 판두께 방향의 표면 왜곡 분포의 구배와 상기 굽힘 가공에 의한 굽힘 능선 방향의 표면 왜곡 분포의 구배의 2개의 표면 왜곡 분포의 구배로부터 구한 지표값과, 전단 가공면에 발생하는 장력의 관계로부터, 전단 가공면에서의 변형 한계를 평가한다.

본 발명의 일 태양에 의하면, 대상이 되는 금속판(소재)을 전단 가공 후에 변형시킬 때에 있어서의, 단면의 변형 한계를 평가할 수 있다. 이 결과, 본 발명의 일 태양에 의하면, 단면으로부터의 균열의 발생 유무를 정밀도 좋게 예측하거나, 균열의 발생을 억제하거나 할 수 있는 금형 형상의 설계가 가능해진다.

또한, 본 발명의 일 태양에 의하면, 단순 굽힘, 굽힘과 인장의 복합 변형, 인장 변형의 복수의 형태를 하나의 지표로 평가할 수 있다.

도 1은 굽힘 가공을 포함하는 프레스 성형으로 성형한 성형품의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 2는 굽힘 가공 시에 형(die)으로부터의 들뜸이 발생한 상태의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 3은 장력과 지표값의 관계로부터 알 수 있는, 변형 한계선이나 단면에서의 균열이 발생하지 않는 영역의 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 단순 굽힘 성형을 행하는 것을 예시하는 개략도로, 도 4(a)는 측면도, 도 5(b)는 시험편(1)과 펀치(21)의 관계를 나타내는 평면도이다.
도 5는 복합 굽힘 성형을 행하는 것을 예시하는 개략도로, 도 5(a)는 측면도, 도 5(b)는 시험편(1)과 펀치(32)의 관계를 나타내는 평면도이다.
도 6은 장력과, 2개의 왜곡 구배의 자승 평균으로 이루어지는 지표값의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7은 장력과, 2개의 왜곡 구배의 합으로 이루어지는 지표값의 관계를 나타내는 도면이다.
도 8은 실시예에 있어서의 굽힘 성형에 의한 제품 형상을 나타내는 도면이다.
도 9는 실시예에 있어서의 인장 변형과 굽힘 성형이 복합한 변형에 의해 성형된 제품 형상을 나타내는 도면이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

다음으로, 본 발명에 기초하는 실시 형태에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다.

금속판을 굽힘 가공을 포함하는 프레스 성형으로 성형한 성형품의 예를, 도 1에 나타낸다. 도 1은 안장 형상으로 프레스 성형한 경우의 예이다. 이 도 1에 있어서, 부호 1B는, 금속판(1)을 굽힐 때의 굽힘선 위치가 되는 굽힘 능선 방향이 된다. 부호 10A는, 단면(전단 가공면(sheared surface))이 된다. 또한 부호 Z가, 굽힘 외측 표면과 전단 가공면의 경계 근방 중의, 균열이 발생하기 쉬운 개소의 예이다.

그리고, 발명자들이 여러 가지의 검토를 한 결과, 소재(1)(금속판(1))를 프레스 성형했을 때에, 도 2에 나타내는 바와 같이, 소재(1)의 단면은 굽힘 가공 시에 휨이 발생(예를 들면, 비특허문헌 1)하고, 소재(1)의 단면측이 금형의 굽힘부로부터 들뜬다. 이 때문에, 소재(1)의 중앙부측(도 1의 부호 1Ba 참조)에서는, 금형의 굽힘 반경 R에 가까운 굽힘 반경에서 굽힘 변형을 받지만, 소재(1)의 단면측(도 1의 1Bb 참조)에서는, 금형의 굽힘 반경 R과는 상이한 굽힘 반경에서 굽힘 변형을 받는다.

이때, 굽힘 변형과 인장 변형의 복합 변형의 경우, 인장 변형을 강하게 해 가면, 금형에 대한 소재 단면의 들뜸은 감소하는 경향이 있지만, 소재(1)의 강도가 590㎫ 이상 또는 판두께가 1.0㎜ 이상이 되면, 소재(1)의 단면(10A)에서의 들뜸이 없어지기 전에 균열이 발생해 버리는 것을 알 수 있었다. 따라서, 종래와 같이, 금형의 굽힘 반경 R을 이용한 균열의 예측 수법에서는, 단면(10A)으로부터의 균열을 정밀도 좋게 예측할 수 없는 것을 알 수 있었다.

또한, 굽힘 변형 시에는 소재(1)의 판두께 방향 X에 매우 큰 왜곡 구배가 발생하기 때문에, 소재(1)의 단면(10A)을 따른 방향의 왜곡 구배나 단면(10A)과 직교하는 면 내 방향의 왜곡 구배는 상대적으로 영향이 작아진다. 그 때문에, 그들을 이용한 종래의 예측 수법에서는, 굽힘 변형이 포함되는 프레스 성형의 경우, 단면(10A)의 균열을 예측하는 것이 곤란한 것을 알 수 있었다.

또한, 발명자들은, 전단 가공된 소재(1)의 단면(10A)에 여러가지 변형을 더하여 균열의 유무를 검토한 결과, 하기 인식을 얻었다.

단면(10A)으로부터의 균열은, 그 발생부에 부여되는 최대 주(主)왜곡(principal strain)의 방향과 직교하는 방향으로 진전한다. 그때, 최대 주왜곡의 방향과 직교하는 방향의 왜곡 구배가 클수록, 균열의 발생과 진전을 억제하는 경향이 있다. 그리고, 최대 주왜곡의 방향과 직교하는 여러가지 방향 중, 왜곡 구배가 최대가 되는 방향의 값이 가장 억제 효과를 발휘한다. 그러나, 왜곡 구배가 최대가 되는 방향은 소재(1)의 단면(10A)에 더해지는 변형에 따라 일정해지지는 않고, 또한, 전술과 같이 소재(1)의 단면(10A)은 굽힘 변형 시에 휨이 발생하기 때문에, 최대가 되는 방향을 특정하는 것은 어렵다.

그리고, 본 실시 형태의 방법은, 프레스 가공에 있어서의, 금속판(1)의 전단 가공면(10A)에서의 단순 굽힘 변형 및, 인장 변형과 굽힘 변형이 복합한 변형의 어느 것이라도, 전단 가공면(10A)(전단에 의해 형성된 단면(10A))에서의 변형 한계의 평가나 균열의 예측을, 하나의 지표값으로 통일적으로 또한 정밀도 좋게 평가 가능하게 하기 위한 기술을 제공하는 것이다.

발명자들은, 상기와 같은 인식에 기초하여, 균열 발생부의 근방 Z에 있어서의 판두께 방향 X의 표면 왜곡 분포의 구배와, 굽힘 능선 방향 Y의 표면 왜곡 분포의 구배의 2개의 표면 왜곡 분포의 구배로부터 구한 지표값과, 전단 가공면에 발생하는 장력의 2개를 파라미터로 하여, 금속판(1)의 전단 가공면(10A)에서의 변형 한계를 평가하는 평가 방법, 그것에 기초한 단면 균열의 예측 방법을 고안했다.

(지표값에 대해서)

본 실시 형태에서 사용하는 금속판(1)의 전단 가공면(10A)에서의 변형 한계를 평가하는 평가, 그것에 기초한 단면 균열의 예측으로 이용하는 지표값에 대해서 설명한다.

본 실시 형태의 지표값은, 굽힘 가공을 받는 금속판(1)의 굽힘 외측 표면과 전단 가공면(10A)의 경계 근방에 발생하는 왜곡의 분포 중, 전단 가공면(10A)에서의 판두께 방향 X의 표면 왜곡 분포의 구배와, 전단 가공면(10A)으로부터 떨어지는 방향을 향하는 굽힘 가공에 의한 굽힘 능선 방향 Y의 표면 왜곡 분포의 구배의, 2개의 표면 왜곡 분포의 구배를 변수로 한 값이다. 여기에서, 굽힘 외측 표면이란, 굽힘 가공에 의해 볼록하게 변형하는 측의 표면이다.

지표값은, 예를 들면, 하기 (1)식과 같은, 상기 2개의 표면 왜곡 분포의 구배의 평균값으로 한다. 이 예에서는, △εcombine이 지표값이 된다. 또한, 왜곡 구배는, 일반적으로 왜곡의 급준을 나타낸다.

여기에서, 굽힘 능선 방향 Y의 표면 왜곡은, 굽힘 가공을 받는 금속판(1)의 굽힘 외측 표면에서의 단면(10A)으로부터 굽힘 능선 방향 Y를 향하는 표면 왜곡이고, 그 구배는, 단면(10A)을 기점으로 하여 당해 단면(10A)으로부터 떨어지는 방향의 구배가 된다. 또한 판두께 방향 X의 표면 왜곡 분포의 구배는, 굽힘 외측 표면으로부터 내면 측을 향하는 구배로 한다.

△εcombine＝(△εthickness

　　　　　　＋△εridgeline)/2…(1)

여기에서,

△εthickness: 판두께 방향 X의 표면 왜곡 분포의 구배

△εridgeline: 굽힘 능선 방향 Y의 표면 왜곡 분포의 구배

이다.

단면(10A)으로부터 발생하는 균열은, 균열 발생부의 근방 Z의 판두께 방향 X의 표면 왜곡 분포의 구배와 굽힘 능선 방향 Y의 표면 왜곡 분포의 구배의 2방향의 구배와 상관이 있다고 인식을 얻고 있지만, (2)식과 같이, 그들 2방향의 구배의 자승 평균으로 이루어지는 지표값 △εcombine은, 추가로 단면(10A)에서의 균열과 상관이 높다. 이 때문에, (2)식에서 산출한 평가값을 이용함으로써, 전단 가공면(10A)에서의 변형 한계의 평가나 단면 균열의 예측을, 보다 높은 정밀도로 행하는 것이 가능해진다.

△εcombine＝0.5×((△εthickness)²

　　　　　　　＋(△εridgeline)²)^0.5…(2)

여기에서,

△εthickness: 판두께 방향 X의 표면 왜곡 분포의 구배

△εridgeline: 굽힘 능선 방향 Y의 표면 왜곡 분포의 구배

이다.

또한, 본 실시 형태의 지표값을 이용한 단면(10A)에서의 변형 한계의 평가나 단면 균열의 예측은, 복수의 굽힘 변형에 대하여 하나의 지표값으로 행할 수 있는 것에 아울러, 왜곡 구배의 최대가 되는 방향을 특정하지 않아도, 최대 왜곡 구배의 값을 간편한 방법으로 구할 수 있다는 이점도 있다. 또한, 본 실시 형태의 지표값은, 단순 인장 변형의 균열에 대해서도 적용 가능하다.

또한, 간이적인 평가 수법으로서, (3)식과 같이, 판두께 방향 X의 표면 왜곡 분포의 구배 △εthickness만으로부터 지표값을 산출하고, 단면(10A)으로부터의 균열의 발생 유무를 평가해도 좋다.

즉,

△εcombine＝△εthickness…(3)

으로 해도 좋다.

이는, 균열의 평가 지표로서, 굽힘 가공에 있어서는, 판두께 방향 X의 표면 왜곡 분포의 구배의 값 쪽이, 굽힘 능선 방향 Y의 표면 왜곡 분포의 구배의 값보다도 기여도가 높기 때문이다. 이 때문에, 정밀도는 내려가기는 하지만, (3)식은 보다 간편하다는 이점이 있다.

또한 다른 간편한 방법으로서, (4)식과 같이, 판두께 방향 X와 굽힘 능선 방향 Y의 2개의 표면 왜곡 분포의 구배의 합을 지표값으로 해도 좋다.

△εcombine＝△εthickness　＋△εridgeline…(4)

여기에서, 전술의 (1)식은, 2개의 표면 왜곡 분포의 구배로부터 지표값을 구할 때에, 2개의 표면 왜곡 분포의 구배를 단순 평균으로 평균화한 경우의 예이지만, 굽힘 가공에서는 판두께 방향 X의 표면 왜곡 분포의 구배의 쪽이, 기여도가 높다는 관점에서, (5)식과 같이, 판두께 방향 X의 표면 왜곡 분포의 구배측의 가중치 부여를 크게 하여, 가중 평균으로 지표값을 구해도 좋다.

△εcombine＝(a×△εthickness

　　　　　　＋b×△εridgeline)…(5)

여기에서, a, b는 가중 계수이고, a＞b의 관계로 설정한다. 예를 들면, a＝0.7, b＝0.3과 같이 설정한다.

마찬가지로, (2)식이나 (4)식에 있어서도, 판두께 방향 X의 표면 왜곡 분포의 구배측의 가중치 부여를 크게 설정해도 좋다.

예를 들면, (4)식과 같이, 2개의 표면 왜곡 분포의 구배의 합을 지표값으로 할 때에, (6)식과 같이, 판두께 방향 X의 표면 왜곡 분포의 구배측의 가중치 부여를 크게 설정해도 좋다.

△εcombine＝a·△εthickness

　　　　　　＋b·△εridgeline　…(6)

여기에서, a, b는 가중 계수이고, a＞b의 관계로 설정한다. 예를 들면, a＝1.3, b＝0.7과 같이 설정한다.

(평가값의 정규화)

추가로, 상기 지표값인 △εcombine을, 금속판(1)의 국부 신장(local elongation)의 역수로 정규화하도록 해도 좋다.

예를 들면, 소재(1)의 국부 신장 L－El을 사용하여, 하기 (7)식과 같이, 지표값에 대하여, 금속판(1)의 국부 신장 L－El의 역수를 곱셈하여, 지표값을 정규화한다.

△εcombine　←　△εcombine/L－El …(7)

여기에서, 국부 신장 L－El은, 소재(1)를 소정의 형상(예를 들면 장방형 형상의 평판)으로 인장 시험함으로써 구해진다. 구체적으로는, 국부 신장 L－El은, 소재(1)가 파단할 때까지의 신장(전체 신장(total elongation))으로부터 인장 강도가 최대가 되는 신장(균일 신장(uniform elongation))의 차분으로부터 구한다. 대부분의 소재(1)에서는 균일 신장과 국부 신장 L－El은 동등하게 되는 경우가 많기 때문에, 균일 신장이나, 전체 신장의 반분의 값을, 국부 신장 L－El 대신에 채용해도 좋다. 그 외에도, 소재(1)의 국부 신장 L－El을 구하는 방법은 있지만 특별히 한정되지 않는다.

(전단 가공면에 발생하는 장력)

전단 가공면에 발생하는 장력은, 전단 가공면(단면)을 따라 소재 표면과 평행한 방향을 향하는 단위 면적당의 힘(이하, 간단히 장력이라고 함)으로 한다.

굽힘 가공부는 굽힘 변형에 의해, 판두께 중심보다도 굽힘 외측과 굽힘 내측의 각각에 인장 응력과 압축 응력이 발생하기 때문에, 굽힘 변형에 의한 응력과 단면을 따라 평행하게 발생하는 장력의 분리가 곤란하다. 그래서, 굽힘 가공부의 판두께 중심의 응력, 또는 굽힘 가공부의 판두께 전체의 평균 응력을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 간이적으로는, 굽힘 가공부에 인접하여 굽힘 변형을 받지 않는 전단 단면의 장력이면 굽힘 변형의 응력은 포함되지 않기 때문에, 판두께 중심이나 전체의 응력의 평균값을 채용해도 좋다.

장력의 산출은 성형 시뮬레이션에 의해 해당부의 유한 요소에 발생하는 인장 응력을 구하여, 그 인장 응력의 값을 평가용의 장력으로서 사용하는 것이 간편하다.

(지표값 및 장력을 구하는 평가 위치에 대해서)

여기에서, 지표값 △εcombine을 구하는 평가 위치는, 대상으로 하는 프레스 성형에 의한 굽힘 가공으로 단면(10A)의 변형 시에 균열이 발생한다고 추정되는 위치로 하는 것이 바람직하다. 예를 들면 도 1에 있어서의 부호 Z 위치이다. 전단 가공면에 있어서, 굽힘 변형된 부호 Z 위치에서, 장력의 값 및 왜곡 구배가 커져, 그 위치에서 균열이 최초로 발생하기 쉽다.

단면 변형 시에 균열이 발생한다고 추정되는 위치는, 미리 실험이나 성형 시뮬레이션으로 구한, 왜곡이 가장 커지는 위치로 하면 좋다. 예를 들면, 굽힘 가공에 의해, 굽혀지는 단면 부분에 있어서의, 곡률 변화가 가장 큰 위치 혹은 그의 근방을 평가 위치로 한다.

(전단 가공에 의한 단면(전단 가공면(10A))에 대해서)

전단 가공 후에 의한 단면(10A)에 대해서 설명한다.

전단 가공은, 한 쌍의 펀치와 다이를 이용하여 소재(1)에 전단 변형을 주어, 균열을 일으킴으로써, 소재(1)를 2개 이상으로 분리하는 방법이다.

본 실시 형태에서는, 일반적인 전단 가공에 의해 소정 윤곽 형상으로 전단됨으로써, 전단 가공면(10A)을 갖는 소재(1)가 제작된다.

여기에서, 전단 가공된 소재(1)의 단면(10A)의 성상은, 펀치(punch)와 다이스(die)의 간격인 클리어런스(clearance)에 의해 변화하지만, 본 실시 형태는 단면(10A)의 성상에 한정되지 않는다. 단, 클리어런스는 가공 하중이 낮고, 펀치와 다이의 손상이 적어지는 관점에서, 소재(1)의 판두께의 5∼20％의 범위로 하면 좋고, 특히, 인장 강도 590㎫ 이상의 강판에 대해서는 8∼15％로 하는 것이 바람직하다. 또한, 클리어런스를 5％ 이하로 하여 전단 가공을 함으로써 전단 가공면(10A)을 넓게 작성하는 방법도 있지만, 본 실시 형태는, 어떠한 방법으로 전단 가공을 하여 평가하는 시험편(소재(1))을 제작해도 적용할 수 있다.

그리고, 소정 윤곽 형상으로 전단 가공된 소재(1)를 시험편으로 하여, 여러 가지의 변형을 주어, 상기의 장력이나, 지표값을 위한 왜곡의 구배를 구한다.

(단순 굽힘 변형의 부여에 대해서)

전단 가공된 시험편의 단면(10A)에 대하여 굽힘 변형을 주는 방법은, 시험편(1)을 굽히는 금형(die)이나 지그(jig) 등의 굽힘 반경 R과, 단면(10A)의 균열 유무를 확인할 수 있는 방법이면 어떠한 방법이라도 좋다.

간이적으로는, V 굽힘 가공이나 U 굽힘 가공의 펀치의 선단 반경 R을 바꾸면서 시험편(1)의 단면(10A)을 굽혀, 균열의 유무를 확인하는 방법이 좋다. 그 외에도 롤 포밍(roll forming) 등의 굽힘 방법이 있다.

(인장 변형과 굽힘 변형의 복합 변형의 부여에 대해서)

시험편의 단면(10A)에 인장 변형과 굽힘 변형의 복합 변형을 주는 방법은, 비드(bead)나 소재(1)를 협압하는 기구에 의해 시험편(1)에 주는 인장 응력을 변경할 수 있고, 또한 소재(1)를 굽히는 금형이나 지그 등의 굽힘 반경 R과 단면(10A)의 균열 유무를 확인할 수 있는 방법이면 어떠한 방법이라도 좋다. 간이적으로는, 햇 형상(hat-shaped)의 드로잉 성형 금형을 이용함으로써, 펀치의 굽힘 반경 R과 쿠션압(cushion pressure) 및, 비드의 유무를 바꾸어 여러 가지의 복합 변형을 주는 것이 좋다.

인장 변형과 굽힘 변형의 복합 변형은, 예를 들면 드로우 성형(draw-forming)에 의한 프레스 가공으로 발생한다.

(굽힘 가공에 의한 균열의 평가 방법에 대해서)

상기의 방법에 의해 균열이 발생한 위치에서의, 균열이 발생하기 직전의 장력과, 소재(1) 표면의 왜곡 구배를 구한다.

구체적으로는, 굽힘 변형을 받는 소재(1)의 외측 표면과 전단 가공된 단면(10A)의 경계에서 구하는 것이 바람직하다. 이는, 균열의 발생이 상기의 경계에서 발생하기 쉽기 때문이다.

장력과 왜곡 구배를 구하는 방법은, 공지의 수법을 채용하면 좋다. 장력과 왜곡 구배를 구하는 방법으로서는, 예를 들면, 소재(1)의 표면에 미소한 마크를 붙여 마크의 변형으로부터 왜곡을 구하는 실험적인 방법이나, 유한 요소법에 따른 성형 시뮬레이션에 의해 왜곡을 예측하는 방법 등이 있지만, 이에 한정되지 않고, 공지의 방법을 적용하면 좋다. 이와 같이 하여, 표면 왜곡의 분포를 구하고, 구한 표면 왜곡의 분포로부터 왜곡 구배를 산출한다.

마크의 형상은, 써클 패턴(a circle pattern), 도트 패턴(a dot pattern), 그리드 패턴(a grid pattern), 동심원 패턴(a concentric circle pattern) 등, 성형 후에 왜곡을 계측할 수 있는 형상이면 좋다. 또한, 마크 방법은, 전해 에칭(electrolytic etching), 포토 에칭(photo etching), 잉크에 의한 전사(스탬프 인쇄(stamp printing)) 등이 있지만, 어느 방법을 이용해도 좋다. 단, 금긋기는 균열 발생을 유발하기 때문에 바람직하지 않다. 성형 시뮬레이션의 경우는, 전단 가공을 재현할 필요는 없고, 전단 가공된 소재(1)의 단부의 형상을 재현한 모델이나, 단부의 형상을 간단히 평탄하게 한 모델을 이용하면 좋다.

3차원의 솔리드 요소(three-dimensional solid element)를 이용한 유한 요소법에 따르는 성형 시뮬레이션을 이용하면 정밀도 좋게 장력을 산출할 수 있다.

왜곡 구배는, 균열이 발생한다고 추정되는 부분의 근방에서 산출하는 것이 바람직하다. 판두께 방향 X의 왜곡 구배의 산출 범위는 좁을수록 좋고, 소재(1)의 판두께의 90％ 이하가 바람직하고, 50％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 이는, 초기에 발생하는 균열은 미소하기 때문에, 그것을 평가하는 범위도 동일하게 미소한 범위로 산출하면 정밀도가 좋기 때문이다. 굽힘 능선 방향 Y의 왜곡 구배의 산출 범위는 10㎜ 이하가 바람직하고, 5㎜ 이하가 보다 바람직하다. 이는, 굽힘 변형 시에 소재(1)의 단면(10A)에 발생하는 휨이 상기의 범위에 있어, 이 휨의 변형을 고려하기 때문이다.

(변형 한계의 평가에 대해서)

다음으로, 전술의 지표값을 이용한, 금속판(1)의 전단 가공면(10A)에서의 변형 한계의 평가 방법의 일 예에 대해서 설명한다.

전술한 바와 같이, 동일한 강종에 있어서, 상기의 단순 굽힘 변형이나 상기의 인장 변형과 굽힘 변형의 복합 변형의 변형 조건을 바꾸어, 전단 가공면(10A)에서의 균열이 발생하기 직전의 장력과, 그 균열이 발생하기 직전의 굽힘을 포함하는 변형에 있어서의 동일 개소에서의 지표값의 조(set)로 이루어지는 취득값(장력, 지표값)의 조의 데이터를 3조 이상 취득한다. 사용하는 장력은, 균열이 발생하는 직후로 해도 좋지만, 가능한 한 균열 초기의 상태일 때가 좋다. 단, 장력의 산출은, 가능한 한 균열 발생이 작을 때의 상태에서의 장력을 사용하는 것이 바람직하기 때문에, 균열이 발생한 직전의 상태의 장력을 채용하고 있다. 또한, 평가에 여유분을 갖게 하기 위해, 균열 발생 직전보다도 전(前) 상태에서의 상기의 취득값을 취득하도록 해도 좋다.

그리고, 도 3과 같이, 취득한 복수의 취득값을 통과하는 곡선을 변형 한계선으로 한다. 도 3에서는, 5점의 취득값을 사용한 경우를 예시하고 있다. 취득값은 많은 쪽이 바람직하지만, 3점 이상 있으면, 변형 한계선을 설정 가능하다.

구한 변형 한계선에 의해, 굽힘 변형 시에 있어서의 전단 가공면(10A)에서의 변형의 한계를 평가한다. 변형 한계선은, 함수식으로 변환해 두면 좋다. 변형 한계선은, 예를 들면 2차 곡선 등에 근사한다.

그리고, 예를 들면, 이 변형 한계선보다도 하측의 영역을, 단면에서 균열이 발생하지 않는 영역으로 한다.

즉, 프레스 성형에 의해 제품 형상으로 성형할 때에 있어서의 굽힘 변형 부분의 단면(10A)의 굽힘 형상이, 이 변형 한계선 이하에 들어가도록, 프레스 성형품을 결정하도록 해도 좋다. 또는, 프레스 성형에 의해 제품 형상으로 성형할 때에 있어서의 굽힘 변형 부분의 단면(10A)에 있어서, 이 변형 한계선 미만에 들어가도록, 프레스 금형의 형상을 결정하거나, 프레스 가공의 공정 선정을 행하도록 하거나 해도 좋다.

(균열의 예측)

상기와 같이 하여, 미리, 굽힘 가공부의 단면에 발생하는 장력과 지표값의 관계를 구해 두고, 그 관계에 기초하여, 도 3의 [균열이 발생하지 않는 영역] 내에 위치하는지 아닌지로 균열이 발생하는지 아닌지를 예측한다.

그리고, 균열이 발생하면 예측(평가)된 위치에 대하여, 그 금속판 단면(10A)에서의 균열 발생이 억제되도록, 프레스 성형으로 사용하는 프레스 금형의 설계 변형을 행한다.

(효과)

이상과 같이, 본 실시 형태에 의하면, 대상이 되는 소재(1)를 전단 가공 후에 변형시킬 때의, 단면(10A)으로부터의 균열의 발생 유무를 정밀도 좋게 평가하는 것이 가능해진다.

이 평가 방법은, 균열의 발생을 예측하는 방법으로서도 활용할 수 있다. 예를 들면, 자동차의 패널 부품, 구조·골격 부품 등의 각종 부품을 프레스 성형할 때에 이용하는 금형의 형상이 적절한지 정밀도 좋게 예측할 수 있게 된다. 또한, 프레스 성형을 안정적으로 행할 수 있기 때문에 프레스 성형품의 불량률을 저감할 수 있어, 프레스 금형의 제조 기간의 단축에도 공헌할 수 있다.

강도가 높은 소재(1)는 일반적으로 연성이 낮기 때문에, 소재(1)의 전단 가공면(10A)을 변형시킴으로써 균열이 용이하게 일어나기 쉽다. 그 때문에, 본 발명은 강도가 높은 소재(1)일수록 유효하다. 구체적으로는, 인장 강도 590㎫ 이상의 소재(1)를 대상으로 하는 것이 바람직하고, 인장 굽힘 강도 980㎫ 이상의 소재(1)는 더욱 바람직하다. 또한, 소재(1)의 종류로서는, 프레스 성형과 같이 대량 생산을 하는 소재(1)를 대상으로 하면 비용면에서 우수하여, 금속판(1)이나 특히 강판을 대상으로 하는 것이 바람직하다.

실시예

다음으로, 본 발명에 기초하는 실시예에 대해서 설명한다.

표 1에 나타내는 3종류의 소재 A, B 및 C를 대상으로 본 발명의 검증을 행했다. 각 소재(1)에 대하여 전단 가공을 행하여, 직사각형 형상의 시험편을 제작했다.

그 전단 가공은, 10×20㎜의 직사각형의 펀치와, 10.3×20.3㎜의 직사각형의 다이스를 이용했다(도시하지 않음). 금형의 클리어런스는, 소재(1)의 판두께에 의해 변경하고, 소재 A가 판두께의 15％, 소재 1B가 판두께의 10.7％, 소재 1C가 판두께의 8.3％로 했다.

시험편에 대하여, 단순 굽힘 변형 및, 인장 변형과 굽힘 변형의 복합 변형의 2형태의 굽힘 가공을 실시하고, 각 형태에서의 굽힘 가공에 있어서의, 장력과 왜곡 구배의 관계를 구해 보았다. 아울러, 단순 인장 변형에 대한, 장력과 왜곡 구배의 관계를 구해 보았다.

단순 굽힘 변형은, 도 4에 나타내는 꼭지각 90°의 V 굽힘 금형에 의해 시험편(1)의 단면(10A)에 굽힘을 주었다. 펀치(21)의 정점의 굽힘 R부에 전단 가공부의 처짐측이 접하도록 시험편을 설치했다. 그리고, 펀치(21)의 선단의 굽힘 반경 R을 0.5㎜ 피치로 바꾸어 변형 시험을 실행하여, 시험편의 단면(10A)에 균열이 발생하지 않는 최소의 굽힘 반경을 구했다. 부호 20은 다이를 나타낸다.

그 후, 성형 시뮬레이션에 의해 최소 굽힘 반경에서 굽혀진 때의 단면(10A)에서의 장력과 왜곡 구배를 산출했다.

또한, 판두께 방향 X의 왜곡 구배의 산출 범위는 각 소재(1)의 판두께의 50％로 하고, 굽힘 능선 방향 Y의 왜곡 구배의 산출 범위는 5㎜로 했다.

인장 변형과 굽힘 변형의 복합 변형은, 도 5에 나타내는 햇 형상의 드로잉 성형 금형에 의해 소재(1)의 단면(10A)에 주었다. 펀치(32)의 굽힘 R부에 대하여, 시험편(1)의 전단 가공부의 처짐측이 접하도록 시험편(1)을 설치했다. 부호 30은 다이를, 부호 31은 주름 누름판을 나타낸다.

펀치(32)의 숄더부의 굽힘 반경 R은 5㎜와 10㎜의 2종류를 이용하여, 주름 누름력을 2.5톤 피치로 바꾸어 시험을 하고, 각각의 굽힘 반경에서 시험편의 단면(10A)에 균열이 발생하지 않는 최소의 주름 누름력을 구했다. 그 후, 성형 시뮬레이션에 의해 동일한 조건으로 복합 변형이 주어졌을 때의 단면(10A)에서의 장력과 왜곡 구배를 산출했다. 판두께 방향 X의 왜곡 구배와 굽힘 능선 방향 Y의 왜곡 구배의 산출 범위는 상기의 굽힘 변형의 경우와 동일하다.

아울러, 시험편에 대하여 인장 시험을 실시하고, 시험편의 단면(10A)에 균열이 발생하지 않는 최소의 인장력을 구했다. 그 후, 성형 시뮬레이션에 의해 동일한 조건으로 인장 변형이 주어졌을 때의 단면(10A)의 장력과 왜곡 구배를 산출했다. 이 경우에는, 굽힘 능선 방향 Y의 왜곡 구배로서 단면(10A)으로부터 인장 방향과 판두께 방향으로 직교하는 방향의 왜곡 구배를 사용하여, 단면(10A)에서의 장력 및 각종의 왜곡 구배를 산출했다.

그리고, 상기와 같이 하여 구한 장력과 각종의 왜곡 구배로부터 구한 지표값의 조로 이루어지는 데이터를 복수 취득했다.

<실시예 1>

실시예 1은, 본 실시 형태에 기초하여, 지표값으로서의 △εcombine을 (2)식에 기초하여 제곱 평균값으로서 산출하고, 장력과 평가값의 관계를 정리한 결과이다. 그 정리한 결과를 도 6에 나타낸다. 장력의 산출은 성형 시뮬레이션에 의해 굽힘 변형부의 판두께 중심에 위치하는 유한 요소에 발생하는 인장 응력으로부터 산출했다.

<실시예 2>

실시예 2는, 본 실시 형태에 기초하여, 지표값으로서의 △εcombine을 (4)식에 기초하여 2개의 왜곡 구배의 합으로서 산출하고, 장력과 평가값의 관계를 정리한 결과이다. 그 정리한 결과를 도 7에 나타낸다. 장력의 산출은 성형 시뮬레이션에 의해 굽힘 변형부의 판두께 방향으로 분포하는 유한 요소에 발생하는 응력의 평균값으로부터 산출했다.

(검증)

<검증 1>

상기 표 1에 나타내는 3종류 중 소재 A로 이루어지는 강판을, 상형 및 하형으로 이루어지는 금형으로 프레스함으로써 굽힘 가공으로 이루어지는 변형을 더하여, 도 8에 나타내는 제품 형상으로 변형했다. 이를 금형의 굽힘 R의 조건을 바꾸어 여러 가지 실행했다.

그리고, 도 8의 부호 Z로 나타내는 위치를 각각 평가 위치로 하여, 각 평가 위치 Z에서 균열이 발생한 경우와, 균열이 발생하지 않는 경우의 굽힘 가공 조건을 취득했다.

그리고, 상기 프레스 성형과는 별도로, 상기 각 가공 조건으로 성형하는 경우에 대해서, 유한 요소법을 이용하여 3차원 프레스 성형 시뮬레이션을 행하여, 각각의 조건으로 프레스 성형한 경우에 있어서의, 평가 위치(Z 위치)에서의 전단 가공면에 따른 장력과, 상기 (2)식에서 구한 지표값의 조로 이루어지는 평가 데이터를 취득했다.

그 복수의 평가 데이터에 대해서, 실시예 1로 구한 변형 한계선(도 6 참조)의 어느 쪽에 위치하는지 확인한 결과, 균열이 발생한 경우의 평가 데이터는, 모두 변형 한계선보다도 상측에 위치하고, 균열이 발생하지 않은 경우의 평가 데이터는, 모두 변형 한계선보다도 하측에 위치하고 있는 것을 확인했다.

<검증 2>

동일하게 하여, 변형 후의 제품 형상을 도 9에 나타내는 형상으로 설정하고, 상기 검증 1과 동일한 검증을 행했다. 여기에서, 도 9에 나타내는 형상으로의 가공은, 드로우 성형에 의해 행한, 드로우 성형에 의한 프레스 성형은, 굽힘 변형 위치에 굽힘 변형과 인장 변형이 복합한 변형이 발생한다.

이 경우에 있어서도, 균열이 발생한 경우의 평가 데이터는, 모두 변형 한계선보다도 상측에 위치하고, 균열이 발생하지 않은 경우의 평가 데이터는, 모두 변형 한계선보다도 하측에 위치하고 있는 것을 확인했다.

<검증 3>

또한, 상기 2개의 검증 1 및 검증 2에 대해서, 지표값을 상기 (4)식에 의해 구하고, 실시예 2(도 7)에 의해 구한 변형 한계선을 사용한 경우에 대해서도 검증했다. 이 경우에 있어서도, 균열이 발생한 경우의 평가 데이터는, 모두 변형 한계선보다도 상측에 위치하고, 균열이 발생하지 않은 경우의 평가 데이터는, 모두 변형 한계선보다도 하측에 위치하고 있는 것을 확인했다.

<검증 4>

또한, 강판의 소재를 B 및 C로 변경하고, 상기와 동일한 검증도 실시했다. 이 경우에 있어서도, 실시예 1 및 실시예 2의 어느 쪽을 사용한 경우도, 균열이 발생한 경우의 평가 데이터는, 모두 변형 한계선보다도 상측에 위치하고, 균열이 발생하지 않은 경우의 평가 데이터는, 모두 변형 한계선보다도 하측에 위치하고 있는 것을 확인했다.

이와 같이, 본 발명에 기초하여 굽힘을 포함하는 프레스 가공을 행할 때에 있어서의 전단 가공면에서의 변형 한계를 정밀도 좋게 평가할 수 있는 것을 알 수 있었다.

그리고, 본 발명에 기초하는 방법으로는, 하나의 평가 기준으로, 단순 굽힘 변형의 변형 한계와, 굽힘 변형과 인장 변형이 복합한 변형의 변형 한계를 평가할 수 있는 것을 알 수 있다.

여기에서 비교를 위해, 단면을 따른 왜곡 구배를 지표값으로서 사용하고, 상기 검증 1 및 검증 2와 동일하게 하여 변형 한계선을 구하여 평가, 검증한 경우, 균열이 발생한 경우의 평가 데이터의 일부가, 변형 한계선보다도 하측에 위치하고 있었다.

이상, 본원이 우선권을 주장하는, 일본 특허 출원 2017-160055(2017년 8월 23일 출원)의 전체 내용은, 참조에 의해 본 명시된 일부를 이룬다.

여기에서는, 한정된 수의 실시 형태를 참조하면서 설명했지만, 권리 범위는 그들에 한정되는 것이 아니라, 상기의 개시에 기초하는 각 실시 형태의 개변은 당업자에게 있어서 자명한 것이다.

1 : 소재(금속판)
10A : 전단 가공면(단면)
X : 판두께 방향
Y : 능선 방향

Claims

전단 가공된 금속판을 굽힘 가공을 포함하는 프레스 성형으로 성형할 때에 있어서의, 상기 금속판의 전단 가공면에서의 변형 한계를 평가하는 변형 한계의 평가 방법으로서,
굽힘 가공을 받는 금속판의 굽힘 외측 표면과 전단 가공면의 경계 근방에 발생하는 왜곡의 분포 중, 평가 위치에 있어서의, 전단 가공면에서의 판두께 방향의 표면 왜곡 분포의 구배와 상기 굽힘 가공에 의한 굽힘 능선 방향의 표면 왜곡 분포의 구배의 2개의 표면 왜곡 분포의 구배로부터 구한 지표값과, 전단 가공면에 발생하는 장력의 관계로부터, 전단 가공면에서의 변형 한계를 평가하며,
상기 지표값은, 상기 2개의 표면 왜곡 분포의 구배를 변수로 하고, 상기 각 구배와 각각 정(正)의 상관(相關)이 있는 값인 것을 특징으로 하는 변형 한계의 평가 방법.
제1항에 있어서,
상기 지표값은, 2개의 표면 왜곡 분포의 구배의 자승 평균인 것을 특징으로 하는 변형 한계의 평가 방법.
제1항에 있어서,
상기 지표값은, 2개의 표면 왜곡 분포의 구배의 합인 것을 특징으로 하는 변형 한계의 평가 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장력을, 굽힘 가공의 성형 시뮬레이션에 의해 산출하고, 그 장력을, 굽힘 가공부에 있어서의 판두께 중심을 따른 유한 요소에 발생하는 인장 응력으로 하는 것을 특징으로 한 변형 한계의 평가 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장력을, 굽힘 가공의 성형 시뮬레이션에 의해 산출하고, 그 장력을, 굽힘 가공부에 있어서의 판두께 방향으로 분포하는 유한 요소의 응력의 평균값으로 하는 것을 특징으로 한 변형 한계의 평가 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 2개의 표면 왜곡 분포를 구하기 위한, 판두께 방향과 굽힘 능선 방향의 각 표면 왜곡을, 굽힘 가공의 성형 시뮬레이션에 의해 산출하는 것을 특징으로 한 변형 한계의 평가 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 평가 위치를, 대상으로 하는 굽힘 가공으로 단면을 변형할 때에 균열이 발생한다고 추정되는 위치로 하는 것을 특징으로 한 변형 한계의 평가 방법.
전단 가공된 금속판을 굽힘 가공을 포함하는 프레스 성형으로 성형한 경우의 균열의 유무를 예측하는 균열 예측 방법으로서,
굽힘 가공을 받는 상기 금속판의 굽힘 외측 표면과 전단 가공면의 경계 근방에 발생하는 왜곡의 분포 중, 전단 가공면에서의 판두께 방향의 표면 왜곡 분포의 구배와 상기 굽힘 가공에 의한 굽힘 능선 방향의 표면 왜곡 분포의 구배의 2개의 표면 왜곡 분포의 구배를 변수로 한 지표값과, 전단 가공면에 발생하는 장력의 관계를, 미리 구해 두고,
상기 관계와, 평가 위치에서의 상기 2개의 표면 왜곡 분포의 구배로부터 구한 지표값으로부터, 전단 가공면에서의 균열을 예측하는 것을 특징으로 하는 균열 예측 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 변형 한계의 평가 방법, 혹은 제8항에 기재된 균열 예측 방법을 이용하여, 금속판 단면에서의 균열 발생을 억제한 프레스 금형의 형상을 설계하는 것을 특징으로 하는 프레스 금형의 설계 방법.
제4항에 있어서,
상기 2개의 표면 왜곡 분포를 구하기 위한, 판두께 방향과 굽힘 능선 방향의 각 표면 왜곡을, 굽힘 가공의 성형 시뮬레이션에 의해 산출하는 것을 특징으로 한 변형 한계의 평가 방법.
제5항에 있어서,
상기 2개의 표면 왜곡 분포를 구하기 위한, 판두께 방향과 굽힘 능선 방향의 각 표면 왜곡을, 굽힘 가공의 성형 시뮬레이션에 의해 산출하는 것을 특징으로 한 변형 한계의 평가 방법.
제4항에 있어서,
상기 평가 위치를, 대상으로 하는 굽힘 가공으로 단면을 변형할 때에 균열이 발생한다고 추정되는 위치로 하는 것을 특징으로 한 변형 한계의 평가 방법.
제5항에 있어서,
상기 평가 위치를, 대상으로 하는 굽힘 가공으로 단면을 변형할 때에 균열이 발생한다고 추정되는 위치로 하는 것을 특징으로 한 변형 한계의 평가 방법.
제6항에 있어서,
상기 평가 위치를, 대상으로 하는 굽힘 가공으로 단면을 변형할 때에 균열이 발생한다고 추정되는 위치로 하는 것을 특징으로 한 변형 한계의 평가 방법.
제10항에 있어서,
상기 평가 위치를, 대상으로 하는 굽힘 가공으로 단면을 변형할 때에 균열이 발생한다고 추정되는 위치로 하는 것을 특징으로 한 변형 한계의 평가 방법.
제11항에 있어서,
상기 평가 위치를, 대상으로 하는 굽힘 가공으로 단면을 변형할 때에 균열이 발생한다고 추정되는 위치로 하는 것을 특징으로 한 변형 한계의 평가 방법.