KR102412831B1 - 금형 형상의 설계 방법 및 프레스 부품의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

금속판의 균열이나 주름의 발생을 억제 가능한 예성형(豫成形) 형상을, 간이한 수단에 의해 결정할 수 있도록 한다. 금속판(1)을 입체 형상의 부품(5)으로 프레스 성형한다. 입체 형상의 부품(5)의 적어도 일부가 평탄해지는 방향으로 하중을 부하하는 하중 부하 조건으로 입체 형상의 부품(5)을 압궤(壓潰)한 형상으로 이루어지는 예성형 형상(3)의 중간 부품으로 금속판(1)을 프레스 성형하는 제1 공정(2)과, 중간 부품을 입체 형상의 부품(5)으로 프레스 성형하는 제2 공정(4)을 구비한다.

Description

금형 형상의 설계 방법 및 프레스 부품의 제조 방법

본 발명은, 금속판의 균열이나 주름의 발생을 억제하여 성형 가능한 금형 형상의 설계 방법 및, 프레스 부품의 제조 방법에 관한 것이다.

프레스 성형은, 한 쌍의 금형의 사이에 금속판을 사이에 끼워 협압(挾壓)하고, 강판 등의 금속판을 금형의 형상을 모방하도록 성형함으로써, 소망하는 입체 형상의 부품을 얻기 위한 대표적인 금속 가공 방법 중 하나이다. 그리고, 프레스 성형의 기술은, 자동차 부품, 기계 부품, 건축 부재, 가전 제품 등, 폭넓은 제조 분야에서 이용되고 있다.

프레스 성형성의 주된 과제로서, 균열과 주름이 있다. 균열은, 프레스 성형에 의해, 금속판이 자신의 연성을 초과하여 신장됨으로써 발생한다. 주름은, 금속판이 자신의 좌굴 내력보다도 작게 압축됨으로써 발생한다.

이에 대하여, 특허문헌 1이나 2에는, 금속판을 과잉으로 신축시키지 않도록, 금속판의 길이(단면 선길이)를 고려하여 금형 형상을 설계하는 것이 기재되어 있다. 또한, 특허문헌 3에는, 금형 형상의 설계를 반복함으로써, 단면 선길이를 적정화하는 방법이 기재되어 있다.

또한, 특허문헌 4에는, 최종 부품 형상을 전개하는 도중에 얻어지는 전개 도중 형상을 전 공정(前工程)의 프레스 성형품 형상으로 하는 방법이 기재되어 있다. 특허문헌 4에서는, 최종 부품 형상의 플랜지 부분을 부품의 폭 방향 외측 방향으로 각각 여는 것으로, 상기의 전개 도중 형상을 설정하는 것이 바람직하다고 되어 있다.

일본공개특허공보 2010-115674호 일본특허 제5867657호 공보 일본공개특허공보 평8-6986호 국제공개 제2017/010470호

그러나, 특허문헌 1의 적용 범위는 플랜지부만에 한정되어, 여러 가지 부품 형상에 범용적으로 사용할 수 없다.

또한, 특허문헌 2는, 전 공정(예성형(豫成形) 공정)의 형상인 단면 선길이를 최종 형상의 단면 선길이와 맞추도록 금형 형상을 설계하는 방법으로, 여러 가지 부품 형상에 적용할 수 있을 가능성이 있다. 그러나, 복잡한 부품 형상으로 프레스 성형하는 경우에는, 단면 형상을 고려하고 있지 않는 부위에서 균열이나 주름이 발생할 우려가 있다. 반대로, 모든 단면을 망라하여 설계하고자 하면, 설계 시간이나 수고가 증대하게 된다.

또한, 특허문헌 3에서는, 3차원의 부품 형상을 반복하여 설계함으로써, 형상을 적정화하는 방법이 제안되어 있다. 그러나, 3차원의 형상 설계는, 변수를 한정하지 않으면 방대한 시간과 수고가 필요하기 때문에, 복잡한 부품 형상에 대해서는 적합하지 않다.

또한, 특허문헌 4의 방법에서는, 전개 도중 형상을 어떻게 만드는가가 어렵다. 길이 방향으로 동일한 단면을 갖는 단순한 해트 형상의 부품이면, 플랜지 모두를 부품 외측으로 균일하게 평행 이동시킴으로써, 전개 도중 형상을 만들 수 있다고 고려된다. 그러나, 예를 들면 특허문헌 4에 기재되어 있는 바와 같은, 길이 방향을 따라 폭 방향의 한쪽으로 만곡한 바와 같은 부품 형상인 경우, 플랜지 모두를 균일하게 평행 이동시키면, 강성이 낮은 에지부나, 응력이 집중하기 쉬운 펀치 숄더나 다이 숄더, 만곡부가 신장해 버린다. 그 결과, 부품 형상의 선길이보다도 전개 도중 형상의 선길이의 쪽이 길어져 버리기 때문에, 최종 부품 형상으로 프레스할 때에 주름이 발생할 우려가 있다는 문제가 있다. 그리고, 특허문헌 4의 방법으로 전개 도중 형상을 신축이 없도록 만들기 위해서는, 부품의 부위마다 적절한 힘을 적절한 방향으로 더하여 변형시킬 필요가 있지만, 부품 형상이 복잡화할수록 전개 도중 형상을 만드는 것이 곤란해진다는 과제가 있다.

본 발명은, 상기와 같은 점에 착안한 것으로서, 금속판의 균열이나 주름의 발생을 억제 가능한 예성형 형상을, 간이한 수단에 의해 결정할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

프레스 성형은, 입체적으로 금형을 움직이는 것에는 적합하지 않기 때문에, 입체적인 부품 형상을 이상적으로 성형하려면 제약이 많다는 결점이 있다. 또한, 프레스 성형 시, 평탄한 금속판의 모든 부위에서 신축이 발생하여 단면 선길이가 변화하고 있는 것은 아니다. 그리고, 발명자는, 예의 검토를 거듭하여 입체적인 부품 형상을 평탄하게 압궤(壓潰)함으로써, 신축을 일으키고자 하는 부위를 프레스 성형하기 쉽도록 형상으로 바꾸고, 그것을 예성형 형상으로 하는 방법을 고안했다.

즉, 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 태양의 금형 형상의 설계 방법은, 복수단(段)의 프레스 공정에서 금속판을 입체 형상의 부품으로 성형할 때에 있어서의, 최종의 프레스 공정보다도 전 공정의 프레스 공정에서 사용하는 금형 형상을 설계하는 방법으로, 적어도 일부의 형상이 상기 입체 형상의 부품을 평탄해지는 방향으로 압궤한 형상으로 이루어지는 예성형 형상의 프레스 부품이 되도록, 금형 형상을 설계하는 것을 요지로 한다.

또한 본 발명의 일 태양의 프레스 부품의 제조 방법은, 금속판을 입체 형상의 부품으로 프레스 성형하는 프레스 부품의 제조 방법에 있어서, 적어도 일부의 형상이 상기 입체 형상의 부품을 평탄해지는 방향으로 압궤한 형상으로 이루어지는 예성형 형상의 중간 부품으로 금속판을 프레스 성형하는 제1 공정과, 상기 중간 부품을 상기 입체 형상의 부품으로 프레스 성형하는 제2 공정을 구비하는 것을 요지로 한다.

본 발명의 일 태양에 의하면, 간이한 수단에 의해, 부품의 모든 단면 선길이를 고려하여 예성형 형상을 설계할 수 있기 때문에, 균열이나 주름의 발생을 막기 위해 효과적인 프레스 금형을 제조하는 것이 가능해진다.

그리고, 본 발명의 일 태양에 의하면, 간이한 수단에 의해 적정한 예성형 형상을 결정할 수 있기 때문에, 간이하게 복잡한 부품 형상을 성형하는 것이 가능해진다.

도 1은 본 발명에 기초하는 실시 형태에 따른 프레스 공정의 예를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명에 기초하는 실시 형태에 따른 입체 형상과 예성형 형상의 예를 나타내는 도면이다.
도 3은 A-A’ 단면에서의 변화를 나타내는 도면이다.
도 4는 B-B’ 단면에서의 변화를 나타내는 도면이다.
도 5는 C-C’ 단면에서의 변화를 나타내는 도면이다.
도 6은 좌굴 발생의 예를 나타내는 도면이다.
도 7은 실시예에서의 예성형 형상을 나타내는 도면이다.
도 8은 예성형 형상을 높이 방향으로 0.8배 축소한 도면이다.
도 9는 예성형 형상을 높이 방향으로 0.5배 축소한 도면이다.
도 10은 실시예 4에 있어서의 목적의 입체 형상을 나타내는 도면으로서, (a)가 사시도, (b)는 도 10(a)의 A-A’ 단면도, (c)는 도 10(a)의 B-B’ 단면도, (d)는 도 10(a)의 C-C’ 단면도이다.
도 11은 비교예 4-1의 예성형 형상을 나타내는 도면이다.
도 12는 실시예 4-1의 예성형 형상을 나타내는 도면이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

이하에, 본 발명의 실시 형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.

목적의 프레스 부품 형상(입체 형상)의 부품을 제조할 때에, 1회의 프레스 성형에서는 균열이나 주름이 발생하는 바와 같은 입체 형상으로 이루어지는 부품을 성형하는 경우, 통상, 복수단의 프레스 공정에서 금속판을 목적으로 하는 입체 형상의 부품으로 성형한다. 본 발명은, 그러한 복잡한 입체 형상의 부품을 프레스 성형으로 제조하는 경우에 적합한 발명이다.

또한, 본 발명에서는, 보다 강도가 높은 금속판을 성형하는 것도 가능해지기 때문에, 본 발명은, 강도가 높은 금속판으로부터 입체 형상의 부품으로 성형하는 경우에도 유효하다. 예를 들면, 금속판이 강판인 경우, 인장 강도 590㎫ 이상의 소재를 대상으로 하는 것이 바람직하고, 인장 굽힘 강도 980㎫ 이상의 소재는 더욱 바람직하다.

<프레스 부품의 제조 방법>

본 실시 형태에서는, 복수단의 프레스 공정에서 금속판을 목적으로 하는 입체 형상의 부품으로 프레스 성형한다.

복수단의 프레스 공정은, 도 1에 나타내는 바와 같이, 제1 공정(2)과 제2 공정(4)을 갖는다.

[제1 공정]

제1 공정(2)은, 목적으로 하는 입체 형상의 부품(5)의 적어도 일부의 형상이, 목적으로 하는 입체 형상의 부품을 평탄해지는 방향으로 압궤한 형상으로 이루어지는 예성형 형상(3)의 중간 부품으로 금속판(1)을 프레스 성형하는 프레스 공정이다.

상기의 「적어도 일부」는, 예를 들면 1회의 프레스 성형에서 목적으로 하는 입체 형상으로 하는 경우에 균열이나 주름이 발생한다고 추정되는 개소를 포함하는 부분으로 한다.

또한, 동일한 입체 형상을 평탄하게 하는 방향으로 압궤해도, 부품을 규정하는 소재 등에 따라, 압궤한 형상이 상이할 가능성이 있다.

본 실시 형태에서는, 상기 목적으로 하는 입체 형상의 부품을 평탄해지는 방향으로 하중을 부하하는 하중 부하 조건으로 구조 해석(성형 시뮬레이션)을 행하여, 상기 압궤한 형상으로 이루어지는 예성형 형상을 구한다. 또한, 상기의 「적어도 일부」에 대응하는, 평탄해지는 방향으로 압궤하는 면의 면적 비율은, 예를 들면, 목적으로 하는 입체 형상의 부품(5)에 있어서의 상하를 향하는 면의 면적의 50％ 이상, 바람직하게는 80％ 이상으로 한다. 상한은 특별히 없다. 즉, 상한은 100％이다.

이하의 설명에서는, 예성형 형상(3)으로서, 목적으로 하는 입체 형상의 부품(5)의 입체 형상 전체를 평탄해지는 방향으로 압궤한 형상으로 하는 경우를 예로 들어 설명한다.

여기에서, 구한 예성형 형상(3)의 프레스 부품으로 하기 위한 금형 형상을 설계하고, 제1 공정(2)에서는, 그 금형을 사용하여 프레스 성형에 의해, 금형의 형상을 모방한 예성형 형상(3)의 중간 부품을 제작한다.

예성형 형상(3)을 결정할 때의 압궤의 비율은, 예를 들면, 하중 부하 방향(통상은, 프레스 방향)에 있어서, 최종 부품 형상으로서의 입체 형상(하중을 부하하기 전의 형상)의 부품으로부터의 높이 방향의 변화량이 10％ 이상이 되도록 설정한다. 바람직하게는 높이 방향의 변화량을 50％ 이상으로 한다. 높이 방향의 변화량의 상한에 대해서 특별히 한정은 없지만, 예를 들면 90％ 이하로 한다.

[제2 공정]

제2 공정(4)은, 중간 부품을 목적으로 하는 입체 형상의 부품(5)으로 프레스 성형하는 프레스 공정이다.

제1 공정(2)과 제2 공정(4)의 사이에, 다른 프레스 공정을 갖고 있어도 좋다. 제1 공정(2)의 전에, 다른 예성형 공정용의 프레스 공정을 형성해도 좋다.

또한, 제1 공정(2)을, 복수단의 프레스 공정으로서 구성해도 좋다. 예를 들면, 입체 형상의 부품(5)의 압궤의 비율이 상이한 복수의 예성형 형상(3)을 구하고, 상류측의 제1 공정(2)만큼, 압궤의 비율이 큰 예성형 형상(3)을 성형 형상으로 한 중간 부품으로 프레스 성형하는 프레스 공정으로서 설정한다.

<예성형 형상(3)에 대해서>

제1 공정(2)에서 제작하는 예성형 형상(3)의 결정 방법에 대해서 설명한다.

본 실시 형태에서는, 입체 형상의 부품(5)으로서, 도 2(a)에 나타내는 바와 같은, 천판부(5A), 천판부(5A)의 좌우 양측으로 연속하는 좌우 한 쌍의 종벽부(5B) 및, 각 종벽부(5B)에 연속하는 플랜지부(5C)를 갖는 단면 해트형 형상의 부품으로 한다. 또한 본 예의 입체 형상의 부품(5)은, 도 2(a)에 나타내는 바와 같이, 길이 방향을 따라 상하로 만곡하고 있고, 길이 방향을 따라 재료의 압축 및 신장이 있는 입체 형상의 부품인 경우로 한다.

이러한 단면 해트형 형상의 부품(5)을 프레스 성형으로 제작하는 경우, 천판부(5A)와 종벽부(5B)와의 사이의 능선의 각도(각도가 작은 측의 각도)는, 프레스 성형으로 가공하는 형편으로부터 90도 이상으로 되어 있다. 이 때문에, 입체 형상의 부품(5)에 대하여 상측으로부터 하중을 부하하여, 입체 형상의 부품(5)을 압궤한 경우, 종벽부(5B) 및 플랜지부(5C)가 좌우로 확대되도록 이동하는 것을 구속하지 않는 경우, 통상은, 평탄해지는 방향으로 압궤된다.

목적으로 하는 입체 형상의 부품(5)이 평탄해지는 방향으로 하중을 부하하는 하중 부하 조건은, 입체 형상의 부품(5)이 평탄해지는 방향, 즉 하중 부하 방향을, 예를 들면 제2 공정(4)에 있어서의 프레스기의 스트로크 방향, 즉 프레스 방향으로 설정한다. 하중 부하 방향은, 예를 들면, 다음 공정의 제2 공정(4)에서, 부품의 천판부에 가해지는 하중 방향과 동(同) 방향으로 설정한다.

여기에서, 입체 형상의 부품(5)이 평탄해지는 방향은, 종벽부(5B)가 내측으로 꺾여 굽혀져 겹치는 바와 같은 방향(좌굴 방향)이 되지 않는 방향으로 설정하는 것이 바람직하다. 따라서, 하중 부하 방향이 반드시 프레스기의 스트로크 방향과 일치하고 있지 않아도 좋다.

본 실시 형태에서는, 목적의 입체 형상의 부품을 수평면에 두었을 때에, 연직 하방향이 되는 방향을 하중 부하 방향으로 설정한다.

목적으로 하는 입체 형상의 부품이 평탄해지도록 하중을 부하하여 구하는 예성형 형상(3)은, 실제로 입체 형상의 부품(5)에 대하여 상측으로부터 하중을 부하하여 찌부러트림으로써 구해도 좋다. 단, 컴퓨터를 이용하여, 유한 요소법 등의 성형 시뮬레이션(구조 해석)을 행하여 구하는 쪽이 간편하다.

하중 부하 조건으로서 평탄해지는 방향으로 부하하는 하중은, 정수압, 등분포 하중, 금형 모델로 압궤하는 방법 등, 어떠한 방법이라도 좋다. 단, 하중 부하 조건은, 프레스기의 스트로크 방향으로 형상이 꺾여 겹쳐지는 부분이 발생하지 않을 만큼의 압궤량으로 설정한다. 하중 부하 방향은, 예를 들면, 모든 면에 대하여 동일 방향으로 한다.

부분적으로 부하하는 하중의 크기나 방향이 상이하도록 설정해도 좋다.

입체 형상의 부품(5)을 압궤할 때의 하방으로의 이동을 구속하는 구속면(11)의 형상은 하중 방향에 직교하는 평면 등의 평면 형상이라도 좋다. 단, 도 2(a)와 같이, 부품 형상이 상하로 만곡하거나 비틀리거나 하는 입체 형상의 부품인 경우, 단순한 평면 형상의 구속면에 대하여 입체 형상의 부품을 상측으로부터 밀어붙였을 경우, 도 6과 같이 플랜지부(5C)나 종벽부(5B)가 좌굴되어 부품 내측으로 꺾이는 경우가 있다.

이 때문에, 각 종벽부(5B)의 하단면을 그 하단면의 길이 방향의 윤곽 형상(도 2(a)의 부호 10 참조)을 좌우로 연장한 면 형상으로, 구속면(11)을 설정하고, 그 구속면(11)에서 당해 구속면(11)의 법선 방향으로의 이동을 구속한 상태에서, 입체 형상의 부품(5)에 하중을 부하하여 예성형 형상(3)을 결정하는 것이 바람직하다. 이러한 구속면(11)을 채용함으로써, 플랜지부(5C)나 종벽부(5B)가 좌굴되어 부품 내측으로 꺾이는 것을 억제 가능해진다.

본 예와 같이 각 종벽부(5B)의 하단부에 플랜지부(5C)가 연속한 형상인 경우에는, 구속면(11)을, 예를 들면, 플랜지부(5C)의 하면 형상을 연장한 면 형상으로 하면 좋다.

도 2에서는, 좌우의 종벽부(5B)의 하단면을 구속하는 구속면(11)이 연속한 하나의 면으로 구성되는 경우를 예시하고 있다. 단, 각 종벽부(5B)의 하단면의 윤곽 형상이 상이하거나, 높이에 어긋남이 있거나 한 경우에는, 각 종벽부(5B)의 하단면 마다, 각각 개별적으로 구속면(11)을 설정한다.

도 2는, 상측으로부터 구속면(11)을 향하여, 입체 형상의 부품(5) 전체에 동일한 크기의 하중을 부하하여, 입체 형상의 부품(5)을 평탄해지는 방향으로 압궤한 경우의 예이다. 그 때의 각 단면의 변화를 도 3∼도 5에 나타낸다.

또한, 입체 형상의 부품(5)에 대하여 상측으로부터 하중을 부하하면, 플랜지부(5C)가, 구속면(11)을 따라 좌우 방향으로 열리도록 변위한다. 이 때, 천판부(5A)에 대하여 종벽부(5B)의 각도가 넓어지도록, 각 종벽부(5B)가 변화하면서 압궤된다.

그리고, 입체 형상의 부품(5)을, 당해 입체 형상의 부품(5)이 평탄해지는 방향으로 하중을 부하하여 압궤한 경우, 평탄했던 금속판(1)을 목적으로 하는 입체 형상의 부품(5)으로 성형했을 때에 있어서의, 단면 선길이가 변화하고 있지 않는 부위는 평탄하게 되돌아온다. 또한, 단면 선길이가 변화한 부분은, 프레스 성형하기 쉬운 완만한 입체 형상의 부품(5)으로 변화시킬 수 있다.

또한, 압궤할 때에, 펀치 숄더나 다이 숄더부 등의 굽혀진 부위가 기점이 되어 평탄하게 되돌아오고, 그 외의 부위는 그다지 변형하지 않는 특징이 있기 때문에, 부품의 단면 선길이는 거의 변화하지 않는다.

이와 같이, 자동적으로 적절한 예성형 형상(3)으로 변형하게 된다.

여기에서, 입체 형상의 부품(5)을 평탄해질 때까지 압궤했다고 해도, 단면 선길이가 변화한 부분이 있는 경우에는, 구속면(11)의 면 형상까지 평탄하게 변형하는 경우는 없다.

압궤의 비율은, 예를 들면, 하중 부하 방향에서의 최종 부품 형상으로서의 입체 형상의 부품(5)(하중을 부하하기 전의 형상)으로부터의 높이 방향의 변화량이 10％ 이상이면 효과가 있다. 보다 바람직하게는 높이 방향의 변화량이 50％ 이상이다. 변화량은, 높이 방향으로의 변화가 가장 작은 위치에서 판정하면 좋다.

단, 압궤의 비율은, 플랜지부(5C)나 종벽부(5B)가 좌굴되어 부품 내측으로 꺾이는 상태가 발생하기 전까지의 비율로 한다.

여기에서, 제1 공정(2)에서, 예성형 형상(3)으로 금속판(1)을 성형하는 프레스 성형법은, 드로우(drawing) 성형, 폼 성형, 장출 성형 등, 어떠한 방법이라도 좋지만, 드로우 성형이 가장 적합하다. 또한, 부품의 천판부(5A)였던 부위가 패이도록 만곡하고 있는 경우(도 2의 C-C’ 단면의 좌측), 패드를 이용하여 해당 부위를 누름으로써, 주름의 발생을 방지할 수 있다.

본 발명에 기초하여 설계한 예성형 형상(3)으로 금속판(1)을 성형할 수 있으면, 제2 공정(4) 및 그 외의 다음 공정은, 폼 성형이나 캠 굽힘 성형 등의 굽힘 변형을 주체로 한 프레스 성형법으로 부품 형상을 성형하는 것이 가능하다.

여기에서, 상기 결정한 예성형 형상(3)에서는, 금속판(1)의 연성이 부족하여 성형할 수 없는 경우에는, 추가로, 상기 결정한 예성형 형상(3)을 하중 부하 방향을 향하여, 전체를 미리 설정한 축소 비율로 축소한 형상으로, 당해 예성형 형상(3)의 형상을 재설정한다. 축소 비율은, 예를 들면 0.8배 이상 0.4배 이하이다.

이와 같이 예성형 형상(3)의 형상을 재설정하고, 예성형 형상(3)을 높이 방향으로 축소한 형상으로 변경함으로써, 제1 공정(2)(예성형 공정)에서 신축이 불충분했던 부위가 다음 공정에서 변형한다. 이 때문에, 금속판(1)의 변형이 분산하여 균열이나 주름이 일어나기 어려워진다는 효과가 있다.

이상과 같이, 본 실시 형태에서는, 간이한 수단에 의해, 입체 형상의 부품(5)의 모든 단면 선길이를 고려한 예성형 형상(3)을 설계할 수 있기 때문에, 균열이나 주름의 발생을 막기 위해 효과적인 프레스 금형을 제조하는 것이 가능해진다.

그리고, 본 실시 형태에 의하면, 일반적인 프레스 금형을 이용한 경우에 비해, 간이하게 복잡한 부품 형상을 성형할 수 있다.

여기에서, 상기의 실시 형태에서는, 단면 해트형의 입체 형상의 부품(5)을 예로 들어 설명하고 있지만, 입체 형상은 플랜지부(5C)가 없는 단면 ㄷ자 형상의 입체 형상의 부품(5)이라도 좋다. 또한 입체 형상의 부품(5)은, 단면 해트형이나 단면 ㄷ자 형상에 한정되지 않고, 단면 원호 형상 등, 프레스 성형으로 가공 가능한 다른 입체 형상의 부품에서도 대응 가능하다.

실시예

다음으로, 본 발명에 기초하는 실시예에 대해서 설명한다.

표 1에 나타내는 4종류의 재료로 이루어지는 금속판 A∼D를 대상으로 본 발명의 검증을 행했다. 대상으로 하는 입체 형상의 부품(5)은, 길이 방향으로 만곡한 복잡 형상을 갖는 도 2(a)에 나타낸 부품으로 했다.

그리고, 부품을 평탄화시킨 예성형 형상(3)의 결정에는 유한 요소법에 의한 성형 시뮬레이션을 이용했다. 평탄화하도록 가해지는 힘(뉴턴)은, 프레스기의 스트로크 방향과 평행으로 하고, 부품의 자중(부품 중량으로 9.8N을 가한 힘)의 배수로 했다. 배수는 10배, 100배로 늘려가고, 부품의 단면 형상이 서로 겹치지 않고 보다 평탄화된 형상을 예성형 형상(3)으로 했다. 본 예는, 구체적으로는 7000배의 자중으로 한 경우이다.

이 예성형 형상(3)을 기초로 설계한 금형 형상에 대응하는 예성형 형상이 도 7이다.

또한, 예성형 형상(3)을 그의 플랜지부(5C)를 연장한 면 상을 기준으로 하여, 프레스기의 스트로크 방향으로 0.8배, 0.5배로 축소한 예성형 형상(3)이 도 8 및 도 9이다.

금속판 A∼D를 여러 가지의 금형을 이용하여 프레스 성형한 결과를 표 2에 나타낸다.

여기에서, 평가는, 균열과 주름이 발생한 경우는 「×」, 제품상 문제가 되지 않는 정도의 경미한 주름이나 판두께 감소가 있던 경우는 「○」, 균열도 주름도 발생하지 않았던 경우를 「◎」라고 평가했다.

<비교예 1>

비교예 1은, 도 2(a)의 부품 형상을 드로우 성형만의 1회의 프레스 성형으로 제작한 경우이다.

이 비교예 1에서는, 금속판 A에서는 천판부(5A)에 경미한 주름이 발생하고, 금속판(1) B∼D에서는 현저한 균열과 주름이 발생했다.

<실시예 1>

실시예 1은, 도 7과 동일한 예성형 형상(3)을 드로우 성형으로 성형하고(제1 공정(2)), 다음 공정(제2 공정(4))에서 폼 성형을 이용하여 부품 형상으로 성형했다.

이 실시예 1에서는, 금속판 A∼B는 균열도 주름도 발생하지 않고, 금속판 C∼D에서는 경미한 판두께 감소가 발생했다.

<실시예 2>

실시예 2에서는, 도 8과 동일한 예성형 형상(3)을 드로우 성형으로 성형하고(제1 공정(2)), 다음 공정(제2 공정(4))에서 폼 성형을 이용하여 부품 형상으로 성형했다.

이 실시예 2에서는, 금속판 A∼C는 균열도 주름도 발생하지 않고, 금속판 D에서는 경미한 판두께 감소가 발생했다.

<실시예 3>

실시예 3에서는, 도 9와 동일한 예성형 형상(3)을 드로우 성형으로 성형하고(제1 공정(2)), 다음 공정(제2 공정(4))에서 드로우 성형을 이용하여 부품 형상으로 성형했다.

이 실시예 3에서는, 금속판 A∼D의 모두에서 균열도 주름도 발생하지 않았다.

표 2와 같이, 비교예 1과 같이, 일 공정에서 목적으로 하는 입체 형상의 부품(5)으로 프레스 성형하면 균열이나 주름이 발생하는 형상을 제조할 때에, 실시예 1∼3과 같이, 본 발명에 기초하여 프레스 성형함으로써, 균열이나 주름을 좋게 하여 목적으로 하는 입체 형상의 부품(5)을 제작하는 것을 알 수 있었다. 또한 이 때, 본 발명에 의하면, 복잡한 입체 형상의 부품(5)으로 이루어지는 부품을 제조하는 경우라도, 예성형 형상(3)을 간이한 수단으로 결정할 수 있는 것을 알 수 있었다.

<실시예 4>

다음으로, 특허문헌 4에 기재된 방법(비교예 4-1)과, 본 발명에 기초하는 방법(실시예 4-1)과의 비교를 행했다.

대상으로 하는 부품(5)의 입체 형상은, 도 10(a)에 나타내는 바와 같이, 길이 방향을 따라 상하로 만곡하고, 도 10(b)∼(d)에 나타내는 바와 같이, 부품의 단면 형상이 일정하지 않은 복잡한 형상을 갖는 부품이다.

재료로서는, 표 1에 있어서의 금속판 C를 이용했다.

[비교예 4-1]

비교예 4-1에서는, 도 11과 동일한 예성형 형상(30)을 드로우 성형으로 성형하고, 다음 공정에서 드로우 성형을 이용하여 도 10에 나타낸 부품 형상으로 성형했다.

이 도 8의 예성형 형상(30)은, 도 10에 나타내는 목적의 입체 형상에 대하여, 좌우의 플랜지단(端)을 각각 60㎜ 외측으로 평행 이동한 형상이다. 이 형상에서는, 높이 방향의 변형량은 최대 43％였다.

이 비교예 4-1의 예성형 형상(30)에서는, 펀치 숄더와 다이 숄더, 에지에서 판두께가 크게 감소했다. 또한, 재료가 신장되어 버렸기 때문에, 최종 부품 형상보다도 긴 선길이의 예성형 형상이 되어 버렸다.

[실시예 4-1]

실시예 4-1에서는, 도 12의 형상인 예성형 형상(3)을 드로우 성형으로 성형하고(제1 공정(2)), 다음 공정(제2 공정(4))에서 드로우 성형을 이용하여 부품 형상으로 성형했다.

이 실시예 4-1에서는, 균열도 주름도 발생하지 않았다.

이 실시예 4-1의 예성형 형상(3)은, 도 10에 나타내는 입체 형상의 형상 전체를 압궤한 형상이고, 높이 방향의 변형량을 84％로 설정했다.

이 실시예 4-1의 예성형 형상(3)은, 판두께의 감소는 최대라도 0.01％로 매우 적다. 또한, 실시예 4-1의 예성형 형상(3)은, 재료의 신축이 거의 발생하지 않기 때문에, 선길이가 최종 부품 형상과 다르지 않은 예성형 형상으로 되어 있다.

이상으로부터, 실시예 4-1은, 목적으로 하는 입체 형상이 복잡해도, 비교예 4-1과 비교하여 균열이나 주름의 발생을 보다 확실하게 방지하면서, 목적으로 하는 입체 형상의 부품을 제조할 수 있는 것을 알 수 있었다.

여기에서, 본원이 우선권을 주장하는, 일본국 특허 출원 2018-126982(2018년 7월 3일 출원)의 전체 내용은, 참조에 의해 본 개시의 일부를 이룬다. 여기에서는, 한정된 수의 실시 형태를 참조하면서 설명했지만, 권리 범위는 그에 한정되는 것이 아니고, 상기의 개시에 기초하는 각 실시 형태의 개변은 통상의 기술자에게 있어서 자명한 것이다.

1 : 금속판
2 : 제1 공정
3 : 예성형 형상
4 : 제2 공정
5 : 입체 형상의 부품
5A : 천판부
5B : 종벽부
5C : 플랜지부
11 : 구속면

Claims (8)

1. 복수단의 프레스 공정에서 금속판을 입체 형상의 부품으로 성형할 때에 있어서의, 최종의 프레스 공정보다도 전 공정(前工程)의 프레스 공정에서 사용하는 금형 형상을 설계하는 방법으로서,
   적어도 일부의 형상이 상기 입체 형상의 부품을 평탄해지는 방향으로 압궤(壓潰)한 형상으로 이루어지는 예성형(豫成形) 형상의 프레스 부품이 되도록, 금형 형상을 설계하고,
   상기 입체 형상의 부품에 대하여 상기 평탄해지는 방향으로 하중을 부하하는 하중 부하 조건으로, 상기 압궤한 형상으로 이루어지는 예성형 형상을 구하고,
   상기 예성형 형상을 결정할 때의 압궤의 비율은, 상기 하중을 부하하는 방향에서의 상기 입체 형상의 부품으로부터의 높이 방향의 변형량이 10％ 이상 90％ 이하가 되도록 설정하는 것을 특징으로 하는 금형 형상의 설계 방법.
2. 금속판을 입체 형상의 부품으로 프레스 성형하는 프레스 부품의 제조 방법에 있어서,
   적어도 일부의 형상이 상기 입체 형상의 부품을 평탄해지는 방향으로 압궤한 형상으로 이루어지는 예성형 형상의 중간 부품으로 금속판을 프레스 성형하는 제1 공정과,
   상기 중간 부품을 상기 입체 형상의 부품으로 프레스 성형하는 제2 공정을 구비하고,
   상기 입체 형상의 부품에 대하여 상기 평탄해지는 방향으로 하중을 부하하는 하중 부하 조건으로, 상기 압궤한 형상으로 이루어지는 예성형 형상을 구하고,
   상기 예성형 형상을 결정할 때의 압궤의 비율은, 상기 하중을 부하하는 방향에서의 상기 입체 형상의 부품으로부터의 높이 방향의 변형량이 10％ 이상 90％ 이하가 되도록 설정하는 것을 특징으로 하는 프레스 부품의 제조 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 입체 형상의 부품은, 천판부와 그의 천판부의 폭 방향 양측으로 연속하는 좌우 한 쌍의 종벽부를 갖고,
   각 종벽부의 하단면을, 그 하단면의 길이 방향의 윤곽 형상을 좌우로 연장한 면 형상인 구속면에서 당해 구속면의 법선 방향으로의 이동을 구속한 상태에서, 상기 입체 형상의 부품에 하중을 부하하는 조건으로 상기 예성형 형상을 결정하는 것을 특징으로 하는 프레스 부품의 제조 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 입체 형상은, 상기 각 종벽부의 하단부에 플랜지부가 연속한 형상이고,
   상기 구속면은, 플랜지부의 하면 형상을 좌우로 연장한 면 형상으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 프레스 부품의 제조 방법.
5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 하중을 부하하는 방향을, 상기 제2 공정에서의 프레스기의 스트로크 방향으로 하는 것을 특징으로 하는 프레스 부품의 제조 방법.
6. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   추가로, 상기 압궤한 형상으로 이루어지는 예성형 형상을, 상기 하중을 부하하는 방향으로 미리 설정한 동일한 축소 비율로 전체를 축소한 형상으로 변경하여 당해 예성형 형상의 형상을 재설정하는 것을 특징으로 하는 프레스 부품의 제조 방법.
7. 제5항에 있어서,
   추가로, 상기 압궤한 형상으로 이루어지는 예성형 형상을, 상기 하중을 부하하는 방향으로 미리 설정한 동일한 축소 비율로 전체를 축소한 형상으로 변경하여 당해 예성형 형상의 형상을 재설정하는 것을 특징으로 하는 프레스 부품의 제조 방법.
8. 삭제

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