KR102482506B1 - 굽힘 균열 평가 방법, 굽힘 균열 평가 시스템, 및 프레스 성형 부품의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

실부품 등의 형상 정보로부터 목적으로 하는 프레스 성형 부품으로 프레스 성형을 실시했을 때에 있어서의, 프레스 성형 부품에서의 전단 단면의 굽힘 균열에 대한 성형 여유를 평가하는 기술을 제공한다. 전단 가공된 금속판에 굽힘 변형을 포함하는 프레스 성형을 실시하여 목적의 프레스 성형 부품을 제조할 때에 있어서의, 상기 전단 가공된 단면인 전단 단면에서의 굽힘 균열에 대한 성형 여유를 평가하는 방법이다. 프레스 성형 부품의 부품 형상에 근거하여 취득한 전단 단면 또는 전단 단면 근방의 굽힘 외 변형과, 프레스 성형에서 사용하는 프레스 금형에 있어서의 전단 단면을 성형하는 부분의 프레스 금형의 굽힘 반경으로부터, 프레스 성형 부품의 전단 단면에서의 굽힘 균열을 평가하기 위한 균열 지표값을 구하고, 그 구한 균열 지표값에 의해 굽힘 균열에 대한 성형 여유를 평가한다.

Description

굽힘 균열 평가 방법, 굽힘 균열 평가 시스템, 및 프레스 성형 부품의 제조 방법
본 발명은, 전단 가공된 금속판에 프레스 성형을 실시하여, 목적의 프레스 성형 부품을 제조할 때에 있어서의, 전단 단면 (端面) 에서의 굽힘 균열을 평가하는 기술, 및 그것을 이용한 프레스 성형 부품의 제조 방법에 관한 것이다.
현재, 자동차에는 경량화에 의한 연비 향상과 충돌 안전성의 향상이 요구되고 있다. 그리고, 차체의 경량화와 충돌 시의 탑승자 보호를 양립할 목적으로, 자동차용 구조 부품에는 고강도 강판이 사용되는 경향이 있다. 이와 같은 고강도 강판을 금속판으로서 사용한 경우에 있어서의 프레스 성형 시의 성형 불량의 하나로서, 균열이 있다. 특히, 고강도 강판을 프레스 성형용의 금속판으로서 사용한 경우, 전단 가공 후의 단면 (이하, 전단 단면이라고도 기재한다.) 에서의 균열의 발생이 중요한 과제가 되고 있다.
전단 단면의 균열은, 크게 나누면, 신장 플랜지 변형에 의한 균열과 굽힘 변형에 의한 균열 (굽힘 균열) 로 분류된다.
신장 플랜지 균열의 평가로서는, 예를 들어 특허문헌 1 ~ 3 에 기재된 방법이 있다. 특허문헌 1 에는, 판의 면내 방향의 변형 구배를 고려한 예측 수법이나, 판면 내의 응력 구배를 고려한 예측 수법이 기재되어 있다. 특허문헌 2 에는, 신장 플랜지 변형에 있어서의 변형 구배와 변형 집중과 파단 변형의 관계를 사용하는 기술이 기재되어 있다. 특허문헌 3 에는, 성형 한계 변형과 판면내 방향 및 판두께 방향의 변형 구배의 관계를 사용한 균열 예측 수법이 기재되어 있다.
한편으로, 전단 단면의 굽힘 균열에 관한 균열의 평가 수법은 개발되어 있지 않다. 특히, 프레스 성형 후의 프레스 성형 부품의 부품 형상이 정해져 있는 경우에, 전단 단면의 굽힘 균열을, 프레스 성형 전에 평가하는 기술의 개발에 대해 요망이 있다.
일본 공개특허공보 2010-069533호 일본 공개특허공보 2011-140046호 일본 공개특허공보 2014-115269호
본 발명은, 상기와 같은 점에 주목하여 이루어진 것으로, 실부품 (實部品) 등의 형상 정보로부터, 목적으로 하는 프레스 성형 부품으로 프레스 성형을 실시했을 때에 있어서의, 전단 단면에서의 굽힘 균열 발생을 예상하는 등, 프레스 성형 부품에서의 전단 단면의 굽힘 균열을 평가하는 기술, 및 그 기술을 이용한 프레스 성형 부품의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자는, 각종의 성형 시험에 의해, 전단 단면의 굽힘 균열이 발생하는 전단 단면 또는 전단 단면 근방의 굽힘 외 변형과, 성형 조건으로부터 구해지는 전단 단면 근방의 응력 구배의 관계를 실험적으로 구해 평가했다. 그리고, 발명자는, 프레스 성형 시의 전단 단면 또는 전단 단면 근방의 굽힘 외 변형과 성형 조건으로부터 결정되는 응력 구배의 관계를 비교함으로써, 전단 단면의 굽힘 균열에 대한 성형 여유를 평가할 수 있는 것을 발견했다.
즉, 본 발명의 양태는, 형상 정보로부터, 금속판에 필요로 되는 굽힘성의 평가 방법과, 그것을 사용한 금속판에 발생하는 균열 발생 염려의 평가 방법을 가능하게 하는 기술에 관한 것이다.
그리고, 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 양태는, 전단 가공된 금속판에 굽힘 변형을 포함하는 프레스 성형을 실시하여 목적의 프레스 성형 부품을 제조할 때에 있어서의, 상기 전단 가공된 단면인 전단 단면에서의 굽힘 균열을 평가하는 방법으로서, 상기 프레스 성형 부품의 부품 형상에 근거하여 취득한 전단 단면 또는 전단 단면 근방의 굽힘 외 변형과, 상기 프레스 성형에서 사용하는 프레스 금형에 있어서의 전단 단면을 성형하는 부분의 프레스 금형의 굽힘 반경으로부터, 상기 프레스 성형 부품의 전단 단면에서의 굽힘 균열을 평가하기 위한 균열 지표값을 구하는 것을 요지로 한다.
또, 본 발명의 다른 양태는, 전단 가공된 금속판에 굽힘 변형을 포함하는 프레스 성형을 실시하여 목적의 프레스 성형 부품을 제조할 때에 있어서의, 상기 전단 가공된 단면인 전단 단면에서의 굽힘 균열을 평가하는 굽힘 균열 평가 시스템으로서, 상기 프레스 성형 부품의 부품 형상에 근거하여 취득한 전단 단면 또는 전단 단면 근방의 굽힘 외 변형과, 상기 프레스 성형에서 사용하는 프레스 금형에 있어서의 전단 단면을 성형하는 부분의 프레스 금형의 굽힘 반경을 입력하고, 상기 입력한 굽힘 외 변형과 굽힘 반경으로부터, 상기 프레스 성형 부품의 전단 단면에서의 굽힘 균열을 평가하기 위한 균열 지표값을 구하는 균열 지표값 연산부를, 구비하는 것을 요지로 한다.
또, 본 발명의 다른 양태는, 전단 가공된 금속판에 굽힘 변형을 포함하는 프레스 성형을 실시하여 프레스 성형 부품을 제조하는 프레스 성형 부품의 제조 방법으로서, 본 발명의 양태에 관련된 굽힘 균열 평가 방법으로 프레스 성형을 실시하는 금속판을 평가하고, 상기 프레스 성형을 실시했을 때에 전단 단면에서의 굽힘 균열이 발생하지 않는다고 추정되는 금속판을 선정하고, 상기 선정한 금속판을 사용하여 상기 프레스 성형 부품을 제조하는 것을 요지로 한다.
본 발명의 양태에 의하면, 예를 들어, 후보로 하는 금속판마다, 프레스 성형하기 위해서 필요로 되는 금속판의 전단 단면에서의 굽힘 균열을 평가할 수 있다. 이로써, 본 발명의 양태에 의하면, 예를 들어, 자동차의 패널 부품, 구조·골격 부품 등의 각종 부품을 프레스 성형할 때에 사용하는 금속판의 선정이 적절한지 정밀하게 평가할 수 있게 된다. 그 결과, 본 발명의 양태에 의하면, 프레스 성형을 안정적으로 실시할 수 있음과 함께, 프레스 성형 부품의 불량률의 저감에도 크게 기여할 수 있다.
도 1 은 본 발명에 근거하는 실시형태에 관련된 프레스 성형 부품의 제조 방법의 공정예를 나타내는 도면이다.
도 2 는 본 발명에 근거하는 실시형태에 관련된 평가 방법을 설명하는 도면이다.
도 3 은 본 발명에 근거하는 실시형태에 관련된 굽힘 균열 평가 시스템을 설명하는 도면이다.
도 4 는 실시예에서 사용한 시험편 형상을 나타내는 도면이다.
도 5 는 실시예에서 사용한 시험편 형상을 나타내는 도면이다.
도 6 은 V 굽힘 시험에서 취득한 균열 길이와 굽힘 반경의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7 은 절결 인장 시험에 의해 취득한 균열 길이와 스트로크량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 8 은 굽힘 한계 변형과, 조합 응력 구배의 관계를 나타내는 도면이다.
도 9 는 실시예에 있어서의 목적으로 하는 실부품 (프레스 성형 부품) 에 있어서의 전단 굽힘 균열의 평가 위치의 예를 나타내는 도면이다.
도 10 은 실부품에 있어서의, 안전율도 가미한 성형 한계의 평가 결과를 나타내는 도면이다.
다음으로, 본 실시형태에 대해 도면을 참조하면서 설명한다.
본 실시형태는, 전단 가공된 금속판에 굽힘 변형을 포함하는 프레스 성형을 실시하여 목적의 프레스 성형 부품 (이하, 실부품이라고도 기재한다) 을 제조할 때에 있어서의, 전단 단면에서의 굽힘 균열을 평가하는 방법에 관한 것이다. 굽힘 균열의 평가는, 예를 들어, 굽힘 균열의 성형 여유에 대해 평가한다.
즉, 본 실시형태에 있어서의 프레스 성형 부품의 제조 방법은, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 공지된 프레스 장치에 의해, 전단 가공된 금속판에 굽힘 변형을 포함하는 프레스 성형을 실시하여 목적의 프레스 성형 부품을 제조하는 프레스 제조 공정 (51) 을 갖는다. 본 실시형태는, 그 프레스 제조 공정 (51) 에서 실제로 프레스 성형 부품을 프레스 성형하는 전공정 (前工程) 으로서, 금속판의 굽힘 균열을 평가하는 굽힘 균열 평가 공정 (50) 을 구비한다.
본 실시형태의 굽힘 균열 평가 공정 (50) 은, 예를 들어, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 공정 1 ~ 공정 5 를 구비한다. 공정 1 은, 형상 정보로부터, 평가 위치 혹은 그 근방의 굽힘 외 변형을 취득한다. 공정 2 는, 형상 정보로부터, 평가 위치 혹은 그 근방의 굽힘 반경을 취득한다. 공정 3 은, 취득한 굽힘 외 변형과 굽힘 반경으로부터 평가 위치에서의 균열 지표값을 구한다. 공정 4 는, 대상으로 하는 금속판마다, 평가의 기준 정보로서 굽힘 변형 한계를 구한다. 공정 5 는, 공정 3 에서 구한 균열 지표값을, 공정 4 에서 미리 구한 굽힘 변형 한계와 비교함으로써, 평가하는 전단 단면에서의 굽힘 균열을 평가한다.
상기의 굽힘 균열 평가 공정 (50) 은, 예를 들어 굽힘 균열 평가 시스템 (53) 에서 실행된다. 굽힘 균열 평가 시스템 (53) 은, 예를 들어, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 굽힘 외 변형 취득부 (53A), 굽힘 반경 취득부 (53B), 균열 지표값 연산부 (53C), 굽힘 변형 한계 취득부 (53D), 및 굽힘 균열 평가부 (53E) 를 구비한다.
굽힘 외 변형 취득부 (53A) 는, 취득한 형상 정보로부터, 평가 위치 혹은 그 근방의 굽힘 외 변형을 취득하는 처리를 실행한다. 굽힘 반경 취득부 (53B) 는, 취득한 형상 정보로부터, 평가 위치 혹은 그 근방의 굽힘 반경을 취득하는 처리를 실행한다. 균열 지표값 연산부 (53C) 는, 굽힘 외 변형 취득부 (53A) 가 취득한 굽힘 외 변형과, 굽힘 반경 취득부 (53B) 가 취득한 굽힘 반경으로부터 평가 위치에서의 균열 지표값을 구하는 처리를 실행한다. 굽힘 변형 한계 취득부 (53D) 는, 대상으로 하는 금속판마다, 평가의 기준 정보로서 굽힘 변형 한계를 구하는 처리를 실행한다. 굽힘 균열 평가부 (53E) 는, 균열 지표값 연산부 (53C) 에서 구한 균열 지표값을, 굽힘 변형 한계 취득부 (53D) 에서 미리 구한 굽힘 변형 한계와 비교함으로써, 평가하는 전단 단면에서의 굽힘 균열을 평가하는 처리를 실행한다. 굽힘 외 변형 취득부 (53A), 굽힘 반경 취득부 (53B), 균열 지표값 연산부 (53C), 굽힘 변형 한계 취득부 (53D), 및 굽힘 균열 평가부 (53E) 중, 적어도 균열 지표값 연산부 (53C) 는, 컴퓨터에서 실행되는 프로그램으로서 제공되고 있다.
본 실시형태에서는, 상기의 굽힘 외 변형과 굽힘 반경을, 실부품이나 프레스 금형의 형상 정보로부터 구하는 점에 특징의 하나가 있다.
그 구체적인 굽힘 균열의 평가 방법이나 평가 시스템의 처리로서, 본 실시형태에서는, 제 1 실시형태와 제 2 실시형태를 예시할 수 있다.
＜제 1 실시형태＞
제 1 실시형태는, 목적으로 하는 프레스 성형 부품의 부품 형상의 형상 정보와, 목적으로 하는 프레스 성형 부품으로 성형하기 위한 프레스 금형의 형상 정보에 근거하여, 굽힘 변형을 포함하는 프레스 성형을 실시할 때의 전단 단면에서의 굽힘 균열을 평가하는 평가 방법 및 평가 시스템의 예이다.
제 1 실시형태에서는, 먼저, 공정 1 (굽힘 외 변형 취득부 (53A)) 에서, 실부품의 형상으로부터, 당해 실부품에 있어서의 평가하는 전단 단면 또는 전단 단면 근방의 굽힘 외 변형을 취득하는 처리를 실행한다. 또, 공정 2 (굽힘 반경 취득부 (53B)) 에서, 사용하는 프레스 금형의 형상 정보로부터, 평가하는 전단 단면을 성형하는 부분의 프레스 금형의 굽힘 반경을 취득하는 처리를 실행한다.
다음으로, 공정 3 (균열 지표값 연산부 (53C)) 에서, 취득한 굽힘 외 변형과 굽힘 반경으로부터, 목적으로 하는 프레스 성형 부품의 전단 단면에서의 굽힘 균열을 평가하기 위한 균열 지표값을 구하는 처리를 실행한다.
또, 공정 4 (굽힘 변형 한계 취득부 (53D)) 에서, 대상으로 하는 금속판마다, 평가의 기준 정보로서 굽힘 변형 한계를 구하는 처리를 실행한다.
그리고, 공정 5 (굽힘 균열 평가부 (53E)) 에서, 구한 균열 지표값에 의해, 굽힘 균열을 평가하는 처리를 실행한다. 본 실시형태에서는, 공정 5 (굽힘 균열 평가부 (53E)) 에서, 구한 균열 지표값에 의해 굽힘 균열에 대한 성형 여유를 평가한다.
여기서, 공정 1 (굽힘 외 변형 취득부 (53A)) 및 공정 2 (굽힘 반경 취득부 (53B)) 에 있어서, 실부품의 형상 정보나 프레스 금형의 형상 정보로부터의 측정의 처리는, 실부품의 현물을 측정해 구해도 되고, 그 실부품이나 프레스 금형의 형상 데이터로부터 취득해도 된다.
＜제 2 실시형태＞
제 2 실시형태에서는, 공정 2 (굽힘 반경 취득부 (53B)) 에서, 균열 지표값을 구할 때에 사용하는 굽힘 반경을, 실부품의 형상 정보로부터 취득하는 처리를 실행한다. 공정 2 (굽힘 반경 취득부 (53B)) 는, 실부품의 형상 정보로부터의 측정의 처리는, 실부품의 현물을 측정해 구해도 되고, 그 실부품의 형상 데이터로부터 취득해도 된다. 그 밖의 구성은, 제 1 실시형태와 동일하므로 설명을 생략한다.
즉, 제 2 실시형태에서는, 공정 1 (굽힘 외 변형 취득부 (53A)) 및 공정 2 (굽힘 반경 취득부 (53B)) 에 있어서, 실부품의 형상을 측정하는 등의 처리에 의해, 실부품의 형상 정보로부터, 간이적으로, 굽힘 외 변형과 굽힘 반경을 취득하는 처리를 실행한다.
여기서, 프레스 금형으로부터 굽힘 반경을 구하는 경우에 비해, 실부품으로부터 굽힘 반경을 구하는 경우, 스프링백분의 오차가 발생한다. 이 때문에, 제 2 실시형태는, 제 1 실시형태에 비해 정밀도가 떨어지지만, 평가의 정보 취득이 용이해지는 이점이 있다.
＜굽힘 반경에 대해＞
굽힘 반경의 취득 위치는, 평가하는 전단 단면 또는 그 전단 단면 근방이다.
여기서, 본 명세서에 있어서, 「전단 단면 근방」이란, 예를 들어, 전단 단면으로부터, 당해 전단 단면으로부터 멀어지는 방향으로, 판의 면 방향을 따라 5 mm 이내, 바람직하게는 3 mm 이내의 범위를 가리킨다.
굽힘 반경은, 프레스 금형으로부터 구하는 경우에는, 상기 서술한 바와 같이 당해 프레스 금형의 형상 정보를 외부의 데이터베이스 등으로부터 취득해 구해도 되고, 실제로 금형의 표면 형상을 측정해 구해도 된다.
굽힘 반경을 실부품으로부터 구하는 경우에는, 굽힘 반경은, 실부품의 외형 프로필을 측정함으로써 구하면 된다. 실부품의 상세한 형상 데이터가 있는 경우에는, 그 형상 데이터로부터 굽힘 반경을 구해도 된다.
＜굽힘 외 변형에 대해＞
굽힘 외 변형의 취득 위치는, 평가하는 전단 단면 또는 그 전단 단면 근방이다. 「굽힘 외」란, 굽힘에 수반하는 볼록해지는 면측을 가리킨다.
공정 1 (굽힘 외 변형 취득부 (53A)) 에 있어서, 전단 단면 또는 전단 단면 근방의 굽힘 외 변형은, 예를 들어, 전단 단면 또는 전단 단면 근방의 판두께 감소율과, 전단 단면 또는 전단 단면 근방의 굽힘 반경으로부터 산출한다.
판두께 감소율은, 프레스 성형에 의한 당초의 판두께 (프레스 전의 판두께) 로부터의 감소율이다.
굽힘 외 변형의 산출 방법은, 예를 들어, 실부품에 있어서의 전단 단면 또는 전단 단면 근방의 판두께 감소율과 굽힘 반경을 측정하고, 굽힘 외 변형을, 순굽힘 이론과 판두께 감소율로부터, (1) 식에 의해 구한다. 이 방법에 의하면 굽힘 외 변형의 취득이 간이적이고 바람직하다.
εbend-out = 2 × εthickness
＋ (t/2)/(R＋t) ···(1)
여기서,
εbend-out : 전단 단면 또는 전단 단면 근방의 굽힘 외 변형
εthickness : 전단 단면 또는 전단 단면 근방의 판두께 변형으로, 판두께 감소율 [%] 로부터 구해지는 값
R : 전단 단면 또는 전단 단면 근방에 있어서의, 성형 후의 부품의 굽힘 반경
t : 성형 전의 금속판의 판두께
이다.
(1) 식은, 우변 제 1 항이, 프레스 성형 시의 장력에 의한 변형을 나타내고, 우변 제 2 항이, 프레스 성형 시의 굽힘 변형에 의한 변형을 나타낸다.
여기서, 판두께 감소율의 취득 위치는, 상기 서술한 바와 같이, 굽힘 균열을 평가하는 전단 단면으로부터, 판면 방향을 따라 5 mm 이내의 범위로 한다. 판면 방향은, 전단 단면의 가장자리에 직교하는 방향 혹은 대략 직교하는 방향이 바람직하다. 전단 단면으로부터 5 mm 보다 떨어진 위치에서의 판두께 감소율을 측정하면, 프레스 성형 부품에 있어서의 다른 프레스 조건의 영향을 받으므로, 평가부의 측정 정밀도가 저하할 염려가 있다. 보다 바람직하게는, 판두께 감소율의 취득 위치는, 전단 단면으로부터 판면 방향으로 3 mm 이내의 범위이다.
굽힘 외 변형의 산출은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 가공 전의 금속판의 전단 단면에 격자를 전사한 후에 성형 시험을 실시하고, 격자의 변형으로부터, 굽힘 외 변형을 직접 측정하는 방법이어도 된다. 이와 같이, 형상 정보나 실험에 의한 측정값을 사용하여 굽힘 외의 변형을 구할 수 있으면, 어떠한 방법으로 구해도 상관없다.
＜균열 지표값＞
균열 지표값은, 목적으로 하는 프레스 성형 부품에 있어서의, 전단 단면에서의 굽힘 균열을 평가하기 위한 데이터이다. 이 균열 지표값은, 공정 3 (균열 지표값 연산부 (53C)) 이, 상기와 같이 하여 취득한 굽힘 외 변형과 굽힘 반경으로부터 구한다.
본 실시형태에 있어서의 지표값은, 평가하는 전단 단면 혹은 그 전단 단면 근방에서의, 굽힘 외 변형과 응력 구배를 파라미터로 한 값으로 이루어진다. 즉, 본 실시형태에 있어서의 지표값은, (굽힘 외 변형, 응력 구배) 의 데이터의 조 (組) 로 표현된다. 본 실시형태에서의 응력 구배는, 판두께 방향의 응력 구배이다.
여기서, 균열 염려부 (평가 위치) 의 응력 구배는, 사용하는 금속판의 응력-변형 관계와, 전단 단면 또는 전단 단면 근방의 변형 분포로부터 구해진다. 균열 염려부 (평가 위치) 의 응력 구배는, 간이적으로는, 전단 단면 또는 전단 단면 근방의 판두께 방향의 응력 구배로부터 산출한다.
응력 구배를 취득하는 범위는, 균열 판정 기준이 되는 균열 길이에 동등한 길이가 바람직하지만, 전단 단면의 혹은 그 근방의 응력 구배의 산출이 가능하다면 어떠한 취득 범위여도 상관없다. 응력 구배는, 상기 응력을 취득하는 범위에서의 평균 구배로 하는 것이 바람직하다.
응력 구배의 산출 방법의 일례를, 이하에 나타낸다.
여기서, 금속판의 응력을 변형의 함수로서 (2) 식으로 정의한다.
σ = σ(ε) ···(2)
금속판의 응력-변형 관계는, 단축 인장 시험으로부터 구하고, Swift 나 Voce 의 식으로 대변형역의 응력까지 외삽하는 것이 일반적이지만, 어떠한 공지된 방법으로, (2) 식을 정의해도 상관없다.
굽힘 외 변형에 있어서의 응력은, (2) 식에 (1) 식을 대입한 (3) 식으로 구해진다.
σbend-out = σ(εbend-out) ···(3)
또, 굽힘 외로부터의 균열 판정의 균열 길이 x 만큼 내측의 변형은, (1) 식과 동일하게 하여 (4) 식으로 구해진다.
εbend-in = 2 × εthickness
＋ ((t/2) - x)/(R ＋ (t - x)) ···(4)
여기서,
εbend-in : 굽힘 외로부터 균열 판정의 균열 길이만큼 내측의 변형
이다.
그리고, 굽힘 외로부터 균열 판정의 균열 길이만큼 내측의 응력은, (2) 식과 (4) 식으로부터, (5) 식으로 표현된다.
σbend-in = σ(εbend-in) ···(5)
이상으로부터, 전단 단면 또는 전단 단면 근방의 응력 구배 Δσ 는, (6) 식으로 구해진다.
Δσ = (σbend-out - σbend-in)/x ···(6)
＜균열 지표값에 의한 굽힘 균열에 대한 성형 여유의 평가에 대해＞
굽힘 균열에 대한 성형 여유의 평가는, 공정 4 (굽힘 변형 한계 취득부 (53D)) 에서 미리 구한, 전단 단면의 굽힘 변형 한계와, 공정 3 (균열 지표값 연산부 (53C)) 에서 구한, 균열 지표값의 관계에 의해 평가할 수 있다.
(전단 단면의 굽힘 변형 한계의 결정 방법)
전단 단면의 굽힘 변형 한계는, 공정 4 (굽힘 변형 한계 취득부 (53D)) 에 있어서, 예를 들어, 전단 단면을 갖는 시험편을 준비하고, 변형 중에 발생하는 응력 구배가 상이한 2 종류 이상의 성형 시험을 실시하여 얻어진 데이터로부터 결정한다.
시험 방법으로서는, 예를 들어, 변형 중의 전단 단면 근방의 응력 구배가 큰 V 굽힘 시험과, 변형 중의 전단 단면 근방의 응력 구배가 작은 절결 인장 시험의 2 종류의 시험이 바람직하다. 무엇보다, 동일한 조건으로 제작한 전단 단면을 갖는 시험편에 대해, 응력 구배가 상이한 변형을 부여할 수 있고, FEM 해석으로 시험을 재현할 수 있으면, 어떠한 시험 방법이어도 상관없다.
시험 개시 전에, 각 성형 시험에 있어서의 균열 판정 기준을 결정해 둔다.
균열 판정 기준의 결정 방법은, 예를 들어 균열 판정으로 하는 균열 길이를 규정해 두는 방법이나, 판두께에 대한 균열 길이의 비율로 규정해 두는 방법이나, 판두께 방향으로의 균열 관통으로 균열로 판정하는 방법 등 여러 가지 것이 있지만, 어느 판정 기준을 사용해도 상관없다.
각종 성형 시험을 실시 후, 균열 발생 시의 균열 길이와 성형 조건의 관계를 취득함으로써, 전단 단면의 균열 한계에 있어서의 성형 조건 (굽힘 변형 한계) 을 결정한다.
이와 같이 하여, 각 성형 시험의 굽힘 변형 한계 변형과 균열 염려부 근방의 응력 구배의 관계를 실험적으로 구한다. 이때, 2 종류 이상의 시험 결과로부터, (7) 식으로 나타내는, 선형 근사의 관계식을 구하고, 이 관계식 ((7) 식) 을 전단 단면의 굽힘 변형 한계선으로 한다.
εlim = A·Δσ ＋ B, B ≥ 0 ···(7)
여기서, A, B 는 재료 정수이다.
또한, (7) 식의 관계식으로 나타내는 굽힘 변형 한계선은, 굽힘 변형과 응력 구배의 관계의 식으로 되어 있다.
(프레스 성형 시의 전단 단면에서의 굽힘 균열 평가 (위험 판정) 에 대해)
목적의 프레스 성형 부품에 있어서, 균열 위험을 평가하고 싶은 부분의 전단 단면의 굽힘 균열 발생 염려 부위의 굽힘 외 변형 εedge 와 그 응력 구배를, 균열 지표값으로서 취득한다.
그리고, 균열 위험을 판정하고 싶은 전단 단면 부분의 응력 구배에 있어서의, 균열 지표값으로서의 변형 εedge 와 굽힘 변형 한계 변형 εlim 을 비교함으로써, 굽힘 균열에 대한 성형 여유를 평가한다.
공정 5 (굽힘 균열 평가부 (53E)) 에 있어서의, 평가의 일례로서는, 균열 위험의 판정이 있다. 예를 들어, 공정 5 (굽힘 균열 평가부 (53E)) 에서, (8) 식의 조건을 만족할 때에 균열 위험으로 판정하는 처리를 실행한다.
εedge ≥ S × εlim ···(8)
여기서, S 는, 사용하는 금속판의 특성이나 프레스 성형 조건의 편차 등을 고려한 안전율이다. 안전율을 고려하지 않으면, S 를 1 로 한다. 안전율을 고려하는 경우에는, 예를 들어 S 를 0.5 로 한다. 이것은 950 MPa 이상의 고강도 강판에 있어서는, 전단 단면의 굽힘 균열 한계 변형의 50 % 의 변형이 부여된 단계에서, 전단 단면의 굽힘 변형 시에 굽힘 외측의 표면으로부터 발생하는 모발 균열 (미소한 크랙) 의 균열 길이가 성장하기 시작하는 경향이 있기 때문이다. 금속판의 인장 강도가 낮을수록, S 를 1 에 가깝게 하면 된다.
또, 예를 들어 「S × εlim - εedge」를 성형 여유도 D 로 정의하고, 공정 5 (굽힘 균열 평가부 (53E)) 에 있어서, 성형 여유도 D 로 성형 여유 상태를 평가하도록 해도 된다.
이상과 같이, 본 실시형태에 의하면, 예를 들어, 선정한 금속판에 있어서의, 프레스 성형으로 목적의 프레스 성형 부품으로 했을 때에 있어서의, 전단 단면에서의 성형 여유를 평가할 수 있다. 이로써, 예를 들어, 자동차의 패널 부품, 구조·골격 부품 등의 미리 결정한 부품으로 프레스 성형할 때에, 금속판의 선정이 적절한지 정밀하게 평가할 수 있게 된다.
예를 들어, 프레스 제조 공정 (51) 에서, 전단 가공된 금속판에 굽힘 변형을 포함하는 프레스 성형을 실시하여 프레스 성형 부품을 제조할 때에, 미리 굽힘 균열 평가 공정 (50) 에서, 프레스 성형을 실시하는 금속판을 평가하여, 상기 프레스 성형을 실시했을 때에 전단 단면에서의 굽힘 균열에 여유가 있다고 추정되는, 즉 굽힘 균열이 발생하지 않는다고 추정되는 금속판을 선정한다. 그리고, 프레스 제조 공정 (51) 에서, 선정한 금속판을 사용하여 프레스 성형 부품을 제조한다.
이로써, 프레스 성형을 안정적으로 실시할 수 있음과 함께, 프레스 성형 부품의 불량율의 저감에도 크게 기여할 수 있다.
실시예
다음으로, 본 발명에 근거하는 실시예에 대해 설명한다.
여기서는, 3 종류의 공시재 A, B 및 C 를, 전단 가공된 금속판의 선택 대상으로 한 실시예에 대해 설명한다.
표 1 에 각 공시재의 재료 특성을 나타낸다. 여기서, 표 1 중에서 사용되고 있는 Swift 의 식은, 「σ = K(a0 ＋ ε)n」이다.
Figure 112021095778654-pct00001
각 공시재에 대해 타발 구멍을 제작하고, 소정의 시험편 형상으로 절단하여 제작했다 (도 4, 도 5 참조).
타발 클리어런스는 판두께의 5 % 이상 20 % 이하가 바람직하다. 5 % 미만이 되면 2 차 전단면이 발생한다. 한편, 20 % 보다 크면 현저한 버가 발생하기 때문에, 그것들이 균열 발생의 기점이 되어, 단면의 성형성을 불안정 또한 저하시킨다. 이와 같이, 타발 클리어런스가 판두께의 5 % 이상 20 % 이하로부터 벗어나면, 부품 양산 시의 클리어런스로서도 바람직하지 않다. 클리어런스는, 보다 좁은 범위의 10 % 이상 15 % 이하로 하는 편이, 성형성이 안정되기 때문에 보다 바람직하다.
도 4 에, V 굽힘 시험용의 시험편 형상을 나타낸다. 도 5 에, 절결 인장 시험용의 시험편 형상을 나타낸다.
그리고, 도 4 의 시험편에 대해 굽힘 반경을 변경하여 V 굽힘 시험을 실시하고, 도 6 과 같은, 전단 단면의 균열 길이와 성형 조건 (금형 굽힘 반경) 의 관계를 취득했다.
또, 도 5 의 시험편에 대해 인장의 스트로크량을 변경하여 절결 인장 시험을 실시하고, 도 7 과 같은, 전단 단면의 균열 길이와 성형 조건 (스트로크량) 의 관계를 취득했다.
본 실시예에서는, 균열 길이 200 ㎛ 이상의 시험 결과를 균열로 판정했다.
무엇보다, 전술한 바와 같이, 굽힘 균열의 판정 기준은 임의로 결정할 수 있고, 균열 길이에 의한 제약은 없다. 균열 길이는 판두께의 100 % 로 해도 되고, 판두께의 50 % 로 해도 된다. 또한, 대상으로 하는 프레스 부품의 불량률을 낮추려면 균열 길이가 보다 짧을 때에 균열로 판정하는 편이 좋다. 그 경우, 굽힘 균열의 판정 기준은, 판두께의 50 % 이하가 바람직하고, 30 % 이하가 보다 바람직하다.
여기서는, 상기와 같이, 균열 길이 200 ㎛ 이상을 균열로 판정하도록 규정함으로써, 각 시험에 있어서의 균열 판정 시의 성형 조건을 결정했다.
표 2 에, 각 성형 조건에 있어서의 전단 단면의 굽힘 반경, 판두께 감소율, (1) 식을 사용하여 계산한 굽힘 외 변형, 및 (1) 식 ~ (6) 식에 의해 계산한 응력 구배의 산출 결과를 나타낸다.
Figure 112021095778654-pct00002
여기서, 성형 조건인 굽힘 반경은, 성형 후의 샘플의 전단 단면을 마이크로스코프로 관찰함으로써 구했다. 그 이유는 다음과 같다. 즉, 순굽힘 변형에 가까운 V 굽힘 시험에서는, 전단 단면에서 능선 휨이 발생하고, 프레스 금형의 굽힘 반경과 상이한 굽힘 반경으로 전단 단면이 구부러진다. 한편, 절결 인장 시험에서는, 잘록해짐의 발생에 의해, 전단 단면에 기하학적으로 매우 미소한 굽힘 성형이 가해진다. 이와 같이 시험에 의해 형성되는 굽힘의 형태가 상이하기 때문이다.
또한, 본 실시예에서는, 절결 인장에 있어서의 굽힘 반경도 계산에 고려하고 있다. 그러나, 실용상에 있어서는, 절결 인장에 있어서 발생하는 미소한 굽힘 변형에 의해 발생하는 굽힘 성분의 굽힘 외 변형은 무시해도 상관없다.
이들 결과로부터, 도 8 에 나타내는 바와 같은, 굽힘 변형 한계의 굽힘 외 변형-응력 구배의 관계를, 공시재마다 취득했다. 즉, 각 공시재에 대해, 개별적으로 굽힘 변형 한계의 굽힘 외 변형-응력 구배의 관계를 얻었다.
이 결과로부터, 목적으로 하는 프레스 성형 부품의 균열 지표값인, 굽힘 외 변형과 응력 구배를 실험적으로 취득하면, 전단 단면의 성형 여유도를 평가할 수 있다. 예를 들어, 각 공시재로 이루어지는 금속판을 사용한 경우에 있어서의, 전단 단면에서의 굽힘 균열의 위험성을 각각 판정할 수 있다.
일례로서, 도 9 에 나타내는 형상의 프레스 성형 부품 (20) 에 있어서의 평가 위치 (20A) 를 나타낸다.
프레스 성형되는 금속판의 재료로서 공시재 A ~ C 를 사용했다. 또, 굽힘 균열의 평가는 성형이 가장 곤란한 일 지점으로 했다 (도 9 참조).
평가했을 때의 측정 결과를 표 3 및 도 10 에 나타낸다.
Figure 112021095778654-pct00003
또한, 도 10 에서는, 본 평가에서는 성형 여유 검토를 위한 (8) 식의 안전율 S 를 0.5 로 했다.
본 평가로부터, 공시재 C 는 현단계에서는 성형되어 있지만, 여유도도 가미하면 프레스 조건의 변화 등으로 전단 단면이 굽힘 균열할 염려가 있는 것을 알 수 있었다.
이와 같이 사용하는 금속판의 조건마다, 굽힘 균열에 대한 성형 여유를 평가할 수 있는 것을 알 수 있다.
여기서, 본 발명은, 상기에 설명한 내용에 한정되는 것이 아니고, 예를 들어, 상기 실시예에서는, 인장 강도가 980 MPa 급 이상인 강판 (1180 MPa 급인 강판) 에 적용한 예를 나타내고 있고, 본 발명은, 이와 같은 고강도 강판의 프레스 성형에 적용하는 것이 바람직하지만, 인장 강도가 980 MPa 급 미만인 강판이나, 강판 이외의 금속판에 적용할 수도 있다.
또, 본원이 우선권을 주장하는, 일본 특허 출원 2019-033076 (2019년 2월 26일 출원) 의 전체 내용은, 참조에 의해 본 개시의 일부를 이룬다. 여기서는, 한정된 수의 실시형태를 참조하면서 설명했지만, 권리 범위는 그들에 한정되는 것이 아니고, 상기의 개시에 근거하는 각 실시형태의 개변은 당업자에게 있어 자명한 것이다.
20 : 프레스 성형 부품
20A : 평가 위치
50 : 굽힘 균열 평가 공정
51 : 프레스 제조 공정
53 : 굽힘 균열 평가 시스템
53A : 굽힘 외 변형 취득부
53B : 굽힘 반경 취득부
53C : 균열 지표값 연산부
53D : 굽힘 변형 한계 취득부
53E : 굽힘 균열 평가부

Claims (10)

  1. 전단 가공된 금속판에 굽힘 변형을 포함하는 프레스 성형을 실시하여 목적의 프레스 성형 부품을 제조할 때에 있어서의, 상기 전단 가공된 단면인 전단 단면에서의 굽힘 균열을 평가하는 방법으로서,
    상기 프레스 성형 부품의 부품 형상에 근거하여 취득한 전단 단면 또는 전단 단면 근방의 굽힘 외 변형과, 상기 프레스 성형에서 사용하는 프레스 금형에 있어서의 전단 단면을 성형하는 부분의 프레스 금형의 굽힘 반경으로부터, 상기 프레스 성형 부품의 전단 단면에서의 굽힘 균열을 평가하기 위한 균열 지표값을 구하고,
    상기 굽힘 외 변형은, 굽힘에 수반하여 볼록해지는 면측의 변형이고,
    상기 균열 지표값은, 상기 굽힘 외 변형과 응력 구배의 데이터의 조 (組) 로 표현되는 것을 특징으로 하는 굽힘 균열 평가 방법.
  2. 전단 가공된 금속판에 굽힘 변형을 포함하는 프레스 성형을 실시하여 목적의 프레스 성형 부품을 제조할 때에 있어서의, 상기 전단 가공된 단면인 전단 가공면에서의 굽힘 균열을 평가하는 방법으로서,
    상기 프레스 성형 부품의 부품 형상에 근거하여, 전단 단면 또는 전단 단면 근방의 굽힘 외 변형과 굽힘 반경을 취득하고, 그 취득한 굽힘 외 변형과 굽힘 반경으로부터, 상기 프레스 성형 부품의 전단 단면에서의 굽힘 균열을 평가하기 위한 균열 지표값을 구하고,
    상기 굽힘 외 변형은, 굽힘에 수반하여 볼록해지는 면측의 변형이고,
    상기 균열 지표값은, 상기 굽힘 외 변형과 응력 구배의 데이터의 조 (組) 로 표현되는 것을 특징으로 하는 굽힘 균열 평가 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 프레스 성형 부품의 부품 형상에 근거하여 취득한 전단 단면 또는 전단 단면 근방의 판두께 감소율과, 상기 굽힘 반경으로부터, 하기 식 (1) 에 의해 상기 굽힘 외 변형을 산출하는 것을 특징으로 하는 굽힘 균열 평가 방법.
    εbend-out = 2 × εthickness ＋ (t/2)/(R＋t) ···(1)
    여기서,
    εbend-out : 전단 단면 또는 전단 단면 근방의 굽힘 외 변형
    εthickness : 전단 단면 또는 전단 단면 근방의 판두께 감소율
    R : 전단 단면 또는 전단 단면 근방에 있어서의, 프레스 성형 부품의 굽힘 반경
    t : 성형 전의 금속판의 판두께
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 판두께 감소율을 구하는 부위를, 전단 단면으로부터 판면을 따라 5 mm 이내의 범위로 하는 것을 특징으로 하는 굽힘 균열 평가 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 균열 지표값은, 상기 금속판의 응력-변형 관계를 이용하여, 상기 굽힘 외 변형과 상기 굽힘 반경으로부터 구해지는 전단 단면 또는 전단 단면 근방에서의 판두께 방향의 응력 구배와, 상기 굽힘 외 변형으로 표현되는 것을 특징으로 하는 굽힘 균열 평가 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 균열 지표값에 의해 굽힘 균열에 대한 성형 여유를 평가하는 것을 특징으로 하는 굽힘 균열 평가 방법.
  7. 전단 가공된 금속판에 굽힘 변형을 포함하는 프레스 성형을 실시하여 목적의 프레스 성형 부품을 제조할 때에 있어서의, 상기 전단 가공된 단면인 전단 단면에서의 굽힘 균열을 평가하는 방법으로서,
    상기 프레스 성형 부품의 형상 정보에 근거하여 취득한, 평가하는 전단 단면 또는 그 전단 단면 근방에 있어서의, 판두께 방향의 응력 구배와 굽힘 외 변형으로 표현되는 균열 지표값으로부터, 상기 프레스 성형 부품의 전단 단면에서의 굽힘 균열을 평가하고,
    상기 굽힘 외 변형은, 굽힘에 수반하여 볼록해지는 면측의 변형이고,
    상기 균열 지표값은, 상기 굽힘 외 변형과 상기 응력 구배의 데이터의 조 (組) 로 표현되고,
    미리 실험에서 응력 구배와 굽힘 외 변형의 한계와의 관계를 구하고, 그 구한 관계와 상기 균열 지표값을 비교함으로써, 상기 프레스 성형 부품의 전단 단면에서의 굽힘 균열을 평가하는 것을 특징으로 하는 굽힘 균열 평가 방법.
  8. 전단 가공된 금속판에 굽힘 변형을 포함하는 프레스 성형을 실시하여 목적의 프레스 성형 부품을 제조할 때에 있어서의, 상기 전단 가공된 단면인 전단 단면에서의 굽힘 균열을 평가하는 굽힘 균열 평가 시스템으로서,
    상기 프레스 성형 부품의 부품 형상에 근거하여 취득한 전단 단면 또는 전단 단면 근방의 굽힘 외 변형과, 상기 프레스 성형에서 사용하는 프레스 금형에 있어서의 전단 단면을 성형하는 부분의 프레스 금형의 굽힘 반경을 입력하고, 입력한 상기 굽힘 외 변형과 굽힘 반경으로부터, 상기 프레스 성형 부품의 전단 단면에서의 굽힘 균열을 평가하기 위한 균열 지표값을 구하는 균열 지표값 연산부를, 구비하고,
    상기 굽힘 외 변형은, 굽힘에 수반하여 볼록해지는 면측의 변형이고,
    상기 균열 지표값은, 상기 굽힘 외 변형과 응력 구배의 데이터의 조 (組) 로 표현되는 것을 특징으로 하는 굽힘 균열 평가 시스템.
  9. 전단 가공된 금속판에 굽힘 변형을 포함하는 프레스 성형을 실시하여 목적의 프레스 성형 부품을 제조할 때에 있어서의, 상기 전단 가공된 단면인 전단 가공면에서의 굽힘 균열을 평가하는 굽힘 균열 평가 시스템으로서,
    상기 프레스 성형 부품의 부품 형상에 근거하여 취득한 전단 단면 또는 전단 단면 근방의 굽힘 외 변형과 굽힘 반경을 입력하고, 그 입력한 굽힘 외 변형과 굽힘 반경으로부터, 상기 프레스 성형 부품의 전단 단면에서의 굽힘 균열을 평가하기 위한 균열 지표값을 구하는 균열 지표값 연산부를, 구비하고,
    상기 굽힘 외 변형은, 굽힘에 수반하여 볼록해지는 면측의 변형이고,
    상기 균열 지표값은, 상기 굽힘 외 변형과 응력 구배의 데이터의 조 (組) 로 표현되는 것을 특징으로 하는 굽힘 균열 평가 시스템.
  10. 전단 가공된 금속판에 굽힘 변형을 포함하는 프레스 성형을 실시하여 프레스 성형 부품을 제조하는 프레스 성형 부품의 제조 방법으로서,
    제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 굽힘 균열 평가 방법으로 프레스 성형을 실시하는 금속판을 평가하고, 상기 프레스 성형을 실시했을 때에 전단 단면에서의 굽힘 균열이 발생하지 않는다고 추정되는 금속판을 선정하고,
    선정한 상기 금속판을 사용하여 상기 프레스 성형 부품을 제조하는 것을 특징으로 하는 프레스 성형 부품의 제조 방법.
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