KR102499446B1 - 프레스 부품의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

전단 단면의 지연 파괴 발생을 방지하기 위해서, 프레스 성형 후의 금속판의 전단 단면에 발생한 인장 잔류 응력을 저감하는 프레스 가공 기술을 제공한다. 전단 단면을 갖는 금속판을 프레스 성형하여 프레스 부품을 제조하는 프레스 부품의 제조 방법으로서, 이형 후에 상기 금속판의 전단 단면의 일부에 전단 가장자리를 따른 방향으로 인장 잔류 응력이 발생하는 것으로 추정되는 제 1 프레스 성형 공정을 포함하고, 상기 제 1 프레스 성형 공정의 후공정으로서, 적어도 상기 인장 잔류 응력이 발생하는 것으로 추정되는 전단 단면의 지점을 포함하는 영역을, 판두께 방향으로 돌출 성형하는 인장 잔류 응력 완화 공정 (5) 을 갖는다,

Description

프레스 부품의 제조 방법

본 발명은, 프레스 성형 후에, 금속판으로 이루어지는 프레스 부품의 전단 단면 (端面) 으로부터 발생하는 지연 파괴를 억제하는 기술에 관한 것이다.

현재, 자동차에는, 경량화에 의한 연비 향상과 충돌 안전성의 향상이 요구되고 있다. 이 때문에, 자동차에는, 차체의 경량화와 충돌 시의 탑승자 보호를 양립하는 목적으로, 차체에 고강도 강판이 사용된다. 특히, 최근에는 인장 강도 980 ㎫ 이상의 초고강도 강판을 차체에 적용하는 경향이 있다. 초고강도 강판을 차체에 적용할 때의 과제 중 하나로, 사용에 의해 시간 경과적으로 발생하는 지연 파괴가 있다. 특히, 인장 강도 1470 ㎫ 이상의 강판의 프레스 가공에서는, 전단 가공 후의 단면 (이하, 전단 단면이라고도 기재한다) 으로부터 발생하는 지연 파괴가 중요한 과제로 되어 있다.

또한, 프레스 성형으로 수축 플랜지 변형을 수반하는 프레스 가공에서는, 이형 후의 스프링백에 의해, 전단 단면에 인장 잔류 응력이 부여되는 것이 알려져 있다.

전단 단면의 지연 파괴를 억제하기 위해서는, 전단 단면의 인장 잔류 응력을 저감시킬 필요가 있다.

종래, 전단 단면의 인장 잔류 응력을 저감하기 위해서, 예를 들어 전단 가공 시의 강판 온도를 상승시키는 방법 (비특허문헌 1, 2) 이나, 구멍 발출 가공 시에 계단식 펀치를 사용하는 방법 (비특허문헌 3), 또한, 셰이빙에 의한 방법 (비특허문헌 4, 특허문헌 1) 등, 전단 가공을 궁기하는 방법이 널리 개발되고 있다.

또한, 특허문헌 2 에는, 스프링백을 저감하고 부품의 치수 정밀도를 높이는 것을 목적으로 하여, 수축 플랜지 성형 부위에 복수의 덧살 (excess metal) 비드를 형성하여 인장 응력을 부여함과 함께, 신장 플랜지 성형 부위에 엠보스를 형성하고 그 엠보스를 찌그러뜨려 압축 응력을 부여하는 것이 기재되어 있다,

일본 공개특허공보 2004-174542호 일본 공개특허공보 2009-255117호

모리 켄이치로 외 : 소성과 가공, 52-609 (2011), 1114-1118 모리 켄이치로 외 : 소성과 가공, 51-588 (2010), 55-59 제 326 회 소성 가공 심포지엄 「전단 가공의 최전선」, 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

그러나, 비특허문헌 그리고 특허문헌 1 에 기재된 방법은, 전단 가공 시의 지연 파괴 대책 기술이며, 전단 가공 후의 금속판을 프레스 성형하는 공정에서 발생하는 전단 단면의 잔류 응력을 저감하는 기술은 아니다,

또, 특허문헌 2 에 기재된 방법은, 스프링백을 저감하기 위한 기술이며, 지연 파괴 대책 기술은 아니다. 또한, 특허문헌 2 에 기재된 덧살 비드는, 수축 플랜지부의 압축 응력을 저감시키기 위해서 도입하고 있고, 지연 파괴의 원인이 되는 전단 단면의 인장 잔류 응력의 저감을 목적으로 한 것은 아니다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해서 고안한 것이며, 전단 단면의 지연 파괴 발생을 방지하기 위해서, 프레스 성형 후의 금속판의 전단 단면에 발생한 인장 잔류 응력을 저감하는 프레스 가공 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다,

발명자는, 상기 과제를 해결하기 위해서, 프레스 성형에 의한 수축 플랜지 변형부의 단면에 대하여 비드를 성형하도록 돌출 변형을 부여함으로써, 전단 단면에 인장 변형을 부여하면, 이형 후의 스프링백 변형으로 발생한 전단 단면의 인장 잔류 응력을 저감할 수 있는 것을 발견하였다.

그리고, 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 양태에 의하면, 전단 단면을 갖는 금속판을 프레스 성형하여 프레스 부품을 제조하는 프레스 부품의 제조 방법으로서, 이형 후에 상기 금속판의 전단 단면의 일부에 전단 가장자리를 따른 방향으로 인장 잔류 응력이 발생하는 것으로 추정되는 제 1 프레스 성형 공정을 포함하고, 상기 제 1 프레스 성형 공정의 후공정으로서, 적어도 상기 인장 잔류 응력이 발생하는 것으로 추정되는 전단 단면의 지점을 포함하는 영역을, 판두께 방향으로 돌출 성형하는 인장 잔류 응력 완화 공정을 갖는 것을 요지로 한다.

본 발명의 양태에 의하면, 프레스 성형 후의 금속판의 전단 단면에 발생하는 인장 잔류 응력을 저감할 수 있다. 이 결과, 본 발명의 양태에 의하면, 예를 들어, 자동차의 패널 부품, 구조·골격 부품 등의 각종 부품에 고강도 강판을 적용할 때의 내지연파괴 특성을 향상시킬 수 있다.

도 1 은, 본 발명에 기초하는 실시형태에 관련된 프레스 부품의 제조 방법의 공정예를 나타내는 도면이다.
도 2 는, 인장 잔류 응력 완화 공정에서의 돌출 성형예를 설명하는 도면이며, (a) 는 돌출 성형의 예를 설명하는 단면측에서의 평면도, (b) 는 돌출 형상을 나타내는, 단면에 대향하는 방향에서 본 측면도이다,
도 3 은, 돌출 형상의 별례를 설명하는 단면에 대향하는 방향에서 본 측면도이다,
도 4 는, 실시예에 있어서의 제 1 프레스 성형 공정을 설명하는 도면이다.
도 5 는, 실시예에 있어서의 인장 잔류 응력 완화 공정에서 사용하는 금형을 나타내는 도면이다,
도 6 은, 실시예에 있어서의 인장 잔류 응력 완화 공정에서 사용하는 금형의 비드 형상을 나타내는 도면이다,
도 7 은, 도 6 에 있어서의 A-A' 단면 위치에서의 비드 형상을 나타내는 도면이다,
도 8 은, 실시예에 있어서의 돌출 형상의 폭 (L1) 을 설명하는 도이다,
도 9 는, 실시예에 있어서의 돌출 성형 후의 선길이 (X1) 를 나타내는 도면이다,

다음으로, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다,

＜금속판＞

먼저, 프레스 성형되는 금속판에 대해서 설명한다,

본 실시형태에서 예시하는 금속판은, 프레스 성형 후에 갖는 전단 단면의 인장 잔류 응력에 의해, 프레스 성형 후에 시간 경과적으로 단부 (端部) 에서 지연 파괴가 일어날 가능성이 있는 고강도 강판으로 이루어진다. 본 발명은, 금속판의 인장 강도가 590 ㎫ 이상인 고강도 강판에 적합하게 적용 가능하지만, 지연 파괴가 특히 염려되는 980 ㎫ 이상을 갖는 고강도 강판에 효과적이며, 1180 ㎫ 이상을 갖는 고강도 강판에 보다 효과적인 기술이다,

여기서, 전단 단면의 인장 잔류 응력은, 단부의 전단 시에도 입력된다,

본 실시형태에서는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 프레스 성형의 전(前) 공정으로서의 트림 공정 (2) 과, 프레스 공정 (3) 과, 인장 잔류 응력 완화 공정 (5) 을 갖는다. 또, 본 실시형태는, 인장 잔류 응력 발생 지점 특정부 (6) 를 갖는다.

＜트림 공정 (2)＞

트림 공정 (2) 에서는, 금속판 (1) 을, 예를 들어, 프레스 부품 (4) 의 부품 형상에 따른 윤곽 형상으로 절단한다,

＜프레스 공정 (3)＞

프레스 공정 (3) 에서는, 트림 공정 (2) 후의 금속판 (1) 을, 상형 (上型) 과 하형 (下型) 을 갖는 프레스 금형을 사용하여 프레스 성형을 실시하고, 목적 부품 형상으로 이루어지는 프레스 부품 (4) 을 제조한다. 또한, 프레스 성형은, 예를 들어, 폼 성형이나 드로우 성형이다. 프레스 공정 (3) 은, 제 1 프레스 성형 공정을 구성한다,

여기서, 프레스 부품 (4) 의 형상이 복잡화 할수록, 다단계의 프레스 성형으로 프레스 부품 (4) 이 제조된다. 다단계의 프레스 성형으로 프레스 부품 (4) 을 제조하는 경우, 이형 후에 상기 금속판 (1) 의 전단 단면의 일부에 전단 가장자리를 따른 방향으로 인장 잔류 응력이 발생하는 것으로 추정되는 프레스 성형은, 마지막 프레스 성형일 필요는 없다. 단, 다단계의 프레스 성형의 최종 프레스 성형 이외의 프레스 성형에서 인장 잔류 응력이 발생한 경우, 다단계의 프레스 성형의 최종 프레스 성형 후에, 잔존하고 있는 인장 잔류 응력이, 인장 잔류 응력 완화 공정 (5) 에서 완화되는 인장 잔류 응력이 된다. 이 경우, 일련의 다단계의 프레스 성형의 처리, 또는, 다단계의 프레스 성형 중 이형 후에 상기 금속판 (1) 의 전단 단면의 일부에 전단 가장자리를 따른 방향으로 인장 잔류 응력이 발생하는 것으로 추정되는 프레스 성형이, 제 1 프레스 성형 공정으로 된다.

＜인장 잔류 응력 발생 지점 특정부 (6)＞

인장 잔류 응력 발생 지점 특정부 (6) 는, 프레스 공정 (3) 의 완료 후의 금속판에 있어서의 전단 단면에 발생하는, 인장 잔류 응력의 발생 지점을 특정하는 처리를 실시한다,

인장 잔류 응력의 발생 지점을 특정하는 제 1 방법은, 전단 가공한 금속판 (1) 을 실제로 프레스 성형하고, 프레스 성형품의 이형 후의 잔류 응력을 직접 측정하는 방법이다. 인장 잔류 응력의 발생 지점을 특정하는 제 2 방법은, 성형 해석에 의해 이형 후의 인장 잔류 응력의 발생 지점을 추정하는 방법이다,

제 1 방법은, 파괴 시험법이나 비파괴 시험법에 의해 실시한다. 파괴 시험법으로는 절단법이나 천공법이 있다. 절단법은, 프레스 성형품의 굽힘 변형 부여 부분의 측정에서는 측정값의 충분한 정밀도가 나오지 않는다. 천공법은, 전단 가장자리의 잔류 응력의 측정이 곤란하다. 비파괴 시험법으로는 X 선에 의한 잔류 응력 측정 방법이 있다. 이 방법은, 전단 가장자리의 잔류 응력이 측정 가능하고 정밀도도 충분히 있지만, 측정에 매우 시간이 걸리기 때문에, 현실적이지는 않다,

이와 같은 관점에서, 본 실시형태에서는, 인장 잔류 응력의 발생 지점의 특정을, 다음의 제 2 방법, 요컨대, 성형 해석에 의해 발생 지점을 추정하는 방법으로 실시하는 경우로 한다,

제 2 방법으로는, 유한요소법으로 대표되는 성형 해석을 실시하고, 이형 후의 잔류 응력을 추정하는 방법이 바람직하다,

성형 해석에 사용하는 조건으로서 여러 가지 설정 항목이 있지만, 어느 공지된 방법이어도 상관없다. 단, 성형 해석의 정밀도를 향상시키지 않으면 잔류 응력의 계산 결과의 오차가 커진다. 이것에 크게 영향을 미치는 것은, 성형 해석에 있어서의 재료 거동을 구성하는 모델이다. 특히 이형 후의 형상에는 이동 경화 모델을 적용하면 정밀도가 향상되는 것이 알려져 있으며, 해석 정밀도의 면에서도, 이동 경화 모델을 사용하여 성형 해석을 실시하는 것이 바람직하다. 이동 경화 모델로는, 예를 들어 선형 이동 경화 법칙이나 Yoshida-Uemori 모델 등이 있다. 본 실시형태에 있어서의 성형 해석 결과의 평가로는, 이형 후의 응력 분포를 콘투어도로서 표시하는 방법이나 전단 가장자리에 해당하는 부분의 요소 또는 절점 (節點) 으로부터 응력값을 출력하고, 평가하는 방법이 있지만, 어느 방법이라도 상관없다. 또한, 응력의 방향에 대해, 평가하는 전단 가장자리를 따른 방향의 응력으로 한다. 왜냐하면, 프레스 성형에 있어서 전단 가장자리는 단축 인장 변형 또는 굽힘 변형 또는 단축 인장 변형과 굽힘 변형의 복합 변형이며, 그 주응력 방향은 전단 가장자리를 따른 방향이 되기 때문이다,

프레스 성형 후에 이형한 금속판 (1) 의 전단 단면 중, 전단 가장자리를 따른 방향으로 인장 잔류 응력이 발생하는 전단 단면을 포함하는 영역의 결정 방법으로는, 예를 들어 인장 잔류 응력이 기정 (旣定) 의 응력값을 초과한 지점으로 하는 방법, 인장 잔류 응력이 기정의 응력값을 초과한 요소가 전단 가장자리를 따라 10 ㎜ 이상 늘어서 있는 지점으로 하는 방법, 인장 잔류 응력이 기정의 응력값을 초과한 요소가 전단 가장자리에 대하여 수직인 방향으로 3 ㎜ 이상 늘어서 있는 지점으로 하는 방법 등이 있지만, 어느 방법이라도 상관없다. 기정의 응력값은, 금속판 (1) 의 인장 강도, 재료, 판두께 등에 따라 결정하는 것이 좋다. 기정의 응력값의 설정은, 예를 들어, 금속판 (1) 의 인장 강도에 계수를 곱하여 임계값으로 하는 방법이나, 금속판 (1) 의 항복 응력과 상당 소성 변형과 계수를 곱셈하는 방법 등이 있지만, 어느 방법이라도 상관없다. 기정의 응력값은, 예를 들어 200 ㎫ 로 한다. 금속판 (1) 이 1180 ㎫ 이상을 갖는 고강도 강판인 경우에는, 예를 들어 기정의 응력값은, 예를 들어 100 ㎫ 로 한다,

또, 인장 잔류 응력 발생 지점 특정부 (6) 는, 간이적으로, 프레스 성형으로 수축 플랜지 성형하는 부분의 전단 단면을, 인장 잔류 응력이 발생하는 것으로 추정되는 지점으로서 특정해도 된다,

＜인장 잔류 응력 완화 공정 (5)＞

인장 잔류 응력 완화 공정 (5) 은, 프레스 공정 (3) 에서 목적 부품 형상으로 프레스 성형된 프레스 부품 (4) 에 대하여, 인장 잔류 응력 발생 지점 특정부 (6) 가 특정한 인장 잔류 응력이 발생하는 것으로 추정되는 전단 단면의 지점 (S) 을 포함하는 영역 (ARA) 을, 판두께 방향으로 돌출 성형한다 (도 2 참조). 전단 가장자리를 따른 방향에 있어서, 인장 잔류 응력이 발생하는 것으로 추정되는 전단 단면의 지점 (S) 을 포함하는 영역을 넘어, 돌출 성형하는 영역 (ARA) 을 설정해도 된다,

돌출 성형하는 영역 (ARA) 은, 돌출 성형에 수반하여 발생하는 전단 가장자리를 따른 방향의 인장 변형이, 인장 잔류 응력이 발생하는 것으로 추정되는 전단 단면의 지점 전역에 이르도록 설정한다,

전단 가장자리를 따른 방향으로, 상기 인장 잔류 응력이 발생하는 것으로 추정되는 전단 단면의 지점 (S) 을 넘는 길이에 대해 돌출 성형으로 돌출시킨 경우, 확실하게 돌출 성형에 수반하여 발생하는 전단 가장자리를 따른 방향의 인장 변형이, 인장 잔류 응력이 발생하는 것으로 추정되는 전단 단면의 지점 (S) 의 전역에 이른다,

돌출 성형에 의한 돌출 형상은, 예를 들어, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 전단 단면에 대향하는 측에서 본 형상이, 원호 형상 (단면 원호상인 비드 형상 등) 으로 되어 있다. 돌출 형상은, 예를 들어, 도 3 과 같은, 비드 형상이나 전단 가장자리를 따른 방향으로 연장하는, 원호 형상이 연속한 파형 (波型) 형상으로 구성되어 있어도 된다,

또, 돌출 형상은, 돌출 높이 (H) 가 10 ㎜ 이상이고 또한 돌출 정점부에서의 전단 가장자리를 따른 방향의 곡률 반경 (R) 이 5 ㎜ 이상인 돌출 형상으로 성형하는 것이 바람직하다. 돌출 높이 (H) 는, 돌출 형상의 정부 (頂部) 에서의 높이로 한다. 또한, 돌출 형상의 프로필은, 단 (端) 가장자리 방향을 따른 어느 지점에서도, 곡률 반경 (R) 이 5 ㎜ 이상인 것이 바람직하다,

곡률 반경 (R) 은, 5 ㎜ 이상이면 상한에 한정은 없다. 곡률 반경 (R) 이 무한대는 단면 (斷面) 이 평탄한 것을 나타낸다,

또, 곡률 반경 (R) 은, 돌출 형상에 있어서의, 볼록측의 면 또는 오목측의 면 중 어느 쪽의 면에서의 곡률 반경이어도 되지만, 본 실시형태에서는 볼록측의 면에서의 곡률 반경으로 한다,

또, 돌출 정점부는, 전단 가장자리를 따른 방향에 있어서, 전단 단면의 지점 (S) 내에 위치하도록 설정한다 (도 2 참조). 전단 단면의 지점 (S) 내에 돌출 정점부가 1 개 배치되는 경우에는, 돌출 정점부는, 전단 가장자리를 따른 방향에 있어서, 전단 단면의 지점 (S) 의 중앙부에 형성하는 것이 바람직하다. 중앙부란, 예를 들어, 전단 단면의 지점 (S) 을 3 등분으로 구획했을 경우에 있어서의 한가운데의 구획 위치이다,

돌출 높이 (H) 의 상한값은 200 ㎜ 이다. 이것을 초과하면 프레스 성형 시에 전단 가장자리에 발생하는 변형이 커져, 신장 플랜지가 발생할 우려가 있다. 또, 프레스 성형품 내부에 성형 불량의 하나인 주름이 발생할 가능성도 있다. 보다 바람직하게는, 돌출 높이 (H) 는 100 ㎜ 이하로 하는 것이 좋다,

또, 돌출 성형으로, 전단 가장자리를 따른 돌출 성형되는 부분의 돌출 성형 전의 길이를 X0 으로 하고, 전단 가장자리를 따른 돌출 성형되는 부분의 돌출 성형 후의 길이를 X1 로 했을 때, 돌출 성형 전후의 선길이 차가, 하기 (A) 식을 만족하는 것이 바람직하다,

X1 ＞ 1.03·X0 … (A)

또한, 돌출 성형 전후의 선길이 차 (X1 ― X0) 의 상한값은, 돌출 높이 (H) 와 곡률 반경 (R) 으로부터 자연히 규정된다,

여기서, 상기의 돌출 형상은, 금속판 (1) 의 단면에서의 형상이며, 그 밖의 부분에서의 돌출 형상은 특별히 한정되지 않는다. 프레스 공정 (3) 에서 제조한 부품 형상을 그다지 변형시키지 않는다는 관점에서는, 단면으로부터 내측을 향해서, 즉 금속판 (1) 의 표면을 따라 단면으로부터 멀어질수록 상기 돌출 형상의 돌출 높이 (H) 가 연속해서 작아지도록 설정하면 된다. 즉, 단면 근방만이 돌출 성형되어 있으면 된다. 단면 근방이란, 예를 들어 단면으로부터 10 ㎜ 이내, 바람직하게는 5 ㎜ 이내의 범위이다. 이 범위로 한정함으로써, 프레스 공정 (3) 에서 제조한 프레스 부품 (4) 의 부품 형상에 대한 영향을 작게 억제할 수 있다.

＜그 외 구성＞

여기서, 인장 잔류 응력 완화 공정 (5) 의 후공정으로서, 인장 잔류 응력 완화 공정 (5) 에서 형성한, 단부의 돌출 형상의 돌출 높이 (H) 를 작게 하는 프레스 성형을 실시해도 된다,

또, 인장 잔류 응력 완화 공정 (5) 에서 성형한 돌출 형상을 갖는 부품 형상을 제품 (7) 의 형상으로서 설계하고, 프레스 공정 (3) 에서 제조하는 프레스 부품 (4) 에서는, 그 돌출 형상을 평탄하게 한 형상으로 성형하도록 설계해도 된다,

또, 인장 잔류 응력이 발생하는 것으로 추정되는 전단 단면에 한정되지 않고, 전단 단면 전역을 대상으로 하여, 인장 잔류 응력 완화 공정 (5) 에 의한 돌출 성형을 실시해도 된다,

＜작용 그 외＞

(인장 잔류 응력 발생의 양태)

여기서, 프레스 공정 (3) 에서, 각통 (角筒) 드로잉 성형을 실시하고, 프레스 성형품의 전단 단면에 인장 변형이 발생하는 경우를 예로 설명한다,

프레스 공정 (3) 에서, 정방형의 금속판 (1) 의 중앙부에 각통 드로잉을 하면, 드로잉에 수반하는 재료 유입이 발생하면서, 금속판 (1) 의 중앙부는 각통상으로 변형한다. 이 때, 각통의 외주의 플랜지부에 있어서의 전단 가장자리의 일부분은, 전단 가장자리를 따른 방향으로 수축을 수반하는 변형, 요컨대, 수축 플랜지 변형한다. 각통 드로잉에 수반하여, 전단 가장자리의 부분에는, 수축 플랜지 변형에 의한 압축 응력이 발생하고 있고, 한편, 수축 플랜지 변형부 근방에, 전단 가장자리의 유입차나 마찰 저항에 수반하는 인장 응력도 발생하고 있다. 이 때문에, 전단 가장자리를 따라 불균일한 응력 분포가 발생하고 있다. 이와 같이, 금형에 구속된 프레스 부품 (4) 에는, 프레스 성형에 의해 불균일한 응력 분포가 발생하고 있다. 이 상태로부터, 이형하여 불균일한 응력 분포를 개방하면, 프레스 부품 (4) 에는 내부 응력이 잔존하고, 이것이 잔류 응력이 된다. 이 잔류 응력 중 인장 응력이, 프레스 성형 후의 프레스 부품 (4) 에서의 지연 파괴 발생의 한 요인이 된다,

(인장 잔류 응력 저감 방법)

발명자들은 예의 검토한 결과, 프레스 성형 후에 상기와 같은 인장 잔류 응력이 잔존하는 부품의 단부에 돌출 변형을 가함으로써, 인장 잔류 응력을 저감할 수 있는 것을 알아냈다. 이것에 대해서, 이하와 같이 설명한다,

프레스 성형품의 전단 가장자리에 인장 잔류 응력이 발생하는 것은, 전술한 바와 같이 성형 중의 인장과 압축의 불균일한 응력 분포가 발생하는 것이 주요인이다. 본 실시형태에서는, 이것을 해소하기 위해서, 인장 잔류 응력 완화 공정 (5) 에서, 인장 잔류 응력이 발생하는 부분에 균일한 변형을 가한다. 구체적으로는, 인장 잔류 응력 완화 공정 (5) 에서, 돌출 성형에 의한 돌출 형상에 의해 인장 잔류 응력 발생 부분의 전단 가장자리의 선길이를 늘리고, 압축을 포함하지 않는 인장 변형을 부여한다. 이에 따라, 돌출 성형의 이형 후에 성형 중의 인장 응력이 해방되어, 인장 잔류 응력을 저감할 수 있다,

돌출 형상으로는, 하기의 (1) ∼ (3) 의 조건을 만족하는 것이 바람직하다.

(1) 전단 가장자리에, 인장 잔류 응력이 발생하고 있는 부분에 대하여, 돌출 변형에 의해 소성 변형을 부여할 수 있는 것

(2) 전단 가장자리에, 인장 잔류 응력이 발생하고 있는 영역보다 넓은 영역에 돌출 변형에 의해 인장 변형을 부여하는 것

(3) 전단 가장자리에, 돌출 변형에 의해 인장 응력을 부여한 후, 이형 시에 그 인장 응력이 충분히 해방되는 것

(1) 의 조건이 만족되지 않는 경우, 이형 후에 원래의 형상으로 되돌아가 버리기 때문에, 인장 응력은 그대로 잔존해 버린다,

(2) 의 조건이 만족되지 않는 경우, 전단 가장자리에 인장 잔류 응력이 큰 영역이 잔존해 버릴 우려가 있어, 지연 파괴 발생을 충분히 억제할 수 없을 우려가 있다,

(3) 의 조건이 만족되지 않는 경우, 비드 성형 등의 돌출 성형에 의해 새롭게 지연 파괴 발생 염려 지점을 만들 우려가 있다,

이상의 이유로부터, 본 실시형태의 효과를 충분히 발휘하는 돌출 형상에는 제약이 수반한다,

발명자들이 검토를 거듭한 결과, 돌출 높이 (H) 가 10 ㎜ 이상 또한 돌출 형상의 정점부의 곡률 반경 (R) 이 5 ㎜ 이상이면, 상기의 (1) ∼ (3) 의 조건을 만족하고, 전단 가장자리에 인장 잔류 응력이 발생하고 있는 부분에 돌출 변형에 의해 소성 변형을 부여하는 것이 가능하고, 프레스 성형 후의 전단 단면의 인장 잔류 응력을 저감할 수 있는 것을 알 수 있었다.

돌출 형상의 정점부의 곡률 반경 (R) 이 5 ㎜ 보다 작으면, 돌출 성형에 의해 정점부에 국소적으로 큰 변형을 수반한 형상이 붙어 버려, 이형 후에도 인장 응력이 잔존하고, 이것이 지연 파괴의 발생 요인이 되어 버릴 우려가 있다.

또, 돌출 높이 (H) 가 10 ㎜ 보다 작으면, 전단 가장자리에 인장 잔류 응력이 발생하고 있는 부분에 충분히 소성 변형을 부여할 수 없어, 지연 파괴 억제 효과를 기대할 수 없을 우려가 있다. 보다 바람직하게는, 돌출 높이 (H) 가 20 ㎜ 이상 또한 돌출 형상의 정점부의 곡률 반경 (R) 이 10 ㎜ 이상으로 하는 것이 좋다,

전술 (2) 의 조건과 같이, 돌출 형상에는 전단 가장자리에 인장 잔류 응력이 발생하고 있는 영역보다 넓은 영역에 돌출 변형에 의해 인장 변형을 부여하는 것이 요구된다. 예의 검토한 결과, 금속판 (1) 의 전단 가장자리를 따른 방향의 돌출 형상의 폭을 L1 로 하고, 금속판 (1) 의 성형 해석을 실시하고, 이형 후의 성형 해석 결과로부터 상기 전단 단면에 상기 인장 잔류 응력이 발생한 영역의 길이를 L0 으로 했을 때, 「L1 ＞ L0」 으로 되는 돌출 형상이라면, (2) 의 조건을 확실하게 만족할 수 있다. 왜냐하면, 전단 가장자리를 따라 인장 잔류 응력이 잔존하고 있는 영역보다 넓은 영역을 돌출 성형하고, 인장 변형을 부여하게 되기 때문이다. 보다 바람직하게는, 「L1 ＞ 1.1·L0」 으로 되는 크기의 돌출 형상이다.

또한, L1 의 상한은, 돌출 높이 (H) 나 곡률 반경 (R) 으로부터 자연히 규정된다,

또, 전술 (1) 의 조건과 같이, 전단 가장자리에 인장 잔류 응력이 발생하고 있는 부분에, 돌출 변형에 의해 소성 변형을 부여할 수 있는 것이 요구된다. 예의 검토한 결과, 금속판 (1) 을 돌출 성형했을 때에, 금속판 (1) 의 전단 가장자리를 따른 돌출 성형되는 부분의 돌출 성형 전의 길이를 X0 으로 하고, 금속판 (1) 의 전단 가장자리를 따른 돌출 성형되는 부분의 돌출 성형 후의 길이를 X1 로 했을 때에, 「X1 ＞ 1.03·X0」 으로 되는 돌출 형상이면, 전술 (1) 의 조건을 만족할 수 있는 것을 확인하였다. 돌출 형상을 부여하는 부분에는 부여하는 변형에 분포가 발생하지만, 「X1 ＞ 1.03·X0」 의 식을 만족할 수 있다면, 전단 가장자리에 인장 잔류 응력이 발생하고 있는 영역 전체에 소성 변형을 부여하는 것이 가능하고, 전단 가장자리에 인장 잔류 응력이 발생하고 있는 영역 전체의 인장 응력을 저감할 수 있다. 보다 바람직하게는, 「X1 ＞ 1.10·X0」 으로 되는 돌출 형상이 좋다,

이상과 같이, 본 실시형태에 의하면, 프레스 성형 후의 금속판의 전단 단면의 인장 잔류 응력을 저감할 수 있다. 이 결과, 본 실시형태에 의하면, 예를 들어, 자동차의 패널 부품, 구조·골격 부품 등의 각종 부품에 고강도 강판을 적용할 때의 내지연파괴 특성을 향상시킬 수 있다,

실시예

다음으로, 본 발명에 기초하는 실시예에 대해서 설명한다,

여기서는, 표 1 에 나타내는 기계적 특성을 갖는 1470 ㎫ 급 냉연 강판을 대상으로 설명한다,

프레스 공정 (이하, 1 공정째라고도 기재한다) 으로서, 400 ㎜ × 400 ㎜ 로 전단 가공한 금속판 (1) 에 대하여, 도 4 에 나타낸 바와 같은 금형으로 각통 드로잉 성형을 실시하였다. 즉, 블랭크 홀더 (22) 와 다이 (21) 로 금속판 (1) 의 외주를 구속한 상태에서, 다이 (21) 를 향해서 펀치 (20) 를 이동하여 프레스 성형한다,

펀치 (R) 는 25 ㎜, 성형 깊이는 25 ㎜ 로 하였다,

다음으로, 인장 잔류 응력 완화 공정 (이하, 2 공정째라고도 기재한다) 으로서, 각통 드로잉 성형을 실시한 금속판 (1) 의 플랜지부에 대하여, 도 5 ∼ 도 7 에 나타내는 바와 같은 파상 (波狀) 의 비드 형상을 갖는 상형 (30) 과 하형 (31) 으로 이루어지는 프레스 금형으로, 폼 성형을 실시하여 시험품을 제조하였다. 상형 (30) 과 하형 (31) 의 비드 형상은 동 (同) 형상이며, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 높이 (h) 에서 굽힘 반경 (R0) 의 비드 형상이, 프레스 성형으로 금속판의 단부에 전사된다. 즉, 금속판의 전단 단면에, 단 가장자리를 따라 연속하는 파형 형상의 돌출 형상을 부여하는 돌출 성형을 실시하였다,

또한, 비드 형상은, 단부로부터 내측을 향해서 높이가 연속적으로 작아지도록 설정되어 있다,

이 때, 표 2 에 나타내는 바와 같이, 성형된 돌출 형상의 돌출 높이 및 돌출정부의 곡률 반경을 변경하여, 복수의 시험품을 제조하였다,

다음으로, 제조한 각 시험품에 대해 지연 파괴를 모의하기 위해서, 침지 시험을 실시하였다,

침지 시험의 침지에 사용한 약액은, 0.1 ％ 농도의 NH₄SCN 용액과 McILVAINE 완충 용액을 합쳐 구성하여, pH 가 5.6 인 약액으로 하였다. 또, 침지 시간은 24 시간으로 하였다,

그리고, 침지 후의 전단 단면으로부터 발생하는 균열의 유무를 확인하고, 모의적으로 지연 파괴의 균열 판정으로 하였다,

또, 각통 드로잉 및 돌출 성형에 의한 성형 해석을 실시하고, 전단 가장자리에 발생한 응력을 산출하였다. 성형 해석은 대칭성을 고려하여 1/4 모델로 하였다. 재료 모델로는 Yoshida-Uemori 모델을 사용하고, 성형 해석상에서 이형 후의 잔류 응력을 평가하였다,

돌출 형상을 가진 금형에 의한 시험품의 침지 시험 및 잔류 응력 측정의 결과를 표 2 ∼ 표 4 에 나타낸다. 여기서, 돌출 형상의 폭 (L1) 은, 도 8 에 나타내는 위치이다. 성형 후의 선길이 (X1) 는 도 9 에 나타내는 위치이다.

표 2 로부터 알 수 있는 바와 같이, 돌출 형상의 돌출 높이는, 5 ㎜ 에서 침지 시험에 의한 균열이 발생하고, 10 ㎜ ∼ 40 ㎜ 에서는 침지 시험에 의한 균열을 회피할 수 있었다,

또, 전단 가장자리의 잔류 응력 저감 효과도 확인할 수 있었다. 정점부의 곡률 반경에 대해서는, 돌출 높이 (H) 가 40 ㎜ 에 있어서, 정점부의 곡률 반경이 5 ㎜ ∼ 30 ㎜ 에서는, 침지 시험에 의한 균열을 회피할 수 있었다. 한편 정점부의 곡률 반경이 3 ㎜ 에서는 균열이 발생하였다,

이상으로부터, 돌출 형상의 높이가 10 ㎜ 이상이고 또한 돌출 형상의 정점부의 반경이 5 ㎜ 이상인 것이 적절하다고 말할 수 있다,

또, 표 3 으로부터 알 수 있는 바와 같이, 돌출 높이 (H) 20 ㎜, 정점부의 반경이 55 ㎜ 에 있어서, L1 과 L0 의 비 (L1/L0) 가 1.1 이상 1.4 이하의 범위에서는 침지 시험에 의한 균열이 발생하지 않고, 비 (L1/L0) 가 1.0 이라면 균열이 발생하였다. 이상으로부터, L1 ＞ L0 으로 하는 것이 적절하다고 말할 수 있다,

또, 표 4 로부터 알 수 있는 바와 같이, 돌출 높이가 10 ㎜, 정점부의 곡률 반경이 104 ㎜ 에 있어서, X1 과 X0 의 비 (X1/X0) 가 1.05 와 1.15 라면 침지 시험에 의한 균열이 발생하지 않고, 비 (X1/X0) 가 1.02 와 1.03 에서 균열이 발생하였다. 이상으로부터, 돌출 성형의 성형 전의 길이 X0 과 성형 후의 길이 X1 의 선길이 차에 대해, X1 ＞ 1.03·X0 이 적절하다고 말할 수 있다,

여기서, 본원이 우선권을 주장하는, 일본 특허출원 2019-047362 (2019년 3월 14일 출원) 의 전체 내용은, 참조에 의해 본 개시의 일부를 이룬다. 여기서는, 한정된 수의 실시형태를 참조하면서 설명했지만, 권리 범위는 그것들에 한정되는 것은 아니고, 상기의 개시에 기초하는 각 실시형태의 개변은 당업자에게 있어서 자명한 것이다,

1 : 금속판
2 : 트림 공정
3 : 프레스 공정 (제 1 프레스 성형 공정)
4 : 프레스 부품
5 : 인장 잔류 응력 완화 공정
6 : 인장 잔류 응력 발생 지점 특정부
7 : 제품

Claims (6)

1. 전단 단면 (端面) 을 갖는 금속판을 프레스 성형하여 프레스 부품을 제조하는 프레스 부품의 제조 방법으로서,
   이형 후에 상기 금속판의 전단 단면의 일부에 전단 가장자리를 따른 방향으로 인장 잔류 응력이 발생하는 것으로 추정되는 제 1 프레스 성형 공정을 포함하고,
   상기 제 1 프레스 성형 공정의 후공정으로서, 적어도 상기 인장 잔류 응력이 발생하는 것으로 추정되는 전단 단면의 지점을 포함하는 영역을, 판두께 방향으로 돌출 성형하는 인장 잔류 응력 완화 공정을 갖고,
   상기 인장 잔류 응력 완화 공정에서의 돌출 성형으로 형성되는 돌출 형상을, 전단 단면으로부터 멀어질수록, 돌출 높이가 작아지도록 설정하는 것을 특징으로 하는 프레스 부품의 제조 방법.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 인장 잔류 응력이 발생하는 것으로 추정되는 지점을, 상기 금속판의 성형 해석을 실시하고, 이형 후의 성형 해석 결과로부터 특정하는 것을 특징으로 하는 프레스 부품의 제조 방법.
4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 인장 잔류 응력 완화 공정에서의 돌출 성형으로, 전단 단면을, 돌출 높이가 10 ㎜ 이상이고 또한 돌출 정점부에서의 전단 가장자리를 따른 방향의 곡률 반경이 5 ㎜ 이상인 돌출 형상으로 성형하는 것을 특징으로 하는 프레스 부품의 제조 방법.
5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 인장 잔류 응력 완화 공정에서의 돌출 성형으로, 상기 전단 가장자리를 따른 돌출 성형되는 부분의 돌출 성형 전의 길이를 X0 으로 하고, 상기 전단 가장자리를 따른 돌출 성형되는 부분의 돌출 성형 후의 길이를 X1 로 했을 때, 하기 (1) 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 프레스 부품의 제조 방법.
   X1 ＞ 1.03·X0 … (1)
6. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 금속판의 인장 강도가 980 ㎫ 이상인 것을 특징으로 하는 프레스 부품의 제조 방법.

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