KR20240054303A

KR20240054303A - 프레스 성형품의 형상 변화 예측 방법

Info

Publication number: KR20240054303A
Application number: KR1020247009472A
Authority: KR
Inventors: 유스케 후지이; 다이라 나카모토; 마사키 우라베
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2021-09-29
Filing date: 2022-09-27
Publication date: 2024-04-25
Also published as: JP7342921B2; CN118043151A; JP2023049072A; WO2023054337A1; EP4389314A1

Abstract

본 발명에 관련된 프레스 성형품의 형상 변화 예측 방법은, 판두께 방향으로 복수로 분할되어 해석 가능하게 구성된 블랭크 모델을 생성하는 생성 공정 (S1), 블랭크 모델과 금형 모델을 사용하여 프레스 성형 해석 및 스프링백 해석을 실시하고, 스프링백한 직후의 프레스 성형품의 형상 및 판두께 방향의 잔류 응력을 취득하는 취득 공정 (S3), 취득한 스프링백한 직후의 프레스 성형품에 대해, 완화되고 감소시킨 잔류 응력의 값을, 판두께 표층의 요소 또는 적분점에 설정하는 설정 공정 (S5), 그 판두께 표층의 잔류 응력의 값을 완화 감소 설정한 상기 프레스 성형품에 대해서, 힘의 모멘트가 균형을 이루는 형상을 구하는 형상 해석 공정 (S7) 을 포함한다.

Description

프레스 성형품의 형상 변화 예측 방법

본 발명은, 프레스 성형품의 형상 변화 예측 방법에 관한 것으로, 특히, 굽힘을 갖는 프레스 성형품을 프레스 성형하고, 금형으로부터 이형하여 스프링백한 후의 프레스 성형품의 형상 변화를 예측하는 프레스 성형품의 형상 변화 예측 방법에 관한 것이다.

프레스 성형은 금속 부품을 저비용으로 단시간에 제조할 수 있는 제조 방법으로, 많은 자동차 부품의 제조에 사용되고 있다. 최근에는, 자동차의 충돌 안전 성능의 향상과 차체의 경량화를 양립시키기 위해, 보다 고강도의 금속판이 자동차 부품의 프레스 성형에 이용되게 되었다.

고강도의 금속판을 프레스 성형하는 경우의 주된 과제 중 하나로 스프링백에 의한 치수 정밀도의 저하가 있다. 프레스 성형에 의해 금속판을 변형시킬 때에 프레스 성형품에 발생한 잔류 응력이 구동력이 되어, 금형으로부터 이형한 프레스 성형품이 프레스 성형 전의 금속판의 형상으로 스프링처럼 순간적으로 되돌아가려고 하는 현상을 스프링백이라고 부른다. 프레스 성형에 의해 발생하는 잔류 응력은 고강도의 금속판 (예를 들어, 고장력 강판) 일수록 커지기 때문에, 스프링백에 의한 형상 변화도 커진다. 따라서 고강도의 금속판일수록 스프링백 후의 형상을 규정된 치수 내에 포함시키는 것이 어려워진다.

지금까지, 프레스 성형 해석과 스프링백 해석을 통합한 프레스 성형 시뮬레이션을 실시함으로써, 금형으로부터 이형하여 스프링백한 프레스 성형품의 형상이 예측되어 왔다. 그러나, 프레스 성형 시뮬레이션에 의해 예측된 프레스 성형품의 형상과 실제로 프레스 성형된 프레스 성형품 (이하, 「실제 프레스 성형품」이라고 하는 경우 있음) 의 형상을 비교했을 때, 프레스 성형 시뮬레이션에 의한 형상 예측 정밀도가 낮아지는 프레스 성형품이 있다. 또한, 프레스 성형 시뮬레이션에 의한 형상 예측 정밀도가 저하되는 원인을 조사한 바, 실제 프레스 성형품은, 동일한 프레스 성형품이어도 프레스 성형 직후 (이형하여 스프링백한 직후) 와 며칠 경과 후에는 형상이 상이한 것이 원인임을 알 수 있었다.

이와 같은 프레스 성형품의 시간 단위의 경과에 수반되는 형상 변화는, 크리프 현상과 같이 외부로부터 높은 하중을 계속 받는 구조 부재가 서서히 변형되는 현상 (예를 들어 특허문헌 1) 과 유사한 것처럼 보이지만, 외부로부터 하중을 받지 않은 프레스 성형품에 있어서 일어나는 형상의 변화로서, 현상이 상이한 것으로 생각된다. 즉, 스프링백한 프레스 성형품의 시간 단위의 경과에 따른 형상 변화는, 외부로부터의 하중을 받지 않고 발생하는 것이다. 그 때문에, 프레스 성형품의 시간 단위의 경과에 따른 형상 변화를 예측하도록 시도했더라도, 크리프 현상에 의한 형상 변화를 취급하는 해석 수법을 적용할 수는 없다.

그래서, 특허문헌 1 에 기재된 발명자들은, 상기 전제 하에 스프링백한 후, 시간 단위의 경과에 따른 형상 변화에 대해서 이하와 같은 검토를 토대로 하여 형상 변화 예측 방법을 제안하고 있다. 구체적으로는, 발명자들은, 먼저, 도 9 에 나타내는 바와 같은, 금속판에 변형을 부여하여 변형을 일정한 상태로 유지한 경우에 시간의 경과와 함께 응력이 서서히 감소하는 응력 완화 현상에 주목하였다. 그리고, 스프링백한 후의 프레스 성형품에 있어서도, 프레스 성형품의 잔류 응력이 시간 단위의 경과와 함께 감소하고, 응력 완화됨으로써, 그 프레스 성형품의 형상이 완화되는 응력의 모멘트와 균형을 이루고자 하여 변화하는 것을 알아내었다.

또, 특허문헌 2 에 기재된 발명자들은, 상기 시간 경과에 수반되는 형상 변화의 원인에 대해서, 특허문헌 2 의 도 13 에 대응하는 도 10 의 모식도에 나타내는 펀치 숄더부의 내부 응력의 변화를 사용하여 이하와 같이 설명하고 있다. 프레스 성형 시, 도 10(a) 와 같이 금속판은 구부러지기 때문에, 굽힘 외측에서는 인장 응력, 굽힘 내측에서는 압축 응력이 발생한다 (제 1 단계). 다음으로 금형으로부터 성형품을 떼어내면 프레스 성형 시의 내부 응력을 구동력으로 하여 스프링백이 발생한다. 그 때, 도 10(b) 와 같이 금속판이 성형 전의 평탄한 상태로 되돌아가도록 각도 변화가 일어나지만, 구부러진 금속판의 내부 응력은 균형을 이루는 상태로까지 각도가 변화하면, 성형 도중의 형상에서 그친다 (제 2 단계). 요컨대 판두께 방향의 힘의 모멘트가 제로가 되는 상태가 되므로, 성형 시뮬레이션에서는 힘의 모멘트가 제로가 되는 형상을 계산하여 형상 예측을 행하고 있다. 그 후, 시간 경과와 함께 금속판의 내부 응력이 도 10(c) 와 같이 약해지면, 금속판의 내부 응력이 균형을 이루도록 형상이 더욱 변화한다 (제 3 단계).

상기 제 3 단계에서의 현상은, 종래의 제 2 단계에서의 잔류 응력 저감에 의한 스프링백의 거동과는 완전히 상이하다. 종래의 스프링백의 거동에 있어서, 프레스 성형 후의 하사점에서 발생하는 잔류 응력에 대해서, 외부로부터의 강제적인 수단에 의해 발생하려고 하는 잔류 응력을 저감시키거나, 발생하려고 하는 프레스 성형품의 표측과 이측의 잔류 응력의 차이를 저감시키면, 그 결과로서 이형 후의 스프링백이 억제되어, 목표로 하는 형상에 가까워진다.

한편, 특허문헌 2 에 관련된 발명이 대상으로 하는 응력 완화의 거동에서는, 프레스 성형 후에 이형하여 스프링백이 발생한 후에, 더 잔존하는 잔류 응력이, 외부로부터의 강제를 받지 않고 완화된다. 그 결과, 잔류 응력이 없는 상태로 되돌아가려고 하므로, 프레스 성형품은, 스프링백 직후보다 굽힘 각도나 휨이 더 증가하는 등, 목표 형상에서 더욱 멀어지는 형상이 되어, 종래의 스프링백 억제에 의한 형상과는 완전히 반대인 상이한 형상이 된다.

특허문헌 2 에 기재된 발명자들은, 상기 지견에 의거하여 스프링백한 후의 응력 완화에 의한 형상 변화를 예측하는 방법에 대해서 검토를 진행시켜, 스프링백 직후의 형상·잔류 응력 취득 공정 S1 과, 잔류 응력 완화 감소 설정 공정 S3 과, 형상 해석 공정 S5 를 포함하는 프레스 성형품의 형상 변화 예측 방법을 제안하고 있다.

일본 특허공보 제6888703호 일본 공개특허공보 2021-133374호

그러나, 본원 발명의 발명자들이 다양한 부품에 대하여 성형 시뮬레이션을 실시하고, 특허문헌 2 에 개시된 방법에 의해 시간 경과에 수반되는 형상 변화의 예측을 행한 바, 굽힘을 갖는 프레스 성형품으로서, 특히, 펀치 숄더부의 형상 변화가 치수 정밀도에 크게 영향 미치는 부품에서는, 형상 변화의 예측 정밀도가 낮은 경우가 있다는 것을 발견하였다.

본 발명은, 이상의 문제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 목적은, 스프링백 후의 시간 단위의 경과에 따른 굽힘을 갖는 프레스 성형품의 형상 변화에 대해서, 정밀도 좋게 예측하는 프레스 성형품의 형상 변화 예측 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명에 관련된 프레스 성형품의 형상 변화 예측 방법은, 금속판을 프레스 성형하고, 금형으로부터 이형한 순간에 스프링백한 프레스 성형품에 있어서의, 그 후의 시간 단위의 경과에 수반되는 형상 변화를 예측하는 프레스 성형품의 형상 변화 예측 방법으로서, 프레스 성형에 사용하는 금속판인 블랭크의 해석 모델로서, 판두께 방향으로 복수로 분할되어 해석 가능하게 구성된 블랭크 모델을 생성하는 생성 공정과, 상기 블랭크 모델과 프레스 성형에 사용하는 금형을 모델화한 금형 모델을 사용하여 프레스 성형 해석 및 스프링백 해석을 실시하고, 스프링백한 직후의 프레스 성형품의 형상 및 판두께 방향의 잔류 응력을 취득하는 취득 공정과, 그 취득한 스프링백한 직후의 프레스 성형품에 대해, 그 잔류 응력보다 완화되고 감소시킨 잔류 응력의 값을, 판두께 표층의 요소 또는 적분점에 설정하는 설정 공정과, 그 판두께 표층만의 잔류 응력의 값을 완화 감소 설정한 상기 프레스 성형품에 대해서, 힘의 모멘트가 균형을 이루는 형상을 구하는 형상 해석 공정을 포함한다.

상기 설정 공정은, 상기 스프링백한 직후의 프레스 성형품의 판두께 표층의 요소 또는 적분점의 잔류 응력을 소정의 비율로 감소시켜 설정하면 된다.

상기 설정 공정은, 상기 프레스 성형 중에 금속판이 굽힘 변형을 받는 부위를 대상으로 하여 잔류 응력을 소정의 비율로 감소시켜 설정하면 된다.

상기 블랭크는, 인장 강도가 150 MPa 급 이상 2000 MPa 급 이하인 금속판이면 된다.

본 발명의 방법에 따르면, 특히, コ 자형이나 Z 자형, 또는 해트형 등의 단면 형상과 같이 굽힘부를 갖는 부품에 있어서, 프레스 성형하고 이형한 후의 스프링백 후의 시간 경과에 수반되는 형상 변화를 정밀도 좋게 예측할 수 있다. 그리고, 그 예측 결과를 미리 사용하여 프레스 성형함으로써, 치수 정밀도가 우수한 부품을 제조할 수 있다. 이로써, 차체 조립 공정에 있어서의 부품끼리를 조합한 형상 정밀도가 향상되고, 스폿 용접이나 레이저 용접 등의 접합 불량을 없애 접합을 용이하게 하여, 생산성 향상에도 크게 기여할 수 있다.

도 1 은, 본 발명의 실시 형태에 관련된 프레스 성형품의 형상 변화 예측 방법의 처리 흐름을 나타내는 플로도이다.
도 2 는, 프레스 성형품의 판두께 방향의 잔류 응력의 변화의 모습을 설명하는 설명도이다.
도 3 은, 종래예에 있어서의 잔류 응력의 완화 감소 방법의 설명도이다.
도 4 는, 블랭크의 해석 모델에 있어서의 판두께 방향의 요소 분할에 대한 설명도이다.
도 5 는, 실시예 1 에서 대상으로 한 프레스 성형품의 설명도이다.
도 6 은, 도 5 에 나타낸 프레스 성형품에 있어서의 형상 변화의 설명도이다.
도 7 은, 실시예 2 에 있어서의 프레스 성형품의 설명도이다.
도 8 은, 실시예 3 에 있어서의 프레스 성형품의 설명도이다.
도 9 는, 변형을 일정하게 유지한 상태에서 시간의 경과와 함께 응력이 완화되고 감소하는 응력 완화 현상을 설명하는 응력-변형 선도이다.
도 10 은, 굽힘부를 갖는 프레스 성형품의 굽힘부인 펀치 숄더부에 있어서의 응력과 형상 변화를 설명하는 도면이다 ((a) 프레스 성형 직후, (b) 스프링백 직후, (c) 시간 경과 후).

본 실시 형태의 설명에 앞서, 본 발명에 이른 경위를 설명한다. 전술한 바와 같이, 특허문헌 1 의 방법에 따르면, 굽힘부를 갖는 프레스 성형품으로서, 특히, 굽힘부의 형상 변화가 치수 정밀도에 크게 영향 미치는 부품에서는, 형상 변화의 예측 정밀도가 낮은 경우가 있다. 그래서, 발명자들은 예측 정밀도가 낮아지는 사례를 조사하고, 그 원인을 알아내었으므로, 이 점을 도 2 에 의거하여 설명한다.

도 2 에 나타내는 (a) ∼ (c) 의 그래프는, 가로축이 굽힘 변형을 받은 금속판의 원주 방향의 응력, 세로축은 금속판의 판두께 중심으로부터 판두께 방향의 거리 y 를 판두께 t 로 나눈 값이다 (도 2(a-1) 참조). 판두께 방향의 거리 y 는, ＋ (플러스) 의 값이 굽힘 외측, － (마이너스) 의 값이 굽힘 내측을 나타낸다. 제 1 단계의 프레스 성형 시 (도 10(a) 참조) 에서는, 도 2(a-1) 과 같이 굽힘 변형에 의해 금속판의 외측 (y/t＞0) 에 인장 응력이, 금속판의 내측 (y/t＜0) 에 압축 응력이 발생한다. 제 2 단계의 스프링백 후 (도 10(b) 참조) 에서는, 도 2(b) 와 같이 내부의 응력이 판두께 방향의 힘의 모멘트가 제로가 되도록 변화한다. 이 때 판두께 표층에서는 응력의 정부 (正負) 가 반전하고, 금속판의 외측이 압축 응력, 내측이 인장 응력이 된다. 또, 판두께 표층에서는 응력이 반전할 때에 소성 변형이 일어나는 응력까지 변화하는 경우가 많지만, 판두께 중앙부에서는 탄성 변형까지밖에 일어나지 않는다.

제 3 단계의 시간 경과 후 (도 10(c) 참조) 에 있어서의 금속판의 내부 응력의 완화 감소는, 형상의 변화를 수반하므로, 탄성 변형이 아니라 소성 변형이 일어나는 응력 레벨에서 발생한다. 그래서, 도 2(c) 와 같이 시간 경과적 변화에서는 판두께 표층의 응력만이 완화되어, 판두께 방향의 힘의 모멘트의 균형이 무너져서 형상이 변화한다.

상기에 대하여 특허문헌 1 에 기재된 방법에 있어서는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 판두께 방향의 모든 응력을 완화시켜 시간 경과적 변화를 예측하고 있기 때문에, 상기 서술한 실제로 발생하는 응력 완화의 메커니즘과는 상이하고, 그래서 형상 예측 정밀도가 저하된 것으로 추정된다. 이상으로부터, 본 발명자들은, 금속판의 판두께 표층의 응력만을 완화시킴으로써, 정밀도 좋게 시간 경과에 수반되는 형상 변화를 예측할 수 있음을 알아내었다.

상기의 검토에 의거하는, 본 실시 형태에 관련된 프레스 성형품의 형상 변화 예측 방법은, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 판두께 방향으로 요소 분할된 블랭크 모델을 생성하는 블랭크 모델 생성 공정 (이하, 생성 공정이라고 약기함) (S1) 과, 스프링백 직후의 형상·잔류 응력을 취득하는 형상·잔류 응력 취득 공정 (이하, 취득 공정이라고 약기함) (S3) 과, 판두께 표층의 잔류 응력을 완화·감소 설정하는 판두께 표층 잔류 응력 완화 감소 설정 공정 (이하, 설정 공정이라고 약기함) (S5) 과, 시간 경과적 변화 후의 형상을 구하는 형상 해석 공정 (S7) 을 포함한다. 본 실시 형태에서는, 도 5 에 예시하는 바와 같이, 천판부 (3) 와 종벽부 (5) 와 플랜지부 (7) 를 갖는 해트형 단면 형상 부품 (1) 을 대상으로 하고, 상기 각 공정에 대해서 설명한다.

＜생성 공정＞

생성 공정 (S1) 은, 프레스 성형에 사용하는 금속판인 블랭크의 해석 모델로서, 판두께 방향으로 복수로 분할되어 해석 가능하게 구성된 블랭크 모델을 생성하는 공정이다. 판두께 방향의 분할수는, 판두께 표층의 잔류 응력을 완화시키기 위해, 판두께 표층과 판두께 중앙부를 구별할 수 있도록 하므로, 적어도 3 분할 이상 필요하다.

다만, 판두께 방향의 분할수는 임의로 설정되고, 일반적으로 분할수가 많을수록 예측 정밀도는 높아진다. 이런 점, 후술하는 실시예의 결과로부터, 7 분할 이상으로 하면 형상 예측의 정밀도를 향상시킬 수 있어 더욱 좋다. 분할수의 상한은 특별히 없지만, 50 분할을 초과하면 계산 비용이 비싸지지만 예측 정밀도는 약간밖에 향상되지 않으므로 바람직하지 않다.

유한 요소법에 의한 성형 시뮬레이션에서는 주로 도 4 에 나타내는 솔리드 요소 (도 4(a)) 와 쉘 요소 (도 4(b)) 가 사용된다. 솔리드 요소에서는 금속판의 내부를 복수의 요소로 분할하고, 각각의 요소의 응력이나 변형을 계산한다. 도 4(a) 는 금속판을 판두께 방향으로 4 분할한 예이다.

쉘 요소의 경우, 도 4(b) 에 나타내는 바와 같이, 금속판의 판두께 중심으로 요소를 배치하고, 응력과 변형의 계산을 실시한다. 그 때, 각 요소의 판두께 방향으로 적분점이라고 불리는 가상점을 두고, 그 점의 응력과 변형을 별도로 계산함으로써 판두께 방향의 응력과 변형을 산출한다. 이 판두께 방향의 적분점의 개수도 임의로 설정할 수 있다. 도 4(b) 에서는 판두께 표층에 1 점, 판두께 중심에 1 점, 그것들 사이에 1 점의 판두께 방향으로 합계 5 점으로 하였다. 굽힘 변형부의 예측 정밀도를 향상시키는 데에는 일반적으로 적분점은 5 점 이상이 바람직하다. 적분점에 상한은 없지만, 15 개 이상은 계산 비용이 증대해도 예측 정밀도가 향상되지 않기 때문에, 바람직하지 않다.

＜취득 공정＞

취득 공정 (S3) 은, 블랭크 모델과 프레스 성형에 사용하는 금형을 모델화한 금형 모델을 사용하여 프레스 성형 해석 및 스프링백 해석을 실시하고, 스프링백한 직후의 프레스 성형품의 형상 및 판두께 방향의 잔류 응력을 취득하는 공정이다.

이 공정의 구체적인 처리의 일례로서는, 실제의 프레스 성형에 사용하는 금형을 모델화한 금형 모델을 사용하여, 블랭크인 금속판을 성형 하사점까지 프레스 성형하는 과정의 프레스 성형 해석을 실시하고, 성형 하사점에 있어서의 프레스 성형품의 형상 및 잔류 응력을 구하는 제 1 단계와, 그 구한 성형 하사점에 있어서의 프레스 성형품을 금형 모델로부터 이형한 직후의 프레스 성형품의 힘의 모멘트의 균형이 잡히는 형상을 구하는 스프링백 해석을 실시하는 제 2 단계를 갖는 유한 요소법에 의한 프레스 성형 시뮬레이션을 들 수 있다.

＜설정 공정＞

설정 공정 (S5) 은, 스프링백한 직후의 프레스 성형품에 대해, 그 잔류 응력보다 완화되고 감소시킨 잔류 응력의 값을, 판두께 표층의 요소 또는 적분점에 설정하는 공정이다. 도 2 에 의거하여 전술한 바와 같이, 판두께 방향에 있어서, 시간 경과적 변화에 따라 응력이 변화하는 것은 판두께 표층이고, 본 공정에서는 판두께 표층의 요소에 대해 잔류 응력이 완화되고 감소한 것을 설정한다. 스프링백한 직후의 프레스 성형품에 있어서 판두께 표층 잔류 응력 완화 감소 설정하는 부위는, 예를 들어 모든 굽힘부, 즉, 해트형 단면 형상 부품 (1) 의 펀치 숄더부 (9) 및 다이 숄더부 (11) 의 판두께 표층을 대상으로 한다.

도 4(a) 에 나타낸 예에서는, 판두께 표층에 가까운 1 과 4 의 요소의 응력을 완화시키는 것이 바람직하다. 판두께 중앙에 가까운 2 와 3 의 요소의 응력을 완화시키면, 판두께 중앙은 탄성 변형이 주체임에도 불구하고, 판두께 방향으로 전체에 걸쳐 응력을 완화시키게 되어, 특허문헌 1 에 기재된 방법과 동일해져 바람직하지 않다. 또, 솔리드 요소를 사용하여 5 분할한 경우에는, 판두께 표층 1 층째, 즉 1 과 5 의 요소의 응력을 완화시켜도 된다. 또, 도 4(b) 에 나타내는 예에서는, 응력을 완화시키는 적분점은 1 과 5, 또는 1, 2, 4, 5 가 바람직하다.

완화·감소 설정하는 판두께 표층의 하나의 기준으로서 예를 들어 블랭크 표면으로부터 판두께 방향 1/4 의 범위에 포함되는 요소 또는 적분점으로 하는 것을 들 수 있다. 예를 들어, 블랭크가 판두께 방향으로 5 분할된 솔리드 요소 (외측에서부터 순서대로 1, 2, 3, 4, 5 로 한다) 로 구성된 경우, 판두께 방향 1/4 의 위치가 요소 2 와 요소 4 의 일부에 걸리는 경우에는, 판두께 표층으로 하는 요소는 요소 1, 2, 4, 5 로 한다.

＜형상 해석 공정＞

형상 해석 공정 (S7) 은, 판두께 표층의 잔류 응력의 값을 완화 감소 설정한 프레스 성형품에 대해서, 힘의 모멘트가 균형을 이루는 형상을 구하는 공정이다. 이 공정을 거침으로써, 프레스 성형품의 시간 경과적 변화 후의 형상을 정밀도 좋게 예측할 수 있다.

이상과 같이 본 실시 형태에 관련된 프레스 성형품의 형상 변화 예측 방법에 따르면, 스프링백 해석에 의해 취득한, 스프링백한 직후의 프레스 성형품에 대해, 그 잔류 응력보다 완화되고 감소시킨 판두께 표층의 잔류 응력의 값을 설정하고, 그 판두께 표층의 잔류 응력의 값을 완화 감소 설정한 프레스 성형품에 대해서, 힘의 모멘트와 균형을 이루는 형상을 해석에 의해 구한다. 이에 따라, 실제의 프레스 성형품에 있어서의 시간 단위의 경과에 따른 응력 완화와 형상 변화를 모의하고, 금형으로부터 이형하여 스프링백한 후의 프레스 성형품의 시간 단위의 경과에 수반되는 형상 변화를 정밀도 좋게 예측할 수 있다.

상기 설명에서는, 스프링백 해석에 의해 취득한 스프링백한 직후의 프레스 성형품에 있어서의 모든 굽힘부, 즉, 도 5 에 있어서의 해트형 단면 형상 부품 (1) 의 펀치 숄더부 (9) 및 다이 숄더부 (11) 의 판두께 표층에 대해, 그것들의 잔류 응력보다 완화되고 감소시킨 잔류 응력의 값을 설정하는 것이었다. 본 발명은, 프레스 성형품에 있어서의 일부의 굽힘부, 예를 들어, 펀치 숄더부 (9) 또는 다이 숄더부 (11) 의 어느 일방에 대해, 혹은 펀치 숄더부 (9) 또는 다이 숄더부 (11) 가 복수 존재하는 부품에서는 그것들의 일부에 대해, 각각의 판두께 표층의 잔류 응력을 완화시키고 감소시킨 값을 설정하는 것이어도 된다.

또, 본 발명에 있어서 설정 공정 (S5) 은, 스프링백한 직후의 프레스 성형품에 대하여 그 잔류 응력을 소정의 비율로 감소시키는 것에 한정되지 않는다. 스프링백한 직후의 프레스 성형품의 판두께 표층에 있어서의 전체 또는 일부 부위의 잔류 응력의 절대값으로부터 일정값 (＞0) 을 감산함으로써, 잔류 응력의 값을 감소시키는 것이어도 된다.

이와 같이 프레스 성형품의 판두께 표층의 잔류 응력으로부터 일정값을 감산하는 구체적인 방법에 대해서는, 예를 들어, 프레스 성형품 전체에 대하여 잔류 응력으로부터 어느 일정값을 감산하는 것이나, 잔류 응력이 소정의 값 이상의 부위만 일정값을 감산하는 것, 혹은 잔류 응력이 소정값 이상의 부위와 그 소정값 미만의 부위에서 각 부위의 잔류 응력으로부터 감산하는 값을 변경하는 것 등, 적절히 선택하면 된다.

또, 본 발명은, 도 5 에 나타내는 바와 같은 해트형 단면 형상 부품 (1) 을 대상으로 하는 것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, Z 형 단면 형상 부품 (21) (도 7 참조), L 형 단면 형상 부품 (41) (도 8 참조) 및 コ 형 단면 형상 부품 등의 프레스 성형품에도 적용할 수 있으며, 특히, 굽힘부에 있어서의 잔류 응력이 높아지는 형상을 갖는 프레스 성형품에 적용하면 된다.

또, 본 발명에 관련된 프레스 성형품의 형상 변화 예측 방법에 있어서, 프레스 성형품의 프레스 성형에 제공하는 블랭크 (금속판) 나 프레스 성형품의 형상, 종류에는 특별히 제한은 없지만, 프레스 성형품의 잔류 응력이 높아지는 블랭크를 사용하여 프레스 성형한 자동차 부품에 대해 보다 유효하다.

구체적으로는, 블랭크에 관해서는, 인장 강도가 150 MPa 급 이상 2000 MPa 급 이하, 판두께가 0.5 ㎜ 이상 4.0 ㎜ 이상인 금속판인 것이 바람직하다. 인장 강도가 150 MPa 급 미만인 블랭크 (금속판) 는, 프레스 성형품에 이용되는 것이 적기 때문에, 본 발명에 관련된 프레스 성형품의 형상 변화 예측 방법을 사용하는 이점이 적다. 인장 강도 150 MPa 급 미만인 블랭크여도, 자동차의 외판 부품 등의 강성이 낮은 것에 대해서는, 잔류 응력의 변화에 따른 형상 변화를 받기 쉽기 때문에, 본 발명을 적용하는 이점이 많아지므로, 본 발명을 바람직하게 적용할 수 있다. 한편, 인장 강도가 2000 MPa 급을 초과하는 블랭크는 연성이 부족하기 때문에, 예를 들어, 도 5 에 나타내는 바와 같은 해트형 단면 형상 부품 (1) 에 있어서의 펀치 숄더부 (9) 나 다이 숄더부 (11) 에서는, 프레스 성형 과정에 있어서 균열이 발생하여 프레스 성형할 수 없는 경우가 있다.

또한, 프레스 성형품의 종류로서는, 강성이 낮은 도어나 루프, 후드 등의 외판 부품, 고강도의 금속판을 사용하는 A 필러, B 필러, 루프 레일, 사이드 레일, 프론트 사이드 멤버, 리어 사이드 멤버, 크로스 멤버 등의 골격 부품 등과 같은 자동차 부품에, 본 발명을 적용하는 것이 바람직하다. 본 발명은, 굽힘 성형, 폼 성형 또는 드로우 성형에 의해 프레스 성형된 프레스 성형품에 적용할 수 있으며, 프레스 성형품의 프레스 공법은 상관 없다.

실시예 1

본 발명에 관련된 프레스 성형품의 형상 변화 예측 방법의 작용 효과에 대한 검증을 실시하였으므로, 그 결과를 이하에 설명한다. 표 1 의 기계적 특성을 갖는 금속판으로서 강판 A 를 사용하며 도 5 의 해트형 단면 형상 부품 (1) 의 굽힘 성형을 실시하였다. 해트형 단면 형상 부품 (1) 의 높이는 90 ㎜, 펀치 숄더부 (9) 의 굽힘 반경은 5 ㎜, 다이 숄더부 (11) 의 굽힘 반경은 6 ㎜ 이다.

실제로 프레스 성형한 후의 형상을 측정한 결과, 도 6 에 나타내는 바와 같이 펀치 숄더부 (9) 의 R 부나 다이 숄더부 (11) 의 R 부에서 각도 변화가 발생하였다. 프레스 성형하고 스프링백한 직후의 부품 형상과 스프링백 후에 응력 완화된 부품 형상의, 가장 괴리된 부위를 평가점 A 로 하면, 프레스 성형 후에 이형하여 스프링백한 후, 2 일간 경과한 후에 측정한 평가점 A 의 괴리량 (천판부 (3) 를 가지런히 한 경우, 스프링백 직후의 평가점 A 의 위치에서부터 2 일간 경과한 후의 평가점 A 까지의 거리) 은 실제 괴리량으로서 16.0 ㎜ 였다.

다음으로, 유한 요소법에 의한 성형 시뮬레이션에 의해, 스프링백 후에 응력 완화된 해트형 부품의 2 일간 경과 후의 형상을 예측하였다. 유한 요소법의 요소 타입은 솔리드를 사용하고, 굽힘부인 펀치 숄더부 (9) 의 R 부와 다이 숄더부 (11) 의 R 부에 있어서의 판두께 방향의 분할수나 응력 완화시키는 요소수를 변경하여, 본 발명의 효과를 검증하였다. 검증 결과를 표 2 에 나타낸다.

먼저, 비교예 1 로서 판두께 방향의 분할수를 4 로 하고, 판두께 방향 전체의 응력을 일률적으로 10 ％ 완화시켰다. 2 일간 경과하고 응력 완화된 해트형 부품의 성형 시뮬레이션에 의한 형상 예측 결과는, 평가점 A 의 괴리량이 4 ㎜ 였다. 이 결과는, 실제 프레스하고 스프링백하고 2 일 경과한 후의 평가점 A 의 실제 괴리량 16 ㎜ 와는 크게 상이하고 (실제 괴리량과의 차이 12 ㎜), 스프링백 후의 시간 경과적 변화의 예측 정밀도는 낮았다.

다음으로, 발명예 1 로서, 판두께 방향의 분할수를 4 로 하고, 판두께 양면측 모두 판두께 표층 1 층째 (내측 및 외측) 의 요소를 선택하고, 응력을 10 ％ 완화시켰다. 그 결과, 평가점 A 의 괴리량은 12 ㎜ 로 예측되며, 비교예 1 보다 양호하고, 실제 프레스하고 스프링백하고 2 일 경과한 후의 평가점 A 의 실제 괴리량 16 ㎜ 에 근접하였다 (실제 괴리량과의 차이 4 ㎜).

발명예 2 로서, 판두께 방향의 분할수를 7 로 하고, 판두께 양면측 모두 판두께 표층 1 층째의 요소를 선택하고, 응력을 10 ％ 완화시켰다. 그 결과, 평가점 A 의 괴리량은 15 ㎜ 로 예측되며, 비교예 1 및 발명예 1 보다 더 양호하고, 실제 프레스하고 스프링백하고 2 일 경과한 후에 실측한 평가점 A 의 실제 괴리량 16 ㎜ 에 더욱 근접하였다 (실제 괴리량과의 차이 1 ㎜).

발명예 3 으로서, 판두께 방향의 분할수를 7 로 하고, 판두께 양면측 모두 판두께 표층 1 층째와 2 층째의 요소를 선택하고, 응력을 10 ％ 완화시켰다. 그 결과, 평가점 A 의 괴리량은 12 ㎜ 로 예측되며, 비교예 1 보다 양호하고 발명예 1 과 동등하였다 (실제 괴리량과의 차이 4 ㎜).

실시예 2

다음으로, 도 7 에 나타내는 천판부 (23) 와 종벽부 (25) 와 플랜지부 (27) 를 갖는 Z 형 단면 형상 부품 (21) 에 대해서, 부품의 높이를 80 ㎜, 펀치 숄더부 (29) 와 다이 숄더부 (31) 의 굽힘 반경을 각각 4 ㎜ 와 5 ㎜ 로 하고, 굽힘 성형을 실시하였다. 부품 형상과 가장 괴리된 부위를 평가점 B 로 하면, 프레스 성형 후의 Z 형 단면 형상 부품 (21) 을 이형하여 스프링백한 후, 2 일간 경과한 후에 측정한 평가점 B 의 괴리량 (천판부 (23) 를 가지런히 한 경우, 스프링백 직후의 평가점 B 의 위치에서부터 2 일간 경과한 후의 평가점 B 까지의 거리) 은, 실제 괴리량으로서 17.0 ㎜ 였다.

다음으로, 유한 요소법에 의한 성형 시뮬레이션에 의해 스프링백 후에 응력 완화되고 2 일간 경과 후의 해트형 부품의 형상을 예측하였다. 유한 요소법의 요소 타입은 쉘로 하고, 판두께 방향의 분할수나 응력 완화시키는 요소수를 변경하여, 본 발명의 효과를 검증하였다. 검증 결과를 표 3 에 나타낸다.

먼저, 비교예 2 로서, 판두께 방향의 분할수를 5 로 하고, 판두께 전체의 요소의 응력을 일률적으로 20 ％ 완화시켰다. 2 일간 경과하고 응력 완화된 Z 형 단면 형상 부품 (21) 의 성형 시뮬레이션에 의한 형상의 예측 결과는, 평가점 B 의 괴리량이 6 ㎜ 이고, 스프링백한 후, 2 일간 경과한 후에 실측한 평가점 B 의 실제 괴리량 17 ㎜ 로 크게 상이하였다 (실제 괴리량과의 차이 11 ㎜).

다음으로, 발명예 4 로서, 판두께 방향의 분할수를 5 로 하고, 판두께 양면측 모두 판두께 표층 1 층째의 요소를 선택하고, 응력을 20 ％ 완화시킨 결과, 2 일간 경과하고 응력 완화된 Z 형 단면 형상 부품 (21) 의 성형 시뮬레이션에 의한 형상의 예측 결과는, 평가점 B 의 괴리량이 10 ㎜ 이고, 2 일간 경과한 후에 실측한 평가점 B 의 실제 괴리량 17 ㎜ 에 근접하는 결과가 되었다 (실제 괴리량과의 차이 7 ㎜).

발명예 5 로서, 판두께 방향의 분할수를 9 로 하고, 판두께 양면측 모두 판두께 표층 1 층째의 요소를 선택하고, 응력을 20 ％ 완화시켰다. 그 결과, 평가점 B 의 괴리량은 14 ㎜ 로 예측되며, 비교예 1 및 발명예 4 보다 양호하고, 실제 프레스하고 스프링백하고 2 일 경과한 후에 실측한 평가점 B 의 실제 괴리량 17 ㎜ 에 근접하였다 (실제 괴리량과의 차이 3 ㎜).

발명예 6 으로서, 판두께 방향의 분할수를 9 로 하고, 판두께 양면측 모두 판두께 표층 1 층째와 2 층째의 요소를 선택하고, 응력을 20 ％ 완화시켰다. 그 결과, 평가점 B 의 괴리량은 15 ㎜ 로 예측되며, 비교예 1, 발명예 4 및 발명예 5 보다 더 양호하고, 실제 프레스하고 스프링백하고 2 일 경과한 후에 실측한 평가점 B 의 실제 괴리량 17 ㎜ 에 더욱 근접하였다 (실제 괴리량과의 차이 2 ㎜).

발명예 7 로서, 판두께 방향의 분할수를 7 로 하고, 판두께 양면측 모두 판두께 표층 1 층째에서부터 3 층째까지의 요소를 선택하고, 응력을 20 ％ 완화시켰다. 그 결과, 평가점 B 의 괴리량은 10 ㎜ 로 예측되며, 비교예 1 보다 양호하고 발명예 4 와 동등하였다 (실제 괴리량과의 차이 7 ㎜).

실시예 3

다음으로 도 8 의 천판부 (43) 와 종벽부 (45) 를 갖는 L 형 단면 형상 부품 (41) 을 대상으로 하여 실험을 실시하였다. 부품의 높이는 60 ㎜, 펀치 숄더부 (49) 의 굽힘 반경은 5 ㎜ 이다. 프레스 성형 방법은 굽힘 성형으로 하였다. 실제로 프레스 성형한 후의 형상을 측정한 결과, 부품 형상과 가장 괴리된 부위를 평가점 C 로 하면, 프레스 성형 후의 L 자형 부품을 이형하여 스프링백한 후, 2 일간 경과한 후에 측정한 평가점 C 의 괴리량 (천판부 (43) 를 가지런히 한 경우, 스프링백 직후의 평가점 C 의 위치에서부터 2 일간 경과한 후의 평가점 C 까지의 거리) 은, 실제 괴리량으로서 22.0 ㎜ 였다. 다음으로, 유한 요소법에 의한 성형 시뮬레이션에 의해 스프링백 후에 응력 완화되고 2 일간 경과 후의 L 형 단면 형상 부품 (41) 의 형상을 예측하였다. 유한 요소법의 요소 타입은 솔리드를 사용하고, 분할수나 응력 완화시키는 요소수를 변경하여, 본 발명의 효과를 검증하였다. 검증 결과를 표 4 에 나타낸다.

먼저, 비교예 3 으로서, 판두께 방향의 분할수를 7 로 하고, 판두께 전체의 요소의 응력을 일률적으로 30 ％ 완화시켰다. 2 일간 경과하고 응력 완화된 L 자 단면 형상 부품의 성형 시뮬레이션에 의한 형상의 예측 결과는, 평가점 C 의 괴리량이 7 ㎜ 이고, 스프링백한 후, 2 일간 경과한 후에 실측한 평가점 C 의 실제 괴리량 22 ㎜ 로 크게 상이하였다 (실제 괴리량과의 차이 15 ㎜).

다음으로, 발명예 8 로서, 판두께 방향의 분할수를 7 로 하고, 판두께 양면측 모두 판두께 표층 1 층째의 요소를 선택하고, 응력을 30 ％ 완화시켰다. 그 결과, 2 일간 경과하고 응력 완화된 L 자 단면 형상 부품의 성형 시뮬레이션에 의한 형상의 예측 결과는, 평가점 C 의 괴리량이 15 ㎜ 이고, 2 일간 경과한 후에 실측한 평가점 C 의 실제 괴리량 22 ㎜ 에 근접하는 결과가 되었다 (실제 괴리량과의 차이 7 ㎜).

발명예 9 로서, 판두께 방향의 분할수를 11 로 하고, 판두께 양면측 모두 판두께 표층 1 층째의 요소를 선택하고, 응력을 30 ％ 완화시켰다. 그 결과, 평가점 C 의 괴리량은 17 ㎜ 로 예측되며, 비교예 3 및 발명예 8 보다 양호하고, 실제 프레스하고 스프링백하고 2 일 경과한 후에 실측한 평가점 C 의 실제 괴리량 22 ㎜ 에 근접하였다 (실제 괴리량과의 차이 5 ㎜).

발명예 10 으로서, 판두께 방향의 분할수를 11 로 하고, 판두께 양면측 모두 판두께 표층 1 층째와 2 층째의 요소를 선택하고, 응력을 30 ％ 완화시켰다. 그 결과, 평가점 C 의 괴리량은 16 ㎜ 로 예측되며, 비교예 3 및 발명예 8 보다 양호하였다 (실제 괴리량과의 차이 6 ㎜).

발명예 11 로서, 판두께 방향의 분할수를 11 로 하고, 판두께 양면측 모두 판두께 표층 1 층째 내지 3 층째의 요소를 선택하고, 응력을 30 ％ 완화시켰다. 그 결과, 평가점 C 의 괴리량은 14 ㎜ 로 예측되며, 비교예 3 및 발명예 8 보다 양호하였다 (실제 괴리량과의 차이 8 ㎜).

본 발명에 따르면, 스프링백 후의 시간 단위의 경과에 따른 굽힘을 갖는 프레스 성형품의 형상 변화에 대해서, 정밀도 좋게 예측하는 프레스 성형품의 형상 변화 예측 방법을 제공할 수 있다.

1 : 해트형 단면 형상 부품
3 : 천판부
5 : 종벽부
7 : 플랜지부
9 : 펀치 숄더부
11 : 다이 숄더부
21 : Z 형 단면 형상 부품
23 : 천판부
25 : 종벽부
27 : 플랜지부
29 : 펀치 숄더부
31 : 다이 숄더부
41 : L 형 단면 형상 부품
43 : 천판부
45 : 종벽부
47 : 펀치 숄더부

Claims

금속판을 프레스 성형하고, 금형으로부터 이형한 순간에 스프링백한 프레스 성형품에 있어서의, 그 후의 시간 단위의 경과에 수반되는 형상 변화를 예측하는 프레스 성형품의 형상 변화 예측 방법으로서,
프레스 성형에 사용하는 금속판인 블랭크의 해석 모델로서, 판두께 방향으로 복수로 분할되어 해석 가능하게 구성된 블랭크 모델을 생성하는 생성 공정과,
상기 블랭크 모델과 프레스 성형에 사용하는 금형을 모델화한 금형 모델을 사용하여 프레스 성형 해석 및 스프링백 해석을 실시하고, 스프링백한 직후의 프레스 성형품의 형상 및 판두께 방향의 잔류 응력을 취득하는 취득 공정과,
그 취득한 스프링백한 직후의 프레스 성형품에 대해, 그 잔류 응력보다 완화되고 감소시킨 잔류 응력의 값을, 판두께 표층의 요소 또는 적분점에 설정하는 설정 공정과,
그 판두께 표층만의 잔류 응력의 값을 완화 감소 설정한 상기 프레스 성형품에 대해서, 힘의 모멘트가 균형을 이루는 형상을 구하는 형상 해석 공정을 포함하는, 프레스 성형품의 형상 변화 예측 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 설정 공정은, 상기 스프링백한 직후의 프레스 성형품의 판두께 표층의 요소 또는 적분점의 잔류 응력을 소정의 비율로 감소시켜 설정하는, 프레스 성형품의 형상 변화 예측 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 설정 공정은, 상기 프레스 성형 중에 금속판이 굽힘 변형을 받는 부위를 대상으로 하여 잔류 응력을 소정의 비율로 감소시켜 설정하는, 프레스 성형품의 형상 변화 예측 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 블랭크는, 인장 강도가 150 MPa 급 이상 2000 MPa 급 이하인 금속판인, 프레스 성형품의 형상 변화 예측 방법.