TWI540004B - 壓製成形用金屬板 - Google Patents

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    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D22/00—Shaping without cutting, by stamping, spinning, or deep-drawing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
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Description

壓製成形用金屬板
本發明是有關於一種不會在金屬板上產生裂紋便可壓製成形為所期望的形狀的壓製成形用金屬板(Metal sheet for press forming)。
壓製成形是具有代表性的金屬加工方法之一，其在一對模具間夾住金屬板進行夾壓，使鋼板等金屬板以與模的形狀一致的方式成形，而獲得所期望形狀的零件，壓製成形使用於汽車零件、機械零件、建築構件、家電製品等廣泛的製造領域。
近年來，特別是在汽車零件的壓製成形中，高強度鋼板(high strength steel sheet)的利用範圍擴大，但出現了被加工材料的強度越增加，則壓製成形性越降低的問題。其對策有：如由硬質相與軟質相這2相構成金屬組織的鋼板(雙相(Dual Phase)鋼板)、或有效利用殘留沃斯田鐵(retained austenite)的鋼板(變態誘發塑性(Transformation Induced Plasticity，TRIP))等般，同時實現強度與伸長率，並提高金屬板本身的機械特性的方法。這是由於壓製成形性與金屬板的伸長率有關。
通常，金屬板的壓製成形性以成形極限線圖(forming limit diagram)表示。該成形極限線圖是對金屬板給予各種雙軸應力，將在金屬板上產生裂紋的階段或將要產生裂紋前的應變作為極限值的線圖。一直在積極進行用以提高該 成形極限的測定或預測的精度的嘗試，並驗證其與各種材料特性的影響(例如參照非專利文獻1)。
另外亦進行以下方法：藉由使用該成形極限線圖而進行利用有限元法(Finite Element Method)的壓製成形模擬，而探索在金屬板上不產生裂紋的成形條件(例如參照專利文獻1)。
現有技術文獻 非專利文獻
非專利文獻1：「鐵與鋼」、顧莉薇(Liwei Gu)、另外3名、日本鋼鐵協會、第88卷(2002年)、第2號、p88~94、「薄板材料的壓製成形的成形極限的預測與加工硬化特性的影響」(Prediction of forming Limit Diagram(FLD)and Effect of Work Hardening Property on FLD of Sheet Metals)
專利文獻
專利文獻1：日本專利特開2007-152407號公報
發明者等人藉由各種成形條件實施高強度鋼板的壓製成形，結果發現，存在大量的與使用壓製成形模擬的裂紋的預測結果較大地背離的事例，並且產生與如圖1(a)所示的延展性支配的裂紋不同的裂紋。反覆進行銳意研究，結果明白，該裂紋與金屬板的彎曲性的相關性強，是如圖1(b)所示的自板表面產生龜裂直至裂紋的彎曲性支配的 裂紋，在使用伸長率優異的高強度鋼板進行壓製成形時亦會引起該裂紋。即，在產生彎曲性支配的裂紋時，在以金屬板的延展性為基準進行壓製成形性的評價或裂紋的預測的現有方法中，即便金屬板具有優異的延展性，亦可能會在壓製成形中途導致裂紋產生。
本發明是為了解決上述問題點而完成發明，課題是預測為了防止產生彎曲性支配的裂紋而金屬板所需要的彎曲性，並且提供一種在壓製成形中途不產生彎曲性支配的裂紋的金屬板。
為了解決上述課題，發明者等人對彎曲性支配的裂紋的發生反覆進行了各種研究，結果發現，與金屬板的彎曲性R/t的相關性強。此處，彎曲性R/t是藉由彎曲試驗而得的金屬板的機械特性，將在金屬板的表面不產生龜裂的最小彎曲半徑(不產生裂紋而彎曲的最小彎曲半徑(極限彎曲半徑))R除以板厚t而表示。發明者等人對各種金屬板實施90度V彎曲試驗發現：若將金屬板表面產生龜裂時的彎曲外側表面的應變規定為極限表面應變εcritical，則在壓製成形時的金屬板表面的應變超過極限表面應變εcritical時，會產生彎曲性支配的裂紋。
因此發明以下的預測式：根據壓製成形用模具的最小曲率半徑R0、與成形極限線圖中的平面應變區域的極限應變εf，而求出壓製成形時的金屬板表面的應變，在金屬板表面的應變為極限表面應變εcritical以下時，可判定不產生 彎曲性支配的裂紋。
R/t≦(-εf+2(1-εf)R0/t)/2(1+εf+2εfR0/t)
即，本發明為了解決上述課題，而根據上述式預測為了防止產生彎曲性支配的裂紋而金屬板所需要的最大彎曲性R/t，並選擇具有滿足上述式的彎曲性的金屬板作為壓製成形用金屬板。
根據本發明，在對成為對象的金屬板進行壓製成形時，可防止彎曲性支配的裂紋的產生，因此可穩定進行壓製成形，並且可大大地有助於壓製成形品的不良率的降低。
另外，在材料設計階段可精度佳地預測金屬板所需要的彎曲性R/t，而可對縮短金屬板的開發時間作出貢獻。
而且，亦有可精度佳地預測在對汽車的面板零件、結構-骨架零件等各種零件進行壓製成形時所用的金屬板的選擇是否恰當的效果。
以下，根據圖式對本發明的實施形態進行說明。
(成形極限線圖的製作方法)
在製作成形極限線圖(Forming Limit Diagram，FLD)時，首先，將金屬板加工成寬度為10mm~100mm且具有各種寬度的試驗片。此處，準備各種改變了寬度的試驗片的理由是，使應變比(最小主應變與最大主應變之比) 在寬範圍內變化。
接著，對金屬板表面實施標記。標記的形狀為圓圖案、點圖案、格柵圖案、同心圓圖案等，只要可在成形後測量應變即可。另外，標記方法有電解蝕刻、光蝕刻、油墨的轉印(壓印印刷(stamp printing))等，可使用任一種方法，但打格會引發產生龜裂，因此欠佳。
接著，使用前端的曲率半徑為25mm以上的球頭形狀的衝頭(punch)，將上述試驗片拉伸成形，在板產生裂紋、或產生凹槽的時點、或板表面產生龜裂的時點，結束成形。另外，將衝頭前端的最小曲率半徑限定為25mm的理由是，若小於25mm，則無法忽視衝頭前端部分的變形區域中的彎曲變形的影響。
在上述拉伸成形結束後，測量衝頭前端抵接的部分的標記位置或形狀變化，求出最大主應變與最小主應變。藉由對各種寬度的試驗片重複進行上述操作，而可在寬範圍內獲得最大主應變及最小主應變。接著，以二維表示按上述方式獲得的最大主應變(maximum principal strain)及最小主應變(minimum principal strain)的測定結果，而獲得如圖2所示的成形極限線圖。
此處，將如彎曲變形的最小主應變接近0的區域稱為平面應變區域(plane strain region)，其極限應變以圖2的εf表示。另外，在將金屬板的延展性作為判定基準的現有的裂紋的預測方法中，夾住成形極限線圖的成形極限線，而確認是否存在於裂紋產生區域、與無裂紋的區域的任一 側，在存在於裂紋產生區域時，預測會產生裂紋。
(預測式的導出)
對預測金屬板所需要的彎曲性的實施例進行說明。
若將作為對象的金屬板的90度V彎曲試驗中的極限彎曲半徑設為R、將金屬板的板厚設為t，則根據純彎曲理論，彎曲外側的極限表面應變εcritical以式(1)表示。
εcritical=t/(t+2R).........(1)
另外，關於在壓製成形時在平面應變區域受到彎曲變形的金屬板，若將模具的最小彎曲半徑(最小曲率半徑)設為R0，則金屬板表面的極限應變εR0以式(2)表示，該式(2)是在成形極限線圖中的平面應變區域的極限應變εf上，加上彎曲變形所增加的應變部分而成。
εR0=εf+t/(t+2R0).........(2)
此處，εcritical在平面應變區域中是不產生彎曲性支配的裂紋的應變的極限值，因此用以不產生彎曲影響裂紋的條件成為式(3)。
εcritical≧εR0.........(3)
根據式(1)~式(3)，為了防止彎曲性支配的裂紋而 金屬板所需要的彎曲性R/t，是根據下述式(4)而求出。
R/t≦(-εf+2(1-εf)R0/t)/2(1+εf+2εfR0/t)...(4)
因此，藉由將金屬板的彎曲性設定為滿足式(4)所示的彎曲性R/t的範圍，而可獲得在壓製成形時不產生彎曲性支配的裂紋的金屬板。
另外，將本實施形態作為對象的模具假設為最小彎曲半徑(minimum bending radius)(最小曲率半徑)R0小於25 mm的模具。其原因是，使用最小彎曲半徑(最小曲率半徑)R0為25 mm以上的模具而對金屬板進行壓製成形時，彎曲變形的影響變小，容易成為延展性支配的裂紋形態。
另外，將本實施形態作為對象的金屬板為板厚t為0.5 mm以上、拉伸強度為980 MPa以上、極限彎曲半徑R為1 mm以上的金屬板。其原因是，若板厚t小於0.5 mm，則即便對金屬板施加彎曲變形，彎曲外側表面所產生的應變亦小，且難以產生彎曲性支配的裂紋。另外原因是，如拉伸強度小於980 MPa般的原材料通常彎曲性優異，並且在如極限彎曲半徑R小於1 mm般的彎曲性R/t優異的原材料中，通常利用壓製成形而在所使用的模具的最小彎曲半徑(最小曲率半徑)的範圍內，彎曲性支配的裂紋不會成為問題。
(實施例)
使用以彎曲性不同的方式製造的表1所示的3種供試材料A、供試材料B、供試材料C。首先，製作多種最窄部的寬度為10mm~100mm的試驗片，在該試驗片表面藉由電解蝕刻以標點間距離1.0mm標記點圖案。接著，使用前端的最小曲率半徑為25mm的球頭衝頭，將上述試驗片拉伸成形。另外，在使用球頭衝頭的拉伸成形中，對鋼板進行成形直至產生貫通裂紋為止。接著，對拉伸成形後的試驗片，測定衝頭前端附近的點間隔的變化，求出最大主應變及最小主應變，並製作成形極限線圖。
R*表示90度V彎曲試驗的極限彎曲半徑R
分別將藉由上述方法製作的供試材料A的成形極限線圖表示於圖3(a)，將供試材料B的成形極限線圖表示於圖3(b)，將供試材料C的成形極限線圖表示於圖3(c)。另外，平面應變區域理論上是最小主應變為0的區域，但實際上由於受到摩擦等的影響，而未必在最小主應變=0的軸上一致。此處，在測定供試材料的極限彎曲半徑R、及彎曲性R/t時，並不限定於90度V彎曲試驗，亦可為U彎曲試驗等彎曲試驗方法。若根據各供試材料的成形極限線圖求出平面應變區域中的極限應變εf，則為表2。
接著，使用極限應變εf、板厚t、模具的最小彎曲半徑(最小曲率半徑)R0，根據式(4)預測為了藉由壓製成形製造所期望的製品而所需要的彎曲性。在使用最小彎曲半徑(最小曲率半徑)R0為2mm、3mm、4mm、...、21mm的模具進行壓製成形時，如表3般可預測金屬板所需要的彎曲性R/t的式(4)的右邊的值。表3的下線是供試材料的彎曲性R/t中預測為不充分的結果。根據該結果可知，在模具的最小彎曲半徑(最小曲率半徑)R0為4mm以上時，供試材料A不產生彎曲性支配的裂紋。另外可知，在模具的最小彎曲半徑(最小曲率半徑)R0為7mm以上時，供試材料B不產生彎曲性支配的裂紋，在模具的最小彎曲半徑(最小曲率半徑)R0為20mm以上時，供試材料C不產生彎曲性支配的裂紋。
(實施例的驗證)
使用將平板狀被加工材料成形為帽模(hat mold)形狀的圖4所示的模具，驗證上述鋼板所需要出彎曲性R/t的預測結果。供試材料在加工成圖5所示的矩形狀後，使用衝頭肩半徑即模具的最小彎曲半徑(最小曲率半徑)R0為5mm及10mm的衝頭，將供試材料成形。潤滑是使用通常的防銹油，皺褶按壓負荷設為15噸，成形高度設為50mm，確認供試材料是否產生彎曲性支配的裂紋。
將實驗結果表示於表4，將產生彎曲性支配的裂紋的情形設為×，將不產生彎曲性支配的裂紋便可成形的情形設為○。在模具的最小彎曲半徑(最小曲率半徑)R0為5mm時，供試材料A可不產生裂紋地成形，但供試材料B與供試材料C自金屬板表面產生裂紋。同樣，在模具的最小彎曲半徑(最小曲率半徑)R0為10mm時，供試材料A與供試材料B可不產生裂紋地成形，但供試材料C自金屬板表面產生裂紋。
對於進行成形直至產生彎曲性支配的裂紋為止的供試材料，將衝頭肩部附近的示意圖表示於圖6。各供試材料自表面產生龜裂，並產生彎曲性支配的裂紋。根據該結果可知，藉由使用發明的預測式(4)來預測為了防止彎曲性 支配的裂紋而需要的彎曲性R/t，而可選擇能夠防止產生彎曲性支配的裂紋的金屬板。
(產業上之可利用性)
本發明並不限定於上述說明的內容，例如示出上述實施例中應用於拉伸強度為980MPa級以上的鋼板(1180MPa級的鋼板)的例子，本發明較佳為應用於此種高強度鋼板的壓製成形，但亦可應用於鋼板以外的金屬板。
圖1(a)、1(b)是表示延展性支配的金屬板的裂紋形態、及彎曲性支配的金屬板的裂紋形態的圖。
圖2是說明成形極限線圖的圖。
圖3(a)~3(c)是表示供試材料A、供試材料B及供試材料C的成形極限線圖的圖。
圖4是表示帽(hat)成形模具的形狀的圖。
圖5是表示用於帽成形的試驗片的形狀的圖。
圖6是表示成形為帽模形狀直至產生裂紋為止的供試材料的示意圖。

Claims (1)

  1. 一種壓製成形用金屬板，其特徵在於：將上述壓製成形用金屬板的表面不產生裂紋而彎曲的最小彎曲半徑定義為R，將製作上述壓製成形用金屬板的成形極限線圖而得的平面應變區域的極限應變定義為εf，將壓製成形用模具的最小曲率半徑定義為R0，將上述壓製成形用金屬板的板厚定義為t，將上述壓製成形用金屬板的彎曲性R/t設定為滿足該下述式的範圍：R/t≦(-εf+2(1-εf)R0/t)/2(1+εf+2εfR0/t)。
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