WO2015155943A1 - プレス成形品及びこれを備えた自動車用構造部材、並びにそのプレス成形品の製造方法及び製造装置 - Google Patents

プレス成形品及びこれを備えた自動車用構造部材、並びにそのプレス成形品の製造方法及び製造装置 Download PDF

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Abstract

 プレス成形品であるバルクヘッド(10)は、天板部(11)と、辺フランジ部(14)と、コーナーフランジ部(15)と、を備える。辺フランジ部(14)は天板部(11)の各辺(12)からそれぞれ延びる。コーナーフランジ部(15)は天板部(11)の各角部(13)からそれぞれ延びる。コーナーフランジ部(15)は辺フランジ部(14)同士をつなぐ。コーナーフランジ部(15)において、周方向の中央部に板厚の極小値を示す部分が存在し、その両側部に板厚の極大値を示す部分が存在する。その極大値とその極小値との比が1.0を超え1.6以下の範囲内にある。このプレス成形品は、コーナーフランジ部でしわが抑制され、自動車用構造部材の補強材に適する。

Description

プレス成形品及びこれを備えた自動車用構造部材、並びにそのプレス成形品の製造方法及び製造装置
 本発明は、鋼板製のプレス成形品に関し、特に、自動車の車体を構成する構造部材の補強材として好適なプレス成形品に関する。更に、本発明は、そのプレス成形品を備えた自動車用構造部材、並びにそのプレス成形品の製造方法及び製造装置に関する。
 自動車の車体は、各種の構造部材(例:ロッカー(サイドシルとも称される)、クロスメンバー、サイドメンバー、センターピラー等)を含む。構造部材には鋼板製のプレス成形品が多用される。構造部材に用いられるプレス成形品は、例えば、溝形又はハット形の断面形状を有する。溝形断面のプレス成形品は、天板部と、天板部につながる一対のフランジ部とを備える。ハット形断面のプレス成形品は、天板部と、天板部につながる一対の縦壁部と、各縦壁部につながる一対のフランジ部とを備える。通常、複数のプレス成形品の互いの縁部が重ねられ、抵抗スポット溶接により接合される。これにより、中空の構造部材が組み立てられる。
 このような自動車用構造部材において、成形品同士が接合された部分、高荷重が負荷される部分等といった要所には、補強材が抵抗スポット溶接により接合される。補強材にも鋼板製のプレス成形品が多用される。例えば、ロッカーの場合、ロッカーの長手方向の一箇所又は複数箇所に、ロッカーの内部を仕切る補強材が配置される。側面衝突の荷重に対し、ロッカーの3点曲げ圧壊性能を確保するためである。この補強材は、バルクヘッド又はスティフナーと称される。
 図1は、従来のバルクヘッドを内部に備えたロッカーの一例を示す斜視図である。なお、図1には、内部のバルクヘッド110を透視した状態が示される。以下の説明では、構造部材がロッカー1である場合を例にとる。
 図1に示すように、ロッカー1は長尺で中空の筒体である。図1に例示するロッカー1の断面形状は概ね矩形である。バルクヘッド110は、天板部111と、フランジ部114と、を備える。天板部111の輪郭形状は、ロッカー1の内断面形状とほぼ一致する。フランジ部114は、天板部111の4つの各辺112に形成される。バルクヘッド110は、ロッカー1の内部における長手方向の所定位置に配置される。バルクヘッド110の各フランジ部114がロッカー1の内面に重ねられ、抵抗スポット溶接等によってロッカー1に接合される。自動車車体の軽量化の観点から、ロッカー1及びバルクヘッド110には、高張力鋼板から成形されたプレス成形品が用いられる。ここでの高張力鋼板の引張強度は、通常、440MPa以上とされ、要求される性能等に応じてそれ以上とされることもある。
 従来、フランジ部114は、天板部111の4辺112それぞれの縁部を個別に折り曲げて形成される。以下、天板部111の各辺112から延びる個々のフランジ部114を「辺フランジ部」ともいう。この場合、フランジ部114は、天板部111の隣り合う辺112を結ぶ角部113で分離し不連続になっている。場合によっては、図1に示すように、辺フランジ部114それぞれの両側端部に切欠き117が設けられる。
 ところで、ロッカー1(自動車用構造部材)におけるバルクヘッド110(補強材)の性能面から言うと、理想的には、図1に示す従来のバルクヘッド110のようにフランジ部114が天板部111の角部113で不連続になっているよりも、フランジ部が以下のように構成されることが望ましい。フランジ部が天板部111の各角部113からも延びる。以下、天板部111の各角部113から延びる個々のフランジ部を「コーナーフランジ部」ともいう。隣接する辺フランジ部は、コーナーフランジ部を介してつながる。この場合、フランジ部は、天板部111のある辺112から角部113及び隣りの辺112にわたって連続する。以下、このように天板部111の角部113で分離することなく連続するフランジ部を「連続フランジ部」ともいう。
 しかしながら、このような連続フランジ部を備えた製品をプレス成形で得ることは、非常に難しい。もっとも、軟鋼、アルミニウム等の軟らかい板材をプレス成形して缶のフタのような製品を得ることは、従来から可能である。しかし、上記した自動車用構造部材における補強材を得るために、特に高張力鋼板をプレス成形し、連続フランジ部を備えた製品を製造することは、困難である。これは、以下の理由による。
 プレス成形により鋼板から連続フランジ部を備えた製品を製造する際、コーナーフランジ部の成形は、縮みフランジ成形となる。このため、コーナーフランジ部にしわが発生し易い。このしわは、鋼板の強度が高いほど顕著に発生する。
 コーナーフランジ部にしわが発生すると、以下の問題が生じる。図1に示す例を参照すれば、バルクヘッド110をロッカー1の内部に配置し、互いの重なり合い部を抵抗スポット溶接によって接合する際、しわに起因して重なり合い部に隙間が生じる。これにより、溶接不良等の不具合が発生し易い。また、ロッカー1内でのバルクヘッド110の配置が不安定になり易い。したがって、バルクヘッド110のコーナーフランジ部にしわが発生すると、そのバルクヘッド110は実際の製品として用いることができない。
 鋼板をプレス成形する際に縮みフランジ成形となる部位においてしわの発生を抑制する従来技術は、下記のものがある。
 例えば、特許第2554768号公報(特許文献1)及び特開平7-112219号公報(特許文献2)は、サンルーフ用の開口を有するルーフパネルを成形する技術を開示する。これらの特許文献1及び2の技術では、縮みフランジ成形となる部位の余剰な線長を成形時に吸収するために、予め余肉部を付与する、としている。特許第2560416号公報(特許文献3)は、角筒絞り成形の技術を開示する。この特許文献3の技術では、縮みフランジ成形となる部位に特定の形状を付与する、としている。特開平4-118118号公報(特許文献4)は、カム構造を用いたプレス成形の技術を開示する。特許文献4の技術では、縮みフランジ成形となる部位に押さえ圧を与えながら成形を行う、としている。
特許第2554768号公報 特開平7-112219号公報 特許第2560416号公報 特開平4-118118号公報
 自動車の開発において、構造部材の更なる高機能化及び高付加価値化は常に検討され、衝突時における構造部材の3点曲げ圧壊性能の向上を図る検討も例外ではない。
 そこで、本発明の目的の一つは、例えば、衝突時における構造部材(例:ロッカー等)の3点曲げ圧壊性能の向上に寄与する補強材(バルクヘッド)として好適なプレス成形品、特に、コーナーフランジ部でしわが抑制された連続フランジ部を備えたプレス成形品を提供することである。更に、本発明の他の目的は、そのプレス成形品を補強材として備え、3点曲げ圧壊性能に優れた自動車用構造部材を提供することである。
 前記特許文献1~3の技術では、予め付与した余肉部により、プレス成形時にしわ及び肉余りの要因となる余剰な線長を吸収する。この余肉部はプレス成形後の製品に残存する。このため、その余肉部が余肉部の領域での抵抗スポット溶接の妨げになることはもちろんのこと、余肉部が他の領域での抵抗スポット溶接の妨げになることがある。
 前記特許文献4の技術では、大きな曲率半径(例えば、2100mm)の部位を有する製品を成形する場合、縮み率及びカム構造が受ける反力が小さい。このため、大きな曲率半径の部位でしわを抑制することは可能である。しかし、小さな曲率半径(例えば、5mm)の部位を有する製品を成形する場合、縮み率及びカム構造が受ける反力が大きい。このため、小さな曲率半径の部位でしわを抑制することはできない。特に、高張力鋼板をブランクとするプレス成形では、ブランクの降伏応力が高いため、弾性変形下でのブランクの面外変形が大きくなる。このため、過大なしわが発生する。その上、カム構造が受ける反力が過大になるため、カム構造では対応が困難である。
 このように、連続フランジ部を備えた製品をプレス成形で得ることは、従来技術では困難である。特に、自動車用構造部材の補強材に適したプレス成形品を得るために、440MPa級以上の高張力鋼板をプレス成形して、しわの抑制された製品を製造することは、従来技術では不可能に近い。
 そこで、本発明の更なる目的は、連続フランジを備えたプレス成形品であって、コーナーフランジ部でしわが抑制されたプレス成形品を製造できる製造方法及び製造装置を提供することである。
 本発明の一実施形態によるプレス成形品は、鋼板から成形されたものである。
 前記プレス成形品は、天板部と、フランジ部と、を備える。
 フランジ部は、前記天板部の輪郭を構成する辺のうちの一部の辺又は全部の辺からそれぞれ延びる。
 前記天板部の前記辺のうちで隣り合うとともに前記フランジ部が延びる少なくとも一組の前記辺を結ぶ角部から、コーナーフランジ部が延びる。
 前記一組の前記辺からそれぞれ延びる前記フランジ部が、前記コーナーフランジ部を介してつながっている。
 前記コーナーフランジ部において、
 前記天板部の前記角部の周方向に沿う方向の中央部に、板厚の極小値を示す部分が存在し、
 前記中央部の両側部に、板厚の極大値を示す部分が存在し、
 前記極大値と前記極小値との比が、1.0を超え1.6以下の範囲内にある。
 上記のプレス成形品において、前記コーナーフランジ部の曲率半径が30mm以下であることが好ましい。
 上記のプレス成形品において、前記フランジ部の少なくとも一部の幅が10mm以上であることが好ましい。
 上記のプレス成形品において、引張強度が440MPa以上であることが好ましい。
 本発明の一実施形態による自動車用構造部材は、自動車の車体を構成する中空の構造部材である。
 前記自動車用構造部材は、
 内部に補強材として上記のプレス成形品を備え、前記フランジ部を接合されたものである。
 本発明の一実施形態によるプレス成形品の製造方法は、鋼板のブランクからプレス成形品を製造するためのものである。
 前記プレス成形品は、天板部と、フランジ部と、コーナーフランジ部と、を備える。
 フランジ部は、前記天板部の輪郭を構成する辺のうちの一部の辺又は全部の辺からそれぞれ延びる。
 コーナーフランジ部は、前記天板部の前記辺のうちで隣り合うとともに前記フランジ部が延びる少なくとも一組の前記辺を結ぶ角部から延びる。コーナーフランジ部は、前記一組の前記辺からそれぞれ延びる前記フランジ部同士をつなぐ。
 前記製造方法は、
 パンチと、前記パンチといずれも対になるダイ、及び前記コーナーフランジ部に対応する位置に配置される凸状工具と、を用い、
 前記パンチに対する前記ダイの相対的な移動により、前記ブランクを折り曲げて、前記フランジ部を成形し、
 前記パンチに対する前記凸状工具の相対的な移動により、前記ダイによる前記ブランクの折り曲げに先行して前記ブランクを折り曲げて、前記コーナーフランジ部を成形する。
 上記の製造方法において、前記凸状工具は、前記ダイと一体又は別体に構成されることが好ましい。
 上記の製造方法において、更に、前記ダイと対になるブランクホルダを用い、
 前記ダイと前記ブランクホルダにより前記ブランクを挟んだ状態で前記コーナーフランジ部及び前記フランジ部の成形を行うことが好ましい。
 本発明の一実施形態によるプレス成形品の製造装置は、鋼板のブランクからプレス成形品を製造するためのものである。
 前記プレス成形品は、天板部と、フランジ部と、コーナーフランジ部と、を備える。
 フランジ部は、前記天板部の輪郭を構成する辺のうちの一部の辺又は全部の辺からそれぞれ延びる。
 コーナーフランジ部は、前記天板部の前記辺のうちで隣り合うとともに前記フランジ部が延びる少なくとも一組の前記辺を結ぶ角部から延びる。コーナーフランジ部は、前記一組の前記辺からそれぞれ延びる前記フランジ部同士をつなぐ。
 前記製造装置は、パンチと、前記パンチといずれも対になるダイ、及び前記コーナーフランジ部に対応する位置に配置される凸状工具と、を備える。
 前記ダイは、前記パンチに対する相対的な移動により、前記ブランクを折り曲げて、前記フランジ部を成形する。
 前記凸状工具は、前記パンチに対する相対的な移動により、前記ダイによる前記ブランクの折り曲げに先行して前記ブランクを折り曲げて、前記コーナーフランジ部を成形する。
 上記の製造装置において、
 前記凸状工具の先端の曲率半径Rt[mm]は、下記(a)式の条件を満たすことが好ましい。
 Rt<rf×θ …(a)
 上記(a)式中、rf:前記コーナーフランジ部の曲率半径[mm]、θ:前記コーナーフランジ部によってつながる前記一組の前記フランジ部の挟角[rad]。
 上記の製造装置において、前記凸状工具は、前記ダイと一体又は別体に構成されることが好ましい。
 上記の製造装置において、更に、前記ダイに対向して配置され、前記ダイとの間に前記ブランクを挟むブランクホルダを備えることが好ましい。
 本発明のプレス成形品は、コーナーフランジ部でしわが抑制された連続フランジ部を備える。このため、そのプレス成形品を補強材として備えた自動車用構造部材は、3点曲げ圧壊性能に優れる。また、本発明のプレス成形品の製造方法及び製造装置によれば、コーナーフランジ部でしわが抑制されたプレス成形品を製造することができる。
図1は、従来のバルクヘッドを内部に備えたロッカーの一例を示す斜視図である。 図2Aは、本実施形態による第1例のプレス成形品を示す斜視図である。 図2Bは、本実施形態による第2例のプレス成形品を示す斜視図である。 図2Cは、本実施形態による第3例のプレス成形品を示す斜視図である。 図2Dは、本実施形態による第4例のプレス成形品を示す斜視図である。 図3Aは、第1実施形態によるプレス成形品の製造装置の全体構成を模式的に示す斜視図である。 図3Bは、その製造装置における凸状工具の部分を拡大して示す斜視図である。 図4Aは、第1実施形態の製造装置によるプレス成形における成形開始直前の状態を示す斜視図である。 図4Bは、第1実施形態の製造装置によるプレス成形における成形完了時の状態を示す斜視図である。 図5Aは、コーナーフランジ部付近のブランクの変形過程を示す斜視図であり、成形前の状態を示す。 図5Bは、コーナーフランジ部付近のブランクの変形過程を示す斜視図であり、成形初期の状態を示す。 図5Cは、コーナーフランジ部付近のブランクの変形過程を示す斜視図であり、成形中期の状態を示す。 図5Dは、コーナーフランジ部付近のブランクの変形過程を示す斜視図であり、成形完了時の状態を示す。 図6は、第2実施形態によるプレス成形品の製造装置の全体構成を模式的に示す斜視図である。 図7Aは、第2実施形態の製造装置によるプレス成形における成形開始直前の状態を示す斜視図である。 図7Bは、第2実施形態の製造装置によるプレス成形における成形中の状態を示す斜視図である。 図7Cは、第2実施形態の製造装置によるプレス成形における成形完了時の状態を示す斜視図である。 図8は、本発明例のバルクヘッドのコーナーフランジ部の板厚について周方向の分布を示す図である。 図9は、3点曲げ圧壊試験の概要を模式的に示す斜視図である。 図10は、実施例の試験結果として、インパクターの進入量とインパクターへの反力との関係を示す図である。
 以下に、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
 以下では、先ず、特に補強材(バルクヘッド)に適したプレス成形品、及びこのプレス成形品を備えた自動車用構造部材について説明する。続いて、そのプレス成形品の製造方法及び製造装置について説明する。
 [プレス成形品(バルクヘッド)及び自動車用構造部材]
 図2A~図2Dは、本実施形態によるプレス成形品の代表例を示す斜視図である。これらの図のうち、図2Aは第1例のプレス成形品を示す。図2Bは第2例のプレス成形品を示す。図2Cは第3例のプレス成形品を示す。図2Dは第4例のプレス成形品を示す。ここでは、プレス成形品が自動車用構造部材の補強材(バルクヘッド)として用いられる場合を例にとる。
 図2A~図2Dに示すように、バルクヘッド10は、鋼板製のプレス成形品である。バルクヘッド10は、天板部11と、天板部11につながるフランジ部20と、を備える。
 バルクヘッド10は、プレス成形によって鋼板から成形される。バルクヘッド10の部品強度は、鋼板の引張強度に依存する。その鋼板は、引張強度の高い高張力鋼板であることが好ましい。具体的には、引張強度は440MPa以上であることが好ましい。より好ましい引張強度は590MPa以上であり、更に好ましい引張強度は980MPa以上である。鋼板の板厚は、0.8~2.0mmの範囲内である。
 自動車用構造部材の内部にバルクヘッド10が備えられる。その構造部材としては、ロッカー(サイドシルとも称される)、クロスメンバー、サイドメンバー、センターピラー等が例示される。これらの自動車用構造部材は、衝突時に曲げ圧壊荷重を負荷されることが想定された部材である。バルクヘッド10を備えた自動車用構造部材の場合、バルクヘッド10により、構造部材の曲げ圧壊性能が向上する。
 天板部11は平板状であり、その輪郭形状は概ね矩形である。天板部11には、必要に応じて凹凸が形成されてもよいし、溶接作業用の穴等が形成されてもよい。天板部11の輪郭形状は、矩形に限定されず、接合対象の構造部材(例:ロッカー)の内断面形状とほぼ一致する形状であればよい。すなわち、天板部11の輪郭形状は、構造部材の内断面形状に応じ、3角形、5角形等のように多角形であってもよく、一部の辺が曲線状であってもよい。
 図2A~図2Dに示すバルクヘッド10において、天板部11の輪郭は、4つの辺12と、隣り合う各辺12を結ぶ角部13と、から構成される。図2Aに示す第1例のバルクヘッド10の場合、各角部13は所定の曲率半径の湾曲線となっているが、例えば点状(隣り合う辺同士の交点)であってもよい。
 [第1例のプレス成形品]
 図2Aに示す第1例のバルクヘッド10の場合、4つ全ての辺12のそれぞれから辺フランジ部14が延びる。更に、4つ全ての角部13のそれぞれからコーナーフランジ部15が延びる。各コーナーフランジ部15は、隣り合う辺フランジ部14同士をつなぐ。つまり、第1例のバルクヘッド10のフランジ部20は、天板部11の輪郭全周にわたって連続する連続フランジ部である。
 図2Aに示す第1例では、天板部11と各辺フランジ部14との挟角はほぼ直角をなし、天板部11と各コーナーフランジ部15との挟角もほぼ直角をなす。これらの挟角は、直角に限定されず、実際の製品形状に応じた角度にされる。例えば、1つ以上の辺フランジ部14が天板部11と鈍角をなしてもよい。
 天板部11と各辺フランジ部14との境界が、稜線部16を形成する。稜線部16は、天板部11の各辺12を含み、通常、天板部11から各辺フランジ部14にかけて曲率を有する。
 コーナーフランジ部15の板厚に関し、天板部11の角部13の周方向に沿う方向の板厚分布は、以下のとおりである。後述する本実施形態のプレス成形によれば、コーナーフランジ部15での板厚の増加量は、周方向の中央部に比べ、その両側部で大きくなる。これにより、コーナーフランジ部15には、周方向の中央部及びその近傍に板厚の極小値を示す部分が存在し、その部分の両側部に板厚の極大値を示す部分が存在することになる。このため、コーナーフランジ部15において、その中央部の板厚増加量が極端に増加することはなく、しわの発生が抑制される。
 このとき、コーナーフランジ部15の中央部及びその近傍における板厚の極小値と、その両側部における板厚の極大値との比(以下、「板厚比」ともいう)は、1.0を超え1.6以下である。要するに、その板厚比が1.0を超え1.6以下の範囲内にあれば、製造時にしわのような成形不良を生じることなく、連続フランジ部を備えたプレス成形品を得ることができる。
 例えば、図1に示すロッカー1(自動車用構造部材)にバルクヘッド10が備えられる場合、バルクヘッド10は、ロッカー1の内部における長手方向の少なくとも一箇所の位置に配置される。そして、バルクヘッド10は、ロッカー1の内面に重ねられたフランジ部20の一部を抵抗スポット溶接等により接合される。なお、バルクヘッド10は、ロッカー1の長手方向に沿って配置されても構わない。
 スポット溶接の際に溶接領域を確保するため、フランジ部20の少なくとも一部の幅は10mmであることが好ましい。通常、スポット溶接は辺フランジ部14のいずれかに施される。このため、厳密には、辺フランジ部14の少なくとも一部の幅が10mm以上であることが好ましい。
 なお、図2Aに示す第1例のバルクヘッド10において、フランジ部20の幅、すなわち辺フランジ部14及びコーナーフランジ部15の幅は、天板部11の輪郭全周にわたって一定である。しかし、必要に応じ、フランジ部20に幅の広い部分又は幅の狭い部分が混在してもよい。
 コーナーフランジ部15の曲率半径rf(図2B参照)は、30mm以下であることが好ましい。衝突時における自動車用構造部材の曲げ圧壊性能を高めるためである。より好ましい曲率半径rfは18mm以下であり、更に好ましい曲率半径rfは10mm以下である。
 [第2例のプレス成形品]
 図2Bに示す第2例のバルクヘッド10は、図2Aに示す第1例のバルクヘッド10を変形したものである。図2Bに示す第2例のバルクヘッド10の場合、各コーナーフランジ部15の幅が、辺フランジ部14の幅よりも狭い。具体的には、各コーナーフランジ部15の幅は、辺フランジ部14につながる両側端部から中央部にかけて、次第に狭まる。その他の構成は、図2Aに示す第1例と同じである。
 上記のとおり、辺フランジ部14の少なくとも一部の幅は、10mm以上であることが好ましい。一方、コーナーフランジ部15の幅が広いと、プレス成形時にしわが発生し易い。したがって、バルクヘッド10としての性能を確保できる限り、コーナーフランジ部15の幅を辺フランジ部14の幅よりも狭くした構成が好ましい。
 コーナーフランジ部15の成形性と、バルクヘッド10としての性能(例:剛性等)を両立するためには、コーナーフランジ部15の中央部の幅Lf[mm]と、コーナーフランジ部15の曲率半径rf[mm]は、下記(1)式の条件を満たすことが好ましい。
 0.2×rf≦Lf≦1.2×rf …(1)
 [第3例のプレス成形品]
 図2Cに示す第3例のバルクヘッド10は、図2Bに示す第2例のバルクヘッド10を変形したものである。図2Cに示す第3例のバルクヘッド10の場合、4つの辺12のうちで隣り合う2つの辺12からそれぞれ辺フランジ部14が延びる。また、その一組の辺フランジ部14が延びる各辺12を結ぶ角部13からコーナーフランジ部15が延びる。それらの一組の辺フランジ部14及びコーナーフランジ部15は、互いにつながって連続し、連続フランジ部20を形成する。
 それ以外の2つの辺12には、それぞれ、連続フランジ部20とは逆方向に折り曲げられた辺フランジ部14が形成される。これらの個別の各辺フランジ部14の両側端部及び連続フランジ部20の両側端部に、天板部11にまで達する切欠き17が設けられる。連続フランジ部20と個別の各辺フランジ部14は互いに分離し、不連続になっている。その他の構成は、図2Bに示す第2例と同じである。
 つまり、図2Cに示す第3例のバルクヘッド10は、図2Bに示す第2例のバルクヘッド10とは異なり、一組の隣り合う辺12にわたってのみ連続フランジ部を備える。このような構成のバルクヘッド10であっても、図1に示される従来のバルクヘッド110と比較すると、自動車用構造部材の曲げ圧壊性能の向上に大きく寄与する。
 要するに、連続フランジ部は、天板部の輪郭全周にわたって形成されなくても、少なくとも一組の隣り合う辺にわたって形成されればよい。そのような構成であれば、天板部の全ての角部で不連続なフランジ部と比較して、性能が向上するからである。したがって、要求される性能を満たすのであれば、そのような構成であってもよい。
 [第4例のプレス成形品]
 図2Dに示す第4例のバルクヘッド10は、図2Cに示す第3例のバルクヘッド10を変形したものである。図2Dに示す第4例のバルクヘッド10の場合、連続フランジ部20が形成された辺12以外の2つの辺12のうちの一つに、辺フランジ部14が形成されない。つまり、図2Dに示す第4例のバルクヘッド10は、天板部11の4辺12のうちの一部の辺12にフランジ部を有しない。
 第4例のバルクヘッドは、例えば、以下の条件の場合に適用される:
 ・天板部のある辺について構造部材と接合する必要がない場合;
 ・天板部のある辺について構造部材に接合用の面が存在しない場合。
 以上、図2A~図2Dを参照しながら、本実施形態のプレス成形品及び自動車用構造部材について説明した。当然ながら、本実施形態のプレス成形品は、図2A~図2Dに示す実施形態に限定されない。また、その用途もバルクヘッド(補強材)に限定されない。
 [プレス成形品の製造方法及び製造装置]
 以下では、前記図2Bに示す第2例のプレス成形品であるバルクヘッド10を製造する場合を例にとって説明する。
 [第1実施形態のプレス成形]
 図3Aは、第1実施形態によるプレス成形品の製造装置の全体構成を模式的に示す斜視図である。図3Bは、その製造装置における凸状工具の部分を拡大して示す斜視図である。図4A及び図4Bは、その製造装置によるプレス成形工程を示す斜視図である。これらの図のうち、図4Aは成形開始直前の状態を示し、図4Bは成形完了時の状態を示す。なお、図3A、図3B、図4A及び図4Bには、便宜上、図2Bに示すプレス成形品10の外形のうちの一組の隣り合う2辺12にわたる連続フランジ部20に限定し、この部分に対応する構成を抜き出して示す。
 図3A、図3B、図4A及び図4Bに示すように、製造装置30は、下型としてパンチ31を備え、上型としてダイ32及び凸状工具33を備える。ダイ32及び凸状工具33のいずれもパンチ31と対になる。パンチ31の上面形状は、製造対象のバルクヘッドの天板部とほぼ一致した形状である。
 一方、ダイ32には、パンチ31を受け入れる凹部が彫り込まれる。凸状工具33は、ダイ32と一体に構成され、製造対象のバルクヘッドのコーナーフランジ部に対応する位置に配置される。すなわち、凸状工具33はダイ32の一部を構成する。凸状工具33は突起部33aを有する。突起部33aは、ダイ32の下面よりパンチ31に向く下方に突出する。プレス機の駆動により、ダイ32及び凸状工具33がパンチ31に向けて下降する。すなわち、ダイ32及び凸状工具33はパンチ31に対して相対的に移動する。
 製造装置30は、パッド34を備えてもよい。パッド34は、上型としてパンチ31と対になり、パンチ31に対向して配置される。プレス成形中、パッド34は、パンチ31との間にブランク36を挟み、ブランク36を押える。これにより、プレス成形中にブランク36の姿勢が安定する。パッド34は周知慣用の手段によりダイ32に装着される。
 このような構成の製造装置30を用いたプレス成形では、パンチ31に対するダイ32及び凸状工具33の相対的な移動により、鋼板のブランク36の縁部36aが次第に折り曲げられる。そして、最終的には、連続フランジ部を備えたプレス成形品10が製造される。
 プレス成形の際、パンチ31に対するダイ32の移動により、天板部の辺に対応する部分でブランク36が折り曲げられ、辺フランジ部が成形される。その際、パンチ31に対する凸状工具33の移動により、ダイ32によるブランク36の折り曲げに先行して、天板部の角部に対応する部分でブランク36が折り曲げられ、コーナーフランジ部15が成形される。
 図5A~図5Dは、コーナーフランジ部付近のブランクの変形過程を示す斜視図である。これらの図のうち、図5Aは成形前の状態を示す。図5Bは成形初期の状態を示す。図5Cは成形中期の状態を示す。図5Dは成形完了時の状態を示す。なお、図5A~図5Dには、パッド34を備えた例を示し、便宜上、ダイ及び凸状工具の図示は省略する。
 プレス成形の際、先ず、図5Aに示すように、パンチ31の上に置かれたブランク36にパッド34が接触し、パッド34とパンチ31との間にブランク36を挟む。これにより、ブランク36を押える。このとき、ブランク36は、コーナーフランジ部15(図5D参照)に成形される予定の部分(以下、「コーナーフランジ予定部分」)36aaを含め、何ら変形していない。
 次に、図5Bに示すように、凸状工具の突起部が、ブランク36におけるコーナーフランジ予定部分36aaの少なくとも一部に接触し、そのコーナーフランジ予定部分36aaを押圧する。これにより、ブランク36の変形は、先ずコーナーフランジ予定部分36aaに限定して始まる。すなわち、パンチ31及び凸状工具によってブランク36の折り曲げが始まり、これに伴ってコーナーフランジ部が成形され始める。
 続いて、図5Cに示すように、ダイがブランク36に接触し、パンチ31及びダイによるブランク36の折り曲げが始まる。これにより、コーナーフランジ部の成形開始に続いて、辺フランジ部が成形され始める。そして、そのまま凸状工具及びダイによるブランク36の折り曲げを継続する。すると、図5Dに示すように、パンチ31及び凸状工具によってコーナーフランジ部15が成形され、パンチ31及びダイによって辺フランジ部14が成形される。
 このようにすれば、コーナーフランジ部15でのしわの発生を抑制しながら、連続フランジ部を備えたプレス成形品10を製造することができる。以下に、コーナーフランジ部15でしわの発生が抑制される理由について、説明する。
 凸状工具(厳密には突起部)によってコーナーフランジ予定部分36aaの少なくとも一部を先行して押圧することにより、先行して押圧される領域と、その周囲の押圧されない領域とで変形速度差が生じる。このため、コーナーフランジ予定部分36aaの変形要素としてせん断変形場の要素が高まる。
 つまり、凸状工具による先行成形により、コーナーフランジ部15の変形要素が、従来の縮みフランジ変形場(ひずみ比β(ε2/ε1)<-1:増肉)から、せん断変形場(ひずみ比β(ε2/ε1)≒-1:板厚変化なし)に変化する。これと合わせ、ダイによる折り曲げに伴ってコーナーフランジ部15に生じる肉余りが、凸状工具による先行成形により、予め、辺フランジ部14の方に押し出され、分散する。これらにより、コーナーフランジ部15でのしわの発生及び過剰な板厚増加が効果的に抑制される。
 凸状工具による押圧は、コーナーフランジ部15の周方向の中央位置に行うことが好ましい。ただし、その押圧は、コーナーフランジ部15の周方向の中央位置から多少ずれた位置に行ってもよい。
 以下に、凸状工具の好適な寸法条件を示す。
 図3Bに示すように、凸状工具33に設けられる突起部33aの高さh[mm]は、下記(2)式の条件を満たすことが好ましい。
 0.5×rf≦h≦3.5×rf …(2)
 上記(2)式中、rf:コーナーフランジ部の曲率半径[mm]。
 突起部33aの高さhが「0.5×rf」未満に低くなると、凸状工具33による先行成形の量が小さくなる。このため、コーナーフランジ部にせん断変形場が有効に形成されない。その結果、しわの発生及び板厚の増加を抑制する効果が小さくなる。一方、突起部33aの高さhが「3.5×rf」を超えて高くなると、凸状工具33とブランクとの接触時間が長くなる。凸状工具33の面積は、ダイに比べて遙かに小さい。このため、凸状工具33の損傷を招くおそれがある。
 突起部33aの先端(凸状工具33の先端)の曲率半径Rt[mm]は、下記(3)式の条件を満たすことが好ましい。
 Rt<rf×θ …(3)
 上記(3)式中、rf:コーナーフランジ部の曲率半径[mm]、θ:コーナーフランジ部によってつながる一組の辺フランジ部の挟角[rad]。
 上記のとおり、凸状工具33は、ダイに比した先行成形により、コーナーフランジ部に生じる肉余りを辺フランジ部の方に押し出すとともに、板厚増加のないせん断変形場を促進する役割を担う。突起部33aの先端の曲率半径Rtが「rf×θ」を超えて大きくなると、凸状工具33とダイとの形状の差異が小さくなる。このため、しわの発生及び板厚の増加を抑制する効果が小さくなる。一方、突起部33aの先端の曲率半径Rtの下限は特に限定しない。ただし、突起部33aの先端の曲率半径Rtがあまりに小さいと、突起部33aの先端が損傷し易くなり、また、コーナーフランジ部に疵が発生し易くなる。したがって、突起部33aの先端の曲率半径Rtは、1mm以上であることが好ましい。
 なお、凸状工具による折り曲げ成形が、ダイによる折り曲げ成形に先行する限り、凸状工具はダイと別体に構成されてもよい。この場合、凸状工具が作動した後、ダイが遅れて作動するようにすればよい。
 また、上記の製造装置は、下型としてパンチを配置し、上型としてダイ及び凸状工具を配置した構成であるが、上下の金型の配置が上下で反転した構成であっても構わない。
 [第2実施形態のプレス成形]
 図6は、第2実施形態によるプレス成形品の製造装置の全体構成を模式的に示す斜視図である。図7A~図7Cは、その製造装置によるプレス成形工程を示す斜視図である。これらの図のうち、図7Aは成形開始直前の状態を示し、図7Bは成形中の状態を示し、図7Cは成形完了時の状態を示す。第2実施形態の製造装置30は、前記第1実施形態の製造装置30の構成を基本とする。
 図6、及び図7A~図7Cに示すように、第2実施形態の製造装置30は、下型として、更にブランクホルダ35を備える。ブランクホルダ35は、ダイ32と対になり、ダイ32に対向して配置される。図7Bに示すように、プレス成形中、ブランクホルダ35は、ダイ32との間にブランク36の縁部36a(ただし、コーナーフランジ予定部分36aaを除く)を挟み、ブランク36を押える。これにより、第1実施形態と比較し、プレス成形中にブランク36の異常な面外変形が抑制される。
 本発明の効果を確認するため、以下の試験を実施した。本発明例として、鋼板をプレス成形することにより、図2Aに示す第1例のバルクヘッドを製造した。この本発明例のバルクヘッドは、天板部の輪郭全周にわたって連続フランジ部を有する。比較例として、鋼板をプレス成形することにより、図1に示す従来のバルクヘッドを製造した。比較例のバルクヘッドは、コーナーフランジ部を一切有さず、この点のみが本発明例のバルクヘッドと相違する。
 自動車用構造部材を模擬した筒体を複数準備し、各筒体の内部における長手方向の中央部に、本発明例のバルクヘッド及び比較例のバルクヘッドをそれぞれ配置した。そして、辺フランジ部を筒体の内面に抵抗スポット溶接し、これらを供試体とした。いずれの筒体の長さも500mmであった。
 (1)本発明例の条件
 ・鋼板:板厚が1.4mm、引張強度が590MPa
 ・バルクヘッドの外寸法:天板部の一辺の長さが76mm、コーナーフランジ部の曲率半径rfが12mm、稜線部の曲率半径が4.4mm
 ・辺フランジ部の幅:15mm
 ・コーナーフランジ部の幅:15mm
 ・スポット溶接の位置:各辺フランジ部において約35mmピッチ
 本発明例のバルクヘッドは、次のようにして製造した。上記の板厚及び引張強度を有する鋼板から所定形状のブランクを切り出した。前記第1実施形態の製造装置を用い、そのブランクをバルクヘッドにプレス成形した。その際、凸状工具の突起部の高さhは15mmとした。凸状工具の先端(突起部の先端)の曲率半径Rtは3mmとした。ダイの角部の曲率半径Rは3mmとした。パンチの外周とダイの凹部の内周との隙間は、鋼板の板厚分の寸法とした。
 得られたバルクヘッドのコーナーフランジ部の板厚を周方向に沿って測定した。
 図8は、本発明例のバルクヘッドのコーナーフランジ部の板厚について周方向の分布を示す図である。図8に示すように、コーナーフランジ部の板厚は、周方向の中央部で極小となり、その両側部で極大となった。その極大値は1.71mmであり、その極小値は1.60mmであり、両者の比は約1.1であった。
 このような本発明例のバルクヘッドのコーナーフランジ部には、しわの発生、過剰な板厚増加等といった成形不良は認められなかった。また、その成形に用いた凸状工具の表面に、損傷は認められなかった。
 (2)比較例の条件
 比較例のバルクヘッドは、次のようにして製造した。本発明例と同じ鋼板を用い、プレス成形により、天板部の全ての角部にコーナーフランジ部を有しないバルクヘッドを製造した。その際のブランクとしては、天板部の全ての角部に相当する領域まで切り込みを入れたものを用いた。その他の条件は、本発明例と同じとした。
 (3)筒体の条件
 ・鋼板:板厚が0.7mm、引張強度が590MPa
 ・内寸法:一辺の長さが76mm、隅部の曲率半径が12mm
 つまり、本発明例のバルクヘッドの外寸法は、筒体の内寸法と一致していた。このため、本発明例では、バルクヘッドと筒体との間に隙間がなかった。これに対し、比較例のバルクヘッドは、天板部の角部が欠け、コーナーフランジ部がない形状であった。このため、比較例では、バルクヘッドと筒体との間に一部(天板部の角部に相当する部分)で隙間が存在した。
 これらの供試体について、3点曲げ圧壊試験を実施した。また、筒体単独についても、同様の3点曲げ圧壊試験を実施した。
 図9は、3点曲げ圧壊試験の概要を模式的に示す斜視図である。図9には、供試体(バルクヘッド51を備えた筒体及び筒体単独)50と、打撃子(インパクター)52を示す。試験では、供試体50の両端部を剛体板(図示省略)にアーク溶接し、その剛体板を剛体台(図示省略)の上に固定した。この状態で、供試体50の長手方向の中央部(すなわちバルクヘッド51の装着位置)に、インパクター52を衝突させた。インパクター52の衝突速度は64km/hであった。その際、供試体50へのインパクター52の進入量が30mmに達するまで、インパクター52に作用する反力を測定した。
 図10は、実施例の試験結果として、インパクターの進入量とインパクターへの反力との関係を示す図である。図10に示すように、本発明例では、辺フランジ部同士をつなぐコーナーフランジ部が存在し、連続フランジ部が形成されているため、バルクヘッド及び筒体の断面形状が崩れ難い。このため、衝突の初期(特に、インパクター進入量が0~10mmの範囲)において、筒体の壁面が広範囲で変形することから、インパクターへの反力が比較例よりも著しく高くなった。これは、本発明例の筒体の衝撃吸収エネルギが比較例よりも高いことを意味する。したがって、バルクヘッドが連続フランジ部を備えることにより、構造部材の3点曲げ圧壊性能を向上できることが明らかになった。
 その他本発明は上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能であることは言うまでもない。
  1:自動車用構造部材(ロッカー)、
  10:プレス成形品(バルクヘッド)、
  11:天板部、  12:天板部の辺、  13:天板部の角部、
  14:辺フランジ部、  15:コーナーフランジ部、
  16:稜線部、  17:切欠き、  20:フランジ部、
  30:製造装置、  31パンチ、  32:ダイ、
  33:凸状工具、  33a:突起部、
  34:パッド、  35:ブランクホルダ、  36:ブランク、
  36a:縁部、  36aa:コーナーフランジ予定部分

Claims (12)

  1.  鋼板から成形されたプレス成形品であって、
     前記プレス成形品は、
     天板部と、
     前記天板部の輪郭を構成する辺のうちの一部の辺又は全部の辺からそれぞれ延びるフランジ部と、を備え、
     前記天板部の前記辺のうちで隣り合うとともに前記フランジ部が延びる少なくとも一組の前記辺を結ぶ角部から、コーナーフランジ部が延び、
     前記一組の前記辺からそれぞれ延びる前記フランジ部が、前記コーナーフランジ部を介してつながっており、
     前記コーナーフランジ部において、
     前記天板部の前記角部の周方向に沿う方向の中央部に、板厚の極小値を示す部分が存在し、
     前記中央部の両側部に、板厚の極大値を示す部分が存在し、
     前記極大値と前記極小値との比が、1.0を超え1.6以下の範囲内にある、プレス成形品。
  2.  請求項1に記載のプレス成形品において、
     前記コーナーフランジ部の曲率半径が30mm以下である、プレス成形品。
  3.  請求項1又は2に記載のプレス成形品において、
     前記フランジ部の少なくとも一部の幅が10mm以上である、プレス成形品。
  4.  請求項1~3のいずれか1項に記載のプレス成形品において、
     引張強度が440MPa以上である、プレス成形品。
  5.  自動車の車体を構成する中空の構造部材であって、
     前記自動車用構造部材は、
     内部に補強材として請求項1~4のいずれか1項に記載のプレス成形品を備え、前記フランジ部を接合された、自動車用構造部材。
  6.  鋼板のブランクからプレス成形品を製造するための製造方法において、
     前記プレス成形品は、
     天板部と、
     前記天板部の輪郭を構成する辺のうちの一部の辺又は全部の辺からそれぞれ延びるフランジ部と、
     前記天板部の前記辺のうちで隣り合うとともに前記フランジ部が延びる少なくとも一組の前記辺を結ぶ角部から延びるコーナーフランジ部であって、前記一組の前記辺からそれぞれ延びる前記フランジ部同士をつなぐコーナーフランジ部と、を備え、
     前記製造方法は、
     パンチと、前記パンチといずれも対になるダイ、及び前記コーナーフランジ部に対応する位置に配置される凸状工具と、を用い、
     前記パンチに対する前記ダイの相対的な移動により、前記ブランクを折り曲げて、前記フランジ部を成形し、
     前記パンチに対する前記凸状工具の相対的な移動により、前記ダイによる前記ブランクの折り曲げに先行して前記ブランクを折り曲げて、前記コーナーフランジ部を成形する、プレス成形品の製造方法。
  7.  請求項6に記載のプレス成形品の製造方法において、
     前記凸状工具は、前記ダイと一体又は別体に構成される、プレス成形品の製造方法。
  8.  請求項6又は7に記載のプレス成形品の製造方法において、
     更に、前記ダイと対になるブランクホルダを用い、
     前記ダイと前記ブランクホルダにより前記ブランクを挟んだ状態で前記コーナーフランジ部及び前記フランジ部の成形を行う、プレス成形品の製造方法。
  9.  鋼板のブランクからプレス成形品を製造するための製造装置であって、
     前記プレス成形品は、
     天板部と、
     前記天板部の輪郭を構成する辺のうちの一部の辺又は全部の辺からそれぞれ延びるフランジ部と、
     前記天板部の前記辺のうちで隣り合うとともに前記フランジ部が延びる少なくとも一組の前記辺を結ぶ角部から延びるコーナーフランジ部であって、前記一組の前記辺からそれぞれ延びる前記フランジ部同士をつなぐコーナーフランジ部と、を備え、
     前記製造装置は、
     パンチと、前記パンチといずれも対になるダイ、及び前記コーナーフランジ部に対応する位置に配置される凸状工具と、を備え、
     前記ダイは、前記パンチに対する相対的な移動により、前記ブランクを折り曲げて、前記フランジ部を成形し、
     前記凸状工具は、前記パンチに対する相対的な移動により、前記ダイによる前記ブランクの折り曲げに先行して前記ブランクを折り曲げて、前記コーナーフランジ部を成形する、プレス成形品の製造装置。
  10.  請求項9に記載のプレス成形品の製造装置において、
     前記凸状工具の先端の曲率半径Rt[mm]は、下記(a)式の条件を満たす、プレス成形品の製造装置。
     Rt<rf×θ …(a)
     上記(a)式中、rf:前記コーナーフランジ部の曲率半径[mm]、θ:前記コーナーフランジ部によってつながる前記一組の前記フランジ部の挟角[rad]。
  11.  請求項9又は10に記載のプレス成形品の製造装置において、
     前記凸状工具は、前記ダイと一体又は別体に構成される、プレス成形品の製造装置。
  12.  請求項9~11のいずれか1項に記載のプレス成形品の製造装置において、
     更に、前記ダイに対向して配置され、前記ダイとの間に前記ブランクを挟むブランクホルダを備える、プレス成形品の製造装置。
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