WO2019187863A1

WO2019187863A1 - プレス成形品の設計方法、プレス成形金型、プレス成形品およびプレス成形品の製造方法

Info

Publication number: WO2019187863A1
Application number: PCT/JP2019/006934
Authority: WO
Inventors: 祐太仮屋▲崎▼; 雄司山▲崎▼
Original assignee: Ｊｆｅスチール株式会社
Priority date: 2018-03-28
Filing date: 2019-02-25
Publication date: 2019-10-03
Also published as: EP3778053A4; MX2020010016A; CN111801175B; JPWO2019187863A1; US20210023601A1; KR20200112989A; EP3778053A1; CN111801175A; JP6738055B2; KR102370794B1

Abstract

スプリングバックに起因するプレス成形品の端部の落ち込みまたは跳ね上がりやプレス成形品のねじれを抑制して、スプリングバックによるプレス成形品の形状不良を抑制することを課題とし、板状材料からプレス成形されるプレス成形品の形状を設計するに際し、前記プレス成形品に配置した付加形状が有する、凹曲げ部と凸曲げ部とが連続した凹凸曲げ形状における、凹曲げ部の曲率半径（Ｒ１）と凸曲げ部の曲率半径（Ｒ２）を同一にすることを特徴としている。

Description

プレス成形品の設計方法、プレス成形金型、プレス成形品およびプレス成形品の製造方法

　本発明は、板状材料からプレス成形されるプレス成形品の、プレス成形金型からの離型時のスプリングバックによる、成形品端部の落ち込みや跳ね上がり、全体的なねじれ等の形状不良を抑制するための、プレス成形品の設計方法、プレス成形金型、プレス成形品およびプレス成形品の製造方法に関するものである。

　近年、燃費の向上を目的とした自動車車体の軽量化のため、高強度鋼板の適用拡大が進んでいる。高強度鋼板を適用することによって、板厚を大きくすることなく自動車車体の強度、剛性や衝突時の吸収エネルギーを高めることができる。

　しかしながら、一般に自動車の車体部品の加工に多用されているプレス成形においては、スプリングバックと呼ばれる形状凍結不良が問題となる。スプリングバックは、板状材料としての鋼板からプレス成形したプレス成形品をプレス成形金型から離型する際に生じ、鋼板の材料強度が高くなるのに伴って大きくなる。スプリングバックによる形状不良は、外観品質を損なうだけでなく車体組立て時の溶接不良の原因ともなるため、高強度鋼板の適用拡大には、スプリングバック対策が必要不可欠である。

　スプリングバックの原因は、残留応力の不均一によって生じる曲げモーメントがプレス成形品の離型時に解放されることによる弾性回復である。このため従来からスプリングバック対策として、残留応力の不均一を緩和させる方法やプレス成形品の剛性を向上させることでスプリングバックを低減させる方法が提案されている。また、曲げモーメントの低減、プレス成形品の剛性向上、材料流量コントロール等を目的に、付加形状を中間成形品あるいは最終成形品に配置することがあり、この付加形状を効果的に配置することで、プレス成形品の割れ、しわの低減や寸法精度の向上を図る技術が提案されている。

　例えば特許文献１では、付加形状として、伸びフランジ部にエンボスを配置し、縮みフランジ部に余肉ビードを形成した中間成形品を成形し、その後の最終成形品の成形において、伸びフランジ部はエンボスを潰すことで圧縮応力を与え、縮みフランジ部は余肉ビードによって引張応力を与えることで、プレス成形品の残留応力分布を平準化する技術が提案されている。

　特許文献２では、付加形状として、金属板にダイス肩の長手方向に沿って矩形もしくは円形断面の溝形状を複数配置することで、金属板がダイス肩を通過する際に受ける曲げ・曲げ戻し変形モーメントおよび通過後の金属板内の残留応力を低減させ、除荷後のスプリングバックによるそり変形を軽減する技術が提案されている。

　特許文献３では、湾曲したパネル端部から折曲されて縮みフランジとなる湾曲したフランジの成形の際に、付加形状として、フランジにその長手方向に並べて凸形状を複数形成することで、フランジに生じる長手方向の圧縮力を吸収し、フランジのスプリングバックによるパネルの面下がりを抑制する技術が提案されている。

特許第５３８０８９０号公報特開平０８－２８１３３５号公報特開平０７－１１２２１９号公報

　特許文献１は、付加形状として、伸びフランジ部にエンボス、縮みフランジ部に余肉ビードを形成して残留応力を平準化させることで、スプリングバックを低減させる方法を提案しているが、本発明が主に対象としている低剛性形状のプレス成形品は、低応力でもスプリングバックが生じるため、特定部分の応力を低減させても不十分な場合がある。また、特定部分の応力を低減させた結果生じる新たな応力状態で、別の形態のスプリングバックが生じる場合もある。それゆえ、低剛性形状のプレス成形品においては、応力コントロールによって効率的にスプリングバック対策を行うのは困難である。

　特許文献２は、金属板に矩形もしくは円形断面の溝形状を配置することで、金属板内の残留応力を低減させ、除荷後のそり変形を軽減する技術を提案しており、特許文献３は、縮みフランジとなる湾曲したフランジを有するパネルの成形においてフランジに凸形状を形成することで、パネルの面下がりを抑制する技術を提案しているが、付加形状における曲げ部の曲率半径については特に規定していない。平坦面から突出もしくは凹陥している付加形状はその周縁部に、凹曲げ部と凸曲げ部とが連続した略Ｓ字状断面の凹凸曲げ形状を有しており、一般に、それらの曲げ部のスプリングバックは曲率半径に応じて変化するため、付加形状をプレス成形品に付与する際には、その付加形状における凹凸曲げ形状の曲げ部を適切な曲率半径に設計する必要があるが、特許文献２，３では、付加形状における凹凸曲げ形状の曲げ部の曲率半径の設計方法については記載されていない。

　即ち、従来技術の解決すべき課題を列記すると以下のようになる。
(1) 低剛性形状のプレス成形品へのスプリングバック対策に有効な成形品形状とすること。
(2) 低剛性形状のプレス成形品のスプリングバックに起因する形状不良を低減させるために有効な付加形状を設計できるようにすること。

　ところで従来から、プレス成形品の形状設計の際には、接合部のような高い面精度が要求される部位の座面の面積を大きくするために曲げ部の曲率半径を小さくしたり、割れ回避のために曲げ部の曲率半径を大きくしたりするといった曲率半径の変更が行われてきたが、上述したように曲げ部は、曲率半径が大きい程スプリングバック量（スプリングバック角）が大きくなることが知られている。

　この曲げ部の曲率半径とスプリングバック量との関連について、低剛性形状のプレス成形品へのスプリングバック対策のために本発明者が検討を進めたところ、凹曲げ部と凸曲げ部とが連続した略Ｓ字状断面の凹凸曲げ形状においては、凹曲げ部と凸曲げ部との曲率半径が異なっていると、凹曲げ部で発生するスプリングバック量と凸曲げ部で発生するスプリングバック量とが異なったものになるため、凹凸曲げ形状を挟んだ両側の平坦部がスプリングバック後に平行にならず、高さ方向の変位が生じるということが判明した。

　図５（ａ）～（ｃ）は、凹凸曲げ形状を挟んだ両側の平坦部の断面の、プレス下死点時の状態を点線で示すとともにスプリングバック後の状態を実線で示す説明図であり、（ａ）は凹曲げ部の曲率半径Ｒ１と凸曲げ部の曲率半径Ｒ２とが同一の場合、（ｂ）は凹曲げ部の曲率半径Ｒ１が凸曲げ部の曲率半径Ｒ２よりも大きい場合、（ｃ）は凹曲げ部の曲率半径Ｒ１が凸曲げ部の曲率半径Ｒ２よりも小さい場合をそれぞれ示している。

　図５（ａ）に示すように、凹曲げ部の曲率半径Ｒ１と凸曲げ部の曲率半径Ｒ２とが同一の場合、凹曲げ部と凸曲げ部とのスプリングバック量（スプリングバック角）は矢印で示すように同一になる。一方、図５（ｂ）に示すように、凹曲げ部の曲率半径Ｒ１が凸曲げ部の曲率半径Ｒ２よりも大きい場合、凹曲げ部のスプリングバック量（スプリングバック角）は矢印で示すように凸曲げ部のスプリングバック量（スプリングバック角）よりも大きくなる。また、図５（ｃ）に示すように、凹曲げ部の曲率半径Ｒ１が凸曲げ部の曲率半径Ｒ２よりも小さい場合、凹曲げ部のスプリングバック量（スプリングバック角）は矢印で示すように凸曲げ部のスプリングバック量（スプリングバック角）よりも大きくなる。

　スプリングバック量（スプリングバック角）の相違による高さ方向の変位は、凹凸曲げ形状から離れる程大きくなるため、この高さ方向変位分布は、プレス成形品の端部の落ち込みや跳ね上がりの原因となり、また、この高さ方向変位分布がプレス成形品の長手方向に対して傾いていれば、プレス成形品のねじれの原因にもなる。そしてこの傾向は、スプリングバックの大きい高強度材料や低剛性のプレス成形品で顕著である。

　本発明は、本発明者の上述した知見に鑑みて従来技術の課題を解決するためになされたもので、低剛性形状のプレス成形品のスプリングバック後の形状不良を低減させるために有効な凹凸曲げ形状を設計できるプレス成形品の設計方法並びに、その設計方法を用いたプレス成形金型、プレス成形品およびプレス成形品の製造方法を提供することを目的としている。

　本発明のプレス成形品の設計方法は、
　プレス成形品の離型時のスプリングバックによるプレス成形品の形状不良を抑制するために、
　板状材料からプレス成形されるプレス成形品の形状を設計するに際し、
　前記プレス成形品に配置した付加形状が有する、凹曲げ部と凸曲げ部とが連続した凹凸曲げ形状における、凹曲げ部の曲率半径と凸曲げ部の曲率半径を同一にすることを特徴としている。

　また、上記設計方法を用いた本発明のプレス成形金型は、
　プレス成形品の離型時のスプリングバックによるプレス成形品の形状不良を抑制するために、
　凹曲げ部と凸曲げ部とが連続した凹凸曲げ形状を有する付加形状を配置したプレス成形品を板状材料からプレス成形するプレス成形金型であって、
　前記プレス成形品に配置した付加形状が有する凸曲げ形状における凹曲げ部と凸曲げ部とをそれぞれ成形する肩部を有する金型部材を具え、
　それらの金型部材の肩部の曲率半径が同一であることを特徴としている。

　そして、上記設計方法を用いた本発明のプレス成形品は、
　プレス成形品の離型時のスプリングバックによるプレス成形品の形状不良を抑制するために、
　板状材料からプレス成形されるとともに、凹曲げ部と凸曲げ部とが連続した凹凸曲げ形状を有する付加形状が配置されたプレス成形品であって、
　その凹凸曲げ形状における凹曲げ部の曲率半径と凸曲げ部の曲率半径が同一であることを特徴としている。

　さらに、本発明のプレス成形品の製造方法は、
　プレス成形品の離型時のスプリングバックによるプレス成形品の形状不良を抑制するために、凹曲げ部と凸曲げ部とが連続した凹凸曲げ形状を有する付加形状を配置したプレス成形品を板状材料からプレス成形によって製造するに際し、
　その凹凸曲げ形状における凹曲げ部の曲率半径と凸曲げ部の曲率半径を同一にすることを特徴としている。
　なお、この明細書において「同一」とは、一方の曲率半径に対して他方の曲率半径が、好ましくは±１０％の範囲内にあればよく、より好ましくは±５％の範囲内にあればよい。

　本発明のプレス成形品の設計方法によれば、凹曲げ部と凸曲げ部とが連続した凹凸曲げ形状を有する付加形状をプレス成形品に配置するとともに、その凹凸曲げ形状における凹曲げ部の曲率半径と凸曲げ部の曲率半径を同一にすることから、プレス成形品の凹凸曲げ形状を挟んだ両側の平坦部がスプリングバック後にそのスプリングバック量にかかわらず互いに平行になるため、プレス成形品の端部の落ち込みまたは跳ね上がりやプレス成形品のねじれを抑制し得て、スプリングバックによるプレス成形品の形状不良を抑制することができる。

　また本発明のプレス成形金型によれば、凹曲げ部と凸曲げ部とが連続した凹凸曲げ形状を有する付加形状を配置したプレス成形品を板状材料からプレス成形するプレス成形金型の、凹凸曲げ形状における凹曲げ部と凸曲げ部とをそれぞれ成形する肩部を有する金型部材の、それらの肩部の断面の曲率半径が同一であることから、プレス成形品の、それらの肩部で凹曲げ部と凸曲げ部とを形成される凹凸曲げ形状を挟んだ両側の平坦部がスプリングバック後にそのスプリングバック量にかかわらず互いに平行になるため、プレス成形品の端部の落ち込みまたは跳ね上がりやプレス成形品のねじれを抑制し得て、スプリングバックによるプレス成形品の形状不良を抑制することができる。

　そして本発明のプレス成形品およびプレス成形品の製造方法によれば、凹曲げ部と凸曲げ部とが連続した凹凸曲げ形状を有する付加形状が配置され、その凹凸曲げ形状における凹曲げ部の曲率半径と凸曲げ部の曲率半径が同一であることから、プレス成形品の凹凸曲げ形状を挟んだ両側の平坦部がスプリングバック後にそのスプリングバック量にかかわらず互いに平行になるため、プレス成形品の端部の落ち込みまたは跳ね上がりやプレス成形品のねじれを抑制し得て、スプリングバックによるプレス成形品の形状不良を抑制することができる。

　なお、本発明のプレス成形品の設計方法、プレス成形金型、プレス成形品およびプレス成形品の製造方法においては、凹曲げ部と凸曲げ部とが連続した凹凸曲げ形状を有する付加形状は、プレス成形品の剛性向上のために付加されるものであってもよい。このようにすれば、付加形状によってプレス成形品の剛性を向上させてスプリングバック量を低減させつつ、スプリングバックによるプレス成形品の形状不良を抑制することができる。

本発明の一実施形態のプレス成形品の設計方法で設計された、本発明の一実施形態のプレス成形品を示す斜視図である。（ａ），（ｂ）は、上記実施形態のプレス成形品の剛性形状の、図１中のＡ－Ａ線およびＢ－Ｂ線に沿う断面図である。比較例のプレス成形品のスプリングバック解析による高さ方向変位分布を変位等高線（コンター）で示す平面図である。上記実施形態のプレス成形品のスプリングバック解析による高さ方向変位分布を変位等高線（コンター）で示す平面図である。（ａ）～（ｃ）は、凹凸曲げ形状を挟んだ両側の平坦部の断面の、プレス下死点時の状態を点線で示すとともにスプリングバック後の状態を実線で示す説明図であり、（ａ）は凹曲げ部の曲率半径Ｒ１と凸曲げ部の曲率半径Ｒ２とが同一の場合、（ｂ）は凹曲げ部の曲率半径Ｒ１が凸曲げ部の曲率半径Ｒ２よりも大きい場合、（ｃ）は凹曲げ部の曲率半径Ｒ１が凸曲げ部の曲率半径Ｒ２よりも小さい場合をそれぞれ示している。

　以下、本発明の実施形態につき、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１は、本発明の一実施形態のプレス成形品の設計方法で設計された、本発明の一実施形態のプレス成形品を示す斜視図、図２（ａ）および図２（ｂ）は、上記実施形態のプレス成形品の剛性形状の、図１中のＡ－Ａ線およびＢ－Ｂ線に沿う断面図、図３は、比較例としての元の形状のプレス成形品のスプリングバック解析による高さ方向変位分布を変位等高線（コンター）で示す平面図、そして図４は、上記実施形態のプレス成形品のスプリングバック解析による高さ方向変位分布を変位等高線（コンター）で示す平面図であり、図中、符号１はプレス成形品を示す。

　上記実施形態のプレス成形品の設計方法は、自動車の車体部品の一種であるフロントピラーロアインナー材とされるプレス成形品１を設計するためのものであり、このプレス成形品１は、図１に示すような付加形状２，３がなければ、曲がり易くかつねじれ易い薄い台状形状すなわち低剛性の形状を有している。なお、自動車車体部品とされるプレス成形品は、そのような低剛性の形状を有している場合が多い。それゆえこのプレス成形品１では、平面視が長円状で頂面が平坦な２つの付加形状２，３を、薄い台状形状における平坦面に剛性向上のために付加している。

　上記のプレス成形品１における付加形状２，３は、図２（ａ），（ｂ）に断面形状を示すように、周縁部に各々、凹曲げ部と凸曲げ部とが連続した略Ｓ字状断面の凹凸曲げ形状４を有しており、このプレス成形品１の形状を設計するに際し、元の形状では、凹凸曲げ形状４における凹曲げ部の半径Ｒ１と凸曲げ部の半径Ｒ２とが、例えば図５（ｂ）に示すように、互いに異なる値すなわちＲ１＞Ｒ２に設定されていた。この元の形状のプレス成形品１についてコンピュータで既知のソフトウェアを用いてプレス成形解析およびスプリングバック解析を実施したところ、図３に符号Ｏの点を基準高さとする変位等高線で示すように、付加形状３より左側で、負側のＺ方向変位が大きくなっていることから大きく落ち込んでいることが判り、また付加形状２から左上方向で、負側のＺ方向変位がさらに大きくなっていることからプレス成形品１がねじれていることが判る。

　そこで、この実施形態のプレス成形品の設計方法では、付加形状２，３の各々の周縁部の、凹曲げ部と凸曲げ部とが連続した略Ｓ字状断面の凹凸曲げ形状４における凹曲げ部の半径Ｒ１と凸曲げ部の半径Ｒ２とを、例えば図５（ａ）に示すように、互いに同一の値すなわちＲ１＝Ｒ２に設定して、上記実施形態のプレス成形品１を設計した。

　凹曲げ部の半径Ｒ１と凸曲げ部の半径Ｒ２とを同一の値にしたこの実施形態のプレス成形品１について、元の形状と同様にコンピュータで既知のソフトウェアを用いてプレス成形解析およびスプリングバック解析を実施したところ、図４に符号Ｏの点を基準高さとする変位等高線で示すように、付加形状３より左側で、負側のＺ方向変位が低減していることから元の形状よりも落ち込みが小さくなっていることが判り、また付加形状２から左上方向で、負側のＺ方向変位が低減していることから元の形状よりもプレス成形品１のねじれも低減していることが判る。従って、この実施形態の設計方法およびこの実施形態のプレス成形品１によれば、プレス成形品の端部の落ち込みまたは跳ね上がりやプレス成形品のねじれを抑制し得て、スプリングバックによるプレス成形品の形状不良を抑制することができる。

　この実施形態のプレス成形品１を形成する板状材料は、例えば９８０ＭＰａ級高張力鋼板、板厚ｔ：０．９ｍｍ、降伏点ＹＰ：６２０ＭＰａ、引張り強さＴＳ：１０３０ＭＰａ、伸びＥｌ：１５％とすることができ、本発明の一実施形態のプレス成形品の製造方法は、本発明の一実施形態のプレス成形金型を用いてこの鋼板をプレス成形して、上記実施形態のプレス成形品１を形成する。

　このため上記実施形態のプレス成形金型は、金型部材として、通常のパンチとダイとブランクホルダーとを具えており、ダイは、プレス成形品１の図１では上下端部に位置する外向きフランジから上の薄い台状形状およびその台状形状の平坦面から突出した付加形状２，３に対応する形状の凹部を持ち、ブランクホルダーは、そのダイの凹部の外側の平面との間で鋼板を挟持し、パンチは、それらダイとブランクホルダーとで挟持した鋼板をダイの凹部に押し込んで薄い台状形状に成形するとともに、パンチ先端の凸部をダイの凹部に押し込んでその台状形状の平坦面に付加形状２，３を押し出し成形する。

　ここで、上記実施形態のプレス成形金型におけるダイの凹部の、付加形状２，３の凹曲げ部を成形する肩部の断面形状の半径は、実質的に凹曲げ部の半径Ｒ１に等しくされ、またパンチ先端の凸部の、付加形状２，３の凸曲げ部を成形する肩部の断面形状の半径は、実質的に凸曲げ部の半径Ｒ２に等しくされ、そしてそれらの肩部の断面形状の半径は、互いに等しくされている。

　上記実施形態のプレス成形品の製造方法により、上記実施形態のプレス成形金型を用いてプレス成形されるプレス成形品１は、付加形状２，３における凹曲げ部の半径Ｒ１と凸曲げ部の半径Ｒ２とが同一である上記実施形態のプレス成形品となり、この実施形態のプレス成形品およびその製造方法によれば、そのプレス成形品のスプリングバックに起因するプレス成形品端部の落ち込みまたは跳ね上がりやプレス成形品のねじれを抑制し得て、スプリングバックによるプレス成形品の形状不良を抑制することができる。

　以上、実施形態について説明したが、本発明のプレス成形品の設計方法、プレス成形金型、プレス成形品およびプレス成形品の製造方法は、上記実施形態に限定されるものでなく、特許請求の範囲の記載範囲内で適宜変更し得るものであり、例えば、プレス成形品の形状や付加形状は、図１に示すもの以外でもよく、また凹曲げ部と凸曲げ部とが連続した略Ｓ字状断面の凹凸曲げ形状は、剛性向上のための付加形状のものに限られず、曲げモーメントの低減や材料流量コントロール等のための付加形状のものでもよい。

　かくして本発明のプレス成形品の設計方法、プレス成形金型、プレス成形品およびプレス成形品の製造方法によれば、スプリングバックに起因するプレス成形品の端部の落ち込みまたは跳ね上がりやプレス成形品のねじれを抑制し得て、スプリングバックによるプレス成形品の形状不良を抑制することができる。

　１　プレス成形品
　２，３　付加形状
　４　凹凸曲げ形状
　Ｒ１　凹曲げ部の半径
　Ｒ２　凸曲げ部の半径

Claims

　板状材料からプレス成形されるプレス成形品の形状を設計するに際し、
　前記プレス成形品に配置した付加形状が有する、凹曲げ部と凸曲げ部とが連続した凹凸曲げ形状における、凹曲げ部の曲率半径と凸曲げ部の曲率半径を同一にすることを特徴とするプレス成形品の設計方法。
　前記付加形状は、前記プレス成形品の剛性向上のために付加されるものであることを特徴とする、請求項１記載のプレス成形品の設計方法。
　凹曲げ部と凸曲げ部とが連続した凹凸曲げ形状を有する付加形状を配置したプレス成形品を板状材料からプレス成形するプレス成形金型において、
　前記プレス成形品に配置した付加形状が有する凸曲げ形状における凹曲げ部と凸曲げ部とをそれぞれ成形する肩部を有する金型部材を具え、
　それらの金型部材の肩部の曲率半径が同一であることを特徴とするプレス成形金型。
　前記付加形状は、前記プレス成形品の剛性向上のために付加されるものであることを特徴とする、請求項３記載のプレス成形金型。
　板状材料からプレス成形されるとともに、凹曲げ部と凸曲げ部とが連続した凹凸曲げ形状を有する付加形状が配置されたプレス成形品において、
　前記凹凸曲げ形状における凹曲げ部の曲率半径と凸曲げ部の曲率半径が同一であることを特徴とするプレス成形品。
　前記付加形状は、前記プレス成形品の剛性向上のために付加されるものであることを特徴とする、請求項５記載のプレス成形品。
　凹曲げ部と凸曲げ部とが連続した凹凸曲げ形状を有する付加形状を配置したプレス成形品を板状材料からプレス成形によって製造するに際し、
　その凹凸曲げ形状における凹曲げ部の曲率半径と凸曲げ部の曲率半径を同一にすることを特徴とするプレス成形品の製造方法。
　前記付加形状は、前記プレス成形品の剛性向上のために付加することを特徴とする、請求項７記載のプレス成形品の製造方法。