CN112334244A

CN112334244A - 模具形状的设计方法及冲压部件的制造方法

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Publication number: CN112334244A
Application number: CN201980042422.6A
Authority: CN
Inventors: 藤井祐辅; 山崎雄司
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2018-07-03
Filing date: 2019-06-14
Publication date: 2021-02-05
Anticipated expiration: 2039-06-14
Also published as: JPWO2020008840A1; CN112334244B; EP3819037A4; EP3819037A1; KR20210013185A; US20210260640A1; WO2020008840A1; KR102412831B1; JP6828851B2; MX2020014023A

Abstract

能够通过简易的方法决定可抑制金属板的破裂或褶皱的产生的预成形形状。将金属板(1)冲压成形为立体形状的部件(5)。包括：第一工序(2)，将金属板(1)冲压成形为立体形状的部件(5)的至少一部分由将立体形状的部件(5)在向变得平坦的方向施加载荷的施加载荷条件下压扁的形状构成的预成形形状(3)的中间部件；及第二工序(4)，将中间部件冲压成形为立体形状的部件(5)。

Description

模具形状的设计方法及冲压部件的制造方法

技术领域

本发明涉及能够抑制金属板的破裂或褶皱的产生地成形的模具形状的设计方法及冲压部件的制造方法。

背景技术

冲压成形是在一对模具之间夹持并夹压金属板，将钢板等金属板以仿形于模具的形状的方式成形，由此用于得到所希望的立体形状的部件的代表性的金属加工方法之一。并且，冲压成形的技术在汽车部件、机械部件、建筑构件、家电产品等广泛的制造领域中使用。

作为冲压成形性的主要课题，存在破裂和褶皱。破裂由于在冲压成形下金属板超出自身的延展性地伸长而产生。褶皱由于金属板被压缩得比自身的压曲耐力小而产生。

相对于此，专利文献1或2记载了以避免金属板过度地伸长收缩的方式考虑金属板的长度(截面线长)来设计模具形状的技术。而且，专利文献3记载了通过反复进行模具形状的设计而实现截面线长的适当化的方法。

另外，专利文献4记载了将对最终部件形状进行展开的中途得到的展开中途形状设为前工序的冲压成形品形状的方法。在专利文献4中，优选将最终部件形状的凸缘部分向部件的宽度方向外侧方向分别打开，由此设定上述的展开中途形状。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-115674号公报

专利文献2：日本专利第5867657号公报

专利文献3：日本特开平8-6986号公报

专利文献4：国际公开第2017/010470号

发明内容

发明要解决的课题

然而，专利文献1的适用范围仅限定为凸缘部，无法通用地使用于各种部件形状。

另外，专利文献2是以使前工序(预成形工序)的形状的截面线长与最终形状的截面线长一致的方式设计模具形状的方法，存在能够适用于各种部件形状的可能性。然而，在对复杂的部件形状进行冲压成形的情况下，在未考虑截面形状的部位可能会产生破裂或褶皱。反之，如果要包罗全部的截面地设计，则设计时间、劳力会增大。

另外，在专利文献3中，提出了通过反复设计三维的部件形状而实现形状的适当化的方法。然而，三维的形状设计如果不限定变量则需要巨大的时间和劳力，因此不适合复杂的部件形状。

此外，在专利文献4的方法中，如何制出展开中途形状比较困难。如果是沿长度方向具有相同截面的简单的帽形形状的部件，则可考虑通过使全部凸缘向部件外侧均匀地平行移动来制出展开中途形状的情况。然而，例如专利文献4记载那样的沿长度方向而向宽度方向的一方弯曲那样的部件形状的情况下，如果使全部凸缘均匀地平行移动，则刚性低的边缘部、应力容易集中的冲头肩或冲模肩、弯曲部伸长。其结果是，展开中途形状的线长比部件形状的线长更长，因此存在有在冲压成最终部件形状时可能会产生褶皱这样的问题。并且，为了利用专利文献4的方法以没有伸长收缩的方式制出展开中途形状，需要对于部件的每个部位沿适当的方向施加适当的力而使其变形，但是存在部件形状越复杂化则越难以制出展开中途形状这样的课题。

本发明是着眼于上述那样的点的发明，其目的在于能够通过简易的方法决定可抑制金属板的破裂或褶皱的产生的预成形形状。

用于解决课题的方案

冲压成形不适合于立体地移动模具的情况，因此存在为了理想地成形立体的部件形状而制约多这样的缺点。而且，在冲压成形时，并不是在平坦的金属板的全部的部位产生伸长收缩而截面线长变化。并且，发明者反复仔细研讨，想出了将立体的部件形状平坦地压扁，从而将要发生伸长收缩的部位改变成容易冲压成形的形状，将其设为预成形形状的方法。

即，为了解决课题，本发明的一方案的模具形状的设计方法对模具形状进行设计，所述模具形状在对利用多级的冲压工序将金属板成形为立体形状的部件时的、在比最终的冲压工序靠前的冲压工序中使用，其特征在于，以成为至少一部分的形状由将上述立体形状的部件向变得平坦的方向压扁的形状构成的预成形形状的冲压部件的方式，设计模具形状。

另外，本发明的一方案的冲压部件的制造方法将金属板冲压成形为立体形状的部件，其特征在于，包括：第一工序，将金属板冲压成形为至少一部分的形状由将上述立体形状的部件向变得平坦的方向压扁的形状构成的预成形形状的中间部件；及第二工序，将上述中间部件冲压成形为上述立体形状的部件。

发明效果

根据本发明的一方案，能够通过简易的方法，考虑部件的全部的截面线长地设计预成形形状，因此能够制造为了防止破裂或褶皱的产生而有效的冲压模具。

并且，根据本发明的一方案，能够通过简易的方法决定适当的预成形形状，因此能够简易地成形复杂的部件形状。

附图说明

图1是表示基于本发明的实施方式的冲压工序的例子的框图。

图2是表示基于本发明的实施方式的立体形状和预成形形状的例子的图。

图3是表示A-A′截面处的变化的图。

图4是表示B-B′截面处的变化的图。

图5是表示C-C′截面处的变化的图。

图6是表示产生压曲的例子的图。

图7是表示实施例中的预成形形状的图。

图8是将预成形形状沿高度方向缩小了0.8倍的图。

图9是将预成形形状沿高度方向缩小了0.5倍的图。

图10是表示实施例4的目标的立体形状的图，(a)是立体图，(b)是图10(a)的A-A′剖视图，(c)是图10(a)的B-B′剖视图，(b)是图10(a)的C-C′剖视图。

图11是表示比较例4-1的预成形形状的图。

图12是表示实施例4-1的预成形形状的图。

具体实施方式

以下，参照附图，说明本发明的实施方式。

在制造目标的冲压部件形状(立体形状)的部件时，在一次的冲压成形中成形由产生破裂或褶皱那样的立体形状构成的部件的情况下，通常，利用多级的冲压工序将金属板成形为目标的立体形状的部件。本发明是适合于通过冲压成形来制造这样的复杂的立体形状的部件时的发明。

另外，在本发明中，也能够成形强度更高的金属板，因此本发明对于由强度高的金属板成形为立体形状的部件时也有效。例如，在金属板为钢板的情况下，优选以抗拉强度为590MPa以上的原料为对象，更优选抗拉弯曲强度为980MPa以上的原料。

<冲压部件的制造方法>

在本实施方式中，通过多级的冲压工序将金属板冲压成形为目标的立体形状的部件。

多级的冲压工序如图1所示具有第一工序2和第二工序4。

[第一工序]

第一工序2是如下冲压工序：将金属板1冲压成形为目标的立体形状的部件5的至少一部分的形状由将目标的立体形状的部件向变得平坦的方向压扁的形状构成的预成形形状3的中间部件。

上述的“至少一部分”设为包括推定为例如通过一次的冲压成形而形成为目标的立体形状时产生破裂或褶皱的部位的部分。

需要说明的是，即使将相同的立体形状向成为平坦的方向压扁，由于对部件进行规定的原料等的不同，压扁的形状也可能不同。

在本实施方式中，在将上述目标的立体形状的部件向变得平坦的方向施加载荷的施加载荷条件下进行结构解析(成形模拟)，求出由上述压扁的形状构成的预成形形状。而且，与上述的“至少一部分”对应的、向变得平坦的方向压扁的面的面积比例为例如目标的立体形状的部件5中的朝向上下的面的面积的50％以上，优选为80％以上。上限并未特别限定。即，上限为100％。

在以下的说明中，作为预成形形状3，列举形成为将目标的立体形状的部件5的立体形状整体向变得平坦的方向压扁的形状的情况为例进行说明。

在此，设计用于成为求出的预成形形状3的冲压部件的模具形状，在第一工序2中，使用该模具通过冲压成形来制造仿形于模具的形状的预成形形状3的中间部件。

决定预成形形状3时的压扁的比例设定成，例如在施加载荷方向(通常为冲压方向)上从作为最终部件形状的立体形状(施加载荷之前的形状)的部件开始的高度方向的变化量为10％以上。优选将高度方向的变化量设为50％以上。关于高度方向的变化量的上限，没有特别限定，例如设为90％以下。

[第二工序]

第二工序4是将中间部件冲压成形为目标的立体形状的部件5的冲压工序。

在第一工序2与第二工序4之间也可以具有其他的冲压工序。也可以在第一工序2之前设置其他的预成形工序用的冲压工序。

另外，也可以将第一工序2构成为多级的冲压工序。例如，设定作为如下冲压工序：求出立体形状的部件5的压扁的比例不同的多个预成形形状3，越是上游侧的第一工序2，则越将压扁的比例大的预成形形状3冲压成形为成形形状的中间部件。

<关于预成形形状3>

说明通过第一工序2制成的预成形形状3的决定方法。

在本实施方式中，作为立体形状的部件5，设为图2(a)所示那样的具有顶板部5A、与顶板部5A的左右两侧连续的左右一对的纵壁部5B、及与各纵壁部5B连续的凸缘部5C的截面帽型形状的部件。而且，如图2(a)所示，本例的立体形状的部件5设为沿长度方向而上下弯曲且沿长度方向存在材料的压缩及伸长的立体形状的部件的情况。

在通过冲压成形来制成这样的截面帽型形状的部件5的情况下，顶板部5A与纵壁部5B之间的棱线的角度(角度小的一侧的角度)根据利用冲压成形进行加工的情况而成为90度以上。因此，在对于立体形状的部件5从上侧施加载荷而将立体形状的部件5压扁的情况下，在未限制纵壁部5B及凸缘部5C左右扩展地移动的情况下，通常向变得平坦的方向压扁。

向目标的立体形状的部件5变得平坦的方向施加载荷的施加载荷条件是，将立体形状的部件5变得平坦的方向即施加载荷方向设定为例如第二工序4中的冲压机的冲程方向即冲压方向。施加载荷方向设定为例如与在下一工序的第二工序4中作用于部件的顶板部的载荷方向相同的方向。

在此，立体形状的部件5变得平坦的方向优选设定为避免成为纵壁部5B向内侧折弯而重叠那样的方向(压曲方向)的方向。因此，施加载荷方向也可以不必与冲压机的冲程方向一致。

在本实施方式中，在将目标的立体形状的部件放置于水平面时，将成为铅垂下方向的方向设定为施加载荷方向。

以目标的立体形状的部件变得平坦的方式施加载荷而求出的预成形形状3也可以通过实际对于立体形状的部件5从上侧施加载荷而压扁来求出。但是，使用计算机进行有限要素法等成形模拟(结构解析)而求出的方法简便。

作为施加载荷条件而向变得平坦的方向施加的载荷也可以是静水压、等分布载荷、由模具模型进行压扁的方法等任意的方法。但是，施加载荷条件设定为不会产生形状向冲压机的冲程方向折叠的部分的压扁量。施加载荷方向例如对于全部的面而设为相同方向。

也可以设定为施加的载荷的大小或方向局部性地不同。

对于将立体形状的部件5压扁时的向下方的移动进行限制的限制面11的形状也可以是与载荷方向正交的平面等的平面形状。但是，存在如图2(a)那样部件形状上下弯曲或扭转的立体形状的部件的情况、对于单纯的平面形状的限制面将立体形状的部件从上侧压紧的情况、如图6那样凸缘部5C或纵壁部5B压曲而向部件内侧折弯的情况。

因此，优选将限制面11设定为将各纵壁部5B的下端面的长度方向的轮廓形状(参照图2(a)的标号10)向左右延长后的面形状，在利用该限制面11限制了在该限制面11的法线方向上的移动的状态下，向立体形状的部件5施加载荷来决定预成形形状3。通过采用这样的限制面11，能够抑制凸缘部5C或纵壁部5B压曲而向部件内侧折弯的情况。

如本例那样为凸缘部5C与各纵壁部5B的下端部连续的形状的情况下，只要将限制面11设为例如将凸缘部5C的下表面形状延长后的面形状即可。

在图2中，例示对左右的纵壁部5B的下端面进行限制的限制面11由连续的一个面构成的情况。但是，在各纵壁部5B的下端面的轮廓形状不同或高度存在偏差的情况下，按照各纵壁部5B的下端面分别单独设定限制面11。

图2是从上侧朝向限制面11对立体形状的部件5整体施加相同大小的载荷，而立体形状的部件5向变得平坦的方向压扁时的例子。此时的各截面的变化如图3～图5所示。

另外，当从上侧对于立体形状的部件5施加载荷时，凸缘部5C以沿限制面11向左右方向打开的方式位移。此时，以相对于顶板部5A而纵壁部5B的角度变宽的方式，各纵壁部5B一边变化一边被压扁。

并且，将立体形状的部件5向该立体形状的部件5变得平坦的方向施加载荷而压扁的情况下，将平坦的金属板1成形为目标的立体形状的部件5时的截面线长未变化的部位返回成平坦。而且，截面线长变化的部分能够向冲压成形容易的平缓的立体形状的部件5变化。

另外，具有在压扁时，冲头肩、冲模肩部等的弯曲的部位成为起点而返回成平坦，其他的部位几乎未变形的特征，因此部件的截面线长几乎未变化。

这样，自动地变形为适当的预成形形状3。

在此，在即使将立体形状的部件5压扁至变得平坦为止也存在截面线长变化的部分的情况下，不会平坦地变形至限制面11的面形状。

压扁的比例只要例如施加载荷方向上的从作为最终部件形状的立体形状的部件5(施加载荷之前的形状)开始的高度方向的变化量为10％以上，就具有效果。高度方向的变化量更优选为50％以上。变化量只要在高度方向上的变化最小的位置进行判定即可。

但是，压扁的比例设为凸缘部5C或纵壁部5B压曲而向部件内侧折弯的状态产生之前的比例。

在此，在第一工序2中，将金属板1成形为预成形形状3的冲压成形法可以是拉深成形、模压(フォーム)成形、鼓凸成形等任意的方法，但是拉深成形最适合。而且，在部件的作为顶板部5A的部位凹陷地弯曲的情况下(图2的C-C′截面的左侧)，使用垫来按压对应部位，由此能够防止褶皱的产生。

只要能够将金属板1成形为基于本发明而设计的预成形形状3即可，第二工序4及其他的下一工序可以通过以模压成形或凸轮弯曲成形等弯曲变形为主体的冲压成形法来成形部件形状。

在此，在上述决定的预成形形状3中，在金属板1的延展性不足而无法成形的情况下，将该预成形形状3的形状重新设定为如下形状：将上述决定的预成形形状3整体进一步朝向施加载荷方向以预先设定的缩小比例缩小后的形状。缩小比例例如为0.8倍以上且0.4倍以下。

这样重新设定预成形形状3的形状而将预成形形状3变更为沿高度方向缩小的形状，由此，在第一工序2(预成形工序)中伸长收缩不充分的部位通过下一工序进行变形。因此，具有金属板1的变形分散而难以产生破裂或褶皱这样的效果。

如以上所述，在本实施方式中，能够通过简易的方法设计考虑了立体形状的部件5的全部的截面线长的预成形形状3，因此为了防止破裂或褶皱的产生而能够制造有效的冲压模具。

并且，根据本实施方式，与使用了一般的冲压模具的情况相比，能够简易地成形复杂的部件形状。

在此，在上述的实施方式中，列举截面帽型的立体形状的部件5为例进行说明，但是立体形状也可以是没有凸缘部5C的截面コ字状的立体形状的部件5。而且，立体形状的部件5没有限定为截面帽型或截面コ字状，通过截面圆弧状等能够利用冲压成形加工的其他的立体形状的部件也能够应对。

实施例

接下来，说明基于本发明的实施例。

以表1所示的由4个种类的材料构成的金属板A～D为对象，进行了本发明的验证。作为对象的立体形状的部件5设为具有沿长度方向弯曲的复杂形状的图2(a)所示的部件。

[表1]

材料	板厚	YP	TS	EI
					A	2.3	470	650	24
B	2.0	670	1050	15
					C	1.8	870	1240	13
D	1.4	1200	1500	8

并且，在使部件平坦化的预成形形状3的决定中，使用了基于有限要素法的成形模拟。为了平坦化而施加的力(牛顿)设为与冲压机的冲程方向平行并设为部件的自重(向部件重量施加了9.8N的力)的倍数。将倍数增加为10倍、100倍时部件的截面形状未重叠而能够更加平坦化的形状设为预成形形状3。具体而言，本例是7000倍的自重的情况。

与基于该预成形形状3而设计的模具形状对应的预成形形状为图7。

另外，以将预成形形状3的凸缘部5C延长后的面为基准，沿冲压机的冲程方向缩小为0.8倍、0.5倍的预成形形状3为图8及图9。

使用各种模具将金属板A～D进行了冲压成形的结果如表2所示。

[表2]

	A	B	C	D
					比较例1	○	×	×	×
实施例1	◎	◎	O	O
					实施例2	◎	◎	◎	O
实施例3	◎	◎	◎	◎

在此，关于评价，将产生破裂和褶皱的情况评价为“×”，将存在在产品上不会成为问题的程度的轻微的褶皱或板厚减少的情况评价为“○”，将既未产生破裂也未产生褶皱的情况评价为“◎”。

<比较例1>

比较例1是通过仅拉深成形的一次的冲压成形制成了图2(a)的部件形状的情况。

在该比较例1中，在金属板A中，在顶板部5A产生轻微的褶皱，在金属板1B～D中，产生了显著的破裂和褶皱。

<实施例1>

实施例1通过拉深成形来成形与图7相同的预成形形状3(第一工序2)，通过下一工序(第二工序4)使用模压成形而成形为部件形状。

在该实施例1中，金属板A～B既未产生破裂也未产生褶皱，在金属板1C～D产生了轻微的板厚减少。

<实施例2>

在实施例2中，通过拉深成形来成形与图8相同的预成形形状3(第一工序2)，通过下一工序(第二工序4)使用模压成形而成形为部件形状。

在该实施例3中，金属板A～C既未产生破裂也未产生褶皱，在金属板1D产生了轻微的板厚减少。

<实施例3>

在实施例3中，通过拉深成形来成形与图9相同的预成形形状3(第一工序2)，通过下一工序(第二工序4)使用拉深成形而成形为部件形状。

在该实施例3中，金属板A～D全部既未产生破裂也未产生褶皱。

如表2那样可知，在如比较例1那样制造如果通过一工序冲压成形为目标的立体形状的部件5则产生破裂或褶皱的形状时，通过如实施例1～3那样基于本发明进行冲压成形，使破裂或褶皱良好地制造出目标的立体形状的部件5。而且，此时可知，根据本发明，即使在制造由复杂的立体形状的部件5构成的部件的情况下，也能够通过简易的方法决定预成形形状3。

<实施例4>

接下来，进行了专利文献4记载的方法(比较例4-1)与基于本发明的方法(实施例4-1)的比较。

作为对象的部件5的立体形状是如图10(a)所示沿长度方向上下弯曲，如图10(b)～(d)所示具有部件的截面形状不一定的复杂的形状的部件。

作为材料，使用了表1中的金属板C。

[比较例4-1]

在比较例4-1中，通过拉深成形来成形与图11相同的预成形形状30，通过下一工序使用拉深成形而成形为图10所示的部件形状。

该图8的预成形形状30是相对于图10所示的目标的立体形状而将左右的凸缘端分别向60mm外侧进行了平行移动的形状。在该形状中，高度方向的变形量最大为43％。

在该比较例4-1的预成形形状30中，在冲头肩和冲模肩、边缘处板厚较大地减少。而且，材料伸长，因此成为比最终部件形状长的线长的预成形形状。

[实施例4-1]

在实施例4-1中，通过拉深成形来成形图12的形状的预成形形状3(第一工序2)，通过下一工序(第二工序4)使用拉深成形而成形为部件形状。

在该实施例4-1中，既未产生破裂也未产生褶皱。

该实施例4-1的预成形形状3是将图10所示的立体形状的形状整体压扁的形状，将高度方向的变形量设定为84％。

该实施例4-1的预成形形状3的板厚的减少最大为0.01％，极少。而且，实施例4-1的预成形形状3由于几乎未产生材料的伸长收缩，因此成为线长与最终部件形状相比未改变的预成形形状。

通过以上可知，实施例4-1即使目标的立体形状复杂，与比较例4-1相比也能更可靠地防止破裂或褶皱的产生，并能够制造出目标的立体形状的部件。

在此，本申请主张优先权的日本国专利申请2018-126982(在2018年7月3日提出申请)的全部内容通过参照而作为本公开的一部分。在此，参照有限数目的实施方式进行了说明，但是权利范围没有限定于此，基于上述公开的各实施方式的改变对于本领域技术人员来说不言自明。

标号说明

1 金属板

2 第一工序

3 预成形形状

4 第二工序

5 立体形状的部件

5A 顶板部

5B 纵壁部

5C 凸缘部

11 限制面。

Claims

1.一种模具形状的设计方法，对模具形状进行设计，所述模具形状在对利用多级的冲压工序将金属板成形为立体形状的部件时的、在比最终的冲压工序靠前的冲压工序中使用，所述模具形状的设计方法的特征在于，

以成为至少一部分的形状由将上述立体形状的部件向变得平坦的方向压扁的形状构成的预成形形状的冲压部件的方式，设计模具形状。

2.根据权利要求1所述的模具形状的设计方法，其特征在于，

在对于上述立体形状的部件向上述变得平坦的方向施加载荷的施加载荷条件下，求出上述由压扁的形状构成的预成形形状。

3.一种冲压部件的制造方法，将金属板冲压成形为立体形状的部件，其特征在于，包括：

第一工序，将金属板冲压成形为至少一部分的形状由将上述立体形状的部件向变得平坦的方向压扁的形状构成的预成形形状的中间部件；及

第二工序，将上述中间部件冲压成形为上述立体形状的部件。

4.根据权利要求3所述的冲压部件的制造方法，其特征在于，

在对于上述立体形状的部件向上述变得平坦的方向施加载荷的施加载荷条件下，求出上述由压扁的形状构成的预成形形状，

决定上述预成形形状时的压扁的比例设定为在施加上述载荷的方向上从上述立体形状开始的高度方向的变形量为10％以上且90％以下。

5.根据权利要求3或4所述的冲压部件的制造方法，其特征在于，

上述立体形状的部件具有顶板部和与该顶板部的宽度方向两侧连续的左右一对纵壁部，

在对于各纵壁部的下端面利用作为使该下端面的长度方向的轮廓形状向左右延长的面形状的限制面限制了在该限制面的法线方向上的移动的状态下，以向上述立体形状的部件施加载荷的条件来决定上述预成形形状。

6.根据权利要求5所述的冲压部件的制造方法，其特征在于，

上述立体形状是凸缘部与上述各纵壁部的下端部连续的形状，

上述限制面成为将凸缘部的下表面形状向左右延长后的面形状。

7.根据权利要求3～6中任一项所述的冲压部件的制造方法，其特征在于，

将施加上述载荷的方向设为上述第二工序中的冲压机的冲程方向。

8.根据权利要求3～7中任一项所述的冲压部件的制造方法，其特征在于，

而且，将上述由压扁的形状构成的预成形形状变更为向施加上述载荷的方向以预先设定的相同的缩小比例使整体缩小后的形状，从而重新设定该预成形形状的形状。