JP2016155165A - クラッド板材 - Google Patents

Abstract

【課題】プレス成形時の減肉による板破断や部品の強度低下を防止するために、予め減肉が想定される部位の強度や板厚を増すことにより成形性の向上と部品強度の向上を実現したクラッド板材を提供する。
【解決手段】本発明に係るクラッド板材１は、強度の異なる２枚以上の金属板が積層されてなるクラッド板材であって、クラッド板材１の長手方向に沿って、クラッド比ｒが異なるものとされている。特にクラッド板材１の長手方向に沿って板厚が異なるものとされたり、クラッド板材１の長手方向に沿って板厚が一定とされたり、クラッド板材１の長手方向に沿ってクラッド比ｒが連続的に変化するものとなっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、プレス成形時の減肉による板破断や部品の強度低下を防止するために、予め減肉が想定される部位の強度や板厚を増すことにより、成形性の向上と部品強度の向上を実現したクラッド板材に関する。

例えば、自動車用途向けプレス成形部品などの軽量化と剛性を得るために、長さ方向や幅方向に強度偏差や板厚偏差を持たせた圧延材（テーラードブランク材）が用いられている。
このようなテーラードブランク材を製造するにあたっては、強度や板厚の異なる２枚以上の板を溶接によって製造し、その後、溶接後の板材をプレス成形などの成形工程により部品に製造する手法（溶接テーラードブランク）が採用されている。

ところで、溶接テーラードブランクとして、鋼板をつなぎ合わせ溶接する場合には、大きな問題は発生しないが、アルミ合金板をつなぎ合わせ溶接する場合、アルミ材であるが故に、溶接が困難であり、溶接部や周囲の熱影響部の強度差により破断が促進され成形性が劣るなどの問題があった。
そこで、アルミ合金製のテーラードブランク材を製造するに際しては、溶接テーラードブランク以外の手法を用いた技術（特許文献１〜３の技術）が採用されていた。

例えば、特許文献１には、テーラードブランク材の製造方法に関する技術が開示されており、母材に接着材を用いて貼りあわせ材を作ってプレス成形することで、テーラードブランク材を製造している。
また、特許文献２、特許文献３には、熱影響部の劣化を防止すべく、摩擦拡散接合によりアルミ合金製のテーラードブランク材を製造する技術が開示されている。さらに、特許文献４には、アルミニウム板材の溶接に関する技術が開示されており、溶接条件の適正化により熱影響部の影響を少なくする方法が述べられている。

特開平２００３−３９１２０号公報 特開２００４−５０１８９号公報 特開２００５−１２５３４１号公報 特開２０１３−５６３４９号公報

しかしながら、上記した特許文献１〜４の技術を用いたとしても、アルミ合金製のテーラードブランク材を製造する場合には、様々な問題が発生することが知見されている。
例えば、特許文献１の技術の場合、接着剤による板材の貼りあわせでは、成形部位や成形方法により、成形中に接着剤の延性不足により剥離する可能性があり、適用部位が限定的となることが明らかとなっている。

また、特許文献２、３の技術の場合、摩擦拡散接合や溶接接合は、熱影響部を低減できたとしても、局所的な強度差が残るため、プレス成形時に、局所的な強度差に起因してひずみの局所化が生じるといった不都合が発生する。特許文献４は、アルミニウム板材の溶接に関する技術を開示するものであって、アルミ合金製のテーラードブランク材を製造す
る技術を開示するものとはなっていない。

すなわち、特許文献１〜４の技術を用いたとしても、所望とするアルミ合金製のテーラードブランク材を得ることは困難であると思われる。
そこで、本発明は、上記問題に鑑み、プレス成形時の減肉による板破断や部品の強度低下を防止するために、予め減肉が想定される部位の強度や板厚を増すことにより成形性の向上や、板厚と強度を変更することにより成形ビードを有する張出し成形におけるビード力の制御を行い成形性の改善、さらには成形後の部品強度の向上を実現したクラッド板材を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明にかかるクラッド板材は、強度の異なる２枚以上の金属板が積層されてなるクラッド板材であって、前記クラッド板材の長手方向に沿って、クラッド比が異なるものとされたことを特徴とする。
好ましくは、前記クラッド板材の長手方向に沿って、板厚が異なるものとされるとよい。

好ましくは、前記クラッド板材の長手方向に沿って、板厚が一定とされるとよい。
好ましくは、前記クラッド板材の長手方向に沿って、クラッド比が連続的に変化するとよい。
好ましくは、強度の異なる２枚以上の金属板を積層した後、前記積層状態の金属板を板厚方向に圧延することで製造されるとよい。

好ましくは、板厚制御及び張力制御のいずれか一方を行いつつ、前記板厚方向に圧延して製造されるとよい。

本発明に係るクラッド板材を用いることで、予め減肉が想定される部位の強度や板厚を増すことにより成形性の向上と部品強度の向上を実現し、プレス成形時の減肉による板破断や部品の強度低下を確実に防止することができる。

クラッド板材を圧延で製造する状況を模式的に示したものである。 均一材料で構成された板材を成形した際に生じる問題を示した図である（従来例）。 テーラードブランク材を成形した状況を示した図である（強度分布をつけた例）。 テーラードブランク材を成形した状況を示した図である（板厚分布をつけた例）。 本発明のクラッド板材を圧延で製造する状況を模式的に示したものである。

以下、本発明の実施形態に係るクラッド板材について、図面に基づき説明する。
本発明のクラッド板材１は、アルミ合金などの強度の異なる２枚以上の金属板が積層されてなるクラッド板材１（積層材）である。
図１に示すように、クラッド板材１は２層から形成されており、例えば、上層２が１０００系のアルミ合金板材であり、下層３が５０００系のアルミ合金板材である。ここで、上層２の板厚をh1とし、下層３の板厚をh2とした場合、上層２のクラッド比r1''は、（h1''/（h1''＋h2''））であり、下層３のクラッド比r2''は、（h2''/（h1''＋h2''））であ
る。

図１に示すように、本発明のクラッド板材１は、強度の異なる２枚以上の金属板を積層した後、積層状態の金属板を板厚方向に圧延することで製造された帯材であり、その長手方向に沿って、クラッド比が異なるものとされている。
好ましくは、クラッド板材１の長手方向に沿って、クラッド比が連続的に変化するとよい。急峻なクラッド比の変化は、当該クラッド板材１の使用時における応力集中を招き、好ましくないからである。なお、連続的であるとは、「クラッド比が急峻に変化せず、クラッド板材１の長手方向に１ｃｍずれた所でクラッド比が５％程度異なることまで許容する」ものとする。

また、クラッド板材１の長手方向に沿って、板厚が異なるものとされていてもよく、板厚が一定とされていてもよい。
係るクラッド板材１の圧延製造時の状況について、以下、説明を行う。
まず、図１は、強度の異なる２枚の金属板を積層し、圧延を行うことで、クラッド板材１を製造することを示したものである。

この圧延において、板圧延による出側板厚は、ロールギャップSと入側張力σinと出側張力σoutを考慮した圧延荷重P（hin、hout、σin、σout、σ）によって、式（１）で示されるゲージメータ式により決定される。なお、hinは圧延前の板厚、houtは圧延後の板厚、σは変形抵抗、Mはミル定数である。
ｈ_ｏｕｔ＝Ｐ／Ｍ＋Ｓ (1)
したがって、ロールギャップSと張力σin、σoutを制御することにより、出側の板厚が制御可能であることは知られている。

その一方で、クラッド板材１の圧延（クラッド圧延）では、圧延ロールバイト４内での変形は複雑である。例として２つの異なる材料をクラッド圧延を行う場合を考える。
上層２の材料（柔らかい材料）の初期板厚をh1、変形抵抗をσ1、下層３の材料（硬い材料）の初期板厚をh2、変形抵抗をσ2とする。
まず、２つの材料が圧延ロール（ロールバイト４）に入った時、柔らかい材料が塑性変形を開始するが、下層３の材料（硬い材料）は降伏していないため、その板厚はh2のまま、しばらく圧延バイトの中を進行する。この間、上層２の材料（柔らかい材料）はh1からh1'へ板厚は減少する。このh1'まで上層２の材料が薄くなる間に、ロールバイト４の中では、上層２の材料とロールとの間、および上層２の材料と下層３の材料と間では摩擦力が発生し、この摩擦力により上層２の材料には圧延方向の圧縮力が作用して、上層２の材料の見かけの変形抵抗が増加し、σ1＋ｆ（ｆは摩擦による圧縮応力）となる。その後、下層３の材料（硬い材料）も塑性変形を開始し、その後は上層２の材料も下層３の材料も同じ圧下率で変形が始まる。

圧延終了後は、上層２の材料（柔らかい材料）の板厚はh1''、下層３の材料（硬い材料）の板厚はh2''となり、その際の上層２のクラッド比（h1''/(h1''＋h2''））は、h1'/（h1'＋h2)となる。この時、下層３の板材（硬い材料）に張力σin2を作用させると、h1'となる条件はσ2−σin2＝σ1＋f'となる。このため、無張力の場合のｆと比較して、f'は小さくなり、より早い段階で、下層３の材料（硬い材料）が塑性変形を始めるためh1'は厚くなり、クラッド比は大きくなる。

つまり、下層３の板材（硬い材料）に圧延途中で張力を上げて行くと、上層２のクラッド比は大きくなり、逆に、上層２の板材（柔らかい材料）の張力を上げて行くと、上層２
のクラッド比は小さくなる。
また、圧延機５の出側張力を上げると、クラッド圧延後の板厚（全板厚）は薄くなる。それ故、出側板厚を制御するためには、出側張力を変化させるかロールギャップを変化させる必要がある。

以上のことより、クラッド比と製品板厚を制御するためには、積層前の状態にある上層材２と下層材３とに加わる張力（入側張力）、圧延機５の出側張力、ロールギャップを同時に操作する必要がある。言い換えれば、所望とするクラッド比率を有するクラッド板材１を製造するに際しては、板厚制御及び張力制御のいずれか一方を行いつつ、積層された板材を圧延することが必要不可欠である。

次に、本発明のクラッド板材１の特徴を、深絞り時の挙動をもとに説明を行う
まず、図２に示す従来例ような、ハット型ビーム材の絞り成形を考える。この絞り成形では、材料となる板材の縁を上下一対のブランクホルダー１０により挟み込んだ上で、板材の中央部を金型１１により下方に押し込んで深絞りを行うようにしている。
フランジ部のＲ部の成形やスプリングバックの低減を目的に、ブランクホルダー１０による押圧力を高めると、成形初期のブランクホルダー力が過大になり、Ａ部での減肉やネッキングが発生する。これを防止するためには、ブランクホルダー１０の押圧力の適正制御や成形形状の修正など必要となる。

そこで図３に示すように、成形部位（Ａ部）について、他の部位よりも高強度となるような強度分布を有する板材（テーラードブランク材）を用いることで、成形部位（Ａ部）に減肉、ネッキング、板破断が低減するようになり、成形方法を変更せず改善が可能となる。
また、図４に示すように、板材の端部のみが他の部位よりも厚肉となるような板厚分布を有する板材（テーラードブランク材）を用いることで、ブランクホルダー１０の押圧力を部分的に保持するため、フランジ部の長さに依存せず、壁部に作用する引張力を一定にすることが可能となり、成形部位（Ａ部）に減肉、ネッキング、板破断が低減するようになり、成形方法を変更せず改善が可能となる。

このように、プレス成形時の減肉による板破断や部品の強度低下を確実に防止することができる板材（テーラードブランク材）として、本願発明のクラッド板材１を採用することができる。
例えば、図３の成形部位（Ａ部）について、他の部位よりも高強度となるような強度分布とするには、クラッド板材１において、強度の大きな層（下層３）の厚みを増やすようにし、下層３のクラッド比（h2/(h1＋h2)）を上げるようにする。具体的には、クラッド板材１の製造時において、下層３に付与される張力を小さなものとするような張力制御を行い、下層３のクラッド比（h2/(h1＋h2)）を上げるとよい。

以上述べたクラッド板材は、上層２、下層３を積層した２層のクラッド板材であったが、強度の異なる３枚の金属板が積層されてなるクラッド板材を製造してもよい。
図５を参照しつつ、３層のクラッド板材１の製造方法について説明する。
図５に示すように、圧着前の各コイルに付与される張力をσ(1)in、σ(2)in、σ(3)inとし（1,2,3は圧着前の各材料（上層２、中層６、下層３）に付与される張力を示す）、圧着後のクラッドの出側張力σoutとし、圧延中のロールギャップSおよび出側での板厚測定houtとする。この時、圧延中の長手方向の板厚変化の目標値hout(x)およびクラッド比（各材料の圧着後の板厚と全体の板厚houtの比をそれぞれr1、r2、r3とする）の目標値r1(x)、r2(x)、r3(x)とする。なお、ｘは長手方向の位置を表す。

このような圧延においては、予め種々の張力を変更して、板厚およびクラッド率を求め
、目標板厚houtおよび目標クラッド比r1、r2、r3を実現できるロールギャップおよび各張力の値を実験的に求め、長手方向に板厚、クラッド比が変化するに従い、時間的に各張力およびロールギャップの目標値をプロセスコンピュータ（制御部７）で制御して変更させる。

係る制御を行うことで、所望とするクラッド比、板厚のクラッド板材１（３層のクラッド板材）を製造することが可能となる。
以上述べたように、強度の異なる２枚以上の金属板が積層されてなるクラッド板材１であって、クラッド板材１の長手方向に沿って、クラッド比ｒが異なるものとされたクラッド板材１を用いることで、予め減肉が想定される部位の強度や板厚を増すことにより成形性の向上と部品強度の向上を実現し、プレス成形時の減肉による板破断や部品の強度低下を確実に防止することができる。

なお、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な事項を採用している。
例えば、クラッド板材１を構成する２枚以上の金属板は、アルミ合金に限定されず、他の金属板であっても何ら問題はない。

１ クラッド板材
２ 上層
３ 下層
４ ロールバイト（圧延ロール）
５ 圧延機
６ 中層
７ 制御部
１０ ブランクホルダー
１１ 金型

Claims (6)

1. 強度の異なる２枚以上の金属板が積層されてなるクラッド板材であって、
   前記クラッド板材の長手方向に沿って、クラッド比が異なるものとされたことを特徴とするクラッド板材。
2. 前記クラッド板材の長手方向に沿って、板厚が異なるものとされたことを特徴とする請求項１に記載のクラッド板材。
3. 前記クラッド板材の長手方向に沿って、板厚が一定とされたことを特徴とする請求項１に記載のクラッド板材。
4. 前記クラッド板材の長手方向に沿って、クラッド比が連続的に変化することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のクラッド板材。
5. 強度の異なる２枚以上の金属板を積層した後、前記積層状態の金属板を板厚方向に圧延することで製造されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のクラッド板材。
6. 板厚制御及び張力制御のいずれか一方を行いつつ、前記板厚方向に圧延して製造されることを特徴とする請求項５に記載のクラッド板材。