JP4436216B2 - 金属薄板のプレス成形方法 - Google Patents

Description

本発明は鋼板、ステンレス、アルミ、チタン等の金属薄板のプレス成形方法に係わり、特にプレス加工時のしわ押さえ力および速度を調節する成形方法に関する。

プレス成形において、しわ押さえ力を変化させる成形方法に関しては種々の発明が開示されており、例えば特許文献１には、絞り成形時のしわ押さえ力を、成形初期から中期では高くしてしわ発生と成長を抑える一方、成形後期では適正な値に減圧することで割れの発生と材料の過剰な流れ込みによるしわの残留を防ぐ方法が開示されている。

また、特許文献２にはスペーサを用いて成形下死点に達するまでしわ押さえ力を作用させず割れを回避し、下死点付近でしわ押さえ力を付与して形状精度を確保する方法が開示されている。

ポンチ速度に関しては、特許文献３に決め押し加工する際に下死点付近で極めて緩やかに下降し、その後下死点付近から下死点まで急速に下降することにより、衝撃荷重を少なくする方法が開示されている。

特開平９−３８７２８号公報 特開平１０−１５９３２号公報 特開平９−１２４３６３号公報

特許文献１〜２等にしわ押さえ力を変化させたり、制御することにより割れ・しわの発生を抑制する発明は開示されていても、しわ押さえ力を成形後期に適正な値に減圧したり、下死点付近でしわ押さえ力を付与するという制御だけで割れ・しわの抑制、形状精度の向上を行なうには限りがある。更に、ポンチ速度に関しては衝撃荷重を少なくする方法が開示されていても、割れ・しわの抑制、形状精度の向上に関する方法は示されていない。

また、ポンチが金属薄板と接触を開始する際にはショックラインと呼ばれる線状痕がつき成形品の品質の低下、更には割れの起点となることがあり、騒音の原因ともなる。

本発明は、割れ・しわ・ショックラインを抑制し、かつ、面精度・寸法精度の高いプレス成形方法を提供すること、更にプレス成形時の騒音を低減するプレス成形方法を提供することを目的とする。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたもので、その要旨は以下のとおりである。
（１）しわ押さえ力を付与しながら金属薄板をプレス成形する方法であって、成形開始時のしわ押さえ力を張力換算で金属薄板の抗張力（ＴＳ）の５％以上、ポンチ速度を５００mm/sec以下とし、ストロークの途中でしわ押さえ力を増加すると同時にポンチ速度を下げることを特徴とする金属薄板のプレス成形方法。
（２）しわ押さえ力を付与しながら金属薄板をプレス成形する方法であって、成形開始時のしわ押さえ力を張力換算で金属薄板の抗張力（ＴＳ）の５％以上、ポンチ速度を５００mm/sec以下とし、ポンチ肩が金属薄板と接触する際にしわ押さえ力を増加すると同時にポンチ速度を下げることを特徴とする金属薄板のプレス成形方法。
（３）ポンチが金属薄板と接触を開始する際にポンチ速度を20mm/sec以下とし、その後ポンチ速度を上げることを特徴とする（１）又は（２）記載の金属薄板のプレス成形方法。
（４）（１）において、増加した後のしわ押さえ力を張力換算で前記抗張力（ＴＳ）の５０％以上とし、かつ、下げた後のポンチ速度を０．５〜50mm/secとすることを特徴とする金属薄板のプレス成形方法。
（５）（２）において、ポンチ肩が金属材料と接触する際のしわ押さえ力を張力換算で前記抗張力（ＴＳ）の３０％以上とし、ポンチ速度を0.5〜50mm/secに下げることを特徴とする金属薄板のプレス成形方法。
（６）（１）〜（３）のいずれかの項に記載の方法のうち、何れか２以上の方法を組み合わせた方法、又は（３）〜（５）のいずれかの項に記載の方法のうち、何れか２以上の方法を組み合わせた方法からなることを特徴とする金属薄板のプレス成形方法。

尚、本発明において、薄板とはプレス成形が可能な厚さであれば特に限定するものではないが、良好な加工性を得るためには厚さ５ｍｍ以下、更には３ｍｍ以下であることが好ましい。

本発明により、割れ・しわ・ショックラインを抑制し、かつ、面精度・寸法精度の高いプレス成形品を得ることができる。また、本発明によりプレス成形時の騒音を低減することもできる。

以下に図面を用いて詳細を説明する。

上記（１）記載のプレス成形におけるしわ押さえ力と速度の調整例を図１に示す。

従来技術ではしわ押さえ力を上げればしわは抑制されるが、しわ押さえ力を成形初期、即ち、ポンチストロークが小さい内から上げると割れが発生する。これを回避するため、従来からポンチストロークがある程度大きくなってからしわ押さえ力を上げて被加工材（金属薄板）に張力を発生させ、しわの抑制、また、形状凍結性を向上させることが行われている。しかし、ポンチストロークがある程度大きくなってからしわ押さえ力を上げるだけで十分な張力を発生させることは、しわ押さえなどの装置上困難であり、そのため別な方法で張力を更に増大させる必要がある。

これに対して、ストロークの途中でしわ押さえ力を増加させる際に併せて速度を下げることにより、摩擦係数を増大させることができるので金属薄板に付与する張力を更に上げることができる。この効果によりしわ押さえ力だけでは不十分であった張力を十分高くすることができ形状凍結性などを確保することが可能となる。このような速度を低下させるストロークは特に限定するものではないが、特に全ストロークの８０％、好ましくは９０％が完了した付近が望ましい。また、しわ押さえ力・ポンチ速度は図１では矩形波状に変化させているが、図上で変化部が斜めになるように変化したり、曲線的に変化しても同様の効果が得られる。

尚、成形開始時のしわ押さえ力は成形過程でフランジ部等に発生するしわを抑えるため、張力換算で金属薄板の抗張力（ＴＳ）の５％以上と規定する。一方、しわ押さえ力の上限は特に限定しないが、縦壁部での破断を抑えるため、前記抗張力（ＴＳ）の１２０％以下とすることが好ましい。

また、成形開始時のポンチ速度は設備上の制約のため、５００mm/sec以下と規定する。一方、ポンチ速度の下限は生産性が極端に低下するのを抑えるため、０．１mm/sec以上とすることが好ましい。

上記（２）記載のプレス成形におけるしわ押さえ力と速度の調整例を図２に示す。

上記（１）に係る発明で説明したように、ストロークの途中、特に成形後期、即ち、ポンチストロークが大きくなった段階で、しわ押さえ力を上げると共にポンチ速度を下げることにより、割れ・しわを抑制して形状凍結性を向上させ寸法精度の良好な成形品を得ることができる。しかし、面精度と呼ばれるポンチ底面の形状は、ポンチストロークが大きい段階では既に成形されており、この段階でしわ押さえ力を上げたり速度を下げたりしても面精度を上げることができない。

これに対し、（２）にかかる発明ではポンチ底面の形状が転写されるポンチストロークの領域、即ち、ポンチ肩が金属薄板と接触する際にしわ押さえ力を上げ、ポンチ速度を下げることにより、面精度を向上することが可能となる。このような面精度向上には、パネルのような成形深さが浅い成形の場合、しわ押さえ力及びポンチ速度を変更するストローク領域は全ストロークの２０％程度から始まり４０％程度で終了するのが望ましい。深絞りでの底面形成ではパネル底面の加工が完了し縦壁が形成されるストロークに対して、上記の比率とすることが望ましい。また、しわ押さえ力及びポンチ速度は図２では矩形波状に変化させているが、図上で変化部が斜めになるように変化したり、曲線的に変化しても同様の効果が得られる。

本発明において、「ポンチ肩」とは、ポンチ底面と縦壁の境界となる稜線部を言う。

尚、成形開始時のしわ押さえ力、ポンチ速度の限定理由は前記（１）に係る発明と同様である。

上記（３）記載のプレス成形におけるしわ押さえ力と速度の調整例を図３に示す。

上記（１）に係る発明で説明したように、特に成形後期、即ち、ポンチストロークが大きくなって段階で、しわ押さえ力を上げると共にポンチ速度を下げ、かつ、前記（２）に係る発明で説明したように、ポンチ肩が金属薄板と接触する際にしわ押さえ力を上げ、ポンチ速度を下げることにより、割れ・しわを抑制して寸法精度および面制度の良好な成形品を得ることができる。しかし、ポンチが金属薄板と接触を開始する際にはショックラインがつき成形品の品質の低下、更には割れの起点となることがある。また、大きな騒音を発生する原因となる。

これに対し、（３）に係る発明ではポンチが金属薄板と接触を開始する際に、ポンチ速度Ｖ３を２０ｍｍ/sec以下に下げ、その後ポンチ速度を上げることによりショックラインを抑制すると共に騒音も抑制することができる。図３において、ポンチが金属薄板と接触を開始する位置は、点線で示すポンチストロークとＹ座標（ポンチ速度Ｖ）の交点に相当する。

接触開始後のポンチ速度は成形性及び生産性向上のため、５０mm/sec以上に上げることが好ましい。また、ポンチ速度上昇後のしわ押さえ力及びポンチ速度は図３では矩形波状に変化させているが、図上で変化部が斜めになるように変化したり、曲線的に変化しても同様の効果が得られる。

上記（４）記載のプレス成形におけるしわ押さえ力と速度の調整例を図４に示す。

これは上記（１）に係る発明のしわ押さえ力をどの程度上げ、ポンチ速度をどの程度下げれば最良の効果が得られるかを示すものである。適正なしわ押さえ力Ｆ１は板断面積で除して張力換算とした値で金属薄板の抗張力（ＴＳ）の50%以上であれば十分な効果が得られる。上限は特に定めないが、縦壁部での破断を抑えるためには前記抗張力（ＴＳ）の１２０％以下とすることが好ましい。

また、ポンチ速度Ｖ１は５０ｍｍ/sec以下であれば効果が得られるが速度が０ｍｍ/secでは成形できないので0.5ｍｍ/sec以上とすることにより良好な結果が得られる。

上記（５）記載のプレス成形におけるしわ押さえ力と速度の調整例を図５に示す。

これは上記（２）に係る発明のポンチ底面形成のストロークにおいて、どの程度しわ押さえ力を上げ、ポンチ速度をどの程度下げれば最良の効果が得られるかを示すものである。適正なしわ押さえ力Ｆ２は板断面積で除して張力換算とした値で金属薄板の抗張力ＴＳの30%以上であれば十分な効果が得られる。上限は特に定めないが、縦壁部での破断を抑えるためには前記抗張力（ＴＳ）の１２０％以下とすることが好ましい。

上記（６）記載のプレス成形におけるしわ押さえ力と速度の調整例は図２〜図５に示したとおりである。

ストロークの途中でしわ押さえ力を増加させる際に併せて速度を下げること（上記（１）、（４）に係る発明）、ポンチ肩が金属薄板と接触する際にしわ押さえ力を上げ、ポンチ速度を下げること（上記（２）、（５）に係る発明）、ポンチが金属薄板と接触を開始する際に、ポンチ速度Ｖ３を２０ｍｍ/sec以下に下げること（上記（３）に係る発明）の２以上を組み合わせれば、それぞれ形状凍結性の確保、面精度の向上、ショックライン及び騒音の抑制という効果を複合した効果を得ることができる。

上述の発明を元に、本発明例として図４に示す成形方法でプレス成形を行った。

表1に用いた鋼板の特性を示す。板厚１．６ｍｍの780MPaクラスのＴＲＩＰ鋼を用いた。

成形試験は図６に示す１２０ｍｍ幅、高さ１１０ｍｍのハット型断面の絞り成形を行った。板幅は100ｍｍとした。本発明例１として成形条件は図４のストローク終了手前１０ｍｍまでは張力換算で抗張力の１０％のしわ押さえ力を加え、ストローク終了手前１０ｍｍからはしわ押さえ力（図４のＦ１）は張力換算で抗張力の８０％を掛けた。ポンチ速度は成形開始時から成形速度を１００ｍｍ/secとし、ストローク終了手前１０ｍｍでポンチ速度を５ｍｍ/sec（図４のＶ１）まで減速した。

また、比較のため比較例１としてしわ押さえ力のみ上記のように調整し、ポンチ速度は１００ｍｍ/sec一定で成形した。

表２に本発明例と比較例における形状精度の比較を示す。形状精度の指標として、スプリングバックによって生ずる壁反り、角度開きを総合的に評価できる指標として図７に示すように成形幅Ｗを実測し、設計幅Ｗ０からのずれを幅開き率（Ｗ−Ｗ０）/Ｗ０と定義して指標とした。

本発明例１でも比較例１でも割れ・しわはなく成形できたが、形状精度に関しては表２に示すように本発明例１では良好な形状精度が得られた。

上述の発明を元に、本発明例として図５に示す成形方法でプレス成形を行った。

表３に用いた鋼板の特性を示す。板厚０．８ｍｍの軟鋼板を用いた。

成形試験は図８に示すポンチ底面が曲率半径２０００ｍｍ、ポンチ肩半径３ｍｍで、５００ｍｍ×５００ｍｍの角筒絞り成形を絞り深さ４０ｍｍで行った。成形条件は本発明例２として図５に示すしわ押さえ力およびポンチ速度とした。具体的にはポンチ底面形成に対応するポンチストローク８ｍｍから２０ｍｍまでの間、しわ押さえ力を張力換算で抗張力の３０％付与し、成形後期であるストローク終了手前６ｍｍから成形終了までの間、しわ押さえ力を張力換算で抗張力の７０％付与し、他のストロークの区間ではしわ押さえ力は張力換算で抗張力の１０％付与した。ポンチ速度に関しては、ポンチストローク８ｍｍから２０ｍｍまでの間５０ｍｍ／ｓｅｃとし、成形後期であるストローク終了手前６ｍｍから成形終了までの間５ｍｍ／ｓｅｃとし、他のストロークの区間では１００ｍｍ／ｓｅｃとした。

また、比較例２として、成形開始から成形後期であるストローク終了手前６ｍｍまでの間、しわ押さえ力を張力換算で抗張力の７０％付与し、他のストロークの区間ではしわ押さえ力は張力換算で抗張力の１０％付与した。ポンチ速度は全ストロークにわたり１００ｍｍ／ｓｅｃとした。

表４に本発明例と比較例における形状精度の比較を示す。面精度の指標として、成形品の底面を３次元形状測定器で計測し、図９の弧１および弧２に沿って成形曲率（κ＝１／Ｒ）を算出した。この成形曲率のレンジΔκ、および、Δκと設計曲率κ₀（＝１／Ｒ₀＝1/2.0[1/m]）の比率Δκ／κ₀と定義して面精度の指標とした。

本発明例２でも比較例２でも割れ・しわはなく成形できたが、面精度に関しては表４に示すように本発明例２では良好な形状精度が得られた。

上述の発明を元に、本発明例として図３に示す成形方法でプレス成形を行った。

表５に用いた鋼板の特性を示す。板厚１．２ｍｍの590MPaクラスの鋼板を用いた。

成形試験は図９に示す底面に段があり、長手方向にフランジ面も含め全体に4000ｍｍの曲率半径を持つ形状で行った。成形条件は本発明例３として図３に示すしわ押さえ力およびポンチ速度とした。成形条件は本発明例３として図３に示す条件で成形を行った。ストローク５ｍｍから２０ｍｍまではしわ押さえ力を張力換算で抗張力の４０％付与した。またストローク終了手前８ｍｍから成形終了まではしわ押さえ力を張力換算で抗張力の７５％を付与した。他のストロークの区間ではしわ押さえ力は張力換算で抗張力の１０％付与した。また、ポンチ速度は、材料と接触開始からストローク２ｍｍまでは５ｍｍ／ｓｅｃとし、ストローク２ｍｍからストローク５ｍｍまではポンチ速度５ｍｍ／ｓｅｃから１００ｍｍ／ｓｅｃまで直線的に増速した。更にストローク５ｍｍから２０ｍｍまではポンチ速度１０ｍｍ／ｓｅｃとし、その後ポンチ速度１２０ｍｍ／ｓｅｃとし、また、ストローク終了手前８ｍｍから成形終了まではポンチ速度１０ｍｍ／ｓｅｃとした。

また、比較例３として、成形開始から成形後期であるストローク終了手前８ｍｍまでの間、しわ押さえ力を張力換算で抗張力の７０％付与し、他のストロークの区間ではしわ押さえ力は張力換算で抗張力の１０％付与した。ポンチ速度は全ストロークにわたり１００ｍｍ／ｓｅｃとした。

表６に本発明例と比較例における形状精度の比較を示す。形状精度の指標として、スプリングバックによって生ずる壁反り、角度開きを総合的に評価できる指標として図１０に示すように成形幅Ｗを実測し、設計幅Ｗ０からのずれを幅開き率（Ｗ−Ｗ０）/Ｗ０と定義して指標とした。

本発明例３でも比較例３でも割れ・しわはなく成形できたが、形状精度に関しては表6に示すように本発明例３では良好な形状精度が得られた。

表７に本発明例と比較例における面精度の比較を示す。面精度の指標として、成形品の底面を３次元形状測定器で計測し、図９の長手方向に沿って成形曲率（κ＝１／Ｒ）を算出した。この成形曲率のレンジΔκ、および、Δκと設計曲率κ₀（＝１／Ｒ₀＝1/4.0[1/m]）の比率Δκ／κ₀と定義して面精度の指標とした。

面精度に関しても表７に示すように本発明例３では良好な形状精度が得られた。

更に、本発明例３および比較例３とも１０枚ずつ成形し、ショックラインの有無を観察したところ表８に示すように、比較例３では１０枚全てにショックラインが観察されたが、本発明例３ではショックラインが１枚も観察されなかった。

また、騒音測定を行った比較結果を表９に示す。上記の本発明例３の速度・しわ押さえ力のパターンを採用することにより、比較例３に対して５ｄＢ騒音が低減された。

本発明に係るしわ押さえ力とポンチ速度の調整例を示す。 本発明に係るしわ押さえ力とポンチ速度の別の調整例を示す。 本発明に係るしわ押さえ力とポンチ速度の別の調整例を示す。 本発明に係るしわ押さえ力とポンチ速度の別の調整例を示す。 本発明に係るしわ押さえ力とポンチ速度の別の調整例を示す。 絞り成形におけるハット型断面を示す。 図６の幅開き率を定義する断面図である。 角筒絞り成形における成形品の概観図を示す。 底面に段があり、長手にフランジを有する成形品の概観図を示す。 図９の幅開き率を定義する断面図である。

Claims (6)

1. しわ押さえ力を付与しながら金属薄板をプレス成形する方法であって、成形開始時のしわ押さえ力を張力換算で金属薄板の抗張力（ＴＳ）の５％以上、ポンチ速度を５００mm/sec以下とし、ストロークの途中でしわ押さえ力を増加すると同時にポンチ速度を下げることを特徴とする金属薄板のプレス成形方法。
2. しわ押さえ力を付与しながら金属薄板をプレス成形する方法であって、成形開始時のしわ押さえ力を張力換算で金属薄板の抗張力（ＴＳ）の５％以上とし、ポンチ速度を５００mm/sec以下とし、ポンチ肩が金属薄板と接触する際にしわ押さえ力を増加すると同時にポンチ速度を下げることを特徴とする金属薄板のプレス成形方法。
3. ポンチが金属薄板と接触を開始する際にポンチ速度を２０mm/sec以下とし、その後ポンチ速度を上げることを特徴とする請求項１又は２記載の金属薄板のプレス成形方法。
4. 請求項１において、増加した後のしわ押さえ力を張力換算で前記抗張力（ＴＳ）の５０％以上とし、かつ、下げた後のポンチ速度を０．５〜50mm/secとすることを特徴とする金属薄板のプレス成形方法。
5. 請求項２において、ポンチ肩が金属材料と接触する際のしわ押さえ力を張力換算で前記抗張力（ＴＳ）の３０％以上とし、ポンチ速度を０．５〜５０mm/secに下げることを特徴とする金属薄板のプレス成形方法。
6. 請求項１〜３のいずれかの項に記載の方法のうち、何れか２以上の方法を組み合わせた方法、又は請求項３〜５のいずれかの項に記載の方法のうち、何れか２以上の方法を組み合わせた方法からなることを特徴とする金属薄板のプレス成形方法。

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