JP5217928B2

JP5217928B2 - プレス加工方法及びプレス成形体

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Publication number: JP5217928B2
Application number: JP2008289714A
Authority: JP
Inventors: 操小川; 浩二橋本; 康治田中
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2008-11-12
Filing date: 2008-11-12
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2028-11-12
Also published as: JP2010115674A

Description

本発明は、ブランクホルダを使用せず、薄板鋼板等の素材の端部を曲率形状にプレス加工する方法と、この方法により成形されたプレス成形体に関するものである。なお本明細書においてプレス加工とは、曲げ加工及び絞り加工を意味するものである。

自動車部品に代表される工業製品の製造工程においては、薄板鋼板等を素材としてプレス成形法によって様々な形状の部品（プレス成形体）が製造されている。その多くは、平板状の素材の端部を曲げ加工または絞り加工して成形されている。その場合、プレス成形体の加工が直線に沿って行われる場合にはさほど問題はないが、加工の稜線が曲線である場合、すなわち平面視したときに曲率を有する形状に曲げ加工するような場合には、図１に示すように素材端部の成形前の線長Ｄ１と成形後の線長Ｄ２とが一致しなくなる。このためにＤ１＞Ｄ２となる場合にはしわや座屈が生じやすくなり、成形品質を低下させる。なお、図１において１を素材の上面、２を縦壁面、３をフランジ面と呼ぶ。フランジ面はフェース面とも呼ばれる。

プレス成形に伴い素材成形部に発生するしわの抑制は古くからの課題であり、例えば特許文献１及び特許文献２には、プレスにより絞り成形を行う際のしわ抑制のために、素材を固定するブランクホルダに凹凸状のビードを設け、プレス成形体のフェース面に凹凸形状を付与することにより、成形工程中の素材流入を抑制することが提案されている。

しかしこれらの特許文献１及び特許文献２の技術は、何れもブランクホルダにビードを設けるものであるから、ブランクホルダを使用しない場合には適用することができない。またブランクホルダにビードを設けて素材流入を抑制すると、素材に対して大きな伸び縮みを許容することとなり、素材の歪量が大きくなり、ひいてはこの歪量に応じて残留引張・圧縮応力が働くこととなって、プレス成形後のスプリングバックが大きくなり、プレス成形体の寸法精度が低下することとなる。さらに素材にしわ押さえ部の余肉部分が必要となり、その分だけ素材の歩留まりが悪くなるという欠点もある。
特開２００４−９１０７号公報特開２００７−２４５１８８号公報

従って本発明の目的は上記した従来の問題点を解決し、素材の端部を平面視したときに曲率を有する形状にプレス加工する場合において、素材成形部のしわや座屈を効果的に抑制することができ、残留引張・圧縮応力を抑制して寸法精度を向上させることができ、しかも素材にしわ押さえ部の余肉部分を設ける必要をなくして素材の歩留まりを向上させることができる技術を提供することである。

上記の課題を解決するためになされた本発明のプレス加工方法は、平板状の素材の中央部をパッドによって支持し、素材の端部を平面視したときに曲率を有し、かつ側面視したとき縦壁面の下方にフランジ面を有する形状にプレスする加工方法において、縦壁面に凸形状に張り出した凸状ビードを付与し、その直下のフランジ面には、フランジ面を横断し、フランジ面から凹形状に窪ませた凹状ビードを付与することにより、素材成形部のしわ発生を抑制することを特徴とするものである。

なお請求項３に記載のように、凸状ビードと凹状ビードとの縦方向断面の線長の総和をＬa、これらのビードを付与する前の対応部分の縦方向断面の線長をＬｂとしたとき、ＬaとＬｂの差をＬｂで除した値を素材強度毎の破断限界伸び量以内とし、かつ凹状ビードの横方向断面の線長Ｄ２、素材の対応部分のプレス成形前の線長Ｄ１としたとき、Ｄ２とＤ１の差をＤ１で除した値が素材強度毎の破断限界伸び量以内とすることが好ましい。

また上記の課題を解決するためになされた本発明のプレス成形体は、平板状の素材の端部を平面視したときに曲率を有し、かつ側面視したとき縦壁面の下方にフランジ面を有する形状に加工したプレス成形体であって、縦壁面に凸形状に張り出した凸状ビードが付与され、またその直下のフランジ面には、フランジ面を横断し、フランジ面から凹形状に窪ませた凹状ビードが付与されていることを特徴とするものである。

なお請求項４に記載のように、凸状ビードと凹状ビードとの縦方向断面の線長の総和をＬa、これらのビードを付与する前の対応部分の縦方向断面の線長をＬｂとしたとき、ＬａとＬｂの差をＬｂで除した値が素材強度毎の破断限界伸び量以内であり、かつ凹状ビードの横方向断面の線長Ｄ２、素材の対応部分のプレス成形前の線長Ｄ１としたとき、Ｄ２とＤ１の差をＤ１で除した値が素材強度毎の破断限界伸び量以内であることが好ましい。

本発明によれば、プレス加工されたプレス成形体の縦壁面とその直下のフランジ面とに凹凸のビードを形成することによって、長手方向、縦方向の何れについても、素材段階における線長と、プレス成形体の対応部分の線長とをほぼ等しくすることができる。これによってプレス加工時のしわの発生を抑制することができる。本発明はブランクホルダにビードを設ける従来技術とは異なり、素材に対して大きな伸び縮みを与えないので、プレス成形品の残留引張・圧縮応力を抑制して寸法精度を向上させることができる。また本発明では素材にしわ押さえ部の余肉部分を設ける必要がないので、素材の歩留まりを向上させることができる。

特にこれらのビードの形状を請求項２、４に記載した寸法としておけば、素材に対して伸び縮みをほとんど与えることがないため、しわの発生防止効果と、寸法精度向上効果とにおいて更に好ましい結果を得ることができる。

以下に本発明の好ましい実施形態を示す。
本実施形態においては、図２に示すように素材の中央部をパッド４によって支持し、ブランクホルダを備えていないプレス成形型を使用して、素材の端部を平面視したときに曲率を有する形状に、曲げ刃５によってプレス成形する。６はパンチであり、図２ではパンチ６の上面に素材を載せてパッド４によって押圧し、パンチ６の両側で一対の曲げ刃５を下降させて素材の両側の端部をパンチ６の外形状に沿って曲げ加工する。本明細書では説明を分かり易くするために、図２に示したように素材をパンチ６の上面にセットして曲げ加工を行う状態を想定して上下関係を説明しているが、当業者には自明のように、図２の上下を反転させ、パンチ６を曲げ刃５の内部に向けて下降させることも可能である。なお、図２中に破線で示したブランクホルダ７を付加すれば絞り加工を行うことができる。

プレス成形体は図３、図４に示すように、側面視したとき縦壁面２の下方にフランジ面３を有する形状であるが、本発明ではプレス成形体の縦壁面２に凸形状に張り出した凸状ビード１０を付与し、またその直下のフランジ面３には凹形状に窪ませた凹状ビード２０を付与することにより、素材段階における線長と、プレス成形体の対応部分の線長との差を小さくするか、好ましくはゼロとする。これらのビードの形状については以下に詳細に説明するが、図３に示すように縦壁面２からなだらかに張り出した形状としても、あるいは図４に示すように縦壁面２から鉤鼻状に張り出した形状としてもよい。

図５と図６は、図３に示されたビードの拡大斜視図とその中央縦断面図である。これらの図において、Ａはプレス成形体の縦壁基準面（縦壁面２と同じ）、Ｂはフランジ面基準面（フランジ面３と同じ）、Ｃは凸状ビード１０の中央張り出し部１１の表面、Ｄは凹状ビード２０の中央部表面である。図６から明らかなように、凸状ビード１０は縦壁面２から凸形状に張り出し、凹状ビード２０はフランジ面３から凹形状に窪んでいる。なお、中央張り出し部１１の両側面１２は縦壁面２に向かう傾斜面となっており、凹状ビード２０の両側面２１はフランジ面３に向かう傾斜面となっている。

また図７と図８は、図４に示されたビードの拡大斜視図とその中央縦断面図である。これらの図においても、Ａはプレス成形体の縦壁基準面（縦壁面２と同じ）、Ｂはフランジ面基準面（フランジ面３と同じ）、Ｃは凸状ビード１０の表面、Ｄは凹状ビード２０の中央部表面である。凸状ビード１０の表面Ｃがフラットな斜面であるか、段付きの斜面であるかの点で相違するが、縦壁面２から凸形状に張り出し、フランジ面３では凹形状に窪んでいる点で共通である。

本発明においては、プレス成形体にこのような凸状ビード１０と凹状ビード２０とを形成することによって、長手方向、縦方向の何れについても、素材段階における線長とプレス成形体の対応部分の線長との差を小さくするかゼロとし、しわの発生を抑制する。この効果を十分に発揮させるためには、以下に示す条件を満足するようにビード形状を決定することが望ましい。

図９の上段と下段の何れの図においても、Ｌ１はビード付与前の縦壁断面線長、Ｌ２はビード付与前のフランジ面の断面線長、Ｌ３はビード形成部の縦壁凸部の断面線長、Ｌ４はビード形成部のフランジ面の断面線長である。素材段階における線長よりもプレス成形体の対応部分の線長が小さくなるとしわが発生する可能性が生ずるため、Ｌ１＋Ｌ２≦Ｌ３＋Ｌ４とする。ただしＬ３＋Ｌ４とＬ１＋Ｌ２の差が大きくなりすぎると素材が破断する可能性があるため、{（Ｌ３＋Ｌ４）−（Ｌ１＋Ｌ２）}／（Ｌ１＋Ｌ２）≦εｅとする。ここでεｅは素材強度毎の破断限界伸び量である。最も好ましくはＬ１＋Ｌ２＝Ｌ３＋Ｌ４である。

図９は縦方向の線長についての説明であるが、長手方向についても素材段階における線長とプレス成形体の対応部分の線長との差を小さくすることが必要である。このため図１０に示すように、成形前の素材端部の長手方向の線長をＤ１、成形後の素材端部の長手方向の線長をＤ２としたとき、Ｄ２−Ｄ１≧０とする。ただし図９の場合と同様に、（Ｄ２−Ｄ１）/Ｄ１≦εｅとする。本発明では凹状ビード２０を形成したことによって成形後の素材端部の長手方向の線長を大きくし、上記の関係を満足させている。

上記した条件を満足するビードを形成することによって、ブランクホルダを備えていないプレス成形型を使用して素材の端部を曲線状に折り曲げる場合にも、しわの発生を確実に防止することができる。以下に、図１１、図１２を参照しながら、各ビードのサイズの具体的な決定方法を説明する。

先ず、幾何学的に成形前後の素材端部の線長差Δ１を算出する。次に他部品との取り合いその他の生産技術上の要件を考慮して、ビード数Ｎとビード幅外径寸法Ｗを決定し、線長吸収量δ1（1個のビードが吸収できる線長差）を割り出す。（δ１＝Δ１/N）。そしてこのδ１は以降に示すサイズを求めるための出発値となる。凹状ビード２０のサイズ決定に際しては、図１１に示すようにビード幅外径寸法Ｗと斜面の構成角度θを考慮して、凹状ビードの片側開き量Ｃを決定する。ここでθはビードを構成するどの面でも負角にならない条件で選ぶものとし、どの面も同じ条件となるにはθは４０°〜６０°となる。θ＝ｃｏｓ^−１（Ｃ/Ｅ）である。ただし斜辺長Ｅと線長吸収量δ１との間には、Ｅ＝Ｃ＋０．５×δ１の関係が成立し、このときビード深さＴはＴ＝Ｃ・ｔａｎθとなる。ここで、既知であるθとδｌに基いてＣ、Ｅ、及びＴが決定する。

次に図１２を参照しながら、凸状ビード１０のサイズ決定方法を説明する。先ず断面の深さＦは、ビード付与前の縦壁断面線長Ｌ１、フランジ断面線長Ｌ２、ビード形成部でフランジ面の断面線長Ｌ４、凹ビード深さＴより、Ｆ＝Ｌ１×（Ｌ２−Ｌ４）/（Ｌ１＋Ｔ）と近似的に表される。また、ビード形成部でフランジ面の断面線長Ｌ４は、ビード付与前後の断面線長が等しいという条件（Ｌ１＋Ｌ２＝Ｌ３＋Ｌ４）を利用して、Ｌ４＝Ｌ１＋Ｌ２−Ｌ３＝Ｌ１＋Ｌ２−（Ｌ１^２＋Ｆ^２）^０．５×（Ｌ１＋Ｔ）/Ｌ１と表される。ここで、既知であるＬ１、Ｌ２、及び前記のとおり決定したＴに基いてＦとＬ４が決定できる。次に、凸状ビード１０の片側開き量Ｇは、前記の深さＦと斜辺長Ｋとの幾何学関係から、Ｇ＝（Ｆ^２−０．２５δ１^２）/δ１の式により決定できる。凸状ビード１０の斜辺長Ｋと線長吸収量δ１との間には、Ｋ＝Ｇ＋０．５×δ１の関係が成立し、前記のとおり決定したＧと既知であるδｌに基いてＫが決定できる。ビード形成部で縦壁凸部断面線長Ｌ３は、ビード付与前の縦壁断面長Ｌ１、凸状ビード１０の断面の深さＦ、凹状ビードの深さＴから、Ｌ３＝（Ｌ１^２＋Ｆ^２）^０．５×（Ｌ１＋Ｔ）/Ｌ１の式により近似的に決定できる。このようにして、成形前後で線長差のないビード形状を決定することができる。実際の形状生成には３次元ＣＡＤソフトを使い、上述の幾何学条件に近似するように各部の寸法を決める。

以上に、プレス成形体に付与すべきビードの形状について説明したが、プレス成形体の内面形状を決定するパンチ６及びこのパンチ６との間で素材を曲げ加工する曲げ刃５が、これらの凸状ビード１０及び凹状ビード２０を付与するための凹凸構造を備えたものであることはいうまでもない。

上記した実施形態では、凸状ビード１０の上面視方向から見た投影断面形状は台形状に張り出した形状であり、凹状ビード２０の正面視方向から見た投影断面形状は台形状に窪んだ形状である。しかしこれらの凸状ビード１０及び凹状ビード２０の投影断面形状は、三角形あるいは四角形とすることも可能であり、凸状ビード１０及び凹状ビード２０の投影断面形状を三角形あるいは四角形としたものも、本発明の範囲に包含されることはいうまでもない。以下に、これら３種類の投影断面形状の差異について簡単に言及する。

図２１にこれら３種類の断面形状を模式的に示す。突出量をａ、片側幅をｂ1とすると、ビードを形成することによって稼げる線長（ビード表面の線長とビードなしのときの線長の差）は、四角形では２ａ、台形ではｃ-ｂ＝（ａ^２-ｂ^２）^1／2-ｂ、三角形では（ａ^２-ｂ^２）^1／2-ｂ1となる。ここでｂは台形の場合に両側に形成される直角三角形の底辺の長さ、ｃはその斜辺の長さである。このように、単にビードを形成することによって稼げる線長だけを比較すれば四角形が最大となり、台形や三角形のように四角形の角を落として行くと稼げる線長は減少していく。しかし、プレス成形性を考慮すると、四角形ではプレスできない領域が生じるのに対して、台形や三角形の場合にはプレス可能となり、総合的には台形が好ましいこととなる。

次に、図２２を参照しつつビード形状をしわのでき易さの観点から検討すると、ビード形状のうち折れ線が集中する各頂点に板が集まり増肉すなわちしわが発生し易い性質がある。また各頂点の角度が小さいほど折れ量が大となって増肉、即ちしわが発生し易い性質がある。例えば図２２に示すように、線長が等しい台形と三角形とを比較すると、台形の場合には頂点が２つに分かれており、１つの頂点での角度が鈍角となるために折れ量が小さい。これに対して三角形の場合には台形の２つの頂点が重なった状態とみなすことができ、頂点での角度が鋭角となって折れ量も大きくなる。この結果、台形の方が増肉量が小さくなるためしわが発生しにくく、三角形の方がしわが集中し易い。以上の理由により、実施形態に示したように凸状ビード１０及び凹状ビード２０の投影断面形状は、台形がベストである。ただし図２３に示すように、台形の代わりに張り出し部分をサイン関数や二次曲線で構成することも可能である。

プレス成形体の加工性（しわ・割れ）の良否の評価には現場的には素材の加工前後の板厚減少率が使われる。発明者らは実際に鋼板のプレスを繰り返し、素材強度レベルごとに、板厚減少率がある範囲に収まるプレス成形体であればしわ・割れがないことを調べ、以下に示す数値を評価指標に用いた。たとえば強度レベル２７０ＭＰａ級の素材では板厚減少率±２０％以内に収まるプレス成形体であればしわ・割れが無い。また５９０ＭＰａ級の素材では−１５％〜１７％の範囲であればしわ・割れが無く、９８０ＭＰａ以上では−８％〜１２％の範囲内であればしわ・割れが無い。しわは下限値を下回った場合に生じ、割れは上限値を超えた場合に生ずる。以上の評価指標を用いて以下の実施例を説明する。

（実施例１）図１３に示される、成形前の素材端部線長Ｄ１が２４７ｍｍであり、成形後の素材端部線長Ｄ２が２１７ｍｍとなる平板状の鋼板の曲げ加工を行った。曲げは縦壁面の曲率半径が４００ｍｍＲ、フランジ面先端の曲率半径が５６８ｍｍＲの円弧に沿った曲げである。線長差は３０ｍｍであるため、図１４に示すようにビードを３個付与し、ビード１個当たりの線長吸収量を約１０ｍｍとした。各ビードを図１５に図示した形状・サイズとしたところ、全くしわのない曲げ成形を行うことができた。なお、ビードを設けない場合にはフランジ面にしわが形成された。図１５のプレス成形体は９８０ＭＰａ材を使って得られたものであり、板厚減少率は最小−７％、最大１０％であり基準の範囲内に入った。ビードを設けない場合は板厚減少率最小−１３％となり、基準下限値−８％より下回り、しわが発生した。

（実施例２）実施例１と同一条件で曲げ成形を行う際に、３個のビードの形状・サイズを図１６に示すように変更した。この場合には縦壁面の上部の張り出し量が多くなり、吸収可能な線長を実施例１のビードよりも増加させることができる。この実施例においても、プレス成形体にはしわが全く発生しなかった。９８０ＭＰａ材ではこのときも板厚減少率は最小−５％、最大１１％となり、前記指標の基準範囲内であった。

（実施例３）図１７に示す、成形前の素材端部線長Ｄ１が２５３ｍｍであり、成形後の素材端部線長Ｄ２が２４３ｍｍとなる平板状の鋼板の曲げ加工を行った。曲げは縦壁面の曲率半径が４００ｍｍＲ、フランジ面先端の曲率半径が８９０ｍｍＲの円弧に沿った曲げである。線長差は１０ｍｍであるので、３個のビードを付与して１個あたりの線長吸収量を４ｍｍとした。曲げ加工は図１８に示す構造のプレス装置を用いて行い、パンチ６とダイ（図２における曲げ刃５に相当）とにビードに対応する凹凸構造を設けた。ビードの形状・サイズは図１９に示すとおりであり、１回の曲げ成形により全くしわのないプレス成形体を得ることができた。９８０ＭＰａ材ではこのときも板厚減少率は最小−３％、最大８％となり、前記指標のに示す基準範囲内であった。なお、ビードを設けない場合にはフランジ面で基準値を超えてしわが形成された。

（実施例４）実施例３と同一条件で曲げ成形を行うに際し、曲げを２段階に分けて行った。予曲げ用のビード形状は数値シミュレーションにより図２０の通りとし、２回目の曲げ用のビード形状は図１９と同一とした。このような２段階の曲げによっても、全くしわのないプレス成形体を得ることができた。９８０ＭＰａ材ではこのときも板厚減少率は最小−６％、最大７％となり、前記指標の基準範囲内であった。

成形前後の素材の端部線長差を説明する斜視図である。本発明の曲げ成形法の説明図である。本発明のプレス成形体を示す斜視図である。本発明のプレス成形体を示す斜視図である。図３に示されたビードの拡大斜視図である。図３に示されたビードの中央縦断面図である。図４に示されたビードの拡大斜視図である。図４に示されたビードの中央縦断面図である。好ましいビード形状の説明図である。長手方向の端部線長差を説明する斜視図である。凹状ビードのサイズの具体的な決定方法の説明図である。凸状ビードのサイズの具体的な決定方法の説明図である。実施例１の曲げ形状を示す斜視図である。実施例１のプレス成形体を示す斜視図である。実施例１のビード形状の説明図である。実施例２のビード形状の説明図である。実施例３における曲げ形状を示す斜視図である。実施例３における曲げ加工方法の説明図である。実施例３におけるビード形状の説明図である。実施例４における予曲げ用のビード形状の説明図である。ビード形状と線長との関係との説明図である。ビード形状としわのでき易さとの関係との説明図である。ビード形状の変形例を示す説明図である。

符号の説明

１素材の上面
２縦壁面
３フランジ面
４パッド
５曲げ刃
６パンチ
７ブランクホルダ
１０凸状ビード
１１中央張り出し部
１２両側面
２０凹状ビード
２１両側面

Claims

平板状の素材の中央部をパッドによって支持し、素材の端部を平面視したときに曲率を有し、かつ側面視したとき縦壁面の下方にフランジ面を有する形状にプレスする加工方法において、縦壁面に凸形状に張り出した凸状ビードを付与し、その直下のフランジ面には、フランジ面を横断し、フランジ面から凹形状に窪ませた凹状ビードを付与することにより、素材成形部のしわ発生を抑制することを特徴とするプレス加工方法。
平板状の素材の端部を平面視したときに曲率を有し、かつ側面視したとき縦壁面の下方にフランジ面を有する形状に加工したプレス成形体であって、縦壁面に凸形状に張り出した凸状ビードが付与され、またその直下のフランジ面には、フランジ面を横断し、フランジ面から凹形状に窪ませた凹状ビードが付与されていることを特徴とするプレス成形体。
凸状ビードと凹状ビードとの縦方向断面の線長の総和をＬa、これらのビードを付与する前の対応部分の縦方向断面の線長をＬｂとしたとき、ＬaとＬｂの差をＬｂで除した値を素材強度毎の破断限界伸び量以内とし、かつ凹状ビードの横方向断面の線長Ｄ２、素材の対応部分のプレス成形前の線長Ｄ１としたとき、Ｄ２とＤ１の差をＤ１で除した値が素材強度毎の破断限界伸び量以内とすることを特徴とする請求項１記載のプレス加工方法。
凸状ビードと凹状ビードとの縦方向断面の線長の総和をＬa、これらのビードを付与する前の対応部分の縦方向断面の線長をＬｂとしたとき、ＬａとＬｂの差をＬｂで除した値が素材強度毎の破断限界伸び量以内であり、かつ凹状ビードの横方向断面の線長Ｄ２、素材の対応部分のプレス成形前の線長Ｄ１としたとき、Ｄ２とＤ１の差をＤ１で除した値が素材強度毎の破断限界伸び量以内であることを特徴とする請求項２記載のプレス成形体。