JP6515961B2 - プレス成形品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、天板部およびフランジ部が長手方向に沿って天板部側の凸又は凹に湾曲した天板部およびフランジ部を有するハット形断面部品に、金属板を成形するプレス成形品の製造方法に関する。

近年、自動車車体の衝突安全性向上と軽量化を両立させるために、車体構造部品へのハイテン材適用が進んでいる。ハイテン材は降伏強度、引張強度が高いため、プレス成形を行う上で、スプリングバックなどの成形不良が課題となる。
車体構造部品に用いられるプレス成形品の一つとして、例えばＢピラーアウターのような、長手方向に沿って所定の曲率半径で湾曲した天板部およびフランジ部を有するハット形断面部品が挙げられる。このような部品にプレス成形した場合、成形下死点で、天板部に引張応力が発生すると共にフランジ部に圧縮応力が発生し、これらの応力差によりスプリングバック（キャンバーバック）が発生する。このような部品に対して、ハイテン材を適用した場合、前述の下死点での応力差が大きくなり、スプリングバックが増加するといった課題が発生する。さらに、ハイテン材では材料強度のバラツキが大きくなるため、寸法精度のバラツキも大きくなる、すなわち材料強度感受性が大きい。

上記の課題に対する従来技術として特許文献１〜３に記載されるプレス成形方法がある。
特許文献１に記載の方法では、長手方向に湾曲した天板部と、天板部の長手方向に沿った両端から湾曲内側に向かって延在する二つの側壁部とを有する成形品に対して、前工程の天板部の曲率と天板部と側面部とがなす角度を変更する。これによって、特許文献１に記載の方法では、後工程で発生する応力を低減し、スプリングバックを抑制する。

特許文献２に記載の方法では、複数回のプレス成形工程を経て最終プレス成形品形状に至る金属板プレス成形工程において、成形後の形状で所定の曲率を持つ稜線付近で残留引張応力が発生する部位を、前工程で最終形状よりも小さい曲率半径で成形し、残留圧縮応力が発生する部位を、前工程で最終形状よりも大きい曲率半径で成形する。これによって特許文献２に記載の方法では、残留応力を打ち消し、スプリングバックを低減する。
特許文献３に記載の方法は、プレス成形時に発生する反りを見込んだ金型を生成する方法であり、この見込み形状を用いてプレス成形することによりスプリングバックを低減する。

特開２０１１−２０６７８９号公報 特開２００７−１９０５８８号公報 特開２００７−２８６８４１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、側面視において天板部の曲率半径のみを変更しているため、フランジ部に発生する応力が改善されない。特に、スプリングバック量が大きくなるハイテン材に対しては、十分にスプリングバックが抑制されず、材料強度感受性を低減することはできない。
特許文献２に記載の方法では、圧縮応力もしくは引張応力が発生する領域により、変更する曲率の大小傾向が変化するため、金型の設計が複雑になる。

特許文献３に記載の方法は、プレス下死点での残留応力を０にすることはできないため、材料強度感受性は低減されない。
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、ハイテン材を使用した場合でも、金型を複雑にすることなく、側面視のスプリングバック、すなわちキャンバーバックとキャンバーバックの材料強度感受性を大きく低減することができるプレス成形品の製造方法を提供する。

課題を解決するために、本発明の一態様のプレス成形品の製造方法は、天板部とフランジ部とが側壁部を介して幅方向で連続していると共に、上記天板部及び上記フランジ部が長手方向に沿って上記天板部側に凸若しくは凹に湾曲したハット形断面を有する製品形状に、金属板をプレス成形して製造する際に、上記天板部及びフランジ部について、それぞれ長手方向に沿った湾曲を上記製品形状での曲率半径よりも小さい第２の曲率半径のハット形断面を有する部品形状にプレス成形して中間部品を製造する第１の工程と、上記中間部品の長手方向に沿った湾曲を、上記製品形状よりも大きい曲率半径にプレス成形する第２の工程と、を有する。

本発明の一態様によれば、金属板にハイテン材を使用した場合でも、金型を複雑化することなく、側面視のスプリングバック、すなわちキャンバーバックとキャンバーバックの材料強度感受性を大きく低減することができる。これにより、目標とする製品形状に近い高精度なハット形断面湾曲形状の部品を得ることができる。すなわち、本発明の一態様によれば、形状凍結性および材料強度感受性に優れたプレス成形品の製造方法を提供することが可能となる。

この結果、本発明の一態様によれば、材料強度が振れた場合でも、寸法精度の高い部品が得られ、歩留りの向上に繋がる。さらに、ハット形断面形状の部品を用いて車体構造部品とする際に、部品の組立てを容易に行うことが可能となる。

ハット形断面部品におけるスプリングバックを説明する概略図である。 本発明に基づく実施形態に係る製品形状を示す模式図であり、（ａ）が斜視図で、（ｂ）が側面図である。 側面視で、長手方向に沿って湾曲した実部品形状の例を示す図である。 本発明に基づく実施形態に係るプレス成形品の製造方法の工程を示す図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しつつ説明する。
天板部１の幅方向両側が側壁部３を介してフランジ部２に連続しているハット形断面部品であって、長手方向に沿って天板部１側に凸となるように湾曲したハット形断面部品に、ブランク材からなる金属板をプレス成形すると、図１（ａ）に示すように、湾曲部分の天板部１において引張残留応力が発生すると共に、フランジ部２において圧縮残留応力が発生する。そして、プレス金型から部品を外して、これらの応力が開放されることによって、図１（ｂ）に示すようなスプリングバックが発生する。このとき、金属板の材料強度の増加に伴い、この残留応力が増加して、スプリングバック量が大きくなる傾向がある。すなわち、５９０ＭＰａ以上のハイテン材を採用するとスプリングバックが大きくなる。

ここで、本実施形態が目的とするプレス成形による製品形状は、図２に示すように、天板部１の幅方向両側が側壁部３を介してフランジ部２に連続しているハット形断面部材であって、天板部１及びフランジ部２が長手方向に沿って天板部１側に凸となるように湾曲したハット形断面部材となっている。天板部１及びフランジ部２にそれぞれ形成される、長手方向に沿った湾曲の曲率は異なっても良いが、本実施形態では同じとする。

また、本実施形態の製品形状の基本形状は、図２に示すような単純な湾曲形状であるが、実部品形状でも適用可能である。実部品形状の一例として、図３にＢピラーＲ／Ｆを模擬した湾曲部品を示す。この湾曲部品は、天板部１の長手方向両端部に、それぞれ張出部５が連続している。各張出部５の幅は、天板部１の幅よりも幅方向の寸法が大きいことから、上面視において製品形状の長手方向端部側の天板面が、Ｌ字形状若しくはＴ字形状となっている。図３では、Ｔ字形状を例示している。更にフランジ部２の長手方向端部に縦壁部６の下端部が連続している。該縦壁部６は、天板部１側に立ち上がり、その上端が上記張出部５に連続する。上記形状によって、縦壁部６に対し、湾曲端部分を有する本体部４が垂直方向側に延在する。すなわち、本体部４の長手方向に対向するように縦壁部６が立ち上がった形状となっている。長手方向片側のみに縦壁部６が存在する形状であっても良い。

但し、本発明によるプレス成形品の製造方法では、張出部５及び縦壁部６が無い製品形状であっても適用可能である。また、天板部１及びフランジ部２が長手方向に沿って天板部１側に凹の湾曲形状であっても適用できる。
本実施形態のプレス成形品の製造方法は、平板状の金属板を上記の製品形状に成形するための加工として、図４に示すように、第１の工程と、第２の工程とを有する。プレス成形品の製造のためのプレス工程を２段階以上の多工程とすることで、製品のスプリングバック抑制などの寸法精度を向上させることができる。

ここで、フランジ外周をトリムするトリム加工（不図示）を有する。トリム加工は、第１の工程の前に実施しても良いし、第１の工程と第２の工程の間で実施しても良いし、第２の工程の後に実施しても良い。本実施形態では、トリム加工を第１の工程でのプレス加工の後に実施する場合で説明する。この場合、中間部品は、フランジ外周のトリム加工が行われた状態の部品となる。

第１の工程は、天板部１及びフランジ部２について、それぞれ長手方向に沿った湾曲を上記製品形状での曲率半径よりも小さい第２の曲率半径のハット形断面を有する部品形状に、平板状の金属板（ブランク材）をプレス成形して中間部品を製造する工程である。金属板の材料強度が５９０ＭＰａ以上の鋼板であっても適用可能である。
天板部１の第２の曲率半径と、フランジ部２の第２の曲率半径は大きさが異なるように設定される場合が多い。

また、天板部１及びフランジ部２の各第２の曲率半径はそれぞれ、第１の工程で成形した後に中間部品に発生するスプリングバック後の曲率半径が、製品形状での曲率半径以下、好ましくは製品形状での曲率半径未満となる値にそれぞれ設定された金型で成形することが好ましい。
例えば、製品形状における天板部１の長手方向に沿った天板部１の曲率半径をＲ１ｏと定義した場合、中間部品におけるスプリングバック後の天板部１の長手方向に沿った曲率半径Ｒ１’が下記（１）式を満たす値となるように、天板部１での第２の曲率半径の値を設定することが好ましい。すなわち、スプリングバック後の中間部品では、製品形状と比較してスプリングゴー側となる曲率半径となるように設定する。
０．７０ ≦ （Ｒ１’／Ｒ１ｏ） ＜ １．００・・・・（１）

また、製品形状におけるフランジ部２の長手方向に沿った曲率半径をＲ２ｏと定義した場合、中間部品におけるスプリングバック後のフランジ部２の長手方向に沿った曲率半径Ｒ２’が、下記（２）式を満たす値となるようにフランジ部２での上記第２の曲率半径の値を設定することが好ましい。すなわち、スプリングバック後の中間部品では、製品形状と比較してスプリングゴー側となる曲率半径となるように設定する。
０．７０ ≦ （Ｒ２’／Ｒ２ｏ） ＜ １．００・・・・（２）

ここで、第１の工程の成形には、ドロー成形またはフォーム成形を適用すればよい。
上記の各中間部品に発生するスプリングバック後の各曲率半径は、ＣＡＥ解析その他のシミュレーション解析をコンピュータで行うことで計算によって求めても良いし、実際に試験品を作製して実測によって求めても良い。
また本実施形態では、第１の工程での上記プレス成形後に、フランジ外周のトリム加工を施す。トリム加工には、せん断加工やレーザ切断加工などの公知の加工方法を採用すれば良い。

第２の工程は、例えば第１の工程で製造した中間部品を目標とする製品形状に成形する工程である。このとき、第２の工程では、中間部品の長手方向に沿った湾曲を、製品形状よりも大きい曲率半径にプレス成形する。中間部品の長手方向に沿った湾曲を製品形状よりも大きい曲率半径にプレス成形する際の当該曲率半径は、第２の工程での金型からの離型後の成形形状における長手方向に沿った湾曲の曲率半径が、中間部品での曲率半径よりも製品形状での目標とする曲率半径に近づく値に設定する。この曲率半径は、ＦＥＭ解析や実験によって求めればよい。

例えば、天板部１及びフランジ部２において、第１の工程で発生する引張応力もしくは圧縮応力と第２の工程で発生する圧縮応力もしくは引張応力とが打ち消しあい長手方向に沿った応力がゼロに近づくように、第２の工程で使用する金型の製品形状長手方向に沿った曲率半径を、製品形状の長手方向に沿った湾曲の曲率半径よりも大きな値に設計する。
例えば、製品形状における天板部１の長手方向に沿った天板部１の曲率半径をＲ３ｏと定義した場合、第２の工程における金型の天板部の長手方向に沿った曲率半径Ｒ３ｏ’が下記（３）式を満たす値となるように、第２の工程の天板部１での曲率半径の値を設定することが好ましい。
１．００ ＜ （Ｒ３ｏ’／Ｒ３ｏ） ≦ ３．００・・・・（３）

また、例えば製品形状におけるフランジ部２の長手方向に沿ったフランジ部２の曲率半径をＲ４ｏと定義した場合、第２の工程における金型のフランジ部２の長手方向に沿った曲率半径Ｒ４ｏ’が下記（４）式を満たす値となるように、第２の工程のフランジ部２での曲率半径の値を設定することが好ましい。
１．００ ＜ （Ｒ４ｏ’／Ｒ４ｏ） ≦ ３．００・・・・（４）

ここで、（Ｒ３ｏ’／Ｒ３ｏ）および（Ｒ４ｏ’／Ｒ４ｏ）が１．０よりも小さい場合、第２の工程の金型下死点において天板部１に引張応力が、フランジ部２に圧縮応力が残り、スプリングバックが十分抑制されない可能性がある。また、応力が反転した場合でも第２の工程の金型離形後に曲率半径が小さくなるようにスプリングバック（スプリングゴー）が発生するため、製品形状よりも小さい曲率半径になる可能性がある。逆に、（Ｒ３ｏ’／Ｒ３ｏ）および（Ｒ４ｏ’／Ｒ４ｏ）が３．００よりも大きい場合、第２の工程での成形下死点において天板部１に過度の圧縮応力が、フランジ部２に過度の引張応力が発生し、成形部品に過度のスプリングゴーが発生するおそれがある。 ここで、第２の工程の成形にはリストライク加工を適用すればよい。

（動作その他）
本実施形態のプレス成形品の製造方法では、スプリングバックを低減するために、第１の工程で、天板部１とフランジ部２の曲率半径をそれぞれ、製品形状の曲率半径よりも小さくなるようにプレス成形し、第２の工程で、第１の工程で得られた中間部品を、製品形状よりも大きい曲率半径にプレス成形して目標の成形形状の部品を得る。

ここで、第１の工程において、型から開放した後の中間部品の天板部１およびフランジ部２の曲率半径は、第２の曲率半径の値によっては、スプリングバックによって第１の工程で使用する金型の曲率半径よりも若干大きくなっている場合も想定される。この第１の工程で成形された中間部品のスプリングバック後の天板部１およびフランジ部２の曲率半径は、製品形状での曲率半径以下、好ましくは製品形状での曲率半径よりも小さくなるように、第１の工程の金型を設計することが好ましい。

プレス加工する金属板としてはハイテン材を対象とするが、鋼板やアルミニウム板などを用いてもよい。また、長手方向に沿った、製品形状での天板部１の曲率半径とフランジ部の曲率半径は異なっていてもよい。
第１の工程の成形において、スプリングバック後の中間部品の天板部１とフランジ部２の各曲率半径を、製品形状での曲率半径以下になるように成形することより、第２の工程でのリストライク成形において天板部１に小さい圧縮応力、フランジ部２に小さい引張応力を発生させる。これにより、天板部１においては、小さい圧縮応力が残留するか、第１の工程において発生した引張応力と第２の工程において発生した圧縮応力が打ち消しあうことで、長手方向の応力がゼロに近づく。同様に、フランジ部２においては、小さい引張応力が残留するか、第１の工程において発生した圧縮応力と第２の工程において発生した引張応力が打ち消しあうことで、長手方向の応力がゼロに近づく。これにより応力差が低減もしくはゼロとなり、製品形状でのスプリングバック量が低減すると共に、材料強度が振れた場合において、材料強度の感受性を向上させることが可能となる。

もっとも、製品形状に対する中間部品の曲率変更量を決定するに際し、第１の工程において、製品形状での曲率半径で湾曲したハット形断面部材のスプリングバック計算を実施し、スプリングバック後の天板部１の曲率半径をＲ１’としたときに、製品形状での天板部１の曲率半径Ｒ１ｏとの比を０．７０ ≦ （Ｒ１’／Ｒ１ｏ） ＜ １．００ の範囲内に設定することが好ましい。

同様に、製品形状に対する中間部品のフランジ部２曲率半径をＲ２’としたときに、製品でのフランジ部２の曲率半径Ｒ２ｏとの比を０．７０ ≦ （Ｒ２’／Ｒ２ｏ） ＜ １．００ の範囲内に設定することが好ましい。
ここで、（Ｒ１’／Ｒ１ｏ）および（Ｒ２’／Ｒ２ｏ）が０．７よりも小さい場合、第２の工程での金型下死点において天板部１に過度の圧縮応力が、フランジ部２に過度の引張応力が発生し、プレス成形品に大きなスプリングゴーが発生するおそれがある。逆に、（Ｒ１’／Ｒ１ｏ）および（Ｒ２’／Ｒ２ｏ）が１よりも大きい場合、第２の工程の金型下死点において天板部１に引張応力が、フランジ部２に圧縮応力が残り、スプリングバックが十分抑制されない可能性がある。

以上のように、本実施形態のプレス成形品の製造方法によれば、金属板にハイテン材を使用した場合でも、金型を複雑にすることなく、側面視のスプリングバック、すなわちキャンバーバックとキャンバーバックの材料強度感受性を大きく低減することができる。これにより、目標とする製品形状に近い高精度なハット形断面で且つ長手方向に湾曲を有する形状のプレス成形品を得ることができる。このように、本実施形態のプレス成形品の製造方法は、形状凍結性および材料強度感受性に優れている。
この結果、本実施形態によれば、材料強度が振れた場合でも、寸法精度の高い部品が得られ、歩留りの向上に繋がる。さらに、ハット形断面形状の部品を用いて車体構造部品とする際に、部品の組立てを容易に行うことが可能となる。

本発明に係るプレス成形品の製造方法によるスプリングバック抑制効果を確認するため、有限要素法（ＦＥＭ）によるプレス成形解析およびスプリングバック解析を行った。その結果について以下に説明する。
本実施例では図２（ａ）、（ｂ）に示す長手方向に湾曲したハット形断面部品をプレス成形する場合を対象とした。

本実施例では図２（ａ）、（ｂ）に示す長手方向に湾曲したハット形断面部材をプレス成形する場合を対象とした。側面視のパンチ底製品曲率半径はＲ１６００で一定曲率としており、前工程の金型形状と後工程の金型形状を変更した。
表１にプレス条件および評価結果をまとめて示す。
なお、プレス成形に使用する金属板は、板厚ｔ＝１．４ｍｍであって、引張強度(材料強度)が５９０ＭＰａ級〜１１８０ＭＰａ級の鋼板とした。

（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３）
Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３（従来工法）では、製品のパンチ底曲率Ｒ１６００の金型で１工程だけで成形した結果であり、プレス成形解析とスプリングバック解析とを実施し、スプリングバック前後の天板部１のスプリングバック量（曲率半径）を測定した。
このとき、各材料強度のスプリングバック後の曲率半径は製品形状よりも大きくなり、さらに材料強度の増加に伴い曲率半径が大きくなる。また、下限の５９０ＭＰａ材と１１８０ＭＰａ材の曲率半径の差を求めたところ、２０６［ｍｍ］の差が発生した。

（Ｎｏ．４〜Ｎｏ．６）
Ｎｏ．４〜Ｎｏ．６では、第１の工程のスプリングバック後の曲率半径が製品曲率Ｒ１６００より小さくなるようにＲ１１００の金型で成形し、第２の工程は製品曲率Ｒ１６００でリストライクをする条件で、プレス成形解析を行った。

この場合には、第１の工程のスプリングバック後の曲率半径は、すべての材料強度で製品曲率Ｒ１６００よりも小さくなった。この形状を第２の工程において、製品曲率Ｒ１６００でリストライクすると、すべての材料強度でＲ１６００よりも小さい曲率半径になるが、すべての材料強度でほぼ同じ曲率半径になる。また、下限の５９０ＭＰａ材と１１８０ＭＰａ材の曲率半径の差を求めたところ、−１６［ｍｍ］の差となり、従来工法と比較して大幅に曲率半径の差が低減した。

（Ｎｏ．７〜Ｎｏ．９）
本発明に基づいたＮｏ．７〜Ｎｏ．９では、第１の工程のスプリングバック後の曲率半径が製品曲率Ｒ１６００より小さくなるようにＲ１２００の金型で成形し、第２の工程は製品曲率Ｒ１６００よりも大きいＲ１７００で成形するプレス成形解析を行った。
この場合には、第１の工程のスプリングバック後の曲率半径は、すべての材料強度で製品曲率Ｒ１６００よりも小さくなった。この形状を第２の工程において、Ｒ１７００で成形すると、すべての材料強度で製品曲率Ｒ１６００と同じ曲率になり、すべての材料強度でほぼ同じ曲率半径になる。また、下限の５９０ＭＰａ材と１１８０ＭＰａ材の曲率半径の差を求めたところ、２［ｍｍ］の差となり、従来工法と比較して大幅に曲率半径の差が低減した。また、Ｎｏ．４〜Ｎｏ．６と比較しても、曲率半径の差が低減した。

１ 天板部
２ フランジ部
３ 側壁部
４ 本体部
５ 張出部
６ 縦壁部

Claims (6)

1. 天板部とフランジ部とが側壁部を介して幅方向で連続していると共に、上記天板部及び上記フランジ部が長手方向に沿って上記天板部側に凸若しくは凹に湾曲したハット形断面を有する製品形状に、金属板をプレス成形して製造する際に、
   上記天板部及びフランジ部について、それぞれ長手方向に沿った湾曲を上記製品形状での曲率半径よりも小さい第２の曲率半径のハット形断面を有する部品形状にプレス成形して中間部品を製造する第１の工程と、
   上記中間部品の長手方向に沿った湾曲を、上記製品形状よりも大きい曲率半径にプレス成形する第２の工程と、を有することを特徴とするプレス成形品の製造方法。
2. 上記天板部及びフランジ部の上記各第２の曲率半径は、それぞれ上記第１の工程で成形した後に上記中間部品に発生するスプリングバック後の曲率半径が、上記製品形状での曲率半径以下となる値に設定することを特徴とする請求項１に記載したプレス成形品の製造方法。
3. 上記製品形状における天板部の長手方向に沿った天板部の曲率半径をＲ１ｏと定義した場合、上記中間部品におけるスプリングバック後の天板部の長手方向に沿った曲率半径Ｒ１’が下記（１）式を満たす値となるように、上記天板部での上記第２の曲率半径の値を設定することを特徴とする請求項１に記載したプレス成形品の製造方法。
   ０．７０ ≦ （Ｒ１’／Ｒ１ｏ） ＜ １．００・・・・（１）
4. 上記製品形状におけるフランジ部の長手方向に沿った曲率半径をＲ２ｏと定義した場合、上記中間部品におけるスプリングバック後のフランジ部の長手方向に沿った曲率半径Ｒ２’が下記（２）式を満たす値となるように、上記フランジ部での上記第２の曲率半径の値を設定することを特徴とする請求項１又は請求項３に記載したプレス成形品の製造方法。
   ０．７０ ≦ （Ｒ２’／Ｒ２ｏ） ＜ １．００・・・・（２）
5. 第１の工程の成形にドロー成形またはフォーム成形を適用し、第２の工程の成形にリストライク加工を適用することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載したプレス成形品の製造方法。
6. 金属板の材料強度が５９０ＭＰａ以上の鋼板とすることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載したプレス成形品の製造方法。

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