JP6547920B2 - 金属板のせん断加工面での変形限界の評価方法、割れ予測方法およびプレス金型の設計方法 - Google Patents
金属板のせん断加工面での変形限界の評価方法、割れ予測方法およびプレス金型の設計方法 Download PDFInfo
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Description
このプレス成形における成形性の主な課題の一つとして割れがある。この割れには、主に、素材の引張り変形による割れと、曲げ変形による割れと、それらの複合変形による割れとがある。引張り変形による割れは素材の延性に大きく起因し、成形限界線図を用いた割れの予測手法で評価することが一般的である。一方、曲げ変形による割れは、金型の曲げ半径Rと素材の板厚tとの比である曲げ性R/tに大きく起因し、素材の表面に亀裂が発生しない最小の曲げ半径と板厚tの比を実験的に求めることで、割れの予測をする方法が一般的である。引張り変形と曲げ変形の複合変形による割れの予測手法としては、例えば、金型の曲げ半径Rと金属板に発生する張力を用いた予測手法(特許文献1)がある。
しかし、その他に、割れ発生の事例として、せん断加工された素材の端面が変形を受けることで、端面から亀裂が発生して割れに至る事例がある。素材の端面は、せん断加工により強い変形をすでに受けているため延性に乏しく、また、破断面やバリといった凹凸へ応力が集中することで、亀裂が発生しやすいという特徴がある。このため、割れに対する評価方法や予測方法が上記とは異なる。
また、本発明の一態様によれば、単純曲げ、曲げと引張りとの複合変形、引張り変形の複数の形態を一つの指標で評価することが出来る。
金属板を曲げ加工を含むプレス成形で成形した成形品の例を、図1に示す。図1は鞍状形状にプレス成形した場合の例である。この図1において、符号1Bは、金属板1を曲げる際の曲げ線位置となる曲げ稜線方向となる。符号10Aは、端面(せん断加工面)となる。また符号Zが、曲げ外側表面とせん断加工面との境界近傍のうちの、亀裂が発生しやすい箇所の例である。
そして、発明者らが種々の検討をした結果、素材1(金属板1)をプレス成形した際に、図2に示すように、素材1の端面は曲げ加工時に反りが発生(例えば、非特許文献1)して、素材1の端面側が金型の曲げ部から浮く。このため、素材1の中央部側(図1の符号1Ba参照)では、金型の曲げ半径Rに近い曲げ半径で曲げ変形を受けるが、素材1の端面側(図1の1Bb参照)では、金型の曲げ半径Rとは異なる曲げ半径で曲げ変形を受ける。
また、曲げ変形時には素材1の板厚方向Xに非常に大きなひずみ勾配が発生するため、素材1の端面10Aに沿った方向のひずみ勾配や端面10Aと直交する面内方向のひずみ勾配は相対的に影響が小さくなる。そのため、それらを用いた従来の予測手法では、曲げ変形が含まれるプレス成形の場合、端面10Aの割れを予測することが困難であることが分かった。
端面10Aからの亀裂は、その発生部に与えられる最大主ひずみの方向と直交する方向に進展する。その際、最大主ひずみの方向と直交する方向のひずみ勾配が大きいほど、亀裂の発生と進展を抑制する傾向がある。そして、最大主ひずみの方向と直交する様々な方向のうち、ひずみ勾配が最大となる方向の値が最も抑制効果を発揮する。しかし、ひずみ勾配が最大となる方向は素材1の端面10Aに加わる変形によって一定とはならず、また、前述のように素材1の端面10Aは曲げ変形時に反りが発生するため、最大となる方向を特定することは難しい。
発明者らは、上記のような知見に基づいて、亀裂発生部の近傍Zにおける板厚方向Xの表面ひずみ分布の勾配と、曲げ稜線方向Yの表面ひずみ分布の勾配との2つの表面ひずみ分布の勾配をパラメータとして、金属板1のせん断加工面10Aでの変形限界を評価する評価方法、それに基づいた端面割れの予測方法を考案した。
本実施形態で使用する金属板1のせん断加工面10Aでの変形限界を評価する評価、それに基づいた端面割れの予測で用いる指標値について説明する。
本実施形態の指標値は、曲げ加工を受ける金属板1の曲げ外側表面とせん断加工面10Aの境界近傍に発生するひずみの分布のうち、せん断加工面10Aでの板厚方向Xの表面ひずみ分布の勾配と、せん断加工面10Aから離れる方向に向かう曲げ加工による曲げ稜線方向Yの表面ひずみ分布の勾配との、2つの表面ひずみ分布の勾配を変数とした値である。ここで、曲げ外側表面とは、曲げ加工によって凸に変形する側の表面である。
ここで、曲げ稜線方向Yの表面ひずみは、曲げ加工を受ける金属板1の曲げ外側表面での端面10Aから曲げ稜線方向Yに向かう表面ひずみであり、その勾配は、端面10Aを起点として当該端面10Aから離れる方向の勾配となる。また板厚方向Xの表面ひずみ分布の勾配は、曲げ外側表面から内面側に向かう勾配とする。
+△εridgeline)/2
・・・(1)
ここで、
△εthickness:板厚方向Xの表面ひずみ分布の勾配
△εridgeline:曲げ稜線方向Yの表面ひずみ分布の勾配
である。
△εcombine=(((△εthickness)2
+(△εridgeline)2)0.5)/2
・・・(2)
ここで、
△εthickness:板厚方向Xの表面ひずみ分布の勾配
△εridgeline:曲げ稜線方向Yの表面ひずみ分布の勾配
である。
なお、簡易的な評価手法として、(3)式のように、板厚方向Xの表面ひずみ分布の勾配△εthicknessだけから指標値を算出して、端面10Aからの割れの発生有無を評価しても良い。
すなわち、
△εcombine= △εthickness ・・・(3)
としても良い。
これは、割れの評価指標として、板厚方向Xの表面ひずみ分布の勾配の値の方が、曲げ稜線方向Yの表面ひずみ分布の勾配の値よりも寄与度が高いためである。このため、精度は下がるがものの、(3)式はより簡便であるという利点がある。
△εcombine= △εthickness
+△εridgeline
・・・(4)
ここで、上述の(1)式は、2つの表面ひずみ分布の勾配から指標値を求める際に、2つの表面ひずみ分布の勾配を単純平均で平均化した場合の例であるが、板厚方向Xの表面ひずみ分布の勾配の方が、寄与度が高いという観点から、(5)式のように、板厚方向Xの表面ひずみ分布の勾配側の重み付けを大きくして、加重平均で指標値を求めても良い。
+b×△εridgeline)
・・・(5)
ここで、a,bは重み係数であり、a>bの関係に設定する。例えば、a=0.7、b=0.3のように設定する。
同様に、(2)式や(4)式においても、板厚方向Xの表面ひずみ分布の勾配側の重み付けを大きく設定しても良い。
△εcombine= a・△εthickness
+b・△εridgeline
・・・(6)
ここで、a,bは重み係数であり、a>bの関係に設定する。例えば、a=1.3、b=0.7のように設定する。
更に、上記指標値である△εcombineを、金属板1の局部伸びの逆数で正規化するようにしても良い。
例えば、素材1の局部伸びL−Elを使用し、下記(7)式のように、指標値に対し、金属板1の局部伸びL−Elの逆数を乗算して、指標値を正規化する。
△εcombine ← △εcombine/L−El
・・・(7)
素材1の局部伸びL−Elの逆数を乗算すると、亀裂が発生する直前の素材1表面の最大主ひずみ(以下、割れひずみと称する)と(5)式との関係が、素材1の種類毎に層別されることも見出した。そして、このように正規化することによって、更に、変形限界の評価や端面割れの予測の精度が向上する。
ここで、指標値△εcombineを求める評価位置は、対象とするプレス成形による曲げ加工で端面10Aの変形時に亀裂が発生すると推定される位置とすることが好ましい。例えば図1における符号Z位置である。
端面変形時に亀裂が発生すると推定される位置は、予め実験や成形シミュレーションで求めた、ひずみが一番大きくなる位置とすればよい。例えば、曲げ加工によって、曲げられる端面部分における、曲率変化が一番大きな位置若しくはその近傍を評価位置とする。
せん断加工後による端面10Aについて説明する。
せん断加工は、一対のパンチとダイを用いて素材1にせん断変形を与え、割れを生じさせることで、素材1を2個以上に分離する方法である。
本実施形態では、一般的なせん断加工により所定輪郭形状にせん断されることで、せん断加工面10Aを有する素材1が作製される。
そして、所定輪郭形状にせん断加工された素材1を試験片として、種々の変形を与え、割れひずみや、指標値のためのひずみ勾配を求める。
ここで、割れひずみは、上述のように、評価位置の端面10A近傍における、亀裂が発生する直前の素材1表面の最大主ひずみである。
せん断加工された試験片の端面10Aに対して曲げ変形を与える方法は、試験片1を曲げる金型や治具等の曲げ半径Rと、端面10Aの亀裂有無とを確認できる方法であればどのような方法でもよい。
簡易的には、V曲げ加工やU曲げ加工のパンチの先端半径Rを変えながら試験片1の端面10Aを曲げて、亀裂の有無を確認する方法が良い。その他にもロールフォーミングなどの曲げ方法がある。
試験片の端面10Aに引張り変形と曲げ変形の複合変形を与える方法は、ビードや素材1を挟圧する機構により試験片1に与える引張り応力が変更でき、かつ素材1を曲げる金型や治具等の曲げ半径Rと端面10Aの亀裂有無とを確認できる方法であればどのような方法でもよい。簡易的には、ハット形状の絞り成形金型を用いることで、パンチの曲げ半径Rとクッション圧、およびビードの有無を変えて種々の複合変形を与える方法が良い。
上記の方法により亀裂が発生した位置での、亀裂が発生する直前の割れひずみと、素材1表面のひずみ勾配を求める。
具体的には、曲げ変形を受ける素材1の外側表面とせん断加工された端面10Aの境界で求めるのが好ましい。これは、亀裂の発生が上記の境界で発生しやすいためである。
割れひずみとひずみ勾配の求め方は、公知の手法を採用すれば良い。張力とひずみ勾配の求め方としては、例えば、素材1の表面に微小なマークをつけてマークの変形からひずみを求める実験的な方法や、有限要素法による成形シミュレーションによりひずみを予測する方法などがあるが、これに限定されず、公知の方法を適用すれば良い。このようにして、表面ひずみの分布を求め、求めた表面ひずみの分布からひずみ勾配を算出する。
3次元のソリッド要素を用いた有限要素法を用いると精度良く割れひずみが算出できる。
次に、上述の指標値を用いた、金属板1のせん断加工面10Aでの変形限界の評価方法の一例について説明する。
上述のように、上記単純曲げを行ったときの、せん断加工面10Aでの亀裂が発生する直前の割れひずみと、その亀裂が発生する直前の曲げにおける同一箇所での指標値とを、第1の取得値として求める。同様にして、上記引張り変形と曲げ変形の複合変形を行ったときの、せん断加工面10Aでの亀裂が発生する直前の割れひずみと、その亀裂が発生する直前の曲げにおける同一箇所での指標値とを、第2の取得値として求める。割れひずみを、亀裂が発生する直後としても良いが、割れひずみは、出来るだけ亀裂初期の状態のときが良い。
ここで、割れひずみの算出は、出来るだけ亀裂発生が小さいときの状態での割れひずみが好ましいため、亀裂が発生した直前の状態の割れひずみを採用している。
また後述のように、同一素材1において、割れひずみと指標値との関係は一次線形の関係にあるので、2点を求めれば上記変形限界線を求めることが可能である。
ここで、本実施形態で求める変形限界線は、単純引張り変形による端面10Aでの割れについても適用出来るので、単純引張り変形による端面10Aでの割れが発生するときの割れひずみと、そのときの指標値との組を使用して、単純曲げ変形若しくは複合変形のデータのうちの、一方の取得を省略しても構わない。
また、プレス成形によって製品形状に成形する際における曲げ変形部分の端面10Aの曲げ形状が、この変形限界線以下に収まるように、プレス成形品を決定するようにしても良い。又は、プレス成形によって製品形状に成形する際における曲げ変形部分の端面10Aにおいて、この変形限界線未満に収まるように、プレス金型の形状を決定したり、プレス加工の工程選定を行うようにしたりしても良い。
上記のような変形限界の評価方法のようにして、予め割れひずみと指標値の関係を求めておき、その関係に基づき、図3の[割れの発生しない領域]内に位置するか否かで割れが発生するか否かを予測する。
そして、割れが発生すると予測(評価)された位置に対し、その金属板端面10Aでの割れ発生が抑制されるように、プレス成形で使用するプレス金型の設計変形を行う。
以上のように、本実施形態によれば、対象となる素材1をせん断加工後に変形させる際の、端面10Aからの割れの発生有無を精度よく評価することが可能となる。
この評価方法は、割れの発生を予測する方法としても活用できる。例えば、自動車のパネル部品、構造・骨格部品等の各種部品をプレス成形する際に用いる金型の形状が適切であるか精度良く予測できるようになる。また、プレス成形を安定して行うことができるのでプレス成形品の不良率が低減でき、プレス金型の製造期間の短縮にも貢献できる。
強度が高い素材1は一般的に延性が低いため、素材1のせん断加工面10Aを変形させることで割れが容易に起きやすい。そのため、本発明は強度が高い素材1ほど有効である。具体的には、引張り強度590MPa以上の素材1を対象とすることが好ましく、引張り曲げ強度980MPa以上の素材1はさらに好ましい。また、素材1の種類としては、プレス成形のように大量生産をする素材1を対象とするとコスト面で秀でており、金属板1や特に鋼板を対象とすることが好ましい。
表1に示す3種類の素材A、BおよびCを対象に本発明の検証を行った。各素材1に対してせん断加工を行って、矩形形状の試験片を作製した。
そのせん断加工は、10×20mmの矩形のパンチと、10.3×20.3mmの矩形のダイスを用いた(不図示)。金型のクリアランスは、素材1の板厚によって変更し、素材Aが板厚の15%、素材1Bが板厚の10.7%、素材1Cが板厚の8.3%とした。
単純曲げ変形は、図4に示す頂角90°のV曲げ金型により試験片1の端面10Aに曲げを与えた。パンチ21の頂点の曲げR部にせん断加工部のダレ側が接するように試験片を設置した。そして、パンチ21の先端の曲げ半径Rを0.5mmピッチで変えて変形試験を実行し、試験片の端面10Aに亀裂が発生しない最小の曲げ半径を求めた。符号20はダイを示す。
なお、板厚方向Xのひずみ勾配の算出範囲は各素材1の板厚の50%とし、曲げ稜線方向Yのひずみ勾配の算出範囲は5mmとした。
引張り変形と曲げ変形の複合変形は、図5に示すハット形状の絞り成形金型により素材1の端面10Aに与えた。パンチ32の曲げR部に対し、試験片1のせん断加工部のダレ側が接するように試験片1を設置した。符号30はダイを、符号31はしわ押さえ板を示す。
そして、上記のようにして求めた割れひずみと各種のひずみ勾配を用いて整理した。グラフのプロット間の直線は最小二乗法の回帰直線である。
サンプル1は、図6に示すように、割れひずみを、試験片の端面10Aと直交する面内方向のひずみ勾配で整理した結果である。
<サンプル2>
サンプル2は、図7に示すように、割れひずみを素材1の端面10Aの板厚方向Xのひずみ勾配△εthicknessで整理した結果である。図4に示す結果は、実施形態で説明した簡易版((3)式に対応)である。
<サンプル3>
サンプル3は、図8に示すように、サンプル2に対し、指標値としての△εthicknessにL−Elの逆数を乗算して正規化した結果である。
サンプル4は、図9に示すように、本実施形態に基づき、指標値としての△εcombineを(2)式で算出して、割れひずみを整理した結果である。
<サンプル5>
サンプル5は、図10に示すように、サンプル4に対し、指標値としての△εcombineにL−Elの逆数を乗算して正規化した結果である。
<サンプル6>
サンプル6は、図11に示すように、本実施形態に基づき、指標値としての△εcombineに(4)式で算出して、割れひずみを整理した結果である。
<サンプル7>
サンプル7は、図12に示すように、サンプル6に対し、指標値としての△εcombineにL−Elの逆数を乗算して正規化した結果である。
ここで、各サンプルのデータにおいて、割れひずみの値が一番小さい群のデータは、単純引張りでのデータであり、割れひずみの値が一番大きい群のデータは、単純曲げでのデータであり、割れひずみの値が中間の群のデータは、複合曲げでのデータである。
サンプル1〜7の結果を、回帰直線との相関係数の二乗の値である決定係数で評価した結果を図13と表2に示す。
図13及び表2から分かるように、素材A、B、Cのいずれの場合も、サンプル2〜7よりもサンプル1の精度は劣っていた。
また、サンプル2,3は精度が同じであるが、各素材1の結果を線形に層別できていることが分かる。
サンプル4〜7も同様に、精度は同じであるが、各素材1の結果を層別できていた。
また、サンプル2,3よりも、本発明に基づくサンプル4〜7の方が、精度が向上していることが分かった。またサンプル6,7は、サンプル4,5と比較すると、素材A、Bの精度で劣るが、サンプル1に比べると顕著に精度が良いことが分かる。
10A せん断加工面(端面)
X 板厚方向
Y 稜線方向
Claims (8)
- せん断加工された金属板を曲げ加工を含むプレス成形で成形する際における、上記金属板のせん断加工面での変形限界を評価する変形限界の評価方法であって、
曲げ加工を受ける金属板の曲げ外側表面とせん断加工面との境界近傍に発生するひずみの分布のうち、評価位置における、せん断加工面での板厚方向の表面ひずみ分布の勾配と上記曲げ加工による曲げ稜線方向の表面ひずみ分布の勾配との2つの表面ひずみ分布の勾配から求めた第1の指標値と、評価位置の端面に亀裂が生じる直前の最大主ひずみである割れひずみとの関係から、せん断加工面での変形限界を評価し、
上記第1の指標値は、上記2つの表面ひずみ分布の勾配を変数とし、上記各勾配とそれぞれ正の相関がある値であることを特徴とする変形限界の評価方法。 - せん断加工された金属板を曲げ加工を含むプレス成形で成形する際における、上記金属板のせん断加工面での変形限界を評価する変形限界の評価方法であって、
曲げ加工を受ける金属板の曲げ外側表面とせん断加工面との境界近傍に発生するひずみの分布のうち、評価位置における、せん断加工面での板厚方向の表面ひずみ分布の勾配と上記曲げ加工による曲げ稜線方向の表面ひずみ分布の勾配との2つの表面ひずみ分布の勾配から求めた第1の指標値を、金属板の局部伸びの逆数で正規化して第2の指標値を求め、その第2の指標値と、評価位置の端面に亀裂が生じる直前の最大主ひずみである割れひずみとの関係から、せん断加工面での変形限界を評価し、
上記第1の指標値は、上記2つの表面ひずみ分布の勾配を変数とし、上記各勾配とそれぞれ正の相関がある値であることを特徴とする変形限界の評価方法。 - 上記第1の指標値は、2つの表面ひずみ分布の勾配の自乗平均であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載した変形限界の評価方法。
- 上記第1の指標値は、2つの表面ひずみ分布の勾配の和であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載した変形限界の評価方法。
- 上記2つの表面ひずみ分布を求めるための、板厚方向と曲げ稜線方向の各表面ひずみを、曲げ加工の成形シミュレーションによって算出することを特徴とした請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載した変形限界の評価方法。
- 上記評価位置を、対象とする曲げ加工で端面を変形するときに亀裂が発生すると推定される位置とすることを特徴とした請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載した変形限界の評価方法。
- せん断加工された金属板を曲げ加工を含むプレス成形で成形した場合の割れの有無を予測する割れ予測方法であって、
曲げ加工を受ける上記金属板の曲げ外側表面とせん断加工面との境界近傍に発生するひずみの分布のうち、せん断加工面での板厚方向の表面ひずみ分布の勾配と上記曲げ加工による曲げ稜線方向の表面ひずみ分布の勾配との2つの表面ひずみ分布の勾配を変数とした指標値と、端面に亀裂が生じる直前の最大主ひずみである割れひずみとの関係を、予め求めておき、
上記関係と、評価位置での上記2つの表面ひずみ分布の勾配から求めた指標値と、評価位置の端面に亀裂が生じる直前の最大主ひずみである割れひずみとの関係から、せん断加工面での割れを予測し、
上記指標値は、上記2つの表面ひずみ分布の勾配を変数とし、上記各勾配とそれぞれ正の相関がある値であることを特徴とする割れ予測方法。 - 請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載した変形限界の評価方法、若しくは請求項7に記載した割れ予測方法を用いて、金属板端面での割れ発生を抑制したプレス金型の形状を設計することを特徴とするプレス金型の設計方法。
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