JP6769561B2 - 変形限界の評価方法、割れ予測方法及びプレス金型の設計方法 - Google Patents
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Description
一方で、せん断端面の曲げ割れに関する割れの予測手法は開発されておらず、この曲げ割れを含むせん断端面での割れの予測手法の開発が求められている。
本発明は、上記のような点に鑑みてなされたもので、プレス成形によるせん断端面の割れの発生を防ぐために、金属板のせん断端面の割れ限界を評価・予測し、プレス成形条件を決定する技術を提供することを目的とする。
この結果、本発明の一態様によれば、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属板の選定が適切であるか否かを精度良く予測できるようになり、プレス成形を安定して行うことができるとともに、プレス成形品の不良率の低減にも大きく寄与することができる。また、本発明の一態様によれば、プレス金型の形状を設計段階で精度良く予測できるようになり、プレス金型の製造期間の短縮に貢献できる。
以下に示す本実施形態の方法は、プレス成形で曲げ変形が発生しない位置にも適用可能である。金属板1を曲げ加工を含むプレス成形で成形した成形品10の例を、図1に示す。図1は、金属板1を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を示す。符号10Aは端面(せん断端面)を示す。また符号Zが、曲げ外側表面とせん断端面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。
図1のように、上記の曲げ稜線は、曲げ加工(曲げ変形)でせん断端面(せん断加工面)から離れる方向に向かう曲げ稜線である。以下、この曲げ稜線を第1の曲げ稜線とも記載する。
曲げ加工を含むプレス成形について、発明者らが種々の検討をした結果、金属板1をプレス成形した際に、図2に示すように、金属板1の端面は曲げ加工時に反りが発生して、金属板1の端面側が金型の曲げ部から浮く。このため、金属板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、金属板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、曲げ変形時には金属板1の板厚方向Xに非常に大きな応力勾配が発生するため、金属板1の端面10Aに沿った方向の応力勾配や端面10Aと直交する面内方向の応力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。
すなわち、本実施形態の方法では、プレス成形によって金属板1のせん断端面10A近傍に発生する応力分布のうち、評価位置における、板厚方向Xの表面応力分布の勾配とせん断端面10Aから離れる方向の表面応力分布の勾配との2つの表面応力分布の勾配から求めた指標値によって、変形限界を評価する。例えば、評価位置での指標値と成形限界ひずみとの関係から、せん断端面10Aでの変形限界を評価したり、割れを予測したりする。
ここで、本実施形態の方法は、プレス加工における、金属板1のせん断端面10Aでの単純曲げ変形、引張り変形と曲げ変形が複合した変形、及び引張り変形のいずれでもあっても、せん断端面10A(せん断によって形成された端面10A)での変形限界の評価や割れの予測を、一つの指標値で統一的に且つ精度良く評価可能とするための技術を提供するものである。本実施形態の方法は、曲げ変形を有しないプレス加工位置のせん断端面10Aも対象とするものである。
本実施形態で使用する金属板1のせん断端面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、亀裂発生部の近傍Zの板厚方向Xの表面応力分布の勾配と、せん断端面10Aから離れる方向の表面応力分布の勾配との、2つの表面応力分布の勾配を変数とした値である。
なお、表面応力分布の勾配を単に応力勾配とも呼称し、せん断端面10Aから離れる方向Yの応力勾配を面内方向の応力勾配とも呼称する。
曲げ変形が加えられる変形位置における、せん断端面10Aから離れる方向への応力勾配は、曲げ加工を受ける金属板1の曲げ外側表面とせん断端面10Aの境界近傍に発生する応力分布であって、一番近い曲げ稜線方向に平行な方向の応力勾配である。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。
本実施形態では、組み合わせ応力△σcombineが指標値となる。
△σcombine= F(△σthickness、△σin-plane) ・・・(1)
指標値は、例えば、下記(2)式のような、上記2つの応力勾配の平均値とする。
△σcombine= (△σthickness+△σin-plane)/2
・・・(2)
△σcombine= √((△σthickness)2 +(△σin-plane)2)
・・・(3)
△σcombine= △σthickness +△σin-plane ・・・(4)
△σcombine= (a×△σthickness +b×△σin-plane)
・・・(5)
同様に、(3)式や(4)式においても、2つの応力勾配に対して、上述のような重み付けを行うようにしても良い。
各応力勾配は、例えば次のようにして算出する。
例えば、亀裂発生部の応力勾配は、割れ判定における成形条件のFEM解析結果より求める。亀裂発生部の応力勾配は、変形限界ひずみを取得した有限要素から、試験片の有限要素モデルの板厚方向X及びせん断端面10Aの法線方向となる面内方向の2方向の応力勾配を取得する。応力勾配を取得する範囲は、割れ判定基準となる亀裂長さとする。なお、勾配の算出範囲は10mm以下が好ましく、5mm以下がより好ましい。
このように、板厚方向Xとせん断端面から離れる方向の2つの表面ひずみを成形シミュレーションにより算出し、算出した各表面ひずみから、板厚方向Xの応力勾配とせん断端面から離れる方向の応力勾配を求める。
そして、板厚方向Xと面内方向の応力勾配を同時に考慮した組み合わせ応力勾配からなる上記の指標値を算出する。
ここで、成形条件のFEM解析結果などに基づき、評価位置として、端面の変形時に亀裂が発生すると推定される位置を設定する。
せん断端面10Aの変形限界を決定するには、せん断端面10Aを有する試験片を用意し、変形中に発生する応力勾配が異なる2種類以上の試験を実施する必要がある。
試験方法としては、変形中のせん断端面10A近傍の応力勾配が大きいV曲げ試験と、変形中のせん断端面10A近傍の応力勾配が小さい切欠き引張り試験が望ましい。しかしながら、同一の条件で作製したせん断端面10Aを有する試験片に応力勾配が異なる変形を与えることができ、かつ後述のFEM解析で試験を再現できれば、どのような試験方法でも構わない。
各種成形試験を実施後、せん断端面10Aに発生した亀裂長さを測定し、亀裂長さと成形条件の関係を取得する。
次に、同条件のFEM解析を実施する。解析結果から、せん断端面10Aの亀裂発生部の有限要素から最大主ひずみを取得し、せん断端面10Aの割れ発生部の最大主ひずみと成形条件の関係を取得する。前述の割れ判定における成形条件での最大主ひずみを求め、これを変形限界ひずみと定義する。このようにして、変形限界ひずみを算出する。
前述の方法により、各成形試験の変形限界ひずみと亀裂発生部近傍の応力勾配の関係が求まる。そして、2種類以上の試験結果から、(6)式に示す線形近似の関係式を求め、これを、図3に示すような、せん断端面10Aの変形限界線とする。
εlim = A×△σcombine+B 、B≧0 ・・・(6)
ここで、A、Bは材料定数である。
なお、この実施形態は、縦軸に変形限界ひずみを採用した例であるが、指標値と相関のある変数であれば、他の変数を縦軸に設定しても良い。他の変数として、例えば張力などが例示できる。また、変形限界ひずみは、上述のような最大主ひずみで定義されたものに限定されない。例えば、変形限界ひずみは、相当塑性ひずみで定義したものであっても良い。
プレス成形のFEM解析を実施し、割れを判定したい評価位置のせん断端面10Aの最大主ひずみεedge及び板厚方向Xの応力勾配△σthicknessと面内方向の応力勾配△σin-planeを算出する。また、上述のように指標値△σcombineにおける変形限界ひずみεlimを計算し、割れを判定したい評価位置のせん断端面10Aの最大主ひずみεedgeと変形限界ひずみεlimを比較することで割れを判定する。具体的には、(7)式の条件を満たす時に割れが発生すると予測(判定)する。
εedge ≧εlim ・・・(7)
ここで、せん断加工後によるせん断端面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金属板1にせん断変形を与え、割れを生じさせることで、金属板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を行って、せん断端面10Aを有する金属板1が作製される。
本実施形態によれば、対象となる金属板1をプレス成形するために必要となる金属板1のせん断端面10Aの変形限界を精度良く評価・予測することが可能となる。
この結果、本実施形態によれば、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属板1の選定が適切であるか否かを精度良く予測できるようになる。そして、本実施形態によれば、プレス成形を安定して行うことができるとともに、プレス成形品の不良率の低減にも大きく寄与することができる。また、本実施形態によれば、プレス金型の形状を設計段階で精度良く予測できるようになり、プレス金型の製造期間の短縮に貢献できる。
試験片として、表1に示す3種類の供試材A、B及びCを使用した。表1に各供試材の材料特性を示す。
図4及び図5の試験片に対してV曲げ試験及び切欠き引張り試験を行うことで、図6及び図7のようなせん断端面10Aの亀裂長さと成形条件の関係を取得した。
本実施例では、亀裂長さ200μm以上の試験結果を割れと判定した。しかし前述の通り判定基準は任意に決めることができ、亀裂長さによる制約はない。判定基準の亀裂長さは板厚の100%としても良いし、板厚の50%としてもよい。なお、対象とするプレス部品の不良率を下げるには、亀裂長さがより短いときに割れと判定する方が良い。その場合、板厚の50%以下が好ましく、30%以下がより好ましい。
次いで試験を再現したFEM解析により、図8及び図9のような表面ひずみと成形条件の関係を取得した。この取得した結果から、V曲げ試験及び切欠き引張り試験の割れ判定条件における変形限界ひずみは表2のようになった。
この図10の結果から、他の成形条件をFEM解析で再現し、せん断端面10Aのひずみと応力勾配を求めれば、せん断端面10Aの割れ発生の有無を予測することができる。
一例として、円錐穴広げ試験とハット絞り試験の変形限界ひずみ及び変形限界時の亀裂発生部近傍の応力勾配の関係を、図10に重ねた結果を図11に示す。
図11から分かるように、各試験の変形限界は、変形限界ひずみと応力勾配の関係の近傍に位置しており、高精度に割れ限界が予測できることを表している。
<比較例1>
図12に、変形限界ひずみと板面内方向のひずみ勾配Δεin-planeの関係を整理した結果を示す。
図12から、特許文献1の板面内方向のひずみ勾配Δεin-planeを用いた手法をそのまま用いると予測精度が悪いことが分かる。
<比較例2>
図13に、変形限界ひずみと板面内方向の応力勾配Δσin-planeの関係を整理した結果を示す。
図13から、特許文献1の板面内方向の応力勾配Δσin-planeを用いた手法をそのまま用いると予測精度が悪いことが分かる。
本実施例では、引張強さが980MPa級以上の鋼板に適用した例を示しており、このような高強度鋼板のプレス成形に適用することが好ましいが、上記の材料に限られるものではない。本発明は、引張強さが590MPa級以上の鋼板や、アルミ板などの金属板1に広く適用することもできる。
1B 曲げ稜線(第1の曲げ稜線)
10 成形品
10A せん断端面(せん断加工面)
X 板厚方向
Y せん断端面から離れる方向(面内方向)
Claims (9)
- せん断加工された金属板をプレス成形で変形する際における、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、
上記プレス成形によって上記金属板のせん断加工面近傍に発生する応力分布のうち、評価位置における、板厚方向の表面応力分布の勾配とせん断加工面から離れる方向の表面応力分布の勾配との2つの表面応力分布の勾配から求めた指標値によって、変形限界を評価し、
上記プレス成形は、曲げ変形を含み、その曲げ変形で上記せん断加工面から離れる方向に向かう曲げ稜線が形成されるプレス成形であり、
上記せん断加工面から離れる方向の表面応力分布の勾配は、金属板の曲げ外側表面における曲げ稜線方向と平行な方向の表面応力分布の勾配である、
ことを特徴とする変形限界の評価方法。 - 上記せん断加工面から離れる方向に向かう曲げ稜線を第1の曲げ稜線と記載したとき、
上記第1の曲げ稜線と平行な方向の表面応力分布の勾配を評価する範囲内に、上記第1の曲げ稜線とは異なる他の曲げ稜線が1つ以上存在する場合、上記第1の曲げ稜線と平行な方向と上記他の曲げ稜線との交点の内、上記せん断加工面に最も近い交点未満までの距離において上記表面応力分布の勾配を算出することを特徴とする請求項1に記載した変形限界の評価方法。 - 評価位置での上記指標値とせん断加工面での変形限界ひずみとの関係から、せん断加工面での変形限界を評価す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。
- 上記指標値は、上記2つの表面応力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〜請求項3のいずれか1項に記載した変形限界の評価方法。
- 上記指標値は、上記2つの表面応力分布の勾配の和であることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載した変形限界の評価方法。
- 板厚方向とせん断加工面から離れる方向の2つの表面ひずみを成形シミュレーションにより算出し、算出した各表面ひずみから上記2つの表面応力分布の勾配を求めることを特徴する請求項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。
- 上記評価位置を、端面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を特徴とした請求項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。
- せん断加工された金属板をプレス成形で変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、
上記プレス成形によって上記金属板のせん断加工面近傍に発生する応力分布のうち、板厚方向の表面応力分布の勾配とせん断加工面から離れる方向の表面応力分布の勾配との2つの表面応力分布の勾配を変数とした指標値と、せん断加工面での限界ひずみとの関係を、予め求めておき、
上記関係と、評価位置での上記2つの表面応力分布の勾配から求めた指標値とから、せん断加工面での割れを予測し、
上記プレス成形は、曲げ変形を含み、その曲げ変形で上記せん断加工面から離れる方向に向かう曲げ稜線が形成されるプレス成形であり、
上記せん断加工面から離れる方向の表面応力分布の勾配は、金属板の曲げ外側表面における曲げ稜線方向と平行な方向の表面応力分布の勾配である、
ことを特徴とする割れ予測方法。 - 請求項1〜請求項7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8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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