TWI640373B - 金屬板之成形方法及成形品 - Google Patents
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Abstract
一種成形方法，乃於金屬板之成形中，不改變金屬板之材質及成形步驟而進行成形，且金屬板不會斷裂，其特徵在於：成形前於金屬板之一部分接合補強材，然後成形金屬板。
Description
本發明是有關於一種在像是引伸成形、拉伸凸緣成形、彎曲成形、鼓脹成形之金屬板之成形中不會產生斷裂之成形方法，以及藉由該成形方法成形之成形品。
通常而言，金屬板之強度越是提升，金屬板之成形性越會降低。故，特別是在成形強度高之金屬板時，若成形之部位無法迎合塑性變形，則內部應力會大於斷裂強度而斷裂。
圖1是顯示於金屬板之引伸成形中在衝頭肩部之斷裂態樣。將金屬板之坯料1於鑄模2中藉由壓料板4按壓坯料1之凸緣部1’，並藉由衝頭3押入而進行引伸成形。引伸成形乃於坯料1在衝頭3之肩部3’之斷裂強度與作用於坯料1之凸緣部1’之拉入力平衡之基礎下進行引伸成形。
又，當凸緣部1’之變形阻力6與接連於衝頭3之肩部3’之坯料1之斷裂強度相等時，凸緣部1’之變形(朝鑄模2內拉入)停止，另一方面，僅於接連於衝頭3之肩部3’之坯料
1之部位進行變形而斷裂。
於坯料之引伸成形中，為了避免斷裂，重要的是接連於衝頭肩部之部位之斷裂強度，迄今揭示有數種防止引伸成形時坯料斷裂之技術。
於專利文獻1中揭示有一種方法，其於壓製成形坯料時，在預料坯料之板厚減少之處設置2個以上之銲珠而進行壓製成形。
於專利文獻2中揭示有一種深引伸成形性優異之壓製成形用裁縫式坯料，其於深引伸成形後構成製品之部分以外且成形時賦予壓料力之部分之拉延凸緣部之全周，在鋼板間銲接高張力鋼板，且該高張力鋼板乃強度×板厚低於中心部之材料15%以上，或是延性優於中心部之材料5%以上。
然而，於任一者之技術中，在坯料之銲接入熱部材質皆會脆化，由於坯料之材質變得不均一，因此，難以完全地避免壓製成形時坯料之斷裂。
[專利文獻1]日本專利公開公報特開平10-175024號公報
[專利文獻2]日本專利第4532709號公報
一般而言，作為於金屬板之成形中防止斷裂之方法，一般認為大致區分為成形步驟之改良及金屬板之材質改善。舉例言之，於引伸成形步驟之改良中，一般認為乃模具之分割法或壓製步驟數之增加，然而，於該等方法中，無可避免成形成本之提升或生產性之降低。
於專利文獻1及2中，高強度鋼板之材質改善乃揭示有利用局部淬火之材質變化(強化)或是異質材之接合。然而，該等方法亦同樣地無可避免成形成本之提升或生產性之降低。
故，本發明之課題乃於金屬板之成形中，不改變金屬板之材質及成形步驟而進行成形，且金屬板不會斷裂，目的在提供一種解決該課題之成形方法，以及藉由該成形方法所成形之成形品。
發明人針對解決上述課題之方法銳意檢討。其結果，發明人發現，於金屬板之成形時，若於需要所需斷裂強度之部位接合補強材(Reinforcing material)，則可提升於上述部位之斷裂強度，並防止斷裂。
本發明乃根據上述見識而完成，其要旨如下。
(1)一種金屬板之成形方法，乃成形金屬板之方法，其特徵在於：成形前於上述金屬板之一部分接合補強材，然後成形上述金屬板。
(2)如前述(1)之金屬板之成形方法，其中前述補強材乃接合於成形中前述金屬板之板厚減少之部位。
(3)如前述(1)或(2)之金屬板之成形方法，其中前述金屬板乃抗拉強度為590MPa以上之高強度鋼板。
(4)如前述(1)至(3)中任一項之金屬板之成形方法，其中前述補強材為纖維強化塑膠。
(5)如前述(4)之金屬板之成形方法，其中前述纖維強化塑膠之纖維方向乃接合成沿著前述金屬板需要斷裂強度之方向。
(6)如前述(1)至(3)中任一項之金屬板之成形方法，其中前述補強材為高強度鋼箔。
(7)一種成形品，其藉由如前述(1)至(6)中任一項之高強度鋼板之成形方法經引伸成形者。
若藉由本發明，則可於金屬板之成形中，不改變金屬板之材質及成形步驟而提高需要斷裂強度之部位的斷裂強度，並提升金屬板之成形性而防止引伸成形中斷裂。
1，112‧‧‧坯料
1’‧‧‧凸緣部
1a，1b‧‧‧成形品
2‧‧‧鑄模
3‧‧‧衝頭
3’‧‧‧肩部
4‧‧‧壓料板
5‧‧‧斷裂
6‧‧‧變形阻力
7‧‧‧需要斷裂強度之部位
8‧‧‧纖維強化塑膠片
8a，8a’‧‧‧纖維強化塑膠之補強材
8b，8c‧‧‧纖維強化塑膠之補強材
61‧‧‧衝頭肩
71‧‧‧凸緣端
81‧‧‧彎曲部位
91‧‧‧衝頭伸出部位
111‧‧‧碳纖維強化塑膠片
113‧‧‧接著劑片
114‧‧‧溫軋壓接機
圖1是顯示於高強度鋼板之引伸成形中在衝頭肩部之斷裂態樣圖。
圖2是顯示於高強度鋼板之引伸成形中，在需要斷裂強度之部位接合纖維強化塑膠片而防止斷裂之態樣圖。
圖3是顯示於高強度鋼板之引伸成形中，在需要斷裂強度之部位接合纖維強化塑膠作為補強材之態樣圖。(a)是顯示在需要斷裂強度之環狀部位接合環狀纖維強化塑膠之態樣，(b)是顯示將(a)所示之坯料引伸成形之成形品截面。
圖4是顯示於高強度鋼板之引伸成形中，在需要斷裂強度之部位接合纖維強化塑膠作為補強材之其他態樣圖。(a)是顯示在需要斷裂強度之雙重環狀部位分別接合環狀纖維強化塑膠之態樣，(b)是顯示將(a)所示之坯料引伸成形之成形品截面。
圖5是顯示將環狀纖維強化塑膠之補片分割而接合於需要斷裂強度之環狀部位作為補強材之態樣圖。
圖6是顯示於深引伸成形中預期會構成斷裂疑慮部位之衝頭肩位置圖。
圖7是顯示於拉伸凸緣成形中預期會構成斷裂疑慮部位之凸緣端位置圖。
圖8是顯示於彎曲成形中預期會構成斷裂疑慮部位之彎曲位置圖。
圖9是顯示於伸出成形中預期會構成斷裂疑慮部位之衝頭伸出部位位置圖。
圖10是顯示在難以預測需要斷裂強度之部位之複雜形狀金屬板之成形中用以決定接合補強材之位置之流程圖。
圖11是顯示高強度鋼板於需要斷裂強度之部位接合纖維強化塑膠片之方法圖。
圖12是顯示於高強度鋼板之引伸成形中，在需要斷裂強度之部位未接合纖維強化塑膠片而進行引伸成形之情形，以及接合纖維強化塑膠片而進行引伸成形之情形圖。(a)是顯示未在需要斷裂強度之部位接合纖維強化塑膠片而進行引伸成形之情形，(b)是顯示在需要斷裂強度之部位接
合纖維強化塑膠片而進行引伸成形之情形。
本發明之金屬板之成形方法乃成形金屬板之成形方法，其特徵在於：在需要斷裂強度之部位(以下稱作「斷裂疑慮部位」)預先接合補強材而進行引伸成形。
本發明之成形品乃藉由本發明之成形方法成形。
根據圖式，說明本發明之成形方法。
作為本發明之一例，圖2是顯示於高強度鋼板之引伸成形中，在需要斷裂強度之部位接合纖維強化塑膠片而防止斷裂之態樣。
將高強度鋼板之坯料1於鑄模2中藉由壓料板4按壓坯料1之凸緣部1’，並藉由衝頭3押入而進行引伸成形。引伸成形乃於坯料1在衝頭3之肩部3’之斷裂強度與作用於坯料1之凸緣部1’之拉入力平衡之基礎下進行。
又，如前述，當凸緣部1’之變形阻力6與接連於衝頭3之肩部3’之坯料1之斷裂強度相等時，凸緣部1’之變形(朝鑄模2內拉入)停止，另一方面，僅於接連於衝頭3之肩部3’之坯料1之部位進行變形而斷裂(參照圖1)。
另一方面，於圖2所示之高強度鋼板之引伸成形中，在需要斷裂強度之部位7預先接合纖維強化塑膠片8作為補強材而進行引伸成形。
於坯料1之引伸成形中，若於引伸成形中有斷裂疑慮之部位，即，需要斷裂強度之部位7接合纖維強化塑膠
片8，則於需要斷裂強度之部位7中斷裂強度提升，且於引伸成形中坯料1不會斷裂。
圖2是顯示在高強度鋼板之引伸成形中，為了使纖維強化塑膠片8確實地接合於需要斷裂強度之部位7而可充分地發揮斷裂強度提升機能，將纖維強化塑膠片8接合成包覆引伸成形品之底部之態樣。將補強材接合於需要斷裂強度之部位之態樣並不限於圖2所示之接合態樣，只要是將補強材確實地接合於需要斷裂強度之部位，則可採用各種接合態樣。針對該點，顯示其他接合態樣而如後述。
已知的方法是將業已配合成形品之形狀另外成形的碳纖維強化塑膠(CFRP，Carbon Fiber Reinforced Plastic)片或補片接著於成形品，並提高或補強成形品之機械特性或機能性(例如參照平成22年度(2010年度)戰略基礎技術高度化支援事業報告書「有關於汽車結構構件用CFRP-金屬混成零件之壓製成形加工技術之研究」，以及平成26年度(2014年度)塑性加工春季演講會中發表「有關於筒狀態之衝擊彎曲變形中CFRP板之補強效果之基礎檢討」)。
然而，本發明之成形方法之基本思想乃於成形前將補強材接合於被成形素材(坯料)而一體化，並提高接合有該片或補片之部位之成形性，在該點上，本發明成形方法基本上與上述方法是不同的，上述方法乃於成形後將纖維強化塑膠片或補片接著於成形品，並提高或補強成形品之機械特性或機能性。
於坯料1之成形中，若於成形中有斷裂疑慮之部
位，即，需要斷裂強度之部位接合纖維強化塑膠片，則於需要斷裂強度之部位中斷裂強度提升，且於成形中坯料不會斷裂，此乃發明人所發現之新穎見識，並為本發明之成形方法之特徵。
圖3是顯示於高強度鋼板之引伸成形中，在需要斷裂強度之部位接合纖維強化塑膠補片之態樣。圖3(a)是顯示在需要斷裂強度之環狀部位接合環狀纖維強化塑膠補片之態樣，圖3(b)是顯示將圖3(a)所示之坯料引伸成形之成形品截面。
於圖3(a)所示之坯料1中，環狀纖維強化塑膠片8a乃作為補強材而接合成覆蓋引伸成形中有斷裂疑慮之部位，即，抵接於衝頭之肩部且需要斷裂強度之環狀部位。
如圖3(a)所示，於高強度鋼板之引伸成形中，若可於引伸成形前特定引伸成形中有斷裂疑慮之部位，即，抵接於衝頭之肩部且需要斷裂強度之部位，則可將寬度寬於特定部位之寬度之纖維強化塑膠片接合成完全地覆蓋特定部位，且於該部位中提高斷裂強度而提升成形性。
如圖3(b)所示，於業已將圖3(a)所示之坯料引伸成形之成形品1a中，在接合有纖維強化塑膠片8a之引伸成形中有斷裂疑慮之部位，即，抵接於衝頭之肩部且需要斷裂強度之部位中不會產生斷裂。
圖4是顯示於高強度鋼板之引伸成形中，在需要斷裂強度之部位接合纖維強化塑膠補片之其他態樣。圖4(a)是顯示在需要斷裂強度之雙重環狀部位分別接合環狀纖維
強化塑膠補片之態樣，圖4(b)是顯示將圖4(a)所示之坯料引伸成形之成形品截面。
於圖4(a)所示之坯料1中，環狀纖維強化塑膠片8b及8c乃接合成分別覆蓋引伸成形中有斷裂疑慮之部位，即，抵接於衝頭之肩部且需要斷裂強度之雙重環狀部位。
如圖4(a)所示，於高強度鋼板之引伸成形中，即使存在有複數個引伸成形中有斷裂疑慮之部位，即，抵接於衝頭之肩部且需要斷裂強度之部位，若可特定該部位之位置，則亦可將纖維強化塑膠片接合成完全地覆蓋特定部位，且於上述特定複數個部位中提高斷裂強度而提升成形性。
如圖4(b)所示，於業已將圖4(a)所示之坯料引伸成形之成形品1b中，在接合有纖維強化塑膠片8b及8c之引伸成形中有斷裂疑慮之部位，即，抵接於衝頭之肩部且需要斷裂強度之雙重環狀部位中不會產生斷裂。
圖3及圖4是顯示於圓形坯料施行軸對稱之引伸成形之情形，然而，坯料並不限於圓形坯料，又，引伸成形並不限於軸對稱之引伸成形。
若藉由本發明之成形方法，則由於需要斷裂強度之部位(斷裂疑慮部位)之斷裂強度提升，因此，坯料形狀之自由度、成形態樣之自由度及成形品形狀之自由度會大幅度擴大。
於本發明之成形法中，若可特定坯料之引伸成形中有斷裂疑慮之部位，即，抵接於衝頭之肩部且需要斷裂
強度之部位，則可將補強材接合成覆蓋特定部位，且於上述特定部位中提高斷裂強度而防止斷裂。
圖3及圖4是顯示於需要斷裂強度之部位接合環狀纖維強化塑膠片作為補強材之態樣。補強材之形狀並不限於特定形狀，可按照特定需要斷裂強度之部位之形狀、位置等適當地設定。
圖3及圖4是顯示於需要斷裂強度之部位之外側接合環狀纖維強化塑膠片之態樣，然而，接合補強材之處並不限於需要斷裂強度之部位之外側，亦可為需要斷裂強度之部位之內側、外側及兩側中之任一者。接合補強材之處可按照需要斷裂強度之部位之形狀、位置等適當地決定。
再者，在將補強材接合於需要斷裂強度之部位時，亦可適當地分割而接合。
圖5是顯示將補強材之環狀纖維強化塑膠分割而接合於需要斷裂強度之環狀部位之態樣。於圖5中，將環狀纖維強化塑膠四分割而將纖維強化塑膠8a’呈環狀排列並接合。
將補強材分割而接合時，分割態樣可按照特定需要斷裂強度之部位之形狀、位置等適當地設定。
以上，以引伸成形為例來說明本發明之成形方法。本發明之成形方法並不限於引伸成形，亦可應用在像是圖6~9所示之各種成形中。圖6~9是顯示於各種成形中的斷裂疑慮部位。圖6是顯示深引伸成形，圖7是拉伸凸緣成形，圖8是彎曲成形，圖9是伸出成形。若為此種一般成形，
則斷裂疑慮部位之預測較為容易。
具體而言，若為深引伸成形，則衝頭肩61會構成斷裂疑慮部位，若為拉伸凸緣成形，則凸緣端71會構成斷裂疑慮部位，若為彎曲成形，則彎曲部位81會構成斷裂疑慮部位，若為鼓脹成形，則衝頭伸出部位91會構成斷裂疑慮部位。故，在成形金屬板前，可將補強材接合成覆蓋成形時構成該部位之位置，並進行成形。
在難以預測需要斷裂強度之部位之複雜形狀金屬板之成形時，如圖10所示，可藉由CAE(電腦輔助工程，computer aided engineering)，預測未使用補強材時板厚減少之斷裂疑慮部位，並將業已於斷裂疑慮部位接合補強材時的成形再度藉由CAE來解析，藉此，確定接合補強材之位置。
補強材只要是成形時可負擔作用於斷裂疑慮部位之應力，則特別是不論材質。若考慮強度與處理容易度，則宜使用纖維強化塑膠片或高強度鋼箔。纖維強化塑膠只要是業已藉由纖維來強化之塑膠即可，並不限於特定纖維或塑膠。適當例可列舉如：碳纖維強化塑膠。高強度鋼箔可例示：於常溫下的抗拉強度構成600MPa以上之鋼箔。
使用纖維強化塑膠作為補強材時，纖維強化塑膠之纖維方向宜接合成沿著需要斷裂強度之方向，具體而言，乃橫切所發生之龜裂。
補強材乃於需要斷裂強度之部位中提升斷裂強度，因此，必須要有所需厚度，然而，並不限於特定厚度。
補強材之厚度可考慮坯料之材質、引伸成形態樣、成形品之形狀等適當地設定。
業已成形在需要斷裂強度之部位接合有補強材之坯料之成形品可按照用途除去補強材後使用，又，亦可於接合有補強材之狀態下直接使用。
故，在需要斷裂強度之部位接合補強材時的接合強度可按照成形品之用途適當地選擇。
將補強材接合於需要斷裂強度之部位之方法並無特殊之限制。當補強材為纖維強化塑膠時，宜使用接著劑或樹脂。接著劑或樹脂之種類並無特殊之限制，可考慮乃自成形品卸下補強材或是直接使用，適當地選擇接著劑。若補強材為高強度鋼箔且毋須自成形品卸下，則亦可藉由擴散接合來接合。
在此，說明藉由接合補強材來提升斷裂強度並提升成形性之機制。
一般而言，在藉由鑄模與衝頭將坯料引伸成形時，抵接於衝頭肩部之坯料之斷裂強度：Pbreak可藉由下述式(1)來算出(參照塑性加工技術系列13「壓製拉延加工-步驟設計與模設計-」(可樂娜(CORONA)公司)，23頁)。
Pbreak=2 π Rt0F{2(r+1)(r+2)/3(2r+1)}(n+1)/2(n/e)n …(1)
R：衝頭之半徑
t0：坯料之厚度
r：蘭克福特(Lankford)值
e：納皮爾常數(Napier’s constant)(自然對數底)
F、n：Swift函式之參數
業已藉由補強材來補強坯料之斷裂疑慮部位(引伸成形中有斷裂疑慮之部位)，即，抵接於衝頭之肩部且需要斷裂強度之部位時的坯料之斷裂強度：P’break可藉由下述式(2)來定義。
P’break=Pbreak+2 π RtfrpTSfrp …(2)
P’break：抵接於衝頭肩部之坯料之斷裂強度
R：衝頭之半徑
tfrp：補強材之厚度
TSfrp：補強材之抗拉強度
如上述式(2)所示，若於坯料之斷裂疑慮部位接合纖維強化塑膠片或補片作為補強材，則接合後之斷裂強度：P’break會大於坯料之斷裂強度：Pbreak，因此，於上述斷裂疑慮部位中可預料成形性之提升。依此，理論上亦可證明本發明之成形方法。
本發明之成形方法不論被加工材之金屬板、成形內容而發揮效果。特別是在有成形性降低傾向之抗拉強度為590MPa以上之高強度鋼板之成形時，乃發揮巨大效果。
其次，說明本發明之實施例，然而，於實施例中的條件乃用以確認本發明之可實施性及效果所採用的一條件例，本發明並不限於該一條件例。只要未脫離本發明之要旨而達成本發明之目的，則本發明可採用各種條件。
(實施例)
如圖11所示，於厚度1.0mm、直徑108mm之坯料(雙相鋼)112上，將厚度0.7mm、直徑58mm之接著劑片(聚丙烯樹脂片)113與厚度0.23mm、直徑58mm之碳纖維強化塑膠片111依此順序重疊，並藉由溫軋壓接機114以180℃加熱1分鐘後，藉由0.049MPa(≒5tonf/m2)加壓1分鐘而氣冷，並將碳纖維強化塑膠111接合於坯料112。
使用比較例中使用的衝頭與鑄模，將接合有碳纖維強化塑膠111之坯料112引伸成形。
(比較例)
使用以下衝頭與鑄模，將板厚1.0mm、直徑108mm之坯料(雙相鋼)引伸成形。
衝頭肩：R5 衝頭直徑：50mm
鑄模肩：R5 鑄模直徑：60mm
壓料板壓力：0.098MPa(≒10tonf/m2)
圖12顯示結果。(a)是未在需要斷裂強度之部位接合纖維強化塑膠片而進行引伸成形之比較例，(b)是在需要斷裂強度之部位接合纖維強化塑膠片而進行引伸成形之實施例之結果。
若藉由本發明，則可於金屬板之成形中，不改變金屬板之材質及成形步驟而提高需要斷裂強度之部位之斷裂強度，並提升金屬板之成形性而防止成形中斷裂。本發明不論被加工材之金屬板、成形內容而發揮效果。特別是在有成形性降低傾向之高強度鋼板之引伸成形、鼓脹成
形、拉伸凸緣成形、彎曲成形時，乃發揮巨大效果。本發明於金屬製品製造產業中可利用性高。
Claims (5)
- 一種金屬板之成形方法，乃成形金屬板之方法，其特徵在於：成形前於上述金屬板之一部分接合纖維強化塑膠作為補強材，然後成形上述金屬板；其中前述補強材是接合於成形中前述金屬板之板厚減少之部位；並且前述補強材亦可在成形後被卸除。
- 如請求項1之金屬板之成形方法，其中前述金屬板乃抗拉強度為590MPa以上之高強度鋼板。
- 如請求項1之金屬板之成形方法，其中前述纖維強化塑膠之纖維方向乃接合成沿著前述金屬板需要斷裂強度之方向。
- 如請求項2之金屬板之成形方法，其中前述纖維強化塑膠之纖維方向乃接合成沿著前述金屬板需要斷裂強度之方向。
- 一種成形品，其藉由如請求項1至4中任一項之高強度鋼板之成形方法經引伸成形者。
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