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形状凍結性に優れた多段プレス成形方法 - 特開2008−12570 | j-tokkyo
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【発明の名称】 形状凍結性に優れた多段プレス成形方法
【発明者】 【氏名】磯貝 栄志

【氏名】佐藤 浩一

【氏名】橋本 浩二

【氏名】栗山 幸久

【要約】 【課題】プレス成形部品のねじれを防止する多段プレス成形方法を提供する。

【構成】コの字型又はハの字型断面形状を有する金属製の製品を成形する多段プレス成形方法であって、1回目のプレス成形工程で製品の縦壁部の長手方向で凹状の湾曲部に相当する位置(21a)に1又は複数の凸形状のエンボス(21c)を設けた中間品を成形し、2回目のプレス成形工程で前記エンボスが無くなるように押圧しつつ、製品形状へ成形することを特徴とする、形状凍結性に優れた多段プレス成形方法。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
コの字型又はハの字型断面形状を有し、長手方向に湾曲する金属製の製品を成形する多段プレス成形方法であって、1回目のプレス成形工程で製品の縦壁部の長手方向で凹状の湾曲部に相当する位置に1又は複数の凸形状のエンボスを設けた中間品を成形し、2回目のプレス成形工程で前記エンボスが無くなるように押圧しつつ、製品形状へ成形することを特徴とする、形状凍結性に優れた多段プレス成形方法。
【請求項2】
前記1回目のプレス成形工程で、更に前記製品の縦壁部の長手方向で凸状の湾曲部に相当する位置に、1又は複数の凸形状又は凹形状のエンボスを設けることを特徴とする、請求項1記載の形状凍結性に優れた多段プレス成形方法。
【請求項3】
前記製品の縦壁部の湾曲部の長手方向の長さをL[m]、前記中間品の縦壁部の湾曲部に設けた前記エンボスの長手方向の長さをL’[m]とした時に、1<L’/L<1.2の条件となるように前記中間品を成形することを特徴とする、請求項1又は2記載の形状凍結性に優れた多段プレス成形方法。
【請求項4】
前記製品のコの字型又はハの字型断面の幅が、長手方向に異なることを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の形状凍結性に優れた多段プレス成形方法。
【請求項5】
製品が幅方向に湾曲していることを特徴とする請求項1から4の何れか1項に記載の形状凍結性に優れた多段プレス成形方法。
【請求項6】
前記製品のコの字型又はハの字型断面の端部の一方又は両方にフランジ部を有することを特徴とする請求項1から5の何れか1項に記載の形状凍結性に優れた多段プレス成形方法。
【請求項7】
前記製品のフランジ部及び/又は天井部の稜線が水平方向及び/又は垂直方向に連続的な曲率又は不連続な曲率を有することを特徴とする請求項1から6の何れか1項に記載の形状凍結性に優れた多段プレス成形方法。
【請求項8】
前記製品の垂直断面において、両側の縦壁部の高さが互いに異なることを特徴とする請求項1から7の何れか1項に記載の形状凍結性に優れた多段プレス成形方法。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は金属板の多段プレス成形方法に関するものであって、特に高強度鋼板やアルミニウム合金板などを用いた場合に生ずるスプリングバックを防止して良好な形状凍結性を確保するための多段プレス成形方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年、自動車部品に高強度鋼板やアルミニウム合金板が多用されつつあるが、それらを自動車部品に成形する際に発生する形状凍結不良が問題になっている。すなわち、ハット型断面形状の部品をU字型の曲げ加工用金型を用いて成形する場合には、スプリングバックと呼ばれる形状凍結不良が発生し、寸法精度が得られない問題がある。この形状凍結不良は最終製品の外観品質を著しく損なうばかりでなく、成形後に行われる組立作業において溶接不良の原因となるため、特にメンバーやフレームなどの構造部品では形状凍結不良の防止が重要視されている。
【0003】
曲げ加工で頻繁に観察される形状不良として知られているスプリングバックは、曲げ加工時に金型板に生じた残留応力が除荷時に弾性回復変形するために生ずる現象で、成形下死点での残留応力が板厚方向に不均一に分布することが原因である。一般に、プレス加工により曲げ成形した際に、型から開放すると金属板のスプリングバックにより、パンチの肩部に開きが発生したり、製品の縦壁部にそりが発生したりする。
【0004】
これらの問題を解決するため、特許文献1には、曲げ肩部に成形方向とは逆方向に凹む凹状段部を同時に成形するプレス成形方法及び成形品が開示されている。これはスプリングバックに対抗する逆モーメントを発生させて釣り合わせ、ポンチ肩付近の角度の開きを防止するものである。
【0005】
また、特許文献2には、成形中にオーバーランを発生させて縦壁部のそりを解決する方法が開示されている。
【0006】
しかし、スプリングバックはパンチ肩部の角度変化や壁そりだけではなく、図1のような自動車のフロントサイドメンバ等に用いられる実部品形状の場合には、図1中点線で示すように、製品のウェブ面が基準面(設計上定められた面であって、図1の実線で示す)に対してねじれる「ねじれ」といわれる現象も顕在化し、特許文献1、2に開示された方法ではこれらの問題を防止することはできない。
【0007】
また、特許文献3には、断続的なエンボスをウェブ面の内側に設置し、これを曲げ成形と共に所定寸法に押圧加工することで所定の形状を得る方法が開示されている。しかし、スプリングバック量に応じたリブの押圧加工が必要となる為、押圧加工量の調整の為の工数・費用がかかる上、断続的なエンボスを押圧加工後にも、リブあるいはリブ跡が製品形状として残る為、部品上使用が限定されるといった問題があった。また、部品形状が複雑な場合には、しわが発生する可能性があり、汎用的には適用できないといった問題がある。
【特許文献1】特開平7−185663号公報
【特許文献2】特開2004−154859号公報
【特許文献3】特開昭59−220215号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
本発明は、製品のウェブ面がねじれる現象を防止する多段プレス成形方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
係る課題を解決するため、本発明の要旨とするところは下記の通りである。
【0010】
(1) コの字型又はハの字型断面形状を有し、長手方向に湾曲する金属製の製品を成形する多段プレス成形方法であって、1回目のプレス成形工程で前記製品の縦壁部の長手方向で凹状の湾曲部に相当する位置に1又は複数の凸形状のエンボスを設けた中間品を成形し、2回目のプレス成形工程で前記エンボスが無くなるように押圧しつつ、製品形状へ成形することを特徴とする、形状凍結性に優れた多段プレス成形方法。
【0011】
(2) 1回目のプレス成形工程で、更に製品の縦壁部の長手方向で凸状の湾曲部に相当する位置に、1又は複数の凸形状又は凹形状のエンボスを設けることを特徴とする、(1)記載の形状凍結性に優れた多段プレス成形方法。
【0012】
(3)製品の縦壁部の湾曲部の長手方向の長さをL[m]、中間品の縦壁部の湾曲部に設けた前記エンボスの長手方向の長さをL’[m]とした時に、1<L’/L<1.2の条件となるように前記中間品を成形することを特徴とする、(1)又は(2)記載の形状凍結性に優れた多段プレス成形方法。
【0013】
(4) 製品のコの字型又はハの字型断面の幅が、長手方向に異なることを特徴とする(1)〜(3)の何れか1項に記載の形状凍結性に優れた多段プレス成形方法。
【0014】
(5) 製品が幅方向に湾曲していることを特徴とする(1)〜(4)の何れか1項に記載の形状凍結性に優れた多段プレス成形方法。
【0015】
(6) 製品のコの字型又はハの字型断面の端部の一方又は両方にフランジ部を有することを特徴とする(1)〜(5)の何れか1項に記載の形状凍結性に優れた多段プレス成形方法。
【0016】
(7) 製品のフランジ部及び/又は天井部の稜線が水平方向及び/又は垂直方向に連続的な曲率又は不連続な曲率を有することを特徴とする(1)〜(6)の何れか1項に記載の形状凍結性に優れた多段プレス成形方法。
【0017】
(8) 製品の垂直断面において、両側の壁部の高さが互いに異なることを特徴とする(1)〜(7)の何れか1項に記載の形状凍結性に優れた多段プレス成形方法。
【0018】
尚、本発明で「長手方向に湾曲」とは、例えば図1に示すように、縦壁部の稜線の何れか又は両方が長手方向に連続的又は不連続に曲がっていることをいう。
【発明の効果】
【0019】
本発明により、ねじれの発生を防止した寸法精度に優れる良好なハット型成形部品(製品)を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0020】
以下、本発明を詳細に説明する。
【0021】
本発明者らはコの字型断面形状を有するハット型成形部品のねじれを防止する多段プレス成形方法について検討し、それらの課題を解決できることを知見した。なお、成型部品の断面形状がハの字型であっても、本発明を適用することができる。
【0022】
従来のプレス成形では、1回のプレス成形工程で所定形状の製品が得られるようにパンチとダイスの金型を作り込んでいた。本発明者らは、プレス成形工程を少なくとも2回に分け、1回目のプレス成形工程で、製品の縦壁部の長手方向で凹状の湾曲部に相当する位置に1又は複数の凸形状のエンボスを設けた中間品を成形し、2回目のプレス成形工程で、このエンボスがなくなるように押圧することで、金属板のスプリングバック(ねじれ)を低減できることを知見した。また、1回目のプレス成形工程で、更に製品の縦壁部の長手方向で凸状の湾曲部に相当する位置に1又は複数の凸形状又は凹形状のエンボスを設けることでも、金属板のスプリングバックを低減できることを知見した。さらに、さまざまな部品形状においても、本発明が適用できることを知見した。
【0023】
上記(1)に係る発明は、コの字型又はハの字型断面形状を有し、長手方向に湾曲する金属製の製品を成形する多段プレス成形方法であって、1回目のプレス成形工程で、製品の縦壁部の長手方向で凹状の湾曲部に相当する位置に1又は複数の凸形状のエンボスを設けた中間品を成形し、2回目のプレス成形工程で前記エンボスが無くなるように押圧しつつ、製品形状へ成形することを特徴とする。
【0024】
通常のプレス成形によって、図2に示すような長手方向で湾曲した製品1を作製すると、製品1のハット断面がねじれる現象が発生する。このメカニズムは、図2のA断面における応力状態を示す図3において、製品1の縦壁部11の湾曲部(図3の領域B、C)で長手方向への引張り応力や圧縮応力が発生し、この応力分布が釣り合わないことにある。なお、図3に示す領域Aは、湾曲部以外の領域であって、長手方向において曲率を持たないストレート領域を示す。
【0025】
これに対し、本発明では、1回目のプレス成形工程で、成形時に引張り応力や圧縮応力が発生する領域B、Cにエンボスを設け、2回目のプレス成形工程の際にこのエンボスがなくなるように(具体的には、成形後のエンボスの厚さが0.2mm以下となるように)押圧することにより、引張り応力を圧縮応力に変化させることができる。上述したように、本発明では、通常(1回だけ)のプレス成形工程で製品1の縦壁部11に発生する長手方向の応力状態を、エンボスの成形によって自由に変更することができるので、スプリングバックを低減することができる。
【0026】
なお、本発明では、1回目のプレス成形工程で用いられる金型として、エンボスを備えた中間品が得られる金型を用い、2回目のプレス成形工程で用いられる金型として、製品形状が得られる金型を用いている。
【0027】
上記(2)に係る発明は、1回目のプレス成形工程で、更に製品の縦壁部の長手方向で凸状の湾曲部に相当する位置に、1又は複数の凸形状又は凹形状のエンボスを設けることを特徴とする。
【0028】
図4は、本発明のエンボスの配置を説明する模式図であり、中間品2の外観を示す斜視図である。図4では、中間品2の縦壁部21(製品1の縦壁部11に相当する)の長手方向で凹状の湾曲部21a(紙面の手前側)に凸形状のエンボス21cを1個設け、縦壁部21の長手方向で凸状の湾曲部21b(紙面の奥側)に凸形状のエンボス21dを1個設けている。エンボス21dが、上記(2)に係る発明により、1回目のプレス成形工程において、エンボス21cと共に設けたものである。
【0029】
1回目のプレス成形工程で、図4に示すような中間品2を作製し、2回目のプレス成形工程で、湾曲部21aに設けた凸形状のエンボス21cが無くなるように押圧しつつ、湾曲部21bに設けた凸形状のエンボス21dを残すことで、図3の引張り応力が作用する部位を圧縮応力に変化させることができ、長手方向の応力分布を釣り合わせることができる。
【0030】
上記(3)に係る発明は、製品の縦壁部の湾曲部の長手方向の長さをL[m]、中間品の縦壁部の湾曲部に設けた前記エンボスの長手方向の長さをL’[m]とした時に、1<L’/L<1.2の条件となるように前記中間品を成形することを特徴とする。
【0031】
ねじれの原因となる長手方向の応力を釣り合わせるためには、エンボス形状の設計が重要となる。図5は、図4に示す中間品のB断面を説明する模式図である。ここで、図5中の実線は、製品1の縦壁部11の形状を示し、点線は、中間品2の縦壁部21の形状を示している。
【0032】
図5において、製品1の縦壁部11の湾曲部の長さをL[m]、中間品2の縦壁部21の湾曲部21aに配置したエンボス21cの長手方向の線長をL’[m]とすると、1<L’/L<1.2の条件になるようにエンボス形状を設計することで、スプリングバックを大幅に低減することができる。
【0033】
L’/Lが1以下であると、2回目のプレス成形工程でエンボスの押込みができないため、湾曲部21aに圧縮応力を発生させることができず、L’/Lが1.2以上になるとエンボスの押込み跡が残りやすくなるので、上記の範囲とすることが好ましい。
【0034】
本発明は、製品1の縦壁部11に発生する引張り応力と圧縮応力を変化させることを目的としているので、図4に示すように、エンボス21cを縦壁部21の長手方向で凹状の湾曲部21a(図5の領域B)に配置する必要があり、更に、縦壁部21の長手方向で凸状の湾曲部21b(図5の領域C)にもエンボス21dを配置することが望ましい。
【0035】
図5に示すように、縦壁部21のうち長手方向で凹状の領域Bには、凸形状のエンボス21cを配置し、二回目のプレス成形工程でこのエンボス21cをつぶすことで引張り応力を圧縮応力に変化させることができる。また、縦壁部21のうち長手方向で凸状の領域Cに、凸形状(又は凹形状)のエンボス21dを配置することで、縦壁部の領域C(ウェブ面)に作用する圧縮応力を引張り応力に変化させることができる。
【0036】
エンボスとして、凸状のエンボスを用いる場合において、図6に示すように、製品(又は中間品)の長手方向で1又は2以上の凸形状のエンボスE1、E2を用いれば本発明の効果を得ることができる。
【0037】
また、各エンボスE1、E2の厚さは、製品(又は中間品)の天井部22(図4参照)側からフランジ部23(図4参照)側に向かって徐々に厚くすることが好ましい。
【0038】
また、凹状のエンボスを用いる場合においても、製品(又は中間品)の長手方向で1又は2以上の凹形状のエンボスを用いれば、本発明の効果を得ることができる。
【0039】
上記(4)に係る発明は、製品のコの字型又はハの字型断面の幅(互いに向かい合う縦壁部の間隔)が、長手方向に異なることを特徴とする。本発明の効果を得るためには、互いに向かい合う2つの縦壁部のうち少なくとも一方の縦壁部が長手方向で湾曲していることが前提にあり、図7に示すような、製品の断面形状の幅が長手方向に異なっている製品においても、同様に本発明の効果を得ることができる。
【0040】
ここで、図7(a)は、製品の外観斜視図であり、図7(b)は、製品の側面図であり、図7(c)は、製品の平面図である。図7に示す数値は、製品の各部における寸法を示している。例えば、製品の縦壁部における凹状の湾曲部(領域B)の長さLが34mm、この湾曲部の曲率半径が100R、凸状の湾曲部(領域C)の長さLが34mm、この湾曲部の曲率半径が100Rとなっている。
【0041】
上記(5)に係る発明は、製品が幅方向に湾曲していることを特徴とする。すなわち、図8や図11に示す製品形状の場合においても、本発明を適用し、上述した本発明の効果を得ることができる。
【0042】
ここで、図8(a)は、製品の外観斜視図であり、図8(b)は、製品の側面図であり、図8(c)は、製品の平面図である。図8に示す数値は、製品の各部における寸法を示している。例えば、製品の縦壁部における凹状の湾曲部(領域B)の曲率半径が100R、凸状の湾曲部(領域C)の曲率半径が350Rとなっている。
【0043】
また、図11(a)は、製品の外観斜視図であり、図11(b)は、製品の側面図であり、図11(c)は、製品の平面図である。図11に示す数値は、製品の各部における寸法を示している。例えば、製品の縦壁部における凹状の湾曲部(領域B)の長さが34mm、曲率半径が100R、凸状の湾曲部(領域C)の曲率半径が100Rとなっている。
【0044】
上記(6)に係る発明は、製品のコの字型又はハの字型断面の端部の一方又は両方にフランジ部を有することを特徴とする。ここで、製品の断面形状(製品の長手方向と直交する面で切断したときの形状)については、図9に示す様々な断面形状を用いることができ、これらの断面形状においても、本発明を適用でき、上述した本発明の効果を得ることができる。図9に示すS1〜S8は、互いに異なる製品の断面形状を示す。S1、S3〜S5、S7、S8については、フランジ部が形成されている。
【0045】
上記(7)に係る発明は、製品のフランジ部及び/又は天井部の稜線(縦壁部との境界線)が水平方向及び/又は垂直方向に連続的な曲率又は不連続な曲率を有することを特徴とする。すなわち、図10に例示するように、水平方向に製品が不連続に曲がっている形状においても、本発明を適用でき、上述した本発明の効果を得ることができる。
【0046】
ここで、図10(a)は、製品の外観斜視図であり、図10(b)は、製品の側面図であり、図10(c)は、製品の平面図である。図10に示す数値は、製品の各部における寸法を示している。例えば、製品の縦壁部における凹状の湾曲部(領域B)の曲率半径が100R、凸状の湾曲部(領域C)の曲率半径が350Rとなっている。図10に示す製品では、凹状の湾曲部および凸状の湾曲部が、互いに向かい合う位置に形成されておらず、製品の長手方向において互いに異なる位置に形成されている。
【0047】
上記(8)に係る発明は、製品の垂直断面(製品の長手方向と直交する面)において、両側の縦壁部(互いに向かい合う縦壁部)の高さが互いに異なることを特徴とする。すなわち、図9のS3やS7に示すような製品の断面形状においても、本発明を適用でき、上述した本発明の効果を得ることができる。
【実施例1】
【0048】
本発明例として、板厚1.2mmで、引張り強さ590MPa級の鋼板を用いたプレス成形を実施した。本発明の効果について検討するため、1回目のプレス成形工程でエンボス成形を行い、2回目のプレス成形工程で中間品の縦壁部の湾曲部(領域B)に配置した凸形状のエンボスのみをつぶす成形を行った。その後、最終的な製品の縦壁部(ウェブ面)のキャンバー量を測定した。比較例として、エンボスを配置せずに1回でプレス成形工程を完了させたプレス成形も実施した。エンボスの配置部位は、図4に示す中間品2の縦壁部21の長手方向で凹状の湾曲部21aに1個の凸形状のエンボス21cを設け、縦壁部21の長手方向で凸状の湾曲部21bに1個の凸形状のエンボス21dをそれぞれ設けた。また、図4において、縦壁部(ウェブ面)の長手方向で凹状の湾曲部21aのみに1個の凸形状のエンボス21cを設けたものも同様に試験を行った。
【0049】
製品形状は図7に示す形状とし、キャンバーに及ぼすエンボス線長とエンボス形状の影響について検討した。製品の断面形状は、図9のS1とした。
【0050】
評価項目は、図12に示すスプリングバック前後での製品のウェブ面端部のパンチ肩R止まりにおける変位量W1、W2、W3、W4をそれぞれ測定し、その平均値を求めた。図12において、実線は、スプリングバック前の製品の形状、言い換えれば、設計上での形状を示し、点線は、スプリングバックが生じたときの製品の形状を示す。ここで、変位量はウェブ面に対して、上方向への変位をプラス、下方向への変位をマイナスとして評価した。
【実施例2】
【0051】
実施例2として、実施例1と同一の鋼種を用いて、図7の製品形状が得られるようにプレス成形を実施した。本発明の効果について検討するため、キャンバーに及ぼす製品の断面形状の影響について検討した。製品の断面形状は図9のS1からS8とし、エンボス形状は図6のE1とし、評価項目については上記と同一とした。比較例としては、上記と同一の製品形状を1回だけのプレス成形によって成形した。
【実施例3】
【0052】
実施例3として、実施例1と同一の鋼種を用いて、さまざまな製品形状(図7,8,10,11に示す形状)が得られるようにプレス成形を実施した。本発明の効果について検討するため、キャンバーに及ぼす部品形状の影響について検討した。製品の断面形状は図9のS1、エンボス形状は図6のE1とし、評価項目については上記と同一とした。比較例としては、上記と同一の製品形状を1回だけのプレス成形によって成形した。
【0053】
上記実施例1〜3の測定結果を表1〜3に示す。表1〜3に示す測定結果から明らかなように、本実施例によれば、比較例よりもスプリングバックによる変位量が小さくなっていることが分かる。
【0054】
このため、本発明によれば、比較例よりも寸法精度が向上し、良好な寸法精度に優れる製品を得ることができた。
【0055】
【表1】


【0056】
【表2】


【0057】
【表3】


【図面の簡単な説明】
【0058】
【図1】ねじれを説明する模式図を示す。
【図2】ねじれのメカニズムを説明する製品の模式図を示す。
【図3】ねじれのメカニズム(応力状況)を説明する製品のウェブ断面図を示す。
【図4】本発明を説明する製品の模式図を示す。
【図5】本発明を説明する製品の縦壁部の断面図を示す。
【図6】本発明に適用可能なエンボス形状図を示す。
【図7】本発明の効果が得られる部品形状(a)全体図、(b)側面図、(c)平面図を示す。
【図8】本発明の効果が得られる部品形状(a)全体図、(b)側面図、(c)平面図を示す。
【図9】本発明の効果が得られる製品の断面形状を示す。
【図10】本発明の効果が得られる部品形状(a)全体図、(b)側面図、(c)平面図を示す。
【図11】本発明の効果が得られる部品形状(a)全体図、(b)側面図、(c)平面図を示す。
【図12】ねじれの測定項目を説明する模式図を示す。
【符号の説明】
【0059】
1 製品
11 縦壁部
2 中間品
21 縦壁部
21a 凹状の湾曲部
21b 凸状の湾曲部
21c、21d エンボス
22 天井部
23 フランジ部
A 製品の縦壁部のストレート部
B 製品の縦壁部の長手方向で凹状の湾曲部
C 製品の縦壁部の長手方向で凸状の湾曲部
L’中間品の縦壁部の湾曲部に設けたエンボスの長手方向の長さ
L 縦壁部の湾曲部の長手方向の長さ

【出願人】 【識別番号】000006655
【氏名又は名称】新日本製鐵株式会社
【出願日】 平成18年7月6日(2006.7.6)
【代理人】 【識別番号】100087398
【弁理士】
【氏名又は名称】水野 勝文

【識別番号】100067541
【弁理士】
【氏名又は名称】岸田 正行

【識別番号】100103506
【弁理士】
【氏名又は名称】高野 弘晋


【公開番号】 特開2008−12570(P2008−12570A)
【公開日】 平成20年1月24日(2008.1.24)
【出願番号】 特願2006−187091(P2006−187091)