JP2005262309A - プレス成形方法およびプレス成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】成形工程数を増やすことなく、反りを安定的に小さな範囲に抑え、スプリングバックの発生を抑制できるプレス成形方法およびプレス成形装置を提供する。
【解決手段】ポンチ１４、ダイ１０、ブランクホルダ１２、および、ブランク１を挟んで前記ポンチ１４と反対側に位置する背面パッド１８、を有するプレス成形金型を用いたプレス成形において、前記ポンチで前記ブランクを成形する際に、前記ポンチの底部１５が下死点Ｐあるいは下死点近傍に到達したところで、前記ポンチと前記背面パッドで前記ブランクを拘束し、前記ポンチと前記背面パッドで前記ブランクを拘束したまま往復運動させ、しかる後、ポンチを前記下死点に到達させて成形を完了する。
【選択図】図１

Description

本発明は金属板のプレス成形方法およびプレス成形装置に関するものであって、特に高強度鋼板の場合にスプリングバックの発生を抑制して良好な形状凍結性を確保できるプレス成形方法およびプレス成形装置に関するものである。

自動車部品への高強度鋼板の適用が広がりつつあるが、それらを部品に成形する際に発生する形状凍結性の不良が問題となっている。例えば、ハット型断面形状の部品を成形する場合には、図５に全体的に示すように、スプリングバックと呼ばれる壁反りの形状凍結不良が発生する。この形状凍結不良は、製品の外観不良と、その部品を用いた組立作業での溶接不良につながるため、抑制することが強く求められている。

金属板のプレス成形の際に頻繁にみられる、このスプリングバックと呼ばれる形状凍結不良は、ハット型断面形状の部品の場合が典型的であるため、その場合を例にとると、プレス成形の際に、図５（ａ）中に示すダイ肩Ｒ部から壁にかけての曲げ、ポンチ肩Ｒ部から壁にかけての曲げ戻し、の両方の加工が同時に行われ、プレス成形後も、金属板内には、図５（ｂ）中に示すように、板厚方向に見た場合に、途中で向きが反転する内部応力が残存するために発生する。一般には図５に示すように、外向きに反る形状凍結不良となるが、加工条件によっては内側に反ることもある。なお、スプリングバックは、ハット型断面形状の部品だけでなく、他の形状のものにも発生することが少なくない。

スプリングバックの発生を抑制する方法として、一般的に、（１）金属板に引張りの力を付与し、内部応力を板厚全域で引張りの状態にすることで残留モーメントを低減させる方法と、（２）ポンチとダイのクリアランス内での逆曲げを利用する方法が知られている。

前者（１）は、金属板を押さえる力を高めたり、ドロービード（金型に設ける溝あるいは突起）を引張り方向に沿うように設けて金属板に加わる張力を高めたりすることで、スプリングバックの発生を抑制しようとしている。

一方、後者（２）は、ポンチとダイのクリアランスを適正に調整することで、ダイ肩出口での逆曲げを利用して、スプリングバックの発生を抑制しようとしている。

特許文献１では、反りの発生に関する詳細な研究から、ダイ肩での曲げ半径とポンチとダイのクリアランスを特定の範囲に限定して、反りの発生を抑制する方法を提案している。また、プレス成形後に一旦金型から成形後の部品を取り外し、さらに別の金型にセットして、もう一度プレス成形（リストライク）し、反りが発生するのと反対方向に曲げ変形を加える方法も一般的に知られている。

更に、特許文献２では、ポンチでブランク（プレス成形される金属板のこと。以下、同じ。）を成形した後に、ブランクを挟んでポンチと反対側に位置するパッドによりブランクをポンチ底部とで拘束し、ポンチのストローク方向と反対方向に移動させ、ブランクの縦壁に逆曲げ変形を加える加工方法と、縦壁部が曲げ変形可能な逃がし部をダイ側に有するプレス成形装置が提案されている。

特開昭５６−１１７８３１号公報 特開２００３−２９０８３３号公報

しかしながら、（１）のブランクに引張りの力を付与して板厚全域で内部応力を引張りの状態にすることで残留モーメントを低減させる方法では、軟鋼板と比べて延性の低い、引張強さ４００ＭＰａ以上の高強度鋼板では、引張りの力を強くすると、縦壁部で破断するおそれが出てくる。

また、（２）のポンチとダイのクリアランス内での逆曲げを利用する特許文献１に開示された方法では、最適な曲げ戻し変形の量がブランクの板厚や、プレス成形装置の側の機械的特性に強く依存し、高強度鋼板では逆曲げの制御が困難なため、目的の寸法精度が得られない場合が多かった。

また、プレス成形後にリストライクする方法では、成形工程数を増やすことになるため、設備コストの上昇や生産性低下につながる問題があった。特に、縦壁が垂直に近い形状となるハット型断面形状の部品では、反りと反対方向に曲げを加えるためにはダイがポンチの通過領域に競り出すことができる構造とするため、ポンチ、ダイのような通常のプレス成形用金型だけでなく、縦壁を横から加圧するカム金型が必要となり、設備コストを上昇させる原因となっていた。

更に、特許文献２に開示された技術では、ごく限られた成形高さの範囲でしか効果が得られなかった。成形高さが低い部品では、縦壁の成形高さが低いため、縦壁の曲げ変形を可能にする逃がし部をダイ側に十分設けることができず、縦壁に十分な曲げ変形を与えることが困難であった。特に、プレス成形しようとする金属板の強度が高くなるほど、必要とする曲げ変形の量が大きくなり、効果が期待しにくかった。

本発明は、金属板、特に高強度鋼板のプレス成形において、成形工程数を増やすことなく、反りを安定的に小さな範囲に抑え、スプリングバックの発生を抑制できるプレス成形方法およびプレス成形装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために鋭意研究した結果、発明者らは、プレス成形におけるポンチのストローク下死点あるいは下死点近傍でブランクに振動を与えることで形状凍結性が向上するという知見を得た。

本発明は、このような知見に基づき完成されたプレス成形方法およびプレス成形装置に関するものであり、その要旨とするところは以下のとおりである。

（１）ポンチ、ダイ、ブランクホルダ、および、ブランクを挟んで前記ポンチと反対側に位置する背面パッド、を有するプレス成形金型を用いたプレス成形方法において、
前記ポンチで前記ブランクを成形する際に、前記ポンチの底部が下死点あるいは下死点近傍に到達したところで、前記ポンチと前記背面パッドで前記ブランクを拘束し、前記ポンチと前記背面パッドで前記ブランクを拘束したまま往復運動させ、しかる後、ポンチを前記下死点に到達させて成形を完了することを特徴とするプレス成形方法。

（２）ポンチ、ダイ、ブランクホルダ、および、ブランクを挟んで前記ポンチと反対側に位置する背面パッド、を有するプレス成形金型と、前記ポンチと前記背面パッドで前記ブランクを拘束し、かつ前記ポンチと前記背面パッドで前記ブランクを拘束したまま往復運動する手段とを有することを特徴とするプレス成形装置。

本発明は、プレス成形において下死点あるいは下死点近傍でブランクに振動を与えるようにしたので、高強度鋼板のプレス成形において、成形工程数を増やすことなく反りを安定的に小さな範囲に抑え、スプリングバックの発生を抑制できるようになった。

まず、本発明のプレス成形方法の実施の形態を、図１に示す原理図で説明する。ブランク１をセットした後、ダイ１０とブランクホルダ１２でブランク１を押さえる（工程Ａ）。

そして、ブランク１をダイ１０とブランクホルダ１２で押さえた状態でポンチ１４を下降させてブランク１をプレス成形し、下死点Ｐまたは下死点Ｐ近傍でポンチ１４の底部１５と背面パッド１８によりブランク１を拘束する（工程Ｂ）。

次に、ポンチ１４の底部１５と背面パッド１８でブランク１を拘束した状態で、工程Ｂにおけるポンチ１４の底部１５と背面パッド１８でブランク１を拘束した位置を中心にして、ポンチ１４の底部１５と背面パッド１８を同方向に同期させて繰返し往復運動させる（工程Ｃと工程Ｄを繰返す）。

この工程Ｃと工程Ｄの繰り返しが、ダイ肩出口付近のブランク１縦壁部２とパンチ肩付近のブランク１縦壁部３に曲げおよび逆曲げを繰り返し発生させて、反りの原因である残存内部応力の板厚方向変動を小さくしていく。このことで、プレス成形後のブランク１は、スプリングバックが小さくなる。その後、ポンチ１４の底部１５を下死点Ｐに到達させてプレス成形を終了する（工程Ｅ）。

なお、本発明にいう下死点とは、プレス成形後のブランクが目標とする成形高さに丁度なるポンチ１４の底部１５の位置とし、下死点近傍とは、それよりも成形高さの５％後退したところまでを指すものとする。それよりも後退したところまで往復運動させると、ポンチ肩部やダイ肩部に当接するブランクの部分に無理な力がかかって破断するおそれがあるからである。

また、往復運動は、ポンチ１４の底部１５が下死点Ｐを超えても良いし、下死点Ｐを超えなくても良い。

往復運動の振幅は、ポンチ１４の底部１５の後退限を、下死点Ｐよりも成形高さの５％を超えない範囲で後退したところまでとする限度において、片振りあたり成形高さの５％以下とするのが好ましい。５％を超えると、ポンチ肩部やダイ肩部に当接するブランクの部分に無理な力がかかって破断するおそれがあるからである。

往復運動の回数は１回ないし５回が好ましい。５回を超えるとスプリングバック抑制の効果が鈍化する傾向がある。加えて、能率が低下する。だが、本発明は５回を超えて往復運動することについて、別に、これを否定するものではない。

次に、本発明のプレス成形方法を実施するための本発明のプレス成形装置の構造例について図２を用いて説明する。図１とは天地逆転するが、本発明のプレス成形装置は、基本構成として、ポンチ１４、ダイ１０、ブランクホルダ１２、背面パッド１８、ポンチ１４を移動させる液圧シリンダ等のアクチュエータ１６、背面パッド１８を移動させる、これも液圧シリンダ等のアクチュエータ２０、アクチュエータ１６および２０を制御する制御装置２２、クッションピン２４を有する。図において、２６は下型プレート、２８は上型スペーサ、３０は上型プレートである。

前記ポンチ１４と背面パッド１８は、アクチュエータ１６および２０により、往復運動ができる機能を有している。更に、制御装置２２により、アクチュエータ１６と２０はブランク１をポンチ１４と背面パッド１８で挟んで拘束したまま、同方向に同期して移動できる機能を有している。それには具体的に、液圧シリンダ（１６、１８）を、ロッド１７、１９にシルナックセンサ等の位置センサを埋め込んだものとし、ポンチ１４と背面パッド１８の移動量を同一に制御する等すれば良い。

アクチュエータ１６、２０の駆動機構は、油圧、空圧、等のシリンダの他、クランク式等いかなるものでも構わない。

また、図２に示した装置の構造例の他に、ポンチ１４と背面パッド１８の移動を制限するポンチストッパーやパッドストッパーを設けることも可能である。

供試材として板厚１．２ｍｍの冷延鋼板である軟鋼板ＳＰＣＤ、５９０ＭＰａ級高強度鋼板および９８０ＭＰａ級高強度鋼板を用いた。各鋼板の機械的特性は表１のとおりである。

各鋼板から寸法３５０×１００ｍｍのブランクを採取し、ハット型プレス成形試験に供した。図３（ａ）にプレス成形試験で使用した金型寸法を示す。ポンチ壁は斜壁であり、ポンチ底部幅９０ｍｍ、ポンチ肩Ｒ５ｍｍ、ダイ肩Ｒ５ｍｍとした。成形したハット型断面形状の部品の成形高さ（図３（ｂ））は１００ｍｍとした。ブランクホルダ力（しわ押さえ力）はすべて２００ｋＮとした。背面パッド１８は５００ｋＮ出力可能な油圧シリンダ（２０）とし、ポンチ１４は更にそれより強い力を出力可能な油圧シリンダ（１６）とし、ロッド１７にシルナックセンサを埋め込んだものとすることで、供試材（１）をポンチ１４と背面パッド１８で挟んで拘束したまま、同方向に同期して往復運動できるようにした。ポンチ１４側だけをロッド１７にシルナックセンサを埋め込んだ油圧シリンダ（１６）で駆動しても、背面パッド１８側は、常に供試材（１）を挟むようにポンチ１４側に力を付与するため、ポンチ１４側と背面パッド１８側で両油圧シリンダ（１６、２０）の移動量が相違してしまうことはなく、同方向に同期して移動できる。

本発明例は、ポンチ１４の底部と背面パッド１８でブランク１を拘束する位置は、プレス成形後のブランク１が目標とする成形高さとなる下死点Ｐとし、ブランク１を拘束状態でポンチ１４と背面パッド１８を同方向に同期させて繰返し往復運動させる際の振幅は片振り２ｍｍ、振幅の中心は前述の下死点Ｐとした。往復運動の回数（１波長相当分を１回と数える）は３回とした。

比較例は、ポンチ１４を下死点Ｐまで押込んでプレス成形を終了する、従来からあるプレス成形方法とした。

プレス成形後、ハット型断面形状の部品の壁反りの曲率１／ρ（図５（ａ）参照）を測定した。

図４に、本発明例と比較例での壁反りの曲率１／ρを比較して示す。本発明例では、高強度鋼板を用いた場合でも曲率１／ρが極めて小さく、殆んどスプリングバックを発生させずにプレス成形することができた。一方、比較例では、鋼板強度の上昇に伴って曲率１／ρが顕著に増大、即ちスプリングバックが顕著に発生した。

本発明のプレス成形方法の実施の形態を順を追って説明するための工程図 本発明のプレス成形装置の構造例を示す断面図 本発明の実施例で用いた金型の各部寸法ならびにプレス成形後のハット型断面形状の部品の成形高さを示した断面図 本発明例と比較例を適用した場合の、プレス成形後のハット型断面形状の部品の壁反りの曲率を比較して示した図 従来技術の問題を示した図

符号の説明

１…ブランク
２…ダイ肩出口付近の縦壁部
３…パンチ肩付近の縦壁部
１０…ダイ
１２…ブランクホルダ
１４…ポンチ
１５…ポンチの底部
１６、２０…アクチュエータ
１８…背面パッド
２２…制御装置
２４…クッションピン
２６…下型プレート
２８…上型スペーサ
３０…上型プレート
Ｐ…下死点

Claims (2)

1. ポンチ、ダイ、ブランクホルダ、および、ブランクを挟んで前記ポンチと反対側に位置する背面パッド、を有するプレス成形金型を用いたプレス成形方法において、
   前記ポンチで前記ブランクを成形する際に、前記ポンチの底部が下死点あるいは下死点近傍に到達したところで、前記ポンチと前記背面パッドで前記ブランクを拘束し、前記ポンチと前記背面パッドで前記ブランクを拘束したまま往復運動させ、しかる後、ポンチを前記下死点に到達させて成形を完了することを特徴とするプレス成形方法。
2. ポンチ、ダイ、ブランクホルダ、および、ブランクを挟んで前記ポンチと反対側に位置する背面パッド、を有するプレス成形金型と、
   前記ポンチと前記背面パッドで前記ブランクを拘束し、かつ前記ポンチと前記背面パッドで前記ブランクを拘束したまま往復運動する手段と、
   を有することを特徴とするプレス成形装置。

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