JP5079655B2 - プレス成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属板などの被加工材をプレス成形する際に生じるスプリングバックを低減し、プレス成形品の寸法精度を高める形状凍結性に優れたプレス成形方法に関するものである。

衝突安全性と軽量化の要請から、自動車車体への高強度鋼板の適用が進展しつつある。これらの高強度鋼板は板厚を増加させることなく、衝突時の吸収エネルギーや強度を高めることができる。

しかしながら、プレス加工の場合、鋼板の強度上昇とともにスプリングバックと呼ばれる形状凍結不良が発生し、部品の寸法精度の確保が困難となる。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、特にメンバやフレームなどの車体骨格部品では形状凍結不良の対策が課題である。

形状凍結不良は、現象に応じて、角度変化、壁そり、ねじれ、稜線そり（面そり）、パンチ底などに分類される。いずれの場合でも、成形品を成形後に金型から取り出す、あるいは不要な部分をトリミングするなど、拘束を緩和することで残留応力が駆動力となり、新たな釣り合いを満たすよう部品に弾性変形（スプリングバック）が生じる。

例えば、曲げ角度変化や壁そりは、板厚方向の応力分布が駆動力となり、剛性は主に板厚で決定される。あるいは、長手方向に高低差や湾曲したハット断面のビームをドロー成形すると、壁そりと稜線そり（面そり）、ねじれが生じるが、湾曲の曲率が小さいと部品剛性が高まり、壁そりが小さくなること、及び、伸びフランジ変形部と縮みフランジ変形部の応力の差がねじりモーメントを与えている可能性があることが知られている（例えば、非特許文献１を参照。）。

従来の寸法精度不良の対策方法としては、スプリングバック後に所定の寸法に収まるよう、変形を見込んで意図的に製品形状と異なる金型形状を用いるプレス成形方法が広く知られている（例えば、特許文献１、特許文献２、非特許文献１を参照。）。

しかしながら、この方法では、所望の金型形状を得るために、金型形状の修正を機械加工によって数回〜数十回繰り返して行う必要があり、多大な工数と熟練した技能を要し、コストも高くなるという問題がある。そのうえ、金型形状の見込みで寸法精度を確保しようとする場合、広く普及している成形シミュレーションを活用したスプリングバック解析の精度予測については十分な実用信頼性を得ているとは言えず、実物トライアル中心の試行錯誤による調整が大きな負荷となっている。

さらに、従来のスプリングバック対策は、角度変化や壁そりに代表される２次元的な形状不良に対するものが多く、複雑形状の部品で問題となる稜線そり（面そり）やねじれなどの３次元的なスプリングバックに関する対策方法、あるいはこれらを同時に対策する方法については提案されていない。

ハット断面形状のプレス成形において、パンチ肩部でのスプリングバックやパンチ側壁部での壁そりなどの形状不良を低減できるプレス成形方法として、プレス成形により発生する壁反りの曲率ｒ、しわ押さえ力ＢＨＦとの間に、ｒ＝ｆ(ＢＨＦ)の関係を与え、この関係に基づき、曲率が小さくなるようにしわ押さえ力を付加するとともに、パンチの行程が成形開始後下死点の直前までの間は、パンチ頭部に設けたたわみ調節装置で金属板にたわみを付与し、下死点でたわみを解消して成形するプレス成形方法が提案されている（例えば、特許文献３を参照。）。

しかしながら、この方法では、しわ押さえにより材料の移動が拘束されているため、パンチ頭部のたるみを決め押しすることにより材料に圧縮の残留応力が導入され、パンチ底の形状不良やねじれが生じるという問題がある。さらに、この方法は、ハット断面ビーム部品の壁そりや稜線部の角度変化といった２次元的な形状不良に対するものであり、ねじれや面そりなどの３次元的なスプリングバックに関する対策方法、あるいはこれらを同時に対策する方法については提案されていない。

一方、稜線そりやねじれなど３次元的な形状不良を低減できるプレス成形方法として、パンチを長手方向に数領域に分割し、パンチ底の面内応力分布を制御するプレス成形方法が提案されている（例えば、特許文献４を参照。）。

しかしながら、この方法では、パンチ底に生じる引張応力をプレス下死点に至る最後のひずみ増分で潰すという原理からしわ押さえにより張力を付与できるドローベンド成形（深絞り成形）に限られるため、フォーム成形（曲げ成形）には適さないという問題がある。さらに、この方法はねじれや面そりなどの３次元的なスプリングバックに関する対策方法であり、壁そりや稜線部の角度変化といった２次元的な形状不良には効果が期待できない。
特開平８−２４３６５７号公報 特開２００３−３３８２８号公報 特開２０００−４２６３５号公報 特開２００６−１１６５５４号公報 「プレス成形難易ハンドブック第３版」、日刊工業新聞社、２００７年３月３０日発行、第３６５−３７７頁

そこで、本発明は、上記事情に鑑みて提案されたものであり、金型形状の修正を行わずにプレス成形を行い、スプリングバックによる角度変化といった２次元的な形状不良や稜線そり（面そり）などの３次元的な形状不良を防止してプレス成形品を得ることができる形状凍結性に優れたプレス成形方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、断面形状が変化する部品や湾曲したハット形断面形状のビームなどの被加工材をプレス成形する際に、ダイの内側に配置されて、被加工材の加圧方向に移動可能とされたダイ側パッドと、パンチの加圧面よりも外側に突出された状態で配置されて、パンチの加圧面と同一の高さまで押し込み可能とされたパンチ側パッドとを備えるプレス成形装置を用い、パンチの加圧面よりもパンチ側パッドが外側に突出された状態で、ダイ側パッドを被加工材に押し当てながら、ダイとパンチとの間で被加工材をプレス成形することによって、被加工材をたるませながら成形し、被加工材のたるみ量を制御しながら、成形下死点において、パンチ側パッドがパンチの加圧面と同一の高さとなるまで被加工材をプレス成形することで、被加工材のたるみを押し潰す。これにより、スプリングバックによる角度変化や稜線そり（面そり）などの形状不良が防止でき、形状凍結性に優れたプレス成形品が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の要旨は、次の通りである。
（１） ダイとパンチとの相対的な移動によって前記ダイの内側に前記パンチを押し込みながら、前記ダイと前記パンチとの間で被加工材をプレス成形するプレス成形方法であって、
前記ダイの内側に配置されて、前記被加工材の加圧方向に移動可能とされたダイ側パッドと、
前記パンチの加圧面よりも外側に突出された状態で配置されて、前記パンチの加圧面と同一の高さまで押し込み可能とされたパンチ側パッドとを備えるプレス成形装置を用い、
前記パンチの加圧面よりも前記パンチ側パッドが外側に突出された状態で、前記ダイ側パッドを前記被加工材に押し当てながら、前記ダイと前記パンチとの間で被加工材をプレス成形することによって、前記被加工材をたるませながら成形し、前記被加工材のたるみ量を制御しながら、成形下死点において、前記パンチ側パッドが前記パンチの加圧面と同一の高さとなるまで前記被加工材をプレス成形することで、前記被加工材のたるみを押し潰すことを特徴とするプレス成形方法。

以上のように、本発明では、パンチの加圧面よりもパンチ側パッドが外側に突出された状態で、ダイ側パッドを被加工材に押し当てながら、ダイとパンチとの間で被加工材をプレス成形することによって、被加工材をたるませながら成形し、被加工材のたるみ量を制御しながら、成形下死点において、パンチ側パッドがパンチの加圧面と同一の高さとなるまで被加工材をプレス成形することで、形成した被加工材のたるみを押し潰す。これにより、曲げ領域が拡大し、プレス成形される被加工材のスプリングバックとスプリングゴーとをバランスさせることができる。したがって、本発明によれば、スプリングバックによる角度変化といった２次元的な形状不良や稜線そり（面そり）などの３次元的な形状不良を防止して、形状凍結性に優れたプレス成形品を得ることができる。また、従来のようにプレス成形品の形状不良を避けるためのプレス金型の修正も不要となる。

以下、本発明を適用したプレス成形装置及びプレス成形方法について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を模式的に示している場合があり、各部の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

本実施形態では、プレス成形による被加工材の形状不良の事例として、図１に示すサイドメンバを模したハット形断面形状を有するビーム（金属製部品）１００を対象に、本発明による具体的な形状凍結対策例について説明する。

先ず、図２及び図３に示すように、従来のプレス成形装置及びプレス成形方法を用いて、厚み１．４ｍｍ、９８０ＭＰａ級高強度鋼板（ハイテン：High Tensile Strength Steel Sheets）の薄板（被加工材）１０を、５０ｍｍ高さ（図１及び図２に示すｚ方向）のハット断面形状を有するサイドメンバにプレス成形する場合について説明する。

なお、図２は、従来のプレス成形装置を構成するダイ１、パンチ２及びパッド３の概要を示す模式図である。図３は、従来のプレス成形方法によるダイ１、パンチ２及びパッド３の動作を説明するための模式図である。このうち、図３(ａ)は、ダイ１に対してパンチ２が成形下死点の手前４０ｍｍに位置するとき、図３(ｂ)は、ダイ１に対してパンチ２が成形下死点の手前１０ｍｍに位置するとき、図３(ｃ)は、ダイ１に対してパンチ２が成形下死点に位置するときである。

断面形状が変化するハット形断面形状を有するビーム１００では、壁そりや開きなどの２次元的な形状不良に加え、稜線そり（面そり）やねじれが同時に発生する。このような３次元的な形状不良は現象が複雑なため、その形状不良を解決する対策立案が容易でない。

具体的に、従来のプレス成形方法により薄板１０をプレス成形する際は、先ず、図３(ａ)に示すように、成形途中で薄板１０が動かないように、パンチ２とパッド３との間で薄板１０を押さえながら、パンチ２及びパッド３を上昇させることによって、ダイ１とパンチ２との間で薄板１０をプレス成形する。そして、この状態から更に、図３(ｂ)に示すように、パンチ２及びパッド３を上昇させることによってプレス成形を継続し、図３(ｃ)に示すように、成形下死点までパンチ２及びパッド３を上昇させることによって、最終的にハット形断面形状のプレス成形品を得る。

ここで、従来のプレス成形方法によるスプリングバック後のｚ方向変位分布の面そり状態を図４に示す。なお、図４中の数値は、面そり状態のｚ方向変位分布を示している。この従来のプレス成形方法によりハット断面形状を有するビーム１００を成形すると、図４に示すように、プレス成形後のスプリングバックにより、ビーム１００の端部が成形下死点での形状よりも高さ方向（ｚ方向）に上がった面そり状態の形状となる（図６（ａ）を参照）。これは、プレス成形品を成形後に金型から取り出すことで拘束が緩和され、成形下死点での応力分布が駆動力となり、新たなつりあいを満たすようにプレス成形品に弾性変形が生じたためである。

ここでは、縦壁部の板厚方向の応力分布が駆動力となり縦壁が開き、上面の撓みを起こし、面そりを容易にするためである。すなわち、図１に示す凸稜線のｙｚ面内ｚ方向撓みは、ｚｘ面内で屈曲している上面を直線化するように働く。このとき凸稜線より左側の３点をｚ方向に拘束しているため、ｙ軸周りのモーメントによりｚ方向変位（面そり）を発生させる。このように断面形状が変化するハット形断面形状のビーム１００では、縦壁の開きと撓みを介して面そりが生じる。

そこで、本発明者らは、このような壁そりや開きなどの２次元的な形状不良に加え、稜線そり（面そり）が同時に発生するような３次元的な形状不良について、スプリングバックの機構に基づき鋭意検討を行った結果、縦壁の開き対策は面そり抑制に有効であることに見出した。

すなわち、断面形状が変化する部品や湾曲したハット形断面形状のビームなどの被加工材をプレス成形する際に、図５に示すように、ダイ１の内側に配置されて、被加工材（薄板１０）の加圧方向（上下方向）に移動可能とされたダイ側パッド３と、パンチ２の加圧面２ａよりも外側に突出された状態で配置されて、パンチ２の加圧面２ａと同一の高さまで押し込み可能とされたパンチ側パッド４とを備えるプレス成形装置を用い、パンチ２の加圧面２ａよりもパンチ側パッド４が外側に突出された状態で、ダイ側パッド３を被加工材１０に押し当てながら、ダイ１とパンチ２との間で被加工材１０をプレス成形し、成形下死点において、パンチ側パッド４がパンチ２の加圧面２ａと同一の高さとなるまで被加工材１０をプレス成形することで、スプリングバックによる角度変化や稜線そり（面そり）などの形状不良が防止でき、形状凍結性に優れたプレス成形品が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。

具体的に、本発明において、ダイ１は、その内側にハット形断面形状に対応した凹部１ａを有している。パンチ２は、油圧シリンダなどの昇降機構５を介して上下方向に移動可能とされており、ダイ１の凹部１ａに対応した形状の凸部２ｂを有して、この凸部２ｂの上面が被加工材１０を加圧する加圧面２ａとされている。ダイ側パッド３は、油圧シリンダなどの昇降機構６を介して上下方向に移動可能とされている。さらに、ダイ側パッド３は、被加工材１０に押し当てられた状態でパンチ２と共に上下方向に移動可能となっており、ダイ１の凹部１ａの底面には、昇降機構６を通す孔部７が設けられている。パンチ側パッド４は、パンチ２の加圧面２ａに形成された凹部８の内側に配置されている。また、パンチ側パッド４は、凹部８の内側に配置されたスプリング９により上方に向かって付勢されており、その上面がパンチ２の加圧面２ａよりも外側に突出された状態となっている。

次に、図５に示すように、本発明のプレス成形装置及びプレス成形方法を用いて、厚み１．４ｍｍ、９８０ＭＰａ級高強度鋼板（ハイテン：High Tensile Strength Steel Sheets）の薄板（被加工材）１０を、５０ｍｍ高さ（図１に示すｚ方向）のハット断面形状を有するサイドメンバにプレス成形する場合について説明する。

なお、図５(ａ)は、ダイ１に対してパンチ２が成形下死点の手前４０ｍｍに位置するとき、図５(ｂ)は、ダイ１に対してパンチ２が成形下死点の手前１０ｍｍに位置するとき、図５(ｃ)は、ダイ１に対してパンチ２が成形下死点に位置するときである。

本発明を適用したプレス成形方法により薄板１０をプレス成形する際は、先ず、図５(ａ)に示すように、パンチ２の加圧面２ａよりもパンチ側パッド４が外側に突出された状態で、ダイ側パッド３を薄板１０に押し当てながら、パンチ２及びダイ側パッド３を上昇させることによって、ダイ１とパンチ２との間で薄板１０をプレス成形する。このとき、成形される薄板１０には、パンチ２の加圧面ａに対するパンチ側パッド４の高さ（浮かし量）Ｈに応じて、たるみ１０ａが生じることになる。そして、この状態から更に、図５(ｂ)に示すように、薄板１０のたるみ１０ａを所定量に制御しながら、パンチ２及びダイ側パッド３を上昇させることによってプレス成形を継続し、図５(ｃ)に示すように、成形下死点までパンチ２を上昇させることによって、パンチ側パッド４がパンチ２の加圧面２ａと同一の高さとなるまで薄板１０をプレス成形する。このとき、薄板１０に形成されたたるみ１０をダイ側パッド３とパンチ側パッド４との間で押し潰す。これにより、ハット形断面形状のプレス成形品を得ることができる。

本発明では、薄板１０に形成されたたるみ１０を押し潰すことにより、曲げ領域が拡大し、プレス成形される被加工材のスプリングバックとスプリングゴーとをバランスさせることができ、形状不良のない縦壁を得ることができる。

具体的に、本発明では、薄板１０にたるみ１０ａを持たせてプレス成形することで、パンチ底からハット形断面形状のコーナー部に向かって、たるみ量に相当する金属板が供給され、形状不良の原因となるコーナー部での引張残留応力および圧縮残留応力が相殺されて、図６(ｂ)に示すように、縦壁のスプリングバックとスプリングゴーをバランスさせ壁開きが低減され、同時にｚ方向への面そりは大きく改善される。

したがって、本発明によれば、スプリングバックによる角度変化といった２次元的な形状不良や稜線そり（面そり）などの３次元的な形状不良を防止して、形状凍結性に優れたプレス成形品を得ることができる。また、従来のようにプレス成形品の形状不良を避けるためのプレス金型の修正も不要となる。

ここで、本発明のプレス成形方法によるスプリングバック後のｚ方向変位分布の面そり状態を図７に示す。なお、図７中の数値は、面そり状態のｚ方向変位分布を示している。この本発明のプレス成形方法によりハット断面形状を有するビーム１００を成形すると、図７に示すように、上記図４に示す従来のプレス成形方法による場合よりも、面そり状態のｚ方向変位分布の値が小さくなり、大幅に面そりが改善されていることが分かる。すなわち、２次元的な形状不良と３次元的な形状不良が同時に抑制される。

次に、ハット形断面を有するビーム１００を対象に、面そり量（図７の部品右端のｚ方向変位）と壁開きに及ぼすパンチ側パッド４の浮かし量Ｈ（図５(ａ)を参照）の影響を説明する。

パンチ２の加圧面ａに対するパンチ側パッド４の高さ（浮かし量）Ｈを、０ｍｍ（従来）、５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍ、２０ｍｍ、２５ｍｍ、３０ｍｍと変化させ、スプリングバック後の寸法不良として、面そり量と壁開き量（図６(ａ)を参照）を測定した。その浮かし量Ｈと面そり及び壁開き量との関係を図８に示す。

図８に示すように、パンチ側パッド４の浮かし量Ｈと面そり及び壁開き量との間には相関が認められ、浮かし量Ｈが大きいほど面そり量は改善されるが、浮かし量Ｈが大きすぎると、逆に右端は下がり（ｚ方向マイナスを示し）スプリングゴーになることがわかる。これは壁開き量に関しても同様の傾向を示し、浮かし量Ｈが大きいほと壁開きは改善されるが、大きすぎると壁は内側に入り込みスプリングゴーを示す。これにより、パンチ側パッド４の浮かし量Ｈを最適値に制御することで部品寸法精度（形状凍結精度）を確保することができる。具体的に、パンチ側パッド４の浮かし量Ｈの最適値としては、５〜１５ｍｍの範囲であり、より好ましくは１０±２ｍｍの範囲である。

以上のように、本発明によれば、スプリングバックによる角度変化といった２次元的な形状不良や稜線そり（面そり）などの３次元的な形状不良を防止して形状凍結性に優れたプレス成形品を得ることができる。

断面形状が変化するハット断面を有する金属製部品の外観を示す斜視図である。 プレス成形装置を構成するダイ、パンチ及びパッドの概要を示す斜視図である。 従来のプレス成形方法によるダイ、パンチ及びパッドの動作を説明するための断面図である。 従来のプレス成形方法によるスプリングバック後のｚ方向変位分布を示す模式図である。 本発明のプレス成形方法によるダイ、パンチ、ダイ側パッド及びパンチ側パッドの動作を説明するための断面図である。 従来と本発明とのプレス成形方法の違いによる２次元形状不良（壁開き）を説明するための模式図である。 本発明のプレス成形方法によるスプリングバック後のｚ方向変位分布を示す模式図である。 パンチ浮かし量と寸法不良（面そり量及び壁開き量）との関係を示す特性図である。

符号の説明

１…ダイ
２…パンチ
２ａ…加圧面
３…ダイ側パッド
４…パンチ側パッド
１０…薄板（被加工材）
１０ａ…たるみ
１００…ビーム（プレス成形品）

Claims (1)

1. ダイとパンチとの相対的な移動によって前記ダイの内側に前記パンチを押し込みながら、前記ダイと前記パンチとの間で被加工材をプレス成形するプレス成形方法であって、
   前記ダイの内側に配置されて、前記被加工材の加圧方向に移動可能とされたダイ側パッドと、
   前記パンチの加圧面よりも外側に突出された状態で配置されて、前記パンチの加圧面と同一の高さまで押し込み可能とされたパンチ側パッドとを備えるプレス成形装置を用い、
   前記パンチの加圧面よりも前記パンチ側パッドが外側に突出された状態で、前記ダイ側パッドを前記被加工材に押し当てながら、前記ダイと前記パンチとの間で被加工材をプレス成形することによって、前記被加工材をたるませながら成形し、前記被加工材のたるみ量を制御しながら、成形下死点において、前記パンチ側パッドが前記パンチの加圧面と同一の高さとなるまで前記被加工材をプレス成形することで、前記被加工材のたるみを押し潰すことを特徴とするプレス成形方法。

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