WO2024047968A1 - プレス成形品の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明に係るプレス成形品１の製造方法は、天板部５と、稜線部９を介して形成された縦壁部７とを有する本体部１１と、本体部１１の端部に天板部５、稜線部９及び縦壁部７に連続して形成された外向きフランジ部３を有するプレス成形品１の製造方法であって、天板部５と、稜線部９を介して形成される縦壁部７を有し、外向きフランジ相当部２５が外側に膨らむように外向きフランジ相当部２５の根元部に段差形状部２７を有する中間成形品２４を成形する中間成形工程と、中間成形品２４における外向きフランジ相当部２５を外側に曲げ起こして外向きフランジ部３を形成して目標形状を成形する目標形状成形工程と、を備えた。

Description

プレス成形品の製造方法

　本発明は、プレス成形品の製造方法に関し、特に天板部と、天板部に稜線部を介して連続する縦壁部とを備え、天板部、稜線部及び縦壁部の端部に連続して形成された外向きフランジ部を有するプレス成形品の製造方法に関する。

　自動車の衝突安全性基準の厳格化により、車体の衝突安全性の向上が進む中で、二酸化炭素排出規制を受けて、燃費向上やＥＶ化のために車体の軽量化も必要とされている。これら車体の衝突安全性向上と軽量化を両立させるために、車体構造部品への引張強度５９０ＭＰａ級以上の高強度鋼板（ハイテン材とも称する）の適用が進んでいる。

　自動車部品には、例えば、図４に示すように、フロアクロスメンバーなど、天板部５と、縦壁部７と、天板部５と縦壁部７をつなぐ稜線部９とを備え、天板部５、稜線部９及び縦壁部７の端部に連続して形成された外向きフランジ部３を有するプレス成形品１がある。

　このようなプレス成形品１をプレス成形した場合、外向きフランジ部３における稜線部９に連続する部分（以下、「コーナーフランジ部」という）は、伸びフランジ変形となって、コーナーフランジ部３ｂの先端に割れが発生しやすくなる。

　従来、このような縦壁部７の端部に連続して形成された外向きフランジ部を有するプレス成形品の製造方法に関し、特許文献１には、鞍型プレス成形品の製造方法が開示されている。特許文献１においては、ブランクの天板構成箇所を湾曲させ、ブランクの内面側から外面側へ向けた第一力を付与し、縦壁構成箇所の外面側の各々に、互いに向き合う方向の第二力及び前記第一力と逆向きの第三力の合成力を付与してプレス成形を行っている。特許文献１に開示の方法は、天板部、縦壁部及び外向きフランジ部を同時に成形する方法である。

　また、特許文献２には、他のプレス成形方法として、金属板を断面コ字形状に成形した後に、外向きフランジ部を曲げ起こすプレス成形方法が開示されている。特許文献２に開示の方法は、外向きフランジ部を曲げ起こす際に、天板部と縦壁部からフランジ部の成形を開始することにより、外向きフランジ部のひずみを、天板部側及び縦壁部側に分散できるとしている。

　特許文献３には、天板と縦壁とフランジとを有する被加工材に段差部を形成するせん断工程と、前記段差部の近傍にある不要部を切除する切除工程とによって、外向きフランジを形成するプレス成形方法が開示されている。

国際公開第２０１９／２１６３１７号 国際公開第２０２２／０４９９１６号 国際公開第２０１６／１９４９６３号

　特許文献１に開示の方法では、金型構造がかなり複雑であって金型の製作費が嵩む。また、第一力と逆向きの第三力の合成力を付与するため、ブランクを十分かつ均等に押さえてプレス成形することが難しく、寸法精度の良いプレス成形品を得ることも難しい。

　この点、特許文献２に開示のように、金属板を断面コ字形状に成形した後に、外向きフランジ部を曲げ起こすプレス成形方法は、金型がシンプルで寸法精度を良くすることができる。しかし、さらに高強度化したハイテン材のプレス成形において、稜線部と外向きフランジ部のコーナーフランジ部との接続部（以下、単に「コーナーフランジ部の接続部」という場合あり）には座屈（しわ、折れ込み）が発生しやすい課題が生じた。

　また、特許文献３に開示の方法は、金型構成が複雑で、さらに切除工程が必須であるという問題があった。

　本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、天板部と、天板部に稜線部を介して連続する縦壁部とを備え、天板部、稜線部及び縦壁部の端部に連続して形成された外向きフランジ部を有するプレス成形品の製造に際して、複雑な構造の金型を用いることなく、コーナーフランジ部の接続部に座屈を発生させずに、寸法精度のよいプレス成形品を安定して製造できるプレス成形品の製造方法を提供することである。

　上述した課題を解決し、目的を達成するために、
（１）本発明に係るプレス成形品の製造方法は、少なくとも、天板部と、稜線部を介して形成された縦壁部とを有する本体部と、該本体部の端部に前記天板部、前記稜線部及び前記縦壁部に連続して形成された外向きフランジ部を有するプレス成形品の製造方法であって、天板部と、稜線部を介して形成される縦壁部を有し、前記外向きフランジ部に成形される外向きフランジ相当部の根元部に外側に膨らむ段差形状部を有する中間成形品を成形する中間成形工程と、該中間成形品における前記外向きフランジ相当部を外側に曲げ起こして前記外向きフランジ部を成形して目標形状とする目標形状成形工程と、を備えたことを特徴とするものである。

（２）本発明に係るプレス成形品の製造方法は、上記（１）に記載の発明において、前記中間成形工程は、前記天板部、前記稜線部、前記縦壁部及び前記段差形状部を、一工程でプレス成形することを特徴とするものである。

（３）本発明に係るプレス成形品の製造方法は、上記（１）に記載の発明において、前記中間成形工程は、前記天板部、前記稜線部及び前記縦壁部をプレス成形した後で、前記段差形状部をプレス成形することを特徴とするものである。

　本発明に係るプレス成形品の製造方法は、天板部と、天板部に稜線部を介して連続する縦壁部とを備え、天板部、稜線部及び縦壁部の端部に連続して形成された外向きフランジ部を有するプレス成形品の製造に際して、複雑な構造の金型を用いることなく、コーナーフランジ部の接続部に座屈を発生させずに、寸法精度のよいプレス成形品を安定して製造することができるという効果を奏する。

図１は、実施形態に係るプレス成形品の製造方法の説明図である。 図２は、実施形態に係る目標形状成形工程の成形過程の解析結果を示す図である。 図３は、実施形態に係る目標形状成形工程の成形過程を模式的に示した図である。 図４は、本発明が対象とするプレス成形品の一例の説明図である。 図５は、従来のプレス成形品の製造方法の説明図である。 図６は、従来例において外向きフランジ部を成形する成形過程の解析結果を示す図である。 図７は、従来例において外向きフランジ部を成形する成形過程を模式的に示した図である。

　以下に、本発明に係るプレス成形品の製造方法の実施形態について説明する。なお、本実施形態により本発明が限定されるものではない。

　本発明の実施形態を説明する前に、本発明が対象としているプレス成形品の形状について、その一例を示した図４に基づいて説明する。本発明が対象としているのは、図４に示すように、外向きフランジ部３を有するプレス成形品１であって、天板部５と、縦壁部７と、天板部５と縦壁部７をつなぐ稜線部９とを有する本体部１１を備えている。そして、プレス成形品１は、本体部１１の端部に天板部５、稜線部９及び縦壁部７に連続して形成された外向きフランジ部３を有している。図４に示す例では、プレス成形品１は縦壁部７の下端に水平フランジ部１３を備えている。なお、以下の説明においては、外向きフランジ部３における天板部５、稜線部９、縦壁部７のそれぞれに連続する部分を、それぞれ天板フランジ部３ａ、コーナーフランジ部３ｂ、縦壁フランジ部３ｃと称する。

　図５は、プレス成形品１の従来の成形方法を示す図である。従来は、まず、図５（ａ）に示すように、天板部５と、稜線部９と、縦壁部７と、縦壁部７の下端に水平フランジ部１３と、を有する中間成形品１５を成形する。中間成形品１５は、その端部において、天板部５、稜線部９及び縦壁部７が延出しており、この延出部が目標形状における外向きフランジ部３（天板フランジ部３ａ、コーナーフランジ部３ｂ及び縦壁フランジ部３ｃ）となる。よって、本実施形態では、延出部を外向きフランジ相当部１７と称する。中間成形品１５の各部は、同時にプレス成形してもよいし、各部ごとにプレス成形してもよい。その後、図５（ｂ）に示すように、中間成形品１５における外向きフランジ相当部１７を外側に曲げ起こして外向きフランジ部３を形成して目標形状のプレス成形品１となる。

　外向きフランジ相当部１７を曲げ起こす成形方法としては、例えば、特許文献２に開示されているように、最初に天板フランジ相当部１７ａ及び縦壁フランジ相当部１７ｃに対して曲げ力を入力する。そして、その後に、外向きフランジ相当部１７を曲げ起こす成形方法では、コーナーフランジ相当部１７ｂに曲げ力を入力するようにすればよい。

　図６は、板厚１．４ｍｍ、引張強度５９０ＭＰａ級鋼板を用いて、目標形状として、外向きフランジ部３の高さを１８ｍｍ、天板部５、稜線部９及び縦壁部７と外向きフランジ部３との境界部のＲが３ｍｍの場合について、ＦＥＭ解析した結果を示す図である。図６においては、外向きフランジ部３の成形前の中間成形品１５の状態（図６（ａ））から、外向きフランジ部３を曲げ起こして成形下死点の状態（図６（ｄ））までを、途中段階を含めて示している。

　外向きフランジ部３の先端には張力が作用し、板厚が減少する。一方、コーナーフランジ部３ｂの接続部３５（図４参照）には大きな圧縮力が作用する。そのため、その圧縮力により板厚が増加して、成形下死点における最大板厚増加率が４７％にもなって、しわや折れ込みが発生する（図６（ｄ）参照）。ここで、板厚増加率とは、該当する部位における板厚とブランクである金属板の板厚との差を求めて、ブランクである金属板の板厚との比を算出したものである。

　図７は、従来のプレス成形において、しわや折れ込みが発生する過程をさらに詳しく検討し、検討結果を模式的に示した図である。図７は、図５に示すプレス成形品１の稜線部９に沿い矢印Ａの方向に切断した切断面について、成形途中（３８ｍｍｕｐ）（図７（ａ））から成形下死点近傍（４ｍｍｕｐ）（図７（ｅ））に至るまでの、パンチ１９、ダイ２０、下パッド２１、金属板２３の状態を示している。なお、［３０ｍｍｕｐ］等の数値は、当該位置におけるダイ２０の成形下死点までの板厚を考慮したプレス成形方向の距離である。したがって、例えば「３０ｍｍｕｐ」のときのダイ２０の位置はプレス下死点よりプレス成形逆方向に＋３０ｍｍとなる。

　図７に示すように、［３８ｍｍｕｐ］で金属板２３の端部である外向きフランジ相当部１７がパンチ１９に接触し始め、［３０ｍｍｕｐ］で金属板２３の外向きフランジ相当部１７がダイ２０方向に曲げ変形を受ける。その後、［２４ｍｍｕｐ］で外向きフランジ相当部１７におけるダイ２０から離れた位置が屈曲し、先端部がダイ２０側に近づくように、折れ畳まれる。さらに、成形が進むと、［１０ｍｍｕｐ］で下パッド２１とパンチ１９の成形面との間に折れ込みが発生し、［４ｍｍｕｐ］まで成形が進んでも折れ込みはそのまま残り、成形下死点でしわが発生したり折れ込みが残留したりする。

　このような成形形態となるのは、稜線部９の延長であるコーナーフランジ相当部１７ｂは稜線部９が通っていて曲げに対する剛性が高いためダイ２０に沿って巻き付かず、ダイ２０から離れた位置で折れ込まれること（図７（ｃ）参照）が一因である。また、本例においては、縦壁フランジ部３ｃ（図６参照）がプレス成形品１の天板部５の面に対して直角ではなく、内方に傾斜している。そのため、プレス成形の初期において、パンチ１９のフランジ成形部とダイ２０のフランジ成形部との間に大きな隙間が生じるためである。

　コーナーフランジ相当部１７ｂの接続部３５の折れ込み防止対策を考えるに際して、本発明者は、図７の［３０ｍｍｕｐ］から［２４ｍｍｕｐ］における金属板２３の変形に着目した。このような変形が生ずるのは、金属板２３端部が自由変形することで折れ込みに至ったので、これを防止するには金属板２３端部の自由変形を拘束することが考えられる。しかし、コーナーフランジ相当部１７ｂをコーナーフランジ部３ｂへ成形する必要があるため、金属板２３の端部を金型により完全に拘束することは、困難である。そこで、金属板２３の外向きフランジ部３の根元に相当する部位を、プレス成形初期においてダイ２０に巻き付かせることができれば、前述した折れ込みを防止できるとの発想に至った。本発明はかかる発想に基づくものであり、具体的には以下に示すものである。

　図１（ａ）に一例を示すように、中間成形品２４における外向きフランジ相当部２５（天板フランジ相当部２５ａ、コーナーフランジ相当部２５ｂ及び縦壁フランジ相当部２５ｃ）の根元部には、外側に膨らむ段差である段差形状部２７を設けている。そして、このような中間成形品２４においては、外向きフランジ相当部２５を外向きフランジ部３（天板フランジ部３ａ、コーナーフランジ部３ｂ及び縦壁フランジ部３ｃ）に成形して目標形状とする。このような中間成形品２４においては、段差形状部２７を設けることで、プレス成形初期にダイ２０に巻き付きやすくなり、前述の折れ込みを防止できる。

　図２（ａ）～図２（ｄ）は、中間成形品２４の目標形状へのプレス成形過程をＦＥＭ解析した結果を示す図である。図２（ａ）は、段差形状部２７を形成した中間成形品２４（フランジ成形前）を示している。図２（ｂ）～図２（ｄ）は、フランジ部の成形過程を示している。

　外向きフランジ部３の先端には張力が作用し、板厚が減少する。また、稜線部９とコーナーフランジ部３ｂとの接続部３３（図１（ｂ）参照）に圧縮力が作用して板厚が増加する。一方、成形下死点における最大板厚増加率は２８％であって、従来例を示した図６（ｄ）の最大板厚増加率４７％に比較して著しく低減し、しわを防止できることがわかる。この最大板厚増加率が低減する理由の一つとして、本発明では、図２（ｃ）に示す［１０ｍｍｕｐ］において、従来の図６（ｃ）に示す［１０ｍｍｕｐ］に比べて、稜線部９とコーナーフランジ相当部２５ｂとの接続部３１（図１（ａ）参照）の板厚増加部位が分散されることが挙げられる。

　図３は、本発明のプレス成形における、中間成形品２４を目標形状に成形する成形過程を、模式的に示した図である。図３は、図１に示すように、稜線部９に沿い矢印Ａの方向に切断した切断面について、［３８ｍｍｕｐ］から［４ｍｍｕｐ］に至る過程でのパンチ１９、ダイ２０、下パッド２１、金属板２３の状態を示している。

　図３に示されるように、［３８ｍｍｕｐ］から［３０ｍｍｕｐ］において、稜線部９とコーナーフランジ相当部２５ｂとの接続部３１は、段差形状部２７が形成されているため、ダイ２０に巻き付くようになる。続いて、［３０ｍｍｕｐ］では外向きフランジ相当部２５がパンチ１９に接触し始めて、［２４ｍｍｕｐ］で金属板２３の先端がダイ２０側に曲げられる。その際、外向きフランジ相当部２５の先端は、段差形状部２７が形成されていることにより、ダイ２０側に近づくことがない。そのため、稜線部９とコーナーフランジ相当部２５ｂとの接続部３１（図１（ａ）参照）が鋭角に折れ曲がることがない。この点、従来例を示した図７の［２４ｍｍｕｐ］では、外向きフランジ相当部２５の先端が、ダイ２０側に近づき、稜線部９とコーナーフランジ部３ｂとの接続部３５（図４参照）が鋭角に折れ曲がっている。

　さらに、プレス成形が進むと、［１０ｍｍｕｐ］では外向きフランジ相当部２５はダイ２０とパンチ１９の隙間で折れ畳まれることなく成形される。その後、［４ｍｍｕｐ］まで成形が進んで、成形下死点で外向きフランジ部３となり、稜線部９とコーナーフランジ部３ｂとの接続部３３（図１（ｂ）参照）がしわとはならない。このように、本実施形態においては、段差形状部２７を設けたことにより、成形初期において稜線部９とコーナーフランジ相当部２５ｂとの接続部３１がダイ２０に巻き付くようになる。その結果、接続部が下パッド２１とパンチ１９の隙間に入り込んで折れ畳まれるようなことがなく、しわ発生が防止されたのである。

　なお、中間成形工程において成形される段差形状部２７は、天板部５と縦壁部７と稜線部９の成形と同時にプレス成形することができる。一工程で成形することで、製造が効率的となる。あるいは、天板部５と縦壁部７と稜線部９を成形した後で、段差形状部２７をプレス成形するようにしてもよい。

　また、外向きフランジ部３を成形する目標形状成形工程においては、特許文献２で開示されているように、最初に天板フランジ相当部２５ａ及び縦壁フランジ相当部２５ｃに対して曲げ力を入力する。そして、その後に、コーナーフランジ相当部２５ｂに曲げ力を入力するようにするのが好ましい。このようにすることで、コーナーフランジ部３ｂの先端に割れが発生するのを防止できる。

　なお、上記の説明では、天板部５の両側に縦壁部７を有し、縦壁部７の下端に水平フランジ部１３を有する稜線部９の直交断面がハット形状のものであったが、本発明はこれに限られない。すなわち、本発明は、水平フランジ部１３のない稜線部９直交断面がコ字形状のものでもよく、あるいはハット形状やコ字型のものを天板部５における稜線部９方向に半割したＺ字形状やＬ字形状のものでもよい。また、本発明の外側に膨らむ段差形状部を成形するには、曲げ成形や絞り成形がよい。段差形状部を曲げて外向きフランジ部３を成形するため、外向きフランジ部３の幅が広い場合にも成形しやすくなる。他方、特許文献３に記載のせん断成形により段差形状部を成形すると、材料の破断限界からフランジ部の幅に制約が生じて好ましくない場合がある。

　本実施例では、本発明の効果を確認するために、本発明が対象としている図４に示すプレス成形品１のプレス成形解析及び実材のプレス成形を行った。ハイテン材としては、板厚１．４ｍｍの９８０ＭＰａ級鋼板を用いた。プレス成形品１は、天板部５の幅が８４ｍｍ、縦壁部７の高さが１００ｍｍ、稜線部９の長さが１８０ｍｍのハット形状のものである。外向きフランジ部３については、図１（ｂ）に定義を示す外向きフランジ幅を１６ｍｍとし、稜線部９に沿い矢印Ａの方向に切断した切断面における、根元部の板内側曲率半径Ｒを３ｍｍとした。

　また、本実施例では、上記ハイテン材のブランクモデルを用いてプレス成形した中間成形品１５（図５（ａ）参照）に対して、従来例及び発明例として外向きフランジ部３を成形するプレス成形解析を行った。従来例としては、図５及び図６に示すとおり、コーナーフランジ相当部１７ｂの根元部に段差形状部２７を設けることなく、外向きフランジ部３を成形するプレス成形解析を行った。また、発明例としては、中間成形品２４に対して、図１（ａ）に示すとおり、コーナーフランジ相当部２５ｂの根元部に段差形状部２７を設け、外向きフランジ部３を成形するプレス成形解析を行った。また、発明例では、段差形状部２７の高さ、すなわち段差形状部２７と天板部５の高さの差を、１．０ｍｍから２．５ｍｍまで変更してプレス成形解析し、段差形状部２７の高さの影響についても比較した。なお、稜線部９とコーナーフランジ部３ｂとの接続部３３または接続部３５の板厚増加率は、該接続部の板厚からブランクモデルの板厚を基準として求めた。解析の結果を表１に示す。

　段差形状部２７を設けていない従来例であるＮｏ．１の場合は、最大板厚増加率が４７．６％と大きくなった。実プレス材では、稜線部９とコーナーフランジ部３ｂとの接続部３５に座屈（しわと折れ込み）が発生した。これに対し、段差形状部２７を設けた発明例Ｎｏ．２～Ｎｏ．５では、解析結果として、いずれも最大板厚増加率が大きく減少した。また、これらの実プレス材では、座屈が発生しなかった。なお、Ｎｏ．４の段差形状部２７の高さが２．０ｍｍの場合は、最大板厚増加率が２５％と最も低減し、従来例の４７．６％に比べてほぼ半減した。以上のように、本発明の中間成形品２４に段差形状部２７を設けることで、稜線部９とコーナーフランジ部３ｂとの接続部３３の座屈を防止できることが実証された。

　本発明は、複雑な構造の金型を用いることなく、コーナーフランジ部の接続部に座屈を発生させずに、寸法精度のよいプレス成形品を安定して製造することができるプレス成形品の製造方法を提供することができる。

１　プレス成形品
３　外向きフランジ部
３ａ　天板フランジ部
３ｂ　コーナーフランジ部
３ｃ　縦壁フランジ部
５　天板部
７　縦壁部
９　稜線部
１１　本体部
１３　水平フランジ部
１５　中間成形品（従来例）
１７　外向きフランジ相当部（従来例）
１７ａ　天板フランジ相当部（従来例）
１７ｂ　コーナーフランジ相当部（従来例）
１７ｃ　縦壁フランジ相当部（従来例）
１９　パンチ
２０　ダイ
２１　下パッド
２３　金属板
２４　中間成形品（発明例）
２５　外向きフランジ相当部（発明例）
２５ａ　天板フランジ相当部（発明例）
２５ｂ　コーナーフランジ相当部（発明例）
２５ｃ　縦壁フランジ相当部（発明例）
２７　段差形状部
３１　中間成形品の稜線部とコーナーフランジ部との接続部（発明例）
３３　プレス成形品の稜線部とコーナーフランジ部との接続部（発明例）
３５　稜線部とコーナーフランジ部との接続部（従来例）

Claims (3)

1. 　少なくとも、天板部と、稜線部を介して形成された縦壁部とを有する本体部と、該本体部の端部に前記天板部、前記稜線部及び前記縦壁部に連続して形成された外向きフランジ部を有するプレス成形品の製造方法であって、
   　天板部と、稜線部を介して形成される縦壁部を有し、前記外向きフランジ部に成形される外向きフランジ相当部の根元部に外側に膨らむ段差形状部を有する中間成形品を成形する中間成形工程と、
   　該中間成形品における前記外向きフランジ相当部を外側に曲げ起こして前記外向きフランジ部を成形して目標形状とする目標形状成形工程と、を備えたことを特徴とするプレス成形品の製造方法。
2. 　前記中間成形工程は、前記天板部、前記稜線部、前記縦壁部及び前記段差形状部を、一工程でプレス成形することを特徴とする請求項１に記載のプレス成形品の製造方法。
3. 　前記中間成形工程は、前記天板部、前記稜線部及び前記縦壁部をプレス成形した後で、前記段差形状部をプレス成形することを特徴とする請求項１に記載のプレス成形品の製造方法。

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