JP6361902B2 - プレス成形方法およびプレス成形部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車用フレーム部品等の複雑形状部品に高強度材を適用するに際し、その部品を複数工程でプレス加工する場合の、最終部品形状に至る前の前工程の部品形状を設定し、その前工程の部品形状を用いてプレス成形するプレス成形方法およびそれを用いたプレス成形部品の製造方法に関するものである。

近年、自動車分野では、環境問題への対応上の燃費向上のための軽量化、あるいは衝突安全性能向上といった観点から、高強度材の使用が増加している。一方で、高強度材は延性の低下から、プレス成形時に割れが発生し易いため、延性の良好な材料の開発や、プレス加工時の対策技術開発が進められている。

割れ対策技術の１つとして、熱間プレスが挙げられる（特許文献１参照）。この技術は鋼板を加熱し、軟化した状態でプレス加工を行うことで、成形時の成形性を向上させ、その後に金型冷却による焼き入れで強化するものである。

また、１工程でプレス加工すると割れが発生する複雑形状部品に対し、複数工程でプレス加工することで、ひずみを分散させて割れ発生を抑制する技術も提案されている（特許文献２および３参照）。

特表２０１４−５２０９６１号公報 特許５６１４５１４号公報 国際公開２０１４／１０６９３２号公報

しかしながら、熱間プレスは専用設備が必要であり、また生産スピードが遅く、コスト面や生産性に課題がある。一方、複数工程化による成形性向上は、最終部品形状に至る前の前工程の部品形状の設定については技術者の経験によるところが大きく、前工程の形状設定手法は確立されておらず、形状設定に関して効率化が図られているとは言いがたい。

それゆえ本発明は、前記課題に対して、前工程の形状設定手法を確立し、効率よく前工程の部品形状を設定するとともに、最終工程のプレス加工を単純化することで、複雑形状部品を割れ発生なくプレス加工する方法を提供することを目的とする。

上記課題を有利に解決する本発明のプレス成形方法は、絞り形状を持つプレス成形部品の最終部品形状を展開する途中で得られる展開途中形状から前工程のプレス成形品形状を設定し、
前記設定した前工程のプレス成形品形状に、前工程のプレス成形品をプレス成形し、
次いで、その前工程のプレス成形品の一部分を前記最終部品形状にプレス成形し、
その後、残りの部分を前記最終部品形状にプレス成形することを特徴とするものである。

なお、本発明のプレス成形方法においては、前記絞り形状としてハット形断面形状を持つプレス成形部品の最終部品形状のフランジ部分を部品外側方向に開く途中で得られる展開途中形状から前工程のプレス成形品形状を設定することとすると好ましい。

そして、本発明のプレス成形部品の製造方法は、前述した本発明のプレス成形方法で、前記設定した前工程のプレス成形品形状に、前工程のプレス成形品をプレス成形し、
前記前工程のプレス成形品を、前記最終部品形状にプレス成形することを特徴とするものである。

複雑形状部品を１工程で成形する場合は、特に高強度材は延性が低下するため、ひずみが集中することで割れ発生に至ることが多く、このため複数工程化により、ひずみを分散させ、成形性を向上させることが従来から試みられている。材料が伸ばされることで割れが発生するため、本発明では、前工程形状から最終部品形状に成形する際に、断面線長の変化が実質的に生じないように形状を設定する。つまり、最終部品形状を展開する途中で得られる展開途中形状から前工程形状を設定することで、最終部品形状と全ての断面線長が実質的に同じ前工程のプレス成形品形状を設定する。

この設定した前工程のプレス成形品形状は、最終部品形状を展開する過程で得られる形状に基づくものであるため、一部分をプレス加工し、断面形状を閉じて最終形状にすることで、前工程のプレス成形品形状の全体が最終部品形状に向けて成形されていくので、最終工程のプレス加工を単純化することが可能となる。

すなわち、本発明は、複雑部品形状をプレス加工するに際し、複数工程化することで成形性を向上させる技術において、前工程のプレス成形品形状を、最終部品形状を展開する過程で得られる形状から設定するものであり、これにより、割れの発生しにくい前工程のプレス成形品形状を効率よく設定することが可能となる。

また本発明は、前工程のプレス成形品形状と最終部品形状との間で断面線長に実質的な変化がないので、前工程のプレス成形品形状の一部分を閉じるという単純なプレス加工を用いることで、割れ発生の懸念なく前工程のプレス成形品形状から最終部品形状へ近づけるプレス成形が可能となる。

（ａ），（ｂ）および（ｃ）は、本発明のプレス成形方法の一実施形態およびそれを用いた本発明のプレス成形部品の製造方法の一実施形態におけるプレス成形前のブランク形状、前工程プレス成形品形状および最終部品形状をそれぞれ略線で示す部品の背面側斜め側方から見た斜視図である。 （ａ）および（ｂ）は、上記実施形態のプレス成形方法でプレス成形する最終部品形状を示す側面図および部品の正面側斜め側方から見た斜視図である。 （ａ）および（ｂ）は、最終部品形状を示す側面図およびその直線状部の断面形状を示す断面図であり、（ｃ）および（ｄ）は、上記最終部品形状を展開する途中の展開途中形状から設定した前工程のプレス成形品形状を示す側面図およびその直線状部の断面形状を示す断面図である。 上記展開途中形状から設定した前工程のプレス成形品形状を平面視で矩形状のブランクから絞り成形する絞り成形型の構造を示す分解斜視図である。 ブランクから１工程で成形した場合の最終部品形状の特に板厚減少率の大きい部分と小さい部分を示す、部品の背面側斜め側方から見た斜視図である。 上記前工程のプレス成形品の直線状部を最終部品形状にフォーム成形する予備工程のプレス成形型の構造を示す分解斜視図である。 （ａ）は、前工程のプレス成形品形状と予備工程のプレス成形品形状と最終部品形状とを重ね合わせて示す側面図であり、（ｂ），（ｃ）および（ｄ）は、（ａ）中のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線およびＣ−Ｃ線にそれぞれ沿う断面図である。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づく実施例によって詳細に説明する。ここに、図１（ａ），図１（ｂ）および図１（ｃ）は、本発明のプレス成形方法の一実施形態およびそれを用いた本発明のプレス成形部品の製造方法の一実施形態におけるプレス成形前のブランク形状、前工程プレス成形品形状および最終部品形状をそれぞれ略線で示す部品の背面側斜め側方から見た斜視図である。

この実施形態のプレス成形方法およびそれを用いたこの実施形態のプレス成形部品の製造方法では、高強度材としての高張力鋼板で、従来は割れが生じやすかった複雑形状部品としての例えばハット形断面形状の自動車用フレーム部品の絞り成形を行う際の、割れ発生頻度を削減して歩留まりを向上させることを目的とし、この目的のため、図1（ａ）〜（ｃ）に示すように、平面視で矩形状の平板状ブランク１から前工程のプレス成形品２を絞り成形し、この前工程のプレス成形品２から最終部品３をプレス成形する。

図２（ａ）および図２（ｂ）は、上記実施形態のプレス成形方法およびプレス成形部品の製造方法でプレス成形する最終部品形状（理解を容易にするため最終部品と同一符号にて示す）３を示す側面図および部品の正面側斜め側方から見た斜視図である。この最終部品形状３は、直線状部３ａと、その直線状部３ａに繋がるとともに開口側に湾曲した湾曲部３ｂと、その湾曲部３ｂに繋がるとともに直線状部３ａに対して起き上がった起き上がり部３ｃと、開口の両脇に位置するフランジ部３ｄとを有して、概ね全長に亘ってハット形の断面形状をなしており、その直線状部３ａと起き上がり部３ｃとのなす角は、例えば概略１４０°となっている。

図３（ａ）および図３（ｂ）は、最終部品形状３を示す側面図およびその直線状部分の断面形状を示す断面図、また図３（ｃ）および図３（ｄ）は、上記最終部品形状３を展開する途中の展開途中形状から設定した前工程のプレス成形部品形状を示す側面図およびその直線状部分の断面形状を示す断面図であり、図３（ａ），（ｂ）に示す最終部品形状３をプレス成形するに際し、この実施形態のプレス成形方法では、この最終部品形状３のフランジ部３ｄを部品外側方向（図３（ｂ）では左右方向）に展開する途中で得られる展開途中形状からブランクの形状等を考慮して、図３（ｃ），（ｄ）に示す前工程のプレス成形品形状２を設定する。

この前工程のプレス成形品形状（理解を容易にするため前工程のプレス成形品と同一符号にて示す）２も、直線状部２ａと、その直線状部２ａに繋がるとともに開口側に湾曲した湾曲部２ｂと、その湾曲部２ｂに繋がるとともに直線状部２ａに対して起き上がった起き上がり部２ｃと、開口の両脇に位置するフランジ部２ｄとを有して、概ね全長に亘って浅いハット形の断面形状をなしており、その直線状部２ａと起き上がり部２ｃとのなす角は、例えば概略１３０°としている。なお、最終部品形状３では底部と側壁部とのなす角が例えば概略９０°であるのに対し、前工程のプレス成形品形状２では底部と側壁部とのなす角を例えば概略１３０°としている。

図４は、上記展開途中形状から設定した前工程のプレス成形品形状を平面視で矩形状のブランクから絞り成形する絞り成形型の構造を示す分解斜視図である。この絞り成形型は、平面視で矩形状のブランク１を、ダイ４とブランクホルダ５とで湾曲させて挟持しつつ、矢印Ｐ１で示すようにダイ４でパンチ６に押圧して概ね全長に亘り断面ハット形の浅い溝状をなすとともに中央部がその溝の開口方向に湾曲した前工程のプレス成形品形状２に絞り成形する。

図５は、プレス成形についてのＦＥＭ（有限要素法）解析で求めた、ブランクから１工程で成形した場合の最終部品形状３の特に板厚減少率の大きい部分と小さい部分を示す、部品の背面側斜め側方から見た斜視図であり、例えば５９０ＭＰａ級の高張力鋼板からなる厚さ２．０ｍｍの板材から絞り成形型で上記最終部品形状３を絞り成形する場合について、ブランクホルダ５のしわ押え力を７５トン、摩擦係数を０．１５に設定して事前にＦＥＭ解析を行って各部の板厚の減少程度を調べたところ、湾曲部３ｂの底部背面の領域ＴＲ１の板厚減少率が最大となり、概略２０％であり、この領域ＴＲ１では割れが発生した。また湾曲部３ｂの両側壁部とフランジ部との境界領域ＴＲ２の板厚が増加しており、その増加率が概略１７％であり、この領域ＴＲ２では皺が発生した。これに対し同じく例えば５９０ＭＰａ級の高張力鋼板からなる厚さ２．０ｍｍの板材から上記絞り成形型で上記前工程のプレス成形品形状２を絞り成形する場合について、ブランクホルダ５のしわ押え力を７５トン、摩擦係数を０．１５に設定して事前にＦＥＭ解析を行って各部の板厚の減少程度を調べたところ、湾曲部２ｂの底部背面の領域ＴＲ１の板厚減少率が最大となって概略１７％であったが、割れには至らない程度であった。

なお、ブランクのメッシュサイズは２ｍｍとした。要素はシェル要素を用いた。ＦＥＭ解析はこれも市販ＣＡＥプログラムであるエルエスダイナ（ＬＳ−ＤＹＮＡ）ｖｅｒ９７１を用いて、静的陰解法で行った。

図６は、上記前工程のプレス成形品２の直線状部２ａを最終形状に、ブランクホルダを用いずフォーム成形する予備工程のプレス成形型の構造を示す分解斜視図である。この予備工程のプレス成形型は、前工程のプレス成形品２の直線状部２ａを、開口を下向きにしてパンチ８に被せ、図示しない位置決め部材で位置決めした状態で、矢印Ｐ２で示すようにダイ７を下降させて直線状部２ａをパンチ８との間に挟んでフォーム成形し、直線状部２ａの断面形状を閉じて最終部品形状３の直線状部３ａにする。なお、予備工程のプレス成形型は、フォーム成形型に限られず、ブランクホルダでしわ押さえをするドロー成形型を用いても良い。

この予備工程のプレス成形によれば、前工程のプレス成形品２の湾曲部２ｂの両側壁部の材料が湾曲部の半径方向内方に移動することでその周方向長さが余ることから、図６中に矢印Ｌで示すように湾曲部２ｂの屈曲角度が減少して、前工程のプレス成形品形状２の全体が最終部品形状３に向けて成形されてゆき、最終部品形状３に近い後述の予備工程のプレス成形品形状（理解を容易にするため予備工程のプレス成形品と同一符号にて示す）３’となるため、最終工程のプレス加工を単純化することが可能となる。この予備工程のプレス成形についても事前にＦＥＭ解析を行って各部の板厚減少率を調べたところ、直線状部２ａと湾曲部２ｂとが繋がる部分で最大の板厚減少率が見られたが、それでも２．５％程度の減少率に留まり、割れ発生の懸念はなかった。

図７（ａ）は、前工程のプレス成形品形状２（実線で示す）と、予備工程のプレス成形品形状３’（一点鎖線で示す）と、最終部品形状３（二点鎖線で示す）とを重ね合わせて示す側面図であり、図７（ｂ），図７（ｃ）および図７（ｄ）は、図７（ａ）中のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線およびＣ−Ｃ線にそれぞれ沿う断面図である。この図７に示すように、前工程のプレス成形品形状２は、予備工程のフォーム成形で予備工程のプレス成形品形状３’となり、この予備工程のプレス成形品形状３’では、図７（ｄ）に示すように、Ｃ−Ｃ線が位置する直線状部は最終部品形状３に一致し、図７（ｃ）に示すように、Ｂ−Ｂ線が位置する湾曲部は概ね最終部品形状３に一致する。

そして図７（ａ），（ｂ）に示すように、Ａ−Ａ線が位置する起き上がり部のみは、かなり最終部品形状３に近づいているものの未だ側壁部およびフランジ部の開きが最終部品形状３よりも大きいが、この程度の形状のずれはリストライク加工で充分に修正することができる。しかもこの修正では材料の線長の変化はほとんど生じないので、新たに割れが生じる懸念もない。

従って、この実施形態のプレス成形方法およびプレス成形部品の製造方法によれば、高強度材としての高張力鋼板で、従来は割れが生じやすかった複雑形状部品としての例えばハット形断面形状の自動車用フレーム部品の絞り成形を複数工程で行う際に、前工程のプレス成形品形状２を、最終部品形状３を展開する過程で得られる形状から設定するので、割れの発生しにくい前工程のプレス成形品形状２を効率よく設定することができ、実際のプレス成形の際の歩留まりを向上させることができる。

しかもこの実施形態のプレス成形方法およびプレス成形部品の製造方法によれば、前工程のプレス成形品形状２と最終部品形状３との間で断面線長に実質的な変化がないので、前工程のプレス成形品形状２の一部分である直線状部を閉じるという単純なプレス加工を用いることで、割れ発生の懸念なく前工程のプレス成形品形状２から最終部品形状３へ近づけるプレス成形を行うことができる。

かくして本発明のプレス成形方法およびプレス成形部品の製造方法によれば、絞り形状を持つプレス成形部品の最終部品形状を展開する途中で得られる展開途中形状から前工程のプレス成形品形状を設定し、前記設定した前工程のプレス成形品形状に、前工程のプレス成形品をプレス成形するので、割れの発生しにくい前工程のプレス成形品形状を効率よく設定することが可能となり、高強度の金属板材を用いた場合でもプレス成形の際の歩留まりを向上させることができる。

１ ブランク
２ 前工程のプレス成形品（前工程のプレス成形品形状）
２ａ 直線状部
２ｂ 湾曲部
２ｃ 起き上がり部
２ｄ フランジ部
３ 最終部品（最終部品形状）
３ａ 直線状部
３ｂ 湾曲部
３ｃ 起き上がり部
３ｄ フランジ部
３’ 予備工程のプレス成形品（予備工程のプレス成形品形状）
４ ダイ
５ ブランクホルダ
６ パンチ
７ ダイ
８ パンチ

Claims (3)

1. 絞り形状を持つプレス成形部品の最終部品形状を展開する途中で得られる展開途中形状から前工程のプレス成形品形状を設定し、
   前記設定した前工程のプレス成形品形状に、前工程のプレス成形品をプレス成形し、
   次いで、その前工程のプレス成形品の一部分を前記最終部品形状にプレス成形し、
   その後、残りの部分を前記最終部品形状にプレス成形することを特徴とするプレス成形方法。
2. 前記絞り形状としてハット形断面形状を持つプレス成形部品の最終部品形状のフランジ部分を部品外側方向に開く途中で得られる展開途中形状から前工程のプレス成形品形状を設定することを特徴とする、請求項１記載のプレス成形方法。
3. 請求項１または２記載のプレス成形方法で、前記設定した前工程のプレス成形品形状に、前工程のプレス成形品をプレス成形し、前記前工程のプレス成形品を、前記最終部品形状にプレス成形することを特徴とする、プレス成形部品の製造方法。

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