(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンチ、ダイおよびしわ押さえを有するプレス成形装置を用いて金属板を成形する方法であって、しわ押さえとダイの表面間に介在し、ポンチの行程と連動して移動可能に配置されたスペーサーを用いて、ポンチの行程が成形開始後下死点までの全成形行程の少なくとも８０％に達するまでは金属板にしわ押さえ力を作用させず、８０％を超えて９５％に達するまでの間でしわ押さえを開始し、少なくとも９５％以上、下死点までの間は金属板にしわ押さえ力を付加して成形することを特徴とするプレス成形方法。
【請求項２】
ポンチの行程が成形開始後下死点までの全成形行程の少なくとも８０％に達するまでは、ダイの表面としわ押さえ面との間隔Ｈを下記式(1)で求められる範囲内に保持することを特徴とする請求項１に記載のプレス成形方法。
ｔ＜Ｈ≦ｔ＋３ｍｍ・・・(1)
ただし、Ｈ：ダイの表面としわ押さえ面との間隔（ｍｍ）、ｔ：金属板の厚さ（ｍｍ）。
【請求項３】
ポンチ、ダイおよびしわ押さえを有する金属板のプレス成形装置であって、ダイの表面としわ押さえ面の間隔をプレス行程の初期には任意の値に保持でき、かつ、プレス行程の末期にはしわ押さえ板が金属板にしわ押さえ力を付加するのを妨げない位置に退避できるスペーサーが、しわ押さえとダイの表面間に介在してポンチ行程と連動して移動可能に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の成形方法に用いるプレス成形装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、金属板を金型を用いて所定の形状・寸法に成形するプレス成形方法およびプレス成形装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属板をプレス成形して様々な形状・寸法の製品を製造する際に、金型から成形品を取り出すと、金型内に拘束されていた状態とは異なった形状に変化し、形状不良が発生することは、形状凍結不良としてよく知られている現象である。この形状凍結不良は、主として成形時に素材内に発生する残留応力の板厚方向での分布が不均一であることによるものである。
【０００３】
形状不良の例として、スプリングバック（角度不良）、壁反り、細長い成形品で生じやすいねじれ、ポンチ底面の形状凍結不良などがある。これらの形状不良は、最終製品の外観形状を著しく損なうばかりでなく、成形後における組み立て作業に置いて溶接不良の原因になる。このため、プレス成形時の形状凍結性の改善方法が重要視されている。
【０００４】
形状不良を防止する方法として、金属板の材料特性面からの対策としては、弾性変形量が減少できる低降伏点材や高ヤング率材の適用が効果的であるとされている。しかしながら、近年は、特に自動車を中心にして、製品の軽量化や強度向上のために高強度材料の使用ニーズが増しており、形状凍結不良問題が高強度材料の適用拡大を制約する要因にもなっている。また、軽量化のためにアルミ合金板などの適用も検討されるが、この場合にも、ヤング率が低いために弾性回復量が大きく形状不良が発生しやすい。以上述べたように材料面からの改善には限界がある。
【０００５】
形状凍結性を改善する成形方法としては、予測される角度変化代を含めてオーバーベンディングして成形する方法や、リストライク工程を追加して形状不良を矯正する方法がある。しかしこれらの方法では、工程が増し、設備コストや生産性に大きな問題がある。また、板厚内部の応力分布を均一化するために、成形行程中に側壁部に引張り力を付加して成形する方法もあるが、高強度材料や延性が劣る材料ではプレス成形時に側壁部で破断するおそれが増すのでこの方法は適用が難しい。
【０００６】
特開平１−２３３０１９号公報には、高エネルギービームを残留応力発生部位に照射し、残留応力を解消することで所定の形状・寸法を有する製品を得る方法が開示されている。しかし、この方法では、高エネルギービーム発生装置やビームの照射作業が必要であり、設備コストが高く簡便には適用できない。
【０００７】
特開平２−３７９２２号公報には、プレス成形行程の初期のしわ押え力を低くし、成形行程の後期にしわ押さえ力を急増させてプレス成形品のしわなどを防止する方法が開示されている。しかしこの方法では、しわ押さえ力を成形行程中に制御するための複雑な制御システムが必要であり、簡便には適用できないのが問題である。
【０００８】
特開平７−２５１２２１号公報には、ポンチとダイとの間のクリアランスを素材の厚さよりも小さくし、さらにダイ肩近傍に設定した凹部溝により曲げ曲げ戻し変形を付与して残留応力を分散し、所定の形状・寸法を有する製品を得る曲げ成形方法が開示されている。しかしながらこの方法においては、製品側壁部はしごき加工されて板厚が減少するため底部との厚さが不均一になるうえ、側壁部上端部には曲げ曲げ戻しされた部分が残存するため、適用できる製品形状が制約される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、金属板をプレス加工する際に生じる形状不良を、安価、簡便、かつ生産性良く防止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にある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記（１）および（２）に記載のプレス成形方法および（３）に記載のプレス成形装置にある。
【００１１】
（１）ポンチ、ダイおよびしわ押さえを有するプレス成形装置を用いて金属板を成形する方法であって、しわ押さえとダイの表面間に介在し、ポンチの行程と連動して移動可能に配置されたスペーサーを用いて、ポンチの行程が成形開始後下死点までの全成形行程の少なくとも８０％に達するまでは金属板にしわ押さえ力を作用させず、８０％を超えて９５％に達するまでの間でしわ押さえを開始し、少なくとも９５％以上、下死点までの間は金属板にしわ押さえ力を付加して成形することを特徴とするプレス成形方法。
【００１２】
（２）ポンチの行程が成形開始後下死点までの全成形行程の少なくとも８０％に達するまでは、ダイの表面としわ押さえ面との間隔Ｈを下記式(1)で求められる範囲内に保持することを特徴とする上記（１）に記載のプレス成形方法。
【００１３】
ｔ＜Ｈ≦ｔ＋３ｍｍ・・・(1)
ただし、Ｈ：ダイの表面としわ押さえ面との間隔（ｍｍ）、ｔ：金属板の厚さ（ｍｍ）。
【００１４】
（３）ポンチ、ダイおよびしわ押さえを有する金属板のプレス成形装置であって、ダイの表面としわ押さえ面の間隔をプレス行程の初期には任意の値に保持でき、かつ、プレス行程の末期にはしわ押さえ板が金属板にしわ押さえ力を付加するのを妨げない位置に退避できるスペーサーが、しわ押さえとダイの表面間に介在し、ポンチ行程と連動して移動可能に配設されていることを特徴とする上記（１）に記載の成形方法に用いるプレス成形装置。
【００１５】
プレス成形において、金属板はダイ肩部で曲げられた後、ポンチとダイとの間に引き込まれて曲げ戻し変形を受ける。この時に生じる残留応力の板厚方向の分布が不均一になると、成形品を金型から取り出したときに、応力がバランスする方向に変形して形状不良が発生する。曲げ戻しを受けた後に、板厚方向の残留応力が均一になれば形状不良は生じない。曲げ戻しを受けた側壁部に引張り応力を付加して残留応力を均一にすることができれば形状凍結性は向上する。しかし、従来のプレス成形方法のように成形行程初期から引張り力を付加する方法では、破断を防止するために付加できる引張り力が低く制限されるので、十分な効果が得られない。
【００１６】
本発明者等は、このような成形途中の金属板の変形挙動を詳細に調査した結果、成形初期にしわ押さえ力を作用させないで成形することにより、成形後期に従来以上に強力なしわ押さえ力を付加して側壁部に従来以上に強力な引張り力を作用させても、側壁部が破断することなく成形できることを知見した。この方法によれば成形行程の末期に従来以上の強力な引張り力を側壁部やポンチ肩アール部に作用させることが可能となり、成形品の形状凍結性を飛躍的に向上させることができる。
【００１７】
しわ押さえ力を従来以上のレベルに高めても破断しない理由は定かではないが、以下のように推測される。従来のように、成形行程初期からしわ押さえ力を付加する方法では、金属板はダイ肩アール部に強く押しつけられて摺動し、引張曲げ変形を受ける。このため、形成される側壁部には多量の残留応力が発生し、側壁部の塑性変形能力が損なわれる。しわ押さえ力を作用させないで成形すると、側壁部は単純曲げに近い応力状態でダイ内に引き込まれ、ダイ肩アール部での摺動も軽度であり、その塑性変形能力はさほど阻害されない。このために、成形行程末期にしわ押さえ力を従来の限界以上に高めても破断しないで成形できるものと推測される。
【００１８】
本発明はこれらの知見を基にして完成されたものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の内容を詳細に説明する。
【００２０】
複動プレスに本発明の方法を適用する場合を例として、本発明のプレス成形方法を詳細に説明する。
【００２１】
図１は、複動プレスに本発明の方法を適用する方法の例を示す概念図である。図１（ａ）は成形開始前、図１（ｂ）はポンチが下死点に達した状態を表す。
【００２２】
この例においては、成形開始前から、成形行程の９５％以降で付加されるのと同じ大きさのしわ押さえ力がしわ押さえ４には付加されているが、しわ押さえとダイの表面間にスペーサー５が介在しているので、金属板１にこのしわ押さえ力が作用することはない。ポンチ２が下降し、ダイ３の表面から下死点までの全成形行程（以下、「Ｓ」で表す）の少なくとも８０％に達するまでは、金属板１にはしわ押さえ力を付加しないで成形する。この、しわ押さえ力を金属板に付加しないで成形する行程区間を、以下では単に「自由成形行程」と記す。成形行程が８０％を超えるとスペーサー５が移動し始めてしわ押さえ４が下降し始め、金属板１にしわ押さえ力が付加され始める。ポンチ２の行程が全成形行程の少なくとも９５％に達する以前に、スペーサー５がしわ押さえ４を保持しなくなる位置まで移動し、しわ押さえ４に付加されている所定のしわ押さえ力が金属板１のフランジ部に作用する。そのしわ押さえ力は、ポンチ２が下死点に達するまで維持される。しわ押さえ力を金属板１に付加して成形する行程区間を、以下では単に「しわ押さえ成形行程」と記す。
【００２３】
ダイ３の表面としわ押さえ４間の距離（Ｈ、単位：ｍｍ）は、自由成形行程においては、金属板１にしわ押さえ力を作用させないために、金属板の厚さｔ（ｍｍ）に対して、Ｈ＞ｔの関係を満たす必要がある。Ｈの上限は任意であるが、Ｈを過度に大きくすると、成形開始後に金属板１のフランジ部分の跳ね上がりが大きくなり、成形行程末期でしわ押さえ力を付加しにくくなる。また、跳ね上がりが大きい状態から急激にしわ押さえ力を付加すると、ダイ肩アール部（Ｒｄ  部）で金属板１にショックマークがつくおそれがある。また、Ｈを過度に大きくすると、しわ押さえ４を迅速に金属板１に押しつけるのが困難になることがある。このため、Ｈは、ｔ（ｍｍ）＋３ｍｍ以下とするのがよい。即ち、自由成形行程中のダイの表面としわ押さえ面との間隔Ｈは、下記▲１▼式を満たす範囲とするのが好ましい。
【００２４】
ｔ＜Ｈ≦ｔ＋３ｍｍ・・・(1)
Ｈの上限値は、金属板１の特性や成形条件に依存するところが大きく、強度の高い金属板や成形速度の速いプレス機による成形の場合は、Ｈの上限を、ｔ＋０．５ｍｍ以下とすればなお好ましい。
【００２５】
成形行程の初期からしわ押さえ力を付加して成形すると、付加できるしわ押さえ力が低く制限されるため、形状凍結効果が不十分となる。従って、自由成形行程からしわ押さえ成形行程に移行するタイミングは成形行程の末期がよく、ポンチが全行程の少なくとも８０％に達するまでは自由成形行程とするのが好ましい。他方、しわ押さえ成形行程が短すぎると、金属板の側壁部やポンチ肩部に十分な引張り力が付加されないので、ポンチが全行程の少なくとも９５％に達した時以降は、しわ押さえ行程とするのがよい。
【００２６】
自由成形行程時にしわ押さえ４の位置を所定位置に保持する方法は、しわ押さえ４の接近を阻止する金属製のスペーサー５を用いるのが、確実かつ簡便であるので好ましい。また、図１では成形開始前からしわ押さえ力がしわ押さえ４に付加された例を示したが、しわ押さえ４にしわ押さえ力を付加する時期は上記の例に限定されることはなく、自由成形行程が終了するまでに所定の大きさのしわ押さえ力がしわ押さえ４に付加されればよい。
【００２７】
図２に、図１（ａ）のＡ部を拡大し、スペーサー５の動きを説明する。図２で、ダイ３にはスペーサー５とバネ６が収容されている凹状の溝８が設けられており、その底面８ｂは、スペーサー５が滑動できる斜面になっている。スペーサー５は、自由成形行程時には、バネ６の作用を受けて、溝の側壁８ａに押し付けられている。スペーサー５の頂部の高さは、溝の側壁８ａに押し付けられた状態で、Ｈが式(1)を満たす高さに調整される。スペーサー５にはポンチ２に機械的に連結され、ポンチの行程に連動してスペーサー５を右方向に押す押し棒７が連接されており、この押し棒７からの力を受けてスペーサー５が右方向に移動して、スペーサーの高さを低くする。
【００２８】
図３に、図１（ｂ）のＢ部を拡大して示す。ポンチ５が下死点手前の少なくとも全行程の８０％の位置を超えたときに、押し棒７からの力を受けてスペーサー５が右方向に移動し始め、その高さを減じ、しわ押さえ４が金属板１に接してしわ押さえ力を付加する。成形が終了してポンチ２が上昇すると、押し棒７からの押しつけ力が無くなり、スペーサー５はバネ６の力を受けて溝の側壁８ａに押し戻される。
【００２９】
上述の方法は、スペーサー５の高さを変更する方法に関する１例を示したもので、スペーサーの高さを調節する方法はこれに限定されることはない。例えば、上述の方法はダイ３の表面に平行にスペーサー５が移動する方法であるが、ダイ３の表面に垂直に移動させてその高さを変更する方法でも構わない。また、金型の外部からダイ３としわ押さえ４の間に所定の厚さを有する金属片などのブロックを出し入れさせる方法でも構わない。
【００３０】
スペーサー５を移動させる力は、上述したようなポンチに機械的に連結されて作用する押し棒やバネの力を利用するのに限定されることはなく、例えば、油圧、空圧等の圧力機器や、高速応答性のある電動機などを用いても構わない。しかし、上記したように、バネや、カム、コロその他ポンチの行程に関連して作動できる機械的なリンク機構等を利用するのが構造が簡単で保守も容易であり経済性に優れる。
【００３１】
図１では複動プレス機を想定した成形装置を例として述べたが、本発明の方法または装置はこれに限定される必要はなく、単動プレスでも採用が可能である。単動プレス機においてもダイクッション装置やあるいは金型外部からの機構などによりスペーサーの高さを調節する装置を付設すれば、同様の効果が得られる。スペーサーの平面形状、寸法は特に限定するものではなく、しわ押さえの位置を保持できるものが、金属板と干渉しない位置に設けられればよい。スペーサーの材質は任意であるが、耐摩耗性に優れた鋼を用いるのがよい。しわ押さえと接するスペーサーの面は平面がよい。このスペーサーは、成形される金属板の動きの障害にならないようにダイの周辺部に配設するのがよい。
【００３２】
【実施例】
（実施例１）
図１に、本発明のプレス成形装置を複動プレスに設けた場合の例を示す。図１（ａ）は成形開始前の状態を示し、図１（ｂ）はポンンチが下死点に達したときの状態を表す。ポンチ２の幅Ｄｐ  ：１００ｍｍ、長さ（図１で紙面に垂直な方向）：３００ｍｍ、肩半径Ｒｐ  ：５ｍｍ、ダイ３の肩半径Ｒｄ  ：５ｍｍ、ダイとポンチ２間のクリアランス：１３ｍｍ／片側である。ダイ３には、図２に示すように、ダイ３の表面からの最大深さ２０ｍｍ、幅：４０ｍｍの凹状の溝８がポンチを挟んだダイ３の両端部に設けられている。溝８の中には台形断面の鋼製のスペーサー５と、これを溝の側壁８ａに押しつけるバネ６が備えられている。スペーサー５には、ポンチヘッドから、棒鋼とカム機構（いずれも図示せず）で駆動される押し棒７を連結した。この押し棒７は、ポンチが下死点手前１０ｍｍ以降下死点までの間は、スペーサー５を左方に押しつける。
【００３３】
ダイの表面としわ押さえ面間の距離Ｈは、スペーサー５が溝側壁８ａに押しつけられたときに、１．５ｍｍになるようスペーサーの大きさを選定した。このプレス装置を用いて、表１に示す厚さ：１．２ｍｍ、幅：１５０ｍｍ、長さ：３００ｍｍで、抗張力が４４０ＭＰａ級と５９０ＭＰａ級の２種類の高張力鋼板（Ａ、Ｂ）を、成形深さが７０ｍｍのハット型断面の成形品に成形した。この場合の全成形行程Ｓは７０ｍｍである。
【００３４】
【表１】
0003622469.tif 000002
【００３５】
成形条件は、ポンチが下死点手前１０ｍｍ（全成形行程の８５．７％）に達するまではしわ押さえ力を付加せず、下死点手前１０ｍｍ以降は、従来の平均的なレベルである３００ｋＮと、従来であれば鋼板が破断するので採用できないレベルである５８８ｋＮのしわ押さえ力を付加した。
【００３６】
（比較例１）
図１において、スペーサ５を配設しないで成形初期から実施例１に記載したのと同じ強さのしわ押え力を付加して成形した以外は、実施例１と同様の条件で成形して、比較用の成形品を得た。
【００３７】
得られたこれらの成形品のスプリングバック量と壁反り量を図５に示す方法で測定した。スプリングバックは、ハット型成形品の底部から１５、４５ｍｍの２点を結ぶ直線と底部（水平面）とのなす角θ、反りは底部から１５、３０、４５ｍｍの３点を通る円弧として近似し、曲率半径ρを求めて壁反りを評価した。スプリングバック測定結果は、θが小さいほど良好であり、壁反りρが大きいほど良好である。これらの測定結果を表２に示した。
【００３８】
【表２】
0003622469.tif 000003
【００３９】
本発明に規定する方法で成形すると、しわ押さえ力を５８８ｋＮに高めても成形が可能であり、試番３または試番７の測定結果に示されているように、その寸法形状は極めて良好であった。しわ押さえ力を従来並の３００ｋＮとしてプレス成形した試番１または試番５でも、比較例である試番２または試番６に較べると寸法形状は良好であった。これに対し、成形開始直後からしわ押さえ力を作用させて成形した比較例では、しわ押さえ力を３００ｋＮにすると製品の形状精度がよくなく、しわ押さえ力を５８８ｋＮにした試番４および試番８では鋼板が破断して成形できなかった。
【００４０】
上記実施例より明らかなように、プレス成形方法によらず本発明の成形装置を適用することで従来技術では解決できない高降伏点材を含む金属板を金型を用いて所定の形状・寸法の製品を得ることが可能である。
【００４１】
（実施例２）
図４に、本発明のプレス成形装置を単動プレスに設けた場合の、本発明の実施に関連する部位を示す。図４（ａ）は成形開始前の状態を表し、ポンチ２ｂは下部の基板に固定されている。しわ押さえ４ｂは、しわ押さえ用のバネ６ｃから力を受け上下方向に可動になっている。しわ押さえ力はこのバネ６ｃの強度を調整することで変更できる。上部に配置されているダイ３ｂには、スペーサー収納用の溝が設けられており、ここにはバネ６ｂとスペーサー５ｂが収納されている。このバネ６ｂはしわ押さえ用のバネ６ｃよりも強力なバネである。ペーサー５ｂは最も飛び出した状態で、ダイ３ｂの表面としわ押さえ４ｂとの間隔Ｈが、式▲１▼の範囲になるように高さが調整できるようになっている。
【００４２】
下部基板には、丸棒鋼製のカウンターピン９が設けられている。また、しわ押さえ４ｂには、カウンターピン９を通せる通路が設けてある。ダイ３ｂが全成形行程の９０％まで下降したときに、カウンターピン９はスペーサー５ｂに接触し、ダイ３ｂがさらに下降すると、図４（ｂ）に示すように、スペーサー５ｂが収納部に押し込まれる。図４（ｃ）に、図４（ｂ）のＡ−Ａ断面を示す。図４（ｃ）に示すように、カウンターピン９はダイの幅方向に３本設けた。
【００４３】
このプレス装置のしわ押さえ４ｂ上に鋼板１ｂを配置し、ダイ３ｂを下降させた。ダイ３ｂの溝部に設けられたスペーサー５ｂがしわ押さえ４ｂを下方に押し下げ、ダイの表面としわ押さえ面との間隔を板厚よりも大きい値に保ちつつ、鋼板にしわ押さえ力を作用せることなく鋼板１をハット型に成形した。図４（ｂ）に、ダイ３ｂが、全成形行程の９０％に達したときの状態を示す。図４（ｂ）に示すように、ダイがこの位置まで下降すると、カウンターピンがスペーサーを押し上げ、それ以降は鋼板はしわ押さえ力を付加された状態で成形された。
【００４４】
以上述べたように、本発明の装置は、成形初期にはしわ押さえを作用させず、下死点近傍でしわ押さえ力を作用させる機能を有し、構造が簡単で、安価に、かつ、容易に実施できることが確認された。
【００４５】
【発明の効果】
本発明の方法によれば、金属板をプレス加工する際に生じる形状不良を、安価、簡便、かつ生産性良く防止できる。強度が高い金属板にも適用が可能である。また、本発明の形状凍結性に優れたプレス成形装置は、従来のプレス成形用金型を活用して、極めて簡単な構造で、安価に、かつ、容易に得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる装置例を備えた複動プレスの概念図。
【図２】本発明に係わる装置例における、自由成形行程での部分拡大図。
【図３】本発明に係わる装置例における、しわ押さえ成形行程での部分拡大図。
【図４】本発明に係わる装置例を備えた単動プレスの概念図。
【図５】寸法精度の測定方法を説明する図。
【符号の説明】
１・・・金属板、２・・・ポンチ、３・・・ダイ、４・・・しわ押さえ、５・・・スペーサー、６・・・バネ、７・・・押し棒、８・・・溝、９・・・クッションピン。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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