(57)【要約】【目的】高張力鋼板を素材としてハット型断面部品をプレス成形する際にも、壁反りの発生やしわ，ねじれによる形状不良を抑制しながら形状精度の高い製品を製造することが可能なプレス成形方法を提供する。【構成】素材１を固定ダイ２１の凹形状開口部２４に可動パンチ３１によって押込んでハット型断面形状に曲げ加工する際、素材１の両端部にしわ押え力を付加することなく可動パンチ３１を固定ダイ２１に押込んで素材をＵ断面に曲げ加工するとともに、成形末期に、可動パンチ３１のフランジ加圧面３２に設けられたビード形成凸部３３を、固定ダイ２１の両側上面のフランジ加圧面２２に設けられたビード形成用窪み２３に押込み、ハット型断面のフランジに上向きの押込みビードを形成して張力を付与し、ハット型断面縦壁部に残存する応力を緩和して壁反りを軽減する。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
素材を固定ダイの凹形状開口部に可動パンチによって押込んでハット型断面形状に曲げ加工する際、素材の両端部にしわ押え力を付加することなく可動パンチを固定ダイに押込み、素材をＵ断面に曲げ加工するとともに、成形末期に、ハット型断面のフランジに上向きの押込みビードを形成させ、その押込みビード高さを０．８〜２．０ｍｍに設定することを特徴とする薄鋼板のプレス成形方法。
【請求項２】
可動パンチ、該可動パンチ側方に設けられたフランジ加圧面、および該フランジ加圧面に設けられたビード形成凸部を有する上金型と、開口部を備えた固定ダイ、該固定ダイ開口部内に上下動自在に設けられたクッションパット、前記固定ダイの両側上面に形成されたフランジ加圧面、および該フランジ加圧面に設けられたビード形成用窪みを有する下金型とを具備していることを特徴とする薄鋼板のプレス成形用金型装置。
【請求項３】
可動パンチ、該可動パンチ側方に設けられたフランジ加圧面、該フランジ加圧面に形成したスリット、および該スリットに嵌め込まれたビード形成押込み治具を有する上金型と、開口部を備えた固定ダイ、該固定ダイ開口部内に上下動自在に設けられたクッションパット、前記固定ダイの両側上面に形成されたフランジ加圧面、および該フランジ加圧面に設けられたビード形成用窪みを有する下金型とを具備していることを特徴とする薄鋼板のプレス成形用金型装置。
【請求項４】
クッションパッドが、下金型プレートに設けた貫通孔を貫通するスライドガイドポールを介してストッパープレートと一体化され、クッションピンを用いてダイクッション装置に支持されている請求項２または３に記載の薄鋼板のプレス成形用金型装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、薄鋼板をフランジ付きＵ型断面（ハット型断面）に成形するための曲げプレス成形方法およびそのための金型装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車車体としては、通常、薄鋼板をプレス成形した多数の成形部材で構成されており、フランジ付きＵ型断面部品（以下、「ハット型断面部品」と称す。）等が多く用いられている。ハット型断面部品は、金型経費節減と工程短縮のために、図１に示すようような、Ｕ型パンチ４１，可動ダイ４２としわ押え工具４３で構成する金型を装着した機械プレス装置によって素材の薄鋼板を一回で絞り曲げをする、いわゆるハット曲げ加工で得るのが一般的である。
しかし、このような加工方法には、弾性復元によるスプリングバックを生じ、縦壁部に壁反りが発生する欠点があり、得られた加工品を部品に用いて車体を組み立てる際に、他の部品とのスポット溶接による接合がうまくいかずに製造上のトラブルとなるケースがあった。
【０００３】
いわゆるハット型曲げ加工は、素材がダイ肩Ｒ部を通過する際に一旦曲げられ、その後引き伸ばされることにより曲げ戻しを受けて縦壁を形成する加工方法である。このため、ダイ肩部において曲げ癖を残すといった特有の現象を生じる。図２に示すように、縦壁部５２の外側表層は、ダイ肩部を通過する際に一旦圧縮され、通過後に引き伸ばされるためにプレス方向に引張り応力Ｔを残存するが、逆に、縦壁部５２の内側表面はダイ肩部を通過する際に一旦引き伸ばされて通過後に圧縮されるために圧縮応力Ｃが残存することから、板厚方向で不均一な応力分布を生じる。不均一な応力分布を残したまま成形体を金型から離脱させると、本来、フラット部５１に対して垂直に加工されるべき縦壁部５２が、金型の拘束から開放されることによって弾性回復、いわゆるスプリングバックし、図３に示すように、縦壁が外側に反るといった形状不良が発生する。
このスプリングバックによる壁反り量は、被加工材形状や、プレス加工に使用するパンチ，ダイ並びにしわ押え工具の形状等の影響や材料特性によって大きく変化する。例えば、素材の材料強度が大きい場合、あるいは素材の板厚が小さい場合に、壁反り量がより大きくなる傾向がある。
【０００４】
一方で、近年の軽量化と衝突安全性の観点から、自動車車体に使用される素材として一般の冷延鋼板よりも板厚の薄い高張力鋼板が多用されるようになり、ますます上記点が問題になっている。
そこで、ハット曲げ加工時の壁反りを抑制し、予定した部品形状に近づけるためのプレス成形方法が各種提案されている。
特開昭５６−１１７８３１号公報では、ダイ肩部での曲げ半径を板厚の１．０〜２．５倍に取り、パンチとダイのクリアランスを板厚の１．０〜１．４倍に設定することが提案されている。
特開平１１−２９０９５１号公報では、パンチ成形行程の末期に、ダイ保持面としわ押え工具保持面間で素材を局部押圧してフランジに押込ビードを形成し、素材の曲げ加工された縦壁部に均一な引張り変形が作用するまで前記押込みビード形成による張力を付与させて、縦壁部の曲げ癖を取り除く曲げ矯正方法が提案されている。
【０００５】
また、特開昭６１−８２９３０号公報では、プレス装置のスライド下面に取り付けた可動ダイと、プレス装置のボルスタ上に据え付けたパンチより構成する金型装置でプレス成形する際、パンチ肩部から大きく離れた位置の素材部分を押圧変形させて、あらかじめスプリングバックと逆方向の曲げ癖を付し、その後、パンチと可動ダイとの間で規定の曲げ角に屈曲させ、この屈曲によって生じるスプリングバックと前記曲がり癖を相殺させて寸法精度の優れた曲げ加工を行うことが提案されている。
さらにまた、特開２００２−２２４７５３号公報では、キャビティを有するダイと、下部外周にフランジ部が突設されたパンチとにより板状の素材を成形する際、パンチを前記フランジ部の近傍で可動パンチと固定パンチに分割し、かつ前記可動パンチの下部に突設されたフランジ部を前記可動パンチの外寸よりやや大きくして、素材の成形時に素材に折れが発生するのを抑制するとともに、成形品の側壁部にスプリングバックの原因となるひずみの蓄積をなくすことが提案されている。さらに当該公報では、可動パンチの下部に設けたフランジ部の作用により素材にフランジを成形した後、成形品のフランジ長手方向の剛性を高める方策として、フランジ部に帯状で凸形状を成すビードを設けたり、あるいは成形品の端部において重ね合わせの段差を生じさせないように段付きの棚形状を成すジョッグルを設ける場合、その成形工程を短縮する目的で、ビード又はジョッグルを同時に成形できるようにした金型の変形例も提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特開昭５６−１１７８３１号公報で提案された方法は、ダイ肩部での曲げ・曲げ戻し時の逆曲げを制御して残留モーメントを打ち消すことにより壁反りの抑制を図るものである。ところが、適正な逆曲げの大きさは材料の板厚や材料強度に強く依存する。したがって、実際の成形時には、許容制御範囲が狭いために板厚の精度によって壁反り量が大きくばらついてしまう問題や、ダイ肩Ｒ部半径に十分な精度を確保する必要から金型費用が上昇する問題などがある。
特開平１１−２９０９５１号公報で提案された方法は、素材がダイ肩Ｒ部を通過する際に、一旦生成した曲げ癖を、全成形行程のわずか３〜１０％領域に相当する成形末期に局部押圧してビードを形成させたときに付与される張力の作用で解消させようとするものであるため、割れに対する危険性から、スプリングバックを無くすほどの張力をかけることはできない。引張り強さが６９０ＭＰａを超えるような高張力鋼を素材とする場合、十分な矯正効果は得られない。また特殊なプレス装置を必要とし、通常のプレス装置では実施困難である。
【０００７】
以上の方法は、ハット型断面部品を、フランジをホルダーで押圧し、しわ押え力を付加した状態でパンチをダイに押込んで成形する、いわゆる絞り曲げ成形（以下、「ドローベンド成形」と称す。）するものであるため、各種の矯正方法を適用してもハット型断面縦壁部に残存する不均一な応力を解消しきれず、縦壁部の壁反りを完全に抑制できずに形状不良になり易い。一方、特開昭６１−８２９３０号公報や特開２００２−２２４７５３号公報で提案された方法は、しわ押え力を付加しない状態でパンチをダイに押込んで成形する、いわゆるフォームベンド成形するものであるため、ハット型断面の縦壁部に残存する不均一な応力は比較的少なく、ドローベンド成形法に比べて壁反り量は少ない。しかしながら、特開昭６１−８２９３０号公報で提案されている方法では、しわ押え力を加えていないので、しわやねじれなどの形状不良が発生しやすいという問題がある。また、特開２００２−２２４７５３号公報で提案された方法の中で、工程短縮のためにビードを同一工程内で成形させる場合、しわやねじれ等の形状不良に対しても改善効果はあるものの、むやみに大きなビードを設けようとすれば、ビード張力が大きくなり過ぎて割れを引き起こすケースもありうる点で問題がある。
【０００８】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、一般的な冷延鋼板に比べて壁反り量が大きくなる傾向がある高張力鋼板を素材としてハット型断面部品をプレス成形する際にも、特殊な金型を使用することなく、通常の機械プレス装置を用いても実施可能であり、かつ、しわ，ねじれによる形状不良を抑制しながら板厚精度の誤差に影響されずに壁反りを安定して小さい範囲に制御できるプレス成形する方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の薄鋼板のプレス成形方法は、その目的を達成するため、素材を固定ダイの凹形状開口部に可動パンチによって押込んでハット型断面形状に曲げ加工する際、素材の両端部にしわ押え力を付加することなく可動パンチを固定ダイに押込み、素材をＵ断面に曲げ加工するとともに、成形末期に、ハット型断面のフランジに上向きの押込みビードを形成することを特徴とする。
押込みビードの高さは０．８〜２．０ｍｍに設定することが好ましい。
また、そのための金型装置は、可動パンチ、該可動パンチ側方に設けられたフランジ加圧面、および該フランジ加圧面に設けられたビード形成凸部を有する上金型と、開口部を備えた固定ダイ、該固定ダイ開口部内に上下動自在に設けられたクッションパット、前記固定ダイの両側上面に形成されたフランジ加圧面、および該フランジ加圧面に設けられたビード形成用窪みを有する下金型とを具備していることを特徴とする。
ビード形成凸部は、可動パンチのフランジ加圧面に形成したスリットと、該スリットに嵌め込まれたビード形成押込み治具に置換えてもよい。
さらに、クッションパッドは、下金型プレートに設けた貫通孔を貫通するスライドガイドポールを介してストッパープレートと一体化され、クッションピンを用いてダイクッション装置に支持されている構造とすることが好ましい。
【００１０】
【実施の態様】
まず、本発明で用いる金型装置について、図４に基づいて説明する。
図４は、従来のパンチ，ダイおよびしわ押え工具で構成される金型を装着でき、かつ、プレス装置本体のボルスタ１２が固定されたベッド１３の内部にしわ押え力を発生させるためのダイクッション装置１４を内蔵した汎用の絞り曲げ加工用機械プレス装置に、本発明の金型装置を装着させた状態を示す。この図１は、高張力鋼板を素材１とした成形行程の初期段階をも示している。金型装置は、ボルスタ１２上に設置されるクッションパット２６と固定ダイ２１を備えた凹形状をなす下金型２と、スライド１１の下面に取り付ける可動パンチ３１およびパンチ側方にフランジ加圧面３２を備えた下に凸形状をなす上金型３によって構成されている。
【００１１】
図４に示すように、固定ダイ２１は下金型プレート２５上に載置されており、ハット型断面部品のフランジを加圧して形成するためのダイ側フランジ加圧面２２には、ビード形成凸部３３で素材１を局部的に押込むための窪み２３を設けている。また、固定ダイ２１の内側下面には凹形状の開口部２４が形成されており、この開口部２４にはクッションパット２６が収容されている。このクッションパット２６は下金型プレート２５の貫通孔２９を貫通するスライドガイドポール２７を介してストッパープレート２８と一体化され、プレス本体のダイクッション装置１４を駆動源にして上下動自在な構造になっている。
一般的に、汎用な絞り曲げ成形用機械プレス装置は、空圧式または油圧式の駆動源をもつダイクッション装置１４をボルスタ１２が固定されたベッド１３の内部に標準的に装備しているが、ピンプレート１５およびクッションピン１６を用いれば上記ダイクッション装置１４が発生する加圧力を、本発明の金型装置のクッションパット２６に伝達することができる。
【００１２】
一方、上金型３は、下に凸の形状をなし、素材１をＵ断面に成形するためのパンチ３１と、フランジを形成するための平坦なパンチ側フランジ加圧面３２により構成されている。このパンチ側フランジ加圧面３２には、プレス成形行程においてスライド１１が下降して下死点に達する直前の成形末期に、素材１に張力を作用させるための押込みビードを形成するビード形成凸部３３が設けられている。
【００１３】
次に図４〜６に基づいて、本発明金型装置を使用して、薄鋼板を断面ハット型にプレス成形する手順を説明する。
まず、図４に示すように、素材１をクッションパット２６の上に載せてプレス装置を起動させると、クッションパット２６と可動パンチ３１の間で素材１が固定される。さらに、スライド１１の下降とともに可動パンチ３１が下降すると、図５に示すように、固定ダイ肩Ｒ部３０と可動パンチ肩Ｒ部３４の間で、両工具間のクリアランス３５内に素材１が進入させられるとともに、Ｕ形状に作り込む曲げ加工が行われる。
【００１４】
さらに成形行程が進行してスライド１１が下死点に達する直前の成形末期には、図６に示すように、可動パンチ３１外周のパンチ側フランジ加圧面３２に突設したビード形成凸部３３が素材１の両端と接触し、さらに、ビード形成凸部３３と対をなすダイ側フランジ加圧面２２の窪み２３の中に素材１の一部を押込み、ビードを形成して成形を完了する。
その後、スライド１１が上昇し始めて上死点に達するまでの間に、固定ダイ２１の開口部２４内に取り残された成形品は、ノックアウト（図示せず）が作動してクッションパット２６が上昇することで離型される。
【００１５】
なお、フランジ部のビードは完成した部品には不要な突起物であるため、必要に応じて、次工程においてトリミングして取り除けばよい。
また、上記パンチ側フランジ加圧面３２に設けたビード形成凸部３３の代わりに、図７に示すように、パンチ側フランジ加圧面３２にスリット３６を設け、このスリット３６に、各種高さを変えて取り揃えた交換可能なビード形成押込み治具３７を装着し、留め金具３８で固定する態様とすることもできる。この場合、素材の種類に応じてビードの高さを変更でき、素材に付与する張力を調整することができる。また、ビード形成凸部３３の摩耗による上金型の交換をなくすことができるので、金型維持費の低減にも有効である。
【００１６】
【作用・効果】
本発明は、素材の断面ハット型への曲げ加工を、しわ押え力を付加しない状態でパンチをダイに押込んで成形する、いわゆるフォームベンド成形するものである。このため、従来のドローベンド成形法のように、ダイ肩Ｒ部で一旦９０度まで曲げた後、縦壁部で真っ直ぐに引き伸ばす曲げ戻しを行うといった大きな曲げではなく、工具肩部での曲げ変形量は小さい。したがって、ハット型断面の縦壁部に残存する不均一な応力は比較的少なく、壁反りは従来法に比べて小さい。
しかし、小さいながらもハット型断面縦壁部の外側表層には引張り応力が、内側表面には圧縮応力が残存している。
【００１７】
そこで、成形末期に、ハット型断面のフランジに上向きの押込みビードを形成することにより、フランジの上面に圧縮応力を、下面に引張り応力を付加させ、ハット型断面縦壁部に残存する応力を低減して結果的に壁反りをさらに小さくした。
このように、本発明は、いわゆるフォームベンド成形法と押込みビードの形成の複合により、素材を曲げ加工してハット型断面部品を製造する際に発生しやすい壁反りを小さくすることができたものである。
そして成形の最終段階で、パンチ側フランジ加圧面３２とダイ側フランジ加圧面２２とで、素材１のフランジ部を押圧するので、フランジにしわやねじれ等の形状不良が発生することを防ぐことができる。
【００１８】
なお、パンチと平坦なフランジ加圧面を有する上金型を上部スライドに装着し、フランジ加圧面を有する固定ダイとクッションパットを一体化した下金型をボルスタ上に載設し、クッションピンを介してダイクッション装置からの加圧力をクッションパットに伝達するように金型装置を構成すれば、従来の絞り加工や絞り曲げ加工用の金型を装着していた機械プレス装置の金型を単に入れ換えるだけで、本発明の薄鋼板のプレス成形方法を実施することができる。
すなわち、従来から絞りや絞り曲げ加工に使用されている汎用の機械プレス装置において、単に金型を入れ換えるだけで、従来のドローベンド成形法と本発明のフォームベンド成形と押込みビード形成の複合成形法を使い分けることが可能になる（図１および図４参照）。このため、成形法に合わせて異なる機械プレス装置をそれぞれ個別に設置する必要がなく、経済性にも優れる。
【００１９】
【実施例】
本発明の金型装置を使用して曲げ加工を施した実施例を説明する。
この実施例では、表１にその特性を示す、板厚１．２ｍｍ×板幅３０ｍｍ×圧延方向長さ２００ｍｍの高張力冷延鋼板に、プレス油を塗布し、パンチ幅３９．２ｍｍ，パンチ肩半径３ｍｍ，ダイ肩半径３ｍｍ，パンチとダイ間のクリアランス１．４ｍｍの工具で構成された、基本構成が図４と同一の曲げプレス金型装置を用いて、成形ストローク５０ｍｍとクッションパット背圧力１ｋＮの成形条件で、成形するビード高さを変えてハット型断面部品の成形を行った。
【００２０】
また成形方法の比較例として、ビード形成の代わりにしわ押え工具（しわ押え力３ｋＮ）を有する、図１に示す従来の金型装置を使用した成形の試験も実施した。さらに、通常の金型装置を使用した従来成形方法の試験では、一般冷延鋼板を使用したものを追加した。
評価は、図８に模式的に示すように、成形品断面の縦壁部の曲率半径を測定して求めた壁反り量（１／ρ）と、割れの有無の２項目を比較して行った。壁反り量の値が小さいほど壁反りが小さく、良好な形状であることを意味する。
成形条件と評価結果をまとめて表２に示す。
【００２１】
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【００２２】
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【００２３】
９８０ＭＰａ級の高張力鋼板を素材とし、図４に示すような金型を使用してフォームベンド法で曲げ成形し、高さがそれぞれ１．０ｍｍ（試験番号２），２．０ｍｍ（試験番号３）になるようにビードを形成したものでは、割れは発生せず、しかも壁反り量（１／ρ）もそれぞれ４．３５（試験番号２），２．８９（試験番号３）と小さく、寸法精度にも十分満足できる成形品を得ることができた。特に試験番号３は良好な形状の製品が得られた。
これに対して、９８０ＭＰａ級の高張力鋼板を素材とし、図４に示すような金型を使用してフォームベンド法で曲げ成形しても、形成するビードの高さが所定値に満たない（試験番号１）と、割れは生じないものの、壁反り量（１／ρ）はやや大きく、若干の矯正作業を必要とした。これは、ビード形成により付与される張力が小さいために、残存する応力を低減できなかったためである。
逆に、形成するビードの高さが高すぎると（試験番号４）と、割れが発生して欠陥品となった。これは、ビード形成により付与される張力が鋼板の引張強さを上回ったためである。
また、高張力鋼板を、従来の金型装置を用いてドローベンド法で曲げ成形した（試験番号５）場合、割れは発生しないが、壁反り量（１／ρ）は９．８５にもなり、一般冷延鋼板の場合の約３．６倍にもなっている。したがって、大幅な手直し矯正が必要になった。
なお、一般の冷延鋼板は、従来の金型装置を用いてドローベンド法で曲げ成形しても（試験番号６）、問題なく成形できる。
【００２４】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明法により、ハット型断面部品をプレス成形法を成形する際に、素材として高張力鋼板を用いても、壁反りの少ない製品を得ることができるので、その後の矯正作業を必要とせず低コストで品質の高いハット型断面部品を製造することができる。
さらに、本発明プレス成形金型装置は、パンチと平坦なフランジ加圧面を有する上金型を上部スライドに装着し、フランジ加圧面を有する固定ダイとクッションパットを一体化した下金型をボルスタ上に載設し、クッションピンを介してダイクッション装置からの加圧力をクッションパットに伝達するように構成されているので、従来の機械プレス装置の金型と容易に置換えることができ、本発明法を実施するために専用のプレス装置を設置する必要がなく、この点からも品質の高いハット型断面部品を低コストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ハット型断面部品を成形するため従来の曲げプレス金型装置の概略を説明する正面図
【図２】曲げ・曲げ戻し変形を受けた素材縦壁部断面内の残留応力状態を説明する図
【図３】離型した成形品の壁反りの状態を示す図
【図４】ハット型断面部品を成形するための本発明金型装置の概略を説明する正面図で、曲げ成形行程の初期段階の状態を示す図
【図５】本発明法で素材板を成形するときの、成形行程途中の段階の状態を示す図
【図６】本発明法で素材板を成形するときの、成形行程末期に近い段階のビードを押圧成形した状態を示す図
【図７】本発明金型装置の他の態様の概略を説明する正面図
【図８】壁反り量の測定方法を模式的に説明する図
【符号の説明】
１：素材                ２：下金型              ３：上金型
１１：スライド          １２：ボルスタ          １３：ヘッド
１４：ダイクッション装置    １５：ピンプレート    １６：クッションピン
２１：固定ダイ      ２２：ダイ側フランジ加圧面      ２３：ビード形成窪み
２４：開口部          ２５：下金型プレート        ２６：クッションパット
２７：スライドガイドポール    ２８：ストッパープレート    ２９：貫通孔
３０：固定ダイ肩Ｒ部
３１：可動パンチ    ３２：パンチ側フランジ加圧面    ３３：ビード形成凸部
３４：可動パンチ肩Ｒ部      ３５：クリアランス      ３６：スリット
３７：ビード形成押込み治具      ３８：留め金具
４１：固定パンチ        ４２：可動ダイ        ４３：しわ押え工具
５１：フラット部        ５２：縦壁部          ５３：フランジ部
Ｔ：引張り応力          Ｃ：圧縮応力
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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