(57)【要約】【課題】高強度鋼板やアルミニウム合金板などのハット断面部品のプレス成形加工において、成形工程数を増やすことなく成形品の壁反りを安定して小さい範囲に抑制できるプレス成形金型装置及び成形方法を提供すること。【解決手段】ポンチ２、ダイ３及びブランクホルダー４を有するプレス成形金型において、下死点手前の全成形高さの２〜３０％から下死点までの範囲で成形に連動して反力を発生するしわ押さえ力増加手段１２を上型または下型に設け、該手段により発生する反力によりブランク材１に加わるしわ押さえ力を増加させること。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンチ、ダイ及びブランクホルダーを有するプレス成形金型において、下死点手前の全成形高さの２〜３０％から下死点まで成形に連動して反力を発生するしわ押さえ力増加手段を上型または下型に設けることを特徴とするプレス成形金型装置。
【請求項２】
ポンチ、ダイ及びパッドを有するプレス成形金型において、下死点手前の全成形高さの２〜３０％から下死点まで成形に連動して反力を発生するしわ押さえ力増加手段を上型または下型に設けることを特徴とするプレス成形金型装置。
【請求項３】
しわ押さえ力増加手段が弾性体であることを特徴とする請求項１または２に記載のプレス成形金型装置。
【請求項４】
弾性体がコイル状ばね、さらばね又はゴムであることを特徴とする請求項３に記載のプレス成形金型装置。
【請求項５】
ポンチ、ダイ及びブランクホルダーを有するプレス成形金型を用いたプレス成形方法において、下死点手前の全成形高さの２〜３０％から下死点まで素材に加わるしわ押さえ力をクッションピンによる荷重の１．２倍以上に増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６】
ポンチ、ダイ及びパッドを有するプレス成形金型を用いたプレス成形方法において、下死点手前の全成形高さの２〜３０％から下死点まで素材にしわ押さえ力を付与しながら成形することを特徴とするプレス成形方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は金属板のプレス成形装置及び方法に関するものであって、特に高強度鋼板やアルミニウム合金板などの場合に生ずるそり等のスプリングバックを防止して良好な形状凍結性を確保するためのプレス成形金型装置及びプレス成形方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車部品に高強度鋼板やアルミニウム合金板が多用されつつあるが、それらを自動車部品に成形する際に発生する形状凍結不良が問題になっている。すなわち、ハット型断面形状の部品をＵ字型の曲げ加工用金型を用いて成形する場合には、図１に示すようにスプリングバックと呼ばれる角度変化や壁反りなどの形状凍結不良が発生し、寸法精度が得られないことが問題となっている。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、特にメンバーやフレームなどの構造部品では形状凍結不良の防止が重要視されている。
【０００３】
曲げ加工で頻繁に観察される形状不良として知られているスプリングバックは、曲げ加工時に金属板に生じた残留応力が除荷時に弾性回復変形するために生ずる現象で、残留応力が板厚方向に不均一に分布することが原因である。
それに対して、壁反りはダイス肩での曲げ・曲げ戻し変形によるスプリングバックに加え、ポンチとダイス間のクリアランス内における被加工材の変形状態が影響する複雑な現象である。すなわち、成形中に被加工材がダイス肩部を通過する際、ダイス肩の入口で曲げ変形を受けた後、ダイス肩出口で曲げ戻し変形を受けるが、このときに完全に元の平坦形状に曲げ戻されないため、反りの形状を生じる。一般には外向きの反りとなるが、クリアランス内で被加工材が複雑に変形する場合には、曲げ戻し変形が強く働いて内側に反ることもある。
【０００４】
一般に、スプリングバックは曲げ変形部に引張の塑性変形が与えられるまで張力を付与すれば軽減できることが知られている。その場合、しわ押さえ力を高めに設定したり、ドロービードを設けて被加工材に加わる張力を高めるなどの対策がとられるが、延性の劣る高強度鋼板やアルミニウム合金板では成形中に一定条件で張力を強くすると側壁部が破断する恐れがある。また、破断をさせないように成形途中でしわ押さえ力を変化させるにはＮＣクッションで制御する方法があるが、高価な設備や改造が必要であり、量産で用いられている単動プレス機ではほとんど普及していない。ＮＣクッションなどの高価な設備を用いずにしわ押さえ力を成形途中で変化させる方法としては、特許文献１ではしわ押さえとダイの間に押さえピンを設け、ピンをしわ押さえ面に押圧する手段により成形段階に応じてしわ押さえ力を任意に制御できる方法が開発されている。しかし、この方法は主に深絞り成形におけるしわや破断の発生を抑制することに主眼がおかれており、成形後期にしわ押さえ力を減少させる方法については記述があるが、成形後期にしわ押さえ力を増加する方法については記載されておらず、また構造上困難である。
【０００５】
また、特許文献２ではブランクホルダー側から突出してブランク材の縁部に係合する進退ビードを設けることにより成形途中でしわ押さえ力を増加させることのできるプレス成形金型装置を開発している。しかし、この発明ではブランクをビードで曲げ変形させた抵抗を利用するため成形品にビード形状が残り材料歩留まりを低下させることや、しわ押さえ力を変化させるタイミングや荷重変化量はビードの高さや形状で決定されるため、最適なしわ押さえ条件を決定するためにビード形状を変更する必要があり、多大な時間とコストを要する。
【０００６】
【特許文献１】
特開平３−７１９３２号公報
【特許文献２】
特開平１０−４３８２０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、鋼板やアルミニウム合金板などのプレス成形加工において、高価なプレス機を使わずにスプリングバックを安定して小さい範囲に抑制できるプレス成形金型装置およびプレス成形方法を提供することを課題とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述の課題を解決したものであり、その要旨は次の通りである。
（１）  ポンチ、ダイ及びブランクホルダーを有するプレス成形金型において、下死点手前の全成形高さの２〜３０％から下死点まで成形に連動して反力を発生するしわ押さえ力増加手段を上型または下型に設けることを特徴とするプレス成形金型装置。
（２）  ポンチ、ダイ及びパッドを有するプレス成形金型において、下死点手前の全成形高さの２〜３０％から下死点まで成形に連動して反力を発生するしわ押さえ力増加手段を上型または下型に設けることを特徴とするプレス成形金型装置。
（３）  しわ押さえ力増加手段が弾性体であることを特徴とする前記（１）または（２）に記載のプレス成形金型装置。
（４）  弾性体がコイル状ばね、さらばね又はゴムであることを特徴とする前記（３）に記載のプレス成形金型装置。
（５）  ポンチ、ダイ及びブランクホルダーを有するプレス成形金型を用いたプレス成形方法において、下死点手前の全成形高さの２〜３０％から下死点まで素材に加わるしわ押さえ力をクッションピンによる荷重の１．２倍以上に増加して成形することを特徴とするプレス成形方法。
（６）  ポンチ、ダイ及びパッドを有するプレス成形金型を用いたプレス成形方法において、下死点手前の全成形高さの２〜３０％から下死点まで素材にしわ押さえ力を付与しながら成形することを特徴とするプレス成形方法。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図２は、本発明の実施例に係る成形装置の構造の一例を示すものであるが、本例を用いて本発明の詳細を説明する。本発明に係る成形金型装置は、ポンチ２、ダイ３、ブランクホルダー４と、クッションピン１０を有することは通常のプレス成形で用いられる成形金型装置と同じであるが、プレス機で発生するクッション荷重をクッションピン１０から受けてブランクホルダー４に伝達する下型スペーサー５の下方に相当する下型７に、しわ押さえ力増加手段１２と反力を伝達するピン１３が設けられた構造になっている。しわ押さえ力増加手段は上型スペーサ６の上方に相当する上型８に設置されていてもかまわないが、下死点ａの手前である全成形高さＨの２〜３０％の範囲で反力を生じるように設置することが肝要である。反力を生じる範囲が下死点手前の全成形高さの２％より小さいと、スプリングバックを安定して小さくすることが困難であり、その範囲が下死点手前の全成形高さの３０％より大きいと、やはりスプリングバックが増加傾向を示すので上記の範囲に制限する。
【００１０】
このように構成される金型の動作について、本発明のプレス成形方法との関連で図２〜図４により以下に説明する。まず、ブランクホルダー４をポンチ２に対し上方に配置しておき、ブランク１が投入される。そして上型８が下降し、ダイ３とブランクホルダー４によりブランク１のフランジ部が拘束され、ダイクッションの加圧がクッションピン１０をとおしてブランクホルダー４に伝達し、フランジ部が一定の荷重で挟持される。そして、ブランク１のフランジ部がブランクホルダー４とダイ３に挟持された状態で上型８が下降し（図２から図３）、ポンチ２による成形が進行する。図３に示すように、上型が下降し下死点手前で下型スペーサー５がピン１３を押し下げることにより反力が発生し、素材に加わるしわ押さえ力を増大させることができる。
【００１１】
図４は上型が成形下死点ａに達し、成形工程が終了した状態を示す図であるが、下死点手前でピン１３が押し下げられ始めてから下死点ａまでの間、しわ押さえ力はクッション荷重による一定荷重から増加していることになる。このように下死点手前でしわ押さえ力を増大させることにより、縦壁部の張力が増大し、壁反りの原因である板厚方向の応力差が低減される。また、素材に加わる張力が増加しているので金型との面圧が増大し、特に肩Ｒ部での金型へのなじみが良くなることから、除荷した状態でのパンチ肩Ｒの角度変化が少ない成形品が得られる。特に、高強度鋼板では材料の強度が上昇すると残留応力の不均一が大きくなり、壁反りや角度変化が著しく大きくなるが、本加工方法では材料強度に応じて下死点手前に加わる反力を最適に設定することで、鋼種ごとに優れた寸法精度を有する成形品を得ることができる。
【００１２】
また、しわ押さえ力増加手段１２はクッションピン１０などと干渉しないように、通常は長手方向または幅方向に複数設置して用い、しわ押さえ力増加手段全体の出力を成形過程のクッション荷重の２０％以上として、クッション荷重との合計でクッションピン１０による荷重の１．２倍以上とすることが望ましい。しわ押さえ力増加手段１２により加えるしわ押さえ力の上限は特に定めることなく本発明の効果を得ることができるが、破断を起こさないようにするためにはしわ押さえ力を次式で与えられる荷重より小さくすることが好ましい。
Ｐ＝２．０×ｔ×ＴＳ×Ｌ
ここで  Ｐ：しわ押さえ力［Ｎ］、ｔ：板厚［ｍｍ］、ＴＳ：引張強さ［ＭＰａ］、Ｌ：曲げ線長［ｍｍ］
【００１３】
また、図５に示すように、成形中にしわ押さえを用いない曲げ成形（フォーム成形ともいう）においても、上記と同様に下死点手前の全成形高さの２〜３０％の範囲でしわ押さえ力増加手段１２を上型８または下型７に組み込むことにより、図６に示す如く下死点手前でしわ押さえ力を発生させることができる。この場合、しわ押さえ力が負荷されるまでは素材に加わる張力が小さいまま成形されるので、小さいしわ押さえ力を下死点手前で加えた場合でも十分に形状を矯正可能である。破断を起こさずに寸法精度の良い成形品を得るためにはしわ押さえ力を次式で定義される範囲に設定することが好ましい。
Ｐ＝Ｋ×ｔ×ＴＳ×Ｌ
ここで  Ｐ：しわ押さえ力［Ｎ］、Ｋ＝０．４〜２．０、ｔ：板厚［ｍｍ］、ＴＳ：引張強さ［ＭＰａ］、Ｌ：曲げ線長［ｍｍ］
【００１４】
しわ押さえ力増加手段としては油圧、空圧、コイルばね、さらばね、弾性体などを用いることができるが、なるべく短い距離での反発力が高いものが望ましい。弾性体の中でもコイル状ばね、さらばねやゴムを用いれば、費用の面でも通常の金型製作費用からのコスト増加を小さく抑えることができ、特にさらばねが好適である。
【００１５】
【実施例】
実施例として、ハット型断面でフランジ部及び天井部の稜線が水平方向に不連続に曲がっている金型を用いた。寸法は図８に示すとおりとした。供試材として板厚１．６ｍｍの冷延鋼板である軟鋼板ＳＰＣＣと高強度鋼板（４４０ＭＰａ、５９０ＭＰａ、７８０ＭＰａ）を用いた。ブランクの外寸はおおよそ６００×３５０ｍｍで、金型の形状に併せて外周をレーザーカットしたものを用いた。各鋼板の機械的特性は表１のとおりである。パンチ、ダイ、ブランクホルダーを用いてしわ押さえを加えながら成形する絞り曲げ加工と、パンチ底をパッドで拘束してしわ押さえを加えずに成形する曲げ加工について従来成形方法と本発明方法での実験を行った。絞り曲げ加工のしわ押さえ力ＢＨＦは６００ｋＮとし、曲げ加工のパッド荷重は５０ｋＮとした。成型高さはいずれも８０ｍｍとした。
【００１６】
本発明方法のしわ押さえ力を増加させる手段としては、下型プレートにさらばねとピンを複数個設置し、図９に示すようにさらばね１２を重ね、その数でしわ押さえ力増加量を調整した。また、さらばね１２の下にスペーサ１４を設置し、スペーサの厚みを変更することでしわ押さえ力を増加させる位置を調整した。その他のしわ押さえ力増加手段としてピン１３の下にウレタンスプリングを用いた場合（図示しない）とピンを用いずに厚さ４０ｍｍのウレタンシート（５００×１５０ｍｍ）をフランジ両側に設置した場合（図示しない）についても実施した。成形試験を行った試験片は三次元形状測定装置にて中央断面の形状を測定し、図１０（ａ）〜（ｃ）に示す、幅開き量△Ｗ、壁反り曲率１／ρ（稜線が曲がっている縦壁側）、フランジ角度△θ（稜線が曲がっている縦壁側）を算出し、評価値とした。
【００１７】
ここで、図１１〜図１３はしわ押さえ力増加手段としてさらばねを用いた場合の本発明例と比較例に係わる成形方法により得られた加工成形サンプルの形状測定結果を示す。本発明例では比較例に比べ幅開き量、壁反り、フランジ角度変化を大幅に低減することが可能で、特に高強度鋼板を用いた場合でも、それらの寸法不良をほとんど発生させずに成形することができる。また、しわ押さえ力増加手段としてウレタンスプリングやウレタンシートを用いた場合の結果を表２に示すが、さらばねを用いた場合と同様に寸法精度に優れる成形品を得ることが可能であった。このように、本発明により、工程数を増やすこともなく、高精度の成形品を容易に加工することができた。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
【表２】
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【００２０】
【発明の効果】
本発明により、高強度鋼板やアルミニウム合金板などのハット断面部品のプレス成形加工において、成形工程数を増やすことなく成形品の寸法精度不良を安定して小さい範囲に抑制したプレス成形を容易に行えるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】通常のプレス成形方法における形状凍結不良現象である壁反りと角度変化を示す説明図である。
【図２】本発明の実施例に係わるプレス成形方法で絞り曲げ成形を実施するための金型を用いてブランクをセットした状態の概略縦断面図である。
【図３】本発明の実施例に係わるプレス成形方法で絞り曲げ成形を実施するための金型を用いて、成形工程においてしわ押さえ力増加手段による拘束がブランクに加わっている状態の概略縦断面図である。
【図４】本発明の実施例に係わるプレス成形方法で絞り曲げ成形を実施するための金型を用いてポンチ成形が下死点に達した状態の概略縦断面図である。
【図５】本発明の実施例に係わるプレス成形方法で曲げ成形を実施するための金型を用いてブランクをセットした状態の概略縦断面図である。
【図６】本発明の実施例に係わるプレス成形方法で曲げ成形を実施するための金型を用いて、成形工程においてしわ押さえ力増加手段による拘束がブランクに加わっている状態の概略縦断面図である。
【図７】本発明の実施例に係わるプレス成形方法で曲げ成形を実施するための金型を用いてポンチ成形が下死点に達した状態の概略縦断面図である。
【図８】実施例の成形に用いたハット型断面でフランジ部及び天井部の稜線が水平方向に不連続に曲がっている金型の寸法を示す概略図である。
【図９】本発明方法のしわ押さえ力を増加させる手段としてさらばねを複数重ねて設置する場合の概略図である。
【図１０】本発明方法の実施例における形状測定項目の説明図である。
【図１１】本発明例と比較例による成形品の幅開き量測定結果を示す図である。
【図１２】本発明例と比較例による成形品の壁反り曲率測定結果を示す図である。
【図１３】本発明例と比較例による成形品のフランジ角度測定結果を示す図である。
【符号の説明】
１  ブランク（金属板）
２  ポンチ
３  ダイ
４  ブランクホルダー
５  下型スペーサ
６  上型スペーサ
７  下型（プレート）
８  上型（プレート）
９  パッド
１０  クッションピン
１１  ガスシリンダ
１２  しわ押さえ力増加手段
１３  ピン
１４  スペーサ
ａ    下死点
Ｈ    全成形高さ
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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