テーラードブランク材の V 曲げ加工の高精度化
福井大学大学院 工学研究科機械工学専攻教授 大津 雅亮（平成 25 年度一般研究開発助成 AF-2013032）
キーワード：テーラードブランク，V 曲げ，多段曲げ

１．研究の目的と背景である．

近年の自動車産業では環境対策や商品魅力の向上のた試験に使用した板材は，100 mm×50 mm×1.2 mm のめの車体の軽量化や衝突安全性を同時に向上させられる

SPFC980Y 板と SPC 板を 100 mm×100 mm×1.2 mm になために，テーラードブランク材が使用されるようになってる様にレーザ溶接したものを用いた．成形条件はプレス押いる．しかし，異種材を突合せ溶接したテーラードブラン込み量を 3.0 mm とし，下死点停止時間を 0 s とした．下

ク材では，低強度材，溶接部，高強度材の 3 種類の変形特死点位置はリニアゲージ（Mitutoyo 製，LGF-110ZL）を用性が異なった部位が存在し，溶接部の延性低下や低強度側いて実験開始時に設定した．サーボプレスのラム速度は板母材の応力集中のため破断が発生，材料のねじれが起こり材と接触時からパンチ下死点までの平均速度を 1.5 mm/s

1)

やすく，1 枚板と比べ均一に曲げ成形することが難しい ．とした．また，加工条件ごとに曲げ角を 3 回測定し平均値

テーラードブランク材の曲げ加工において，高精度加工をを求めた．曲げ角度の測定はビデオカメラで側方から撮影達成するためには，スプリングバックに起因するねじれ変した画像からと三次元変形計測システム（GOM 社製，形を抑制する必要がある．

ARAMIS）によって計算した．前者ではアンビルからレン本研究では，テーラードブランク材の高精度加工のために，接合線と曲げ稜線が直交する場合の V 曲げ加工につズまでの距離を 110 mm とし，レンズの焦点はアンビルの中心に合わせた．

いて実験および解析を行った．また，高精度加工法の提案

2.2の一つとして，工具を傾斜して加工し，板材と工具接触角

SPC と SPFC980Y を溶接したテーラードブランク材の度の検討を行った．

組織観察

溶接部分およびその近傍の断面の組織観察を行った．変形を抑えるために非圧縮である冷間樹脂埋めを行った．樹脂

２．実験方法2.1 実験装置および成形方法が凝固したらマイクロカッターで切断し，切断面を耐水研
磨紙 200 番，800 番，1500 番の 3 種類を用いて研磨し，粒成形にはハイブリッド AC サーボプレス（コマツ産機社

径 1 µm のアルミナ懸濁液でバフ研磨を行い，最後にナイ製，H1F150）を使用した．使用したパンチとアンビルの

タ ー ル 液 で 150s 腐 食 さ せ た ． そ し て ， 光 学 顕 微 鏡

寸法を図１に示す．使用したパンチの先端の角度は 84°，(OLYMPUS 製，BX51M)を用い，倍率 200 倍で組織の観察半径は 0.6 mm である．アンビルの V 溝角度は 84°，V 溝を行い，カメラ(OLYMPUS 製，DP22)で撮影した．

底部の半径は 0.6 mm，幅 8 mm，肩部半径が 1.5 mm のも2.3のを使用した．パンチ，アンビルともに奥行きは 75 mm

供試材の断面の硬さ試験を行った．試験片は SPC と硬さ試験

SPFC980Y を溶接したテーラードブランク材の母材と溶接部分およびその近傍，また SPFC980Y をマッフル炉で加14R1.5熱したものを用いた．変形を抑えるために非圧縮である冷8間樹脂埋めを行った．樹脂が凝固したらマイクロカッタで84°切断し，切断面を耐水研磨紙 200 番，800 番，1500 番の 3種類を用いて研磨し，板の断面の硬さを測定した．硬さ試

R0.6験には，微小硬さ試験機(SHIMADZU 製，HMV-2000)を使10029.5用した．測定条件は，圧子にビッカース型(対面角 136°の正四角錐形)のダイアモンド圧子を用い，試験荷重を0.9801 N，荷重保持時間を 10.0 s として測定を行った．

702.4

解析方法

有 限 要 素 解 析 には 商 用 の塑 性 加 工 用 コ ー ドで あ る
84°

Simufact. forming13.0 を用い，三次元解析を行った．解析

8モデルを図２に示す．モデルは，パンチとアンビルは細部

R0.6(a) パンチ正面図(b) アンビル正面図

図１ パンチとアンビルの寸法の形状を実験と同様とし，被加工材は，熱影響領域を考慮したモデルと熱影響領域を考慮しないモデルを使用した．

アンビルを完全に固定し，パンチを動かしてプレスモーシ度を比較した結果を図５に示す．
SPC 側と SPFC980Y 側でョンを再現した．熱影響域の寸法は 3・2・2 項の結果を用下死点での曲げ角度が 3°以上異なっている．このことといた．要素分割は SPFC980Y と SPC の部分を 1 辺が 1 mm

材料ごとのスプリングバック量の差が板材曲げ角度不均の六面体要素に分割し，板厚方向に 4 分割し，曲げ線に沿一化の原因だと考えられる．溶接部近傍を除いてって細分化した．熱影響領域は，1 辺が 0.25 mm の六面体

SPFC980Y から SPC に向かって直線的に曲げ角度が増加要素に分割し，板厚方向に 4 分割した．熱影響領域を考慮している．溶接部分ではレーザ溶接による局所加熱で焼きしないものでは，考慮したものと要素数が同様になるようが入って硬化することで，変形しづらくなっていると考えに SPFC980Y の部分を 4 分割した．それぞれの要素数と寸られる．また，一枚板の曲げ角度と比較すると SPC 側で法，真応力－真ひずみ曲線および変形抵抗曲線を表１と表は小さくなり，SPFC980Y 側では曲げ角度が大きくなって２，図３に示す．溶接部分の変形抵抗曲線は，縦軸に Fいる．これは 2 種類の材料を溶接したことで，変形する際値の F を横軸に硬さの h を取り，母材である SPFC980Yに引張られ，互いの変形特性に近づいたためと考えられる．と SPC のそれぞれの値から直線式（1）を求めた．
F = 7.73 h＋730.55 [MPa](1)3.2 解析モデル作成
3.2.1 組織観察

溶接部の硬さを 500HV と仮定し，F 値を算出した．nテーラードブランク材の溶接部分およびその近傍の断値は SPFC980Y の値を使用した．計算条件は，プレス速度

面を光学顕微鏡によって組織観察した結果を図６，図７にを v = 1.5 mm/s，に固定し，下死点停止時間を 0 s として 1示す. 図７(a)は SPC の相であり，フェライトに微量のパ段曲げの計算を行った．計算ステップは全行程を 500 ステーライトの相が広がっている．図７(b)は，溶接部分であップで計算した．

り針状組織が広がっている．図７(c)は SPFC980Y の層であり，微細化された緻密な相が広がっている．

３．実験結果3.1 V 曲げ加工

2500Experimental Flow curve
0.2018Welded zone ( = 3136)
0.2018
SPFC980Y( = 2280)
0.1525
HAZ( = 1006)
20000.1683)
SPC( = 473

テーラードブランク材で押込み量を 3mm として溶接線に垂直に V 曲げ加工を行った．ビデオカメラで板の両端を測定し，スプリングバックと曲げ角度を測定した結果を[MPa]

図４に，三次元変形計測システムで溶接線から両方向に距
離 0 mm，2 mm，4 mm，20 mm，40 mm の位置で曲げ角度

Flow stress,の測定を行ったものと，一枚板の SPC と SPFC の曲げ角

1500

1000

Sheet500

Punch

00.02 0.04

0.06

0.08

0.1

0.12 0.14 0.16

Equivalent strain,anvil

図３ 実験で求めた真応力－真ひずみ曲線と解析に用いた変形抵抗曲線

図２ 解析モデル
表１ 解析に用いた要素数

7

HAZ あり27300

HAZ なしSPFC980Y
SPC29396

29396

HAZ

8000
8000

総数72696

表２ 板材の寸法
SPFC980Y [mm×mm×mm]
100×48×1.2
SPC [mm×mm×mm]
100×50×1.2
HAZ [mm×mm×mm]
100×1×1.2
接合領域 [mm×mm×mm]
100×1×1.2

Springback [ °]接合領域64330072696

Springback angle
Bending angle
at bottom dead point
Bending angle
after springback

58075

4370

Bending angle [ °]82
1

100×50×1.2
100×50×1.20

図４SPC

SPFC980Y

65

異種接合(SPC-SPFC980Y)のテーラードブランク材のスプリングバックと曲げ角

3.2.2

硬さ試験

SPFC980Y の軟化した部分の材料を再現するために，マ溶接部分およびその近傍の硬さの分布図を図８に示す．

ッフル炉を使用し加熱した供試材の硬さを測定した．加熱母材である SPC と SPFC980Y の硬さの平均はそれぞれ 155

温度は 200℃から 1100℃とし加熱時間は 5 分，冷却方法はHV と 389 HV であり，SPC の硬さの平均から±10％以内空冷とした．加熱温度の硬さへの影響を図９に示す．の部分を青，SPFC980Y の硬さの平均から±10％以内の部

700 ℃のとき最も軟化していることが分かる．硬さの違い

分をオレンジ，SPC と SPFC980Y の間の硬さの領域を緑，が引張試験から変形抵抗曲線を作成した際の塑性係数に

SPFC980Y の硬さを超える領域の中でも 500HV 未満の部影響してくる．材料ごとの変形に差がある方が，解析の際分をピンク，それ以上の部分を赤で色分けしている．SPCにテーラードブランク材の特徴が得られやすいと考え，の母材から緩やかに溶接部に向かって硬さが増加し，組織700℃の材料データを解析値として選択した．の境界で急激に硬さが増加している．SPFC980Y の部分でが，入熱によって軟化する熱影響領域と，急激な温度上昇

４．解析結果4.1 熱影響領域を考慮した場合としない場合の比較で焼入れしている部分がある可能性があるためだと考え

熱影響を考慮したモデルと考慮していないモデルで，押られる．硬化した溶接部分と軟化した熱影響領域の長さを込み量を 3mm として溶接線に垂直に V 曲げ加工を行った

測定するとどちらの領域も幅 1mm 程度であった．

場合の曲げ角度分布の比較を行った結果を図１０に示す．

は，母材側から溶接部手前で一度硬さが減少した後，溶接部付近で急激に硬さが増加している．これは，SPFC980Y曲げ角度分布では優位な差は得られなかった．レーザ溶接で作成した供試材をもとにしたモデルのため熱影響域が77

狭く影響が少なかったためだと考えられる．熱影響領域を

76

Welded position

Bending angle [ °]7574

考慮するモデルを使用すると材料データが増え，解析時間が増加する．そこで，熱影響領域を考慮しないモデルで解SPFC980Y–SPC
SPC
SPFC980Y

7372

析を進めた．

4.271

解析値と実験値での曲げ分布の比較

押込み量を 3 mm として溶接線に垂直に V 曲げ加工を

70
69
6867

SPC

HAZ

Welded zoneSPC

SPFC980Y

SPFC980Y

66
65–50 –40 –30 –20 –10 0 10 20 30 40 50Location [ mm ]

図５異種接合(SPC-SPFC980Y)のテーラードブランク材

17153の曲げ角分布3471

Welded zoneSPC

SPFC980Y

200 µm

図８異種接合(SPC-SPFC980Y)のテーラードブランク材の接合部近傍の硬さ分布200 µm

図６ 接合部近傍のマクロ組織Vickers hardness, [HV0.3]

500400300200100100 µm(a) SPC

100 µm100 µm(b) 接合部

00(c) SPFC980Y

図７ 接合部近傍の各部のミクロ組織

200400600

800

10001200

Temperature, T [℃]

図９SPFC980Y 材の熱処理温度と硬さの関係

行った場合の解析値と実験値での曲げ角度の分布の比較

以下の知見が得られた．

を図１１に示す．実験値の曲げ角度に比べ，解析値の曲げ(1)テーラードブランク材を曲げ線に垂直に曲げた場合，一枚板の曲げ角度と比較すると SPC 側では小さくな角度のほうが，大きくなった．解析では実際のプレスモーションを十分に再現できていなかった可能性がある．しかり，SPFC980Y 側では曲げ角度が大きくなり母材とし，どちらの結果でも１枚板を曲げた場合に比べ，溶接さは，曲げ角度が変化した．2 種類の材料を溶接したれた材料の変形特性に近づくという傾向がみられた．

ことでもう片方の材料の変形に引きずられ，互いの4.3 パンチの接触角度の変更による曲げ角度の均一化

材料特性に近づいたためだと考えられる．
(2)

熱影響領域を考慮したモデルとしていないモデルで

図１２に示すように，板材の端でパンチを傾斜させ，板曲げ角度の分布の比較を行ったが，優位な差は見らとパンチの接触角度 を変化させ，SPFC980Y の板材の端れなかった．レーザ溶接で作成した供試材をもとにである点 A と SPC の板材の端である点 B で曲げ角度を測したモデルのため溶接部分と熱影響域が狭く影響が定した結果を図１３に示す．傾斜角度 0°の場合では点 Aと点 B の曲げ角度の差が 2.2°あったが，傾斜角度を増やすすくなかったと考えられる．
(3)

パンチを傾斜させ，板との接触角度を変更することことで，曲げ角度の差を減らすことができ，傾斜角度 0.17°で，板材全体での曲げ角度の差を減らし，均一化すのとき点 A と点 B の曲げ角度の差が，0.1°と最も少なくなることができた．板とパンチの接触角度を変えるこった．板との接触角度を変えることで SPFC980Y の部分ととで SPFC980Y の部分と SPC の部分で押し込み量をSPC の部分で押込み量を変化させることができたためだ

変化させ，曲げ角度を調節できたためだと考えられと考えられる．

る．

５．まとめ
テーラードブランク材の有限要素解析を行った．結果，

86

謝 辞
本研究は公益財団法人天田財団の一般研究開発助
成 AF-2013032 によって行われた．ここに感謝の意を記す．

Bending angle [ °]Welded position
85

SPC

SPFC980Y

参考文献
1) 杉山隆司：塑性と加工，45-526(2004)，892.

84

83

With HAZ
Without HAZ

Inclination centerθ

82–50 –40 –30 –20 –10 0 10 20 30 40 50
Location [ mm ]図１０影響PunchBA
Measurement point

Sheet

図１２ 傾斜したパンチの接触角解析における曲げ角分布に及ぼす熱影響域のWelded position

Bending angle [ °]858075Experimental Analysised

SPC

SPFC980Y–SPC
SPC
SPFC
SPFC980Y

Difference of bending angles [ °]

39021
Ideal
070

65–50 –40 –30 –20 –10 0 10 20 30 40 50
Location [ mm ]図１１ 曲げ角分布の実験結果と解析結果の比較–1–0.100.1
0.2
Inclination angle of punch [ °]0.3

図１３ 傾斜したパンチの接触角が曲げ角分布におよぼす影響