安部　洋平*
1.まえがき
近年，地球温暖化防止の親点から自動車の二酸化炭素排出量の削減と燃費の向上が要求されている.そのために自動車の軽量化が望まれており，車両重量の1/3程度を占めるプレス車体部品の軽量化が重要になっているリ.軽量化のために自動車用プレス部品へ比強度の大きな高張力鋼板の適用が拡大してきており，外板のパネル類は440MPa級，サイドメンバーなどの骨格部材では590MPa ～780MPa 級が主流となりつつある．乗員保護の親点から高強度が必要なバンパーレインフォースやドアピームなどの部材には引張強さが1GPaを超える超高張力鋼板も使われている²), 3).高張力鋼板や超高張力鋼板は高強度のためにプレス成形荷重が大きく,プレス部品の形状凍結性も低く,更に,低延性のため割れが生じやすい。一般的にプレス部品はプランキング，絞り加工，せん断加工，フランジ成形が組み合わされて製造されている4).フランジ成形や穴拡げ加工時には板角端部や穴縁が伸びフランジ変形となって引張応力が発生し，割れを生じる場合がある♂.軟鋼板では延性が十分であるために問題とならないが，高張力鋼板や超高張力鋼板では割れが生じやすい.割れの生じる部分は,成形前にせん断加工されており,せん断加工条件により切口面が影響される.せん断条件によって切口の変形量も異なり6)，延性の低下が生じて割れを起し易く.高張力鋼板の穴拡げ加工の割れについていくつか報告されている7), 8).伸びフランジ成形における応力分布は，曲げ線から板角端部に向かうにつれて板端部の長手方向の引張応力と引張ひずみが増加して板角端部で最大かになっているため，板角端部の変形を小さくして割れを防止できる。変形を小さくするには，曲げ角度の減少，長手方向の角度の低減，プランク形状の修正があるが，製品形状が変わってしまうために容易でない.本研究では，超高張力鋼板の穴拡げ加工とフランジ成形における割れとせん断された切口面の関係を調査した.また，逐次接触バンチによる伸びフランジ成形法と凹型パンチによる2段伸びフランジ成形法を提案してフランジ成形にて板角端部に生じる引張応力を分散させてフランジ割れを防止した.
2.穴抜き加工された穴の穴拡げ加工性
2.1超高張力鋼板
鋼板には公称板厚が1.4mmの980MPa級超高張力鋼板, 390MPa級から780MPa級の高張力鋼板と軟鋼板を用いた．780MPa級と980MPa級の鋼板は二層強化型である．引張試験により得られた板材の材料特性を養1に示す.

2.2穴抜き加工と穴拡げ加工条件
穴抜き加工条件と穴拡げ加工条件を図１に示す.パンチとダイスの間隙を初期板厚で除した穴抜きクリアランス比はc=4～30%に設定し，パンチ直径を10mmに固定してダイ直径を変化させて得た.穴抜き加工速度は30mm/sである．鋼板は130mm×120mmの矩形であり，板材に防錯油を塗布した.穴抜き加工された穴に図1(b)に示すように円錐パンチを押込むことによって，穴拡げ加工を行う.円錐パンチの頂角は60°であり,かえりを下にしてパンチと接触しない条件で穴拡げ加工を行った.図1  穴抜き加工条件と穴拡げ加工条件穴拡げ加工性は次式で示す限界穴拡げ率えで評価した.
ここでd。とd，はそれぞれ穴拡げ加工前の穴直径とクラックが切口面の板厚を貫通した時の穴直径である．バンチの押込み速度を約1mm/sと低速にしてクラックを目視により観察し，クラックが板厚を貫通した時点で割れとしてパンチの押込みを停止した. 限界穴拡げ率は3回行った平均とした. 2.3 切口面と穴拡げ加工性109切口面性状の割合と穴抜きクリアランス比の関係を図2に示す.目視により切口面性状が周方向に均一であることを確認して代表的な断面を測定した．980MPa 級鋼板では，390MPa級鋼板と比べて低い延性のためにせん断面とだれの割合が小さく，破断面の割合が大きい.穴抜きクリアランス比の増加とともに，だれは増加しており，ｃ＝25%以上ではかえりが生じている.限界穴拡げ率と穴抜きクリアランス比の関係を図３に示す.鋼板組織の制御により穴拡げ加工性を向上できる11)が，本実験で用いた鋼板では鋼板強度の増加とともに限界穴拡げ率は低下しており高強度な鋼板の成形においてフランジ割れが問題となりやすい．また，それぞれの鋼板強度において限界穴拡げ率が最大になる穴抜きクリアランス比が存在する. 980MPa 級鋼板における限界穴拡げ率に及ぼす圧延方向の切口面の最大硬さと切口面の最大高低差の影響を网4に示す.切口面における硬さの増加とともに,限界穴拡げ率が減少している．また，切口面の高低差が大きくなるとともに，応力が集中しやすくなって限界穴拡げ率は減少しており，延性が小さい超高張力鋼板の穴拡げ加工性には巨視的な高低差が影響を及ぼしている.穴拡げ加工性の向上には，穴周囲を除去してしまう削抜き¹³),穴周囲を焼きなまして延性を向上させる方法¹⁴),破断面に圧縮を付加するコイニング 151などが提案されている．前章に示すように巨視的な高低差が穴拡げ加工性を低下させているため，980MPa 級鋼板において穴抜き加工後の破断面をコイニング加工した.ここでは,破断面を平滑にする加工法として平滑加工と呼ぶ.円錐バンチによる切口面の平滑加工を図５に示す. 980MPa級鋼板の最大限界穴拡げ率であるc=20%において,円錐バンチによってせん断変形と圧縮変形を加える.円錐パンチの角度は板材の破断面の傾斜に近い30 °にし,破断面だけを変形させるようにダイ直径を設定した.パンチ荷重が大きすぎると切口面が大きく変形してバンチとダイが干渉するため,荷重は最大で22kNとした.ここでは，1.4mm厚さの2層強化型鋼板であり，材料特性を裏2に示す.
2.4 平滑加工による穴拡げ加工性の向上129

穴抜き加工,ドリル加工,放電加工,平滑加工された980MPa級鋼板の穴の限界穴拡げ率を図6に示す. ドリル加工では切削痕が，放電加工では放電による凹凸面がそれぞれ生じている.一方,平滑加工では,平滑加工によって破断面は光沢のある面に仕上げられている．放電加工とドリル加工では限界値は大きいが，穴抜き加工では放電加工の半分程である。平滑加工によってドリル加工と同等まで向上できている.
3.伸びフランジ成形性
3.1伸びフランジ成形性に及ぼすせん断クリアラ
ンス比の影響
一般的に高張力鋼板は複雑な形状の車体部品へ成形されるが，単純化して図7に示すせん断加工とフランジ成形の2段の成形を行った．1段目ではプランクを凹形にせん断加工して，２段目では伸びフランジ成形を行い，プランク中央角部が伸びフランジ変形となる.伸びフランジ成形条件を図8に示す. 回形にせん断されたプランクを伸びフランジ成形して角部に引張応力を発生させる.角部の引張応力はフランジ長さＬにより変化させ,その変化量は1mm毎とした.ブランク角端部には伸びフランジ率の算出のためにけがき線を入れた.前章に示したように穴拡げ加工において限界穴拡げ率が大きくなる最適なクリアランスがあったためにせん断加工においてせん断クリアランス比cを10%から25%に変化させて種々の切口面を得た.本節と次節で用いたプランクは幅W o =200mmの鋼板であり,材料特性を表3に示す.
980MPa級鋼板におけるフランジ割れを図9に示す.せん斯クリアランス比c=20%では角部端部にて引張応力により割れを生じているがc=15%では発生していない.限界伸びフランジ率とせん断クリアランス比の関係を図10に示す.限界伸びフランジ率は,フランジ割れの生ずる直前の曲げ長さにおける最大の伸びフランジ率である．図３と同様にそれぞれの鋼板において限界伸びフランジ率が最大になるせん所クリアランス比が存在し,最適なせん断クリアランス比に設定することにより限界伸びフランジ率が向上できる.関係
3.2  逐次接触パンチによる伸びフランジ成形性の
向上16)
逐次接触バンチによる伸びフランジ成形性の向上法を図11に示す.従来の伸びフランジ成形では凹状板材を一様に曲げるために板端角部に引張応力が生じて割れが発生することがある。逐次接触パンチでは角部付近のパンチに傾斜をつけて板材の外側から角部へ逐次的に曲げることにより角部でのフランジ線に沿う方向の引張応力を低減させてフランジ割れを防止する. 980MPa級鋼板のW/W o =9.2,  L=16mmにおける有限要蒸シミュレーションされた板材の変形挙動を図 12に示す．成形条件は図8と同様であり，バンチ傾斜幅がWでバンチ傾斜角度がαの逐次接触パンチを用いた. α=0°は,従来の平坦なパンチである．また，最終的なパンチストロークs。はパンチ形状とフランジ長さにより変化するために，パンチストロークsと最終的なパンチストロークの比により示している．α=0°ではパンチが一様に板材に接触するため一様に板材は曲げられているが，α=10°ではパンチが外側から接触するため外側から逐次曲げられている. W/W 0 =9.2,  L=16mmにおける計算されたx方向の引張ひずみ分布を図13に示す. α=0°では, s/sç=0.6にて角部において大きなｘ方向のひずみが発生している．一方， α=10°, s/s =0.6ではひずみが小さく, s/s =1においてもα=0°のバンチより引張ひずみが低減されている. W/W 0 =9.2におけるフランジ成形後の980MPa級鋼成形品を図14に示す. α=0°では板端角部にフランジ割れが生じているのに対して，α=10°では防止できている.角端部の伸びフランジ率に及ぼすバンチ傾斜角度とパンチ傾斜幅の影響を図15に示す.実線は，実験の行える条件で，破線は実験が行えない条件である．バンチ傾斜角度と傾斜幅が大きいほど角端部の伸びフランジ率が小さくなっているが，角度が大きい場合でも幅が狭すぎるとひずみが分散されず，大きな伸びフランジ率となっている．実験のできる最適なパンチ形状はW/W o =1.8, α=45°であった.最適パンチによる限界フランジ長さにおける980MPa級鋼板と1180MPa級鋼板の製品の形状を図16に示す. 1180MPa級においても図15と同様の計算を行った. 1180MPa級において計算した範囲では同じW/W 0 =1.8, α=45°で最適となった.最適なパンチにより980MPa級と1180MPa級鋼板では傾斜なしと比べて製品高さをそれぞれ約1.3倍と約1.2倍に高くできている.
3.3  2段パンチによる伸びフランジ性の向上
前節の逐次接触パンチにより板端角部に引張応力を低減して割れを抑制できたが，バンチの高さが大きくなってしまい，プレス機への取り付けが容易でなく，また，金型費も大きくなる.一方，実成形において車体プレス部品は多段で成形されることが多い．そこで，回型バンチによる2段伸びフランジ成形法を図17に示す.本成形法は角周辺部曲げ成形と角部曲げ成形からなり，1 段目において隙間を有するバンチにより角周辺部を曲げて, 2段目において一様パンチにより角部を曲げる.1段目において角周辺部が曲げられているために角周辺が拘束されて角部の引張応力が低減される. 1.2mm厚さの980MPa級と1180MPa級の鋼板に対して図8に示した金型のバンチを回型にして角周辺部曲げ成形を行なって，平らなバンチで角部曲げ成形を行った.有限要素シミュレーションされた平坦パンチと2段成形によるプランク角部の長手方向のひずみ分布を図 18に示す. 2段成形では平坦パンチよりも角部のひずみが低減できている. 20. 8 980MPa級鋼板, L =19mm 18.4 1180MPa級鋼板, L =16.5mm (a) 2段成形により得られた成形品２段伸びフランジ成形による成形品および最大成形品高さを図19に示す. 2段成形により，最大成形品高さが平坦パンチによる成形品と比較して980MPa級鋼板と1180MPa級鋼板でそれぞれ28%と32%程度向上できている.
4.あとがき
超高張力鋼板は延性が低いために穴拡げ加工とフランジ成形における割れが生じやすい．超高張力鋼板の穴拡げ加工性とフランジ成形性はせん断加工条件により影響され、最適なクリアランス比により割れ限界が向上できた．超高張力鋼板の穴拡げ加工性は破断面平滑加工により向上された．また，フランジ成形では，角部の引張応力を分散させた成形法によって最大成形品高さを増加できた.本研究の一部は，天田金属加工機械技術振興財団，スズキ財団，大澤科学技術振興財団の研究助成及び科学研究費補助金若手研究B（課題番号21760582）により行われ，感謝の意を示す.