Press molding method

本発明は、金属板をプレス成形して伸びフランジを成形するプレス成形方法に関する。

金属薄板を金型で挟むことによってプレス成形をすることでフランジ部を成形する際、金属板におけるフランジ部の屈曲端部が引張力を受けて伸び変形が発生する場合がある。 このような成形を伸びフランジ成形と言う。
伸びフランジ成形においては、伸び変形が金属板の有する変形限界を超えた場合には割れが発生する。 この割れを伸びフランジ割れという。 伸びフランジ割れは、例えば自動車のプレス成形部品、特に高張力鋼板の成形品において発生し、所定の部品形状が得られない場合がある。

このような伸びフランジ割れを回避する方法について、例えば特許文献１には割れ発生部位の端面の状態を改善することで、伸びフランジ限界を向上させる方法が開示されている。
また、特許文献２および非特許文献１にはプレス金型によって余肉を付与する方法が記載されている。
また、特許文献３および特許文献４には伸びフランジワレの発生しにくいブランク形状を用いる方法が開示されている。
また、非特許文献２および非特許文献３には逐次接触パンチを用いて成形を行うことにより、変形を分散させて伸びフランジ部位への変形の集中を抑え、伸びフランジ割れの発生を回避する方法が記載されている。

特許文献１に開示されたように、割れ発生部位の端面の状態を改善する方法では、その効果は限定的であり、伸びフランジ割れの根本的な解決には至らない。
また、特許文献２、非特許文献１に開示されたように、プレス金型によって余肉を付与する方法についても、上記同様に効果が限定的であり、根本的な解決とは言えない。
また、特許文献３および特許文献４に開示されたように、伸びフランジワレの発生しにくいブランク形状を用いる方法の場合、ブランク形状が制約を受けるため製品形状の自由度が低下する。 また、最終的に目標形状にするために該当部位の形状を整えるための加工が必要となり、コスト増大の原因ともなる。
また、非特許文献２および非特許文献３に開示された逐次接触パンチを用いる方法の場合、天板部の形状悪化が指摘されており、天板部の形状精度が要求される場合には適用するのが難しいという問題がある。

本発明は、上記のような種々の問題を解決するためになされたものであり、製品形状の自由度を低下させることなく、伸びフランジ割れの問題を根本的に解決し、さらには天板部の形状精度にも優れるプレス成形方法を得ることを目的としている。

発明者は伸びフランジ成形において、フランジ部の屈曲端部に伸びが集中するのを緩和する根本的な解決方法を鋭意検討した。
その結果、フランジ部を成形するに際してフランジ部における屈曲端部に、伸びと縮みが同時に発生するようにできれば、これらが相殺され屈曲端部に伸びが集中することなく当該部位に割れが発生することもなくなるのではないかと考えた。
そして、フランジ部における屈曲端部に伸びと縮みが同時に発生するような成形方法について検討した。 この検討内容を図２１〜図２５に基づいて以下に説明する。

図２１（ａ）は、平板状の第１ブランク５０であり、破線は第１フランジ部５１（図２１（ｂ）参照）を成形するための第１折り曲げ線５３を示し、中央の太い実線は第１切り込み５５である。
このような第１ブランク５０を第１折り曲げ線５３に沿って曲げて第１フランジ部５１を成形すると、図２１（ｂ）に示すように、第１フランジ部５１における第１切り込み５５の部分が開く。 したがって、第１切り込み５５がなく板が繋がっている場合、図２２に示すように、第１フランジ部５１における斜線で示した部位に伸びが発生する。 これが伸びフランジ成形である。

図２３（ａ）は、矩形状の板の中央で山形になった第２ブランク５７を示している。 破線は第２フランジ部５９を成形するための第２折り曲げ線６１で、中央の太い実線は第２切り込み６３である。
このようなブランクを第２折り曲げ線６１に沿って曲げて第２フランジ部５９を成形すると、図２３（ｂ）に示すように、第２フランジ部５９の中央部でブランクの一部が重なり合う。 したがって、第２切り込み６３がなく板が繋がっている場合、図２４の斜線で示した部位に縮みが発生し、当該縮みが板厚増加で吸収できない場合にはシワが生ずることになる。 これが縮みフランジ成形である。

以上のように、図２２に示すように、平板状の第１ブランク５０を外周縁の一部が内方に凹んだ凹状の第１折り曲げ線５３に沿って第１フランジ部５１を成形すると第１フランジ部５１における屈曲端部に伸びが発生し、図２４に示すように、山形形状の第２ブランク５７を山形に沿った折り曲げ線に沿って第２フランジ部５９を成形すると第２フランジ部５９における屈曲端部に縮みが発生する。
そこで、このようなフランジ部の同一部分に伸びと縮みが同時に発生する成形を行うことで、伸びと縮みが相殺される。
そのためには、フランジ部を成形するに際して、図２２に示したような内方に凹んだ凹状である第１折り曲げ線５３と、図２４に示したような山形に沿う第２折り曲げ線６１の２つの特質を備えた折り曲げ線に沿って成形すればよい。
このような成形を行うためには、２つの特質を備えた折り曲げ線を実現できる予備的な中間形状を、目標形状のフランジ部を成形する前段階で作っておけばよい。
図２５はこのような中間形状６５の一例を示すものであり、外周縁の一部が内方に凹んだ凹状外周縁６７を有する天板部６９と、該天板部６９における凹状外周縁６７に沿って曲げ成形されフランジ部の一部となる縦壁部７１と、該縦壁部７１から外方に向けて折り曲げられると共に前記天板部６９側に凸となる山形部７３を含む形状である。
図２５に示す中間形状６５において、縦壁部７１に形成された第３折り曲げ線７５が、上述した２つの特質を有する折り曲げ線となっている。 つまり、第３折り曲げ線７５は、中間形状６５を上から見ると、内方に凹んでいることから図２２の第１折り曲げ線５３と同様の形状になっており、また前方から見ると山形になっていることから図２４の第２折り曲げ線６１と同様になっている。

中間形状６５を成形し、この中間形状６５に現れた縦壁部７１の第３折り曲げ線７５に沿って山形部７３を図２５の矢印Ａで示すように成形すると、山形部７３の中央先端のＸ部には、図２２に示した伸びと、図２４に示した縮みが同時に発生し、その結果、伸びと縮みが相殺されて、伸びに起因する割れや、縮みに起因するシワなどが発生しない。
なお、中間形状６５を成形する際に縦壁部７１の中央（凹形状の凹部）に伸びが発生するが、当該部位は天板部６９からの垂下距離が短いので、大きな伸びとはならず割れ等の問題はない。
本発明は上記のような知見に基づいてなされたものであり、具体的には以下の構成からなるものである。

（１）本発明に係るプレス成形方法は、外周縁の一部が内方に凹んだ凹状外周縁を有する天板部と、該天板部における凹状外周縁に沿って曲げ成形されたフランジ部を有する成形部品をプレス成形するプレス成形方法であって、
ブランク材における前記フランジ部が形成される部位に、フランジ部の一部となる縦壁部と、該縦壁部から外方に向けて折り曲げられると共に前記天板部側に凸となる山形部を含む中間形状部品を成形する第１成形工程と、
該第１成形工程で成形された中間形状部品の前記山形部を含む部位を縦壁部との境界となる折り曲げ線に沿って曲げ成形してフランジ部を成形する第２成形工程を備えてなることを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記第１成形工程は、ブランク材における天板部となる部位をパッドと第１ダイで挟持して、前記ブランク材におけるフランジ部となる部位を第１パンチによって成形し、
前記第２成形工程は、中間形状部品における天板部となる部位をパッドと第２ダイで挟持して、前記中間形状部品における山形部を含む形状に沿う第２パンチによって成形することを特徴とするものである。

本発明においては、ブランク材における前記フランジ部が形成される部位に、フランジ部の一部となる縦壁部と、該縦壁部から外方に向けて折り曲げられると共に前記天板部側に凸となる山形部を含む中間形状部品を成形する第１成形工程と、
該第１成形工程で成形された中間形状部品の前記山形部を含む部位を縦壁部との境界となる折り曲げ線に沿って曲げ成形してフランジ部を成形する第２成形工程を備えてなることにより、第２成形工程ではフランジ部の屈曲端部には伸びと縮みが同時に発生し、前記屈曲端部に割れを生ずることなく、伸びフランジ成形を行うことができる。
また、山形部を含む中間形状部品を成形する第１成形工程においてフランジ部となる部位の広い範囲に剪断ひずみが生じて山形部が形成され、これによってフランジ部の屈曲端部に要求される伸び変形を予め成形することとなり、第２成形工程では主として曲げ成形となるのでフランジ部の屈曲端部に割れを生ずることなく、伸びフランジ成形を行うことができる。
また、第１成形工程における山形部を成形する際の剪断ひずみは、フランジ部となる縦壁部と山形部との間で生ずるため、天板部にはほとんど応力が発生せず、天板部の形状精度にも優れる。

本発明の一実施の形態に係るプレス成形方法の各工程を説明する説明図である。

本発明の一実施の形態に係るプレス成形方法によって成形する成形部品の説明図である。

本発明の一実施の形態に係るプレス成形方法の第１成形工程によって成形された中間形状部品の説明図である。

本発明の一実施の形態に係るプレス成形方法の第１成形工程に用いる第１パンチの説明図である。

本発明の一実施の形態に係るプレス成形方法の第１成形工程において生ずる剪断ひずみ発生のメカニズムを説明する説明図である。

本発明の一実施の形態に係るプレス成形方法の第１成形工程における剪断力によって生ずる塑性ひずみをコンター図で示す図である。

本発明の一実施の形態に係るプレス成形方法の第１成形工程における板厚減少率をコンター図で示す図である。

本発明の一実施の形態に係るプレス成形方法の第２成形工程に用いる第２パンチの説明図である。

本発明の一実施の形態に係るプレス成形方法の第２成形工程における剪断力によって生ずる塑性ひずみをコンター図で示す図である。

本発明の一実施の形態に係るプレス成形方法の第２成形工程における板厚減少率をコンター図で示す図である。

従来のプレス成形方法によって生ずる塑性ひずみをコンター図で示す図である。

従来のプレス成形方法によって成形した場合の板厚減少率をコンター図で示す図である。

本発明の実施例における成形部品の説明図である。

本発明の実施例における第１パンチの説明図である。

本発明の実施例における第２パンチの説明図である。

本発明の実施例の効果を説明するグラフである（その１）。

本発明の実施例の効果を説明するグラフである（その２）。

本発明の実施例の効果を説明する説明図であって、成形部品における応力分布をコンター図で示す図である。

本発明のプレス成形方法における第１成形工程で用いる第１パンチの他の態様の説明図である（その１）。

本発明のプレス成形方法における第１成形工程で用いる第１パンチの他の態様の説明図である（その２）。

本発明にかかるプレス成形方法のメカニズムを説明する説明図である（その１）。

本発明にかかるプレス成形方法のメカニズムを説明する説明図である（その２）。

本発明にかかるプレス成形方法のメカニズムを説明する説明図である（その３）。

本発明にかかるプレス成形方法のメカニズムを説明する説明図である（その４）。

本発明にかかるプレス成形方法のメカニズムを説明する説明図である（その５）。

本発明の一実施の形態に係るプレス成形方法は、図２に示すように、外周縁の一部が内方に凹んだ凹状外周縁３を有する天板部５と、該天板部５における凹状外周縁３に沿って曲げ成形されたフランジ部７を有する成形部品１をプレス成形するプレス成形方法であって、
フランジ部７が形成されるブランク材７における部位に、フランジ部７の一部となる縦壁部１１と、該縦壁から外方に向けて折り曲げられると共に上方に凸となる山形部１３を含む中間形状部品１５（図１（ｂ）、図３参照）を成形する第１成形工程Ｓ１（図１（ａ）参照）と、第１成形工程Ｓ１で成形された中間形状部品１５の山形部１３を含む形状に沿う第１パンチ１７によって山形部１３を含む部位を縦壁部１１との境界線１９に沿って曲げ成形してフランジ部７を成形する第２成形工程Ｓ２（図１（ｃ）参照）を備えてなることを特徴とするものである。
以下、目標とする成形部品１、第１成形工程Ｓ１、第２成形工程Ｓ２について詳細に説明する。

＜成形部品＞
本実施の形態におけるプレス成形の目標形状となる成形部品１は、図２に示すように、外周縁の一部が内方に凹んだ凹状外周縁３を有する天板部５と、該天板部５における前記凹状外周縁３に沿って曲げ成形されたフランジ部７を有するものである。
このような形状の成形部品１は、フランジ部７における屈曲端部２１に伸びが集中して、当該部位に割れが発生しやすい。

＜第１成形工程＞
本実施の形態の第１成形工程Ｓ１は、ブランク材９におけるフランジ部７が形成される部位に、フランジ部７の一部となる縦壁部１１と、該縦壁から外方に向けて折り曲げられると共に上方すなわち天板部５側に凸となる山形部１３を含む中間形状部品１５（図３参照）を成形する工程である。

第１成形工程Ｓ１のプレス成形には、図１に示すように、下金型となる第１ダイ２３と、ダイの上方から下降する第１パンチ１７と、ブランク材７を押えるパッド２５を使用する。
第１パンチ１７の形状は、図４（ａ）に示すように、成形品の天板部５に相当する部位に位置する平坦部２７と、成形品の凹状外周縁３に沿って下方に延出する縦壁を成形する縦壁成形部２９と、縦壁成形部２９から水平方向に延出して上方に凸の山形の山形成形部３１を備えている。 なお、山形成形部３１には、図４（ｂ）に示すように、山形裾平坦部３２があってもよい。
第１ダイ２３は、第１パンチ１７の各成形部の形状に対応した形状を有している。
パッド２５によるブランク材７を第１ダイ２３に押圧する押圧力は、第１パンチ１７の下降による成形に際して天板部５に変形が生じないような十分強い圧力であることが望ましい。

第１成形工程Ｓ１をより具体的に説明する。
第１成形工程Ｓ１では、図１（ａ）に示すように、ブランク材７を第１ダイ２３とパッド２５で挟持した状態で、第１パンチ１７をダイ側に下降する。 第１パンチ１７が下降するとまず第１パンチ１７の山形成形部３１（図４参照）における両端がブランク材７に当接して、さらに下降すると、裾から順に山形部１３の成形と縦壁の成形が同時に行われる。

このとき、図５の矢印で示すように、縦壁部１１は下方に引っ張られ、山形部１３は上方に向けて押し上げられるので、縦壁部１１と山形部１３との間に剪断力が作用する。 この第１成形工程における剪断力によって生ずる塑性ひずみをコンター図で示したのが図６である。 図６においては、符号Ａで示す部位は塑性ひずみがゼロの部位であり、ＢＣ・・・Ｆという順で塑性ひずみが大きくなっている。

図６を参照すると分かるように、山形部１３のみならず縦壁部１１の広い範囲に亘って塑性ひずみが生じている。 このことから、第１成形工程Ｓ１において、縦壁部１１の広い範囲の材料が山形部１３の成形に寄与しており、山形部１３の成形に際してひずみが集中することなく分散していることが分かる。
第１成形工程Ｓ１を実施した後の板厚変化を示したコンター図が図７である。 図７においては、符号Ａで示す部位は板厚減少率がゼロの部位であり、ＢＣ・・・Ｆという順で板厚減少率が大きくなっている。
図７に示されるように、板厚減少率が最も大きいのは山形部１３の頂上付近であるが、この部分でも板厚減少率は１６％であった。
このように、第１成形工程Ｓ１によって、ひずみを集中させることなく山形部１３を成形することができ、縦壁部１１には山形部１３との境界線１９が形成される（図３参照）。 この境界線１９が図２５で示した第３折り曲げ線７５と同じ性質、すなわちフランジ部の屈曲端部に伸びと縮みを当時に発生させる性質を有する折り曲げ線となる。

なお、第１成形工程Ｓ１は、フランジ部７となる部位において剪断ひずみを生じさせるものであることから、天板部５への影響が少なく、天板部５に応力が生じないので天板部５の平坦度の精度を高く保つことができる。

＜第２成形工程＞
第２成形工程Ｓ２は、図１に示すように、第１成形工程Ｓ１で成形された中間形状部品１５を第２ダイ３３とパッド２５で挟み、山形部１３を含む形状に沿う第２パンチ３５によって山形部１３を含む部位を境界線１９に沿って下方に折り曲げてフランジ部７を成形する。
第２成形工程Ｓ２で使用する第２パンチ３５は、図８（ａ）に示すように、第１成形工程Ｓ１で成形された山形状に沿う凹形状と縦壁部１１に沿う形状を有している。 第２パンチ３５において第１パンチ１７と違う点は、縦壁成形部２９の長さが長い点のみである。
第２ダイ３３は、第２パンチ３５の各成形部の形状に対応した形状を有している。

図８（ａ）に示すような、第２パンチ３５を第１成形工程Ｓ１で成形された縦壁に沿って下降することで、第２パンチ３５が山形部１３を含む形状に当接し、さらに下降することで、山形部１３を含む形状が縦壁との境界線１９から垂直下方に曲げ成形され、図１（ｄ）に示すように目標形状に成形される。
なお、第２パンチ３５の形状としては、図８（ｂ）に示すように、山形裾平坦部３２があってもよい。
また、図８の第２パンチ（ａ）または（ｂ）と、図４の第１パンチ（ａ）または（ｂ）との組み合わせはいずれでもよい。

この第２成形工程Ｓ２では、第１成形工程Ｓ１で成形された山形部１３を含む形状を境界線１９に沿って下方に向けて曲げ成形するが、このときフランジ部７の中央下端部には伸びと縮みの両方が作用し、これらが相殺されるので、この曲げ成形によって大きな伸びが発生することはなく、まして割れが生ずることもない。

第２成形工程Ｓ２後における塑性ひずみの分布をコンター図で示したのが図９である。 図９に示されるように、広い範囲に塑性ひずみが分散していることが分かる。 つまり、塑性ひずみが集中せずに分散することで、割れの発生を防止できるのである。
なお、図９のコンター図に示すように、本発明の方法によってもフランジ部の屈曲端部に塑性ひずみが生ずるのは、当該部位に発生する伸びと縮みが完全に一致しているわけではないからである。
第２成形工程Ｓ２後の板厚の分布をコンター図で示したのが図１０である。 図１０に示すように、板厚の変化が広範囲に分散しており、最も板厚減少率が大きい部位でも２０％であった。 このことは、伸びと縮みの相殺作用によって板厚減少率の最大値を小さくすることができ、割れの発生を確実に防止できることを意味している。

図１１は、伸びフランジ成形を一工程で行う従来のプレス成形方法で行った場合の塑性ひずみ分布をコンター図で示した図であり、図１２は同じく伸びフランジ成形を一つの工程で行う従来のプレス成形方法で行った場合の板厚の分布をコンター図で示したものである。
図１１を図９と比較すると分かるように、従来方法（図１１）では塑性ひずみが生じている部位が図９のように分散せずにフランジの中央下端の屈曲部に集中していることが分かる。
また、図１２を図１０と比較すると分かるように、従来方法（図１２）では板厚変化が生じている部位が図１０のようにフランジ部７の広い範囲に分散せず、中央に集中していることが分かる。 図１２に示した従来方法の最大の板厚減少率は４１％であり、本発明の２０％よりも大きくなっている。

以上のように、本実施の形態によれば、第１成形工程Ｓ１で中間形状部品１５を成形し、第２成形工程Ｓ２において第１成形工程Ｓ１で成形した中間形状部品１５を曲げ成形することで最終形状の成形部品１を成形するようにしたので、第１成形工程Ｓ１では成形部品１におけるフランジ部７の広い範囲に塑性ひずみを生じさせ、それによって伸びの集中を防止でき、また第２成形工程Ｓ２ではフランジ部の屈曲端部に伸びを集中させることなく、割れの発生を効果的に防止できる。

本発明の効果を検証するため、従来方法と本発明方法を有限要素法による解析で検証した。 解析に用いたソフトウエアはＬＳＴＣ社製のＬＳ−ＤＹＮＡバージョン９７１で、動的陽解法を用いた。
対象とする成形品形状は図１３に示したものであり、図１３に示した各部の寸法等を表１に示す。 成形部品形状はフランジ部の縦壁の高さＨが３０ｍｍのもの（成形部品形状１）と、縦壁の高さＨが４０ｍｍのもの（成形部品形状２）の２種類を成形した。
なお、表１において、Ｗ、Ｌ、Ｈ、Ｒの単位はｍｍであり、θ、φの単位はdegree（度）である。

また、本発明の第１成形工程で用いた第１パンチを図１４に、第２成形工程で用いた第２パンチを図１５に示し、図１３〜１５に示した各部の寸法をそれぞれ表２に示す。
なお、表２において、Ｗｐ、Ｌｐ、Ｈａ、Ｈｂ、Ｗ１、Ｌ１、Ｒ、Ｒｐ１、Ｒｔ、Ｒｂの単位はｍｍであり、θ１、θ２、φ１の単位はdegree（度）である。 また、表２において、Ｒ、Ｒｐ１、Ｒｔ、Ｒｂはラウンド加工部の半径を示す。

図１６はフランジ部の縦壁高さＨが３０ｍｍの場合における最大板厚減少率を本発明と従来例（一工程で伸びフランジ成形を行うプレス成形方法）とで比較してグラフ表示したものである。
また、図１７はフランジ部の縦壁高さＨが４０ｍｍの場合における最大板厚減少率を本発明と従来例とで比較してグラフ表示したものである。
図１６に示すように、縦壁の高さＨが３０ｍｍの場合、従来例では４１％であったのに対して本発明の最大板厚減少率は２０％であった。
また、図１７に示すように、縦壁の高さＨが４０ｍｍの場合、従来例では５８％であったのに対して本発明の最大板厚減少率は３１％であった。
このように、本発明のプレス成形方法によれば、従来方法に比較して最大板厚減少率を低減できることが実証された。 このことは、伸びフランジ成形によって割れの発生を効果的に防止できることを意味している。

図１８は、本発明の第２成形工程の実施後の離型前のブランクの応力分布をコンター図で示したものである。 図１８においては、応力がゼロの部位を符号Ａで示し、圧縮応力が大きくなるに従って-Ｂ、・・・-Ｃとし、逆に引張応力が大きくなるに従って+Ｂ、・・・、+Ｃとしている。
図１８に示されるように、天板部５にはほとんど応力が発生しておらず、離型後にも天板部５の変形がほとんどないことを意味している。
これは、第１成形工程Ｓ１及び第２成形工程Ｓ２のいずれの成形工程でも、塑性ひずみが生じているのはフランジ部７のみであるためと推察される。
このため、天板部５の形状の精度が要求されるような場合にも本発明のプレス成形方法は極めて有用であることが実証された。

なお、上記実施の形態においては、成形部品形状として天板部５が平坦の場合について説明したが、本発明のプレス成形方法によって成形される成形部品の天板部は平坦である必要はない。 例えば、天板部が中央に向かって下向きに傾斜する傾斜面を有し天板部として凹形状の場合や、逆に天板部が中央に向かって上向きに傾斜する傾斜面を有し天板部として凸形状の場合であってもよい。

天板部が凹形状の場合における第１パンチ３７の天板成形部３９は、図１９に示すように、中央に向かって下向きに傾斜する傾斜面からなる凹形状とし、山形成形部の傾斜角度θ3は、天板部が平坦な場合の傾斜角度θ2よりも大きくすることが望ましい。
また、天板部が凸形状の場合における第１パンチ４１の天板成形部４３は、図２０に示すように、中央に向かって上向きに傾斜する傾斜面からなる凸形状とし、山形成形部の傾斜角度θ4は、は天板部が平坦な場合の傾斜角度θ2よりも小さくすることが望ましい。

Ｓ１ 第１成形工程 Ｓ２ 第２成形工程 １ 成形部品 ３ 凹状外周縁 ５ 天板部 ７ フランジ部 ９ ブランク材 １１ 縦壁部 １３ 山形部 １５ 中間形状部品 １７ 第１パンチ １９ 境界線 ２１ 屈曲端部（フランジ中央下端部）
２３ 第１ダイ ２５ パッド ２７ 平坦部 ２９ 縦壁成形部 ３１ 山形成形部 ３２ 山形裾平坦部 ３３ 第２ダイ ３５ 第２パンチ ３７ 第１パンチ ３９ 天板成形部 ４１ 第１パンチ ４３ 天板成形部 ５０ 第１ブランク ５１ 第１フランジ部 ５３ 第１折り曲げ線 ５５ 第１切り込み ５７ 第２ブランク ５９ 第２フランジ部 ６１ 第２折り曲げ線 ６３ 第２切り込み ６５ 中間形状 ６７ 凹状外周縁 ６９ 天板部 ７１ 縦壁部 ７３ 山形部 ７５ 第３折り曲げ線