JP4815997B2 - プレス成形方法およびプレス成形装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属板に絞り成形等を施すことにより所定形状の成形品をプレス成形する方法および装置に関し、特に成形後の弾性復元力（いわゆるスプリングバック）による成形品の寸法精度不良を抑制するために局部加熱処理を併用したプレス成形方法とプレス成形装置に関するものである。

絞り成形等のプレス成形後の成形品に生じる開き、反り、キャンバー（稜線の反り）、ねじれ等の寸法精度不良は、塑性変形した成形品が弾性復元することで発生するもので、その度合いは成形品内に残留している応力の分布状態に依存する。そのため、原因となる部位の応力を制御することによって寸法精度不良を抑制する技術が種々提案されており、その一つとして局部加熱処理を併用したプレス成形技術が例えば特許文献１に記載されている。

この特許文献１に記載の技術では、下型としてのポンチとこれに対して上下動可能な上型としてのダイとを備えたプレス金型において、プレス成形時にいわゆるスプリングバックを生じることになる成形品の稜線部に対応する金型側のパンチ肩部とダイスの凹状溝コーナー部に、それぞれスプリングを介して弾性支持される複数の加熱用電極を埋設し、ダイスが下死点に達する直前に成形品の稜線部に沿って加熱用電極に通電して加熱するようにしている。
特開平７−１５５８５６号公報

このような従来の技術では、いわゆる一枚板の状態のままで通電加熱することから、限定された部位を安定した温度で加熱することが困難であり、所期の目的を十分に達成することができないばかりでなく、熱的影響部の制御が不安定になりがちで成形品全体の強度低下をもたらすおそれがある。

また、隣り合う電極間を直線的に結んだ経路部分が加熱されることになるため、複雑形状の成形品への対応が困難であるほか、弾性支持された一対の電極を金属板の片側から押し付ける故に金属板たる成形品に歪みが発生しやすいばかりでなく、電極の接触状態が不安定になりやすく、特に電極接触部に隙間が発生すると火花がが発生することとなって好ましくない。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、とりわけ安定した局部加熱処理を施すことができるようにしたプレス成形方法とプレス成形装置を提供しようとするものである。

請求項１に記載の発明は、金属板を上下型からなる金型にて加圧拘束して、頂壁部とその両側の側壁部および側壁部の端部のフランジ部とを備えたハット型断面形状の長尺な成形品をプレス成形する方法であって、金型の加圧拘束力が付与されている成形品の頂壁部およびフランジ部に対して補助金属板を重ね合わせた状態でそれら両者を重合方向で正対する一対の電極にて加圧して重合方向に通電することにより局部加熱処理を施し、もって金型の加圧拘束力を解除したときに弾性復元力により成形品を変形させるような残留応力として上記頂壁部に残る引張応力およびフランジ部に残る圧縮応力をそれぞれ調整することを特徴とする。

この場合において、請求項２に記載のように、金属板を上下型からなる金型にて加圧拘束してハット型断面形状の長尺な成形品をプレス成形する一次成形工程と、その一次成形後の成形品に形状凍結性を付与するべくその成形品を金型の加圧拘束力をもって矯正する二次成形工程とを含んでいる場合には、この二次成形工程において上記と同様の局部加熱処理を施すものとする。

また、上記一次成形工程での成形は、請求項３に記載のように冷間にて行うものとする。

なお、請求項４に記載のように、いずれか一方の電極に、成形品の頂壁部およびフランジ部と重ね合わされることになる補助金属板を予め付帯させてあることが望ましい。

請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の技術をプレス成形装置として捉えたものであって、金型の加圧拘束力が付与されている成形品の頂壁部およびフランジ部に対して補助金属板を重ね合わせた状態でそれら両者を重合方向で正対する一対の電極にて加圧して重合方向に通電することにより局部加熱処理を施して、金型の加圧拘束力を解除したときに弾性復元力により成形品を変形させるような残留応力として上記頂壁部に残る引張応力およびフランジ部に残る圧縮応力をそれぞれ調整する通電加熱処理手段を備えていることを特徴とする。

したがって、少なくとも請求項１，６に記載の発明では、いわゆるスポット溶接と同様の原理によるジュール熱をもって成形品の特定の部位が加熱されて、金型の加圧拘束力を解除したときに弾性復元力により成形品を変形させるような残留応力が著しく小さいものとなる。

請求項１，６に記載の発明によれば、成形品の頂壁部およびフランジ部と補助金属板とを重ね合わせた状態で通電・加熱するようにしたことにより、安定した局部加熱処理、ひいては加熱部位の安定した応力調整が可能となる。すなわち、二枚の金属板同士を重ね合わせた状態で通電・加熱する故に、金属板同士の境界部分というきわめて限定的で且つ明確な部分を局部的に加熱でき、しかも熱的影響部分も限定されることから、加熱部位の制御がきわめて容易で、加熱による安定した応力調整を行える。

また、先に述べたように二枚の金属板同士を重ね合わせた状態で通電・加熱する方式であるため、火花の発生を未然に防止できるほか、特に電極を用いて通電する場合にその電極形状を成形品の加熱部位形状に合わせることで、局面部等の複雑な形状部位での局部加熱による応力調整も可能となる。

図１以下の図面は本発明のより具体的な実施の形態を示す図であり、成形対象となるパネル部品として例えば図１に示すようないわゆるハット型断面形状の自動車のセンターピラー（以下、これを「成形品」と言う）Ｗを絞り成形する場合の例を示している。

このような成形品Ｗは、図２に示すように、金型による成形終了時（プレス下死点時）に頂壁部Ｔに引張応力が、側壁部Ｓの両側のフランジ部Ｆに圧縮応力がそれぞれはたらくことになる一方、金型の拘束から解かれた時には上記のそれぞれの応力が開放されることから、それによってフランジ部Ｆを含む左右の側壁部Ｓが互いに離間する方向に跳ね上がるいわゆるキャンバーと称される寸法精度不良が発生する。そこで、残留応力である上記の引張応力および圧縮応力を積極的に制御することで寸法精度不良を抑制しようとするものである。

成形品Ｗは、図３に示すように、大きく分けて一次成形工程であるドロー工程（絞り成形工程）Ｓ１、二次成形工程である応力制御工程Ｓ２およびトリム・ピアス工程Ｓ３を経て成形される。

ドロー工程Ｓ１では、図４に示すように、所定サイズの金属板（鋼板）である平板状のブランク材Ｂを用意しておき、ブランクホルダ３と共に下型を構成することになるポンチ１と上型として機能するダイ２とからなる金型を用いて例えばトランスファープレスのシングルアクション成形により冷間にてハット型断面形状に絞り成形して一次成形品Ｗ１とする。

次に、通常のプレス成形の場合、比較的大きな寸法精度不良が現れる一次成形品Ｗ１では、二次成形として、寸法精度不良として変形した量を予め見込んだ上で一次成形品Ｗ１を金型により再度加圧矯正するいわゆるリストライク加工を施すことになるが、本実施の形態では応力制御工程Ｓ２にて局部加熱処理による応力制御を行うものとする。

図５は二次成形工程である応力制御工程Ｓ２を示しており、先に述べたトランスファープレスにおける他の工程での成形サイクル（上型の下降→成形→上型の上昇）と同調して加工が行われるように、本工程でも上下型からなる金型をもって一次成形品Ｗ１の特定部位の応力制御を行うものとする。すなわち、トランスファープレスにおける他の工程と同じタイミングでボルスタ４上にある下型としての下パッド５に対しスライド６に固定された上型としての上パッド７が下降および上昇する間に、後述するように一次成形品Ｗ１の特定部位に対し通電による局部加熱処理を施すものである。

より詳しくは、図５に示すように、従来のリストライク加工と同様に下パッド５と上パッド７とで一次成形品Ｗ１を加圧拘束して成形品Ｗ自体の形状凍結性を付与するべく矯正するものであるが、従来のように加圧拘束力によるしごきをもって矯正するのではなく、上パッド７および下パッド５のうち成形品Ｗの頂壁部Ｔおよびフランジ部Ｆに相当する部分に予め例えば円柱状の電極８ａ，８ｂおよび９ａ，９ｂを埋設しておき、プレス下死点付近からそれらの頂壁部Ｔおよびフランジ部Ｆを挟んで上下から加圧拘束しつつ通電することで、いわゆるスポット溶接と同様の原理により頂壁部Ｔおよびフランジ部Ｆに局部加熱処理を施し、もって頂壁部Ｔおよびフランジ部Ｆの内部応力である引張応力および圧縮応力を著しく小さいものとし、望ましくはそれらの応力を除去もしくは消失させるものとする。

したがって、金型を構成することになる下パッド５および上パッド７としては、絞り成形後のいわゆるスプリングバック（弾性復元力）にて変形して正規形状となっていない一次成形品Ｗ１を正規形状となるように拘束・保持するだけの、つまり弾性域の変形を押さえ付けるだけのいわゆるパッドとしての機能があれば足り、いわゆる簡易的な構造物で構成される。

最終工程であるトリム・ピアス工程では、図６に示すようにトランスファープレスにおける他の工程と同じタイミングで下型であるポンチ１０に対し上型としての上ホルダ１１が下降および上昇する間に、その上ホルダ１１側のスクラップカッタ１２とポンチ１０との噛み合いに基づいて、一次成形品Ｗ１のフランジ部Ｆに付帯している非製品部領域をスクラップＳｃとして切断除去するとともに、必要に応じてポンチ１０や上ホルダ１１に予め付帯させてある図示外のピアスポンチとボタンダイとの噛み合いをもってピアス穴加工を施すことになる。

図７，８は図５に示した応力制御工程における金型のＤ部の詳細を示しており、図５のほか図７，８に示すように、下パッド５および上パッド７のうち一次成形品Ｗ１の頂壁部Ｔおよびフランジ部Ｆを挟んでその上下両側にはその上下で対をなす加熱用の電極８ａ，８ｂおよび９ａ，９ｂが正対するようにそれぞれに対向配置してあり、各電極８ａ，８ｂおよび９ａ，９ｂは図示しない電源の二次側に接続されている。

そして、これら複数組の電極８ａ，８ｂおよび９ａ，９ｂのうち下側の各電極８ａ，８ｂは電極ホルダ１３に上下動可能に弾性支持されていて、いわゆる無負荷状態ではその先端面が下パッド５の上面と面一もしくはそれよりもわずかに突出するように設定されてはいても、下パッド５と上パッド７とで一成形品Ｗ１を加圧拘束した時には下側の各電極８ａ，８ｂの先端面が一次成形品Ｗ１の下面、すなわち頂壁部Ｔおよびフランジ部Ｆの下面と面一状態となってその一次成形品Ｗ１の下面に圧接するようになっている。

他方、これら複数組の電極８ａ，８ｂおよび９ａ，９ｂのうち上側の各電極９ａ，９ｂは電極ホルダ１４に上下動可能に弾性支持されていて、いわゆる無負荷状態ではその先端面が上パッド７の下面と面一もしくはそれよりもわずかに引っ込むように設定されてはいても、上パッド５と下パッド７とで一成形品Ｗ１を加圧拘束した時には上側の各電極９ａ，９ｂの先端面が後述する補助金属板である補助電極板１５の上面と面一状態となって、上側の各電極９ａ，９ｂが補助電極板１５を介して一次成形品Ｗ１の上面、すなわち頂壁部Ｔおよびフランジ部Ｆの上面に圧接するようになっている。

より詳しくは、図７，８に示すように、上側の各電極９ａ，９ｂの下側には補助金属板として一次成形品Ｗ１の板厚と同等の板厚を有し且つ導電性を有する補助電極板１５を水平状態にて配置してあり、この補助電極板１５はそれぞれの電極ホルダ１４に圧縮コイルスプリング等の弾性手段１６を介して上下動可能に弾性支持させてある。なお、補助電極板１５はその名の通り電極の一部として機能するものであって且つ繰り返し使用するものであるから、一次成形品Ｗ１である鋼板と接合しにくく且つ高温環境下での使用に耐え得る耐久性に優れた材料で形成してあることが望ましい。

以上の説明から明らかなように、上下の各電極８ａ，８ｂおよび９ａ，９ｂと補助電極板１５とで局部加熱処理のための通電加熱処理手段を形成している。そして、上下で対をなす電極８ａ，９ａ同士および８ｂ，９ｂ同士の組み合わせを一組として、このような組み合わせの電極を図１に示した成形品Ｗの長手方向に沿って所定のピッチで多数並設してある。

したがって、このような金型構造を備えた応力制御工程Ｓ２では、図５に示すように前工程であるドロー工程にて成形された一次成形品Ｗ１を下パッド５上に投入して位置決めしたならば、上パッド７を下降させて上下のパッド５，７にてその一次成形品Ｗ１を加圧拘束する。つまり、ドロー成形後の一次成形品Ｗ１の頂壁部Ｔおよびフランジ部Ｆでの弾性復元力による変形を矯正して、正規形状に拘束・保持する。

下パッド７が下死点位置に達するのと相前後して下側の各電極８ａ，８ｂが一次成形品Ｗ１に下面に圧接するとともに、上側の各電極９ａ，９ｂもまた補助電極板１５を介して一次成形品Ｗ１の上面に圧接するかたちとなる。より具体的には、上下で対をなす電極８ａ，９ａ同士および８ｂ，９ｂ同士は一次成形品Ｗ１の頂壁部Ｔおよびフランジ部Ｆと補助電極板１５とが互いに密着するようにそれらを加圧挟持することから、その状態で上下の各電極８ａ，９ａ間および８ｂ，９ｂ間に通電して、いわゆる抵抗溶接もしくはスポット溶接の原理により一次成形品Ｗ１の頂壁部Ｔおよびフランジ部Ｆに局部加熱処理を施す。この場合、上下の電極８ａ，９ａ同士および８ｂ，９ｂ同士の加圧部位において補助電極板１５と一次成形品Ｗ１とをいわゆる二枚重ね状態としてその重合方向に通電することにより、一次成形品Ｗ１と補助電極板１５との接合面での電流が絞られ通電面積が小さく且つ電流密度が高くなるにより、一枚板だけの場合と比べていわゆるジュール発熱によるは発熱量が大きくなって、特に一次成形品Ｗ１と補助電極板１５との接合面を中心として効率の良い局部加熱処理を施すことができる。また、先に述べたようにいわゆる二枚重ねの状態で通電を行うことで、両者の間に隙間が発生しにくいばかりでなく火花が発生することもない。

なお、電極８ａ，９ａ間および８ｂ，９ｂ間の電圧や溶接電流等の加熱条件は、局部加熱部位において、成形品Ｗ１を形成している素材の再結晶温度以上で融点以下の温度となるように予め調整されている。特に、本実施の形態では、先に述べたようにトランスファープレスでの加工を前提としていることから、上下の電極８ａ，９ａ同士および８ｂ，９ｂ同士による加圧拘束時間および通電時間はプレスの上下動のサイクル内に収まるように予め設定し、その時間内で十分に目的とする加熱温度が得られるように先に述べたように電圧、電流等を予め調整してある。その結果、一般的なスポット溶接のようにスパッタが飛散することもない。

こうして一次成形品Ｗ１に局部加熱処理を施すと、その局部加熱部位である一次成形品Ｗ１の頂壁部Ｔおよびフランジ部Ｆでの残留応力が著しく小さくなり、いわゆる成形品Ｗの形状凍結性が付与されて、以降に金型の加圧拘束力を解除したとしても弾性復元力による変形（いわゆるスプリングバック）が大幅に抑制されることになる。

このように本実施の形態によれば、成形品Ｗのうち局部的きわめて限られた位置に安定した加熱処理を施すことができ、それによって成形品Ｗに残される残留応力が著しく小さくなって、成形品Ｗの弾性復元力による変形を大幅に抑制することができるようになる。

また、成形品Ｗの曲面部等に局部的に加熱処理を施す場合には、電極８ａ，８ｂおよび９ａ，９ｂとしてその曲面形状に応じたものを使用することできわめて容易に対応することができるようになる。

本発明が成形対象とする成形品の一例を示す要部斜視図。 図１に示した成形品の絞り成形に伴う引張応力および圧縮応力の発生状況を示す説明図。 図１に示した成形品の成形手順を示す概略説明図。 図３に示したドロー工程の詳細を示す断面説明図。 図３に示した応力制御工程の詳細を示す断面説明図。 図３に示したトリム・ピアス工程の詳細を示す断面説明図。 図５に示すＤ部の詳細を示す図であって、上型上昇時の説明図。 図５に示すＤ部の詳細を示す図であって、上型下降時の説明図。

符号の説明

１…ポンチ（下型）
２…ダイ（上型）
３…ブランクホルダ（下型）
５…下パッド（下型）
７…上パッド（上型）
８ａ，８ｂ…電極（通電加熱処理手段）
９ａ，９ｂ…電極（通電加熱処理手段）
１５…補助金属板としての補助電極板（通電加熱処理手段）
１６…圧縮コイルスプリング（弾性手段）
Ｂ…ブランク材（鋼板）
Ｆ…フランジ部
Ｓ…側壁部
Ｓ１…ドロー工程
Ｓ２…応力制御工程
Ｓ３…トリム・ピアス工程
Ｔ…頂壁部
Ｗ…成形品（センターピラー）
Ｗ１…一次成形品

Claims (8)

1. 金属板を上下型からなる金型にて加圧拘束して、頂壁部とその両側の側壁部および側壁部の端部のフランジ部とを備えたハット型断面形状の長尺な成形品をプレス成形する方法であって、
   金型の加圧拘束力が付与されている成形品の頂壁部およびフランジ部に対して補助金属板を重ね合わせた状態でそれら両者を重合方向で正対する一対の電極にて加圧して重合方向に通電することにより局部加熱処理を施し、
   もって金型の加圧拘束力を解除したときに弾性復元力により成形品を変形させるような残留応力として上記頂壁部に残る引張応力およびフランジ部に残る圧縮応力をそれぞれ調整することを特徴とするプレス成形方法。
2. 金属板を上下型からなる金型にて加圧拘束してハット型断面形状の長尺な成形品をプレス成形する一次成形工程と、
   その一次成形後の成形品に形状凍結性を付与するべくその成形品を金型の加圧拘束力をもって矯正する二次成形工程と、
   を含んでいて、
   上記二次成形工程において、金型の加圧拘束力が付与されている成形品の頂壁部およびフランジ部に対して補助金属板を重ね合わせた状態でそれら両者を重合方向で正対する一対の電極にて加圧して重合方向に通電することにより局部加熱処理を施し、
   もって金型の加圧拘束力を解除したときに弾性復元力により成形品を変形させるような残留応力として上記頂壁部に残る引張応力およびフランジ部に残る圧縮応力をそれぞれ調整することを特徴とする請求項１に記載のプレス成形方法。
3. 上記一次成形工程での成形は冷間にて行うことを特徴とする請求項２に記載のプレス成形方法。
4. いずれか一方の電極に、成形品の頂壁部およびフランジ部と重ね合わされることになる補助金属板を予め付帯させてあることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプレス成形方法。
5. 上記局部加熱処理は成形品の頂壁部およびフランジ部が再結晶温度以上で融点以下の温度となるような温度条件で行うことを特徴とする請求項１〜４のいすれかに記載のプレス成形方法。
6. 金属板を上下型からなる金型にて加圧拘束して、頂壁部とその両側の側壁部および側壁部の端部のフランジ部とを備えたハット型断面形状の長尺な成形品をプレス成形する装置であって、
   金型の加圧拘束力が付与されている成形品の頂壁部およびフランジ部に対して補助金属板を重ね合わせた状態でそれら両者を重合方向で正対する一対の電極にて加圧して重合方向に通電することにより局部加熱処理を施して、金型の加圧拘束力を解除したときに弾性復元力により成形品を変形させるような残留応力として上記頂壁部に残る引張応力およびフランジ部に残る圧縮応力をそれぞれ調整する通電加熱処理手段を備えていることを特徴とするプレス成形装置。
7. いずれか一方の電極に、成形品の頂壁部およびフランジ部と重ね合わされることになる補助金属板を予め付帯させてあることを特徴とする請求項６に記載のプレス成形装置。
8. 上記通電加熱処理手段による局部加熱処理は成形品の頂壁部およびフランジ部が再結晶温度以上で融点以下の温度となるような温度条件で行うことを特徴とする請求項６または７に記載のプレス成形装置。

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