JP7436841B2 - 板材の曲げ端割れの評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、板材の曲げ端割れの評価方法に関する。

従来、下記の特許文献１には、曲げ割れを生じるおそれがある金属板の限界曲げ半径の評価を行うため、曲げ加工された金属板の稜線の方向へひずみを断続的に変化させて曲げ割れを発生することにより、曲げ割れを生じない限界曲げ半径を求める技術が記載されている。

また、下記の特許文献２には、断面に板厚方向の罫書き線を入れた板状の試験片を用いて板厚方向にひずみ勾配を与えるＶ曲げ試験またはＬ曲げ試験を行う場合に、割れに至る直前の曲げ半径で成形した試験片の最外層表面の曲げ中心部における曲げ曲面の伸びひずみを測定し、板状素材の曲げ限界ひずみとする技術が記載されている。

特開２０１６－１７０１６５号公報 特許第５２９４０８２号公報

しかし、上記特許文献１、特許文献２に記載された技術は、いずれも、曲げ稜線に発生する曲げ外割れを対象としており、曲げ加工が行われた板材の端面から中央に向かって進行する曲げ端割れを対象とするものではない。

近年、骨格部品をはじめとする自動車部品の高強度化が進んでおり、使用される鋼板の強度も向上している。しかし、鋼板の高強度化に伴い延性は低下し、割れの発生懸念が大きくなることが知られている。更に、プレス工法としては延性の低い高強度鋼板の成形を目的とし、従来の絞り工法だけでなく、部分的なシワ押さえを付与した絞りや曲げ成形といった工法が用いられる様になってきており、これらの工法では鋼板端面が曲げられるといった事象がみられる。これらの鋼板強度の上昇に伴う延性の低下、および工法の変化により、曲げ端割れの発生が顕在化してきている。また、曲げ端割れは単軸引張変形状態であるため、一般的に曲げ外割れよりも発現し難くい。更に曲げ端割れは端面の性状の影響を受ける。例えば、端面が機械加工された場合と、端面が剪断加工された場合とでは、曲げ端割れの発現する加工限界が大きく異なる。これらの要因から、曲げ端割れの評価は曲げ外割れの評価よりも煩雑であり、特に板材の端面が剪断加工されている場合に、種々の条件に応じた曲げ端割れの評価が成されてこなかった経緯がある。

そこで、本発明は、剪断加工により切断された端面を曲げ加工した場合の、曲げ端の割れ限界を評価することが可能な、板材の曲げ端割れ評価方法を提供することを目的とする。

本開示の要旨は以下のとおりである。

（１）板材を剪断加工により切断する第１のステップと、前記剪断加工により切断された端面を含む領域で前記板材を曲げ加工する第２のステップと、前記曲げ加工された前記板材の前記端面における破断限界を評価する第３のステップと、を備え、前記第１のステップにおいて、前記剪断加工に用いる上型と下型の剪断方向と直交する方向のクリアランスを前記板材の板厚毎に管理して前記板材を切断し、前記第３のステップにおいて、前記板材の板厚毎に、前記クリアランスに応じて前記破断限界を評価する、板材の曲げ端割れの評価方法。

（２）前記第２のステップにおいて、前記板材の曲げ内Ｒを管理して前記板材を曲げ加工し、前記第３のステップにおいて、前記曲げ内Ｒに応じて前記破断限界を評価する、上記（１）に記載の板材の曲げ端割れの評価方法。

（３）前記第３のステップにおいて、前記曲げ加工された前記板材の前記端面において、曲げ端割れの有無を評価する、上記（１）又は（２）に記載の板材の曲げ端割れの評価方法。

（４）前記曲げ加工が引張曲げの場合、前記第３のステップにおいて、前記板材が破断する際の引張応力に基づいて前記破断限界を評価する、上記（１）又は（２）のいずれかに記載の板材の曲げ端割れの評価方法。

（５）前記曲げ加工がＶＤＡ曲げの場合、前記第３のステップにおいて、前記板材が破断する曲げ角度に基づいて前記破断限界を評価する、上記（１）又は（２）のいずれかに記載の板材の曲げ端割れの評価方法。

本発明によれば、剪断加工により切断された端面を曲げ加工した場合に、曲げ端の割れ限界を評価することが可能になるという効果を奏する。

鋼板を曲げ変形させた様子を示す図である。 剪断加工により得られた端面を含む様々な鋼板を示す平面図である。 曲げ加工方法のバリエーションを示す図である。 鋼板に剪断加工が施される様子を示す模式図である。 本実施形態に係る鋼板の曲げ端割れの評価方法の処理手順を示すフローチャートである。 曲げ端割れの評価に用いた鋼板の試験片を示す平面図である。 曲げ加工後の試験片の曲げ稜線を外側から見た状態を示す模式図であって、曲げ端割れを評価した結果を示す図である。

以下、本発明に係る幾つかの実施形態について図を参照しながら説明する。しかしながら、これらの説明は、本発明の好ましい実施形態の単なる例示を意図するものであって、本発明をこのような特定の実施形態に限定することを意図するものではない。

図１は、鋼板１０を曲げ変形させた様子を示す図である。鋼板１０を曲げ変形させると、曲げ外側は引張変形し、曲げ内側は圧縮変形する。鋼板１０の幅方向の端面１２では単軸引張変形が生じ、単軸引張変形に起因して曲げ端割れ１４が生じる。また、鋼板１０の幅方向の中央では平面ひずみ変形が生じ、平面ひずみ変形に起因して、鋼板１０の表面に曲げ外割れ１６が生じる。図１では、曲げ変形により生じる稜線を含む領域Ｒにおいて、曲げ端割れ１４と曲げ外割れ１６が生じた様子を左側に拡大して示している。

曲げ変形に伴い発現する曲げ端割れ１４の現象は、曲げ外割れ１６の現象よりも発現し難く、図１に示したような曲げ加工を鋼板１０に施した場合に、曲げ外割れ１６のみが発現し、曲げ端割れ１４は発生しない場合がある。

また、曲げ端割れ１４の現象は、端面１２の性状の影響を受け、同じ曲げ加工を施した場合であっても、端面１２の性状が異なると、曲げ端割れ１４が発生する加工限界が異なる。例えば、鋼板を切断する代表的な方法として、バイトやカッタ等を用いた機械加工と、プレス、打ち抜き等による剪断加工（打ち抜き加工）が挙げられるが、曲げ加工される鋼板１０の端面１２が機械加工により切断されている場合は、曲げ加工を施した場合に、曲げ端割れ１４は発生し難い。したがって、鋼板１０の端面１２が機械加工により切断されている場合、曲げ端割れ１４は比較的問題となり難い。

一方、曲げ加工される鋼板１０の端面１２が剪断加工により切断されている場合、鋼板１０に曲げ加工を施すと、曲げ端割れ１４が生じ易くなる。これは、剪断加工により鋼板１０の端面１２にダメージが生じ、また、剪断加工により鋼板１０の端面１２が硬化するため、端面１２がより破断し易くなるためと考えられる。したがって、鋼板１０の端面１２が剪断加工により切断されている場合、曲げ端割れ１４が問題となり易い。

以上のように、曲げ端割れ１４は、曲げ外割れ１６の現象よりも発現し難く、また端面１２性状に応じて発現状態が異なる。このため、曲げ端割れ１４の現象の評価は難しく、曲げ端割れ１４の現象は、今まで十分に評価されてこなかった経緯がある。

一方、プレス等による剪断加工は大量生産に向いており、剪断加工が施された鋼板１０が曲げ加工される場面は多い。このため、剪断加工により得られた端面１２を有する鋼板１０を曲げ加工した場合に、曲げ端割れ１４の現象を詳細に評価しておけば、曲げ端割れ１４を抑制する上で有意義である。

本発明者らは、以上の観点のもと、剪断加工された端面１２を有する鋼板１０を様々な条件下で曲げ加工し、端面における破断限界を評価することで、曲げ端割れ１４の発現に関する一定の知見を得た。以下では、本実施形態に係る曲げ端割れの評価方法について詳細に説明する。

図２は、剪断加工により得られた端面１８を有する様々な鋼板１０を示す平面図である。図２において、鋼板１０の輪郭のうち、太線で図示した端面１８は剪断加工により切断されている。一方、鋼板１０の輪郭のうち、太線で図示した端面１８以外の端面は、機械加工により切断されている。図２では、剪断加工された端面１８が直線であり板端部に位置する鋼板１０ａ，１０ｂ、剪断加工された端面１８が曲線（円弧）であり板端部に位置する鋼板１０ｃ、剪断加工された端面１８が角孔の縁である鋼板１０ｄ、剪断加工された端面１８が丸孔の縁である鋼板１０ｅ、をそれぞれ示している。

図２に示す鋼板１０ａ～１０ｅは、図１と同様に曲げ加工が施される。図２において、一点鎖線Ｃは、曲げ加工を行った後に稜線となる曲げ部の位置を示している。図２に示すいずれの鋼板１０ａ～１０ｅにおいても、一点鎖線Ｃと剪断加工により切断された端面１８が交差している。したがって、剪断加工により切断された端面１８に曲げ加工が行われることになる。この場合、条件によっては、剪断加工により切断された端面１８に曲げ端割れが生じる可能性がある。

図３は、曲げ加工方法のバリエーションを示す図である。一般的な曲げ加工方法としては、図３に示すように、Ｖ曲げ、張力曲げ、Ｌ曲げ、ＶＤＡ曲げ、４点曲げ、３点曲げ、１８０°曲げ等が知られている。なお、ＶＤＡ曲げは、ドイツ自動車工業会規格（ＶＤＡ：Ｖｅｒｂａｎｄ ｄｅｒ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｉｎｄｕｓｔｒｉｅ）の中で、部材圧壊時の割れ挙動を評価することを目的として規格化された板曲げ試験ＶＤＡ２３８－１００に対応する。本実施形態において、曲げ加工方法は特に限定されるものではなく、図３に示したような様々な曲げ加工方法が適用される。図３のいずれの曲げ加工方法においても、押型２０を矢印Ａ１方向に押し下げることで、鋼板１０が曲げ加工される。

本実施形態の曲げ端割れの評価方法では、図３に示す様々な加工方法により曲げ加工された鋼板１０を用いて、剪断加工により得られた端面１８の破断限界が評価される。例えば、Ｖ曲げ、Ｌ曲げ、４点曲げ、３点曲げ、１８０°曲げでは、曲げ加工後の曲げ部の稜線において、端面１８において曲げ端割れの有無を観察することで、端面１８の破断限界が評価される。また、張力曲げにおいては、鋼板１０に対し図３中の矢印Ａ２方向に引張力を与え、鋼板１０が破断した際の引張応力（破断強度）に基づいて端面１８の破断限界が評価される。また、ＶＤＡ曲げについては、図３の矢印Ａ１方向に押型２０を押し下げ、試験片１５が破断した時の角度θの大きさによって破断限界が評価される。更には、鋼板１０の曲げ加工後に端面１８の近傍で表層の歪値を取得し、歪値に基づいて破断限界が評価されてもよい。

以上のように、破断限界の評価は、目視観察による評価、破断に至ったときの張力、破断に至ったときの曲げ角度、更には、表層の歪値を測定することによって行われる。

また、本発明者らが鋭意検討した結果、曲げ端割れの現象の発現は、剪断加工の際の上型と下型のクリアランスに影響を受けることが判明した。図４は、鋼板１０に剪断加工が施される様子を示す模式図である。図４に示すように、上型（パンチ）３０と下型（ダイ）３２との間に所定のクリアランス（ＣＬ）を空けて、上型３０を矢印Ａ３方向に下降させることで剪断加工が行われる。クリアランス（ＣＬ）に応じて曲げ端割れ１４の発現状態が変化するため、クリアランス（ＣＬ）の条件を変えて曲げ端割れを評価することとした。なお、クリアランス（ＣＬ）の値は、鋼板１０の板厚に対する比率（％）で表すこととする。

図５は、本実施形態に係る板材の曲げ端割れの評価方法の処理手順を示すフローチャートである。先ず、鋼板に剪断加工を施し、鋼板に剪断加工された端面を付与する（ステップＳ１０）。この際、上述したクリアランス（ＣＬ）の値を管理した上で、剪断加工された端面を付与する。

次に、剪断加工された端面を有する鋼板に対して曲げ加工を行う（ステップＳ２０）。上述したように、曲げ加工方法として、図３に示したような様々な曲げ加工方法が適用される。

次に、曲げ加工が行われた鋼板の表面を観察し、または、破断時の引張応力、曲げ角度などの評価値を測定することで、端面の破断限界（曲げ端割れ）を評価する（ステップＳ３０）。

図５に示す評価を、異なる組成の材料毎に、クリアランス（ＣＬ）、および曲げ内Ｒを変化させて行うことで、曲げ端割れの発現に関する一定の知見を得ることができた。

図６は、曲げ端割れの評価に用いた鋼板の試験片１５を示す平面図である。試験片１５の大きさは３０ｍｍ×１００ｍｍとし、板厚は１．６ｍｍとした。試験片１５の剪断加工された端面１８は、一辺が約４３ｍｍの正方形の角パンチ（ダイス）３０で打ち抜き加工することで形成した。端面１８を形成する際には、クリアランス（ＣＬ）の値を、板厚に対する比率で６．７５％、９．７５％、１３．５％、１７．３％とした。それぞれのクリアランス（ＣＬ）を得るため、各パンチの寸法は、４３．２２ｍｍ、４３．３１ｍｍ、４３．４３ｍｍ、４３．５５ｍｍとした。なお、図６に示す一点鎖線Ｃは、図２と同様、曲げ加工を行った後に稜線となる曲げ部の位置を示している。

曲げ条件は、９０°のＶ曲げとした。潤滑Ｚ３は塗布したままとし、打ち抜き加工によるバリが曲げ外側となるように試験片１５を配置してＶ曲げを行った。Ｖ曲げの押型２０の先端のＲは、０．５ｍｍと１．０ｍｍの２種類を用いた。すなわち、曲げ加工後の試験片１５の曲げ内Ｒは、０．５ｍｍと１．０ｍｍの２種類となる。

試験片１５の鋼種としては、980MPa／1180MPa級強度のそれぞれ機械特性の異なる４種類の鋼板を用いた。応力－歪曲線における、それぞれの鋼種の降伏応力ＹＳ、引張強さ（引張最大強度）ＴＳ、破断時の歪ＥＬは、以下の表１の通りである。

曲げ加工後に試験片１５を観察し、曲げ端割れの有無を判定した。図７は、曲げ加工後に、試験片１５の端面１８の近傍において、曲げ稜線を外側から見た状態を示す模式図であって、曲げ端割れを評価した結果を示している。左側の試験片１５では、表面に曲げ外割れ１６が生じているが、端面１８に曲げ端割れ１４は生じていない。したがって、このような試験片の評価は“〇”とした。中央の試験片１５では、端面１８に小さな亀裂が３つ生じており、曲げ端割れ１４が生じている。したがって、このような試験片１５の評価は“×”とした。また、右側の試験片１５では、端面１８に比較的大きな亀裂が１つ生じており、曲げ端割れ１４が生じている。したがって、このような試験片１５評価は“×”とした。

観察は、１の試験条件に対して３回ずつ行い、最終的な評価結果（〇または×）は、○×の多数決により決定した。例えば、３回の観察の結果が〇〇×であれば、最終的な評価結果を〇とした。最終的な評価結果を以下の表２に示す。

表２の結果によれば、同強度の材料においても、機械的特性に応じて曲げ端割れの現象が異なることが明らかになった。

なお、上述したように、曲げ端割れ１４よりも曲げ外割れ１６の方が発生し易いため、上記評価で曲げ端割れ１４が発生していない場合であっても、曲げ外割れ１６が発生していることがあり得る。

以上の実施例では、曲げ条件を９０°のＶ曲げとしたが、図３に示した他の曲げ加工方法についても同様に評価を行う。この際、図３のＬ曲げ、４点曲げ、３点曲げ、１８０°曲げについては、Ｖ曲げと同様に、曲げ加工後の試験片１５の端面１７における亀裂の有無によって曲げ端割れが評価される。

一方、張力曲げについては、図３の矢印Ａ２方向に張力を付与したときに、試験片１５が破断したときの張力の大きさによって評価が行われる。より詳細には、張力曲げでは、先ず図３の矢印Ａ１方向に押型２０を押し下げ、試験片１５（鋼板１０）が所望の形状に曲げ加工された後、図３の矢印Ａ２方向に張力が付与され、試験片１５が破断したときの張力に大きさによって評価が行われる。押型２０の先端Ｒは、Ｖ曲げと同様、０．５ｍｍと１．０ｍｍの２種類の他、任意の値が用いられる。また、先端Ｒを無限大とした場合、試験片１５が破断したときの張力は、曲げ加工が施されていない試験片１５の破断強度に相当する。張力曲げについての評価は、評価値として図３に示す矢印Ａ２方向の張力を増加した際の試験片１５の破断時の引張応力（破断強度）Ｔを用いる。あるいは、評価値として、引張強さＴＳに対する破断強度の比（Ｔ／ＴＳ）を用いても良い。曲げ端割れが生じると破断強度は低下するため、これらの評価値と所定の閾値との比較の結果、最終的に曲げ端割れが評価される。曲げ内Ｒを無限大（∞）とした場合の評価値は、試験片１５を曲げ加工せずに引張試験した場合の破断強度Ｔ、または引張強さＴＳに対する破断強度Ｔの比（Ｔ／ＴＳ）に相当する。

ＶＤＡ曲げについても、張力曲げと同様に、図３の矢印Ａ１方向に押型２０を押し下げ、試験片１５が破断した時の曲げ角度θを評価値として用い、評価値の大きさに基づいて破断限界の評価が行われる。

なお、張力曲げ、およびＶＤＡ曲げの場合は、曲げ端割れに加えて、曲げ外割れも発生した状態で、試験片１５が破断している可能性があるが、その場合、曲げ外割れを含めた評価値とする。

以上説明したように本実施形態によれば、剪断加工した端面を有する板材に曲げ加工を行い、端面の破断限界である曲げ端割れの有無を評価した。これにより、評価結果に基づいて、材料の機械的特性、剪断加工の際のクリアランス、曲げ内Ｒなどの各種パラメータに応じた曲げ端割れの発現状態が正確に予測可能となる。特に、実生産において曲げ端割れ発生の危険性が高い９８０ＭＰａ級以上の鋼板において、曲げ端の割れ限界を評価することが可能となることの効果はより大きい。

１０，１０ａ～１０ｅ 鋼板
１２ 端面
１４ 曲げ端割れ
１５ 試験片
１６ 曲げ外割れ
１８ 剪断加工した端面
２０ 押型
３０ 上型
３２ 下型

Claims (5)

1. 板材を剪断加工により切断する第１のステップと、
   前記剪断加工により切断された端面を含む領域で前記板材を曲げ加工する第２のステップと、
   前記曲げ加工された前記板材の前記端面における破断限界を評価する第３のステップと、
   を備え、
   前記第１のステップにおいて、前記剪断加工に用いる上型と下型の剪断方向と直交する方向のクリアランスを前記板材の板厚毎に管理して前記板材を切断し、
   前記第３のステップにおいて、前記板材の板厚毎に、前記クリアランスに応じて前記破断限界を評価する、板材の曲げ端割れの評価方法。
2. 前記第２のステップにおいて、前記板材の曲げ内Ｒを管理して前記板材を曲げ加工し、
   前記第３のステップにおいて、前記曲げ内Ｒに応じて前記破断限界を評価する、請求項１に記載の板材の曲げ端割れの評価方法。
3. 前記第３のステップにおいて、前記曲げ加工された前記板材の前記端面において、曲げ端割れの有無を評価する、請求項１又は２に記載の板材の曲げ端割れの評価方法。
4. 前記曲げ加工が引張曲げの場合、前記第３のステップにおいて、前記板材が破断する際の引張応力に基づいて前記破断限界を評価する、請求項１又は２に記載の板材の曲げ端割れの評価方法。
5. 前記曲げ加工がＶＤＡ曲げの場合、前記第３のステップにおいて、前記板材が破断する曲げ角度に基づいて前記破断限界を評価する、請求項１又は２に記載の板材の曲げ端割れの評価方法。

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