フランジアップ成形試験方法

【課題】本発明は、プレス成形時の不具合の中で伸びフランジ破断を回避するために最適の材料を選定するフランジアップ試験方法を提供するものである。
【解決手段】せん断端面を持つ試験片を用いて、該試験片の法線方向に面外変形を加えることで、せん断端面に沿う方向に不均一のある変形を与えて破断を生じさせ、その際の成形高さにより、伸びフランジ成形性の評価をすることで、実成形との対応の良い評価を行うことができる。そして、試験片としては円状パンチを用いて円弧状のせん断端面を形成した試験片を用いることが好ましく、また、面外変形を加えるにはパンチ、ダイ、しわ押えにより行うことが出来る。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プレス成形時に伸びフランジ破断を回避するために最適の材料を選定するための試験方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車業界では、衝突時の乗員への傷害を低減しうる車体構造の開発が急務の課題となっている。また、一方で燃費改善のために車体の軽量化も重要である。これらの課題の解決のために、より高強度の材料特に鉄鋼材料では高強度鋼板の適用が検討されている。しかしながら、一般に強度の上昇は成形性の劣化を招くとされており、適用拡大のためには成形性改善、特に伸びフランジ成形部の破断を回避することが重要である。
【０００３】
このような課題の解決のために伸びフランジ性に優れた材料の開発が進められている。特許文献１にはフェライトやベイナイトなどの微視組織の制御により伸びフランジ性を改善した材料が開示されている。また特許文献２には塑性異方性と特定方向の引張試験における均一伸びを規定することで伸びフランジ性に優れるアルミニウム合金板が開示されている。
【０００４】
しかしながら、実際の部品での伸びフランジ成形性は通常行われている引張試験で評価された材料特性と直接の相関が薄いことが指摘されている。その理由は試験片の中央部のネッキングにより破断が生じる引張試験とは異なり、破断がフランジ端面から生じるためと考えられている。この状況を模擬するために非特許文献１に示されているように穴広げ試験が行われている。また特許文献３に示されているように試験片の中央部に円弧状の切欠きを加えた後に引張試験を行うことで伸びフランジ成形性の評価が行われている。しかしながら、これらの試験方法による評価ではその変形状態が必ずしも実際の伸びフランジ成形部の変形状態と一致していなかった。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２－６０８９８号公報
【特許文献２】特開２００６－２５７５０６号公報
【特許文献３】特開２００５－９８７２０号公報
【非特許文献１】「プレス成形難易ハンドブック第２版」ｐ．４７０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、プレス成形時の不具合の中で材料の伸びフランジ成形性を精度よく評価するための試験方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、実際の伸びフランジ破断が生ずる部位を詳細に観察し、その部位での変形が素材板面の面外に起こり、かつ破断危険部位で端面に沿う方向に変形勾配が生じていることを見出した。本発明者らはこのような変形勾配が材料の伸びフランジ成形性に影響することを見出し、事前にこれを模擬した試験を行うことにより精度よく伸びフランジ成形性を評価する試験方法を考案したものである。本発明の要旨とするところは以下の通りである。
【０００８】
（１）せん断端面を持つ試験片を用いて、該試験片の法線方向に面外変形を加えて行き、せん断端面に破断が生じる際の成形高により、伸びフランジ成形性の評価を行うことを特徴とするフランジアップ成形試験方法。
【０００９】
（２）円状パンチを用いて円弧状のせん断端面を形成した試験片を用いることを特徴とする上記（１）に記載のフランジアップ成形試験方法。
【００１０】
（３）パンチ、ダイ、しわ押えにより面外変形を加えることを特徴とする上記（１）または（２）に記載のフランジアップ成形試験方法。
【００１１】
（４）前記パンチが円筒パンチであることを特徴とする上記（３）に記載のフランジアップ成形試験方法。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に基づいたフランジアップ試験方法を行うことで実部品に近い状況で伸びフランジ成形性を高い精度で試験できる。それにより最適の材料の提供による生産性の向上を通じて製造コストの低減につながる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明者らは、まず実部品での伸びフランジ破断部位での変形状態を詳細に調査した。その結果実際に割れが起こる箇所でその端面に沿って板厚減少率やひずみ量等がピークを持ち、その周囲でそれらの値が減少していくことが分かった。すなわち、部品においてはある領域に変形が集中した後にさらにその領域内で変形の局所化が起こりついには破断に至るものと考えられる。
【００１４】
これまで伸びフランジ成形性の指標として穴広げ成形試験の結果が用いられてきた。穴を設けたブランクを円錐または円筒のパンチで押し広げ、初期穴径と破断が生じた際の穴径の比（λ値と呼ばれる）を算出することで伸びフランジ成形性の良し悪しが判断されている。穴広げ成形試験の場合は穴端部に生じる変形量は周方向でほぼ均一となる。従って、穴縁端面に沿う方向での変形勾配は非常に小さい。
【００１５】
前述のように実際の部品の伸びフランジ成形部では素材端面の変形が不均一である。軟鋼板のように十分な局所変形能を持つ比較的軟質の材料の場合には穴広げ試験による評価結果と実部品の伸びフランジ成形性との間に比較的良い対応関係が見られるが、近年適用が進んでいる高強度鋼板ではその両者の相関が小さいという課題があった。
【００１６】
本発明者らは鋭意検討の結果、この差異が材料の加工硬化能と局所変形能がそれぞれ穴広げ試験と実部品の伸びフランジ成形で異なる寄与をしていることに思い至った。実部品の伸びフランジ変形部では素材端面に沿う変形の分布は不均一であり、破断危険部にピークを持っている。端面に沿う変形量を積分したものが同一であってもこのピーク高さが小さい時には破断には至らない。端面に沿う変形の分布を支配するのは材料の加工硬化能であり、引張試験のｎ値または一様伸びで通常評価される特性値である。加工硬化能が高い材料の場合にはピークに加わる変形を周囲に伝播させることで結果としてピーク高さが低減され、破断が回避される。一方、穴広げ試験の場合には穴縁に沿う方向で変形量の分布がなく、従って加工硬化能を変えても穴縁に沿う方向の変形分布には影響がない。従って穴広げ試験の場合には局所変形能が評価されることになる。
【００１７】
一般に鉄鋼の薄板材料を考えた場合、５９０ＭＰａ級以上の高強度材ではその材料強化に用いる手法の性質から加工硬化能と、局所変形能（通常引張試験における局部伸びとして評価される）が両立しないことが知られている。上述のように穴広げ試験では主に局所変形能の評価となるが、実際の伸びフランジ成形では加工硬化能と局所変形能のバランスが重要となる。
【００１８】
そこで本発明者らは、端面に沿う変形が不均一となる状態での試験方法を模索し、実部品での伸びフランジ成形性と相関の良い試験方法を見出した。まず試験片としては実際のプレス成形での伸びフランジ成形部位と同様にせん断端面を設け、その端面に端面中央部にピークを持つ変形を与える。この際試験片にはその材料の持つ成形能と対応して破断が生じる。この時の成形高さを試験での評価項目とする。成形高さが高いほど伸びフランジ成形性が良好ということになる。成形高さは局所変形能と相関するが、端面に沿う方向に不均一な変形であるために同時に加工硬化能の影響も受ける。この状態は実成形での変形状態に近い。端面中央部にピークを持つ変形を与えるのは、試験片法線方向に面外変形を与えることにより達成される。端面に効率的に変形を集中させるためにはダイとしわ押さえにより試験片を拘束した後に試験片法線方向にパンチを移動させることにより行うことが好ましい。また、実成形での条件を考えるとパンチとしては円筒形状のものを用いることが好ましいが、特殊な成形での対応を考える時には円錐、球頭、楕円断面等のパンチ形状を用いても良い。
【００１９】
また試験片にせん断端面を作成する方法としてはせん断面の性状を支配するクリアランス（せん断のパンチとダイの隙間）を効率的に変化させる利便性を考えると、円状のせん断用パンチを用いることが好ましい。本発明ではせん断端面に不均一な変形を与えるためにせん断後の端面は開断面とする必要があるが、円状パンチを用いて穴を設けた場合にはその素板を試験目的に応じてせん断することにより本発明の試験方法の試験片とすることができる。後述するがこのせん断角を変化させることにより、端面に沿う変形の不均一を制御したり、端面以外での破断を回避したりすることができる。本発明では実際の加工で広く用いられている金型によるせん断された端面を持つ試験片を用いることを基本とするが、実際の条件に応じて切削やレーザ、ウォータジェット等により端面を加工しても良い。
【００２０】
試験時の最大フランジアップ高さＨｍａｘは材料の破断がないと想定したときにパンチにより与えることのできる最大成形高さとなるが、これは工具や試験片形状を変化させることで種々の値に設定できる。試験する素材間の成形能の差異が明確となるように適切に選択する必要があるが、パンチ径をＤとしたときに、０．１０≦Ｈｍａｘ／Ｄ≦０．４０の範囲とすることが好ましい。鉄鋼材料を対象とする場合にはさらに０．２０≦Ｈｍａｘ／Ｄ≦０．３０の範囲とすると加工硬化特性との関係から効率的に試験を行うことができ好適である。
【実施例】
【００２１】
［実施例１］
以下に実例を挙げながら、本発明の技術内容について説明する。
【００２２】
本実施例の検討に用いた素材（試験片）を表１に示す。素材としては、軟鋼から９８０ＭＰａ級の高強度鋼までの種々の材料（鋼Ａ～Ｈ）を用いた。板厚はすべて１．２ｍｍである。この表に穴広げ値（λ値）も併せて示している。このλ値は試験片中央にφ１０ｍｍの穴をせん断により設けた後に、６０°の円錐パンチを用いてこの穴を押し広げ、端面に破断（板厚貫通クラック）が生じた時点での穴径を測定し初期穴径との差を初期穴径で除したものを百分率で示したものである。λ値は通常伸びフランジ成形性の指標として用いられ、高い値を示すほど伸びフランジ成形性に優れた材料であると考えられている。
【００２３】
【表１】

【００２４】
この材料の伸びフランジ成形性を評価するために実部品に近い形状での成形試験を行った。実験に用いた金型形状は１００ｍｍおよび１５０ｍｍの二つのコーナー半径を持つものであり、その金型（パンチ）形状を図１に示す。またブランク形状を図２（ａ）、（ｂ）に示す。図２（ａ）はＲ７５ｍｍ及びＲ１２５ｍｍのせん断面を有し、図２（ｂ）はＲ１００ｍｍ及びＲ１５０ｍｍのせん断面を有するブランク形状のものである。この二種の形状のブランクに対して成形実験を行った。その結果を表２に示す。全体的に見るとブランク形状（ａ）は（ｂ）に比べて厳しい成形条件となることが分かった。すべての素材に対し成形実験を行った後、実験結果を評点化した。まず、問題なく成形できた場合を評点２、破断は生じないもののネッキングが発生した場合には評点１を、破断が生じた場合は０とした。ブランク形状（ａ）および（ｂ）のそれぞれの評点を合算し、各材料の実成形での伸びフランジ成形性指標とした。λ値から推測されるように材料の高強度化とともに評点の悪化が見られるが、いくつかの鋼種では必ずしもλ値と評点との相関が高くないことが分かった。これは前述のようにλ値の測定では端面に沿う方向の変形分布がほとんどないという違いに起因すると考えられる。
【００２５】
【表２】

【００２６】
そこで本発明者らは効率的に実部品に近い変形状態で伸びフランジ性を評価する試験方法を検討した。穴広げ試験方法の問題点は端面に沿う方向の変形分布が均一となることであった。そこで穴広げ試験方法の利点である比較的小さな試験片を用いて大規模な金型を用いる必要がなく試験が可能であることを活かしつつ、変形分布を不均一とする方法として、中央部の穴をせん断により打ち抜いた後で分割した試験片を用いる試験方法を考案した。
【００２７】
図３（ａ）～（ｃ）にその試験の概要を示す。（ａ）はフランジアップ成形試験の開始前の縦断面図で、（ｂ）はフランジアップ成形試験の開始前の平面図で、そして、（ｃ）はフランジアップ成形試験の終了後の縦断面図である。この試験では、通常行われている円筒パンチによる穴広げ試験の金型を活用して試験を行っている。その際にブランクを分割しフランジアップ成形を行うものである。本実施例では、図３（ａ）に示すように、ダイ１は肩Ｒが５ｍｍで１０６φのものを用い、しわ押さえ２で拘束した後に、図３（ｃ）に示すように、肩Ｒが１０ｍｍの１００ｍｍφ円筒平底ポンチ３を用いて成形を行った。成形に用いたブランク４は中央部にφ６０ｍｍの穴を打ち抜き後、１８０ｍｍ角を１／４に切断したものを用いた（図４）。打ち抜き時のクリアランス（打ち抜き工具のパンチとダイの隙間を試験材板厚で除したもの）は１５％とした。以降の実施例ではすべての条件でこのクリアランスを一定としたが、実際の成形条件と対応させる等の目的で打ち抜き時のクリアランスを変化させて打ち抜いた後に試験を実施しても良い。
【００２８】
試験時には通常の穴広げ試験と同様に端面の亀裂発生状況を目視にて観察し、板厚方向に貫通亀裂が生じた時点でパンチを停止させた。ここでは亀裂発生時のパンチストロークを評価指標とした。なおこのパンチストロークを用いる代わりに亀裂発生時で停止させた試験片の成形高さをフランジアップ成形高さ５として測定しても良い。表３に５９０ＭＰａ級鋼である鋼Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆに対して試験を行った結果を示す。鋼Ｃ（Ｎｏ．１）、鋼Ｄ（Ｎｏ．２）、鋼Ｆ（Ｎｏ．４）はほぼ同等のλ値を示していたが、本発明の試験法で評価した場合には異なる成形高さとして評価されることが分かった。これは鋼Ｄ、鋼Ｆの加工硬化能が優れるために本発明の試験法で生じる端面に沿う方向の変形分布を緩和したためであると考えられる。一方、加工硬化能、λ値ともに優れる鋼Ｅ（Ｎｏ．３）は本試験法でも優れた特性を示すことが分かった。
【００２９】
【表３】

【００３０】
本発明の試験法により評価した結果（成形高さ）と実際の成形試験結果との対応関係を調査した。図５は表２の実成形での評点と本発明の試験方法により評価した成形高さ（表３）の関係を図示したものである。ここに示されているように実成形での評点の高い材料はフランジアップ成形高さも大きくなり、両者が対応していることが分かる。一方、図６は従来伸びフランジ成形性の指標として用いられてきたλ値（表１）と成形試験評点との関係を示したものである。一部の材料で実成形での優劣とλ値の大小とが対応しておらず、λ値が実際の伸びフランジ成形性の指標として相応しくなく、本発明の試験方法による評価値が指標としてより相応しいことが分かった。
【００３１】
［実施例２］
実施例１では１／４に切断した試験片を用いて試験を行った。本発明者らの検討の結果、試験片の切断角は端面に沿う方向の変形状態を変化させることが分かった。すなわち切断角が小さい場合には（１／４切断の場合は９０°）端面に沿う方向の変形分布はより小さい傾向となり、この切断角が大きくなると円弧状の部分の中央での端面に沿う方向の変形勾配が大きくなり、低い成形高さで破断が起こりやすいことがわかった。また、切断角が小さい場合には特に材料の延性が小さいときに試験片端部のダイ肩に巻き付く部分（図４中に（ア）と表記）での変形集中が大きくなり、円弧状の端面の中央部で破断が生じる前に（ア）部で破断が生じてしまうことがあった。その場合にはしわ押さえからダイ肩にかかる試験片を一部切断してしわ押えによる拘束を緩和して巻き付き部での変形集中を抑えることにより本試験が可能となる。またさらに簡便には切断角を大きくすることにより試験が可能となる。以下、切断角を１８０°とした例を述べる（１／２切断）。
【００３２】
図７は１５０ｍｍ角の試験片の中央にφ４０ｍｍの打ち抜き穴（Ｒ２０ｍｍ）をせん断により加工した後（クリアランス１５％）、半分に切断したものである。この試験片を肩Ｒが３ｍｍで８５ｍｍφのダイと、肩Ｒが１０ｍｍの８０φ円筒平底ポンチを用いて実施例１と同様の試験を行った。その結果を表４に示す。本実験では前述のようなダイ肩部での破断は生じなかった。さらに、表２の実成形での評点と表４のフランジアップ成形高さを評価した。図８に示されているように本発明の試験方法による評価結果は実成形結果とよく対応した。
【００３３】
目的とする実成形条件と対応させるために、初期のせん断端面形状を円弧以外としても良いが、過度の変形集中による早期の破断を避けるために滑らかな形状とし曲率変化を小さくすることが好ましい。
【００３４】
【表４】

【００３５】
［実施例３］
中央部にせん断穴を設けた後に１／４に分割したブランクを用いて試験を行ったのは実施例１と同様であるが、種々の初期穴の打ち抜き径Ｄ０と成形パンチ径Ｄを組み合わせて試験を行った。この際、最大フランジアップ高さＨｍａｘはブランク（試験片）の伸び変形を無視すれば、Ｈｍａｘ＝（Ｄ－Ｄ０）／２となる。表１に示す鋼Ｃ、Ｄ、Ｆを用いて試験を行った。表５に試験条件と試験結果を示す。本試験方法では端面に破断が生じた時点での成形高さを評価しているが、一部の条件ではパンチにより与えることのできる最大変形を与えても破断が生じなかった。これは端面中央部に生じる変形が小さいため、材料の成形能に余裕があったためと考えられる。しかしながら供試材のすべてに破断が生じない場合には材料の優劣が判定できない。最大フランジアップ高さが過度に大きいか過度に小さい場合には最大変形が小さくなり、今回の供試材のすべてで破断が生じず、優劣が判定できなかった。材料間に差異が生じるＨｍａｘ／Ｄの値の範囲は０．１０≦Ｈｍａｘ／Ｄ≦０．４０の範囲であった。また０．２０≦Ｈｍａｘ／Ｄ≦０．３０とするとすべての材料で破断が生じ、成形高さとして材料の優劣が評価でき好ましいことが分かった。
【００３６】
【表５】

【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】金型（パンチ）形状の説明図である。
【図２】実施例１の実験に用いたブランク形状（（ａ）～（ｂ））を示す図である。
【図３】（ａ）はフランジアップ成形試験の開始前の縦断面図、（ｂ）はフランジアップ成形試験の開始前の平面図、そして、（ｃ）はフランジアップ成形試験の終了後の縦断面図である。
【図４】実施例１の成形実験に用いたブランク形状の説明図である。
【図５】実施例１で評価したフランジアップ成形高さと伸びフランジ成形性評点との関係を示す図である。
【図６】鋼板の穴広げ値（λ値）と伸びフランジ成形性評点との関係を示す図である。
【図７】実施例２の成形実験に用いたブランク形状の説明図である。
【図８】実施例２で評価したフランジアップ成形高さと伸びフランジ成形性評点との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１ダイ
２しわ押さえ
３ポンチ
４被加工板（ブランク）
５フランジアップ成形高さ

【特許請求の範囲】
【請求項１】
せん断端面を持つ試験片を用いて、該試験片の法線方向に面外変形を加えて行き、せん断端面に破断が生じる際の成形高さにより、伸びフランジ成形性の評価を行うことを特徴とするフランジアップ成形試験方法。
【請求項２】
円状パンチを用いて円弧状のせん断端面を形成した試験片を用いることを特徴とする請求項１に記載のフランジアップ成形試験方法。
【請求項３】
パンチ、ダイ、しわ押えにより面外変形を加えることを特徴とする請求項１または２に記載のフランジアップ成形試験方法。
【請求項４】
前記パンチが円筒パンチであることを特徴とする請求項３に記載のフランジアップ成形試験方法。

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

【図６】

【図７】

【図８】