高強度鋼板用プレス成形金型の摺動特性改善に関す る研究

九州大学学術情報リポジトリ

Kyushu University Institutional Repository

高強度鋼板用プレス成形金型の摺動特性改善に関す る研究

阿部, 幸佑

https://doi.org/10.15017/1441196

出版情報：Kyushu University, 2013, 博士（工学）, 課程博士 バージョン：

権利関係：Fulltext available.

高強度鋼板用プレス成形金型の 摺動特性改善に関する研究

阿部 幸佑

目次

第１章 緒論

1.1

緒言

1.2

高強度鋼板のプレス成形性に関する従来の研究

1.2.1

薄鋼板の成形様式

1.2.2

各種高強度鋼板のプレス成形性

1.2.3

高強度鋼板の形状凍結性（スプリングバック特性）

1.3

温・熱間プレス成形に関する従来の研究

1.3.1

熱間プレス成形

1.3.2

温間プレス成形

1.4

金型の摩擦・摩耗低減に関する従来の研究

1.4.1

表面硬化処理

1.4.2

潤滑剤

1.4.3

プレス成形性への影響

1.4.4

スプリングバック特性への影響

1.5

本研究の目的および論文の構成

第２章 高強度鋼板の液圧バルジ成形における

スプリングバック挙動に及ぼす摩擦の影響

2.1

緒言

2.2

実験方法

2.2.1

供試材

2.2.2

引張試験

2.2.3

解析用材料パラメータ

2.2.4 FEM

解析

2.3

結果および考察

2.3.1

鋼板強度とスプリングバック特性の相関に関する検証

2.3.2

金型肩部形状とスプリングバック特性の相関に関する検証

2.3.3

スプリングバック特性に及ぼす鋼板－金型間の摩擦係数の影響

2.4

結言

第３章 ショットピーニング処理を用いた

金型表面テクスチャー制御による摺動特性向上

3.1

緒言

・・・・・・・・

1

・・・・・・・・

5

・・・・・・・・

5

・・・・・・・

13

・・・・・・・

16

・・・・・・・

17

・・・・・・・

17

・・・・・・・

19

・・・・・・・

22

・・・・・・・

22

・・・・・・・

22

・・・・・・・

23

・・・・・・・

25

・・・・・・・

26

・・・・・・・

27

・・・・・・・

29

・・・・・・・

29

・・・・・・・

29

・・・・・・・

30

・・・・・・・

34

・・・・・・・

38

・・・・・・・

38

・・・・・・・

46

・・・・・・・

47

・・・・・・・

49

・・・・・・・

50

i

3.2

実験方法

3.2.1

供試材およびショット処理条件

3.2.2

ドロー試験

3.2.3

表面粗さ測定

3.2.4 FEM

解析

3.3

結果および考察

3.3.1

表面テクスチャーが及ぼす摺動特性への影響

3.3.2 FEM

解析による摺動特性向上メカニズムの検証

3.3.3

掘起し効果および油だまり効果が及ぼす摺動特性への影響

3.4

結言

第４章 金型表面テクスチャーおよび貝粉固体潤滑剤を用いた

冷・温間プレス成形における摺動特性向上

4.1

緒言

4.2

実験方法

4.2.1

供試材およびショット処理条件

4.2.2

貝粉固体潤滑剤

4.2.3

冷間ドロー試験

4.2.4

温間リングオンプレート試験

4.2.5

温間ドロー試験

4.3

結果および考察

4.3.1

冷間摺動特性に及ぼす貝粉粒径の影響

4.3.2

貝粉粒径および濃度と塗布可能性

4.3.3

バインダー添加量と温間摺動特性の関係

4.3.4

温間摺動特性に及ぼす貝粉添加潤滑剤の影響

4.4 FEM

解析

4.4.1

解析方法

4.4.2

貝粉による温間摺動特性向上の

FEM

解析結果

4.5

結言

第5章 総括

参考文献

・・・・・・・ 52

・・・・・・・ 52

・・・・・・・ 53

・・・・・・・ 55

・・・・・・・ 55

・・・・・・・ 59

・・・・・・・ 59

・・・・・・・ 62

・・・・・・・ 72

・・・・・・・ 74

・・・・・・・ 75

・・・・・・・ 77

・・・・・・・ 77

・・・・・・・ 77

・・・・・・・ 83

・・・・・・・ 84

・・・・・・・ 85

・・・・・・・ 86

・・・・・・・ 86

・・・・・・・ 94

・・・・・・・ 96

・・・・・・ 100

・・・・・・ 107

・・・・・・ 107

・・・・・・ 110

・・・・・・ 113

・・・・・・ 114

・・・・・・ 116

ii

第 1章 緒論

1.1 緒 言

現 代 社 会 では，特 に発 展 途 上 国 における産 業 の急 速 な発 達 とともに，地 球 温 暖 化 ，オゾン層 の破 壊 お よび酸 性 雨 などの環 境 問 題 が深 刻 化 している．そ の中 で，自 動 車 が走 行 中 に排 出 する CO

2

の削 減 は燃 料 消 費 を抑 えることであ り，消 費 者 の直 接 的 な経 済 負 担 を緩 和 するため，社 会 的 関 心 が極 めて高 い．

自 動 車 産 業 分 野 では，このニーズに応 えるためハイブリッド車 あるいは電 気 自 動 車 など動 力 機 関 の革 新 が進 められてきた．他 方 で，燃 費 改 善 の手 法 とし て は，車 両 の軽 量 化 も 常 道 の一 つ である． Fig.1.1 は車 両 重 量 と燃 費 の関 係 を 示 している

¹⁾

．車 両 重 量 を 10% 低 減 すると，燃 費 は概 ね約 5~8% 改 善 すること ができ る ．それゆ え ， 自 動 車 メ ー カ 各 社 で は ，重 量 増 加 要 因 となる 衝 突 安 全 性 ， 操 縦 安 定 性 ， 静 粛 性 な どの 車 両 性 能 を 確 保 ある い は 向 上 し つ つ ， 軽 量 化 を両 立 させることが重 要 課 題 となっている

²⁾

．このような背 景 から， Fig.1.2 に 示 す よう に近 年 自 動 車 用 材 料 とし て高 強 度 鋼 板 の使 用 量 が急 速 に増 加 し て

いる

^{3 -8)}

．鋼 板 を 高 強 度 化 するこ とで，部 材 を薄 肉 化 して軽 量 化 し ても，万 が

一 衝 突 し た際 には高 い 衝 突 エネル ギー 吸 収 能 によって乗 員 の安 全 性 を 確 保 できるためである

⁴⁾

．軽 量 かつ安 全 な車 体 開 発 を目 標 に， 1994 年 から実 施 さ れ た ULSAB(Ultra Light Steel Auto Body) ， ULSAC(Closure) ， ULSAS(Suspension) および ULSAB-AVC(Advanced Vehicle Concept) などの 一 連 のプロジェクトにおいては， Fig.1.3 に示 すようにほぼ全 ての構 成 部 材 を高 強 度 鋼 板 に置 換 することで，価 格 上 昇 なし に 20~30% の軽 量 化 が可 能 である ことが示 された

^{5 -8 )}

．

しかし ながら，鋼 板 の強 度 が増 す につ れて， 1) プレ ス 成 形 時 に割 れ，しわ ， スプリングバッ クなどの不 良 は発 生 し易 くなり

⁹⁾

，また， 2) 成 形 に大 き な荷 重 を 必 要 とする ため金 型 寿 命 が低 下 す る

^{10 ,11)}

，という深 刻 な問 題 が顕 在 化 した．

プレ ス 成 形 性 に関 す る 課 題 に 対 し て， 組 織 制 御 に よる 素 材 特 性 の向 上 が研

究 され

^{12 -16 )}

， DP(Dual Phase) 鋼

^{1 4,15)}

および TRIP(TRansformation Induced

Plasticity) 鋼

^{12 ,16)}

などが開 発 されてきた．しかし，組 織 制 御 による材 質 向 上 は 限 界 に近 く，今 後 のさらなる高 強 度 化 と成 形 性 向 上 の要 求 には対 応 が難 しい．

一 方 ，欧 州 ではダイクエンチなどの熱 間 プレス成 形

^{17 -21 )}

による成 形 性 改 善 が

1

主 とし て発 達 し てきたが，国 内 では一 部 の車 種 に適 用 されてはいるも ののほと んど普 及 していない ．いずれにせよ，組 織 制 御 ，温 ・ 熱 間 プレス成 形 のいず れ のアプローチでも，金 型 寿 命 低 下 という問 題 は解 決 することができない．

金 型 の寿 命 を決 定 づける主 たる要 因 は，鋼 板 と金 型 の間 に生 じる摩 擦 であ る．摩 擦 とは，接 触 する 2 つの物 体 間 にお いて作 用 する物 理 現 象 であり，回 避 する ことは不 可 能 である ．そし て，金 型 の使 用 が進 む につ れて，摺 動 部 （す べり合 う部 分 ）の表 面 は繰 返 し摩 擦 によって刻 々と塑 性 変 形 していく．そして，

最 期 には金 型 に焼 付 きが発 生 することで，プレス機 械 の作 動 精 度 低 下 あるい は停 止 を 引 き 起 こし ，同 時 に製 品 形 状 の精 度 も 大 幅 に低 下 す る．こ れがす な わち金 型 の寿 命 を意 味 している．金 型 の寿 命 低 下 を 改 善 するためには，完 全 に回 避 することは出 来 ないまでも，摩 擦 ・ 摩 耗 を 低 減 することが有 効 な方 法 で ある ．こ のよう な摩 擦 ・ 摩 耗 といっ た摺 動 特 性 に関 する 問 題 を 解 決 する 手 段 と し て，金 型 表 面 を 硬 化 さ せ るこ とで塑 性 変 形 に伴 う 焼 付 き を 抑 制 す る 方 法 お よび 摺 動 部 に潤 滑 剤 を 注 入 す ることで，摩 擦 を 小 さ くする 方 法 が経 験 的 に知 られている．

本 研 究 では ，高 強 度 鋼 板 の プレ ス 成 形 性 ，ス プリン グバ ッ ク特 性 お よび 金 型 寿 命 へ の摺 動 特 性 の寄 与 を 明 らかにした上 で，金 型 表 面 処 理 および潤 滑 剤 の活 用 による 摺 動 特 性 を 向 上 さ せ る 手 法 を 追 求 し た．さ らに，開 発 技 術 の 工 業 化 を視 野 に入 れ，その有 用 性 を確 認 検 証 した．

2

500 1000 2000 3000 45.0

1500 2500

40.0

25.0 20.0 15.0 30.0

5.0 35.0

0 Fue l c ons um pt ion (km /ℓ ) 10.0

Vehicle weight (kg)

MT car AT car

CVT car Hybrid car 2015 standard

Fig.1.1 Relationship between vehicle weight and fuel consumption

¹⁾

TS/270MPa 340-390 440-540 590 780 980

0 20 40 60 80 100

’2004

’2014 projection

Structural ratio (%)

Fig.1.2 Anticipated progress of application of high strength steel sheet

⁸⁾

3

TRIP 450/800 4.18%

BH 210/340 3.29%

BH 260/370 8.31%

CP 700/800 0.56%

DP 280/600 3.89%

DP 300/500 8.99%

DP 350/600 3.26%

DP 400/700 4.53%

DP 500/800 23.64%

DP 700/1000 29.40%

HSLA 350/450 1.33%

IF 300/420

2.86% Mart 950/1200 3.02%

Mart 1250/1520 0.88%

1.86% Misc

Fig.1.3 Breakdown for various steel sheet proposed in ULSAB-AVC

⁶⁾

4

1.2 高 強 度 鋼 板 のプレス成 形 性 に関 する従 来 の研 究

1.2.1 薄 鋼 板 の成 形 様 式

薄 鋼 板 は，適 用 される 各 製 品 において要 求 される構 造 的 な強 度 特 性 以 外 に，種 々の複 雑 な形 状 への成 形 性 が強 く要 求 される．特 に自 動 車 用 鋼 板 など は，プレ ス 加 工 に よっ て最 終 的 な部 材 形 状 に成 形 さ れる のが 一 般 的 である ． 薄 鋼 板 の成 形 様 式 は Fig.1.4 に示 すように， (a) カップ成 形 に代 表 される，効 率 的 に材 料 をポンチとダイス の間 に流 し 込 むことによって大 きな成 形 高 さを 確 保 する深 絞 り成 形 ， (b) 板 厚 を減 少 させながら風 船 を膨 らます 要 領 で成 形 する 張 出 し 成 形 ， (c) 打 ち抜 い た穴 を 広 げる 要 領 で端 部 に 大 き な引 張 り変 形 を 与 える伸 びフランジ成 形 ，および (d) 曲 げ成 形 の 4 種 のモードに分 類 することがで き

²²⁾

，実 際 の部 品 はこれらのモー ドの組 み 合 わせで成 形 される．各 々 の加 工 モードによって必 要 とさ れる特 性 も 異 なるこ とから，成 形 の容 易 さを表 すプレ ス 成 形 性 も， (a) 深 絞 り性 ， (b) 張 出 し性 ， (c) 伸 びフランジ性 および (d) 曲 げ性 の 4 種 に細 分 化 され，異 なる手 法 ならびに指 標 によって評 価 されている．

深 絞 り成 形 は， Fig.1.4(a) に示 したよう に，金 型 によっ て挟 み 込 まれているフ ランジ 部 の 体 積 が 減 少 す る 変 形 であり ，こ の部 分 で は縮 み 変 形 が 生 じ る ． 深 絞 り 性 は 例 え ば 円 盤 状 の 鋼 板 を 円 筒 カ ッ プ 状 に 成 形 す る 際 の 限 界 絞 り 比 LDR （ limiting drawing ratio ）によって評 価 され， LDR が大 きいほど深 絞 り性 が優 れる． LDR は破 断 せずに絞 り抜 ける最 大 ブランク径 D

Ma x

とパンチ径 d

p

を 用 いて次 式 (1.1)で定 義 される．

𝑳𝑳𝑳𝑳𝑳𝑳 = ^𝑳𝑳 _𝒅𝒅 ^{𝐌𝐌𝐌𝐌𝐌𝐌}

𝒑𝒑 … … (1.1)

代 表 的 な 深 絞 り 性 評 価 試 験 方 法 で ある Swift 深 絞 り 試 験 法 の 模 式 図 を ， Fig.1.5 に示 す

²³⁾

． Fig.1.4(a) でも示 したように，深 絞 り成 形 においてはフランジ 部 が面 内 圧 縮 を受 けて円 筒 縦 壁 部 に流 入 するため，板 厚 方 向 に比 べて板 幅 方 向 のひずみ量 が大 きい．このため， LDR は鋼 板 の塑 性 異 方 性 の指 標 である ランクフォード値 （ r 値 ）と良 い相 関 がある事 が知 られており， r 値 の大 きな材 料 ほど深 絞 り性 に優 れている

^{24 )}

． r 値 は，引 張 試 験 において試 験 片 平 行 部 に一 様 なひずみを 与 えた際 の板 幅 方 向 および 板 厚 方 向 の真 ひ ずみより得 ることが

5

でき，次 式 (1.2) で定 義 される

^{25 )}

．ここで， w

0

は試 験 片 の初 期 板 幅 ， w は引 張 後 の板 幅 ， t

0

は試 験 片 の初 期 板 厚 ， t は引 張 後 の板 厚 をそれぞれ示 す．

𝒓𝒓 = ^𝜺𝜺 _𝜺𝜺 ^𝒘𝒘

𝒕𝒕 = ^{𝐥𝐥𝐥𝐥}

𝒘𝒘 𝒘𝒘𝟎𝟎

𝐥𝐥𝐥𝐥 _{𝒕𝒕𝟎𝟎} ^𝒕𝒕 … … (1.2)

Fig.1.6 に LDR と r 値 の関 係 を示 す．

張 出 し成 形 は， Fig.1.4(b) に示 したように，フランジを拘 束 し材 料 を流 入 させ ずに板 厚 を減 少 させ ながら成 形 高 さを 確 保 する成 形 である ．張 出 し 性 の評 価 法 としては Fig.1.7 に模 式 図 を示 すエリクセン試 験 法

^{2 6)}

が最 もよく用 いられて おり，試 験 において鋼 板 が破 断 に至 る 限 界 の張 出 し 高 さを エリクセン値 とし て 張 出 し性 の評 価 値 とする．張 出 し成 形 では，加 工 が進 むにつれて板 厚 が減 少 し，変 形 の大 き い 部 位 でくび れが生 じて破 断 に至 る ．し たがっ て，ひ ずみ が局 所 集 中 しにくい材 料 ，すなわち加 工 硬 化 指 数 （ n 値 ）および伸 びが大 きな材 料 ほど張 出 し性 に優 れる

^{27 )}

． n 値 は，引 張 試 験 による真 応 力 σ および真 ひずみ ε の関 係 を次 式 (1.3) で近 似 した時 の真 ひずみ ε の指 数 として定 義 される

^{28 )}

．

𝝈𝝈 = 𝑪𝑪𝜺𝜺 ^{𝒏𝒏 … … (1.3)}

n 値 とエリクセン値 の関 係 を Fig.1.8 に示 す．高 強 度 鋼 板 は一 般 的 に高 r 値 化 が難 しい ため ，自 動 車 部 品 の生 産 にあたっ ては，深 絞 り成 形 を 可 能 な限 り低 減 し，張 出 し 成 形 に置 換 するよう設 計 がなさ れる．しかし，深 絞 り成 形 を受 ける 部 位 を完 全 に排 除 することは不 可 能 であるし，鋼 板 の強 度 が 980MPa 級 以 上 となると，張 出 し性 の確 保 も極 めて困 難 となる．

伸 びフランジ成 形 は， Fig.1.4(c) に示 したよう に平 板 を縁 に沿 って曲 げ ，フラ ンジを 形 成 する 成 形 様 式 である．したがっ て，伸 びフランジ性 は端 部 ，特 に打 ち抜 き端 部 の変 形 能 を表 している．代 表 的 には Fig.1.9 に示 すような，円 形 に 打 ち 抜 い た 穴 を 円 錐 ポ ン チで 広 げ る 穴 広 げ 試 験 に よっ て 評 価 さ れ ， 元 穴 径 D

0

に対 する最 終 穴 径 D

h

までの穴 広 げ率 λ がその指 標 として用 いられる

^{29 ,3 0)}

． 穴 広 げ率 λ は次 式 (1.4)で定 義 される．

6

𝝀𝝀(%) = ^{𝑳𝑳 𝒉𝒉} _𝑳𝑳 ^{−𝑳𝑳 𝟎𝟎}

𝟎𝟎 × 𝟏𝟏𝟎𝟎𝟎𝟎 ^{… … (1.4)}

穴 広 げ率 は， Fig.1.10 に示 す切 欠 き伸 びとの関 係 からも分 かるように，極 限 変 形 能 ，局 部 伸 びと良 く対 応 することが知 られている

^{31 )}

．伸 びフランジ性 向 上 の ためには，局 部 変 形 域 でのボイド生 成 を 極 力 抑 制 するため，粒 界 でのひず み 集 中 を低 減 する金 属 組 織 の均 一 化 およびボイドの起 点 となる炭 化 物 ，酸 化 物 の減 少 ，析 出 粒 子 間 隔 の増 加

^{32 )}

といった組 織 制 御 が重 要 とされる．

曲 げ 成 形 は， Fig.1.4(d) に 示 し たよう に 単 純 に鋼 板 を 曲 げ る 成 形 様 式 であ る．上 述 し た他 の成 形 様 式 と比 べると単 純 な変 形 ではある が，実 際 の成 形 品 の多 くでは，深 絞 り成 形 および 伸 びフランジ成 形 と組 み合 わされて，複 合 的 に 曲 げ成 形 されている．単 純 な曲 げ 性 は，曲 げ部 外 表 面 に割 れを 生 じることなく 平 板 を 180 °に折 り曲 げ られる最 小 半 径 によって評 価 され， Fig.1.11 に熱 延 鋼 板 の試 験 結 果 を示 すが，局 部 伸 びとの良 い相 関 が得 られている

³³⁾

．そのた め，一 般 的 に局 部 伸 び が小 さい 高 強 度 鋼 で問 題 となる ．曲 げ 性 も 伸 び フラン ジ性 と同 様 に局 所 的 な大 変 形 による 破 壊 に耐 える 能 力 ととらえるこ とができ る．

したがっ て，曲 げ 性 の向 上 は伸 び フランジ性 の向 上 と同 様 の考 え 方 で達 成 で きると言 える．

7

Fig.1.4 Systemized deformation modes on press forming of steel sheets (a) deep- drawing, (b) stretch-forming, (c) stretch-flanging and (d) bending

²²⁾

Flow

Shrinkage

Stretch Flow

Flow

Stretch

Stretch Stretch

Stretch

(a) Deep-drawing (b) Stretch-forming

(c) Stretch-flanging (d) Bending

8

Fig.1.5 Procedure for swift deep drawing tests

²³⁾

Punch

Die

Blank Holder

D D+ ∆ _D

d

p

r

d

r

p

d

d

d

p

Broken Unbroken

Fig.1.6 Relationship between Lankford value and limiting drawing ratio in mild steel

²⁴⁾

Limit in g d ra w in g r at io

24

22

21 23

Average Lankford value

0.5 1.0 1.5 2.0

20 0

Mild steel

9

Die

Punch

Holder Test piece

Contact surface

Eriksen value

Fig.1.7 Eriksen test procedure

²⁶⁾

Fig.1.8 Relationship between work hardening coefficient and Eriksen value

²⁷⁾

Er ic hs en va lu e (mm)

11.0

10.6

10.4 10.8

Work hardening coefficient

0.17 0.21 0.23 0.25

9.8 0.15

0.19 10.2

10.0

10

(a) Before test

(b) After test

Fig.1.9 Hole expanding test procedure

³⁰⁾

11

B en din g ra diu s ( mm) 3.2

1.6 4.8

Elongation by notched test piece (%)

10 15

5 0

Broken Unbroken Hot rolled steel sheet (t=3.2mm)

Fig.1.11 Relationship between elongation of notched test piece and bending radius in hot rolled steel sheet

³³⁾

Fig.1.10 Relationship between ultimate deformability and limiting hole expansion ratio

³¹⁾

Limit in g hol e expa ns ion ra tio (% )

200

100

50 150

Ultimate deformability

1.0 1.5 2.0 2.5

0 0.5

12

1.2.2 各 種 高 強 度 鋼 板 のプレス成 形 性

前 項 で述 べたように，薄 鋼 板 のプレス成 形 性 は成 形 様 式 に応 じて 4 種 類 に 分 類 され，指 標 となる特 性 もそれぞれ異 なる

³⁴⁾

．当 然 ，各 成 形 様 式 に適 する 金 属 組 織 は 異 な る ． し た が っ て ， 適 用 す る 部 材 の 形 状 と 加 工 方 法 に 応 じ て 様 々な高 強 度 鋼 板 が開 発 されている．

自 動 車 の 車 体 パ ネル 用 部 材 には，とくに 高 い 深 絞 り性 が要 求 さ れる ため ， 高 r 値 鋼 板 が適 用 されている

^{35 )}

．現 在 ，製 鋼 段 階 で C ， N を低 減 し，さらに Ti ， Nb などを用 いて C ， N を析 出 物 として固 定 することで固 溶 C ， N を極 限 まで低 減 し た IF （ Interstitial atom Free ） 鋼

^{36 )}

が 主 流 となっ てい る ．し かし ながら，

500MPa を超 える高 強 度 鋼 板 で r 値 を高 めることは容 易 ではないため， IF 鋼 ベ ースでは低 強 度 レベル鋼 板 しか開 発 できていない．

一 方 ，車 体 構 造 部 材 には張 出 し性 および 深 絞 り性 が必 要 とされるが，衝 突 安 全 性 が重 視 されるため成 形 性 の改 善 より高 強 度 化 が優 先 されてきた

^{37 )}

．し かし，その中 で， 590 ～ 1180MPa の引 張 強 さを有 した上 で，主 に伸 びの改 善 を 図 った鋼 板 が種 々開 発 されてきた． HSLA （ High Strength Low Alloy ）鋼

^{38 )}

， DP 鋼 および TRIP 鋼 などから適 用 部 位 の設 計 基 準 に応 じて素 材 の選 択 がな されている． HSLA 鋼 板 は，固 溶 強 化 と析 出 強 化 を組 み合 わせた鋼 種 で，汎 用 の高 強 度 鋼 板 として広 く利 用 されている． DP 鋼 板

^{14 ,15 )}

は，組 織 制 御 によっ てフェライ ト（ 軟 質 ） とマル テンサイ ト（ 硬 質 ） の複 合 組 織 化 し た鋼 種 である ．生 産 工 程 における 急 冷 温 度 を 制 御 し，マル テンサイトの体 積 率 を変 化 させること で，任 意 の強 度 レベルの鋼 板 が製 造 されている． TRIP 鋼 板

^{12 ,16 )}

は，残 留 オ ース テナイ トのひ ずみ 誘 起 変 態 を 積 極 的 に利 用 し た鋼 種 である ．成 形 時 ，塑 性 変 形 の進 行 につ れて加 工 硬 化 指 数 が高 いオース テナイ トからマルテンサイ トへの変 態 が生 じ，変 態 した部 分 の強 度 が向 上 することでネッキング発 生 を抑 制 する．この機 構 によって TRIP 鋼 板 は DP 鋼 板 以 上 の伸 びを示 す．

サスペ ンショ ンなどの足 回 り部 材 も 車 体 構 造 部 材 と同 様 に，衝 突 安 全 性 を 要 求 されるため，強 度 および剛 性 が重 要 である

^{39 )}

．しかしながら，足 回 り部 材 の強 度 レベルは 440 ～ 590MPa 級 が主 体 で，車 体 構 造 部 材 ほどの高 強 度 化 は進 んでいない．この理 由 の一 つとして，足 回 り部 品 の加 工 方 法 が挙 げられる．

足 回 り部 品 の成 形 には，伸 びフランジ加 工 の一 種 である打 抜 き穴 にフランジを 立 てる バ ー リング加 工 が多 用 さ れる ．サ ス ペ ンショ ン用 高 伸 び フランジ性 高 強

13

度 鋼 板 としては，ベ イナイ ト単 相 あるい はフェライ ト＋ ベイナイ ト複 合 組 織 鋼 板

40,41 )

が主 流 であった．最 近 では母 相 をフェライト単 相 として結 晶 粒 および析 出

物 を微 細 化 することで， 980MPa 級 以 上 に高 強 度 化 し た鋼 板 も 開 発 されてい

る

^{42,43 )}

，足 回 り用 でも，ホイールディスクなど張 出 し成 形 が主 体 の部 品 に対 し

ては，上 述 の DP 鋼 板 あるいは TRIP 鋼 板 が用 いられている．

各 種 高 強 度 鋼 板 の成 形 性 を Fig.1.12 に示 す

³⁴⁾

．前 項 で述 べた通 り，深 絞 り性 は r 値 と，張 出 し性 は伸 びとそれぞれ相 関 があり，伸 びフランジ性 は穴 広 げ率 によって評 価 される．したがって， Fig.1.12 からも，成 形 様 式 に応 じた 4 種 類 のプレス成 形 性 ならびに強 度 の全 てを満 足 するような鋼 板 が存 在 しないこと が分 かる ．例 えば ，伸 び 向 上 は深 絞 り性 を 低 下 さ せ ，二 相 組 織 化 は伸 び フラ ンジ性 を低 下 させる傾 向 にある．さらに，実 際 の部 品 の成 形 では， 4 種 の成 形 様 式 が混 在 しているため，組 織 制 御 だけでは対 応 できないことは明 白 である．

したがって，年 々高 強 度 化 が進 んでいる自 動 車 部 品 のプレス成 形 に対 応 する ためには，ここまでに記 述 してきた材 料 工 学 的 な見 地 のみではなく，塑 性 加 工 学 研 究 の発 展 が必 要 不 可 欠 である．

14

Fig.1.12 Relationship between tensile strength and indexical property for press formability in various high strength steel sheet

³⁴⁾

Tensile strength (MPa)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

El onga tion (% )

2.5

1.5 1.0 2.0

0.5 50 40

20 10 30

100 80 60 40 20

IF

IF

TRIP DP

HSLA

Martensite Bainite

TRIP

HSLA DP

IF Bainite Martensite

TRIP

DP HSLA

La nkf or d va lue Limit in g hol e expa ns ion ra tio (% )

15

1.2.3 高 強 度 鋼 板 の形 状 凍 結 性 （スプリングバック特 性 ）

前 項 まで に述 べ た プレ ス 成 形 性 は， 鋼 板 を 破 断 さ せ る こ となく各 種 様 式 の 成 形 が可 能 かを 示 す 指 標 であっ た．一 方 ，高 強 度 鋼 板 においてはス プリング バック，すなわ ち除 荷 後 に角 度 の変 化 ，反 り，お よびねじ れとい った形 状 不 良 が生 じ やす い ため ，高 強 度 化 ととも に形 状 凍 結 性 の低 下 が 大 き な問 題 となっ ている．スプリングバックは，プレス成 形 完 了 時 の内 部 応 力 の弾 性 回 復 に基 づ く現 象 である．また，この際 にすべての内 部 応 力 が解 放 されるのではなく，主 に 曲 げモーメントがゼロになるような形 状 変 化 が起 きるとされている

^{44 )}

．板 材 の単 純 曲 げ成 形 後 のスプリングバック量 は次 式 （ 1.5 ）で表 される

^{45 )}

．ここで， θ は鋼 板 の曲 げ角 度 ， ∆θ はスプリングバックによる曲 げ角 度 変 化 ， Y は降 伏 強 度 ， E はヤング率 ， R は曲 げ半 径 ， t は板 厚 を示 す．

∆𝜽𝜽

𝜽𝜽 = 𝟑𝟑 ^𝒀𝒀 _𝑬𝑬 ^𝑳𝑳 _𝒕𝒕 ^{… … (1.5)}

ここで，式 （ 1.5 ）より，鋼 板 の降 伏 強 度 増 加 に伴 い，スプリングバック量 が大 きく なるこ とが明 らかである ．また， 同 じ く式 （ 1.5 ） は，ス プリングバ ッ ク特 性 が 弾 性 回 復 に起 因 した現 象 であり，主 として素 材 の強 度 およびヤング率 に支 配 される 特 性 であることを示 している．したがって，形 状 凍 結 性 に対 しては，プレス成 形 性 のように r 値 ，伸 びおよび極 限 変 形 能 向 上 といった素 材 特 性 改 善 では解 決 出 来 ない．現 在 ，高 強 度 鋼 板 の形 状 凍 結 性 改 善 法 としては， 1) フォーム成 形

46)

，オーバーラン誘 発 パンチ

^{4 7)}

，サーボプレスを用 いた決 め押 し

^{4 8)}

など加 工 方 法 の開 発 ， 2)FEM 解 析 などによって発 生 するスプリングバック量 を予 測 し，

金 型 設 計 に織 り込 む方 法

⁴⁹⁾

，そして後 述 する 3) 温 ・熱 間 プレス成 形

17 -21 ,50 )

が注 目 されている．

これらの内 ， 1) および 2) による形 状 凍 結 性 改 善 は，鋼 板 の強 度 増 加 に伴 い，

困 難 を 極 め ていくため ，今 後 ，さらなる 高 強 度 化 が進 めば 技 術 的 な限 界 に到 達 す る こ とが 予 想 さ れる ．し た がっ て 本 研 究 では， 3) の 温 ・ 熱 間 プレ ス 成 形 に 焦 点 を当 てることとした．

16

1.3 温 ・熱 間 プレス成 形 に関 する従 来 の研 究

1.3.1 熱 間 プレス成 形

熱 間 プレス成 形 は， 900 ℃程 度 の熱 間 温 度 域 で成 形 する手 法 である．現 在 工 業 化 されている 最 も 代 表 的 な熱 間 プレス 成 形 （ ホッ トス タンピング） は，成 形 後 ， 下 死 点 （ プレ ス 機 のス トロー クの 最 下 点 ） で保 持 し ， 金 型 に よる 急 冷 で 焼 入 れを施 すダイクエンチ

^{20 ,21)}

であるので，本 節 においてはこの手 法 に限 定 して 詳 述 する．熱 間 プレス成 形 では，鋼 板 を加 熱 することによって，変 形 抵 抗 が減 少 するため，成 形 荷 重 を低 減 することができる．また，成 形 後 に生 じるマルテン サ イ ト変 態 が ，成 形 時 に 導 入 さ れた 応 力 を 緩 和 す る ため ，ス プ リン グバ ッ ク は 減 少 する

^{51 )}

．さらに，成 形 品 は焼 入 れにより 1500MPa 程 度 までの強 化 が見 込 めるため，組 織 制 御 した高 強 度 鋼 板 を用 いる必 要 がない．そのため， Mn ， B な どの 添 加 に よっ て 焼 入 性 を 高 め た ボ ロン 鋼 板

⁵²⁾

な どが よ く 用 い ら れ てい る ． Fig.1.13 に 270 および 590MPa 級 鋼 板 の冷 間 プレス成 形 品 とボロン鋼 板 の熱 間 プレス成 形 品 の外 観 を示 すが，熱 間 プレスを施 すことで形 状 凍 結 性 が向 上 している．また， Fig.1.14 に成 形 品 の強 度 とスプリングバック量 の関 係 を示 す．

冷 間 プレ ス 成 形 では，鋼 板 の強 度 増 加 に 伴 い ス プリングバッ ク量 が増 加 す る が，熱 間 プレス成 形 ではスプリングバックがほぼゼロとなり，形 状 凍 結 性 は顕 著 に向 上 する．ただし，曲 げ成 形 に深 絞 り，張 出 しおよび 伸 びフランジ成 形 が複 合 した複 雑 形 状 の成 形 においては，冷 間 プレス成 形 の知 見 が必 ずしも適 用 で きない

^{5 0)}

．例 えば，深 絞 り性 の指 標 となる LDR の熱 間 における値 は冷 間 での それよりも低 い値 を示 す．これは，パンチ接 触 部 の温 度 変 化 およびスケールの 潤 滑 効 果 が複 合 して影 響 した結 果 と考 えられている．

17

Fig.1.13 Comparison of shape fixability between cold and hot stamped parts

⁵¹⁾

270MPa class

590MPa class

Cold pressed Hot pressed

C le ar an ce (S pr in g ba ck ) ( m m )

Tensile strength (MPa)

500 1000 1500 2000

0 6

4

3 5

2

1

Cold press Hot press

Fig.1.14 Relation between tensile strength and spring back of steel sheet

⁵¹⁾

18

1.3.2 温 間 プレス成 形

温 間 プレスは， 200 ～ 700 ℃に鋼 板 を加 熱 し て成 形 され，焼 入 れ強 化 ではな く成 形 荷 重 の低 減 を目 的 としている．冷 間 プレス成 形 に比 べると小 さな荷 重 で 成 形 でき， Fig.1.15 に示 すように形 状 凍 結 性 も改 善 される

^{53 )}

．また，熱 間 プレ ス 成 形 のよう に下 死 点 保 持 す る 必 要 も なく，酸 化 ス ケー ル の生 成 も 比 較 的 少 ない．ただし，組 織 制 御 によって強 度 を賄 っている高 強 度 鋼 板 は，加 熱 によっ て焼 戻 されてしまうため，成 形 品 の強 度 が素 材 に比 べて低 下 してしまう可 能 性 がある．し たがって，焼 戻 軟 化 が小 さな温 度 域 で成 形 する か，あるい は予 め 軟 化 することを 見 込 んだ素 材 選 択 が必 要 となる．最 近 では，熱 的 安 定 な炭 化 物 を 分 散 析 出 させ ，成 形 後 の強 度 低 下 を 改 善 し た高 強 度 鋼 板 も 開 発 さ れてい る．

小 嶋

^{50 )}

は，各 温 度 域 で行 わ れる 成 形 プロセスの特 徴 と素 材 に要 求 される 特 性 を Table 1.1 および Table 1.2 のようにまとめている．より高 温 度 域 で行 う 手 法 ほど小 さな成 形 荷 重 で成 形 することができ，成 形 限 界 および形 状 精 度 の 面 でも 優 れている ．特 に，熱 間 プレ ス 成 形 は，素 材 の強 度 お よび 延 性 を 問 題 としない点 でも ，冷 ・ 温 間 プレス 成 形 に対 し て優 位 性 を 有 する．し かし，その反 面 ，タクトタイム（ 工 程 作 業 時 間 ） の長 さ，ランニングコス トおよび多 量 の酸 化 ス ケール発 生 などのために生 産 性 が極 めて低 い．また他 方 で，各 温 度 域 でのプ レス成 形 に共 通 する課 題 として，金 型 寿 命 の低 下 が挙 げられる．その原 因 は，

冷 間 プレ ス 成 形 にお い ては， 鋼 板 の高 強 度 化 お よび 成 形 荷 重 の大 き さ に由 来 し ，一 方 ，温 ・ 熱 間 プレス 成 形 におい ては， 1.4 節 に後 述 する よう に有 効 な 潤 滑 剤 が存 在 しないためである．

以 上 の 理 由 より， 本 研 究 で は， 熱 間 プレ ス 成 形 へ の 将 来 的 な 展 開 を 視 野 に入 れつつ，まずは冷 ・温 間 プレス成 形 における摺 動 特 性 向 上 を研 究 の中 核 とした．

19

A m ount of spr ing ba ck, ∆θ (d eg )

Temperature ( ℃ )

200 400 600 800

0 10

6

4 8

2

SPFC980Y SPFC780Y SPFC590Y SPFC440 SPCC

∆θ

_L

∆θ

_R

∆θ ₌ ∆θ

_L

₊ ∆θ

_R

Fig.1.15 Relationship between temperature and spring back by warm and hot press forming of steel sheet

⁵³⁾

20

Process Forming

force Forming

limit Form

accuracy Production

process Productivity Oxide scale generation

Cold press Large Small Bad Short Good Zero

Warm press Medium Medium Medium Short Good Small

Hot press

(Die quenching) Small Medium Good Medium Bad Large

Table 1.1 Advantages and disadvantages of various press forming process

⁵⁰⁾

Process Material strength Material ductility Heat treatability

Cold press Equal product

strength Necessary No object

Warm press Equal product

strength Necessary

(at warm temperature) Temper softening resistance Hot press

(Die quenching) No object No object Hardenability Table 1.2 Properties of steel sheet required for various press forming process

⁵⁰⁾

21

1.4 金 型 の摩 擦 ・摩 耗 低 減 に関 する従 来 の研 究 1.4.1 表 面 硬 化 処 理

金 型 寿 命 向 上 を目 的 として， CVD 法 による TiC

^{54 )}

， VC コーティング， PVD 法 による TiN ， DLC コーティング，硬 質 クロムめっきおよび窒 化 処 理 などの表 面 硬 化 処 理 が適 用 さ れている ．し かし なが ら，上 述 の処 理 は，窒 化 処 理 を 除 き，金 型 表 面 に被 膜 を形 成 する 処 理 である ため，硬 さ は極 めて高 くなるものの，

プレス 成 形 時 の局 所 荷 重 によっ て剥 離 が生 じやすい．また，非 被 膜 処 理 であ る窒 化 処 理 ならびに CVD 法 など一 部 の被 膜 処 理 は，高 温 にて処 理 されるた め，熱 ひずみによる寸 法 変 化 および変 形 が懸 念 される

^{55 )}

．

一 方 ，非 被 膜 の表 面 硬 化 処 理 の一 つにショットピーニ ング処 理 が挙 げ られ る ．こ れは，ショ ッ ト 粒 を 投 射 す る こ とで，対 象 表 面 に 緻 密 な 加 工 硬 化 層 を 形 成 し，同 時 に圧 縮 残 留 応 力 を付 与 することで，疲 労 強 度 および耐 摩 耗 性 を向 上 させる効 果 を有 している

^{56 -60 )}

．ショットピーニング処 理 は，ばねや歯 車 などの 機 械 部 品 には古 くから頻 繁 に適 用 さ れてい るも のの，量 産 用 プレ ス 金 型 へ の 利 用 は例 がなく，その効 果 はあまり知 られていない．新 たな研 究 課 題 として注 目 されている．

1.4.2 潤 滑 剤

冷 間 プレ ス 成 形 にお い ては，素 材 の 受 入 時 に既 に塗 布 さ れている 防 錆 油 をそのまま潤 滑 剤 とし て利 用 する 場 合 ，ある いは，防 錆 油 を洗 浄 し た上 で，改 めてプレス加 工 油 を使 用 する場 合 ，予 め固 体 潤 滑 被 膜

^{61 )}

や亜 鉛 めっきで覆 われた鋼 板

^{62 -64 )}

を 使 用 する 場 合 などがある．最 近 では，地 球 環 境 保 護 の観 点 から，アル ミニウム板 ，低 強 度 鋼 板 および ステンレス 鋼 板 に対 するドライプレ スなども試 みられている

^{6 5)}

．しかし， 980MPa 以 上 の超 高 強 度 鋼 板 の成 形 に対 しては，ドライプレスはおろか既 存 のプレス加 工 油 を使 用 してさえ，十 分 な潤 滑 特 性 が 得 ら れない ．他 方 で ，歯 車 お よび 軸 受 とい っ た機 械 部 品 の 摺 動 特 性 向 上 法 として，部 品 の摺 動 面 に意 図 的 にピットを配 置 することで，キャビテーシ ョン発 生 と油 だまりとしての効 果 を積 極 的 に利 用 する手 法 が取 られている

^{6 6,67 )}

が，プレス成 形 金 型 への適 用 事 例 は見 られない．

温 ・ 熱 間 プレ ス 成 形 にお い ては ，揮 発 ある い は引 火 の 可 燃 性 がある ため ， 液 体 潤 滑 剤 の使 用 は大 きく制 限 される．したがって，高 温 度 域 においては，亜

22

鉛 めっき鋼 板 あるいは固 体 潤 滑 剤

^{68 -72 )}

の適 用 が主 流 である．高 温 度 域 で古 くから汎 用 的 に使 用 されてきた固 体 潤 滑 剤 として，グラファイト

^{6 8,69)}

（以 降 ， Gr と略 す）および二 硫 化 モリブデン（ MoS

2

）などの黒 色 系 固 体 潤 滑 剤 が知 られて いる．しかし，これらは使 用 後 に発 生 する黒 色 の残 渣 によって作 業 環 境 を著 し く汚 染 する．また， MoS

2

は硫 化 物 発 生 によって機 械 設 備 の劣 化 を促 進 する．

そのため， 1979 年 頃 には既 に白 色 系 固 体 潤 滑 剤 への置 換 が検 討 され始 めて いた

^{70 )}

が，現 在 に至 っても，潤 滑 特 性 の面 において黒 色 系 に優 る白 色 系 固 体 潤 滑 剤 は開 発 されていない．温 ・熱 間 プレス成 形 において使 用 可 能 な白 色 系 固 体 潤 滑 剤 としては，窒 化 ホウ素 （ BN ）などがある． BN

^{71 ,7 2)}

は Gr を上 回 る 高 温 安 定 性 を発 揮 するが，コストの高 さが普 及 の足 枷 となっている．

以 上 述 べ たよう に， 温 ・ 熱 間 プレ ス 成 形 の 工 業 化 にあ たっ ては， 潤 滑 特 性 お よび コ ス トパ フォー マンス に 優 れ，環 境 に も 問 題 ない 高 温 潤 滑 剤 の 研 究 開 発 が喫 緊 の課 題 である．

1.4.3 プレス成 形 性 への影 響

摩 擦 ・ 摩 耗 の低 減 は，金 型 寿 命 向 上 のみ でなく，プレス 成 形 性 にも影 響 を 及 ぼ す．一 例 として，深 絞 り性 の評 価 指 標 である LDR と摩 擦 係 数 の関 係 を Fig.1.16 に示 す

^{7 3)}

．この図 から，摩 擦 係 数 を 0.05 低 減 することが鋼 板 の r 値 を 0.2 ～ 0.3 程 度 向 上 することと等 価 であることが明 らかである．この知 見 は， r 値 の向 上 が困 難 な高 強 度 鋼 板 のプレ ス 成 形 にお いて，摩 擦 ・ 摩 耗 の 低 減 が 極 めて大 きな意 味 を有 することを示 唆 している．

他 方 で，自 動 車 部 品 は形 状 が複 雑 であるため， Fig.1.17 に示 すように部 品 の種 類 ，ある い は同 一 部 品 内 における 部 位 の違 い により，面 圧 ，摺 動 速 度 が 異 なるこ とが知 られている

^{6 4)}

．加 え て，鋼 板 － 金 型 間 の摩 擦 係 数 は，面 圧 ， 摺 動 速 度 あるいは潤 滑 剤 の粘 性 などに依 存 して変 化 する．したがって，プレス 成 形 における摩 擦 ・摩 耗 の評 価 にあたっては，前 述 した 4 つの成 形 様 式 のい ず れに属 する かを 念 頭 に置 い た上 で，成 形 時 の面 圧 ，摺 動 速 度 お よび 潤 滑 剤 の粘 性 などについても考 慮 する必 要 がある．

本 研 究 にお け る 摺 動 特 性 評 価 は ，開 発 す る 金 型 表 面 処 理 お よび 潤 滑 剤 の適 用 の幅 を調 べる意 味 も 込 め，摩 擦 係 数 の面 圧 依 存 性 を注 目 するポイント の一 つとした．

23

Fig.1.16 Relationship between friction coefficient and limiting drawing ratio of steel sheet

⁷³⁾

Limit in g d ra w in g r at io

3.0

2.6

2.4 2.8

Friction coefficient

0.06 0.10 0.12 0.16

2.0 0.04

0.08 2.2

0.14 r=2.5

r=2.0

r=1.5

Fig.1.17 Relationship between sliding speed and contact pressure of press forming of typical vehicle body parts

⁶⁴⁾

24

1.4.4 スプリングバック特 性 への影 響

前 述 したように，摺 動 特 性 が金 型 寿 命 およびプレス成 形 性 に影 響 を及 ぼす こ とにつ い ては，比 較 的 よく 知 られてい る ． その一 方 で，ス プ リングバ ッ ク 特 性 への影 響 に関 する知 見 は少 ない．また， 1.2.3 項 に記 述 した曲 げ成 形 における ス プリングバ ッ ク量 を 表 す 式 (1.3) を 見 ても ，摩 擦 は直 接 的 な 支 配 因 子 ではな い．しかし，例 えばフランジ部 ，ビード部 および金 型 肩 部 などの箇 所 において，

金 型 － 鋼 板 間 の 摩 擦 は 材 料 の流 入 ま たは 移 動 量 に 影 響 し ，鋼 板 の 局 所 的 な板 厚 を変 化 させる．板 厚 がスプリングバック量 に影 響 することは式 (1.3) より明 らかである ため ，金 型 － 鋼 板 間 の摩 擦 は，間 接 的 にス プリングバッ ク特 性 にも 影 響 を 及 ぼす こ とが分 かる ．実 際 に，生 産 現 場 にお ける ス プリングバッ ク改 善 技 術 として，しわ抑 え力 BHF （ blank holding force ）制 御 およびクリアランス制 御 などによって，金 型 －鋼 板 間 の摩 擦 力 を制 御 する手 法 が用 いられている．

25

1.5 本 研 究 の目 的 および論 文 の構 成

本 研 究 では，高 強 度 鋼 板 のプレス成 形 における成 形 性 ，スプリングバック特 性 および金 型 寿 命 への摺 動 特 性 の寄 与 を明 らかにした上 で，金 型 表 面 テクス チャー制 御 および固 体 潤 滑 剤 の適 用 による 摺 動 特 性 向 上 効 果 について研 究 した．

本 論 文 は，本 章 も含 めて全 5 章 から構 成 されている．

第 1 章 は，緒 論 であり，高 強 度 鋼 板 のプレス成 形 における現 状 ならびに課 題 を概 説 し，本 研 究 の目 的 を明 らかにした．

第 2 章 では，スプリングバック特 性 改 善 への金 型 潤 滑 の影 響 を検 証 するた めに，高 強 度 ス テンレ ス 鋼 板 の張 出 し 成 形 における スプリングバッ ク挙 動 に対 して，有 限 要 素 法 に基 づ くシミュレー ショ ンを実 施 し た結 果 を 示 す ととも に，成 形 様 式 に応 じて要 求 される摺 動 特 性 の相 違 とその理 由 について考 察 している．

合 わせて，鋼 板 の強 度 特 性 および金 型 肩 部 形 状 の変 化 に伴 い，スプリングバ ック量 が変 化 する解 析 結 果 を示 している．

第 3 章 では，高 強 度 鋼 板 のプレス成 形 における金 型 の耐 ゴーリング特 性 改 善 を 目 的 として，ショッ トピーニングおよび低 温 ガス窒 化 による金 型 表 面 テクス チャー 制 御 の有 効 性 を 検 証 し てい る ．また，こ の技 術 の妥 当 性 を ，有 限 要 素 法 シミュレーションによって考 察 した結 果 を示 している．

第 4 章 では，冷 間 ，温 間 および 熱 間 プレス成 形 における摺 動 特 性 改 善 を 目 的 とし，金 型 表 面 テクス チャー 制 御 に加 えて，ほたての貝 殻 を主 原 料 とし た 固 体 潤 滑 剤 適 用 の有 効 性 を 検 証 し てい る ．また，固 体 潤 滑 剤 を 工 業 化 す る にあたって，粒 径 ，溶 媒 および配 合 比 などの使 用 条 件 について，最 適 化 を 図 った結 果 を 示 している．さ らに，有 限 要 素 法 シミュレーショ ンによる検 証 結 果 を 示 している．

第 5 章 は，本 論 文 の成 果 の総 括 である．

26

第 2 章 高 強 度 鋼 板 の液 圧 バルジ成 形 における

スプリングバック挙 動 に及 ぼす摩 擦 の影 響

2.1 緒 言

高 強 度 鋼 板 のプレス成 形 において，スプリングバック特 性 が大 きな課 題 とな ることは，第 1 章 1.2.3 項 において述 べた．スプリングバックは一 般 的 に曲 げ成 形 時 に問 題 となっ てき た．こ の理 由 は，他 の 成 形 様 式 に比 べ て単 純 なモー ド で 3 次 元 的 な拘 束 が少 なく，曲 げ半 径 ，曲 げ角 度 などの変 化 が成 形 品 の精 度 に直 結 する ため である ．し かし ，ス プリングバッ クは鋼 板 成 形 後 の弾 性 回 復 に起 因 す る 現 象 であり，大 小 は 別 とし てあらゆる 成 形 様 式 にお い て生 じ る ．し かしながら，例 え ば 張 出 し 成 形 にお ける スプリングバ ッ ク特 性 に関 す る 研 究 は 殆 どなされていない．さらに，第 1 章 1.4 節 において Fig.1.17 に示 したように，

摩 擦 係 数 が プレ ス 成 形 性 に寄 与 す る こ と は 知 ら れてい る が， ス プ リングバ ッ ク 特 性 へ の影 響 は 明 ら かにさ れてい ない ．プ レ ス 成 形 金 型 の 摺 動 特 性 改 善 を 研 究 する 上 で，種 々の成 形 様 式 におけるプレス成 形 性 およびス プリングバック 特 性 に 対 し ，金 型 潤 滑 が どの よう な 影 響 を 及 ぼ す かを 把 握 す る こ とは 極 め て 重 要 である．近 年 ，このようなスプリングバック特 性 の理 解 あるいは変 形 箇 所 な らびに変 形 量 の予 測 においては， 3 次 元 弾 塑 性 FEM 解 析 が多 用 されるように なっている

^{7 4 -77)}

．なかでも，鋼 板 の応 力 反 転 時 の挙 動 ，いわゆるバウシンガー

効 果

^{7 8 ,79 )}

を的 確 に表 現 可 能 な吉 田 ‐ 上 森 （ Y-U ）モデルによって解 析 精 度 が

向 上 している．

低 強 度 鋼 板 から高 強 度 鋼 板 へ の材 料 置 換 は，主 とし て自 動 車 部 材

^{2 -8)}

， 大 型 構 造 物 部 材 に対 して進 められてきた．このような背 景 から，現 在 ，一 般 的 に生 産 されている高 強 度 鋼 板 の板 厚 は 0.5 ～ 10mm 程 度 である．しかし最 近 ， 板 厚 0.1mm 程 の極 薄 板 で構 成 されるような極 小 部 品 にも軽 量 化 が要 求 され る よう になり，高 強 度 ス テンレ ス 鋼 板 が 用 い られてい る ．また，こ れらの 極 小 部 品 の多 くは，液 圧 バルジ成 形 で製 造 される．液 圧 バルジ成 形 とは，パンチの代 わりに液 圧 を 用 い て行 わ れる プレス 成 形 法 であり，鋼 板 の成 形 様 式 は張 出 し 成 形 に属 している ．液 圧 バル ジ成 形 に適 用 される 高 強 度 ステンレス 鋼 の代 表 的 な例 として，戦 時 中 の軍 事 需 要 に対 応 し て航 空 機 部 材 用 に開 発 さ れた析 出 硬 化 型 ステンレス鋼

^{80 -82 )}

（ Precipitation Hardening Stainless Steel ）が挙 げ

27

られる．その後 ， Armco 社 によって開 発 された 17-4PH および 17-7PH ステンレ ス鋼 を 筆 頭 に，産 業 の発 展 に対 応 して様 々 な改 良 がなされ，今 日 では，航 空 機 部 材 だけ でなく，船 舶 機 器 ，化 学 プラントなどの高 強 度 部 材 ，船 舶 や 海 水 ポンプなどの各 種 シャフト材 ，ボルト，ナット，ねじ，歯 車 などの構 造 部 品 ，バル ブ，コッ ク類 ，ゴル フクラブやア イ ゼンなどのスポー ツ用 品 ，デ ジタル カメ ラのシ ャ ー シ ， な ど 幅 広 い 分 野 に お い て 使 用 さ れ て い る ． 高 強 度 ス テ ン レ ス 鋼 は ， 1000MPa をゆうに超 える引 張 強 さを有 しており，必 然 的 に降 伏 強 度 上 昇 に伴 うスプリングバックの増 大 という高 強 度 鋼 板 共 通 の課 題 を有 している．

本 章 では，高 強 度 ステンレス鋼 板 の液 圧 バ ルジ成 形 を例 に取 り， Y-U モデ ルに基 づく FEM 解 析 によって，金 型 潤 滑 がスプリングバック挙 動 に及 ぼす影 響 を明 らかにし，成 形 様 式 に応 じて要 求 される摺 動 特 性 の相 違 とその機 構 に ついて考 察 した．また，摩 擦 の影 響 を論 じる前 に， FEM 解 析 の有 用 性 を検 証 するため，従 来 ，主 に曲 げ 成 形 において言 及 されてきた鋼 板 の強 度 特 性 お よ び金 型 肩 部 半 径 とスプリングバック特 性 の関 係 を， FEM により解 析 した．

28

2.2 実 験 方 法 2.2.1 供 試 材

供 試 材 と し て ， 厚 さ 0.15mm の 析 出 硬 化 型 高 強 度 ス テ ン レ ス 鋼 板 Custom455®Stainless を用 いた．供 試 材 の組 成 を Table 2.1 に示 す．

2.2.2 引 張 試 験

次 節 2.2.3 に記 述 する解 析 用 材 料 パラメータを得 るために，引 張 試 験 にて 強 度 特 性 を評 価 した．なお，試 験 はインストロン型 試 験 機 を用 い，室 温 で初 期 ひずみ速 度 が１ ×10

^-3

/s の条 件 にて実 施 した．試 験 片 形 状 を Fig.2.1 に示 す．

Thickness = 1.0

Fig.2.1 Schematic illustration of test piece for tensile tested (mm) 30

80

15

10 3

29

2.2.3 解 析 用 材 料 パラメータ

引 張 試 験 より得 られた公 称 降 伏 強 さ（以 降 ， YS と略 す）： 1100MPa および 公 称 引 張 強 さ（以 降 ， TS と略 す）： 1300MPa を中 心 値 として， YS および TS を それぞれ 1000 ～ 1200MPa および 1200 ～ 1400MPa の範 囲 で変 化 させ， 5 条 件 の強 度 特 性 デー タを 作 成 した．各 条 件 にお ける真 応 力 － 真 塑 性 ひず み線 図 を Fig.2.2 に示 す．また，解 析 にはバウシンガー効 果 を的 確 に考 慮 することが 可 能 な Y-U モデルを用 いた． Y-U モデルは一 般 的 な強 度 特 性 以 外 に特 有 の 材 料 パ ラメ ー タを 必 要 とし ，こ れらのパ ラメ ー タは通 常 ， 繰 返 し 引 張 － 圧 縮 試 験 によって評 価 される

^{74 -77 )}

．しかし，本 研 究 に供 した板 厚 0.15mm の試 験 片 を，

繰 返 し引 張 圧 縮 試 験 において座 屈 させずに評 価 することは極 めて困 難 である．

そこで，繰 返 し 塑 性 構 成 式 の材 料 パ ラメ ー タ同 定 ソフト MATPARA を 用 い ， Fig.2.2 に示 した真 応 力 －真 塑 性 ひずみ線 図 からの外 挿 によって，各 強 度 特 性 条 件 に対 応 する Y-U モデル 用 材 料 パ ラメー タを 決 定 し た．解 析 に供 し た Y-U モデル用 材 料 パラメータを Table 2.2 に示 す．また，一 例 として， Table 2.2 の強 度 特 性 c のパラメータを用 いて作 成 した繰 返 し変 形 時 の真 応 力 －真 ひず み線 図 を Fig.2.3 に示 す．なお，解 析 に用 いたその他 の材 料 物 性 値 を Table 2.3 に示 す．

30

1200

Tr ue st re ss ( MP a)

1000 1300 1500

True plastic strain

Material condition, a~e

a: YS=1000MPa, TS=1300MPa b: YS=1100MPa, TS=1200MPa c: YS=1100MPa, TS=1300MPa d: YS=1100MPa, TS=1400MPa e: YS=1200MPa, TS=1300MPa

0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012

1100 1400

900 0

c: YS=1100MPa, TS=1300MPa

b: YS=1100MPa, TS=1200MPa d: YS=1100MPa, TS=1400MPa e: YS=1200MPa, TS=1300MPa

a: YS=1000MPa, TS=1300MPa

Fig.2.2 True stress-plastic strain curves with various material condition for FEM analysis

31

32

33

2.2.4 FEM 解 析

本 研 究 では，プレス成 形 シミュレーションソフト JSTAMP/NV を用 い， Fig.2.4 に示 す 形 状 の 小 型 部 品 を 対 象 に 液 圧 バ ル ジ成 形 を シミュ レ ー ショ ンし た．解 析 ソルバーには LS-DYNA を用 い，ドーム形 状 に成 形 する工 程 に対 しては，

非 線 形 の複 雑 な問 題 に有 効 な動 的 陽 解 法 ，スプリングバッ ク工 程 に対 しては，

厳 密 性 に優 れ 平 衡 状 態 の計 算 などに適 す る 静 的 陰 解 法 によっ て解 析 し た．

鋼 板 （ブランク）のメッシュは， Fig.2.5 に示 すように，曲 率 半 径 が大 きく，変 形 が 小 さな部 位 は一 辺 0.4mm 程 度 とし，比 較 的 大 きな変 形 の生 じる上 型 肩 部 近 傍 は一 辺 0.025mm に分 割 した．金 型 の動 作 は，下 型 を静 止 させた状 態 で，

上 型 を － Z 方 向 にス トロー クさ せ てブランクを固 定 し ，ブランクの下 側 から＋ Z 方 向 に 7.4MPa の液 圧 を負 荷 する条 件 とした．なお，金 型 形 状 がスプリングバ ック挙 動 に及 ぼす影 響 を評 価 するため，上 型 肩 部 半 径 を 0.1 ～ 0.5mm の範 囲 で変 化 させた．さらに，金 型 とブランクとの間 の摩 擦 係 数 を 0.01 ～ 1.0 の範 囲 で変 化 させることで，金 型 潤 滑 が及 ぼす影 響 を調 べた．解 析 条 件 を Table 2.4 に示 す．また， Fig.2.6 に示 すように本 研 究 においては，スプリングバック特 性 を フランジ部 および XY 平 面 がなす角 度 をスプリングバック量 と定 義 した．

Blank (20mm φ _*0.15mmt) Upper die

Lower die Blank holding

Hydraulic pressure: 7.40MPa Upper die shoulder radius: 0.1~0.5mm

Z Y X

Friction coefficient: 0.01~1.0

Fig.2.4 Analytical FEM model of hydraulic bulge forming

34

35

36

37

2.3 結 果 および考 察

2.3.1 鋼 板 強 度 とスプリングバック特 性 の相 関 に関 する検 証

Table 2.4 の解 析 条 件 c1 において，ブランクに液 圧 が負 荷 された際 の相 当 応 力 コンター図 を Fig.2.7 に示 す．相 当 応 力 は，上 型 肩 部 近 傍 にあたる円 周 上 で最 大 値 を 取 り，ブランク中 心 部 は上 型 肩 部 近 傍 に次 ぐ高 い 値 を 示 し た．

また，強 度 特 性 を種 々変 更 した解 析 条 件 a1 ， b1 ， d1 および e1 いずれにおい ても，値 は異 なるものの同 様 の分 布 を示 していた．各 解 析 条 件 の液 圧 負 荷 時 における上 型 肩 部 の相 当 応 力 と引 張 強 さの関 係 を Fig.2.8 に示 す．上 型 肩 部 での最 大 相 当 応 力 は， Fig.2.2 に示 した真 応 力 －真 塑 性 ひずみ線 図 における 引 張 強 さに近 い 値 であることが明 らかである ．一 方 ，ブランク中 心 部 の相 当 応 力 を見 ると，強 度 特 性 に対 応 した変 化 が小 さく 1100 ～ 1160MPa の値 を示 した．

次 に，条 件 c1 （ YS ： 1100MPa ， TS ： 1300MPa ）における液 圧 負 荷 時 の相 当 塑 性 ひずみコンター図 を Fig.2.9 に示 す．条 件 c1 をはじめとするいずれの解 析 条 件 におい ても，相 当 塑 性 ひ ずみ は上 型 肩 部 近 傍 にあたる 円 周 上 で最 大 値 を 取 った． Fig.2.9 から明 らかなように，上 型 肩 部 近 傍 以 外 の箇 所 では相 当 塑 性 ひ ず み が 小 さ く ， 塑 性 変 形 が 極 め て 局 所 的 な 領 域 に 集 中 し て い る ． ま た ， Fig.2.9(b) の拡 大 図 より，液 圧 負 荷 による塑 性 変 形 は，解 析 にあたって作 成 し たメッシュ 3 ～ 4 個 分 すなわち約 0.1mm 幅 の領 域 で生 じ，その他 の領 域 では 極 めて小 さな塑 性 ひずみしか生 じていないことが明 らかとなった．

条 件 a1 （ YS ： 1000MPa ， TS ： 1300MPa ）， c1 （ YS ： 1100MPa ， TS ： 1300MPa ） および e1 （ YS ： 1200MPa ， TS ： 1300MPa ）における YS とスプリングバック量 の 関 係 を Fig.2.10 に示 す ．また，条 件 b1 （ YS ： 1100MPa ， TS ： 1200MPa ） ， c1

（ YS ： 1100MPa ， TS ： 1300MPa ）および d1 （ YS ： 1100MPa ， TS ： 1400MPa ）にお ける TS とスプリングバック量 の関 係 を Fig.2.11 に示 す． Fig.2.10 より，スプリン グバック量 は YS の増 加 に伴 い，直 線 的 に増 加 した．これは曲 げ成 形 などにお いて一 般 に認 識 されている高 強 度 になる に従 いスプリングバックが大 きくなると いう結 果 と符 合 する．しかし， Fig.2.11 に示 したように， TS の増 加 に伴 い，スプ リングバック量 は直 線 的 に減 少 した．この結 果 は，従 来 の曲 げ成 形 で認 められ る現 象 とは異 なる．この結 果 のメカニズムについて， Fig.2.12 に示 す 模 式 図 を 用 い考 察 する．まず， 2.2.4 項 に記 述 したように，本 研 究 におけるスプリングバッ ク 量 は ， フ ラ ン ジ 部 お よ び XY 平 面 が な す 角 度 と 定 義 し た ． こ の 角 度 は

38

Fig.2.12(a) に示 す よう に， 1) フランジ部 とドー ム形 状 の張 出 し 部 がなす 角 度 お よび 2) 張 出 し部 の口 開 き量 の 2 つの要 素 によって定 まる．また， Fig.2.8 およ び Fig.2.9 に示 したように，本 解 析 モデルの上 型 肩 部 近 傍 では， TS に近 い応 力 に よ っ て 局 所 的 に 塑 性 変 形 し ， 張 出 し た ド ー ム 形 状 の 領 域 で は ， 比 較 的 YS に 近 い 応 力 に よ る 弾 性 変 形 が 支 配 的 で あ る ． こ の こ と か ら ， 例 え ば Fig.2.12(b) に示 すような TS が一 定 で YS が増 加 する場 合 を考 えると， 1) の角 度 はほぼ一 定 になり， YS が大 きいほど弾 性 回 復 が大 きくなるため 2) の口 開 き 量 が大 きくなる．その結 果 ， Fig.2.10 に示 したように， YS 増 加 に伴 いスプリング バック量 が増 加 する．一 方 ， YS が一 定 で TS が増 加 する Fig.2.12(c) に示 すよ うな場 合 は， TS が大 きいほど 2) の口 開 き量 が小 さくなるが，それと同 時 に 1) の 角 度 が 大 き く な る ． こ の 際 ， 1) の 角 度 へ の 影 響 が 特 に 顕 著 に 表 れ る た め ， Fig.2.11 に示 したように， TS 増 加 に伴 いスプリングバック量 が減 少 すると考 えら れる．このように，本 解 析 モデルにおける鋼 板 強 度 とスプリングバック特 性 の相 関 が 曲 げ 成 形 にお け る そ れと 異 なっ た 理 由 は， 塑 性 ひ ず み 領 域 が 極 め て 局 所 的 であるこ とに由 来 し，部 位 ごとにス プリングバ ックの寄 与 が異 なる ため と結 論 付 け られる ．従 来 解 析 がなさ れてい ない こ のよう な張 出 し 成 形 にお い て，ス プリングバック特 性 を評 価 するためには，部 位 ごとの応 力 およびひずみの状 態 ならびにその影 響 を把 握 することが重 要 となる．

39

1500

1250

1000

750

500

250

0 YS: 1100MPa, TS: 1300MPa

Upper die shoulder radius: 0.1mm Friction coefficient: 0.1

Y Z X

1149

Fig.2.7 Color map of equivalent Von Mises stress at hydraulic pressure by FEM analysis of c-1 condition in Table 2.4

(MPa)

1319

40

1300

M axi m um e qui va le nt V on Mi se s st re ss ( MP a)

1500

Tensile strength (MPa)

1100 1200 1300 1400 1500

1200 1400

Upper die shoulder radius: 0.1mm Friction coefficient: 0.1

Under hydraulic pressure

* True stress values

Fig.2.8 Relationship between tensile strength and maximum equivalent Von Mises stress at hydraulic pressure obtained by FEM analysis

41

Fig.2.9 Color map of equivalent plastic strain at hydraulic pressure by FEM analysis of c-1 condition in Table 2.4

0.1mm (a) Overall view

0.012

0.010

0.008

0.006

0.004

0.002

0 YS: 1100MPa, TS: 1300MPa

Upper die radius: 0.1mm Friction coefficient: 0.1

Y Z X

0.00015

(b) Magnified view of maximum equivalent plastic strain 0.01145

42

A m ount of spr ing ba ck (d eg) 3.00

2.25

1.75 2.50

2.00 2.75

900 1000 1100 1200 1300

1.50

Yield stress (MPa) TS: 1300MPa

Upper die shoulder radius: 0.1mm Friction coefficient: 0.1

Fig.2.10 Relationship between yield stress and amount of spring back obtained by FEM analysis

43

A m ount of spr ing ba ck (d eg) 3.00

2.25

1.75 2.50

2.00 2.75

1100 1200 1300 1400 1500

1.50

Tensile strength (MPa) YS: 1100MPa

Upper die shoulder radius: 0.1mm Friction coefficient: 0.1

Fig.2.11 Relationship between tensile strength and amount of spring back obtained by FEM analysis

44

Fig.2.12 Pattern diagrams of influence on spring back of strength property (a) Factor that influences spring back

(b) TS: constant, YS: increase

(c) YS: constant, TS: increase

1) Angle between dome and flange

2) Aperture size

Spring back

1) Without change of angle

2)Aperture size: increase

Spring back: increase

2)Aperture size: increase

1)Angle: increase

Spring back: increase

45