衝壓成形用模具設計方法、衝壓成形用模具的製作方法

2023-06-08 21:12:01

衝壓成形用模具設計方法、衝壓成形用模具的製作方法
【專利摘要】通過從衝壓成形用模具的最小曲率半徑R0和成形極限圖中的平面應變區域的極限應變εf求出產生延展性所主導的裂紋的情況下的金屬板表面的應變，導出在其為極限表面應變εcritical以下的情況下能夠判定成不會發生彎曲性所主導的裂紋的預測式「R0/t≥(2R/t+(2R/t+1)εf)/2(1-(1+2R/t)εf)」。而且，對為了防止產生彎曲性所主導的裂紋而模具所需要的最小的曲率半徑R0進行預測，設計出曲率半徑為曲率半徑R0以上的模具。
【專利說明】衝壓成形用模具設計方法、衝壓成形用模具
【技術領域】
[0001]本發明涉及在以不會使金屬板產生裂紋的情況下能夠衝壓成形為所期望的形狀的衝壓成形用模具設計方法、及使用該方法製成的衝壓成形用模具。
【背景技術】
[0002]衝壓成形是代表性的金屬加工方法的一種，在一對模具之間夾持金屬板並對其進行夾壓，使鋼板等金屬板仿照模具形狀而成形，從而得到所期望的形狀的部件，衝壓成形用於汽車部件、機械部件、建築構件、家電製品等廣泛的製造領域中。
[0003]近年來，尤其在汽車部件的衝壓成形中，擴大了高強度鋼板的利用，但注意到，隨著被加工材料的強度增加而衝壓成形性降低。作為其對策，存在如下方法:如使金屬組織由硬質相和軟質相這雙相構成的鋼板(Dual Phase鋼板)、和有效利用了殘餘奧氏體的鋼板(TRIP !Transformation Induced Plasticity,相變誘發塑性)等那樣，同時謀求強度和伸長率，來提高金屬板自身的機械特性。其原因在於，衝壓成形性與金屬板的伸長率相關。
[0004]通常情況下，金屬板的衝壓成形性以成形極限圖表示。該成形極限圖是將對金屬板施加各種雙軸應力而金屬板產生裂紋的階段或即將產生裂紋前的應變作為極限值的線圖。用於提高該成形極限的測定精度或預測精度的試驗非常盛行，驗證出了其與各種材料特性之間的影響(例如，參照非專利文獻I)。
[0005]另外，也實行著如下方法:通過使用該成形極限圖來進行基於有限元法的衝壓成形仿真，來探尋金 屬板不會產生裂紋的成形條件(例如，參照專利文獻I)。
[0006]現有技術文獻
[0007]非專利文獻
[0008]非專利文獻I 鐵和鋼」，顧莉薇(Liwei Gu)，另外3名，日本鐵鋼協會，第88卷(2002年)，第2號，p88~94，「薄板材料的衝壓成形中的成形極限的預測和加工硬化特性的影響」
[0009]專利文獻
[0010]專利文獻1:日本特開2007-152407號公報
【發明內容】

[0011]本發明人在各種成形條件下實施高強度鋼板的衝壓成形之後發現，存在很多與使用了衝壓成形仿真而得到的裂紋的預測結果大幅偏離的事例，產生了與圖1的(a)所示那樣的延展性所主導的裂紋不同的裂紋。經過反覆銳意研究，結果明確了，該裂紋與金屬板的彎曲性的相關性強，是圖1的(b)所示那樣的從板表面產生龜裂而直至形成裂紋的、彎曲性所主導的裂紋，即使在使用伸長率優異的高強度鋼板進行衝壓成形時也容易產生。也就是說，在產生彎曲性所主導的裂紋的情況下，在以金屬板的延展性為基準來進行衝壓成形性的評估和裂紋預測的現有方法中，即使金屬板具有優異的延展性，也具有在衝壓成形中途產生裂紋的可能性。[0012]本發明是為了解決上述問題點而發明的，其技術課題在於，對為了防止在衝壓成形中途產生彎曲性所主導的裂紋而需要的模具形狀進行預測，並設計出不會產生彎曲性所主導的裂紋的模具。
[0013]為了解決上述課題，發明人對彎曲性所主導的裂紋的產生反覆進行了各種研究，結果發現，彎曲性所主導的裂紋的產生條件和金屬板的彎曲性R/t的相關性強。在此，彎曲性R/t是通過彎曲試驗得到的金屬板的機械特性，使在金屬板的表面不會產生龜裂的最小彎曲半徑(以不產生裂紋的方式彎曲的最小彎曲半徑(極限彎曲半徑))R除以板厚t而表示。發明人了解到，若對各種金屬板實施90度V形彎曲試驗並將在金屬板表面產生龜裂時的彎曲外側表面的應變確定為極限表面應變ε raitic;al，則在衝壓成形時的金屬板表面的應變超過極限表面應變eraitic;al的情況下，產生彎曲性所主導的裂紋。
[0014]因此，發明出以下預測式，通過根據衝壓成形用模具的最小曲率半徑Rtl和成形極限圖中的平面應變區域的極限應變ε {而求出產生延展性所主導的裂紋的情況下的金屬板表面的應變，能夠在其為極限表面應變eraitic;al以下的情況下判定成不會產生彎曲性所主導的裂紋。
[0015]R0/t ≥(2R/t+(2R/t+l) ε f)/2 (1-(l+2R/t) ε f)
[0016]即，根據上式對為了防止產生彎曲性所主導的裂紋而模具所需要的最小曲率半徑R0進行預測，設計出曲率半徑為曲率半徑Rtl以上的模具。
[0017]本發明基於上述見解而完成，其要旨如下所述。
[0018](I) 一種衝壓成形用模具設計方法，將衝壓成形用模具的最小曲率半徑定義為Rtl,將在衝壓成形用金屬板的平面應變區域中產生裂紋的極限應變定義為ε f，將上述衝壓成形用金屬板的板厚定義為t，將以不會在上述衝壓成形用金屬板的表面產生裂紋的方式彎曲的最小的彎曲半徑定義為R，
[0019]將上述衝壓成形用模具的最小曲率半徑Rtl設定成滿足下式的範圍，
[0020]R0/t ≥(2R/t+(2R/t+l) ε f)/2 (1-(l+2R/t) ε f)。
[0021](2)如上述(I)所述的衝壓成形用模具設計方法，根據上述衝壓成形用金屬板的成形極限圖求出上述極限應變ef。
[0022](3) 一種衝壓成形用模具，使用上述(I)或(2)所述的衝壓成形用模具設計方法而製成。
[0023]發明效果
[0024]根據本發明，在對作為對象的金屬板進行衝壓成形時，能夠防止產生彎曲性所主導的裂紋，因此能夠穩定地進行衝壓成形，也能夠明顯地有助於降低衝壓成形品的不合格率。
[0025]另外，能夠在設計階段高精度地預測衝壓成形用模具的形狀，有助於縮短衝壓成形用模具的製造時間。
[0026]而且，也具有能夠高精度地預測在對汽車的面板部件、構造部件、骨架部件等各種部件進行衝壓成形時使用的金屬板的選擇是否合適。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是表示延展性所主導的金屬板的裂紋形態、及彎曲性所主導的金屬板的裂紋形態的圖。
[0028]圖2是表示在製作成形極限圖時使用的試驗片的形狀的圖。
[0029]圖3是成形極限圖的說明圖。
[0030]圖4是表示實驗材料A、實驗材料B的成形極限圖的圖。
[0031]圖5是表示帽形成形模具的形狀的圖。
[0032]圖6是表示在帽形成形中使用的試驗片的形狀的圖。
[0033]圖7是表示以帽形形狀成形直至產生裂紋的實驗材料的示意圖。
【具體實施方式】
[0034]以下，基於【專利附圖】

【附圖說明】本發明的實施方式。
[0035](成形極限圖的製作方法)
[0036]為了製作成形極限圖(FLD:Forming Limit Diagram),首先,將金屬板加工成圖2所示那樣寬度為10?IOOmm的具有各種寬度的試驗片。在此，準備改變了寬度的各種試驗片的理由在於，使應變比(最小主應變與最大主應變的比)在大範圍內變化。
[0037]接下來,對金屬板表面施加標記。標記的形狀是圓圖案、點圖案、網格圖案、同心圓圖案等，只要在成形後能夠計測應變即可。另外，標記方法存在電解蝕刻、光刻、基於油墨的轉印(壓花印刷)等，可以使用任一方法，但為了防止產生龜裂而不優選劃線。
[0038]接下來，使用頂端曲率半徑為25mm以上的球頭形狀的衝頭對上述試驗片進行凸肚成形，在板產生裂紋或縮頸的時刻，或在板表面產生龜裂的時刻結束成形。此外，將衝頭頂端的最小曲率半徑限定成25mm的理由在於,若低於25mm,則無法忽略衝頭頂端部分的變形區域上的彎曲變形的影響。
[0039]在上述凸肚成形結束後，對衝頭頂端所抵接的部分的標記位置或形狀變化進行計測，求出最大主應變和最小主應變。通過對各種寬度的試驗片重複進行該過程，能夠在大範圍內得到最大主應變及最小主應變。然後，對上述那樣得到的最大主應變及最小主應變的測定結果進行二維顯示，得到圖3所示那樣的成形極限圖。在此，將彎曲變形那樣的最小主應變接近於O的區域稱作平面應變區域，其極限應變以圖3的ε f表示。
[0040]此外，在以金屬板的延展性為判定基準的以往的裂紋的預測方法中，對隔著成形極限圖的成形極限線而存在於裂紋產生區域和無裂紋區域中的哪一側進行確認，在存在於裂紋產生區域的情況下，預測成產生了裂紋。
[0041](導出預測式)
[0042]說明對金屬板所需要的彎曲性進行預測的實施例。
[0043]當使作為對象的金屬板在90度V形彎曲試驗下的極限彎曲半徑為R、使金屬板的板厚為t時，基於純彎曲理論，彎曲外側的極限表面應變ε critical以式(I)表示。
[0044]ecritical = t/(t+2R).........(I)
[0045]另外，關於衝壓成形時在平面應變區域受到彎曲變形的金屬板，當使模具的最小彎曲半徑(最小曲率半徑)為Rtl時，金屬板表面的極限應變εΚ(ι以對成形極限圖中的平面應變區域的極限應變4加上基於彎曲變形的應變增加量而得到的式(2)表示。
[0046]ε Ε0 = ε f+t/ (t+2R0).........(2)
[0047]在此，由於ε critical是在平面應變區域中不產生彎曲性所主導的裂紋的應變的極限值，所以避免產生彎曲影響裂紋的條件為式(3)。
[0048]ε critical ≥ε Ε0.........(3)
[0049]根據式⑴~(3)，為了防止彎曲性所主導的裂紋而需要的模具的最小彎曲半徑(最小曲率半徑)Rtl能夠從下述的式(4)求出。
[0050]R0/t ≥(2R/t+(2R/t+l) ε f)/2 (1-(l+2R/t) ε f).........(4)
[0051]因此，通過將模具的最小彎曲半徑(最小曲率半徑)設計成式⑷所示的最小彎曲半徑(最小曲率半徑)Rtl以上，能夠設計出在衝壓成形時不會產生彎曲性所主導的裂紋的模具。
[0052]此外，本實施方式的作為對象的模具設想成最小彎曲半徑(最小曲率半徑)Rtl不足25mm。其原因在於，在使用最小彎曲半徑(最小曲率半徑)Rtl為25mm以上的模具對金屬板進行衝壓成形的情況下，彎曲變形的影響減小，容易成為延展性所主導的裂紋形態。
[0053]另外，本實施方式的作為對象的金屬板設想成為板厚t為0.5mm以上、拉伸強度為980MPa以上、極限彎曲半徑R為1mm以上。其原因在於，若板厚t小於0.5mm，則即使對金屬板施加彎曲變形，在彎曲外側表面產生的應變也較小，難以產生彎曲性所主導的裂紋。另外，原因還在於，拉伸強度低於980MPa那樣的材料一般彎曲性優異，另外，在極限彎曲半徑R低於Imm那樣的彎曲性R/t優異的材料中，一般在衝壓成形所使用的模具的最小彎曲半徑(最小曲率半徑)的範圍內，彎曲性所主導的裂紋不會成為問題。
[0054](實施例)
[0055]首先，以圖2所示的形狀，將延展性(總伸長率)大致相等、彎曲性不同的表1所示的兩種實驗材料A、B製成最窄部分的寬度為10~IOOmm的多種試驗片,在該試驗片表面上通過電解蝕刻以標點間距離1.0mm標記出點圖案。然後，使用頂端最小曲率半徑為25mm的球頭衝頭對上述試驗片進行凸肚成形。此外，在使用球頭衝頭的凸肚成形中，進行成形直至在鋼板上產生貫穿裂紋。接下來，對於凸肚成形後的試驗片，測定衝頭頂端附近的點間隔的變化,求出最大主應變及最小主應變並製成成形極限圖。
[0056][表 I]
[0057]
【權利要求】
1.一種衝壓成形用模具設計方法，其中， 將衝壓成形用模具的最小曲率半徑定義為Rtl,將在衝壓成形用金屬板的平面應變區域中產生裂紋的極限應變定義為ef，將所述衝壓成形用金屬板的板厚定義為t，將以不會在所述衝壓成形用金屬板的表面產生裂紋的方式彎曲的最小的彎曲半徑定義為R， 將所述衝壓成形用模具的最小曲率半徑Rtl設定成滿足下式的範圍，
R0/t ≥(2R/t+(2R/t+l) ε f)/2(l_(l+2R/t) ε f)。
2.如權利要求1所述的衝壓成形用模具設計方法，其中， 根據所述衝壓成形用金屬板的成形極限圖求出所述極限應變ε f。
3.—種衝壓成形 用模具，使用權利要求1或2所述的衝壓成形用模具設計方法而製成。
【文檔編號】B21D22/00GK104010745SQ201280063625
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2012年12月18日 優先權日:2011年12月21日
【發明者】藤井祐輔, 新宮豐久, 山崎雄司, 樋貝和彥 申請人:傑富意鋼鐵株式會社