ー 軽量自動車部品の成形 ー

軽量材料の成形

超高張力鋼板

アルミニウム，マグネ，チタン

接合

軽量化部品の成形

中空部品

一体化成形

局部増肉テーラードブランク

100kg軽量：1km/l燃費向上

平成19年

板鍛造による局部増肉テーラードブランクの成形とプレス成形への応用

板鍛造による局部増肉テーラードブランクの成形と板鍛造による局部増肉テーラードブランクの成形とプレス成形への応用プレス成形への応用

豊橋技術科学大学 森謙一郎１．テーラードブランク

２．ホイールディスクのプレス増肉成形

３．軸対称局部増肉テーラードブランク

４．角筒容器用局部増肉テーラードブランク

ディスク

リム

スチールホイール トランスミッション

肉厚分布は制御されていない

プレス絞り強度部品

取付け面角部

肉厚減少：強度低下

局部増肉ブランク

肉厚増加：強度向上

多段プレス成形1段目

4段目

5段目

2段目

3段目

ディスク厚さ一定ブランク

肉厚分布制御による絞り部品の軽量化

ブランクの厚さ増加：部品重量の増加，材料費増加

軽量化，材料費低下

角部10%増肉：疲労強度2.6倍

取付け面角部の肉厚が強度に大きな影響

肉厚小：強度低

局部増肉テーラードブランクのプレス成形

局部増肉ブランク

厚さ一定ブランク成形

肉厚大：強度高

増肉

溶接

生産性：低材料歩留り：低

厚 薄

異った板厚・鋼種

センターピラー

溶接

局部増肉ブランク

溶接テーラードブランク

圧延テーラードブランク

1次元板厚分布

溶接なし，塑性加工による肉厚分布

塑性加工を用いた新しいテーラードブランクの製造法

アーヘン工大Mubea

１．テーラードブランク

２．ホイールディスクのプレス増肉成形

３．軸対称局部増肉テーラードブランク

４．角筒容器用局部増肉テーラードブランク

1段

2段

3段

5段

4段

多段プレス成形

角部

ホイール強度は角部肉厚に大きく影響される

ホイールディスクの多段プレス成形

ディスク

角部肉厚は3段以降は変化しない

しわ押え

ダイス

円錐パンチ円錐パンチ円錐パンチ円錐パンチ

取付け面角部相当部

円錐パンチ

ダイス

円錐パンチ円錐パンチ円錐パンチ円錐パンチ円錐パンチ

取付け面角部相当部

(a)1段目

(b)2段目

ダイス

内側パンチ

しわ押え

外側パンチ

しわ押え

外側パンチ

大きな圧縮しわ押え

外側パンチ

しわ押え

外側パンチ

しわ押え

外側パンチ大きな圧縮

しわ押え

外側パンチ

しわ押え

外側パンチ

大きな圧縮

内側パンチ

外側パンチ内側パンチ

外側パンチ内側パンチ

外側パンチ内側パンチ

外側パンチ

取付け面角部

(c)3段目

増肉

円錐パンチによるホイールディスクのプレス増肉成形法

φ48.4

φ55.4

ダイス

パンチ

(c)2段目

ダイス

φ50.1

しわ押え

外側パンチ

内側

φ62.5

パンチ

(d)3段目

φ58.6

φ64.6

ダイス

しわ押えパンチ

(b)1段目

しわ押え

ダイス

パンチ

(f)5段目

φ93.65

φ90.05

(e)4段目

内側パンチ

ダイス しわ押え

外側パンチφ50.1

φ90.05

φ120 1.6

絞り体積 V(a)ブランク:軟鋼板

θ=0°～30° θ=0°～30°

増肉成形用金型

-49.0%

9.2%

2.0%15.7%

3.3%15.7%

3.3%

8.5% 0%

-95.6%

-7.2%

3.3%2.6%-2.6%

-3.3%

-25.5%

-7.8%

-9.2%-89.5%

-2.0%

-9.8%

3.3%

-3.9%

2.6%

-20.3%

-5.2%

-2.0%

-0.7%

(c)3段目

(a)1段目 (b)2段目

パンチ

ダイス

しわ押え

パンチ

ダイス

ダイス

内側パンチ

外側パンチ

しわ押え

増肉成形における変形挙動 (θ=25º)

0 10 20 30 40 50 60-10

-5

0

5

10

15

20

中心からの距離 /mm

肉厚変化率

/%

軟鋼, t0 =1.6mm軟鋼, t0 =1.4mm590MPa, t0 =1.4mm

角部相当部

成形体の肉厚分布

0.009 0.012 0.0150

5

10

15

初期板厚と初期直径の比

内側角部の平均肉厚変化率

軟鋼590MPa

内側角部の平均肉厚変化率

/%

薄いと増肉しにくい

3段目後の形状

(a) 軟鋼, (b) 590MPa, t0 =1.6mm t0 =1.4mm

0.720.65

１．テーラードブランク

２．ホイールディスクのプレス増肉成形

３．軸対称局部増肉テーラードブランク

４．角筒容器用局部増肉テーラードブランク

しわ押え

ダイス 固定

パンチ

ブランク

(a)絞り成形

(b)圧縮成形

パンチ

しわ押え

ブランク

ダイス

肉厚増加

：取付け面角部相当部

板鍛造によるテーラードブランクの成形法

1.4

φ36

5

取付け面角部

ディスク

テーラードブランク

φ90

5φ36

目的形状

φ68

(b) 2段目（圧縮）

パンチ

しわ押え

ダイス

R8 ダイス

(a) 1段目（絞り）

R4

R4

φ38パンチ

しわ押え

φ120

s1

高張力鋼板引張強さ：575MPa

3 3

6.5mm～9.5mm

テーラードブランクの板鍛造条件

増肉

素板

パンチ

しわ押え ダイ

テーラードブランクの板鍛造の有限シミュレーション

パンチ

板押えダイ

(a) 1段目（絞り） (b) 2段目（圧縮）

相当部

2 4 6 8 10

50

100

150

200

02段目ストローク /mm

荷重

/kN

ダイ

パンチしわ押え

2段目の成形荷重の変化

実験

計算

0 2 4 6 8 10 12-5

0

5

10

15

s1=7.5mms1=8.5mm

s1=9.5mm

2段目における内側角相当部の平均肉厚の変化

2段目ストローク /mm

内側角相当部の

平均肉厚変化率

/%

(a) s1=8.5mm (b) s1=9.5mm

49o 55o

1段目成形後のブランク形状

内側角相当部

0 10 20 30 40 50 60-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

中心からの距離 / mm

肉厚変化率/ %

2段目(圧縮)

1段目(絞り)

内側角相当部

8%増肉

テーラードブランクの肉厚分布の実験結果(s1=8.5mm)

6 7 8 9 100

2

4

6

8

10

ストローク s1 / mm

角部相当部肉厚変化率/ %

8.5

最適

角部相当部肉厚変化率に及ぼす1段目のストロークの影響

φ94.1

φ94.1

(b)テーラードブランク

(a)厚さ一定ブランク

21.0

21.9

0 10 20 30 40 50 60-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

中心からの距離 / mm

肉厚変化率/ %

取付け面角部

テーラード

厚さ一定

10%増肉

5%増肉

10%増肉

5%増肉

(8%増肉)

ディスクの肉厚分布の実験結果

１．テーラードブランク

２．ホイールディスクのプレス増肉成形

３．軸対称局部増肉テーラードブランク

４．角筒容器用局部増肉テーラードブランク

角筒容器深絞り

流入量:少

引張り

減肉：大

ブランク

絞り

均一肉厚 減肉する角部相当部

局部増肉テーラードブランク

絞り

角部増肉強度低下

割れ

深絞り容器深絞り容器

板鍛造された局部増肉テーラードブランクの角筒容器深絞り加工

板鍛造された局部増肉テーラードブランクの板鍛造された局部増肉テーラードブランクの角筒容器深絞り加工角筒容器深絞り加工

増肉目標

(b) １回目圧縮

(a) １回目曲げ

増肉

増肉目標

パンチ

ダイス

パンチ

ダイス

ホルダー

しわ押え

板押え

圧縮

角筒用局部増肉テーラードブランクの板鍛造法角筒用局部増肉テーラードブランクの板鍛造法角筒用局部増肉テーラードブランクの板鍛造法

増肉

90°回転

(c) 90°回転後2回目曲げ

(d) 角筒用局部増肉テーラードブランク

圧縮後

22重増肉重増肉

増肉角筒容器角部相当

角筒用局部増肉テーラードブランクの板鍛造法角筒用局部増肉テーラードブランクの板鍛造法角筒用局部増肉テーラードブランクの板鍛造法

(a) 目標容器

R3 15

R6.7

40

40

s1

パンチ

ダイス

R5

46

35.8

R5

s1=6～8

(b) １回目曲げ用金型

28 R1

50

板押え

ダイス

パンチ板押え

ホルダー

72

増肉目標

A1070

(c) １回目圧縮用金型

1.5

角筒用局部増肉テーラードブランクの板鍛造法角筒用局部増肉テーラードブランクの板鍛造法角筒用局部増肉テーラードブランクの板鍛造法

xxyy zz

ソフト：LS-DYNA（陽解法）ブランク：ソリッド要素，金型：剛体，1/4モデル変形抵抗：σ=166ε0.27MPa（A1070）, 板厚1.5mm

ダイス

パンチ

局部増肉の有限要素シミュレーションの条件局部増肉の有限要素シミュレーションの条件局部増肉の有限要素シミュレーションの条件

0.20

相当ひずみ

0.60

0.40

1.60

1.00

1.80

0.80

1.201.40

xx

パンチ

ダイス

yy zz

0.00

2.00

s1=8.0mmにおける１回目曲げ時の変形挙動ss11=8.0mm=8.0mmにおけるにおける１回目曲げ時の変形挙動１回目曲げ時の変形挙動

0.20

相当ひずみ

0.60

0.40

1.60

1.00

1.80

0.80

1.201.40

パンチ

ダイス

板押え板押え

ホルダー

xxyy

zz

0.00

2.00

s1=8.0mmにおける１回目圧縮時の変形挙動ss11=8.0mm=8.0mmにおけるにおける１回目圧縮時の変形挙動１回目圧縮時の変形挙動

0.20

相当ひずみ

0.60

0.40

1.60

1.00

1.80

0.80

1.201.40

xx

yyzz

パンチ

ダイス

0.00

2.00

s1=8.0mmにおける2回目曲げ時の変形挙動ss11=8.0mm=8.0mmにおけるにおける22回目曲げ時の変形挙動回目曲げ時の変形挙動

0.00

相当ひずみ

0.60

0.40

1.60

1.00

2.00

0.80

1.201.40

スペーサー

パンチ

板押え板押え

26×24×t0.6

ホルダー

xx

zz

yy

ダイス

0.20

1.80

s1=8.0mmにおける2回目圧縮時の変形挙動ss11=8.0mm=8.0mmにおけるにおける22回目圧縮時の変形挙動回目圧縮時の変形挙動

(a) 曲げ (b) 圧縮

s1=8.0mmにおける実験により得られた1回目の曲げおよび圧縮後の板材

ss11=8.0mm=8.0mmにおけるにおける実験により得られた実験により得られた11回目の回目の

曲げおよび圧縮後の板材曲げおよび圧縮後の板材

0 2 4 6 8 10

10

20

荷重/kN

0 2 4 6 8 10

10

20

荷重/kN

１回目圧縮ストローク量s1 /mm

6.0

7.0

s1=8.0mms1 /mm6.07.08.0

板板板1回目曲げおよび圧縮における荷重ーストローク曲線

11回目曲げおよび圧縮回目曲げおよび圧縮におけるにおける

荷重荷重ーーストローク曲線ストローク曲線

(a) 曲げ (b) 圧縮

１回目圧縮ストローク量s1 /mm

0 10 20 30 40-10

0

10

20

肉厚変化率

/%

中心からの距離 /mm0 10 20 30 40-10

0

10

20

肉厚変化率

/%

中心からの距離 /mm

(a) 実験 (b) 計算

増肉目標増肉目標

10 20 30 400

10

20

30

40

50

10 20 30 400

10

20

30

40

50

s1 /mm8.07.06.0

s1 /mm8.07.06.0

曲げ

1回目の曲げおよび圧縮後の板材の肉厚分布11回目の曲げおよび圧縮後の板材の肉厚分布回目の曲げおよび圧縮後の板材の肉厚分布

肉厚変化率

/%

s1 /mm8.07.06.0

圧縮

肉厚変化率

/%

中心からの距離 /mm中心からの距離 /mm

s1=8.0mmにおける実験により得られた2回目の曲げおよび圧縮後の板材

ss11=8.0mm=8.0mmにおけるにおける実験により得られた実験により得られた22回目の回目の

曲げおよび圧縮後の板材曲げおよび圧縮後の板材

(a) 曲げ (b) 圧縮0 2 4 6 8 10

10

20

30

荷重/kN

(b) 圧縮

0 2 4 6 8 10

10

20

荷重/kN

(a) 曲げ

２回目圧縮ストローク量s4 /mm２回目曲げストローク量s3 /mm

s1 /mm6.07.08.0

２回目増肉成形荷重

40

6.0

7.0

s1=8.0mm

20

y

x

s1 /mm8.07.06.0

(b) 実験

増肉

10 20 30 40

1020304050607080

0

肉厚変化率/%

中心からの距離 /mm

1020304050607080

肉厚変化率/%

10 20 30 400中心からの距離 /mm

目標部増肉目標部

s1 /mm8.07.06.0

(a) 計算

2回目圧縮後の板材の肉厚分布22回目回目圧縮圧縮後の板材の肉厚分布後の板材の肉厚分布

(b) ビッカース硬さ HV0.1

0 10 20 30x /mm

10

20

30

y /mm

40

40

1回目増肉部

2回目増肉部

2重増肉部

30

0

40

6050

1020

80

0 10 20 30x /mm

10

20

30

y /mm

40

40

1回目増肉部

2回目増肉部

2重増肉部

45

30

5055

35

40

(a) 肉厚変化率 /%

70

s1=8.0mmにおける2回目圧縮後の板材の肉厚・硬さ分布

ss11=8.0mm=8.0mmにおけるにおける22回目回目圧縮圧縮後の板材の後の板材の

肉厚肉厚・硬さ・硬さ分布分布

0 10 20 30x /mm

10

20

30

y/m

m

40

40

/MPa･mm

200

200

250250250

200

200300350

400

1回目増肉部

2回目増肉部

s1=8.0mmにおける2回目圧縮後の板材の強度分布ss11=8.0mm=8.0mmにおけるにおける22回目回目圧縮圧縮後の板材の強度分布後の板材の強度分布

強度＝変形抵抗×板厚，変形抵抗＝(9.8/3)×硬さ R7

R3

40

40

パンチ

R5R6.7

43.4

43.4

ダイス

ブランク

L

L

c

角筒容器の深絞り加工おける金型角筒容器の深絞り加工おける金型角筒容器の深絞り加工おける金型

0.200.00

0.600.40

1.60

1.00

2.001.80

0.80

1.201.40

相当ひずみ 相当ひずみ

(b) 局部増肉ブランク(a) 均一肉厚ブランク

0.200.00

0.600.40

1.60

1.00

2.001.80

0.80

1.201.40

角筒容器の深絞り加工の有限要素シミュレーション角筒容器の深絞り加工の有限要素シミュレーション角筒容器の深絞り加工の有限要素シミュレーション角筒深絞り容器成形荷重 ( L=75mm )

0 10 20 30 40 50 60

10

20

30

荷重/kN

ストローク /mm

局部増肉ブランク

均一肉厚ブランク

(c) L=87.4mm (絞り高さ29mm相当)

(b) L=85.0mm

(絞り高さ28.3mm)

(a) L=80.0mm (絞り高さ25.2mm)

局部増肉ブランク

割れ

(b) L=80mm(絞り高さ23.8mm相当)(a) L=75mm(絞り高さ21.3mm)

均一肉厚ブランク

割れ

絞り高さ

角筒容器の限界絞り高さ角筒容器の限界絞り高さ角筒容器の限界絞り高さ

0 10 20 30 40 50-40-30-20-10010203040

60

中心からの距離 /mm

肉厚変化率/%

角端部

局部増肉ブランク

均一肉厚ブランク

0 10 20 30 40 50-40-30-20-10010203040

60

中心からの距離 /mm

肉厚変化率/%

角端部

局部増肉ブランク

均一肉厚ブランク

(b) 実験(a) 計算

50 50

L=75mmにおける角筒容器の対角方向肉厚分布LL=75mm=75mmにおける角筒容器の対角方向肉厚分布における角筒容器の対角方向肉厚分布

角部

0 10 20 30 40-40-30-20-1001020304050

中心からの距離 /mm

肉厚変化率/%

１回目増肉

均一肉厚ブランク

0 10 20 30 40-40-30-20-1001020304050

中心からの距離 /mm

肉厚変化率/%

(b) 実験(a) 計算

２回目増肉

角部

２回目増肉１回目増肉

均一肉厚ブランク

測定箇所

１回目増肉部

L=75mmにおける角筒容器の対辺方向肉厚分布LL=75mm=75mmにおける角筒容器の対辺方向肉厚分布における角筒容器の対辺方向肉厚分布１．テーラードブランク

２．ホイールディスクのプレス増肉成形

３．軸対称局部増肉テーラードブランク

４．角筒容器用局部増肉テーラードブランク