冲压成形的成形极限线图的制成方法、破裂预测方法及冲压零件的制造方法

摘要

对进行冲压成形的金属板表面以0.5～1.0mm的标点间距离实施了标记之后，使用前端的最小曲率半径为3～10mm的冲头对该金属板进行鼓凸成形，根据标记的变化来测定在冲头前端部的金属板表面产生了龟裂的时刻的最大主应变及最小主应变，得到成形极限线，由此制成成形极限线图，基于该成形极限线图来预测冲压成形的破裂的产生，在不产生破裂的条件下进行冲压成形。

说明书

技术领域

本发明涉及冲压成形的成形极限线图的制成方法、破裂预测方法 及冲压零件的制造方法，具体而言涉及考虑了由弯曲性所主导的破裂 的成形极限线图的制成方法、破裂预测方法及使用了该方法的冲压零 件的制造方法。

背景技术

冲压成形是在一对模具之间夹持、夹压金属板，并将钢板等金属 板以仿形于模具的形状的方式进行成形而要得到所希望的形状的零件 的代表性的金属加工方法之一，在汽车零件、机械零件、建筑构件、 家电产品等大范围的制造领域中使用。

在冲压成形时，在成形中途，在作为被成形材料的金属板上产生 破裂的现象不断成为问题，作为其解决对策，除了提高金属板自身的 成形性之外，还进行了想要高精度地预测冲压成形中的破裂的努力。 例如，作为近年来经常使用的方法，存在如下方法：在使用了有限要 素法的冲压成形模拟中，除了模具形状或金属板的机械性特性(材质) 之外还改变模具或金属板的温度、使模具闭塞的速度(冲压速度)、 润滑条件等各种冲压条件，欲探寻不产生破裂的成形条件。

有限要素法例如是如下的方法：在从专利文献1摘录出的对图1 (a)所示那样的帽形构件进行冲压成形时，如图1(b)所示，将对上 模具1、下模具2及金属板3进行了模拟的部分分割成由假想的网格构 成的要素组，而且在冲压成形的各阶段，对多大的应力和应变沿何种 方向作用于各要素进行解析(模拟)。

在此，在图1(b)的例子中，要素分割成二维性的(平面性的) 网格，但是要素分割成三维性的(立体性的)网格的情况也较多。而 且，分割的要素存在如图1(b)的对上模具1、下模具2进行了模拟 的部分那样形成为三角形(三棱柱)的情况，也存在如对金属板3进 行了模拟的部分那样形成为四边形(长方体)的情况，而且，虽然未 图示，但是也有形成为六边形(六棱柱)的情况。需要说明的是，在 金属板的冲压成形模拟中，多将金属板的板厚中心要素分割成二维性 的网格。

然而，以往的有无产生冲压破裂的预测在使用了有限要素法的金 属板的冲压成形模拟中，根据接点的坐标变化，通过计算来求出分割 成上述那样的网格的各要素的板厚中心的成形后的最大主应变ε₁及最 小主应变ε₂(各标量)，确认上述最大主应变ε₁及最小主应变ε₂隔着 另行制成的图2所示那样的成形极限线图FLD(Forming Limit  Diagram)的成形极限线FLC(Forming Limit Curve)而存在于破裂产 生区域、无破裂的区域中的哪一侧，在存在于破裂产生区域时，预测 为产生破裂。

在上述FLD的制成方法中，作为代表性的方法，存在中岛法或 Marciniak法。这些方法是如下的方法：使用圆形网格等对各种图案进 行了标记的形状(宽度)不同的几种试样，使用前端曲率半径为 25～50mm左右的球头冲头(中岛法)或圆头冲头(Marciniak法)，鼓 凸成形至断裂或缩颈发生为止，根据成形后的标记的变化，求出断裂 或缩颈产生位置的最大主应变、最小主应变，对该测定结果进行二维 显示来得到成形极限线(FLC)。该FLC表示板厚中心的成形极限， 与使用前述的板厚中心的要素而计算的冲压成形模拟进行对照，由此 来预测破裂的产生。

【在先技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】日本特开2008-55488号公报

发明内容

【发明要解决的课题】

然而，根据发明者们的研究，在使用了上述以往的破裂预测方法 的情况下，即使在预测为无破裂产生的冲压成形条件下在实际的金属 板的冲压成形、尤其是高强度钢板的实际冲压成形中会产生破裂，预 测到的结果与现实较大地背离的事例屡屡发生。

本发明为了解决现有技术带有的上述问题点而开发，其目的在于 提出一种能够高精度地预测冲压成形中的破裂的产生的成形极限线图 FLD的制成方法、使用了该FLD的破裂预测方法以及使用了该预测方 法的冲压零件的制造方法。

【用于解决课题的技术方案】

发明者们尤其是在高强度钢板中，反复仔细研究了以往的方法的 破裂产生的预测与实际冲压成形中的破裂产生的结果背离的原因。其 结果可知是因为，在钢板产生的破裂存在主要在低强度、软质材料中 引起的延性主导的破裂和主要在高强度、硬质材料中引起的弯曲性主 导的破裂，以往的破裂成形极限线图FLD根据冲压成形中的板厚中心 的最大主应变、最小主应变来求出成形极限线FLC，即，基于上述的 延性主导的破裂而制成，对于后者的弯曲性主导的破裂完全没有作出 任何考虑。

因此，发明者们进一步反复研究，发现了对根据冲压成形中的板 厚中心的最大主应变、最小主应变而得到成形极限线FLC的以往的成 形极限线图FLD进行改善，除了基于延性主导的破裂的破裂预测外， 使用也考虑了弯曲性主导的破裂的成形极限线图FLD，同时进行还考 虑了弯曲性主导的破裂的冲压成形模拟，由此能够高精度地预测破裂 的产生，由此完成了本发明。

即，本发明涉及一种冲压成形的成形极限线图的制成方法，其特 征在于，对进行冲压成形的金属板表面以0.5～1.0mm的标点间距离实 施了标记之后，使用前端的最小曲率半径为3～10mm的冲头对该金属 板进行鼓凸成形，根据标记的变化来测定在冲头前端部的金属板表面 产生了龟裂的时刻的最大主应变及最小主应变，从而得到成形极限线。

另外，本发明提出一种冲压成形的破裂预测方法，其特征在于， 基于上述的成形极限线图，预测冲压成形的破裂的产生。

另外，本发明提出一种冲压零件的制造方法，其特征在于，使用 上述的冲压成形的破裂预测方法来预测金属板有无产生破裂，在没有 产生破裂的条件下对金属板进行冲压成形。

【发明效果】

根据本发明，可制成能够高精度地预测冲压成形中有无产生破裂 的成形极限线图FLD，因此能够高精度地预测对汽车的板零件、构造/ 骨架零件等各种零件进行冲压成形时的破裂的产生，能够稳定地进行 冲压成形，并且也能够对冲压产品的不良率的减少作出较大贡献。

附图说明

图1是说明使用了有限要素法的冲压成形模拟的图，(a)表示模 具与被成形材料(金属板)之间的关系，(b)表示网格分割例。

图2是说明成形极限线图(FLD)的图。

图3是说明破裂的方式的图，(a)是表示延性主导的破裂，(b) 表示弯曲性主导的破裂。

图4是说明在实施例中冲压成形后的零件形状、尺寸的图。

图5是将根据以往的FLD而预测到的结果与冲压成形的结果进行 对比来表示对表1的钢板A进行冲压成形时产生破裂的模具位置的图。

图6是将根据以往的FLD而预测到的结果与冲压成形的结果进行 对比来表示对表1的钢板B进行冲压成形时产生破裂的模具位置的图。

图7是说明在实施例中FLD的制成所使用的试验片形状的图。

图8是表示标记的标点间距离对测定的最大主应变造成的影响的 坐标图。

图9是表示鼓凸成形后的试验片的截面形状(破裂的方式)的图。

图10是说明冲压成形模拟使用的壳要素的图。

图11是说明实施例使用的冲头的图，(a)表示以往的FLD制成 使用的冲头，(b)表示本发明的FLD制成使用的冲头。

图12是将在实施例中得到的以往的FLD与本发明的FLD进行对 比来表示的图。

图13是在FLD上标绘出最大主应变和最小主应变根据对表1的 钢板B进行冲压成形时产生破裂的位置距模具的下死点的距离而如何 变化的图。

图14是将根据以往的FLD和本发明的FLD而预测到的破裂产生 模具位置与冲压成形的破裂产生模具位置进行对比来表示的图。

具体实施方式

首先，说明本发明的基本的技术思想。

发明者们在进行了以高强度的薄钢板为对象的冲压成形的研究 时，发现了伴随着钢板的拉伸强度TS为980MPa级或1180MPa级的高 强度化、硬质化，在冲压成形中，未发生缩颈(necking)而达到断裂 的情况较多。若使用图3来说明该现象，则例如在使用球头冲头对低 强度且软质的钢板进行鼓凸成形时，通常，如图3(a)所示，局部性 地发生缩颈，该缩颈部的板厚减少量增大而达到破裂的情况比较普通。 然而，在上述那样拉伸强度如980MPa级或1180MPa级那样高强度化、 硬质化的钢板中，如图3(b)所示可知，从钢板表面产生裂纹而一下 子达到破裂。

并且，可知，在表示上述那样的破裂行为的高强度钢板中，在使 用以往的FLD而预测到破裂的产生的情况下，即使在预测为未发生破 裂时也在冲压成形中产生破裂的情况尤其是在弯曲变形量大的部位较 多。

因此，发明者们使用由上模具和下模具构成的模具(模型模具)， 将拉伸强度TS及延伸El大致同等且弯曲性较大不同的表1所示的2 种高强度钢板A及B冲压成形为图4所示的模拟了在汽车的中心柱上 部与上边梁连接的部分的零件形状，研究了破裂产生时的模具的压下 位置(距下死点的距离)，与使用根据板厚中心的最大主应变及最小 主应变而制成的以往的FLD所预测的破裂发生时的模具压下位置进行 对比，表示在图5及图6中。需要说明的是，因冲压成形而发生了破 裂的钢板位置相当于受到严格的弯曲加工的部位。

【表1】

＊：产生破裂的最大的弯曲半径

图5是表示弯曲性优异的钢板A的结果的图，根据利用以往方法 制成的FLD而预测到的破裂产生时的模具压下位置与在冲压成形中产 生破裂的模具压下位置一致。然而，在表示了弯曲性差的钢板B的结 果的图6中，根据利用以往方法制成的FLD而预测到的破裂产生时的 模具压下位置与在冲压成形中产生破裂的模具压下位置差异较大，预 测精度变差。

根据上述的结果，在高强度化、硬质化的高强度钢板中，在冲压 成形中较强地受到弯曲变形的部位引起的破裂存在如下两种方式：产 生局部性的缩颈而该部分的板厚减少发展所导致的破裂(以后，也称 为“延性主导的破裂”)；未伴随板厚减少而在钢板表面发生龟裂， 一下子沿板厚方向传播所导致的破裂(以后，也称为“弯曲性主导的 破裂”)，并且，在后者的弯曲性主导的破裂发生时，在使用了以往 的FLD的破裂预测方法中，发现了预测精度较大地变差的情况。

因此，发明者们研究了为了解决以往的延性主导引起的破裂的预 测方法的问题点并高精度地预测破裂的产生而应如何进行预测的情 况。其结果是发现了：除了以往的仅考虑了延性的FLD之外，还制成 考虑了弯曲性的FLD，并通过使用了有限要素法的冲压成形模拟来求 出各要素的表面应变(最大主应变、最小主应变)，若将上述FLD与 上述表面应变进行对比来预测破裂则能够高精度地预测破裂，另外， 为了制成考虑了上述弯曲性的FLD，使用前端的曲率半径小的冲头进 行鼓凸成形，将钢板表面产生龟裂时的表面应变作为成形极限，只要 求出此时的最大主应变、最小主应变即可。

本发明基于上述的新的见解而作出。

以下，对于本发明，作为进行冲压成形的被成形材料(金属板)， 以钢板为例具体进行说明。需要说明的是，本发明不仅能够适用于钢 板，而且也能够适用于由非铁金属构成的金属板。

(成形极限线图FLD的制成方法)

首先，本发明作为对象的钢板优选板厚为0.6～3mm且90°弯曲(V 弯曲)的极限弯曲半径与板厚之比(极限弯曲半径/板厚)为1.0以上 的情况。这是因为，在板厚为上述范围外的话，进行冲压成形的情况 少，而且，在极限弯曲半径与板厚之比小于1.0的话，由于弯曲性良好， 因此产生延性主导的破裂，无需使用本发明。

为了制成考虑了上述钢板的弯曲性的成形极限线图FLD，首先， 将上述钢板加工成图7所示那样的宽度为10～100mm的具有各种宽度 的试验片。在此，准备了各种改变宽度的试验片的理由是为了使应变 比(最小主应变与最大主应变之比)大范围地变化。

接着，在其表面以标点间距离0.5～1.0mm施加标记。标记的形状 (标记图案)是圆图案、点图案、格子图案、同心圆图案等，只要是 在成形后能够计测应变量的图案就可以是任意图案。而且，标记方法 存在电解蚀刻、光刻、基于墨的转印(印模印刷)等，但也可以使用 任意的方法，画线由于会引发龟裂，因此不优选。需要说明的是，上 述标点间距离是指各个标记图案的中心间的距离。而且，关于限定为 标点间距离0.5～1.0mm的理由，在后文叙述。

接着，使用前端的最小曲率半径为3～10mm的冲头对上述试验片 进行鼓凸成形。此时，一边利用实体显微镜、光学显微镜、激光位移 计等观察一边成形冲头前端部的试验片(钢板)表面，在钢板表面产 生龟裂的时刻结束成形。上述冲头的前端形状只要是前端的最小曲率 半径为3～10mm的形状即可，可以是球头或椭圆球头、V字等任意的 形状。需要说明的是，将冲头前端的最小曲率半径限定为3～10mm的 理由是因为，当低于3mm时，冲头前端部分的变形区域的应变变化过 大，在标记的标点间距离下难以准确地测定主应变，另一方面，当超 过10mm时，如后述那样，弯曲变形的影响减弱。

在上述鼓凸成形结束后，计测冲头前端抵接而产生龟裂的部分的 标记位置或形状变化，求出破裂产生时的最大主应变和最小主应变。 通过对各种宽度的试验片反复进行，由此能够在大范围得到龟裂产生 时的最大主应变及最小主应变。并且，将如上述那样得到的最大主应 变及最小主应变的测定结果进行二维显示，得到成形极限线FLC。

在此，说明限定为标点间距离0.5～1.0mm的理由。

从前述的表1的钢板B准备了宽度为40mm且标记的标点间距离 在0.5～3.0mm的范围内进行各种变化的试验片，如上述那样，使用前 端的最小曲率半径为10mm的椭圆球头冲头进行鼓凸成形，测定了在 钢板表面产生了龟裂的时刻的最大主应变。将上述测定的结果作为标 记的标点间距离与计测到的最大主应变之间的关系而表示在图8中。 根据其结果可知，在使标记的标点间距离大于1.0mm时，最大主应变 测定得较小，测定精度下降。另一方面，当使标点间距离小于0.5mm 时，除了难以进行标记之外，标记的标点位置的测定误差增大，因此 主应变的测定精度下降。由此，在本发明中，标点间距离为0.5～1.0mm 的范围。

接着，说明将冲头前端的最小曲率半径限定为10mm以下的理由。 图9是表示使用冲头前端的最小曲率半径为15mm和10mm的椭圆球 头冲头对从前述的表1的钢板B选取的试验片进行鼓凸成形时的破裂 方式的示意图。在冲头前端的最小曲率半径为10mm时，是如图9(b) 那样从试验片的表面产生裂纹的弯曲性主导的破裂方式，但是在使用 冲头前端的最小曲率半径为15mm的冲头进行鼓凸成形时，是如图9 (a)那样由于局部性的缩颈的发生而板厚减少进展导致破裂的延性主 导的破裂方式。因此，冲头前端的最小曲率半径设为弯曲性主导的破 裂方式的10mm以下。

(破裂的预测方法)

本发明的冲压成形的破裂的预测方法进行使用有限要素法等的利 用壳要素的方法将钢板冲压成形为所希望的零件形状的模拟，求出成 形后的各要素的钢板表面的最大主应变和最小主应变，或成形过程的 各要素的钢板表面的最大主应变和最小主应变的推移，将其结果标绘 在另行通过前述的方法制成的FLD上，确认各要素的最大主应变和最 小主应变的标绘隔着FLD的成形极限线FLC而存在于破裂发生区域还 是存在于无破裂的区域，即便在1要素存在于破裂发生区域的情况下， 也预测为在该要素的部分产生破裂。需要说明的是，上述有无产生破 裂的预测无需对于成形零件全部的要素进行，也可以从经验出发缩小 为担心产生破裂的部位，求出该部位的要素的钢板表面的最大主应变 及最小主应变，进行破裂的预测。

在进行上述模拟时的壳要素为薄钢板的情况下，通常板厚方向的 应力可以忽视，因此可以使用沿板厚方向不考虑要素的壳要素，通常， 多以板厚中央位置形状来制造模拟用模型。例如图10所示，在各要素 内设定用于计算应力、应变的点(积分点)，沿板厚方向也在板厚等 分位置设定积分点。最大主应变及最小主应变在各积分点处进行计算， 但是本发明的表面应变是利用钢板的表面位置的积分点计算出的最大 主应变的平均值及最小主应变的平均值，通过图中的记号说明时，是 d_s1～d_s4的平均值。需要说明的是，上述积分点的个数、位置根据模拟 使用的要素的种类来决定。

(冲压零件的制造方法)

本发明的冲压零件的制造方法的特征在于，利用上述说明的破裂 预测方法预测冲压成形的金属板的破裂，若预测到破裂产生时，停止 该条件(金属板、模具)下的冲压成形，变更为不产生破裂的条件而 进行冲压成形。具体而言，对冲压成形使用的模具形状进行变更，或 者对冲压速度、温度、润滑状态等成形条件进行变更，或者对金属板 的材质(延性、弯曲性等)进行变更，以不产生破裂的条件实施冲压 成形。

【实施例】

将前述的表1所示的钢板B以图7所示的形状，制造了多个种类 的最窄部的宽度为10～100mm的试验片，在该试验片表面上通过电解 蚀刻以标点间距离1.0mm标记了点图案。

接着，使用图11所示的前端的最小曲率半径为25mm的球头冲头 和前端的最小曲率半径为7.5mm的椭圆球头冲头对上述试验片进行了 鼓凸成形。需要说明的是，在使用了椭圆球头冲头的鼓凸成形中，利 用实体显微镜观察成形中的冲头前端部的钢板表面，在表面产生龟裂 的阶段结束了成形。另一方面，在使用了球头冲头的鼓凸成形中，进 行成形直至在钢板上产生贯通破裂为止。

接着，对于鼓凸成形后的试验片，测定冲头前端附近的点间隔的 变化，求出最大主应变及最小主应变，制成了FLD。需要说明的是， 使用上述球头冲头制成的FLD相当于以板厚中心应变表示成形极限的 以往的FLD，使用椭圆球头冲头制成的FLD相当于考虑了弯曲破裂的 本发明的FLD。

图12分别示出利用上述2种类的方法制成的FLD。其中，以往的 FLD是钢板的板厚中心的成形极限，本发明的FLD是钢板的表面的成 形极限。

接着，使用由上模具和下模具构成的模具(模型模具)，将钢板 B冲压成形为图4所示的模拟了在汽车的中心柱上部与上边梁连接的 部分的零件形状时，确认到了在距上模具与下模具完全密接的下死点 为12mm的位置处产生破裂的情况。

接着，在与上述冲压成形分开地将钢板B成形在上述部分的情况 下，使用有限要素法进行三维冲压成形模拟，在模具直至下死点的成 形过程中，求出了破裂产生位置的板厚中心及钢板表面的最大主应变 和最小主应变的推移。需要说明的是，有限要素法的解析软件使用 LS-DYNA Ver9.71(LSTC；利沃莫尔软件技术公司(Livermore Software  Technology Corporation)制)，壳要素为板厚中心的正方形，要素尺寸 为1.0mm。

接着，将通过上述模拟而求出的破裂产生位置的成形过程中的最 大主应变和最小主应变的推移标绘在图12所示的以往的FLD和本发明 的FLD上，求出破裂产生的模具位置、即上述标绘移动到各自的FLD 的FLC以上的破裂区域的距模具的下死点的位置，将其结果示于图13。 需要说明的是，在以往的FLD中，利用板厚中心的最大主应变、最小 主应变进行了破裂预测，在本发明的FLD中，利用板表面的最大主应 变、最小主应变进行了破裂预测。

图14将上述破裂产生的模具位置的预测结果与进行了冲压成形 时的破裂产生模具位置对比地表示。根据该图，在使用了以往的FLD 的破裂产生预测中，预测到使模具下降至距下死点为7mm的位置时产 生破裂，但是在使用了本发明的FLD的破裂产生预测中，预测到使模 具下降至距下死点为11mm的位置时产生破裂，与在冲压成形中实际 测量到的破裂产生模具位置(距下死点为12mm的位置)大体一致。 根据该结果可知，使用本发明的FLD来预测破裂的产生的精度高。

【工业实用性】

本发明并不局限于上述说明的内容，例如，在上述实施例中，示 出了适用于拉伸强度为980MPa级以上的钢板(1180MPa级的钢板) 的例子，本发明优选适用于这样的高强度钢板的冲压成形，但也可以 适用于拉伸强度小于980MPa级的钢板、钢板以外的金属板。

【标号说明】

1：冲压模具的上模具

2：冲压模具的下模具

3：被成形材料(金属板、钢板)

4：网格分割

5：要素