ハイテン材のプレス成形図1.2 自動車における環境 …plast.me.tut.ac.jp/present/high_strength_steel_sheet1.pdfかけひびかけかじり焼付き...

豊橋技術科学大学森謙一郎

ハイテン材のプレス成形

1. 高張力鋼板

2. スプリングバック

3. 伸びフランジ

4. 割れ

5. 金型損傷

6. しわ

7. せん断加工

8. 塑性接合

9. 超高強度鋼部材のホットスタンピング


車体構造軽量材料: 高張力鋼板, アルミ, マグネ, CFRP，樹脂

エンジンターボチャージャー，熱効率向上，可変バルブタイミング，摩擦低減, クリーンディーゼル

EV, PHV, HV

CVT, 摩擦低減，AT多段化，アイドリングストップ

駆動系

空気抵抗

ボディ形状

タイヤ表面パターン

転がり抵抗

車体重量低減

動力源

100kg減少:1km/l燃費向上

図1.2 自動車における環境対策技術

20

25

30

35

40

燃費

値（

km/L

）

ハイブリッド車CVT車MT車AT車2015年度基準2020年度基準

0500 1000 1500 2000 2500 3000

車両重量（kg）

5

10

15

国土交通省ホームページ http://www.mlit.go.jp/common/001031308.pdf

図1.4 燃費値と車両重量の関係

車体30%

エンジン12%

パワートレイン7%サスペンション

7％

燃料タンク

4％

ホイール，ハブ4%

シート 4%

タイヤ 3%

窓ガラス 3%

その他 26%

自動車の重量構成

フロントサイドメンバー

ロッカー

センターピラー

フロントピラー

ルーフサイドレール

フェンダー

トランクリッド

フード

ドアビーム

60～70%

30～40 %内板:1-3mm

外板:0,65-0.8mm

ドアアウター

ルーフ

図1.7 自動車車体における内板と外板

内板：骨格部材，body-in-white

板材引張強さ比重

比強度コスト(1kg当り）

生産量

超高張力鋼板 980～1470MPa

7.8 126～188MPa

100円程度

鉄：12億ton

従来高張力鋼板

490～790MPa

7.8 63～101MPa

軟鋼板 SPCC 340MPa 7.8 44MPa

アルミ合金板A6061(T6処理)

310MPa 2.7 115MPa 800円程度

アルミ：3400万ton

マグネシウム合金板 AZ31

270MPa 1.8 137MPa 6000円程度

マグネ：60万ton

PAN系炭素繊維

2000MPa～5000MPa

1.6 2000円程度

炭素繊維：2万ton

自動車用板材の比較

鉄鋼：鉄鉱石の還元，炭素量の調節，アルミ：ボーキサイトの電気分解

50

40

30

20

10

0

材料1kgあ

たりのCO2換

算排出量

/kg

各種材料の製造におけるCO2排出量

CO2換算量

材料製造時自動車使用時廃車時

走行距離

クロスポイント

0

高張力鋼板とアルミニウム合金板のCO2排出量

1200 1500

超高張力鋼

200 400 600 800 1000

DP 鋼 TRIP 鋼

残留オーステナイト

ベイナイト

フェライト

マルテンサイトIF鋼：固溶強化

ダイクエンチング

TRIP鋼：残留オーステナイト

DP鋼：フェライト中にマルテンサイトを分散

引張強さ /MPa

全伸

び/%

マルテンサイト鋼

各種高張力鋼板

荷重

引張強さ：440, 490, 590, 780, 980, 1180 MPaPmax/A0

Pmax

変位

A0: 初期の断面積

高張力鋼板

鋼板 F /MPa nSPFC1180 1404 0.10SPFC980 1391 0.09SPFC780 1210 0.12SPFC590 979 0.16SPFC440 754 0.18SPCC 530 0.25

応力

/MPa

ひずみ

0 0.05

1200SPFC1180

SPFC980

SPFC780

SPFC590

SPFC440

JSC270

900

600

300

0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

各種高張力鋼板の応力―ひずみ曲線

= Fn

伸び

/%

引張強さ /MPa

0 200

50

40

30

20

10

400 600 800 1000 1200

各種高張力鋼板における伸びと引張強さの関係マツダSKYACTIVにおける高張力鋼板の使用

提供：マツダ㈱

日産自動車インフィニティ Q50の骨格部材における1180MPa級超高張力鋼板材の冷間プレス成形

提供：日産自動車㈱骨格部材の25％：1180MPa

1. 高張力鋼板



4. 割れ

5. 金型損傷

6. しわ

7. せん断加工

8. 塑性接合



超高張力鋼板のスプリングバック

ε

σ 普通鋼板

超高張力鋼板

弾性回復

スプリングバック：大形状凍結性：低引張り

圧縮

引張り

圧縮

負荷

除荷

角度変化

壁そり

ねじれ

稜線そり

超高張力鋼板の形状凍結性高張力鋼板の曲げにおけるスプリングバック

SPCC, 440, 590, 780, 980, 1180MPa

パンチ形状

(a) 材質の影響 (b) 板厚の影響

5

4

3

2

1

0

曲げ角度 /º 曲げ角度 /º

スプ

リン

グバ

ック

角度

/º

V曲げにおけるスプリングバックに及ぼす材質および板厚の影響

側壁ビードによるスプリングバックの防止

側壁の剛性増加

面取りによるスプリングバックの防止

設計変更

面取り

しわ押え力制御によるスプリングバックの防止

低しわ押え力

髙しわ押え力

フォーム成形によるスプリングバックの防止

(a) ドロー曲げ (b) フォーム成形

オーバーラン誘発パンチによるスプリングバックの防止

引張り強さ /MPa

452

597

838

1025

1211

1520

オーバーラン誘発パンチによるスプリングバックの防止リストライクによるスプリングバックの防止

980MPa

(a) ドロー (b) リストライク

リストライクによるねじれの防止

(a) ドロー成形 (b) スライドロックドロー成形

780MPa

スライドロックドローによるスプリングバックの防止

目標形状

ダイス形状

製品形状

(a) ダイス形状が目標形状と同一 (b) ダイス形状の修正

スプリングバック

ダイス形状

製品形状＝目標形状

スプリングバックを考慮して目標形状を得るための金型の補正

FEMシミュレーション

製品との差

金型形状の修正

NG

OK

(a) シミュレーション結果

(b) 1回目修正 (c) 2回目修正鈴木工業㈱

有限要素シミュレーションを用いたスプリングバックを考慮した金型形状の修正有限要素シミュレーションにおける

スプリングバックに及ぼす構成式の影響

1. 高張力鋼板



4. 割れ

5. 金型損傷

6. しわ

7. せん断加工

8. 塑性接合



プレス成形部品780MPa級

フランジ割れ板材端部で発生する引張応力による割れ

板材

せん断曲げ

引張りせん断切り口面

フランジ割れ

プレス成形におけるフランジ割れせん断と伸びフランジ成形

パンチパンチ

ダイ

ダイ

板押え

ブランク

板

パンチパンチ

ブランク板押えダイ

ダイ

凹型ブランク

ブランク

(a) せん断加工

(b) 伸びフランジ加工

フランジ割れにおよぼすせん断クリアランス比の影響（JSC780Y，L=17mm）

割れ

(a) c＝25% (b) c＝15%

割れなし

観察部

実験による限界伸びフランジ率におよぼすせん断クリアランス比の影響（JSC980Y，L=15mm，平坦パンチ）

(a) c =20%

割れ

1mm

正面切口面

0.1mm

割れ

(b) c =15%

正面切口面

割れなし

1mm

せん断面

破断面

0.1mm傾斜角度10

o

傾斜角度45o

(a) 平坦パンチ

(b) 逐次接触パンチ

引張低減

引張集中

部分逐次接触パンチによる伸びフランジ成形性の向上

(a) 平坦パンチ(α＝0o)

計算による長手方向引張りひずみの変化（JSC780, L=17mm）

長手方向引張りひずみ

(b) 逐次接触パンチ（α=10o, W/W0=1.0)

00.5 0.4 0.3 0.2 0.1

s/se=100%s/se=100%s/se=60% s/se=60%

（s:ストローク, se:加工終了時のストローク）

(b) 逐次接触パンチ（α=10o, W/W0=1.0)割れなし

(a) 平坦パンチ(α=0o)割れ

逐次接触パンチによる割れの防止（JSC780, L=18mm）

205.9

20.9

22.5

205.2

20.7

22.8

17.2

実験における部分逐次接触パンチによる最大製品高さの向上

平坦

平坦

W/W0=0.2, =45o

13.7

18.0

(a) JSC980Y

(b) JSC1180Y

W/W0=0.2, =45o

21.9

1. 高張力鋼板



4. 割れ

5. 金型損傷

6. しわ

7. せん断加工

8. 塑性接合



(a) 270 MPa, 55 mm (b) 590 MPa, 40 mm (c) 980 MPa, 25mm

各種鋼板の深絞り成形性 780MPa級鋼板のプレス成形における割れ

1180MPa級超高張力鋼板の深絞り加工における割れの発生

10m

m

980MPa級超高張力鋼板の曲げ加工における割れ

390MPa440MPa

490MPa

290MPa790MPa

各種鋼板の成形限界線

1. 高張力鋼板



4. 割れ

5. 金型損傷

6. しわ

7. せん断加工

8. 塑性接合



かけかけひび

かじり

焼付き

高張力鋼板のプレス成形における金型の損傷

提供:㈱ベルソニカ

1180MPa級超高張力鋼板の深絞り加工における焼付きの発生による容器側面の擦れた傷

焼付き

1.2GPa以上の冷間プレスは困難

1180MPa級超高張力鋼板の深絞り加工における金型への焼付きの発生

(a) コーティングなし (b) TiN(CVD)

(c) TiN(PVD) (d) VC(TD)

焼付き

焼付き

焼付き

5mm

ダイス

R部

観察位置

しごき絞り加工における焼付き

超高張力鋼プレス成形車体部品

焼付き型かじり

各種コーティングにおける摩擦係数

0.8

0.6

0.4

0.2

1000 2000 3000 40000

硬さ /HV

摩擦

係数

窒化PVD CrN

PVD TiN

PVD TiAlN

CVD TiC

冷間プレス用金型 SLD-MAGIC

耐摩耗性，耐かじり性向上

被削性 Machinability 良 Good

SLD®SKD11

ARK1®

8%Cr鋼

10%Cr鋼

耐摩

耗性

Wea

r res

ista

nce

良G

ood

SLD-MAGIC®

かじりなし

(b) SKD11

(a) SLD-MAGIC2

かじり発生

1. 高張力鋼板



4. 割れ

5. 金型損傷

6. しわ

7. せん断加工

8. 塑性接合



(a) 270 MPa (b) 590 MPa (c) 980 MPa

各種鋼板のプレス成形におけるしわ

780MPaのプレス成形におけるしわ

(a) 実験 (b) シミュレーション

プレス成形におけるしわの予測

(a) 実験 (b) シミュレーション

プレス成形におけるしわの予測しわと割れ

1. 高張力鋼板



4. 割れ

5. 金型損傷

6. しわ

7. せん断加工

8. 塑性接合


ハイテン材のプレス成形せん断切口面におよぼすクリアランス比の影響（低強度の高張力鋼板：JSC390W）

(a) c=4% (b) c=12% (c) c=20% (d) c=30%

1mm

せん断面

破断面

かえり

だれせん断面

破断面

かえり

せん断切口面におよぼすクリアランス比の影響（超高張力鋼板： JSC980Y）

(a) c=4% (b) c=12% (c) c=20% (d) c=30%

1mm

かえり

二次せん断面

だれせん断面

破断面

かえり

せん断された穴径

dpパンチ

dd

dh

0 5 10 15 20 25 30 359.99

10.00

10.01

10.02

10.03

10.04

穴抜きクリアランス比c / %

JSC270CJSC390WJSC440WJSC590RJSC780YJSC980Y

dp

d h /m

m

クリアランス比大→穴径大

各種コーティング金型を用いた980MPaの打抜き加工

Wide Peening and Cleaning

1. 高張力鋼板



4. 割れ

5. 金型損傷

6. しわ

7. せん断加工

8. 塑性接合



板にSPRを打込み，機械的に結合穴あけ不要溶接の難しい材料の締結異種材料の締結

ダイス

板押え SPR(鋼)

パンチ

Cフレーム

接合部

＜工法のメリット＞

セルフピアスリベッティング

高張力鋼板

・高強度・低延性

リベット硬度に近い

リベット割れリベット折れ

アルミニウム板と高張力鋼板の接合

マルチマテリアル化

(a) 上板 SPFC980 ｔ1.4,下板 A5052 ｔ1.5

(b) 上板 A5052 ｔ1.5,下板 SPFC980 ｔ1.4

有限要素シミュレーション

曲面ダイテーパーダイ形状

ダイ形状の最適化

上板：SPFC980, 1.4mm, 下板：A5052, 1.5mm

リベット

メカニカルクリンチング

セルフピアシングリベット

パンチパンチパンチ

メカニカルクリンチング

リベット使用高コスト

セルフピアシングリベット

リベット不要低コスト

ダイ

リベット

パンチ

ダイ

メカニカルクリンチングによる高張力鋼板とアルミニウム合金板の接合

高張力鋼板の引張強さ /MPa

10008006004002000

下板高張力鋼板1.5

1.0

0.5

上板高張力鋼板

十字

引張

荷重

/ k

N

上板SPFC780

0

上板SPFC980

1.5mm厚さのアルミニウム合金板と1.4mm厚さの高張力鋼板の接合体の十字引張荷重

高張力鋼板どうしのメカニカルクリンチング

下板割れ

ダイ深さ

h[m

m]

0 105

1.21.4

1.8

1.0

1.6

2.0

底部角度 θ [°](b) 下板JAC980

ダイ深さ

h[m

m]

0 105

1.21.4

1.8

1.0

1.6

2.0

底部角度 θ [°](a) 下板JAC780

接合良好

上板破断

インターロック不足

1. 高張力鋼板



4. 割れ

5. 金型損傷

6. しわ

7. せん断加工

8. 塑性接合


ハイテン材のプレス成形ホットスタンピング

加熱プレス成形鋼板後加工

下死点保持：高強度化(1500MPa)レーザでトリミング

ダイクエンチング

900

フォルクスワーゲン

パサート：骨格部材の17％(2006年)

ゴルフ：骨格部材の28％(2012年，23kgの軽量化)

ボルボXC90：40%

ホットスタンピングの適用割合

05

1015202530354045

2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016

骨格

部材

に占

める

ホッ

トス

タン

ピン

グ部

材の

重量

割合

[%]

年

1 2

16

7

1

5

2008年 2013年

採用なし

採用なし車体構造部品

衝突補強部品

日本 10%超えた車種はまだない

鈴木貴之，素形材，2014年7月号

トヨタ新型プリウスにおけるホットスタンピングの適用

プラットフォームTNGA

3％から19％Bピラ一，ルーフクロスメンバー，フロアクロスメンバー

ホンダN BOXのセンターピラー

室外

室内

超高強度スティフナー

アイシン高丘におけるホットスタンピング成形品

豊田鉄工，ユニプレス，ワイテック，東プレ,ジーテクト

ドアインパクトビーム

フロントサイドメンバー

テーラードブランク

Aピラーリーンフォースメント

ダッシュロアクロスメンバー

フロントバンパーリーンフォースメント

ルーフクロスメンバー

リアバンパーリーンフォースメント

ベルトラインリーンフォースメント

プレスへ

炉長

炉へ投入

大きな加熱炉

1.6m

x1.6m = 24m20sec300sec

板材投入部

板材搬送装置銅電極

成形品排出装置

成形型

通電加熱，成形＋ダイクエンチ板材搬送材料取出し

連続通電加熱ホットスタンピング通電加熱ホットスタンピング装置の開発

㈱アミノ

(d)下死点保持

(a)炉加熱

ブランク(900 )

(e)終了

搬送

(c)成形中(b)接触開始

直接水冷を用いたホットスタンピング

従来：10秒保持新：３秒保持

低い生産性

水

水槽

下型

上型

直接水冷を用いたホットスタンピング

1. 高張力鋼板



4. 割れ

5. 金型損傷

6. しわ

7. せん断加工

8. 塑性接合



ハイテン材のプレス成形 図1.2 自動車における環境 …plast.me.tut.ac.jp/present/high_strength_steel_sheet1.pdfかけ ひび かけ かじり 焼付き...

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