平成２０年度佐賀県工業技術センター研究報告書プレス成形シミュレーション技術を駆使した高効率プレス成形技術の開発生産技術部永倉寛巳自動車に対しては，1997年の地球温暖化防止京都会議（COP3）に代表される燃費や排気に関する規制が強化されてきており，燃費の向上や低CO2 化のためには特に車両の軽量化が重要かつ緊急な課題となっている．本研究は，省エネ部材，軽量化部材として期待されているマグネシウム合金の高効率かつ低コストなプレス成形技術を確立することを目的とする．本年度は，各種マグネシウム合金のパイプ材及び板材のプレス曲げ試験を行い，パイプ曲げ，板曲げにおける材料間の曲げ加工性の違い，曲げ半径の成形限界について明らかにした．また，板曲げに関してプレス成形シミュレーションによる曲げ解析を行い，解析結果と実際の成形試験結果との比較照合を行うことにより，プレス成形シミュレーションの有効性についても検討した．そして，プレス成形シミュレーションが実際のプレス成形の解析ツールとして有効であることを示した．１．はじめにマグネシウム合金のプレス成形技術は，軽量化を目指す自動車の大型部品の製造技術として欠くことが出来ない技術であり，今後，必要となる技術として大きな期待が寄せられている．しかし，マグネシウム合金のプレス成形は常温での成形が困難なため，その成形は金型や材料を高温に加熱した状態で行わざるを得ない．そのプロセスは非常に複雑であり，成形温度や速度の適正化などが技術的課題としてあげられている．本研究においては，各種マグネシウム合金のプレス曲げ加工における成形限界域を明らかにするため，(１)マグネシウム合金パイプ材の冷間回転引き曲げ試験，(２)マグネシウム合金板材の温間90゜Ｖ曲げ試験を行い，材料間の曲げ加工性の違い，曲げ半径の成形限界を追究した．また，板曲げに関しては割れ，スプリングバックに関しプレス成形シミュレーション1),2) による解析を行い，実成形試験結果との比較照合を行う事により，曲げ加工におけるシミュレーションの有効性についても検討した．２．実験方法 2.1 パイプ材の冷間回転引き曲げ試験各種マグネシウム合金のパイプ材における曲げ半径の成形限界を明確にするため，冷間域での回転引き曲げ試験を行った．試験に用いたパイプ材は直径 25.4mm，肉厚 1.5mm，長さが 400mmの押出し材である．パイプ材種は市販のマグネシウム合金の -９- AZ31B材及びその焼鈍材（焼鈍条件，300℃×２時間，炉冷）の AZ31O材，それから難燃性マグネシウム合金 AMCa602材及びその熱処理材（熱処理条件 390∼ 400℃× 18時間，水冷）の AMCa602T4の４種類である．試験にはCHIYODA製の回転引き曲げ試験機を使用し，回転曲げ半径Ｒ（パイプ中心）が50，60，75， 92.5mmの４条件で曲げ試験を行い，材料間の曲げ加工性の違い，曲げ半径の成形限界を追究した． 2.2 板材の温間90ﾟＶ曲げ試験各種マグネシウム合金板材における曲げ半径の成形限界を明確にするため，温間域での90ﾟＶ曲げ試験を行った．試験に用いた板材は長さ 100mm（押出し方向），幅 40mm，厚さ 1mmの板材，試験に用いた材種はAZ31B圧延材，AZ31O圧延材，AMCa602 押出し材， AMCa602T4押出し材の４種類である．試験に使用したプレス機械はAIDA製200ｔのディジタルサーボマシンである．金型温度は常温，100， 200， 250， 300℃の５条件，パンチの先端半径Ｒは１，２，３，４，５mmの５種類を使用して曲げ試験を行い，材料間の曲げ加工性の違い，各金型温度での曲げ半径の成形限界，スプリングバック量を追究した． 2.3 プレス成形シミュレーション割れ，スプリングバック挙動に関しプレス成形シミュレーションにより90ﾟＶ曲げ解析を行い，実成形試験結果と比較照合することにより，シミュレーションの有効性について検討を行った．平成２０年度佐賀県工業技術センター研究報告書平成２０年度佐賀県工業技術センター研究報告書３．実験結果 3.1 パイプ材の冷間回転引き曲げ試験図１にパイプ材の冷間回転引き曲げ試験の実施状況を示す．図２は各種マグネシウム合金のパイプ材の曲げ試験結果の写真である．図中で，回転引き曲げ試験機の回転曲げ半径Ｒ=50，60，75，92.5(単位 mm)をそれぞれ 50R， 60R， 75R， 92.5Rと表している．表１パイプ曲げ試験結果５０Ｒ６０Ｒ７５Ｒ９２．５ＲＡＺ３１Ｂ × × ○× ○ ＡＺ３１Ｏ ●● ●● ○● ○ ＡＭＣａ６０２ × × × × ＡＭＣａ６０２Ｔ４ × × × ○× ○ 亀裂、破断なし ● 内Ｒ部に亀裂 × 破断図１パイプ曲げ試験実施状況 92.5R 75R 60R 50R AZ31B AZ3 1 O 92.5R 75R 60R 50R AMCa602 AMCa602T4 図２パイプ曲げ試験結果写真表１はパイプ曲げ試験結果をまとめたものである．表中で○印は曲げ部に破断も亀裂もなく曲げが成功した場合を，●印は曲げ部内側に亀裂が発生した場合を，×印は完全に破断した場合を示している．試験結果を詳述するとAZ31B材においては曲げＲが92.5mmでは曲げ部の破断も亀裂もなく曲げが成功したが，曲げＲが75mmでは２回の試験のうち１回は成功，１回は破断，曲げＲが 60mmと 50mmではいづれも曲げ部で破断した． AZ31O材においては曲げＲが 92.5mmでは曲げが成功したが，曲げＲが75mmでは，２回の試験のうち１回は成功，１回は曲げ部内側に亀裂が発生，曲げＲが60mmと50mm ではいづれも曲げ部内側に亀裂が発生した． AMCa602材においてはいずれの条件でも破断した． AMCa602T4処理材においては曲げＲが92.5mmでは２回の試験の内１回は成功，１回は破断，それ以外では曲げ部にて破断という結果となった．今回の試験において確実に曲げが成功する条件は，AZ31B材とAZ31O材で曲げＲが92.5mmの条件のみであった．材料間のパイプ曲げ加工性の比較では AZ31O材が最も曲げ加工性が良く，次いでAZ31B材，それから AMCa602T4処理材，AMCa602材の順となっている．パイプ材の冷間での回転引き曲げ試験の結果はかなり厳しい結果を示した．今回の試験では機械式のベンダーを使用し，曲げ速度を90ﾟで１∼２秒程度の速度で試験を行っている．成形可能領域をさらに拡大するためには，速度制御が可能なＮＣベンダー等を使用して曲げ速度をもっと遅くするか，あるいは温間での成形を考えるといった方策が必要である． 3.2 板材の温間90ﾟＶ曲げ試験ここではマグネシウム合金板材の温間90ﾟＶ曲げ試験結果について述べる．図３にマグネシウム合金 -１０- 平成２０年度佐賀県工業技術センター研究報告書板材の温間90ﾟＶ曲げ試験の実施状況を示す．表２に温間90ﾟＶ曲げ試験の緒元を示す．本試験ではＶ曲げ金型の横に設置したホットプレート上で試験材を３分間各々の試験温度に加熱保持し，その後金型ダイ上に試験材を移し金型ダイ上でさらに２分間試験温度に加熱保持した後，成形試験を行う方法でＶ曲げ試験を行った．図４は温間90ﾟＶ曲げ試験結果の一例を示したものである．試験材は AZ31B材，金型温度は300℃の条件として，下から先端半径Ｒが１，２，３，４，５mmのパンチで曲げ加工を行ったものである．図中で，パンチの先端半径Ｒ=１，２，３，４，５（単図３温間90ﾟＶ曲げ試験実施状況表２温間90ﾟＶ曲げ試験緒元位mm）をそれぞれ１Ｒ，２Ｒ，３Ｒ，４Ｒ，５Ｒと表している．図５に１Ｒのパンチで90ﾟＶ曲げ試験を行った場合における成功例と失敗例を示す．同図の左側は亀裂も破断もなく曲げが良好に進行した場合を，右側は曲げ線にそって亀裂が発生し曲げが良好に行われなかった場合を示している．表３は無熱処理材における90ﾟＶ曲げ試験の結果をまとめたものである．同表の上はAZ31B材，下は AMCa602材のＶ曲げ試験の結果である．それぞれ表タイトルの横に金型温度，縦に曲げＲを取っており，Ｖ曲げにより亀裂が発生しなかった場合を○印，多かれ少なかれ亀裂が発生した場合を ×印で示している．両者，Ｖ曲げ加工性にはそれほど大きな差はなく，常温でのＶ曲げの成形限界は AMCa602材で３Ｒ， AZ31B材では４Ｒとなっている．また，金型温度が上昇するに従いＶ曲げの成形限界は次第に減少し， AZ31B材では金型温度250℃ で１Ｒ成形が可能，AMCa602材では300℃で１Ｒ成形が可能の状態となっている．表４に熱処理材の AZ31O材， AMCa602T4処理材における90°Ｖ曲げ試験結果を示す．表３の結果とほとんど差異のない結果が得られており，90ﾟＶ曲げ加工における材料熱処理の効果はみられない．図６は各種材料のＶ曲げにおける成形限界Ｒをグラフで示したものである．横軸に金型温度，縦軸に曲げ速度：５ mm/s 曲げ方向：押し出し方向と曲げ線が直角ダイＶ肩幅：23.66mm ダイＶ肩Ｒ：２ mm ホットプレート上保持時間：３分金型ダイ上保持時間：２分５Ｒ４Ｒ３Ｒ２Ｒ亀裂なし亀裂発生１Ｒ AZ31B材，300℃ 図４温間90゜Ｖ曲げ例 300℃，１Ｒ常温，１Ｒ図５温間90゜Ｖ曲げ成功，失敗例 -１１- 平成２０年度佐賀県工業技術センター研究報告書表３ AZ31B 金型温度１Ｒ２Ｒ３Ｒ無熱処理材Ｖ曲げ試験結果常温 100℃ 200℃ × × × 全クラックﾍﾔｰｸﾗｯｸ二つ折れ浅い 8,3,11mm × × 全クラック全クラック ○ 浅い浅い × 全クラック ○ ○ 浅い表４熱処理材のＶ曲げ試験結果 250℃ 300℃ AZ31O 金型温度 ○ ○ １Ｒ ○ ○ ２Ｒ ○ ○ ３Ｒ常温 100℃ 200℃ 250℃ × × × × 全クラック全クラック微小ﾍﾔｰ全クラック浅い浅いｸﾗｯｸ極 × × × 全クラック全クラックﾍﾔｰｸﾗｯｸ ○ 浅い浅い 7,12mm × 全クラック ○ ○ ○ 浅い 300℃ ○ ○ ○ ４Ｒ ○ ○ ○ ○ ○ ４Ｒ ○ ○ ○ ○ ○ ５Ｒ ○ ○ ○ ○ ○ ５Ｒ ○ ○ ○ ○ ○ AMCa602 金型温度常温 100℃ 200℃ １Ｒ２Ｒ 250℃ × × × × 全クラック二つ折れ二つ折れ全クラック浅い × × × ﾍﾔｰｸﾗｯｸ ○ 二つ折れ全クラック 8,10mm AMCa602 T4 金型温度常温 300℃ ○ １Ｒ ○ ２Ｒ 100℃ 200℃ 250℃ × × × × 全クラック全クラック全クラック全クラック浅い非常に浅 × × ﾍﾔｰｸﾗｯｸ ○ ○ 二つ折れ 8,16mm 300℃ ○ ○ ３Ｒ ○ ○ ○ ○ ○ ３Ｒ ○ ○ ○ ○ ○ ４Ｒ ○ ○ ○ ○ ○ ４Ｒ ○ ○ ○ ○ ○ ５Ｒ ○ ○ ○ ○ ○ ５Ｒ ○ ○ ○ ○ ○ 成形限界Ｒをとっている．常温では AMCa602系が曲げ加工性がやや良く，高温側では 250℃近傍で AZ31Bがやや良い結果となっているが，各材料の曲げ加工性にそれほど大きな差はみられない．Ｖ曲げに関しては，成形材を金型からはずしたあと，角度の戻り，いわゆるスプリングバックが発生するので，金型設計に当たってはスプリングバック量を知ることが重要で，それを見込んだ金型設計が必要となる．図７は90ﾟＶ曲げにおけるスプリングバック量を測定したものである．左はAZ31B材，右はAMCa602 材の場合で，金型温度をパラメータとして横軸に曲げＲを，縦軸に金型から成形材をはずした後のＶ角度を示している．図中の赤の横線が90ﾟライン，赤の横線より上は成形材を型からはずした後に角度が戻ったスプリングバックの領域，赤線より下は角度がさらに深くなったスプリングゴーの領域である．ここでは，曲げＲが大きくなるに従いスプリングバック量が次第に大きくなり，また金型温度が上昇するに従いスプリングバック量は小さくなる傾向がはっきりと現れている．また曲げＲが１Ｒと２Ｒの場合は成形材を金 5 AZ31B AZ31O AMCa602 AMCa602(T4) 成形限界Ｒ(mm) 4 3 2 1 0 常温 100 200 250 300 金型温度（℃）図６成形限界Ｒ型からからはずした後，曲げ角度がさらに深くなるスプリングゴーの状態となることが結果から観察された． 3.3 プレス成形シミュレーション図８，９はプレス成形シミュレーションにより AZ31B材の90ﾟＶ曲げのシミュレーション解析を行ったものである．図８は金型温度が 250℃の条件で各曲げＲにおける歪み（FLD割れ）解析を，図９は -１２- 平成２０年度佐賀県工業技術センター研究報告書 AMCa602 100.00 98.00 98.00 96.00 96.00 94.00 94.00 92.00 常温 100ﾟC 200ﾟC 250ﾟC 300ﾟC 90.00 88.00 V角度（゜） V角度（゜） AZ31B 100.00 92.00 常温 100ﾟC 200ﾟC 250ﾟC 300ﾟC 90.00 88.00 86.00 86.00 84.00 84.00 １Ｒ２Ｒ３Ｒ曲げR(mm) ４Ｒ１Ｒ５Ｒ２Ｒ３Ｒ４Ｒ５Ｒ曲げR(mm) 図７スプリングバックの測定結果スプリングバック解析を行ったものである．歪み，割れ解析においては，曲げＲが１Ｒの場合は歪み量は 250℃における AZ31B材の FLD成形限界曲線を僅かに越えており，割れるか割れないかといった微妙な状況が示されており，実際の成形試験の結果と近いものが得られている．スプリングバック解析においては，曲げＲが１Ｒではスプリングゴーの解析結果が得られているが，２Ｒではスプリングバックの解析結果が得られている．２Ｒの実成形試験では１゜程度のスプリングゴーの状態が得られており，このあたりでは実成形結果と解析結果が必ずしも一致していない．しかしながら，解析結果においても曲げＲが大きくなるに従いスプリングバック量は次第に大きくなっており，実成形の試験結果と一致した傾向が得られている．１Ｒ２Ｒ３Ｒ４Ｒ５Ｒ割れ割れ図８プレス成形シミュレーションによる歪み（FLD割れ）解析１Ｒ４．おわりに本研究においては，マグネシウム合金のプレス曲げ加工における成形限界域を明らかにするため，各種マグネシウム合金のパイプ材の冷間回転引き曲げ試験及び板材の温間90ﾟＶ曲げ試験を実施した．その結果，以下に示すようなことが確認された． (1) 冷間でのパイプ材の曲げ加工性の良さはAZ31O, AZ31B, AMCa602T4, AMCa602の順となった．成形限界はAZ31O, AZ31Bの場合，92.5R程度であることが明らかとなった． (2) 板材の温間90゜Ｖ曲げの加工性については材料間の差はそれほど大きな違いはみられなかった．曲げＲの成形限界は，金型温度が常温では３Ｒ∼４Ｒ，300℃では１Ｒ程度となることが明らかとなった．２Ｒ３Ｒｽﾌﾟﾘﾝｸﾞｺﾞｰｽﾌﾟﾘﾝｸﾞﾊﾞｯｸｽﾌﾟﾘﾝｸﾞﾊﾞｯｸｽﾌﾟﾘﾝｸﾞﾊﾞｯｸｽﾌﾟﾘﾝｸﾞﾊﾞｯｸ４Ｒ５Ｒ図９プレス成形シミュレーションによるスプリングバック解析 -１３- 平成２０年度佐賀県工業技術センター研究報告書 (3) スプリングバック量は曲げＲが大きくなるほど大きくなり，また金型温度が上昇するほど減小する．曲げＲが１Ｒと２Ｒの場合は1゜∼2゜程度スプリングゴーの状態となることが明らかとなった． (4) 温間90゜Ｖ曲げシミュレーションの解析結果は，割れ，スプリングバック挙動に関して実成形試験に近い結果を示した．参考文献 1) 安部重毅，釜屋昭彦，森下勇樹：プレスシミュレーションの実行例，広島県立西部工業技術センター研究報告，No.43（2000），P105-108． 2) 安部重毅，森下勇樹，坂元康泰，釜屋昭彦：テーラードブランクのプレスシミュレーション，広島県立西部工業技術センター研究報告， No.44，（2001），P86-89． -１４-