CN100387372C - 金属板材的热压成型装置及热压成型方法 - Google Patents

Abstract

一种对加热后的金属板材(1)的金属板材进行冲压成型的热成型装置，在模具(2、3)的内部设有冷却介质的供给管线(6)，并设有从模具(2、3)的成型面贯穿到供给管线(6)的喷出孔(4)。也可以在模具(2、3)的内部设有冷却介质的排出管线(7)，并设有从模具(2、3)的成型面贯穿到排出管线(7)的排出孔(5)，还可以设有冷却管线(8)。从喷出孔(4)喷出冷却介质至金属板材(1)与模具(2、3)之间的间隙中，并进行成型。

Description

金属板材的热压成型装置及热压成型方法

技术领域

本发明涉及将金属板材加热，在热压成型中和/或成型后快速且均匀地冷却被成型材料及模具的金属板材的热压成型装置和热压成型方法。

背景技术

金属板材的冲压成型由于生产效率高、能够高精度地加工，因此被广泛应用于汽车、机械、电气设备、输送用设备等的制造，为最普遍的加工方法。近年来，作为例如汽车部件的材料的钢板从部件的轻量化等观点出发，强度不断提高，在高张力钢板的冲压成型过程中，容易产生回弹、褶皱等产生形状不合格之类的问题显著。而且，由于金属板材的高强度化，在冲压成型时使与模具的接触面压力上升，因此模具与金属板材之间的摩擦力超过润滑油的耐压负荷，产生模具粘着(型かじり)等表面特性不合格，或者产生模具损伤、生产效率降低等问题。

对于这样的问题，为了防止冲压成型后金属板材产生裂纹、褶皱、粘着等成型不合格的产生，提出过在模具表面的一部分或整个面上形成多个凹部，将润滑油密封在模具表面与金属板材之间来提高滑动特性的方法(例如专利文献1)。但是，该方法存在通过金属板材的高强度化而使摩擦力增大时不能获得足够的润滑效果的问题。

并且，我们知道以往在成型冲压成型性差的金属板材时，将金属板加热、在高温下冲压加工的热压成型方法是有效的。在该热压成型中，从提高生产效率的观点出发，重视成型后的金属板材的冷却，提出了用制冷剂在高温下的冲压成型后进行冷却的方法(例如专利文献2、3)。

但是，专利文献2所提出的方法是，从在温热冲压模具的冲头周围设置的空气吹出口供给空气，以热容量和热传导率小的空气作为介质进行冷却的方法，但难以与存在于模具与被成型材料之间的间隙中的空气进行交换，因此存在冷却效率差的问题。另外，专利文献3提出的方法是，规定模具与金属板之间的间隙，在与金属材料接触的模具的成型面上设置制冷剂导入槽，使用制冷剂提高冷却速度的方法。但是，由于制冷剂在制冷剂导入槽内流动时出口的温度比入口的温度高，并且由于成型时金属板材变形，因此制冷剂沿槽流动困难，所以难以均匀地冷却。并且存在容易将连续的槽形状转印到成型后的金属板上的问题。

专利文献1：日本特开平6-210370号公报

专利文献2：日本特开平7-47431号公报

专利文献3：日本特开2002-282951号公报

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属板材的热压成型装置及热压成型方法，其在加热金属板材将其成型的热压成型装置中，可以促进模具和成型品的冷却、能够在短时间内获得强度及尺寸精度优异的冲压制品，而且能够抑制向模具蓄热、提高冲压制品的生产效率。

为弄清热压成型中金属板材与模具的滑动特性、热传递现象，进一步仔细研究了通过冷却介质对金属板材进行的冷却行为，在获得的发现的基础上提出了本发明，其要点如下：

(1)一种对加热后的金属板材进行冲压成型的金属板材的热成型装置，其特征在于，在模具的内部设有冷却介质的供给管线，在上述模具的成型面上设有上述冷却介质的喷出孔，上述供给管线与上述喷出孔是连通的。

(2)要点(1)的金属板材的热成型装置的特征在于，上述冷却介质的上述喷出孔的直径为100μm～10mm、间距为100μm～1000mm。

(3)要点(1)或(2)的金属板材的热成型装置的特征在于，在上述模具的内部设有上述冷却介质的排出管线，在上述模具的上述成型面上设有上述冷却介质的排出孔，上述排出管线与上述排出孔是连通的。

(4)要点(3)的金属板材的热成型装置的特征在于，上述冷却介质的上述排出孔的直径为100μm～10mm、间距为100μm～1000mm。

(5)要点(1)～(4)中的任意一项的金属板材的热成型装置的特征在于，上述模具的至少一部分由具有多个孔的多孔质金属构成。

(6)要点(1)～(5)中的任意一项的金属板材的热成型装置的特征在于，上述模具的内部设有冷却管线。

(7)要点(1)～(6)中的任意一项的金属板材的热成型装置的特征在于，上述喷出孔上设有阀机构。

(8)要点(1)～(7)中的任意一项的金属板材的热成型装置的特征在于，上述模具的周围设有防止上述冷却介质流出的密封机构。

(9)要点(1)～(8)中的任意一项的金属板材的热成型装置的特征在于，上述模具的上述成型面的至少一部分上具有多个面积率为1～90％、直径或外切圆的直径为10μm～5mm、高度为5μm～1mm的突起部。

(10)要点(9)的金属板材的热成型装置的特征在于，上述突起部为厚度为10～80μm的NiW镀覆层或铬镀覆层。

(11)要点(1)～(10)中的任意一项的金属板材的热成型装置的特征在于，仅在上述金属板材与上述模具的热传导率在2000W/m²K或以下的部位设有上述冷却介质的上述喷出孔。

(12)一种使用要点(1)～(11)中的任一项的金属板材的热成型装置冲压成型加热后的金属板材的金属板材的热成型方法，其特征在于，从喷出孔喷出冷却介质至上述金属板材与模具之间的间隙中，并进行成型。

(13)要点(12)的金属板材的热成型方法的特征在于，将喷到上述金属板材与上述模具之间的间隙中的上述冷却介质从上述喷出孔和/或排出孔排出。

(14)要点(12)或(13)的金属板材的热成型方法的特征在于，上述冷却介质仅喷到通过测量上述金属板材和上述模具的温度而算出的热传导率在2000W/m²K或以下的部位上。

(15)要点(12)～(14)中的任意一项的金属板材的热成型方法的特征在于，上述冷却介质为水、多元醇类、多元醇类水溶液、聚乙二醇，闪点在120℃或以上的矿物油、合成酯、硅油、氟油，滴点在120℃或以上的动物脂、矿物油或在合成酯中配合有表面活性剂的水乳液中的1种、2种或更多种。

(16)要点(12)～(15)中的任意一项的金属板材的热成型方法的特征在于，在冲压下止点的保持过程中喷出上述冷却介质。

附图说明

图1A表示设置了冷却介质的喷出孔、供给管线的本发明的模具示例的剖视图。

图1B是图1A的模具示例的透视图。

图2A表示设置了冷却介质的喷出孔、供给管线、排出孔和排出管线的本发明的模具示例的剖视图。

图2B是图2A的模具示例的透视图。

图3A表示设置了冷却介质的喷出孔、供给管线、冷却管线的本发明的模具示例的剖视图。

图3B是图3A的模具示例的透视图。

图4示意地表示设置了喷出孔、排出孔及突起部的模具的表面的一部分的图。

图5A示意地表示设置了喷出孔、排出孔及突起部的模具示例的剖面的一部分的图。

图5B示意地表示了图5A的其它模具示例的图。

具体实施方式

本发明是在下述金属板的热压成型方法中，在成型中和/或成型后从模具中喷出冷却介质强制冷却成型品和模具，所述成型方法为：用电加热炉、感应加热、通电加热等加热装置将金属板材加热到规定的温度(例如700～1000℃)，将高温金属板材设置到冲压成型装置的模具中，将金属板材挤压在模具的成型面、即相对的冲头与冲模的接触面之间，将模具保持在下止点。

下面详细说明图1～图3所示的本发明的模具示例。图1A、图1B为示意地表示了在作为下侧模具的冲模2中设置了本发明的冷却介质的喷出孔4和供给管线6的形态，通过O型圈11用螺栓连接冲模2和冲模保持构件2′上设置的冷却介质供给管线6。并且，在图1A中，在冲模2的周围设置有橡胶O型圈作为防止冷却介质流出的密封机构12。虽然图1A、1B为冷却介质的喷出孔4设置在冲模的纵壁部上的例子，但既可以设置在底部也可以同时设置在纵壁部和底部。

图2A、2B为示意地表示在作为上侧模具的冲头3中设置了冷却介质的喷出孔4、排出孔5，在冲头保持构件3′中设置了冷却介质的供给管线6，在型芯3″及冲头保持构件3′上设置了冷却介质的排出管线7的示例。在图2A、2B中，冷却介质的供给管线6通过在冲头3的内部设置的型芯3″形成。并且，冲头保持构件3′及型芯3″中设置的排出管线7以及冲头保持构件3′和冲头3内部的冷却介质的供给管线6通过O型圈11用螺栓连接。在下侧的冲模2的周围与图1一样设置有橡胶O型圈作为密封机构12。

在图2A、2B的喷出孔4上设置有弹簧机构的喷出阀9，在冲压中，当冲头到达下止点时，如果闭塞例如冷却介质的供给管线6的出口使冷却介质的内压增高，则喷出阀9打开，从喷出孔4向模具表面喷出冷却介质。所喷出的冷却介质从排出孔5经过越过供给管线6的挡块10从排出管线7排出。另外，虽然图2A、2B为将冷却介质的喷出孔4、排出孔5设置在冲头的纵壁部上的例子，但既可以设置在底部，也可以同时设置在纵壁部和底部。

图3为在图1所示的设置了冷却介质的喷出孔4和供给管线6的冲模2上再设置冷却管线8的例子。模具被冷却介质供给管线6冷却，而且通过进一步设置冷却管线8，从而促进了模具的冷却。冷却管线8对于促进图2所示的设置了冷却介质供给管线6和排出管线7的模具的冷却也有效。并且，通过设置冷却管线8，还可以抑制例如不给供给管线6提供冷却介质、到达下止点之前的冲压时的模具温度的上升。

虽然图1～图3为在冲头3和冲模2的任一个上设置了冷却介质的喷出孔4、供给管线6、排出孔5、排出管线7和冷却管线8的例子，但也可以同时在冲头3和冲模2上设置。并且，必须至少设置冷却介质的喷出孔4和供给管线6。此时，有可能连续地给供给管线6提供冷却介质，连续地从喷出孔喷出冷却介质，如果停止向供给管线6提供冷却介质而使内压为负压的话，则还可以排出冷却介质。因此，可以根据模具的大小和形状，适当选择是利用喷出孔4和供给管线6排出冷却介质还是进一步设置单独的排出孔5和排出管线7。

当喷出孔4和排出孔5的形状为圆形时，如果直径不到100μm，则由于压力损耗，不能充分地获得液体供给量，因此最好使直径的下限在100μm或以上。而如果喷出孔4和排出孔5的直径比10mm大的话，由于形状转印到金属板上，因此最好使直径的上限在10mm或以下。另外，当喷出孔4、排出孔5的形状为矩形、椭圆形时，如果是多孔质金属孔那样的不规则形状，则只要流路面积与直径为100μm～10mm的圆相同的面积就可以。并且，当喷出孔4、排出孔5的间距，即，仅设置喷出孔4时，与相邻的喷出孔4之间的距离，或者同时设置喷出孔4、排出孔5时，相邻的喷出孔4或排出孔5的距离比100μm小时，孔的数量增加，模具的成本增加。另一方面，喷出孔4、排出孔5的间距大于1000mm时，有可能冷却能力不充分。因此，喷出孔4、排出孔5的间距优选为100μm～1000mm。

从高温强度的观点出发，模具的材质优选高温加工用的模具钢。当同时在冲头和冲模上设置冷却管线时，也可以使用热传导效率高、不容易产生蓄热的低温加工用模具钢。喷出孔、排出孔和冷却管线可以用钻头机械穿孔或通过电火花加工穿孔而进行设置。

并且，也可以在具有从模具的内部贯穿到外表面的气孔的多孔质金属上连接冷却介质的供给管线，以此代替在模具上打冷却介质的喷出孔和排出孔。此时，优选使用具有多个贯穿壁厚方向、且直径为100μm～1mm、间距为100μm～10mm的孔的多孔质金属。例如，在图2所示结构的冲头中，如果型芯3″使用模具钢、冲头3使用多孔质金属的话，则能够制造间距小、具有喷出孔4和排出孔5的细小的冲头3。这样的多孔质金属可以通过在将粉末成型后烧结，或者在将金属熔化后通过控制温度使凝结组织的方向一定的定向凝固来制造。另外，虽然可以使整个冲头3用多孔质金属制作，但也可以在相当于图2A、2B的冷却介质的喷出孔4、排出孔5的部位通过机械加工设置孔，通过热压配合等将多孔质金属接合到该孔内。

而且，通过在模具的成型面上设置突起部13，能够减少模具与金属板材的接触面积，抑制模具粘着的产生。并且，由于突起部13减少了模具即冲模2或冲头3与金属板材1接触的面积，因此能够抑制冲压成型过程中模具的脱热引起的金属板材1的过冷却。并且，当在下止点喷出冷却介质时，容易使冷却介质在突起部13与金属板材1的间隙中循环，能够提高模具和金属板材1的冷却效率。

图4、5分别表示在成型面上设置了突起部13的模具的部分表面的示意图和剖视图。图4、5所例示的突起部13为以规定的间隔设置在模具的成型面上的圆柱，优选的是，水平截面的形状为圆形、多边形、星形中的任一种形状，垂直截面的形状优选为长方形或阶梯形。或者，也可以是半球形。另外，模具的突起部13优选在成型面上设置多个，可以设置在成型面的一部分上，也可以设置在整个面上。并且，既可以设置在冲头、冲模中的一个上，也可以同时设置在两个上。

另外，模具的突起部13可以如图5A所示的那样，直接设置在成型面的表面，但因成型条件的不同，有可能将突起部13的压痕转印到成型品上。为了防止这种情况，可以如图5B所示那样，除去突起部13的周围部分即可。或者也可以将设置突起部13的部位除去与突起部13的高度相等的深度，再设置突起部13。

模具成型面上的突起部13的高度优选5μm～1mm。这是因为，当突起部13的高度比5μm低时，与金属板材1之间的间隙太小，难以使液体在模具与金属板材1之间循环；而比1mm大时，间隙过大，液体的热传导产生的冷却速度降低。

模具成型面上的突起部13的面积率优选在1～90％。这是因为，当突起部13的面积率小于1％时，模具表面的突起部的形状容易转印到金属材料上；而大于90％时，突起部之间的间隙变窄，压力损失变大，液体不能填充或流动，所以冷却效率有所降低。

当模具成型面的突起部的水平截面形状为圆形时，突起部的直径优选为10μm～5mm；当为多边形或星形时，突起部的外切圆的直径优选10μm～5mm。这是因为，当突起部的直径或外切圆的直径小于10μm时，突起部的磨损大，不能长期有效，而比5mm大时，不能均匀冷却。

模具表面的突起部可以用电解加工、化学刻蚀、电火花加工或电镀法形成。化学刻蚀可以如下这样进行。首先，将可见光固化型感光性树脂涂敷在模具表面，干燥后用遮挡可见光的掩模覆盖，照射可见光，使照射部固化。接着，用有机溶剂除去固化部以外的树脂。也可以将模具表面浸泡在例如氯化钠水溶液等刻蚀液中1～30分钟左右，进行刻蚀加工。突起部的直径或间距可以根据遮挡可见光的掩模的形状适当选择，突起部的高度可以根据刻蚀加工的时间而适当调整。

电火花钝化加工为与模具相对地设置具有使作为目标的突起部形状翻转的凹部作为表面图案的铜电极，使电流峰值和脉冲宽度改变地流过直流脉冲电流的加工方法。优选的是，电流值为2～100A，脉冲宽度为2～1000μsec，也可以根据模具的材质以及所希望的突起部的形状适当调整。

电镀时，为了使半球形突起部的直径在10μm或以上，优选使镀层的厚度在10μm或以上，为了防止剥离，上限优选在80μm或以下。镀层可以在碱脱脂、以模具为阳极在电镀液中进行电解处理的电解刻蚀加工后，在规定的电镀液温度和电流密度下形成。另外，如果使条件为在铬镀覆的情况下，在铬电镀液中，使电流密度为1～200A/dm²左右、电镀液温度为30～60℃左右；在NiW镀覆的情况下，在NiW电镀液中，使电流密度为1～100A/dm²左右、电镀液温度为30～80℃左右的话，则能够设置厚度为10～80μm的电镀层。另外，为了形成形状为半球形突起状的镀层，只要在例如阶段性地增加电流密度后以一定的电流密度电镀就可以。

并且，喷出孔4、排出孔5和突起部13优选设置在模具与金属板材之间的热传导率在2000W/m²K或以下的部位。可以通过例如在设置喷出孔4、排出孔5和突起部13之前用热电耦、放射温度计等测量模具和金属板材的温度、同时进行热压成型，从模具和金属板材的温度变化而算出模具与金属板材之间的热传导率在2000W/m²K或以下的部位。也可以用FEM计算模具和金属板材的变形举动和间隙量，从而确定热传导率在2000W/m²K或以下的部位。由此，可以将冷却介质喷出到需要促进冷却的部位进行强制冷却，并能够均匀冷却，且能够降低模具的制造成本和冷却成本。

本发明的热压成型方法为，将冷却介质喷至冲压成型中和/或成型后向模具与金属板材之间的间隙中以促进冷却的方法。在用例如图1、3所示的热压成型装置冲压成型金属板材1时，在使冲头3下降到下止点并保持的状态下，从供给管线6提供冷却介质、从喷出孔4喷出到与金属板材1之间。此时，如果使供给管线6内的压力为负压的话，则能够从喷出孔4排出冷却介质，如果断断续续地反复进行冷却介质的喷出和排出的话，则冷却效率高。同样，在图2所示的设置了排出孔5和排出管线7的热压成型装置的情况下，也可以使冷却介质从喷出孔4排出。

另外，在根据冷却介质的沸点、热传导率、金属板材的热容量等的计算，预测冷却介质气泡状汽化时，优选一直从喷出孔喷出冷却介质，在排出孔中流动。在预测冷却介质不会气泡状汽化时，可以直接将冷却介质填充到模具与金属板材之间的间隙中。

从阻燃性、耐腐蚀性的观点出发，冷却介质可以是水、多元醇类、多元醇类水溶液、聚乙二醇，闪点在120℃或以上的矿物油、合成酯、硅油、氟油，滴点在120℃或以上的动物脂、矿物油、在合成酯中配合有表面活性剂的水乳液中的任何一种，也可以使用它们的混合物。并且，冷却介质既可以是液体也可以是蒸汽。

根据本发明的热压成型也可以用于Al镀覆钢板、Zn镀覆钢板、普通钢、铜、铝等任何金属板材。另外，在金属板材的材质为钢的情况下，优选的是，在下止点，整个钢板的温度保持在该钢的马氏体相变点或以下。

(实施例)

下面用实施例更具体地说明本发明。

用机械加工制造图2所示意表示的模具，再用设置了图4、5示意表示的突起部13的热压成型装置深冲成型Al镀覆钢，试作了帽状(hat)模具制品。试验片的长度为300mm、宽度为100mm、厚度为1.2mm、表面粗糙度为1.0μm。并且，冲模及冲头的材质为S45C、肩宽5mm、冲模宽70mm、冲模深度为60mm。

多孔质金属通过将直径为10mm的由SUS304L系成分构成的不锈钢制的棒固定到高压容器内，利用高频感应加热使该棒部分熔化，同时使加热部移动，通过连续地熔融凝固的定向凝固来制作。

模具的喷出孔、排出孔、突起部表示在表1中，表面粗糙度为1.0μm。另外，在进行设置喷出孔、排出孔、突起部的加工之前，用热电耦测定温度同时进行热压成型，特定热传导率在2000W/m²K或以下的部位，具体地将喷出孔、排出孔、突起部设置在冲模和冲头的侧壁面上。

在大气炉内将Al镀覆钢板加热到约950℃，将加热后的钢板设置到冲头与冲模之间的成型位置，进行热压成型，在下止点保持2秒，喷出冷却介质冷却。比较例12在下止点保持10秒。然后脱模、取出制品。连续进行100次该成型。并且，按下述方法制造比较品：用相同条件的试验片、模具加热到约950℃，在热压成型后不保持，立即浸泡到水槽中水冷，由此制造了比较品。

评价获得的制品的硬度、形状、表面损伤和模具的表面温度，将结果表示在表1中。沿长度方向以10mm的间隔测量制品的硬度。如果所有制品在所有地方的硬度在比较品之上则认为良好，用“◎”表示。

对于制品的形状，将激光位移仪测量的制品的形状与设计形状进行比较来评价制品的形状，如果制品的形状与设计形状的误差在10％以内，则认为良好，用“◎”表示。对于表面损伤的评价，目视检查制品的侧壁部，如果所有的制品没有粘着瑕疵，则认为表面损伤的评价良好，用“◎”表示。

如果硬度、形状和表面损伤的不合格率在1％或以下，则认为综合评价良好，用“○”表示，不合格率大于1％时认为不合格，用“×”表示。并且，在成型后用接触式表面温度计测量模具表面温度，如果在80℃或以下则认为良好，用“○”表示，大于80℃时认为不合格，用“×”表示。

如表1所示，用本发明的高温冲压加工装置在本发明的热压加工方法的范围内制造的制品的硬度、形状良好，且表面无损伤，并且模具温度的上升小，综合评价良好。而比较例11、12为使用未设置冷却介质的喷出孔的现有技术的成型装置而制成的制品，保持时间比比较例11长的比较例12虽然硬度、形状良好，但综合评价不合格。

根据本发明，在以冲压成型性差的高强度金属板材为坯料通过热压成型制造强度及尺寸精度优异的冲压制品时，能够提高生产率，而且能够抑制模具的蓄热、并延长模具的寿命，且能够降低制造成本等，对工业的贡献极其显著。

Claims (13)

1.一种对加热后的金属板材进行冲压成型的金属板材的热成型装置，其特征在于，在模具的内部设有冷却介质的供给管线，在所述模具的成型面上设有所述冷却介质的喷出孔，所述供给管线与所述喷出孔是连通的，在所述模具的所述成型面的至少一部分上具有多个面积率为1～90％、直径或外切圆的直径为10μm～5mm、高度为5μm～1mm的突起部。

2.如权利要求1所述的金属板材的热成型装置，其特征在于，所述模具的至少一部分由具有多个孔的多孔质金属构成。

3.如权利要求1所述的金属板材的热成型装置，其特征在于，在所述喷出孔上设有阀机构。

4.如权利要求1所述的金属板材的热成型装置，其特征在于，在所述模具的周围设有防止所述冷却介质流出的密封机构。

5.如权利要求1所述的金属板材的热成型装置，其特征在于，所述突起部为厚度为10～80μm的NiW镀覆层或铬镀覆层。

6.如权利要求1～5中的任一项所述的金属板材的热成型装置，其特征在于，仅在所述金属板材与所述模具的热传导率在2000W/m²K或以下的部位设有所述冷却介质的所述喷出孔。

7.如权利要求1～4中的任一项所述的金属板材的热成型装置，其特征在于，在所述模具的内部设有所述冷却介质的排出管线，在所述模具的所述成型面上设有所述冷却介质的排出孔，所述排出管线与所述排出孔是连通的。

8.如权利要求1～4中的任一项所述的金属板材的热成型装置，其特征在于，所述模具的内部设置有冷却管线。

9.一种使用权利要求1～8中的任一项所述的金属板材的热成型装置对加热后的金属板材进行冲压成型的金属板材的热成型方法，其特征在于，从喷出孔喷出冷却介质至所述金属板材与模具之间的间隙中，并进行成型。

10.如权利要求9所述的金属板材的热成型方法，其特征在于，喷到所述金属板材与所述模具之间的间隙中的所述冷却介质从所述喷出孔和/或排出孔排出。

11.如权利要求9所述的金属板材的热成型方法，其特征在于，所述冷却介质仅喷到通过测量所述金属板材和所述模具的温度而算出的热传导率在2000W/m²K或以下的部位上。

12.如权利要求9所述的金属板材的热成型方法，其特征在于，所述冷却介质为水、多元醇类、多元醇类水溶液、聚乙二醇，闪点在120℃或以上的矿物油、合成酯、硅油、氟油，滴点在120℃或以上的动物脂、矿物油或在合成酯中配合有表面活性剂的水乳液中的1种、2种或更多种。

13.如权利要求9所述的金属板材的热成型方法，其特征在于，在冲压下止点的保持过程中喷出所述冷却介质。

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