JP2004276078A

JP2004276078A - 金属材料の部分強化方法およびその装置

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Publication number: JP2004276078A
Application number: JP2003072152A
Authority: JP
Inventors: Hirotaka Todaka; 浩貴戸高; Yoshiaki Kadoma; 義明門間; Masataka Iida; 昌孝飯田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-03-17
Filing date: 2003-03-17
Publication date: 2004-10-07
Anticipated expiration: 2023-03-17
Also published as: DE102004013094A1; US7240529B2; DE102004013094B4; JP4032304B2; US20040211235A1

Abstract

【課題】本発明の課題は、成形性の良好な相対的に低い強度（硬さ、降伏強度）の金属材料について、その強化必要部分のみをプレス加工で部分強化する部分強化方法とその装置とを提案することである。
【解決手段】本発明の金属材料の部分強化方法は、金属材料の被強化部位の表裏面に材料の塑性流動による塑性ひずみを付与して凹凸面を形成する第１プレス工程と、形成された凹凸面にさらに塑性流動による塑性ひずみを付与して平面を形成する第２プレス工程とを有することを特徴とする。
また、第２プレス工程ではプレス方向へ静水圧を負荷すると同時に平面方向へ剪断力を付与して平面を形成することもできる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は金属材料の一部分を強化する金属材料の部分強化方法とその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に成形品の材料選定に当たっては、必要強度の最大値を満足する硬さや降伏強度を有する材料を選定したり、あるいは、プレス成形後に熱処理を施して成形品全体の強度を向上させることのできる熱処理材料を考慮することがある。
【０００３】
しかし、最も強度が要求される部位の強度に合わせて材料を選定すると、全体としてはプレス成形性が低下して場合によっては成形不可能となることもある。さらに、高強度材料は一般的に高価であり、必要部位以外の部位では、厚さが本来必要とされる厚さよりも厚くて不経済である。一方、プレス成形後に熱処理を施して強度アップを図る方法では、熱処理工程が増加するために設備と工程が増加し、コストアップ要因となる。
【０００４】
また、極めて限られた部分を強化する方法として、プレス成形後に強化要求部位にショットブラスト加工を施して部分強化する方法が行われている。さらに、鋼板製のプレス成形品に対して部分的に溶射を行って溶射皮膜を形成し、必要部分の板厚を増加させる方法（特許文献１）や、強化必要部位を他の部位よりも高温に加熱し、また急冷することにより強化する方法（特許文献２）なども開示されている。
【０００５】
ところで、車両の軽量化要求によって各部材の薄肉化や材料の軽量化（アルミ化）等が進んでいる。例えば、従来は鋼板の成形品であったサスペンションメンバーやボディーの骨格部材などについてもアルミ化による軽量化が図られている。
【０００６】
しかし、アルミニウムは鋼材に比べて硬さが低いために、アルミニウム合金で成形されたサスペンションメンバーのロアアームやアッパーアームが取り付く部位では、走行時にブッシュが取り付け面内で摺動するために摺動面が摩耗する可能性がある。このため、ブッシュのサイズを大きくして限界面圧を低減させたり、アルミニウム合金の中でもできるだけ強度の高い合金を使用するといった対策がとられている。しかし、これらの方法ではコストが上昇したり、成形性が低下するといった問題が生じている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平７−３４２７号公報
【特許文献２】
特開２００２−２４１８３５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は以上のような事情に鑑みてなされたもので、本発明の課題は、成形性の良好な相対的に低い強度（硬さ、降伏強度）の金属材料について、その強化必要部分のみをプレス加工で強化する部分強化方法とその装置とを提案することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の金属材料の部分強化方法は、金属材料の被強化部位の表裏面に材料の塑性流動による塑性ひずみを付与して凹凸面を形成する第１プレス工程と、形成された凹凸面にさらに塑性流動による塑性ひずみを付与して平面を形成する第２プレス工程とを有することを特徴とする。
【００１０】
また、第２プレス工程ではプレス方向へ静水圧を負荷すると同時に平面方向へ剪断力を付与して平面を形成することもできる。
【００１１】
前記金属材料はアルミニウム合金であることが好ましく、その厚さは２〜１０ｍｍであることが望ましい。
【００１２】
第１プレス工程のプレス形状はポンチの軸心を中心とする同心円状の凹凸であり、そのピッチは金属材料の厚さの１〜６倍で、同心円状の凹凸の断面形状は半径が金属材料の厚さの１〜６倍の円弧であることが望ましい。
【００１３】
また、第１プレス工程のプレス形状はポンチの軸心を中心とする放射線状の凹凸であることもできる。プレス形状が放射線状である場合には、放射線形状の隣り合う稜線部のなす角度をθとして、この角度θが１０〜３０゜であることが好ましく、金属材料の一面に形成される放射線形状の稜線部と反対面に形成される稜線部とのなす角度は３０゜以下であることが望ましい。
【００１４】
本発明の金属材料の部分強化装置は、金属材料のプレス成形装置であって、金属材料を挟持してプレスするポンチと、このポンチをポンチの軸心周りに回転させる回転手段とを有することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（部分強化方法）
本発明の金属材料の部分強化方法は、金属材料の被強化部分の表裏面に該材料の塑性流動による塑性ひずみを付与して凹凸面を形成する第１プレス工程と、該凹凸面にさらに塑性流動による塑性ひずみを付与して平面を形成する第２プレス工程とを有することを特徴とする。
【００１６】
まず、第１プレス工程として部分強化が必要な被強化部分に、例えば図１に示すような断面形状を有するポンチを用いて上下から加工を行い、金属材料の表面と裏面とにそれぞれ塑性流動を発生させて塑性ひずみを付与して金属材料に凹凸を面を形成する。
【００１７】
次に、図２に示す第２プレス工程の第１の方法では、加工面が平坦なポンチを用いて第１プレス工程で形成された凹凸面に、矢印Ａのプレス方向の静水圧を負荷してを再び平滑面に戻す。この工程でも材料の塑性流動が発生して、さらに材料表面にひずみが付加されるので被強化部位は周辺部位に比べて極めて高い硬度を有することができる。
【００１８】
また、第２プレス工程の第２の方法では、プレス方向へ静水圧を負荷する（矢印Ａ）と同時に図２の矢印Ｂのように上下のポンチを互いに逆方向へ回転させることにより、被強化部位に剪断力をも付与して平面を形成することができる。
【００１９】
本発明の対象となる金属材料は加工硬化が認められる材料であれば特に限定はない。自動車の車両や産業機器などに使用される炭素鋼や合金鋼などの鉄系や、アルミニウム系、マグネシウム系、銅系などの材料を使用することができる。
【００２０】
また、金属材料の形状は成形加工用の板状材料が好ましく、その厚さは２〜１０ｍｍであることが望ましい。材料の厚さが２ｍｍ未満では曲げおよび曲げ戻しによる加工硬化が支配的なために均一な強化が得られない、また、１０ｍｍを越えると設備的な制約もあり現実的ではない。より好ましくは３〜６ｍｍである。
【００２１】
特にアルミニウム系材料としては、車両のサスペンションメンバーなどに用いられる板状の材料を例示することができる。この場合には比較的強度も高く、また、加工硬化特性にも優れた５０００系（ＪＩＳＨ４０００）の材料を好適に使用することができる。被強化部位の硬さは材料の部分強化後の降伏応力に比例するので耐限界座面圧を向上させるためには、加工硬化量を大きくすることが望ましい。図１０にＡ５４５４Ｐの加工硬化特性の一例を示す。
【００２２】
第１プレス工程で金属材料の被強化部分に形成する凹凸形状の形状は特に限定はないが、被強化部分の全体にわたってムラなく強化することを考慮すると図３に示す同心円形状を例示することができる。このような同心円形状は図６のような断面形状のポンチによって成形することができる。ここで、Ｐ_１は上型ポンチの同心円のピッチ，Ｒ_１は山の円弧半径，Ｒ_２は谷の円弧半径である。同様にＰ_２は下型ポンチの同心円のピッチ、Ｒ_３は山の円弧半径、Ｒ_４は谷の円弧半径である。上型ポンチと下型ポンチの形状は同一である必要はないが、同心円のピッチ（Ｐ_１、Ｐ_２）は金属材料の厚さの１〜６倍であることが望ましい。同心円のピッチが金属材料の厚さ未満では第２プレス工程での加工圧力が大きくなりすぎることがあるので適当ではない。一方、厚さの６倍を越えると十分な加工硬化を与えることができない。
【００２３】
また、第１プレス工程で加工する際の同心円の円弧半径であるＲ_１〜Ｒ_４は金属材料の厚さの１〜６倍であることが望ましい。円弧半径が金属材料の厚さ未満では、第２プレス工程での加工圧力が大きくなりすぎることがあるので適当ではない。一方、厚さの６倍を越えると十分な加工硬化を与えることができないので適当ではない。
【００２４】
このように、Ｐ_１，Ｐ_２やＲ_１〜Ｒ_４といったポンチのプレス形状は、加工後の部分強化部位の必要強化量（必要硬さ）に応じて適宜選択することができる。つまり、第１プレスによって形成される凹凸面は、被強化部の表面形状と裏面形状とが一致する必要はなく適宜選択することができる。例えば、凹凸のピッチを表面は粗く裏面は細かくしてもよく、また、凹凸の深さを表面側と裏面側とで変化させてもよい。このようにプレス形状の組み合わせを変化させることにより金属材料に剪断によるひずみのみならず圧縮変形をも加えた複雑な塑性流動によるひずみをも付与することが可能となり、第２プレス工程でより大きな加工硬化を得ることができる。
【００２５】
また、第１プレス工程で金属材料の被強化部分に形成する凹凸形状の形状は図４に示すようなポンチの軸心を中心とする放射線形状であることもできる。図４の放射線は図５のポンチの斜視図に示すようにポンチ形状の稜線部であり、この稜線で代表される凸部は、ポンチの中心から外周部に向かって広がる扇状であることが望ましい。ここで、隣り合う稜線のなす角度θは１０〜３０゜であることが望ましい。θが１０゜未満では第２プレス工程での加工圧力が大きくなりすぎることがあるので適当ではない。また、３０゜を越えると十分な加工硬化が得られないので適当ではない。
【００２６】
この形状の場合には上下のポンチで同一の形状としてもよく、図７のように上下の放射線状の稜線を角度δだけずらして成形することが望ましい。このように形状は同じでも稜線の位置をわずかにずらして成形することにより被強化部位に剪断応力による塑性ひずみのみならず圧縮変形をも加えた複雑な塑性流動を発生させることができ、その後に引き続いて施される第２プレス工程によってさらに大きな加工硬化による硬度上昇を得ることができる。ここで、稜線のずれ角度δは３０゜未満であることが望ましい。
【００２７】
放射線状の第１プレス形状は、第２プレス工程で加圧と同時にポンチを回転させる第２の方法を施す場合には特に好ましい形状である。
【００２８】
なお、第１プレスによるプレス形状は、以上の同心円形状や放射線形状に限定されるものではなく、例えば、渦巻き形状や、また、被強化部位が円形でない場合には単純な波形状などでも問題はない。また、同心円の断面形状も図６に示す円弧状に限定されるものではなく台形や多角形等その他の形状であっても差し支えない。さらに、例えば、上型ポンチの形状を同心円形状とし、下型ポンチの形状を放射線形状とするなど、上下のポンチで全く異なる形状の組み合わせとすることもできる。
【００２９】
さらに、被強化部位への強化が１回（第１プレス＋第２プレス）で不十分な場合には、同一部位に２回以上強化を施すことも可能である。
【００３０】
本発明の金属材料の部分強化方法は、金属材料を成形部材とする成形工程に組み込むことで、全体の工程数を増やさずに必要箇所に部分強化を施すことができる。例えば、金属材料をブランキングする打ち抜き工程に本発明の第１プレス工程を組み込んで、ブランキングと同時に被強化部位の両面に凹凸面を形成し、次に、成形工程に本発明の第２プレス工程を組み込んで、成形部材本体の成形と同時に被強化部位の凹凸面を平面化する方法などを採用することができる。
（部分強化装置）
上記のように本発明の金属材料の部分強化方法は、同心円状または放射線状などの部分強化に適した形状のポンチを用意して通常の成形プレスで第１プレス工程を実施し、さらに、ポンチのみを平坦面のポンチに交換して第２プレス工程を実施して、金属材料の限定された部分のみを加工硬化する方法である。従って、この第１の方法では第１プレス工程および第２プレス工程ともに、部分強化装置としては通常の成形プレスで対応することができる。
【００３１】
しかし、本発明の第２プレス工程の第２の方法においては、プレス方向へ静水圧を負荷すると同時にプレス方向に垂直な方向に剪断力を付与して平面を形成する方法であり、通常の成形プレスでは対応できない。
【００３２】
以下本発明の第２プレス工程の第２の方法を実施する部分強化装置について説明する。すなわち、本発明の部分強化装置は、金属材料のプレス成形装置であって、金属材料を挟持してプレスするポンチと該ポンチをポンチの軸心周りに回転させる回転手段とを有することを特徴とする。
【００３３】
本発明の部分強化装置の一実施の形態の要部模式図を図８および図９に示した。図８は、第２プレス工程の下型の要部平面模式図であり、図９は上下金型の要部側面模式図である。
【００３４】
図８で１は金型ホルダであり、２は下型のポンチである。３はポンチの台部２ａと嵌合してポンチをポンチの軸心周りに回転させる回転部材である。回転部材３は両端を係合部材４，４’でシリンダ５および５’と係合し、シリンダヘッド５ａ、５ａ’の伸縮に従ってポンチの軸心周りに回転自在に取り付けられている。つまり、図示しない油圧などの加圧装置によってシリンダ５，および５’が駆動されると各シリンダヘッドが突出して、回転部材３は点線で示す回転部材３’の位置へ回動し、ポンチもまた同様に回動する。ここで、シリンダ５、５’と、係合部材４，４’と回転部材３と、さらに、図示しない加圧装置とを含めて回転手段と呼ぶ。
【００３５】
金属材料の被強化部位を図９の上下のポンチ２，２’の間６に挟持し矢印Ａ、Ａ’方向にプレス荷重をかけると同時に、上下の回転手段３を作動して、上型ポンチ２を矢印Ｂ方向に、また、下型ポンチ２’を矢印Ｂ’方向に回転させることにより金属材料の被強化部位の両面に水平方向の剪断力を与えることができる。このとき、材料とポンチの間には、鉱物油などの潤滑剤を塗布することが望ましい。このように、材料面に平行な剪断ひずみを付加することにより相対的に低い力で第２プレス工程の第１の方法と同様の効果を得ることができる。
【００３６】
【試験例】
供試材として厚さ３．５ｍｍのアルミニウム合金板（ＪＩＳＨ４０００Ａ５４５４Ｐ−Ｈ_１１２）を用い、供試材面上の直径４０ｍｍの範囲のみに部分強化処理を施した。
【００３７】
第１プレス工程のポンチ形状は図３の同心円形状とし、図６のポンチ断面のそれぞれの寸法は、上型ポンチではＰ_１＝１０ｍｍ，Ｒ_１＝５ｍｍ，Ｒ_２＝ｍｍ５であり、下型ポンチではＰ_２＝８ｍｍ，Ｒ_３＝４ｍｍ，Ｒ_４＝４ｍｍであった。プレス条件は、圧力を８００ＭＰａとし、加圧時間は１秒とした。第１プレス工程後の部分強化部の平面視を図１１に示す。
【００３８】
第２プレス工程では、プレス面が平面のポンチを用いて第１プレス工程で形成された同心円形状部を挟持して加圧し、同心円面を平滑面とした。プレス条件は、第１プレス工程と同様の圧力：８００ＭＰａ、加圧時間：１秒とし、平面方向の剪断ひずみは付与しなかった。
【００３９】
第２プレス工程終了後の部分強化部の平面視を図１２に示した。なお、第２プレス工程後の部分強化部の厚さは約３ｍｍであった。
【００４０】
第２プレス工程後の部分強化部の硬さを測定した。硬さ測定用試料の採取方法を図１３に示した。測定は図１４に示すように供試材の圧延方向に沿った部分強化部の断面で測定し、部分強化部の表面から０．１ｍｍおよび０．５ｍｍの深さでビッカース硬さ（荷重５０ｇ）を測定した。測定ピッチは２ｍｍとし、各深さで部分強化部の中心から外周へ向かって１１点の値を得た。結果を図１５に示す。
【００４１】
図１５で●は部分強化部の上表面から０．１ｍｍの深さの硬さ分布を示し、○は０．５ｍｍ深さの硬さ分布を示す。また、▲は部分強化部の下表面から０．１ｍｍの深さの硬さ分布を示し、△は０．５ｍｍ深さの硬さ分布を示す。
【００４２】
本供試材の部分強化前の硬さは、ＨＶ６０〜６８であった。しかし、部分強化後はどの測定位置においてもＨＶ８４以上であり半径方向で多少のバラツキはあるものの、両表面からの深さによる差は認められなかった。
【００４３】
本供試材はサスペンションメンバー用の材料であり、アッパーアームやロアアームのブッシュとの摺動面を想定したものである。この部分での限界座面圧を約１５０Ｎ／ｍｍ２と仮定すると、本発明の部分強化方法によって得られたＨＶ８４以上である摺動面は、限界座面圧を十分に満足しており、成形性とともに所望の成形材料を得ることができた。
【００４４】
【発明の効果】
本発明は、ポンチを替えて２工程のプレス加工により金属材料の必要な部分のみを強化することができる。従って、高強度材料を使用することなく部分強化できるので材料コストの低減に寄与する。また、成形部材の成形工程中に本発明の部分強化工程を組み込むことによって生産性を低下させることなく品質を向上させることができる。特に、車両のアッパーアームやロアアームのブッシュと摺動するサスペンションメンバーなどの部分強化に好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１プレス工程のポンチと金属材料との関係を示す模式図である。
【図２】第２プレス工程のポンチと金属材料との関係を示す模式図である。
【図３】第１プレス工程のポンチの頭部形状の一例を示す模式図である。
【図４】第１プレス工程のポンチの頭部形状の他の例を示す模式図である。
【図５】図４のポンチ形状の概略を示す斜視図である。
【図６】第１プレス工程のポンチの断面形状を示す模式図である。
【図７】第１プレス工程の放射線形状の上下ポンチをセットした一例を示す模式図である。
【図８】第２プレス工程でポンチに剪断ひずみを付与する回転手段を有する部分強化装置の下型平面要部模式図である。
【図９】第２プレス工程でポンチに剪断ひずみを付与する回転手段を有する部分強化装置の側面要部模式図である。
【図１０】アルミニウム合金（ＪＩＳＨ４０００Ａ５４５４Ｐ）の加工硬化特性の一例を示す図である。
【図１１】第１プレス工程終了後の部分強化部の平面視を示す図である。
【図１２】第２プレス工程終了後の部分強化部の平面視を示す図である。
【図１３】部分強化部の硬度測定サンプルの採取位置を示す図である。
【図１４】部分強化部の硬度測定位置を示す図である。
【図１５】部分強化部の中心からの距離による硬さの変化を示す図である。
【符号の説明】
１：型ホルダー２、２’：ポンチ３：回転部材４、４’：係合部材５、５’：シリンダＡ：プレス方向Ｂ、Ｂ’：ポンチ回転方向

Claims

金属材料の被強化部位の表裏面に該材料の塑性流動による塑性ひずみを付与して凹凸面を形成する第１プレス工程と、該凹凸面にさらに塑性流動による塑性ひずみを付与して平面を形成する第２プレス工程と、を有することを特徴とする金属材料の部分強化方法。
前記第２プレス工程はプレス方向へ静水圧を負荷すると同時に平面方向へ剪断力を付与して平面を形成する工程である請求項１に記載の金属材料の部分強化方法。
前記金属材料はアルミニウム合金である請求項１または２に記載の金属材料の部分強化方法。
前記金属材料の厚さは２〜１０ｍｍである請求項１〜３のいずれかに記載の金属材料の部分強化方法。
前記第１プレス工程のプレス形状はポンチの軸心を中心とする同心円状の凹凸である請求項１〜４のいずれかに記載の金属材料の部分強化方法。
前記同心円のピッチは前記金属材料の厚さの１〜６倍である請求項５に記載の金属材料の部分強化方法。
前記同心円状の凹凸の断面形状は半径が前記金属材料の厚さの１〜６倍の円弧である請求項５または６に記載の金属材料の部分強化方法。
前記第１プレス工程のプレス形状はポンチの軸心を中心とする放射線状の凹凸である請求項１〜４のいずれかに記載の金属材料の部分強化方法。
前記放射線形状の隣り合う稜線部のなす角度が１０〜３０゜である請求項８に記載の金属材料の部分強化方法。
前記金属材料の一面に形成される前記放射線形状の稜線部と反対面に形成される該稜線部とのなす角度が３０゜以下である請求項８または９に記載の金属材料の部分強化方法。
金属材料のプレス成形装置であって、
該金属材料を挟持してプレスするポンチと、
該ポンチを該ポンチの軸心周りに回転させる回転手段と、を有することを特徴とする金属材料の部分強化装置。