JP2005161366A - 鋼板のプレス成形方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 １枚の鋼板から部分毎に強度の異なる複合部品を高い生産効率で安定して供給できるプレス成形方法及び装置を提供すること。
【解決手段】 ８００〜１１００℃に加熱した鋼板をプレス成形する際に、該鋼板の一部分を該鋼板のその他の部分より１５０℃以上温度差をつけたままプレス成形することを特徴とする鋼板のプレス成形方法。また、プレス成形開始後、１０秒以内に前記温度差をつけること、前記温度差を設ける部分を連続的に変化させることが好ましい。
【選択図】 図２

Description

本発明は、予め加熱された鋼板を所定の形状に成形加工する際に形状付与と同時に焼き入れて所定強度の成形体を得るプレス成形方法及び装置に関するものである。

近年、自動車分野では、燃費の向上を通じて二酸化炭素の排出量を削減するために高強度材料を使用した車体質量低減への取り組みが盛んに行われている。その一方で、衝突時の乗員の安全性を確保するための取り組みもその重要性を増している。
後者の取り組みは、例えば、車体の一部に周辺よりも低強度の鋼板を敢えて用いることによって衝突時の変形を当該部位に集中させ（エネルギーを吸収させ）、それによって乗員用の空間の変形を極力少なくして乗員を保護しようとする思想などに基づいている。

これら二つの取り組みは、一つの部品に使用する鋼板の選択としては相反するものであるので、これを両立させるには、当該部品を強度や板厚の異なる鋼板から作製した複数の部品の結合体（以下、複合部品という）とする手法が用いられることが多い。具体的には、上記の複数の部品を溶接で一体化する方法や、一般にテーラードブランクと称される、異なる強度や板厚の鋼板を、成形前に溶接して成形素材とした後、プレスして部品を成形する方法などが採用されている。

テーラードブランクは、複合部品の成形方法としては、プレス工程や金型数の削減を可能にする利点を有するものであるが、素材を作製するために、高い寸法精度での切断や、高い位置決め精度での溶接技術が求められるので生産性が悪く、またレーザー溶接設備またはマッシュシーム溶接設備が必要で、設備も高いという問題点がある。
一方、別々に作製した部品（以下、子部品）を溶接して複合部品化する手法は、テーラードブランクに求められるような高額の設備や高い技術は必須ではないものの、子部品の作製において、それが低強度の鋼板を素材とする場合には問題ないが、高強度鋼板を用いて作製する場合には問題がある。すなわち、鋼板が高強度化するにつれて、鋼板の伸びなどの成形性が劣化し、製品形状に制約が生じたり、あるいは、成形後のスプリングバックが増加し、低強度材では不要であった、例えば形状修正のような加工工程の追加が必要となったりする事案も見受けられる。

これらの問題の内、スプリングバックの増加に伴い発生する製品の狙い形状からのズレなどの形状不良は複合部品を作製する上では致命的である。なぜなら、他の子部品との溶接が首尾よく行えないか、高強度の子部品を強く拘束して変形させて溶接する結果、溶接部に強い応力が残留して当該部位の信頼性を損ねることが想定されるからである。
この解決方法として、ダイクエンチ法と呼ばれるプロセスを上げることが出来る。これは、鋼板（被加工材）を所定の温度（例えば、オーステナイト相となる温度）に加熱して強度を下げた（すなわち、成形を容易にした）後、被加工材に比べて低温（例えば室温）の金型で成形することによって、形状の付与と同時に両者の温度差を利用した急冷熱処理（焼き入れ）を行って成形後の強度を確保するというものである。この方法では、低強度状態で成形されるので、スプリングバックも小さく、他の子部品との溶接に対して形状に関する問題は少ない。

以上述べたように、ダイクエンチ法で作製した高強度の子部品と、別途作製した低強度の子部品を溶接する手法は、複合部品を作製するのに最も導入し易いものと考えられる。そこで、本発明者らも当該方法の有用性に着目して実験と評価を繰り返した。その結果、子部品相互の溶接において、形状的な不具合は問題とならないレベルであるものの、溶接性の点で問題があることがわかった。

それらを具体的に述べれば、まず、ダイクエンチされた子部品の表面はスケールで覆われているため、それを除去しないと良好な溶接性が得られないことがわかった。成形された子部品は複雑な形状をしていることが多く、スケール除去の自動化は容易ではないため、除去作業のために全体としての生産性が低下する。
次に、溶接後に複合部品に反りが頻発した。また、その発生を抑制するために強く拘束して溶接した場合には溶接後に溶接部での割れ発生が認められた。恐らく強度の異なる鋼板（子部品）間の溶接であるため、溶接線の両側で熱影響部の硬化と軟化が共存したことで応力の残留状態が大きく異なった結果ではないかと推測された。この問題はテーラードブランクにもある程度は当てはまるものであるが、ダイクエンチ法で高強度を得るための鋼板では、種々の強化機構が利用できるテーラードブランク用鋼板に比べて炭素やマンガンの含有量が高く成らざるを得ず、このことが結果的に上記の問題をより顕在化したものと考えられる。

このように、ダイクエンチ法の利点を活かしつつ、かつ溶接性の問題点を克服して複合部品を製作する技術は確立されていない。
特許文献１には、ドアインパクトビームと呼ばれる自動車の衝突補強材の製造にダイクエンチ法を適用した例が開示されているが、複合部品についての言及はない。特許文献２には、被加工材を加熱する方法として直接通電法を採用した例が示されているが、同公報にも複合部品に関する記述はない。
一方、特許文献３、および４には、それぞれ、ダイクエンチの被加工材を直接冷媒で、およびダイクエンチの金型内部を冷媒で冷却する方法が示されているが、複合部品については何も述べられていない。
また、特許文献５には、発熱体を金型内部に、金型表面に被加工材に対して温風または常温の空気を送給できる吹き出し口を供えた金型を用いた温間プレスに関する技術の開示が成されているが、成形前の被加工材の温度を均一にすること、および成形後の成形体の温度を早く下げることを目的としたものであり、鋼板の高強度化や、複合部品の作製を目的としたものではない。
特開２００２-１０２９８０号公報 特開２００２-１８５３１号公報 特開２００２-２８２９５１号公報 特開２００３-２３１９１５号公報 特開平７-４７４３１号公報

本発明はこうした状況に鑑みて成されたものであり、溶接にかかわる問題を伴わずにダイクエンチ法を用いて複合部品を製造する方法及び装置を提供するものである。

本発明者らは、上述した問題を解決すべく鋭意研究を重ねた。そして、成形面内に温度差を付けた金型か、成形面の一部に被加工材を直接冷却する機構を設けた金型を用いて予め加熱された鋼板をプレスすることによって、一枚の、すなわち、テーラードブランクのように素材の複合化をしていない鋼板を用いて複合部品を作製する方法及び装置を発明した。本発明であれば、上述したような複合部品化の溶接にかかわる問題が解決され、汎用性の高い複合部品の製造方法を提供出来る。

本発明はこうした知見に基づいて成されたものであり、
（１）８００〜１１００℃に加熱した鋼板をプレス成形する際に、該鋼板の一部分を該鋼板のその他の部分より１５０℃以上温度差をつけたままプレス成形することを特徴とする鋼板のプレス成形方法、
（２）プレス成形開始後、１０秒以内に前記温度差をつけることを特徴とする（１）記載の鋼板のプレス成形方法、
（３）前記温度差を設ける部分を連続的に変化させることを特徴とする（１）又は（２）記載の鋼板のプレス成形方法、
（４）前記温度差を鋼板の二箇所以上に設けることを特徴とする（１）〜（３）の何れか１項に記載の鋼板のプレス成形方法、
（５）金型又は鋼板の一部分を加熱及び／又は冷却して前記温度差をつけることを特徴とする（１）〜（４）の何れか１項に記載の鋼板のプレス成形方法、
（６）前記（１）〜（５）の何れか１項に記載の方法を実施するためのプレス成形装置であって、金型の内部及び／又は表面に発熱体及び／又は冷却装置を備えることを特徴とする鋼板のプレス成形装置、
を要旨とするものである。

本発明のプレス成形方法及び装置を用いれば、テーラードブランクに求められるような高額な設備を必要とせず、かつ高い生産効率で安定した品質の複合部品を製造出来る。

本発明を図面に沿って説明する。図１（ａ）は、説明を容易にするために極めて単純化した自動車用の部品で、同図（ｂ）に示すように、例えばフロントサイドメンバーの構成部品のように、衝突時にその一部は蛇腹状に座屈して衝撃エネルギーを吸収し、別の一部は出来るだけ変形せずに当該部位を含む部品で構成される空間をそのままの形状に維持するように働く複合部品を表している。

本発明を用いて当該部品を一枚の鋼板から作製するには、図２に示すように、まず鋼板２１を８００〜１１００℃に加熱し（Ｉ）、該鋼板を成形する際に金型（図示しない）による形状付与と同時に（所定時間内に）２２ａ部分の温度をＴａ（℃）に、２２ｂ部分の温度をＴｂ（℃）に到達させ、温度差を１５０℃以上とする（II）。ここでＴａを鋼板のマルテンサイト変態終了温度よりも十分に低い温度（例えば室温）、Ｔｂを鋼板のマルテンサイト変態開始温度以上（例えば５００℃）とすれば、２２ａ部分は相対的に、すなわち部品内で比較した場合に高強度となり、２２ｂ部分は同じく低強度の部位となり、１枚の鋼板２１から強度の異なる複合部品が完成する。鋼板の加熱温度が８００℃より低いとミクロ組織がオーステナイト単相とならず、焼き入れても高強度としたい部分が高強度化されないため好ましくなく、一方、１１００℃を超えると結晶粒が粗大化し、製品の表面品位を損なう恐れがあるので、上記の範囲に規定する。但し、高強度としない部分については８００℃以上に加熱された部分との間で成形時の変形抵抗に著しい差が生じない範囲で８００℃未満の加熱でもよく、許容される下限の温度は６００℃である。

プレス成形中の鋼板の温度差が１５０℃未満であると強度差が実質的につかないため、１５０℃以上温度差をつけたままプレス成形する。温度差の上限は特に定めることなく本発明の効果を得ることができるが、鋼板の加熱温度の制約から１０００℃以下とすることが好ましい。
プレス成形開始後、上記の温度差になるまでの所定時間は１０秒以内とすることが好ましい。これは焼き入れにより高強度とする部位に適用される急速な冷却条件を満足するために必要なものであり、５秒以内であればより望ましい。しかし、必要以上に短い時間で焼き入れることは、設備のコスト増を招く他、残留応力の予想困難な不均一性をもたらす恐れがあるので、最短所要時間は０．１秒とすることが好ましい。
２２ａ部分と２２ｂ部分の到達温度は連続的に変化してもよい。図２では説明を単純化する目的で直線を用いて両部分を分けているが、高強度部分および低強度部分がそれぞれ必要量確保出来れば温度差を設ける部分は連続的に変化しても構わない。逆に、連続的に変化させることで、強度が徐々に変化する複合部品を作製することも可能である。

温度差を設ける部分が二つ以上、すなわち到達温度が異なる部分が三箇所以上で構成される複合部品の製造方法も本発明の範囲である。その例を図３（ａ）に例示するが、同図（ｂ）のように３３ａと３３ｂの境界及び３３ｂと３３ｃの境界は連続的な温度変化を伴ってもよい。
到達温度を二つ以上とするには、金型の成形面の一部分をその他の部分よりも高温度とする方法、逆に成形面の一部分をその他の部分よりも低温度にする方法、およびその両者を組み合わせた方法が利用可能である。

高温度とする方法としては、金型の内部及び／又は表面に発熱体を備える方法が有効である。発熱体の種類や形式はどのようなものでもよく、それらの装着数や装着方式は必要とする発熱量に応じて適宜選択出来る。
低温度とする方法としては、金型の内部及び／又は表面に冷却装置を備える方法が有効である。冷却の方法は、水冷、空冷の他、ペルチェ素子のような冷却素子を用いることが出来る。必要な冷却能力に応じてそれらを適宜装着すればよい。

成形面となる金型の一部分の温度を周辺の部分の温度より低温度にする方法に換えて被加工材の一部分を直接冷却する方法も採用出来る。成形面の所定の部位に冷媒の噴出口を配した金型とし、必要量の冷媒を被加工材に直接接触させて被加工材の温度変化を制御する。冷媒には、気体、液体、流動性のある固体状の物質を用いることが出来る。
被加工材を直接冷却する方法と、金型成形面の一部を加熱及び／又は冷却する方法と組み合わせることも可能である。
本発明の方法は、図２や図３に示したような直線的な成形体に限定されるものではなく、被成形体の両面に相対する一対の金型で行う全てのプレス成形に適用出来る。

以下、本発明を実施例によって更に説明する。
図４（ａ）に例示する一対の金型を使用して同図（ｂ）に示す形状の成形体を作製する実験を行った。金型には、同図（ｃ）に装着位置を示すように加熱装置（発熱体）４５と冷却装置（水冷プレート）４６が内部に設けられている。但し縦壁部分には両側対称に装着したが片方のみ図示した。
加熱装置４５と冷却装置４６の何れか一方、または両方を、それぞれ様々な条件で作動させ、鋼板の到達温度を変化させた。温度は鋼板に取り付けた熱電対で測定した。測定位置は同図（ｄ）の［１］〜［５］の通りである。同じ条件（同じ到達温度分布）の成形体二体を同図（ｅ）のように到達温度が同じ部分同士を向かい合わせてＴＩＧ溶接し、更に上下に補助板４７を溶接して衝撃エネルギー吸収測定試験用試験体（同図（ｆ））を作製した。衝撃エネルギー吸収測定試験は、鉛直に立てた試験片の上方１．６ｍから３００ｋｇの錘を自由落下させた際に、試験体に吸収されたエネルギーＥを求めるもので、試験体が潰れた後の、最初の錘の到達高さと落下開始高さの差ΔｈからＥ＝ｍｇΔｈで求めた。ｍは錘の質量（すなわち３００ｋｇ）、ｇは重力加速度で、９．８ｍ／ｓ^２として計算した。
被加工材は、主な含有成分として炭素、シリコン、およびマンガンをそれぞれ質量百分率にて０．１５％、０．２％、および０．８％含有する鋼板で、厚さは１．２ｍｍである。ブランクサイズは１８０×５００ｍｍである。プレス成形前の加熱温度は９５０℃とした。

表１に位置［１］〜［５］の到達温度と吸収エネルギーを示す。到達温度は鋼板を金型上に置いた時点から１０秒後の温度である。
条件１は加熱装置も冷却装置も作動させないダイクエンチ方法である。また、条件６、および７はプレスを繰り返したことで蓄熱により金型の温度が上昇した後、金型の一部を冷却した状態で成形を行ったものである。
条件１では成形体全体が高強度となったため吸収エネルギーが小さい。これに対して本発明の方法で成形した部品は複合部品化された結果大きい吸収エネルギーを示した。このように本発明のプレス成形方法を用いれば、テーラードブランクのような高価な設備を必要とせず生産性よく複合部品を作製することが出来る。

前記の実施例に用いた金型に換えて、図５に示すような、被成形材の一部分を冷媒で直接冷却出来る機能も有する金型を用いて同じ実験を行った。直接冷却機構は細径の噴出口から冷媒を被成形体に吹き付けることで被成形体を冷却するもので、図５（ａ）に、一例としてパンチの上面における噴出口の配列を示す。その断面は同図（ｂ）に示すように金型５１の外部から供給される冷媒が冷媒噴出口５２に供給されるようになっている。
冷媒噴出口５２は、直径０．８ｍｍの円形で、円の中心が５ｍｍ間隔の方眼の交点上に、Ａ−Ａ′方向に１０列、それと直角方向に２５列が配置されている。こうした噴出口配列を金型５１の上面、両側面（縦壁面、図示しない）およびダイスのそれら三面と対向する面（図示しない）に、図４（ｃ）に示した水冷プレート位置の金型表面側に設けた。冷媒には水を使用し、圧力４ＭＰａ、噴出時間はパンチが下死点に到達後の２秒間とした。

実施例１と同様に吸収エネルギーを求めた結果を表２に示す。
条件８は、プレスを繰り返したことで蓄熱により金型の温度が上昇した後、金型の一部を冷却した状態で成形を行ったものである。
成形面の一部分を冷却する方式に換えて、または加えて被成形体を直接冷却する本発明の方式を用いても吸収エネルギーの大きい複合部品の製作が容易に出来ることが明らかとなった。

（ａ）本発明例において複合部品を説明するために用いる模式図であり、衝撃的な変形を受ける前の状態を表す。（ｂ）本発明例において複合部品を説明するために用いる模式図であり、衝撃的な変形を受けて一部分が変形した状態を表す。 本発明例において複合部品の作製方法を説明するために用いる模式図であり、所定の温度に加熱された一枚の鋼板と作製後の複合部品を表す。 （ａ）本発明例を用いて作製される複合部品の一例を示す模式図である。（ｂ）本発明例を用いて作製される複合部品の別の一例を示す模式図である。 （ａ）本発明において用いたプレス金型の断面を示す模式図である。（ｂ）実施例にて作製した成形体の模式図である。（ｃ）金型に装着された加熱装置と冷却装置を示す模式図である。 （ｄ）鋼板の到達温度を測定するための熱電対の取り付け位置を示す模式図である。（ｅ）突き合わせてＴＩＧ溶接された成形体を示す模式図である。（ｆ）衝撃エネルギー吸収測定試験用の試験体を示す模式図である。 （ａ）被成形体の一部分を冷媒で直接冷却するための機構（冷媒噴出口）表す模式図である。（ｂ）Ａ−Ａ′断面の一部を示す模式図である。

符号の説明

２１：鋼板
２２ａ、２２ｂ：到達温度の異なる二つの部分のそれぞれの部分
３３ａ、３３ｂ、３３ｃ：到達温度の異なる三つの部分のそれぞれの部分
４１：パンチ
４２：ダイス
４３：ブランク押さえ
４４：被加工材
４５：加熱装置（面状発熱体）
４６：冷却装置（水冷プレート）
４７：補助板
５１：金型（パンチ）
５２：冷媒噴出口

Claims (6)

1. ８００〜１１００℃に加熱した鋼板をプレス成形する際に、該鋼板の一部分を該鋼板のその他の部分より１５０℃以上温度差をつけたままプレス成形することを特徴とする鋼板のプレス成形方法。
2. プレス成形開始後、１０秒以内に前記温度差をつけることを特徴とする請求項１記載の鋼板のプレス成形方法。
3. 前記温度差を設ける部分を連続的に変化させることを特徴とする請求項１又は２記載の鋼板のプレス成形方法。
4. 前記温度差を鋼板の二箇所以上に設けることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の鋼板のプレス成形方法。
5. 金型又は鋼板の一部分を加熱及び／又は冷却して前記温度差をつけることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の鋼板のプレス成形方法。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の方法を実施するためのプレス成形装置であって、金型の内部及び／又は表面に発熱体及び／又は冷却装置を備えることを特徴とする鋼板のプレス成形装置。

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