JP2005248253A - 鋼材のホットプレス加工方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は鋼材のホットプレス加工方法及び金型装置に関し、穿孔やトリミングの場合の工具の急速消耗を防止することを目的とする。
【課題手段】鋼材Ｍはその焼入温度まで加熱され、加熱された鋼材Ｍをプレス機械に設置された金型装置における上型１０と下型１２との間に導入され、型10, 12の合体によりプレス成形が行われる。金型はダイクッションを備えており、型合わせ後も幾分の相対運動を行い、この間の鋼材の未硬化時に加工刃２２及びトリム刃２６により穿孔及びトリミングを行う。ダイクッションスプリング２０が縮み切るときの高圧下での、低温金型と鋼材との強い密着により鋼材は急冷を受け、焼入れが行われる。
【選択図】図１

Description

この発明は鋼材をその焼入温度まで加熱し、加熱された鋼材を低温の金型によってプレス成形すると共に焼入れする鋼材のホットプレス加工方法及びこの発明における鋼材のホットプレス加工装置に関するものである。

ホットプレス加工においては、プレス成形を受けるべき鋼材は750〜1000℃といったその焼入温度（オーステナイト温度）まで加熱を受け、加熱された鋼材が金型に導入・成形され、加熱された鋼材はプレス成形中に低温の金型によって急冷を受け、マルテンサイト組織となり、硬化する（焼入れされる）。そのため、独立の焼入れ工程が不要であるにもかかわらず、高強度の品物のプレス成形が可能であり、引張強度が５０〜６０kp/mm2といった比較的低コストの低クロム含有量の鋼材（ブランク）を出発素材にして150〜170 kp/mm2の高強度の最終製品を低コストで得ることができ、自動車のドアインパクトビーム等のプレス成形される車体部品の製造にも適している（特許文献１参照）。
英国特許第１４９０５３５号

車体部品等のプレス加工の場合、プレス成形後に孔空け加工やトリミングなどのための切削加工を行うことが多い。しかしながら、ホットプレス加工においてはプレス加工と同時に金型による冷却により焼きが入るため、鋼材の硬度が大幅に上がり、ＨＲＣで４５〜５０にもなる。そのため、プレスで工具を利用して穿孔やトリミングなどの切除をした場合に工具が急速に損傷し、工具の寿命が大幅に短縮する問題がある。

この発明はかかる問題点に鑑みなされたものであり、ホットプレス加工において穿孔やトリミングの場合の工具の寿命の大幅短縮を防止することを目的とする。

請求項１に記載の発明によれば、鋼材をその焼入温度まで加熱し、加熱された鋼材を低温の金型によってプレス成形すると共に焼入れする鋼材のホットプレス加工方法において、金型による素材のプレス成形中に工具による素材の切除加工を行うことを特徴とする鋼材のホットプレス加工方法が提供される。

請求項２に記載の発明によれば、鋼材をその焼入温度まで加熱し、加熱された鋼材を型開き状態にある低温金型間に導入すると共に型締めを開始し、鋼材の硬化が実質的に開始するに先立って、金型により保持された鋼材の切除加工を行い、成形及び切除加工の実質的完了後に鋼材の硬化のための金型による鋼材の急冷を行うようにしたことを特徴とする鋼材のホットプレス加工方法が提供される。

請求項３に記載の発明によれば、鋼材をその焼入温度まで加熱し、加熱された鋼材を型開き状態にある低温金型間に導入し型締めを開始すると共に金型により保持された鋼材の切除加工を行い、成形及び切除加工の実質的完了後に型締め力を増力し、この状態を焼入れの完了に至るまで保持するようにしたことを特徴とする鋼材のホットプレス加工方法が提供される。

請求項４に記載の発明によれば、鋼材のホットプレス加工装置であって、プレス装置の一対の相対移動部間に配置され、焼入温度まで加熱された鋼材をその間で型締めし所定形状に成形する低温に保持された第１及び第２の金型と、第1及び第２の金型間での鋼材の成形時であって鋼材の硬化が実質的に惹起される前に鋼材の切除加工を行う切除加工手段と備えたことを特徴とする鋼材のホットプレス加工装置が提供される。

請求項５に記載の発明によれば、鋼材のホットプレス加工装置であって、プレス装置の一対の相対移動部間に配置され、焼入温度まで加熱された鋼材をその間で型締めし所定形状に成形する低温に保持された第１及び第２の金型と、第1及び第２の金型間での鋼材の成形時に鋼材の切除加工を行う切除加工手段と、鋼材の成形及び切除加工の実質的完了後に金型による鋼材の急冷を行わしめる急冷手段とを備えたことを特徴とする鋼材のホットプレス加工装置が提供される。

請求項６に記載の発明によれば、鋼材のホットプレス加工装置であって、プレス装置の一対の相対移動部間に配置され、焼入温度まで加熱された鋼材をその間で型締めし所定形状に成形する低温に保持された第１及び第２の金型と、第1及び第２の金型間での鋼材の成形時に鋼材の切除加工を行う切除加工手段と、鋼材の成形及び切除加工の実質的完了後に型締め力を増加させ、これを暫時維持する型締め力増加手段とを備えたことを特徴とする鋼材のホットプレス加工装置が提供される。

請求項７に記載の発明において、請求項６に記載の発明において、前記型締め力増加手段は第1及び第２の金型の一方を対応の移動部に対して浮動支持するダイクョション手段により構成されることを特徴とする鋼材のホットプレス加工装置が提供される。

請求項１の発明の作用・効果を説明すると、焼入温度まで加熱された鋼材（ブランク板）は低温の金型によってプレス成形され、金型との接触により急冷され、焼入れされる。そして、プレス成形中に工具による穿孔やトリミングなどの切除加工が行われ、プレス成形中であるため鋼材の未硬化の段階において工具による切除を行うことができ、切除加工の際における工具の負担が軽くなり、寿命の大幅短縮を防止することができる。

請求項２の発明の作用・効果を説明すると、穿孔やトリミング等の切除工具による切除加工を鋼材が硬化を開始する前に実質的に終了させているため、工具に対する負担を最小とし、その後に低温の金型による鋼材の冷却により実質的な焼入・硬化を行っているためホットプレス加工による所期の焼入れ特性を得ることができる。

請求項３の発明の作用・効果を説明すると、金型による成形及び穿孔やトリミング等の切除工具による切除加工が行われた後に金型による鋼材の締付け力を増すことで鋼材に対する金型の締め付け力を増大し、放熱が効率的となり金型は急冷を受け、硬化される。急冷の前に切除加工しているため工具の寿命延長を図ることができ、金型の締付け力のコントロールだけで簡単かつ確実な焼入れ制御を実現することができる。

請求項４の発明の作用・効果を説明すると、焼入温度まで加熱された鋼材は第１及び第２の金型間で成形されると共に金型による冷却が惹起される前に切除加工手段による切除加工を受けるため、切除加工の際における工具の負担が軽くなり、寿命の大幅短縮を防止することができる。

請求項５の発明の作用・効果を説明すると、加熱された鋼材を第1及び第２の金型間で成形し、切除加工手段により切除加工後に、金型により保持された鋼材が急冷手段によれ急冷され焼入れが行われる。急冷の前に切除加工を実施しているため、工具による切除加工は未だ焼入れが行われない未硬化の段階において行うことができ、鋼材の工具寿命の確実延長を図ることができる。

請求項６の発明の作用・効果を説明すると、金型による成形及び穿孔やトリミング等の切除工具による切除加工が行われた後に金型による鋼材の締付け力を増すことで鋼材に対する金型の締め付け力を増大し、放熱が効率的となり鋼材は急冷を受け、硬化される。型締め力を高める前に切除加工を実施しているため、焼入れは未硬化の段階で行われ、鋼材の工具寿命の確実延長を図ることができる上、金型の締付け力のコントロールだけで簡単かつ確実な焼入れ制御を実現することができ、装置コストの低減を実現することができる。

請求項７の発明の作用・効果を説明すると、ダイクッション手段を設けることにより、ダイクッションが動作する前の素材が柔らかい状態において成形のための型締め及び穿孔やトリミング等の切除加工を行い、その後のダイクッションの進行中に型締め圧力（鋼材と金型との接触圧力）が高まるため素材の急冷が進行し焼入れが行われる。即ち、金型を備えたプレス機械の一連のストローク動作の間において成形およびこれに伴う切除工程の時期と焼入れ工程の時期とを確実に切り分けることができ、金型による成形・焼入れを行うホットプレスの本来の動作を確保しつつ、工具の大幅短縮の防止を実現することができる。また、プレス機が１軸で済み、装置コストを抑えることができる。

図１はこの発明に実施に使用する金型装置を概略的に示しており、金型装置は上型１０（この発明の第１の金型）と下型１２（この発明の第２の金型）とより構成される。上型１０はプレス機のスライドテーブル１４の下面に装着され、下型１２はプレス機のボルスタテーブル１６上に配置される。この実施形態ではプレス機は１軸の油圧式であり、上型１０を装着するスライドテーブル１４が図示しない油圧シリンダのピストンロッドに連結され、ボルスタテーブル１６は固定となっている。図示しないが、金型装置を構成する上型１０及び下型１２は内部に冷却水ジャケットを備えており、この冷却水ジャケットに冷却水を通水・循環せしめることにより金型装置は室温相当の低温にいつも維持されるようになっている。

下型１２は、この実施形態では、クッションピン１８とスプリング２０とより成るダイクッション手段によってボルスタテーブル１６に対して浮動設置されている。即ち、クッションピン１８はボルスタテーブル１６に穿設されたガイド孔１６Ａに収容され、かつスプリング２０は下型１２を図１の上向きに付勢している。そのため、型締め時に上型１０と下型１２とが合体後、上下の金型10, 12はスプリング２０に抗して幾分の下降を行うことができる。そして、金型装置には成形中に鋼材の穿孔及びトリミングを行うべく穿孔工具及びトリミング工具が備えられている。穿孔工具は加工刃２２とピアス孔２４とからなり、加工刃２２はボルスタテーブル１６より直立され、下型１２の貫通ガイド孔１２Ａを挿通されている。加工刃２２とピアス孔２４とはこの発明の切除加工手段の一態様となる。また、トリミング工具はトリム刃２６を備え、トリム刃２６はボルスタテーブル１６より直立され、上型１０の側縁１０Ａと協働することによりトリミングを行う。トリム刃２６と側縁１０Ａとはこの発明の切除加工手段の別の一態様となる。

この発明の金型装置は図４に略示するように断面Ｃ型のチャンネル部材Ｐをプレス成形するためのもので、チャンネル部材Ｐの上面には開口Ｏを有しており、チャンネルの片側縁Ｆはトリミングされており、この発明においてはホットプレスによるチャンネル部材の形成と開口Ｏの穿孔とチャンネルの片側縁Ｆのトリミングとは金型での成形中に実施される。

以下、この発明のホットプレス加工について説明すると、板状の鋼材Ｍはその硬化温度（いわゆるオーステナイト状態を達成する温度で鋼材の組成により相違するが例えば750〜1000℃といった範囲の温度）まで加熱され、加熱状態の鋼材は図１に示すように型開きされた上型１０と下型１２との間に導入され、下型１２上に載置される。下型１２上への載置状態においては鋼材は自然冷却によりその温度は緩慢に低下する。そして、図示しない油圧シリンダによってスライドプレート１４、即ち、上型１０は上死点位置（図５（ロ）の上死点TDC）より下降を開始（下降開始時点を図５（ロ）にｔ_０にて示す）する。上型１０は下型１２に向けて移動され、時刻ｔ_１において上型１０は鋼材との接触を開始し、時刻ｔ_２において図２に示す型閉め状態に至り、鋼材Ｍを挟んで上下の型10, 12は合体され、所定形状への鋼材Ｍのプレス成形が開始される。そして、ダイクッションを構成するスプリング２０が縮むことにより上型１０は更に下降され、その下降の際に加工刃２２による穿孔及びトリム刃２６によるトリミングが行われ、Ｍ´、Ｍ″は穿孔及びトリミングによる抜き滓、切滓を示す。そして、時刻ｔ_３において図３に示すように上型１０は下死点BDC（図５（ロ））到達され、この位置において上型１０と下型１２は油圧シリンダによる油圧＋スプリング圧力下で型合わせ状態に所定時間保持され、焼入れが行われる。

図５（イ）は成形工程の開始からの経過時間と鋼材Ｍの温度との関係を模式的に示しており、上型１０は図１の状態（上死点TDC）から下降を開始し（図５（ロ） の時刻ｔ_０）、金型によるプレス加工の開始（時刻ｔ_１）によって、温度変化曲線上の位置P₁にて示すように鋼材Ｍの温度低下速度は少し大きくなる。

図２に示す型合わせ完了時（ダイクッションは未だ効いていない状態）における鋼材Ｍの温度は温度変化曲線上の位置P₂にて示し、このとき鋼材Ｍは未だ硬化が実質的に開始していない。そして、ダイクッションの働きでスプリング２０が完全に縮む図３の下死点BDC位置に向けて、上型１０の下降は進みこの間に状態において加工刃２２による穿孔及びトリム刃２６によるトリミングが上述のように完了される。そして、この間（図５（イ）の鋼材温度変化曲線上におけるP₂からP₃の位置の間）において鋼材は実質的に未硬化であるため、工具としての加工刃２２及びトリム刃２６に負担を最小としつつ穿孔及びトリミングなどの工具による切除加工を実施することができる。

図５（イ）の温度変化曲線上の位置P₃はダイクッションのためのスプリング２０が完全に縮んだ図３の状態に至った下死点BDCでの鋼材温度を示し、鋼材には油圧シリンダによる型締め力にスプリング２０が縮むことにより生ずる力を加算したものが加わる。このように鋼材Ｍには増力された型締め力が加わるため、低温の金型との接触圧力が高まり冷却効率が増すため、鋼材の冷却（図５（イ）の温度変化曲線上の位置P₃以降の冷却）はより急速となる。この急冷の過程において、鋼材は焼入れが行われる。即ち、焼入れはオーステナイト状態まで加熱された鋼材温度を毎秒−３０℃といった所定速度を越える速度で600℃付近の所定温度（MS点（図５（イ）においてラインＴにて示す））以下に急冷する必要があるといわれているが、この発明においても、図５（イ）の温度変化曲線上の位置P₃以降の冷却において前記所定温度を超えて前記所定速度以上で急冷を受けるため、焼入れが進行される。

成形完了後に型開きすることで焼入れされ、かつ穿孔やトリミングなどの必要な切除加工済みの成形品を得ることができる。

以上説明の実施形態ではプレス機は油圧シリンダを一つそなえた所謂１軸型としダイクッションを設けることにより型締め及び穿孔及びトリミング時の低型締め力と急冷のための高型締め力との２段制御を実現している。しかしながら、この発明はダイクッション方式に限定されない。たとえば、油圧を大小可変にすることにより型締め圧力を２段に制御したり、油圧プレスを２軸式とし上下に油圧シリンダを設け、上下の油圧シリンダを順次制御することにより低型締め力下での成形および切除と高型締め力下での急冷をとを切り分けるようにしてもよい。

この発明によれば、プレス成形中における未硬化の状態において工具による穿孔やトリミングなどの切除加工が行われるため、切除加工の際における工具の負担が軽くなり、寿命の早期磨耗を防止することができ、しかも金型内で焼入れが完了するという本来のホットプレス加工の利点は全然損なうことがない。

図１はこの発明のホットプレス用の金型装置の型開き状態を示す概略的縦断面図である。 図２は図１と同様であるがダイクッションが未動作における型締め状態を示す金型装置の概略的縦断面図である。 図３はダイクッション動作完了後における型締め状態を示す金型装置の概略的縦断面図である。 図４はこの発明の金型装置により得られる品物の概略的斜視図である。 図５は（イ）において鋼材の装入開始からの経過時間と鋼材温度との関係を模式的に示すグラフであり、（ロ）は同経過時間と上型の変位量との関係を模式的に示すグラフである。

符号の説明

１０…上型
１２…下型
１４…スライドテーブル
１６…ボルスタテーブル
１８…クッションピン
２０…スプリング
２２…加工刃
２４…ピアス
２６…トリム
Ｐ…成形品
Ｍ…鋼材

Claims (7)

1. 鋼材をその焼入温度まで加熱し、加熱された鋼材を低温の金型によってプレス成形すると共に焼入れする鋼材のホットプレス加工方法において、金型による素材のプレス成形中に工具による素材の切除加工を行うことを特徴とする鋼材のホットプレス加工方法。
2. 鋼材をその焼入温度まで加熱し、加熱された鋼材を型開き状態にある低温金型間に導入すると共に型締めを開始し、鋼材の硬化が実質的に開始するに先立って、金型により保持された鋼材の切除加工を行い、成形及び切除加工の実質的完了後に鋼材の硬化のための金型による鋼材の急冷を行うようにしたことを特徴とする鋼材のホットプレス加工方法。
3. 鋼材をその焼入温度まで加熱し、加熱された鋼材を型開き状態にある低温金型間に導入し型締めを開始すると共に金型により保持された鋼材の切除加工を行い、成形及び切除加工の実質的完了後に型締め力を増力し、この状態を焼入れの完了に至るまで保持するようにしたことを特徴とする鋼材のホットプレス加工方法。
4. 鋼材のホットプレス加工装置であって、プレス装置の一対の相対移動部間に配置され、焼入温度まで加熱された鋼材をその間で型締めし所定形状に成形する低温に保持された第１及び第２の金型と、第1及び第２の金型間での鋼材の成形時であって鋼材の硬化が実質的に惹起される前に鋼材の切除加工を行う切除加工手段と備えたことを特徴とする鋼材のホットプレス加工装置。
5. 鋼材のホットプレス加工装置であって、プレス装置の一対の相対移動部間に配置され、焼入温度まで加熱された鋼材をその間で型締めし所定形状に成形する低温に保持された第１及び第２の金型と、第1及び第２の金型間での鋼材の成形時に鋼材の切除加工を行う切除加工手段と、鋼材の成形及び切除加工の実質的完了後に金型による鋼材の急冷を行わしめる急冷手段とを備えたことを特徴とする鋼材のホットプレス加工装置。
6. 鋼材のホットプレス加工装置であって、プレス装置の一対の相対移動部間に配置され、焼入温度まで加熱された鋼材をその間で型締めし所定形状に成形する低温に保持された第１及び第２の金型と、第1及び第２の金型間での鋼材の成形時に鋼材の切除加工を行う切除加工手段と、鋼材の成形及び切除加工の実質的完了後に型締め力を増加させ、これを暫時維持する型締め力増加手段とを備えたことを特徴とする鋼材のホットプレス加工装置。
7. 請求項６に記載の発明において、前記型締め力増加手段は第1及び第２の金型の一方を対応の移動部に対して浮動支持するダイクョション手段により構成されることを特徴とする鋼材のホットプレス加工装置。
   
   
   
   
   
   
   
   

Images