JP2006007251A - 車体構成材の製造方法およびプレス加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ワレの発生を極力回避しつつ複雑度の高い断面形状を有する車体構成材を製造可能な車体構成材の製造方法と、その方法の実施に適したプレス加工装置とを提供する。
【解決手段】プレス加工装置は、下型３、上型４、下型３によって両型の接近離間方向に出没可能に保持された可動入れ子７、及び、可動入れ子７を突出方向に付勢可能なダイクッション装置８を具備する。両型３，４間に金属板材Ｍをセットした後、下型３から突出した可動入れ子７を上型４で没入方向に押圧し、可動入れ子７と上型４とに挟圧される金属板材Ｍに対して谷部に相当する形状を付与する（第１付形工程）。続いて、ダイクッション装置８の設定クッション力Ｓ以上のプレス力Ｐでもって、上型４で可動入れ子７及び下型３を没入方向に押圧し、可動入れ子７を後退させつつ、両型３，４に挟圧される金属板材Ｍに対して二つの山部に相当する形状を付与する（第２付形工程）。
【選択図】 図１

Description

本発明は、二つの山部の間に谷部が存在するような断面形状を有する車体構成材の製造方法と、その方法の実施に適したプレス加工装置とに関する。

従来、自動車の車体骨格等を構成する車体構成材の製造方法として、予め加熱した鋼鈑を冷却機構付きの金型でプレスすることにより、鋼鈑に対する形状付与と焼入れによる高強度化とを同時達成する手法（以下、ダイクエンチ法という）が提案されている（例えば特許文献１参照）。他方、車体構成材の一種であるドアビーム等の衝突補強材については、その断面形状を複数の山形が連なるような波形状や凹凸形状にするという形状的工夫により、剛性や強度を向上させ得ることが知られている。

しかしながら、従来のダイクエンチ法のように、金型での１度且つ一瞬の押圧動作（以下、ワンステップスタンピングという）で鋼鈑に対する付形と焼入れとを同時達成する方法には、鋼鈑の事前加熱に起因して鋼鈑自体の材料延びが少なくなるために、付形後の鋼鈑の一部にワレが発生し易いという欠点があった。特に、鋼鈑に付与すべき断面形状が上記波形状や凹凸形状のように複雑度の高い形状になるほど、ワンステップスタンピングによるワレの発生が顕著化する傾向にある。このため、従来のダイクエンチ法では、上記波形状や凹凸形状のように複雑度の高い断面形状を有する車体構成材を安定的に製造することが難しかった。

特開２００３−２３１９１５号公報

本発明の目的は、出発材となる金属板材に材料延びが少ないというような事情が存在する場合であっても、ワレの発生を極力回避しつつ複雑度の高い断面形状を有する車体構成材を製造することができる車体構成材の製造方法を提供することにある。また、その方法の実施に適したプレス加工装置を提供することにある。

第１の発明（請求項１及び２）は、相対接近離間可能な第１の型及び第２の型と、前記第１の型によって前記両型の接近離間方向に出没可能に保持された可動入れ子と、前記可動入れ子を前記第２の型に向けた突出方向に付勢可能な入れ子付勢手段とを備えたプレス加工装置を用いて、二つの山部の間に谷部が存在するような断面形状を有する車体構成材を製造する方法であって、離間状態にある可動入れ子付き第１の型と第２の型との間に金属板材をセットする材料セット工程と、第１の型と第２の型とを相対接近させ、第２の型で第１の型から所定量だけ突出した可動入れ子を没入方向に相対押圧することにより、可動入れ子と第２の型とに挟圧される金属板材に対して前記谷部に相当する形状を付与する第１付形工程と、前記第１付形工程から更に第１の型と第２の型とを相対接近させ、前記入れ子付勢手段の付勢力設定値以上の押圧力でもって、第２の型で可動入れ子及び第１の型を没入方向に相対押圧することにより、可動入れ子と第２の型とによる前記谷部の付形状態を維持したまま可動入れ子を第１の型内に後退させ、第１の型と第２の型とに挟圧される金属板材に対して前記二つの山部に相当する形状を付与する第２付形工程とを備えることを特徴とする車体構成材の製造方法である。

この方法では、第１の型、第２の型、可動入れ子及び入れ子付勢手段を具備したプレス加工装置を用いることで、出発材たる金属板材に対して二つの山部の間に谷部が存在するような断面形状を付与する手順が、第１の型と第２の型との相対接近という一つの連続した動作の流れの中にあっても若干の時間差を伴う二段階の手順として実現される。即ち第１付形工程では、第１及び第２の型を相対接近させて、第２の型に第１の型から所定量だけ突出した可動入れ子を没入方向に相対押圧させることで、可動入れ子と第２の型とに挟圧される金属板材に対して前記谷部に相当する形状を付与する。続く第２付形工程では、第１及び第２の型を更に相対接近させる際に、第２の型が可動入れ子及び第１の型を没入方向に相対押圧するときの押圧力を入れ子付勢手段の付勢力設定値以上の力とする。その押圧力によって入れ子付勢手段の付勢力を打ち負かし、可動入れ子と第２の型とによる前記谷部の付形又は保形状態を維持したまま可動入れ子を第１の型内に後退させ、その後に第１の型と第２の型とに挟圧される金属板材に対して前記二つの山部に相当する形状を付与する。

この方法によれば、金属板材に谷部に相当する形状が付与された後に、可動入れ子が前記突出位置から入れ子付勢手段の付勢力又は反発力に逆らって第１の型内に後退するまでの時間差分だけ遅れて、金属板材に二つの山部に相当する形状が付与される。このため、従来のワンステップスタンピングと異なり、出発材となる金属板材に材料延びが少ないというような事情が存在する場合であっても、ワレの発生を極力回避しつつ、二つの山部の間に谷部が存在するというような複雑度の高い断面形状を持った車体構成材を製造することが可能となる。

なお、材料セット工程では、加熱状態にある金属板材が第１の型と第２の型との間にセットされることは好ましい。第１及び第２の型間にセットされる金属板材が加熱状態にあることで、第１付形工程及びそれに続く第２付形工程が、金属板材に対する付形と焼入れとを同時達成するダイクエンチのための工程となる。このため、ダイクエンチの効果として、この方法で製造された車体構成材は、金属板材のときよりも剛性や硬度が向上すると共に、型外し後もほとんどスプリングバックを生じず寸法精度及び保形性に優れたものとなる。なお、一般に加熱状態の金属板材は材料延びが低下するため、ダイクエンチ法によって車体構成材を製造する場合に本件方法を利用することは極めて有益である。

第２の発明（請求項３）は、二つの山部の間に谷部が存在するような断面形状を有する車体構成材を製造するためのプレス加工装置であって、相対接近離間可能に設けられた第１の型及び第２の型と、前記第１の型によって前記両型の接近離間方向に出没可能に保持された可動入れ子と、前記可動入れ子を前記第２の型に向けた突出方向に付勢可能な入れ子付勢手段とを備えており、前記可動入れ子及び第２の型には、両者の最接近時に車体構成材の前記谷部を形成するための谷形付形部がそれぞれ設けられ、前記第１及び第２の型には、両者の最接近時に車体構成材の前記二つの山部を形成するための山形付形部がそれぞれ設けられ、前記入れ子付勢手段は、所定の付勢力設定値（Ｓ）を持つと共に、可動入れ子が第２の型によって前記付勢力設定値（Ｓ）以上の押圧力（Ｐ）でもって押圧されたとき、可動入れ子の第１の型内への後退を許容しつつその押圧力に対する反発力を発揮することを特徴とするプレス加工装置である。

この装置によれば、上記第１の発明（車体構成材の製造方法）を円滑且つ確実に実施可能となる。即ち、第１及び第２の型間に金属板材がセットされ、両型が相対接近して押圧し合う際には、先ず、第１の型から所定量だけ突出した可動入れ子を第２の型が没入方向に相対押圧することで、最接近した可動入れ子の谷形付形部と第２の型の谷形付形部とによって車体構成材の前記谷部が形成される。続いて、入れ子付勢手段の付勢力設定値（Ｓ）以上の押圧力（Ｐ）でもって第２の型が可動入れ子及び第１の型を没入方向に相対押圧することで、入れ子付勢手段の付勢力が打ち負かされ、可動入れ子と第２の型とによる前記谷部の付形状態を維持したまま、可動入れ子が前記突出位置から第１の型内に後退させられる。その際、入れ子付勢手段の反発力により可動入れ子が後退に要する時間差分だけ遅れて、第１及び第２の型が最接近し、第１の型の山形付形部と第２の型の山形付形部とによって車体構成材の前記二つの山部が形成される。

尚、この明細書において「第１及び第２の型を相対接近させる」とは、第１及び第２の型のうちのいずれか一方が固定型で他方が可動型であり可動型が固定型に接近する場合はもちろんのこと、第１及び第２の型の双方が可動型であって互いに接近し合う場合をも含む意味である。

本発明の車体構成材の製造方法によれば、従来のワンステップスタンピングと異なり、出発材となる金属板材に材料延びが少ないというような事情が存在する場合であっても、ワレの発生を極力回避しつつ、二つの山部の間に谷部が存在するというような複雑度の高い断面形状を持った車体構成材を製造することができる。

本発明のプレス加工装置によれば、上記車体構成材の製造方法を円滑且つ確実に実施することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。本実施形態は、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すような形状の車体構成材としてのドアビームの製造事例である。このドアビームは、長さ６００〜１１００ｍｍ、幅１５０〜２５０ｍｍというやや長尺な部材であり、図４（Ｂ）に示すように、二つの山部の間に一つの谷部が存在するような横断面形状（即ち山谷山の波形断面形状）を有する部材である。

図１〜図３に示すように、本実施形態で用いられるプレス加工装置は、ベッドＢ（二点鎖線で示す）上に直立設置された基台１と、その基台１の上端に設けられた下型支持台２と、その下型支持台２上に支持固定された第１の型（及び固定型）としての成形用下型３と、その成形用下型３の上方に配設された第２の型（及び可動型）としての成形用上型４および上型保持台５とを備えている。図１〜図３は装置の横断面を示しているが、少なくとも下型３及び上型４は、図面の紙面と直交する方向（以下「型の長手方向」という）に沿って延びる長尺な金型要素として構成されている。

上型保持台５及びそれに保持された上型４は、図示しない駆動機構により、下型３に対し垂直方向に接近離間可能となっている。上型保持台５及び上型４を支持・駆動するための機構は、一般的なプレス機に採用されている可動型駆動機構と同種のものであり、上型４で下型３を積極加圧するためのものである。

基台１及び下型支持台２の内部には作動体収納室１１が設けられ、その作動体収納室１１内には、入れ子作動体６が垂直方向に移動可能に支持されている。具体的には、基台１の作動体収納室１１を区画する壁部に垂直ガイド壁１２を形成する一方、入れ子作動体６の垂直な側壁部に低摩擦ガイドプレート１３をボルト等の締結具１４で固着し、その垂直に延びる低摩擦ガイドプレート１３を介して入れ子作動体６を作動体収納室の垂直ガイド壁１２に沿って垂直摺動可能としている。

入れ子作動体６の上端部には、それと一体化した可動入れ子７が設けられている。この可動入れ子７も、型の長手方向に沿って延びる長尺な金型要素として構成されている。下型３の幅方向中心位置には、型の長手方向に沿って溝状に延びる入れ子挿通溝３１が貫通形成されており、その入れ子挿通溝３１には可動入れ子７が挿通されている。

入れ子作動体６及び可動入れ子７が、図１及び図２に示すように入れ子作動体６の肩部６１が下型支持台２の下側面に当接するところの突出位置（最上動位置）にある場合には、可動入れ子７の上半部が下型３から上型４に向けて大きく突出配置される。他方、入れ子作動体６及び可動入れ子７が、図３に示すように入れ子作動体６の底部が作動体収納室１１の底面に接触するところの没入位置（最下動位置）にある場合には、可動入れ子７の大部分が下型３内に没入配置される。つまり、可動入れ子７は、下型３によって上下両型の接近離間方向に出没可能に保持されている。

更に、基台１の下方（本実施形態ではベッドＢの内部）には、一般のプレス加工装置に多く採用されているダイクッション装置８が装備されている。このダイクッション装置８は、基台１の底壁部を貫通するクッションピン８１を介して前記入れ子作動体６の下端部と連結されている。通常、ダイクッション装置は、プレス加工の受圧時に成形品の突上げ力又は加圧反力を発生させる圧力保持装置として用いられるが、本実施形態のダイクッション装置８は、クッションピン８１及び入れ子作動体６を介して可動入れ子７に作動連結されており、上型４による垂直下向き押圧力の受圧時に、可動入れ子７を上型４に向けた突出方向に付勢可能な入れ子付勢手段として機能する。ダイクッション装置８には、付勢力設定値としてのクッション力Ｓが設定されている。ダイクッション装置８は、前記クッション力Ｓ以上の押圧力を受けたとき、可動入れ子７が下型３内に後退するのを許容するようなクッション性を発現しつつも、前記押圧力に対する突上げ力又は加圧反力を可動入れ子７に及ぼす。なお、ダイクッション装置８の方式は、油圧式、油空圧式又は空圧式のいずれであってもよい。

下型３、上型４及び可動入れ子７には、プレス加工を施される金属板材Ｍに対して所望の波形状を付与するための付形部（３２，４１，４２，７１）が設けられている。即ち、可動入れ子７には、金属板材Ｍに谷部を付形するための横断面が上向き凸状の谷形付形部７１が突設されている。また、可動入れ子の前記谷形付形部７１に対応して、上型４には、金属板材Ｍに谷部を付形するための横断面が下向き凹状の谷形付形部４１が凹設されている。他方、下型３には、その中央に位置する可動入れ子７の左右両側において金属板材Ｍに二つの山部を付形するための横断面が上向き凹状の山形付形部３２が凹設されている。また、下型３における前記二つの山形付形部３２に対応して、上型４には、金属板材Ｍに二つの山部を付形するための横断面が下向き凸状の山形付形部４２が突設されている。尚、可動入れ子７における上向き凸状の谷形付形部７１と、その両側に位置する下型３の二つの上向き凹状の山形付形部３２とは、可動入れ子７が没入位置（図３参照）にあるときに、それらが一連の滑らかな波形カーブを描くように湾曲形成されている。

入れ子作動体６の内部には冷却水路６２が設けられている。この冷却水路６２は、可動入れ子７の内部の冷却水路（図示略）につながっており、装置外から導入される冷却水を可動入れ子７の内部に供給及び循環させて、可動入れ子７を強制冷却するためのものである。下型３及び上型４の内部にも同趣旨の冷却水路（図示略）が設けられている。

次に、上記プレス加工装置を用いて、車体構成材としてのドアビームを製造する方法を説明する。

出発材たる金属板材Ｍとしては、長さ６００〜１１００ｍｍ、幅１５０〜２５０ｍｍ、厚さ１〜３ｍｍの高張力鋼鈑を使用した。その高張力鋼鈑は、鉄以外の添加元素の品質管理範囲がそれぞれ、炭素：０．１８〜０．２５ｗｔ％（重量パーセント）、珪素：０．１５〜０．３５ｗｔ％、マンガン：１．１５〜１．４０ｗｔ％、クロム：０．１５〜０．２５ｗｔ％及びチタン：０．０１〜０．０３ｗｔ％であって、融点が１３００〜１４００℃の鋼鈑である。この金属板材Ｍを加熱装置（例えば電気加熱炉）にて９１０℃に加熱した。そして、図１のように離間状態にある下型３と上型４との間に高速搬送することで、８５０℃以上の温度を保った加熱状態の金属板材Ｍを両型３，４間にセットした。この材料セット段階では、可動入れ子７は下型３から所定量だけ突出した突出位置に配置されている。

材料セット後の第１付形工程では、下型３及びそれに保持された可動入れ子７に対し上型４を接近させると共に、図２に示すように、所定のプレス力Ｐ（＝Ｐ１）でもって上型４で可動入れ子７を没入方向（垂直下向き）に押圧する。このときの上型４のプレス力Ｐ１は、ダイクッション装置８の前記設定クッション力Ｓ未満又は以上のいずれであってもよい。いずれの場合でも、設定クッション力Ｓはプレス加工の受圧時に成形品の突上げ力又は加圧反力を生じ得る大きさに設定されているので、ダイクッション装置８のバックアップを受けた可動入れ子７は、上型４からの押圧を受けた瞬間もほぼ突出位置に保持される。従って、金属板材Ｍの幅方向略中央部が上型４の谷型付形部４１と可動入れ子７の谷型付形部７１とに挟圧され、その結果、金属板材Ｍには図４の谷部に相当する形状が付与される。

引き続く第２付形工程では、下型３に対して上型４を更に接近させるが、上型４が可動入れ子７及び下型３を没入方向に押圧するときのプレス力Ｐ（＝Ｐ２）は、前記設定クッション力Ｓ以上の押圧力とされる。設定クッション力Ｓ以上のプレス力Ｐ２でもって上型４で可動入れ子７及び下型３を押圧すると、そのプレス力Ｐ２はダイクッション装置８の突上げ力又は加圧反力を凌駕するため、図３に示すように、上型４の谷型付形部４１と可動入れ子７の谷型付形部７１とによる前記谷部の付形又は保形状態が維持されたまま、可動入れ子７及び入れ子作動体６が下型３内の前記没入位置にまで後退する。入れ子作動体６が作動体収納室１１の底面に接触すると、可動入れ子７はそれ以上下動できなくなる。従って、金属板材Ｍの前記谷部の両側が上型４の山型付形部４２と下型３の山型付形部３２とに挟圧され、その結果、金属板材Ｍには図４の二つの山部に相当する形状が付与される。

なお、プレス加工装置の上型４によるプレス力Ｐと、上型４の動作開始からの経過時間ｔとは、一般に図５のような関係にある。つまり、プレス力Ｐの設定値（目標値）がＰ２である場合でも、いきなりＰ２のプレス力が発現するわけではなく、Ｐ２のプレス力に到達するまでにプレス力の変化期間がある。本実施形態では、このようなプレス力Ｐの経過特性をうまく利用し、プレス力の変化期間中のプレス力Ｐ１で谷部付形を行い、その後に設定値（目標値）通りのプレス力Ｐ２が発現するタイミングで山部付形を行った。仮に前記設定クッション力ＳがＰ１以上Ｐ２以下となるような上型４の動作タイミングを設定するならば、上記第１及び第２付形工程が円滑化することは言うまでもない。

第２付形工程の完了後、下型３から上型４を離間させ、成形品を型外しすることで、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すような形状のドアビームが得られる。

本実施形態に準拠した試作実験によれば、上型４の設定プレス力Ｐ２を１５００ｋＮとする条件の下で、ダイクッション装置８の設定クッション力Ｓを５０ｋＮ以上に設定した場合には、成形品（ドアビーム）は全て良品となった。これに対し、ダイクッション装置８の設定クッション力Ｓを５０ｋＮ未満（例えば４０ｋＮ）に設定した場合には、成形品（ドアビーム）にワレ等の不良が生じた。おそらく、設定クッション力Ｓが５０ｋＮ未満のケースでは、最初の受圧時における可動入れ子７の反発作用が十分でなく、従来のワンステップスタンピングと比べて有意差がないためであろう。

以上説明したように本実施形態によれば、上記プレス加工装置を用いることで、出発材たる金属板材Ｍに対して二つの山部の間に谷部が存在するような断面形状を付与する手順が、上型４の下型３への接近という一つの連続したプレス動作の流れの中にあっても若干の時間差を伴う二段階の手順として実現される。つまり、第１付形工程で金属板材Ｍに谷部に相当する形状を付与した後に、可動入れ子７が前記突出位置から、ダイクッション装置８の付勢力又は反発力に逆らって没入位置に後退するまでの時間差分だけ遅れた第２付形工程で、金属板材Ｍに二つの山部に相当する形状が付与される。このため、従来のワンステップスタンピングと異なり、出発材となる金属板材Ｍに材料延びが少ないというような事情が存在する場合であっても、ワレの発生を極力回避しつつ、二つの山部の間に谷部が存在するというような断面形状を持ったドアビームを製造することができる。

また、本実施形態では、加熱状態の金属板材Ｍをプレスすることで付形と焼入れとを同時達成するダイクエンチ法を採用している。このため、得られたドアビームは、平らな金属板材Ｍのときよりも剛性や硬度が向上すると共に、型外し後もほとんどスプリングバックを生じず寸法精度及び保形性に優れたものとなる。

（変更例）上記実施形態では、可動入れ子７を突出方向に付勢するための入れ子付勢手段としてダイクッション装置８を用いたが、これに限らず入れ子付勢手段は、スプリングやガス封入式スプリング等の機械構造で代替されてもよい。

本発明の適用対象となる車体構成材としては、ドアビームのほかに、バンパーリインフォースメントや、ルーフリインフォースメント等を例示することができる。

材料セット段階におけるプレス加工装置の概略断面図。 第１付形工程におけるプレス加工装置の概略断面図。 第２付形工程におけるプレス加工装置の概略断面図。 車体構成材としてのドアトビームを示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ線での横断面図。 プレス加工装置におけるプレス圧Ｐと時間ｔとの関係を示すグラフ。

符号の説明

１…基台、２…下型支持台、３…下型（第１の型）、４…上型（第２の型）、５…上型保持台、６…入れ子作動体、７…可動入れ子、８…ダイクッション装置（入れ子付勢手段）、３２…下型の山形付形部、４１…上型の谷形付形部、４２…上型の山形付形部、７１…可動入れ子の谷形付形部、Ｂ…ベッド、Ｍ…金属板材（出発材）。

Claims (3)

1. 相対接近離間可能な第１の型及び第２の型と、前記第１の型によって前記両型の接近離間方向に出没可能に保持された可動入れ子と、前記可動入れ子を前記第２の型に向けた突出方向に付勢可能な入れ子付勢手段とを備えたプレス加工装置を用いて、二つの山部の間に谷部が存在するような断面形状を有する車体構成材を製造する方法であって、
   離間状態にある可動入れ子付き第１の型と第２の型との間に金属板材をセットする材料セット工程と、
   第１の型と第２の型とを相対接近させ、第２の型で第１の型から所定量だけ突出した可動入れ子を没入方向に相対押圧することにより、可動入れ子と第２の型とに挟圧される金属板材に対して前記谷部に相当する形状を付与する第１付形工程と、
   前記第１付形工程から更に第１の型と第２の型とを相対接近させ、前記入れ子付勢手段の付勢力設定値以上の押圧力でもって、第２の型で可動入れ子及び第１の型を没入方向に相対押圧することにより、可動入れ子と第２の型とによる前記谷部の付形状態を維持したまま可動入れ子を第１の型内に後退させ、第１の型と第２の型とに挟圧される金属板材に対して前記二つの山部に相当する形状を付与する第２付形工程と
   を備えることを特徴とする車体構成材の製造方法。
2. 前記材料セット工程では、加熱状態にある金属板材が第１の型と第２の型との間にセットされることを特徴とする請求項１に記載の車体構成材の製造方法。
3. 二つの山部の間に谷部が存在するような断面形状を有する車体構成材を製造するためのプレス加工装置であって、
   相対接近離間可能に設けられた第１の型及び第２の型と、
   前記第１の型によって前記両型の接近離間方向に出没可能に保持された可動入れ子と、
   前記可動入れ子を前記第２の型に向けた突出方向に付勢可能な入れ子付勢手段と
   を備えており、
   前記可動入れ子及び第２の型には、両者の最接近時に車体構成材の前記谷部を形成するための谷形付形部がそれぞれ設けられ、
   前記第１及び第２の型には、両者の最接近時に車体構成材の前記二つの山部を形成するための山形付形部がそれぞれ設けられ、
   前記入れ子付勢手段は、所定の付勢力設定値（Ｓ）を持つと共に、可動入れ子が第２の型によって前記付勢力設定値（Ｓ）以上の押圧力（Ｐ）でもって押圧されたとき、可動入れ子の第１の型内への後退を許容しつつその押圧力に対する反発力を発揮する
   ことを特徴とするプレス加工装置。

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