JP2007044727A - プレス成形品の製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コストの上昇を抑え、インバース形状を良好に加工することが可能なプレス成形品の製造方法および製造装置を提供する。
【解決手段】 板状の金属材料である被加工部材Ｗを、熱間加工または温間加工によりインバース形状を有する筒状形状に加工するプレス成形品の製造方法であって、前記インバース形状を、レーザビームＬを加熱手段とて使用してブロー成形により加工することを特徴とする。
【選択図】 図６

Description

本発明は、プレス成形品の製造方法および製造装置に関する。

インバース形状を有するプレス形状部品については、プレス型の特性から一工程での成形は非常に困難であり、多段階もしくは分割したものを溶接するなどの手段が必要である。また、複雑な形状部品の成形としては超塑性加工技術があり、例えば、ガスを使用したブロー成形が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−５４５号公報

しかしながら、冷間プレスと溶接の組み合わせにおいては、溶接するためのフランジの追加、もしくは部品の合わせ精度を上げるために合わせ面に機械加工を追加するなどコスト上昇の一因となる場合がある。

また、超塑性加工においては材料全体を変形させるため、インバース形状等の必要な部分のみを変形させることが困難である。

また、インバース形状の場合、成形させたい部分が型と接触しないため、ヒータ等の過熱手段を用いても他の部位より加熱温度が低くなりがちであり、本来成形させたい部位以外が変形する可能性がある。

本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、コストの上昇を抑え、インバース形状を良好に加工することが可能なプレス成形品の製造方法および製造装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明に係るプレス成形品の製造方法は、板状の金属材料である被加工部材を、熱間加工または温間加工によりインバース形状を有する筒状形状に加工するプレス成形品の製造方法であって、前記インバース形状を、レーザビームを加熱手段とて使用してブロー成形により加工することを特徴とする。

上記目的を達成する本発明に係るプレス成形品の製造装置は、板状の金属材料である被加工部材にレーザビームを照射するためのレーザビーム照射手段と、前記レーザビームが通過できる穴部が形成され、前記レーザビームを反射させて照射方向を所定の角度に設定できるベンドミラーが前記穴部に設置され、前記ベンドミラーにより反射されたレーザビームを外部に通過させるためのレーザ照射穴が設けられた、前記被加工部材を押圧するためのポンチと、前記ポンチの内部にブロー成形用のガスを供給するガス供給手段と、前記ポンチの形状と対応し、前記ポンチが挿入された際にポンチのレーザ照射穴と対応する部位に、成形されるインバース形状と対応する形状の凹部を有する成形型と、を有することを特徴とする。

上記のように構成した本発明に係るプレス成形品の製造方法は、インバース形状を、レーザビームを加熱手段とて使用してブロー成形により加工するため、インバース形状を別工程で成形したり、または溶接等により形成させる必要が無いことから、溶接するためのフランジの追加、もしくは部品の合わせ精度を上げるために合わせ面に機械加工を追加する等の必要が無く、コストを削減できる。また、加熱手段としてレーザビームを用いるため、インバース形状等の必要な部分のみを加熱して変形させることができ、良好な加工が可能となる。

上記のように構成した本発明に係るプレス成形品の製造装置は、ベンドミラーにより反射されてレーザ照射穴から照射されたレーザビームにより被加工部材を加熱し、ガス供給手段によりガスを供給してブロー成形が可能であるため、インバース形状を別工程で成形したり、または溶接等により形成させる必要が無いことから、溶接するためのフランジの追加、もしくは部品の合わせ精度を上げるために合わせ面に機械加工を追加する等の必要が無く、コストを削減できる。また、加熱手段としてレーザビーム照射手段により照射されたレーザビームを用いるため、インバース形状等の必要な部分のみを加熱して変形させることができ、良好な加工が可能となる。

本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は従来のインバース形状を有する成形品の一例を示す側面図である。

従来のインバース形状１０１を有する成形品１００は、例えば被加工材料を４５０Ｍｐａ級の引っ張り強度を有する板厚２．０ｍｍの鋼板とし、同様の強度を有する電縫管を切断して接合部１０２でＭＩＧ溶接等により接合して成形されるのが一般的である。しかし、突合せ溶接の場合には突き合わせ精度を確保する必要があり、切断精度を高くするために場合によっては機械加工の必要がある。

図２は本発明の実施形態に係るプレス成形品の製造方法による加工後のインバース形状を有する成形品を示す斜視図、図３は本発明の実施形態に係るプレス成形品の製造装置を示す図である。

図２に示すようなインバース形状を有する成形品１０を成形するための被加工部材Ｗとして、本実施形態では、例えば板厚２．０ｍｍの７８０Ｍｐａの引っ張り強度を有し超塑性現象を発現する超塑性金属材料の２相ステンレス合金を使用する。超塑性金属材料としては、その他アルミニウム合金、鉄系合金、ステンレス合金、チタン合金、銅合金、およびマグネシウム合金等を使用することもできる。

本実施形態における成形品１０は、被加工部材Ｗの表面に対して垂直方向の筒状形状部１１と、この筒状形状部の側面に成形されたインバース形状部１２とを有するように加工される。

次に、本実施形態に係るプレス成形品の製造装置について説明する。

図３は本実施形態に係るプレス成形品の製造装置を示す部分断面図である。

本実施形態に係るプレス成形品の製造装置２０は、押圧方向に向かって穴部３１が設けられたポンチ３０と、レーザビーム照射手段としてのレーザビームＬの加工ヘッド（不図示）と、ポンチ３０と加工ヘッドを連結させるジョイント４０と、を有している。ポンチ３０は、例えば外径がφ４０ｍｍ、穴部３１の内径がφ２５ｍｍである。

レーザビーム照射手段には、本実施形態では例えばＹＡＧレーザを使用し、光ファイバーにて光学ヘッドに伝送し、光学ヘッドにてレーザビームを例えばφ２０ｍｍとして取り込まれる。ＹＡＧレーザは、本実施形態では発信機出口で出力２．５ｋＷのものを使用するが、レーザ出力と加熱温度との関係から、事前に１．５ｋＷから２．０ｋＷの範囲でレーザ出力が調整される。

ジョイント４０には、ポンチ３０の穴部３１と連通するジョイント貫通孔４１が形成されている。

ポンチ３０の穴部３１には、レーザビームＬを通過させることができる保護レンズ５０が固定されている。ポンチ３０には、保護レンズ５０に対してレーザ照射方向下方にブロー成形用のガス挿入口３２が形成され、ガス供給手段（不図示）からポンチ３０の内部にガスが供給可能となっている。

ポンチ３０の穴部３１には、レーザビームＬを照射方向と交差する方向に反射させるベンドミラー６０が設置されており、反射されたレーザビームＬの進行方向にレーザ照射穴３３が設けられている。

また、ポンチ３０の先端部には、被加工部材Ｗを加熱するためのポンチ用ヒータ３４が設置されている。

ポンチ３０の先端方向には、被加工部材Ｗが配置され、ポンチ３０の外形に対応する成形孔７１を有する成形型７０が設けられており、ポンチ３０と成形型７０は、ポンチ３０が成形孔７１に挿入可能に相対的に近接離間することができる。

成形型７０は、少なくとも２分割でき、本実施形態では成形孔７１で２つの成形型７０Ａ，７０Ｂに分割できる。成形型７０Ａ，７０Ｂの一方には、ポンチ３０が成形型７０に挿入された際にポンチ３０のレーザ照射穴３３と対応する部位に、成形品１０に形成されるインバース形状部１２と対応する形状の内壁を有する凹部７２が形成されている。また、成形型７０の被加工部材Ｗと接する部位近傍には、成形型用ヒータ（不図示）が設けられている。

次に、プレス成形品の製造装置２０を用いた製造方法について説明する。

図４は本実施形態に係る製造方法による加工前を示す断面図、図５は本実施形態に係る製造方法によるプレス成形を説明するための断面図、図６は本実施形態に係る製造方法によるブロー成形を説明するための断面図である。

まず、図４に示すように、成形型７０に被加工部材Ｗを設置し、ポンチ用ヒータ３４および成形型用ヒータにより、被加工部材Ｗを、被加工部材Ｗの超塑性温度である例えば８００℃に加熱して保持する。

次に、図５に示すように、ポンチ３０の押し込み速度を例えば５ｍｍ／ｍｉｎから１０ｍｍ／ｍｉｎの範囲に設定してプレス加工を実施し、ポンチ３０の押し込み量が所定の深さに達した後、押し込み速度を０ｍｍ／ｍｉｎとする。

次に、図６に示すように、レーザビームＬを照射し、ベンドミラー６０により反射させてレーザ照射穴３３から被加工部材Ｗを超塑性温度に加熱する。この後、ガス挿入口３２からポンチ３０の内部にガスを供給し、被加工部材Ｗを成形型７０の凹部７２に対応する形状にブロー成形を行う。加工時のブロー成形ガス圧は、１〜２Ｍｐａの範囲で調整する。なお、本実施形態において上述の範囲よりガス圧が低い場合は、インバース形状部１２の成形が不十分となり、ガス圧が高い場合はインバース形状部１２の板厚が不均一となることが確認されている。

この後、成形型７０Ａ，７０Ｂを分割し、成形品を成形型７０から取り出す。

以上のように、熱間加工または温間加工における板状の金属材料である被加工部材Ｗの筒状の形状への成形においてインバース形状の加工を行うにあたり、被加工部材Ｗの加熱手段としてレーザビームＬを照射してブロー成形し、分割が可能な成形型７０を用いることで、一工程分の成形型７０でインバース形状の成形が可能となり、またインバース加工を行う部位を直接加熱することが可能となり、ブロー成形後の板厚のコントロールが従来に対して容易となる。

また、インバース形状を、レーザビームＬを加熱手段とて使用してブロー成形により加工するため、インバース形状を別工程で成形したり、または溶接等により形成させる必要が無いことから、溶接するためのフランジの追加、もしくは部品の合わせ精度を上げるために合わせ面に機械加工を追加する等の必要が無く、コストを削減できる。また、加熱手段としてレーザビームＬを用いるため、インバース形状等の必要な部分のみを加熱して変形させることができ、良好な加工が可能となる。

また、被加工部材Ｗに超塑性加工材料を使用することで、超塑性発現温度に保持してブロー成形を行うことによってブロー成形圧を低くすることが可能となり、筒状成形のためのポンチ３０を小型化することができ、より複雑な形状への適用が可能となる。

また、レーザビームＬが筒状成形用のポンチ３０の内部を通るとともに、このポンチ３０の内部をブロー成形用のガスが供給されてインバース形状部を成形することにより、レーザビームＬの照射経路を単純化することが可能であり、被加工部材Ｗの加熱温度のコントロールが容易になる。また、ポンチ３０内部の構造が単純となることから、メンテナンスがしやすいという効果が得られる。

また、ポンチ３０の内部にレーザビームＬとともにブロー成形用のガスを供給することで、ブロー成形用のガスがベンドミラー６０のシールドを兼ねることが可能となる。

また、ポンチ３０の先端部および成形型７０の少なくとも一方の被加工部材Ｗとの接触部近傍に、ヒータを配置して被加工部材Ｗを加熱することにより、筒状成形における材料の流入をコントロールすることが可能となる。

また、成形型７０が少なくとも２分割できることにより、成形型７０から複雑な形状の成形品を取り出すことが可能となる。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。例えば、成形型７０の凹部７２の形状は円柱状ではなく、他の複雑な形状等とすることもできる。また、成形型７０の凹部７２は、分割された成形型７０の一方に形成されるのではなく、分割される複数の成形型７０に亘って形成させることもできる。

従来のインバース形状を有する成形品の一例を示す側面図である。 本発明の実施形態に係るプレス成形品の製造方法による加工後のインバース形状を有する成形品を示す斜視図である。 本実施形態に係るプレス成形品の製造装置を示す部分断面図である。 本実施形態に係る製造方法による加工前を示す断面図である。 本実施形態に係る製造方法によるプレス成形を説明するための断面図である。 本実施形態に係る製造方法によるブロー成形を説明するための断面図である。

符号の説明

１０ 成形品、
１１ 筒状形状部、
１２ インバース形状部、
２０ 製造装置、
３０ ポンチ、
３１ 穴部、
３２ ガス挿入口、
３３ レーザ照射穴、
３４ ポンチ用ヒータ、
４０ ジョイント、
４１ ジョイント貫通孔、
５０ 保護レンズ、
６０ ベンドミラー、
７０ 成形型、
７１ 成形孔、
７２ 凹部、
Ｌ レーザビーム、
Ｗ 被加工部材。

Claims (12)

1. 板状の金属材料である被加工部材を、熱間加工または温間加工によりインバース形状を有する筒状形状に加工するプレス成形品の製造方法であって、
   前記インバース形状を、レーザビームを加熱手段とて使用してブロー成形により加工することを特徴とするプレス成形品の製造方法。
2. 前記被加工部材は超塑性金属材料であり、レーザビームにより被加工部材の加熱温度を超塑性温度に保持することを特徴とする請求項１に記載のプレス成形品の製造方法。
3. 前記超塑性金属材料は、アルミニウム合金、鉄系合金、ステンレス合金、チタン合金、銅合金、およびマグネシウム合金のいずれかであることを特徴とする請求項２に記載のプレス成形品の製造方法。
4. 前記被加工部材をポンチおよび当該ポンチと対をなす成形型により筒状形状に加工し、前記ポンチの内部にレーザビームを照射し、前記ポンチの内部に設けられるベンドミラーによりレーザビームの照射角度を所定の角度に設定し、レーザビームを前記被加工部材のインバース形状が形成される部位に照射させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のプレス成形品の製造方法。
5. 前記ブロー成形は、前記ポンチの内部にブロー成形用のガスを供給して行うことを特徴とする請求項４に記載のプレス成形品の製造方法。
6. 前記ポンチの先端部および、前記成形型の少なくとも一方の前記被加工部材と接する部位近傍に設けられるヒータにより、前記被加工部材を加熱することを特徴とする請求項４または５に記載のプレス成形品の製造方法。
7. 前記成形型が少なくとも２分割されることにより、前記被加工部材が加工された成形品を取り出すことを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載のプレス成形品の製造方法。
8. 板状の金属材料である被加工部材にレーザビームを照射するためのレーザビーム照射手段と、
   前記レーザビームが通過できる穴部が形成され、前記レーザビームを反射させて照射方向を所定の角度に設定できるベンドミラーが前記穴部に設置され、前記ベンドミラーにより反射されたレーザビームを外部に通過されるためのレーザ照射穴が設けられた、前記被加工部材を押圧するためのポンチと、
   前記ポンチの内部にブロー成形用のガスを供給するガス供給手段と、
   前記ポンチの形状と対応し、前記ポンチが挿入された際にポンチのレーザ照射穴と対応する部位に、成形されるインバース形状と対応する形状の凹部を有する成形型と、
   を有することを特徴とするプレス成形品の製造装置。
9. 前記被加工部材は超塑性金属材料であり、前記レーザビーム照射手段は、照射するレーザビームにより被加工部材を超塑性温度に加熱できることを特徴とする請求項８に記載のプレス成形品の製造装置。
10. 前記超塑性金属材料は、アルミニウム合金、鉄系合金、ステンレス合金、チタン合金、銅合金、およびマグネシウム合金のいずれかであることを特徴とする請求項９に記載のプレス成形品の製造装置。
11. 前記ポンチの先端部および、前記成形型の少なくとも一方の前記被加工部材と接する部位近傍に、ヒータを有することを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載のプレス成形品の製造装置。
12. 前記成形型は、少なくとも２分割できることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項に記載のプレス成形品の製造装置。

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