JP2012066291A - プレス金型及びこのプレス金型を用いたプレス方法 - Google Patents

Abstract

【課題】元材を椀形状のプレス成型材へとプレスするプレス金型において、成型材に局部的な欠肉を生じさせないようにする。
【解決手段】本発明のプレス金型１は、元材５を載せた下金型２に対して上金型３又は下金型２を押圧方向軸回りに回転させた後に上金型３を下金型２へ押し付けることで、元材５を椀形状のプレス成型材へと成型するものであって、下金型２は、椀形状を形成可能な凹状の金型面２ａを有し、上金型３は立板形状とされていて、当該上金型３の下端面は、下金型２の金型面２ａ側に向かって突出する凸状押圧面３ａとされていて、凸状押圧面３ａの最も下方に突出した部位には、上方に凹状とされた切り欠き部１０が形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、プレス金型及びこのプレス金型を用いたプレス方法に関するものである。

例えば、大型の圧力容器などに用いるドーム状の隔壁（椀形状のプレス成型材）を成型するためのプレス金型として、平板状の元材を載せた下金型とこの下金型を押圧する上金型とを押圧方向軸回りに相対回転させつつ、上金型を下金型に押し付けるように構成されたものが知られている（例えば、特許文献１等参照）。
このプレス金型において、下金型には、得ようとする椀形状に対応した窪みが設けられており、これに対して上金型は、下金型の窪み内に嵌るように、側面視して下方凸の半月形を呈するような板状の押型とされている。またこの上金型の上部には、押圧方向軸回りに回転させるための回転装置と、下金型へ向けた昇降及び押圧を行うためのプレス装置とが設けられている。なお、回転装置としては、下金型を回転させるように構成されているものもあり、プレス金型においては、上金型又は下金型が押圧方向軸回りに回転可能となっている。

このプレス金型を用いたプレス方法では、回転装置とプレス装置との交互駆動により、次のような手順を行っている。すなわち、上金型を下金型へ押し付ける毎に上金型を上昇させ、上昇後の上金型を押圧軸周りに適当量回転させてから再び上金型を下降させて下金型へ押し付けるという動作を１サイクルとして、これを複数サイクル繰り返させ、最終的に、下金型における窪み内の全周を上金型の下面で押圧できるようにしている。

特開昭５４−１２６６６５号公報

特許文献１に示されるような従来のプレス金型及びこのプレス金型を用いたプレス方法では、上金型で元材を押圧する際に、その押圧面（下方凸半月形の円弧面）に沿った方向の材料流れと、押圧面に略直角な方向の材料流れとが異なる現象が生じていた。詳しくは、円弧状の押圧面に沿った方向では元板との摩擦係数が大きく、押圧面に略直角方向では元板との摩擦係数が小さいため、上金型の押圧面において、交わる二方向への材料流動が相対的に大きくなるという現象が起こっていた。

係る状況下で、上金型を上昇後に上金型を回転させ、下金型へ押し付けるという動作サイクルが繰り返されることで、前記した材料流動は周方向に広がってゆくので、その結果、元材は、上金型の回転中心に相当する部分で径方向外方へ向かう材料流動が集中することになって、この中心部分が他箇所に比べて局部的な薄肉化（欠肉）を起こすものとなっていた。このような局部的な欠肉が発生すると、形成後のプレス成型材において形状異常となり問題となる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、椀形状のプレス成型材を成型する場合に、局部的な欠肉を生じさせないようにしたプレス金型及びこのプレス金型を用いたプレス方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は次の手段を講じた。
即ち、本発明に係るプレス金型は、元材を載せた下金型と該下金型を押圧する上金型とを有し、前記上金型又は下金型を押圧方向軸回りに回転させた後に前記上金型を下金型へ押し付けることで、元材を椀形状のプレス成型材へと成型するプレス金型において、前記下金型は、前記椀形状を形成可能な凹状の金型面を有し、前記上金型は立板形状とされていて、当該上金型の下端面は、前記下金型の金型面側に向かって突出する凸状押圧面とされていて、前記凸状押圧面の最も下方に突出した部位には、上方に凹状とされた切り欠き部が形成されていることを特徴とする。

なお、前記凸状押圧面は、前記凹状の金型面に嵌り込む円弧状押圧面とされているとよい。
前記切り欠き部の幅Ｗが、式（１）を満たすとよい。
０．０５×Ｒ≦Ｗ≦０．７５×Ｒ （１）
ただし、Ｒは円弧状押圧面の曲率半径である。

一方、本発明に係るプレス方法は、前述したプレス金型を用いて椀形状のプレス成型材を形成することを特徴とする。
この場合、前記プレス金型による押圧で椀形状のプレス成型材を形成した後、該プレス成型材上に前記上金型の切り欠き部に対応して上方へ膨出した凸部が残存した際に、当該凸部を押圧して均すとよい。

本発明に係るプレス金型及びこのプレス金型を用いたプレス方法は、椀形状のプレス成型材を成型する場合に、局部的な欠肉を生じさせないようにすることができる。

本発明に係るプレス金型の斜視図である。 本発明に係るプレス金型の側面図である。 本発明に係るプレス金型の上金型を示した図である。 （ａ）は切り欠き部を具備しない上金型（従来例）を用いた際に元材に生じる材料流動を示した模式図であり、（ｂ）は本発明に係るプレス金型を用いた際に元材に生じる材料流動を示した模式図である。 プレス成型時の材料流れの実験結果を示した図である。 別実施形態で用いる上金型を示した図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき説明する。
図１〜図３は、本発明に係るプレス金型１の実施形態を示している。
図１及び図２に示すように、このプレス金型１は、工場床面等に設置される下金型２と、この下金型２の上方に設けられる上金型３とを有している。この下金型２の上に元材５を載せた状態で上金型３を下金型２に押し付けることで、元材５を椀形状のプレス成型材へとプレスする。

なお、元材５は、例えば、外周部を縁取るように起立リブ５ａが設けられた皿形元材や、起立リブ５ａのない円形の板材などが採用される。元板５の大きさとしては、直径（起立リブ５ａ付きの場合は内径）＝２５００ｍｍ以上が想定される。硬質な材料や高変形率の成型を行うときには、７００℃〜１２５０℃程度に加熱した熱間プレス成型を行うようにすればよい。

下金型２は、その上面を下方に窪ませた凹状の金型面２ａを有している。この金型面２ａは、椀形状に対応した空間であって、平面視形状が円形で且つ側断面形状が半円形を呈するようになっている。
上金型３は、油圧や水圧などのプレス装置（図示略）によって昇降可能に設けられており、下金型２の上部に元材５や椀形のプレス成型材の出し入れ空間を確保可能とさせる上昇位置と、下金型２を押圧する下降（圧下）位置との上下間を昇降する。また当然に、このプレス装置により、上金型３は下降位置において下金型２を所定の押圧力（圧下力）で押し付け可能とされている。

また、上金型３の上部には、下金型２を押圧する方向に対する軸回りで当該上金型３を所定角度ずつ回転可能にする回転装置（図示略）が設けられている。この上金型３の回転中心は、下金型２を平面視した場合の金型面２ａ中心（円形中心）に合致されている。
そのため、上金型３が上昇位置にあるときにこの回転装置を動作させることにより、プレス時の上金型３の平面視回転角を毎回、変位させることが可能である。また回転装置の動作を繰り返すことによって、上金型３の平面視回転角を３６０°以上にわたって回転させることも可能となっている。

上金型３は、立板形状（縦方向に起立した板状）とされていて、上部には回転装置及びプレス装置に連結される連結棒６が設けられている。この上金型３の下端面は、下金型２の金型面２ａ側に向かって突出する凸状押圧面３ａとされている。この凸状押圧面３ａは、金型面２ａに嵌り込んだときに、金型面２ａの内周面に沿うような円弧状押圧面とされている。

加えて、この上金型３において、凸状押圧面３ａの最も下方に突出した部位には、上方に凹状とされた切り欠き部１０が形成されている。この切り欠き部１０は、上金型３の板厚方向（水平方向）をトンネル状に貫通している。
この切り欠き部１０の幅Ｗ（図３に示すように下端側で開口する幅）は、式（１）を満たす大きさとされている。
０．０５×Ｒ≦Ｗ≦０．７５×Ｒ （１）
ただし、Ｒは凸状押圧面３ａの曲率半径である。
ここにおいて、切り欠き部１０の幅Ｗが０．０５×Ｒ未満であると、プレス成型材の内面で生じる局部的な欠肉（プレス成型材の中央部の薄肉化）を防止することができないものであり、切り欠き部１０の幅Ｗが０．７５×Ｒを越えると、プレス成型材の外面に欠肉（薄肉化）が発生することが実験により確かめられている。より好ましくは、０．１×Ｒ≦Ｗ≦０．７×Ｒとするのがよい。

なお、上金型３の側面視形状は、その上端部１３（曲率半径Ｒの中心から約Ｒ／２の範囲）を直線的に形成してもよい。
また、上金型３のエッジ部分は、全て面取りを施したＲ面１１に形成しておくのが好ましい。このような面取りは、切り欠き部１０の内側にも施してＲ面１２に形成しておくのが好ましい。

更に、切り欠き部１０の上方凹み高さＨは、式（２）を満たす大きさにすると好ましいことが実験により確かめられている。
０．０５×Ｗ≦Ｈ≦０．５×Ｗ （２）
ここにおいて、切り欠き部１０の凹み高さＨが０．０５×Ｗ未満であると、切り欠き部１０内に在する材料が少なくなり（切り欠き部１０に収容し得る元材の量が少なくなり）、プレス成型材の中央部の薄肉化に至るものとなり、欠肉を防止する効果が殆どないことが実験により確かめられている。

また、切り欠き部１０の上方凹み高さＨが０．５×Ｗを越えると、上金型３の強度が著しく低下するおそれが生じるため、好ましくない。
更に、上金型３の板厚ｔは、式（３）を満たす大きさにすると好ましいことが実験により確かめられている。
Ｒ／１６≦ｔ≦Ｒ／２ （３）
ただし、ｔは凸状押圧面３ａ（即ち、元材５との接触位置）での板厚とする。
ここにおいて、上金型３の板厚ｔがＲ／１６未満であると、上金型３が薄すぎることとなって上金型３の押圧が高面圧となり、元材５が上金型３の側方で隆起変形するだけとなり、その結果、元材５に対する十分な圧下を行うことができなくなる。

また、上金型３の板厚ｔがＲ／２を越えると、上金型３と元材５との接触面積が大きくなることに伴い、必要とされる圧下力も大きくなるため、プレス装置の圧下能力を超越してしまう（要するに能力不足となる）場合がでてくる。好ましくは、ｔ＝Ｒ／８とするのがよい。
次に、本発明に係るプレス金型１を用いて椀形状の板材を形成するプレス方法について説明する。

プレス装置によって上金型３を上昇させ、下金型２の上部に加熱した元材５を載せた状態で上金型３を下降させ、更にこの上金型３を下金型２に押し付けるようにする。
初期の段階では、元材５が下金型２の金型面２ａ内で凹む（めり込む）程度となるように、上金型３の凸状押圧面３ａで元材５を押圧し、上金型３を一旦上昇させる。そして上昇させた上金型３を回転装置によって押圧方向軸回りに所定角度回転させ、再び、プレス装置によって上金型３を下降させる。

以降、元材５が下金型２の金型面２ａの底に達するまで、このようなプレス装置の動作と回転装置の動作とを交互に組み合わせながら繰り返し行い、プレス成型を実施する。
このプレス中において上金型３が下降して元材５を押圧するとき、上金型３に設けられた切り欠き部１０と元材５と接触状態は、凸状押圧面３ａと元材５との接触状態とは異なると共に、切り欠き部１０による押圧力は他の部分より小さい状況下となり、切り欠き部１０内に収容される元材５は、材料流動が抑制される状態となる。

図４は、元材５に起こる材料流動を調べた結果の模式平面図で、図４（ａ）は切り欠き部を具備しない上金型による比較例の場合であり、図４（ｂ）は切り欠き部１０を具備した上金型３による本発明の場合である。各図中の矢符の向きが材料流動の向きを表しており、矢符の長さが流動の程度（量）を表している。
図４（ａ），図４（ｂ）の比較で明かなように、上金型が切り欠き部を具備していなければ上金型の中央付近で材料流動の大きな領域Ｘが存在し、その結果として、この材料流動の大きな領域Ｘで欠肉（プレス成型材の中央部の薄肉化）が起こることは明白である。

これに対し、上金型３が切り欠き部１０を具備していれば、上金型３の側方は、中央付近も外周寄りも、小さく抑えられた材料流動がほぼ均一的に起こるものとなっている。従って、本発明に係るプレス金型１を用いて形成された椀形状のプレス成型材では、局部的な欠肉は起こらない。
なお、このようにして形成された椀形状のプレス成型材には、上金型３の切り欠き部１０に対応して上方へ膨出した凸部が残存することがある。このような凸部は、後の機械加工で切削してもよいが、残存した凸部をポンチなどの押圧手段（図示略）によって押圧し、凸部を均す（潰す）ようにしてもよい。

本発明のプレス金型１の寸法形状を決めるために行った実験の結果を、以下に示す。
実験では、上金型３において、切り欠き部１０の幅Ｗと上方凹み高さＨを種々に変えて、凸状押圧面３ａの曲率半径Ｒに対する比率が変わるようにした状況下でプレスを行い、これらＷ，Ｈと欠肉（プレス成型材の中央部の薄肉化）の発生状況との相関を調べた。
元材５には、材質がＳ４５Ｃであり、且つ外周部を縁取るように起立リブ５ａが設けられた皿形元材を採用した。

元材５の外形寸法(図２参照)は、外径Ｄが２４０ｍｍ、内径ｄが１８０ｍｍ、外周部板厚ｈ１が５０ｍｍ、中央凹部内の板厚ｈ２が２５ｍｍであった。また元材５は、プレス前に８００℃に加熱した。
上金型３における凸状押圧面３ａの曲率半径Ｒは９５ｍｍ（即ち、プレスによって形成される椀形状板材の内径は１９０ｍｍとなる）とし、上金型３の板厚ｔは１０ｍｍ（約Ｒ／８）とした。

欠肉の発生結果を表１、図５に示す。

表１から、欠肉が発生しないため（○とするため）には、Ｗ／Ｒは０．０５≦Ｗ／Ｒ≦０．７５とする必要があり、Ｈ／Ｗは０．０５≦Ｈ／Ｗ≦０．５とするのが好ましいことが確認された。
また、図５は、切り欠き部１０の幅Ｗと凸状押圧面３ａの曲率半径Ｒとの比率を変えた際の欠肉の発生状況を、上に凸状の椀形状のプレス成型材の内面及び外面の座標として示したグラフである。この図の横軸はＷ／Ｒであり、縦軸はプレス成型材の中央部（外頂面、内頂面）における材料の位置座標を示したものである。

図５に示すプレス成型材では、外頂面では最終的な形状（切削後の形状）が座標値約５７の値をとり、内頂面では最終的な形状（切削後の形状）が座標値約４０の値をとる。
この図から明らかなように、外頂面においては、Ｗ／Ｒが大きな値を取る場合、材料の位置座標が最終的な形状が座標値（約５７）を下回る、すなわち外面欠肉が発生していることがわかる。一方、内頂面においては、Ｗ／Ｒが小さな値を取る場合、材料の位置座標が最終的な形状が座標値（約４０）を上回る、すなわち内面欠肉が発生していることがわかる。すなわち、Ｗ／Ｒが０．０５≦Ｗ／Ｒ≦０．７５であれば、製品の欠肉を防止することができる。より好ましくは０．１≦Ｗ／Ｒ≦０．７とすることで、欠肉を確実に防止できることを本願出願人らは確認している。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施の形態に応じて適宜変更可能である。
例えば、上金型３は、図６に示すように、高さの小さなものとして形成させることも可能である。また、上金型３の板厚ｔは、下すぼみのテーパ形（Ｔ１＞Ｔ２）に形成することも可能である。言うまでもなく、この場合の下端側板厚Ｔ２をｔとおいて、式（３）が適用されるものとする。このような下すぼみのテーパ形を採用すれば、上金型３により元材５を押圧後、上金型３を上昇させるときに、上金型３と元材５との離反（離型性）が確実且つ円滑に行われるものとなる利点がある。

なお、切り欠き部１０における上方凹み高さＨを低くすれば、切り欠き部１０は扁平な形状になることを付言する。ただし、切り欠き部１０は円弧状とすることが限定されるものではなく、例えば多角形状の凹部として形成することも可能である。
実施形態では、上金型３を回転自在として説明を行ったが、下金型２を回転可能な構造にすることも可能である。上金型３と下金型２の双方を回転させたりするようにしてもよい。

元材５の材質や形状、寸法などは特に限定されるものではなく、熱間でプレスすることも限定されず、冷間でもよい。
また、本実施形態では、プレス加工時において、上金型を上昇した後、上金型を押圧方向軸回りに回転させるようにしていたが、下金型を圧方向軸回りに回転させるようにしても何ら問題はない。

１ プレス金型
２ 下金型
２ａ 金型面
３ 上金型
３ａ 凸状押圧面
５ 元材
５ａ 起立リブ
６ 連結棒
１０ 切り欠き部
１１ Ｒ面
１２ Ｒ面
１３ 上端部

Claims (5)

1. 元材を載せた下金型と該下金型を押圧する上金型とを有し、前記上金型又は下金型を押圧方向軸回りに回転させた後に前記上金型を下金型へ押し付けることで、元材を椀形状のプレス成型材へと成型するプレス金型において、
   前記下金型は、前記椀形状を形成可能な凹状の金型面を有し、
   前記上金型は立板形状とされていて、当該上金型の下端面は、前記下金型の金型面側に向かって突出する凸状押圧面とされていて、
   前記凸状押圧面の最も下方に突出した部位には、上方に凹状とされた切り欠き部が形成されていることを特徴とするプレス金型。
2. 前記凸状押圧面は、前記凹状の金型面に嵌り込む円弧状押圧面とされていることを特徴とする請求項１に記載のプレス金型。
3. 前記切り欠き部の幅Ｗが、式（１）を満たすことを特徴とする請求項２に記載のプレス金型。
   ０．０５×Ｒ≦Ｗ≦０．７５×Ｒ （１）
   ただし、Ｒは円弧状押圧面の曲率半径である。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のプレス金型を用いて椀形状のプレス成型材を形成することを特徴とするプレス方法。
5. 前記プレス金型による押圧で椀形状のプレス成型材を形成した後、該プレス成型材上に前記上金型の切り欠き部に対応して上方へ膨出した凸部が残存した際に、当該凸部を押圧して均すことを特徴とする請求項４に記載のプレス方法。