JP2014533608A - 薄鋼板製ワーク、特に亜鉛めっきされた薄鋼板製ワーク、を熱間成形およびプレス硬化する方法および成形工具 - Google Patents

Abstract

本発明は、板状の、または予備成形された、薄鋼板製ワーク（１）、特に亜鉛めっきされた薄鋼板製ワーク（１）、を熱間成形およびプレス硬化する方法であって、ワークはオーステナイト化温度より高い温度まで加熱され、その後に、パンチ（２）と雌型（３）とを有する冷却された成形工具において成形および急冷される方法において、熱間成形およびプレス硬化に用いられる雌型（３）は、正のダイＲによって画成されるその絞り角領域が、ワーク（１）が熱間成形およびプレス硬化されるときに前記ワークに接触する、前記絞り角領域に隣接する雌型（３）の部分（３．１）の熱伝導率より少なくとも１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）低い熱伝導率を有する材料（６、６’）で材料結合式に被覆され、および／または前記熱伝導率を有する少なくとも１つのインサート部（５）がそこに設けられ、絞り角領域に施された材料（６、６’）の、またはそこに配置されたインサート部（５）の、ワーク（１）に面する表面は、絞り角（７）にわたって広がる横寸法を有し、この横寸法は雌型（３）の正のＲの１．６倍乃至１０倍の範囲内であることを特徴とする方法に関する。対応する成形工具も特許請求される。【選択図】図１

Description

本発明は、板状の、または予備成形された、薄鋼板製ワーク、特に亜鉛めっきされた薄鋼板製ワーク、を熱間成形およびプレス硬化する方法に関する。本方法において、ワークはオーステナイト化温度より高い温度まで加熱され、その後に、少なくとも１つのパンチと少なくとも１つの雌型とを有する冷却された成形工具において成形および急冷される。本発明は、板状の、または予備成形された、薄鋼板製ワーク、特に亜鉛めっきされた薄鋼板製ワーク、を熱間成形およびプレス硬化するための、少なくとも１つのパンチと前記パンチに対応付けられた雌型とを有する成形工具であって、冷却用流体を導くための冷却用ダクトがパンチおよび／または雌型に設けられた成形工具に更に関する。

薄鋼板製ワークを熱間成形およびプレス硬化するための複数の装置が公知である。これら装置は少なくとも２つの工具半体を有し、これら工具半体の複数の領域は、さまざまな熱伝導特性を有するように構成されており、これら熱伝導特性を利用することによって、製作される部品の局所的に異なる強度特性の調整を可能にしている。これら装置によって実施される方法は、専門家には「調整された焼き戻し(tailored tempering, Tailored-Tempering（英、独訳）)」として公知である。対応する装置が、例えば特許文献１に開示されている。

製作に用いられる工具半体は、ワークの湾曲部の領域に正のＲを有し、反対領域に空隙を形成し、反りを起こさない型締めを容易ならしめるようにこれら空隙に隣接して突起が構成されているという点で、成形された部品の寸法精度と取り付け精度とを向上させることも公知である。この結果、さまざまな硬度を当該部品に設定することも可能である。硬化された薄鋼板製部品を製作するための対応装置が特許文献２に記載されている。

亜鉛めっきされた鋼素材片を従来の成形工具で熱間成形すると、亜鉛被覆に亀裂が発生する場合があることがテストにより証明されている。これら亀裂は素材片にまで広がることもあり、この結果、部品が時期尚早に破損することもある。

独国特許出願公開第１０ ２００９ ０１８ ７９８（Ａ１）号 独国特許出願公告第１０ ２００４ ０３８ ６２６（Ｂ３）号

本発明の目的は、熱間成形工程中に鋼材の流動特性を向上させることによって、薄鋼板製ワーク、特に亜鉛めっきされた鋼素材片、の熱間成形中に亀裂が発生する危険性を著しく減らす、冒頭で述べた種類の方法と成形工具とを提供することである。

上記目的は、請求項１の特徴を有する方法と、請求項８の特徴を有する成形工具とによって達成される。

本発明の好適かつ有利な構成が従属請求項に示されている。

本発明によると、熱間成形およびプレス硬化に用いられる雌型は、正のダイＲによって画成されるその絞り角領域が、ワークが熱間成形およびプレス硬化されるときに当該ワークに接触する、絞り角領域に隣接する雌型の部分の熱伝導率より少なくとも１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）低い材料で被覆される、および／または前記熱伝導率を有する少なくとも１つのインサート部がそこに設けられる。本発明によると相対的に低い熱伝導率を有する、絞り角領域に施される材料、またはそこに配置されるインサート部は、ワークに面するその表面が、絞り角にわたって広がる横寸法を有し、この横寸法は雌型の正のＲの１．６倍乃至１０倍の範囲内、好ましくは１．６倍乃至６倍の範囲内、であるように構成される。したがって、絞り角領域に配置される、相対的に低い熱伝導率を有するインサート部または材料の横の広がり（横寸法）は制限され、比較的小さい。

成形対象の被覆された薄鋼板（ワーク）は、特に、雌型の正のダイＲによって画成される絞り角領域において、高塑性変形を受ける。パンチの動作により、この領域において、ワークは最初に圧縮応力を受ける。この圧縮応力は、成形工具の連続型締め運動中に、引張応力に変化する。ワークと成形工具との間の温度差が大きいと、従来の成形工具においては、特に従来の成形工具の正のＲにおいて、ワークの局所的流動特性に悪影響を及ぼすため、被覆に、例えば亜鉛層に、亀裂が頻繁に発生する。板厚が増大し、製作される部品の形状が複雑になるにつれて、さまざまな深さの亀裂が発生し得る。亀裂は、被覆された部品の薄板の内部に達することもある。

本発明によると、例えば被覆によって、絞り角領域に施される、相対的に低い熱伝導率を有する材料は、またはそこに配置される、相対的に低い熱伝導率を有するインサート部は、熱間成形およびプレス硬化によって製作された部品がほぼ完全なマルテンサイト組織を確実に有するべく寸法設計される。この点に関して、雌型の絞り角の影響を受けた、すなわち相対的に低い熱伝導率を有する材料またはインサート部の影響を受けた、プレス硬化後の部品の部分は、当該部品の別の部分または残りの部分より低い硬度を有し得る。しかし、本発明によると、このような影響を受けた、プレス硬化後の部品の部分は、必要最小限の硬度より高い、マルテンサイト組織に相当する硬度を必ず有する。これにより、被覆、例えば亜鉛層、の亀裂、さらには対応する被覆後の薄板の亀裂、が回避されるか、または少なくとも被覆の亀裂の深さ、または被覆された薄板の亀裂の深さ、が大幅に縮小される。

被覆された、例えば亜鉛めっきされた、ワーク（薄鋼板）が熱間成形されるときに発生する応力および歪み、さらには成形工程で発生する凝固は、従来の温度制御された成形工程に比べ、温度または熱損失が減ることによって、緩和される。この結果、発生し得る局所的な材料破損も低減または防止される。

したがって、本発明は熱間成形中の薄鋼板製ワークの流動特性を向上させ、これにより、薄鋼板製ワーク、好ましくは亜鉛めっきされた鋼素材片、の熱間成形中に亀裂が発生する危険性を著しく低減する。

特に、本発明は、被覆された薄鋼板から、例えば亜鉛めっきされた薄鋼板から、製作される、複雑な三次元形状を有する部品の実現可能性を向上させる。

本発明による解決策の好適な一構成によると、絞り角領域に配置されるインサート部、またはそこに施される材料、の熱伝導率は４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満、好ましくは３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満、特に好ましくは２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満である。この方策は、ワークの熱間成形中の温度または熱損失を好都合に減らし、これにより、ワークの成形挙動を向上させる。

本発明による解決策の別の有利な構成は、インサート部と雌型との間に断熱層が配置されることを特徴とする。この方策は、ワークの熱間成形中の温度または熱損失を更に減らすことができる。特に、この構成は、特に耐摩耗性の、しかし相対的に高い熱伝導率を有する、材料から製作されたインサート部の使用を可能にすると同時に、高い機械的応力にさらされない、特に高い摩擦応力にさらされない、断熱層を、絞り角領域を形成するインサート部に比べ耐摩耗性が低い断熱材料、例えばプラスチック材料または木質材料、で構成することを可能にする。

本発明による解決策の別の有利な構成によると、インサート部は、雌型の内周に対して、および／または雌型のキャビティに隣接する周囲面に対して、突出する突起を有する。この突起は、局所的隆起を形成することによって、成形されるワークからの熱の消散をダイＲの上流で更に一層効果的に減らすことができる。

本発明による解決策の別の有利な構成は、雌型の絞り角領域に施される材料が肉盛溶接によって、好ましくはレーザ肉盛溶接によって、雌型に施されることを特徴とする。これにより、雌型の絞り角領域における熱伝導率を確実かつ比較的単純な方法で下げることができる。相対的に低い熱伝導率を有する材料が施された部分が摩耗により摩減（侵食）したために、この部分を再生する必要がある場合は、肉盛溶接によって、好ましくはレーザ肉盛溶接によって、経済的に行うことができる。

本発明による解決策の別の有利な構成は、雌型の絞り角領域が、雌型に組み込まれた熱源によって、または加熱流体を導くダクトによって、局所的に選択加熱されることを特徴とする。この構成は、成形されるワークからの熱の消散を著しく減らすこともできるため、熱間成形中の鋼材の流動特性を向上させることができる。

本発明による解決策の上記構成のいくつか、または全て、を組み合わせることも本発明の範囲に含まれる。

以下においては、複数の実施形態を示す概略図を参照して本発明をより詳細に説明する。

本発明による一成形工具の一部分の断面図である。 本発明による別の成形工具の一部分の断面図である。 熱伝導率が相対的に低い被覆が絞り角領域に配置された絞り角を備えた、本発明による一成形工具の一部分の断面図である。 熱伝導率が相対的に低い材料が肉盛溶接によって絞り角領域に施された絞り角を備えた、本発明による一成形工具の一部分の断面図である。 熱伝導率が相対的に低いインサート部が絞り角領域に配置された絞り角を備えた、本発明による一成形工具の一部分の断面図である。 熱伝導率が相対的に低いインサート部が絞り角領域に配置された絞り角を備えた、本発明による一成形工具の一部分の断面図である。 熱伝導率が相対的に低い材料が肉盛溶接によって絞り角領域に施された絞り角を備えた、本発明による一成形工具の一部分の断面図である。 熱伝導率が相対的に低いインサート部が絞り角領域に配置された絞り角を備えた、本発明による一成形工具の一部分の断面図である。

図１および図２は、板状の、または予備成形された、薄鋼板製ワーク１、特に亜鉛めっきされた薄鋼板製ワーク、を熱間成形およびプレス硬化するための冷却された成形工具の一部分をそれぞれ示す。参照符号２は当該成形工具のパンチを示し、参照符号３は対応する雌型（鍛造用金型）を示す。さらに、図１および／または図２に示されている成形工具は、成形工程中にワーク１を雌型３に押し付ける素材片ホルダを有することも随意である。ただし、本発明による成形工具は、素材片ホルダなしに構成されることが好ましい。

雌型（鍛造用金型）３は、ワーク１が成形、すなわち深絞り、されるときにパンチ２が貫入するキャビティ４を含む。図１および図２はどちらも、閉状態の成形工具を、そこで成形されたワーク１と共に、示す。

冷却用流体を導くための冷却用ダクト（図示せず）が、雌型３および／またはパンチ２の当該工具の腑形面近くに設けられる。成形対象のワーク１は、開いている成形工具に導入される前に、最初に目標温度、好ましくはオーステナイト化温度より高い温度、まで加熱され、その後、冷却された成形工具で成形および急冷される。

成形中のワーク１の流動特性を向上させるために、または応力および／または歪みを減らすために、加熱された、板状の、または予備成形された、ワーク１の温度は、成形工程の前、できる限り高く維持されることが好ましい。これに影響を及ぼすことができるのは、例えば、加熱温度レベルの選択、および／または加熱装置（図示せず）、例えば連続炉、と成形工程の始点との間の移送時間の短縮、すなわち取扱い時間の短縮である。

本発明による成形工具は、最適化された熱伝達係数を特徴とする。これは、工具内へのワーク１の位置付け後、および工具内でのその成形中、加熱されたワーク１の（例えば、亜鉛めっきされた鋼素材片の）過度に急速な局所的冷却を防止する。本発明によると、少なくとも雌型３は、その熱伝達係数に関して最適化される。この目的のために、雌型３は、正のダイＲによって画成されるその絞り角領域が、材料で材料結合式に被覆され、および／またはワークの熱間成形およびプレス硬化中にワークに接触する、絞り角領域に隣接する雌型３の部分３．１の熱伝導率より少なくとも１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）低い熱伝導率を有する少なくとも１つのインサート部５がそこに設けられる。この点に関して、相対的に低い熱伝導率を有する手段は、急冷工程（プレス硬化）の終了後も依然として完全なマルテンサイト組織が成形後の部品（ワーク）１に生じていることを保証するために、寸法設計される。それ故に、本発明により構成された絞り角領域の影響を受けるワーク領域の硬度を、必要最小限の硬度範囲内に限られるが、下げることができる。この結果、ワーク１の亀裂を回避できるか、または亀裂深さを縮小できる。したがって、本発明によると、絞り角領域（図３を参照）に施された材料６の、またはそこに配置されたインサート部５の、ワーク１に面する表面は、絞り角７にわたって広がる、雌型３の正のダイＲの１．６倍乃至１０倍の範囲内である横寸法を有する。

図１および図２に示されている各実施形態において、それぞれの雌型３は、正のダイＲによって画成されるその絞り角領域に、好ましくは４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満、特に好ましくは３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満、の熱伝導率を有する少なくとも１つのインサート部５を有する。少なくとも１つのインサート部５は、リングまたは条片の形態に構成され、雌型３の絞り角領域に形成された凹部３．２に挿入される。

図３乃至図８は、本発明による成形工具、好ましくは雌型３の他の実施形態を模式的に示す。

図３に示されている実施形態において、熱間成形およびプレス硬化に用いられる雌型３は、正のダイＲによって画成されるその絞り角領域が、相対的に低い熱伝導率を有する材料６で被覆される。材料（被覆）６は、セラミック、例えば酸化アルミニウムまたは酸化ジルコニウム、であることが好ましい。絞り角領域は、例えば、フレーム溶射によって、特に粉末式フレーム溶射または溶線式フレーム溶射によって、またはアーク溶射またはプラズマ溶射によって、選択的に被覆可能である。

絞り角７にわたって延在する被覆６の横寸法は、例えば、雌型３の正のダイＲの１．６倍乃至４倍の範囲内、好ましくは１．６倍乃至２倍の範囲内、である。被覆６は、雌型３の隣接面３．１に対して置かれている。あるいは、隣接面３．１に対して僅かに、例えば約０．２５ｍｍ乃至０．５ｍｍ、またはこれ以上、突出させることもできる。

図４に示されている実施形態においては、熱間成形およびプレス硬化に用いられる雌型３の絞り角領域に、相対的に低い熱伝導率を有する材料追加部６’が肉盛溶接によって設けられる。肉盛溶接工程の前、絞り角にわたって横方向に延在する窪み３．３が、例えば雌型３の絞り角領域を機械加工することによって、形成される。その後、この窪み（凹部）３．３に、相対的に低い熱伝導率を有する材料６’が肉盛溶接によって配置される。施される材料６’として、例えば、何れも約３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、または３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満の熱伝導率を有する、クロム鋼、チタン、またはＸ５ＣｒＮｉ１８−１０などの高合金鋼を使用し得る。肉盛溶接によって絞り角領域に施された材料６’は、その後、雌型３の表面３．１に対してほぼ面一に終端するまで、または雌型３の表面３．１に対して僅かに突出するまで、フライス加工または研削によってサイズが小さくされる。

図５に示されている雌型３の部分は、図１に示されている実施形態にほぼ対応する。ここでも、熱伝導率が相対的に低い条片形状のインサート部５が雌型３の絞り角領域に配置される。インサート部５は、例えばセラミックから成り、好ましくは酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）または酸化ジルコニウムから成る。絞り角領域を形成するインサート部５の外面は、雌型３の表面３．１とほぼ面一に終端する。

図５は、加熱されたワークの熱損失を減らすための別のオプションまたは代替案をさらに示す。この代替案または追加オプションは、雌型３の絞り角領域を局所的に選択加熱できる、熱源、または加熱流体を導くダクト８、を雌型３に組み込むことを含む。別の好適な実施形態においては、絞り角領域を形成するインサート部５に熱源、例えば１つ以上の電熱線、または加熱用流体を導くダクト８、が組み込まれる。

図６に示されている実施形態では、図１、図２、および図５に示されている実施形態と異なり、インサート部５と雌型３との間に断熱層９が配置される。断熱層９は、１つ以上の層で構成され、例えば、プラスチック材料および／またはミネラルウールから成る。

図７に示されている実施形態においては、熱間成形およびプレス硬化に用いられる雌型３の絞り角領域に、熱伝導率が相対的に低い材料６’が肉盛溶接によって施される。ただし、図４による実施形態と異なり、材料追加部６’は、雌型３の内周に対して、または雌型３のキャビティ４に隣接する周囲面に対して、突出する突起６．１を有するように構成される。加熱されたワーク１からの熱の消散は、この相対的に低い熱伝導率を有する材料から成る局所的隆起、すなわち局所的突起６．１、によって低減される。この材料追加部６’に加え、雌型３の絞り角領域を局所的に選択加熱できる、熱源、または加熱流体を導くダクト８、をここでも雌型３に組み込み可能である。

図８に示されている実施形態では、図６に示されている実施形態と異なり、インサート部５は、雌型３のキャビティ４の内周に対して、またはキャビティ４に隣接する周囲面に対して、突出する突起５．１を有する。この点に関して、参照符号９は、ここでも、インサート部５と雌型３との間に配置された断熱層を示す。

本発明の実施は、上記の、および／または図面に示されている、実施形態に限定されるものではない。実際、添付の特許請求の範囲に詳述された本発明を上記実施形態とは異なる形態で利用する変形例または変更が多数考えられる。したがって、熱伝達係数を最適化するために、低い熱伝導率を有する手段５、５．１、６、６’、６．１、および／または９を、例えば、パンチに、および／または、必要であれば素材片ホルダにも、更に設ける

Claims (14)

1. 板状の、または予備成形された、薄鋼板製ワーク（１）、特に亜鉛めっきされた薄鋼板製ワーク（１）、を熱間成形およびプレス硬化する方法であって、前記ワークはオーステナイト化温度より高い温度まで加熱され、その後に、少なくとも１つのパンチ（２）と少なくとも１つの雌型（３）とを有する冷却された成形工具において成形および急冷される方法において、熱間成形およびプレス硬化に用いられる前記雌型（３）は、正のダイＲによって画成されるその絞り角領域が、前記ワークが熱間成形およびプレス硬化されるときに前記ワーク（１）に接触する、前記絞り角領域に隣接する前記雌型（３）の部分（３．１）の熱伝導率より少なくとも１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）低い熱伝導率を有する材料（６、６’）で材料結合式に被覆され、および／または前記熱伝導率を有する少なくとも１つインサート部（５）がそこに設けられ、前記絞り角領域に施された前記材料（６、６’）の、またはそこに配置された前記インサート部（５）の、前記ワーク（１）に面する表面は、前記絞り角（７）にわたって広がる横寸法を有し、前記横寸法は、前記雌型（３）の正のＲの１．６倍乃至１０倍の範囲内である、方法。
2. 前記絞り角領域に配置された前記インサート部（５）、または前記施された材料（６、６’）、の熱伝導率は、４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満、好ましくは３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満、であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記少なくとも１つのインサート部（５）は条片の形態に構成され、前記雌型（３）の絞り角領域に形成された凹部（３．２）に挿入されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 前記インサート部（５）と前記雌型（３）との間に断熱層（９）が配置されることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の方法。
5. 前記インサート部（５）は、前記雌型（３）の内周に対して、および／または前記雌型（３）の前記キャビティ（４）に隣接する周囲面（３．１）に対して、突出する突起（５．１）を有することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の方法。
6. 前記雌型（３）の前記絞り角領域に施される前記材料（６’）は、肉盛溶接によって前記雌型（３）に施されることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の方法。
7. 前記雌型（３）の前記絞り角領域は、前記雌型に組み込まれた熱源によって、または加熱流体を導くダクト（８）によって、局所的に選択加熱されることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の方法。
8. 板状の、または予備成形された、薄鋼板製ワーク（１）、特に亜鉛めっきされた薄鋼板製ワーク（１）、を熱間成形およびプレス硬化するための、少なくとも１つのパンチ（２）と前記パンチに対応付けられた雌型（３）とを有する成形工具であって、前記パンチ（２）および／または前記雌型（３）が冷却用流体を導くための冷却用ダクトを有する成形工具において、前記雌型（３）は、正のダイＲによって画成されるその絞り角領域が、前記ワークが熱間成形およびプレス硬化されるときに前記ワーク（１）に接触する、前記雌型（３）の前記絞り角領域に隣接する部分（３．１）の熱伝導率より少なくとも１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）低い熱伝導率を有する材料（６、６’）で材料結合式に被覆され、および／または前記熱伝導率を有する少なくとも１つインサート部（５）がそこに設けられ、前記絞り角領域に施された前記材料（６、６’）の、またはそこに配置された前記インサート部（５）の、前記ワーク（１）に面する表面は、前記絞り角（７）にわたって広がる横寸法を有し、前記横寸法は、前記雌型（３）の正のＲの１．６倍乃至１０倍の範囲内であることを特徴とする成形工具。
9. 前記絞り角領域に配置された前記インサート部（５）の、または前記施された材料（６、６’）の、熱伝導率は４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満、好ましくは３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満、であることを特徴とする請求項８に記載の成形工具。
10. 前記少なくとも１つのインサート部（５）は、条片の形態に構成され、前記雌型（３）の前記絞り角領域に形成された凹部（３．２）に挿入されることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の成形工具。
11. 前記インサート部（５）と前記雌型（３）との間に断熱層（９）が配置されることを特徴とする請求項８〜１０の何れか１項に記載の成形工具。
12. 前記インサート部（５）は、前記雌型（３）の内周面に対して、および／または前記雌型（３）のキャビティ（４）に隣接する周囲面（３．１）に対して、突出する突起（５．１）を有することを特徴とする請求項８〜１１の何れか１項に記載の成形工具。
13. 前記雌型（３）の前記絞り角領域に施される前記材料（６’）は、肉盛溶接によって前記雌型（３）に施されることを特徴とする請求項８〜１２の何れか１項に記載の成形工具。
14. 熱源、または加熱流体を導くダクト（８）、が前記雌型（３）に組み込まれ、前記熱源または前記ダクト（８）によって前記雌型（３）の前記絞り角領域を局所的に選択加熱できることを特徴とする請求項８〜１３の何れか１項に記載の成形工具
    
    

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