JP3771921B2 - 薄板金パネルを形成するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、個性化を図るパターンが形成された薄板金部品の製造方法に関し、更に詳細には、超塑性プロセス又は他の高温成形プロセスを使用して薄板金パネル（すなわち、シートメタルパネル）の表面にパターンをエンボス加工で形成する方法に関する。

例えばアルミニウム合金、マグネシウム合金、ステンレス鋼、及びチタン合金（チタニウム合金）等の特定の微粒（ｆｉｎｅ ｇｒａｉｎ）合金等の超塑性合金は比較的延性であり、低い賦形力が存在する状態で大きな引張変形を加えることができる。このような材料は、複雑な形状の自動車ボディ部品等を形成するため、適当な成形温度で、成形工具上で引張り成形でき、又はダイキャビティ内に形成できる。このプロセスは、多くの場合、超塑性成形（ｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃ ｆｏｒｍｉｎｇ：より具体的には超塑性二次成形）と呼ばれる。

アルミニウム合金製自動車ボディパネルの約５００℃の温度での超塑性成形に丈夫な工具を利用できる。このような工具は、多くの場合、当該自動車のモデルの期間に亘って数千の部品を製造するのに使用できる。特定のボディパネル設計を長期間に亘って製造する性能を開発するため、設計者は、現在、個別化した即ち個々の装飾的特徴を、丈夫であるけれども高価な工具で製造されたパネルの総数のほんの一部に設けようとしている。現在、製造中に特別にエンボス加工を施したパネルを製造できるのが望ましい。

かくして、本発明の目的は、成形工具を使用しながら、薄板金パネル又は部品の表面に、個別化を図るパターンをエンボス加工によって形成する方法を提供することである。本発明の更に別の目的は、超塑性成形可能なアルミニウム合金製薄板金に、薄板金ブランクと、対応する成形工具表面との間に適当なテンプレートを置くことによって、このような個人的パターンを形成することである。

賦形面と形態が一致する形状の薄板金パネルを超塑性成形温度で製造するための超塑性成形プロセスが周知である。例えば、冷間圧延した適当な微粒アルミニウム合金製の薄板金を、４００℃乃至５５０℃程度まで加熱し、成形工具上で或いは適当なプレスに保持された工具のダイキャビティ内に引張り成形する。相補的成形工具が、薄板金の反対側の周囲と係合し、高圧作動流体を高温の薄板金に作用し、成形作業を行う。薄板金を、主成形工具の賦形面に従って引張り成形し及び／または圧伸成形する。多くの薄板金を工具上で連続的に成形できるが、これらの薄板金は全て同じ形状を有する。例えば、特別のデザインやエンブレムを、選択された部品群にエンボス加工で形成したい場合には、成形工具を交換するか或いは新たな成形を提供することが必要となる。

本発明によれば、薄板金ブランクと成形工具の表面部分との間にエンボステンプレート即ちインプリントテンプレートを置くことにより、一つ又はそれ以上の選択された薄板金パネルの表面の一部にパターンが形成される。テンプレートは、薄板金ブランクの成形温度（例えばＡＡ５０８３の場合には約４００℃乃至約５５０℃）で、面積が比較的小さい賦形面又は成形面を形成する。テンプレートは、工具に一時的に取り付けられてもよいし、薄板金ブランクの一部に適切に結合されていてもよい。代表的には、テンプレートは、薄板金自体よりも厚くはない（又は薄板金自体よりも薄い）。といのうのは、エンボスは、視覚的イメージを提供するために行われるのであって、パネル又は他の部分の構造的特徴を提供するために行われるのではないからである。テンプレートは、同じ薄板金製の部品であってもよいし、成形温度で賦形面として機能できる他の適当な材料でできていてもよい。

薄板金ブランクを、そのＳＰＦ成形温度に予熱した後、成形工具及び間に置いたエンボステンプレートの賦形面に亘って引張り成形する。通常、薄板金の成形は、薄板金の反対側に空気等の作動流体（作用流体）の圧力を加えることによって行われる。個別化を図るパターンをエンボス加工で形成することを含む薄板金の成形が完了したとき、作動流体の圧力を解放し、高温の成形された薄板金パネルを、成形工具から注意深く取り外し、冷却及びトリミングを行う。テンプレートが最初に薄板金に取り付けられる場合には、テンプレートは同様に取り外される。

幾つかの薄板金に同じイメージでエンボス加工を施そうとする場合には、適当には、成形工具にテンプレートを一時的に結合する。しかし、エンボス加工を行うために一枚の薄板金だけを受け入れる場合、又は連続した薄板金に異なるエンボスを施す場合には、テンプレートをブランクに取り付けるのが好ましい。超塑性材料は、その成形温度での成形性が優れており、極めて薄いが、その他の所期の機能のための賦形する際に、詳細なエンボス又はインプリントを薄板金材料に成形できる。顧客の名前、製造者の取引モデル、ロゴ、等のエンボスパターンを容易に成形できる。

本発明は、表面状態を変更でき、適当に成形した薄板金パネルの表面上に正確な多くの場合に複雑なデザインを形成できる。更に、本発明は、これらの複雑なデザインを製造でき、単一工程作業を使用して実際のボディパネルを製造できる。本発明のこれらの及び他の目的及び利点は、以下の特定の実施例の詳細な説明から明らかになるであろう。

[実施例]
本発明は、シートメタルのパネル（すなわち、薄板金パネル）の表面に高温超塑性成形プロセス（ＳＰＦ）を使用してパターンをエンボス加工する方法を提供する。パターンには、個別化イメージを含まない丈夫な成形工具を使用して形成された個別化を図るためのエンボス又は窪みがある。

ＳＰＦプロセスは、複雑な形状を持つ自動車のボディ部品の成形に特に有用である。本発明によれば、複雑な形状には、ＳＰＦ成形工具に設けられていない特別のイメージが含まれる。図１では、トランクカバー外パネル１０が、代表的な自動車ボディ部品を例示する。この部品は、粒径が非常に小さい微細構造を持つように再結晶した冷間圧延ＡＡ５０８３薄板金ブランクを引張り成形法で成形したものである。トランクカバー１０の垂直部分１４に設けられたナンバープレート用の深いポケット１２等の込み入った細部は、ＳＰＦ材料の成形適性の利点により容易に成形できる。トランクカバーパネルの基本的形状は、引張り成形用の工具を使用して約５００℃で成形される。例えばシボレー蝶ネクタイ商標のイメージのエンボス１６は、成形プレスでテンプレートを使用してパネル１０の水平方向表面１８に成形される。

一般的には、超塑性成形は、超塑性合金薄板金ブランクを適当な超塑性成形温度まで加熱した後に、成形プレスに設けられた成形工具で超塑性合金薄板金ブランクを引張り成形（幾らかの引っ張りを伴って）する工程を含む。例えばアルミニウム合金をこのように超塑性成形する方法は、ラシッド等に付与された米国特許第６，２５３，５８８号に記載されている。同特許に触れたことにより、この特許に開示された内容は本明細書中に含まれたものとする。

サンダース等の特許には、ガスの差圧を使用して成形プレスの工具表面と形態が一致するように、薄板金を過度に薄くしたり裂けたりすることなく、薄板金ブランク（すなわち、シートメタルブランク）を引張り成形する方法が論じられている。図２に示すように、適当には約１ｍｍ乃至３ｍｍの厚さのＳＰＦアルミニウム合金５０８３でできた薄板金ブランク２０を、成形プレス（図示せず）の内部の下成形工具２４の表面２６上に置く。薄板金ブランク２０は、ロボット（図示せず）等の材料取り扱い装置によって所定位置に置かれる。薄板金ブランク２０は、図２でわかるように予め曲げてあることがしばしばあり、適当な引張り成形温度（例えば約４００℃乃至５５０℃）まで予熱してある。薄板金ブランク２０は、成形表面又は賦形面２６の輪郭に従って引張り成形し成形するのに十分に展性（すなわち、可鍛性あるいは圧延性）である。

上成形工具２２を下工具２４に向かって下ろし、薄板金ブランク２０の周囲１９と密封係合する。次いで、薄板金ブランク２０は、下成形工具２４の成形表面２６上で引張り成形（即ち圧伸成形）される。その成形表面２６が、トランクカバー１０の水平方向表面１８を形成し、工具表面３８が、パネル１０の垂直方向表面１４を形成する。工具表面２６は、ナンバープレート用ポケット形成部分３４及びフランジ形成部分３６等の複数の窪みを更に備えている。

パネル１０を成形するための力は、空気、窒素、又はアルゴン等の作動流体の圧力によって提供される。加圧ガスは、加熱した薄板金２０の後側２８に加えられる。加圧ガスは、上工具２２と薄板金２０の側部２８との間の圧力チャンバ３０にガス供給ライン３２を通って進入する。圧力を秒単位又は分単位の期間に亘って、例えばアルミニウム合金の薄板金については３４４７．３５ｋＰａ（５００ｐｓｉ）の適当なレベルまで徐々に上昇する。縁部が工具２２と２４との間にしっかりと把持された高温の薄板金ブランク２０を、次いで、下成形工具２４の表面２６の形状に従って引張り成形し成形する。成形工具２４の表面２６上に、蝶ネクタイ形状の薄いテンプレート４０を一時的に配置する。適当には、テンプレート４０は、ＡＡ５０８３合金薄板金の薄い部品（例えば厚さが１ｍｍ乃至２ｍｍ）である。図２でわかるように、テンプレート４０を、蝶ネクタイエンボス１６（図３参照）を形成しようとするブランク２０の部分の下にある工具の表面２６上に注意深く置く。テンプレートは、工具２４の永久的な部品ではなく、所定数のパネルを形成する場合にのみ使用され、次いで工具２４の表面２６から取り外される。

薄板金２０の形成後、チャンバ３０からガスの圧力を抜き、工具２２を持ち上げ、薄板金２０（現在はパネル１０）を取り外す。かくして、超塑性成形したボディパネル１０を、図１に示すように、成形する。このパネルは、下成形工具２４の表面２６及び介在させたテンプレート４０の形状を有する。テンプレート４０の像が、図１及び図３の両方に示すように僅かに盛り上がったエンボス１６として見える。

エンボス成形セットアップの分解図、即ち図４は、成形作業前に、テンプレート４０を、薄板金ブランク２０と成形工具２４との間に空間的に介在させることを示す。しかしながら、テンプレート４０は、明らかに、工具２４の成形表面２６に又はブランク２０の底面４２即ち工具係合面に、注意深く且つ正確に配置される。一般的には、特に一つ以上の部品にエンボス加工を施す場合には、テンプレートを工具２４の表面２６に一時的に固定することができる。しかしながら、一つ又はそれ以上のブランクに成形の準備をするときに、これらのブランクにテンプレートを接着することも本発明に含まれる。例示の目的のため、図２及び図３に示すように、個々のパターンを形成するため、テンプレート４０を成形工具２４の表面２６に配置し、取り付ける。

上文中に説明したＳＰＦプロセスで教示したように、エンボス加工プロセスは、成形プレスを適当なＳＰＦ温度に維持することを必要とする。この温度は、プレスで使用される超塑性材料の種類に応じて変化する。図２及び図３でわかるように、上成形工具を下ろし、この上工具と下工具部材２４との間の隙間を閉鎖する。チャンバ３０を通して高い流体圧力が薄板金ブランクに及ぼされた後、薄板金が、下工具２４の賦形面２６に、テンプレート４０を間に挟んで押し付られる。薄板金ブランクに加えられた初期ガス圧量は、薄板金の厚さ及び大きさに従って変化する。数秒乃至数分のサイクル間の時間間隔中、加えられる圧力は最大約３４４７．３５ｋＰａ（５００ｐｓｉ）まで上昇し、薄板金の形態は、下工具２４の賦形面２６及びエンボステンプレート４０と一致させられる。

薄板金ブランク２０は、適当なアルミニウム合金、チタン合金、マグネシウム合金、又はステンレス合金（ステンレス鋼）等の超塑性材料でできていることが好ましい。薄板金ブランク２０の大きさ及び厚さは、所望の自動車ボディ部品の種類及びエンボス加工されるべきパターン１６の複雑さに応じて変化させることができる。

アルミニウム合金について行われる代表的なＳＰＦ引張り成形プロセスでは、薄板金ブランクには、高温潤滑剤である窒化硼素がスプレーしてあることが適切である。窒化硼素等の薄い均等な膜は、ブランクのうち成形工具が接触する側部に付けられる。前記潤滑剤は、必要とされることがしばしばある。というのは、前記薄板金、すなわちシートが、前記成形面と摩擦接触した状態で、引っ張られあるいは引かれるからである。潤滑剤は、成形中の薄板金の掻き傷や欠陥を減少する。潤滑剤の薄膜は厚さが均等であり、好ましくは成形部品の表面に悪影響を及ぼさない。しかし、以下に説明するように、潤滑剤薄膜を選択的に塗布し厚さを制御することにより、このプロセスで薄膜をテンプレートとして使用できる。

エンボステンプレート４０を使用する場合、図４に示すように、このエンボステンプレート４０は、薄板金ブランク（すなわち、シートメタルブランク）２０と下成形工具２４との間に配置される。テンプレート４０のイメージ１６を、図４において、下成形工具２４上にイメージ４１’として、及び薄板金ブランク２０上にイメージ４１’’として反映するように示す。テンプレート４０は、薄板金ブランク２０の後側（図５参照）又は下成形工具２４の成形表面２６上（図２及び図３参照）のいずれかに一時的に固定されることが適切である。成形プロセスが完了したとき、テンプレート４０を取り外し、随意であるが次に使用するためにとっておく。

テンプレート４０は、これを成形表面２６又は薄板金ブランク２０に仮付け溶接すること等の機械的手段によって、所望の取り付け表面に固定できる。仮付け溶接は、テンプレート４０を容易に取り外すことができるように行われる。テンプレート４０は、更に、工具表面２６内に形成された段（図示せず）内に置くことができる。これにより、上成形工具２４が閉鎖するときにテンプレート４０を所定の場所に保持する。成形工具に設けられた、表面が一部切除されたこのような部分を、通常の成形作業中、取り外し自在のプレートとともに閉鎖する。別の態様では、テンプレート４０を成形表面２６に又は薄板金ブランク２０に接着剤で結合できる。

テンプレート４０を下工具２４の成形表面２６又は薄板金ブランク２０のいずれかに化学的に接着する場合、テンプレート４０をその取り付けられた表面から容易に取り外すことができるようにする接着剤を使用するのが望ましい。更に、接着剤は、テンプレート４０を引張り成形プロセスで再使用できるように、テンプレート４０から容易に除去できなければならない。水ガラスを接着剤として使用するのが非常に望ましい。これは、多くの他の接着剤と異なり、高温で安定しており且つ反応性がないためである。この接着剤は、珪酸ナトリウムの水溶液又は懸濁液である。これは、シリカを比較的強い水酸化ナトリウムに溶解することによって形成される。粘性の溶液が乾燥すると、ガラス状残留物が形成され、かくしてこれを接着剤として使用する。水ガラス溶液は、二つの金属製部品を互いに室温で容易に結合し、表面を適切なＳＰＦ温度まで加熱する最中に結合状態を維持する。成形作業の完了時に、及びプレスの冷却後に、水を使用して金属製部品を分離し、水ガラス接着剤を除去する。

薄板金ブランクと同様に、テンプレート４０は、適当には、アルミニウム、チタニウム、ステンレス鋼、又はマグネシウム等の超塑性材料で形成されている。ＳＰＦシート材料は、薄いエンボステンプレートによって容易に賦形できる。テンプレートは薄板金ブランクとともに引張り成形できるが、テンプレートは、当該テンプレートが使用される態様又は使用方法によっては、変形する可能性はない。しかも、テンプレートは、テンプレートの使用寿命が長く且つ再使用可能であるように、強く且つ丈夫である。

テンプレートは、レーザー切断、鋳造、手作業によるトリミング、等によって形成でき、その厚さを薄板金ブランクの厚さに対して変化させることができる。名称、ロゴ、画像、又は魅力的な外観を提供するための実際上任意の所望のイメージとして形成できる。代表的には、テンプレートは薄板金ブランクよりも厚くない（薄い）。例えば、テンプレートは、３９０アルミニウム製の部品を鋳造し機械加工することによって製造できる。テンプレートには窒化硼素又は他の高温潤滑剤がスプレーされ、薄板金ブランクの表面又は下成形工具の成形表面のいずれかに接着される。アルミニウム合金材料については、例えば６分間の成形サイクルを使用して約５００℃の成形温度で薄板金ブランクにパターンを形成できる。

エンボステンプレートの別の例は、パターンを切り出した紙製テンプレートである。このテンプレートを水に浸漬し、ブランクの表面上に置く。水は、紙とブランクとの間に表面張力を発生し、これによりしっかりと保持できる。アルミニウムブランクに潤滑剤をスプレーし、適当なＳＰＦ温度まで加熱する。紙製テンプレートを注意深く取り外した後、テンプレートの形状の潤滑剤がない領域が残る。

テンプレート４０を成形工具２４の表面２６上に置くことの変形例として、図５は、エンボス１６を形成するために、テンプレート４０を薄板金ブランク２０の表面４２上に置くことができることを示す。例えば、比較的少数の薄板金に特別のエンボスを形成しようとする用途では、テンプレートを薄板金ブランクに付けるのが好ましい。同様に、連続した薄板金に異なるエンボスを付けようとする用途では、成形の準備中に、連続した薄板金に異なるテンプレートを付けるのが好ましい。上文中に開示したように、薄板金ブランクは、通常は、洗浄され、乾燥され、窒化硼素等によって潤滑され、成形工具に置くために予め曲げられ、成形工具２４上に機械で置かれる前に特定の成形温度まで予熱される。多くの薄板金に個々のエンボスを形成しようとする場合には、このような薄板金の準備中、適当なテンプレートを、成形工具でなく薄板金に配置するのが最も効率的である。

図６及び図７は、本発明の別の実施例を示す。エンボステンプレートとして使用される薄板金や紙等の一体のものとは異なり、エンボス表面は、窒化硼素潤滑剤のスプレー層等の粒子状材料層で形成されているのがよい。

図６では、比較的厚い（１ｍｍ乃至２ｍｍ）潤滑剤層５０が、蝶ネクタイ状に形成された領域５２を除く薄板金ブランク２０の全面４２上に形成されている。蝶ネクタイ形状領域５２は、適切に、潤滑剤層５０の適用中にマスクが施される。薄板金表面のマスキングするのが好ましくない場合には、最初に全面に亘って塗布した潤滑剤層５０から領域５２を除去できる。かくして、図６は、粒子状テンプレート材料の使用と、図２、図３、及び図５の例で使用された「凸状」テンプレート４０でなく「凹状」テンプレートの実施を例示する。

次いで、図６の構成で、薄板金２０の上面２８にガス差圧を加え、薄板金２０を下成形工具２４の表面２６上で、表面の一部が削除されたような領域５２を含むテンプレート層５０を間に置いて引張り成形する。図７でわかるように、薄板金ブランク２０の材料は凹状テンプレート領域５２内に引張られ、パネル１０の薄板金を局所的に取り囲む部分に関して窪みをなしたエンボス５４を形成する。この実施例ではエンボス５４は蝶ネクタイ形体であるが、図１及び図３のエンボス１６のようにパネル表面に盛り上がっているのでなく、窪みをなしている。

本発明を以上の好ましい実施例を使用して説明したが、以上の説明に限定しようとするものではなく、特許請求の範囲の範囲にのみ限定しようとするものである。

図１は、個別化を図るためのシボレー蝶ネクタイエンボスが本発明に従って形成された自動車用トランクカバー外パネルの斜視図である。 図２は、上下の引張り成形工具を示す側断面図であり、これらの工具間に配置された薄板金ブランク及び下工具部材の表面に一時的に接着したエンボステンプレートを示す。 図３は、エンボス加工した特徴を持つ成形したトランクカバーパネルを示す、図２の下成形工具の側断面図である。 図４は、薄板金及び下成形工具の分解断面図であり、薄板金と下成形工具との間に配置した位置でエンボステンプレートを示す。 図５は、ブランクの成形前に薄板金ブランクの表面に接着したエンボステンプレートを示す下成形工具の概略側断面図である。 図６は、薄板金表面に窪みイメージとして形成されるべき蝶ネクタイ形体を画成する除去部分を除いて潤滑剤の薄膜でコーティングした薄板金ブランクの下面を示す、下成形工具の概略側断面図である。 図７は、エンボス加工により形成した特徴が、薄板金に設けられた潤滑剤の除去部分で工具に対して窪みをなした、成形したトランクカバーパネルを示す、図６の下成形工具の概略側断面図である。

符号の説明

１０ トランクカバー外パネル
１２ ポケット
１４ 垂直部分
１６ エンボス
１８ 水平方向表面
１９ 周囲
２０ 薄板金ブランク
２２ 上成形工具
２４ 下成形工具
２６ 表面
２８ 後側
３０ 圧力チャンバ
３２ ガス供給ライン
３４ ナンバープレート用ポケット形成部分
３６ フランジ形成部分
３８ 工具表面
４０ テンプレート
４２ 底面

Claims (12)

1. 薄板金ブランクを、この薄板金ブランクについての成形温度で流体圧力の作用で丈夫な成形工具に対して連続して引張り成形し、前記薄板金ブランクに追加の特徴を形成することによって、所望の第１形体の薄板金パネルを形成するための方法であって、前記形体の前記追加の特徴を一つ又はそれ以上の選択された薄板金パネルに形成するための方法において、
   前記薄板金ブランクの厚さよりも厚くなく、前記薄板金パネルの選択された部分にインプリントできる前記追加の特徴用のテンプレートを提供する工程と、
   前記テンプレートを（ａ）前記薄板金ブランクの前記選択された部分又は（ｂ）前記成形工具のいずれかに配置する工程と、
   前記薄板金ブランクを前記成形温度で前記丈夫な成形工具に対して及び前記配置されたテンプレートに対して引張り成形し、前記追加の特徴を含む前記形体を持つ前記薄板金パネルを形成する工程と、
   前記薄板金パネルを前記成形工具から取り外す工程とを含む、薄板金パネルを形成するための方法。
2. 請求項１に記載の方法において、さらに、
   前記テンプレートが最初に前記成形工具に配置された場合には、前記一つ又はそれ以上の薄板金パネルに前記追加の特徴を形成した後、前記テンプレートを前記成形工具から取り外す工程を含む、方法。
3. 請求項１に記載の方法において、
   前記テンプレートは、前記薄板金ブランクの表面を前記成形工具から遠ざかる方向に持ち上げて、前記追加の特徴を形成する、方法。
4. 請求項１に記載の方法において、
   前記テンプレートにより、前記薄板金ブランクの前記表面を前記成形工具の方向に窪ませて前記追加の特徴を形成する、方法。
5. 請求項１に記載の方法において、
   前記薄板金ブランクの厚さは最大３ｍｍであり、前記テンプレートは前記薄板金ブランクよりも厚くない、方法。
6. 請求項５に記載の方法において、
   薄板金テンプレートを、前記薄板金ブランクの表面に、又は前記成形工具の表面に、接着剤を使用して取り付ける工程を含む、方法。
7. 請求項６に記載の方法において、
   前記テンプレートを、前記薄板金ブランクの表面に、又は前記成形工具の表面に、水酸化ナトリウム、二酸化珪素、及び水を含む接着剤を使用して取り付ける工程を更に含む、方法。
8. 請求項１に記載の方法において、
   前記テンプレートを、前記薄板金ブランクの表面に、又は前記成形工具の表面に機械的に取り付ける工程を含む、方法。
9. 請求項１に記載の方法において、
   前記薄板金ブランクは、成形可能な超塑性アルミニウム合金である、方法。
10. 請求項１に記載の方法において、
    前記テンプレートは、固体潤滑剤を含むスプレーされた層である、方法。
11. 請求項１に記載の方法において、
    前記テンプレートは紙製である、方法。
12. 請求項１に記載の方法において、
    前記追加の特徴は、単語、名称、シンボル、画像、又はこれらの組み合わせを含む、方法。

Images