JP4751186B2

JP4751186B2 - トランスファープレス装置

Info

Publication number: JP4751186B2
Application number: JP2005345791A
Authority: JP
Inventors: 石森裕一; 嶋哲男
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2005-11-30
Filing date: 2005-11-30
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2025-11-30
Also published as: JP2007144495A

Description

本発明は、加熱された金属鋼板を搬送しながら、複数の金型でプレスして加工するトランスファープレス装置に関する。

金属板材のプレス成形は、生産性が高く、高精度に加工できることから、自動車、産業機械、電気機器、輸送用機器などの製造に広く用いられている。この中でもトランスファープレスと呼ばれる技術は特に生産性が高い、一般的な方法である。一方、プレス成形の方法としては、熱間プレス成形方法も知られている。

この熱間プレス成形は、金属板材を誘電加熱などの加熱装置を用いて加熱し、この加熱された金属板材をダイス上に載置し、その上からポンチを下死点まで降下して、一定時間焼入れするという技術であり、このことにより、形状安定性及び強度の高い成形品を得ることができるとされている。

この熱間プレス成形においては、成形後の金属板材の冷却が生産性の観点から重要視されており、高温でのプレス成形後に冷媒を用いて冷却する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）図６（ａ）は、従来の熱間プレス成形装置に用いられている金型の断面図であり、図６（ｂ）は、従来の熱間プレス成形装置に用いられている、冷媒排出機構を備えた下金型の斜視図であり、下金型の内側に配置された冷媒排出機構を点線にて図示している。

ダイス１０２の縦壁部には、ダイス１０２に当接する金属板材に対して冷媒を噴出するための噴出口１０３が形成されており、この噴出口１０３からは、ダイス１０２の内側に形成された冷媒を供給するための供給管１０４が延びており、ダイス１０２の外側に配置される冷媒を収容した不図示の冷媒収容部に連結されている。

本図に示した熱間プレス成形装置を用いて金属板材１０６をプレス成形する場合は、ポンチ１０５を下死点まで降下させ、金属板材１０６に対するプレス状態を保持した状態で、供給管１０４を介して、該冷媒収容部に収容された冷媒を噴出口１０３から金属板材１０６に噴出させるようになっている。
特開２００５−１６９３９４号公報（第１図など）

しかしながら、熱間プレスの場合、一対のダイス１０２及びポンチ１０５の１回のプレス動作によって、金属板材１０６を成形品の形状に成形し、焼き入れを行うため、その成形反力に耐えうる、十分な金型強度が必要である。したがって、金型に供給管１０４や噴出口１０３を切削するのは成形精度や金型耐久寿命の点で好ましくない。

他方、金属板を搬送しながら、複数の金型でプレスして加工するトランスファープレス装置が知られており、このトランスファープレス装置には、各加工工程を分割することにより、成形反力をうけ成形を担う型と、成形反力をうけずに冷却を担う型とに分離して金型の強度を各々設計することが可能となる。すなわち、冷却のみを担う型については、ほとんどプレス時に力を受けないですむため、低強度な設計で構わないという利点がある。

一方、従来の熱間プレスの場合、焼入れを行う際に成形後しばらくその状態を保持していなければならない。これはタクトタイムを伸ばすことになり、トランスファープレスの高い生産性を阻害する。

そこで本願発明は、トランスファープレスの高生産性を活かし、熱間加工による高精度加工を施し、かつ、加工された成型品に所定の強度を持たせることのできる、トランスファープレス装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本願発明は、加熱された金属板を搬送しながら、複数の金型でプレスし、該金属板を加工処理するトランスファープレス装置であって、前段で所定形状に成形された金属板に当接して該金属板を冷却する、上金型及び下金型からなる冷却金型を有し、前記上金型及び前記下金型のうち少なくとも一方の金型が、冷媒を収容する収容部と、該冷媒を前記金属板との当接面に供給するための複数の供給孔とを有し、前記収容部の内部は、前記冷媒を含む弾性材料からなる弾性多孔質体から構成され、前記少なくとも一方の金型は、成形された前記金属板の形状に応じた形状に前記弾性多孔質体を維持するフレームを有し、該フレームは成形時に対する金型の角部に設置することを特徴とする。

前記収容部は、前記金属板との当接面を有する前記弾性多孔質体により構成されており、前記複数の供給孔は該弾性多孔質体の孔によって形成されており、前記弾性多孔質体が弾性変形すると、前記弾性多孔質体の孔を通って前記金属板との当接面に前記冷媒が供給されるようにするとよい。

本願発明によれば、複数の金型を有するトランスファープレス装置を用いて、金属板に対する成形処理と冷却処理とを異なる金型で連続的に行うことができるため、熱間プレスを用いた場合よりも、処理効率を高めることができる。

また、冷却処理に用いる冷媒が金型に待機しているため、冷媒を速やかに供給することができる。このことにより、短いタクトタイムでも焼きを入れることができる。さらに、簡単な機構によって冷媒量を厳密に制御できる。

その上、冷媒が金型内部に収容されているので、成型品に焼きが入りやすいように金型の表面温度を低く保つことができる。

本発明の装置で製造された成型品は、高温で成形されることから寸法精度が高く、成形品は後段の金型で確実に熱処理されるので所望する硬度のものになっている。

本願発明に係るトラスファープレス装置の実施例を説明する。

（参考例）
参考例のトランスファープレス装置には、異なる三つの金型が、搬送方向に並設されており、加熱状態で供給された金属板を、一段目の金型で所定形状に成形し、この成形された金属板を二段目の金型でピアッシング処理し、このピアッシング処理された金属板を三段目の金型で冷媒を用いて冷却処理するようになっている。

これにより、熱間プレスでは一つの金型を用いて行っていた、加熱された金属板の形状成形及び焼き入れを、異なる金型に分割して連続的に処理できるため、処理能力を高めることができる。

以下、図面を参照しながら、本トランスファープレス装置の構成について説明する。
図１は、トラスファープレス装置の搬送方向における断面図である。トランスファープレス装置１は、図中左側から順に、成形金型１１、ピアッシング金型１２及び冷却金型１３を有している。

成形金型１１ａは、凹形状の成形上金型１１ａ及び凸形状の成形下金型１１ｂからなり、ピアッシング金型１２は、凹形状のピアッシング上金型１２ａ及び凸形状のピアッシング下金型１２ｂからなり、冷却金型１３は、凹形状の冷却上金型１３ａ及び凸形状の冷却下金型１３ｂからなり、ピアッシング上金型１２ａの下端には、金属板２１をピアッシングするためのピアッシング突起部１２ｃが設けられている。

成形上金型１１ａ、ピアッシング上金型１２ａ及び冷却上金型１３ａは、不図示の直線動作機構によって一体となって、昇降駆動され、プレス時に、各金型１１〜１３に約１０ｔのプレス成形反力が働くようになっている。

これらの金型１１〜１３の間には、前段で加工又は処理した金属板２１を把持して後段に搬送するための、不図示の搬送フィンガーが設けられている。該搬送フィンガーによって、金属板２１は、成形金型１１→ピアッシング金型１２→冷却金型１３の順に、搬送される。

次に、トランスファープレス装置１の動作について、簡単に説明する。電気加熱炉、誘導加熱、通電加熱等の加熱装置で所定の温度（例えば、７００〜１０００℃）に加熱された金属板２１は、まず、成形金型１１において熱プレスされ、ハット形状に成形される。

このハット形状に成形された金属板２１は、該搬送フィンガーによって把持され、後段のピアッシング下金型１２ｂに搬送される。

ピアッシング下金型１２ｂに載置された金属板２１は、下動するピアッシング上金型１２ａのピアッシング突起部１２ｃに当接してピアッシング処理される。

ピアッシング処理された金属板２１は、該搬送フィンガーによって把時され、後段の冷却下金型１３ｂに搬送される。

この冷却下金型１３ｂは、硬質の多孔質体または貫通孔が多数存在する鋼等の金属でできている。

この冷媒供給手段の構成について、図２を参照して説明する。ここで、図２は、冷却金型１３の断面図であり、（ａ）は冷媒収容部３１が貫通孔をもった剛性材料からなる金属でできているものであり、（ｂ）は冷媒収容部３１が剛性材料からなる剛性多孔質体でできているものである。

冷却下金型１３ｂの内側には、冷媒４１が充填された冷媒収容部３１が設けられており、冷媒収容部３１の周壁部３５には、冷却下金型１３ｂの表面（金属板２１との当接面）に冷媒４１を供給するための複数の供給孔３２が形成されている。冷媒４１は主に水が使われることが多いが、潤滑油を含んだエマルションなども使用可能であり、水に限定しない。収容部３１が剛性多孔質体でできている場合、供給孔３２は多孔質体の孔部であり、金属でできている場合は貫通孔である。供給孔３２は収容部内の冷媒４１に内圧がかかっていない場合には冷媒４１が流れ出さないようなノズル状になっていることが望ましい。

冷媒収容部３１には、不図示の冷媒供給ポンプが連結されており、該冷媒供給ポンプを駆動することにより、供給孔３２を介して、冷却下金型１３ｂに加圧接触している金属板２１に対して冷媒４１を供給することができる。なお、冷媒収容部３１は、装置外部に設けられた不図示の冷媒タンクに対して送液可能に接続されており、冷媒収容部３１内の液量が減少しないように、冷媒タンクから送液されるようになっている。

冷却上金型１３ａが下死点まで降下すると、該給水ポンプが駆動され、冷媒収容部３１に充填された冷媒４１が、供給孔３２を介して、冷却下金型１３ｂに加圧接触した金属板２１に供給される。これにより、金属板２１は、約２００℃以下に冷却され、形状安定性及び強度の高い成形品を得ることができる。

このように、プレス時に金型１３に働く成形反力は熱間プレスする場合よりも、低いため冷却下金型１３ｂの内側に冷媒収容部３１を設けても、強度的に問題ない。これにより、冷却下金型１３ｂの外側に冷媒収容部を配置した場合よりも、金型表面に、冷媒４１を早く供給することができる。

さらに、熱間プレス成形と異なり、複数の金型１１〜１３で、金属板２１に対する加工、処理を分割して行っているため、結果的に、生産効率が向上する。

なお、本例では、供給孔３２を冷却下金型１３ｂの縦壁部及び横壁部に設けているが、いずれか一方に設ける構成にしてもよい。また、本例では冷媒を供給する供給孔及び冷媒収容部を冷却下金型１３ｂにのみ設けたが、冷却上金型１３ａ、冷却上金型１３ａ及び冷却下金型１３ｂの双方に設けてもよい。

冷却下金型１３ｂを構成する剛性多孔質体として、セラミック焼成（半焼成、仮焼成）品、金属の焼成（半焼成、仮焼成）品、プラスチック製品（例えば、プラスチックの繊維を軽く圧縮して熱をかけて繊維同士の結合を強固にしたもの、プラスチックのブロックに針やドリルなどで小さな孔を多数形成したもの）や、キメの荒いレンガ、コンクリートや、金属、プラスチックからなる微小な球状部材を多数結合したものを用いることができる。さらに、図２（a）に図示する収容部３１を構成する金属としては、ステンレス、銅のうち１種又は２種を例示できる。

前述は、多孔質材料そのものの強度が、ある程度高く、冷媒収容部３１そのものを多孔質材質で構成できる場合に有効で、本明細書において、最も簡単な構造である。また、この場合は収容部３１の中に冷媒４１が収容されていればよく、この冷媒は多孔質材料に含浸されている必要はない。

（実施例２）
次に、金型として強度が不十分な多孔質材料を冷媒を含浸させる素材として用いる場合の実施例について解説する。図３は、冷却金型１３の搬送方向の垂直断面図である。

冷却下金型１３ｂの内側には、冷媒収容部６１が設けられており、冷却材収容部６１の周壁部６２は冷却下金型１３ｂの表面（金属板２１との当接面）に冷媒４１を供給するための複数の供給孔穴６３が開いた金属からなる板材で構成されている。

周壁部６２は、図２の周壁部３５よりも、厚み寸法が短く（薄く）設定されている。

冷媒収容部６１には、弾性材料からなる弾性多孔質体６７が周壁部６２に密着した状態で収容されており、この弾性多孔質体６７は、冷媒４１を含浸しており、ポンプからの圧力により供給され、冷媒４１がにじみ出るようにして、排出する構成となっている。即ち、弾性多孔質体６７によって適当に圧力損失が加わるので、冷却下金型１３ｂの表面全体に一様な圧力で冷媒４１を供給することができる。

また、弾性多孔質体６７は、トランスファープレス装置の外側に設けられた冷媒タンクに送液可能に連結されており、冷媒タンクから送液される冷媒４１によって弾性多孔質体６７に冷媒が供給されるようになっている。

周壁部６２には、金属板２１の曲げ部に対応した形状維持フレーム６４が、搬送直交方向における水平方向に延びるようにして４本設けられている。これは冷却下金型１３ｂの断面ハット形状の周壁部６２にプレスによる加圧力が働いたときに、金属板２１と異なる形状に変形するのを防止するために設けられている。

また、本実施例では、供給孔６３を冷却下金型１３ｂの縦壁部及び横壁部に設けているが、どちらか一方に設ける構成にしてもよい。また、本例では冷媒を供給する供給孔及び冷媒収容部を冷却下金型１３ｂにのみ設けたが、冷却上金型１３ａ、冷却上金型１３ａ及び冷却下金型１３ｂの双方に設けてもよい。

また、弾性多孔質体６７の材料としては、金属繊維、プラスッチック繊維をスポンジ状に構成したものや、セラミックスファイバーやガラスファイバー（例えば、珪酸ガラス）をランダムに絡めてスポンジ状又は不織布状に構成したものや、これらの繊維又はファイバー同士を結合させて弾性力を持たせるようにしたものを用いることができる。さらに、セラミックスとして、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素、サイアロン、シリカ、ジルコニアのうち１種又は２種以上を例示できる。

なお、周壁部６２を構成する金属として、ステンレス、銅のうち１種又は２種を例示できる。

（実施例３）次に、冷却金型１３の別形態による実施例について説明する。図４は、冷却金型１３の搬送方向の垂直断面図であり、（ａ）が冷却前の状態を図示しており、（ｂ）が冷却時の状態を図示している。

実施例３では、上述のように周壁部３５、６２を設けずに、前例の弾性多孔質体６７を直接金属板２１に当接させる構成としている。

弾性多孔質体６７の金属板２１の曲げ部に対応した領域には、形状維持フレーム６４が搬送直交方向における水平方向に延びるようにして４本設けられており、冷却前の状態において、弾性多孔質体６７は冷媒を含んで膨張しており、形状位置フレーム６４の間から張り出した状態となっている。このように弾性多孔質体６７を形状維持フレーム６４で保持した理由は、実施例２と同様に、金属板２１に加圧接触する弾性多孔質体６７が金属板２１と異なる形状に変形するのを防止するためである。

また、前記弾性多孔質体６７は、トランスファープレス装置の外側に設けられた給水タンクに通水可能に接続されている。さらに、この弾性多孔質体６７は、金属板と強く接触するとその形に倣ってスポンジのように弾性変形する材質であるとし、最終成形形状より少々大きく、フレームよりも若干はみ出るように金型としてセットされる。

冷却上金型１３ａが弾性多孔質体６７に載置された金属板２１に加圧接触すると、膨張状態にある弾性多孔質体６７は、金属板21に倣った形状に収縮し弾性変形する（図４（ｂ）参照）。そして、弾性多孔質体６７に含まれる冷媒は、弾性多孔質体６７から搾り出されるようにして、弾性多孔質体６７の孔を通って、当接する金属板２１に直接供給される。すなわち、実施例２では、弾性多孔質体６７に含まれる冷媒４１を一旦、弾性多孔質体６７の外側に押し出し、この押し出された冷媒を供給孔６３を介して金属板２１に供給していたが、本例では、弾性多孔質体６７から多孔質体の孔を通って弾性変形に伴って搾り出された冷媒４１を、直接金属板２１に供給している。

これにより、実施例２のような周壁部３５、６２が不要となるため、構造が簡易化され、コストを削減することができる。

冷媒が供給された金属板２１は、約２００℃以下に冷却される。

また、上述の各例では、金型の形状をハット形状にしたが、別の形状にしてもよい。

（実施例４）
以下、実施例４により本発明によるプレスを用いて製造した成形材の評価結果を更に具体的に説明する。

実施例４として、図1のトランスファープレス装置を用いて、炭素を０．２２％含有する鋼板を三段構成の金型で連続的にプレスして、ハット型の製品を試作した。このトランスファープレス装置の最終段に配置される冷却金型として、図４に図示する冷却下金型１３ｂが弾性多孔質体６７となっている金型を使用した。冷却上金型１３aの材質はＳ４５Ｃとし、弾性多孔質体６７の材質は、耐熱樹脂によるスポンジ状の弾性体とした。

鋼板を約７５０℃まで加熱し、加熱後の鋼板を成形金型１１でハット形状に成形し、この所定形状に成形された鋼板を、搬送フィンガーで把持して、後段のピアッシング金型１２に送り込み、このピアッシング処理された鋼板を、搬送フィンガーで把持して、後段の冷却金型１３に送り込み、冷却した。図５に図示するように、搬送フィンガーの把持する箇所は、ハット形状に形成された鋼板の接触部７１とし、温度測定部７２を温度測定部位として、温度測定を行った。

得られた鋼板の製品硬度、鋼板のピアス部７３の残留応力を評価し、結果を図５に示している。製品硬度については、ビッカース硬さが４１０Ｈｖより大きい場合には良好とし、“○”で示し、４１０Ｈｖより小さい場合には不良とし、“×”で示した。また、製品硬度または成形性のうち、少なくとも一つの評価項目が不良であれば、総合評価も不良とし、“×”で示した。また、製品硬度及びビッカース硬さの評価項目がともに良好であれば、総合評価も良好とし、“○”で示した。

比較例として、図７に図示する、下金型９１及び上金型９２からなる熱間プレス成形装置を用いて、炭素を０．２２％含有する鋼板９３を絞り成形し、上述の実施例と同様にハット型の製品を試作した。

鋼板は、実施例と同様に７５０℃まで加熱し、加熱後の鋼板を、パンチとダイスとの間の成形位置にセットし、熱間プレス成形を行い、下死点において所定時間（０秒、０．５秒、２秒、４秒）保持し、冷媒を噴出させて冷却した。冷却型以外の段の型は、中間製品の温度低下を防ぐ目的で、予熱と断熱を施している。

図５に示すように、実施例５〜７は、製品硬度及び残留応力が良好であり、総合評価が良好であった。

他方、比較例１〜４は、成形性としては良好であったが硬度が出なかったため全て総合評価が不良であった。

トランスファープレス装置の搬送方向の垂直断面図。冷却金型の搬送方向における垂直断面図であり、（ａ）は冷媒収容部が貫通孔をもった金属でできているものであり、（ｂ）は冷媒収容部が多孔質体でできているものである。実施例２の冷却金型の搬送方向における垂直断面図。実施例３の冷却金型の搬送方向における垂直断面図であり、冷却前の状態を図示している。実施例３の冷却金型の搬送方向における垂直断面図であり、冷却時の状態を図示している。実施例と従来例との比較データ。従来例の熱間プレス成形装置の断面図（ａ）及び斜視図（ｂ）。従来例の熱間プレス成形装置の断面図（ａ）及び斜視図（ｂ）。

符号の説明

１１成形金型
１２ピアッシング金型
１３冷却金型
２１金属板
３１６１冷媒収容部
３２６３供給孔
３５６２周壁部
４１冷媒
６１多孔質体
６４形状維持フレーム
６７弾性多孔質体
７１鋼板とフィンガーとの接触部
７２温度測定部
７３ピアス部
９１下金型
９２上金型
９３鋼板

Claims

加熱された金属板を搬送しながら、複数の金型でプレスし、該金属板を加工処理するトランスファープレス装置であって、
前段で所定形状に成形された金属板に当接して該金属板を冷却する、上金型及び下金型からなる冷却金型を有し、
前記上金型及び前記下金型のうち少なくとも一方の金型が、冷媒を収容する収容部と、該冷媒を前記金属板との当接面に供給するための複数の供給孔とを有し、
前記収容部の内部は、前記冷媒を含む弾性材料からなる弾性多孔質体から構成され、
前記少なくとも一方の金型は、成形された前記金属板の形状に応じた形状に前記弾性多孔質体を維持するフレームを有し、該フレームは成形時に対する金型の角部に設置することを特徴とするトランスファープレス装置。
前記収容部は、前記金属板との当接面を有する前記弾性多孔質体により構成されており、前記複数の供給孔は該弾性多孔質体の孔によって形成されており、前記弾性多孔質体が弾性変形すると、前記弾性多孔質体の孔を通って前記金属板との当接面に前記冷媒が供給されることを特徴とする請求項１に記載のトランスファープレス装置。