JP4890416B2 - ダイクエンチ工法におけるプレス加工装置及びプレス加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、ダイクエンチ工法（熱間プレス工法）において、焼入れ温度まで加熱された鋼材を金型によってプレス成形すると共に、焼入れするためのプレス加工装置及びプレス加工方法に関する。

現在、自動車部品等の分野では、自動車部品の軽量化及び使用材質の適材化などを図るために、ダイクエンチ工法（熱間プレス工法）によりドアビームやバンパー等の各種高強度部品の生産が行われている。現状では、熱間プレス成形前に、鋼材に対して孔明け加工やトリミングなどの切除加工を行い、しかる後、プレス成形することにより自動車部品を製造している。そのため、鋼材の位置決め精度などによって部品の精度が左右されてしまい、高精度の自動車部品が得られないという問題を有している。したがって、高精度が求められるボディ部品として採用するためには、プレス成形後に後加工が必要になり、それに伴って、加工工程数が増加し、部品のコスト高を招来してしまうことになる。

そこで、従来技術の1つの方法として、キャビティ内に誘電加熱要素が組み込まれた成形型を用い、該成形型内に設置した鋼板を誘電加熱要素により部分的に加熱して冷却速度を落としたり、焼戻しをしたりすることにより、成形された鋼板の中に硬度の低い部分を作る技術が提案されている（例えば、特許文献１）。

また、別の従来技術では、ダイクエンチ工法において、焼入れ温度まで加熱された板状の鋼材をプレス成形すると同時に、孔明け加工やトリミングなどの切除加工を行うことにより、加工工程数の増加を防ぎ、安価に部品を生産する技術が提案されている（例えば、特許文献２）。
このようなダイクエンチ工法では、プレス成形を受ける鋼材を例えば、７５０〜１０００℃の焼入れ温度まで予め加熱し、その鋼材を成形用プレス機に搬送して高温状態のまま鋼材を相対的に低温のプレス金型に設置し、該プレス金型でプレス成形すると同時に孔明け加工やトリミングなどの切除加工を行い、急冷させて製品に焼入れを行うことにより、引張強度等に優れた部品を製造している。

米国特許公報第５，９１６，３８９号 特開２００５−２４８２５３号公報

しかしながら、上述した従来技術のうち、成形された鋼板の中に硬度の低い部分を作る従来技術にあっては、使用する成形型のキャビティ内に誘電加熱要素を組み込んでいるので、成形型の構造が複雑となり、かつ破損し易くて耐久性に問題を有している。しかも、１つの成形型の中で、冷却と加熱を同時に行うため、温度の管理が非常に難しく、鋼板の中の所定位置に硬度の低い部分を正確に作ることは困難である。

また、１つのプレス金型によって、鋼材をプレス成形すると同時に、トリミングなどの切除加工を行う従来技術では、１つの金型にプレス成形部とトリミング加工部などが設けられているので、上記従来技術と同様、金型の構造が複雑となり、かつ破損し易くて耐久性に問題を有している。それに加えて、この従来技術においては、焼入れ完了後に孔明け加工やトリミングなどの切除加工を行うよりも刃具寿命の短縮防止にはなっているが、低温のプレス金型に接触した時点から孔明け加工やトリミングなどの切除加工を行う前（上型と下型とで鋼材を挟む形状を作り上げる）までに、鋼材の硬化は相当に進んでおり、刃具寿命の短縮防止を図るにはまだまだ不十分である。

本発明は、このような実状に鑑みてなされたものであり、その目的は、使用する金型の構造が簡単となり、金型の破損のおそれもなく耐久性を向上させることができ、かつ金型内の難しい温度管理を行う必要もなくなると共に、高強度な部分と高強度でない部分を有する高品質の製品を生産することが可能なダイクエンチ工法におけるプレス加工装置及びプレス加工方法を提供することにある。

上記従来技術の有する課題を解決するために、本発明は、焼入れ温度まで加熱された鋼材を金型によってプレス成形すると共に、焼入れするためのダイクエンチ工法におけるプレス加工装置であって、前記鋼材のうち、高強度にする部分を加熱する第１加熱手段と、前記鋼材の全体を加熱して前記鋼材の高強度にする部分のみを焼入れ可能温度まで上昇させる第２加熱手段とを備え、加熱された前記鋼材の全体を前記金型によってプレス成形すると共に、前記鋼材の高強度にする部分のみを焼入れするように構成している。

本発明のプレス加工装置において、前記第１加熱手段は、一対のブロックを備えたブロック型ヒータであり、該ブロック型ヒータのブロックの間に前記鋼材の高強度にする部分を挟み込んで加熱するように構成されていることが好ましい。なお、ブロック型ヒータとは、例えば、ステンレス鋼等の耐熱性素材からなるブロックの内部に、カートリッジヒータ等の電気発熱素子を組み込んで構成したヒータユニットであって、ブロックの少なくとも一面を加熱面又は伝熱面として機能させるものをいう。

また、本発明は、鋼材をその焼入れ温度まで加熱し、加熱された鋼材を金型によってプレス成形すると共に、焼入れするためのダイクエンチ工法におけるプレス加工方法であって、前記鋼材のうち、高強度にする部分を第１加熱手段で加熱し、次いで、前記鋼材の全体を第２加熱手段で加熱して、前記鋼材の高強度にする部分のみを焼入れ可能温度まで上昇させ、その後、加熱された前記鋼材の全体を前記金型によってプレス成形すると共に、前記鋼材の高強度にする部分のみを焼入れしている。

［作用］
本発明のダイクエンチ工法におけるプレス加工装置では、鋼材のうち、高強度にする部分を加熱する第１加熱手段と、前記鋼材の全体を加熱して前記鋼材の高強度にする部分のみを焼入れ可能温度まで上昇させる第２加熱手段とを備え、加熱された前記鋼材の全体を前記金型によってプレス成形すると共に、前記鋼材の高強度にする部分のみを焼入れするように構成しているため、プレス成形する前に、第１加熱手段によって鋼材の高強度にする部分を加熱し、第２加熱手段によって鋼材の全体を加熱すると、鋼材の高強度にする部分のみが焼入れ可能温度まで上昇し、それ以外の部分は焼入れ可能温度まで上昇することはなく、この状態で鋼材を上下一対の金型間に設置し、その間で型締めすることによりプレス成形して、上下一対の金型間に保持された鋼材を急冷した場合、鋼材の高強度にする部分のみが焼入れされ、それ以外の部分は焼入れされず、部分的に高強度の製品が得られる。したがって、本発明のプレス加工装置によれば、後加工で、トリミングなどの切除加工を行う外周部分などを高強度となる焼入れをせずにプレス成形することが可能となり、冷間材と同程度の低い硬度の外周部分などを容易に後加工することが可能となり、刃具寿命を冷間材並にすることが可能となる。

また、本発明のプレス加工装置では、前記第１加熱手段が一対のブロックを備えたブロック型ヒータであり、該ブロック型ヒータのブロックの間に前記鋼材の高強度にする部分を挟み込んで加熱するように構成されているため、鋼材の高強度にする部分とそれ以外の部分とをブロックで確実に区切り、製品の所望の位置に高強度部分を配置することが可能になる。

一方、本発明のダイクエンチ工法におけるプレス加工方法では、鋼材のうち、高強度にする部分を第１加熱手段で加熱し、次いで、前記鋼材の全体を第２加熱手段で加熱して、前記鋼材の高強度にする部分のみを焼入れ可能温度まで上昇させ、その後、加熱された前記鋼材の全体を前記金型によってプレス成形すると共に、前記鋼材の高強度にする部分のみを焼入れしているため、使用する金型の構造が簡単となり、かつ同じ工程中に冷却及び保温加熱という異なる温度調整をせずに済み、金型内の温度管理を容易に行うことが可能となり、硬度分布の違う製品が得られる。

上述の如く、本発明のダイクエンチ工法におけるプレス加工装置は、焼入れ温度まで加熱された鋼材を金型によってプレス成形すると共に、焼入れするためのものであって、前記鋼材のうち、高強度にする部分を加熱する第１加熱手段と、前記鋼材の全体を加熱して前記鋼材の高強度にする部分のみを焼入れ可能温度まで上昇させる第２加熱手段とを備え、加熱された前記鋼材の全体を前記金型によってプレス成形すると共に、前記鋼材の高強度にする部分のみを焼入れするように構成しているので、構造が簡単でかつ破損のおそれもなく、優れた耐久性を有する金型を用いることができ、金型内の温度管理も容易となり、高強度な部分と高強度でない部分とを有する高品質の製品を生産することができる。しかも、製品外周などを高強度にしないことで、今まで困難であったトリミングなどの後加工も、刃具の寿命を損なうことなく、簡単に行うことができる。

そして、本発明において、前記第１加熱手段は、一対のブロックを備えたブロック型ヒータであり、該ブロック型ヒータのブロックの間に前記鋼材の高強度にする部分を挟み込んで加熱するように構成されているので、鋼材の高強度にする部分とそれ以外の部分との境界をブロックで明確に分け、１つの製品の中で、高強度部分と高強度でない部分とを所望の位置に簡単に配置することができる。

また、本発明のダイクエンチ工法におけるプレス加工方法は、鋼材をその焼入れ温度まで加熱し、加熱された鋼材を金型によってプレス成形すると共に、焼入れするためのダイクエンチ工法におけるプレス加工方法であって、前記鋼材のうち、高強度にする部分を第１加熱手段で加熱し、次いで、前記鋼材の全体を第２加熱手段で加熱して、前記鋼材の高強度にする部分のみを焼入れ可能温度まで上昇させ、その後、加熱された前記鋼材の全体を前記金型によってプレス成形すると共に、前記鋼材の高強度にする部分のみを焼入れしているので、同じ工程中に冷却及び保温加熱という異なる温度調整を行うことなく、金型内の温度管理が容易となり、硬度分布の違う製品を生産でき、多種多様な製品のニーズに対応することができる。さらに、後加工部分を硬化しないようにしておけば、プレス加工後におけるトリミングなどの切除加工も容易に行うことができる。

以下、本発明のダイクエンチ工法におけるプレス加工装置及びプレス加工方法について、図面を参照しながら、その実施形態に基づき詳細に説明する。
図１は本発明の実施形態に係るダイクエンチ工法のプレス加工装置及びプレス加工方法によってプレス成形される鋼材の斜視図、図２は本発明の実施形態に係るプレス加工装置を示すものであって、（Ａ）はブロック型ヒータのブロックの間に鋼材の高強度にする部分を挟みこんで加熱する状態の斜視図、（Ｂ）は通電電極の間に鋼材を挟みこんで加熱する状態の斜視図、（Ｃ）は上下一対の金型でプレス成形している状態の斜視図、図３は本発明の実施形態に係るダイクエンチ工法のプレス加工装置及びプレス加工方法によってプレス成形された製品の斜視図、図４は本発明の実施形態の通電電極による加熱時において、ブロック型ヒータ加熱部と非加熱部の温度と時間との関係を示すグラフ、図５は本発明の実施形態に係るダイクエンチ工法のプレス加工装置及びプレス加工方法によってプレス成形された他の製品において、トリミング加工により外周部分を切除した状態の斜視図である。

本発明の実施形態に係るプレス加工装置は、ダイクエンチ工法によって、図１に示すような板状の鋼材１から図３に示すような所定の形状にプレス成形されかつ所定の部分のみに焼入れされた製品１０を生産する加工装置である。そのため、本実施形態のプレス加工装置は、図２に示すように、鋼材１のうち、高強度にする部分１ａを加熱し、それ以外の高強度にしない部分１ｂを加熱しない第１加熱手段のブロック型ヒータ２と、鋼材１の全体を加熱して鋼材１の高強度にする部分１ａのみを焼入れ可能温度まで上昇させる第２加熱手段の通電電極３と、設置された鋼材１の全体を所定の形状にプレス成形するプレス金型４とをそれぞれ備えている。
本実施形態の鋼材１は長方形状に形成されており、高強度にする部分１ａは、幅方向の中央部に位置して長手方向に延在し、高強度にしない部分１ｂは、幅方向の左右両側部に位置して長手方向に延在している。

上記ブロック型ヒータ２は、図２（Ａ）に示すように、対向して配置する上下一対のブロック２ａ，２ｂを備えており、上下一対のブロック２ａ，２ｂの上下間に鋼材１の高強度にする部分１ａを挟み込み、その挟み込んだ部分１ａを加熱し、３００℃前後の温度まで上昇させるように構成されている。このため、ブロック２ａ，２ｂは、長方形の鋼材１と同じ長さに形成されていると共に、高強度にする部分１ａの幅と同じ大きさに形成されており、これによって、高強度にする部分１ａとそれ以外の高強度にしない部分１ｂとが確実に区切られるようになっている。また、ブロック２ａ，２ｂは、図示しない加熱電源にケーブルなどを介して電気的に接続されている。

上記通電電極３は、図２（Ｂ）に示すように、鋼材１の長手方向の両側で、幅方向に沿ってそれぞれ配置される上下一対の電極ブロック３ａ，３ｂを備えており、これら上下一対の電極ブロック３ａ，３ｂの上下間に鋼材１の長手方向の両端部をそれぞれ挟み込んで通電し、鋼材１の全体を加熱して高強度にする部分１ａ（図２（Ｂ）中、斜線で示した部分）のみを約９００℃の焼入れ可能温度まで上昇させるように構成されている。このため、両側の電極ブロック３ａ，３ｂは、長方形の鋼材１の幅と同じ長さに形成され、図示しない加熱電源にケーブルなどを介してそれぞれ電気的に接続されている。
ところで、高強度にする部分１ａのみが焼入れ可能温度まで上昇するのは、通電加熱がジュールの法則（Ｑ＝Ｉ²Ｒｔ、Ｑ＝ジュール熱、Ｉ＝電流、Ｒ＝電気抵抗、ｔ＝時間）から導体に電流を流すと抵抗により発熱し、金属は温度が高くなるほど電気抵抗が高くなることから、図４のＡ線（ブロック型ヒータ加熱部）で示すように、ブロック型ヒータ２により３００℃前後の温度まで加熱された高強度にする部分１ａのみが焼入れ可能温度まで上昇し、図４のＢ線（非加熱部）で示すように、加熱されていない高強度にしない部分１ｂは焼入れ可能温度まで上昇しないことを利用したものである。

上記プレス金型４は、図２（Ｃ）に示すように、対向して配置した上下一対の金型である上型４ａと下型４ｂとによって構成されており、上型４ａの下面及び下型４ｂの上面には、断面ハット形状の製品１０と対応した形状の凹凸が形成されている。上型４ａは、図示しないプレス加工装置の装置本体の下面に装着され、下型４ｂは、プレス加工装置のベース（図示せず）上に配置されて取付けられている。本実施形態のプレス加工装置では、装置本体が図示しない駆動シリンダの作動ロッドに連結されて昇降可能となっており、ベースは図示しない床などに固定されている。

次に、ダイクエンチ工法において、本発明の実施形態のプレス加工装置を使用したプレス加工方法により、製品１０を生産する手順について説明する。
先ず、図１に示す板状の鋼材１を搬送し、ブロック型ヒータ２のブロック２ａ，２ｂの上下間に高強度にする部分１ａを挟み込む（図２（Ａ）参照）。そして、この高強度にする部分１ａをブロック型ヒータ２にて約３００℃の温度まで加熱する。
次いで、高強度にする部分１ａを加熱した鋼材１の長手方向の両端部を通電電極３の電極ブロック３ａ，３ｂの上下間に挟み込む（図２（Ｂ）参照）。そして、電極ブロック３ａ，３ｂに電流を供給し、鋼材１の全体を通電電極３にて９秒間程度加熱する。すると、図４のグラフで示すように、Ａ線の高強度にする部分１ａは、約９００℃の焼入れ温度まで加熱され、Ｂ線の高強度にしない部分１ｂは、焼入れ温度ではない約４００℃の温度までしか加熱されないことになる。
しかる後、この加熱された鋼材１を本実施形態のプレス金型４の設置箇所まで搬送し、型開きされている上型４ａと下型４ｂとの間に導入し、下型４ｂの上に載せて設置する。この状態で、図示しない駆動シリンダにより図外の装置本体を駆動し、上型４ａを下型４ｂに向けて下降させ、プレス金型１を閉じる（図２（Ｃ）参照）。すると、上型４ａと下型４ｂとの間に挟まれた鋼材１は、所定形状にプレス成形されると同時に、焼入れ温度まで加熱された高強度にする部分１ａは低温の上型４ａ及び下型４ｂによって急冷され、焼入れされることになる。そして、図示しない駆動シリンダにより図外の装置本体を駆動し、上型４ａを下型４ｂから離間すべく上昇させてプレス金型１を開けば、所定形状にプレス成形され、かつ部分的に焼入れされた製品１０を取出すことが可能になる。このような手順を経て生産された製品１０は、図３に示すように、硬度分布の違う部分からなり、高強度を有する部分１０ａ（図３中、斜線で示した部分）と、高強度を有していない部分１０ｂとを備えている。

なお、本発明の実施形態のプレス加工装置及びプレス加工方法により硬化部分を調整し、後加工部分を硬化しないようにしておけば、図５に示す製品２０のように、硬化した高強度の中央部２０ａを残し、硬化していない外側部２０ｂに対してトリミング加工を行い、切除してスクラップ２１とすることも可能である。

このように、本発明の実施形態のダイクエンチ工法におけるプレス加工装置及びプレス加工方法によれば、鋼材１のうち、高強度にする部分１ａを加熱するブロック型ヒータ２と、鋼材１の全体を加熱して鋼材１の高強度にする部分１ａのみを焼入れ可能温度まで上昇させる通電電極３とを備え、加熱された鋼材１の全体をプレス金型４によってプレス成形すると共に、鋼材１の高強度にする部分１ａのみを焼入れするようにしているため、構造が簡単でかつ破損のおそれもなく、優れた耐久性を有するプレス金型４を用いることができ、コストダウンを図ることができる。また、プレス金型４内の温度管理も容易となり、高強度な部分１０ａと高強度でない部分１０ｂを有する高品質の製品１０を簡単に生産することができる。しかも、製品２０の外周側部２０ｂを高強度にしないことで、今まで困難であったトリミングなどの後加工も、刃具の寿命を損なうことなく、迅速かつ容易に行うことができる。さらに、本実施形態のプレス加工装置では、第１段階の加熱手段としてブロック型ヒータ２を用い、ブロック２ａ，２ｂの上下間に鋼材１の高強度にする部分１ａを挟み込んで加熱しているため、鋼材１のうちで、高強度にする部分１ａと高強度にしない部分１ｂとの境界線を明確に付け易くなる。

以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。

例えば、既述の実施形態のプレス加工装置では、鋼材１の高強度にする部分１ａが鋼材１の幅方向の中央部で長手方向に延在しているが、図６に示すように、別の正方形状に形成されたブロック型ヒータ３１を用い、鋼材１の高強度にする部分の位置を長手方向の片側端部に変え、この部分を上下一対のブロック３１ａ，３１ｂの上下間に挟み込み、３００℃前後の温度まで加熱することも可能である。この鋼材１を既述の実施形態と同様の手順でプレス成形すれば、図７に示すように、製品３０の片側端部が高強度の部分３０ａ（図７中、斜線で示した部分）となり、他の部分が高強度でない部分３０ｂとなる。
また、第１加熱手段としてブロック型ヒータ２，３１を用いているが、鋼材１のうちで高強度にする部分１ａを均一に加熱することができれば、ブロック型ヒータ以外の他の加熱手段（例えば、高周波加熱装置、バーナー等）を使用しても良い。

本発明の実施形態に係るダイクエンチ工法のプレス加工装置及びプレス加工方法によってプレス成形される鋼材を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るプレス加工装置を示すものであって、（Ａ）はブロック型ヒータのブロックの間に鋼材の高強度にする部分を挟みこんで加熱する状態の斜視図、（Ｂ）は通電電極の間に鋼材を挟みこんで加熱する状態の斜視図、（Ｃ）は上下一対の金型でプレス成形している状態の斜視図である。 本発明の実施形態に係るダイクエンチ工法のプレス加工装置及びプレス加工方法によってプレス成形された製品を示す斜視図である。 本発明の実施形態の通電電極による加熱時において、ブロック型ヒータ加熱部と非加熱部の温度と時間との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係るダイクエンチ工法のプレス加工装置及びプレス加工方法によってプレス成形された他の製品において、トリミング加工により外周部分を切除した状態を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るプレス加工装置のうち、変形例として別の形状に形成されたブロック型ヒータを用い、上記実施形態とは鋼材の高強度にする部分の位置を変えてブロックの間に挟みこんで加熱する状態を示す斜視図である。 図６のブロック型ヒータを用いて加熱された鋼材をプレス成形することにより得た製品を示す斜視図である。

符号の説明

１ 鋼材
１ａ 高強度にする部分
２ ブロック型ヒータ（第１加熱手段）
２ａ，２ｂ ブロック
３ 通電電極（第２加熱手段）
３ａ，３ｂ 電極ブロック
４ プレス金型
４ａ 上型
４ｂ 下型
１０，２０，３０ 製品
３１ ブロック型ヒータ
３１ａ，３１ｂ ブロック

Claims (3)

1. 焼入れ温度まで加熱された鋼材を金型によってプレス成形すると共に、焼入れするためのダイクエンチ工法におけるプレス加工装置であって、
   前記鋼材のうち、高強度にする部分を加熱する第１加熱手段と、前記鋼材の全体を加熱して前記鋼材の高強度にする部分のみを焼入れ可能温度まで上昇させる第２加熱手段とを備え、加熱された前記鋼材の全体を前記金型によってプレス成形すると共に、前記鋼材の高強度にする部分のみを焼入れするように構成したことを特徴とするプレス加工装置。
2. 前記第１加熱手段は、一対のブロックを備えたブロック型ヒータであり、該ブロック型ヒータのブロックの間に前記鋼材の高強度にする部分を挟み込んで加熱するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のプレス加工装置。
3. 鋼材をその焼入れ温度まで加熱し、加熱された鋼材を金型によってプレス成形すると共に、焼入れするためのダイクエンチ工法におけるプレス加工方法であって、
   前記鋼材のうち、高強度にする部分を第１加熱手段で加熱し、次いで、前記鋼材の全体を第２加熱手段で加熱して、前記鋼材の高強度にする部分のみを焼入れ可能温度まで上昇させ、その後、加熱された前記鋼材の全体を前記金型によってプレス成形すると共に、前記鋼材の高強度にする部分のみを焼入れすることを特徴とするプレス加工方法。

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