JP5402512B2

JP5402512B2 - ホットスタンプ用金型

Info

Publication number: JP5402512B2
Application number: JP2009240197A
Authority: JP
Inventors: 好史小林; 一之河野; 泰則伊藤; 隆八重倉
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2009-10-19
Filing date: 2009-10-19
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2029-10-19
Also published as: JP2011083812A

Description

本発明は、鋼板などの金属パネルをホットスタンプするために用いられるホットスタンプ用金型に関するものであり、さらに詳細には、ホットスタンプ中の金属パネルの温度を連続的に測定できる温度センサーを備えたホットスタンプ用金型に関するものである。

ホットスタンプは、金型中において金属パネルを成形するとともに焼入れを行うことによって高強度化を図る部品製造方法である。このホットスタンプによる焼入れ後の強度や材質を適切に制御したり管理したりするためには、冷却開始温度、冷却終点温度、冷却時間などを正確に制御・管理する必要がある。しかし従来はホットスタンプ中の金属パネルの温度を連続的に測定することは困難であった。

すなわち、ホットスタンプ中の金属パネルの温度を連続的に測定するためには、金属パネルに熱電対を溶接して金型中でホットスタンプする方法が考えられるが、ホットスタンプ毎に熱電対の溶接作業を行うことは生産性が低く、コストも高くつくこととなる。しかもホットスタンプ途中の金属パネルの変形や金型との接触によって熱電対が破断し、安定的な温度測定は不可能である。従ってこの方法は、サンプルによる試験的な温度測定にしか採用することができない。

これに対して公知の放射温度計やサーモビュアを用いれば上記のような問題はないが、これらの温度計によっては金型内部におけるホットスタンプ途中の金属パネルの温度測定を行うことは不可能である。しかも金属パネルは温度によって放射率が変化するため、ホットスタンプが行われる常温からオーステナイト変態点以上まで、その後の常温までの温度域での連続温度測定は困難である。

このほか、金属パネルからの伝熱を受けた金型表面温度を接触式温度計や放射温度計、赤外線温度計などにより測定する方法も考えられる。しかし間接測定となること、成形終了から温度測定まで時間を要することから、金属パネルの温度をリアルタイムで正しく測定することはできない。また、金型内部から金型表面温度を測定しようとした場合には、金属パネルから金型への接触伝熱の結果を測定することとなり、広範囲の平均温度を測定していることとなる。このため金属パネル自体の温度を測定できないうえに、応答性が悪いという問題がある。

このように、従来はホットスタンプ中の金属パネルの温度を連続的に測定することができなかったため、ホットスタンプ開始直前及び離型直後の金属パネルの温度と、その間の時間を製品の代表位置で測定することしかできていない。このため必要とする強度等の特性が得られない場合の対策実施には試行錯誤が必要となり、多大なコストを要することとなる。このほか、ホットスタンプにより成形された部品の強度を引張試験機等で評価することは不可能であり、品質保証上の問題を生じている。

なお樹脂成形用金型では特許文献１に示されるように、金型の内部に熱電対を挿入してその先端を樹脂に直接接触させ、成形中の温度変化を測定することが行われている。しかしホットスタンプは樹脂の成形温度よりもはるかに高温領域で行われるうえ、非常に大きな圧力が金型内面の垂直方向および面内方向に作用するために熱電対が損傷し易く、樹脂成形用金型と同じ構造を採用することはできない。

特開平８−３１８５３３号公報

従って本発明の目的は上記した従来の問題点を解決し、ホットスタンプ中の金属パネルの温度をリアルタイムで連続的に測定することができるホットスタンプ用金型を提供することである。

上記の課題を解決するためになされた本発明は、金型の内面に温度センサーを取り付けたホットスタンプ用金型であって、温度センサーは、薄肉金属板からなる熱伝導率が２０〜３０Ｗ／（ｍ・℃）の耐熱鋼のドーム状の本体の先端部内面に熱電対温度計の先端を固定し、この先端部の外面を金型の内表面から０〜０．２ｍｍの範囲で突出させ、ホットスタンプされる金属パネルと接触するように、本体の外周をホルダーに保持させ、金型の温度測定孔の内部に取付けた構造であることを特徴とするものである。

なお、ドーム状の本体の先端部を曲面または平面とすることができる。また、ドーム状の本体を構成する薄肉金属板の板厚を０．１〜０．３ｍｍとすることが好ましく、ドーム状の本体の直径を５〜１０ｍｍとすることが好ましい。

本発明のホットスタンプ用金型は、薄肉金属板からなる熱伝導率が２０〜３０Ｗ／（ｍ・℃）の耐熱鋼のドーム状の本体の先端部内面に熱電対温度計の先端を固定し、この先端部の外面を金型の内表面から０〜０．２ｍｍの範囲で突出させた温度センサーを用いている。このため熱電対温度計の先端はホットスタンプされる金属パネルと薄肉金属板を介して接触し、接触部の金属パネルの温度を測定することができる。またドーム状の本体の外周をホルダーによって金型の温度測定孔の内部に保持させた構造であるため、接触部の周辺の温度は薄肉金属板の板厚に比べてはるかに長い熱伝導経路を通じて熱電対温度計の先端に到達することとなり、温度測定値にほとんど影響を及ぼすことがない。従って本体の先端部が接触する部分の金属パネルの温度を正確に測定することができる。

またホットスタンプ中は金型内面に垂直方向及び面内方向に大きな圧力が作用することとなるが、薄肉金属板からなるドーム状の本体はそれ自体で機械的強度を保ち、これらの圧力に耐えることができる。このためホットスタンプ中の金属パネルの温度を正確に測定することができる。

ホットスタンプ用金型の一例を示す断面図である。温度センサーの本体を示す斜視図である。温度センサーをホットスタンプ用金型に取り付けた状態の拡大断面図である。温度センサー１と熱電対温度計の測定結果を示す図である。温度センサー２と熱電対温度計の測定結果を示す図である。

以下に本発明の実施形態を示す。図１はホットスタンプ用金型の一例を示す断面図であり、１はダイス、２はパンチ、３はホルダーと呼ばれる金型である。このようなホットスタンプ用金型の内面の複数個所に、温度センサー１０が取り付けられている。図１では温度センサー１０の取付け位置を丸印で表示している。なおホットスタンプ用金型そのものは公知であり、その具体的な構造は本発明の要部ではなく、様々な変形が可能である。また温度センサー１０の個数や取付け位置も任意に決定することができる。

温度センサー１０は、図２に示されるようなドーム状の本体１１の先端部内面に、熱電対温度計１２の先端を固定したものである。ドーム状の本体１１の基部外周にはフランジ１３が形成されており、このフランジ１３を図３に示すように円筒状のホルダー１４と円筒状の押さえ金具１５との端面間に挟み込み、その全体をホットスタンプ用金型に形成された温度測定孔４の内部に保持させてある。円筒状のホルダー１４を金属パネルに対して垂直に取付け可能なように、温度測定孔４をダイス２に貫通させる。なお、図１に温度測定孔４の例を示した。熱電対温度計１２のリード線は温度測定孔４から外部の計器に接続される。

この温度センサー１０の本体１１は直径ｄ_２が５〜１０ｍｍ、フランジ１３の直径ｄ_３がｄ_２＋（４〜６）ｍｍである。直径ｄ_２が５ｍｍ未満であると後述する周囲からの熱伝導経路が短くなって測定精度が低下し、１０ｍｍを超えるとホットスタンプの圧力により変形するおそれがあるためである。ドーム部は略半球状であるため、ドーム高さｈ_１はｄ_２と略同一である。また半球状のドーム部につながる円筒部の高さは、０〜１０ｍｍである。この円筒部は金型表面に沿った力の影響から温度センサーに強度や剛性を必要とする場合に設けられるものである。本体１１の先端部は金型の内表面から０〜０．２ｍｍの範囲で突出させておく。本体１１はドーム状であってその先端の突出量は０．２ｍｍ以下であるから、ホットスタンプによる大きな圧力を受けても本体１１は僅かに撓むだけで破損することはない。

本体１１の先端部は球面のままとしてもよく、あるいは直径が２ｍｍまでの平面としてもよい。球面とするか平面とするかは、温度測定の応答性や接触面積の安定性、取り付け部の金型形状などによって使い分ける。この本体１１の先端部の内面に、熱電対温度計１２の先端を溶接、ろう付け、もしくは接着剤によって固定する。このため、先端部を球面のままとした場合には本体１１の先端部をホットスタンプされる金属パネルと点接触させ易く、応答性を高くすることができる。一方、平面状とすれば金属パネルへの押し付け力が働くことによって、押し付け面積が安定化する。

このような温度センサー１０の本体１１は、板厚が０．１〜０．３ｍｍ程度の薄肉金属板によって構成されている。このため熱電対温度計１２の先端と金属パネルとの間の熱伝導経路は０．１〜０．３ｍｍ程度とごく短い。これに対してドーム状の本体１１の周囲からも熱電対温度計１２の先端への熱伝導があるが、その際の熱伝導経路は数ｍｍのオーダーとなり桁違いに長い。このために本発明の温度センサーは、周囲を断熱材によって囲わなくてもドーム状の本体１１の先端部のみの温度を正確に測定することができ、その周囲の平均的温度を測定することはない。なお板厚が０．１ｍｍ未満では強度が不足し、０．３ｍｍを超えると熱電対温度計１２の先端と金属パネルとの間の熱伝導経路が大きくなって温度測定精度が低下する。

上記のように本発明では熱伝導経路の長さの差を利用して温度測定を行っており、この効果を十分に発揮させるためには温度センサー１０の本体１１を構成する材料の熱伝導率が２０〜３０Ｗ／（ｍ・℃）程度であってあまり大きくない方が好ましい。本発明者は多くの金属を用いて実験を繰り返した結果、熱伝導率が大きすぎないこと、ホットスタンプが行われる９００℃前後までの耐熱性を備えること、金属パネルとの接触によってスケール発生のおそれがないこと、耐摩耗性を有すること、などの条件を満足する金属として、ステンレス系の耐熱鋼を選択した。なお、本体１１を構成する材料の熱伝導率が２０Ｗ／（ｍ・℃）未満であると温度測定の応答性が低下し、逆に３０Ｗ／（ｍ・℃）を超えると周囲温度の影響を受けるおそれがあり、温度測定精度が低下する。

この点につき詳述すると、銅合金（展伸材、丹銅、黄銅、りん青銅、アルミニウム青銅、ネーパル黄銅、アルミニウム黄銅など）はいずれも熱伝導率が６０Ｗ／（ｍ・℃）以上と高すぎるために不適当である。キュプロニッケルは熱伝導率が２０〜３０Ｗ／（ｍ・℃）の範囲にあるが、溶接が困難であるために熱電対温度計１２の先端を溶接するには不適当である。インコネルやチタン合金は熱伝導率が低い点では好ましいが、チタンを含有しており硬いために加工性が悪く、やはり不適切である。これに対してステンレス鋼は熱伝導率が２２〜２７Ｗ／（ｍ・℃）の範囲にあり、溶接や加工も可能であるため好ましい。この実施形態では例えばＳＵＳ３０４を使用した。

なお、本体１１を金型の温度測定孔４の内部に固定するためのホルダー１４や押さえ金具１５の材質としては、特に断熱性を要求されることはなく、一般的な構造用鋼材を用いればよい。

このように構成された本発明のホットスタンプ用金型を用いれば、ホットスタンプ中の金属パネルの各部の温度を連続的に正確に測定することができるから、冷却開始温度、冷却終点温度、冷却時間などを正確に制御・管理することが可能となり、必要とする強度等の特性が得られない場合の対策も容易に行うことが可能となるなど、多くの利点がある。

薄鋼板からなるドーム状の本体の先端部内面に熱電対温度計の先端を固定した温度センサーの外周部をホルダーによって固定し、ホットスタンプ用金型の温度測定孔の内部に保持させた金型でホットスタンプ途中の金属パネルの温度を連続的に測定した。この時の温度センサーの材質、寸法を表１にまとめた。温度センサー１は好ましい材質、寸法での実施例で、温度センサー２は比較例である。温度測定結果を図４、図５に示す。なお、温度測定精度を見るために試験的に熱電対温度計を取り付けて同時に温度測定を行った。温度センサー１は薄鋼板の厚みが薄いために、温度センサー２よりも測定精度が高い。

１ダイス
２パンチ
３ホルダー
４温度測定孔
１０温度センサー
１１本体
１２熱電対温度計
１３フランジ
１４ホルダー
１５押さえ金具

Claims

金型の内面に温度センサーを取り付けたホットスタンプ用金型であって、温度センサーは、薄肉金属板からなる熱伝導率が２０〜３０Ｗ／（ｍ・℃）の耐熱鋼のドーム状の本体の先端部内面に熱電対温度計の先端を固定し、この先端部の外面を金型の内表面から０〜０．２ｍｍの範囲で突出させ、ホットスタンプされる金属パネルと接触するように、本体の外周をホルダーに保持させ、金型の温度測定孔の内部に取付けた構造であることを特徴とするホットスタンプ用金型。
ドーム状の本体の先端部を、曲面または平面としたことを特徴とする請求項１記載のホットスタンプ用金型。
ドーム状の本体を構成する薄肉金属板の板厚を０．１〜０．３ｍｍとしたことを特徴とする請求項１記載のホットスタンプ用金型。
ドーム状の本体の直径を５〜１０ｍｍとしたことを特徴とする請求項１記載のホットスタンプ用金型。