JP5783249B2

JP5783249B2 - ホットプレス装置

Info

Publication number: JP5783249B2
Application number: JP2013516151A
Authority: JP
Inventors: 潤司淺野; 健二小邑
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-05-26
Filing date: 2011-05-26
Publication date: 2015-09-24
Anticipated expiration: 2031-05-26
Also published as: JPWO2012160699A1; US20140137619A1; CN103547389A; CN103547389B; DE112011105284T5; WO2012160699A1; DE112011105284B4

Description

本発明は、加熱されたワークに対して、プレス加工を行うと同時に冷却を行うホットプレス装置に関する。

従来、オーステナイト組織が現れる温度以上まで加熱された鋼板等のワークに対して、金型によってプレス加工を行うと同時に、金型とワークとの接触による冷却を利用した焼入れ処理を施すホットプレス装置が広く知られている。

ホットプレス装置においては、冷却水が流動する水路を金型の内部に設けることで金型を冷却し、焼入れの際にワークを良好に冷却させる技術が公知となっている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、プレス加工が施されたワークは、スプリングバック、及び板厚のばらつき等の影響により、焼入れの際にワークと金型との間に空隙が生じる。これに伴い、焼入れの際にワークの表面と金型の成形面との接触面積が減少し、ワークの一部分において充分な冷却速度（例えば、３０［℃／ｓｅｃ］以上）を担保できず、ワークの硬度が部分的に所望の値よりも小さくなるという問題が生じる。

特開２００６−３２６６２０号公報

本発明は、ワークを充分な冷却速度で焼入れ可能なホットプレス装置を提供することを課題とする。

本発明のホットプレス装置は、互いの成形面が対向するように設けられた下型及び上型を具備し、加熱されたワークを前記下型及び前記上型によって挟み込んでプレス加工を行うと同時に、前記ワークの表面に前記下型の成形面及び前記上型の成形面を接触させた状態で保持することで前記ワークを冷却するホットプレス成形を行うホットプレス装置であって、前記下型及び／又は前記上型の内部には、冷却媒体が流動する冷却路と、ヘリウムが流動する複数のガス導入孔と、が設けられ、前記複数のガス導入孔は、前記冷却路の近傍を通るように、前記下型及び／又は前記上型の成形面から当該成形面以外の面にかけて、前記下型及び／又は前記上型の内部を貫通し、前記ワークのプレス加工後の変形によって、前記複数のガス導入孔が設けられた前記下型及び／又は前記上型と、前記ワークとの間に生じる空隙の位置に合わせて、前記下型及び／又は前記上型の成形面に開口し、前記複数のガス導入孔から、前記下型及び／又は前記上型と、前記ワークとの間に前記ヘリウムを供給しつつ、前記ホットプレス成形を行う。

本発明によれば、ワークを充分な冷却速度で焼入れすることができ、ワークの硬度が部分的に所望の値よりも小さくなることを防止できる。

本発明に係るホットプレス装置を示す図。ワークのプレス加工時において、上型が下死点に到達する前のホットプレス装置を示す図。ワークのプレス加工時において、上型が下死点に到達した状態のホットプレス装置を示す図。

以下では、図１〜図３を参照して、本発明に係るホットプレス装置の一実施形態であるホットプレス装置１について説明する。
ホットプレス装置１は、ワークＷに対してホットプレス成形を施す装置である。
ワークＷは、ホットプレス装置１の加工対象となる鋼板であり、通電加熱等によりオーステナイト組織が現れる温度以上まで加熱されている。
なお、説明の便宜上、図１における上下方向をホットプレス装置１の上下方向と規定し、図１における左右方向をホットプレス装置１の左右方向と規定する。更に、図１における紙面手前側をホットプレス装置１の前方、同じく紙面奥側をホットプレス装置１の後方と規定する。

図１に示すように、ホットプレス装置１は、下型１０及び上型２０、並びに側方ガス供給装置３０・３０、下型用ガス供給装置４０、及び上型用ガス供給装置５０を具備する。

下型１０及び上型２０は、それらの成形面が互いに対向するように配置され、上型２０を油圧シリンダ等によって下型１０に対して接近させるように下死点まで移動させることで、下型１０と上型２０との間に配置された板状のワークＷを挟み込んでプレス加工を行い、所謂、ハット型形状へとワークＷを成形すると同時に、ワークＷの表面に下型１０の成形面及び上型２０の成形面を接触させた状態で保持することで、ワークＷの冷却を行い、製品としてのワークＷを作製する。

下型１０は、上型２０と対応する下型であり、その成形面（上面）には、上方に突出する凸部１１が形成されている。
凸部１１は、下型１０の成形面が上方に突出するように形成された部位であり、下型１０の成形面の左右方向における中途部（略中央部）において、前後方向に沿って連続的に形成されている。

下型１０においては、凸部１１の最上部にて左右方向に沿って延在する頂面１０ａと、頂面１０ａの左右方向における両端から下方に延出する側面１０ｂ・１０ｂと、側面１０ｂ・１０ｂの下端から左右方向に沿って外方に延出する基端面１０ｃ・１０ｃとが所謂、ハット型形状の成形面として形成されている。

下型１０の内部には、冷却路１２、複数のガス導入孔１３・１３・・・、複数のガス導入孔１４・１４・・・、及び複数のガス導入孔１５・１５・・・が設けられている。

冷却路１２は、水等の冷却媒体が流動する通路であり、下型１０の成形面を冷却するために下型１０の内部に設けられている。冷却路１２は、冷却媒体が下型１０の右部における下面から下型１０の内部に流入し、前後方向及び左右方向に流動した後、下型１０の左部における下面から下型１０の外部に流出するように構成されている（図１における白塗り矢印参照）。なお、下型１０の内部における冷却媒体の流動は、所定のポンプ（不図示）によって達成されている。冷却媒体は、下型１０の成形面を冷却して下型１０の外部に流出した後、冷却されて再度下型１０の内部に流入することとなり、常に下型１０の内部を循環している。

ガス導入孔１３、ガス導入孔１４、及びガス導入孔１５は、空気よりも極めて高い熱伝導率を有する高い不活性ガス（以下、「熱伝導ガス」と記す）であるヘリウムが流動する通路である。ガス導入孔１３、ガス導入孔１４、及びガス導入孔１５は、下型１０の成形面から下面にかけて、下型１０を上下方向に沿って貫通し、冷却路１２の近傍を通るように形成され、それぞれ頂面１０ａの左右方向における中央部、左側の基端面１０ｃにおける左側の側面１０ｂ近傍、及び右側の基端面１０ｃにおける右側の側面１０ｂ近傍に開口するように配置されている。なお、図示していないが、ガス導入孔１３、ガス導入孔１４、及びガス導入孔１５は、それぞれ下型１０の前後方向に沿って互いに所定の間隔を空けて複数形成されている。

このように、下型１０においては、頂面１０ａの左右方向における中央部、及び基端面１０ｃ・１０ｃにおける側面１０ｂ・１０ｂ近傍の合計３箇所にそれぞれ複数のガス導入孔１３・１３・・・、複数のガス導入孔１４・１４・・・、及び複数のガス導入孔１５・１５・・・が形成されている。
なお、下型１０の内部に複数のガス導入孔１３・１３・・・、複数のガス導入孔１４・１４・・・、及び複数のガス導入孔１５・１５・・・が形成されることによって下型１０の成形面に形成される開口は、ワークＷのプレス加工に悪影響が生じない程度（ワークＷのプレス加工が従来と同様に行える程度）の内径に設定されている。

上型２０は、下型１０と対応する上型であり、その成形面（下面）には、凹部２１が凸部１１の形状に合わせて上方に窪むように形成されている。
凹部２１は、上型２０の成形面が上方に窪むように形成された部位であり、上型２０の成形面の左右方向における中途部（略中央部）において、前後方向に沿って連続的に形成されている。

上型２０においては、凹部２１の最上部にて左右方向に沿って延在する底面２０ａと、底面２０ａの左右方向における両端から下方に延出する側面２０ｂ・２０ｂと、側面２０ｂ・２０ｂの下端から左右方向に沿って外方に延出する基端面２０ｃ・２０ｃとが所謂、ハット型形状の成形面として形成されている。

上型２０の内部には、冷却路２２、複数のガス導入孔２３・２３・・・、複数のガス導入孔２４・２４・・・、複数のガス導入孔２５・２５・・・、及び複数のガス導入孔２６・２６・・・が設けられている。

冷却路２２は、水等の冷却媒体が流動する通路であり、上型２０の成形面を冷却するために上型２０の内部に設けられている。冷却路２２は、冷却媒体が上型２０の右部における上面から上型２０の内部に流入し、前後方向及び左右方向に流動した後、上型２０の左部における上面から上型２０の外部に流出するように構成されている（図１における白塗り矢印参照）。なお、上型２０の内部における冷却媒体の流動は、所定のポンプ（不図示）によって達成されている。冷却媒体は、上型２０の成形面を冷却して上型２０の外部に流出した後、冷却されて再度上型２０の内部に流入することとなり、常に上型２０の内部を循環している。

ガス導入孔２３、ガス導入孔２４、ガス導入孔２５、及びガス導入孔２６は、熱伝導ガスであるヘリウムが流動する通路である。ガス導入孔２３、ガス導入孔２４、ガス導入孔２５、及びガス導入孔２６は、上型２０の成形面から上面にかけて、上型２０を上下方向に沿って貫通し、冷却路２２の近傍を通るように形成され、それぞれ底面２０ａにおける左側の側面２０ｂ近傍、底面２０ａにおける右側の側面２０ｂ近傍、左側の基端面２０ｃにおける左側の側面２０ｂ近傍、及び右側の基端面２０ｃにおける右側の側面２０ｂ近傍に開口するように配置されている。なお、図示していないが、ガス導入孔２３、ガス導入孔２４、ガス導入孔２５、及びガス導入孔２６は、それぞれ上型２０の前後方向に沿って互いに所定の間隔を空けて複数形成されている。

このように、上型２０においては、底面２０ａにおける側面２０ｂ・２０ｂ近傍、及び基端面２０ｃ・２０ｃにおける側面２０ｂ・２０ｂ近傍の合計４箇所にそれぞれ複数のガス導入孔２３・２３・・・、複数のガス導入孔２４・２４・・・、複数のガス導入孔２５・２５・・・、及び複数のガス導入孔２６・２６・・・が形成されている。
なお、上型２０の内部に複数のガス導入孔２３・２３・・・、複数のガス導入孔２４・２４・・・、複数のガス導入孔２５・２５・・・、及び複数のガス導入孔２６・２６・・・が形成されることによって上型２０の成形面に形成される開口は、ワークＷのプレス加工に悪影響が生じない程度（ワークＷのプレス加工が従来と同様に行える程度）の内径に設定されている。

側方ガス供給装置３０は、熱伝導ガスであるヘリウムを下型１０と上型２０との間（ワークＷと下型１０との間、及びワークＷと上型２０との間）に供給する装置であり、所定の容器（不図示）に貯留された熱伝導ガスであるヘリウムを下型１０と上型２０との間に放出する。側方ガス供給装置３０は、上型２０が下死点に到達した際に、下型１０と上型２０との隙間に熱伝導ガスであるヘリウムを下型１０及び上型２０の外方から放出できるように、下型１０の基端面１０ｃ・１０ｃ近傍における下型１０の左方及び右方に２つ配置されている（図３参照）。なお、図示していないが、各側方ガス供給装置３０における熱伝導ガスであるヘリウムの放出口は、前後方向に沿って互いに所定の間隔を空けて複数設けられている。

下型用ガス供給装置４０は、熱伝導ガスであるヘリウムをワークＷと下型１０との間に供給する装置である。詳細には、下型用ガス供給装置４０は、所定の容器（不図示）に貯留された熱伝導ガスであるヘリウムを下型１０に形成された複数のガス導入孔１３・１３・・・、複数のガス導入孔１４・１４・・・、及び複数のガス導入孔１５・１５・・・にそれぞれ下型１０の下面の開口から流入させ、下型１０の成形面の開口から放出させる。

上型用ガス供給装置５０は、熱伝導ガスであるヘリウムをワークＷと上型２０との間に供給する装置である。詳細には、上型用ガス供給装置５０は、所定の容器（不図示）に貯留された熱伝導ガスであるヘリウムを上型２０に形成された複数のガス導入孔２３・２３・・・、複数のガス導入孔２４・２４・・・、複数のガス導入孔２５・２５・・・、及び複数のガス導入孔２６・２６・・・にそれぞれ上型２０の上面の開口から流入させ、上型２０の成形面の開口から放出させる。

以上のように構成されたホットプレス装置１がワークＷに対してホットプレス成形を施す際の動作について詳細に説明する。

図２に示すように、ワークＷのプレス加工が行われる際、上型２０が下型１０に対して接近し、下死点に到達する前の段階で、側方ガス供給装置３０・３０によって熱伝導ガスであるヘリウムを下型１０と上型２０との間に供給し、下型用ガス供給装置４０によって熱伝導ガスであるヘリウムをワークＷと下型１０との間に供給し、上型用ガス供給装置５０によって熱伝導ガスであるヘリウムをワークＷと上型２０との間に供給する。
なお、図２における黒塗り矢印は、熱伝導ガスであるヘリウムの放出方向を示している。

図３に示すように、上型２０が下死点に到達するまでの間、側方ガス供給装置３０・３０、下型用ガス供給装置４０、及び上型用ガス供給装置５０からの熱伝導ガスであるヘリウムの供給が継続される。こうして、ワークＷと下型１０との間、及びワークＷと上型２０との間に熱伝導ガスであるヘリウムが満たされた状態で、上型２０が下死点で保持されることとなる。
なお、上型２０が下死点に保持された状態で、ワークＷと下型１０との間、及びワークＷと上型２０との間を熱伝導ガスであるヘリウムで満たすことができれば良く、側方ガス供給装置３０・３０、下型用ガス供給装置４０、及び上型用ガス供給装置５０からの熱伝導ガスであるヘリウムの供給のタイミング等は限定しない。

ここで、プレス加工が施されたワークＷは、スプリングバック等の影響によって形状が僅かに変化するため、下型１０及び上型２０との間に空隙が生じる。
しかしながら、ワークＷが下型１０及び上型２０によって冷却される際には、空気よりも極めて高い熱伝導率を有するヘリウムがワークＷと下型１０との間、及びワークＷと上型２０との間に満たされているため、ワークＷにおける下型１０の成形面、又は上型２０の成形面から離間する部分においても、充分な冷却速度（例えば、３０［℃／ｓｅｃ］以上）で焼入れすることができる。
したがって、ワークＷの硬度が部分的に所望の値よりも小さくなることを防止できる。
また、ヘリウムは、不活性ガスであるため、化学反応が起こり難く、下型１０及び上型２０の酸化を抑制することができる。

なお、本発明に用いられる熱伝導ガスとしては、ヘリウムの他に、ヘリウムと同程度の熱伝導率を有する水素が考えられるが、化学反応が起こり易いため、不活性ガスであるヘリウムを採用することが好ましい。
また、不活性ガスとしては、窒素、又はアルゴン等が考えられるが、空気と同程度の熱伝導率であるため、除外する。

前述のように、複数のガス導入孔１３・１３・・・、複数のガス導入孔１４・１４・・・、及び複数のガス導入孔１５・１５・・・は、下型１０の内部に形成され、複数のガス導入孔２３・２３・・・、複数のガス導入孔２４・２４・・・、複数のガス導入孔２５・２５・・・、及び複数のガス導入孔２６・２６・・・は、上型２０の内部に形成されている。
これにより、下型用ガス供給装置４０から排出された熱伝導ガスであるヘリウムが複数のガス導入孔１３・１３・・・、複数のガス導入孔１４・１４・・・、及び複数のガス導入孔１５・１５・・・を流動する際に、冷却路１２によって冷却された下型１０によって冷却されると共に、上型用ガス供給装置５０から排出された熱伝導ガスであるヘリウムが複数のガス導入孔２３・２３・・・、複数のガス導入孔２４・２４・・・、複数のガス導入孔２５・２５・・・、及び複数のガス導入孔２６・２６・・・を流動する際に、冷却路２２によって冷却された上型２０によって冷却されることとなる。
したがって、別途、熱伝導ガスであるヘリウムを冷却するための機器を用いることなく、熱伝導ガスであるヘリウムを冷却することができ、ワークＷの焼入れの際に、熱伝導ガスであるヘリウムによるワークＷの抜熱を促進させることができる。

また、複数のガス導入孔１３・１３・・・、複数のガス導入孔１４・１４・・・、及び複数のガス導入孔１５・１５・・・は、冷却路１２の近傍を通るように形成され、複数のガス導入孔２３・２３・・・、複数のガス導入孔２４・２４・・・、複数のガス導入孔２５・２５・・・、及び複数のガス導入孔２６・２６・・・は、冷却路２２の近傍を通るように形成されている。
これにより、下型用ガス供給装置４０から排出された熱伝導ガスであるヘリウムが複数のガス導入孔１３・１３・・・、複数のガス導入孔１４・１４・・・、及び複数のガス導入孔１５・１５・・・を流動する際に、冷却路１２によって冷却されると共に、上型用ガス供給装置５０から排出された熱伝導ガスであるヘリウムが複数のガス導入孔２３・２３・・・、複数のガス導入孔２４・２４・・・、複数のガス導入孔２５・２５・・・、及び複数のガス導入孔２６・２６・・・を流動する際に、冷却路２２によって冷却されることとなる。
したがって、ワークＷの焼入れの際に、熱伝導ガスであるヘリウムによるワークＷの抜熱を更に促進させることができる。
なお、ガス導入孔１３、ガス導入孔１４、及び複数のガス導入孔１５においては、冷却路１２に近接する部分が多ければ多い程良く、ガス導入孔２３、ガス導入孔２４、ガス導入孔２５、及び複数のガス導入孔２６においては、冷却路２２に近接する部分が多ければ多い程良い。

また、複数のガス導入孔１３・１３・・・、複数のガス導入孔１４・１４・・・、及び複数のガス導入孔１５・１５・・・は、下型１０の成形面に開口するように形成され、複数のガス導入孔２３・２３・・・、複数のガス導入孔２４・２４・・・、複数のガス導入孔２５・２５・・・、及び複数のガス導入孔２６・２６・・・は、上型２０の成形面に開口するように形成されている。
これにより、下型用ガス供給装置４０から排出された熱伝導ガスであるヘリウムを下型１０の成形面の開口から放出すると共に、上型用ガス供給装置５０から排出された熱伝導ガスであるヘリウムを上型２０の成形面の開口から放出することが可能となる。
したがって、熱伝導ガスであるヘリウムをワークＷの側方等から供給する場合と比較して、大気に拡散させることなく、ワークＷと下型１０との間、及びワークＷと上型２０との間に効率良く供給することができる。

また、複数のガス導入孔１３・１３・・・、複数のガス導入孔１４・１４・・・、及び複数のガス導入孔１５・１５・・・は、それぞれ頂面１０ａの左右方向における中央部、及び基端面１０ｃ・１０ｃにおける側面１０ｂ・１０ｂ近傍に形成され、複数のガス導入孔２３・２３・・・、複数のガス導入孔２４・２４・・・、複数のガス導入孔２５・２５・・・、及び複数のガス導入孔２６・２６・・・は、それぞれ底面２０ａにおける側面２０ｂ・２０ｂ近傍、及び基端面２０ｃ・２０ｃにおける側面２０ｂ・２０ｂ近傍に形成されている。つまり、図３に示すように、複数のガス導入孔１３・１３・・・、複数のガス導入孔１４・１４・・・、及び複数のガス導入孔１５・１５・・・は、プレス加工後のワークＷと下型１０との間に生じた空隙の位置に合わせて、下型１０の成形面に開口するように形成され、複数のガス導入孔２３・２３・・・、複数のガス導入孔２４・２４・・・、複数のガス導入孔２５・２５・・・、及び複数のガス導入孔２６・２６・・・は、プレス加工後のワークＷと上型２０との間に生じた空隙の位置に合わせて、上型２０の成形面に開口するように形成されている。
これにより、ワークＷと下型１０との間、及びワークＷと上型２０との間に、熱伝導ガスであるヘリウムを効率良く供給することができ、少量でワークＷと下型１０との間、及びワークＷと上型２０との間の空間を満たすことができる。
したがって、熱伝導ガスであるヘリウムの消費量を抑制することができ、コストの削減を図ることができる。
なお、プレス加工後におけるワークＷの変形特性は、実験等により得られるため、ワークＷと下型１０及び上型２０との間に生じる空隙の位置は、予め把握可能である。

なお、本実施形態においては、下型１０及び上型２０の両方にそれぞれ冷却路、及び複数のガス導入孔を設けたが、下型１０及び上型２０の片方のみに冷却路、及び複数のガス導入孔を設ける構成とすることも可能である。
また、本実施形態における下型１０及び上型２０は、ワークＷをハット型形状に成形するための形状としたが、当該形状に限定するものではなく、他の形状の下型及び上型を具備するホットプレス装置においても、本発明を適用可能である。

また、本実施形態においては、本発明に係るガス供給装置を側方ガス供給装置３０・３０、下型用ガス供給装置４０、及び上型用ガス供給装置５０としたが、これらを一つのガス供給装置として構成することも可能である。

本発明は、加熱されたワークに対して、プレス加工を行うと同時に冷却を行うホットプレス装置に利用できる。

１ホットプレス装置
１０下型
１２冷却路
１３、１４、１５ガス導入孔
２０上型
２２冷却路
２３、２４、２５、２６ガス導入孔
３０側方ガス供給装置
４０下型用ガス供給装置
５０上型用ガス供給装置

Claims

互いの成形面が対向するように設けられた下型及び上型を具備し、
加熱されたワークを前記下型及び前記上型によって挟み込んでプレス加工を行うと同時に、前記ワークの表面に前記下型の成形面及び前記上型の成形面を接触させた状態で保持することで前記ワークを冷却するホットプレス成形を行うホットプレス装置であって、
前記下型及び／又は前記上型の内部には、
冷却媒体が流動する冷却路と、
ヘリウムが流動する複数のガス導入孔と、が設けられ、
前記複数のガス導入孔は、前記冷却路の近傍を通るように、前記下型及び／又は前記上型の成形面から当該成形面以外の面にかけて、前記下型及び／又は前記上型の内部を貫通し、前記ワークのプレス加工後の変形によって、前記複数のガス導入孔が設けられた前記下型及び／又は前記上型と、前記ワークとの間に生じる空隙の位置に合わせて、前記下型及び／又は前記上型の成形面に開口し、
前記複数のガス導入孔から、前記下型及び／又は前記上型と、前記ワークとの間に前記ヘリウムを供給しつつ、前記ホットプレス成形を行う、
ことを特徴とするホットプレス装置。