JP6056981B2 - 熱間プレス成形の冷却方法および熱間プレス成形装置 - Google Patents
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Description
本発明は、薄板鋼板の熱間プレス成形の冷却方法および熱間プレス成形装置に関するものである。
近年、高張力鋼板を用いた自動車部品材等の鋼板成形手段として熱間プレス成形が採用されている。熱間プレス成形は、鋼板を高温でプレス成形することによって、変形抵抗が低い段階で成形し、急冷による焼入れ硬化させるため、成形後の変形等の成形不具合を発生させることなく高強度で形状精度の高い部品等を得ることができる。
熱間プレス成形では、予め加熱炉によって所定温度に加熱された鋼板を金型に供給し、ダイス上に載置または金型に内蔵したリフター等の治具により浮上した状態でポンチを下死点まで降下し、鋼板と金型との間に、例えば水などの冷媒を供給して急速に冷却する。そのため、金型の表面に一定の高さの複数の独立した凸部を設けると共に、金型の表面の複数個所に設けられた冷媒の噴出孔に連通する水の流路と、供給した水を吸引するための流路とが、金型の内部に設けられている。従来の薄板鋼板の熱間プレス成形の冷却方法では、冷却水を流して冷却する間は同じ流量を維持するので、冷却時間中、各噴出孔から同一の噴出量が噴出される。
このような構成の金型を使用して熱間プレス成形を行う場合に、さらに生産性を向上させるために、冷却水の流量を増加し、冷却時間を短縮することが考えられる。しかしながら、成形形状(反り)や焼き入れ特性といった品質のばらつきが、部位によって生じてしまうことが判明した。これは、噴出孔付近とその周辺の冷媒の流れによる冷却速度の差による冷却の不均一が原因である。すなわち、冷却速度の差により熱応力が生じて品質がばらついてしまう。また、発明者らがさらに調べたところ、噴出孔を中心として、円環状に冷却むらがあることが判明した。これは、冷却当初から所定噴出量で冷却水を噴出すると、突沸や空気の巻き込みが噴出孔を中心とした同心円状に発生し、それによって冷却むらが発生すると考えられる。そのため、冷媒の供給量に関し、何らかの工夫が必要である。
なお、熱間プレス成形方法における冷媒の供給制御に関して、先に出願人は特許文献1の熱間プレス成形方法を提案している。この熱間プレス成形方法では、加熱された厚板鋼板を急冷金型に載置し、急冷金型を下死点で保持しながら厚板鋼板に冷媒を供給して急冷し、その後、急冷金型を下死点で保持した状態で冷媒の供給を制御するものである。具体的には、冷媒の供給を停止し、所定時間経過後に再び冷媒の供給を行うことを少なくとも一回以上繰り返したり、冷媒の所定供給流量を途中で一旦低減し、所定の時間経過後に冷媒の供給流量を再び増加させるというものである。
しかしながら、特許文献1の熱間プレス成形方法は、対象となる鋼板がいわゆる厚板であり、その目的も、鋼板の厚み方向に強度を変化させた成形部品を形成することである。したがって、そのままでは、薄板鋼板の熱間プレス成形において、噴出孔付近とその周辺に発生する上述した冷却速度の差による冷却の不均一に起因する鋼板の形状の歪や品質むらを改善できない。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、薄板鋼板を熱間プレス成形する際に、冷却の不均一に起因する、形状の歪みや品質のばらつきを抑えることを目的とする。
発明者らが鋭意研究、実験したところ、冷却の不均一に起因する形状の歪み等は、冷媒の噴出孔付近では即座に冷却されるが、当該噴出孔から離れた位置では、冷却速度が遅くなり、その結果温度のばらつきが発生することが原因であることが判った。そして、供給する冷媒の流量の変化によって、当該ばらつきが変化することが新たに知見された。
かかる知見から、本発明は、加熱された薄板鋼板を熱間プレス成形する際に、金型内部の供給路から連通した当該金型表面の噴出孔へ冷媒を供給することによって当該薄板鋼板を冷却する熱間プレス成形の冷却方法であって、前記加熱された薄板鋼板を金型に載置して下死点で保持した状態で、前記冷媒を前記噴出孔に供給して冷却する際に、前記噴出孔からの冷媒の単位時間当たりの噴出量を抑制したプレ冷却を行った後に、単位時間当たりの噴出量を増加させて本冷却を行うことを特徴としている。
また、本発明は、加熱された薄板鋼板を熱間プレス成形する際に、金型内部の供給路から連通した当該金型表面の噴出孔へ冷媒を供給することによって当該薄板鋼板を冷却する熱間プレス成形装置であって、前記熱間プレス成形装置は、前記加熱された薄板鋼板を金型に載置して下死点で保持した状態で、前記冷媒を前記噴出孔に供給して冷却する際に、単位時間当たりの噴出量を抑制したプレ冷却を行った後に、前記噴出孔からの冷媒の単位時間当たりの噴出量を増加させて本冷却を行うことを特徴とする。
上述したように単位時間当たりの噴出量を抑制させたプレ冷却を行うことで噴出孔付近での過度の冷却を抑制させることができる。また、単位時間当たりの噴出量を抑制させたプレ冷却を行うことで冷却当初の突沸や空気の巻き込みを抑えることができる。したがって、その後の本冷却によって、薄板鋼板全体に対して均一な冷却を実現できる。
本発明によれば、薄板鋼板を熱間プレス成形する際に、冷却の不均一に起因する、形状の歪みや品質のばらつきを抑えることができる。
以下、本発明の実施形態について説明する。
図1は本実施形態の熱間プレス成形装置1の構成を模式的に示す図である。熱間プレス成形装置1は、鋼板(薄板鋼板)Kをプレス成形するためのプレス成形金型10を構成する上側金型11(第1金型)、下側金型12(第2金型)を有している。なお、薄板鋼板とは板厚3mm未満の鋼板をいう。
本実施形態では、下側金型12の表面に一定の高さの複数の独立した凸部(図示せず)が設けられ、下死点において鋼板Kと下側金型12との間に隙間が形成される。冷媒である冷却水は当該隙間に供給される。上側金型11は、昇降機構(図示せず)によって、所定の圧力で鉛直方向に昇降自在である。なお鋼板Kは、加熱装置(図示せず)により予め所定の温度、例えば700℃以上1000℃以下の温度に加熱されて、熱間プレス成形装置1に搬送される。搬送された鋼板は、例えば下側金型12の所定位置に設定された位置決めピン(図示せず)に基づいて、下側金型12の所定位置に載置される。
図1は本実施形態の熱間プレス成形装置1の構成を模式的に示す図である。熱間プレス成形装置1は、鋼板(薄板鋼板)Kをプレス成形するためのプレス成形金型10を構成する上側金型11(第1金型)、下側金型12(第2金型)を有している。なお、薄板鋼板とは板厚3mm未満の鋼板をいう。
本実施形態では、下側金型12の表面に一定の高さの複数の独立した凸部(図示せず)が設けられ、下死点において鋼板Kと下側金型12との間に隙間が形成される。冷媒である冷却水は当該隙間に供給される。上側金型11は、昇降機構(図示せず)によって、所定の圧力で鉛直方向に昇降自在である。なお鋼板Kは、加熱装置(図示せず)により予め所定の温度、例えば700℃以上1000℃以下の温度に加熱されて、熱間プレス成形装置1に搬送される。搬送された鋼板は、例えば下側金型12の所定位置に設定された位置決めピン(図示せず)に基づいて、下側金型12の所定位置に載置される。
下側金型12には、冷媒となる冷却水の供給管21と、余剰の冷却水を吸引する吸引管31とが接続配管されている。供給管21は、供給ポンプ22によって、冷却水を下側金型12内に所定圧力で供給するためのものである。吸引管31は、下側金型12と鋼板Kとの間に供給された冷却水を、吸引ポンプ32によって、装置外に排出するためのものである。
供給ポンプ22は、冷却水供給源23からの冷却水を、取水管24を通じて取水する。取水管24は、供給ポンプ22の下流側で、供給管21と接続されている。供給管21は、取水管24との接続部下流側で、第1分岐配管21aと第2分岐配管21bとに分岐している。第1分岐配管21aと第2分岐配管21bとは供給管21への複数の冷媒の供給系統となる。第1分岐配管21aと第2分岐配管21bには、応答性の良好な、供給側の開閉バルブ25、26が各々に対応して設けられている。開閉バルブ25、26の下流側で、第1分岐配管21aと第2分岐配管21bは再び合流されている。供給管21は、下側金型12内に形成された供給路28を通じて、下側金型12の表面に複数設けられた噴出孔27に連通している。
また、下側金型12の表面には、吸引孔33が複数設けられている。吸引孔33は、下側金型12内に形成された吸引路34に通じて、吸引管31に連通している。吸引ポンプ32によって吸引された冷却水は、吸引管31から排出管35を通じて、排出部36へと排出される。吸引管31には、吸引側の開閉バルブ37が設けられている。
供給側の開閉バルブ25、26の開閉、および、吸引側の開閉バルブ37の開閉は、上側金型11の動作と共に、制御装置Cによって制御される。
供給側の開閉バルブ25、26の開閉、および、吸引側の開閉バルブ37の開閉は、上側金型11の動作と共に、制御装置Cによって制御される。
図2は、下側金型12に形成される噴出孔27および吸引孔33の配置の一例を示す図である。なお、図2には凸部を省略している。図2に示すように、下側金型12の表面には、直径Dsの噴出孔27が間隔Iで複数形成される。また、矩形状に位置する4つの噴出孔27の中央には直径Daの吸引孔33が形成される。したがって、下側金型12には略同数の噴出孔27と吸引孔33とが形成される。
本実施形態では、吸引孔33の直径Daは、噴出孔27の直径Dsよりも大きく形成される。吸引孔33の直径Daを大きくすることで、噴出孔27からの噴出量が増えた場合でも、冷却後の冷却水が貯まることなく吸引孔33から吸引することができる。更に、吸引孔33の直径Daを大きくすることで、複数の噴出孔27から噴射された冷却水が、一つの吸引孔33に集中しても貯まることなく吸引孔33から吸引される。
本実施形態では、吸引孔33の直径Daは、噴出孔27の直径Dsよりも大きく形成される。吸引孔33の直径Daを大きくすることで、噴出孔27からの噴出量が増えた場合でも、冷却後の冷却水が貯まることなく吸引孔33から吸引することができる。更に、吸引孔33の直径Daを大きくすることで、複数の噴出孔27から噴射された冷却水が、一つの吸引孔33に集中しても貯まることなく吸引孔33から吸引される。
なお、上述した実施形態の熱間プレス成形装置1では、供給管21を途中で第1分岐配管21aと第2分岐配管21bとに分岐させ、第1分岐配管21aに開閉バルブ25を設け、第2分岐配管21bに開閉バルブ26を設け、また、吸引管31にも開閉バルブ37を設けたが、この構成に限られない。
図3は、熱間プレス成形装置41の構成を模式的に示す図である。熱間プレス成形装置41は、供給管21を分岐させず、かつ供給管21に、弁の開度に応じて流量を調整できるボール弁などの流量調整弁42を設け、吸引管31にも同様に流量調整弁43を設けた。このように、開閉バルブに代えて流量調整弁を用いてもよい。
図3は、熱間プレス成形装置41の構成を模式的に示す図である。熱間プレス成形装置41は、供給管21を分岐させず、かつ供給管21に、弁の開度に応じて流量を調整できるボール弁などの流量調整弁42を設け、吸引管31にも同様に流量調整弁43を設けた。このように、開閉バルブに代えて流量調整弁を用いてもよい。
次に、図1に示した熱間プレス成形装置1の運転例について説明する。
まず、予め例えば900℃に加熱された鋼板Kが、受け渡し装置(図示せず)により下側金型12の所定位置に載置される。次に、図4に示したように、上側金型11が鋼板Kを鉛直下方に押し下げながら下死点まで下降し、鋼板Kの成形が行われる。このとき、供給ポンプ22、吸引ポンプ32は既に作動している。
まず、予め例えば900℃に加熱された鋼板Kが、受け渡し装置(図示せず)により下側金型12の所定位置に載置される。次に、図4に示したように、上側金型11が鋼板Kを鉛直下方に押し下げながら下死点まで下降し、鋼板Kの成形が行われる。このとき、供給ポンプ22、吸引ポンプ32は既に作動している。
上側金型11が鋼板Kを鉛直下方に押し下げながら下死点まで下降した時点で保持され、まず、開閉バルブ25が開放され、第1分岐配管21a、供給管21から、所定流量の冷却水が下側金型12内の供給路28へと供給される。したがって、冷却水が噴出孔27から鋼板Kと下側金型12表面との間の隙間に噴出供給される(プレ冷却)。そして吸引側の開閉バルブ37も開放される。ここで、プレ冷却時では、開閉バルブ26が閉止されたままであるため、噴出孔27からの単位時間当たりの噴出量は、後述する本冷却時に比べて抑制される。鋼板Kと下側金型12との間の隙間に供給された冷却水は、鋼板Kから熱を奪い、一部蒸気となって上側金型11と下側金型12との隙間から拡散される。残余の冷却水は、吸引孔33から吸引路34を通じて吸引管31を経て、装置外に排出される。
次に、所定時間経過後、開閉バルブ25が開放状態のまま、供給側の開閉バルブ26が開放される。したがって、第1分岐配管21aからの冷却水に加えて、第2分岐配管21bからの冷却水も供給され、供給路28に供給される冷却水の流量が増加する。したがって、その分、噴出孔27からの噴出される冷却水の単位時間当たりの噴出量が増加する(本冷却)。
次に、所定時間経過して鋼板Kが所定の温度にまで冷却された後、開閉バルブ25、26は閉止され、また開閉バルブ37も閉止される。
なお、以上のような冷却プロセスにおいては、プレ冷却の噴射量は1.0mL/秒・各噴出孔〜3.0mL/秒・各噴出孔であることが好ましい。また、プレ冷却時の開閉バルブ25のみが開放状態のときに第1分岐配管21aのみから流す流量と、その後の本冷却時に、開閉バルブ25、26の双方を開放して第1分岐配管21aと第2配管21bの双方から流す流量の比は1:5〜2:5であることが好ましい。したがって、プレ冷却時に噴出孔27から噴出させる冷却水の単位時間当たりの噴出量と、本冷却時に噴出孔27から噴出させる冷却水の単位時間当たりの噴出量との比は1:5〜2:5であることが好ましい。
また、プレ冷却時、すなわち、第1分岐配管21aのみから流す時間と、本冷却時、すなわち第1分岐配管21aと第2配管21bの双方から流す時間との比率は、1:4〜4:1であることが好ましい。したがって、プレ冷却時間と本冷却時間との比は、1:4〜4:1であることが好ましい。ここで、冷却開始から冷却停止までの合計時間をTとすると、本冷却時間は、開始からT/5〜4T/5であることが好ましい。また、本冷却時間は、1秒〜4秒であることが好ましい。
また、プレ冷却時、すなわち、第1分岐配管21aのみから流す時間と、本冷却時、すなわち第1分岐配管21aと第2配管21bの双方から流す時間との比率は、1:4〜4:1であることが好ましい。したがって、プレ冷却時間と本冷却時間との比は、1:4〜4:1であることが好ましい。ここで、冷却開始から冷却停止までの合計時間をTとすると、本冷却時間は、開始からT/5〜4T/5であることが好ましい。また、本冷却時間は、1秒〜4秒であることが好ましい。
このような冷却水の流量制御により、冷却当初に噴出孔27からの冷却水の供給量を、第1分岐配管21aからのみの流量としたプレ冷却と、次いで第1分岐配管21aと第2配管21bの双方から冷却水を供給する本冷却とが可能となる。したがって、単位時間当たりの噴出量を抑制させたプレ冷却を行うことができる。プレ冷却を行うことで、冷却当初の噴出孔付近では急激な冷却を抑制され、徐々に冷却されることで、噴出孔付近と噴出孔から離れた位置との間の温度差を少なくすることができる。また、徐々に冷却されることで、冷却当初の突沸や空気の巻き込みを抑えることができる。
したがって、温度むらが原因となる、鋼板の形状の歪み、品質むらを抑えることができる。
したがって、温度むらが原因となる、鋼板の形状の歪み、品質むらを抑えることができる。
次に、本実施形態の熱間プレス成形装置1、41の冷却水の噴出量制御例について図5を参照して説明する。図5は、従来方式、ステップ方式および連続方式での各噴出量の変動を示している。
従来方式では、冷却水の供給当初から停止までの間は、同じ噴出量を維持するものである。ステップ方式とは、図1の熱間プレス成形装置1の運転例である。連続方式とは、図3の熱間プレス成形装置41の運転例である。
従来方式では、冷却水の供給当初から停止までの間は、同じ噴出量を維持するものである。ステップ方式とは、図1の熱間プレス成形装置1の運転例である。連続方式とは、図3の熱間プレス成形装置41の運転例である。
図5に示すように、ステップ方式(図1の熱間プレス成形装置1)では、下死点(図5のグラフ中、横軸の0.0の位置)での冷却開始時から1秒までの間は開閉バルブ25のみを開放して、2mL/秒・各噴出孔の噴出量で供給している(プレ冷却)。その後2秒までの間は、開閉バルブ26についても開放し、合計7mL/秒・各噴出孔の噴出量で供給している(本冷却)。
また、連続方式(図3の熱間プレス成形装置41)では、流量調整弁42を制御して、冷却開始時から0.8秒までの間は1.5mL/秒・各噴出孔の噴出量で供給する(プレ冷却)。その後0.8秒経過時点から次第に流量調整弁42の開度を大きくして流量を増大させ、1.4秒までの間で徐々に開度を大きくする。以降1.8秒までは、最大開度で8.0mL/秒・各噴出孔の噴出量で供給する(本冷却)。以後徐々に流量調整弁42を閉鎖して、2.0秒の時点で、流量調整弁42を閉鎖している。
また、連続方式(図3の熱間プレス成形装置41)では、流量調整弁42を制御して、冷却開始時から0.8秒までの間は1.5mL/秒・各噴出孔の噴出量で供給する(プレ冷却)。その後0.8秒経過時点から次第に流量調整弁42の開度を大きくして流量を増大させ、1.4秒までの間で徐々に開度を大きくする。以降1.8秒までは、最大開度で8.0mL/秒・各噴出孔の噴出量で供給する(本冷却)。以後徐々に流量調整弁42を閉鎖して、2.0秒の時点で、流量調整弁42を閉鎖している。
なお、連続方式の噴射量制御を実現できる流量調整弁42として、図6〜図8に示すような弁体44の開度を自由に調整できるものを用いることができる。
図6は弁体44が全閉の状態である。図7は弁体44が全閉と全開との中間の状態である。図8は弁体44が全開の状態である。流量調整弁42は制御装置Cによって制御される。制御装置Cは、角度検出センサ(図示せず)等を介して弁体44の開度を検出する。図6〜図8に示すように、制御装置Cは、検出した開度を例えば矢印45などで表示することができる。また、制御装置Cは、電動モータ等のバルブ開閉駆動機構(図示せず)を介して弁体44を開閉する。具体的には、制御装置Cは、冷却時間と弁体44の開度とが関連付けられて記憶されたプログラムに基づいて弁体44を開閉することで、図5の連続方式の噴出量制御を実現することができる。
図6は弁体44が全閉の状態である。図7は弁体44が全閉と全開との中間の状態である。図8は弁体44が全開の状態である。流量調整弁42は制御装置Cによって制御される。制御装置Cは、角度検出センサ(図示せず)等を介して弁体44の開度を検出する。図6〜図8に示すように、制御装置Cは、検出した開度を例えば矢印45などで表示することができる。また、制御装置Cは、電動モータ等のバルブ開閉駆動機構(図示せず)を介して弁体44を開閉する。具体的には、制御装置Cは、冷却時間と弁体44の開度とが関連付けられて記憶されたプログラムに基づいて弁体44を開閉することで、図5の連続方式の噴出量制御を実現することができる。
このように、連続的に流量調整可能な流量調整弁42を用いることで、プレ冷却開始時の冷却水の噴出およびプレ冷却から本冷却への噴出量の移行を緩やかにすることができる。また、制御装置Cがプログラムに基づいて噴出量制御を行うことで、プログラムを変更するだけで図5の連続方式の噴出量パターンを任意のパターンに設定できる。したがって、鋼板の形状の歪み、品質むらを精密に調整することができる。
また、流量調整弁42は一つ設ける場合に限られず、図9に示すように、金型への供給管21を並列して複数設け、供給管21ごとに流量調整弁42a、42bを設けてもよい。この場合には、供給管21ごとに流量調整を行うことができ、特に大型の金型に対して金型の部位ごとに連続方式の噴出量パターンを任意のパターンに設定できる。例えば、図10に示すように流量調整弁42aでは弁体44を開度45度にして、図11に示すように流量調整弁42bでは弁体44を開度22.5度にして、供給管21ごとに冷却水の噴出量を変化させることができる。したがって、大型な金型でプレス成形する場合であっても、金型の部位ごとに形状が異なることで生じる冷却(焼入れ)特性の差を抑制させることができる。また、敢えて冷却水の噴出量に差を発生させて金型の部位ごとに異なる冷却(焼入れ)特性にすることができる。
また、金型内部の供給路に通ずる冷却水の供給管に設けた複数の流量調整弁の開閉速度を同調させたり、または敢えて差動させたりすることで、金型全体の冷却水の噴出量を均一にするようにしてもよい。この場合、制御装置Cが複数の流量調整弁を制御する。
また、金型内部の供給路に通ずる冷却水の供給管に設けた複数の流量調整弁の開閉速度を同調させたり、または敢えて差動させたりすることで、金型全体の冷却水の噴出量を均一にするようにしてもよい。この場合、制御装置Cが複数の流量調整弁を制御する。
また、小型の金型の場合、図12に示すように供給流量が調整可能な流量調整型供給ポンプ46、および、吸引流量が調整可能な流量調整型吸引ポンプ47を用いることができる。流量調整型供給ポンプ46を用いることで流量調整弁と同様の流量調整が可能である。流量調整型供給ポンプ46、および、流量調整型吸引ポンプ47には、例えばインバータ制御によってポンプの回転数が可変なものを用いることができる。この場合、制御装置Cがポンプの回転数を制御する。
以上述べたように、ステップ方式(図1の熱間プレス成形装置1)、連続方式(図3の熱間プレス成形装置41)の何れであっても、冷却当初の噴出孔付近の急激な冷却に起因する温度むらが原因の、鋼板の形状の歪み、品質むらを抑えることが可能である。
なお、上述した実施形態では、冷媒として、水などの冷却水を用いる場合について説明したが、これに限らない。すなわち、冷媒には気体、蒸気、気体に水を霧状に混合した気液混合体を用いてもよい。
以下、図1の熱間プレス成形装置1を用いた実験例について説明する。
ここで、実験条件として、鋼板は、化学成分が質量%でC:0.22%、Mn:1.2%、Cr:0.2%、B:0.002%、残部が鉄および不可避的不純物からなる、板厚1.4mmのアルミめっき鋼板を用いた。また、鋼板を900℃に加熱し、目標温度250℃になるように冷却した。
冷媒は、温度が5℃〜25℃の冷却水(水道水または工業用水)を用いた。
プレス成形による成形品の形状は、自動車の骨格部品のうち断面剛性が低い部品を対象とした。具体的には、図13に示すように、外向きフランジを有する断面ハット型の成形品51であって、長さLを400mm、幅WLを140mm、高さHを30mm、ハット型の幅Whを70mmとした。
また、下側金型12は、噴出孔27の間隔Iを30mmとし、噴出孔27の直径Dsを1mmとし、吸引孔33の直径Daを4mmとした。また、凸部の高さ(金型表面から凸部の頂面までの距離)を0.5mmとした。
ここで、実験条件として、鋼板は、化学成分が質量%でC:0.22%、Mn:1.2%、Cr:0.2%、B:0.002%、残部が鉄および不可避的不純物からなる、板厚1.4mmのアルミめっき鋼板を用いた。また、鋼板を900℃に加熱し、目標温度250℃になるように冷却した。
冷媒は、温度が5℃〜25℃の冷却水(水道水または工業用水)を用いた。
プレス成形による成形品の形状は、自動車の骨格部品のうち断面剛性が低い部品を対象とした。具体的には、図13に示すように、外向きフランジを有する断面ハット型の成形品51であって、長さLを400mm、幅WLを140mm、高さHを30mm、ハット型の幅Whを70mmとした。
また、下側金型12は、噴出孔27の間隔Iを30mmとし、噴出孔27の直径Dsを1mmとし、吸引孔33の直径Daを4mmとした。また、凸部の高さ(金型表面から凸部の頂面までの距離)を0.5mmとした。
冷却水の単位時間当たりの噴出量は、プレ冷却と本冷却とで2段階に変更するようにした。すなわち、冷却当初から所定時間経過前までは、開閉バルブ25のみを開放して単位時間当たりの噴出量を抑制したプレ冷却を行った。その後、開閉バルブ26も開放して単位時間当たりの噴出量を増加して本冷却を行った。
実験例では、プレ冷却の噴出量と本冷却の噴出量との比率を7パターンで冷却した。具体的には、表1に示すように、「プレ冷却:本冷却 0.4:2」、「プレ冷却:本冷却 1:5」、「プレ冷却:本冷却 2:5」、「プレ冷却:本冷却 2:10」、「プレ冷却:本冷却 3:10」、「プレ冷却:本冷却 3:15」、「プレ冷却:本冷却 4:10」とした。ここで、例えば「プレ冷却:本冷却 0.4:2」とは、プレ冷却の噴出量が0.4mL/秒・各噴出孔であり、本冷却の噴出量が2mL/秒・各噴出孔であることを示している。
実験例では、プレ冷却の噴出量と本冷却の噴出量との比率を7パターンで冷却した。具体的には、表1に示すように、「プレ冷却:本冷却 0.4:2」、「プレ冷却:本冷却 1:5」、「プレ冷却:本冷却 2:5」、「プレ冷却:本冷却 2:10」、「プレ冷却:本冷却 3:10」、「プレ冷却:本冷却 3:15」、「プレ冷却:本冷却 4:10」とした。ここで、例えば「プレ冷却:本冷却 0.4:2」とは、プレ冷却の噴出量が0.4mL/秒・各噴出孔であり、本冷却の噴出量が2mL/秒・各噴出孔であることを示している。
また、噴出時間、すなわち冷却水による冷却時間を、高生産性の効果が得られる5秒以下の範囲で2秒〜5秒とした。
実験例では、噴出時間を5秒とし、プレ冷却時間と本冷却時間との比率を1秒単位で変更し、6パターンで冷却した。具体的には、表1に示すように、「プレ冷却時間0秒、本冷却時間5秒」、「プレ冷却時間1秒、本冷却時間4秒」、「プレ冷却時間2秒、本冷却時間3秒」、「プレ冷却時間3秒、本冷却時間2秒」、「プレ冷却時間4秒、本冷却時間1秒」、「プレ冷却時間5秒、本冷却時間0秒」とした。ここで、「プレ冷却時間0秒、本冷却時間5秒」とは、プレ冷却なしで、冷却開始時点から終了時点まで本冷却のみを行ったことを示している。すなわち図5の従来方式で冷却した。また、「プレ冷却時間1秒、本冷却時間4秒」とは、プレ冷却時間が1秒で、本冷却時間が4秒行ったことを示している。また、「プレ冷却時間5秒、本冷却時間0秒」とは、プレ冷却の状態で5秒間冷却したことを示している。すなわち図5の従来方式で単に噴出量を低減させたものである。
実験例では、噴出時間を5秒とし、プレ冷却時間と本冷却時間との比率を1秒単位で変更し、6パターンで冷却した。具体的には、表1に示すように、「プレ冷却時間0秒、本冷却時間5秒」、「プレ冷却時間1秒、本冷却時間4秒」、「プレ冷却時間2秒、本冷却時間3秒」、「プレ冷却時間3秒、本冷却時間2秒」、「プレ冷却時間4秒、本冷却時間1秒」、「プレ冷却時間5秒、本冷却時間0秒」とした。ここで、「プレ冷却時間0秒、本冷却時間5秒」とは、プレ冷却なしで、冷却開始時点から終了時点まで本冷却のみを行ったことを示している。すなわち図5の従来方式で冷却した。また、「プレ冷却時間1秒、本冷却時間4秒」とは、プレ冷却時間が1秒で、本冷却時間が4秒行ったことを示している。また、「プレ冷却時間5秒、本冷却時間0秒」とは、プレ冷却の状態で5秒間冷却したことを示している。すなわち図5の従来方式で単に噴出量を低減させたものである。
プレ冷却の噴出量と本冷却の噴出量との比率を変えた7パターンと、プレ冷却時間と本冷却時間との比率を変えた6パターンとで、それぞれについて成形品の形状精度を測定し、結果を表1に示した。
ここで、表1に示す「▲」は冷却不足による形状精度不良を示している。また、「▼」は急冷却による形状精度不良を示している。「△」は冷却不足であるが形成精度の良否が分かれることを示している。「▽」は急冷却であるが形状精度の良否が分かれることを示している。「○」は冷却良好による形状精度良好を示している。「◎」は冷却良好により形状精度が安定的に良好を示している。ここで、形状精度良好とは成形品の全ての位置で目標寸法精度が±0.5mm以下であることをいう。また、形状精度が安定的に良好とは成形品の全ての位置で目標寸法精度が±0.4mm以下であることをいう。一方、形状精度不良とは成形品の少なくとも一部で目標寸法精度が±0.5mmを超えることをいう。また、形状精度の良否が分かれるとは、成形品の少なくとも一部で目標寸法精度が±0.5mmを超えるが、超える部位が明確で成形品の用途により使用できることをいう。
表1に示す結果から、断面剛性の低い部品では、プレ冷却の噴射量が0.4mL/秒・各噴出孔、および、4mL/秒・各噴出孔では安定域が得られなかった。すなわち、形状精度不良にならないようにするには、プレ冷却の単位時間当たりの噴出量を1mL/秒・各噴出孔〜3mL/秒・各噴出孔にすることが好ましい。このとき、プレ冷却の単位時間当たりの噴出量と、本冷却の単位時間当たりの噴出量との比率を、1:5〜2:5にすることが好ましい。
また、プレ冷却時間と本冷却時間との比率を変動させた場合において、プレ冷却時間が0秒、および、本冷却時間が0秒では安定域が得られなかった。すなわち、形状精度不良にならないようにするには、プレ冷却時間と本冷却時間との比率を1:4〜4:1にすることが好ましい。すなわち、冷却開始後、冷却水の供給を停止するまでの合計時間をTとすると、開始からT/5〜4T/5までの間で、プレ冷却を行うのが好ましい。
また、プレ冷却時間と本冷却時間との比率を変動させた場合において、プレ冷却時間が0秒、および、本冷却時間が0秒では安定域が得られなかった。すなわち、形状精度不良にならないようにするには、プレ冷却時間と本冷却時間との比率を1:4〜4:1にすることが好ましい。すなわち、冷却開始後、冷却水の供給を停止するまでの合計時間をTとすると、開始からT/5〜4T/5までの間で、プレ冷却を行うのが好ましい。
また、上述した好ましい冷却条件に加えて、更にプレ冷却時間と本冷却時間との比率を2:3〜3:2にすれば、得られる成形品の形状精度を全て良好にすることができる。すなわち、形状精度良好にするには、プレ冷却時間と本冷却時間との比率を2:3〜3:2にすることが好ましい。
上述した好適な冷却条件を適用するには、更に以下の条件であることが好ましい。すなわち、鋼板は、加熱したときにスケールが生じないようにめっきが施された、アルミ系めっき薄板鋼板や亜鉛めっき薄板鋼板であることが好ましい。板厚は、自動車の部品に用いられる1mm〜2mmの薄板鋼板であることが好ましい。また、鋼板の温度は、焼入れ(急冷してマルテンサイト組織を生成する)のためにフェライト組織が析出されない温度(例えば700℃)以上であって、1000℃以下に加熱させておくことが好ましい。また、冷媒は比較的に容易に入手できることから水であることが好ましく、温度は常温である5℃〜25℃であることが好ましい。また、噴出時間、すなわちプレ冷却時間と本冷却時間とを合わせた冷却時間は、噴出させた冷却水を広げさせるために2秒以上であることが好ましく、高生産性の効果を得るために5秒以下であることが好ましい。なお、プレ冷却の単位時間当たりの噴出量を1mL/秒〜3mL/秒にするために、噴出孔27の直径Dsは1mm〜4mmにすることが好ましい。
なお、断面剛性の高い部品については、「▲」、「▼」、「△」または「▽」が、「○」または「◎」に変わり、安定域が拡張することが予想される。また断面剛性の高い部品では、表1には記載していないが、噴出時間を2秒まで短縮できることを実験で確認している。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されない。当業者であれば、請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属する。
例えば、上述した実施形態では、下側金型12に噴出孔27と吸引孔33とを設ける場合について説明したが、この場合に限られず、上側金型11および下側金型12の少なくとも何れか一方に噴出孔27と吸引孔33とを設ける構成であってもよい。
また、上述した実施形態では、噴出孔27を複数形成する場合について説明したが、この場合に限られず、成形品の大きさによっては一つの噴出孔27であってもよい。
例えば、上述した実施形態では、下側金型12に噴出孔27と吸引孔33とを設ける場合について説明したが、この場合に限られず、上側金型11および下側金型12の少なくとも何れか一方に噴出孔27と吸引孔33とを設ける構成であってもよい。
また、上述した実施形態では、噴出孔27を複数形成する場合について説明したが、この場合に限られず、成形品の大きさによっては一つの噴出孔27であってもよい。
本発明は、薄板鋼板を熱間プレス成形する際に有用である。
Claims (12)
- 加熱された薄板鋼板を熱間プレス成形する際に、金型内部の供給路から連通した金型表面の噴出孔へ冷媒を供給することによって当該薄板鋼板を冷却する熱間プレス成形の冷却方法であって、
前記加熱された薄板鋼板を金型に載置して下死点で保持した状態で、前記冷媒を前記噴出孔に供給して冷却する際に、前記噴出孔からの冷媒の単位時間当たりの噴出量を抑制したプレ冷却を行った後に、単位時間当たりの噴出量を増加させて本冷却を行うことを特徴とする薄板鋼板の熱間プレス成形の冷却方法。 - プレ冷却時の単位時間当たりの噴出量は、1mL〜3mLであり、
プレ冷却時と本冷却時との噴出孔からの冷媒の単位時間当たりの噴出量の比は、1:5〜2:5であり、
プレ冷却時間と本冷却時間との比は、1:4〜4:1であることを特徴とする請求項1に記載の薄板鋼板の熱間プレス成形の冷却方法。 - 更に、
プレ冷却時間と本冷却時間との比は、2:3〜3:2であることを特徴とする請求項2に記載の薄板鋼板の熱間プレス成形の冷却方法。 - 更に、
前記薄板鋼板は、板厚が1mm〜2mmのアルミ系めっき薄板鋼板または亜鉛めっき薄板鋼板であって、プレ冷却前に700℃〜1000℃に加熱され、
前記冷媒は、5℃〜25℃の水であり、
前記プレ冷却時間と前記本冷却時間とを合わせた冷却時間は、2秒〜5秒であることを特徴とする請求項2または3に記載の薄板鋼板の熱間プレス成形の冷却方法。 - 加熱された薄板鋼板を熱間プレス成形する際に、金型内部の供給路から連通した金型表面の噴出孔へ冷媒を供給することによって当該薄板鋼板を冷却する熱間プレス成形装置であって、
前記熱間プレス成形装置は、
前記加熱された薄板鋼板を金型に載置して下死点で保持した状態で、前記冷媒を前記噴出孔に供給して冷却する際に、単位時間当たりの噴出量を抑制したプレ冷却を行った後に、前記噴出孔からの冷媒の単位時間当たりの噴出量を増加させて本冷却を行うことを特徴とする薄板鋼板の熱間プレス成形装置。 - プレ冷却時の単位時間当たりの噴出量を、1mL〜3mLとし、
プレ冷却時と本冷却時との噴出孔からの冷媒の単位時間当たりの噴出量の比を、1:5〜2:5とし、
プレ冷却時間と本冷却時間との比を、1:4〜4:1とすることを特徴とする請求項5に記載の薄板鋼板の熱間プレス成形装置。 - 更に、
プレ冷却時間と本冷却時間との比を、2:3〜3:2とすることを特徴とする請求項6に記載の薄板鋼板の熱間プレス成形装置。 - 更に、
前記薄板鋼板は、板厚が1mm〜2mmのアルミ系めっき薄板鋼板または亜鉛めっき薄板鋼板であって、プレ冷却前に700℃〜1000℃に加熱され、
前記冷媒は、5℃〜25℃の水であり、
前記プレ冷却時間と前記本冷却時間とを合わせた冷却時間は、2秒〜5秒であることを特徴とする請求項6または7に記載の薄板鋼板の熱間プレス成形装置。 - 前記金型表面には、矩形状に位置する4つの前記噴出孔の中央に吸引孔が形成され、
前記吸引孔の直径は、前記噴出孔の直径よりも大きいことを特徴とする請求項5ないし8の何れか1項に記載の薄板鋼板の熱間プレス成形装置。 - 前記金型内部の供給路に通ずる冷媒の供給管には、複数の冷媒の供給系統を接続し、各供給系統に、開閉バルブを設けたことを特徴とする請求項5ないし9の何れか1項に記載の薄板鋼板の熱間プレス成形装置。
- 前記金型内部の供給路に通ずる冷媒の供給管には、流量調整弁を設けたことを特徴とする請求項5ないし9の何れか1項に記載の薄板鋼板の熱間プレス成形装置。
- 前記金型内部の供給路に通ずる冷媒の供給管には、流量調整可能な供給ポンプを設けたことを特徴とする請求項5ないし9の何れか1項に記載の薄板鋼板の熱間プレス成形装置。
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