JP6106804B2 - めっき鋼材の熱間プレス成形装置及びこれを用いた成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱間プレス成形装置及びこれを用いた熱間プレス成形方法に関し、より詳細には、めっき鋼材の熱間プレス成形装置と方法に関する。

最近、各自動車製造会社は、自動車に部品を適用するに当たり、環境にやさしい燃費節減及び軽量化という社会的要求に対応するために、高強度素材の使用を増やしている。しかしながら、高強度素材の成形にはスプリングバック及び寸法凍結性などの問題があり、このような成形の困難性のため、その使用に制限がある。

このような成形上の問題は、素材を成形性のよい高温で成形すると同時に金型内で急冷して高強度部品を製造する方式で解決されることができる。この方式を熱間プレス成形（Ｈｏｔ Ｐｒｅｓｓ Ｆｏｒｍｉｎｇ、ＨＰＦ）という。この工程によれば、１５００ＭＰａ以上の強度を有する部品を製造することができる。

上記熱間プレス成形の場合、通常、９００℃以上にブランクを加熱した状態でプレス加工を経るが、上記加熱の際に鋼素材のブランクの表面が酸化してスケールが生成される。したがって、製品成形後、スケールを除去するためのショットブラストのような別途の工程が必要となり、製品の耐食性もめっき材に比べて劣る。

このような問題を解決するために、特許文献１のように、鋼板の表面にＡｌ系めっきを施すことにより、加熱炉でめっき層が維持され、鋼板の表面の酸化反応を抑制し、Ａｌの不動態皮膜の形成を用いて耐食性を増大させる方案が開発された。

しかしながら、上記Ａｌめっきを用いた場合、高温での耐熱性には優れるが、犠牲陽極方式のＺｎめっきに比べて耐食性に劣り、製造単価が増加するという短所がある。よって、Ｚｎめっきが施されたＺｎめっき材を用いる方案に対する関心が高くなっている。

しかしながら、Ｚｎめっき材を高温に加熱した後に成形する場合、成形された部品の壁面に約１０〜３０μｍの微細なクラックが発生し、これにより、曲げ性が低下するなど、製品性能を低下させるという問題があるため、その適用に制限がある。

米国特許第６２９６８０５号明細書

本発明の目的は、めっき鋼材、特に、Ｚｎ系めっき鋼材を用いて熱間プレス成形する場合に、マイクロクラックの発生を低減し、成形品の均一な物理的特性を確保することができるめっき鋼材の熱間プレス成形装置とこれを用いた熱間プレス成形方法を提供することである。

本発明の一態様によれば、上部金型及び下部金型を含む熱間プレス成形装置において、上記上部金型及び下部金型はブランクの一部を拘束し、上記ブランクの拘束されていない部分を成形して加工部を形成するカムを含むめっき鋼材の熱間プレス装置が提供される。

本発明の他の態様によれば、ブランクを加熱する段階と、上記加熱されたブランクを熱間プレス成形装置で成形する段階と、上記成形されたブランクを冷却する段階と、を含み、上記成形は、熱間プレス成形装置の上部金型及び下部金型によって上記ブランクの一部が拘束され、上記ブランクの拘束されていない部分はカムによって成形されて加工部を形成するめっき鋼材の熱間プレス成形方法が提供される。

本発明によれば、めっき鋼材、特に、Ｚｎ系めっき鋼材を熱間プレス成形する場合、成形された部品における微細なクラックの発生を低減し、成形品の曲げ性などの加工性を向上させることができる。また、製造された成形品の品質を向上させ、特に、加工部における均一な物理的特性を確保することができるという長所がある。

通常の熱間プレス成形装置と方法の模式図である。 通常の熱間プレス成形方法により製造された成形品の加工部を観察したものである。 通常の熱間プレス成形方法により製造された成形品の塑性変形率を観察した模式図である。 本発明の一例による熱間プレス成形装置及び方法を示す模式図である。 本発明の一例により製造された成形品の塑性変形率を観察した模式図である。 本発明のさらに他の例による熱間プレス成形装置及び方法を示す模式図である。 （ａ）は通常の方法により製造された成形品の塑性変形率を観察した模式図であり、（ｂ）は本発明のさらに他の例により製造された成形品の塑性変形率を観察した模式図である。 （ａ）は通常の方法により製造された成形品の加工部を観察した写真であり、（ｂ）は本発明のさらに他の例により製造された成形品の加工部を観察した写真である。

本発明の発明者らは、めっき鋼材、特に、Ｚｎ系めっき鋼材を用いて熱間プレス成形する場合、成形された部品（成形品）に微細なクラック（微小クラック又はマイクロクラックともいう。）が発生する問題、成形品の加工部における均一な冷却がなされないことから成形品の均一な物性が得られない問題を見出し、これを解決するための研究を行った。

以下、図面を参照して本発明について詳細に説明する。しかしながら、上記図面は、本発明の理解のためのものであり、本発明の技術思想を限定するものではない。

図１は、通常の熱間プレス成形に関する模式図である。図１に示されているように、熱間プレス成形は、加熱されたブランクを上部金型（上型ともいう。）と下部金型（下型ともいう。）の間に位置させた後、上記上部金型と下部金型でブランクをプレスして成形品を製造することである。

めっき鋼材を上記図１のような通常の熱間プレス成形方法により成形した場合の加工部の表面部を観察し、これを図２に示した。図２に示されているように、通常の方法によりめっき鋼材を熱間プレス成形する場合には成形品の加工部の表面に微細なクラックが形成されることが確認できた。

その原因を分析するために、図２のような成形品の塑性変形率を分析し、これを図３に示した。図３に示されているように、通常の熱間プレス成形装置を用いて成形する場合には成形品の加工部に過度な塑性変形が与えられ、このように過度な塑性変形が与えられる部分に微細なクラックが発生することが分かった。

即ち、微細なクラックが加工部の壁部の中でも変形量集中部である壁部の下端部に発生することが分かった。このような変形量を減らすためには部品の形状変更をする必要があるが、設計変更の制約のため、その適用が容易ではない。よって、変形量を減らせば微細なクラックが減少すると考えられ、このための方法としてカムを適用する方法を発明するに至った。

また、上記加工部が上部金型と下部金型によって加工されてその厚さが薄くなり、これにより、ブランク素材と金型の間に微細な隙間が形成される。その結果、成形後の金型冷却過程で均一な冷却がなされないため、加工部の物性が低下するという問題が発生することを認知した。

よって、本発明者らは、上記のような微細なクラックが発生することなく成形品の均一な物性を確保することができる熱間プレス成形装置とこれを用いた熱間プレス成形方法を発明するに至った。

以下、本発明の熱間プレス成形装置について詳細に説明する。

本発明の熱間プレス成形装置は、ブランクの一部を拘束する上部金型及び下部金型を含み、上記ブランクの拘束されていない部分を成形して加工部を形成するカムを含む。

上記カムは、上部金型及び下部金型と異なる運動方向により加工部を形成する。

図４は、本発明の熱間プレス成形装置の一例を示す模式図である。図４に示されているように、本発明の熱間プレス成形装置は、上部金型と下部金型を含み、上部金型と下部金型の間にカムをさらに含む。図１のような通常の熱間プレス成形装置は、上記カムを含まず、プレスの際に上部金型と下部金型がブランクの全体を拘束しながら成形を行う。

しかしながら、本発明における熱間プレス成形装置は、プレス成形の際に上部金型と下部金型がブランクの一部を拘束し、拘束されていない部分はカムによって成形が完了して加工部を形成する。図４の熱間プレス成形装置は、垂直方向に運動する上部金型及び下部金型とは別個に、カムが水平方向に運動しながら加工部を形成する。

上記カムは、加工部を形成し、且つ加工部に与えられる塑性変形量を分散させる役割をする。即ち、図４に示されているように、本発明の熱間プレス成形装置は、成形の際、上部金型と下部金型がブランクの一部を拘束しながら成形され、拘束されていない部分はカムの移動によって成形が完了する。

図４の熱間プレス成形装置は、上部金型及び下部金型と区別される別途のカムが形成されている構造である。

図５は、上記図４の熱間プレス成形装置で成形した成形品に対する成形解析による塑性変形率を測定した結果を示す。この結果を図３と比較すると、本発明の熱間プレス成形装置によって成形された成形品は加工部に与えられた塑性変形量が顕著に減少したことが分かる。したがって、本発明の熱間プレス成形装置によって製造された部品では微細なクラックの発生が低減するという効果がある。

本発明の熱間プレス成形装置のさらに他の例を図６に示した。図６におけるカムは上部金型又は下部金型から分離される形態の構造を示す。

上記図６の熱間プレス成形装置において、上部金型と下部金型はブランクを拘束するが、これはブランクを固定する役割を行うものであり、実質的に全ての成形はカムによって行われる。即ち、上記上部金型と下部金型がブランクを固定し、カムが一定の角度を有して移動してブランクの成形を完成する。

一方、上記図６の熱間プレス成形装置によって製造された成形品の成形解析による塑性変形率を測定し、これを図７の（ｂ）に示した。図７の（ａ）は、通常の方法で製造した成形品に関するものである。図７の（ａ）と（ｂ）を比較すると、本発明の一例によって製造された成形品（図７（ｂ））は、通常の方法で製造された成形品（図７（ａ））に比べて塑性変形量が顕著に減ったことが確認できる。

また、上記図６によって成形された成形品の成形部の表面を観察した結果を図８（ａ）に示し、通常の熱間プレス成形装置によって形成された成形品の加工部の表面を観察した結果を図８（ｂ）に示した。図８（ａ）を参照すると、本発明の熱間プレス成形装置によって成形された成形品の表面は素地まで大きなクラックが発達していないのに対し、図８（ｂ）を参照すると、素地に深いクラックが形成されていることが分かる。

また、本発明は、めっき鋼材の熱間プレス成形方法を提供する。以下、熱間プレス成形方法について詳細に説明する。

本発明の熱間プレス成形方法は、ブランクを準備した後、上記ブランクを加熱し、熱間プレス成形装置で成形する。

上記図４及び図６を参照して成形過程を説明すると、熱間プレス成形装置の上部金型と下部金型が上記ブランクの一部を拘束し、熱間プレス成形装置のカムが上記ブランクの拘束されていない部分を成形して加工部を形成することによりなされる。

上記図４では、上部金型と下部金型によってブランクの一部が拘束されると同時に一部に対して成形がなされ、拘束されていない部分に対してカムが移動し、最終的に成形部を形成する。これとは異なり、図６では、上部金型が下部金型を拘束するが、上記上部金型と下部金型によっては成形がなされず、カムが移動しながら加工部を形成して成形部を形成する。

図１のように通常の熱間プレス成形方法の場合には、ブランクの加工部に摩擦接触が起こり、この部分に継続的な塑性変形量が加わる。これにより、加工部に高い塑性変形が起こり、結局は、微細なクラックが発生するという問題がある。その結果、成形品の曲げ性と加工性が劣る。また、上記加工部にのみ継続的な変形が加わると、その部位が薄くなるという問題がある。これは、その後に金型冷却を行う際に、上記加工部が金型と均一に接触することを妨害するため、均一な冷却による物性の確保を妨害する。

しかしながら、上記図４及び図６のような本発明の熱間プレス成形によれば、加工部に継続的な塑性変形量が与えられることを防止するため、加工部に微細なクラックが発生することを防止し、加工部の厚さが通常の方法に比べて薄くなることを防止することができる。また、カムの動作による加圧によって加工部と金型との接触が向上するため、金型冷却によって加工部の物性を均一に確保することができるという技術的長所がある。

一方、上記ブランクを加熱する過程では、ブランク全体を全て同じ温度に加熱することもでき、成形品においてそれぞれ異なる強度（ｍｕｌｔｉ−ｓｔｒｅｎｇｔｈ）を確保するためにブランクの一部は高温に加熱し他の部分はより低い温度に加熱することもできる。

具体的には、上記加熱には、ブランク全体をＡ３以上の温度に加熱する場合、又は上記ブランクの一部はＡ３以上の温度に加熱し他の部分はＡ１以下の温度に加熱する場合がある。

前者の場合には、熱間プレス成形後、成形品全体が高い強度を確保することができ、後者の場合には、成形品において高温に加熱された部分は高い強度を確保するのに対し、低温に加熱された部分はより低い強度を確保するため、一つの成形品においてそれぞれ異なる強度を有するようにすることができる。

なお、上記加熱方式としては、その種類が特に限定されず、本発明の技術分野で鋼材を加熱できる方式であればいずれの方式でも用いることができる。一例として、加熱炉内での雰囲気加熱方式を用いることもでき、誘導加熱方式を用いることもできる。

次に、成形が完了した後、冷却する。上記冷却は、熱間プレス成形装置による金型冷却によって行われることが好ましいが、これに限定されない。一方、上記冷却条件では、通常の熱間プレス成形方法による冷却方法を用いることができる。

Claims (7)

1. 上部金型及び下部金型を含む熱間プレス成形装置において、
   前記上部金型及び下部金型はブランクの一部を拘束し、前記ブランクの拘束されていない部分を成形して加工部を形成するカムを含み、
   前記カムは、上部金型及び下部金型と異なる運動方向を有する、めっき鋼材の熱間プレス成形装置。
2. 前記カムは、上部金型と下部金型の間に位置している構造を有する、請求項１に記載のめっき鋼材の熱間プレス成形装置。
3. 前記カムは、上部金型又は下部金型の一部から分離された形態を有する、請求項１に記載のめっき鋼材の熱間プレス成形装置。
4. ブランクを加熱する段階と、
   前記加熱されたブランクを熱間プレス成形装置で成形する段階と、
   前記成形されたブランクを冷却する段階と、
   を含み、
   前記成形は、熱間プレス成形装置の上部金型及び下部金型によって前記ブランクの一部が拘束され、前記ブランクの拘束されていない部分はカムによって成形されて加工部を形成し、
   前記カムは、上部金型及び下部金型の運動方向と異なる運動方向に移動しながら成形する、めっき鋼材の熱間プレス成形方法。
5. 前記カムは、上部金型と下部金型の間に位置している、請求項４に記載のめっき鋼材の熱間プレス成形方法。
6. 前記カムは、上部金型又は下部金型の一部から分離されて形成される、請求項４に記載のめっき鋼材の熱間プレス成形方法。
7. 前記加熱は、ブランクの全体をＡ３以上に加熱する方法、又は
   ブランクの一部はＡ３以上に加熱し他の部分はＡ１未満に加熱する方法で行われる、請求項４に記載のめっき鋼材の熱間プレス成形方法。

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