JP6357196B2 - 熱間プレス装置、熱間プレス方法及び自動車車体部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、重ね合わせ部材を熱間プレスするための熱間プレス装置、熱間プレス方法並びに熱間プレスを用いた自動車車体部品の製造方法に関する。

一般に、熱間プレス成形とは、鋼板を変態点以上の温度（例えば、９００℃）に加熱し、これを上下方向に対向して配置された２つの金型の間に挟んで押圧し、プレス成形すると同時に金型による急冷により鋼板の金属組織をオーステナイトからマルテンサイトに変態せしめることで、鋼板の焼入れ強化を行うものである。

特許文献１には、ピラーレインフォースメント等の自動車車体部品（自動車ボディを構成する部品）において、その機械的強度を局所的に高めるために、複数の鋼板を部分的に重ね合わせ、スポット溶接で接合することで重ね合わせ部材を形成し、この重ね合わせ部材を熱間プレス成形することが記載されている。なお、重ね合わせ部材は、「パッチワーク」とも称される。

特開２０１４−１９３７１２号公報

しかしながら、重ね合わせ部材の重ね合わせ部は、重ね合わせ部以外の部分（以下、非重ね合わせ部という）よりも大きな熱容量（単位面積当たり）を有していることから、金型による冷却速度が相対的に小さくなる。

そのため、重ね合わせ部材の重ね合わせ部の厚さが大きい場合、この部分の焼入れが不十分になることから、熱間プレス成形そのものが不可能になるという問題があった。

また、たとえ熱間プレス成形が可能であっても、冷却むら（重ね合わせ部と非重ね合わせ部との温度差）により、焼入れ品質の均一性が劣化し、熱間プレス成形後の重ね合わせ部材の寸法精度が悪くなるという問題もあった。

さらに、重ね合わせ部材の全体が焼入れの目標温度（例えば、２００℃）まで低下するまでに要する時間が長くなり、熱間プレス成形の生産性が低下するという問題があった。

上述した課題に鑑み、本発明の熱間プレス装置は、第１の金型（１０）と、第１の金型（１０）上に配置された第２の金型（２０）と、を備え、 第１の鋼板（３０）及び第１の鋼板（３０）に重ね合わせて接合された第２の鋼板（３１）とからなる重ね合わせ部材（４０）を第１の金型（１０）と第２金型（２０）の間に挟んでプレス成形及び焼入れを行う熱間プレス装置において、
第１の金型（１０）または第２の金型（２０）の中に設けられた冷媒流路（１２，２２）と、第１の金型（１０）または第２の金型（２０）のプレス成形面に重ね合わせ部材（４０）の重ね合わせ部（３３）に対応して形成された複数の溝（２４）と、前記複数の溝（２４）に冷媒を流通させる冷媒流通手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の熱間プレス方法は、第１の鋼板（３０）及び第１の鋼板（３０）に重ね合わせて接合された第２の鋼板（３１）とからなる重ね合わせ部材（４０）を第１の金型（１０）と第２の金型（２０）の間に挟んでプレス成形及び焼入れを行う熱間プレス方法において、
第１の金型（１０）または第２の金型（２０）の中に設けられた冷媒流路（１２，２２）と、第１の金型（１０）または第２の金型（２０）のプレス成形面に重ね合わせ部材（４０）の重ね合わせ部（３３）に対応して形成された複数の溝（２４）と、前記複数の溝（２４）に冷媒を流通させる冷媒流通手段と、を備えた熱間プレス装置を準備し、前記冷媒流路（１２，２２）に冷媒を流通させている状態で第１の金型（１０）の上に加熱された重ね合わせ部材（４０）をセットし、重ね合わせ部材（４０）を第１の金型（１０）と第２の金型（２０）の間に挟んでプレス成形を行うと共に、複数の溝（２４）に冷媒を流通させることにより重ね合わせ部材（４０）の重ね合わせ部（３３）を冷媒で直冷することを特徴とする。

また、本発明の自動車車体部品の製造方法は、第１の鋼板（３０）に重ね合わせて車体補強部材として第２の鋼板（３１）を接合することにより重ね合わせ部材（４０）を形成する工程と、前記重ね合わせ部材（４０）を第１の金型（１０）と第２の金型（２０）の間に挟んでプレス成形及び焼入れを行う工程と、を備え、
第１の金型（１０）または第２の金型（２０）の中に設けられた冷媒流路（１２，２２）と、第１の金型（１０）または第２の金型（２０）のプレス成形面に重ね合わせ部材（４０）の重ね合わせ部（３３）に対応して形成された複数の溝（２４）と、前記複数の溝（２４）に冷媒を流通させる冷媒流通手段と、を備えた熱間プレス装置を準備し、前記冷媒流路（１２，２２）に冷媒を流通させている状態で第１の金型（１０）の上に加熱された重ね合わせ部材（４０）をセットし、重ね合わせ部材（４０）を第１の金型（１０）と第２の金型（２０）の間に挟んでプレス成形を行うと共に、複数の溝（２４）に冷媒を流通させることにより重ね合わせ部材（４０）の重ね合わせ部（３３）を冷媒で直冷することを特徴とする。

本発明によれば、金型のプレス成形面に重ね合わせ部材の重ね合わせ部に対応して複数の溝を設け、プレス成形時にこれらの溝に冷媒を流通させることにより、重ね合わせ部を直冷しているので、重ね合わせ部の冷却を促進することができる。

これにより、重ね合わせ部材の重ね合わせ部の厚さが大きく、従来のような金型による間接的な冷却では熱間プレス成形が不可能である場合であっても、熱間プレス成形の実施が可能になる。また、重ね合わせ部材の冷却むらを抑制して、焼入れ品質の均一性、及び重ね合わせ部材の寸法精度を向上させることができる。

さらに、重ね合わせ部材の冷却時間を短縮して生産性を向上させることができる。本発明は、特に自動車車体部品に好適に適用することができる。

本発明の第１の実施形態における熱間プレス装置の上金型の平面図である。 本発明の第１の実施形態における熱間プレス装置の下金型の平面図である。 本発明の第１の実施形態における熱間プレス装置の上金型の断面図である。 本発明の第１の実施形態における熱間プレス装置及び熱間プレス方法を説明する断面図である。 本発明の第２の実施形態における熱間プレス装置及び熱間プレス方法を説明する断面図である。 本発明の第３の実施形態における熱間プレス装置及び熱間プレス方法を説明する断面図である。 熱間プレス成形における重ね合わせ部材の温度変化を示す図である。

＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態における熱間プレス装置１００を図１乃至図４に基づいて説明する。図１は熱間プレス装置１００の上金型２０の平面図（プレス成形面側から見た平面図）である。図２は熱間プレス装置１００の下金型１０の平面図（プレス成形面側から見た平面図）であって、重ね合わせ部材がセットされた状態を示す図ある。図３は図１のＢ−Ｂ線における断面図である。図４は図１及び図２のＡ−Ａ線に対応する断面図であって、（ａ），（ｂ），（ｃ）の順に熱間プレス工程を示している。

図示のように、熱間プレス装置１００は、下金型１０と、下金型１０上に配置された上金型２０と、を備えている。下金型１０は基台（不図示）上に固定され、上金型２０は下金型１０上に対向して配置され、駆動装置（不図示）により上下方向に可動に構成されている。

重ね合わせ部材４０は、第１の鋼板３０と、第１の鋼板３０に重ね合わせて、スポット溶接部３２で接合された第２の鋼板３１とを備えている。重ね合わせ部材４０が自動車車体部品である場合、第２の鋼板３１は、第１の鋼板３０の機械的強度を高めるための車体補強部材である。第２の鋼板３１は第１の鋼板３０より小型で、第２の鋼板３１の全体が、第１の鋼板３０の機械的強度を補強したい部分に重ね合わされている。

以下では、第１の鋼板３０と第２の鋼板３１とを重ね合わせた部分を重ね合わせ部３３と、それ以外の部分（第１の鋼板３０または第２の鋼板３１だけの単体部分）を非重ね合わせ部３４と称する。

熱間プレス装置１００は、重ね合わせ部材４０を下金型１０と上金型２０の間に挟んで押圧し、プレス成形及び焼入れを行う。この例では、下金型１０のプレス成形面の凹部１１が形成され、上金型２０のプレス成形面に凸部２１が形成され、上金型２０の凸部２１が下金型１０の凹部１１に嵌合されるが、両金型１０，２０のプレス成形面の形状は製品仕様に応じて任意に加工されている。

また、重ね合わせ部材４０を断面Ｕ字形に曲げ加工する場合には、下金型１０は、スプリングにより上下動可能に支持されたパッド部と、パッド部に隣接して固定配置された曲げ刃とで構成され、重ね合わせ部材４０を上型２０とパッド部の間に挟んで押圧し、曲げ刃により曲げ加工するように構成することができる。

下金型１０及び上金型２０の中には、それぞれの下金型１０、上金型２０を冷却するための冷媒流路１２，２２（例えば、金型の中に埋設された冷媒循環パイプ）が設けられている。冷媒流路１２，２２には冷却水等の冷媒が流通される。この例では、下金型１０及び上金型２０のそれぞれに冷媒流路１２，２２が設けられているが、どちらか一方だけが設けられていてもよい。

上金型２０には、プレス成形時における上金型２０と重ね合わせ部材４０の第２の鋼板３１の端部との干渉を防止するために、第２の鋼板３１の端面から離れるように後退した後退部２３が形成されている。図４の断面図で見ると、後退部２３は凸部２１の側面に形成される。

そして、上金型２０のプレス成形面（この例では凸部２１のプレス成形面）には重ね合わせ部材４０の重ね合わせ部３３に対応して複数の溝２４が形成されている。溝２４の断面形状は、この例では半円形状であるが、楕円形状、四角形状、三角形状など任意である。

また、複数の溝２４に冷却水等の冷媒を流通させる冷媒流通手段が設けられている。
図１及び図３に示すように、冷媒流通手段は上金型２０の中に設けられ複数の溝２４に冷媒を導入する冷媒導入路２５と、上金型２０中に設けられ複数の溝２４から冷媒を排出する冷媒排出路２６で構成することができる。冷媒導入路２５は１つの溝２４の一方の端の底部に連通され、冷媒排出路２６はその溝２４の他方の端の底部に連通されている。冷媒導入路２５及び冷媒排出路２６は、上金型２０の中に埋設された冷媒流通パイプで構成することができる。

この場合、図１に示すように、複数の溝２４は、いずれも同じ深さで一方向に平行にストライプ上に延び、かつ一定のピッチで配列されていることが冷却むらを抑制する上で好ましい。例えば、溝２４の深さは５ｍｍ、幅は４ｍｍ、ピッチ１２ｍｍである。

次に、熱間プレス方法を図４に基づいて説明する。先ず、図４（ａ）に示すように、下金型１０及び上金型２０を開放し、下金型１０及び上金型２０の冷媒流路１２，２２に冷媒を流通させている状態で、下金型１０に変態点以上の温度（例えば、９００℃）に加熱された重ね合わせ部材４０をセットする。この例では、重ね合わせ部材４０の重ね合わせ部３３が下金型１０の凹部１１上に位置するように位置決めされている。

次に、図４（ｂ）に示すように、上金型２０を下死点まで下動させ、重ね合わせ部材４０を上金型２０と下金型１０の間に挟んでプレス成形を行うと共に、複数の溝２４に冷媒を流通させることにより重ね合わせ部材４０の重ね合わせ部３３を冷媒で直冷（直接冷却）する。

すなわち、上金型２０を下死点まで下動させると、上金型２０のプレス成形面の凸部２１が重ね合わせ部材４０を下金型１０の凹部１１に押し込んで成形する。上金型２０には後退部２３が形成されているので、上金型２０と重ね合わせ部材４０の第２の鋼板３１の端部との干渉が防止されている。すなわち、後退部２３を形成したことで、上金型２０は第２の鋼板３１の端部から逃げており、後退部２３と第２の鋼板３１の端面の間に隙間が形成されている。

この時、重ね合わせ部材４０と上金型２０のプレス成形面が接触することにより、複数の溝２４は重ね合わせ部材４０の重ね合わせ部３３の第２の鋼板３１によって蓋をされる形になる。このタイミングで、蓋をされて閉空間となった複数の溝２４の中に冷媒が流通される。すなわち、冷媒導入路２５を経由して溝２４の一方の端から冷媒を導入し、溝２４の他方の端に到達した冷媒を、冷媒排出路２６を経由して上金型２０の外部に排出する。

この時、重ね合わせ部材４０の重ね合わせ部３３に複数の溝２４を流れる冷却水等の冷媒が直接接触することにより、冷媒と重ね合わせ部３３との熱交換が行われ、重ね合わせ部材４０の重ね合わせ部３３の冷却が促進される。重ね合わせ部材４０の非重ね合わせ部３４は、本来的に上金型２０及び下金型１０との接触により冷却されるが、重ね合わせ部３３については、これに加えて冷媒との接触で直冷されるようになっている。

そして、図４（ｃ）に示すように、複数の溝２４に冷媒を流通させた状態を所定時間維持して重ね合わせ部材４０の全体の温度が所定温度（例えば、２００℃）まで低下した時に、冷媒の流通を停止し、かつ上金型２０を上死点に向けて上動させ、両金型１０，２０を開放する。

図７は、熱間プレス成形における重ね合わせ部材４０の温度変化を示す図である。時刻ｔ１以前には、重ね合わせ部材４０が温度Ｔ０（例えば、９００℃）の加熱状態で熱間プレス装置１００にセットされた状態であり、自然冷却により温度がやや低下している。

その後、上金型２０が下動して、コンマ数秒という瞬間に下死点に到達し、重ね合わせ部材４０のプレス成形が行われる。この両金型１０，２０が閉じた時刻ｔ１のタイミングで複数の溝２４に冷媒を流すことにより重ね合わせ部材４０の重ね合わせ部３３の直冷が開始する。その後、時刻ｔ２のプレス成形終了時、つまり両金型開放時に複数の溝２４への冷媒の流通を停止することにより直冷が終了する。

図７に示すように、重ね合わせ部材４０の重ね合わせ部３３の温度は、直冷により急速に低下する。そのため、時刻ｔ２（例えば、時刻ｔ１から５秒）においては、重ね合わせ部材４０の全体（重ね合わせ部３３及び非重ね合わせ部３４）の温度が目標温度Ｔ２（例えば、２００℃）まで低下するように設定されている。図７においては、重ね合わせ部３３の温度は、非重ね合わせ部３４に比べて急速に低下しているが、その冷却速度は、冷媒の流量や溝２４の個数やピッチ等を調整することによりコントロール可能である。

また、図７において、重ね合わせ部材４０の直冷期間は、ｔ１〜ｔ２のプレス成形期間と一致しているが、時刻ｔ２のプレス終了前に複数の溝２４への冷媒の流通を停止させることで冷却期間を短縮することもできる。この場合は、両金型１０，２０が閉じている状態で複数の溝２４への冷媒の流通を停止し、重ね合わせ部材４０の全体（重ね合わせ部３３及び非重ね合わせ部３４）の温度が目標温度Ｔ２まで低下するのを待つ。そして、重ね合わせ部材４０の全体の温度が、目標温度Ｔ２まで低下した時点で、上金型２０が上動し、両金型１０，２０が開放される。

これに対して、従来の場合（重ね合わせ部材４０を直冷せず、金型のみにより冷却する場合）は、重ね合わせ部３３の温度は比較的ゆっくりと低下し、時刻ｔ２において、Ｔ２より高いＴ１（Ｔ１＞Ｔ２）である。重ね合わせ部３３の温度がＴ２まで低下するにはさらに長い時間（例えば、５秒〜１０秒）を必要とするため、熱間プレス成形の終了、つまり両金型１０，２０の開放がその分だけ遅れることになる。

そのため、重ね合わせ部材４０の重ね合わせ部３３の厚さが例えば６ｍｍ以上と大きい場合には熱間プレス成形そのものが不可能になってしまう。また、重ね合わせ部３３と非重ね合わせ部３４との冷却むらにより、焼入れ品質の均一性が劣化し、熱間プレス成形後の重ね合わせ部材の寸法精度が落ちてしまう。

このように、本実施形態によれば、上金型２０のプレス成形面に重ね合わせ部材４０の重ね合わせ部３３に対応して複数の溝２４を設け、プレス成形時にこれらの溝２４に冷媒を流通させることにより、重ね合わせ部３３を冷媒で直冷しているので、重ね合わせ部３３の冷却を促進することができる。

これにより、重ね合わせ部材４０の重ね合わせ部３３の厚さが例えば６ｍｍ以上と大きく、従来のような金型による間接的な冷却では熱間プレス成形が不可能である場合であっても、熱間プレス成形の実施が可能になる。また、重ね合わせ部３３の冷却速度を非重ね合わせ部３４の冷却速度に合わせるようにコントロールすることにより、重ね合わせ部材４０の冷却むらを抑制して、焼入れ品質の均一性、及び重ね合わせ部材４０の寸法精度を向上させることができる。さらに、重ね合わせ部材４０の冷却時間を短縮して生産性を向上させることができる。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態における熱間プレス装置２００を図５に基づいて説明する。熱間プレス装置２００が、第１の実施形態の熱間プレス装置１００と異なる点は、複数の溝１３が、上金型２０ではなく下金型１０のプレス成形面に設けられていることである。

これに伴い、複数の溝１３に冷媒を流通させる冷媒流通手段は、下金型１０の中に設けられ複数の溝１３に冷媒を導入する冷媒導入路（不図示）と、下金型１０中に設けられ複数の溝１３から冷媒を排出する冷媒排出路（不図示）で構成することができる。前述のように、下金型１０がパッド部と曲げ刃で構成される場合には、複数の溝１３はパッド部のプレス成形面に形成される。

その他の構成は、第１の実施形態の熱間プレス装置１００と同じであり、同様の効果を得ることができる。熱間プレス装置２００を用いた熱間プレス方法についても第１の実施形態と同様であり、同様の効果を得ることができる。プレス成形時に、重ね合わせ部材４０と下金型１０のプレス成形面が接触することにより、複数の溝１３は重ね合わせ部材４０の重ね合わせ部３３の第１の鋼板３０によって蓋をされる形になる。このタイミングで、蓋をされて閉空間となった複数の溝１３の中に冷媒が流通される。

＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態における熱間プレス装置３００を図６に基づいて説明する。熱間プレス装置３００が、第１の実施形態の熱間プレス装置１００と異なる点は、複数の溝１３，２４が、下金型１０と上金型２０の両方のプレス成形面に設けられていることである。この場合、下金型１０の複数の溝１３と上金型２０の複数の溝２４とが上下方向に重ならないように水平方向にずらして配置することが好ましい。

このように配置することにより、重ね合わせ部材４０を均一に冷却することができる。
その他の構成は、第１の実施形態の熱間プレス装置１００と同じである。熱間プレス装置３００を用いた熱間プレス方法についても第１の実施形態と同様である。本実施形態においては、複数の溝１３，２４が、下金型１０と上金型２０の両方のプレス成形面に設けられているので、第１の実施形態に比して、さらに重ね合わせ部材４０の冷却を促進することができる。

なお、第１乃至第３の実施形態においては、重ね合わせ部材４０は２枚の鋼板を重ね合わせたものであるが、本発明は、３枚以上の鋼板を重ね合わせた重ね合わせ部材４０の熱間プレス成形にも適用することができる。本発明は、機械的強度と高品質が要求されるピラーレインフォースメント等の自動車車体部品の製造に好適に適用することができる。

１０ 下金型
１１ 凹部
１２ 冷媒流路
１３ 溝
２０ 上金型
２１ 凸部
２２ 冷媒流路
２３ 後退部
２４ 溝
２５ 冷媒導入路
２６ 冷媒排出路
３０ 第１の鋼板
３１ 第２の鋼板
３２ スポット溶接部
３３ 重ね合わせ部
３４ 非重ね合わせ部
４０ 重ね合わせ部材
１００，２００，３００ 熱間プレス装置

Claims (8)

1. 第１の金型（１０）と、
   第１の金型（１０）上に配置された第２の金型（２０）と、を備え、
   第１の鋼板（３０）及び第１の鋼板（３０）に重ね合わせて接合された第２の鋼板（３１）と、を備える重ね合わせ部材（４０）を第１の金型（１０）と第２金型（２０）の間に挟んでプレス成形及び焼入れを行う熱間プレス装置において、
   第１の金型（１０）または第２の金型（２０）の中に設けられた冷媒流路（１２，２２）と、
   第１の金型（１０）または第２の金型（２０）のプレス成形面に重ね合わせ部材（４０）の重ね合わせ部（３３）に対応して形成された複数の溝（２４）と、
   前記複数の溝（２４）に冷媒を流通させる冷媒流通手段と、を備えることを特徴とする熱間プレス装置。
2. 前記複数の溝（２４）は、一方向に平行に延び、かつ一定のピッチで配列されていることを特徴とする請求項１に記載の熱間プレス装置。
3. 前記冷媒流通手段は、第１の金型（１０）または第２の金型（２０）の中に設けられ前記複数の溝（２４）に冷媒を導入する冷媒導入路（２５）と、
   第１の金型（１０）または第２の金型（２０）の中に設けられ前記複数の溝（２４）から冷媒を排出する冷媒排出路（２６）と、を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の熱間プレス装置。
4. 前記複数の溝（２４）は、第１の金型（１０）及び第２の金型（２０）の両方のプレス成形面に形成され、第１の金型（１０）の複数の溝（２４）と第２の金型（２０）の複数の溝（２４）とが上下方向に重ならないように水平方向にずらして配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の熱間プレス装置。
5. 第１の鋼板（３０）及び第１の鋼板（３０）に重ね合わせて接合された第２の鋼板（３１）と、を備える重ね合わせ部材（４０）を第１の金型（１０）と第２の金型（２０）の間に挟んでプレス成形及び焼入れを行う熱間プレス方法において、
   第１の金型（１０）または第２の金型（２０）の中に設けられた冷媒流路（１２，２２）と、第１の金型（１０）または第２の金型（２０）のプレス成形面に重ね合わせ部材（４０）の重ね合わせ部（３３）に対応して形成された複数の溝（２４）と、前記複数の溝（２４）に冷媒を流通させる冷媒流通手段と、を備えた熱間プレス装置を準備し、
   前記冷媒流路（１２，２２）に冷媒を流通させている状態で第１の金型（１０）の上に加熱された重ね合わせ部材（４０）をセットし、
   重ね合わせ部材（４０）を第１の金型（１０）と第２の金型（２０）の間に挟んでプレス成形を行うと共に、複数の溝（２４）に冷媒を流通させることにより重ね合わせ部材（４０）の重ね合わせ部（３３）を冷媒で直冷することを特徴とする熱間プレス方法。
6. 前記複数の溝（２４）への冷媒の流通を停止すると同時に第１の金型（１０）と第２の金型（２０）を開放することを特徴とする請求項５に記載の熱間プレス方法。
7. 前記複数の溝（２４）への冷媒の流通を停止した後に第１の金型（１０）と第２の金型（２０）を開放することを特徴とする請求項５に記載の熱間プレス方法。
8. 第１の鋼板（３０）に重ね合わせて車体補強部材として第２の鋼板（３１）を接合することにより重ね合わせ部材（４０）を形成する工程と、
   前記重ね合わせ部材（４０）を第１の金型（１０）と第２の金型（２０）の間に挟んでプレス成形及び焼入れを行う工程と、を備え、
   第１の金型（１０）または第２の金型（２０）の中に設けられた冷媒流路（１２，２２）と、第１の金型（１０）または第２の金型（２０）のプレス成形面に重ね合わせ部材（４０）の重ね合わせ部（３３）に対応して形成された複数の溝（２４）と、前記複数の溝（２４）に冷媒を流通させる冷媒流通手段と、を備えた熱間プレス装置を準備し、
   前記冷媒流路（１２，２２）に冷媒を流通させている状態で第１の金型（１０）の上に加熱された重ね合わせ部材（４０）をセットし、
   重ね合わせ部材（４０）を第１の金型（１０）と第２の金型（２０）の間に挟んでプレス成形を行うと共に、複数の溝（２４）に冷媒を流通させることにより重ね合わせ部材（４０）の重ね合わせ部（３３）を冷媒で直冷することを特徴とする自動車車体部品の製造方法。

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