JP6357197B2 - 熱間プレス方法 - 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方法、及び重ね合わせ部材に関する。

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方法は、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の鋼板（３０）と、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、第１の鋼板（３０）と第２の鋼板（３１）の間に空洞部（３５）が形成された重ね合わせ部材（４０）を準備し、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、プレス成形時に前記空洞部（３５）に連通して前記空洞部（３５）に冷媒を流通させるための冷媒流通手段と、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、前記空洞部（３５）に冷媒を流通させることを特徴とする。

本発明によれば、重ね合わせ部材を構成する第１の鋼板と第２の鋼板の間に空洞部を形成し、プレス成形時にこの空洞部に冷媒を流通させることにより、重ね合わせ部を直冷し、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方法を説明する斜視図である。 本発明の第１の実施形態における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の上金型の平面図である。 本発明の第２の実施形態における熱間プレス装置の下金型の平面図である。 本発明の第３の実施形態における重ね合わせ部材の平面図である。 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方法を図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４０がセットされた状態を示す図ある。図３は熱間プレス装置１００の上下金型が閉じた状態の斜視図である。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の上に第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）を非重ねあわせ部３４と称する。

重ね合わせ部３３の第１の鋼板３０と第２の鋼板３１の間には、それらの重ね合わせ面に沿って、プレス成形時に冷却水等の冷媒を流通させるための空洞部３５が形成されている。重ね合わせ部３３の空洞部３５は第１の鋼板３０との接触面から第２の鋼板３１を、ドーム状突起部が形成されるように部分的に持ち上げることにより形成される。

図２に示すように、空洞部３５は第２の鋼板３１の一方の端から他方の端まで直線状に延びているが、曲線状に延びるか、あるいはサーペンタイン状に蛇行させることにより冷媒と重ね合わせ部３３との熱交換効率を高めることができる。また、空洞部３５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。

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のプレス成形面には、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３１ａから離れるように後退した後退部２３が形成されている。また、上金型２０のプレス成形面には、重ね合わせ部材４０の空洞部３５（第２の鋼板３１の突起部）に対応させて溝部２４が形成されている。

そして、空洞部３５に冷媒を流通させるための冷媒流通手段が上金型２０に設けられている。冷媒流通手段は、上金型２０の中に設けられ、プレス成形時に空洞部３５の一端に連通して冷媒を導入する冷媒導入路２５と、上金型２０中に設けられ、プレス成形時に空洞部３５の他方の端に連通して冷媒を排出する冷媒排出路２６で構成することができる。

図１乃至図３において、冷媒導入路２５、冷媒排出路２６、及び空洞部３５の位置関係を示してある。図３は上下金型が閉じ、空洞部３５に冷媒を流通させる状態を示す斜視図であるが、簡略化のため、下金型１０の凹部１１、上金型２０の凸部２１等の図示を省略してある。

プレス成形時（上下金型が閉じ時）に冷媒導入路２５の導入口は空洞部３５の一方の端に配管連絡され、冷媒排出路２６の排出口は空洞部３５の他方の端に配管連絡される。冷媒導入路２５及び冷媒排出路２６は上金型２０に埋設されたパイプで構成することができる。また、冷媒導入路２５及び冷媒排出路２６は上金型２０を上下方向に貫通しているが、これに限らず、その経路は上金型２０の中で任意に変更することができる。

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。この時、上金型２０の冷媒導入路２５が、重ね合わせ部３３の空洞部３５の一端に連通し、冷媒排出路２６が空洞部３５の他方の端に連通する。そこで、冷媒導入路２５を経由して空洞部３５の一方の端から冷媒を導入し、空洞３５の他方の端から冷媒排出路２６を経由して冷媒を排出する。

重ね合わせ部材４０の重ね合わせ部３３の空洞部３５に冷却水等の冷媒が流通することにより、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３（ｃ）に示すように、空洞部３５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１０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のタイミングで空洞部３５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冷媒の流通を停止することにより直冷が終了する。

図１０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１０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１０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のプレス終了前に空洞部３５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空洞部３５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、重ね合わせ部材４０に空洞部３５を設け、プレス成形時に空洞部３５に冷媒を流通させることにより、重ね合わせ部３３の端部を直冷しているので、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＞
本発明の第２の実施形態における熱間プレス方法を図５、図６に基づいて説明する。
図５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６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４０がセットされた状態を示す図ある。図５及び図６のＡ−Ａ線における断面図は、図４と同じである。

本実施形態においては、重ね合わせ部材４０に冷媒を導入・排出する位置が第１の実施形態と異なっている。図６に示すように、重ね合わせ部材４０には、第１の実施形態と同様に、空洞部３５が形成されているが、空洞部３５に対応する第２の鋼板３１の突起部の両端部に冷媒導入口３６，冷媒排出口３７がそれぞれ開口形成されている。
そして、上金型２０の中に、プレス成形時に空洞部３５の冷媒導入口３６に連通して冷媒を導入する冷媒導入路２５と、プレス成形時に空洞部３５の冷媒排出口３７に連通して冷媒を排出する冷媒排出路２６が設けられている。その他の構成は、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。

＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態における熱間プレス方法を図７乃至図９に基づいて説明する。図７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８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４０がセットされた状態を示す図ある。図９は熱間プレス装置１００の両金型１０，２０が閉じ、空洞部３５に冷媒を流通させる状態を示す斜視図である。

本実施形態では、重ね合わせ部材４０の空洞部３５が第２の実施形態のものに比して幅広になっている。これにより、空洞部３５を流れる冷媒断面積（冷媒と重ね合わせ部３３との接触面積）が大きくなるので、重ね合わせ部材４０の重ね合わせ部３３の冷却をさらに促進することができる。

また、空洞部３５に対応する第２の鋼板３１の突起部はその上面に平坦部を有しており、空洞部３５に連通する冷媒導入口３６，冷媒排出口３７は、この平坦部に形成されることが好ましい。これは、プレス成形時に空洞部３５の冷媒導入口３６に連通して冷媒を導入する冷媒導入路２５と、プレス成形時に空洞部３５の冷媒排出口３７に連通して冷媒を排出する冷媒排出路２６との位置合わせを容易にし、冷媒の漏れを防止するためである。

なお、第１乃至第３の実施形態においては、重ね合わせ部３３の空洞部３５は第１の鋼板３０との接触面から第２の鋼板３１を突起状に持ち上げることにより形成されるが、これとは逆に、空洞部３５は第２の鋼板３１との接触面から第１の鋼板３０を突起状に持ち上げることにより形成しても良い。また、第１及び第２の鋼板３０，３１の両方をそれらの接触面から持ち上げることにより箱状の空洞部を形成しても良い。さらに、空洞部３５を複数形成すれば、冷媒と重ね合わせ部３３との接触面積を増加させることができる。

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。この場合、隣接する鋼板の間に空洞部を形成する。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
２０ 上金型
２１ 凸部
２２ 冷媒流路
２３ 後退部
２４ 溝部
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
３５ 空洞部
４０ 重ね合わせ部材
１００ 熱間プレス装置

Claims (5)

1. 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の鋼板（３０）と、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、第１の鋼板（３０）と第２の鋼板（３１）の間に空洞部（３５）が形成された重ね合わせ部材（４０）を準備し、
   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、プレス成形時に前記空洞部（３５）に連通して冷媒を流通させるための冷媒流通手段と、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、前記空洞部（３５）に冷媒を流通させることを特徴とする熱間プレス方法。
2. 前記空洞部（３５）に冷媒を流通させ、重ね合わせ部材（４０）の全体の温度が所定温度まで低下した時に、冷媒の流通を停止し、かつ第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１に記載の熱間プレス方法。
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空洞部（３５）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空洞部（３５）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方法。
4. 前記空洞部（３５）に対応する第２の鋼板（３１）の突起部の両端部に空洞部（３５）に連通する冷媒導入口（３６）及び冷媒排出口（３７）がそれぞれ形成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方法。
5. 前記冷媒導入口（３６）及び冷媒排出口（３７）は、前記第２の鋼板（３１）の突起部上の平坦部に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の熱間プレス方法。

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