JP6443704B2 - 車体部品の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、衝突に関する車体部品、特に、ホットスタンピングを利用した高強度の車体部品を製造する方法に関する。
自動車産業において最も大きなイシューの一つは軽量化及び高強度化であり、このようなイシューの中心にホットスタンピング技術がある。ホットスタンピング技術及び素材に関しては、特許文献1に紹介されている。
ホットスタンピングは鋼板を900〜950℃の高温に加熱した後、プレス内で成形すると共に急冷することで高強度の軽量備品を製造する。ホットスタンピングの素材としては、0.2重量%前後の炭素を含有し、熱処理性能を向上するための元素としてMn、Bを使用する、いわゆるボロン鋼が使用される。
このようなホットスタンピングは、成形及び熱処理が同時に行われるため生産性が優秀なだけでなく、高温で鋼板が成形されるため成形性及び寸法精度に優れている。また、ホットスタンピングは高強度部品を成形する際、特に問題となるスプリングバックや遅延破壊を減少することができる長所がある。
ホットスタンピングは、工程が高温で非めっき鋼板(uncoated or plain steel sheet)を使用する場合、成形後にデスケーリング工程が伴うべきである。複雑なデスケーリング工程を省略するために提案されたのが、AlやZnめっき鋼板である。Alめっき鋼板については、特許文献2を参照してほしい。
車両部品の軽量化のために、自動車メーカー分野ではテーラードブランク(Tailor Welded Blank,TWB)溶接技術が適用されている。しかし、TWB技術はホットスタンピング用めっき鋼板、例えば、Alめっき鋼板に適用することができない。レーザ溶接の際、Alめっき層のため溶接部に相当は強度低下が発生するためである。特許文献3では、溶接部位のAlめっき層の一部を予め剥がしておいた後、レーザ溶接をする方式でこの問題を解決しようとしている。
車両部品の軽量化のための他の技術として、テーラーロールドブランク(Tailor Rolled Blank,TRB)技術がある。図1に示したように、TRB技術はコイル鋼板3の圧延過程で上下ロール1、2のギャップを調整しながら鋼板の厚さを調節する方式で行われる。TRB技術によって、一方向、つまり圧延方向にのみブランクの厚さに変化を与えられるだけである。また、テーラーロールドブランクは製鋼メーカーで一律的に製造されるため、多様な車両部品の製造に提供するには限界がある。
英国特許第1490535号 米国特許第6296805号 米国特許公開第2015−0030382号 韓国特許出願第2015−0106952号
本発明は前記のようなこの技術分野における通常の知識を有する者に対する認識に基づいたものであって、次第に多様化し高まった衝突性能の要求に対応し得る新たな車両部品の製造方法を提供しようとする。特に本発明は、TWBやTRBによらずも、厚さが互いに異なる2つ以上の領域を有する車両用部品を製造する新たな方法を提供しようとする。
従来、厚さが互いに異なる2つ以上の領域を有する本体部品を製造する方案として、TWB技術の位相は独歩であったため、おそらくTWB以外に他の選択肢は考慮されたことがないと思われる。しかし、上述したように、TWB技術はめっき層を有するホットスタンピング用鋼板に適用されにくい問題がある。これまで、この分野ではこの問題の解決に集中してきただけであった。その結果のうち一つが、特許文献3で提案された方法であるが、この方法を実際に車両部品の生産に適用することは難しい。
本発明者らは、TWBとは接近方式が全く異なり、それに代替し得る新たな車体部品の製造方法を提供しようとする。
本発明はまた、一つの例として、図2に示したように厚さまたは強度が異なる複数パーツP1〜P4が継ぎ目Wなく一体化された車両部品を、ホットスタンピングによって丸ごと製造することを目的とする。これまで、ホットスタンピング用めっき鋼板を利用して図2に示したような本体部品を丸ごと製造しようとした技術は提案されていない。
図2に示したのはサイドパネルであって、このパネルはセンターピラー、フロントピラーなどの各パーツを別途成形した後、これらのパーツを互いに溶接することで製造される。このような本体部品の製造にTWB技術が考慮され得るが、TWBはホットスタンピング用めっき鋼板、例えば、Alめっき鋼板には適用することが難しい。一方向、つまり圧延方向にのみ厚さの変化があるTRBによっては、このような本体部品は得られない。
本発明が解決しようとする課題は、必ずしも上述した事項に限らず、上述されていない他の課題は以下に記載される事項によって理解されるはずである。
本発明に関して、特許文献4の「熱間成形された車両用鋼部品及びその製造方法」が提案されている。この出願方法は、ブランクを圧延する前に、ブランクを予備加熱して表面の皮膜を予め酸化させることをその特徴の一つとする。この出願方法は2017年2月8日に公開されており、ここに記載された発明は本発明に含まれる。
前記出願発明において、圧延の前にブランクの表面に酸化層を成形する理由の一つは、圧延過程のうち表面に発生し得る微細クラックを防止するためであった。本発明者らは、前記出願発明から提案された予備加熱を省略しようとし、そのための努力の結果、本発明に至った。
本発明による車両用本体部品の製造方法は、a)皮膜を有する鋼板ブランクを厚さが互いに異なる2つ以上の領域を有するように圧延するステップと、b)圧延されたブランクをプレス成形に必要な形状に切断するステップと、c)切断されたブランクを加熱して熱間プレス成形及び冷却するステップと、を含む。
本発明の一側面によると、前記ステップa)において、ブランクは2方向以上の互いに異なる方向に圧延される。ホットスタンピングのためのブランクをこのように圧延することは、TRB方式とはコンセプトが全く異なる。TRB技術による圧延の対象はコイル鋼板であって、成形のために一定形状及び大きさに切断されたブランクではない。テーラーロールドブランクは、コイル鋼板をアンコイルまたはリリーズしながらロールキャップの調節によって一方向に鋼板の厚さに変化を与えることで得られる。しかし、本発明ではプレスフォーミング用ブランクに対して圧延が行われ、ブランクは2方向以上の互いに異なる方向に圧延される。
本発明の他の側面によると、ブランクは圧延の前に予備加熱されなくてもよい。本発明者らは、ホットスタンピング用鋼板、例えばAlめっき鋼板はうまく制御された冷間圧延による場合、表面の微細クラックが問題にならないことが分かった。圧延されたブランクをプレス成形のためにオーステナイト温度範囲に加熱する過程でめっき層が溶融され、表面のクラック問題が緩和され得る。
冷間圧延によるブランクの過度な変形が問題になる恐れがあるが、これは本発明によってブランクに適切な孔を形成することによって解決することができる。本発明のまた他の側面によると、前記ステップa)で圧延されるプランクには孔が備えられるが、孔の位置は少なくともその一部が圧延が行われる領域内にあるように設計される。この孔は、ブランクの圧延過程で発生し得るブランクの変形を吸収する。
本発明による更に他の側面によると、前記ステップa)で圧延されるブランクは、孔の位置に対応するブランクの縁領域にブランクの面方向に延長されたフランジを備える。面方向はブランクの面に平行な方向と理解される。フランジは、孔の形成によって除去されたブランク部位の面積を少なくとも一部補償し得る大きさに形成される。フランジは、孔によってブランクを圧延する際に予め計画された一定な圧延領域内で過度な厚さの偏差が発生することを抑制する。このフランジは、前記ステップb)で切断される。
上述したような本発明によると、別途の予備加熱なしに冷間における圧延を介して厚さが互いに異なる複数の領域を有する車両部品を製造することができる。
また、本発明によると、通常に提供されるめっき鋼板を利用して厚さが互いに異なる2つ以上の領域を有する車両部品を自由に製造することができる。
また、本発明によると、図2に示したように厚さが互いに異なる複数のパーツP1〜P4が一体化された本体部品を、単一のブランクを利用して一度に製造することができる。
また、本発明によると、部品の設計及び製造が自由で多様な衝突性能の要求に対応することができる。
また、本発明によると、ある圧延領域で目標とするブランクの厚さに偏差が発生することを防止することができる。
従来のTRB工程を説明するための模式図である。 車体部品の例を示す図である。 本発明の実施例による車体部品の製造工程を示すフローチャートである。 本発明の実施例によるブランクの圧延過程を概略的に示す図である。 本発明の実施例によるブランクの圧延過程を概略的に示す図である。 本発明の実施例によるブランクの圧延過程を概略的に示す図である。 本発明の実施例によるブランクの圧延過程を概略的に示す図である。 本発明の一実施例によって長さ方向LDに圧延されたブランクの例を示す図である。 図5に示したブランクの長さ方向LDに沿っての厚さ分布を示す図である。 図5に示したブランクの幅方向に沿っての厚さ分布を示す図である。 本発明の一実施例によるブランクの例を示す図である。 図7に示したブランクの圧延方向に沿っての厚さ分布を示す図である。 図7に示したブランクの圧延方向に沿っての厚さ分布を示す図である。 本発明の他の実施例による車体部品の製造工程を示すフローチャートである。
以下、本発明に添付した図面を参照して、本発明について詳細に説明する。図面において、同じ構成要素または部品は、説明の便宜上、できるだけ同じ参照符号で示している。
図3乃至図4dを参照して、実施例による車体部品の製造方法について説明する。
図3に示したように、実施例によると、本体部品はブランキングS1、圧延S2、1次トリミングS3、加熱S4,熱間成形及び冷却S5、及び2次トリミングS6を経て製造される。ブランク10の素材としては、ホットスタンピング用Alめっき鋼板が使用される。この鋼板のAlめっき層は、外側のAlまたはAl合金層と内側の金属間の合金層を有する。
ブランキング工程S1
図4aに示したように、Alめっき鋼板はプレス成形のために予め設定された大きさと形状のブランク10にに切断される。ブランキングラインを設計する際、S2における圧延によるブランク10の延伸量と、S4における成形マージンなどが考慮される。
ブランキングステップS1において、ブランク10に孔11が形成される。孔11は、プレス成形後の部品で外観上うまく露出されない部位であるか、いずれにせよプレス成形後の製品から除去すべき部位に形成される。
この孔11は、S1における圧延によって発生し得るブランク10の変形を吸収する。孔11は、圧延が行われる領域内に、またはその領域と少なくとも部分的に重畳する位置に設けられる。孔11は、圧延方向や幅、厚さなどを考慮して、圧延によってブランク10で厚さが増加するか変形が発生し得る位置、またはこれを効果的に防止し得る位置に形成される。
図7を参照すると、ブランク20は孔21の位置に対応する縁領域に面方向に延長されたフランジ22a、22b;22を備える。フランジ22は同じ厚さ目標を有する圧延領域内で発生可能な厚さの偏差を解消するためのものであって、詳細は後述する。
圧延工程S2
圧延工程S2は、圧延をした領域とそうではない領域の間に厚さの差が発生するよう、ブランク10の一部領域を圧延する工程である。このような圧延は、互いに同じではない複数の部分的領域に対して順次に行われる。圧延前のブランク10の厚さが全体にわたって同じであれば、圧延工程S2の後まだ圧延されていない領域はブランク10の最も厚い領域になる。圧延工程S2はこのような事項を考慮して設計されるが、ブランク20の全体の面積に対して圧延する必要はない。
図4a乃至図4dに示したように、圧延工程S2において、ブランク10は厚さが互いに異なる2つ以上の領域、更に3つ以上の領域を有するように圧延される。TRB工程において、コイル鋼板は、鋼板の全体面に対して一方向にのみ圧延が行われる。よって、テーラーロールドブランクは圧延方向にのみ厚さの変化がある。実施例によると、ブランク10は2方向以上の互いに異なる方向に圧延されるが、これによって厚さが互いに異なる2つ以上の領域は、ある一方向にのみ配列されるよりは互いに異なる方向に配列される。
図4b乃至図4dを参照して、厚さが1.4mmのブランク10を圧延する例を説明する。図4bに示したように、ブランクは、まずA方向に圧延ロールRへと圧延される。A方向の圧延は、A方向の圧延領域の厚さが1.2mmに減少されるまで1回または数回行われる。図4c及び図4dに示したように、A方向に圧延されたブランク10はA方向とは異なるB方向に圧延される。B方向の圧延は、B方向の圧延領域の厚さが1.0mmに減少されるまで1回または数回行われる。
図4cにおいて、b1はブランク10の厚さが1.4mmの領域と厚さが1.2mmの領域間の境界である。図4dにおいて、b2はブランク10の厚さが1.2mmの領域と厚さが1.0mmの領域間の境界、b3はブランク10の厚さが1.4mmの領域と厚さが1.0mmの領域間の境界である。
図4dに示したように、前記のような圧延を介して厚さが互いに異なる3つの領域を有するブランク10が得られる。A方向からB方向への圧延方向の変更は、例えば、圧延ロールRに進入するブランク10の方向を変更することからなる。孔11は、互いに異なる圧延方向A、Bが重畳する領域に配置される。
S2における圧延は、ブランク10の縁から内側に向かって行われる。ブランクのある一部の領域に対する圧延は、1回で完了されることが好ましい。圧延はブランク表面の硬化を引き起こすが、同じ領域を繰り返し圧延する場合、回数が重なるほど圧延荷重が大きくなり、まためっき層の損傷が問題になる恐れがある。圧延を繰り返す回数を下げるために、ロールギャップなどが適切に調節される必要がある。
圧延ロールRは、ロールRの長さ方向に直径が互いに異なる区間を有してもよい。このような圧延ロールRを使用する場合、ブランク10を一方向に圧延することで幅方向、つまり、圧延方向に対して垂直な方向に厚さが互いに異なる領域が発生するようにしてもよい。
1次トリミング工程S3
圧延が完了されたブランク10は、プレス成形に必要な形状に外郭ラインに沿って切断される。できるだけ所望の成形品に近い形状に切断することが好ましい。切断にはレーザを利用してもよく、この工程S3で上述したフランジ22が切断される。
加熱工程S4
ホットスタンピングのために、ブランク10をオーステナイト化温度以上に加熱する。例えば、Alめっき鋼板を約550℃程度に加熱し、表面に酸化層を形成した後、950℃に加熱する。直接通電による加熱、高周波誘導加熱、電気炉などが単独または複合に利用されてもよい。
一方、孔11と適切な圧延制御によってブランク10の変形を抑制することができるが、圧延過程S2でブランク10がある程度変形される可能性がある。よって、圧延工程S2と加熱工程S4の間に、ブランク10を平坦化するためのレべリング工程が行われてもよい。多重ローラを利用するなど、通常のレべリング工程を行うことができる。
熱間成形及び冷却工程S5
オーストナイト化された(austenitized)ブランク10を、所望の形態の製品にプレス成形すると共に急冷させる工程である。急冷を介し、マルテンサイト(martensite)を有する高強度の本体部品が得られる。
2次トリミング工程S6
熱間プレス成形の後は、成形された製品の縁に、製品以外の余分を除去するためのトリミング工程が行われる。ブランク10の浪費の防止及び生産効率の向上などのために、2次トリミング工程は省略されることが好ましいが、今のところはプレス成形後のトリミングが必要である。
図5乃至図6bを参照して、圧延によるブランクの厚さの変化を説明する。
図5に示したブランク10’は、ドア側サイドパネルの製作実験のために、これと類似した形態にブランキングされたものである。ブランク10’は、フロント及びセンターピラーなどのサイドパネルを構成するパーツを備えており、中央部には圧延の際にブランク10’の変形防止または変形吸収のための孔11が形成される。
ブランク10’の後方にはループレール側の延長部12aとサイドシル側の延長部12bが突出形成され、これらの延長部12a、12bとセンターピラー部14によって規定される切開部14が設けられる。この切開部14は、変形吸収のためのものではない。但し、ブランク10’の形状や圧延領域などの設計によっては、このような部位に意図的に孔が形成されることもある。
図6a及び図6bは、図5のブランク10’を右側方向、つまり、ブランク10’の長さ方向LDに圧延した結果、得られたブランク10’の厚さ分布を示すグラフである。圧延前のブランク10’の厚さは1.4mmであり、目標とする圧延後の厚さは1.2mmであった。圧延はブランク10’の左側端から右側方向に行われており、ロールギャップは0.2〜0.6mmの範囲で変化していた。
図6aは、ブランク10’の長さ方向LDに沿っての厚さの分布を示す図である。図6aにおいて、横軸は長さ方向LDの距離である。
図5及び図6aを参照すると、切開部14がある(a)区間や孔11が形成されている(c)区間の場合、ブランク10’の厚さは目標とする1.2mmから相当な偏差を示す。(a)区間において、最大0.5mm程度の厚さの偏差が発生する。センターピラー部13に対応する(b)区間において、ブランク10’の厚さは目標の1.2mmに近接し、0.1mm程度の小さい偏差を示す。ロールギャップ条件などによって差があるが、傾向的に前記のような現象が発生する。
前記のようなブランク10’の長さ方向LDへの厚さの偏差は、ブランク10の変形を吸収するためにブランク10’に孔11を形成する場合、厚さの偏差を解消するための方案が講じられる必要があることが分かる。また、ブランク10’の形状の設計、圧延方向や圧延領域の設計において、前記結果は必ず考慮される必要がある。
図6bは、ブランク10’の幅方向WDに沿っての厚さの分布を示す図である。図6bにおいて、横軸は幅方向WDの距離である。
図5及び図6bを参照すると、ロールギャップによって偏差があるが、大体圧延後の厚さは1.2mmに近接し、最大偏差は約0.1〜0.15程度であった。ロールギャップが小さいほど、目標厚さに近い結果が得られることが分かる。
図7では、前記のような結果を反映した改善されたブランクの形状設計案が示されている。図7に示したように、ブランク20の中央部に孔21が形成されるが、この孔21に対応するブランク20の縁領域には、ブランク20の面方向にフランジ22a、22b;22が延長形成される。フランジ22は、孔21によって除去されたブランク20部位の面積を補償し、圧延過程に孔21によって発生するブランク20の厚さの偏差を抑制する。
フランジ22の形状の設計において、孔21対比のフランジ22の面積や位置が考慮される必要がある。フランジ22は、これに対応する孔21の大きさと同じ程度の大きさを有することが好ましい。しかし、フランジ22はS6におけるトリミング工程から除去されるため、材料の浪費を低減するために最小限の大きさに適正に形成すべきである。
図7を参照すると、フランジ22a、22bは孔21の面積と同じ面積を有するよう、ブランク20の左右端部に孔21の面積の1/2ずつ形成される。圧延方向が上方向で孔21がxyの面積を有する際、各フランジ22の突出長さzは1/2xであり、各フランジ22の圧延方向への長さは1/2yである。フランジ22a、22bの形状や位置は、例えば、圧延ロールRが図7の23で示されたラインに沿って置かれているとする際、ブランク20がない孔21の面積を補償するように設計される。
図8a及び図8bは、図7に示したような形状のブランク20を圧延した後、圧延方向、つまり、ブランク20の長さ方向LDに沿っての厚さの変化を示したグラフである。ブランク20は1.4mmであり、目標圧延厚さは1.2mmである。図8aはロールギャップが0.3mmである際の、図8bはロールギャップが0.1mmである際の厚さ分布グラフである。これらの図面において、横軸は長さ方向LDの距離を示す。
図8a及び図8bにおいて、実施例(case)1乃至3は、孔21対比のフランジ22の大きさが少しずつ異なる例である。実施例1、2は、それぞれ孔21とそれに対応するフランジ22の面積が同じ例(z=1/2x)である。但し、実施例2の孔の大きさ(つまり、フランジの面積)は、実施例1の孔の大きさ(つまり、フランジの面積)より大きい。実施例3は、孔21対比のフランジ22の面積が小さい例(z<1/2x)である。
図8a及び図8bに示したように、フランジ22の大きさが孔21の大きさより小さい実施例3よりは、両者が同じ条件である実施例1及び2における(a)区間と(b)区間の厚さの変化が小さく示される。
前記のような実施例から分かるように、ブランキング工程S1においてブランクの形状を設計する際、圧延による変形吸収のために孔11、21が設けられる必要があり、孔11、21の位置に対応するブランクの縁領域にフランジ22が設けられる必要がある。フランジ22は圧延方向に垂直な方向、または圧延ロールの長さ方向23に形成される。
図9には、他の実施例による他の本体部品の製造工程が示されている。簡単に言うと、ブランクはプリヒーティングS11の後、熱間圧延S12される。これ以外の工程は上述した実施例と同じく、または類似して行われる。
プリヒーティングS11は、ブランク表面の皮膜を酸化させる工程である。ホットスタンピング用Alめっき鋼板を例に挙げると、鋼板表面のAlめっき層を酸化させるのである。プリヒーティングS11でブランク表面に予め緻密な酸化アルミニウムが形成されると、熱間圧延S12の際ブランク表面から発生し得る微細クラックを防止することができる。
プリヒーティングS11の温度は、ホットスタンピング用Alめっき鋼板の場合、略580℃程度がターゲットとなる。Al皮膜が650〜700℃で溶融されるため、メインヒーティングS13の加熱速度は制限されるしかない。しかし、プリヒーティングS11を介してブランク表面に安定した酸化皮膜が形成されると、メインヒーティングS13の際にブランクをオーステナイト温度、例えば950℃まで急速加熱することができるようになる。
前記のようなプリヒーティングS11の後、ブランクは熱間圧延S12される。ブランクの複数の領域に対して熱間圧延が行われるべきであるが、その過程でブランクの温度が低下する。低下したブランクの温度を補償するために、ブランクの再加熱が必要となる。
これまで本発明の特定実施例について図示し説明したが、以下の特許請求の範囲に記載された発明の技術的思想から逸脱しない範囲内で、本発明は多様に修正または変形され得ることを理解する必要がある。
10、20:ブランク
11、21:孔
22a、22b:フランジ

Claims (6)

  1. a)皮膜を有するブランクを厚さが互いに異なる2つ以上の領域を有するように圧延するステップと、
    b)圧延されたブランクをプレス成形に必要な形状に切断するステップと、
    c)切断されたブランクを加熱して熱間プレス成形及び冷却するステップと、を含み、
    前記ステップa)において、圧延されるブランクには孔が設けられ、この孔は少なくとも一部が圧延が行われる領域内に位置するように形成されることを特徴とする車体部品の製造方法。
  2. 前記ステップa)の前に、ブランクの表面に皮膜の酸化物が形成されるように予備加熱するステップを更に含むことを特徴とする請求項1に記載の車体部品の製造方法。
  3. 前記ステップa)における圧延は、
    互いに同じではない複数の部分的な領域に対して順次に行われることを特徴とする請求項1に記載の車体部品の製造方法。
  4. 前記ステップa)において、ブランクは2方向以上の互いに異なる方向に圧延されることを特徴とする請求項1に記載の車体部品の製造方法。
  5. 前記ステップa)で圧延されるブランクは、孔によって除去されたブランク部位の面積を少なくとも一部補償し得るように、孔の位置に対応するブランクの縁領域に面方向に延長されたフランジを備え、
    ステップb)において、フランジは切断されることを特徴とする請求項1に記載の車体部品の製造方法。
  6. 前記ステップa)において、ブランクは2方向以上の互いに異なる方向に圧延されることを特徴とする請求項5に記載の車体部品の製造方法。
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