JP6531265B2 - 金属部品の製造方法および金属部品の製造装置 - Google Patents

金属部品の製造方法および金属部品の製造装置 Download PDF

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Description

本発明は、金属部品の製造方法および金属部品の製造装置に関し、特に、オーステナイト系ステンレス鋼またはアルミニウム合金を材料としてこれにプレス加工を行う金属部品の製造方法および金属部品の製造装置に関する。
SUS304等のオーステナイト系ステンレス鋼は、高強度、高耐食性などの優れた特性を有しているため、製品の高機能化に応える材料として川下分野に広範なニーズが有る。
しかし、オーステナイト系ステンレス鋼は、高い引張強度を有し、また加工硬化性が大きい。そのため、金属材料(ワーク)としてオーステナイト系ステンレス鋼を用いてプレス加工を行うと、プレス機能力の不足(加圧能力、エネルギー量の不足)、金型磨耗の激化、工程数の増加等が引き起こされる。
そのため、オーステナイト系ステンレス鋼を金属材料としてプレス加工により金属部品を製造する場合、金属材料を加熱して引張強度を低下させた状態で、当該金属材料に対してプレス加工を行う温間絞り加工法を適用することが実施されている(例えば特開平8−120419号公報参照)。
特開平8−120419号公報
しかしながら、従来の温間絞り加工では、金属材料の加熱は、成形型の一方である金型(ダイス)にカートリッジヒーターを埋め込み、所定の温度範囲内(例えば100℃以上150℃以下程度)に金型やブランクホルダ(しわ押え)を加熱してその熱を金型に接する金属材料に伝えることで行われる。そのため、従来の温間絞り加工では、金型は被加工物である金属材料と同等以上の温度に加熱されるが、被加工物の引張強度を十分に低下することができる程度にまで加熱するには、ヒータの熱容量の観点から加熱時間を長くする必要があった。
これは、従来の温間絞り加工に用いられているヒータは上述のように金型に埋め込まれていることから、金型以上の大きさとすることができず、ヒータの熱容量を十分に増すことができなかったためである。
その結果、従来の温間絞り加工では加熱時間を短縮することが困難であり、金属部品の生産性を向上することが困難であった。特に、オーステナイト系ステンレス鋼は熱伝導率が低いため、オーステナイト系ステンレス鋼を被加工材料とする従来の温間絞り加工では加熱時間を短縮することが困難であり、金属部品の生産性を向上することが困難であった。例えばオーステナイト系ステンレス鋼を被加工材料とする従来の温間絞り加工では、5spm(strokes per minitu)程度の生産性であった。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものである。本発明の主たる目的は、生産性を向上することができる金属部品の製造方法および金属部品の製造装置を提供することにある。
本実施の形態に係る金属部品の製造方法は、加熱用コイルを用いて金属板を局所的に誘導加熱する工程と、誘導加熱する工程の後に、金型および金型に対して金属板をプレスする押圧部を用いて金属板をプレス加工する工程とを備える。誘導加熱する工程では、プレス加工する工程でプレス加工される金属板の加工領域のうち変形量が相対的に大きい部分の少なくとも一部は、加工領域のうち相対的に変形量が小さい部分よりも高温に加熱される。
上記金属部品の製造方法において、プレス加工は、絞り加工であるのが好ましい。誘導加熱する工程では、プレス加工する工程でプレス加工される金属板の加工領域のうち押圧部の肩に接触される接触部分よりも外側に位置する外側領域の少なくとも一部が接触部分よりも高温に加熱される。
上記金属部品の製造方法において、誘導加熱する工程では、金属板の外側領域の少なくとも一部の温度が接触部分に近い側から遠い側に向かって徐々に高温となるように金属板を誘導加熱する。
本実施の形態に係る金属部品の製造装置は、金属板を局所的に誘導加熱する予備加熱部と、金属板をプレス加工するプレス加工部とを備える。予備加熱部は、加熱用コイルを含む。プレス加工部は、金型と、金型に対して金属板をプレスする押圧部とを含む。加熱用コイルは、加熱用コイルの軸方向が押圧部の移動方向に沿うように、かつ、プレス加工部によりプレス加工される金属板の加工領域のうち相対的に変形量が大きい部分と軸方向において対向するように、配置されている。加熱用コイルは、金属板の加工領域のうち変形量が相対的に大きい部分の少なくとも一部が、加工領域のうち相対的に変形量が小さい部分よりも高温に加熱されるように構成されている。
上記金属部品の製造装置において、プレス加工は、絞り加工であるのが好ましい。加熱用コイルは、加工領域のうち押圧部の肩に接触される接触部分と軸方向において対向せずに、接触部分よりも外側に位置する外側領域の少なくとも一部と軸方向において対向するように、配置されている。
上記金属部品の製造装置において、加熱用コイルは、第1コイルと、第1コイルと接続されておりかつ第1コイルよりも軸方向において金属板に近い位置に配置されている第2コイルとを有している。第1コイルの内径は第2コイルの内径よりも短い。
本発明によれば、生産性を向上することができる金属部品の製造方法および金属部品の製造装置を提供することができる。
本実施の形態に係る金属部品の製造装置を説明するための図である。 本実施の形態に係る金属部品の製造装置の予備加熱部の加熱用コイルを示す平面図である。 図2中の線分III−IIIから視た断面図である。 本実施の形態に係る金属部品の製造装置のプレス加工部を示す部分断面図である。 本実施の形態に係る金属部品の製造装置のプレス加工部を示す部分断面図である。 図2および図3に示される加熱用コイルにより誘導加熱される金属板の加熱領域を示す平面図である。 本実施の形態に係る金属部品の製造方法のフローチャートである。 本実施の形態に係る金属部品の製造方法における第1絞り後の成形体を示す斜視図である。 本実施の形態に係る金属部品の製造方法における第2絞り後の成形体を示す斜視図である。 本実施の形態に係る金属部品の製造方法における最終絞り後の成形体を示す斜視図である。 本実施の形態に係る金属部品の製造方法により製造される金属部品を示す斜視図である。 本実施の形態に係る金属部品の製造装置の変形例を示す図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
<金属部品の製造装置の構成>
図1〜図3を参照して、本実施の形態に係る金属部品の製造装置100について説明する。本実施の形態に係る金属部品の製造装置100は、加工材料(ワーク)である金属板1を局所的に誘導加熱する予備加熱部10と、金属板1をプレス加工(せん断加工および絞り加工)するプレス加工部20とを備える。
金属板1を構成する材料は、オーステナイト系ステンレス鋼であり、例えばSUS304、SUS316Lなどである。金属板1は、例えば圧延方向Aと幅方向Bとを有しており金属部品の製造装置100において圧延方向Aに沿って搬送される。
予備加熱部10は、金属板1の搬送経路において、プレス加工部20よりも上流側に配置されている。つまり、金属部品の製造装置100において、金属板1は、予備加熱部10を経てプレス加工部20に至る。好ましくは、予備加熱部10とプレス加工部20とは、金属板1の搬送経路において連続して配置されている。つまり、予備加熱部10を経て送り出された加熱後の金属板1を、時間を空けずにプレス加工部20に搬送してせん断加工および絞り加工可能に設けられている。
予備加熱部10は、金属板1を局所的に加熱可能である。予備加熱部10は、例えば高周波誘導加熱により、金属板1を局所的に加熱可能である。予備加熱部10は、加熱用コイル11(図2参照)を含む。加熱用コイル11の両端は図示しない交流電源と接続されている。
図3に示されるように、加熱用コイル11は、加熱用コイル11の軸方向Cが後述するプレス加工部20の押圧部32の移動方向に沿うように配置されている。なお、図3では、押圧部32は想像線で示されている。加熱用コイル11は、プレス加工部によりプレス加工される金属板1の加工領域1A,1Bのうち相対的に変形量が大きい部分(外側領域1A)のみと上記軸方向Cにおいて対向するように、配置されている。加熱用コイル11は、加工領域1A,1Bのうち相対的に変形量が小さい部分(内側領域1B)よりも、加工領域1A,1Bのうち相対的に変形量が大きい部分の近くに配置されている。
このような加熱用コイル11は、交流電源から交流電流が供給されたときに、金属板1を局所的に誘導加熱し得る。交流電流が供給された加熱用コイル11は、金属板1を貫通するような交番磁束を発生させ、該交番磁束を打ち消す方向に金属板1に誘導電流を発生させる。金属板1は、当該誘導電流により生じるジュール熱によって加熱される。金属板1に生じる誘導電流は、金属板1において貫通する交番磁束の密度が高い領域ほど多い。金属板1を貫通する交番磁束の密度は、加熱用コイル11に近いほど高い。その結果、加工領域1A,1Bのうち相対的に加熱用コイル11の近くに配置される部分に生じるジュール熱量は、加工領域1A,1Bのうち相対的に加熱用コイル11から離れて配置される部分に生じるジュール熱量よりも多くなる。その結果、加熱用コイル11は、金属板1において加工領域1A,1Bのうち相対的に加熱用コイル11の近くに配置されかつプレス加工において相対的に変形量が大きい部分を、局所的に誘導加熱し得る。
ここで、加工領域1A,1Bは、プレス加工部20でのせん断加工により形成されるブランクに含まれる領域である。加工領域1A,1Bは、加工領域1A,1Bにおいてプレス加工部20の押圧部32の肩(押圧部32の移動方向に沿って延びる面と該移動方向に交差する方向に沿って延びる面とが接続される、押圧部32の角部)に接触される接触部分よりも外側に位置する外側領域1Aと、該接触部分を有し外側領域1Aよりも内側に位置する内側領域1Bとを含む。上述のように、金属板1が予備加熱部10によって加熱されるときに、外側領域1Aは内側領域1Bよりも加熱用コイル11に近い位置に配置される。外側領域1Aは、内側領域1Bと比べて、加工領域1A,1Bにおいてプレス加工部20による第1絞り加工時の変形抵抗σが相対的に大きい領域である。なお、変形抵抗σは、塑性係数c、歪みε、および加工硬化指数nを用いて、cεで表される。
外側領域1Aは、例えばプレス加工部20による第1絞り加工によって得られる成形体が底部および側壁部から成る場合には、金属板1において側壁部に成る領域を含む。外側領域1Aは、例えばプレス加工部20による第1絞り加工によって得られる成形体が底部、側壁部およびフランジ部から成る場合には、金属板1において側壁部およびフランジ部に成る領域を含む。内側領域1Bは、押圧部32の先端部および押圧部32の肩に接触される領域を含む。内側領域1Bにおいて押圧部32の肩に接触される領域には、外側領域1Aと比べて上記軸方向Cにおいて相対的に強い力が印加される。内側領域1Bは、例えばプレス加工部20による第1絞り加工によって得られる成形体の底部を成す領域を含む。図3および図4に示されるように、内側領域1Bの当該幅L3は、押圧部32の幅方向Bの幅L4以上である。幅L3は例えば50.5mmであり、幅L4は例えば38.5mmである。また、内側領域1Bの圧延方向Aの長さは例えば62mmであり、押圧部32の圧延方向Aの長さは例えば50mmである。
図2および図3に示されるように、加熱用コイル11は、第1コイル12および第2コイル13を有している。第1コイル12の軸方向Cは、第2コイル13の軸方向Cと沿っている。軸方向Cから視たときの第1コイル12および第2コイル13の各々の平面形状は、例えば略円形または略楕円形などである。第2コイル13は、第1コイル12と直列に接続されている。第1コイル12および第2コイル13は、金属板1に略平行に配置されている。異なる観点から言えば、第1コイル12および第2コイル13は、軸方向Cと交差する方向に沿って延在している。第1コイル12は、加熱用コイル11において金属板1との間の上記軸方向Cの最短距離が距離L1(図3参照)で略等しくなるように巻回された部分である。第2コイル13は、加熱用コイル11において金属板1との間の上記軸方向Cの最短距離が距離L1とは異なる距離L2(図3参照)で略等しくなるように巻回された部分である。
図3に示されるように、第2コイル13は、第1コイル12よりも上記軸方向Cにおいて金属板1に近い位置に配置されている。第1コイル12と金属板1との間の上記軸方向Cの最短距離L1は、第2コイル13と金属板1との間の上記軸方向Cの最短距離L2よりも長い。第1コイル12は、外側領域1Aのうち内側に位置する領域と上記軸方向Cにおいて対向するように配置されている。第2コイル13は、外側領域1Aのうち外側に位置する領域と上記軸方向Cにおいて対向するように配置されている。第1コイル12の内径は第2コイル13の内径よりも短い。上記軸方向Cから視て、第1コイル12は、第2コイル13よりも内側に配置されている。
図3に示されるように、上記加熱用コイル11は、外側領域1Aにおいて、最も低温に加熱される第1加熱領域1C、第1加熱領域1Cよりも外側に位置しかつ第1加熱領域1Cよりも高温に加熱される第2加熱領域1D、および第2加熱領域1Dよりも外側に位置し最も高温に加熱される第3加熱領域1Eを形成し得る。第1加熱領域1Cは外側領域1Aにおいて最も内側に位置し、内側領域1Bと隣接している。第3加熱領域1Eは、外側領域1Aにおいて最も外側に位置している。第2加熱領域1Dは、第1加熱領域1Cよりも外側に位置しかつ第3加熱領域1Eよりも内側に位置している。
予備加熱部10は、例えば金属板1を50℃以上200℃以下の温度に加熱可能に設けられている。予備加熱部10による金属板1に対する加熱温度は、例えば第1絞り加工の際に外側領域1Aの引張強度を十分に低下させることができる温度である。予備加熱部10は、第1コイル12および第2コイル13を有する加熱用コイル11を含むため、第1加熱領域1Cと第3加熱領域1Eとの温度差が例えば50℃程度となるように加熱可能である。該予備加熱部10は、例えば第3加熱領域1Eを100℃程度の温度に加熱しながら第1加熱領域1Cを50℃程度の温度に加熱可能である。
図3に示されるように、加熱用コイル11は、例えば冷却水が流通するための配管14を内部に有していている。第1コイル12中の配管14は、第2コイル13中の配管14と直列に接続されている。
なお、図3および図6に示されるように、金属板1は、例えば加工領域1A,1Bよりも外側に非加工領域1Fを有している。非加工領域1Fは、第3加熱領域1Eと隣接している。金属板1が予備加熱部10によって加熱されるときに、非加工領域1Fは内側領域1Bよりも加熱用コイル11に近い位置に配置される。非加工領域1Fは、例えば第1絞り加工前のブランク抜き加工において打ち抜かれない領域である。
プレス加工部20は、例えばいわゆるトランスファープレスとして構成されている。プレス加工部20は、例えば鉛直方向において金属板1に対し上方に配置された複数のパンチ部(例えば少なくとも3つのパンチ部30A,30B.30C)と、鉛直方向において金属板1に対し下方に配置された複数のダイ部(例えば少なくとも3つのダイ部40A,40B.40C)とを含む。図1に示されるように、複数のパンチ部は金属板1の幅方向Bに沿って並んで配置されている。図1に示されるように、複数のダイ部は金属板1の幅方向Bに沿って並んで配置されている。
図4および図5に示されるように、パンチ部30Aは、保持具31と、押圧部32とを有する。ダイ部40Aは、ベース部41と、金型42と、ガイド部44とを含む。
保持具31は、金型42、貫通孔43およびガイド部44上の所定の位置に搬送されたコイル材としての金属板1に対し、せん断加工可能に設けられている。言い換えると、保持具31は、せん断加工用のパンチとして設けられている。つまり、保持具31の鉛直方向下方に位置する端部が、金型42上に配置されている金属板1と接触可能に設けられている。保持具31の少なくとも一部は、鉛直方向においてダイ部40に設けられている金型42と重なるように設けられている。保持具31は、せん断加工により形成されたブランクとしての金属板2(図4参照)を鉛直方向上方から金型42に対して押さえつけることができる。保持具31は、たとえば円筒状に設けられており、その軸方向が鉛直方向に沿って延びている。保持具31を構成する材料は、たとえば超硬合金(以下、単に超硬という)やSKD11などの合金工具鋼であり、好ましくは超硬やJIS規格SKD11(以下、単にSKD11という)などよりも低熱伝導率(たとえば14.0W/m・K程度)の材料であり、たとえばサーメットである。
押圧部32は、金型42および貫通孔43上であってガイド部44の貫通孔45内の所定の位置に配置されたブランクとしての金属板2に対し、絞り加工可能に設けられている。言い換えると、押圧部32は、絞り加工用のパンチとして設けられている。押圧部32は、円筒状に設けられている保持具31の中空部分において、保持具31に対し鉛直方向において相対的に移動可能に設けられている。つまり、押圧部32は、保持具31に囲まれている。また、押圧部32は、押圧部32の鉛直方向下方側に位置する端部が、保持具31の鉛直方向下方側に位置する端部よりも鉛直方向の下方に突出可能に設けられている。好ましくは、押圧部32内には、押圧部32を冷却するための図示しない冷却部が設けられている。押圧部32内の冷却部は、例えば冷却水が循環可能に設けられており、押圧部32から受け取った熱を押圧部32の外部に放熱可能に設けられている。
ベース部41は、ダイ部40において金型42の支持体として構成されている。
ベース部41には、金型42を内部に保持することができる溝部41aが形成されている。溝部41aは、例えば鉛直方向および水平方向に延びる端面を有しており、これらの端面が金型42の外周端面および底面と面接触可能に形成されている。さらに、ベース部41には、溝部41aに対して鉛直方向の下方に溝部41aと連なる溝部41bが形成されている。
金型42は、鉛直方向上方に位置する上方端面42cを有しており、たとえば上方端面42cがブランクとしての金属板2の外側領域1Aと面接触可能に設けられている。金型42には、その内側にブランクとしての金属板2を絞り加工して得られる成形体3aの外形を規制するための貫通孔43が形成されている。貫通孔43は、鉛直方向において金属板1,2の内側領域1Bと重なるように配置される。好ましくは金型42を構成する材料は、従来の温間プレス加工装置の金型を構成する材料である超硬やSKD11などと比べて、熱伝導率が低い。好ましくは、金型42を構成する材料は、ベース部41を構成する材料よりも熱伝導率が低い。このようにすれば、プレス加工時の加工発熱により金属板2に生じた熱は、金型42を介してベース部41やガイド部44などに放熱され難く、金属板2に蓄えられて金属板2の温度上昇および冷却防止(保温)に効果的に寄与し得る。そのため、このような金型42を備えるプレス加工部20は、高い絞り成形性を有している。特に、トランスファープレスとして構成されているプレス加工部20では、ダイ部40B,40Cにおける金型も上記のように構成されていることにより、第2絞り加工以降においても加工発熱を利用した高い絞り成形性が実現されている。
好ましくは、金型42を構成する材料は、たとえば炭窒化チタン(TiCN)または炭化チタン(TiC)を主成分とするサーメット、および酸化ジルコニウム(ZrO)のうちの少なくともいずれか一方を含む材料である。なお、ZrO2、TiCN基サーメット、TiC基サーメットの熱伝導率は、超硬およびSKD11のうち熱伝導率が低い一方よりもさらに低い。具体的には、従来の金型構成材料として一般的に用いられる超硬の常温時の熱伝導率は71W/(m・K)であるのに対し、TiCN基サーメットの常温時の熱伝導率は14W/(m・K)、ZiOの常温時の熱伝導率は3W/(m・K)である。つまり、サーメットの熱伝導率は超硬の熱伝導率の5分の1程度である。異なる観点から言えば、金型42を構成する材料の常温時の熱伝導率は、たとえば27.2W/m・K未満である。
貫通孔43の内周端面42aは、鉛直方向に対して交差する方向に沿って形成されていてもよい。このとき、貫通孔43の内周端面42aは、金型42において金属板2と接触する上方端面42cに対して鋭角となる傾斜角を有し、下方端面42dに対して鈍角となる傾斜角を有していてもよい。
ガイド部44には、貫通孔45が形成されている。貫通孔45の孔径は、貫通孔43の孔径よりも大きく、かつ保持具31の外径よりも大きい。ガイド部44は、保持具31とともにコイル材としての金属板1(図1参照)に対しせん断加工可能に設けられているとともに、該せん断加工により形成されたブランクとしての金属板2(図4参照)を金型42上の所定の位置にガイド可能に設けられている。言い換えると、ガイド部44は、せん断加工用の金型として設けられている。また、ガイド部44は、金型42をベース部41と挟持可能に設けられていてもよい。ガイド部44を構成する材料は、たとえば超硬やSKD11などの合金工具鋼である。
複数のパンチ部および複数のダイ部の各々は、上述したパンチ部30Aおよびダイ部40Aと基本的に同様の構成を備えているが、押圧部32および金型42の形状等が互いに異なっている。
プレス加工部は、複数のパンチ部および複数のダイ部の各々で成形された成形体を上記幅方向Bにおいて隣接する他のパンチ部およびダイ部に搬送するための図示しない搬送部をさらに含む。例えば、パンチ部30Aおよびダイ部40Aにより、予備加熱部10により予備加熱された金属板1は抜き加工されて金属板2とされた後、第1絞り加工される。同時に、パンチ部30Bおよびダイ部40Bにより、先にパンチ部30Aおよびダイ部40Aによって第1絞り加工された成形体は第2絞り加工される。同時に、パンチ部30Cおよびダイ部40Cにより、先に先にパンチ部30Bおよびダイ部40Bによって第2絞り加工が施された成形体は第3絞り加工される。次に、第1絞り加工により得られた成形体は、上記幅方向Bに沿ってパンチ部30Aおよびダイ部40A間からパンチ部30Bおよびダイ部40B間へ搬送される。同時に、第2絞り加工により得られた成形体は、上記幅方向Bに沿ってパンチ部30Bおよびダイ部40B間からパンチ部30Cおよびダイ部40C間へ搬送される。同時に、第3絞り加工により得られた成形体は、上記幅方向Bに沿ってパンチ部30Cおよびダイ部40C間から搬出される。
<金属部品の製造方法>
図7に示されるように、本実施の形態に係る金属部品の製造方法は、金属板1を局所的に誘導加熱する工程(S10)と、金属板1をプレス加工する工程(S20)とを備える。
誘導加熱する工程(S10)では、まず金属板1は予備加熱部10に搬送されて金属板1の外側領域1Aが加熱用コイル11と上記軸方向Cにおいて対向するように配置される。金属板1を構成する材料は、例えばオーステナイト系ステンレス鋼である。次に、加熱用コイル11に交流電流が供給されることにより、金属板1の外側領域1Aが内側領域1Bよりも高温に加熱される。すなわち、プレス加工する工程(S20)でプレス加工される金属板1の加工領域1A,1B(図3参照)のうち変形量が相対的に大きい部分の少なくとも一部(外側領域1A)は、加工領域1A,1Bのうち相対的に変形量が小さい部分(内側領域1B)よりも高温に加熱される。外側領域1Aは、例えば50℃以上150℃以下に加熱される。本工程(S10)での加熱時間(通電時間)は、例えば加熱温度が200℃程度である場合には1秒とすることができる。つまり、本工程(S10)での加熱時間は、当該予備加熱を金型に埋め込まれたカートリッジヒーターにより行う場合と比べて、大幅に短縮され得る。本工程(S10)では、プレス加工する工程(S20)でプレス加工される金属板1の1つの加工領域1Aの加熱が、例えば1秒で実施され得る。
本工程(S10)では、第1コイル12および第2コイル13を含む加熱用コイル11により、金属板1の外側領域1Aの温度が上記接触部分に近い側から遠い側に向かって徐々に高温となるように金属板1が加熱される。
次に、金属板1がプレス加工される。プレス加工する工程(S20)は、先の工程(S10)と時間を空けずに連続して行われる。具体的には、先の工程(S10)において予備加熱部10で所定の温度に加熱されて予備加熱部10から排出された金属板1は、速やかにプレス加工部20に搬送され、パンチ部30Aとダイ部40Aとの間に配置される。
図4に示すように、まず抜きパンチを兼ね備えた保持具31と、抜きダイを兼ね備えたガイド部44とにより、コイル状の金属板1からブランクとしての金属板2が打ち抜かれる。金属板2は保持具31によってガイド部44の貫通孔45内に押し出され、ガイド部44に導かれて金型42上に配置される。
金型42の上に配置された金属板2は、保持具31と金型42とに挟持される。図5に示すように、その後、押圧部32の下方端部が溝部41b内に達するように、押圧部32を保持具31に対して鉛直方向下方に相対的に移動させる。これにより、金属板2は例えば図8に示されるような成形体3aに成形される。
本工程(S20)において、金属板1,2の温度は、プレス加工の際に引張強度を十分に低下させることができ、かつ加熱によって加工油の機能が低下することに伴う成形性の低下が抑制されている温度範囲内(たとえば金属板1を構成する材料がSUS304の場合には50℃以上150℃以下)とされている。好ましくは、金属板1の下限温度は、プレス加工直後においてマルテンサイト変態を引き起こさない温度(たとえば金属板1を構成する材料がSUS304の場合には90℃以上)とされている。プレス加工前の金属板1の温度は、当該下限温度以下であってもよい。また、その他のプレス加工の条件(パンチスピードなど)は、従来のプレス加工と同等程度とすることができる。本工程(S20)において、ブランク抜き加工および多段絞り加工における各加工に要する処理時間は、例えば1秒とされ得る。また、本工程(S20)において、上述した押圧部32の冷却部には、冷却水が循環されているのが好ましい。
本工程(S20)では、トランスファープレスとして構成されているプレス加工部20により、多段絞り加工が行われる。多段絞り加工では、深絞り加工が施されてもよい。例えば、金属板2は第1絞り加工により図8に示されるような成形体3aに成形される。成形体3aは第2絞り加工により図9に示されるような成形体3bに成形される。成形体3bは第3絞り加工により図10に示されるような成形体3cに成形される。その後成形体3cは、例えば任意の回数絞り加工され、かつ縁切り(トリミング)等の仕上げ加工されることにより図11に示されるような金属部品4に成形される。プレス加工部20は、金属板1,2、成形体3a,3b,3cおよび金属部品4の搬送と、上記工程(S10)および本工程(S20)とを連続してかつ繰り返し行うことにより、金属部品4を連続して製造することができる。なお、本工程(S20)において、ブランク抜き加工と第1絞り加工とは、異なるパンチ部およびダイ部により実施されてもよい。
<作用効果>
本実施の形態に係る金属部品の製造方法は、加熱用コイル11を用いて金属板1を局所的に誘導加熱する工程(S10)と、誘導加熱する工程(S10)の後に、金型42および金型42に対して金属板2をプレスする押圧部32を用いて金属板2をプレス加工する工程(S20)とを備える。誘導加熱する工程(S10)では、プレス加工する工程(S20)でプレス加工される金属板1の加工領域1A,1Bのうち変形量が相対的に大きい部分(外側領域1A)は、加工領域1A,1Bのうち相対的に変形量が小さい部分(内側領域1B)よりも高温に加熱される。
このようにすれば、金型に埋め込まれたヒータにより金型を介して金属板を予備加熱する従来の温間絞り加工法と比べて、誘導加熱する工程(S10)により外側領域1Aの変形抵抗を十分に低減させかつ内側領域1Bの引張強度の低下を抑制し得るような金属板1に対する局所的な加熱を短時間で行うことができる。そのため、本実施の形態に係る金属部品の製造方法において1つの金属部品の製造に係る時間は、上述した従来の温間絞り加工法のように予備加熱時間により律速されないため、従来の温間絞り加工法におけるそれと比べて短縮されている。その結果、本実施の形態に係る金属部品の製造方法の生産性は、従来の温間絞り加工法と比べて高い。例えば、本実施の形態に係る金属部品の製造方法では、誘導加熱する工程(S10)での加熱時間が1秒とされ得る。そのため、本実施の形態に係る金属部品の製造方法では、1分間当たりの金属部品の製造個数が60個(言い換えると60spm)とされ得る。
特に、金属板1を構成する材料はオーステナイト系ステンレス鋼であり、高い引張強度を有している。一方で、オーステナイト系ステンレス鋼の引張強度は、0℃以上100℃以下の温度範囲内で加熱されたときに大きく低下する。0℃から100℃にかけての温度上昇によるオーステナイト系ステンレス鋼の引張強度の低下率は、例えばSUS304では35%程度である。そのため、誘導加熱する工程(S10)において金属板1の外側領域1Aを局所的に50℃以上150℃以下の温度に誘導加熱することで、プレス加工に対する外側領域1Aの変形抵抗を速やかにかつ十分に低減することができる。本実施の形態に係る金属部品の製造方法では、金属板1を構成する材料がオーステナイト系ステンレス鋼であっても、1分間当たりの金属部品の製造個数が60個以上(言い換えると60spm以上)とされ得る。
さらに、誘導加熱する工程(S10)では内側領域1Bが外側領域1Aのように加熱されないため、例えば通電加熱または炉加熱により加工領域1A,1Bの全体が加熱される場合と比べて、内側領域1Bの引張強度の低下が抑制されている。内側領域1Bは上述のようにプレス加工する工程(S20)において押圧部32の肩に接触される接触部分を有している。つまり、誘導加熱する工程(S10)では接触部分の引張強度の低下が抑制されているため、プレス加工する工程(S20)において当該接触部分の破断が抑制されている。そのため、例えばプレス加工する工程(S20)において深絞り加工が施される場合にも、上記接触部分の破断が抑制されている。
上記金属部品の製造方法において、プレス加工は絞り加工である。誘導加熱する工程(S10)では、プレス加工する工程(S20)でプレス加工される金属板1の加工領域1A,1Bのうち押圧部32の肩に接触される接触部分よりも外側に位置する外側領域1Aの少なくとも一部が局所的に加熱される。その結果、外側領域1Aの少なくとも一部は接触部分よりも高温となる。
そのため、上述のように、プレス加工する工程(S20)において加工領域1A,1Bのうちの上記接触部分の破断が抑制されている。さらに、押圧部32に冷却部が設けられている場合には、プレス加工する工程(S20)において上記接触部分の破断はより効果的に抑制され得る。これは、加工領域1A,1Bのうちの上記接触部分は押圧部32により接触されることによって常温以下の温度に冷却され得るため、上記接触部分の引張強度の低下がより効果的に抑制され得るためである。
上記金属部品の製造方法において、誘導加熱する工程(S10)では、金属板1の外側領域1Aの温度が上記接触部分に近い側から遠い側に向かって徐々に高温となるように金属板1を誘導加熱する。
このようにすれば、内側領域1Bの温度上昇を抑制しながらも、外側領域1Aの変形抵抗を十分に低減可能な程度の高温に外側領域1Aを加熱することができる。
本実施の形態に係る金属部品の製造装置100は、金属板1を局所的に誘導加熱する予備加熱部10と、金属板1をプレス加工するプレス加工部20とを備える。予備加熱部10は、加熱用コイル11を含む。プレス加工部20は、金型42と、金型42に対して金属板2をプレスする押圧部32とを含む。加熱用コイル11は、加熱用コイル11の軸方向Cが押圧部32の移動方向に沿うように、かつ、プレス加工部20によりプレス加工される金属板1の加工領域1A,1Bのうち相対的に変形量が大きい部分である外側領域1Aのみと軸方向において対向するように配置されている。
このような金属部品の製造装置100により、上記金属部品の製造方法は実施され得る。上述のように、加熱用コイル11は加工領域1A,1Bのうち相対的に変形量が大きい部分である外側領域1Aのみと軸方向において対向するように配置されている。そのため、加熱用コイル11は、プレス加工する工程(S20)でプレス加工される金属板1の加工領域1A,1Bのうち変形量が相対的に大きい部分である外側領域1Aを局所的に誘導加熱することができる。その結果、当該外側領域1Aは、短時間の誘導加熱により内側領域1Bよりも高い温度に到達し得る。その結果、金属部品の製造装置100によれば、上記接触部分の破断を抑制しながらも、金属部品4の生産性を向上することができる。
上記金属部品の製造装置100では、プレス加工は絞り加工である。加熱用コイル11は、加工領域1A,1Bのうち押圧部32の肩に接触される接触部分と軸方向Cにおいて対向せずに、該接触部分よりも外側に位置する外側領域1Aと軸方向において対向するように、配置されている。
このようにすれば、絞り加工される金属板1の加工領域1A,1Bのうち変形量が相対的に大きい部分である外側領域1Aを局所的に誘導加熱することができる。そのため、外側領域1Aを加工領域1A,1Bのうち相対的に変形量が小さい部分である内側領域1Bよりも高温にすることができる。そのため、プレス加工部20での絞り加工時に押圧部32の肩と接触される金属板1の接触部分の破断が抑制されている。なお、上記金属部品の製造装置100により実施される絞り加工は、特に限定されるものではなく、例えば円筒絞り加工や、角絞り加工等を含む。
上記金属部品の製造装置100において、加熱用コイル11は、第1コイル12と、第1コイル12と接続されておりかつ第1コイル12よりも軸方向において金属板1に近い位置に配置されている第2コイル13とを有している。第1コイル12の内径は第2コイル13の内径よりも短い。
このような加熱用コイル11では、第1コイル12が外側領域1Aのうち内側に位置する領域と上記軸方向Cにおいて対向するように配置されている。第2コイル13は外側領域1Aのうち外側に位置する領域と上記軸方向Cにおいて対向するように配置されている。そのため、該加熱用コイル11は、金属板1の外側領域1Aの温度が上記接触部分に近い側から遠い側に向かって徐々に高温となるように金属板1を誘導加熱することができる。
上記実施の形態ではプレス加工は絞り加工であるが、これに限られるものでは無く、例えば張り出し加工、曲げ加工、およびバーリング加工などのいずれかであってもよい。プレス加工が張り出し加工である場合には、金属板の加工領域のうち変形量が相対的に大きい部分は、加工領域のうち変形量が相対的に小さい部分よりも内側に配置される。この場合にも、金属板の加工領域のうち変形量が相対的に大きい部分は、上記軸方向において加熱用コイル11と対向するように配置された後、局所的に加熱され得る。このようにすれば、金属板の加工領域のうち変形量が相対的に大きい部分の引張強度を低下させることができるため、金属板の加工領域のうち変形量が相対的に大きい部分のプレス加工に対する変形抵抗を十分に低減することができる。つまり、上記実施の形態に係る金属部品の製造方法は、張り出し加工にも好適である。
また、上記プレス加工が曲げ加工である場合には、金属板の加工領域のうち変形量が相対的に大きい部分と、加工領域のうち変形量が相対的に小さい部分とは、例えば上記圧延方向において交互に配置される。例えば、加熱用コイル11は、コイル材としての金属板に対し、加工領域のうち変形量が相対的に大きい第1の部分は、当該第1の部分と上記圧延方向に間隔を隔てて配置されておりかつ加工領域のうち変形量が相対的に大きい第2の部分と、加工領域のうち変形量が相対的に小さい部分を挟んで配置されている。
この場合にも、加熱用コイル11は、例えば上記第1および第2の部分を同時にかつ局所的に加熱可能に設けられている。加熱用コイル11は、例えば第1の部分および第2の部分の下方に、上記圧延方向に垂直な方向に沿って延在するように配置されている。金属板の加工領域のうち変形量が相対的に大きい第1および第2の部分の各々は、各々の下面に垂直な方向において加熱用コイル11と対向するように配置された後、局所的に加熱され得る。このようにすれば、金属板の加工領域のうち変形量が相対的に大きい部分の引張強度を低下させることができるため、曲げ加工後に金型が取り除かれる際のスプリングバック(加工後の被加工材が金型に沿った形状から加工前に近い形状にいくらか変形する現象)による変形量を低減することができる。つまり、上記実施の形態に係る金属部品の製造方法は、曲げ加工にも好適である。
また、上記プレス加工がバーリング加工である場合には、予め穴開け加工が施された金属板におけるバーリング加工領域のうち変形量が相対的に大きい部分は、該加工領域のうち変形量が相対的に小さい部分よりも内側に配置され、かつ上記穴開け加工により形成された貫通孔よりも外側に配置される。この場合にも、金属板の加工領域のうち変形量が相対的に大きい部分は、上記軸方向において加熱用コイル11と対向するように配置された後、局所的に加熱され得る。このようにすれば、金属板の加工領域のうち変形量が相対的に大きい部分の引張強度を低下させることができるため、バーリング加工により拡げられた貫通孔の端面に割れ等の異常が発生することを抑制できる。なお、バーリング加工の予備加熱条件は、被加工部材を構成する材料の引張強度および伸びの各温度特性を考慮して決定されるのが好ましい。材料によっては、加熱温度が高くなるほど伸びが低下する。そのため、上記実施の形態に係る金属部品の製造方法は、加熱時にも伸びが低下し難い材料で構成されている被加工部材に対するバーリング加工に好適である。
図12に示されるように、上記実施の形態に係る金属部品の製造装置は、予備加熱部10およびプレス加工部20にコイル材としての金属板1を供給するための送り部50と、予備加熱部10およびプレス加工部20に供給されたコイル材としての金属板1に張力を付与するための張力付与部60とを備えているのが好ましい。送り部50は、金属板1の搬送方向(圧延方向A)において予備加熱部10よりも上流側に配置されている。そのため、送り部50は、加工油が塗布される前の金属板1を送ることができるため、送り量を高精度に制御し得る。張力付与部60は、上記圧延方向Aにおいてプレス加工部20よりも下流側に配置されている。張力付与部60は、せん断加工された後の金属板1を下流側に引っ張ることにより、加熱用コイル11上およびパンチ部30Aとダイ部40Aとの間に供給された金属板1に張力を付与可能である。
従来のプレス加工装置では一般的に送り部とプレス加工部とが隣接して配置されているのに対し、上記実施の形態に係る金属部品の製造装置では送り部50とプレス加工部20との間に予備加熱部10が配置されている。そのため、上記実施の形態に係る金属部品の製造装置における送り部50とプレス加工部20との間の距離は、従来の金属部品の製造装置におけるそれと比べて長くなる。そのため、上記実施の形態に係る金属部品の製造装置では、送り部50とプレス加工部20との間でコイル材としての金属板1が弛むことが考えられる。そこで、上記実施の形態に係る金属部品の製造装置は、張力付与部60を備えることで、送り部50と張力付与部60との間に配置された金属板1に張力を付与することができ、金属板1の弛みを防止することができる。その結果、上記実施の形態に係る金属部品の製造装置は、送り部50に加えて張力付与部60を備えることで、予備加熱部10およびプレス加工部20に対し金属板1を高精度に位置決めすることができる。張力付与部60は、例えばパウダクラッチおよびモータを含む。
図12に示されるように、上記実施の形態に係る金属部品の製造装置は、予備加熱部10において加熱用コイル11と金属板1との鉛直方向における距離を一定に保持するための保持部70,71をさらに備えているのが好ましい。保持部70は加熱用コイル11よりも上流側に配置され、保持部71は加熱用コイル11よりも下流側であってプレス加工部20よりも上流側に配置されている。これにより、誘導加熱する工程(S10)での加熱の間、金属板1は加熱用コイル11に対し上記鉛直方向において一定の距離に保持されるため、金属板1に適切な温度分布を形成することができ、かつ金属板1において搬送方向に連続して形成される複数の温度分布間でのバラつきの発生が抑制されている。
図12に示されるように、上記実施の形態に係る金属部品の製造装置は、予備加熱部10において誘導加熱された直後の金属板1の温度分布を測定可能な測定部80をさらに備えていてもよい。測定部80は、例えばサーモグラフィカメラである。予備加熱部10は、測定部80により測定された温度分布に基づき加熱条件を制御可能に設けられていてもよい。
図12に示されるように、上記実施の形態に係る金属部品の製造装置は、予備加熱部10によって局所的に加熱された金属板1を局所的に冷却する局所冷却部90をさらに備えていてもよい。局所冷却部90は、予備加熱部10よりも下流側であってプレス加工部20よりも上流側に配置されている。局所冷却部90は、加工領域1A,1Bのうち相対的に変形量が小さい部分(内側領域1B)の少なくとも一部を局所的に冷却可能である。この場合、実施の形態に係る金属部品の製造方法において、金属板1を加熱する工程(S10)と金属板1をプレス加工する工程(S20)との間には、加工領域1A,1Bのうち相対的に変形量が小さい部分を局所的に冷却する工程をさらに備えている。
なお、本発明者らは、オーステナイト系ステンレス鋼からなる金属板1に対し、内側領域1Bを加熱しないように適切に構成された加熱用コイル11を用いて外側領域1Aを局所的に誘導加熱することにより、外側領域1Aを100℃程度の温度に加熱しながらも内側領域1Bの大部分を加熱前の温度に維持しうることを確認した(後述する実施例1参照)。つまり、本発明者らは、加工領域1A,1Bのうち相対的に変形量が小さい部分を加熱しないように適切に構成された予備加熱部10を備える金属部品の製造装置には、図12に示される局所冷却部90は不要であることを確認した。
また、上記実施の形態において、金属板1を構成する材料はオーステナイト系ステンレス鋼を含んでいるが、これに限られるものではない。金属板1を構成する材料は、アルミニウム(Al)を含んでいてもよい。つまり、上記実施の形態に係る金属部品の製造方法および金属部品の製造装置は、例えばアルミニウム合金からなる金属板1を加工対象とし得る。この場合、金属板1を加熱する工程(S10)において、アルミニウム合金からなる金属板1が予備加熱部10によって加熱される温度は、上述したオーステナイト系ステンレス鋼を含む金属板1に対する加熱温度以上であるのが好ましく、該加熱温度超えであるのがより好ましい。例えば、上記工程(S10)において、アルミニウム合金からなる金属板1は予備加熱部10によって200℃以上300℃以下に加熱される。実施の形態に係る金属部品の製造方法および金属部品の製造装置によれば、上記予備加熱部10が用いられることにより、金型により予備加熱される従来の温間絞り加工法と比べて、アルミニウム合金からなる金属板1に対する予備加熱処理に要する時間が短縮される。そのため、実施の形態に係る金属部品の製造方法および金属部品の製造装置によってアルミニウム合金からなる金属部品を1個製造するのに要する時間は、従来の温間絞り加工法におけるそれと比べて短縮され得る。
本実施例では、上記実施の形態に係る金属部品の製造装置および金属部品の製造方法によるプレス加工前の金属板の温度分布について評価した。金属板を構成する材料はSUS316とした。金属板の幅は80mm、金属板の厚みは0.5mmとした。金属板の内側領域の幅方向の幅は50.5mmとし、該内側領域の圧延方向の長さは62mmとした。誘導加熱は、金属板の外側領域が100℃以上160℃以下の温度に加熱されるような条件とし、加熱用コイルの通電時間は1秒とした。このような誘導加熱直後の金属板の温度分布をサーモグラフィカメラと、熱電対およびデータロガーとを用いて評価した。具体的には、サーモグラフィカメラにより1つの加工領域全体の温度分布を評価するとともに、当該加工領域において外側領域中の1点および内側領域中の1点を含む複数箇所に接続された熱電対およびデータロガーにより特定箇所の温度を測定した。
評価の結果、外側領域が100℃以上160℃以下の温度に加熱されているのに対し、内側領域は50℃未満に維持されており、押圧部の肩と接触される上記接触部分を含む内側領域の大部分は加熱前と同等の40℃以下であることが確認された。これにより、実施の形態に係る金属部品の製造装置および金属部品の製造方法によれば、外側領域1Aを内側領域1Bよりも高温に加熱することができ、内側領域1Bを構成するオーステナイト系ステンレス鋼の引張強度を低下させることなく、外側領域1Aを構成するオーステナイト系ステンレス鋼のみの引張強度を低下させることができることが確認された。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼またはアルミニウム合金を含む金属板にプレス加工を行う金属部品の製造方法および金属部品の製造装置に特に有利に適用される。
1,2 金属板、1A,1B 加工領域(1A 外側領域、1B 内側領域)、1C 第1加熱領域、1D 第2加熱領域、1E 第3加熱領域、1F 非加工領域、3a,3b,3c 成形体、4 金属部品、10 予備加熱部、11 加熱用コイル、12 第1コイル、13 第2コイル、20 プレス加工部、30A,30B,30C パンチ部、31 保持具、32 押圧部、40,40A,40B,40C ダイ部、41 ベース部、41a,41b 溝部、42 金型、42a 内周端面、42c 上方端面、42d 下方端面、43,45 貫通孔、44 ガイド部、100 製造装置。

Claims (3)

  1. 加熱用コイルを用いてコイル材としての金属板を局所的に誘導加熱する工程と、
    前記誘導加熱する工程の後に、金型および前記金型に対して前記金属板をプレスする押圧部を用いて前記金属板をプレス加工する工程とを備え、
    前記誘導加熱する工程では、前記プレス加工する工程でプレス加工される前記金属板の加工領域のうち変形量が相対的に大きい部分の少なくとも一部は、前記加熱用コイルの軸方向において前記加熱用コイルと対向するように配置されて、前記加工領域のうち相対的に変形量が小さい部分よりも高温に加熱され、
    前記金属板をプレス加工する工程では、前記金属板はせん断加工により打ち抜かれた後に温間絞り加工され、
    前記誘導加熱する工程では、前記プレス加工する工程でプレス加工される前記金属板の前記加工領域のうち前記押圧部の肩に接触される接触部分よりも外側に位置する外側領域の少なくとも一部が前記接触部分よりも高温に加熱され、かつ前記金属板の前記外側領域の少なくとも一部の温度が前記接触部分に近い側から遠い側に向かって徐々に高温となるように前記金属板が誘導加熱され、
    前記金属板は、前記加工領域の外側に前記プレス加工する工程でせん断加工により打ち抜かれない非加工領域をさらに有し、
    前記加工領域と前記非加工領域との境界は、前記外側領域よりも内側に位置しかつ前記接触部分を有する内側領域よりも前記加熱用コイルに近い位置に配置される、金属部品の製造方法。
  2. 前記金属板を構成する材料は、オーステナイト系ステンレス鋼またはアルミニウムを含む、請求項に記載の金属部品の製造方法。
  3. コイル材としての金属板を局所的に誘導加熱する予備加熱部と、
    前記金属板をプレス加工するプレス加工部とを備え、
    前記予備加熱部は、加熱用コイルを含み、
    前記プレス加工部は、金型と、前記金型に対して前記金属板をプレスする押圧部とを含
    み、前記金属板をせん断加工により打ち抜いた後温間絞り加工するように設けられており、
    前記加熱用コイルは、前記加熱用コイルの軸方向が前記押圧部の移動方向に沿うように、かつ、前記プレス加工部によりプレス加工される前記金属板の加工領域のうち相対的に変形量が大きい部分と前記軸方向において対向するように配置されており、前記金属板の加工領域のうち変形量が相対的に大きい部分の少なくとも一部が、前記加工領域のうち相対的に変形量が小さい部分よりも高温に加熱されるように構成されており、
    前記加熱用コイルは、前記加工領域のうち前記押圧部の肩に接触される接触部分と前記軸方向において対向せずに、前記接触部分よりも外側に位置する外側領域の少なくとも一部と前記軸方向において対向するように、配置されており、
    前記加熱用コイルは、第1コイルと、前記第1コイルと接続されておりかつ前記第1コイルよりも前記軸方向において前記金属板に近い位置に配置されている第2コイルとを有し、
    前記第1コイルの内径は前記第2コイルの内径よりも短く、
    前記軸方向から視て、前記第1コイルは、前記第2コイルよりも内側に配置されており、
    前記プレス加工部は、前記金属板が、前記加工領域の外側に前記プレス加工部によってせん断加工により打ち抜かれない非加工領域をさらに有するように設けられており、
    前記加熱用コイルは、前記外側領域よりも内側に位置しかつ前記接触部分を有する内側領域よりも前記加工領域と前記非加工領域との境界に近い位置に配置される、金属部品の製造装置。
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