JP6591663B2 - 製品成形方法及び装置ならびに製品 - Google Patents

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Description

本発明は、熱プレス成形及びハイドロフォーミングを利用した製品成形方法及び装置ならびに製品に関するものである。
板材を用いて自動車用部品を製造する場合、熱プレス成形が利用されることができる。
かかる熱プレス成形(hot press forming)は、素材を一定の温度に加熱した後、急速に移送してプレス内の金型に装着させ、これを製品に成形するとともに、金型内の冷たい温度で冷却することにより、剛性が与えられた製品を製造することができる工法である。
上述の工法を利用して、例えば、自動車の衝撃吸収部材を製造する工程について簡単に説明すると、板材の素材を加熱炉で一定の温度に加熱し、これを移送装置によりプレス内の下部金型に移送して装着させた後、プレスの上部金型を下降させて閉鎖する。これにより、下部金型及び上部金型に加工された形状で予備形成品を成形するとともに、冷却して剛性を与える。
こうして作られた予備形成品を実車に適用するためには、衝撃が加わる部分に、衝撃を吸収することができる複数の補強材を溶接などの方法で接合する必要がある。その後、補強材が接合された製品に、外板を固定し、衝撃や外力に耐えるように構成する。
しかし、上述の工程では、予備形成品に複数の補強材を溶接などの方法で接合する必要があるため、製造に時間が多くかかり、その結果、製造コストが増加するという問題があった。
さらに、実車に適用された製品に衝撃が加わると、安全を確保するために補強材が衝撃を吸収する作用をすることが求められるが、補強材が平らな構造であるため、衝撃や外力を吸収できなくなるという問題もあった。
そこで、本発明は、例えば、補強用突出部と、上記突出部に備えられる突起又はビーズを有する製品とをより簡単かつ迅速に形成することにより、製造に必要な工程及び時間を減らし、コストを削減することができる熱プレス成形及びハイドロフォーミングを利用した製品成形方法及び装置ならびに製品を提供することにその主な目的がある。
本発明による製品成形方法は、素材を加熱する加熱段階と、下部金型に上記素材を装着させる装着段階と、上記下部金型に上部金型を下降させて上記素材を1次成形する第1成形段階と、上記上部金型が下降した状態で、上記上部金型又は上記下部金型から流体圧を加え、上記素材を2次成形する第2成形段階と、上記素材を冷却させる冷却段階と、を含むことを特徴とする。
また、本発明による製品成形装置は、少なくとも一つの成形溝が形成され、素材が装着される下部金型と、上記下部金型の上部に配置され、上記素材を加圧する上部金型と、上記上部金型に設置され、且つ上記素材を成形するように上記下部金型の成形溝に挿入され、加圧された充填材を排出するパンチ部と、を含むことを特徴とする。
また、本発明による製品は、鋼で製造され、少なくとも一部にはマルテンサイトがある組織を含み、3次元の第1成形部に上記第1成形部よりもサイズが小さい3次元の第2成形部が形成されることを特徴とする。
以上のように、本発明によると、熱プレス成形及びハイドロフォーミングをともに利用することで、製品をより簡単かつ迅速に成形することができるようになる。これにより、製造に必要な工程及び時間を減らし、コストを削減することができるという効果を奏することができるようになる。
また、例えば、実車に適用される衝撃吸収部材を製造する際に、衝撃を吸収する部分に突起やビーズなどが形成されるようにすることで、衝撃や外力を吸収することができる仕組みを実現して安全性を向上させることができるという効果も得られる。
本発明による製品成形装置の構成を概略的に示す図である。 図1に示された充填材供給部を示す拡大図である。 図1に示されたパンチ部及び下部金型の構成を詳細に示す拡大図である。 パンチ部の作動状態を示す図である。 下部金型の作動状態を示す図である。 本発明による製品成形方法の構成を概略的に示す図である。 本発明による製品成形方法及び装置を利用して形成された製品の一例を示す図である。
以下、本発明の例示的な図面を用いて詳細に説明する。各図面の構成要素に参照符号を付加するにあたり、同一の構成要素に対しては、他の図面上に表示されても、できる限り同一の符号で表示することに留意すべきである。また、本発明を説明するにあたり、関連した公知の構成又は機能に対する具体的な説明が本発明の要旨を不明にする可能性があると判断される場合には、その詳細な説明を省略する。
図1は本発明による製品成形装置の構成を概略的に示す図である。
図1に示すように、本発明による製品成形装置は、少なくとも一つの成形溝101が形成され、素材10が装着される下部金型100と、上記下部金型の上部に配置され、素材を加圧する上部金型200と、上記上部金型に設置され、且つ素材を成形するように下部金型の成形溝に挿入され、加圧された充填材20を排出するパンチ部300と、を含む。
本発明による製品成形装置は、下部金型100を位置させることができるようにする下部ベース110、上記下部ベースの両側に直立して設置されるフレーム120、及び上記フレームの上部に直交して設置され、作動ロッド132を備える、例えば、油圧シリンダのような作動部130と、上記作動ロッドに連結され、上記作動ロッドにより昇下降する移動板140と、をさらに含むことができる。
下部ベース110上には少なくとも一つの成形溝101が形成された下部金型100が配置される。また、作動部130の作動ロッド132に設置されて昇下降する移動板140の下には、金型の開閉が行われるようにする上部金型200が装着される。
図2は図1に示された充填材供給部を示す拡大図である。
図2に示すように、本発明による製品成形装置は、パンチ部300に充填材20を供給し加圧する充填材供給部250を含むことができる。かかる充填材供給部は、移動板140上において作動部130の作動ロッド132に干渉されることなく配置されることが好ましい。
図2を参照すると、充填材供給部250は、充填材20を供給する貯蔵槽260と、上記貯蔵槽の下に連結され、移動板140上に設置されて充填材を移送する移送部270と、上記移送部の少なくとも一部を囲むように設置される加熱部280と、移送部の下流とパンチ部300との間に連結され、充填材を加圧してパンチ部に圧送する加圧部290と、を含む。
貯蔵槽260は、移送部270の上流側一端に配置され、例えば、粉末状もしくは粒子状である固体又は液体からなる充填材20を供給することができるホッパー状の部材である。かかる充填材としては、樹脂や、溶融点が低い金属などが採用されることができる。
移動板140上に水平に設置される移送部270は、貯蔵槽260に連通されて、供給された充填材20が移送される通路の役割を果たすケース271と、上記ケースの内部に設置されて回転され、ケースの内部にある充填材を移送するスクリュー272と、上記スクリューに連結されてスクリューを回転させる第1モータ273と、を含むことができる。
加熱部280は、移送部270、すなわち、ケース271の内部を加熱するものであって、熱源として電気エネルギーを用いる。加熱部に設けられた発熱体に電気を通したときに発生する熱を利用して、輻射、対流又は伝導によってケース内で移動する充填材20を加熱することができる。かかる加熱部には電源が連結され、電源の制御を介して温度の設定と調整が可能となる。
もし、充填材20が貯蔵槽260から固体として供給されると、加熱部280は、上記充填材に熱を加えて溶融させることができる。また、充填材が液体として供給されると、加熱部は、充填材が、その溶融状態を維持するか、又は温度を維持できるようにする役割を果たすことができる。
加圧部290は、移送部270の下流側他端から延長した供給管291と、一側は供給管に連通され、他側はパンチ部300に連通される加圧本体292と、上記加圧本体内で往復移動し、加圧本体に流入された充填材20をパンチ部に加圧するピストン293と、上記ピストン293に駆動力を提供する、例えば、油圧シリンダのような駆動部294と、を含むことができる。
供給管291又は加圧本体292の外側には、高い温度に設定することができる加熱部材が内蔵される。これにより、溶融された充填材20が、その溶融状態を継続的に維持することができるようになる。
ピストン293は、高温に耐えるもの、例えば、金属などの材料で加工されることが好ましい。また、ピストンは、所定の厚さを有するように形成される。これにより、ピストンが充填材20をパンチ部300の側に押した状態では、供給管291に連通される加圧本体292の連結孔295を閉鎖することで、充填材が供給管から加圧本体にそれ以上流入されることを遮断することができる。
図3は図1に示されたパンチ部及び下部金型の構成を詳細に示す拡大図であり、図4はパンチ部の作動状態を示す図であり、図5は下部金型の作動状態を示す図である。
図3、図4及び図5に示すように、本発明による製品成形装置は、下部金型100に装着された素材10を加圧して1次成形する熱プレス成形、及び素材に向かって充填材20を供給して2次成形するハイドロフォーミングをともに行うことができるパンチ部300を含むことを特徴とする。
かかるパンチ部300は、上部金型200に設置され、素材10を成形するように下部金型100の成形溝101に挿入されるパンチダイ310と、加圧部290に連通され、移動板140及び上部金型200を貫通して設置される連結管320と、上記連結管に連通され、パンチダイ内に形成された充填材通路330と、上記充填材通路と連通されて、供給された充填材20を素材10に向かって押し出す排出孔340と、を含むことができる。
パンチダイ310は、移動板140の下に装着された上部金型200の一側に設置されるか、又は一体に形成されることができる。上記パンチダイは、上部金型の表面よりも突出するように形成される。ここで、その突出程度は、製品の形状に応じて異なるように設計することができることは言うまでもない。パンチダイ310は、下部金型100の成形溝101と協力して、素材10を圧着することにより、熱プレス成形を行うことができるようになる。これにより、製品の一部の形状、例えば、突出部などを1次成形することができる。
また、パンチダイ310は、その内部に充填材通路330が形成され、上記充填材通路を基準に外側に向かって複数の排出孔340が加工されている。パンチダイの底面にも排出孔を加工することができる。充填材通路と排出孔はパンチダイから充填材20を素材10の方に提供してハイドロフォーミングを行うことができるようにする。これにより、製品の残りの形状、例えば、突出部などに備えられた突起又はビーズを2次成形することができる。
連結管320は、加圧部290で加圧された充填材20をパンチダイ310の充填材通路330まで伝達するための部材であって、移動板140及び上部金型200を貫通する貫通孔を形成した後、その内部に上記連結管を挿入し、連結管の両側にそれぞれ加圧本体292とパンチダイ310を組み立てることになる。パンチダイと上部金型が一体に形成された場合には、移動板側に連結管を挿入し、連結管に加圧本体を組み立てればよい。
熱を加えて充填材20が硬化されることなく溶融状態を継続的に維持できるようにする加熱部材322が連結管320の少なくとも一部を囲んでいる。
さらに、本発明による製品成形装置は、パンチダイ310の外面を囲み、且つパンチダイの移動方向に移動できるガイドリング350を含むことができる。上記ガイドリングは、充填材20がパンチダイから供給されて硬化された後、緩衝材として形成される際に、下部金型100の成形溝101とパンチダイの間に上記緩衝材の厚さだけの空間が残るようにする厚さを有することが好ましい。
また、ガイドリング350は、上部金型200から突出してから、図4に示すように、上部金型内に挿入されるように配置されることができる。そのために、連結管320が挿入される上部金型の貫通孔の周りに挿入溝210が形成されるようになる。
挿入溝210の開口部には、その開口面積を制限するカバー220が結合され、ガイドリング350の一端には、フランジ部352が対応するように形成されるか又は設置されて、ガイドリングが挿入溝から離脱することを防止することができる。
挿入溝210内において、その開口部の反対側壁部とガイドリング350のフランジ部352との間には、バネ360を介在させることができる。上記バネのバネ剛性は、パンチダイ310が素材10を圧着する際に、素材の抵抗力を克服してガイドリングがパンチダイとともに移動することができ、パンチダイから充填材20が素材側に向かって供給される際の充填材の流体圧には耐えられないが、ガイドリングがパンチダイから離れて上部金型200の挿入溝内に挿入されることができる程度に設定される。
再び図3を参照すると、本発明による製品成形装置の下部金型100は、製品を取り外すために分離可能な複数の分割部150を含むことができる。このため、下部金型には、各分割部の移動距離を考慮したサイズの空間部160を形成することができる。
また、下部金型100の内部には、冷却水が流動することができる経路(図示せず)を形成することで、下部金型が冷却水によって冷却されるようにする。
上述のように、下部金型100には素材10が装着され、且つ上記素材を成形して製品を形成するための少なくとも一つの成形溝101も分割される。また、上記成形溝の側壁には、ハイドロフォーミングのための追加の成形溝102(図5参照)が形成される。
空間部160内には、一定方向に一定距離だけ分割部150を移動させて、互いに分離されるようにする可動部170が設けられている。
例えば、可動部170は、各分割部150に固定された移動ブロック171と、かかる移動ブロックにネジ締結されるスクリューバー172と、上記スクリューバーの一端に連結されてスクリューバーを回転させる第2モータ173と、を含むことができる。
スクリューバー172は、好ましくは、中央を基点に、両側が互いに異なる方向のネジ山部174、176を有する二重ネジ部材で構成され、かかるネジ山部ごとに移動ブロック171がそれぞれ締結される。また、スクリューバーは下部金型100を貫通して延長され、この延長された一端に第2モータ173が連結されることができる。
これにより、図5に示すように、スクリューバー172が第2モータ173により一方向に回転すると、移動ブロック171が互いに離れる側に向かって移動して、下部金型100の分割部150が互いに分離され、スクリューバーが第2モータにより反対方向に回転すると、移動ブロックが互いに近づく側に移動して分割部が結合しながら下部金型を構成する。
空間部160内には、各分割部150の円滑な移動のために、該当する分割部を案内する案内部(図示せず)が設置されることができる。
しかし、可動部170の構成及び動作ならびに配置は、上述の例に必ずしも限定されるものではなく、他の任意の、例えば、油圧シリンダやアクチュエータなどの手段が適用されてもよい。
各分割部150には、素材10の一部を高温に維持するとともに、溶融された充填材20の溶融状態を維持できるようにするための加熱体180が形成溝101に隣接して内蔵される。また、上記加熱体は、電源が印加されることができるように構成される。
製品の成形が完了し、加熱体180の電源が遮断されて充填材20が硬化されると、作動部130の作動ロッド132を収縮させて、上記作動ロッドによって移動板140を上昇させる。これにより、上部金型200を上昇させる。この際、上部金型に組み立てられたパンチ部300のパンチダイ310が下部金型100から分離される。
これと同時に、又は後で下部金型100内の可動部170を作動させ、分割部150を互いに離れる側に移動させることで、成形された製品を円滑に取り外すことができるようになる。
一方、本発明による製品成形装置は、作動部130、第1モータ273、加熱部280、駆動部294、加熱部材322、第2モータ173、加熱体180などは、装置の制御部(図示せず)と電気的に連結されて、その作動が制御されることができる。
以下、本発明による製品成形方法について説明する。
図6は本発明による製品成形方法の構成を概略的に示す図である。
図6に示すように、本発明による製品成形方法は、素材10を加熱する加熱段階と、下部金型100に素材を装着させる装着段階と、下部金型に上部金型200を下降させて素材を1次成形する第1成形段階と、上部金型が下降した状態で、上部金型又は下部金型から流体圧を加えて素材を2次成形する第2成形段階と、素材を冷却させる冷却段階と、を含む。
まず、所定の形状に切断された素材を加熱炉(図示せず)の内部に引き込み、一定時間の間維持して加熱した後、移送装置(図示せず)を用いて、本発明の製品成形装置に素材を移送することができる。
加熱されて移送された素材10は、成形溝101が形成された下部金型100に装着されることができる。
素材を1次成形する第1成形段階では、下部金型100に装着された素材10が冷却される前に作動部130を作動させて作動ロッド132を伸張させると、上記作動ロッドに設置された移動板140が下降するようになる。これにより、移動板とともに上部金型200が下降し、上部金型に設置されたパンチ部300のパンチダイ310が下部金型の成形溝101と協力して素材を圧着することにより、熱プレス成形を行うことができるようになる。
この際、金型の冷たい部分は、素材の成形と同時に素材を冷却して剛性を与えるようになる。しかし、第1成形段階によって1次成形された素材の第1成形部、例えば、製品のうち突出部が形成された部分は、下部金型100の加熱体180により、第1成形段階の温度と同一であるか、又は類似の温度で一定に維持される状態であるため、製品の突出部は、形成後に冷却されず熱い状態を維持する。
上部金型200から突出したパンチ部300のパンチダイ310により、例えば、製品の突出部が形成されている状態で、素材を2次成形する第2成形段階が行われる。
パンチ部300内に充填材20を供給するためには、充填材供給部250の第1モータ273を回転させて移送部270のケース271の内部に設けられたスクリュー272を回転させる。貯蔵槽260から供給された充填材が固体である場合には、充填材が移送部内を移動しながら加熱部280によって溶融されて液体化又は流体化する。あるいは、供給された充填材が液体である場合には、加熱部によって充填材が、その溶融状態又は温度を維持することができるようになる。
流体化された充填材20は、移動し続けて供給管291を経て連結孔295を介して加圧本体292内に流入され、その内部に溜まり、一部は連結管320を介してパンチ部300に移動する。
充填材20が移動してパンチ部300から加圧本体292まで充填されると、駆動部294によりピストン293を移動させて充填材を加圧する。ピストンが充填材をパンチ部の側に押した状態で、供給管291に連通される連結孔295を閉鎖することで、充填材が供給管から加圧本体に流入することを遮断する。
かかるピストン293の加圧力により、充填材20は、順に連結管320、充填材通路330、及び排出孔340を通過してパンチダイ310の外部に排出されて、熱い状態の素材を押してハイドロフォーミングを行うことができるようになる。
つまり、第1成形段階によって1次成形された素材の第1成形部、すなわち、既に形成された製品の突出部に対して、下部金型100に形成された追加の成形溝102に対応して第2成形部、例えば、突起又はビーズのような形状を成形することができるようになる。
排出された充填材20の流体圧により製品の2次成形が行われるとともに、上部金型200の挿入溝210に内蔵されたバネ360によって支持されてパンチダイ310とともに素材を加圧していたガイドリング350が挿入溝内に押し上げられて挿入される。
バネ360がそれ以上圧縮されないと、ガイドリング350の移動が阻止される。ここで、ガイドリングの先端は、ガイドリングの移動が阻止された挿入位置において素材の上面、すなわち、製品の表面と同一の位置にあることが好ましい。
上述のように、製品に突出部が形成され、上記突出部に突起又はビーズが成形されるとともに、充填材20が供給された状態で、下部金型100の各分割部150に内蔵された加熱体180の加熱動作を中断させると、充填材が冷却されて硬化される。これにより、硬化された充填材は、製品の緩衝材として形成されるようになる。
充填材20が硬化されると、作動部130の作動ロッド132を収縮させて、上記作動ロッドにより移動板140を上昇させる。これにより、上部金型200を上昇させる。この際、上部金型に組み立てられたパンチ部300のパンチダイ310が下部金型100から分離される。
同時に、上部金型200の挿入溝210に挿入されたガイドリング350がバネ360により上部金型から突出し、かかる移動に応じてパンチダイ310に形成された排出孔340を閉鎖して充填材20が漏れることを防止する。また、ガイドリングは、その一端に形成されたフランジ部352が挿入溝の開口部にあるカバー220にかかり、ガイドリングが挿入溝から離脱することが防止される。
一方、製品に形成された突起又はビーズにより製品を金型と直ちに分離することはできなくなる。そこで、本発明の下部金型100内の可動部170を作動させて、複数の分割部150を互いに離れる側に移動させる。
例えば、可動部を構成する第2モータ173を回転させると、これに連結されたスクリューバー172が回転し、上記スクリューバーの反対方向のネジ山部174、176にそれぞれ締結された移動ブロック171が互いに離れる側に移動することで間隔が広がって複数の分割部150は互いに分離されることができる。
このように、下部金型100又は上部金型200の少なくとも一部を分割することで、成形された素材を取り出すことができるようになる。
図7は本発明による製品成形方法及び装置を利用して形成された製品の一例を示す図である。
本発明による製品は、鋼で製造され、少なくとも一部にはマルテンサイトがある組織を含み、3次元の第1成形部に上記第1成形部よりもサイズが小さい3次元の第2成形部が形成される。
特に、かかる製品のうち第1成形部以外の部分は熱プレス成形により、すなわち、素材を高温に加熱した後、急速に移送してプレス内の金型に装着し、これを成形するとともに、金型の冷たい温度で急冷却されて、マルテンサイトがある組織を有するようになる。
また、第1成形部、及び上記第1成形部に形成される第2成形部は、ハイドロフォーミングのために一定の温度に維持され、熱プレス成形した後の冷却よりは比較的ゆっくり冷却されて、フェライト又はベイナイトがある組織を含有するようになる。
しかし、必ずしもこれに限定されず、例えば、別に温度を維持することなく直ちにハイドロフォーミングを行うと、第1成形部、及び上記第1成形部に形成される第2成形部も、他の部分と同様にマルテンサイトがある組織を有するようになる。
図7に示された製品30は、例えば、自動車の衝撃吸収部材である。上記製品30は、熱プレス成形によって形成されて衝撃を吸収することができる第1成形部としての複数の突出部31と、上記複数の突出部の剛性を補強するためにハイドロフォーミングによって突出部上に形成された第2成形部としての複数の突起又はビーズ32と、を含むことができる。また、ハイドロフォーミングに使用された充填材20が硬化されることで、製品の一部を構成する緩衝材として形成される。
このような製品が実車に適用されると、突出部だけでなく、突起又はビーズ、及び充填材が衝撃を吸収することができるようになるため、製品に衝撃が加わっても、安全を確保することができるという利点がある。
また、本発明によると、熱プレス成形とハイドロフォーミングをともに利用して製品をより簡単かつ迅速に成形することができるようになるため、製造に必要な工程及び時間を減らし、コストを削減することができる。
以上の説明は、本発明の技術思想を例示的に説明したものに過ぎず、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲で様々な修正や変形が可能である。したがって、本発明に開示された実施例は、本発明の技術思想を限定するためのものではなく説明するためのものであり、このような実施例により、本発明の技術思想の範囲が限定されるものではない。本発明の保護範囲は特許請求の範囲によって解釈されるべきであり、それと同等の範囲内にあるすべての技術思想は、本発明の権利範囲に含まれるものと解釈されるべきである。
以上のように、熱プレス成形とハイドロフォーミングをともに利用して製品をより簡単かつ迅速に成形することができるようになるため、自動車用部品の製造に有利となる。

Claims (6)

  1. 素材を加熱する加熱段階と、
    下部金型に前記素材を装着させる装着段階と、
    前記下部金型に上部金型を下降させて前記素材を1次成形する第1成形段階と、
    前記上部金型が下降した状態で、前記上部金型又は前記下部金型から流体圧を加え、前記素材を2次成形する第2成形段階と、
    前記素材を冷却させる冷却段階と、を含み、
    前記第2成形段階は、
    充填材を加熱して流体化させる流体化段階と、
    流体化された前記充填材を加圧して前記流体圧により排出する流体圧排出段階と、を含み、
    前記第2成形段階は、前記第1成形段階によって1次成形された前記素材の第1成形部に第2成形部を形成する、製品成形方法。
  2. 前記第2成形段階において2次成形される前記素材の部分を前記第1成形段階の温度に維持する、請求項1に記載の製品成形方法。
  3. 前記第2成形段階と同時に、又は第2成形段階が完了する前に前記冷却段階が行われる、請求項に記載の製品成形方法。
  4. 前記冷却段階では、前記素材がマルテンサイトがある組織を有するように冷却させる、請求項1に記載の製品成形方法。
  5. 前記冷却段階により前記充填材を硬化させた後、前記上部金型を前記下部金型から分離する分離段階をさらに含む、請求項1に記載の製品成形方法。
  6. 前記下部金型又は前記上部金型の少なくとも一部を分割して、成形された素材を取り出す取出段階をさらに含む、請求項に記載の製品成形方法。
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