JP6628746B2 - 加熱成形金型焼入れ機械 - Google Patents

Description

本出願は、２０１４年６月１６日に出願された欧州特許出願第ＥＰ１４３８２２３３．６号の利益を主張する。

本開示は、高強度の領域および延性の増加した領域（ソフトゾーン）を備える加熱成形された車両の構造部品を製造するための加熱成形（および）金型焼入れのための機械（ツール）に関する。

自動車産業における重量低減の要求は、軽量の材料、ならびに関連の製造プロセスおよびツールの開発および実装につながってきた。また、乗員の安全に関してますます高まる関心が、エネルギー吸収も改善するとともに、衝突時の車両の完全性を改善する材料の採用につながっている。

加熱成形金型焼入れ（Hot Forming Die Quenching:ＨＦＤＱ）として知られているプロセスは、ボロン鋼シートを使用して、最大１，５００ＭＰａの引張強度を有する超高強度鋼（Ultra High Strength Steel:ＵＨＳＳ）特性を備えるプレス加工された部品を作製する。強度の増加は、より細いゲージの材料の使用を可能にし、結果として、従来の非加熱プレス加工された軟鋼部品を上回る重量節減をもたらす。

ＨＦＤＱプロセスを使用して製造され得る典型的な車両部品は、ドアビーム、バンパービーム、クロス／サイド部材、ＡＢピラー補強部材、およびウエストレール補強部材を含む。

ボロン鋼の加熱成形は、その優れた強度および成形性に起因して、自動車産業において次第に普及しつつある。したがって、伝統的に軟鋼から非加熱成形された多くの構造部品が、かなりの強度の増加を提供する加熱成形された同等品と交換されている。これは、同じ強度を維持しながら、材料厚さ（ひいては、重量）の低減を可能にする。しかし、加熱成形された部品は、成形されたままの状態では、提供する延性およびエネルギー吸収のレベルが非常に低い。

ビームなど、部品の主要なエリアにおける延性およびエネルギー吸収を改善するために、同じ部品の中により軟らかい領域を導入することが知られている。これは、必要とされる高強度を全体的に維持しながら、延性を局所的に改善する。特定の構造部品の微細構造および機械的特性を局所的に調整し、それらが、非常に高い強度を有する（非常に硬い）領域、および、延性の増加した（より軟らかい）領域を含むようにすることによって、全体的なエネルギー吸収を改善すること、および、衝突状況時の構造的完全性を維持することを可能にすることができ、また、全体的な重量を低減することも可能にすることができる。また、そのようなソフトゾーンは、有利には、衝撃下で部品がつぶれる場合の運動学的挙動を変化させることが可能である。

車両構造部品の中に増加した延性を有する領域（ソフトゾーン）を生成させる公知の方法は、相補的な上側および下側金型ユニットの対を含むツールを提供することを必要とし、ユニットのそれぞれは、別々の金型エレメント（スチールブロック）を有している。金型エレメントは、クエンチングプロセス中に形成される部分の異なるゾーンにおいて異なる冷却速度を有するために、異なる温度で働くように設計されており、それによって、最終製品の中に異なる材料特性（ソフトエリア）を結果として生じさせる。たとえば、高い冷却速度で製造されている部品の対応するエリアを焼き入れするために、および、部品の温度を急速に低減させることによって、１つの金型エレメントが冷却され得る。別の隣接する金型エレメントは、加熱エレメントを含むことが可能であり、製造されている部品の対応する部分がより低い冷却速度で冷えることを確実にするようになっており、したがって、部品が金型を離れるときに、部品の残りの部分よりも高い温度のままになる。

この種の製造に関連する１つの問題は、異なる温度で働く金型エレメントが互いに接触する場合に、大きい温度差が存在する可能性があり、それが、温度の高い金型エレメントから温度の低い金型エレメントへの熱流を生成させることである。したがって、温度の高い金型エレメントは、わずかに温度が低くなり、より冷たい金型エレメントは、わずかに温度が高くなる。その結果、部品のソフトゾーンとハードゾーンとの間に比較的に幅広い移行ゾーンが生成される可能性がある。したがって、部品の挙動および性質が、明確に画定されない可能性がある。

この問題の１つの解決策は、たとえば、金型エレメント同士の間にアイドルギャップを提供することによって、および／または、ギャップの中に断熱材料を提供することによって、金型エレメントを物理的に分離し、金型エレメントを互いから熱的に絶縁することであり得る。

文献ＵＳ３７０３０９３は、そのような方法およびツールを説明している。したがって、成形された最終的な部品の中の、たとえばしわや他の凹凸などのような製造欠陥が、製品のうち、金型エレメントによって適正に支持されていない、または接触されていないエリアに出現する可能性がある。

他の公知の方法は、レーザーを用いて加熱することによって、増加した延性を有する領域を生成させる。しかし、レーザー加熱はＨＦＤＱプロセスの後に実施されるので、これらの方法は、かなり時間がかかり面倒である。

本開示の目的は、高強度の領域および延性の増加した他の領域（ソフトゾーン）を備える加熱成形された車両の構造部品を製造するための改善されたツールを提供することである。

第１の態様では、局所的に異なる微細構造および機械的特性を有するボロン鋼の構造部品を加熱成形金型焼入れするためのツールが提供される。ツールは、上側および下側の対合金型（ｍａｔｉｎｇ ｄｉｅｓ）を含み、それぞれの金型は、加工表面および側面を含む２つ以上の金型ブロックによって形成され、加工表面は、使用時に、成形されることとなる構造部品に面する。上側金型および下側金型は、成形されることとなる構造部品の、局所的に異なる微細構造および機械的特性を有するゾーンに対応する異なる温度で動作するように適合されている少なくとも２つの隣接する金型ブロックを含み、隣接する金型ブロックは、隣接する金型ブロックの側面同士の間にギャップを有して配置されており、加工表面に近い、隣接する金型ブロックの側面の端部部分は、使用時にそれら端部部分同士が接触するように設計されている。

この態様によれば、側面の端部部分が動作時に接触しているという事実は、ブランク全体が、その成形中に金型ブロックに接触していることを保証する。これは、ブランクに支持されてない部分が存在せず、したがって、成形された最終的な部品の中の、たとえばしわや他の凹凸などの製造欠陥を回避するか、または少なくとも低減することを意味する。それと同時に、側面同士の間に提供されるギャップは、金型ブロック同士の間に断熱を提供し、したがって、隣接する金型ブロック間の熱流を低減し、すなわち比較的狭い移行ゾーンが実現され得、したがって、実質的に明確に画定されたゾーンを部品に提供し、それと同時に、凹凸が回避されるか、または少なくとも低減され得る。

いくつかの例では、ギャップは、少なくとも部分的に断熱材料で充填され得る。これは、異なる温度で動作するように適合されている隣接する金型ブロック同士の間のギャップの断熱特性を強化し、したがって、成形された部品のそれぞれのゾーンの技術的特性を強化する。

これらの例のいくつかでは、加工表面に近い端部部分の反対側にある、隣接する金型ブロックの側面の端部部分も、使用時に接触するように設計され得る。これは、ギャップ内の断熱材料の提供を強化する。

いくつかの例では、加工表面の反対側の金型ブロックの表面は、冷却システムを有する冷却プレートによって支持され得、冷却システムは、より高い温度で動作するように適合されている金型ブロックに対応して設けられ得る。これは、金型支持構造体の加熱を回避するか、または少なくとも低減する。

本開示の非限定的な例が、添付の図面を参照して以下に説明されることとなる。

一例による、加熱成形された構造部品を製造するためのツールの一部分を示す図である。 別の例による、加熱成形された構造部品を製造するためのツールの同様の部分を示す図である。 さらに他の例による、加熱成形された構造部品を製造するためのツールの一部分を示す図である。 一例による、下側金型または上側金型のもう一方から見た下側金型または上側金型を示す図である。

図１は、一例による、加熱成形された構造部品を製造するためのツールの一部分を示している。ツールは、上側対合金型および下側対合金型を含むことが可能である。図１には、下側金型１０だけが示されている。下側金型１０は、異なる温度で動作するように適合されている２つの隣接する金型ブロック１１および１２を含むことが可能である。たとえば、金型ブロック１１は、熱源を含むことが可能であり、金型ブロック１２よりも高い温度を実現するように適合されるようになっており（「ホットブロック」）、金型ブロック１２は、冷却システムを含むことが可能であり、金型ブロック１１よりも低い温度を実現するように適合されるようになっている（「コールドブロック」）。さらなる例では、より多くの金型ブロックが、単一のツールの中に（および、それぞれの対合金型の中に）設けられ得、また、より低い温度またはより高い温度で動作するようにブロックを適合させる他の方式が予見され得る。

本明細書および特許請求の範囲の全体を通して、より高い温度は、一般的に、３５０〜５５０℃の範囲内に入る温度として理解され得、より低い温度は、２００℃を下回る範囲内に入る温度として理解され得る。

図１の例では、金型ブロック１１および１２は、加工表面１１１および１２１、ならびに、側面１１２および１２２をそれぞれ含むことが可能であり、加工表面１１１および１２１は、使用時に、形成されることとなるブランク２０に接触することが可能である。隣接するブロック１１および１２の側面１１２と１２２との間に、ギャップ１３が設けられ得、金型ブロック１１および１２は、加工表面１１１および１２１に近い側面１１２および１２２の端部部分１１３および１２３が、それらが加熱されるときに接触するように、さらに設計され得る。これは、ツールが使用されておらずブロックが未だ加熱されていないときに、端部部分１１３と端部部分１２３との間にもギャップが存在することが可能であり、それによりブロックが加熱されるときにブロックの膨張を可能にし、端部部分１１３および１２３が、加熱（膨張）されるときに接触するようになっていることを意味する。

図１に示されている例では、ギャップ１３は、断熱材料１４で完全に充填され得る。代替的な例では、ギャップは、断熱材料で部分的に充填され得（図３を参照）、または、ギャップは「空」であってもよく、すなわち空気で充填され得る。

さらなる例では、同じ参照記号が、同じパーツまたは部品を示すために使用されている。

図２は、別の例による、加熱成形された構造部品を製造するためのツールの一部分を示している。図２の例は、端部部分１１３および１２３の反対側にある、隣接するブロック１１および１２の側面１１２および１２２の端部部分１１４および１２４も、使用時にそれらが接触するように設計され得るという点において、図１のものとは異なっている。このように、図１に関連して上記に説明されているものと同様の様式で、ブロック１１および１２を加熱する前に、ギャップ（図示せず）が、端部部分１１４と端部部分１２４との間に設けられ得、ブロック１１および１２が加熱されるときにブロック１１および１２の膨張を可能にするようになっている。この例では、凹部１３’が、隣接する金型ブロック１１および１２の側面１１２と側面１２２との間に残されることが可能である。また、凹部１３’は、図１に関連して説明したように、断熱材料１４で完全に充填され得、または、凹部１３’は、部分的に充填され得、もしくは、「空」であることも可能であり、すなわち空気で充填され得る。さらなる例では、凹部は、ブロックの側面の中に開口部または窪みとして形成され得、すなわち、凹部は、必ずしも側面の長さ全体または幅全体にわたって設けられなくてもよい。

図３は、さらに他の例による、加熱成形された構造部品を製造するためのツールの一部分を示している。図３の例は、３つの金型ブロック１１、１２、１５が設けられ得るという点において、図２のものとは異なっている。ブロック１２および１５は、より低い温度で動作するように適合され得（「コールドブロック」）、ブロック１２と１５との間に配置され得るブロック１１は、より高い温度で動作するように適合され得る（「ホットブロック」）。金型ブロック１１および１２、ならびに、金型ブロック１１および１５は、隣接するブロックと考えることができる。図１に関連して金型ブロック１１および１２に関して説明されたものと同様に、金型ブロック１５も、加工表面１５１および側面１５２を含むことが可能であり、加工表面１５１は、使用時に、形成されることとなるブランク２０に接触することが可能である。また、隣接するブロック１１および１５の側面１１２と１５２との間に、分離（ギャップ）が設けられ得、また、金型ブロック１１および１５は、金型ブロック１１および１５の加工表面１１１および１５１に近い金型ブロック１１および１５の側面１１２および１５２の端部部分１１３および１５３が、それらが加熱されるときに接触するように、さらに設計され得る。

図３に示されている例では、図２に関連して金型ブロック１１および１２に関して説明されたものと同様に、端部部分１１３および１５３の反対側にある、隣接するブロック１１および１５の側面１１２および１５２の端部部分１１４および１５４も、使用時にそれらが接触するように設計され得る。

また、図３に示されている例は、隣接する金型ブロック１１および１２（または、１１および１５）の側部表面１１２と１２２との間（または、１１２と１５２との間）に設けられている分離は、断熱材料１４’で完全には充填されていなくてもよく、ギャップ１３”が、それぞれの側部表面１１２および１２２（または、１１２および１５２）と断熱材料１４’との間に残され得るという点において、図２のものとは異なっている。ギャップ１３”は、実際には、空気で充填され得、空気は、断熱材としての役割を果たすことも可能である。

図３では、より低い温度で動作するように適合されている金型ブロック１２および１５（「コールドブロック」）に、冷却システムを設けられ得、冷却システムは、たとえば、冷水または任意の他の冷却流体の循環のための冷却チャネル１６を含む。また、（２００℃を下回る）より低い温度で動作するように金型ブロックを適合させるための他の代替例も予見され得る。

図３では、より高い温度で動作するように適合されている金型ブロック１１（「ホットブロック」）に、電気ヒーター１７および温度センサー１８が設けられ、金型ブロック１１の温度を制御することが可能である。また、たとえば埋め込み式のカートリッジヒーターなど、（３５０〜５５０℃内の）より高い温度で動作するように金型ブロックを適合させるための他の代替例も予見され得る。センサーは、熱電対であることが可能である。

さらに、図３に示されている下側金型１０’は、冷却プレート３０によって支持され得、冷却プレート３０は、金型ブロック１１、すなわち、「ホットブロック」に対応して配置されている冷却システム３１を含む。冷却システムは、金型支持構造体の加熱を回避または少なくとも低減するために、冷水または任意の他の冷却流体の循環のための冷却チャネルを含むことが可能である。

実質的に図３に関連して説明されているような上側金型および下側金型を有する金型によって作製された、成形された構造的最終製品は、増加した降伏強度を有する、ブロック１２および１５（「コールドブロック」）に接触して形成されたゾーンと、改善したエネルギー吸収特性を有する、ブロック１１（「ホットブロック」）に接触して形成されたゾーンとを有する部品を結果として生じさせる。したがって、たとえば、衝突などの高い動的荷重の下での部品の構造的完全性の保護が実現される。

図３の例は、２つのコールドブロック１２、１５の間に配置されているホットブロック１１を含むが、他の構成も可能である。たとえば、ホットブロックは、正方形ブロックまたは長方形ブロックを考えると、その４つの側部においてコールドブロックによって取り囲まれ得、また、ホットブロックは、別のホットブロックの近くに配置され、より大きい「ホットゾーン」を画定することも可能である。正方形ブロックおよび長方形ブロックに関する他の例では、成形されることとなる部分の幾何学形状および機械的特性に応じて、３つの側部が、隣接するコールドブロックを有することが可能であり、または、１つの側部だけが、隣接するコールドブロックを有することも可能である。

図は、実質的に正方形の形状または長方形の形状を有するブロック（コールドブロックおよびホットブロック）を説明しているが、ブロックは、任意の他の形状を有することが可能であり（図４のブロックＥ３〜Ｅ８を参照）、また、連続したブロックが、上側金型および下側金型を形成するパズルのピースであるかのように組み立てられ得るように、相補的な側部を有する限りにおいて、部分的に丸みを帯びた形状を有することも可能であるということが理解されるべきである。

そのうえ、加熱成形された構造部品を製造するためのツールを形成するそれぞれの上側金型および下側金型は、相互交換可能であり得る複数の金型ブロックによって形成され得る。たとえば、成形されることとなる部品、および／またはその機械的特性を変化させるために、コールドブロックを有する任意のゾーンがホットブロックを有するゾーンに変更され得、またその逆も同様である。

図４は、一例による、下側金型または上側金型のもう一方から見た下側金型または上側金型４０を示している。図４の例は、Ｂピラーの下側部分をホットプレス加工するための金型４０を示している。この例では、金型４０は、８つの金型エレメントＥ１〜Ｅ８を含むことが可能である。それぞれの金型エレメントは、複数の熱電対４１（黒いドットによって表されている）を含むことが可能である。より多い熱電対を有するブロックにおいては、加熱成形される部品の幾何学形状の変化に応じて、当該部品ををプレス加工するように設計することが可能である。その意味で、平面的な幾何学形状では、１つのみまたは２つの熱電対が使用され得（ブロックＥ１を参照）、一方、より複雑な幾何学形状は、より多くの熱電対を使用する。

それぞれの熱電対４１は、所定の温度で動作するツールのゾーンを画定することが可能である。さらに、それぞれの熱電対４１は、そのゾーンの温度を設定するために、ヒーターまたはヒーターのグループに関連付けられ得る。１ゾーン（ブロック）あたりのパワーの合計量は、ヒーターをグループ化する能力を制限する可能性がある。

熱電対は、制御パネルに関連付けられ得る。したがって、それぞれのヒーターまたはヒーターのグループは、同じブロックの中であっても、他のヒーターまたはヒーターのグループから独立して作動させることができる。したがって、ユーザーは、適切なソフトウェアを使用することによって、同じブロック内のそれぞれのゾーンの主要パラメーター（パワー、温度、設定温度限界、水流オン／オフ）を設定することができる。

たとえば、図４では、２４個の熱電対４１が、上側金型または下側金型のいずれかを形成する８つのブロックＥ１〜Ｅ８の中に設けられ得る。このケースでは、それぞれの金型は、２４個のゾーン（または、熱電対）を含むことが可能であり、したがって、（Ｂピラーのこの部分に関する）完全なツールは、４８個のゾーンを必要とする可能性がある。このケースでは、ソフトウェアは、４８個までの異なる（独立した）ゾーンを制御することが可能である。これによって、同じブロック内のそれぞれのゾーンの中の温度の非常に精密な制御が可能になり、いくつかの例では、０．１℃のオーダーでの制御すら可能になる。

ソフトウェアは、さらに、異なる熱電対を接続するか、または少なくとも結び付けることができる可能性がある。これを行うことによって、熱電対が適正に働いていない場合に、その熱電対が、最も近い熱電対につなげられ得る。これは、それらの熱電対が同じブロックに属しているかどうか、またはそれらが隣接する金型ブロックの中に設けられているかどうかに無関係に、それらの熱電対が同じまたは実質的に同様の温度で働く場合にのみ可能である。

いくつかの例では、断熱材料は、セラミック材料、たとえば、セラミック耐火性ファイバーペーパーであることが可能である。例では、断熱材料は、生分解性の高性能セラミック、無機繊維、ロックウールやセルロースなどのフィラーおよび有機バインダー、ケイ酸塩フィラーおよび有機バインダーの合成物であることが可能である。

上記に説明されている例では、上側金型は、下側金型と協働するために、下側金型に関して示されているものと実質的に同様の構成、または、さらには等しい構成を有することが可能である。

いくつかの例だけが本明細書で開示されてきたが、他の代替例、修正例、使用例、および／または、その均等物が可能である。そのうえ、説明されている例のすべての可能性のある組合せもカバーされている。したがって、本開示の範囲は、特定の例によって限定されるべきではなく、以下に続く特許請求の範囲の公正な読み方によってのみ決定されるべきである。

Claims (11)

1. 局所的に異なる微細構造および機械的特性を有するボロン鋼の構造部品を加熱成形金型焼入れするための機械であって、
   上側および下側の対合金型であって、それぞれの金型は、加工表面（１１１；１２１；１５１）および側面（１１２；１２２；１５２）を含む２つ以上の金型ブロック（１１；１２；１５；Ｅ１−Ｅ８）によって形成され、前記加工表面は、使用時に、成形されることとなる前記構造部品（２０）に面する、上側および下側の対合金型（１０；１０’；４０）
   を含み、
   前記上側の対合金型および下側の対合金型は、成形されることとなる前記構造部品の、局所的に異なる微細構造および機械的特性を有するゾーンに対応する異なる温度で動作するように適合されている少なくとも２つの隣接する金型ブロック（１１；１２；１５）を含み、前記隣接する金型ブロック（１１；１２；１５）は、前記隣接する金型ブロックの側面（１１２；１２２；１５２）同士の間にギャップ（１３；１３”）を有して配置されており、前記加工表面（１１１；１２１；１５１）に近い、前記隣接する金型ブロックの前記側面（１１２；１２２；１５２）の端部部分（１１３；１２３；１５３）は、使用時に前記端部部分同士が接触するように設計されている、機械。
2. 前記隣接する金型ブロック（１１；１２；１５）の前記側面（１１２；１２２；１５２）は、凹部（１３’）を含む、請求項１に記載の機械。
3. 前記ギャップ（１３；１３”）および／または前記凹部（１３’）に、少なくとも部分的に断熱材料（１４；１４’）が充填されている、請求項１または２に記載の機械。
4. 前記断熱材料（１４；１４’）は、セラミック材料である、請求項３に記載の機械。
5. 前記セラミック材料は、セラミックペーパーである、請求項４に記載の機械。
6. 前記加工表面（１１１；１２１；１５１）に近い前記端部部分（１１３；１２３；１５３）の反対側にある、前記隣接する金型ブロック（１１；１２；１５）の前記側面（１１２；１２２；１５２）の端部部分（１１４；１２４；１５４）も、使用時に接触するように設計されている、請求項３から５のいずれか一項に記載の機械。
7. より低い温度で動作するように適合されている前記金型ブロック（１２；１５）は、冷却システム（１６）を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の機械。
8. より高い温度で動作するように適合されている前記金型ブロック（１１）は、前記金型ブロック（１１）の温度を制御するためのヒーター（１７）およびセンサー（１８）を含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の機械。
9. 前記センサーは、前記ヒーターのうちの１つまたは複数に関連付けられた熱電対（４１）である、請求項８に記載の機械。
10. 単一の熱電対または熱電対のグループに関連付けられた前記ヒーターは、独立して作動させることができる、請求項９に記載の機械。
11. 前記加工表面（１１１；１２１；１５１）の反対側の前記金型ブロックの表面は、より高い温度で動作するように適合されている前記金型ブロック（１１）に対応して設けられた冷却システム（３１）を有する冷却プレート（３０）によって支持される、請求項１から１０のいずれか一項に記載の機械。

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