JP7280817B2 - 金型、及び成形装置 - Google Patents

Description

本発明は、金型、及び成形装置に関する。

従来、加熱された金属材料の成形に用いられる金型が知られている。例えば、下記特許文献１には、互いに対になる下型及び上型を有する成形金型と、成形金型の間に保持された金属パイプ材料内に気体を供給する気体供給部と、通電加熱によって当該金属パイプ材料を加熱する加熱部と、を備える成形装置が開示されている。このような成形装置に用いられる金型には、加熱された金属パイプを成形時に冷却するために、水を流すための流路が形成されている。

特開２００９－２２０１４１号公報

上記従来技術のような金型では、流路は金型内部を延びるように形成されている。このような流路を形成するには、金型の側面から真っ直ぐな穴を形成しなくてはならない。このような製造上の制約から流路の設計の自由度が低下する場合があった。また、流路をメンテナンスする際には、成形金型の内部に清掃器具を挿入しなくてはならず、十分なメンテナンスが行えない可能性があった。以上より、金型の冷却性能に影響が及ぼされる場合があった。

本発明は、このような問題を解消するためになされたものであり、本発明の目的は、冷却性能を向上できる金型、及び成形装置を提供することである。

本発明の一態様に係る金型は、加熱された金属材料の成形に用いられる金型であって、金型内部には、冷却媒体を流通させる流路が形成され、金属材料を成形する成形面を有する第１の部材と、成形面と反対側で第１の部材を支持する第２の部材と、で分割され、第１の部材及び第２の部材の少なくとも一方には、分割面に沿って延びると共に、当該分割面において開口するスリットが形成され、スリットは、第１の部材及び第２の部材を接合することで、流路の少なくとも一部を構成する。

このような金型は、金属材料を成形する成形面を有する第１の部材と、成形面と反対側で第１の部材を支持する第２の部材と、で分割される。また、第１の部材及び第２の部材の少なくとも一方には、分割面に沿って延びると共に、当該分割面において開口するスリットが形成される。このスリットは、第１の部材及び第２の部材を接合することで、流路の少なくとも一部を構成する。このように、流路が、分割面において開口するスリットで形成されるため、流路の製造やメンテナンスが容易となる。このように、流路の製造が容易になることで、冷却効率の良い流路の設計が可能となり、メンテナンスが不十分となることで冷却効率が低下することを抑制することができる。以上より、金型の冷却効率を向上できる。

第１の部材の材質は、第２の部材の材質に比して、成形に対する耐久性が高くてよい。例えば、金型全体を耐久性の高い材質で構成するとコストが高くなるが、成形面を有する第１の部材だけを耐久性の高い材質で構成することで、成形の性能を向上しつつ、金型のコストを抑制できる。

成形面は、長手方向に延びる形状を有し、スリットは、長手方向に対する直交方向に延び、長手方向に複数並べられていてよい。これにより、スリット間のピッチを調整し易くなるので、金属材料の冷却の均一性を向上できる。

スリットは、第２の部材の分割面に形成され、第１の部材の分割面は、平滑面として形成されてよい。冷却媒体と接触する第１の部材の分割面が平滑面であることにより、当該分割面の掃除を行い易くなる。このように、金属材料の冷却において重要となる第１の部材のメンテナンス性を高めることで、異物除去などの管理により冷却効率を維持することができる。

スリットは、成形面の形状に沿って延びてよい。これにより、金属材料の冷却の均一性を向上できる。

スリットの直交方向の両端には、それぞれのスリットに対して冷却媒体を供給する供給ジャケット部と、それぞれのスリットから冷却媒体を回収する回収ジャケット部と、が設けられてよい。これにより、各ジャケットを用いて、各スリットに供給される冷却媒体の均一性を向上できる。

スリットによる流路単路の断面積は、供給ジャケット部及び回収ジャケット部の断面積よりも小さくてよい。これにより、スリットによる流路における冷却媒体の速度を早くすることができる。

金型は、長手方向において互いに異なる位置に、第１のピッチで複数のスリットが並べられる第１の領域と、第１のピッチと異なる第２のピッチで複数のスリットが並べられる第２の領域と、を有してよい。これにより、金属材料側の要求に応じて、長手方向における冷却能力を調整し易くなる。

第１の部材の厚みは、第２の部材の厚みに比して薄くてよい。温度変化し易い第１の部材の厚みを薄くすることで、膨張による金型全体としての寸法変化を抑制できる。

本発明に係る成形装置は、上述の金型を備える。

本発明によれば、冷却性能を向上できる金型、及び成形装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る金型を備える成形装置の概略図である。 ブロー成形時における金属パイプ材料及び成形金型の状態を示す拡大断面図である。 金型の平面図である。 第１の部材を取り除いた状態を示す金型の平面図である。 図３に示すＶ－Ｖ線に沿った断面図である。 図５に示すＶＩ－ＶＩ線に沿った断面図である。 流路の拡大図である。 変形例に係る金型を示す断面図である。 図８に示すＩＸ－ＩＸ線に沿った断面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本実施形態に係る金型１１，１２を備える成形装置１の概略図である。図１に示すように、成形装置１は、ブロー成形によって中空形状を有する金属パイプを成形する装置である。本実施形態では、成形装置１は、水平面上に設置される。成形装置１は、成形金型２と、駆動機構３と、保持部４と、加熱部５と、流体供給部６と、冷却部７と、制御部８と、を備える。なお、本明細書において、金属パイプは、成形装置１での成形完了後の中空物品を指し、金属パイプ材料４０（金属材料）は、成形装置１での成形完了前の中空物品を指す。金属パイプ材料４０は、焼入れ可能な鋼種のパイプ材料である。また、水平方向のうち、成形時において金属パイプ材料４０が延びる方向を「長手方向」と称し、長手方向と直交する方向を「幅方向」と称する場合がある。

成形金型２は、金属パイプ材料４０を金属パイプに成形する型であり、上下方向に互いに対向する下側の金型１１及び上側の金型１２を備える。下側の金型１１及び上側の金型１２は、鋼鉄製ブロックで構成される。下側の金型１１及び上側の金型１２のそれぞれには、金属パイプ材料４０が収容される凹部が設けられる。下側の金型１１と上側の金型１２は、互いに密接した状態（型閉状態）で、各々の凹部が金属パイプ材料を成形すべき目標形状の空間を形成する。従って、各々の凹部の表面が成形金型２の成形面となる。下側の金型１１は、ダイホルダ等を介して基台１３に固定される。上側の金型１２は、ダイホルダ等を介して駆動機構３のスライドに固定される。

駆動機構３は、下側の金型１１及び上側の金型１２の少なくとも一方を移動させる機構である。図１では、駆動機構３は、上側の金型１２のみを移動させる構成を有する。駆動機構３は、下側の金型１１及び上側の金型１２同士が合わさるように上側の金型１２を移動させるスライド２１と、上記スライド２１を上側へ引き上げる力を発生させるアクチュエータとしての引き戻しシリンダ２２と、スライド２１を下降加圧する駆動源としてのメインシリンダ２３と、メインシリンダ２３に駆動力を付与する駆動源２４と、を備えている。

保持部４は、下側の金型１１及び上側の金型１２の間に配置される金属パイプ材料４０を保持する機構である。保持部４は、成形金型２の長手方向における一端側にて金属パイプ材料４０を保持する下側電極２６及び上側電極２７と、成形金型２の長手方向における他端側にて金属パイプ材料４０を保持する下側電極２６及び上側電極２７と、を備える。長手方向の両側の下側電極２６及び上側電極２７は、金属パイプ材料４０の端部付近を上下方向から挟み込むことによって、当該金属パイプ材料４０を保持する。なお、下側電極２６の上面及び上側電極２７の下面には、金属パイプ材料４０の外周面に対応する形状を有する溝部が形成される。下側電極２６及び上側電極２７には、図示されない駆動機構が設けられており、それぞれ独立して上下方向へ移動することができる。

加熱部５は、金属パイプ材料４０を加熱する。加熱部５は、金属パイプ材料４０へ通電することで当該金属パイプ材料４０を加熱する機構である。加熱部５は、下側の金型１１及び上側の金型１２の間にて、下側の金型１１及び上側の金型１２から金属パイプ材料４０が離間した状態にて、当該金属パイプ材料４０を加熱する。加熱部５は、上述の長手方向の両側の下側電極２６及び上側電極２７と、これらの電極２６，２７を介して金属パイプ材料へ電流を流す電源２８と、を備える。なお、加熱部は、成形装置１の前工程に配置し、外部で加熱をするものであっても良い。

流体供給部６は、下側の金型１１及び上側の金型１２の間に保持された金属パイプ材料４０内に高圧の流体を供給するための機構である。流体供給部６は、加熱部５で加熱されることで高温状態となった金属パイプ材料４０に高圧の流体を供給して、金属パイプ材料４０を膨張させる。流体供給部６は、成形金型２の長手方向の両端側に設けられる。流体供給部６は、金属パイプ材料４０の端部の開口部から当該金属パイプ材料４０の内部へ流体を供給するノズル３１と、ノズル３１を金属パイプ材料４０の開口部に対して進退移動させる駆動機構３２と、ノズル３１を介して金属パイプ材料４０内へ高圧の流体を供給する供給源３３と、を備える。駆動機構３２は、流体供給時及び排気時にはノズル３１を金属パイプ材料４０の端部にシール性を確保した状態で密着させ、その他の時にはノズル３１を金属パイプ材料４０の端部から離間させる。なお、流体供給部６は、流体として、高圧の空気や不活性ガスなどの気体を供給してよい。また、流体供給部６は、金属パイプ材料４０を上下方向へ移動する機構を有する保持部４とともに、加熱部５を含めて同一装置としても良い。

冷却部７は、成形金型２を冷却する機構である。冷却部７は、成形金型２を冷却することで、膨張した金属パイプ材料４０が成形金型２の成形面と接触したときに、金属パイプ材料４０を急速に冷却することができる。冷却部７は、下側の金型１１及び上側の金型１２の内部に形成された流路３６と、流路３６へ冷却水を供給して循環させる水循環機構３７と、を備える。

制御部８は、成形装置１全体を制御する装置である。制御部８は、駆動機構３、保持部４、加熱部５、流体供給部６、及び冷却部７を制御する。制御部８は、金属パイプ材料４０を成形金型２で成形する動作を繰り返し行う。

具体的に、制御部８は、例えば、ロボットアーム等の搬送装置からの搬送タイミングを制御して、開いた状態の下側の金型１１及び上側の金型１２の間に金属パイプ材料４０を配置する。あるいは、制御部８は、作業者が手動で下側の金型１１及び上側の金型１２の間に金属パイプ材料４０を配置することを待機してよい。また、制御部８は、長手方向の両側の下側電極２６で金属パイプ材料４０を支持し、その後に上側電極２７を降ろして当該金属パイプ材料４０を挟むように、保持部４のアクチュエータ等を制御する。また、制御部８は、加熱部５を制御して、金属パイプ材料４０を通電加熱する。これにより、金属パイプ材料４０に軸方向の電流が流れ、金属パイプ材料４０自身の電気抵抗により、金属パイプ材料４０自体がジュール熱によって発熱する。

制御部８は、駆動機構３を制御して上側の金型１２を降ろして下側の金型１１に近接させ、成形金型２の型閉を行う。その一方、制御部８は、流体供給部６を制御して、ノズル３１で金属パイプ材料４０の両端の開口部をシールすると共に、流体を供給する。これにより、加熱により軟化した金属パイプ材料４０が膨張して成形金型２の成形面と接触する。そして、金属パイプ材料４０は、成形金型２の成形面の形状に沿うように成形される。なお、フランジ付きの金属パイプを形成する場合、下側の金型１１と上側の金型１２との間の隙間に金属パイプ材料４０の一部を進入させた後、更に型閉を行って、当該進入部を押しつぶしてフランジ部とする。金属パイプ材料４０が成形面に接触すると、冷却部７で冷却された成形金型２で急冷されることによって、金属パイプ材料４０の焼き入れが実施される。

図２を参照して、成形装置１の成形の手順について説明する。図２（ａ）に示すように、制御部８は、成形金型２を型閉すると共に、流体供給部６で金属パイプ材料４０に流体を供給することで、ブロー成形を行う（一次ブロー）。一次ブローでは、制御部８は、メインキャビティ部ＭＣでパイプ部４３を成形すると共に、フランジ部４４に対応する部分をサブキャビティ部ＳＣへ進入させる。そして、図２（ｂ）に示すように、制御部８は、成形金型２を更に型閉することで、サブキャビティ部ＳＣに進入した部分を更に潰すことで、フランジ部４４を成形する。次に、制御部８は、上側の金型１２を上昇させて金属パイプ材料４０から離間させることで、型開を行う。これにより、金属パイプ４１が成形される。

次に、図３～図６を参照して、金型１１の詳細な構成について説明する。なお、以降の説明においては、下側の金型１１について説明するが、上側の金型１２についても同趣旨の説明が成り立つため、説明を省略する。図３は、金型１１の平面図である。図４は、第１の部材５０を取り除いた状態を示す金型１１の平面図である。図５は、図３に示すＶ－Ｖ線に沿った断面図である。図６は、図５に示すＶＩ－ＶＩ線に沿った断面図である。

なお、本実施形態においては、成形装置１は、二本の金属パイプ材料４０を同時に成形することができる。従って、図３に示すように、金型１１は、互いに並列に並べられた二本の金属パイプ材料４０を成形する成形面４７を有する（図２も参照）。なお、並べられる金属パイプ材料４０の本数は限定されず、一本であっても、三本以上であってもよい。成形面４７は、金属パイプ材料４０の長手方向と対応するように、長手方向に沿って延びる形状を有している。以降の説明においては、成形面４７の長手方向をＸ軸方向とし、長手方向と直交する水平方向をＹ軸方向とし、上下方向をＺ軸方向とする場合がある。また、長手方向における一方側をＸ軸方向の正側と、長手方向と直交する方向の一方側をＹ軸方向の正側とし、上側をＺ軸方向における正側とする。

図４及び図５に示すように、金型１１は、Ｘ軸方向において、正側から順に三つのユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３に分割されている。ユニットＵ２は、金型１１のＸ軸方向における中央位置に対応するユニットである。ユニットＵ１，Ｕ３は、Ｘ軸方向における両端側のユニットである。各ユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３は、それぞれ冷却領域Ｅ１（第１の領域）、冷却領域Ｅ２（第２の領域）、及び冷却領域Ｅ３（第３の領域）を有している。冷却領域Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３は、それぞれＯリングが配置されるシール溝部９０によって、平面視において全周を取り囲まれている。なお、ユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３及び冷却領域Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３では、特段の説明が無い限り、同趣旨の説明が成り立つものとする。なお、実施形態では、金型１１をユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３による三分割の構造としているが、冷却領域も含め一様冷却を目指すため、金型１１を一つのユニットとしてもよい。

図４～図６に示すように、金型１１内部には、冷却媒体（水）を流通させる流路６０が形成される。流路６０は、複数の冷却部６１（スリットによる流路）と、供給ジャケット部６２と、回収ジャケット部６３と、供給連通部６４（図５及び図６参照）と、排出連通部６６（図６参照）と、を備える。また、金型１１を支持するダイホルダ９１には、供給部６７（図５及び図６参照）と、排出部６８，６９（図６参照）と、が形成される。なお、複数の冷却部６１と、供給ジャケット部６２と、回収ジャケット部６３と、供給連通部６４と、排出連通部６６とは、ユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３及び冷却領域Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３に対して、個別の流路として設けられている。一方、供給部６７、及び排出部６８，６９は、ユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３及び冷却領域Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３に対する共通の流路として設けられている。

冷却部６１は、金型１１を冷却する部分として主に機能する部分である。冷却部６１は、Ｙ軸方向に延びるように形成される。複数の冷却部６１は、Ｘ軸方向に並ぶように配置される。供給ジャケット部６２は、それぞれの冷却部６１に対して冷却媒体を供給する部分である。供給ジャケット部６２は、それぞれの冷却部６１のＹ軸方向の負側の端部に連結されるように、Ｘ軸方向に延びている。回収ジャケット部６３は、それぞれの冷却部６１から冷却媒体を回収する部分である（図４及び図６参照）。回収ジャケット部６３は、それぞれの冷却部６１のＹ軸方向の正側の端部に連結されるように、Ｘ軸方向に延びている。

供給連通部６４は、供給ジャケット部６２と供給部６７とを連結することで、供給部６７から供給ジャケット部６２へ冷却媒体を供給する部分である。供給連通部６４は、供給ジャケット部６２に対して一個以上設けられ、Ｚ軸方向の負側へ延びる。排出連通部６６は、回収ジャケット部６３と排出部６８とを連結することで、排出部６８へ回収ジャケット部６３から冷却媒体を排出する部分である（図４及び図６参照）。排出連通部６６は、回収ジャケット部６３に対して一個以上設けられ、Ｚ軸方向の負側へ延びる。

供給部６７は、ダイホルダ９１にて、Ｘ軸方向に延びている（図５及び図６参照）。供給部６７のＸ軸方向の正側の端部は、ダイホルダ９１から開口している。当該開口には、冷却媒体を供給するノズル（不図示）が挿入される。供給部６７は、各ユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３の供給連通部６４に対して、冷却媒体を分配する。排出部６８は、ダイホルダ９１にて、Ｘ軸方向に延びている（図６参照）。排出部６９は、排出部６８のＸ軸方向の正側の端部からＹ軸方向の正側へ延び、ダイホルダ９１から開口している。当該開口には、冷却媒体を排出するノズル（不図示）が挿入される。排出部６８，６９は、各ユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３の排出連通部６６からの冷却媒体を共通して排出する。

金型１１は、金属パイプ材料４０を成形する成形面４７を有する第１の部材５０と、成形面４７と反対側で第１の部材５０を支持する第２の部材５１と、で分割される。第１の部材５０は、Ｚ軸方向の負側に分割面５０ａを有する。第２の部材５１は、Ｚ軸方向の正側に分割面５１ａを有する。第１の部材５０と第２の部材５１とは、互いの分割面５０ａ，５１ａが接触するように重ね合わせられた状態で、ボルト（あるいはネジ）止めすることによって接合される。ボルト（あるいはネジ）を外すことで、第１の部材５０は、第２の部材５１から取り除くことができる（図７参照）。なお、本実施形態では、分割面５０ａ，５１ａは、ＸＹ平面と平行に広がる平面によって構成される。

第１の部材５０の厚みは、第２の部材５１の厚みに比して薄い。ここでの厚みとは、Ｚ軸方向の負側の寸法である。なお、第１の部材５０のＺ軸方向の正側の面は、成形面４７の形状に応じて、湾曲するように形成されている。よって、第１の部材５０の厚みは、場所によって異なる。成形面４７は、ユニットＵ２の位置にて最もＺ軸方向の負側へ窪むため、ユニットＵ２での分割面５０ａは、他のユニットＵ１，Ｕ３の分割面５０ａよりＺ軸方向の負側に配置される。

第１の部材５０の材質は、第２の部材５１の材質に比して、成形に対する耐久性が高い。第１の部材５０の材料は、第２の部材５１の材質に比して、硬質な材料、耐摩耗性が高い高級材料が用いられる。

第２の部材５１には、分割面５１ａに沿って延びると共に、当該分割面５１ａにおいて開口するスリット５３が形成される。スリット５３は、第１の部材５０及び第２の部材５１を接合することで、流路６０の一部である冷却部６１を構成する。第１の部材５０の分割面５０ａは、スリットが形成されることなく平滑面として形成される。これにより、スリット５３は、冷却部６１の底面６１ａ及び側面６１ｂを規定し、第１の部材５０の分割面５０ａは、冷却部６１の上面６１ｃを規定する（図７（ｂ）参照）。すなわち、スリット５３の開口を第１の部材５０で塞ぐことで、断面矩形状の流路である冷却部６１が形成される。

第２の部材５１には、分割面５１ａに沿って延びると共に、当該分割面５１ａにおいて開口するジャケット溝５４が形成される。ジャケット溝５４は、第１の部材５０及び第２の部材５１を接合することで、流路６０の一部である供給ジャケット部６２及び回収ジャケット部６３を構成する。第１の部材５０の分割面５０ａは、スリットが形成されることなく平滑面として形成される。これにより、ジャケット溝５４は、供給ジャケット部６２の底面６２ａ及び側面６２ｂを規定し、第１の部材５０の分割面５０ａは、供給ジャケット部６２の上面６２ｃを規定する（図７（ａ）参照）。すなわち、ジャケット溝５４の開口を第１の部材５０で塞ぐことで、断面矩形状の流路である供給ジャケット部６２が形成される。回収ジャケット部６３も同様である。

図４に示すように、スリット５３及びジャケット溝５４の配置は、上述で説明した冷却部６１、供給ジャケット部６２、及び回収ジャケット部６３の配置と同趣旨である。すなわち、スリット５３は、Ｙ軸方向に延び、Ｘ軸方向に複数並べられている。複数のスリット５３のＹ軸方向の両端には、それぞれのスリット５３に対して供給ジャケット部６２のジャケット溝５４と、回収ジャケット部６３のジャケット溝５４と、が形成される。なお、各ユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３に形成されるスリット５３及びジャケット溝５４は、各冷却領域Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３を取り囲むシール溝部９０の範囲内に配置される。

金型１１は、Ｘ軸方向において互いに異なる位置に、冷却領域Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３を有する。そして、冷却領域Ｅ１，Ｅ３では、第１のピッチＰ１で複数のスリット５３が並べられる。冷却領域Ｅ２では、第１のピッチＰ１よりも短い第２のピッチＰ２で複数のスリット５３が並べられる。これにより、冷却領域Ｅ２のスリット５３の方が、冷却領域Ｅ１，Ｅ３のスリット５３よりも密に形成される。

スリット５３による冷却部６１単路の断面積は、ジャケット溝５４による供給ジャケット部６２及び回収ジャケット部６３の断面積よりも小さい。具体的には、図７に示すように、スリット５３の幅寸法Ｗ１は、ジャケット溝５４の幅寸法Ｗ２よりも狭い。また、スリット５３の高さ寸法Ｈ１は、ジャケット溝５４の高さ寸法Ｈ２よりも低い。

次に、本実施形態に係る金型１１の作用・効果について説明する。

金型１１では、金型冷却用のスリット５３は、第２の部材５１の分割面５１ａにて開口しているため、当該分割面５１ａがスリット５３の加工面となる。従って、当該分割面５１ａの分割面５１ａより上位部分である第１の部材５０のみを高級材質（硬質の材質、耐摩耗性の材質）を使用することが可能である。量産用金型の場合、金型補修、金型交換頻度が多くなる傾向にあるため、本実施形態に係る金型１１では、メンテナンス時のラインニングコストを抑えることができるというメリットがある。

第１の部材５０は、成形面４７を有しているため、冷却が必要な冷却要部となる。この第１の部材５０は、スリット５３の加工面である分割面５１ａから分離することができる。そのため、冷却効率を低下させる主な原因として挙げられる、接液部の錆や不純物の堆積問題に対し、第１の部材５０を第２の部材５１から解体して、接液部（図７（ｂ）の上面６１ｃ）の手入れを行うことができる。一方、従来構造のように、単純に金型にきり穴を開けるのみで流路を構成する場合は、流路の手入れは長尺ワイヤブラシとファイバースコープによる施工確認を併用する必要があり、作業の難易度が高いという問題がある。これに比して、本実施形態の金型１１では、手入れの作業が極めて簡単になる。

前述のように、冷却要部である第１の部材５０がスリット５３の加工面である分割面５１ａから分離することができるため、接液部自体の防錆処理を容易に行うことができる。例えば、ハードクロムメッキ処理や無電解Ｎｉメッキ処理を接液部に対して施してよい。このとき、抜熱効率を低下させないように、なるべく薄いメッキ厚さ（例えば３０μｍ以下）であることが好ましい。特に金型１１においては荷重受時の金型変形によるメッキ剥がれの懸念があるため、無電解Ｎｉメッキ処理が有利となる。

スリット５３の加工面を分割面５１ａとしており、更にスリット５３は金属パイプ材料４０の長手方向と直行方向に配置されている。スリット５３のピッチを等ピッチに配置することにより、その区間は長手方向に対して均一冷却性を確保することができる。

スリット５３単体に着目すると、スリット５３による冷却部６１のみ流速を大きくし、レイノルズ数を大きくすることで、冷却部６１で集中的に抜熱効率を高めている。スリット５３の両端にはジャケット部６２，６３を配置しており、ジャケット部６２，６３までの経路での流速は低速に設定している。従って、大きく圧損が発生するスリット５３は極力短い距離とすることが望ましく、そのため、長手方向に対して、直交する方向に配置している。

供給ジャケット部６２に十分な水量を供給できる環境では、抜熱量はスリット５３の密度に比例するため、成形時に金型強度が十分に確保できる範囲で、極力スリット５３の本数を増やすことで、冷却効率の高いスリット５３での接液面積を確保することができる。そのため、十分なスリット５３の本数を有する金型１１においては、成形回数を増加しても金型平均温度の増加量を小さくすることができる。

ＳＴＡＦ用の成形装置１は、ピラーやバンパー形状のように長尺形状をしているものを対象とすることが多く、それにより金型１１自体も長尺形状をしている。一般にスチール材料の変形は、材料１ｍ当たり１００℃の温度上昇で約１ｍｍの膨張が発生する。ＳＴＡＦ用の成形装置１で使用する金型１１は長いもので約２ｍとなる。２ｍの金型平均温度が、成形開始後に５０℃上昇したとすれば、金属パイプ材料４０の基準穴間距離は約２ｍｍの変化がある。例えば、金属パイプ材料４０の基準穴間距離精度が設計値に対して±０．５ｍｍの場合、許容絶対量は１ｍｍである。金型平均温度変化を２０℃と仮定すると、０．４ｍｍの距離変化が発生する。許容量の４０％が温度変化によるバラつき範囲となる。よって、金型平均温度上昇は現実的には極力ゼロに近づけることが望まれる。金型平均温度が大気温度付近の時において、成形サイクルから算出する平均入熱量以上の冷却能力を有していることが望まれる。

ＳＴＡＦ用の成形装置１において、金型１１の高さ方向の寸法は厚いもので３００ｍｍ程度が採用される。前述のように、金型平均温度により高さ方向の寸法も変化する。ＳＴＡＦ用の成形装置１による膨張成形においては、一次ブロー時（図２参照）に位置制御により金型位置を特定の位置に静止した状態で、昇熱の金属パイプ材料４０の膨張を上下の金型１１，１２のエッジ部で支持させ、その状態で上側の金型１２を下側の金型１１に閉塞することで、金属パイプ材料４０を半径方向にはみ出させてフランジ部４４を形成する工程がある。その一次ブロー位置における金型１１，１２のエッジ位置も、金型平均温度上昇に伴って膨張によって隙間が狭くなる方向に変化する。従って、金型平均温度上昇量が大きい場合は、金属パイプ材料４０を半径方向にはみ出させる時に、金型１１，１２のエッジ支持間の円周距離が短くなるため、形成されるフランジ部４４の長さが短くなる。このことから、フランジ長さ安定化のために、スリット５３の密度を大きくし、十分な冷却を行うことで、金型平均温度上昇量を小さくすることで、フランジ長さの安定化が図れる。

スリット５３の加工面である分割面５１ａは、防熱層のような働きをする。スリット５３の加工面である分割面５１ａよりも下側の第２の部材５１に熱を移動させないことが理想である。その環境で、分割面５１ａよりも上面側（昇熱の金属パイプ材料４０から接触抜熱を行う側）の第１の部材５０の入熱を冷却水に移動できれば、第１の部材５０側の熱膨張のみの影響にとどめることができる。第１の部材５０の厚さを、成形時の強度に影響がない範囲で出来るだけ薄くすることで、前述の厚さ方向の変形量を小さくすることができる。

以上より、本実施形態に係る金型１１は、金属パイプ材料４０を成形する成形面４７を有する第１の部材５０と、成形面４７と反対側で第１の部材５０を支持する第２の部材５１と、で分割される。また、第２の部材５１には、分割面５１ａに沿って延びると共に、当該分割面５１ａにおいて開口するスリット５３が形成される。このスリット５３は、第１の部材５０及び第２の部材５１を接合することで、流路６０の少なくとも一部である冷却部６１を構成する。このように、冷却部６１が、分割面５１ａにおいて開口するスリット５３で形成されるため、冷却部６１の製造やメンテナンスが容易となる。このように、冷却部６１の製造が容易になることで、冷却効率の良い流路の設計が可能となり、メンテナンスが不十分となることで冷却効率が低下することを抑制することができる。以上より、金型１１の冷却効率を向上できる。

第１の部材５０の材質は、第２の部材５１の材質に比して、成形に対する耐久性が高い。例えば、金型１１全体を耐久性の高い材質で構成するとコストが高くなるが、成形面４７を有する第１の部材５０だけを耐久性の高い材質で構成することで、成形の性能を向上しつつ、金型１１のコストを抑制できる。

スリット５３は、第２の部材５１の分割面５１ａに形成され、第１の部材５０の分割面５０ａは、平滑面として形成される。冷却媒体と接触する第１の部材５０の分割面５０ａが平滑面であることにより、当該分割面５０ａの掃除を行い易くなる。このように、金属パイプ材料４０の冷却において重要となる第１の部材５０のメンテナンス性を高めることで、異物除去などの管理により冷却効率を維持することができる。

成形面４７は、長手方向に延びる形状を有し、スリット５３は、長手方向に対する直交方向に延び、長手方向に複数並べられる。これにより、スリット５３間のピッチを調整し易くなるので、金属パイプ材料４０の冷却の均一性を向上できる。

スリット５３の直交方向の両端には、それぞれのスリット５３に対して冷却媒体を供給する供給ジャケット部６２と、それぞれのスリット５３から冷却媒体を回収する回収ジャケット部６３と、が設けられる。これにより、各ジャケット部６２，６３を用いて、各スリット５３に供給される冷却媒体の均一性を向上できる。

スリット５３による冷却部６１単路の断面積は、供給ジャケット部６２及び回収ジャケット部６３の断面積よりも小さい。これにより、冷却部６１における冷却媒体の速度を早くすることができる。

金型１１は、長手方向において互いに異なる位置に、第１のピッチＰ１で複数のスリット５３が並べられる冷却領域Ｅ１，Ｅ３と、第１のピッチＰ１と異なる第２のピッチＰ２で複数のスリット５３が並べられる冷却領域Ｅ２と、を有する。これにより、金属パイプ材料４０側の要求に応じて、長手方向における冷却能力を調整し易くなる。

第１の部材５０の厚みは、第２の部材５１の厚みに比して薄い。温度変化し易い第１の部材５０の厚みを薄くすることで、膨張による金型全体としての寸法変化を抑制できる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

例えば、図８及び図９に示す金型１１１を採用してもよい。図８は、金型１１１の断面図であり、図５に対応するものである。図９は、図８のＩＸ－ＩＸ線に沿った断面図である。金型１１１では、分割面５０ａ，５１ａ、及びスリット５３が、成形面４７の形状に沿って延びる。これにより、金属材料の冷却の均一性を向上できる。

具体的には、図８に示すように、Ｙ軸方向から見たときに、分割面５０ａ、５１ａは、成形面４７の長手方向に対する湾曲形状に対応するように、全体的に湾曲した形状となる。それに伴って、スリット５３による冷却部６１のＸ軸方向への配列も、全体的に湾曲した状態で配列される。ジャケット部６２，６３も、全体的に湾曲した状態で延びる。また、図９に示すように、分割面５０ａ，５１ａは、成形面４７の横断面形状に対応するように、当該成形面４７の箇所だけＺ軸方向の負側へ突出するような形状となる。また、スリット５３による冷却部６１も、成形面４７の形状に沿って延びるように形成され、成形面４７の箇所だけＺ軸方向の負側へ突出するような形状となる。

以上のように、スリット５３の加工面を分割面５１ａとしているため、成形面４７と等間隔に近い位置にスリット５３を配置することが可能となる。従って、成形面４７の円周方向に対して均一冷却性を確保することができる。このような形状の流路は、金型にきり穴を設ける方法では、形成することができない。

なお、上述の実施形態では、ＳＴＡＦ用の成形装置において採用される金型を例にして説明を行った。しかし、本発明に係る金型が採用される成形装置の種類は特に限定されず、ホットスタンピングの成形装置、その他の成形装置などであってもよい。

上述の実施形態では、冷却部６１は、下側の分割面５１ａのスリット５３と、上側の分割面５０ａの平滑面の組み合わせで形成されていた。これに代えて、冷却部６１は、下側の分割面５１ａのスリット５３と、上側の分割面５０ａのスリットの組み合わせで形成されてもよい。あるいは、冷却部６１は、下側の分割面５１ａの平滑面と、上側の分割面５０ａのスリットの組み合わせで形成されてもよい。また、これらの何れかのパターンの組み合わせで冷却部６１を形成する場合、金型１１中の全ての冷却部６１が同じパターンでなくともよく、パターンが混在していてもよい。

１…成形装置、１１，１２，１１１…金型、４０…金属パイプ材料（金属材料）、４７…成形面、５０…第１の部材、５１…第２の部材、５３…スリット、６０…流路、６１…冷却部（スリットによる流路）、６２…供給ジャケット部、６３…回収ジャケット部、Ｅ１，Ｅ３…冷却領域（第１の領域）、Ｅ２…冷却領域（第２の領域）。

Claims (12)

1. 加熱された金属材料の成形に用いられる金型であって、
   金型内部には、冷却媒体を流通させる流路が形成され、
   前記金属材料を成形する成形面を有する第１の部材と、前記成形面と反対側で前記第１の部材を支持する第２の部材と、で分割され、
   前記第１の部材及び前記第２の部材の少なくとも一方には、分割面に沿って延びると共に、当該分割面において開口するスリットが形成され、
   前記スリットは、前記第１の部材及び前記第２の部材を接合することで、前記流路の少なくとも一部を構成し、
   前記成形面は、長手方向に延びる形状を有し、
   前記第１の部材及び前記第２の部材は、前記長手方向において複数のユニットに分割され、
   前記複数のユニットのそれぞれは、互いに冷却能力を異なるものとすることが可能な冷却領域を有する、金型。
2. 前記第１の部材の材質は、前記第２の部材の材質に比して、成形に対する耐久性が高い、請求項１に記載された金型。
3. 複数のスリットの前記長手方向に対する直交方向の両端には、それぞれの前記スリットに対して前記冷却媒体を供給する供給ジャケット部と、それぞれの前記スリットから前記冷却媒体を回収する回収ジャケット部と、が設けられる、請求項１又は２に記載の金型。
4. 前記スリットは、前記第２の部材の分割面に形成される、請求項１～３の何れか一項に記載の金型。
5. 前記第１の部材の分割面は、平滑面として形成される、請求項４に記載の金型。
6. 前記スリットは、前記成形面の形状に沿って延びる、請求項１～５の何れか一項に記載の金型。
7. 前記スリットは、前記長手方向に対する直交方向に延び、前記長手方向に複数並べられている、請求項１～６の何れか一項に記載の金型。
8. 前記スリットによる前記流路単路の断面積は、前記供給ジャケット部及び前記回収ジャケット部の断面積よりも小さい、請求項３に記載の金型。
9. 前記金型は、互いに異なる前記ユニットに、
   第１のピッチで複数の前記スリットが並べられる前記冷却領域としての第１の領域と、
   前記第１のピッチと異なる第２のピッチで複数の前記スリットが並べられる前記冷却領域としての第２の領域と、を有する、請求項７又は８に記載の金型。
10. 前記第１の部材の厚みは、前記第２の部材の厚みに比して薄い、請求項１～９の何れか一項に記載の金型。
11. 前記金属材料は、金属パイプ材料である、請求項１～１０の何れか一項に記載の金型。
12. 請求項１～１１の何れか一項に記載の金型を備える成形装置。
    

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