JP7297014B2 - プレス用金型 - Google Patents

Description

本発明は、プレス機に取付られるプレス用金型に関する。

金属板材のプレス成型は、生産性が高く、寸法精度に優れ、製品間の強度ばらつきが少なく品質が安定していることから、自動車、機械、電気機器、輸送用機器等の製造に広く用いられている最も一般的な加工方法である。

しかるに、特に自動車部品には軽量化等の観点から高強度化が求められており、そのためにプレス加工性が難しくなる傾向にある。

プレス成型機は、固定の下金型と、これに対して、プレス機により上下動する上金型とを有する。
上金型にはプレス加工性の観点から高い剛性が求められるために、従来は、加工面のみならず、背面に至る全体が無垢のブロック状のものであった（例えば、特許文献１）。

特開２０２０－１７５４４７号公報

しかし、無垢の上金型であると、重量的に重いので、プレス機の上下動機構などに負担がかかり、高速での成型が困難となり、生産性を阻害する要因となる。

そこで本発明の主たる課題は、軽量化を図ることができるとともに、十分な剛性を有する金型を提供することにある。

上記課題を解決したプレス用金型は次の態様を有する。
高さ方向下方に設けられた下金型と、上方に設けられた上金型と、この上金型を上下動させるプレス機構とを備えるプレス機に使用する金型において、
前記金型は、枠部と、加工面部と、前記加工面部と交差するリブとを有し、
前記リブ、あるいは前記リブ及び前記枠部と、これによって囲まれた空間との組み合わせによるセグメントが複数形成されている、
ことを特徴とするプレス用金型。

この態様によれば、加工面に印加する上下方向の成形荷重を、リブ、あるいはリブ及び枠部と、これによって囲まれた空間との組み合わせによるセグメントの複数によって支持し、成型時の圧縮荷重による金型に作用する外向きの水平荷重を前記枠部で支持できる。
さらに、形成したセグメントの空間により軽量化を図ることができる。
要すれば、複数のセグメントと枠部とにより。軽量でありながら十分な剛性を有する金型を提供することができる。

前記セグメントは、平面視で第１の方向に延びる第１のリブと、この第１のリブと交差する複数の第２のリブとを有している態様が提案される。
第１のリブは、複数の第２のリブを交差して第１の方向に延びるものであるから、第１の方向における曲げに対する剛性は高いものである。

かかる第１のリブが、加工面部の曲部に沿っている、すなわち第１のリブが延びる方向と、加工面部の曲部が延在する方向とが一致し、その方向と交差する方向の位置も一致することにより、曲げ加工時に作用する大きな曲げ荷重を第１のリブで支持できる。

前記第１のリブに対応して、他方の金型に第３のリブが形成されていると、大きな曲げ荷重を、それぞれのリブで対抗でき、確実に曲げ加工を行うことができる。

セグメントの少なくとも一つが平面視でハニカム形状を示していると、加工面の押荷重と水平外側へ向く圧縮による潰れ荷重を効率よく支持できるとともに、空間が占める容積率を高めることができ、軽量化できるばかりでなく、押荷重（縦荷重）に対する剛性が高いものとなる。

加工による歪みが大きく作用する曲部を、本体と材質が相違する別体のブロックにより形成することとし、そのブロックを高強度材料とすれば、歪みに十分耐えうるようになり、必要ならば交換可能とすることで、メンテナンス面において好都合となる。

枠部と加工面部とが連なる第１の方向に沿う角部の弧状部の曲率を大きくすることで、成型時の圧縮荷重により金型に作用する外向きの水平荷重による枠部の外向きの倒れ変形を好適に抑制できる。
これに対して、倒れ変形を重視する必要のない、リブと加工面部とが連なる第１の方向に沿う角部の弧状部の曲率は、前記枠部側の弧状部の曲率より相対的に小さくすることにより、その分、空間の容積を大きくすることになり、軽量化に寄与する。

枠部の外周囲面に枠部を周回して中間リブが形成されていると、成型時の圧縮荷重により金型に作用する外向きの水平荷重による枠部の外向きの倒れ変形を、中間リブの延在方向について、好適に抑制できる。

平面視で金型の中央部において、ハニカム形状を示す少なくとも一つのセグメントが形成されており、平面視で金型の周辺部においてハニカム形状とは異なるセグメントが形成されていると、それぞれの形状に伴う利点を最大限発揮させることが可能である。

本発明によれば、軽量化を図ることができるとともに、十分な剛性を有する金型を提供することができる。

上金型例の斜視図である。 前後の後方からの視図である。 ３－３線矢視図である。 他の金型の平面視図である。 別の金型の平面視図である。 さらに他の金型例の斜視図である。 異なる金型の平面視図である。 さらに異なる金型の平面視図である。 さらに別の金型の平面視図である。 さらに他の金型の平面視図である。 プレス機の概要例を部分的に示す正面図である。 シミュレーション評価結果の説明図である。 組み合わせ形状の第１例の平面視図である。 組み合わせ形状の第２例の平面視図である。 組み合わせ形状の第３例の平面視図である。 組み合わせ形状の第４例の平面視図である。 態様を異にする上金型例の斜視図である。

本発明に係るプレス機は、高さ方向下方に設けられた下金型と、上方に設けられた上金型と、この上金型を上下動させるプレス機構とを備える。このプレス機としては、例えば図１１に示す冷間プレス成型装置１１を挙げることができる。熱間プレス成型装置であってもよい。

プレス成型装置１１は、金属板材１２を成型するもので、下金型１３と、上金型１４とを含む成型部を有する。
プレス成型装置１１の構成を説明するうえで、方向を示すにあたっては、便宜上、紙面の手前側を前側とし、紙面の裏側を後側として説明する。また、図１１に示すプレス成型装置１１を前側から見た状態で上側をプレス成型装置１１の上側、左右をプレス成型装置１１の左右として説明する。
金型についても同様であり、前後をＸ方向、左右をＹ方向、高さ方向をＺ方向ともいう。また、Ｘ方向及びＹ方向の一方を第１の方向という場合、他方が第２の方向である。

下金型１３は、下金型ホルダー２３を介して成型部の基台２４に取付けられている。基台２４には上下方向に延びる複数のガイドロッド２５が立設されている。上金型１４は、上金型ホルダー２６に取付けられている。上金型ホルダー２６は、ガイドロッド２５に上下方向へ移動自在に支持されている。また、上金型ホルダー２６は、図示していない加圧装置に接続されており、この加圧装置によって駆動されて上下方向に移動する。上型ホルダー２６に取付けられた上型１４は、この上型ホルダー２６の昇降に伴って、例えば図３に示す成型位置と、図１１に示す退避位置との間で上下方向に移動する。このようにしてプレス機構が構成されている。

金属板材１２を成型する例として、例えば自動車車体用の金属板を成型する例、とりわけハイテン金属板を成型する挙げることができる。

前述のように、上金型及び下金型にはプレス加工性に観点から高い剛性が求められるために、従来は、加工面のみならず、背面に至る全体が無垢のブロック状のものであった。

本発明に係る構成は、上金型及び下金型の一方に備えておればよい。以下の説明において、実施の形態の構成を上金型を中心に説明し、必要な限度で下金型についても説明を加えることとする。

以下の態様においては、金型として、加工面を含む加工面部１Ｗと反対がわにおいて、枠部１Ｆ、第１のリブ１Ａ、第２のリブ１Ｂで仕切られた凹部（空間）２が形成され、複数のセグメントを有するものが使用される。下金型には第３のリブ１Ｃが形成されている（図３参照）。
これによって、軽量化を図ることができるとともに、十分な剛性を有する金型を提供することができる。また、特に上金型については、軽量化に伴って、プレス機の上下動機構などにかかる負担が小さくなり、高速での高精度での成型が可能となる。

この（上）金型としては、種々の形態のものを使用可能である。その例として、次のものを挙げることができる。
（１）図４に示す平面視で正格子状のリブ１Ｂを有する正格子形金型１４Ａ
（２）図５に示す平面視で斜格子状のリブ１Ｂを有する斜格子形金型１４Ｂ
（３）図６に示す斜視視でハニカム状のリブ１Ｂを有するハニカム形金型１４Ｃ
（４）図７に示す平面視でトラス状のリブ１Ｂを有するトラス形金型１４Ｄ
（５）図８に示す平面視で円状のリブ１Ｂを有する円形金型１４Ｅ
（６）図９に示す平面視で縦長（前後に長い）斜格子状のリブ１Ｂを有する縦長斜格子形金型１４Ｆ
（７）図１０に示す平面視で縦長（前後に長い）斜格子状のリブ１Ｂを有する横長斜格子形金型１４Ｇ

前記金型は、例えば図１に示されているように、枠部１Ｆと、加工面部１Ｗと、前記加工面部１Ｗと交差するリブとを有し、リブ、あるいはリブ及び枠部１Ｆと、これによって囲まれた凹部（空間）２との組み合わせによるセグメントが複数形成されている。
リブは隣接する凹部（空間）２を仕切っており、凹部（空間）２の数だけセグメントが形成されている。

セグメントは種々の形態をとる。すなわち、平面視で第１の方向（図１のＸ方向）に延びる第１のリブ１Ａと、この第１のリブ１Ａと交差する複数の第２のリブ１Ｂと枠部１Ｆとで、凹部（空間）２を有するセグメントを構成するものがある。
また、第１のリブ１Ａと複数の第２のリブ１Ｂとで凹部（空間）２を有するセグメントを構成するものがある。
さらに、第２のリブ１Ｂは、第１のリブ１Ａと交差しないで、複数の第２のリブ１Ｂの組み合わせで凹部（空間）２を有するセグメントを構成するものもある。

第１のリブ１Ａは、例えば図３に示すように、第１の方向（図１のＸ方向）に延びるものである。ここに、第１の方向（図１のＸ方向）に延びるとは、直線状に延びるほか、曲線状、あるいは段差を有しながらも、全体として第１の方向（図１のＸ方向）に整列しているものも含む意味である。

かかる第１のリブ１Ａは、例えば、対比的に図６に示すハニカム状のリブ１Ｂを有するハニカム形金型１４Ｃについて、剛性を部分的により高めるために形成するものである。

なお第１のリブ１Ａの意義は、「第１の方向に沿っている」ことのほか、剛性を部分的により高めるために、「所定の形状を形成するリブに対して、加重的にリブが形成された」ことの両者の条件を満たすリブである。
したがって、例えば図４に示す正格子形金型１４Ａの例では、リブが「第１の方向に沿っている」ことの条件を満たすが、後者の「加重的にリブが形成された」ことの条件を満たしていないので、第１のリブ１Ａとは称しない。

上金型の代表例のハニカム形金型１４Ｃ１を図１～図３に示した。このハニカム形金型１４Ｃ１は、背面がわにおいて、多くのセグメントを有している。
すなわち、第１の方向（図１のＸ方向）に延びる第１のリブ１Ａと、この第１のリブ１Ａと交差する複数の第２のリブ１Ｂと枠部１Ｆとで、凹部（空間）２を有するセグメントを有する。
また、枠部１Ｆと交差しないで、第１のリブ１Ａと複数の第２のリブ１Ｂとで凹部（空間）２を有するセグメントをも有する。
さらに、第２のリブ１Ｂは、枠部１Ｆ及び第１のリブ１Ａと交差しないで、複数の第２のリブ１Ｂの組み合わせで凹部（空間）２を有するセグメントを構成するものもある。

図２及び図３に上金型１４と下金型１３とで、自動車用金属板１２（図１１参照）を曲げプレス成型する態様例を示した。

上金型１４の枠部１Ｆの外周囲面に枠部１Ｆを周回して（前後面及び又は左右面に）中間リブ４が形成されている（図１においては中間リブ４の図示を省略している。）。
この態様によると、成型時の圧縮荷重により金型に作用する外向きの水平荷重による枠部の外向きの倒れ変形を、中間リブの延在方向について、好適に抑制できる。また、中間リブ４の形成によって剛性が担保できるとともに、側面凹部５の形成によって軽量化を図ることができる。

図示例においては、下金型１５についても凹部（空間）２が形成されている。

図３に示されているように、上金型１４の加工面部１Ｗの両側部には、上金型１４と別材質の高強度の上型ダイインサート（ブロック）６が設けられている。
下金型１３の加工面部１Ｗの両側部には、下金型１３と別材質のブランクホルダインサート（ブロック）１５が設けられている。
下金型１３の加工面部１Ｗの肩部と上型ダイインサート（ブロック）６との間は、曲げ加工部（曲部）Ｚとなっている。

下金型１３のブランクホルダインサート（ブロック）１５は、ブランクホルダ１６によって保持されている。
なお、図示例においては、下金型１３の下側は、ボルト（図示せず）などによって連結された下型パンチホルダ１７によって閉じられているが、凹部（空間）２の開放も可能である。
また、同様に、上金型１４の上側を下型パンチホルダ（図示せず）によって閉じることも可能である。

曲げ加工部（曲部）Ｚにおける曲げ加工時に大きな反力が金型に作用する。そこで、曲げ加工部（曲部）Ｚに対応する位置において、第１のリブ１Ａが第１の方向（Ｘ方向）に沿って形成されている。

さらに、第１のリブ１Ａに対応して、下金型１３に第３のリブ１Ｃが形成されている。
第１のリブ１Ａ及び第３のリブ１Ｃは、曲げ加工部（曲部）Ｚと完全に一致することを要求されるものではなく、５０ｍｍ程度までの偏位があってもよい。

一方、図３が参照されるように凹部２の底角部分に注目すると、枠部１Ｆと加工面部１Ｗとの連なる第１の方向に沿う角部は、凹部２内方に曲率中心を有する弧状部３Ａとされ、第１のリブ１Ａの中央側や第２のリブ１Ｂが加工面部１Ｗとの連なる第１の方向に沿う角部は、凹部２内方に曲率中心を有する弧状部３Ｂとされている。
仮に、底角部が例えば９０度であると、プレス荷重が作用したとき、その部分が損傷する可能性があるのに対して、弧状部であると、荷重が分散し応力集中がなく、損傷を防止できるなどの利点をもたらす。
弧状部３Ａ、３Ｂは円弧状のほか、曲率半径が相違するものをつないで組み合わせた弧状のものでもよい。
ここで、弧状部３Ａの曲率は、弧状部３Ｂの曲率より大きいのが望ましい。弧状部３Ａ及び弧状部３Ｂの曲率半径は２０～７０ｍｍが望ましい。

枠部１Ｆの壁厚ｔｆは４０～６０ｍｍ、第１のリブ１Ａの壁厚ｔａ、第２のリブ１Ｂの壁厚ｔｂは２０～４０ｍｍが望ましい。セグメントのリブ間隔Ｌは１７０～２３０ｍｍ、特に１８０～２２０ｍｍが望ましい。

本発明者は、図４～図１０に示す金型１４Ａ～１４Ｇに示すリブ形状及び凹部形状を有する金型における、主に剛性について検討した。
シミュレーションに際し、ヤング率が１００～１７０Ｇａの範囲内の設定値を選択し、かつ、上金型の形状を単純に直方体とした条件で行った。
「縦荷重」として、底面の４隅をＸ方向及びＹ方向に拘束し、かつ、底面側をＺ方向に拘束する、
「横荷重」として、Ｙ方向の両側面（左右側面）をＹ方向に拘束し、かつ、底面側をＺ方向に拘束する、
条件下で、「縦荷重」及び「横荷重」に伴う変形量を算出した。

さらに、シミュレーション試料の体積（平面視での面積）は、実質的に同一とし、一つの凹部の面積、図面に示すように、区間長Ｌとして、対向する辺間長、直径、角間長を変えて、「縦荷重」及び「横荷重」に伴う変形における最大変位量及び平均変位量のシミュレーションを行った。

結果を図１２に示す。縦軸は評価値であり、評価値が大きいほど剛性が高いことを示している。
図１２の結果から次のことが判る。
（１）縦荷重に対する剛性は、ハニカム形状が最も高い。
（２）斜格子形及び縦長斜格子形のものについても、縦荷重に対する剛性が高い。
（３）横荷重に対する剛性は、斜格子形、トラス形、縦長斜格子形のものが高い。
（４）他方で、ハニカム形状のものは、縦荷重に対する剛性は顕著に高いものの、横荷重については、格子状のものと同レベルである。
円形のものについても、同様の傾向がある。
（５）斜めにリブが通る形状のもの、すなわち格子形、トラス形、縦長斜格子形のものは、縦荷重及び横荷重の両者について、バランスのよい剛性を示す。
（６）横長斜格子のものは、縦荷重及び横荷重の両者について、バランスが高くない。

以上の結果に示されているように、対象とする金属材料の種別、成型形状などに応じて、縦荷重及び横荷重について必要な剛性を要する対荷重方向の選定を行うことで、リブ形状を選定できる。
例えば、縦荷重及び横荷重の両者について、バランスのよい剛性を示すことが必要であれば、斜格子形、トラス形、縦長斜格子形のものを選定できる。
他方で、縦荷重を重視する観点からは、特にハニカム形状のもの、場合により円形ものを選定できる。

他方で、上記各例においては、リブ形状が全体として同一である（ただし、図１の第１のリブ１Ａを形成した例を除く。）。
しかるに、例えばリブ形状が異なるものを組み合せて使用することもできる。

例えば、図１３～図１６に示す例を挙げることができる。図１３～図１６に示す例では、ハニカム形状リブ１の形成領域１０Ｐを中心部に形成し、他の形状のリブ形成領域１０Ｑを周辺部に形成した例である。

具体的には、図１３の例は、周辺部の形状をトラス形状にした第１例である。図１４の例は、周辺部の形状を斜格子形状にした第２例である。図１５の例は、周辺部の形状を円形状にした第３例である。図１６の例は、周辺部の形状を正格子形状にした第４例である。
このリブ形状が異なるものを組み合せて使用することは、上記のシミュレーションによって得た、それぞれのリブ形状の利点を利用しながら、対象とする材料のプレス形態に好適に適応した金型を得ることができるようになる。

ところで、図１に示された第１のリブ１Ａは、第１の方向（Ｘ方向）に沿って、剛性を部分的により高めるために形成されたものであるが、例えば図１７に示す形態のように、第２の方向（Ｙ方向）についても剛性を部分的により高めるために、同様の第１のリブ１Ａｙを形成できる。
なお、図１７に仮想線で示すように、第１のリブ１Ａ及び又は第１のリブ１Ａｙを枠部１Ｆと交差するようにしてもよい。
さらに、図１に示された第１のリブ１Ａは長手方向に沿っているが、短手方向に沿っていてもよい。

他方、図１３～図１６に示す形態において、図示の第１のリブ１Ａｙは、ハニカム形状リブに注目すると、剛性を部分的により高めるために形成されたものといえる。

本発明は、冷間加工用のプレスのほか、ホットスタンプ用のプレス機における金型についても適用できる。

１Ａ、１Ａｙ…第１のリブ、１Ｂ…第２のリブ、１Ｆ…枠部、１Ｗ…加工面部、２…凹部（空間）、３Ａ、３Ｂ…弧状部、４…中間リブ、５…凹部、１０Ｐ…ハニカム形状リブの形成領域、１０Ｑ…他の形状のリブ形成領域、１１…プレス成型装置１１、１２…金属板材、１３…下金型、１４…上金型、１４Ａ…正格子形金型、１４Ｂ…斜格子形金型、１４Ｃ…ハニカム形金型、１４Ｄ…トラス形金型、１４Ｅ…円形金型、１４Ｆ…縦長斜格子形金型、１４Ｇ…横長斜格子形金型、１４Ｃ１…ハニカム形金型。

Claims (5)

1. 高さ方向下方に設けられた下金型と、上方に設けられた上金型と、この上金型を上下動させるプレス機構とを備えるプレス機に使用する金型において、
   前記金型は、枠部と、加工面部と、前記加工面部と交差するリブとを有し、
   前記リブ、あるいは前記リブ及び前記枠部と、これによって囲まれた空間との組み合わせによるセグメントが複数形成されており、
   前記枠部の外周囲面に枠部を周回して中間リブが形成され、かつ、前記枠部の外周囲面に上下方向に延在する上下リブが形成され、
   前記中間リブは、これと前記上下方向に延在する上下リブとで囲まれる側面凹部を形成したことを特徴とするプレス用金型。
2. 前記セグメントは、平面視で第１の方向に延びる第１のリブ（１Ａ）と、この第１のリブ（１Ａ）と交差する複数の第２のリブ（１Ｂ）とを有しており、
   前記第１のリブ（１Ａ）は、前記加工面部（１Ｗ）の曲部（Ｚ）に沿っており、
   前記枠部（１Ｆ）と加工面部（１Ｗ）とがなす第１の方向に沿う角部が、前記第１のリブ（１Ａ）と前記枠部（１Ｆ）とで囲まれた凹部（２）内方に曲率中心を有する弧状部（３Ａ）を形成しており、
   前記第１のリブ（１Ａ）と加工面部（１Ｗ）とがなす第１の方向に沿う金型中央側の角部が、前記第１のリブ（１Ａ）と第２のリブ（１Ｂ）とで囲まれた凹部（２）内方に曲率中心を有する弧状部（３Ｂ）を形成しており、
   前記弧状部（３Ａ）の曲率半径は、前記弧状部（３Ｂ）の曲率半径より大きい請求項１に記載のプレス用金型。
3. 平面視で金型の中央部において、ハニカム形状を示す少なくとも一つのセグメントが形成されており、平面視で金型の周辺部においてハニカム形状とは異なるセグメントが形成されている請求項１に記載のプレス用金型。
4. 前記セグメントの少なくとも一つが平面視でハニカム形状を示している請求項１記載のプレス用金型。
5. 前記セグメントは、平面視で第１の方向に延びる第１のリブと、この第１のリブと交差する複数の第２のリブとを有して、
   前記第１のリブは、前記加工面部の曲部に沿っており、
   前記曲部は、本体と材質が相違する別体のブロックにより形成されている請求項１記載のプレス用金型。

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