TW201422331A - 高強度金屬工件的沖孔方法與裝置 - Google Patents

Abstract

一種用於高強度金屬工件之沖孔方法與裝置，沖孔方法包括下列步驟：一熱沖壓步驟：將該金屬工件加熱使其具有奧斯田鐵相，之後對該金屬工件同時進行熱塑成形及半沖切製程，以形成具有一預定外形及一半沖切凹穴之結構件；以及一沖孔步驟：在該金屬工件淬火後，對該半沖切凹穴的背面進行高速沖孔動作而形成貫穿孔。

Description

高強度金屬工件的沖孔方法與裝置

本發明係有關於一種沖孔方法與裝置，特別是有關於一種用於高強度金屬工件的沖孔方法與裝置。

基於節能減碳與安全性的考量，目前汽車之A柱、B柱、橫樑等結構件已逐漸採用高強度鋼材料。一般而言，當材料抗拉強度大於1180MPa時，因冷間沖壓成形困難須採熱間成形。熱沖壓製程有易成形、零件成形後機械性能佳、回彈少等優點，在此項製程中材料被加熱至900℃以上，成形後急速冷卻使製品強度大幅提升。

由於製品之抗拉強度已大幅提升，若以習知之沖壓製程進行沖孔，除沖頭與母模容易耗損而須經常更換外，為提供足夠之成形力故須採用更大噸位之沖壓設備，造成設備成本提高。若以雷射切割方式進行孔加工，則有雷射切割設備昂貴、耗能、生產速度慢與耗材成本高等缺點。

美國專利公開號US20110114610提出了一種鐳射加工頭，可用在30mm以上材料厚度的板材，該鐳射加工頭具有鐳射切割噴嘴，雷射光束穿過該鐳射切割噴嘴的噴嘴開口射出，該雷射光束在工件上產生穿刺部位(穿刺孔)。但是使用鐳射對板材加工時，特別是對金屬板材，因為金屬板材具有高反射性的特質，使鐳射的效率降低，因此所消耗的能量較大，以及高功率的鐳射加工頭較為昂貴而且笨 重，在使用上有較多的限制。

日本專利號JP20030373915為一種鋼板熱壓成形與沖孔裝置。此專利雖然使用一個步驟就可將鋼板成形並沖孔，但因沖頭與冷卻水路會互相干涉，在實務應用上可行性並不高，且熱間沖孔對於孔洞之精度不易控制。

台灣專利公告號TWI309180為一種金屬衝壓件的製造方法，由於在每次沖孔作業之前，金屬件之待沖孔區中心處之切平面係被調整至與沖刀之軸線相垂直，故可使金屬衝壓件上之不同位置之孔之大小及形狀保持一致，相對於習知技術在金屬平板上沖孔再進行折彎制得之金屬衝壓件上之圓形通孔，此專利的金屬衝壓件之圓形通孔具有較佳之外觀。但是因為是單方向的沖孔，因此沖切面具有較大的毛邊以及垂直度不佳的問題。此外，對於高強度鋼製品，沖頭母模容易磨損而須經常更換。

因此，便有需要提供一種金屬工件之沖孔方法及沖孔裝置，能夠解決前述的問題。

本發明的目的在於能得到較佳品質的貫穿孔，而提出一種金屬工件的沖孔裝置及方法。

為達成上述目的，本發明提出一種金屬工件之沖孔方法，包括下列步驟：一熱沖壓步驟：將該金屬工件加熱使其具有奧斯田鐵相，之後對該金屬工件同時進行熱塑成形及半沖切製程，以形成具有一預定外形及一半沖切凹穴之 結構件；以及一沖孔步驟：在該金屬工件淬火後，對該半沖切凹穴的背面進行高速沖孔動作而形成貫穿孔。

為達成上述目的，本發明再提出一種金屬工件之沖孔裝置，該金屬工件為同時進行熱塑成形製程及半沖切製程，以形成具有一預定外形及一半沖切凹穴之結構件，該沖孔裝置包括：一固定座，具有一中空孔；一沖孔沖頭，對應於該結構件的半沖切凹穴的背面，並設置在該中空孔內，用以沿著該中空孔的方向移動；以及一動力推動單元，用以產生一推進力推動該沖孔沖頭，藉此對該結構件的半沖切凹穴的背面進行沖孔動作。

本發明在貫穿孔的斷面之兩側不會產生毛邊，只有在貫穿孔的中間處稍會產生破斷面，而得到較佳的孔洞品質。

本發明利用沖孔沖頭對該結構件進行高速沖孔，藉由沖孔沖頭高速衝擊產生的慣性力，沖孔裝置不需要母模，即可完成沖孔的動作。

本發明在半沖切凹穴與結構件本體的只有部份連接，且高速沖切會使材料產生絕熱軟化現象，因此要將半沖切凹穴和結構件本體分離所需的能量，會比習知的沖孔或鑽孔裝置低。

熱沖壓成形產生的半沖切凹穴可協助沖孔時定位，讓使用者在進行沖孔動作時，能確定結構件上的沖孔位置。此外，本發明裝置之構造簡單，沖孔裝置可做成手持式工具方便使用者操作，或與機械手臂組合成自動化產線。

為了讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯，下文將配合所附圖示，作詳細說明如下。

本發明所提出之金屬工件之沖孔方法，主要包括熱沖壓成形步驟及高速沖孔步驟，該些步驟如下所述：在熱沖壓成形步驟中使用的工具如圖1所示，為熱沖壓成形裝置100，該熱沖壓成形裝置100包括一加熱器110、一沖頭120、一母模130、一夾具140及一壓料板150。

首先將金屬工件300(例如抗拉強度可大於1180MPa之高強度鋼材)放在母模130上，使用一夾具140固定好該金屬工件300的位置後，該加熱器110在該金屬工件300的兩側進行加熱，直到該金屬工件300具有奧斯田鐵相，此時該金屬工件300的抗拉強度降為約300~400MPa，以便於後續加工。

請同時參閱圖2，當該金屬工件300加熱到具有奧斯田鐵相時，該沖頭120就向母模130方向施壓(即對該金屬工件300施壓)，同時該夾具140放開該金屬工件300，換壓料板150固定該金屬工件300，使該金屬工件300不會因為被沖頭120擠壓而導致金屬工件300的兩端翹起。當沖頭120完成施壓動作後金屬工件300形成結構件310，該結構件310會依母模130的形狀而熱塑成形，同時該結構件310也在待沖孔處完成一半沖切凹穴311，該半沖切凹穴311之孔徑等於該待沖孔處之孔徑。詳言之，該沖頭120施壓處相對該結構件310之待沖孔處有一凸塊121，該 母模130具有一對應於該凸塊121之開口131，該開口131之孔徑等於該凸塊121之外徑，該凸塊121對該金屬工件300進行半沖切後，即形成該結構件310的半沖切凹穴311。最後將結構件310淬火，使其硬化而形成高強度鋼材。

在說明高速沖孔步驟前，先說明為本發明之沖孔裝置，如圖3所示。該沖孔裝置200包括：一固定座210、一彈性元件220、一動力推動單元230及一沖孔沖頭240。該固定座210具有一中空孔211及一開口212，該開口212連通該中空孔211，該開口212之孔徑等於該半沖切凹穴311之孔徑。該沖孔沖頭240設置在該中空孔211內，該沖孔沖頭240用以沿著該中空孔211的方向移動。該動力推動單元230設置在該沖孔沖頭240的後方(即開口212的相對側)，用以產生一推進力驅動該沖孔沖頭240，使該沖孔沖頭240沿著該中空孔211朝開口212的方向高速移動。該彈性元件220連接該沖孔沖頭240及該固定座210，使該沖孔沖頭240受到該動力推動單元230推動而移動時，能夠再回到原先的位置。該彈性元件220可為一彈簧。

在本發明實施例中，該沖孔裝置200的動力推動單元230可為電磁線圈，利用該電磁線圈的電磁力，來推動該沖孔沖頭240，使該沖孔沖頭240能高速移動而達到高速沖孔的功能。在另一實施例中，該動力推動單元230可為高壓氣體，利用該高壓氣體的高壓壓力，來推動沖孔沖頭240，使該沖孔沖頭240進行高速沖孔動作。又一實施例中，該動力推動單元230可為化學能，利用化學能的高壓 壓力，來推動沖孔沖頭240，使該沖孔沖頭240進行高速沖孔動作。

請再參閱圖3，說明本發明的高速沖孔步驟，將完成上述熱沖壓步驟的結構件310放到一平台250上，並將該結構件310的半沖切凹穴311背向該沖孔裝置200的沖孔沖頭240而嵌入該開口212。

如圖4所示，確定好該結構件310的位置後，利用該動力推動單元230產生一動能推動該沖孔沖頭240，使該沖孔沖頭240高速移動地向該平台250的方向進行高速沖孔動作，將半沖切凹穴和結構件本體313分離，如此就可完成結構件310的貫穿孔312。

圖5a為經由熱沖壓成形步驟及高速沖孔步驟所形成的結構件剖面圖。圖5b為圖5a中A處放大圖。該結構件310具有結構件本體313及貫穿孔312。在貫穿孔312的斷面之上下兩側為剪斷面314，該剪斷面314在高速沖孔步驟前原本是結構件的半沖切凹穴，因此在高速沖孔步驟後不會產生毛邊，只有在貫穿孔312的斷面之中間處有一些破斷面315，故能得到較好的孔洞品質。

綜上可知，本發明所述之金屬工件之沖孔方法及沖孔裝置具有下列之特點：

1.本發明在貫穿孔的斷面之兩側不會產生毛邊，只有在貫穿孔的中間處稍會產生破斷面，而得到較佳的孔洞品質。

2.本發明利用沖孔沖頭對該結構件進行高速沖孔，藉由沖孔沖頭高速衝擊產生的慣性力，沖孔裝置不需要母模， 即可完成沖孔的動作。

3.本發明在半沖切凹穴與結構件本體的只有部份連接，且高速沖切會使材料產生絕熱軟化現象，因此要將半沖切凹穴和結構件本體分離所需的能量，會比習知的沖孔或鑽孔裝置低。

4.熱沖壓成形產生的半沖切凹穴可協助沖孔時定位，讓使用者在進行沖孔動作時，能確定結構件上的沖孔位置。此外，本發明裝置之構造簡單，沖孔裝置可做成手持式工具方便使用者操作，或與機械手臂組合成自動化產線。

綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

100‧‧‧熱沖壓成形裝置

110‧‧‧加熱器

120‧‧‧沖頭

121‧‧‧凸塊

130‧‧‧母模

131‧‧‧開口

140‧‧‧夾具

150‧‧‧壓料板

200‧‧‧沖孔裝置

210‧‧‧固定座

211‧‧‧中空孔

212‧‧‧開口

220‧‧‧彈性元件

230‧‧‧動力推動單元

240‧‧‧沖孔沖頭

250‧‧‧平台

300‧‧‧金屬工件

310‧‧‧結構件

311‧‧‧半沖切凹穴

312‧‧‧貫穿孔

313‧‧‧結構件本體

314‧‧‧剪斷面

315‧‧‧破斷面

圖1為熱沖壓成形裝置側面示意圖；圖2為熱沖壓成形裝置側面動作示意圖；圖3為本發明之沖孔裝置側面示意圖；圖4為本發明之沖孔裝置側面動作示意圖；圖5a為經由熱沖壓成形步驟及高速沖孔步驟所形成的結構件剖面圖；以及圖5b為圖5a中A處放大圖。

212‧‧‧開口

230‧‧‧動力推動單元

250‧‧‧平台

240‧‧‧沖孔沖頭

310‧‧‧結構件

312‧‧‧貫穿孔

313‧‧‧結構件本體

Claims (10)

1. 一種金屬工件之沖孔方法，包括下列步驟：一熱沖壓步驟：將該金屬工件加熱使其具有奧斯田鐵相，之後一沖頭對該金屬工件施壓，以形成具有一預定外形及一半沖切凹穴之結構件；以及一沖孔步驟：在該金屬工件淬火後，對該半沖切凹穴的背面進行高速沖孔動作而形成貫穿孔。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之金屬工件之沖孔方法，其中該金屬工件為高強度鋼材，且該高強度鋼材之抗拉強度大於1180MPa。
3. 根據申請專利範圍第1項所述之金屬工件之沖孔方法，其中更包括利用電磁力或高壓壓力，來推動一沖孔沖頭，使該沖孔沖頭進行高速沖孔動作。
4. 根據申請專利範圍第3項所述之金屬工件之沖孔方法，其中更包括利用電磁線圈產生該電磁力，來推動該沖孔沖頭，使該沖孔沖頭進行高速沖孔動作。
5. 根據申請專利範圍第3項所述之金屬工件之沖孔方法，其中更包括利用高壓氣體或化學能產生該高壓壓力，來推動該沖孔沖頭，使該沖孔沖頭進行高速沖孔動作。
6. 一種金屬工件之沖孔裝置，該金屬工件為被一熱沖壓成形裝置之一沖頭施壓後，以形成具有一預定外形及一半沖切凹穴之結構件，該沖孔裝置包括：一固定座，具有一中空孔；一沖孔沖頭，供對應於該結構件的半沖切凹穴的背 面，並設置在該中空孔內，用以沿著該中空孔的方向移動；以及一動力推動單元，用以產生一推進力推動該沖孔沖頭，藉此對該結構件的半沖切凹穴的背面進行沖孔動作。
7. 根據申請專利範圍第6項所述之金屬工件之沖孔裝置，更包括：一彈性元件，連接該沖孔沖頭及該固定座，用以使該沖孔沖頭受到該動力推動單元推動而移動時，能夠再回到原先的位置。
8. 根據申請專利範圍第6項所述之金屬工件之沖孔裝置，其中該動力推動單元為一電磁線圈，用以產生電磁力並推動該沖孔沖頭，使該沖孔沖頭沿著該中空孔的方向移動。
9. 根據申請專利範圍第6項所述之金屬工件之沖孔裝置，其中該動力推動單元為一高壓氣體，用以產生高壓壓力並推動該沖孔沖頭，使該沖孔沖頭沿著該中空孔的方向移動。
10. 根據申請專利範圍第6項所述之金屬工件之沖孔裝置，其中該動力推動單元為一化學能，用以產生高壓壓力並推動該沖孔沖頭，使該沖孔沖頭沿著該中空孔的方向移動。