WO2012101826A1 - プレス成形用金型 - Google Patents

Abstract

　磨耗し難いプレス成形用金型を提供する。　金型２、４は、鋳造プロセスによって製造された、プレス成形用の金型である。金型２、４には、ワークピースＷを目的の形状に成形する際にワークピースＷを凸に折り曲げるようにワークピースＷに当接する峰の両側に溝２ａ、２ｂ、４ａ、４ｂが設けられている。峰の両側に溝を設けることによって、鋳造時に峰に相当する部分の溶湯の熱を放出し易くし、冷却を促進する。鋳造時の冷却が早いほど鋳造品の硬度が上がるので、ワークピースに強く当接する部分が硬い金型が得られる。

Description

プレス成形用金型

　本発明は、プレス成形用の金型（a die for press forming）に関する。

　プレス成形は高い荷重でワークピース（金属板）に金型の意匠成形面を押し付け、ワークピースを目的の形状に成形する。金属製のワークピースをプレス加工するための金型は、鋳造プロセスで作られることが多い。鋳造品は硬く、高い荷重に耐えられるとともに、耐摩耗性に優れているからである。なお、本明細書において「意匠成形面」とは、ワークピースに接する面であって目的の形状に形成されており、その目的の形状をワーク板に転写するための面を意味する。

　鋳造によって作られていても、プレス成形を幾度も繰り返していると、金型の意匠成形面が磨耗する。磨耗を抑制する技術の一つとして、金型を焼入れしてその強度をさらに向上させることが特許文献１に提案されている。

特開２００８－４９６５１号公報

　磨耗を抑制する他の手法として、磨耗し易い部分に溶接肉盛が行われることがある。その一例を図６と７を参照して説明する。図６は、ワークピースＷａ（金属板）にカップ形状ＣＰを成形する金型（上型１４と下型１２）の斜視図を示し、図７Ａ、７Ｂは、金型の断面図を示す。平たいワークピースＷａを上型１４と下型１２の間に載置し、上型１４を降下させ、ワークピースＷａに上型１４を押し当てる。カップの形状に形作られた意匠成形面１４ａ、１２ａがワークピースＷａに押し当てられ、ワークピースＷａを変形させる。その結果、ワークピースＷａにカップ形状ＣＰが成形される（ワークピースＷｂ）。プレス成形の際、意匠成形面における峰１２ｒ、１４ｒ（図７Ａ、７Ｂ参照）が、ワークピースを凸に折り曲げる。そのため、この峰１２ｒ、１４ｒが磨耗しやすい。そこで、この峰１２ｒ、１４に、溶接肉盛１６が施される。

　本明細書は、焼入れ、或いは、溶接肉盛とは異なる手法で意匠成形面の磨耗を低減する技術を提供する。この方法は、焼入れや溶接肉盛などの付加的な工程を必要としない利点がある。

　鋳造品の硬度は、鋳造型に注ぎ込まれた溶湯の冷却速度に依存することが知られている。早く冷えるほど、鋳造品の硬度が増す。本明細書が開示する技術は、この事実を利用し、金型における磨耗の激しい部分を鋳造時に早く冷えるような形状とすることで、耐摩耗性の高い金型を実現する。

　本明細書が開示する技術は、鋳造で作られるプレス成形用金型に関する。その金型は、ワークピースを目的の形状に成形する際、ワークピースを折り曲げるためにワークピースに当接する峰の両側に溝が設けられている。より詳しくは、峰は、平たいワークピースを凸に折り曲げる部分である。「峰」とは、図７Ａの峰１４ｒ、図７Ｂの峰１２ｒに相当する。この峰の部分の両側に溝を設けることによって、鋳造時に、峰に相当する部分の溶湯の熱を放出し易くし、冷却を促進する。発明者らの実験によれば、峰の内部のブリネル硬度が、金型深部（金型中心あるいは溝の底部）におけるブリネル硬度の２倍以上となることが判明した。従来であれば、峰のブリネル硬度は金型深部のブリネル硬度とほぼ同等である。即ち、本技術によれば、磨耗の激しい峰部分の硬度を従来の２倍以上にすることができる。

　溝も鋳造によって形成されるのであるから、本発明は、ワークピースを目的の形状に成形する際にワークピースを凸に折り曲げるようにワークピースに当接する峰の両側に溝が設けられた金型であり、峰と溝を含めて鋳造プロセスによって製造されるプレス成形用金型、と表現することもできる。

実施例の金型（下型）の斜視図である。 上型の断面図である。 下型の断面図である。 上型の峰周辺の部分拡大図である。 ワークピースを挟んだ金型の断面図である。 金型深部と峰内部のブリネル硬度の比較を示すグラフである。 金型深部と峰の材料の顕微鏡画像である。 従来技術の金型の斜視図である。 従来技術の金型（上型）の断面図である。 従来技術の金型（下型）の断面図である。

　実施例の金型は、図６、図７で示した従来例の場合と同じくワークピース（平たい金属板）にカップ形状を形成する金型である。図１に、下型２の斜視図を示す。図２Ａに上型４の断面図を示し、図２Ｂに下型２の断面図を示す。図２Ｂは、図１のII－II線に沿った断面に相当する。図１、図２Ｂから下型２の立体的形状が把握できる。なお、上型４の斜視図は省略するが、図２Ａから上型４の立体的形状も理解できる。図２Ｃは、図２Ａの破線の円で囲った部分の拡大図である。図３は、ワークピースＷを挟んだ金型の断面図を示す。

　図２Ａ、２Ｂにおける破線ＤＳは、意匠成形面を示しており、図７Ａ、７Ｂにおける意匠成形面１４ａ、１２ａに対応する。ただし、図２Ａ、２Ｂと図７Ａ、７Ｂを比較すると明らかなとおり、金型２、４には、溝４ａ、４ｂ、２ａ、２ｂが設けられている。溝４ａ、４ｂ、２ａ、２ｂは、意匠形成面ＤＳから窪んでいる領域を意味する。

　図１と図２Ｂを参照して下型２の構造を詳しく説明する。下型２は、ワークピースＷにカップ開口部の縁を形成するための峰２ｒを有する。別言すると、峰２ｒは、ワークピースＷを凸に折り曲げるようにワークピースに当接する部分である。より正確には、下型２は、平たい金属板のワークピースＷを、角度Ａ２折れ曲げる（図２Ｂ参照）。峰２ｒの両側に溝２ａ、２ｃが設けられている。図１から明らかなとおり、溝２ａ、２ｂは、峰２ｒに沿って伸びている。溝２ａ、２ｂによって、峰２ｒを含む突条２ｃが形成される。図３に示すように、突条２ｃの頭頂面は、ワークピースＷに目的の意匠を成形するための意匠成形面の一部をなしているが、突条２ｃの側面、即ち、溝２ａ、２ｂの側面は、ワークピースＷと当接しない。

　上型４にも、峰４ｒの両側に溝４ａ、４ｂが形成されている。峰４ｒは、ワークピースＷを凸に折り曲げるようにワークピースＷに当接する部分である。峰４ｒは、ワークピースＷを角度Ａ１折れ曲げる（図２Ａ参照）。溝４ａ、４ｂは、峰４ｒに沿って伸びている。溝４ａ、４ｂによって、峰４ｒを含む突条４ｃが形成される。図３に示すように、突条４ｃの頭頂面は、ワークピースＷに目的の意匠を成形するための意匠成形面の一部をなしているが、突条４ｃの側面、即ち、溝４ａ、４ｂの側面は、ワークピースＷと当接しない。

　図２Ｃに、図２Ａの破線で囲った部分、即ち、突条４ｃ周辺の拡大図を示す。符号Ｌ１は、突条４ｃの幅を示しており、符号Ｄ１は突条４ｃの高さ（溝４ｂの深さ）を示している。本明細書が開示する技術では、突条の高さＤ１（溝４ｂの深さＤ１）は、突条の幅Ｌ１と同じかそれ以上であることが好ましい。そのようなサイズを有していると、鋳造時に突条が早く冷え、硬度の十分な向上が見込まれるからである。

　実験により峰内側（突条内部）のブリネル硬度と金型深部のブリネル硬度を計測した。ブリネル硬度は、ＩＳＯ６５０５で定義されている。金型の材料として、鋳鉄（ＦＣＤ５４０）で金型のダミーを鋳造し、突条内部と金型深部のブリネル硬度を計測した。ＦＣＤ５４０は、一般にダクタイル鋳鉄と呼ばれている材料であり、プレス成形用金型の材料として用いられる鋳鉄である。突条内部の一例は、図２Ｃに「Position A」と記したポイントである。金型深部の一例は、図２Ｃに「Position B」と記したポイントである。

　試験方法は、ＪＩＳ－Ｚ－２２４３で規定されている方法を用いた。金型深部（Position B）の硬度の計測には、ＭＡＢ－１型ブリネル硬さ試験機（前川試験機製、圧子の直径１０ｍｍ）を用いた。試験荷重は９．８０７［ｋＮ］であり、室温にて計測した。突条内部（Position A）の硬度の計測には、ハンディ硬さ計「ＳＯＮＯＨＡＲＤ　ＳＨ－２１型」（ＪＦＥアドバンテック製）を用いた。試験荷重は１０［Ｎ］であり、室温にて計測した。

　鋳造物の硬度は、冷却速度に依存し、冷却速度が速いほど高くなる。逆にいえば、冷却速度が同じであれば、硬度もほぼ等しい。従って、「金型深部」の硬度は、金型中心付近の硬度、あるいは、峰に沿って伸びる溝の底部の硬度で代表される。

　図４に、金型深部（Position B）におけるブリネル硬度と、突条内部（Position A）におけるブリネル硬度を計測した結果を示す。図４より、峰内側（突条内部、Position A）におけるブリネル硬度が、金型深部（溝底、Position B）におけるブリネル硬度の約３倍、少なくとも２倍以上であることが確認できる。なお、溝を形成しない場合（例えば図６、図７に示す従来の金型の場合）、峰内部のブリネル硬度は、金型深部のブリネル硬度とほぼ同じである。この結果からも、峰の両側に溝を設けることによって峰の硬度を向上できることが裏付けられた。

　図５に、金型深部（Position B）における材料と、突条内部（Position A）における材料の顕微鏡画像を示す。（ａ）は、金型深部（Position B）における材料を倍率１００倍で観察した画像である。（ｂ）は、金型深部における材料を倍率４００倍で観察した画像である。（ｃ）は、突条内部（Position A）における材料を倍率１００倍で観察した画像である。（ｄ）は、突条内部における材料を倍率４００倍で観察した画像である。金型深部よりも突条内部でパーライトが増加しているのがはっきりとわかる。パーライトの含有量は鋳造時の冷却速度に依存し、冷却速度が速いほど含有量が増加することが知られている。別言すれば、パーライトの含有量が多いほど、鋳造時の冷却速度が早く、また、硬い。図５の画像からも、峰が金型深部よりも硬いことが理解できる。

　金型２、４は、フルモールド鋳造で作られる。即ち、図２Ａ、図２Ｂの金型と同じ形状の消失模型をまず作成し、その消失模型を使って鋳造される。上記の方法によれば、峰の両側に溝を有する鋳造製金型であり、峰の硬度が金型深部よりも高い金型が得られる。

　本明細書が開示する技術の留意点を述べる。前述したように、鋳造品の硬度は溶湯の冷却速度に依存する。冷却速度は、溶湯のボリュームに対して表面積が大きいほど早くなる。本明細書が開示する技術は、意匠成形面におけるワークピース当接部分（峰）の両側に溝を設け、鋳造時に峰の冷却速度を促進することによって目的を達成する。ワークピースを折り曲げるための峰の頂角は、折り曲げる角度が小さいほど、大きくなる。例えば、図２Ａの符号Ａ１、図２Ｂの符号Ａ２が折り曲げ角度を示している。折り曲げ角度と峰の頂角の和は１８０度である。そのため、折り曲げ角度が小さいほど、峰の頂角が大きくなることが理解できる。峰の頂角が大きくなることは、峰部分の容積が大きくなることを意味するから、鋳造時の冷却速度が遅くなる。そのような場所にこそ、上記した溝を設ける効果が顕著に現れる。具体的には、折り曲げ角度が鋭角の場合に、対応する峰（即ち、頂角が９０度よりも大きい峰）の両側に溝を設けるとよい。別言すれば、頂角が鈍角の峰の両側に溝を設けることが好ましい。

　また、本明細書が開示するプレス用金型は、金属（アルミニウム、鉄など）の板材をプレス加工するための金型である。また、金型の形状は図１、図２の形状に限られない。本明細書が開示する技術は、鋳造プロセスで作られるプレス成形用金型であれば、如何なる形状の金型にも適用可能である。

　以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２、４：金型
２ａ、２ｂ、４ａ、４ｂ：溝
２ｃ、４ｃ：突条
２ｒ、４ｒ：峰
１２、１４：従来技術による金型

Claims (3)

1. 　プレス成形用の金型であり、
   　鋳造で作られており、
   　ワークピースを目的の形状に成形する際にワークピースを折り曲げるためにワークピースに当接する峰の両側に溝が設けられていることを特徴とする金型。
2. 　峰の内部のブリネル硬度が、金型深部のブリネル硬度の２倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の金型。
3. 　溝の深さが峰の幅以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の金型。

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