JP2006289453A - プレス成形方法および成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱間プレス成形法において、成形工程を増やすことなく、成形高さの大きい部品を破断を起こすことなく成形できる熱間プレス成形方法及びその装置を提供することを課題とする。
【解決手段】 加熱された鋼板を成形金型によりプレス成形する熱間プレス成形方法において、鋼板の端面を押込み手段により鋼板の流入方向に押し込みつつプレス成形するものであり、また、ダイとパンチおよびブランクホルダーを少なくとも有し、加熱された鋼板を成形金型によりプレス成形する熱間プレス成形装置であって、鋼板の端面を鋼板の流入方向に押し込む押込み手段を備えるものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鋼板のプレス成形方法およびその成形装置に関する。

従来、ドアパネルやドアビームなどのような自動車部品は、鋼板や鋼管をプレスや溶接によって成形、製作されてきたが、近年、さらに軽量化や製作の効率化を目的として、鋼管を上下の金型に挿入し、この鋼管に流体による高内圧力を作用させると共に、鋼管をその軸方向に押し込む圧縮力を作用させて成形するハイドロフォーミング法や、鋼板を約９００℃以上に加熱した後、金型内に挿入し、成形と同時に金型内で焼き入れを行うダイクエンチ法などによる成型方法が開発されている。ハイドロフォーム法によれば、複数の部材を溶接して製作していた部材を一体成形により製作できるので、部品点数や溶接箇所を削減することができ、製造コストも低減できる。また、ダイクエンチ法によれば、1500ＭＰａ級の高強度の部品をプレスにより成形でき、スプリングバックが少なく、遅れ破壊の発生しにくい部品を少ないプレス力で得ることが出来る。

プレス成型時の鋼板の変形抵抗を少なくし、成型時の破断や亀裂の発生を防止するために、熱間でプレスすることが広く行われているが、通常の熱間プレス成形では、成形時の材料強度が低くなっているため、縦壁、すなわちプレス軸の方向に平行な方向の鋼板面、の破断耐力が低下しており、深絞り成形は困難であった。このため、成形対象とするのはプレスストローク方向の成形長さ、すなわち成形ストローク、の短い形状の部材に限られ、或いはまた、成形時に鋼板を押さえるブランクホルダーを使用しないで成形する方法もあるが、ブランクホルダーを使用しない場合は、成形時の材料の流動が規定されず、安定した成形形状を得ることが出来ないと言う問題がある。
また、上記のダイクエンチ法に関連して、特許文献１には、加熱された鋼板を成形型によりブレス成形すると同時に冷却して焼き入れされた成型品を得る際に、成形型に投入された加熱鋼板を成形型に接触させることなく成形型内で鋼板保持手段により保持し、成形型の成形開始作動に応じて鋼板保持手段を解除して成形する方法が開示されている。これによれば、加熱された鋼板がプレスされる際に金型に接触して温度の不均一か生じ、均一な焼き入れが行われないという欠点を解消している。
特開２００３−１４５２２４号公報

本発明は、上述の問題点に鑑み、鋼板のプレス成形法において、成形工程を増やすことなく、成形高さの大きい部品を破断を起こすことなく成形できるプレス成形方法及びその装置を提供することを課題とする。なお、本発明は、熱間プレスだけでなく、温度にかかわらず冷間プレスも対象とする。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。
本第１発明は、鋼板をダイとパンチおよびブランクホルダーを少なくとも有する成形金型によりプレス成形する方法において、鋼板の端面を押込み手段により鋼板の流入方向に押し込みつつプレス成形することを特徴とする。
本第２発明は、本第１発明において、鋼板を500〜1000℃に加熱した後、前記鋼板の端面を前記押し込み手段により、鋼板の流入方向に押し込みつつプレス成形することを特徴とする。

本第３発明は、鋼板をプレス成形するダイとパンチおよびブランクホルダーを少なくとも有するプレス成形装置において、鋼板の端面を鋼板の流入方向に押し込む押込み手段を備えることを特徴とする。

本第４発明は、本第３発明に記載のプレス成形装置において、前記押し込み手段は、前記ブランクホルダーと前記ダイとの間隙を前記鋼板の流入方向に進退する押し込み部材とこの押し込み部材を進退させるシリンダーからなることを特徴とする。
本第５発明は、本第３発明に記載のプレス成形装置において、前記押し込み手段は、前記ダイおよびブランクホルダーの対向する面に、外側面から内側面に向かって前記鋼板の流入方向に設けられた貫通孔と、この貫通孔内を進退する押し込み部材と、この押し込み部材を進退させるシリンダーとからなることを特徴とする。

本第１及び第３の発明によれば、プレス成形において鋼板が流入方向に強制的に押し込まれるので成形時の鋼板の縦壁に発生する引張応力を低減でき、鋼板の破断耐力を超えることがないので、高強度の鋼板であっても安定した深絞り成形が可能となる。
本第２の発明によれば、熱間でプレス成形することにより、上記の効果に加えて、プレス成形後、高強度（引張強さ490〜1500MPa級）の成形品を容易に得ることができる。

本第４の発明によれば、本第３の発明の効果に加えて、簡潔な手段によって鋼板の端面を押し込むことができる。
本第５の発明によれば、本第３の発明の効果に加えて、プレスする鋼板が薄く、ダイとブランクホルダーとの間隙が小さい場合でも、確実に鋼板の端面を押し込むことができる。

以下、本発明を実施形態の図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態のプレス成形装置を示す断面模式図であり、（ａ）は鋼板をセットした状態を、（ｂ）は、その成形途中の状態をそれぞれ示している。
図１（ａ）、（ｂ）において、プレス成形装置１は、ポンチ２、ダイ３および、ブランクホルダー４を有しており、ポンチ２はインナースライド５に、ブランクホルダー４はアウタースライド６にそれぞれ連結支持されている。また、インナースライド５、アウタースライド６はハウジング（図示せず）に昇降可能に設けられている。なお、図１においてポンチ２は上下方向に作動し、プレスストローク方向は上下方向とする。

本発明の成形装置は鋼板押し込み手段８を備えており、シリンダー９とシリンダー９の作動部９ｂの先端に取りつけられた押し込み部材としての押し込みプレート１０とを有している。
押し込みプレート１０は、被加工材である鋼板７がブランクホルダー４とダイ３との間にセットされ、固定された状態で形成されるブランクホルダー４とダイ３との間隙に沿って、鋼板の流入する方向（紙面の左右から中心側の方向）に進退可能に設けられる。

すなわち、シリンダー９は作動部９ｂの作動によって、その先端に連結された押し込みプレート１０を押し、鋼板の端面に鋼板の流入方向にほぼ一致する方向の押し込み力を与える。
このシリンダー９は、シリンダーの作動力を押し込み力として効率的に鋼板に伝えるために、その進退軸の方向がプレスストロークの方向に直交する面内となるように設けることが好ましい。
ここで、鋼板の流入方向とは、ダイ３にセットされた鋼板がダイ３の凹部に押し込まれる際に移動する方向を言う。

なお、押し込みプレート１０の先端は、押し込み作動時においては鋼板の端面に接触するようにすればよく、その形状は特に限定するものではないが、鋼板７と押し込みプレート１０との接触部における押し込みプレート１０の先端形状は、その接触部の幅方向および厚さ方向において、鋼板７端面の幅方向及び厚さ方向の形状（平面形状及び断面形状）に倣うようにすることが好ましい。
このような形状とすることによって、押し込みプレート１０を進退させるシリンダー９による押し込み力を押し込みプレート１０を介して鋼板の流入方向に効率的に伝えることができる。

すなわち、図１（ｂ）に示すように、プレス成形の進行によってポンチ２が下降し、ダイ３の凹部に進入するにつれて、鋼板７がプレスストローク方向に引っ張られて、ダイ３の凹部に流入する。その際、この鋼板７の端面に押し込みプレート１０を介して押し込み力を与え、ダイ３の凹部への鋼板７の流入を促進するものである。
これによって、プレスストローク方向の鋼板、すなわち鋼板７の縦壁に加わる引張応力が緩和され、鋼板７が過度に引っ張られて板厚が薄くなり、鋼板７の破壊耐力を超えることがなく、形状の安定した深絞り成形が可能となる。

なお、押し込みプレート１０の形状は、上述のように、プレス成形過程において鋼板７の端面に接触し、押し込み力を与え得るような形状とすればよいが、その厚さｔは、鋼板７が固定された状態で形成されるブランクホルダー４とダイ３との間隙ｇに沿って、鋼板７の流入方向に進退可能な厚さ、すなわち、この間隙ｇ未満とする。
また、押し込みプレート１０の流入方向の長さｌは、成形終了時点での鋼板７の端面の位置とダイ３及び／またはブランクホルダー４の外側面の位置との間隔以上とすることが好ましい。これにより、所要の押し込みプレート１０の進退動作において、押し込みプレート１０の後端とシリンダー９の作動部９ｂの接続部がダイ３及び／またはブランクホルダー４の外側面に接触して、それ以上の進退が確保できず、所要の押し込み力を鋼板の端面に与えられなくなることがない。

図２は、本発明の一実施形態のプレス成形装置におけるプレス成形の一例を示す斜視図であり、（ａ）は押し込み前の状態を、（ｂ）は押し込み動作状態をそれぞれ示している。
この例では、プレス成形装置において、直方体状のポンチ（図示せず）を用い、上面視がほぼ矩形の鋼板７を直方体状の凹部を持つダイとブランクホルダー（いずれも図示せず）との間に挟持して、プレス成形により、図２（ｂ）に示すような樋状の成形物１４を成形するものである。

この例の場合、鋼板７の対向する２つの幅方向の端面は、プレス成形過程においてダイとブランクホルダーとの間において、ダイ面上に平行で、ダイ凹部に向いた方向に流れる。このとき、ダイ面に平行で成形品のフランジ部２０ａ、２０ｂが残る両側に対向して設けた矩形の押し込みプレート１０とシリンダ９を備えた２組の鋼板押し込み手段８、８の２つの押し込みプレート１０は、それぞれシリンダー９の作動によって鋼板７の幅方向（図２（ｂ）におけるフランジ２０ａ、２０ｂの長手方向）の端面に接触し、この端面に対して、ダイ面に平行する方向の押し込み力、すなわち、鋼板に流入方向Ｆの押し込み力、を作用させ、プレス成形する。

この押し込み力によって、プレス成形の際にプレスストローク方向、すなわち鋼板７の縦壁に加わる引張応力が緩和され、鋼板７が過度に引っ張られて板厚が薄くなり、鋼板７の破壊耐力を超えることがなく、成形高さの大きい上面視が矩形の開口部を有する樋状成形物１４などの深絞り成形が可能となる。

図３は、本発明の一実施形態のプレス成形装置におけるプレス成形の他の例を示す斜視図であり、（ａ）は押し込み前の状態を、（ｂ）は押し込み動作状態をそれぞれ示している。
この例では、プレス成形装置において、直方体状のポンチ（図示せず）を用い、上面視がほぼ矩形の鋼板７を直方体状の凹部を持つダイとブランクホルダー（いずれも図示せず）との間に挟持して、プレス成形により、図３（ｂ）に示すような筒状の成形物１５を成形するものである。

この例の場合、鋼板７のそれぞれ対向する２組の端面（４つの端面）は、プレス成形過程においてダイとブランクホルダーとの間隙を、それぞれ対向する２組の流入方向（４つの流入方向）、すなわち、鋼板セット時の端面からダイ凹部に向けた方向に流れる。このとき、成形品の直片部となる４方向からダイ面に平行な方向において２つの方向で対向するように設けた矩形の押し込みプレート１０とシリンダー９を備えた４組の鋼板押し込み手段８，８，８，８の４つの押し込みプレート１０は、それぞれシリンダー９の作動によって鋼板７の端面に接触し、この端面に対してダイ面に平行な方向の押し込み力、すなわち、鋼板の流入方向Ｆの押し込み力、を与えてプレス成形する。

この押し込み力によって、プレス成形の際にプレスストローク方向、すなわち鋼板７の縦壁に加わる引張応力が緩和され、鋼板７が過度に引っ張られて板厚が薄くなり、鋼板７の破壊耐力を超えることがなく、筒状の成形物１５の深絞り成形が可能となる。

図４は、本発明の一実施形態のプレス成形装置におけるプレス成形の他の例を示す斜視図であり、（ａ）は押し込み前の状態を、（ｂ）は押し込み動作状態をそれぞれ示している。
この例では、プレス成形装置において、上面視で角錐台状のポンチ（図示せず）を用い、上面視でほぼ台形状の鋼板７を上面視で台形状の開口部（凹部）を有するダイと、少なくとも鋼板の台形の斜辺側を押さえるブランクホルダー（いずれも図示せず）との間に挟持して、プレス成形により、図４（ｂ）に示すような樋状の成形物１６成形するものである。

この例の場合、図４（ｂ）に示すように、鋼板７の２つの斜辺の端面は、プレス成形過程においてダイとブランクホルダーとの間隙を、２つの流入方向、すなわち、ダイ面に平行な方向でダイ凹部に向った方向に対向するように流れる。このとき、ダイ面に平行な方向に対向して設けた矩形の押し込みプレート１０とシリンダ９を備えた２組の鋼板押し込み手段８、８の２つの押し込みプレート１０は、それぞれシリンダー９の作動によって台形状の鋼板７の斜辺の端面に接触し、この端面にダイ面に平行な方向の押し込み力、すなわち、鋼板フランジ部に流入方向Ｆの押し込み力、を与えてプレス成形する。

この押し込み力によって、プレス成形の際にプレスストローク方向、すなわち鋼板７の縦壁に加わる引張応力が緩和され、鋼板７が過度に引っ張られて板厚が薄くなり、鋼板７の破壊耐力を超えることがなく、上面視で台形状の開口部を有する樋状成形物１６の深絞り成形が可能となる。
なお、この例において、鋼板７の端面と接触する押し込みプレート１０の端面は、鋼板７の端面形状に倣う形状となっており、押し込み力の鋼板への伝達がより効率的である。

図５は、本発明の他の実施形態のプレス成形装置における鋼板のプレス成形を示す斜視図であり、（ａ）は鋼板をセットした状態を、（ｂ）は成形途中の状態をそれぞれ示している。
この実施形態においては、図１〜図４示した鋼板押し込み手段と異なり、押し込み部材としての押し込みプレート１０の代わりに、押し込みプレートよりも厚さ（径）が大きい円筒状の押し込み部材１１としたものである。すなわち、押し込み部材１１の厚さ（径）ｄは、鋼板をブランクホルダーとダイとの間に挟持した際に形成される間隙ｇよりも大きいものとなっている。

このような押し込み部材１１としては、例えば、シリンダー作動部９ｂ自体、或いはシリンダーの作動部９ｂにシリンダーの軸方向の延長部、或いは外周に補強部を設けて、押し込み部材１１としてもよい。図５の実施例の場合は、シリンダーの作動部自体を径ｄの大きくして、鋼板の端面への接触を大きくしたものである。

上述のように、押し込み部材１１の径ｄは、鋼板７をブランクホルダーとダイとの間に挟持した際に形成される間隙ｇよりも大きいため、図５（ａ）に示すように、ブランクホルダーとダイとの対向する面には、円筒状の押し込み部材１１が進退できるように貫通孔１２が形成されている、この貫通孔１２は、上記の円筒状押し込み部材１１が進退できる内径を有するものであればよく、鋼板７を挟持した際にダイとブランクホルダーとの間に形成される間隙と併せた内径が円筒状押し込み部材１１の径ｄを超えていればよい。

このため、例えば、ダイとブランクホルダーの対向する面には、ダイおよびブランクホルダーの外側面から内側面に向かって鋼板の流入方向、すなわちダイ面に平行な方向に、貫通溝１３ａ、１３ｂが設けられている。
ダイおよびブランクホルダーの外側面からの貫通溝１３ａ、１３ｂの長さは、円筒状押し込み部材１１がプレス成形の完了時において、少なくとも鋼板７の端面に接しうる位置までとすればよく、鋼板７のサイズ、押し込み部材１１の長さ、シリンダーのストロークなどを勘案して決めればよい。

これによって、被加工材の鋼板が薄く、ダイとブランクホルダーとの間隙が小さい場合でも、押し込み材を介して確実に鋼板の端面に押し込み力を与えることができるので、多様な鋼板の深絞り成形が可能となる。

本発明は、第２発明として記載したように、いわゆる熱間プレス成形にも適用できる。その際、鋼板の加熱温度は成形時の変形抵抗を低減するため500℃以上とし、加熱時のスケール生成を抑制し、金型への焼付を防止する観点から1000℃以下とする。
プレス成形後は、金型内で保持して焼き入れてもよいし、金型内に冷却媒体を導入して焼き入れしてもよい。またプレス成形後、型から取出して放冷または冷却手段により冷却しても良い。

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。
（実施例１）

材料として、260(圧延方向)×300ｍｍ、厚さ1.6ｍｍの440MPa級冷延鋼板を用いた。金型はメンバー用で、パンチは幅が80ｍｍ、高さが80mm、肩Rが5ｍｍ、ダイスは幅が84ｍｍ、肩Rが8ｍｍを用い、しわ押さえ力を1000[kN]とした。本発明例として、図２に示すように金型の両側にシリンダを設置し、押し込みプレートによって金型上に設置した被加工材の端面を押し込める構造とした。シリンダーは最大荷重500[kN]、ストローク最大100mmのものを用いた。本発明では、パンチの押し込みと同時にシリンダに一定荷重150[kN]が加わるように荷重で制御して、成形加工した。その結果、割れもしわもない成形品を得ることが出来、縦壁の中央部の板厚を測定したところ、板厚減少率が10%以内に入っており、安定的な成形が可能であることが判った。
一方、比較例ではプレス加工中にシリンダと押し込みプレートを使用せずに、本発明例と同条件にて加工したところ、割れが発生して良成形品は得られなかった。
（実施例２）

材料として、250(圧延方向)×250ｍｍ、厚さ0.7ｍｍの440MPa級冷延鋼板を用いた。金型は角筒絞り用で、パンチ寸法は120×120ｍｍ、高さが80mm、肩Rが5ｍｍ、ダイスは122×122ｍｍ、肩Rが6ｍｍを用い、しわ押さえ力を500[kN]とした。本発明例として、図３に示すように金型の外側４方向にシリンダを設置し、押し込みプレートによって金型上に設置した被加工材の端面を押し込める構造とした。シリンダは最大荷重200[kN]、ストローク最大80mmのものを用いた。本発明では、パンチの押し込みと同時にシリンダに一定荷重50[kN]が加わるように荷重で制御して、成形加工した。その結果、割れもしわもない成形品を得ることが出来、縦壁の中央部の板厚を測定したところ、板厚減少率が10%以内に入っており、安定的な成形が可能であることが判った。
一方、比較例ではプレス加工中にシリンダと押し込みプレートを使用せずに、本発明例と同条件にて加工したところ、割れが発生して良成形品は得られなかった。
（実施例３）

材料として、260(圧延方向)×300ｍｍ、厚さ1.6ｍｍの熱間プレス用鋼板を用いた。ここで用いた熱間プレス用鋼板は高い焼き入れ性により、あらかじめ炉でオーステナイト域に加熱した後にプレス時に冷却されることで、プレス成形品の到達強度が1500MPa以上となる鋼板である。金型はメンバー用で、パンチは幅が80ｍｍ、高さが80mm、肩Rが5ｍｍ、ダイスは幅が84ｍｍ、肩Rが8ｍｍを用い、しわ押さえ力を200[kN]とした。本発明例として、図１に示すように金型の両側にシリンダを設置し、押し込みプレートによって金型上に設置した被加工材の端面を押し込める構造とした。シリンダは最大荷重500[kN]、ストローク最大100mmのものを用いた。本発明では、被加工材をあらかじめ電気炉で摂氏約900℃に加熱しておき、熱間の状態で金型に設置後、パンチの押し込みと同時にシリンダに一定荷重75[kN]が加わるように荷重で制御して、成形加工した。その結果、割れもしわもない成形品を得ることが出来、縦壁の中央部の板厚を測定したところ、板厚減少率が10%以内に入っており、安定的な成形が可能であることが判った。
一方、比較例ではプレス加工中にシリンダと押し込みプレートを使用せずに、本発明例と同条件にて加工したところ、割れが発生して良成形品は得られなかった。

本発明の一実施形態の熱間プレス成形装置を示す断面模式図であり、（ａ）は、鋼板をセットした状態を、（ｂ）は成形途中の状態をそれぞれ示す。 本発明の一実施形態の熱間プレス成形装置におけるプレス成形の一例を示す斜視図であり、（ａ）は押し込み前の状態を、（ｂ）は、押し込み動作状態をそれぞれ示す。 本発明の一実施形態の熱間プレス成形装置におけるプレス成形の他の例を示す斜視図であり、（ａ）は押し込み前の状態を、(ｂ)は押し込み動作状態をそれぞれ示す。 本発明の一実施形態の熱間プレス成形装置におけるプレス成形の他の例を示す斜視図であり、（ａ）は押し込み前の状態を、(ｂ)は押し込み動作状態をそれぞれ示す。 本発明の他の実施形態の熱間プレス成形装置を示す斜視図であり、（ａ）は鋼板をセットした状態を、（ｂ）は成形途中の状態をそれぞれ示す。

符号の説明

1 熱間プレス成形装置
2 ポンチ
3 ダイ
4 ブランクホルダー
5 インナースライド
6 アウタースライド
7 被加工材（鋼板）
8 押し込み手段
9 シリンダー
9ａ シリンダー基部
9ｂ シリンダー作動部
10 押し込み部材（押込みプレート）
11 押し込み部材（シリンダー作動部）
12 貫通孔
13ａ、13ｂ 貫通溝
14 プレス成型品
15 プレス成型品
16 プレス成型品
20ａ フランジ
20ｂ フランジ
F 押し込み方向（流入方向）
ｔ 押し込み部材の板厚
ｄ 押し込み部材の径
ｌ 押し込み部材（押し込みプレート）の長さ
ｗ 押し込み部材（押し込みプレート）の幅
ｇ 間隙

Claims (5)

1. 鋼板をダイとパンチおよびブランクホルダーを少なくとも有する成形金型によりプレス成形する方法において、鋼板の端面を押込み手段により鋼板の流入方向に押し込みつつプレス成形することを特徴とするプレス成形方法。
2. 鋼板を500〜1000℃に加熱した後、前記鋼板の端面を前記押込み手段により鋼板の流入方向に押し込みつつプレス成形することを特徴とする請求項１記載のプレス成形方法。
3. 鋼板をプレス成形するダイとパンチおよびブランクホルダーを少なくとも有するプレス成形装置において、鋼板の端面を鋼板の流入方向に押し込む押込み手段を備えることを特徴とする熱間プレス成形装置。
4. 前記押し込み手段は、前記ブランクホルダーと前記ダイとの間隙を前記鋼板の流入方向に進退する押し込み部材と、この押し込み部材を進退させるシリンダーからなることを特徴とする請求項３に記載の熱間プレス成形装置。
5. 前記押し込み手段は、前記ダイおよびブランクホルダーの対向する面に、外側面から内側面に向かって前記鋼板の流入方向に設けられた貫通孔と、この貫通孔内を進退する押し込み部材と、この押し込み部材を進退させるシリンダーからなることを特徴とする請求項３に記載の熱間プレス成形装置。

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