JP5418728B2 - 熱間プレス成形方法及び熱間プレス成形金型 - Google Patents
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Description
本発明は、金属板材の熱間プレス成形方法及び熱間プレス成形金型に関する。
近年、高張力鋼板を用いた自動車部品材等の鋼板成形手段として熱間プレス成形の採用が拡大している。熱間プレス成形は、鋼板を高温で成形することによって、変形抵抗が低い段階で成形し、その後、急冷させて焼入れ硬化させるものである。熱間プレス成形によれば、成形後の変形等の成形不具合を発生させることなく高強度で形状精度の高い部品等をプレス成形することができる。
具体的には、熱間プレス成形方法では、まず、予め加熱炉によって所定温度に加熱された鋼板をプレス金型に供給する。その後、下金型(ダイス)上に載置した状態又は下金型に内蔵したリフター等の治具により下金型から浮上した状態で上金型(ポンチ)を下死点まで降下させる。次いで、鋼板の冷却を一定時間(通常10秒から15秒間)行い、鋼板を所望の温度まで冷却する。そして、冷却が完了した成形後の鋼板がダイスから取り除かれると、所定温度に加熱された新しい鋼板がプレス金型に供給される。鋼板は、この冷却過程において、焼入れ、焼戻し等のいわゆる熱処理を施される。したがって、熱間プレス成形においては、鋼板の熱処理特性の観点から冷却速度を自在に制御すること、品質安定性の観点から鋼板全面において均一な冷却速度が得られること、また生産性の観点から鋼板成形後の冷却過程に要する時間を短縮することが重要である。
成形後の鋼板の冷却時間を短縮する手段として、金型に直接鋼板から熱を奪わせるのでは無く、他の媒体、例えば水を鋼板の表面に供給することが提案されている(例えば、特許文献1)。特に、特許文献1に記載の熱間プレス成形装置では、金型の内面に一定の高さの複数の独立した凸部が設けられると共に、金型の内面の複数個所に連通する水の流路が金型の内部に設けられる。これにより、凸部によって形成された金型内面と鋼板との間の隙間に金型内部の流路を通じて冷媒を流すことができる。このため、短時間で金属板材の冷却を行い、熱間プレス成形の生産性を高めることができる。また、この急冷による焼き入れにより鋼板の硬度が上昇し、成形品の強度を大幅に向上させることができる。
また、鋼板成形後の冷却過程に要する時間を短縮する手段として、冷媒を収容した収容容器をできるだけ鋼板の近くに配置することが提案されている(例えば、特許文献2)。特に、特許文献2に記載の金型は、冷媒を収容した収容容器と、収容容器に収容された冷媒を鋼板に供給する複数の供給孔と、収容容器と供給孔との間に設けられた冷媒の供給制御装置とを具備する。このように冷媒の収容容器が金型内に配置されることにより、冷媒の収容箇所と冷媒の供給箇所との間の距離を短くすることができる。これにより、制御装置に対して冷媒の供給指示が送信されてから直ぐに冷媒を鋼板に対して供給することができるようになり、鋼板のプレスから冷却工程終了までの時間を短縮することができる。
ところで、一般に液体の熱伝達率は気体の熱伝達率よりも高いため、プレス後に金属板材の冷却を行うための冷媒として液状の冷媒を用いた場合には気体状の冷媒を用いた場合に比して迅速に金属板材を冷却することができる。斯かる観点から、上記特許文献1、2のいずれにおいても冷媒としては液体、特に水が用いられている。
ところが、金属板材の冷却を行うのに液状冷媒を用いた場合、液状冷媒の供給停止後も金属板材の表面には液状冷媒が残った状態となる。斯かる液状冷媒は金属板材の表面全体に均一に残るわけではなく、局所的に金属板材の表面に付着した状態となる。この場合、液状冷媒が残っている領域では迅速な冷却が行われるのに対して、液状冷却が残っていない領域ではあまり冷却が行われない。このため、金属板材の冷却が不均一に行われることになり、結果的に金属板材の強度にムラが生じてしまう。また、液状冷媒として水等の腐食性の高い液体(金属等を腐食させ易い液体)を用いた場合、液状冷媒が金属板材の表面上に残っていると金属板材の腐食を招いてしまう。
このため、強度のムラや金属板材の腐食を抑制するためには、プレス後に行われる液状冷媒の供給停止時に金属板材の表面に付着している液状冷媒を、できるだけ早く除去することが必要とされる。
そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、液状冷媒の供給停止時に金属板材の表面に付着している液状冷媒をできるだけ早く除去することができる熱間プレス成形方法及び熱間プレス成形金型を提供することにある。
本発明者は、液状冷媒の供給停止時に金属板材の表面に付着している液状冷媒の除去に関して、様々な熱間プレス成形方法及び様々な熱間プレス成形金型について検討を行った。
その結果、熱間プレス成形用の金型に金属板材に対して流体を供給可能な複数の供給孔を設けると共に、この供給孔を介して金属板材の表面に対して液状冷媒を供給するだけでなく、気体を金属板材の表面に吹き付けるようにすることにより、液状冷媒の供給停止時に金属板材の表面に付着している液状冷媒を迅速に除去することができることを見出した。
その結果、熱間プレス成形用の金型に金属板材に対して流体を供給可能な複数の供給孔を設けると共に、この供給孔を介して金属板材の表面に対して液状冷媒を供給するだけでなく、気体を金属板材の表面に吹き付けるようにすることにより、液状冷媒の供給停止時に金属板材の表面に付着している液状冷媒を迅速に除去することができることを見出した。
本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は以下のとおりである。
(1)加熱された金属板材を第一金型と第二金型とからなる成形用金型を用いて成形する熱間プレス成形方法であって、加熱された金属板材を前記第一金型と前記第二金型との間に配置し、前記第一金型と前記第二金型とを接近させて両金型間に挟持された金属板材をプレスし、前記金属板材をプレスした後に、前記第一金型及び前記第二金型のうち少なくとも一方に設けられた複数の供給孔を介して、両金型間に挟持された金属板材の表面に液体状又はミスト状の冷媒を供給し、前記冷媒の供給を終了した後に前記複数の供給孔を介して気体を金属板材の表面に吹き付ける、熱間プレス成形方法。
(2)前記気体を金属板材の表面に供給する前に前記第一金型と第二金型とを離間させる、上記(1)に記載の熱間プレス成形方法。
(3)前記複数の供給孔に供給する前記冷媒と前記気体を切り替える流体切替手段が前記第一金型及び第二金型のうち少なくとも一方の内部に設けられる、上記(1)又は(2)に記載の熱間プレス成形方法。
(4)前記第一金型及び前記第二金型のうち少なくとも一方は、前記供給孔が設けられた外金型と、該外金型内で摺動可能に配置された内金型とを有し、前記外金型内に、該外金型と前記内金型との摺動面と、前記供給孔との間に配設された外側配管が設けられ、前記内金型内に、前記摺動面と冷媒供給源に連通される連通部との間に配設された第一内側配管と、前記摺動面と気体供給源に連通される連通部との間に配設された第二内側配管とが設けられ、前記流体切替手段は、前記外金型と前記内金型とを相対的に摺動させて前記外側配管と第一内側配管又は第二内側配管とを接続することにより前記複数の供給孔に供給する前記冷媒と前記気体を切り替える、上記(3)に記載の熱間プレス成形方法。
(5)前記冷媒が水または防錆油のいずれかである、上記(1)〜(4)のいずれか1つに記載の熱間プレス成形方法。
(6)加熱された金属板材のプレス及び冷却を行う熱間プレス成形金型であって、前記金属板材への流体の供給を行う供給孔が設けられた外金型と、該外金型内で摺動可能に配置された内金型とを具備し、前記外金型内に、該外金型と前記内金型との摺動面と前記供給孔の間に配設された外側配管が設けられ、前記内金型内に、前記摺動面と気体供給源に連通される連通部との間に配設された第一内側配管と、前記摺動面と気体供給源に連通される連通部との間に配設された第二内側配管とが設けられ、前記外側配管、第一内側配管及び第二内側配管は、前記外金型と前記内金型とを相対的に摺動させることで前記外側配管を少なくとも第一内側配管に接続した状態と第二内側配管に接続した状態との間で切り替えることができるように形成される、熱間プレス成形金型。
(7)前記外側配管、第一内側配管及び第二内側配管は、前記外金型と前記内金型とを相対的に摺動させることで前記外側配管を第一内側配管に接続した状態と、第二内側配管に接続した状態と、両内側配管に接続されていない状態との間で切り替えることができるように形成される、上記(6)に記載の熱間プレス成形金型。
(8)各外側配管の管路長さが等しい、上記(6)又は(7)に記載の熱間プレス成形金型。
(9)前記内金型及び前記外金型から構成される金型は、プレス成形用の上金型及び下金型の少なくともいずれか一方として用いられる、上記(6)〜(8)のいずれか1つに記載の熱間プレス成形金型。
(10)前記冷媒が水、防錆油及びこれらのミストのいずれかである、上記(6)〜(9)のいずれか1つに記載の熱間プレス成形金型。
(1)加熱された金属板材を第一金型と第二金型とからなる成形用金型を用いて成形する熱間プレス成形方法であって、加熱された金属板材を前記第一金型と前記第二金型との間に配置し、前記第一金型と前記第二金型とを接近させて両金型間に挟持された金属板材をプレスし、前記金属板材をプレスした後に、前記第一金型及び前記第二金型のうち少なくとも一方に設けられた複数の供給孔を介して、両金型間に挟持された金属板材の表面に液体状又はミスト状の冷媒を供給し、前記冷媒の供給を終了した後に前記複数の供給孔を介して気体を金属板材の表面に吹き付ける、熱間プレス成形方法。
(2)前記気体を金属板材の表面に供給する前に前記第一金型と第二金型とを離間させる、上記(1)に記載の熱間プレス成形方法。
(3)前記複数の供給孔に供給する前記冷媒と前記気体を切り替える流体切替手段が前記第一金型及び第二金型のうち少なくとも一方の内部に設けられる、上記(1)又は(2)に記載の熱間プレス成形方法。
(4)前記第一金型及び前記第二金型のうち少なくとも一方は、前記供給孔が設けられた外金型と、該外金型内で摺動可能に配置された内金型とを有し、前記外金型内に、該外金型と前記内金型との摺動面と、前記供給孔との間に配設された外側配管が設けられ、前記内金型内に、前記摺動面と冷媒供給源に連通される連通部との間に配設された第一内側配管と、前記摺動面と気体供給源に連通される連通部との間に配設された第二内側配管とが設けられ、前記流体切替手段は、前記外金型と前記内金型とを相対的に摺動させて前記外側配管と第一内側配管又は第二内側配管とを接続することにより前記複数の供給孔に供給する前記冷媒と前記気体を切り替える、上記(3)に記載の熱間プレス成形方法。
(5)前記冷媒が水または防錆油のいずれかである、上記(1)〜(4)のいずれか1つに記載の熱間プレス成形方法。
(6)加熱された金属板材のプレス及び冷却を行う熱間プレス成形金型であって、前記金属板材への流体の供給を行う供給孔が設けられた外金型と、該外金型内で摺動可能に配置された内金型とを具備し、前記外金型内に、該外金型と前記内金型との摺動面と前記供給孔の間に配設された外側配管が設けられ、前記内金型内に、前記摺動面と気体供給源に連通される連通部との間に配設された第一内側配管と、前記摺動面と気体供給源に連通される連通部との間に配設された第二内側配管とが設けられ、前記外側配管、第一内側配管及び第二内側配管は、前記外金型と前記内金型とを相対的に摺動させることで前記外側配管を少なくとも第一内側配管に接続した状態と第二内側配管に接続した状態との間で切り替えることができるように形成される、熱間プレス成形金型。
(7)前記外側配管、第一内側配管及び第二内側配管は、前記外金型と前記内金型とを相対的に摺動させることで前記外側配管を第一内側配管に接続した状態と、第二内側配管に接続した状態と、両内側配管に接続されていない状態との間で切り替えることができるように形成される、上記(6)に記載の熱間プレス成形金型。
(8)各外側配管の管路長さが等しい、上記(6)又は(7)に記載の熱間プレス成形金型。
(9)前記内金型及び前記外金型から構成される金型は、プレス成形用の上金型及び下金型の少なくともいずれか一方として用いられる、上記(6)〜(8)のいずれか1つに記載の熱間プレス成形金型。
(10)前記冷媒が水、防錆油及びこれらのミストのいずれかである、上記(6)〜(9)のいずれか1つに記載の熱間プレス成形金型。
本発明によれば、液状冷媒の供給停止時に金属板材の表面に付着している液状冷媒を迅速に除去することができ、その結果、成形される金属板材の強度のムラや金属板材の腐食を抑制することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
図1は、本発明の第一実施形態に係る熱間プレス成形装置1の構成を概略的に示す側面図である。図2は、熱間プレス成形装置1の構成を概略的に示す平面図である。
図1及び図2からわかるように、熱間プレス成形装置1は、鋼板Kを成形するための熱間プレス成形金型10と、熱間プレス成形金型10に冷媒(本実施形態では水)を供給する冷媒供給源11と、熱間プレス成形金型10に吹付け用の気体(例えば、圧縮空気)を供給する気体供給源12と、熱間プレス成形装置1の制御を行う制御部13とを具備する。
熱間プレス成形金型10は、下側の金型である下金型20と、上側の金型である上金型21とを有する。下金型20は、基台22上に配置されている。上金型21は下金型20の鉛直上方に下金型20に対向して配置され、昇降機構23により鉛直方向に昇降自在に構成されている。昇降機構23は、制御部13からの制御信号に基づいて昇降動作を行う。
下金型20には、鋼板Kに予め施されたプレピアス孔Pとの間で位置決めを行うための位置決めピン30が設けられる。位置決めピン30は、下金型20の内部を貫通して下金型20の上面から鉛直上方に突出するように配置される。
位置決めピン30の上端部は略円錐状に形成される。このため、略円錐状の上端部に鋼板Kのプレピアス孔Pを嵌め合わせることで、図1に破線で示すように、鋼板Kが支持されると共に位置決めされる。特に、位置決めピン30の上端部がほぼ円錐状であることにより、鋼板Kのプレピアス孔Pの大きさを適切に設定することで、鋼板Kが下金型20との間に所定の距離の隙間Hが設けられた状態で支持されるようにすることができる。
また、位置決めピン30は、下金型20に対して摺動自在とされ、また、図示しない付勢手段(例えば、ばね)を介して基台22の上面に支持される。このため、上金型21が降下して位置決めピン30を下に押し下げると、鋼板Kは位置決めピン30と共に下方に押し下げられる。
図3は下金型20を正面方向から見た場合の断面図、図4は下金型20を側面方向から見た場合の断面図である。図3及び図4に示したように、下金型20はプレス時に鋼板Kと接触する成形面20aを有する。下金型20の内部には、冷媒供給源11及び気体供給源12に連通する母管40と、母管40と成形面20aとの間で下金型20内を貫通する複数の配管41とが設けられる。このように構成された下金型20では、冷媒供給源11及び気体供給源12から供給された流体は、母管40及び配管41を介して鋼板Kの表面に供給される。したがって、配管41の成形面20a側の端部は、鋼板Kの表面に対して流体を供給する供給孔41aとして作用する。なお、図3に示した例では、図面を分かりやすくするために、供給孔41aは、下金型20の左右両側のみに設けられて中央部に設けられていないが、実際には中央部も含めて成形面20a全体に均等に配置されるのが好ましい。
また、下金型20の成形面20aには、図5に示すように、一定の高さの独立した複数の凸部42が鋼板Kと対向する領域の全面に亘って形成される。逆に言うと、下金型20の成形面20aには、凸部42間に形成された凹部が鋼板Kと対向する領域の全面に亘って形成される。これにより、上金型21によって鋼板Kの下面が下金型20の成形面20aに接触する位置まで押し下げられた際に、複数の凸部42間において成形面20aと鋼板Kの下面との間に隙間が形成されることになる。このため、この隙間に配管41から冷媒を供給することにより、鋼板Kを急冷することができる。
母管40は、図4に示すように、冷媒供給配管45を介して冷媒供給源11に連通すると共に、気体供給配管46を介して気体供給源12に連通する。冷媒供給配管45には弁体47が設けられ、気体供給配管46には弁体48が設けられる。弁体47及び弁体48はそれぞれ制御部13に接続されており、制御部13によって弁体47及び弁体48の開閉操作が行われる。したがって、冷媒供給配管45に設けられた弁体47を開閉することにより冷媒の供給及び停止の制御が行われ、気体供給配管46に設けられた弁体48を開閉することにより気体の供給及び停止の制御が行われる。
なお、図1、2、4に示した例では、冷媒供給配管45及び気体供給配管46にそれぞれ弁体47、48を設けている。しかしながら、冷媒供給配管45と気体供給配管46との合流部49に三方弁を設けて、母管40に供給する流体を制御するようにしてもよい。
また、本実施形態では、下金型20の成形面20aには、図3及び図4に示すように、供給孔41aを介して鋼板Kの表面に供給された冷媒等を吸引し、鋼板Kの表面周りの冷媒を排出する排気吸引孔50が設けられる。排気吸引孔50には、吸引管51が連通され、吸引管51は例えば真空ポンプ等の排気機構52に連通される。
なお、供給孔41aから供給された冷媒等が排気吸引孔50を介して円滑に排出されるためには、排気吸引孔50は大気圧以下であればよい。すなわち、例えば吸引管51の排気吸引孔50とは反対側の端部を大気開放していれば、鋼板Kの表面周りの余剰の冷媒は、金型の外に排出されることになる。このため、排気機構52は必ずしも設ける必要はない。
なお、本実施形態では、冷媒供給源11から供給される冷媒として水を用いているが、水以外にも錆止め機能を有する防錆油等、他の液状冷媒を用いることも可能であり、また、水や防錆油等のミスト等、ミスト状冷媒を用いることも可能である。また、本実施形態では、気体供給源12から供給される気体として圧縮空気を用いているが、これに限定するものではない。例えば、大気圧以上の圧力で供給される気体であれば、窒素ガス等、空気以外の気体を用いることも可能である。特に、気体供給源12から供給される気体として窒素を用いる場合、鋼板Kの周囲を非酸化性の雰囲気にすることができるので、鋼板Kの発錆をさらに抑制することができる。
次に、このように構成された熱間プレス成形装置1によって鋼板Kを熱間プレス成形する方法について説明する。
先ず、鋼板Kのプレス成形を開始するにあたり弁体47、48を閉じる。これにより、下金型20の配管41には冷媒も気体も供給されない状態となる。このような状態で、予め所定の温度(例えば、700℃〜1000℃)に加熱された鋼板Kを、搬送装置(図示せず)により、下金型20と上金型21との間に配置する。具体的には、下金型20の位置決めピン30にプレピアス孔Pが嵌るように鋼板Kを位置決めピン30上に載置する。
次いで、上金型21を下金型20に近接するように鉛直下方に移動させて、上金型21と下金型20との間に挟持された鋼板Kのプレスを行う。上金型21が下死点まで下降してプレスが完了すると、冷媒供給配管45に設けられた弁体47が開弁される。弁体47が開弁されると、冷媒供給源11から冷媒供給配管45、母管40、配管41、供給孔41aを介して、冷媒が鋼板Kの表面に供給される。これにより、鋼板Kの急冷が開始される。
そして、上金型21を下死点で一定時間保持し、鋼板Kの温度が例えば200℃以下まで冷却されると、次いで、冷媒供給配管45に設けられた弁体47が閉弁されると共に気体供給配管46に設けられた弁体48が開弁される。弁体48が開弁されると、気体供給源12から気体供給配管46、母管40、配管41、供給孔41aを介して、気体が鋼板Kの表面に吹き付けられる。このとき、各供給孔41aから供給される気体の圧力は、高すぎると加圧エネルギが高くなり、逆に低すぎると各供給孔41aから気体が均等に噴出しなくなるため、0.1〜1.0MPa、好ましくは0.3〜0.7MPa、より好ましくは0.4〜0.5MPaとされる。流量は、気体の圧力及びノズル形状から決まり、20〜2000mL/sec、好ましくは300〜1000mL/sec、より好ましくは400〜700mL/secとされる。
また、各供給孔41aから供給される気体の温度は、200℃以下とされ、好ましくは常温とされる。すなわち、鋼板Kは冷媒により200℃以下まで冷却されることにより焼き入れされた状態となっている。このため、200℃以上の気体を吹き付けると鋼板Kの温度が200℃以上となってしまい、鋼板Kが焼きなまされ、硬度が低下しまうことになる。
また、本実施形態では、弁体47の閉弁或いは弁体48の開弁に伴って、上金型21が上死点まで上昇せしめられる。このように上金型21が上昇すると、上金型21によって下方に押さえつけられていた位置決めピン30が上昇し、鋼板Kが下金型20の成形面20aから離間せしめられる。これにより、鋼板Kの下面と下金型20の成形面20aとの間には隙間が形成される。
そして、鋼板Kの表面への気体の吹付けにより鋼板Kの表面上の冷媒の除去が完了すると、成形後の鋼板Kは、搬送装置(図示せず)により位置決めピン30上から取り除かれ、熱間プレス成形装置1から搬出される。そして、加熱された新たな鋼板Kが、搬送装置(図示せず)により熱間プレス成形装置1の位置決めピン30上に載置され、この一連の熱間プレス成形が繰り返し行われる。
次に、上記実施形態に係る熱間プレス成形金型及び熱間プレス成形方法における効果について説明する。
上記実施形態によれば、同一の熱間プレス成形金型10上に鋼板Kが載置されている状態で、鋼板Kの表面に対して冷媒供給源11からの冷媒の供給及び気体供給源12からの気体の吹付けが行われる。このため、鋼板Kの表面への冷媒の供給を停止してから直ぐに鋼板Kの表面への気体の吹付けを行うことができる。このため、鋼板Kの表面に付着した冷媒を迅速に除去することができる。
なお、鋼板Kの表面に付着した冷媒を除去するのにかかる時間は、成形後の鋼板Kの温度、板厚(すなわち、鋼板Kの熱容量)に依存する。例えば、各供給孔41aから供給される気体の圧力を0.4MPa、流量を60〜70mL/sec、温度を常温とすると、板厚1.4mmの鋼板Kのプレス直後の温度が150℃程度の場合には、気体の吹付け開始から3秒程度で鋼板K上に付着した冷媒を除去することができる。また、板厚1.2mmの鋼板Kの場合には、気体の吹付け開始から7秒程度で鋼板K上に付着した冷媒を除去することができる。
このように鋼板Kの表面に付着した冷媒を迅速に除去することができるため、鋼板Kの表面上に冷媒が不均一に残ることのよる鋼板Kの不均一な冷却を抑制することができ、よって鋼板Kの強度にムラが生じてしまうのを抑制することができる。また、冷媒として水を用いた場合であっても、鋼板Kの表面上に残る冷媒によって発生する錆を抑制することができる。
また、熱間プレス成形金型10によるプレスの後に鋼板Kの表面に気体を吹き付けることにより、プレス等によって鋼板Kの表面に発生したスケールを除去することもできる。特に、鋼板Kの表面から冷媒が除去されて鋼板Kの表面が乾燥するとスケールが剥離しやすくなることから、本実施形態では、より効率的にスケールを除去することができる。
また、上記実施形態では、鋼板Kの表面に対して気体の吹付けを行う際に、隙間Hが形成される。このように隙間Hが形成されることにより、気体供給源12から供給孔41aを介して供給された気体を排出しやすくなり、鋼板Kの表面を通る気体の流速を高めることができる。これにより、鋼板Kの表面上に付着した冷媒を効率的に除去することができるようになる。なお、隙間Hは、短すぎると周囲の気体を巻き込みにくくなり、逆に長すぎると吹き付けた気体が拡散して吹付け効果が低下することから、1mm〜100mm程度とされ、好ましくは5〜20mmとされ、より好ましくは8〜15mmとされる。
次に、図6及び図7を参照して本発明の第二実施形態について説明する。第二実施形態の熱間プレス成形装置の構成は基本的に第一実施形態の熱間プレス成形装置1の構成と同様である。ただし、第二実施形態の熱間プレス成形装置では、下金型60の構成が第一実施形態の下金型20の構成と異なっている。
図6は、第二実施形態の熱間プレス成形装置で用いられる下金型60を概略的に示す、図3と同様な縦断面図であり、図7は、下金型60を概略的に示す、図4と同様な横断面図である。図6及び図7に示したように、下金型60は、鋼板Kと接触する成形面61aを有する外金型61と、外金型61の内側に外金型61に対して摺動自在に設けられた内金型71とを有する。本実施形態では、内金型71は、矩形の断面形状を有する。なお、図7においては図示の都合上、図7の横方向において外金型61を内金型71よりも僅かに短く描図している。
外金型61には、鋼板Kに接触する成形面61aから、外金型61と内金型71との摺動面63まで外金型61内を貫通する、複数の外側配管64が設けられる。外側配管64の成形面61a側の端部は、第一実施形態の供給孔41aと同様に、鋼板Kの表面に対して流体を供給する供給孔64aとして作用する。したがって、外側配管64は、供給孔64aと摺動面63との間に配設されているということができる。成形面61aには、第一実施形態の成形面20aと同様に、複数の凸部が形成される。
また、外金型61は、弾性体65を介して基台22上に支持される。弾性体65としては、例えば所定のストローク長さのばねが用いられる。このため、上金型21が降下して外金型61を押圧すると、外金型61は、摺動面63でガイドされながら下方に押し下げられる。外金型61と内金型71の摺動のためのガイド機構は、摺動面63とは別に設けられてもよい。
内金型71の内部には、複数の第一内側配管72と、複数の第二内側配管73と、複数の第一内側配管72及び冷媒供給源11に連通する第一母管74と、複数の第二内側配管73及び気体供給源12に連通する第二母管75とを具備する。第一内側配管72は、外金型61の外側配管64と同数であり、摺動面63から第一母管74まで内金型71内を貫通する。第二内側配管73も、外金型61の外側配管64と同数であり、摺動面63から第二母管75まで内金型71内を貫通する。
第一母管74は、図7に示すように、冷媒供給配管45を介して冷媒供給源11に連通し、よって冷媒供給源11に連通された連通部として作用する。一方、第二母管75は、気体供給配管46を介して気体供給源12に連通し、よって気体供給源12に連通された連通部として作用する。冷媒供給配管45には弁体47が設けられ、気体供給配管46には弁体48が設けられる。弁体47及び弁体48は第一実施形態と同様にそれぞれ制御部13に接続されており、制御部13によって弁体47及び弁体48の開閉操作が行われる。
各第二内側配管73の摺動面63側の端部は、外金型61が上金型21によって押圧されていない状態において、各外側配管64の摺動面63側の端部と整列するように配置される。逆に、各第一内側配管72の摺動面63側の端部は、外金型61が上金型21によって押圧されていない状態において、各外側配管64の摺動面63側の端部と整列しないように配置される。したがって、外金型61が上金型21によって押圧されていない状態においては、第二内側配管73のみ、すなわち気体供給源12のみが外側配管64に連通せしめられる。
一方、各第一内側配管72の摺動面63側の端部は、外金型61が上金型21により下死点まで押し下げられた状態において、各外側配管64の摺動面63側の端部と整列するように配置される。逆に、各第二内側配管73の摺動面63側の端部は、外金型61が上金型21により下死点まで押し下げられた状態において、各外側配管64の摺動面63側の端部と整列しないように配置される。したがって、外金型61が上金型21により下死点まで押し下げられた状態においては、第一内側配管72のみ、すなわち冷媒供給源11のみが外側配管64に連通せしめられる。
換言すると、本実施形態では、上金型21の動作と連動して外金型61と内金型71が相対的に摺動し、これにより外側配管64を第一内側配管72に接続した状態と、第二内側配管73に接続した状態との間で切り替えることができる。なお、金属面の摺り合わせだけでは冷媒の圧力に抗して冷媒の封止を行うことが困難である場合には、内側配管72、73の摺動面63側の端部、又は外側配管64の摺動面63側の端部にゴムリング等のシール部材を設けてもよい。
次に、このように構成された熱間プレス成形装置によって鋼板Kを熱間プレス成形する方法について説明する。
先ず、鋼板Kのプレス成形を開始するにあたり気体供給配管46に設けられた弁体48を閉弁させると共に冷媒供給配管45に設けられた弁体47を開弁させる。このとき、外金型61は、上金型21によって押圧されていないため、弾性体65により持ち上がった状態となっている。したがって、外側配管64は第二内側配管73と接続された状態となっている。このため、弁体47が開弁されても、冷媒供給源11からは第一内側配管72のみに所定圧力で冷媒が供給され、外側配管64には冷媒は供給されない。換言すると、第一内側配管72に供給された冷媒は、外金型61の摺動面63により閉止され、第一内側配管72の端部まで所定の圧力で充填された状態となる。一方、弁体48は閉弁されているため、第二内側配管73と外側配管64とが接続されていても、外側配管64には気体は供給されない。
次に、高温の鋼板Kを、搬送装置(図示せず)により下金型60の位置決めピン30上に載置する。次いで、上金型21を下金型60に近接するように鉛直下方に移動させて、例えば図8に示すように、下死点まで下降させる。これに伴って、鋼板Kと下金型60の外金型61が鉛直下方に押し下げられ、上金型21と下金型60との間に挟持された鋼板Kのプレスが行われる。
この際、外金型61が下死点まで押し下げられたことにより、外金型61の外側配管64は、内金型71の第二内側配管73との接続が遮断されると共に、第一内側配管72と接続される。これにより、第一内側配管72の端部まで充填されていた冷媒が、外側配管64から鋼板Kに直ちに供給され、鋼板Kのプレス直後に鋼板Kの急冷が開始される。
また、外金型61が下死点まで押し下げられたことにより外側配管64と第二内側配管73との接続が遮断されると、気体供給配管46に設けられた弁体48が開弁される。このため、第二内側配管73内に所定圧力の気体が供給される。換言すると、第二内側配管73に供給された冷媒は、外金型61の摺動面63により閉止され、第二内側配管73の端部まで所定の圧力で充填された状態となる。
そして、上金型21を下死点で一定時間保持し、鋼板Kの温度が例えば200℃以下まで冷却されると、次いで、上金型21を上死点まで上昇させる。上金型21が上死点まで上昇すると、下死点まで押し下げられていた外金型61は、外金型61を支持する弾性体65により鉛直上方に押し上げられる。その結果、外側配管64は、第一内側配管72との接続が遮断されると共に、第二内側配管73と接続される。このため、外側配管64からの鋼板Kへの冷媒の供給が直ちに停止せしめられる。加えて、第二内側配管73の端部まで充填されていた気体が、外側配管64から鋼板Kに直ちに供給され、冷媒の供給停止直後から鋼板Kへの気体の吹付けが開始される。このとき、供給孔64aから供給される気体の圧力等は第一実施形態と同様に設定される。
そして、鋼板Kの表面への気体の吹付けにより鋼板Kの表面上の冷媒の除去が完了すると、成形後の鋼板Kは、搬送装置(図示せず)により位置決めピン30上から取り除かれ、熱間プレス成形装置から搬出される。その後、加熱された新たな鋼板Kが、搬送装置(図示せず)により熱間プレス成形装置の位置決めピン30上に載置され、この一連の熱間プレス成形が繰り返し行われる。
次に、上記実施形態に係る熱間プレス成形金型及び熱間プレス成形方法における効果について説明する。
本実施形態によれば、各外側配管64と各第一内側配管72及び各第二内側配管73とは、外金型61と内金型71とを相対的に摺動させることにより接続・非接続が切替られる。したがって、本実施形態では、複数の供給孔64aに供給する流体を冷媒と気体との間で切り替える流体切替手段が下金型の内部に設けられているといえる。このため、各外側配管64と各第一内側配管72及び各第二内側配管73との接続・非接続との切替は、鋼板Kに対して流体(冷媒及び気体)を供給する供給孔64aに近い位置で行われる。換言すると、外金型61の成形面61aに近い位置、すなわち流体の供給対象である鋼板Kに近い位置で流体の供給・停止の制御を行うことができる。
このため、外金型61の摺動面63により第二内側配管73が閉止された状態で、気体を予め第二内側配管73に供給して第二内側配管73の端部まで気体を充満させ、その後、外金型61を押し上げて外側配管64と第二内側配管73とを接続させることができる。これにより、第二内側配管73に充填されていた気体を外側配管64から鋼板Kに対して速やかに吹き付けることができる。したがって、第一実施形態と比較して、鋼板Kの表面への冷媒の供給を停止してからより速やかに鋼板Kの表面への気体の吹付けを行うことができる。
同様に、外金型61の摺動面63により第一内側配管72が閉止された状態で、冷媒を予め第一内側配管72に供給して第一内側配管72の端部まで気体を充満させ、その後、外金型61を下死点まで押し下げて外側配管64と第一内側配管72とを接続させることができる。これにより、第一内側配管72に充填されていた冷媒を、外側配管64から鋼板Kに対して速やかに吹き付けることができる。
また、例えば図4に示す下金型60においては、例えば弁体47、48から、弁体47、48に最も近い供給孔41a(図4の右側の供給孔)までの総管路長と、弁体47、48に最も遠い供給孔41a(図4の左側の供給孔)までの総管路長とは、その長さが大きく異なったものとなる。このため、弁体47、48に近い位置と弁体47、48から遠い位置とでは、鋼板Kの冷却開始時期や気体の吹付け開始時期が異なったものとなる。これに対して、本実施形態の熱間プレス成形装置では、各外側配管64の摺動面63側の端部に弁体が設けられているのと同様の効果を得ることができるので、図4に示す下金型60と比較して、管路長の差を極めて小さいものとすることができる。
なお、外金型61の各外側配管64の管路の長さは、同一とすることが好ましい。各外側配管64の管路長を同一とすることで、外側配管64と内側配管72、73との接続から鋼板Kに冷媒や気体の供給が開始されるまでの時間が同一となる。この場合、鋼板Kの面内における冷却開始時期や気体吹付けの開始時期を均一化することができる。その結果、熱間プレス成形後の鋼板Kの硬度を面内均一にすることができる。
なお、第二実施形態の下金型60は様々な変更が可能である。以下に、下金型60の変更例を示す。
上記実施形態においては、弾性体65により支持された外金型61を上金型21により押し下げることにより、外金型61を内金型71に対して摺動させている。しかしながら、外金型61と内金型71とを相対的に摺動させることができれば、内金型71を摺動させてもよく、また、外金型61と内金型71との両方を摺動させてもよい。内金型71を摺動させる場合は、例えば図9に示すように、外金型61を基台22の上面に直接配置し、内金型71を例えばアクチュエータなどの駆動機構80により上下方向に摺動させればよい。この場合、鋼板Kのプレス終了時期と冷媒の供給開始時期とを個別に制御することができる。
また、駆動機構80を用いた場合には、外側配管64の摺動面63側の端部が第一内側配管72と接続された状態と、外側配管64の摺動面63側の端部が第二内側配管73と接続された状態とに加えて、外側配管64の摺動面63側の端部が第一内側配管72及び第二内側配管73のいずれとも接続されていない状態(すなわち、外側配管64の摺動面63側の端部が内金型71の内側壁面と対面している状態)との間で切替を行うようにすることも可能である。この場合、弁体47、48を配置する必要がなくなる。
また、上記実施形態においては、金型61、71を上下方向に摺動させて各外側配管64と各内側配管72、73とを接続した。しかしながら、各配管64、72、73の配置や金型61、71の相対的な摺動の方向についても本実施形態に限定されるものではなく、任意に設定可能である。例えば、金型61、71を水平方向に摺動させる場合には、図10に示すように、外金型61と内金型71を水平方向にずらして配置し、各外側配管64と対応する各内側配管72、73とを水平方向にずらしておく。そして、例えば内金型71を、水平移動機構85により水平方向に摺動させることで、第一内側配管72と外側配管64とを接続させたり、第二内側配管73と外側配管とを接続させたりすることができる。また、例えば内金型71を略円筒形状に構成し、内金型71を周方向に摺動させることで内側配管72、73と外側配管64とが接続されるように構成することもできる。
或いは、図11に示したように、内金型71に第二内側配管73及び第二母管75を設けずに第一内側配管72及び第一母管74のみを設けるようにしてもよい。この場合、第一母管74には、第一実施形態の母管40と同様に、冷媒供給源11及び気体供給源12の両方が連通せしめられる。内金型71をこのように構成した場合には、冷媒の供給開始は駆動機構80により外金型61に対して内金型71を摺動させることによって行われるが、気体の供給開始は弁体47、48の開閉を制御することによって行われる。
なお、上記実施形態においては、下金型60を外金型61と内金型71とにより構成したが、上金型21を外金型と内金型とにより構成してもよい。或いは、下金型60と上金型21の双方を、外金型と内金型とにより構成してもよい。また、外金型と内金型からなる金型は、プレス成形に用いる凸金型及び凹金型のいずれに用いてもよく、或いは凸金型と凹金型の両方に用いてもよい。
また、上記実施形態では、内金型71には各流体について一つの母管のみを設けていたが、各流体について複数の母管を設けてもよい。この場合、例えば、冷媒を例にとると、一部の母管についてのみ冷媒の供給を停止した時には、供給の停止された第一母管74に接続された第一内側配管72及び外側配管64からの冷媒の供給を停止し、残りの第一内側配管72及び外側配管64からの冷媒の供給は続けることができる。すなわち、冷媒の供給を選択的に停止させることができる。これにより、鋼板Kにおける冷媒が供給される部位を制御し、鋼板Kの面内において硬度を変化させることができる。
また、上記実施形態では、鋼板Kの熱間プレス成形について説明しているが、鋼板以外の金属板材の熱間プレス成形に用いることも可能である。
なお、本発明について特定の実施形態に基づいて詳述しているが、当業者であれば本発明の請求の範囲及び思想から逸脱することなく、様々な変更、修正等が可能である。
本発明は、鋼板を熱間プレス成形する際に有用である。
1 熱間プレス成形装置
10 熱間プレス成形金型
11 冷媒供給源
12 気体供給源
13 制御部
20 下金型
20a 成形面
21 上金型
22 基台
23 昇降機構
30 位置決めピン
40 母管
41 配管
42 凸部
60 下金型
61 外金型
63 摺動面
64 外側配管
71 内金型
72 第一内側配管
73 第二内側配管
74 第一母管
75 第二母管
K 鋼板
P プレピアス孔
10 熱間プレス成形金型
11 冷媒供給源
12 気体供給源
13 制御部
20 下金型
20a 成形面
21 上金型
22 基台
23 昇降機構
30 位置決めピン
40 母管
41 配管
42 凸部
60 下金型
61 外金型
63 摺動面
64 外側配管
71 内金型
72 第一内側配管
73 第二内側配管
74 第一母管
75 第二母管
K 鋼板
P プレピアス孔
Claims (10)
- 加熱された金属板材を第一金型と第二金型とからなる成形金型を用いて成形する熱間プレス成形方法であって、
加熱された金属板材を前記第一金型と前記第二金型との間に配置し、
前記第一金型と前記第二金型とを接近させて両金型間に挟持された金属板材をプレスし、
前記金属板材をプレスした後に、前記第一金型及び前記第二金型のうち少なくとも一方に設けられた複数の供給孔を介して、両金型間に挟持された金属板材の表面に液体状又はミスト状の冷媒を供給し、
前記冷媒の供給を終了した後に前記複数の供給孔を介して気体を金属板材の表面に吹き付ける、熱間プレス成形方法。 - 前記気体を金属板材の表面に供給する前に前記第一金型と前記第二金型とを離間させる、請求項1に記載の熱間プレス成形方法。
- 前記複数の供給孔に供給する前記冷媒と前記気体を切り替える流体切替手段が前記第一金型及び第二金型のうち少なくとも一方の内部に設けられる、請求項1又は2に記載の熱間プレス成形方法。
- 前記第一金型及び前記第二金型のうち少なくとも一方は、前記供給孔が設けられた外金型と、該外金型内で摺動可能に配置された内金型とを有し、
前記外金型内に、該外金型と前記内金型との摺動面と、前記供給孔との間に配設された外側配管が設けられ、
前記内金型内に、前記摺動面と冷媒供給源に連通される連通部との間に配設された第一内側配管と、前記摺動面と気体供給源に連通される連通部との間に配設された第二内側配管とが設けられ、
前記流体切替手段は、前記外金型と前記内金型とを相対的に摺動させて前記外側配管と第一内側配管又は第二内側配管とを接続することにより前記複数の供給孔に供給する前記冷媒と前記気体を切り替える、請求項3に記載の熱間プレス成形方法。 - 前記冷媒が水または防錆油のいずれかである、請求項1〜4のいずれか1項に記載の熱間プレス成形方法。
- 加熱された金属板材のプレス及び冷却を行う熱間プレス成形金型であって、
前記金属板材への流体の供給を行う供給孔が設けられた外金型と、
該外金型内で摺動可能に配置された内金型とを具備し、
前記外金型内に、該外金型と前記内金型との摺動面と前記供給孔の間に配設された外側配管が設けられ、
前記内金型内に、前記摺動面と気体供給源に連通される連通部との間に配設された第一内側配管と、前記摺動面と気体供給源に連通される連通部との間に配設された第二内側配管とが設けられ、
前記外側配管、第一内側配管及び第二内側配管は、前記外金型と前記内金型とを相対的に摺動させることで前記外側配管を少なくとも第一内側配管に接続した状態と第二内側配管に接続した状態との間で切り替えることができるように形成される、熱間プレス成形金型。 - 前記外側配管、第一内側配管及び第二内側配管は、前記外金型と前記内金型とを相対的に摺動させることで前記外側配管を第一内側配管に接続した状態と、第二内側配管に接続した状態と、両内側配管に接続されていない状態との間で切り替えることができるように形成される、請求項6に記載の熱間プレス成形金型。
- 各外側配管の管路長さが等しい、請求項6又は7に記載の熱間プレス成形金型。
- 前記内金型及び前記外金型から構成される金型は、プレス成形用の上金型及び下金型の少なくともいずれか一方として用いられる、請求項6〜8のいずれか1項に記載の熱間プレス成形金型。
- 前記冷媒が水、防錆油及びこれらのミストのいずれかである、請求項6〜9のいずれか1項に記載の熱間プレス成形金型。
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