JP6022229B2 - ホットスタンピング成形用金型及びその製作方法 - Google Patents

Description

本発明は、ホットスタンピング成形用金型及びその製作方法に係り、より詳しくは、鋼板を高温状態で成形して超高強度の製品を成形するホットスタンピング成形時、冷却水を円滑に流動させて、冷却速度及び冷却性能を向上させるホットスタンピング成形用金型及びその製作方法に関する。

一般に、金型は、プラスチック製品を生産する射出金型、鉄板を用いて製品を作り出すプレス金型、金属を溶かしてプラスチックのように作り出すダイカスト金型など多様に分けられる。このような金型は、製品の円滑な生産のために、通常、可動金型と固定金型に分けられる。
特に、車両用製品製造に当たっては、製品の設計と併せて金型設計も必要であり、多くの金型が使用される。
一方、最近、自動車産業は車両の衝突性能の向上による安全性の確保が求められている。したがって、完成車メーカーは車両軽量化及び高強度の車体を実現するために、トリップ（Ｔｒｉｐ）鋼、ＤＰ鋼、アルミニウム及びマグネシウム合金鋼板などの素材を用いたり、テーラードブランク溶接（ＴＷＢ）、ハイドロフォーミング、ホットスタンピングなどの新技術を用いて車体を製作するために多様な研究を行っている。

ここで、ホットスタンピング成形とは、車体製造時、剛性は維持しながら、軽量化を図るために、鋼板を高温状態で成形するパネルの成形方法である。ホットスタンピング成形は、素材を高温に加熱後、プレス成形し、金型自体を冷却して、高強度の部品を生産する。
このようなホットスタンピング（ｈｏｔ ｓｔａｍｐｉｎｇ）成形はブランク（ｂｌａｎｋ）をＡｃ３変態点（ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｏｉｎｔ）以上の温度に加熱して、完全オーステナイト化した後、成形と同時に金型内で急冷して、高強度のマルテンサイトに変態させる過程からなる。

ホットスタンピングによって製造される車体部品は、引張強度が１５００ＭＰａ以上の高い剛性を維持して、自動車の衝突性能（ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）向上による乗客の高い安全性を確保することができる。
従来は、ホットスタンピング成形時に用いられる金型に冷却水を供給するために、金型に冷却水が流動する冷却水ホールを直接加工していた。しかし、外形が複雑な製品を製作するための金型には冷却水ホールの加工自体が難しく、ホール加工に長時間要する問題点があった。

また、従来は、金型の急速な冷却のために金型に多数の冷却水ホールを加工する場合、金型の強度が低下するにつれて、金型の急速な温度変化時、金型の収縮や変形によって金型にクラックや破損が発生する問題があった。そのため、金型内部で流動する冷却水が漏れるなどの問題点もあった。
また、金型の内部で流動する冷却水流動ラインの設計と製作及び検証が実際モデリングを通じて行われるため、初期投資費用と製品開発に要する時間が増加する。したがって、新製品の設計段階で金型の最適の冷却方法の導出が求められているのが実情である。

特開２００５−２４８２５３号公報

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、本発明が解決しようとする課題は、ホットスタンピング工法を用いたパネルの成形時、成形が完了したパネルの冷却が迅速に進められるように冷却水の流動を円滑にし、熱伝導率を向上させるホットスタンピング成形用金型及びその製作方法を提供することである。

上記目的を達成するための本発明のホットスタンピング成形用金型は、冷却水が供給され、排出できるベースプレートと、ベースプレートの一面に取り付けられ、ベースプレートから冷却水を供給され、冷却水がその内部で流動するようになっており、製品の外形下部を形成するように製品の外形下部と同一形状に形成される少なくとも一つ以上の下部金型と、下部金型と異なる素材で製作され、下部金型の上部に結合され、製品の外形上部を形成するように製品の外形上部と同一形状に形成され、下部金型から冷却水を供給され、冷却水がその内部で流れるようになっている上部金型と、を含むことを特徴とする。

下部金型と上部金型は、拡散接合方法によって相互結合されることを特徴とする。

下部金型は、その上面と下面を流体が流れるように連通する流入ホールと排出ホールとを含み、下部金型は、流入ホールを介してベースプレートから冷却水を供給され、排出ホールを介して冷却水をベースプレートに排出することを特徴とする。

下部金型は、その上面に形成されており、冷却水が貯蔵されるように流入ホールを及び／又は排出ホールと連結される少なくとも一つ以上の貯蔵溝を含むことを特徴とする。

上部金型は、その下面に幅方向に沿って形成される少なくとも一つ以上の冷却水流動溝を含むことを特徴とする。

複数個の冷却水流動溝は、上部金型の長さ方向に沿って設定間隔で離隔するように形成されることを特徴とする。

下部金型は、熱間金型鋼素材で製作されることを特徴とする。

上部金型は、高熱伝達率の金型鋼素材で製作されることを特徴とする。

下部金型と上部金型は、相互結合された状態で製品の外形と同一の外形を有するように加工されることを特徴とする。

また、本発明は、ホットスタンピング成形用金型の製作方法であって、材質がそれぞれ異なる素材で下部金型と上部金型の素材を準備するステップと、下部金型と上部金型の内部を加工するステップと、下部金型の上部に上部金型を配置させた後、下部金型と上部金型とを拡散接合するステップと、相互結合された下部金型と上部金型の外形を荒削り加工するステップと、相互結合された下部金型と上部金型を熱処理するステップと、熱処理が完了された下部金型と上部金型をベースプレートに組み立てるステップと、ベースプレートに組み立てられた下部金型と上部金型の外形を仕上げ加工するステップと、を含むことを特徴とする。

下部金型と上部金型の拡散接合ステップは、真空状態で行われることを特徴とする。

下部金型と上部金型の内部を加工するステップは、下部金型の上面と下面を流体が流れるように連通する流入ホールと排出ホールを下部金型に加工するステップを含むことを特徴とする。

下部金型と上部金型の内部を加工するステップは、流入ホールを及び／又は排出ホールと連結される少なくとも一つ以上の貯蔵溝を下部金型の上面に加工するステップをさらに含むことを特徴とする。

下部金型と上部金型の内部を加工するステップは、少なくとも一つ以上の冷却水流動溝を上部金型の下面に幅方向に沿って形成するステップをさらに含むことを特徴とする。

本発明のホットスタンピング成形用金型によれば、ホットスタンピング工法を用いたパネルの成形時、成形が完了したパネルの冷却が迅速に進められるように冷却水の流動を円滑にして、冷却性能を向上させることができる。
また、製品の冷却時、金型における変形及びクラックの発生を未然に防止して、耐久性を向上させることができる。
また、成形された製品の冷却時、複数個の冷却水流動溝３２を通じてパネル全体が均一に冷却されるようにすることによって、欠陥のない製品の生産が可能であって商品性を高め、パネルの冷却速度の短縮によつて生産性を向上させることができる。
また、下部金型と上部金型にそれぞれ冷却水が移動する流路を加工した後、下部金型と上部金型とを結合させることによって、加工作業性を向上させることができる。
また、互いに異なる素材で製作された下部金型と上部金型とを拡散接合方法で接合して、金型間の結合性及び信頼度を向上させ、製作原価及び素材費用を節減することができる。

本発明の実施例によるホットスタンピング成形用金型の斜視図である。 図１の「Ａ」部分の拡大斜視図である。 本発明の実施例によるホットスタンピング成形用金型の分解斜視図である。 本発明の実施例によるホットスタンピング成形用金型に適用される上部金型の底面斜視図である。 本発明の実施例によるホットスタンピング成形用金型の製作方法を示すフローチャートである。

以下に、本発明の好ましい実施例について、添付した図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の実施例によるホットスタンピング成形用金型の斜視図であり、図２は、図１の「Ａ」部分の拡大斜視図であり、図３は、本発明の実施例によるホットスタンピング成形用金型の分解斜視図であり、図４は、本発明の実施例によるホットスタンピング成形用金型に適用される上部金型の底面斜視図である。
図面に示す通り、本発明の実施例によるホットスタンピング成形用金型１は、ホットスタンピング工法を用いたパネルの成形時、成形が完了したパネルの冷却が迅速に進められるように冷却水の流動を円滑にし、熱伝導を率向上させることができる構造からなる。

このために、本発明の実施例によるホットスタンピング成形用金型１は、図１ないし図３に示したように、ベースプレート１０、下部金型２０、及び上部金型３０を含んで構成される。以下、これについてさらに詳しく説明する。
まず、ベースプレート１０は、その一側にニップル１２が装着される。ニップル１２は、ベースプレート１０に冷却水を供給するか、またはベースプレート１０から冷却水を排出するためのものである。
このようなベースプレート１０は、その内部にニップル１２と連結される冷却水流路（図示せず）が形成されている。したがって、ニップル１２を介して流入した冷却水は、冷却水流路に沿って循環した後、ニップル１２を介して外部に排出される。

本実施例において、少なくとも一つ以上の下部金型２０はベースプレート１０の一面に装着されており、下部金型２０の内部に冷却水が供給され、ホットスタンピング成形時、製品の外形下部を形成するように製品の外形下部と同一の形状に形成されている。
即ち、少なくとも一つ以上の下部金型２０は、成形される製品の形状に応じてベースプレート１０の長さ方向に沿って装着される。
ここで、下部金型２０には少なくとも一つ以上の流入ホール２２と排出ホール２４がそれぞれ形成される。流入ホール２２と排出ホール２４は、下部金型２０の上面と下面を流体が流れるように連通する。冷却水は、流入ホール２２を介してベースプレート１０から下部金型２０に流入し、排出ホール２４を介して下部金型２０からベースプレート１０に排出される。

また、下部金型２０の上面は上部金型３０の下面と結合される。下部金型２０の上面には、冷却水が貯蔵されるように、流入ホール２２及び／又は排出ホール２４と連結される少なくとも一つ以上の貯蔵溝２６が形成される。
即ち、貯蔵溝２６は、ベースプレート１０から流入ホール２２を介して流入したり排出ホール２４を介してベースプレート１０に排出される冷却水を臨時貯蔵する機能を果たす。
このような貯蔵溝２６のうち流入ホール２２と連結される貯蔵溝２６には、下部金型２０の内部に流入した冷却水が貯蔵され、貯蔵溝２６のうち排出ホール２４と連結される貯蔵溝２６には、ベースプレート１０を介して排出される冷却水が貯蔵される。
したがって、貯蔵溝２６は、上部金型３０の内部に供給される冷却水の流れが切れることを未然に防止することができる。

また、上部金型３０は、下部金型２０と異なる素材で製作され、下部金型２０の上部に結合される。
このような上部金型３０は、製品の外形上部を形成するように製品の外形上部と同一の形状に形成されている。上部金型３０の内部には、ベースプレート１０と下部金型２０を介して冷却水が供給され、ホットスタンピング成形が完了した製品を迅速に冷却するようになっている。
ここで、上部金型３０の下面には、図４に示したように、少なくとも一つ以上の冷却水流動溝３２が幅方向に沿って形成され、冷却水は冷却水流動溝３２に沿って流れる。
隣り合う冷却水流動溝３２は、上部金型３０の長さ方向に沿って設定間隔だけ離隔するように形成される。これに限定されないが、本実施例では、複数個の冷却水流動溝３２が互いに等間隔で形成される。

下部金型１０から冷却水流動溝３２に供給された冷却水は、冷却水流動溝３２で流れ、上部金型３０を冷却する。よって、ホットスタンピング成形された製品を迅速に冷却することができる。
一つまたは複数の実施例において、下部金型２０の材質は熱間金型鋼であってもよい。一つまたは複数の実施例において、下部金型２０の材質はＳＫＤ６１（Ｓｔｅｅｌ Ｋｏｕｋｕ Ｄｉｅｓ ６１）金型工具鋼であってもよい
また、上部金型３０の材質は、下部金型２０よりも熱伝達率の高い高熱伝達率の金型鋼であってもよい。

下部金型２０と上部金型３０は、ホットスタンピング成形時、成形完成品の部分別温度差に対応するようになっている。即ち、温度が高い完成品の上部には、熱伝達率の高い高熱伝達率の金型鋼で製作された上部金型３０を位置し、完成品の上部に比べて相対的に温度が低い完成品の下部には、熱間金型鋼で製作された下部金型２０を位置させる。
その後、相互結合された下部金型２０と下部金型２０の内部に冷却水が流れるようにすることによって、熱伝達率に優れた上部金型３０が成形完成品の高温部分との熱交換を通じて成形完成品を迅速に冷却させる。よって、より効率的に成形完成品を冷却して、冷却時間を短縮することができる。
ここで、下部金型２０と上部金型３０は、拡散接合方法によって相互結合される。

拡散接合方法とは、互いに異なる素材の金型（または母材）を密着させ、金型の溶融点以下の温度下でできるだけ焼成変形が行われないほど金型を加圧して、接合面の間に生じる原子の拡散を用いて金型を接合する方法である。
このような拡散接合によって接合された金型の接合面には、別の溶接金属や挿入材が要らず、接合部が均一に形成されるため、接合された金型の凝固亀裂、気孔などの欠陥を防止することができる。
また、拡散接合は、金型の物理的、化学的性質をそのまま維持することができ、融点の差が大きく異なる素材の接合も可能である。したがって、従来の溶接のような方法で接合が不可能な異種材料の接合が可能である。
このような拡散接合方法は、広く知られた公知技術に該当するため、詳細な説明は省略する。
拡散接合によって接合された下部金型２０と上部金型３０は、接合強度が高く、信頼性を向上させることができる。
一方、本実施例において、下部金型２０と上部金型３０とが結合された状態の外形は、製品の外形と同一の形状に加工される。

このように構成されるホットスタンピング成形用金型１の製作方法について、図５を参照しながら説明する。
図５は、本発明の実施例によるホットスタンピング成形用金型の製作方法を示すフローチャートである。
材質の異なる熱間金型鋼と高熱伝導率の金型鋼で下部金型２０と上部金型３０の素材を準備した後、下部金型２０と上部金型３０の内部を加工する（Ｓ１）。
ここで、下部金型２０は熱間金型鋼で製作され、その内部に冷却水が流入される流入ホール２２と冷却水が排出される排出ホール２４を加工する。
その後、下部金型２０の上面には、流入ホール２２及び／又は排出ホール２４と連結される貯蔵溝２６を加工する。貯蔵溝２６には、下部金型２０に流入した冷却水が臨時貯蔵される。

そして、複数個の冷却水流動溝３２は、上部金型３０の下面に長さ方向に沿って設定間隔で加工する。冷却水は、複数個の冷却水流動溝３２を通じて上部金型３０内で流れるようになっている。下部金型２０に流入ホール２２、排出ホール２４及び貯蔵溝２６を加工し、上部金型３０に冷却水流動溝３２を加工することによって、金型の内部加工ステップ（Ｓ１）を完了する。
Ｓ１ステップが完了すると、下部金型２０の上部に上部金型１０を配置させる。その後、金型２０，３０の溶融点以下の温度で、下部金型２０と上部金型３０に互いに向かう圧力を加えて拡散接合を行う（Ｓ２）。
ここで、下部金型２０と上部金型３０の拡散接合ステップ（Ｓ２）は真空状態で行われる。拡散接合は、金型２０，３０を互いに接触した状態で、溶融点以下の温度下で、金型２０，３０が焼成変形されないほどの圧力を加えることによって行われる。

すると、下部金型２０と上部金型３０との接触面の間に原子の拡散による拡散層が形成されることによって、下部金型２０と上部金型３０が相互結合される。
下部金型２０と上部金型３０の拡散接合ステップ（Ｓ２）が完了すると、下部金型２０と上部金型３０の外形をホットスタンピング成形によって成形される製品の外形と類似するように荒削り加工する（Ｓ３）。
Ｓ３ステップを通じて下部金型２０と上部金型３０の外形が荒削り加工されると、下部金型２０と上部金型３０を熱処理する（Ｓ４）。
Ｓ４ステップで熱処理が完了すると、下部金型２０と上部金型３０をベースプレート１０に組み立てる（Ｓ５）。
その後、下部金型２０と上部金型３０の外形を、成形される製品の外形と同一のように仕上げ加工する（Ｓ６）。

Ｓ１ないしＳ６ステップを通じて、本発明の実施例によるホットスタンピング成形用金型１の製作が完了する。
即ち、熱伝導率が互いに異なる素材を用いて下部金型２０と上部金型３０を製作し、下部金型２０と上部金型３０に冷却水が流動される流路を加工した後、拡散接合によって下部金型２０と上部金型３０とを相互接合して、ホットスタンピング成形用金型１が製作される。したがって、結合力及び設計自由度を向上させることができ、ホットスタンピング成形における重要因子である金型の冷却性能を向上させることができる。
本発明の実施例によるホットスタンピング成形用金型１を用いると、ホットスタンピング工法を用いたパネルの成形時、成形が完了したパネルの冷却が迅速に進められるように冷却水の流動を円滑にして、冷却性能を向上させることができる。

また、製品の冷却時、金型における変形及びクラックの発生を未然に防止して、耐久性を向上させることができる。
また、成形された製品の冷却時、複数個の冷却水流動溝３２を通じてパネル全体が均一に冷却されるようにすることによって、欠陥のない製品の生産が可能であって商品性を高め、パネルの冷却速度の短縮によつて生産性を向上させることができる。
また、下部金型２０と上部金型３０にそれぞれ冷却水が移動する流路を加工した後、下部金型２０と上部金型３０とを結合させることによって、加工作業性を向上させることができる。
また、互いに異なる素材で製作された下部金型２０と上部金型３０とを拡散接合方法で接合して、金型２０，３０の間の結合性及び信頼度を向上させ、製作原価及び素材費用を節減することができる。

以上、本発明に関する好ましい実施形態を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の属する技術分野を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。

１０ ベースプレート
１２ ニップル
２０ 下部金型
２２ 流入ホール
２４ 排出ホール
２６ 貯蔵溝
３０ 上部金型
３２ 冷却水流動溝

Claims (12)

1. 冷却水が供給され、排出できるベースプレートと、前記ベースプレートの一面に取り付けられ、前記ベースプレートから冷却水を供給され、前記冷却水がその内部で流動するようになっており、製品の外形下部を形成するように製品の外形下部と同一形状に形成される少なくとも一つ以上の下部金型と、
   前記下部金型と異なる素材で製作され、前記下部金型の上部に結合され、製品の外形上部を形成するように製品の外形上部と同一形状に形成され、前記下部金型から冷却水を供給され、前記冷却水がその内部で流れるようになっている上部金型と、を含み、
   前記下部金型は、ＳＫＤ６１金型工具鋼素材で製作されたものであり、
   前記上部金型は、前記ＳＫＤ６１金型鋼素材よりも熱伝達率の高い金型鋼素材で製作されたものであることを特徴とするホットスタンピング成形用金型。
2. 前記下部金型と上部金型は、拡散接合方法によって相互結合されることを特徴とする請求項１に記載のホットスタンピング成形用金型。
3. 前記下部金型は、その上面と下面を流体が流れるように連通する流入ホールと排出ホールとを含み、前記下部金型は、前記流入ホールを介して前記ベースプレートから冷却水を供給され、前記排出ホールを介して前記冷却水をベースプレートに排出することを特徴とする請求項１に記載のホットスタンピング成形用金型。
4. 前記下部金型は、その上面に形成されており、冷却水が貯蔵されるように前記流入ホールに連結される第１貯蔵溝と排出ホールに連結される第２貯蔵溝の少なくとも２つ以上の貯蔵溝を含むことを特徴とする請求項３に記載のホットスタンピング成形用金型。
5. 前記上部金型は、その下面に幅方向に沿って形成される少なくとも一つ以上の冷却水流動溝を含むことを特徴とする請求項１に記載のホットスタンピング成形用金型。
6. 前記複数個の冷却水流動溝は、前記上部金型の長さ方向に沿って設定間隔で離隔するように形成されることを特徴とする請求項５に記載のホットスタンピング成形用金型。
7. 前記下部金型と上部金型は、相互結合された状態で製品の外形と同一の外形を有するように加工されたものであることを特徴とする請求項１に記載のホットスタンピング成形用金型。
8. ホットスタンピング成形用金型の製作方法であって、
   材質がそれぞれ異なる素材で下部金型と上部金型の素材を準備するステップと、
   前記下部金型と上部金型の内部を加工するステップと、
   前記下部金型の上部に上部金型を配置させた後、前記下部金型と上部金型とを拡散接合するステップと、
   前記相互結合された下部金型と上部金型の外形を荒削り加工するステップと、
   相互結合された下部金型と上部金型を熱処理するステップと、
   熱処理が完了された下部金型と上部金型をベースプレートに組み立てるステップと、
   ベースプレートに組み立てられた下部金型と上部金型の外形を仕上げ加工するステップと、を含み、
   前記下部金型は、ＳＫＤ６１金型工具鋼素材で製作され、
   前記上部金型は、前記ＳＫＤ６１金型鋼素材よりも熱伝達率の高い金型鋼素材で製作されることを特徴とするホットスタンピング成形用金型の製作方法。
9. 前記下部金型と上部金型の拡散接合ステップは、真空状態で行われることを特徴とする請求項８に記載のホットスタンピング成形用金型の製作方法。
   
10. 前記下部金型と上部金型の内部を加工するステップは、前記下部金型の上面と下面を流体が流れるように連通する流入ホールと排出ホールを前記下部金型に加工するステップを含むことを特徴とする請求項８に記載のホットスタンピング成形用金型の製作方法。
11. 前記下部金型と上部金型の内部を加工するステップは、前記流入ホールに連結される第１貯蔵溝と排出ホールに連結される第２貯蔵溝の少なくとも２つ以上の貯蔵溝を前記下部金型の上面に加工するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載のホットスタンピング成形用金型の製作方法。
12. 前記下部金型と上部金型の内部を加工するステップは、少なくとも一つ以上の冷却水流動溝を前記上部金型の下面に幅方向に沿って形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載のホットスタンピング成形用金型の製作方法。
    

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