JP6340389B2

JP6340389B2 - 熱間プレス装置、熱間プレス方法及び自動車車体部品の製造方法

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Publication number: JP6340389B2
Application number: JP2016141474A
Authority: JP
Inventors: 康剛鈴木; 忠士岩沼; 賢水科
Original assignee: 東亜工業株式会社
Priority date: 2016-07-19
Filing date: 2016-07-19
Publication date: 2018-06-06
Anticipated expiration: 2036-07-19
Also published as: JP2018012115A

Description

本発明は、重ね合わせ部材を熱間プレスするための熱間プレス装置、熱間プレス方法並びに熱間プレスを用いた自動車車体部品の製造方法に関する。

一般に、熱間プレス成形とは、鋼板を変態点以上の温度（例えば、９００℃）に加熱し、これを上下方向に対向して配置された２つの金型の間に挟んで押圧し、プレス成形すると同時に金型による急冷により鋼板の金属組織をオーステナイトからマルテンサイトに変態せしめることで、鋼板の焼入れ強化を行うものである。

特許文献１には、ピラーレインフォースメント等の自動車車体部品（自動車ボディを構成する部品）において、その機械的強度を局所的に高めるために、複数の鋼板を部分的に重ね合わせ、スポット溶接で接合することで重ね合わせ部材を形成し、この重ね合わせ部材を熱間プレス成形することが記載されている。なお、重ね合わせ部材は、「パッチワーク」とも称される。

特開２０１４−１９３７１２号公報

しかしながら、重ね合わせ部材の重ね合わせ部は、重ね合わせ部以外の部分（以下、非重ね合わせ部という）よりも大きな熱容量（単位面積当たり）を有していることから、金型による冷却速度が相対的に小さくなる。

そのため、重ね合わせ部材の重ね合わせ部の厚さが大きい場合、この部分の焼入れが不十分になることから、熱間プレス成形そのものが不可能になるという問題があった。

また、たとえ熱間プレス成形が可能であっても、冷却むら（重ね合わせ部と非重ね合わせ部との温度差）により、焼入れ品質の均一性が劣化し、熱間プレス成形後の重ね合わせ部材の寸法精度が悪くなるという問題もあった。

さらに、重ね合わせ部材の全体が焼入れの目標温度（例えば、２００℃）まで低下するまでに要する時間が長くなり、熱間プレス成形の生産性が低下するという問題があった。

上述した課題に鑑み、本発明の熱間プレス装置は、第１の金型（１０）及び第１の金型（１０）上に配置された第２の金型（２０）と、を備え、第１の鋼板（３０）と第１の鋼板（３０）の上に重ね合わせて接合された第２の鋼板（３１）とからなる重ね合わせ部材（４０）を第１の金型（１０）と第２金型（２０）の間に挟んでプレス成形及び焼入れを行う熱間プレス装置において、
第１の金型（１０）または第２の金型（２０）の中に設けられた冷媒流路（１２，２２）と、第２の金型（２０）のプレス成形面に形成された第２の鋼板（３１）の端部との干渉を防止するための後退部（２３）と、重ね合わせ部材（４０）を第１の金型（１０）と第２金型（２０）の間に挟んでプレス成形する時に形成される第２の鋼板（３１）と後退部（２３）によって囲まれた隙間（２４）に冷媒を流通させるための冷媒流通手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の熱間プレス方法は、第１の鋼板（３０）及び第１の鋼板（３０）に重ね合わせて接合された第２の鋼板（３１）とからなる重ね合わせ部材（４０）を第１の金型（１０）と第２の金型（２０）の間に挟んでプレス成形及び焼入れを行う熱間プレス方法において、
第１の金型（１０）または第２の金型（２０）の中に設けられた冷媒流路（１２，２２）と、第１の金型（１０）のプレス成形面に形成された第２の鋼板（３１）の端部との干渉を防止するための後退部（２３）と、重ね合わせ部材（４０）を第１の金型（１０）と第２金型（２０）の間に挟んでプレス成形する時に形成される第２の鋼板（３１）と後退部（２３）によって囲まれた隙間（２４）に冷媒を流通させるための冷媒流通手段と、を備えた熱間プレス装置を準備し、前記冷媒流路（１２，２２）に冷媒を流通させている状態で第１の金型（１０）の上に加熱された重ね合わせ部材（４０）をセットし、重ね合わせ部材（４０）を第１の金型（１０）と第２の金型（２０）の間に挟んでプレス成形を行うと共に、前記隙間（２４）に冷媒を流通させることを特徴とする。

また、本発明の自動車車体部品の製造方法は、第１の鋼板（３０）に重ね合わせて車体補強部材として第２の鋼板（３１）を接合することにより重ね合わせ部材（４０）を形成する工程と、前記重ね合わせ部材（４０）を第１の金型（１０）と第２の金型（２０）の間に挟んでプレス成形及び焼入れを行う工程と、を備え、
第１の金型（１０）または第２の金型（２０）の中に設けられた冷媒流路（１２，２２）と、第１の金型（１０）のプレス成形面に形成された第２の鋼板（３１）の端部との干渉を防止するための後退部（２３）と、重ね合わせ部材（４０）を第１の金型（１０）と第２金型（２０）の間に挟んでプレス成形する時に形成される第２の鋼板（３１）と後退部（２３）によって囲まれた隙間（２４）に冷媒を流通させるための冷媒流通手段と、を備えた熱間プレス装置を準備し、前記冷媒流路（１２，２２）に冷媒を流通させている状態で第１の金型（１０）の上に加熱された重ね合わせ部材（４０）をセットし、重ね合わせ部材（４０）を第１の金型（１０）と第２の金型（２０）の間に挟んでプレス成形を行うと共に、前記隙間（２４）に冷媒を流通させることを特徴とする。

本発明によれば、金型のプレス成形面に重ね合わせ部材の重ね合わせ部の端部との干渉を防止するための後退部を形成し、重ね合わせ部材をプレス成形する時に形成される重ね合わせ部と後退部によって囲まれた隙間に冷媒を流通させることにより、重ね合わせ部の端部を直冷し、重ね合わせ部の冷却を促進することができる。

これにより、重ね合わせ部材の重ね合わせ部の厚さが大きく、従来のような金型による間接的な冷却では熱間プレス成形が不可能である場合であっても、熱間プレス成形の実施が可能になる。また、重ね合わせ部材の冷却むらを抑制して、焼入れ品質の均一性、及び重ね合わせ部材の寸法精度を向上させることができる。

さらに、重ね合わせ部材の冷却時間を短縮して生産性を向上させることができる。本発明は、特に自動車車体部品に好適に適用することができる。

本発明の実施形態における熱間プレス装置の上金型の平面図である。本発明の実施形態における熱間プレス装置の下金型の平面図である。本発明の実施形態における熱間プレス装置及び熱間プレス方法を説明する断面図である。本発明の実施形態における熱間プレス装置（金型が閉じた状態）の詳細な断面図である。熱間プレス成形における重ね合わせ部材の温度変化を示す図である。

本発明の実施形態における熱間プレス装置１００を図１乃至図４に基づいて説明する。図１は熱間プレス装置１００の上金型２０の平面図（プレス成形面側から見た平面図）である。図２は熱間プレス装置１００の下金型１０の平面図（プレス成形面側から見た平面図）であって、重ね合わせ部材がセットされた状態を示す図ある。図３は図１及び図２のＡ−Ａ線に対応する断面図であって、（ａ），（ｂ），（ｃ）の順に熱間プレス工程を示している。図４は、図３（ｂ）（金型が閉じた状態）に対応する詳細な断面図である。

図示のように、熱間プレス装置１００は、下金型１０と、下金型１０上に配置された上金型２０と、を備えている。下金型１０は基台（不図示）上に固定され、上金型２０は下金型１０上に対向して配置され、駆動装置（不図示）により上下方向に可動に構成されている。重ね合わせ部材４０は、第１の鋼板３０と、第１の鋼板３０に重ね合わせて、スポット溶接部３２で接合された第２の鋼板３１とを備えている。

重ね合わせ部材４０が自動車車体部品である場合、第２の鋼板３１は、第１の鋼板３０の機械的強度を高めるための車体補強部材である。第２の鋼板３１は第１の鋼板３０より小型で、第２の鋼板３１の全体が、第１の鋼板３０の機械的強度を補強したい部分に重ね合わされている。

以下では、第１の鋼板３０と第２の鋼板３１とを重ね合わせた部分を重ね合わせ部３３と、それ以外の部分（第１の鋼板３０または第２の鋼板３１だけの単体部分）を非重ねあわせ部３４と称する。

熱間プレス装置１００は、重ね合わせ部材４０を下金型１０と上金型２０の間に挟んで押圧し、プレス成形及び焼入れを行う。この例では、下金型１０のプレス成形面の凹部１１が形成され、上金型２０のプレス成形面に凸部２１が形成され、上金型２０の凸部２１が下金型１０の凹部１１に嵌合されるが、両金型１０，２０のプレス成形面の形状は製品仕様に応じて任意に加工されている。

また、重ね合わせ部材４０を断面Ｕ字形に曲げ加工する場合には、下金型１０は、スプリングにより上下動可能に支持されたパッド部と、パッド部に隣接して固定配置された曲げ刃とで構成され、重ね合わせ部材４０を上型２０とパッド部の間に挟んで押圧し、曲げ刃により曲げ加工するように構成することができる。

下金型１０及び上金型２０の中には、それぞれの下金型１０、上金型２０を冷却するための冷媒流路１２，２２（例えば、金型の中に埋設された冷媒循環パイプ）が設けられている。冷媒流路１２，２２には冷却水等の冷媒が流通される。この例では、下金型１０及び上金型２０のそれぞれに冷媒流路１２，２２が設けられているが、どちらか一方だけが設けられていてもよい。

上金型２０には、プレス成形時における上金型２０と重ね合わせ部材４０の第２の鋼板３１の端部との干渉を防止するために、第２の鋼板３１の端面３１ａから離れるように後退した後退部２３が形成されている。図１の上型２０の平面図で見ると、後退部２３は重ね合わせ部材４０の重ね合わせ部３３の周端部に沿ってリング状に形成されている。図２の下型１０には後退部２３は存在しないが、発明の理解を助けるために図１の後退部２３をそのまま転記してある。図３、図４の断面図で見ると、後退部２３は凸部２１の側面に形成される。

図３（ｂ）、図４に示すように、金型を閉じた時、つまり重ね合わせ部材４０を第１の金型１０と第２金型２０の間に挟んでプレス成形する時に、第２の鋼板３１と後退部２３によって囲まれた隙間２４が形成される。

隙間２４は、図１、図２の平面図でみると、後退部２３に対応したリング状の領域になっている。この隙間２４は、上金型２０と第２の鋼板３１の端部との干渉を防止するために、上金型２０のプレス成形面を局所的に逃がした結果として形成されるものであるが、この隙間２４に冷媒を流通させ、重ね合わせ部３３の冷却を促進することができる。

しかして、この隙間２４に冷媒を流通させるための冷媒流通手段が上金型２０に設けられている。冷媒流通手段は、上金型２０の中に設けられ、隙間２４に連通して冷媒を導入する冷媒導入路２５と、上金型２０中に設けられ、隙間２４に連通して冷媒を排出する冷媒排出路２６で構成することができる。

図１、図２の平面図に示すように、冷媒導入路２５の導入口と冷媒排出路２６の排出口は、それぞれリング状の隙間２４の互いに離れた位置に接続される。冷媒導入路２５の導入口から導入された冷媒は、隙間２４を流れて冷媒排出路２６の排出口から排出される。冷媒導入路２５及び冷媒排出路２６は、上金型２０の中に埋設された冷媒流通パイプで構成することができる。

さらに詳しくは、図４に示すように、隙間２４は第２の鋼板３１の端面３１ａと後退部２３によって囲まれた空間として形成される。冷媒導入路２５及び冷媒排出路２６は、上金型２０と、この上金型２０を上方から支持するベース４０を貫通して形成される。

冷媒導入路２５は、冷媒を精度良く隙間２４に導入するために、大径の主導入路２５ａと、主導入路２５ａから分岐して隙間２４に連通する比較的小径の分岐導入路２５ｂとで構成されることが好ましい。同様に、冷媒排出路２６は、冷媒を精度良く隙間２４から排出するために、大径の主排出路２６ａと、主排出路２６ａから分岐して隙間２４に連通する比較的小径の分岐排出路２６ｂとで構成されることが好ましい。

次に、熱間プレス方法を図３に基づいて説明する。先ず、図３（ａ）に示すように、下金型１０及び上金型２０を開放し、下金型１０及び上金型２０の冷媒流路１２，２２に冷媒を流通させている状態で、下金型１０に変態点以上の温度（例えば、９００℃）に加熱された重ね合わせ部材４０をセットする。この例では、重ね合わせ部材４０の重ね合わせ部３３が下金型１０の凹部１１上に位置するように位置決めされている。

次に、図３（ｂ）に示すように、上金型２０を下死点まで下動させると、上金型２０のプレス成形面の凸部２１が重ね合わせ部材４０を下金型１０の凹部１１に押し込んで成形する。上金型２０には後退部２３が形成されているので、後退部２３と第２の鋼板３１の端面３１ａの間に隙間２４が形成される。この隙間２４が形成されたタイミングで、隙間２４の中に冷媒が流通される。すなわち、冷媒導入路２５を経由して溝隙間２４に冷媒を導入し、隙間２４を流れる冷媒を、冷媒排出路２６を経由して上金型２０の外部に排出する。

この時、重ね合わせ部材４０の重ね合わせ部３３の端部（第２の鋼板３１の端面３１ａ）に隙間２４を流れる冷却水等の冷媒が直接接触することにより、冷媒と重ね合わせ部３３との熱交換が行われ、重ね合わせ部材４０の重ね合わせ部３３の冷却が促進される。重ね合わせ部材４０の非重ね合わせ部３４は、本来的に上金型２０及び下金型１０との接触により冷却されるが、重ね合わせ部３３の端部（第２の鋼板３１の端面３１ａ）については、これに加えて冷媒との接触で直冷されるようになっている。

そして、図３（ｃ）に示すように、隙間２４に冷媒を流通させた状態を所定時間維持して重ね合わせ部材４０の全体の温度が所定温度（例えば、２００℃）まで低下した時に、冷媒の流通を停止し、かつ上金型２０を上死点に向けて上動させ、両金型１０，２０を開放する。

図５は、熱間プレス成形における重ね合わせ部材４０の温度変化を示す図である。時刻ｔ１以前には、重ね合わせ部材４０が温度Ｔ０（例えば、９００℃）の加熱状態で熱間プレス装置１００にセットされた状態であり、自然冷却により温度がやや低下している。

その後、上金型２０が下動して、コンマ数秒という瞬間に下死点に到達し、重ね合わせ部材４０のプレス成形が行われる。この両金型１０，２０が閉じた時刻ｔ１のタイミングで隙間２４に冷媒を流すことにより重ね合わせ部材４０の重ね合わせ部３３の端部の直冷が開始する。その後、時刻ｔ２のプレス成形終了時、つまり両金型開放時に冷媒の流通を停止することにより直冷が終了する。

図５に示すように、重ね合わせ部材４０の重ね合わせ部３３の温度は、直冷により急速に低下する。そのため、時刻ｔ２（例えば、時刻ｔ１から５秒）においては、重ね合わせ部材４０の全体（重ね合わせ部３３及び非重ね合わせ部３４）の温度が目標温度Ｔ２（例えば、２００℃）まで低下するように設定されている。図５においては、重ね合わせ部３３の温度は、非重ね合わせ部３４に比べて急速に低下しているが、その冷却速度は、冷媒の流量や溝２４の個数やピッチ等を調整することによりコントロール可能である。

また、図５において、重ね合わせ部材４０の直冷期間は、ｔ１〜ｔ２のプレス成形期間と一致しているが、時刻ｔ２のプレス終了前に隙間２４への冷媒の流通を停止させることで冷却期間を短縮することもできる。この場合は、両金型１０，２０が閉じている状態で隙間２４への冷媒の流通を停止し、重ね合わせ部材４０の全体（重ね合わせ部３３及び非重ね合わせ部３４）の温度が目標温度Ｔ２（例えば、２００℃）まで低下するのを待つ。そして、重ね合わせ部材４０の全体の温度が、目標温度Ｔ２まで低下した時点で、上金型２０が上動し、両金型１０，２０が開放される。

これに対して、従来の場合（重ね合わせ部材４０の直冷をせず、金型のみにより冷却する場合）は、重ね合わせ部３３の温度は比較的ゆっくりと低下し、時刻ｔ２において、Ｔ２より高いＴ１（Ｔ１＞Ｔ２）である。重ね合わせ部３３の温度がＴ２まで低下するにはさらに長い時間（例えば、５秒〜１０秒）を必要とするため、熱間プレス成形の終了、つまり、両金型１０，２０の開放がその分だけ遅れることになる。

そのため、重ね合わせ部材４０の重ね合わせ部３３の厚さが例えば６ｍｍ以上と大きい場合には熱間プレス成形そのものが不可能になってしまう。また、重ね合わせ部３３と非重ね合わせ部３４との冷却むらにより、焼入れ品質の均一性が劣化し、熱間プレス成形後の重ね合わせ部材の寸法精度が落ちてしまう。

このように、本実施形態によれば、上金型２０のプレス成形面に後退部２４を設け、プレス成形時に形成される隙間２４に冷媒を流通させることにより、重ね合わせ部３３の端部を直冷しているので、重ね合わせ部３３の冷却を促進することができる。

これにより、重ね合わせ部材４０の重ね合わせ部３３の厚さが例えば６ｍｍ以上と大きく、従来のような金型による間接的な冷却では熱間プレス成形が不可能である場合であっても、熱間プレス成形の実施が可能になる。また、重ね合わせ部３３の冷却速度を非重ね合わせ部３４の冷却速度に合わせるようにコントロールすることにより、重ね合わせ部材４０の冷却むらを抑制して、焼入れ品質の均一性、及び重ね合わせ部材４０の寸法精度を向上させることができる。さらに、重ね合わせ部材４０の冷却時間を短縮して生産性を向上させることができる。

なお、上記実施形態においては、重ね合わせ部材４０は２枚の鋼板を重ね合わせたものであるが、本発明は、３枚以上の鋼板を重ね合わせた重ね合わせ部材４０の熱間プレス成形にも適用することができる。本発明は、機械的強度と高品質が要求されるピラーレインフォースメント等の自動車車体部品の製造に好適に適用することができる。

１０下金型
１１凹部
１２冷媒流路
２０上金型
２１凸部
２２冷媒流路
２３後退部
２４隙間
２５冷媒導入路
２６冷媒排出路
３０第１の鋼板
３１第２の鋼板
３２スポット溶接部
３３重ね合わせ部
３４非重ね合わせ部
４０重ね合わせ部材
１００熱間プレス装置

Claims

第１の金型（１０）と、
第１の金型（１０）上に配置された第２の金型（２０）と、を備え、
第１の鋼板（３０）及び第１の鋼板（３０）の上に重ね合わせて接合された第２の鋼板（３１）と、を備える重ね合わせ部材（４０）を第１の金型（１０）と第２金型（２０）の間に挟んでプレス成形及び焼入れを行う熱間プレス装置において、
第１の金型（１０）または第２の金型（２０）の中に設けられた冷媒流路（１２，２２）と、
第２の金型（２０）のプレス成形面に形成された第２の鋼板（３１）の端部との干渉を防止するための後退部（２３）と、
重ね合わせ部材（４０）を第１の金型（１０）と第２金型（２０）の間に挟んでプレス成形する時に形成される第２の鋼板（３１）と後退部（２３）によって囲まれた隙間（２４）に冷媒を流通させるための冷媒流通手段と、を備えることを特徴とする熱間プレス装置。
前記冷媒流通手段は、第２の金型（２０）の中に設けられ前記隙間（２４）に冷媒を導入する冷媒導入路（２５）と、
第２の金型（２０）の中に設けられ前記隙間（２４）から冷媒を排出する冷媒排出路（２６）と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の熱間プレス装置。
第１の鋼板（３０）及び第１の鋼板（３０）に重ね合わせて接合された第２の鋼板（３１）と、を備える重ね合わせ部材（４０）を第１の金型（１０）と第２の金型（２０）の間に挟んでプレス成形及び焼入れを行う熱間プレス方法において、
第１の金型（１０）または第２の金型（２０）の中に設けられた冷媒流路（１２，２２）と、第１の金型（１０）のプレス成形面に形成された第２の鋼板（３１）の端部との干渉を防止するための後退部（２３）と、重ね合わせ部材（４０）を第１の金型（１０）と第２金型（２０）の間に挟んでプレス成形する時に形成される第２の鋼板（３１）と後退部（２３）によって囲まれた隙間（２４）に冷媒を流通させるための冷媒流通手段と、を備えた熱間プレス装置を準備し、
前記冷媒流路（１２，２２）に冷媒を流通させている状態で第１の金型（１０）の上に加熱された重ね合わせ部材（４０）をセットし、
重ね合わせ部材（４０）を第１の金型（１０）と第２の金型（２０）の間に挟んでプレス成形を行うと共に、前記隙間（２４）に冷媒を流通させることを特徴とする熱間プレス方法。
前記隙間（２４）への冷媒の流通を停止すると同時に第１の金型（１０）と第２の金型（２０）を開放することを特徴とする請求項３に記載の熱間プレス方法。
前記隙間（２４）への冷媒の流通を停止した後に第１の金型（１０）と第２の金型（２０）を開放することを特徴とする請求項３に記載の熱間プレス方法。
第１の鋼板（３０）に重ね合わせて車体補強部材として第２の鋼板（３１）を接合することにより重ね合わせ部材（４０）を形成する工程と、
前記重ね合わせ部材（４０）を第１の金型（１０）と第２の金型（２０）の間に挟んでプレス成形及び焼入れを行う工程と、を備え、
第１の金型（１０）または第２の金型（２０）の中に設けられた冷媒流路（１２，２２）と、第１の金型（１０）のプレス成形面に形成された第２の鋼板（３１）の端部との干渉を防止するための後退部（２３）と、重ね合わせ部材（４０）を第１の金型（１０）と第２金型（２０）の間に挟んでプレス成形する時に形成される第２の鋼板（３１）と後退部（２３）によって囲まれた隙間（２４）に冷媒を流通させるための冷媒流通手段と、を備えた熱間プレス装置を準備し、
前記冷媒流路（１２，２２）に冷媒を流通させている状態で第１の金型（１０）の上に加熱された重ね合わせ部材（４０）をセットし、
重ね合わせ部材（４０）を第１の金型（１０）と第２の金型（２０）の間に挟んでプレス成形を行うと共に、前記隙間（２４）に冷媒を流通させることを特徴とする自動車車体部品の製造方法。