JP7163475B1 - 熱間プレス成型用金型 - Google Patents
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Abstract
Description
また、本発明に係る熱間プレス成型用金型における成型用突起の補修方法によれば、成型用突起の損耗部分が3Dプリンタによって肉盛りされて補修される。したがって、凸部の補修を簡単にかつ高い精度で行うことが可能な熱間プレス成型用金型における成型用突起の補修方法を提供することができる。
本発明に係る熱間プレス成型用金型は、図1に示すように形成されている。図1に示す熱間プレス成型用金型1は、金型本体2と、金型本体2の表面に突設された多数の成形用突起3とを備えている。成形用突起3は、詳細は後述するが、二つの機能を有している。第1の機能は、被成型物としての加熱された金属板材4(図3参照)と接する成型面5(図1,2参照)を形成する機能である。第2の機能は、図3に示すように、図3中に矢印によって示す冷却媒体6が流れる冷媒通路7を形成する機能である。冷媒通路7は、成型時に金属板材4と、金型本体2の表面2aと、突起3とによって囲まれた隙間によって構成されている。
この熱間プレス成型用金型1は、図3に示すように、加熱された金属板材4を他の金型8とともに挟み、急冷しながら成型するものである。
図1に示す金型本体2は、金属板材4を断面形状がいわゆるハット状となるように成型するもので、第1~第5の成型部分14~18を有している。
第1の成型部分14は、図1において最も上に位置する部分で、成型面5が金属板材4の成型方向Aとは交差する方向に延びるように形成される部分である。成型方法Aは、熱間プレス成型用金型1に対して他の金型8が成型時に進む方向である。
第3の成型部分16は、金型本体2のいわゆる肩部と呼称される部分で、成型面5が凸曲面となるように第1の成型部分14と第2の成型部分15とを接続する部分である。なお、図示してはいないが、第1の成型部分14の中央部に凹陥部が形成されているような場合は、凹陥部の深さ方向に延びる部分が第2の成型部分15になり、凹陥部の開口部分が第3の成型部分16になる。
第4の成型部分17は、第1の成型部分14から成型方向Aに離間した位置において、成型面5が金属板材4の成型方向Aとは交差する方向に延びるように形成される部分である。
第5の成型部分18は、成型面が凹曲面となるように第2の成型部分と第4の成型部分とを接続する部分である。
この実施の形態による3Dプリンタ21は、図5に示すように、レ-ザー光22を照射するレーザーヘッド23と、金属粉末24を噴出させる供給ノズル25とを備えている。この3Dプリンタ21においては、金型本体2の表面2aをレーザー光22によって加熱するとともに、この表面2aに供給ノズル25から金属粉末24を供給し、溶融された金属粉末24を表面2aの上に積層して成型用突起3を形成する。この3Dプリンタ21の動作は、制御装置26によって制御される。制御装置26は、レーザー光22の出力、金属粉末24の供給量、レーザーヘッド23の移動方向および移動量などがデータ化されて記録されたメモリ27を備えている。
3Dプリンタ21で成型用突起3を形成するにあたっては、図6に示すように、レーザーヘッド23を渦巻き状の移動経路28に沿って移動させて行う。レーザーヘッド23を渦巻き状に移動させるにあたっては、レーザーヘッド23を成型用突起3の中心から外周側に向かうように移動させる場合と、レーザーヘッド23を成型用突起3の外周側から中心に向かうように移動させる場合とがある。3Dプリンタ21で多数の成型用突起3を形成するにあたっては、成型用突起3の外径や高さを揃えるために、3Dプリンタ21によって形成された成型用突起3に機械加工を施すこともできる。この機械加工は、例えば回転する工具を用いて切削あるいは研削によって行う。
次に、熱間プレス成型用金型1を製造する方法を図7に示すフローチャートと図8~図15に示す模式図とを参照して説明する。
熱間プレス成型用金型1の製造は、図7に示すステップS1とステップS2とからなる設計段階と、ステップS3~S5からなる製造段階とを経て行われる。設計段階においては、先ず、金型本体2の3Dモデリングデータ(ソリッドデータ)を作成し(ステップS1)、次に成型用突起3、噴出孔9および吸入孔12などを形成するために用いる加工データ31(図8参照)を作成する(ステップS2)。この加工データ31には、図8に示すように金型本体2の表面2aに仮想の成型用突起3、噴出孔9および吸入孔12を形成するためのデータが含まれている。この加工データ31上において噴出孔9と吸入孔12は、複数の成型用突起3どうしの間に位置付けられている。加工データ31は、後述するように成型用突起3を補修する際に使用するために、メモリ27に保存しておく。
図15に示す順方向の移動経路は、図15において左から右に向かう方向を第1の方向とし、下から上に向かう方向を第2の方向とする経路である。
図16に示す順方向の移動経路は、図16において右から左に向かう方向を第1の方向とし、下から上に向かう方向を第2の方向とする経路である。
第1のステップS4Aと第2のステップS4Bとを交互に複数回にわたって繰り返すことにより、複数の第1の列3Aが第1の領域33で第2の方向に並びかつ複数の第2の列3Bが第2の領域34で第2の方向に並ぶようになる。
図10または図14に示す移動経路で凸部形成面32に多数の成型用突起3を形成し、金型本体2の表面2aの全域に成型用突起3を形成した後、成型用突起3に必要に応じて仕上げ加工を施す(ステップS5)ことにより、熱間プレス成型用金型1が完成する。
図15(A)~(C)から分かるように、成型用突起3を個々に形成することにより、帯状の肉盛り部36を形成する場合と較べて母材(テストピース35)の変位量が少なくなる。
図16(A),(B)は、レーザーヘッド23を図10に示す移動経路で移動させて肉盛り(成型用突起3の形成)を行ったときの結果を示す図で、図16(A)は肉盛り後のテストピース35の撮像結果を示し、図16(B)は解析結果を示す。図10に示す移動経路で成型用突起3を形成することにより、テストピース35の全域において割れ、肉盛り異常を認めることができず、良好な成型用突起3が得られることが分かった。
レーザーヘッド23の移動経路として順方向が良好であった理由は、以下の二つが考えれる。
理由1:順方向であれば、余熱が通った直後に溶接レーザーによる肉盛り溶接ができるからであると考えられる。すなわち、溶接のためにレーザー光が照射されると、照射された部位が発熱し、この熱が移動先の部位に熱伝導により伝わって移動先の温度がいわゆる余熱で上昇するようになる。このため、通常の溶接条件と同じ条件に再現できるから、肉盛りの不安定が発生し難く良好な結果が得られたと考えられる。
理由2:順方向であれば、金型に溜まった熱の影響を大きく受けずに済むからである。二つの領域を交互に行き来して溶接を行う移動経路を採ると、金型にたまった熱が肉盛り箇所を挟む両側から肉盛り箇所に伝わるようになり、肉盛り箇所に熱の影響を与えてしまう。しかし、順方向であれば、肉盛り箇所の移動先の部位は未加熱の状態であるから、熱の影響は少なくなる。
成型用突起3は、金属板材4に擦られて削れたり、金属板材4との衝突により凹んだりして図19に示すように損耗する。図19において、図1~図18によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。
図19に示す成型用突起3は、円柱の先端側の一部が損耗している。このような成型用突起3は、3Dプリンタ21を使用して補修することができる。この補修は、3Dプリンタ21によって成型用突起3の被補修部分に肉盛りを行って実施する。ここで、この成型用突起3の補修方法を図20に示すフローチャートと図21に示す模式図とを参照して説明する。
成型用突起3の損耗の程度は、熱間プレス成型用金型1の使用量に基づいて予測できる。このため、金型が予め定めた使用量だけ使用されたときに定期的に成型用突起3の補修を行うことで、成型品の品質を均一に維持することができる。3Dスキャナー42を使用して取得した成型用突起3の使用後の形状データ43には、図21(B)に示すように損耗した成型用突起3の位置、形状などのデータが含まれている。
次に、制御装置26は、損耗部分の形状データ44に基づいて使用後の成型用突起3の被補修部分に3Dプリンタ21によって肉盛りを行う(ステップS14)。このように肉盛りを行うことにより、損耗された成型用突起3が初期の状態に近い形状となるように補修される。成型用突起3が補修されることにより、成型用突起3が通路壁となる冷媒通路7も所定の形状および深さとなるように修復される。
上述したように構成された熱間プレス成型用金型1の成型用突起3は、金型本体2より硬度が高い材料を用いて3Dプリンタ21によって形成されている。このため、この実施の形態によれば、硬度が高い成型用突起3を簡単に形成することが可能な熱間プレス成型用金型および熱間プレス成型用金型の製造方法を提供することができる。
突条からなる成型用突起3bは、成形品の形状によっては図23および図24に示すように形成することができる。
図23に示す成型用突起3bは、成型方向Aと直交する方向であって、かつ第1の成型部分14と第2の成型部分15との境界が延びる方向Bとも直交する方向Cと平行になるよう形成されている。この成型用突起3bは、金型本体1の一側部から他側部まで延びている。また、図23に示す成型用突起3bは、第1の成型部分14と第2の成型部分15との境界が延びる方向Bに所定の間隔をおいて並ぶように形成されており、方向Bにおける金型本体2の一方の端面2bから方向Bの他方の端面に至る全域に設けられている。
突条からなる成型用突起3bを図23や図24に示すように形成する場合であっても、成形面用突起3bの表面積を大きくすることで成型途中での上金型と成形品の引っかかりを防ぐことができ、そしてディンプルの跡が成形面に残ってしまうことを防ぐことが出来る。また、成形面に流路を作ることが出来るので冷却水の流れが良くなることから冷却効率が上がる効果も期待できる。
(付記)
上述した熱間プレス成型用金型の製造方法および成型用突起の補修方法の特徴事項を記載すると下記のようになる。
・記載例1
加熱された金属板材を成型する熱間プレス成型用金型の金型本体を形成する予備形成ステップと、
前記金型本体の表面に、前記金属板材と接する成型面を形成するとともに冷却媒体が流れる冷媒通路を形成する多数の成型用突起を3Dプリンタによって突設する突起形成ステップとを有し、
前記突起形成ステップは、
前記成型用突起を、前記表面に沿う第1の方向に所定の間隔をおいて並ぶように前記第1の方向の基端側から先端側に向けて順次形成する第1のステップと、
前記第1のステップの後に実施され、前記成型用突起を、前記第1のステップにおいて形成された複数の前記成型用突起とは前記表面の上で前記第1の方向とは直交する第2の方向に隣り合う位置に、前記第1の方向の前記先端側から前記基端側に向けて所定の間隔をおいて並ぶように順次形成する第2のステップとを有し、
前記第1のステップによって形成された複数の前記成型用突起からなる第1の列と、前記第2のステップによって形成された複数の前記成型用突起からなる第2の列とが前記第2の方向において互いに隣り合う状態で交互に並ぶように前記第1のステップと前記第2のステップとを交互に複数回にわたって繰り返すことを特徴とする熱間プレス成型用金型の製造方法。
・記載例2
加熱された金属板材を成型する熱間プレス成型用金型の金型本体を形成する予備形成ステップと、
前記金型本体の表面に、前記金属板材と接する成型面を形成するとともに冷却媒体が流れる冷媒通路を形成する多数の成型用突起を3Dプリンタによって突設する突起形成ステップとを有し、
前記突起形成ステップは、
前記成型用突起を、前記表面に沿う第1の方向に所定の間隔をおいて並ぶように前記第1の方向の基端側から先端側に向けて順次形成する第1のステップと、
前記第1のステップの後に実施され、前記成型用突起を、前記第1のステップにおいて形成された複数の前記成型用突起とは前記表面の上で前記第1の方向とは直交する第2の方向に離間した位置に、前記第1の方向の前記先端側から前記基端側に向けて所定の間隔をおいて並ぶように順次形成する第2のステップとを有し、
前記第1のステップを、この第1のステップによって形成された複数の前記成型用突起からなる第1の列が前記表面における前記第2の方向の基端側の半部となる第1の領域に形成されるように実施し、
前記第2のステップを、この第2のステップによって形成された複数の前記成型用突起からなる第2の列が前記表面における前記第2の方向の先端側の半部となる第2の領域に形成されるように実施し、
複数の前記第1の列が前記第1の領域で前記第2の方向に並びかつ複数の前記第2の列が前記第2の領域で前記第2の方向に並ぶように前記第1のステップと前記第2のステップとを交互に複数回にわたって繰り返すことを特徴とする熱間プレス成型用金型の製造方法。
・記載例3
記載例1または記載例2に記載の熱間プレス成型用金型の製造方法において、
突起形成ステップは、成型用突起を個々に形成することにより実施することを特徴とする熱間プレス成型用金型の製造方法。
・記載例4
記載例1~記載例3の何れか一つに記載の熱間プレス成型用金型の製造方法において、
前記予備形成ステップにおいて、冷却媒体が供給される供給通路に連通された噴出孔と、冷却媒体が排出される排出通路に連通された吸入孔とを前記金型本体の前記表面にそれぞれ形成し、
前記突起形成ステップにおいて、前記噴出孔および前記吸入孔が複数の前記成型用突起どうしの間に位置するように前記成型用突起を形成することを特徴とする熱間プレス成型用金型の製造方法。
・記載例5
記載例1~記載例4の何れか一つに記載の熱間プレス成型用金型の製造方法において、
前記突起形成ステップは、前記金型本体の前記表面をレーザー光によって加熱するとともに、前記表面に金属粉末を供給する、レーザー肉盛りを行う3Dプリンタを使用して実施することを特徴とする熱間プレス成型用金型の製造方法。
・記載例6
加熱された金属板材を成型する熱間プレス成型用金型に設けられた、前記金属板材と接する成型面を形成するとともに冷却媒体が流れる冷媒通路を形成する多数の成型用突起の、未使用状態における初期の形状データを記録するステップと、
前記成型用突起の予め定めた使用量だけ使用した状態における使用後の形状データを記録するステップと、
前記初期の形状データと前記使用後の形状データとを比較して前記成型用突起の損耗部分の形状データを求めるステップと、
前記損耗部分の前記形状データに基づいて使用後の前記成型用突起に3Dプリンタによって肉盛りを行い、前記使用後の前記成型用突起を補修することを特徴とする熱間プレス成型用金型における成型用突起の補修方法。
・記載例7
記載例6に記載の熱間プレス成型用金型における成型用突起の補修方法において、
前記成型用突起を補修するステップは、前記成型用突起の被補修部分をレーザー光によって加熱するとともに前記被補修部分に金属粉末を供給する、レーザー肉盛りを行う3Dプリンタを使用して実施することを特徴とする熱間プレス成型用金型における成型用突起の補修方法。
Claims (3)
- 合金工具鋼によって形成された金型本体と、
前記金型本体に突設され、被成型物としての加熱された金属板材と接する成型面を形成するとともに冷却媒体が流れる冷媒通路を形成する多数の成型用突起とを備え、
前記金型本体は、
前記成型面が前記金属板材の成型方向とは交差する方向に延びるように形成される第1の成型部分と、
前記成型面が前記成型方向に延びるように形成される第2の成型部分と、
前記成型面が凸曲面となるように前記第1の成型部分と前記第2の成型部分とを接続する第3の成型部分とを有し、
前記第3の成型部分に設けられた前記成型用突起は、前記第1の成型部分と前記第2の成型部分との間で延びる突条となるように形成されていることを特徴とする熱間プレス成型用金型。 - 請求項1において、
前記成型用突起は、前記合金工具鋼より硬度が高い鉄鋼系材料によって形成されていることを特徴とする熱間プレス成型用金型。 - 請求項1または請求項2記載の熱間プレス成型用金型において、
前記第3の成型部分の少なくとも一部は、前記第1の成型部分と前記第2の成型部分との境界が延びる方向において、前記凸曲面の曲率半径が変わるように形成され、
前記突条の長手方向の長さは、前記曲率半径が大きいほど長くなることを特徴とする熱間プレス成型用金型。
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