JP2005059010A

JP2005059010A - 金属板の熱間成形金型

Info

Publication number: JP2005059010A
Application number: JP2003207294A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Tanahashi; 浩之棚橋; Manabu Takahashi; 学高橋
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2003-08-12
Filing date: 2003-08-12
Publication date: 2005-03-10

Abstract

【課題】形状や強度のバラツキの少ない成形品を得るためのダイクエンチ用金型を提供すること。
【解決手段】上下一対で垂直方向に作動するパンチ及びカウンターパンチと、ダイス及び下部板押さえを有する熱間成形金型であって、前記下部板押さえ面上に板押さえ内部に埋没するように可動である突起を有することを特徴とする金属板の熱間成形金型。該突起の頭頂部が曲面を有すること、また、突起の全体または頭頂部が熱伝導率１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以下であることが好ましい。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼板などの金属板を熱間で所定の形状に加工する際に用いられる金型に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車や建設機械などの分野では高強度材料を使用した質量低減への取り組みが盛んに行われている。例えば自動車では、衝突安全性確保や高機能化に伴う車体質量増加を相殺し、更には燃費を向上させて二酸化炭素の排出量を削減することを命題に、高強度鋼板の使用量が着実に増加してきている。
こうした高強度鋼板使用拡大の流れの中で最大の問題は、鋼板の強度を高めた場合に不可避である伸びなどの成形性の劣化である。このことによって、成形後のスプリングバックが増加し、低強度材では不要であった加工工程の追加が必要となったり、成形自身が困難になるため製品形状に制約が生じたりする事案も見受けられる。
【０００３】
こうした状況を解決する一つの方法として、ダイクエンチ法と呼ばれるプロセスが注目されるに至った。これは、金属板（被加工材）を所定の温度（鋼板であれば、オーステナイト相となる温度）に加熱して強度を下げた（すなわち、成形を容易にした）後、被加工材に比べて低温（例えば、室温）の金型で成形することによって、形状の付与と同時に両者の温度差を利用した急冷熱処理（焼き入れ）を行って成形後の強度を確保するというものである。
ダイクエンチ法に関しては幾つかの技術が報告されている。例えば、特許文献１には、ドアインパクトビームと呼ばれる自動車の衝突補強材の製造に当該方法を適用した例が開示されている。また、特許文献２には、被加工材を加熱する方法として直接通電法を採用した例が示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１０２９８０号公報
【特許文献２】
特開２００２−１８５３１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らも当該方法の有用性には従来着目し、研究を進めていたところである。成形後の製品の形状や強度が設計通りに得られているかを中心に、実験と評価を繰り返した。その結果、所望の形状にならなかったり、強度（断面の硬度から推定した）バラツキが生じたりすることがあった。
詳細な検討を加えたところ、その原因は、被加工材の、成形直前（被加工材がダイスやパンチに接する直前）の温度むらにあることが明らかとなった。図１を用いて具体的に述べれば、被加工材５はパンチに接する直前までに、▲１▼下部板押さえ１上に置かれる（同図（ａ））。▲２▼ダイス３または上部板押さえ（図示しない）に接し、続いて拘束される（同図（ｂ）、但し、被加工材の拘束程度は成形形態によって異なる）という段階を経る。このうち、▲１▼の段階で、下部板押さえ１と接する部分と、接しない部分（パンチ２、あるいはカウンターパンチ４の導出部分など）が生じるが、このことが成形後の製品の強度に強く影響を与えることがわかった。おそらく下部板押さえ１に接した瞬間から温度低下が始まる部分では、▲２▼の段階でダイス３または上部板押さえに接するまでに温度が不適切なレベルまで低下しており、部分的に強度が上昇、つまり延性の劣化が起き、成形性にむらが起き、また焼き入れ効果が十分発現しなかったものと推定された。下部板押さえ１との接触による温度低下を見越して予め加熱温度を十分に高くすることも勿論可能であるが、被加工材５内で温度むらが発生することには変わりはないし、加熱温度を高めることは、材料の結晶粒径を粗大化させ、製品性能を劣化させる別の要因と成り得る。また、加熱に要するエネルギーコストも無視できないものである。従って、出来るだけ無駄の無い加熱を行いながらも、成形直前の温度むらを極力小さくする手法が熱望されるが、そうした課題を解決した技術は見当たらない。
【０００６】
特許文献１には、非加工材内部の温度むらに関する記述はない。一方、特許文献２には、下部板押さえに被加工材が接する前までの温度むらを抑制する方法として、直接通電法が誘導加熱法や、加熱炉による方法に比べて優れていることが述べられているが、下部板押さえ上に被加工材が接した後に生じる温度むらについては言及されていない。
本発明はこうした状況に鑑みて為されたものであり、被加工材が成形される直前の温度むらを極力小さくし、所望の特性を有する製品を容易に得ることの出来る金型を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上述した問題を解決し、被加工材が成形される直前の温度むらを極力小さく出来る金型を開発すべく鋭意研究を重ねた。その結果、板押さえ時には板押さえ内部に埋没する位置まで退避する機構を有する突起を下部板押さえ面上に設けることを発明した。こうした金型であれば、加熱された被加工材は直接下部板押さえと接触しないので被加工材の温度低下は大幅に抑制され、かつ、上下板押さえによる被加工材の拘束や、成形時の材料流入に対して特に障害にはならないことを見出した。
【０００８】
更に該突起の頭頂部が曲面であれば、突起が板押さえ内部に退避しつつ上下の板押さえが機能する過程で、例えば、被加工材が僅かに反っている場合などに生じることが考えられる被加工材の横ずれに対しても大きな抵抗とならず、その後の成形の不良原因とならないことも見出した。
また更に加えて、当該突起の全体または頭頂部が低熱伝導性の物質で構成されていれば、突起を介しての熱伝導をも抑制でき、被加工材の温度の均一性が一層高まることも見出した。
【０００９】
本発明はこうした知見に基づいて成されたものであり、
（１）上下一対で垂直方向に作動するパンチ及びカウンターパンチと、ダイス及び下部板押さえを有する熱間成形金型であって、前記金型の下部板押さえ面上に板押さえ内部に埋没するように可動である突起を有することを特徴とする金属板の熱間成形金型、
（２）突起の頭頂部が曲面を有することを特徴とする上記（１）に記載の金属板の熱間成形金型、
（３）突起の全体または頭頂部が熱伝導率１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以下であることを特徴とする上記（１）又は（２）記載の金属板の熱間成形金型、
を要旨とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明を図面に沿って説明する。図２は、本発明の金属板の熱間成形金型の垂直断面を示す概略図である。図面において、１１は、下部板押さえ１２の板押さえ面上に配された突起、１３はパンチ、１４はダイス、１５はカウンターパンチ、１６は被加工材である。
突起１１の大きさは図示を容易にする目的で誇張されたものであり、パンチ１３の大きさなどとの比率は実際の金型を反映したものとはなっていない。
【００１１】
図２（ａ）に示すように、加熱された被加工材１６は突起１１上に置かれる。
この状態で被加工材１６と接しているのは突起１１のみであり、接触面積は下部板押さえ１２上に直接置かれる場合に比べて大幅に縮小される。次いで、同図（ｂ）に示すように、ダイス１４が降下して被加工材１６を下部板押さえ１２との間に拘束する。この際、突起１１は下部板押さえ１２内部にダイス１４の降下と同期して退避する。それに続いて被加工材１６はパンチ１３及びカウンターパンチ１５によって成形される（同図（ｃ））。
【００１２】
突起１１は上記の様に機能するものであるから、熱伝導による温度低下の観点からは、被加工材１６との接触面積が小さい方が望ましい。しかし一方で、高温の被加工材１６と接した状態、すなわち温度が上昇した状態で被加工材１６を支持しなければならないので、ある程度の強度は必要となる。こうした事情から配置する突起の数、および被加工材の質量を勘案して突起と被加工材の接触面積を設定する必要がある。
突起の形状は被加工材を支持出来るものであればどのようなものでもよい。図３（ａ）に例示するように、頭頂部を除いた部分が同形のもの（例えば円柱、角柱など）や、同図（ｂ）に示すように、垂直方向に異形であるもの（円錐や角錐など）でもよい。
【００１３】
突起の垂直方向の移動は、機械的に操作する方式でもよく、あるいは図４に模式的に示すように、ばね２３によって板押さえ面上に突起２１の頭頂部が現出し、下部板押さえ２２が機能する際に板押さえ内部に押し込められる方式としてもよい。
突起頭頂部の形状は、被加工材に食い込ませることを意図する場合を除けば、曲面または平面とするのがよい。平面とした場合、側面との境界は図５に例示するように、面取り仕上げ（ａ）とするか、曲面仕上げ（ｂ）とするのがよい。
【００１４】
突起には、金属、セラミックス、複合材料などを用いることが出来る。被加工材の温度低下防止のため、突起の熱伝導率は１００［Ｗ／ｍ・Ｋ］以下とすることが好ましい。金属を用いる場合には、ステンレス鋼のように熱伝導率の低いものが好ましい。セラミックスを用いる場合にはジルコニアのように低熱伝導性の材料を選択するのが望ましい。金属の上にセラミックスを焼結したものでもよい。突起は、一個全体が同一材質であってもよいし、複数の材質や部品を組み合わせたものであってもよい。
【００１５】
【実施例】
本発明を実施例によって更に説明する。
図２に例示する金型を使用して図６（ｂ）に示すような形状の製品を成形した。被加工材は、主な含有成分として炭素、シリコン、およびマンガンをそれぞれ質量百分率にて０．２％、０．３％、および１．２％含有する鋼板で、厚さは１．２ｍｍとした。ブランクサイズは２５０×５００ｍｍであり、成形高さは５０ｍｍとした。
突起は、図６（ａ）に示すようにパンチ側の端から３５ｍｍの線上に、１００ｍｍ間隔で５個（ブランクの端に一番近い位置は端から５０ｍｍ）配置した。突起は、頭頂部が半球状の円柱（直径５ｍｍ）でステンレス鋼製（熱伝導率２０［Ｗ／ｍ・Ｋ］）のＡ、Ａと同形状でジルコニア製（熱伝導率４［Ｗ／ｍ・Ｋ］）のＢ、辺の長さが５ｍｍの正方形断面を有する角柱でステンレス鋼製（熱伝導率２０［Ｗ／ｍ・Ｋ］）のＣを用いて試験を行った。また比較のために突起のない下部板押さえ（熱伝導率５０［Ｗ／ｍ・Ｋ］）を用いた試験も行った。成形は全ての条件について各々４０体行った。
【００１６】
製品の評価は成形性と強度の二つの観点から行った。まず成形性については、目的形状からのずれの程度と表面のキズ発生の有無を調査し、不良品を抽出した。具体的には、図６（ｂ）の角度θを測定し、同一条件４０体の中の最大値から４°以上小さいものを不良品とした。また成形に伴うキズが認められた製品も不良品とした。一方強度については、図６（ｂ）に示すＸ−Ｘ′断面に沿って製品のビッカース硬さ（１ｋｇｆ）を２０箇所測定し、それらの最大値と最小値の差が３０以上である製品を不良品として抽出した。このようにして行った評価試験の結果を表１に示す。
【００１７】
【表１】

【００１８】
条件ＡとＢでは不良品は全く発生しなかった。条件Ｃでは強度不良品の発生はなかったが、突起によって被加工材が擦られたような傷が１体の製品で認められた。しかしながら、その発生頻度は極めて低い。これに対して、条件Ｄでは成形性不良品、強度不良品がともに高い頻度で発生しており、本発明の金型の優位性は明らかである。
【００１９】
【発明の効果】
これまで述べてきたように、本発明の金型を用いれば、ダイクエンチ法の問題点を克服出来、生産歩留りの向上が期待できる。また、下部板押さえの損傷の発生や進行を抑制し長寿命化する効果も期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）従来技術における熱間成形用金型と金属板の成形前の状態を示す模式図である。（ｂ）従来技術における熱間成形用金型と金属板の拘束中の状態を示す模式図である。
【図２】（ａ）本発明例における熱間成形用金型と金属板の成形前の状態を示す模式図である。（ｂ）本発明例における熱間成形用金型と金属板の拘束中の状態を示す模式図である。（ｃ）本発明例における熱間成形用金型と金属板の成形後の状態を示す模式図である。
【図３】（ａ）突起の形状を示す模式図である。（ｂ）別の突起の形状を示す模式図である。
【図４】（ａ）本発明例におけるばね機構を有する突起を有する下部板押さえの成形前の状態を示す模式図である。（ｂ）本発明例におけるばね機構を有する突起を有する下部板押さえの拘束中の状態を示す模式図である。
【図５】（ａ）突起の頭頂部を示す模式図である。（ｂ）別の突起の頭頂部を示す模式図である。
【図６】（ａ）突起の配列をブランク上で示す図である。（ｂ）成形後の試験体を示す模式図である。
【符号の説明】
１：下部板押さえ２：パンチ
３：ダイス４：カウンターパンチ
５：被加工材１１：突起
１２：下部板押さえ１３：パンチ
１４：ダイス１５：カウンターパンチ
１６：被加工材２１：突起
２２：下部板押さえ２３：ばね機構

Claims

上下一対で垂直方向に作動するパンチ及びカウンターパンチと、ダイス及び下部板押さえを有する熱間成形金型であって、前記下部板押さえ面上に板押さえ内部に埋没するように可動である突起を有することを特徴とする金属板の熱間成形金型。
突起の頭頂部が曲面を有することを特徴とする請求項１記載の金属板の熱間成形金型。
突起の全体または頭頂部が熱伝導率１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の金属板の熱間成形金型。