JP4135397B2 - プレス部品の焼入れ方法および焼入れ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱鋼板をプレス成形するプレス部品の焼入れ方法および焼入れ装置に関し、特に、部分的に後加工可能なプレス部品の焼入れ方法および焼入れ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から鋼板（パネル材）を溶接等により組立て形成する、例えば、車体等の軽量化のために鋼板の強度を向上させる方法として、高強度鋼板（高張力鋼板）を用いる従来からの方法に代えて、加熱状態の鋼板をプレス成形により急冷・焼入れすることが提案されている。
【０００３】
この成形方法は、鋼板を摂氏１０００度近傍まで加熱し、プレス成形型に投入して摂氏約８００度程度の鋼板をプレス成形するものである。プレス成形される鋼板は、高温のために材料強度が低下しており、成形型に沿って素直に変形し、成形品の寸法精度が向上する。また、鋼板は成形型に挟まれることで成形型に熱が奪われて急冷され焼入れされることとなり、成形品の母材強度を大幅に向上させることができる。成形品は焼入れ状態で形成されるため、スプリングバック等の寸法精度の不良等も極めて少ない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例の成形品は、プレス成形型による焼入れにより硬度が上昇するので以下のような問題点があった。
【０００５】
即ち、成形品の表面は、急冷による焼入れにより硬度が上昇しており、剪断抵抗の増加により穴加工やトリム加工が困難となる。また、加工できた場合でも工具破損や工具摩耗の影響がある。
【０００６】
また、急冷による焼入れで硬度上昇する前にピアス等の加工を行い、その後にプレス成形を行うと、成形途中に生じる材料の移動等によって穴位置にずれを生じ、その誤差により製品として成立しない恐れがある。そのため焼入れ前に加工を行ってもよい（誤差が許容される）部位は限られる。
【０００７】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、部分的に後加工が可能なプレス部品の焼入れ方法および焼入れ装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、加熱された鋼板を成形型によりプレス成形と同時に成形型による成形品形状部位毎の冷却速度を異ならせて、焼入れ硬度を部位毎に変化させた成形品を得るプレス部品の焼入れ方法であり、前記成形型は成形面から出没可能に配置され且つ突出付勢される加熱媒体を備え、前記成形型による加熱鋼板の成形に先立って加熱媒体を加熱鋼板に接触させて接触部位の加熱鋼板の温度低下を抑制し、前記加熱鋼板が成形面により成形されるに伴い前記接触状態を維持しつつ前記加熱媒体を成形面に後退させて、加熱鋼板をプレス成形することにより、前記成形品形状部位毎の冷却速度を異ならせるようにした。
【０００９】
第３の発明は、加熱された鋼板を成形型によりプレス成形と同時に成形型による成形品形状部位毎の冷却速度を異ならせて、焼入れ硬度を部位毎に変化させた成形品を得るプレス部品の焼入れ装置であり、前記成形型の成形品形状部位毎の型温度を、成形面から出没可能に配置され且つ突出付勢され、成形面に接する前に加熱鋼板に接触し、加熱鋼板が成形面により成形されるに伴い成形面に収容されるよう配置される加熱媒体の加熱により変化させて、成形品形状部位毎の冷却速度を異ならせるようにした。
【００１０】
【発明の効果】
したがって、第１、３の発明では、冷却速度を部位毎に異ならせて成形品の焼入れ硬度を部位毎に選択できるため、加工が必要な部位の焼入れ硬度を低下させることでその部位の加工を容易とできる。
【００１１】
また、焼入れ硬度を低下させた部位はそれだけ靭性が高くなるため、成形品の強度や靭性を部位毎の要求に対応してコントロールすることができる。
また、鋼板の冷却速度を成形型の成形品形状部位毎に予めの型温度を変化させることで異ならせるため、型温度が低い低温部は焼入れ硬度が高く、型温度が高い高温部は焼入れ硬度が低く設定できる。
そして、前記型温度を加熱媒体である発熱体により加熱することで変化させるため、発熱体の位置を変更すれば成形型の成形面を変更することなく焼入れ硬度の分布を変更することができる。
しかも、前記発熱体を成形面から出没可能且つ突出付勢し、投入されて成形面に接する前の鋼板に接触し、鋼板が成形面により成形されるに伴い成形面に収容されるよう配置したため、発熱体が鋼板に接触して鋼板の温度をより精度よく調整でき、プレス部品の材料組成のコントロールが容易に行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明におけるプレス部品の焼入れ方法および焼入れ装置を実現する実施の形態を各実施形態に基づいて説明する。
【００１５】
図１〜図４は、プレス部品の焼入れ方法および焼入れ装置の参考例１を示し、図１は鋼板からプレス成形されたプレス部品を、図２は図１のプレス部品をプレス成形するプレス成形型を、図３は鋼板とプレス成形型とによる要部の詳細を、図４は剛性低下部の硬度の状態を夫々示す。
【００１６】
図１に示すプレス部品１は、断面がハット形状をなしており、例えば、図２０に示す自動車の車体構造において、エンジンコンパートメントを形成するサイドメンバＳＭ、車室を形成するピラーＰＲ、或いは、サイドシルアウターＳＯ等に適用される。これらのパネル部品は、その剛性を向上させることで車体の剛性向上に比較的大きく寄与する。
【００１７】
このため、このプレス部品１は、プレス成形時に、鋼板を１０００℃近傍まで加熱しプレス成形型にセットした段階で８００℃程度となるようにし、プレス成形により鋼板の熱を成形型により急激に奪うことで急冷する。プレス成形されたプレス部品１は、全体が焼入れされ（焼入れ部Ａという）、その母材強度が大幅に上昇する。使用する鋼板の材料は、焼入れ性を向上させるため、炭素（Ｃ）量がやや多め（０．２〜０．２４％程度）で、合金成分等が添加されている冷延鋼板材料、例えばＳＰＣ２０ＣＢの改良材等を使用する。
【００１８】
ところで、プレス部品１中においても、設計上のレベルの強度を必要としない部位や、穴加工（ピアス）や切断加工（トリム）等の後加工を行う部位もあり、この部位では、その剛性を低下させて、穴加工や切断加工を可能とする必要がある。図１の斜線で囲んだ部位が前記剛性低下部２（即ち、この部位では焼入れ硬度を比較的低く形成する）である。以下、焼入れ部Ａと剛性低下部２とを備えたプレス部品１を成形するプレス成形型について説明する。
【００１９】
図２は、上記プレス部品１を成形するプレス成形型５の断面図を示し、ダイ６とポンチ７とブランクホルダ８を組み合わせた一般的なものである。ダイ６とポンチ７の剛性低下部２に面する表面には、幅Ｗｄの範囲に亙って窪み６Ａ、７Ａを形成し、ダイ６およびポンチ７が成形しようとする鋼板Ｗに接触させないようにする。窪み６Ａ、７Ａの幅Ｗｄは、図３に示すように、剛性低下部位２の幅Ｗｐよりも若干大きく、即ち、鋼板Ｗ自体を通って成形型５に伝熱・吸熱されて冷却される長さＸだけ大きく形成している。
【００２０】
以上の構成のプレス成形型５においては、鋼板Ｗを１０００℃近傍まで加熱し、成形型５への投入時に約８００℃程度となり、高温のため材料強度が低下している状態の鋼板Ｗをダイ６の保持部６Ｂとブランクホルダ８とで挟持し、ポンチ７によりプレス成形する。鋼板Ｗはポンチ７とダイ６の窪み６Ａ、７Ａの部分による剛性低下部２を除く焼入れ部Ａにおいては、成形型５に沿って素直に変形し、成形品１は高い寸法精度を備える。また、鋼板Ｗは成形型５に挟まれることで成形型５に熱が奪われて急冷され焼入れされることとなり、成形品１の母材強度を大幅に向上させることができる。成形品１は焼入れ状態で形成されるため、スプリングバック等の寸法精度の不良等も極めて少ない。
【００２１】
他方、ポンチ７とダイ６の窪み６Ａ、７Ａに臨む剛性低下部２の鋼板Ｗは、ポンチ７とダイ６に接触しておらず、これら成形型５によっては変形および急冷されず、即ち、冷却速度が低く焼入れ硬度、即ち、強度・硬度が他の部分より低下された剛性低下部２を構成する。成形型５と鋼板ＷＳの接触状態を示す図３によれば、ポンチ７およびダイ６と鋼板Ｗとは、剛性低下部２の幅Ｗｐに境界領域の幅をＸを加えた幅Ｗｄをもってダイ６およびポンチ７の窪み６Ａ、７Ａの幅が形成されている。 図４は、窪み６Ａ、７Ａの縁からの距離（上記境界領域Ｘ）を横軸に、成形品１の硬度（ＨＶ）を縦軸にして、成形品１の硬度（ビッカース硬度ＨＶ）の変化を示すものである。これによれば、窪み６Ａ、７Ａの縁に近い５ｍｍの位置では硬度５００（ＨＶ）を超えているが、縁から１５ｍｍ離れている位置では硬度４２０（ＨＶ）程度まで硬度が低下している。従って、成形時に焼入れ硬度を低めに抑えたい範囲ＷＰに対して、少なくとも片側１５ｍｍ以上大きな範囲Ｗｄの窪みを確保することにより、範囲Ｗｐ内の硬度が低下できることが実験データから得られる。例えば、３０ｍｍ幅の部位を低硬度にしたい場合は、最低片側１５ｍｍ以上、つまり６０ｍｍの幅でプレス成形型５に窪み６Ａ、７Ａを設ける必要がある。なお、窪み６Ａ、７Ａの深さは、鋼板Ｗと接触しなければよいので、数ｍｍの深さでよい。また、窪み６Ａ、７Ａの縁は、段差を持たせるのでなく、徐々に深くして境界を滑らかに繋ぐことが望ましい。
【００２２】
また、プレス成形を完了してから約３０秒後に、窪み６Ａ、７Ａに臨む鋼板Ｗ部分とポンチ７およびダイ６に接触する鋼板Ｗ部分の温度データをとりいくつかの値の平均値を得ると、窪み６Ａ、７Ａに臨む部位では約１３０℃であるのに対し成形型５への接触部分では約７０℃であった。このことから、成形型５への接触部分では焼入れが進んでいるが非接触している窪み６Ａ、７Ａ部分においては相対的に焼入れが進んでいないことと理解できる。
【００２３】
従って、加熱された鋼板Ｗをプレス成形型５によりプレス成形し焼入れしても、トリム加工やピアス加工を施す部位の硬度を一般部位より低くすることが可能となり、加工力を低下でき工具摩耗の防止が期待できる。
【００２４】
なお、プレス成形型５によるプレス成形時において、加熱した鋼板Ｗが、先ず、ブランクホルダ８とダイ６のホルダ部６Ｂとの間で挟まれ、この両者によって急冷され焼入れされる懸念がある。この急冷を抑制するために、ブランクホルダ８とダイ６のホルダ部６Ｂの鋼板Ｗと接触する部分に断熱部材や熱伝導性の低い部材を介挿させると、その後のプレス成形される鋼板Ｗの硬度を増加させない意味で効果的である。また、鋼板Ｗに直接接触する部分に断熱部材や熱伝導性の低い部材を設けることが一番効果的であるが、耐磨耗性・耐蝕性の優れた金属を介して鋼板Ｗに接触させるようにしてもよい。
【００２５】
また、上記参考例１においては、窪み６Ａ、７Ａにより加熱した鋼板Ｗに接触させないものについて説明しているが、図示しないが、例えば、窪み６Ａ、７Ａを多数のディンプルにより形成して熱の伝達面積を減少させて、成形面の他の一般断面に対して冷却速度を遅くするようにしてもよい。この場合には、剛性低下部２においてもディンプルによる断続的な成形面によりプレス成形されるため、剛性低下部２の形状精度をより一層向上できる。
【００２６】
本参考例１においては、下記に記載した効果を奏することができる。
【００２７】
（ア）投入された加熱鋼板Ｗを成形型５により成形品１形状部位毎に冷却速度を異ならせて冷却し、得られる焼入れ硬度を部位毎に変化させるため、加工が必要な部位の焼入れ硬度を低下させることで剛性低下部２を得ることができ、その部位の加工を容易とできる。
【００２８】
（イ）また、焼入れ硬度を低下させた部位としての剛性低下部２はそれだけ靭性が高くなるため、成形品１の強度や靭性を部位毎の要求に対応してコントロールすることができる。
【００２９】
（ウ）前記部位毎の冷却速度を成形型５の成形面形状部位と鋼板Ｗとの単位面積あたりの接触面積を変化させることにより異ならせるため、接触面積の多い部位は冷却速度が速いので接触面積の少ない部位に比べて焼入れ硬度を高くできる。
【００３０】
（エ）前記単位面積あたりの接触面積を成形型５の対向する成形面に設ける窪み６Ａ、７Ａの有無により形成するため、成形型５の成形面に窪み６Ａ、７Ａを設けるのみで形成でき、成形型５の成形面形状のプレス部品への高精度の転写を然程必要としない部位に適用できる。
【００３１】
（オ）前記単位面積あたりの接触面積を成形型５の成形面に設けた複数の窪み、即ち、ディンプルの密度により変化させる場合には、上記窪み６Ａ、７Ａによるプレス部品１よりさらに精度よく成形型５の成形面形状をプレス部品１へ高精度に転写できる。
【００３２】
次に、プレス部品の焼入れ方法および焼入れ装置を実現する参考例２について説明する。
【００３３】
図５は、プレス部品の焼入れ方法および焼入れ装置の参考例２を示し、ポンチ７およびダイ６に窪み６Ａ、７Ａを形成して鋼板Ｗに接触させないことにより剛性低下部２を形成することに代えて、ポンチ７およびダイ６の鋼板Ｗに接触する部位の型材を熱伝導率の低い材質の材料により構成することで剛性低下部２を形成するようにしたものである。
【００３４】
図５に示すように、通常鋳物や鋼材で形成されるポンチ７の剛性低下部２に対応する範囲の型材７Ｃをステンレス材等の熱伝導率の低い材料により形成する。図示しないが、剛性低下部２に対応する範囲においてダイ６の型材６Ｃも同様にステンレス等の熱伝導率の低い材料により形成する。ステンレス等の熱伝導率の低い材料の型材７Ｃは、図５に示すポンチ７の例では、台形のブロック状の型材７Ｃをポンチ７の基本となる材質のブロックに嵌め込み（インサート構造）により固定している。ダイ６側においても、ポンチ７の熱伝導率の低い材料で形成された型材７Ｃに対応する範囲を含んで熱伝導率の低い材料の型材６Ｃをブロック状に嵌め込み（インサート構造）固定する。なお、熱伝導率の低い型材６Ｃ、７Ｃを配置する範囲は、剛性低下部２の範囲より、鋼板Ｗ自体で伝熱する境界領域Ｘの幅だけ大きく形成する。また、ブランクホルダ８およびダイ６のホルダ部６Ｂについては、第１実施形態で説明した構造とする。なお、熱伝導率の低い材料としてステンレスを挙げたが、他の金属、セラミック、樹脂等でも、耐熱性、耐蝕性、および、型材としての条件を満足するものであればよい。
【００３５】
図６は、横軸に型材６Ｃ、７Ｃの熱伝導率、縦軸に硬度（ＨＶ）とし、得られる成形品の硬度変化を示したグラフである。このグラフでも判るように、型材６Ｃ、７Ｃの熱伝導率が高いほど成形品の硬度が上昇し、熱伝導率が低いほど成形品の硬度を低下させることができる。
【００３６】
従って、このようにプレス成形型５を形成することで、熱伝導率の低い材質により形成した成形面によりプレス成形される成形品部位は、急冷されることが抑制され、焼入れ効果が緩和された剛性低下部２とする。他方、その他一般の材質の型材で形成した成形面によりプレス成形される成形品部位は、急冷され、焼入れ効果を高くしてその硬度を高くする焼入れ部Ａとすることができる。
【００３７】
しかも、鋼板は、通常の材質で形成された成形面にも、また、熱伝導率の低い材質で形成された成形面にも、接触して成形されるため、いずれの部分をとっても成形品の形状精度を高くできる。
【００３８】
なお、上記参考例２では、熱伝導率の低い材料により型材６Ｃ、７Ｃの成形面を形成するものについて説明しているが、図示しないが、例えば、型材の成形面の一部を分離し、断熱材を介して固定するようにしてもよい。この場合には、断熱材により熱的に浮いているため、この部分の温度は加熱された鋼板からの入熱によりその温度を他の型材部分より高く維持することができる。
【００３９】
本参考例２においては、参考例１による効果（ア）、（イ）の効果に加えて、下記に記載した効果を奏することができる。
【００４０】
（カ）鋼板Ｗの冷却速度を成形型５の成形品形状部位毎に熱伝導の異なる材質の型材６Ｃ、７Ｃを使用することで異ならせるため、例えば、高い焼入れ硬度が必要な部位は鋼材や鋳物等の型材を使用し、低い焼入れ硬度でよい箇所にはステンレス等の熱伝導率の低い型材を使用することにより、焼き入れ硬度に変化を設けることができる。
【００４１】
（キ）成形型５の全ての成形面が鋼板Ｗに接触するため、プレス部品１の形状精度を高精度とできる。
【００４２】
（第３実施形態）
次に、本発明におけるプレス部品の焼入れ方法および焼入れ装置を実現する実施の形態を第１の実施形態に基づいて説明する。
【００４３】
図７〜図１２は、本発明におけるプレス部品の焼入れ方法および焼入れ装置の第１の実施形態を示し、鋼板に接触させない若しくは熱伝導率の低い型材で接触させることにより剛性低下部を形成することに代えて、発熱体により鋼板の温度低下を抑制することで剛性低下部を形成するようにしたものである。
【００４４】
図７は、発熱体１０を備えた成形型５を示し、ダイ６、ポンチ７、ブランクホルダ８およびクッション９を備えた一般的な成形型５に加えて、ダイ６の成形空間に突出した発熱体１０を備えている。発熱体１０は断熱材１１により保持され、断熱材１１はダイ６に上下方向に設けたガイド穴６Ｄ内に摺動自在に挿入され、ガイド穴６Ｄの底部に配置されたスプリング１２等の弾性体により突出するよう付勢されている。前記発熱体１０は、例えば、伝熱ヒータにより構成され、ガイド穴６Ｄからダイ６の側方に延びた穴６Ｅに通した電力線１３を介して電力を供給される。発熱体１０の温度は、鋼板Ｗの炭素量により焼入れ効果が変化するため、炭素量に応じて２５０℃〜９００℃の間で設定する。発熱体１０は弾性体１２により突出付勢されており、ダイ６がポンチ７から離脱した型開き状態では、ダイ６のブランクホルダ８と共に鋼板Ｗを保持するホルダ部６Ｂより下方に突出して位置する。型締めによりダイ６がポンチ７と重なるに連れて後退され、プレス成形を完了する時にはダイ６のガイド穴６Ｄ内にその全てが後退される。
【００４５】
図８（Ａ）〜図９（Ｂ）は、本実施形態におけるプレス成形過程を示したものであり、以下に説明する。
【００４６】
先ず、図８（Ａ）に示す加熱炉１５により鋼板Ｗが約１０００℃近くに加熱され、図８（Ｂ）に示すように、型開きしたプレス成形型５内に投入され、ポンチ７若しくはブランクホルダ８上に載置される。
【００４７】
次いで、図９（Ａ）に示すように、成形型５のダイ６を下降させると、先ず、断熱材１１に保持された発熱体１０が鋼板Ｗに接触する。発熱体１０は設定された温度に維持されているため、鋼板Ｗの発熱体１０と接触する部位の温度は、発熱体１０で設定された温度までポンチ７を経由して放熱され、その後は発熱体１０の温度に維持される。
【００４８】
次いで、鋼板Ｗをダイ６のホルダ部６Ｂとブランクホルダ８で挟み、引き続き、ダイ６が下降されることで鋼板Ｗは成形型５に素直に変形し、成形面から急激に冷却される。しかし、発熱体１０に接触している部位の鋼板Ｗは発熱体１０によりその温度が維持される。
【００４９】
その後にダイ６を上昇させて型開きすると、ブランクホルダ８も共に上昇して成形品１とポンチ７との接触が離脱し、次いで、ブランクホルダ８と成形品１との接触が解除される。この時点においても、成形品１と発熱体１０とは接触を維持し、発熱体１０は成形品１を温め続ける。成形品１が成形型５から離脱すると、成形品１は空冷状態となり、徐々に冷却される。
【００５０】
図１０は上記成形過程における鋼板Ｗの温度変化を示すものであり、プレス成形型５で急冷される焼入れ部Ａである一般断面部では、時点Ｔ１までは、図８（Ａ）の加熱炉１５内で加熱され、剛性低下部２を除いた部分は、時点Ｔ４において、鋼板Ｗがプレス成形されて成形型５により時点Ｔ５まで急冷され、時点Ｔ５から空気中で放冷される。
【００５１】
他方、剛性低下部２は、鋼板Ｗがプレス成形により急冷される時点Ｔ４より前の時点Ｔ２から発熱体１０と接触して発熱体１０の温度となる時点Ｔ３まで冷却され、型開きされる時点Ｔ５より後の発熱体１０が成形品１から離脱する時点Ｔ６まで発熱体１０の温度に維持され、時点Ｔ６から空気中で放冷される。即ち、時点Ｔ３から時点Ｔ６までは発熱体１０の温度に維持され、一気に急冷されることがない。
【００５２】
図１１は、以上の構成のプレス部品の焼入れ方法による成形品１の斜視図を示す。成形品１は、発熱体１０を複数配置することで、図示のように、斜線図示した剛性低下部２を複数配列することができる。
【００５３】
図１２は、焼入れ部Ａである一般断面部と剛性低下部２との硬度を比較したものであり、一般断面部での硬度が約５００（ＨＶ）であるのに対し、剛性低下部２では硬度が約４００（ＨＶ）と剛性が低下している。
【００５４】
図１３は、本実施形態の変形例を示し、発熱体１０と対向するポンチ７の先端に断熱体１６を埋め込んだものである。断熱体１６は発熱体１０と共に鋼板Ｗを挟み込み、ポンチ７から逃げる熱量を抑制して、剛性低下部２の冷却速度を低下させて、徐々に温度低下するようにした。この断熱材１６の存在により、図１０における発熱体１０の温度まで低下する時点Ｔ３が遅くなり、その分だけ剛性低下部２の温度を高く維持して除冷することができる。
【００５５】
なお、上記実施形態では、発熱体１０がダイ６に進退自在に形成されたものについて説明しているが、図示しないが、例えば、ダイおよびまたはポンチの成形面を構成するよう断熱材を介して固定された発熱体であってもよい。この場合においても、剛性低下部は他の一般断面部と同様に温度低下するが、発熱体の温度まで低下した後はその温度を維持し、急激な冷却による焼入れを生じないようにできる。
【００５６】
本実施の形態においては、参考例１における効果（ア）、（イ）に加えて、下記に記載した効果を奏することができる。
【００５７】
（ク）鋼板Ｗの冷却速度を成形型５の成形品形状部位毎に予めの型温度を変化させることで異ならせるため、型温度が低い低温部は焼入れ硬度が高く、型温度が高い高温部は焼入れ硬度が低く設定できる。
【００５８】
（ケ）前記型温度を加熱媒体である発熱体１０により加熱することで変化させるため、発熱体１０の位置を変更すれば成形型５の成形面を変更することなく焼入れ硬度の分布を変更することができる。
【００５９】
（コ）前記発熱体１０を成形面から出没可能且つ突出付勢し、投入されて成形面に接する前の鋼板Ｗに接触し、鋼板Ｗが成形面により成形されるに伴い成形面に収容されるよう配置したため、発熱体１０が鋼板Ｗに接触して鋼板Ｗの温度をより精度よく調整でき、プレス部品１の材料組成のコントロールが容易に行うことができる。
【００６０】
次に、プレス部品の焼入れ方法および焼入れ装置およびプレス部品を実現する参考例３について説明する。
【００６１】
図１４〜図１９は、プレス部品の焼入れ方法および焼入れ装置の参考例３を示し、プレス成形の成形型から離脱させて別の後工程にて穴等の加工をするのに代えて、プレス成形型内で穴等の加工を行うようにしたものである。
【００６２】
図１４は、本参考例３におけるプレス成形型５を示し、クッションピン９に支持されたブランクホルダ８およびポンチ７で下型を形成し、ダイ６により上型を形成している点は共通するが、ダイ６が上プレート１７にリテーナ１８等で昇降自在となりゴムやタンカシリンダ等の圧力源１９を介して支持された構成、上プレート１７にダイ６を貫通して配置したピアスポンチ２０の構成、および、ポンチ７にピアスポンチ２０に対応して位置させてボタンダイ２１を配置する構成を新規に備える。
【００６３】
この場合、上プレート１７がプレス機械により下降され、図１５〜図１７に示す作動により、鋼板Ｗがプレス成形され、引き続き、成形された成形品１にピアス加工がなされる。以下、詳細に説明する。
【００６４】
先ず、図１５に示すように、上プレート１７、ダイ６、および、圧力源１９が一体となって下降し、ダイ６のホルダ部６Ｂが鋼板Ｗに接触して、ブランクホルダ８との間で鋼板Ｗを保持する。
【００６５】
更に上プレート１７が下降すると、クッションピン９にかかるクッション圧は、上型の圧力源１９よりも小さいため、ブランクホルダ８をダイ６により下方に押し下げつつ、図１６に示すように、鋼板Ｗをダイ６とポンチ７との間でプレス成形する。
【００６６】
上記プレス成形によりダイ６がポンチ７と鋼板Ｗを挟んでそれ以上の下降を阻止されるため、上プレート１７は圧力源１９を圧縮して、図１７に示すように、ピアスポンチ２０を下降させる。ピアスポンチ２０はボタンダイ２１との間で鋼板Ｗにピアス加工を行う。
【００６７】
その後、上プレート１７を上昇させると、ピアスポンチ２０、ダイ６ともに上昇し、加工は完了する。
【００６８】
上記作動では、ピアス加工時の鋼板Ｗの温度はポンチ７上に接触することにより低下しているが、少なくとも摂氏５００℃以上あるため、ピアス加工時のせん断抵抗は小さくなる。このため、工具破損防止や工具寿命の延長を図れる。
【００６９】
そして、プレス成形の後にピアス等の加工を行うことになるため、鋼板Ｗの材料移動は終了しており、穴位置のずれが回避でき、精度のよい穴加工が可能となる。
【００７０】
図１８は、ピアスポンチ２０の変形例を示す。これは、ピアス加工時にパッド２２によって穴明け周辺の鋼板Ｗを固定して、ピアスポンチ２０によって精度よくピアス加工を行うために提案したものである。
【００７１】
図１８において、ピアスポンチ２０は上プレート１７に固定されるポンチリテーナ２３に固定されており、ピアスポンチ２０を包むように筒状のウレタンゴム等の弾性体２４と弾性体２４の先端に断熱材２５を介してやはり筒状のパッド２２を固定している。断熱材２５はパッド２２が高温の鋼板Ｗに接触する時、その熱が弾性体２４に伝達されて弾性体２４が溶けることを防止するために配置する。
【００７２】
図１９は、本参考例のプレス部品の焼入れ方法の変形例を示し、ピアスポンチの穴開けタイミングの自由度を更に改善したものである。即ち、ピアスポンチ２０を作動させるために用いたリテーナ１８および圧力源１９に代えて、上プレート１７にシリンダ等のアクチュエータ２６を介してピアスポンチ２０を配置するものである。なお、この場合のダイ６は上プレート１７に直に固定する。
【００７３】
プレス機械の上プレート１７の下降に伴いダイ６はブランクホルダ８との間で鋼板Ｗをブランクホールドし、ポンチ７との間で鋼板Ｗにプレス成形を行い、上プレート１７は下死点にて保持される。
【００７４】
その保持されている間に、シリンダ等のアクチュエータ２６によりピアスポンチ２０を押し出し成形品１に穴加工を行う。
【００７５】
動力源がプレス機械とは別個に設けられているため、ピアス加工のタイミングを任意に設定することができ、鋼板Ｗが最適と思われる温度に下降したタイミングでのピアス加工ができる。なお、本構造でも鋼板Ｗを押さえるパッド２２を備えたピアスポンチ２０とすることにより穴の形状精度が向上する。
【００７６】
本参考例３においては、参考例１における効果（ア）、（イ）に加えて、下記に記載した効果を奏することができる。
【００７７】
（サ）成形型５内でプレス成形され冷却・硬化する前に成形品１を加工するため、成形品１の材料が高温で材料強度が低い状態のうちに加工が行え、剪断抵抗等の加工力を低く抑えることができて加工が容易であると共に工具破損防止や工具寿命の延長につながる。
【００７８】
（シ）プレス成形の後に加工を施すため、成形品１の材料は移動済みであり、加工による穴位置などのずれが回避でき、精度のよい加工が可能である。
【００７９】
（ス）図１４においては、前記加工装置としてのピアスポンチ２０およびボタンダイ２１を成形型５によるプレス成形の完了に連動して作動させるため、ダイ６が上プレート１７にリテーナ１８等で昇降自在となりゴムやタンカシリンダ等の圧力源１９を介して支持してプレス機械に容易に適用できる。
【００８０】
（セ）図１９においては、前記加工装置としてのピアスポンチ２０を成形型５によるプレス成形と独立して作動させるようにしたため、加工時の材料温度を任意に選ぶことができ、精度の良い穴加工が可能である。
【００８１】
（ソ）図１８においては、前記加工装置がボタンダイ２１とピアスポンチ２０で構成する穴加工である場合において、成形品１の穴開け部位の周囲をパッド２２により押さえることでより精度のよい穴加工を行うことができる。なお、パッド２２は断熱材２５等を介した弾性体２４で鋼板Ｗに押圧するように構成すると、弾性体２４に鋼板Ｗの熱が伝達され難い。
【００８２】
なお、上記実施形態において、プレス成形品としてハット型断面を備えるものについて説明しているが、図示しないが、コ字状断面、Ｌ字状断面、さらには、平面状断面のものであってもよく、また、剛性低下部を配置する部位がプレス部品の中央部に限定されるものでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考例１を示すプレス部品の焼入れ装置により得られたプレス部品の斜視図。
【図２】参考例１のプレス部品の焼入れ装置の断面図。
【図３】図２における焼入れ装置の要部を示す断面図。
【図４】図３における要部の硬度状態を示すグラフ。
【図５】参考例２のプレス部品の焼入れ装置の斜視図。
【図６】横軸に型材の熱伝導率を縦軸に硬度（ＨＶ）をとり得られる成形品の硬度変化を示したグラフ。
【図７】本発明の第１の実施形態のプレス部品の焼入れ装置の断面図。
【図８】第１の実施形態の作動を（Ａ）、（Ｂ）に分けて示す工程図。
【図９】図８の工程に続く作動を（Ａ）、（Ｂ）に分けて示す工程図。
【図１０】図８、９におけるプレス部品の温度変化を示すグラフ。
【図１１】第１の実施形態の焼入れ状態の一例を示す斜視図。
【図１２】第１実施形態による焼入れ硬度を示すグラフ。
【図１３】図８の変形例を示すプレス部品の焼入れ装置の断面図。
【図１４】参考例３のプレス部品の焼入れ装置の断面図。
【図１５】図１４に示す焼入れ装置の作動を示す断面図。
【図１６】図１５に続く作動を示す断面図。
【図１７】図１７に続く作動を示す断面図。
【図１８】ピアスポンチの変形例を示す断面図。
【図１９】参考例３のプレス部品の焼入れ方法の変形例を示す断面図。
【図２０】本発明によるプレス部品の適用箇所の一例を示す車体構造の斜視図。
【符号の説明】
Ａ 焼入れ部
Ｗ 鋼板
１ プレス部品（成形品）
２ 剛性低下部
５ 成形型
６ ダイ
７ ポンチ
６Ａ、７Ａ 窪み
６Ｃ、７Ｃ 熱伝導の異なる型材
８ ブランクホルダ
１０ 加熱媒体としての発熱体
１６ 断熱材
２０ 加工装置としてのピアスポンチ
２１ 加工装置としてのボタンダイ
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱鋼板をプレス成形するプレス部品の焼入れ方法および焼入れ装置に関し、特に、部分的に後加工可能なプレス部品の焼入れ方法および焼入れ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から鋼板（パネル材）を溶接等により組立て形成する、例えば、車体等の軽量化のために鋼板の強度を向上させる方法として、高強度鋼板（高張力鋼板）を用いる従来からの方法に代えて、加熱状態の鋼板をプレス成形により急冷・焼入れすることが提案されている。
【０００３】
この成形方法は、鋼板を摂氏１０００度近傍まで加熱し、プレス成形型に投入して摂氏約８００度程度の鋼板をプレス成形するものである。プレス成形される鋼板は、高温のために材料強度が低下しており、成形型に沿って素直に変形し、成形品の寸法精度が向上する。また、鋼板は成形型に挟まれることで成形型に熱が奪われて急冷され焼入れされることとなり、成形品の母材強度を大幅に向上させることができる。成形品は焼入れ状態で形成されるため、スプリングバック等の寸法精度の不良等も極めて少ない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例の成形品は、プレス成形型による焼入れにより硬度が上昇するので以下のような問題点があった。
【０００５】
即ち、成形品の表面は、急冷による焼入れにより硬度が上昇しており、剪断抵抗の増加により穴加工やトリム加工が困難となる。また、加工できた場合でも工具破損や工具摩耗の影響がある。
【０００６】
また、急冷による焼入れで硬度上昇する前にピアス等の加工を行い、その後にプレス成形を行うと、成形途中に生じる材料の移動等によって穴位置にずれを生じ、その誤差により製品として成立しない恐れがある。そのため焼入れ前に加工を行ってもよい（誤差が許容される）部位は限られる。
【０００７】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、部分的に後加工が可能なプレス部品の焼入れ方法および焼入れ装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、加熱された鋼板を成形型によりプレス成形と同時に成形型による成形品形状部位毎の冷却速度を異ならせて、焼入れ硬度を部位毎に変化させた成形品を得るプレス部品の焼入れ方法であり、前記成形型は成形面から出没可能に配置され且つ突出付勢される加熱媒体を備え、前記成形型による加熱鋼板の成形に先立って加熱媒体を加熱鋼板に接触させて接触部位の加熱鋼板の温度低下を抑制し、前記加熱鋼板が成形面により成形されるに伴い前記接触状態を維持しつつ前記加熱媒体を成形面に後退させて、加熱鋼板をプレス成形することにより、前記成形品形状部位毎の冷却速度を異ならせるようにした。
【０００９】
第３の発明は、加熱された鋼板を成形型によりプレス成形と同時に成形型による成形品形状部位毎の冷却速度を異ならせて、焼入れ硬度を部位毎に変化させた成形品を得るプレス部品の焼入れ装置であり、前記成形型の成形品形状部位毎の型温度を、成形面から出没可能に配置され且つ突出付勢され、成形面に接する前に加熱鋼板に接触し、加熱鋼板が成形面により成形されるに伴い成形面に収容されるよう配置される加熱媒体の加熱により変化させて、成形品形状部位毎の冷却速度を異ならせるようにした。
【００１０】
【発明の効果】
したがって、第１、３の発明では、冷却速度を部位毎に異ならせて成形品の焼入れ硬度を部位毎に選択できるため、加工が必要な部位の焼入れ硬度を低下させることでその部位の加工を容易とできる。
【００１１】
また、焼入れ硬度を低下させた部位はそれだけ靭性が高くなるため、成形品の強度や靭性を部位毎の要求に対応してコントロールすることができる。
また、鋼板の冷却速度を成形型の成形品形状部位毎に予めの型温度を変化させることで異ならせるため、型温度が低い低温部は焼入れ硬度が高く、型温度が高い高温部は焼入れ硬度が低く設定できる。
そして、前記型温度を加熱媒体である発熱体により加熱することで変化させるため、発熱体の位置を変更すれば成形型の成形面を変更することなく焼入れ硬度の分布を変更することができる。
しかも、前記発熱体を成形面から出没可能且つ突出付勢し、投入されて成形面に接する前の鋼板に接触し、鋼板が成形面により成形されるに伴い成形面に収容されるよう配置したため、発熱体が鋼板に接触して鋼板の温度をより精度よく調整でき、プレス部品の材料組成のコントロールが容易に行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明におけるプレス部品の焼入れ方法および焼入れ装置を実現する実施の形態を各実施形態に基づいて説明する。
【００１５】
図１〜図４は、プレス部品の焼入れ方法および焼入れ装置の参考例１を示し、図１は鋼板からプレス成形されたプレス部品を、図２は図１のプレス部品をプレス成形するプレス成形型を、図３は鋼板とプレス成形型とによる要部の詳細を、図４は剛性低下部の硬度の状態を夫々示す。
【００１６】
図１に示すプレス部品１は、断面がハット形状をなしており、例えば、図２０に示す自動車の車体構造において、エンジンコンパートメントを形成するサイドメンバＳＭ、車室を形成するピラーＰＲ、或いは、サイドシルアウターＳＯ等に適用される。これらのパネル部品は、その剛性を向上させることで車体の剛性向上に比較的大きく寄与する。
【００１７】
このため、このプレス部品１は、プレス成形時に、鋼板を１０００℃近傍まで加熱しプレス成形型にセットした段階で８００℃程度となるようにし、プレス成形により鋼板の熱を成形型により急激に奪うことで急冷する。プレス成形されたプレス部品１は、全体が焼入れされ（焼入れ部Ａという）、その母材強度が大幅に上昇する。使用する鋼板の材料は、焼入れ性を向上させるため、炭素（Ｃ）量がやや多め（０．２〜０．２４％程度）で、合金成分等が添加されている冷延鋼板材料、例えばＳＰＣ２０ＣＢの改良材等を使用する。
【００１８】
ところで、プレス部品１中においても、設計上のレベルの強度を必要としない部位や、穴加工（ピアス）や切断加工（トリム）等の後加工を行う部位もあり、この部位では、その剛性を低下させて、穴加工や切断加工を可能とする必要がある。図１の斜線で囲んだ部位が前記剛性低下部２（即ち、この部位では焼入れ硬度を比較的低く形成する）である。以下、焼入れ部Ａと剛性低下部２とを備えたプレス部品１を成形するプレス成形型について説明する。
【００１９】
図２は、上記プレス部品１を成形するプレス成形型５の断面図を示し、ダイ６とポンチ７とブランクホルダ８を組み合わせた一般的なものである。ダイ６とポンチ７の剛性低下部２に面する表面には、幅Ｗｄの範囲に亙って窪み６Ａ、７Ａを形成し、ダイ６およびポンチ７が成形しようとする鋼板Ｗに接触させないようにする。窪み６Ａ、７Ａの幅Ｗｄは、図３に示すように、剛性低下部位２の幅Ｗｐよりも若干大きく、即ち、鋼板Ｗ自体を通って成形型５に伝熱・吸熱されて冷却される長さＸだけ大きく形成している。
【００２０】
以上の構成のプレス成形型５においては、鋼板Ｗを１０００℃近傍まで加熱し、成形型５への投入時に約８００℃程度となり、高温のため材料強度が低下している状態の鋼板Ｗをダイ６の保持部６Ｂとブランクホルダ８とで挟持し、ポンチ７によりプレス成形する。鋼板Ｗはポンチ７とダイ６の窪み６Ａ、７Ａの部分による剛性低下部２を除く焼入れ部Ａにおいては、成形型５に沿って素直に変形し、成形品１は高い寸法精度を備える。また、鋼板Ｗは成形型５に挟まれることで成形型５に熱が奪われて急冷され焼入れされることとなり、成形品１の母材強度を大幅に向上させることができる。成形品１は焼入れ状態で形成されるため、スプリングバック等の寸法精度の不良等も極めて少ない。
【００２１】
他方、ポンチ７とダイ６の窪み６Ａ、７Ａに臨む剛性低下部２の鋼板Ｗは、ポンチ７とダイ６に接触しておらず、これら成形型５によっては変形および急冷されず、即ち、冷却速度が低く焼入れ硬度、即ち、強度・硬度が他の部分より低下された剛性低下部２を構成する。成形型５と鋼板ＷＳの接触状態を示す図３によれば、ポンチ７およびダイ６と鋼板Ｗとは、剛性低下部２の幅Ｗｐに境界領域の幅をＸを加えた幅Ｗｄをもってダイ６およびポンチ７の窪み６Ａ、７Ａの幅が形成されている。 図４は、窪み６Ａ、７Ａの縁からの距離（上記境界領域Ｘ）を横軸に、成形品１の硬度（ＨＶ）を縦軸にして、成形品１の硬度（ビッカース硬度ＨＶ）の変化を示すものである。これによれば、窪み６Ａ、７Ａの縁に近い５ｍｍの位置では硬度５００（ＨＶ）を超えているが、縁から１５ｍｍ離れている位置では硬度４２０（ＨＶ）程度まで硬度が低下している。従って、成形時に焼入れ硬度を低めに抑えたい範囲ＷＰに対して、少なくとも片側１５ｍｍ以上大きな範囲Ｗｄの窪みを確保することにより、範囲Ｗｐ内の硬度が低下できることが実験データから得られる。例えば、３０ｍｍ幅の部位を低硬度にしたい場合は、最低片側１５ｍｍ以上、つまり６０ｍｍの幅でプレス成形型５に窪み６Ａ、７Ａを設ける必要がある。なお、窪み６Ａ、７Ａの深さは、鋼板Ｗと接触しなければよいので、数ｍｍの深さでよい。また、窪み６Ａ、７Ａの縁は、段差を持たせるのでなく、徐々に深くして境界を滑らかに繋ぐことが望ましい。
【００２２】
また、プレス成形を完了してから約３０秒後に、窪み６Ａ、７Ａに臨む鋼板Ｗ部分とポンチ７およびダイ６に接触する鋼板Ｗ部分の温度データをとりいくつかの値の平均値を得ると、窪み６Ａ、７Ａに臨む部位では約１３０℃であるのに対し成形型５への接触部分では約７０℃であった。このことから、成形型５への接触部分では焼入れが進んでいるが非接触している窪み６Ａ、７Ａ部分においては相対的に焼入れが進んでいないことと理解できる。
【００２３】
従って、加熱された鋼板Ｗをプレス成形型５によりプレス成形し焼入れしても、トリム加工やピアス加工を施す部位の硬度を一般部位より低くすることが可能となり、加工力を低下でき工具摩耗の防止が期待できる。
【００２４】
なお、プレス成形型５によるプレス成形時において、加熱した鋼板Ｗが、先ず、ブランクホルダ８とダイ６のホルダ部６Ｂとの間で挟まれ、この両者によって急冷され焼入れされる懸念がある。この急冷を抑制するために、ブランクホルダ８とダイ６のホルダ部６Ｂの鋼板Ｗと接触する部分に断熱部材や熱伝導性の低い部材を介挿させると、その後のプレス成形される鋼板Ｗの硬度を増加させない意味で効果的である。また、鋼板Ｗに直接接触する部分に断熱部材や熱伝導性の低い部材を設けることが一番効果的であるが、耐磨耗性・耐蝕性の優れた金属を介して鋼板Ｗに接触させるようにしてもよい。
【００２５】
また、上記参考例１においては、窪み６Ａ、７Ａにより加熱した鋼板Ｗに接触させないものについて説明しているが、図示しないが、例えば、窪み６Ａ、７Ａを多数のディンプルにより形成して熱の伝達面積を減少させて、成形面の他の一般断面に対して冷却速度を遅くするようにしてもよい。この場合には、剛性低下部２においてもディンプルによる断続的な成形面によりプレス成形されるため、剛性低下部２の形状精度をより一層向上できる。
【００２６】
本参考例１においては、下記に記載した効果を奏することができる。
【００２７】
（ア）投入された加熱鋼板Ｗを成形型５により成形品１形状部位毎に冷却速度を異ならせて冷却し、得られる焼入れ硬度を部位毎に変化させるため、加工が必要な部位の焼入れ硬度を低下させることで剛性低下部２を得ることができ、その部位の加工を容易とできる。
【００２８】
（イ）また、焼入れ硬度を低下させた部位としての剛性低下部２はそれだけ靭性が高くなるため、成形品１の強度や靭性を部位毎の要求に対応してコントロールすることができる。
【００２９】
（ウ）前記部位毎の冷却速度を成形型５の成形面形状部位と鋼板Ｗとの単位面積あたりの接触面積を変化させることにより異ならせるため、接触面積の多い部位は冷却速度が速いので接触面積の少ない部位に比べて焼入れ硬度を高くできる。
【００３０】
（エ）前記単位面積あたりの接触面積を成形型５の対向する成形面に設ける窪み６Ａ、７Ａの有無により形成するため、成形型５の成形面に窪み６Ａ、７Ａを設けるのみで形成でき、成形型５の成形面形状のプレス部品への高精度の転写を然程必要としない部位に適用できる。
【００３１】
（オ）前記単位面積あたりの接触面積を成形型５の成形面に設けた複数の窪み、即ち、ディンプルの密度により変化させる場合には、上記窪み６Ａ、７Ａによるプレス部品１よりさらに精度よく成形型５の成形面形状をプレス部品１へ高精度に転写できる。
【００３２】
次に、プレス部品の焼入れ方法および焼入れ装置を実現する参考例２について説明する。
【００３３】
図５は、プレス部品の焼入れ方法および焼入れ装置の参考例２を示し、ポンチ７およびダイ６に窪み６Ａ、７Ａを形成して鋼板Ｗに接触させないことにより剛性低下部２を形成することに代えて、ポンチ７およびダイ６の鋼板Ｗに接触する部位の型材を熱伝導率の低い材質の材料により構成することで剛性低下部２を形成するようにしたものである。
【００３４】
図５に示すように、通常鋳物や鋼材で形成されるポンチ７の剛性低下部２に対応する範囲の型材７Ｃをステンレス材等の熱伝導率の低い材料により形成する。図示しないが、剛性低下部２に対応する範囲においてダイ６の型材６Ｃも同様にステンレス等の熱伝導率の低い材料により形成する。ステンレス等の熱伝導率の低い材料の型材７Ｃは、図５に示すポンチ７の例では、台形のブロック状の型材７Ｃをポンチ７の基本となる材質のブロックに嵌め込み（インサート構造）により固定している。ダイ６側においても、ポンチ７の熱伝導率の低い材料で形成された型材７Ｃに対応する範囲を含んで熱伝導率の低い材料の型材６Ｃをブロック状に嵌め込み（インサート構造）固定する。なお、熱伝導率の低い型材６Ｃ、７Ｃを配置する範囲は、剛性低下部２の範囲より、鋼板Ｗ自体で伝熱する境界領域Ｘの幅だけ大きく形成する。また、ブランクホルダ８およびダイ６のホルダ部６Ｂについては、第１実施形態で説明した構造とする。なお、熱伝導率の低い材料としてステンレスを挙げたが、他の金属、セラミック、樹脂等でも、耐熱性、耐蝕性、および、型材としての条件を満足するものであればよい。
【００３５】
図６は、横軸に型材６Ｃ、７Ｃの熱伝導率、縦軸に硬度（ＨＶ）とし、得られる成形品の硬度変化を示したグラフである。このグラフでも判るように、型材６Ｃ、７Ｃの熱伝導率が高いほど成形品の硬度が上昇し、熱伝導率が低いほど成形品の硬度を低下させることができる。
【００３６】
従って、このようにプレス成形型５を形成することで、熱伝導率の低い材質により形成した成形面によりプレス成形される成形品部位は、急冷されることが抑制され、焼入れ効果が緩和された剛性低下部２とする。他方、その他一般の材質の型材で形成した成形面によりプレス成形される成形品部位は、急冷され、焼入れ効果を高くしてその硬度を高くする焼入れ部Ａとすることができる。
【００３７】
しかも、鋼板は、通常の材質で形成された成形面にも、また、熱伝導率の低い材質で形成された成形面にも、接触して成形されるため、いずれの部分をとっても成形品の形状精度を高くできる。
【００３８】
なお、上記参考例２では、熱伝導率の低い材料により型材６Ｃ、７Ｃの成形面を形成するものについて説明しているが、図示しないが、例えば、型材の成形面の一部を分離し、断熱材を介して固定するようにしてもよい。この場合には、断熱材により熱的に浮いているため、この部分の温度は加熱された鋼板からの入熱によりその温度を他の型材部分より高く維持することができる。
【００３９】
本参考例２においては、参考例１による効果（ア）、（イ）の効果に加えて、下記に記載した効果を奏することができる。
【００４０】
（カ）鋼板Ｗの冷却速度を成形型５の成形品形状部位毎に熱伝導の異なる材質の型材６Ｃ、７Ｃを使用することで異ならせるため、例えば、高い焼入れ硬度が必要な部位は鋼材や鋳物等の型材を使用し、低い焼入れ硬度でよい箇所にはステンレス等の熱伝導率の低い型材を使用することにより、焼き入れ硬度に変化を設けることができる。
【００４１】
（キ）成形型５の全ての成形面が鋼板Ｗに接触するため、プレス部品１の形状精度を高精度とできる。
【００４２】
（第３実施形態）
次に、本発明におけるプレス部品の焼入れ方法および焼入れ装置を実現する実施の形態を第１の実施形態に基づいて説明する。
【００４３】
図７〜図１２は、本発明におけるプレス部品の焼入れ方法および焼入れ装置の第１の実施形態を示し、鋼板に接触させない若しくは熱伝導率の低い型材で接触させることにより剛性低下部を形成することに代えて、発熱体により鋼板の温度低下を抑制することで剛性低下部を形成するようにしたものである。
【００４４】
図７は、発熱体１０を備えた成形型５を示し、ダイ６、ポンチ７、ブランクホルダ８およびクッション９を備えた一般的な成形型５に加えて、ダイ６の成形空間に突出した発熱体１０を備えている。発熱体１０は断熱材１１により保持され、断熱材１１はダイ６に上下方向に設けたガイド穴６Ｄ内に摺動自在に挿入され、ガイド穴６Ｄの底部に配置されたスプリング１２等の弾性体により突出するよう付勢されている。前記発熱体１０は、例えば、伝熱ヒータにより構成され、ガイド穴６Ｄからダイ６の側方に延びた穴６Ｅに通した電力線１３を介して電力を供給される。発熱体１０の温度は、鋼板Ｗの炭素量により焼入れ効果が変化するため、炭素量に応じて２５０℃〜９００℃の間で設定する。発熱体１０は弾性体１２により突出付勢されており、ダイ６がポンチ７から離脱した型開き状態では、ダイ６のブランクホルダ８と共に鋼板Ｗを保持するホルダ部６Ｂより下方に突出して位置する。型締めによりダイ６がポンチ７と重なるに連れて後退され、プレス成形を完了する時にはダイ６のガイド穴６Ｄ内にその全てが後退される。
【００４５】
図８（Ａ）〜図９（Ｂ）は、本実施形態におけるプレス成形過程を示したものであり、以下に説明する。
【００４６】
先ず、図８（Ａ）に示す加熱炉１５により鋼板Ｗが約１０００℃近くに加熱され、図８（Ｂ）に示すように、型開きしたプレス成形型５内に投入され、ポンチ７若しくはブランクホルダ８上に載置される。
【００４７】
次いで、図９（Ａ）に示すように、成形型５のダイ６を下降させると、先ず、断熱材１１に保持された発熱体１０が鋼板Ｗに接触する。発熱体１０は設定された温度に維持されているため、鋼板Ｗの発熱体１０と接触する部位の温度は、発熱体１０で設定された温度までポンチ７を経由して放熱され、その後は発熱体１０の温度に維持される。
【００４８】
次いで、鋼板Ｗをダイ６のホルダ部６Ｂとブランクホルダ８で挟み、引き続き、ダイ６が下降されることで鋼板Ｗは成形型５に素直に変形し、成形面から急激に冷却される。しかし、発熱体１０に接触している部位の鋼板Ｗは発熱体１０によりその温度が維持される。
【００４９】
その後にダイ６を上昇させて型開きすると、ブランクホルダ８も共に上昇して成形品１とポンチ７との接触が離脱し、次いで、ブランクホルダ８と成形品１との接触が解除される。この時点においても、成形品１と発熱体１０とは接触を維持し、発熱体１０は成形品１を温め続ける。成形品１が成形型５から離脱すると、成形品１は空冷状態となり、徐々に冷却される。
【００５０】
図１０は上記成形過程における鋼板Ｗの温度変化を示すものであり、プレス成形型５で急冷される焼入れ部Ａである一般断面部では、時点Ｔ１までは、図８（Ａ）の加熱炉１５内で加熱され、剛性低下部２を除いた部分は、時点Ｔ４において、鋼板Ｗがプレス成形されて成形型５により時点Ｔ５まで急冷され、時点Ｔ５から空気中で放冷される。
【００５１】
他方、剛性低下部２は、鋼板Ｗがプレス成形により急冷される時点Ｔ４より前の時点Ｔ２から発熱体１０と接触して発熱体１０の温度となる時点Ｔ３まで冷却され、型開きされる時点Ｔ５より後の発熱体１０が成形品１から離脱する時点Ｔ６まで発熱体１０の温度に維持され、時点Ｔ６から空気中で放冷される。即ち、時点Ｔ３から時点Ｔ６までは発熱体１０の温度に維持され、一気に急冷されることがない。
【００５２】
図１１は、以上の構成のプレス部品の焼入れ方法による成形品１の斜視図を示す。成形品１は、発熱体１０を複数配置することで、図示のように、斜線図示した剛性低下部２を複数配列することができる。
【００５３】
図１２は、焼入れ部Ａである一般断面部と剛性低下部２との硬度を比較したものであり、一般断面部での硬度が約５００（ＨＶ）であるのに対し、剛性低下部２では硬度が約４００（ＨＶ）と剛性が低下している。
【００５４】
図１３は、本実施形態の変形例を示し、発熱体１０と対向するポンチ７の先端に断熱体１６を埋め込んだものである。断熱体１６は発熱体１０と共に鋼板Ｗを挟み込み、ポンチ７から逃げる熱量を抑制して、剛性低下部２の冷却速度を低下させて、徐々に温度低下するようにした。この断熱材１６の存在により、図１０における発熱体１０の温度まで低下する時点Ｔ３が遅くなり、その分だけ剛性低下部２の温度を高く維持して除冷することができる。
【００５５】
なお、上記実施形態では、発熱体１０がダイ６に進退自在に形成されたものについて説明しているが、図示しないが、例えば、ダイおよびまたはポンチの成形面を構成するよう断熱材を介して固定された発熱体であってもよい。この場合においても、剛性低下部は他の一般断面部と同様に温度低下するが、発熱体の温度まで低下した後はその温度を維持し、急激な冷却による焼入れを生じないようにできる。
【００５６】
本実施の形態においては、参考例１における効果（ア）、（イ）に加えて、下記に記載した効果を奏することができる。
【００５７】
（ク）鋼板Ｗの冷却速度を成形型５の成形品形状部位毎に予めの型温度を変化させることで異ならせるため、型温度が低い低温部は焼入れ硬度が高く、型温度が高い高温部は焼入れ硬度が低く設定できる。
【００５８】
（ケ）前記型温度を加熱媒体である発熱体１０により加熱することで変化させるため、発熱体１０の位置を変更すれば成形型５の成形面を変更することなく焼入れ硬度の分布を変更することができる。
【００５９】
（コ）前記発熱体１０を成形面から出没可能且つ突出付勢し、投入されて成形面に接する前の鋼板Ｗに接触し、鋼板Ｗが成形面により成形されるに伴い成形面に収容されるよう配置したため、発熱体１０が鋼板Ｗに接触して鋼板Ｗの温度をより精度よく調整でき、プレス部品１の材料組成のコントロールが容易に行うことができる。
【００６０】
次に、プレス部品の焼入れ方法および焼入れ装置およびプレス部品を実現する参考例３について説明する。
【００６１】
図１４〜図１９は、プレス部品の焼入れ方法および焼入れ装置の参考例３を示し、プレス成形の成形型から離脱させて別の後工程にて穴等の加工をするのに代えて、プレス成形型内で穴等の加工を行うようにしたものである。
【００６２】
図１４は、本参考例３におけるプレス成形型５を示し、クッションピン９に支持されたブランクホルダ８およびポンチ７で下型を形成し、ダイ６により上型を形成している点は共通するが、ダイ６が上プレート１７にリテーナ１８等で昇降自在となりゴムやタンカシリンダ等の圧力源１９を介して支持された構成、上プレート１７にダイ６を貫通して配置したピアスポンチ２０の構成、および、ポンチ７にピアスポンチ２０に対応して位置させてボタンダイ２１を配置する構成を新規に備える。
【００６３】
この場合、上プレート１７がプレス機械により下降され、図１５〜図１７に示す作動により、鋼板Ｗがプレス成形され、引き続き、成形された成形品１にピアス加工がなされる。以下、詳細に説明する。
【００６４】
先ず、図１５に示すように、上プレート１７、ダイ６、および、圧力源１９が一体となって下降し、ダイ６のホルダ部６Ｂが鋼板Ｗに接触して、ブランクホルダ８との間で鋼板Ｗを保持する。
【００６５】
更に上プレート１７が下降すると、クッションピン９にかかるクッション圧は、上型の圧力源１９よりも小さいため、ブランクホルダ８をダイ６により下方に押し下げつつ、図１６に示すように、鋼板Ｗをダイ６とポンチ７との間でプレス成形する。
【００６６】
上記プレス成形によりダイ６がポンチ７と鋼板Ｗを挟んでそれ以上の下降を阻止されるため、上プレート１７は圧力源１９を圧縮して、図１７に示すように、ピアスポンチ２０を下降させる。ピアスポンチ２０はボタンダイ２１との間で鋼板Ｗにピアス加工を行う。
【００６７】
その後、上プレート１７を上昇させると、ピアスポンチ２０、ダイ６ともに上昇し、加工は完了する。
【００６８】
上記作動では、ピアス加工時の鋼板Ｗの温度はポンチ７上に接触することにより低下しているが、少なくとも摂氏５００℃以上あるため、ピアス加工時のせん断抵抗は小さくなる。このため、工具破損防止や工具寿命の延長を図れる。
【００６９】
そして、プレス成形の後にピアス等の加工を行うことになるため、鋼板Ｗの材料移動は終了しており、穴位置のずれが回避でき、精度のよい穴加工が可能となる。
【００７０】
図１８は、ピアスポンチ２０の変形例を示す。これは、ピアス加工時にパッド２２によって穴明け周辺の鋼板Ｗを固定して、ピアスポンチ２０によって精度よくピアス加工を行うために提案したものである。
【００７１】
図１８において、ピアスポンチ２０は上プレート１７に固定されるポンチリテーナ２３に固定されており、ピアスポンチ２０を包むように筒状のウレタンゴム等の弾性体２４と弾性体２４の先端に断熱材２５を介してやはり筒状のパッド２２を固定している。断熱材２５はパッド２２が高温の鋼板Ｗに接触する時、その熱が弾性体２４に伝達されて弾性体２４が溶けることを防止するために配置する。
【００７２】
図１９は、本参考例のプレス部品の焼入れ方法の変形例を示し、ピアスポンチの穴開けタイミングの自由度を更に改善したものである。即ち、ピアスポンチ２０を作動させるために用いたリテーナ１８および圧力源１９に代えて、上プレート１７にシリンダ等のアクチュエータ２６を介してピアスポンチ２０を配置するものである。なお、この場合のダイ６は上プレート１７に直に固定する。
【００７３】
プレス機械の上プレート１７の下降に伴いダイ６はブランクホルダ８との間で鋼板Ｗをブランクホールドし、ポンチ７との間で鋼板Ｗにプレス成形を行い、上プレート１７は下死点にて保持される。
【００７４】
その保持されている間に、シリンダ等のアクチュエータ２６によりピアスポンチ２０を押し出し成形品１に穴加工を行う。
【００７５】
動力源がプレス機械とは別個に設けられているため、ピアス加工のタイミングを任意に設定することができ、鋼板Ｗが最適と思われる温度に下降したタイミングでのピアス加工ができる。なお、本構造でも鋼板Ｗを押さえるパッド２２を備えたピアスポンチ２０とすることにより穴の形状精度が向上する。
【００７６】
本参考例３においては、参考例１における効果（ア）、（イ）に加えて、下記に記載した効果を奏することができる。
【００７７】
（サ）成形型５内でプレス成形され冷却・硬化する前に成形品１を加工するため、成形品１の材料が高温で材料強度が低い状態のうちに加工が行え、剪断抵抗等の加工力を低く抑えることができて加工が容易であると共に工具破損防止や工具寿命の延長につながる。
【００７８】
（シ）プレス成形の後に加工を施すため、成形品１の材料は移動済みであり、加工による穴位置などのずれが回避でき、精度のよい加工が可能である。
【００７９】
（ス）図１４においては、前記加工装置としてのピアスポンチ２０およびボタンダイ２１を成形型５によるプレス成形の完了に連動して作動させるため、ダイ６が上プレート１７にリテーナ１８等で昇降自在となりゴムやタンカシリンダ等の圧力源１９を介して支持してプレス機械に容易に適用できる。
【００８０】
（セ）図１９においては、前記加工装置としてのピアスポンチ２０を成形型５によるプレス成形と独立して作動させるようにしたため、加工時の材料温度を任意に選ぶことができ、精度の良い穴加工が可能である。
【００８１】
（ソ）図１８においては、前記加工装置がボタンダイ２１とピアスポンチ２０で構成する穴加工である場合において、成形品１の穴開け部位の周囲をパッド２２により押さえることでより精度のよい穴加工を行うことができる。なお、パッド２２は断熱材２５等を介した弾性体２４で鋼板Ｗに押圧するように構成すると、弾性体２４に鋼板Ｗの熱が伝達され難い。
【００８２】
なお、上記実施形態において、プレス成形品としてハット型断面を備えるものについて説明しているが、図示しないが、コ字状断面、Ｌ字状断面、さらには、平面状断面のものであってもよく、また、剛性低下部を配置する部位がプレス部品の中央部に限定されるものでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考例１を示すプレス部品の焼入れ装置により得られたプレス部品の斜視図。
【図２】参考例１のプレス部品の焼入れ装置の断面図。
【図３】図２における焼入れ装置の要部を示す断面図。
【図４】図３における要部の硬度状態を示すグラフ。
【図５】参考例２のプレス部品の焼入れ装置の斜視図。
【図６】横軸に型材の熱伝導率を縦軸に硬度（ＨＶ）をとり得られる成形品の硬度変化を示したグラフ。
【図７】本発明の第１の実施形態のプレス部品の焼入れ装置の断面図。
【図８】第１の実施形態の作動を（Ａ）、（Ｂ）に分けて示す工程図。
【図９】図８の工程に続く作動を（Ａ）、（Ｂ）に分けて示す工程図。
【図１０】図８、９におけるプレス部品の温度変化を示すグラフ。
【図１１】第１の実施形態の焼入れ状態の一例を示す斜視図。
【図１２】第１実施形態による焼入れ硬度を示すグラフ。
【図１３】図８の変形例を示すプレス部品の焼入れ装置の断面図。
【図１４】参考例３のプレス部品の焼入れ装置の断面図。
【図１５】図１４に示す焼入れ装置の作動を示す断面図。
【図１６】図１５に続く作動を示す断面図。
【図１７】図１７に続く作動を示す断面図。
【図１８】ピアスポンチの変形例を示す断面図。
【図１９】参考例３のプレス部品の焼入れ方法の変形例を示す断面図。
【図２０】本発明によるプレス部品の適用箇所の一例を示す車体構造の斜視図。
【符号の説明】
Ａ 焼入れ部
Ｗ 鋼板
１ プレス部品（成形品）
２ 剛性低下部
５ 成形型
６ ダイ
７ ポンチ
６Ａ、７Ａ 窪み
６Ｃ、７Ｃ 熱伝導の異なる型材
８ ブランクホルダ
１０ 加熱媒体としての発熱体
１６ 断熱材
２０ 加工装置としてのピアスポンチ
２１ 加工装置としてのボタンダイ
Claims (4)
- 加熱された鋼板を成形型によりプレス成形と同時に成形型による成形品形状部位毎の冷却速度を異ならせて、焼入れ硬度を部位毎に変化させた成形品を得るプレス部品の焼入れ方法において、
前記成形型は成形面から出没可能に配置され且つ突出付勢される加熱媒体を備え、
前記成形型による加熱鋼板の成形に先立って加熱媒体を加熱鋼板に接触させて接触部位の加熱鋼板の温度低下を抑制し、
前記加熱鋼板が成形面により成形されるに伴い前記接触状態を維持しつつ前記加熱媒体を成形面に後退させて、加熱鋼板をプレス成形することにより、
前記成形品形状部位毎の冷却速度を異ならせるようにしたことを特徴とするプレス部品の焼入れ方法。 - 前記成形型は、前記加熱媒体に対面して加熱された鋼板を挟み込む成形面に断熱手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のプレス部品の焼き入れ方法。
- 加熱された鋼板を成形型によりプレス成形と同時に成形型による成形品形状部位毎の冷却速度を異ならせて、焼入れ硬度を部位毎に変化させた成形品を得るプレス部品の焼入れ装置において、
前記成形型の成形品形状部位毎の型温度を、成形面から出没可能に配置され且つ突出付勢され、成形面に接する前に加熱鋼板に接触し、加熱鋼板が成形面により成形されるに伴い成形面に収容されるよう配置される加熱媒体の加熱により変化させて、成形品形状部位毎の冷却速度を異ならせることを特徴とするプレス部品の焼入れ装置。 - 前記成形型は、前記加熱媒体に対面して加熱された鋼板を挟み込む成形面に断熱部材を備えることを特徴とする請求項３に記載のプレス部品の焼き入れ装置。
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