JP4673656B2 - 熱間プレス成形装置 - Google Patents

Description

本発明は、加熱した金属板材を金型を用いて成形する熱間プレス成形方法およびその装置、特に加熱時の鋼板の温度偏差を少なくすることができる熱間プレス成形方法およびその装置に関する。

金属板材のプレス成形は、生産性が高く、寸法精度に優れ、また、プレス製品間の強度ばらつきが少なく品質が安定していることから、自動車、電気機器などの製造に広く用いられている。しかし、近年、特に自動車部品には軽量化の観点から高強度化が求められていることから、成形性の低下、特にスプリングバック等の発生による形状凍結性の低下を招き、従来の低強度材のプレスで成形可能であった複雑な形状をしたプレス製品を製造することが困難になっている。

このため、金属板材のプレス業界においては、加熱した金属板材を金型を用いて成形する熱間プレス成形方法が注目されている。熱間プレス成形方法は、金属板材を高温に加熱した状態でプレス成形するため、材料強度の低下した金属板材は、金型に沿って素直に変形し、複雑な形状であっても優れた寸法精度で成形することができる。また、成形後は金型抜熱効果により急冷するため、スプリングバックが発生せず、形状凍結性に優れ、プレス製品の寸法精度を向上させることができる。

前述のような熱間プレス成形装置の生産性を向上させるためには、加熱に要する時間を極力短くすることが必要であり、この生産性に係る課題に対しては、金型の近傍において金属板の両端に電極を取り付け、電極間に電流を印加し、発生するジュール熱で加工温度まで急速加熱する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、熱間プレス成形において、プレス成形前の金属板の温度は、プレス製品としての機械特性のばらつきをなくすために極力均一であることが必要である。しかし、前述の熱間プレス成形装置でプレスされる金属板は板状ではあるが、製品形状に応じて、平面形状として複雑な形状なものが一般的であり、前述のような通電加熱では電流の流れる断面積が電圧が印加される方向で均一ではない。このため、金属板一つに対して一対の電極では、電圧が印加される方向において金属板に流れる電流に部位ごとに大小が生じて、結果として各部位でのジュール発熱量が異なり、温度偏差が生じてしまう。

この課題に対しては、金属板の両端に複数の電極を取り付け、電極毎に通電量を調整して異形金属板を均一に加熱する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
しかしながら、前記文献記載の技術では、比較的単純な形状の金属板にはその効果を発揮するものの、高精度で均一な温度分布を形成することは出来なかった。また、より複雑な形状をした金属板の場合には、取り付ける電極数の増加や複雑な電流制御をすることによって理論的には実現不可能ではないが、工業的かつ経済的には複雑な形状をした金属板を均一に加熱することはできなかった。

そのため、プレス部品製造業界からは、高精度な均一加熱ができ、さらに生産性向上が得られるほど短時間で所定の成形温度まで加熱することのできる、安価な熱間プレス成形方法および装置が強く求められている。
特開２００２−１８５３１号公報 特開２００２−２４８５２５号公報

本発明の解決すべき課題は、上記の問題点に鑑み、従来の熱間プレス成形技術では十分実現出来なかった、短時間で高精度かつ均一に金属板を加熱することができる金属板の熱間プレス成形方法およびその装置を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明者は、種々の加熱手段を用いて金属板を加熱したときに得られる金属板の温度分布について広く研究を行った結果、以下の知見を得た。
（ａ）金属板を高精度に均一温度にするためには、輻射伝熱による手段が最も有効であるが、金属板の加熱には時間を要すること。
（ｂ）熱間プレス成形装置の生産性を向上する、すなわち、金属板の昇温時間（タクトタイム）を短くするためには、１次加熱を行った後に、２次加熱を行うことが有効であること。
（ｃ）輻射伝熱は金属板表面の状態により熱吸収率が変化し、１次加熱で金属板表面の酸化または合金化を進めることで、輻射による２次加熱に要する時間を短縮できること。
（ｄ）比較的急速な加熱ができる通電加熱または誘導加熱で１次加熱を行った後、輻射伝熱による手段によって２次加熱を行うことで、金属板の昇温時間をより短縮できること。

上記の知見に基づき、本発明者は、従来技術では実現不可能であった、短時間で高精度かつ均一に金属板を加熱することのできる金属板の熱間プレス成形装置に想到した。その要旨とするところは以下の通りである。
（１）加熱された金属板を被加工材としてプレスし、プレス加工の開始直後から被加工材を冷却して成形する金属板の熱間プレス成形装置において、被加工材の加熱装置として、誘導加熱または通電加熱による１次加熱手段と、輻射伝熱による２次加熱手段とを有し、前記１次加熱による被加工材の加熱速度が１０℃／秒以上でかつ、２次加熱直後の被加工材の温度偏差が１００℃以内であり、前記１次加熱手段から熱間プレス成形金型までの搬送装置に、輻射伝熱による２次加熱手段が配置され、前記輻射伝熱による２次加熱手段の加熱領域を待機中の金型間に設置可能であることを特徴とする金属板の熱間プレス成形装置。
（２）前記搬送装置が、フォーク、吸着パッド、クランプ、箱型コンベア、プレスのトランスファーアームのいずれか１つまたは２つ以上の組み合わせであり、輻射伝熱による２次加熱手段の加熱領域が、被加工材とともに移動することを特徴とする請求項１に記載の金属板の熱間プレス成形装置。

本発明の（１）には、１次加熱手段の後に２次加熱手段として輻射伝熱を設けたことで、最終的な金属板の温度偏差を少なくすることができる効果がある。また、熱間プレス成形金型までの搬送装置に輻射伝熱よる２次加熱手段を設けることで、装置をコンパクトにできる効果がある。加えて、待機中の金型の間に輻射伝熱による２次加熱領域を設けることでよりコンパクトな熱間プレス成形装置とすることができる効果がある。
本発明の（２）には、搬送装置として、フォーク、吸着パッド、クランプ、箱形コンベア、プレスのトランスファーアームのいずれか１つまたは２つ以上の組み合わせを用いることで、被加熱対象物とともに移動する輻射伝熱による２次加熱領域を安価に設けることができる効果がある。

以上により、従来の熱間プレス成形技術では経済的には実現が困難であった、温度偏差の少ない均一な金属板の加熱を可能にし、高品質かつ高い生産性で、複雑な形状をした熱間プレス成形部品を製造可能とする効果が得られる。

以下、図１〜６を参照して、本発明を実施するための最良の形態を説明する。図１は熱間プレス成形に被加工材として使われるブランクの形状であり、図２は従来技術の熱間プレス成形装置である。図３〜６は本発明に係る熱間プレス成形装置の概略図である。

本発明は、図２に示す従来技術の熱間プレス成形装置と図３（ａ）、（ｂ）との比較で示すように、何らかの１次加熱手段の後に輻射加熱による２次加熱手段を設けていることを特徴としている。この１次加熱は、まず、被加工材を加工する温度近くまで昇温させることを目的としており、この時点で温度偏差を生じていても構わない。そのため、１次加熱手段はいかなる加熱手段でも構わないが、より各段の加熱に要する時間を短くするため、急速加熱ができる通電加熱または誘導加熱を用いることが最適である。そのとき、従来技術の昇温速度よりも速ければ前述の加熱に要する時間を短くする目的が果たせるが、経済的に実利が得られるよう、１０℃／秒以上の昇温速度であることが望ましい。また、より金属板内の温度偏差を少なくしたい場合には、１次加熱手段として輻射加熱を用いることが最適である。
２次加熱を開始する直前、すなわち、１次加熱が終了した時点においては、前述のように温度偏差があってもかまわないが、輻射による２次加熱で均熱化をより短時間で行うために、１次加熱終了時点の鋼板表面で金属板表面あるいはメッキ表面の酸化またはメッキと鋼板が合金化した面積が１０％以上にするような温度偏差にさせておくことにより、当該部位の輻射入熱に対する熱吸収率を上げ、その後、鋼板内の熱伝導を介し、２次加熱における入熱を効率よく行うことができる。

通電加熱や誘導加熱では、被加熱体の内部に直接電流が流れ、被加熱体の中でジュール熱が発生するので熱の効率が高く、急速に加熱することができる。しかし、ブランク形状によっては部位による電流密度の差が発生することが有り、一様でない温度に加熱されることがある。一方、輻射加熱では、輻射されて被加熱体が受ける面積当たりの熱量を一様にできるので、ブランク形状によらず一様に加熱することができる。この、２次加熱後の温度偏差は、少しでも偏差がなくなることで効果は得られるが、鋼板の機械特性のバラツキをより少なくするためには、温度偏差が１００℃以内であることが望ましい。
図１にブランク形状の例を示す。ブランク形状は、製品の形状に合わせて異なることは頻繁であり、矩形でない場合も多い。

図３（ａ）は、１次加熱手段として通電加熱を用いた実施の形態であり、金属板１に１組の電極２を取り付け、当該電極２の間に電源３より電流を供給している。金属板１に流れる電流によって金属板自体の電気抵抗により金属板は発熱して１次加熱が行われる。その後、２次加熱である輻射加熱機４に金属板１は送られ、発熱体５による放射熱で金属板１は温度偏差が少ないように加熱成形の所要温度まで加熱される。その後、金属板１はプレス６に設置された金型７に移送され所定の熱間プレス成形を施す。なお、発熱体５としては、電気ヒーター、ラジアントチューブバーナー、近赤外線ランプのいずれか１つまたは２つ以上の組み合わせを用いることができる。

図３（ｂ）は、１次加熱手段として誘導加熱を用いた実施の形態であり、金属板１を誘導コイル８内に入れ、誘導加熱コイル８に誘導電流電源９より電流が供給されることによってコイル８内に変動磁場が生じ、その磁場によって、金属板１内に生じた渦電流と金属板自体の電気抵抗により金属板は発熱して１次加熱が行われる。その後、２次加熱である輻射加熱機４に金属板１は送られ、発熱体５による放射熱で金属板１は温度偏差が少ないように加熱成形の所要温度まで加熱される。その後、金属板１はプレス６に設置された金型７に移送され所定の熱間プレス成形を施す。

図４は、前述の図３（ａ）に示した通電加熱を１次加熱手段として用いた、本発明による実施形態の詳細を説明する図である。

金属板１の供給および排出を効率良く行うために、転動するローラー１１の並びからなるテーブル１０を設置し、その上に金属板１を載せている。電極２及び電源３はテーブル１０の周辺に配置している。通電加熱により１次加熱を終了した金属板１は、テーブル１０上からローラー１１の転動を伴って、プッシャーシリンダー１２により押し出されることで排出される。金属板１はテーブル１０より排出された後、ベルト１３上に移載され、２次加熱としての連続加熱炉１５内に搬送される。連続加熱炉内には、耐熱性材料によって作られたベルト１３がベルトロール１４によって図示矢印方向に一定の軌跡と速度を維持して、回転している。ベルト１３上に載せられた金属板１は発熱体５の放射熱を浴びながら移動することで、所定の熱間成形温度にまで均一な加熱が行われる。その後、回転するベルト１３の出側に設置されたシュート１６によって、加熱された金属板１は、自重によりプレス金型７上に移動、ストッパー１７によって位置決めされ、所定の熱間プレス成形が行われる。
なお、前記１次加熱手段から熱間プレス成形金型７までの搬送装置としては、連続加熱炉１５内のベルト１３に限定されるものではなく、例えば、ウォーキングビーム、プッシャー＆スライダー、ベルトコンベア、チェーンコンベア、プレスのトランスファーアームのいずれか１つまたは２つ以上の組み合わせを用いることができ、また、当該搬送装置に輻射伝熱による２次加熱手段を配置するとともに、搬送経路の一部または全体を加熱するように搬送装置に２次加熱手段を固定することにより、搬送しながらにして金属板１を所定の熱間成形温度まで均一かつ高精度に加熱することができる。すなわち、搬送途中に設けた輻射伝熱による固定した２次加熱領域に金属板１を高速かつ確実に搬送し通過することができる。

図５（ａ）、（ｂ）は、図４に示した手段とは異なった形態による、本発明による実施形態の詳細を説明する図であり、前記１次加熱手段から熱間プレス成形金型７までの搬送装置に輻射伝熱による２次加熱手段、具体的には発熱体５を配置した輻射加熱器１８が配置されていることを示す模式図である。

図５（ａ）は、１次加熱手段である通電加熱を終了した時点での状態を示す図である。図４と同様、通電加熱によって１次加熱を施された金属板１は、搬送ロボット２０によりテーブル１０より取り出される。搬送ロボット２０には、アームユニット１９が取り付けられている。このアームユニット１９は上フォーク２１と下フォーク２２で構成され、上フォーク２１はアームユニット１９内に配置されたシリンダーによって図示破線のように上下動する。上フォーク２１には発熱体５を配置した輻射加熱器１８が固定されており、上フォーク２１と一体となって上下動し、金属板１を持ち上げる際には上昇して下フォーク２２との距離を広め、加熱の際には輻射加熱に最適な位置に加熱器１８を下降させている。アームユニット１９はロボット２０の動作範囲で移動することができる。金属板１は、アームユニット１９の下フォーク２２によって持ち上げられると同時に輻射加熱器１８内の発熱体５の放射熱を受け、１次加熱に遅滞なく２次加熱が開始される。そして、ロボット２０によるアームユニット１９の移動とともに、プレス金型７に搬送されながら、所定の成形温度まで均一な加熱が行われる。金型７上において、輻射加熱器１８は上フォーク２１とともに上昇し金属板１はアンクランプされる。その際、金型７上に設けたストッパー２３に金属板１の一部が触れることで、金属板１は金型７上に位置決めされる。

図５（ｂ）は、プレス成形直前の状態を示した図である。加熱された金属板１をアンクランプした後、アームユニット１９は、図示のように後退する。後退の後、プレス６は作動して、加熱された金属板１は成形される。
なお、前記１次加熱手段から熱間プレス成形金型７までの搬送装置としては、図５（ａ）、（ｂ）に示す搬送ロボット２０に限定されるものではなく、例えば、フォーク、吸着パッド、クランプ、箱型コンベア、プレスのトランスファーアームのいずれか１つまたは２つ以上の組み合わせを用いることができ、また、当該搬送装置に輻射伝熱による２次加熱手段を配置することにより、輻射伝熱による２次加熱手段の加熱領域が被加工材たる金属板１とともに移動することになるので、搬送しながらにして金属板１を所定の熱間成形温度まで均一かつ高精度に加熱することができる。また、被加熱対象物とともに移動する輻射伝熱による２次加熱領域を安価に設けることができる。

図６は、輻射加熱器の設置位置が異なった形態による、本発明による実施形態の詳細を説明する図である。

図６（ａ）は、１次加熱を終了した直後の状態を示す図である。この時、輻射加熱器１８は、搬送ロボット２０とは別な位置でプレス６の周辺に設置されており、スイングアーム２４によって回転機構を有する台座２５に接続されている。輻射加熱器１８は、１次加熱が終了した時点では、プレス６の周囲であれば、いかなる位置にあっても構わないが、１枚の金属板の処理時間をより短くするために、図のように、金型７の間で待機させることが望ましい。１次加熱を終了した金属板１は、電極２が解放された直後にアームユニット２６によってテーブル１０上から取り出される。アームユニット２６は上クランプ２７と下クランプ２８からなり、上クランプ２７はアームユニット２６内に設けたシリンダーによって上下動できる構造になっている。テーブル１０上から取り出された金属板１は、搬送ロボット２０によって金型７上に送られ、アンクランプの後、ストッパー２３によって位置決めされる。

図６（ｂ）は、金型７上に１次加熱を終了した金属板１を移動した直後の状態を示す図である。アームユニット２６は、金属板１をアンクランプした後、後退し、その直後に輻射加熱器１８が、上下動作機構をもつ台座２５ごと金属板１に接近し、発熱体５による２次加熱を開始する。

図６（ｃ）は、金属板１の２次加熱を終了した直後の状態を示した図である。図６でも図５と同様に通電加熱で１次加熱している。２次加熱を終了した輻射加熱器１８はスイングしてプレス６および金型７の動作範囲から退去する。その動作の直後にプレス６が動作して、所定の熱間プレス成形が行われる。

次に、本発明の実施例について説明する。本実施例は、図４に記載した熱間プレス成形装置を用いて図１（ｂ）に示すブランクを成形した例を示すものである。

図１（ｂ）に示した成形前の金属板のサイズは全長１１００ｍｍ最大幅５５０ｍｍ最小幅２７０ｍｍである。金属板の板厚は１．６ｍｍで０．２％Ｃ鋼板（初期破断強度５００ＭＰａ相当）を用いた。金型における冷却は、全成形面に対し１．１６ｋＷ／ｍ^２Ｋの熱伝達係数が得られている。

熱間成形直前の金属板表面温度は、プレス機周辺に設けた放射温度計で計測し、最高温度発生点と最低温度発生点の２点を予め定めて、同時に測定した。金属板の初期温度はいずれも室温である。比較に用いた表１中の従来方法の欄は、図２に示した装置にて行ったものである。本発明による図４に示した装置では、連続加熱炉の発熱体に電気ヒーターを用い、その表面温度を１３００℃とした。連続加熱炉の金属板の滞留時間は６０秒とした。

以上の条件で熱間プレス成形試験をした結果を表１に示す。従来技術による成形直前の金属板表面温度は最高と最低との差が３５０℃に及び、これによるプレス成形後の硬さ強度の差はＨｖで１５０に及ぶ。これに対し、本発明による成形直前の金属板表面温度は最高と最低との差は５０℃に収まり、これによるプレス成形後の硬さの差はＨｖで３０程度である。すなわち、従来技術である通電加熱のみでは、成形前の温度差が大きく、そのまま成形してしまうと製品の部分強度差が顕著に現れた。一方で、本発明による装置では、温度偏差を大幅に低減することができた結果、製品の部分強度差は実用上皆無になった。さらに、本発明による装置では、生産ピッチを早くしても、その効果は保たれている。

以上のように本発明に係る熱間プレス成形装置は、複雑な形状をした金属板であっても生産性を確保しながら要求される部品特性を実現でき、プレス部品産業界に与える影響は甚大である。

ブランクの形状を示す模式図である。 従来技術による熱間プレス成形装置を示す模式図である。 本発明に係る熱間プレス成形装置の一例を示す模式図であり、（ａ）は１次加熱手段が通電加熱によるもの、（ｂ）は１次加熱手段が誘導加熱によるものである。 本発明に係る熱間プレス成形装置の一例を示す模式図であり、輻射加熱をベルト上で行うものである。 本発明に係る熱間プレス成形装置の一例を示す模式図であり、（ａ）は搬送時に、（ｂ）はプレス成形時に輻射加熱をアームユニットで行うことを示す図である。 本発明に係る熱間プレス成形装置の一例を示す模式図であり、（ａ）は搬送時に、（ｂ）は輻射加熱時に、（ｃ）はプレス成形時に輻射加熱をスイングアームで行うことを示す図である。

符号の説明

１ 金属板 ２ 電極
３ 通電加熱用電源 ４ 輻射加熱機
５ 発熱体 ６ プレス本体
７ 金型 ８ 誘導加熱コイル
９ 誘導加熱電源 １０ テーブル
１１ ローラー １２ プッシャーシリンダー
１３ ベルト １４ ベルト駆動ロール
１５ 連続加熱炉 １６ シュート
１７ ストッパー １８ 輻射加熱器
１９ アームユニット ２０ 搬送ロボット本体
２１ 上フォーク ２２ 下フォーク
２３ ストッパ− ２４ スイングアーム
２５ 台座 ２６ アームユニット
２７ 上クランプ ２８ 下クランプ

Claims (2)

1. 加熱された金属板を被加工材としてプレスし、プレス加工の開始直後から被加工材を冷却して成形する金属板の熱間プレス成形装置において、
   被加工材の加熱装置として、誘導加熱または通電加熱による１次加熱手段と、輻射伝熱による２次加熱手段とを有し、前記１次加熱による被加工材の加熱速度が１０℃／秒以上でかつ、２次加熱直後の被加工材の温度偏差が１００℃以内であり、
   前記１次加熱手段から熱間プレス成形金型までの搬送装置に、輻射伝熱による２次加熱手段が配置され、
   前記輻射伝熱による２次加熱手段の加熱領域を待機中の金型間に設置可能であることを特徴とする金属板の熱間プレス成形装置。
2. 前記搬送装置が、フォーク、吸着パッド、クランプ、箱型コンベア、プレスのトランスファーアームのいずれか１つまたは２つ以上の組み合わせであり、輻射伝熱による２次加熱手段の加熱領域が、被加工材とともに移動することを特徴とする請求項１に記載の金属板の熱間プレス成形装置。

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