JP7127331B2 - 熱間プレス加工方法および加工装置 - Google Patents

Description

ここに開示する技術は、熱間プレス加工方法および加工装置に関する。

この種の熱間プレス加工方法として、ワークを加熱してプレス成形した後、成形型内で冷却することにより、焼き入れ状態とした成形品を得る方法が一般に知られている。

特許文献１には、そうした熱間プレス加工方法（熱間プレス成型方法）の一例として、成形型（上金型および下金型）の間に配置したワーク（金属板材）をプレス成形した後に、プレス状態にあるワークの表面に冷媒を接触させて冷却する直冷方式によって、焼き入れを施すことが開示されている。

国際公開第２０１２／１６１１９２号

一般的な熱間プレス加工方法を用いた場合、ワークは、脱型前後の冷却に伴って熱収縮を生じる。一方、ワークの脱型前に、前記特許文献１に記載されているような焼き入れを施した場合、いわゆるマルテンサイト変態に伴う組織変化に起因して、ワークの体積が膨張する。

冷却に伴う熱収縮、及び、変態に伴う体積膨張は、いわゆる型冷却を用いた場合には一様に進行する。しかしながら、前記特許文献１に記載されているような直冷方式を採用した場合、ワークの温度分布にムラが生じる可能性がある。つまり、冷媒が直に接触する部位については急峻に冷却が進行する一方、それ以外の部位については相対的に緩やかに冷却が進行することになる。その結果、ワークには、相対的に高温の部位と、低温の部位とが混在することになる。

そうしたムラに起因して、熱収縮及び体積膨張が、ワークの各部にて異なる速度で進行したり、互いに減殺したりした結果、成形型からワークを開放したときに、その残留応力に起因してワークが変形する虞がある。こうした変形は、意図せずして起こるものであり、成形品の加工精度を高めるためには、可能な限り抑制することが望まれる。

ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、直冷方式によって焼き入れを施す際に、成形品の加工精度を高めることにある。

本願発明者等は、鋭意検討を重ねた結果、成形品の精度保証を図るべき部位と、それ以外の部位とのうち、後者の部位にて残留応力を意図的に発散させることに着目し、本開示を見出すに至った。

具体的に、ここに開示する技術は、ワークを成形品に加工するための熱間プレス加工方法に係る。この熱間プレス加工方法は、前記ワークを加熱する加熱工程と、前記加熱工程により加熱されたワークを成形型の間に搬入した後に、該成形型によってプレス成形をするプレス工程と、前記プレス工程によって成形されてプレス状態にあるワークの表面に冷媒を接触させることにより、該ワークを冷却して焼き入れ状態にする冷却工程と、を備え、前記プレス工程によって成形されてプレス状態にあるワークは、該ワークにおける所定部位を除き、前記冷却工程に際して残留応力に起因した変形を許容するように、前記成形型の上型及び下型の双方に対して隙を成し、前記成形型には、前記冷却工程に際して前記冷媒が供給される冷媒通路が設けられ、前記冷媒通路は、前記上型及び下型それぞれの前記隙を成す成形面に開口する。

この方法によれば、精度保証を図るべき部位となる所定部位を除き、成形型に対して隙を成した状態でワークを冷却し、焼き入れ状態にする。これにより、成形型に対して隙を成す部位では変形が許容されるため、この隙を成す部位においては、残留応力に起因した変形が生じ得る。

そうして、隙を成す部位において残留応力を発散させた分だけ、成形型からワークを開放したときに、前述の所定部位においては残留応力に起因した変形が抑制される。このように、精度保証を図るべき部位（所定部位）と、残留応力に因る変形を許容する部位とを使い分けるとともに、後者の部位にて残留応力を意図的に発散させることで、前者の部位においては意図しない変形が抑制され、成形品の加工精度を高めることができる。

また、前記所定部位は、前記成形品とは異なる別の部材との接触部位を成す、としてもよい。

一般に、別部品が取り付けられる部位や、別の部材との接合部位など、別の部材との接触部位には、他の部位に比して高い加工精度が求められる。前記の方法は、そうしたニーズに応えることができる。

また、前記所定部位は、前記ワークの複数箇所に設けられるとともに、各所定部位の間に前記隙が設けられている、としてもよい。

また、前記ワークに沿う方向における前記隙の寸法は、１０ｍｍ以上に設定されている、としてもよい。

本願発明者等は、鋭意検討を重ねた結果、隙の寸法を１０ｍｍ以上に設定すれば、残留応力を発散させるべき部位における変形が、効果的に実現されることを見出した。

つまり、隙の寸法を１０ｍｍ未満に設定すると、精度保証を図るべき部位同士が接近した結果、これらの部位によってワークが拘束されてしまい、残留応力を発散するための変形が不十分となる。

対して、隙の寸法を１０ｍｍ以上に設定すると、精度保証を図るべき部位同士が十分に離間するため、これらの部位によってワークが拘束されることなく、残留応力を発散するための変形が十分に許容される。

また、前記成形品が自動車の車体構成部品である、としてもよい。

また、前記成形品が自動車の骨格構成部品である、としてもよい。

また、前記成形品が自動車のピラー部品である、としてもよい。

ここに開示する別の技術は、ワークを成形品に加工するための熱間プレス加工装置に係る。この熱間プレス加工装置は、前記ワークを加熱する加熱工程と、前記加熱工程により加熱されたワークを成形型の間に搬入した後に、該成形型によってプレス成形をするプレス工程と、前記プレス工程によって成形されてプレス状態にあるワークの表面に冷媒を接触させることにより、該ワークを冷却して焼き入れ状態にする冷却工程と、を実行し、前記プレス工程によって成形されてプレス状態にあるワークは、該ワークにおける所定部位を除き、前記冷却工程に際して残留応力に起因した変形を許容するように、前記成形型の上型及び下型の双方に対して隙を成し、前記成形型には、前記冷却工程に際して前記冷媒が供給される冷媒通路が設けられ、前記冷媒通路は、前記上型及び下型それぞれの前記隙を成す成形面に開口する。

この構成によれば、精度保証を図るべき部位となる所定部位を除き、成形型に対して隙を成した状態でワークを冷却し、焼き入れ状態にする。これにより、成形型に対して隙を成す部位では変形が許容されるため、この隙を成す部位においては、残留応力に起因した変形が生じる。

そうして、変形が許容される部位において残留応力を発散させた分だけ、成形型からワークを開放したときに、前述の所定部位においては残留応力に起因した変形が抑制される。このように、精度保証を図るべき部位と、そうではない部位とを使い分けるとともに、後者の部位にて残留応力を意図的に発散させることで、前者の部位においては意図しない変形が抑制され、成形品の加工精度を高めることができる。

以上説明したように、ここに開示する技術は、直冷方式によって焼き入れを施す際に、成形品の加工精度を高めることができる。

図１は、熱間プレス加工装置にワークを搬入した状態を示す断面図である。 図２は、熱間プレス加工装置によるプレス状態を示す断面図である。 図３は、図２を一部拡大して示す図である。 図４は、プレス成形品としてのピラー部品を例示する図である。 図５は、熱間プレス加工方法の手順を例示する図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明は例示である。

図１～図３に、本実施形態に係る熱間プレス加工装置１を示す。この熱間プレス加工装置１は、加熱したワークＷに対してプレス成形を施すことにより、このワークＷを図４に示すプレス成形品に加工するものである。

本実施形態に係るプレス成形品は、自動車の車体構成部品を成すピラー部品１００である。このピラー部品１００は、断面形状がハット状であり、具体的には、自動車のフロアパネルとルーフパネルの間に架設されるセンターピラーである。つまり、ピラー部品１００は、幅狭の長板状に形成されており、車体組立時においては、長手方向を車両上下方向に沿わせた姿勢で取り付けられる。

また、このピラー部品１００には、相対的に高い加工精度が求められる部位、すなわち精度保証を図るべき部位（所定部位）が存在する。以下、この部位を「精度保証部位」と呼称するとともに、符号「Ｗｒ」を付す。図４の網掛け部に示すように、この精度保証部位Ｗｒは、複数箇所に設けられており、ピラー部品１００のハット形状の稜線に対応する部位、及び、別の部材との接触部位を含む。ここで、「別の部材との接触部位」とは、例えば、ピラー部品１００の長手方向中央部など、別部品が取り付けられる部位、及び、ピラー部品１００の周縁部など別の部材との接合部位を示す。

（熱間プレス加工装置）
図１～図２に示すように、熱間プレス加工装置１は、プレス成形品としてのピラー部品１００を得るための金型（成形型）、すなわち、プレス成形用の上型１１及び下型１２を備える。上型１１は上型ホルダ１３に固定されている。上型ホルダ１３には、プレス機械が昇降するスライダ（図示省略）が取り付けられる。下型１２は下型ホルダ１４に固定されている。

下型１２は、上方に突出した凸状成形面１６を備えている。上型１１は、下型１２の凸状成形面１６に対応する凹状成形面１５を備えている。図１～図３に示す断面は、図４のＡ－Ａ断面と略一致しており、ピラー部品１００のハット形状に対応している。

前述のように、ピラー部品１００には、複数の精度保証部位Ｗｒが設けられている。そこで、凹状成形面１５は、それぞれ、精度保証部位Ｗｒを成形するための第１成形面１５ａと、それ以外の部位（以下、「変形許容部位」と呼称するとともに、符号「Ｗｄ」を付す）を成形するための第２成形面１５ｂと、を有している。

同様に、凸状成形面１６は、精度保証部位Ｗｒを成形するための第１成形面１６ａと、変形許容部位Ｗｄを成形するための第２成形面１６ｂと、を有している。凸状成形面１６の第１成形面１６ａ及び第２成形面１６ｂは、それぞれ、凹状成形面１５の第１成形面１５ａ及び第２成形面１５ｂに対応する箇所に設けられている。

以下、凸状成形面１６における第１成形面１６ａ及び第２成形面１６ｂの構成について説明するが、以下の説明は、凹状成形面１５における第１成形面１５ａ及び第２成形面１５ｂに共通するものである。

第１成形面１６ａと、第２成形面１６ｂとは、それぞれ、複数箇所に亘って設けられている。図１～図２に示すように、各第１成形面１６ａの間に第２成形面１６ｂが設けられている。

そして、図３に誇張して示すように、ワークＷをプレス成形したときに、プレス状態にあるワークＷと、第１成形面１６ａとのクリアランス（以下、「第１クリアランス」という）ｃ１は、実質的にゼロ（公差程度）になる。対して、ワークＷをプレス成形したときに、プレス状態にあるワークＷと、第２成形面１６ｂとのクリアランス（以下、「第２クリアランス」という）ｃ２は、第１クリアランスｃ１よりも大きくなるように設定される。詳しくは、第２クリアランスｃ２は、０．１～１．０ｍｍの範囲内で設定され、好ましくは０．１ｍｍ～０．５ｍｍの範囲内で設定される。この第２クリアランスｃ２が、後述の“隙”を成す。

また、複数箇所に亘って設けられる第２成形面１６ｂの面積の総和は、凸状成形面１６全体の面積のうち、５０～８０％に設定される。また、ワークＷの表面に沿う方向における各第２成形面１６ｂの寸法（図３に示すように、実質的には、第１成形面１５ａ同士の間隔）ｄは、１０ｍｍ以上に設定される。

上型１１及び下型１２には、ワークＷをプレス状態で冷却するための液状冷媒（本実施形態では冷却水）が供給される冷媒通路１７，１８が設けられている。本実施形態に係る熱間プレス加工装置１は、プレス状態にあるワークＷに対して冷却水を吹付ける直冷方式を採用している。この直冷方式を実施するべく、冷媒通路１７は、凹状成形面１５、好ましくは凹状成形面１５の第２成形面１５ｂに開口している。同様に、冷媒通路１８は、凸状成形面１６、好ましくは凸状成形面１６の第２成形面１６ｂに開口している。

図１に示すように、ワークＷは平板上のブランク材から成る。このワークＷは、予め所定温度（オーステナイト温度域）に加熱されて、上型１１と下型１２の間に搬入される。

ワークＷは、プレス成形した後にプレス状態で冷却させるホットスタンプにより成形される。すなわち、上型１１と下型１２に向かって下降したときに、凸状成形面１６と凹状成形面１５とがワークＷを塑性変形させることにより、ハット状の断面形状を形成する。

ここに、精度保証部位Ｗｒを成形するための第１成形面１５ａ，１６ａは、ワークＷがプレス状態にあるとき、第１クリアランスｃ１の値に応じて、ワークＷに対して近接又は接触する（図２の囲み部を参照）一方、変形許容部位Ｗｄを成形するための第２成形面１５ｂ，１６ｂは、ワークＷがプレス状態にあるとき、第２クリアランスｃ２の値に応じて、ワークＷに対して隙を成す。以下、この「隙」に対しても符号「ｃ２」を付す。ワークＷの表面に沿う方向においては、各精度保証部位Ｗｒの間に、隙ｃ２及び変形許容部位Ｗｄが設けられるよう構成されている。

以下、熱間プレス加工装置１を用いた熱間プレス加工方法について詳細に説明をする。

（熱間プレス加工方法）
図５は、熱間プレス加工方法の手順を例示する図である。

［１．加熱工程］
まず、平板状のワークＷを加熱して、Ａｃ３点以上に加熱する。これにより、ワークＷは、オーステナイトへの変態を完了する。

［２．搬入工程］
図１に示すように、加熱したワークＷを上型１１と下型１２の間に搬入する。

［３．プレス工程］
図２に示すように、上型１１を下降させ、ワークＷを上型１１の凹状成形面１５及び下型１２の凸状成形面１６に倣った形状にプレス成形する。ワークＷの外面は、ハット状に成形される。このとき、凹状成形面１５及び凸状成形面１６における第２成形面１５ｂ，１６ｂは、前述のように、プレス状態にあるワークＷに対して隙ｃ２を成す。

［４．冷却工程（水冷）］
上型１１と下型１２によって成形されてワークＷをプレスした状態において、上型１１の冷媒通路１７と、下型１２の冷媒通路１８とに冷却水を通す。この冷却水は、凹状成形面１５及び凸状成形面１６に設けた開口を通じて、プレス状態にあるワークＷの表面に接触する。ワークＷの表面に接触した冷却水は、このワークＷをＭｓ点未満に冷却する。これにより、ワークＷがマルテンサイト変態し、焼き入れ状態となる。

［５．脱型工程］
図示は省略するが、上型１１を上昇させて、プレス成形されたワークＷを脱型する。脱型されたワークＷは、下型１２から搬出される。

［６．冷却工程（空冷）］
下型１２から搬出されたワークＷは、大気によって空冷される。これにより、焼き入れとなったワークＷが、冷却水による水冷時よりも緩やかに冷却されて、常温に至る。

（残留応力に起因した変形について）
ところで、脱型前後のワークＷは、水冷及び空冷に伴って熱収縮を生じる。一方、ワークＷの脱型前に、前述の如き焼き入れを施した場合、マルテンサイト変態に伴う組織変化に起因して、ワークＷの体積が膨張する。

冷却に伴う熱収縮、及び、変態に伴う体積膨張は、いわゆる型冷却を用いた場合には一様に進行する。しかしながら、前述の直冷方式を採用した場合、ワークＷの温度分布にムラが生じる可能性がある。つまり、冷媒通路１７，１８の開口に対向する部位など、冷却水が直に接触する部位については、急峻に冷却が進行する一方、それ以外の部位については、相対的に緩やかに冷却が進行することになる。その結果、ワークＷには、相対的に高温の部位と、低温の部位とが混在することになる。

そうしたムラに起因して、熱収縮と体積膨張が、ワークＷの各部にて異なる速度で進行したり、互いに減殺したりした結果、成形型からワークＷを開放したときに、その残留応力に起因してワークＷが変形する虞がある。こうした変形は、意図せずして起こるものであり、ピラー部品１００の加工精度を高めるためには、可能な限り抑制することが望まれる。

そこで、本実施形態では、プレス状態にあるワークＷは、該ワークＷにおける精度保証部位Ｗｒを除き、水冷に際して変形を許容するように、上型１１及び下型１２の双方に対して隙ｃ２を成すようになっている。

すなわち、前述のように、精度保証を図るべき部位となる精度保証部位Ｗｒを除き、上型１１及び下型１２に対して隙ｃ２を成した状態でワークＷを冷却し、焼き入れ状態にする。これにより、上型１１及び下型１２に対して隙ｃ２を成す部位、すなわち変形許容部位Ｗｄでは変形が許容されるため、この変形許容部位Ｗｄにおいては残留応力に起因した変形が生じる。

そうして、変形許容部位Ｗｄにおいて残留応力を発散させた分だけ、上型１１及び下型１２からワークＷを脱型したときに、精度保証部位Ｗｒにおいては残留応力に起因した変形が抑制される。このように、精度保証を図るべき部位（精度保証部位Ｗｒ）と、残留応力に因る変形を許容する部位（変形許容部位Ｗｄ）とを使い分けるとともに、後者の部位にて残留応力を意図的に発散させることで、前者の部位においては意図しない変形が抑制され、成形品としてのピラー部品１００の加工精度を高めることができる。

また、変形許容部位Ｗｄにおいては、隙ｃ２を設けた分だけ、ワークＷをプレス成形する際の加圧を低減することができる。これにより、プレス成形に際して、熱間プレス加工装置１の負荷が低減される。

また、変形許容部位Ｗｄについては、そもそも、精度保証部位Ｗｒに比して加工精度が求められない。そうした部位を複数箇所に亘って設けることで、ワークＷの加工が容易になる。

また、ピラー部品１００の稜線に対応する部位は、他の部位よりも剛性を有する。そのため、この稜線に対応する分における変形が、ピラー部品１００全体の加工精度に影響を及ぼす。よって、ピラー部品１００の稜線に対応する部位を精度保証部位Ｗｒとすることで、ピラー部品１００全体の加工精度を確保することができる。

また、ワークＷの表面に沿う方向における隙ｃ２の寸法、つまり第２成形面１５ｂ，１６ｂの寸法ｄは、前述のように、１０ｍｍ以上に設定されている。

本願発明者等は、鋭意検討を重ねた結果、第２成形面１５ｂ，１６ｂの寸法ｄを１０ｍｍ以上に設定すれば、変形許容部位Ｗｄにおける変形が、効果的に実現されることを見出した。

つまり、第２成形面１５ｂ，１６ｂの寸法ｄを１０ｍｍ未満に設定すると、第１成形面１５ａ，１６ａ、ひいては精度保証部位Ｗｒ同士が相対的に接近することになる。その結果、精度保証部位ＷｒによってワークＷが拘束されてしまい、変形許容部位Ｗｄにおける変形が不十分となる。

対して、第２成形面１５ｂ，１６ｂの寸法ｄを１０ｍｍ以上に設定すれば、精度保証部位Ｗｒ同士が十分に離間することになる。その結果、精度保証部位Ｗｒによってワークが拘束されることなく、残留応力を発散するための変形が十分に許容されるようになる。

《他の実施形態》
前記実施形態では、成形品の一例として、自動車の車体構成部品としてピラー部品について説明したが、ここに開示した技術は、サイドフレームなど、自動車の骨格構成部品に適用することもできる。この場合においても、意図しない変形を抑制し、成形品の加工精度を高めることができる。

また、前記実施形態では、脱型工程後に、大気によって空冷する構成について説明したが、この構成には限られない。例えば、型内で徐冷してもよい。

１ 熱間プレス加工装置
１１ 上型（成形型）
１２ 下型（成形型）
１５ 凹状成形面
１５ａ 第１成形面
１５ｂ 第２成形面
１６ 凸状成形面
１６ａ 第１成形面
１６ｂ 第２成形面
１７ 冷媒通路
１８ 冷媒通路
１００ ピラー部品
ｃ２ 隙
Ｗ ワーク
Ｗｒ 精度保証部位（所定部位）
Ｗｄ 変形許容部位（所定部位を除いた部位）

Claims (11)

1. ワークを成形品に加工するための熱間プレス加工方法であって、
   前記ワークを加熱する加熱工程と、
   前記加熱工程により加熱されたワークを成形型の間に搬入した後に、該成形型によってプレス成形をするプレス工程と、
   前記プレス工程によって成形されてプレス状態にあるワークの表面に冷媒を接触させることにより、該ワークを冷却して焼き入れ状態にする冷却工程と、を備え、
   前記プレス工程によって成形されてプレス状態にあるワークは、該ワークにおける所定部位を除き、前記冷却工程に際して残留応力に起因した変形を許容するように、前記成形型の上型及び下型の双方に対して隙を成し、
   前記成形型には、前記冷却工程に際して前記冷媒が供給される冷媒通路が設けられ、
   前記冷媒通路は、前記上型及び下型それぞれの前記隙を成す成形面に開口する
   ことを特徴とする熱間プレス加工方法。
2. 請求項１に記載された熱間プレス加工方法において、
   前記所定部位は、前記成形品とは異なる別の部材との接触部位を成す
   ことを特徴とする熱間プレス加工方法。
3. 請求項１又は２に記載された熱間プレス加工方法において、
   前記所定部位は、前記ワークの複数箇所に設けられるとともに、各所定部位の間に前記隙が設けられている
   ことを特徴とする熱間プレス加工方法。
4. 請求項３に記載された熱間プレス加工方法において、
   前記ワークに沿う方向における前記隙の寸法は、１０ｍｍ以上に設定されている
   ことを特徴とする熱間プレス加工方法。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載された熱間プレス加工方法において、
   前記成形品が自動車の車体構成部品である
   ことを特徴する熱間プレス加工方法。
6. 請求項５に記載された熱間プレス加工方法において、
   前記成形品が自動車の骨格構成部品である
   ことを特徴とする熱間プレス加工方法。
7. 請求項５に記載された熱間プレス加工方法において、
   前記成形品が自動車のピラー部品である
   ことを特徴とする熱間プレス加工方法。
8. ワークを成形品に加工するための熱間プレス加工装置であって、
   前記ワークを加熱する加熱工程と、
   前記加熱工程により加熱されたワークを成形型の間に搬入した後に、該成形型によってプレス成形をするプレス工程と、
   前記プレス工程によって成形されてプレス状態にあるワークの表面に冷媒を接触させることにより、該ワークを冷却して焼き入れ状態にする冷却工程と、を実行し、
   前記プレス工程によって成形されてプレス状態にあるワークは、該ワークにおける所定部位を除き、前記冷却工程に際して残留応力に起因した変形を許容するように、前記成形型の上型及び下型の双方に対して隙を成し、
   前記成形型には、前記冷却工程に際して前記冷媒が供給される冷媒通路が設けられ、
   前記冷媒通路は、前記上型及び下型それぞれの前記隙を成す成形面に開口する
   ことを特徴とする熱間プレス加工装置。
9. 請求項８に記載された熱間プレス加工装置において、
   前記所定部位は、前記成形品とは異なる別の部材との接触部位を成す
   ことを特徴とする熱間プレス加工装置。
10. 請求項８又は９に記載された熱間プレス加工装置において、
    前記所定部位は、前記ワークの複数箇所に設けられるとともに、各所定部位の間に前記隙が設けられている
    ことを特徴とする熱間プレス加工装置。
11. 請求項１０に記載された熱間プレス加工装置において、
    前記ワークに沿う方向における前記隙の寸法は、１０ｍｍ以上に設定されている
    ことを特徴とする熱間プレス加工装置。

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