JP4845813B2 - ダイクエンチ工法におけるプレス加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、ダイクエンチ工法（熱間プレス工法）において、加熱された鋼材を上下一対の金型によってプレス成形すると共に、焼入れするためのプレス加工装置に関する。

現在、自動車部品等の分野では、自動車部品の軽量化及び使用材質の適材化などを図るために、ダイクエンチ工法（熱間プレス工法）によりドアビームやバンパー等の部品の生産が行われている。現状では、熱間プレス成形前に、鋼材に対して孔明け加工やトリミングなどの切除加工を行い、しかる後、プレス成形することにより自動車部品を製造している。そのため、鋼材の位置決め精度などによって部品の精度が左右されてしまい、高精度の自動車部品が得られないという問題を有している。したがって、高精度が求められるボディ部品として採用するためには、プレス成形後に後加工が必要になり、それに伴って、加工工程数が増加し、部品のコスト高を招来してしまうことになる。

そこで、従来から、ダイクエンチ工法において、加熱された板状の鋼材をプレス成形すると同時に、孔明け加工やトリミングなどの切除加工を行うことにより、加工工程数の増加を防ぎ、安価に部品を生産する技術が提案されている（例えば、特許文献１）。
このようなダイクエンチ工法では、プレス成形を受ける鋼材を例えば、７５０〜１０００℃の焼入れ温度まで予め加熱し、その鋼材を成形用プレス機に搬送して高温状態のまま鋼材を相対的に低温のプレス金型に設置し、該プレス金型でプレス成形すると同時に孔明け加工やトリミングなどの切除加工を行い、急冷させて製品に焼入れを行うことにより、引張強度等に優れた部品を製造している。

特開２００５−２４８２５３号公報

ところで、上述したダイクエンチ工法に使用される従来のプレス金型では、プレス成形時に焼入れ温度まで加熱した鋼材の影響で当該金型に温度変化が生じ、それに伴って熱伸縮が発生してしまう。従来のプレス金型においても、冷却手段を備えており、該冷却手段によって常に冷却されているが、金型を瞬時に室温に下げて金型を恒温に保つことは困難である。
例えば、図４及び図５に示すようなプレス金型５０を用いて製品６０の連続生産を行っていくと、当該金型５０を冷却したとしても、加熱された各鋼材の影響で金型５０は、１００℃前後まで温度上昇することになる。なお、生産サイクルを落として金型５０を冷却する方法も考えられるが、実用的ではなく、量産を考慮して高生産サイクルでプレス機を稼動させると、必ず金型５０の温度は上昇することになる。

また、このようなプレス金型５０は、上下一対の金型である上型（上刃）５１と下型（下刃）５２とによって構成されており、下型５２は一体構造である。通常、トリミングなどの切除加工を行う場合の上型５１と下型５２のクリアランスｃは、製品６０の板厚の１０％程度である。
仮に、製品６０の板厚を２ｍｍとした場合、片側のクリアランスｃ量は０．２ｍｍとなる。製品６０の長さが１０００ｍｍとした場合、計算上０．２ｍｍ伸びる温度変化は、
熱膨張量（Ｘ）＝１．２×１０^-5 ×Ｌ×Δθ Ｘ＝０．４（片側０．２ｍｍで両側換算）、Ｌ＝１０００からΔθ≒３３℃であり、室温２０℃とした場合、金型温度が５３℃になった時点で、上型５１と下型５２とが干渉することになり、刃欠けなどが発生して、プレス成形と同時にトリミングなどの切除加工をすることが困難となる。

その結果、従来のプレス金型の構造では、熱伸縮を見込まないと、製品６０の連続生産が不可能になってしまうので、量産する部品に適用することができず、ランニングコスト高を招くと共に、高品質の製品が得られないという問題を有している。なお、プレス成形後に孔明け加工やトリミングなどの切除加工を行うと、ダイクエンチ工法においてはプレス成形と同時に金型５０による冷却で焼きが入るため、鋼材の硬度が大幅に向上し、工具を利用して穿孔やトリミングなどの切除をした場合、工具が損傷しやすく、工具の寿命が非常に短いという不具合を有している。

本発明は、このような実状に鑑みてなされたものであり、その目的は、比較的安価な構造で、連続生産を行った場合の金型の熱伸縮を抑え、製品を量産できると共に、プレス成形と同時にトリミングなどの切除を行うことが可能であり、工程数を増やさずに鋼材の加工ができ、高品質の製品を生産し、生産コストの低減化を図ることが可能なダイクエンチ工法におけるプレス加工装置を提供することにある。

上記従来技術の有する課題を解決するために、本発明は、加熱された鋼材を上下一対の金型によってプレス成形すると共に、焼入れするためのダイクエンチ工法におけるプレス加工装置であって、前記鋼材を設置する下型は、複数のブロック型に分割されていると共に、これらブロック型は、互いに隣接するブロック型の間に隙間を設けた状態で、ベース上に取付けられている。

本発明のプレス加工装置において、特に、次のように構成することが好ましい。
（１）前記ブロック型と前記ベースとの間には、板状の断熱材が配設されている。
（２）前記ベースには、これを冷却する冷却手段が設けられている。
（３）前記ブロック型と前記ベースとの間には、板状の断熱材が配設されていると共に、前記ベースには、これを冷却する冷却手段が設けられている。

［作用］
本発明のダイクエンチ工法におけるプレス加工装置では、加熱された鋼材を設置する下型が複数のブロック型に分割され、これらブロック型が隙間を開けた状態でベース上に取付けられているため、焼入れ温度まで加熱された鋼材を上下一対の金型間に設置し、その間で型締めすることによってプレス成形すると同時に孔明け加工やトリミングなどの切除加工を行い、上下一対の金型間に保持された鋼材を急冷して焼入れする一連の生産工程を連続して行った場合でも、一体構造の下型に比べてブロック型の全長が短く、熱伸縮量を小さく抑えることが可能となる。仮に鋼材からの熱でブロック型が膨張して若干伸びた場合でも、その伸び量は、各ブロック型の隙間で吸収することが可能となり、上型と下型との切断部のクリアランスが確保され、当該切断部における上型と下型との干渉は発生しないことになる。

また、本発明のプレス加工装置では、ブロック型とベースとの間に板状の断熱材を配設しているため、鋼材及び下型からの熱が断熱材の介在によって遮断され、当該断熱材の下側に位置するベースに伝達される事態を防止又は抑制することが可能になる。

さらに、本発明のプレス加工装置では、ベースを冷却する冷却手段が当該ベースに設けられているため、鋼材及び下型からの熱がベースに伝達されても、冷却手段によってベースを効果的に冷却し、断熱材を設けない場合でも、上型と下型との切断部に影響を及ぼすようなベースの熱膨張を抑えることが可能となる。また、断熱材を設けた場合には、断熱材による効果と冷却手段による効果とに基づく相乗効果によって、ベースの熱膨張を抑えることがより確実なものとなる。

上述の如く、本発明のダイクエンチ工法におけるプレス加工装置は、加熱された鋼材を上下一対の金型によってプレス成形すると共に、焼入れするためのものであって、前記鋼材を設置する下型は、複数のブロック型に分割されていると共に、これらブロック型は、互いに隣接するブロック型の間に隙間を設けた状態で、ベース上に取付けられているので、連続生産を行った場合でも、下型の熱伸縮を抑えることができると共に、仮に下型が熱膨張して若干伸びた場合でも、その伸び量を各ブロック型の隙間で吸収することができ、切断部における上型と下型との干渉が発生せず、プレス成形と同時に孔明け加工やトリミングなどの切除加工を長時間にわたって円滑に行うことができる。したがって、本発明のプレス加工装置によれば、比較的安価な金型構造によって工程数を増やすことなく鋼材を連続して加工でき、高品質の製品を量産することができると共に、生産コストを低減させることができる。

また、本発明において、前記ブロック型と前記ベースとの間に、板状の断熱材が配設されていれば、鋼材及び下型からの熱を挟んだ断熱材の介在によって遮断でき、ベースへの熱の伝達を防止又は抑制することができ、ベースが熱膨張することによって生じる上型と下型との切断部への悪影響を確実に防ぎ、より長期間にわたる連続生産によって生産性を高めることができる。

さらに、本発明において、前記ベースに、これを冷却する冷却手段が設けられていれば、ベースを効果的に冷却でき、冷却手段の冷却性能によっては断熱材を設けなくても、ベースの熱膨張を防止又は抑制でき、上記発明と同様の効果を得ることができる。また、断熱材を設けた場合には、断熱材と冷却手段との相乗効果により、ベースの熱膨張をより確実に防止又は抑制できる。

以下、本発明のダイクエンチ工法におけるプレス加工装置について、図面を参照しながら、その実施形態に基づき詳細に説明する。
図１は本発明の実施形態に係るプレス加工装置の平面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。なお、図１は、プレス加工装置のベース上に取付けられた下型に製品が載置されている状態を示している。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係るプレス加工装置は、ダイクエンチ工法に使用されるプレス金型１を備えており、このプレス金型１は、対向して配置した上下一対の金型である上型（上刃）２と下型（下刃）３とによって構成されている。上型２は、図示しないプレス加工装置の装置本体の下面に装着され、下型３は、プレス加工装置のベース４上に配置されて取付けられている。本実施形態のプレス加工装置では、装置本体が図示しない駆動シリンダの作動ロッドに連結されて昇降可能となっており、ベース４は図示しない床などに固定されている。また、トリミングなどの切除加工を行う上型２と下型３との切断部におけるクリアランスｃ量は、プレス成形後に製品５となる鋼材（鋼板）の板厚の１０％程度に設定されている。例えば、製品５の板厚が２ｍｍとした場合、片側のクリアランスｃ量は０．２ｍｍとなる。
なお、プレス金型１を構成する上型２及び下型３の内部には、図外の冷却水ジャケットなどが設けられており、この冷却水ジャケットに冷却水を通して循環せしめることによって、プレス金型１は、製品５となる加熱された高温の鋼材に対して相対的に低温となるよう冷却されている。

本実施形態の下型３は、図２に示すように、複数個のブロック型３１に分割されている。すなわち、本実施形態のプレス金型１では、下型３の長手方向（図２中で左右方向）の両端部分を除く中間部分を５分割して７個のブロック型３１に分割されている。また、これらブロック型３１は、互いに隣接するブロック型３１の間に隙間３２を設けた状態で、それぞれボルト締めなどによってベース４上に取付けられており、下型３の長手方向に沿って一定の間隔を置いて並んで設けられている。これら隙間３２の大きさは、下型３の熱膨張量などに応じて決められており、下型３の熱膨張量を吸収できる大きさに設定されている。

また、本実施形態に係るブロック型３１の下面とベース４の上面との間には、図２に示すように、板状の断熱材３３が配設されている。この断熱材３３は、セラミックス材料などを用いて形成されており、その板厚は、加熱された高温の鋼材及び下型３からの熱が遮断され、ベース４に伝達されるのを防げる大きさに設定されている。

次に、本発明の実施形態のプレス加工装置のプレス金型１を使用し、ダイクエンチ工法にて製品５を生産する方法について説明する。
先ず、前工程の加熱炉によって、製品５となる板状の鋼材を約９００℃の焼入れ温度まで加熱する。次いで、この加熱された鋼材を本実施形態のプレス金型１の設置箇所まで搬送し、型開きされている上型２と下型３との間に導入し、下型３の上に載せて設置する（図１及び図２参照）。この状態で、図示しない駆動シリンダにより図外の装置本体を駆動し、上型２を下型３に向けて下降させ、プレス金型１を閉じる。すると、上型２と下型３との間に挟まれた鋼材は、所定形状にプレス成形されると同時に、所定の箇所が孔明けされ、かつ長手方向の左右両側の不要端部がトリミングされて、切除される。また、鋼材は、相対的に低温の上型２及び下型３によって急冷され、焼入れされることになる。その後、図示しない駆動シリンダにより図外の装置本体を駆動し、上型２を下型３から離間すべく上昇させてプレス金型１を開けば、所定形状にプレス成形され、穿孔やトリミングなどの必要な切除が行われ、かつ焼入れされた製品５を取出すことが可能になる。

このような工程を繰返し行い、製品５を連続して生産すると、プレス金型１の下型３は、約１００℃くらいまで温度が上昇する。しかしながら、本実施形態の下型３は、複数個のブロック型３１に分割され、かつ各ブロック型３１の間に隙間３２を有していることから、下型３を構成するブロック型３１が膨張しても、切断部における上型２と下型３との干渉は発生せず、連続生産が可能となる。なお、各ブロック型３１とベース４との間には、断熱材３３が介在していることから、ベース４が熱膨張することはない、あるいは熱膨張しにくい。
例えば、本実施形態のブロック型３１を１個当たり１００ｍｍとした場合、下型３の温度が約１００℃（Δθ＝約８０℃）になっても、既述の計算式から下型３の膨張量は０．０９５ｍｍであり、各ブロック型３１の隙間３２を０．２ｍｍ以上とすれば、上型２と下型３とが干渉することはない。

このように、本発明の実施形態のプレス加工装置によれば、プレス金型１の下型３を複数のブロック型３１に分割し、かつこれらブロック型３１の間に隙間３２を設けているため、工程数を増やすことなく、連続して製品５となる鋼材をプレス成形すると同時に孔明け加工やトリミングなどの切除加工を行い、必要な焼入れをすることができ、高品質の製品５を量産することができる。

さらに、本実施形態のプレス加工装置では、各ブロック型３１とベース４との間に介在させた断熱材３３により、ベース４が熱膨張しない構造又は熱膨張しにくい構造となっているため、より長期間にわたって製品５の連続生産を確実に行うことが可能になり、生産性の向上及び生産コストの低減を図ることができる。

図３は、本発明の他の実施形態に係るプレス加工装置であって、図１のＡ−Ａ線断面図である。また、図３は、図２の変形例である。
この実施形態におけるベース４には、上記実施形態の断熱材３３に代えて、当該ベース４を冷却する冷却手段４１が設けられている。この冷却手段４１は、下型３に比べて大型のベース４の内部に配管される多数のパイプ４１ａを備えており、これらパイプ４１ａに冷却水を通して循環させるように構成されている。これらパイプ４１ａは、図示しないポンプや冷却水の供給源に接続されている。その他の構成は上記実施形態と同様であり、これと同一の部位は同一の符号で示されている。

このような本発明の他の実施形態によれば、下型３に比べて大型のベース４に当該ベース４を冷却する大型の冷却手段４１が設けられているため、製品５の連続生産で下型３のブロック型３１からの熱がベース４に伝達されても、大型の冷却手段４１によってベース４を迅速かつ効果的に冷却することが可能となり、断熱材を設けることなく、切断部における上型２と下型３との干渉を防ぐことができる。

以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。

例えば、既述の実施形態のプレス加工装置では、下型３のブロック型３１とベース４との間に断熱材３２を介在させたり、あるいはベース４に冷却手段４１を設けたりして、ベース４が熱膨張しないように構成又は熱膨張しにくいように構成しているが、製品５となる鋼材の長さや加熱温度などによってベース４の熱膨張量が少ない場合は、断熱材３２及び冷却手段４１を設けないで、各ブロック型３１の隙間３２によって下型３の熱伸縮を吸収するようにしても良い。これと反対に、断熱材３２及び冷却手段４１の両方を設けても良い。冷却手段４１を大型化せずに、小型化しても良い。
また、下型３の長手方向の両端部分を除く中間部分を５分割して７個のブロック型３１によって構成したが、分割するブロック型３１の数は鋼材の長さや材質などに合わせて適宜選択することが可能である。

本発明の実施形態に係るものであって、ダイクエンチ工法におけるプレス加工装置を示す平面図である。 本発明の実施形態に係るプレス加工装置を示すものであって、図１のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の他の実施形態に係るプレス加工装置を示すものであって、図１のＡ−Ａ線断面図である。 ダイクエンチ工法における従来のプレス加工装置を示す平面図である。 ダイクエンチ工法における従来のプレス加工装置を示すものであって、図４のＢ−Ｂ線断面図である。

符号の説明

１ プレス金型
２ 上型
３ 下型
４ ベース
５ 製品
３１ ブロック型
３２ 隙間
３３ 断熱材
４１ 冷却手段

Claims (3)

1. 加熱された鋼材を上下一対の金型によってプレス成形すると共に、焼入れするためのダイクエンチ工法におけるプレス加工装置であって、
   前記鋼材を設置する下型は、複数のブロック型に分割されていると共に、これらブロック型は、互いに隣接するブロック型の間に隙間を設けた状態で、ベース上に取付けられていることを特徴とするプレス加工装置。
2. 前記ブロック型と前記ベースとの間には、板状の断熱材が配設されていることを特徴とする請求項１に記載のプレス加工装置。
3. 前記ベースには、これを冷却する冷却手段が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のプレス加工装置。

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