JP5808724B2 - アルミニウム合金材のダイクエンチ装置およびダイクエンチ方法 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム合金材のダイクエンチ装置およびダイクエンチ方法に関する。

自動車用部品には、燃費向上や環境保護の面から、さらなる軽量化が求められている。そのため、鋼材から軽量なアルミニウム合金材への転換が進められている。

現在、一般的に、アルミニウム合金材製の自動車部品は、冷間プレスによって成形されている。但し、アルミニウム合金材は、鋼材に比べて、強度が低い、又、延性が低く成形性が悪いという短所があるため、自動車部品用のアルミニウム合金材は下記のように製造されている。

（１）素材（ブランク材）として、圧延材（Ｈ材）を溶体化処理した後、自然時効処理したＴ４材を用いる；
（２）高強度化されているＴ４材は、成形性が悪い。したがって、Ｔ４材を多段階で冷間プレスする；
（３）冷間プレスされたＴ４材を、組み付けし、塗装焼付けをする。

上記のような、多段階の冷間プレスは、工数が多いため生産性が低く、コストアップを招いている。このような課題を解決するため、アルミニウム合金材を加熱して成形する方法が提案されている。

特許文献１には、加熱されたアルミニウム合金材を、冷えた成形型内に搬入されてから、０．１５秒未満内に成形する、成形装置が提案されている。

特許文献２には、水冷されているキャビティ型でアルミニウム合金材を挟んだ状態で、水冷されているコア型でアルミニウム合金材をダイクエンチする成形装置が開示されている。

特許文献３には、一次的な熱間プレスを行った後、二次的なダイクエンチ成形を行うアルミニウム合金材の多段階成形方法が提案されている。

特表２０１２−５１０５６５号公報（請求項１参照） 特開２０１１−６３８６８号公報（図２、段落００２２および００２３参照） ＷＯ２０１１−５８３３２Ａ１（図１参照）

以下の分析は、本発明によって与えられたものである。

特許文献１の成形装置によれば、極短時間で成形を実行する。しかしながら、成形型は、ダイクエンチされるアルミニウム合金材に対して熱容量が非常に大きいため、成形開始の際には、既に、アルミニウム合金材は成形型によって冷却されて、その温度は低下している。したがって、成形性はそれほど向上しない。また、極短時間の成形には、高速で動作する特殊なプレス装置が必要であるという設備上の問題が生じる。

特許文献２の成形装置においても、特許文献１と同様に、成形開始の際には、既に、アルミニウム合金材の温度は低下しているため、成形性はそれほど向上していないという問題がある。

特許文献３の成形方法によれば、工数が多く、又、熱間プレス装置とダイクエンチ成形装置という二種類の成形装置が必要になるという問題がある。

本発明の目的は、アルミニウム合金材の成形性の向上に寄与する、アルミニウム合金材のダイクエンチ装置およびダイクエンチ方法を提供することである。

本発明は、第１の視点において、下記の要素を含むアルミニウム合金材のダイクエンチ装置を提供する：
昇降される上型および定置される下型を有し、加熱されたアルミニウム合金材を前記上下型によって成形と同時に冷却する成形型；
前記上型の下面下方に配置される上ホルダおよび前記下型の上面上方に配置される下ホルダを有し、前記上下ホルダによって前記アルミニウム合金材をクランプして、前記成形型内に前記アルミニウム合金材をセットし、前記アルミニウム合金材が前記成形型内にセットされた状態で、前記アルミニウム合金材と前記成形型が接触しないよう、前記アルミニウム合金材をクランプするホルダ機構；
前記上型の前記下面と前記上ホルダの上面の間に配置される上断熱部と、前記下型の前記上面と前記下ホルダの下面の間に配置される下断熱部と、を有し、前記アルミニウム合金材をクランプしてセットするとき、前記上ホルダの下面は、前記上ホルダおよび前記上断熱部の厚み分、前記上型の下面から下方に離隔するよう構成される断熱部；
前記ホルダ機構を加熱する加熱機構。

本発明は、第２の視点において、下記の工程を含むアルミニウム合金材のダイクエンチ方法を提供する：
アルミニウム合金材を加熱する工程；
昇降される上型の下面と定置される下型の上面との間に上下断熱部を介して配置された上下ホルダを用いて、前記アルミニウム合金材をクランプしてセットするとき、前記上ホルダの下面は、前記上ホルダおよび前記上断熱部の厚み分、下方に離隔し、かつ前記アルミニウム合金材が前記成形型内にセットされた状態で、前記アルミニウム合金材と前記成形型が接触しないよう加熱されたアルミニウム合金材をクランプする工程；
前記アルミニウム合金材のクランプ部を加熱するないし該部分の温度低下を抑制する工程；
前記上型の下面と前記下型の上面の間において、前記クランプ部が加熱された状態ないし該クランプ部の温度低下が抑制された状態で、前記上下型によって前記アルミニウム合金材をダイクエンチする工程。

本発明は、第１ないし第２の視点において、下記の効果に寄与する：
成形型内にセットされた、加熱されたアルミニウム合金材は、さらに、ホルダ機構を介して加熱されることによって、成形開始時点においても、アルミニウム合金材の温度は、所定温度以上、好ましくは、溶体化処理温度以上に維持されるため、良好な成形性が確保される。また、アルミニウム合金材は、ホルダ機構を介した加熱によって十分に高温に維持されたセット状態から、成形型によってダイクエンチないし急冷されるため、アルミニウム合金材において強度が必要な部分は十分に焼入れされる。

本発明の実施形態に係るアルミニウム合金材のダイクエンチ装置で好適に実行されるダイクエンチ方法の工程図である。 本発明の一実施例に係るアルミニウム合金材のダイクエンチ装置の構造を説明する図である。 図２に示したダイクエンチ装置の動作図である。 図３に引き続く動作図である。

以下、図面を参照して本発明の概要を説明する。なお、図面参照符号は、理解を助けるための一例として各要素に便宜上付記したものであり、本発明を図示の態様に限定することを意図するものではない。

図２を参照すると、本発明によるアルミニウム合金材のダイクエンチ装置１は、加熱されたアルミニウム合金材（素材、ブランク材）２を成形と同時に冷却する成形型３と、アルミニウム合金材２をクランプして、成形型３内にアルミニウム合金材２をセットするホルダ機構４と、ホルダ機構４を加熱する加熱機構５と、を備えている。

図１および図２を参照すると、本発明によるアルミニウム合金材のダイクエンチ方法は、アルミニウム合金材２を加熱する工程（１）〜（２）と、加熱されたアルミニウム合金材２をクランプして成形型３内にセットする工程（３ａ）と、アルミニウム合金材２のクランプ部を加熱するないし該部分の温度低下を抑制する工程（４ａ）と、クランプ部が加熱された状態ないしクランプ部の温度低下が抑制された状態で、成形型３でアルミニウム合金材をダイクエンチする工程（４）と、を含んでいる。

このようなダイクエンチ装置１およびダイクエンチ方法によれば、ダイクエンチ開始時点でも、ホルダ機構４を介した加熱によって、アルミニウム合金材２が十分に高温に維持されているため、極短時間で成形を完了する必要性が解消され、比較的低速な汎用のプレス装置を用いても、ダイクエンチによる焼入れが確実に行われ、品質が安定する。

また、ダイクエンチ開始時点で、アルミニウム合金材２が十分に高温に維持されることによって、ダイクエンチにおけるアルミニウム合金材の成形性も確保されている。なお、成形型３は、アルミニウム合金材２およびホルダ機構４に比べて、十分に熱容量が大きいため、ホルダ機構４によってアルミニウム合金材２が部分的に加熱されていても、アルミニウム合金材２において、強度が必要な部分は、成形型による急冷を受けて、確実に焼入れされる。

このようにして、本発明によれば、高強度で、スプリングバックを起こさない高精度で形状自由度が大きい製品を、低コストで製造することができる。

さらに、図１の各工程について詳細に説明する。工程（１）および（２）は、アルミニウム合金材（ブランク材）２を加熱炉で加熱し、溶体化処理温度範囲に維持する溶体化処理工程である。これによって、アルミニウム合金材２中に含まれる各種元素が均一に固溶する。また、ダイクエンチ工程の直前に溶体化処理が実行されるため、素材として、溶体化処理されたアルミニウム合金材を用いる必要がなくなり、圧延材（Ｈ材）を用いることができる。

工程（３）は、加熱炉から成形型３内に溶体化処理されたアルミニウム合金材２を搬送する投入工程である。搬送中、アルミニウム合金材２の温度は低下するが、ホルダ機構４を介した加熱によって、アルミニウム合金材は加熱炉における温度と同等の温度に加熱されるため、アルミニウム合金材２が成形型３内にセットされた時点、すなわち、ブランクセット時点（３ａ）で、アルミニウム合金材２の温度は依然として、溶体化処理温度の範囲内に留まっている。

工程（４）は、溶体化処理温度範囲に維持されているアルミニウム合金材２をダイクエンチ、すなわち、成形型３によって成形および急冷するダイクエンチ工程である。成形開始時点（４ａ）で、アルミニウム合金材２の温度低下は抑制されて、その温度は、溶体化処理温度の範囲内に留まっている。

工程（５）は、成形型３を開いて、アルミニウム合金材２を取り出す払出工程である。

工程（６）は、成形型３から払い出されたアルミニウム合金材２を人工時効処理する工程である。工程（６）は、工程（４）又は（５）の冷却途中で開始してもよい。

さらに、工程（６）の後、好ましくは、加熱を伴う表面処理工程、例えば、塗装焼付けが実行されて、アルミニウム合金材２が再度時効処理され、最終的な製品の強度がさらに向上される。

本発明の好ましい実施形態に係るダイクエンチ装置１は、成形型３とホルダ機構４の間を断熱する断熱部６を備えている。断熱部６により、ダイクエンチにおいて、成形型３による十分な急冷が担保される。

本発明の好ましい実施形態において、ホルダ機構４は、アルミニウム合金材２の製品外となる部分をクランプする。したがって、ホルダ機構４によってクランプされるクランプ部２ｃは、急冷されなくてもよい、すなわち、焼入れされなくてもよく、却って切断容易となる。

本発明の好ましい実施形態において、ホルダ機構４は、成形時、アルミニウム合金材２の周縁部が成形型３の開閉方向に直交する方向に変位可能に、前記周縁部をクランプする。これによって、アルミニウム合金材２の加工度が大きい部分に、過大な歪が蓄積されることが防止される。

本発明の好ましい実施形態において、ホルダ機構４は、アルミニウム合金材２が成形型３内にセットされた状態で、アルミニウム合金材２と成形型３が接触しないよう、アルミニウム合金材２をクランプする。これによって、成形開始時点におけるアルミニウム合金材２の温度低下が防止される。

本発明の好ましい実施形態において、成形型３は、上型３ａと下型３ｂを有し、ホルダ機構４は、上型３ａに一体的に支持されてアルミニウム合金材２の上面に当接自在な上ホルダ４ａと、下型３ｂに弾性的に支持されてアルミニウム合金材２の下面に当接自在な下ホルダ４ｂと、を有する。このように、ホルダ機構４は、上型３ａと下型３ｂを有する、一般的な構造を有する成形型３に適用することが容易である。

本発明の好ましい実施形態に係るダイクエンチ装置１は、成形型３内に設けられて成形型３を冷却する冷却路３ｃと、ホルダ機構４内に設けられてホルダ機構４を加熱するヒータ５と、を備える。これによって、成形型３による急冷と、ホルダ機構４による加熱の両方が、確実に実行される。なお、成形型３が十分に冷えた状態が確保される場合には、成形型３を自然冷却するだけでもよい。

本発明によれば、ダイクエンチ工程における成形は、アルミニウム合金材が溶体化処理温度範囲に維持されている状態で開始されるため、すなわち、溶体化処理されて高温状態にあるアルミニウム合金材を成形するため、アルミニウム合金材をダイクエンチのために再加熱する必要がなく、省エネルギである。溶体化処理温度は、アルミニウム合金材を溶体化処理工程からダイクエンチ工程へ移送する際の温度低下や、ダイクエンチ工程において成形直前の温度低下を考慮すると、４７５℃〜５８０℃の範囲、特に、５００℃〜５６０℃の範囲に設定することが好ましい。

本発明の一実施形態によれば、アルミニウム合金材として、２０００系、６０００系および７０００系のように、熱処理によって高強度が得られる材料を選択することが好ましい。製品の要求される強度に応じて、その他の材料を選択することもできる。

本発明の一実施形態において、推奨される熱処理条件および成形条件の目安を下記に例示する。
（ａ）溶体化処理温度の範囲：４５０〜６００℃、好ましくは４７５℃〜５８０℃の範囲、さらに好ましくは５００℃〜５６０℃；
（ｂ）溶体化処理温度範囲に維持する時間：数十秒〜５分、５分以上でもよい；
（ｃ）ダイクエンチにおける急冷速度：１０℃／ｓ以上、好ましくは５０℃／ｓ以上、さらに好ましくは１００℃／ｓ以上；
（ｄ）ダイクエンチ工程終了と人工時効処理工程開始の間隔：５分以下；
（ｅ）人工時効処理の時効温度：７０〜２５０℃、好ましくは２００℃以下、特に、１００〜２００℃；
（ｆ）人工時効処理時間：５分以上；
（ｇ）人工時効処理時の冷却：大気中での放冷でよい。

以下、図面を参照して本発明の一実施例を説明する。なお、図面参照符号は、理解を助けるための一例として各要素に便宜上付記したものであり、本発明を図示の態様に限定することを意図するものではない。

図２は、本発明の一実施例に係るアルミニウム合金材のダイクエンチ装置の構造を説明する図である。

図２を参照すると、本発明の一実施例に係るアルミニウム合金材のダイクエンチ装置１は、加熱されたアルミニウム合金材２を成形と同時に冷却する成形型３と、アルミニウム合金材２をクランプして、成形型３内にアルミニウム合金材２をセットする左右のホルダ機構４，４と、左右のホルダ機構４，４をそれぞれ加熱する複数の加熱機構５，５と、を備えている。

成形型３は、上型３ａと下型３ｂを有している。上型３ａ内と下型３ｂ内には、冷却流体が流通する冷却路３ｃが形成され、ダイクエンチ時、上型３ａおよび下型３ｂを介して、アルミニウム合金材２が成形と同時に急冷される。

ホルダ機構４は、成形型３の左右両側にそれぞれ配置される。左右両側のホルダ機構４，４および加熱機構５，５は、対称な構造を有しているから、以下、主として、一側のホルダ機構４および加熱機構５について説明する。ホルダ機構４は、上型３ａに一体的に支持されてアルミニウム合金材２の上面に当接自在な上ホルダ４ａと、下型３ｂに弾性的に支持されてアルミニウム合金材２の下面に当接自在な下ホルダ４ｂと、を有している。
上ホルダ４ａおよび下ホルダ４ｂは、鋼材から形成することができる。上ホルダ４ａおよび下ホルダ４ｂには、加熱機構５として、ヒータ５が埋設されている。上ホルダ４ａは、基本的には、上ホルダ４ａに固定的に取り付けられ、下ホルダ４ｂは、クッション４ｃを介して、弾性的に取り付けられている。クッション４ｃとしては、ばね、又は、シリンダを採用することができる。

また、上型３ａと上ホルダ４ａの間には、断熱板６ａが挟まれている。下型３ｂと下ホルダ４ｂの間には、断熱板６ｂが挟まれている。断熱板６ａ，６ｂは、断熱部６を構成している。断熱板６ａ，６ｂは、例えば、熱伝導率の低いセラミックスから形成することができ、厚さは、５〜２０ｍｍ程度にすればよい。

続いて、以上説明したダイクエンチ装置１の動作を説明する。図３は、図２に示したダイクエンチ装置の動作図である。図４は、図３に引き続く動作図である。

図１の工程（１）および（２）を参照すると、不図示の加熱炉でアルミニウム合金材を溶体化処理温度範囲に加熱する。図１の工程（３）を参照すると、溶体化処理されたアルミニウム合金材を、図２に示すダイクエンチ装置１に搬入する。搬入時、アルミニウム合金材２は若干温度低下するが、依然として、その温度は、溶体化処理温度範囲内である。

図２を参照すると、溶体化処理温度範囲に加熱されたアルミニウム合金材２の製品とならない周縁部、左右のホルダ機構４，４にクランプさせ、成形型３内にセットする（図１のセット時点（３ａ参照））。以下、左右のホルダ機構４，４によって、クランプされる部分をクランプ部２ｃ，２ｃと称する。クランプ部２ｃ，２ｃは、圧縮ないし縮小状態のクッション４ｃによる圧力を受けながら、上下ホルダ４ａ，４ｂに当接している。左右のホルダ機構４は、ヒータ５によって加熱されている。これによって、アルミニウム合金材２の温度低下は防止され、アルミニウム合金材２の温度は、依然として、溶体化処理温度範囲に維持される。

図２から図３を参照すると、図１の成形開始時点（４ａ）から、成形型３によるダイクエンチ工程（４）を開始し、具体的には、上型３ａを下型３ｂに向かって降下させる。これに伴って、クッション４ｃは、さらに圧縮される。このとき、アルミニウム合金材は、そのクランプ部２ｃ，２ｃが左右のホルダ機構４，４に組み込まれたヒータ５によって加熱されているため、高温に維持されている。特に、クランプ部２ｃ，２ｃは、さらに、クランプ部２ｃ，２ｃと中央部２ａの間の中間部２ｂ，２ｂは、高温で伸びやすい状態を維持している。

図３を参照すると、上型３ａがさらに降下して、アルミニウム合金材２が、冷えた上型３ａおよび下型３ｂと十分に接触すると、特に、下型３ｂと接触しているアルミニウム合金材２の中央部２ａは、急冷されて硬化し、伸びにくい状態となる。しかし、加熱されているクランプ部２ｃ，２ｃと、クランプ部２ｃ，２ｃからの熱伝導によって加熱される中間部２ｂ，２ｂとは、依然として高温に維持され、伸びやすく、成形性のよい状態が維持される。これによって、アルミニウム合金材２のクランプ部２ｃ，２ｃは、成形型３の開閉方向に直交する方向に変位可能となり、アルミニウム合金材２の加工度が大きい部分に、過大な歪が集中することが防止され、又、割れの発生が防止される。

図３から図４を参照して、上型３ａがさらに降下すると、アルミニウム合金材２の周縁部（外周部）は中央に向かって変位し、ホルダ機構４，４によるクランプ部２ｃ，２ｃのクランプは解除され、中間部２ｂ，２ｂおよびクランプ部２ｃ，２ｃを含めたアルミニウム合金材２の全域が成形および冷却される。このように、アルミニウム合金材２の変位が許容されることによって、歪の集中が防止される。

成形完了後、上型３ａが上昇されて、アルミニウム合金材２は払い出され（図１の工程（５）参照）、製品外の部分であるクランプ部２ｃ，２ｃは切断される。以降は、図１の人工時効処理工程（６）、さらには、塗装焼付け等、再度の時効処理を伴う表面処理工程が実行される。

以上、本発明の一実施形態等を説明したが、本発明は、上記した一実施形態等に限定されるものではなく、本発明の基本的技術的思想を逸脱しない範囲で、更なる変形・置換・調整を加えることができる。

なお、上記の特許文献の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施形態ないし実施例の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせ、ないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。

本発明により得られたアルミニウム合金材は、車両用のボディパネル、ピラー又はビームとして、好適に利用することができる。

１ ダイクエンチ装置
２ アルミニウム合金材（素材、ブランク材）
２ａ 中央部
２ｂ，２ｂ 中間部
２ｃ，２ｃ クランプ部
３ 成形型
３ａ 上型
３ｂ 下型
３ｃ 冷却路
４ ホルダ機構
４ａ 上ホルダ
４ｂ 下ホルダ
４ｃ クッション
５ 加熱機構、ヒータ
６ 断熱部
６ａ，６ｂ 断熱材
工程（１）および（２） 溶体化処理工程
工程（３） 投入工程
時点（３ａ） ブランクセット時
時点（４ａ） 成形開始時
工程（４） ダイクエンチ工程
工程（５） 払出工程
工程（６） 人工時効処理工程（予備時効処理工程）

Claims (7)

1. 昇降される上型および定置される下型を有し、加熱されたアルミニウム合金材を前記上下型によって成形と同時に冷却する成形型と、
   前記上型の下面下方に配置される上ホルダおよび前記下型の上面上方に配置される下ホルダを有し、前記上下ホルダによって前記アルミニウム合金材をクランプして、前記成形型内に前記アルミニウム合金材をセットし、前記アルミニウム合金材が前記成形型内にセットされた状態で、前記アルミニウム合金材と前記成形型が接触しないよう、前記アルミニウム合金材をクランプするホルダ機構と、
   前記上型の前記下面と前記上ホルダの上面の間に配置される上断熱部と、前記下型の前
   記上面と前記下ホルダの下面の間に配置される下断熱部と、を有し、前記アルミニウム合金材をクランプしてセットするとき、前記上ホルダの下面は、前記上ホルダおよび前記上断熱部の厚み分、前記上型の下面から下方に離隔するよう構成される断熱部と、
   前記ホルダ機構を加熱する加熱機構と、
   を備える、ことを特徴とするアルミニウム合金材のダイクエンチ装置。
2. 前記ホルダ機構は、前記アルミニウム合金材の製品外となる部分をクランプすることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム合金材のダイクエンチ装置。
3. 前記ホルダ機構は、成形時、前記アルミニウム合金材の周縁部が前記成形型の開閉方向に直交する方向に変位可能に、前記周縁部をクランプすることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム合金材のダイクエンチ装置。
4. 前記上ホルダは、前記上型に一体的に支持されて前記アルミニウム合金材の上面に当接自在であり、
   前記下ホルダは、前記下型に弾性的に支持されて前記アルミニウム合金材の下面に当接自在である、
   ことを特徴とする請求項１記載のアルミニウム合金材のダイクエンチ装置。
5. 前記成形型内に設けられ、前記成形型を冷却する冷却路と、
   前記ホルダ機構内に設けられ、前記ホルダ機構を加熱するヒータと、
   を備える、ことを特徴とする請求項１記載のアルミニウム合金材のダイクエンチ装置。
6. アルミニウム合金材を加熱する工程と、
   昇降される上型の下面と定置される下型の上面との間に上下断熱部を介して配置された上下ホルダを用いて、前記アルミニウム合金材をクランプしてセットするとき、前記上ホルダの下面は、前記上ホルダおよび前記上断熱部の厚み分、前記上型の下面から下方に離隔し、かつ前記アルミニウム合金材が前記成形型内にセットされた状態で、前記アルミニウム合金材と前記成形型が接触しないよう加熱されたアルミニウム合金材をクランプする工程と、
   前記アルミニウム合金材のクランプ部を加熱するないし該部分の温度低下を抑制する工程と、
   前記上型の下面と前記下型の上面の間において、前記クランプ部が加熱された状態ないし該クランプ部の温度低下が抑制された状態で、前記上下型によって前記アルミニウム合金材をダイクエンチする工程と、
   を含む、ことを特徴とするアルミニウム合金材のダイクエンチ方法。
7. 前記ダイクエンチは、前記アルミニウム合金材において少なくとも前記クランプ部の温度が、溶体化処理温度の範囲内である状態で、開始される、ことを特徴とする請求項６記載のアルミニウム合金材のダイクエンチ方法。

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