(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被成形面の法線方向が金型の移動方向と交差する被成形面である縦壁部を有する成形品を、加熱した鋼板をプレス成形することで成形する熱間プレス用金型であって、
前記被成形面である縦壁部を成形する縦壁成形面を有するパンチとダイを備えてなり、前記パンチと前記ダイの少なくとも一方における前記縦壁成形面のみに設けられた凹陥部と、該凹陥部に前記縦壁成形面の法線方向に移動可能に取り付けられた可動部と、プレス成形開始から下死点までの間は前記可動部を前記縦壁成形面よりも出っ張らないようにし、下死点において前記可動部を前記鋼板側に移動させて前記鋼板の前記被成形面である縦壁部に当接させる可動部移動手段を備えてなることを特徴とする熱間プレス用金型。
【請求項２】
前記可動部が強磁性体または強磁性体を含む材料または強磁性体を内蔵する構造からなり、前記可動部移動手段は電磁石からなることを特徴とする請求項１記載の熱間プレス用金型。
【請求項３】
前記可動部を前記凹陥部の内部側に引っ張る弾性手段を備えたことを特徴とする請求項２記載の熱間プレス用金型。
【請求項４】
前記可動部移動手段はアクチュエータであることを特徴とする請求項１記載の熱間プレス用金型。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の熱間プレス用金型を用いて鋼板を熱間でプレス成形する熱間プレス成形方法であって、
オーステナイト域まで加熱した前記鋼板を金型に保持して下死点までプレス成形する成形工程と、下死点で前記鋼板を保持したまま前記鋼板に前記金型を当接させて冷却する冷却工程を有し、
該冷却工程において、前記可動部移動手段によって前記可動部を前記鋼板の被成形面である縦壁部に当接させることを特徴とする熱間プレス成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被成形面の法線方向が金型の移動方向と交差する被成形面を有する成形品を、加熱した鋼板をプレス成形することで成形する熱間プレス用金型、該熱間プレス用金型を用いた熱間プレス成形方法、及び該熱間プレス成形方法で成形された熱間プレス成形品に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼板をオーステナイト域以上の温度に加熱し、上型及び下型からなる金型を取り付けたプレス成形装置により、該鋼板をオーステナイト域温度にある状態でプレス成形し、下死点で金型の間に成形された鋼板を保持して、成形された鋼板を金型に接触させることにより冷却し、マルテンサイト変態を起こさせる焼入れ処理を行う、熱間プレス成形が広く行われている。
焼入れを確実に行うため、特許文献１に開示されているような、金型内に冷却水が通過するチャンネルを設け、冷却水を循環させることによって、金型を冷却し、成形中の鋼板を良好に冷却する技術が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−９９７７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、熱間プレス加工された成形品には、しわや板厚減少が発生し、プレス下死点において金型と接触しにくい状況が生じる。また、金型の製作精度、金型の撓み、プレス装置自体の撓みなどによって、下死点において金型と熱間プレス成形品との間に隙間を生じる場合もある。これらの状況が生じた場合、金型を冷却しても成形品の冷却速度が遅くなり、プレス成形品に十分に焼き入れが入らない部分が発生する。
【０００５】
例えば、図２に示すようなハット断面形状部材１７を熱間プレス成形する場合には、以下の２つの理由により縦壁部１７ｂに焼きが入りにくい。
一つの理由は、縦壁部１７ｂは熱間プレス成形中に板厚が減少しやすく、下死点において熱間プレス成形品が金型に接触しにくくなるためである。
もう一つの理由として、プレス荷重の方向と、熱間プレス成形品の被成形面の法線の方向の位置関係があげられる。被成形面のうち、縦壁部１７ｂは、その法線方向とプレス荷重方向のなす角度が90度に近く、プレス荷重を増しても、金型を縦壁部１７ｂに強く接触させることは難しい。
特許文献１のような、金型を冷却する従来技術では、少なくとも下死点において、金型と熱間プレス成形品が接触することが前提となっており、上記のように金型が熱間プレス成形品に接触しにくい場合には対応できないという課題がある。
【０００６】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、従来技術では金型を接触させにくいために焼入れが難しかった部分にも十分に焼入れが可能な熱間プレス用金型、熱間プレス成形方法、及び該熱間プレス成形方法によって成形された熱間プレス成形品を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明に係る熱間プレス用金型は、被成形面の法線方向が金型の移動方向と交差する被成形面である縦壁部を有する成形品を、加熱した鋼板をプレス成形することで成形する熱間プレス用金型であって、
前記被成形面である縦壁部を成形する縦壁成形面を有するパンチとダイを備えてなり、前記パンチと前記ダイの少なくとも一方における前記縦壁成形面のみに設けられた凹陥部と、該凹陥部に前記縦壁成形面の法線方向に移動可能に取り付けられた可動部と、プレス成形開始から下死点までの間は前記可動部を前記縦壁成形面よりも出っ張らないようにし、下死点において前記可動部を前記鋼板側に移動させて前記鋼板の前記被成形面である縦壁部に当接させる可動部移動手段を備えてなることを特徴とするものである。
【０００８】
（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記可動部が強磁性体または強磁性体を含む材料または強磁性体を内蔵する構造からなり、前記可動部移動手段は電磁石からなることを特徴とするものである。
【０００９】
（３）また、上記（２）に記載のものにおいて、前記可動部を前記凹陥部の内部側に引っ張る弾性手段を備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
（４）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記可動部移動手段はアクチュエータであることを特徴とするものである。
【００１１】
（５）本発明に係る熱間プレス成形方法は、上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の熱間プレス用金型を用いて鋼板を熱間でプレス成形する熱間プレス成形方法であって、オーステナイト域まで加熱した前記鋼板を金型に保持して下死点までプレス成形する成形工程と、下死点で前記鋼板を保持したまま前記鋼板に前記金型を当接させて冷却する冷却工程を有し、
該冷却工程において、前記可動部移動手段によって前記可動部を前記鋼板の被成形面である縦壁部に当接させることを特徴とするものである。
【００１２】
（６）本発明に係る熱間プレス成形品は、上記（５）に記載の熱間プレス成形方法によって成形されたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明においては、被成形面（被成形面の法線方向が金型の移動方向と交差する被成形面）を成形する成形面を有するパンチとダイを備えてなり、前記成形面におけるパンチとダイの少なくとも一方に設けられた凹陥部と、該凹陥部に前記成形面の法線方向に移動可能に取り付けられた可動部と、プレス成形開始から下死点までの間は可動部を前記成形面よりも出っ張らないようにし、下死点において可動部を鋼板側に移動させて鋼板に当接させる可動部移動手段を備えたことにより、従来技術では金型を接触させにくい前記被成形面にも金型を確実に接触させることができ、焼入れが難しかった前記被成形面に十分に焼入れをすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施の形態に係る熱間プレス用金型の下死点状態における立断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る熱間プレス用金型によって成形される成形品（ハット断面形状部材）の斜視図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る熱間プレス用金型の他の態様の下死点状態における立断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係る熱間プレス用金型のさらに他の態様の下死点状態における立断面図である。
【図５】本発明の実施例における実験結果の評価方法の説明図である。
【図６】本発明の実施例における実験結果を表すグラフである（その１）。
【図７】本発明の実施例における実験結果を表すグラフである（その２）。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の一実施の形態に係る熱間プレス用金型１は、図１に示すように、被成形面の法線方向が金型の移動方向と交差する被成形面を有する成形品であるハット断面形状部材１７（図２参照）を、加熱した鋼板３をプレス成形することで成形する熱間プレス用金型１であって、前記被成形面を成形する成形面を有するパンチ５とダイ７を備えている。
ここで、被成形面とはプレス成形時において金型によって成形される鋼板の面であり、成形面とは該被成形面を成形する金型の面である。
なお、本実施の形態では熱間プレス用金型１とハット断面形状部材１７はともに左右対称であるため、図１においては右半分のみを図示している。また、図１において、ハット断面形状部材１７とパンチ５及びダイ７の区別が容易なように、便宜上、これらの間隔をあけて図示している。
図１の鋼板３において、図２に示したハット断面形状部材１７と同様の部位には同一の符号を付している。図１中のＬWは縦壁部１７ｂの法線を示している。
【００１６】
本実施の形態では、下死点で金型を成形面に接触させにくい成形品、すなわち被成形面の法線方向が金型の移動方向と交差する被成形面を有する成形品の例としてハット断面形状部材１７を例に挙げている。
そこで、まずハット断面形状部材１７の形状を概説し、ハット断面形状部材１７が下死点で金型を成形面に接触させにくい理由について説明する。
【００１７】
＜ハット断面形状部材＞
ハット断面形状部材１７は、図２に示すように、天板部１７ａと、天板部１７ａの両側に連続するように形成された縦壁部１７ｂと、両側の縦壁部１７ｂの端部に形成されたフランジ部１７ｃとを有している。
ハット断面形状部材１７のプレス成形は、図１中に太矢印で示すように、例えばダイ７をパンチ５に近づく方向に移動させることで行われる。ダイ７の移動方向はハット断面形状部材１７の縦壁部１７ｂにおける法線ＬWと交差する方向であり、縦壁部１７ｂが本発明の被成形面（被成形面の法線方向が金型の移動方向と交差する被成形面）に相当する。
その後、ハット断面形状部材１７は、下死点において熱間プレス用金型１に接触した状態で保持されて急冷されることで焼入れが行われる。
【００１８】
焼入れを行うためには、鋼板３に金型を十分に接触させることが必要である。
しかし、縦壁部１７ｂにおいては、熱間プレス成形中に板厚が減少しやすく、下死点において金型に接触しにくい。
また上記に加えて、プレス成形は図１中に太矢印で示すように、ダイ７がパンチ５に近づく方向に移動することで行われ、ダイ７の移動方向はハット断面形状部材１７の縦壁部１７ｂにおける法線ＬWと交差する方向であるために、プレス荷重を増加させても、金型を縦壁部１７ｂに強く接触させることは難しい。
【００１９】
このように、ハット断面形状部材１７を熱間プレス成形する場合、従来のプレス成形金型では、下死点において縦壁部１７ｂに金型を接触させにくく急冷させることができない。
以上のことを踏まえた上で、本発明に係る熱間プレス用金型１についてより詳細に説明する。
【００２０】
＜熱間プレス用金型＞
熱間プレス用金型１は、図１に示すように、パンチ５及びダイ７と、ダイ７の縦壁部１７ｂを成形する成形面（縦壁成形面８）に設けられた凹陥部１１と、凹陥部１１に縦壁成形面８の法線ＬW方向に移動可能に取り付けられた可動部９と、プレス成形開始から下死点までの間は可動部９を縦壁成形面８よりも出っ張らないようにし、下死点において可動部９を鋼板３側に移動させて鋼板３に当接させる可動部移動手段としての電磁石１３と、電磁石１３の稼働を制御する制御部１５を備えている。
以下、熱間プレス用金型１の各構成を図１に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
≪パンチ及びダイ≫
パンチ５は、電磁石１３からの磁束が可動部９に届くために必要な部分を非磁性体材料で構成する必要があるが、それ以外の部分については、従来から金型材料として用いられている鋳鉄や工具鋼などの強磁性体材料で構成しても構わない。
【００２２】
ダイ７には、パンチ５の上部が挿入可能な溝が形成されており、該溝の底面から立ち上がるパンチ５と協働して縦壁部１７ｂを成形する部分が縦壁成形面８である。
縦壁成形面８には、ダイ７の長手方向（紙面に垂直な方向）に沿う溝形が形成されており、該溝形が凹陥部１１である。
凹陥部１１は溝形の底部から開口側に向かって拡がるテーパ形になっており、凹陥部１１に保持された可動部９が下死点において、鋼板３側に移動可能になっている。
【００２３】
上述したように、プレス成形は、図１中に太矢印で示すように、ダイ７がパンチ５に近づく方向に移動することで行われ、ダイ７の移動方向は、ハット断面形状部材１７の縦壁部１７ｂの法線ＬWと交差する方向（ダイ７の移動方向と法線ＬWのなす角度は90度に近い）である。
そのため、ダイ７の移動方向に直交する天板部１７ａやフランジ部１７ｃでは下死点においてダイ７の押圧力を十分に作用させることができるが、縦壁部１７ｂではプレス荷重を増しても、金型を縦壁部１７ｂに強く接触させることは難しい。
そこで、本発明では、可動部９を設けて縦壁部１７ｂを十分に冷却可能にした。以下に、可動部９について詳細に説明する。
【００２４】
≪可動部≫
可動部９は、ダイ７の凹陥部１１の形状に対応したブロック体からなり、凹陥部１１に挿入可能になっている。凹陥部１１に可動部９が挿入されると、図１に示すように、可動部９がダイ７の縦壁成形面８よりも出っ張ることなく保持される。
図１に示すように、可動部９が凹陥部１１に保持された状態における可動部９の外面は、冷却工程においてハット断面形状部材１７の縦壁部１７ｂに当接させる当接面９ａになっている。
可動部９は、ダイ７に対して相対移動可能に設けられており、その移動方向はハット断面形状部材１７の縦壁部１７ｂにおける法線ＬW方向である。
【００２５】
可動部９は、強磁性体材料または強磁性体を含む材料または強磁性体を内蔵する構造で構成されており、下死点において電磁石１３に通電されて磁力が発生すると鋼板３側に引き寄せられて当接面９ａが縦壁部１７ｂに当接することで、縦壁部１７ｂを急冷する。
【００２６】
≪電磁石≫
電磁石１３は、鉄芯１３ａとソレノイド１３ｂからなり、パンチ５に内蔵されている。電磁石１３は、通電時に発生する磁束が可動部９に届くように、その向きが設定されている。
【００２７】
≪制御部≫
制御部１５は、電磁石１３を制御可能になっており、電磁石１３のソレノイド１３ｂに通電させることで電磁石１３に磁力を発生させることができる。
【００２８】
＜熱間プレス成形方法＞
次に、以上のように構成された熱間プレス用金型１を用いた熱間プレス成形方法の一例を、熱間プレス用金型１の動作と共に説明する。
本発明の一実施の形態にかかる熱間プレス成形方法は、オーステナイト域まで加熱した鋼板３を金型に保持して下死点までプレス成形する成形工程と、下死点で鋼板３を保持したまま鋼板３に金型を当接させて冷却する冷却工程を有している。
以下、各工程について説明する。
【００２９】
≪成形工程≫
成形工程は、熱間で鋼板３をハット断面形状部材１７にプレス成形する工程である。
鋼板３は、所定の形状にブランキングしたものを用い、予め、加熱炉や通電加熱装置などの加熱手段によってオーステナイト域温度まで加熱しておく。
加熱後の鋼板３は、プレス成形装置に搬送されてパンチ５の上面に載置され、オーステナイト温度域でプレス成形が開始するようにプレス成形される。
プレス成形中（プレス成形開始時から下死点に到達するまでの間）、可動部９は凹陥部１１によって、ダイ７の縦壁成形面８よりも出っ張ることがなく保持されている。
【００３０】
≪冷却工程≫
冷却工程は、下死点で鋼板３を保持することで鋼板３を金型に当接させて冷却する工程である。
本工程では、電磁石１３に通電して可動部９を鋼板３側に引き寄せて当接面９ａを縦壁部１７ｂに当接させることで、縦壁部１７ｂを急冷して焼入れをする。
そして、この状態で成形品全体においてマルテンサイト変態が完了するまでの所定時間、下死点で鋼板３を保持する。このようにして、天板部１７ａやフランジ部１７ｃはもとより、縦壁部１７ｂのような従来方法では焼入れしにくい部分にも十分に焼入れをすることができる。
冷却後は離型して成形品を取り出す。
【００３１】
以上のように、本実施の形態においてはダイ７の縦壁成形面８に設けられた凹陥部１１と、凹陥部１１に縦壁成形面８の法線ＬW方向に移動可能に取り付けられた可動部９と、プレス成形開始から下死点までの間は可動部９を縦壁成形面８よりも出っ張らないようにし、下死点において可動部９を鋼板３側に移動させて鋼板３に当接させる電磁石１３を備えていることにより、下死点において可動部９の当接面９ａを縦壁部１７ｂに当接させて急冷することが可能となり、縦壁部１７ｂにおいて十分に焼入れをすることができる。
【００３２】
なお、上記では、可動部９が凹陥部１１で保持されると説明したが、金型の形状によっては、成形工程の途中で可動部９が動いてダイ７の縦壁成形面８よりも出っ張ってしまい、正常にプレス成形ができない虞れがある。
そこで、例えば図３に示す熱間プレス用金型２１のように、凹陥部１１における可動部９の奥に設けられて、可動部９を凹陥部１１の内部側に引っ張る弾性手段としてのバネ２３を設けてもよい。こうすることで、成形工程中に可動部９が動くことを防止できる。なお、図３において、図１と同様のものには同一の符号を付している。
バネ２３の強さは、冷却工程において、電磁石１３による磁力が打ち勝つように設定することで、可動部９を鋼板３側に引き寄せる上でも問題ない。
【００３３】
なお上記では、可動部移動手段として電磁石１３を例に挙げたが、可動部移動手段の構成はこれに限られない。例えば、以下に説明するようにアクチュエータを用いて可動部９を鋼板３に当接させるようにしてもよい。このようなものの一例として、熱間プレス用金型２５を図４に示す。なお、図４において、図１及び図３と同様のものには同一の符号を付している。
【００３４】
熱間プレス用金型２５は、図４に示す通り、ダイ７にアクチュエータ２７が内蔵されており、制御部１５によってアクチュエータ２７の稼働が制御可能になっている。アクチュエータ２７が稼働すると可動部９を鋼板３側に当接可能になっている。
アクチュエータ２７としては、油圧シリンダーや空圧シリンダー、サーボモーターなどの一般的な形式のものを用いることができる。
この場合、可動部９の磁性の有無は問わないため、可動部９に使用できる材質の幅が広い。また、パンチ５についても同様である。
さらに、このようなアクチュエータ２７を用いることにより、成形工程中に可動部９が動くことを防止できる。
【００３５】
なお、上記の説明では、凹陥部１１がダイ７に設けられた例を示したが、可動部９はパンチ５に設けられていてもよい。あるいは、金型形状が複雑な場合には、パンチ５とダイ７の両方に凹陥部１１を適当数設け、各凹陥部１１に可動部９を取り付けてもよい。
【００３６】
なお、上記ではダイ７がパンチ５に近づく方向に移動する例を挙げて説明したが、パンチ５がダイ７に近づくように移動させてもよい。
【実施例】
【００３７】
本発明の熱間プレス用金型１を用いた熱間プレス成形方法の効果を確認する実験を行ったので、その結果について以下に説明する。
本実施例においては、本発明例１として図１に示す熱間プレス用金型１を用い、本発明例２として図４に示す熱間プレス用金型２５を用いた。
鋼板は板厚1.6mmとした。プレス成形の対象は図２に示すハット断面形状部材１７とした。ハット断面形状部材１７の長さは400mm、天板部１７ａの幅は80mm、縦壁部１７ｂの高さは60mm、フランジ部１７ｃの幅は片側15mmとし、パンチ肩Ｒ、ダイ肩Ｒともに5mmとした。
【００３８】
鋼板は電気加熱炉で750℃まで加熱した後、プレス成形装置に搬送し、オーステナイト域で熱間プレス成形を開始して（プレス成形工程）、下死点において20秒間保持して冷却した（冷却工程）。冷却工程においては、本発明例１では、上記実施の形態で説明したように、下死点において電磁石１３を稼働させることによって可動部９で縦壁部１７ｂを急冷した。同様に、本発明例２では冷却工程でアクチュエータ２７を稼働させることによって可動部９で縦壁部１７ｂを急冷した。
冷却工程後は離型して成形品を取り出した。
また、比較例１として図１に示す熱間プレス用金型１を用いて下死点において電磁石１３を稼働させずにプレス成形を行い、比較例２として図４に示す熱間プレス用金型２５を用いて下死点においてアクチュエータ２７を稼働させずにプレス成形を行った。
【００３９】
焼入れが十分かどうかは、長手方向の中央でハット断面形状部材１７を切断し、断面のビッカース硬度（荷重50g）を複数箇所で測定して、該各測定値に基づいて判断した。
測定は図５に示す位置(a)〜位置(n)の１４箇所で行った。なお、図５はハット断面形状部材１７の断面の半分のみを図示している。
天板部１７ａにおいて、位置(a)は天板部１７ａの中央、位置(e)はパンチ肩Ｒが平坦になる位置、位置(b)〜位置(d)は、位置(a)と位置(e)の間を４等分する位置である。
位置(f)はパンチ肩Ｒの中央である。
縦壁部１７ｂにおいて、位置(g)はパンチ肩Ｒが平坦になる位置、位置(k)はダイ肩Ｒが平坦になる位置、位置(h)〜位置(j)は、位置(g)と位置(k)の間を４等分する位置である。
位置(l)はダイ肩Ｒ中央である。
フランジ部１７ｃにおいて、位置(m)はダイ肩Ｒが平坦になる位置、位置(n)は位置(m)とフランジ端の中央である。
【００４０】
本発明例１と比較例１についての測定結果を図６に、本発明例２と比較例２についての測定結果を図７にそれぞれ示す。図６及び図７において、縦軸がビッカース硬度を表し、横軸が測定位置を表している。
図６において、黒丸のプロットが本発明例１、白丸のプロットが比較例１をそれぞれ表しており、図７において、黒丸のプロットが本発明例２、白丸のプロットが比較例２をそれぞれ表している。
本実験では、ビッカース硬度440を合格基準値とした。
【００４１】
図６に示す通り、比較例１の場合、縦壁部１７ｂの位置(h)〜位置(j)でビッカース硬度が基準値を下回っており、縦壁部１７ｂの下死点保持中の冷却速度が遅く焼入れが不十分であった（徐冷された）ことを意味している。
一方、本発明例１の場合、図６に示す通り、位置(a)〜位置(n)の全てにおいて、ビッカース硬度が基準値の440を上回っており、縦壁部１７ｂの焼入れが十分であったことを意味している。
【００４２】
同様に、図７から分かる通り、比較例２の場合、縦壁部１７ｂの位置(h)〜位置(j)で焼入れが不十分であったが、本発明例２では全ての範囲でビッカース硬度が基準値の440を上回っており、縦壁部１７ｂの焼入れが十分であった。
【００４３】
以上のように、本発明を適用することで縦壁部１７ｂを急冷可能となり十分に焼入れをすることができ、好適であった。
【符号の説明】
【００４４】
１  熱間プレス用金型
３  鋼板
５  パンチ
７  ダイ
８  縦壁成形面
９  可動部
９ａ  当接面
１１  凹陥部
１３  電磁石
１３ａ  鉄芯
１３ｂ  ソレノイド
１５  制御部
１７  ハット断面形状部材
１７ａ  天板部
１７ｂ  縦壁部
１７ｃ  フランジ部
２１  熱間プレス用金型（他の態様）
２３  バネ
２５  熱間プレス用金型（さらに他の態様）
２７  アクチュエータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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