(57)【要約】【課題】  鋼板の熱間プレス成形方法であって、打ち抜き加工を必要とする部材を熱間プレス中に加工する成形方法を提供する。【解決手段】  鋼板の成形方法であって、Ａｒ3 以上で鋼板のプレス成形を行うと同時に、打ち抜き加工を行うことを特徴とする金属鋼板の熱間プレス成形方法。先端に穴を有するパンチ２と、前記穴を移動自在な可動金型１と、前記パンチ２と相対し前記可動金型１が移動自在な空洞部を有するダイス４を有し、前記パンチ２、前記可動金型１及び前記ダイス４により鋼板８を打抜き自在であることを特徴とする鋼板の熱間プレス成形装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板の成形方法であって、７００℃以上で鋼板のプレス成形を行うと同時に、打ち抜き加工を行うことを特徴とする鋼板の熱間プレス成形方法。
【請求項２】
一旦プレス成形を行った後、再度鋼板を７００℃以上に加熱し、打ち抜き加工を行うことを特徴とする請求項１記載の鋼板の熱間プレス成形方法。
【請求項３】
先端に穴を有するパンチと、前記穴を移動自在な可動金型と、前記パンチと相対し前記可動金型が移動自在な空洞部を有するダイスを有し、前記パンチ、前記可動金型及び前記ダイスにより鋼板を打抜き自在であることを特徴とする鋼板の熱間プレス成形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼板を熱間プレス成形する方法及び装置に関し、特に、被加工材である鋼板を高温に加熱し、高温の熱間でプレス成形を行う際に、鋼板のプレス成形と打ち抜き加工を同時に行い、高強度でかつ形状の良好な成形品を得る熱間プレス成形方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車のドアガードバーやサイドメンバー等の部材は、近年の燃費軽量化の動向に対応すべく軽量化が検討されており、材料面では、薄肉化しても強度および衝突安全性が確保されるという観点から鋼板の高強度化が進められている。しかしながら、材料の成形性は強度が上昇するのに伴って劣化するので、上記部材の軽量化を実現するには、成形性と高強度の両方を満足する鋼板を製造する必要があることから、高強度であり、かつ、成形性に優れた鋼板の開発が数多く行われてきた。しかしながら、これら鋼板は伸びや穴拡げ性といった加工性には優れているものの、鋼板強度が高いことから、形状凍結性が悪いという問題を有している。
【０００３】
これら問題を解決する手法として、鋼板を高温まで加熱した後、高温において成形を行い金型内もしくは金型外にて焼入れを行うことで高強度成形品の製造を行う熱間プレス成形方法がある。この手法は、強度の低下する高温で成形、その後、焼き入れることで高強度化を図っているため、引っ張り強度が１４８０ＭＰａ超の形状凍結性に優れた部材を容易に製造可能である。
【０００４】
しかしながら、焼入れを用いた強化を行うため、８００℃を超えるような高温で加熱せねばならず、炉の中の雰囲気を制御したとしても、炉中での酸化あるいは、炉から取り出し、プレス機に設置し、成形を行うまでに、鋼板表面が酸化し、熱間プレス後の耐食性や熱間プレス後の塗装性を劣化させるという問題を有していた。そこで、特開２０００−３８６４０号公報（特許文献１）や特開２００１−２６４５９１号公報（特許文献２）に記載されるように高温酸化を如何にして抑え、熱間プレス後の耐食性や熱間プレス後の塗装性を向上させるかということに関する研究が数多くなされてきた。あるいは、通常は昇温炉を用いて、被加工材を加熱するため、加熱装置や搬送設備が大型化する傾向にあるため、特開２００２−１８５３１号公報（特許文献３）に示すように、迅速な加熱方法と設備の小型化に関する研究が数多く行われてきた。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−３８６４０号公報
【特許文献２】特開２００１−２６４５９１号公報
【特許文献３】特開２００２−１８５３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、これら手法において被加工材は、融点の１／２にも達するような高温でプレス成形を行われるため、歪硬化指数（ｎ値）が低く、高温で穴拡げ加工、あるいは、プレス成形を行った場合、成形途中で被加工材の一部が薄くなり、場合によっては破断してしまうため、高温での成形品の複雑加工は困難であるという問題を有していた。その結果、熱間プレスで成形可能な部材としては、単純なプレス成形品しか存在しなかった。
【０００７】
あるいは、熱間プレスにて成形後、焼入れを行った後、再度、打ち抜きを行う場合、鋼板強度は１４８０ＭＰａ超の高強度となっている場合があり、その加工には多大なる困難を伴う。また、鋼板強度の増大とともに、加工性は著しく低下しているため、もはや、穴拡げ等の加工を行うことは不可能である。さらには、熱間プレス後の加工は、新たな加工工程を設けることになり、新たな設備投資と製造コスト増を招く。本発明は上記課題を解決し、高温加工性に優れた熱間プレス成形方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者等は、種々検討を行った結果、鋼板を熱間プレスする際に、その一部に穴を有する金型あるいはパンチにて、鋼板の成形を行った後、打ち抜き加工を行うことで、成形品の破断なく複雑な成形品の加工ができることを見出した。
本発明は、上記知見に基づいて完成されたもので、その要旨とするところは以下の通りである。
（１）鋼板の成形方法であって、７００℃以上で鋼板のプレス成形を行うと同時に、打ち抜き加工を行うことを特徴とする鋼板の熱間プレス成形方法。
【０００９】
（２）一旦プレス成形を行った後、再度鋼板を７００℃以上に加熱し、打ち抜き加工を行うことを特徴とする前記（１）記載の鋼板の熱間プレス成形方法。
（３）先端に穴を有するパンチと、前記穴を移動自在な可動金型と、前記パンチと相対し前記可動金型が移動自在な空洞部を有するダイスを有し、前記パンチ、前記可動金型及び前記ダイスにより鋼板を打抜き自在であることを特徴とする鋼板の熱間プレス成形装置にある。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば複雑な形状を有する部材の熱間プレスによる成形が可能であり工業的に大きな価値がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は、熱間プレス成形中に、鋼板のプレス加工及び打ち抜き加工を行う鋼板の熱間プレス成形方法及び装置である。通常、熱間プレスで成形を行う場合、強度が低いことから、延性は高いものの、高温で成形を行うため、鋼板の歪硬化指数（ｎ値）が低く、変形が集中した部位へ更に変形が集中してしまい、高い加工性を得ることは困難である。例えば、鋼板の打ち抜きとその後の穴拡げ加工を行う場合、変形は打ち抜き穴周りに集中し、板厚が薄くなり容易に破断してしまう。
【００１２】
そこで本発明者等は、高温での加工性、特に、プレス成形後の打ち抜き加工に着目して研究を行った結果、その一部に穴を有する金型又はパンチを用いプレス成形を行うことで、頭頂部での温度低下を抑制し、頭頂部からの材料流入を促進させることで、金型との接触部での板厚減少を抑制できることを見出した。その後、打ち抜き加工を行うことで、板厚減少部を除去し、所定の部品形状を得ることができる。本発明によれば、プレス成形と打ち抜き加工を同一の行程で行うことができ、大幅な行程の省略を導くことから、製造コストの低下が可能である。さらには、新たに打ち抜きや穴拡げのための設備を設ける必要がなく、経済的にも非常に好ましい。
【００１３】
以下に本発明の実施様態を図１と共に詳細に説明する。
図１は、本発明に係る成形装置の概略図であり、図１（ａ）はプレス成形前、図１（ｂ）はプレス成形中、図１（ｃ）はプレス成形及び打ち抜き加工後の様子をそれぞれ示す図である。また、図１（ｄ）はプレス成形及び打ち抜き加工後の製品の概観を示す図である。まず、図１の（ａ）に示すように、炉から取り出した高温に加熱された鋼板８をプレス成形装置に設置する。
【００１４】
鋼板は、オーステナイト（γ）単相域で成形する必要があることから、加熱温度は７００℃以上とする必要がある。しかしながら、加熱温度が高温となりすぎると、炉内での鋼板の酸化に伴う耐食性および塗装性の悪化や、鋼板強度の低下に伴う炉からプレス機までの搬送性の低下が懸念される。さらには、過度の高温加熱は経済性の観点からも好ましくない。このことから、鋼板の加熱温度は１１００℃未満のγ単相域（Ａｒ3 以上）とすることが望ましい。
【００１５】
鋼板８を板抑え３に設置後、鋼板８はプレス成形される。この際、鋼板８はプレス成形と打ち抜き加工を金型から取り出すことなく行うため、先端に穴を有するパンチ２と、前記穴を移動自在な可動金型１と、パンチ２と相対し可動金型１が移動自在な空洞部を有するダイス４を有し、パンチ２、可動金型１及びダイス４により鋼板８を打抜き自在である。先端に穴を有するパンチを用いる理由は、パンチ先端での鋼板との接触を避け、この部位での鋼板の温度低下を避け、成形部への材料流入を促すためである。この結果、板厚の減少や、それに伴う破断を生じることなく、形状の優れた部材を成形可能である。
【００１６】
可動金型１は、油圧機構を用いて機械的に稼動する。しかしながら、可動機構を油圧のみに限定するものでなく、ＡＣサーボもしくはクランク等の機構により稼動させたとしても、本発明の効果は発揮される。また、一旦熱間プレス成形を行った後、再度上記と同じ温度に鋼板を加熱し、打ち抜き加工を施したとしても本発明の効果は発揮される。
【００１７】
更には、図１（ｃ）に示すように、パンチ２、可動金型１及びダイス４を用いて鋼板８の打ち抜き加工を行うことにより、優れた形状の部材を成形可能である。鋼板８はパンチ２及びダイス４に接触していないことから、打ち抜き部位の温度は高いため鋼板強度は低く、成形の際に打ち抜き穴周りに亀裂等の欠陥は発生しない。さらには、鋼板強度が低く、打ち抜き時のパンチ２及びダイス４の摩耗を避けることができるので、経済的にも好ましい。加えて、穴を打ち抜く部位の温度は、その周りのパンチ２及びダイス４が接触している部位よりも温度が高く、パンチによる打ち抜きの際に遅れて焼き入れされることとなる。この結果、打ち抜き穴の周りに圧縮の残留応力が残り、疲労耐久性も向上する。
【００１８】
一方、鋼板８はパンチ２およびダイス４を用いて焼入れされる。このことから、パンチ２及びダイス４の温度は、空気や窒素ガスなどの気体、あるいは、水や油等の液体を用いて冷却することで、３００℃未満、更には、２００℃未満に保つことが望ましい。しかしながら、パンチ２及びダイス４の温度がこの範囲を超えていたとしても、プレス成形後に、成形品を気体や液体を用いて、成形品の冷却及び焼入れが行われるのであれば、何ら問題は生じない。
次に、実施例を用いて、本発明の効果を具体的に説明する。
【実施例】
【００１９】
本発明例では、表１に示す成分を有する鋼を、図１に示すプレス装置を用いて、プレス成形とそれに引き続く打ち抜き加工を行った。比較例として、先端に穴を有さないパンチを用いて張り出し試験を行い、その後、室温で打ち抜き加工を行った。更には、Ａｒ3 以上で打ち抜き加工を行った後、焼き入れ、室温、および、Ａｒ3 以上で穴拡げ試験を行いその成形性を調査した。ただし、成形中鋼板は金型に覆われており、正確な温度測定は困難である。そこで、鋼板を１０００℃まで加熱し、速やかに、成形を行うことでＡｒ3 以上での加工を確保した。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
試験は、５水準の試験を、次の手順にて行った。
（１）鋼板を昇温速度１０℃／秒にて、１０００℃まで加熱した後、この温度にて１００秒保持を行った。その後、加熱された鋼板を図１に示すプレス装置に搬送後、鋼板を板抑えに載置し、先端に穴を有するパンチ２を用いて、成形試験を行った。成形試験条件としては、直径２０．３ｍｍの穴を有するパンチ２を用いて、歪速度１０ｍｍ／秒、成形高さ５０ｍｍで行った。高温での打ち抜きは、直径２０ｍｍの可動金型１、を用いて行った。被加工材には、１．２ｍｍ×１００ｍｍ×１００ｍｍの表１に示す成分の炭素鋼を用いた。この可動金型１が下止点まで来た後、パンチ２により、鋼板の打ち抜き加工を行った。この間、鋼板は、パンチ２、可動金型１及びダイス４と常に接触している。
【００２２】
（２）鋼板を昇温速度１０℃／秒にて、１０００℃まで加熱した後、この温度にて１００秒保持を行った。その後、加熱された鋼板に加工を施さずに水焼入れした。その後、室温において、直径１０ｍｍのパンチ、ダイ径１０．３ｍｍのダイを用いて、打ち抜き加工を行った。穴を穿った材料に対し、室温において、穴拡げ加工を施した。
（３）鋼板を昇温速度１０℃／秒にて、１０００℃まで加熱した後、この温度にて１００秒保持を行った。その後、パンチ２の先端に穴を有さない図１と類似の装置に搬送後、鋼板を板抑えに載置し、熱間プレスを行った後、成形品を取り出し、室温にて、打ち抜き加工を行った。
【００２３】
（４）鋼板を、直径１０ｍｍのパンチ、ダイ径１０．３ｍｍのダイを用いて、室温にて打ち抜き加工を行った。その後、鋼板を昇温速度１０℃／秒にて、１０００℃まで加熱した後、この温度にて１００秒保持を行った。その後、加熱された鋼板を穴拡げ試験機に搬送後、板を板抑えに載置し、室温にて、６０°円錐パンチを用いて、穴拡げ試験を行った。ただし、成形後に得られる穴径を（１）の条件と等しくするため、穴直径が２０ｍｍに達した際にパンチを止め試験を終了した。
【００２４】
（５）まず、鋼板を、直径１０ｍｍのパンチ、ダイ径１０．３ｍｍのダイを用いて、室温にて打ち抜き加工を行った。その後、室温にて６０°円錐パンチを用いて、穴拡げ試験を行った。ただし、成形後に得られる穴径を（１）の条件と等しくするため、穴直径が２０ｍｍに達した際にパンチを止め試験を終了した。できた成形品を、１０℃／秒にて、１０００℃まで加熱した後、この温度にて１００秒保持を行った。その後、鋼板を直接水中に入れ、焼入れを行った。
【００２５】
以上５つの手法にて成形した成形品の強度、側壁部での板厚変化及び成形後の穴周りの亀裂の有無を調査した。成形品の強度に関しては、成形部材の各部位での強度を評価するため、成形品を切断した後、図２に示す各部位の強度をビッカース試験を用いて調査した。その硬度が、５００Ｈｖを上回る部材を十分な焼入れ性を有する成形手法と定義した。板厚変化については、正規品に対して、板厚変化が０．５ｍｍ以内のものを良とした。穴周りの亀裂については、目視にてその有無を観察した。以上の結果を表２に示す。
【００２６】
【表２】
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【００２７】
本発明である加工条件（１）は、成形品の硬度は５００Ｈｖ超であり、成形性も良好で、穴周りへの亀裂も存在しなかった。
加工条件（２）は、成形品の硬度は５００Ｈｖ超であり、板厚減少はないものの、水焼入れの際に板が若干反ってしまった。更には、鋼板の強度が非常に高いため、室温にて、穴拡げ加工を行った場合、成形中に穴周りに亀裂が生じてしまい、穴直径を２０ｍｍとすることはできなかった。
【００２８】
加工条件（３）は、成形品の硬度は５００Ｈｖ超であり、十分な焼きが入っていた。しかしながら、板厚変化は０．５ｍｍ以上であり、成形性に劣っていた。また、プレス成形と打ち抜き加工を２工程に分けること、及び、複雑な形状にプレスした後の部材に、打ち抜き加工を行うことから生産性に劣る。
【００２９】
加工条件（４）に関しては、最初にポンチの先端と板が接するため、この部分での冷却が早く、板が硬化してしまう。それに対し、側壁部は、なかなかダイに接することなく変形を受けるため、板厚減少が激しい。さらには、一部の鋼板においては、成形中に破断にいたるものも存在した。加えて、室温にて打ち抜き加工を行った成形品は、加熱炉より取り出した後、金型の正規の位置へセットするのに、約１０〜３０秒の時間を要し、生産性に劣っていた。また、これに起因して、熱間加工前の板温度が低下してしまい十分な焼きが入らず、硬度が５００Ｈｖを下回るものもあった。
【００３０】
加工条件（５）の成形品については、室温にての打ち抜き加工は可能であるものの、その後の穴拡げ加工時に、穴周りに多数の亀裂が生じてしまい、穴径を２０ｍｍとすることができなかった。また、この穴周りに亀裂を有する試験片を、加熱炉で加熱し、取り出し、水中に焼入れを行った場合、熱応力の影響で、試験片形状が若干変化し、かつ、室温での加工時に導入された亀裂が大きくなっていた。
【００３１】
以上述べたように、本発明の熱間プレス方法を用いれば、高強度、かつ、成形性に優れた部材の製造が可能となる。さらには、材料としてＡｌめっき鋼板等のめっき鋼板を用いることで、成形後のスケール除去行程が省略できるため、これら鋼板を熱間プレス用鋼板として用いることが更に望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る成形装置の概略図である。
【図２】成形品の断面図と硬度測定位置を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  パンチ
２  パンチ
３  板抑え
４  ダイス
５  カウンターパンチ
６  クッションピン
８  鋼板
特許出願人    新日本製鉄株式会社
代理人  弁理士    椎  名    彊  他１
【図１】
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【図２】
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