(57)【要約】【課題】鋼板を３００℃以上の熱間状態で深絞り成形するに際して、成形時に破断や割れなどを発生させずに良好な深絞りが実現できる成形方法を提供する。【解決手段】パンチおよびダイスを用いて薄鋼板を熱間で絞り成形するに当たり、成形に先立ちパンチおよびダイに前記鋼板を近接した状態で一旦保持してから、成形を開始する。また、必要によって、成形に先立ち、少なくとも金型のダイ側壁に相当する位置から、成形時に鋼板と最初に接触するパンチ肩止まりに相当する位置までの領域の鋼板表面を冷却してから成形を行なう。【選択図】  図１３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パンチおよびダイを用いて鋼板を熱間で絞り成形するに当たり、成形に先立ち、パンチおよびダイに前記鋼板を近接した状態で一旦保持してから、成形を開始することを特徴とする鋼板の熱間絞り成形方法。
【請求項２】
成形に先立ち、少なくとも金型のダイ側壁に相当する位置から、成形時に鋼板と最初に接触するパンチ肩止まりに相当する位置までの領域の鋼板表面を冷却する請求項１に記載の成形方法。
【請求項３】
成形に先立ち、少なくとも成形時に鋼板と最初に接触するダイ肩止まりよりも内側に相当する鋼板表面を冷却する請求項１または２に記載の成形方法。
【請求項４】
成形に先立ち、とも成形時に鋼板と最初に接触するダイ肩止まりよりも内側に相当する鋼板表面の全領域を冷却する請求項１〜３のいずれかに記載の成形方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に自動車車体に適用される鋼板成形品を製造する分野において、その素材なる鋼板を３００℃以上の熱間状態で絞り成形する方法に関するものであり、殊に成形時に破断や割れなどを発生させずに良好な深絞りが実現できる成形方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用部品では、衝突安全性や軽量化の両立を達成するために、部品素材の高強度化が進められている。またこうした部品は、鋼板をプレス成形して製造するのが一般的である。しかしながら、高強度化された鋼板に対して冷間加工を施す場合、特に９８０ＭＰａを超える素材の成形は困難なものとなる。
【０００３】
こうしたことから、素材鋼板を加熱した状態で成形加工する熱間成形技術の検討が進められている。こうした技術としては、例えば特許文献１には、金属素材を８５０〜１０５０℃に加熱した状態で、相対的に低温のプレス金型を用いて成形する技術が提案されている。この技術によれば、金属材料の成形性がより良好になり、残留応力による遅れ破壊の発生も防止されると言われている。特に、通常の冷間プレス方法では成形が困難とされていた引張強度が１４７０ＭＰａ級の高強度鋼板を素材にした場合に相当する強度を有し、寸法精度も良好な部品を得ることが可能となる。
【０００４】
図１は、上記のような熱間成形（以下、「ホットスタンプ」と呼ぶことがある）を実施するための金型構成を示す概略説明図であり、図中１はパンチ、２はダイ、３はブランクホルダー（しわ押え）、４は鋼板（素材）、ＢＨＦはしわ押え力、ｒｐはパンチ肩半径、ｒｄはダイ肩半径、ＣＬはパンチ／ダイ間クリアランスを夫々示している。また、これらの成形部品のうち、パンチ１とダイ２には冷却媒体（例えば水）を通過させることができる通路１ａ，２ａが夫々の内部に形成されており、この通路に冷却媒体を通過させることによってこれらの部材が冷却されるように構成されている。
【０００５】
こうした金型を用いてホットスタンプ（熱間深絞り加工）するに際しては、ブランク（鋼板４）をＡｒ３変態点以上に加熱して軟化させた状態で成形を開始する。即ち、高温状態にある鋼板４をダイ２とブランクホルダー３間に挟んだ状態で、パンチ１によってダイ２の穴内に鋼板４を押し込み、鋼板４の外径を縮めつつパンチ１の外形に対応した形状に成形する。また、成形と並行してパンチおよびダイを冷却することによって、鋼板４から金型（パンチおよびダイ）への抜熱を行なうと共に、成形下死点で更に保持冷却することによって素材の焼き入れを実施する。こうした成形法を実施することによって、寸法精度の良い１４７０ＭＰａ級の部品を得ることができ、しかも冷間で同じ強度クラスの部品を成形する場合に比較して、成形荷重が低減できることからプレス機の容量が小さくて済むことになる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−１０２９８０号公報  特許請求の範囲等
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記技術の開発によって、鋼板の成形が容易に行なえるようになったのであるが、その一方で素材が軟化し過ぎることによって、早期に破断が生じて成形性が却って悪くなる場合もある。特に、成形と同時に焼き入れ強化行なう場合では、８５０℃以上の熱間加工温度（化学成分組成によって異なる）に加熱する必要があるが、こうした高温では深絞り性が却って悪くなってしまうという問題がある。その結果、所定の形状を製造する以前に局部的（例えば、鋼板のパンチ肩部に相当する位置）で破断が生じてしまうこともある。
【０００８】
本発明は、こうした状況の下でなされたものであって、その目的は、鋼板を３００℃以上の熱間で深絞り成形するに際して、成形時に破断や割れなどを発生させずに良好な深絞りが実現できる成形方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成し得た本発明の成形方法とは、パンチおよびダイを用いて鋼板を熱間で絞り成形するに当たり、成形に先立ち、パンチおよびダイに前記鋼板を近接した状態で一旦保持してから、成形を開始する点に要旨を有するものである。
【００１０】
上記本発明方法においては、成形に先立ち、少なくとも金型のダイ側壁に相当する位置から、成形時に鋼板と最初に接触するパンチ肩止まりに相当する位置までの領域の鋼板表面を冷却することによって成形性がより向上することになる。
【００１１】
また、こうした冷却を行う際の冷却領域は、少なくとも成形時に鋼板と最初に接触するダイ肩止まりよりも内側に相当する鋼板表面を冷却することが好ましく、より好ましくは成形時に鋼板と最初に接触するダイ肩止まりよりも内側に相当する鋼板表面の全領域を冷却するのが良い。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、従来技術において上記のような不都合が生じる原因について、様々な角度から検討した。深絞り成形に際して、図２に示すように、鋼板４を金型（この図では、ブランクホルダー３）上に直置するのが一般的である。尚、図２に示した金型では、説明の便宜上、前記図１に示した冷却媒体通過用の通路１ａ，２ａについては図示していないが、この金型おいてもこれらの通路が設けられ、パンチおよびダイが冷却される構成となっている（後記図６〜８，１０，１１に示した金型についても同じ）。
【００１３】
しかしながら、このように直置きすると、その時点で金型と接触する鋼板部分が先に冷却されることになる。その結果、成形当初に金型に接触する部分と接触しない部分に温度差が生じることになり、温度が高い部分（必然的に材料強度が低い部分）に成形歪が集中してしまい、その部分が成形途中で早期に破断してしまうことになる。特に、成形の際には、パンチ１の上面に相当する部分の鋼板がそれ以外の部分よりも温度が高い状態になり易く、こうした状態の鋼板がダイの穴に引き込まれたときその荷重に耐え切れずに破断してしまうという事態が生じる。
【００１４】
本発明者らは、パンチの頭部形状が正方形（一辺が４５ｍｍ）の金型を用い、図２に示した通常の手順によって、熱間による角筒絞り成形を行なった。このときの成形品の目標形状は、図３に示すように、有底角筒状のものである。成形条件としては、直径：９０、１０５、１２０（ｍｍ）の円形の鋼板を素材として用い（板厚：１．４ｍｍ）、しわ押え力：９．８ＧＰａ、鋼板加熱温度：９００℃とし、潤滑剤として焼き付き防止用ペーストを用いて成形を行なった。
【００１５】
その結果、直径：９０ｍｍの円形金属板を用いた場合には、破断は生じなかったが、直径：１０５ｍｍおよび１２０ｍｍの円形鋼板を用いた場合には、パンチ肩部に相当する位置から破断してしまい、いずれも希望する形状の成形品（前記図３）は得られなかった。このときの破断状態を、図４に模式的示す（図中、５はパンチ肩に相当する部分）。また場合によっては、図５に示すように、成形品の底部に相当する部分６が割れるような事態も生じた。
【００１６】
本発明者らは、上記の様な不都合を回避するための構成について更に検討を重ねた。そしてまず、成形時における鋼板の温度分布を少なくするという観点から、図６に示した構成を着想するに至った。この構成では、ブランクホルダー３の一部に、薄鋼板を支持するためのピン７が設けられており、このピン７上に鋼板４を載置することによって、ダイ２およびブランクホルダー３に鋼板が直接接触せずに近接した状態にできる（図６中、他の部分の構成は基本的に前記図２と同じである）。そして、成形時においては、ピン７の上面はブランクホルダー３の上面と面一になるようにされ、鋼板４がブランクホルダー３上に載置された状態となるように構成されている（後記図７参照）。
【００１７】
こうした金型構成において、成形前に鋼板４をピン７で支持して、鋼板と金型（特に、ダイ２およびブランクホルダー３）との直接的な接触することにより、パンチ１の上面部分とそれ以外の大部分がほぼ同時に冷却されることになり、鋼板４における温度に起因して、パンチ面での材料強度がフランジ面の材料強度よりも相対的に低くなることが防止できる。その結果、特にパンチ面での破断が防止され、絞り成形性が改善され、前記図３、４に示した破断状態が極力回避できる。
【００１８】
図６に示した構成の金型を採用することによって、前記図４、５に示した状態が生じることが極力回避でき絞り性が改善されたのであるが、場合によっては更なる絞り性改善が必要である。ダイ２とブランクホルダー３に挟まれる領域以外の領域では、図７に示すように、パンチ１或はブランクホルダー３に片面だけが接触した領域（図中、ｄ１で示す）が生じることになる。そして、この領域ｄ１では、ブランクホルダー３とダイ２に挟まれた領域に対して相対的に依然として温度が高い状態にある。
【００１９】
上記領域ｄ１では、成形開始時点（パンチ１が鋼板４と接触した時点）で成形荷重を受けた際に、相対的に強度が低いため、歪が集中して鋼板の板厚が著しく減少し易くなる。その結果、成形が進行して鋼板４を流入させる荷重が高くなった時点で、先に板厚が減少してしまった領域がその荷重に耐えきれなくなり、成形途中で破断が生じる可能性がある。
【００２０】
そこで本発明者らは、深絞り性を更に向上させて、成形時における破断を極力発生させないための構成について更に検討した。その結果、成形時に破断することが予想される領域を成形に先立って冷却してやれば、成形加工時における局部的な板厚減少の緩和が図れ、より良好な深絞り成形が実現できることを見出した。こうした構成を、図面を用いて説明する。
【００２１】
図８は、本発明方法を実施するための金型の構成例を示す概略説明図であり、基本的な構成は前記図６、７に示した構成と類似し、対応する部分には同一の参照符号を付すことによって重複説明を回避する。また、この金型の平面図を図９に示すが、図９では説明の便宜上、図８に示した構成の一部を省略してある。
【００２２】
図８に示した構成では、ダイ２間の空間（ダイ２に形成された穴）に、嵌り込むように冷却装置１０が配置されており（図９には図示せず）、この冷却装置１０によって、ダイ２の側壁２ａ間の領域に相当する鋼板の上面部分（図８のｄ２の領域）が冷却できるように構成されている。また、図８中１１はリフターであり、このリフターは前記図６に示したピンと同様の機能を発揮するものであり、成形に先立って鋼板を冷却する際に、鋼板４をブランクホルダー３と接触しない状態で近接して保持するためのものである。このリフター１１は、成形開始時にその図８に示した位置から回避できる構成とされており、これによって成形時には鋼板４がブランクホルダー３上に載置された状態となる。
【００２３】
図８に示した金型構成では、冷却装置１０がダイ２の側壁２ａ間の領域ｄ２に相当する鋼板４の表面部分を冷却できる構成を示したけれども、本来はダイ肩止まり（前記図７のＰ１，Ｐ２で示す）間に相当する鋼板領域全体（図７の領域ｄ１）を冷却する構成とすることがより好ましく、その方が本発明の冷却作用が効果的に発揮されることになる。
【００２４】
しかしながら、ダイ肩止まりＰ１，Ｐ２間の全領域ｄ１を冷却するためには、ダイ２の側壁２ａからダイ肩止まりＰ１，Ｐ２まで冷却装置１０を入り込ませる必要があり、そのためには装置構成が複雑になるだけでなく、冷却装置１０による鋼板冷却の際にダイ２を上方に回避しておく操作上の煩雑さがある。こうしたことから、本発明で冷却する必要のある領域としては、図８に示したように少なくともダイ２の側壁２ａの内側領域ｄ２としても良い。こうした構成を採用することによっても、冷却装置１０のよる冷却によってダイ肩止まりＰ１，Ｐ２付近まで冷却されて、本発明の効果が発揮されることになる。
【００２５】
尚、ダイ肩部には、ダイ肩止まりに相当する部分が各々２箇所づつ存在するが、上記ダイ肩止まりＰ１，Ｐ２は図７から明らかなように鋼板に最初に接触する側（図７における下方側）のダイ肩止まり部分を意味する。
【００２６】
また、冷却領域の半径方向内側領域については、必ずしもパンチ頭部に相当する部分の全領域を冷却する必要はなく、少なくとも成形時に破断が生じ易い部分が冷却されるようにその領域を設定すればよい。こうした観点からすれば、少なくともパンチ頭部のパンチ肩止まり部分（図８中、Ｑ１，Ｑ２で示す）までの領域となる（この場合においても、Ｑ１，Ｑ２は鋼板に最初に接触するパンチ肩止まりの意味である）。即ち、本発明において、鋼板４の冷却すべき領域は、少なくともダイ２の側壁２ａから（好ましくはダイ肩止まりＰ１，Ｐ２から）パンチ肩止まりＱ１，Ｑ２までの領域（即ち、環状の領域）となる。
【００２７】
但し、冷却すべき領域の内側部分は、パンチ１の頭部形状によっても異なり、その形状に応じて少なくとも冷却すべき領域について適宜設定する必要がある。例えば、図１０に示すように、パンチ肩部が２段階以上で存在する場合には（図中、夫々の部分のパンチ肩半径をｒｐ，ｒｐ１で示す）、少なくとも冷却すべき最小領域は、パンチ頭部側（鋼板４に近い側）のパンチ肩部におけるパンチ肩止まりＱ３から、ダイ２の側壁２ａに相当する位置までの鋼板領域（図１０中、ｄ３で示す）となる。一方、パンチ肩部が２段階になっていない側では、上記に従ってパンチ肩止まりＱ２（図中、この部分のパンチ肩半径をｒｐ２で示す）からダイ２の側壁２ａに相当する位置までの鋼板領域（図１０中、ｄ４で示す）となる。
【００２８】
上記のように、本発明において少なくとも冷却すべき鋼板領域は、パンチ肩部が２段階以上で存在する場合においても、ダイ２の側側２ａに相当する位置から、成形時に最初に接触するパンチ肩部のパンチ肩止まりＱ２，Ｑ３までの領域（ｄ３，ｄ４）となる。但し、図１１に示すように、パンチ頭部の中央部に突起となる部分が存在するパンチ形状の場合には、当該突起部分のパンチ肩部（この肩部の半径をｒｐ３として示す）が成形時に鋼板に最初に接触するパンチ肩止まりに相当すことになるので、この場合には、冷却すべき最小限領域はダイの側壁２ａに相当する位置相互間の全領域ｄ２と一致することになる。
【００２９】
前述のごとく本発明では、冷却すべき鋼板領域は、少なくともダイ２の側壁２ａに相当する位置から、パンチ肩が鋼板に最初に接触する位置までの領域（図１０のｄ３、ｄ４）となるが、より好ましくは、ダイ２の側壁２ａに相当する位置相互間の全領域ｄ１を冷却すれば良い。こうした冷却を実施すれば、パンチ頭部と接触する鋼板の強度が高くなって、成形時に応力が負荷されてもこの部分の板厚が局部的に薄くなるような事態も防止できる。また、設備上の問題さえ解消できれば、ダイ肩止まりＰ１，Ｐ２までの領域ｄ１（前記図７）を冷却することが好ましく、これによって本発明による冷却効果がより顕著に発揮される。
【００３０】
しかしながら、ダイ肩止まりＰ１，Ｐ２よりも外側領域に相当する鋼板表面を冷却した場合、その部分の強度上昇が成形時において材料流入の妨げとなって深絞り性が却って低下することになる。従って、本発明において冷却する鋼板の最大の領域は、ダイ肩止まりＰ１，Ｐ２の内側領域までとすべきである。
【００３１】
本発明においては、成形に先立ち、鋼板表面を冷却する構成を採用する場合には、パンチ１およびダイ２に鋼板４を近接した状態で一旦保持する時期と冷却する時期との関係が問題となるが、これらはどちらを先にしても良く或は同時に行うこともできる。但し、冷却領域をダイ肩止まりＰ１，Ｐ２まで行なう場合には、これらを同時に行なうことができないので、この場合には生産性を考慮して、まずダイ２を回避した状況下で鋼板表面の所定領域を冷却し、引き続き冷却装置と入れ替えてダイ２を鋼板４に近接してその状態で一旦保持した後成形を開始することが好ましい。
【００３２】
本発明では、冷却する領域は、（Ａｒ３−２００℃）程度よりも低い温度まで冷却しなければ、本発明による冷却効果が発揮されない（例えば、７００℃未満）。その温度以下であれば特に問題なく、材料のＭｓ点以下にまで冷却してもよい。尚、本発明で適用する鋼板の種類については、特に限定するものではなく、焼き入れ性の良い材料ほど効果的である。
【００３３】
以下、本発明の効果を実施例によって更に具体的に示すが、下記実施例は本発明を限定するものではなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００３４】
【実施例】
パンチの頭部形状が正方形（一辺が４５ｍｍ）の金型（角筒ダイおよび角筒パンチ）を用い、本発明方法に従って、熱間による角筒絞り成形を行った。このとき直径（ブランク径）：１１０、１１５（ｍｍ）の２種類の円形鋼板を素材として用い（板厚：１．４ｍｍ）、冷却領域Ｄを様々変えて鋼板表面を冷却した後、リフター１１（前記図８）によって鋼板を保持した後（リフターによる高さ：３ｍｍ、保持冷却時間：４秒）成形を行ない、成形性を評価した。
【００３５】
成形は、しわ押え力：９．８ＧＰａとし、潤滑剤として焼付き防止用ペーストを用いた。また、ダイ肩半径ｒｄ：７ｍｍ、パンチ肩半径ｒｐ：５ｍｍ、パンチ−ダイ間クリアランスＣＬ：１．５ｍｍとし、素材鋼板は９００℃まで加熱した後、冷却領域Ｄにおける温度が６００℃となるまで冷却を行った。
【００３６】
このときのパンチ−ダイ間付近の概略を図１２に示す。尚、図中、「５Ｒ」および「７Ｒ」と表した部分は、パンチ肩半径ｒｐおよびダイ肩半径ｒｄを夫々５ｍｍ、７ｍｍに設定したことを意味する。従って、この試験で用いたパンチ中央部Ｃ（パンチ径／２の位置）からダイ肩止まりＰ１までの距離が３１．２ｍｍ［７（ｒｄ）＋１．７（ＣＬ）＋５（ｒｐ）＋２２．５（パンチ径／２）（ｍｍ）］であることを示している。従って、後記表１に示した冷却領域Ｄが６２ｍｍのときが、ダイ肩止まりＰ１，Ｐ２間（前記７参照）を冷却した場合（３１．２ｍｍ×２）に相当する。
【００３７】
各条件で成形したとき、破断なく成形できた成形高さ（成形可能高さ）によって成形性を評価した。その結果を、一括して下記表１に示す。また表１の結果から、冷却領域Ｄと成形可能高さの関係を図１３に示す。尚、パンチやダイを上記と同様の条件とし、前記図２に示した通常の手順によって、熱間による角筒絞り成形を行なった場合には、成形可能高さは１７ｍｍとなった。
【００３８】
【表１】
2005014002.tif 000003
【００３９】
この結果から、次のように考察できる。成形に先立って鋼板表面を冷却しなかったもの（Ｎｏ．１，６）では、従来技術と比べて成形性は改善されているとはいえ、低い成形可能高さしか達成されていない。また、パンチ径部分に相当する領域（冷却領域Ｄ：４５ｍｍ）だけを冷却したものでは（Ｎｏ．２，７）、成形性向上効果がまだ十分に発揮されていないことが分かる。
【００４０】
これに対して、ダイ肩止まりＰ１，Ｐ２までを冷却したＮｏ．３，７では、成形可能高さが最も高くなっており、高い成形性が達成されていることが分かる。また、ダイ肩止まりＰ１，Ｐ２よりも外側になる位置まで広く冷却したもの（Ｎｏ．４，５，９，１０）では、ダイ肩止まりＰ１，Ｐ２間を冷却したときよりも却って成形性が低下していることが分かる。
【００４１】
尚、上記結果からすれば、素材鋼板の直径が小さい方が良好な成形性が得られていることが分かるが（Ｎｏ．１〜５とＮｏ．６〜１０との比較）、▲１▼当該部分における周方向に作用する圧縮力や、▲２▼しわ押さえによる摩擦力等が小さくなり、それだけ成形時に高さ方向に作用する負荷が小さくなるからであると考えられる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、鋼板を５００℃以上の熱間状態で深絞り成形するに際して、成形時に破断や割れなどを発生させずに良好な深絞りが実現できる成形方法が実現できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱間成形を実施するための金型構成を示す概略説明図である。
【図２】従来の成形開始状況を説明するための図である。
【図３】成形品の外観形状の一例を示した斜視図である。
【図４】成形時にパンチ肩部から破断した状況を示す概略斜視図である。
【図５】成形時にパンチ底割れが生じた状況を示す概略斜視図である。
【図６】本発明方法の一実施形態を示す概略説明図である。
【図７】本発明方法によって成形を開始する状態を説明する図である。
【図８】本発明方法の他の実施形態を示す概略説明図である。
【図９】本発明方法を実施するために構成される金型の平面図である。
【図１０】パンチ頭部形状の一例を示す概略説明図である。
【図１１】パンチ頭部の他の例を示す概略説明図である。
【図１２】実施例で用いたパンチ−ダイ間付近の概略を示す説明図である。
【図１３】実施例における冷却領域Ｄと成形可能高さの関係を示したグラフである。
【符号の説明】
１  パンチ
２  ダイ
３  ブランクホルダー
４  鋼板（ブランク）
【図１】
2005014002.tif 000004
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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