(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板を金型で所定の形状にプレス成形するプレス成形装置であって、金属板を金型に装着した状態で、割れの発生しやすい成形部位を局部的に加熱して軟化させる加熱手段と、軟化した加熱部位へ所定の圧力の気体を吹き付けるブロー手段を具備し、該ブロー手段によって前記割れの発生しやすい成形部位を予成形するように構成してなり、前記金型は少なくともパンチを有するものであり、前記ブロー手段は、前記パンチ内に形成された所定の圧力の気体が通る流路とされ、該流路の周囲に配置した気体加熱用ヒーターを前記パンチ内に具備することを特徴とする金属板のプレス成形装置。
【請求項２】
前記ブロー手段は、前記気体加熱用のヒーターに加え、前記流路の周囲に配置した気体冷却用パイプを前記パンチ内に具備することを特徴とする請求項１に記載の金属板のプレス成形装置。
【請求項３】
予成形する領域を制限しかつ予成形形状を制御する成形補助機構として、前記加熱手段で加熱された加熱部位の近傍を押さえるロッドと、該ロッドに連結したシリンダーを具備することを特徴とする請求項１または２に記載の金属板のプレス成形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、局部加熱による金属板のプレス成形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境を考慮したもの造りがグローバルに進められている。自動車産業においては、燃費を改善するため、高強度化し薄肉化した自動車用鋼板を用い、プレス成形した成形品で車体を構成し、車体の軽量化を図ることが行われている。
しかし、高強度化しあるいは薄肉化した金属板を素材に用いると、パンチ肩部や曲率の小さい成形部位に割れが生じるか、たとえプレス成形することができても、金型から取り出した成形品にスプリングバックなどが生じ、寸法精度が悪化することが知られている。
【０００３】
このような課題を解決可能な金属板のプレス成形方法として、金型内で金属板の素材を軟化させてから、金型でプレス成形する温・熱間プレス成形法が提案されている（非特許文献１、特許文献１）。
その他、変形部位全域を加熱して軟化させ、板金を所定形状に折曲げあるいは変形させる板金加工法も開示されている（特許文献２）。
【非特許文献１】プレス技術、第４３巻第９号（2005年８月号）ｐ23〜26
【特許文献１】特許第3882474号
【特許文献２】特許第2915646号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１や非特許文献１に記載のプレス成形法は、金属板の板材に電流を流して板材を直接通電加熱する必要があるため、割れの発生しやすい成形部位を局部的に加熱することが難しく、割れの発生によって、自動車のフェンダーなどの量産成形品を効率よく得ることができないという問題があった。特に特許文献1に記載のプレス成形方法では、板材の大きさが300mm×80mmという小片の場合においても、通電加熱の保持時間が30秒必要であり、生産性に劣り、量産成形品への適用が難しいという問題があった。
【０００５】
また、特許文献２に記載の板金加工法は、金型で金属板の素材を所定の形状に成形するプレス成形方法でなく、寸法精度に難があり、量産成形品への適用が難しいという問題があった。
また、特許文献２に記載の板金加工法は、レーザー光を任意の形状に高速でスキャンニングさせることで、変形部位全域をほぼ同時に加熱して軟化させる第１工程と、それに続く、変形部位を所望の形状に変形させる第２工程を有するが、割れの発生しやすい成形部位を局部的に加熱するようにしていないので、割れの発生を防止するのが困難であるという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記従来技術の問題点を解消し、成形品に割れが発生するのを防止でき、寸法精度も良好で、かつ量産成形品への適用が可能である金属板のプレス成形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】
【０００７】
本発明者は、金属板のプレス成形方法およびプレス成形装置について鋭意検討した結果、金属板を金型でプレス成形する本成形を行う前に、金属板を金型に装着した状態で、割れの発生しやすい成形部位を局部的に加熱して軟化させる加熱工程と、軟化した加熱部位へ所定の圧力の気体を吹き付けるブロー工程を経て、この気体の吹き付け（ブロー）によって、割れの発生しやすい成形部位を予成形し、割れの発生しやすい成形部位に材料あまり（成形余裕量という）を付与しておくことで、上記課題を解決できることを見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。
【０００８】
すなわち本発明は、以下のとおりである。
１．金属板を金型で所定の形状にプレス成形するプレス成形装置であって、金属板を金型に装着した状態で、割れの発生しやすい成形部位を局部的に加熱して軟化させる加熱手段と、軟化した加熱部位へ所定の圧力の気体を吹き付けるブロー手段を具備し、該ブロー手段によって前記割れの発生しやすい成形部位を予成形するように構成してなり、前記金型は少なくともパンチを有するものであり、前記ブロー手段は、前記パンチ内に形成された所定の圧力の気体が通る流路とされ、該流路の周囲に配置した気体加熱用ヒーターを前記パンチ内に具備することを特徴とする金属板のプレス成形装置。
【０００９】
２．前記ブロー手段は、前記気体加熱用のヒーターに加え、前記流路の周囲に配置した気体冷却用パイプを前記パンチ内に具備することを特徴とする上記１.に記載の金属板のプレス成形装置。
３．予成形する領域を制限しかつ予成形形状を制御する成形補助機構として、前記加熱手段で加熱された加熱部位の近傍を押さえるロッドと、該ロッドに連結したシリンダーを具備することを特徴とする上記１．または２．に記載の金属板のプレス成形装置。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、金属板を金型でプレス成形する本成形を行う前に、割れの発生しやすい成形部位を局部的に加熱して軟化させる局部加熱と、それに続く軟化した加熱部位へ所定の圧力の気体を吹き付けるブローによって、割れの発生しやすい成形部位を予成形することができる。
この結果、割れの発生しやすい成形部位に適正量の材料あまり（成形余裕量という）が付与されるから、プレス成形して得られる成形品に割れやしわが発生するのを防止でき、生産性を低下させずに寸法精度の厳しい自動車のフェンダーなどの量産成形品への適用も可能となる。
【００１１】
ここで、前記した加熱工程では、局部的に加熱して軟化させるため、常温から所定の温度に到達するまでの昇温時間を短くできる。またブロー工程では、材料強度が常温の材料に比べ顕著に低下している軟化した加熱部位へ所定の圧力の気体を吹き付けるため、容易に予変形することができる。すなわち、成形速度の低下は極く微小であり、前記の従来技術に比べて生産性が高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１を用い、本発明のプレス成形装置について説明する。以下ではパンチ、ダイ、板押さえを有する金型を例にして説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、パンチとダイ、パンチとパッド等の組合せからなる金型構成においても適用可能である。
図１（ａ）〜（ｄ）は、プレス成形装置による成形工程を順に示した。
【００１３】
本発明のプレス成形装置による成形工程は、図１に示したように、金属板Ｓを金型に装着した状態で、割れの発生しやすい成形部位を局部的に加熱して軟化させる加熱工程と、軟化した加熱部位へ所定の圧力の気体を吹き付けるブロー工程を経て、このブローによって割れの発生しやすい成形部位を予成形することを特徴とする。割れの発生しやすい成形部位とは、パンチ肩部や、小さい曲率の部位等である。
【００１４】
図１(ａ)には、金型のダイ２と板押さえ３間で金属板Ｓを挟んだ状態を示した。この段階では金属板Ｓの板押さえ以外の部分に塑性ひずみが付与されていない。図１（ｂ）には、加熱手段４で割れの発生しやすい成形部位を局部的に加熱して軟化させている状態を示し、それに続く図1（ｃ）には、気体のブロー状態を示した。ブロー工程では、ブロー手段である流路５から所定の圧力の気体が軟化した加熱部位へ吹き出される。
【００１５】
本発明のプレス成形装置による成形工程は、加熱工程とブロー工程を経て、割れの発生しやすい成形部位に適正量の材料あまり（成形余裕量という）を付与しておくことができるから、金属板Ｓを金型で所定の形状にプレス成形する本成形を行う際、成形品に割れやしわが発生するのを防止できる。なお、本成形とは、ダイ２を下降させ、パンチ１を相対的にダイ２内に挿入することで、金属板Ｓとパンチ１とが接触し、金属板Ｓを所定の形状に成形する工程をいう（図１（ｄ））。
【００１６】
次いで、本発明の金属板のプレス成形装置について述べる。
図１中、４はダイ２内に配置されたプラズマ加熱またはレーザー加熱による加熱手段、4aはプラズマまたはレーザー光を示す。また５は、ブロー手段であり、加熱して軟化した加熱部位へ気体5aを吹き付け可能にパンチ１内に形成されている流路である。ブロー手段である流路５は、気体を加圧する加圧ポンプ（図示せず）に接続されてなる。加熱手段４と、軟化した加熱部位へ気体5aを吹き付けるブロー手段５とは、金属板Ｓを挟んで対向配置されている。
【００１７】
このように、本発明の金属板のプレス成形装置は、金属板Ｓを金型に装着した状態で、割れの発生しやすい成形部位を局部的に加熱して軟化させる加熱手段４と、軟化した加熱部位へ所定の圧力の気体を吹き付けるブロー手段５を具備し、割れの発生しやすい成形部位を予成形可能に構成してなる。
本発明の好適な金属板のプレス成形装置は以下のとおりである。
【００１８】
加熱手段４としては、プラズマ加熱またはレーザー加熱によるものが、常温から所定の温度に到達するまでの昇温時間を短くでき好適であるが、短時間で昇温可能な方法であればその他の手段を用いてもよい。
ブロー手段は、流路５の周囲に配置した気体加熱用ヒーター６をパンチ１内に具備する。吹き付ける気体の温度が高いほうが、軟化した加熱部位の温度低下を抑制できるため、気体加熱用ヒーター６で気体を加熱することが好ましい。さらに、気体加熱により予成形後本成形を行う際に、張り出し成形部位の割れを防止することができるので好適である（図１参照）。この理由は、成形品における張り出し成形部位の割れは材料の伸びが支配的であるから、本成形を行う際、割れが生じやすい成形部位の温度を高い温度に保持した方が有利となるからである。
【００１９】
一方、予成形後本成形を行う際、深絞り成形部位の割れを防止するためには、図１に示した気体加熱用ヒーター６に加え、ブロー手段は、流路５の周囲に配置した気体冷却用パイプをパンチ１内に具備することが好適である。ブロー手段による所定の予成形が終了した後に、気体冷却用パイプにより冷却され、かつ圧力を下げた気体を該ブロー手段によって、深絞り成形時に割れが生じやすい部位に吹き付け、当該部位の温度を下げるようにする。これによって、金型による本成形時の深絞り成形部位の割れ発生防止効果がさらに向上する。
【００２０】
この理由は、成形品における深絞り成形部位の割れは材料の耐力が支配的であるから、本成形を行う際、割れが生じやすい成形部位の温度を、低くした方が有利となるからである。
また、成形補助機構として、図２に示したように、加熱手段４で加熱された加熱部位の近傍を押さえるロッド７と、該ロッド７に連結したシリンダー（図示せず）を具備することが好ましい。
【００２１】
この理由は、金属板Ｓを金型に装着した状態で、ロッド７に連結したシリンダーを作動させ、図２（ａ）〜図２（ｃ）のように、金属板Ｓの表面に接触させたロッド７で、予成形する領域を制限しかつ予成形形状を制御することが容易となるからである。
そして、引き続きロッド７に連結したシリンダーを金属板Ｓの表面から離隔するように作動させ、図２（ｄ）のように、ダイ２の下降に伴いロッド７を上昇させて、ロッド７と金属板Ｓとを非接触状態とすることができる。
【００２２】
以上の説明では、加熱手段４と、軟化した加熱部位へ気体5aを吹き付けるブロー手段５が１組の場合を例示したが、金属板Ｓを挟んで複数配置するようにしてもよい。 
このような金属板のプレス成形装置によれば、自動車のフェンダーに代表される量産成形品を成形品の割れやしわを防止して高精度にプレス成形することができる。
以上説明したように、本発明のプレス成形装置は、金属板Ｓを金型に装着した状態で、本成形を行う前に、割れの発生しやすい成形部位を予成形し、割れの発生しやすい成形部位に材料あまり（成形余裕量という）を付与しておく。
【００２３】
この成形余裕量は、局部的に加熱して軟化させる温度と、所定の温度に加熱されて軟化した加熱部位へ吹き付ける気体の圧力の２つを制御パラメータとする。このため、金属板Ｓの材料特性によって、成形余裕量を制御可能となり（図３参照）、成形品に割れ及びしわが発生する危険性を顕著に下げることができるから効果的である。
たとえば金属板Ｓの材料特性によって、加熱手段４で局部的に加熱して軟化させる温度をあまり高くできない場合には、図３に示したように、ブロー手段５から吹き付ける気体の圧力を高める。ここで、気体の圧力が低すぎる場合には、成形余裕量が小さく、割れが発生しやすいが、逆に圧力を過度に高めると成形余裕量が大きくなり過ぎて、しわが発生しやすくなる。一方、ブロー手段５から吹き付ける気体の圧力をあまり高くできない場合には、加熱手段４で局部的に加熱して軟化させる温度を高くすればよい。したがって、金型やプレス装置の設計の自由度が増す。
【００２４】
その場合において、成形品の素材として鋼板のように酸化しやすい材料に対しては、生産性および成形品の表面性状なども考慮し、熱延・冷延鋼板では局部的に加熱して軟化させる温度を700℃まで、亜鉛めっき鋼板では500℃までとするのが好ましい。吹き付ける気体は、その温度と圧力を調整した空気、窒素またはアルゴン、ヘリウム等の不活性気体などを用いることができるが、金属板の酸化防止の観点から窒素を用いることが望ましい。
【００２５】
以上説明した本発明のプレス成形装置によれば、金属板を金型でプレス成形する本成形を行う前に、成形余裕量を制御可能となり、金型やプレス装置に制約されず、成形品に割れやしわが発生する危険性を顕著に下げることができるから、量産成形品への適用が可能となる。
【実施例１】
【００２６】
パンチ、ダイ、板押さえを有する金型で、表１に示した強度レベルの異なる３種類の鋼板（Ａ：270 MPa級、Ｂ：340 MPa級、Ｃ：440 MPa級）を自動車のフェンダー形状にプレス成形し、本発明例（局部加熱＋ブロー予成形）と、比較例（局部加熱あり、予成形なし）、従来例（加熱なし、予成形なし）とで比較した。金型でフェンダー形状にプレス成形した後、金型から成形品を取り出し、成形品に割れが発生しているか否か（割れなし：○、割れあり：×）を目視判定した結果及び寸法精度の評価結果を表２に示す。なお、寸法精度は、成形品の形状の設計形状からの剥離量が出荷基準値（本例の場合には、0.5mm）以内であればＯＫ（○）、超えていればＮＧ（×）と評価した。
【００２７】
本発明例における加熱時間と温度との関係を図４に示した。なお、温度４００℃に加熱した材料Ｃに、気体を吹き付けたときの気体の圧力と、材料Ｃに生じた成形余裕量の関係を図３に示した。同様の特性図に基づき、材料Ａ、Ｂを温度４００℃に加熱して軟化させた成形部位へ吹き付ける気体の圧力を決定した。なお、本発明例では、気体加熱用ヒーターで80℃に加熱した窒素をブロー手段によって吹き付けて予成形した後に、気体冷却用パイプで室温まで冷却した窒素を金型での本成形開始前に吹き付けた。本発明例では、図４に示した加熱時間と温度との関係からも明らかなように、予成形と本成形によりフェンダー形状に１枚成形するのに要した時間は、8.5秒程度であった。400℃から温度が低下し始める７秒程度の時点で予成形は終了している。
（決定した気体の圧力）材料Ａ：0.7MPa、材料Ｂ：0.8MPa、材料Ｃ：1.0MPa。
【００２８】
【表１】
0005206042.tif 000002
【００２９】
【表２】
0005206042.tif 000003
【００３０】
表２に示した結果から、本発明例（局部加熱＋ブロー予成形）では、高強度化しかつ薄肉とした材料Ｃを用いた場合でも得られる成形品に割れが発生せず、寸法精度も良好であった。
一方、比較例（局部加熱あり、予成形なし）、従来例（加熱なし、予成形なし）では、材料Ｃを用いた場合、得られる成形品に割れが発生している。割れが発生した部位は、パンチ肩部や曲率の小さい成形部位である。また、材料Ａ、Ｂを用いた割れ発生のない場合には、寸法精度が劣っていた。
【００３１】
図６に本発明例と従来例を用いて成形した成形品の寸法精度測定結果の１例を示す。図６に示した結果から、本発明例では、設計形状からの乖離量が従来例に比べて小さく、寸法精度が大幅に向上していることがわかる。
設計形状からの乖離量は、図５に示した製品の設計図面に示す●印の位置における、成形品形状と設計形状との位置の差のことである。
【００３２】
本発明例によれば、高精度でかつ割れの発生がない自動車用成形品を高い生産性で量産可能であることがわかる。
【実施例２】
【００３３】
パンチ、ダイ、板押さえを有する金型で、表３に示した強度レベルの異なる３種類の鋼板（Ｄ：590MPa級、Ｅ：780MPa級、Ｆ：980MPa級）を自動車のロッカー形状にプレス成形し、本発明例（局部加熱＋ブロー予成形）と、比較例（局部加熱あり、予成形なし）、従来例（加熱なし、予成形なし）とで比較した。金型でロッカー形状にプレス成形した後、金型から成形品を取り出し、成形品に割れが発生しているか否か（割れなし：○、割れあり：×）を目視判定した結果および寸法精度の評価結果を表４に示す。
【００３４】
なお、寸法精度の評価方法は実施例１の場合と同様であるが、本例の場合の出荷基準値は0.7mmである。本発明例における加熱時間と温度との関係を図７に示した。また温度６００℃に加熱した材料Ｄ，Ｅ，Ｆに吹き付ける気体の圧力は、気体の圧力と成形余裕量の関係を示す特性図に基づき、以下のように決定した。なお、本発明例では、実施例１と同様に80℃に加熱した窒素をブロー手段によって吹き付けて予成形した。ただし、予成形後の冷却した窒素の吹き付けは行わなかった。本発明例ではロッカー形状に１枚成形するのに要した時間は10秒以下であった。7.5秒程度の時点で予成形は終了している。
（決定した気体の圧力）材料Ｄ：0.8MPa、材料Ｅ：1.0MPa、材料Ｆ：1.2MPa。
【００３５】
【表３】
0005206042.tif 000004
【００３６】
【表４】
0005206042.tif 000005
【００３７】
表４に示した結果から、本発明例（局部加熱＋ブロー予成形）では、高強度化しかつ薄肉とした材料Ｅ，Ｆを用いた場合でも成形品に割れが発生せず、寸法精度も良好であった。一方、比較例（局部加熱あり、予成形なし）、従来例（加熱なし、予成形なし）では、材料Ｆを用いた場合、成形品に割れが発生している。従来例では材料Ｅを用いた場合にも割れが発生している。比較例、従来例で割れ発生がない場合では寸法精度が劣っていた。
【００３８】
図９に本発明例と従来例を用いて成形した成形品の寸法精度測定結果の１例を示す。図９に示した結果から、本発明例では、設計形状からの乖離量が従来例に比べて小さく、寸法精度が大幅に向上したロッカー形状の成形品が得られることもわかった。設計形状からの乖離量は、図８に示した成形品の斜視図に示す●印の位置における、成形品形状と設計形状との位置の差のことである。
【００３９】
本発明例によれば、高精度でかつ割れの発生がない自動車用成形品を高い生産性で量産可能であることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の金属板のプレス成形装置を説明する要部断面図である。
【図２】本発明の金属板のプレス成形装置の好適例を説明する要部断面図である。
【図３】本発明における気体の圧力と成形余裕量の関係を示す特性図である。
【図４】本発明例における加熱時間と温度との関係を示す特性図である。
【図５】成形品の寸法精度測定位置を示す製品の設計図面である。
【図６】図５に示した金属板を金型でプレス成形した成形品の寸法精度を示す特性図である。
【図７】本発明例における加熱時間と温度との関係を示す他の特性図である。
【図８】成形品の寸法精度測定位置を示す成形品の斜視図である。
【図９】金属板を金型でプレス成形した成形品の寸法精度を示す他の特性図である。
【符号の説明】
【００４１】
Ｓ  金属板
１  パンチ
２  ダイ
３  板押さえ
４  加熱手段（プラズマ加熱またはレーザー加熱）
4a  プラズマまたはレーザー光
５  ブロー手段（流路）
5a  ブロー手段５から吹き付ける気体
６  気体加熱用ヒーター
７  ロッド
【図１】
0005206042.tif 000006
【図２】
0005206042.tif 000007
【図３】
0005206042.tif 000008
【図４】
0005206042.tif 000009
【図５】
0005206042.tif 000010
【図６】
0005206042.tif 000011
【図７】
0005206042.tif 000012
【図８】
0005206042.tif 000013
【図９】
0005206042.tif 000014