(57)【要約】熱間金属成形装置が、開位置と閉位置との間で互いに対して移動可能な一対の金型を有する。金型は、所望のプレス部品の形状に対応する、対向する金属成形面を有する。プレス部品から離れる方向に熱を伝達し、その結果プレス部品を焼き入れするために、少なくとも一方の金型内に少なくとも１つの細長いヒートパイプが取り付けられている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱間金属成形装置であって、
一対の金型であって、前記金型の少なくとも一方が他方の金型に対して開位置と閉位置との間で移動可能であり、前記金型は前記開位置にあるときに加熱された金属シートをそれらの間に受け入れるように寸法付けされており、対向する金属成形面を有する金型と、
少なくとも一方の金型に取り付けられた少なくとも１つの細長いヒートパイプであって、前記ヒートパイプは前記金属成形面の一方に隣接して配置された第１端部と、前記金属成形面から離間された第２端部とを有し、閉じられた内部チャンバを形成するケーシングと、前記チャンバを部分的に満たす液体とを有する少なくとも１つのヒートパイプと
を含む装置。
【請求項２】
前記ヒートパイプの前記第２端部はクーラント内に配置されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記クーラントは水槽を含む、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記クーラントは空気を含む、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記液体は水を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記ヒートパイプは前記ケーシングの内面に取り付けられたウイックを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記ウイックは焼結金属を含む、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記焼結金属は銅を含む、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記焼結金属はニッケルを含む、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記金型の少なくとも一方に取り付けられた複数のヒートパイプを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
両方の金型に取り付けられた複数のヒートパイプを含む、請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱間金属成形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１３年１１月５日に出願された米国仮出願第６１／９００００３号の優先権を主張するものであり、当該米国仮出願の内容は、参照により本明細書に組み込まれるものとする。
【０００３】
非常に堅い部品を必要とする多くの工業用途がある。例えば、自動車では、自動車の車室用の垂直ピラーのような一部の部品は、衝突の際に車両の乗員を保護するにもかかわらず、車両の重量を過度に増加させないために、一般的に高強度の軽量材料で構成されている。
【０００４】
自動車の用途で使用される一般的な硬質材料は、マルテンサイト、炭素鋼の同素体である。マルテンサイト部品を形成するために、最初に、ホウ素元素を有する炭素系鋼のシート素材又はブランクが、金属ブランクをオーステナイトに変態させるために必要な温度である、摂氏約８５０−１１００度に加熱される。次に、金属ブランクがまだ高温で摂氏約４５０度の温度を超えている間に、金属ブランクがプレス金型内に配置され、ブランクを機械的に曲げて金型の対向面によって定められる所望の部品の形状に成形するために金型が閉じられる。成形されたばかりの部品は、その後、オーステナイトをマルテンサイトに変態させるのに十分な速い速度で焼き入れされる。焼き入れ後、部品は取り出され、マルテンサイト完成まで化学変化をさせるために空気中で冷却を終えることができる。
【０００５】
ホットスタンピング法を用いて形成された部品は十分な硬度を示すが、ホットスタンピング法は製造工場で行うには費用が掛かる。この費用の多くは、オーステナイトをマルテンサイトに変質又は変態させるために、成形されたばかりのブランクを金型内で十分低い温度に焼き入れするのに必要な時間に起因する。実際には、既知の熱間成形金型では、成形部品を焼き入れするための全体のサイクル時間は、プレス部品の特定の形状に基づいて製造工場において１０秒以上の時間を必要とする場合がある。このような長いサイクル時間は、場合によっては、製造ニーズを満たすために複数のプレス金型の使用を必要とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、スタンピング工程に続いて成形部品を焼き入れするために改良された冷却手段を備えた熱間金属成形又は熱間金属スタンピング用装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
要するに、本発明の装置は、ホットスタンピング工程のためにブランクを支持するように寸法付けられたベッドを有するハウジングを含む。ベッドは、金属などの熱伝導性材料から構成され、ブランク全体を支持するために機械加工された面を有する。
【０００８】
上プレート又は上金型は、上側「シュー」（トッププレート）に取り付けられている。下プレート又は下金型は、下側シューに取り付けられている。上側及び下側「シュー」（プレートアセンブリ）は、ガイドピンによって水平方向に導かれる。上側及び下側「シュー」（取付板）は、油圧又は機械式パンチプレスにおいて上下の垂直運動で移動する。上側シューが上下の取付板の間に隙間を作る開位置にあるとき、加熱された「ブランク」材が下工具上に配置／導入される。ブランクは、一種の空気圧／油圧又は機械式ロケーター及びレベラーを用いて配置されている。ロケーターは、鋼ブランクを適切な場所に置くためのものであり、レベラーは、ブランクが全体的な硬さの結果に影響を与える可能性がある個々の領域でブランクを冷却し始めるあらゆる金型表面と接触しないように、小型フィンガーを用いてブランクを水平位置に保持するのに使用される。上金型がプレス機によって下金型に対して閉じるときに、ブランクレベラーはロケーターと共にブランクを適切な位置に保持し、プレス機はその後、冷却が行われる間、閉じたままである。
【０００９】
少なくとも１つの、好ましくは複数の、細長いヒートパイプが、上金型と下金型の両方に取り付けられている。各ヒートパイプの一方の端部は金型の内部に埋め込まれるが、その反対側の端部は金型の外側に配置されている。
【００１０】
各ヒートパイプは、熱伝導性のケーシングに囲まれた管状の、好ましくは円筒状の、焼結粉末ウイックを含む。ヒートパイプの両端もケーシングによって封止され、ヒートパイプの内部には水などの流体が閉じ込められている。
【００１１】
ヒートパイプの一端は上金型又は下金型に埋め込まれ、ヒートパイプの他端は冷却機構に熱的に結合されている。例えば、ヒートパイプの第２端部は、ヒートパイプから熱を除去するためにヒートパイプ端部で一定の水温を維持することができるように、ツールを使って一定の水流を可能にする冷却液バス、ヒートシンク、冷却バス又は冷却水路内に配置されることができる。
【００１２】
動作中、ヒートパイプ内に含まれる流体は、ヒートパイプの高温端で沸騰し、蒸気化したばかりの液体が粉末焼結ウイックの内部に入る。この蒸気はヒートパイプの他端に向かって流れ、そこで冷却機構が蒸気を冷却して液体に戻す。その液体は、毛管作用によって焼結粉末ウイックを通って移動し、ヒートパイプの高温端に戻り、そこで再び蒸気に変換され、その結果、サイクルが繰り返される。
【００１３】
従って、上金型と下金型の両方に少なくとも１つの、好ましくは複数の、ヒートパイプを設けることにより、金型と従ってプレス部品とをヒートパイプにより迅速に焼き入れすることができる。動作中、上金型と下金型の両方におけるヒートパイプの適切な使用によって、約１秒の焼き入れサイクル時間を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
以下の詳細な説明を参照し、添付図面と併せて読んだ場合に、本発明のより良い理解が得られるであろう。ここで、同様の符号は、図面全体にわたって同様の部分を指す。
【図１】上下のホットスタンピング金型をそれらの離間した位置で示す概略側面図である。
【図２】図１と同様の図であるが、上下の金型をスタンピング工程中のそれらの閉位置で示している。
【図３】実質的に図１の線３−３に沿って見た図である。
【図４】明確にするために拡大されている実質的に図１に線４−４に沿って見た縦断面図である。
【図５】明確にするために一部が除去されているヒートパイプの立面図である。
【図６】金型内で垂直位置に取り付けられた１つのヒートパイプの平面図である。
【図７】金型内で水平位置に取り付けられた１つのヒートパイプを示す平面図である。
【図８】金型内で鋭角に取り付けられた１つのヒートパイプの図である。
【図９】本発明の装置の金型の一部を示す部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
最初に図１及び２を参照すると、ホットスタンピング用プレス機１０の好ましい実施形態が示されている。プレス機１０は、下側シューに取り付けられた下金型１２と上側シューに取り付けられた上金型１４の両方を含み、それらの両方が、金属などの熱伝導性材料で構成されている。上金型１４と下金型１２は、それぞれが所望のプレス金属部品の形状に対応するように機械加工された、対向する金属成形面１５及び１３を有する。
【００１６】
上金型１４は下金型１２の上に配置され、図１に示される開位置と図２に示される下側位置との間で移動可能である。その上側位置において、上金型１４は、金属ブランク１６が金型１２及び１４の間に挿入されるのを可能にするために、下金型１２から離間している。この金属ブランク１６は、一般的に、摂氏約８５０−１１００度に加熱された、一般的にホウ素を有する炭素系材料で構成されている。炭素系材料は、摂氏８５０−１１００度の温度範囲でオーステナイトに変態する。
【００１７】
金属ブランク１６を摂氏８５０−１１００度まで加熱するのに、任意の従来の機構を使用することができる。また、ブランク１６は、上金型１４と下金型１２との間への挿入より前に、又は上金型１４と下金型１２との間への挿入後に、摂氏８５０−１１００度まで加熱することができる。
【００１８】
金属ブランク１６が上金型１４と下金型１２との間に挿入された後、上金型１４と下金型１２は図２に示される閉位置に移動させられる。それらの閉位置において、金属ブランク１６は、上金型１４と下金型１２のそれぞれの金属成形面１５及び１３の間に、ブランク１６が上金型１４と下金型１２の対向する面１５及び１３の形を取るように挟まれている。
【００１９】
上金型１４と下金型１２を図１に示されるそれらの開位置と図２に示されるそれらの閉位置又はスタンピング位置との間で移動させるのに、任意の従来の手段を利用することができる。例えば、一方又は両方の金型１２及び１４を互いに向かって及び互いから離れるように移動させるのに、油圧又は空気圧シリンダーを使用することができる。或いは、金型１２及び１４を移動させるのに機械駆動又は電気駆動を用いることができる。
【００２０】
成形されたばかりの金属ブランク１６をオーステナイトからマルテンサイトへ変態させるために、金型１２及び１４を閉じることによって成形されたプレス部品１６は、ブランク１６の材料に応じて、摂氏約２５０度以下の温度に迅速に焼き入れされなければならない。
【００２１】
ここで図４及び５を参照すると、プレス部品１６を焼き入れするのに、本発明は複数のヒートパイプ２０を利用し、そのうちの１つが図４及び５の両方に示されている。各ヒートパイプは、加熱端部２４と冷却端部２６の両方で閉じられている管状且つ円筒状の焼結粉末ウイック２２を含む。ウイック２２は、焼結銅又は焼結銅／ニッケル材料などの様々な種類の異なる材料で構成されることができる。ウイック２２は焼結材料で構成されているので、ウイック２２は、端部２４及び２６の間でその全長にわたって多孔性である。
【００２２】
ウイック２２全体が、密閉されたチャンバ２９を形成する流体不透過性のケーシング２８内に入れられている。ケーシング２８は、銅、銅／ニッケル合金、又は、ケーシング２８が高い熱伝導性を示すならば、任意の他の材料で作られることができる。
【００２３】
図４及び５を更に参照すると、水などの液体がケーシング２８の内部チャンバ２９を部分的に満たし、従って、ウイック２２及びウイック２２の内部穴３０内に閉じ込められている。しかしながら、代わりに他の液体を使用することができる。また、液体はチャンバ２９の容積のごく一部のみを満たす。
【００２４】
後でより詳細に説明するように、ヒートパイプ２０の加熱端部２４は加熱されたプレス部品に隣接して配置され、一方、ヒートパイプ２０の冷却端部２６は、水槽又は水路、冷気などのクーラント内に配置されている。動作中、ケーシング２８の内部チャンバ２９内に収容された液体が加熱され、ヒートパイプの加熱端部で沸騰又は蒸気化する。蒸気は、その後、クーラント内に配置されているヒートパイプの冷却端部２６に向かって移動する。ヒートパイプ２０の冷却端部において、ヒートパイプ２０からクーラントに熱が伝達され、蒸気は液体に凝縮し、ウイック内に入る。毛細管作用によって、液体は、図４の矢印３２で示すように、ヒートパイプ２０の冷却端部２６からウイックを通ってヒートパイプ２２の加熱端部２４に向かって移動する。液体がヒートパイプ２０の加熱端部２４に到達すると、液体は、再び蒸気化又は沸騰させられ、上記プロセスが繰り返される。
【００２５】
従って、ヒートパイプ２０は、その加熱端部２４から熱を除去し且つその冷却端部２６で熱を放散するのに役立つ。図９に示されるように、ヒートパイプ２０の熱除去特性を更に向上させ且つ促進するために、ヒートパイプ２０の冷却端部２６は、好ましくは、冷却槽又は冷却水路３４、ヒートシンク、放熱器、又は他の従来の熱除去装置で冷却される。
【００２６】
ここで図１及び３を参照すると、複数のヒートパイプ２０が、上金型１４と下金型１２の少なくとも一方、好ましくは両方の内部に配置されている。各ヒートパイプ２０の加熱端部２４は、上金型１４と下金型１２の対向する面に隣接して、従ってブランク１６の近くに配置されている。反対に、各ヒートパイプ２０の冷却端部２６は、その関連する金型１２又は１４から外側に延びている。また、この冷却端部２６は、好ましくは、ヒートパイプ２０の端部２６から熱を除去するために冷却槽３４又は他の機構内に配置されている。
【００２７】
おそらく図９に最も良く示されているように、ヒートパイプ２０の加熱端部２４はそれぞれ、下金型又は上金型の作業面１３又は１５に近接して配置されている。例えば、ヒートパイプ２０の加熱端部２４は、好ましくは、金型１４の金属成形面１５から１／２インチ（１．２７ｃｍ）以下だけ離れて配置されている。反対に、ヒートパイプ２０の冷却端部２６は、金型１４の金属成形面１５から離間し、好ましくは、冷媒槽又は冷媒流路３４内に配置されている。流路３４は、水などの任意の適切な液体によって冷却されることができる。
【００２８】
ヒートパイプ２０による熱伝達を最大にするために、ヒートパイプ２０の、その加熱端部２４に隣接する部分は、金型１４にあるそれらの受入口内にぴったりと配置されている。それらの加熱端部２４に隣接するヒートパイプ２０と金型１４とのぴったりした嵌合は、金型１４とヒートパイプ２０との間の高い熱伝導率を確実にする。また、金型１４からヒートパイプ２０への熱伝導率を最大にするために、ヒートパイプ２０の加熱端部２４の間に、グリースやエポキシ樹脂などの熱伝導性材料を使用することができる。
【００２９】
ヒートパイプ２０の長さ、直径、及び数は用途によって異なる。しかしながら、自動車の車室用のピラーをブランクからプレス加工する用途では、ヒートパイプ２０は、２から１０インチ（５．０８から２５．４ｃｍ）の範囲の長さで、直径が約１／２インチ（１．２７ｃｍ）であることができる。ヒートパイプ２０は、図３に示されるパターンのような任意の適切なパターンで、１／２から２インチ（１．２７から５．０８ｃｍ）だけ互いに離間することができる。
【００３０】
動作中、金型１２及び１４が図１に示されるその開位置と図２に示されるその閉位置との間で移動させられるとき、熱がブランク１６から金型１２及び１４に伝達される。その熱は、その結果、ヒートパイプ２０によって除去され、このようにして、成形されたばかりのブランク１６が効率的に焼き入れされ、オーステナイト材料がマルテンサイトに変態する。
【００３１】
ここで特に図２を参照すると、ヒートパイプ２０の加熱端部２４からの熱の伝達を高めるために、各ヒートパイプ２０の中央部の周囲に任意で断熱材３６が設けられている。この断熱材は、ヒートパイプ２０の中央部に沿った熱伝導による金型１２及び１４の加熱を最小限に抑えつつ、各ヒートパイプ２０の加熱端部２４から冷却端部２６に効率的に熱が伝達されることを確実にする。
【００３２】
ここで図１、３及び６を参照すると、ヒートパイプ２０は、金型１２及び１４内に概ね垂直方向に取り付けられて示されており、図３に示されるように、ヒートパイプは互いに水平方向と垂直方向の両方に広がっている。また、上金型１４におけるヒートパイプの分布は、図３に示されるように下金型１２と実質的に同じである。
【００３３】
ヒートパイプ２０は、図１及び２に、実質的に垂直であるが、好ましくはわずかに角度を付けた向きで示されているが、本発明の趣旨又は範囲から逸脱することなくヒートパイプの他の向きを使用することができる。例えば、ヒートパイプ２０は、図７に示されるように実質的に水平方向であることができる。同様に、ヒートパイプ２０は、図８に示されるように水平面から傾斜させることができる。
【００３４】
実際には、図３に示されるように多数のヒートパイプを使用することによって、ホットスタンピング工程によって成形された部品を焼き入れするのに必要なサイクル時間を約１秒に低減できることが分かった。
【００３５】
以上のことから、本発明のスタンピング装置は、非常に短いサイクル時間を有する熱間金属成形のための新規なスタンピング工程を提供することが分かる。本発明を説明してきたが、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の趣旨から逸脱しない本発明に対する多くの変形が、関係する分野の当業者に明らかになるであろう。
【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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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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