Microsoft PowerPoint - スマートホットスタンピング8.pptx

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1 ホットスタンピングの現状と課題 豊橋技術科学大学森謙一郎 kg 軽量 :1km/l 燃費向上電気自動車では非常に重要 軽量材料の成形 超高張力鋼板 (7.8) アルミニウム (2.7), マグネ (1.8), チタン (4.5) 1. ホットスタンピング 2. 材料, 酸化防止 3. 加熱 4. プレス成形 5. ダイクエンチ 6. 後加工 7. シミュレーション 8. 応用範囲 超高張力鋼板の自動車部材への適用 超高張力鋼板 :1GPa 以上 高張力鋼板の冷間成形におけるスプリングバック及び低い成形性 大きなスプリングバック 低い延性 サイドドアビーム 骨格部材 :36% センターピラー 焼付き 1.2GPa 以上の冷間プレスは困難 超高張力鋼板の高温引張特性 ホットスタンピング ホットスタンピング : 成形荷重低下, スプリングバックなし, 成形性向上 15 引張強さ /MPa 伸び /% 加熱 プレス成形 下死点保持 トリミング, 穴抜き 後加工 温度 /

2 ホットスタンピングにおけるダイクエンチによる硬さの上昇 6 AP&T 社のホットスタンピング 硬さ /HV 素板 金型急冷による焼入れ, 1.5GPa 級 硬さ測定部 加熱温度 / フォルクスワーゲン, パサート Audi A7 Sportback アルミニウムアルミニウム鋳造材アルミニウム押出し材ホットスタンピング材冷間プレス成形材 フォルクスワーゲンパサート, 骨格部材の 16% が熱間プレス成形 ドイツベンテラー社におけるホットスタンピング成形品 カナダマグナ社におけるホットスタンピング成形品

3 トヨタにおけるホットスタンピングの適用 プリウス (29 年 ) ホンダ N BOX のセンターピラー 通電加熱 213 年 11 月 7 日刊自動車新聞 : トヨタが通電加熱を使用 レクサス IS 室外 室内超高強度スティフナー 日本におけるホットスタンピング成形品 ホットスタンピング成形品の生産量 A ピラーリーンフォースメント アイシン高丘 : ドアビーム バンパーリーンフォースメント ユニプレス : センターピラーリーンフォースメント 豊田鉄工, ユニプレス, ワイテック, 東プレ, ジーテクト ルーフリーンフォースメント ダッシュロアクロスメンバー Parts per year (in millions) million per year (1987) 8 million per year (1997) 95 million per year (27) Year 27 8 Ref: Hund 211, Belanger million per year (213) 142 lines in 211, around the world ホットスタンピング成形品の割合 ホットスタンピングラインの数 45% 限界 (Volvo) ヨーロッパ (62) 26% 212 Ford Focus 北米 (51) 19% 28 VW Passat 中国 (11) 17% 211 Volvo S6 日本 (1) 7% 22 Volvo XC9 韓国 (4) 6% 27 Fiat 5 その他 (4) 合計 : 車体部品の割合 /% Ref: Holzkamp 211, Hover 211, Lucia 211, Wästlund ラインの数 (211 月 1 月現在 ) Ref: Belanger 211 7

4 ホットスタンピングの長所 ホットスタンピング作業 成形荷重低下 スプリングバックなし 成形性増加 1.5GPa 級成形品 現行熱間プレス成形の問題点 1. ホットスタンピング 2. 材料, 酸化防止 3. 加熱 4. プレス成形 5. ダイクエンチ 6. 後加工 7. シミュレーション 8. 応用範囲 高価な酸化防止材 強大な加熱炉長い加熱時間 加熱 高額な設備低い生産性狭い適用範囲 油圧プレス 1 段成形 プレス成形 下死点保持 レーザー加工 後加工 自動車の骨格部材 適用範囲 ホットスタンピングに使用されるマンガンボロン鋼 22MnB5 C Si Mn P B 硬さ : 254 HV 9 ºC, 急冷 : マルテンサイト変態,5HV 9 ºC, 空冷 : 焼なまし,165HV 1 m マルテンサイト 酸化防止 酸化防止なし : ショットピーニング酸化防止あり : アルミ, 亜鉛めっき, 金属間化合物, 数分 酸化防止なし (a) 素板 (b) ダイクエンチ後

5 ドイツ NANO-X 社のスケール抑制剤 1. ホットスタンピング 2. 材料, 酸化防止 3. 加熱 4. プレス成形 5. ダイクエンチ 6. 後加工 7. シミュレーション 8. 応用範囲 現行熱間プレス成形の問題点 加熱炉 高額な設備低い生産性狭い適用範囲 Double-decker 炉 Furnace Multi-chamber 炉 回転炉 高価な酸化防止材 強大な加熱炉長い加熱時間 油圧プレス 1 段成形 下死点保持 レーザー加工 自動車の骨格部材 実生産 開発中 (AP&T) 開発中 (Schuler) Ref: Bader et al 211. L batch 加熱 プレス成形 後加工 適用範囲 炉へ投入 炉長 t heating 33sec L batch t x1.6m 26.4m cycle 2sec プレスへ Ref: Eriksson 21. 加熱炉 非表面処理材 : 49 s 通電型内加熱を用いた温 熱間プレス成形 炉加熱 大型 温度低下酸化 (a) 炉加熱 (b) 遠赤外線加熱 表面処理材 : 72 s 通電加熱 加熱搬送成形 利点 小さい温度低下 プレス作業との同期 少ない酸化スケール 高い加熱効率 (c) 高周波誘導加熱 加熱, 成形

6 通電加熱の映像 (SPFC98) 通電加熱とサーボプレスの連動 高速加熱 高速成形 : 酸化防止成形性の増加 通電電源サーボプレス通電電源サーボプレス 通電加熱ハット曲げ成形装置実験条件 ポンチ 通電電圧 :1V 板サイズ :13mm 2mm 中心間距離 :12mm 98 ºC における通電加熱ハット曲げ成形 素板 ダイ 板押え絶縁体 通電 (.2 秒 ) A ON OFF ~ 変圧器 2V 6Hz プレス 3.5 秒保持 98 ºC における通電加熱ハット曲げ成形 通電加熱 85,3.3s 通電加熱ホットスタンピング 搬送 2s 成形抜残し加工 1s 下死点保持 5s (a) 高温炉加熱 成形金型 試験片 (b) 通電加熱 搬送装置

7 連続通電加熱ホットスタンピング 矩形に応用が限定 温度 / 95 投入部搬送装置 成形型銅 成形品排出装置 長方形ブランク 搬送 通電加熱, 成形 + ダイクエンチ 材料取出し 台形ブランク 6 アステアにおける通電加熱ホットスタンピングの適用 局部昇温抑制通電加熱 1. ホットスタンピング 2. 材料, 酸化防止 3. 加熱 4. プレス成形 5. ダイクエンチ 6. 後加工 7. シミュレーション 8. 応用範囲 現行熱間プレス成形の問題点 直接と間接ホットスタンピング 高額な設備低い生産性狭い適用範囲 (a) 直接 高価な酸化防止材 強大な加熱炉長い加熱時間 油圧プレス 1 段成形 レーザー加工 自動車の骨格部材 (b) 間接 加熱 プレス成形 後加工 適用範囲

8 油圧式と機械式プレス 負荷時除荷時高液圧 ラム シリンダークランク ラム 型 プレス荷重 プレス荷重 加工荷重が大きい騒音, 振動が小さい加工速度が低い ラムストローク加工荷重が小さい加工速度, 生産性が高い加工荷重が変化する 18 9 クランク角度 反射鏡 板押え 熱間絞り成形における速度効果 ダイス (a) 低速モーション (26 mm/s) (b) 高速モーション (149 mm/s) ホットスタンピングにおける成形速度の影響 熱間成形における高速と低速の温度分布の比較 (a) 冷間 (b) 熱間,149 mm/s サーボプレスによる高速成形 (c) 熱間,26mm/s (a) 149 mm/s (b) 26 mm/s 熱間成形における高速と低速のサーモグラフィーで測定された温度分布の比較 遅れ板押えによる成形性向上方法 パンチ突出し量 :L 成形品深さ :s パンチ ブランク L ダイス s (a) 149 mm/s / ºC (b) 26 mm/s メカニカルサーボプレス (a) 成形開始 (b) 成形初期 (c) 成形後期 (d) 成形完了

9 成形性に及ぼすパンチ突出し量の影響 成形品深さ s /mm 破断 成形 s しわ残存 パンチ突出し量 L /mm 1. ホットスタンピング 2. 材料, 酸化防止 3. 加熱 4. プレス成形 5. ダイクエンチ 6. 後加工 7. シミュレーション 8. 応用範囲 現行熱間プレス成形の問題点 ユニプレスにおけるの直接水冷 高額な設備低い生産性狭い適用範囲 高価な酸化防止材 強大な加熱炉長い加熱時間 油圧プレス 1 段成形 レーザー加工 自動車の骨格部材 (a) 間接水冷 (b) 直接水冷 直接水冷によって下死点保持時間を減らせる 加熱 プレス成形 後加工 適用範囲 ホンダにおけるサーボプレス利用 直接水冷と板押え退避によるダイクエンチ性向上とフランジ部焼入れ防止 スプリング 最適加熱 型内アシスト水冷 型内トリム : レーザー加工レス 溶接可能な短時間加熱条件 精度を出せる急冷手法確立 成形と同時に余肉切断と穴あけ パンチスペーサブランク水ブロック ダイス (a) 成形開始 (b) 成形終了 (c) 板押え退避 (d) 下死点保持 炉長 1/2 化 縦壁直接水冷 4spm 成形前 成形完了 穴あけ 切断完了

10 水冷を用いたホットスタンピング パンチ板押えスペーサ水ダイス ビッカース硬さ /HV 下死点保持時間を変化させた時の半径方向ビッカース硬さ分布 2μm 5s 3s 水冷あり容器底部 43HV2 1s t h =s 水冷なし 素板トリミング部 x フランジ部 226HV2 容器底部テーパー部フランジ部 成形品 中心からの距離 x /mm 素板 23HV2 水冷あり, 下死点保持時間 3s の焼入れ防止ありとなしにおけるフランジ部のせん断荷重 せん断荷重 /kn せん断荷重 硬さ 焼入れ防止あり なし ビッカース硬さ /HV2 パンチ f ダイス せん断位置 板押え 高強度 A A 強度分布を有する成形品のテーラードダイクエンチ A-A 断面 シートレール ダイクエンチ : 金型による急冷で高強度化 局部通電加熱法 強度分布を持つ成形品 電流 分極法 押え銅 バイパス法銅バイパス電流 通電加熱 搬送 (2s) 成形 ダイクエンチ (3.5s) 成形完了 板押え パンチダイス 板押え 試験片押え 加熱安定性装置構造 低 複雑 高単純 シートレール A A 穴抜き 高強度 A-A 断面

11 全面加熱と局部加熱ハット曲げ成形品 ハット曲げ成形品の長手方向硬さ分布 6 5 全面加熱 x 全面加熱 (Q = 18kJ) 加熱部分 硬さ /HV バイパス 成形領域素板 12mm l = 4mm 加熱部分バイパス局部加熱 (Q = 13kJ) 1mm 中心からの距離 x /mm テーラードテンパリング 金型に溝を付ける 金型を加熱 全体を加熱して一部だけを再加熱 1. ホットスタンピング 2. 材料, 酸化防止 3. 加熱 4. プレス成形 5. ダイクエンチ 6. 後加工 7. シミュレーション 8. 応用範囲 現行熱間プレス成形の問題点 高額な設備低い生産性狭い適用範囲 ホットスタンピング部材の穴抜き加工 工具負荷 : 大 高価な酸化防止材 強大な加熱炉長い加熱時間 油圧プレス 1 段成形 レーザー加工 自動車の骨格部材 摩耗 欠損パンチ肩部 延性 : 低残留応力 : 大 加熱 プレス成形 後加工 適用範囲 小穴抜き加工レーザー加工 遅れ破壊発生 切口面

12 9 押え (SUS34) 43 (Cu- Cr) ガススプリング 穴抜き加工用工具 ダイス φ6.31mm 試験片 : ダイクエンチされた鋼板 (6 6 t1.8 mm) パンチ φ5.95mm 間距離 :8mm 幅 5mm せん断領域 12mm 部分通電加熱温度分布シミュレーションット 立体図 断面図 上面図 下面図 / 部分通電加熱小穴抜き加工 を試験片へ加圧 加工領域付近加熱 押え ダイス 試験片 パンチ 小穴抜き加工 最大穴抜き荷重 /kn 部分通電加熱小穴抜き加工荷重 4 35 冷間加工 :34.4kN 冷間の約 1/ せん断領域加熱温度 T / 遅れ破壊加速実験 遅れ破壊時間 /min ~ 15 5 冷間 T=4 1mm ~ 35% 塩酸溶液浸漬 ( 溶液 試験片 : 室温 ) 遅れ破壊発生要因 : 硬さ 残留応力 水素量 せん断領域加熱温度 T / 1. ホットスタンピング 2. 材料, 酸化防止 3. 加熱 4. プレス成形 5. ダイクエンチ 6. 後加工 7. シミュレーション 8. 応用範囲

13 有限要素シミュレーション 変形, 温度, 組織変化 材料特性の測定が困難 1. ホットスタンピング 2. 材料, 酸化防止 3. 加熱 4. プレス成形, 5. ダイクエンチ 6. 後加工 7. シミュレーション 8. 応用範囲 高価な酸化防止材 現行熱間プレス成形の問題点 強大な加熱炉長い加熱時間 高額な設備低い生産性狭い適用範囲 油圧プレス 1 段成形 レーザー加工 自動車の骨格部材 棒材 アルミ, 軟鋼 形状変化 高強度鋼部品の板鍛造削取り材料損失切削塑性変形板鍛造成形荷重 : 大窒化, 浸炭 コイル材板鍛造焼入れ高強度鋼部品 加熱 プレス成形 後加工 適用範囲 ホットスタンピングとの結合 1 ショットスタンピング 現状ホットスタンピング プレス成形 + レーザ切断炉加熱ダイクエンチ大型部品現状板鍛造 曲げ 穴抜きトリム多工程プレス成形 窒化, 浸炭焼入れ中 小型部品 1ショットホットスタンピング電流 ユタカ技研 HP より 急速通電加熱 1ショットプレス 中 小部品 +ダイクエンチ

14 自動車用シート部品寸法 82 トリム刃 局部増肉 1 ショットホットスタンピング パンチ 増肉 穴抜きパンチ 33 増肉部 板押え 押え 増肉量 2% 材質 寸法 /mm スミクエンチ 14 L 54 W 2.6 t 下ダイス カウンターパンチ プレート 銅 局部増肉 1 ショットホットスタンピング金型 1 ショットホットスタンピング 増肉 穴抜きパンチ 板押え 増肉 穴開けパンチ 押え 1.5 Φ19.7 Φ25.7 Φ21.92 Φ19.92 下ダイスカウンターパンチ.52 Φ15.55 Φ19.55 カウンターパンチプレート 銅 1 ショットホットスタンピング 1 ショットホットスタンピングされた自動車用シート部品 (a) 正面 (c) 丸穴切口面 (b) 側面

15 ホットスタンピングによるビード加工をされた自動車シート用部品 ビード部の成形荷重とビッカース硬さ B B (a) 正面 34 (c) B-B 断面 成形荷重 /kn kN 45HV 熱間加工 165kN 23HV 冷間加工 成形品ビッカース硬さ /HV2 (b) 側面 部分通電加熱を用いたギア部品の順送ホットスタンピング 現状板鍛造, 順送成形 部分通電加熱打抜き 通電加熱 (16.5s) 穴あけトリミング 打抜き 退避 搬送 (4s) 焼入れ 穴あけトリミング通電加熱 歯の打抜きダイクエンチ 焼入れ工程省略, 部分加熱 せん断 (.1s) ダイクエンチ (1s) 局部通電加熱打抜き 局部通電加熱打抜き 通電加熱 (16.5s) 板押え パンチ 退避 搬送 (4s) パンチ ダイス 板押え せん断 (.1s) ダイクエンチ (1s) 板押えダイス 試験片

16 成形品 ギア歯先端部の硬さ測定結果 6 (a) 正面 ビッカース硬さ /HV 切断面 素板硬さ No1 No.2 No.9 硬さ測定位置 (b) ギア部 ギア歯 No. / 番目 ギア歯先圧縮を用いたギア部品 (a) 正面図 (b) ギア部 (c) ギア歯先断面 ばり 1 ショットホットスタンピングの特徴 現状ホットスタンピング 板鍛造 1 ショットホットスタンピング 部品サイズ大型 小型 中 小型 生産性 低 中 ( 焼入れを高含む ) レーザ切断有 無 無 設備 大型 中型 小型 成形荷重 小 大 小 成形工程数 1 工程 多工程 1-2 工程 焼入れ工程無 有 無 肉厚変化 小 小 大 現状のホットスタンピング 第 1 世代 22MnB5 炉加熱 液圧プレスレーザー切断キャビン部品 スマートホットスタンピングの開発 通電加熱 + サーボプレス コンパクトな装置 低コスト 高生産性 第 2 世代 課題 : 矩形, 安定加熱, 加熱と成形サイクル, 金型, 冷却, 潤滑, 後加工, 強度と遅れ破壊, 酸化防止, チタン, アルミニウム