超高強度鋼部材のホットスタンピングの研究開発動向 豊橋技術科学大学森謙一郎 http://plast.me.tut.ac.jp/ kg 軽量 :1km/l 燃費向上 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) 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 SPCC, 44, 59, 78, 98, 118MPa パンチ形状 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% 焼付き センターピラー 1.2GPa 以上の冷間プレスは困難 高張力鋼板の供給地域 98MPa ヨーロッパ日本アジア 44MPa 59MPa 北米 南米 超高張力鋼板の高温引張特性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 8 6 5 6 8 温度 / 伸び /%
ホットスタンピング 板厚 1.2mm におけるフォーム成形のスプリングバック 下死点保持 トリミング, 穴抜き 冷間プレス成形 59MPa 78MPa 板材 加熱 プレス成形 後加工 98MP 118MP ホットスタンピング 22MnB5 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 /HV2 5 3 素板 金型急冷による焼入れ, 1.5GPa 級 硬さ測定部 7 8 9 加熱温度 / フォルクスワーゲン, パサート Audi A7 Sportback アルミニウム板材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 トヨタにおけるホットスタンピングの適用 プリウス (9 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) 55 5 45 35 3 25 15 5 3 million per year (1987) 8 million per year (1997) 95 million per year (7) 1987 1997 Year 7 8 Ref: Hund 211, Belanger 211. 45 million per year (213) 142 lines in 211, around the world 9 1 11 12 13
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% 8 VW Passat 中国 (11) 17% 211 Volvo S6 日本 (1) 7% 2 Volvo XC9 韓国 (4) 6% 7 Fiat 5 その他 (4) 合計 :142 1 2 3 4 5 車体部品の割合 /% Ref: Holzkamp 211, Hover 211, Lucia 211, Wästlund 211. 1 2 3 4 5 6 ラインの数 (211 月 1 月現在 ) Ref: Belanger 211 7 ホットスタンピングの長所 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 高価な板材酸化防止材 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 下死点保持 レーザー加工 自動車の骨格部材 ホットスタンピングに使用される板材マンガンボロン鋼 22MnB5 C Si Mn P B.21.25 1.2.15.14 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 板材 加熱 プレス成形 後加工 適用範囲 (a) 素板 (b) ダイクエンチ後
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 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 高価な板材酸化防止材 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 板材 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
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 電極 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 電極中心間距離 :12mm 98 ºC における通電加熱ハット曲げ成形 素板電極 ダイ 板押え絶縁体 通電 (.2 秒 ) A ON OFF ~ 変圧器 V 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 連続通電加熱ホットスタンピング (a) 高温炉加熱 板材投入部 成形型 成形品排出装置 板材搬送装置 銅電極 (b) 通電加熱 板材搬送 通電加熱, 成形 + ダイクエンチ 材料取出し
連続通電加熱ホットスタンピング ホットスタンピング装置の実用化 板材搬送 通電加熱, 成形 + ダイクエンチ 材料取出し プレス機械メーカーとの共同開発 : アミノ 矩形板材に応用が限定 アステアにおける通電加熱ホットスタンピングの適用 電極 温度 / 95 9 長方形ブランク 85 8 75 7 65 局部昇温抑制通電加熱 台形ブランク 6 現行熱間プレス成形の問題点 高価な板材酸化防止材 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 板材 加熱 プレス成形 後加工 適用範囲
(a) 直接 (b) 間接 直接と間接ホットスタンピング 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 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サーモグラフィーで測定された温度分布の比較 (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 / ºC 9 725 55 375 (b) 26 mm/s メカニカルサーボプレス 遅れ板押えによる成形性向上方法 成形性に及ぼすパンチ突出し量の影響 25 パンチブランクダイス パンチ突出し量 :L L 成形品深さ :s s 成形品深さ s /mm 2 15 1 破断 成形 s (a) 成形開始 (b) 成形初期 (c) 成形後期 (d) 成形完了 5 しわ残存 5 1 15 2 25 パンチ突出し量 L /mm
現行熱間プレス成形の問題点 高価な板材酸化防止材 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 板材 加熱 プレス成形 後加工 適用範囲 ユニプレスにおける板材の直接水冷 ホンダにおけるサーボプレス利用 (a) 間接水冷 (b) 直接水冷 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 直接水冷によって下死点保持時間を減らせる 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 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 水冷を用いたホットスタンピング パンチ パンチスペーサブランク水 ダイス 板押え スペーサ 水 ブロック (a) 成形開始 (b) 成形終了 (c) 板押え退避 (d) 下死点保持 ダイス 成形品
ビッカース硬さ /HV2 5 5s 3s 1s t h =s 3 素板 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 x 容器底部テーパー部 2μm 水冷あり容器底部 43HV2 水冷なしトリミング部フランジ部 226HV2 フランジ部 1 2 3 4 5 6 7 8 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 8 6 4 2 せん断荷重 硬さ 焼入れ防止あり なし 5 3 ビッカース硬さ /HV2 パンチ f 16 29 ダイス せん断位置 板押え 高強度 強度分布を有する成形品のテーラードダイクエンチ ダイクエンチ : 金型による急冷で高強度化 分極法 局部通電加熱法 バイパス法銅バイパス押え 電流 銅電極 A-A 断面 電流 A A シートレール 加熱安定性装置構造 低 複雑 高単純 強度分布を持つ成形品 全面加熱と局部加熱ハット曲げ成形品 通電加熱 板押え パンチ 板押え 搬送 (2s) 成形 ダイクエンチ (3.5s) 試験片電極押え電極 全面加熱 (Q = 18kJ) 加熱部分 成形完了 ダイス シートレール A A 穴抜き 高強度 A-A 断面 加熱部分バイパス局部加熱 (Q = 13kJ) 1mm
ハット曲げ成形品の長手方向硬さ分布 テーラードテンパリング 6 5 全面加熱 x 金型に溝を付ける 金型を加熱 硬さ /HV2 3 バイパス 成形領域素板 12mm l = 4mm 2 4 6 中心からの距離 x /mm 全体を加熱して一部だけを再加熱