超高強度鋼部材の ホットスタンピングの研究開発動向 1. ホットスタンピング 豊橋技術科学大学 森謙一郎 2. 材料，酸化防止 http://plast.me.tut.ac.jp/ 3. 加熱 100kg軽量：1km/l燃費向上 4. プレス成形 5. ダイクエンチ 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) 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 超高張力鋼板の自動車部材への適用 SPCC, 440, 590, 780, 980, 1180MPa 超高張力鋼板：1GPa以上 パンチ形状 低い延性 大きなスプリングバック 骨格部材：36% サイドドアビーム 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 超高張力鋼板の高温引張特性 北米 日本 アジア 南米 440MPa 590MPa 800 100 600 400 50 200 0 200 400 600 温度 /℃ 0 800 伸び /% ヨーロッパ 引張強さ /MPa 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 1000 150 980MPa 板厚1.2mmにおけるフォーム成形の スプリングバック ホットスタンピング 冷間プレス成形 590MPa 下死点保持 トリミング， 穴抜き 780MPa 980MP 後加工 プレス成形 加熱 1180MP 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 AP&T社のホットスタンピング 600 500 硬さ /HV20 板材 400 300 素板 金型急冷 による焼 入れ， 1.5GPa級 200 100 0 700 硬さ測定部 800 加熱温度 /℃ 900 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 ホンダN BOXのセンターピラー トヨタにおけるホットスタンピングの適用 プリウス（2009年） 室外 レクサスIS 室内 超高強度スティフナー 通電加熱2013年11月 7日刊自動車新聞：トヨ タが通電加熱を使用 アイシン高丘：ドアビーム ルーフリーンフォースメント バンパーリーンフォースメント ダッシュロアクロスメンバー Aピラーリーン 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 ホットスタンピング成形品の生産量 Parts per year (in millions) 日本におけるホットスタンピング成形品 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 450 million per year (2013) 3 million per year (1987) 8 million per year (1997) 1987 1997 Ref: Hund 2011, Belanger 2011. 95 million per year (2007) 142 lines in 2011, around the world Year 2007 ’08 ’09 ’10 ’11 ’12 ’13 ホットスタンピング成形品の割合 26% 中国 (11) 2008 VW Passat 17% 0 北米 (51) 2012 Ford Focus 19% 6% ヨーロッパ(62) 限界 (Volvo) 45% 7% ホットスタンピングラインの数 日本 (10) 2011 Volvo S60 韓国 (4) 2002 Volvo XC90 10 合計：142 その他 (4) 2007 Fiat 500 20 30 車体部品の割合 /% 40 50 0 10 20 30 40 50 ラインの数 (2011月10月現在) 60 Ref: Belanger 2011 Ref: Holzkamp 2011, Hover 2011, Lucia 2011, Wästlund 2011. ホットスタンピングの長所 1. ホットスタンピング 2. 材料，酸化防止 成形荷重低下 3. 加熱 スプリングバックなし 4. プレス成形 成形性増加 5. ダイクエンチ 1.5GPa級成形品 現行熱間プレス成形の問題点 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 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 強大な加熱炉 長い加熱時間 下死点保持 レーザー 加工 高価な板材 酸化防止材 自動車の 骨格部材 C Si Mn P B 0.21 0.25 1.2 0.015 0.0014 硬さ: 254 HV 900 ºC，急冷: マルテンサイト変態，500HV 900 ºC ，空冷：焼なまし，165HV 10 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 70 酸化防止 1. ホットスタンピング 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 2. 材料，酸化防止 3. 加熱 4. プレス成形 5. ダイクエンチ 酸化防止なし 現行熱間プレス成形の問題点 加熱炉 Double-decker 炉 Furnace 高額な設備 低い生産性 狭い適用範囲 回転炉 Multi-chamber炉 油圧プレス １段成形 下死点保持 強大な加熱炉 長い加熱時間 レーザー 加工 高価な板材 酸化防止材 自動車の 骨格部材 実生産 開発中 (AP&T) Lbatch 開発中 (Schuler) Ref: Bader et al 2011. 炉へ投入 板材 加熱 プレス成形 後加工 適用範囲 プレスへ 炉長 t heating t cycle Lbatch 330sec x1.6m 20sec 炉加熱 大型 非表面処 理材: 49 s 表面処理 材: 72 s 加熱 (b) 遠赤外線加熱 温度低下 酸化 搬送 通電加熱 (c) 高周波誘導加熱 Ref: Eriksson 2010. 通電型内加熱を用いた温・熱間プレス成形 加熱炉 (a) 炉加熱 26.4m 加熱，成形 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 通電加熱の映像 (ＳＰＦＣ980) 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 電極 サーボプレス 通電電源 サーボプレス 980 ºCにおける通電加熱ハット曲げ成形 通電加熱ハット曲げ成形装置 実験条件 通電電圧：10V 板サイズ：130mm×20mm ポンチ 電極中心間距離：120mm 素板 板押え 絶縁体 電極 ダイ 通電 (0.2秒) プレス A 変圧器 3.5秒保持 ON OFF ～ 200V 60Hz 連続通電加熱ホットスタンピング 980 ºCにおける通電加熱ハット曲げ成形 (a) 高温炉加熱 成形品排出装置 板材投入部 成形型 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 板材搬送 通電加熱， 成形＋ダイクエンチ ホットスタンピング装置の実用化 材料取出し プレス機械メーカーとの共同開発：㈱アミノ アステアにおける通電加熱 ホットスタンピングの適用 矩形板材に応用が限定 電極 温度 /℃ 1000 950 900 850 長方形ブランク 800 750 700 局部昇温抑制通電加熱 650 台形ブランク 600 現行熱間プレス成形の問題点 1. 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 2. 材料，酸化防止 3. 加熱 油圧プレス １段成形 4. プレス成形 5. ダイクエンチ 強大な加熱炉 長い加熱時間 高価な板材 酸化防止材 板材 加熱 プレス成形 レーザー 加工 自動車の 骨格部材 後加工 適用範囲 負荷時 除荷時 高液圧 (a) 直接 ラム プレス荷重 油圧式と機械式プレス 直接と間接ホットスタンピング (b) 間接 プレス荷重 シリンダｰ クランク ラム 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 0° 180° 90° クランク角度 型 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 ホットスタンピングにおける成形速度の影響 (a) 冷間 / ºC 900 (a) 149 mm/s (b) 熱間，149 mm/s (c) 熱間，26mm/s (b) 26 mm/s 725 550 サーボプレスによる高速成形 メカニカルサーボプレス 375 200 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 破断 ブランク s L パンチ ダイス 20 15 成形 10 s 成形品深さ：s 成形品深さ s /mm パンチ突出し量：L 5 (a)成形開始 (b)成形初期 (c)成形後期 しわ残存 (d)成形完了 0 5 10 15 20 25 パンチ突出し量 L /mm 現行熱間プレス成形の問題点 1. 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 2. 材料，酸化防止 3. 加熱 油圧プレス １段成形 4. プレス成形 強大な加熱炉 長い加熱時間 5. ダイクエンチ 高価な板材 酸化防止材 板材 ユニプレスにおける板材の直接水冷 加熱 プレス成形 自動車の 骨格部材 後加工 適用範囲 ホンダにおけるサーボプレス利用 最適加熱 型内アシスト水冷 溶接可能な短時間加熱条件 精度を出せる急冷手法確立 (a) 間接水冷 レーザー 加工 型内トリム：レーザー加工レス 成形と同時に余肉切断と穴あけ (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 炉長1/2化 縦壁直接 水冷 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 4spm 成形前 成形完了 穴あけ・ 切断完了 水冷を用いたホットスタンピング パンチ スプリング 板押え パンチ スペーサ ブランク 水 ダイス 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 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 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 20μm せん断位置 100 300 200 100 水冷あり 容器底部430HV20 水冷なし 素板 トリミング部 x 容器底部 フランジ部226HV20 フランジ部 テーパー部 80 60 10 20 30 40 50 60 70 80 中心からの距離 x /mm 300 硬さ 40 200 20 100 0 0 400 せん断荷重 焼入れ防止あり なし 29 3s 1s th= 0s f 160 500 ビッカース硬さ /HV20 5s 400 せん断荷重 /kN ビッカース硬さ /HV20 500 板押え パンチ 0 ダイス 素板230HV20 強度分布を有する成形品の テーラードダイクエンチ 局部通電加熱法 ダイクエンチ：金型による 急冷で高強度化 高強度 バイパス法 分極法 銅バイパス 押え 銅電極 電流 電流 A-A’断面 加熱安定性 A A’ 装置構造 シートレール 強度分布を持つ成形品 通電加熱 板押え パンチ 搬送 （2s） 高 単純 全面加熱と局部加熱ハット曲げ成形品 板押え 試験片 電極押え 電極 成形 全面加熱（Q = 18kJ） ダイクエンチ (3.5s) 成形完了 低 複雑 加熱部分 ダイス シートレール A A’ 穴抜き 高強 度 A-A’断面 10ｍｍ 加熱部分 バイパス局部加熱（Q = 13kJ） ハット曲げ成形品の長手方向硬さ分布 600 硬さ /HV20 500 テーラードテンパリング 金型に溝を付ける 全面加熱 金型を加熱 x 400 300 バイパス 成形領域 素板 200 120mm 100 l = 40mm 0 20 40 中心からの距離x /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 60 全体を加熱して一 部だけを再加熱
© Copyright 2024 Paperzz
