JP2018103261A - Hot stamping system for parts assembly manufacturing - Google Patents
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Abstract
【課題】専有面積とエネルギー消費を低減した、自動車ボディ部品アセンブリ製造用のホットスタンピングシステムを提供する【解決手段】自動車のボディを構成する部品を、単一の製造ユニット(1)によりホットフォーミングすることができる部品アセンブリ製造用のホットスタンピングシステムを提供する。当該システムは、固定部の部品を生産するための設備部位(2)と、可動部の部品を生産するための設備部位(3)と、を備える。各設備部位(2)および(3)は、それぞれ、あらかじめ必要な寸法に切断された素材(5)の供給を受ける製造ユニット(4)を有する。各製造ユニット(4)は、素材供給ラックと、二つのハンドリングロボットと、ジュール加熱装置およびプレス機から構成されるスタンピングユニットと、から構成される。【選択図】図1The invention provides a hot stamping system for manufacturing an automobile body part assembly with reduced exclusive area and energy consumption. Hot forming a part constituting an automobile body by a single manufacturing unit A hot stamping system for manufacturing component assemblies is provided. The system includes an equipment part (2) for producing a fixed part part and an equipment part (3) for producing a movable part part. Each equipment part (2) and (3) has a manufacturing unit (4) which receives supply of the raw material (5) cut | disconnected by the required dimension beforehand, respectively. Each manufacturing unit (4) includes a material supply rack, two handling robots, and a stamping unit including a joule heating device and a press. [Selection] Figure 1
Description
本発明は製造業、特に自動車産業に関する。本発明は、ホワイトボディやクロージャとして知られる一組の自動車部品を製造することができる自動車部品のホットスタンピングシステムに関するものであり、単一の製造プラントにおいて自動車のボディを形成することで、コストと労力を低減することができる。 The present invention relates to the manufacturing industry, in particular the automotive industry. The present invention relates to a hot stamping system for automotive parts that can produce a set of automotive parts known as white bodies or closures, and by forming the body of the automobile in a single production plant, the cost and Labor can be reduced.
ホットフォーミング技術は、特に自動車産業において、形状が複雑であり、かつ、高い機械強度を有する、部品の製造に成功している。この技術は、高い熱変形温度に達することによる良好な成形性と、部品の冷却中に起こるオーステナイトの相転移と、の両方を利用している。この技術は、厚さの薄い鍛錬可能な鋼板を利用することから、車両重量の軽量化に寄与し、さらには自動車の燃費向上に寄与する。 Hot forming technology has been successful in producing parts that are complex in shape and have high mechanical strength, especially in the automotive industry. This technique utilizes both the good formability due to reaching high heat distortion temperatures and the austenite phase transition that occurs during component cooling. This technology uses a thin steel plate that can be trained, and thus contributes to reducing the weight of the vehicle and further improving the fuel consumption of the automobile.
解決すべき重要課題として、鋼の機械強度の向上により鋼のスタンピング加工性が損なわれるという事実がある。しかし、冶金術の過去40年にわたる発展は、先進の高強度鋼材(AHSS鋼)を生み出すに至った。AHSS鋼は、鋼板の機械強度と成形性を高い水準で両立するべく探求されているものである。とはいえ、性能向上のためのたゆみない探求は、これまでに達成された進歩は劇的ではあるが十分ではないことを示している。AHSS鋼のスタンピング成形性は確かに大きく向上しているが、実際の多くの状況において、なお不十分である。主な問題は、鋼材のなじみ性自体ではなく、スタンピング工程の後に生じる所謂スプリングバックである。スプリングバック現象は、AHSS鋼板において非常に顕著である。鋼板は、実際に成形されるが、フォーミングマトリックスを離れた直後より残留応力に起因する歪みを受ける。この歪みは、多かれ少なかれ部品の寸法精度に影響を及ぼす。 An important problem to be solved is the fact that the stamping workability of steel is impaired by the improvement of the mechanical strength of the steel. However, the development of metallurgy over the past 40 years has led to the creation of advanced high strength steel (AHSS steel). AHSS steel is being sought to achieve both high mechanical strength and formability of steel sheets. Nonetheless, the continual search for performance improvement shows that the progress achieved so far is dramatic but not sufficient. While the stamping formability of AHSS steel is certainly greatly improved, it is still insufficient in many practical situations. The main problem is not the conformability of the steel itself, but the so-called springback that occurs after the stamping process. The springback phenomenon is very remarkable in the AHSS steel sheet. Although the steel sheet is actually formed, the steel sheet is subjected to distortion due to residual stress immediately after leaving the forming matrix. This distortion more or less affects the dimensional accuracy of the part.
この問題に対する解決策は、材料の処理特性と用途特性を分離することである。つまり、鋼板をスタンピング成形する前に加熱しない理由はない。この方法は、温度が高い方がスリップ転位の結晶面が活性化されて結晶面が移動しやすくなる、という現象を利用する方法として、科学的に説明できるものである。 A solution to this problem is to separate the processing characteristics and application characteristics of the material. That is, there is no reason not to heat the steel plate before stamping. This method can be scientifically explained as a method utilizing the phenomenon that the crystal plane of slip dislocation is activated and the crystal plane is easily moved at a higher temperature.
ホットフォーミングの工程は比較的単純である。まず、ホウ素とマイクロアロイ化された低炭素鋼のコイルから素材が切断される。次に、素材が連続加熱炉(40〜60mの平均長を有する)に導入され、850〜950℃でオーステナイト化される。鋼材の表面は、当工程の高温下で生じる急速な酸化から保護される。この場合において、最も一般的な代替手段は鋼の表面をAlSi層でコーティングすることであるが、コーティングを行う替わりに炉内を保護雰囲気にする方法も場合によっては使用できる。 The hot forming process is relatively simple. First, the material is cut from a coil of boron and microalloyed low carbon steel. Next, the material is introduced into a continuous heating furnace (having an average length of 40-60 m) and austenitized at 850-950 ° C. The steel surface is protected from the rapid oxidation that occurs at the high temperatures of the process. In this case, the most common alternative is to coat the steel surface with an AlSi layer, but instead of coating, a method of creating a protective atmosphere inside the furnace can also be used.
4〜10分の予熱時間の後に、素材はスタンピングプレス機に送られる。スタンピングプレス機において素材は成形され、かつ、水冷マトリックス中で鋼板の鍛錬が即座に行われる。15〜25秒の冷却時間の後、鍛錬が完了し、部品上に生じたバリが取り除かれ、約150℃の温度でマトリックスから取り出される。その後、部品の冷却が空気との接触により行われ、鍛錬効果が得られる。 After a preheating time of 4-10 minutes, the blank is sent to a stamping press. In the stamping press machine, the material is formed and the steel sheet is immediately trained in a water-cooled matrix. After a cooling time of 15-25 seconds, the forging is complete, the burrs that have formed on the part are removed and removed from the matrix at a temperature of about 150 ° C. Thereafter, the parts are cooled by contact with air, and a training effect is obtained.
ホットスタンピング成形は正確には新規な工程ではなく、1973年にスウェーデンで開発されたのが始まりである。それはまさに、石油価格の急騰により自動車産業に最初の重大な課題が生じた年だった。しかし、ホットスタンピング成形の実生産への適用は、2000年代初頭に指数的に増加するまでは、限定的なものに留まった。現在、ホットスタンピング成形は、主に乗用車の侵入防止コンポーネントや構造的補強部材の生産に採用されている。これらの部品の、サイズが比較的大きいこと、形状が複雑であること、機械強度が高いこと、といった特徴により、冷間スタンピング成形されたAHSS鋼を使用することを困難にしている。 Hot stamping is not exactly a new process and was first developed in Sweden in 1973. That was exactly the year that the first serious challenge in the automotive industry was caused by soaring oil prices. However, the application of hot stamping to actual production remained limited until it increased exponentially in the early 2000s. Currently, hot stamping molding is mainly used in the production of passenger car intrusion prevention components and structural reinforcement members. These parts are relatively large in size, complex in shape, and high in mechanical strength, making it difficult to use cold stamped AHSS steel.
2004年の1年間に、欧州単独で6万トンから8万トンの鋼板がホットスタンピング成形に消費されたと見積もられている。リーマンショックに端を発する金融危機の直前である2008年において、翌年にホットスタンピング成形に消費される鋼板の量は欧州だけで30万トンに上ること、および、欧州において新たに20のホットスタンピング成形ラインが稼働すること、が予想された。 It is estimated that 60,000 to 80,000 tons of steel sheets were consumed for hot stamping in Europe alone during 2004. In 2008, just before the financial crisis that started with the Lehman shock, the amount of steel consumed for hot stamping in the following year will rise to 300,000 tons in Europe alone, and 20 new hot stamping in Europe. The line was expected to be operational.
また、ホットスタンピング成形は米国でも成功した。フォルクスワーゲン、ゼネラルモーターズ、シトロエン、フォード、スマートといったいくつかの自動車メーカーの様々な車種向けに、33種ものバンパーがホットスタンピング成形により米国内で製造された。原料鋼として、鋼種がSAE10B21やSAE15B21で、厚さが1.50〜3.50mmの素材が主に用いられた。典型的な硬化後特性の平均値は、降伏限界1,140MPa、破断強度1,520MPa、伸び12%、HV硬度479、であった。現在は、22Bn B5鋼が広く用いられている。 Hot stamping was also successful in the United States. As many as 33 bumpers were manufactured in the United States by hot stamping molding for various car models from several automakers such as Volkswagen, General Motors, Citroen, Ford and Smart. As the raw material steel, steel materials of SAE10B21 and SAE15B21 and a thickness of 1.50 to 3.50 mm were mainly used. The average values of typical post-curing properties were a yield limit of 1,140 MPa, a breaking strength of 1,520 MPa, an elongation of 12%, and an HV hardness of 479. Currently, 22Bn B5 steel is widely used.
ホットスタンピングにおいて、完成部品の機械特性を決定づける最も重要な段階は焼入れであり、通常は水冷マトリックス中で行われる。従って、使用される鋼材の化学組成は、最終的な部品の要求機械特性、ワークピースの厚さ、および、適切な鍛錬度合を確保するために必要な焼き入れ時のマトリックス中での冷却速度、により決定される。 In hot stamping, the most important step in determining the mechanical properties of the finished part is quenching, usually done in a water-cooled matrix. Therefore, the chemical composition of the steel used is determined by the required mechanical properties of the final part, the thickness of the workpiece, and the cooling rate in the matrix during quenching necessary to ensure an appropriate degree of training, Determined by.
ホットスタンピング鋼には、炭素含有量が約0.20%で、かつ、マンガン含有量が比較的高い組成が適している。AHSS鋼の冷間成形が限界に達したわけではないが、現在においてはホットスタンピングが、形状が複雑であり、かつ、高い機械強度が求められる部品を製造するための唯一の方法だと言える。鋼材のオーステナイト化を利用することで、加工時の機械的抵抗が低く、かつ、延性が高いために、成形工程が容易になる。それに加えて、さらなる冶金学的変性から生じる現象を利用して、部品を軽量化し、かつ、性能を向上することができる。 A composition having a carbon content of about 0.20% and a relatively high manganese content is suitable for hot stamping steel. Although cold forming of AHSS steel has not reached its limit, it can be said that hot stamping is currently the only method for producing parts that are complex in shape and require high mechanical strength. By utilizing the austenitization of the steel material, the mechanical resistance at the time of processing is low and the ductility is high, so the forming process becomes easy. In addition, the phenomenon resulting from further metallurgical modification can be used to reduce the weight of the part and improve performance.
しかし、大きな加熱炉(30〜60mの平均長を有する)の使用と、高い到達温度と、により、工程および設備が複雑なものになる。それは、多大な投資、部品を加熱するための高いエネルギー消費、および、加熱処理段階に長い時間を要することによる生産性の低下、を伴う。 However, the use of large heating furnaces (having an average length of 30-60 m) and the high temperature reached complicate the process and equipment. It involves significant investment, high energy consumption to heat the parts, and reduced productivity due to the long time required for the heat treatment stage.
本発明は、自動車産業で使用されるスタンピング部品の製造を向上するために、車体を構成する一連の部品(“ホワイトボディ”、“車のボディ”、“クロージャ”)を、単一の工場でスタンピングすることを可能にするホットスタンピングシステムを特徴とする。当該ホットスタンピングシステムは、ホットフォーミングプロセスおよび特定のジュール加熱システム(本願発明者により特許出願されている発明によるもの)を使用する製造システムであり、車体の軽量化、エネルギー効率の最適化、および、高強度鋼材の使用による車体の安全性の向上、を目的とする。 In order to improve the production of stamping parts used in the automotive industry, the present invention allows a series of parts ("white body", "car body", "closure") that make up the car body to be produced in a single factory. Features a hot stamping system that allows stamping. The hot stamping system is a manufacturing system that uses a hot forming process and a specific Joule heating system (according to the invention patented by the inventor of the present application) to reduce the weight of the vehicle body, optimize energy efficiency, and The purpose is to improve vehicle safety by using high strength steel.
当該システムは、従来のシステムにおける加熱炉を、加熱設備によって置換するものである。これにより、従来のシステムに比べて、システム全体の設置面積を1800m2から300m2に大きく減少することができる。その結果、コストのかかる加熱炉の維持を行わなくてよい。また、浸漬工程を行わずに、間欠的なスタンピング成形を行うことができるようになる。浸漬工程は、特に連続生産において高コスト要因である。それは、浸漬に高い温度を要し、そのために、炉内の雰囲気の加熱によるエネルギー消費が大きくなり、加熱炉の劣化が激しくなるためである。 This system replaces the heating furnace in the conventional system with heating equipment. Thereby, compared with the conventional system, the installation area of the whole system can be greatly reduced from 1800 m 2 to 300 m 2 . As a result, the costly heating furnace need not be maintained. In addition, intermittent stamping can be performed without performing the dipping process. The dipping process is a high cost factor, especially in continuous production. This is because a high temperature is required for the immersion, so that energy consumption due to heating of the atmosphere in the furnace increases and the deterioration of the heating furnace becomes severe.
当該システムにより、さらに、上述のプロセスにおいて溶融亜鉛めっきや電解亜鉛めっきによる金属コーティング(Zn、ZnFe、ZnNiなど)を有する鋼材の使用が可能になる。従来のプロセスでは、AlSi金属層コーティングを有する鋼が使用される。さらに、従来のプロセスによれば、部品に表面層が生じ、これによりマイクロクラックが発生する。本願のシステムで使用されるプロセスでは、これらのマイクロクラックの発生が最小化される。 The system further enables the use of a steel material having a metal coating (Zn, ZnFe, ZnNi, etc.) by hot dip galvanization or electrolytic galvanization in the process described above. Conventional processes use steel with an AlSi metal layer coating. Furthermore, according to the conventional process, a surface layer is formed on the component, thereby generating a microcrack. The process used in the present system minimizes the occurrence of these microcracks.
本特許の主題である一組の部品を製造するためのホットスタンピングシステムは、添付の図面を参照することによってより良く理解される。これらの図面は本明細書に含まれており、かつ、技術的な詳細の説明とともに参照番号を含む。これらの図面は、図面に掲載された寸法、特性、仕上げ仕様、に関して本発明に限定を加える意図のものではなく、また、実際の用途の範囲に限定を加える意図のものでもない。 The hot stamping system for manufacturing the set of parts that is the subject of this patent will be better understood with reference to the accompanying drawings. These drawings are included herein and include reference numerals along with a description of the technical details. These drawings are not intended to limit the present invention with respect to the dimensions, characteristics, and finish specifications listed therein, nor are they intended to limit the scope of actual applications.
これらの図および参照番号により本発明を説明する。本発明の目的は、自動車のボディを構成する固定部および可動部の部品(“ホワイトボディ”、“ボディカー”、“クロージャ”)の組を、単一の製造ユニット(1)によりスタンピング成形するホットフォーミングシステムに関するものである。当該システムは、設備部位(2)と設備部位(3)とを備える。設備部位(2)は固定部の部品を生産するためのものであり、設備部位(3)は可動部の部品を生産するためのものである。前記設備部位(2)および(3)は、それぞれ、アセンブリの製造に必要な数の製造ユニット(4)を有する。素材(5)は、あらかじめ必要な寸法に切断され、検査(6)を受けたのち、製造ユニット(4)に供給される。素材(5)は、各製造ユニット(4)で作製されるべき部品の形状および寸法に従ってスタンピングツール(マトリックス)への挿入に適した状態にされたのち、固定部の部品を生産する設備部位(2)と、可動部の部品を生産する設備部位(3)と、に分配(7)される。 The figures and reference numbers explain the invention. It is an object of the present invention to stamp a set of fixed and movable parts ("white body", "body car", "closure") constituting a vehicle body by a single manufacturing unit (1). It relates to a hot forming system. The system includes an equipment part (2) and an equipment part (3). The equipment part (2) is for producing parts of the fixed part, and the equipment part (3) is for producing parts of the movable part. The equipment parts (2) and (3) each have as many production units (4) as are necessary for the production of the assembly. The material (5) is cut into necessary dimensions in advance, and after being inspected (6), it is supplied to the manufacturing unit (4). The material (5) is made suitable for insertion into a stamping tool (matrix) in accordance with the shape and dimensions of the parts to be produced in each manufacturing unit (4), and then the equipment parts ( 2) and the equipment part (3) for producing the parts of the movable part.
設備部位(2)および(3)において、製造される部品の仕様ごとに一つずつの製造ユニット(4)がある。製造ユニット(4)は、素材供給ラック(8)と、二つのハンドリングロボット(9)および(11)と、ジュール加熱装置(10)およびプレス機(12)から構成されるスタンピングユニットと、を有する。プレス機(12)は、スタンピング成形される部品に応じたツール(マトリックス)を有する。第1ロボット(9)は、素材供給ラック(8)から素材を引出し、素材を加熱装置(10)の中に配置する。鋼板が加熱されたのち、第1ロボット(9)は、加熱後の部品を取り出し、プレス機(12)にツールを供給し、定められた形態および形状に加工がなされる。その後、第2ロボット(11)は、成形後の部品をプレス機(12)から取り出し、部品を格納ラック(13)に格納する。 In equipment parts (2) and (3), there is one production unit (4) for each specification of the parts to be produced. The production unit (4) includes a material supply rack (8), two handling robots (9) and (11), and a stamping unit including a Joule heating device (10) and a press machine (12). . The press machine (12) has a tool (matrix) corresponding to the part to be stamped. The first robot (9) draws the material from the material supply rack (8) and places the material in the heating device (10). After the steel plate is heated, the first robot (9) takes out the heated part, supplies the tool to the press machine (12), and is processed into a predetermined form and shape. Thereafter, the second robot (11) takes out the molded part from the press machine (12) and stores the part in the storage rack (13).
高温および低温の部品の移動は、いずれも、専用のロボットアームと、当用途のために特別に設計された専用の搬送システムと、により行われる。高温の部品の移動の場合、これらの搬送具は、鋼材の温度と放射に適応し、損傷することのない材料が選択される。 Both hot and cold parts are moved by a dedicated robot arm and a dedicated transport system specially designed for this application. In the case of moving hot parts, these transporters are selected from materials that adapt to the temperature and radiation of the steel and are not damaged.
加熱装置(10)において、その加熱は通電加熱(ジュール効果による加熱)により行われ、その昇温速度は400℃/秒に達する。前記加熱装置(10)をプレス機(12)に近接して配置することで、その専有面積を、加熱を受ける部品の大きさより僅かに大きい面積のみに抑えることができる。これにより、それぞれの製造ユニット(4)の設置スペースを、より有効に活用できる。 In the heating device (10), the heating is performed by energization heating (heating by the Joule effect), and the rate of temperature rise reaches 400 ° C./second. By arranging the heating device (10) close to the press machine (12), the exclusive area can be limited to an area slightly larger than the size of the component to be heated. Thereby, the installation space of each manufacturing unit (4) can be utilized more effectively.
本発明は、例えば自動車部品の製造に利用することができる。 The present invention can be used, for example, for manufacturing automobile parts.
1 製造ユニット
2 設備部位
3 設備部位
4 製造ユニット
5 素材
6 検査
7 分配
8 素材供給ラック
9 第1ロボット
10 ジュール加熱装置
11 第2ロボット
12 プレス機
13 格納ラック
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (7)
固定部の部品を生産するための設備部位(2)と、可動部の部品を生産するための設備部位(3)と、を備え;
前記設備部位(2)および(3)は、それぞれ、あらかじめ必要な寸法に切断された素材(5)の供給を受ける製造ユニット(4)を、アセンブリの製造に必要な数量有し;
前記素材(5)は、検査(6)を受けたのち、各製造ユニット(4)で作製されるべき部品の形状および寸法に従ってスタンピングツール(マトリックス)への挿入に適した状態にされたのち、前記設備部位(2)と、前記設備部位(3)と、に分配(7)される;
ことを特徴とする部品アセンブリ製造用のホットスタンピングシステム。 A set of fixed and movable parts ("white body", "body car", "closure") that make up the body of an automobile can be hot-formed by a single manufacturing unit (1);
An equipment part (2) for producing parts of the fixed part and an equipment part (3) for producing parts of the movable part;
Each of the equipment parts (2) and (3) has a production unit (4) that receives supply of a material (5) that has been cut in advance to a necessary size, and has a quantity necessary for production of the assembly;
The material (5), after undergoing inspection (6), is made suitable for insertion into a stamping tool (matrix) according to the shape and dimensions of the parts to be produced in each production unit (4), Distributed (7) to the equipment part (2) and the equipment part (3);
A hot stamping system for manufacturing a part assembly.
素材供給ラック(8)、
第1ロボット(9)、
第2ロボット(11)、および、
ジュール加熱装置(10)と、スタンピング成形される部品に応じたツール(マトリックス)を有するプレス機(12)と、を有するスタンピングユニット、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の部品アセンブリ製造用のホットスタンピングシステム。 Each of the production units (4)
Material supply rack (8),
First robot (9),
A second robot (11), and
A stamping unit having a joule heating device (10), and a press machine (12) having a tool (matrix) corresponding to the part to be stamped,
The hot stamping system for manufacturing a component assembly according to claim 1, comprising:
第1ロボット(9)が、
素材供給ラック(8)から前記素材(5)を引出し、
前記素材(5)をジュール加熱装置(10)の中に配置し、
鋼板が加熱されたのち加熱後の部品を取り出し、
成形および冷却のためのプレス機にツールを供給するとともに;
第2ロボット(11)が、
部品が成形されたのち成形後の部品をプレス機(12)から取り出し、
部品を格納ラック(13)に格納する;
ことを特徴とする請求項1または3に記載の部品アセンブリ製造用のホットスタンピングシステム。 Each of the production units (4)
The first robot (9)
Pull out the material (5) from the material supply rack (8),
Placing the material (5) in a Joule heating device (10);
After the steel plate is heated, take out the heated parts,
Supplying tools to the press for forming and cooling;
The second robot (11)
After the parts are molded, the molded parts are removed from the press machine (12),
Storing the parts in the storage rack (13);
The hot stamping system for manufacturing a part assembly according to claim 1 or 3.
高温の部品の移動の場合、前記ロボットアーム、および、前記搬送システムは、鋼材の温度と放射に適応し、損傷することのない材料が選択される;
ことを特徴とする請求項1または4に記載の部品アセンブリ製造用のホットスタンピングシステム。 The movement of hot and cold parts is both carried out by a dedicated robot arm and a dedicated transport system specially designed for this application;
In the case of moving hot parts, the robot arm and the transfer system will be selected for materials that will adapt to the temperature and radiation of the steel and will not be damaged;
The hot stamping system for manufacturing a part assembly according to claim 1 or 4.
前記プレス機(12)の専有面積は加熱を受ける被加工物よりもわずかに大きな面積である、
ことを特徴とする請求項1に記載の部品アセンブリ製造用のホットスタンピングシステム。 Joule heating device (10) is placed next to the press (12),
The exclusive area of the press machine (12) is slightly larger than the workpiece to be heated,
The hot stamping system for manufacturing a part assembly according to claim 1.
前記ジュール効果による昇温速度は400℃/秒以上である、
ことを特徴とする請求項1または6に記載の部品アセンブリ製造用のホットスタンピングシステム。 The Joule heating device (10) heats the steel sheet by the Joule effect,
The heating rate due to the Joule effect is 400 ° C./second or more,
The hot stamping system for manufacturing a part assembly according to claim 1 or 6.
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