JP2018103261A - 部品アセンブリ製造用ホットスタンピングシステム - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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１８００ｍ^２から３００ｍ^２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。

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。

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。

製造作業を段階ごとに示した製造工程のフローチャート。 スタンピングに関する設備を示す製造ユニット。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (7)

1. 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）によりホットフォーミングすることができ；
   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。
2. 前記設備部位（２）および（３）が、製造される部品の仕様および形状に従って定められた、それぞれの部品タイプのための個別のスタンピング成形に一対一で対応した製造ユニット（４）を有す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。
3. 前記製造ユニット（４）の各々は、
   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。
4. 前記製造ユニット（４）の各々は、
   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。
5. 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；
   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。
6. ジュール加熱装置（１０）がプレス機（１２）の隣に配置され、
   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。
7. ジュール加熱装置（１０）はジュール効果によって鋼板を加熱し、
   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。

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