CN111655391B - 模压成型方法、刚性提高位置确定方法、模压成型系统及模压成型品 - Google Patents
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Abstract
本发明目的在于，提供能够高效地抑制回弹且能够简便地确定由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置的模压成型方法，由板状材料模压成型出规定形状的成型品时使用的模压成型方法包括下述工序：改变进行约束的位置而反复进行使用实施了下述处理的解析模型进行的回弹解析，确定由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置的第1工序，该处理中，在对具有上述规定形状的成型品模型的特定位置的伸缩变形进行约束的同时允许旋转，由此假想地使刚性提高；对上述板状材料的与上述成型品模型的在上述第1工序中确定的位置对应的位置实施刚性提高措施的第2工序；由实施了上述刚性提高措施的上述板状材料模压成型出所述模压成型品的第3工序。
Description
技术领域
本发明涉及减小在包含多个模压成型工序的板状材料的模压成型中发生的回弹、提高模压成型品的尺寸精度的模压成型方法、板状材料的刚性提高位置确定方法、模压成型系统及使用该模压成型方法而成型的模压成型品。
背景技术
近年来，为了实现以燃料效率提高为目的的汽车车身的轻量化，高强度钢板的应用拓展正在发展。通过应用高强度钢板，能够在不使板厚增大的情况下提高汽车车身的强度、刚性、碰撞时的吸收能。
但是，在车身部件的加工时通常频繁使用的模压成型中，被称为回弹(springback)的形状冻结不良成为问题。回弹在将由作为板状材料的钢板模压成型出的模压成型品从模具脱模时发生，随着钢板的材料强度的提高而变大。回弹不仅损害外观品质，且成为组装时焊接不良的原因，因此对于高强度钢板的应用拓展而言，回弹应对措施是必不可少的。
对于回弹的原因而言，因残余应力的不均匀而产生的弯矩在模压成型品的脱模时被释放而引起弹性恢复。因此，以往作为回弹应对措施，提出了使残余应力的不均匀缓和的方法等。
在专利文献1中提出了下述技术：成型出在拉伸凸缘部配置有压花部并在收缩凸缘部配置有额外筋条的中间品，在最终成型品的成型中，通过将压花部压溃而对拉伸凸缘部赋予压缩应力，通过额外筋条对收缩凸缘部赋予拉伸应力，从而使模压成型品的残余应力分布变得均匀。
在专利文献2中提出了下述技术：进行基于有限元法的模压成型解析，求出将模压成型品的形状分割为多个区域而成的各区域中的脱模前的残余应力，将基于将该残余应力消除后的数据的回弹解析和基于将残余应力消除前的数据的回弹解析的结果进行比较，计算各区域中的残余应力对回弹的贡献度，关于贡献度高的区域，在与成型模具的冲头底部对应的部分设置凹凸部，在模压成型中途的下死点附近使凸缘部的材料流入冲头侧，通过材料向该凹凸部的移动，产生对抗朝向凸缘部的长尺寸方向外侧的拉伸应力的压缩应力，从而缓和凸缘部的拉伸应力。
在专利文献3中提出了下述技术：将模压成型品的形状分割为多个区域，从中选择任意区域，变更该选择区域的X、Y、Z方向上的任意方向的杨氏模量，进行该杨氏模量变更后的模压成型品的回弹解析，获取杨氏模量变更前的模压成型品的回弹量与杨氏模量变更后的模压成型品的回弹量之差，通过针对每个选择区域且针对每个指定方向进行上述处理，从而确定对回弹应对措施有效的应力区域和应力方向。
在专利文献4中提出了下述技术：针对模压成型品的解析模型进行拓扑优化解析等形状优化解析，检测对于刚性贡献高的位置，在坯件的相应位置实施嵌合或重叠板厚大的材料、高刚性材料或重叠相同的材料等刚性提高措施，从而高效地抑制回弹。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5380890号公报
专利文献2：日本专利第5794025号公报
专利文献3：日本专利第6060591号公报
专利文献4：日本专利第6064447号公报
发明内容
发明要解决的课题
作为使残余应力变得均匀的方法，在专利文献1中提出了在拉伸凸缘部形成压花部并在收缩凸缘部形成额外筋条的方法，但在复杂形状的成型品中，对赋予对策形状的位置进行确定并不容易。
另外，作为缓和残余应力的方法，在专利文献2中提出了赋予凹凸形状的方法，在专利文献3中提出了通过变更特定方向的杨氏模量来确定针对回弹有效的应力区域和方向的方法，但在低刚性部件中，即使是在低残余应力的情况下也会发生回弹，因此存在即使减小所确定的位置的残余应力也因其他位置的残余应力而残存回弹的情况，另外，还存在因对所确定的位置赋予形状而产生的新的应力从而发生回弹的情况，因此上述方法作为回弹应对措施并不充分。
专利文献4的刚性贡献位置的检测方法使用拓扑解析等形状优化解析，通过在设计初始阶段引入而能够实现自由度高的设计，但形状优化解析不仅需要高深的知识，而且还存在求出实用上不可行的形状、非常复杂的形状的情况，存在未必会简便地得到最优的成型品形状的缺陷。
即，将现有技术的有待解决的课题如下列出。
(1)针对刚性低的形状的部件也有效的回弹应对措施。
(2)无论部件形状如何，均能够确定由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置。
(3)能够简便地确定采取上述(2)中所示的刚性提高措施的位置。
本发明是鉴于上述课题而提出的，目的在于提供确定针对由刚性提高带来的回弹抑制有效的位置并模压成型出模压成型后的回弹量小且形状冻结性优异的模压成型品。
用于解决课题的手段
有利地解决上述课题的本发明的模压成型方法的特征在于，其为在由板状材料模压成型出规定形状的模压成型品时使用的模压成型方法，其包括下述工序：
第1工序，改变进行约束的位置而反复进行使用实施了下述处理的解析模型进行的回弹解析，确定由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置，上述处理中，在对具有上述规定形状的成型品模型的特定位置的伸缩变形进行约束的同时允许旋转，由此假想地使刚性提高；
第2工序，对上述板状材料的与上述成型品模型的在上述第1工序中确定的位置对应的位置实施刚性提高措施；和
第3工序，由实施了上述刚性提高措施的上述板状材料模压成型出上述模压成型品。
另外，有利地解决上述课题的本发明的刚性提高位置确定方法为对模压成型出规定形状的模压成型品时使用的板状材料的由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置进行确定的方法，上述刚性提高位置确定方法的特征在于，
使用实施了下述处理的解析模型，改变进行约束的位置而反复进行回弹解析，求出成型品模型的由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置，上述处理中，在对具有上述规定形状的成型品模型的特定位置的伸缩变形进行约束的同时允许旋转，由此假想地使刚性提高，
利用与上述成型品模型的上述由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置的对应，确定上述板状材料的由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置。
另外，有利地解决上述课题的本发明的模压成型系统的特征在于，在由板状材料模压成型出规定形状的模压成型品时使用的模压成型系统中，具备：
刚性提高位置确定装置，其改变进行约束的位置而反复进行使用实施了下述处理的解析模型进行的回弹解析，求出成型品模型的由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置，利用与上述成型品模型的由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置的对应关系，确定上述板状材料的由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置，上述处理中，在对具有上述规定形状的成型品模型的特定位置的伸缩变形进行约束的同时允许旋转，由此假想地使刚性提高；和
模压成型装置，其由对由上述刚性提高位置确定装置确定的由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置实施了刚性提高措施的上述板状材料模压成型出上述模压成型品。
此外，有利地解决上述课题的本发明的模压成型品的特征在于，其是使用本发明的模压成型方法进行模压成型而成的。
发明效果
在本发明的模压成型方法中，为了评价使模压成型品的刚性提高的情况下的回弹减小效果，对具有模压成型品的形状的成型品模型局部实施刚性化处理并进行回弹解析。所谓本发明中的刚性化处理，是指下述方法：通过对成型下死点的模压成型品赋予在约束伸缩变形的同时允许旋转的变形条件来假想地提高刚性。
根据本发明的模压成型方法，对实施上述刚性化处理的位置进行多种改变并进行回弹解析，从而确定成型品模型中由刚性提高带来的回弹抑制效果高的位置，对板状材料的与成型品模型的所确定的上述刚性提高位置对应的位置实施刚性提高措施，从而板状材料能够被高效地抑制回弹，由于由该板状材料模压成型出模压成型品，因此能够高效地抑制模压成型品的回弹。
而且，根据本发明的模压成型方法，在对最优的刚性提高位置进行确定的方面，无需进行拓扑解析这样的需要高深的知识、技能的优化解析，仅改变实施刚性化处理的位置并反复进行回弹解析即可，因此能够简便地确定由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置。
需要说明的是，在本发明的模压成型方法中，也可以是，在上述第1工序中在改变进行约束的位置而反复进行上述回弹解析时，
首先进行下述处理：对上述成型品模型的整体进行分割以设定多个初次分割位置，将这些初次分割位置依次作为上述进行约束的位置来进行上述回弹解析，在这些初次分割位置中确定由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置，
然后，将下述处理进行一次或反复进行：对前次确定的由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置进行分割以设定多个细分割位置，将这些细分割位置依次作为上述进行约束的位置来进行上述回弹解析，在这些细分割位置中，进一步缩窄并确定由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置。
由此，能够高效且高精度地确定由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置。
另外，根据本发明的刚性提高位置确定方法，在对模压成型出规定形状的模压成型品时使用的板状材料的由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置进行确定时，使用实施了处理(其为在对具有上述规定形状的成型品模型的特定位置的伸缩变形进行约束的同时允许旋转，由此假想地使刚性提高的处理)的解析模型，改变进行约束的位置而反复进行回弹解析，求出成型品模型的由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置，利用与上述成型品模型的由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置的对应关系，确定上述板状材料的由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置，因此能够简便地确定由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置。
另一方面，在本发明的模压成型系统中，刚性提高位置确定装置改变进行约束的位置而反复进行使用实施了处理(其为通过仅对具有上述规定形状的成型品模型的特定位置的伸缩变形进行约束，由此假想地使刚性提高的处理)的解析模型进行的回弹解析，求出成型品模型的由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置，利用与上述成型品模型的由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置的对应关系，确定上述板状材料的由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置，
模压成型装置即模压模具由对由上述刚性提高位置确定装置确定的由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置实施了刚性提高措施的上述板状材料模压成型出上述模压成型品。
因此，根据本发明的模压成型系统，能够高效地抑制模压成型品的回弹。
此外，根据本发明的模压成型品，由于其是使用本发明的模压成型方法模压成型而成的，因此能够高效地抑制回弹。
附图说明
图1是以流程图示出本发明一实施方式的模压成型系统所实施的本发明一实施方式的模压成型方法及其中的本发明一实施方式的刚性提高位置确定方法的实施步骤的工序图。
图2是示意性示出上述实施方式的模压成型系统所实施的上述实施方式的模压成型方法中的模压成型品及具有该模压成型品的形状的成型品模型的一例的立体图。
图3是示出将上述例子的成型品模型大致分割为三个区域的分割例的说明图。
图4是示出将上述例子的成型品模型的三个区域中被判定为由刚性提高带来的回弹减小效果大的中央的区域进一步细分割为9个的分割例的说明图。
具体实施方式
作为本发明一实施方式的模压成型方法，首先，基于模压成型品的材料、形状等信息来判断通过模压成型将由板状材料形成的坯件成型为规定形状的模压成型品时能否应用本实施方式的模压成型方法。在判断为能够应用本实施方式的模压成型方法的情况下，确定成型品模型的由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置(第1工序)，针对坯件的与该成型品模型的在第1工序中确定的位置对应的位置实施提高刚性的措施(第2工序)，针对该坯件进行模压成型。
能够应用本实施方式的模压成型方法的模压成型品的板状材料优选材料强度为拉伸强度440MPa以上的钢板，进一步理想地优选为拉伸强度780MPa以上的钢板。这是由于使用其他模压成型方法难以进行模压成型。另外，就能够应用本实施方式的模压成型方法的模压成型品的形状而言，模压成型后的短尺寸方向(图4中的X轴方向)的长度为板厚的300倍以上、且为模压成型品的高度的10倍以上，例如钢板制的汽车车身部件大多具有上述模压成型品的形状。需要说明的是，对于能否应用与模压成型品的形状相关的本实施方式的模压成型方法的判断而言，也可以根据模压成型品的截面形状计算截面二阶矩，将其作为阈值使用。
以下，使用图1所示的流程图及图2所示的模压成型品例，说明本实施方式的模压成型系统及本实施方式的模压成型方法以及本实施方式的刚性提高位置确定方法。图1是以流程图示出本发明一实施方式的模压成型系统所实施的本发明一实施方式的模压成型方法及其中的本发明一实施方式的刚性提高位置确定方法的实施步骤的工序图，图2是从斜上方观察并示意性示出上述实施方式的模压成型系统所实施的上述实施方式的模压成型方法中的模压成型品及具有该模压成型品的形状的成型品模型的一例的立体图。
如图1的流程图所示，本实施方式的模压成型方法包括从模压成型解析工序S1到模压成型工序S4的全部4个工序，在最初的模压成型解析工序S1中，首先，基于模压模具形状、坯件形状及坯件材质等创建例如图2所示的模压成型品M的成型品模型(方便起见，使用与模压成型品相同的附图标记M)，使用该成型品模型M，通过由通常的计算机进行的使用有限元法的数值计算，对模压成型进行仿真(模拟)，获得模压模具的成型下死点处的模压成型品M的成型形状及该成型形状的各部分的残余应力。
接下来的刚性提高位置确定工序S2包括上述通常的计算机所执行的刚性化处理工序S2-1及回弹解析工序S2-2，在刚性化处理工序S2-1中，将上述成型下死点处的模压成型品M分割为多个区域，针对各区域进行在约束伸缩变形的同时允许旋转的刚性化处理，创建解析模型。然后，在回弹解析工序S2-2中，进行模压模具的成型下死点处的解析模型的各部分的残余应力被释放后的最终形状的解析。
即，在刚性提高位置确定工序S2中，在刚性化处理工序S2-1及回弹解析工序S2-2中，实施上述实施方式的刚性提高位置确定方法，将未进行刚性化处理的情况下的回弹量与在各区域中进行了刚性化处理的情况下的回弹量进行比较，评价由刚性提高带来的回弹减小效果。在该评价时，作为回弹量，如后所述，分别对解析模型的端部的“下陷”或“上浮”及“扭转”进行比较。此时，通过一边逐渐缩窄模压成型品M的分割区域一边反复进行回弹解析，从而能够确定刚性提高效果大的位置。
例如，图3为从斜上方观察成型品模型M并示出将上述例子的成型品模型M的整体大致分割为三个区域的初次分割例的说明图，如图3所示，将模压模具的成型下死点处的成型品模型M的整体在其长尺寸方向上分割为三部分，设定三个初次分割区域(初次分割位置)R11、R12、R13。然后，针对成型品模型M的R11～R13的各初次分割区域进行约束伸缩变形而不约束旋转的刚性化处理，分别创建解析模型并进行回弹解析。
图4是从斜上方观察成型品模型M并示出将上述例子的成型品模型M的三个初次分割区域R11、R12、R13中的被判定为由刚性提高带来的回弹减小效果大的中央的初次分割区域R12进一步细分割为9个的细分割例的说明图，如图4的坐标系所示，将成型品模型M的短尺寸方向设为X方向、将长尺寸方向设为Y方向、将高度方向设为Z方向，并且，将Y方向正侧设为纸面右方向、将负侧设为纸面左方向，将Z方向正侧设为纸面近前方向、将负侧设为纸面里侧方向。“下陷”是因回弹而向Z方向负侧位移的现象，“上浮”是因回弹而向Z方向正侧位移的现象，“扭转”是因Z方向位移量根据部位而不同，从而成型品模型M扭转的现象。
在刚性提高位置确定工序S2中，针对在任何初次分割区域中均未进行刚性化处理的情况下的成型品模型M的回弹量与对R11～R13各初次分割区域进行了刚性化处理的情况下的成型品模型M的回弹量，分别就下陷量或上浮量及扭转角进行比较，若例如初次分割区域R12的回弹减小效果最大，则如图4所示，将初次分割区域R12进一步进行细分割以设定9个细分割区域(细分割位置)R21～R29，针对各细分割区域与初次分割区域同样地进行刚性化处理，分别创建解析模型并进行回弹解析，就作为回弹量的下陷量或上浮量及扭转角分别进行比较。在初次分割及回弹解析后进行一次或反复进行两次以上的上述细分割及回弹解析的过程，进一步缩窄由刚性提高带来的回弹减小效果大的区域(位置)，从而能够高效且高精度地确定由刚性提高带来的回弹减小效果最大的位置。
在刚性提高措施工序S3中，对实际坯件的与在刚性提高位置确定工序S2中确定的成型品模型M的由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置对应的位置局部地实施刚性提高措施。作为局部提高坯件的刚性的措施方法，能够根据模压成型品的形状、模具结构等，从增大坯件的相应位置的板厚的方法、在坯件的相应位置粘贴与该坯件相同的材料或刚性更高的材料的方法、将坯件的相应位置的材料替换为高刚性的其他材料的方法、对相应位置赋予凹凸形状的方法等中适当选择而应用。
然后，在模压成型工序S4中，使用在至前工序为止所确定的模压模具及实施了刚性提高措施的坯件，进行模压成型品M的模压成型。
因此，上述模压成型解析工序S1及刚性提高位置确定工序S2对应于本发明的模压成型方法中的第1工序，上述刚性提高措施工序S3及上述模压成型工序S4分别对应于本发明的模压成型方法中的第2工序及第3工序。另外，基于预先提供的程序执行上述模压成型解析工序S1及刚性提高位置确定工序S2的上述计算机相当于本发明的模压成型系统中的刚性提高位置确定装置，在上述模压成型工序S4中进行模压成型品M的模压成型的上述模压模具相当于本发明的模压成型系统中的模压成型装置。此外，上述刚性提高位置确定工序S2实施上述实施方式的刚性提高位置确定方法。
(实施例)
以下说明本实施方式的实施例。作为低刚性的车身部件的回弹应对措施，该实施例的模压成型方法应用于作为车身部件的前柱下部内构件材料的模压成型。应用明细及机械特性值如下。
·应用明细：980MPa级高张力钢板/板厚0.9mm/前柱下部内构件
·机械特性值：YP：620MPa，TS：1030MPa，El：15％
将上述应用明细的模压成型品M的形状示于图2。如上述实施方式中所说明的那样，首先实施模压成型解析，获得模压模具的下死点处的车身部件的部件形状及应力状态。然后，如图3所示，为了确定由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置即刚性有效位置，将模压成型品M的形状分割为三部分，关于针对彼此不同的初次分割区域实施了刚性化处理的三个解析模型分别进行回弹解析。
经上述回弹解析，由于部件中央部的初次分割区域(位置)R12的效果最大，因此在该实施例中，如图4所示，将初次分割区域(位置)R12进一步细分割为9个，关于针对彼此不同的细分割区域实施了刚性化处理的9个解析模型分别进行回弹解析，其结果，细分割区域(位置)R23的效果最大，因此将之前确定为刚性有效位置的初次分割区域(位置)R12进一步缩窄而成的细分割区域(位置)R23确定(更新)为刚性有效位置。
在上述实施例中，作为回弹发生了下陷和扭转。以下的表1示出上述实施例中的刚性化位置和回弹量(下陷量、扭转角)的解析结果。需要说明的是，在表1中示出刚性化位置R0未进行刚性化处置的情况。另外，粗体字示出图3的解析模型和图4的细分割解析模型各自的、刚性化处理的效果最大的区域(位置)。
[表1]
对通过该实施例确定的坯件的位置R23实施刚性化处理，然后使用该坯件对上述应用明细的模压成型品M实际进行模压成型，从而能够模压成型出模压成型后的回弹量小且形状冻结性优异的模压成型品。
以上基于图示例进行了说明，但本发明的模压成型方法、刚性提高位置确定方法、模压成型系统及模压成型品不限定于上述例子，能够在权利要求书的记载范围内适当变更，例如，模压成型品的形状也可以是图2所示的形状以外的形状，另外，成型品模型的分割方式也可以是图3、4所示的方式以外的方式。
产业上的可利用性
如上所述，根据本发明的模压成型方法、模压成型系统及模压成型品，能够高效地抑制回弹且能够简便地确定由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置。
另外，根据本发明的刚性提高位置确定方法，能够简便地确定由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置。
附图标记说明
M 模压成型品(成型品模型)
R11～R13 初次分割区域
R21～29 细分割区域
S1 模压成型解析工序
S2 刚性提高位置确定工序
S2-1 刚性化处理工序
S2-2 回弹解析工序
S3 刚性提高措施工序
S4 模压成型工序
Claims (4)
1.模压成型方法，其特征在于，在由板状材料模压成型出规定形状的模压成型品时使用的模压成型方法中，包括下述工序：
第1工序，改变进行约束的位置而反复进行使用实施了下述处理的解析模型进行的回弹解析，确定由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置，所述处理中，在对具有所述规定形状的成型品模型的特定位置的伸缩变形进行约束的同时允许旋转，由此假想地使刚性提高；
第2工序，对所述板状材料的与所述成型品模型的在所述第1工序中确定的位置对应的位置实施刚性提高措施；和
第3工序，由实施了所述刚性提高措施的所述板状材料模压成型出所述模压成型品。
2.根据权利要求1所述的模压成型方法，其特征在于，
在所述第1工序中，在改变进行约束的位置而反复进行所述回弹解析时，
首先进行下述处理：对所述成型品模型的整体进行分割以设定多个初次分割位置，将这些初次分割位置依次作为所述进行约束的位置来进行所述回弹解析，在这些初次分割位置中确定由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置，
然后，将下述处理进行一次或反复进行：对前次确定出的由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置进行分割以设定多个细分割位置，将这些细分割位置依次作为所述进行约束的位置来进行所述回弹解析，在这些细分割位置中，进一步缩窄并确定由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置。
3.刚性提高位置确定方法，其为对模压成型出规定形状的模压成型品时使用的板状材料的由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置进行确定的方法，所述刚性提高位置确定方法的特征在于，
使用实施了下述处理的解析模型，改变进行约束的位置而反复进行回弹解析，求出成型品模型的由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置，所述处理中，在对具有所述规定形状的成型品模型的特定位置的伸缩变形进行约束的同时允许旋转，由此假想地使刚性提高，
利用与所述成型品模型的所述由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置的对应，确定所述板状材料的由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置。
4.模压成型系统，其特征在于，在由板状材料模压成型出规定形状的模压成型品时使用的模压成型系统中，具备：
刚性提高位置确定装置，其改变进行约束的位置而反复进行使用实施了下述处理的解析模型进行的回弹解析，求出成型品模型的由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置，利用与所述成型品模型的由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置的对应关系，确定所述板状材料的由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置，所述处理中，在对具有所述规定形状的成型品模型的特定位置的伸缩变形进行约束的同时允许旋转，由此假想地使刚性提高；和
模压成型装置，其由对由所述刚性提高位置确定装置确定的由刚性提高带来的回弹减小效果大的位置实施了刚性提高措施的所述板状材料模压成型出所述模压成型品。
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