JP2003311338A - 成形シミュレーション法および同法に適用する見かけの摩擦係数決定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被加工材が成形金型の板押さえ部のビード部
を通過するのに要する引抜力の計算精度を向上させる見
かけの摩擦係数の決定方法およびこの方法により決定さ
れた見かけの摩擦係数を適用する成形シミュレーション
法を提供する。 【解決手段】 被加工板における接触面圧と摩擦係数と
の関係を予め実測により求め、成形金型のビード部の横
断面形状と同様の断面形状を有するビード部６が形成さ
れたビード金型５を想定し、このビード金型５に付加さ
れた押付力Ｐに対してそのビード部６を通過する被加工
板Ｗの各部に生じる接触面圧を算出し、算出された各部
の接触面圧に対して実測により求められた摩擦係数を適
用して前記ビード金型５のビード部６を通過するのに要
する被加工板Ｗの引抜力Ｆを算出し、前記引抜力Ｆを前
記押付力Ｐで除して見かけの摩擦係数を決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、自動車車体パネル
等のプレス成形において、被加工板の成形状態を予測計
算する成形シミュレーション法および同法に適用する見
かけの摩擦係数の決定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車車体パネルなどのプレス成
形部品の成形過程において、破断やしわの発生などの不
良現象の発生の有無を予測計算するとともに、成形不良
が生じないように前記予測計算結果を成形金型の製作に
反映させるため、主として有限要素法による３次元成形
シミュレーションが行われるようになってきた。

【０００３】一方、一般的に、材料流入量やダイキャビ
ティ内における被加工板に働く張力を制御するため、成
形金型の板押さえ部に、被加工板を波形状に変形させな
がら通過させるビード部が設けられる。プレス成形加工
の実プロセスにおいて、前記ビード部における被加工板
の流入制御は極めて重要であり、流入量を制限し過ぎる
と破断の原因に、また流入量が過剰になるとしわの原因
となる。また、成形品の形状によっても流入量を微妙に
制御することが要求される場合がある。これらの制御を
精度良く行うためには、成形シミュレーションにおい
て、ビード部における被加工板に作用する押付力に対す
る引抜力を正確に算出することが重要である。

【０００４】従来の成形シミュレーションでは、ビード
部通過時の板変形をそのまま計算すると計算時間が膨大
になるため、被加工板がビード部を通過する際の摩擦係
数を大きめの値（この大きめの値に設定した摩擦係数を
「見かけの摩擦係数」と呼ぶ。）を用いることとし、ビ
ード部を通過するのに要する引抜力を被加工板の押付力
に見かけの摩擦係数を掛けることによって簡易的に算出
している。すなわち、被加工板がビード部を通過するの
に要する引抜力は、ビード部と被加工板の接触に伴う摩
擦力と、ビード部の形状に沿って変形（曲げ曲げ戻し変
形）するのに要する力とによって構成されるが、後者の
変形力の計算には多大な時間を要するため、変形に要す
る力を見かけの摩擦係数に含めて計算することとしてい
る。この見かけの摩擦係数は、物性値の異なる被加工板
ごとに推定されたり、簡便な試験によって実測されたり
するが、通常、成形シミュレーションの際には２乃至３
水準の少数の定数が使用される。

【０００５】一方、特開平１０−１４６６９７号公報に
は、シミュレーションに先立って加工実験を行い、この
加工実験から製品の板厚分布を測定しておき、金型と材
料との摩擦係数を０．３より小さい範囲で金型の部位ご
とに連続的に変化させて第１回目のシミュレーションを
行い、実験による板厚の測定値とシミュレーションによ
る板厚の測定値との差が最小となる摩擦係数を求め、次
のシミュレーションにはこの摩擦係数を適用する成形シ
ミュレーション法が記載されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のように従来の手
法では、ビード部を通過する際の抵抗は、非常に曖昧な
ものとして扱われており、成形シミュレーションの予測
精度を劣化させる原因となっている。すなわち、成形シ
ミュレーションで使用される見かけの摩擦係数には、摩
擦係数に影響を与える接触面圧、被加工板の材質が考慮
されていないため、成形シミュレーションの結果と実プ
レス加工における不良発生状況とが大きく異なるように
なる。このため、シミュレーション結果を基にして行う
金型設計、金型の製作から実プレス試験の結果による型
調整などの工程・手間が増え、結果として成形金型の製
作コスト高を招来し、さらに得られた成形金型の成形精
度についてもばらつきが生じる。

【０００７】また、前記公報に記載の成形シミュレーシ
ョン法では、摩擦係数が接触面圧や降伏応力などの材料
（素板）の物性に依存して変化することが考慮されてお
らず、シミュレーションの前に予め行われる加工実験の
結果とシミュレーションの計算結果との誤差が最小とな
るように計算で用いる材料定数の合わせ込みを行ってい
るだけである。このため、この成形シミュレーション法
では、材料物性や成形金型の形状が異なる度に実際に製
作した成形金型を用いて加工実験を行わなければなら
ず、結局、成形金型の製作に成形シミュレーション結果
を反映させることができない。

【０００８】本発明はかかる問題に鑑みなされたもの
で、成形シミュレーションにおいて被加工材がビード部
を通過するのに要する引抜力を押付力から正確に計算す
ることができる、見かけの摩擦係数の決定方法を提供す
ることを目的とする。また、他の目的として、前記決定
方法によって決定された見かけの摩擦係数を用いること
によって、実際に成形金型を製作することなく、精度の
高い成形状態を予測することができる成形シミュレーシ
ョン法を提供する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の見かけの摩擦係
数決定方法は、被加工板のダイキャビティ内への流入を
制御するビード部が板押さえ部に形成された成形金型を
用いて前記板押さえ部に押付力が付加された状態で被加
工板をプレス成形する際の、前記被加工板の弾塑性変形
量を前記ビード部を通過する被加工板の引抜力に基づい
て計算する成形シミュレーション法における、前記引抜
力を前記押付力から算出する際に用いられる見かけの摩
擦係数の決定方法であって、前記被加工板における接触
面圧と摩擦係数との関係を予め実測により求め、前記成
形金型のビード部の、被加工板の成形時の流れ方向とプ
レス方向とを含む横断平面における断面形状と同様の断
面形状を有するビード部が形成されたビード金型を想定
し、このビード金型に付加された押付力に対してそのビ
ード部を通過する被加工板の各部に生じる接触面圧を算
出し、算出された各部の接触面圧に対して実測により求
められた摩擦係数を適用して前記ビード金型のビード部
を通過するのに要する被加工板の引抜力を算出し、前記
引抜力を前記押付力で除して見かけの摩擦係数を決定す
る。この見かけの摩擦係数決定方法において、実測によ
り求められた接触面圧と摩擦係数との関係から両者の関
係式を求め、ビード金型のビード部を通過する被加工板
の引抜力を算出する際に、被加工板の各部に生じる接触
面圧に対して前記関係式から算出された摩擦係数を適用
することができる。

【００１０】また、本発明の成形シミュレーション法
は、被加工板のダイキャビティ内への流入を制御するビ
ード部が板押さえ部に形成された成形金型を用いて前記
板押さえ部に押付力が付加された状態で被加工板をプレ
ス成形する際の、前記被加工板の弾塑性変形量を前記ビ
ード部を通過する被加工板の引抜力に基づいて計算する
成形シミュレーション法であって、前記引抜力は前記押
付力に見かけの摩擦係数を掛けて算出され、前記見かけ
の摩擦係数として前記見かけの摩擦係数決定方法によっ
て決定された見かけの摩擦係数を適用する。この成形シ
ミュレーション法において、成形金型にビード部の断面
形状あるいは押付力が異なる複数の板押さえ部を備える
場合、各板押さえ部ごとにビード部に対する見かけの摩
擦係数として前記見かけの摩擦係数決定方法によって決
定した見かけの摩擦係数を適用することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】図７に示したＵ形部材５１のプレ
ス成形に即して本発明を説明する。前記Ｕ形部材５１は
端部にフランジ５２，５２が形成されたＵ字形状の横断
面を有しており、図４に示す成形金型１５によってプレ
ス成形される。この成形金型１５は、ダイ１３と、パン
チ１１と、ダイ１３の板押さえ面に付勢するように設け
られた押さえ板１７とを有し、前記ダイ１３の板押さえ
面にはビード部１６の一方を構成する凹部１４が、押さ
え板１７の板押さえ面にはビード部１６の他方を構成す
る凸部１２が形成されている。前記凹部１４と凸部１２
とによってビード部１６が構成される。なお、ダイ１３
の板押さえ面、押さえ板１７の板押さえ面およびビード
部によって板押さえ部が構成される。

【００１２】図６は本発明の成形シミュレーション法を
実施するための手順を示す主フローチャートであり、摩
擦係数の接触面圧に対する依存性を実測により求める事
前測定と、見かけの摩擦係数を決定する見かけの摩擦係
数決定計算と、その計算結果を用いて成形シミュレーシ
ョン法を実行する成形シミュレーション計算とに大別さ
れる。なお、事前測定データおよび各計算を実行するプ
ログラムはコンピュータの記憶装置に記憶され、これを
実行することによって本発明は実施される。

【００１３】本発明を実施するには、先ず、事前測定
（Ｓ１）として摩擦係数の接触面圧に対する依存性を実
測により求める。すなわち、被加工板に付加される押付
力によって生じる接触面圧と摩擦係数との関係を予め実
験的に求める。ここで前記依存性を求めるに至った経緯
を説明する。

【００１４】本発明者は成形金型のビード部を通過する
被加工板の各部の面圧は一定でなく、さらに摩擦係数も
接触面圧によって変化することに着目した。接触面圧に
よって摩擦係数が変化する理由は以下のように説明され
る。被加工板や成形金型の表面には微小な凹凸が形成さ
れており、その凹部には潤滑油が溜まる。この潤滑油が
溜まった凹部は「ミクロプール」と呼ばれる。ミクロプ
ールでは、高面圧で被加工板と金型とが接触した際に、
潤滑油に静水圧効果が生じ、摩擦係数を低減させる。被
加工板の降伏強度が低い場合、表面の凹凸が塑性変形を
起こし易く、ミクロプールに静水圧効果が生じ易い。こ
のため、特に被加工板の降伏強度は、接触面圧による摩
擦係数の変化を左右する重要な要因となる。従って、プ
レス成形に用いられる被加工板に対して、その板材の面
圧と摩擦係数との関係を正確に把握しておくことが、成
形シミュレーションにおけるビード部での予測計算に使
用される見かけの摩擦係数を正確に決定する際の基礎デ
ータとなる。

【００１５】図１は、降伏強度（ＹＰ）の異なる鋼板を
用いて高面圧摺動試験により実測された接触面圧と摩擦
係数との関係を示す図である。同図から明らかなよう
に、降伏強度、接触面圧によって摩擦係数は大きく相違
し、低降伏強度材では１５０ＭＰａ当たりで急激に摩擦
係数が低下する。これは、先に述べたように、鋼板の表
面に塑性変形が生じてミクロプールが静水圧効果を奏す
るようになるからである。さらに面圧が増加するとミク
ロプールが圧壊され、静水圧効果が消失するようになる
ため、摩擦係数も上昇する。

【００１６】次に、実測により求められた接触面圧と摩
擦係数との関係に基づいて、材質（降伏強度）毎に接触
面圧をパラメータとする摩擦係数の近似式を導出する
（Ｓ２）。例えば、図１に示す降伏強度の各鋼板に対し
て、各々摩擦係数μを接触面圧ｐの関数として表すこと
ができるが、ここでは、下記式(1) に示すようにμをｐ
（ＭＰａ）および降伏強度ＹＰ（ＭＰａ）の関数（近似
式）μ＝ｆ（ｐ，ＹＰ）として表した。実測したデータ
をかかる関係式に整理しておくことで、後述するビード
金型のビード部を通過する際の引抜力を容易に計算する
ことができる。図１は降伏強度の異なる２種の鋼板につ
いて示すものであるが、より多くの降伏強度の異なる板
材についてμ＝ｆ（ｐ，ＹＰ）の近似式を求めることが
できる。なお、下記式(1) 中のＡは実測値に適合させる
ための定数であり、通常、０．８〜１．２の値の数値が
選定される。Ａ＝１として計算した結果を図２に示す。 μ＝0.15*A-15／YP*exp{-(p-(0.3*YP+100))²／300} *[1-0.25*exp{-(p-(0.3*YP+180))²／10000} ……(1)

【００１７】次ぎに、設計、計画する成形金型１５のビ
ード部１６と、被加工板Ｗの流れ方向（ダイキャビティ
への流入方向）と加圧方向とを含む平面（「横断平面」
と呼ぶ。）における断面（「横断面」と呼ぶ。）形状が
同一のビード部が形成されたビード金型を想定する（Ｓ
３）。すなわち、図３に示すように、被加工板Ｗの流れ
方向と垂直な方向に沿って凸部２が板押さえ面に直線状
に形成された下型１と、前記凸部２に対応してこの凸部
２を噛み合わせ状に装入することができる凹部４が板押
さえ面に直線状に形成された上型３とからなるビード金
型５を想定する。前記凸部２と凹部４とによってビード
部６が構成され、凸部２と凹部４との間に被加工板Ｗが
部分的に接触した状態で挟持される。この場合、成形金
型１５における被加工板Ｗのダイキャビティへの流入方
向は、図３のビード金型５における被加工板Ｗの引抜方
向に対応し、被加工板のビード部における接触条件は成
形金型とビード金型とで同じになる。

【００１８】次ぎに、計画中の成形金型１５の金型条件
（ビード長さ）、被加工板の形状・材質条件（板厚、応
力・歪線図）、プレス条件（板押さえ部の押付力Ｐ）等
のデータに基づき、ビード金型５のビード部６に挟持さ
れた被加工板Ｗを押付力Ｐで加圧した状態で、被加工板
Ｗをビード部６から引き出すのに要する引抜力Ｆを算出
し、見かけの摩擦係数＝Ｆ／Ｐを求める（Ｓ４）。この
引抜力Ｆの算出は、有限要素法によって簡単に行うこと
ができる。概念的には、有限要素法によりビード金型５
のビード部６に当接する被加工板Ｗの各部に生じる接触
面圧を算出し、この算出された面圧に対応して前記関係
式から摩擦係数を算出し、各部における接触面圧と対応
する摩擦係数との積、すなわち被加工板Ｗを単位長さの
ビード部６を通過させる際に生じる単位摩擦力を算出す
るとともにビード部６を通過する際の単位長さ当たりの
曲げ曲げ戻し変形に要する単位変形力を求め、この単位
摩擦力および単位変形力のビード長さにおける総和を求
めることによって引抜力Ｆが算出される。なお、上記説
明では、接触面圧に対応する摩擦係数を関係式から求め
るようにしたが、実測された接触面圧と摩擦係数との対
応関係から、所期の面圧に対応する摩擦係数を選択し
て、あるいは実測値を補間して求めるようにしてもよ
い。

【００１９】図５は、ビード金型５に付加された押付力
に対して算出された被加工板（降伏強度：１４３ＭＰ
ａ）の引抜力（●）と、想定したビード金型を実際に製
作し、これを用いて押付力に対して実測された引抜力
（■）との関係をを示す図であり、両者は良好な一致を
示している。なお、図５には一定値の摩擦係数を用いて
算出した引抜力（▲）も併記した。

【００２０】上記の説明は、成形品が比較的簡単な形状
をしており、成形金型のビード部も１種類の単純な直線
形状をしているが、複雑形状の成形品では成形形状を制
御するために、ビード部の横断面形状あるいは押付力が
異なる複数の板押さえ部が計画される場合がある。この
ような場合には、成形金型の各々の板押さえ部に対し
て、同部に設けられたビード部と同形状のビード部を有
するビード金型を想定し、各押さえ部のビード部ごとに
付加される押付力に基づいて見かけの摩擦係数を求めれ
ばよい（Ｓ５）。

【００２１】次に、上記見かけの摩擦係数計算によって
算出された見かけの摩擦係数を三次元プレス成形加工に
おける成形シミュレーション計算に適用する（Ｓ６）。
すなわち、有限要素法を用いた成形シミュレーションに
おいて、板押さえ面をビード部の無い平坦面と仮定し、
この面における摩擦係数として前記見かけの摩擦係数を
適用し、被加工材がビード部を通過する際の引抜力を、
見かけの摩擦係数を有する前記平坦板押さえ面を通過す
る際の引抜力として求める。もちろん、成形シミュレー
ション計算を行うには、計算機に摩擦係数（本発明では
この摩擦係数として前記見かけの摩擦係数が適用され
る。）のほか、金型条件（成形部の形状、ビード部長
さ）、被加工板の形状・材質条件（サイズ、板厚、応力
・歪線図）、プレス条件（板押さえ部の押付力、成形速
度）等のデータを入力し、これらのデータに基づいて、
プレス成形の開始から完了まで単位時間毎の引抜力を求
め、逐次算出される引抜力に基づいて被加工板の成形状
態、すなわち被加工板の形状、歪分布、応力分布などの
被加工板各部の物理的特性が逐次算出される。なお、板
押さえ部に横断面形状が異なるビード部がある場合、あ
るいはビード部の横断面形状が同じでも押付力が異なる
板押さえ部がある場合、先に述べたように各板押さえ部
ごとに見かけの摩擦係数を求め、各板押さえ部にその値
を適用する。

【００２２】上記のようにビード金型５のビード部６を
通過する被加工板の各部に生じる接触面圧に基づいて引
抜力Ｆを算出し、この引抜力Ｆを押付力Ｐで除すことに
よって算出された見かけの摩擦係数（Ｆ／Ｐ）は、実測
によって得た見かけの摩擦係数と非常に近似した値を取
る。従って、前記算出された見かけの摩擦係数を成形シ
ミュレーションに適用することにより、成形シミュレー
ションの予測精度を向上させることができ、成形シミュ
レーションの予測精度を向上させることができる。

【００２３】この成形シミュレーション法による計算結
果は、プレス成形に供される成形金型の設計並びに被加
工板や成形条件の選定、設定に利用される。成形金型の
設計に利用する場合、成形金型を設計、計画した後、金
型を実際に製作する前に、成形シミュレーションを実行
し、その計算結果から成形状態に問題のある部位が認め
られたとき、計画された成形金型の形状を修正し、再
度、成形シミュレーションを実行する。かかる修正作業
を成形状態に不具合が無くなるまで繰り返して行い、成
形不具合が生じない成形金型を設計する。このようにし
て設計、製作された成形金型は、ほとんど修正なしで、
あるいは軽微な修正を金型に施す程度で製品の成形に使
用することができる。このため、従来のように、設計し
た成形金型を製作し、これを用いて成形実験を行い、そ
の結果によって金型を大幅に修正する、場合によっては
再加工するというような、製作調整期間の長期化や製作
コスト高を防止することができる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によって決
定された見かけの摩擦係数を、成形シミュレーション法
における、被加工板が成形金型のビード部を通過するの
に要する引抜力の計算に適用することによって、引抜力
を高精度に予測計算することができ、このため成形金型
による成形実験を行うことなく、成形シミュレーション
の予測精度を向上させることができる。また、かかる成
形シミュレーション結果を利用することによってプレス
成形に供する成形金型の調整期間の短縮、製作コストの
低減、成形精度の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実測による摩擦係数と接触面圧との関係を示す
グラフである。

【図２】実測データに基づいて得られた関係式により算
出した摩擦係数と接触面圧との関係を示すグラフであ
る。

【図３】ビード金型の斜視図である。

【図４】Ｕ形部材の成形金型の一例を示す要部断面模式
図である。

【図５】ビード金型に付加した押付力と、被加工材がビ
ード部を通過するのに要する引抜力との関係を示すグラ
フである。

【図６】本発明にかかる見かけの摩擦係数決定方法を含
む成形シミュレーション法の実行手順を示す主フローチ
ャートである。

【図７】実施形態における成形対象のＵ形部材を示す斜
視図である。

【符号の説明】

５ ビード金型 ６ ビード部 Ｐ 押付力 Ｆ 引抜力 Ｗ 被加工板

フロントページの続き (72)発明者 池田 貢基 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被加工板のダイキャビティ内への流入を
   制御するビード部が板押さえ部に形成された成形金型を
   用いて前記板押さえ部に押付力が付加された状態で被加
   工板をプレス成形する際の、前記被加工板の弾塑性変形
   量を前記ビード部を通過する被加工板の引抜力に基づい
   て計算する成形シミュレーション法における、前記引抜
   力を前記押付力から算出する際に用いられる見かけの摩
   擦係数の決定方法であって、 前記被加工板における接触面圧と摩擦係数との関係を予
   め実測により求め、 前記成形金型のビード部の、被加工板の成形時の流れ方
   向とプレス方向とを含む横断平面における断面形状と同
   様の断面形状を有するビード部が形成されたビード金型
   を想定し、このビード金型に付加された押付力に対して
   そのビード部を通過する被加工板の各部に生じる接触面
   圧を算出し、 算出された各部の接触面圧に対して実測により求められ
   た摩擦係数を適用して前記ビード金型のビード部を通過
   するのに要する被加工板の引抜力を算出し、 前記引抜力を前記押付力で除して見かけの摩擦係数を決
   定する、成形シミュレーション法に適用する見かけの摩
   擦係数決定方法。
2. 【請求項２】 実測により求められた接触面圧と摩擦
   係数との関係から両者の関係式を求め、ビード金型のビ
   ード部を通過する被加工板の引抜力を算出する際に、被
   加工板の各部に生じる接触面圧に対して前記関係式から
   算出された摩擦係数を適用する、請求項１に記載した見
   かけの摩擦係数決定方法。
3. 【請求項３】 被加工板のダイキャビティ内への流入を
   制御するビード部が板押さえ部に形成された成形金型を
   用いて前記板押さえ部に押付力が付加された状態で被加
   工板をプレス成形する際の、前記被加工板の弾塑性変形
   量を前記ビード部を通過する被加工板の引抜力に基づい
   て計算する成形シミュレーション法において、前記引抜
   力は前記押付力に見かけの摩擦係数を掛けて算出され、
   前記見かけの摩擦係数として請求項１または２に記載し
   た見かけの摩擦係数決定方法によって決定された見かけ
   の摩擦係数を適用する、成形シミュレーション法。
4. 【請求項４】 成形金型はビード部の断面形状あるいは
   押付力が異なる複数の板押さえ部を備え、各板押さえ部
   ごとにビード部に対する見かけの摩擦係数として請求項
   １または２に記載した見かけの摩擦係数決定方法によっ
   て決定した見かけの摩擦係数を適用する、請求項３に記
   載した成形シミュレーション法。