JP2005193292A

JP2005193292A - 非鉄金属板のプレス成形シミュレーション方法

Info

Publication number: JP2005193292A
Application number: JP2004004462A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Takada; 健高田; Eiji Isogai; 栄志磯貝
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-01-09
Filing date: 2004-01-09
Publication date: 2005-07-21

Abstract

【課題】等価ドロービードを設定したプレス成形シミュレーションの解析精度を向上させることのできる非鉄金属板のプレス成形シミュレーション方法を提供する。
【解決手段】ドロービード位置で被成形材にドロービード張力を付与する、等価ドロービード設定を行う金属板のプレス成形シミュレーション方法において、予め、前記ドロービードの肩半径と同じ肩半径を有する凸型のモデル金型と、前記ドロービードに対峙する金型の溝部の肩半径と同じ肩半径を有する凹型のモデル金型との間に被成形材と同じ材質の板材を挟み込んだ状態で該板材を引き抜く予備実験を行って、これら２つのモデル金型間の押し付け力と板材の引抜き力の対応関係を実験的に求めておき、該予備実験での押し付け力を実プレス成形におけるブランクホールドフォースに対応させるとともに、該予備実験での引抜き力を前記等価ドロービード設定のドロービード張力として用いることを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、アルミニウム合金に代表されるような非鉄金属板をプレス成形する金型の設計に際し、プレス不具合を有限要素法によるプレス成形シミュレーションにより精度高く予測することのできる、等価ドロービード設定を行う非鉄金属板のプレス成形シミュレーション方法に関する。

近年の有限要素法による成形シミュレーションの精度向上を背景にして、板材のプレス金型の設計および製造工期の短縮、これによるコスト削減等が図られるようになってきた。例えば、鋼板あるいはアルミニウム板（アルミニウム合金板を含む）に代表される非鉄金属板を、メカニカルプレス、油圧プレス、トランスファープレス、ＡＣサーボ制御プレスなどによってプレス成形加工するに際し、プレス成形金型を製造する前に、有限要素法による成形シミュレーションを利用して、設計されたプレス成形金型の成形可否を判断し、金型の設計にフィードバックさせて、プレス成形金型の設計および製造工期の短縮を図ることができる。

従来の有限要素法による成形シミュレーションとしては、材料の機械的特性を材料構成式として入力し、工具（金型）との接触問題を摩擦係数をパラメータとした材料の変形状態の釣り合い式によって解いたり（静的陰解法や静的陽解法）、運動方程式を解くこと（動的陽解法）によって応力分布や歪み分布を出力する方法が代表的である。

従来の有限要素法による成形シミュレーションの計算プログラムでは、実プレス成形金型にドロービードがある場合、通常、ドロービード部分での曲げ−曲げ戻しの計算に等価ドロービードの設定をすることで、計算時間の短縮化を図っている。この等価ドロービードとは、実際のドロービード部分を平坦にし、その代わりにその部分を通過する材料に、実金型にてドロービード通過時に材料に加えられる張力値に相当する張力を付与する設定のことである。もし、この等価ドロービードを用いなければ、ドロービード部分での曲げ−曲げ戻し計算精度上材料メッシュの細分化が必要となり、それに伴い莫大な計算時間を要することとなって本来のシミュレーションによる工期短縮等の効果が得られず得策ではない。

等価ドロービードの設定で用いるドロービード張力値は、プログラムソフトにより計算するか、あるいは別途構築したモデルによる計算値、例えば特許文献１記載のモデルなどにより計算されてきた。

特開２０００−３０１２６３号公報桑原他、「アルミニウム合金板Ａ５１８２−Ｏのビード引抜き特性とビード張力計算モデル」、塑性と加工、ｖｏｌ．３６、Ｎｏ．４１３、社団法人日本塑性加工学会、１９９５年６月２０日発行

しかし、従来の等価ドロービード計算においては、ドロービード張力は汎用の計算プログラムソフトにより求めていたが、このような計算により得られる張力値は、現実の張力を常に正確に再現しているとは言えない。例えば、ドロービード張力の理論計算によりラボ実験でのドロービード引抜き現象を再現する試みにおいては、全荷重領域に対して理論計算値は正確に実験値を再現することができていない。また、区分的に荷重領域を分けて張力を評価しても、理論計算は実験値を精度高く表現できてはいない（例えば非特許文献１参照。）。

また、計算プログラムにより算出されるドロービード張力も、上記理論計算を基に計算しているので、実験を精度高く再現できていない。図１は、図２記載の凹凸モデル金型により材料を挟み、この時に材料を挟み込む力と引抜く際に要する力との関係を、シミュレーションによる計算と実測値で示したものである。ドロービード張力の計算には、摩擦係数と材料特性値を用いる。このうち摩擦係数は、ここでは２つの金型の凹凸を無くして平板にした金型を用いた引き抜き試験にて求めたが、摩擦係数の導出はこの方法に限らず、例えば固定した材料の上を金型で摺動させて求める手法でも構わない。また、計算に使用した材料特性値は、素材の引張試験で得られる応力−歪の関係と、ポアソン比、密度、ヤング率、ｒ値（塑性ひずみ比、ランクフォード値）である。一方、計算は上述した理論計算を基になされている。なお、実験には６０００系アルミニウム合金（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系）を用いた。図１で分かるように、押し付け力が小さい場合には計算値と実測値との差は小さいが、押し付け力が大きくなるとその差は拡大する。すなわち、ドロービード張力値は、シミュレーションソフトのプログラムにおいても精度良く求めることはできないことが分かる。

それゆえ、等価ドロービードを設定した場合の成形シミュレーション計算において、その計算精度が低い原因、すなわち材料の流入量および歪分布の計算精度が低い原因には、このドロービード張力設定値の不正確さが挙げられる。

このようなドロービード張力値の計算値と実験値が大きく異なる原因は、鉄製の金型材質とプレス成形に供する被成形材料のアルミニウムに代表される非鉄金属材料の材質とが大きく異なることにある。すなわち、従来のプレス成形シミュレーションでは、鉄製金型を用いて鋼板をプレス成形する場合を前提として開発されてきており、アルミニウムに代表される非鉄金属材料を鉄製金型でプレス成形する場合、鋼板に比べて非鉄金属材料は金型との間の接触状態の挙動、例えば、磨耗が鋼板に比べて大きいとか、材料変形が鋼板より大きいなどの挙動の差異は想定されていないために、ドロービード張力の計算と実験との間に差が生じるものと考えられる。

そこで、本発明は、アルミニウム板などに代表される非鉄金属材料のプレス成形シミュレーションを実施するにあたり、等価ドロービードの設定を採用するとともに、このドロービード張力を理論計算値より高精度な実験値に代替することにより、より解析精度を向上させることのできる、非鉄金属板のプレス成形シミュレーション方法を提供することを目的とするものである。

本発明が対象とするプレス成形シミュレーション方法は、金属板のプレス成形シミュレーションの一つの手法としての、実成形金型に存在するドロービードをシミュレーション上省略し、その代替としてドロービード位置で被成形材にドロービード張力を付与する、等価ドロービード設定を行う金属板のプレス成形シミュレーション方法である。

本発明者等は、様々なプレス成形シミュレーションにおける等価ドロービード設定について鋭意検討した結果、ドロービード張力には、従来用いられていた理論計算値ではなく凹凸モデル金型を用いた引き抜き試験での引き抜き力を用いるべきであることを新たに見出した。本発明は、このような新知見に基づいてなされたものであり、その要旨は以下のとおりである。
（１）実成形金型に存在するドロービードをシミュレーション上省略し、その代替としてドロービード位置で被成形材にドロービード張力を付与する、等価ドロービード設定を行う金属板のプレス成形シミュレーション方法において、予め、前記ドロービードの肩半径と同じ大きさの肩半径を有する凸型のモデル金型と、前記ドロービードに対峙する金型の溝部の肩半径と同じ大きさの肩半径を有する凹型のモデル金型との間に被成形材と同じ材質の板材を挟み込んだ状態で該板材を引き抜く予備実験を行って、これら２つのモデル金型間の押し付け力と板材の引抜き力の対応関係を実験的に求めておき、該予備実験での押し付け力を実プレス成形におけるブランクホールドフォースに対応させるとともに、該予備実験での引抜き力を前記等価ドロービード設定のドロービード張力として用いることを特徴とする、非鉄金属板のプレス成形シミュレーション方法。
（２）前記モデル金型間の押し付け力と板材の引抜き力の対応関係をテーブル値で与えることを特徴とする、上記（１）に記載の非鉄金属板のプレス成形シミュレーション方法。

本発明により、等価ドロービード設定を行うプレス成形シミュレーションにおいて、アルミニウムないしアルミニウム合金に代表される非鉄金属板のプレス成形シミュレーションの計算精度が格段に向上し、プレス成形金型の設計および製造工期を大幅に短縮できるなど、産業上の貢献が極めて顕著である。特に、流入量精度において、実験値と計算値との差が５ｍｍ以内であれば、プレス成形用本金型の製造工期は半分近くに減少すると見積もられることから、これに関わるコストを大幅に削減することが可能となる。

本発明者等は、等価ドロービードを用いた各種成形シミュレーションの計算結果と実プレス品との対応について調査した。この時、等価ドロービードにおけるドロービード張力値にはプログラムによる計算値を用いた。その結果、流入量において計算結果と実成形品との差が大きいことが示され、その差の原因はドロービード張力値が不適切であることと推定された。

本発明者等は計算値に代わるドロービード張力の導出方法について検討した結果、現在のところ最も精度高くドロービード張力を得る方法は、凹凸モデル金型を用いた引き抜き試験による引き抜き力自体を用いることであると結論された。すなわち、図１に示されるような押し付け力と引抜き力との実験での関係を求め、これを元にしてドロービード張力値を設定する。実際のシミュレーション計算にて用いるドロービード張力値は、実プレス成形において材料に負荷されるブランクホールド力に相当する押し付け力に対応する引き抜き力である。

ドロービード張力は、材料がドロービードを通過する際の曲げ−曲げ戻し変形で生じる応力である。この曲げ−曲げ戻し変形は、実成形金型のドロービードでは凸部の頂上部分とすそ部分で発生する。その際の変形量および応力はこれらの部位での曲げ半径の大きさで決まる。本発明では、実成形金型のドロービードと同じ形状を再現し、かつ被成形材と同じ材質の板材を用いてビード引き抜き試験を予め行うこととしているが、これは、実成形金型での曲げ−曲げ戻し変形を忠実に再現することにより、実成形金型でのビード張力を実験的に得ようとするためである。これに対し、実成形金型と同じ形状、被成形材と同じ材質の板材を用いない場合は、種々の仮定を置かない限りドロービード張力を得ることはできないうえ、その仮定の有効性や得られたデータの有効性については確認のしようがないのが実状である。

次に、凹凸モデル金型による引き抜き試験にて得られたドロービード張力を等価ドロービードを用いた有限要素法シミュレーションに適用した。既存の成形シミュレーションのプログラムとしては、公知の動的陽解法ＦＥＭ（Ｐａｍ−ｓｔａｍｐやＬＳ−ＤＹＮＡなど）、静的陽解法ＦＥＭ（ＩＴＡＳ−３Ｄなど）、静的陰解法ＦＥＭ（ＡＢＡＱＵＳやＡＵＴＯＦＯＲＭなど）を使用することができる。

なお、本発明が対象とする非鉄金属板には、アルミニウム板、５０００系、６０００系等のアルミニウム合金板の他、例えば、チタン板およびチタン合金板、マグネシウム板およびマグネシウム合金板などが例示できる。

以下、実施例により、本発明による成形過程中での等価ドロービードに凹凸モデル金型による引き抜き試験での引き抜き力をドロービード張力に適用した有限要素法による成形シミュレーション方法の詳細を説明する。

板厚１ｍｍの６０００系アルミニウム合金板の押し付け力による引き抜き力の変化を、図２記載の凸部肩半径５ｍｍ、凹部肩半径３ｍｍのモデル金型を用いた引き抜き試験にて求めた。その結果を図１に示す。

次に、同じ素材を用いて、図３記載のモデル成形品金型によるプレス成形試験を行った。このモデル成型品金型の周囲の全ドロービード形状については、凸部の肩半径は５ｍｍ、凹部の肩半径は３ｍｍである。この金型によりプレス成形を行い、モデル成形品から図３記載のＡ〜Ｄの各辺におけるを流入量を計測した。このモデル成形品金型における材料流入挙動は典型的には２つに分けることができる。ＡとＣの部位での材料流入挙動は円筒の小型金型における挙動に近く、またＢとＤの部位での材料流入挙動は角筒の小型金型における挙動に近い。このように、本モデル成型品金型は、円筒および角筒での流入挙動を併せ持った材料流入挙動を示すものである。なお、モデル成形品金型の材質は、ドロービード引き抜き試験でのモデル金型と同じ材質であるＳＫＤ１１（ＪＩＳＧ４４０４）である。このときのブランクホールドフォースは８８２ｋＮ（９０ｔｏｎ）である。

このモデル成形品のプレス成形を対象にしたプレス成形シミュレーションでは、図中のドロービードに対して等価ドロービードを用いた。そのときのドロービード張力には、本発明例としての凹凸モデル金型による引き抜き試験での値の他、比較例としての汎用プログラムによる計算値も用い、それぞれの計算結果と実プレス成形での測定結果との比較評価を行った。図４はモデル成型品金型各辺でのプレス流入量値と、上記２つのシミュレーション計算による流入量値との差を示したものである。流入量の計測は、プレス成形前と後での材料各辺からドロービード直上までの距離の差から求めた。図４から分かるように、ドロービード張力としては、計算値よりも実験値を用いた方が成形シミュレーションの計算精度向上に有効であることが示された。特に、本発明例のように流入量の成形シミュレーションの計算値と実プレス成形実験値との差が５ｍｍ以内であることは、金型設計精度が倍になり、その分本金型の製造に関わる工期が大幅に短縮できる利点を示している。

６０００系アルミニウム合金についての凹凸モデル金型による引き抜き試験における押し付け力と引き抜き力との関係を理論計算と実験値を比較して示す図である。図１の引き抜き試験において使用した凹凸モデル金型の形状を断面図で模式的に示す図である。プレス成形試験用のモデル金型の形状を平面図で模式的に示す図である。図３で示すプレス成形試験用のモデル金型を用いたプレス試験による各辺での実測の流入量とシミュレーション計算による流入量（ビード張力に実験値を使用した場合と計算値を使用した場合）とを比較して示す図である。

Claims

実成形金型に存在するドロービードをシミュレーション上省略し、その代替としてドロービード位置で被成形材にドロービード張力を付与する、等価ドロービード設定を行う金属板のプレス成形シミュレーション方法において、予め、前記ドロービードの肩半径と同じ大きさの肩半径を有する凸型のモデル金型と、前記ドロービードに対峙する金型の溝部の肩半径と同じ大きさの肩半径を有する凹型のモデル金型との間に被成形材と同じ材質の板材を挟み込んだ状態で該板材を引き抜く予備実験を行って、これら２つのモデル金型間の押し付け力と板材の引抜き力の対応関係を実験的に求めておき、該予備実験での押し付け力を実プレス成形におけるブランクホールドフォースに対応させるとともに、該予備実験での引抜き力を前記等価ドロービード設定のドロービード張力として用いることを特徴とする、非鉄金属板のプレス成形シミュレーション方法。
前記モデル金型間の押し付け力と板材の引抜き力の対応関係をテーブル値で与えることを特徴とする、請求項１に記載の非鉄金属板のプレス成形シミュレーション方法。