JP2007130670A - プレス加工におけるねじれ修正プログラム、およびその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 プレス加工において加工品に発生したねじれを解消するための加工条件を制御する際の指針となる具体的数値を演算により求め、該制御の支援手段を提供すること、及び、該支援手段を用いて加工条件を制御すること。
【解決手段】 ねじれを発生させる原因がスプリングバッック前の加工品に作用している内部応力の一部であることに着目し、これをコンピュータを用いたプレス加工シミュレーションによって具体的数値を演算して求め、解消すべきねじれを修正するための加工条件を制御する際の指針として利用するねじれ修正支援手段と、この支援手段を用いて加工品のねじれを解消するように加工条件を制御する手段である。
なお、演算にはＴ＝（ｑ×ｒ）＋(Ｑ×ｒ)−Ｍなる関係式を用いる。
Ｔは内部応力の一部、ｑは面内せん断力、ｒはスプリングバック前の加工品の評価断面線の中心から評価点までの距離、Ｑは板厚方向のせん断力、Ｍはねじりモーメントである。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンピュータを用いた加工材（金属板材）のプレス加工シミュレーションにおいて、加工品に発生したねじれを解消するための修正作業、例えば、加工条件を制御する際に役立つ支援手段と、該支援手段を用いて加工条件を制御する技術に関するものである。

図５に示すように、プレス加工では加工品を金型から取り出す時に弾性変形、所謂スプリングバック変形が起こるために、金型への押込作業が終了し、且つ、加工品を金型から取り出す直前で加工品に内部応力がまだ作用している時（以下、「スプリングバック前」または「ＳＢ前」という。）の形状と、加工品を金型から取り出して加工品に作用していた内部応力が消滅した時（以下、「スプリングバック後」または「ＳＢ後」という。）の形状とは異なっている。
このため、加工品にねじれが発生し、ＳＢ後の形状と、最終的に得ようとしている理想的な製品形状、即ち、設計された製品の形状（以後、「設計形状」という。）との間の解消すべきねじれの方向や角度のデータが得られても、該データがねじれを解消するために加工条件を如何に制御すべきかの直接的指針とはなり得ず、以下に例示するするように前記加工条件の制御作業を経験と勘に頼った試行錯誤の繰り返しとなっていた。
加工品にねじれが発生した場合、従来では以下に示す方法によってねじれを解消するための修正作業をしていた。

［加工条件を制御する方法］
この方法は、加工条件例えば、絞りビードや、板押え力などの加工材を金型内に移動させる条件を制御して加工品のねじれを解消する修正方法である。
しかし、前述したように加工条件を制御する具体的指針がないので、経験と勘に頼った試行錯誤の繰り返しとなっていた。

［金型を修正する方法］
金型の形状を、加工品に発生したねじれの角度と逆の方向に角度をつけて修正する方法（特開平２００１−２５２７２１号参照）である。
しかしこの方法も、前述したスプリングバック変形の問題があるため、発生するねじれ角度と逆方向に同角度金型の形状を修正したとしても、発生したねじれが必ず解消できるとは限らず、やはり、金型の修正角度を適宜微調整（変更）するという、試行錯誤を繰り返すものとなっていた。
さらに、金型に角度をつける修正作業は困難であり、且つ、金型の強度不足を招くとの問題もあった。
特開平２００１−２５２７２１号 特願２００５-１４２１１６号

〔発明の課題〕
本発明の課題は、前述した２つの従来の方法の欠点を改善することであり、より詳しくは、プレス加工において加工品に発生したねじれを解消するための加工条件を制御する際の指針となる具体的数値を演算により求め、該制御の支援手段を提供すること、及び、該支援手段を用いて加工条件を制御することである。
このようにすることにより、従来の方法のような経験と勘に頼った試行錯誤の繰り返しや、正確性が担保されない金型形状を苦労して修正する等の欠点を改善できる。

〔発明の構成〕
本発明は、上記課題を解決するために、ねじれを発生させる原因がＳＢ前の加工品に作用している内部応力の一部（以下、「ねじれトルク」という。）であることに着目し、これをコンピュータを用いたプレス加工シミュレーションによって具体的数値を演算して求め、ねじれを解消する修正作業、例えば、加工条件を制御する際の指針として利用するねじれ修正支援手段と、この支援手段を用いてねじれトルクをなくす（零とする）ように加工条件を制御する手段に関するものである。
なお、前記演算には、Ｔ＝（ｑ×ｒ）＋(Ｑ×ｒ)−Ｍなる関係式を用いる。
但し、Ｔはねじれトルク、ｑは面内せん断力、ｒはスプリングバック前の加工品の評価断面線の中心から評価点までの距離、Ｑは板厚方向のせん断力、Ｍはねじりモーメントである。
ところで、ＳＢ後の加工品が設計形状と異なる原因は、形状変形と、ねじれの発生の二つがあるが、本発明は、後者のみ、即ち、加工品にねじれが発生しこれを解消するための修正技術に関する発明であり、形状変形の修正技術については取扱わない。
なお、形状変形を修正する技術については、以前出願した特願２００５-１４２１１６号を参照されたい。

また、本発明は、何らかの手段で解消すべきねじれに関するデータ（ねじれの方向、ねじれの程度、即ち、角度）が事前に求められていることを前提としている。
例えば、同日付けで出願する「加工品のねじれ角度演算プログラム、およびその方法」に記載されているような手段で、図２に示すように、加工品に発生したねじれの方向や、該方向に垂直な断面（点線）の基準断面線１１と、同じく垂直な断面（点線）の評価断面線１２との間のねじれ角度（以下、「評価断面のねじれ角度」という。）が、事前に求められていることを前提としている。
なお、プレス加工において、加工品を製造する際、一般的に、少しでもねじれが発生しては困る箇所、例えば、面や方向と、多少のねじれが発生しても容認できる箇所とが存在するのが普通であるので、前記ねじれのデータは、ねじれが発生しては困る箇所についてのもである。

本発明のＳＢ前の加工品の評価断面線全体のねじれ角度を演算する手順は、図１に示すようなフロー（手順）であるが、各手順を以下に詳説する。

１．データ入力手順
解消すべきねじれに関するデータをコンピュータに入力する手順。
なお、前記データには、ねじれ方向、ねじれ角度に加え、図２に示すような、ねじれの開始箇所（ねじれの基準箇所）におけるねじれ方向に垂直な基準断面線１１と、ねじれの終了箇所（ねじれの対象箇所）における評価断面線１２のデータも含まれている。
また図２には、評価断面線が一つしか示されていないが、これは説明を簡単にするためであり、実際には、加工品に発生するねじれは、ねじれ方向に次第にねじれ角度が増大する場合や、複数のねじれ状態が存在することもあるので、これらの場合には、評価断面線を複数設定し、各評価断面線毎にねじれトルクを演算することになる。
なお、加工品全体のねじれトルクを表現する方法としては、例えば、横軸にねじれ方向に垂直な断面の位置、縦軸にねじれトルクの大きさをプロットした分布グラフや、ねじれ角度の大きさとねじれの方向とを加工品の三次元的な位置で矢印の長さと向きを用いて示す立体的なグラフなどが考えられる。
このようにすれば、加工品全体のねじれトルクの変化を視覚的に把握できる。

２．断面線設定手順
ところで、前記手順で入力した評価断面線１２は、ＳＢ後の加工品における断面線であるのに対して、前述したように本発明は、ねじれを発生させる原因がＳＢ前の加工品に作用する力であることに着目したものである。
そこで、本発明は、ねじれトルクの演算に必要な、ＳＢ後の加工品のねじれ方向に垂直な評価断面線１２（スプリングバック後）に相当するＳＢ前の加工品の評価断面線１２’を設定する断面線設定手順を採用している。

３．評価点設定手順
図３に示すようにＳＢ前の加工品の評価断面線１２’をｍ個の微小線分に分割し、微小線分毎にねじれトルクを演算する際の基準となる点（以後、「評価点」という。）を各微小線分の中央、即ち、中点に設定する評価点設定手順。
なお分割する理由は、複雑な形状を微小線分に分割することによって、個々の計算が容易になり、また計算精度の向上が期待できるからである。

４．作用力演算手順
コンピュータを用いたプレス加工シミュレーションに金型の形状や、被加工品押え力、カウンター力、金型移動量などのプレス加工条件を入力して、図４に示すように評価点毎、例えば、評価点Ｐに作用する、３０１方向（評価断面線１２’の存在する断面の法線方向）に沿ったねじりモーメントＭ、３０２方向（評価断面線１２’の接線方向）に沿った面内せん断力ｑ、３０３方向（３０１方向軸、３０２方向軸の単位ベクトルの外積によって求められる方向）に沿った板厚方向のせん断力Ｑ、を演算する手順。
前記シミュレーションでは、弾塑性有限要素法を用いて該作用力ｑ、Ｑ、Ｍを演算する。
なお、有限要素法とは、近似数値解法の一種類であり、板材などの物体の領域をその力学的ふるまいがすぐに理解できる個々の要素に分解し、個々の要素から全体の組み立てその挙動を解く方法であり、工学的シミュレーションでは多くの分野で用いられている。
その方法の１種である弾塑性有限要素法とは、物体の弾性変形と塑性変形とを同時に解く方法であり、プレス加工など金属の板材の塑性加工に関するシミュレーションに使われている。
詳細は、前述の特願２００５-１４２１１６号を参照されたい。

５．ねじれ軸設定手順
ねじれ角度を特定するにはねじれ方向を設定すれば十分であるが、ねじれトルクを演算するにはねじれ方向だけでは不十分で、ねじれトルクが作用する軸（以下「ねじれ軸」という。）を設定（特定）する必要がある。
ところで一般的に、加工品にねじれが発生する時は、加工品の中心軸に沿って回転する力（ねじれトルク）が発生し、その結果ねじれが生じことが多い。
そこで、本発明では、ＳＢ前の加工品の評価断面線１２’の中心（以下、「図心」という。）を通る軸を、ねじれ軸として設定する手順を採用した。
なお、図心の座標値は、前記評価点全ての座標値を平均することで求めることが出来る。

６．評価点ねじれトルク演算手順
ねじれトルクを求めるために必要な図心Ｃから評価点Ｐまでの距離ｒを図心Ｃの座標位置と評価点Ｐの座標位置から算出し、評価点ＰのねじれトルクＴを下記式（以下、「関係式１」という。）を用いて演算する評価点ねじれトルク演算手順。
Ｔ＝（ｑ×ｒ）＋(Ｑ×ｒ)−Ｍ
但し、ｑは面内せん断力
ｒは図心から評価点までの距離
Ｑは板厚方向のせん断力
Ｍはねじりモーメント

７．全体のねじれトルク演算手順
前項４から６の手順をＳＢ前の加工品の評価断面線１２’上のすべての評価点で行い演算したすべての評価点でのねじれトルクを合計して、ＳＢ前の加工品の評価断面線１２’全体のねじれトルクを演算する全体のねじれトルク演算手順。

８．加工条件制御手順
前述したようにねじれを解消する修正作業のためには、ねじれを発生させる原因である前項６で演算したねじれトルクＴをなくす（零とする）ように加工条件を制御すればよい。
ところで、関係式１によれば、ねじれトルクＴをなくす（零とする）ためには、面内せん断力ｑ、板厚方向のせん断力Ｑ、ねじりモーメントＭＴＳの総和をなくす（零とする）ような加工条件の修正を行えばよいことになる。
なお、ねじれトルクＴを主に支配しているのは面内せん断力ｑであることが実験等で明らかであるので、面内せん断力ｑだけをなくす（零とする）ことでも実用上の効果は期待できる。
例えば、面内せん断力ｑをなくす（零とする）ためには、面内せん断力ｑと面内方向の張力の釣り合い関係を利用して、直接、面内せん断力ｑの変更を行うのではなく、加工条件に直結することが可能な面内方向の張力がＳＢ後の加工品全体に一様な分布になるように修正することなどが考えられる。
面内方向の張力であれば、絞りビードや板押え圧などの加工条件に直接反映させることも可能になる。

本発明の処理手順 評価断面線 評価断面線上の評価点 評価点のねじれトルクの定義 成形シミュレーション例

符号の説明

１１ 基準断面線
１２ 評価断面線
ｋ 基準断面線の微小線分
Ｐ 評価点
Ｃ 評価断面線の図心
Ｔ ねじれ軸周りのねじれトルク
ｒ 評価点から図心までの距離

Claims (4)

1. 加工品に発生したねじれを解消するための加工条件修正作業の支援に用いるスプリングバック前の加工品に作用しているねじれトルクを演算するために、
   スプリングバック後の加工品のねじれの対象箇所におけるねじれ方向に垂直な評価断面線１２に相当する、スプリングバック前の加工品の評価断面線１２’を設定する断面線設定手順と、
   前記スプリングバック前の加工品の評価断面線１２’を微小線分に分割し、該微少線分毎にねじれトルクを演算する際の基準となる評価点を設定する評価点設定手順と、
   前記評価点毎に作用する面内せん断力ｑ、板厚方向のせん断力Ｑ、ねじりモーメントＭを演算する作用力演算手順と、
   ねじれトルクが作用するねじれ軸を、前記スプリングバック前の加工品の評価断面線１２’の中心を通る軸に設定するねじれ軸設定手順と、
   前記評価点のねじれトルクＴを下記式を用いて演算する評価点ねじれトルク演算手順と、
   Ｔ＝（ｑ×ｒ）＋(Ｑ×ｒ)−Ｍ
   但し、ｑは面内せん断力、ｒは前記スプリングバック前の加工品の評価断面線の中心から評価点までの距離、Ｑは板厚方向のせん断力、Ｍはねじりモーメント、
   前記作用力演算手順と、前記ねじれ軸設定手順と、前記評価点ねじれトルク演算手順とを前記スプリングバック前の加工品の評価断面線１２’上のすべての評価点で行い演算したすべての評価点でのねじれトルクを合計して、前記スプリングバック前の加工品の評価断面線１２’全体のねじれトルクを演算する全体のねじれトルク演算手順とを、
   コンピユータに実行させるプレス加工におけるねじれ修正支援プログラム。
2. 請求項１記載のプログラムに、該プログラムで求めたねじれトルクをなくすように加工条件を制御する加工条件制御手順を加えてコンピユータに実行させるプレス加工におけるねじれ修正プログラム。
3. 加工品に発生したねじれを解消するための加工条件修正作業の支援に用いるスプリングバック前の加工品に作用しているねじれトルクＴを演算するために、
   前記ねじれに関するデータ、即ち、ねじれ方向、ねじれ角度、ねじれの対象箇所におけるねじれ方向に垂直な評価断面線１２のデータをコンピュータに入力するデータ入力手順と、
   スプリングバック後の加工品のねじれの対象箇所におけるねじれ方向に垂直な評価断面線１２に相当する、
   スプリングバック前の加工品の評価断面線１２’を設定する断面線設定手順と、
   前記スプリングバック前の加工品の評価断面線１２’を微小線分に分割し、該微少線分毎にねじれトルクを演算する際の基準となる評価点を各微小線分の中央に設定する評価点設定手順と、
   前記評価点毎に作用する面内せん断力ｑ、板厚方向のせん断力Ｑ、ねじりモーメントＭを、コンピュータを用いたプレス加工シミュレーションに金型の形状や、被加工品押え力、カウンター力、金型移動量などのプレス加工条件を入力して演算する作用力演算手順と、
   ねじれトルクが作用するねじれ軸を、前記評価点全ての座標値を平均することで求めたスプリングバック前の加工品の評価断面線１２’の中心を通る軸に設定するねじれ軸設定手順と、
   前記評価点のねじれトルクＴを下記式を用いて演算する評価点ねじれトルク演算手順と、
   Ｔ＝（ｑ×ｒ）＋(Ｑ×ｒ)−Ｍ
   但し、ｑは面内せん断力、ｒは前記スプリングバック前の加工品の評価断面線の中心から評価点までの距離、Ｑは板厚方向のせん断力、Ｍはねじりモーメント、
   前記作用力演算手順と、前記ねじれ軸設定手順と、前記評価点ねじれトルク演算手順とを前記スプリングバック前の加工品の評価断面線１２’上のすべての評価点で行い演算したすべての評価点でのねじれトルクを合計して、前記スプリングバック前の加工品の評価断面線１２’全体のねじれトルクを演算する全体のねじれトルク演算手順と、
   前記全体のねじれトルク演算手順求めた、ねじれトルクＴをなくすように加工条件を制御する加工条件制御手順とを、
   コンピユータに実行させるプレス加工におけるねじれ修正プログラム。
4. 加工品に発生したねじれを解消するための加工条件修正作業の支援に用いるスプリングバック前の加工品に作用しているねじれトルクＴを演算するために、
   スプリングバック後の加工品のねじれの対象箇所におけるねじれ方向に垂直な評価断面線１２に相当する、スプリングバック前の加工品の評価断面線１２’を設定する断面線設定工程と、
   前記スプリングバック前の加工品の評価断面線１２’を微小線分に分割し、該微少線分毎にねじれトルクを演算する際の基準となる評価点を設定する評価点設定工程と、
   前記評価点毎に作用する面内せん断力ｑ、板厚方向のせん断力Ｑ、ねじりモーメントＭを演算する作用力演算工程と、
   ねじれトルクが作用するねじれ軸を、前記スプリングバック前の加工品の評価断面線１２’の中心を通る軸に設定するねじれ軸設定工程と、
   前記評価点のねじれトルクＴを下記式を用いて演算する評価点ねじれトルク演算工程と、
   Ｔ＝（ｑ×ｒ）＋(Ｑ×ｒ)−Ｍ
   但し、ｑは面内せん断力、ｒは前記スプリングバック前の加工品の評価断面線の中心から評価点までの距離、Ｑは板厚方向のせん断力、Ｍはねじりモーメント、
   前記作用力演算工程と、前記ねじれ軸設定工程と、前記評価点ねじれトルク演算工程とを前記スプリングバック前の加工品の評価断面線１２’上のすべての評価点で行い演算したすべての評価点でのねじれトルクを合計して、前記スプリングバック前の加工品の評価断面線１２’全体のねじれトルクを演算する全体のねじれトルク演算工程とを、
   コンピユータを用いて行うプレス加工におけるねじれ修正支援手段。

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