JP2008302405A - 成形条件決定システム - Google Patents

Abstract

【課題】プレス加工装置の成形速度を適切にかつ迅速に決定できる成形条件決定システムを提供すること。
【解決手段】成形条件決定システムは、成形シミュレーション手段１３１と、ひずみ分布図を作成するひずみ分布図プロット手段１３２と、ひずみ分布図のうち亀裂危険度最大点を抽出し、成形品の品質が一定基準に達するか否かを判定する判定手段１３３と、成形品の品質が一定基準に達しないと判定され、かつ、亀裂危険度最大点の最小主ひずみが０以下である場合には、成形速度を増加させてこの成形速度を設定し、亀裂危険度最大点の最小主ひずみが０より大きい場合には、成形速度を減少させてこの成形速度を設定する成形速度増減手段１３４と、を備える。この成形条件決定システムは、判定手段１３３により品質が一定基準に達すると判定されるまで、成形シミュレーション手段１３１、ひずみ分布図プロット手段１３２、判定手段１３３の順に処理を繰り返す。
【選択図】図５

Description

本発明は、プレス加工装置における成形条件を決定する成形条件決定システムに関する。詳しくは、プレス成形品のひずみ状態に応じて成形条件を決定する方法に関する。

従来より、プレス加工において、成形速度が成形品の品質に大きな影響を及ぼすことが知られている。このため、成形品に発生する割れ、しわ、寸法精度不良等を防止するために成形速度を制御するプレス方法およびプレス装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に示されたプレス方法およびプレス装置によれば、上型の移動量と材料の流入量との比が、予め設定された適正な範囲内に収まるように成形速度が制御される。
特開２００５−１２５３５５号公報

ところで、自動二輪車の燃料タンクといった複雑な形状の成形品は、絞り成形される部分と張出し成形される部分とを有している。これら２つの成形は、それぞれ、最適な成形速度が異なる。具体的には、成形速度を速くすると材料の流入量が増大するため、絞り成形される部分については、成形速度を速くしてプレス成形することが好ましい。一方、成形速度を遅くすると材料の伸びが増大するため、張出し成形される部分については、成形速度を遅くしてプレス成形することが好ましい。

つまり、プレス成形において、絞り成形と張出し成形とのどちらが支配的であるかによって、適切に成形速度を調整する必要がある。しかしながら、特許文献１に示されるような成形速度決定方法では、このような複雑な形状を有する成形品を適切に形成するための成形速度を決定することができない。したがって、このような場合、成形速度は、作業者の経験により決定されることが多く、よって、成形速度を決定するのに時間がかかる場合があった。

また、サーボプレス機等といった、成形速度やしわ押え圧を成形途中に変化させることが可能なプレス機械においては、設定可能な成形速度およびしわ押え圧の組み合わせが多岐にわたる。このため、例えば、成形速度としわ押え圧との最適な組み合わせを決定する場合、上述のように作業者の経験に基づいて成形速度を決定すると、膨大な時間や多くの材料および費用がかかるおそれがあった。

本発明は、プレス加工装置の成形速度を適切にかつ迅速に決定できる成形条件決定システムを提供することを目的とする。

本発明の成形条件決定システムは、板材（例えば、後述の鋼板３２）をプレス成形するプレス加工装置（例えば、後述のプレス加工装置３０）の成形条件を決定する成形条件決定システムであって、成形速度を含む成形条件下で成形シミュレーションを行う成形シミュレーション手段（例えば、後述の成形シミュレーション手段１３１）と、前記成形シミュレーション手段による結果に基づいて、プレス成形された板材の各要素におけるひずみ状態を、成形限界線を含む成形限界線図にプロットしてひずみ分布図を作成するひずみ分布図プロット手段（例えば、後述のひずみ分布図プロット手段１３２）と、当該ひずみ分布図プロット手段によりプロットされた点と前記成形限界線との相対位置関係に基づいて、前記プロットされた点のうち最も亀裂が生じやすいものを亀裂危険度最大点（例えば、後述の亀裂危険度最大点Ｑ_Ａ）として抽出し、プレス成形品の品質が一定基準に達するか否かを判定する判定手段（例えば、後述の判定手段１３３）と、当該判定手段によりプレス成形品の品質が一定基準に達しないと判定され、かつ、前記亀裂危険度最大点の最小主ひずみが０以下である場合には、前記成形速度を増加させて前記成形条件を設定し、前記亀裂危険度最大点の最小主ひずみが０より大きい場合には、前記成形速度を減少させて成形条件を設定する成形速度増減手段（例えば、後述の成形速度増減手段１３４）と、を備え、前記判定手段により品質が一定基準に達すると判定されるまで、成形シミュレーション手段、ひずみ分布図プロット手段、判定手段の順に繰り返すことを特徴とする。

ここで、最小主ひずみが０より大きい領域は、張出し成形される領域であり、また、最小主ひずみが０以下となる領域は、絞り成形される領域である。
本発明によれば、成形シミュレーション手段により成形シミュレーションが行われ、この結果に基づいて、ひずみ分布図プロット手段によりひずみ分布図が作成される。次に、判定手段により、ひずみ分布図にプロットされた点のうち、最も亀裂が生じやすい点が亀裂危険度最大点として抽出され、これに基づき成形品の品質が判定される。

ここで、成形品の品質が一定基準に達しないと判定され、かつ、亀裂危険度最大点の最小主ひずみが０以下である場合には、この成形品において絞り成形が支配的であるとして、成形速度増減手段により成形速度が増加される。また、成形品の品質が一定基準に達しないと判定され、かつ、亀裂危険度最大点の最小主ひずみが０より大きい場合には、この成形品において張出し成形が支配的であるとして、成形速度増減手段により成形速度が減少される。

これら成形シミュレーション手段、ひずみ分布図プロット手段、判定手段による処理は、成形品の品質が一定基準に達すると判定されるまで繰り返され、これにより、成形品の形状に応じた最適な成形速度が自動的に決定される。したがって、従来のように作業者の勘や経験に基づいて成形速度を決定する場合と比較して、プレス加工装置の成形速度を適切かつ迅速に決定できる。また、この発明によれば、成形速度を自動的に決定できるので、実際のプレス加工装置や材料を用いた試作の回数を大幅に削減でき、コストを低減できる。また、製品の形状を設計する段階で、本発明の成形条件決定システムを用いて成形条件を予測することで、複雑な形状の製品を成形できる。

この発明によれば、従来のように作業者の勘や経験に基づいて成形速度を決定する場合と比較して、プレス加工装置の成形速度を適切かつ迅速に決定できる。また、この発明によれば、成形速度を自動的に決定できるので、実際のプレス加工装置や材料を用いた試作の回数を大幅に削減でき、コストを低減できる。また、製品の形状を設計する段階で、本発明の成形条件決定システムを用いて成形条件を予測することで、複雑な形状の製品を成形できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る成形条件決定システム１の概略構成を示す図である。成形条件決定システム１は、プレス加工装置３０に接続され、種々のプログラムを実行する演算処理装置１０と、演算処理装置１０に情報を入力する入力手段２０とを備える。
プレス加工装置３０は、サーボで駆動するサーボプレス機であり、成形条件決定システム１は、このプレス加工装置３０に成形速度としわ押え圧を含むプレス成形条件を出力する。

成形条件決定システム１は、動作制御を行うＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）上に展開されるプログラムとしての、成形条件最適化手段１１、およびプレス制御データ生成手段１４を備える。

成形条件最適化手段１１は、しわ押え圧最適化手段１２と成形速度最適化手段１３とを備え、上記プレス成形条件に含まれるしわ押え圧および成形速度を最適化する。具体的には、しわ押え圧最適化手段１２および成形速度最適化手段１３は、それぞれ、入力手段２０から入力された情報に基づいて成形シミュレーション（ＣＡＥ解析）を行い、これに基づき最適なしわ押え圧および成形速度を決定する。

プレス制御データ生成手段１４は、成形条件最適化手段１１で決定された成形条件に基づいて、プレス加工装置３０を動作させるためのデータを生成する。
入力手段２０は、キーボードであり、成形条件最適化手段１１で成形シミュレーションを行うために必要な情報が入力可能となっている。

図２は、プレス加工装置３０の概略構成を示す図である。
プレス加工装置３０は、いわゆるサーボプレス機であり、ワークとしての鋼板３２の下側に配置された下型４１を有する下型機構４０と、下型４１に対して、上型５１を接近、離隔させる上型機構５０と、これら下型機構４０および上型機構５０を制御する制御装置３１と、を有する。

上型機構５０は、サーボモータ５２と、該サーボモータ５２によって回転駆動される減速ギア５３と、該減速ギア５３によって大きいトルクで回転駆動される回転板５４と、該回転板５４の側面に上端部が揺動可能に軸支されたコネクティングロッド５５とを有する。

サーボモータ５２は、例えばＡＣ型であって、高い応答性を有するとともにトルクむらが小さい。サーボモータ５２の軸回転位置は図示しないエンコーダによって検出され、この検出された軸回転位置に基づいて、サーボモータ５２はフィードバック制御される。

上型機構５０は、さらに、コネクティングロッド５５の下端に軸支されたスライダ５６を備え、上型５１は、スライダ５６の下面に設けられる。

上型５１は、下型４１とともに鋼板３２を挟んでプレス加工するものであって、下面に鋼板３２の上面に当接するための型面５１ａが設けられている。この５１は、凹んだ曲面となっており、上型５１の周辺には、環状のホルダ５７が設けられている。ホルダ５７の先端面は水平であり、型面５１ａよりもやや突出している。したがって、ホルダ５７は、鋼板３２に対して型面５１ａよりも先行して当接することになる。

下型機構４０は、下型４１に加えて、ベースとなる固定台４２と、鋼板３２の周辺部を支持する環状のブランクホルダ４３と、該ブランクホルダ４３を昇降させるダイクッション機構４４とを有する。

下型４１は、固定台４２の上部に設けられており、上型５１とともに鋼板３２を挟んでプレス加工する。この下型４１の上面には、鋼板３２の下面に当接するための型面４１ａが設けられている。

ブランクホルダ４３は、ホルダ５７と対向する位置に設けられ、鋼板３２をプレスする際にしわの発生および位置ずれ等を防止するために、該ホルダ５７ともに鋼板３２の端部を挟持する。

ダイクッション機構４４は、下方から固定台４２および下型４１を貫通してブランクホルダ４３の下部を支持する複数のピン４５と、これらのピン４５を昇降させる図示しない油圧式の昇降機構とを有する。

昇降機構は、ピン４５に連結された図示しない油圧シリンダと、この油圧シリンダを駆動する図示しないサーボ機器と、を含んで構成される。このサーボ機器は、制御装置３１に接続されており、制御装置３１からの信号に基づいて所定の圧力制御を行うことで、ブランクホルダ４３とホルダ５７とで、鋼板３２の周辺部を適切な圧力（しわ押え圧）で押圧して、しわ押さえを行う。

制御装置３１は、サーボモータ５２を回転駆動させて上型５１を下型４１に対して進退させるとともに、ダイクッション機構４４を駆動して、ブランクホルダ４３を昇降させる。

以上のプレス加工装置３０を用いて鋼板３２の加工を行う手順について図３を参照しながら説明する。

先ず、ステップＳ１において、初期設定を行う。つまり、ブランクホルダ４３を所定位置まで上昇させておき、該ブランクホルダ４３によって未加工の鋼板３２を支持する。また、上型５１は上死点まで上昇させておく。次に、ステップＳ２において、制御装置３１の作用下に、サーボモータ５２を回転駆動してスライダ５６を下降させる。

スライダ５６をある程度下降をさせると、ホルダ５７が鋼板３２の上面に接触し、該鋼板３２はホルダ５７とブランクホルダ４３により挟持される。この時点から、制御装置３１の作用下にブランクホルダ４３を下降させる（ステップＳ３）。具体的には、制御装置３１の作用下にブランクホルダ４３が鋼板３２の下面を押圧気味となるように適度な力を発生させて鋼板３２を確実に保持させながら下降するように圧力制御を行う。つまり、ブランクホルダ４３は、ホルダ５７によって鋼板３２を介して押圧され、該鋼板３２に適度な圧力を与えながら押し下げられることになる。これにより、鋼板３２はホルダ５７とブランクホルダ４３によって周辺部を保持（挟持）されながら下降し、次第に上型５１と下型４１によって製品形状にプレスされる。

ステップＳ４において、制御装置３１は、スライダ５６の位置を下死点（つまり、上型５１が１ストロークする間の最下点）に到達させる。ステップＳ５において、制御装置３１の作用下に、サーボモータ５２を回転駆動して、スライダ５６をパネル搬送位置まで上昇させる。

ステップＳ６において、スライダ５６の位置がパネル搬送位置まで達したか否かを確認し、達しているときにはステップＳ７へ移り、未達のときにはスライダ５６の上昇を継続する。ステップＳ７において、制御装置３１の作用下にブランクホルダ４３を上昇させる。これによりブランクホルダ４３は、スライダ５６よりもやや遅れて上昇することになる。

ステップＳ８において、制御装置３１の作用下に、ブランクホルダ４３をパネル搬送位置まで上昇させる。ステップＳ９において、ブランクホルダ４３の上昇を一時停止させ、ドロー成形加工が終了した鋼板３２を図示しない搬送手段によって次工程のステーションへ搬送する。

ステップＳ１０において、制御装置３１は、ブランクホルダ４３を再上昇させて、ブランクホルダ４３を加工待機位置まで到達させる。ステップＳ１１において、未加工の鋼板を所定の位置に配置する。なお、この間もスライダ５６は上昇を継続している。ステップＳ１２において、制御装置３１は、スライダ５６を上死点まで到達させる。

次に、プレス加工装置３０のスライダの変位について図４を参照して説明する。
上述のドロー成形では、スライダ５６つまり上型５１を、図４に示すように変位させて、絞り加工を行う。具体的には、上型５１を上死点（Ｘ_１）から下降させ、鋼板に接触する位置（Ｘ_２）の直前で速度を低下させて、プレス成形する。上型５１が下死点（Ｘ_３）に到達すると、この上型５１を、元の所定速度で上昇させる。以下では、成形速度とは、図４において、スライダ５６が接触位置（Ｘ_２）から下死点（Ｘ_３）に到達するまでの区間におけるスライダ５６の速度であるとする。

図５は、成形速度最適化手段１３の概略構成を示すブロック図である。
成形速度最適化手段１３は、成形シミュレーションを行う成形シミュレーション手段１３１と、ひずみ分布図を作成するひずみ分布図プロット手段１３２と、プレス成形品の品質の判定を行う判定手段１３３と、成形速度の設定を増減させる成形速度増減手段１３４を備える。

成形シミュレーション手段１３１は、プレス成形の成形シミュレーションを行うものであり、解析条件が入力されると、この解析条件の下で成形シミュレーションを行い、その解析結果を出力する。この解析条件には、成形速度およびしわ押え圧を含むプレス成形条件の他、ワークの形状および材質、プレス成形品の形状、および成形シミュレーションに必要な境界条件等が含まれる。

図６は、解析条件の１つとして入力されるワークの形状の一例を示す図である。図７は、解析条件の１つとして入力されるプレス成形品の形状の一例を示す図である。本実施形態における成形シミュレーション手段１３１では、例えば、図６に示すような板状のワーク８０をプレス成形して、図７に示すような略箱状の自動二輪車の燃料タンク９０を形成する成形シミュレーションが行われる。

これら図６および図７に示すように、成形シミュレーションが行われるワーク８０には、プレス成形品の状態を測定するために、網の目状の複数の要素Ｐ_１〜Ｐ_Ｎが仮定される。また、成形シミュレーションの解析結果には、各要素Ｐ_１〜Ｐ_Ｎにおけるプレス成形品のしわや面ひずみの指標となる最大主ひずみおよび最小主ひずみが含まれる。

ひずみ分布図プロット手段１３２は、成形シミュレーション手段１３１から出力された解析結果に基づいて、プレス成形されたワークの各要素Ｐ_１〜Ｐ_Ｎにおけるひずみ状態を、成形限界線を含む成形限界線図にプロットしてひずみ分布図を作成する。

図８及び図９は、ひずみ分布図プロット手段１３２により作成されたひずみ分布図の一例を示す図である。具体的には、図８は、横軸を鋼板の面内方向における最大主ひずみε_１（≧０）とし、縦軸を鋼板の面内方向における最小主ひずみε_２とし、このε_１−ε_２座標上に、プレス成形品の各要素Ｐ_１〜Ｐ_Ｎにおけるひずみ状態（変形状態）をプロットした図である。

この図８のひずみ分布図において、原点Ｏから右上方に延びる線（ε_２＝ε_１）は、等二軸引張りを表わす。この等二軸引張り（ε_２＝ε_１）により、鋼板は、成形前と略相似の形状に引き伸ばされることとなる。この等二軸引張りは、例えば、深絞り容器の底部の変形状態に対応する。

原点Ｏから右方向に延びる線（ε_２＝０）は、平面ひずみ引張りを表わす。この平面ひずみ引張り（ε_２＝０）により、鋼板は、幅方向（ε_２に沿った方向）に沿った寸法は不変で、高さ方向（ε_１に沿った方向）に沿って引き伸ばされることとなる。この平面ひずみ引張りは、例えば、幅は広い鋼板の曲げ部や、深絞り容器の肩−側壁部境界付近の変形状態に対応する。

原点Ｏから右下方に延びる線（ε_２＝−０．５ε_１）は、一軸引張りを表わす。この一軸引張り（ε_２＝−０．５ε_１）により、鋼板は、幅方向（ε_２に沿った方向）に沿って絞られるとともに、高さ方向（ε_１に沿った方向）に沿って引き伸ばされることとなる。すなわち、一軸引張りとは、単軸方向に引っ張った変形状態に対応する。

また、成形限界線ＦＬを、図８中破線で示す。この成形限界線ＦＬは、板面内のひずみ比ε_２／ε_１を変化させて破断ひずみを測定し、これをε_１−ε_２座標上にプロットしたものであり、ワークの材質や板厚等に依存する。またここで、ε_１−ε_２座標上のうち、ε_２＞０の領域は、ワークが張出し成形された張出し領域を示しており、ε_２≦０の領域は、絞り成形された絞り領域を示している。
ひずみ分布図プロット手段１３２は、プレス成形されたワークの各要素Ｐ_１〜Ｐ_Ｎにおけるひずみ状態を、以上のような成形限界線図上に、点Ｑ_１〜Ｑ_Ｎとしてプロットし、図８に示すようなひずみ分布図を作成する。

判定手段１３３は、ひずみ分布図プロット手段１３２により作成されたひずみ分布図に基づいて、プレス成形品の品質が一定基準に達するか否かを判定する。具体的には、ひずみ分布図にプロットされた点Ｑ_１〜Ｑ_Ｎのうち最も亀裂が生じやすいものを亀裂危険度最大点Ｑ_Ａとして抽出し、この亀裂危険度最大点Ｑ_Ａの位置に基づいて、プレス成形品の品質が一定基準に達するか否かを判定する。

判定手段１３３は、先ず、ひずみ分布図にプロットされた点Ｑ_１〜Ｑ_Ｎの全ての点において、亀裂危険度Ｅ_１〜Ｅ_Ｎを算出する。具体的には、亀裂危険度Ｅは、原点および対象となる点Ｑを通過する直線と成形限界線との交点をＲとして、原点と交点Ｒとの距離を、原点と対象となる点Ｑとの距離で割ることにより算出される。

例えば、図９に示すひずみ分布図のうち点Ｑ_Ａの亀裂危険度Ｅ_Ａは、点Ｑ_Ａの最大主ひずみおよび最小主ひずみの値を（ｅ_１，ｅ_２）とし、交点Ｒ_Ａの最大主ひずみおよび最小主ひずみの値を（ｅ_３，ｅ_４）とすると、次式により算出される。

つまり、この亀裂危険度Ｅは、プレス成形品に亀裂が生じる危険性を示す指数であり、この亀裂危険度Ｅが減少するに従って、危険度が上昇する。Ｅ＞１の場合は亀裂の危険性が低いものと推定され、Ｅ＝１の場合は亀裂の限界にあるものと推定され、Ｅ＜１の場合には亀裂が発生するものと推定される。

判定手段１３３は、ひずみ分布図にプロットされた点Ｑ_１〜Ｑ_Ｎの全ての点において、亀裂危険度Ｅ_１〜Ｅ_Ｎを算出し、これら亀裂危険度Ｅ_１〜Ｅ_Ｎの中から、最も小さな亀裂危険度を有する点を抽出し、これを亀裂危険度最大点とする。図９に示す例では、点Ｑ_Ａが亀裂危険度最大点として抽出される。

さらに判定手段１３３は、抽出した亀裂危険度最大点Ｑ_Ａの亀裂危険度Ｅ_Ａの大きさに基づいて、成形品の品質を判定する。具体的には、判定手段１３３は、安全性を考慮して、１より大きい所定値を閾値として設定し、この閾値よりも大きければ、プレス成形品の品質が一定基準に達していると判定する。

成形速度増減手段１３４は、亀裂危険度最大点Ｑ_Ａの最小主ひずみｅ_２の値に応じて、上述の成形シミュレーション手段１３１に入力する成形速度を設定を増減する。
具体的には、成形速度増減手段１３４は、判定手段１３３によりプレス成形品の品質が一定基準に達しないと判定され、かつ、亀裂危険度最大点Ｑ_Ａの最小主ひずみｅ_２の値が０以下である場合には、成形速度を増加させて、この成形速度を設定する。また、成形速度増減手段１３４は、判定手段１３３によりプレス成形品の品質が一定基準に達しないと判定され、かつ、亀裂危険度最大点Ｑ_Ａの最小主ひずみｅ_２の値が０より大きい場合には、成形速度を減少させて、この成形速度を設定する。

以上のように構成された成形速度最適化手段１３は、判定手段１３３により成形品の品質が一定基準に達すると判定されるまで、成形シミュレーション手段１３１に入力する成形速度を設定を変更し、成形シミュレーション手段１３１、ひずみ分布図プロット手段１３２、判定手段１３３の順で処理を繰り返す。ここで、判定手段１３３により成形品の品質が一定基準に達すると判定された場合には、このときの成形速度が最適な成形速度として決定される。

次に、成形速度最適化手段１３の動作を図１０のフローチャートを用いて説明する。
まず、Ｓ２１では、プレス成形品の形状を設定し、Ｓ２２では、ワークを分割し、複数の要素を設定する。具体的には、本実施形態では、図６に示すような要素Ｐ_１〜Ｐ_Ｎが設けられたワーク８０を、図７に示す自動二輪車の燃料タンク９０にプレス成形するように設定する。Ｓ２３では、成形速度およびしわ押え圧を含む成形条件の他、成形シミュレーションに必要な境界条件を設定する。

Ｓ２４では、上記Ｓ２１〜Ｓ２３において設定された解析条件の下で、後に図１４〜図２２を参照して説明する成形シミュレーション解析を実行する。Ｓ２５では、成形シミュレーション解析の結果に基づいて、図８に示すようなひずみ分布図を作成する。Ｓ２６では、作成されたひずみ分布図における亀裂危険度最大点Ｑ_Ａを抽出する。

Ｓ２７では、抽出された亀裂危険度最大点Ｑ_Ａにおける亀裂危険度Ｅ_Ａの値に基づいて、プレス成形品の品質が一定基準に達したか否かを判定する。この判定がＹｅｓの場合には、設定された成形速度を最適な成形速度として決定し、処理を終了し、Ｎｏの場合には、Ｓ２８に移る。

Ｓ２８では、亀裂危険度最大点Ｑ_Ａにおける最小主ひずみが０以下であるか否かを判別する。この判別がＹｅｓの場合にはＳ２９に移り、Ｎｏの場合にはＳ３０に移る。Ｓ２９では、設定された成形速度を上げて、Ｓ２４に移り、成形シミュレーション解析を再び行う。具体的には、設定された成形速度が図４中実線Ｄ_０に示すような成形速度であった場合には、破線Ｄ_２に示すような成形速度に上げる。Ｓ３０では、設定された成形速度を下げて、Ｓ２４に移り、成形シミュレーション解析を再び行う。具体的には、設定された成形速度が図４中実線Ｄ_０に示すような成形速度であった場合には、破線Ｄ_１に示すような成形速度に下げる。

図１１は、成形速度とプレス成形されたワークの伸びとの関係を示すグラフである。
図１１に示すように、ワークの伸びは、成形速度が速くなるに従って減少する。つまり、ワークの伸びが成形限界に大きな影響を与える張出し成形の場合、すなわち最小主ひずみが０より大きい場合、成形された部分の板厚減少率は成形速度が遅くなるに従って低下するので、成形速度は遅い方が好ましい。

図１２は、成形速度とワークおよび金型間の摩擦係数との関係を示すグラフであり、図１３は、成形速度とワークの流入量との関係を示すグラフである。
図１２に示すように、ワークと金型との間の摩擦係数は、成形速度が速くなるに従って低下する。その結果、図１３に示すように、ワークの流入量は、成形速度が速くなるに従って増加することとなる。つまり、ワークの流入量が成形限界に大きな影響を与える絞り成形の場合、すなわち、最小主ひずみが０以下の場合、成形された部分の板厚減少率は成形速度が速くなるに従って低下するので、成形速度は速い方が好ましい。
また、面圧が大きくなるに従って摩擦による影響は大きくなるので、図１３に示すように、鋼板の流入量は、面圧が小さい場合よりも、面圧が大きい場合の方がより顕著に増大する。

次に、成形シミュレーション解析の手順、すなわち成形シミュレーション手段１３１の動作について、図１４のフローチャートを用いて説明する。
Ｓ３１では、解析条件が入力される。具体的には、プレス成形品の形状、ワークの形状および材質、成形速度、しわ押え圧、ワークの応力−ひずみ関係や、摩擦係数等の成形条件を含む解析条件が入力される。ここで、応力−ひずみ特性は、ひずみ速度に依存しており、摩擦係数は、ワークと金型との摺動速度および接触面圧に依存する。

Ｓ３２では、変形が生じるか否かを判別する。この判別がＹｅｓの場合には、Ｓ３３に移り、Ｎｏの場合には、Ｓ３６に移る。

Ｓ３３では、変形部分のひずみ速度を計算し、Ｓ３４では、このひずみ速度に基づいて、応力−ひずみ関係を決定する。なお、この応力―ひずみ関係の決定は、終了時刻に達するまで、所定サイクル毎に行われる。

図１５は、応力−ひずみ関係を示す図である。
図１５に示すように、応力−ひずみ関係は、ひずみ速度に依存し、ひずみ速度が大きいほど、同一のひずみ量における応力は大きくなる傾向がある。
具体的には、同一のひずみ量におけるひずみ速度は、ひずみ速度１０、１、０．１、０．０１の順に小さくなる。

また、図１６に示すように、変形の途中でひずみ速度が変化すると、ひずみ速度が変化した後の応力−ひずみ関係は、変化前のひずみ速度にかかわらず、変化後のひずみ速度にのみ依存することが判明している。つまり、ひずみ速度が変化した後の応力−ひずみ関係は、ひずみ速度が変化する前の速度履歴の影響を受けないのである。
具体的には、ひずみ速度が１、０．１、０．０１のいずれであっても、ひずみ速度が０．１に変化した場合には、応力は、ひずみ速度０．１のグラフに従う。

そこで、応力−ひずみ関係を、相当応力および相当塑性ひずみを用いて、以下のようにして定義する。相当応力とは、一軸（単軸）引張に換算した応力であり、相当塑性ひずみとは、一軸引張に換算した塑性ひずみである。このように換算することによって、簡単に比較ができ、強度評価が容易となるためである。
すなわち、図１７に示すように、実験等により、所定のひずみ速度について、所定の相当塑性ひずみと相当応力との関係を求め、点列データを生成する。

ここでは、所定のひずみ速度を、０．０１、０．１、１、１０とし、所定の相当塑性ひずみを、０、０．０５、０．１、０．１５、０．２、０．２５・・・のように、０．０５刻みとした。そして、これら点列データを、図１８に示すように、グラフ上にプロットし、各点同士を直線で結んだ。

なお、計算対象となるひずみ速度や相当塑性ひずみが上述の点列データに含まれていない場合には、相当応力―相当塑性ひずみ関係を、直接、点列データから求めることができないため、以下の手順で求める。
計算対象となる相当塑性ひずみ値が図１８で定義された２つの相当塑性ひずみの間に位置する場合には、これら２つの相当塑性ひずみの内挿値を用いて、相当応力−相当塑性ひずみ関係を求める。

計算対象となるひずみ速度が図１８で定義された２つのひずみ速度の間に位置する場合には、これら２つのひずみ速度の内挿値を用いて、相当応力−相当塑性ひずみ関係を求める。
なお、以上の内挿値は、一次関数（直線）を用いて求めてもよいし、二次以上の関数を用いて求めてもよい。

ただし、計算対象となるひずみ速度が図１８で定義された最大のひずみ速度よりも大きい場合には、定義された最大のひずみ速度における相当応力−相当塑性ひずみ関係を用いる。また、計算対象となるひずみ速度が図１８で定義された最小のひずみ速度よりも小さい場合には、定義された最小のひずみ速度における相当応力−相当塑性ひずみ関係を用いる。つまり、ひずみ速度の外挿値を用いることはしない。

例えば、図１９に示すように、ひずみ速度ｘの点列データをｘａ、ｘｂ、ｘｃとし、ひずみ速度ｙの点列データをｙａ、ｙｂ、ｙｃとする。
ひずみ速度ｚの相当塑性ひずみｄ、ｅにおける相当応力を求める場合、まず、２つのひずみ速度ｘ、ｙの点列データの内挿値を、ひずみ速度ｚの点列データとする。そして、このひずみ速度ｚの点列データのうち、相当塑性ひずみａ、ｂ、ｃにおける相当応力ｚａ、ｚｂ、ｚｃの内挿値を、ひずみ速度ｚの相当塑性ひずみｄ、ｅにおける相当応力とする。
これにより、図１９中太線Ａで示すように、任意のひずみ速度における相当応力―相当塑性ひずみ関係を容易に計算できるうえに、変形途中でひずみ速度が変化しても、ひずみ速度が変化した後の相当応力−相当塑性ひずみ関係も容易に計算できる。

Ｓ３５では、選択された相当応力―相当塑性ひずみ関係を用いて、変形部分の応力を計算し。Ｓ３６では、ワークと金型とが接触するか否かを判定する。この判別がＹｅｓの場合には、Ｓ３７に移り、Ｎｏの場合には、Ｓ４１に移る。

Ｓ３７では、ワークと金型との摺動速度を計算し、Ｓ３８では、ワークと金型との接触面圧を計算する。
続いて、Ｓ３９では、ワークと金型との摺動速度および接触面圧に基づいて、摩擦係数を決定する。この摩擦係数の決定は、終了時刻に達するまで、所定サイクル毎に行われる。

図２０は、摺動速度および接触面圧と摩擦係数との関係を示す図である。
図２０に示すように、ワークと金型との間に洗浄油等の潤滑機能を有する流体が存在する場合、摩擦係数は、ワークと金型との摺動速度に依存し、摺動速度が大きいほど小さくなる傾向がある。
また、ワークと工具との接触面圧が大きいほど、摩擦係数は摺動速度に大きく依存する傾向がある。つまり、ワークと工具との接触面圧が大きいほど、摺動速度が大きくなるに従って摩擦係数が小さくなる。
なお、絞り成形では、ワークと金型との接触面積が小さいため、接触面圧が大きくなり、張出し成形では、接触面積が大きいため、接触面圧が小さくなる傾向がある。

そこで、摺動速度および接触面圧と摩擦係数との関係を以下のようにして定義する。
すなわち、図２１に示すように、実験等により、所定の接触面圧について、所定の摺動速度と摩擦係数との関係を求め、点列データとする。
ここでは、所定の接触面圧を、１、２、５、１０とし、所定の摺動速度を、１、５、１０、５０、１００、２００とした。そして、これら点列データを、図２２に示すように、グラフ上にプロットし、各点同士を直線で結んだ。

なお、計算対象となる摺動速度や接触面圧が上述の点列データに含まれていない場合には、摺動速度および接触面圧と摩擦係数との関係を、直接、点列データから求めることができないため、以下の手順で求める。
計算対象となる摺動速度が図２１で定義された２つの摺動速度の間に位置する場合には、これら２つの摺動速度の内挿値を用いて、摺動速度および接触面圧と摩擦係数との関係を求める。

計算対象となる接触面圧が図２１で定義された２つの接触面圧の間に位置する場合には、これら２つの接触面圧の内挿値を用いて、摺動速度および接触面圧と摩擦係数との関係を求める。
なお、以上の内挿値は、一次関数（直線）を用いて求めてもよいし、二次以上の関数を用いて求めてもよい。

ただし、計算対象となる接触面圧が図２１で定義された最大の接触面圧よりも大きい場合には、定義された最大の接触面圧における摺動速度および接触面圧と摩擦係数との関係を用いる。また、計算対象となる接触面圧が図２１で定義された最小の接触面圧よりも小さい場合には、定義された最小の接触面圧における摺動速度および接触面圧と摩擦係数との関係を用いる。つまり、接触面圧の外挿値を用いることはしない。

例えば、図２２に示すように、接触面圧５ｋｇｆ／ｃｍ２の点列データをｐｆ、ｐｇとし、接触面圧１０ｋｇｆ／ｃｍ２の点列データをｑｆ、ｑｇとする。
接触面圧８ｋｇｆ／ｃｍ２の摺動速度ｈにおける摩擦係数を求める場合、まず、２つの接触面圧５ｋｇｆ／ｃｍ２および接触面圧１０ｋｇｆ／ｃｍ２の点列データの内挿値を、接触面圧８ｋｇｆ／ｃｍ２の点列データとする。そして、この接触面圧８ｋｇｆ／ｃｍ２の点列データのうち、摺動速度ｆ、ｇにおける摩擦係数ｒｆ、ｒｇの内挿値を、接触面圧８ｋｇｆ／ｃｍ２の摺動速度ｈにおける摩擦係数とする。

続いて、Ｓ４０では、接触する部分の接触反力を計算し、Ｓ４１では、各要素の運動方程式を解く。Ｓ４２では、終了時刻に達したか否かを判別し、この判別がＮｏの場合には、Ｓ３２に戻り、Ｙｅｓの場合には、結果を出力し（Ｓ４３）、終了する。
この出力結果には、しわや面ひずみの指標となる最大主ひずみおよび最小主ひずみが含まれる。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
成形シミュレーション手段１３１により成形シミュレーションが行われ、この結果に基づいて、ひずみ分布図プロット手段１３２によりひずみ分布図が作成される。次に、判定手段１３３により、ひずみ分布図にプロットされた点のうち、最も亀裂が生じやすい点が亀裂危険度最大点Ｑ_Ａとして抽出され、これに基づき成形品の品質が判定される。

ここで、成形品の品質が一定基準に達しないと判定され、かつ、亀裂危険度最大点Ｑ_Ａの最小主ひずみが０以下である場合には、この成形品において絞り成形が支配的であるとして、成形速度増減手段１３４により成形速度が増加される。また、成形品の品質が一定基準に達しないと判定され、かつ、亀裂危険度最大点Ｑ_Ａの最小主ひずみが０より大きい場合には、この成形品において張出し成形が支配的であるとして、成形速度増減手段１３４により成形速度が減少される。

これら成形シミュレーション手段１３１、ひずみ分布図プロット手段１３２、判定手段１３３による処理は、成形品の品質が一定基準に達すると判定されるまで繰り返され、これにより、成形品の形状に応じた最適な成形速度が自動的に決定される。したがって、従来のように作業者の勘や経験に基づいて成形速度を決定する場合と比較して、プレス加工装置３０の成形速度を適切かつ迅速に決定できる。また、この発明によれば、成形速度を自動的に決定できるので、実際のプレス加工装置３０や材料を用いた試作の回数を大幅に削減でき、コストを低減できる。また、製品の形状を設計する段階で、本発明の成形条件決定システム１を用いて成形条件を予測することで、複雑な形状の製品を成形できる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

本発明の一実施形態に係る成形条件決定システムの概略構成を示す図である。 前記実施形態に係る成形条件決定システムのプレス加工装置の概略構成を示す図である。 前記実施形態に係るプレス加工装置の加工手順を示すフローチャートである。 前記実施形態に係るプレス加工装置のスライダの変位と成形時間との関係を示す図である。 前記実施形態に係る成形条件決定システムの成形条件最適化手段の概略構成を示すブロック図である。 前記実施形態に係る成形シミュレーション手段の解析条件の１つとして入力されるワークの形状の一例を示す斜視図である。 前記実施形態に係る成形シミュレーション手段の解析条件の１つとして入力されるプレス成形品の形状の一例を示す図である。 前記実施形態に係る成形限界線図に、プレス成形品のひずみ状態を示したひずみ分布図の一例を示す図である。 前記実施形態に係る成形限界線図に、プレス成形品のひずみ状態を示したひずみ分布図の一例を示す図である。 前記実施形態に係る成形速度最適化手段の動作を示すフローチャートである。 前記実施形態に係る成形速度とワークの伸びとの関係を示すグラフである。 前記実施形態に係る成形速度とワークおよび金型間の摩擦係数との関係を示すグラフである。 前記実施形態に係る成形速度とワークの流入量との関係を示すグラフである。 前記実施形態に係る成形条件決定システムの成形シミュレーション手段の動作を示すフローチャートである。 前記実施形態に係る成形シミュレーションにおける応力−ひずみ関係を示す図である。 前記実施形態に係る応力−ひずみ関係における、ひずみ速度が変化した場合を説明するための図である。 前記実施形態に係る相当応力の点列データを示す図である。 前記実施形態に係る相当応力の点列データをプロットした図である。 前記実施形態に係る相当応力の内挿値を求める手順を説明するための図である。 前記実施形態に係る成形シミュレーションにおける摺動速度および接触面圧と摩擦係数との関係を示す図である。 前記実施形態に係る摩擦係数の点列データを示す図である。 前記実施形態に係る摩擦係数の点列データをプロットした図である。

符号の説明

１ 成形条件決定システム
１０ 演算処理装置
１１ 成形条件最適化手段
１２ しわ押え圧最適化手段
１３ 成形速度最適化手段
１３ 成形速度最適化手段
１３１ 成形シミュレーション手段
１３２ ひずみ分布図プロット手段
１３３ 判定手段
１３４ 成形速度増減手段
２０ 入力手段
３０ プレス加工装置

Claims (1)

1. 板材をプレス成形するプレス加工装置の成形条件を決定する成形条件決定システムであって、
   成形速度を含む成形条件下で成形シミュレーションを行う成形シミュレーション手段と、
   前記成形シミュレーション手段による結果に基づいて、プレス成形された板材の各要素におけるひずみ状態を、成形限界線を含む成形限界線図にプロットしてひずみ分布図を作成するひずみ分布図プロット手段と、
   当該ひずみ分布図プロット手段によりプロットされた点と前記成形限界線との相対位置関係に基づいて、前記プロットされた点のうち最も亀裂が生じやすいものを亀裂危険度最大点として抽出し、プレス成形品の品質が一定基準に達するか否かを判定する判定手段と、
   当該判定手段によりプレス成形品の品質が一定基準に達しないと判定され、かつ、前記亀裂危険度最大点の最小主ひずみが０以下である場合には、前記成形速度を増加させて前記成形条件を設定し、前記亀裂危険度最大点の最小主ひずみが０より大きい場合には、前記成形速度を減少させて成形条件を設定する成形速度増減手段と、を備え、
   前記判定手段により品質が一定基準に達すると判定されるまで、成形シミュレーション手段、ひずみ分布図プロット手段、判定手段の順に繰り返すことを特徴とする成形条件決定システム。

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