JP2012250245A

JP2012250245A - 円筒深絞りの成形シミュレーション方法、装置及びプログラム

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Publication number: JP2012250245A
Application number: JP2011123343A
Authority: JP
Inventors: Shuji Yamamoto; 修治山本; Yasuhiro Wada; 康裕和田; Kengo Takeda; 健悟竹田; Masayuki Abe; 阿部　　雅之; Yasutsugu Tsukano; 保嗣塚野
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2011-06-01
Filing date: 2011-06-01
Publication date: 2012-12-20
Anticipated expiration: 2031-06-01
Also published as: JP5875255B2

Abstract

【課題】円筒深絞りの成形シミュレーションを行う際に、形状の予測精度を高める。
【解決手段】板厚が４ｍｍ以上の鋼板の円筒深絞りの成形シミュレーションを行う際に、面内異方性に加えて、板厚断面内の異方性も考慮して、Ｈｉｌｌの異方性降伏条件式における異方性パラメータを設定する。この場合に、板厚が４ｍｍ以上の鋼板の複数の面それぞれから複数の傾きで立方体を切出し、圧縮して、その歪みに基づいて、Ｈｉｌｌの異方性降伏条件式における異方性パラメータを設定する。
【選択図】図６

Description

本発明は、板厚が４ｍｍ以上の鋼板の円筒深絞りの成形シミュレーションに関するものである。

自動車部品や家電部品等の製造分野では、鋼板のプレス成形が行われており、中でも円筒状の底付き容器を製造する方法として、絞り成形が多く用いられている。円筒深絞りは、図１に示すように、ダイ１とブランクホルダー２により固定された被加工材３にパンチ４を押込んで底付き円筒容器を成形するものである。近年、自動車用部品分野を中心に、棒鋼を用いた熱間鍛造及び冷間鍛造や鋳造により製造されていた比較的板厚の大きい円筒状の底付き容器が、厚手の鋼板を用いて深絞りにて製造されつつあり、コストダウンに寄与している。厚手の鋼板を用いて深絞りを行うと板厚変化の絶対値が大きく、成形後の板厚を精度良く推定することが重要となる。

従来、薄鋼板のプレス成形のＦＥＭ解析においては、例えば特許文献１にあるように、面内異方性を考慮したＦＥＭ解析が行われている。また、非特許文献１にあるように、円筒深絞りのＦＥＭ解析において、面内異方性を考慮し、成形後のカップ高さを予測した例がある。

また、例えば特許文献２には、有底非円筒形状の絞り成形品についてＦＥＭ解析を行うことが開示されている。

特開２０００−１０７８１８号公報特開２００６−２８１２８１号公報

「プレス成形難易ハンドブック第２版」、薄鋼板成形技術研究会、日刊工業新聞社山田嘉昭、「塑性・粘弾性」、培風館、Ｐ２１６−２１８寺野元規、北村憲彦、「板材の塑性異方性」、平成１８年度塑性加工春季講演会、Ｐ３３７−３３８

しかしながら、厚手の鋼板の円筒深絞りのＦＥＭ解析においては、従来の薄板のＦＥＭ解析に用いられている面内異方性を考慮した解析では形状の予測精度が不十分であった。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、円筒深絞りの成形シミュレーションを行う際に、形状の予測精度を高めることを目的とする。

本発明の円筒深絞りの成形シミュレーション方法は、板厚が４ｍｍ以上の鋼板の円筒深絞りの成形シミュレーションを行う際に、面内異方性に加えて、板厚断面内の異方性も考慮して成形シミュレーションを行うことを特徴とする。
また、本発明の円筒深絞りの成形シミュレーション方法の他の特徴とするところは、Ｈｉｌｌの異方性降伏条件式における異方性パラメータを求める点にある。その場合、板厚が４ｍｍ以上の鋼板の複数の面それぞれから複数の傾きで立方体を切出し、圧縮して、その歪みに基づいて、前記Ｈｉｌｌの異方性降伏条件式における異方性パラメータを求める。
本発明の円筒深絞りの成形シミュレーション装置は、板厚が４ｍｍ以上の鋼板の円筒深絞りの成形シミュレーションを行う際に、面内異方性に加えて、板厚断面内の異方性も考慮して成形シミュレーションを行う手段を備えたことを特徴とする。
本発明のプログラムは、板厚が４ｍｍ以上の鋼板の円筒深絞りの成形シミュレーションを行う際に、面内異方性に加えて、板厚断面内の異方性も考慮して成形シミュレーションを行う処理をコンピュータに実行させる。

本発明によれば、円筒深絞りの成形シミュレーションを行う際に、形状の予測精度を高めることが可能になる。

円筒深絞りのためのダイ、ブランクホルダー及びパンチ並びに被加工材の断面図である。引張試験片の切り出し方向を示す図である。実験及び計算によるカップ高さを示す特性図である。板厚の測定箇所及びカップカップ高さを示す絞り成形品の断面図である。実験及び計算による板厚を示す特性図である。Ｚ値を求めるために用いる立方体試験片の切出し方向、圧縮方向及び歪の測定方向を示す図である。Ｙ値を求めるために用いる立方体試験片の切出し方向、圧縮方向及び歪の測定方向を示す図である。Ｘ値を求めるために用いる立方体試験片の切出し方向、圧縮方向及び歪の測定方向を示す図である。被加工材の初期板厚が１０ｍｍの場合の実験及び計算によるカップ高さを示す特性図である。被加工材の初期板厚が１０ｍｍの場合の実験及び計算による板厚を示す特性図である。被加工材の初期板厚が３．５ｍｍの場合の実験及び計算によるカップ高さを示す特性図である。被加工材の初期板厚が３．５ｍｍの場合の実験及び計算による板厚を示す特性図である。実施例の円筒深絞りのためのダイ及びパンチ並びに被加工材の断面図である。被加工材の初期板厚を１０ｍｍとしたＮｏ．１、Ｎｏ．２及び実験によるカップ高さを示す特性図である。被加工材の初期板厚を１０ｍｍとしたＮｏ．１、Ｎｏ．２及び実験による板厚を示す特性図である。被加工材の初期板厚を８ｍｍとしたＮｏ．３、Ｎｏ．４及び実験によるカップ高さを示す特性図である。被加工材の初期板厚を８ｍｍとしたＮｏ．３、Ｎｏ．４及び実験による板厚を示す特性図である。被加工材の初期板厚を４ｍｍとしたＮｏ．５、Ｎｏ．６及び実験によるカップ高さを示す特性図である。被加工材の初期板厚を４ｍｍとしたＮｏ．５、Ｎｏ．６及び実験による板厚を示す特性図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
板厚が１０ｍｍのＳＰＨ５９０の円板の円筒深絞り行い、それを成形シミュレーションであるＦＥＭ（有限要素法：Finite Element Method）にて解析した。まず、面内異方性のみを考慮したＦＥＭ解析を行った。降伏条件式は式（１）に示すＨｉｌｌの異方性降伏条件式を用いた。

面内異方性を考慮するため、式（１）における異方性パラメータＦ、Ｇ、Ｈ及びＮは、例えば非特許文献２にあるように以下のように求めることができる。図２に示すように、鋼板１１から、圧延方向に対する傾角α＝０°、４５°、９０°を有する試験片１２を作り、引張試験を行い、式（２）で示すＬａｎｋｆｏｒｄのｒ値を求める。

上述のようにして求めたｒ値を式（３）、式（４）、式（５）に代入することにより、それぞれ異方性パラメータＧ、Ｆ、Ｎを得ることができる。その値を表１に示す。

面内異方性を考慮したＦＥＭ解析では、図３に示すように、圧延方向から４５°方向のカップ高さ（図４に示すＨ）が大きくなる傾向は再現できたが、カップ高さが実験結果より大きくなった。また、図４に示すように、成形後の絞り品２１の４ヶ所ａ〜ｄで板厚を調査した結果、図５に示すように、パンチ肩部での板厚が実験結果よりかなり小さくなる結果となった。

本願発明者は鋭意検討を重ねた結果、面内異方性のみならず、板厚断面内の異方性が形状変化に影響することを突き止めた。面内異方性に加えて、板厚断面内の異方性も考慮するため、式（１）における異方性パラメータＦ、Ｇ、Ｈ、Ｌ、Ｍ及びＮを、例えば非特許文献３にあるように以下のように求める。

図６に示すように、辺長が６ｍｍの立方体を加工し、圧延方向に対する傾角β＝０°、４５°、９０°の方向に圧縮し、式（６）で示すＺ値を求める。図６は、Ｚ値を求めるために用いる立方体試験片の切出し方向、圧縮方向及び歪の測定方向を示す図である。３１は鋼板である。３２は圧縮方向が圧延方向に対する傾き角β＝０°になるように加工した辺長が６ｍｍの立方体試験片である。３３は圧縮方向が圧延方向に対する傾き角β＝４５°になるように加工した辺長が６ｍｍの立方体試験片である。３４は圧縮方向が圧延方向に対する傾き角β＝９０°になるように加工した辺長が６ｍｍの立方体試験片である。

また、図７に示すように、辺長が６ｍｍの立方体を加工し、圧延方向に対する傾角γ＝０°、４５°、９０°の方向に圧縮し、式（７）で示すＹ値を求める。図７は、Ｙ値を求めるために用いる立方体試験片の切出し方向、圧縮方向及び歪の測定方向を示す図である。４１は鋼板である。４２は圧縮方向が圧延方向に対する傾き角γ＝０°になるように加工した辺長が６ｍｍの立方体試験片である。４３は圧縮方向が圧延方向に対する傾き角γ＝４５°になるように加工した辺長が６ｍｍの立方体試験片である。４４は圧縮方向が圧延方向に対する傾き角γ＝９０°になるように加工した辺長が６ｍｍの立方体試験片である。

また、図８に示すように、辺長が６ｍｍの立方体を加工し、圧延方向に対する傾角θ＝０°、４５°、９０°の方向に圧縮し、式（８）で示すＸ値を求める。図８は、Ｘ値を求めるために用いる立方体試験片の切出し方向、圧縮方向及び歪の測定方向を示す図である。５１は鋼板である。５２は圧縮方向が幅方向に対する傾き角θ＝０°になるように加工した辺長が６ｍｍの立方体試験片である。５３は圧縮方向が幅方向に対する傾き角θ＝４５°になるように加工した辺長が６ｍｍの立方体試験片である。５４は圧縮方向が幅方向に対する傾き角θ＝９０°になるように加工した辺長が６ｍｍの立方体試験片である。

上述のようにして求めたＺ値、Ｙ値、Ｘ値を式（９）、式（１０）、式（１１）、式（１２）、式（１３）に代入して、それぞれ係数Ｇ、Ｆ、Ｎ、Ｍ、Ｌを得ることができる。その値を表２に示す。

図９及び図１０に、面内異方性に加えて、板厚断面内の異方性も考慮したＦＥＭ解析結果を示す。図９は、被加工材の初期板厚が１０ｍｍの場合の実験及び計算によるカップ高さを示す特性図である。また、図１０は、被加工材の初期板厚が１０ｍｍの場合の実験及び計算による板厚を示す特性図である。被加工材の初期板厚が１０ｍｍの場合、面内異方性に加えて、板厚断面内の異方性を考慮した解析結果は、面内異方性のみを考慮した解析結果と比較して実験結果に近く、解析精度が向上している。

一方、図１１は、被加工材の初期板厚が３．５ｍｍの場合の実験及び計算によるカップ高さを示す特性図である。また、図１２は、被加工材の初期板厚が３．５ｍｍの場合の実験及び計算による板厚を示す特性図である。図１１及び図１２に示すように、板厚が４ｍｍ未満になると、面内異方性に加えて、板厚断面内の異方性を考慮した解析結果と、従来の面内異方性のみを考慮した解析結果とは略同等となる。従って、板厚が４ｍｍ以上の鋼板の円筒深絞りのＦＥＭ解析を行う場合に、面内異方性に加えて、板厚断面内の異方性を考慮した解析を行うのが好適である。

板厚が１０ｍｍ、８ｍｍ、４ｍｍのＳＰＨ５９０の鋼板から円板に切削加工したものを被加工材とした。図１３に示す金型（パンチ６１、ダイ６２）を用い、表３に示す条件にて被加工材６３の絞り成形を行った。板厚が厚いため、しわ押さえが無くても皺が発生しないため、しわ押さえを使用しなかった。

ＦＥＭ解析条件を表３に示す。符号Ｎｏ．１及びＮｏ．２は、板厚１０ｍｍのＦＥＭ解析であり、その結果を図１４及び図１５に示す。図１４は、被加工材の初期板厚を１０ｍｍとしたＮｏ．１、Ｎｏ．２及び実験によるカップ高さを示す特性図である。また、図１５は、被加工材の初期板厚を１０ｍｍとしたＮｏ．１、Ｎｏ．２及び実験による板厚を示す特性図である。本発明を適用したＮｏ．１では、面内異方性のみを考慮した比較例Ｎｏ．２と比較して解析精度が良い。

Ｎｏ．３及びＮｏ．４は、板厚８ｍｍのＦＥＭ解析であり、その結果を図１６及び図１７に示す。図１６は、被加工材の初期板厚を８ｍｍとしたＮｏ．３、Ｎｏ．４及び実験によるカップ高さを示す特性図である。また、図１７は、被加工材の初期板厚を８ｍｍとしたＮｏ．３、Ｎｏ．４及び実験による板厚を示す特性図である。本発明を適用したＮｏ．３では、面内異方性のみを考慮した比較例Ｎｏ．４と比較して解析精度が良い。

Ｎｏ．５及びＮｏ．６は、板厚４ｍｍのＦＥＭ解析であり、その結果を図１８及び図１９に示す。図１８は、被加工材の初期板厚を４ｍｍとしたＮｏ．５、Ｎｏ．６及び実験によるカップ高さを示す特性図である。また、図１９は、被加工材の初期板厚を４ｍｍとしたＮｏ．５、Ｎｏ．６及び実験による板厚を示す特性図である。本発明を適用したＮｏ．５では、面内異方性のみを考慮した比較例Ｎｏ．６と比較して解析精度が良い。

上述したような円筒深絞りのＦＥＭ解析は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたコンピュータ装置からなる成形シミュレーション装置により実行可能である。また、上述した円筒深絞りのＦＥＭ解析を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行することも可能である。

１…ダイス、２…ブランクホルダー、３：…被加工材、４…パンチ、１１…鋼板、１２…引張試験片、２１…成形後の絞り品、３１…鋼板、３２…圧縮方向が圧延方向に対する傾き角β＝０°になるように加工した辺長が６ｍｍの立方体試験片、３３…圧縮方向が圧延方向に対する傾き角β＝４５°になるように加工した辺長が６ｍｍの立方体試験片、３４…圧縮方向が圧延方向に対する傾き角β＝９０°になるように加工した辺長が６ｍｍの立方体試験片、４１…鋼板、４２…圧縮方向が圧延方向に対する傾き角γ＝０°になるように加工した辺長が６ｍｍの立方体試験片、４３…圧縮方向が圧延方向に対する傾き角γ＝４５°になるように加工した辺長が６ｍｍの立方体試験片、４４…圧縮方向が圧延方向に対する傾き角γ＝９０°になるように加工した辺長が６ｍｍの立方体試験片、５１…鋼板、５２…圧縮方向が幅方向に対する傾き角θ＝０°になるように加工した辺長が６ｍｍの立方体試験片、５３…圧縮方向が幅方向に対する傾き角θ＝４５°になるように加工した辺長が６ｍｍの立方体試験片、５４…圧縮方向が幅方向に対する傾き角θ＝９０°になるように加工した辺長が６ｍｍの立方体試験片、６１…パンチ、６２…ダイ、６３…被加工材

Claims

板厚が４ｍｍ以上の鋼板の円筒深絞りの成形シミュレーションを行う際に、面内異方性に加えて、板厚断面内の異方性も考慮して成形シミュレーションを行うことを特徴とする円筒深絞りの成形シミュレーション方法。
Ｈｉｌｌの異方性降伏条件式における異方性パラメータを求めることを特徴とする請求項１に記載の円筒深絞りの成形シミュレーション方法。
板厚が４ｍｍ以上の鋼板の複数の面それぞれから複数の傾きで立方体を切出し、圧縮して、その歪みに基づいて、前記Ｈｉｌｌの異方性降伏条件式における異方性パラメータを求めることを特徴とする請求項２に記載の円筒深絞りの成形シミュレーション方法。
板厚が４ｍｍ以上の鋼板の円筒深絞りの成形シミュレーションを行う際に、面内異方性に加えて、板厚断面内の異方性も考慮して成形シミュレーションを行う手段を備えたことを特徴とする円筒深絞りの成形シミュレーション装置。
板厚が４ｍｍ以上の鋼板の円筒深絞りの成形シミュレーションを行う際に、面内異方性に加えて、板厚断面内の異方性も考慮して成形シミュレーションを行う処理をコンピュータに実行させるためのプログラム。