JP2016117070A - 板状ワークのプレス成形シミュレーション方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱を伴うプレス成形において、板状ワークの離型性も考慮に入れたシミュレーションを行うことで、効率的に離型条件を設定することができるので、離型性に起因する設計変更を可及的に排除して生産開始までに要するコスト及び時間を低減する。【解決手段】本発明に係るシミュレーション方法は、加熱を伴う板状ワーク１のプレス成形をシミュレートするための方法であって、予め設定された加熱条件で板状ワーク１をプレス成形した際の温度変化に伴う板状ワーク１の熱収縮量を算出するステップＳ１８と、温度変化に伴う熱収縮で、プレス成形のための一対のプレス型のうち相対的に凸形状をなす凸型４に板状ワーク１が食付く際に凸型１に作用する第一の食付き力Ｆ１を、熱収縮量に基づき算出するステップＳ２０とを備える点をもって特徴付けられる。【選択図】図２

Description

本発明は、鋼材などの板状ワークをプレス成形する際の挙動をシミュレーションするための方法に関する。

例えば自動車部品の加工方法の一つに、ダイクエンチなどの熱間プレス成形がある。この成形方法は、鋼材などの板状ワークを加熱した後、プレス型内に投入して型締めすることにより、板状ワークを所定形状に成形すると共に、型締め状態を所定時間維持することで、ワークに焼入れなどの熱処理を施すものである。

この熱間プレス成形工程においては、通常、成形シミュレーションを行い、ワークの成形性などの評価を事前に行うことで、プレス型や成形条件（主に加熱条件）等の効率的な設定を図るようにしている。

この種の成形シミュレーション方法として、例えば特許文献１に記載の如きものがある。このシミュレーション方法は、プレス成形時の板材の面形状不良を、成形時に板材に生じるひずみの増分に基づいて予測、評価するものである。

特開２００４−２０９５００号公報

ところで、実際の生産工程においては、上述した板状ワークの成形性に加えて、プレス成形後の板状ワークの離型性が重要となる。たとえ成形後の板状ワークが所定の成形品質を満たしていたとしても、この成形後の板状ワークを的確かつ迅速にプレス型から取り出せないことには、生産性を確保することが難しくなるからである。

従来の成形シミュレーションにおいては、特許文献１に記載のように、製品の品質に直結する板状ワークの応力分布やひずみ分布を予測、評価することは行われているものの、成形時に板状ワークがプレス型、特に相対的に凸形状となる側のプレス型（凸型）に食付く現象は何ら考慮されていない。そのため、実際には、これらプレス型の試作を行い、プレス成形を試行してみることでしか食い付きの度合いを把握することができなった。これでは、事前に成形シミュレーションを行っているにも関わらず、成形設備や成形条件の再設定が必要となり、コストと時間の大幅な増加につながっていた。

上記の問題は何も熱間プレス成形に限ったことではなく、例えば温間プレス成形など板状ワークの単なる軟化を目的とした加熱を伴うプレス成形を行う場合にも同様に起こり得る。

以上の事情に鑑み、本発明により解決すべき課題は、加熱を伴うプレス成形において、板状ワークの離型性も考慮に入れた成形シミュレーションを行うことで、離型性に起因する設計変更を可及的に排除して生産開始までに要するコスト及び時間を低減可能とすることにある。

前記課題の解決は、本発明に係る板状ワークのプレス成形シミュレーション方法によって達成される。すなわち、このシミュレーション方法は、加熱を伴う板状ワークのプレス成形をシミュレートするための方法であって、予め設定された加熱条件で板状ワークをプレス成形した際の温度変化に伴う板状ワークの熱収縮量を算出するステップと、温度変化に伴う熱収縮で、プレス成形のための一対のプレス型のうち相対的に凸形状をなす凸型に板状ワークが食付く際に凸型に作用する第一の食付き力を、熱収縮量に基づき算出するステップとを備えた点をもって特徴付けられる。

このように、本発明では、加熱を伴う板状ワークのプレス成形をシミュレートするに際して、温度変化に伴う熱収縮で板状ワークが凸型に食付く点に着目し、この際の食付き力（第一の食付き力）を、予め設定した加熱条件でプレス成形をシミュレートした際の温度変化に伴う板状ワークの熱収縮量に基づき算出するようにした。これにより、温度変化に伴う熱収縮によって凸型が板状ワークから受ける食付き力を推測、評価することができる。よって、離型に必要な力を、例えば離型機構による板状ワークの押し出し力として評価、決定することができ、効率的な離型条件の設定を図ることが可能となる。

また、本発明に係るプレス成形シミュレーション方法は、板状ワークを鋼製とし、鋼製の板状ワークの焼入れを伴ったプレス成形をシミュレートするに際し、板状ワークに焼入れを施した際に板状ワーク中のマルテンサイトに変態した組織の比率を算出するステップと、マルテンサイトの組織比率に基づき板状ワークの変態に伴う膨張量を算出するステップと、変態に伴う膨張で、凸型に板状ワークが食付く際に凸型に作用する第二の食付き力を、膨張量に基づき算出するステップとをさらに備えたものであってもよい。

このように、板状ワークの焼入れを伴う熱間プレス成形において、温度変化に伴う板状ワークの熱収縮だけでなく、焼入れに伴う板状ワークの組織変態率、具体的にはマルテンサイトに変態した組織の比率を算出すると共に、この組織比率に基づいて板状ワークの膨張量を算出することで、変態に伴う膨張で板状ワークが凸型に食付く際の食付き力（第二の食付き力）を算出するようにした。これにより、熱収縮による食付き力だけでなく、焼入れ時の変態に伴う膨張による食付き力も考慮して、凸型への板状ワークの食付き力を推測、評価することができる。よって、さらに正確に離型に必要な力を評価、決定することができ、より一層効率的に離型条件の設定を図ることが可能となる。

以上のように、本発明によれば、加熱を伴うプレス成形において、板状ワークの離型性も考慮に入れたシミュレーションを行うことで、効率的に離型条件を設定することができるので、離型性に起因する設計変更を可及的に排除して生産開始までに要するコスト及び時間を低減することが可能となる。

本発明の一実施形態に係るプレス成形の概要を示す全体構成図である。 図１に示すプレス成形のシミュレーション方法の流れを示すフローチャートである。 図１に示すプレス成形時、板状ワークから凸型に作用する第一の食付き力と、第二の食付き力の分布状態を概念的に示す要部断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る板状ワークのプレス成形シミュレーション方法の内容を図面に基づき説明する。なお、本実施形態では、プレス成形の対象となる板状ワークを、焼入れ可能な鋼製とする。また、本実施形態では、一対のプレス型のうち下型を固定側、上型を可動側とし、かつ下型を凸型、上型を凹型とする。

本実施形態に係るプレス成形シミュレーション方法は、図１に示すように、板状ワーク１を加熱炉２で所定温度にまで加熱した後、一対のプレス型（上型３、下型４）内に投入して型締めすることにより、板状ワーク１を所定形状に成形すると共に、型締め状態を所定時間維持することで、板状ワーク１に焼入れを施す一連の熱間プレス成形における板状ワーク１と上型３及び下型４の挙動をシミュレートするものである。

以下、本実施形態に係るプレス成形シミュレーション方法の一例を、主に図２及び図３に基づき説明する。

（Ｓ１１）工具データ読み込みステップ
まずプレス成形に係る工具データを読み込む。本実施形態では、例えば一対のプレス型（上型３、下型４）の外観形状、特に成形対象となる板状ワーク１と接触する可能性のある成形面（上型３なら下面３ａ、下型４なら上面４ａ）の形状データを読み込む。

（Ｓ１２）成形条件入力ステップ
次に、成形条件に関するデータを入力する。本実施形態では、例えば上型３の移動速度（単位時間あたりの上型３の下降量）、板状ワーク１に対する加圧力、及び板状ワーク１と上型３又は下型４との摩擦係数（動摩擦係数）に関するデータを入力する。

（Ｓ１３）加熱条件入力ステップ
また、このほかに、加熱条件に関するデータを入力する。本実施形態では、例えば鋼製の板状ワーク１に焼入れを施すために必要な加熱条件、具体的にはプレス成形前の加熱炉２による加熱で板状ワーク１をＡｃ３点以上の温度に設定することを想定して、板状ワーク１の加熱温度に関するデータを入力する。また、板状ワーク１と大気５との間の熱伝達係数、及び板状ワーク１と上型３又は下型４との間の熱伝達係数に関するデータを入力する。

（Ｓ１４）接触判定ステップ
このようにシミュレーションに必要なデータの読み込み、あるいは入力が完了した後、板状ワーク１及び上型３を下型４に対して移動させていき、その際の上型３と板状ワーク１との接触状態を判定する。例えば加熱炉２を搬出した地点を板状ワーク１の初期位置とし、一対のプレス型における上死点を上型３の初期位置とする。そして、これら初期位置から板状ワーク１を下型４の上面４ａ上に移載すると共に、上型３を下降させていき、その際の板状ワーク１と上型３との接触状態を所定時間ごとに判定する。そして、上型３と板状ワーク１とが接触状態にあると判定した場合には、ひずみ算出ステップＳ１５、次いで温度算出ステップＳ１６に進み、接触状態にないと判定した場合には、温度算出ステップＳ１６に直接進む。

（Ｓ１５）ひずみ算出ステップ
このステップでは、上型３と板状ワーク１とが接触してから所定時間の経過時点において板状ワーク１がどのように変形するかをひずみ分布として算出する。そして、算出したひずみ分布データが予め設定した基準を満たした場合（例えば板厚減少率がしきい値を上回る箇所が生じた場合）、成形不具合が発生したものとみなし、その旨を表示する。なお、このひずみ分布を算出するための演算は、従来公知の有限要素法により行うことができる。

（Ｓ１６）温度算出ステップ
このステップでは、板状ワーク１の温度データを算出する。具体的には、加熱条件入力ステップＳ１３で入力した板状ワーク１と上型３又は下型４との間の熱伝達係数、板状ワーク１と大気５との間の熱伝達係数などに基づき、これら要素間での熱伝導解析を行い、加熱炉２から搬出されてから所定時間の経過時における板状ワーク１の温度分布データを算出する。なお、この場合の熱伝導解析による温度分布データを算出するための演算についても、従来公知の有限要素法を利用して行うことができる。

（Ｓ１７）マルテンサイトの生成判定ステップ
このようにして板状ワーク１の温度分布データを算出した後、当該温度分布データに基づき板状ワーク１中にマルテンサイトが生成されているか否かを判定する。この判定動作は、プレス成形過程の判定時点において、板状ワーク１の温度が、例えば対応する材質（鋼）の変態曲線図中におけるマルテンサイトの変態開始線を下回っているか否かで判定される。そして、まだ下回っていないと判定された場合には、熱収縮量算出ステップＳ１８に直接進み、下回っていると判定された場合には、組織比率算出ステップＳ１９に進んだ後、熱収縮量算出ステップＳ１８に進む。

（Ｓ１８）熱収縮量算出ステップ
このステップでは、板状ワーク１の温度変化に伴う収縮量、いわゆる熱収縮量の分布データを算出する。この熱収縮量分布データは、算出時点における板状ワーク１の温度分布と、材料固有の熱膨張係数とに基づき算出される。

（Ｓ２０）第一の食付き力算出ステップ
そして、熱収縮量を算出した後、板状ワーク１と凸型としての下型４との位置関係に基づき、熱収縮量分だけ板状ワーク１が変位しようとするのを妨げる向きに下型４から受ける力の反力として、下型４に作用する第一の食付き力Ｆ１の分布データを算出する。この場合、板状ワーク１が熱収縮しようとする向きはその部位によって異なり、例えば図３に示す要部断面図においては、板状ワーク１のうち、型締め方向（図３中、上下方向）に沿った向きに伸びる部位１ａが下型４の凸部４ｂに対して食付く。よって、第一の食付き力Ｆ１は、凸部４ｂのうち、板状ワーク１の型締め方向に沿った向きに伸びる部位１ａと接触している領域にのみ作用する（図３中、黒矢印で示す領域）。

（Ｓ１９）組織比率算出ステップ
このステップでは、算出時点における板状ワーク１中のマルテンサイトの組織比率データを算出する。具体的には、上述と同様、対応する材質の変態曲線図と、冷却開始時からの経過時間、及びステップＳ１６で算出した温度分布とに基づき、マルテンサイトの組織比率に関するデータを算出する。

（Ｓ２１）硬度算出ステップ
マルテンサイトの組織比率に関するデータを算出したら、次に板状ワーク１の硬度を算出する。硬度は板状ワーク１の組成、具体的にはマルテンサイトの組織比率とオーステナイトの組織比率とに応じて定まるため、ステップＳ１９で算出したマルテンサイトの組織比率に関するデータに基づき、板状ワーク１の硬度分布データを算出することができる。

（Ｓ２２）変態膨張量算出ステップ
また、板状ワーク１中のマルテンサイトの組織比率に関するデータを算出したら、次に板状ワーク１のマルテンサイト変態に伴う膨張量を算出する。すなわち板状ワーク１の中の組織がオーステナイトからマルテンサイトに変態するのに伴い、板状ワーク１は体積の増加（膨張）を生じる。よって、この変態に伴う膨張量に関するデータは、ステップＳ２１で算出したマルテンサイトの組織比率に関するデータに基づいて算出することができる。

（Ｓ２３）第二の食付き力算出ステップ
そして、変態に伴う膨張量を算出した後、板状ワーク１と下型４との位置関係に基づき、変態に伴う膨張量分だけ板状ワーク１が変位しようとするのを妨げる向きに下型４から受ける力の反力として、下型４に作用する第二の食付き力Ｆ２の分布データを算出する。この場合、板状ワーク１が変態に伴い膨張しようとする向きはその部位によらず板状ワーク１の外面に対して垂直な向きであり、例えば図３に示す要部断面図においては、板状ワーク１のうち下型４の凸部４ｂと接触する全部位が、凸部４ｂに対して食付く。よって、第二の食付き力Ｆ２は凸部４ｂの全域に対して作用する（図３中、白抜き矢印で示す領域）。

（Ｓ２４）合力算出ステップ
上述のようにして第一の食付き力Ｆ１と、第二の食付き力Ｆ２とを算出した後、これらの合力Ｆｔを算出する。これにより下型４、特に凸部４ｂに作用する食付き力分布を求めることができる。

以上のステップＳ１４〜Ｓ２４を経た後、上型３が下死点に到達しているか否かを判定し（ステップＳ２５）、到達していないと判定されればステップＳ１４に戻り、以後のステップＳ１５〜Ｓ２４を再度実行する。このようにしてステップＳ１４〜Ｓ２４を繰り返し実行し、上型３が下死点に到達していると判定されたら、型締め開始時からの保持時間を判定する（ステップＳ２６）。ここで、板状ワーク１を型締めし始めてから所定時間経過していないと判定されればステップＳ１４に戻り、以後のステップＳ１５〜Ｓ２４を再度実行する。このようにしてステップＳ１４〜Ｓ２４を繰り返し実行し、型締め開始時から所定時間経過している（すなわち型締め状態で所定時間保持している）と判定されれば本シミュレーションを終了する。

このように、本発明では、焼入れ時の冷却に伴う熱収縮で板状ワーク１が下型４の凸部４ｂに食付く際の力（第一の食付き力Ｆ１）を、ステップＳ１３で予め設定した加熱条件でプレス成形をシミュレートした際の板状ワーク１の熱収縮量に基づき算出するようにした（ステップＳ１６，Ｓ１８，Ｓ２０）。これにより、冷却に伴う熱収縮によって下型４の凸部４ｂが板状ワーク１から受ける食付き力Ｆ１を推測、評価することができる。よって、離型に必要な力を、例えば図示しない離型機構による板状ワーク１の押し出し力として評価、決定することができ、効率的な離型条件の設定を図ることが可能となる。

また、本実施形態では、焼入れ時の冷却に伴う板状ワーク１の熱収縮だけでなく、焼入れに伴う板状ワーク１の組織変態率、具体的にはマルテンサイトに変態した組織の比率を算出すると共に、この組織比率に基づいて板状ワーク１の変態に伴う膨張量を算出することで、変態に伴う体積膨張で板状ワーク１が凸部４ｂに食付く際の食付き力（第二の食付き力Ｆ２）を算出するようにした（ステップＳ１６，Ｓ１９，Ｓ２２，Ｓ２３）。これにより、熱収縮による食付き力Ｆ１だけでなく、焼入れ時の変態に伴う膨張による食付き力Ｆ２も考慮して、凸部４ｂへの板状ワーク１の食付き力を合力Ｆｔとして推測、評価することができる。よって、さらに正確に離型に必要な力を評価、決定することができ、より一層効率的に離型条件の設定を図ることが可能となる。また、離型性の事前予測が精度よく行えれば、強度向上のための凸部（リブなどの補強部）を板状ワーク１に設ける際にもその効率的な断面形状を容易に提案することが可能となるため、製品の軽量化にも寄与することが可能となる。

また、本実施形態では、第一及び第二の食付き力Ｆ１，Ｆ２に加えて、成形過程におけるひずみ分布、及び硬度分布を算出するようにした（ステップＳ１５，Ｓ２１）。これにより、離型性だけでなく、成形性、焼入れ性についても精度良く推測、評価することができるので、この点においても設計変更を可及的に排除して、生産開始までに要する時間及びコストを低減することが可能となる。

以上、本発明の一実施形態について述べたが、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲において、上記以外の構成を採ることも可能である。

例えば、上記実施形態では、第一の食付き力Ｆ１を算出するステップＳ２０に加えて、第二の食付き力Ｆ２を算出するステップＳ２３を設けたが、焼入れを伴わない（加熱による板状ワーク１の軟化のみを目的とした）温間プレス成形に本発明を適用する場合、ステップＳ２０のみで足りる。故にこの場合、合力Ｆｔの算出ステップＳ２４も不要である。また、必要に応じてひずみ算出ステップＳ１５や硬度算出ステップＳ２１を省略することも可能である。

１ 板状ワーク
２ 加熱炉
３ 上型
４ 下型
５ 大気
Ｆ１ 第一の食付き力
Ｆ２ 第二の食付き力
Ｓ１１ 工具データ読み込みステップ
Ｓ１２ 成形条件入力ステップ
Ｓ１３ 加熱条件入力ステップ
Ｓ１４ 接触判定ステップ
Ｓ１５ ひずみ算出ステップ
Ｓ１６ 温度算出ステップ
Ｓ１８ 熱収縮量算出ステップ
Ｓ１９ 組織比率算出ステップ
Ｓ２０ 第一の食付き力算出ステップ
Ｓ２１ 硬度算出ステップ
Ｓ２２ 変態膨張量算出ステップ
Ｓ２３ 第二の食付き力算出ステップ
Ｓ２４ 合力算出ステップ
Ｓ２５ 下死点判定ステップ
Ｓ２６ 所定時間経過判定ステップ

Claims (2)

1. 加熱を伴う板状ワークのプレス成形をシミュレートするための方法であって、
   予め設定された加熱条件で前記板状ワークをプレス成形した際の温度変化に伴う前記板状ワークの熱収縮量を算出するステップと、
   前記温度変化に伴う熱収縮で、前記プレス成形のための一対のプレス型のうち相対的に凸形状をなす凸型に前記板状ワークが食付く際に前記凸型に作用する第一の食付き力を、前記熱収縮量に基づき算出するステップとを備えた、板状ワークのプレス成形シュミレーション方法。
2. 前記板状ワークを鋼製とし、該鋼製の板状ワークの焼入れを伴ったプレス成形をシミュレートするに際し、
   前記板状ワークに前記焼入れを施した際に前記板状ワーク中のマルテンサイトに変態した組織の比率を算出するステップと、
   前記マルテンサイトの組織比率に基づき前記板状ワークの前記変態に伴う膨張量を算出するステップと、
   前記変態に伴う膨張で、前記凸型に前記板状ワークが食付く際に前記凸型に作用する第二の食付き力を、前記膨張量に基づき算出するステップとをさらに備えた、請求項１に記載の板状ワークのプレス成形シミュレーション方法。

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