JP2022030639A

JP2022030639A - Ｕｏ曲げ成形の素材寸法決定方法

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Publication number: JP2022030639A
Application number: JP2020134771A
Authority: JP
Inventors: 正彦福島; Masahiko Fukushima
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2020-08-07
Filing date: 2020-08-07
Publication date: 2022-02-18
Anticipated expiration: 2040-08-07

Abstract

【課題】シミュレーションによりＵＯ曲げ成形の素材形状を最適化する方法を提供する。【解決手段】まず、シミュレーションにより平板素材２にＵＯ曲げ成形を施して管状部品１を形成する（第１のステップＳ１）。次に、管状部品１の長手方向複数箇所の断面Ｐ１～Ｐｎにおける周方向長さとその目標値とを比較する（第２のステップＳ２）。この周方向長さとその目標値との比較結果に基づいて、平板素材２の寸法を修正する（第３のステップＳ３）。【選択図】図１

Description

本発明は、シミュレーションによるＵＯ曲げ成形の素材寸法決定方法に関する。

自動車の車体を構成する部品は、金属板をプレス成形することにより製造されることが多い。具体的には、平坦な金属板を打ち抜いて所定形状のブランク材を形成し、このブランク材にプレス成形を施した後、成形品の不要部分を切断除去する。このとき、プレス成形前のブランク材を、プレス成形後の成形品に必要最小限の大きさ（形状）とすれば、材料歩留まりが高められる。

例えば、下記の特許文献１には、コンピュータシミュレーションによる繰り返し計算で、ブランク材の形状を最適化する方法が示されている。

特開２００９－４５６２７号公報特開２０１４－４６２６号公報

コンピュータシミュレーションによるブランク材形状の最適化は、例えば以下のような手順で行われる。まず、シミュレーションにより、図１２（Ａ）に示す平板状のブランク材１０１にプレス成形を施し、図１２（Ｂ）に示す成形品１０２を形成する。この成形品１０２の輪郭（端部の位置）と、図１２（Ｃ）に示す完成部品１０３の輪郭（端部の位置）とを比較し、ブランク材１０１の寸法の過不足ΔＬ’を計算する。こうして計算した過不足ΔＬ’に基づいてブランク材１０１の形状を修正し、再びプレス成形を行う。以上の工程を、成形品１０２が要求品質を満たすまで（すなわち、成形品１０２の輪郭と完成部品１０３の輪郭との差が所定範囲内となるまで）繰り返す。

ところで、プレス成形の一種として、平板状のブランク材を管状に成形する、いわゆるＵＯ曲げ成形が知られている（例えば、上記の特許文献２参照）。一般的なＵＯ曲げ成形では、まず、平板状のブランク材をＵ曲げ金型でプレスすることでＵ字形の成形品を形成する（Ｕ曲げ工程）。次いで、図１３に示すように、Ｕ字形の成形品２０１をＯ曲げ金型２０２，２０３でプレスすることで成形品２０１の端部同士を突き合わせる｛図１３（Ｂ）参照｝。その後、さらにプレスすることで、成形品２０１が外周側に張り出し｛図１３（Ｃ）参照｝、金型２０１に押し付けられることで管状部品２０４が形成される｛図１３（Ｄ）参照｝。管状部品２０４には、端部同士の突き合わせ部２０５が設けられる。

このようなＵＯ曲げ成形の素材（ブランク材）の形状を、図１２と同様の方法により最適化しようとすると、シミュレーションでのＵＯ曲げ成形により得られた管状部品２０６の輪郭（端部の位置）と、設計図面上の管状部品の輪郭（端部の位置）とを比較する必要がある。しかし、管状部品２０４は端部同士が突き合わされているため、端部の位置で素材寸法の過不足を計算することが難しい。例えば、シミュレーションで成形した管状部品２０４に図１４（Ａ）（Ｂ）の上図に示すような成形不良が生じていた場合でも、この管状部品２０４の突き合わせ部２０５と、同下図に示す設計図面上の管状部品２０４’の突き合わせ部２０５’の位置（水平方向位置）は変わらないため、突き合わせ部の位置から素材寸法の過不足を計算することができない。

そこで、本発明は、シミュレーションによりＵＯ曲げ成形の素材形状を最適化する方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、シミュレーションにより平板素材にＵＯ曲げ成形を施して管状部品を形成する第１のステップと、前記管状部品の長手方向複数箇所の断面における周方向長さとその目標値とを比較する第２のステップと、前記周方向長さとその目標値との比較結果に基づいて、前記平板素材の寸法を修正する第３のステップとを有するＵＯ曲げ成形の素材寸法決定方法を提供する。

このように、本発明では、管状部品の端部（突き合わせ部）の位置ではなく、管状部品の断面における周方向長さとその目標値とを比較する。例えば、図１４（Ａ）上図のような成形不良が生じた場合は周方向長さが目標値（同下図の周方向長さ）よりも長くなり、図１４（Ｂ）上図のような成形不良が生じた場合は周方向長さが目標値（同下図の周方向長さ）よりも短くなるため、これらの成形不良を検知することができる。そして、この周方向長さとその目標値との比較結果に基づいて、平板素材の寸法を修正することで、平板素材の形状を最適化することができる。

管状部品の素材の端部同士が突き合わされている場合（すなわち、周方向長さが目標値と一致している場合）であっても、Ｏ曲げ工程（図１３参照）で素材に加わる周方向の圧縮応力が不足していると、素材が金型に十分な力で押し付けられず、成形不良を招くことがある。このような成形不良は、管状部品の周方向長さを目標値と比較するだけでは検知することができない。

そこで、前記第２のステップで、前記管状部品の長手方向複数箇所の断面における周方向の圧縮歪とその目標値とを比較し、前記第３のステップで、前記周方向の圧縮歪とその目標値との比較結果に基づいて、前記平板素材の寸法を修正することが好ましい。このように、管状部品の周方向長さだけでなく、周方向の圧縮歪とその目標値とを比較することで、素材に加わる圧縮応力の過不足を検知できる。この周方向の圧縮歪とその目標値との比較結果に基づいて、平板素材の寸法を修正することで、平板素材の寸法をより適正な値に設定することができる。

以上のように、本発明によれば、シミュレーションによりＵＯ曲げ成形の素材形状を最適化することができる。

本発明の一実施形態に係るＵＯ曲げ成形の素材寸法決定方法のフロー図である。（Ａ）～（Ｄ）は、ＵＯ曲げ成形の各工程の断面図である。（Ａ）（Ｂ）は、Ｕ曲げ工程の断面図である。（Ａ）～（Ｃ）は、第一Ｏ曲げ工程の断面図である。（Ａ）～（Ｃ）は、第二Ｏ曲げ工程の断面図である。管状部品の斜視図である。管状部品の平面図である。管状部品の断面図である。管状部品を展開した平板素材の平面図である。他の実施形態に係るＵＯ曲げ成形の素材寸法決定方法のフロー図である。さらに他の実施形態に係るＵＯ曲げ成形の素材寸法決定方法のフロー図である。プレス成形品の素材寸法決定方法の比較例を示し、（Ａ）は平板素材の断面図、（Ｂ）はシミュレーションによるプレス成形品の断面図、（Ｃ）は設計図面上のプレス成形品の断面図である。（Ａ）～（Ｄ）は、従来のＵＯ曲げ成形におけるＯ曲げ工程の断面図である。（Ａ）（Ｂ）の上図は、成形不良が生じた管状部品の断面図であり、下図は、設計時図面上の管状部品の断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

本実施形態に係るＵＯ曲げ成形の素材寸法決定方法は、図１に示すステップＳ１～Ｓ４を経て行われる。各ステップＳ１～Ｓ４は、キーボード等の入力部、入力部で入力された情報を基に演算を行う演算部、及び、演算部の結果を表示するモニター等の表示部を備えたコンピュータを用いて行われる。以下、各ステップＳ１～Ｓ４を詳しく説明する。

（１）第１のステップＳ１（ＵＯ曲げ成形）
第１のステップＳ１では、上記コンピュータによるシミュレーション（例えば、有限要素法によるシミュレーション）により、平板素材に対してＵＯ曲げ成形を施す。本実施形態では、まず、図２（Ａ）に示す平板素材２に、Ｕ曲げ工程、第一Ｏ曲げ工程、及び第二Ｏ曲げ工程を施して、図２（Ｄ）に示す管状部品１を成形する。以下、各工程を説明する。

Ｕ曲げ工程では、平板素材２にＵ曲げ加工を施して、図２（Ｂ）に示すＵ曲げ成形品３を形成する。具体的には、図３に示すように、平板素材２をＵ曲げ金型２１、２２でプレスしてＵ曲げ成形品３を形成する。Ｕ曲げ成形品３は、底部１１と、底部１１の両端から立ち上がった一対の縦壁部１２とを有する断面Ｕ字形を成している。平板素材２及びこれから成形されるＵ曲げ成形品３はソリッド要素としてモデル化され、Ｕ曲げ金型２１、２２は剛体としてモデル化される。尚、平板素材２及びＵ曲げ成形品３を、シェル要素としてモデル化してもよい。

第一Ｏ曲げ工程では、Ｕ曲げ成形品３に第一Ｏ曲げ加工を施して、図２（Ｃ）に示す第一Ｏ曲げ成形品４を形成する。具体的には、図４に示すように、Ｕ曲げ成形品３を第一Ｏ曲げ金型２３、２４でプレスして、Ｕ曲げ成形品３の縦壁部１２に肩曲げ部１３を形成する。Ｕ曲げ成形品３及びこれから成形される第一Ｏ曲げ成形品４はソリッド要素としてモデル化され、第一Ｏ曲げ金型２３、２４は剛体としてモデル化される。尚、Ｕ曲げ成形品３及び第一Ｏ曲げ成形品４を、シェル要素としてモデル化してもよい。

第二Ｏ曲げ工程では、第一Ｏ曲げ成形品４に第二Ｏ曲げ加工を施して、図２（Ｄ）に示す管状部品１を形成する。具体的には、図５（Ａ）に示すように、第一Ｏ曲げ成形品４を、剛体モデルからなる第二Ｏ曲げ金型２５、２６でプレスして、素材の端部同士を突き合わせる｛図５（Ｂ）参照｝。その後、さらにプレスすることで、第二Ｏ曲げ成形品４の縦壁部１２（特に、型曲げ部１３よりも上方の領域）を外周側に張り出させて、上型２５の成形面に押し付ける。これにより、金型２５、２６の成形面に倣った管状部品１が成形される｛図５（Ｃ）参照｝。第一Ｏ曲げ成形品４及びこれから成形される管状部品１はソリッド要素としてモデル化され、第二Ｏ曲げ金型２５、２６は剛体としてモデル化される。尚、第一曲げ成形品４及び管状部品１を、シェル要素としてモデル化してもよい。

本実施形態の管状部品１は、例えば、自動車のリアサスペンションの左右のトレーリングアームとして用いられ、図６に示すように湾曲した中空管状を成している。図示例の管状部品１は、図７に示す平面視で湾曲している。管状部品１は、さらに他の方向に湾曲していてもよく、例えば、管状部品１の一方の端部を図中上向きあるいは下向きに湾曲させてもよい。管状部品１は、異形（非円形）断面を有する。管状部品１は、長手方向で断面形状が異なっている。管状部品１の上面には、素材の端部同士の突き合わせ部１４が長手方向に沿って設けられる。

尚、ＵＯ曲げ成形は上記に限らず、例えば、第一Ｏ曲げ工程を省略して、Ｕ曲げ成形品にＯ曲げ工程を施して管状部品を形成してもよい。また、管状部品の形状は上記に限らず、例えば、長手方向が直線状のものや、円形断面のもの、あるいは断面形状が長手方向で不変のものであってもよい。

（２）第２のステップＳ２（周方向長さ・圧縮歪のチェック）
第２のステップＳ２では、管状部品１の周方向長さ及び周方向の圧縮歪をチェックする（図１参照）。具体的には、まず、図７に示すように、管状部品１の長手方向の複数箇所における断面Ｐ_１～Ｐ_ｎを設定する。各断面Ｐ_１～Ｐ_ｎは、長手方向と略直交する平面上に設定され、例えば、突き合わせ部１４と直交する平面上に設定される。断面Ｐ_１～Ｐ_ｎのピッチは、有限要素法のメッシュの大きさに応じて設定され、例えば１～２ｍｍ程度に設定される（図７では、図の簡略化のためにピッチを大きめに示している）。

そして、管状部品１の各断面Ｐ_１～Ｐ_ｎの板厚中心における周方向長さＬ_１～Ｌ_ｎを計算する（図８参照）。そして、管状部品１の断面Ｐ_１～Ｐ_ｎにおける周方向長さＬ_１～Ｌ_ｎと、それぞれの目標値Ｌ０_１～Ｌ０_ｎとを比較する。周方向長さの目標値Ｌ０_１～Ｌ０_ｎは、設計図面上の管状部品の各断面Ｐ_１～Ｐ_ｎの板厚中心における周方向長さである。そして、シミュレーションによる管状部品１の周方向長さＬ_１～Ｌ_ｎと、それぞれの目標値Ｌ０_１～Ｌ０_ｎとの差ΔＬ_１～ΔＬ_ｎを算出する。そして、この差ΔＬ_１～ΔＬ_ｎが所定範囲内である断面では、素材の端末同士が設計図面通りに突き当たっている（すなわち、突き合わせ部１４が所望の位置に配されている）と判定される。一方、上記の差ΔＬ_１～ΔＬ_ｎが所定範囲外である断面では、素材の端末同士の突き合わせ状態が不良と判定され、第３のステップＳ３に進む。

また、管状部品１の各断面Ｐ_１～Ｐ_ｎにおける周方向の圧縮歪を計算する。具体的には、各断面Ｐ_１～Ｐ_ｎにおける周方向の圧縮歪ε_１～ε_ｎの分布（平板素材２の各要素の周方向寸法と管状部品１の各要素の周方向寸法との比）を計算する。一方、管状部品１の各断面Ｐ_１～Ｐ_ｎにおける周方向の圧縮歪の目標値を設定する。この目標値は、例えば、理想的な成形状態における圧縮歪分布をシミュレーションで計算したり、過去の実際のプレス成形のデータに基づいて設定したりすることができる。そして、各断面Ｐ_１～Ｐ_ｎにおける周方向の圧縮歪ε_１～ε_ｎとその目標値とを比較する。本実施形態では、シミュレーションによる各断面Ｐ_１～Ｐ_ｎにおける周方向の圧縮歪ε_１～ε_ｎの分布と、それぞれの目標値ε０_１～ε０_ｎとの差Δε_１～Δε_ｎを算出する。そして、この差Δε_１～Δε_ｎが所定範囲内である断面では、素材に適正な圧縮応力が加わっていると判定される。一方、上記の差Δε_１～Δε_ｎが所定範囲外である断面では、素材に加わる圧縮応力が過剰である、あるいは不足していると判定され、第３のステップＳ３に進む。

（３）第３のステップＳ３（素材寸法修正）
第３のステップＳ３では、まず、管状部品１にＵＯ曲げの逆演算を施すことにより、管状部品１を平板状に展開した平板素材２’を取得する（図９参照）。この平板素材２’には、管状部品１の各断面Ｐ_１～Ｐ_ｎに相当する断面線Ｐ_１’～Ｐ_ｎ’が設けられる。各断面線Ｐ_１’～Ｐ_ｎ’の端部で、突き合わせ部を構成する平板素材２’の端部２ａ’、２ｂ’が設定される。そして、第２のステップＳ２において、素材の周方向長さとその目標値との比較結果（ΔＬ_１～ΔＬ_ｎ）又は周方向の圧縮歪とその目標値との比較結果（Δε_１～Δε_ｎ）、あるいはこれらの双方に基づいて、平板素材２’の断面線Ｐ_１’～Ｐ_ｎ’の長さを修正し、平板素材２’の端部２ａ、２ｂの位置を調整する。このとき、断面線Ｐ_１’～Ｐ_ｎ’の長さの修正量や、断面線Ｐ_１’～Ｐ_ｎ’の何れの端部を動かして長さを修正するか等は、過去のデータ等に基づいて設定される。

その後、第３のステップＳ３で寸法を修正した平板素材２’を用いて、再びＵＯ曲げ成形（第１のステップＳ１）及び周方向長さ及び歪チェック（第２のステップＳ２）を行う。そして、管状部品１の各断面Ｐ_１～Ｐ_ｎにおける周方向長さとその目標値との差ΔＬ_１～ΔＬ_ｎ、及び、管状部品１の各断面Ｐ_１～Ｐ_ｎにおける周方向の圧縮歪とその目標値との差Δε_１～Δε_ｎが全て所定範囲内となるまで、上記のステップＳ１～Ｓ３が繰り返される。ΔＬ_１～ΔＬ_ｎ及びΔε_１～Δε_ｎが全て所定範囲内となったら、第４のステップＳ４に進む。

（４）第４のステップＳ４（素材寸法確定）
第４のステップＳ４では、管状部品１にＵＯ曲げの逆演算を施すことにより、管状部品１を平板状に展開する。これにより、所望の突き合わせ状態が得られるように寸法（形状）が最適化された平板素材を取得できる。

本発明は、上記の実施形態に限られない。以下、本発明の他の実施形態を説明するが、上記の実施形態と同様の点については重複説明を省略する。

図１０に示す実施形態では、第２のステップＳ２を、管状部品１の周方向長さをチェックするステップＳ２ａと、管状部品１の周方向の圧縮歪をチェックするステップＳ２ｂとに分けて行っている。具体的には、第１のステップＳ１の後、管状部品１の周方向長さをその目標値と比較し（ステップＳ２ａ）、これらの差が所定範囲外であれば、平板素材２’の寸法を修正して（第３のステップＳ３）、再びＵＯ曲げ成形を施す（第１のステップＳ１）。これらの工程を繰り返して、周方向長さと目標値との差が所定範囲内となったら、管状部品１の周方向の圧縮歪を目標値と比較し（ステップＳ２ｂ）、これらの差が所定範囲外であれば、平板素材２’の寸法を修正して（第３のステップＳ３）、再びＵＯ曲げ成形を施す（第１のステップＳ１）。これらの工程を繰り返して、周方向の圧縮歪と目標値との差が所定範囲内となったら、第４のステップＳ４に進む。

図１１に示す実施形態では、管状部品１の周方向の圧縮歪のチェックを省略している。具体的には、管状部品１の周方向長さとその目標値のみを比較し（第２のステップＳ２）、これらの差が所定範囲外であれば、平板素材２’の寸法を修正して（第３のステップＳ３）、再びＵＯ曲げ成形を施す（第１のステップＳ１）。これらの工程を繰り返して、周方向の圧縮歪と目標値との差が所定範囲内となったら、第４のステップＳ４に進む。このように、圧縮歪をチェックするステップを省略することで、上記の実施形態と比べて計算負荷が軽減されるため、計算時間が短縮される。

１管状部品
２平板素材
３Ｕ曲げ成形品
４第一Ｏ曲げ成形品
１４突き合わせ部
Ｐ_１-Ｐ_ｎ断面
Ｐ_１’-Ｐ_ｎ’ 断面線
Ｌ_１～Ｌ_ｎ周方向長さ
ε_１-ε_ｎ周方向の圧縮歪

Claims

シミュレーションにより平板素材にＵＯ曲げ成形を施して管状部品を形成する第１のステップと、
前記管状部品の長手方向複数箇所の断面における周方向長さとその目標値とを比較する第２のステップと、
前記周方向長さとその目標値との比較結果に基づいて、前記平板素材の寸法を修正する第３のステップとを有するＵＯ曲げ成形の素材寸法決定方法。
前記第２のステップで、前記管状部品の長手方向複数箇所の断面における周方向の圧縮歪とその目標値とを比較し、
前記第３のステップで、前記周方向の圧縮歪とその目標値との比較結果に基づいて、前記平板素材の寸法を修正する請求項１に記載のＵＯ曲げ成形の素材寸法決定方法。