JP2023138296A

JP2023138296A - プレス金型の設計方法、装置及びプログラム、並びにプレス成形品の製造方法

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Publication number: JP2023138296A
Application number: JP2022189757A
Authority: JP
Inventors: 靖廣岸上; Yasuhiro Kishigami
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2022-03-17
Filing date: 2022-11-29
Publication date: 2023-10-02
Anticipated expiration: 2042-11-29
Also published as: JP7338774B1; WO2023176231A1

Abstract

【課題】短い時間で設計でき、プレス成形荷重を低減できるプレス金型の設計方法、装置及びプログラム、並びにプレス成形品の製造方法を提供する。【解決手段】本発明に係るプレス金型の設計方法は、プレス成形荷重を低減できる方法であって、金型モデル作成工程Ｓ１と、金型モデル剛性分布設定工程Ｓ３と、プレス成形荷重取得工程Ｓ５と、プレス成形荷重判定工程Ｓ７と、プレス成形荷重判定工程Ｓ７において、所定のプレス成形荷重の範囲内であると判定されたときに、金型モデルの剛性分布をプレス金型の設計剛性分布として決定するプレス金型設計剛性決定工程Ｓ９と、を含むことを特徴とするものである。【選択図】図１

Description

本発明は、金属部材のプレス加工に伴うプレス金型に作用するプレス成形荷重を低減できるプレス金型の設計方法、装置及びプログラム、並びにプレス成形品の製造方法に関する。
ここで、金属部材とは、熱延鋼板、冷延鋼板、あるいは鋼板に表面処理（電気亜鉛めっき、溶融亜鉛めっき、有機皮膜処理等）を施した表面処理鋼板をはじめ、ＳＵＳ、アルミニウム、マグネシウム等、各種金属類から構成される板でもよい。

自動車の軽量化による燃費向上や衝突安全性向上等のニーズの高まりから、自動車車体における高張力鋼板の適用が拡大している。高張力鋼板はその延性の低さによる成形性の低下や、材料強度が高いことに起因する寸法精度の悪化が高張力鋼板を適用するための課題とされている。

また、高張力鋼板をプレス成形する際にはプレス成形荷重が増加するため、プレスラインの変更や部品の分割が必要となり、このようなプレス成形荷重の増加についても高張力鋼板適用の阻害要因となっている。
そのため、プレスラインの変更や部品の分割をすることなくプレス成形荷重を低減できるプレス金型が求められている。

この点、特許文献１には、プレス金型を分割可動させて逐次成形を行うことでプレス成形荷重を低減させる方法が開示されている。

また、従来より、三次元構造物であるプレス金型の構造設計には三次元ＣＡＤが用いられ、プレス金型の三次元モデリングにはソリッドモデル（三次元要素）が用いられてきた。金型モデルをソリッドモデルで作成することにより、プレス金型を構成する部品同士の接触も可能であり、型部品同士の連動を考慮したプレス金型設計が可能となる。非特許文献１にはプレス金型を弾性体としてプレス成形荷重を予測する手法が公開されている。

特開２０１０－２０７９０７号公報

大町勝一郎、"３ＤＳｉｍＳＴＡＭＰを使ったプレス成形ＣＡＥの荷重検討とその応用"、プレス技術、日刊工業新聞社、2０１５年三月、第５３巻、３号、ｐ．６２－６５

特許文献１では、プレス金型を分割することでプレス成形荷重を低減する構造が提案されているが、プレス金型構造の検討方法は示されていない。

非特許文献１では弾性体のソリッドモデル（三次元要素）を用いた金型モデルによる成形解析の事例が示されている。
プレス金型の構造として、プレス金型の剛性を設計する場合、弾性体のソリッドモデル（三次元要素）を用いて金型モデルを作成し、作成した三次元要素の金型モデルを用いてFEM解析を行い、プレス成形荷重を低減するように金型モデルの構造を変更し、プレス金型構造を設計する必要がある。
しかし、ソリッドモデル(三次元要素)を用いてプレス金型をモデル化したFEM解析計算は計算時間を要し、金型モデルの構造を変更するたびに金型モデルのモデリングが必要であり、金型設計に時間がかかる点が問題であった。

本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、短い時間で設計でき、プレス成形荷重を低減できるプレス金型の設計方法、装置及びプログラムを提供することを目的としている。
さらに、設計されたプレス金型に基づいて製造された実プレス金型によって、プレス成形品を製造するプレス成形品の製造方法を提供することを目的としている。

発明者らは、有限要素法を用いたプレス成形解析を用いてプレス成形荷重を低減できるプレス金型の構造を設計する方法を検討するにあたり、まず、プレス成形荷重が大きくなる現象について検討した。

プレス成形試験およびプレス成形解析による検討から、プレス成形荷重は、プレス成形下死点付近において急激に増加するが、プレス下死点付近の荷重にはプレス成形品(ブランク)の変形による反力だけでなく、対面するプレス金型が、ほぼ変形限界に到達したプレス成形品(ブランク)を介して接触することによるプレス金型の弾性変形を、プレス金型構造による剛性によって抑制する反力が含まれていることを突き止めた。

そして、プレス成形荷重を低減するためには、プレス成形荷重（面圧）が作用する部位において、プレス金型の剛性を低下させてプレス金型の弾性変形を抑制する反力を低減させれば、該当部位のプレス成形荷重（面圧）を下げられる、との着想を得るに至った。
また、プレス金型の剛性を低下させるには、有限要素法を用いたプレス成形解析するにあたり、プレス金型の剛性分布に着目して解析を行えばよいと考えた。

さらに、プレス金型の剛性分布を付与するには、従来から行われているように、プレス金型をプレス金型構造のままソリッドモデル（三次元要素）化する必要はなく、プレス金型の表面を非剛体（弾性もしくは弾塑性）のシェルモデル（二次元要素）として仮想的な厚みを持たせてプレス金型をモデル化し、境界条件によって剛性を付与すればソリッドモデル化した場合とほぼ同程度のプレス荷重推定精度を得られ、計算時間も短縮できる、との知見をえた。
本発明はかかる知見に基づくものであり、具体的には以下の構成を備えてなるものである。

（１）本発明に係るプレス金型の設計方法は、プレス成形荷重を低減できるプレス金型の設計方法であって、
前記プレス金型の表面を非剛体の二次元要素によって仮想的な厚みを持たせた金型モデルを作成する金型モデル作成工程と、
前記二次元要素の境界条件を前記金型モデルの部位によって異ならせることによって前記金型モデルの剛性分布を設定する金型モデル剛性分布設定工程と、
該剛性分布を設定した金型モデルを用いてプレス成形解析を行い、プレス成形荷重を取得するプレス成形荷重取得工程と、
前記プレス成形荷重が所定のプレス成形荷重の範囲内かどうかを判定するプレス成形荷重判定工程と、
該プレス成形荷重判定工程において、前記所定のプレス成形荷重の範囲内であると判定された場合は、前記設定した金型モデルの剛性分布をプレス金型の設計剛性分布として決定し、前記プレス成形荷重判定工程において前記所定のプレス成形荷重の範囲を満たさないと判定された場合、該所定のプレス成形荷重の範囲を満たすまで、前記金型モデル剛性分布設定工程における前記金型モデルの剛性分布を変更し、前記プレス成形荷重取得工程と、前記プレス成形荷重判定工程と、を繰り返し、前記所定のプレス成形荷重の範囲になったときに、前記変更した金型モデルの剛性分布をプレス金型の設計剛性分布として決定するプレス金型設計剛性決定工程と、を含むことを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記金型モデル剛性分布設定工程における前記境界条件を、変位拘束、弾性係数、板厚、密度、質量、降伏強度のいずれか一つ又はこれらの組み合わせ、とすることを特徴とするものである。

（３）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記非剛性の二次元要素は、弾性又は弾塑性の二次元要素であることを特徴とするものである。

（４）本発明に係るプレス金型の設計装置は、プレス成形荷重を低減できるものであって、
前記プレス金型の表面を非剛体の二次元要素によって仮想的な厚みを持たせた金型モデルを作成する金型モデル作成部と、
前記二次元要素の境界条件を前記金型モデルの部位によって異ならせることによって前記金型モデルの剛性分布を設定する金型モデル剛性分布設定部と、
該剛性分布を設定した金型モデルを用いてプレス成形解析を行い、プレス成形荷重を取得するプレス成形荷重取得部と、
前記プレス成形荷重が所定のプレス成形荷重の範囲内かどうかを判定するプレス成形荷重判定部と、
該プレス成形荷重判定部において、前記所定のプレス成形荷重の範囲であると判定された場合は、前記設定した金型モデルの剛性分布をプレス金型の設計剛性分布として決定し、前記成形荷重判定部において前記所定のプレス成形荷重の範囲を満たさないと判定された場合、該所定のプレス成形荷重の範囲を満たすまで、前記金型モデル剛性分布設定部において前記金型モデルの剛性分布を変更し、プレス成形荷重取得部と前記プレス成形荷重判定部の処理を繰り返し、前記所定のプレス成形荷重の範囲になったときに、前記変更した金型モデルの剛性分布をプレス金型の設計剛性分布として決定するプレス金型設計剛性決定部と、を含むことを特徴とするものである。

（５）本発明に係るプレス金型の設計プログラムは、コンピュータを上記（４）に記載のプレス金型の設計装置として機能させることを特徴とするものである。

（６）本発明に係るプレス成形品の製造方法は、上記（１）又は（２）に記載のプレス金型の設計方法によってプレス金型の設計剛性分布を取得するプレス金型設計剛性分布取得工程と、
取得したプレス金型の設計剛性分布に基づき実プレス金型を製造するプレス金型製造工程と、
該実プレス金型を用いてプレス成形を行うプレス成形工程を含むことを特徴とするものである。

本発明によれば、プレス成形荷重を低減できるプレス金型の構造を短時間で設計できるようになる。
その結果としてプレス機の加圧能力に応じた適切なプレス成形荷重となる実プレス金型を用いてプレス成形品の製造を行うことができるようになる。これにより、プレス金型への過剰な加圧によるプレス金型の寿命の低下を抑えることができ、プレス成形品のバリ等の発生を抑止して製造効率を向上することができる。

実施の形態１に係るプレス金型の設計方法のフローチャートである。実施の形態２に係るプレス金型の設計装置の構成を示すブロック図である。実施例で成形対象とした部品形状の説明図である。実施例において発明例の各工程に対応したプレス金型形状の説明図である。実施例において比較例の各工程に対応したプレス金型形状の説明図である。発明例及び比較例の各プレス金型におけるプレス成形荷重を示すグラフである。発明例及び比較例の所要時間を示すグラフである。実施の形態３に係るプレス成形品の製造方法のフローチャートである。実プレス金型の厚みの決定方法の説明図である。実施例１の金型モデルｃ(シェル)における設計剛性分布４３を示す図である。図１０のプレス金型の設計剛性分布４３に基づいて製造した実プレス金型４７の説明図であり、図１１（ａ）は成形面を示し、図１１（ｂ）は金型の下面を示している。

［実施の形態１］
本実施の形態は、プレス成形荷重を低減できるプレス金型の設計方法であって、図１に示すように、金型モデル作成工程（Ｓ１）と、金型モデル剛性分布設定工程（Ｓ３）と、プレス成形荷重取得工程（Ｓ５）と、プレス成形荷重判定工程（Ｓ７）と、プレス金型設計剛性決定工程（Ｓ９）とを備えたものである。
以下、各構成を説明する。

＜金型モデル作成工程＞
金型モデル作成工程Ｓ１は、プレス金型の表面を非剛体の二次元要素（シェル要素）によって仮想的な厚みを持たせた金型モデルを作成する工程である。
ここで非剛体とは、弾性体もしくは弾塑性体を指し、非剛体の二次元要素（シェル要素）は、弾性又は弾塑性の二次元要素を用いればよい。
なお、シェル要素に仮想的な厚みを持たせること自体は通常の成形解析でシェル要素を使用する際の手順の一つである。

＜金型モデル剛性分布設定工程＞
金型モデル剛性分布設定工程Ｓ３は、二次元要素の境界条件を金型モデルの部位によって異ならせることによって金型モデルの剛性分布を設定する工程である。
ここで、境界条件とは、変位拘束や弾性係数、板厚、密度、質量あるいは降伏強度でもよい。
例えば、境界条件を変位拘束とする場合、プレス金型のある特定範囲を高剛性とする場合には、高剛性とする部位の二次元要素の変位を拘束して変形しないように境界条件を設定すればよい。
同様に、境界条件を弾性係数、板厚、密度、質量、降伏強度とする場合、プレス金型のある特定範囲を高剛性とする場合には、高剛性とする部位の二次元要素の弾性係数、板厚、密度、質量、降伏強度を大きくして変形しにくく境界条件を設定すればよい。

＜プレス成形荷重取得工程＞
プレス成形荷重取得工程Ｓ５は、剛性分布を設定した金型モデルを用いてプレス成形解析を行い、プレス成形荷重を取得する工程である。
取得するプレス成形荷重は、プレス金型全体にかかる荷重であっても、プレス金型の面圧分布であってもよい。

＜プレス成形荷重判定工程＞
プレス成形荷重判定工程Ｓ７は、プレス成形荷重が所定のプレス成形荷重の範囲内かどうかを判定する工程である。
所定のプレス成形荷重の範囲とは、プレス成形機の最大荷重や、プレス金型の損耗を低減するための荷重制約や、プレス金型の振動を低減するための荷重制約などである。

＜プレス金型設計剛性決定工程＞
プレス金型設計剛性決定工程Ｓ９は、プレス成形荷重判定工程Ｓ７において、所定のプレス成形荷重の範囲内であると判定された場合は、設定した金型モデルの剛性分布をプレス金型の設計剛性分布として決定する。
また、プレス成形荷重判定工程Ｓ７において前記所定のプレス成形荷重の範囲を満たさないと判定された場合には、所定のプレス成形荷重の範囲を満たすまで、金型モデル剛性分布設定工程Ｓ３における金型モデルの剛性分布を変更し、プレス成形荷重取得工程Ｓ５と、プレス成形荷重判定工程Ｓ７と、を繰り返し、所定のプレス成形荷重の範囲になったときに、変更した金型モデルの剛性分布をプレス金型の設計剛性分布として決定する。

決定した設計剛性分布をプレス金型に反映するには、たとえば剛性の強弱にあわせて肉厚を変更する、ヤング率の異なる部材を使用するなどが挙げられる。

本実施の形態においては、プレス金型の表面を非剛体（弾性もしくは弾塑性）のシェルモデル（二次元要素）として仮想的な厚みを持たせてプレス金型をモデル化し、境界条件によって剛性を付与しているので、プレス成形荷重を取得するFEM解析計算に時間がかからず、また剛性分布設定の変更に際して金型モデルのモデリングを都度行う必要もないので、プレス成形荷重を低減できるプレス金型の構造を短時間で設計できるようになる。

［実施の形態２］
実施の形態１で説明したプレス金型の設計方法は、予め設定されたプログラムをコンピュータに実行させることで実現できる。そのような装置の一例であるプレス金型の設計装置を本実施の形態で説明する。
本実施の形態に係るプレス金型の設計装置１は、図２に示すように、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）等のコンピュータによって構成され、表示装置３、入力装置５、記憶装置７、作業用データメモリ９及び演算処理部１１を有している。
そして、表示装置３、入力装置５、記憶装置７及び作業用データメモリ９は、演算処理部１１に接続され、演算処理部１１からの指令によってそれぞれの機能が実行される。
以下、図３に示すプレス成形品３１を解析対象とし、本実施の形態に係るプレス金型の設計装置１の各構成について説明する。

≪表示装置≫
表示装置３は、解析結果の表示等に用いられ、液晶モニター等で構成される。

≪入力装置≫
入力装置５は、ブランクやプレス成形品３１等の表示指示や操作者の条件入力等に用いられ、キーボードやマウス等で構成される。

≪記憶装置≫
記憶装置７は、金型ＣＡＤデータ、ブランク及びプレス成形品３１の形状ファイル等の各種ファイルの記憶等に用いられ、ハードディスク等で構成される。

≪作業用データメモリ≫
作業用データメモリ９は、演算処理部１１で使用するデータの一時保存や演算に用いられ、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）等で構成される。

≪演算処理部≫
演算処理部１１は、図２に示すように、金型モデル作成部１３と、金型モデル剛性分布設定部１５と、プレス成形荷重取得部１７と、プレス成形荷重判定部１９と、プレス金型設計剛性決定部２１と、を有し、ＣＰＵ（中央演算処理装置）によって構成される。
これらの各部は、ＣＰＵが所定のプログラムを実行することによって機能する。
演算処理部１１における上記の各部の機能を以下に説明する。

金型モデル作成部１３は、プレス金型の表面を非剛体の二次元要素によって仮想的な厚みを持たせた金型モデルを作成するものであり、実施の形態１において説明した金型モデル作成工程Ｓ１を実行する。

金型モデル剛性分布設定部１５は、二次元要素の境界条件を金型モデルの部位によって異ならせることによって金型モデルの剛性分布を設定するものであり、実施の形態１において説明した金型モデル剛性分布設定工程Ｓ３を実行する。

プレス成形荷重取得部１７は、剛性分布を設定した金型モデルを用いてプレス成形解析を行い、プレス成形荷重を取得するものであり、実施の形態１において説明したプレス成形荷重取得工程Ｓ５を実行する。

プレス成形荷重判定部１９は、プレス成形荷重が所定のプレス成形荷重の範囲内かどうかを判定するものであり、実施の形態１において説明したプレス成形荷重判定工程Ｓ７を実行する。

プレス金型設計剛性決定部２１は、プレス成形荷重判定部１９において、所定のプレス成形荷重の範囲であると判定された場合は、前記設定した金型モデルの剛性分布をプレス金型の設計剛性分布として決定し、プレス成形荷重判定部１９において所定のプレス成形荷重の範囲を満たさないと判定された場合、該所定のプレス成形荷重の範囲を満たすまで、金型モデル剛性分布設定部１５において前記金型モデルの剛性分布を変更し、プレス成形荷重取得部１７とプレス成形荷重判定部１９の処理を繰り返し、前記所定のプレス成形荷重の範囲になったときに、前記変更した金型モデルの剛性分布をプレス金型の設計剛性分布として決定するものであり、実施の形態１において説明したプレス金型設計剛性決定工程Ｓ９を実行する。

本実施の形態に係るプレス金型の設計装置１によれば、実施の形態１と同様に、プレス成形荷重を低減できるプレス金型の構造を短時間で設計できる。

なお、上述したように、本実施の形態のプレス金型の設計装置１における金型モデル作成部１３、金型モデル剛性分布設定部１５、プレス成形荷重取得部１７、プレス成形荷重判定部１９及びプレス金型設計剛性決定部２１は、ＣＰＵが所定のプログラムを実行することで実現されるものである。
したがって、本発明に係るプレス金型の設計プログラムは、コンピュータを、金型モデル作成部１３、金型モデル剛性分布設定部１５、プレス成形荷重取得部１７、プレス成形荷重判定部１９及びプレス金型設計剛性決定部２１として機能させるもの、と特定することができる。

［実施の形態３］
本発明の実施の形態３に係るプレス成形品の製造方法は、本実施の形態１で説明したプレス金型の設計方法によって取得しプレス金型の設計剛性分布に基づいて実プレス金型を製造し、該実プレス金型を用いてプレス成形品の製造するものである。図８に示すように、プレス金型設計剛性分布取得工程Ｓ１１と、プレス金型製造工程Ｓ１３と、プレス成形工程Ｓ１５と、を含む。

＜プレス金型設計剛性分布取得工程＞
プレス金型設計剛性分布取得工程Ｓ１１は、前述した本実施の形態１のプレス金型の設計方法によってプレス金型の設計剛性分布を取得する工程である。
プレス金型設計剛性分布取得工程Ｓ１１において取得するプレス金型の設計剛性分布は、前述したプレス金型設計剛性決定工程Ｓ９において、所定のプレス成形荷重の範囲になったときに、変更した金型モデルの剛性分布をプレス金型の設計剛性分布として決定したものである。

＜プレス金型製造工程＞
プレス金型製造工程Ｓ１３は、プレス金型設計剛性分布取得工程Ｓ１１において取得したプレス金型の設計剛性分布に基づき実プレス金型を製造する工程である。
プレス金型製造工程Ｓ１３では、プレス金型の設計剛性分布に基づいて、例えば、二次元要素の変形を拘束して変形しないように境界条件を設定した高剛性とする部位にリブ（補強部材）を配置し、それ以外の部位は、たわみ量が金型モデルと同じになるように実プレス金型の厚みを決定する。

以下、実プレス金型の厚みの決定方法の考え方を、図９に基づいて説明する。
図９は、金型表面の弾性変形を単純梁の変形と考えて図示したものであり、図９（ａ）は実プレス金型の厚みｔ(mm)、弾性係数E（MPa）の場合であり、図９（ｂ）が金型モデルの仮想的な厚みをｔc(mm)、弾性係数Ec(MPa)の場合を示している。
このように考えると、図９（ａ）の実プレス金型のたわみ量δと図９（ｂ）の金型モデルのたわみ量δcが同じとなる実プレス金型の厚みｔを、式（１）で決定できる。
ｔ=(Ec/E)^1/3・tc・・・（１）

＜プレス成形工程＞
プレス成形工程Ｓ１５は、プレス金型製造工程Ｓ１３で製造した実プレス金型を用いて、実際にプレス成形を行い、プレス成形品を製造する工程である。

以上、本実施の形態３に係るプレス成形品の製造方法においては、プレス機の加圧能力に応じた適切なプレス成形荷重となる実プレス金型を用いてプレス成形品の製造を行うことができる。これにより、プレス金型への過剰な加圧によるプレス金型の寿命の低下を抑えることができ、プレス成形品のバリ等の発生を抑止して製造効率を向上することができる。

本発明の効果を確認するため具体的なプレス金型の設計を行ったので、以下説明する。
図３に実施例の対象とする部品形状を示す。部品の材質は冷延1180MPa級高張力鋼板、板厚1.6mmである。当該部品のプレス成形に際しては、プレス機械の機械的な制約から、冷間プレス荷重を最大荷重245ton以下に抑える必要がある。そこで、本発明のプレス金型の設計方法における成形荷重判定工程における所定のプレス成形荷重をプレス成形機の最大荷重245tonとした。

図４に上記実施の形態を実施した発明例における各工程により得られたプレス金型の形状を、各工程の流れに沿って表示した。
発明例の各工程を、参照する図４を示しながら説明する。

１．最初にプレス金型の金型ＣＡＤデータを作成した（図４（Ａ））。
２．次にプレス金型のメッシュを作成して剛体のソリッドモデル（三次元要素）による金型モデルａ（ソリッド）を作成した（図４（Ｂ））。
３．金型モデルａ（ソリッド）を用いたＦＥＭ解析により、図３に示す部品形状のプレス成形品３１のプレス成形解析を実施し、プレス成形荷重を取得した。
４．次に金型モデルａ（ソリッド）のプレス成形荷重が、最大荷重245ton以下かどうか、プレス成形荷重判定を実施した。
その結果、プレス成形荷重は338tonであり、最大荷重245tonを38.0%も上回っていたので、さらなるプレス成形荷重の低減が必要と判定された。
そこで、以降の５～１３において、本実施の形態に係るプレス金型の設計方法及び装置を用いて、プレス成形荷重を低減できるプレス金型を設計した。
５．プレス金型の表面を弾性(非剛性)のシェル要素（二次元要素）によって仮想的な厚みを持たせた金型モデル（シェル）を作成した（図４（Ｃ）、金型モデル作成工程）
６．そして、プレス金型の高剛性とする部位は、その範囲の金型モデル（シェル）の変位を拘束して変位しないように設定し、それ以外の範囲の金型モデル（シェル）の変位は拘束せずに、境界条件を金型モデル（シェル）の部位によって異ならせることにより金型モデル（シェル）の剛性分布を設定し、金型モデルb(シェル)を作成した（図４（Ｄ）、金型モデル剛性分布設定工程）。
７．剛性分布を設定した金型モデルb(シェル)を用いたＦＥＭ解析によるプレス成形解析を実施し、プレス成形荷重を取得した（プレス成形荷重取得工程）。
８．金型モデルb(シェル)のプレス成形荷重がプレス成形機の最大荷重245ton以下を満たすかどうかを判定した。取得した金型モデルb(シェル)のプレス成形荷重は250tonで最大荷重245tonを超えており、さらなるプレス成形荷重低減が必要であり、所定のプレス成形荷重の範囲を満たさないと判定された（プレス成形荷重判定工程）。
９．金型モデルb(シェル)で設定した金型モデル（シェル）の変位を拘束する部位を金型モデルb（シェル）よりも狭くなるように変更し、金型モデルの剛性分布を変更した金型モデルｃ(シェル)を作成した（図４（Ｅ）、プレス金型設計剛性決定工程において繰返し行う、金型モデル剛性分布設定工程）。
１０．剛性分布を変更した金型モデルｃ(シェル)を用いたプレス成形解析を実施し、プレス成形荷重を取得した（プレス金型設計剛性決定工程において繰返し行う、プレス成形荷重取得工程）。
１１．取得した金型モデルc(シェル)のプレス成形荷重が、最大荷重245ton以下を満たすかどうかを判定した（プレス金型設計剛性決定工程において繰返し行う、プレス成形荷重判定工程）。
その結果、金型モデルc(シェル)のプレス成形荷重は234tonであり、最大荷重245tonを4.5%下回るまで低減できたので、所定のプレス成形荷重の範囲内であると判定された（プレス金型設計剛性決定工程において繰返し行う、プレス成形荷重判定工程）。
１２．金型モデルc(シェル)のプレス成形荷重が所定のプレス成形荷重の範囲になったので、金型モデルc(シェル)の剛性分布を、図３に示す部品形状のプレス成形品３１のプレス金型の設計剛性分布として決定した。
１３．これによって、検討が終了した。
上述の９～１２で示した工程は、プレス成形荷重が所定のプレス成形荷重の範囲になるまで、さらに、プレス成形荷重を低減すべく、金型モデル（シェル）の剛性分布を変更し、プレス成形荷重取得工程と、プレス成形荷重判定工程と、を繰り返し、シェルモデルによる金型モデルの剛性分布をプレス金型の設計剛性分布として決定するという、本発明のプレス金型設計剛性決定工程に相当する。

比較例として、金型ＣＡＤデータ作成とソリッドモデルによる金型モデルの作成を繰り返す方法の各工程の流れを図５に示す。
比較例の各工程を、参照する図５を示しながら説明する。なお、比較例の１～４の各工程は、発明例と同じである。

１．最初にプレス金型の金型ＣＡＤデータを作成した（図５（ａ））。
２．次にプレス金型のメッシュを作成して剛体のソリッドモデル（三次元要素）による金型モデルａ（ソリッド）（発明例の金型モデルａと同じ）を作成した（図５（ｂ））。
３．金型モデルａ（ソリッド）を用いたＦＥＭ解析により、図３に示す部品形状のプレス成形品３１のプレス成形解析を実施し、プレス成形荷重を取得した。
４．次に金型モデルａ（ソリッド）のプレス成形荷重が、最大荷重245ton以下かどうか、プレス成形荷重判定を実施した。
このときプレス成形荷重は、発明例で説明したのと同様に338tonであり、最大荷重245tonを38.0%も上回っていたので、さらなるプレス成形荷重低減が必要と判定された。
５．プレス金型構造を再検討し、プレス金型構造を変更したプレス金型の金型ＣＡＤデータを作成した（図５（ｃ））。
６．プレス金型構造を変更したプレス金型の金型ＣＡＤデータより、プレス金型のメッシュを作成して剛体のソリッドモデルによる金型モデルｂ（ソリッド）を作成した（図５（ｄ））。
７．作成した金型モデルb(ソリッド)を用いたＦＥＭ解析によるプレス成形解析を実施し、プレス成形荷重を取得した。
８．金型モデルb(ソリッド)のプレス成形荷重は248tonであり、最大荷重245tonよりわずかではあるが1.2％上回っており、さらなるプレス成形荷重低減が必要と判定された。
９．プレス成形荷重をさらに低減すべく、プレス金型構造を再検討し、プレス金型構造を再度変更したプレス金型の金型ＣＡＤデータを作成した（図５（ｅ））。
１０．プレス金型構造を再度変更したプレス金型の金型ＣＡＤデータより、プレス金型のメッシュを作成して剛体のソリッドモデルによる金型モデルｃ（ソリッド）を作成した（図５（ｆ））。
１１．作成した金型モデルｃ(ソリッド)を用いたＦＥＭ解析によるプレス成形解析を実施し、プレス成形荷重を取得した。
１２．金型モデルｃ(ソリッド)のプレス成形荷重は228tonであり、最大荷重245tonを6.9%下回るまで低減できたので、プレス成形荷重判定はＯＫとなった。
１３．金型モデルc(ソリッド)のプレス成形荷重が所定のプレス成形荷重の範囲になったので、金型モデルc(ソリッド) の剛性分布を、図３に示す部品形状のプレス成形品３１のプレス金型の設計剛性分布として決定した。
１４．これによって、検討が終了した。

図６に金型モデルａ（ソリッド）、本発明によるシェル要素の金型モデルｂ(シェル)、及び金型モデルｃ(シェル)を用いたプレス成形解析によるプレス成形荷重と、比較例により求めたソリッド要素の金型モデルｂ（ソリッド）及び金型モデルｃ（ソリッド）のプレス成形荷重を比較して示す。これより、シェル要素の金型モデルｂ(シェル)、金型モデルｃ(シェル)と、ソリッド要素の金型モデルｂ（ソリッド）、金型モデルｃ（ソリッド）は、ほぼ同程度のプレス荷重推定精度であることが示された。

発明例、比較例における所要時間（モデリング時間、計算時間）を比較したものを図９に示す。
図７に示すように、比較例におけるモデリング時間は60min、計算時間が200minで合計260minであった。これに対し、実施例におけるモデリング時間は5min、計算時間が130minで合計135minであり、比較例の48％の計算時間を短縮できた。

以上のように、本発明を適用することで、精度を阻害することなく設計時間を短縮できることが実証された。

なお、上記の実施例における発明例は、まず金型ＣＡＤデータを作成し、これに基づく金型モデルａ（ソリッド）を作成し、金型モデルａ（ソリッド）のプレス成形荷重を取得するという工程を経ているが、金型ＣＡＤデータや金型モデルａ（ソリッド）は既に存在する場合もあるので、その場合にはそれらのデータを用いて本発明を適用すればよい。すなわち、本発明では金型ＣＡＤデータや金型モデルａ（ソリッド）の作成は必須ではない。

実施例２では、実施例１（金型設計剛性分布取得工程）で取得した図３のプレス成形品３１を成形するプレス金型の設計剛性分布に基づいて実プレス金型を製造し、その実プレス金型を用いてプレス成形品３１をプレス成形した。

図１０は実施例１の金型モデルｃ(シェル)における設計剛性分布４３を示す図である。なお、図１０は、図３に示す部品を成形する実プレス金型（パンチ、ダイ等）のうちダイに相当するものである。他の実プレス金型であるパンチ等はダイに対応する形状を有しているが、以下においては実プレス金型（ダイ）を例に挙げて説明する。図１０において、高剛性とする部位４５の色を濃いグレーにしている。

図１１に、図１０のプレス金型の設計剛性分布４３に基づいて製造した実プレス金型４７を示す。実プレス金型４７の成形面側には、部品に対応する溝形状部４９が形成されており、溝底の両側にはプレス成形品３１のパンチ肩Ｒ部３９に相当する第１Ｒ部５１を有し、また、溝の入口部には、プレス成形品３１のダイ肩Ｒ部４１に相当する第２Ｒ部５３を有している。

実プレス金型４７は図１１に示すように、図１０のプレス金型の設計剛性分布４３において濃いグレーとした高剛性とする部位４５に対応して、周縁が変形しないリブ形状部５５となっている。また、溝底に相当する部分も変形しないリブ形状相当部５７となっている。リブ形状部５５及びリブ形状相当部５７以外の部分は、変形する部位でありその厚みは、式（１）より算出された10mmである。

実プレス金型４７を用いてプレス成形品３１をプレス成形したときの、実際のプレス成形荷重は、プレス機械の機械的な制約による最大荷重(245ton)を2.1%下回る240tonであった。これより、本発明により、プレス機の加圧能力に応じた適切なプレス成形荷重となる実プレス金型４７により、プレス成形品３１を製造できることが示された。

１プレス金型の設計装置
３表示装置
５入力装置
７記憶装置
９作業用データメモリ
１１演算処理部
１３金型モデル作成部
１５金型モデル剛性分布設定部
１７プレス成形荷重取得部
１９プレス成形荷重判定部
２１プレス金型設計剛性決定部
３１プレス成形品
３３天板部
３５縦壁部
３７フランジ部
３９パンチ肩Ｒ部
４１ダイ肩Ｒ部
４３プレス金型の設計剛性分布
４５高剛性とする部位
４７実プレス金型
４９溝形状部
５１第１Ｒ部
５３第２Ｒ部
５５リブ形状部
５７リブ形状相当部

（３）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記非剛体の二次元要素は、弾性又は弾塑性の二次元要素であることを特徴とするものである。

Claims

プレス成形荷重を低減できるプレス金型の設計方法であって、
前記プレス金型の表面を非剛体の二次元要素によって仮想的な厚みを持たせた金型モデルを作成する金型モデル作成工程と、
前記二次元要素の境界条件を前記金型モデルの部位によって異ならせることによって前記金型モデルの剛性分布を設定する金型モデル剛性分布設定工程と、
該剛性分布を設定した金型モデルを用いてプレス成形解析を行い、プレス成形荷重を取得するプレス成形荷重取得工程と、
前記プレス成形荷重が所定のプレス成形荷重の範囲内かどうかを判定するプレス成形荷重判定工程と、
該プレス成形荷重判定工程において、前記所定のプレス成形荷重の範囲内であると判定された場合は、前記設定した金型モデルの剛性分布をプレス金型の設計剛性分布として決定し、前記プレス成形荷重判定工程において前記所定のプレス成形荷重の範囲を満たさないと判定された場合、該所定のプレス成形荷重の範囲を満たすまで、前記金型モデル剛性分布設定工程における前記金型モデルの剛性分布を変更し、前記プレス成形荷重取得工程と、前記プレス成形荷重判定工程と、を繰り返し、前記所定のプレス成形荷重の範囲になったときに、前記変更した金型モデルの剛性分布をプレス金型の設計剛性分布として決定するプレス金型設計剛性決定工程と、を含むことを特徴とするプレス金型の設計方法。
前記金型モデル剛性分布設定工程における前記境界条件を、変位拘束、弾性係数、板厚、密度、質量、降伏強度のいずれか一つ又はこれらの組み合わせ、とすることを特徴とする請求項１に記載のプレス金型の設計方法。
前記非剛性の二次元要素は、弾性又は弾塑性の二次元要素であることを特徴とする請求項１又は２に記載のプレス金型の設計方法。
プレス成形荷重を低減できるプレス金型の設計装置であって、
前記プレス金型の表面を非剛体の二次元要素によって仮想的な厚みを持たせた金型モデルを作成する金型モデル作成部と、
前記二次元要素の境界条件を前記金型モデルの部位によって異ならせることによって前記金型モデルの剛性分布を設定する金型モデル剛性分布設定部と、
該剛性分布を設定した金型モデルを用いてプレス成形解析を行い、プレス成形荷重を取得するプレス成形荷重取得部と、
前記プレス成形荷重が所定のプレス成形荷重の範囲内かどうかを判定するプレス成形荷重判定部と、
該プレス成形荷重判定部において、前記所定のプレス成形荷重の範囲であると判定された場合は、前記設定した金型モデルの剛性分布をプレス金型の設計剛性分布として決定し、前記プレス成形荷重判定部において前記所定のプレス成形荷重の範囲を満たさないと判定された場合、該所定のプレス成形荷重の範囲を満たすまで、前記金型モデル剛性分布設定部において前記金型モデルの剛性分布を変更し、プレス成形荷重取得部と前記プレス成形荷重判定部の処理を繰り返し、前記所定のプレス成形荷重の範囲になったときに、前記変更した金型モデルの剛性分布をプレス金型の設計剛性分布として決定するプレス金型設計剛性決定部と、を含むことを特徴とするプレス金型の設計装置。
コンピュータを請求項４に記載のプレス金型の設計装置として機能させることを特徴とするプレス金型の設計プログラム。
プレス成形品の製造方法であって、
請求項１又は２に記載のプレス金型の設計方法によってプレス金型の設計剛性分布を取得するプレス金型設計剛性分布取得工程と、
取得したプレス金型の設計剛性分布に基づき実プレス金型を製造するプレス金型製造工程と、
該実プレス金型を用いてプレス成形を行うプレス成形工程を含むことを特徴とするプレス成形品の製造方法。