JP4582067B2

JP4582067B2 - 形状予測装置と形状予測方法とそのためのコンピュータプログラム

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Publication number: JP4582067B2
Application number: JP2006210819A
Authority: JP
Inventors: 勇古川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-08-02
Filing date: 2006-08-02
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2026-08-02
Also published as: JP2008040588A

Description

本発明は、内部応力の発生している粗材を切削して製造される製造物の３次元形状を予測する装置に関する。

製品形状や製造条件の仕様を決定するためにＣＡＥ（コンピュータ援用エンジニアリング）が利用されている。ＣＡＥでは、製品の各種の条件を設定し、その条件をコンピュータ等に入力することで、その製品の形状や特性を予測する。近年では、切削加工の分野においてもＣＡＥが利用されている。すなわち、切削加工により製造される製造物の３次元形状を、ＣＡＥにより予測する。
このような形状予測装置は、粗材の形状を複数の微小要素によりモデル化した３次元形状データを入力する手段と、切削加工時の切削条件を入力する手段と、入力された粗材の３次元形状データと切削条件を用いてその切削条件による切削加工後の粗材の３次元形状データを算出するシミュレーション手段を有している。
この形状予測装置では、シミュレーション手段が、入力された粗材の３次元形状データと入力された切削条件（例えば、工具の形状、工具の動き（工具の回転数、工具の移動経路等）、治具の形状等）に基づいて、切削加工時の状態（例えば、切削範囲、粗材及び工具及び治具の変形、工具及び粗材に発生する熱等）をシミュレーションする。このシミュレーションによって、入力された切削条件による切削加工後の粗材の３次元形状データが算出される。
なお、特許文献１には、シミュレーションによって切削加工時の切削条件を最適化する装置が開示されている。

特開２００１−２２５２４３号公報

上述の形状予測装置によれば、粗材を切削して製造される製造物の形状を予測することができる。しかしながら、実際の切削加工では粗材が内部応力を有している場合があり、このような場合、粗材を切削すると粗材中の内部応力が解放される。このように粗材中の内部応力が解放されると、それに伴って粗材が変形する。したがって、上述の形状予測装置では、粗材が内部応力を有している場合、製造物の形状を正確に予測することができないという問題があった。

本発明は、上記の実情に鑑みてなされたものであり、粗材を切削して製造される製造物の形状をより正確に予測することができる形状予測装置を提供することを目的とする。

本発明の形状予測装置は、内部応力の発生している粗材を切削して製造される製造物の３次元形状を予測する。この形状予測装置は、粗材の形状を複数の微小要素によりモデル化した３次元形状データを入力する手段と、粗材の各微小要素に発生している内部応力を入力する手段と、切削加工時の切削条件を入力する手段と、入力された粗材の３次元形状データと切削条件を用いて、その切削条件で粗材を切削加工したときの切削範囲を算出するとともに粗材の各微小要素に発生する切削加工後の切削応力を算出する第１シミュレーション手段と、算出された切削範囲を用いて粗材の３次元形状データを修正する手段と、修正された３次元形状データと入力された内部応力と算出された切削応力を用いて、内部応力と切削応力が作用するときの切削加工後の粗材の３次元形状データを算出する第２シミュレーション手段とを有している。
本明細書が開示する他の形態の形状予測装置は、粗材の形状を複数の微小要素によりモデル化した３次元形状データを入力する手段と、粗材の各微小要素に発生している内部応力を入力する手段と、切削加工時の切削条件を入力する手段と、入力された粗材の３次元形状データと切削条件を用いて、その切削条件で粗材を切削加工したときの切削範囲を算出する第１シミュレーション手段と、算出された切削範囲を用いて粗材の３次元形状データを修正する手段と、修正された３次元形状データと入力された内部応力を用いて、内部応力が作用するときの切削加工後の粗材の３次元形状データを算出する第２シミュレーション手段とを有している。
この形状予測装置では、第１シミュレーション手段が切削加工時の粗材の切削範囲を算出する。修正手段は、算出された切削範囲を用いて粗材の３次元形状データを修正する。この修正によって、粗材の３次元形状データは、内部応力が作用しないときの（すなわち、切削加工による粗材中の内部応力の解放に伴う粗材の変形を考慮していない状態での）切削加工後の粗材の形状を示すデータとなる。粗材の３次元形状データが修正されると、第２シミュレーション手段が、修正された３次元形状データと入力された内部応力を用いて、内部応力が作用するときの（すなわち、切削加工による粗材中の内部応力の解放に伴う粗材の変形を考慮した状態での）切削加工後の粗材の３次元形状データを算出する。したがって、この形状予測装置によれば、粗材を切削して製造される製造物の形状をより正確に予測することができる。

上述の他の形態の形状予測装置は、第１シミュレーション手段は、切削範囲とともに粗材の各微小要素に発生する切削加工後の切削応力を算出し、第２シミュレーション手段は、修正された３次元形状データと入力された内部応力と算出された切削応力を用いて、内部応力と切削応力が作用するときの切削加工後の粗材の３次元形状データを算出することが好ましい。
この形状予測装置では、第１シミュレーション手段が、切削加工後の切削応力（すなわち、切削加工を実施することによって切削加工後の粗材に残留する内部応力）を算出し、第２シミュレーション手段は、内部応力と切削応力が作用するときの切削加工後の粗材の３次元形状データを算出する。したがって、この形状予測装置によれば、さらに正確に製造物の形状を予測することができる。

また、本発明は、内部応力を有する粗材をｎ回の切削加工により切削して製造される製造物の３次元形状を予測する装置を提供する。
この形状予測装置は、粗材の形状を複数の微小要素によりモデル化した３次元形状データを入力する手段と、粗材の各微小要素に発生している内部応力を入力する手段と、ｎ回の切削加工のそれぞれについて切削加工時の切削条件を入力する手段と、粗材の３次元形状データと切削加工時の切削条件を用いて、その切削条件で粗材を切削加工したときの切削範囲を算出するとともに粗材の各微小要素に発生する切削加工後の切削応力を算出する第３シミュレーション手段と、算出された切削範囲を用いて粗材の３次元形状データを修正する手段と、修正された３次元形状データと入力された内部応力と算出された切削応力を用いて、内部応力と切削応力が作用するときの切削加工後の粗材の３次元形状データを算出する第４シミュレーション手段と、を有しており、第１回目の切削加工について、入力された３次元形状データと入力された第１回目の切削条件を用いて前記第３シミュレーション手段、修正手段及び第４シミュレーション手段を実行して第１回目の切削加工後の粗材の３次元形状データを算出し、以下、第ｎ回目の切削加工まで順に、前回の切削加工後の粗材の３次元形状データと今回の切削条件を用いて前記第３シミュレーション手段、修正手段及び第４シミュレーション手段を実行して今回の切削加工後の粗材の３次元形状データを算出することで、ｎ回目の切削加工後の粗材の３次元形状データを算出する。
本明細書は、他の形態の形状予測装置として、内部応力を有する粗材をｎ回の切削加工により切削して製造される製造物の３次元形状を予測する装置を提供する。
この形状予測装置は、粗材の形状を複数の微小要素によりモデル化した３次元形状データを入力する手段と、粗材の各微小要素に発生している内部応力を入力する手段と、ｎ回の切削加工のそれぞれについて切削加工時の切削条件を入力する手段と、粗材の３次元形状データと切削加工時の切削条件を用いて、その切削条件で粗材を切削加工したときの切削範囲を算出する第３シミュレーション手段と、算出された切削範囲を用いて粗材の３次元形状データを修正する手段と、修正された３次元形状データと入力された内部応力を用いて、内部応力が作用するときの切削加工後の粗材の３次元形状データを算出する第４シミュレーション手段とを有している。そして、第１回目の切削加工について、入力された３次元形状データと入力された第１回目の切削条件を用いて前記第３シミュレーション手段、修正手段及び第４シミュレーション手段を実行して第１回目の切削加工後の粗材の３次元形状データを算出し、以下、第ｎ回目の切削加工まで順に、前回の切削加工後の粗材の３次元形状データと今回の切削条件を用いて前記第３シミュレーション手段、修正手段及び第４シミュレーション手段を実行して今回の切削加工後の粗材の３次元形状データを算出することで、ｎ回目の切削加工後の粗材の３次元形状データを算出する。
この形状予測装置によれば、ｎ回の切削加工により切削して製造される製造物の３次元形状を正確に予測することができる。

また、本発明は、キャビティ内に溶融した原料を充填して冷却固化することで１次成形体を成形し、この１次成形体を切削加工により切削して製造される製造物の３次元形状を予測する装置を提供する。
この形状予測装置は、キャビティの形状を示す３次元形状データを入力する手段と、１次成形体の成形条件を入力する手段と、入力されたキャビティの３次元形状データと成形条件を用いて、その形状のキャビティによりその成形条件で成形したときの１次成形体の形状を複数の微小要素によりモデル化した３次元形状データを算出するとともに、１次成形体の各微小要素に発生する内部応力を算出する第５シミュレーション手段と、切削加工時の切削条件を入力する手段と、算出された１次成形体の３次元形状データと入力された切削条件を用いて、その切削条件で１次成形体を切削加工したときの切削範囲を算出するとともに粗材の各微小要素に発生する切削加工後の切削応力を算出する第６シミュレーション手段と、算出された切削範囲を用いて第５シミュレーション手段で算出された３次元形状データを修正する手段と、修正された３次元形状データと第１シミュレーション手段で算出された内部応力と第６シミュレーション手段で算出された切削応力を用いて、内部応力と切削応力が作用するときの切削加工後の１次成形体の３次元形状データを算出する第７シミュレーション手段とを有する。
本明細書は、他の形態の形状予測装置として、キャビティ内に溶融した原料を充填して冷却固化することで１次成形体を成形し、この１次成形体を切削加工により切削して製造される製造物の３次元形状を予測する装置を提供する。
この形状予測装置は、キャビティの形状を示す３次元形状データを入力する手段と、１次成形体の成形条件を入力する手段と、入力されたキャビティの３次元形状データと成形条件を用いて、その形状のキャビティによりその成形条件で成形したときの１次成形体の形状を複数の微小要素によりモデル化した３次元形状データを算出するとともに、１次成形体の各微小要素に発生する内部応力を算出する第５シミュレーション手段と、切削加工時の切削条件を入力する手段と、算出された１次成形体の３次元形状データと入力された切削条件を用いて、その切削条件で１次成形体を切削加工したときの切削範囲を算出する第６シミュレーション手段と、算出された切削範囲を用いて第５シミュレーション手段で算出された３次元形状データを修正する手段と、修正された３次元形状データと第１シミュレーション手段で算出された内部応力を用いて、内部応力が作用するときの切削加工後の１次成形体の３次元形状データを算出する第７シミュレーション手段とを有している。
この形状予測装置では、第５シミュレーション手段が１次成形体中に発生する内部応力を算出し、第７シミュレーション手段がその内部応力が作用するときの切削加工後の１次成形体の３次元形状データを算出する。したがって、成形加工により１次成形体を成形し、その１次成形体を切削加工により切削して製造される製造物の形状を正確に予測することができる。

また、本発明は、内部応力の発生している粗材を切削して製造される製造物の３次元形状を予測する方法を提供する。この形状予測方法は、粗材の形状を複数の微小要素によりモデル化した３次元形状データを入力する工程と、粗材の各微小要素に発生している内部応力を入力する工程と、切削加工時の切削条件を入力する工程と、入力された粗材の３次元形状データと切削条件を用いて、その切削条件で粗材を切削加工したときの切削範囲を算出するとともに粗材の各微小要素に発生する切削加工後の切削応力を算出する工程と、算出された切削範囲を用いて粗材の３次元形状データを修正する工程と、修正された３次元形状データと入力された内部応力と算出された切削応力を用いて、内部応力と切削応力が作用するときの切削加工後の粗材の３次元形状データを算出する工程を有する。
本明細書は、他の形態の形状予測方法として、内部応力の発生している粗材を切削して製造される製造物の３次元形状を予測することができる形状予測方法を提供する。
この形状予測方法は、粗材の形状を複数の微小要素によりモデル化した３次元形状データを入力する工程と、粗材の各微小要素に発生している内部応力を入力する工程と、切削加工時の切削条件を入力する工程と、入力された粗材の３次元形状データと切削条件を用いて、その切削条件で粗材を切削加工したときの切削範囲を算出する工程と、算出された切削範囲を用いて粗材の３次元形状データを修正する工程と、修正された３次元形状データと入力された内部応力を用いて、内部応力が作用するときの切削加工後の粗材の３次元形状データを算出する工程とを有している。
この形状予測方法によれば、粗材を切削して製造される製造物の形状をより正確に予測することができる。

また、本発明は、内部応力の発生している粗材を切削して製造される製造物の３次元形状を予測するためのコンピュータプログラムを提供する。このコンピュータプログラムは、粗材の形状を複数の微小要素によりモデル化した３次元形状データを記憶する工程と、粗材の各微小要素に発生している内部応力を記憶する工程と、切削加工時の切削条件を記憶する工程と、記憶した粗材の３次元形状データと切削条件を用いて、その切削条件で粗材を切削加工したときの切削範囲を算出するとともに粗材の各微小要素に発生する切削加工後の切削応力を算出する工程と、算出された切削範囲を用いて粗材の３次元形状データを修正する工程と、修正された３次元形状データと記憶した内部応力と算出された切削応力を用いて、内部応力と切削応力が作用するときの切削加工後の粗材の３次元形状データを算出する工程とをコンピュータに実行させる。
本明細書は、他の形態のコンピュータプログラムとして、内部応力の発生している粗材を切削して製造される製造物の３次元形状を予測するためのコンピュータプログラムを提供する。
このコンピュータプログラムは、粗材の形状を複数の微小要素によりモデル化した３次元形状データを記憶する工程と、粗材の各微小要素に発生している内部応力を記憶する工程と、切削加工時の切削条件を記憶する工程と、記憶した粗材の３次元形状データと切削条件を用いて、その切削条件で粗材を切削加工したときの切削範囲を算出する工程と、算出された切削範囲を用いて粗材の３次元形状データを修正する工程と、修正された３次元形状データと記憶した内部応力を用いて、内部応力が作用するときの切削加工後の粗材の３次元形状データを算出する工程とをコンピュータに実行させる。
このコンピュータプログラムによれば、コンピュータに、粗材を切削して製造される製造物の形状をより正確に算出させることができる。

下記に詳細に説明する実施例の主要な特徴を最初に列記する。
（形態１）形状予測装置は、キャビティ内に溶融した原料を充填して冷却固化することで鋳物を鋳造し、この鋳物をｎ回の切削加工により切削して製造される製造物の３次元形状を予測する。
（形態２）形状予測装置は、キャビティの形状を示す３次元形状データを入力する手段と、１次成形体の成形条件を入力する手段と、鋳造工程をシミュレートする第１シミュレーション手段と、切削加工時の切削条件を入力する手段と、切削工程をシミュレートする第２シミュレーション手段と、３次元形状データを修正する修正手段と、応力による変形をシミュレートする第３シミュレーション手段を有している。
（形態３）第１シミュレーション手段は、入力されたキャビティの３次元形状データと鋳造条件を用いて、その形状のキャビティによりその鋳造条件で鋳造したときの鋳物の形状を複数の微小要素によりモデル化した３次元形状データを算出するとともに、鋳物の各微小要素に発生する内部応力を算出する。
（形態４）第２シミュレーション手段は、鋳物の３次元形状データと入力された切削条件を用いて、その切削条件で鋳物を切削加工したときの切削範囲を算出するとともに、鋳物の各微小要素に発生する切削加工後の切削応力を算出する。
（形態５）修正手段は、算出された切削範囲を用いて第１シミュレーション手段で算出された３次元形状データを修正する。
（形態６）第３シミュレーション手段は、修正された３次元形状データと第１シミュレーション手段で算出された内部応力と第２シミュレーション手段で算出された切削応力を用いて、内部応力と切削応力が作用するときの切削加工後の鋳物の３次元形状データを算出する。
（形態７）形状予測装置は、第１回目の切削加工について、入力された３次元形状データと入力された第１回目の切削条件を用いて前記第１シミュレーション手段、修正手段及び第２シミュレーション手段を実行して第１回目の切削加工後の鋳物の３次元形状データを算出し、以下、第ｎ回目の切削加工まで順に、前回の切削加工後の鋳物の３次元形状データと今回の切削条件を用いて前記第１シミュレーション手段、修正手段及び第２シミュレーション手段を実行して今回の切削加工後の鋳物の３次元形状データを算出することで、ｎ回目の切削加工後の鋳物の３次元形状データを算出する。

本発明の一実施例に係る形状予測装置１０について図面を参照しながら説明する。図１に示す形状予測装置１０は、鋳物を鋳造し、その鋳物を切削して製造される製品の３次元形状を予測する。図１に示すように、形状予測装置１０は、演算装置２０、記憶装置３０、表示装置４０、マウス４２、キーボード４４によって構成されている。

表示装置４０は演算装置２０と接続されており、演算装置２０から入力される信号に従って、画像を表示する。

マウス４２は、入力スイッチと、入力ローラを備えた入力装置である。マウス４２は、演算装置２０と接続されている。入力スイッチが操作され、またはマウス４２が机上で移動されて入力ローラが動かされることによって、マウス４２から演算装置２０に指令値が入力される。

キーボード４４は、多数の入力スイッチを備えた入力装置である。キーボード４４は、演算装置２０と接続されており、各入力スイッチが操作されることによって演算装置２０に指令値が入力される。

記憶装置３０はハードディスク等によって構成されており、演算装置２０と接続されている。図１に示すように、記憶装置３０は、３Ｄ−ＣＡＤプログラム５０、鋳造シミュレーションプログラム５２、切削シミュレーションプログラム５４、形状修正プログラム５５、応力変形シミュレーションプログラム５６、製品形状予測プログラム５８を記憶している。また、記憶装置３０は、演算装置２０から入力されるデータを記憶する。また、記憶装置３０は、演算装置２０から入力される指令値に応じて、記憶しているデータを演算装置２０に入力する。

演算装置２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたマイクロプロセッサによって構成されている。演算装置２０は、記憶装置３０、表示装置４０、マウス４２、キーボード４４と接続されている。演算装置２０は、マウス４２及びキーボード４４から入力される指令値に従って、種々の演算を実行し、演算結果を表示装置４０に表示させる。また、演算装置２０は、記憶装置３０が記憶しているデータを読み出し、読み出したデータを利用して演算を実行する。また、演算装置２０は、データを記憶装置３０に記憶させる。
演算装置２０は、記憶装置３０の３Ｄ−ＣＡＤプログラム５０を実行することによって、３Ｄ−ＣＡＤデータ作成部２２として機能し、物体の３次元形状を表す３Ｄ−ＣＡＤデータを作成する。
また、演算装置２０は、記憶装置３０の製品形状予測プログラム５８を実行することによって、鋳造シミュレーション部２４、切削シミュレーション部２６、形状修正部２７、応力変形シミュレーション部２８として機能する。これによって、演算装置２０は、鋳造加工及び切削加工により製造される製品の形状を示す３次元形状データを算出する。

次に、形状予測装置１０が、鋳造加工及び切削加工により製造される製品（本実施例では、自動車のエンジンブロック）の３次元形状データを算出する処理について説明する。
製品の３次元形状データを算出する際には、事前に鋳造加工時に使用するキャビティの形状を示す３Ｄ−ＣＡＤデータ（以下では、キャビティ形状データ６０という）を作成しておく。キャビティ形状データ６０は、演算装置２０により３Ｄ−ＣＡＤプログラム５０を実行し、マウス４２及びキーボード４４を操作することによって作成する。作成したキャビティ形状データ６０は、記憶装置３０に記憶させておく。なお、キャビティ形状データ６０は、形状予測装置１０と接続されたＣＡＤ装置によって作成され、このＣＡＤ装置から形状予測装置１０に入力されるようにしてもよい。

製品の３次元形状データの算出は、演算装置２０が記憶装置３０の製品形状予測プログラム５８を実行することによって行われる。製品形状予測プログラム５８を実行すると、演算装置２０は図２のフローチャートを実行する。演算装置２０は、まず、記憶装置３０から鋳造シミュレーションプログラム５２を読み出して実行する。これによって、演算装置２０は、鋳造シミュレーションを開始する。

ステップＳ２では、演算装置２０は、表示装置４０に３Ｄ−ＣＡＤデータの指定を求めるメッセージを表示させる。オペレータがマウス４２及びキーボード４４を操作し、事前に作成したキャビティ形状データ６０を指定すると、演算装置２０は、記憶装置３０から指定されたキャビティ形状データ６０を読み出す。すると、図３に示すように、表示装置４０にキャビティ形状データ６０が示す３次元形状が表示される。

キャビティ形状データ６０を読み込むと、演算装置２０は、表示装置４０に鋳造条件の入力を求めるメッセージを表示させる。オペレータがマウス４２及びキーボード４４を操作することで鋳造条件が演算装置２０に入力される（ステップＳ４）。
すなわち、演算装置２０は、まず、キャビティを除いた鋳型の形状（例えば、鋳型の外形、湯道の形状（湯道の経路、注湯口の位置及び形状、ゲートの位置及び形状等）等）の指定を求めるメッセージを表示させる。オペレータがマウス４２及びキーボード４４を操作して鋳型の形状を指定すると、演算装置２０は鋳型の形状を示す３次元形状データ（以下では、鋳型形状データ６２という）を作成する。すると、図４に示すように、表示装置４０に鋳型形状データ６２が示す３次元形状が表示される。
鋳型形状データ６２を作成すると、演算装置２０は、表示装置４０に鋳型の形状を除く他の鋳造条件の指定を求めるメッセージを表示させる。オペレータがマウス４２及びキーボード４４を操作することで、他の鋳造条件が演算装置２０に入力される。他の鋳造条件としては、鋳物（溶湯）の材質（例えば、鉄、アルミ等（鋳物の材質を指定することで、その材質の物性（比熱、密度、熱伝導率、固液共存域の固相率変化、粘性、固相線温度、液相線温度、凝固潜熱等）が演算装置２０によって記憶装置３０内のデータベースから読み出される））、鋳型の材質、注湯条件（注湯温度、注湯速度）等を入力する。

鋳造条件が入力されると、演算装置２０は、図４の鋳型形状データ６２と、入力された鋳造条件に基づいて、鋳造時のシミュレーションを実行する（ステップＳ８）。
すなわち、演算装置２０は、図４の鋳型形状データ６２を、多数のソリッド要素（立体形状の微小要素）にメッシュ化する。これによって鋳型形状データ６２は、多数のソリッド要素によってモデル化された３次元形状データとなる。そして、各ソリッド要素に鋳型の物性（ステップＳ６で入力された鋳型の材質に対応する物性）を示すパラメータを付与する。次に、演算装置２０は、鋳型形状データ６２とステップＳ６で入力された溶湯の材質及び注湯条件に基づいて、鋳型形状データ６２が示す鋳型内に指定した注湯条件にしたがって溶湯を流し込んで鋳造するときのシミュレーションを実行する。すなわち、鋳型内での溶湯の流れ、鋳型内の温度分布、凝固等により鋳物（溶湯）中に発生する内部応力、その内部応力による鋳物（溶湯）の変形等を有限要素法によりシミュレーションする。これによって、鋳型形状データ６２が示す鋳型を用いて、指定した鋳造条件で鋳造される鋳物の形状を示す３次元形状データ（以下では、鋳物形状データＡという）が算出される。鋳物形状データＡは、鋳造時の種々の要素（内部応力による鋳物の歪等）をシミュレーションして算出されているので、キャビティ形状データ６０とは若干異なる形状を示すデータとなる。鋳物形状データＡは、多数のソリッド要素によってモデル化された３次元形状データとして算出され、各ソリッド要素には鋳物の物性を示すパラメータが付与される。また、各ソリッド要素には、鋳物の各ソリッド要素に対応する箇所に発生する内部応力（すなわち、鋳造後に鋳物中に残留する応力）の予測値が付与される。
なお、このような鋳造シミュレーションを実行する鋳造シミュレーションプログラム５２として、ＴＯＰＣＡＳＴ（株式会社トヨタコミュニケーションシステム製）、ＡＢＡＱＵＳ（ＡＢＡＱＵＳ，Ｉｎｋ．製）等を用いることができる。

鋳物形状データＡを算出すると、演算装置２０は、記憶装置３０から切削シミュレーションプログラム５４を読み出し、実行する。これによって、演算装置２０は、切削シミュレーションを開始する。

ステップＳ１２では、演算装置２０は、ステップＳ８で算出した鋳物形状データＡに基づいて、切削シミュレーション用の鋳物形状データＢを作成する。鋳物形状データＢは、鋳物形状データＡと同一形状を示すように作成される。また、鋳物形状データＢは、メッシュ化され、多数のソリッド要素によりモデル化された形状データとなる。このとき、鋳物形状データＢは、各ソリッド要素が切削シミュレーションに適した形状となるようにメッシュ化されるので、各ソリッド要素は鋳物形状データＡとは異なる形状となる。また、鋳物形状データＢには、鋳物形状データＡとは異なり、各ソリッド要素に鋳物の物性を示すパラメータ及び内部応力の予測値が付与されない。したがって、鋳物形状データＢは、形状のみを示すデータとなる。

鋳物形状データＢを作成すると、演算装置２０は、表示装置４０に切削条件の指定を求めるメッセージを表示させる。オペレータがマウス４２及びキーボード４４を操作することで、演算装置２０に切削条件が入力される（ステップＳ１４）。切削条件としては、鋳物の材質（ここでは、鋳造シミュレーション時に指定した鋳物の材質と同じ材質を指定する。鋳物の材質を指定することで、その材質の物性（密度、硬度、弾性率、膨張係数、比熱、熱伝導率等）が演算装置２０によって記憶装置３０内のデータベースから読み出される）、切削工具の形状、切削工具の材質、鋳物を固定する治具の形状、治具の材質、鋳物と切削工具と治具の切削開始時の配置、切削工具の動き（回転速度、移動経路、切り込み量等）等を入力する。

切削条件が入力されると、演算装置２０は、入力された鋳物の材質に応じて、鋳物形状データＢの各ソリッド要素に、鋳物の物性を示すパラメータを付与する。また、演算装置２０は、入力された切削工具の形状に基づいて、切削工具の形状を示す切削工具形状データ６４を作成する。切削工具形状データ６４は、多数のソリッド要素によってモデル化され、各ソリッド要素には切削工具の物性を示すパラメータが付与される。また、演算装置２０は、入力された治具の形状に基づいて、治具の形状を示す治具形状データ６６を作成する。治具形状データ６６は、多数のソリッド要素によってモデル化され、各ソリッド要素には治具の物性を示すパラメータが付与される。そして、演算装置２０は、入力された切削条件（鋳物と切削工具と治具の切削開始時の配置）に応じて、鋳物形状データＢ、切削工具形状データ６４、治具形状データ６６の相対位置を規定した、切削配置データを作成する（ステップＳ１６）。演算装置２０は、切削配置データを作成すると、図５に示すように、切削配置データによって規定された鋳物（鋳物形状データＢ）と切削工具（切削工具形状データ６４）と治具（治具形状データ６６）の配置を表示装置４０に表示させる。

切削配置データを作成すると、演算装置２０は、ステップＳ１４で入力された切削条件（切削工具の動き）に基づいて、切削時のシミュレーションを実行する（ステップＳ１８）。
すなわち、演算装置２０は、切削配置データが示す配置から切削工具を入力された回転速度で回転させ、入力された切り込み量及び移動経路で移動させたときの切削シミュレーションを実行する（図６参照）。切削シミュレーションでは、切削による切削工具及び鋳物及び治具の変形（反り、ビビリ（振動））、切削により発生する熱、切削によって鋳物に発生する内部応力、その内部応力によって鋳物に発生する歪等を有限要素法によりシミュレーションする。これによって、鋳物形状データＢが示す鋳物を入力した切削条件で切削したときの切削範囲Ｘ（図７参照）及び切削後の鋳物の形状を示す３次元形状データ（以下では、鋳物形状データＣという）が算出される。鋳物形状データＣは、多数のソリッド要素によりモデル化された形状データとして算出される。また、鋳物形状データＣの各ソリッド要素には、切削後の鋳物の各ソリッド要素に対応する箇所に発生する切削応力（切削加工により切削後の鋳物中に残留する応力）の予測値が付与される。
なお、このような切削シミュレーションを実行する切削シミュレーションプログラム５４としては、ＤＥＦＯＲＭ（ＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＦｏｒｍｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製）、ＡｄｖａｎｔＥｄｇｅ（ＴｈｉｒｄＷａｖｅＳｙｓｔｅｍｓ製）等を用いることができる。

演算装置２０は、切削範囲Ｘ及び鋳物形状データＣを算出すると、記憶装置３０から形状修正プログラム５５を読み出し、実行する。これによって、演算装置２０は、切削範囲Ｘの形状に基づいて鋳物形状データＡの形状を修正する（ステップＳ２０）。すなわち、演算装置２０は、鋳物形状データＡのソリッド要素のうち切削範囲Ｘに対応するソリッド要素を除去する。これによって、鋳物形状データＡは、鋳物形状データＣと略同一形状に修正される。また、演算装置２０は、鋳物形状データＣの各ソリッド要素に付与されている切削応力の予測値を、鋳物形状データＡのソリッド要素に付与する。上述したように、鋳物形状データＡの各ソリッド要素の形状と鋳物形状データＢ（すなわち、鋳物形状データＣ）の各ソリッド要素の形状は異なるので、鋳物形状データＣの各ソリッド要素に付与されている切削応力は所定の演算方法によって鋳物形状データＡの各ソリッド要素に分配して付与される。そして、鋳物形状データＡの各ソリッド要素に付与された切削応力の予測値と、内部応力の予測値から鋳物の各ソリッド要素に対応する箇所に発生する残留応力（すなわち、鋳造及び切削により鋳物中に残留する応力）の予測値を算出する。これによって、鋳物形状データＣと同一形状を示し、各ソリッド要素に残留応力の予測値が付与された鋳物形状データＤが算出される。

鋳物形状データＤを算出すると、演算装置２０は、記憶装置３０から応力変形シミュレーションプログラム５６を読み出し、実行する。これによって、演算装置２０は、応力変形シミュレーションを開始する。

ステップＳ２２では、演算装置２０は、鋳物形状データＤの各ソリッド要素の残留応力の予測値に基づいて、鋳物形状データＤが示す鋳物の残留応力による変形をシミュレーションする（ステップＳ２２）。
すなわち、実際の切削加工では、鋳物を切削することにより鋳物中の残留応力が解放され、鋳物が変形する。したがって、演算装置２０は、鋳物形状データＤが示す鋳物の残留応力の解放と、その残留応力の解放による変形をシミュレーションする。これによって、鋳物形状データＤが示す鋳物の変形後の形状を示す鋳物形状データＥが算出される。鋳物形状データＥは、各ソリッド要素に、変形後の鋳物の残留応力の予測値が付与された３次元形状データとなる。
なお、このような応力による変形をシミュレーションする応力変形シミュレーションプログラム５６として、ＡＢＡＱＵＳ（ＡＢＡＱＵＳ，Ｉｎｋ．製）等を用いることができる。

鋳物形状データＥを算出すると、演算装置２０は、表示装置４０に鋳物形状データＥが示す形状の鋳物をさらに切削するシミュレーションを実行するか否かの選択を求めるメッセージを表示させる。オペレータがマウス４２及びキーボード４４を操作することで、鋳物をさらに切削加工するシミュレーションを実行するか否かが選択される（ステップＳ２４）。

オペレータが鋳物をさらに切削加工するシミュレーションを実行しないことを選択すると（ステップＳ２４でＮＯ）、演算装置２０は、処理を終了する。したがって、鋳物形状データＥが、指定した鋳造条件で鋳造した鋳物を指定した切削条件で切削して製造される製造物の形状を予測する３次元形状データとなる。

オペレータが鋳物をさらに切削加工するシミュレーションを実行することを選択すると（ステップＳ２４でＹＥＳ）、再度ステップＳ１２〜ステップＳ２４の処理が実行される。
２回目以降のステップＳ１２では、演算装置２０は、直前のステップＳ２２で算出した鋳物形状データＥと同一形状を示す鋳物形状データＢを作成する。
また、２回目以降のステップＳ２０では、演算装置２０は、直前のステップＳ２２で算出された鋳物形状データＥから領域Ｘに対応する領域を除去し、切削応力の予測値をその鋳物形状データＥの各ソリッド要素に付与することで、鋳物形状データＤを算出する。
したがって、２回目以降のステップＳ１２〜ステップＳ２４では、前回のステップＳ２２で算出された鋳物形状データＥが示す形状の鋳物をさらに切削した鋳物の形状を示す鋳物形状データＥが算出される。すなわち、演算装置２０は、複数回の切削加工により切削した鋳物の形状を示す鋳物形状データＥを算出する。したがって、その鋳物形状データＥが、指定した鋳造条件で鋳造した鋳物を複数回の切削加工により切削して製造される製造物の形状を予測する３次元形状データとなる。

以上に説明したように、本実施例の形状予測装置１０では、演算装置２０は残留応力が作用しないときの（すなわち、切削加工による鋳物中の残留応力の解放に伴う鋳物の変形を考慮していない状態での）切削加工後の鋳物形状データＤを算出する。そして、鋳物形状データＤと各ソリッド要素に付与された残留応力を用いて、残留応力が作用するときの（すなわち、切削加工による鋳物中の残留応力の解放に伴う鋳物の変形を考慮した状態での）鋳物形状データＥを算出する。したがって、この形状予測装置１０によれば、鋳物を切削して製造される製造物の形状を正確に予測することができる。

また、上述の形状予測装置１０では、演算装置２０が、鋳物形状データＣの各ソリッド要素の切削応力の予測値を鋳物形状データＡの各ソリッド要素に付与する。そして、鋳物形状データＡの各ソリッド要素に付与された切削応力の予測値と、内部応力の予測値から鋳物の各ソリッド要素に対応する箇所に発生する残留応力（すなわち、鋳造及び切削により鋳物中に残留する応力）の予測値を算出する。そして、算出した各残留応力の予測値に基づいて、残留応力が作用するときの鋳物形状データＥを算出する。したがって、この形状予測装置１０によれば、さらに正確に製造物の形状を予測することができる。

また上述の形状予測装置１０では、演算装置２０は切削シミュレーションプログラム５４と応力変形シミュレーションプログラム５６を繰り返し実行することができる。したがって、鋳物を複数回の切削加工により切削して製造される製造物の３次元形状を正確に予測することができる。

また、上述の形状予測装置１０では、演算装置２０が、入力されたキャビティ形状データ６０と鋳造条件を用いて、その形状のキャビティによりその鋳造条件で鋳造したときの鋳物の形状を示す鋳物形状データＡを算出し、その鋳物形状データＡに基づいて切削シミュレーションを実行する。したがって、鋳造により鋳物を製造し、その鋳物を切削加工により切削して製造される製造物の３次元形状を正確に予測することができる。

なお、上述した形状予測装置１０では、鋳造シミュレーションにより各ソリッド要素に内部応力の予測値が付与された鋳物形状データＡを算出した。しかし、鋳物の形状及び鋳物中の内部応力の分布が既知である場合には、鋳造シミュレーションを実行せず、その鋳物の形状及び内部応力分布を示すデータを形状予測装置１０に入力し、そのデータに基づいて切削シミュレーション及び応力変形シミュレーションを実行してもよい。

また、上述した形状予測装置１０では、鋳物を切削加工して製造される製造物の形状を予測した。しかし、形状予測装置によって、他の製造方法により製造される製造物の形状を予測してもよい。例えば、プレス加工により製造されるプレス成形品を切削加工して製造される製造物の形状を予測する場合には、プレス加工時のプレス条件、プレス加工する板材の３次元形状に基づいてプレス加工のシミュレーションを実行し、その板材をプレス条件にしたがってプレス加工したプレス成形品の形状及び内部応力分布を算出する。そして、算出されたプレス成形品の形状及び内部応力分布を形状予測装置に入力して切削シミュレーション及び応力変形シミュレーションを実行する。これによって、プレス成形品を切削して製造される製造物の形状を正確に予測することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

形状予測装置１０のブロック図。製品形状予測時の演算装置２０の処理を示すフローチャート。キャビティ形状データ６０が示すキャビティの形状を示す図。鋳型形状データ６２が示す鋳型の形状を示す図。切削配置データが規定する切削工具及び鋳物及び治具の配置を示す図。切削シミュレーションの説明図。切削シミュレーション後の鋳物形状データＢの説明図。

符号の説明

１０：形状予測装置
２０：演算装置
２２：３Ｄ−ＣＡＤデータ作成部
２４：鋳造シミュレーション部
２６：切削シミュレーション部
２７：形状修正部
２８：応力変形シミュレーション部
３０：記憶装置
４０：表示装置
４２：マウス
４４：キーボード
５０：３Ｄ−ＣＡＤプログラム
５２：鋳造シミュレーションプログラム
５４：切削シミュレーションプログラム
５５：形状修正プログラム
５６：応力変形シミュレーションプログラム
５８：製品形状予測プログラム
６０：キャビティ形状データ
６２：鋳型形状データ
６４：切削工具形状データ
６６：治具形状データ

Claims

内部応力の発生している粗材を切削して製造される製造物の３次元形状を予測する装置であって、
粗材の形状を複数の微小要素によりモデル化した３次元形状データを入力する手段と、
粗材の各微小要素に発生している内部応力を入力する手段と、
切削加工時の切削条件を入力する手段と、
入力された粗材の３次元形状データと切削条件を用いて、その切削条件で粗材を切削加工したときの切削範囲を算出するとともに粗材の各微小要素に発生する切削加工後の切削応力を算出する第１シミュレーション手段と、
算出された切削範囲を用いて粗材の３次元形状データを修正する手段と、
修正された３次元形状データと入力された内部応力と算出された切削応力を用いて、内部応力と切削応力が作用するときの切削加工後の粗材の３次元形状データを算出する第２シミュレーション手段と、
を有する形状予測装置。
内部応力を有する粗材をｎ回の切削加工により切削して製造される製造物の３次元形状を予測する装置であって、
粗材の形状を複数の微小要素によりモデル化した３次元形状データを入力する手段と、
粗材の各微小要素に発生している内部応力を入力する手段と、
ｎ回の切削加工のそれぞれについて切削加工時の切削条件を入力する手段と、
粗材の３次元形状データと切削加工時の切削条件を用いて、その切削条件で粗材を切削加工したときの切削範囲を算出するとともに粗材の各微小要素に発生する切削加工後の切削応力を算出する第３シミュレーション手段と、
算出された切削範囲を用いて粗材の３次元形状データを修正する手段と、
修正された３次元形状データと入力された内部応力と算出された切削応力を用いて、内部応力と切削応力が作用するときの切削加工後の粗材の３次元形状データを算出する第４シミュレーション手段と、を有しており、
第１回目の切削加工について、入力された３次元形状データと入力された第１回目の切削条件を用いて前記第３シミュレーション手段、修正手段及び第４シミュレーション手段を実行して第１回目の切削加工後の粗材の３次元形状データを算出し、以下、第ｎ回目の切削加工まで順に、前回の切削加工後の粗材の３次元形状データと今回の切削条件を用いて前記第３シミュレーション手段、修正手段及び第４シミュレーション手段を実行して今回の切削加工後の粗材の３次元形状データを算出することで、ｎ回目の切削加工後の粗材の３次元形状データを算出することを特徴とする形状予測装置。
キャビティ内に溶融した原料を充填して冷却固化することで１次成形体を成形し、この１次成形体を切削加工により切削して製造される製造物の３次元形状を予測する装置であって、
キャビティの形状を示す３次元形状データを入力する手段と、
１次成形体の成形条件を入力する手段と、
入力されたキャビティの３次元形状データと成形条件を用いて、その形状のキャビティによりその成形条件で成形したときの１次成形体の形状を複数の微小要素によりモデル化した３次元形状データを算出するとともに、１次成形体の各微小要素に発生する内部応力を算出する第５シミュレーション手段と、
切削加工時の切削条件を入力する手段と、
算出された１次成形体の３次元形状データと入力された切削条件を用いて、その切削条件で１次成形体を切削加工したときの切削範囲を算出するとともに粗材の各微小要素に発生する切削加工後の切削応力を算出する第６シミュレーション手段と、
算出された切削範囲を用いて第５シミュレーション手段で算出された３次元形状データを修正する手段と、
修正された３次元形状データと第１シミュレーション手段で算出された内部応力と第６シミュレーション手段で算出された切削応力を用いて、内部応力と切削応力が作用するときの切削加工後の１次成形体の３次元形状データを算出する第７シミュレーション手段と、
を有する形状予測装置。
内部応力の発生している粗材を切削して製造される製造物の３次元形状を予測する方法であって、
粗材の形状を複数の微小要素によりモデル化した３次元形状データを入力する工程と、
粗材の各微小要素に発生している内部応力を入力する工程と、
切削加工時の切削条件を入力する工程と、
入力された粗材の３次元形状データと切削条件を用いて、その切削条件で粗材を切削加工したときの切削範囲を算出するとともに粗材の各微小要素に発生する切削加工後の切削応力を算出する工程と、
算出された切削範囲を用いて粗材の３次元形状データを修正する工程と、
修正された３次元形状データと入力された内部応力と算出された切削応力を用いて、内部応力と切削応力が作用するときの切削加工後の粗材の３次元形状データを算出する工程と、
を有する形状予測方法。
内部応力の発生している粗材を切削して製造される製造物の３次元形状を予測するためのコンピュータプログラムであって、
粗材の形状を複数の微小要素によりモデル化した３次元形状データを記憶する工程と、
粗材の各微小要素に発生している内部応力を記憶する工程と、
切削加工時の切削条件を記憶する工程と、
記憶した粗材の３次元形状データと切削条件を用いて、その切削条件で粗材を切削加工したときの切削範囲を算出するとともに粗材の各微小要素に発生する切削加工後の切削応力を算出する工程と、
算出された切削範囲を用いて粗材の３次元形状データを修正する工程と、
修正された３次元形状データと記憶した内部応力と算出された切削応力を用いて、内部応力と切削応力が作用するときの切削加工後の粗材の３次元形状データを算出する工程と、
をコンピュータに実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。