JP4622688B2

JP4622688B2 - プレス成形品の面ひずみ予測方法および装置

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Publication number: JP4622688B2
Application number: JP2005170814A
Authority: JP
Inventors: 健太郎佐藤; 孝信斉藤; 隆明比良; 明英吉武
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2005-06-10
Filing date: 2005-06-10
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2025-06-10
Also published as: JP2006341295A

Description

本発明は、プレス成形品の面ひずみによる形状の不具合を予測・評価するためのプレス成形品の面ひずみ予測方法および装置に関するものである。

近年、特に自動車など車両の軽量化を実現するため、ドアやフードなどの自動車アウター部品といったプレス成形品に高強度鋼板適用拡大が進められている。しかし高強度鋼板は、軟鋼板と比較してプレス成形後の弾性回復（スプリングバック）が大きく、成形品表面に面ひずみと呼ばれるミクロンオーダのゆがみが生じやすい性質がある。そして、成形品表面に生じた面ひずみは、自動車の外観品質を大きく低下させることから、製作現場では面ひずみを生じさせないように実物のプレス金型の形状修正を幾度となく繰り返している。

このような現場でのプレス金型形状修正作業を廃止ないしは軽減する必要性から、これまでにコンピュータシミュレーション技術を応用した種々の解析システムが開発され、金型設計段階で利用されている。

例えば、特許文献１に開示された技術がある。この技術は、成形プロセスおける成形面の形状不良評価において、成形すべき目標である基準形状データを与え、成形プロセスの数値解析シミュレーションにより、予測される成形後のワーク成形面に関するワーク形状データを求め、基準形状データから参照点を選択し、参照点に対応したワーク形状上の目標点との逸脱量により成形面の形状不良を評価するものである。

また、特許文献２に開示された技術もある。この技術は、板材から成形体を製造するプレス成形の数値シミュレーション結果に基づいて、プレス下死点での成形体の形状面に垂直に作用する面外偏差応力分布を取得し、その面外偏差応力分布に基づいて面ひずみを予測するものである。
特開２０００−１２２９９６号公報特開２００５−２８４１０号公報

しかしながら、上記特許文献１で開示されている技術では、高強度鋼板を用いた成形品の形状不良評価を精度良く行うことができない。すなわち、プレス成形後に弾性回復により発生する成形品表面にミクロンオーダの変形を正確に予測できないためである。

また、上記特許文献２で開示されている技術は、形状面に垂直に作用する面外偏差応力分布により面ひずみを予測する技術であるが、現状一般に行われているプレス成形シミュレーションでは、材料を垂直応力を０と仮定したシェル要素が適用されており、面外偏差応力を精度よく算出することは難しい。材料の垂直応力を考慮したソリッド要素で解析することも技術的には可能であるが、計算時間が膨大となり、現状では工業的な利用価値は小さいと言わざるおえない。

また、高強度鋼板適用における面ひずみの検討においては、材料に発生する応力レベルが軟鋼板と比較して増大するため、面外偏差応力の絶対値レベルが変化する。面ひずみ発生の検討には、応力の周りとの不均一性を考慮に入れることが必要であり、そのため、材料置換等の検討において、特許文献２で提案されている面外偏差応力では面ひずみ発生の有無を合理的・定量的に判断することが困難である。

さらに、上記特許文献１および特許文献２で開示されている技術では、板厚を考慮することができず、材料板厚の設計変更する検討ができないという問題がある。板厚が厚いほど面ひずみは発生しにくく、板厚が薄くなるほど面ひずみの度合いが大きくなることは一般的に知られた事実であり、面ひずみ予測において材料板厚の考慮は不可欠である。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、プレス成形品の面ひずみによる形状の不具合を精度良く予測・評価するためのプレス成形品の面ひずみ予測方法および装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る発明は、プレス成形品の成形過程の解析をおこなった後、パンチ下死点時の成形品各要素に発生する最小主応力値と板厚値を取得し、面ひずみ解析対象面に位置するすべての前記最小主応力値の平均値である平均最小主応力値を算出した後、該平均最小主応力値、前記最小主応力値、および前記板厚値を基にした評価値を算出し、該評価値の分布を３次元的に表示することにより面ひずみの発生位置および発生度合いを予測することを特徴とするプレス成形品の面ひずみ予測方法である。

また本発明の請求項２に係る発明は、請求項１に記載のプレス成形品の面ひずみ予測方法において、前記評価値は、（最小主応力値−平均最小主応力値）／（A*板厚値²）、（ここで、Aは部品形状によって決定される定数である）、にて算出することを特徴とするプレス成形品の面ひずみ予測方法である。

さらに本発明の請求項３に係る発明は、パンチ下死点時の成形品各要素に発生する最小主応力値と板厚値を取得する成形過程解析データ取得手段と、面ひずみ解析対象面に位置するすべての前記最小主応力値の平均値である平均最小主応力値を算出する平均最小主応力値演算手段と、該平均最小主応力値、前記最小主応力値、および前記板厚値を基にした評価値を算出する評価値演算手段と、該評価値の分布を３次元的に表示する表示手段と、を備えることを特徴とするプレス成形品の面ひずみ予測装置である。

本発明では、最小主応力の周囲の平均値からの偏差という概念を用いた最小主応力偏差値という面ひずみ評価値を提案するようにしたので、材料強度の絶対レベルによらず定量的に精度良く面ひずみを予測することが可能である。さらに本発明で提案した最小主応力偏差値には板厚の影響も加味しており、素材板厚の影響も考慮した上で面ひずみの予測が可能である。

以下、本発明について図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明に係る面ひずみ予測・評価するための処理手順例を示すフローチャートである。

本発明の実施にあたり、プレス成形過程の解析には、応力、歪、変形などを解析できるものであれば良く、コンピュータを用いたシミュレーション（CAE）または実験（例えば、歪ゲージを用いた解析など）を、目的に応じて使い分けることができる。以下の説明では、CAEの例として有限要素法による解析を例にフローチャートにそって説明してゆくものとする。

処理をスタート(Step100)すると、まず有限要素の定義を行い(Step101)、次のプレス成形過程の解析(Step102)の処理を行う。有限要素法による応力分布などのプレス成形解析が終了した後、面ひずみを解析する平面もしくは曲面を選択する(Step103)。ここでの解析面選択においては、コンピュータが判断して自動的に選択するか、解析者が製品形状を考慮してコンピュータの表示画面上で選択することも可能である。パンチ下死点での解析対象面に位置する各有限要素の最小主応力値S2 (Step104)および板厚データt(Step105)を、有限要素解析結果から取得する。

せん断応力がゼロである面に作用している垂直応力を主応力(principal stress)と呼び、このうち最小の主応力を最小主応力と呼ぶ。ある応力場［σ_ij］=［Σ］が与えられたとき、主応力およびその作用する面は次のように決定できる。主応力の作用している面を表す面ベクトルをｎ^(p)={ｎ^(p) }(この方向は主応力方向［principal direction of stress］と呼ばれる)、主応力の大きさをｎ^(p) とすると、主応力ベクトルは面ベクトルｎ^(p) の方向に一致しσ^(p)ｎ^(p) と表される。従って、コーシーの関係式から次式（１）が成り立つ。
Σｎ^(p) =σ^(p)ｎ^(p) あるいは［Σ］{ｎ^(p) }=σ^(p) {ｎ^(p) } ・・・・・（１）
上記σ^(p) のうち最小の主応力が最小主応力であり、その大きさを最小主応力値と呼び、S2と表す（吉田総仁著、弾塑性力学の基礎、共立出版、pp36〜38参照）。

シェル要素で応力を計算する場合、板厚の表面、中央面、および裏面の最小主応力をそれぞれ計算することが可能である。本発明においては、板厚中央の最小主応力を採用したが、表面、中央面、および裏面の平均値や最大値を用いることも可能である。

図１の処理手順例を示すフローチャートの説明に戻り、Step106の後、解析対象面に位置する有限要素すべての最小主応力値S2を平均化して、平均最小主応力値S2aveを算出する(Step106)。そして、上記のデータから、以下の（２）式で定義される各有限要素の最小主応力偏差値S2devを算出する(Step107)。 S2dev = (S2 - S2ave ) / (A * t² ) ・・・・・（２）
ここで、Aは部品形状によって決定される定数であり、例えば、対象の面が平面の場合には、A＝1.0〜2.0の範囲の値を、対象の面が曲率をもっている場合には、曲率の大きさに比例してA＝2.0〜10.0の範囲の値を用いればよい。

座屈理論の教えるところによれば、「座屈強度は板厚ｔの２乗に比例する」、すなわち、板厚が増せば増すほど板厚の２乗に比例して、座屈強度が増すというものである。座屈強度が増すと言うことは、面ひずみが生じにくくなることでもある。また、発明者らの研究により、「面ひずみ発生の原因は、最小主応力の不均一度合いに比例する」という知見も得ている。このような知見から本発明では、最小主応力値S2、平均最小主応力値S2aveおよび板厚ｔを基にした評価値すなわち最小主応力偏差値S2devを（２）式のように定義している。

算出した最小主応力偏差値S2devを３次元表示して、解析対象面における最小主応力偏差値の分布状態を３次元的に可視化する(Step108)。解析者は、この最小主応力偏差値の分布状態から、評価値の大小および分布密度を判断して、面ひずみの発生を予測する。さらに解析者は、最小主応力偏差値の分布状態と面ひずみの発生状況を過去に蓄積したデータベースを参照することにより、面ひずみの予測および対策方法を検討することも可能である。

図３は、本発明で提示した最小主応力偏差による面ひずみ評価の一例を示した図である。自動車用ドアアウターパネルのドア取手（中央上方部の白い楕円部分）部付近の面ひずみを評価したものであり、板厚0.7mmの2つの異なる引張強度を持つ鋼鈑での最小主応力偏差値分布を（ａ）および（ｂ）に、さらに（ｃ）には、要素ごとの最小主応力のヒストグラムを示したものである。

図中、（ａ）は引張強度270MPa、（ｂ）は引張強度390MPaの高強度鋼鈑のものであり、解析面の最小主応力偏差分布を、最小主応力偏差が負の値[−250（黒）]から正の値[250（白）]へと図中の濃淡で表している。（ａ）および（ｂ）の最小主応力偏差分布を見比べてみると、引張強度の高い（ｂ）の方が、引張強度の低い（ａ）のものより取手境界の濃淡の変化すなわち最小主応力偏差の変化が大きいことが分る。また、最小主応力平均値は、（ａ）145MPaおよび（ｂ）196MPaであり、最小主応力の絶対レベルも引張強度の高い（ｂ）の方が高くなっている。さらに、それぞれの最小主応力分布を、（ｃ）の最小主応力ヒストグラムで見てみると、両者の差がはっきり分る。すなわち、（ａ）と（ｂ）では、引張強度の低い（ａ）の方がピークが立っており平均を挟んで割合対称の形の分布であるのに対して、引張強度の高い（ｂ）はピークが低く、平均値(196MPa)より高いところに2
番目のピークの存在が確認できる。

図２は、本発明に係る面ひずみ予測装置の構成例を示す図である。面ひずみ予測装置は、大きくは一般のパソコン等の計算機と、この計算機に対して面ひずみ予測・評価を行わせるアプリケーションプログラムとで構成することができる。図１中、１は操作部、２は表示部、３は演算部、４は平均最小主応力値演算部、５は評価値演算部、６は入出力部、７は記憶部、および８はデータベースをそれぞれ示す。

面ひずみ予測装置は、演算部３を備えており、この演算部３は、操作部１、表示部２、記憶部７、および入出力部６に対し動作指令を行うとともに、必要なデータや信号のやり取りを行っている。操作部１は解析者が動作を指示する部位であり、キーボード等の入力装置により構成される。表示部２はモニタ画面等の出力装置で構成され、計算結果、最小主応力偏差値分布等を表示する。記憶部７はメモリやハードディスク等の記憶装置から構成され、演算に必要な情報や、過去の最小主応力偏差値の分布状態および面ひずみの発生状況を蓄積したデータをデータベースなどの形で記憶を行うものである。

さらに、入出力部６はネットワーク入出力部や記録メディア入出力部から構成され、これにより、外部との情報のやり取りを行うことができる。入力される情報の例としては、例えば数値シミュレーションによるプレス成形過程の解析結果を利用する場合は、数値シミュレーションの結果を保持する装置から入力する成形体の形状特性データ、材料特性データ、シミュレーション結果などが挙げられる。実験による成形過程の解析結果を利用する場合にも、同様の情報が入力される。

演算部３には、平均最小主応力値演算部４と評価値演算部５が含まれている。平均最小主応力値演算部４は、入出力部６から入力された応力情報に基づいて最小主応力値および平均最小主応力値演算を行うことができる。なお、入出力部６を介さないで演算部３内部において数値シミュレーションも行う場合には、そのシミュレーション実行後得られた応力情報に基づいて最小主応力値および平均最小主応力値演算を行うことになる。

評価値演算部５は、平均最小主応力値演算部４によって演算された最小主応力値および平均最小主応力値を入力して、評価値の計算を行う。評価値を求める一連の演算には、入出力部６から入力される成形体の形状特性データ、材料特性データ、シミュレーション結果などを適宜用いる。

また、記憶部７には、演算に必要な情報や評価値演算部５が評価値を演算する際に提供する対応関係情報のデータなどが格納される。対応関係情報は、評価値を面品質と対応づけるための情報であり、理論式や実験結果に基づいて予め与えられているものである。

各種高強度鋼板( 強度レベル270MPa,340MPa,390MPa,および440MPaの4種で、板厚は0.7mmと同じ)を用いて、自動車用ドアアウターパネルの成形試験を実施するとともに、シミュレーションによる解析を行った。解析方法は、プレス成形過程の解析には市販の解析システム（ソルバー：LS-DYNA ver.970）を使用し、その後の面ひずみ予測には、本発明の手法を用いた。

図４は、実験（ゼブラ表示）による面ひずみ評価を示す図である。白と黒の直線状ストライプをもった光源を塗装したプレス品に写し込む（ゼブラ表示）ことにより、面ひずみによる外観不良を評価するものである。写り込んだ平行線が歪んで見える場合、面ひずみが発生していると判断でき、ドア取手部での平行線の歪が確認できる。

さらに、図５は実験と本発明による面ひずみ評価結果の比較を示す図である。図は、左側に実験によるゼブラ表示と、右側に本発明で提案した最小主応力偏差の分布を、上から下へ強度レベル270MPa,340MPa,390MPa,および440MPaの4種高強度鋼板についての結果を、対比できるように示している。270MPaの鋼鈑では面ひずみが確認できなかったが、強度が増すにつれて面ひずみが出始めて、440MPaの鋼鈑では面ひずみが大きくなっていることが確認できる。本発明で提案した最小主応力偏差の分布も、上から下に行くにしたがって（強度が増すにつれて）濃淡の変化すなわち最小主応力偏差の変化が大きくなっている。図６には、材料強度が大きく異なる270MPaと440MPaについて、注目部分を拡大して詳細に示しており、440Mpaの強度が高い方が注目部分の最小主応力偏差の等高線が込み合っている様子を、より明確に確認することが出来る。

このように、面ひずみの発生（実験によるゼブラ表示）と本発明で提案した評価値（最小主応力偏差）の分布は良く一致しており、面ひずみの発生位置と大きさを本発明により予測可能であることを示している。材料強度の異なる高強度鋼板を比較しているが、材料強度レベルによらず同一の基準で面ひずみを予測することも可能である。

図７は、面ひずみに及ぼす取手深さの影響を検討した結果（実験）を示す図である。270MPaと440MPaの材料強度の鋼鈑を用いて、取手深さを０〜1４mmまで変化させたもの（10種類）を、ゼブラ表示させたものである。取手深さが深くなればなるほど、ゼブラ模様が歪んでいく様子が確認できる。さらに、図８(取手深さ0,4mm)および図９（取手深さ7,12mm）には、図６と同様に注目部分を拡大した、実験（ゼブラ表示）と本発明で提案した最小主応力偏差の分布の対比を示している。ここでも、面ひずみの発生と本発明で提案した評価値（最小主応力偏差）の分布は良く一致していることが確認できる。

以上説明したように、本発明では最小主応力の周囲の平均値からの偏差という概念を用いた最小主応力偏差値という面ひずみ評価値を提案することにより、材料強度の絶対レベルによらず定量的に精度良く面ひずみを予測することが可能である。さらに本発明で提案した最小主応力偏差値には板厚の影響も加味しており、素材板厚の影響も考慮した上で面ひずみの予測が可能である。

本発明に係る面ひずみ予測・評価するための処理手順例を示すフローチャートである。本発明に係る面ひずみ予測装置の構成例を示す図である。最小主応力偏差による面ひずみ評価の一例を示した図である。実験(ゼブラ表示)による面ひずみ評価を示す図である。実験と本発明による面ひずみ評価結果の比較を示す図である。実験と本発明による面ひずみ評価結果の比較(詳細)を示す図である。面ひずみに及ぼす取手深さの影響を検討した結果(実験)を示す図である。面ひずみ評価結果(取手深さ0,4mmの影響)の比較(詳細)を示す図である。面ひずみ評価結果(取手深さ7,12mmの影響)の比較(詳細)を示す図である。

符号の説明

１操作部
２表示部
３演算部
４平均最小主応力値演算部
５評価値演算部
６入出力部
７記憶部
８データベース

Claims

プレス成形品の成形過程の解析をおこなった後、パンチ下死点時の成形品各要素に発生する最小主応力値と板厚値を取得し、面ひずみ解析対象面に位置するすべての前記最小主応力値の平均値である平均最小主応力値を算出した後、該平均最小主応力値、前記最小主応力値、および前記板厚値を基にした評価値を算出し、該評価値の分布を３次元的に表示することにより面ひずみの発生位置および発生度合いを予測することを特徴とするプレス成形品の面ひずみ予測方法。
請求項１に記載のプレス成形品の面ひずみ予測方法において、
前記評価値は、
（最小主応力値−平均最小主応力値）／（A*板厚値²）、（ここで、Aは部品形状によって決定される定数である）、
にて算出することを特徴とするプレス成形品の面ひずみ予測方法。
パンチ下死点時の成形品各要素に発生する最小主応力値と板厚値を取得する成形過程解析データ取得手段と、
面ひずみ解析対象面に位置するすべての前記最小主応力値の平均値である平均最小主応力値を算出する平均最小主応力値演算手段と、
該平均最小主応力値、前記最小主応力値、および前記板厚値を基にした評価値を算出する評価値演算手段と、
該評価値の分布を３次元的に表示する表示手段と、
を備えることを特徴とするプレス成形品の面ひずみ予測装置。