JP5610574B2

JP5610574B2 - プレス成形荷重の計算方法

Info

Publication number: JP5610574B2
Application number: JP2010236483A
Authority: JP
Inventors: 正彦福島
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2010-10-21
Filing date: 2010-10-21
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2030-10-21
Also published as: JP2012086255A

Description

本発明は、プレス加工における成形荷重をシミュレーションにより計算する方法に関する。

例えば自動車の生産設備において、設備費用などのコストに対して生産能力が見合うものかどうか、あるいは、生産能力に対して設備が過剰となっていないかどうかを評価することは非常に重要である。例えば特許文献１には、生産ラインの計画に対して生産能力と投資費用とが最適となる設備が自動的に選択される生産ライン計画支援装置が示されている。

特開２００６−３１３６０号公報

ところで、新たなプレス成形部品の生産を開始する際や、既存のプレス成形部品の材質を変更する際に、当該部品のプレス成形荷重を計算し、適当なプレス機に引き当てることは重要である。もし、生産を開始した後、当該部品に対してプレス機の能力（成形荷重）が不足していれば、生産を中止してプレス機を変更する必要が生じる。一方、当該部品に対してプレス機の能力が過剰であれば、必要以上に能力の高いプレス機を用いていることとなり、設備コストが高騰する。

部品のプレス成形荷重に見合った適当な能力のプレス機に引き当てるためには、生産の計画段階で当該部品のプレス成形荷重を正確に求めることが重要となる。従来は、例えば技術者の手計算により部品のプレス成形荷重が求められていたが、部品の形状が複雑になったり、材料が硬質化すると、プレス成形荷重を手計算により求めることは難しい。

そこで、部品のプレス加工をコンピュータを用いてシミュレーションし、このシミュレーションによりプレス成形荷重を計算する方法が検討されている。しかしながら、シミュレーションによるプレス成形荷重の計算値は実際のプレス成形荷重と大きく異なることが多く、信頼性に欠けるとして実際には適用されておらず、その原因も明らかになっていなかった。

本発明は、プレス加工における成形荷重をシミュレーションにより正確に計算することを目的とする。

本発明者は、シミュレーションによるプレス成形荷重の計算値が不正確である原因が、以下のものであることを見出した。すなわち、シミュレーションは、金型表面や板金材料を微小な平面に分割した擬似形状を用いて行うため、実際の形状と完全には一致していない。このようなシミュレーションにおけるワークの形状と実際のワークの形状との差に起因して、シミュレーションでは実際には加わっていない大きな荷重が加わっていると見なされ、この仮想的な荷重によりプレス成形荷重の計算値に大きな狂いが生じていた。

上記の不具合を詳しく説明する。図３（ａ）は、シミュレーションによるプレス成形を概念的に示す図であり、特にワークの曲面部をプレス成形する様子を示す。例えば有限要素法によるシミュレーションでは、図示のように、擬似金型（固定型１及び可動型２）の曲面状の成形面や、板金からなる擬似ワーク３が、メッシュ状に分割した複数の微小平面で表される。図３（ｂ）に示すプレス後期では、固定型１と可動型２との間隔が狭まり、この間に配置された擬似ワーク３と擬似金型（図示では固定型１）とが干渉する領域が生じる（図３（ｂ）に点線で示す）。このような場合、シミュレーションでは擬似ワーク３を構成する各微小平面を湾曲させることはできないため、実際には加わっていない力を擬似ワーク３に加えて、擬似金型と擬似ワーク３との干渉を回避しようとする。プレス機が下死点（ストローク０）に近づくほど、固定型１と可動型２との間隔が狭まり、擬似金型と擬似ワーク３とが干渉領域が大きくなるため、擬似ワーク３に加わる仮想的な力が大きくなる。特に、成形品の曲面部の曲率が大きい場合（曲率半径が小さい場合）、擬似ワーク３を曲面に沿わせることが難しくなるため、擬似ワーク３に加わる仮想的な力が大きくなる。

また、実際のプレス成形では、図４に示すように、プレス後期にワーク３’（実線）にシワ４’が生じることがある。微小平面に分割した擬似ワークでは、上記のようなワーク３’に生じる微妙のシワ４’を表現することができないため、図４に鎖線で示すように、擬似ワーク３が大きく屈曲して金型（図示例では可動型２’）にめり込んだ形状となることがある。この状態を矯正するために、シミュレーションでは擬似ワーク３に極めて大きな仮想の力が加わる。

例えば、擬似金型や擬似ワークの分割メッシュを極めて細かくすれば、実際の状態に近づけることができ、上記のような擬似ワークに加わる仮想的な力を低減できると考えられる。しかし、特に有限要素法によるシミュレーションの場合、擬似ワークの分割メッシュの大きさは擬似ワークの板厚よりも大きくするという制限があるため、分割メッシュはそれ程細分化できず、プレス下死点付近で擬似ワークに仮想的な力が加わることは避けられない。

プレス成形荷重を計算するにあたっては、プレスが完了するプレス下死点における値を求める必要があるが、上記の考察から、シミュレーションによる成形荷重の計算値は、プレス下死点において実際の成形荷重から最も大きく離れることが明らかとなった。換言すれば、プレス下死点より手前のストローク位置における成形荷重の計算値は、少なくともプレス下死点における計算値よりも信頼性が高いと言える。本発明者はこの点に着目し、以下の発明に至った。

すなわち、本発明は、対象部品のプレス下死点における成形荷重を計算するための方法であって、複数種のサンプル部品について、プレス下死点より手前のストローク位置における成形荷重計算値をシミュレーションにより求める第１ステップと、前記サンプル部品の成形荷重計算値と前記サンプル部品の実機のプレス下死点における成形荷重との相関近似式を求める第２ステップと、対象部品の前記ストローク位置における成形荷重計算値をシミュレーションにより求める第３ステップと、前記対象部品の成形荷重計算値を前記相関近似式に代入することにより、前記対象部品のプレス下死点における成形荷重を計算する第４ステップとを有するものである。

このように、本発明のプレス成形荷重の計算方法は、プレス下死点より手前のストローク位置における成形荷重（プレス成形完了前の成形荷重）をシミュレーションにより計算し、この成形荷重計算値に基づいてプレス下死点における成形荷重（プレス成形完了時の成形荷重）を求めるものである。このように、比較的信頼性の高いプレス下死点より手前のストローク位置における成形荷重計算値に基づいて、プレス下死点における成形荷重を求めることで、信頼性の高い結果を得ることができる。

ところで、シミュレーションにより成形荷重計算値を求めるストローク位置がプレス下死点に近すぎると、上述のように、擬似ワークに大きな仮想力が加わるため、成形荷重計算値が実機における成形荷重を大幅に上回ってしまう。一方、シミュレーションにより成形荷重計算値を求めるストローク位置がプレス下死点から遠すぎると、プレス成形による加工量が小さく成形荷重計算値も小さくなるため、当該ストローク位置における成形荷重計算値が、実機のプレス下死点における成形荷重を大幅に下回ってしまう。以上のように、シミュレーションにより成形荷重計算値を求めるストローク位置がプレス下死点に対して近すぎても遠すぎても、当該ストローク位置における成形荷重計算値と実機における成形荷重との相関関係が弱くなるため、この相関関係に基づいて求められる対象部品の成形荷重の信頼性が低くなる。

そこで、上記のプレス成形荷重の計算方法の第１ステップで、プレス下死点より手前の複数のストローク位置における成形荷重計算値を求め、第２ステップで、複数のストローク位置ごとに相関近似式を求め、こうして求めた複数の相関近似式のうち、最も相関係数の大きい相関近似式を選択すれば、成形荷重計算値と実機のプレス下死点における成形荷重との相関の高い最適なストローク位置を選定することができる。こうして選択した最適なストローク位置の相関近似式に基づいて、第４のステップを行うようにすればよい。

以上のように、本発明のプレス成形荷重の計算方法では、プレス下死点より手前の成形荷重計算値に基づいてプレス下死点における成形荷重を計算することで、信頼性の高い結果を得ることができる。

複数のサンプル部品のプレス成形シミュレーションにおけるストローク位置と成形荷重計算値との関係をプロットしたグラフである。各ストローク位置におけるサンプル部品の成形荷重計算値と実機における成形荷重との関係をプロットし、その相関近似式を示すグラフである。（ａ）はシミュレーションによるプレス加工を概念的に示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）図のプレス下死点付近における断面図である。プレス後期にワークにシワが生じる様子を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

本発明の一実施形態に係るプレス成形荷重の計算方法は、（１）サンプル部品の成形荷重シミュレーション、（２）相関近似式の算出（最適な相関近似式の選択）、（３）対象部品の成形荷重の計算を経て行われる。以下、各工程を順に説明する。

（１）サンプル部品の成形荷重シミュレーション（第１ステップ）
まず、材質や形状が異なる複数種のサンプル部品を用意する。本実施形態では６種のサンプル部品Ａ〜Ｆを用意した。これらのサンプル部品Ａ〜Ｆについて、例えば有限要素法によるプレス加工のシミュレーションを行い、プレス下死点より手前のストローク位置における成形荷重を計算する。本実施形態では、複数のストローク位置における成形荷重を計算し、具体的には０．１ｍｍＵＰ、０．３ｍｍＵＰ、０．５ｍｍＵＰ、１ｍｍＵＰ、２ｍｍＵＰ、３ｍｍＵＰのストローク位置における成形荷重を計算した。尚、〜ｍｍＵＰとは、可動型がプレス下死点より〜ｍｍ手前にあるストローク位置のことを言う。また、参考として、プレス下死点（０ｍｍＵＰ）における成形荷重も計算した。各サンプル部品Ａ〜Ｆについて、ストローク位置と成形荷重計算値との関係をプロットしたグラフを図１に示す。

（２）相関近似式の算出（第２ステップ）
次に、各ストローク位置における各サンプル部品Ａ〜Ｆの成形荷重計算値と実機の成形荷重との関係をプロットする。本実施形態では、上記のストローク位置のうち、０ｍｍＵＰ、０．５ｍｍＵＰ、１ｍｍＵＰ、３ｍｍＵＰの４箇所における関係をプロットし、その結果を図２に示す。このプロットから、各ストローク位置における成形荷重計算値と実機の成形荷重との相関近似式を、例えば回帰分析により求める。本実施形態では、プロットを１次式で近似した場合を示している。

そして、図２の各ストローク位置における相関近似式のうち、プロットとの相関が最も高いものを選択する。具体的には、各相間近似式の相関係数を求め、最も相関係数が高いものを選択する。本実施形態では、各相関近似式の回帰分析による決定係数Ｒ²（Ｒ：相関係数）を求める。その結果、図２のグラフ中に示すように、０ｍｍＵＰではＲ²＝０．２９、０．５ｍｍＵＰではＲ²＝０．７６、１ｍｍＵＰではＲ²＝０．８３、３ｍｍＵＰではＲ²＝０．６７となった。この結果から、プレス下死点より手前のストローク位置（０．５ｍｍＵＰ、１ｍｍＵＰ、３ｍｍＵＰ）における相関近似式の相関係数は、プレス下死点（０ｍｍＵＰ）における相関近似式の相関係数よりもはるかに大きいことが確認できる。中でも、１ｍｍＵＰのストローク位置における相関近似式の相関係数が最も大きいため、この相関近似式を選択する。

（３）対象部品の成形荷重の計算
次に、対象部品についてプレス加工のシミュレーションを行い、上記の工程で選択した相関近似式のストローク位置（１ｍｍＵＰ）における成形荷重を計算する（第３ステップ）。そして、この対象部品の成形荷重計算値を、上記の工程で選択した相関近似式に代入することにより、対象部品のプレス下死点における成形荷重の計算値が得られる（第４ステップ）。

上記の計算方法では、対象部品のプレス下死点における成形荷重をシミュレーションにより直接求めるのではなく、比較的信頼性の高いプレス下死点より手前のストローク位置における計算値に基づいて求めるため、信頼性の高い結果が得られる。これにより、対象部品のプレス成形荷重を正確に求めることができるため、例えば新たな部品の生産を開始する場合や、既存の部品の材質を変更する場合などに、当該部品の成形に適当な能力のプレス機を引き当てることができる。これにより、プレス機の能力不足による引き当て機の変更や、プレス機の能力過剰による設備コストの高騰を回避することができる。

本発明は上記の実施形態に限られない。例えば、上記の実施形態では、複数のストローク位置において相関近似式を求めた後、最も相関の強い相関近似式を選択する場合を示したが、必ずしも複数のストローク位置において相関近似式を求める必要はなく、経験的に選択した一箇所のストローク位置（例えば１ｍｍＵＰ）における相関近似式のみを求めてもよい。この場合、最も相関の強い相関近似式を選択するステップは省略される。ただし、上記のように、複数のストローク位置の相関近似式から最適なものを選択する方が、より正確な成形荷重を求めることができるため好ましい。

また、サンプル部品の形状や材質は任意であるが、例えば、特定の条件の下で複数種のサンプル部品を選定すれば、当該条件に適した相関近似式を算出することができるため、当該条件を満たす対象部品の成形荷重の信頼性をより一層高めることができる。例えば、対象部品が高張力鋼（ハイテン材）である場合、ハイテン材からなる複数種のサンプル部品を選択して相関近似式を算出すれば、ハイテン材に適した相関近似式を得ることができる。この他、部品の大きさの条件を設定することもできる。

１固定型（擬似金型）
１’ 固定型
２可動型（擬似金型）
２’ 可動型
３擬似ワーク
３’ ワーク
４’ シワ

Claims

対象部品のプレス下死点における成形荷重を計算するための方法であって、
複数種のサンプル部品について、プレス下死点より手前のストローク位置における成形荷重計算値をシミュレーションにより求める第１ステップと、前記サンプル部品の成形荷重計算値と前記サンプル部品の実機のプレス下死点における成形荷重との相関近似式を求める第２ステップと、対象部品の前記ストローク位置における成形荷重計算値をシミュレーションにより求める第３ステップと、前記対象部品の成形荷重計算値を前記相関近似式に代入することにより、前記対象部品のプレス下死点における成形荷重を計算する第４ステップとを有するプレス成形荷重の計算方法。
前記第１ステップで、プレス下死点より手前の複数のストローク位置における前記複数のサンプル部品の成形荷重計算値を求め、前記第２ステップで、前記複数のストローク位置ごとに前記相関近似式を求め、
前記複数の相関近似式のうち、相関係数が最も大きい相関近似式を用いて前記第４ステップを行う請求項１のプレス成形荷重の計算方法。