JP6044191B2 - プレス成形品のスプリングバック抑制対策方法および解析装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば自動車等のプレス成形品に発生するスプリングバックを効果的に抑制できるプレス成形品のスプリングバック抑制対策方法および解析装置に関する。

近年、特に自動車産業においては環境問題に起因した車体の軽量化が進められており、車体に用いられる金属板素材の板厚を薄くしつつ、強度剛性を確保しなければならない。そのために、金属素材として高張力鋼板が採用されるようになっている。
しかし、高張力鋼板を使用した場合、その材料特性が高いために成形時に発生するスプリングバック現象が顕著になり、スプリングバック量が多い場合には形状不良と称され、接合等の組立てが出来ない事態となる。このためスプリングバック抑制対策は極めて重要な技術であり各種手法が検討されている。

スプリングバック抑制対策の一例として、例えば特許文献１には、しごき加工をすることなく金属素材をハット形状断面に加工でき、さらに、曲げ加工が完了した直後に金属板素材の縦壁部に圧縮力を付与するようにしたプレス型が開示されている。

また、スプリングバック抑制対策の前提として、スプリングバックの要因を分析する方法として、例えば、特許文献２には、プレス成形品におけるスプリングバックに寄与の大きい部位を短時間で正確に求めるプレス成形解析方法が開示されている。そして、スプリングバックの具体的な対策としては、プレス成形金型の形状やブランク形状、ドロービードの入れ方などのプレス成形条件を適正化することが記載されている（特許文献２の［００３１］）。

特開２００５−２５４２７９号公報 特開２００７−２２９７２４号公報

特許文献１のようにプレス型によってスプリングバックを抑制する場合、効果が期待できるプレス成形品の形状が極めて限定的であるし、特種なプレス型を製造することからコスト高ともなる。
また、特許文献２のようにスプリングバックの要因分析を行うことは有用ではあるが、要因分析結果に基づく対策がどの程度効果があるかは不明である。
このように、従来のスプリングバック抑制対策技術は、不十分であるといわざるを得ないのが現状であり、より効果的なスプリングバック対策方法が望まれていた。

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、スプリングバックをより確実に抑制できる技術を提供することを目的としている。

従来のスプリングバック抑制対策の考え方は、例えば特許文献２に示されるように、要因を分析してそれに対する対策を講ずるというように、要因分析と対策とを切り離していた。
そのため、適切な要因分析ができたとしても、その要因に基づく対策が要因と直接結びつけることが難しく、効果的なスプリングバック抑制が期待できない。

発明者は要因を分析して対策を講ずるという従来の発想から、要因分析と対策を一体として考えることを発想した。
そこで、まず着目したのが、部品の剛性が高ければ、プレス成形時の残留応力に起因するスプリングバックの駆動力があってもスプリングバックを抑制できるということであり、当該部品の剛性を向上させることでスプリングバックを抑制することを考えた。
部品の剛性を向上させる一般的な方法として、部品に例えば凸形状を付与することで剛性を向上させることは可能である。

しかし、スプリングバック抑制との関係で重要なことは、部品のどの部位にどのような形状を付与するかということであり、スプリングバックが発生する要因を無視することはできない。
そこで、発明者は、スプリングバック抑制対策の対象となる部品について、スプリングバックが生ずる応力状態を付与し、その場合に当該部品のどの部位の剛性が必要であるかを求めることで、スプリングバックが生ずる要因に対する直接的かつ効果的な対策を講ずることができるという知見を得た。
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からなるものである。

（１）本発明に係るプレス成形品のスプリングバック抑制対策方法は、金属板をプレス加工することで成形される部品に生ずるスプリングバックを、成形される部品の剛性を向上して抑制するスプリングバック抑制対策方法であって、
平面要素及び／又は立体要素を用いて前記部品の解析モデルを生成する解析モデル生成工程と、該生成した解析モデルの各要素にスプリングバックを生じさせる応力状態を設定する応力状態設定工程と、
該応力状態設定工程で応力状態を設定した前記解析モデルについて与えられた解析条件を満たすための必要最小限の要素を残す解析であって、当該必要最小限の要素のみからなる部位を最適部位とする形状最適化解析を行い剛性に寄与の高い部位を検出する剛性寄与部位検出工程と、
該剛性寄与部位検出工程で検出された部位に基づいて前記部品の剛性向上のための手段を講じる剛性向上工程とを備え、
前記応力状態設定工程は、前記解析モデルの一部を拘束して、他の一部に曲げ荷重及び／又はねじり荷重を与えることで前記解析モデルに応力状態を生じさせて、該応力状態を前記解析モデルの各要素に設定するものである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、前記応力状態設定工程は、前記解析モデルの一部を拘束する際の拘束点として、スプリングバック評価点を設定するものであ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、前記応力状態設定工程は、前記解析モデルの一部に荷重を与える方向として、予め成形した成形品においてスプリングバックが発生した方向を設定するものであることを特徴とするものである。

（４）また、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のものにおいて、前記剛性向上手段は、前記解析モデルについて、前記剛性寄与部位検出工程で検出された部位に基づいて、板厚を厚くすること、ヤング率を向上させること、他の板を貼り付けること、凸形状及び／又は凹形状を付与することのいずれか又は適宜選択した複数の手段を講ずるものであることを特徴とするものである。

（５）本発明に係るプレス成形品のスプリングバック抑制対策解析装置は、金属板をプレス加工することで成形される部品に生ずるスプリングバックを、成形される部品の剛性を向上して抑制するスプリングバック抑制対策装置であって、
平面要素及び／又は立体要素を用いて前記部品の解析モデルを生成する解析モデル生成手段と、
該生成した解析モデルの各要素にスプリングバックを生じさせる応力状態を設定する応力状態設定手段と、
該応力状態設定手段で応力状態を設定した前記解析モデルについて与えられた解析条件を満たすための必要最小限の要素を残す解析であって、当該必要最小限の要素のみからなる部位を最適部位とする形状最適化解析を行い剛性に寄与の高い部位を検出する剛性寄与部位検出手段と、
該剛性寄与部位検出手段で検出された部位に基づいて前記部品の剛性向上のための手段を講じる剛性向上手段とを備え、
前記応力状態設定手段は、前記解析モデルの一部を拘束して、他の一部に曲げ荷重及び／又はねじり荷重を与えることで前記解析モデルに応力状態を生じさせて、該応力状態を前記解析モデルの各要素に設定するものであることを特徴とするものである。

（６）また、上記（５）に記載のものにおいて、前記応力状態設定手段は、前記解析モデルの一部を拘束する際の拘束点として、スプリングバック評価点を設定するものであることを特徴とするものである。

（７）また、上記（５）又は（６）に記載のものにおいて、前記応力状態設定手段は、前記解析モデルの一部に荷重を与える方向として、予め成形した成形品においてスプリングバックが発生した方向を設定するものであることを特徴とするものである。

（８）また、上記（５）乃至（７）のいずれかに記載のものにおいて、前記剛性向上手段は、前記解析モデルについて、前記剛性寄与部位検出手段で検出された部位に基づいて、板厚を厚くすること、ヤング率を向上させること、他の板を貼り付けること、凸形状及び／又は凹形状を付与することのいずれか又は適宜選択した複数の手段を講ずるものであることを特徴とするものである。

本発明においては、平面要素及び／又は立体要素を用いて前記部品の解析モデルを生成する解析モデル生成工程と、生成した解析モデルの各要素にスプリングバックを生じさせる応力状態を設定する応力状態設定工程と、該応力状態設定工程で応力状態を設定した解析モデルについて形状最適化解析を行い剛性に寄与の高い部位を検出する剛性寄与部位検出工程と、該剛性寄与部位検出工程で検出された部位に基づいて前記部品の剛性向上のための手段を講じる剛性向上工程とを備えたことにより、スプリングバックが生ずる要因に対する直接的かつ効果的な対策を講ずることができる。
また、スプリングバック抑制対策の対象となる部品が自動車部品の場合には、部品ごとの剛性を向上させることにより、車体の剛性が向上するという効果もある。

本発明の一実施の形態に係るスプリングバック抑制対策方法の流れを説明するフローチャート図である。 図１のスプリングバック抑制対策方法の解析装置について説明する説明図である。 図１のスプリングバック抑制対策方法の対策対象の部品について説明する説明図である。 図１のスプリングバック抑制対策方法における要素の使用例について説明する説明図である。 図１のスプリングバック抑制対策方法の応力状態設定工程を説明する説明図である（その１）。 図１のスプリングバック抑制対策方法の応力状態設定工程を説明する説明図である（その２）。 図１のスプリングバック抑制対策方法の剛性寄与部位検出工程の実施結果について説明する説明図である（その１）。 図１のスプリングバック抑制対策方法の剛性寄与部位検出工程の実施結果について説明する説明図である（その２）。 図１のスプリングバック抑制対策方法の剛性寄与部位検出工程の実施結果について説明する説明図である（その３）。 図１のスプリングバック抑制対策方法の剛性向上工程を説明する説明図である。 図１のスプリングバック抑制対策方法の効果を確認するための比較対象について説明する図である。 図１のスプリングバック抑制対策方法の剛性向上工程における剛性向上方法の具体的な一例を説明する説明図である。 図１２の剛性向上方法の他の例を説明する説明図である。 図１２、図１３の剛性向上方法の他の例を説明する説明図である。 図１２の剛性向上方法を説明するために、Ａピラーについて剛性寄与部位検出工程を行った結果を説明する説明図である。 図１５に示す剛性寄与部位検出工程の結果に基づいて剛性向上方法の一例を説明する説明図ある（その１）。 図１５に示す剛性寄与部位検出工程の結果に基づいて剛性向上方法の一例を説明する説明図ある（その２）。 図１５に示す剛性寄与部位検出工程の結果に基づいて剛性向上方法の一例を説明する説明図ある（その３）。 図１５に示す剛性寄与部位検出工程の結果に基づいて剛性向上方法の一例を説明する説明図ある（その４）。 図１５に示す剛性寄与部位検出工程の結果に基づいて剛性向上方法の一例を説明する説明図ある（その５）。 図１５に示す剛性寄与部位検出工程の結果に基づいて剛性向上方法の一例を説明する説明図ある（その６）。 図１５に示す剛性寄与部位検出工程の結果に基づいて剛性向上方法の一例を説明する説明図ある（その７）。 本発明の実施例１に係るスプリングバック抑制対策について説明する説明図である。 図２３のスプリングバック抑制対策の効果を確認するために作成した金型を図示したものである。 図２４の金型について説明する説明図であって、図２３中のＡ−Ａ断面図である。 図２３のスプリングバック抑制対策の実施結果を説明する説明図である（その１）。 図２３のスプリングバック抑制対策の実施結果の評価方法を説明する説明図である。 図２３のスプリングバック抑制対策の実施結果を説明する説明図である（その２）。 本発明の実施例２に係るスプリングバック抑制対策の効果を確認するための図であって、比較対象について説明する説明図である。 本発明の実施例２に係るスプリングバック抑制対策の効果を説明するための説明図である。

本発明の一実施の形態に係るプレス成形品のスプリングバック抑制対策方法（以下、単に「スプリングバック抑制対策」という）は、図１のフローチャートに示す通り、平面要素及び／又は立体要素を用いて部品の解析モデルを生成する解析モデル生成工程Ｓ１と、該生成した解析モデルの各要素にスプリングバックを生じさせる応力状態を設定する応力状態設定工程Ｓ３と、該応力状態設定工程Ｓ３で応力状態を設定した解析モデルについて形状最適化解析を行い剛性に寄与の高い部位を検出する剛性寄与部位検出工程Ｓ５と、該剛性寄与部位検出工程Ｓ５で検出された部位に基づいて部品の剛性向上のための手段を講じる剛性向上工程Ｓ７とを行う。以下に詳細に説明する。

本発明に係るスプリングバック抑制対策方法はプログラム処理を実行するＰＣ（パーソナルコンピュータ）等の装置によって行うものであるので、まず、装置（以下、「スプリングバック抑制対策装置１」という）の構成について図２に示すブロック図に基づいて概説する。

〔スプリングバック抑制対策装置〕
本実施の形態に係るスプリングバック抑制対策装置１は、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）等によって構成され、図２に示すように、表示装置３と入力装置５と主記憶装置７と補助記憶装置９および演算処理部１１とを有している。
また、演算処理部１１には、表示装置３と入力装置５と主記憶装置７および補助記憶装置９が接続され、演算処理部１１の指令によって各機能を行う。表示装置３は計算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５はオペレータからの入力等に用いられ、キーボードやマウス等で構成される。主記憶装置７は演算処理部１１で使用するデータの一時保存や演算等に用いられ、ＲＡＭ等で構成される。補助記憶装置９は、データの記憶等に用いられ、ハードディスク等で構成される。

演算処理部１１はＰＣ等のＣＰＵ等によって構成され、演算処理部１１内には、解析モデル生成手段１３と、応力状態設定手段１５と、剛性寄与部位検出手段１７と、剛性向上手段１９とを有する。これらの手段はＣＰＵ等が所定のプログラムを実行することによって実現される。以下にこれら手段について説明する。

＜解析モデル生成手段＞
解析モデル生成手段１３は、平面要素（シェル要素）、立体要素（ソリッド要素）、または、平面要素と立体要素の両方を使用して部品の解析モデルを生成する。図４に平面要素と立体要素の使用方法の例を示す。図４は平面形状について解析モデルを生成したものである。図４（ａ）は平面要素のみを使用して生成した解析モデルである。図４（ｂ）は立体要素のみを使用して生成した解析モデルである。図４（ｃ）は平面要素と立体要素の両方を使用して生成した解析モデルであり、平面要素の上面に立体要素を配置して生成される。
図４（ａ）と図４（ｂ）の使用方法で作成した解析モデルは、形状最適化解析（詳細は後述する）を実行することで不要な要素が削除されると、その部位には何も残らないが、図４（ｃ）の使用方法で作成した解析モデルは、形状最適化解析を行うと、平面要素の上面の立体要素だけが削除される。
なお、上記のいずれの使用方法を用いてもよい。

＜応力状態設定手段＞
応力状態設定手段１５は、解析モデル生成手段１３で生成した解析モデルの各要素にスプリングバックを生じさせる応力状態を設定する。
応力状態の設定方法としては、例えば、解析モデルの一部を拘束して、他の一部に曲げ荷重やねじり荷重、または曲げ荷重とねじり荷重の両方など、様々な荷重を与えることで解析モデルに応力状態を生じさせて、該応力状態を解析モデルの各要素に設定する方法や、別途得られる応力状態（例えば、プレス成形解析を行って下死点状態（離型前の状態）等の応力状態）を各要素に直接転写（マッピング）して設定する方法等がある。また、手動で適宜設定してもよい。

＜剛性寄与部位検出手段＞
剛性寄与部位検出手段１７は、応力状態設定手段１５で応力状態を設定した解析モデルについて形状最適化解析を行い剛性に寄与の高い部位を検出する。
形状最適化解析の手法としては、例えば、トポロジー最適化解析を行う。トポロジー最適化解析は、対象となる部品の解析モデルにおいて、与えられた解析条件（応力状態、荷重、拘束、体積率等）を満たすための必要最小限の要素を残す解析を行い、当該必要最小限の要素のみからなる部位を最適部位とするという解析手法である。解析条件を例えば、「ある荷重拘束条件を与えた場合の剛性が最も高い部位であって部位全体の体積率が初期形状の２０％」とすると、解析モデルにおいて、解析条件を満たすために必要のない要素が体積率２０％になるまで削除されて、最終的に必要最小限の要素のみで構成される部位が残存する。このようにして残存した部位が、剛性に寄与度の高い部位（剛性寄与部位）である。
なお、形状最適化解析の手法としてはトポロジー最適化解析以外に、トポグラフィ最適化解析、数値最適化解析等を用いてもよい。

＜剛性向上手段＞
剛性寄与部位検出手段１７で検出された部位に基づいて部品の剛性向上のための手段を講じる。
剛性寄与部位は、スプリングバックを想定した荷重条件に対する剛性への寄与度の高い部位であるので、解析モデルにおける該剛性寄与部位の強度を高めることで、スプリングバックを抑制することができる。そこで、剛性向上手段１９は、剛性寄与部位検出手段１７によって検出された剛性寄与部位に基づいて解析モデルに剛性向上のための手段を講じる。

剛性向上のための手段とは、剛性寄与部位検出工程Ｓ５で検出された剛性寄与部位に基づいて、解析モデルの剛性寄与部位の板厚を厚くすること、または剛性寄与部位のヤング率を向上させること、あるいは、剛性寄与部位に他の板を貼り付けて補強すること、あるいは剛性寄与部位に、剛性寄与部位の輪郭形状と略同形状の凸形状及び／又は凹形状を付与することのいずれか又は適宜選択した複数のことを行うことである。

凸形状及び／又は凹形状を付与する際には、剛性寄与部位の輪郭形状をそのまま用いてもよいし、輪郭形状そのままでは複雑すぎる場合は輪郭形状の大まかな形を用いてもよい。こうすることで、形状を付与した部位の剛性を向上させることができる。また、凸形状及び／又は凹形状を付与する場合において剛性寄与部位の範囲が広い場合は、剛性寄与部位の輪郭形状の内側に、荷重の方向に延びる波形状ビードを別途設けてもよい。

〔スプリングバック抑制対策方法〕
次に、上記スプリングバック抑制対策装置１を用いてスプリングバック抑制対策方法の処理の流れについて、図１に示すフローチャートに基づいて、必要な図を適宜参照しながら説明する。
なお、以下の記載においては、解析対象となる部品の一例として、図３に示すようなＡピラー２１にスプリングバック抑制対策を行うことについて説明する。図３（ａ）はＡピラー２１の平面図であり、図３（ｂ）はＡピラー２１の斜視図である。Ａピラー２１は図３に示す通り、ハット断面形状を有している。
スプリングバックで生じる変形は主にハネ変形およびねじり変形である。そこで、本実施の形態においては、スプリングバックの例として、ハネ変形、ねじり変形、ハネとねじりの複合変形の３種類を想定した。従って、本実施の形態におけるスプリングバック抑制対策方法では、ハネ変形に対するスプリングバック抑制対策と、ねじり変形に対するスプリングバック抑制対策と、ハネとねじれの複合変形に対するスプリングバック抑制対策との３種類について解析を行う。
以下に、前述したスプリングバック抑制対策方法の各工程（応力状態設定工程Ｓ３、剛性寄与部位検出工程Ｓ５、剛性向上工程Ｓ７）について図１〜図１１に基づいて詳細に説明する。

＜解析モデル生成工程＞
まず、解析モデル生成工程において、解析モデル生成手段１３を用いて解析対象となる部品であるＡピラー２１の解析モデル２３（図５）を生成する。本実施の形態では、解析モデル２３は、例として上記の想定スプリングバックの種類毎に、さらに上記の図４で説明した３種類の要素の使用方法毎に、全部で９種類生成した。

＜応力状態設定工程＞
次いで、応力状態設定工程Ｓ３において、上記生成した解析モデル２３の各要素に応力状態設定手段１５を用いて応力状態を設定する。
応力状態の設定方法としては、例として、解析モデル２３の一部を拘束して、他の一部に曲げ荷重及び／又はねじり荷重を与えることで解析モデル２３の各要素に応力状態を生じさせて、該応力状態を解析モデル２３の各要素に設定する方法について説明する。

拘束条件は、いずれの解析モデル２３においても、図５に示すように一端の上面（図５中の破線で囲む領域）を拘束するものとした。
荷重条件は、次のようにして設定する。部品をプレス成形すると、部品ごとにどの方向にどのようなスプリングバックが生じるかが決まっている。そこで、部品についてプレス成形解析およびスプリングバック解析を行い、どのようなスプリングバックが発生するかを予め確認しておき、該確認したスプリングバックが発生する方向等に基づいて、荷重条件を設定する。本実施の形態においては、荷重条件は、ハネ変形の場合は、図６（ａ）に示すように、拘束端の反対側端部を上方に曲げる曲げ荷重を与えるものとした。ねじり変形の場合は、図６（ｂ）に示すように、拘束端の反対側端部にＡピラー２１の長手方向に捩じるようなねじり荷重を与えるものとした。ハネとねじりの複合変形の場合は、図６（ｃ）に示すように、図６（ａ）および図６（ｂ）の両方の荷重を複合させて与えるものとした。

なお、上記ではスプリングバックとしてハネ変形、ねじり変形、およびハネとねじりの複合変形を想定するという簡易的ものであったが、実際のスプリングバック変形を想定することも可能である。

また、上記では荷重条件として、曲げ荷重、ねじり荷重、および曲げとねじりの複合荷重を与えるものとしたが、別途プレス成形解析を行って、成形下死点の応力分布を部品形状の要素にマッピングを行い境界条件にすることも可能である。さらに、上記の解析条件（拘束、荷重）を複合して用いることも可能である。

＜剛性寄与部位検出工程＞
次いで、剛性寄与部位検出工程Ｓ５において、応力状態設定工程Ｓ３で応力状態を設定した解析モデル２３について形状最適化解析を行い、剛性寄与部位を検出する。本実施の形態において残存させる体積率は、初期形状の２０％とした。

形状最適化解析の結果を図７〜図９に示す。
図７は平面要素のみを使用した解析モデル２３について解析を行った結果である。図７（ａ）はハネ変形（曲げ荷重）に対しての形状最適化解析結果、図７（ｂ）はねじり変形（ねじり荷重）に対しての形状最適化解析結果、図７（ｃ）はハネとねじりの複合変形（ハネとねじりの複合荷重）に対しての形状最適化解析結果である。最適化解析し残存している要素（剛性寄与部位）を薄い灰色で示す。
図７を見ると、いずれの荷重条件でも残存部（剛性寄与部位）は網目状になっている。図７（ａ）を見ると、図５を用いて説明した拘束箇所の近傍が多く残存していることが分かる。図７（ｂ）では、パンチ穴２３ｂの近傍に多く残存している。図７（ｃ）では図７（ａ）と図７（ｂ）に比較して剛性寄与部位が全体的に分布している。

図８は立体要素のみを使用した解析モデル２３について解析を行った結果である。図７と同様に、図８（ａ）はハネ変形（曲げ荷重）に対しての形状最適化解析結果、図８（ｂ）はねじり変形（ねじり荷重）に対しての形状最適化解析結果、図８（ｃ）はハネとねじりの複合変形（ハネとねじりの複合荷重）に対しての形状最適化解析の結果である。図８においては剛性寄与部位を濃い灰色で示す。

図９は平面要素と立体要素の両方を使用した解析モデル２３について解析を行った結果である。図７および図８と同様に、図９（ａ）はハネ変形（曲げ荷重）に対しての形状最適化解析結果、図９（ｂ）はねじり変形（ねじり荷重）に対しての形状最適化解析結果、図９（ｃ）はハネとねじりの複合変形（ハネとねじりの複合荷重）に対しての形状最適化解析結果である。図９では薄い灰色の部位は平面要素のみの部位を表し、濃い灰色の部位は剛性寄与部位を表す。剛性寄与部位は平面要素の上面に立体要素が残存している部分である。
図９を見ると、図７および図８の場合と比較して、剛性寄与部位は網目状にならずに残存していることが分かる。

＜剛性向上工程＞
次いで、剛性向上工程Ｓ７では、剛性向上手段１９を用いて、剛性寄与部位検出工程Ｓ５で検出された剛性寄与部位に基づいてＡピラー２１の剛性向上のための手段を講じる。本実施の形態においては、剛性向上のための手段の一例として、図１０に示すように、Ａピラー２１の初期形状（図１０（ａ）参照）に対して、剛性寄与部位検出工程Ｓ５で検出された剛性寄与部位（図１０（ｂ）参照。図９（ｃ）に図示したものと同一）に基づいて、解析モデル２３における剛性寄与部位の板厚を２倍にした（図１０（ｃ）参照）。

本実施の形態の効果を確認するために、図１０（ａ）に示す剛性向上の対策前の解析モデル２３（比較例１）と、図１０（ｃ）に示す剛性向上の対策後の解析モデル２３（発明例１）とについて、ハネとねじりの複合荷重を付与して、ハネとねじりの複合変形のスプリングバックを生じさせるようなスプリングバック解析を行った。
解析結果としてＺ方向の最大変位差（ｍｍ、最大変位と最小変位との差）を表１に示す。また、表１には、比較例２として、人間の勘に基づいて解析モデル２３の天井部２３ａの板厚を２倍にしたもの（図１１参照）についても同様に解析を行った結果を示している。

表１に示す通り、スプリングバック前後のＺ方向の最大変位差は、比較例１（剛性向上対策前、図１０（ａ）参照）の場合が17.4ｍｍ、発明例１（剛性向上対策後、図１０（ｃ）参照）の場合が8.2ｍｍ、比較例２（図１１参照）の場合が10.6ｍｍであった。対策を施した発明例１と比較例２との両方でねじれ量が低減されているが、発明例１の方が大きくねじれ量が低減している。

また、比較例１および発明例１について曲げ剛性解析を行ったところ、発明例１は比較例１と比較して17.3％曲げ剛性が向上した。また、同様に比較例１および発明例１についてねじり剛性解析を行ったところ、発明例１は比較例１と比較して7.8％ねじり剛性が向上した。

以上のように、本実施の形態においては、平面要素及び／又は立体要素を用いて部品としてのＡピラー２１の解析モデル２３を生成する解析モデル生成工程と、該生成した解析モデル２３の各要素にスプリングバックを生じさせる応力状態を設定する応力状態設定工程Ｓ３と、該応力状態設定工程Ｓ３で応力状態を設定した解析モデル２３について形状最適化解析を行い剛性に寄与の高い部位を検出する剛性寄与部位検出工程Ｓ５と、該剛性寄与部位検出工程Ｓ５で検出された部位に基づいてＡピラー２１の剛性向上のための手段を講じる剛性向上工程Ｓ７とを備えたことことにより、解析モデル２３の剛性寄与部位を検出して、該剛性寄与部位に基づいてＡピラー２１の剛性向上を図ることができ、スプリングバックを抑制することができる。また、部品ごとの剛性を向上させることにより、車体の剛性が向上する副次効果もある。

なお、上記の説明で、剛性寄与部位の板厚を２倍にすることを示したが、その具体的方法は以下のようにすればよい。
解析モデル２３を逆成形解析して平板（ブランク材）に戻せば、ブランク材における剛性寄与部位が分かる。このようにして得られたブランク材における剛性寄与部位の剛性を向上させれば、プレス成形後のプレス成形品における剛性寄与部位の剛性を向上させることができる。

ブランク材における剛性寄与部位の剛性を向上させるためには、例えば、剛性寄与部位の板厚を厚くする方法、剛性寄与部位のヤング率を向上させる方法、あるいは剛性寄与部位に他の板を貼り付ける方法等がある。
これらの方法について、ある部品のブランク材４１における剛性寄与部位４１ａの剛性を向上させる場合を例に挙げて、以下の図１２〜図１４に基づいて説明する。

剛性寄与部位の板厚を厚くする方法では、例えば、ブランク材４１の剛性寄与部位４１ａ（図１２（ａ）参照）をくりぬいてくりぬき穴４１ｂとし、代わりに他の厚板材の剛性寄与部位４１ａと同じ形状にした板材４３をブランク材４１のくりぬき穴４１ｂにはめ込んで（図１２（ｂ）参照）、レーザー溶接等で接合したいわゆるテーラードブランク材４５（図１２（ｃ）参照）を用いる。このように作成したテーラードブランク材４５を用いてプレス成形加工を行うとプレス成形品の剛性寄与部位４１ａの板厚を厚くすることができ、該剛性寄与部位４１ａの剛性を向上させることができる。

ブランク材４１の剛性寄与部位４１ａのヤング率を向上させる方法では、例えば、上記の板厚を厚くする場合と同様に、ブランク材４１の剛性寄与部位４１ａ（図１３（ａ）参照）をくりぬいてくりぬき穴４１ｂとし、代わりに他の高ヤング率の板材４７を剛性寄与部位４１ａと同じ形状にしたものをブランク材４１のくりぬき穴４１ｂにはめ込んで（図１３（ｂ）参照）、レーザー溶接等で接合したテーラードブランク材４９（図１３（ｃ）参照）を用いる。このように作成したテーラードブランク材４９を用いてプレス成形加工を行うとプレス成形品の剛性寄与部位４１ａのヤング率を高くすることができ、該剛性寄与部位４１ａの剛性を向上させることができる。

ブランク材４１の剛性寄与部位４１ａに他の板を貼り付ける方法では、ブランク材４１の剛性寄与部位４１ａ（図１４（ａ）参照）に、他の板材を加工して剛性寄与部位４１ａと同じ形状にした板材５１を、ブランク材４１の剛性寄与部位４１ａに溶接で接合したりまたは接着剤で接着したり等して（図１４(ｂ)参照）貼り付けた補強ブランク材５３（図１４(ｃ)参照）を用いる。このように作成した補強ブランク材５３を用いてプレス成形加工を行うと剛性寄与部位４１ａが補強されて剛性が向上したプレス成形品を得ることができる。

なお、上記のブランク材４１における剛性寄与部位４１ａの剛性を向上させる方法は、これらのうちいずれかを適宜複数選択して組み合わせて行ってもよい。例えば板厚が厚くかつ高ヤング率の板材を剛性寄与部位４１ａに貼り付けてもよいし、さらにこのようにして得られたブランク材（テーラードブランク材、補強ブランク材）の剛性寄与部位４１ａに凸形状及び／又は凹形状を付与する金型を用いてプレス成形加工してもよい。

上記のブランク材における特定部位の剛性を向上させる方法（板厚を厚くする方法、ヤング率を向上させる方法、他の板を貼り付ける方法）を、Ａピラー２１に施した例について図１５〜図２２に基づいて説明する。
まず、Ａピラ−２１について平面要素と立体要素の両方を使用した解析モデル２３を作成し、該解析モデル２３についてハネとねじりの複合変形（ハネとねじりの複合荷重）に対しての形状最適化解析を行った。
上記形状最適化解析結果を図１５に示す。図１５（ａ）は剛性寄与部位検出工程Ｓ５を実施後の解析モデル２３の平面図であり（上記図９（ｃ）に図示したものと同一）、図１５（ｂ）は、図３（ｂ）のように側方から見て、図１５（ａ）中の四角で囲んだ部分を拡大して図示したものである。剛性寄与部位は濃い灰色で示している。

解析モデル２３を逆成形解析して平板状態に展開した状態（ブランク材７１）を図１６に示す。ブランク材７１中の線で囲まれた部位は、ブランク材７１における剛性寄与部位７１ａである。なお、ブランク材７１における剛性寄与部位７１ａの形状は、解析モデル２３における剛性寄与部位の輪郭形状を示している。また、ブランク材７１の板厚は1.4mmである。

このようにして取得されたブランク材７１における剛性寄与部位７１ａについて、上記で説明した板厚を厚くする方法、ヤング率を向上させる方法、および他の板を貼り付ける方法で剛性を向上させる場合について以下に説明する。

板厚を厚くする方法の場合、図１７（ａ）に示すように、ブランク材７１における剛性寄与部位７１ａをくりぬいてできたくりぬき穴７１ｂに、剛性寄与部位７１ａと同形状でかつ板厚がブランク材７１の２倍の板厚（1.4mm×2＝2.8mm）の板材７３をはめ込んで溶接したテーラードブランク材７５を作成する（図１７（ｂ）参照）。
このように作成したテーラードブランク材７５をプレス成形した結果のプレス成形品７７を図１８に示す。図１８（ｃ）はプレス成形品７７の平面図、図１８（ｄ）はプレス成形品７７の底面図、図１８（ｅ）は図１８（ｃ）中の矢印に示す方向から見た斜視図である。プレス成形品７７は図１８（ｅ）に示すように、剛性寄与部位７１ａの輪郭形状に沿って、ブランク材７１と板材７３の板厚の違いによる段差が見られる。

ヤング率を向上させる方法の場合、図１９（ａ）に示すように、ブランク材７１のくりぬき穴７１ｂに、剛性寄与部位７１ａと同形状でかつ板厚がブランク材７１と等しい高ヤング率の板材８１をはめ込んで溶接したテーラードブランク材８３を作成する（図１９（ｂ）参照）。
このように作成したテーラードブランク材８３をプレス成形した結果のプレス成形品８５を図２０に示す。図２０（ｃ）はプレス成形品８５の平面図、図２０（ｄ）はプレス成形品８５の底面図、図２０（ｅ）は図２０（ｃ）中の矢印に示す方向から見た斜視図である。プレス成形品８５は図２０（ｅ）に示すように、ブランク材７１と板材８１の板厚が同じであるため、図１８（ｅ）に見られたような段差はない。

他の板を貼り付ける方法の場合、図２１（ａ）に示すように、ブランク材７１における剛性寄与部位７１ａに、該部位と同形状でかつブランク材７１と板厚、ヤング率ともに同じ板材９１を貼りつけた補強ブランク材９３を作成する（図２１（ｂ）参照）。
このように作成した補強ブランク材９３をプレス成形した結果のプレス成形品９５を図２２に示す。図２２（ｃ）はプレス成形品９５の平面図、図２２（ｄ）はプレス成形品９５の底面図、図２２（ｅ）は図２２（ｃ）中の矢印に示す方向から見た斜視図である。プレス成形品９５は図２２（ｅ）に示すように、ブランク材７１に板材９１を貼りつけたことによる段差が見られる。

本発明のスプリングバック抑制対策方法による作用効果について、具体的な実施例に基づいて説明する。
上記の実施の形態においては、剛性向上の手段として剛性寄与部位検出工程Ｓ５で検出された剛性寄与部位に基づいてＡピラー２１の解析モデル２３の板厚を厚くする例を示したが、本実施例においては、剛性寄与部位に基づいてＡピラー２１の解析モデル２３に凹形状を付与することで剛性向上を図る例について説明する。
凹形状は、剛性寄与部位の輪郭形状を大まかにした形状を用いた。図２３（ａ）に凹形状を付与する前の金型２７を示し、図２３（ｂ）に凹形状を付与した金型２５を示す。

本実施例では、図２３（ｂ）に示すＡピラー２１をプレス成形するための金型２５（図２４参照）を実際に作成してプレス成形を行い、プレス成形品２９（図２６）を成形した。金型２５の凹部の深さＨおよび凹部の縁の形状は、割れが発生しない範囲でスプリングバック量低減効果が最も多く得られるように、凹部の深さを4ｍｍで一定とし、凹部の縁の形状はＲ3に設定した（図２５参照）。

図２６に実プレス成形を行った結果を示す。材料としては板厚1.4ｍｍの４４０ＭＰａ級鋼板を用いた。図２６は、スプリングバックの結果を示すために、プレス成形品を金型２５に重ねて、図３（ａ）に示したＡピラー２１の紙面上左側の端部をＡピラー２１の左側から見たものを図示したものである。図２６（ａ）は、比較のために、対策前の金型２７を使用したプレス成形で得られたプレス成形品３１を図示したものであり（比較例３）、図２６（ｂ）は対策後の金型２５を使用して得られたプレス成形品２９を図示したものである（発明例２）。図２７に示すように、仮に前記端部の上角を角Ａ、下角を角Ｂとすると、対策前の金型２７を使用したプレス成形品３１（比較例３）では角Ｂは、図２６（ａ）中の矢印で示す通り金型２７から2ｍｍ乖離していたが（ハネ変形量2ｍｍ）、プレス成形品２９（発明例２）では図２６（ｂ）に示す通り、角Ｂが金型２５に当接しており、角Ｂのハネ変形が発生していなかった。

また、上記の２種類の金型（金型２５、金型２７）を用い材料をより高強度の９８０ＭＰａ級鋼板（板厚1.4ｍｍ）を用いて実プレス成形を行った結果を図２８に示す。図２８（ａ）が金型２７を使用して得られたプレス成形品３５（比較例４）を図示したものであり、図２８（ｂ）が金型２５を使用して得られたプレス成形品３３（発明例３）を図示したものである。図２８は、図２６と同様にプレス成形品（プレス成形品３３、プレス成形品３５）を金型（金型２５、金型２７）に重ねて、図２６と同様の視点からプレス成形品を図示したものである。

図２８（ａ）を見ると、プレス成形品３５（比較例４）では、角Ａおよび角Ｂ共に金型２７から大きく乖離してハネ変形している。特に角Ｂではハネ変形量は19ｍｍであった。また、図２８（ａ）中の矢印に示す通り、角Ａにおけるハネ変形量と角Ｂにおけるハネ変形量とが一定ではないことから、ねじり変形も発生していることが分かる。一方、プレス成形品３３（発明例３）では、図２８（ｂ）に示す通り、角Ｂは金型２５から乖離しているものの、その乖離量（ハネ変形量）は8ｍｍと小さく、比較例４の場合に比較してハネ変形が大きく低減されていることが分かる。また、図２８（ｂ）中の矢印に示す通り、角Ａにおけるハネ変形量と角Ｂにおけるハネ変形量はほぼ同じであることから、ねじり変形が発生していないことが分かる。

また、比較例４と発明例３についてスプリングバックのＣＡＥ解析を行った。その結果として、表２に比較例４と発明例３における角Ａおよび角Ｂの金型（金型２５、金型２７）からのハネ変形量とねじり変形量をまとめたものを示す。ねじり変形量は角Ａを基準として角Ｂがどの程度ハネているかを表したものであり、角Ｂにおけるハネ変形量から角Ａにおけるハネ変形量を減じて求める。ねじり変形量は値が0に近ければねじり変形が少ないことを意味する。

表２に示す通り、ＣＡＥ解析結果も発明例３は比較例４と比較して、角Ｂのハネ変形も改善されており、また、発明例３ではねじり変形が発生しておらず、上記の実プレス成形の結果と同様の結果を得ることができた。このことは本発明によるスプリングバック抑制対策方法がＣＡＥ解析においても実プレス成形と同様の結果を得ることを意味している。

上記の実施例１では、Ａピラー２１の解析モデル２３に剛性向上の対策として、図２３（ｂ）に示すように、凹形状を付与した場合（発明例２および発明例３）と、図２３（ａ）に示すように剛性向上の対策を施さない場合（比較例３および比較例４）とを比較した結果を示した。
本実施例では、剛性寄与部位検出工程で検出された部位が適切であることを確認するために、人間の勘に基づいて剛性向上の対策を行ったものと比較した結果について説明する。
本発明による剛性向上の対策は、実施例１と同様に凹形状の付与を行った（発明例４）。勘に基づいた剛性向上の対策は、図２９（ａ）に示すように、解析モデル２３の天井部２３ａに直線状の凹形状の付与（比較例５）と、図２９（ｂ）に示すように、図２９（ａ）の凹形状を長手方向に６つの領域に分割した形状の付与（比較例６）の２種類を行った。

上記、発明例４、比較例５および比較例６についてスプリングバックのＣＡＥ解析を行った結果を図３０に示す。図３０は、発明例４、比較例５および比較例６毎に、前記角Ａおよび角ＢのＺ方向変位に基づいたねじり変形量をグラフ化したものである。また、図３０には、比較のために、比較例７として剛性向上の対策を施さない場合のＣＡＥ結果も合わせて記載している。

図３０に示す通り、対策を施さなかった比較例７では、ねじり変形量は10.5ｍｍであったのに対し、対策を施した比較例５ではねじり変形量が5.5ｍｍ、比較例６では2.0ｍｍと低減していたが、発明例４ではねじり変形が発生しておらず非常に良好な結果であることが分かる。

以上のように、本発明にかかるスプリングバック抑制対策方法によれば、部品の剛性寄与部位を検出して、剛性寄与部位に基づいて部品の剛性を高めることでスプリングバックを抑制可能であることが確かめられた。

１ スプリングバック抑制対策装置
３ 表示装置
５ 入力装置
７ 主記憶装置
９ 補助記憶装置
１１ 演算処理部
１３ 解析モデル生成手段
１５ 応力状態設定手段
１７ 剛性寄与部位検出手段
１９ 剛性向上手段
２１ Ａピラー
２３ 解析モデル
２３ａ 天井部
２３ｂ パンチ穴
２５、２７ 金型
２９、３１、３３、３５ プレス成形品
４１ ブランク材
４１ａ 剛性寄与部位
４１ｂ くりぬき穴
４３ 板材
４５ テーラードブランク材
４７ 板材
４９ テーラードブランク材
５１ 板材
５３ 補強ブランク材
７１ ブランク材
７１ａ 剛性寄与部位
７１ｂ くりぬき穴
７３ 板材
７５ テーラードブランク材
７７ プレス成形品
８１ 板材
８３ テーラードブランク材
８５ プレス成形品
９１ 板材
９３ 補強ブランク材
９５ プレス成形品

Claims (8)

1. 金属板をプレス加工することで成形される部品に生ずるスプリングバックを、成形される部品の剛性を向上して抑制するスプリングバック抑制対策方法であって、
   平面要素及び／又は立体要素を用いて前記部品の解析モデルを生成する解析モデル生成工程と、該生成した解析モデルの各要素にスプリングバックを生じさせる応力状態を設定する応力状態設定工程と、
   該応力状態設定工程で応力状態を設定した前記解析モデルについて与えられた解析条件を満たすための必要最小限の要素を残す解析であって、当該必要最小限の要素のみからなる部位を最適部位とする形状最適化解析を行い剛性に寄与の高い部位を検出する剛性寄与部位検出工程と、
   該剛性寄与部位検出工程で検出された部位に基づいて前記部品の剛性向上のための手段を講じる剛性向上工程とを備え、
   前記応力状態設定工程は、前記解析モデルの一部を拘束して、他の一部に曲げ荷重及び／又はねじり荷重を与えることで前記解析モデルに応力状態を生じさせて、該応力状態を前記解析モデルの各要素に設定するものであることを特徴とするプレス成形品のスプリングバック抑制対策方法。
2. 前記応力状態設定工程は、前記解析モデルの一部を拘束する際の拘束点として、スプリングバック評価点を設定するものであることを特徴とする請求項１に記載のプレス成形品のスプリングバック抑制対策方法。
3. 前記応力状態設定工程は、前記解析モデルの一部に荷重を与える方向として、予め成形した成形品においてスプリングバックが発生した方向を設定するものであることを特徴とする請求項１記載又は２に記載のプレス成形品のスプリングバック抑制対策方法。
4. 前記剛性向上手段は、前記解析モデルについて、前記剛性寄与部位検出工程で検出された部位に基づいて、板厚を厚くすること、ヤング率を向上させること、他の板を貼り付けること、凸形状及び／又は凹形状を付与することのいずれか又は適宜選択した複数の手段を講ずるものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のプレス成形品のスプリングバック抑制対策方法。
5. 金属板をプレス加工することで成形される部品に生ずるスプリングバックを、成形される部品の剛性を向上して抑制するスプリングバック抑制対策装置であって、
   平面要素及び／又は立体要素を用いて前記部品の解析モデルを生成する解析モデル生成手段と、
   該生成した解析モデルの各要素にスプリングバックを生じさせる応力状態を設定する応力状態設定手段と、
   該応力状態設定手段で応力状態を設定した前記解析モデルについて与えられた解析条件を満たすための必要最小限の要素を残す解析であって、当該必要最小限の要素のみからなる部位を最適部位とする形状最適化解析を行い剛性に寄与の高い部位を検出する剛性寄与部位検出手段と、
   該剛性寄与部位検出手段で検出された部位に基づいて前記部品の剛性向上のための手段を講じる剛性向上手段とを備え、
   前記応力状態設定手段は、前記解析モデルの一部を拘束して、他の一部に曲げ荷重及び／又はねじり荷重を与えることで前記解析モデルに応力状態を生じさせて、該応力状態を前記解析モデルの各要素に設定するものであることを特徴とするプレス成形品のスプリングバック抑制対策解析装置。
6. 前記応力状態設定手段は、前記解析モデルの一部を拘束する際の拘束点として、スプリングバック評価点を設定するものであることを特徴とする請求項５に記載のプレス成形品のスプリングバック抑制対策解析装置。
7. 前記応力状態設定手段は、前記解析モデルの一部に荷重を与える方向として、予め成形した成形品においてスプリングバックが発生した方向を設定するものであることを特徴とする請求項５記載又は６に記載のプレス成形品のスプリングバック抑制対策解析装置。
8. 前記剛性向上手段は、前記解析モデルについて、前記剛性寄与部位検出手段で検出された部位に基づいて、板厚を厚くすること、ヤング率を向上させること、他の板を貼り付けること、凸形状及び／又は凹形状を付与することのいずれか又は適宜選択した複数の手段を講ずるものであることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載のプレス成形品のスプリングバック抑制対策解析装置。