JP6064447B2 - スプリングバック抑制対策部品製造方法 - Google Patents
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Description
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。
前記プレス成形品の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して形状最適化解析を行い剛性に寄与の高い部位を検出し、この検出された部位に基づいて前記プレス成形品の特定部位に剛性向上のための手段を講じてプレス成形加工してなることを特徴とするものである。
平面要素及び/又は立体要素を用いて前記プレス成形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特定部位に剛性向上のための手段を講じる剛性向上工程と、ブランク材をプレス成形加工するプレス成形加工工程を備え、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。
また、本発明におけるスプリングバック抑制対策部品製造方法は、該方法に基づいて、剛性向上のためにどのような手段を講じればよいかの知見が得られれば、その知見に基づいてプレス成形加工を行えばよい。従って、プレス成形加工方法はどのような方法でもよく、それ故、プレス成形加工方法によってプレス成形品の形状が限定されることがない。
また、スプリングバック抑制対策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部品は、プレス成形品の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して形状最適化解析を行い剛性に寄与の高い部位(剛性寄与部位)を検出し、この検出された剛性寄与部位に基づいてプレス成形品の特定部位に剛性向上のための手段を講じて、プレス成形加工されて製造される。
まず、平面要素及び/又は立体要素を用いて前記プレス成形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前記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とを行う。
次に、剛性寄与部位検出工程S5で検出された部位に基づいて特定部位に剛性向上のための手段を講じる剛性向上工程S7を行う。
次に、ブランク材をプレス成形加工するプレス成形加工工程S9を行う。
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。
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。
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。
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に示すような車体165(図46参照)を構成する一部品である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。
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(解析モデル生成工程S1、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、プレス成形加工工程S9)について図5〜図9に基づいて詳細に説明する。
まず、解析モデル生成工程S1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(図3)の解析モデル23を生成する(図5)。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。
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。
荷重条件は、次のようにして設定する。部品をプレス成形加工によって成形すると、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、拘束した他端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、拘束した他端に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。
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。
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。最適化解析の結果残存している要素(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。
次いで、剛性向上工程S7では、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Aピラー21の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しては、具体的には例えば、ブランク材の特定部位に凸形状及び/又は凹形状を付与する金型を用いる方法がある。
凸形状及び/又は凹形状は、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。
次いで、プレス成形加工工程S9では、剛性向上工程S7で講じた剛性向上手段に基づいて、例えば上記において説明した、ブランク材の特定部位に凸形状及び/又は凹形状を付与する金型を用いて、ブランク材をプレス成形加工してスプリングバック抑制対策部品を製造する。
また、Aピラー21の剛性が向上することから、構造体である車体にAピラーを組み込むことで、車体の剛性を向上させることができる。
なお、上記では剛性向上のための手段としてブランク材の特定部位に凸形状及び/又は凹形状を付与する金型を用いる方法について説明したが、この方法に限定されない。
他の方法としては、例えば、次のような考えに基づく方法であってもよい。
プレス成形品は、素材となる平板からプレス成形品の展開形状(ブランク形状)を部品取りして得られるブランク材をプレス成形加工して製造されることから、ブランク材における特定部位の剛性を向上させることで、プレス成形後のプレス成形品における当該特定部位の剛性を向上させることができる。
プレス成形品の展開形状であるブランク形状は、プレス成形品を平板状態に展開するいわゆる逆成形解析によって求めることができる。また、逆成形解析では、解析前の形状のどの部位が、解析後の形状のどの部位に該当するかを求めることができる。つまり、プレス成形品を逆成形解析することによって、プレス成形品における剛性寄与部位が、ブランク材のどの部位に該当するかを求めることができる。
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。
上記形状最適化解析結果を図13に示す。図13(a)は剛性寄与部位検出工程S5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13(b)は、図3(b)のように斜め側方から見て、図13(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。
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16に示す。図16(c)はプレス成形品77の平面図、図16(d)はプレス成形品77の底面図、図16(e)は図16(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16(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。
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18に示す。図18(c)はプレス成形品85の平面図、図18(d)はプレス成形品85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85は図18(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16(e)に見られたような段差はない。
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20に示す。図20(c)はプレス成形品95の平面図、図20(d)はプレス成形品95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95は図20(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。
次に、上記得られた解析モデル101を逆成形解析して平板状態に展開してブランク材103の形状に戻した。なお、ブランク材103の板厚は2.0mmである。
このように作成したテーラードブランク材107をプレス成形した結果のプレス成形品109を図23に示す。図23(c)はプレス成形品109の平面図、図23(d)はプレス成形品109の底面図、図23(e)は図23(c)中の矢印に示す方向から見た斜視図である。
このように作成したテーラードブランク材113をプレス成形した結果のプレス成形品115を図25に示す。図25(c)はプレス成形品115の平面図、図25(d)はプレス成形品115の底面図、図25(e)は図25(c)中の矢印に示す方向から見た斜視図である。
このように作成した補強ブランク材123をプレス成形した結果のプレス成形品125を図27に示す。図27(c)はプレス成形品125の平面図、図27(d)はプレス成形品125の底面図、図27(e)は図27(c)中の矢印に示す方向から見た斜視図である。
次に、上記得られた解析モデル131を逆成形解析して平板状態に展開してブランク材133の形状に戻す。なお、ブランク材133の板厚は0.7mmである。
なお、剛性寄与部位は閉じた形状でなくともよい。剛性寄与部位が閉じた形状でない場合、例えば、図29(a)のブランク材133の図中左上部のくりぬき穴133bのように、ブランク材133の一部を切り離すようにくりぬけば(切除すれば)よい。このように剛性寄与部位は閉じた形状でなくても本発明は適用できる。
このように作成したテーラードブランク材137をプレス成形した結果のプレス成形品139を図30に示す。図30(c)はプレス成形品139の平面図、図30(d)はプレス成形品139の底面図、図30(e)は図30(c)中の矢印に示す方向から見た斜視図である。
このように作成したテーラードブランク材143をプレス成形した結果のプレス成形品145を図32に示す。図32(c)はプレス成形品145の平面図、図32(d)はプレス成形品145の底面図、図32(e)は図32(c)中の矢印に示す方向から見た斜視図である。
このように作成した補強ブランク材153をプレス成形した結果のプレス成形品155を図34に示す。図34(c)はプレス成形品155の平面図、図34(d)はプレス成形品155の底面図、図34(e)は図34(c)中の矢印に示す方向から見た斜視図である。
また、このようにして製造したスプリングバック抑制対策部品を、構造体である車体に組み込むことで、車体の剛性を向上させることができる。
まず実験内容について説明する。本実施例においては、上記実施の形態1および実施の形態2で扱ったAピラー21を解析対象とし、図35に示すように、Aピラー21の初期形状(図35(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35(b)参照。図9(c)に図示したものと同一)に基づいて、剛性向上のための手段を講じた。
剛性向上のための手段としては、実施の形態2で説明したように、剛性寄与部位の板厚が2倍になるようにしたテーラードブランク材を使用してスプリングバック抑制対策部品を製造する場合を想定して、図35(c)に示すように、板厚を2倍にしたAピラー21の解析モデル23(発明例1)を作成した。
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36参照)についても同様に解析を行った結果を示している。
上記の実施例1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37(b)に凹形状を付与する下金型25(対策後)を示し、図37(a)に比較のために凹形状を付与しない下金型27(対策前)を示す。
本実施例では、剛性寄与部位検出工程S5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2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43(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43(b)に示すように、図43(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。
Bピラー61の上記剛性向上手段を講じてプレス成形加工した結果のプレス成形品161を図45(a)−1に示す。図45(a)−2は、図45(a)−1中のC−C矢視断面図である。図45(a)−2中の実線はプレス成形品161を示し、破線は比較のために対策を施さない場合のBピラー61の形状を図示したものである。
剛性の確認方法としては、部品(プレス成形品161、プレス成形品163)ごとの剛性解析を行い、剛性向上手段を講じない場合の剛性解析結果と比較して剛性向上率を求めた。
車体全体の剛性解析は、図46に示すように、車体165の図中の4か所の三角印の箇所(車体165を支えるコイル支持部)に、4か所のうち3か所を拘束し、残りの1か所に荷重を付与するという車体ねじり荷重を、荷重を付与する箇所を変えて4通り行った。そして、取得された全剛性値を平均して剛性向上率の計算に用いた。
プレス成形品161の剛性解析は、図47(A)中の矢印に示すねじり荷重を付与する解析と、図47(B)に示す曲げ荷重条件を付与する解析の2種類を行った。ねじり剛性解析結果を図48に、曲げ剛性解析結果を図49に示す。また、比較例として、剛性向上手段を講じないプレス成形品171を作成して、同様にねじり剛性解析および曲げ剛性解析を行った。
図49(a)はプレス成形品161についての曲げ剛性解析の結果であり、図49(b)はプレス成形品171についての曲げ剛性解析の結果である。プレス成形品161は、プレス成形品171に比較して、剛性向上率が7.4%であった。
プレス成形品163の剛性解析は、上記Bピラー61の場合と同様に、図51(A)に示すねじり荷重を付与する解析と、図51(B)に示す曲げ荷重条件を付与する解析の2種類を行った。ねじり剛性解析結果を図52に、曲げ剛性解析結果を図53に示す。また、比較例として、剛性向上手段を講じないプレス成形品173を作成して、同様にねじり剛性解析および曲げ剛性解析を行った。
図53(a)はプレス成形品163についての曲げ剛性解析の結果であり、図53(b)はプレス成形品173についての曲げ剛性解析の結果である。プレス成形品163は、プレス成形品173に比較して、剛性向上率は37.8%であった。
車体全体の平均剛性値は、プレス成形品173を組み込んだ場合が29.1kN*m/degであったのに対し、プレス成形品163を組み込んだ場合は、30.0kN*m/degであった。剛性向上率は3.0%と非常に大きく向上した。
H 深さ
R 縁
1 解析装置
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 下金型
26 上金型
27 下金型
28 ブランク材
29、31、33、35 プレス成形品
41 ブランク材
41a 特定部位
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
61 Bピラー
63 ショックタワーRF
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
101 解析モデル
103 ブランク材
103a 剛性寄与部位
103b くりぬき穴
105 板材
107 テーラードブランク材
109 プレス成形品
111 板材
113 テーラードブランク材
115 プレス成形品
121 板材
123 補強ブランク材
125 プレス成形品
131 解析モデル
133 ブランク材
133a 剛性寄与部位
133b くりぬき穴
135 板材
137 テーラードブランク材
139 プレス成形品
141 板材
143 テーラードブランク材
145 プレス成形品
151 板材
153 補強ブランク材
155 プレス成形品
161 本発明の対策を講じたプレス成形品
163 本発明の対策を講じたプレス成形品
165 車体
171 剛性向上手段を講じないプレス成形品
173 剛性向上手段を講じないプレス成形品
Claims (5)
- 金属板をプレス成形加工して成形されるプレス成形品に、スプリングバックを抑制するために剛性を向上する手段を講じてなるスプリングバック抑制対策部品を製造する方法であって、
平面要素及び/又は立体要素を用いて前記プレス成形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特定部位に剛性向上のための手段を講じる剛性向上工程と、ブランク材をプレス成形加工するプレス成形加工工程を備え、
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スプリングバック抑制対策部品製造方法。 - 前記剛性向上工程における剛性向上のための手段は、プレス成形品の材料であるブランク材の特定部位に凸形状及び/又は凹形状を付与する金型を製作することであること特徴とする請求項1記載のスプリングバック抑制対策部品製造方法。
- 前記剛性向上工程は、プレス成形品の材料であるブランク材の特定部位を切除して、該切除した部位に板厚の厚い部材を嵌め込んで前記ブランク材と一体化することを特徴とする請求項1記載のスプリングバック抑制対策部品製造方法。
- 前記剛性向上工程は、プレス成形品の材料であるブランク材の特定部位を切除して、該切除した部位にヤング率の高い部材を嵌め込んで前記ブランク材と一体化することを特徴とする請求項1記載のスプリングバック抑制対策部品製造方法。
- 前記剛性向上工程は、プレス成形品の材料であるブランク材の特定部位に他の板を貼り付けることを特徴とする請求項1記載のスプリングバック抑制対策部品製造方法。
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