JP6420160B2 - 金型設計装置および金型設計用プログラム - Google Patents

Description

本発明は、金型設計装置および金型設計用プログラムに関し、特に、負角の存在しない金型をＣＡＤにより設計するための技術に関するものである。

一般に、金属製または樹脂製の工業製品（完成品および部品の両方を含む）を製造する際には、金型が用いられる。金型を用いた加工法には、プレス加工や射出成形などがある。プレス加工とは、上下の金型の間に鋼板を挟み、強く締めつけることで、金型に彫られた形を鋼板に転写する加工法である。射出成形とは、上下の金型を型締めしたときに形成されるキャビティ内に、溶融した樹脂を射出圧を加えて充填し、そして冷却することで、キャビティの形状に樹脂を成形する加工法である。

このように、鋼板や樹脂などの素材を上下の金型の間に挟んで加工するプレス加工や射出成形では、金型の形状に負角（アンダーカット）が存在すると、プレス加工のドロー工程または射出成形の型締工程において上下の金型が干渉してしまう。よって、ＣＡＤを用いて金型を設計する際には、負角がなくなるように設計しなければならない。

なお、アンダーカットの発生を防止できようにした技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載の金型設計支援装置では、３次元形状データとしてのスライドの面形状から法線ベクトルを算出し、当該法線ベクトルとスライドの抜き方向の単位ベクトルとの比較からアンダーカットの有無を判断し、アンダーカット有りと判断した場合に、パーティングラインおよび分割面を中子の中心軸回りに回転させて再度スライドの３次元形状データを作成することにより、アンダーカットの発生しないパーティングラインおよび分割面を自動的に得ることができるようにしている。

特開２００５−３２９５８９号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術は、パイプ継ぎ手のように中空の円筒形状をしている部品を製造するための金型に適用されるものであり、これ以外の金型には適用することができない。そのため現在は、手作業で金型の形状を修正し、負角の解消を行っている。すなわち、ＣＡＤ上で設計した金型について負角の有無を判定し、負角がある場合には金型の形状を手作業で修正して再び負角の有無を判定するといったシミュレーションを繰り返し行い、最終的に負角の生じない金型を設計している。そのため、非常に多くの工数がかかるという問題があった。

本発明は、このような問題を解決するために成されたものであり、特殊な形状の製品を製造するための金型に限らず、様々な形状の金型に広く適用して、負角の存在しない金型の設計を容易に行うことができるようにすることを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明では、ＣＡＤにより設計された金型の形状に負角がある場合、当該負角となる領域内の形状面に作成した所定形状のメッシュで、金型の移動方向に並んだ複数のメッシュのうち、金型の移動元方向に最も近い位置に節点を有するメッシュについて、当該最近位置の節点を軸として負角解消位置まで回転させるための移動量を求め、当該求めた移動量を用いてメッシュを変形させる処理を、負角領域がなくなるまで繰り返し実行するようにしている。

上記のように構成した本発明によれば、負角領域がどのような形状をしたものであっても、当該負角領域を細分化したメッシュの１つ１つを金型の移動元方向に最も近い方から順に負角解消位置まで変形させることにより、手作業によることなく負角を自動的に解消することができる。これにより、特殊な形状の製品を製造するための金型に限らず、様々な形状の金型に広く適用して、負角の存在しない金型の設計を容易に行うことができる。

本実施形態による金型設計装置の機能構成例を示すブロック図である。 プレス金型における負角の例を示す図である。 本実施形態のメッシュ作成部により作成されたメッシュの一例を示す図である。 本実施形態による変形処理部の処理内容を模式的に示す図である。 本実施形態の変形処理部による２種類の変形方法を説明するための図である。 本実施形態による金型設計装置の動作例を示すフローチャートである。 複数のメッシュをまとめて変形させる例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態による金型設計装置の機能構成例を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態の金型設計装置１０は、その機能構成として、メッシュ作成部１、負角判定部２、変形処理部３、変位量設定部４および固定領域設定部５を備えて構成される。金型設計装置１０は、ＣＡＤデータ記憶部２０に記憶されたＣＡＤデータに対して以下に説明する処理を行うことにより、ＣＡＤによる金型の形状の設計を支援する。特に、本実施形態では、負角の存在しない金型の設計を容易に行うことができるようにしている。

なお、金型設計装置１０が備える各機能ブロック１〜５は、実際にはＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを備えて構成され、ＲＡＭやＲＯＭ、ハードディスクまたは半導体メモリ等の記録媒体に記憶された金型設計用プログラムが動作することによって実現される。なお、各機能ブロック１〜５の全部または一部は、ハードウェアまたはＤＳＰ（Digital Signal Processor）によって構成することも可能である。

まず、負角について簡単に説明しておく。図２は、一例としてプレス加工用の金型（プレス金型という）における負角を示す図である。図２において、２１は上型（可動型）、２２は下型（固定型）、２３はブランクホルダー、２４はクッションピンである。図２に示すように、ブランクホルダー２３の上に鋼板２５を設置し、上型２１を下型２２の方向に移動させて、上下の金型２１，２２の間に鋼板２５を挟んで強く締めつけることで、鋼板２５をプレス加工する。図２の例では、上型２１に負角２６が生じている。

メッシュ作成部１は、ＣＡＤデータ記憶部２０に記憶されたＣＡＤデータに基づいて、ＣＡＤにより設計された金型の形状面に所定形状のメッシュを作成する。例えば、ユーザが負角を解消したい領域を指定すると、メッシュ作成部１は、その指定された領域における金型の形状面に所定形状のメッシュを作成する。本実施形態では、一例として三角形のメッシュを作成する。すなわち、メッシュ作成部１は、金型の形状面を、三角形の複数のメッシュで細分化する。

図３は、メッシュ作成部１により作成されたメッシュの一例を示す図である。図３に示すように、メッシュ作成部１は、上型２１のプレス底面３１、パーティング面３２、および当該プレス底面３１とパーティング面３２との間で負角を形成しているプレス側面３３に対して、三角形から成る複数のメッシュ３４を作成する。

負角判定部２は、メッシュ作成部１により作成された複数のメッシュ３４を解析することにより、ＣＡＤにより設計された金型の形状に負角があるか否かを判定する。本実施形態では、プレス加工や射出成形などで用いられる上下の金型のうち、上側の可動型（図２の例では上型２１）における負角の有無を判定する。負角の有無の判定は、メッシュ３４が上型２１の移動方向（プレス方向）に対し負角を持つかどうかで判定する。具体的には、負角判定部２は、メッシュ３４の法線方向とプレス方向とが成す角度を算出し、当該角度が所定の条件を満たしている場合に、そのメッシュ３４のところに負角が存在すると判定する。なお、この判定法は一例に過ぎず、他の方法を利用することも可能である。

変形処理部３は、負角判定部２による負角の判定結果に基づいて、上型２１の形状面の中から負角となる領域を特定し、当該特定した負角領域内のメッシュで、上型２１の移動方向に並んだ複数のメッシュのうち、上型２１の移動元方向（上側）に最も近い位置に節点を有するメッシュについて、当該最近位置の節点を軸として負角解消位置まで回転させるための移動量を求め、当該求めた移動量を用いてメッシュ３４を変形させる処理を行う。メッシュ３４の変形は、力学的解析などを用いて、周辺のメッシュ３４へも移動量が伝播する方法で行う。変形処理部３は、負角領域がなくなるまでメッシュ３４の変形処理を繰り返し実行する。

図３に示す初期状態、すなわち、メッシュ３４の変形処理をまだ行っていない状態では、プレス底面３１とパーティング面３２との間で負角を形成しているプレス側面３３の全体が負角領域となる。枠線３５は、この負角領域内のメッシュのうち、上型２１の移動方向（上下方向）に一列に並んだ複数のメッシュ３４を示している。変形処理部３は、この上下方向に並んだ複数のメッシュ３４を、上側から順に１つずつ変形させていく。

なお、力学的解析を用いて周辺のメッシュ３４へも移動量が伝播するように行う変形処理とは、具体的には以下のような処理をいう。すなわち、変形処理部３は、変形対象として特定したメッシュ３４について、３つの節点のうち何れかの節点（これを移動対象節点という。詳細は図５を用いて後述する）を上記のように求めた移動量に従って強制的に変位させる。さらに、有限要素法の静解析として知られる方法を用いて、移動対象節点の強制的な変位結果から、変形対象ではない他のメッシュ３４の節点の変位ベクトルを計算する。そして、計算した変位ベクトルを他のメッシュ３４の各節点に適用することにより、当該他のメッシュ３４も変位させる。

静解析では、エネルギ最小の原理に基づき、以下に示す一次連立方程式（１）が成立する。つまり、各行が個々の節点に対応するｎ元一次方程式（１）を解くことにより、移動対象節点以外の各節点の未知の変位ベクトルを求める。
[Ｋ]｛ｘ｝＝ ｛Ｆ｝・・・（１）
ここで、[Ｋ] はｎ×ｎの剛性マトリクス、｛ｘ｝はｎ要素の変位ベクトル、｛Ｆ｝はｎ要素の外力を示すベクトル、ｎは節点の数である。

剛性マトリクス[Ｋ]は、板厚、ヤング率、ポアソン比といった材料の特性、要素と節点の関係、節点座標値などから計算する。材料に関するデータは、例えばＣＡＤデータ記憶部２０にあらかじめ記憶しておく。また、変位ベクトル｛ｘ｝について、移動対象節点には上記のように求めた移動量の値が入り、それ以外の節点には未知数が入る。この未知数が、変形対象とされていない他のメッシュ３４の各節点の変位になる。また、外力を示すベクトル｛Ｆ｝について、移動対象節点には未知数が入り、それ以外の節点にはゼロが入る。ゼロは外力が加わっていないことを意味する。この未知数が、移動対象節点に加わる力を意味する。未知数は全部でｎ個であり、ｎ元一次連立方程式を解くことにより、ｎ個の未知数の値を決定する。

このように、力学的解析を用いてメッシュ３４の変形処理を行うことにより、３次元空間上における変形処理において、メッシュ３４が伸びてしまい不自然な形状となることを防止することができる。このため、求めた移動量を用いて、メッシュ３４の自然な変形を行うことができる。

図４は、変形処理部３の処理内容を模式的に示す図である。図４は、図３に示すプレス底面３１、パーティング面３２およびプレス側面３３を真横から見た状態を示している。図４の例では、プレス側面３３において上下方向に４つのメッシュ３４_−１〜３４_−４が一列に並んだ状態を示している。丸印４１〜４５は、プレス側面３３における各メッシュ３４_−１〜３４_−４の節点（三角形の頂点）を示している。

図４（ａ）は、図３に示す初期状態に対応するものである（ただし、上下方向に並んだメッシュ３４の数は４つに簡略化している）。すなわち、プレス側面３３の全体が負角領域となっている状態である。この場合、変形処理部３は、この負角領域内で上下方向に一列に並んだ４つのメッシュ３４_−１〜３４_−４のうち、上型２１の移動元方向（上側）に最も近い位置に節点４１を有するメッシュ３４_−１を、当該最近位置の節点４１を軸として正角側に負角解消位置まで変形させる。

負角解消位置とは、最近位置の節点４１を含むメッシュ接辺（三角形の一辺）を通り、かつ、上型２１の移動方向に平行な面（角度が０度の面）よりも正角側に所定角度変位した位置である。本実施形態では、変位量設定部４により、０度よりも正角側に変位させる所定角度の大きさを、ユーザ操作に応じて任意に設定することができるようにしている。例えば、操作メニューから設定画面を開き、当該設定画面において所定角度を任意に設定することを可能にする。

図４（ｂ）は、一番上のメッシュ３４_−１を負角解消位置まで変形させた後の状態を示している。一番上のメッシュ３４_−１を変形させることにより、上から２番目以降のメッシュ３４_−２〜３４_−４も、一番上のメッシュ３４_−１の変形に引き連れて変位している。この図４（ｂ）に示す状態では、プレス側面３３内で上下方向に一列に並んだ４つのメッシュ３４_−１〜３４_−４のうち、上から２番目以降の３つのメッシュ３４_−２〜３４_−４の部分が負角領域となる。この場合、変形処理部３は、この３つのメッシュ３４_−２〜３４_−４のうち、上型２１の移動元方向（上側）に最も近い位置に節点４２を有するメッシュ３４_−２を、当該最近位置の節点４２を軸として正角側に負角解消位置まで変形させる。

図４（ｃ）は、上から２番目のメッシュ３４_−２を負角解消位置まで変形させた後の状態を示している。２番目のメッシュ３４_−２を変形させることにより、上から３番目以降のメッシュ３４_−３〜３４_−４も、２番上のメッシュ３４_−２の変形に引き連れて変位している。この図４（ｃ）に示す状態では、プレス側面３３内で上下方向に一列に並んだ４つのメッシュ３４_−１〜３４_−４のうち、上から３番目以降の２つのメッシュ３４_−３〜３４_−４の部分が負角領域となる。この場合、変形処理部３は、この２つのメッシュ３４_−３〜３４_−４のうち、上型２１の移動元方向（上側）に最も近い位置に節点４３を有するメッシュ３４_−３を、当該最近位置の節点４３を軸として正角側に負角解消位置まで変形させる。

図４（ｄ）は、上から３番目のメッシュ３４_−３を負角解消位置まで変形させた後の状態を示している。３番目のメッシュ３４_−３を変形させることにより、上から４番目のメッシュ３４_−４も、３番上のメッシュ３４_−３の変形に引き連れて変位している。この図４（ｄ）に示す状態では、プレス側面３３内で上下方向に一列に並んだ４つのメッシュ３４_−１〜３４_−４のうち、上から４番目のメッシュ３４_−４の部分のみが負角領域となる。この場合、変形処理部３は、このメッシュ３４_−４を、最近位置の節点４４を軸として正角側に負角解消位置まで変形させる。これにより、負角領域を完全に解消する。

ところで、図３に示したように、メッシュ３４を構成する三角形状は、方向の異なるものが２種類ある。本実施形態では、変形対象として特定したメッシュ３４が２種類の三角形のどちらに該当するかによって、変形の方法を変える。図５は、この２種類の変形方法を説明するための図である。

図５に示すように、変形処理部３は、最近位置の節点５１を有するものとして変形対象に特定したメッシュ３４を構成する３辺の中から、上型２１の移動方向に対して最も直交に近い辺５２を求める。図５（ａ）のように、求めた辺５２が最近位置の節点５１を通る場合は、当該求めた辺５２を回転軸として、変形対象のメッシュ３４を負角解消位置まで回転させるための移動量を求め、当該求めた移動量を用いてメッシュ３４の変形を行う。この場合、辺５２を通らない１つの節点が、上述の移動対象節点ということになる。

一方、図５（ｂ）のように、求めた辺５２が最近位置の節点５１を通らない場合、変形処理部３は、最近位置の節点５１を通り、かつ、求めた辺５２に平行な辺５３を仮想的に設定し、当該設定した仮想辺５３を回転軸として、変形対象のメッシュ３４を負角解消位置まで回転させるための移動量を求め、当該求めた移動量を用いてメッシュ３４の変形を行う。この場合、辺５３を通らない２つの節点が、上述の移動対象節点ということになる。

固定領域設定部５は、変形処理部３により特定される負角領域以外の領域の中から、変位させずに固定させる任意の領域をユーザ操作に応じて設定する。例えば、図３のように金型の形状面が画面上に表示されている状態で、固定させたい任意の領域をマウス操作により指定することにより、固定領域を設定することが可能である。

変形処理部２は、固定領域設定部５により設定された固定領域については、負角領域におけるメッシュ３４の変形処理に引き連れて変位が起こらないようにして、メッシュ３４の変形処理を行う。先に示した図４は、プレス底面３１を固定領域として設定した上で、負角領域における４つのメッシュ３４_−１〜３４_−４を変形させた例を示すものである。また、図４の例では、パーティング面３２の変位自体は許容しているものの、高さ（プレス底面３１からの距離）が固定となるように設定している。

図６は、以上のように構成した本実施形態による金型設計装置１０の動作例を示すフローチャートである。図６に示すフローチャートは、ＣＡＤデータ記憶部２０に記憶されたＣＡＤデータに基づいてメッシュ作成部１によりメッシュ３４を作成した後、ユーザが負角の解消を指示する操作を行ったときに開始する。なお、この指示を行う前に、変位量設定部４による変位量の設定および固定領域設定部５による固定領域の設定を必要に応じて行っておく。

まず、負角判定部２は、メッシュ作成部１により作成された複数のメッシュ３４を解析することにより、ＣＡＤにより設計された上型２１の形状に負角があるか否かを判定する（ステップＳ１）。ここで、負角がないと判定された場合は、図６に示すフローチャートの処理を終了する。

一方、負角判定部２により負角があると判定された場合、変形処理部３は、上型２１の形状面の中から負角領域を特定する（ステップＳ２）。そして、当該特定した負角領域内で上下方向に並んだ複数のメッシュ３４のうち、上型２１の移動元方向（上側）に最も近い位置に節点を有するメッシュ３４を変形対象として特定する（ステップＳ３）。さらに、変形処理部３は、変形対象として特定したメッシュ３４について、最近位置の節点を軸として負角解消位置まで回転させるための移動量を求め（ステップＳ４）、当該求めた移動量を用いてメッシュ３４を変形させる（ステップＳ５）。

１つのメッシュ３４について変形処理を行った後、負角判定部２は、負角がまだ残っているか否かを判定する（ステップＳ６）。負角がまだ残っている場合、処理はステップＳ２に戻り、次のメッシュ３４を変形させるための処理を引き続き行う。一方、負角がなくなったと負角判定部２により判定された場合、図６に示すフローチャートの処理は終了する。

以上詳しく説明したように、本実施形態では、ＣＡＤにより設計された金型の形状に負角がある場合、当該負角となる領域内のメッシュ３４で、金型の移動方向に並んだ複数のメッシュ３４のうち、金型の移動元方向に最も近い位置に節点を有するメッシュ３４について、当該最近位置の節点を軸として負角解消位置まで回転させるための移動量を求め、当該求めた移動量を用いてメッシュ３４を変形させる処理を、負角領域がなくなるまで繰り返し実行するようにしている。

このように構成した本実施形態によれば、負角領域がどのような形状をしたものであっても、当該負角領域を細分化したメッシュ３４の１つ１つを金型の移動元方向に最も近い方から順に負角解消位置まで変形させることにより、手作業によることなく負角を自動的に解消することができる。これにより、特殊な形状の製品を製造するための金型に限らず、様々な形状の金型に広く適用して、負角の存在しない金型の設計を容易に行うことができる。

なお、上記実施形態では、メッシュ３４を１つずつ順番に変形させていく例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、変形処理部３は、金型の移動方向とは異なる方向に並んだ複数のメッシュ３４の中に、最近位置の節点に関して金型移動方向の位置が同じものが複数ある場合、当該位置が同じ複数のメッシュ３４をまとめて負角解消位置まで変形させるようにしてもよい。

図７は、複数のメッシュ３４をまとめて変形させる例を示す図である。図７の枠線７１で示す複数のメッシュ３４は、金型の移動方向とは異なる方向（左右方向）に並んだ複数のメッシュ３４であって、各メッシュ３４の最近位置の節点に関する上下方向の位置（プレス底面３１からの距離）が何れも同じものである。この場合、変形処理部３は、枠線７１内にある複数のメッシュ３４をまとめて負角解消位置まで変形させるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、上型２１に存在する負角を解消する例について説明したが、下型２２に負角が存在する場合には、下型２２の負角も同様にして解消することが可能である。

また、上記実施形態では、負角を解消するために正角側に変位させる所定角度の大きさを変位量設定部４により任意に設定可能とする例について説明したが、所定角度の大きさをあらかじめ定めた固定値としてもよい。ただし、所定角度の大きさを可変値とすることで、成形品に応じて適切な所定角度を任意に設定することができる点で好ましい。

また、上記実施形態では、メッシュ３４の形状を三角形とする例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、メッシュ３４の形状を四角形としてもよい。

その他、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１ メッシュ作成部
２ 負角判定部
３ 変形処理部
４ 変位量設定部
５ 固定領域設定部
１０ 金型設計装置

Claims (7)

1. ＣＡＤにより設計された金型の形状面に所定形状のメッシュを作成するメッシュ作成部と、
   上記ＣＡＤにより設計された金型の形状に負角があるか否かを判定する負角判定部と、
   上記負角判定部により負角があると判定された場合、上記金型の形状面の中から上記負角となる領域を特定し、当該特定した負角領域内のメッシュで、上記金型の移動方向に並んだ複数のメッシュのうち、上記金型の移動元方向に最も近い位置に節点を有するメッシュについて、当該最近位置の節点を軸として負角解消位置まで回転させるための移動量を求め、当該求めた移動量を用いて上記メッシュの変形処理を行う変形処理部とを備え、
   上記負角領域がなくなるまで上記変形処理部による上記メッシュの変形処理を繰り返し実行するようにしたことを特徴とする金型設計装置。
2. 上記メッシュは三角形であり、
   上記変形処理部は、上記最近位置の節点を有するものとして変形対象に特定したメッシュの中から、上記金型の移動方向に対して最も直交に近い辺を求め、求めた辺が上記最近位置の節点を通る場合は、当該求めた辺を回転軸として上記変形対象のメッシュを負角解消位置まで回転させるための移動量を求めることを特徴とする請求項１に記載の金型設計装置。
3. 上記変形処理部は、上記求めた辺が上記最近位置の節点を通らない場合は、上記最近位置の節点を通り上記求めた辺に平行な辺を仮想的に設定し、当該設定した仮想辺を回転軸として上記変形対象のメッシュを負角解消位置まで回転させるための移動量を求めることを特徴とする請求項２に記載の金型設計装置。
4. 上記変形処理部は、上記負角領域内のメッシュで、上記金型の移動方向とは異なる方向に並んだ複数のメッシュの中に、最近位置の節点に関して金型移動方向の位置が同じものが複数ある場合、当該位置が同じ複数のメッシュをまとめて変形処理することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の金型設計装置。
5. 上記負角解消位置は、上記最近位置の節点を含むメッシュ接辺を通り上記金型の移動方向に平行な面よりも正角側に所定角度変位した位置であり、
   上記所定角度をユーザ操作に応じて設定する変位量設定部をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の金型設計装置。
6. 上記変形処理部により特定される上記負角領域以外の領域の中から、変位させずに固定させる任意の領域をユーザ操作に応じて設定する固定領域設定部をさらに備え、
   上記変形処理部は、上記固定領域設定部により設定された固定領域については、上記負角領域における上記メッシュの変形処理に引き連れて変位が起こらないようにして、上記メッシュの変形処理を行うことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の金型設計装置。
7. ＣＡＤにより設計された金型の形状面に所定形状のメッシュを作成するメッシュ作成部手段、
   上記ＣＡＤにより設計された金型の形状に負角があるか否かを判定する負角判定手段、および
   上記負角判定手段により負角があると判定された場合、上記金型の形状面の中から上記負角となる領域を特定し、当該特定した負角領域内のメッシュで、上記金型の移動方向に並んだ複数のメッシュのうち、上記金型の移動元方向に最も近い位置に節点を有するメッシュを、当該最近位置の節点を軸として負角解消位置まで回転させるための移動量を求め、当該求めた移動量を用いて上記メッシュの変形処理を行う変形処理手段を備え、
   上記負角領域がなくなるまで上記変形処理手段による上記メッシュの変形処理を繰り返し実行するようにコンピュータを機能させるための金型設計用プログラム。

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