JP6528656B2 - ホットスタンプ成形プロセスの解析方法、判定方法、解析装置およびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、ホットスタンプ成形プロセスの解析方法、判定方法、解析装置およびプログラムに関する。

加熱した鋼板を成形しながら急冷することにより高強度の成形品を製造するホットスタンプ（熱間プレス）が、様々な用途に従来から用いられている。例えば、オーステナイト温度域まで加熱された鋼板をプレス成形して金型により急冷することにより、鋼板を所望の形状に成形するとともに焼入れることにより高強度のプレス成形品を製造できる。このホットスタンプに用いる金型の例えば形状や水冷管の配置などを決定する際には、金型を製作する前に予めプロセス解析を行い、熱の分布や履歴、さらには金型の形状の変化などをシミュレーションすることが通常行われ、金型やプロセスが改善される。また、実際の使用（量産）を想定したホットスタンプをシミュレーションして金型の寿命を判断することもでき、プロセス解析手法を用いて様々な処理が行われている。

図１０は、従来のホットスタンプを模式的に示す説明図である。図１０に示す金型１，２により鋼板３にホットスタンプを行う場合のプロセス解析は、基本的に（ａ）鋼板および金型１，２ともに変形体（弾塑性体）として構造解析と熱伝導解析を連成して行うか、あるいは（ｂ）金型１，２を剛体とするとともに鋼板を変形体として解析を行うことが多く、さらにはこれらを組み合わせたりすることもあり、目的に応じた解析手法が用いられる。これまでにも、プロセス解析手法に関する発明が開示されている。

例えば、特許文献１には、鍛造連続型打ち時の鍛造金型の温度を予測する方法が開示される。この方法では、１回目の型打ち後の素材と金型の温度分布情報とを取得し、取得した温度分布情報に基づいて冷却時の金型の温度分布を計算し、この冷却解析により得られた温度分布に基づいて鍛造時の金型の温度分布を求め、これらの工程を所定回数繰り返すことにより、所定回数型打ち後の金型の温度を予測する。

特許文献２には、金属板のホットスタンプ成形を行う際に、有限要素法用モデルの作成とホットスタンプ成形条件の設定とを行って、伝熱構造解析プログラムによる連成解析を行い、このホットスタンプ成形条件として設定した金属板の加熱時間と連成解析で得られた金属板の加工量とに基づく加工ＣＣＴ曲線を作成し、連成解析により得られた金属板の温度履歴と加工ＣＣＴ曲線とを用いて各要素の硬度を算出し、算出した硬度を強度に換算することにより、ホットスタンプ成形品の強度を予測する方法が開示されている。

さらに、特許文献３には、鋼板が製品形状にプレスされた状態を想定し、製品形状の鋼板と上型および下型との間に、互いの接触面における接触熱抵抗Ｒ_ＰＵ，Ｒ_ＰＬを設定し、この接触熱抵抗Ｒ_ＰＵ，Ｒ_ＰＬの値と位置を時々刻々と変化させて鋼板と金型との間の熱移動量を計算する方法が開示されている。この方法によれば、鋼板の塑性変形解析を行うことなく金型の温度分布をシミュレーションすることが可能になり、熱移動計算における時間刻み幅を比較的大きな値として全体のシミュレーションに要する演算量および総計算時間を短縮でき、比較的小規模のシステムでのシミュレーションを可能としてコストおよび工数を低減できるとともに、設計変更によるモデル変更等にも柔軟に対応できる。

特開２００４−３２５３２７号公報 特開２０１１−１９８３０５号公報 特開２００８−５５４８８号公報

しかし、特許文献１により開示された方法では、金型の温度を予測することは可能であるものの、各繰り返しにより変化する金型形状を考慮した素材の変形や温度の状態を予測できない。

特許文献２により開示された方法では、連成解析を行うことは確かに開示されているものの、繰り返し成形をシミュレーションする場合の解析の効率化の必要性や効率的な解析手法は、開示されていない。
さらに、特許文献３により開示された方法では、プレス成形する際に金型と鋼板との接触状態の変化に影響される実際の金型の熱膨張を考慮していない。

すなわち、上記（ａ）のプロセス解析は、鋼板および金型の全要素に対して変形体（弾塑性体）として構造解析と熱伝導解析とを連成して行うため、解析精度は高いものの、長い計算時間を要するという課題がある。

また、（ｂ）のプロセス解析は、金型を剛体とするとともに鋼板を変形体として解析を行うため、金型に対する構造解析を省略できることから計算時間は確かに短縮できるものの、金型形状の熱的な変形が全く考慮されないために金型の実際形状とは異なり、成形条件に差異を生じ、解析精度が劣るという課題がある。

本発明は、従来の技術が有するこれらの課題に鑑みてなされたものであり、連続して鋼板をホットスタンプ成形する各サイクルにおける金型の温度を、高い解析精度で長い計算時間を要することなくシミュレーションできる、ホットスタンプ成形プロセスの解析方法、判定方法、解析装置およびプログラムを提供することを目的とする。

本発明は以下に列記の通りである。

（１）連続して鋼板を金型によりホットスタンプ成形する各サイクルにおいて前記金型の温度をシミュレーションするホットスタンプ成形プロセスの解析方法であって、
前記ホットスタンプ成形の１サイクルの間、前記金型を熱伝導剛体とするとともに前記鋼板を熱・弾塑性体として熱構造連成解析して、前記金型の温度分布を出力する成形・温度解析ステップと、
前記金型の温度分布により、前記金型の前記１サイクルの間の熱膨張を算出し、前記熱膨張に基づいて、次のサイクルの熱構造連成解析で用いる金型の形状を修正する形状修正ステップと
を備える、ホットスタンプ成形プロセスの解析方法。（以下「第１発明」という）

（２）前記温度分布は、前記１サイクルの終了時の温度分布である、１項に記載のホットスタンプ成形プロセスの解析方法。

（３）連続して鋼板を金型によりホットスタンプ成形する各サイクルにおいて前記金型の温度をシミュレーションするホットスタンプ成形プロセスの解析方法であって、
前記ホットスタンプ成形の１サイクルの間、前記金型を熱伝導剛体とするとともに前記鋼板を熱・弾塑性体として熱構造連成解析して、前記１サイクルの開始から所定の時間経過時の前記金型の温度分布を出力する成形・温度解析ステップと、
前記金型の温度分布により、前記金型の前記１サイクルの間の熱膨張を算出し、前記熱膨張に基づいて、次のサイクルの熱構造連成解析で用いる金型の形状を修正する形状修正ステップと
を備える、ホットスタンプ成形プロセスの解析方法。(以下「第２発明」ともいう)

（４）前記１サイクルの開始から所定の時間経過時は、前記１サイクルの時間の半分の時間経過時である、３項に記載のホットスタンプ成形プロセスの解析方法。

（５）連続して鋼板を金型によりホットスタンプ成形する各サイクルにおいて前記金型の温度をシミュレーションするホットスタンプ成形プロセスの解析方法であって、
前記ホットスタンプ成形の１サイクルの間、前記金型を熱伝導剛体とするとともに前記鋼板を熱・弾塑性体として熱構造連成解析して、前記１サイクルの途中で一定時間毎に前記金型の温度分布を複数出力する成形・温度解析ステップと、
複数の前記金型の温度分布により、各時間毎の前記金型の熱膨張を算出し、算出した熱膨張のうちの最大の熱膨張に基づいて、次のサイクルの熱構造連成解析で用いる金型の形状を修正する形状修正ステップと
を備える、ホットスタンプ成形プロセスの解析方法。（以下「第３発明」という）

（６）前記成形・温度解析ステップにおいて、前記鋼板の形状および温度条件、ならびに前記形状修正ステップにより修正された金型の形状に基づいて前記金型の温度分布を記憶し、
前記形状修正ステップにおいて、前記記憶された温度分布により熱膨張を算出する、１項から５項までいずれか１項に記載のホットスタンプ成形プロセスの解析方法。

（７）前記ホットスタンプ成形の１サイクルは、前記金型への該鋼板の設置工程、該鋼板のプレス加工工程、および前記金型からの前記鋼板の取出し工程を含む、１項から６項までのいずれか１項に記載のホットスタンプ成形プロセスの解析方法。

（８）前記成形・温度解析ステップは、前記金型に設けられた水冷管の冷却条件も加えて熱構造連成解析する、１項から７項までのいずれか１項に記載のホットスタンプ成形プロセスの解析方法。

（９）連続して鋼板をホットスタンプ成形する場合の安定状態を判定するホットスタンプ成形プロセスの判定方法であって、１項から８項までのいずれか１項に記載のホットスタンプ成形プロセスの解析方法により算出された各サイクルにおける金型温度の所定の位置における最高値が一定の値に収束した時を安定状態にあると判定する、ホットスタンプ成形プロセスの判定方法。

（１０）連続して鋼板をホットスタンプ成形する場合の安定状態を判定するホットスタンプ成形プロセスの判定方法であって、１項から９項までのいずれか１項に記載のホットスタンプ成形プロセスの解析方法により算出された各サイクルにおける金型温度の所定の位置における最低値が一定の値に収束した時を安定状態にあると判定する、ホットスタンプ成形プロセスの判定方法。

（１１）連続して鋼板を金型によりホットスタンプ成形する各サイクルにおいて、前記金型の温度をシミュレーションするホットスタンプ成形プロセスの解析装置であって、
前記ホットスタンプ成形の１サイクルの間、前記金型を熱伝導剛体とするとともに前記鋼板を熱・弾塑性体として熱構造連成解析して、温度分布を出力する温度分布解析部と、
前記温度分布解析部により得られた前記金型の温度分布により、前記金型の前記１サイクルの間の熱膨張を算出し、次のサイクルの熱構造連成解析で用いる金型の形状を前記熱膨張に基づいて修正する形状修正部と
を備える、ホットスタンプ成形プロセスの解析装置。（以下「第１発明」という）

（１２）前記温度分布は、前記１サイクルの終了時の温度分布である、１１項に記載のホットスタンプ成形プロセスの解析装置。

（１３）連続して鋼板を金型によりホットスタンプ成形する各サイクルにおいて、前記金型の温度をシミュレーションするホットスタンプ成形プロセスの解析装置であって、
前記ホットスタンプ成形の１サイクルの間、前記金型を熱伝導剛体とするとともに前記鋼板を熱・弾塑性体として熱構造連成解析して、前記１サイクルの開始から所定の時間経過時の金型の温度分布を出力する温度分布解析部と、
前記温度分布解析部により得られた前記金型の温度分布により、前記金型の前記１サイクルの間の熱膨張を算出し、次のサイクルの熱構造連成解析で用いる金型の形状を前記熱膨張に基づいて修正する形状修正部と
を備える、ホットスタンプ成形プロセスの解析装置。(以下「第２発明」ともいう)

（１４）前記１サイクルの開始から所定の時間経過時は、前記１サイクル時間の半分の時間経過時である、１３項に記載のホットスタンプ成形プロセスの解析装置。

（１５）連続して鋼板を金型によりホットスタンプ成形する各サイクルにおいて、前記金型の温度をシミュレーションするホットスタンプ成形プロセスの解析装置であって、
前記ホットスタンプ成形の１サイクルの間、前記金型を熱伝導剛体とするとともに前記鋼板を熱・弾塑性体として熱構造連成解析して、前記１サイクルの途中で一定時間毎に前記金型の温度分布を複数出力する温度分布解析部と、
複数の前記金型の温度分布により、各時間毎の前記金型の熱膨張を算出し、算出した熱膨張のうちの最大の熱膨張に基づいて、次のサイクルの熱構造連成解析で用いる金型の形状を修正する形状修正部と
を備える、ホットスタンプ成形プロセスの解析装置。（以下「第３発明」という）

（１６）コンピュータに、連続して鋼板を金型によりホットスタンプ成形する各サイクルにおいて金型温度をシミュレーションするホットスタンプ成形プロセス解析方法を実行させるプログラムであって、前記ホットスタンプ成形プロセスの解析方法は、
前記ホットスタンプ成形の１サイクルの間、金型を熱伝導剛体とするとともに鋼板を熱・弾塑性体として熱構造連成解析して温度分布を出力する成形・温度解析ステップと、
前記成形・温度解析ステップにより得られた前記金型の温度分布により、前記金型の前記１サイクルの間の熱膨張を算出し、次のサイクルの熱構造連成解析で用いる金型の形状を前記熱膨張に基づいて修正する形状修正ステップと
を備える、プログラム。(以下「第１発明」ともいう)

（１７）前記温度分布は、前記１サイクルの終了時の温度分布である、１６項に記載のプログラム。

（１８）コンピュータに、連続して鋼板を金型によりホットスタンプ成形する各サイクルにおいて金型温度をシミュレーションするホットスタンプ成形プロセス解析方法を実行させるプログラムであって、前記ホットスタンプ成形プロセスの解析方法は、
前記ホットスタンプ成形の１サイクルの間、金型を熱伝導剛体とするとともに鋼板を熱・弾塑性体として熱構造連成解析して、前記１サイクルの開始から所定の時間経過時の金型の温度分布を出力する成形・温度解析ステップと、
前記成形・温度解析ステップにより得られた前記金型の温度分布により、前記金型の前記１サイクルの間の熱膨張を算出し、次のサイクルの熱構造連成解析で用いる金型の形状を前記熱膨張に基づいて修正する形状修正ステップと
を備える、プログラム。（以下「第２発明」という）

（１９）前記１サイクルの開始から所定の時間経過時は、前記１サイクル時間の半分の時間経過時である、１８項に記載のプログラム。

（２０）コンピュータに、連続して鋼板を金型によりホットスタンプ成形する各サイクルにおいて金型温度をシミュレーションするホットスタンプ成形プロセス解析方法を実行させるプログラムであって、前記ホットスタンプ成形プロセスの解析方法は、
前記ホットスタンプ成形の１サイクルの間、前記金型を熱伝導剛体とするとともに前記鋼板を熱・弾塑性体として熱構造連成解析して、前記１サイクルの途中で一定時間毎に前記金型の温度分布を複数出力する成形・温度解析ステップと、
複数の前記金型の温度分布により、各時間毎の前記金型の熱膨張を算出し、算出した熱膨張のうちの最大の熱膨張に基づいて、次のサイクルの熱構造連成解析で用いる金型の形状を修正する形状修正ステップと
を備える、プログラム。（以下「第３発明」という）

第１〜３発明によれば、鋼板および金型ともに変形体（弾塑性体）として構造解析と熱伝導解析を連成して行う従来の解析手法に比べて、解析時間を１／３以下と大きく短縮することができる。さらに、第１〜３発明によれば、繰り返し成形により金型に熱が蓄積されて熱膨張することによってクリアランスが変化し、成形下死点の隙間が変化するような現象も十分に評価でき、精度の低下を回避できる。その結果、計算効率の高い、高精度な解析を行うことができる。

さらに、第２発明は第１発明よりも高い解析精度で解析を行うことができ、第３発明は第２発明よりも高い解析精度で解析を行うことができる。

図１Ａは、熱膨張を補正してプロセス解析した第１発明、剛体としてプロセス解析した従来技術それぞれのプレス状態変化（成形下死点での上下型間隔）の相違を示すグラフである。 図１Ｂは、熱膨張を補正してプロセス解析した第２発明、剛体としてプロセス解析した従来技術それぞれのプレス状態変化（成形下死点での上下型間隔）の相違を示すグラフである。 図１Ｃは、熱膨張を補正してプロセス解析した第３発明、剛体としてプロセス解析した従来技術それぞれのプレス状態変化（成形下死点での上下型間隔）の相違を示すグラフである。 図２は、１サイクル内で金型を剛体として熱膨張を考慮せずにプロセス解析した温度変化と、金型を弾性体としてプロセス解析した温度変化と示すグラフである。 図３は、ホットスタンプ成形時における金型の温度および熱膨張それぞれの時間的推移を示すグラフである。 図４は、本発明の一実施形態の機能ブロック図である。 図５は、本発明の一実施形態の連続ホットスタンプ試験による金型の温度変化を示すグラフである。 図６Ａは、第１発明の全体の処理を示すフローチャートである。 図６Ｂは、第２発明の全体の処理を示すフローチャートである。 図６Ｃは、第３発明の全体の処理を示すフローチャートである。 図７は、連続して行われるホットスタンプの開始当初の金型を模式的に示す説明図である。 図８は、連続して行われるホットスタンプを一定回数以上繰り返し行われて熱膨張した金型の形状を誇張して模式的に示す説明図である。 図９は、本発明による金型の温度の解析結果、従来法による金型の温度の解析結果、および金型の温度の測定結果を対比して示すグラフである。 図１０は、従来のホットスタンプを模式的に示す説明図である。

本発明を、添付図面を参照しながら説明する。
１．本発明の原理
本発明は、（ａ）鋼板および金型ともに変形体（弾塑性体）として構造解析および熱伝導解析を連成して行うと、予測精度は高いものの計算時間が長くなり、（ｂ）金型を剛体とするとともに鋼板を変形体として解析を行うと、金型の形状の熱的な変形が考慮されないため、金型の形状が実際の形状とは異なり、成形条件に差異を生じ、予測精度が劣るといった従来技術の課題を、以下に示す手法で解決する。すなわち、
（Ａ）金型を剛体として金型の構造解析分を省略することにより、鋼板を加工・冷却する工程の解析時間を短縮できる。

（Ｂ）金型の構造解析分を省略してシミュレーションした場合に、ホットスタンプ加工を繰り返すことにより大きく影響を受けるのは金型の熱膨張である。すなわち、加熱された鋼板を金型によりプレスする処理を複数サイクル繰り返し行うと、金型はその熱を吸収し一定のサイクルまで温度は上昇し、金型は熱膨張により当初の形状から変化する。このため、金型と鋼板との接触面が変化し熱分布も大きく変動する。

図１Ａは、熱膨張を補正してプロセス解析した第１発明、剛体としてプロセス解析した従来技術それぞれのプレス状態変化（成形下死点での上下型間隔）の相違を示すグラフである。

図１Ａに示すように、従来の金型を単純に剛体としてプロセス解析を行うと、曲線２（剛体）のようにプレス回数に関係なく形状が変化しないものとして解析される。つまり、上下の金型のかみ合わせが変化しないため、成形下死点での上下型間隔も変化しない。

これに対し、本発明ではプレス回数が増加するにしたがって上昇する温度を考慮して金型を熱膨張させるため、実際と同様に金型の形状の変化が曲線１（熱膨張考慮）のように反映される。つまり、金型のかみ合わせが変化するために成形下死点での上下型間隔も変化する。

（Ｃ）ホットスタンプ成形加工の１サイクル内では、成形工程を剛体として、すなわち、１サイクル内で金型形状が変化しないものとしてとして解析するか、あるいは、弾性体、すなわち、１サイクル内で金型形状が刻々変化するものとして解析するかによる、金型温度の変化の差は小さく、したがって１サイクル内では熱膨張の差も小さいと考えられる。

図２は、１サイクル内で金型を剛体として熱膨張を考慮せずにプロセス解析した温度変化と、金型を弾性体としてプロセス解析した温度変化と示すグラフである。

図２に示すように、１サイクル内では従来同様金型を剛体として熱膨張を考慮せずにプロセス解析した温度変化（曲線８）と、金型を弾性体としてプロセス解析した温度変化（曲線７）に大きな差異はない。

そこで、ホットスタンプ成形加工の金型の温度（例えば各サイクル終了時の金型の温度）を基にした金型の熱膨張解析工程を付加することにより金型の形状を修正する。この場合、１サイクルごとに熱膨張の補正を行う処理は演算負荷が小さいため、全体的には解析時間の増加を抑制することができる。これにより、結果的に、解析時間を大きく増加させることなく、より精度の高いプロセス解析を行うことができる。

（Ｄ）図２に示すように１サイクル内においても金型の温度は変化するから、１サイクル内の熱膨張を算出する基礎となる温度をどの時点の温度とするかに、その後の解析の精度は影響される。

具体的には、図２のグラフに示すように１サイクルにおいてサイクル開始の時点では、１つ前のサイクルの後半で放熱のために低温となっている。しかし、このサイクルのホットスタンプが開始されると、高温の鋼板により金型の温度も上昇し、５〜１０秒間経過後に最高値となる。

その後、自然冷却や水冷管による冷却によって金型の温度は低下する。一般に１サイクル内で金型の温度はこのように変化している。このため、熱膨張による金型の形状の変化は金型の温度の変化ほど大きくはないものの、どの温度に基づいて金型の熱膨張を算出するかが問題になる。

すなわち、１サイクルの任意のタイミング、例えば各サイクルの終了時の温度に基づいて熱膨張を算出すれば、熱膨張による金型形状の変化を全く考慮しない解析よりも、金型も変形体として構造解析と熱伝導解析を連成して行う解析により近い、精度の高いものとなり、適切なタイミングにおける温度に基づいて熱膨張を算出して金型の形状を決定すれば、さらに精度の高い解析を行うことができる。

図１Ｂは、熱膨張を補正してプロセス解析した第２発明、剛体としてプロセス解析した従来技術それぞれのプレス状態変化（成形下死点での上下型間隔）の相違を示すグラフである。

第２発明では、このように各サイクルの開始から所定の時間経過後の、適切なタイミングで金型の温度を測定し、その温度に基づいた熱膨張により補正した金型の形状を用いて次のサイクルの熱構造連成解析を行う。これにより、そのような温度測定のタイミングを考慮しない場合に比べてより高精度な解析が可能となる。

図１Ａの曲線１は、上述したように、第２発明のように温度の測定タイミングを特に考慮することなく、１サイクルの終了時の温度に基づいて熱膨張を補正したプロセス解析を示すグラフである。第１発明は、全サイクルを剛体としてプロセス解析したときに比べて熱膨張をある程度反映されているのが理解されるが、測定タイミングを考慮する第２発明のプロセス解析の方がより正確な熱膨張を示す。

図１Ｂおよび図１Aを比較すると理解できるように、各サイクルの開始から所定の時間経過後の温度に基づいた熱膨張により補正したプロセス解析の曲線３と、１サイクルの終了時の温度に基づいて熱膨張により補正したプロセス解析の曲線１とから理解されるように、成形下死点で実際の熱膨張に適合するように変化する。

（Ｅ）図３は、ホットスタンプ成形時における金型の温度および熱膨張それぞれの時間的推移を示すグラフである。

図３のグラフに示すように、金型の所定の位置における熱膨張のピークと温度のピークとには、時間的なずれがある。このため、金型を熱伝導剛体とするとともに鋼板を熱・弾塑性体として熱構造連成解析する際には、ホットスタンプ成形の１サイクルの途中で一定時間毎に金型の温度分布を複数出力し、得られた金型の温度分布により、各時間毎の金型の熱膨張を算出し、算出した熱膨張のうちの最大の熱膨張に基づいて、次のサイクルの熱構造連成解析で用いる金型の形状を修正することが望ましい。

図１Ｃは、熱膨張を補正してプロセス解析した第３発明、剛体としてプロセス解析した従来技術それぞれのプレス状態変化（成形下死点での上下型間隔）の相違を示すグラフである。

図１Ｃおよび図１Aを比較すると理解できるように、ホットスタンプ成形の１サイクルの途中で一定時間毎に金型の温度分布を複数出力し、得られた金型の温度分布により、各時間毎の金型の熱膨張を算出し、算出した熱膨張のうちの最大の熱膨張により補正したプロセス解析の曲線５と、１サイクルの終了時の温度に基づいて熱膨張により補正したプロセス解析の曲線１とから理解されるように、成形下死点での実際の熱膨張に適合するように変化する。

２．本発明の実施形態
図４は、第１〜３発明の一実施形態の機能ブロック図である。本実施形態では、ソフトウェアプログラムが制御部１０１において実行され、第１〜３発明を達成するために必要な種々の機能が処理されるが、例えば図４に示すような機能ブロック毎処理することもできる。

まず、モデル構築部１０２において金型を、熱伝導を考慮する剛体としてモデル化するとともに、鋼板は熱・弾塑性体としてモデル化する。境界条件設定部１０３および属性設定部１０４において、境界条件および属性を、データベース１１３を参照しながら設定する。

次に、熱・構造連成解析部１０５において、加熱された鋼板を金型に配置し、ホットスタンプ成形を行って成形された鋼板を取り出すという、一連の加工の１サイクル分の温度および成形を解析し、結果を出力する。

その結果を金型形状修正解析部１０６において参照して、この１サイクルでの金型の熱膨張を算出する。

第２発明では、上述したように、熱膨張を算出する際に使用する温度として、より的確なタイミングにおける温度を用いる。最も的確なタイミングは、金型の形状、冷却機構、鋼板の形状、寸法、その他の状況により異なってくるが、例えば、各サイクルのちょうど中間における温度を採用することにより、少なくともサイクルの開始時点の温度や終了時点の温度を採用する第１発明よりも、解析精度を高めることができる。一般に各サイクル中の最高温度や最低温度を採用するよりも、最高温度と最低温度との間の温度を採用することにより、解析精度を高めることができる。

さらに、第３発明では、金型を熱伝導剛体とするとともに鋼板を熱・弾塑性体として熱構造連成解析する際に、ホットスタンプ成形の１サイクルの途中で一定時間毎に金型の温度分布を複数出力し、得られた金型の温度分布により、各時間毎の金型の熱膨張を算出し、算出した熱膨張のうちの最大の熱膨張に基づいて、次のサイクルの熱構造連成解析で用いる金型の形状を修正する。これにより、第３発明は、第２発明よりもさらに解析精度を高めることができる。

引き続き実行されるホットスタンプ成形の次のサイクルにおいては、算出された熱膨張に基づいて補正された金型の形状を用いて、熱・構造連成解析部１０５が温度分布を解析する。

以上、実施形態では、図４に示すような機能ブロックにより処理を実行するよう説明したが、これには限定されず、機能ブロックをさらに分割し、あるいは複数の機能ブロックを統合して異なる機能ブロックにより処理を実行するようにしてもよい。

図５は、本発明の一実施形態の連続ホットスタンプ試験による金型の温度変化を示すグラフである。図５のグラフに示す温度変化は、金型によるプレス成形を５秒間で行った後に１０秒間解放するサイクルを１サイクルとして連続で繰り返すホットスタンプ成形を行った場合の実測値である。

一般に、ホットスタンプにより鋼板を成形する場合には、図５のグラフに示すように、一定の間隔で連続してホットスタンプを繰り返すことにより、曲線９のように金型の温度は、加熱された鋼板との接触による入熱で上昇し、自然冷却や水冷管による冷却によって下降し、１サイクルごとに温度が上下しながら徐々に全体として上昇し、あるサイクルを超えると全体としての温度の上昇も止まり、安定状態となる。

この安定状態では、金型の形状も安定し、１サイクル内の温度の変動範囲も一定の範囲に収束する。このため、この安定状態を基準として、成形された鋼板が所望の特性や形状を有するように金型の形状や金型の内部構造および冷却速度等の量産プロセスを設計することができる。

また、上述の１サイクルでホットスタンプを行う場合、図２に示すように１サイクル内（１５秒間）では、金型を本発明のように剛体とみなしても、金型の温度変化は、金型を弾性体とみなしたときの温度変化と殆ど差がない。このため、プレス加工のサイクル中に金型を熱伝導剛体として形状を固定しても解析精度への悪影響は極めて小さい。

ホットスタンプを行う場合、どのような条件でこのサイクルを繰り返すと、熱分布がどのように変化するかをシミュレーションすることは、非常に重要である。例えば、金型の設計にあたっては、ホットスタンプを連続して行って安定状態にあるときの金型の形状を正確にシミュレーションすることができれば、ホットスタンプする前（熱膨張する前）の初期状態の形状を適切に設計することができる。

また、このシミュレーションにより金型の摩耗や疲労状態も推定することができるので、金型の寿命を予想することができ、また、設計された金型が連続稼動時に基準を満たしているか否かを実際のホットスタンプを実行しなくても判定することもできる。このように、本発明によれば、例えば温度分布の変動状況、履歴などから安定状態にあるか否かなどを判定することができる。

図６Ａは、第１発明の全体の処理を示すフローチャートである。図６Ａのフローチャートを参照して、熱・構造連成解析部１０５の処理をより詳細に説明する。

初期条件等を設定した後、Ｓ４０１Ａに示すように、金型を熱伝導剛体とするとともに鋼板を熱弾塑性体として、成形、保持、金型解放、待機を含むホットスタンプ１サイクル分の熱構造連成計算を行う。

ここで、図６Ａに示すフローチャートは金型が冷えた状態からホットスタンプを開始し、（ｎ−１）回目のホットスタンプのプロセス解析の結果から得られた温度分布に基づく熱膨張を反映させた金型形状を用いるものとして、ｎ回目の解析を行う。

このフローチャートに示すように、加熱された鋼板を金型によりプレスする処理を繰り返し行うと、金型はその熱を吸収して一定の温度振幅を繰り返して安定するまで温度が上昇する。

図７は、連続して行われるホットスタンプの開始当初の金型を模式的に示す説明図であり、図８は、連続して行われるホットスタンプを一定回数以上繰り返し行われて熱膨張した金型の形状を誇張して模式的に示す説明図である。

図７に示すように、ホットスタンプを１サイクルも行っていない状態の金型２０１，２０２を用いてホットスタンプを一定の間隔で繰り返し実行すると、図８に示すように、金型３０１，３０２は熱膨張により当初の形状（金型２０１，２０２）から変化する。

熱・構造連成解析部１０５は、この（ｎ−１）回目のサイクルで得られた金型の形状を使用して、さらにｎ回目のホットスタンプを１サイクル実行した後の終了時の金型の温度（ａ）を出力し（Ｓ４０２Ａ）、金型形状修正解析部１０６は、金型の温度（ａ）を付加して熱膨張解析を行い（Ｓ４０３Ａ）、金型形状（ｂ）を出力する（Ｓ４０４Ａ）。

熱・構造連成解析部１０５は、（ｎ+１）回目の設定として、金型形状を上記で得られた金型形状（ｂ）とし、金型の初期温度を上記で得られた金型の温度（ａ）とする（Ｓ４０５Ａ）。

（ｎ+１）が設定プレス回数（Ｎ回）に達していれば（Ｓ４０６Ａ）解析は終了し、まだ達していなければ（ｎ+１）回目のホットスタンプのプロセス解析を実行する（Ｓ４０７Ａ）。

なお、本実施形態では、ホットスタンプの１サイクル終了時における金型の温度に基づいて熱膨張を修正しているが、１サイクル内における金型の形状変化は小さいので、これに限られず１サイクルの任意のタイミングで得られた温度分布に基づいて熱膨張を取得して、金型の形状に反映させてもよい。また、温度分布から熱膨張を算出する方法は、本技術分野で周知慣用のいずれの手法も用いることができる。

図６Ｂは、第２発明の全体の処理を示すフローチャートである。図６Ｂのフローチャートを参照して、熱・構造連成解析部１０５の処理をより詳細に説明する。

初期条件等を設定した後、Ｓ４０１Ｂに示すように、金型を熱伝導剛体とするとともに鋼板を熱弾塑性体として、成形、保持、金型解放、待機を含むホットスタンプ１サイクル分の熱構造連成計算を行う。

ここで、図６Ｂに示すフローチャートは金型が冷えた状態からホットスタンプを開始し、（ｎ−１）回目のホットスタンプのプロセス解析の結果から得られた温度分布に基づく熱膨張を反映させた金型形状を用いるものとして、ｎ回目の解析について示す。

このフローチャートに示すように、加熱された鋼板を金型によりプレスする処理を繰り返し行うと、金型はその熱を吸収して一定のサイクルのホットスタンプを繰り返し行うまで温度が上昇する
熱・構造連成解析部１０５は、この（ｎ−１）回目のサイクルで得られた金型の形状を使用して、さらにｎ回目のホットスタンプを１サイクル実行するが、まずそのサイクルの成形開始からＴ_ｃ秒（１サイクル＞Ｔ_ｃ）後の金型の温度（ａ）を出力し（Ｓ４０２Ｂ）、その後そのサイクルの終了時の金型の温度（ｂ）を出力する（Ｓ４０３Ｂ）。

金型形状修正解析部１０６は、金型温度（ａ）を付加して熱膨張解析を行い（Ｓ４０４Ｂ）、金型の形状（ｃ）を出力する（Ｓ４０５Ｂ）。熱・構造連成解析部１０５は、（ｎ+１）回目の設定として、金型の形状を上記で得られた金型の形状（ｃ）とし、金型の初期温度を上記で得られた終了時の温度（ｂ）とする（Ｓ４０６Ｂ）。

（ｎ+１）が設定プレス回数（Ｎ回）に達していれば（Ｓ４０７Ｂ）解析は終了し、まだ達していなければ（ｎ+１）回目のホットスタンプのプロセス解析を実行する（Ｓ４０８Ｂ）。

なお、第２発明では、時間Ｔ_ｃは、ホットスタンプの各サイクルの中間（Ｔ_ｃ≒１／２サイクル）における金型の温度分布に基づいて熱膨張を修正したが、これに限られず各サイクルの任意のタイミングで得られた温度分布に基づいて熱膨張を取得して、金型の形状に反映させてもよい。また、温度分布から熱膨張を算出する方法は、本技術分野で周知慣用のいずれの手法も用いることができる。

図６Ｃは、第３発明の全体の処理を示すフローチャートである。図６Ｃのフローチャートを参照して、熱・構造連成解析部１０５の処理をより詳細に説明する。

初期条件等を設定した後、Ｓ４０１Ｃに示すように、金型を熱伝導剛体とするとともに鋼板を熱弾塑性体として、成形、保持、金型解放、待機を含むホットスタンプ１サイクル分の熱構造連成計算を行う。

ここで、図６Ｃに示すフローチャートは金型が冷えた状態からホットスタンプを開始し、（ｎ−１）回目のホットスタンプのプロセス解析の結果から得られた温度分布に基づく熱膨張を反映させた金型の形状を用いるものとして、ｎ回目の解析について示す。

そして、このフローチャートに示すように、加熱された鋼板を金型によりプレスする処理を繰り返し行うと、金型はその熱を吸収して一定の温度振幅を繰り返して安定するまで温度が上昇する。

熱・構造連成解析部１０５は、この（ｎ−１）回目のサイクルで得られた金型形状を使用して、さらにｎ回目のホットスタンプを１サイクル実行するが、まず成形開始からサイクル終了までΔｔ秒間隔でｋ回出力した金型の温度Ｔ（１，２，３・・・Ｋ）を出力して１サイクル終了時の金型の温度（ａ）を出力し（Ｓ４０２Ｃ）、その後弾性金型に各金型の温度Ｔ（１，２，３・・・Ｋ）を負荷した熱膨張解析を行い金型の熱膨張を計算する（Ｓ４０３Ｃ）。

金型形状修正解析部１０６は、弾性金型の所定の位置で最大熱膨張を示す出力回ｊ（ｋ≧ｊ≧１）を探索し（Ｓ４０４Ｃ）、金型の温度Ｔ（ｉ）に対する金型の形状（ｂ）を出力する（Ｓ４０５Ｃ）。

熱・構造連成解析部１０５は、（ｎ+１）回目の設定として、金型の形状を上記で得られた金型の形状（ｂ）とし、金型の初期温度を上記で得られた終了時の金型の温度（ａ）とする（Ｓ４０６Ｃ）。

（ｎ+１）が設定プレス回数（Ｎ回）に達していれば（Ｓ４０７Ｃ）解析は終了し、まだ達していなければ（ｎ+１）回目のホットスタンプのプロセス解析を実行する（Ｓ４０８Ｃ）。

図９は、第１〜３発明による金型の温度の解析結果、従来法による金型の温度の解析結果、および金型の温度の測定結果を対比して示すグラフであり、本発明の処理でプロセス解析した場合（曲線１０）、従来の金型を剛体として熱膨張を考慮せずプロセス解析した場合（曲線１１）および実際の測定結果（曲線１２）を示す。

図９のグラフに示すように、従来の手法によるとサイクルを重ねるごとに実際の温度分布から大きく離れていくが、本実施形態の手法によると、実際測定された温度分布に非常に近い値になる。グラフの温度は金型の任意の箇所の温度をサンプリングすることができるが、本発明、比較例、実測値とも同じ部位を使用するのはもちろんのことである。

＜安定状態の判定＞
図９のグラフに示すように、本発明のプロセス解析によると、その温度分布の履歴は実際のホットスタンプ成形を行った場合をよく反映したものになる。図９のグラフを参照すると、各サイクルとも非常に近い値となっているため、例えば何サイクル目の温度分布で安定状態に至るのかを判定することができる。すなわち、定量的に安定状態を定義すれば、本発明のプロセス解析で得られた金型の温度分布の履歴を用いて何サイクル目で安定状態になったかを判定することができる。

安定状態の判定にあたっては、様々な判定基準を用いることができるが、図９のグラフに示すように１サイクル内の変動が最初は大きく、全体（あるいは平均）の温度が上昇するとともに各サイクル内の振れ幅は小さくなっていき、安定状態で各サイクルの温度振れ幅と平均温度が一定の範囲内に収まる。

したがって、例えば温度履歴の最高温度が一定の範囲（例えば、図９のグラフを参照すれば数１０〜１０数℃の範囲内）に収束したときを安定状態と判定することができる。同様に、温度履歴の最低温度が一定の範囲に収束したとき安定状態になったと判定することができる。

＜装置構成＞
本発明の一実施形態のシステムは、図示しないＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭや各種外部とのインタフェースを備えた装置に、入力装置１１１や出力装置１１２が接続されており、上述のフローチャートを参照して説明した本発明の処理はこのような装置上で動作することができるが、これに限られない。また、ネットワークに接続してデータベースと必要なデータのやり取りをすることもできるなど、本技術分野で周知慣用の種々のシステム構成が可能である。

１０１ ソフトウェアプログラム
１０２ モデル構築部
１０３ 境界条件設定部
１０４ 属性設定部
１０５ 熱・構造連成解析部
１０６ 金型形状修正解析部
１１１ 入力装置
１１２ 出力装置
１１３ データベース

Claims (20)

1. 連続して鋼板を金型によりホットスタンプ成形する各サイクルにおいて前記金型の温度をシミュレーションするホットスタンプ成形プロセスの解析方法であって、
   前記ホットスタンプ成形の１サイクルの間、前記金型を熱伝導剛体とするとともに前記鋼板を熱・弾塑性体として熱構造連成解析して、前記金型の温度分布を出力する成形・温度解析ステップと、
   前記金型の温度分布により、前記金型の前記１サイクルの間の熱膨張を算出し、前記熱膨張に基づいて、次のサイクルの熱構造連成解析で用いる金型の形状を修正する形状修正ステップと
   を備える、ホットスタンプ成形プロセスの解析方法。
2. 前記温度分布は、前記１サイクルの終了時の温度分布である、請求項１に記載のホットスタンプ成形プロセスの解析方法。
3. 連続して鋼板を金型によりホットスタンプ成形する各サイクルにおいて前記金型の温度をシミュレーションするホットスタンプ成形プロセスの解析方法であって、
   前記ホットスタンプ成形の１サイクルの間、前記金型を熱伝導剛体とするとともに前記鋼板を熱・弾塑性体として熱構造連成解析して、前記１サイクルの開始から所定の時間経過時の前記金型の温度分布を出力する成形・温度解析ステップと、
   前記金型の温度分布により、前記金型の前記１サイクルの間の熱膨張を算出し、前記熱膨張に基づいて、次のサイクルの熱構造連成解析で用いる金型の形状を修正する形状修正ステップと
   を備える、ホットスタンプ成形プロセスの解析方法。
4. 前記１サイクルの開始から所定の時間経過時は、前記１サイクルの時間の半分の時間経過時である、請求項３に記載のホットスタンプ成形プロセスの解析方法。
5. 連続して鋼板を金型によりホットスタンプ成形する各サイクルにおいて前記金型の温度をシミュレーションするホットスタンプ成形プロセスの解析方法であって、
   前記ホットスタンプ成形の１サイクルの間、前記金型を熱伝導剛体とするとともに前記鋼板を熱・弾塑性体として熱構造連成解析して、前記１サイクルの途中で一定時間毎に前記金型の温度分布を複数出力する成形・温度解析ステップと、
   複数の前記金型の温度分布により、各時間毎の前記金型の熱膨張を算出し、算出した熱膨張のうちの最大の熱膨張に基づいて、次のサイクルの熱構造連成解析で用いる金型の形状を修正する形状修正ステップと
   を備える、ホットスタンプ成形プロセスの解析方法。
6. 前記成形・温度解析ステップにおいて、前記鋼板の形状および温度条件、ならびに前記形状修正ステップにより修正された金型の形状に基づいて前記金型の温度分布を記憶し、
   前記形状修正ステップにおいて、前記記憶された温度分布により熱膨張を算出する、請求項１から請求項５までいずれか１項に記載のホットスタンプ成形プロセスの解析方法。
7. 前記ホットスタンプ成形の１サイクルは、前記金型への該鋼板の設置工程、該鋼板のプレス加工工程、および前記金型からの前記鋼板の取出し工程を含む、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のホットスタンプ成形プロセスの解析方法。
8. 前記成形・温度解析ステップは、前記金型に設けられた水冷管の冷却条件も加えて熱構造連成解析する、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のホットスタンプ成形プロセスの解析方法。
9. 連続して鋼板をホットスタンプ成形する場合の安定状態を判定するホットスタンプ成形プロセスの判定方法であって、請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載のホットスタンプ成形プロセスの解析方法により算出された各サイクルにおける金型温度の所定の位置における最高値が一定の値に収束した時を安定状態にあると判定する、ホットスタンプ成形プロセスの判定方法。
10. 連続して鋼板をホットスタンプ成形する場合の安定状態を判定するホットスタンプ成形プロセスの判定方法であって、請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載のホットスタンプ成形プロセスの解析方法により算出された各サイクルにおける金型温度の所定の位置における最低値が一定の値に収束した時を安定状態にあると判定する、ホットスタンプ成形プロセスの判定方法。
11. 連続して鋼板を金型によりホットスタンプ成形する各サイクルにおいて、前記金型の温度をシミュレーションするホットスタンプ成形プロセスの解析装置であって、
    前記ホットスタンプ成形の１サイクルの間、前記金型を熱伝導剛体とするとともに前記鋼板を熱・弾塑性体として熱構造連成解析して、温度分布を出力する温度分布解析部と、
    前記温度分布解析部により得られた前記金型の温度分布により、前記金型の前記１サイクルの間の熱膨張を算出し、次のサイクルの熱構造連成解析で用いる金型の形状を前記熱膨張に基づいて修正する形状修正部と
    を備える、ホットスタンプ成形プロセスの解析装置。
12. 前記温度分布は、前記１サイクルの終了時の温度分布である、請求項１１に記載のホットスタンプ成形プロセスの解析装置。
13. 連続して鋼板を金型によりホットスタンプ成形する各サイクルにおいて、前記金型の温度をシミュレーションするホットスタンプ成形プロセスの解析装置であって、
    前記ホットスタンプ成形の１サイクルの間、前記金型を熱伝導剛体とするとともに前記鋼板を熱・弾塑性体として熱構造連成解析して、前記１サイクルの開始から所定の時間経過時の金型の温度分布を出力する温度分布解析部と、
    前記温度分布解析部により得られた前記金型の温度分布により、前記金型の前記１サイクルの間の熱膨張を算出し、次のサイクルの熱構造連成解析で用いる金型の形状を前記熱膨張に基づいて修正する形状修正部と
    を備える、ホットスタンプ成形プロセスの解析装置。
14. 前記１サイクルの開始から所定の時間経過時は、前記１サイクル時間の半分の時間経過時である、請求項１３に記載のホットスタンプ成形プロセスの解析装置。
15. 連続して鋼板を金型によりホットスタンプ成形する各サイクルにおいて、前記金型の温度をシミュレーションするホットスタンプ成形プロセスの解析装置であって、
    前記ホットスタンプ成形の１サイクルの間、前記金型を熱伝導剛体とするとともに前記鋼板を熱・弾塑性体として熱構造連成解析して、前記１サイクルの途中で一定時間毎に前記金型の温度分布を複数出力する温度分布解析部と、
    複数の前記金型の温度分布により、各時間毎の前記金型の熱膨張を算出し、算出した熱膨張のうちの最大の熱膨張に基づいて、次のサイクルの熱構造連成解析で用いる金型の形状を修正する形状修正部と
    を備える、ホットスタンプ成形プロセスの解析装置。
16. コンピュータに、連続して鋼板を金型によりホットスタンプ成形する各サイクルにおいて金型温度をシミュレーションするホットスタンプ成形プロセス解析方法を実行させるプログラムであって、前記ホットスタンプ成形プロセスの解析方法は、
    前記ホットスタンプ成形の１サイクルの間、金型を熱伝導剛体とするとともに鋼板を熱・弾塑性体として熱構造連成解析して温度分布を出力する成形・温度解析ステップと、
    前記成形・温度解析ステップにより得られた前記金型の温度分布により、前記金型の前記１サイクルの間の熱膨張を算出し、次のサイクルの熱構造連成解析で用いる金型の形状を前記熱膨張に基づいて修正する形状修正ステップと
    を備える、プログラム。
17. 前記温度分布は、前記１サイクルの終了時の温度分布である、請求項１６に記載のプログラム。
18. コンピュータに、連続して鋼板を金型によりホットスタンプ成形する各サイクルにおいて金型温度をシミュレーションするホットスタンプ成形プロセス解析方法を実行させるプログラムであって、前記ホットスタンプ成形プロセスの解析方法は、
    前記ホットスタンプ成形の１サイクルの間、金型を熱伝導剛体とするとともに鋼板を熱・弾塑性体として熱構造連成解析して、前記１サイクルの開始から所定の時間経過時の金型の温度分布を出力する成形・温度解析ステップと、
    前記成形・温度解析ステップにより得られた前記金型の温度分布により、前記金型の前記１サイクルの間の熱膨張を算出し、次のサイクルの熱構造連成解析で用いる金型の形状を前記熱膨張に基づいて修正する形状修正ステップと
    を備える、プログラム。
19. 前記１サイクルの開始から所定の時間経過時は、前記１サイクル時間の半分の時間経過時である、請求項１８に記載のプログラム。
20. コンピュータに、連続して鋼板を金型によりホットスタンプ成形する各サイクルにおいて金型温度をシミュレーションするホットスタンプ成形プロセス解析方法を実行させるプログラムであって、前記ホットスタンプ成形プロセスの解析方法は、
    前記ホットスタンプ成形の１サイクルの間、前記金型を熱伝導剛体とするとともに前記鋼板を熱・弾塑性体として熱構造連成解析して、前記１サイクルの途中で一定時間毎に前記金型の温度分布を複数出力する成形・温度解析ステップと、
    複数の前記金型の温度分布により、各時間毎の前記金型の熱膨張を算出し、算出した熱膨張のうちの最大の熱膨張に基づいて、次のサイクルの熱構造連成解析で用いる金型の形状を修正する形状修正ステップと
    を備える、プログラム。

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