JP6758457B1 - プロセス設計システム、プロセス設計方法、及びプロセス設計プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】所望する目標形状を成形する型鍛造プロセスを構成する工程案及びその工程案で使用する金型案を適切に決定できるようにする。【解決手段】ＣＰＵ Ｆ４１を備え、ワークを所定の目標形状に成形する１以上の工程を含む工程案を生成するプロセス設計計算機Ｆ４０において、ＣＰＵ Ｆ４１を、ワークの形状と、目標形状との入力を受け付け、ワークの形状と目標形状とに基づいて、各工程で使用する金型案を含む工程案を決定し、工程案を決定する際に、各工程について複数の仮想金型ブロックにより構成される仮想金型を定義し、各工程における仮想金型による鍛造についてのシミュレーションを実行して解析するようにする。【選択図】図１０

Description

本発明は、型鍛造プロセスにおける金型案を含む工程案の設計を行う技術に関する。

プレス設備を用いて被加工物（以降、ワークと呼ぶことがある）を所定の部品形状に成形する型鍛造では、形状が複雑なためワークを金型に充填できないことや、プレス設備に荷重制約があること等から１工程での成形が難しい場合、複数の工程で成形する多工程型鍛造プロセスが必要になる。

多工程型鍛造プロセスを実行するためには、鍛造に必要な工程数や各工程で使用する金型形状の設計が必要である。

鍛造を行う工程の設計に関する技術としては、例えば特許文献１に開示された技術が知られている。

特開２００８−１１０３９８号公報

多工程型鍛造プロセスの設計を行う際において、鍛造で成形を狙う部品（以下、目標形状と呼ぶ）の成形に要する工程数や各工程で用いる金型形状は未知である。特に、金型形状は設計自由度が膨大であり、金型形状の設計を含めた工程設計は困難である。

ここで、例えば、図１に示すような目標形状Ｆ１１０を、図２に示すようにワークＦ１２０から成形するための多工程型鍛造プロセスの設計について説明する。なお、図１においては、上から目標形状Ｆ１１０の上面図、側面図、矢視Ａ−Ａ線における断面図を示している。目標形状Ｆ１１０は、軸対称（中心軸に対して対称）かつ上下対称の形状となっているが、これは、一例であって、目標形状は、軸対称でなくてもよく、また上下対象でなくてもよい。

このような目標形状Ｆ１１０を成形するための多工程型鍛造プロセスにおける１工程で使用する金型は、金型形状の設計指針がない場合、あらゆる自由曲面の中から各工程で使用する形状を決定しなければならないため、設計自由度が高く、設計にかかる工数も膨大になる。１工程で使用する金型としては、例えば、図３に示すような形状とすることができる。

このような多工程型鍛造プロセスの設計は、金型の設計を含めた工程設計を試行錯誤的に検討されており、設計に要する時間、多工程型鍛造プロセスによる目標形状の成形精度、製造コスト等は、設計者のノウハウに大きく依存していた。

近年における製造業における熟練者減少の背景から、金型の設計を含めた工程設計を容易且つ適切に行えるようにすることが要請されている。

このような多工程型鍛造プロセスの設計における課題に対して、特許文献１に開示された技術は、いずれも複数の工程から構成される鍛造工程の設計を対象としていない。そのため、これらの技術を用いて、多工程型鍛造プロセスにおける金型の設計を含めた工程設計を行うことはできない。

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、その目的は、所望する目標形状を成形する型鍛造プロセスを構成する工程案及びその工程案で使用する金型案を容易且つ適切に決定することのできる技術を提供することにある。

上記課題を解決するため、一観点に係るプロセス設計システムは、プロセッサを備え、ワークを所定の目標形状に成形する１以上の工程を含む工程案を生成するプロセス設計システムであって、プロセッサは、ワークの形状と、目標形状との入力を受け付け、ワークの形状と目標形状とに基づいて、各工程で使用する金型案を含む工程案を決定し、工程案を決定する際に、各工程について複数の仮想金型ブロックにより構成される仮想金型を定義し、前記工程案の各工程における仮想金型による鍛造についてのシミュレーションを実行して解析する。

本発明によれば、所望する目標形状を成形する型鍛造プロセスを構成する工程案及びその工程案で使用する金型案を容易且つ適切に決定することができる。

図１は、多工程型鍛造プロセスで成形を狙う目標形状の一例を示す図である。 図２は、鍛造前のワークと、目標形状との断面図である。 図３は、多工程型鍛造プロセスの１工程で使用する金型の一例を示す図である。 図４は、部分金型の種類を説明する図である。 図５は、仮想金型における部分金型の領域を説明する図である。 図６は、部分金型を組み合わせて構成される仮想金型の一例を示す図である。 図７は、型鍛造プロセスの工程案で使用する金型案を説明する図である。 図８は、型鍛造プロセスにおけるワークの変形過程を示す断面図である。 図９は、一実施形態に係る計算機システムの全体構成図である。 図１０は、一実施形態に係るプロセス設計計算機の構成図である。 図１１は、一実施形態に係るプロセス設計処理のフローチャートである。 図１２は、ワークから中間目標形状を経て最終的な目標形状を生成する際におけるワークの変形過程を示す断面図である。 図１３は、未加工のワークから中間目標形状を生成する際の工程案の一例を示す図である。 図１４は、型鍛造工程におけるワークの変形過程を示す断面図である。

実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている諸要素及びその組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

ここで、本明細書においては、同一の金型を使ってワークに対して行う鍛造処理を１つの工程としており、例えば、同一の金型を他の条件（異なる温度条件等）で複数回連続して使用して鍛造処理を行う場合には、これら複数回の鍛造処理を１つの工程とする。

金型形状は、無数の自由曲面に基づいて設計することができるが、無数の自由曲面に基づいて設計すると、考えられる金型形状の数が膨大となり、設計にかかる工数も膨大になる。そこで、本実施形態では、金型を、複数の部分金型（仮想金型ブロック）から構成されるものとし、各部分金型を、複数の機能のいずれかに対応する形状とし、これら部分金型を組合わせることで、金型案の候補となる金型（仮想金型）を創出するようにする。

＜部分金型の種類＞
ここで、部分金型の機能（役割）の種類について、図１に示す目標形状Ｆ１１０を生成する場合を想定した例を説明する。

図４は、部分金型の種類を説明する図である。

部分金型としては、例えば、部分金型番号が０、１−１、２−１、２−２、３の５つの機能をもったものが考えられる。なお、これらの機能は、目標形状Ｆ１１０を生成する型鍛造工程で必要とされる機能であり、過去の鍛造工程の設計実績などを参考に抽出することができる。

部分金型番号「０」の部分金型の機能は、プレス設備の鍛造における荷重（鍛造荷重）の低減や、ワークの流動性を考慮して、意図して部分金型をワークと接触させない機能である。部分金型番号「１−１」の部分金型の機能は、部分金型が対応する目標形状の領域の形状にワークを変形させる機能である。この機能を有する部分金型の形状は、対応する目標形状の領域の形状が転写されたものとなっている。部分金型番号「２−１」の部分金型の機能は、ワークに目標形状Ｆ１１０への変形はさせず、ワークの直径を拡大させる機能である。この機能を有する部分金型の形状は、例えば、平坦形状となっている。部分金型番号「２−２」の部分金型の機能は、ワークに目標形状Ｆ１１０への転写はせず、ワークの直径を拡大させる機能である。この機能を有する部分金型の形状は、例えば、テーパー形状となっている。部分金型番号「３」の部分金型の機能は、ワークの径方向への変形を拘束する機能である。

これら機能を部分金型に適切に割り当てることにより、目標形状Ｆ１１０を生成する工程で必要な金型案を生成することができる。また、これら機能の内のいずれかの機能を有する部分金型を複数組み合わせることで、金型案の候補となる金型を、或る程度の限られた個数に抑えて生成することができる。これにより、後述する金型案を決定するための計算処理等を低減することができ、計算時間を短縮することができる。このことは、見方を変えると、比較的良い金型案を効果的に生成することができると言える。

なお、部分金型の機能は、図４に示す例に限られず、多種多様の機能としてもよい。

＜仮想金型における部分金型の領域＞
次に、仮想金型における部分金型を説明する。

図５は、仮想金型における部分金型の領域を説明する図である。図６は、部分金型を組み合わせて構成される仮想金型の一例を示す図である。なお、図６における部分金型（Ｆ１４１〜Ｆ１４５）上に記載した各番号は、図４に示す部分金型番号を示している。

仮想金型における部分金型の領域は、例えば、目標形状Ｆ１１０の領域に基づいて決定されている。本実施形態では、図５に示すように、目標形状Ｆ１１０において、高さが変化する部分の少なくとも一部を領域の境界とし、その領域に対応する金型の領域（部分）を部分金型としている。具体的には、目標形状Ｆ１１０の中心から順に領域Ａ１〜Ａ５とし、図６に示すように、それら領域に対応（それら領域と対向）する金型Ｆ１４０の領域を部分金型Ｆ１４１〜Ｆ１４５としている。具体的には、領域Ａ１には、部分金型Ｆ１４１が対応し、領域Ａ２には、部分金型Ｆ１４２が対応し、領域Ａ３には、部分金型Ｆ１４３が対応し、領域Ａ４には、部分金型Ｆ１４４が対応し、領域Ａ５には、部分金型Ｆ１４５が対応する。なお、領域Ａ１は、上面が円形の領域であり、他の領域Ａ２〜Ａ５は、上面が円環状となっており、それらの領域に対応する部分金型Ｆ１４１〜Ｆ１４５は、上面が同一の形状となっている。このように、部分金型の領域を、円形又は円環状に対応するようにすると、目標形状が軸対称である場合には、部分金型全体に対して同一の機能を割り当てることができる。

本実施形態においては、部分金型Ｆ１４１〜Ｆ１４５に対して、図４に示す部分金型の機能のいずれかを対応付けることにより、複数の仮想金型を容易に生成することができる。図６の例では、部分金型Ｆ１４１は、部分金型番号「０」の機能を有する部分金型であり、部分金型Ｆ１４２，Ｆ１４３は、部分金型番号「１−１」の機能を有する部分金型であり、部分金型Ｆ１４４，Ｆ１４５は、部分金型番号「２−１」の機能を有する部分金型である。

なお、本実施形態では、部分金型Ｆ１４１〜Ｆ１４５を組合わせることにより金型Ｆ１４０を構成しているが、金型Ｆ１４０は、適切な金型案を検出するために利用される仮想的な金型である。したがって、実際に目標形状を生成する際には、金型Ｆ１４０の形状を一体的に成形した金型を製作して使用してもよく、金型Ｆ１４０のように、部分金型を組合わせて構成される金型を製作して使用してもよい。

＜複数の工程から構成される型鍛造プロセス＞
次に、ワークＦ１２０から目標形状Ｆ１１０を生成する複数の工程から構成される型鍛造工程案の一例について説明する。

図７は、型鍛造プロセスの工程案で使用する金型案を説明する図である。

型鍛造工程案Ｆ１４５は、金型案Ｆ１５０による鍛造工程（第１工程）と、金型案Ｆ１６０による鍛造工程（第２工程）と、金型案Ｆ１７０による鍛造工程（第３工程）との３つの鍛造工程により構成されている。

金型案Ｆ１５０は、領域Ａ１〜Ａ５に対応する部分金型Ｆ１５１〜Ｆ１５５により構成されている。部分金型Ｆ１５１には、部分金型番号「１−１」に対応する部分金型が割り当てられ、部分金型Ｆ１５２〜Ｆ１５５には、部分金型番号「２−１」に対応する部分金型が割り当てられている。したがって、金型案Ｆ１５０は、ワーク側の全面が平坦な形状の金型である。

金型案Ｆ１６０は、領域Ａ１〜Ａ５に対応する部分金型Ｆ１６１〜Ｆ１６５により構成されている。部分金型Ｆ１６１には、部分金型番号「０」に対応する部分金型が割り当てられ、部分金型Ｆ１６２，Ｆ１６３には、部分金型番号「１−１」に対応する部分金型が割り当てられ、部分金型Ｆ１６４，Ｆ１６５には、部分金型番号「２−１」に対応する部分金型が割り当てられている。したがって、金型案Ｆ１６０は、ワーク側の内周側に目標形状Ｆ１１０に基づく溝形状を転写させる金型である。

金型案Ｆ１７０は、領域Ａ１〜Ａ５に対応する部分金型Ｆ１７１〜Ｆ１７５により構成されている。部分金型Ｆ１７１〜Ｆ１７３には、部分金型番号「０」に対応する部分金型が割り当てられ、部分金型Ｆ１７４には、部分金型番号「１−１」に対応する部分金型が割り当てられ、部分金型Ｆ１７５には、部分金型番号「３」に対応する部分金型が割り当てられている。したがって、金型案Ｆ１７０は、ワークの外周部の形状転写と最外周の変形拘束を実現する金型である。

なお、各工程の金型案に相当する金型の押込み量（上下の金型を挟み込む量）は、部分金型番号「１−１」に対応する部分金型による押込みによって実現されるワークの厚みを目標形状Ｆ１１０と同じ厚みにするために必要な押込み量に設定される。

次に、図７に示す型鍛造工程案Ｆ１４５によるワークの変形過程について説明する。

図８は、型鍛造工程におけるワークの変形過程を示す断面図である。

まず、金型案Ｆ１５０に対応する金型を用いた第１工程では、鍛造前のワークＦ１２０がワークＦ１９０の形状に変形される。具体的には、第１工程では、部分金型番号「１−１」の部分金型Ｆ１５１によって、ワークＦ１２０の領域Ａ１が目標形状Ｆ１１０の形状に成形され、部分金型番号「２−１」の部分金型Ｆ１５２〜Ｆ１５５によって、領域Ａ２〜Ａ５は、目標形状Ｆ１１０の形状には成形されずに、直径が拡大される。

次に、金型案Ｆ１６０に対応する金型を用いた第２工程では、ワークＦ１９０がワークＦ２００の形状に変形される。具体的には、第２工程では、部分金型番号「１−１」の部分金型Ｆ１６２，Ｆ１６３によって、ワークＦ１９０の領域Ａ２，Ａ３が目標形状Ｆ１１０の形状に成形され、部分金型番号「２−１」の部分金型Ｆ１６４，Ｆ１６５によって、領域Ａ４，Ａ５は、目標形状Ｆ１１０の形状には成形されずに、直径が拡大される。なお、第１工程において目標形状Ｆ１１０の形状に成形された領域Ａ１については、部分金型番号「０」の部分金型Ｆ１６１がワークＦ１９０と接触しないので、プレス機構における荷重を低減する効果が得られる。

次に、金型案Ｆ１７０に対応する金型を用いた第３工程では、ワークＦ２００がワークＦ２１０の形状、すなわち、目標形状Ｆ１１０と一致する形状に変形される。具体的には、第２工程では、部分金型番号「１−１」の部分金型Ｆ１７４によって、領域Ａ４は目標形状Ｆ１１０の形状に成形され、部分金型番号「３」の部分金型Ｆ１７５によって、領域Ａ５は、径方向への変形が拘束され、最外周部の成形が行われる。なお、第１工程及び第２工程において既に目標形状Ｆ１１０の形状に成形された領域Ａ１〜Ａ３については、部分金型番号「０」の部分金型Ｆ１７１〜Ｆ１７３がワークＦ２００と接触しないので、プレス機構における荷重を低減する効果が得られる。

＜システム構成＞
次に、一実施形態に係る計算機システムの構成について説明する。

図９は、一実施形態に係る計算機システムの全体構成図である。

計算機システムＦ１０は、プロセス設計システムの一例としてのプロセス設計計算機Ｆ４０と、管理計算機Ｆ２０と、１以上の表示用計算機Ｆ３０とを備える。プロセス設計計算機Ｆ４０と管理計算機Ｆ２０とは、ネットワークＦ１１を介して接続されている。また、プロセス設計計算機Ｆ４０と表示用計算機Ｆ３０とは、ネットワークＦ１１を介して接続されている。

プロセス設計計算機Ｆ４０は、例えば、記憶資源Ｆ４４（図１０参照）とＣＰＵ Ｆ４１（図１０参照）を最低限備えるサーバであり、後述するプロセス設計プログラムＦ４４１（図１０参照）がインストールされている。記憶資源Ｆ４４には、プロセス設計プログラムＦ４４１の入力条件であるワーク形状や目標形状を示すＣＡＤデータや計算実行条件、および計算実行後の工程案の概略図や有限要素解析の解析結果ファイルなどが保存されている。
管理計算機Ｆ２０は、プロセス設計計算機Ｆ４０のシステム管理者によって使用される計算機である。システム管理者は、管理計算機Ｆ２０を利用することにより、プロセス設計計算機Ｆ４０の記憶媒体容量や、ユーザごとの利用率などを監視してサービス運用を行う。

表示用計算機Ｆ３０は、プロセス設計計算機Ｆ４０を利用するユーザによって使用される計算機である。表示用計算機Ｆ３０は、プロセス設計計算機Ｆ４０にアクセスして、プロセス設計計算機Ｆ４０のＧＵＩ Ｆ４４２（図１０参照）に対して、ユーザにより入力された多工程の自動設計条件、許容する鍛造荷重の最大値などといったテキスト形式の情報や、目標形状やワーク形状といったＣＡＤデータの送信を行う。なお、ユーザにより入力された条件はプロセス設計計算機Ｆ４０の記憶資源Ｆ４４に保存され、保存されたデータに基づいてプロセス設計計算機Ｆ４０が工程設計を行う。また、表示用計算機Ｆ３０は、工程設計の結果として得られた工程案を、プロセス設計計算機Ｆ４０のＧＵＩ Ｆ４４２を介して、表示する。これにより、工程案をユーザが閲覧することができる、。

＜＜ハードウェア＞＞
次に、一実施形態に係るプロセス設計計算機の構成について説明する。

図１０は、一実施形態に係るプロセス設計計算機の構成図である。

プロセス設計計算機Ｆ４０は、一例としては、パーソナルコンピュータ、汎用計算機である。プロセス設計計算機Ｆ４０は、プロセッサの一例としてのＣＰＵ Ｆ４１、ネットワークインターフェースＦ４２（図ではＮｅｔ Ｉ／Ｆと省略)、ユーザインターフェースＦ４３(図ではＵｓｅｒ Ｉ／Ｆ)、記憶部の一例としての記憶資源Ｆ４４、及びこれら構成物を接続する内部ネットワークを含む。

ＣＰＵ Ｆ４１は、記憶資源Ｆ４４に格納されたプログラムを実行することができる。記憶資源Ｆ４４は、ＣＰＵ Ｆ４１で実行対象となるプログラムや、このプログラムで使用する各種情報、ＣＡＤデータ等を格納する。本実施形態では、記憶資源Ｆ４４は、プロセス設計プログラムＦ４４１を格納する。記憶資源Ｆ４４としては、例えば、半導体メモリ、フラッシュメモリ、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等であってよく、揮発タイプのメモリでも、不揮発タイプのメモリでもよい。

ネットワークインターフェースＦ４２は、ネットワークＦ１１を介して外部の装置（例えば、管理計算機Ｆ２０、表示用計算機Ｆ３０等）と通信するためのインターフェースである。

ユーザインターフェースＦ４３は、例えば、タッチパネル、ディスプレイ、キーボード、マウス等であるが、作業者（ユーザ）からの操作を受け付け、情報表示ができるのであれば、他のデバイスであってもよい。ユーザインターフェースＦ４３は、これら複数のデバイスで構成されてもよい。

＜＜＜プロセス設計計算機で動作するプログラム＞＞＞
＜プロセス設計プログラム＞
プロセス設計プログラムＦ４４１は、ＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ） Ｆ４４２と、最適工程判定モジュールＦ４４３と、最適工程設計モジュールＦ４４４とを含む。

ＧＵＩ Ｆ４４２は、ＣＰＵ Ｆ４１に実行されることにより、設計条件の入力処理と、目標値を満たす工程案の提示処理を行う。

ＧＵＩ Ｆ４４２は、設計条件の入力画面を表示させて、以下の情報の入力を受け付ける。なお、各情報又は各情報の一部の項目の入力を受け付けなくてもよい。
＊工程設計で設計する最大工程数
＊設計変数の定義、例えば、部分金型の種類、部分金型の割当て領域
＊使用する有限要素シミュレーションソルバーの指定
＊ワーク形状
＊目標形状。目標形状は、この工程案の設計における目標の形状であり、鍛造処理での最終製品の形状であってもよく、鍛造処理における中間の目標形状（中間目標形状）であってもよい。
＊目的関数の定義。目的関数の定義としては、例えば、工程案で鍛造した鍛造形状と目標形状との形状誤差を最小化、鍛造荷重を最小化などといった評価方法を指定してもよい。
＊制約条件。制約条件としては、例えば、使用するプレス機構の鍛造荷重、金型の摩耗等を含んでもよい。
＊有限要素シミュレーションの最大計算回数
＊有限要素シミュレーションにおけるメッシュのサイズ
＊目標値。目標値は、目的関数に関する評価値であり、例えば、許容される形状誤差の値（例えば最大値）、プレス機構において許容される鍛造荷重の値（例えば、最大値）等である。

また、ＧＵＩ Ｆ４４２は、ＣＰＵ Ｆ４１に実行されることにより、目標値を満たす工程案についての結果画面を提示する。結果画面は、以下の情報を含んでもよい。
＊得られた工程案の概略を示す図
＊概略の工程案を詳細表示するための解析結果ファイルへのリンク（閲覧用リンク）。ユーザは、表示用計算機Ｆ３０により、閲覧用リンクを選択することによって、解析結果ファイルにアクセスでき、解析結果の内容（例えば、鍛造荷重、応力、歪み等）を評価することができる。なお、解析結果ファイルへのアクセスおよび解析結果の評価は、表示用計算機Ｆ３０にある有限要素シミュレーションソフトの結果表示機能を利用して行ってもよく、解析結果ファイルのテキストデータに対して表計算ソフトなど用いて行ってもよい。

最適工程判定モジュールＦ４４３は、ＣＰＵ Ｆ４１に実行されることにより、工程案における工程数の指定と、最適工程の可否判定とを行う。最適工程判定モジュールＦ４４３は、ＧＵＩ Ｆ４４２で指定された最大工程数以下の範囲で、固定数を指定する。最適工程の可否判定では、最適工程判定モジュールＦ４４３は、最適工程設計モジュールＦ４４４で決定した最適工程がＧＵＩ Ｆ４４２で指定された形状精度などの目標値を満足しているかを評価することにより、最適工程が目標値を満たす工程案であるか否かを判定する。

最適工程設計モジュールＦ４４４は、ＣＰＵ Ｆ４１に実行されることにより、金型形状などの工程情報生成と、有限要素モデルの生成とシミュレーションの実行と、シミュレーション結果に基づく最適設計条件の探索とを行う。最適工程設計モジュールＦ４４４による具体的な処理については、図１１を参照して後述する。

プロセス設計計算機Ｆ４０では、ＧＵＩ Ｆ４４２が、ユーザから設計条件の入力及び自動設計の開始の指示を受け付けると、入力された条件を、最適工程判定モジュールＦ４４３に渡し、最適工程判定モジュールＦ４４３が、工程数と設計条件を最適工程設計モジュールＦ４４４に入力する。最適工程設計モジュールＦ４４４は、入力された工程数と設計条件とに基づいて最適工程を探索し、導出した最適工程を最適工程判定モジュールＦ４４３に返す。最適工程判定モジュールＦ４４３は、返された最適工程が目標値を満足していれば目標値を満たす工程案をＧＵＩ Ｆ４４２に返し、ＧＵＩ Ｆ４４２が返された最適工程の結果をユーザにより閲覧可能にする。一方、最適工程設計モジュールＦ４４４が返した最適工程が目標値を満足しなければ、最適工程判定モジュールＦ４４３が工程数を再設定し（工程数を１増やし）、最適工程設計モジュールＦ４４４が再設定された工程数に基づいて最適工程の設計をやり直す。

以上のプロセス設計計算機Ｆ４０によると、ユーザはＧＵＩ Ｆ４４２に対する設計条件の入力だけの操作で、試行錯誤的な検討なしに容易に最適工程を設計できる。また，ＧＵＩ Ｆ４４２を使用しているので、ユーザは直感的に操作を行うことができる。

次に、一実施形態に係るプロセス設計計算機Ｆ４０における処理動作について説明する。

＜＜プロセス設計処理＞＞

図１１は、一実施形態に係るプロセス設計処理のフローチャートである。

プロセス設計計算機Ｆ４０のＧＵＩ Ｆ４４２は、最大工程数、部分金型の種類、部分金型の割当て領域、有限要素シミュレーションソルバーなどといった設計条件についてのユーザ入力を受け付ける（ステップ（１））。次に、最適工程判定モジュールＦ４４３は、最適工程を決定する工程の工程数（候補値）を１（第１値の一例）に設定し（ステップ（２））、最適工程設計モジュールＦ４４４が以下の繰り返し処理（ステップ（３−１），（３−２），（３−２））を実行することにより、最適な工程を決定する処理を実行する（ステップ（３））。

繰り返し処理では、最適工程設計モジュールＦ４４４は、繰り返し処理における部分金型の割当てについての条件を決め、この部分金型の割当てについての条件に従って、金型案を生成する（ステップ（３−１））。ここで、部分金型の割当てについての条件とは、各部分金型の割当て領域に対してどの機能を持つ部分金型を割り当てる（設定する）かということであり、この条件の生成においては、最適工程設計モジュールＦ４４４は、最適化ソルバーを用いて行ってもよいし、任意の方法で割当て条件を決定するようにしてもよい。

次に、最適工程設計モジュールＦ４４４は、金型形状の部分金型番号「１−１」，「１−２」を割当てた部分金型の領域のワーク厚みが目標形状の厚みになるように各工程の押込み量の条件生成を行う（ステップ（３−２））。次いで、最適工程設計モジュールＦ４４４は、これらの条件に基づいて有限要素シミュレーションの解析を行い、これらの条件に従う工程により鍛造される鍛造形状と目標形状との形状誤差や、この工程における鍛造荷重などの解析結果を算出する（ステップ（３−３））。

ステップ（３）では、最適工程設計モジュールＦ４４４は、上記した繰り返し処理を実行して、それらの繰り返し処理で得られた結果に基づいて、所定の目標値が最小となる工程を決定することで、指定された工程数における最適工程を導出し、導出した最適工程を最適工程判定モジュールＦ４４３に通知する。ここで、目標値は、例えば、プレス設備の荷重制約の下での目標形状との形状誤差に関する値（目標形状精度）、すなわち、鍛造されたワークの形状と、目標形状との形状の一致度に関する値としてもよい。

次いで、最適工程判定モジュールＦ４４３は、通知された最適工程が、所定の目標値（目標形状精度など）を満足しているか否かを判定する（ステップ（４））。この結果、最適工程が、所定の目標値を満足していないと判定した場合（ステップ（４）：Ｎｏ）には、最適工程判定モジュールＦ４４３は、最適工程を判定する工程数を１増やして最適工程設計モジュールＦ４４４に通知し（ステップ（５））、処理をステップ（３）に進める。これにより、ステップ（３）では、工程数を１増やした値（第２値の一例）に対して最適工程を決定する処理が行われることとなる。

一方、最適工程が、所定の目標値を満足していると判定した場合（ステップ（４）：Ｙｅｓ）には、最適工程判定モジュールＦ４４３は、目標値を満足している最適工程を、プロセスにおける最適な工程案としてＧＵＩ Ｆ４４２に渡し、ＧＵＩ Ｄ４４２は、この工程案を出力することによりユーザに提示し（ステップ（６））、処理を終了する。

上記したプロセス設計処理によると、金型案を含む工程案を、ユーザが試行錯誤的な検討をすることなく、適切に設計することができる。また、本実施形態では、最適工程を導出する工程数を１から順に設定するようにし、設定された工程数での最適工程を導出し、導出した最適工程が目標値を満足するか否かにより、目標形状を得るためのプロセスでの最適な工程案とすることで、目標形状を得るための工程数を最小の工程数とすることができ、従来の試行錯誤的な工程案より工程数を減らせる可能性がある。これにより、実際の加工に使用する金型の個数を低減できることによりコストの削減を実現でき、また、工程数削減による製造リードタイムの短縮を実現できる。

＜バリエーション＞
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また，ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また，各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

＜＜中間目標形状を経た目標形状の生成＞＞
未加工のワークから目標形状を生成する際において、例えば、プレス機構の鍛造荷重等によっては、所定の中間目標形状を経て目標形状を生成することがある。例えば、図８に示すように未加工のワークＦ１２０からワークＦ１９０を１つの工程で生成することができない場合には、未加工のワークＦ１２０を一旦中間目標形状とすることが行われる。

図１２は、ワークから中間目標形状を経て鍛造工程での最終的な目標形状を生成する際におけるワークの変形過程を示す断面図である。

ワークＦ１２０から最終的な目標形状Ｆ１１０を生成する場合においては、ワークＦ１２０に対して１以上の工程により中間目標形状Ｆ２１５を生成し、１以上の工程により中間目標形状Ｆ２１５から目標形状Ｆ１１０を生成する。

ここで、ワークＦ１２０から中間目標形状Ｆ２１５を経て鍛造鍛造での最終的な目標形状Ｆ２１０を生成する際における工程案を生成する処理について説明する。

まず、プロセス設計計算機Ｆ４０は、未加工のワークＦ１２０から中間目標形状Ｆ２１５を生成するための型鍛造プロセスの工程案を、図１１に示すプロセス設計処理を実行することにより生成する。ここで、このプロセス設計処理においては、目標形状や目標形状に対する条件等に代えて、中間目標形状や中間目標形状に対する条件等を入力する。

このプロセス設計処理によって、ワークＦ１２０から中間目標形状Ｆ２１５を生成する際の最適工程となる工程案が決定される。このプロセス設計処理によると、例えば、例えば、図１３に示す１工程から構成される工程案が決定される。

図１３は、未加工のワークから中間目標形状を生成する際の工程案の一例を示す図である。

工程案Ｆ２１６は、１つの工程であり、この工程では、金型案Ｆ２２０が使用される。金型案Ｆ２２０は、領域Ａ１〜Ａ５に対応する部分金型Ｆ２２１〜Ｆ２２５により構成されている。部分金型Ｆ２２１〜Ｆ２２５には、部分金型番号「１−１」に対応する部分金型が割り当てられている。したがって、金型案Ｆ２２０は、ワーク側の全面が平坦な形状の金型である。なお、この工程の押込み量は、部分金型番号「１−１」に対応する部分金型による押込みによって実現されるワークの厚みを中間目標形状Ｆ２１５と同じ厚みにするために必要な押込み量に設定される。

次に、プロセス設計計算機Ｆ４０は、中間目標形状Ｆ２１５から目標形状Ｆ２１０を生成するための型鍛造プロセスの工程案を、図１１に示すプロセス設計処理を実行することにより生成する。ここで、このプロセス設計処理においては、ワーク形状に代えて、中間目標形状を入力する。

このプロセス設計処理によって、中間目標形状Ｆ２１５から目標形状Ｆ２１０を生成する際の最適工程となる工程案が決定される。このプロセス設計処理によると、例えば、図７に示す、３工程から構成される工程案Ｆ１４５が決定される。

次に、プロセス設計計算機Ｆ４０は、未加工のワークＦ１２０から中間目標形状Ｆ２１５を生成する工程案Ｆ２１６と、中間目標形状Ｆ２１５から目標形状Ｆ２１０を生成する工程案Ｆ１４５とを組み合わせた工程案を、未加工のワークＦ１２０から目標形状Ｆ２１０を生成するための工程案とする。この工程案は、４種類の金型Ｆ２２０，Ｆ１５０，Ｆ１６０，Ｆ１７０をそれぞれ用いる４つの工程から構成されている。

以上説明したように、未加工のワークから中間目標形状を経て目標形状を生成するプロセスにおける工程案を容易に設計することができる。

次に、工程案Ｆ２１６と、工程案Ｆ１４５とを組み合わせた工程案におけるワークの変形過程について説明する。

図１４は、型鍛造工程におけるワークの変形過程を示す断面図である。

まず、第１工程では、金型Ｆ２２０に対応する金型が用いられ、加工前のワークＦ１２０が中間目標形状Ｆ２１５に変形される。具体的には、第１工程では、部分金型番号「１−１」の部分金型Ｆ２２１〜Ｆ２２５によって、ワークＦ１２０の領域Ａ１〜Ａ５が中間目標形状Ｆ２１５の形状に成形される。

以降においては、図８を用いて既に説明したように、目標中間形状Ｆ２１５は、ワークＦ１９０、ワークＦ２００を経て、目標形状Ｆ２１０に成形される。

＜＜部分金型＞＞
なお、上記実施形態では、目標形状に基づいて部分金型の領域を決定していたが、部分金型の領域はこれに限られず、目標形状に関わらず、任意の領域としてもよい。例えば、目標形状の中心側の領域に対応する部分金型の径方向の幅を、目標形状の中心軸に近いほど大きくし、中心軸から離れるほど小さくしてもよい。また、上記実施形態では、部分金型の上面形状を円形、又は円環状としていたが、部分金型の上面形状はこれに限られず、任意の形状としてもよい。例えば、部分金型を、八面体（例えば、上面形状が六角形の八面体）としてもよい。

また、金型（仮想金型）における部分金型の数は、任意に決定してもよい。また、例えば、部分金型の数を固定的に決定していてもよいし、プロセス設計処理において目標値を満たさない場合（ステップ（４）：Ｎｏ）に、より大きな数に変更するようにしてもよい。

＜＜その他＞＞
また、上記実施形態では、プロセス設計計算機Ｆ４０に有限要素シミュレーションの実行機能を備え、この有限要素シミュレーションの実行機能を利用する例を示していたが、本発明はこれに限られず、有限要素シミュレーションの実行は、必ずしもプロセス設計計算機Ｆ４０において行わなくてもよい。例えば、有限要素モデルの生成は、プロセス設計計算機Ｆ４０で実行し、有限要素シミュレーションについては、例えば、表示用計算機Ｆ３０にある、ユーザが既に所有している有限要素シミュレーションソフトを用いて解析を実行し、得られた解析結果をプロセス設計計算機Ｆ４０に返すようにしてもよい。この場合、プロセス設計計算機Ｆ４０において有限要素シミュレーションを実行しなくてもよいので、プロセス設計計算機Ｆ４０の負荷を軽減することができる。また、プロセス設計計算機Ｆ４０にある有限要素シミュレーションソフトの実行を行うとユーザの費用負担が発生するような場合には、プロセス設計計算機Ｆ４０で有限要素シミュレーションソフトの実行をしなくてもよくなるので、プロセス設計計算機Ｆ４０を利用する費用を低減することができる。

また、上記実施形態では、プロセス設計システムを、１つのプロセス設計計算機Ｆ４０により構成する例を示していたが、本発明はこれに限られず、プロセス設計システムを複数の計算機により構成するようにしてもよい。

例えば、部分金型の機能は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な機能としてもよい。例えば、鍛造前のワークの位置あわせを行う機能を含んでもよい。部分金型の機能の種類を増やすことで、操業条件、成形性、ワークの材料特性などを加味した適切な金型案を含む工程案を決定できる。

また、上記実施形態では、軸対称の目標形状を例に説明したが、本発明はこれに限られず、目標形状が３次元複雑形状である場合にも適用できる。また、上下対称の目標形状を例に説明したが、上下対称の形状でなくてもよい。この場合には、上側の金型と、下側の金型の形状とを別に考慮するようにすればよく、例えば、上側の金型の部分金型と、下側の金型の部分金型とは、対応する領域の幅（径方向の幅）が異なっていてもよく、また、金型を構成する部分金型の個数が異なっていてもよい。

また、上記実施形態において、ＣＰＵ Ｆ４１が行っていた処理の一部又は全部を、ハードウェア回路で行うようにしてもよい。また、上記実施形態におけるプログラムは、プログラムソースからインストールされてよい。プログラムソースは、プログラム配布サーバ又は不揮発性の記憶メディア（例えば可搬型の記憶メディア）であってもよい。

Ｆ１０…計算機システム、Ｆ１１…ネットワーク、Ｆ２０…管理計算機、Ｆ３０…表示用計算機、Ｆ４０…プロセス設計計算機、Ｆ４１…ＣＰＵ、Ｆ４２…ネットワークインターフェース、Ｆ４３…ユーザインターフェース、Ｆ４４…記憶資源

Claims (15)

1. プロセッサを備え、ワークを所定の目標形状に成形する１以上の工程を含む工程案を生成するプロセス設計システムであって、
   前記プロセッサは、
   前記ワークの形状と、前記目標形状との入力を受け付け、
   前記ワークの形状と目標形状とに基づいて、各工程で使用する金型案を含む工程案を決定し、
   前記工程案を決定する際に、各工程について複数の仮想金型ブロックにより構成される仮想金型を定義し、前記各工程における前記仮想金型による鍛造についてのシミュレーションを実行して解析する、
   プロセス設計システム。
2. 請求項１に記載のプロセス設計システムであって、
   前記仮想金型ブロックに割り当て可能な複数の役割が予め設定されており、
   前記プロセッサは、
   前記仮想金型ブロックに割り当てる役割と、前記目標形状とに基づいて、前記仮想金型ブロックの形状を決定する、
   プロセス設計システム。
3. 請求項１に記載のプロセス設計システムであって、
   前記プロセッサは、
   前記シミュレーションによる解析結果が所定の目標値を満足する、すべての工程における前記仮想金型を金型案に決定する
   プロセス設計システム。
4. 請求項３に記載のプロセス設計システムであって、
   前記目標値は、
   前記解析結果により得られるワークの形状と、前記目標形状との形状の一致度に関する値である
   プロセス設計システム。
5. 請求項３に記載のプロセス設計システムであって、
   前記プロセッサは、
   前記工程案の工程数の候補値として第１値に設定し、
   前記候補値に対応する工程数の各工程での前記仮想金型を定義し、
   前記候補値に対応する工程数での前記解析結果が所定の目標値を満足しない場合に、前記第１値よりも大きい第２値を新たな候補値として、処理を繰り返す
   プロセス設計システム。
6. 請求項１に記載のプロセス設計システムであって、
   前記目標形状は、中心軸に対して対称の形状であり、
   前記仮想金型ブロックは、前記中心軸を中心とする円形、又は円環状の領域に対応する、
   プロセス設計システム。
7. 請求項２に記載のプロセス設計システムであって、
   前記仮想金型ブロックに割り当て可能な役割は、ワークへの加圧なし、ワークへの目標形状の転写、ワークの直径拡大、又は、ワークの径方向への変形の拘束の少なくとも複数を含む
   プロセス設計システム。
8. ワークを所定の目標形状に成形する１以上の工程を含む工程案を生成するプロセス設計方法であって、
   前記ワークの形状と、前記目標形状とを受け付け、
   前記ワークの形状と目標形状とに基づいて、各工程で使用する金型案を含む工程案を決定し、
   前記工程案を決定する際に、各工程について複数の仮想金型ブロックにより構成される仮想金型を定義し、前記各工程における前記仮想金型による鍛造についてのシミュレーションを実行して解析する、
   プロセス設計方法。
9. 請求項８に記載のプロセス設計方法であって、
   前記仮想金型ブロックに割り当て可能な複数の役割が予め設定されており、
   前記仮想金型ブロックに割り当てる役割と、前記目標形状とに基づいて、前記仮想金型ブロックの形状を決定する、
   プロセス設計方法。
10. 請求項８に記載のプロセス設計方法であって、
    前記シミュレーションによる解析結果が所定の目標値を満足する、各工程における前記仮想金型を金型案に決定する
    プロセス設計方法。
11. 請求項１０に記載のプロセス設計方法であって、
    前記目標値は、
    前記解析結果により得られるワークの形状と、前記目標形状との形状の一致度に関する値である
    プロセス設計方法。
12. 請求項１０に記載のプロセス設計方法であって、
    前記工程案の工程数の候補値として第１値に設定し、
    前記候補値に対応する工程数の各工程での前記仮想金型を定義し、
    前記候補値に対応する工程数での前記解析結果が所定の目標値を満足しない場合に、前記第１値よりも大きい第２値を新たな候補値として、処理を繰り返す
    プロセス設計方法。
13. 請求項８に記載のプロセス設計方法であって、
    前記目標形状は、中心軸に対して対称の形状であり、
    前記仮想金型ブロックは、前記中心軸を中心とする円形、又は円環状の領域に対応する、
    プロセス設計方法。
14. 請求項９に記載のプロセス設計方法であって、
    前記仮想金型ブロックに割り当て可能な役割は、ワークへの加圧なし、ワークへの目標形状の転写、ワークの直径拡大、又は、ワークの径方向への変形の拘束の少なくとも複数を含む
    プロセス設計方法。
15. 請求項８から請求項１４のいずれか一項に記載のプロセス設計方法を計算機に実行させるプロセス設計プログラム。