JP7405215B1 - プレス成形解析方法及び装置、プレス成形解析プログラム、プレス成形品の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】新規の部品形状や材料をプレス成形する際にプレス金型に作用するプレス成形荷重を事前に予測できるプレス成形解析方法及び装置を得る。また、コンピュータを前記プレス成形解析装置として機能させるプレス成形解析プログラムを提供する。さらに、プレス成形解析方法によって予測されたプレス成形荷重に基づいて選定されたプレス機によってプレス成形品を製造するプレス成形品の製造方法を提供する。【解決手段】本発明に係るプレス成形解析方法は、仮想的な厚みを持たせた金型モデルを二次元要素によって作成し、実金型におけるリブに相当する部位が剛体、リブ以外が非剛体となるように、前記二次元要素の境界条件を設定する金型モデル作成工程（Ｓ１）と、該金型モデル作成工程（Ｓ１）によって作成された金型モデルを用いてプレス成形解析を行い、プレス成形荷重を取得するプレス成形荷重取得工程（Ｓ３）と、を備えている。【選択図】 図１
Description
本発明は、金属部材のプレス加工に伴うプレス金型に作用するプレス成形荷重を予測できるプレス成形解析方法及び装置、コンピュータをプレス成形解析装置として機能させるプレス成形解析プログラム、プレス成形品の製造方法に関する。
本明細書において、金属部材とは、熱延鋼板、冷延鋼板、あるいは鋼板に表面処理（電気亜鉛めっき、溶融亜鉛めっき、有機皮膜処理等）を施した表面処理鋼板をはじめ、ＳＵＳ、アルミニウム、マグネシウム等、各種金属類から構成される金属板を含む。
本明細書において、金属部材とは、熱延鋼板、冷延鋼板、あるいは鋼板に表面処理（電気亜鉛めっき、溶融亜鉛めっき、有機皮膜処理等）を施した表面処理鋼板をはじめ、ＳＵＳ、アルミニウム、マグネシウム等、各種金属類から構成される金属板を含む。
自動車の軽量化による燃費向上や衝突安全性向上等のニーズの高まりから、自動車車体における高張力鋼板の適用が拡大している。高張力鋼板はその延性の低さによる成形性の低下や、材料強度が高いことに起因する寸法精度の悪化が高張力鋼板を適用するための課題とされている。
また、高張力鋼板をプレス成形する際にはプレス成形荷重が増加するが、このプレス成形荷重がプレス機との関係で所定値を超える場合には、プレスラインの変更や部品の分割が必要となる。
そのため、事前にプレス成形荷重を正確に予測できるプレス成形解析方法が求められている。
そのため、事前にプレス成形荷重を正確に予測できるプレス成形解析方法が求められている。
この点、特許文献１には実機でのプレス下死点の成形荷重と、成形解析によるプレス下死点前のストロークでの成形荷重の相関近似式を求め、その相関近似式からプレス成形荷重を求める方法が提案されている。
特許文献１では、あらかじめ実機でのプレス下死点での成形荷重を求めることが必要であるため、新規の部品形状や材料でのプレス成形荷重を事前に予測することは出来ない。
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、新規の部品形状や材料をプレス成形する際にプレス金型に作用するプレス成形荷重を事前に予測できるプレス成形解析方法及び装置を得ることを目的としている。
また、コンピュータを前記プレス成形解析装置として機能させるプレス成形解析プログラムを提供することを目的としている。
さらに、プレス成形解析方法によって予測されたプレス成形荷重に基づいて選定されたプレス機によってプレス成形品を製造するプレス成形品の製造方法を提供することを目的としている。
また、コンピュータを前記プレス成形解析装置として機能させるプレス成形解析プログラムを提供することを目的としている。
さらに、プレス成形解析方法によって予測されたプレス成形荷重に基づいて選定されたプレス機によってプレス成形品を製造するプレス成形品の製造方法を提供することを目的としている。
（１）本発明に係るプレス成形解析方法は、プレス金型に作用するプレス成形荷重を予測できる方法であって、
仮想的な厚みを持たせた金型モデルを二次元要素によって作成し、実金型におけるリブに相当する部位が剛体、リブ以外が非剛体となるように、前記二次元要素の境界条件を設定する金型モデル作成工程と、
該金型モデル作成工程によって作成された金型モデルを用いてプレス成形解析を行い、プレス成形荷重を取得するプレス成形荷重取得工程と、を備え、
前記金型モデル作成工程は、前記金型モデルに仮想的な厚みを持たせるために、金型表面から所定の距離だけ前記二次元要素の配置をオフセットさせると共に、オフセット量に応じて、前記金型モデルの撓みが実金型の撓みと等価となるように前記二次元要素の境界条件を設定することを特徴とするものである。
仮想的な厚みを持たせた金型モデルを二次元要素によって作成し、実金型におけるリブに相当する部位が剛体、リブ以外が非剛体となるように、前記二次元要素の境界条件を設定する金型モデル作成工程と、
該金型モデル作成工程によって作成された金型モデルを用いてプレス成形解析を行い、プレス成形荷重を取得するプレス成形荷重取得工程と、を備え、
前記金型モデル作成工程は、前記金型モデルに仮想的な厚みを持たせるために、金型表面から所定の距離だけ前記二次元要素の配置をオフセットさせると共に、オフセット量に応じて、前記金型モデルの撓みが実金型の撓みと等価となるように前記二次元要素の境界条件を設定す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、前記金型モデル作成工程における境界条件は、変位拘束、弾性係数、板厚、密度、質量、降伏強度のいずれか一つ又はこれらの組み合わせからな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、前記二次元要素は、弾性又は弾塑性の二次元要素であることを特徴とするものである。
（４）本発明に係るプレス成形解析装置は、プレス金型に作用するプレス成形荷重を予測できるものであって、
仮想的な厚みを持たせた金型モデルを二次元要素によって作成し、実金型におけるリブに相当する部位が剛体、リブ以外が非剛体となるように、前記二次元要素の境界条件を設定する金型モデル作成部と、
該金型モデル作成部によって作成された金型モデルを用いてプレス成形解析を行い、プレス成形荷重を取得するプレス成形荷重取得部と、を備え、
前記金型モデル作成部は、前記金型モデルに仮想的な厚みを持たせるために、金型表面から所定の距離だけ前記二次元要素の配置をオフセットさせると共に、オフセット量に応じて、前記金型モデルの撓みが実金型の撓みと等価となるように前記二次元要素の境界条件を設定することを特徴とするものである。
仮想的な厚みを持たせた金型モデルを二次元要素によって作成し、実金型におけるリブに相当する部位が剛体、リブ以外が非剛体となるように、前記二次元要素の境界条件を設定する金型モデル作成部と、
該金型モデル作成部によって作成された金型モデルを用いてプレス成形解析を行い、プレス成形荷重を取得するプレス成形荷重取得部と、を備え、
前記金型モデル作成部は、前記金型モデルに仮想的な厚みを持たせるために、金型表面から所定の距離だけ前記二次元要素の配置をオフセットさせると共に、オフセット量に応じて、前記金型モデルの撓みが実金型の撓みと等価となるように前記二次元要素の境界条件を設定す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解析プログラムは、コンピュータを上記（４）に記載のプレス成形解析装置として機能させることを特徴とするものである。
（６）本発明にかかるプレス成形品の製造方法は、上記（１）又は（２）に記載のプレス成形解析方法によってプレス成形荷重を取得する工程と、
取得したプレス成形荷重の加圧能力を有する適切なプレス機を選定するプレス機選定工程と、
該プレス機を用いてプレス成形を行うプレス成形工程を含むことを特徴とするものである。
取得したプレス成形荷重の加圧能力を有する適切なプレス機を選定するプレス機選定工程と、
該プレス機を用いてプレス成形を行うプレス成形工程を含むことを特徴とするものである。
本発明によれば、新規の部品形状や材料をプレス成形する際にプレス金型に作用するプレス成形荷重を事前に精度よく予測することができる。
また、その結果として部品を生産するのに適正な加圧能力を有するプレス機を選択することが出来るようになる。
さらに、適切な加圧能力を有するプレス機を選択してプレス成形品をプレス成形することにより、プレス機のフレーム等の弾性変形によるプレス金型の寿命の低下を抑えることができ、プレス成形品のバリ等の発生を抑止して製造効率を向上することができる。
また、その結果として部品を生産するのに適正な加圧能力を有するプレス機を選択することが出来るようになる。
さらに、適切な加圧能力を有するプレス機を選択してプレス成形品をプレス成形することにより、プレス機のフレーム等の弾性変形によるプレス金型の寿命の低下を抑えることができ、プレス成形品のバリ等の発生を抑止して製造効率を向上することができる。
まず、本発明に至った経緯について説明する。
発明者らは、有限要素法（FEM）によるプレス成形解析を用いてプレス成形荷重を予測できるプレス成形解析方法を検討するにあたり、まず、プレス成形荷重が正確に予測できない理由について検討した。
発明者らは、有限要素法（FEM）によるプレス成形解析を用いてプレス成形荷重を予測できるプレス成形解析方法を検討するにあたり、まず、プレス成形荷重が正確に予測できない理由について検討した。
一般的に、有限要素法においてプレス金型のモデル化には剛体の二次元要素が適用されている。このような二次元要素を用いたプレス成形解析では、プレス成形下死点付近においてプレス成形荷重が急激に増加する。
発明者は、この現象について検討し、本来弾塑性体であるプレス金型を、全く変形しない剛体として取り扱っているため、プレス成形下死点での金型の変形が再現されず、プレス成形品２１（ブランク）だけが過剰に変形させられているためであることを突き止めた。
発明者は、この現象について検討し、本来弾塑性体であるプレス金型を、全く変形しない剛体として取り扱っているため、プレス成形下死点での金型の変形が再現されず、プレス成形品２１（ブランク）だけが過剰に変形させられているためであることを突き止めた。
そして、プレス成形荷重を正確に予測するためには、プレス金型の変形を考慮したプレス成形解析が必要であると考えた。
この点、プレス金型の構造を非剛体のソリッド要素（三次元要素）で表現してプレス金型の変形を考慮するプレス成形解析は実施されているが、計算時間が膨大となり実用には適していない。
そこで、計算時間の短いシェル要素（二次元要素）でプレス金型の変形を考慮する方法を検討した。そして、プレス金型の表面を非剛体（弾性もしくは弾塑性）のシェルモデル（二次元要素）として仮想的な厚みを持たせてプレス金型をモデル化し、境界条件によって剛性を付与すればよい、との結論に至った。
この点、プレス金型の構造を非剛体のソリッド要素（三次元要素）で表現してプレス金型の変形を考慮するプレス成形解析は実施されているが、計算時間が膨大となり実用には適していない。
そこで、計算時間の短いシェル要素（二次元要素）でプレス金型の変形を考慮する方法を検討した。そして、プレス金型の表面を非剛体（弾性もしくは弾塑性）のシェルモデル（二次元要素）として仮想的な厚みを持たせてプレス金型をモデル化し、境界条件によって剛性を付与すればよい、との結論に至った。
本発明は、かかる検討結果に基づいてなされたものであり、具体的には以下の構成を備えたものである。
［実施の形態１］
本発明に係るプレス成形解析方法は、プレス金型に作用するプレス成形荷重を予測できるプレス成形解析方法であって、図１に示すように、金型モデル作成工程（Ｓ１）と、プレス成形荷重取得工程（Ｓ３）と、を備えている。以下、各工程を詳細に説明する。
本発明に係るプレス成形解析方法は、プレス金型に作用するプレス成形荷重を予測できるプレス成形解析方法であって、図１に示すように、金型モデル作成工程（Ｓ１）と、プレス成形荷重取得工程（Ｓ３）と、を備えている。以下、各工程を詳細に説明する。
＜金型モデル作成工程＞
金型モデル作成工程（Ｓ１）は、仮想的な厚みを持たせた金型モデルを二次元要素によって作成し、実金型におけるリブに相当する部位が剛体、リブ以外が非剛体となるように、前記二次元要素の境界条件を設定する工程である。
金型モデル作成工程（Ｓ１）は、仮想的な厚みを持たせた金型モデルを二次元要素によって作成し、実金型におけるリブに相当する部位が剛体、リブ以外が非剛体となるように、前記二次元要素の境界条件を設定する工程である。
そして、金型モデルに仮想的な厚みを持たせるために、金型表面から所定の距離だけ二次元要素の配置をオフセットさせると共に、オフセット量に応じて、金型モデルの撓みが実金型の撓みと等価となるように二次元要素の境界条件を設定する。
金型モデル作成工程（Ｓ１）における境界条件は、変位拘束、弾性係数、板厚、密度、質量、降伏強度のいずれか一つ又はこれらの組み合わせからなるものである。
また、二次元要素は、弾性又は弾塑性の二次元要素であればよい。
金型モデル作成工程（Ｓ１）における境界条件は、変位拘束、弾性係数、板厚、密度、質量、降伏強度のいずれか一つ又はこれらの組み合わせからなるものである。
また、二次元要素は、弾性又は弾塑性の二次元要素であればよい。
＜プレス成形荷重取得工程＞
プレス成形荷重取得工程（Ｓ３）は、金型モデル作成工程（Ｓ１）によって作成された金型モデルを用いてプレス成形解析を行い、プレス成形荷重を取得する工程である。
取得するプレス成形荷重は、プレス金型全体にかかる荷重であっても、プレス金型の面圧分布であってもよい。
プレス成形荷重取得工程（Ｓ３）は、金型モデル作成工程（Ｓ１）によって作成された金型モデルを用いてプレス成形解析を行い、プレス成形荷重を取得する工程である。
取得するプレス成形荷重は、プレス金型全体にかかる荷重であっても、プレス金型の面圧分布であってもよい。
本実施の形態においては、プレス金型の表面を非剛体（弾性もしくは弾塑性）のシェルモデル（二次元要素）として仮想的な厚みを持たせてプレス金型をモデル化し、境界条件によって剛性を付与している。このため、プレス成形荷重を取得するための、有限要素法によるプレス成形解析の計算に時間がかからないので、プレス金型の構造に非剛体のソリッド要素（三次元要素）を用いたプレス成形解析と比較して、計算時間を短縮できる。また、金型モデルの剛性分布設定の変更に際しては境界条件を変更すれば足りるので、金型モデルのモデリングを都度行う必要もなく、プレス成形荷重を低減できるプレス金型構造を短時間で設計できるようになる。
［実施の形態２］
実施の形態１で説明したプレス成形解析方法は、予め設定されたプログラムをコンピュータに実行させることで実現できる。そのような装置の一例であるプレス成形解析装置を本実施の形態で説明する。
本実施の形態に係るプレス成形解析装置１は、図２に示すように、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）等のコンピュータによって構成され、表示装置３、入力装置５、記憶装置７、作業用データメモリ９及び演算処理部１１を有している。
そして、表示装置３、入力装置５、記憶装置７及び作業用データメモリ９は、演算処理部１１に接続され、演算処理部１１からの指令によってそれぞれの機能が実行される。
以下、本実施の形態に係るプレス成形解析装置１の各構成について説明する。
実施の形態１で説明したプレス成形解析方法は、予め設定されたプログラムをコンピュータに実行させることで実現できる。そのような装置の一例であるプレス成形解析装置を本実施の形態で説明する。
本実施の形態に係るプレス成形解析装置１は、図２に示すように、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）等のコンピュータによって構成され、表示装置３、入力装置５、記憶装置７、作業用データメモリ９及び演算処理部１１を有している。
そして、表示装置３、入力装置５、記憶装置７及び作業用データメモリ９は、演算処理部１１に接続され、演算処理部１１からの指令によってそれぞれの機能が実行される。
以下、本実施の形態に係るプレス成形解析装置１の各構成について説明する。
≪表示装置≫
表示装置３は、解析結果の表示等に用いられ、液晶モニター等で構成される。
表示装置３は、解析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≫
入力装置５は、ブランクやプレス成形品等の表示指示や操作者の条件入力等に用いられ、キーボードやマウス等で構成される。
入力装置５は、ブランクやプレス成形品等の表示指示や操作者の条件入力等に用いられ、キーボードやマウス等で構成される。
≪記憶装置≫
記憶装置７は、金型ＣＡＤデータ、ブランク及びプレス成形品の形状ファイル等の各種ファイルの記憶等に用いられ、ハードディスク等で構成される。
記憶装置７は、金型ＣＡＤデータ、ブランク及びプレス成形品の形状ファイル等の各種ファイルの記憶等に用いられ、ハードディスク等で構成される。
≪作業用データメモリ≫
作業用データメモリ９は、演算処理部１１で使用するデータの一時保存や演算に用いられ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等で構成される。
作業用データメモリ９は、演算処理部１１で使用するデータの一時保存や演算に用いられ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等で構成される。
≪演算処理部≫
演算処理部１１は、図２に示すように、金型モデル作成部１３と、プレス成形荷重取得部１５と、を有し、ＣＰＵ（中央演算処理装置）によって構成される。
これらの各部は、ＣＰＵが所定のプログラムを実行することによって機能する。
演算処理部１１における上記の各部の機能を以下に説明する。
演算処理部１１は、図２に示すように、金型モデル作成部１３と、プレス成形荷重取得部１５と、を有し、ＣＰＵ（中央演算処理装置）によって構成される。
これらの各部は、ＣＰＵが所定のプログラムを実行することによって機能する。
演算処理部１１における上記の各部の機能を以下に説明する。
金型モデル作成部１３は、仮想的な厚みを持たせた金型モデルを二次元要素によって作成し、実金型におけるリブに相当する部位が剛体、リブ以外が非剛体となるように、前記二次元要素の境界条件を設定するものであり、実施の形態１において説明した金型モデル作成工程（Ｓ１）を実行する。
プレス成形荷重取得部１５は、剛性分布を設定した金型モデルを用いてプレス成形解析を行い、プレス成形荷重を取得するものであり、実施の形態１において説明したプレス成形荷重取得工程（Ｓ３）を実行する。
本実施の形態に係るプレス成形解析装置１によれば、実施の形態１と同様に、プレス成形荷重を低減できるプレス金型の構造を短時間で設計できる。
なお、上述したように、本実施の形態のプレス成形解析装置１における金型モデル作成部１３、プレス成形荷重取得部１５は、ＣＰＵが所定のプログラムを実行することで実現されるものである。
したがって、本発明に係るプレス成形解析プログラムは、コンピュータを、金型モデル作成部１３、プレス成形荷重取得部１５として機能させるもの、と特定することができる。
したがって、本発明に係るプレス成形解析プログラムは、コンピュータを、金型モデル作成部１３、プレス成形荷重取得部１５として機能させるもの、と特定することができる。
本発明の効果を確認するため具体的なプレス成形解析を行ったので、以下説明する。
図３に実施例の対象とするプレス成形品２１の部品形状を示す。プレス成形品２１は、平面視で略Ｓ字状に湾曲し、天板部２３と、天板部２３の両側の縦壁部２５と、縦壁部２５の下端のフランジ部２７とを備えたハット断面形状である。天板部２３と縦壁部２５を繋ぐパンチ肩Ｒ部２９及び縦壁部２５とフランジ部２７を繋ぐダイ肩Ｒ部３１の曲率半径は6mmである。
また、プレス成形品２１の材質は冷延1180MPa級高張力鋼板、板厚1.6mmである。
図３に実施例の対象とするプレス成形品２１の部品形状を示す。プレス成形品２１は、平面視で略Ｓ字状に湾曲し、天板部２３と、天板部２３の両側の縦壁部２５と、縦壁部２５の下端のフランジ部２７とを備えたハット断面形状である。天板部２３と縦壁部２５を繋ぐパンチ肩Ｒ部２９及び縦壁部２５とフランジ部２７を繋ぐダイ肩Ｒ部３１の曲率半径は6mmである。
また、プレス成形品２１の材質は冷延1180MPa級高張力鋼板、板厚1.6mmである。
図３に示したプレス成形品２１を成形する金型３３を図４に示す。図４に示す金型３３は、図３に示す部品を成形する金型３３（パンチ、ダイ等）のうちダイに相当するものであり、他の金型３３であるパンチ等はダイに対応する形状を有しているが、以下においては、図４に示す金型３３（ダイ）を例に挙げて説明する。
図４（ａ）に示すように、金型３３の成形面側には、部品に対応する溝形状部３５が形成されており、溝底の両側にはプレス成形品２１のパンチ肩Ｒ部２９に相当する第１Ｒ部３７を有し、また、溝の入口部には、プレス成形品２１のダイ肩Ｒ部３１に相当する第２Ｒ部３９を有している。これら第１Ｒ部３７及び第２Ｒ部３９の曲率半径は6mmである。
また、金型３３は図４（ｂ）に示すように、周縁が変形しないリブ形状部４１となっており、また溝底に相当する部分も変形しないリブ形状相当部４３となっている。リブ形状部４１及びリブ形状相当部４３以外の部分は、変形する部位でありその厚みは30mmである。
また、金型３３は図４（ｂ）に示すように、周縁が変形しないリブ形状部４１となっており、また溝底に相当する部分も変形しないリブ形状相当部４３となっている。リブ形状部４１及びリブ形状相当部４３以外の部分は、変形する部位でありその厚みは30mmである。
本実施例では、図４に示す金型３３をシェル要素でモデル化した従来金型モデル４５（図５参照）と、本発明を適用してモデル化した発明例金型モデル４７（図６参照）とによって、プレス成形解析を行って成形荷重を求める。そして、プレス成形解析で求めた成形荷重と、実機における成形荷重とを比較する。
図５に示す従来金型モデル４５は、金型変形を考慮せず、ブランクと接触する金型表面に二次元要素（シェル要素）によるメッシュを単に配置し、メッシュ全体を剛体として設定したものである。
他方、発明例金型モデル４７は、二次元要素（シェル要素）を非剛体として設定して弾性範囲の金型変形を考慮したものである。すなわち、二次元要素によるメッシュに仮想的な厚みを持たせた金型モデル４７を作成し、実金型におけるリブ形状部４１及びリブ形状相当部４３に相当する部位が剛体、これら以外が非剛体となるように、二次元要素の境界条件を設定したものである。
図６においては、剛体とした部分の色を濃いグレーにしている。
他方、発明例金型モデル４７は、二次元要素（シェル要素）を非剛体として設定して弾性範囲の金型変形を考慮したものである。すなわち、二次元要素によるメッシュに仮想的な厚みを持たせた金型モデル４７を作成し、実金型におけるリブ形状部４１及びリブ形状相当部４３に相当する部位が剛体、これら以外が非剛体となるように、二次元要素の境界条件を設定したものである。
図６においては、剛体とした部分の色を濃いグレーにしている。
ここで、二次元要素によるメッシュ（金型モデル）に仮想的な金型の厚みを持たせる方法について、金型の平坦な部分（Ｒ部以外）の断面を模式的に示した図７を用いて説明する。
二次元要素によるメッシュに仮想的な金型の厚みを持たせるには、図７（ａ）に示すように、仮想的な金型の厚みｔを設定し、実際の金型表面（ブランクとの接触側）から金型の厚み中心に向けて垂直方向に、金型の厚みｔの1/2（ｔ/２）だけオフセットさせた位置、すなわち、仮想的な金型の厚みの中央位置に、二次元要素によるメッシュ（金型メッシュ）を配置する。そして、図７（ｂ）に示すように、金型メッシュからブランクとの接触側の金型表面に向けて垂直方向に、金型の厚みｔの1/2（ｔ/２）だけオフセットをさせた位置に、金型モデルにおけるブランクとの接触する側の仮想的な金型表面を設定する。なお、図７においては、矢印はオフセットの方向を示している（図８及び図９においても同様）。
二次元要素によるメッシュに仮想的な金型の厚みを持たせるには、図７（ａ）に示すように、仮想的な金型の厚みｔを設定し、実際の金型表面（ブランクとの接触側）から金型の厚み中心に向けて垂直方向に、金型の厚みｔの1/2（ｔ/２）だけオフセットさせた位置、すなわち、仮想的な金型の厚みの中央位置に、二次元要素によるメッシュ（金型メッシュ）を配置する。そして、図７（ｂ）に示すように、金型メッシュからブランクとの接触側の金型表面に向けて垂直方向に、金型の厚みｔの1/2（ｔ/２）だけオフセットをさせた位置に、金型モデルにおけるブランクとの接触する側の仮想的な金型表面を設定する。なお、図７においては、矢印はオフセットの方向を示している（図８及び図９においても同様）。
前述したように、本実施例の金型３３は、厚みが30mm、曲率半径6mmのパンチ肩Ｒ部２９及びダイ肩Ｒ部３１（Ｒ部）をもつ金型である。本実施例の金型３３での金型モデル作成例として、金型の水平方向の平坦部分と垂直方向の平坦な部分をＲ部が繋ぐ金型断面を模式的に示した図８及び図９を用いて説明する。
図８は、金型モデルの仮想的な厚みｔを金型３３の厚みと同じ30mmとした場合である。
図８（ａ）に示すように、金型３３の曲率半径6mmのＲ部を含む金型表面（ブランクとの接触側）から垂直に金型の厚み中心方向に、金型の厚み30mmの1/2である15mm（＞Ｒ部の曲率半径6mm）オフセットさせた位置、すなわち、仮想的な金型の厚みの中央位置に、金型メッシュを配置する。この場合、金型表面からのオフセット量15mmはＲ部の曲率半径6mmを超えるため、金型メッシュ上のＲ部の対応箇所は曲率半径0mmの角（Ｒ’）となる。そして、図８（ｂ）に示すように、金型メッシュからブランクとの接触側の金型表面に向けて垂直方向に、金型の厚み30mmの1/2である15mmだけオフセットさせた位置に金型モデルの仮想的な金型表面を設定する。すると、金型モデルの仮想的な金型表面上のＲ部の対応箇所は曲率半径0mmの角（Ｒ”）となる。すなわち、金型３３の実際の30mmの厚みに基づいてオフセットした金型メッシュを想定すると、金型モデルの仮想的な金型表面上にＲ部が再現されないことになる。
そこで、二次元要素によるメッシュ（金型モデル）に持たせる仮想的な金型厚みｔは、金型モデルの仮想的な金型表面において金型のＲ部を再現できるように、金型表面からのオフセット量（ｔ/2）が金型のＲ部の曲率半径を超えない範囲に設定する必要がある。
図８は、金型モデルの仮想的な厚みｔを金型３３の厚みと同じ30mmとした場合である。
図８（ａ）に示すように、金型３３の曲率半径6mmのＲ部を含む金型表面（ブランクとの接触側）から垂直に金型の厚み中心方向に、金型の厚み30mmの1/2である15mm（＞Ｒ部の曲率半径6mm）オフセットさせた位置、すなわち、仮想的な金型の厚みの中央位置に、金型メッシュを配置する。この場合、金型表面からのオフセット量15mmはＲ部の曲率半径6mmを超えるため、金型メッシュ上のＲ部の対応箇所は曲率半径0mmの角（Ｒ’）となる。そして、図８（ｂ）に示すように、金型メッシュからブランクとの接触側の金型表面に向けて垂直方向に、金型の厚み30mmの1/2である15mmだけオフセットさせた位置に金型モデルの仮想的な金型表面を設定する。すると、金型モデルの仮想的な金型表面上のＲ部の対応箇所は曲率半径0mmの角（Ｒ”）となる。すなわち、金型３３の実際の30mmの厚みに基づいてオフセットした金型メッシュを想定すると、金型モデルの仮想的な金型表面上にＲ部が再現されないことになる。
そこで、二次元要素によるメッシュ（金型モデル）に持たせる仮想的な金型厚みｔは、金型モデルの仮想的な金型表面において金型のＲ部を再現できるように、金型表面からのオフセット量（ｔ/2）が金型のＲ部の曲率半径を超えない範囲に設定する必要がある。
図９は、金型モデルの仮想的な金型表面において実金型３３のＲ部が再現できるオフセット量となるように、二次元要素によるメッシュ（金型モデル）に持たせる仮想的な金型厚みｔを設定したものである。具体的には、金型モデルの仮想的な厚みｔを実金型３３の厚み30mmの1/10である3mmとし、金型表面からのオフセット量（ｔ/2）を1.5mm（＜Ｒ部の曲率半径6mm）とした。これによって、図９（ａ）に示すように金型メッシュはＲ部に対応する曲率をもち、図９（ｂ）に示すように金型モデルの仮想的な金型表面において実金型３３のＲ部が再現できる。
しかし、図９の場合、実金型３３の厚み(30mm)より解析上の金型厚み（3mm）が薄くなり、実金型３３の剛性を再現できなくなる。
そこで、実金型３３の金型表面が再現できるように二次元要素の金型表面からのオフセット量を決定した場合、あわせて、仮想的な厚みを持たせた金型モデル（二次元要素）のたわみ量と実金型３３のたわみ量とが同じとなるように、二次元要素の弾性係数（ヤング率）を補正した（以下、補正した弾性係数を「等価弾性係数」と称す）。
しかし、図９の場合、実金型３３の厚み(30mm)より解析上の金型厚み（3mm）が薄くなり、実金型３３の剛性を再現できなくなる。
そこで、実金型３３の金型表面が再現できるように二次元要素の金型表面からのオフセット量を決定した場合、あわせて、仮想的な厚みを持たせた金型モデル（二次元要素）のたわみ量と実金型３３のたわみ量とが同じとなるように、二次元要素の弾性係数（ヤング率）を補正した（以下、補正した弾性係数を「等価弾性係数」と称す）。
以下、等価弾性係数の考え方を、図１０に基づいて説明する。
図１０は、金型表面の弾性変形を単純梁の変形と考えて図示したものであり、図１０（ａ）は実際の金型の厚みｔの場合であり、図１０（ｂ）が厚みをｔ/ａとした場合を示している。
このように考えると、等価弾性係数Ec(MPa)は、式（１）に示すように、実金型の弾性係数E(MPa)に、厚みの比a（実際の金型の厚み／二次元要素での仮想厚み）の3乗をかけたものとなる。
Ec=E・a3・・・（１）
図１０は、金型表面の弾性変形を単純梁の変形と考えて図示したものであり、図１０（ａ）は実際の金型の厚みｔの場合であり、図１０（ｂ）が厚みをｔ/ａとした場合を示している。
このように考えると、等価弾性係数Ec(MPa)は、式（１）に示すように、実金型の弾性係数E(MPa)に、厚みの比a（実際の金型の厚み／二次元要素での仮想厚み）の3乗をかけたものとなる。
Ec=E・a3・・・（１）
なお、オフセット量に応じて、金型モデルの撓みが実金型の撓みと等価となるように設定する二次元要素の境界条件としては、上述の実施の形態で示したように、弾性係数、変位拘束、板厚、密度、質量、降伏強度のいずれか一つ又はこれらの組み合わせから適宜選択すればよい。
また、実施例の解析では、リブ形状部４１及びリブ形状相当部４３はプレス方向の金型剛性が十分高いと仮定し、プレス方向の変位を拘束した。
実機のプレス成形荷重と、図５に示す従来金型モデル４５および図６に示す発明例金型モデル４７による成形荷重予測結果を図１１に示す。
実機のプレス成形荷重が1002kNで、従来例の成形荷重が1375kNで実機の137%であったのに対し、発明例の成形荷重は1087kNで実機の108%となっており、成形荷重予測精度が向上していることがわかる。
実機のプレス成形荷重と、図５に示す従来金型モデル４５および図６に示す発明例金型モデル４７による成形荷重予測結果を図１１に示す。
実機のプレス成形荷重が1002kNで、従来例の成形荷重が1375kNで実機の137%であったのに対し、発明例の成形荷重は1087kNで実機の108%となっており、成形荷重予測精度が向上していることがわかる。
次に、本発明を適用することの効果として、プレス機の選定が合理的となることについて、具体例を示して説明する。
本実施例で対象とした部品４９の形状を図１２に示す。この部品４９は、材質が冷延1180MPa級高張力鋼板、板厚1.4mmである。
この部品４９について、実施例１と同様に従来例及び発明例の金型モデルによってプレス成形解析を行い成形荷重を求めたところ、それぞれ4225kN、3300kNであった。
本実施例で対象とした部品４９の形状を図１２に示す。この部品４９は、材質が冷延1180MPa級高張力鋼板、板厚1.4mmである。
この部品４９について、実施例１と同様に従来例及び発明例の金型モデルによってプレス成形解析を行い成形荷重を求めたところ、それぞれ4225kN、3300kNであった。
プレス機は成形荷重がプレス機の能力の80%以下となるように選定されることが一般的である。従来例および発明例の成形荷重予測結果から推定されるプレス機能力を求めてグラフ化したものを図１３に示す。
図１３に示すように、従来例では荷重予測4225kNに対して、20%の余裕をみて5300kN以上の能力を持つプレス機が選定される。これに対して、発明例では荷重予測3300kNなので選定されるプレス機は4200kN以上となり、より適正なプレス機の選定が可能となっている。
図１３に示すように、従来例では荷重予測4225kNに対して、20%の余裕をみて5300kN以上の能力を持つプレス機が選定される。これに対して、発明例では荷重予測3300kNなので選定されるプレス機は4200kN以上となり、より適正なプレス機の選定が可能となっている。
１ プレス成形解析装置
３ 表示装置
５ 入力装置
７ 記憶装置
９ 作業用データメモリ
１１ 演算処理部
１３ 金型モデル作成部
１５ プレス成形荷重取得部
２１ プレス成形品
２３ 天板部
２５ 縦壁部
２７ フランジ部
２９ パンチ肩Ｒ部
３１ ダイ肩Ｒ部
３３ 金型
３５ 溝形状部
３７ 第１Ｒ部
３９ 第２Ｒ部
４１ リブ形状部
４３ リブ形状相当部
４５ 従来金型モデル
４７ 発明例金型モデル
４９ 部品
３ 表示装置
５ 入力装置
７ 記憶装置
９ 作業用データメモリ
１１ 演算処理部
１３ 金型モデル作成部
１５ プレス成形荷重取得部
２１ プレス成形品
２３ 天板部
２５ 縦壁部
２７ フランジ部
２９ パンチ肩Ｒ部
３１ ダイ肩Ｒ部
３３ 金型
３５ 溝形状部
３７ 第１Ｒ部
３９ 第２Ｒ部
４１ リブ形状部
４３ リブ形状相当部
４５ 従来金型モデル
４７ 発明例金型モデル
４９ 部品
Claims (6)
- プレス金型に作用するプレス成形荷重を予測できるプレス成形解析方法であって、
仮想的な厚みを持たせた金型モデルを二次元要素によって作成し、実金型におけるリブに相当する部位が剛体、リブ以外が非剛体となるように、前記二次元要素の境界条件を設定する金型モデル作成工程と、
該金型モデル作成工程によって作成された金型モデルを用いてプレス成形解析を行い、プレス成形荷重を取得するプレス成形荷重取得工程と、を備え、
前記金型モデル作成工程は、前記金型モデルに仮想的な厚みを持たせるために、金型表面から所定の距離だけ前記二次元要素の配置をオフセットさせると共に、オフセット量に応じて、前記金型モデルの撓みが実金型の撓みと等価となるように前記二次元要素の境界条件を設定することを特徴とするプレス成形解析方法。 - 前記金型モデル作成工程における境界条件は、変位拘束、弾性係数、板厚、密度、質量、降伏強度のいずれか一つ又はこれらの組み合わせからなることを特徴とする請求項１に記載のプレス成形解析方法。
- 前記二次元要素は、弾性又は弾塑性の二次元要素であることを特徴とする請求項１又は２に記載のプレス成形解析方法。
- プレス金型に作用するプレス成形荷重を予測できるプレス成形解析装置であって、
仮想的な厚みを持たせた金型モデルを二次元要素によって作成し、実金型におけるリブに相当する部位が剛体、リブ以外が非剛体となるように、前記二次元要素の境界条件を設定する金型モデル作成部と、
該金型モデル作成部によって作成された金型モデルを用いてプレス成形解析を行い、プレス成形荷重を取得するプレス成形荷重取得部と、を備え、
前記金型モデル作成部は、前記金型モデルに仮想的な厚みを持たせるために、金型表面から所定の距離だけ前記二次元要素の配置をオフセットさせると共に、オフセット量に応じて、前記金型モデルの撓みが実金型の撓みと等価となるように前記二次元要素の境界条件を設定することを特徴とするプレス成形解析装置。 - コンピュータを請求項４に記載のプレス成形解析装置として機能させることを特徴とするプレス成形解析プログラム。
- プレス成形品の製造方法であって、
請求項1又は２に記載のプレス成形解析方法によってプレス成形荷重を取得する工程と、
取得したプレス成形荷重の加圧能力を有する適切なプレス機を選定するプレス機選定工程と、
該プレス機を用いてプレス成形を行うプレス成形工程を含むことを特徴とするプレス成形品の製造方法。
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| JP2022165324A JP7405215B1 (ja) | 2022-10-14 | 2022-10-14 | プレス成形解析方法及び装置、プレス成形解析プログラム、プレス成形品の製造方法 |
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| JP2002219523A (ja) | 2001-01-29 | 2002-08-06 | Toyota Motor Corp | プレス成形解析方法 |
| WO2016017775A1 (ja) | 2014-07-30 | 2016-02-04 | 新日鐵住金株式会社 | モデル設定方法、成形シミュレーション方法、成形用工具の製造方法、プログラム、プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体および有限要素モデル |
| JP2019175105A (ja) | 2018-03-28 | 2019-10-10 | 株式会社Ｊｓｏｌ | 金型たわみモデル作成システム、および金型たわみモデル作成プログラム |
-
2022
- 2022-10-14 JP JP2022165324A patent/JP7405215B1/ja active Active
-
2023
- 2023-06-14 WO PCT/JP2023/022068 patent/WO2024079939A1/ja unknown
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