JP7484862B2 - 金型の設計方法、金型の製造方法、及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、コンピュータを用いた解析（ＦＥＭ解析）によって、金型を設計・製造する技術に関する。本発明は、例えば、自動車のボディを製造するプレス成形をシミュレーション解析するシミュレーション解析方法、及び、このプレス成形のプレス機に用いられる金型の設計方法に好適な技術である。

自動車を構成する部材は、プレス成形によって製造されるものが多い。近年自動車に使用される材料が高強度化していることに伴い、プレス成形した部材の離型後のスプリングバックによる変形量は大きくなっている。金型形状を決定するまでには、プレス機による成形品の試作を行って、金型形状が目標形状となっているか評価しているが、上記材料の高強度化に伴い、試作の作成及び試験の繰り返し回数が多くなる傾向があった。

しかしながら、以上のような手法では金型製作の工数やリードタイムが増加する。このため、近年、ＣＡＥを用いたシミュレーション解析（ＦＥＭ解析）により、金型の設計・製造が行われている。

例えば、特許文献１には、スプリングバック解析したパネル部材を同じく解析空間上に生成した測定治具モデル上に載せ、自重を負荷した状態で目標形状との差分を求め、この差分に基づいて金型モデルを修正し、新たに得たパネル部材と目標形状との差分が許容範囲に収まるまで金型モデルを修正する方法が開示されている。

また、特許文献２には、プレス成形シミュレーションにより得られた成形品の残留応力からモーメントと面内応力成分と面外応力成分とに分解し、それぞれの成分を用いて成形品のねじれを矯正する金型見込み方法が行われている。

特開２００８－２２１２５３号公報 特開２０１３－２０８６２２号公報

しかし、特許文献１に記載のような方法では、解析する部材の形状ごとに測定治具を生成しなければならず効率的ではない。
また、特許文献２に記載のような方法では、解析のたびに残留応力を各成分に分解しなければならない。更に、面内応力及び面外応力成分にかけ合わせる係数の値を調整する必要がある。また、係数の調整は、解析の利用者によって、解が異なることに繋がる。

本発明は、上記のような点に鑑みてなされたもので、より簡易な処理方法で金型モデルの形状修正を可能とする技術を提供することを目的とする。

本発明者は、シミュレーション解析によるワーク形状と目標形状の差分である形状差分を荷重分布に変化し、その荷重分布を、一時的に弾性体若しくは弾塑性体とした金型モデルの成形面に負荷することで、簡易に金型モデル形状（成形面形状）を修正できる、との知見を得た。
この知見に基づき、本発明を成した。

すなわち、課題解決のために、本発明の一態様は、ワークを目的とする製品形状にプレス成形する際に使用される金型の設計方法であって、上記製品形状に基づき金型の成形面をモデル化して金型モデルを生成する金型モデル生成工程と、上記金型モデルを用いたワークのプレス成形をシミュレーション解析して、離型後のワークの形状である成形形状を求めるプレス解析工程と、上記プレス解析工程が求めた上記成形形状と上記製品形状との形状差分を求める差分算出工程と、上記差分算出工程が求めた形状差分に基づき、上記金型モデルの成形面形状を修正する成形面形状修正工程と、を備え、上記成形面形状修正工程は、修正する金型モデルの物性定義を一時的に弾性体又は弾塑性体に変更し、その変更した金型モデルの成形面に対し、上記形状差分に応じた分布で、荷重を負荷することで当該成形面を変形させ、その変形後の成形面を、金型モデルの成形面形状として再設定する、ことを要旨とする。

本発明の態様によれば、解析よるプレス成形及び離型後のワーク形状（成形形状）と基準形状との差分を荷重分布に変換すると共に、金型モデルを弾性体若しくは弾塑性体とすることによって、成形面形状が、自動的に滑らかに修正され、かつより現実の修正形状に近い状態に、簡易な処理によって実行可能となる。

なお、基準形状との差分が許容範囲に収まるまで収束計算を行うことにより、解析の利用者に関係無く、同一の金型形状を導出できる。

本発明に基づく実施形態に係る処理構成を説明する図である。 本発明の金型設計手順の処理フローチャートである。 製品データの例を示す斜視図である。 製品データを成形するための金型モデルの構成例を示す断面図である。 製品データを成形するための金型モデルの構成例を示す斜視図である。 形状差分を説明するための図である。 圧力負荷を説明するための図である。 金型モデルを面モデルとした場合の、圧力負荷を説明するための図である。 形状差分を圧力に変換する他の例を示す図である。 張力負荷を説明するための図である。 実施形態に係る製品データと初期金型モデルにより成形されたワークとの形状差分の例をコンター表示した図である。 実施形態に係る製品データと形状修正を施した金型モデルにより成形されたワークとの形状差分の例をコンター表示した図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
（構成）
本実施形態の金型の設計は、コンピュータを使用したシミュレーション解析によって実行される。そのシミュレーション解析は、有限要素法（ＦＥＭ）を用いたＣＡＥ解析である。従来の解析方法と同様に、ソフト（プログラム）として、図１に示すように、ＣＡＤソフト１００及び解析ソフト１１０（プリプロセッサ１１０Ａ、ソルバー１１０Ｂ及びポストプロセッサ１１０Ｃ）を備える。ＣＡＤソフト１００及び解析ソフト１１０の基本構成としては、公知のソフト構成を採用すればよい。また、解析ソフト１１０は、本開示の解析プログラムに相当する。

本実施形態の解析ソフトは、ワークを目的とする形状の製品にプレス成形する際に使用される金型の成形面形状（金型形状）を求める、すなわち設計する処理を行うためのソフトである。

解析ソフトは、図２に示すように、製品データ生成工程Ｓ１（製品データ生成手段）、解析工程設定工程Ｓ２（解析工程設定手段）、金型モデル生成工程Ｓ３（金型モデル生成手段）、プレス成形解析工程Ｓ４（プレス成形解析手段）、スプリングバック解析工程Ｓ５（スプリングバック解析手段）、差分算出工程Ｓ６（差分算出手段）、評価工程Ｓ７（評価手段）、金型モデル修正解析工程Ｓ８（金型モデル修正解析手段）を備える。

＜製品データ生成工程Ｓ１＞
製品データ生成工程Ｓ１は、製品形状のデータを生成する処理を実行する。
ここでは、金型により製造される製品は、図３に示すように、自動車のドアパネルを模擬したドローパネル１１とする。ドローパネル１１は、鋼板をプレス成形することにより製造される大型のパネルであり、張出し部１２では一方向に曲率をもち、それと直行する方向では比較的平らに近い曲率をもった形状となっている。また、製品は、外周部全周にフランジ部１３が形成された形状となっている。

＜解析工程設定工程Ｓ２＞
解析工程設定工程Ｓ２は、プレス成形の成形様式（成形条件）を設定する処理を実行する。

＜金型モデル生成工程Ｓ３＞
金型モデル生成工程Ｓ３は、金型をモデル化する。
例えば、金型モデル生成工程Ｓ３は、図４及び図５に示すように、ダイ２０、ホルダー２１、パンチ２２からなる金型モデルを設計する。符号２３は、成形されるワーク（ブランク）のワークモデルである。

＜プレス成形解析工程Ｓ４＞
プレス成形解析工程Ｓ４は、金型モデルを用いたワークのプレス成形を、公知の手法でシミュレーション解析する。すなわち、プレス成形解析工程Ｓ４は、ワークをモデル化してワークモデル２３を生成し、このワークモデル２３のプレス成形のシミュレーション解析を行う。

＜スプリングバック解析工程Ｓ５＞
スプリングバック解析工程Ｓ５は、プレス成形によるスプリングバックをシミュレーション解析する。すなわち、スプリングバック解析工程Ｓ５は、プレス成形したワークモデル２３が、金型からの離型によって生じるスプリングバックをシミュレーション解析する。

ここで、ワーク及び製品が薄肉になるほど面剛性が低下し、許容以上の寸法誤差が発生する可能性もある。このため、面に対して自重を負荷する条件も設定して、シミュレーション解析を実行してもよい。

＜差分算出工程Ｓ６＞
差分算出工程Ｓ６は、スプリングバック後のワークモデルと製品データとの形状差分δを求める。例えば、スプリングバック現象によりワークモデル３０の張出し部３１は曲率が短絡する方向へと収縮し、図６に示すように、離型によって、製品データ１１とワークモデル３０では面間距離が開く。この差分を形状差分δとして算出する。

この形状差分δは、成形面に沿った分布として求める。具体的には、ノード毎に、製品データ１１とスプリングバック後のワークモデル３０の形状差分δを求めることで、成形面に沿った形状差分δの分布を求める。各形状差分δの向きは、プレス方向（図６では上下方向）がよい。

また、形状差分δは、張出成形する張出し部３１の面のノードについても求めることが好ましい。

＜評価工程Ｓ７＞
評価工程Ｓ７は、求めた全形状差分δが許容範囲内であるか否かを判定する。
例えば、全てのノードでの形状差分δが、予め設定した許容範囲内であるか否かを判定する。この判定がＯＫの場合には、金型モデルの設計処理を終了する。

＜金型モデル修正解析工程Ｓ８＞
金型モデル修正解析工程Ｓ８は、評価工程Ｓ７の判定でＮＧ評価の場合に起動する。
金型モデル修正解析工程Ｓ８は、金型モデルの物性適宜を弾性体へ変更した後、当該金型モデルの成形面に圧力を負荷することによって修正する。すなわち、金型モデルの形状を修正するためのシミュレーション解析を行う。

具体的には、金型モデルの中からダイ２０の物性定義を一時的に弾性体に変更したダイ４０とし、差分算出工程Ｓ６が算出した形状差分δの分布を圧力分布へと変換した後、当該弾性体金型モデルの成形面に対し、図７のように、求めた圧力分布を負荷して、当該成形面を変形させるシミュレーション解析を、ダイ４０に対して実行する。

ここで、図７では、弾性体からなるダイ４０を所定の厚みのあるモデルとして図示しているが、これに限定されない。例えば、図８に示すように、ダイ４０を、成形面だけの板モデルとし、そのモデルを弾性体から構成される条件としても良い。

形状差分δの分布の圧力分布への変換は、各ノードの形状差分δを個々に圧力値に変換する処理を実行すればよい。又は、図９のように、エレメント毎に平均化した圧力分布に変換しても良い。

形状差分δを圧力に変換する方法は、例えば、予め設定した関数や表情報を使用する。形状差分δと圧力の関係は、線形であることが好ましく、形状差分δが大きいほど、圧力が大きくなる関係に設定する。変換する圧力の範囲の設定は、ダイ４０の弾性係数に応じて設定すればよい。なお、形状差分δが負値の場合は、圧力は負値となる。図６の状態では、形状差分δは正値なので、圧力は正値（成形面を押圧する力）に変換される。

このように、弾性体金型モデルであるダイ４０が、設定された圧力分布により成形面の修正後の面形状が決定（再設定）される。決定したら、金型モデル生成工程Ｓ３に移行する。

金型モデル生成工程Ｓ３では、金型モデル修正解析工程Ｓ８が求めた成形面の形状を用いて、新たに、ホルダーとパンチのモデを生成し、上記の処理を繰り返す。

（変形例）
上記説明では、金型モデル修正解析工程Ｓ８において、形状差分δ（の分布）を荷重（の分布）に変換する例として、圧力の場合を例示した。形状差分δから変換される荷重は圧力である必要は無い。例えば、図１０に示すように、ダイ４０の成形面に対し、成形面が膨らむ方向（引き上がる方向）の力である張力に変換してもよい。

また、上記説明では、金型モデル修正解析工程Ｓ８において、金型モデルの物性定義を弾性体に設定したが、これに限定されない。金型モデルの物性定義を弾塑性体に設定してもよい。少なくとも成形面、若しくは成形面近傍の物性定義を弾性体・弾塑性体に設定すれがよい。
また、負荷する荷重を、成形面の中央部の一点にのみ負荷する方法でもよい。成形面の中央部の一点にのみ負荷する場合であっても、ワークの面の寸法誤差に対しては有効である。

（動作その他）
本実施形態では、金型モデルの成形面形状を修正する際に、解析よるプレス成形及び離型後のワーク形状（成形形状）と基準形状との差分を荷重分布（圧力分布など）に変換すると共に、金型モデルを弾性体若しくは弾塑性体とする。そして、その金型モデルの成形面に上記荷重分布を掛けるという簡易な処理によって、修正後の金型モデル形状を求めることができる。このとき、荷重分布の荷重は離散的に負荷されるが、金型モデルを弾性体若しくは弾塑性体とすることで、成形面が、自動的に滑らかな面に修正される。

また、基準形状との差分が許容範囲に収まるまで収束計算を行うことにより、解析の利用者に関係無く、同一の金型形状を導出できる。
荷重は、圧力のように面直方向であることが好ましい。
そして、上記の金型の設計で決定した金型の情報に基づき金型を製造する。

ここで、プレス成形解析工程Ｓ４、及びスプリングバック解析工程Ｓ５は、プレス解析工程（プレス解析手段）を構成する。金型モデル修正解析工程Ｓ８は、成形面形状修正工程（成形面形状修正手段）を構成する。

（実施例）
図１１は、金型モデル修正解析工程Ｓ８で修正する前の、製品データと初期金型モデルにより成形されたワークモデルとの形状差分δをコンター表示した図である。初期形状の金型で成形されたワークモデルではスプリングバックによって張出し部が曲率を短絡するように変形するため、製品データとの間で面間距離が最大で１．５ｍｍ程度開いていた。

図１２は、図１１に示されるような、製品データとプレス成形されたワークモデルとの差分に基づいて、本実施形態に基づき、図２に示すように、金型形状を収束計算させ、製品データとプレス成形されたワークモデルとの差分が許容範囲におさまった場合の形状差分δをコンター表示した図である。図１３の例においては、ワークモデルの張出し部が製品データに対して－０．３ｍｍ程度と良好な結果が得られた。

（その他）
本開示は、次の構成も取り得る。
（１）ワークを目的とする製品形状にプレス成形する際に使用される金型の設計方法であって、
上記製品形状に基づき金型の成形面をモデル化して金型モデルを生成する金型モデル生成工程と、
上記金型モデルを用いたワークのプレス成形をシミュレーション解析して、離型後のワークの形状である成形形状を求めるプレス解析工程と、
上記プレス解析工程が求めた上記成形形状と上記製品形状との形状差分を求める差分算出工程と、
上記差分算出工程が求めた形状差分に基づき、上記金型モデルの成形面形状を修正する成形面形状修正工程と、
を備え、
上記成形面形状修正工程は、修正する金型モデルの物性定義を一時的に弾性体又は弾塑性体に変更し、その変更した金型モデルの成形面に対し、上記形状差分に応じた分布で、荷重を負荷することで当該成形面を変形させ、その変形後の成形面を、金型モデルの成形面形状として再設定する。
（２）上記荷重は、上記成形面を押圧する方向の力である圧力、若しくは上記成形面を引き上げる方向の力である張力である。
（３）上記金型モデルは、上記成形面だけを表現した面モデルとする。
（４）上記プレス解析工程は、
上記金型モデルを用いたワークのプレス成形を成形解析するプレス成形解析工程と、
上記プレス成形解析工程後の離型によるスプリングバックを解析するスプリングバック解析工程と、
を備える。
（５）本開示の金型の設計方法によって金型の成形面形状を決定する、金型の製造方法。
（６）ワークを目的とする製品形状にプレス成形する際に使用される金型の成形面形状を求める処理を、コンピュータに実行させるためのプログラムであって、
上記製品形状に基づき金型の成形面をモデル化して金型モデルを生成する金型モデル生成手段と、
上記金型モデルを用いたワークのプレス成形を成形解析して、離型後のワークの形状である成形形状を求めるプレス解析手段と、
上記プレス解析手段が求めた上記成形形状と上記製品形状との形状差分を求める差分算出手段と、
上記差分算出手段が求めた形状差分に基づき、上記金型モデルの成形面形状を修正する成形面形状修正手段と、
を備え、
上記成形面形状修正手段は、修正する金型モデルの物性定義を一時的に弾性体又は弾塑性体に変更し、その変更した金型モデルの成形面に対し、上記形状差分に応じた分布で、荷重を負荷することで当該成形面を変形させ、その変形後の成形面を、金型モデルの成形面形状として再設定する。
（７）上記荷重は、上記成形面を押圧する方向の力である圧力、若しくは上記成形面を引き上げる方向の力である張力として設定される。

１１ 製品データ
２０ ダイ
２１ ホルダー
２２ パンチ
２３ ワークモデル（成形前）
３０ ワークモデル（成形形状）
４０ ダイ（弾性体金型モデル）
１００ ＣＡＤソフト
１１０ 解析ソフト
１１０Ａ プリプロセッサ
１１０Ｂ ソルバー
１１０Ｃ ポストプロセッサ
Ｓ１ 製品データ生成工程
Ｓ２ 解析工程設定工程
Ｓ３ 金型モデル生成工程
Ｓ４ プレス成形解析工程
Ｓ５ スプリングバック解析工程
Ｓ６ 差分算出工程
Ｓ７ 評価工程
Ｓ８ 金型モデル修正解析工程
δ 形状差分

Claims (7)

1. ワークを目的とする製品形状にプレス成形する際に使用される金型の設計方法であって、
   上記製品形状に基づき金型の成形面をモデル化して金型モデルを生成する金型モデル生成工程と、
   上記金型モデルを用いたワークのプレス成形をシミュレーション解析して、離型後のワークの形状である成形形状を求めるプレス解析工程と、
   上記プレス解析工程が求めた上記成形形状と上記製品形状との形状差分を求める差分算出工程と、
   上記差分算出工程が求めた形状差分が、予め設定した許容範囲内か否かを判定する評価工程と、
   上記評価工程で形状差分が上記許容範囲外と判定した場合、上記差分算出工程が求めた形状差分に基づき、上記金型モデルの成形面形状を修正する成形面形状修正工程と、
   を備え、
   上記成形面形状修正工程は、修正する金型モデルの物性定義を一時的に弾性体又は弾塑性体に変更し、上記形状差分が大きいほど圧力が大きくなるという関係で、上記形状差分の分布に応じた圧力分布を求め、その圧力分布で、その変更した金型モデルの成形面に対し、荷重を負荷することで当該成形面を変形させ、その変形後の成形面を、金型モデルの成形面形状として再設定する、
   ことを特徴とする金型の設計方法。
2. 上記荷重は、上記成形面を押圧する方向の力である圧力、若しくは上記成形面を引き上げる方向の力である張力である、
   ことを特徴とする請求項１に記載した金型の設計方法。
3. 上記金型モデルは、上記成形面だけを表現した面モデルとする、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載した金型の設計方法。
4. 上記プレス解析工程は、
   上記金型モデルを用いたワークのプレス成形を成形解析するプレス成形解析工程と、
   上記プレス成形解析工程後の離型によるスプリングバックを解析するスプリングバック解析工程と、
   を備えることを特徴とする請求項１～請求項３のいずれか１項に記載した金型の設計方法。
5. 請求項１～請求項３のいずれか１項に記載した金型の設計方法によって金型の成形面形状を決定する、金型の製造方法。
6. ワークを目的とする製品形状にプレス成形する際に使用される金型の成形面形状を求める処理を、コンピュータに実行させるためのプログラムであって、
   上記製品形状に基づき金型の成形面をモデル化して金型モデルを生成する金型モデル生成手段と、
   上記金型モデルを用いたワークのプレス成形を成形解析して、離型後のワークの形状である成形形状を求めるプレス解析手段と、
   上記プレス解析手段が求めた上記成形形状と上記製品形状との形状差分を求める差分算出手段と、
   上記差分算出手段が求めた形状差分が、予め設定した許容範囲内か否かを判定する評価手段と、
   上記評価手段で形状差分が上記許容範囲外と判定した場合、上記差分算出手段が求めた形状差分に基づき、上記金型モデルの成形面形状を修正する成形面形状修正手段と、
   を備え、
   上記成形面形状修正手段は、修正する金型モデルの物性定義を一時的に弾性体又は弾塑性体に変更し、上記形状差分が大きいほど圧力が大きくなるという関係で、上記形状差分の分布に応じた圧力分布を求め、その圧力分布で、その変更した金型モデルの成形面に対し、荷重を負荷することで当該成形面を変形させ、その変形後の成形面を、金型モデルの成形面形状として再設定する、
   ことを特徴とするプログラム。
7. 上記荷重は、上記成形面を押圧する方向の力である圧力、若しくは上記成形面を引き上げる方向の力である張力として設定される、
   ことを特徴とする請求項６に記載したプログラム。

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