JPH0929358A - 高精度形状制御プレス金型 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 プレス成形品のニアネットシェープ化による
工程省略を可能にするため、製品の寸法・形状を高精度
に自動制御するプレス成形金型を提供する。 【構成】 金型プレス成形で、荷重検出手段４と、スト
ローク検出手段５と、プレス回数の検出手段６、金型温
度の検出手段７と、金型の摩耗モデル９、金型の熱変形
モデル１０、金型の荷重変形モデル１１、被加工材の熱
変形モデル１２、被加工材のスプリングバックモデル１
３の単数または複数のモデルから構成される変形予測モ
デルと、多変数制御信号発生装置１４と、成形凹部３の
内壁を変形させる駆動装置１５、例えばピエゾ素子、と
からなることを特徴とするプレス金型。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金型プレス成形におい
て、成形中に発生する圧力や熱影響などにより、金型が
摩耗したり歪んだりするこによる金型の変形や、製品を
金型から取り出す際に発生する製品のスプリングバック
などによる変形を予測して、金型の凹形状を自動的に修
正することにより、高精度の寸法・形状の製品を得るプ
レス金型に関する。

【０００２】

【従来の技術】ニアネットシェープ成形化による工程省
略などを目的として、複雑な３次元形状のプレス成形製
品に要求される寸法・形状の精度は、年々厳しくなって
きている。製品の寸法・形状の精度を悪化させる因子と
して、成形圧力による金型の変形、熱応力による金
型の変形、金型の摩耗変形による製品への型転写不良
と、素材の熱変形、および金型から取り出す際のス
プリングバックによる不良などが知られている。

【０００３】上記の成形中の金型の変形に関して、成
形圧力による変形とは、被加工材を変形させるために変
形抵抗以上の面圧が金型の成形凹部表面に作用するた
め、金型が弾性変形して、所定の金型形状が保てない現
象である。熱応力による金型の変形とは、熱間加工の
際に高温に加熱された被加工材が金型に接触するため、
または冷間加工の際に加工発熱により昇温した被加工材
が金型に直接接触するために、熱伝達により金型が熱せ
られ熱膨張を生じて所定の金型形状が保てない現象を意
味する。金型の摩耗変形とは、被加工材が変形する際
に、金型の凹部表面を摩擦して、金型が摩耗することに
より、所定の金型形状が維持できない現象を示す。素
材の熱変形とは、加工中に温度の高い成形体が、金型か
ら取り出された後に冷却されて収縮するために、初期の
製品形状が維持できない現象を意味する。また、金型
から取り出す際のスプリングバックは、製品を金型から
取り出す際に、加工中の金型の拘束で被加工材中に発生
する弾性歪みが解放されて弾性変形するため、所定の製
品形状が維持できない現象である。これらの影響は、成
形条件により千差万別で、成形条件毎に適宜修正する必
要がある。これらの原因による製品の寸法・形状不良を
防止するために種々の工夫がなされてきた。

【０００４】特開平５−２２０５１８号公報には、代表
的なプレス成形方法の一つである、コイニング成形に関
して、被加工材のコイニング量の変化に基づいて、コイ
ニング量を高い精度で自動的に設定する装置が開示され
ている。図４はその実施例を示す図であり、下プレート
２１に設けられたガイドポスト２２にガイドされて降下
する上プレート２３に形成されるコイニングパンチ２４
と、下プレート２１に載置される板２５を支持するダイ
駒２６を垂直方向に移動させるテーパーロッド２７と、
テーパーロッド２７に作用する荷重を検出する２つのロ
ードセル２８と、ロードセル２８の荷重検出信号に基づ
いて荷重を測定する荷重検出回路２９と、テーパーロッ
ド２７に作用する初期の荷重の比較演算を行い、その差
に基づく制御信号を出力する比較回路３１と、比較回路
３１の制御信号に基づいてテーパーロッド２７を水平方
向に移動させるピエゾ素子３２と駆動するピエゾ駆動装
置３３を有する。

【０００５】そして、成形荷重とコイニング量の間に１
対１の対応関係があることに着目して、テーパーロッド
２７に加わる荷重を初期荷重と一致させるがごとく、比
較回路３１の制御信号に基づいて、ピエゾ駆動装置３３
によりピエゾ素子３２に制御電圧を印荷して膨張・収縮
せしめ、これに直接接続するテーパーロッド２７を水平
方向に移動させるとともに、テーパーロッド２７に当接
するダイ駒２６を上下方向に所定量昇降させて、初期の
荷重と同じ荷重になるように成形荷重を制御して、コイ
ニング量を初期値と同じ一定量に管理する。即ち、この
金型を用いることにより成形中に生じる成形製品の寸法
のバラツキを低減させるものである。しかし、この方法
では製品の高さ方向の寸法に関する高々１変数のみ制御
するものであり、そのため、制御理論が最も単純な、設
定値との比較演算方式を採用している。しかし、一般
に、高精度化が要求される製品の寸法・形状は、複数の
寸法を同時に管理しなければならない。これら複数の寸
法を高精度で管理するためには、１変数の制御では限界
があり、多変数制御が避けられず、各変数間の複雑な関
係を正確に記述する理論の導入が必須である。特開平５
−２２０５１８号公報の１変数の理論を前提とする装置
では、本発明が対象とする３次元形状の製品の加工には
全く使えない問題があった。

【０００６】また、特開平６−３０４６７４号公報に
は、超塑性成形による３次元形状の板の張り出し成形に
関する超塑性用金型の変形防止方法及びそれに用いる金
型が開示されている。図５はその実施例を示す図であ
り、超塑性材料４１の超塑性成形において、成形凹部４
３に加えられる成形圧力による成形凹部内壁４４の変形
を、金型４２の成形凹部４３以外の部分に設けられたバ
ランス室４６にバランス圧力Ｐを加えることによって修
正することを特徴とする。これによって、１台当たりの
金型費用を増大させることなく、金型の変形を制御する
ことによって金型の寿命を長くすることができるととも
に、高寸法精度の成形品を長い期間に亙って製造するこ
とができる。

【０００７】しかし、この方法および装置であれば、繰
り返しプレス成形する際に、金型の温度や摩耗量が初期
の状態から徐々に変化するために、バランス圧力を時系
列的に最適値に変化させねばならないが、そのための制
御機構がないので、高寸法精度を得ることができない。
また、仮に、前記の特開平５−２２０５１８号公報に開
示の１変数の制御機構を付加したとしても、３次元的に
複雑な金型の時系列的な変形を予測して制御するために
必須の高精度の制御モデルが不明であるから、高精度化
の達成は困難である。

【０００８】以上、従来技術では複雑な３次元形状のプ
レス成形製品を高精度に得ることが困難であった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】複雑な３次元形状のプ
レス成形製品を、高精度の寸法・形状で得るために必要
な変形圧力による金型の変形モデル、熱応力による
金型の変形モデル、金型の摩耗変形モデル、素材の
熱変形モデル、金型から取り出す際のスプリングバッ
クを予測するモデル等の高精度の制御モデルが無く、ま
た、これらに基づく制御系を組み込んだ金型も無い。そ
のために成形製品の寸法・精度が悪化し、ニアネットシ
ェープ成形による工程省略が達成できず、製品コストア
ップの問題があった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、プレス成形の
際の金型の変形および製品取り出しの際のスプリングバ
ック量を予測して、これを修正するために多変数制御を
行う制御モデルと、この制御モデルからの制御信号に基
づき、金型の成形凹部形状を変更できる金型装置を提供
することを目的とする。

【００１１】即ち、課題を解決するための本発明の手段
は、請求項１の発明では、 被加工材を、製品形状の成
形凹部を有する金型を用いて圧下することにより、所定
の寸法・形状の製品を得る金型プレス成形のプレス金型
において、荷重の検出手段と、ストロークの検出手段
と、プレス回数の検出手段と、金型温度の検出手段と、
金型の摩耗モデル、金型の熱変形モデル、金型の荷重変
形モデル、被加工材の熱変形モデル、被加工材のスプリ
ングバックモデルの単数または複数のモデルから構成さ
れる変形予測モデルと、多変数制御信号発生装置と、成
形凹部内壁を変形させる駆動装置とからなることを特徴
とする。

【００１２】また、請求項２の発明では、上記の請求項
１の手段において、成形凹部内壁を変形させる駆動装置
が、成形凹部以外の部分に設けたバランス圧力室にガス
圧または液圧を加える方式からなることを特徴とする。

【００１３】更に請求項３の発明では、上記の請求項１
の手段において、成形凹部内壁を変形させる駆動装置が
ピエゾ素子であることを特徴とする。

【００１４】

【作用】本発明の作用について説明する。図１は、本発
明の金型装置の構造を示す説明図である。被加工材１
を、製品形状の成形凹部３を有する金型２でプレス成形
して、複雑な３次元形状の成形製品を得る。金型２は、
荷重検出手段４、ストローク検出手段５、プレス回数の
検出手段６、金型温度の検出手段７、変形予測モデル
８、多変数制御信号発生装置１４、および成形凹部内壁
を変形させる駆動装置１５から構成される。また、変形
予測モデル８は、金型の摩耗モデル９、金型の熱変形モ
デル１０、金型の荷重変形モデル１１、被加工材の熱変
形モデル１２、被加工材のスプリングバックモデル１３
から構成される。

【００１５】ストローク検出手段５と荷重検出手段４
は、成形中の被加工材の圧下量とその際に生じる成形荷
重を検出し、また、金型温度の検出手段７は、成形中の
金型温度の変化を検出するためのもので、検出された結
果は、被加工材１および金型２の変形状態を推定するた
めの情報となる。

【００１６】変形予測モデル８は、検出された圧下量と
荷重と温度を基に、金型および被加工材の変形状態を予
測し、この予測結果から、所定の寸法・形状の製品を得
るために必要な、成形凹部形状の修正量を推定し、多変
数制御信号発生装置１４に結果を渡す。

【００１７】次に変形予測モデル８を構成する各種モデ
ルの機能に関し説明する。金型の摩耗モデル９は、プレ
ス回数の増加に伴う金型成形凹部３の摩耗量を推定する
実験式で、特に公差許容量の厳しい箇所に関して、推定
する。金型の熱変形モデル１０は、伝熱解析理論に基づ
くもので、金型温度の検出手段７より得られた温度か
ら、金型の温度分布を推定する。得られれた結果をもと
に、金型の熱弾性変形解析を実施して、金型の変形量を
推定する。金型の荷重変形モデル１１は、塑性理論に基
づくプレス解析を実施して、金型に作用する面圧を推定
するとともに、この結果に基づき、金型の弾性変形解析
を実施して、成形中の金型の変形を推定する。被加工材
の熱変形モデル１２はプレス直後で温度が高いために熱
膨張している被加工材が、その後の冷却により収縮する
量を金型の熱変形モデル１０と同様に解析により推定す
る。被加工材のスプリングバックモデル１３は、成形後
の被加工材を金型から取り出す際に、金型の拘束による
弾性変形で収縮している被加工材が、解放されて膨張す
る量を推定する。金型拘束により被加工材の表面に作用
する面圧は、金型の荷重変形モデル１１で求めた結果を
用いれば良い。以上、伝熱解析および変形解析は要求す
る結果の精度により、要求精度が低い場合は、簡単な解
析解で近似を行い、要求精度が高い場合は、より厳密な
数値計算（有限要素法、境界要素法、差分法など）を用
いれば良い。また、プレスの変形状態の変化速度は遅い
ので、数ステップ置きに変形予測モデル８の解析を実施
して、予測値を更新すれば良く、場合によっては、予測
モデルをオフライン化して、必要があれば予測値を制御
系に取り込んでも良い。

【００１８】多変数制御信号発生装置１４は、変形予測
モデル８により得られた複数の修正量を基に、成形凹部
３の内壁を変形させる駆動手段１５に指示する複数の指
令量を生成するものである。そのため、各駆動手段相互
の干渉効果が大きい場合には、現代制御理論などの多変
数制御理論を導入すれば良い。その際の基礎モデルとし
ては、変形予測モデル８を基本として、その簡易式を用
いれば良い。

【００１９】成形凹部３の内壁を変形させる駆動手段１
５は、予め変形予測モデル８で変形解析を行って、最も
公差許容量の厳しい箇所を容易に制御できる箇所に設置
すれば良い。成形凹部３の内壁の形状を変化させる機構
として、成形凹部以外の部分に設けたバランス圧力室
に、ガス圧または液圧を加える方式や、バランス圧力室
の壁を油圧、電動モータあるいはピエゾ素子などの駆動
装置で直接押す方法を用いれば良い。また、成形凹部内
壁がパンチなどの摺動機構であれば、前記駆動装置で直
接この部分を押せばよい。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１および表１から表４に本発明
の実施の形態を示す。

【００２１】ストローク制御式油圧プレス装置に工具鋼
製の金型を取付けた金型装置で、図２に示す断面形状の
アルミニュウム合金製部品を連続的に加工した。金型装
置には、表１に示す検出手段と駆動手段が配設されてい
る。

【００２２】

【表１】

【００２３】変形予測モデルは表２に示すように、近年
適用が進み、信頼性が高い有限要素法を用いて、部品の
形状に及ぼす諸因子の影響を解析し、最も精度が必要な
複数の部品位置の寸法精度に及ぼす、各因子の影響係数
を求めるとともに、制御に適用するために線形式化を行
なった。

【００２４】

【表２】

【００２５】表３は、その式を用いて、多変数制御系の
制御理論を適用することにより構築した、制御信号発生
装置の一実施の形態を示す。即ち、各種計測装置からの
信号を基に、金型の変形状態を推定し、目標の形状に補
正するために必要な制御信号を求め、駆動装置に出力す
ることによって、金型を最適形状に制御する。

【００２６】

【表３】

【００２７】表４は、制御理論が異なる制御信号発生装
置の他の実施の形態を示す。

【００２８】

【表４】

【００２９】以上に示す本発明の装置と、金型形状を制
御しない通常の装置で、アルミニウム合金性の部品の冷
間金型プレス成形を実施し、その寸法を目標の寸法と比
較した。

【００３０】図３は、通常の制御機構が無い場合の製品
の外形を示す図で、（１）はプレス回数が第１回目の製
品形状、（２）は第９８７回目の製品形状である。図中
の実線は目標形状を、破線は実績形状で目標形状との
差、即ち、誤差を拡大して示す。第１回目で実績が目標
と異なっている。これは金型の弾性変形と製品のスプリ
ングバックの影響が大であることによる。また、第１回
目と第９８７回目で実績形状が異なっている。これは第
１回目に支配的であった変形の因子に加えて、金型温度
の上昇による金型変形および金型摩耗の影響が大である
ことによる。

【００３１】図２は、本発明の表３の制御理論で、金型
に図１のように成形凹部以外の部分にバランス圧力室を
設けて、減圧を加える方式の制御機構を負荷した場合
の、図３と同様の図である。第１回目の実績形状はほぼ
目標形状となっている。また、第９８７回目の実績形状
は、平均的にほぼ目標値に一致している。

【００３２】また、表４の制御理論においても、表３の
制御理論と同様の結果が得られた。一方、図５に示す超
塑性板の成形装置や、サーモフォームなどの樹脂成形の
金型に関して、バランス室を設けてガス圧で駆動する制
御方式や、ピエゾ素子で駆動する方式が、図２の結果と
同様に有効であった。

【００３３】

【発明の効果】本発明は、以上に述べたように構成しか
つ作用せしめることにより、金型プレス成形を用いて、
複雑な３次元形状の製品を、高精度の寸法・形状で製造
するのに、顕著な効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の金型の構造を示す図である。

【図２】本発明の効果を示す図である。

【図３】本発明との比較に用いた従来技術の効果を示す
図である。

【図４】従来技術の金型装置を示す図である。

【図５】従来技術の他の金型装置を示す図である。

【符号の説明】

１ 被加工材 ２ 金型 ３ 成形凹部 ４ 荷重検出手段 ５ ストローク検出手段 ６ プレス回数の検出手段 ７ 金型温度の検出手段 ８ 変形予測モデル ９ 金型の摩耗モデル １０ 金型の熱変形モデル １１ 金型の荷重変形モデル １２ 被加工材の熱変形モデル １３ 被加工材のスプリングバックモデル １４ 多変数制御信号発生装置 １５ 成形凹部内壁を変形させる駆動手段 ２１ 下プレート ２２ ガイドポスト ２３ 上プレート ２４ コイニングパンチ ２５ 下プレートに載置される板 ２６ ダイ駒 ２７ テーパーロッド ２８ ロードセル ２９ 荷重検出回路 ３０ 初期荷重保持回路 ３１ 比較回路 ３２ ピエゾ素子 ３３ ピエゾ駆動装置 ４１ 超塑性材料 ４２ 金型 ４３ 成形凹部 ４４ 成形凹部内壁 ４５ 底壁 ４６ バランス室 Ｐ バランス圧力

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【手続補正書】

【提出日】平成７年８月２９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２８】

【表４】

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被加工材を、製品形状の成形凹部を有す
   る金型を用いて圧下することにより、所定の寸法・形状
   の製品を得る金型プレス成形のプレス金型において、荷
   重の検出手段と、ストロークの検出手段と、プレス回数
   の検出手段と、金型温度の検出手段と、金型の摩耗モデ
   ル、金型の熱変形モデル、金型の荷重変形モデル、被加
   工材の熱変形モデル、被加工材のスプリングバックモデ
   ルの単数または複数のモデルから構成される変形予測モ
   デルと、多変数制御信号発生装置と、成形凹部内壁を変
   形させる駆動装置とからなることを特徴とする高精度形
   状制御プレス金型。
2. 【請求項２】 請求項１の成形凹部内壁を変形させる駆
   動装置が、成形凹部以外の部分に設けたバランス圧力室
   に、ガス圧または液圧を加える方式であることを特徴と
   する請求項１記載の高精度形状制御プレス金型。
3. 【請求項３】 請求項１の成形凹部内壁を変形させる駆
   動装置が、ピエゾ素子であることを特徴とする請求項１
   記載の高精度形状制御プレス金型。