KR101718470B1

KR101718470B1 - 프레스 성형 해석 방법

Info

Publication number: KR101718470B1
Application number: KR1020157021668A
Authority: KR
Inventors: 토루 미노테; 유이치 도키타; 요시키요 다마이; 타케시 후지타
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2013-02-08
Filing date: 2013-02-08
Publication date: 2017-03-21
Also published as: MX2015010085A; EP2954961A1; CN105188978B; US20150377806A1; KR20150107805A; MX362269B; US10161892B2; EP2954961B1; WO2014122695A1; CN105188978A; EP2954961A4

Abstract

본 발명의 프레스 성형 해석 방법은, 프레스 성형 해석 공정, 스프링 백 해석 공정과 형상 해석 공정을 갖는다. 상기 프레스 성형 해석 공정은, 가열한 피(被)프레스 성형 재료에 대하여 초기 온도 분포를 설정하고 온도 해석과 구조 해석을 조합하여(combining) 프레스 성형 해석을 행하고, 프레스 성형 후에 이형(離型) 전의 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포를 취득한다. 상기 스프링 백 해석 공정은, 당해 프레스 성형 해석 공정에서 얻어진 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포에 기초하여, 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 스프링 백 해석을 행하고 스프링 백 후의 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포를 취득한다. 상기 형상 해석 공정은, 당해 스프링 백 해석 공정에서 취득된 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포에 기초하여 상기 피프레스 성형 재료의 온도 분포가 ±5℃ 이내가 될 때까지의 냉각 중 및 냉각 후의 형상 변화를 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 해석한다.

Description

프레스 성형 해석 방법{METHOD OF ANALYZING PRESS FORMING}

본 발명은, 프레스 성형 해석 방법(method of analyzing press forming)에 관한 것으로, 특히 가열한 피(被)프레스 성형 재료를 프레스 성형하는 경우에 있어서의 냉각 후의 형상을 예측하는 프레스 성형 해석 방법에 관한 것이다. 또한, 본원 명세서에 있어서의 프레스 성형 해석 방법은, 피프레스 성형 재료를 성형하여 이형(離型; release from the tool) 전의 상태까지를 해석하는 프레스 성형 해석, 이형 후의 스프링 백(springback)을 해석하는 스프링 백 해석 및, 스프링 백 후의 온도 변화에 의한 형상 변화를 해석하는 형상 해석을 포함한다.

프레스 성형이란, 그 대상물인 피프레스 성형 재료(금속 재료)에 금형(die)을 밀어 붙임으로서, 금형의 형상을 피프레스 성형 재료에 전사(轉寫)하여 가공을 행하는 방법이다. 이 프레스 성형에 있어서는, 프레스 성형품을 금형으로부터 취출한 후(이형 후)에, 그 프레스 성형품이 스프링 백(탄성 변형)하고, 소망하는 형상과는 상이해져 버리는 문제가 자주 발생한다.

이러한 스프링 백은, 이형 전의 성형 대상물의 잔류 응력(residual stress)이 원인인 것이 알려져 있으며, 종래, 유한 요소법(finite element method) 등의 수치 해석 방법을 이용하여 해석함으로써 스프링 백 후의 형상의 예측이나, 그 원인의 해석 등이 이루어져 왔다.

스프링 백의 요인 분석에 관한 종래예로서는, 특허문헌 1에 개시된 「프레스 성형 해석 방법」이 있다. 특허문헌 1에 개시된 「프레스 성형 해석 방법」은, 이하의 3개의 처리로 이루어진다.

·처리 1: 이형 전의 성형품의 형상 등의 데이터를 산출하는 처리, 이형 전의 데이터에 기초하여, 이형 후의 성형품의 형상 등의 데이터를 산출하고, 스프링 백에 관한 어떠한 정의된 양을 산출한다.

·처리 2: 이형 전의 성형품에 있어서의 어떠한 영역에 대해서의 잔류 응력 분포를 변경하고, 이 변경한 데이터에 기초하여, 이형 후의 성형품의 형상 등의 데이터를 산출하고, 어떠한 영역에 대해서 잔류 응력 분포 변경 후의 스프링 백에 관한 어떠한 정의된 양을 산출한다.

·처리 3: 어떠한 영역에 대해서의 잔류 응력 분포를 변경하는 전후에 있어서, 어떠한 정의된 양이 어떻게 변화하는지를 산출한다.

특허문헌 1의 「프레스 성형 해석 방법」은, 프레스 성형 후(이형 전)의 성형품에 있어서의 어느 영역의 잔류 응력이 스프링 백에 어떻게 영향하고 있는지를 단시간에 또한 정확하게 예측하여, 스프링 백 대책의 검토를 행하는 것이다.

종래의 스프링 백 해석 방법은, 상기의 특허문헌 1로 대표되는 바와 같이, 대상으로 하고 있는 프레스 성형이, 피프레스 성형 재료를 가열하는 일 없이 프레스 성형하는 냉간 프레스 성형(cold press forming)이다.

최근에는, 연비 향상과 충돌 안전 성능의 양립을 도모하기 위해, 자동차 부품에 사용되는 강판으로서, 고장력 강판(high strength steel sheet)의 비율이 높아지고 있다.

고장력 강판은 변형 저항이 크기 때문에, 고장력 강판의 냉간 프레스 성형에는, 금형 수명이 저하된다는 문제나, 성형이 딥 드로잉(deep-drawing) 성형이나 고신장 플랜지(high-stretch flanging) 성형과 같은 강(强)가공을 받지 않는 가공으로 제한된다는 문제가 있다.

그래서, 이러한 문제를 회피하기 위해, 피프레스 성형 재료를 소정 온도로 가열한 후에 프레스 성형하는, 소위 온간 프레스 성형(warm press forming)이 고장력 강판에 적용되고 있다. 온간 프레스 성형은 냉간 프레스 성형보다도 높은 온도에서 성형함으로써, 고장력 강판의 변형 저항을 저하시켜 변형능을 향상시킴으로써, 프레스 균열 등의 문제를 방지하는 기술이다. 이러한 온간 프레스 성형 기술은, 예를 들면 특허문헌 2에 개시되어 있다.

일본공개특허공보 2007-229724호 일본공개특허공보 2001-314923호

발명자들은, 고장력강의 온간 프레스 성형 후의 형상 불량에 대해서 검토하기 위해, 유한 요소법에 의해 이형 후의 스프링 백 해석을 실시했다. 스프링 백 해석으로 얻어진 형상을, 실제로 온간 프레스 성형하여 얻어진 성형품의 형상과 비교한 결과, 큰 괴리가 발견되었다.

이 점으로부터 온간 프레스 성형에서는 이형 직후의 성형품 온도가 높아, 냉각 중의 열수축을 고려하지 않으면 최종 형상이 어떠한 형상이 되는지, 혹은 그 원인이 어디에 있는지를 해석할 수 없는 것을 알 수 있었다.

그러나, 프레스 성형 해석 및 스프링 백 해석에 의해 형상 불량 대책을 검토하는 종래 기술에 있어서는, 냉간 프레스 성형을 전제로 하고 있기 때문에, 피프레스 성형 재료에 발생하는 온도 분포를 고려하고 있지 않아, 온간 프레스 성형에 있어서의 형상 불량 대책을 해석할 수 없다.

본 발명은 이러한 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 온간 프레스 성형(warm press forming)에 있어서의 냉각 후의 형상을 예측할 수 있는 프레스 성형 해석 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

발명자들은, 온간 프레스 성형에서는 이형 직후의 성형품 온도가 높아, 온간 프레스 성형에서 발생하는 형상 불량에는, 하사점(bottom dead point)에 있어서의 잔류 응력뿐만 아니라, 온도 분포도 영향을 주고 있으며, 나아가서는 이 온도 분포에 기초하는 냉각 중의 열수축을 고려할 필요가 있다는 인식을 얻었다. 이 인식을 기초로 더욱 고찰한 결과, 가열된 피프레스 성형 재료를 프레스 성형하고, 또한 스프링 백했을 때의 온도 분포를 취득하고, 이 온도 분포를 기초로 하여 냉각 중의 열수축에 의한 변형을 해석함으로써, 상기 과제를 해결할 수 있다고 생각했다.

본 발명은 이러한 생각에 기초하는 것으로, 구체적으로는 이하의 구성으로 이루어지는 것이다.

(1) 가열한 피프레스 성형 재료에 대하여 초기 온도 분포를 설정하고 온도 해석과 구조 해석을 조합하여(combining) 프레스 성형 해석을 행하고 프레스 성형 후에 이형 전의 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포를 취득하는 프레스 성형 해석 공정과,

당해 프레스 성형 해석 공정에서 얻어진 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포에 기초함과 함께 금형과 피프레스 성형 재료 간의 접촉 열전달을 고려하는 일 없이 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 스프링 백 해석을 행하고 스프링 백 후의 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포를 취득하는 스프링 백 해석 공정과,

당해 스프링 백 해석 공정에서 취득된 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포에 기초하여 상기 피프레스 성형 재료의 온도 분포가 ±5℃ 이내가 될 때까지의 냉각 중 및 냉각 후의 형상 변화를 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 해석하는 형상 해석 공정을 갖는 프레스 성형 해석 방법.

(2) 가열한 피프레스 성형 재료에 대하여 초기 온도 분포를 설정하고 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 프레스 성형 해석을 행하고 프레스 성형 후에 이형 전의 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포를 취득하는 프레스 성형 해석 공정과,

당해 프레스 성형 해석 공정에서 얻어진 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포에 기초함과 함께 금형과 피프레스 성형 재료 간의 접촉 열전달을 고려하여 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 스프링 백 해석을 행하고 스프링 백 후의 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포를 취득하는 스프링 백 해석 공정과,

(3) 상기 형상 해석 공정에 있어서의 구조 해석이, 그 구조 해석의 최종 공정을 정적 음해법(static implicit method)에 의해 행하는 구조 해석으로 이루어지는, (1) 또는 (2)에 기재된 프레스 성형 해석 방법.

(4) 가열한 피프레스 성형 재료에 대하여 초기 온도 분포를 설정하고 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 프레스 성형 해석을 행하고 이형 전의 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포를 취득하는 프레스 성형 해석 공정과,

당해 스프링 백 해석 공정에서 취득된 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포에 기초하여 상기 피프레스 성형 재료의 온도 분포가 ±5℃ 이내가 될 때까지의 냉각 중 및 냉각 후의 형상 변화를 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 해석하는 제1 형상 해석 공정과,

상기 스프링 백 해석 공정에서 취득된 온도 분포에 변경을 더하여, 변경 후의 온도 분포 및 상기 스프링 백 해석 공정에서 취득된 형상 정보, 응력 분포 및 변형 분포에 기초하여 상기 피프레스 성형 재료의 온도 분포가 ±5℃ 이내가 될 때까지의 냉각 중 및 냉각 후의 형상 변화를 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 해석하는 제2 형상 해석 공정과,

당해 제2 형상 해석 공정과 상기 제1 형상 해석 공정의 해석에 의해 얻어진 냉각 후의 피프레스 성형 재료의 형상을 비교하는 형상 비교 공정을 갖는 프레스 성형 해석 방법.

(5) 가열한 피프레스 성형 재료에 대하여 초기 온도 분포를 설정하고 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 프레스 성형 해석을 행하고 이형 전의 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포를 취득하는 프레스 성형 해석 공정과,

(6) 상기 제1 형상 해석 공정 및 상기 제2 형상 해석 공정에 있어서의 구조 해석이, 그 구조 해석의 최종 공정을 정적 음해법에 의해 행하는 구조 해석으로 이루어지는 (4) 또는 (5)에 기재된 프레스 성형 해석 방법.

본 발명에 의하면, 온간 프레스 성형에 있어서의 냉각 후의 형상을 예측할 수 있기 때문에, 온간 프레스 성형에 있어서의 형상 불량 대책이 가능해지고, 프레스 성형품의 설계 단계에서의 테스트 공수(工數)나 비용의 삭감 등의 효과를 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태의 처리의 흐름을 설명하는 플로우도이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태의 장치 구성을 설명하는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예의 실(實)프레스품(actual press-formed material)을 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 이용한 금형의 단면(斷面) 형상을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 있어서의 금형, 실프레스품, 해석 결과의 형상을 비교하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 형태의 처리의 흐름을 설명하는 플로우도이다.
도 7은 본 발명의 실시 형태의 장치 구성을 설명하는 블록도이다.
도 8은 본 발명의 실시 형태에 있어서의 해트(hat) 단면 형상의 주름 단면의 온도 분포를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 형태에 있어서의 다른 예인 해트 단면 형상 전체의 온도 분포를 절반만 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예의 실프레스품을 나타내는 개략도이다.
도 11은 본 발명의 실시예의 실프레스품의 온도 분포를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에서 이용한 금형의 단면 형상을 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 있어서의 제1 형상 해석 공정에서 얻어진 형상을 설명하는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 있어서의 형상 비교 공정을 설명하는 도면이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

[실시 형태 1]

실시 형태 1에 따른 프레스 성형 해석 방법은, 프로그램 처리를 실행하는 PC(퍼스널 컴퓨터) 등의 장치에 의해 행하는 것이기 때문에, 우선, 장치(이하, 「프레스 성형 해석 장치(1)」라고 함)의 구성에 대해서 도 2에 나타내는 블록도에 기초하여 개설(槪說)한다.

[프레스 성형 해석 장치]

실시 형태 1에 따른 프레스 성형 해석 장치(1)는, PC(퍼스널 컴퓨터) 등에 의해 구성되고, 도 2에 나타나는 바와 같이, 표시 장치(3)와 입력 장치(5)와 주기억 장치(7)와 보조 기억 장치(9) 및 연산 처리부(11)를 갖고 있다.

또한, 연산 처리부(11)에는, 표시 장치(3)와 입력 장치(5)와 주기억 장치(7) 및 보조 기억 장치(9)가 접속되고, 연산 처리부(11)의 지령에 의해 각 기능을 행한다. 표시 장치(3)는 계산 결과의 표시 등에 이용되고, 액정 모니터 등으로 구성된다.

입력 장치(5)는 오퍼레이터로부터의 입력 등에 이용되고, 키보드나 마우스 등으로 구성된다.

주기억 장치(7)는 연산 처리부(11)에서 사용하는 데이터의 일시 보존이나 연산 등에 이용되고, RAM 등으로 구성된다. 보조 기억 장치(9)는, 데이터의 기억 등에 이용되고, 하드 디스크 등으로 구성된다.

연산 처리부(11)는 PC 등의 CPU 등에 의해 구성되고, 연산 처리부(11) 내에는, 프레스 성형 해석 수단(13)과, 스프링 백 해석 수단(15)과, 형상 해석 수단(17)을 갖는다. 이들 수단은 CPU 등이 소정의 프로그램을 실행함으로써 실현된다. 이하에 이들 수단에 대해서 설명한다.

<프레스 성형 해석 수단>

프레스 성형 해석 수단(13)은, 가열한 피프레스 성형 재료에 대하여 초기 온도 분포를 설정하고 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 프레스 성형 해석을 행하고 프레스 성형 후(이형 전)의 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포를 취득하는 것이다.

<스프링 백 해석 수단>

스프링 백 해석 수단(15)은, 프레스 성형 해석 수단(13)에서 얻어진 정보에 기초하여, 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 스프링 백 해석을 행하고 스프링 백 후의 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포를 취득하는 것이다.

<형상 해석 수단>

형상 해석 수단(17)은, 스프링 백 해석 수단(15)에서 취득된 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포에 기초하여 피프레스 성형 재료의 온도 분포가 ±5℃ 이내가 될 때까지의 냉각 중 및 냉각 후의 형상 변화를 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 해석하는 것이다.

[프레스 성형 해석 방법]

실시 형태 1에 있어서의 프레스 성형 해석 방법은, 상기 「프레스 성형 해석 수단」, 「스프링 백 해석 수단」, 「형상 해석 수단」의 각 수단이 각각의 처리를 실행함으로써 이루어지는 것이며, 이하에 나타내는 공정으로 이루어지는 것이다.

즉, 실시 형태 1에 있어서의 프레스 성형 해석 방법은, 가열된 피프레스 성형 재료에 대하여 초기 온도 분포를 설정하고 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 프레스 성형 해석을 행하고 프레스 성형 후(이형 전)의 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포를 취득하는 프레스 성형 해석 공정과, 당해 프레스 성형 해석 공정에서 얻어진 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포에 기초함과 함께 금형과 피프레스 성형 재료 간의 접촉 열전달을 고려하는 일 없이 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 스프링 백 해석을 행하고 스프링 백 후의 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포를 취득하는 스프링 백 해석 공정과, 당해 스프링 백 해석 공정에서 취득된 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포에 기초하여 상기 피프레스 성형 재료의 온도 분포가 ±5℃ 이내가 될 때까지의 냉각 중 및 냉각 후의 형상 변화를 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 해석하는 형상 해석 공정을 갖는다.

실시 형태 1에 있어서의 프레스 성형 해석 방법은, 상기와 같이 각 공정에 있어서, 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 해석을 행하는 것이다. 온도 해석과 구조 해석을 조합한 해석이란, 공냉이나 금형과 피프레스 성형 재료 간의 접촉 열전달 등을 고려하여 피프레스 성형 재료의 온도 분포를 해석하고(온도 해석), 이에 따라 얻어진 온도 분포에 기초하여, 당해 온도에 대응하는 온도 의존 데이터(영률(Young's modulus), 푸아송비(Poisson's ratio), 열팽창 계수, 항복 응력(yield stress), 응력-변형 선도(stress-strain curve), 비열, 열전도율 등)을 이용하여 응력 상태 등의 해석(구조 해석)을 행하는 해석을 말한다.

이하, 실시 형태 1의 프레스 성형 해석 방법에 있어서의 상기 각 공정에 대해서, 도 1의 플로우 차트에 기초하여 상세하게 설명한다.

<프레스 성형 해석 공정>

프레스 성형 해석 공정은, 가열한 피프레스 성형 재료에 대하여 초기 온도 분포를 설정하고 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 프레스 성형 해석을 행하고 프레스 성형 후(이형 전)의 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포를 취득하는 것이다(스텝 S1).

가열한 피프레스 성형 재료에 대한 초기 온도 분포의 설정에 대해서 이하에 설명한다.

실제의 온간 프레스 성형은, 피프레스 성형 재료를 전기로에서 균일 온도가 되도록 충분히 가열한 후, 반송 로봇으로 프레스기에 반송하여 프레스 성형을 행한다. 그래서, 프레스 성형 해석 공정에 있어서는, 실제의 피프레스 성형 재료의 가열을 상정하여, 초기 온도로서 피프레스 성형 재료에 대하여 피프레스 성형 재료 전체에 균일한 온도(예를 들면 600℃) 설정을 행한다. 또한, 보다 정확을 기하기 위해 전기로 가열 후의 반송 도중의 공냉을 고려하여 온도 분포를 계산하고 초기 온도 분포로 해도 좋다.

프레스 성형 해석 공정은, 프레스 성형 해석 수단(13)에 의해 행해지는 처리이기 때문에, 프레스 성형 해석 공정에 있어서는, 프레스 성형 해석 수단(13)이 필요로 하는 온도 의존 데이터(영률, 푸아송비, 열팽창 계수, 항복 응력, 응력-변형 선도, 비열, 열전도율 등)를 입력하고, 피프레스 성형 재료와 금형에 초기 온도 분포를 부여하여 행한다.

또한, 실제의 온간 프레스 성형에 있어서, 피프레스 성형 재료를 프레스 하사점 상태로 일정 시간 보존유지(保持)한 채로 냉각함으로써, 부품의 형상에 따라서는, 이형 후에 스프링 백의 발생이 억제되어, 형상이 양호해지는 경우가 있다. 그래서, 본 프레스 성형 해석 공정에 있어서도, 피프레스 성형 재료를 금형에 일정 시간 보존유지하여 냉각하도록 해도 좋다. 단, 실제의 온간 프레스 성형에 있어서는, 냉각 시간을 길게 하는 것은 생산 효율의 악화로 이어지기 때문에, 본 프레스 성형 해석 공정에 냉각 시간을 설정할 때에 실조업에 있어서의 생산 효율을 고려하여 설정하도록 하는 것이 바람직하다.

프레스 성형 해석 공정에서 계산된, 이형 직전의 피프레스 성형 재료와 금형의 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포, 변형 분포 등의 필요한 데이터는 다음의 스프링 백 해석 공정에 인계된다.

<스프링 백 해석 공정>

스프링 백 해석 공정은, 프레스 성형 해석 공정에서 얻어진 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포에 기초함과 함께 금형과 피프레스 성형 재료 간의 접촉 열전달을 고려하는 일 없이 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 스프링 백 해석을 행하고 스프링 백 후의 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포를 취득하는 것이다(스텝 S3).

실시 형태 1의 스프링 백 공정에서는, 금형과 피프레스 성형 재료 간의 접촉 열전달을 고려하지 않고 해석을 행하고 있다. 따라서, 스프링 백 공정에 있어서는, 피프레스 성형 재료는 금형으로의 접촉에 의한 온도 저하는 없고, 공냉에 의한 온도 저하만을 고려하여 계산한다. 이와 같이 함으로써 계산이 간이해지고, 접촉 열전달을 고려하여 해석을 행하는 경우와 비교하여 수속(convergence)도 얻기 쉽다.

이러한, 금형과 피프레스 성형 재료 간의 접촉 열전달을 고려하지 않고 스프링 백 해석을 행하는 구체적인 해석 방법은, 프레스 성형 해석 공정에서 얻어진 정보를 초기 조건으로 하여, 피프레스 성형 재료의 1개 또는 복수의 절점(node)을 구속하여 피프레스 성형 재료가 움직이지 않도록 하여, 하사점의 상태에서 응력을 개방시켜 계산한다. 응력을 해방시키는 시간은 일정 시간으로 가정한다.

스프링 백 후의 피프레스 성형 재료의 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포, 변형 분포 등의 필요한 데이터는 다음 형상 해석 공정에 인계된다.

또한, 하사점의 상태에서 응력을 개방시키는 시간이, 가정하고 있는 시간이 1초 이하 등으로 짧은 경우는, 무시할 수 있는 정도의 온도 변화밖에 일어나지 않고, 따라서 온도 해석을 행하지 않아도 좋다. 이 경우, 프레스 성형 해석 후의 피프레스 성형 재료의 온도 분포를 그대로 스프링 백 후의 온도 분포로 하여, 다음 형상 해석 공정에 인계된다. 단, 본 스프링 백 해석 공정에서 온도 해석을 행하지 않는다고 해도, 구조 해석은, 프레스 성형 해석 후의 온도 분포와 온도 의존 데이터에 기초하여 해석을 행한다.

<형상 해석 공정>

형상 해석 공정은, 상기 스프링 백 해석 공정에서 취득된 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포에 기초하여 피프레스 성형 재료의 온도 분포가 ±5℃ 이내가 될 때까지의 냉각 중 및 냉각 후의 형상 변화를 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 해석하는 것이다(스텝 S5).

형상 해석 공정은, 형상 해석 수단(17)을 이용하여 행해지고, 스프링 백 해석 후의 피프레스 성형 재료의 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포, 변형 분포 등의 데이터를 초기 조건으로 하여, 냉각에 의한 온도 분포의 변화를 해석하고, 열수축을 고려한 구조 해석을 행한다.

본 형상 해석 공정에 있어서의 구체적인 해석 방법으로서는, 피프레스 성형 재료가 냉각 중에 움직이지 않도록, 피프레스 성형 재료의 1개 또는 복수의 절점을 구속하여 행한다. 절점의 구속에 대해서는, 상기 스프링 백 해석 공정에서 이용한 절점 구속 조건을 사용하는 것도 가능하다.

온도 해석은 공냉을 가정하여 행해도 좋지만, 실조업에서 냉각대 위에 놓고 냉각하는 것을 상정하여, 냉각대와 피프레스 성형 재료의 접촉 열전달을 고려한 해석을 행하면, 보다 실조업에 가까운 온도 해석 결과가 얻어진다.

형상 해석 공정에서는, 피프레스 성형 재료의 온도 분포가 ±5℃ 이내가 될 때까지의 냉각 중 및 냉각 후의 형상 변화를 해석하는 것으로 하고 있지만, 이 이유는 이하와 같다.

실제의 온간 프레스 성형에서는, 피프레스 성형 재료의 온도가 실온 등의 환경 온도를 향하여 내려가는 과정에 있어서, 피프레스 성형 재료 전체의 온도 분포가 ±5℃ 이내(보다 바람직하게는 ±1℃ 이내)에 들어가면, 온도에 의한 형상의 변화가 거의 일어나지 않게 된다. 따라서 본 형상 해석 공정에 있어서도, 상기 온도 분포의 조건을 충족하도록, 냉각 시간을 충분히 확보하여 행해야 하는 것이다.

또한, 형상 해석 공정의 구조 해석은, 원리상은 동적으로도 정적으로도 행할 수 있다. 동적 해석을 행하면, 타임 스케일링으로 시간을 압축하여 취급할 수 있기 때문에, 계산 시간이 빨라진다는 장점이 있다. 그러나, 동적 해석으로 해석을 끝낸 경우, 관성력(慣性力)이 남는 영향으로 계산 정밀도가 저하되어 버린다. 그 때문에, 보다 정확한 계산 결과를 얻고 싶은 경우, 형상 해석 공정의 구조 해석의 전부를 정적으로 행하면 좋다. 또는, 동적 해석의 장점을 향수(享受)하기 위해, 형상 해석 공정을 2단계로 나누어, 처음의 단계를 동적으로, 마지막 단계는 정적으로 행하면 좋다. 예를 들면, 1001초간의 냉각 시간을 상정하는 경우, 처음의 1000초간을 동적 해석으로 시간을 압축하여 행하고, 마지막 1초를 정적 해석하도록 하면, 계산 시간을 단축하면서 해석 정밀도의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 보다 바람직하게는, 형상 해석 공정의 구조 해석의 마지막 단계에는 정적 음해법을 이용하면 좋다.

이상과 같이, 실시 형태 1의 프레스 성형 해석 방법에 있어서는, 프레스 성형 해석 공정, 스프링 백 해석 공정의 각 공정에 대해서 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 행함과 함께, 스프링 백 해석 공정에서 얻어진 형상과 온도 분포에 기초하고, 또한 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 온도 변화에 의한 형상 변화를 해석하는 형상 해석 공정을 행하도록 했기 때문에, 온간 프레스 성형에 있어서의 냉각 후의 형상을 예측할 수 있고, 온간 프레스 성형에 있어서의 형상 불량 대책이 가능해지고, 프레스 성형품의 설계 단계에서의 테스트 공수나 비용의 삭감 등의 효과를 기대할 수 있다.

[실시 형태 2]

실시 형태 2에 있어서의 프레스 성형 해석 방법은, 가열한 피프레스 성형 재료에 대하여 초기 온도 분포를 설정하고 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 프레스 성형 해석을 행하고 프레스 성형 후의 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포를 취득하는 프레스 성형 해석 공정과, 당해 프레스 성형 해석 공정에서 얻어진 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포에 기초함과 함께 금형과 피프레스 성형 재료 간의 접촉 열전달을 고려하여 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 스프링 백 해석을 행하고 스프링 백 후의 형상과 온도 분포를 취득하는 스프링 백 해석 공정과, 당해 스프링 백 해석 공정에서 취득된 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포에 기초하여 상기 피프레스 성형 재료의 온도 분포가 ±5℃ 이내가 될 때까지의 냉각 중 및 냉각 후의 형상 변화를 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 해석하는 형상 해석 공정을 갖는다.

실시 형태 2에 있어서의 프레스 성형 해석 방법은, 실시 형태 1에 있어서의 프레스 성형 해석 방법의 스프링 백 해석 공정에 있어서 금형과 피프레스 성형 재료 간의 접촉 열전달을 고려하고 있지 않았던 것을, 이것을 고려하여 행하는 것이며, 그 외의 점은 실시 형태 1의 프레스 성형 해석 방법과 동일하다.

그래서, 이하에 있어서는, 실시 형태 2의 스프링 백 해석 공정에 있어서의 금형과 피프레스 성형 재료 간의 접촉 열전달을 고려하는 것에 대해서 설명한다.

스프링 백 해석 공정에 있어서, 금형과 피프레스 성형 재료 간의 접촉 열전달을 고려하는 것에 의한 효과는 다음과 같다.

이형에 의한 온도 변화를 보다 정확하게 고려할 수 있고, 스프링 백 후의 피성형 재료의 온도 분포를 보다 정확하게 구할 수 있고, 그 결과, 형상 해석 공정에 의해 구해지는 냉각 후의 성형품의 형상을 보다 정확하게 구할 수 있다.

단, 실시 형태 1과 같이 스프링 백 해석 공정에 있어서 금형과 피프레스 성형 재료 간의 접촉 열전달을 고려하지 않는 쪽이 수속을 얻기 쉽다는 장점도 있기 때문에, 양자는 케이스 바이 케이스(case-by-case)로 구분하여 사용하도록 하면 좋다.

스프링 백 해석 공정에 있어서, 금형과 피프레스 성형 재료 간의 접촉 열전달을 고려하는 해석의 구체적인 방법으로서는, 피프레스 성형 재료의 1개 또는 복수의 절점을 구속하여 피프레스 성형 재료가 움직이지 않도록 하여, 금형을 움직여 이형을 시뮬레이트(simulate)한다. 이 경우는, 금형과의 접촉에 의한 발열(拔熱; heat removal)이나, 금형과 접촉하고 있지 않은 부분의 공냉 등을 정확하게 고려하여 온도 해석을 행하도록 한다.

또한, 스프링 백 해석 공정에 있어서의 초기 조건이나, 스프링 백 후의 데이터의 인계는 실시 형태 1과 동일하다.

이상과 같이, 실시 형태 2에 의하면, 전술한 바와 같이 이형에 의한 온도 변화를 보다 정확하게 고려할 수 있고, 스프링 백 후의 피성형 재료의 온도 분포를 보다 정확하게 구할 수 있고, 그 결과, 형상 해석 공정에 의해 구해지는 냉각 후의 성형품의 형상을 보다 정확하게 구할 수 있다는 효과가 얻어진다.

또한, 상기 실시 형태 1 및 2에서는, 온간 프레스 성형을 상정하여, 피프레스 성형 재료를 600℃로 가열한 것을 해석하는 방법에 대해서 설명했다. 그러나, 냉간 프레스 성형에 대해서 해석하는 경우라도, 가공 발열이나 마찰 발열 등의 열의 영향에 대해서 고려하는 경우, 본 발명을 적용하여 해석하는 것도 가능하다.

또한, 본 발명을 특허문헌 1과 같은 응력 분포의 영향을 검토하는 방법과 조합하여 사용함으로써, 형상 불량 대책을 검토하기 위한, 실용적 가치가 높은 프레스 성형의 해석 수단이 된다.

[실시 형태 3]

실시 형태 3에 따른 프레스 성형 해석 방법은, 프로그램 처리를 실행하는 PC(퍼스널 컴퓨터) 등의 장치에 의해 행하는 것이기 때문에, 우선, 장치(이하, 「프레스 성형 해석 장치(1)」라고 함)의 구성에 대해서 도 7에 나타내는 블록도에 기초하여 개설한다.

[프레스 성형 해석 장치]

실시 형태 3에 따른 프레스 성형 해석 장치(1)는, PC(퍼스널 컴퓨터) 등에 의해 구성되고, 도 7에 나타나는 바와 같이, 표시 장치(3)와 입력 장치(5)와 주기억 장치(7)와 보조 기억 장치(9) 및 연산 처리부(11)를 갖고 있다.

입력 장치(5)는 오퍼레이터(operator)로부터의 입력 등에 이용되고, 키보드나 마우스 등으로 구성된다.

주기억 장치(7)는 연산 처리부(11)에서 사용하는 데이터의 일시 보존이나 연산 등에 이용되고, RAM 등으로 구성된다. 보조 기억 장치(9)는, 데이터의 기억 등에 이용되며, 하드 디스크 등으로 구성된다.

연산 처리부(11)는 PC 등의 CPU 등에 의해 구성되고, 연산 처리부(11) 내에는, 프레스 성형 해석 수단(13)과, 스프링 백 해석 수단(15)과, 형상 해석 수단(17)과, 온도 분포 변경 수단(19)과, 형상 비교 수단(20)을 갖는다. 이들 수단은 CPU 등이 소정의 프로그램을 실행함으로써 실현된다. 이하에 이들 수단에 대해서 설명한다.

<프레스 성형 해석 수단>

<스프링 백 해석 수단>

<형상 해석 수단>

또한, 형상 해석 수단(17)은, 이하에 설명하는 바와 같이, 제1 형상 해석 공정과 제2 형상 해석 공정의 양쪽의 공정의 처리를 행한다.

<온도 분포 변경 수단>

온도 분포 변경 수단(19)은, 스프링 백 해석 수단(15)에서 취득된 온도 분포에 변경을 더하는 것이다. 구체적으로는, 오퍼레이터의 지시에 의해, 피성형 재료의 소정의 부위의 온도 분포의 변경을 행한다.

<형상 비교 수단>

형상 비교 수단(20)은, 형상 해석 수단(17)에 의해 얻어진 복수의 냉각 후의 피프레스 성형 재료의 형상을 비교하는 것이다. 구체적으로는, 냉각 후의 피프레스 성형 재료의 형상을 표시 장치(3) 상에, 오퍼레이터가 시각적으로 비교 가능한 상태로 표시시키는 기능을 갖는다.

[프레스 성형 해석 방법]

실시 형태 3에 있어서의 프레스 성형 해석 방법은, 상기 「프레스 성형 해석 수단」, 「스프링 백 해석 수단」, 「형상 해석 수단」, 「온도 분포 변경 수단」, 「형상 비교 수단」의 각 수단이 각각의 처리를 실행함으로써 이루어지는 것이며, 이하에 나타내는 공정으로 이루어지는 것이다.

즉, 실시 형태 3에 있어서의 프레스 성형 해석 방법은, 가열한 피프레스 성형 재료에 대하여 초기 온도 분포를 설정하고 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 프레스 성형 해석을 행하고 이형 전의 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포를 취득하는 프레스 성형 해석 공정과,

당해 제2 형상 해석 공정과 상기 제1 형상 해석 공정의 해석에 의해 얻어진 냉각 후의 피프레스 성형 재료의 형상을 비교하는 형상 비교 공정을 갖는 것이다.

실시 형태 3에 있어서의 프레스 성형 해석 방법은, 상기와 같이 각 해석 공정에 있어서, 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 해석을 행하는 것이다. 온도 해석과 구조 해석을 조합한 해석이란, 공냉이나 금형과 피프레스 성형 재료 간의 접촉 열전달 등을 고려하여 피프레스 성형 재료의 온도 분포를 해석하고(온도 해석), 이에 따라 얻어진 온도 분포에 기초하여, 당해 온도에 대응하는 온도 의존 데이터(영률, 푸아송비, 열팽창 계수, 항복 응력, 응력-변형 선도, 비열, 열전도율 등)를 이용하여 응력 상태 등의 해석(구조 해석)을 행하는 해석을 말한다.

이하, 실시 형태 3의 프레스 성형 해석 방법에 있어서의 상기 각 공정에 대해서, 도 6의 플로우 차트에 기초하여 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는 해트 단면 형상을 폼 성형하는 경우를 예로 든다.

<프레스 성형 해석 공정>

프레스 성형 해석 공정은, 프레스 성형 해석 수단(13)에 의해 행해지는 처리이기 때문에, 프레스 성형 해석 공정에 있어서는, 프레스 성형 해석 수단(13)이 필요로 하는 온도 의존 데이터(영률, 푸아송비, 열팽창 계수, 항복 응력, 응력-변형 선도, 비열, 열전도율 등)를 입력하여, 피프레스 성형 재료와 금형에 초기 온도 분포를 부여하여 행한다.

또한, 실제의 온간 프레스 성형에 있어서, 피프레스 성형 재료를 프레스 하사점 상태로 일정 시간 보존유지한 채로 냉각함으로써, 부품의 형상에 따라서는, 이형 후에 스프링 백의 발생이 억제되어, 형상이 양호해지는 경우가 있다. 그래서, 본 프레스 성형 해석 공정에 있어서도, 피프레스 성형 재료를 금형에 일정 시간 보존유지하여 냉각하도록 해도 좋다. 단, 실제의 온간 프레스 성형에 있어서는, 냉각 시간을 길게 하는 것은 생산 효율의 악화로 이어지기 때문에, 본 프레스 성형 해석 공정에 냉각 시간을 설정할 때에 실조업에 있어서의 생산 효율을 고려하여 설정하도록 하는 것이 바람직하다.

프레스 성형 해석 공정에서 계산된, 이형 직전의 피프레스 성형 재료와 금형의 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포, 변형 분포 등의 필요한 데이터는 다음 스프링 백 해석 공정에 인계된다.

<스프링 백 해석 공정>

실시 형태 3의 스프링 백 공정에서는, 금형과 피프레스 성형 재료 간의 접촉 열전달을 고려하지 않고 해석을 행하고 있다. 따라서, 스프링 백 공정에 있어서는, 피프레스 성형 재료는 금형으로의 접촉에 의한 온도 저하는 없고, 공냉에 의한 온도 저하만을 고려하여 계산한다. 이와 같이 함으로써 계산이 간이해지고, 접촉 열전달을 고려하여 해석을 행하는 경우와 비교하여 수속도 얻어지기 쉽다.

이러한, 금형과 피프레스 성형 재료 간의 접촉 열전달을 고려하지 않고 스프링 백 해석을 행하는 구체적은 해석 방법은, 프레스 성형 해석 공정에서 얻어진 정보를 초기 조건으로 하여, 피프레스 성형 재료의 1개 또는 복수의 절점을 구속하여 피프레스 성형 재료가 움직이지 않도록 하고, 하사점 상태에서 응력을 개방시켜 계산한다. 응력을 해방시키는 시간은 일정 시간으로 가정한다.

스프링 백 후의 피프레스 성형 재료의 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포, 변형 분포 등의 필요한 데이터는 다음 제1 형상 해석 공정에 인계된다.

또한, 하사점의 상태에서 응력을 개방시키는 시간이, 가정하고 있는 시간이 1초 이하 등으로 짧은 경우는, 무시할 수 있는 정도의 온도 변화밖에 일어나지 않으며, 따라서 온도 해석을 행하지 않아도 좋다. 이 경우, 프레스 성형 해석 후의 피프레스 성형 재료의 온도 분포를 그대로 스프링 백 후의 온도 분포로 하여, 다음의 제1 형상 해석 공정에 인계된다. 단, 본 스프링 백 해석 공정에서 온도 해석을 행하지 않는다고 해도, 구조 해석은, 프레스 성형 해석 후의 온도 분포와 온도 의존 데이터에 기초하여 해석을 행한다.

도 8은, 스프링 백 해석 공정에 의해 얻어진 피프레스 성형 재료의 특정 부위의 온도 분포의 일 예를 설명하는 그래프이다. 도 8의 그래프에서는, 종축이 피프레스 성형 재료 온도(℃)를 나타내고, 횡축이 피프레스 성형 재료의 단면을 따라 계측한 거리(㎜)를 나타내고 있다.

해트 단면 형상을 폼 성형하는 경우, 프레스 성형 과정에 있어서, 성형 조건 등에 따라서는, 플랜지부(flange portion)에 주름이 발생하는 경우가 있다. 스프링 백 후에 있어서, 이 주름 부분의 온도는 그 주위의 온도보다도 높아진다. 이것은, 플랜지부는 프레스 성형 과정에서 금형과 접하기 때문에, 금형으로 열이 전달되어 온도 저하가 일어나지만, 주름 부분에서는 금형과 접하지 않는 부위가 발생하여, 당해 부위에서는 온도 저하가 일어나지 않기 때문이다.

도 8의 그래프는, 발생한 주름의 정부(頂部; top)를 중심으로 당해 주름의 자락(end portion)을 포함하는 근방에 있어서의 단면의 온도 분포를 나타낸 것으로, 실선이 스프링 백 해석 공정에 의해 얻어진 온도 분포이다. 도 8 중의 실선의 그래프를 보면, 2개의 산부(protrusion)가 이어져 있으며, 그 사이에 계곡부(recess)가 나타나 있다. 이 계곡부가 주름의 정부에 해당한다. 주름의 정부는 금형에 접하여 온도 저하가 발생하고 있는 것이다.

도 8에 나타내는 바와 같이, 주름이 발생함으로써 피프레스 성형 재료에 온도 분포가 발생하는 것이다.

<제1 형상 해석 공정>

제1 형상 해석 공정은, 상기 스프링 백 해석 공정에서 취득된 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포에 기초하여 피프레스 성형 재료의 온도 분포가 ±5℃ 이내가 될 때까지의 냉각 중 및 냉각 후의 형상 변화를 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 해석하는 것이다(스텝 S5).

이 예에서는, 제1 형상 해석 공정에 있어서의 온도 분포는, 도 8의 실선으로 나타낸 주름부의 온도 분포를 포함하는 온도 분포에 기초하여 행해진다.

제1 형상 해석 공정은, 형상 해석 수단(17)을 이용하여 행해지고, 스프링 백 해석 후의 피프레스 성형 재료의 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포, 변형 분포 등의 데이터를 초기 조건으로 하여, 냉각에 의한 온도 분포의 변화를 해석하고, 열수축을 고려한 구조 해석을 행한다.

본 제1 형상 해석 공정에 있어서의 구체적인 해석 방법으로서는, 피프레스 성형 재료가 냉각 중에 움직이지 않도록, 피프레스 성형 재료의 1개 또는 복수의 절점을 구속하여 행한다. 절점의 구속에 대해서는, 상기 스프링 백 해석 공정에서 이용한 절점 구속 조건을 사용하는 것도 가능하다.

제1 형상 해석 공정에서는, 피프레스 성형 재료의 온도 분포가 ±5℃ 이내가 될 때까지의 냉각 중 및 냉각 후의 형상 변화를 해석하는 것으로 하고 있지만, 그 이유는 이하와 같다.

실제의 온간 프레스 성형에서는, 피프레스 성형 재료의 온도가 실온 등의 환경 온도를 향하여 내려가는 과정에 있어서, 피프레스 성형 재료 전체의 온도 분포가 ±5℃ 이내(보다 바람직하게는 ±1℃ 이내)에 들어가면, 온도에 의한 형상의 변화가 거의 일어나지 않게 된다. 따라서 제1 형상 해석 공정에 있어서도, 상기 온도 분포의 조건을 충족하도록, 냉각 시간을 충분히 확보하여 행해야 하는 것이다.

<제2 형상 해석 공정>

제2 형상 해석 공정은, 상기 스프링 백 해석 공정에서 취득된 온도 분포에 변경을 더하여, 변경 후의 온도 분포 및 상기 스프링 백 해석 공정에서 취득된 형상 정보, 응력 분포 및 변형 분포에 기초하여 상기 피프레스 성형 재료의 온도 분포가 ±5℃ 이내가 될 때까지의 냉각 중 및 냉각 후의 형상 변화를 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 해석하는 것이다(스텝 S7, S9).

제2 형상 해석 공정은, 스프링 백 해석 공정에서 취득된 온도 분포에 변경을 더하여 형상 해석을 행하는 점 이외, 제1 형상 해석 공정과 동일하다.

스프링 백 해석 후의 피프레스 성형 재료의 온도 분포에 대하여 변경을 더하는 방법으로서, 이 예에서는 주름이 발생한 부위의 온도 분포를 도 8에 나타내는 점선과 같이 하고 있다. 즉, 주름이 발생하고 있는 부위에 발생한 온도 분포가 없는 바와 같은 상태, 환언하면 주름이 발생하고 있지 않으면 얻어졌을 것이라고 추정할 수 있는 온도 분포로 한다.

온도 분포를 변경 후, 변경 후의 온도 분포와, 스프링 백 해석 공정에서 취득된 형상 정보, 응력 분포 및 변형 분포에 기초하여 형상 해석 수단(17)을 이용하여 냉각에 의한 온도 분포의 변화를 해석하고, 열수축을 고려한 구조 해석을 행한다.

<형상 비교 공정>

형상 비교 공정은, 제1 형상 해석 공정과 제2 형상 해석 공정의 해석에 의해 얻어진 냉각 후의 피프레스 성형 재료의 형상을 비교하는 것이다(스텝 S11).

형상 비교 공정은, 제2 형상 해석 공정과 제1 형상 해석 공정의 해석에 의해 얻어진 냉각 후의 피프레스 성형 재료의 형상을, 표시 장치(3) 상에 비교 가능한 상태(예를 들면 양자를 병렬시킨 상태 혹은 서로 겹친 상태)로 표시시켜, 오퍼레이터가 시각적으로 비교한다.

제1 형상 해석 공정과 제2 형상 해석 공정의 해석에 의해 얻어진 냉각 후의 피프레스 성형 재료의 형상에 차이가 없었던 경우에는, 전술한 온도 분포 변경이 냉각 후의 피프레스 성형 재료의 형상에 영향을 주고 있지 않은 것을 알 수 있다. 이 점으로부터, 스프링 백 후에 온도 분포 변경 전의 온도 분포가 발생하는 것은 특별히 문제가 없다는 것을 알 수 있다.

반대로, 제1 형상 해석 공정과 제2 형상 해석 공정의 해석에 의해 얻어진 냉각 후의 피프레스 성형 재료의 형상에 차이가 있던 경우는, 전술한 온도 분포 변경이 냉각 후의 피프레스 성형 재료의 형상에 영향을 미치고 있다는 것을 알 수 있다. 이 경우, 온도 분포 변경 후의 형상이 목표 형상에 가깝다는 결과가 얻어져 있었다고 한다면, 스프링 백 후에 온도 분포 변경 전의 온도 분포가 발생하는 것은 문제이고, 이러한 온도 분포가 발생하지 않는 바와 같은 프레스 성형을 행하는 것이 냉각 후의 피성형 재료의 형상을 목표 형상에 근접시키는 것으로 이어진다는 것을 알 수 있다. 본 예이면, 주름 발생에 의해 발생한 온도 분포가 문제였던 것이 되기 때문에, 주름이 발생하지 않는 바와 같은 프레스 성형 방법을 생각하면 좋다. 그러한 방법으로서는, 예를 들면, 금형이 상사점에서 하사점까지 이동하는 동안, 블랭크 홀더(blank holder)로 피프레스 성형 재료를 눌러 둘 수 있는 바와 같은 드로우 성형(deep drawing)으로 하는 것이나, 피프레스 성형 재료의 초기 형상을 변경하는 것 등을 생각할 수 있다.

이상과 같이, 실시 형태 3에 의하면, 스프링 백 후의 온도 분포가 냉각 후의 형상에 어떠한 영향을 미치고 있는지를 알 수 있고, 그에 따라 온간 프레스 성형에 있어서의 형상 불량 대책이 가능해지고, 프레스 성형품의 설계 단계에서의 테스트 공수나 비용의 삭감 등의 효과를 얻을 수 있다.

상기의 설명에서는, 스프링 백 후의 온도 분포를 변경하는 방법으로서, 피프레스 성형 재료의 일부분(주름 부분)의 온도 분포에 변경을 더하는 방법이었지만, 피프레스 성형 재료 전체의 온도가 균일해지도록 변경을 더해도 좋다.

이하에 있어서는, 피프레스 성형 재료 전체의 온도를 균일하게 하는 바와 같은 온도 분포 변경을 행하는 경우를 피프레스 성형 재료가 해트 단면 형상인 경우를 예로 들어 설명한다.

도 9는, 어느 해트 단면 형상을 드로우 성형하고, 스프링 백 후의 온도 분포를 나타낸 그래프이다. 도 9는, 종축이 피프레스 성형 재료 온도(℃)이고, 횡축은 단면을 따라 측정한 폭방향 중심으로부터의 길이(㎜)를 나타내고, 해트 단면 형상에 있어서의 폭방향의 절반의 부위만을 표시하고 있다.

해트 단면 형상을 프레스 성형하는 경우, 해트 단면 형상의 천판부(top portion)와 종벽부(vertical portion)는, 금형과 접촉하는 시간이 짧기 때문에, 접촉에 의한 온도 저하가 일어나기 어려워, 온도가 높은 채로 되어 있다. 다른 한편, 천판부와 종벽부를 잇는 곡률부(curved portion)와 플랜지부는, 금형과 접촉하는 시간이 길기 때문에, 온도 저하가 발생하고 있다. 그 때문에, 도 9의 실선의 그래프에 나타내는 바와 같은 불균일한 온도 분포가 된다.

이 불균일한 온도 분포에 기초하여 제1 형상 해석 공정을 한 결과 얻어진 냉각 후의 형상과, 이 불균일한 온도 분포를 해트 단면 형상 전체에서 균일한 온도(도 9의 점선의 그래프)로 변경하고, 그 온도에 기초하여 제2 형상 해석 공정을 한 결과를 비교하면, 형상 불량에 대하여, 불균일한 온도 분포가 문제인지, 반대로 전체가 균일하게 열수축한 것이 문제인지를 분명하게 할 수 있다.

또한, 제1 형상 해석 공정 및 제2 형상 해석 공정의 구조 해석은, 원리상은 동적으로도 정적으로도 행할 수 있다. 동적 해석을 행하면, 타임 스케일링(time scaling)으로 시간을 압축하여 취급할 수 있기 때문에, 계산 시간이 빨라진다는 장점이 있다. 그러나, 동적 해석으로 해석을 끝낸 경우, 관성력이 남는 영향으로 계산 정밀도가 저하되어 버린다. 그 때문에, 보다 정확한 계산 결과를 얻고 싶은 경우, 형상 해석 공정의 구조 해석의 전부를 정적으로 행하면 좋다. 또는, 동적 해석의 장점을 향수하기 위해, 제1 형상 해석 공정 및/또는 제2 형상 해석 공정을 2단계로 나누어, 처음의 단계를 동적으로, 마지막 단계는 정적으로 행하면 좋다. 예를 들면, 1001초간의 냉각 시간을 상정하는 경우, 처음의 1000초간을 동적 해석으로 시간을 압축하여 행하고, 마지막 1초를 정적 해석하도록 하면, 계산 시간을 단축하면서 해석 정밀도의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 보다 바람직하게는, 제1 형상 해석 공정 및 제2 형상 해석 공정의 구조 해석의 마지막 단계에는 정적 음해법을 이용하면 좋다.

[실시 형태 4]

실시 형태 4에 있어서의 프레스 성형 해석 방법은, 가열한 피프레스 성형 재료에 대하여 초기 온도 분포를 설정하고 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 프레스 성형 해석을 행하고 이형 전의 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포를 취득하는 프레스 성형 해석 공정과,

실시 형태 4에 있어서의 프레스 성형 해석 방법은, 실시 형태 3에 있어서의 프레스 성형 해석 방법의 스프링 백 해석 공정에 있어서 금형과 피프레스 성형 재료 간의 접촉 열전달을 고려하고 있지 않았던 것을, 이것을 고려하여 행하는 것이며, 그 외의 점은 실시 형태 3의 프레스 성형 해석 방법과 동일하다.

그래서, 이하에 있어서는, 본 실시 형태의 스프링 백 해석 공정에 있어서의 금형과 피프레스 성형 재료 간의 접촉 열전달을 고려하는 것에 대해서 설명한다.

이형에 의한 온도 변화를 보다 정확하게 고려할 수 있어, 스프링 백 후의 피프레스 성형 재료의 온도 분포를 보다 정확하게 구할 수 있고, 그 결과, 형상 해석 공정에 의해 구해지는 냉각 후의 성형품의 형상을 보다 정확하게 구할 수 있다.

단, 실시 형태 3과 같이 스프링 백 해석 공정에 있어서 금형과 피프레스 성형 재료 간의 접촉 열전달을 고려하고 있지 않은 쪽이 수속을 얻기 쉽다는 장점도 있기 때문에, 양자는 케이스 바이 케이스로 구분하여 사용하도록 하면 좋다.

스프링 백 해석 공정에 있어서, 금형과 피프레스 성형 재료 간의 접촉 열전달을 고려하는 해석의 구체적인 방법으로서는, 피프레스 성형 재료의 1개 또는 복수의 절점을 구속하여 피프레스 성형 재료가 움직이지 않도록 하고, 금형을 움직여 이형을 시뮬레이트한다. 이 경우는, 금형과의 접촉에 의한 발열이나, 금형과 접촉하고 있지 않은 부분의 공냉 등을 정확하게 고려하여 온도 해석을 행하도록 한다.

또한, 스프링 백 해석 공정에 있어서의 초기 조건이나, 스프링 백 후의 데이터의 인계는, 실시 형태 3과 같다.

이상과 같이, 실시 형태 4에 의하면, 전술한 바와 같이 이형에 의한 온도 변화를 보다 정확하게 고려할 수 있어, 스프링 백 후의 피프레스 성형 재료의 온도 분포를 보다 정확하게 구할 수 있고, 그 결과, 형상 해석 공정에 의해 구해지는 냉각 후의 성형품의 형상을 보다 정확하게 구할 수 있다는 효과가 얻어진다.

또한, 상기 실시 형태 3 및 4에서는, 온간 프레스 성형을 상정하여, 피프레스 성형 재료를 600℃로 가열한 것을 해석하는 방법에 대해서 설명했다. 그러나, 냉간 프레스 성형에 대해서 해석하는 경우라도, 가공 발열이나 마찰 발열 등의 열의 영향에 대해서 고려하는 경우, 본 발명을 적용하여 해석하는 것도 가능하다.

실시예 1

실시 형태 1 및 2에 관한 효과를 확인하기 위한 실험을 행했기 때문에, 이하 설명한다.

실험은, 도 3에 나타내는 자동차의 B 필러(pillar; 전방 좌석과 후방 좌석의 사이에 있는 기둥) 상부 부품(21)에 대해서, 실제의 온간 프레스 성형과, 본 발명을 적용한 프레스 성형 해석 방법을 이용한 시뮬레이션 해석을 행하고, 이들 결과를 비교한다는 것이다.

우선, 실제의 온간 프레스 성형의 개요에 대해서 설명한다. 피프레스 성형 재료는 980㎫의 고장력강, 초기 형상은, 저변(base) 650㎜, 높이 300㎜의 평행 사변형이고, 판두께는 1.4㎜를 이용했다. 피프레스 성형 재료를 전기로에서 680℃로 가열한 후, 반송 로봇으로 프레스기의 금형 간에 장착하고, 프레스 성형을 행했다. 프레스 성형 개시 온도는 600℃이다(미리, 피프레스 성형 재료의 중앙에 열전대(thermocouple)를 장착하여, 동일한 조건에서의 온도 변화를 측정한 결과, 프레스기에 장착을 완료했을 때의 재료 온도는 600℃였음). 프레스 성형 방법은, 블랭크 홀더력(blank holder pressure) 45tonf로 드로우 성형을 행했다. 평균의 프레스 성형 속도는 100㎜/s였다. 하사점에 도달한 직후에 이형하고, 실온까지 공냉하여 프레스 성형품(이하, 「실프레스품」이라고 함)으로 했다. 마지막으로, 비접촉 3차원 형상 측정 장치로 실프레스품 표면의 형상을 측정했다.

다음으로, 본 발명의 프레스 성형 해석 방법을 적용하여 실시한 시뮬레이션 해석에 대해서 설명한다.

본 시뮬레이션 해석은, 본 발명의 프레스 성형 해석 방법과 동일하게 프레스 성형 해석 공정, 스프링 백 해석 공정, 형상 해석 공정을 이 순서로 행했다.

이하에 있어서, 각 해석 공정마다에, 입력 조건, 해석 조건 등을 설명한다.

<프레스 성형 해석 공정>

우선, 프레스 성형 해석 수단(13)에 필요한 데이터나 조건을 입력하고, 프레스 성형 해석 수단(13)을 이용하여 프레스 성형 해석을 행했다. 이하, 상기 입력한 데이터나 조건에 대한 개요를 나타낸다.

각 재료 특성은, 상기의 실제의 온간 프레스 성형을 행한 피프레스 성형 재료와 동일한 강종에 대해서, 본 실험에 앞서 미리 측정한 데이터를 이용했다. 구체적으로는, 비열, 열전도율, 열팽창 계수, 영률, 푸아송비의 온도 의존 데이터를 측정하고, 400℃, 500℃, 600℃에서 인장 시험을 실시하여, 응력-변형 선도 모델을 작성한 것을 이용했다.

또한, 피프레스 성형 재료는, 상기의 실제의 온간 프레스 성형에서 이용한 초기 형상의 판두께 중심을 셸 요소로 모델화했다. 금형은, 상기의 실제의 온간 프레스 성형에서 이용한 금형의 표면을 셸 요소(shell element)로 모델화한 것을 이용했다. 또한, 피프레스 성형 재료는 변형체(deformable body), 금형은 강체(剛體; rigid body)로 가정했다.

프레스 성형 해석에 있어서는, 피프레스 성형 재료 표면과 금형 표면의 거리가 0.01㎜ 미만이 되었을 때에는, 피프레스 성형 재료와 금형이 접촉했다고 간주하고, 접촉 열전달에 의해 열유속(heat flux)을 계산했다. 또한, 거리가 0.01㎜ 이상일 때에는, 피프레스 성형 재료가 공냉되는 것으로 하여, 방사(radiation)와 대류(convection)를 고려했다. 피프레스 성형 재료의 방사율(emissivity)은 0.75로 했다.

또한, 피프레스 성형 재료의 초기 온도는 600℃로 일정하게 했다.

<스프링 백 해석 공정>

다음으로, 스프링 백 해석 수단(15)을 이용하여 스프링 백 해석을 행했다. 스프링 백 해석은, 펀치 바닥(punch bottom)의 2절점과 플랜지의 1절점의 움직임을 구속하고, 하사점의 상태에서 응력을 개방시켰다. 응력의 개방 시간은 0.5초로 하고, 이 사이에 피프레스 성형 재료가 공냉된 것으로 하여 온도 해석도 행했다.

<형상 해석 공정>

다음으로, 형상 해석 수단(17)을 이용하여, 냉각에 의한 형상의 변화에 대해서 형상 해석을 행했다. 형상 해석은, 우선, 1000초간 공냉된 것으로 하여, 이 사이의 구조 해석은 관성력을 고려한 동적 양해법(dynamic explicit method)으로 행하고, 다음으로 1초간의 형상 해석을, 구조 해석을 정적 음해법에 의해 실시하고, 관성력에 의한 정밀도 저하의 영향을 배제했다. 형상 해석 종료시의 재료의 온도 분포는 ±1℃의 범위 내였다.

이하, 실프레스품 형상과 시뮬레이션 해석 결과의 형상과의 비교 방법에 대해서 설명한다.

실프레스품 표면의 계측 형상과 상기 시뮬레이션 해석으로 얻어진 형상은, 전술한 바와 같이 피프레스 성형 재료의 상이한 위치에서의 형상이다. 그래서, 비교시에 있어서, 상호 비교할 수 있도록, 금형 표면과 접하는 면이 되도록 형상을 가공한 것을 이용했다. 가공은 다음과 같이 행했다. 실프레스품 표면의 측정 형상은, 위로부터 보이는 형상을 측정한 것이기 때문에, 하측에 판두께분의 1.4㎜만큼 오프셋하여, 실프레스품 형상을 작성했다.

또한, 시뮬레이션 해석에서 취급한 피프레스 성형 재료는, 판두께 중심을 모델화한 것이기 때문에, 상기 시뮬레이션 해석에서 얻어진 형상 각각에 대해서, 판두께의 절반의 0.7㎜만큼 아래로 오프셋하여 작성했다.

이하의 설명에서는, 실프레스품 형상을 기초로 작성한 것을 실프레스 성형 형상, 스프링 백 해석 후에 얻어진 형상을 기초로 작성한 것을, 스프링 백 해석 후 형상, 형상 해석 후에 얻어진 형상을 기초로 작성한 것을 형상 해석 후 형상으로 한다. 또한, 이러한 형상에 더하여 비교용으로서 금형 표면의 형상을 이용했기 때문에, 이것을 금형 표면 형상으로 한다. 금형 표면의 형상은, 상기 시뮬레이션 해석에서 사용한 금형을 이용했다.

이들 4개의 형상(실프레스 성형 형상, 스프링 백 해석 후 형상, 형상 해석 후 형상, 금형 표면의 형상)을, 형상 비교 소프트를 이용하여, 도 3의 펀치 바닥의 비드(beads; 23)의 형상의 주위가 밀접하게 맞춰지도록(closely fitted) 위치 맞춤하여, 도 3의 A-A에 따른 단면으로 형상을 비교했다.

A-A에 따른 단면의 예로서, 도 4에, 금형 표면 형상(37)의 단면 형상을 나타낸다. 4개의 형상을 비교한 결과, 도 4 중의 동그라미 표시 부분에 형상 불량이 현저하게 나타났기 때문에, 각 형상에 있어서의 당해 부위에 상당하는 부분을 확대하고 겹쳐서 표시한 것을 도 5에 나타낸다. 도 5에 있어서, 31이 실프레스 성형 형상, 37이 금형 표면 형상, 33이 스프링 백 해석 후 형상, 35가 형상 해석 후 형상을 나타내고 있다.

도 5를 보면, 스프링 백 해석 후 형상(33)과 실프레스 성형 형상(31)에는, 큰 괴리가 보이지만, 형상 해석 후 형상(35)은 실프레스 성형 형상(31)과 잘 일치하고 있는 것을 알 수 있다. 이 결과로부터, 이형 후의 온도 저하가 큰 온간 프레스 성형에 있어서는, 스프링 백 해석에 더하여, 형상 해석을 행함으로써 정밀도가 좋은 해석을 할 수 있다는 것이 실증되었다.

실시예 2

실시 형태 3 및 4에 관한 효과를 확인하기 위한 실험을 행했기 때문에, 이하 설명한다.

실험은 실시예 1과 동일하게, 도 10에 나타내는 자동차의 B 필러(전방 좌석과 후방 좌석의 사이에 있는 기둥) 상부 부품(21)에 대해서, 실제의 온간 프레스 성형과, 본 발명을 적용한 프레스 성형 해석 방법을 이용한 시뮬레이션 해석을 행하고, 이들의 결과를 비교한다는 것이다.

우선, 실제의 온간 프레스 성형의 개요에 대해서 설명한다. 피프레스 성형 재료는 980㎫의 고장력강, 초기 형상은, 저변 650㎜, 높이 300㎜의 평행 사변형이고, 판두께는 1.4㎜를 이용했다. 피프레스 성형 재료를 전기로에서 680℃로 가열한 후, 반송 로봇으로 프레스기의 금형 간에 장착하고, 프레스 성형을 행했다. 프레스 성형 개시 온도는 600℃이다(미리, 피프레스 성형 재료의 중앙에 열전대를 장착하여, 동일한 조건에서의 온도 변화를 측정한 결과, 프레스기에 장착을 완료했을 때의 재료 온도는 600℃였음). 프레스 성형 방법은, 블랭크 홀더력 45tonf로 드로우 성형을 행했다. 평균의 프레스 성형 속도는 100㎜/s였다. 하사점에 도달한 직후에 이형하고, 실온까지 공냉하여 프레스 성형품(이하, 「실프레스품」이라고 함)으로 했다. 마지막으로, 비접촉 3차원 형상 측정 장치로 실프레스품 표면의 형상을 측정했다.

본 시뮬레이션 해석은, 본 발명의 프레스 성형 해석 방법과 동일하게 프레스 성형 해석 공정, 스프링 백 해석 공정, 제1 형상 해석 공정, 제2 형상 해석 공정, 형상 비교 공정을 이 순서로 행했다.

이하에 있어서, 각 해석 공정마다, 입력 조건, 해석 조건 등을 설명한다.

<프레스 성형 해석 공정>

각 재료 특성은, 상기의 실제의 온간 프레스 성형을 행한 피프레스 성형 재료와 동일한 강종에 대해서, 본 실험에 앞서 미리 측정한 데이터를 이용했다. 구체적으로는, 비열, 열전도율, 열팽창 계수, 영률, 푸아송비의 온도 의존 데이터를 측정하고, 400℃, 500℃, 600℃에서 인장 시험을 행하고, 응력-변형 선도 모델을 작성한 것을 이용했다.

또한, 피프레스 성형 재료는, 상기의 실제의 온간 프레스 성형에서 이용한 초기 형상의 판두께 중심을 셸 요소로 모델화했다. 금형은, 상기의 실제의 온간 프레스 성형에서 이용한 금형의 표면을 셸 요소로 모델화한 것을 이용했다. 또한, 피프레스 성형 재료는 변형체, 금형은 강체로 가정했다.

프레스 성형 해석에 있어서는, 피프레스 성형 재료 표면과 금형 표면의 거리가 0.01㎜ 미만이 되었을 때는, 피프레스 성형 재료와 금형이 접촉했다고 간주하고, 접촉 열전달에 의해 열유속을 계산했다. 또한, 거리가 0.01㎜ 이상일 때에는, 피프레스 성형 재료가 공냉된 것으로 하여, 방사와 대류를 고려했다. 피프레스 성형 재료의 방사율은 0.75로 했다.

<스프링 백 해석 공정>

다음으로, 스프링 백 해석 수단(15)을 이용하여 스프링 백 해석을 행했다. 스프링 백 해석은, 펀치 바닥의 2절점과 플랜지의 1절점의 움직임을 구속하여, 하사점 상태에서 응력을 개방시켰다. 응력의 개방 시간은 0.5초로 하고, 이 사이에 피프레스 성형 재료가 공냉된 것으로 하여 온도 해석도 행했다.

도 11은, 도 10의 B-B에 따른 단면에 있어서의, 스프링 백 해석 후의 피프레스 성형 재료의 온도 분포를 나타낸 그래프이다. 도 11은 종축이 피프레스 성형 재료 온도(℃)이고, 횡축이 피프레스 성형 재료의 일단으로부터 단면을 따라 계측한 거리(㎜)이다. 이 실선의 그래프에 나타내는 바와 같이, 스프링 백 해석 후의 피프레스 성형 재료는 불균일한 온도 분포가 되어 있다. 이러한 불균일한 온도 분포는, 프레스 성형의 과정에 있어서, 금형과 접촉하는 시간의 차이 등에 의해 일으켜지고 있다.

<제1 형상 해석 공정>

다음으로, 형상 해석 수단(17)을 이용하여, 스프링 백 후의 온도 분포, 형상 정보, 응력 분포 및 변형 분포에 기초하여 냉각에 의한 형상의 변화에 대해서 형상 해석을 행했다. 형상 해석은, 우선, 1000초간 공냉된 것으로 하여, 이 사이의 구조 해석은 관성력을 고려한 동적 양해법으로 행하고, 다음으로 1초간의 형상 해석을, 구조 해석을 정적 음해법에 의해 실시하고, 관성력에 의한 정밀도 저하의 영향을 배제했다. 형상 해석 종료시의 재료의 온도 분포는 ±1℃의 범위 내였다.

여기에서, 제1 형상 해석 공정에 의해 얻어진 냉각 후의 형상에 대해서, 실프레스품 형상과 비교하면서 설명한다.

실프레스품 표면의 계측 형상과 상기 시뮬레이션 해석으로 얻어진 형상은, 전술한 바와 같이 피프레스 성형 재료의 상이한 위치에서의 형상이다. 그래서, 비교시에 있어서, 상호 비교할 수 있도록, 금형 표면과 접하는 면이 되도록 형상을 가공한 것을 이용했다. 가공은 다음과 같이 행했다. 실프레스품 표면의 측정 형상은, 위로부터 보이는 형상을 측정한 것이기 때문에, 하측에 판두께분의 1.4㎜만큼 오프셋하고, 실프레스품 형상을 작성했다.

또한, 시뮬레이션 해석에서 취급한 피프레스 성형 재료는, 판두께 중심을 모델화한 것이기 때문에, 상기 시뮬레이션 해석으로 얻어진 형상 각각에 대해서, 판두께의 절반의 0.7㎜만큼 아래로 오프셋하여 작성했다.

이하의 설명에서는, 실프레스품 형상을 기초로 작성한 것을 실프레스 성형 형상, 스프링 백 해석 후에 얻어진 형상을 기초로 작성한 것을 스프링 백 해석 후 형상, 제1 형상 해석 후에 얻어진 형상을 기초로 작성한 것을 제1 형상 해석 후 형상으로 한다. 또한, 이들 형상에 더하여 비교용으로서 금형 표면의 형상을 이용했기 때문에, 이것을 금형 표면 형상으로 한다. 금형 표면 형상은, 상기 시뮬레이션 해석에서 사용한 금형을 이용했다.

이들 4개의 형상(실프레스 성형 형상, 스프링 백 해석 후 형상, 제1 형상 해석 후 형상, 금형 표면의 형상)을, 형상 비교 소프트를 이용하여, 도 10의 펀치 바닥의 비드(25)의 형상의 주위가 밀접하게 맞춰지도록 위치 맞춤하고, 도 10의 A-A에 따른 단면으로 형상을 비교했다.

A-A에 따른 단면의 예로서, 도 12에, 금형 표면 형상(37)의 단면 형상을 나타낸다. 4개의 형상을 비교한 결과, 도 12 중의 동그라미 표시 부분에 형상의 차이가 현저하게 나타났기 때문에, 각 형상에 있어서의 당해 부위에 상당하는 부분을 확대하여 겹쳐 표시한 것을 도 13에 나타낸다. 도 13에 있어서, 31이 실프레스 성형 형상, 37이 금형 표면 형상, 33이 스프링 백 해석 후 형상, 35가 형상 해석 후 형상을 나타내고 있다.

도 13을 보면, 스프링 백 해석 후 형상(33)과 실프레스 성형 형상(31)에는, 큰 괴리가 보이지만, 제1 형상 해석 후 형상(35)은 실프레스 성형 형상(31)과 잘 일치하고 있는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 제1 형상 해석을 행하여 얻어진 형상은 실제의 온간 프레스 성형에 의해 얻어지는 형상에 가까운 것을 알 수 있다. 이 의미에서, 이형 후의 온도 저하가 큰 온간 프레스 성형에 있어서는, 스프링 백 해석에 더하여, 제1 형상 해석을 행함으로써 정밀도가 좋은 해석을 할 수 있는 것이 실증되어 있다고 할 수 있다.

<제2 형상 해석 공정>

다음으로, 해석 후의 피프레스 성형 재료에 있어서의 불균일한 온도 분포를 변경하여, 피프레스 성형 재료 전체의 온도 분포가 510℃로 균일해지도록 했다. 변경 후의 온도 분포를 도 11 중에 점선의 그래프로 나타낸다.

변경한 스프링 백 후의 온도 분포 및 스프링 백 후의 형상 정보, 응력 분포 및 변형 분포에 기초하여 냉각에 의한 형상의 변화에 대해서 형상 해석을 행하고, 냉각 후의 피프레스 성형 재료의 형상을 구했다. 이 제2 형상 해석 공정에 있어서의 온도 분포 이외의 해석의 조건은 제1 형상 해석 공정과 동일하다.

<형상 비교 공정>

다음으로, 형상 비교 수단(21)을 이용하여 제1 형상 해석 공정에서 얻어진 제1 형상 해석 후 형상(35)과 제2 형상 해석 공정에서 얻어진 제2 형상 해석 후 형상(39)(도 14 참조)의 비교를 행했다.

도 12에 있어서 동그라미 표시로 나타낸 부위에 상당하는 부위에 있어서의 제1 형상 해석 후 형상(35)과 제2 형상 해석 후 형상(39)을 나타낸 것이 도 14이다. 또한, 도 14에는, 비교를 위해 스프링 백 해석 후 형상(33)과 금형 표면 형상(37)도 나타내고 있다.

도 14에 나타내는 바와 같이, 제1 형상 해석 후 형상(35)은 금형 표면 형상(37)과 괴리된 형상이지만, 제2 형상 해석 후 형상(39)은, 금형 표면 형상(37)에 가까운 형상이고, 또한 스프링 백 해석 후 형상(33)에 가까운 형상이다. 이것은 스프링 백 후의 온도 분포를 균일하게 함으로써 그 후의 냉각에 따라서는 형상 변화가 그다지 발생하지 않는 것을 의미하고 있다.

이 점으로부터, 냉각 중에 발생하는 형상 불량은, 스프링 백 후의 온도 분포를 균일하게 접근하면 개선되는 것이 시사된다. 스프링 백 후의 온도 분포를 균일하게 접근하는 방법으로서, 예를 들면 평균 프레스 성형 속도를 빠르게 하는 것을 생각할 수 있다. 평균 프레스 성형 속도를 빠르게 함으로써, 피프레스 성형 재료와 금형과의 접촉 시간을 짧게 하여, 피프레스 성형 재료가 금형과 접촉하는 것에 의한 부분적인 온도 저하를 방지하고, 피프레스 성형 재료의 온도 분포를 균일화할 수 있다.

본 예에 있어서는, 평균 프레스 성형 속도를 상기의 실시예에서 행한 것의 1.5배에 해당하는 150㎜/s로 하고, 그 외에는 동일한 조건에서 실제로 온간 프레스 성형을 행했다. 그 결과, 형상 불량이 개선된다는 효과가 얻어졌다.

1 : 프레스 성형 해석 장치
3 : 표시 장치
5 : 입력 장치
7 : 주기억 장치
9 : 보조 기억 장치
11 : 연산 처리부
13 : 프레스 성형 해석 수단
15 : 스프링 백 해석 수단
17 : 형상 해석 수단
19 : 온도 분포 변경 수단
20 : 형상 비교 수단
21 : B 필러 상부 부품
23 : 비드
31 : 실프레스 성형 형상
33 : 스프링 백 해석 후의 형상
35 : 형상 해석 후의 형상(제1 형상 해석 후 형상)
37 : 금형 표면의 형상
39 : 제2 형상 해석 후 형상

Claims

삭제
삭제
삭제
가열한 피프레스 성형 재료에 대하여 초기 온도 분포를 설정하고 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 프레스 성형 해석을 행하고 이형 전의 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포를 취득하는 프레스 성형 해석 공정과,
당해 프레스 성형 해석 공정에서 얻어진 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포에 기초함과 함께 금형과 피프레스 성형 재료 간의 접촉 열전달을 고려하는 일 없이 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 스프링 백 해석을 행하고 스프링 백 후의 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포를 취득하는 스프링 백 해석 공정과,
당해 스프링 백 해석 공정에서 취득된 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포에 기초하여 상기 피프레스 성형 재료의 온도 분포가 ±5℃ 이내가 될 때까지의 냉각 중 및 냉각 후의 형상 변화를 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 해석하는 제1 형상 해석 공정과,
상기 스프링 백 해석 공정에서 취득된 온도 분포에 변경을 더하여, 변경 후의 온도 분포 및 상기 스프링 백 해석 공정에서 취득된 형상 정보, 응력 분포 및 변형 분포에 기초하여 상기 피프레스 성형 재료의 온도 분포가 ±5℃ 이내가 될 때까지의 냉각 중 및 냉각 후의 형상 변화를 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 해석하는 제2 형상 해석 공정과,
당해 제2 형상 해석 공정과 상기 제1 형상 해석 공정의 해석에 의해 얻어진 냉각 후의 피프레스 성형 재료의 형상을 비교하는 형상 비교 공정을 갖는 프레스 성형 해석 방법.
가열한 피프레스 성형 재료에 대하여 초기 온도 분포를 설정하고 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 프레스 성형 해석을 행하고 이형 전의 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포를 취득하는 프레스 성형 해석 공정과,
당해 프레스 성형 해석 공정에서 얻어진 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포에 기초함과 함께 금형과 피프레스 성형 재료 간의 접촉 열전달을 고려하여 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 스프링 백 해석을 행하고 스프링 백 후의 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포를 취득하는 스프링 백 해석 공정과,
당해 스프링 백 해석 공정에서 취득된 형상 정보, 온도 분포, 응력 분포 및 변형 분포에 기초하여 상기 피프레스 성형 재료의 온도 분포가 ±5℃ 이내가 될 때까지의 냉각 중 및 냉각 후의 형상 변화를 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 해석하는 제1 형상 해석 공정과,
상기 스프링 백 해석 공정에서 취득된 온도 분포에 변경을 더하여, 변경 후의 온도 분포 및 상기 스프링 백 해석 공정에서 취득된 형상 정보, 응력 분포 및 변형 분포에 기초하여 상기 피프레스 성형 재료의 온도 분포가 ±5℃ 이내가 될 때까지의 냉각 중 및 냉각 후의 형상 변화를 온도 해석과 구조 해석을 조합하여 해석하는 제2 형상 해석 공정과,
당해 제2 형상 해석 공정과 상기 제1 형상 해석 공정의 해석에 의해 얻어진 냉각 후의 피프레스 성형 재료의 형상을 비교하는 형상 비교 공정을 갖는 프레스 성형 해석 방법.
제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 제1 형상 해석 공정 및 상기 제2 형상 해석 공정에 있어서의 구조 해석이, 그 구조 해석의 최종 공정을 정적 음해법에 의해 행하는 구조 해석으로 이루어지는 프레스 성형 해석 방법.