KR20110097899A

KR20110097899A - 스프링백 발생 원인 분석 방법, 스프링백 발생 원인 분석 장치, 스프링백 발생 원인 분석 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능 기록 매체

Info

Publication number: KR20110097899A
Application number: KR1020117014506A
Authority: KR
Inventors: 다까시 미야기; 야스하루 다나까; 미사오 오가와
Original assignee: 신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤
Priority date: 2008-12-25
Filing date: 2009-06-24
Publication date: 2011-08-31
Also published as: BRPI0923582B8; WO2010073756A1; CN102264486A; BRPI0923582A2; RU2011125636A; MX2011006832A; RU2477663C2; KR101368108B1; CN102264486B; EP2371464A1; EP2371464B1; BRPI0923582B1; EP2371464A4

Abstract

본 발명의 스프링백 발생 원인 분석 방법은, 성형품의 성형 데이터를 산출하는 성형 해석 공정과, 면내 응력 성분과 굽힘 모멘트 성분으로 분해하는 성분 분해 공정과, 연산 전 독립 분해 성형 데이터를 생성하는 연산 전 독립 분해 성형 데이터 생성 공정과, 연산 후 독립 분해 성형 데이터를 생성하는 연산 처리 공정과, 제1 스프링백 형상과, 제2 스프링백 형상을 해석하는 스프링백 해석 공정과, 상기 성형 데이터에 포함되는 스프링백 전의 형상과, 상기 제1 스프링백 형상과, 상기 제2 스프링백 형상으로부터 산출된 상기 각 영역의 응력의 스프링백 변형에 대한 영향도를 구하는 영향도 산출 공정과, 스프링백 변형에 대한 영향도를 표시하는 표시 공정을 갖는다.

Description

스프링백 발생 원인 분석 방법, 스프링백 발생 원인 분석 장치, 스프링백 발생 원인 분석 프로그램 및 기록 매체{SPRINGBACK OCCURRENCE CAUSE ANALYZING METHOD, SPRINGBACK OCCURRENCE CAUSE ANALYZING DEVICE, SPRINGBACK OCCURRENCE CAUSE ANALYZING PROGRAM, AND RECORDING MEDIUM}

본 발명은, 자동차용 부품이나 가전 부품 등을 강판 그 밖의 금속판으로부터 프레스 성형하였을 때에, 성형품에 발생하는 스프링백의 발생 원인을 분석하기 위한, 스프링백 원인 분석 방법, 스프링백 원인 분석 장치, 스프링백 원인 분석 프로그램 및 기록 매체에 관한 것이다. 이하의 설명은 강판에 대해 행하지만, 본 발명은 다른 금속판이나 플라스틱판, 선재 등에도 적용할 수 있다.

본원은, 2008년 12월 25일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2008-329099호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

도어나 범퍼 등의 많은 자동차용 부품이나, 냉장고의 패널 등의 가전 부품은, 강판 또는 다른 금속판을 프레스 성형하는 방법에 의해 제조되고 있다. 최근, 그들 부재에 대한 경량화의 요구가 높아지고 있다. 그로 인해, 고강도를 갖는 강판을 사용함으로써, 그들 부재의 박육화와 경량화가 도모되고 있다. 그러나 강판을 고강도화하면 변형 저항이 높아진다. 그로 인해, 프레스 성형시에 발생한 잔류 응력에 의한 스프링백이 발생하기 쉬워진다.

특히 최근에는, 개발 공정수 및 비용 삭감을 위해, 자동차 등의 디자인 단계의 개시와 동시에, 성형 부재의 성형 방법을 검토하는 설계 단계가 개시되는 경향에 있다. 이로 인해 컴퓨터를 사용하여 프레스 성형품의 형상 및 그 성형 데이터를 해석하는 것이 행해지고 있다. 이 해석에 의해, 성형 후의 잔류 응력으로부터 예상되는 프레스 성형품의 스프링백량을 연산한다. 그리고 연산된 스프링백량 만큼 금형 형상을 보정하는 것이 행해지고 있다.

특허 문헌 1 또는 비특허 문헌 1에는, 상술한 바와 같은, 스프링백을 예상하여 금형 형상을 결정하는 방법을 개시하고 있다. 구체적으로는, 금형에 프레스된 강판의, 프레스 하사점(下死点)에 있어서의 강판의 잔류 응력을 유한 요소법에 의해 해석하고, 그 잔류 응력과 반대 방향의 잔류 응력에 의해 발생하는 변형(스프링 포워드) 형상의 금형을 수치 해석한다. 이에 의해, 간이하게 스프링백을 고려한 금형 형상을 얻는다.

그러나 스프링백을 완전히 고려한 금형을 수치 해석에 의해 설계하는 것은, 비선형 문제이므로 매우 곤란하다. 따라서 상기 문헌에 개시되어 있는 방법은, 유한 요소법에 의해 스프링백을 고려한 간이적인 금형 형상을 얻는 방법일 뿐이다. 따라서, 얻어진 금형에 의해 프레스 성형된 성형품이 스프링백의 허용치를 만족시키지 않는 경우의 대책에 대해서는, 수치적으로 해석하는 것이 곤란하므로, 어떠한 해결 방법도 나타내어져 있지 않다.

그로 인해, 스프링백을 고려한 금형에서 스프링백의 허용치를 만족시키는 성형품이 얻어지지 않는 경우, 어떠한 대책을 취할지는 기술자의 경험에 의존한다. 따라서, 실제로 금형을 제작하여, 실제의 강판을 프레스하면서 금형 형상의 수정을 반복해야 한다.

이 밖에, 금형 형상이 아닌 강재나 성형품의 형상에 잔류 응력을 제거하기 위한 수정을 가함으로써, 스프링백을 적게 하는 방법도 제안되어 있다. 이러한 수정 방법의 일례는, 성형품의 스프링백 발생 부위의 일부를 펀칭 형상으로 하거나, 슬릿 형상으로 하는 방법이다.

이러한 방법에 따르면, 스프링백 발생 부위에의 대책에 의해 스프링백의 원인이 되는 잔류 응력은 저감된다. 그런데, 절단이나 펀칭에 의해 부재 자체의 강성이 저하되므로, 약간의 잔류 응력에 의해서도 큰 스프링백이 발생한다고 하는 경향이 발생한다. 이로 인해, 이 방법도 근본적인 원인 구명에는 이르지 않는다. 또한, 이러한 대책은 실제로 시험 금형과 강판에 의한 테스트를 필요로 하므로, 설계 단계의 공정수와 비용의 증대라고 하는 문제가 발생한다.

특허 문헌 2 내지 5에도, 유한 요소법에 의한 시뮬레이션이 개시되어 있다. 이 중, 특허 문헌 2 내지 4의 방법에서는, 부분 응력 개방 및 변경의 방법이 사용된다. 그러나 예를 들어 특허 문헌 2에서는, 각 부분의 스프링백 전후에 있어서의 각도 변화량, 즉, 비틀림에 대해서만이 평가 대상으로 되어 있다. 이로 인해, 비틀림 이외의 변형 요인에 관해서는 전혀 고려되어 있지 않다. 또한, 특허 문헌 2에서는, 응력 개방시에 개방 부위의 응력의 전체 성분을 0으로 한다. 이로 인해, 큰 변형을 수반하는 경우, 응력 구배를 선형 근사하면, 실제의 비선형의 변이와의 차이가 커진다고 하는 문제가 있다.

일본 특허 출원 공개 제2003-33828호 공보 일본 특허 출원 공개 제2007-229724호 공보 일본 특허 출원 공개 제2008-49389호 공보 일본 특허 출원 공개 제2008-55476호 공보 일본 특허 출원 공개 제2004-148381호 공보

미쯔비시 지도샤 테크니컬 리뷰(2006년 No.18, 126 내지 131페이지)

상기한 바와 같이, 종래부터 수치 해석법에 의해 프레스 성형 공정 및 프레스 성형품을 해석하는 것은 행해지고 있었다. 그러나 프레스 성형품의 스프링백의 발생 원인을, 실제의 성형 테스트를 행하기 이전의 설계 단계에서 정확하게 파악하는 것은 곤란하다.

따라서 본 발명의 목적은, 수치 해석에 의해 프레스 성형품의 스프링백의 발생 원인이 되는 개소를 종래보다도 정확하게 분석하는 것을 가능하게 하고, 그것에 의해 성형 부재의 성형 방법의 검토 시간이나 검토 비용을 삭감할 수 있는 스프링백 발생 원인 분석 기술을 제공하는 것이다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해 이하의 수단을 채용하였다.

(1) 본 발명의 스프링백 발생 원인 분석 방법은, 소성 가공하여 성형한 성형품의 성형 조건을 기초로 수치 시뮬레이션에 의해 성형 해석을 행하여, 상기 성형품의 성형 데이터를 산출하는 성형 해석 공정과, 상기 성형품의 성형 데이터에 포함되는 응력 데이터에 대해, 상기 성형품 전체에 걸쳐, 응력의 각 방향 성분 중 적어도 하나의 방향 성분에 대해 면내 응력 성분과 굽힘 모멘트 성분으로 분해하는 성분 분해 공정과, 상기 성형품의 성형 데이터로부터, 분해된 상기 방향 성분의 응력에 대해서는 면내 응력 성분만을 갖는 제1 독립 분해 데이터와, 분해된 상기 방향 성분의 응력에 대해서는 굽힘 모멘트 성분만을 갖는 제2 독립 분해 데이터 중 적어도 하나의 독립 분해 성형 데이터를 연산 전 독립 분해 성형 데이터로서 생성하는, 연산 전 독립 분해 성형 데이터 생성 공정과, 상기 성형품에 대해 영역 분할을 행하여, 각 영역마다 당해 영역에 대해 상기 연산 전 독립 분해 성형 데이터의 응력 중 적어도 하나의 방향 성분에 대해 연산 처리를 행함으로써 연산 후 독립 분해 성형 데이터를 생성하는 연산 처리 공정과, 상기 연산 전 독립 분해 성형 데이터에 대한 수치 시뮬레이션에 의해 구해지는 제1 스프링백 형상과, 상기 연산 후 독립 분해 성형 데이터에 대한 수치 시뮬레이션에 의해 구해지는 제2 스프링백 형상을 해석하는 스프링백 해석 공정과, 상기 성형품의 성형 데이터에 포함되는 스프링백 전의 형상과, 상기 제1 스프링백 형상과, 상기 제2 스프링백 형상으로부터 산출된 상기 각 영역의 응력의 스프링백 변형에 대한 영향도를 구하는 영향도 산출 공정과, 상기 각 영역마다, 상기 산출된 스프링백 변형에 대한 영향도를 표시하는 표시 공정을 갖는다.

(2) 상기 (1)의 스프링백 발생 원인 분석 방법에서는, 상기 성형 해석 공정은, 복수의 요소를 사용한 유한 요소법에 의한 수치 시뮬레이션에 의해 행해지고, 상기 성형품의 성형 데이터 중의 각 요소마다의 응력의 각 방향 성분의 판 두께 방향 평균을 상기 방향 성분의 면내 응력 성분으로 하고, 각 요소마다 발생하는 전체 적분점의 응력값의 각 방향 성분으로부터 상기 면내 평균 응력을 감산한 값을 상기 방향 성분의 굽힘 모멘트 성분으로 해도 된다.

(3) 상기 (1)에 기재된 스프링백 발생 원인 분석 방법에서는, 상기 연산 처리는, 상기 연산 전 독립 분해 성형 데이터의 응력의 각 방향 성분 중 적어도 하나에 대해 -2≤k≤2의 범위의 계수 k를 곱하는 연산이라도 좋다.

(4) 상기 (3)에 기재된 스프링백 발생 원인 분석 방법에서는, 상기 계수 k의 범위는 0<k≤1이라도 좋다.

(5) 상기 (4)에 기재된 스프링백 발생 원인 분석 방법에서는, 상기 계수 k의 범위는 0.5≤k≤0.95라도 좋다.

(6) 상기 (1)에 기재된 스프링백 발생 원인 분석 방법에서는, 상기 성형품은, 프레스 성형품이라도 좋다.

(7) 본 발명의 스프링백 발생 원인 분석 장치는, 소성 가공하여 성형한 성형품의 성형 조건을 기초로 수치 시뮬레이션에 의해 성형 해석을 행하여, 상기 성형품의 성형 데이터를 산출하는 성형 해석부와, 상기 성형품의 성형 데이터에 포함되는 응력 데이터에 대해, 상기 성형품 전체에 걸쳐, 응력의 각 방향 성분 중 적어도 하나의 방향 성분에 대해 면내 응력 성분과 굽힘 모멘트 성분으로 분해하는 성분 분해부와, 상기 성형품의 성형 데이터로부터, 분해된 상기 방향 성분의 응력에 대해서는 면내 응력 성분만을 갖는 제1 독립 분해 데이터와, 분해된 상기 방향 성분의 응력에 대해서는 굽힘 모멘트 성분만을 갖는 제2 독립 분해 데이터 중 적어도 하나의 독립 분해 성형 데이터를 연산 전 독립 분해 성형 데이터로서 생성하는, 연산 전 독립 분해 성형 데이터 생성부와, 상기 성형품에 대해 영역 분할을 행하여, 각 영역마다 당해 영역에 대해 상기 연산 전 독립 분해 성형 데이터의 응력 중 적어도 하나의 방향 성분에 대해 연산 처리를 행함으로써 연산 후 독립 분해 성형 데이터를 생성하는 연산 처리부와, 상기 연산 전 독립 분해 성형 데이터에 대한 수치 시뮬레이션에 의해 구해지는 제1 스프링백 형상과, 상기 연산 후 독립 분해 성형 데이터에 대한 수치 시뮬레이션에 의해 구해지는 제2 스프링백 형상을 해석하는 스프링백 해석부와, 상기 성형품의 성형 데이터에 포함되는 스프링백 전의 형상과, 상기 제1 스프링백 형상과, 상기 제2 스프링백 형상으로부터 산출된 상기 각 영역의 응력의 스프링백 변형에 대한 영향도를 구하는 영향도 산출부와, 상기 각 영역마다, 상기 산출된 스프링백 변형에 대한 영향도를 표시하는 표시부를 갖는다.

(8) 상기 (7)에 기재된 스프링백 발생 원인 분석 장치에서는, 상기 표시부는, 상기 각 영역마다, 상기 산출된 스프링백 변형에 대한 영향도를 콘투어 표시해도 된다.

(9) 본 발명의 스프링백 발생 원인 분석 프로그램은, 소성 가공하여 성형한 성형품의 성형 조건을 기초로 수치 시뮬레이션에 의해 성형 해석을 행하여, 상기 성형품의 성형 데이터를 산출하는 성형 해석 공정과, 상기 성형품의 성형 데이터에 포함되는 응력 데이터에 대해, 상기 성형품 전체에 걸쳐, 응력의 각 방향 성분 중 적어도 하나의 방향 성분에 대해 면내 응력 성분과 굽힘 모멘트 성분으로 분해하는 성분 분해 공정과, 상기 성형품의 성형 데이터로부터, 분해된 상기 방향 성분의 응력에 대해서는 면내 응력 성분만을 갖는 제1 독립 분해 데이터와, 분해된 상기 방향 성분의 응력에 대해서는 굽힘 모멘트 성분만을 갖는 제2 독립 분해 데이터 중 적어도 하나의 독립 분해 성형 데이터를 연산 전 독립 분해 성형 데이터로서 생성하는, 연산 전 독립 분해 성형 데이터 생성 공정과, 상기 성형품에 대해 영역 분할을 행하여, 각 영역마다 당해 영역에 대해 상기 연산 전 독립 분해 성형 데이터의 응력 중 적어도 하나의 방향 성분에 대해 연산 처리를 행함으로써 연산 후 독립 분해 성형 데이터를 생성하는 연산 처리 공정과, 상기 연산 전 독립 분해 성형 데이터에 대한 수치 시뮬레이션에 의해 구해지는 제1 스프링백 형상과, 상기 연산 후 독립 분해 성형 데이터에 대한 수치 시뮬레이션에 의해 구해지는 제2 스프링백 형상을 해석하는 스프링백 해석 공정과, 상기 성형품의 성형 데이터에 포함되는 스프링백 전의 형상과, 상기 제1 스프링백 형상과, 상기 제2 스프링백 형상으로부터 산출된 상기 각 영역의 응력의 스프링백 변형에 대한 영향도를 구하는 영향도 산출 공정과, 상기 각 영역마다, 상기 산출된 스프링백 변형에 대한 영향도를 표시하는 표시 공정을 갖는다.

(10) 상기 (9)에 기재된 스프링백 발생 원인 분석 프로그램에서는, 상기 성형 해석 공정은, 복수의 요소를 사용한 유한 요소법에 의한 수치 시뮬레이션에 의해 행해지고, 상기 성형품의 성형 데이터 중의 각 요소마다의 응력의 각 방향 성분의 판 두께 방향 평균을 상기 방향 성분의 면내 응력 성분으로 하고, 각 요소마다 발생하는 전체 적분점의 응력값의 각 방향 성분으로부터 상기 면내 평균 응력을 감산한 값을 상기 방향 성분의 굽힘 모멘트 성분으로 해도 된다.

(11) 본 발명의 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는, 상기 (9)에 기재된 스프링백 발생 원인 분석 프로그램을 기록한다.

(12) 본 발명의 스프링백 발생 원인 분석 방법은, 소성 가공하여 성형한 성형품의 성형 조건을 기초로 수치 시뮬레이션에 의해 성형 해석을 행하여, 상기 성형품의 성형 데이터를 산출하는 성형 해석 공정과, 상기 성형품의 성형 데이터에 포함되는 응력 데이터에 대해, 상기 성형품 전체에 걸쳐, 응력의 각 방향 성분 중 적어도 하나의 방향 성분에 대해 면내 응력 성분과 굽힘 모멘트 성분으로 분해하는 성분 분해 공정과, 상기 성형품의 성형 데이터로부터, 분해된 상기 방향 성분의 응력에 대해서는 면내 응력 성분만을 갖는 제1 독립 분해 데이터와, 분해된 상기 방향 성분의 응력에 대해서는 굽힘 모멘트 성분만을 갖는 제2 독립 분해 데이터 중 적어도 하나의 독립 분해 성형 데이터를 연산 전 독립 분해 성형 데이터로서 생성하는, 연산 전 독립 분해 성형 데이터 생성 공정과, 상기 성형품에 대해 영역 분할을 행하여, 각 영역마다 당해 영역에 대해 상기 연산 전 독립 분해 성형 데이터의 응력 중 적어도 하나의 방향 성분에 대해 연산 처리를 행함으로써 연산 후 독립 분해 성형 데이터를 생성하는 연산 처리 공정과, 상기 연산 후 독립 분해 성형 데이터에 대한 수치 시뮬레이션에 의해 구해지는 스프링백 형상을 해석하는 스프링백 해석 공정과, 상기 성형품의 성형 데이터에 포함되는 스프링백 전의 형상과, 상기 스프링백 형상으로부터 산출된 상기 각 영역의 응력의 스프링백 변형에 대한 영향도를 구하는 영향도 산출 공정과, 상기 각 영역마다, 상기 산출된 스프링백 변형에 대한 영향도를 표시하는 표시 공정을 갖는다.

본 발명에 따르면, 스프링백 발생 원인을 정확하게 분석하는 것이 가능해져, 성형품의 성형 방법의 검토 시간을 단축할 수 있다.

또한, 본 발명에 의해, 실제의 부품에서는 불가능한 발생 원인의 분석을 할 수 있어, 스프링백 대책을 검토하는 수단을 상세하게 분해하여 검토하는 것이 가능해진다.

본 발명에 있어서는, 프레스 성형품에 대해 영역 분할을 행하여, 각 영역마다 당해 영역에 대해 상기한 독립 분해 성형 데이터의 응력의 각 방향 성분 중 적어도 하나에 대해 계수 k를 곱하는 연산 처리를 행한다. 상기한 계수 k는 -2≤k≤+2(제로를 포함함)로 하는 것이 바람직하다. 계수 k가 제로인 경우, 연산이 간략화되어, 산출된 영향도에 의해 스프링백 변형에 대한 각 영역의 응력의 영향을 명확하게 평가할 수 있다. 또 계수 k가 +1에 가까운 값인 경우, 보다 정밀도가 높은 영향도의 산출 및 평가가 가능해진다. 계수 k가 제로보다 1에 가까운 값을 취하는 쪽이 평가 정밀도가 향상되는 것은, 실제상 응력과 변위 사이에 비선형성을 갖기 때문이다. 변형이 작은 경우에는, 변위에 대한 편집 전후의 응력 구배가, 선형 근사한 경우와, 실제의 비선형의 경우에서는 거의 차가 없어, 계수 k를 제로로 하여 연산 처리해도, 각 영역의 스프링백에 대한 응력의 영향도의 값은 분석 평가를 행하는 데 있어서 충분한 정밀도의 값이 얻어진다. 이에 대해, 큰 변형을 수반하는 경우는, 변위에 대한 편집 전후의 응력 구배가, 선형 근사한 경우와, 실제의 비선형의 경우의 차가 커져, 선형 근사를 행하면 오차를 수반한다. 이에 대해, 편집 후의 응력을 편집 전의 응력에 가까운 값(계수 k가 1에 근사)으로 취하도록 연산 처리함으로써, 변형에 대한 편집 전후의 응력 구배가 실제의 비선형의 경우에 가까운 상태에서 연산 처리하게 되어, 각 영역의 스프링백에 대한 응력의 영향도의 값은 계수 k가 제로인 경우보다도 평가 정밀도가 향상된다(도 10). 특히 계수 k는 +1에 가까운 값을 채용하는 것이 유리하다.

도 1은 본 발명의 스프링백 발생 원인 분석 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 스프링백 발생 원인 분석 방법의 개요를 나타내는 도면이다.
도 3은 스프링백 발생 원인 분석 처리를 행하게 하는 장치의 하드웨어 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4는 제1 실시예에 있어서의 프레스 성형품의 형상을 도시하는 사시도이다.
도 5는 제1 실시예에 있어서의 프레스 성형품을 분할한 경우의 분할 영역을 도시하는 도면이다.
도 6은 프레스 성형 해석으로부터 얻어진 오리지널 데이터에 기초하여 스프링백 해석한 결과를 나타내는 도면이다.
도 7a는 굽힘 모멘트 성분(편차 응력) 분해 데이터에 대해, 연산 처리를 행한 각 영역에서의 스프링백량을 나타내는 도면이다.
도 7b는 면내 응력 성분(평균 응력) 분해 데이터에 대해, 연산 처리를 행한 각 영역에서의 스프링백량을 나타내는 도면이다.
도 8a는 제2 실시예에 있어서의 프레스 성형품의 형상의 설명도이다.
도 8b는 제2 실시예에 있어서의 프레스 성형품의 분할 영역과 고정점을 도시하는 도면이다.
도 9a는 제3 실시예에 있어서의 프레스 성형품의 형상의 설명도이다.
도 9b는 제3 실시예에 있어서의 프레스 성형품의 분할 영역과 고정점을 도시하는 도면이다.
도 10은 응력과 변위의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11a는 제5 실시예에 있어서의 프레스 성형품의 형상의 설명도이다.
도 11b는 제5 실시예에 있어서의 프레스 성형품의 분할 영역과 고정점을 도시하는 도면이다.
도 11c는 제5 실시예에 있어서의 프레스 성형품에 관련되는, X축 주위의 비틀림각을 설명하는 도면이다.
도 12a는 제6 실시예에 있어서의 프레스 성형품의 형상의 설명도이다.
도 12b는 제6 실시예에 있어서의 프레스 성형품의 분할 영역과 고정점을 도시하는 도면이다.
도 13a는 제7 실시예에 있어서의 프레스 성형품의 형상의 설명도이다.
도 13b는 제7 실시예에 있어서의 프레스 성형품의 분할 영역과 고정점을 도시하는 도면이다.
도 14a는 제8 실시예에 있어서의 프레스 성형품의 형상의 설명도이다.
도 14b는 제8 실시예에 있어서의 프레스 성형품의 분할 영역과 고정점을 도시하는 도면이다.
도 14c는 제5 실시예에 있어서의 프레스 성형품에 관련되는, 4절점의 상대 변위(비틀림)를 설명하는 도면이다.
도 15a는 제9 실시예에 있어서의 프레스 성형품의 형상의 설명도이다.
도 15b는 제9 실시예에 있어서의 프레스 성형품의 분할 영역과 고정점을 도시하는 도면이다.
도 16a는 제9 실시예에 있어서의 프레스 성형품의 글로벌 좌표를 도시하는 도면이다.
도 16b는 도 16a의 F-F 단면도이다.
도 17a는 제9 실시예에 있어서의 프레스 성형품의 로컬 좌표를 도시하는 도면이다.
도 17b는 도 17a의 G-G 단면도이다.

이하, 박판 재료를 프레스 성형하여 제작되는 제품에 대한 스프링백 발생 원인 분석을 예로 들어 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명하지만, 본 발명의 적용 대상은 이것에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은, 예를 들어 롤 포밍에 의한 성형이나, 선재 등을 성형하는 경우에도 적용할 수 있다.

우선 도 1에, 본 발명의 스프링백 발생 원인 분석 장치(1)의 기능 구성도를 도시한다. 이 스프링백 발생 원인 분석 장치(1)는, 성형 조건 입력부(2), 프레스 성형 해석부(3), 분해 성형 데이터 생성부(4), 영역 분할 및 연산 처리부(5), 스프링백 해석부(6), 영향도 산출부(19), 표시부인 영향도 출력 화면(20), 파일 저장부(S)를 갖는다.

성형 조건 입력부(2)는, 프레스 성형 해석부(3), 스프링백 해석부(6)에 있어서 해석 대상이 되는 강판의 형상 데이터(판 두께, 길이, 폭, 곡률, 변형 등), 성상(강도, 신장 등의 재질), 금형 형상(다이 및 펀치 형상, 곡률, 직경, 클리어런스, 윤활 조건), 프레스 조건(블랭크 홀더 하중, 패드 하중, 비드 장력, 프레스 압력, 온도) 등의 성형 조건을 입력하는 입력부이다. 또한, 성형 해석에 있어서의 데이터 영역, 분해 성형 데이터 생성부(4)에 있어서의 데이터 영역, 영역 분할 및 연산 처리부(5)에 있어서의 데이터 영역, 분석 결과를 출력 화면 상에 표시할 때의 분할 영역 등을 별개로 설정하여 입력할 수도 있다.

프레스 성형 해석부(3)는, 성형 조건 입력부(2)로부터의 입력 정보에 기초하여 프레스 성형되는 성형품의 형상, 응력, 변형, 판 두께 등을 수치 해석에 의해 구한다. 수치 해석의 방법으로서, 탄소성 유한 요소법, 강소성 유한 요소법, 원스텝 유한 요소법, 경계 요소법 등을 이용해도 된다. 프레스 성형 해석부(3)는, 피가공물의 판 두께, 응력의 성분값, 변형의 성분값의 변수나, 그 변수의 분포라고 하는 형식으로 수치 해석 결과를 출력한다. 그 출력 데이터(오리지널 데이터)는, 예를 들어 파일 "P org.k "로 하여 분해 성형 데이터 생성부(4), 영역 분할 및 연산 처리부(5), 스프링백 해석부(6), 영향도 산출부(19)에 출력되는 동시에, 파일 저장부(S)에 저장된다.

또한, 이 프레스 성형 해석부(3)에 있어서의 수치 해석은, 유한 요소법을 사용하여, 상기한 형상 데이터, 성상, 금형 형상, 프레스 조건 등의 성형 조건을 설정하고, 성형 해석을 행하여, 성형 후의 응력, 변형 등의 분포를 수치적으로 얻을 수 있다. 여기서, 유한 요소법에 의한 수치 해석을 행하는 소프트웨어로서는, 예를 들어 시판되는 소프트웨어인, PAM-STANP, LS-DYNA, AUTOFORM, OPTRIS, ITAS-3D, ASU/P-FORM, ABAQUS, MARC, HYSTAMP, HYPERFORM, SIMEX, FASTFORM-3D, QUICKSTAMP 등을 이용해도 된다.

분해 성형 데이터 생성부(4)는, 프레스 성형 해석부(3)에 의해 얻어진 프레스 성형품의 성형 데이터를, 프레스 성형품 전체에 걸쳐, 각 요소의 응력의 각 방향 성분의 방향 중 적어도 하나에 대해 면내 응력 성분과 굽힘 모멘트 성분으로 분해한다. 그리고 프레스 성형 해석부(3)에 의해 얻어진 프레스 성형품의 성형 데이터의, 분해된 방향 성분의 응력에 대해서는, 면내 응력 성분만을 갖는 독립 분해 데이터와, 굽힘 모멘트 성분만을 갖는 독립 분해 데이터를 생성한다. 여기서, 면내 응력 성분은, 성형품의 면내 방향 응력의 판 두께 방향 분포의 평균 응력 성분이다. 굽힘 모멘트 성분은, 성형품의 면내 방향 응력의 판 두께 방향 분포의 편차 응력, 즉 면내 방향 응력의 판 두께 방향 분포로부터 평균 응력 성분을 감산한 판 두께 방향 분포를 갖는 응력 성분이다.

따라서, 성형 해석 결과의 각 요소마다 판 두께 방향 분포의 평균 응력을, 각 요소마다 판 두께 방향의 전체 적분점에 대해, 할당을 행하여, 면내 응력 성분 분해 데이터를 생성한다. 또한, 오리지널 성형 해석 결과로부터 추출되는 평균 응력을, 요소마다 발생하는 판 두께 방향의 전체 적분점의 응력값으로부터, 감산함으로써, 굽힘 모멘트 성분 분해 데이터를 생성한다. 즉, 성형 데이터 중의 평균 응력을 면내 응력 성분으로 하고, 요소마다 발생하는 판 두께 방향의 전체 적분점의 응력값으로부터 면내 평균 응력을 감산한 값을 굽힘 모멘트 성분으로 하면 된다.

여기서, 응력의 각 방향 성분에의 분해에 대해서는, 전체 좌표계를 기준으로 하여 분해해도 된다. 또한, 각 요소마다 당해 요소를 구성하는 절점의 좌표에 기초하는 국소 좌표계를 기준으로 하여 분해해도 된다. 또한, 각 요소의 프레스 성형 해석에 있어서의 초기 상태, 즉 프레스에 있어서의 초기 블랭크 상태에서, 전체 좌표계에 기초하여 각 요소에 국소 좌표계를 설정하고, 각 요소에 설정한 이 국소 좌표계를 프레스 성형에 있어서의 각 요소의 변형에 추종시켜 이동, 회전시킨 프레스 성형 후의 좌표계에 기초하여 분해해도 된다.

이와 같이 하여, 데이터 "P rem.hei.k"와, 데이터 "P rem.hen.k"를 얻을 수 있다. 또한, "P rem.hei.k"는, 프레스 성형품의 성형 조건을 수치 해석하여 얻어진 성형 해석 결과 데이터를, 프레스 성형품 전체에 걸쳐 응력의 각 방향 성분의 방향 중 적어도 하나에 대해 면내 응력 성분으로 분해한 독립 분해 데이터이다. 한편, "P rem.hen.k"는, 프레스 성형품의 성형 조건을 수치 해석하여 얻어진 성형 해석 결과 데이터를, 프레스 성형품 전체에 걸쳐 응력의 각 방향 성분의 방향 중 적어도 하나에 대해 굽힘 모멘트 성분으로 분해한 독립 분해 데이터이다. 이들 독립 분해 데이터는 영역 분할 및 연산 처리부(5) 및 스프링백 해석부(6)에 출력되는 동시에, 파일 저장부(S)에 저장된다.

영역 분할 및 연산 처리부(5)는, 분해 성형 데이터 생성부(4)의 출력 데이터 파일 "P rem.hei.k"와, "P rem.hen.k"를 입력하고, 프레스 성형품의 형상 데이터를 기초로 복수 영역으로 분할을 행하여, 영역마다 연산 처리를 행하고, 그 결과로서 각 영역에 대한 "P rem2.hei.k"와, "P rem2.hen.k"를 스프링백 해석부(6)에 출력하는 동시에, 파일 저장부(S)에 저장한다. 또한, 연산 처리라 함은, "P rem.hei.k"와, "P rem.hen.k"에 대해 영역 분할한 각 영역마다, 당해 영역에 대해서만 응력의 각 방향 성분 중 적어도 하나에 대해 연산을 행하는 것이다. 구체적인 연산 방법으로서는, 계수 k를 곱하는 연산을 들 수 있다. 계수 k는 -2≤k≤+2로 하는 것이 바람직하다. 계수 k는 0<k≤1으로 하면 더욱 바람직하고, 계수 k는 0.5≤k≤0.95로 하면 더욱 바람직하다.

상기한 연산 처리라 함은, 영역 분할한 후의 특정 영역만의 응력 성분에 하기의 계수 k_i(i＝1 내지 6)를 승산하는 것이다.

σx＝k₁×σx0

σy＝k₂×σy0

σz＝k₃×σz0

τxy＝k₄×τxy0

τyz＝k₅×τyz0

τzx＝k₆×τzx0

여기서, 선택된 영역의 적분점에 있어서의 전의 응력 성분을 (σx0, σy0, σz0, τxy0, τyz0, τzx0)으로 나타낸다. 한편, 연산 처리 후의 응력 성분을 (σx, σy, σz, τxy, τyz, τzx)로 나타낸다. 계수 k_i는 -2≤ki≤+2이고, k_i 전부를 제로로 해도 되고, 적어도 하나를 제로로 하고, 그 외에는 상기 범위 내에서 제로 이외의 값으로 해도 된다.

영역 분할 및 연산 처리부(5)는, 입력 데이터로부터 프레스 성형품의 데이터를 취득하고, 프레스 성형품의 데이터를 복수의 영역으로 분할하는 처리를 행한다. 영역 분할 방법에 관해서는, 프레스 성형품의 형상에 기초하여 균등한 치수에 의해 영역을 분할해도 된다. 또한, 프레스 성형 전의 플랭크재의 상태에서의 형상에 기초하여 균등한 치수에 의해 분할해도 된다. 또한, 성형품의 분할 영역을 결정하기 위한 방법으로서, 곡률이나 프레스 성형 해석 결과의 응력의 크기에 기초하여, 분할 영역을 결정하는 방법이나 해석 오퍼레이터에 의한 지정에 의한 방법도 있다.

스프링백 해석부(6)는, 분해 성형 데이터 생성부(4)의 출력 데이터 파일 "P rem.hei.k" 및 "P rem.hen.k" 및 영역 분할 및 연산 처리부(5)의 출력 데이터 파일 "P rem2.hei.k" 및 "P rem2.hen.k"를 입력 데이터로서 사용하여 스프링백 해석을 행한다. 그리고 스프링백 후의 형상을 산출하고, 산출 결과의 데이터로서 "SB rem.hei.k"와, "SB rem.hen.k"와, "SB rem2.hei.k"와, "SB rem2.hen.k"를 영향도 산출부(19)에 출력하는 동시에, 파일 저장부(S)에 저장한다. 스프링백 해석은, 분해 성형 데이터 생성부(4) 및 영역 분할 및 연산 처리부(5)에 의해 얻어진 판 두께, 응력 성분값, 변형의 성분값 등의 변수 및 변수의 분포에 기초하여, 탄성 유한 요소법, 탄소성 유한 요소법, 원스텝 유한 요소법 등에 의해 제하(除荷) 과정의 계산을 행하여, 성형품에 발생하는 스프링백 후의 형상을 수치 해석한다. 그 스프링백 형상은 유한 요소 해석 데이터(각 요소 데이터 및 각 요소를 구성하는 절점 데이터)로서 얻어진다.

영향도 산출부(19)는, 프레스 성형 해석부(3)의 해석 결과인 프레스 성형 데이터 및 스프링백 해석부(6)의 해석 결과인 "SB rem.hei.k"와, "SB rem.hen.k"와, "SB rem2.hei.k"와, "SB rem2.hen.k"를 기초로 영역 분할된 각 영역마다 스프링백에 대한 영향도를 산출한다.

스프링백에 대한 영향도는, 분해 성형 데이터 생성부(4)에서 생성된 독립 분해 데이터 "P rem.hei.k" 및 "P rem.hen.k"를 입력 데이터로 한 스프링백량과, 영역 분할 및 연산 처리부(5)의 출력 데이터 파일 "P rem2.hei.k" 및 "P rem2.hen.k"를 입력 데이터로 한 스프링백량의 비교에 의해 산출된다.

영향도의 평가 대상으로서의 스프링백량은, 특정한 포인트(유한 요소 데이터의 특정한 절점)의 스프링백 전후의 좌표의 차(＝변위)나, 특정한 2개의 포인트를 연결하는 선의 스프링백 전후의 각도의 차(＝비틀림)나, 특정한 2개의 포인트의 상대 변위의 차의 스프링백 전후의 차(＝상대 변위)나, 특정한 2개의 포인트를 연결하는 선과 다른 특정한 2개의 포인트를 연결하는 선이 이루는 각도의 스프링백 전후의 차(＝상대 비틀림) 등이라도 좋다.

독립 분해 데이터 "P rem.hei.k" 및 "P rem.hen.k"의 스프링백량은, 이하와 같이 구한다. 즉, 프레스 성형 해석부(3)의 해석 결과인 프레스 성형 데이터의 형상을 스프링백 전의 형상으로 하고, 스프링백 해석부(6)의 해석 결과인 "SB rem.hei.k" 및 "SB rem.hei.k"를 스프링백 후의 형상으로 하여, 그 차를 취함으로써 구한다.

분할 영역마다 연산 처리를 행한 "P rem2.hei.k" 및 "P rem2.hen.k"의 스프링백량은, 이하와 같이 구한다. 즉, 프레스 성형 해석부(3)의 해석 결과인 프레스 성형 데이터의 형상을 스프링백 전의 형상으로 하고, 스프링백 해석부(6)의 해석 결과인 "SB rem2.hei.k" 및 "SB rem2.hen.k"를 스프링백 후의 형상으로 하여, 그 차를 취함으로써 구한다.

스프링백에 대한 영향도는, 독립 분해 데이터 "P rem.hei.k" 및 "P rem.hen.k"의 스프링백량과, 분할 영역마다 연산 처리를 행한 "P rem2.hei.k" 및 "P rem2.hen.k"의 스프링백량의 차에, "연산 처리를 행하였을 때의 계수 k-1"의 역수를 승산함으로써 구해진다. 또한, 분할한 영역의 면적이 불균등한 경우 등에는, 다시 영역의 면적으로 나누어 단위 면적당의 영향도로서 산출하는 것도 가능하다.

또한, 전술한 스프링백량은, 오리지널 데이터 파일 "P org.k"로 설정된 고정점에 의한 스프링백 해석에 기초하여 산출되었다. 그러나 스프링백량은 고정점을 취하는 방법에 따라 크게 변화된다. 따라서, 다른 고정점에서 스프링백 영향도를 구하는 경우에는, 프레스 성형 해석부(3)의 해석 결과인 프레스 성형 데이터와, 스프링백 해석부(6)의 해석 결과인 "SB rem.hei.k", "SB rem.hei.k", "SB rem2.hei.k", "SB rem2.hei.k"에 대해, 평가하고자 하는 고정점에서의 위치 정렬(이동, 회전)을 행한 후, 전술한 스프링백에 대한 영향도의 산출을 행하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 다시 성형 해석이나 스프링백 해석을 행하는 일 없이 용이하게 다른 고정점에서의 스프링백 영향도를 구할 수 있다.

영향도 산출부(19)에서는, 전술한 스프링백에의 영향도의 산출을 분할한 각 영역마다 순차 행함으로써 프레스 성형품의 전체에 걸친 스프링백에의 영향도의 분포를 구할 수 있다.

영향도 표시부 출력 화면(20)에서는, 스프링백에 대한 각 분할 영역의 영향도를 콘투어 표시하는 것이 바람직하다. 후기하는 실시예에 나타내어지는 바와 같이, 본 발명에 따르면, 면내 응력 성분 및 굽힘 모멘트 성분으로 분해한 독립 분해 데이터와, 프레스 성형품을 기초로 분할한 각 영역마다 당해 영역의 응력 성분 중 적어도 하나의 방향에 대해 계수 k를 곱하는 연산 처리를 행한 독립 분해 데이터에 대해 스프링백 해석을 행한다. 그리고 각 영역의 각 방향 성분의 응력의 스프링백에의 영향도를 산출한다. 본 발명에서는, 이와 같이 산출된 영향도를, 각각 별개로 표시해도 되고, 부품 전체에 걸쳐 콘투어 표시해도 된다. 또한, 그들의 표시를 응력 성분마다 표시해도 된다. 이러한 표시에 의해, 스프링백의 발생 원인의 분석은, 종래보다도 용이하고 또한 정확하게 행해진다.

도 2는 이상에 설명한 본 발명의 스프링백 발생 원인 분석 방법의 흐름을 나타내는 도면이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, S1에서 성형 조건 입력부(2)로부터 성형 조건의 입력을 행한다. 다음에 S2에서 프레스 성형 해석부(3)에 의해 프레스 성형품의 성형 조건을 기초로 수치 해석하여, 프레스 성형품의 성형 데이터를 산출하는 프레스 성형 해석 처리를 행한다. 다음에 S3에서, 분해 성형 데이터 생성부(4)에 의해 응력을 면내 응력 성분과 굽힘 모멘트 성분으로 분해하여 독립 분해 데이터를 생성한다. 다음에 S4에서 영역 분할 및 연산 처리부(5)에 의해, 프레스 성형품의 데이터를 복수의 영역으로 분할하고, 각 영역마다 응력 데이터 중 적어도 하나의 방향에 대해 연산 처리를 실시하여, 연산 처리 데이터를 생성한다. 다음에 S5에서 스프링백 해석부(6)에 의해 스프링백 해석을 행하여 스프링백 후의 형상을 산출한다. 다음에 S6에서 영향도 산출부(7)에 의해, 스프링백 후의 형상을 기초로 각 분할 영역의 스프링백에의 영향도를 산출한다. 그리고 S7에서 표시부(8)에 의해, 그 결과를 표시부의 화면에 콘투어 표시, 또는 프린터에 출력한다. 이와 같이 하여 얻어진 출력 결과에 기초하여 필요하면 S9에서 고정 조건 변경 처리부(9)에 의해, 스프링백의 고정점을 변경하여 스프링백에의 영향도를 산출하여 상세한 평가를 행할 수 있다.

상기한 바와 같은 스프링백 발생 원인 분석 방법에 기초하여, 성형품의 성형을 행할 수 있다. 예를 들어, 상기 스프링백 발생 원인 분석 방법 결과에 기초하여, 스프링백에의 영향도가 높은 분할 영역을 특정할 수 있다. 이와 같이 특정된 스프링백 원인 영역에 있어서, 스프링백 발생 원인인 면내 평균 응력, 편차 응력 중 어느 한쪽이 높은 경우, 발생 원인의 각각에 따라서, 별개의 대응책을 강구할 수 있다. 이와 같이 하여 적절한 설계 변경을 금형에 가함으로써, 스프링백을 억제한 성형품을 제조하는 것이 가능해진다.

도 3은 상기한 스프링백 발생 원인 분석 처리를 행하는 장치의 하드웨어 구성의 일례를 나타내는 도면이다. 프레스 성형 해석부(3), 분해 성형 데이터 생성부(4), 영역 분할 및 연산 처리부(5), 스프링백 해석부(6)에 있어서의 각 처리는 스프링백 발생 원인 분석 프로그램(10)에 규정되어 있고, 컴퓨터에 의해 실행된다. 컴퓨터는 CPU(11), 처리 결과를 저장하는 메모리(12), 표시부인 디스플레이(13), 키보드나 마우스 등의 입력 장치(14), 하드 디스크(15), CD/DVD 드라이브와 같은 외부 기억 장치(16), NIC(네트워크 인터페이스 카드)(17), 프린터(18) 등을 구비하고 있다. 또한 상기한 스프링백 발생 원인 분석 프로그램(10)은, 컴퓨터가 판독 가능한 기록 매체에 기록하여, 유통시킬 수 있다. 이하에 본 발명을 실시예에 의해 더 구체적으로 설명한다.

실시예

(제1 실시예 : 전체 응력 성분을 제로로 한 예)

도 4는, 본 발명의 제1 실시예에 있어서의 프레스 성형품의 형상을 도시하는 사시도이다. 우선, 유한 요소법에 기초하는 시판되는 판 성형 시뮬레이션 해석 소프트웨어 LS-DYNA를 사용하여 프레스 성형 해석 처리를 행하였다. 금속판의 성상으로서, 판 두께 1.6㎜, 인장 강도 590㎫급의 고강도 강판의 데이터를 사용하였다. 또한, 금형(다이, 펀치, 홀더)의 형상을 쉘 요소로 모델링하고, 강체로 가정하여 해석하였다. 금형 클리어런스는 0㎜로 설정하였다. 마찰 계수는 0.15로 설정하였다. 성형 하중은 3000kN으로 설정하였다.

면내 응력 성분(평균 응력)과 굽힘 모멘트 성분(편차 응력)으로 분해한 독립 분해 데이터를 생성하는 프로그램은, 프레스 성형 해석으로부터 얻어진 응력이나 변형이 출력된 파일을, 입력 정보로서 도입하고, 이 도입된 입력 정보로부터 독립 분해 데이터를 생성한다. 여기서, 오리지널 성형 해석 결과로부터 추출되는 요소마다의 평균 응력을, 당해 요소마다 판 두께 방향의 전체 적분점에 대해, 할당을 행하여, 면내 응력 성분 분해 데이터를 생성한다. 또한, 오리지널 성형 해석 결과로부터 추출되는 평균 응력을, 요소마다 발생하는 판 두께 방향의 전체 적분점의 응력값으로부터 감산함으로써, 굽힘 모멘트 성분 분해 데이터를 생성한다.

영역 분할 및 연산 처리를 실행하는 프로그램은, 독립 분해 데이터로부터 얻어진 응력이나 변형이 출력된 파일을, 입력 데이터로서 도입하고, 연산 처리를 행하기 위해 프레스 성형품의 영역을 분할한다. 도 5는, 본 발명의 제1 실시예에 있어서의, 도 4에 도시한 프레스 성형품을 분할한 경우의 분할 영역을 도시하는 도면이다. 여기서는, 각 영역에 속하는 요소의 전체 적분점에 연산 처리를 행하였다. 연산 처리에서는 전체 응력 성분에 계수 제로를 승산함으로써,σx＝0, σy＝0, σz＝0, τxy＝0, τyz＝0, τzx＝0으로 하였다.

여기서, 선택된 영역의 적분점에 있어서의 연산 전의 응력 성분을 (σx0, σy0, σz0, τxy0, τyz0, τzx0)으로 나타낸다. 한편, 선택된 영역의 적분점에 있어서의 연산 처리 후의 응력 성분을 (σx, σy, σz, τxy, τyz, τzx)로 나타낸다. 연산된 응력은 파일 출력에 의해 연산 결과 파일로서 출력하였다.

다음에, 스프링백 해석 처리를, 상술한 소프트웨어 LS-DYNA를 사용하여 행하였다. 상기 영역 분할 및 연산 처리 실행 프로그램의 출력 결과를, 소프트웨어 LS-DYNA에 입력하여 스프링백 해석을 실시하였다. 스프링백 해석은 정적 음해법에 의한 탄성 해석을 사용하였다. 각 영역에서의 연산 처리ㆍ스프링백 해석을 영역 분할수 반복하였다.

도 6은, 본 발명의 제1 실시예에 의한 프레스 성형 해석으로부터 얻어진 오리지널 데이터에 기초하여 스프링백 해석을 실시한 결과를 나타낸다. 이 도 6은 Y방향의 변위를 평가한 도면이다. 도면 중의 Vmax＝0.49㎜는, Y방향의 변위가 최대로 되는 위치에 있어서의 스프링백량이 0.49㎜인 것을 나타낸다.

도 7a, 도 7b는, 도 6에서의 Vmax＝0.49㎜의 스프링백량에 대한 굽힘 모멘트 성분(편차 응력) 및 면내 응력 성분(평균 응력)의 영향이 부품 전체면에 걸쳐 어떻게 영향을 미치고 있는지 분석한 예이다.

도 7a는, 본 발명의 제1 실시예에 의한 굽힘 모멘트 성분(편차 응력) 분해 데이터에 대해, 연산 처리를 행한 각 영역에서의 스프링백량을 나타낸다.

도 7b는, 본 발명의 제1 실시예에 의한 면내 응력 성분(평균 응력) 분해 데이터에 대해, 연산 처리를 행한 각 영역에서의 스프링백량을 나타낸다.

도 7a 및 도 7b에 나타내어지는 바와 같이, 도 6의 Y방향 최대 변위 위치 있어서의 Y방향 변위(Vmax)에 대한 스프링백 발생 원인 개소를 면내 응력 성분의 영향과 굽힘 모멘트 성분의 영향으로 분리하여, 그 영향 정도를 특정할 수 있었다. 편차 응력의 영향을 나타내는 도 7a 중, A로 나타내어지는 개소의 영향량은 +0.28㎜, B로 나타내어지는 개소의 영향량은 -0.43㎜, C로 나타내어지는 개소의 영향량은 +0.21㎜, D로 나타내어지는 개소의 영향량은 +0.34㎜였다. 또한, 평균 응력의 영향을 나타내는 도 7b 중, E로 나타내어지는 개소의 영향량은 +0.10㎜였다. 도 7a, 도 7b로부터, Y 방향의 스프링백량은, 면내 응력 성분 및 굽힘 모멘트 성분의 영향이 혼재되어 있는 것이 판명되었다.

상기한 제1 실시예에 나타내어지는 바와 같이, 본 발명에 따르면 스프링백의 발생 원인 개소를 정량적으로 분석하고, 또한, 그 개소가 면내 응력 성분에 기인하고 있는 것인지 굽힘 모멘트 응력 성분에 기인하고 있는 것인지를 수치 해석에 의해 용이하고 또한 정확하게 분석하는 것이 가능하다. 또한 그 결과를 시각적으로 표시함으로써, 스프링백 발생 원인 개소를 용이하게 특정하는 것이 가능해진다. 이 분석은 실제의 금형이나 강판을 사용하는 일 없이 컴퓨터상에서 실행 가능하다. 따라서, 설계 단계에 있어서 성형 방법의 검토를 용이하게 행할 수 있다.

(제2 실시예 : 면내 응력 성분 중 σy만을 제로로 한 예)

상기한 제1 실시예에서는, 각 영역에 속하는 요소의 전체 적분점에 있어서의 전체 응력 성분에, 계수 제로를 곱하는 연산 처리를 행하였지만, 이하에 각종 베리에이션을 나타낸다. 도 8a는, 제2 실시예에 있어서의 프레스 성형품의 형상을 도시한다. 도 8b는, 도 8a에 도시하는 프레스 성형품의 분할 영역을 도시한다. 도 8b 중, 3개의 동그라미로 나타내는 점을 고정점으로 하고, 오리지널 데이터로부터 면내 응력 성분만을 갖는 독립 분해 데이터를 생성하여, 면내 응력에 대한 분석을 행하였다. 스프링백량으로서 Za로 나타내는 개소에 있어서의 Z축 방향[지면(紙面)에 수직 방향] 변위량을 평가하였다.

프레스 성형품 전체를 영역(801) 내지 영역(805)의 5개의 영역으로 분할하고, 표 1에 나타내는 바와 같이 각 영역에 있어서의 면내 응력 성분 중, 이 제2 실시예에서는 가장 영향이 있다고 생각되는 σy에만 제로를 곱하고, 그 밖의 응력 성분은 원래대로(즉, 계수 k＝1) 하였다. 이와 같이 하여 얻어진 연산 응력에 기초하여 스프링백 해석을 행한 결과를 표 1의 하단에 나타낸다. 표 1로부터, 영역(804)의 σy를 제로로 한 경우의 영향 비율이 최대인 것을 알 수 있다. 즉, 제2 실시예에 있어서는, 영역(803)과 영역(804)에 있어서의 Y축 방향의 면내 응력 성분이, 면내 응력 기인의 Za부에 있어서의 Z방향 변위의 스프링백량의 주요한 발생 원인인 것을 알 수 있다. 또한, 면내 응력 성분만을 갖는 독립 분해 데이터에 기초하여 연산된 선단부(Za)의 스프링백량은 23.292㎜였다. 표 1에 나타내어진 각 영역의 영향량의 합은 26.44㎜이므로, 본 발명에 의해 거의 정확한 해석이 행해져 있는 것을 확인할 수 있다.

(제3 실시예 : 고정점을 변경한 예)

제3 실시예에 있어서는, 제2 실시예에서 사용한 프레스 성형품과 동일 형상의, 도 9a에 도시하는 프레스 성형품을 사용하였다. 이 제3 실시예에 있어서는, 제2 실시예의 도 8b에 나타낸 고정점의 위치를, 도 9b에 나타내는 바와 같이 변경하였다. 우선, 제1 실시예와 마찬가지로, 각 영역에 속하는 요소의 전체 적분점에 있어서의 전체 응력 성분에, 계수 제로를 곱하는 연산 처리를 행하였다. 이와 같이 하여 얻어진 분석 결과를 표 2에 나타냈다. 고정점의 위치 변경에 의해, 원래 형상에 기인하여 휘어져 있는 것처럼 보이는 것인지, 실제로 휘어 있는 것인지를 판별하는 것이 가능해진다. 또한, 고정점의 변경은 연산의 최종 단계에 있어서 행해지고, 처음부터 연산을 다시 할 필요는 없다.

(제4 실시예 : 전체 면내 응력 성분에 계수 0.5를 곱한 예)

이 제4 실시예에서는, 도 8a에 도시한 형상의 프레스 성형품에 대해, 오리지널 데이터로부터 생성된 면내 응력 성분만을 갖는 독립 분해 데이터를 기초로 분석을 행하였다. 우선, 분석 영역의 전체 면내 응력 성분을 제로로 하여 스프링백량을 평가하였다. 이와 같이 평가한 경우, 표 3에 나타내는 바와 같이 갖는 독립 분해 데이터의 스프링백량이 26.76㎜인 것에 대해, 예를 들어 영역(801)의 전체 면내 응력 성분을 제로로 한 경우의 스프링백량은 26.59였다. 따라서, 영향도인 그 차는 0.17㎜이다. 영역(801) 내지 영역(805)의 각 영역의 스프링백에의 영향량의 합계가 32.63㎜로 되어, 오차가 21.93％로 되었다.

따라서, 도 8a에 도시한 형상의 프레스 성형품에 대해, 표 4에 나타내는 바와 같이 전체 면내 응력 성분에 계수 0.5를 곱하여 스프링백량의 평가를 행하였다. 이와 같이 평가한 경우, 독립 분해 데이터의 스프링백량이 26.76㎜인 것에 대해, 예를 들어 영역(801)의 전체 면내 응력 성분에 0.5를 곱한 경우의 스프링백량은 27.07이었다. 여기서, 영향도는, 그 차인 -0.32㎜에 대해 (1-k)의 역수, 즉 1/(1-0.5)＝2.0을 곱한 값 -0.63으로 된다. 마찬가지로 하여 계산된 영역(801) 내지 영역(805)의 영향도의 양의 합계는 27.50㎜로 되어, 오차가 21.93％로부터 2.78％로 감소하였다. 또한, 영역(803)과 영역(804)에 있어서의 면내 응력 성분이, 선단부의 스프링백량의 주요한 발생 원인인 것을 알 수 있다.

이와 같이 계수를 제로로 하는 것보다도 0.5로 한 쪽이 평가 정밀도를 향상시킬 수 있는 것은, 실제로는 응력과 변위의 관계가 선형이 아니기 때문이다. 즉, 응력과 변위의 관계가 선형인 경우에는, 어느 영역의 응력 성분에 곱하는 계수를 제로로 하여 연산을 행하면 되지만, 실제로는 도 10에 도시하는 바와 같이 응력과 변위의 관계는 비선형이다. 이로 인해 원래의 응력 σ0과 편집된 응력 σ의 구배가 다르게 되어, 선형 근사를 행하면 오차가 커진다. 이에 대해 계수를 예를 들어 0.5로 하면, 편집된 응력 σ의 값을 실제의 응력값에 근접시킬 수 있다.

(제5 실시예 : 전체 굽힘 모멘트 응력 성분에 계수 0.5를 곱한 예)

이 제5 실시예에서는, 도 11a에 도시하는 프레스 성형품 선단의 X축 주위의 비틀림각에 대해, 굽힘 모멘트 성분(편차 응력 성분)의 영향을 분석하였다. 우선, 오리지널 데이터로부터 굽힘 모멘트 성분만을 갖는 독립 분해 성형 데이터를 작성하고, 도 11b에 도시하는 바와 같이 영역(1101) 내지 영역(1105)의 5개의 영역으로 분할하여, 각 영역의 전 굽힘 모멘트 성분의 상대 비틀림각에 대한 영향도를 평가하였다. 또한, 제5 실시예의 프레스 성형품에 있어서의 X축 주위의 비틀림각(θ)은, 도 11c에 도시되는 θ1과 θ2의 합이다. 여기서는 계수 k로서 0을 사용하였다. 이와 같이 평가한 경우, 표 5에 나타내어지는 바와 같이, 독립 분해 성형 데이터의 스프링백량(상대 비틀림량)은 4.48도였다. 그리고 예를 들어 영역(1101)의 모멘트력 성분을 제로로 한 경우의 스프링백량은 3.75도였다. 그 차 0.74도에 (1-k)의 역수, 즉 1/(1-0)＝1을 곱한 값인 0.74도가 영향도이다. 이와 같이 하여 영역(1101) 내지 영역(1105)의 상대 비틀림각에의 영향을 구하면 합계가 4.19도로 되어, 오차가 마이너스 6.60％로 되었다.

따라서, 표 6에 나타내는 바와 같이 계수 k로서 계수 0.5를 사용하여 평가를 행하였다. 이와 같이 평가한 경우, 예를 들어 영역(1101)의 모멘트 성분에 0.5를 곱한 경우의 스프링백량은 4.09도이고, 영향도는 독립 분해 성형 데이터의 스프링백량이 4.48도에 대한 차 -0.39도에 (1-k)의 역수, 즉 1/(1-0.5)＝2.0을 곱한 값은 -0.78도로 된다. 마찬가지로 하여 구한, 각 영역의 비틀림각에의 영향량의 합계는 4.40도로 되어, 오차가 마이너스 6.60％로부터 마이너스 1.81％로 감소하였다. 또한, 표 6의 결과로부터, 영역(1103)이 비틀림 발생에 가장 영향을 미치고 있는 것을 알 수 있다.

(제6 실시예 : 평가 항목의 변경예)

이 제6 실시예에서는, 도 12a에 도시하는, 제2 실시예와 동일 형상의 프레스 성형품에 대해, 선단의 2절점(N1점, N2점)의 변위의 평균값을 평가 항목으로 하여, 오리지널 데이터로부터 생성된 면내 응력 성분만을 갖는 독립 분해 데이터를 기초로 분석을 행하였다. 전체 면내 응력 성분에 계수 k＝0으로 하여 스프링백량의 연산을 행하여, 도 12a에 도시하는 선단의 2절점(N1점, N2점)의 변위의 평균값을 평가하였다. 또한, 도 12b는 분할 영역을 나타낸다. 연산 결과를 표 7에 나타냈다.

(제7 실시예 : 평가 항목의 변경예)

이 제7 실시예에서는, 도 13a에 도시하는 프레스 성형품에 대해, OLE_LINK1 오리지널 데이터로부터 생성된 면내 응력 성분만을 갖는 독립 분해 데이터를 기초로 OLE_LINK1 선단의 2절점(N3점, N4점)의 변위의 상대 변위를 평가 항목으로 하였다. 전체 면내 응력 성분을 제로로 하여 스프링백량의 연산을 행하여, 도 13a에 도시하는 선단의 2절점(N3점, N4점) 사이의 상대 변위(즉, N3과 N4의 차)를 평가하였다. 또한, 도 13b는 분할 영역을 나타낸다. 연산 결과를 표 8에 나타냈다.

(제8 실시예 : 평가 항목의 변경예)

이 제8 실시예에서는, 도 14a에 도시하는 프레스 성형품에 대해, 오리지널 데이터로부터 생성된 모멘트 응력 성분만을 갖는 독립 분해 데이터를 기초로 X축 주위의 상대 변위에 대해, 굽힘 모멘트 성분(편차 응력 성분)의 영향을 분석하였다. 도 14b에 도시하는 바와 같이, 프레스 성형품의 중앙부에 고정점을 설정하였다. 그리고 도 14c에 도시하는 바와 같이, 단부의 4점(Z1, Z2, Z3, Z4)에 대해 Z축 방향의 변위를 연산하고, Δ＝(Z2-Z1)+(Z3-Z4)를 4절점의 X축 주위의 상대 변위로서 평가하였다. 그 연산 결과를 표 9에 나타냈다. 이와 같이 본 발명에서는, 평가 항목을 다양하게 변화시키는 것도 가능하다.

[제9 실시예 : 글로벌(전체) 좌표계로부터 로컬(국소) 좌표계로 전환하여 평가한 예]

이 제9 실시예에서는, 도 15a에 도시하는 프레스 성형품에 대해, 스프링백 해석을 행하였다. 이 제9 실시예에서는, 도 16a에 도시되는 글로벌 좌표계를 도 17a에 도시되는 로컬 좌표계로 전환하여 평가를 행한다. 또한, 도 16b는, 도 16a의 F-F 단면도이고, 도 17b는 도 17a의 G-G 단면도이다. 오리지널 데이터로부터 생성된 면내 응력 성분만을 갖는 독립 분해 데이터를 기초로, 좌표계를 글로벌(전체) 좌표계로부터 변환된 로컬(국소) 좌표계에서의 σyl에만 0.5를 곱하고, 그 밖의 응력 성분은 원래대로(즉, 계수 k＝1) 하였다. 도 15a에 도시하는 Za부의 최대 변위를 평가 항목으로 하였다. 이와 같이 하여 얻어진 연산 응력에 기초하여 스프링백 해석을 행한 결과를 표 10에 나타냈다.

1 : 스프링백 발생 원인 분석 장치
2 : 성형 조건 입력부
3 : 프레스 성형 해석부
4 : 분해 성형 데이터 생성부
5 : 영역 분할 및 연산 처리부
6 : 스프링백 해석부
7 : 영향도 산출부
8 : 표시부
9 : 고정 조건 변경 처리부
10 : 프로그램
11 : CPU
12 : 메모리
13 : 디스플레이
14 : 입력 장치
15 : 하드 디스크
16 : 외부 기억 장치
17 : NIC(네트워크 인터페이스 카드)
18 : 프린터
S : 파일 저장부

Claims

소성 가공하여 성형한 성형품의 성형 조건을 기초로 수치 시뮬레이션에 의해 성형 해석을 행하여, 상기 성형품의 성형 데이터를 산출하는 성형 해석 공정과,
상기 성형품의 성형 데이터에 포함되는 응력 데이터에 대해, 상기 성형품 전체에 걸쳐, 응력의 각 방향 성분 중 적어도 하나의 방향 성분에 대해 면내 응력 성분과 굽힘 모멘트 성분으로 분해하는 성분 분해 공정과,
상기 성형품의 성형 데이터로부터, 분해된 상기 방향 성분의 응력에 대해서는 면내 응력 성분만을 갖는 제1 독립 분해 데이터와, 분해된 상기 방향 성분의 응력에 대해서는 굽힘 모멘트 성분만을 갖는 제2 독립 분해 데이터 중 적어도 하나의 독립 분해 성형 데이터를 연산 전 독립 분해 성형 데이터로서 생성하는, 연산 전 독립 분해 성형 데이터 생성 공정과,
상기 성형품에 대해 영역 분할을 행하여, 각 영역마다 당해 영역에 대해 상기 연산 전 독립 분해 성형 데이터의 응력 중 적어도 하나의 방향 성분에 대해 연산 처리를 행함으로써 연산 후 독립 분해 성형 데이터를 생성하는 연산 처리 공정과,
상기 연산 전 독립 분해 성형 데이터에 대한 수치 시뮬레이션에 의해 구해지는 제1 스프링백 형상과, 상기 연산 후 독립 분해 성형 데이터에 대한 수치 시뮬레이션에 의해 구해지는 제2 스프링백 형상을 해석하는 스프링백 해석 공정과,
상기 성형품의 성형 데이터에 포함되는 스프링백 전의 형상과, 상기 제1 스프링백 형상과, 상기 제2 스프링백 형상으로부터 산출된 상기 각 영역의 응력의 스프링백 변형에 대한 영향도를 구하는 영향도 산출 공정과,
상기 각 영역마다, 상기 산출된 스프링백 변형에 대한 영향도를 표시하는 표시 공정을 갖는 것을 특징으로 하는, 스프링백 발생 원인 분석 방법.
제1항에 있어서, 상기 성형 해석 공정은, 복수의 요소를 사용한 유한 요소법에 의한 수치 시뮬레이션에 의해 행해지고,
상기 성형품의 성형 데이터 중의 각 요소마다의 응력의 각 방향 성분의 판 두께 방향 평균을 상기 방향 성분의 면내 응력 성분으로 하고, 각 요소마다 발생하는 전체 적분점의 응력값의 각 방향 성분으로부터 상기 면내 평균 응력을 감산한 값을 상기 방향 성분의 굽힘 모멘트 성분으로 하는 것을 특징으로 하는, 스프링백 발생 원인 분석 방법.
제1항에 있어서, 상기 연산 처리는, 상기 연산 전 독립 분해 성형 데이터의 응력의 각 방향 성분 중 적어도 하나에 대해 -2≤k≤2의 범위의 계수 k를 곱하는 연산인 것을 특징으로 하는, 스프링백 발생 원인 분석 방법.
제3항에 있어서, 상기 계수 k의 범위는 0<k≤1인 것을 특징으로 하는, 스프링백 발생 원인 분석 방법.
제1항에 있어서, 상기 계수 k의 범위는 0.5≤k≤0.95인 것을 특징으로 하는, 스프링백 발생 원인 분석 방법.
제1항에 있어서, 상기 성형품은 프레스 성형품인 것을 특징으로 하는, 스프링백 발생 원인 분석 방법.
소성 가공하여 성형한 성형품의 성형 조건을 기초로 수치 시뮬레이션에 의해 성형 해석을 행하여, 상기 성형품의 성형 데이터를 산출하는 성형 해석부와,
상기 성형품의 성형 데이터에 포함되는 응력 데이터에 대해, 상기 성형품 전체에 걸쳐, 응력의 각 방향 성분 중 적어도 하나의 방향 성분에 대해 면내 응력 성분과 굽힘 모멘트 성분으로 분해하는 성분 분해부와,
상기 성형품의 성형 데이터로부터, 분해된 상기 방향 성분의 응력에 대해서는 면내 응력 성분만을 갖는 제1 독립 분해 데이터와, 분해된 상기 방향 성분의 응력에 대해서는 굽힘 모멘트 성분만을 갖는 제2 독립 분해 데이터 중 적어도 하나의 독립 분해 성형 데이터를 연산 전 독립 분해 성형 데이터로서 생성하는, 연산 전 독립 분해 성형 데이터 생성부와,
상기 성형품에 대해 영역 분할을 행하여, 각 영역마다 당해 영역에 대해 상기 연산 전 독립 분해 성형 데이터의 응력 중 적어도 하나의 방향 성분에 대해 연산 처리를 행함으로써 연산 후 독립 분해 성형 데이터를 생성하는 연산 처리부와,
상기 연산 전 독립 분해 성형 데이터에 대한 수치 시뮬레이션에 의해 구해지는 제1 스프링백 형상과, 상기 연산 후 독립 분해 성형 데이터에 대한 수치 시뮬레이션에 의해 구해지는 제2 스프링백 형상을 해석하는 스프링백 해석부와,
상기 성형품의 성형 데이터에 포함되는 스프링백 전의 형상과, 상기 제1 스프링백 형상과, 상기 제2 스프링백 형상으로부터 산출된 상기 각 영역의 응력의 스프링백 변형에 대한 영향도를 구하는 영향도 산출부와,
상기 각 영역마다, 상기 산출된 스프링백 변형에 대한 영향도를 표시하는 표시부를 갖는 것을 특징으로 하는, 스프링백 발생 원인 분석 장치.
제7항에 있어서, 상기 표시부는, 상기 각 영역마다, 상기 산출된 스프링백 변형에 대한 영향도를 콘투어 표시하는 것인 것을 특징으로 하는, 스프링백 발생 원인 분석 장치.
소성 가공하여 성형한 성형품의 성형 조건을 기초로 수치 시뮬레이션에 의해 성형 해석을 행하여, 상기 성형품의 성형 데이터를 산출하는 성형 해석 공정과,
상기 성형품의 성형 데이터에 포함되는 응력 데이터에 대해, 상기 성형품 전체에 걸쳐, 응력의 각 방향 성분 중 적어도 하나의 방향 성분에 대해 면내 응력 성분과 굽힘 모멘트 성분으로 분해하는 성분 분해 공정과,
상기 성형품의 성형 데이터로부터, 분해된 상기 방향 성분의 응력에 대해서는 면내 응력 성분만을 갖는 제1 독립 분해 데이터와, 분해된 상기 방향 성분의 응력에 대해서는 굽힘 모멘트 성분만을 갖는 제2 독립 분해 데이터 중 적어도 하나의 독립 분해 성형 데이터를 연산 전 독립 분해 성형 데이터로서 생성하는, 연산 전 독립 분해 성형 데이터 생성 공정과,
상기 성형품에 대해 영역 분할을 행하여, 각 영역마다 당해 영역에 대해 상기 연산 전 독립 분해 성형 데이터의 응력 중 적어도 하나의 방향 성분에 대해 연산 처리를 행함으로써 연산 후 독립 분해 성형 데이터를 생성하는 연산 처리 공정과,
상기 연산 전 독립 분해 성형 데이터에 대한 수치 시뮬레이션에 의해 구해지는 제1 스프링백 형상과, 상기 연산 후 독립 분해 성형 데이터에 대한 수치 시뮬레이션에 의해 구해지는 제2 스프링백 형상을 해석하는 스프링백 해석 공정과,
상기 성형품의 성형 데이터에 포함되는 스프링백 전의 형상과, 상기 제1 스프링백 형상과, 상기 제2 스프링백 형상으로부터 산출된 상기 각 영역의 응력의 스프링백 변형에 대한 영향도를 구하는 영향도 산출 공정과,
상기 각 영역마다, 상기 산출된 스프링백 변형에 대한 영향도를 표시하는 표시 공정을 갖는 것을 특징으로 하는, 스프링백 발생 원인 분석 프로그램.
제9항에 있어서, 상기 성형 해석 공정은, 복수의 요소를 사용한 유한 요소법에 의한 수치 시뮬레이션에 의해 행해지고,
상기 성형품의 성형 데이터 중의 각 요소마다의 응력의 각 방향 성분의 판 두께 방향 평균을 상기 방향 성분의 면내 응력 성분으로 하고, 각 요소마다 발생하는 전체 적분점의 응력값의 각 방향 성분으로부터 상기 면내 평균 응력을 감산한 값을 상기 방향 성분의 굽힘 모멘트 성분으로 하는 것을 특징으로 하는, 스프링백 발생 원인 분석 프로그램.
제9항에 기재된 스프링백 발생 원인 분석 프로그램을 기록한 것을 특징으로 하는, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
소성 가공하여 성형한 성형품의 성형 조건을 기초로 수치 시뮬레이션에 의해 성형 해석을 행하여, 상기 성형품의 성형 데이터를 산출하는 성형 해석 공정과,
상기 성형품의 성형 데이터에 포함되는 응력 데이터에 대해, 상기 성형품 전체에 걸쳐, 응력의 각 방향 성분 중 적어도 하나의 방향 성분에 대해 면내 응력 성분과 굽힘 모멘트 성분으로 분해하는 성분 분해 공정과,
상기 성형품의 성형 데이터로부터, 분해된 상기 방향 성분의 응력에 대해서는 면내 응력 성분만을 갖는 제1 독립 분해 데이터와, 분해된 상기 방향 성분의 응력에 대해서는 굽힘 모멘트 성분만을 갖는 제2 독립 분해 데이터 중 적어도 하나의 독립 분해 성형 데이터를 연산 전 독립 분해 성형 데이터로서 생성하는, 연산 전 독립 분해 성형 데이터 생성 공정과,
상기 성형품에 대해 영역 분할을 행하여, 각 영역마다 당해 영역에 대해 상기 연산 전 독립 분해 성형 데이터의 응력 중 적어도 하나의 방향 성분에 대해 연산 처리를 행함으로써 연산 후 독립 분해 성형 데이터를 생성하는 연산 처리 공정과,
상기 연산 후 독립 분해 성형 데이터에 대한 수치 시뮬레이션에 의해 구해지는 스프링백 형상을 해석하는 스프링백 해석 공정과,
상기 성형품의 성형 데이터에 포함되는 스프링백 전의 형상과, 상기 스프링백 형상으로부터 산출된 상기 각 영역의 응력의 스프링백 변형에 대한 영향도를 구하는 영향도 산출 공정과,
상기 각 영역마다, 상기 산출된 스프링백 변형에 대한 영향도를 표시하는 표시 공정을 갖는 것을 특징으로 하는, 스프링백 발생 원인 분석 방법.