(57)【要約】【課題】板材の弾性回復による影響を考慮して、製品におけるデフォームの発生を予測できるデフォーム発生予測方法を提供すること。【解決手段】デフォーム発生予測方法は、ワークに外部から作用する成形力に基づいて、この成形力のもとで変形したワークに作用する内部応力σを算出する第１ステップ（Ｓ１〜Ｓ３）と、この第１ステップで算出された内部応力σに基づいて、この内部応力σのもとで弾性回復した後におけるワークに作用する内部応力σ´を算出する第２ステップ（Ｓ４〜Ｓ５）と、この第２ステップで算出された弾性回復後のワークに作用する内部応力σ´のうち、板厚方向に沿って、中立面の一方側の内部応力σ１と他方側の内部応力σ２との差を含んで定義される表裏応力差Δσを算出する第３ステップ（Ｓ６）と、この第３ステップにおいて算出された表裏応力差Δσの分布を表示する第４ステップと、を含む。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プレス成形により板材から製品を製造するプロセスのシミュレーションを行い、製品におけるデフォームの発生を予測するデフォーム発生予測方法であって、
板材に外部から作用する成形力に基づいて、当該成形力のもとで変形した板材に作用する応力を算出する第１ステップと、
前記第１ステップで算出された応力に基づいて、当該応力のもとで弾性回復した後における板材に作用する応力を算出する第２ステップと、
前記第２ステップで算出された弾性回復後の板材に作用する応力のうち、板厚方向に沿って、中立面の一方側の応力と他方側の応力との差を含んで定義されるデフォーム判定量を算出する第３ステップと、
前記第３ステップにおいて算出されたデフォーム判定量の分布を表示する第４ステップと、を含むことを特徴とするデフォーム発生予測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デフォーム発生予測方法に関する。詳しくは、プレス成形により製造された製品におけるデフォーム（平坦な部分に生じたしわや面歪みなど）の発生を予測するデフォーム発生予測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のドアパネルやルーフパネルなどのパネル製品は、所望の製品形状をかたどった金型を用意し、この金型で板材を所定の成形力のもとでプレス成形することにより形成される。
【０００３】
ここで、金型を実際に製作する際には、これに先立ち、プレス成形により製品を製造するプロセスのシミュレーションが行われる。つまり、ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｉｄｅｄ  Ｄｅｓｉｇｎ）で設計された金型のモデル形状に基づいて、ＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｉｄｅｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）によりシミュレーションを行い、モデル形状に基づいて製造された製品の品質を評価する。基本的には、このシミュレーションによる評価の結果が良品と判定されてから、金型の実際の製作を行う。
【０００４】
このようなシミュレーションでは、製品の品質を向上するため、および、金型の製造にかかるコストを低減するために、製品におけるデフォームの発生を予測できるか否かが特に重要となっている。
【０００５】
そこで、シミュレーションによりデフォームの発生を予測する方法が提案されている。例えば、特許文献１に示された方法では、金型が下死点に達した時点、すなわち所定の成形力を板材に加えた時点における板材の厚み方向断面に分布する曲げ応力を算出し、算出した曲げ応力を厚み方向に沿って積分する。さらに、積分した曲げ応力と、板材の弾性係数および厚みに応じて板材の曲率を算出し、これにより製品におけるデフォームの発生を予測する。
【特許文献１】特開２００７−２２９７６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、金型を離型し、板材にかかる成形力を除荷すると、板材は弾性回復するため、その形状は金型が下死点に達した時点における形状から変化する。このため、デフォームの形状や発生位置なども、成形力の除荷前と除荷後とでは変化する。しかしながら、特許文献１に示された方法では、デフォームの発生は、除荷前の時点における板材の曲げ応力に基づいて予測するため、このような板材の弾性回復の影響が十分に考慮されているとは言えない。
【０００７】
本発明は、プレス成形の製品におけるデフォームの発生を予測するデフォーム発生予測方法であり、板材の弾性回復による影響を考慮して、製品におけるデフォームの発生を予測できるデフォーム発生予測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のデフォーム発生予測方法は、プレス成形により板材から製品を製造するプロセスのシミュレーションを行い、製品におけるデフォームの発生を予測するデフォーム発生予測方法であって、板材に外部から作用する成形力に基づいて、当該成形力のもとで変形した板材に作用する応力（例えば、後述の内部応力σ）を算出する第１ステップ（例えば、後述の図３のステップＳ１からＳ３）と、前記第１ステップで算出された応力に基づいて、当該応力のもとで弾性回復した後における板材に作用する応力（例えば、後述の内部応力σ´）を算出する第２ステップ（例えば、後述の図３のステップＳ４およびＳ５）と、前記第２ステップで算出された弾性回復後の板材に作用する応力のうち、板厚方向に沿って、中立面の一方側の応力（例えば、後述の内部応力σ１）と他方側の応力（例えば、後述の内部応力σ２）との差を含んで定義されるデフォーム判定量（例えば、後述の表裏応力差Δσ）を算出する第３ステップ（例えば、後述の図３のステップＳ４からＳ６）と、前記第３ステップにおいて算出されたデフォーム判定量の分布を表示する第４ステップ（例えば、後述の図３のステップＳ７）と、を含むことを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、所定の成形力のもとで変形した板材に作用する応力を算出し、この応力のもとで弾性回復した後における板材に作用する応力を算出する。さらに、この応力のうち、板厚方向に沿って中立面の一方側と他方側の応力の差を含んで定義されるデフォーム判定量を算出し、このデフォーム判定量の分布を表示する。
上述のように、プレス成形により製品を製造する過程において、金型が下死点に達した時点、すなわち金型により所定の成形力を加えた時点に発生したデフォームは、金型を除荷することによりその形状や発生位置が変化する。この発明では、弾性回復後の板材に作用する応力に基づいてデフォーム判定量を算出することにより、板材の弾性回復による影響を考慮して、製品におけるデフォームの発生を精度よく予測することができる。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、弾性回復後の板材に作用する応力に基づいてデフォーム判定量を算出することにより、板材の弾性回復による影響を考慮して、製品におけるデフォームの発生を精度よく予測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るデフォーム発生予測方法が適用されたシミュレーションシステム１の概略構成を示すブロック図である。
【００１２】
シミュレーションシステム１は、作業者が各種データや指令を入力する入力装置４と、この入力装置４からの入力に応じて各種演算処理を実行する演算装置６と、画像を表示する表示装置２と、を含んで構成され、プレス成形の製品におけるデフォームの発生を予測する。
【００１３】
表示装置２は、画像を表示可能なＣＲＴや液晶ディスプレイなどのハードウェアで構成される。この表示装置２の表示部には、演算装置６による演算結果として、例えば、後述のシミュレーションの結果に関する画像（後述の図６から図８参照）などが表示される。
入力装置４は、作業者が操作可能なキーボードやマウスなどのハードウェアで構成される。この入力装置４を操作することにより入力されたデータや指令は、演算装置６に入力される。
演算装置６は、成形シミュレーション実行部６１、スプリングバックシミュレーション実行部６２、デフォーム判定量算出部６３、および記憶装置６５を備える。
【００１４】
成形シミュレーション実行部６１およびスプリングバックシミュレーション実行部６２は、それぞれ、プレス成形により板状のワークから製品を製造するプロセスのシミュレーションを行い、ワークに作用する応力を解析する。ここで、ワークから製品を製造するプロセスのシミュレーションには、例えば有限要素法が用いられる。すなわち、ワークの形状を３次元の単位構成要素で細分化するとともに、各種データを入力として所定の有限要素計算式に基づき、各単位構成要素に作用する応力を算出する。
【００１５】
成形シミュレーション実行部６１は、金型のモデルの３次元形状データ、およびワークに外部から作用する成形力などに基づいて、この成形力のもとで変形したワークに作用する内部応力を算出する。
スプリングバックシミュレーション実行部６２は、成形シミュレーション実行部６１により算出された内部応力に基づいて、この内部応力のもとで弾性回復した後におけるワークに作用する内部応力を算出する。
【００１６】
デフォーム判定量算出部６３は、スプリングバックシミュレーション実行部６２により算出された内部応力に基づいて、製品におけるデフォームの発生の目安となるデフォーム判定量を算出する。
記憶装置６５には、プレス成形により製品を製造するための、金型のモデルの３次元形状データが記憶されている。このモデルの３次元形状データは、例えば、ＣＡＤシステムにより設計されたものが用いられる。
【００１７】
なお、これら演算装置６の成形シミュレーション実行部６１、スプリングバックシミュレーション実行部６２、デフォーム判定量算出部６３、および記憶装置６５は、それぞれＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、およびハードディスクなどのハードウェアの構成により実現される。
【００１８】
図２は、プレス成形の製品の一例を示す図であり、具体的には自動車のドアパネル９を示す。
ドアパネル９は、略矩形状であり、その上端側と下端側には、それぞれ、略水平方向に沿って延びる線条のキャラクタライン９１，９２が形成される。ドアパネル９の上端側のキャラクタライン９１上には、運転者が把持するアウタハンドル（図示せず）が取り付けられる凹部９３が形成されている。また、この凹部９３の周囲は、略平坦であるものの、プレス成形により製造した場合、デフォームが特に発生し易くなっている。
なお本実施形態では、シミュレーションシステム１によりシミュレーションを行う対象、すなわちプレス成形の製品として、図２に示すようなドアパネル９を例に説明するが、本発明は、これに限るものではない。
【００１９】
図３は、シミュレーションシステム１によるシミュレーションの手順を示すフローチャートである。
ステップＳ１では、ステップＳ２で成形シミュレーションを実行するために必要な各種データを入力する。ここで、各種データとしては、金型のモデルの３次元形状データ、成型力に関するデータ、およびワークの材料特性に関するデータ、などが含まれる。モデルの３次元形状データは、ＣＡＤシステムにより予め設計され、記憶装置６５に記憶されたものが用いられる。成型力は、金型からワークに加えられる加圧力を示す。ワークの材料特性データとしては、例えば、ワークの材質、ワークの板厚、ワークの引張り強度、およびワークの弾性係数などが含まれる。
【００２０】
ステップＳ２では、入力された各種データに基づいて成形シミュレーションを実行し、ステップＳ３では、この成形シミュレーションの結果から、ワークに作用する内部応力σを算出する。特にこれらステップＳ２，Ｓ３では、金型が下死点に達し、上述の成形力がワークに加わり、この成形力のもとで変形したワークの各構成要素に作用する内部応力σを算出する。
【００２１】
図４は、成形力のもとで変形したワークの厚み方向に沿った断面図である。
金型で加圧することにより、厚み方向に沿った成形力をワークに加えると、ワークの一部にデフォームが発生する場合がある。この際、図４に示すように、ワークには厚み方向に沿って変化する内部応力σが生じる。より具体的には、ワークの厚み方向に沿った断面において、ワークが圧縮された部分（図４において中立面Ｏよりも上方側）には、正符号で示す引張応力が発生し、ワークが引っ張られた部分（図４において中立面Ｏよりも下方側）には、負符号で示す圧縮応力が発生する。
【００２２】
図３に戻って、ステップＳ４では、ステップＳ３で算出された内部応力σ、加圧後のワークの形状（弾性回復前のワークの形状）、加圧後のワークの材料特性に関するデータに基づいて、ワークのスプリングバックシミュレーションを実行する。ステップＳ５では、このスプリングバックシミュレーションの結果から、弾性回復後のワークに作用する内部応力σ´を算出する。ステップＳ６では、算出された内部応力σ´に基づいて、ワークの各部分におけるデフォーム判定量として、後述の表裏応力差Δσを算出し、ステップＳ７では、算出された表裏応力差Δσの分布を表示する（後述の図６に示す表裏応力差Δσの分布図参照）。
【００２３】
図５は、弾性回復後におけるワークの厚み方向に沿った断面図である。より具体的には、図５は、図４に示す部分の弾性回復後の厚み方向に沿った断面図である。
上述のように、所定の成形力を加えワークが変形すると、このワークの各部分には内部応力σが発生する。このため、金型を離型し、ワークにかかる成形力を除荷すると、この内部応力σのもとでワークが弾性回復し、変形する。ステップＳ４，Ｓ５では、このように内部応力σのもとで弾性回復するワークの変形のプロセスをシミュレーションし、弾性回復後のワークに作用する内部応力σ´を算出する。
【００２４】
また、ステップＳ６では、ワークの各部分において、板厚方向に沿って延びる横断面Ｔを規定し、この横断面Ｔのうち中立面Ｏよりも表面側の内部応力と裏面側の内部応力との差を含んで定義される表裏応力差Δσを算出する。さらに、ステップＳ７では、算出した表裏応力差Δσの３次元分布を表示する。
【００２５】
本実施形態では、この表裏応力差Δσとして、下記式（１）に示すように、ステップＳ５で算出された内部応力σ´のうち、ワークの表面における内部応力σ１と、ワークの裏面における内部応力σ２との差で定義したものを用いる。
Δσ＝σ１−σ２            （１）
【００２６】
以上のようなシミュレーションシステム１によるシミュレーションの実行結果について説明する。
図６は、表裏応力差Δσの分布図である。この図６に示す応力差分布図では、製品の凹部９３の周囲における表裏応力差Δσの絶対値を３段階に分けるとともに、これをハッチングの濃淡で表した。すなわち、表裏応力差Δσの絶対値が最も小さい部分を薄いハッチングで示し、表裏応力差Δσの絶対値が大きくなるに従い濃いハッチングで示す。
【００２７】
図６に示すように、凹部９３の近傍には、表裏応力差Δσの絶対値の大きな部分が分布する。
図７は、図６の線ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩに沿った表裏応力差Δσの分布を示す図であり、図８は、図６の線ＩＸ−ＩＸに沿った表裏応力差Δσの分布を示す図である。これら線ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩおよび線ＩＸ−ＩＸは、それぞれ、凹部９３の上方および下方の略平坦な部分を延びる。
【００２８】
これら図７および図８において、シミュレーションシステムによって算出された表裏応力差Δσを実線で示す。また、金型により実際に製造された製品の形状と、この金型により製造される製品の理想的な形状とのずれを変位量とし、この変位量を破線で示す。
【００２９】
図７および図８に示すように、表裏応力差Δσと変位量との分布は、概ね一致する。すなわち、表裏応力差Δσが大きくなる領域と、変位量が大きくなる領域とは、概ね一致する。
変位量は、実際の製品の形状と理想的な製品の形状とずれを示す量であるから、実際の製品には、変位量の絶対値が大きな部分においてデフォームが発生している。したがって、このような変位量と略等しい振る舞いを再現する表裏応力差Δσをデフォーム判定量として用い、表裏応力差Δσの絶対値が大きい部分ではデフォームが発生すると予測することができる。
【００３０】
本実施形態のデフォーム発生予測方法によれば、以下のような作用効果がある。
先ず、所定の成形力のもとで変形したワークに作用する内部応力σを算出し、この内部応力σのもとで弾性回復した後におけるワークに作用する内部応力σ´を算出する。さらに、この内部応力σ´のうち、板厚方向に沿って延びる横断面Ｔのうち、中立面Ｏよりも表面側の内部応力σ１と、裏面側の内部応力σ２との差で定義される表裏応力差Δσを算出し、この表裏応力差Δσの分布を表示する。
【００３１】
図９は、弾性回復後におけるワークの凹部９３の周囲の構成を示す図である。この図９において、金型が下死点に達した時点におけるワークに発生したデフォーム９７を破線で示し、金型を離型し弾性回復した後におけるワークに発生したデフォーム９８を実線で示す。
図９に示すように、プレス成形により製品を製造する過程において、ワークに発生するデフォームは、弾性回復前と弾性回復後で形状や発生位置が変化する。本実施形態では、弾性回復後のワークに作用する内部応力σ´に基づいて表裏応力差Δσを算出することにより、ワークの弾性回復による影響を考慮して、製品におけるデフォームの発生を精度よく予測することができる。
【００３２】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれるものである。
【００３３】
例えば、上記実施形態では、デフォーム判定量として、上記式（１）で定義される表裏応力差Δσを用いたが、これに限らない。板厚方向に沿って、中立面よりも表面側の内部応力と裏面側の内部応力との差を含む量であれば、デフォーム判定量として用いることができる。例えば、ワークの各部分における曲げモーメントに相当する量、すなわち、中立面Ｏを原点として、内部応力σ´と原点からの距離との積を、横断面Ｔに沿ってワークの表面から裏面に亘り積分した量をデフォーム判定量として用いてもよい。この場合、上記実施形態と比較して計算時間がかかるものの、より精度よくデフォームの発生を予測することができる。
また、シミュレーションの解析対象は、シェル要素又はソリッド要素のどちらを選択しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態に係るシミュレーションシステムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】前記実施形態に係る金型のモデルの一例を示す図である。
【図３】前記実施形態に係るシミュレーションシステムにより実行されるシミュレーションの手順を示すフローチャートである。
【図４】前記実施形態に係る成形力のもとで変形したワークの厚み方向に沿った断面図である。
【図５】前記実施形態に係る弾性回復後におけるワークの厚み方向に沿った断面図である。
【図６】前記実施形態に係る表裏応力差の分布図である。
【図７】前記実施形態に係る凹部の上方側を延びる線ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩに沿った表裏応力差の分布を示す図である。
【図８】前記実施形態に係る凹部の下方側を延びる線ＩＸ−ＩＸに沿った表裏応力差の分布を示す図である。
【図９】前記実施形態に係る弾性回復後におけるワークの凹部の周囲の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１…シミュレーションシステム
６…演算装置
６１…成形シミュレーション実行部
６２…スプリングバックシミュレーション実行部
６３…デフォーム判定量算出部
６５…記憶装置
９…ドアパネル
９３…凹部
９８…デフォーム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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