(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂等弾性材料連続体（ソリッド材）により作製された解析対象金型の形状に応じたモデル型を使用し、かつ被加工材料として金属材料の変形特性と類似したモデル被加工材料を使用して、モデル型の弾性変形範囲内において、モデル被加工材料による塑性加工の実工程に準じたシミュレーション実験を行う工程と、
前記シミュレーション実験において、予め前記モデル型の内部所定位置に３次元の各方向成分が測定可能となるように埋設された歪を検出する素子である歪ゲージまたは光ファイバーによって内部歪の変化量を測定する工程と、
測定された前記モデル型の内部歪の変化量から３次元内部応力を解析する工程と、
解析された前記モデル型の３次元内部応力に基づいて金型の最適化設計を行う工程とを有することを特徴とする金型内部応力解析方法。
【請求項２】
前記モデル型が、解析対象金型の形状と実質的に同一または相似の形状を有してなることを特徴とする請求項１に記載の金型内部応力解析方法。
【請求項３】
前記モデル型が、内部所定位置に歪を検出する素子として歪ゲージまたは光ファイバーを埋設した積層構造部と、前記積層構造部に対して密着するとともに力学的に連続し、かつ解析対象金型に応じた形状のインナー部とからなることを特徴とする請求項１に記載の金型内部応力解析方法。
【請求項４】
前記モデル型が、予め所定位置に歪を検出する素子として歪ゲージまたは光ファイバーを埋設した楔形のカセット部と、前記カセット部を嵌合した状態において楔効果により力学的に連続し、かつ内部のすべての所定位置に歪を検出する素子として歪ゲージまたは光ファイバーを固定することが可能な構造の本体部とからなり、かつ前記カセット部を前記本体部に嵌合してなることを特徴とする請求項１に記載の金型内部応力解析方法。
【請求項５】
金型の内部応力を解析する方法に使用されるモデル型の製造方法であって、
液状樹脂を型枠内に注入し当該注入した液状樹脂を硬化させる工程と、
当該硬化した樹脂上面の所定位置に内部歪を検出する素子として歪ゲージまたは光ファイバーを固定する工程と、
その後さらに前記硬化した樹脂上面に前記液状樹脂を注入し当該注入した液状樹脂を硬化させ、当該硬化した樹脂上面の所定位置に内部歪を検出する素子として歪ゲージまたは光ファイバーを固定する工程とを所定回数繰り返し、
硬化した樹脂全体を型枠から取り出した後、前記樹脂の縦断面の所定位置に歪を検出する素子として歪ゲージまたは光ファイバーを固定し、
その後前記樹脂全体を前記型枠とは別の型枠内に収納し、当該型枠内に前記液状樹脂を注入し弾性材料連続体の状態で硬化させることを特徴とするモデル型製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鍛造加工、押出加工、及び絞り加工等金属の塑性加工において使用される金型の内部応力解析方法ならびにそのシミュレーション実験において使用されるモデル型の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属の塑性加工において使用される各種金型の製造においては、被加工物を高精度かつ効率良く加工するための形状設計を、各製造工程毎に行う必要がある。従来、そのような金型設計は技術者の経験や勘に依存する部分が多く、各工程毎に実際に金型を作製し、これを実工程に投入して試作を行い、被加工物の品質を検査したうえで前記金型の不具合を改善するという作業を繰り返して金型設計を最適化していたのが実情であった。
【０００３】
しかし、実際に金型を作製するには多大な労力、時間、コストを必要とする。また、金型の作製及び改善の結果が技術者の能力に大きく左右され、結果としていたずらに試行錯誤を繰り返すことになり、生産効率上問題が多かった。
【０００４】
塑性加工工程において金型に発生する問題とは、金型内部に発生する応力の不均一や、加工時に発生する許容応力以上の応力等に起因するものである。そこで、このような応力分布をより実際的に検証する方法として、金型の内表面に感圧紙を貼り付けたり測圧ピンを取り付けたりしたうえで実工程に投入し、感圧紙表面の色素変化量や測圧ピンの圧力変化量によって応力分布を検知し、これをもとに金型の改善を行う方法がある。
【０００５】
しかしながら、このような方法においても、実際に金型を作製する必要があることに変わりはない。また、ここでは金型表面における応力についてのみ検証しているが、実工程において加えられる応力は金型内部にも発生しており、このような内部応力の分布についても検討を行うことは、より金型設計を最適化するうえで必須である。
【０００６】
そこで、金型の内部応力について解析を行い、より実工程に即した金型を設計する方法として、有限要素法を用いる方法が種々検討されている。特に、単に有限要素法をそのまま適用するのではなく、実工程における各種ファクター、例えば被加工材や金型の変形による厚さや接触面積の変化等を考慮に入れたうえで有限要素法による解析を行う方法は、例えば特開平７−３０６１３２号公報等により多数開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記各方法においては、有限要素法による解析を行う際に、複雑な各種境界条件や他の入力条件等が必要となる。特に、実工程が金型に及ぼす影響を考慮して各種ファクターを解析に導入するほどその計算工程は複雑で非効率的なものとなり、全く新規の加工に関してはそのような条件さえも仮定でしかなく、各工程毎にそのような解析を行うことは困難であった。しかも、そのように複雑な解析方法においてもなお、実際の加工結果と異なる場合があり、実工程上の金型内部における応力分布を正確に反映させることができない場合が多かった。
【０００８】
そこで本発明の課題は、金属塑性加工の各工程において、簡便で効率的にかつ正確に金型内部応力を解析し、適切な金型設計を効率的に行うことである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題に鑑み、本発明者らは、実際の金型及び被加工材ではなく、実加工現象を忠実に再現可能なように適宜選択した材料によりモデル型及びモデル被加工材をそれぞれ作製してこれを用い、解析対象である実工程に準じてシミュレーション実験を行い、上記モデル型の内部応力を解析する方法を発明するにいたった。こうして得られた結果は、実際の金型内で被加工材が変形するのに伴って時々刻々と金型へ作用する圧力条件を正確に再現したものであるから、そのことにより発生する実際の金型内部応力分布と相似な分布が得られる。
【００１０】
すなわち本発明の金型内部応力解析方法は、樹脂等弾性材料連続体（ソリッド材）により作製された解析対象金型の形状に応じたモデル型を使用し、かつ被加工材料として金属材料の変形特性と類似したモデル被加工材料を使用して、モデル型の弾性変形範囲内において、モデル被加工材料による塑性加工の実工程に準じたシミュレーション実験を行う工程と、前記シミュレーション実験において予め前記モデル型の内部所定位置に３次元の各方向成分が測定可能となるように埋設された歪を検出する素子である歪ゲージまたは光ファイバーによって内部歪の変化量を測定する工程と、測定された前記モデル型の内部歪の変化量から３次元内部応力を解析する工程と、解析された前記モデル型の３次元内部応力に基づいて金型の最適化設計を行う工程とを有することを特徴とする。これにより、シミュレーション実験によるモデル型内部歪の測定を実際に行い、この測定結果に基づいて解析を行うので、各工程に則した正確で完全な状態の応力解析を簡単に行うことが可能となる。また、モデル型を用いるのでその作製は実際の金型の作製に比べて容易かつ安価である。
【００１１】
また本発明の前記モデル型内部の金型内部応力解析方法は、前記モデル型が、解析対象金型の形状と実質的に同一または相似の形状を有してなることを特徴とする。
これにより、モデル型のシミュレーション実験にて得られる内部応力分布は、実際の金型内部応力分布と相似な分布となる。
【００１２】
また本発明の前記モデル型内部の金型内部応力解析方法は、前記モデル型が、内部所定位置に歪を検出する素子として歪ゲージまたは光ファイバーを埋設した積層構造部と、前記積層構造部に対して密着するとともに力学的に連続し、かつ解析対象金型に応じた形状のインナー部とからなることを特徴とする。これにより、解析対象金型に応じてモデル型のインナー部のみを作製し、積層構造部を新たに作製しなおすことなく共通に使用して、モデル型内部歪の測定を行うことが可能となり、モデル型作製における作業性向上、及びコスト削減の効果を得る。
【００１３】
また本発明の前記モデル型内部の金型内部応力解析方法は、前記モデル型が、予め所定位置に歪を検出する素子として歪ゲージまたは光ファイバーを埋設した楔形のカセット部と、前記カセット部を嵌合した状態において楔効果により力学的に連続し、かつ内部のすべての所定位置に歪を検出する素子として歪ゲージまたは光ファイバーを固定することが可能な構造の本体部とからなり、かつ前記カセット部を前記本体部に嵌合してなることを特徴とする。これにより、解析対象金型に応じてモデル型の本体部のみを作製し、カセット部を新たに作製しなおすことなく共通に使用して、モデル型内部歪の測定を行うことが可能となり、モデル型作製における作業性向上、及びコスト削減の効果を得る。
【００１５】
また本発明の金型内部応力解析用モデル型製造方法は、金型の内部応力を解析する方法に使用されるモデル型の製造方法であって、液状樹脂を型枠内に注入し当該注入した液状樹脂を硬化させる工程と、当該硬化した樹脂上面の所定位置に内部歪を検出する素子として歪ゲージまたは光ファイバーを固定する工程と、その後さらに前記硬化した樹脂上面に前記液状樹脂を注入し当該注入した液状樹脂を硬化させ、当該硬化した樹脂上面の所定位置に内部歪を検出する素子として歪ゲージまたは光ファイバーを固定する工程とを所定回数繰り返し、硬化した樹脂全体を型枠から取り出した後、前記樹脂の縦断面の所定位置に歪を検出する素子として歪ゲージまたは光ファイバーを固定し、その後前記樹脂全体を前記型枠とは別の型枠内に収納し、当該型枠内に前記液状樹脂を注入し弾性材料連続体の状態で硬化させることを特徴とする。これにより、所定位置の内部歪を測定可能なモデル型を得ることができる。
【００１７】
本発明においては上述のとおり、実際の金型及び被加工材ではなく、モデル型及びモデル被加工材を用い、解析対象である実工程に準じてシミュレーション実験を行い、この実験により測定されたモデル型内部応力あるいは内部歪の変化量に基づいて実際の金型設計の最適化を行う。
【００１８】
モデル型及びモデル被加工材として使用する材料としては、例えば、モデル被加工材としてはプラスチシン等の塑性材料、モデル型としては樹脂等弾性材料連続体（ソリッド材）が挙げられ、これらを組み合わせて使用し、前記モデル型の弾性変形範囲内においてシミュレーション実験を行う。このようにすれば、実際の金型と金属材料とを使用した実工程により解析を行う従来の方法に比べて、より小さい負荷で実工程に準じた正確なシミュレーション実験を行うことが可能であり、簡便である。また実際に金型を作製するよりも、モデル型を作製する方が、材料が安価であって加工も容易である。
【００１９】
モデル型内部には、シミュレーション実験においてその内部歪の変化量を、例えば３次元直交座標系（ｘ、ｙ、ｚ）各方向成分、あるいは円筒座標系（ｒ、θ、ｚ）各方向成分について測定可能となるように、予め所定位置に歪ゲージを埋設しておく。あるいは光ファイバーを同様に埋設しておき、シミュレーション実験過程において前記光ファイバーへの入光量と出光量との比の変化量を測定することにより、内部歪の変化量を検知できるようにしてもよい。これらに代えて圧力センサーを埋設することも可能であるが、一般的に圧力センサーは高価であり、またその大きさがφ６ｍｍ程度と大きく、埋設すると、位置と数が制限されるあるいはモデル型内部形状に大きな影響を及ぼすことにより、目的とする測定点の圧力を正確に測定することが困難となり、好ましくない。これに対して歪ゲージあるいは光ファイバーは圧力センサーと比べてその形状が小さく、取り付けも容易である。また圧力センサーに比べて一般に安価である。これらによりモデル型の各測定点における歪の変化量を測定し、フックの法則に基づく歪から応力への変換式である次式
【式１】
３軸（ｒ、θ、ｚ）の場合
σｒ＝Ｅ／（１＋ν）｛εｒ＋ν／（１−２ν）・（εｒ＋εθ＋εｚ）｝
σθ＝Ｅ／（１＋ν）｛εθ＋ν／（１−２ν）・（εｒ＋εθ＋εｚ）｝
σｚ＝Ｅ／（１＋ν）｛εｚ＋ν／（１−２ν）・（εｒ＋εθ＋εｚ）｝
上式において、
εｒ，εθ，εｚ：モデル型中の歪ゲージの出力値（測定値）
Ｅ：ヤング率（縦弾性係数）
モデル型と同じ材質の樹脂を用いて引張試験により予め計測しておく
ν：ポアソン比（縦方向歪と横方向歪との比）
モデル型と同じ材質の樹脂を用いて引張試験により予め計測しておく
を用いることにより、各測定点における応力成分σr、σθ、σzを算出することができる。また測定点を基に線形補完を行うことによりモデル型全体の任意点における内部応力を算定することができる。なお、式１は円筒座標系における計算式であるが、直交座標系においてもモデル型中の歪ゲージの出力値（測定値）εx、εy、εzにより同様に応力成分σx、σy、σzを求めることができる。このようにして解析を行えば、被加工材が塑性変形に伴い順次型と接触した状態を実現象として再現でき、そこで発生する型への反力に起因する内部応力を測定できる。すなわち、従来の有限要素法による解析に比べてより実工程に即しており、しかも従来のような複雑な計算を一切必要とせず、容易である。
【００２０】
歪ゲージあるいは光ファイバーを内部の所定位置に埋設した構造のモデル型を得る方法としては、（１）射出成形法、（２）固形樹脂を切削加工する方法、（３）液状樹脂を室温で硬化させる方法等が考えられる。本発明者らはそれらについて検討を行った。以下、その検討内容について説明する。
【００２１】
（１）射出成形法
まず射出成形法は、モデル型自体の形状を高精度に加工することは可能であるが、加工時の樹脂温度が歪ゲージあるいは光センサーの耐熱温度を超えるため作製が困難であると考えられ、また装置の価格も高価であることから、好ましくない。
【００２２】
（２）固形樹脂を切削加工する方法
それに対して固形樹脂を切削する方法は材料が安価であることから、まずこの方法について検討を行った。固形樹脂としては、被加工材としてプラスチシンを使用したシミュレーション実験において、低圧力下でも十分な歪応答を得ることが可能であるような低弾性率の材料であるポリプロピレンを使用した。まずこのポリプロピレンにおいて、弾性変形範囲内での加工を対象とする圧縮加工により生じる圧力に対してその歪量が直線的に変化することが求められる。この点について確認したところ、結果は図１に示されるように良好であった。
【００２３】
そこで次に、ポリプロピレンにより円筒形のモデル型を作成し、このモデル型を切削加工することにより内部に歪ゲージを埋設したものについて円筒座標系（ｒ、θ、ｚ）各方向成分についてその内部歪を測定する。まず図２に示されるようにモデル型２００を１０ｍｍ厚さに切削加工し、さらに縦に２分割して半リング状部品２１０を得た。次いで、各半リング状部品２１０の同一半径距離位置に４箇所ずつ、歪ゲージ２２０を接着剤により貼付した。なおこのときｒ方向、θ方向の歪が正確に直角で測定できるように、直行ゲージを用いた。また各半リング状部品２１０の縦断面にも歪ゲージ２２０を同様に貼付し、ｚ方向の歪をも測定できるようにした。次いでこれらリング状部品２１０を再度組み合わせ、ばらばらにならないように同一材質の補強リング２３０に低圧入した。
【００２４】
次に、図３に示されるようにモデル型２００の内径に外径φ３０×内径２５（ｍｍ）のゴムホース３１０を挿入し、さらにゴムホース３１０の曲がりを矯正するために木製の棒（図示せず）をも挿入した状態で、コンプレッサーから圧縮空気によりゴムホース３１０に内圧を加え、このとき各歪ゲージ２２０により検出される歪量を記録した。また、内圧は圧力センサー３２０にて測定した。なお、ゴムホース３１０は事前に単体の状態において内圧負荷試験を行い、７〜８ｋｇｆ／ｃｍ2が破裂限界であることを確認した。
【００２５】
上記歪量測定実験においては、ゴムホース３１０の内圧上昇に伴って歪量が直線的に増大し、１つの半リング状部品２１０上４箇所の測定点に生じる歪量が理論的傾向に類似であることが求められる。しかし、実際の測定結果は図４に示されるように、歪量がほぼ直線的に変化しているものは少なく、またｒ方向距離との相関関係もはっきりしなかった。また理論的には引張が生じているはずの測定点において圧縮を示す値が測定されたもの、あるいはその逆のものがあった。これらの原因としては、切削加工及び再度の組み付けによる寸法変化やギャップの発生、及び構造上のねじれ等による不測の応力状態発生等が考えられる。
【００２６】
そこで、補強リング２３０内での半リング状部品２１０間のギャップやずれを除去するために、ｚ方向の締め付けを強くすることを考えた。すなわち、ポリプロピレンにより作製していた補強リング２３０を金属材料により作製しなおし、ねじによりｚ方向へ強く締め付けて再び同様の加圧実験を行った。しかし、その結果測定される歪量の傾向はやはりばらついており、安定しなかった。従って、このように固形樹脂を切削加工して得られるモデル型では、その内部応力を正確に測定することは困難であることがわかった。
【００２７】
（３）液状樹脂を硬化させる方法
次に固形樹脂と同様に安価である液状樹脂を用い、これを硬化させる方法について検討した。具体的には本剤と硬化剤からなる高弾性率と低弾性率の２種類の二液混合型樹脂を用いて実験を行った。
【００２８】
（ａ）高弾性率のエポキシ樹脂、及び（ｂ）低弾性率のエポキシ樹脂のそれぞれについて図５の表中に示した市販品を用意し、それらについて検討を行った。
【００２９】
本剤及び硬化剤をそれぞれ計量した後、混合用の薄肉ポリプロピレン容器に上記本剤及び硬化剤を投入して攪拌した。攪拌開始後から温度上昇が起こったが成型用容器に影響を与えるほどではなく、約４時間後には常温に戻り、硬化して容器から容易に離型した。中央部分に若干の引けが見られるが、成型用容器との接触面には肉の引けは見られなかった。そのまま翌日まで放置し、樹脂のｒ方向及びθ方向について、それぞれ規格抵抗値１２０Ωの歪ゲージを貼付した。その後、再び樹脂を容器内に入れ、その上に上記同様に本剤及び硬化剤を投入し、硬化後離型させた。なお、上記各歪ゲージについて、▲１▼貼付前、▲２▼貼付後、▲３▼樹脂の硬化中、▲４▼硬化後、の各段階においてそれらの抵抗値を実測した結果を図６に示す。いずれも抵抗値に大きな変化はなく、樹脂硬化時の発熱による歪ゲージの測定能に対する影響は殆どないことがわかった。
【００３０】
次いで型内径部に透明ゴムホースを挿入し、その内部から圧力を加えたときの歪ゲージの応答試験を行った。その結果を図７（ａ）〜（ｃ）に示す。図７（ａ）は高弾性率エポキシ樹脂を成形翌日まで放置したときの測定結果であるが、加圧初期段階を除いて良好な応答を示している。図７（ｂ）は、高弾性率エポキシ樹脂をさらに１日放置したときの結果であり、先の結果に比較して加圧初期段階の応答不良が改善されている。これは、作製翌日には樹脂が完全に硬化しているようであっても、微視的には完全硬化しておらず、時間経過とともに徐々に硬化が進行していることに起因すると思われる。これに対して低弾性率エポキシ樹脂は作製翌日より図７（ｃ）に示されるように良好な応答を示した。また、その応答量も高弾性率エポキシ樹脂の約１０倍と大きく、微小歪であっても計測が容易であり、より望ましいことが明らかになった。
【００３１】
以上の検討結果により、モデル型は液状樹脂を硬化させる方法、すなわち樹脂を型枠内の所定高さまで注入した後これをいったん硬化させ、その上面の所定位置に歪ゲージを固定し、その後さらに所定高さまで前記樹脂を注入する工程を、所定回数繰り返す方法が最適であることがわかった。このようにすれば歪ゲージあるいは光ファイバーをモデル型内の所定位置に正確かつ簡便に固定することが可能となり、特に低弾性率エポキシ樹脂を使用して作製することにより、加えられる圧力に対して内部に埋設した歪ゲージが良好に応答し、正確な解析に寄与すると考えられる。
【００３２】
モデル型は、解析対象である金型の形状に応じてその都度作製する必要がある。しかし、上述の液状樹脂硬化による作製方法は、作製に時間や手間がかかるため、解析対象金型の形状に応じてその都度作製することは、コスト上問題がある。そこで、解析対象金型に準じた形状の一体成形部と、内部所定位置に歪ゲージを埋設した積層構造部に分割すれば、作製に手間のかかる後者をすべての金型に共通のものとすることができ、経済的である。
【００３３】
あるいは予め所定位置に歪ゲージあるいは光ファイバーを埋設した楔形のカセット部と、カセット部を嵌合した状態において楔効果により力学的に連続しかつ内部のすべての所定位置に歪ゲージあるいは光ファイバーを固定することが可能な構造の本体部とに分割すれば、作製に手間のかかる前者をすべての金型に共通のものとすることができ、同様に経済的である。
【００３４】
【発明の実施形態】
（実施形態１）
本発明の金型内部応力解析方法の実施形態の一例について説明する。本発明による金型内部応力解析プロセスは、以下の工程により行われる。
▲１▼ 塑性加工の加工プロセスを設計する。
▲２▼ 加工プロセス毎の金型を設計する。
▲３▼ 上記▲１▼において、内部応力を解析したい金型に対して樹脂等弾性材料連続体（ソリッド材）により、内部所定位置に歪ゲージ又は光ファイバーを埋設したモデル型を作製する。
▲４▼ 被加工材料として、金属材料の特性変形と類似したモデル材料であるプラスチシン等を用意する。
▲５▼ 前記モデル型及びモデル材料により、モデル型の弾性変形範囲内において加工の実工程に準じたシミュレーション実験を行う。
▲６▼ 全工程のうちから任意に選択した経過点あるいは連続点において、前記モデル型の内部歪又は内部応力の変化量を測定し、各測定点における測定結果を解析する
▲７▼ 望ましい結果が得られない場合は加工条件を変更して▲５▼に戻る。
▲８▼ 望ましい結果が得られない場合は金型形状を変更して▲２▼に戻る。
【００３５】
上記により、塑性加工工程において刻々変化していく被加工材形状や摩擦分布等の影響をも含めた測定データを得ることが可能であり、従来よりも実工程に即した解析を行うことができ、高い信頼性が期待できる。またモデル型の作製は実際の金型の作製よりもはるかに容易かつ低コストであり、加工プロセス設計における各検討項目を広範に変更したシミュレーション実験を容易に行うことが可能となる。
【００３６】
次に上記シミュレーション実験における装置構成について図８に一例を挙げる。
（ａ）プレス８０１と、荷重計及び変位計等のプレスセンサー部８０２と、パンチ８０３と、歪ゲージが埋設されたモデル型８０４とボルスター８０５とを備えるプレス機８００と、
（ｂ）プレスセンサー部８０２からの電圧信号を増幅する歪増幅器８１０と、
（ｃ）増幅された電圧を記憶及び処理可能なＣＰＵを有するレコーダー８２０と、
（ｄ）歪ゲージの端子に接続されたブリッジボックス８３０と、
（ｅ）歪ゲージにより検出される歪相当電圧から内部応力の解析を行う解析プログラムが組み込まれた情報処理装置８４０とからなる。なお、パンチ８０３の構成材料は、モデル型及びモデル材料を構成する材料の機械的特性に応じて決定され、例えばモデル型と同一の樹脂等により作製される。
【００３７】
（実施形態２）
本発明の金型内部応力解析用モデル型の製造方法について、実施形態の一例を示す。図５に示したエポキシ樹脂の本剤及び硬化剤を例えば薄肉ポリプロピレン容器等に入れて攪拌する。次いで図９の成型用型枠９００に流し入れる。成型用型枠９００は解析対象モデル型の寸法に応じて作製されるものであり、また歪ゲージを所定位置に正確に埋設するためのＬ型冶具９１０、凸型冶具９２０、及び３／４リング型冶具９３０によりなる。これらはシリコン等の離型剤を予め内面に塗布しておく。凸型冶具９２０とＬ型冶具９１０とは凸型冶具９２０の切欠部で組み合わされる構造となっており、また凸型冶具９２０の円盤部上に３／４リング型冶具９３０を置き重ねていき、その内部に液状樹脂を順次流入していくことにより、一定高さずつ樹脂を積層することが可能となる。
【００３８】
まず１段目の３／４リング型冶具９３０を置き、液状樹脂を流入して完全に硬化したら、図１０（ａ）に示すように樹脂上面の所定位置（ｒ方向、θ方向）に歪ゲージ２２０を貼付する。歪ゲージ２２０は、単軸ゲージを使用してもよいが、複数の測定素子が装着されたゲージ、例えば図１０（ｂ）に示す５素子特殊歪ゲージ１０００を使用すれば、複数の測定点間の間隔、及び中心軸に対する傾きのばらつきをなくすことができ、貼付の手間も少ないのでより好ましい。歪ゲージの貼布は、瞬間接着剤により行う。
【００３９】
次いで、２段目の３／４リング型冶具９３０を置き再び液状樹脂を流入し、硬化後、歪ゲージを貼付する。この作業を繰り返し、最後にすべての３／４リング型冶具を重ねた状態で液状樹脂を流入する。全体が硬化したら、成型用型枠からいったん取り出し、Ｌ型冶具９１０に接触していた部分にｚ方向歪測定用ゲージを貼付する。なお、このときの歪ゲージ貼付が容易となるように、Ｌ型冶具９１０の側面に予め歪ゲージ貼付位置を示すマーカーとして例えば微小な凸部９１１等を設けておいてもよい。歪ゲージの貼付が終了したら、図１１に示す別の成型用型枠１１００内に再び戻し、内部液状樹脂を流入して硬化させ、離型させることにより、モデル型が得られる。
【００４０】
なお、成型用容器９００及び１１００の内部形状は、後に離型が用意となるように予めテーパを設けた形状とし、成形後のモデル型外周部を端面と直交させるために改めて機械加工を行ってもよい。
【００４１】
（実施形態３）
本発明の金型内部応力解析用モデル型の製造方法について、他の実施形態を示す。本実施形態は、図１２に示すようにインナー部１２１０とコア部１２２０とに分割されたモデル型１２００に関するものである。インナー部１２１０は解析対象モデル型の形状に合わせて作製された成形用型枠内部に液状樹脂を流入して一体成形される。また、コア部１２２０は歪ゲージを埋設した積層構造部であり、第一の実施形態と同様の手順により作製される。なお、インナー部１２１０とコア部１２２０とは、それらが組み合わされたときに一体構造として作用するよう、嵌合部にテーパを設けることが望ましい。このようにすれば、シミュレーション実験の応力負荷によって両者の間に自然に楔効果が生じ、一体構造としての作用が得られる。
【００４２】
（実施形態４）
本発明の金型内部応力解析用モデル型の製造方法について、さらに他の実施形態を示す。本実施形態は、図１３に示すように本体部１３１０とカセット部１３２０とに分割されたモデル型に関するものである。本体部１３１０は解析対象モデル型の形状に合わせて作製された成形用型枠内部に液状樹脂を流入して一体成形されるか、または光造形装置にて作製される。また、カセット部１３２０は歪ゲージを埋設した積層構造部であり、第一の実施形態と同様の手順により作製される。このような構造のモデル型においても実施形態３と同様に、実験時には両者の間に楔効果が生じて一体構造となることが求められる。そのため、本体部１３１０とカセット部１３２０との嵌合部にテーパを設け、さらに外部から静水圧を加えた状態でシミュレーション実験を行う。この場合、測定される歪量のデータには静水圧による影響が含まれているので、この分を除去することにより、目的とする歪量のデータを得る。このような場合、実施例１において記述した情報処理装置８４０内の解析プログラムは、例えば静水圧を加えたときにその値を予め入力しておけば自動的にその分を測定データから除去して解析を行うようなプログラムとすればよい。
【００４３】
【実施例】
本発明の実施例を以下に示す。まず図５に示した低弾性係数エポキシ樹脂を用い、実施形態２に示した手順に従い、外径８８ｍｍ、内径３１ｍｍの円筒形モデル型を作製した。歪ゲージは予め抵抗値を測定し、結線異常等のないことを確認した規定抵抗値１２０Ωの５素子特殊歪ゲージを使用した。歪ゲージを設置する測定点は、７層にｒ方向、θ方向、ｚ方向それぞれ４点ずつを設けた。
【００４４】
上記歪ゲージを埋設した樹脂が完全に硬化した後、型枠より離型して、切削加工により底端面を平坦に加工する。各歪ゲージの端子をブリッジボックスに接続する。歪ゲージの端子とブリッジボックスとの接続の切替は、１本ずつライティングコネクタを用いて行い、１層ごとに測定が可能となるようにする。
【００４５】
まずこのモデル型の特性を検査する。モデル型の内形に市販のゴムホースを挿入し、内圧を負荷する。圧力を３ｋｇ／ｃｍ2程度まで負荷し、
▲１▼ 歪量測定値の圧力に対する応答性
▲２▼ 異なる半径距離にある測定点間の歪量の大小関係
▲３▼ 各層間の同一半径距離にある測定点の歪量の絶対値の比較
を確認した。その結果を図１４に示したが、▲１▼及び▲２▼の結果は良好であるが、▲３▼各層間の歪量の絶対値に若干差が見られた。しかしながら、測定される歪量の応答性は十分に良好であることから、このモデル型を使用して実際にシミュレーション実験を行った。実験の各条件を以下に示す。
0003671195.tif 000002
【００４６】
各層ごとにｒ方向、θ方向、ｚ方向各４点の歪量、変位、加工荷重を同時に記録した。その結果を図１５に示した。すべての層において、規則性のない複雑な歪の発生状態が記録されており、また、歪の向きが加工初期の引張から圧縮へと変化していく様子が記録されている。このような複雑な歪の挙動は従来の有限要素法では予測が困難なものであり、ここに示すような実測に基づいたデータによりはじめて解析が可能となるものである。また、ここでは連続的に測定を行っているが、必要に応じて設定した経過点のみについて測定を行ってもよく、このときには測定がより簡便になる。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、金属塑性加工の各工程において簡便で効率的にかつ正確に金型内部応力分布を解析することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  圧縮荷重に対するポリプロピレンの歪量の変化を示す図である。
【図２】  固形樹脂を切削加工により作製したモデル型及び歪ゲージの貼付方法を説明する概略図である。
【図３】  内圧負荷による固形樹脂製モデル型の歪量の測定方法を示す概略図である。
【図４】  内圧負荷による固形樹脂製モデル型の歪量の測定結果を  示す図である。
【図５】  モデル型構成材料として検討される本剤と硬化剤とからなる二液混合型樹脂製モデル型の種類及び特性を示す表である。
【図６】  樹脂硬化前後における歪ゲージの抵抗値の測定結果を示す表である。
【図７】  内圧負荷による本剤と硬化剤とからなる二液混合型樹脂製モデル型の歪量の測定結果を示す図である。
【図８】  本発明の解析方法におけるシミュレーション実験装置構成概略図である。
【図９】  本剤と硬化剤とからなる二液混合型樹脂によるモデル型作製に使用される成型用型枠の説明図である。
【図１０】  歪ゲージの貼付位置の説明図である。
【図１１】  成型用型枠の概略図である。
【図１２】  モデル型の構造の一例である。
【図１３】  モデル型の構造の別の一例である。
【図１４】  モデル型の特性を検査した結果を示す図である。
【図１５】  モデル型を用いたシミュレーション実験の結果を示す図である。
【符号の説明】
２００  モデル型
２１０  半リング状部品
２２０  歪ゲージ
２３０  補強リング
３１０  ゴムホース
３２０  圧力センサー
８００  プレス機
８０１  プレス
８０２  プレスセンサー部
８０３  パンチ
８０４  モデル型
８０５  ボルスター
８１０  歪増幅器
８２０  レコーダー
８３０  ブリッジボックス
８４０  情報処理装置
９００、１１００  成形用型枠
９１０  Ｌ型冶具
９１１  微小凸部
９２０  凸型冶具
９３０  ３／４リング型冶具
１０００  ５素子特殊歪ゲージ
１２００  モデル型
１２１０  インナー部
１２２０  コア部
１３１０  本体部
１３２０  カセット部
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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