(57)【要約】【課題】  目的とする成形品形状を得ることが可能なスプリングバック見込み金型形状設計システムを提供する。【解決手段】  解析して得たスプリングバック後の成形品の目標形状からのずれ量に応じて、各部位に強さを変化させたバネおよびダンパーを仮想的に配置した成形品モデルと金型変形モデルとを作成し、成形品モデルと金型変形モデルとの連成モデルを用い、金型形状がバネおよびダンパーの力で変形する状態を有限要素法により解析し、次いで変形した金型形状を用い、ずれ量が許容値内となるまでプレス成形過程以降の解析を繰り返してプレス金型形状を決定する。【選択図】        図１
2006263788.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プレス成形品のスプリングバック形状をシミュレーションにより解析し、目標とするプレス成形品形状を得るためのプレス金型形状を決定する見込み金型形状設計システムであって、プレス成形過程を有限要素法により解析した後、スプリングバックによる成形品の形状変化を有限要素法により予測し、有限要素法解析により得たスプリングバック量に応じて、成形品の各部位に強さを変化させたバネおよびダンパーを仮想的に配置した成形品モデルと金型変形モデルとを作成し、前記成形品モデルと金型変形モデルとの連成モデルを用い、金型形状がバネおよびダンパーの力で変形する状態を有限要素法により解析し、次いで変形した金型形状を用い、前記スプリングバック量が許容値内となるまで前記プレス成形過程以降の解析を繰り返して金型形状を決定することを特徴とする見込み金型形状設計システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、プレス成形品のスプリングバック形状をシミュレーションし、目標とするプレス成形品形状を得るためのプレス金型形状を決定する見込み金型形状設計システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、特に自動車などの車両の軽量化を実現するため、自動車部品等に高強度鋼板の適用拡大が進められている。高強度鋼板は、プレス成形後の弾性回復（スプリングバック）が軟鋼板と比較して大きく、成形品の寸法精度を確保することが難しい。このため、正規の成形品寸法を得るのに、実物のプレス金型の形状修正を幾度となく繰り返す作業が発生する。このような現場でのプレス金型の形状修正作業を廃止ないしは軽減する必要性からコンピュータシミュレーション技術を応用した解析システムが開発され、金型設計の段階で利用されている。特許文献１の解析システムはつぎの段階よりなる。
【０００３】
(1)  プレス金型による拘束の下での、材料の変形、応力、歪みの解析
(2)  プレス金型による拘束から解放された状態での、弾性回復の解析
(3)  弾性回復によるプレス成形品の寸法変化に応じてプレス金型形状を修正する解析もしくは作業（コンピュータによる自動処理もしくは解析者の手作業）
続いて、従来から公知のスプリングバック理論式に基づいてスプリングバック理論値を算出してスプリングバック予測量を求める。このようにして形状モデルの全体にわたる成形部位のスプリングバック量を予測し、予測されたスプリングバック量を金型形状に見込んで金型寸法を決定するというものである。
【０００４】
特許文献２には、曲げ加工を行う前に、シミュレーションによって、目標織り込み角度を得るための最適な工具のストローク量を自動的に得る。曲げ加工シミュレーションのストローク量更新方法およびその装置が提案されている。その詳細は、初めに初期設定の処置として、ワーク条件、金型条件、目標角度等からなる曲げ情報を入力する。次に、これらの条件から目標ストローク量（Ｄ量）を求める。次に、ワークの断面を要素分割（メッシュを入れる）する。そして、工具の断面有限要素法によるワーク変形仮定のシミュレーションを行い、このときのワークの断面の角度を求める。
【０００５】
次に、有限要素法によるスプリングバック過程のシミュレーションを行い、スプリングバック後のワークの変位角度を求める。変位角度と目標角度が一致しているかどうかを判定する。スプリングバック発生後のワークの角度が９０度に到達していないと判定したときは、再度目標ストローク量を算出するというものである。
特許文献３には、コンピュータを用いて、所定のプレス成形品を製造する金型の形状を最適化することを支援するシステムが提案されている。その詳細は、設計形状に基づいて金型の初期形状も算出する金型初期成形機能と、スプリングバック後のプレス成形品の形状を算出する加工品形状算出機能と、この加工品の形状と設計形状を比較する形状比較機能と、この比較結果に基づいて新たな設計形状を算出する加工品再設計機能と、この新たな設計形状に基づいて新たな金型を算出する金型再成形機能から構成されるシステムである。
【０００６】
当システムにおける加工品再設計機能は、プレス加工品のスプリングバック量と反対方向に形状を修正することで新たなプレス加工品の形状を算出するものである。
【特許文献１】特開平８−２４３６５７号公報
【特許文献２】特開平１１−２８５２０号公報
【特許文献３】特開２００３−１５７２９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来技術には次のような問題点がある。
特許文献１記載の技術は、有限要素法により得られた個々の成形部位の変形状態に応じて、スプリングバック予測量を理論的に求めているが、この予測量の理論式は、拘束がない状態での弾性回復量を表す式であり、スプリングバック量の予測精度が悪いため、目標とするプレス成形品形状を得るのが難しいという問題がある。
【０００８】
特許文献２記載の技術では、単純曲げのスプリングバック過程を有限要素法でシミュレーションするというものであり、例えば、自動車部品のような複雑な成形品形状に適用した場合、目標とするプレス成形品形状を得るのが難しいという問題がある。
また特許文献３記載の技術では、スプリングバックを見込んだプレス成形品の形状を決定することができるが、スプリングバックを見込んだ金型形状まで決定できず、目的とする成形品形状を得ることができない場合がある。
【０００９】
本発明は、上記従来技術の問題点を解消し、目的とする成形品形状を得ることが可能なスプリングバック見込み金型形状設計システム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】
【００１０】
本発明は、プレス成形品のスプリングバック形状をシミュレーションにより解析し、目標とするプレス成形品形状を得るためのプレス金型形状を決定する見込み金型形状設計システムであって、
プレス成形過程を有限要素法により解析した後、スプリングバックによる成形品の形状変化を有限要素法により予測し、有限要素法解析により得たスプリングバック量に応じて、成形品の各部位に強さを変化させたバネおよびダンパーを仮想的に配置した成形品モデルと金型変形モデルとを作成し、しかる後、前記成形品モデルと金型変形モデルとの連成モデルを用い、金型形状がバネおよびダンパーの力で変形する状態を有限要素法により解析し、次いで変形した金型形状を用い、前記スプリングバック量が許容値内となるまで前記プレス成形過程以降の解析を繰り返して金型形状を決定することを特徴とする見込み形状設計システムである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、成形品のスプリングバック量を精度良く予測し、スプリングバック量に応じてスプリングバック量が許容値内となるまで、金型変形モデルを用い、プレス金型形状を修正するようにしたから、目的とする成形品形状を得ることが可能なスプリングバック見込み金型形状を決定することができる。
また本発明によれば、スプリングバック量に応じて、成形品の各部位での仮想的なバネの強さを変化させることにより、スプリングバック量の大きな部位は、バネの強さを強く設定することで、金型見込み量が大きくなるとともに、反対にスプリングバック量の小さい部位は、バネの強さを小さく設定することで、見込み量が小さくなる新たなダイ（雌型）形状を算出することが可能となる。パンチ（雄型）形状は、ダイ形状を素材板厚分オフセットすることにより、作成できる。
【００１２】
さらに本発明によれば、金型変形モデルの各部位に、金型形状を変化させたくない部位や角度・平行度などの形状拘束を与えることにより、プレス金型として妥当な形状を自動的に求めることが可能となる。またさらに本発明によれば、自動車部品のような複雑な成形品形状の場合においても、成形初期に素材を拘束するダイフェース面形状や破断やシワを防ぐための予肉形状などの金型形状を考慮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施の形態に係る金型形状設計システムは、複雑な形状の成形品を成形する場合を想定しており、複数のＦＥＭ解析モデルからなる。
主な解析モデルは、（ｉ）プレス成形過程のＦＥＭ解析モデル（ｉ−Ａ：有限要素法による材料の応力、変形、歪み解析、ｉ−Ｂ：プレス金型の有限要素法による変形解析）、（ｉｉ）プレス金型から成形品を取り出したとき、スプリングバックにより成形品形状が変化する過程をシミュレーションする成形品のスプリングバックＦＥＭ解析モデル、（ｉｉｉ）スプリングバック量に応じて、成形品の各部位に強さを変化させたバネおよびダンパーを仮想的に配置した成形品モデルと金型変形モデルとを作成し、これらを連成した連成モデルを用い、金型形状がバネおよびダンパーの力で変形する状態を有限要素法により解析する金型見込みＦＥＭ解析モデルである。
【００１４】
本発明の実施の形態に係る金型形状設計システムは、以下のように構成され、コンピュータを用い、実行することで所定のプレス成形品を製造する際、スプリングバックを見込んだプレス金型形状を決定することができる。本発明では、スプリングバックを見込んだプレス金型形状を、成形品の各部位に強さを変化させたバネおよびダンパーを仮想的に配置し、弾塑性体でモデル化した成形品モデルと弾塑性体と仮定した金型変形モデルとを用いて有限要素法により解析するので、不連続な形状変化がなく、連続的な曲面をもつ実現性の高い金型形状を自動的に決定できることが特徴である。
【００１５】
本発明に用いる解析モデルについて、シミュレーションのフローにしたがって図２を参照しつつ、順に説明する。
まず、プレス成形過程のＦＥＭ解析に用いる要素の定義を最初に行う（図２中のＳ１）。次いで、変形を考慮しない剛体でモデル化された初期金型形状モデルと、所定の材料特性値を有する弾塑性体によりモデル化された鋼板モデルとに基づいて、プレス成形過程のＦＥＭ解析を実施する（図２中のＳ２）。引き続き、プレス成形過程で発生した残留応力を解放させ、弾性回復による成形品形状の変化をスプリングバックのＦＥＭ解析により解析する（図２中のＳ３）。
【００１６】
スプリングバックのＦＥＭ解析によりスプリングバック後の成形品の座標点の位置が算出される。目標とする成形品形状は、正規の部品形状として与えられるので、その座標点は予め決まっている。
このコンピュータシミュレーション解析では、スプリングバック誤差ベクトルVを算出する（図２中のＳ４）。スプリングバック誤差ベクトルVは以下に示す式（１）により、正規の部品形状を表す全節点P1〜Pn（有限要素モデルの節点数ｎ）について、スプリングバック後の成形品形状の座標点P’1と目標とする成形品形状の座標点P1との差として算出する。３次元座標で表されるスプリングバック誤差ベクトルVを図１（ａ）に模式的に示すように成形品の各要素について求める。
【００１７】
【数１】
2006263788.tif 000003
【００１８】
最初のシミュレーション解析で得たスプリングバック後の成形品の寸法誤差は、許容値より大きいからＳ６に進む。Ｓ６では、以下に示す式（２）によりスプリングバック誤差ベクトルV1〜Vnに基づいて、スプリングバック見込みバネ要素の張力F1〜Fnを算出する。
【００１９】
【数２】
2006263788.tif 000004
【００２０】
Ｋは、バネ定数を表す。
Fｉ（X,Y,Z）は、負の符号をもつバネ定数Ｋと比例する形で算出されるため、スプリングバックによる誤差量Vｉが大きいほど、スプリングバック方向とは反対の向きに力が働くバネ張力を設定することになる。その際、バネによる運動エネルギーを吸収するダンパーをモデル化することもある。図１（ｂ）には、成形品のある一つの要素（節点番号ｉ＝ｎ）に設定するバネとダンパーを模式的に示した。
【００２１】
上記の方法で求めた張力F1〜Fnを有するバネ要素を仮想的に、成形品を構成するすべての要素に配置した成形品モデルと金型変形モデルとを作成し、連成する（図２中のＳ７）。なお、プレス金型も弾塑性体としてモデル化する。
ここで、弾塑性体としてモデル化した金型変形モデルとバネ及びダンパーをすべての要素に配置し、弾塑性体としてモデル化した成形品モデルとは、プレス成形直後の状態を表しているため、完全に接触した状態となっている。成形品モデルと金型変形モデルが接触している部位について、要素と要素を数値的に結合する拘束を与えて連成するとともに、境界条件の設定等、金型見込みFEM解析を行なうための準備を行う。
【００２２】
上記成形品モデルと金型変形モデルとの連成モデルに対して、金型の変形を拘束するための条件を実際のプレス条件などを勘案して要素毎に付与することができる。例えば、しわ押さえ面が平面であることが実際のプレス作業上望ましい場合、しわ押さえ面に対応する要素の節点について拘束条件を与える。
次いで、上記成形品モデルと金型変形モデルとの連成モデルを用い、バネとダンパーにより金型形状が変化する状態を解析する（図２中のＳ８）。すなわち、図２中のＳ８の金型見込みＦＥＭ解析では、設定された張力F1〜Fnを有するすべてのバネ要素が力学的に釣り合うように弾性的に伸縮を繰り返しながら変形する、金型変形モデル及び成形品モデルがある変形状態に収束していく。最終的に収束した状態で得られる形状が、金型見込みＦＥＭ解析で算出した金型形状である（図２中Ｓ９）。
【００２３】
この金型見込みＦＥＭ解析で算出した金型形状を用い、前記スプリングバック量が許容値内になるまで、図２中のＳ２以降を繰り返し実行することで、スプリングバック見込み金型形状が決定される。すなわち、Ｓ５により、前記スプリングバック量が許容値を超えている場合には、Ｓ６に進み、前記スプリングバック量が許容値内になった場合には、Ｓ９で算出した金型形状がスプリングバック見込み金型形状として決定される。
【００２４】
本発明の実施の形態に係る金型形状設計システムにおいては、前記スプリングバック量を、スプリングバック後の成形品形状の座標点と目標とする成形品形状の座標点との差に基づいて算出しているから、決定されたスプリングバック見込み金型形状を用いることによって、目的とする成形品形状を得ることが可能となる。図２は以上説明したフロー図である。なお目的に応じて、プレス成形過程のＦＥＭ解析（Ｓ２）、スプリングバックのＦＥＭ解析（Ｓ３）及び金型見込みＦＥＭ解析（Ｓ８）には、汎用ＦＥＭシミュレーション解析モデルを使用することができる。
【実施例】
【００２５】
高強度冷延鋼板を断面ハット形状に成形する際に用いるプレス金型に本発明を適用した。図３には、初期金型形状と対比し、本発明を適用することによって求めた金型形状を１／２断面で示している。なお、プレス成形過程のＦＥＭ解析（Ｓ２）、スプリングバックのＦＥＭ解析（Ｓ３）及び金型見込みＦＥＭ解析（Ｓ８）に汎用ＦＥＭシミュレーション解析モデルを用い、スプリングバック見込みプレス金型形状を図２のフロー図のように繰り返し計算を行って決定した。
【００２６】
本発明を適用することにより、スプリングバック量の小さいスプリングバック見込みプレス金型形状を決定することができていることがわかる。
ただし、プレス金型はダイの表面層のみをモデル化した。パンチとしわ押えは、図示を省略した。ａ〜ｂ間の要素は、曲げ曲げ戻し変形を施される範囲であり、図１（a）のように細分化されている。
【００２７】
本発明に係るスプリングバック見込み金型形状設計システムは、有限要素法解析により得たスプリングバック量に応じて、成形品の各部位に強さを変化させたバネおよびダンパーを仮想的に配置した成形品モデルと金型変形モデルとを作成し、しかる後、成形品モデルと金型変形モデルとの連成モデルを用い、金型形状がバネおよびダンパーの力で変形する状態を有限要素法により解析し、次いで変形した金型形状を用い、前記スプリングバック量が許容値内となるまでプレス成形過程以降の解析を繰り返して金型形状を決定するので、複雑な３次元形状を有するプレス成形部品に対してもスプリングバックを見込んだプレス金型形状を自動的に決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】（ａ）は、スプリングバックによる誤差量を説明する模式図であり、（ｂ）は金型形状見込み解析のためのバネ要素を説明する模式図である。
【図２】スプリングバック見込み解析のフロー図である。
【図３】本発明の一実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
ａ、ｂ  要素
ｃ  スプリングバック後の成形品形状と正規の部品形状の寸法誤差
【図１】
2006263788.tif 000005
【図２】
2006263788.tif 000006
【図３】
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