(57)【要約】【課題】プレス成形のシミュレーション方法において、成形中の金型の成形面の撓み変形を考慮してシミュレーションの精度を高めると共に、計算負荷を軽減して計算時間を短縮する。【解決手段】プレス成形のシミュレーション方法は、成形ストローク過程の複数の段階ａ，ｂにおける金型の成形面の撓み量を算出するステップと、各段階における撓み量を反映した複数の成形面の剛体シェル要素モデル１０Ａ，１０Ｂを作成するステップと、第１段階ａの撓み量を反映した第１の成形面の剛体シェル要素モデル１０Ａで材料モデルＭを成形しながら、第２段階ｂの撓み量を反映した第２の成形面の剛体シェル要素モデル１０Ｂが、第１の成形面の剛体シェル要素モデル１０Ａを追い抜いて材料モデルＭを成形するシミュレーションを行うステップとを備える。【選択図】図３
2018158369.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プレス成形のシミュレーション方法であって、
成形ストローク過程の複数の段階における金型の成形面の撓み量を算出するステップと、
各段階における撓み量を反映した複数の成形面の剛体シェル要素モデルを作成するステップと、
ある段階の撓み量を反映した第１の成形面の剛体シェル要素モデルで材料モデルを成形しながら、次の段階の撓み量を反映した第２の成形面の剛体シェル要素モデルが、前記第１の成形面の剛体シェル要素モデルを追い抜いて前記材料モデルを成形するシミュレーションを行うステップとを備えたプレス成形のシミュレーション方法。
【請求項２】
前記第１の成形面の剛体シェル要素モデル及び前記第２の成形面の剛体シェル要素モデルが共に移動しながら、前記第２の成形面の剛体シェル要素モデルが前記第１の成形面の剛体シェル要素モデルを追い抜く請求項１に記載のプレス成形のシミュレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プレス成形のシミュレーション方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属板（ブランク材）にプレス成形を施すと、離型時に成形品にスプリングバックが生じるため、寸法精度が悪化することは避けられない。そこで、成形品の寸法精度を高めるために、予めプレス成形のシミュレーションを行って成形品の形状を算出し、この算出結果に基づいて金型形状等を調整することが行われている（例えば、下記の特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−４５９２０号公報
【特許文献２】特開２０１２−１５３０４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のようなプレス成形シミュレーションでは、通常、金型を剛体、ワークを変形体とみなして計算を行う。しかし、この場合、加工中の成形反力による金型の成形面の撓み変形が考慮されないため、シミュレーションのアウトプット精度が低下してしまう。
【０００５】
例えば、金型の弾性体ソリッド要素モデル（金型を多数の立体的なソリッド要素に分割した弾性体モデル）を用いることで、金型の撓み変形を考慮した成形シミュレーションを行うことができる。具体的には、加工中に時々刻々と変化する成形反力を算出し、この成形反力に基づいて金型の弾性体ソリッド要素モデルの各時点における変形量を計算することで、プレス成形過程における金型の撓み変形を動的に再現することが可能となり、成形シミュレーションのアウトプット精度が高められる。しかし、このような金型の三次元的な弾性体ソリッド要素モデルを用いたシミュレーションは、計算負荷が非常に大きいため、膨大な計算時間を要する。
【０００６】
そこで、本発明が解決すべき課題は、プレス成形のシミュレーション方法において、成形中の金型の成形面の撓み変形を考慮してシミュレーションの精度を高めると共に、計算負荷を軽減して計算時間を短縮することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明は、プレス成形のシミュレーション方法であって、成形ストローク過程の複数の段階における金型の成形面の撓み量を算出するステップと、各段階における撓み量を反映した複数の成形面の剛体シェル要素モデルを作成するステップと、ある段階の撓み量を反映した第１の成形面の剛体シェル要素モデルで材料モデルを成形しながら、次の段階の撓み量を反映した第２の成形面の剛体シェル要素モデルが、前記第１の成形面の剛体シェル要素モデルを追い抜いて前記材料モデルを成形するシミュレーションを行うステップとを備えたプレス成形のシミュレーション方法を提供する。
【０００８】
このように、本発明では、成形ストローク過程を複数の段階に分け、各段階における成形面の剛体シェル要素モデル（成形面を多数の平面的なシェル要素に分割した剛体モデル）を用いて成形シミュレーションを行う。具体的には、ストローク途中の複数段階における成形反力から金型の成形面の撓み量を計算し、各段階における撓み量を反映させた成形面の剛体シェル要素モデルを作成する。そして、ストローク途中の各段階で、それぞれの段階に応じた剛体シェル要素モデルを用いることにより、成形ストローク過程における成形面の撓み変形を段階的に再現することができるため、シミュレーションの精度が高められる。また、成形面の二次元的な剛体シェル要素モデルを用いてシミュレーションを行うことで、金型の三次元的なソリッド要素モデルを用いる場合と比べて、計算負荷が格段に小さくなるため、計算時間が大幅に短縮される。
【０００９】
この場合、成形ストロークの途中で、材料モデルと接触して力が釣り合った第１の成形面の剛体シェル要素モデルを、形状（撓み量）の異なる第２の成形面の剛体シェル要素モデルに入れ替える必要がある。このように成形面の剛体シェル要素モデルを入れ替えると、材料モデルと成形面の剛体シェル要素モデルとの位置関係（接触状態）が突然変化し、両者の間の力の釣り合いが崩れるため、両者の接触の連続性を維持しながら成形シミュレーションを続行することが困難となる。
【００１０】
そこで、本発明では、上記のように、第１の成形面の剛体シェル要素モデルで材料モデルを成形しながら、第２の成形面の剛体シェル要素モデルが第１の成形面の剛体シェル要素モデルを追い抜いて材料モデルを成形するシミュレーションを行う。シミュレーションでは、各成形面同士の接触は考慮しないため、上記のような実際にはあり得ない状況でのシミュレーションが可能である。これにより、第１の成形面の剛体シェル要素モデルと材料モデルとの力の釣り合いや相対的な位置関係を維持しながら、第１の成形面の剛体シェル要素モデルから第２の成形面の剛体シェル要素モデルに材料モデルを徐々に受け渡すことができる。これにより、各段階の成形面の剛体シェル要素モデルと材料モデルとの接触の不連続性の問題が解消されるため、複数の段階における撓み変形を考慮した成形面の剛体シェル要素モデルによる成形シミュレーションが可能となる。
【００１１】
上記の成形シミュレーション方法において、例えば、材料モデルを成形している第１の成形面の剛体シェル要素モデルを停止させた後、第２の成形面の剛体シェル要素モデルが第１の成形面の剛体シェル要素モデルを追い抜いて材料モデルと接触すると、第１の成形面の剛体シェル要素モデルを停止させるときや、第２の成形面の剛体シェル要素モデルが材料モデルに接触する際に、材料モデルが慣性力の影響で変形するため、シミュレーションの精度が低下するおそれがある。そこで、第１及び第２の成形面の剛体シェル要素モデルを共に移動させながら、第２の成形面の剛体シェル要素モデルが第１の成形面の剛体シェル要素モデルを追い抜いて材料モデルを受け渡すことが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように、本発明によれば、成形ストローク過程の複数段階における撓み変形を考慮した複数の成形面の剛体シェル要素モデルを用いて、各段階の成形面の剛体シェル要素モデルと材料モデルとの接触の連続性を維持しながら、成形シミュレーションを行うことが可能となる。このように金型の撓み変形を踏まえることで、シミュレーションの精度が高められる。また、成形面の剛体シェル要素モデルを用いることで、金型のソリッド要素モデルを用いる場合よりも計算負荷が軽減されるため、計算時間が短くなる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】プレス成形金型の断面図である。
【図２】成形シミュレーションを用いた金型の撓み解析方法のフロー図である。
【図３】図１の金型の成形面の剛体シェル要素モデルの斜視図である。
【図４】（Ａ）〜（Ｃ）は、成形ストローク過程の各段階における撓み変形を反映させた上型の成形面の剛体シェル要素モデルの断面図である。
【図５】（Ａ）〜（Ｃ）は、第１の剛体シェル要素モデルから第２の剛体シェル要素モデルに材料モデルを受け渡す様子を概念的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
本実施形態では、金属板（ブランク材）に絞り成形を施す場合のシミュレーション方法について説明する。絞り成形は、図１に示すように、上型（ダイ）１とブランクホルダ２とでワークＷを挟持した状態で、これらを降下させてワークＷを下型（パンチ）３に押し付けることにより、ワークＷを引き延ばして所定の形状に成形することで行われる。
【００１６】
上記のような絞り成形を実際に行う前に、コンピュータを用いた成形シミュレーションによる解析を行い、その解析結果に基づいて金型の形状や加工条件の調整を行うことで、成形精度の向上が図られる。本実施形態では、図２に示す手順に従って解析が行われる。以下、各手順を詳しく説明する。
【００１７】
まず、材料に関するデータ（例えば、金属板の材質や板厚）、加工条件に関するデータ（例えば成形荷重）、金型の成形面に関するデータ等をコンピュータに入力する。金型の成形面に関するデータとしては、金型の成形面の剛体シェル要素モデルが作成される。具体的には、図３に示すように、上型の成形面（下面）の剛体シェル要素モデル１０と、ブランクホルダ２の押さえ面（上面）の剛体シェル要素モデル２０と、下型の成形面（上面）の剛体シェル要素モデル３０とを作成する。これらの材料のデータ、加工条件のデータ、成形面のデータ（剛体シェル要素モデル１０，２０，３０）を用いて、ワークＷの弾性体モデル（材料モデルＭ）の成形シミュレーションを行う。
【００１８】
上記の成形シミュレーションにより、材料モデルＭに生じるひずみ及び内部応力や、金型に加わる加工反力が取得される。材料モデルＭに生じるひずみや内部応力等から、ワークにワレやシワが生じるか否かを解析することができ、この解析結果に基づいて、材料、加工条件、成形面の形状等が修正される。
【００１９】
また、金型に加わる加工反力と、金型構造に関する情報とから、金型の撓み解析を行う。金型構造に関する情報としては、例えば、金型の弾性体ソリッド要素モデルを使用できる。この撓み解析により、加工反力による金型の成形面の撓み量を取得することができる。本実施形態では、成形ストローク過程（本実施形態では上型１を降下させる過程）の複数の段階における金型の成形面の撓み量を取得する。尚、金型の成形面の撓み変形は、そのほとんどが成形ストローク過程の終期（上型１の下死点付近）で生じるため、下死点直前の複数の段階における成形面の撓み量を取得することが好ましい。
【００２０】
具体的には、例えば、図３に示す成形ストローク過程の第１段階ａ、第２段階ｂ、及び第３段階ｃのそれぞれの所定の時期（例えば始点）における加工反力を算出する。この算出結果に基づいて、図４（Ａ）〜（Ｃ）に誇張して示すように金型の成形面（例えば上型１の成形面）の撓み量を算出する。通常、加工ストロークが進行するにつれて加工反力が大きくなり、これに伴って成形面の撓み量が大きくなる。そして、各段階における撓み量を上型１の成形面の剛体シェル要素モデル１０に反映させて、第１段階ａにおける撓み量を反映させた第１の成形面の剛体シェル要素モデル１０Ａ（以下、「第１の成形面モデル１０Ａ」と言う。）、第２段階ｂにおける撓み量を反映させた第２の成形面の剛体シェル要素モデル１０Ｂ（以下、「第２の成形面モデル１０Ｂ」と言う。）、及び第３段階ｃにおける撓み量を反映させた第３の成形面の剛体シェル要素モデル１０Ｃ（以下、「第３の成形面モデル１０Ｃ」と言う。）を作成する（図２の矢印Ｘ参照）。
【００２１】
次に、各段階の成形面モデル１０Ａ〜１０Ｃを用いて、再び成形シミュレーションを行う。具体的には、図３に示すように、第１段階ａでは、第１の成形面モデル１０Ａで材料モデルＭを成形する。尚、図３の各成形面モデル１０Ａ〜１０Ｃのストロークを示す矢印において、実線矢印は材料モデルＭと接触した状態を示し、点線矢印は材料モデルＭと接触していない状態を示す。
【００２２】
そして、第１段階ａから第２段階ｂへの移行期では、第１の成形面モデル１０Ａで材料モデルＭを成形しながら、第２の成形面モデル１０Ｂが第１の成形面モデル１０Ａを追い抜く。成形シミュレーションでは、成形面モデル同士の接触は考慮しないため、上記のように、第２の成形面モデル１０Ｂが第１の成形面モデル１０Ａを透過して材料モデルＭに接触することが可能である。
【００２３】
具体的には、図５（Ａ）に示すように、第１段階ａでは、第１の成形面モデル１０Ａ（鎖線）のみが材料モデルＭに接触してこれを成形する。一方、第２の成形面モデル１０Ｂ（点線）は、第１の成形面モデル１０Ａの背後（図中上方）で、第１の成形面モデル１０Ａと同じ方向に移動している。このとき、両成形面モデル１０Ａ，１０Ｂは、ほぼ同速度で移動している（Ｖａ≒Ｖｂ）。
【００２４】
その後、第１の成形面モデル１０Ａの速度を徐々に落とすことで（Ｖａ＜Ｖｂ）、図５（Ｂ）に示すように、第２の成形面モデル１０Ｂが、第１の成形面モデル１０Ａを追い抜き始める。これにより、第２の成形面モデル１０Ｂの一部が、第１の成形面モデル１０Ａよりも材料モデルＭ側（図中下方）に突出し、材料モデルＭに、第１の成形面モデル１０Ａ及び第２の成形面モデル１０Ｂの双方が同時に接触する。すなわち、移行期では、第１の成形面モデル１０Ａと第２の成形面モデル１０Ｂとが協働して材料モデルＭを成形する。
【００２５】
その後、図５（Ｃ）に示すように、第２の成形面モデル１０Ｂが第１の成形面モデル１０Ａを完全に追い抜く。これにより、材料モデルＭが第２の成形面モデル１０Ｂに受け渡され、第２の成形面モデルＢのみで材料モデルＭが成形される（第２段階ｂ）。第１の成形面モデル１０Ａは、第２の成形面モデル１０Ｂに材料モデルＭを受け渡した後、停止させる（あるいは消失させてもよい）。
【００２６】
このように、第２の成形面モデル１０Ｂが第１の成形面モデル１０Ａを追い抜くことで、各段階の成形面モデル１０Ａ，１０Ｂと材料モデルＭとの位置関係や力の釣り合いを維持しながら、第１の成形面モデル１０Ａから第２の成形面モデル１０Ｂに材料モデルＭを徐々に受け渡すことができる。これにより、各段階の成形面モデル１０Ａ，１０Ｂと材料モデルとの接触の連続性が維持されるため、各段階の撓み量を反映した成形面モデルによる成形シミュレーションが可能となり、シミュレーションの精度が高められる。また、成形面の剛体シェル要素モデルを用いてシミュレーションを行うことで、金型の弾性体ソリッド要素モデルを用いる場合と比べて計算負荷が格段に軽減されるため、計算時間が大幅に短縮される。
【００２７】
また、上記のように、第１の成形面モデル１０Ａと第２の成形面モデル１０Ｂとを共に移動させながら、第１の成形面モデル１０Ａから第２の成形面モデル１０Ｂに材料モデルＭを受け渡すことにより、材料モデルＭに働く慣性力が抑えられるため、シミュレーションの精度がさらに高められる。
【００２８】
その後、第２段階ｂから第３段階ｃへの移行期では、第３の成形面モデル１０Ｃが第２の成形面モデル１０Ｂを追い抜くことで、第２の成形面モデル１０Ｂから第３の成形面モデル１０Ｃに材料モデルＭが受け渡される。この移行期における詳細は、上記の第１段階ａから第２段階ｂへの移行期と同様であるため、説明を省略する。そして、第３の成形面モデル１０Ｃが下死点に達して停止することで、材料モデルＭの成形が完了する。
【００２９】
こうして得られた成形シミュレーションの算出結果から、金型に加わる成形反力を取得し、この加工反力と金型構造（金型の弾性体ソリッド要素モデル）とから、再び金型の撓み解析を行う。特に、撓み量が最も大きい下死点における撓み解析を行う。こうして得られた金型の撓み解析結果は、成形ストローク過程における撓み変形を段階的に再現した成形面に基づいているため、撓み変形を全く考慮していない成形面に基づいて算出した最初の撓み解析結果よりも精度が高い。そして、上記の撓み量を見込んで、金型の形状（特に成形面）の寸法修正を行う。具体的には、例えば、上記の成形シミュレーションで得られた下死点における撓み量の分だけ、金型の成形面を、撓みが生じる方向と反対側に変位させる。これにより、成形反力による金型の成形面の撓みの影響を相殺することができるため、より精度の高いプレス成形が可能となる。
【００３０】
本発明は、上記の実施形態に限られない。例えば、上記の実施形態では、成形ストローク過程の各段階における撓み変形を反映させた上型１の成形面の剛体シェル要素モデルを用いて成形シミュレーションを行う場合を示したが、これに限らず、成形ストローク過程の各段階における撓み変形を反映させた下型３の成形面の剛体シェル要素モデルを用いて上記と同様の成形シミュレーションを行うこともできる。また、上記の実施形態では、成形完了直前の３段階で撓み解析を行う場合を示したが、これを２段階、あるいは４段階以上としてもよい。また、上記の成形シミュレーションは、絞り加工に限らず、曲げ加工、張り出し加工、鍛造加工等の、各種プレス成形のシミュレーションに適用することができる。
【符号の説明】
【００３１】
１     上型
２     ブランクホルダ
３     下型
１０   上型の成形面の剛体シェル要素モデル
１０Ａ 第１段階における撓み変形を考慮した上型の成形面の剛体シェル要素モデル
１０Ｂ 第２段階における撓み変形を考慮した上型の成形面の剛体シェル要素モデル
１０Ｃ 第３段階における撓み変形を考慮した上型の成形面の剛体シェル要素モデル
２０   ブランクホルダの押さえ面の剛体シェル要素モデル
３０   下型の成形面の剛体シェル要素モデル
Ｍ     材料モデル
【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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