(57)【要約】  【課題】  金型を使った塑性加工に関して蓄積したデータベースを活用してシミュレーションにより解析した結果に適合するように加工条件を調整できる塑性加工用金型を提供する。  【解決手段】  金型１の受圧面となる表面殻１１に可動点を散在させて、その可動点にそれぞれ支持機構１３を備えその支持機構を駆動する駆動機構１５と可動点における圧力を測定する圧力センサ１４を備え、加工時に圧力センサにより可動点が受けた圧力を測定して、その圧力がＩＴにより求めた所定の値になるように駆動機構によって可動点の沈み込み量を調整する。金型の代りに、ライザーに支持機構を備えてもよい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金型の受圧面に可動点を散在させて、該可動点に支持機構を備え該支持機構を駆動する駆動機構と該可動点が受ける圧力を測定する圧力センサを備え、該圧力センサの測定出力に基づいて該可動点が受ける圧力が所定の圧力になるように前記駆動機構によって前記支持機構を駆動して前記可動点の沈み込み量を調整できるようにしたことを特徴とする塑性加工用金型。
【請求項２】
金型を載せるライザーの受圧面に可動点を散在させて、該可動点に支持機構を備え該支持機構を駆動する駆動機構と該可動点が受ける圧力を測定する圧力センサを備え、該圧力センサの測定出力に基づいて該可動点が受ける圧力が所定の圧力になるように前記駆動機構によって前記支持機構を駆動して前記可動点の沈み込み量を調整できるようにしたことを特徴とする塑性加工金型用ライザー。
【請求項３】
前記可動点は複数ずつをグループにして該グループ内の可動点の重心の位置に配置した支持機構により支持するように構成したことを特徴とする請求項１または２記載の塑性加工用金型または塑性加工金型用ライザー。
【請求項４】
前記圧力センサはロードセルであって、前記駆動機構は該ロードセルの位置を調整するものであることを特徴とする請求項１または２記載の塑性加工用金型または塑性加工金型用ライザー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、塑性加工用金型と金型用ライザーに関し、特にＩＴ（情報技術）を活用する上で便利な塑性加工用金型とライザーに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＣＡＥ、データベースなどＩＴ（情報技術）による加工支援は、加工現象を正確にシミュレーションすることが重視されてきた。
データベースやシミュレーションのひとつの役割は、設計の初期における予測に利用されることである。初めにできうる限り正しい条件を設定し、その条件にしたがいデータベースやシミュレーションソフトウエアを利用して解析し、その結果に基づいて加工条件、工程、工具などを再設計する。
【０００３】
完璧な再現性適合性を目指すには、シミュレーションやデータベースなどＩＴ関連アプリケーションの方が、できうる限り加工の側に歩み寄って正確なモデル化を行わなければならない。しかし、たとえば境界条件の仮定やその再現性の問題など、モデル化の過程において生じる不確実性を避けることができない。このような現象の不確実性が、その精度や再現性に影響を及ぼす。
したがって、実際には、いかに加工現象に歩み寄ってもデータベースやシミュレーションのみで現象を完璧に再現することは難しく、最終的には解析結果に基づき試し加工を行い、加工条件、工程、工具の修正をする。
【０００４】
データベースやシミュレーションは、また、試し加工の結果に基づいて修正するための定性的・定量的な指針を提供する検証的な役割も有する。
このような予測的役割と検証的役割を果たす上で、解析・データベース、エキスパートシステムなど各種のＩＴベースのアプリケーションが本質的に有する精度の問題のほかに、現象のモデル化・データファイル化・コンディションの記述における現象の再現性の問題や、解析結果から設計修正するときの専門家の方針の曖昧さや不確かさの問題などが、精度の阻害要因となっている。また、これらの問題は、ＩＴを利用したプロセス設計・改良にかかる工数・時間の増大要因にもなる。
【０００５】
そこで、近年、ＩＴ関連アプリケーションの方が加工の側に歩み寄るのとは逆に、加工技術側をＩＴに都合がよいように改良して、ＩＴによる支援の再現性・信頼性を向上し、ＩＴと加工技術を併せたトータルの能力を向上させようとする、非特許文献１に記載されたようなＩＴ親和性加工技術という概念が注目されるようになってきた。
ＩＴ親和性加工技術とは、加工技術自体の精度向上を目的として加工技術を改良する観点ではなく、ＩＴ、特にデータベース、シミュレーション、エキスパートシステムにおける解の正確性、安定性、再現性に都合がよいように加工プロセスを改良する観点に基づいて改良する加工技術である。
【０００６】
具体的には、境界条件の構造そのものが刻々変化するような工具を避け、境界条件の構造は不変で境界の値のみが変わる構造を導入したり、一部の加工パラメータが変わると多岐の加工結果にわたって影響が及ぶような構造を避け、影響が限定されるような構造を導入するなどして、モデルあるいは条件の一意性、再現性の高い加工プロセスとする。このような加工プロセスを利用することにより、シミュレーションやデータベースを用いた解析結果との対応が単純化し安定化するので、プロセスを改良するときにも正確な指針を得て確実に実施することができる。
【０００７】
こうしたＩＴ親和性加工技術により、加工技術そのものの精度は向上しなくても、ＩＴアプリケーションの実行結果を精密に再現することができるため、トータルの加工精度や、作業工数・時間を減少させつことができる。
ところが、ＩＴ技術を適用した金型設計などで、従来の金型を用いるのでは解析結果に応じて加工条件を変化させることができないので、ＩＴ親和性加工技術を適用した設計を実行することができない。
【非特許文献１】大橋隆弘「ものづくり・ＩＴ融合化推進事業とネットワーク加工技術データベースシステム」精密工学会主催第２８４回講習会「２１世紀のモノづくりと技能・技術の伝承」テキスト
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、金型を使った塑性加工に関して蓄積したデータベースを活用してシミュレーションにより解析した結果に適合するように加工条件を調整できる塑性加工用金型を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の塑性加工用金型は、金型の受圧面に可動点を散在させて、その可動点にそれぞれ支持機構を備えその支持機構を駆動する駆動機構と可動点における圧力を測定する圧力センサを備え、加工時に圧力センサにより可動点が受けた圧力を測定して、その圧力が所定の値になるように駆動機構によって可動点の沈み込み量を調整できるようにしたことを特徴とする。
本発明の金型は、散在する可動点を支持する多点支持構造を持ち、それぞれの支持機構が圧力センサを伴うので、可動点における圧力をフィードバックして可動点の浮き沈み量を調整し可動点位置の圧力を所定の値に合わせるようにすることができる。
【００１０】
したがって、蓄積したデータベースを活用したシミュレーションにより求めた最適値を実現するべく、本発明の金型を使って塑性加工対象材料をプレスする試し加工をしたときに、金型の各点において期待した値と異なる現象が生じれば金型中の可動点における圧力偏差として観察することができる。そして、そのような圧力偏差が生じたときには、駆動機構を用いて可動点の浮き沈み量を調整してその偏差を解消させることができる。この調整後の金型は、ＩＴ技術を駆使して予測した塑性加工を実現できるものとなる。こうして、ＩＴ技術と本発明の金型を有機的に融合することにより、ＩＴ技術において得られる解を正確に再現性よく実現させる加工装置となる。
【００１１】
こうして、広い範囲の材料を用いて適宜の形状を有する部材を形成する加工装置を、正確にかつ少ない工数で短時間に構成することができる。また、ＩＴを利用した金型設計においても、本発明の金型を用いれば試し加工のフィードバックが容易であるため、実際の加工試験で裏付けされた的確な金型設計を短時間で行うことができる。
【００１２】
また、金型の加工材料接触面における可動点は、複数ずつをグループにして、グループ内の可動点の重心の位置に配置した支持機構によってグループ内の可動点を支持するように構成してもよい。
可動点は加工材料接触面の全面に均一な密度で分布させるようにしてもよいが、加工形状によっては応力集中の度合いが場所によって異なることがあり、このような場合は応力が激しく変化する部分における測定密度を大きくし調整点を多く設けなければ適切な状態把握と金型形状調整をすることができない。
【００１３】
塑性加工で製造する普通の製品の形状は、通常、加工中に応力集中する領域があり、塑性加工用金型を解析するときに一様な分布をする演算点を用いるより、応力集中度に合わせて適当に分布させた演算点についてシミュレーションなどを実行するほうが、演算効率も演算精度も向上する。このような要請に応えるためには、シミュレーション演算に用いる演算点に対応する位置にそれぞれ支持機構を備えればよい。
しかし、演算点は場所によって極めて密に配置され支持機構が納らない状態になることも多い。一方で、演算点が広い範囲に疎らに分布する領域も生じる。
【００１４】
そこで、対象とする金型において、適当に離れた可動点同士をたとえば３個ずつ組み合わせて剛材で繋いでグループとし、それらの重心位置に剛材の支持を兼ねるロードセルを配置して利用すると便利である。このような圧力分散板を用いた構成とすることにより、グループ内の可動点について合計した圧力がロードセルに加わり、ロードセルの高さ調整によりグループ内の可動点が同等に浮き沈みするようになるので、比較的少数の支持機構を用いて金型の設計支援を有効に行うことができる。なお、全ての可動点に平等に作用力を及ぼすためには１個のグループに属する可動点の数は２個または３個が望ましいが、グループ内の可動点数は３個に限らないことは言うまでもない。
【００１５】
本発明の塑性加工用金型における圧力センサとしてロードセルを用い、駆動機構によりロードセルの高さ位置を調整してこれと接合される可動点の浮き沈み量を調整できるようにしてもよい。
ロードセルでは荷重と沈み込み量が比例関係にあるので、圧力検出結果に基づいてロードセルの高さ位置を変化させて可動点の沈み込み量を調整することにより的確に圧力を調整することができ、ＩＴ技術との対応が付けやすい。
【００１６】
なお、可動点を金型表面に設けて支持機構を金型に組み込む代りに、金型の下に敷くライザーの表面に支持機構を付属した可動点を分布させて金型の底面を点支持するようにしてもよい。
プレス時に金型の受ける力が偏在していれば、金型の底面に力に応じた浮き沈みが生じライザーの可動点に作用するので、可動点に組み込んだ圧力センサにより力の分布状態を知ることができる。また支持機構の駆動機構により浮き沈み量を調整して圧力の偏差を解消するようにすれば、そのときの金型表面の形状はＩＴ技術でシミュレーションした結果と正しく対応するようになる。
【００１７】
ライザーの可動点についても、上記金型の可動点と同じように圧力分散板を用いて、可動点をいくつかずつ組み合わせて可動点の重心位置に配置した支持機構によって可動点を支持するようにしてもよい。また、可動点に適用する圧力センサとしてロードセルを使用し、駆動機構を兼ねるようにすることにより、ＩＴ技術によるシミュレーションとよく対応できるようになることは言うまでもない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係る塑性加工用金型および金型用ライザーを図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施例における塑性加工用金型の断面図、図２はその可動点配置例の平面図、図３は可動点配置の別例を示す平面図、図４は圧力分散板の作用を説明する斜視図、図５は圧力分散板を用いたときの可動点と支持装置の配置例を示す平面図、図６は図５は本実施例の金型を用いたＩＴ融和型塑性加工の手順を説明するフロー図、図７は本発明の第２実施例における塑性加工金型用ライザーの断面図である。
【実施例１】
【００１９】
塑性加工用金型１はダイ２とバンチ３に分割され、ダイをプレス台４に載せバンチをプレス棒６に駆動されるダイプレート５に固定して、ダイとバンチの間に金属板を挟んでプレスすることにより、金属板を金型に合わせて塑性変形させて所定の形状にするために用いられるものである。
【００２０】
図１の断面図と図２の平面図に概念的に表示するように、本実施例の塑性加工用金型１のダイ２は被加工材料が当たる面部分が表面殻１１と支持台１２の２重構造になっている。表面殻１１は多点支持機構により支持台１２の上に所定の間隔を持って支持されている。多点支持機構は、表面殻１１の表面に散在させた多数の可動点それぞれの裏側に支持装置１３を設けたもので、支持装置１３はロードセル１４とロードセルの高さを調整する駆動装置１５を備える。
【００２１】
表面殻１１表面の可動点は、表面部材に特別な可動機構を設けて構成してもよいが、表面殻１１をプレスにより適当な撓みを生ずるようにして、裏から支持装置１３を当てた位置を可動点としてもよい。
ロードセルの高さ調整駆動装置１５は、たとえばピエゾ素子を利用したものを支持台１２とロードセル１４の間に介装することによって構成すると、供給電流を調整することにより沈み込み量を極微少量ずつ制御できるようになる。
【００２２】
金型の表面殻１１において圧力測定と沈み込み量調整ができる可動点１６は、金型の材料接触領域の全面に分布させて、ＩＴ技術による解析結果と突き合わせるための応力測定ができかつ必要な位置における沈み込み量調整ができるようにする必要がある。
たとえば、図２に示すように、表面殻１１の材料接触領域の全面にわたって可動点１６をほぼ平均的に分布させることができる。このような可動点分布を採用するときは、金型の形状によらず可動点の位置が一定するので設計が容易であるが、支持装置が多数必要になる。
【００２３】
一方、金型の表面殻表面の曲率が大きい領域は、加工中に大きな応力偏差が起こりうる部分なので、可動点を密に分布させ、曲率が小さい部分では応力偏差が小さいので可動点を粗に分布させることが、全体としてより少ない可動点により応力偏差を検出して沈み込み量調整を行うことができるので合理的である。
そこで、図３に概念的に示したように、表面殻１１において、金型形状に基づいて解析上演算点を密に設定すべき領域に可動点１６を密に配置し、演算点を粗に設定してよい領域には可動点１６を粗に配置するようにして、可動点の数を減らし、支持装置の数を節減し、演算負荷を減少させることが好ましい。
【００２４】
さらに、図４に示すように、圧力分散板１７を用いることにより、可動点の数は同じでも支持装置１３の数を削減して、経済的に有利な構成とすることができる。圧力分散板１７は、可動点を支持する支持突起１８を複数備えて、これら支持突起１８の重心位置に支持装置１３を当接するようにした剛性のあるプレートである。支持突起１８にかかる圧力は圧力分散板１７の傾きが自動的に調整されて互いに平均化し、その合計値が支持装置１３に作用してロードセンサにより測定される。また、支持装置１３で発生する沈み込み調整量も各可動点に平均的に作用するようになる。
【００２５】
したがって、図５に示すように、表面殻１１の可動点１６を互いに重複しないように複数ずつグループにしてグループ毎に１枚の圧力分散板１７で支持するようにし、圧力分散板１７が支持する可動点１６の重心位置に配置した支持装置１３により圧力分散板１７を支持させるようにすることができる。このように圧力分散板１７を利用することにより、高価な支持装置１３の個数をさらに削減することができ、また要素数が増えるに従って幾何級数的に増大する解析負荷を減少させることができる。
【００２６】
本実施例の塑性加工用金型は、多点支持構造を有し、形状・物理パラメータの検出機能と、それらパラメータの調整機能を有し、能動的に目的に即した調整を行うスマートダイスと考えることができる。
このようなスマートダイスを活用することにより、実地の塑性加工により知られる加工データを取得してデータベースに蓄積したり、ＩＴ技術を適用してシミュレーションした結果と実態の対応や、ＩＴ技術で期待される加工条件に即して金型形状を調整することなどを可能とする。本実施例の金型をＩＴ技術と直接的に結合することにより、ＩＴ解析結果の再現性を向上させ、ＩＴ親和性加工技術の実用性を確立することができる。
【００２７】
図６は、ＩＴ技術と本実施例の塑性加工用金型を融合したシステムを用いて希望の塑性加工を行うようにした、ＩＴ親和性塑性加工の作業手順の例を説明するフロー図である。
初めに、塑性加工の対象を指定し加工条件を決める（Ｓ１）。ここでは、加工材料の材質、形状等の特性、金型の形状、加工圧力、加工時間などを指定する。次に、この条件に合致するスマートダイスを作成する（Ｓ２）。スマートダイスには相当数の所定位置に可動点を配置し、各可動点は圧力測定と沈み込み量調整が行える支持装置がセットされる。支持装置と演算工数の節約のため、圧力分散板を利用してもよい。
【００２８】
こうして準備したスマートセンサをプレス機に組み込んで、実際に、加工材料を塑性加工する（Ｓ３）。このとき、可動点における沈み込み量のアンバランスは、支持装置に付属する圧力センサにより検出される（Ｓ４）。
一方、最初に決定された対象モデルと加工条件は、ＩＴ機器に入力され、ここでデータベースとシミュレータにより加工中の応力分布や製品形状、また欠陥の生成など、加工条件や加工状態が解析される（Ｓ５）。データベースには、材料毎の加工条件とその結果など、各種文献や過去の実績に基づいたデータが大量に蓄積されている。また、ＩＴ機器に付属する記憶装置に蓄積されたデータ以外にも、通信回線を介して他所のデータベースにアクセスして必要なデータを収集することができる。
【００２９】
シミュレータは、加工条件に対応したデータを収集し、これらを利用して有限要素法など適当な解法に従って加工結果を予測する。曖昧な条件付けに対応するときは、エキスパートシステムなどのＡＩ（人工知能）技術を援用して解決することができる。たとえば、均等荷重設計を行った金型であれば、理想的には全ての可動点における圧力が等しくなるはずである。
こうして得られた圧力予測値と、圧力センサで得られた圧力測定値を比較して（Ｓ６）、両者間に偏差があるときには、これを解消するように、可動点の沈み込み量を調整して圧力測定値が圧力予測値と一致するようにする（Ｓ７）。なお、たとえば均等荷重設計金型では、測定値が全て同じ値になるように各可動点の沈み込み量を調整すれば、全ての点で等しい沈み込み量をもって支持することになり、目的を達成する。
【００３０】
こうして得られた金型は、ＩＴ技術によりデータベースに蓄積された情報を利用してシミュレートした結果予測される加工をそのまま実現するものであるから、加工技術そのものの精度を向上させるわけではないが、このようなＩＴ技術と結合した金型システムを塑性加工用金型として利用することにより、トータルの加工精度や作業工数・作業時間を減少させることができる（Ｓ８）。
なお、沈み込み量調整後の金型は、加工条件に合わせて作製したスマートダイスをＩＴに合致するように改良したものであるので、これに合わせて金型を作製して生産用金型として利用することができる。
【実施例２】
【００３１】
本発明の第２実施例は、金型に圧力センサと調整装置を備えた支持装置を配置する代りに、金型とプレス台の間に挟持されるライザーを用いて、このライザーに指示装置を付属する可動点を備えるようにしたものである。
図７の断面図に示すように、ライザー２１はプレス台２４に載せられ、上面にダイ２２を載せて、さらに加工材料２６を挟んでバンチ２３を載せ、上からダイプレート２５により圧力をかけて、加工材料２６を塑性変形させて製品とする。ライザー２１は、プレス台２４に接するベース３１と、ダイ２２に接する上面カバー３２に分割され、上面カバー３２の上面３３は可撓性を有する薄板で形成されている。ベース３１と上面カバー３２の間に多数の支持装置３４が配置され、その位置が可動点になっている。支持装置３４は、圧力センサ３５と圧力センサの高さを調整する駆動装置３６から形成されている。圧力センサ３５は沈み込み量が圧力値と比例するロードセンサを利用することが好ましい。また、駆動装置３６は、供給電気量と駆動量が対応する小型素子を用いることが好ましく、たとえば圧電素子を利用した装置を用いることができる。
【００３２】
ライザー２１の上に据えたダイ２２の上に加工材料２６をセットし、プレス機を運転してバンチ２３をダイプレート２５でダイ２２に押し付けると、加工材料２６がダイ２２とバンチ２３に挟まれて塑性変形し、所定の形状を有する製品となる。ダイ２２の受ける圧力に偏在があると、ダイ２２の底面に変位が生じ、これによって上面カバー３２の上面３３に浮き沈みが生じて、圧力センサ３５の検出棒を変位させて、圧力変化として検出される。
したがって、支持装置３４の圧力を測定することによりＩＴ解析結果との偏差が明らかになるので、偏差がゼロになるように駆動装置３６を作動させて上面カバー３２の沈み込み量を調整することができる。特にロードセンサを用いると、沈み込み量と圧力値が比例するので、各可動点における適正な補正量が簡単に把握できる。
【００３３】
ライザー２１における可動点は、実施例１における図２に示したように、ライザー２１の上面３３の全面に亘って均等に分布させてある。均等分布した可動点を用いれば、別の金型に取り替えたときにも、同じ手法により対処できる。
なお、可動点毎に設置される支持装置３４は脱着可能に構成して、上面３３の上に据える金型２２，２３の条件に従って、最適な配置を取ることができるようにしてもよい。実施例１における図３あるいは図５に見られるものと同じように、より少数の支持装置３４を用いることにより、ライザーのコストを軽減し、かつＩＴにおける演算負荷を軽減することができる。
また、実施例１に関する図６の手順は、本実施例のライザーを利用するときにも同様に適用できることはいうまでもない。
【００３４】
以上詳細に説明した通り、本発明の塑性加工用金型によれば、ＩＴ技術を駆使して得られた金型の各部において要求される変位量などの変量と、金型を使って加工材料を試験的に加工したときの各部の変量を比較して、適正な変量を有するように金型面の浮き沈み量を調整することができるので、ＩＴ技術によるシミュレーションなどの結果に適合するように金型を調整して、再現性のよい塑性加工を行うことができる。また、このスマートダイを使用して各種加工条件における加工データを効率よく収集することができ、データベースを充実させて確度の高いＩＴ技術の確立が可能になる。
なお、可動面を備えたライザーを用いる場合も、同様に簡単にＩＴ技術に対応する金型を得ることができ、ＩＴ親和性塑性加工を容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１実施例における塑性加工用金型の概念を説明する断面図である。
【図２】図１の金型における可動点の分布例を示す平面図である。
【図３】図１の金型における別の可動点の分布例を示す平面図である。
【図４】本実施例に用いられる圧力分散板を示す斜視図である。
【図５】図１の金型に圧力分散板を用いて支持機構を節減した例を示す平面図である。
【図６】第１実施例の塑性加工用金型を用いたＩＴ親和性塑性加工の手順を説明するフロー図である。
【図７】本発明の第２実施例における塑性加工金型ライザーの概念を説明する断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  塑性加工用金型
２  ダイ
３  バンチ
４  プレス台
６  プレス棒
５  ダイプレート
１１  表面殻
１２  支持台
１３  支持装置
１４  ロードセル
１５  駆動装置
１６  可動点
１７  圧力分散板
１８  支持突起
２１  ライザー
２４  プレス台
２２  ダイ
２６  加工材料
２３  バンチ
２５  ダイプレート
２６  加工材料
３１  ベース
３２  上面カバー
３３  上面カバーの上面
３４  支持装置
３５  圧力センサ
３６  駆動装置
【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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