(57)【要約】【課題】プレス成形シミュレーションにおける割れを精度よく判定できる判定方法およびそれを用いたプレス成形部品の製造方法を提供する。【解決手段】成形の対象となる金属板５の材質に応じて、予め試験により割れの発生する限界表面ひずみを求めておき、金属板５を、所望の形状のプレス成形部品に成形する、プレス成形シミュレーションを行い、プレス成形部品の中で最大となる表面ひずみが、プレス成形部品の当該材質の限界表面ひずみ以上となった場合に、プレス成形部品に割れが発生すると判定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プレス成形シミュレーションにおける割れ判定方法であって、
成形の対象となる金属板の材質に応じて、予め試験により割れの発生する限界表面ひずみを求めておき、
前記金属板を、所望の形状のプレス成形部品に成形する、プレス成形シミュレーションを行い、
前記プレス成形部品の中で最大となる表面ひずみが、前記プレス成形部品の当該材質の前記限界表面ひずみ以上となった場合に、前記プレス成形部品に割れが発生すると判定することを特徴とするプレス成形シミュレーションにおける割れ判定方法。
【請求項２】
前記試験を、曲げ試験とすることを特徴とする請求項１のプレス成形シミュレーションにおける割れ判定方法。
【請求項３】
プレス成形シミュレーションにおける割れ判定方法であって、
成形の対象となる金属板の材質に応じて、予め曲げ試験により割れの発生する限界曲げ半径を求めておき、
前記曲げ試験により割れの発生する限界曲げ半径と対応づけて、前記曲げ試験を模したシミュレーションにおける最大主ひずみの計算結果を限界表面ひずみとして求めておき、
前記金属板を、所望の形状のプレス成形部品に成形する、プレス成形シミュレーションを行い、
各要素の最大主ひずみが、前記プレス成形部品の当該材質の限界表面ひずみ以上となった場合に、前記プレス成形部品に割れが発生すると判定することを特徴とするプレス成形シミュレーションにおける割れ判定方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかの判定方法を用い、割れが発生しないと判定された条件にて金属板をプレス成形して、プレス成形部品を製造することを特徴とするプレス成形部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プレス成形シミュレーションにおける割れ判定方法およびそれを用いたプレス成形部品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プレス成形は、一対の型の間に金属板を挟んで挟圧し、型の形状にならうように金属板を成形することで、所望の形状のプレス成形部品を得ようとする、代表的な金属加工方法であり、自動車や製缶などの業界をはじめ、世に広く用いられている。
【０００３】
ここで、従来から、プレス成形によって加工される金属板に成形途中で割れが生じる現象はたびたび問題視され、その解決の方法が探られてきた。
【０００４】
近年よく用いられている方法は、有限要素法を用いたプレス成形シミュレーションにより、型の形状や金属板の材質、あるいは、型や金属板の温度のほか型同士を閉塞させる速度などのプレス成形を行う際の条件をさまざまに変えてみて、割れが生じない条件を探ろうとするものである。
【０００５】
有限要素法は、例えば、特許文献１より抜粋した、図１０（ａ）に示すようなハット形部材をプレス成形する場合の例でいえば、上型３、下型４、金属板５を、図１０（ｂ）に示すように、それらを模擬した仮想的なメッシュを構成する要素群に分解した上で、プレス成形における各段階で、各要素にどれだけの応力とひずみがどの方向に作用するかを解析（シミュレーション）する方法である。
【０００６】
ここで、図１０（ｂ）の例では、二次元平面的なメッシュに要素分割しているが、三次元立体的なメッシュに要素分割する場合も多い。また、図１０（ｂ）の例のごとく、要素は、上型３、下型４を模擬した部分のように、三角形（三角柱）のものを用いる場合もあれば、金属板５を模擬した部分のように、四角形（直方体）のものを用いる場合もあるほか、図示しない六角形（六角柱）のものなどを用いる場合もある。
【０００７】
従来、有限要素法を用いたプレス成形シミュレーションでは、図１１に示す直方体要素の場合の例でいえば、各要素ｉｊｋの各節点の変位ｄｉｊｋ１〜ｄｉｊｋ８（各ベクトル）を変数とする、例えば（１）式、（２）式などで表される関数により、最大主ひずみε１、最小主ひずみε２（各スカラー）などを計算して求め、図１２に示すようなＦＬＤ（Ｆｏｒｍｉｎｇ  Ｌｉｍｉｔ  Ｄｉａｇｒａｍ）と呼ばれる成形限界線を挟んで、割れの発生する最大主ひずみε１と最小主ひずみε２の領域に、最大主ひずみε１、最小主ひずみε２がある要素で、割れが発生するもの、と判定していた。
【０００８】
ε１＝ｆ（ｄｉｊｋ１  ，ｄｉｊｋ２  ，・・・，ｄｉｊｋ８  ）          ・・・（１）
ε２＝ｇ（ｄｉｊｋ１  ，ｄｉｊｋ２  ，・・・，ｄｉｊｋ８  ）          ・・・（２）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−５５４８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、発明者らの研究によれば、以上説明した従来の方法によった場合、割れが発生するに至らない予想のときでも、実際には割れが発生してしまうケースがある。
【００１１】
本発明は、従来技術のそのような問題を解決するためになされたものであり、自動車のパネル部品、構造・骨格部品等の部品をプレス成形する際に、プレス成形シミュレーションを用いて、割れの発生有無を精度よく判定できる判定方法およびそれを用いたプレス成形部品の製造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】
【００１２】
発明者らは、鋼板を対象として研究を続けているうちに、次のような事態に遭遇した。すなわち、鋼板の材質が、引張強さにして９８０ＭＰａ級、１１８０ＭＰａ級という具合に高強度（高張力）化、硬質化するにつれ、曲げ性が低下するため、プレス成形する際に、くびれを生じずに突然割れてしまうようになる。
【００１３】
このことを、図１を用いて模式的に示す。例えば、球頭パンチを用いた張出し変形の場合、もっと低強度、軟質な金属板を対象にしていた従来は、割れは、（ｂ）に模式的に示すように、局所的なくびれが生じた後、くびれ部の板厚減少が大きくなって発生していたが、先述の、引張強さにして９８０ＭＰａ級、１１８０ＭＰａ級の鋼板のように材質が高強度（高張力）化、硬質化するにつれ、割れは、（ａ）に模式的に示すように、曲げの力が作用すると、曲げ性の限界に達したときに鋼板表面からクラックが生じて一気に進展することで発生する。
【００１４】
発明者らは、以上のように、成形の対象となる金属板の材質が高強度（高張力）化、硬質化するにつれ、プレス成形する際の、金属板の割れは、延性支配から曲げ性支配に移行することを見出した。
【００１５】
また、発明者らは、鋼板の材質が、引張強さにして９８０ＭＰａ級、１１８０ＭＰａ級という具合に高強度（高張力）化、硬質化するにつれ、プレス成形する際に、図２に示すように、上型の曲率半径Ｒよりも、鋼板に作用する力により鋼板が変形して生じる曲率半径Ｒ’の方が小さくなって鋼板が型から離れてしまう現象が一時的に起こる場合があり、この現象は有限要素法を用いたプレス成形シミュレーション上も再現することを見出した。
【００１６】
因果関係は明確でないものの、このような、鋼板の材質が、高強度（高張力）化、硬質化するにつれての、プレス成形における鋼板の変形挙動の違いも、プレス成形シミュレーションにおける鋼板の割れを精度よく判定できないことに何らかの関係がある可能性もある。
【００１７】
発明者らは、以上のような問題を解決し、有限要素法を用いたプレス成形シミュレーションにて、割れの発生の有無を精度良く判定するには、どうすべきかを考えた結果、プレス成形部品の表面のひずみが、プレス成形部品の材質の限界表面ひずみ以上となった場合に、プレス成形部品に割れが発生すると判定すると、うまく判定できることに気づいた。
【００１８】
上型の曲率半径Ｒよりも、鋼板に作用する力により鋼板が変形して生じる曲率半径Ｒ’の方が小さくなって鋼板が型から離れてしまう場合でも、上記のように、プレス成形部品の表面のひずみが、プレス成形部品の材質の限界表面ひずみ以上となった場合に、プレス成形部品に割れが発生すると判定すれば、プレス成形シミュレーションにて割れを精度よく判定できる。
【００１９】
本発明は、以上のような知見に基づいてなされたものである。すなわち、本発明は、以下の通りである。
【００２０】
（１）プレス成形シミュレーションにおける割れ判定方法であって、
成形の対象となる金属板の材質に応じて、予め試験により割れの発生する限界表面ひずみを求めておき、
前記金属板を、所望の形状のプレス成形部品に成形する、プレス成形シミュレーションを行い、
前記プレス成形部品の中で最大となる表面ひずみが、前記プレス成形部品の当該材質の前記限界表面ひずみ以上となった場合に、前記プレス成形部品に割れが発生すると判定する
ことを特徴とするプレス成形シミュレーションにおける割れ判定方法。
【００２１】
（２）前記試験を、曲げ試験とする
ことを特徴とする（１）のプレス成形シミュレーションにおける割れ判定方法。
【００２２】
（３）プレス成形シミュレーションにおける割れ判定方法であって、
成形の対象となる金属板の材質に応じて、予め曲げ試験により割れの発生する限界曲げ半径を求めておき、
前記曲げ試験により割れの発生する限界曲げ半径と対応づけて、前記曲げ試験を模したシミュレーションにおける最大主ひずみの計算結果を限界表面ひずみとして求めておき、
前記金属板を、所望の形状のプレス成形部品に成形する、プレス成形シミュレーションを行い、
各要素の最大主ひずみが、前記プレス成形部品の当該材質の限界表面ひずみ以上となった場合に、前記プレス成形部品に割れが発生すると判定する
ことを特徴とするプレス成形シミュレーションにおける割れ判定方法。
【００２３】
（４）  （１）〜（３）のいずれかの判定方法を用い、割れが発生しないと判定された条件にて金属板をプレス成形して、プレス成形部品を製造することを特徴とするプレス成形部品の製造方法。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、自動車のパネル部品、構造・骨格部品等の部品をプレス成形する際に、プレス成形シミュレーションを用いて、割れの発生有無を精度よく判定できる判定方法およびそれを用いたプレス成形部品の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に至る契機となった現象について説明するための図
【図２】本発明に至る契機となった現象について説明するための図
【図３】本発明の実施の形態について説明するための図
【図４】本発明の実施の形態について説明するための図
【図５】本発明の実施の形態について説明するための図
【図６】本発明の実施例について説明するための図
【図７】本発明の実施例について説明するための図
【図８】本発明の実施例を、鋼種Ａ、鋼種Ｂ及び鋼種Ｃについて説明するための図
【図９】本発明の実施例を、鋼種Ａ、鋼種Ｂ及び鋼種Ｃについて説明するための図
【図１０】従来技術について説明するための図
【図１１】従来技術について説明するための図
【図１２】従来技術について説明するための図
【発明を実施するための形態】
【００２６】
（第１の本発明の実施形態）本実施形態では、まず、成形の対象となる金属板の材質に応じて、予め試験により割れの発生する限界表面ひずみを求めておく。材質の指標としては、引張強さのほか、降伏強さや硬さ、曲げ性、その他も考えられる。材質に応じて求めておく、とは、例えば、引張強さの例の場合でいえば、９８０ＭＰａ級以上の金属板の場合には表面ひずみが０．５０以上、１１８０ＭＰａ級以上の金属板の場合には表面ひずみが０．２２以上になると割れが発生すると判定したり、割れが発生する表面ひずみを限界曲げ半径や引張強さの関数として表したりすることを意味するが、これらに限るものではなく、その他の方法によってもよい。
【００２７】
割れの発生する限界表面ひずみは、予め試験により求めた結果を用いるが、試験は、図３（ａ）に示すような球頭、あるいは図示しない楕円球頭を用いた張り出し試験や、図３（ｂ）に示すような、曲げ試験などを意味するが、これらに限るものではなく、その他の方法によってもよい。材質の指標として引張強さや降伏強さを用いれば、引張試験も試験に含まれ、材質の指標として硬さを用いれば、硬さ試験なども試験に含まれる。
【００２８】
そして、金属板を、所望の形状のプレス成形部品に成形する、プレス成形シミュレーションを行う。
【００２９】
さらに、プレス成形部品の表面のひずみが、プレス成形部品の当該材質の限界表面ひずみ以上となった場合に、プレス成形部品に割れが発生すると判定する。
【００３０】
（第２の本発明の実施形態）本実施形態では、第１の本発明の実施形態にて行なう試験を、曲げ試験とする。曲げ試験は、Ｖ曲げ、Ｕ曲げなど、いずれの方法を用いて行ってもよい。
【００３１】
（第３の本発明の実施形態）本実施形態では、成形の対象となる金属板の材質に応じて、予め曲げ試験により割れの発生する限界曲げ半径を求めておき、曲げ試験により割れの発生する限界曲げ半径と対応づけて、曲げ試験を模したシミュレーションにおける曲げ外側表面の最大主ひずみの計算結果を、限界表面ひずみとして求めておき、金属板を、所望の形状のプレス成形部品に成形する、プレス成形シミュレーションを行い、各要素における金属板表面位置の最大主ひずみが、プレス成形部品の当該材質の限界表面ひずみ以上となった場合に、プレス成形部品に割れが発生すると判定する。
【００３２】
経験上割れの発生の懸念される部位に予め絞り込み、その部位の要素の最大主ひずみを用いて割れ判定をしてもよい。
【００３３】
本実施形態では、第１、第２の本発明の実施形態を踏襲した上で、曲げ試験により割れの発生する限界曲げ半径と対応づけて、曲げ試験を模したプレス成形シミュレーションにおける曲げ外側表面の最大主ひずみの計算結果を、限界表面ひずみとして求めておき、金属板を、所望の形状のプレス成形部品に成形する、プレス成形シミュレーションを行い、各要素（各要素の金属板表面）の最大主ひずみが、プレス成形部品の当該材質の限界表面ひずみ以上となった場合に、プレス成形部品に割れが発生すると判定する。
【００３４】
表面ひずみと最大主ひずみとは一致する場合もあるし、そうでない場合もあるが、仮にもしそうでない場合であっても、表面ひずみと最大主ひずみとには正の相関があるため、実用上は、プレス成形シミュレーションを行った際に計算される各要素（各要素の金属板表面）の最大主ひずみを、表面ひずみとし、当該最大主ひずみが、プレス成形部品の当該材質の限界表面ひずみ以上となった場合に、プレス成形部品に割れが発生すると判定して差し支えない。
【００３５】
一般に、金属板のプレス成形シミュレーションでは、板厚方向の応力は無視できるため、板厚方向に要素分割をしないシェル要素を用い、板厚中央位置を連ねてできる仮想的な形状でシミュレーションする。
【００３６】
図４に示すように、各要素内に応力やひずみを計算するための点（積分点）が設定され、図示していないが、板厚方向にも板厚等分位置に積分点が設定される。
【００３７】
各積分点にて最大主ひずみが計算されるが、本発明における表面ひずみとは、金属板表面の積分点にて計算された最大主ひずみの平均値、図中の記号で説明すると、ｄｓ１〜ｄｓ４の平均値である。なお、積分点の数や位置は、シミュレーションに用いる要素の種類によって決まる。
【００３８】
本実施形態の一例の場合を例に、その流れを、図５に示すフロー図にて、以下、説明する。
【００３９】
図５中、枠で囲った部分が、割れの発生する限界表面ひずみを求めるための、予め試験を行うフローの部分である。それ以外が、プレス成形シミュレーションあるいはそれに付随する計算にて処理するフローの部分である。
【００４０】
ここでの例では、成形の対象となる金属板の材質を、例えば、ある特定の、引張強さ１１８０ＭＰａ級の鋼板というように固定し、予め９０度Ｖ曲げ試験により割れの発生する限界曲げ半径を求めておく。
【００４１】
そして、上記試験と材質や板厚などの条件を同じにして、同じ９０度Ｖ曲げ試験について、有限要素法を用いたシミュレーションを行い（Ｓｔｅｐ１００）、上記試験にて求めた限界曲げ半径における、シミュレーションによる表面ひずみを計算して（Ｓｔｅｐ１１０）、限界表面ひずみ（Ａ）として求める（Ｓｔｅｐ１２０）。この場合、限界表面ひずみ（Ａ）は、最大主ひずみに一致する。
【００４２】
以上の結果をもとに、所望の形状のプレス成形部品に成形する場合の３次元プレス成形シミュレーションを、上記９０度Ｖ曲げ試験のシミュレーションを行ったのと同じ有限要素法解析ソフトを用いて行い（Ｓｔｅｐ２００）、該３次元プレス成形シミュレーションによって、最大主ひずみ（Ｂ）を求めるようにする（Ｓｔｅｐ２１０）。
【００４３】
なお、ここでは、最大主ひずみ（Ｂ）は、経験上割れの発生の懸念される部位を構成する各要素の最大主ひずみのうち、最大のものを、最大主ひずみ（Ｂ）として求める。
【００４４】
そして、最大主ひずみ（Ｂ）が、プレス成形部品の当該材質の限界表面ひずみ（Ａ）以上となった場合に、プレス成形部品に割れが発生すると判定し、最大主ひずみ（Ｂ）が、プレス成形部品の当該材質の限界表面ひずみ（Ａ）未満となった場合は、プレス成形部品に割れが発生しないと判定する（Ｓｔｅｐ２２０）。
【００４５】
（第４の本発明の実施形態）本実施形態では、第１乃至第３の本発明の割れ判定結果を用いて金属板をプレス成形する。すなわち、割れが発生すると判定された、金属板の材質や型の形状にては、プレス成形部品を製造しないようにし、プレス成形シミュレーションにてそれら条件を変更して、割れが発生しないと判定された条件にて金属板をプレス成形して、プレス成形部品を製造するようにする。
【実施例】
【００４６】
表１に示す１１８０ＭＰａ級材の３鋼種を用いて、図６（ａ）に示すように９０度Ｖ曲げ試験を曲げ半径を種々変更して行い、限界曲げ半径（割れが発生する最大の曲げ半径）を求め、さらに同条件でシミュレーションを行って、同シミュレーションによる曲げ先端外側に生ずる表面ひずみの計算結果と対応づけた結果（「曲げ半径Ｒ／板厚ｔ」との関係で整理した結果）を、図６（ｂ）に示す。
【００４７】
【表１】
2012011458.tif 000003
【００４８】
なお、曲げ試験における試験片の寸法は、３０ｍｍ幅×１００ｍｍ長とし、有限要素法解析ソフトとしては、ＬＳ−ＤＹＮＡ  Ｖｅｒ９．７１（Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ  Ｓｏｆｔｗａｒｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ；ＬＳＴＣ社製）を用い、板厚方向へのメッシュ分割は行わずに１メッシュとした。
【００４９】
その結果、鋼種Ａ、Ｂ、Ｃの限界表面ひずみはそれぞれ０．２２、０．１６５、０．２０と計算された。
【００５０】
以上の結果をもとに、上記と同じ材質、板厚の鋼板を、図７に示すセンターピラー上部のルーフレールと接続する部分の形状に成形する場合の３次元プレス成形シミュレーションを、上記９０度Ｖ曲げ試験のシミュレーションを行ったのと同じ有限要素法解析ソフトを用いて行い、該３次元プレス成形シミュレーションによって、鋼板表面の最大主ひずみを求めるようにした。
【００５１】
また、図８に示すようなＦＬＤ（Ｆｏｒｍｉｎｇ  Ｌｉｍｉｔ  Ｄｉａｇｒａｍ）と呼ばれる成形限界線を挟んで、割れの発生する最大主ひずみε１と最小主ひずみε２の領域に、最大主ひずみε１、最小主ひずみε２がある要素で、割れが発生するもの、と判定していた従来の方法によった場合と、本発明によった上記の場合とで、どれだけ、割れが発生すると判定した結果が実際と違うか、を図９に示す。
【００５２】
図９に示すように、鋼種Ａの場合、従来の方法によった場合は、下死点から５ｍｍの位置まで上型を下降させてはじめて割れが発生すると判定されたが、本発明によった上記の場合は、下死点から１１ｍｍの位置まで上型を下降させた段階で割れが発生すると判定された。
【００５３】
実際にプレス成形する実験を行ってみると、下死点から１２ｍｍの位置まで上型を下降させた段階で割れが発生し、本発明によった上記の場合の方が、精度よく割れを判定できることがわかる。
【００５４】
本発明の方法の場合、下死点からの距離が１１ｍｍまでは、鋼板表面の最大主ひずみが限界表面ひずみ（０．２２）以上となり（下死点からの距離が１１ｍｍで鋼板表面の最大主ひずみが０．２２４）、下死点からの距離が１１ｍｍ超えでは、鋼板表面の最大主ひずみが限界表面ひずみ（０．２２）未満であった（下死点からの距離が１２ｍｍでは、鋼板表面の最大主ひずみが０．２１１）。
【００５５】
また、鋼種Ｂについても同様の結果であり、従来の方法によった場合は、下死点から８ｍｍの位置まで上型を下降させた段階で割れが発生すると判定された。
【００５６】
実際にプレス成形する実験を行ってみると、下死点から１３ｍｍの位置まで上型を下降させた段階で割れが発生し、本発明によった上記の場合の方が、精度よく割れを判定できることがわかる。
【００５７】
更に鋼種Ｃの場合、従来の方法によった場合は下死点から６ｍｍの位置まで上型を下降させた段階で割れが発生すると判定された。
【００５８】
実際にプレス成形する実験を行ってみると、下死点から１３ｍｍの位置まで上型を下降させた段階で割れが発生し、本発明によった上記の場合の方が、精度よく割れを判定できることがわかる。以上のように、本発明による割れ判定の精度は、曲げ性が低い鋼ほど従来の方法による割れ判定よりも精度が向上することが分かる。
【００５９】
以上の通りであるが、本発明は、上記実施例の方法に限られるものではない。例えば、上記実施例は、引張強さ９８０ＭＰａ級以上の鋼板（１１８０ＭＰａ級の鋼板）を対象にしており、本発明は、特にこのような引張強さの鋼板のプレス成形に適用することが好ましいが、これに限るものではなく、引張強さ９８０ＭＰａ級未満の鋼板、あるいは、鋼板以外の金属板に適用することも、何らこれを妨げる事情はない。
【００６０】
また、上記実施例は、図７に示す形状のプレス成形部品に成形する場合を対象にしているが、本発明は、図７に示す形状以外のプレス成形部品に成形する場合にも適用できる。
【符号の説明】
【００６１】
３  上型
４  下型
５  金属板（鋼板）
【図１】
2012011458.tif 000004
【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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