(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工板のダイキャビティ内への流入を制御するビード部が板押さえ部に形成された成形金型を用いて前記板押さえ部に押付力が付加された状態で被加工板をプレス成形する際の、前記被加工板の弾塑性変形量を前記ビード部を通過する被加工板の引抜力に基づいて計算する成形シミュレーション法における、前記引抜力を前記押付力から算出する際に用いられる見かけの摩擦係数の決定方法であって、
前記被加工板における接触面圧と摩擦係数との関係を予め実測により求め、
前記成形金型のビード部の、被加工板の成形時の流れ方向とプレス方向とを含む横断平面における断面形状と同様の断面形状を有するビード部が形成されたビード金型を想定し、このビード金型に付加された押付力に対してそのビード部を通過する被加工板の各部に生じる接触面圧を算出し、
算出された各部の接触面圧に対して実測により求められた摩擦係数を適用して前記ビード金型のビード部を通過するのに要する被加工板の引抜力を算出し、
前記引抜力を前記押付力で除して見かけの摩擦係数を決定する、成形シミュレーション法に適用する見かけの摩擦係数決定方法。
【請求項２】
実測により求められた接触面圧と摩擦係数との関係から両者の関係式を求め、ビード金型のビード部を通過する被加工板の引抜力を算出する際に、被加工板の各部に生じる接触面圧に対して前記関係式から算出された摩擦係数を適用する、請求項１に記載した見かけの摩擦係数決定方法。
【請求項３】
被加工板のダイキャビティ内への流入を制御するビード部が板押さえ部に形成された成形金型を用いて前記板押さえ部に押付力が付加された状態で被加工板をプレス成形する際の、前記被加工板の弾塑性変形量を前記ビード部を通過する被加工板の引抜力に基づいて計算する成形シミュレーション法において、前記引抜力は前記押付力に見かけの摩擦係数を掛けて算出され、前記見かけの摩擦係数として請求項１または２に記載した見かけの摩擦係数決定方法によって決定された見かけの摩擦係数を適用する、成形シミュレーション法。
【請求項４】
成形金型はビード部の断面形状あるいは押付力が異なる複数の板押さえ部を備え、各板押さえ部ごとにビード部に対する見かけの摩擦係数として請求項１または２に記載した見かけの摩擦係数決定方法によって決定した見かけの摩擦係数を適用する、請求項３に記載した成形シミュレーション法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、自動車車体パネル等のプレス成形において、被加工板の成形状態を予測計算する成形シミュレーション法および同法に適用する見かけの摩擦係数の決定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車車体パネルなどのプレス成形部品の成形過程において、破断やしわの発生などの不良現象の発生の有無を予測計算するとともに、成形不良が生じないように前記予測計算結果を成形金型の製作に反映させるため、主として有限要素法による３次元成形シミュレーションが行われるようになってきた。
【０００３】
一方、一般的に、材料流入量やダイキャビティ内における被加工板に働く張力を制御するため、成形金型の板押さえ部に、被加工板を波形状に変形させながら通過させるビード部が設けられる。
プレス成形加工の実プロセスにおいて、前記ビード部における被加工板の流入制御は極めて重要であり、流入量を制限し過ぎると破断の原因に、また流入量が過剰になるとしわの原因となる。また、成形品の形状によっても流入量を微妙に制御することが要求される場合がある。これらの制御を精度良く行うためには、成形シミュレーションにおいて、ビード部における被加工板に作用する押付力に対する引抜力を正確に算出することが重要である。
【０００４】
従来の成形シミュレーションでは、ビード部通過時の板変形をそのまま計算すると計算時間が膨大になるため、被加工板がビード部を通過する際の摩擦係数を大きめの値（この大きめの値に設定した摩擦係数を「見かけの摩擦係数」と呼ぶ。）を用いることとし、ビード部を通過するのに要する引抜力を被加工板の押付力に見かけの摩擦係数を掛けることによって簡易的に算出している。すなわち、被加工板がビード部を通過するのに要する引抜力は、ビード部と被加工板の接触に伴う摩擦力と、ビード部の形状に沿って変形（曲げ曲げ戻し変形）するのに要する力とによって構成されるが、後者の変形力の計算には多大な時間を要するため、変形に要する力を見かけの摩擦係数に含めて計算することとしている。この見かけの摩擦係数は、物性値の異なる被加工板ごとに推定されたり、簡便な試験によって実測されたりするが、通常、成形シミュレーションの際には２乃至３水準の少数の定数が使用される。
【０００５】
一方、特開平１０−１４６６９７号公報には、シミュレーションに先立って加工実験を行い、この加工実験から製品の板厚分布を測定しておき、金型と材料との摩擦係数を０．３より小さい範囲で金型の部位ごとに連続的に変化させて第１回目のシミュレーションを行い、実験による板厚の測定値とシミュレーションによる板厚の測定値との差が最小となる摩擦係数を求め、次のシミュレーションにはこの摩擦係数を適用する成形シミュレーション法が記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように従来の手法では、ビード部を通過する際の抵抗は、非常に曖昧なものとして扱われており、成形シミュレーションの予測精度を劣化させる原因となっている。すなわち、成形シミュレーションで使用される見かけの摩擦係数には、摩擦係数に影響を与える接触面圧、被加工板の材質が考慮されていないため、成形シミュレーションの結果と実プレス加工における不良発生状況とが大きく異なるようになる。このため、シミュレーション結果を基にして行う金型設計、金型の製作から実プレス試験の結果による型調整などの工程・手間が増え、結果として成形金型の製作コスト高を招来し、さらに得られた成形金型の成形精度についてもばらつきが生じる。
【０００７】
また、前記公報に記載の成形シミュレーション法では、摩擦係数が接触面圧や降伏応力などの材料（素板）の物性に依存して変化することが考慮されておらず、シミュレーションの前に予め行われる加工実験の結果とシミュレーションの計算結果との誤差が最小となるように計算で用いる材料定数の合わせ込みを行っているだけである。このため、この成形シミュレーション法では、材料物性や成形金型の形状が異なる度に実際に製作した成形金型を用いて加工実験を行わなければならず、結局、成形金型の製作に成形シミュレーション結果を反映させることができない。
【０００８】
本発明はかかる問題に鑑みなされたもので、成形シミュレーションにおいて被加工材がビード部を通過するのに要する引抜力を押付力から正確に計算することができる、見かけの摩擦係数の決定方法を提供することを目的とする。また、他の目的として、前記決定方法によって決定された見かけの摩擦係数を用いることによって、実際に成形金型を製作することなく、精度の高い成形状態を予測することができる成形シミュレーション法を提供する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の見かけの摩擦係数決定方法は、被加工板のダイキャビティ内への流入を制御するビード部が板押さえ部に形成された成形金型を用いて前記板押さえ部に押付力が付加された状態で被加工板をプレス成形する際の、前記被加工板の弾塑性変形量を前記ビード部を通過する被加工板の引抜力に基づいて計算する成形シミュレーション法における、前記引抜力を前記押付力から算出する際に用いられる見かけの摩擦係数の決定方法であって、前記被加工板における接触面圧と摩擦係数との関係を予め実測により求め、前記成形金型のビード部の、被加工板の成形時の流れ方向とプレス方向とを含む横断平面における断面形状と同様の断面形状を有するビード部が形成されたビード金型を想定し、このビード金型に付加された押付力に対してそのビード部を通過する被加工板の各部に生じる接触面圧を算出し、算出された各部の接触面圧に対して実測により求められた摩擦係数を適用して前記ビード金型のビード部を通過するのに要する被加工板の引抜力を算出し、前記引抜力を前記押付力で除して見かけの摩擦係数を決定する。
この見かけの摩擦係数決定方法において、実測により求められた接触面圧と摩擦係数との関係から両者の関係式を求め、ビード金型のビード部を通過する被加工板の引抜力を算出する際に、被加工板の各部に生じる接触面圧に対して前記関係式から算出された摩擦係数を適用することができる。
【００１０】
また、本発明の成形シミュレーション法は、被加工板のダイキャビティ内への流入を制御するビード部が板押さえ部に形成された成形金型を用いて前記板押さえ部に押付力が付加された状態で被加工板をプレス成形する際の、前記被加工板の弾塑性変形量を前記ビード部を通過する被加工板の引抜力に基づいて計算する成形シミュレーション法であって、前記引抜力は前記押付力に見かけの摩擦係数を掛けて算出され、前記見かけの摩擦係数として前記見かけの摩擦係数決定方法によって決定された見かけの摩擦係数を適用する。
この成形シミュレーション法において、成形金型にビード部の断面形状あるいは押付力が異なる複数の板押さえ部を備える場合、各板押さえ部ごとにビード部に対する見かけの摩擦係数として前記見かけの摩擦係数決定方法によって決定した見かけの摩擦係数を適用することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図７に示したＵ形部材５１のプレス成形に即して本発明を説明する。
前記Ｕ形部材５１は端部にフランジ５２，５２が形成されたＵ字形状の横断面を有しており、図４に示す成形金型１５によってプレス成形される。この成形金型１５は、ダイ１３と、パンチ１１と、ダイ１３の板押さえ面に付勢するように設けられた押さえ板１７とを有し、前記ダイ１３の板押さえ面にはビード部１６の一方を構成する凹部１４が、押さえ板１７の板押さえ面にはビード部１６の他方を構成する凸部１２が形成されている。前記凹部１４と凸部１２とによってビード部１６が構成される。なお、ダイ１３の板押さえ面、押さえ板１７の板押さえ面およびビード部によって板押さえ部が構成される。
【００１２】
図６は本発明の成形シミュレーション法を実施するための手順を示す主フローチャートであり、摩擦係数の接触面圧に対する依存性を実測により求める事前測定と、見かけの摩擦係数を決定する見かけの摩擦係数決定計算と、その計算結果を用いて成形シミュレーション法を実行する成形シミュレーション計算とに大別される。なお、事前測定データおよび各計算を実行するプログラムはコンピュータの記憶装置に記憶され、これを実行することによって本発明は実施される。
【００１３】
本発明を実施するには、先ず、事前測定（Ｓ１）として摩擦係数の接触面圧に対する依存性を実測により求める。すなわち、被加工板に付加される押付力によって生じる接触面圧と摩擦係数との関係を予め実験的に求める。ここで前記依存性を求めるに至った経緯を説明する。
【００１４】
本発明者は成形金型のビード部を通過する被加工板の各部の面圧は一定でなく、さらに摩擦係数も接触面圧によって変化することに着目した。接触面圧によって摩擦係数が変化する理由は以下のように説明される。被加工板や成形金型の表面には微小な凹凸が形成されており、その凹部には潤滑油が溜まる。この潤滑油が溜まった凹部は「ミクロプール」と呼ばれる。ミクロプールでは、高面圧で被加工板と金型とが接触した際に、潤滑油に静水圧効果が生じ、摩擦係数を低減させる。被加工板の降伏強度が低い場合、表面の凹凸が塑性変形を起こし易く、ミクロプールに静水圧効果が生じ易い。このため、特に被加工板の降伏強度は、接触面圧による摩擦係数の変化を左右する重要な要因となる。従って、プレス成形に用いられる被加工板に対して、その板材の面圧と摩擦係数との関係を正確に把握しておくことが、成形シミュレーションにおけるビード部での予測計算に使用される見かけの摩擦係数を正確に決定する際の基礎データとなる。
【００１５】
図１は、降伏強度（ＹＰ）の異なる鋼板を用いて高面圧摺動試験により実測された接触面圧と摩擦係数との関係を示す図である。同図から明らかなように、降伏強度、接触面圧によって摩擦係数は大きく相違し、低降伏強度材では１５０ＭＰａ当たりで急激に摩擦係数が低下する。これは、先に述べたように、鋼板の表面に塑性変形が生じてミクロプールが静水圧効果を奏するようになるからである。さらに面圧が増加するとミクロプールが圧壊され、静水圧効果が消失するようになるため、摩擦係数も上昇する。
【００１６】
次に、実測により求められた接触面圧と摩擦係数との関係に基づいて、材質（降伏強度）毎に接触面圧をパラメータとする摩擦係数の近似式を導出する（Ｓ２）。例えば、図１に示す降伏強度の各鋼板に対して、各々摩擦係数μを接触面圧ｐの関数として表すことができるが、ここでは、下記式(1) に示すようにμをｐ（ＭＰａ）および降伏強度ＹＰ（ＭＰａ）の関数（近似式）μ＝ｆ（ｐ，ＹＰ）として表した。実測したデータをかかる関係式に整理しておくことで、後述するビード金型のビード部を通過する際の引抜力を容易に計算することができる。図１は降伏強度の異なる２種の鋼板について示すものであるが、より多くの降伏強度の異なる板材についてμ＝ｆ（ｐ，ＹＰ）の近似式を求めることができる。なお、下記式(1) 中のＡは実測値に適合させるための定数であり、通常、０．８〜１．２の値の数値が選定される。Ａ＝１として計算した結果を図２に示す。
0003939582.tif 000002
【００１７】
次ぎに、設計、計画する成形金型１５のビード部１６と、被加工板Ｗの流れ方向（ダイキャビティへの流入方向）と加圧方向とを含む平面（「横断平面」と呼ぶ。）における断面（「横断面」と呼ぶ。）形状が同一のビード部が形成されたビード金型を想定する（Ｓ３）。すなわち、図３に示すように、被加工板Ｗの流れ方向と垂直な方向に沿って凸部２が板押さえ面に直線状に形成された下型１と、前記凸部２に対応してこの凸部２を噛み合わせ状に装入することができる凹部４が板押さえ面に直線状に形成された上型３とからなるビード金型５を想定する。前記凸部２と凹部４とによってビード部６が構成され、凸部２と凹部４との間に被加工板Ｗが部分的に接触した状態で挟持される。この場合、成形金型１５における被加工板Ｗのダイキャビティへの流入方向は、図３のビード金型５における被加工板Ｗの引抜方向に対応し、被加工板のビード部における接触条件は成形金型とビード金型とで同じになる。
【００１８】
次ぎに、計画中の成形金型１５の金型条件（ビード長さ）、被加工板の形状・材質条件（板厚、応力・歪線図）、プレス条件（板押さえ部の押付力Ｐ）等のデータに基づき、ビード金型５のビード部６に挟持された被加工板Ｗを押付力Ｐで加圧した状態で、被加工板Ｗをビード部６から引き出すのに要する引抜力Ｆを算出し、見かけの摩擦係数＝Ｆ／Ｐを求める（Ｓ４）。この引抜力Ｆの算出は、有限要素法によって簡単に行うことができる。概念的には、有限要素法によりビード金型５のビード部６に当接する被加工板Ｗの各部に生じる接触面圧を算出し、この算出された面圧に対応して前記関係式から摩擦係数を算出し、各部における接触面圧と対応する摩擦係数との積、すなわち被加工板Ｗを単位長さのビード部６を通過させる際に生じる単位摩擦力を算出するとともにビード部６を通過する際の単位長さ当たりの曲げ曲げ戻し変形に要する単位変形力を求め、この単位摩擦力および単位変形力のビード長さにおける総和を求めることによって引抜力Ｆが算出される。なお、上記説明では、接触面圧に対応する摩擦係数を関係式から求めるようにしたが、実測された接触面圧と摩擦係数との対応関係から、所期の面圧に対応する摩擦係数を選択して、あるいは実測値を補間して求めるようにしてもよい。
【００１９】
図５は、ビード金型５に付加された押付力に対して算出された被加工板（降伏強度：１４３ＭＰａ）の引抜力（●）と、想定したビード金型を実際に製作し、これを用いて押付力に対して実測された引抜力（■）との関係をを示す図であり、両者は良好な一致を示している。なお、図５には一定値の摩擦係数を用いて算出した引抜力（▲）も併記した。
【００２０】
上記の説明は、成形品が比較的簡単な形状をしており、成形金型のビード部も１種類の単純な直線形状をしているが、複雑形状の成形品では成形形状を制御するために、ビード部の横断面形状あるいは押付力が異なる複数の板押さえ部が計画される場合がある。このような場合には、成形金型の各々の板押さえ部に対して、同部に設けられたビード部と同形状のビード部を有するビード金型を想定し、各押さえ部のビード部ごとに付加される押付力に基づいて見かけの摩擦係数を求めればよい（Ｓ５）。
【００２１】
次に、上記見かけの摩擦係数計算によって算出された見かけの摩擦係数を三次元プレス成形加工における成形シミュレーション計算に適用する（Ｓ６）。すなわち、有限要素法を用いた成形シミュレーションにおいて、板押さえ面をビード部の無い平坦面と仮定し、この面における摩擦係数として前記見かけの摩擦係数を適用し、被加工材がビード部を通過する際の引抜力を、見かけの摩擦係数を有する前記平坦板押さえ面を通過する際の引抜力として求める。もちろん、成形シミュレーション計算を行うには、計算機に摩擦係数（本発明ではこの摩擦係数として前記見かけの摩擦係数が適用される。）のほか、金型条件（成形部の形状、ビード部長さ）、被加工板の形状・材質条件（サイズ、板厚、応力・歪線図）、プレス条件（板押さえ部の押付力、成形速度）等のデータを入力し、これらのデータに基づいて、プレス成形の開始から完了まで単位時間毎の引抜力を求め、逐次算出される引抜力に基づいて被加工板の成形状態、すなわち被加工板の形状、歪分布、応力分布などの被加工板各部の物理的特性が逐次算出される。なお、板押さえ部に横断面形状が異なるビード部がある場合、あるいはビード部の横断面形状が同じでも押付力が異なる板押さえ部がある場合、先に述べたように各板押さえ部ごとに見かけの摩擦係数を求め、各板押さえ部にその値を適用する。
【００２２】
上記のようにビード金型５のビード部６を通過する被加工板の各部に生じる接触面圧に基づいて引抜力Ｆを算出し、この引抜力Ｆを押付力Ｐで除すことによって算出された見かけの摩擦係数（Ｆ／Ｐ）は、実測によって得た見かけの摩擦係数と非常に近似した値を取る。従って、前記算出された見かけの摩擦係数を成形シミュレーションに適用することにより、成形シミュレーションの予測精度を向上させることができ、成形シミュレーションの予測精度を向上させることができる。
【００２３】
この成形シミュレーション法による計算結果は、プレス成形に供される成形金型の設計並びに被加工板や成形条件の選定、設定に利用される。成形金型の設計に利用する場合、成形金型を設計、計画した後、金型を実際に製作する前に、成形シミュレーションを実行し、その計算結果から成形状態に問題のある部位が認められたとき、計画された成形金型の形状を修正し、再度、成形シミュレーションを実行する。かかる修正作業を成形状態に不具合が無くなるまで繰り返して行い、成形不具合が生じない成形金型を設計する。このようにして設計、製作された成形金型は、ほとんど修正なしで、あるいは軽微な修正を金型に施す程度で製品の成形に使用することができる。このため、従来のように、設計した成形金型を製作し、これを用いて成形実験を行い、その結果によって金型を大幅に修正する、場合によっては再加工するというような、製作調整期間の長期化や製作コスト高を防止することができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によって決定された見かけの摩擦係数を、成形シミュレーション法における、被加工板が成形金型のビード部を通過するのに要する引抜力の計算に適用することによって、引抜力を高精度に予測計算することができ、このため成形金型による成形実験を行うことなく、成形シミュレーションの予測精度を向上させることができる。また、かかる成形シミュレーション結果を利用することによってプレス成形に供する成形金型の調整期間の短縮、製作コストの低減、成形精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実測による摩擦係数と接触面圧との関係を示すグラフである。
【図２】実測データに基づいて得られた関係式により算出した摩擦係数と接触面圧との関係を示すグラフである。
【図３】ビード金型の斜視図である。
【図４】Ｕ形部材の成形金型の一例を示す要部断面模式図である。
【図５】ビード金型に付加した押付力と、被加工材がビード部を通過するのに要する引抜力との関係を示すグラフである。
【図６】本発明にかかる見かけの摩擦係数決定方法を含む成形シミュレーション法の実行手順を示す主フローチャートである。
【図７】実施形態における成形対象のＵ形部材を示す斜視図である。
【符号の説明】
５  ビード金型
６  ビード部
Ｐ  押付力
Ｆ  引抜力
Ｗ  被加工板
【図１】
0003939582.tif 000003
【図２】
0003939582.tif 000004
【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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