平成２０年度

佐賀県工業技術センター

研究報告書

多軸精密制御による次世代型プレス機及び金型の研究開発－幾何学的精度向上のためのプレス機剛性向上技術の開発－
生産技術部
田中 徹
材料環境部
川上雄士
森鉄工株式会社
森孝信

近年，自動車産業は自動車の高速走行での安全対策やコスト削減など様々な課題に直面している．なかでも，同じ部品を大量に生産する際，鋳造や切削加工に比べて生産時間と生産コストを大幅に削減することができるため，プレスによるせん断加工が多く採用されている．さらに，製品の高精度化への要求も厳しくなっていることからファインブランキング加工が利用されている．しかし，ファインブランキング加工においても，プレス機本体の強度が製品精度に大きく影響を及ぼすため，変形を抑える剛性の高いプレス機を開発することが必要である．本研究では，実際のファインブランキングプレス機のひずみ測定実験を実施し，その実験結果と構造解析システムを用いた FEM 解析結果の比較検討を行ってファインブランキングプレス機の設計における FEM 解析の有効性を確認した．

１．はじめに従来から自動車部品は，プレス機による打ち抜き加工が使われているが，近年，ファインブランキング（以下 FB と言う）プレス加工が破断面の輪郭部におけるダレ・バリ・バルジ（盛上がり）などの発左上横右上横左下横右下横

生が少ないことから，多くの自動車関連企業で採用されている．しかし，より高精度な製品を成形するためには，プレス機の剛性を高めて製品精度に及ぼす変形の影響を最小限に抑えることが必要である．
プレス機のフレームは成形時に変形することは避けられず，特に偏心荷重についてはその変形が増大し，製品の平行度，直角度に大きく影響する 1)．
本研究は，FB プレス機の本体フレームの FEM 解析による結果を検討することにより，複合成形加工において偏心荷重による変形を抑える，剛性の高いFB プレス機のフレーム構造を実現することを目的としている．
本報告では，森鉄工株式会社で製作の FB プレス機について，ひずみ測定実験を実施し，その実験結果と FEM による解析結果との比較検討を行って，FB プレス機の設計開発における FEM の有効性を確認した．
２．FB プレス機フレームのひずみ測定実験
2.1 実験方法
実験には森鉄工株式会社製の 5000[kN]の FB プレ

図1

5000[kN]の FB プレス機とひずみ測定位置ス機を使用し，図１に示すようにプレス機の左右の柱の上側および下側の４ヵ所に共和電業製のひずみゲージ（KFG-5-120-D17-11）を貼り，プレス機に偏‑５５‑平成２０年度

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研究報告書

心荷重を作用させた時のフレームのひずみ量を測定した．
また，実験の際の測定データは，共和電業製のデータロガーPCD-300 を用い，サンプリング周波数10[Hz]でパソコンに収集した．

(2) 材料物性
FEM 解析モデルで用いる材料は一般構造用圧延鋼板（SS400）とし，FEM 解析に使った物性値として弾性係数は 206000[MPa]，ポアソン比は 0.3 に設定した．

本実験では，ひずみゲージを柱の上下方向に貼付けてひずみ量を測定し，材料が弾性領域内であることからフックの法則を適用して柱の上下方向の応力値を算出した．
2.2 実験条件
本実験は，偏心荷重を作用させた場合の条件で実前後方向を対称フレーム施した．その時の条件を表１に示す．
表１
対象プレス機偏心量

実験条件（偏心荷重）

スライド

5000[kN]FB プレス

作用面圧

実験方法

ひずみゲージによるひずみ測定

測定個所

プレスフレーム前面側の柱の左右上下４ヵ所

荷重負荷方法ボルスター間にφ370 の円柱を設置し荷重を作用させた．

荷重条件

1000[kN]，1500[kN]，2000[kN]

偏心位置

プレス機に向かって左へ 100[mm]Y下面を上下方向固定
図２

X

FB プレス機の FEM 解析モデル（偏心荷重）
表２３．FB プレス機フレームの FEM シミュレーション
3.1 ハードウェア
ハードウェアは，HP 製 Work-Station xw 8400 （財団法人 JKA 平成 18 年度補助物件）を使用した．
3.2 ソフトウェア

Z

解析条件（偏心荷重）

対象プレス機5000[kN]FB プレス

解析タイプ

線形静解析
対称条件：対称面の全面に設定

境界条件

FEM 解析を行うためのソフトウェアは，ミッドレンジ構造解析システム COSMOSWorks2008 を用い，解析用の３次元モデル作成には SolidWorks2008 を使用した．
3.3 FEM 解析モデル
今回の FEM シミュレーションに使用した FEM 解

拘束条件：プレス下面を固定
荷重条件：5000[kN]相当の圧力接触条件

スライドとフレーム間を接触とし，摩擦は無視した．

荷重条件

1000[kN]，1500[kN]，2000[kN]

偏心位置

プレス機に向かって左へ 100[mm]析モデルを図２に示す．解析モデルは，FB プレス機の前側半分を３次元ソリッドモデルとして作成し，スライドと上部シリンダはそれぞれ一体部品の３次元ソリッドモデルとして作成した．また，FEM 解析に使用する要素サイズは 90[mm]の四面体要素を適用した．

４．結果および考察
図３に 5000[kN]の FB プレス機のひずみ測定実験によって得られた応力データの一例を示す．図３のグラフは，横軸にプレス機による偏心荷重の目標値を 1000[kN]，1500[kN]，2000[kN]と変化させた時の実際の測定値を示している．また，縦軸には偏心荷3.4 解析方法
(1) 解析条件
FEM シミュレーションの解析条件は FB プレス機のひずみ測定実験と同じ条件で実施した．その時の条件を表２に示す．

重を作用させた時の柱の上下（Y）方向の応力σと森鉄工株式会社の基準許容応力σal との比を示している．
こ こ で は ， 偏 心 荷 重 を 1000[kN] ， 1500[kN] ，2000[kN]と段階的に保持しながらひずみデータを収‑５６‑

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集しており，図３のグラフでも保持している間の応力比（σ/σal）はほぼ一定となっている．また，プレス機へ偏心荷重を作用させた場合の応力比は荷重を左側へ偏心させているため，左下の応力比が最も高く，右上，左上，右下の順に小さくなっている．

左下横右下横左上横右上横ンの結果を比較すると，いずれの結果も応力比は荷重が増加するにしたがって増加しており，その増加傾向もほぼ一致している．また，いずれの結果においてもひずみ測定実験と FEM シミュレーションの応力比がほぼ一致している．このようなことから，

12.0
左下横【FEM】
右下横【FEM】
左上横【FEM】
右上横【FEM】

6.010.04.0

応力比（σ/σal） [%]応力比（σ/σal） [%]

8.0

研究報告書

FB プレス機の設計において，FEM 解析が有効であることが確認でき，設計開発支援ツールとして FEM解析は活用可能であると考えられる．

12.010.0

佐賀県工業技術センター

2.00.01165

1180

1581

1629

2039

2046

プレス荷重 [kN]

図３

左下横【実験】
右下横【実験】
左上横【実験】
右上横【実験】

8.06.04.02.0

ひずみ測定実験による実験データ

0.0950次に，5000[kN]の FB プレス機に偏心荷重を作用させた時の，FEM シミュレーションにより得られたプレスフレームの上下（Y）方向の応力分布を図４に示す．

1150

1350

1550

1750

1950

プレス荷重 [kN]

図５

実験結果と解析結果の比較

５．おわりに5000[kN]の FB プレス機において偏心荷重が作用した時の応力について，ひずみ測定による実験と構造解析システムによる FEM 解析を行って，実験と解析の結果を比較検討した結果以下のことがわかった．
(1) プレス機に向かって左側 100[mm]の位置へ偏心荷重を作用させた場合，プレスフレームの柱の上下方向の応力比は左下が最も高く，右上，左上，右下の順に小さくなる．
(2) ひずみ測定実験と FEM シミュレーションの結果は同様の傾向を示しており，応力比もほぼ一致し
図４

FEM シミュレーションの結果（Y 方向応力分布）

図４の結果から，Y 方向の応力の分布は右側の柱よりも左側の柱の方が高い応力が分布しており，ひずみ測定実験の結果と同様に左下の応力が最も高くている．
(3) FB プレス機の設計において FEM 解析が有効であり，設計開発支援ツールとして FEM 解析は活用可能である．
最後に，本研究の一部は経済産業省の平成 20 年度
戦略的基盤技術高度化支援事業により支援を受けてなっている．
実施したことを付記し，謝意を表する．
また，偏心荷重を 1000[kN]から 2000[kN]まで変化させた時のひずみ測定実験による実験結果と FEM
参考文献
シミュレーションによる結果をあわせて図５に示す．
1) 日本塑性加工学会編塑性加工入門，コロナ社(2007)
このひずみ測定実験の結果と FEM シミュレーショ

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