JP2008040588A - 形状予測装置と形状予測方法とそのためのコンピュータプログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の形状予測装置は、粗材の形状を複数の微小要素によりモデル化した3次元形状データを入力する手段と、粗材の各微小要素に発生している内部応力を入力する手段と、切削加工時の切削条件を入力する手段と、入力された粗材の3次元形状データと切削条件を用いて、その切削条件で粗材を切削加工したときの切削範囲を算出する第1シミュレーション手段と、算出された切削範囲を用いて粗材の3次元形状データを修正する手段と、修正された3次元形状データと入力された内部応力を用いて、内部応力が作用するときの切削加工後の粗材の3次元形状データを算出する第2シミュレーション手段とを有する。
【選択図】図2
Description
このような形状予測装置は、粗材の形状を複数の微小要素によりモデル化した3次元形状データを入力する手段と、切削加工時の切削条件を入力する手段と、入力された粗材の3次元形状データと切削条件を用いてその切削条件による切削加工後の粗材の3次元形状データを算出するシミュレーション手段を有している。
この形状予測装置では、シミュレーション手段が、入力された粗材の3次元形状データと入力された切削条件(例えば、工具の形状、工具の動き(工具の回転数、工具の移動経路等)、治具の形状等)に基づいて、切削加工時の状態(例えば、切削範囲、粗材及び工具及び治具の変形、工具及び粗材に発生する熱等)をシミュレーションする。このシミュレーションによって、入力された切削条件による切削加工後の粗材の3次元形状データが算出される。
なお、特許文献1には、シミュレーションによって切削加工時の切削条件を最適化する装置が開示されている。
この形状予測装置では、第1シミュレーション手段が切削加工時の粗材の切削範囲を算出する。修正手段は、算出された切削範囲を用いて粗材の3次元形状データを修正する。この修正によって、粗材の3次元形状データは、内部応力が作用しないときの(すなわち、切削加工による粗材中の内部応力の解放に伴う粗材の変形を考慮していない状態での)切削加工後の粗材の形状を示すデータとなる。粗材の3次元形状データが修正されると、第2シミュレーション手段が、修正された3次元形状データと入力された内部応力を用いて、内部応力が作用するときの(すなわち、切削加工による粗材中の内部応力の解放に伴う粗材の変形を考慮した状態での)切削加工後の粗材の3次元形状データを算出する。したがって、この形状予測装置によれば、粗材を切削して製造される製造物の形状をより正確に予測することができる。
この形状予測装置では、第1シミュレーション手段が、切削加工後の切削応力(すなわち、切削加工を実施することによって切削加工後の粗材に残留する内部応力)を算出し、第2シミュレーション手段は、内部応力と切削応力が作用するときの切削加工後の粗材の3次元形状データを算出する。したがって、この形状予測装置によれば、さらに正確に製造物の形状を予測することができる。
この形状予測装置は、粗材の形状を複数の微小要素によりモデル化した3次元形状データを入力する手段と、粗材の各微小要素に発生している内部応力を入力する手段と、n回の切削加工のそれぞれについて切削加工時の切削条件を入力する手段と、粗材の3次元形状データと切削加工時の切削条件を用いて、その切削条件で粗材を切削加工したときの切削範囲を算出する第3シミュレーション手段と、算出された切削範囲を用いて粗材の3次元形状データを修正する手段と、修正された3次元形状データと入力された内部応力を用いて、内部応力が作用するときの切削加工後の粗材の3次元形状データを算出する第4シミュレーション手段とを有している。そして、第1回目の切削加工について、入力された3次元形状データと入力された第1回目の切削条件を用いて前記第3シミュレーション手段、修正手段及び第4シミュレーション手段を実行して第1回目の切削加工後の粗材の3次元形状データを算出し、以下、第n回目の切削加工まで順に、前回の切削加工後の粗材の3次元形状データと今回の切削条件を用いて前記第3シミュレーション手段、修正手段及び第4シミュレーション手段を実行して今回の切削加工後の粗材の3次元形状データを算出することで、n回目の切削加工後の粗材の3次元形状データを算出する。
この形状予測装置によれば、n回の切削加工により切削して製造される製造物の3次元形状を正確に予測することができる。
この形状予測装置は、キャビティの形状を示す3次元形状データを入力する手段と、1次成形体の成形条件を入力する手段と、入力されたキャビティの3次元形状データと成形条件を用いて、その形状のキャビティによりその成形条件で成形したときの1次成形体の形状を複数の微小要素によりモデル化した3次元形状データを算出するとともに、1次成形体の各微小要素に発生する内部応力を算出する第5シミュレーション手段と、切削加工時の切削条件を入力する手段と、算出された1次成形体の3次元形状データと入力された切削条件を用いて、その切削条件で1次成形体を切削加工したときの切削範囲を算出する第6シミュレーション手段と、算出された切削範囲を用いて第5シミュレーション手段で算出された3次元形状データを修正する手段と、修正された3次元形状データと第1シミュレーション手段で算出された内部応力を用いて、内部応力が作用するときの切削加工後の1次成形体の3次元形状データを算出する第7シミュレーション手段とを有している。
この形状予測装置では、第5シミュレーション手段が1次成形体中に発生する内部応力を算出し、第7シミュレーション手段がその内部応力が作用するときの切削加工後の1次成形体の3次元形状データを算出する。したがって、成形加工により1次成形体を成形し、その1次成形体を切削加工により切削して製造される製造物の形状を正確に予測することができる。
この形状予測方法は、粗材の形状を複数の微小要素によりモデル化した3次元形状データを入力する工程と、粗材の各微小要素に発生している内部応力を入力する工程と、切削加工時の切削条件を入力する工程と、入力された粗材の3次元形状データと切削条件を用いて、その切削条件で粗材を切削加工したときの切削範囲を算出する工程と、算出された切削範囲を用いて粗材の3次元形状データを修正する工程と、修正された3次元形状データと入力された内部応力を用いて、内部応力が作用するときの切削加工後の粗材の3次元形状データを算出する工程とを有している。
この形状予測方法によれば、粗材を切削して製造される製造物の形状をより正確に予測することができる。
このコンピュータプログラムは、粗材の形状を複数の微小要素によりモデル化した3次元形状データを記憶する工程と、粗材の各微小要素に発生している内部応力を記憶する工程と、切削加工時の切削条件を記憶する工程と、記憶した粗材の3次元形状データと切削条件を用いて、その切削条件で粗材を切削加工したときの切削範囲を算出する工程と、算出された切削範囲を用いて粗材の3次元形状データを修正する工程と、修正された3次元形状データと記憶した内部応力を用いて、内部応力が作用するときの切削加工後の粗材の3次元形状データを算出する工程とをコンピュータに実行させる。
このコンピュータプログラムによれば、コンピュータに、粗材を切削して製造される製造物の形状をより正確に算出させることができる。
(形態1)形状予測装置は、キャビティ内に溶融した原料を充填して冷却固化することで鋳物を鋳造し、この鋳物をn回の切削加工により切削して製造される製造物の3次元形状を予測する。
(形態2)形状予測装置は、キャビティの形状を示す3次元形状データを入力する手段と、1次成形体の成形条件を入力する手段と、鋳造工程をシミュレートする第1シミュレーション手段と、切削加工時の切削条件を入力する手段と、切削工程をシミュレートする第2シミュレーション手段と、3次元形状データを修正する修正手段と、応力による変形をシミュレートする第3シミュレーション手段を有している。
(形態3)第1シミュレーション手段は、入力されたキャビティの3次元形状データと鋳造条件を用いて、その形状のキャビティによりその鋳造条件で鋳造したときの鋳物の形状を複数の微小要素によりモデル化した3次元形状データを算出するとともに、鋳物の各微小要素に発生する内部応力を算出する。
(形態4)第2シミュレーション手段は、鋳物の3次元形状データと入力された切削条件を用いて、その切削条件で鋳物を切削加工したときの切削範囲を算出するとともに、鋳物の各微小要素に発生する切削加工後の切削応力を算出する。
(形態5)修正手段は、算出された切削範囲を用いて第1シミュレーション手段で算出された3次元形状データを修正する。
(形態6)第3シミュレーション手段は、修正された3次元形状データと第1シミュレーション手段で算出された内部応力と第2シミュレーション手段で算出された切削応力を用いて、内部応力と切削応力が作用するときの切削加工後の鋳物の3次元形状データを算出する。
(形態7)形状予測装置は、第1回目の切削加工について、入力された3次元形状データと入力された第1回目の切削条件を用いて前記第1シミュレーション手段、修正手段及び第2シミュレーション手段を実行して第1回目の切削加工後の鋳物の3次元形状データを算出し、以下、第n回目の切削加工まで順に、前回の切削加工後の鋳物の3次元形状データと今回の切削条件を用いて前記第1シミュレーション手段、修正手段及び第2シミュレーション手段を実行して今回の切削加工後の鋳物の3次元形状データを算出することで、n回目の切削加工後の鋳物の3次元形状データを算出する。
演算装置20は、記憶装置30の3D−CADプログラム50を実行することによって、3D−CADデータ作成部22として機能し、物体の3次元形状を表す3D−CADデータを作成する。
また、演算装置20は、記憶装置30の製品形状予測プログラム58を実行することによって、鋳造シミュレーション部24、切削シミュレーション部26、形状修正部27、応力変形シミュレーション部28として機能する。これによって、演算装置20は、鋳造加工及び切削加工により製造される製品の形状を示す3次元形状データを算出する。
製品の3次元形状データを算出する際には、事前に鋳造加工時に使用するキャビティの形状を示す3D−CADデータ(以下では、キャビティ形状データ60という)を作成しておく。キャビティ形状データ60は、演算装置20により3D−CADプログラム50を実行し、マウス42及びキーボード44を操作することによって作成する。作成したキャビティ形状データ60は、記憶装置30に記憶させておく。なお、キャビティ形状データ60は、形状予測装置10と接続されたCAD装置によって作成され、このCAD装置から形状予測装置10に入力されるようにしてもよい。
すなわち、演算装置20は、まず、キャビティを除いた鋳型の形状(例えば、鋳型の外形、湯道の形状(湯道の経路、注湯口の位置及び形状、ゲートの位置及び形状等)等)の指定を求めるメッセージを表示させる。オペレータがマウス42及びキーボード44を操作して鋳型の形状を指定すると、演算装置20は鋳型の形状を示す3次元形状データ(以下では、鋳型形状データ62という)を作成する。すると、図4に示すように、表示装置40に鋳型形状データ62が示す3次元形状が表示される。
鋳型形状データ62を作成すると、演算装置20は、表示装置40に鋳型の形状を除く他の鋳造条件の指定を求めるメッセージを表示させる。オペレータがマウス42及びキーボード44を操作することで、他の鋳造条件が演算装置20に入力される。他の鋳造条件としては、鋳物(溶湯)の材質(例えば、鉄、アルミ等(鋳物の材質を指定することで、その材質の物性(比熱、密度、熱伝導率、固液共存域の固相率変化、粘性、固相線温度、液相線温度、凝固潜熱等)が演算装置20によって記憶装置30内のデータベースから読み出される))、鋳型の材質、注湯条件(注湯温度、注湯速度)等を入力する。
すなわち、演算装置20は、図4の鋳型形状データ62を、多数のソリッド要素(立体形状の微小要素)にメッシュ化する。これによって鋳型形状データ62は、多数のソリッド要素によってモデル化された3次元形状データとなる。そして、各ソリッド要素に鋳型の物性(ステップS6で入力された鋳型の材質に対応する物性)を示すパラメータを付与する。次に、演算装置20は、鋳型形状データ62とステップS6で入力された溶湯の材質及び注湯条件に基づいて、鋳型形状データ62が示す鋳型内に指定した注湯条件にしたがって溶湯を流し込んで鋳造するときのシミュレーションを実行する。すなわち、鋳型内での溶湯の流れ、鋳型内の温度分布、凝固等により鋳物(溶湯)中に発生する内部応力、その内部応力による鋳物(溶湯)の変形等を有限要素法によりシミュレーションする。これによって、鋳型形状データ62が示す鋳型を用いて、指定した鋳造条件で鋳造される鋳物の形状を示す3次元形状データ(以下では、鋳物形状データAという)が算出される。鋳物形状データAは、鋳造時の種々の要素(内部応力による鋳物の歪等)をシミュレーションして算出されているので、キャビティ形状データ60とは若干異なる形状を示すデータとなる。鋳物形状データAは、多数のソリッド要素によってモデル化された3次元形状データとして算出され、各ソリッド要素には鋳物の物性を示すパラメータが付与される。また、各ソリッド要素には、鋳物の各ソリッド要素に対応する箇所に発生する内部応力(すなわち、鋳造後に鋳物中に残留する応力)の予測値が付与される。
なお、このような鋳造シミュレーションを実行する鋳造シミュレーションプログラム52として、TOPCAST(株式会社トヨタコミュニケーションシステム製)、ABAQUS(ABAQUS,Ink.製)等を用いることができる。
すなわち、演算装置20は、切削配置データが示す配置から切削工具を入力された回転速度で回転させ、入力された切り込み量及び移動経路で移動させたときの切削シミュレーションを実行する(図6参照)。切削シミュレーションでは、切削による切削工具及び鋳物及び治具の変形(反り、ビビリ(振動))、切削により発生する熱、切削によって鋳物に発生する内部応力、その内部応力によって鋳物に発生する歪等を有限要素法によりシミュレーションする。これによって、鋳物形状データBが示す鋳物を入力した切削条件で切削したときの切削範囲X(図7参照)及び切削後の鋳物の形状を示す3次元形状データ(以下では、鋳物形状データCという)が算出される。鋳物形状データCは、多数のソリッド要素によりモデル化された形状データとして算出される。また、鋳物形状データCの各ソリッド要素には、切削後の鋳物の各ソリッド要素に対応する箇所に発生する切削応力(切削加工により切削後の鋳物中に残留する応力)の予測値が付与される。
なお、このような切削シミュレーションを実行する切削シミュレーションプログラム54としては、DEFORM(Scientific Forming Technologies Corporation製)、Advant Edge(Third Wave Systems製)等を用いることができる。
すなわち、実際の切削加工では、鋳物を切削することにより鋳物中の残留応力が解放され、鋳物が変形する。したがって、演算装置20は、鋳物形状データDが示す鋳物の残留応力の解放と、その残留応力の解放による変形をシミュレーションする。これによって、鋳物形状データDが示す鋳物の変形後の形状を示す鋳物形状データEが算出される。鋳物形状データEは、各ソリッド要素に、変形後の鋳物の残留応力の予測値が付与された3次元形状データとなる。
なお、このような応力による変形をシミュレーションする応力変形シミュレーションプログラム56として、ABAQUS(ABAQUS,Ink.製)等を用いることができる。
2回目以降のステップS12では、演算装置20は、直前のステップS22で算出した鋳物形状データEと同一形状を示す鋳物形状データBを作成する。
また、2回目以降のステップS20では、演算装置20は、直前のステップS22で算出された鋳物形状データEから領域Xに対応する領域を除去し、切削応力の予測値をその鋳物形状データEの各ソリッド要素に付与することで、鋳物形状データDを算出する。
したがって、2回目以降のステップS12〜ステップS24では、前回のステップS22で算出された鋳物形状データEが示す形状の鋳物をさらに切削した鋳物の形状を示す鋳物形状データEが算出される。すなわち、演算装置20は、複数回の切削加工により切削した鋳物の形状を示す鋳物形状データEを算出する。したがって、その鋳物形状データEが、指定した鋳造条件で鋳造した鋳物を複数回の切削加工により切削して製造される製造物の形状を予測する3次元形状データとなる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
20:演算装置
22:3D−CADデータ作成部
24:鋳造シミュレーション部
26:切削シミュレーション部
27:形状修正部
28:応力変形シミュレーション部
30:記憶装置
40:表示装置
42:マウス
44:キーボード
50:3D−CADプログラム
52:鋳造シミュレーションプログラム
54:切削シミュレーションプログラム
55:形状修正プログラム
56:応力変形シミュレーションプログラム
58:製品形状予測プログラム
60:キャビティ形状データ
62:鋳型形状データ
64:切削工具形状データ
66:治具形状データ
Claims (6)
- 内部応力の発生している粗材を切削して製造される製造物の3次元形状を予測する装置であって、
粗材の形状を複数の微小要素によりモデル化した3次元形状データを入力する手段と、
粗材の各微小要素に発生している内部応力を入力する手段と、
切削加工時の切削条件を入力する手段と、
入力された粗材の3次元形状データと切削条件を用いて、その切削条件で粗材を切削加工したときの切削範囲を算出する第1シミュレーション手段と、
算出された切削範囲を用いて粗材の3次元形状データを修正する手段と、
修正された3次元形状データと入力された内部応力を用いて、内部応力が作用するときの切削加工後の粗材の3次元形状データを算出する第2シミュレーション手段と、
を有する形状予測装置。 - 第1シミュレーション手段は、切削範囲とともに粗材の各微小要素に発生する切削加工後の切削応力を算出し、
第2シミュレーション手段は、修正された3次元形状データと入力された内部応力と算出された切削応力を用いて、内部応力と切削応力が作用するときの切削加工後の粗材の3次元形状データを算出することを特徴とする請求項1に記載の形状予測装置。 - 内部応力を有する粗材をn回の切削加工により切削して製造される製造物の3次元形状を予測する装置であって、
粗材の形状を複数の微小要素によりモデル化した3次元形状データを入力する手段と、
粗材の各微小要素に発生している内部応力を入力する手段と、
n回の切削加工のそれぞれについて切削加工時の切削条件を入力する手段と、
粗材の3次元形状データと切削加工時の切削条件を用いて、その切削条件で粗材を切削加工したときの切削範囲を算出する第3シミュレーション手段と、
算出された切削範囲を用いて粗材の3次元形状データを修正する手段と、
修正された3次元形状データと入力された内部応力を用いて、内部応力が作用するときの切削加工後の粗材の3次元形状データを算出する第4シミュレーション手段と、を有しており、
第1回目の切削加工について、入力された3次元形状データと入力された第1回目の切削条件を用いて前記第3シミュレーション手段、修正手段及び第4シミュレーション手段を実行して第1回目の切削加工後の粗材の3次元形状データを算出し、以下、第n回目の切削加工まで順に、前回の切削加工後の粗材の3次元形状データと今回の切削条件を用いて前記第3シミュレーション手段、修正手段及び第4シミュレーション手段を実行して今回の切削加工後の粗材の3次元形状データを算出することで、n回目の切削加工後の粗材の3次元形状データを算出することを特徴とする形状予測装置。 - キャビティ内に溶融した原料を充填して冷却固化することで1次成形体を成形し、この1次成形体を切削加工により切削して製造される製造物の3次元形状を予測する装置であって、
キャビティの形状を示す3次元形状データを入力する手段と、
1次成形体の成形条件を入力する手段と、
入力されたキャビティの3次元形状データと成形条件を用いて、その形状のキャビティによりその成形条件で成形したときの1次成形体の形状を複数の微小要素によりモデル化した3次元形状データを算出するとともに、1次成形体の各微小要素に発生する内部応力を算出する第5シミュレーション手段と、
切削加工時の切削条件を入力する手段と、
算出された1次成形体の3次元形状データと入力された切削条件を用いて、その切削条件で1次成形体を切削加工したときの切削範囲を算出する第6シミュレーション手段と、
算出された切削範囲を用いて第5シミュレーション手段で算出された3次元形状データを修正する手段と、
修正された3次元形状データと第1シミュレーション手段で算出された内部応力を用いて、内部応力が作用するときの切削加工後の1次成形体の3次元形状データを算出する第7シミュレーション手段と、
を有する形状予測装置。 - 内部応力の発生している粗材を切削して製造される製造物の3次元形状を予測する方法であって、
粗材の形状を複数の微小要素によりモデル化した3次元形状データを入力する工程と、
粗材の各微小要素に発生している内部応力を入力する工程と、
切削加工時の切削条件を入力する工程と、
入力された粗材の3次元形状データと切削条件を用いて、その切削条件で粗材を切削加工したときの切削範囲を算出する工程と、
算出された切削範囲を用いて粗材の3次元形状データを修正する工程と、
修正された3次元形状データと入力された内部応力を用いて、内部応力が作用するときの切削加工後の粗材の3次元形状データを算出する工程と、
を有する形状予測方法。 - 内部応力の発生している粗材を切削して製造される製造物の3次元形状を予測するためのコンピュータプログラムであって、
粗材の形状を複数の微小要素によりモデル化した3次元形状データを記憶する工程と、
粗材の各微小要素に発生している内部応力を記憶する工程と、
切削加工時の切削条件を記憶する工程と、
記憶した粗材の3次元形状データと切削条件を用いて、その切削条件で粗材を切削加工したときの切削範囲を算出する工程と、
算出された切削範囲を用いて粗材の3次元形状データを修正する工程と、
修正された3次元形状データと記憶した内部応力を用いて、内部応力が作用するときの切削加工後の粗材の3次元形状データを算出する工程と、
をコンピュータに実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。
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