JP4576322B2 - 形状補正方法、成形型、及び成形品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、フィレット面を備える３次元形状モデルをプレス成形に適したモデル形状に修正する形状補正方法及びこの形状補正方法に基づいて作成される成形型並びに該形成型を用いて成形品を製造する形成品の製造方法に関するものである。

通常、高品質のプレス成形品が得られるようにするために、量産に入る前に金型形状の検討が行われる。従来は、実際に成形型を作製し、この成形型を用いてプレス成形品を製造し、この成形品を三次元成型解析（形状不良の有無、欠けの有無、割れの有無）することにより、除々に成形型を修正し、最良の成形型モデルを完成させている。
しかしながら、上述のような従来の手法では、成型品の解析及び成形型の修正に多くの時間と労力を要することから、最近では、シミュレーションにより、プレス成形に好適な成形型形状を模索できる技術が開発されている。
シミュレーションにおいて、成形型モデルを作成する場合には、理想的な成形品の線データから成形型の形状モデルを作成する必要がある。このとき、成形型の形状モデルに角部が存在する場合には、これらの角部を滑らかに繋ぐフィレット面を作成する必要がある。例えば、特開平１１−３４３９号公報（特許文献１）には、線データから作成されたプレス成形解析モデルに対して、半径を入力するという簡単な操作によってフィレット面を形成することができるようにしたプレス成形解析用モデル作成方法が開示されている。
特開平１１−３４３９号公報（第２−６頁、第２図）

しかしながら、上記特許文献１に開示されているような従来のプレス形成解析用モデル作成方法では、一般的に、全てのフィレット面は円弧によって接続されることとなる。例えば、図１６に示すように、従来の手法で作製されたパンチ１１とダイ１０とを用いて、板材１２から図１７に示すような底付き柱状容器を成型する絞り加工を行う場合、ダイ肩部Ａの曲面は、図１８に示すようなトーラス（torus）の内側上面の形状となり、パンチ肩部Ｂの曲面は、図１８に示したトーラスの外側下面の形状となる。ここで、トーラスは、円Ｃを軸ｌの周りに一回転させたときに描かれる回転面であり、頂点部と底面部（どちらも線状である）以外は、非可展面で構成される。

このように、単にフィレット部を円弧にて接続するようなプレス形成解析用モデル作成方法では、作製された成形型は非可展面を有することとなり、このような成形型を用いて成形された成形品には、しわや亀裂が生じてしまうという問題があった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、プレス型形状をプレス成型加工に適した形状に修正することのできる形状補正方法及びこの形状補正方法により補正された形状モデルに基づいて作製された成形型、並びにこの成形型を用いて成形加工を行うことにより、しわや亀裂を低減した良質な成形品の製造を可能とする成形型の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、フィレット面を備える成形型モデルをプレス成形に適したモデル形状に修正する形状補正方法であって、コンピュータが、成形型モデルの形状データファイルにより表現される３次元形状モデルから、トーラス面で表現されたフィレット面を抽出する抽出過程と、抽出された前記フィレット面を、その断面楕円の頂点部が前記フィレット面の中央に位置する楕円トーラス面に修正する第１の修正過程とを実行する形状補正方法を提供する。

上記方法によれば、例えば、トーラスの一部の曲面形状を有するフィレット面を楕円トーラスの曲面形状に修正するので、フィレット面における曲率を緩やかに変化させることが可能となるとともに、非可展面を可展面に近づけることが可能となる。これにより、しわや亀裂の要因を除去することが可能となる。

上記形状補正方法において、前記コンピュータが、前記第１の修正過程によって修正された楕円トーラス面からなる前記フィレット面と該フィレット面に隣接する面との境界部における曲率が、滑らかに、且つ、連続的になるように、前記フィレット面の形状を更に修正する第２の修正過程を実行することが好ましい。

この方法によれば、第１の修正後におけるフィレット面とその隣接面とを滑らかに接続することが可能となるので、しわや亀裂の発生を更に防止することができる。

前記第２の修正過程では、前記第１の修正後における前記フィレット面と該フィレット面に隣接する面とを繋いだ稜線が２階以上微分可能な関数として表されるように、前記フィレット面を修正することが好ましい。

前記関数は、例えば、

で表される。
このような関数を用いることにより、極めて容易にフィレット面とその隣接面とを滑らかに且つ連続的な曲率を有するように接続することが可能となる。

本発明は、プレス成形に適した成形型モデルを作成する成形型モデル作成方法であって、３次元モデルから２つの面にて構成される角部を抽出する角部抽出過程と、少なくとも１つの前記角部に、楕円トーラス面のフィレット面を作成するフィレット作成過程とを備える成形型モデル作成方法を提供する。

このような方法によれば、角部に楕円トーラス面のフィレット面を作成するので、面と面とを緩やかな曲率変化にて接続することが可能となり、非可展面を可展面に近づけることが可能となる。これにより、しわや亀裂の要因を除去することが可能となる。

本発明は、上述に記載の形状補正方法により修正された成形型モデルに基づいて製造された成形型を提供する。
本発明は、楕円トーラス面の曲面形状をしたフィレット面を有する成形型を提供する。

上記成形型はいずれもフィレット面が楕円トーラス面として形成されているので、この成形型を用いることによりしわや亀裂のないきれいな成形品を製造することが可能となる。

本発明は、楕円トーラス面の曲面形状をしたフィレット面を有する上述の成形型を用いて、板材をプレス成形することにより成形品を製造する成形品の製造方法を提供する。
上記製造方法に用いられる成形型はフィレット面が楕円トーラス面として形成されているので、この成形型を用いることによりしわや亀裂のない良質な成形品を製造することが可能となる。

本発明は、フィレット面を備える成形型モデルをプレス成形に適したモデル形状に修正する３次元形状処理装置であって、成形型モデルの形状データファイルにより表現される３次元形状モデルからトーラス面で表現されたフィレット面を抽出する抽出手段と、抽出された前記フィレット面を、その断面楕円の頂点部が前記フィレット面の中央に位置する楕円トーラス面に修正する第１の修正手段とを備える３次元形状処理装置を提供する。

上記３次元形状処理装置によれば、例えば、トーラスの一部の曲面形状を有するフィレット面を楕円トーラスの曲面形状に修正するので、フィレット面における曲率を緩やかに変化させることが可能となり、非可展面を可展面に近づけることが可能となる。これにより、しわや亀裂の要因を除去することが可能となる。

本発明は、フィレット面を備える成形型モデルをプレス成形に適したモデル形状に修正するための形状補正プログラムであって、成形型モデルの形状データファイルにより表現される３次元形状モデルからトーラス面で表現されたフィレット面を抽出する抽出手段と、抽出された前記フィレット面を、その断面楕円の頂点部が前記フィレット面の中央に位置する楕円トーラス面に修正する第１の修正処理とをコンピュータに実行させるための形状補正プログラムを提供する。

このようなコンピュータプログラムをハードウェア資源を用いて実行することにより、例えば、トーラス面として形成されているフィレット面を楕円トーラスの曲面形状に修正するので、フィレット面における曲率を緩やかに変化させることが可能となり、非可展面を可展面に近づけることが可能となる。これにより、しわや亀裂の要因を除去することが可能となる。

本発明によれば、成形型モデルをプレス成形に適した形状モデルに修正することが可能となるので、このような形状モデルに基づいて作製された成形型を用いて成形加工を行うことにより、しわや亀裂を低減した良質な成形品を得ることができるという効果を奏する。

以下に、本発明に係る形状補正方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
〔形状補正方法〕
図１は、本実施形態に係る形状補正方法を実現するための３次元形状処理装置の概略構成を示したブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る３次元形状処理装置は、ＣＡＤ（Computer Aided Design）やＣＡＭ（Computer Aided Manufacturing）などのコンピュータシステムであり、ＣＰＵ（中央演算処理装置）１、ＲＡＭ（Random Access Memory）などの主記憶装置２、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などの補助記憶装置３、キーボードやマウスなどの入力装置４、及びモニタやプリンタなどの出力装置５などを備えて構成されている。
上記補助記憶装置３には、各種プログラムが格納されており、ＣＰＵ１が補助記憶装置３からプログラムをＲＡＭなどの主記憶装置２に読み出し、実行することにより、後述する各種処理、例えば、成形型モデルの作成、作成されている成形型モデルの修正処理などを実現させる。

次に、上述のような構成を備える３次元形状処理装置により行われる形状補正方法について、図２を参照して説明する。
なお、以下に示す形状補正方法は、３次元形状処理装置が備えるＣＰＵ１が補助記憶装置３に格納されている形状補正プログラムをＲＡＭなどに読み出し、実行することにより、実現されるものである。

まず、図２のステップＳＡ１では、ＣＰＵ１が上記補助記憶装置３又は図示しない通信ネットワークを介して受信された成形型モデルの形状データファイルを読み込む処理を行う。ここで、読み込まれるデータファイルは、国際規格又は製造業者が仕様を公開するなどして記録されている内容が明らかになっているデータファイルであり、例えば、ＩＧＥＳ、ＳＴＥＰ、ＳＴＬ、ＤＸＦなどのデータファイルである。

続くステップＳＡ２では、読み込んだ形状データファイルにより表現される３次元形状モデル、つまり成形型モデルにおいてフィレット面を抽出する。
ここで、一般的に、フィレット面はトーラス面により作成されている。よって本実施形態では、トーラス面を抽出することによりフィレット面を抽出する。

具体的には、３次元形状モデルの曲面解析を行うことにより３次元形状モデルを構成する曲面の特徴量を解析し、この特徴量が予め登録されているトーラスの特徴量と一致する曲面をフィレット面として抽出する。例えば、以下に説明するようなトーラスの特徴量は、補助記憶装置３の所定メモリエリアに格納されている。
以下、曲面解析の一例について、簡単に説明する。

例えば、図３に示すような曲面Ｗ上の点Ｐにおいて、接平面に垂直に立てられた単位ベクトルを単位法線ベクトルｎ、この単位法線ベクトルｎを含む平面を法平面、この法平面と曲面Ｗとの交線を法断面という。この法断面の微分を曲率として、法平面を単位法線ベクトルｎの周りに回転させると、その回転角θと曲率との関係が、例えば、図４に示すようなグラフとして得られる。

ここで、最大曲率Ｋ_１及び最小曲率Ｋ_２を点Ｐにおける曲面Ｗの主曲率と呼び、これら主曲率Ｋ_１及びＫ_２を乗算した値がガウス曲率Ｋｇ、平均した値が平均曲率Ｋｍとなる。そして、これらガウス曲率Ｋｇ及び平均曲率Ｋｍにより、曲面Ｗの形状を把握することができる。図５に、ガウス曲率と平均曲率とにより決定される形状の一例を示す。この図に示すように、ガウス曲率Ｋｇ＝０であれば、つまり、一方又は両方の主曲率がゼロであれば、曲面Ｗは可展面となる。また、ガウス曲率Ｋｇがマイナスの値を取れば、曲面Ｗは鞍型であり、逆に、ガウス曲率Ｋｇがプラスの値を取れば、曲面Ｗは皿型となる。

上記主曲率、ガウス曲率、平均曲率等は曲面を特定するための特徴量ということができ、これらの分布により曲面がどのような形状をしているかを特定することができる。例えば、図６乃至図１１にトーラスの特徴量の一例を示す。図６はガウス曲率分布、図７は平均曲率分布、図８は主曲率（長手方向）分布、図９は主曲率（幅方向）、図１０は円周方向における回転方向の長さ、図１１は回転方向における円周の長さを示している。

次に、ステップＳＡ３では、第１の修正処理を行う。この処理では、トーラス面を楕円トーラス面に修正する。この処理では、例えば、トーラス面を予め登録されている楕円トーラス面と置換することにより行っても良いし、トーラス面を表現している制御量を変更することにより楕円トーラス面に修正するようにしても良い。

例えば、３次元形状モデルが図１２に示されるような底付き柱状容器である場合、上述のステップＳＡ２では、フィレット面として、トーラス面である肩部の曲面Ｄと曲面Ｅとが抽出される。ここで、図１３は、図１２に示した底付き円柱容器を中心軸を通り互いに交差する２枚の平面により切り取った図であり、図１４は図１３の曲面Ｄを拡大して示した図である。図１４に示すように、曲面Ｄはトーラス面であるから、その断面は円となる。そして、当該ステップＳＡ３における第１の修正処理では、このようなトーラス面であるフィレットを楕円トーラス面に修正する。
ここで、楕円トーラスも通常のトーラス（断面が円のもの）も上下端部が可展面であり、その間でガウス曲率が変化するという同様の特性を持つが、楕円トーラスは、通常のトーラスに比べて可展面とみなせる部分、つまり、ガウス曲率が略ゼロとされる部分（以下「略可展面」という。）の面積が広いという特徴を有している。従って、この略可展面の部分を有効利用できるように、換言すると、この略可展面を多く含むように、トーラス面であるフィレット面を楕円トーラス面に修正することが好ましい。このように、楕円トーラス面に修正することにより、フィレット面の曲率の変化を抑える、つまり、長さの変位の変化を少なくすることができる。
具体的には、図１５に示すように、楕円トーラスの頂点部が肩部（図１３及び図１４参照）の中央にくるように回転させて、肩部の形状を修正する。すなわち、楕円トーラスの幅方向の楕円弧をπ／４（＝４５°）回転させた楕円トーラスを肩部に当てはめる。

続くステップＳＡ４では、第２の修正処理を行う。この処理では、修正後の楕円トーラス面とその楕円トーラス面に隣接している面との境界部における曲率が、滑らかに、且つ、連続的になるように、楕円トーラス面を修正する。
具体的には、修正後の楕円トーラス面とこの楕円トーラス面に隣接する隣接曲面とを繋いだ断面線が２階以上微分可能な関数として表されるように、楕円トーラス面を修正する。以下に関数の一例を示す。

これにより、楕円トーラス面とその隣接曲面とを滑らかに接続させることが可能となる。

以上述べてきたように、本実施形態に係る形状補正方法によれば、フィレット面を備える成形型モデルを曲面解析し、この曲面解析の結果に基づいて、フィレット面（トーラス面）を抽出し、抽出したフィレット面を楕円トーラス面に修正するので、フィレット面を可展面に近づけることが可能となるとともに、フィレット面における曲率を緩やかに変化させることが可能となる。これにより、しわや亀裂の要因を除去することが可能となる。

上記実施形態では、形状データファイルにより表現される３次元形状モデルを曲面解析し、この結果に基づいてトーラス面を自動的に抽出することでフィレット面を抽出していたが、フィレット面を選択する手法についてはこの例に限られない。例えば、形状データファイルにより表現される３次元形状モデルにおいて、オペレータが入力装置を操作することによりフィレット面を指定するようにしても良い。また、自動的に抽出されたフィレット面のうち、形状修正の対象とするか否かをオペレータに問い合わせることにより、形状修正を行うフィレット面を取捨選択するような機能を上記３次元形状処理装置に持たせることも可能である。

また、上述のように既に作成された３次元形状モデルにおいてトーラス面を抽出し、その曲面を楕円トーラス面に修正する手法のほか、例えば、成形型モデルの作成中におけるフィレット作成処理において、楕円トーラス面のフィレット面を直接的に作成するような構成としても良い。例えば、フィレット作成処理において、２つの面にて構成される角部を抽出し、この角部に楕円トーラス面形状のフィレット面を作成するようにしても良い。なお、３つの面が交わる頂点にこのような楕円トーラス面のフィレット面を作成することも可能である。

〔成形品の製造方法〕
次に、本発明の一実施形態に係る成形品の製造方法について説明する。
本実施形態に係る成形品の製造方法では、上述した形状補正方法により形状補正が行われた成形型モデルに基づいて作製された成形型を用いて成形品を製造する。つまり、本実施形態に係る成形品の製造方法に用いられる成形型は、フィレット面がトーラス面ではなく、楕円トーラス面となっている。

以下、一例として、図１２に示すような底付き柱状容器を製造する場合について説明する。
本実施形態では、図１６に示すように、ダイ１０の上面に板材を配置し、パンチ１１をプレスすることにより円筒絞り加工を行うことにより成形品を製造する。このとき、図１６に示したダイ１０のダイ肩部Ａの曲面及びパンチ１１のパンチ肩部Ｂの曲面は、図１５に示すように楕円トーラス面となるように修正されているため、この箇所における圧縮変形や伸び変形をトーラス面の場合に比べて軽減させることができる。これにより、しわや亀裂の極めて少ない良質な成形品を製造することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態に係る成形品の製造方法によれば、成形に適した形状に修正された成形型モデルに基づいて作製された成形型を用いて成形品を製造するので、しわや亀裂の極めて少ない良質な成形品を製造することが可能となる。
なお、上記実施形態では、プレス加工として円筒絞り加工を具体例として説明したが、これは一例であり、例えば、フランジ加工（伸ばしフランジ曲げ、絞りフランジ曲げ）、押出加工、深絞り加工、絞り曲げ加工、張り出し加工、縁曲げ加工、押し出し加工な等にも適用することが可能である。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明の一実施形態に係る３次元形状処理装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る３次元形状処理装置により実行される形状補正方法の処理手順を示したフローチャートである。 ガウス曲率などを説明するための図である。 図３に示した曲面における法断面の微分を曲率として、法平面を単位法線ベクトルｎの周りに回転させることにより得られた回転角θと曲率との関係を示す図である。 ガウス曲率と平均曲率とにより決定される形状の一例を示す図である。 トーラスのガウス曲率分布の一例を示した図である。 トーラスの平均曲率分布の一例を示した図である。 トーラスの主曲率（長手方向）分布の一例を示した図である。 トーラスの主曲率（幅方向）の一例を示した図である。 トーラスの円周方向における回転方向の長さの一例を示した図である。 トーラスの回転方向における円周の長さの一例を示した図である。 ３次元形状モデルの一例を示す図である。 図１２に示した底付き円柱容器を中心軸を通り互いに交差する２枚の平面により切り取った図である。 図１３の曲面Ｄを拡大して示した図である。 楕円トーラス面に修正した後の曲面を示す図である。 パンチ１１とダイ１０とを用いて、板材１２から底付き柱状容器を成型する絞り加工の加工工程の一例を示した図である。 図１６に示した絞り加工により製造された加工品の一例を示した図である。 トーラスを示した図である。

１ ＣＰＵ
２ 主記憶装置
３ 補助記憶装置
４ 入力装置
５ 出力装置

Claims (6)

1. フィレット面を備える成形型モデルをプレス成形に適したモデル形状に修正する形状補正方法であって、
   コンピュータが、
   成形型モデルの形状データファイルにより表現される３次元形状モデルから、トーラス面で表現されたフィレット面を抽出する抽出過程と、
   抽出された前記フィレット面を、その断面楕円の頂点部が前記フィレット面の中央に位置する楕円トーラス面に修正する第１の修正過程と
   を実行する形状補正方法。
2. 前記コンピュータが、
   前記第１の修正過程によって修正された楕円トーラス面からなる前記フィレット面と該フィレット面に隣接する面との境界部における曲率が、滑らかに、且つ、連続的になるように、前記フィレット面の形状を更に修正する第２の修正過程を実行する請求項１に記載の形状補正方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の形状補正方法により修正された成形型モデルに基づいて製造された成形型。
4. 請求項３に記載の成形型を用いて、板材をプレス成形することにより成形品を製造する成形品の製造方法。
5. フィレット面を備える成形型モデルをプレス成形に適したモデル形状に修正する３次元形状処理装置であって、
   成形型モデルの形状データファイルにより表現される３次元形状モデルからトーラス面で表現されたフィレット面を抽出する抽出手段と、
   抽出された前記フィレット面を、その断面楕円の頂点部が前記フィレット面の中央に位置する楕円トーラス面に修正する第１の修正手段と
   を備える３次元形状処理装置。
6. フィレット面を備える成形型モデルをプレス成形に適したモデル形状に修正するための形状補正プログラムであって、
   成形型モデルの形状データファイルにより表現される３次元形状モデルからトーラス面で表現されたフィレット面を抽出する抽出手段と、
   抽出された前記フィレット面を、その断面楕円の頂点部が前記フィレット面の中央に位置する楕円トーラス面に修正する第１の修正処理と
   をコンピュータに実行させるための形状補正プログラム。

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