JP5834698B2 - プレス成形におけるスプリングバック要因分析方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車部品、家電部品等に用いられるプレス成形品のスプリングバック要因分析方法及び装置に関する。

金属材料のプレス成形を行う場合の形状不良として、プレス金型を離型した後に成形品が弾性変形するいわゆるスプリングバックが問題となる。
このようなスプリングバックを防止して形状不良をなくするための手法として、スプリングバックが離型前のどの部分の応力によって発生するのかを特定するスプリングバック要因分析が行われる。スプリングバック要因分析の一例としては、例えば特許文献１に開示されたプレス成形解析方法がある。
特許文献１に開示されたプレス成形解析方法は、以下のような構成からなるものである。
「離型前の成形対象物の形状、残留応力分布及びひずみ分布のデータを算出する処理と、
前記離型前のデータに基づいてスプリングバック解析を行って、離型後の成形対象物の形状、残留応力分布及びひずみ分布のデータを算出し、前記離型後の成形対象物の形状と前記離型前の成形対象物の形状とに基づいて、スプリングバックに関するある定義された量を算出する処理と、前記離型前の成形対象物のある領域についての残留応力分布を変更し、この変更したデータに基づいて、スプリングバック解析を行って、離型後の成形対象物の形状、残留応力分布及びひずみ分布のデータを算出し、該離型後の成形対象物の形状と、前記離型前の成形対象物の形状とに基づいて、前記ある領域についての残留応力分布変更後のスプリングバックに関するある定義された量を算出する処理と、前記ある領域についての残留応力分布を変更する前後において、前記スプリングバックに関するある定義された量がどのように変化するかを算出する処理と、を含むこと特徴とするプレス成形解析方法。」（特許文献１の請求項１参照）

特開２００７−２２９７２４号公報

一般にスプリングバック解析を行うためには、特許文献１に開示されたプレス成形解析方法のように、離型前の成形対象物の形状、残留応力分布及びひずみ分布のデータを算出する処理が必要となる。
離型前の成形対象物の形状等の算出は、コンピュータによるプレス成形解析によって行われるため、プレス成形解析が実際の成形プロセスを正確に再現していることが求められる。
しかしながら、複雑な形状を持つプレス成形品のプレス成形解析は、摩擦、金型形状、しわ押さえ、プレス条件等の塑性変形に影響する種々の要因を考慮して行わなければならず、実際の成形プロセスと同じ離型前の応力状態を再現できない場合もある。離型前応力状態を正確に再現できなければ、当然のことながらスプリングバック要因分析を正確に行うことができない。
また、例えばプレス成形品はあるが、これを成形したプレス成形条件が不明な場合には、従来のプレス成形解析では離型前の応力状態を取得することができず、前記プレス成形品に生じているスプリングバックの要因分析ができないという問題もある。

本発明はかかる問題点を解決するためになされたものであり、スプリングバックが生じているプレス成形品のプレス成形条件が不明な場合にも適用でき、かつ精度の高いプレス成形におけるスプリングバック要因分析方法及び装置を得ることを目的としている。

（１）本発明に係るスプリングバック要因分析方法は、スプリングバックが生じたプレス成形品の表面形状を測定して作成した測定三次元形状データをブランクデータとして、このブランクデータを金型モデルによって成形下死点状態まで挟み込んだ状態の力学的解析を行うことによって応力分布状態を取得する応力分布状態取得工程と、該応力分布状態取得工程で取得した応力分布状態を基準として、当該応力分布状態の特定部位の応力状態を変化させることで当該部位のスプリングバックへの影響度合いを分析する影響度合分析工程とを備えたことを特徴とするものである。
ここでいう力学的解析とは、ある弾性変形が与えられた場合に発生する応力分布が得られる計算手法であればどのようなものでもよく、弾性有限要素法解析、その他の数値解析手法を含む。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記応力分布状態取得工程で用いる金型モデルは、プレス成形品をプレス成形した金型をモデル化したものであることを特徴とするものである。

（３）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記プレス成形品が部分ごとに成形工程を分けている場合において、前記応力分布状態取得工程で用いる金型モデルは、各部分を成形する最終の金型を合成して全体形状とした金型モデルであることを特徴とするものである。

（４）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記応力分布状態取得工程で用いる金型モデルは、成形品の目標形状である設計形状に基づいて作成した金型モデルであることを特徴とするものである。

（５）また、上記（１）乃至（４）のいずれかに記載ものにおいて、前記応力分布状態取得工程における力学的解析は弾性有限要素法解析であり、前記測定三次元形状データと金型モデルをあらかじめ近接させてから計算を行うことを特徴とするものである。

（６）また、上記（１）乃至（５）のいずれかに記載ものにおいて、前記応力分布状態取得工程における力学的解析は弾性有限要素法解析であり、前記金型モデルは複数の部位に分割されていることを特徴とするものである。

（７）本発明に係るスプリングバック要因分析装置は、スプリングバックが生じたプレス成形品の表面形状を測定して作成した測定三次元形状データを記憶する記憶手段と、該記憶手段から前記測定三次元形状データを読み出して該測定三次元形状データをブランクデータとして金型モデルによって成形下死点状態まで挟み込んだ状態の力学的解析を行って応力分布状態を取得する力学的解析手段と、該力学的解析手段によって取得した応力分布状態を基準として、当該応力分布状態の特定部位の応力状態を変化させることで当該部位のスプリングバックへの影響度合いを分析する影響度合分析手段とを備えたことを特徴とするものである。

（８）また、上記（７）に記載のものにおいて、前記力学的解析手段は弾性有限要素法解析手段であり、前記測定三次元形状データと金型モデルをあらかじめ近接させてから計算をおこなう初期近接手段を備えたことを特徴とするものである。

（９）また、上記（７）又は（８）に記載ものにおいて、前記力学的解析手段は弾性有限要素法解析であり、前記金型モデルは複数の部位に分割されていることを特徴とするものである。

本発明においては、スプリングバックが生じたプレス成形品の表面形状を測定して作成した測定三次元形状データをブランクデータとして、このブランクデータを金型モデルによって成形下死点状態まで挟み込んだ状態の力学的解析を行うことによって応力分布状態を取得する応力分布状態取得工程と、該応力分布状態取得工程で取得した応力分布状態を基準として、当該応力分布状態の特定部位の応力状態を変化させることで当該部位のスプリングバックへの影響度合いを分析する影響度合分析工程とを備えたことにより、実際の成形プロセスと同等の応力分布状態を基準として影響度合いを分析するようにしているので、正確なスプリングバック要因分析が実現できる。
また、スプリングバックが生じているプレス成形品はあるが成形条件が不明のような場合でも、このプレス成形品についての正確なスプリングバック要因分析を行うことができる。
また、弾塑性有限要素法によるプレス成形過程解析の計算プロセスが不要となるため、短時間での分析結果が得られるという効果も得られる。
また、通常のプレス成形解析、スプリングバック解析では再現しにくいような特殊な形状になるスプリングバックについても正確なスプリングバック要因を分析することができる。

本発明の実施の形態におけるスプリングバック要因分析方法を適用した処理手順を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態におけるスプリングバック要因分析装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態におけるプレス成形の目標形状を表したものである。 本発明の実施の形態におけるスプリングバック要因分析方法の処理の流れを説明した図である。 本発明の実施の形態におけるプレス成形解析方法を説明する説明図である。 本発明の実施例におけるスプリングバック要因分析方法を説明するための説明図である。

本発明の実施の形態を、図３（ａ）に示すようなハット断面（図３（ｂ）参照）を有するハット断面形状３１を目標形状とするプレス成形を例に挙げてスプリングバック要因分析方法について説明する。
本発明に実施の形態におけるスプリングバック要因分析方法は、スプリングバックが生じたプレス成形品３３（図４（ａ）参照）の表面形状を測定して作成した測定三次元形状１３（図４（ｂ）参照）をブランクデータとして、このブランクデータを金型モデル（図４（ｃ）参照）によって成形下死点状態まで挟み込んだ状態の力学的解析を行うことによって応力分布状態（図４（ｄ）参照）を取得する応力分布状態取得工程と、該応力分布状態取得工程で取得した応力分布状態を基準として、当該応力分布状態の特定部位の応力状態を変化させることで当該部位のスプリングバックへの影響度合いを分析する影響度合分析工程とを備えたことを特徴とするものである。
なお、本実施の形態におけるスプリングバック要因分析方法は、力学的解析の一態様である弾性有限要素法解析を用いた。
以下詳細に説明する。

本発明に係るスプリングバック要因分析方法はプログラム処理を実行するＰＣ（パーソナルコンピュータ）等の装置によって行うものであるので、まず、装置（以下、「スプリングバック要因分析装置１」という）の構成について図２に示すブロック図に基づいて概説する。

〔スプリングバック要因分析装置〕
本実施の形態に係るスプリングバック要因分析装置１は、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）等によって構成され、図２に示されるように、表示装置３と入力装置５と主記憶装置７と補助記憶装置９および演算処理部１１とを有している。
また、演算処理部１１には、表示装置３と入力装置５と主記憶装置７および補助記憶装置９が接続され、演算処理部１１の指令によって各機能を行う。表示装置３は計算結果の表示等に用いられ、液晶モニター等で構成される。入力装置５はオペレータからの入力等に用いられ、キーボードやマウス等で構成される。主記憶装置７は演算処理部１１で使用するデータの一時保存や演算等に用いられ、ＲＡＭ等で構成される。補助記憶装置９は、データの記憶等に用いられ、ハードディスク等で構成される。

補助記憶装置９内には、少なくとも、測定三次元形状１３、プレス成形金型モデル１５、設計形状１７等の各種のデータが格納されている（図２参照）。
測定三次元形状１３は、スプリングバックが生じたプレス成形品３３の表面形状を測定して有限要素法解析が可能な三次元データにデータ化したものである（図４（ｂ）参照）。ここでプレス成形品３３は、実際にハット断面形状３１をプレス成形した際の結果物であり、スプリングバックにより捩じれ等が生じている。
プレス成形金型モデル１５は、実際にプレス成形品３３をプレス成形したプレス金型を三次元データにデータ化しモデル化したものであり、ＦＥＭ解析ソフト中でプレス金型として扱えるようにしたデータである（図４（ｃ）参照）。
設計形状１７は、目標形状をデータ化したものである。

演算処理部１１はＰＣ等のＣＰＵ等によって構成され、演算処理部１１内には、プレス成形解析手段１９と影響度合分析手段２１を有する。これらの手段はＣＰＵ等が所定のプログラムを実行することによって実現される。以下にこれら手段について説明する。

〈プレス成形解析手段〉
プレス成形解析手段１９は、ブランクデータとプレス成形金型モデル１５を用いて、弾性有限要素法解析によるプレス成形解析を行い、プレス成形の下死点における応力分布状態を取得するものである。

〈影響度合分析手段〉
影響度合分析手段２１は、プレス成形品３３のプレス成形の下死点における応力分布状態の特定部位の応力分布状態を変化させることで、当該部位のスプリングバックへの影響度合いを分析するものである。

影響度合分析手段２１は、例えば特許文献１に開示された処理と同様の処理を行う。この処理は、基準応力状態からある領域についての残留応力分布を変更し、この変更したデータに基づいて、スプリングバック解析を行って、離型後の成形対象物の形状、残留応力分布及びひずみ分布のデータを算出し、該離型後の成形対象物の形状と、離型前の成形対象物の形状とに基づいて、前記ある領域についての残留応力分布変更後のスプリングバックに関するある定義された量を算出する処理と、前記ある領域についての残留応力分布を変更する前後において、前記スプリングバックに関するある定義された量がどのように変化するかを算出する処理とを含む。
なお、本発明において、影響度合分析手段の構成は、上記のものに限らず、応力分布状態の特定部位の応力状態を変化させることで当該部位のスプリングバックへの影響度合いを分析するものであれば他の構成であってもよい。

〔スプリングバック要因分析方法〕
次に、上記スプリングバック要因分析装置１を用いたスプリングバック要因分析方法の処理の流れについて、主に図１に示すフローチャートに基づいて、必要な図を適宜参照しながら説明する。
以下、前述した各工程について詳細に説明する。

まず、オペレータによって指定された測定三次元形状１３とプレス成形金型モデル１５を補助記憶装置９から読み込む（ステップＳ１）。図４（ｃ）には、プレス成形解析開始前の３次元形状データ１３とプレス成形金型モデル１５（上金型モデル１５ａ、下金型モデル１５ｂ）を表している。
次に測定三次元形状１３をブランクデータとし、金型にプレス成形金型モデル１５を用いてプレス成形解析手段１９によってプレス成形解析を行い、下死点における応力分布状態を求める（ステップＳ２）。ブランクデータは捩じれ等のスプリングバックが生じており、そのためプレス成形金型モデル１５によって成形下死点状態まで挟み込むと、不均一応力分布状態が生ずることになる。図４（ｄ）に、例として応力分布状態をコンター表示したものを示す。

上記でのプレス成形金型モデル１５は、実際のプレス成形において最終工程で用いた金型がある場合には、これをモデル化したプレス成形金型モデル１５を用いればよい。

次に、ステップＳ２によって取得された応力分布状態を基準として影響度合分析手段２１を用いて、スプリングバックへの影響度合いを求める（ステップＳ３）。
本実施の形態においては、スプリングバックに起因する形状不良発生に対して、図６に示す測定三次元形状１３における天板部１３ａ、縦壁部１３ｂ、フランジ部１３ｃの３つの領域の残留応力が、それぞれどの程度影響しているのかを影響度合分析手段２１によって分析した。その結果、それぞれの領域のスプリングバックへの寄与の割合は、天板部１３ａが２８％、縦壁部１３ｂが４５％、フランジ部１３ｃが２７％であり、縦壁部１３ｂの残留応力によるスプリングバックへの寄与が最も大きいことがわかった。つまり、スプリングバックを抑制するためには、縦壁部１３ｂに対しての対策が最も有効であることがわかった。

以上のように、本実施の形態によれば、実際の成形プロセスと同等の応力分布状態を取得し、これを基準として影響度合いを分析するようにしているので、正確なスプリングバック要因分析が実現できる。
また、スプリングバックが生じているプレス成形品はあるが成形条件が不明のような場合でも、このプレス成形品についての正確なスプリングバック要因分析を行うことができる。
また、本実施の形態では、プレス成形解析を弾性有限要素法によって行うようにしているので、複雑で時間の掛かる弾塑性有限要素法によるプレス成形過程解析の計算プロセスが不要となり、短時間での分析結果が得られる。
さらにまた、本実施の形態では、スプリングバックが生じたプレス成形品３３の表面形状を測定して有限要素法解析が可能な三次元データにデータ化した測定三次元形状１３を用いているので、通常のプレス成形解析、スプリングバック解析では再現しにくいような特殊な形状になるスプリングバックについても正確なスプリングバック要因を分析することができる。

なお、上記の説明では、プレス成形金型モデル１５として、実際のプレス成形において最終工程で用いた金型をモデル化したものを用いる例を示したが、プレス成形品を得るプレス成形が例えばハット断面形状３１の部分ごとに成形工程を分けて行っている場合には、各部分を成形する最終の金型を合成して全体形状としたものをモデル化し、プレス成形金型モデル１５として用いればよい。

また、実際のプレス成形に用いた金型のプレス成形金型モデル１５のデータが一切ない場合は、プレス成形金型モデル１５を作成すればよい。
作成方法の一例として、目標形状である設計形状から逆算してプレス成形金型モデル１５を作成すればよい。すなわち、設計形状を軸方向およびこれに直行する方向に拡張し、上金型を作成する場合は上方向に、下金型を作成する場合は下方向に板厚分だけオフセットして作成する。

また、実際のプレス成形に用いた金型のデータが一部しかない場合は、不足している部分についてのみ上記手法を適用して金型モデルを作成し、この作成した金型モデルと実際に用いた金型のデータを合成して全体形状としモデル化したものを、プレス成形金型モデル１５として使用すればよい。

なお、プレス成形解析を行う場合、図５（ａ）に示すように、測定三次元形状１３とプレス成形金型モデル１５をあらかじめ近接させてもよい。通常のプレス成形解析では平板をブランクデータとしてプレス成形解析を開始させるので、少なくともハット断面形状３１の高さの分だけプレス成形金型モデル１５を移動させる必要があり、それだけ計算時間が必要となる。
これに対して、本発明は測定三次元形状１３をブランクデータとして用いるため、プレス成形金型モデル１５に近い形状からの解析となり、測定三次元形状１３にプレス成形金型モデル１５を挿入させて近接させることができ、プレス成形金型モデル１５の移動量が少なくなり、計算時間を短縮することができる。

また、上記の上下のプレス成形金型モデル１５を測定三次元形状１３にさらに近接させるために、プレス成形金型モデル１５を、図５（ｂ）に示すように、分割して用いてもよい。図５（ｂ）では例として、プレス成形金型モデル１５の上金型を上金型１６ａ、１６ｂの２つに、下金型を下金型１６ｃ、１６ｄ、１６ｅの３つに分割したプレス成形金型分割モデル１６を示している。
プレス成形金型分割モデル１６を用いると、分割されたプレス成形金型分割モデル１６ａ〜１６ｅそれぞれを測定三次元形状１３に近接させることができるため、分割していない場合に比較してより近接が可能になり、さらに計算時間を短縮することができる。
なお、プレス成形金型モデルを分割できるのは、本発明で扱うプレス成形解析は弾性解析であり、弾性解析は変形の順番には依存しないからである。

また、上記実施の形態において影響度合分析工程では、特許文献１に開示された発明の方法を用いたが、スプリングバックへの影響度合いを分析できる手法であればいずれも影響度合分析手段２１として本願のステップＳ３に適用可能である。

１ スプリングバック要因分析装置
３ 表示装置
５ 入力装置
７ 主記憶装置
９ 補助記憶装置
１１ 演算処理部
１３ 測定三次元形状
１３ａ 天板部
１３ｂ 縦壁部
１３ｃ フランジ部
１５ プレス成形金型モデル
１５ａ 上金型モデル
１５ｂ 下金型モデル
１６ プレス成形金型分割モデル
１６ａ プレス成形金型分割モデル
１６ｂ プレス成形金型分割モデル
１６ｃ プレス成形金型分割モデル
１６ｄ プレス成形金型分割モデル
１６ｅ プレス成形金型分割モデル
１７ 設計形状
１９ プレス成形解析手段
２１ 影響度合分析手段
３３ プレス成形品
３１ ハット断面形状
３１ａ 天板部
３１ｂ 縦壁部
３１ｃ フランジ部

Claims (5)

1. スプリングバックが生じたプレス成形品の表面形状を測定して作成した測定三次元形状データをブランクデータとして、このブランクデータを金型モデルによって成形下死点状態まで挟み込んだ状態の力学的解析を行うことによって応力分布状態を取得する応力分布状態取得工程と、該応力分布状態取得工程で取得した応力分布状態を基準として、当該応力分布状態の特定部位の応力状態を変化させることで当該部位のスプリングバックへの影響度合いを分析する影響度合分析工程とを備え、
   前記プレス成形品が部分ごとに成形工程を分けている場合において、前記応力分布状態取得工程で用いる金型モデルは、各部分を成形する最終の金型を合成して全体形状とした金型モデルであることを特徴とするスプリングバック要因分析方法。
   
2. スプリングバックが生じたプレス成形品の表面形状を測定して作成した測定三次元形状データをブランクデータとして、このブランクデータを金型モデルによって成形下死点状態まで挟み込んだ状態の力学的解析を行うことによって応力分布状態を取得する応力分布状態取得工程と、該応力分布状態取得工程で取得した応力分布状態を基準として、当該応力分布状態の特定部位の応力状態を変化させることで当該部位のスプリングバックへの影響度合いを分析する影響度合分析工程とを備え、
   前記応力分布状態取得工程における力学的解析は弾性有限要素法解析であり、前記金型モデルは複数の部位に分割されていることを特徴とするスプリングバック要因分析方法。
   
3. 前記応力分布状態取得工程における力学的解析は弾性有限要素法解析であり、前記測定三次元形状データと金型モデルをあらかじめ近接させてから計算を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のスプリングバック要因分析方法。
   
4. スプリングバックが生じたプレス成形品の表面形状を測定して作成した測定三次元形状データを記憶する記憶手段と、該記憶手段から前記測定三次元形状データを読み出して該測定三次元形状データをブランクデータとして金型モデルによって成形下死点状態まで挟み込んだ状態の力学的解析を行って応力分布状態を取得する力学的解析手段と、該力学的解析手段によって取得した応力分布状態を基準として、当該応力分布状態の特定部位の応力状態を変化させることで当該部位のスプリングバックへの影響度合いを分析する影響度合分析手段とを備え、
   前記力学的解析手段は弾性有限要素法解析であり、前記金型モデルは複数の部位に分割されていることを特徴とするスプリングバック要因分析装置。
   
5. 前記応力分布状態取得工程における力学的解析は弾性有限要素解析法手段であり、前記測定三次元形状データと金型モデルをあらかじめ近接させてから計算を行う初期近接手段を備えたことを特徴とする請求項４記載のスプリングバック要因分析装置。