板金成形シミュレーション

今日、金属成形業界では、試作ツールを作成する前に、金型、プロセス、ブランクの性能を評価するためにシミュレーションをますます活用しています。有限要素解析(FEA) は、提案された設計で破損やしわなどの欠陥のない部品が製造されるかどうかを判断するために、板金成形操作をシミュレートする最も一般的な方法です。^[1]

板金成形は、スタンピングとも呼ばれ、ブランクと呼ばれる板金片をパンチとダイの間で引き伸ばして成形するプロセスです。

最も厄介で最も頻繁に発生する欠陥は、しわ、薄肉化、スプリングバック、割れやひび割れです。技術者の経験に基づいて、主な欠陥に対処するために業界で使用されている方法はいくつかあります。ただし、正しいプロセスは最も重要です。正しい形状とそれに続く最終形状に到達するまでの手順の数を伴うためです。これには特定の経験またはより多くの反復が必要です。^[2]

ブランクの変形は、通常、座屈、しわ、裂け目、およびその他のマイナス特性によって制限され、品質要件を満たすことが不可能になったり、望ましい速度よりも遅い速度で実行する必要が生じたりします。

絞り加工におけるしわは、圧縮座屈により絞り加工された壁に放射状に形成される一連の隆起です。実際には、これらはブランク ホルダー圧力が低いために材料が滑り、しわが形成されることに起因します。最適なブランク ホルダー圧力が鍵となりますが、場合によってはうまくいかないことがあります。その場合、絞りビードが解決策となりますが、絞りビードの位置と形状が課題となります。これは、ツール製造前の設計段階で FEA を使用して分析できます。^[2]

高い引張応力により垂直壁に亀裂が生じ、小さな半径が材料の流れを妨げ、その時点で通常シートの厚さの40％以上が過度に薄くなるため、亀裂が発生します。場合によっては、金属の流れを制限する過度のブランクホルダー圧力が原因で発生することがあります。どこかで、2段階でしか実現できないより深い絞りを1段階で作成しようとするなど、間違ったプロセス設計が原因である可能性があります。^[2]

薄肉化とは、高引張応力による垂直壁の過度の伸張により、特に金属部品の小半径部分で厚さの減少を引き起こすことですが、プロセスの制限により最大20%の薄肉化が許容されます。^[2]

スプリングバックは、板金成形において特に重要な側面です。かなり深くまで成形された構造物では、比較的小さなスプリングバックでも、ブランクが歪んで許容範囲が維持できなくなる可能性があります。高強度鋼、アルミニウム、マグネシウムなどの新素材は、特にスプリングバックが発生しやすいです。^[3]

板金成形は科学というよりは芸術です。ツール、スタンピング工程、ブランク材料と形状の設計は主に試行錯誤で行われます。

現在、シミュレーションソフトウェアはCAE（コンピュータ支援エンジニアリング）に属しており、有限要素解析を使用して、金型製造前の設計段階で一般的な欠陥を予測します。^[2]

部品をうまく製造するためのパンチとダイを設計する従来のアプローチは、特定のツール設計が必要な品質の部品を製造できるかどうかを確認するためのトライアウトツールを作成することです。トライアウトツールは通常、トライアウトコストを削減するために安価な材料で作られていますが、この方法は依然としてコストがかかり、時間がかかります。^[4]

金属成形のシミュレーションの最初の試みは、深絞り工程をより深く理解するために、1960 年代に有限差分法を使用して行われました。その後、1980 年代に非線形有限要素解析を適用することでシミュレーションの精度が向上しましたが、この時点では計算時間が長すぎたため、シミュレーションを産業上の問題に適用することはできませんでした。^{[引用が必要]}

過去数十年間のコンピュータ ハードウェアの急速な進歩により、有限要素解析法は現実世界の金属成形問題の解決に実用的になりました。明示的な時間積分に基づく新しいクラスの FEA コードが開発され、計算時間とメモリ要件が削減されました。動的明示的 FEA アプローチでは、中心となる異なる明示的スキームを使用して運動方程式を積分します。このアプローチでは、集中質量行列と、100 万分の 1 秒単位の標準的な時間ステップを使用します。この方法は、一般的な産業問題に対して堅牢かつ効率的であることが証明されています。^{[引用が必要]}

コンピュータのハードウェアとオペレーティングシステムが進化するにつれて、暗黙的有限要素法の実用化を妨げていたメモリ制限が克服されました。^[5]暗黙的法を使用すると、シミュレーションの特定の瞬間に発生する変形の予測量に基づいて時間ステップが計算されるため、何も起こっていないときに時間ステップが小さすぎたり、大きな変形が発生しているときに時間ステップが大きすぎたりすることによる不必要な計算の非効率を防ぐことができます。

板金成形における有限要素解析法の適用は、逆ワンステップと増分という 2 つの大まかな区分に分けられます。

逆ワンステップ法は、完成した部品形状の平坦化されたブランクへの変形ポテンシャルを計算します。完成した形状の形状と材料特性を持つメッシュが、最初に平坦なパターンのブランクに変形されます。この逆成形操作で計算されたひずみは、その後、最終部品形状に変形される平坦なブランクの変形ポテンシャルを予測するために反転されます。すべての変形は 1 つの増分またはステップで発生すると想定され、シミュレーションが表すことを意図しているプロセスの逆であるため、逆ワンステップという名前が付けられています。

増分解析法は、平らなブランクのメッシュから始まり、提案された製造プロセスを表すためにモデル化されたツール内でのブランクの変形をシミュレートします。この増分成形は、初期形状から最終形状まで「順方向に」計算され、開始から終了までのいくつかの時間増分にわたって計算されます。時間増分は、適用される有限要素ソフトウェアに応じて、明示的にも暗黙的にも定義できます。増分法にはツールのモデルが含まれており、製造提案をより完全に再現する境界条件の定義が可能であるため、増分法はプロセス検証によく使用されます。ツールがないためプロセスの表現が不十分な逆ワンステップは、ジオメトリベースの実現可能性チェックに限定されます。^[6]

増分分析は、これまでは試験ツールまたはプロトタイプ ツールの使用によって行われていた役割を果たしてきました。過去の試験ツールは、通常よりも柔らかい材料で作られた短期間の金型で、金属成形操作の計画とテストに使用されていました。このプロセスは非常に時間がかかり、ソフト ツールの動作が長期間稼働する生産ツールと大きく異なるため、必ずしも有益な結果が得られるとは限りませんでした。ソフト ツールで学んだ教訓は、ハード ツールの設計には適用されませんでした。シミュレーションは、この古い方法のほとんどを置き換えました。仮想トライアウトとして使用されるシミュレーションは、特定の入力変数セット (公称、最良ケース、最悪ケースなど) に基づく金属成形シミュレーションです。ただし、シミュレーションの精度は、予測を生成するために使用されたデータの品質に左右されます。シミュレーションが「合格結果」と見なされると、ツールの製造が本格的に開始されることがよくあります。ただし、シミュレーション結果が非現実的な生産入力セットに基づいている場合、エンジニアリング ツールとしての価値は疑わしいものになります。

板金成形シミュレーションに適用される確率解析の最近の革新により、早期導入者は、単一のシミュレーションセットを「仮想トライアウト」として使用する場合には見つけられない可能性のあるプロセスへの再現性を実現できるようになりました。^[7]

シャボッシュ型材料モデルは、板金成形におけるスプリングバック効果をシミュレートするために使用されることがあります。これらのモデルやその他の高度な塑性モデルでは、周期的な応力-ひずみ曲線を実験的に決定する必要があります。テストリグは材料特性を測定するために使用されており、シミュレーションで使用すると、測定されたスプリングバックと計算されたスプリングバックの間に優れた相関関係が提供されます。^[8]

多くの金属成形操作では、ブランクの変形が大きすぎるため、1 つのステップで実行できません。多段階またはプログレッシブ スタンピング操作は、一連のスタンピング操作を通じてブランクを段階的に目的の形状に成形するために使用されます。増分成形シミュレーション ソフトウェア プラットフォームは、これらの操作に、成形プロセスを 1 ステップずつシミュレートする一連の 1 ステップ スタンピング操作で対応します。^[9]

金属成形工程の設計におけるもう 1 つの一般的な目標は、最初のブランクの形状を設計して、最終的に成形された部品が設計形状に一致するように、ほとんどまたはまったく切削工程を必要としないようにすることです。ブランクの形状は、有限要素シミュレーションによって最適化することもできます。1 つのアプローチは、おおよその開始形状から始めて、成形プロセスをシミュレートし、結果として得られる成形形状と理想的な製品形状の偏差をチェックする反復手順に基づいています。ノード ポイントは、ブランクのエッジ形状を修正するために、変位フィールドに従って調整されます。このプロセスは、最終的なブランクの形状が設計どおりの部品形状と一致するまで続けられます。^[10]

金属成形シミュレーションは、車両の衝突安全性を維持しながら重量を軽減するために現代の自動車に使用されている高強度鋼や先進高強度鋼の場合に特に有利です。これらの材料は従来の鋼よりも降伏強度と引張強度が高いため、成形プロセス中に金型が大きく変形し、金型設計の難易度が高くなります。ブランクだけでなく金型の変形も考慮した板金シミュレーションは、これらの材料をうまく成形するためのツールを設計するために使用できます。^[11]

タタ自動車のエンジニアは金属成形シミュレーションを使用して、新しいオイルポンプの設計を生産するためのツールとプロセスパラメータを開発しました。最初に製造されたプロトタイプは、シミュレーションの予測とほぼ一致しました。^[12]

日産自動車は、金属プレス加工における裂け目の問題を解決するために、金属成形シミュレーションを使用しました。ブランクのエッジ半径が、材料が裂け目なく成形できる高さに与える影響を判断するために、簡単なシミュレーションモデルが作成されました。この情報に基づいて、問題を解決する新しい金型が設計されました。^[13]

業界では、SolidWorksやLITIOなど、多くの板金プログラムが利用可能です。^[14] 2x、6x、7xシリーズのグレードの高強度アルミニウム構造については、合金材料カードの広範なライブラリにサポートされているHot Form Quench （HFQ）テクノロジープラットフォームを介して新しいシミュレーションアルゴリズム^[15]が開発され、軽量のホワイトボディ、電気自動車のバッテリーエンクロージャ、航空宇宙構造の製造に適用されています。

現在、LS DYNA、AUTOFORM、HYPERFORM、PAMSTAMPなどのFEAソフトウェアは、製品製造前の仮想プロセスシミュレーションに非常に適しています。しわ、薄肉化、ひび割れなどの欠陥は、プロセス設計の直前の設計段階で確認できるため、正しいプロセスの選択とリードタイムの​​短縮につながり、慌ただしい製造の繰り返しに費やされていた貴重な資金を節約できます。^[16]