特開 2023-122828 切粉再現装置ならびに切粉再現方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023122828

(43)【公開日】2023-09-05

(54)【発明の名称】切粉再現装置ならびに切粉再現方法

(51)【国際特許分類】

   B21D 28/00 20060101AFI20230829BHJP

【ＦＩ】

B21D28/00 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022026565

(22)【出願日】2022-02-24

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】515086908

【氏名又は名称】株式会社トヨタプロダクションエンジニアリング

(74)【代理人】

【識別番号】110000947

【氏名又は名称】弁理士法人あーく事務所

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 隆晴

(72)【発明者】

【氏名】石田 健二郎

(72)【発明者】

【氏名】小原 和幸

(72)【発明者】

【氏名】麻生 俊二

【テーマコード（参考）】

4E048

【Ｆターム（参考）】

4E048AD04

(57)【要約】

【課題】被加工材のプレス切断時に切粉が発生する様子を再現可能とする。
【解決手段】切粉再現装置は、被加工材１と下型２の刃先と切断刃４の刃先とを複数のメッシュ１０～３０に細分化するとともに、各メッシュ１０～３０のサイズを再現対象となる切粉５の大きさ以下に設定する準備工程と、切断刃４の刃先を被加工材１の表面側のメッシュ１０の範囲内に当接させた状態で当該切断刃４を変位させるプレス工程と、切断刃４の変位に伴い被加工材１が切断される過程において被加工材１に生じる主応力および塑性歪を計測する計測工程と、前記計測工程での計測結果が閾値未満であるか否かを判定する判定工程と、前記判定工程で肯定判定した場合に、切断刃４の変位に伴い被加工材１が切断される過程を再現した解析画像、ならびに被加工材１から切粉が発生する様子を再現した解析画像を取得する取得工程と、を実行する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

被加工材を下型と上型とで挟むとともに当該下型および上型の端面から飛び出させた状態にし、前記被加工材に切断刃を接触することにより前記下型の端面上角の刃先と前記切断刃の刃先とで切断する際に切粉が発生する様子を再現する切粉再現装置であって、
前記被加工材と前記下型の刃先と前記切断刃の刃先とを複数のメッシュに細分化するとともに、当該各メッシュのサイズを再現対象となる切粉の大きさ以下に設定する準備工程と、
前記切断刃の刃先を前記被加工材の表面側のメッシュの範囲内に当接させた状態で当該切断刃を変位させるプレス工程と、
前記切断刃の変位に伴い前記被加工材が切断される過程において前記被加工材に生じる主応力および塑性歪を計測する計測工程と、
前記計測工程での計測結果が閾値未満であるか否かを判定する判定工程と、
前記判定工程で肯定判定した場合に、前記切断刃の変位に伴い前記被加工材が切断される過程を再現した解析画像、ならびに前記被加工材から切粉が発生する様子を再現した解析画像を取得する取得工程と、を実行することを特徴とする切粉再現装置。

【請求項2】

被加工材を下型と上型とで挟むとともに当該下型および上型の端面から飛び出させた状態にし、前記被加工材に切断刃を接触することにより前記下型の端面上角の刃先と前記切断刃の刃先とで切断する際に切粉が発生する様子を再現する切粉再現方法であって、
前記被加工材と前記下型の刃先と前記切断刃の刃先とを複数のメッシュに細分化するとともに、当該各メッシュのサイズを再現対象となる切粉の大きさ以下に設定する準備処理と、
前記切断刃の刃先を前記被加工材の表面側のメッシュの範囲内に当接させた状態で当該切断刃を変位させるプレス処理と、
前記切断刃の変位に伴い前記被加工材が切断される過程において前記被加工材に生じる主応力および塑性歪を計測する計測処理と、
前記計測処理での計測結果が閾値未満であるか否かを判定する判定処理と、
前記判定処理で肯定判定した場合に、前記切断刃の変位に伴い前記被加工材が切断される過程を再現した解析画像、ならびに前記被加工材から切粉が発生する様子を再現した解析画像を取得する取得処理と、を行うことを特徴とする切粉再現方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、切粉再現装置ならびに切粉再現方法に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば特許文献１には、被プレス材のプレス切断を行う上型及び下型と、上型及び下型に設けられ、被プレス材を切断予定線に沿って切断して製品部分から不要部分を切り取るための一対の上型用切刃及び下型用切刃とを備えたせん断加工用プレス型が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１３－１６９５９５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記特許文献１では、プレス切断の過程で発生する不具合の一つである「切粉」についての発生メカニズムは実験によって明らかになっているものの、前記切粉が発生する様子を再現することは実現できていない。

【0005】

このような事情に鑑み、本発明は、被加工材のプレス切断時に切粉が発生する様子を再現可能とする切粉再現装置ならびに切粉再現方法の提供を目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、被加工材を下型と上型とで挟むとともに当該下型および上型の端面から飛び出させた状態にし、前記被加工材に切断刃を接触することにより前記下型の端面上角の刃先と前記切断刃の刃先とで切断する際に切粉が発生する様子を再現する切粉再現装置であって、前記被加工材と前記下型の刃先と前記切断刃の刃先とを複数のメッシュに細分化するとともに、当該各メッシュのサイズを再現対象となる切粉の大きさ以下に設定する準備工程と、前記切断刃の刃先を前記被加工材の表面側のメッシュの範囲内に当接させた状態で当該切断刃を変位させるプレス工程と、前記切断刃の変位に伴い前記被加工材が切断される過程において前記被加工材に生じる主応力および塑性歪を計測する計測工程と、前記計測工程での計測結果が閾値未満であるか否かを判定する判定工程と、前記判定工程で肯定判定した場合に、前記切断刃の変位に伴い前記被加工材が切断される過程を再現した解析画像、ならびに前記被加工材から切粉が発生する様子を再現した解析画像を取得する取得工程と、を実行することを特徴としている。

【0007】

この構成では、前記被加工材と前記下型の刃先と前記切断刃の刃先とに設定する複数のメッシュの大きさを再現対象となる切粉の大きさ以下に設定し、前記切断刃の刃先を前記被加工材のメッシュの範囲内つまり端部以外に当接させるようにしている。

【0008】

これにより、前記被加工材をプレス切断で切断するときに切粉が発生する様子を再現した解析画像を取得することができる。

【0009】

また、本発明は、被加工材を下型と上型とで挟むとともに当該下型および上型の端面から飛び出させた状態にし、前記被加工材に切断刃を接触することにより前記下型の端面上角の刃先と前記切断刃の刃先とで切断する際に切粉が発生する様子を再現する切粉再現方法であって、前記被加工材と前記下型の刃先と前記切断刃の刃先とを複数のメッシュに細分化するとともに、当該各メッシュのサイズを再現対象となる切粉の大きさ以下に設定する準備処理と、前記切断刃の刃先を前記被加工材の表面側のメッシュの範囲内に当接させた状態で当該切断刃を変位させるプレス処理と、前記切断刃の変位に伴い前記被加工材が切断される過程において前記被加工材に生じる主応力および塑性歪を計測する計測処理と、前記計測処理での計測結果が閾値未満であるか否かを判定する判定処理と、前記判定処理で肯定判定した場合に、前記切断刃の変位に伴い前記被加工材が切断される過程を再現した解析画像、ならびに前記被加工材から切粉が発生する様子を再現した解析画像を取得する取得処理と、を行うことを特徴としている。

【発明の効果】

【0010】

本発明に係る切粉再現装置ならびに切粉再現方法によれば、被加工材のプレス切断時に切粉が発生する様子を再現することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明に係る切粉再現装置の一実施形態で想定するプレス切断装置の概略構成を示す側面図である。

【図2】被加工材のプレス切断の様子を示す斜視図である。

【図3】被加工材のプレス切断時に発生する切粉を再現する方法を示すフローチャートである。

【図4】プレス切断の初期段階を示す解析画像の断面図で、図２の一部を拡大した状態を示している。

【図5】図４の一部をさらに拡大して示す図である。

【図6】図５の続きを示す解析画像の断面図である。

【図7】図６の続きを示す解析画像の断面図である。

【図8】図７の続きを示す解析画像の断面図である。

【図9】図８の続きを示す解析画像の断面図である。

【図10】図９の続きを示す解析画像の断面図である。

【図11】本発明に係る切粉再現装置の他の実施形態で想定するプレス切断装置の概略構成を示す斜視図である。

【図12】プレス切断の初期段階を示す解析画像を示す図で、図１１のプレス切断装置を側面から見ている図である。

【図13】図１２の続きを示す解析画像を示す図である。

【図14】図１３の続きを示す解析画像を示す図である。

【図15】図１４の続きを示す解析画像を示す図である。

【図16】図１５の続きを示す解析画像を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明を実施するための最良の実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。

【0013】

図１から図１０に本発明に係る切粉再現装置ならびに切粉再現方法の一実施形態を示している。

【0014】

この切粉再現装置は、例えばソフトウェアを実行することにより各種のプログラムを実行するコンピュータ（制御装置）であって、被加工材１を切断するプレス切断時において切粉５が発生する様子を再現するためのＣＡＥ（Computer Aided Engineering）解析のプログラムを実行する。

【0015】

なお、前記コンピュータは、詳細に図示していないが、公知のように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）をバスにより相互に接続される構成である。

【0016】

前記バスには、入出力インタフェースを介して、少なくとも入力部（キーボード、マウス、マイクロホン、タッチパネル等）、出力部（ディスプレイ、スピーカ等）、記憶部（ハードディスク、不揮発性のメモリ等）、通信部（ネットワークインタフェース等）、外部記憶装置（磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等）を駆動するドライブが接続される。

【0017】

この切粉再現装置で想定するプレス切断装置は、図１および図２に示すように、被加工材１を下型（ダイ）２と上型（パッド）３とで挟むとともに当該下型２および上型３の端面から飛び出させた状態にし、被加工材１の上から切断刃（パンチ）４を下降させることにより下型２の端面上角の刃先と切断刃４の刃先とで切断するように構成されている。

【0018】

被加工材１は、例えば自動車のボディパネルなどとされる。このボディパネルの素材は、例えば鋼板とされるが、近年においてはアルミニウムとされる。このようなアルミニウムをプレス切断する際には、切粉が発生しやすくなる傾向である。

【0019】

そこで、本発明は、下型２の刃先と切断刃４の刃先とで被加工材１を切断するプレス切断時において切粉５の発生を抑制する技術を確立することを目的として創案された。

【0020】

本発明の一実施形態に係る切粉再現装置は、プレス切断時において切粉５が発生する様子を再現するためのＣＡＥ解析のプログラムを装備しているとともに、当該プログラムを実行する構成を有している。

【0021】

次に、上記構成の切粉再現装置により切粉５を再現する方法について、図３のフローチャートを参照して説明する。

【0022】

前記ＣＡＥ解析では、図１に示すようにＸＹ平面上に２Ｄモデル化したプレス切断装置を用いる。

【0023】

解析条件について、２Ｄモデルは、平面ひずみ状態で解析する為、Ｚ並進、Ｘ、Ｙの回転成分は発生しないものとする。被加工材１において切断刃４の刃先から－Ｘ方向（図１参照）は解析結果に影響ある範囲（例えば２．３ｍｍ）をモデル化する。

【0024】

被加工材１、下型２および切断刃４の各刃先を細分化するメッシュ１０，２０，３０のサイズは、０．０１ｍｍ、それ以外は０．２～０．６ｍｍにする。

【0025】

下型２および上型３の形状は設計ＣＡＤ（computer-aided design）を使用し、切断刃４の形状は実測値を元に再現し、下型２および上型３の端面と切断刃４の端面との対向間のクリアランスは０．０７ｍｍ（実測値）とする。下型２と上型３との隙間は被加工材１の板厚分とする。

【0026】

被加工材１は、アルミニウム（Ａ６Ｔ０２、破壊条件は主応力が２９０．６ＭＰａ、相当塑性歪は０．８９）とし、板厚は１．０ｍｍとする。被加工材１の形状は、絞り工程の解析ＦＥＭ（有限要素法、Finite Element Method）を使用する。

【0027】

下型２および上型３は、前記アルミニウムの縦弾性係数を１００倍して剛体相当とする。

【0028】

下型２は完全拘束（Ｘ、Ｙの並進およびＺ回転を拘束）とし、切断刃４は上型３の移動完了後に、Ｘ並進、Ｚ回転を拘束と、Ｙ並進方向へ移動する（入力は速度２００ｍｍ／ｓ）。

【0029】

接触条件は、２Ｄ_ＡＵＴＯＭＡＴＩＣ_ＳＵＲＦＡＣＥ_ＴＯ_ＳＵＲＦＡＣＥ（２次元モデル用の接触判定を計算する時に必要な接触条件定義の名称）を定義する。

【0030】

そして、図３に示すフローチャートを開始する前の準備工程（準備処理）として、図１に示すように、被加工材１を下型２と上型３とで挟むとともに当該下型２および上型３の端面から飛び出させた状態にし、この状態において、被加工材１、下型２および切断刃４の各刃先を複数のメッシュ１０，２０，３０に細分化する。なお、各メッシュ１０～３０のサイズは再現対象となる切粉５の大きさ以下に設定する。

【0031】

このような準備をしてから、図３に示すフローチャートを開始する。まず、ステップＳ１において、切断刃４の刃先を被加工材１の表面に設定されるメッシュ１０の範囲内に当接させるように設定し（図５参照）、その状態で切断刃４を変位（下降）させる（プレス工程、プレス処理）。

【0032】

この切断刃４の変位の進展に伴い、切断刃４の刃先が被加工材１の表面に接触すると、ステップＳ２で肯定（ＹＥＳ）判定し、続くステップＳ３に移行する。

【0033】

なお、切断刃４の変位がさらに進展すると、例えば図４および図５に示すように、被加工材１が切断され始めるとともに、上型３の端面から飛び出している部分が下向きに撓み始める。また、切断刃４による切断については、公知のように、切断刃４の刃先が切断開始から所定深さ位置までの間がせん断となり、当該所定深さ位置から被加工材１の下面を通過するまでの間が破断となる。この破断過程において、被加工材１の切断された部分の一部が外へ塑性変形しながら張り出すようになるとともに、切粉５が発生することがある（図８および図９参照）。

【0034】

ステップＳ３では、被加工材１の切断が進展する過程において被加工材１に生じる主応力および塑性歪を計測する（計測工程、計測処理）。

【0035】

このステップＳ３に続いて、ステップＳ４では、この計測工程での計測結果が閾値未満であるか否かを判定する（第１判定工程、第１判定処理）。

【0036】

このステップＳ４で肯定（ＹＥＳ）判定した場合には、ステップＳ５において、切断刃４の下降に伴い被加工材１が変形する過程を再現した解析画像（図４から図７参照）、ならびに被加工材１から切粉５が発生する様子を再現した解析画像（図８および図９参照）を取得する（取得工程、取得処理）。

【0037】

一方、上記ステップＳ４で否定（ＮＯ）判定した場合には、ステップＳ６において、被加工材１の切断が完了したか否かを判定する（第２判定工程、第２判定処理）。なお、前記切断の完了は、切断刃４の刃先が被加工材１の下面よりも下に変位したか否かを判定することで行える。

【0038】

このステップＳ６で否定（ＮＯ）判定した場合には、ステップＳ１に戻る。一方、上記ステップＳ６で肯定（ＹＥＳ）判定した場合には、ステップＳ７において、被加工材１の切断が完了したと認識して、当該切断完了状態を示す解析画像（図１０参照）を取得してから、ＣＡＥ解析を終了する（終了工程、終了処理）。

【0039】

以上説明したように本発明を適用した実施形態では、ＣＡＥ解析において、被加工材１と下型２の刃先と上型３の刃先とに設定する複数のメッシュ１０，２０，３０の大きさを再現対象となる切粉５の大きさ以下に設定し、プレス切断時に上型３の刃先を被加工材１に設定したメッシュ１０の範囲内つまり端部以外に当接させるようにしている。

【0040】

これにより、ＣＡＥ解析により被加工材１をプレス切断するときに切粉５が発生する様子を再現した解析画像を取得することができる。

【0041】

つまり、ＣＡＥ解析によりプレス切断時に切粉５が発生する様子を再現することができるから、ＣＡＥ解析におけるプレス切断の諸条件を適宜変更することにより、切粉５の発生が減少する様子を確認することができる。その結果、実際にプレス切断を行うことに伴い切粉５が発生することを抑制する技術を確立できるようになる。

【0042】

なお、本発明は、上記実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内および当該範囲と均等の範囲内で適宜に変更することが可能である。

【0043】

図１１～図１６に本発明の他の実施形態を示している。この実施形態では、ＣＡＥ解析において、図１１に示すようにＸＹＺ面上に３Ｄモデル化したプレス切断装置を用いる。このプレス切断装置は、上記実施形態のプレス切断装置の切断刃４を、上抜刃４Ａ、寄抜刃４Ｂにしている。

【0044】

解析前の準備工程（準備処理）として、図１１に示すように、被加工材１を下型２と上型３とで挟むとともに当該下型２および上型３の端面から飛び出させた状態にし、この状態において、被加工材１、下型２、上抜刃４Ａ、寄抜刃４Ｂの各刃先を複数のメッシュ（図示省略、図４の符号１０，２０，３０参照）に細分化する。なお、各メッシュ１０～３０のサイズは再現対象となる切粉５の大きさ以下に設定する。

【0045】

被加工材１は、アルミニウム（Ａ６Ｔ０２、破壊条件は主応力が２９０．６ＭＰａ、相当塑性歪は０．８９）とし、板厚は１．０ｍｍとする。被加工材１の形状は、絞り工程の解析ＦＥＭ（有限要素法、Finite Element Method）を使用する。

【0046】

下型２および上型３は、被加工材１の材料とする前記アルミニウムの縦弾性係数を１００倍して剛体相当とする。

【0047】

解析条件について、製品側(上抜刃４Ａの刃先からＹ方向)は解析結果に影響ある範囲のみモデル化し、Ｘ方向は形状沿いに１０ｍｍをモデル化している。

【0048】

被加工材１、下型２、上抜刃４Ａ、寄抜刃４Ｂの各刃先を細分化する各メッシュのサイズは、０．０１２５ｍｍ、それ以外は０．２～０．６ｍｍにする。

【0049】

下型２および上型３は、形状を設計ＣＡＤ（computer-aided design）を使用する。下型２完全拘束（Ｘ、Ｙ、Ｚの並進と回転を拘束）とする。上型３は、下型２との隙間が被加工材１の板厚分となるようにＺ並進方向へ移動する。下型２と上型３との隙間は被加工材１の板厚分とする。

【0050】

上抜刃４Ａの形状は、実測値を元に再現する。この上抜刃４Ａは、上型３の変位完了後に、Ｚ並進方向に変位（移動）させる（入力は速度２００ｍｍ／Ｓ、Ｘ、Ｙ並進、Ｘ、Ｙ、Ｚ回転は拘束）。上型３の端面と上抜刃４Ａ、寄抜刃４Ｂの端面との対向間のクリアランスは０．２１ｍｍ（実測値）とする。

【0051】

寄抜刃４Ｂの形状は、実測値を元に再現する。この寄抜刃４Ｂは、上抜刃４Ａの変位完了後に、寄抜刃４Ｂの抜き方向へ変位（移動）させる（入力は速度：２００ｍｍ／Ｓ、抜き方向以外の並進、回転は拘束）。

【0052】

接触条件は、ＥＲＯＤＩＮＧ＿ＳＵＲＦＡＣＥ＿ＴＯ＿ＳＵＲＦＡＣＥ（３次元ソリッドメッシュを用いた解析時に有効な接触条件定義の名称）を定義する。

【0053】

次に、ＣＡＥ解析により切粉再現装置により切粉５を再現する方法について説明する。

【0054】

まず、図１２に示すように、被加工材１を下型２と上型３とで挟むとともに当該下型２および上型３の端面から飛び出させた状態にしておいて、上抜刃４Ａの刃先を被加工材１の表面に接触させる。

【0055】

この状態において、図１３～図１４に示すように、上抜刃４Ａを変位（移動）させる。この上抜刃４Ａの変位の進展に伴い被加工材１が切断され始める。この切断については、公知のように、上抜刃４Ａの刃先が切断開始から所定深さ位置までの間がせん断となり、当該所定深さ位置から被加工材１の下面を通過するまでの間が破断となる。

【0056】

そして、図１５～図１６に示すように、下型２と上型３とで挟まれている残余の被加工材１の突出部分の表面に寄抜刃４Ｂに接触させて変位（移動）させることにより、前記被加工材１の突出部分を切断する。

【0057】

前記切断の終了段階、つまり図１６に示すように、寄抜刃４Ｂが下型２に到達したときに、被加工材１の切断端部から一部が破断して切粉５が発生する。

【0058】

このように、この実施形態においても上記実施形態と同様に、ＣＡＥ解析により被加工材１をプレス切断するときに切粉５が発生する様子を再現した解析画像を取得することができる。

【産業上の利用可能性】

【0059】

本発明は、被加工材を下型と上型とで挟むとともに当該下型および上型の端面から飛び出させた状態にし、前記被加工材の上から切断刃を下降させることにより前記下型の端面上角の刃先と前記切断刃の刃先とで切断する際に切粉が発生する様子を再現する切粉再現装置ならびに切粉再現方法に好適に利用することが可能である。

【符号の説明】

【0060】

１ 被加工材
２ 下型
３ 上型
４ 切断刃
５ 切粉
１０ 被加工材１のメッシュ
２０ 下型２のメッシュ
３０ 切断刃４のメッシュ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】