プレス成形のCAE解析｜割れ・しわ・スプリングバックの予測と金型設計

CAEは、コンピューター上の計算によって設計を検討する技術です。板材のプレス成形では、加工前の板の形と材料特性、金型の形状や動きを入力し、加工中の板厚や伸び縮み、取り出した後の形状を予測します。

板材の形を小さな領域に分けて計算する有限要素法が使われます。分割した小さな領域を要素と呼び、その集まりをメッシュと呼びます。細かな曲がりやしわを表せるよう、解析する形状に合う大きさで分割します。

金型自体の強度・たわみ解析とは対象が異なる

板材の成形解析で金型を変形しない剛体として扱う場合、計算するのは板材の変形です。金型にかかる力によるたわみまで調べるには、金型の構造や剛性を表す追加のモデルが必要になります。

この記事では、板材の割れ・しわとスプリングバックの予測を中心に説明します。金型の破損や寿命を、この成形解析だけで判定できるわけではありません。

解析には、材料の名称だけでなく、板厚や力を受けたときの変形特性を設定します。材料を引っ張ったときの単位面積当たりの力と、伸びの割合の関係を示す応力ひずみデータや、圧延方向による変形の違いを使って、実際の板材に近い挙動を表します。

成形前に切り出した板材をブランクと呼びます。ブランクの形や置く向き、金型との接触、板を押さえる力も、成形中に板材がどこへ流れ込むかに影響します。

表は、成形解析に入力する主な情報と、実際の材料・加工条件に合わせる内容を示しています。

摩擦の設定で板材の流れ方が変わる

摩擦が変わると、金型へ流れ込む材料の量や、局所的な板厚の減り方も変わります。摩擦係数を一定値にした解析と、接触圧力などに応じて変えた解析では、板厚やひずみの予測が異なる場合があります。

試験で得た摩擦係数を使う際は、潤滑剤、圧力、すべり速度が対象の加工に近いか確かめます。データがなく仮の値を使う場合は、想定される範囲で値を変え、割れやしわの予測がどの程度変わるかを調べます。

割れは局所的な伸びと板厚減少を見る

板材の一部に変形が集中すると、その部分が薄くなり、割れにつながるおそれがあります。解析結果では、どの位置がどれだけ伸び、板厚がどの程度減ったかを調べます。

成形限界線図（FLD）は、板材の伸び縮みの組み合わせと、変形できる限界を示す図です。解析で求めたひずみをその材料の限界と比べ、割れが起こるおそれのある箇所を評価します。

成形の途中で変形の方向や割合が変わる場合、単純な変形の試験で得た限界線だけでは判定が合わないことがあります。対象の加工に使える判定方法かを確かめ、試作品の割れ位置や板厚も比べます。

しわは板材の波打ちと流れ込みを見る

しわは、板材が圧縮されて面の外へ波打つ変形です。解析では、しわが出る位置や形に加え、周囲の板材が金型へどのように流れ込むかを調べます。

しわ押さえ力を強めるとしわを抑えられる場合がありますが、材料の流れ込みが妨げられ、割れが起こることもあります。押さえ力やブランク形状を変えた案は、しわだけでなく、板厚減少と割れの予測も合わせて比較します。

解析結果を評価する際は、表示している値と判定条件を読みます。しわを表すメッシュが粗すぎないかなど、現象を計算で捉えられる設定かも確かめます。

スプリングバックは、成形する力を取り除いたとき、板材が弾性的に戻って形が変わる現象です。金型に押し付けた状態では目標形状でも、取り出すと角度や壁面の形が変わる場合があります。

解析では、成形によって板材に生じた応力の分布から、荷重を取り除いた後の形状を求めます。引っ張りと圧縮が繰り返される加工では、その変形の履歴を表せる材料モデルかどうかが予測に影響します。

切断後や測定時の形状まで考える

外周の切断などを成形後に行う場合は、その後にも形状が変化し得ます。絞り直後の形状だけでなく、実際に寸法を評価する加工段階まで解析できるかを確認します。

測定治具で固定した形状を比べる場合は、固定する位置や順序も解析と測定で合わせます。固定していない形状と治具に押さえた形状を混ぜて、予測の誤差と判断しないようにします。

戻った後の形状から金型の補正を検討する

予測した形状と目標形状を同じ位置・向きで比べ、断面の角度や各部のずれを調べます。その差をもとに金型の成形面を補正し、板材を成形して取り出した後に目標形状へ近づくか、再度解析します。

形状の補正後も、割れやしわが生じないかを評価します。戻り量だけを改善して、成形中の板厚減少や材料の流れ込みを見落とさないようにします。

金型トライで作った試作品の板厚、割れ・しわの位置、取り出した後の形状を測り、解析結果と比べます。試作品と解析で、加工後の段階、測定位置、固定方法をそろえ、予測と現物の差を調べます。

例えば、加工前の板厚を1.00mm、同じ評価位置の予測板厚を0.80mm、試作品の実測板厚を0.75mmと仮定します。板厚減少率は、予測で（1.00−0.80）÷1.00×100＝20%、実測で（1.00−0.75）÷1.00×100＝25%です。この位置では、実測の板厚減少率が予測より5ポイント大きい計算になります。これらは比較方法を示す仮定で、加工実績、許容する板厚減少率、解析精度の保証ではありません。板厚の差を記録した位置で割れやしわを観察し、製品図の板厚・寸法要求に対して品質を評価します。差が大きい場合は、実際に使った材料の特性、潤滑状態、金型形状、押さえ力が入力条件と合っているかを調べます。金型やプレス機のたわみが影響する場合は、剛体と仮定した解析で十分かも検討します。

入力を実際の条件に合わせる修正と、製品を改善するための金型・加工条件の変更は分けて考えます。入力値を変更するときは、材料試験や加工時の測定を根拠にし、板厚・しわ・寸法の予測がどう変わるかを確かめます。

変更した設計案は再解析し、試作品でも必要な品質を満たすかを評価します。CAEは試作前に問題を検討する手段であり、計算が終わったこと自体が製品の合格を意味するわけではありません。