大型ホイールのディスク成形における 有限要素シミュレーション 有限要素 シミュレーション 工具と素材形状の最適化 材料の歩留り向上 塑性加工研究室 高橋　大 直径：約 500 mm 板厚：約 10 mm 曲げ，溶接 打抜き 揺動鍛造 有限要素 シミュレーション １段目 ２段目 スピニング加工 スピニング 加工 1：30 直径約500mm，板厚約10mm 一般的には，・ 赤で示した材料損失は約40％→材料の歩留まり重要． そこで材料の歩留まり向上を目的として新しく開発された方法 矩形の板材を使っていることで捨てる材料は数％ この方法は新しく開発されている方法のために加工条件に関する蓄積があまりない 本研究では，有限要素法によるシミュレーションを用いて 工具と素材形状を最適化 工具と素材形状の最適化 穴抜き 穴抜き 材料の歩留り向上 (a) 一般的方法 (b) 本方法

解析モデル 揺動鍛造 軸対称鍛造 厳密には３次元変形 ２次元モデル 軸対称近似 計算の複雑化 計算時間の短縮 計算時間の増大 軸対称剛塑性有限要素 シミュレーション 0：40 ディスクは軸対称形 図を説明 揺動成形は局部的な変形，厳密には３次元変形 ３次元モデルでは計算が複雑となり，計算時間が長い 実加工における使用ではパソコンによって数１０分程度で計算できることが必要 そこで同じ形状のダイスによる軸対称鍛造と考える ↓ 軸対称近似による２次元モデル　計算時間が短縮 揺動鍛造を軸対称剛塑性有限要素法でシミュレーションします． (a) 揺動鍛造(３次元変形) (b) 軸対称鍛造

軸対称有限要素シミュレーション 第１段 円環断面 工具 次に計算および実験の結果について説明します． 円い円環の断面を示している． 揺動鍛造の軸対称近似の妥当性の検討 金型，円環断面の説明 計算結果 第１段で予成形 第２段で大型ディスクが成形

軸対称有限要素シミュレーション 第２段 計算 パソコンで約３０分

軸対称シミュレーションと揺動鍛造実験の結果 計算 実験 その結果， 軸対称シミュレーションから得られた各段の断面形状は揺動鍛造実験のものと一致しました． 軸対称近似で揺動鍛造をシミュレートできることが分かった． (a) 第1段　　　　　　　　　(b) 第2段 図　断面形状の比較

軸対称シミュレーションと揺動鍛造実験の結果 揺動鍛造の接触面積を近似して 荷重が接触面積に比例すると考えて 計算した結果と実験結果． 小さいストロークでは計算が実験よりも小さいですが， ストロークが大きいところではほぼ一致． ---- 揺動鍛造の軸対称近似が妥当である． 図　第2段加工における荷重とストロークの関係

欠陥発生を防止する加工条件の検討 口絞りによる 口広げによる カーリングによる しわ（圧縮） 割れ（引張り） 割れ（引張り） 円環のディスク成形において 円環端部に円周方向応力が発生 しわや割れが発生→欠陥となることがある 第１段においては，すぼめられて圧縮応力が働き，しわが発生． 第２段においては，大きく広げられて割れが発生． 内側端部には，カーリングが発生し拡げられて割れが発生． このような欠陥が発生するので，次に詳細に調べました． (a) 第１段 (b) 第２段

軸対称モデル成形（実加工の１／１０） φ28 α R8 下工具 上工具 R6 φ40 上工具 φ38 35° 下工具 Φ42.6 20.0 1.6 揺動鍛造実験は装置が複雑，製品が大型 加工条件を変えることは困難 そこで1/10モデルの軸対称鍛造でシミュレーションと実験を行った． ディスク成形に用いた工具の形状・円環の形状 変化させたパラメータは第１段工具角度で５０から７０°まで変化させました． α=50°55°60°65°70° (a) 第1段　　　(b) 第2段 図　工具の形状 図　円環の形状

図 第１段における内側端部の 円周方向応力ーストローク曲線 内側端部が絞られるため，圧縮応力が発生し，しわが発生． 最大の円周方向応力，ほぼ一致，影響少ない． 図　第１段における内側端部の 円周方向応力ーストローク曲線

図 第２段加工における外側端部の最大円周方向応力 に及ぼす第１段工具角度の影響 外側端部は拡げられるため，引張り応力がはたらく． 図　第２段加工における外側端部の最大円周方向応力 　　に及ぼす第１段工具角度の影響

50 55 60 65 70 0.1 0.2 0.3 0.4 第１段工具角度 α / ° 最大カーリング率 c a ｃ＝ 0.1 0.2 0.3 0.4 第１段工具角度 α / ° 最大カーリング率　c a ｃ＝ Δl a Δl 　この最大カーリング率に及ぼす第１段工具の工具角度の関係を計算によって調べました． 　まとめ 　外側の引張応力は工具角度が大きいほどよい． 　カーリング率は工具角度が小さいほどよい． よってこの中間の角度の６０°が最適な工具角度と考えられる． 図　第２段加工における最大カーリング率に 　　及ぼす第１段工具角度の影響

スピンニグ加工量の減少 円環の肉厚分布の最適化 スピンニグ加工量の減少　　円環の肉厚分布の最適化 シミュレーション シミュレーション 目標 計算 (a) 第１段加工前 (b) 第２段加工前 (c) 第２段加工後 円環の肉厚分布の修正 スピニングにおける加工量を減らすため，円環の最適な肉厚分布を求めました． 手順----------- 1.　肉厚一定としてシミュレーションを行う． 2.　その差を使って比例配分する． 3.　それをつかって修正． 4.　またシミュレーション これを繰り返すことで円環の最適な肉厚分布を決定できる． シミュレーション 修正後 修正前 円環の肉厚分布の修正 繰返し

円環の肉厚分布の最適化 第１段加工前 第２段加工後 (a) １回目 (b) ３回目 (c) ５回目 計算 目標 工具 求められた 形状 繰返し計算によって円環の肉厚分布が最適化された結果です． １回目の計算では一定肉厚の円環からディスクが成形されているため， 計算結果は目標形状からズレています． ３回目の計算では，第２段加工後の断面形状は目標形状に近づき， ５回目においては目標形状とほぼ一致する円環の肉厚分布を求めることができている． この形状で実際に作ったのがこれ（次のページ）です． 第２段加工後 (a) １回目 (b) ３回目

最適な肉厚分布の円環の実験結果 (a) 加工前 (b) 加工後 目標 実験 (c) 断面形状の比較 （前のぺーじより） 今回は切削で作りましたが，実際は圧延で作ります． 鍛造実験した結果がこれです． 断面形状を測定し，目標形状と比較しました． 実験結果は目標形状とほぼ一致しており，本最適化法が有効であることが分かりました． (c)　断面形状の比較

(1) 軸対称有限要素法によって円環の揺動鍛造をほぼシミュレートできた． 大型ホイールのディスク成形における 有限要素シミュレーション (1)　軸対称有限要素法によって円環の揺動鍛造をほぼシミュレートできた． (2)　欠陥発生を防止する最適な第１段工具角度を決定した． (3)　円環の最適な肉厚分布を決定し，本最適化法の有効性を確かめた．