塑性加工の有限要素シミュレーション
豊橋技術科学大学
森 謙一郎
• 有限要素法の基礎
• 鍛造,押出し,深絞り
加工への応用
CADとCAE
CAD
(Computer Aided Design)
図面作成,図形処理
CAE
(Computer Aided Engineering)
計算機シミュレーション
有限要素法,差分法,境界要素法
(a) モデル製作
(b) CAD
図 計算機支援技術
塑性加工の解析法
• 得たい情報
–塑性変形,温度分布,工具の変形
• 解析的な方法
–スラブ法,すべり線場法,上界法
• 数値解析法
–有限要素法,差分法,境界要素法
有限要素法
工具
2次元:4角形要素
3次元:6面体要素
節点
節点
要素
素材
節点
工具
節点
軸対称シミュレーション結果
第2段
第1段
欠陥発生の予測
1) 金型への充満
2) 延性破壊による割れの発生
3)塑性座屈
4)板成形におけるくびれ
図 型鍛造における充満挙動
図 各種の塑性加工における割れの発生
0.56
球状化 圧縮率75%
普通 圧縮率66%
(a) 割れた試験片
球状化:0.56
普通:0.40
(b) ダメージ値
図 すえ込み加工における表面割れ
0.00
図 ヘッディング加工における割れの発生
図 ヘッディング加工における割れ発生の抑制
(a) 外観
(b) 断面
図 多段押出し加工におけるシェブロンクラック
成形前
成形後
素材
・要素数 約1500個
・50ステップごとに
リメッシュの設定
図 多段押出し加工
0.55
(a) A材
4工程後
(b) A材
5工程後
(c) SA材
7工程後
0.32
0.41
0.55
割れたものと
割れないもの
があった
全ての試験片
が割れた
最後まで
割れなかった
図 シェブロンクラックに対するダメージ値の分布
0.00
図 ヘッディング加工における塑性座屈による折れ込み
図 ヘッディング加工における塑性座屈
図 ヘッディング加工における温度と残留応力
Die
(a) Dh/h0=0%
(b) Dh/h0=52%
(c) Dh/h0=75%
図 クランクシャフトの3次元鍛造
図 円筒深絞り加工におけるくびれの発生
図 マルテンサイト変態
を考慮したステンレス
鋼板の深絞り加工のシ
ミュレーション
シミュレーションを用いた工程設計
開発期間
開発期間 長期化
短縮
金型費用 抑制
増大
製品図
工程設計
金型設計
・製作
試作
寸法
形状
NG
原因調査
原因調査
工程の再検討
工程の再検討
シミュレーション
後工程加工
組付け
製品評価
OK
有限要素法の利点
1) 工具・材料の形状および材料特性を
変化させるのが容易である.
2) 材料内部の材料流動,応力・ひずみ
分布が求まる.
3) 自由度が大きく,精度の高い解が得
られる.
4) 設計,開発の時間が短縮できる.
5) コストが低減できる.
6) 環境がよくなる.
塑性加工の有限要素シミュレーション
1) 鍛造加工
軸対称鍛造,3次元鍛造,座屈,割れ発生の予測,温度分布
2) 押出し・引抜き加工
軸対称変形,3次元変形,割れ発生の予測,温度分布
3) 板材成形
深絞り,曲げ,張出し,3次元成形,異方性,成形限界,温度分
布,組織予測,クラッド材
4) 粉末成形
粉末鍛造,圧粉成形,焼結,金属粉末射出成形
5) 圧延加工
平面ひずみ圧延,3次元圧延,厚板圧延,エッジング圧延,管材
圧延,孔型圧延,組織予測
6) 切削・せん断加工
平面ひずみ,3次元変形,材料の分離
7) 表面処理
ショットピーニング
有限要素法で取扱える特性
1) 変形抵抗
加工硬化,ひずみ速度依存性,異方性,温度依存性
2) 摩擦
摩擦係数,摩擦せん断係数
3) 加工による組織変化
圧延加工,鍛造加工,板材成形
4) 粉末成形における圧縮性
圧粉成形,焼結金属
5) 慣性力
高速加工
図 平面ひずみ圧延における格子の変形
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対角マトリックスを用いた 剛塑性有限要素法