【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は例えばシート状の材料を連続的に賦形するのに用いられる成形治具の設計方法に関し、更に詳しくは、最終断面形状が非対称形の製品を連続的に賦形するに当たって、材料の蛇行を防止することのできる成形治具の設計方法に関する。

【０００２】なお、本発明は、例えば高分子材料やガラス繊維等を用いた包装や製袋時における賦形、あるいは賦形と同時にその成形品を他の材料で積層するような成形工程における治具に適用することができる。

【０００３】

【従来の技術】金属板の連続成形においては、従来、最終断面形状の対称性にかかわらず、ロールにより金属板に塑性変形を与えることにより成形する。 高分子材料やガラス繊維等のシートの連続成形においては、以上のような金属板のフォーミングを参考にして、シートを少しずつ折り曲げる方法が採用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、金属板や金属線材の連続成形工程においては、成形により材料が塑性変形してしまうことから、成形治具による成形形状は工程途上ないしは工程終了時点において一貫して維持される。

【０００５】一方、ガラス繊維等を材料とする連続成形では、材料が塑性変形しないのでその形状が定まらず、
特に、成形による張力分布が材料の送り込み方向に直行する断面において左右非対称となる場合には材料が蛇行するという問題が生ずる。 このような張力分布の左右の不均一性が顕著に現れるのは、最終断面形状が左右非対称の製品の賦形時であって、蛇行により材料が成形治具からずれてしまうことが頻発する。

【０００６】図８は左右対称の製品と非対称の製品の成形時におけるシート材料の移動量の相違を示すグラフで、シート材料の送り込みロール位置から製品完成に至る成形ルートでの移動距離を示している。 また、図９は同様な成形過程における材料の張力分布の概略を示す説明図で、（Ａ）は左右対称の製品の賦形の場合、（Ｂ）
は左右非対称の製品の場合を示している。

【０００７】図８のグラフから明らかなように、最終断面形状が左右対称の場合には、送り込み方向に直行する方向でのシート位置により移動距離が変化し、この差によって図９（Ａ）に示すような張力分布が生ずるものの、その張力分布は左右対称となるため、シート材料の蛇行はあまり生じない。

【０００８】左右非対称の場合には、シート位置による移動距離の相違が左右非対称となる結果、張力分布も図９（Ｂ）に示すように左右非対称となってしまい、これが蛇行の原因となると推定される。

【０００９】本発明はこのような観点からなされたもので、連続成形時における上述のような蛇行を防止し、左右非対称の製品でも常に良好に成形することを可能とする成形治具の設計方法の提供を目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するため、本発明の設計方法では、材料の初期断面形状と製品の最終断面形状とから構造解析モデルを作成し、このモデル全面に賦形方向から均一な圧力が作用した場合の材料の変形を有限要素法解析を用いて求め、成形治具の形状を、上記解析によって得られた変形後のモデル形状に沿わせるようにする。

【００１１】また、以上の構造解析モデルを用いて、成形過程における材料のたるみを算出し、得られたたるみが大きい場合にはこの解析モデルに当該たるみに基づく修正を加えることが好ましい。 材料が変形しないものである場合、特に有効である。

【００１２】更に、成形治具を上記の変形後のモデルに全面的に沿うものとせず、成形時の材料進行方向に複数個分割配置してもよい。 この場合、上記の解析にあたって、モデルに作用する均一な圧力を成形時の材料進行方向に直行する方向の複数の帯状領域とし、分割配置する各成形治具の形状を、当該条件に基づいて求められた変形後のモデル形状における該当する各帯状領域に沿う形状とする。

【００１３】

【作用】材料の蛇行は、前記したように成形により生じる張力分布の左右非対称性に起因する。 本発明は、この張力分布を均一もしくは左右対称にすることで蛇行の発生を防止しようとするものである。

【００１４】すなわち、材料の初期断面形状と最終断面形状とを接続した構造解析モデルを作成して、このモデルに均一に圧力を加えて変形させ、この変形後のモデル形状に沿う成形治具により材料を成形すると、材料はほぼ均一な力を受けながら成形されていくはずであり、従って成形により生じる材料の張力分布は均一ないしは左右対称となる。

【００１５】この解析にあたって、成形時に生じる材料のたるみを考慮に入れると、解析結果はより高精度なものとなる。 特に、材料が変形しないものである場合には、たるみを考慮に入れることは有効である。

【００１６】また、成形治具を賦形領域全面にわたって連続的なものとせず、賦形領域内で複数個に分割配置してもよく、この場合にはその治具の各配設位置においてのみ圧力が作用するような解析により、同様な作用を得る。

【００１７】

【実施例】図１は本発明実施例の手順を説明するためのフローチャートで、シート状の材料をローラで成形治具に送り込み、その材料を成形治具に沿った断面形状に賦形する場合の例を示し、また、この例において用いるソフトは汎用の有限要素法解析ソフトである。

【００１８】まず、製品の最終断面形状と送り込みロールの位置情報を入力する。 ここで、この例においては材料がシート状であるから、ロールの位置情報は材料がその初期断面形状を保っている最終的な位置情報を表すことになる。

【００１９】この二つの情報から、図２に例示するように解析モデルの初期形状が作成される。 この図において（Ａ）は製品の進行方向から見た正面端面図で（Ｂ）はその右側面図である。 そして図中ＡＢＣＤで示す線が最終断面形状を表し、ＥＦが送り込みロール位置を示している。

【００２０】このようにして得られたモデルの初期形状は、次いで有限要素法に基づく構造解析のために必要な要素に分割される。 分割後のモデルを図３に例示する。
次に拘束条件を入力する。 この拘束条件は、図３のモデルに対してその内側から、つまり略溝形の成形品の内側となる表面から、一様に均一な圧力をかける条件とする。 図４にモデルに対する圧力の付与方法を矢印により例示する。

【００２１】このような均一圧力の付与によるモデルの変形をシミュレーションする。 図５はそのシミュレーション結果の例を示す斜視図で、図４に示した均一圧力の付与により、モデルは初期形状からこのような形状へと変形する。

【００２２】そして、このシミュレーションにより得られたモデルの変形後の形状を、成形治具の表面形状として出力する。 以上のような手順により設計された成形治具によれば、シートはその折り曲げられる外側から、図４に示した圧力と逆向きの力とほぼ同様の均一な圧力で成形治具と接しながら、つまり理想的な成形状態を維持しながら賦形されていくことになり、その張力分布は均一ないしは左右対称となって、成形時における蛇行が軽減される。

【００２３】以上の実施例では、成形過程における材料のたるみを考慮していないが、このたるみを考慮することにより、シミュレーション結果はより実際に近い高精度のものとなる。

【００２４】材料のたるみは、先に述べた構造解析モデルの初期形状から計算することができるが、その計算に必要な座標データの求め方を図６に例示する。 この図において（Ａ）は製品の正面端面図を示し、（Ｂ）はその右側面図を示している。 また、図２と同様にＡＢＣＤで示す線が最終断面形状を表し、ＥＦが送り込みロール位置を示している。

【００２５】さて、ＡＢＣＤとＥＦにより決定された初期形状から、ＣＦ＝ＨＦ，ＢＥ＝ＧＥとなるような点Ｈ
およびＧを求める。 次に、ＧからＢＥにおろした垂線の足をＩとし、ＡＢに平行でＧＩを含む平面とＤＦ，ＣＦ
との交点Ｊ，Ｋを求める。

【００２６】そして、図３に示した要素分割後のモデルにおいて、ＣＨをＫＪに、ＢＧをＩＧに移動させることにより、シートのたるみを計算することができる。 以上のようにして求められたたるみの量が無視し得る程度に小さい場合には、図３のモデルによって前記したような構造解析を行ってもよいが、たるみを与えた後のモデルを用いて同様な構造解析シミュレーションを行うと、その解析結果はより実際のものと近くなり、このようにして得られた形状を持つ成形治具を用いることによって、
材料の張力分布はより均一なものとなり、蛇行の発生をより効率的に抑制することが可能となる。

【００２７】ここで、以上の各実施例では、構造解析モデルに一様に圧力を付与し、その圧力により変形したモデル形状に沿う成形治具を作る場合について述べたが、
本発明はこのような成形領域全域にわたる連続的な成形治具のほか、材料の成形過程において不連続の成形治具をいくつか配置する場合にも適用できる。

【００２８】すなわち、成形領域全域にわたる成形治具は材料に理想的な成形状態を与えるものであるが、実際の治具の加工精度、およびその加工コスト等を考慮した場合には、成形領域に部分的にいくつかの成形治具を配置する方が望ましい場合もある。

【００２９】このような不連続の治具の設計に当たっては、前記した２つの実施例における構造解析モデルに対する圧力の与える領域を、治具の配設位置とすればよい。 すなわち、図７に斜線で示すように、初期形状のモデルに対して、成形により材料が送られていく方向に複数の治具配設領域を設定し、この領域にのみ圧力を付与した場合のモデルの変形をシミュレートする。 そして、
変形後のモデルの形状から、それぞれの圧力付与領域の形状に沿う治具を設計するわけである。

【００３０】このような分割形の成形治具は、連続的な成形治具に比して製造コストの点で有利であり、また、
連続的な成形治具の実際の加工精度を考慮すると、最終的な製品の断面形状によっては、実成形において特に材料の成形精度や蛇行において不利とはならない場合もある。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
成形前の材料の初期断面形状と、成形後の最終的な断面形状とから構造解析モデルを作成し、そのモデルに対して均一な圧力が作用した場合の変形を解析し、その解析により求められた変形後のモデル形状に沿うような成形治具を設計するので、本発明を適用した治具を用いた場合には、左右非対称の製品であっても、材料は均一または対称な圧力で治具に接しながら成形されていくことになる。 その結果、成形により材料に生じる張力分布も常に均一ないしは左右対称となって、蛇行現象が生じないか、あるいは著しく軽減される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明実施例の設計手順を説明するためのフローチャート

【図２】 本発明実施例で作成される構造解析モデルの初期形状を表す図で（Ａ）は正面端面図、（Ｂ）はその右側面図

【図３】 構造解析のために必要な要素に分割された後のモデルの例を示す斜視図

【図４】 図３のモデルに対する圧力の付与方法を示す模式図

【図５】 本発明実施例の構造解析により得られた変形後のモデルの斜視図

【図６】 成形時における材料のたるみを計算するときに必要な座標データの求め方の説明図で（Ａ）は製品の正面端面図、（Ｂ）はその右側面図

【図７】 不連続の成形治具を設計する場合に構造解析モデルに対する圧力の与える領域の例を示す斜視図

【図８】 左右対称の製品と非対称の製品の連続成形時におけるシート材料の移動量の相違を示すグラフ

【図９】 同じく連続成形過程における材料の張力分布の概略を示す説明図で（Ａ）は左右対称の製品の場合の説明図、（Ｂ）は左右非対称の製品の場合の説明図