JP6520459B2 - 鍛造型設計支援装置および鍛造型設計支援方法 - Google Patents

Description

本発明は、鍛造型の設計を支援する鍛造型設計支援装置および鍛造型設計支援方法に関する。

タービンブレードなどの捩れた形状の鍛造製品の鍛造型を設計するときには、設計者は、鍛造製品を製造可能であること、さらには、素材の投入重量をなるべく少なくしつつ、欠肉を発生させない形状となっていることを確認する必要がある。そこで、設計者は、剛塑性有限要素法などを用いて、鍛造型の複数の断面について型打時に働く力や素材流動の様子などを解析し、その解析結果から、製造装置にかかるモーメントや荷重を算出し、鍛造型の形状を決めていた。

ところで、捩れた形状の鍛造製品の鍛造法には、捩れた形状に鍛造する仕上げ鍛造法と鍛造した後に捩じる平打鍛造法とがあるが、工程数が少なくなる点で仕上げ鍛造法のほうが有利である。しかしながら、仕上げ鍛造法では、素材にかかるモーメントが大きくなるため、素材の移動が発生し、この移動が原因でしばしば欠肉が生じる。モーメントは、型打ち角度、素材の位置や向きなどに影響され、また、素材の位置と向きは、バリの量や出方に影響を与える。従って、鍛造型の設計では、モーメントの及ぼす影響に関して十分に検討しておくこと、とくに、欠肉の有無を確認しておくことが必要不可欠となる。

以上のように、鍛造型の設計では、設計者は、鍛造型の形状を決定した後、解析計算を実行し製造の可否および欠肉の有無を確認する。その確認の結果、製造不可の場合や欠肉が生じる場合には、設計者は、鍛造型の形状を変更し、解析計算を再実行し、製造の可否および欠肉の有無を確認する作業を繰り返す。先に述べたように、製造の可否判定には製造装置にかかるモーメントを評価する必要があるが、これは素材位置や向きに依存する。現状では、素材位置と向きの決定は、熟練者が解析の結果得られるバリの量や出方や欠肉の有無をその都度確認し、経験に基づき繰り返し変更することで決定されている。そのため、鍛造型の設計には多大な工数がかかるとともに、熟練者のノウハウが必要な作業となっている。

例えば、特許文献１には、ロール金型の設計をコンピュータで支援する鍛造型設計支援装置の例が開示されている。また、特許文献２には、鍛造製品に欠肉が生じているか否かの判定や、欠肉が生じている場合にその欠肉の程度が許容可能な範囲内であるか否かの判定を、容易にかつ精度良く行う欠肉検査装置の例が開示されている。

特開平１１―９６２０１号公報 特開２００８―１８８６１５号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている鍛造型設計支援装置は、圧延加工に用いるロール金型の設計を支援するものであり、その設計で用いられる設計パラメータは、鍛造加工用の鍛造型の設計で用いられる設計パラメータと大きく相違している。そのため、特許文献１に開示されている鍛造型設計支援装置を鍛造型の設計支援装置として用いることは困難である。

また、特許文献２に記載の欠肉検査装置では、欠肉の有無を判定することはできるものの、バリの量やバリの出方を十分に評価することはできない。また、欠肉の有無を判定する場合でも、鍛造製品の重量やバリの重量を計測する必要があることから、この方法を設計支援の方法として用いるのは困難である。

そこで、本発明は、鍛造製品の製造時におけるバリの量やバリの出方を設計時に定量的に評価可能にする鍛造型設計支援装置および鍛造型設計支援方法を提供することを目的とする。

本発明に係る鍛造型設計支援装置は、処理装置と記憶装置と入出力装置とを備えてなり、前記処理装置が、前記入出力装置を介して、鍛造製品の製品形状データ、鍛造型の寸法データ、素材の配置位置データ、素材の寸法データ、および、鍛造シミュレーションモデルのパラメータを含んだ解析条件データを入力するとともに、前記素材が前記鍛造型により鍛造される過程を前記入力したデータを用いてシミュレーションし、鍛造後の前記素材の形状データを計算する鍛造シミュレーション部と、前記入出力装置を介して、前記鍛造の過程で生じるバリを判定するためのパーティングラインの開始点よりも外側の位置を示すバリ判定条件データを入力するとともに、前記バリ判定条件データを用いて、前記鍛造シミュレーション部により計算された鍛造後の前記素材の形状データから前記バリの部分を抽出し、前記バリの量またはサイズを表す少なくとも１つのデータの値を算出するバリデータ計算部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、鍛造製品の製造時におけるバリの量やバリの出方を設計時に定量的に評価可能にする鍛造型設計支援装置および鍛造型設計支援方法が提供される。

本発明の実施形態に係る鍛造型設計支援装置の構成の例を示した図。 本発明の実施形態に係る鍛造型設計支援装置における処理のデータフロー図の例を示した図。 製品形状データから鍛造型形状データが作成される過程を模式的に示した図。 鍛造開始時における鍛造型（上型および下型）と鍛造対象の素材との位置関係およびそれぞれの形状の例を示した図。 鍛造解析部による鍛造過程のシミュレーションで得られた素材の最終形状の例を模式的に示した図。 バリ判定線およびバリ方向ベクトルを設定するために表示される表示画面の例を示した図。 図６に示した表示画面の一部を変形した表示画面の例を示した図。 図６に示した表示画面の一部を変形した表示画面の第２の例を示した図。 鍛造過程のシミュレーションで得られた素材のバリの部分の形状の例を模式的に示した図で、バリ断面積を説明するために示した図。 バリ断面積・長さ計算部によるバリ断面積計算処理の処理フローの例を示した図。 鍛造過程のシミュレーションで得られた素材のバリの部分の形状の例を模式的に示した図で、バリ長さを説明するために示した図。 バリ断面積・長さ計算部によるバリ長さを計算する処理フローの例を示した図。 最適化部の処理フローの例を示した図。 表示部により表示される表示画面の例を示した図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図面において、共通する構成要素には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る鍛造型設計支援装置１００の構成の例を示した図である。図１に示すように、本実施形態に係る鍛造型設計支援装置１００は、処理装置１０、記憶装置２０および入出力装置３０を備えて構成される。すなわち、鍛造型設計支援装置１００は、ハードウエア的には、一般的なパーソナルコンピュータやワークステーションなどを用いて実現することができる。

処理装置１０は、いわゆるコンピュータのＣＰＵ（Central Processing Unit）部分に相当し、予め記憶装置２０に記憶されているプログラムを実行することによって様々なデータ処理機能を実現する。本実施形態では、鍛造型設計支援装置１００の機能を実現するために、処理装置１０は、設計基礎データ入力部１０１、鍛造型形状作成部１０２、素材形状作成部１０３、鍛造解析部１０４、バリ判定位置入力部１０５、バリ断面積・長さ計算部１０６、表示部１０７、最適化部１０８などの処理ブロックを備えている。なお、これらの処理ブロックの処理内容については、以下に順次説明していく。

記憶装置２０は、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ハード磁気ディスク装置、ＳＳＤ（Solid State Disk）装置などによって構成される。記憶装置２０には、処理装置１０が実行するプログラムが記憶されるほか、入出力装置３０を介して入力されるデータ、プログラムの実行に際して用いられる作業用データ、プログラムの実行の結果得られるデータなどが記憶される。本実施形態では、記憶装置２０には、製品形状データ２０１、鍛造型寸法データ２０２、素材寸法データ２０３、解析条件データ２０４、鍛造型形状データ２０５、素材形状データ２０６、解析結果データ２０７、バリ判定条件データ２０８、バリ断面積・長さデータ２０９などが記憶される。なお、これらのデータの詳細についても、以下に順次説明していく。

入出力装置３０は、キーボード、マウス、タッチパネルなどの入力装置、および、液晶表示装置、プリンタなどの出力装置により構成される。そして、入出力装置３０により、処理装置１０とユーザ（鍛造型の設計者）との間のユーザインタフェースが構築される。なお、ＬＡＮ（Local Area Network）やインターネットに接続するための通信装置や、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリなど可搬型メモリの駆動装置も、入出力装置３０に含まれるとしてもよい。

図２は、鍛造型設計支援装置１００における処理のデータフロー図の例を示した図である。ここでは、まず、このデータフロー図を用いて、鍛造型設計支援装置１００における処理の概要について説明する。なお、図２のデータフロー図には、最適化部１０８が含まれていない。最適化部１０８の処理フローについては、別途図面を改めて説明する。

図２に示すように、設計基礎データ入力部１０１は、まず、入出力装置３０を介してユーザが入力する製品形状データ２０１、鍛造型寸法データ２０２、素材寸法データ２０３および解析条件データ２０４を読み込み、記憶装置２０に格納する。なお、これらのデータは、鍛造型設計支援装置１００とは異なる他のコンピュータで作成されたデータであってもよい。その場合、設計基礎データ入力部１０１は、他のコンピュータで作成されたデータを、図示しない通信ネットワークや可搬型メモリを介して読み込むものであってもよい。

鍛造型形状作成部１０２は、製品形状データ２０１と鍛造型寸法データ２０２とから鍛造型形状データ２０５を作成し、素材形状作成部１０３は、鍛造型形状データ２０５と素材寸法データ２０３とから、素材形状データ２０６を作成する。ここで、素材寸法データ２０３は、素材が例えば円柱形状の場合、その円柱の直径、高さなどのデータからなる。

鍛造解析部１０４は、鍛造型形状データ２０５と素材形状データ２０６と解析条件データ２０４とを入力データとして、鍛造過程における素材の移動などシミュレーションし、その結果を解析結果データ２０７として記憶装置２０に格納する。ここで、シミュレーションの方法としては、例えば剛塑性有限要素法を用いることができる。また、解析条件データ２０４は、鍛造型と素材の間の摩擦モデル、摩擦係数、熱伝達率や、周囲（環境）温度、鍛造型温度、初期素材温度、上型低下速度、上型停止条件など、鍛造のシミュレーションモデルを構成するパラメータやデータからなる。

バリ判定位置入力部１０５は、ユーザが入力するバリ判定位置、バリ方向ベクトル、距離定義データ（最大値、最小値、平均値）などのデータを読み込み、バリ判定条件データ２０８として記憶装置２０に格納する。また、バリ断面積・長さ計算部１０６は、解析結果データ２０７とバリ判定条件データ２０８とからバリの断面積および長さを計算し、その結果をバリ断面積・長さデータ２０９として記憶装置２０に格納する。

表示部１０７は、記憶装置２０に格納されている鍛造型形状データ２０５、素材形状データ２０６、解析結果データ２０７、バリ判定条件データ２０８、バリ断面積・長さデータ２０９のうち、少なくとも１つを含むデータを入出力装置３０に出力する、例えば、液晶表示装置の画面に表示する。

また、最適化部１０８は、ユーザが入力する設計因子（素材の位置など）の値を適宜変更しながら、鍛造型形状作成部１０２、素材形状作成部１０３、鍛造解析部１０４およびバリ断面積・長さ計算部１０６の処理を繰り返し実行する。そして、この繰り返しの処理を、予め設定された目的関数（例えば、バリ断面積または長さまたはこの両方など）の値が最小値または最小値の近傍に到達するまで実行することにより、設計因子の値を最適化する。その場合、最適化部１０８は、最適化処理の過程で使用したテーブルやグラフ（応答曲面など）を表示する機能を備えていてもよい。

続いて、図３〜図１４を用いて、処理装置１０（図１参照）に含まれる鍛造型形状作成部１０２などの処理ブロックについて、それぞれの処理内容を詳細に説明する。

図３は、製品形状データ２０１から鍛造型形状データ２０５が作成される過程を模式的に示した図である。図３に示すように、鍛造型形状作成部１０２は、まず、鍛造型寸法データ２０２を用いて、製品形状データ２０１で表わされる形状を鍛造代分大きくした形状を作成し、その形状を表すデータを鍛造代付与後輪郭形状データ２０１ａとする。次に、鍛造型形状作成部１０２は、鍛造代付与後輪郭形状データ２０１ａで表わされる形状を鍛造温度での熱膨張を考慮して大きくした形状を作成し、その形状を表すデータを熱膨張後輪郭形状データ２０１ｂとする。

次に、鍛造型形状作成部１０２は、熱膨張後輪郭形状データ２０１ｂで表わされる形状に抜け勾配およびバリ道を考慮し、パーティングラインＰＬを追加する。そして、鍛造型形状作成部１０２は、熱膨張後輪郭形状データ２０１ｂとパーティングラインＰＬとパーティングラインＰＬからフラッシュ厚さＦＴ分高い位置に引いた線とを用いて、型彫り形状データ２０１ｃを作成する。さらに、鍛造型形状作成部１０２は、任意の矩形（３次元なら直方体）から型彫り形状データ２０１ｃが表す形状をくり抜いた形状のデータを作成し、鍛造型形状データ２０５とする。なお、入出力装置３０から鍛造型形状データ２０５を表すジオメトリデータを直接に入力し、この鍛造型形状作成部１０２の処理を省略してもよい。

図４は、鍛造開始時における鍛造型３００（上型３０１および下型３０２）と鍛造対象の素材３０３との位置関係およびそれぞれの形状の例を示した図である。前記したように、素材形状作成部１０３は、鍛造型形状データ２０５と素材寸法データ２０３とから素材形状データ２０６を作成する。ここで、素材形状データ２０６は、単に、素材３０３の形状を表すだけでなく、鍛造型３００の上型３０１、下型３０２と鍛造対象の素材３０３との位置関係を表すデータである。

従って、素材形状作成部１０３は、素材３０３が例えば円柱状の場合、素材寸法データ２０３からその円柱の直径および高さのデータを取得するとともに、ユーザが入出力装置３０を介して入力する素材３０３の配置位置および配置方向のデータを取得する。さらに、素材形状作成部１０３は、これら取得したデータと鍛造型形状データ２０５とを用い、図４に示したような上型３０１と下型３０２と素材３０３との位置関係およびそれぞれの形状を表した素材形状データ２０６を作成する。なお、入出力装置３０から素材形状データ２０６のジオメトリデータを直接に入力し、この素材形状作成部１０３の処理を省略してもよい。

鍛造解析部１０４は、まず、図４に示したような鍛造型３００（上型３０１および下型３０２）と素材３０３との位置関係を表した空間の中に、解析シミュレーション用のメッシュを設定する。このとき、メッシュの数は、例えば、入出力装置３０を介してユーザが設定する。続いて、鍛造解析部１０４は、解析条件データ２０４で指定される摩擦モデル、摩擦係数、熱伝達率、周囲（環境）温度、鍛造型温度、初期素材温度、上型低下速度、上型停止条件などを用いて、鍛造の解析モデルを作成する。次に、鍛造解析部１０４は、その解析モデルを用いて素材３０３の鍛造過程をシミュレーションし、その結果を解析結果データ２０７として記憶装置２０に格納する。

図５は、鍛造解析部１０４による鍛造過程のシミュレーションで得られた素材３０３ａの最終形状の例を模式的に示した図である。ここで、パーティングラインＰＬの開始位点ＰＳよりも外側（バリ道）にはみ出た素材３０３ａの部分は、バリ４００と呼ばれ、最終的な鍛造製品では取り除かれる。バリ４００は、欠肉を防止するために必要とされているものであるが、できるだけ少ないほうがよい。

そこで、本実施形態では、シミュレーションの結果得られるバリ４００の量を評価するために、バリ判定位置入力部１０５の処理により、バリ判定線４０４およびバリ方向ベクトル４０５を設定する。図５に示すように、バリ判定線４０４は、鍛造後の素材３０３ａのうちバリ４００と判定する部分を区別する境界線であり、パーティングラインＰＬの開始点ＰＳ（製品側端）よりもわずかに外側に設けられる。また、図５において、バリ方向ベクトル４０５は、バリ４００が外側に移動する方向を表している。なお、本実施形態では、バリ方向ベクトル４０５の大きさには、とくに意味は付与されていないので、例えば、単位の大きさであればよい。

バリ判定線４０４およびバリ方向ベクトル４０５は、上型３０１、素材３０３および下型３０２の中心を含み、例えばパーティングラインＰＬに垂直な任意の断面に対して設定される。なお、図５の例は、素材３０３ａの鍛造をｘｚ平面に平行な断面で解析した例となっており、パーティングラインＰＬは、ｘ軸と略平行であるとしている。従って、素材３０３ａの左右の端部のバリ４００に対するバリ方向ベクトル４０５は、いずれもｘ軸方向に沿った方向となっている。

図６は、バリ判定線４０４およびバリ方向ベクトル４０５を設定するために表示される表示画面３１の例を示した図である。この表示画面３１は、バリ判定位置入力部１０５によって表示され、この表示画面３１を介して、例えば、図５の場合と同様に素材３０３ａの鍛造をｘｚ平面に平行な断面で解析した場合に用いられるバリ判定線４０４およびバリ方向ベクトル４０５が設定される。すなわち、この表示画面３１では、バリ判定線４０４として、ｘ軸に沿った左右の端部に、バリＡ判定線４０４ａおよびバリＢ判定線４０４ｂが設定される。また、バリ方向ベクトル４０５として、同じく左右の端部にバリＡ方向ベクトル４０５ａおよびバリＢ方向ベクトル４０５ｂが設定される。

ここで、図６に示すような表示画面３１を表示する場合、バリ判定位置入力部１０５は、まず、数値入力ボックス３１１ａ，３１１ｂおよびラジオボタン３１２ａ，３１２ｂを表示し、さらに、解析対象の上型３０１、下型３０２および素材３０３の断面構造の例を表示する。この時点では、バリＡ判定線４０４ａ、バリＢ判定線４０４ｂ、バリＡ方向ベクトル４０５ａおよびバリＢ方向ベクトル４０５ｂは表示されていない。

そこで、ユーザが、数値入力ボックス３１１ａ，３１１ｂに、バリＡ判定線４０４ａおよびバリＢ判定線４０４ｂそれぞれの位置を表す数値を入力すると、バリ判定位置入力部１０５は、これらの数値を読み取る。そして、その数値に基づきバリＡ判定線４０４ａおよびバリＢ判定線４０４ｂの位置を設定する。さらに、ユーザが、ラジオボタン３１２ａ，３１２ｂのそれぞれについて、一方のボタン（−ｘ側または＋ｘ側）を選択すると、バリ判定位置入力部１０５は、その選択情報を取得する。そして、その選択情報に基づいて、バリＡ方向ベクトル４０５ａおよびバリＢ方向ベクトル４０５ｂの方向を設定する。

次に、バリ判定位置入力部１０５は、以上により設定されたバリＡ判定線４０４ａ、バリＢ判定線４０４ｂ、バリＡ方向ベクトル４０５ａおよびバリＢ方向ベクトル４０５ｂを、上型３０１、下型３０２および素材３０３の断面構造が表示された表示画面３１の中に表示する（図６参照）。

なお、図６の例では、数値入力ボックス３１１ａ，３１１ｂに入力されるべき数値は、上型３０１、下型３０２および素材３０３を表示するときに用いられる座標系でのｘ軸の座標値であるとしている。ここで、この座標系における座標値および長さの単位は、ｍｍであり、また、ｘ軸の原点（ｘ＝０）は、上型３０１および下型３０２の配置位置の中心で、例えば、円形の素材３０３の中心に設定されているものとしている。

図７は、図６に示した表示画面３１の一部を変形した表示画面３２の例を示した図である。図７に示した表示画面３２は、図６に示した表示画面３１とほとんど同じであるが、数値入力ボックス３１３ａ，３１３ｂに入力される数値が図６での例と異なっている。すなわち、図７の例では、数値入力ボックス３１３ａ，３１３ｂには、座標値ではなく、パーティングラインＰＬにおける製品側端４０６ａ，４０６ｂのそれぞれから、設定しようとしているバリＡ判定線４０４ａおよびバリＢ判定線４０４ｂまで距離が入力される。ここで、距離の単位は、ｍｍであるとする。

さらに、以上の相違に伴い、図７の表示画面３２では、バリＡ判定線４０４ａおよびバリＢ判定線４０４ｂだけでなく製品側端４０６ａ，４０６ｂが太い破線で表示される点でも、図６の表示画面３１とは相違している。ただし、ラジオボタン３１２ａ，３１２ｂを用いて、バリＡ方向ベクトル４０５ａおよびバリＢ方向ベクトル４０５ｂの方向を設定することについては、図６の例と同じである。

以上、図７の表示画面３２では、バリＡ判定線４０４ａおよびバリＢ判定線４０４ｂの位置を、製品側端４０６ａ，４０６ｂからの相対距離で設定できるので、ユーザにとってはその設定位置が分かり易く、操作し易いものになっているといえる。

図８は、図６に示した表示画面３１の一部を変形した表示画面３２の第２の例を示した図である。図８に示した表示画面３３では、バリ判定線４０４が直線に限定されず、曲線であってもよいものとされている。そのため、表示画面３３には、バリＡ判定線４０４ａおよびバリＢ判定線４０４ｂそれぞれの形状を規定したデータが格納されたファイルの名称を入力するためのテキストボックス３１４ａ，３１４ｂが表示される。また、表示画面３３には、図６の表示画面３１と同様に、バリＡ方向ベクトル４０５ａおよびバリＢ方向ベクトル４０５ｂの方向（−ｘ側または＋ｘ側）を選択するためのラジオボタン３１２ａ，３１２ｂが表示される。

従って、ユーザは、表示画面３３に表示されたテキストボックス３１４ａ，３１４ｂおよび数値入力ボックス３１１ａ，３１１ｂを介して、バリＡ判定線４０４ａおよびバリＢ判定線４０４ｂの位置および形状を設定することができる。また、ユーザは、ラジオボタン３１２ａ，３１２ｂを介して、バリＡ方向ベクトル４０５ａおよびバリＢ方向ベクトル４０５ｂの方向を設定することができる。

そこで、ユーザが、バリＡ判定線４０４ａ、バリＢ判定線４０４ｂ、バリＡ方向ベクトル４０５ａおよびバリＢ方向ベクトル４０５ｂを設定すると、バリ判定位置入力部１０５は、これらを、上型３０１、下型３０２および素材３０３の断面構造が表示された表示画面３３の中に表示する（図８参照）。さらに、バリ判定位置入力部１０５は、最内側位置４０７ａ，４０７ｂを表す直線を太い破線で表示画面３３の中に表示する。

なお、以上の図６〜図８の説明では、その説明を簡明にするために、素材３０３の鍛造の２次元でのシミュレーション解析を前提としているが、実際の鍛造は、３次元空間で行われる。３次元解析では、バリ判定線４０４は、一般には曲面で表わされ、バリ判定曲面というべきものになる。従って、この場合、例えば図８の表示画面３３では、テキストボックス３１４ａ，３１４ｂの代わりに、バリ判定曲面の形状を規定するデータが格納されたファイルの名称を入力するためのテキストボックス（図示せず）が表示されることになる。

同様に、３次元解析では、バリ方向ベクトル４０５の方向は、−ｘ側または＋ｘ側だけでは表せなくなるので、一般には、３つの成分を有するベクトル（ｖ_ｘ，ｖ_ｙ，ｖ_ｚ）で表す必要がある。従って、例えば表示画面３３では、ラジオボタン３１２ａ，３１２ｂの代わりに、ｖ_ｘ，ｖ_ｙ，ｖ_ｚの値を入力するための数値入力ボックス（図示せず）が表示されることになる。

バリ判定位置入力部１０５は、以上のようにしてバリ判定線４０４およびバリ方向ベクトル４０５を規定するデータを取得すると、それらをバリ判定条件データ２０８として記憶装置２０に格納する。次に、バリ断面積・長さ計算部１０６は、解析結果データ２０７とバリ判定条件データ２０８とを用いて、バリ４００の断面積および長さを計算し、その結果をバリ断面積・長さデータ２０９として記憶装置２０に格納する。
以下、図９および図１０を用いてバリ断面積の計算処理フローについて説明し、図１１および図１２を用いてバリ長長計算処理について説明する。

図９は、鍛造過程のシミュレーションで得られた素材３０３ａのバリ４００の部分の形状の例を模式的に示した図で、バリ断面積を説明するために示した図である。ここで、バリ断面積・長さ計算部１０６によるバリ断面積の計算対象となるのは、上型３０１と下型３０２との間隙部分（バリ道）にはみ出た素材３０３ａのうち、バリ判定線４０４よりもバリ方向ベクトル４０５の矢印方向側の部分である。すなわち、バリ４００は、図９では素材境界線３０３ｂとバリ判定線４０４とで囲まれた部分、太線で囲まれた部分として示されている。

図１０は、バリ断面積・長さ計算部１０６によるバリ断面積計算処理の処理フローの例を示した図である。図１０に示すように、バリ断面積・長さ計算部１０６は、まず、解析結果データ２０７から、素材３０３ａ、上型３０１および下型３０２のメッシュデータを抽出する（ステップＳ１０）。次に、バリ断面積・長さ計算部１０６は、バリ判定条件データ２０８から、バリ判定線４０４およびバリ方向ベクトル４０５を抽出する（ステップＳ１１）。

続いて、バリ断面積・長さ計算部１０６は、素材３０３ａのメッシュデータおよびバリ判定線４０４からバリ領域境界線（図９では太線で表示）を生成し（ステップＳ１２）、そのバリ領域境界線で囲まれた部分の面積を計算する（ステップＳ１３）。

なお、以上の説明は、鍛造過程の２次元解析に基づくものであるが、３次元解析の場合には、バリ断面積は、バリ体積として算出される。その場合、ステップＳ１２，Ｓ１３でいうバリ領域境界線は、バリ領域境界面というべきものになる。従って、バリ体積は、バリ領域境界面で囲まれた部分の体積ということができる。

ところで、３次元解析では、バリ４００は、上型３０１と下型３０２との間隙部に沿って素材３０３ａを取り囲むように至るところで現れる。従って、例えば素材３０３ａの中心を通り、下型３０２の型彫り面に略垂直な面で素材３０３ａを切断したときには、その素材３０３ａの両端部に現れるバリ４００の断面積を、図１０の処理フローにより計算することができる。そこで、その切断面を、素材３０３ａの中心を通り、下型３０２の型彫り面に略垂直な軸を中心として微小な角度Δθずつ回転させながら、バリ４００の断面積を計算し、１８０度回転させる。この場合、バリ４００の体積は、それぞれの回転角度で計算したときの断面積の総和（積分値）として算出される。

図１１は、鍛造過程のシミュレーションで得られた素材３０３ａのバリ４００の部分の形状の例を模式的に示した図で、バリ長さ４０９を説明するために示した図である。なお、図１１では、図９で示した要素と同じ要素には同じ符号を付し、その説明を省略している。そして、ここでは、バリ長さ４０９は、素材３０３ａが上型３０１と下型３０２との間隙部分（バリ道）にはみ出た部分のうち、バリ判定線４０４からバリ最外位置４０８までの距離として計算される。

図１２は、バリ断面積・長さ計算部１０６によるバリ長さ４０９を計算する処理フローの例を示した図である。図１２に示すように、バリ断面積・長さ計算部１０６は、まず、解析結果データ２０７から、素材３０３ａ、上型３０１および下型３０２のメッシュデータを抽出する（ステップＳ２０）。次に、バリ断面積・長さ計算部１０６は、バリ判定条件データ２０８から、バリ判定線４０４およびバリ方向ベクトル４０５を抽出する（ステップＳ２１）。

続いて、バリ断面積・長さ計算部１０６は、素材３０３ａのメッシュデータおよびバリ判定線４０４から、バリ４００のバリ最外位置４０８を抽出し（ステップＳ２２）、さらに、バリ判定線４０４からバリ最外位置４０８までの距離を、バリ長さ４０９として計算する（ステップＳ２３）。

なお、前記したように、３次元解析では、バリ４００は、上型３０１と下型３０２との間隙部に沿って素材３０３ａを取り囲むように至る所に現れるが、その至るところ得られるバリ４００のバリ長さ４０９は、一般には、同じではない。

そこで、３次元解析では、バリ断面積・長さ計算部１０６は、まず、前記同様に、例えば素材３０３ａの中心を通り、下型３０２の型彫り面に略垂直な面で素材３０３ａを切断したとき、その両端部に現れるバリ４００のバリ長さ４０９を、図１２の処理フローに従って計算する。そして、その切断面を、素材３０３ａの中心を通り、下型３０２の型彫り面に略垂直な軸を中心としてとして微小な角度Δθずつ回転させながら、それぞれの角度位置でのバリ長さ４０９を計算する。この場合、各角度位置でのバリ長さ４０９の平均値や、各角度位置でのバリ長さ４０９の最大値と最大値と最小値の中間値などを、３次元解析でのバリ長とすることができる。

また、本実施形態では、バリ断面積・長さ計算部１０６によって計算されたバリ断面積（バリ体積）やバリ長さ４０９のデータは、後記する表示画面（図１４参照）を介してユーザ（設計者）に知らされる。すなわち、本実施形態では、バリ断面積（バリ体積）やバリ長さ４０９を定量的に求めることが可能になり、ユーザは、それらの値を知ることができる。従って、ユーザは、欠肉の有無とあわせて、バリ４００の量や出方を容易に評価することが可能になる。

図１３は、最適化部１０８の処理フローの例を示した図である。最適化部１０８は、ユーザ（設計者）が適宜設定可能な設計因子（例えば、鍛造型３００形状や、鍛造前の素材３０３の大きさや初期配置位置など）を最適化するのに用いられる。

図１３に示すように、最適化部１０８は、まず、ユーザが入出力装置３０を介して入力する情報に基づき、鍛造型寸法データ２０２、素材寸法データ２０３および解析条件データ２０４の中から１つ以上の設計因子を選択する（ステップＳ４０）。このとき、選択した設計因子の値の範囲に制約をかけてもよい。

次に、最適化部１０８は、最適化部１０８は、ユーザが入出力装置３０を介して入力する情報に基づき、バリ断面積・長さデータ２０９の中から目的関数を１つ以上選択し、最適化の終了条件を設定する（ステップＳ４１）。ここで、最適化の終了条件とは、目的関数の目標値やその許容範囲、繰り返し回数などをいう。

次に、最適化部１０８は、ユーザが指定した設計因子の値に基づき、鍛造型形状作成部１０２、素材形状作成部１０３、鍛造解析部１０４、バリ断面積・長さ計算部１０６の処理をそれぞれ実行し、前記選択した目的関数の値を計算する（ステップＳ４２）。

次に、最適化部１０８は、ステップＳ４２で計算された目的関数の値が終了条件を満たしているか否かを判定する（ステップＳ４３）。その判定の結果、目的関数の値が終了条件を満たしていない場合には（ステップＳ４３でＮｏ）、最適化部１０８は、設計因子の値を変更し（ステップＳ４４）、ステップＳ４２以下の処理を再度実行する。なお、目的関数の値を最適化する場合の設計因子の値の変更の仕方については、様々な方法があるが、例えば、市販の最適化エンジンなどのプログラムを用いてもよい。

また、ステップＳ４３の判定で、目的関数の値が終了条件を満たしている場合には（ステップＳ４３でＹｅｓ）、最適化部１０８は、当該最適化部１０８の処理を終了する。そして、当該最適化部１０８の処理終了時点での設計因子の値を、当該設計因子の最適値とする。

ここで、設計因子最適化の具体的な一例を、以下に示しておく。鍛造型３００の設計では、加工装置にかかる荷重およびモーメントが、加工装置の定格の上限を超えない範囲、かつ欠肉を生じない範囲で、バリ４００の量を極力少なくすることが求められる。また、素材３０３の量を極力少なくするためには、鍛造型３００の部位間におけるバリ４００の出具合の差（バランス）がなるべく小さいことが好ましい。

そこで、素材３０３の初期配置位置を設計因子とし、バリ４００のバランスを目的関数とした場合について説明する。ここでは、まず、２次元解析の例として、鍛造型３００および素材３０３の一切断面を考える。このとき、バリ４００のバランスは、対角位置（同じ切断面の両端）におけるバリ４００の出具合の差として捉えることができる。

そこで、最適化部１０８は、素材寸法データ２０３から素材位置を抽出し、解析結果データ２０７から同じ切断面内のバリ４００が出る両端におけるバリ４００のバリ断面積、バリ長さ４０９またはこれら両方を求める。そして、これらの求めた値を用いて、同じ切断面内のバリ４００が出る両端でのバリ断面積の差、バリ長さ４０９の差またはこれら両方を計算する。

この例の場合、バリ断面積の差、バリ長さ４０９の差またはこれら両方は、バリ４００のバランスを表し、最適化の目的関数となる。ただし、３次元解析場合には、バリ４００のバランスは、例えば、上型３０１と下型３０２との間隙部に沿って素材３０３ａの外周部の各位置で生じるバリ４００のバリ断面積またはバリ長さ４０９の分布のばらつき（分散または標準偏差）などで表わされる。あるいは、目的関数としてバリ４００の総量（総体積）を用いてもよい。

ここで、ステップＳ４３でいう終了条件の判定に関して補足しておく。最適化部１０８は、この判定のためにステップＳ４２〜ステップＳ４４の繰り返し処理により、いわゆる目的関数の応答曲線（一般には応答曲面）を作成する。一般に、最適化の問題は、この応答曲線の最小値または最大値を求める問題に帰着され、ここでの例では、バリ４００のバランスを最小化する。

そこで、最適化部１０８は、例えば、応答曲線として、横軸に素材３０３のｘ軸方向の初期配置位置、縦軸にバリ４００のバランス（目的関数の値）をプロットした近似曲線を作成する。この場合には、最適化の終了条件を、新たにプロットした点とこの近似曲線との誤差が既定の閾値以下である、とすることができる。これにより、最適化で得られる値の精度を確保することができる。

図１４は、表示部１０７により表示される表示画面３４の例を示した図である。表示画面３４には、一般には、バリ判定条件データ２０８、バリ断面積・長さデータ２０９、最適化部１０８で終了条件を満たした鍛造型形状データ２０５、素材形状データ２０６、解析結果データ２０７などが表示される。

ちなみに、図１４に示した表示画面３４では、バリ判定条件データ２０８であるバリ判定線４０４およびバリ方向ベクトル４０５、ならびに、バリ断面積・長さデータ２０９であるバリ長さ４０９が、鍛造型形状データ２０５、素材形状データ２０６などの部分形状とともに図形表示されている。

また、表示画面３４のテキストボックス３２０には、バリ長さ４０９の値が数値で表示されている。なお、テキストボックス３２０には、ユーザの指示に従い、バリ長さ４０９の値に代えてバリ断面積の値が表示されても、または、その両方が表示されてもよい。さらに、３次元解析で得られるバリ体積やバリ長の値については、テキストボックス３２０で表示されるだけではなく、２次元または３次元のグラフまたは図で表示されるものであってもよい。

また、最適化部１０８の終了条件を満たした鍛造型形状データ２０５、素材形状データ２０６については、正面図、上面図、側面図などを用いて表示してもよく、斜視図などを用いて３次元表示してもよい。さらには、表示部１０７は、このような正面図、上面図、側面図、斜視図などを既定の図面形式のファイルフォーマットで保存してもよい。これにより、図面作成作業の工数の低減を図ることができる。

なお、バリ断面積・長さデータ２０９の表示は、鍛造型３００および素材３０３の最適形状導出の要因となった値に問題がないか、を確認するために行うものである。ユーザがその確認を行った結果、解析条件などに問題があった場合には、最適化部１０８の処理に該当の解析条件の除外や解析のやり直しをする処理を加えてもよい。

また、最適化部１０８の終了条件を満たした鍛造型形状データ２０５、素材形状データ２０６は、最適化部１０８の処理結果により求められたものであるため、最適化部１０８で応答曲面を使用した場合には、表示部１０７は、その応答曲面も表示することが好ましい。その際、応答曲面が多次元で表示できない場合は、表示できる次元にデータを加工してもよい。

以上、本発明の実施形態では、ユーザがバリ判定線４０４（バリ判定曲線）やバリ方向ベクトル４０５を適宜設定することが可能になるので、鍛造の結果生じるバリ４００の量や出方を、バリ断面積（バリ体積）やバリ長さ４０９として定量的に求めることが可能になる。さらに、本実施形態では、最適化部１０８の処理において、ユーザが適宜設計因子を選択し、適宜目的関数を設定することができるので、バリ４００の量や出方を最適化することができる。従って、鍛造型３００および素材３０３の形状を効率よくユーザ所望の形状にすることが可能になる。

本発明は、以上に説明した実施形態および変形例に限定されるものではなく、さらに、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態および変形例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態や変形例の構成の一部を、他の実施形態や変形例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態や変形例の構成に他の実施形態や変形例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態や変形例の構成の一部について、他の実施形態や変形例に含まれる構成を追加・削除・置換することも可能である。

１０ 処理装置
２０ 記憶装置
３０ 入出力装置
３１，３２，３３，３４ 表示画面
１００ 鍛造型設計支援装置
１０１ 設計基礎データ入力部（鍛造シミュレーション部）
１０２ 鍛造形状作成部（鍛造シミュレーション部）
１０３ 素材形状作成部（鍛造シミュレーション部）
１０４ 鍛造解析部（鍛造シミュレーション部）
１０５ バリ判定位置入力部（バリデータ計算部）
１０６ バリ断面積・長さ計算部（バリデータ計算部）
１０７ 表示部
１０８ 最適化部
２０１ 製品形状データ
２０１ａ 鍛造代付与後輪郭形状データ
２０１ｂ 熱膨張後輪郭形状データ
２０１ｃ 型彫り形状データ
２０２ 鍛造型寸法データ
２０３ 素材寸法データ
２０４ 解析条件データ
２０５ 鍛造型形状データ
２０６ 素材形状データ
２０７ 解析結果データ
２０８ バリ判定条件データ
２０９ バリ断面積・長さデータ
３００ 鍛造型
３０１ 上型
３０２ 下型
３０３，３０３ａ 素材
３０３ｂ 素材境界線
３２０ テキストボックス
３１１ａ，３１１ｂ 数値入力ボックス
３１２ａ，３１２ｂ ラジオボタン
３１３ａ，３１３ｂ 数値入力ボックス
３１４ａ，３１４ｂ テキストボックス
４００ バリ
４０４ バリ判定線
４０４ａ バリＡ判定線
４０４ｂ バリＢ判定線
４０５ バリ方向ベクトル
４０５ａ バリＡ方向ベクトル
４０５ｂ バリＢ方向ベクトル
４０６ａ，４０６ｂ 製品側端
４０７ａ，４０７ｂ 最内側位置
４０８ バリ最外位置
４０９ バリ長さ
ＰＬ パーティングライン
ＰＳ パーティングライン開始点
ＦＴ フラッシュ厚さ

Claims (6)

1. 処理装置と記憶装置と入出力装置とを備えてなり、
   前記処理装置は、
   前記入出力装置を介して、鍛造製品の製品形状データ、鍛造型の寸法データ、素材の配置位置データ、素材の寸法データ、および、鍛造シミュレーションモデルのパラメータを含んだ解析条件データを入力するとともに、前記素材が前記鍛造型により鍛造される過程を前記入力したデータを用いてシミュレーションし、鍛造後の前記素材の形状データを計算する鍛造シミュレーション部と、
   前記入出力装置を介して、前記鍛造の過程で生じるバリを判定するためのパーティングラインの開始点よりも外側の位置を示すバリ判定条件データを入力するとともに、前記バリ判定条件データを用いて、前記鍛造シミュレーション部により計算された鍛造後の前記素材の形状データから前記バリの部分を抽出し、前記バリの量またはサイズを表す少なくとも１つのデータの値を算出するバリデータ計算部と、
   を備えること
   を特徴とする鍛造型設計支援装置。
2. 前記処理装置は、
   前記バリデータ計算部により算出した前記バリの量またはサイズを表す少なくとも１つのデータの値を前記入出力装置に出力して表示させる表示部を、さらに備えること
   を特徴とする請求項１に記載の鍛造型設計支援装置。
3. 前記処理装置は、
   前記鍛造型の寸法データ、前記素材の寸法データ、前記素材の配置位置データ、および前記解析条件データの中から少なくとも１つのデータを設計因子として選択し、前記バリの量またはサイズを表す少なくとも１つのデータを目的関数として選択し、前記目的関数が最小値、最大値またはその近傍値になるときの前記設計因子の値を計算する最適化部を、さらに備えること
   を特徴とする請求項１に記載の鍛造型設計支援装置。
4. 処理装置と記憶装置と入出力装置とを備えてなるコンピュータが、
   前記入出力装置を介して、鍛造製品の製品形状データ、鍛造型の寸法データ、素材の配置位置データ、素材の寸法データ、および、鍛造シミュレーションモデルのパラメータを含んだ解析条件データを入力するとともに、前記素材が前記鍛造型により鍛造される過程を前記入力したデータを用いてシミュレーションし、鍛造後の前記素材の形状データを計算する鍛造シミュレーション処理と、
   前記入出力装置を介して、前記鍛造の過程で生じるバリを判定するためのパーティングラインの開始点よりも外側の位置を示すバリ判定条件データを入力するとともに、前記バリ判定条件データを用いて、前記鍛造シミュレーション処理により計算された鍛造後の前記素材の形状データから、前記バリの部分を抽出し、前記バリの量またはサイズを表す少なくとも１つのデータの値を算出するバリデータ計算処理と、
   を実行すること
   を特徴とする鍛造型設計支援方法。
5. 前記コンピュータは、
   前記バリデータ計算処理により算出した前記バリの量またはサイズを表す少なくとも１つのデータの値を前記入出力装置に出力して表示させる表示処理を、さらに実行すること
   を特徴とする請求項４に記載の鍛造型設計支援方法。
6. 前記コンピュータは、
   前記鍛造型の寸法データ、前記素材の寸法データ前記素材の配置位置データ、および前記解析条件データの中から少なくとも１つのデータを設計因子として選択し、前記バリの量またはサイズを表す少なくとも１つのデータを目的関数として選択し、前記目的関数が最小値、最大値またはその近傍値になるときの前記設計因子の値を計算する最適化処理を、さらに実行すること
   を特徴とする請求項４に記載の鍛造型設計支援方法。

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