CN102688929A - 一种确定拉伸件的修边冲剪模压力中心的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定拉伸件的修边冲剪模压力中心的方法，该方法首先应用成形仿真技术获取拉伸件型面厚度分布，然后将成形仿真分析获得的修边冲剪模的外围点投影于平面直角坐标系中，通过曲线拟合将这些点拟合为一条封闭曲线，并将整个封闭曲线划分为一组基本的曲线段，用公式求解得到每段曲线段的压力中心点，再用公式求解得到修边冲剪模的压力中心坐标点。采用该发明获取的修边冲剪模的压力中心精度更高。

Description

一种确定拉伸件的修边冲剪模压力中心的方法

技术领域

本发明涉及一种确定拉伸件的修边冲剪模压力中心的方法。

背景技术

修边冲剪模的压力中心就是冲剪工件所施加的冲剪力合力的作用点，在冲剪过程中如果修边冲剪模压力中心偏离了压力机滑块的中心线，压力机滑块就会承受偏心载荷，导致滑块导轨和模具的不正常磨损，影响压力机精度，降低冲模和压力机的寿命。因此在冲剪过程中需要准确确定压力中心，使其对准压力机滑块的中心线。

目前压力中心的计算方法只针对二维平板零件进行。但是，对于复杂拉伸件，由于拉伸过程中材料厚度产生了变化，因此各个部位剪切的厚度各不相同；同时由于冲剪时各个面不一定处在水平面上，还要考虑因材料倾斜带来的实际冲剪厚度的增加；另外冲剪过程中压料力沿型面分布，因此需要考虑压料力中心的影响。现有的确定压力中心的方法未曾考虑这些方面，因此难以对复杂拉伸件修边冲剪模的压力中心进行精确定位。

发明内容

本发明的目的正是针对现有的确定压力中心的方法的不足，为拉伸件的修边冲剪模提供一种精确确定压力中心的方法。通过精确确定压力中心，可以使该压力中心与压力机滑块的中心线相重合，消除偏心载荷，提高压力机精度，延长冲模和压力机的寿命。

一种使拉伸件的修边冲剪模对准压力机滑块的方法，包括以下步骤：

步骤1：应用有限元仿真对拉伸件进行成形仿真分析，获取拉伸件各个不同部位的拉伸厚度分布值和修边冲剪模的外围点；

步骤2：将步骤1中获取的修边冲剪模的外围点投影于平面直角坐标系中，通过曲线拟合将这些点拟合为一条封闭曲线，并将整个封闭曲线划分为一组基本的曲线段；

步骤3：利用步骤1中的拉伸厚度分布值，计算在拉伸厚度变化情况下的单个曲线段的冲剪力；

步骤4：计算单个曲线段的压力中心坐标点(X_ci,Y_ci)；

步骤5：根据步骤3获得的冲剪力以及步骤4获得的单个曲线段的压力中心坐标点，确定拉伸件的修边冲剪模压力中心的坐标点；

步骤6：将获得的拉伸件的修边冲剪模压力中心对准压力机滑块的中心线，从而使得拉伸件的修边冲剪模对准压力机滑块。

其中，步骤3中计算第i条基本线段冲剪力的公式为：

$F_i=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i{L}_i=1.3\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i{T}_i{\mathrm{\τ}}_b=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i{T}_i{\mathrm{\σ}}_b$

式中：

P_i——第i条基本线段对应的单位长度冲剪力；

L_i——第i条基本线段的长度；

T_i——第i条基本线段对应的材料厚度；

n——组成轮廓线的基本线段的数目；

T_b——抗剪强度；

σ_b——抗拉强度。

步骤4中按下述公式计算单个曲线段的压力中心坐标点(X_ci,Y_ci)：

$X_{\mathrm{ci}}=\frac{{\∫}_m^n{T}_i(X,Y)X\sqrt{1+Y_i^{\′2}}\mathrm{dX}}{{\∫}_m^n{T}_i(X,Y)\sqrt{1+Y_i^{\′2}}\mathrm{dX}}$ $Y_{\mathrm{ci}}=\frac{{\∫}_m^n{T}_i(X,Y)Y\sqrt{1+Y_i^{\′2}}\mathrm{dX}}{{\∫}_m^n{T}_i(X,Y)\sqrt{1+Y_i^{\′2}}\mathrm{dX}}$

式中，m，n分别表示曲线段的起点和终点，dX表示曲线段对应的横坐标线的长度，Y为X的函数,Y＝F(X),Y_i＝F_i(X),Y′为Y的一阶导数,厚度T为X，Y的函数，T＝T(X,Y),T_i＝T_i（X,Y）。

其中，步骤5中根据得到的所有曲线段的压力中心点以及各曲线段的冲剪力，按下述公式求解得到修边冲剪模压力中心坐标点M（X_c，Y_c）：

$X_C=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{X_{i-1}}^{X_i}{T}_i(X,Y)X\sqrt{1+Y_i^{\′2}}\mathrm{dX}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{X_{i-1}}^{X_i}{T}_i(X,Y)\sqrt{1+Y_i^{\′2}}\mathrm{dX}}$

$Y_c=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{X_{i-1}}^{X_i}{T}_i(X,Y)Y\sqrt{1+Y_i^{\′2}}\mathrm{dX}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{X_{i-1}}^{X_i}{T}_i(X,Y)\sqrt{1+Y_i^{\′2}}\mathrm{dX}}$

其中，dX表示曲线段对应的横坐标线的长度，Y为X的函数,Y＝F(X),Y_i＝F_i(X),Y'为Y的一阶导数,厚度T为X，Y的函数，T＝T(X,Y),T_i＝T_i（X,Y）。

拉伸件在拉伸过程中材料厚度变化包含两个方面：一是拉伸过程引起的材料变薄或增厚，这种可以通过仿真计算获取；二是材料所修剪部分与修剪方向不垂直从而造成实际修剪厚度增加。修边冲剪过程实质上是将冲压件材料分离的过程，在修边冲剪过程中需要考虑被切单元与修边冲剪方向的夹角，角度不同则实际修边冲剪的厚度也不相同，则所需力也不同。

本发明的有益效果是：考虑了拉伸厚度变化情况，在现有修边冲剪力计算时均未考虑厚度的变化情况，而对于拉伸件各处厚度均不相同，因此刀具实际冲剪的厚度也不相同。通过获取各个不同冲剪部位的厚度计算出相应的冲剪力，从而实现考虑拉伸厚度变化情况下的冲剪力计算。

附图说明

图1a-c为零件拉伸仿真及网格局部放大图。

图2为投影以及厚度分布的三维视图。

图3为投影及厚度分布的局部视图。

图4为冲裁原理图。

图5为任意形状曲线的弧长计算图。

图6为本方法确定冲剪中心的示意图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明作进一步的详细描述。

在计算拉伸件修边冲剪模压力中心时，首先应用有限元仿真技术对拉伸件进行成形仿真分析，获取拉伸件各个不同部位的厚度分布值，如图1a-c所示，其中图中的数字为该点的厚度，单位mm。

修边冲剪模的压力中心是冲裁合力的作用点。如图3所示，将成形仿真分析获得的修边冲剪模的外围点投影于平面直角坐标系中，通过曲线拟合将这些点拟合为一条封闭曲线，冲裁力是沿轮廓线垂直向下的作用力。将冲裁封闭曲线划分为一组基本的曲线段，在每一曲线段内，它的局部视图如图4所示，受力状况与工程力学关于均匀平面薄片受重力的情况相似，因此可以用均匀平面薄片求解重心的方法来求解冲剪力中心，取m n段为例来计算压力中心（重心）。如图4所示，薄片的面密度为一常数（设其为1），任取一段长度为dl的弧长计算，其质量近似等于T(X,Y)dl,这部分质量可近似看作集中在点（X,Y）上，

则：dM_y＝XT(X,Y)dl    dM_x＝YT(X,Y)dl

以这些元素为被积表达式，在曲线L上积分，便得

M_y＝∫_LT(X,Y)Xdl    M_x＝∫_LT(X,Y)Ydl

薄片的质量为M＝∫_LT(X,Y)dl

设压力中心点为D（X_c,Y_c）,则求解压力中心的基本公式为：

$X_c=\frac{M_y}{M}=\frac{{\∫}_{L}T(X,Y)\mathrm{Xdl}}{{\∫}_{L}T(X,Y)\mathrm{dl}}$ $Y_c=\frac{M_y}{M}=\frac{{\∫}_{L}T(X,Y)\mathrm{Ydl}}{{\∫}_{L}T(X,Y)\mathrm{dl}}$

dl为弧长元素，即弧微分。

如图5所示，建立X-Y平面直角坐标系，将图3中的m-n段曲线置于该坐标系中。Y为X的函数,Y=F(X)，Y_i＝F_i(X),Y′为Y的一阶导数,厚度T为X,Y的函数，T＝T(X,Y),T_i＝T_i（X,Y）。应用工程数学平面曲线的弧长计算公式进行计算。

$\mathrm{dl}=\sqrt{{\left(\mathrm{dX}\right)}^2+{\left(\mathrm{dY}\right)}^2}=\sqrt{1+Y^{\′2}}\mathrm{dX};$

${\∫}_{L}T(X,Y)\mathrm{dl}={\∫}_m^{n}T(X,Y)\sqrt{1+Y^{\′2}}\mathrm{dX}$

${\∫}_{L}T(X,Y)\mathrm{Xdl}={\∫}_m^{n}T(X,Y)X\sqrt{1+Y^{\′2}}\mathrm{dX}$

${\∫}_{L}T(X,Y)\mathrm{Ydl}={\∫}_m^{n}T(X,Y)Y\sqrt{1+Y^{\′2}}\mathrm{dX}$

$L_i={\∫}_L\sqrt{1+Y_i^{\′2}}\mathrm{dX}...\left(1\right)$

由上式可得：

$X_c=\frac{{\∫}_m^{n}T(X,Y)X\sqrt{1+Y^{\′2}}\mathrm{dX}}{{\∫}_m^{n}T(X,Y)\sqrt{1+Y^{\′2}}\mathrm{dX}}---\left(2\right)$ $Y_c=\frac{{\∫}_m^{n}T(X,Y)Y\sqrt{1+Y^{\′2}}\mathrm{dX}}{{\∫}_m^{n}T(X,Y)\sqrt{1+Y^{\′2}}\mathrm{dX}}---\left(3\right)$

上式即为单个曲线函数冲裁力中心计算公式，点D（X_c,Y_c）即为该曲线段的压力中心。

将上述方法扩展到多个曲线段的封闭曲线中。如图6所示，将成形仿真分析获得的修边冲剪模的外围点投影于平面直角坐标系中，通过曲线拟合将这些点拟合为一条封闭曲线，并将整个封闭曲线段划分为一组基本的曲线段L₁、L₂.....L_n。根据式（1）计算出根据式L₁、L₂.....L_n；根据式（2）、（3）分别计算出X_c1、X_c2.......X_cn；Y_c1、Y_c2.......Y_cn。

在考虑厚度变化的情况下第i条基本线段冲剪力F_i可写为：

$F_i=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i{L}_i=1.3\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i{T}_i{\mathrm{\τ}}_b=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i{T}_i{\mathrm{\σ}}_b$

式中：

P_i——第i条基本线段对应的单位长度冲剪力；

L_i——第i条基本线段的长度；

T_i——第i条基本线段对应的材料厚度；

n——组成轮廓线的基本线段的数目；

τ_b——抗剪强度；

σ_b——抗拉强度。

L₁、L₂.....L_n为各个曲线段长度，单位为mm，F₁、F₂......F_n为各个曲线段的冲剪力，总冲剪力为F=F₁+F₂+......F_n。F₁(X)、F₂(X)......F_n(X)为对应于L₁、L₂.....L_n曲线的冲剪力函数，单位为N；X_c1、X_c2.......X_cn为对应于L₁、L₂.....L_n的冲剪力中心的X轴坐标，单位为mm；Y_c1、Y_c2.......Y_cn为对应于L₁、L₂.....L_n的冲剪力中心的Y轴坐标，单位为mm；T₁(X,Y)、T₂(X,Y).......T_n(X,Y)为对应于L₁、L₂.....L_n的厚度函数，单位为mm。

由平行力系中心的计算原理得到下列公式：

FX_C＝F₁X₁+F₂X₂+……F_nX_n；

FY_C＝F₁Y₁+F₂Y₂+……F_nY_n；

整个封闭曲线下修边冲剪模的压力中心坐标点为：

$X_C=\frac{F_1{X}_{c1}+F_2{X}_{c2}+......+F_3{X}_{c3}}{F_1+F_2+......+F_3}$

$Y_C=\frac{F_1{Y}_{c1}+F_2{Y}_{c2}+......+F_3{Y}_{c3}}{F_1+F_2+......+F_3}$

上式可表示为：

$X_c=\frac{1.3\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i{T}_i{\mathrm{\τ}}_b{X}_{\mathrm{ci}}}{1.3\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i{T}_i{\mathrm{\τ}}_b}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{X_{i-1}}^{X_i}{T}_i(X,Y)X\sqrt{1+Y_i^{\′2}}\mathrm{dX}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{X_{i-1}}^{X_i}{T}_i(X,Y)\sqrt{1+Y_i^{\′2}}\mathrm{dX}}$

$Y_c=\frac{1.3\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i{T}_i{\mathrm{\τ}}_b{Y}_{\mathrm{ci}}}{1.3\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i{T}_i{\mathrm{\τ}}_b}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{X_{i-1}}^{X_i}{T}_i(X,Y)Y\sqrt{1+Y_i^{\′2}}\mathrm{dX}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{X_{i-1}}^{X_i}{T}_i(X,Y)\sqrt{1+Y_i^{\′2}}\mathrm{dX}}$

获得的X_c，Y_c即为该修边冲剪模的压力中心的坐标值。

Claims (4)

1.一种确定拉伸件的修边冲剪模压力中心的方法，用于使拉伸件的修边冲剪模对准压力机滑块，所述方法包括以下步骤：

步骤1：应用有限元仿真对拉伸件进行成形仿真分析，获取拉伸件各个不同部位的拉伸厚度分布值和修边冲剪模的外围点；

步骤2：将步骤1中获取的修边冲剪模的外围点投影于平面直角坐标系中，通过曲线拟合将这些点拟合为一条封闭曲线，并将整个封闭曲线划分为一组基本的曲线段；

步骤3：利用步骤1中的拉伸厚度分布值，计算在拉伸厚度变化情况下的单个曲线段的冲剪力；

步骤4：计算单个曲线段的压力中心坐标点(X_ci,Y_ci)；

步骤5：根据步骤3获得的冲剪力以及步骤4获得的单个曲线段的压力中心坐标点，确定拉伸件的修边冲剪模压力中心的坐标点；

步骤6：将获得的拉伸件的修边冲剪模压力中心对准压力机滑块的中心线，从而使得拉伸件的修边冲剪模对准压力机滑块。

2.如权利要求1所述的方法，其中步骤3中计算第i条基本线段冲剪力的公式为：

$F_i=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i{L}_i=1.3\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i{T}_i{\mathrm{\τ}}_b=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i{T}_i{\mathrm{\σ}}_b$

式中：

P_i——第i条基本线段对应的单位长度冲剪力；

L_i——第i条基本线段的长度；

T_i——第i条基本线段对应的材料厚度；

n——组成轮廓线的基本线段的数目；

τ_b——抗剪强度；

σ_b——抗拉强度。

3.如权利要求1－2任一项所述的方法，其中步骤4中按下述公式计算单个曲线段的压力中心坐标点(X_ci,Y_ci)：

$X_{\mathrm{ci}}=\frac{{\∫}_m^n{T}_i(X,Y)X\sqrt{1+Y_i^{\′2}}\mathrm{dX}}{{\∫}_m^n{T}_i(X,Y)\sqrt{1+Y_i^{\′2}}\mathrm{dX}}$ $Y_{\mathrm{ci}}=\frac{{\∫}_m^n{T}_i(X,Y)Y\sqrt{1+Y_i^{\′2}}\mathrm{dX}}{{\∫}_m^n{T}_i(X,Y)\sqrt{1+Y_i^{\′2}}\mathrm{dX}}$

式中，n，n分别表示曲线段的起点和终点，dX表示曲线段对应的横坐标线的长度，Y为X的函数,Y＝F(X),Y_i＝F_i(X),Y′为Y的一阶导数,厚度T为X，Y的函数，T＝T(X,Y),T_i＝T_i（X,Y）。

4.如权利要求1－3任一项所述的方法，其中步骤5中根据得到的所有曲线段的压力中心点以及各曲线段的冲剪力，按下述公式得到修边冲剪模的压力中心的坐标点M（X_c，Y_c）：

$X_C=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{X_{i-1}}^{X_i}{T}_i(X,Y)X\sqrt{1+Y_i^{\′2}}\mathrm{dX}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{X_{i-1}}^{X_i}{T}_i(X,Y)\sqrt{1+Y_i^{\′2}}\mathrm{dX}}$

$Y_c=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{X_{i-1}}^{X_i}{T}_i(X,Y)Y\sqrt{1+Y_i^{\′2}}\mathrm{dX}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{X_{i-1}}^{X_i}{T}_i(X,Y)\sqrt{1+Y_i^{\′2}}\mathrm{dX}}$

其中，dX表示曲线段对应的横坐标线的长度，Y为X的函数,Y＝F(X),Y_i＝F_i(X),Y'为Y的一阶导数,厚度T为X，Y的函数，T＝T(X,Y),T_i＝T_i（X,Y）。

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