CN106739128B - 一种基于急动度的伺服冲压速度控制方法 - Google Patents

一种基于急动度的伺服冲压速度控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于急动度的伺服冲压速度控制方法，包括以下步骤：S1、建立待冲压零件的三维模型并导入有限元分析软件中；S2、设置材料参数、边界条件、接触条件，并划分网格；S3、设定位移幅值曲线数学表达式为x＝At3+Bt2+Ct+D，确定A的初步取值范围为0～1，B的初步取值范围为0～‑3，C的初步取值范围为1～3，D的初步取值为0；S4、在A、B、C的初步取值范围内选取不同的值以设置不同的位移幅值曲线，提交计算；S5、从计算结果中提取数据进行比较分析，确定A、B、C的优化取值范围。本发明能够实现位移、速度、加速度和急动度的连续可调，提升复杂及难成形零件的成形质量。

Description

一种基于急动度的伺服冲压速度控制方法
技术领域
本发明属于冲压成形技术领域，具体涉及一种基于急动度的伺服冲压速度控制方法，用于提升零件成形质量。
背景技术
冲压速度是板料成形的重要工艺参数，它对零件的成形质量和成形极限有很大影响。当冲压速度过大时，生产效率大大提高，但需要的成形力增大，噪声严重，而且材料的流动不充分，板料易出现拉裂现象；当冲压速度过小时，噪声小，材料的流动相对充分，成形极限和成形精度有所改善，但生产效率大大降低。
随着伺服电机的快速发展，冲压运动可以实现速度或位移精确可调。冲压运动的柔性可控是伺服压力机最主要的特征之一，通过采用不同的滑块运动曲线可以实现延长机器寿命、提高零件精度、降低噪声和提高生产率等多种目标。
目前，采用何种冲压运动方式使零件的成形性能最优还不清楚。在有限元模拟和试验中发现变速条件下，零件的成形极限、成形质量变好，如MORI等在“Springbackbehaviour inbending of ultra-high-strength steel sheets using CNC servopress”文章中提出通过二次冲击来控制板件弯曲工艺中的回弹缺陷，MATSUMOTO等在“Prevention of galling in forming of deep hole with retreat and advance pulseram motion on servo press”文章中提出滑块逐级冲压运动曲线用于零件拉深，均有效消除了拉深零件的起皱缺陷，但变速运动方式大都采用样条曲线控制，并不具备数学特征。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于急动度的伺服冲压速度控制方法，它能够实现位移、速度、加速度和急动度的连续可调，提升复杂及难成形零件的成形质量，减少生产噪声，提高压力机与模具寿命。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于急动度的伺服冲压速度控制方法，包括以下步骤：
S1、建立待冲压零件的三维模型并导入有限元分析软件中；
S2、设置材料参数、边界条件、接触条件，并划分网格；
S3、设定位移幅值曲线数学表达式为x＝At3+Bt2+Ct+D，可得速度数学表达式为v＝3At2+2Bt+C、加速度数学表达式为a＝6At+2B、急动度数学表达式为j＝6A：
S301、因为急动度是一种会使材料产生疲劳的柔性碰撞，当急动度较大时，材料易产生疲劳，影响机器的使用精度，减少机器的使用寿命，故根据急动度数学表达式可知A的取值应较小，从而确定A的初步取值范围为0～1；
S302、闭模时加速度a应较小，以更加精确地控制凹模运动，准确地使凹模停止在下止点，为提高成形精度，故由A的初步取值范围推出B的初步取值范围为0～-3；
S303、闭模时速度v不宜过大，模具尚未开始运动时x＝0，闭模时x＝1，故由A、B的初步取值范围推出C的初步取值范围为1～3，D的初步取值为0；
S4、在A、B、C的初步取值范围内选取不同的值以设置不同的位移幅值曲线，提交计算；
S5、从计算结果中提取最大成形力、FLDCRT、最大减薄率的数据进行比较分析，最大成形力的数值越小越有利于减小压力机的吨位，FLDCRT的数值越小越不接近破裂而有利于提高板料的成形极限，最大减薄率的数值越小越有利于厚度的均匀分布，故选取最大成形力、FLDCRT、最大减薄率数值较小的几组曲线，确定A、B、C的优化取值范围，从而获得能够提升冲压质量、延长模具和压力机寿命的伺服冲压速度曲线，以使板料成形性能最优。
按上述技术方案，步骤S2中设置材料参数具体包括：模具设为刚体，板料设为变形体并赋予材料属性，材料属性包括各温度下应力应变曲线、各温度下FLD曲线、密度、杨氏模量、泊松比、热膨胀系数、导热系数和各向异性系数。
按上述技术方案，步骤S2中设置边界条件具体包括：凸模固定不动，凹模由冲压运动曲线确定，采用速度由大到小的冲压运动曲线。
按上述技术方案，步骤S2中设置接触条件具体包括摩擦系数、膜层散热系数、接触换热系数和发射率。
按上述技术方案，步骤S2中网格类型为温度-位移耦合单元。
按上述技术方案，步骤S5中，A的优化取值范围为0.2～0.6，B的优化取值范围为-0.7～-1.7，C的优化取值范围为1.5～2.1，D的优化取值为0。
本发明，具有以下有益效果：本发明通过设定位移幅值曲线数学表达式、速度数学表达式、加速度数学表达式急动度数学表达式，并确定在冲压运动下板料的成形性能较好时表达式中A、B、C、D的优化取值范围，运用这种优化后的冲压运动曲线，能够实现位移、速度、加速度和急动度的连续可调，提升复杂及难成形零件的成形质量，减少生产噪声，提高压力机与模具寿命。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例中汽车前纵梁的有限元模型。
图2为本发明实施例中不同的位移幅值曲线图。
图3为本发明实施例中热冲压下不同位移幅值曲线下的最大成形力图。
图4为本发明实施例中热冲压下不同位移幅值曲线下的最大FLDCRT图。
图5为本发明实施例中热冲压下不同位移幅值曲线下的最大减薄率图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的较佳实施例中，一种基于急动度的伺服冲压速度控制方法，包括以下步骤：
S1、建立待冲压零件的三维模型并导入有限元分析软件中；
S2、设置材料参数、边界条件、接触条件，并划分网格；
S3、设定位移幅值曲线数学表达式为x＝At3+Bt2+Ct+D，可得速度数学表达式为v＝3At2+2Bt+C、加速度数学表达式为a＝6At+2B、急动度数学表达式为j＝6A：
S301、因为急动度是一种会使材料产生疲劳的柔性碰撞，当急动度较大时，材料易产生疲劳，影响机器的使用精度，减少机器的使用寿命，故根据急动度数学表达式可知A的取值应较小，大致确定A的取值范围为-1～1，本发明中确定A的初步取值范围为0～1；
S302、闭模时加速度a应较小，以更加精确地控制凹模运动，准确地使凹模停止在下止点，为提高成形精度，故由A的初步取值范围推出B的初步取值范围为0～-3；
S303、闭模时速度v不宜过大，模具尚未开始运动时x＝0，闭模时x＝1，故由A、B的初步取值范围推出C的初步取值范围为1～3，D的初步取值为0；
S4、在A、B、C的初步取值范围内选取不同的值以设置不同的位移幅值曲线，提交计算；
S5、从计算结果中提取最大成形力、FLDCRT、最大减薄率的数据进行比较分析，最大成形力的数值越小越有利于减小压力机的吨位，FLDCRT的数值越小越不接近破裂而有利于提高板料的成形极限，最大减薄率的数值越小越有利于厚度的均匀分布，故选取最大成形力、FLDCRT、最大减薄率数值较小的几组曲线，确定A、B、C的优化取值范围，从而获得能够提升冲压质量、延长模具和压力机寿命的伺服冲压速度曲线，以使板料成形性能最优。
在本发明的优选实施例中，步骤S2中，设置材料参数具体包括：模具设为刚体，板料设为变形体并赋予材料属性，材料属性包括各温度下应力应变曲线、各温度下FLD曲线、密度、杨氏模量、泊松比、热膨胀系数、导热系数和各向异性系数；设置边界条件具体包括：凸模固定不动，凹模由冲压运动曲线确定，采用速度由大到小的冲压运动曲线；设置接触条件具体包括摩擦系数、膜层散热系数、接触换热系数和发射率；网格类型为温度-位移耦合单元。
在本发明的优选实施例中，步骤S5中，A的优化取值范围为0.2～0.6，B的优化取值范围为-0.7～-1.7，C的优化取值范围为1.5～2.1，D的优化取值为0。
本发明采用CAE模拟分析，包括以下几个步骤：建立相应的三维模型并导入有限元分析软件中；设置材料参数、边界条件、接触条件并划分网格；运用位移幅值曲线数学表达式x＝At3+Bt2+Ct+D，通过参数分析设置不同的冲压运动曲线(取不同的A、B、C、D值)；提交计算，从计算结果中提取数据并进行比较分析，从而获得能够提升冲压质量、延长模具和压力机寿命的伺服冲压速度曲线。
下面以汽车前纵梁热冲压成形为例(本发明同样适用于冷冲压)，本发明包括以下步骤：
1、利用cat ia三维建模软件建立前纵梁冲压三维模型，并将三维模型导入abaqus软件，如图1所示；
2、设置材料参数：模具设为刚体，板料设为变形体并赋予材料属性，板料材料为7075-O态铝合金板，板料初始温度为450℃，材料属性主要包括各温度下应力应变曲线、各温度下FLD曲线、密度、杨氏模量、泊松比、热膨胀系数、导热系数、各向异性系数等；
设置边界条件：凸模固定不动，凹模由冲压运动曲线(位移幅值曲线，x＝0时表示模具还没开始运动，x＝1时表示已经闭模)确定，凸模与凹模之间距离为152mm，压边力为15000N，一般来说，刚开始成形时冲压速度较快，有利于提高生产效率，靠近成形终点时冲压速度较慢，有利于提高成形质量、成形精度，故采用速度由大到小的冲压运动曲线，即A取值范围为0～1，如图2所示，本发明中不同冲压运动曲线数学表达式中A取值0、0.2、0.5、0.6、0.8、1，数学表达式如下：
V1:x＝t；
V2:x＝0.2t3-0.7t2+1.5t；
V3:x＝0.5t3-1.4t2+1.9t；
V4:x＝0.6t3-1.7t2+2.1t；
V5:x＝0.8t3-2.2t2+2.4t；
V6:x＝t3-2.7t2+2.7t；
设置接触条件：主要包括摩擦系数、膜层散热系数、接触换热系数、发射率等参数。
划分网格并提交计算，网格类型为温度-位移耦合单元；
3、从计算结果中提取数据并进行比较分析，提取的数据主要为最大成形力，FLDCRT，最大减薄率等。
热冲压下，不同位移幅值曲线下最大成形力如图3所示，FLDCRT(损伤准则，值越大板料越接近破裂，值大于1表示板料破裂)如图4所示，最大减薄率如图5所示；可以看出运动曲线2、5、6下所需最大成形力较小，有利于减小压力机的吨位，运动曲线2、3、4下FLDCRT数值较小，最不接近破裂，有利于提高板料的成形极限，运动曲线2、3、4下，最大减薄率较小，有利于厚度的均匀分布，综合来看，运动曲线2到运动曲线4范围内板料的成形性能最优，即确定了A、B、C、D的取值范围能够使得成形性能最优。在本实施例中，最终确定有利于提升成形质量、延长模具与压力机寿命的位移幅值曲线数学表达式为：x＝At3+Bt2+Ct+D，其中A取值范围为0.2～0.6，B取值范围为-0.7～-1.7，C取值范围为1.5～2.1，D取值0。
本发明能够利用有限元模拟，确定在冲压运动下板料的成形性能较好时A、B、C、D的取值范围。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于急动度的伺服冲压速度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立待冲压零件的三维模型并导入有限元分析软件中；
S2、设置材料参数、边界条件、接触条件，并划分网格；
S3、设定位移幅值曲线数学表达式为x=At3+Bt2+Ct+D，可得速度数学表达式为v=3At2+2Bt+C、加速度数学表达式为a=6At+2B、急动度数学表达式为j=6A：
S301、因为急动度是一种会使材料产生疲劳的柔性碰撞，当急动度较大时，材料易产生疲劳，影响机器的使用精度，减少机器的使用寿命，故根据急动度数学表达式可知A的取值应较小，从而确定A的初步取值范围为0～1；
S302、闭模时加速度a应较小，以更加精确地控制凹模运动，准确地使凹模停止在下止点，为提高成形精度，故由A的初步取值范围推出B的初步取值范围为0～-3；
S303、闭模时速度v不宜过大，模具尚未开始运动时x=0，闭模时x=1，故由A、B的初步取值范围推出C的初步取值范围为1～3，D的初步取值为0；
S4、在A、B、C的初步取值范围内选取不同的值以设置不同的位移幅值曲线，提交计算；
S5、从计算结果中提取最大成形力、基于成形极限图失效准则的破裂起裂值、最大减薄率的数据进行比较分析，最大成形力的数值越小越有利于减小压力机的吨位，基于成形极限图失效准则的破裂起裂值的数值越小越不接近破裂而有利于提高板料的成形极限，最大减薄率的数值越小越有利于厚度的均匀分布，故选取最大成形力、基于成形极限图失效准则的破裂起裂值、最大减薄率数值较小的几组曲线，确定A、B、C的优化取值范围，从而获得能够提升冲压质量、延长模具和压力机寿命的伺服冲压速度曲线，以使板料成形性能最优。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中设置材料参数具体包括：模具设为刚体，板料设为变形体并赋予材料属性，材料属性包括各温度下应力应变曲线、各温度下成形极限曲线、密度、杨氏模量、泊松比、热膨胀系数、导热系数和各向异性系数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中设置边界条件具体包括：凸模固定不动，凹模由冲压运动曲线确定，采用速度由大到小的冲压运动曲线。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中设置接触条件具体包括摩擦系数、膜层散热系数、接触换热系数和发射率。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中网格类型为温度-位移耦合单元。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中，A的优化取值范围为0.2～0.6，B的优化取值范围为-0.7～-1.7，C的优化取值范围为1.5～2.1，D的优化取值为0。
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