CN109840372B - 金属薄板冲裁最优间隙确定方法、系统、装置及介质 - Google Patents

金属薄板冲裁最优间隙确定方法、系统、装置及介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种金属薄板冲裁最优间隙确定方法、系统、装置及介质，包括如下步骤：步骤1，识别多晶材料晶粒的属性参数；步骤2，根据多晶材料晶粒的板厚和晶粒尺寸建立二维细观结构数值仿真模型；步骤3，对多晶材料进行冲裁工艺数值模拟，获得多晶材料出断裂时的裂纹扩展角度以及刃口连线角度；步骤4，获得多晶材料出断裂时的裂纹扩展角度以及刃口连线角度随间隙的变化曲线，并确定交点所对应的间隙，即冲裁最优间隙。本发明的有益效果如下：通过结合数值仿真技术，基于冲裁断裂机理，考虑材料本征参数对工艺过程的影响，可以准确的给出冲裁最优间隙数值，避免实际生产重复试错导致的时间成本和材料成本。

Description

金属薄板冲裁最优间隙确定方法、系统、装置及介质
技术领域
本发明涉及的是金属薄板冲裁最优间隙(单边间隙)的设计方法，具体是一种基于数值仿真，并应用于具有薄规格、大晶粒特征的无取向电工钢薄板冲裁工艺的最优间隙确定方法，属于金属薄板成形领域。
背景技术
随着新能源汽车工业发展要求，无取向电工钢材料正向着薄厚度、大晶粒的方向发展。无取向电工钢薄板冲裁是驱动电机制造中最重要的成形工艺之一，但基于铁磁体的磁化机制，冲裁过程会造成材料磁性能劣化。如何在满足形状尺寸精度要求的同时还要保证其电磁性能，对冲裁间隙的确定提出了技术需求。此外，由于材料厚度、晶粒尺寸与冲裁间隙尺度相近引起的尺度效应，冲裁断面质量相对于传统宏观冲裁更加难以预测。如何选择冲裁间隙是决定冲裁质量、冲裁力、模具寿命、材料磁性能等问题的关键。
目前，传统的冲裁最优间隙确定方法主要为分类查表法和试错法。冲裁间隙标准(GB/T 16743-2010)中规定的冲裁间隙值均为一个范围值，并且忽略了薄厚度、大晶粒等尺度特征引起的尺度效应对冲裁过程的影响。经过检索，无论是在现有专利中，还是在实际生产中，目前暂未有相关适合具有薄厚度、大晶粒等尺度特征金属材料的冲裁间隙确定方法。综上所述，亟需开发一种能够考虑厚度、晶粒等尺度特征的金属薄板冲裁模具最优间隙确定方法。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提出了一种考虑厚度、晶粒尺寸等尺度特征的金属薄板冲裁最优间隙确定方法、系统、装置及介质。
为解决上述技术问题，本发明提供一种金属薄板冲裁最优间隙确定方法，包括如下步骤：
步骤1，识别多晶材料晶粒的属性参数；
步骤2，根据多晶材料晶粒的板厚和晶粒尺寸建立二维细观结构数值仿真模型；
步骤3，对多晶材料进行冲裁工艺数值模拟，获得多晶材料出断裂时的裂纹扩展角度以及刃口连线角度；
步骤4，获得多晶材料出断裂时的裂纹扩展角度以及刃口连线角度随间隙的变化曲线，并确定交点所对应的间隙，即冲裁最优间隙。
优选地，步骤3包括：
步骤3.1，确定冲裁间隙；
步骤3.2，在冲裁间隙下进行模拟冲裁；
步骤3.3，获得多晶材料板料断裂时的凸模及凹模刃口位移和裂纹周边的应力状态；
步骤3.4，通过多晶材料板料断裂时的凸模及凹模刃口位移和裂纹周边的应力状态计算获得多晶材料出断裂时的裂纹扩展角度以及刃口连线角度，返回步骤3.1。
优选地，裂纹扩展角度α满足：
Figure BDA0001955210650000021
其中，坐标系定义为以无限远处为原点，x为水平板长度方向，y为板宽度方向，z为板厚方向，α为裂纹扩展角度，σx、σz、τxz分别为裂纹萌生点x方向应力、z方向应力和x-z平面剪应力。
优选地，刃口连线角度满β满足：
β＝arctan[c/(t-S)]
其中，β为刃口连线角度，c为冲裁间隙，t为板厚，S为断裂时刻凸模位移。
优选地，多晶材料晶粒的属性参数包括晶粒属性参数以及断裂准则参数。
一种金属薄板冲裁最优间隙确定系统，包括：
识别模块，用于识别多晶材料晶粒的属性参数；
建模块，用于根据多晶材料晶粒的板厚和晶粒尺寸建立二维细观结构数值仿真模型；
模拟模块，用于对多晶材料进行冲裁工艺数值模拟，获得多晶材料出断裂时的裂纹扩展角度以及刃口连线角度；
计算模块，用于获得多晶材料出断裂时的裂纹扩展角度以及刃口连线角度随间隙的变化曲线，并确定交点所对应的间隙。
一种金属薄板冲裁最优间隙确定装置，其特征在于，包括：存储有金属薄板冲裁最优间隙确定程序的存储器及用于运行金属薄板冲裁最优间隙确定程序的处理器，金属薄板冲裁最优间隙确定程序配置为实现金属薄板冲裁最优间隙确定方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有金属薄板冲裁最优间隙确定程序，金属薄板冲裁最优间隙确定程序被处理器执行时实现金属薄板冲裁最优间隙确定方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：通过建立考虑细观几何特征的数值仿真模型，获取板料断裂时刻凸模及凹模刃口位移以及裂纹附近单元的应力状态，分别计算出裂纹扩展角度以及刃口连线角度；然后通过选取不同的间隙进行计算，得出两个角度随间隙的变化曲线，两条线的交点所对应的间隙即被认为最优间隙。本发明通过结合数值仿真技术，基于冲裁断裂机理，考虑材料本征参数对工艺过程的影响，可以准确的给出冲裁最优间隙数值，避免实际生产重复试错导致的时间成本和材料成本。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征目的和优点将会变得更明显。
图1为本发明金属薄板冲裁最优间隙确定方法流程图；
图2为本发明采用的尺度相关材料模型示意图；
图3为本发明的较佳实施例冲裁数值模型示意图；
图4为本发明的冲裁过程某点应力状态示意图；
图5为本发明的较佳实施例断裂时刻裂纹扩展角度以及刃口连线角度随间隙的变化曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明金属薄板冲裁最优间隙确定方法，包括如下步骤：
步骤1，识别多晶材料晶粒的属性参数；
步骤2，根据多晶材料晶粒的板厚和晶粒尺寸建立二维细观结构数值仿真模型；
步骤3，对多晶材料进行冲裁工艺数值模拟，获得多晶材料出断裂时的裂纹扩展角度以及刃口连线角度；
步骤4，获得多晶材料出断裂时的裂纹扩展角度以及刃口连线角度随间隙的变化曲线，并确定交点所对应的间隙，即冲裁最优间隙。
步骤3包括：
步骤3.1，确定冲裁间隙；
步骤3.2，在冲裁间隙下进行模拟冲裁；
步骤3.3，获得多晶材料板料断裂时的凸模及凹模刃口位移和裂纹周边的应力状态；
步骤3.4，通过多晶材料板料断裂时的凸模及凹模刃口位移和裂纹周边的应力状态计算获得多晶材料出断裂时的裂纹扩展角度以及刃口连线角度，返回步骤3.1。
裂纹扩展角度α满足：
Figure BDA0001955210650000041
其中，坐标系定义为以无限远处为原点，x为水平板长度方向，y为板宽度方向，z为板厚方向，α为裂纹扩展角度，σx、σz、τxz分别为裂纹萌生点x方向应力、z方向应力和x-z平面剪应力。
刃口连线角度满β满足：
β＝arctan[c/(t-S)]
其中，β为刃口连线角度，c为冲裁间隙，t为板厚，S为断裂时刻凸模位移。
多晶材料晶粒的属性参数包括晶粒属性参数以及断裂准则参数。
实施例
本实施例中取厚度0.3mm，晶粒尺寸110μm的无取向电工钢材料作为冲裁坯料。
如图1所示为一种金属薄板冲裁最优间隙确定方法，包括以下几个步骤：
首先，结合同一化学成分，同一厚度，晶粒尺寸25μm、60μm、70μm的无取向电工钢材料进行宏观力学性能测试。根据如图1所示的尺寸相关材料模型，拟合得出表面层晶粒1及内层晶粒2属性参数，同时根据MMC断裂准则拟合相应材料断裂准则参数，具体数值如表一。
表一
Figure BDA0001955210650000042
然后，根据板厚和晶粒尺寸参数，采用通过Voronoi多边形方法并利用相关有限元软件随机生产相应的细观结构模型，如图3所示，并依据表一分别赋予材料属性。
选择某一间隙，进行有限元数值仿真，冲裁过程如图4所示，提取断裂时刻的单元应力状态以及凸模3及凹模4的位移，按照公式计算得出该时刻裂纹扩展角度α以及刃口连线角度β。
重复上述步骤，获取每一断裂时刻裂纹扩展角度α以及刃口连线角度β与间隙的变化曲线，如图5所示。两条变化曲线的交点确定了符合该材料的最优冲裁间隙值，为13.8％t。
本发明还提供了一种金属薄板冲裁最优间隙确定系统，包括：
识别模块，用于识别多晶材料晶粒的属性参数；
建模块，用于根据多晶材料晶粒的板厚和晶粒尺寸建立二维细观结构数值仿真模型；
模拟模块，用于对多晶材料进行冲裁工艺数值模拟，获得多晶材料出断裂时的裂纹扩展角度以及刃口连线角度；
计算模块，用于获得多晶材料出断裂时的裂纹扩展角度以及刃口连线角度随间隙的变化曲线，并确定交点所对应的间隙。
本发明还提供了一种金属薄板冲裁最优间隙确定装置，其特征在于，包括：存储有金属薄板冲裁最优间隙确定程序的存储器及用于运行金属薄板冲裁最优间隙确定程序的处理器，金属薄板冲裁最优间隙确定程序配置为实现金属薄板冲裁最优间隙确定方法的步骤。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有金属薄板冲裁最优间隙确定程序，金属薄板冲裁最优间隙确定程序被处理器执行时实现金属薄板冲裁最优间隙确定方法的步骤。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种金属薄板冲裁最优间隙确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，识别多晶材料晶粒的属性参数；
步骤2，根据多晶材料晶粒的板厚和晶粒尺寸建立二维细观结构数值仿真模型；
步骤3，对多晶材料进行冲裁工艺数值模拟，获得多晶材料出断裂时的裂纹扩展角度以及刃口连线角度；
步骤4，获得多晶材料出断裂时的裂纹扩展角度以及刃口连线角度随间隙的变化曲线，并确定交点所对应的间隙，即冲裁最优间隙；
步骤3包括：
步骤3.1，确定冲裁间隙；
步骤3.2，在冲裁间隙下进行模拟冲裁；
步骤3.3，获得多晶材料板料断裂时的凸模及凹模刃口位移和裂纹周边的应力状态；
步骤3.4，通过多晶材料板料断裂时的凸模及凹模刃口位移和裂纹周边的应力状态计算获得多晶材料出断裂时的裂纹扩展角度以及刃口连线角度，返回步骤3.1；
裂纹扩展角度α满足：
Figure FDA0002695391760000011
其中，坐标系定义为以无限远处为原点，x为水平板长度方向，y为板宽度方向，z为板厚方向，α为裂纹扩展角度，σx、σz、τxz分别为裂纹萌生点x方向应力、z方向应力和x-z平面剪应力。
2.根据权利要求1所述的金属薄板冲裁最优间隙确定方法，其特征在于，刃口连线角度满β满足：
β＝arctan[c/(t-S)]
其中，β为刃口连线角度，c为冲裁间隙，t为板厚，S为断裂时刻凸模位移。
3.根据权利要求1所述的金属薄板冲裁最优间隙确定方法，其特征在于，多晶材料晶粒的属性参数包括晶粒属性参数以及断裂准则参数。
4.一种金属薄板冲裁最优间隙确定系统，其特征在于，包括：
识别模块，用于识别多晶材料晶粒的属性参数；
建模块，用于根据多晶材料晶粒的板厚和晶粒尺寸建立二维细观结构数值仿真模型；
模拟模块，用于对多晶材料进行冲裁工艺数值模拟，获得多晶材料出断裂时的裂纹扩展角度以及刃口连线角度；
计算模块，用于获得多晶材料出断裂时的裂纹扩展角度以及刃口连线角度随间隙的变化曲线，并确定交点所对应的间隙；
所述模拟模块包括：
模块1：确定冲裁间隙；
模块2，在冲裁间隙下进行模拟冲裁；
模块3，获得多晶材料板料断裂时的凸模及凹模刃口位移和裂纹周边的应力状态；
模块4，通过多晶材料板料断裂时的凸模及凹模刃口位移和裂纹周边的应力状态计算获得多晶材料出断裂时的裂纹扩展角度以及刃口连线角度，返回模块1；
裂纹扩展角度α满足：
Figure FDA0002695391760000021
其中，坐标系定义为以无限远处为原点，x为水平板长度方向，y为板宽度方向，z为板厚方向，α为裂纹扩展角度，σx、σz、τxz分别为裂纹萌生点x方向应力、z方向应力和x-z平面剪应力。
5.一种金属薄板冲裁最优间隙确定装置，其特征在于，包括：存储有金属薄板冲裁最优间隙确定程序的存储器及用于运行金属薄板冲裁最优间隙确定程序的处理器，金属薄板冲裁最优间隙确定程序配置为实现如权利要求1～3任一项所述的金属薄板冲裁最优间隙确定方法的步骤。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，计算机可读存储介质上存储有金属薄板冲裁最优间隙确定程序，金属薄板冲裁最优间隙确定程序被处理器执行时实现如权利要求1～3任一项所述的金属薄板冲裁最优间隙确定方法的步骤。
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