CN111639406B

CN111639406B - 一种时序翻边工具刀口形状优化的方法

Info

Publication number: CN111639406B
Application number: CN202010486082.0A
Authority: CN
Inventors: 龚志辉; 姜潮; 谢晖; 李伟平
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2020-06-01
Filing date: 2020-06-01
Publication date: 2022-08-16
Anticipated expiration: 2040-06-01
Also published as: CN111639406A

Abstract

本发明涉及冲压翻边计算领域，公开了一种时序翻边工具刀口形状优化的方法。本方法首先通过仿真计算获取缺陷所在的位置和区域，并依据翻边高度和翻边线确定出优化的边界点，并在边界点之间生成若干个点，并采用试验设计方法对这些点的位置进行确定，然后依据这些生成的点构造出若干条不同的曲线作为样本。依据这些曲线构建翻边工具刀口的形状，建立翻边仿真模型，计算出翻边后最大厚度和最小厚度的差值并以此作为优化的适应度函数。基于这些曲线形状刀口及其仿真计算的结果，建立近似模型，应用优化计算获得优化的翻边工具刀口形状曲线，从而改善翻边质量。

Description

一种时序翻边工具刀口形状优化的方法

技术领域

本发明涉及冲压翻边计算领域，尤其涉及一种时序翻边工具刀口形状优化的方法。

背景技术

翻边是薄板冲压成形过程中的一项重要工艺，翻边过程中由于塑性变形的不均匀，容易出现开裂和起皱缺陷。解决翻边缺陷的方式可以从材料、零件几何参数及调整翻边工艺参数几个方面着手。由于材料和零件几何参数通常属于设计参数，在冲压时不便于修改，因此目前多通过调整翻边工具间隙、压料力等优化翻边工艺参数的方式来进行改善。但由于这些工艺参数对翻边质量的影响效果并不是特别明显，因此往往难以产生好的效果。时序翻边是将翻边工具的刀口形状设置为特定的曲线，使之在翻边过程中按不同时间先后顺序接触翻边区域材料的一种新型翻边方式。现有研究表明它可以改善翻边的回弹量，但对于翻边过程的拉裂起皱缺陷影响没有相关研究，而且对于如何根据零件翻边区域的形状获得最佳的翻边工具刀口形状也没有公开文献进行研究。

如中国专利公告号CN104148514B公开了一种冲压模具切边刀块和翻边刀块的生成方法及系统，该方法包括：建立切边刀块和翻边刀块的模板；定义冲压方向、切边线、分刀线；依据所述切边线和分刀线在先前建立的模板中选择各个刀块适用的模板；对于每一刀块，分别定义刀具底面；对于每一刀块，根据先前选择适用的模板以及所述刀具底面生成刀具，该刀具的刀口与所述切边线和/或分刀线齐平，该刀具的高度由所述刀具底面确定，该刀具的方向由所述冲压方向确定。该方法易在翻边过程中产生拉裂和起皱缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题是综合冲压仿真技术、近似模型构建及优化计算，提出翻边工具刀口形状优化的方法，该方法获得的翻边工具刀口形状可以有效地改善翻边过程中的拉裂和起皱缺陷。

为解决上述问题而采用了一种时序翻边工具刀口形状优化的方法，本方法首先通过仿真计算获取缺陷所在的位置和区域，并依据翻边高度和翻边线确定出优化的边界点，并在边界点之间生成若干个点，并采用试验设计方法对这些点的位置进行确定，然后依据这些生成的点构造出若干条不同的曲线作为样本。依据这些曲线构建翻边工具刀口的形状，建立翻边仿真模型，计算出翻边后最大厚度和最小厚度的差值并以此作为优化的适应度函数。基于这些曲线形状刀口及其仿真计算的结果，建立近似模型，应用优计算获得优化的翻边工具刀口形状曲线，从而改善翻边质量，其具体步骤如下：

步骤1：进行翻边仿真计算，获得翻边缺陷位置和区域大小；

步骤2：在缺陷区域两端边界位置设置两个边界点，并在两边界点之间设置多个点；

步骤3：以翻边高度为限定，采用试验设计方法对步骤2中的点生成相应的位置；

步骤4：将点连接成光滑曲线构成刀口形状；

步骤5：依据步骤3至步骤4，获得多条光滑曲线构成不同的刀口形状；

步骤6：构建翻边有限元模型，对步骤5中获得的所有刀口形状进行翻边仿真计算；

步骤7：建立近似模型及优化适应度函数；

步骤8：进行优化计算，获得优化的刀口形状曲线。

作为本发明进一步的改进，在步骤1中，获取缺陷的仿真计算，依据刀口同时接触翻边部位的传统翻边方法进行。

作为本发明进一步的改进，在步骤2中，两个边界点及在两个边界点之间生成的多个点是在以翻边高度处的翻边线为基准的翻边线上，生成的点可以按照等弧长方法或等弦偏差方法生成，生成的点的数目至少为一个。

作为本发明进一步的改进，生成的点的数目为三个。

作为本发明进一步的改进，在步骤3中，所述试验设计方法为简单随机或拉丁超立方或蒙特卡洛方法。

作为本发明进一步的改进，在步骤4中，采用任何由点构造出光滑曲线的方法。

作为本发明进一步的改进，由点构造出光滑曲线的方法为B样条曲线或 NURBS曲线。

作为本发明进一步的改进，在步骤7中，所述近似模型的构建方法为响应面或神经网络或Kriging方法。

作为本发明进一步的改进，所述优化适应度函数采用最大厚度减去最小厚度来进行评价。

作为本发明进一步的改进，在步骤8中，采用遗传算法全局寻优获取优化的刀口形状曲线。

作为本发明进一步的改进，在步骤1中，所述零件为汽车底盘摆臂，所述汽车底盘摆臂的成形工艺为，OP10拉伸→OP20修边→OP30侧翻边→OP40下翻边→ OP50冲孔→OP60翻孔，构建OP30侧翻边仿真模型，翻边工具的刀口形状与翻边圆弧中心线形状一致，经过分析获得仿真结果为破裂缺陷产生于内凹翻边位置。

作为本发明进一步的改进，在步骤2中，所述边界点与所述两个边界点间设置的多个点为OP30侧翻边工序中待优化的单侧翻边线离散成点，所述两个边界点记为A、B，依据摆臂OP30侧翻边工序成形缺陷位置，在临近缺陷处定义五个点C、D、E、F、G，去掉CD、DE、EF和FG之间的离散点。

作为本发明进一步的改进，在步骤3中，具体步骤为，将A、B、C、D、E、F、G分别向纵轴平移一段距离，生成A’、B’、C’、D’、E’、F’、G’，以翻边高度的一半值为上限和下限值，即-H/2≤x1，x2，x3，x4，x5≤H/2，采用试验设计方法产生x1、x2、x3、x4和x5，其中A’C’两点和B’G’两点之间的点到曲线 AB间的距离坐标值分别相等，为x1和x5；点D’、E’、F’到曲线AB的距离坐标值为x2、x3、x4。

作为本发明进一步的改进，在步骤4中，具体步骤为，将现有点进行三阶样条曲线拟合，生成相应波浪时序翻边曲线。

作为本发明进一步的改进，将所述波浪时序翻边曲线导入UG软件中构建对应的波浪型面时序翻边工具。

作为本发明进一步的改进，在步骤7中，具体步骤为，进行翻边波浪曲线的优化，对所述汽车底盘摆臂零件板料翻边成形质量通过零件成形后板料厚度最大差值进行评价，建立的优化目标函数如式所示：

J＝t_max-t_min (5.1)

式中：t_max为零件成形后板料厚度最大值，t_min为零件成形后板料厚度最小值；

采集多组设计样本点，设计变量为x1，x2，x3，x4，x5，-25≤x1,x2,x3,x4,x5 ≤25；

将采集到的多组设计样本点构建多组不同时序翻边波浪曲线，依次构建相应的翻边波浪成形工具模型并进行翻边仿真计算，得到各组所述汽车底盘摆臂成形后板料厚度最大差值即目标值，得到的样本数据将用于近似模型的构建。

作为本发明进一步的改进，在步骤8中，具体步骤为，进行优化计算，用于获取最优目标值，最终获取由最小的目标值J对应的x1、x2、x3、x4和x5值，然后依据这些点构造出曲线。

本发明时序翻边仿真成形相较于同时翻边仿真成形其破裂点数量能明显减少，产生破裂缺陷区域也能减小，摆臂零件时序翻边仿真成形相较于同时翻边仿真成形，板料翻边成形最大厚度变化很小，翻边成形板料厚度更加均匀。

附图说明

图1为汽车底盘摆臂示意图。

图2为汽车底盘摆臂成形工艺方案流程示意图。

图3为坯料形状示意图。

图4为OP30侧翻边仿真模型示意图。

图5为破裂缺陷仿真结果分析示意图。

图6为复杂模型波浪翻边工具构建过程示意图。

图7为优化的翻边波浪曲线的时序翻边模型示意图。

图8为摆臂零件同时翻边工序仿真结果。

图9为摆臂零件优化后的翻边工序仿真结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明仅以其中任一个零件时序翻边工具刀口形状曲线求解为例，具体实施办法如下：

图1为汽车底盘摆臂，其外形尺寸为415mm×245mm×156mm。

该零件成形工艺方案如下：OP10拉伸→OP20修边→OP30侧翻边→OP40下翻边→OP50冲孔→OP60翻孔，如图2所示。

图3为坯料形状。材料为SAPH400，板料厚度3mm，其材料力学性能参数如表1所示。

表1 SAPH400力学性能参数

构建OP30侧翻边仿真模型如图4所示，此时翻边工具的刀口形状与翻边圆弧中心线形状一致。经过分析获得仿真结果可知破裂缺陷产生于内凹翻边位置，如图5所示。

在此针对OP30侧翻边工序存在缺陷的部位进行时序翻边工具刀口形状优化，该摆臂零件复杂翻边波浪曲线翻边成形工具的形状采用以点构线的方法生成，过程如图6所示，步骤如下：

1)将摆臂零件OP30侧翻边工序中待优化的单侧翻边线离散成点，记两端点为A、B，依据摆臂OP30侧翻边工序成形缺陷位置(参照图5)，在临近缺陷处定义五个点C、D、E、F、G，去掉CD、DE、EF和FG之间的离散点。

2)将A、B、C、D、E、F、G分别向纵轴平移一段距离，生成A’、B’、C’、 D’、E’、F’、G’，以翻边高度的一半值为上限和下限值，即-H/2≤x1，x2，x3， x4，x5≤H/2，采用试验设计方法产生x1、x2、x3、x4和x5(其中A’C’两点和 B’G’两点之间的点到曲线AB间的距离坐标值分别相等，为x1和x5；点D’、E’、 F’到曲线AB的距离坐标值为x2、x3、x4)；

3)将现有点进行三阶样条曲线拟合，生成相应波浪时序翻边曲线；

4)将时序波浪翻边曲线导入UG软件中构建对应的波浪型面时序翻边工具。

接下来进行翻边波浪曲线的优化，对摆臂零件板料翻边成形质量通过零件成形后板料厚度最大差值进行评价，建立的优化目标函数如式所示：

J＝t_max-t_min (5.1)

式中：t_max为零件成形后板料厚度最大值，t_min为零件成形后板料厚度最小值。 J值越小，表明零件成形之后最大的厚度差异越小，板料的成形质量越好。

经测量得知摆臂OP30侧翻边工序最大翻边高度为50mm，因而H取50，本次仿真试验设计也采用优化拉丁超立方试验设计方法，采集128组设计样本点，设计变量为x1，x2，x3，x4，x5(-25≤x1,x2,x3,x4,x5≤25)。

将采集到的128组设计样本点构建128组不同时序翻边波浪曲线，依次构建相应的翻边波浪成形工具模型并进行翻边仿真计算，得到各组摆臂零件成形后板料厚度最大差值即目标值，其结果如表2所示(部分数据),得到的这些样本数据将用于接下来近似模型的创建和优化。

表2摆臂零件翻边仿真成形试验样本点与目标函数值(部分)

基于表2的数据，对128组曲线样本点和仿真结果目标值构建近似模型，然后进行优化计算，以获取最优目标值，最终获取由最小的目标值J对应的x1、 x2、x3、x4和x5值，然后依据这些点构造出曲线。

经过优化后获得最优翻边波浪曲线的翻边模型如图7所示，其J值为 1.352mm，对应的x1为16.34mm，x2为-16.73mm，x3为-10.04mm，x4为17.13mm， x5为-18.31mm。采用同时翻边工序获得的板料翻边成形最大厚度差值J为1.585。因而，从目标函数值J来看，刃入时序翻边可以提高了摆臂零件在OP30翻边工序中的板料成形质量。

将优化的摆臂零件翻边波浪曲线的时序翻边模型进行翻边仿真计算，创建翻边仿真模型并提交计算，得到该摆臂零件时序优化后的翻边成形结果，再与同时翻边仿真成形结果进行对比，其翻边工序板料的成形极限图如图8和图9所示。

分析同时翻边工序和优化后的翻边仿真成形结果，从两个方面来分析对比可以获得如下结论：

1)从板料成形极限图来分析，摆臂零件时序翻边仿真成形相较于同时翻边仿真成形其破裂点数量明显减少，产生破裂缺陷区域减小。

2)从板料成形厚度变化来分析，具体该摆臂零件优化的刀口进行翻边和普通刀口同时接触板料进行翻边获得的板料成形厚度数据如表3所示，从表中可以看出摆臂零件时序翻边仿真成形相较于同时翻边仿真成形，板料翻边成形最大厚度变化很小，最小厚度增大了0.23mm，板料翻边仿真成形最大厚度差减小了 0.233mm，翻边成形板料厚度更加均匀。

表3摆臂零件同时翻边与优化胡的翻边仿真成形计算结果比对单位：mm

因此，通过优化后翻边效果得到了明显改善。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种时序翻边工具刀口形状优化的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：进行翻边仿真计算，获得翻边缺陷位置和区域大小；

步骤3：以翻边高度为限定采用试验设计方法对步骤2中的点生成相应的位置；

步骤4：将点连接成光滑曲线构成刀口形状；

步骤7：建立近似模型及优化适应度函数；

步骤8：进行优化计算，获得优化的刀口形状曲线；

在步骤1中，需要加工的零件为汽车底盘摆臂，所述汽车底盘摆臂的成形工艺为，OP10拉伸→OP20修边→OP30侧翻边→OP40下翻边→OP50冲孔→OP60翻孔，构建OP30侧翻边仿真模型，翻边工具的刀口形状与翻边圆弧中心线形状一致，经过分析获得仿真结果为破裂缺陷产生于内凹翻边位置；

在步骤2中，所述边界点与所述两个边界点间设置的多个点为OP30侧翻边工序中待优化的单侧翻边线离散成点，所述两个边界点记为AB，依据摆臂OP30侧翻边工序成形缺陷位置，在临近缺陷处定义五个点C、D、E、F、G，去掉CD、DE、EF和FG之间的离散点；

在步骤3中，具体步骤为，将A、B、C、D、E、F、G分别向纵轴平移一段距离，生成A’、B’、C’、D’、E’、F’、G’，以翻边高度的一半值为上限和下限值，即-H/2≤x1，x2，x3，x4，x5≤H/2，采用试验设计方法产生x1、x2、x3、x4和x5，其中A’C’两点和B’G’两点之间的点到曲线AB间的距离坐标值分别相等，为x1和x5；点D’、E’、F’到曲线AB的距离坐标值为x2、x3、x4。

2.如权利要求1所述的一种时序翻边工具刀口形状优化的方法，其特征在于，在步骤1中，获取缺陷的仿真计算，依据刀口同时接触翻边部位的传统翻边方法进行。

3.如权利要求1所述的一种时序翻边工具刀口形状优化的方法，其特征在于，在步骤2中，两个边界点及在两个边界点之间生成的多个点是在以翻边高度处的翻边线为基准的翻边线上，生成的点可以按照等弧长方法或等弦偏差方法生成，生成的点的数目至少为一个。

4.如权利要求3所述的一种时序翻边工具刀口形状优化的方法，其特征在于，生成的点的数目为三个。

5.如权利要求1所述的一种时序翻边工具刀口形状优化的方法，其特征在于，在步骤3中，所述试验设计方法为简单随机或拉丁超立方或蒙特卡洛方法。

6.如权利要求1所述的一种时序翻边工具刀口形状优化的方法，其特征在于，在步骤4中，采用任何由点构造出光滑曲线的方法。

7.如权利要求6所述的一种时序翻边工具刀口形状优化的方法，其特征在于，由点构造出光滑曲线的方法为B样条曲线或NURBS曲线。

8.如权利要求1所述的一种时序翻边工具刀口形状优化的方法，其特征在于，在步骤7中，所述近似模型的构建方法为响应面或神经网络或Kriging方法。

9.如权利要求1所述的一种时序翻边工具刀口形状优化的方法，其特征在于，所述优化适应度函数采用最大厚度减去最小厚度来进行评价。

10.如权利要求1所述的一种时序翻边工具刀口形状优化的方法，其特征在于，在步骤8中，采用遗传算法全局寻优获取优化的刀口形状曲线。

11.如权利要求1所述的一种时序翻边工具刀口形状优化的方法，其特征在于，在步骤4中，具体步骤为，将现有点进行三阶样条曲线拟合，生成相应波浪时序翻边曲线。

12.如权利要求11所述的一种时序翻边工具刀口形状优化的方法，其特征在于，将所述波浪时序翻边曲线导入UG软件中构建对应的波浪型面时序翻边工具。

13.如权利要求12所述的一种时序翻边工具刀口形状优化的方法，其特征在于，在步骤7中，具体步骤为，进行翻边波浪曲线的优化，对所述汽车底盘摆臂零件板料翻边成形质量通过零件成形后板料厚度最大差值进行评价，建立的优化目标函数如式所示：

J＝t_max-t_min (5.1)

采集多组设计样本点，设计变量为x1，x2，x3，x4，x5，-25≤x1,x2,x3,x4,x5≤25；

14.如权利要求13所述的一种时序翻边工具刀口形状优化的方法，其特征在于，在步骤8中，具体步骤为，进行优化计算，用于获取最优目标值，最终获取由最小的目标值J对应的x1、x2、x3、x4和x5值，然后依据这些点构造出曲线。