CN116653347A - 一种基于五次多项式优化的伺服冲压工艺曲线控制方法 - Google Patents
一种基于五次多项式优化的伺服冲压工艺曲线控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116653347A CN116653347A CN202310926443.2A CN202310926443A CN116653347A CN 116653347 A CN116653347 A CN 116653347A CN 202310926443 A CN202310926443 A CN 202310926443A CN 116653347 A CN116653347 A CN 116653347A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- die
- polynomial
- servo
- plate
- optimization
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 117
- 230000008569 process Effects 0.000 title claims abstract description 83
- 238000005457 optimization Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims abstract description 32
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims abstract description 15
- 230000036461 convulsion Effects 0.000 claims abstract description 13
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 52
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 15
- 238000004080 punching Methods 0.000 claims description 8
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 7
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 9
- 238000011160 research Methods 0.000 abstract description 5
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 abstract description 4
- 238000012795 verification Methods 0.000 abstract description 2
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 17
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 10
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 9
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 8
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 8
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 7
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 6
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 6
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 5
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 5
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 238000003856 thermoforming Methods 0.000 description 4
- 229910001566 austenite Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 3
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 3
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 3
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 3
- 229910000734 martensite Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 2
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 2
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000037228 dieting effect Effects 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 238000005242 forging Methods 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 1
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000035772 mutation Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012887 quadratic function Methods 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 238000005482 strain hardening Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B30—PRESSES
- B30B—PRESSES IN GENERAL
- B30B15/00—Details of, or accessories for, presses; Auxiliary measures in connection with pressing
- B30B15/26—Programme control arrangements
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21D22/00—Shaping without cutting, by stamping, spinning, or deep-drawing
- B21D22/02—Stamping using rigid devices or tools
- B21D22/022—Stamping using rigid devices or tools by heating the blank or stamping associated with heat treatment
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
- Y02P90/02—Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Forging (AREA)
- Shaping Metal By Deep-Drawing, Or The Like (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于五次多项式优化的伺服热冲压工艺曲线控制方法。本发明通过五次多项式曲线输入方式改进伺服热冲压工艺中液压机滑块向下冲压过程，利用五次多项式曲线的全程无冲击效应，有效的控制并保持滑块向下冲压过程中的速度、加速度、加加速度的连续性，使得滑块位移过程无刚性冲击、无柔性冲击，有效地提高了生产产品的良品率、生产速度，提高了液压机的使用寿命等。通过仿真和验证研究，验证了五次多项式曲线在热冲压过程中对零件温度、减薄率、冯‑米塞斯应力的影响趋势，结果表明其是一种有效提高热冲压产品生产质量的工艺曲线控制方法，满足了热成形工艺提高产品质量、降低生产能耗的需求。
Description
技术领域
本发明属于液压成形装备技术领域，特别涉及一种基于五次多项式优化的伺服冲压工艺曲线控制方法。
背景技术
随着热成形工艺不断发展，其中用于热冲压成形工艺的伺服控制冲压机技术得到突破，以伺服控制的方式可以实现冲压机滑块任意位移、速度、加速度、加加速度控制。而现有的伺服冲压速度控制方法，是将冲压下降曲线分为两段程序分别执行，第一段为快速下降阶段，这期间滑块做自由落体运动，并达到最大速度后开始减速；第二阶段为压制阶段，压制阶段保持匀速或凸函数运动，但一直存在柔性冲击问题。
鉴于此，为提高热冲压成形工艺中的产品冲压质量，以及降低整体冲压过程的能耗以达到节能制造的目标，本发明提供了一种基于五次多项式优化的伺服冲压工艺曲线控制方法。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目地在于提供了一种基于五次多项式优化的伺服冲压工艺曲线控制方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于五次多项式优化的伺服冲压工艺曲线控制方法，包括以下步骤：
S1、建立待冲压零件及其冲压模具的三维有限元模型，包含上模、下模、压边圈和板料，并导入有限元分析软件；
S2、设置材料参数、边界条件、接触条件、场条件；
S3、设定下模为固定约束，上模向下移动以完成合模操作，同时在模具与板料接触前处于加减速段或匀减速段时刻，切换控制阀程序下的五次多项式运动控制曲线，其切换时刻点的速度、加速度、加加速度均需要满足一定的数值范围要求，具体如下式所示：
式中，L（t）表示活动横梁运动位移，U（t）表示活动横梁运动速度，A（t）表示活动横梁运动加速度，J（t）表示活动横梁运动加加速度，a0、a1、a2、a3、a4、a5为多项式系数，t表示活动横梁运动总时间，由此定义初始五次多项式曲线的预选参数范围；
S4、在a0~a5之间的预选参数范围内选取不同的值，作出不同仿真的五次多项式曲线，然后提交CAE有限元分析计算；
S5、从计算结果中提取最大成形力、最大减薄率、米塞斯应力、冲压结束时温度的数据作为优化对象，进行比较分析，根据仿真趋势优化参数范围，计算出最佳五次多项式曲线的参数精确范围，得出五次多项式伺服工艺曲线。
优选地，步骤S1中，所述三维有限元模型建立包括三维有限元网格划分和单元类型设置，其中，三维有限元网格的单元类型选用S4RT和C3D10MT；所述单元类型设置为壳单元，且打开几何非线性大变形开关；
优选地，所述材料参数包括板料参数、模型参数、模具参数，其中，所述板料参数包括不同温度下的应力-应变曲线、比热容、弹性杨氏模量、泊松比、热膨胀系数、导热系数以及密度；所述模具参数包括不同温度下的弹性杨氏模量、泊松比、密度、屈服应力、导热系数以及比热容；所述模具参数设置为刚体。
优选地，步骤S2中，所述接触条件包括：板料与模具直接接触的热传导系数、板料的自身辐射系数以及摩擦系数；其中，所述板料与模具直接接触的热传导系数采用基于压强的热传导系数，所述板料的自身辐射系数通过下式计算获得：
式中，表示玻尔兹曼常数，这里为5.6×10-11（mW/mm²·K）；表示板料的辐射率，这里为0.7；表示环境温度，这里设为25℃；表示板料的温度。
优选地，所述边界条件包括：限定下模固定六自由度以及上模向下运动固定距离。
优选地，所述场条件包括限定下模固定六个自由度、限定下模六个方向自由度、限定压边圈和上模Y方向移动五个自由度、模具初步温度以及板料初始温度。
优选地，还包括：对仿真模拟结果进行验证。
本发明具备如下有益效果：
为了提高热冲压成形工艺中的产品冲压质量，以及降低整体冲压过程的能耗以达到节能制造的目标，本发明提供了一种基于五次多项式优化的伺服冲压工艺曲线控制方法，通过五次多项式曲线输入方式改进伺服热冲压工艺中液压机滑块向下冲压过程，利用五次多项式曲线的全程无冲击效应，有效的控制并保持滑块向下冲压过程中的速度、加速度、加加速度的连续性，使得滑块位移过程无刚性冲击、无柔性冲击，有效的提高了生产产品的良品率、生产速度，有效的提高了液压机的使用寿命等。通过仿真和验证研究，验证了五次多项式曲线在热冲压过程中对零件温度、减薄率、冯-米塞斯应力的影响趋势，结果表明其是一种有效提高热冲压产品生产质量的工艺曲线控制方法，满足了热成形工艺提高产品质量、降低生产能耗的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为成型板料的尺寸示意图；
图2为在ABAQUS软件中选用S4RT为网格单元类型的示意图；
图3为模具及压料板单元控制属性设置为六面体单元的示意图；
图4为ABAQUS软件中壳单元设置界面；
图5为不同温度下的弹性杨氏模量和泊松比结果图；
图6为22MnB5高强钢的真实塑性应力-应变曲线图；
图7为五次多项式曲线下的位移曲线图；
图8为五次多项式曲线下的速度曲线图；
图9为五次多项式曲线下的加速度曲线图；
图10为五次多项式曲线下的加加速度曲线图；
图11为不同五次伺服工艺曲线下的板料上表面温度场结果图；
图12为不同五次伺服工艺曲线下的板料下表面温度场结果图；
图13为不同五次伺服工艺曲线对成形结束时板料S，Mises应力影响温度场结果图；
图14为不同五次伺服工艺曲线对成形结束时板料S，Mises应力影响曲线图；
图15为不同五次伺服工艺曲线对工件STH影响结果图；
图16为不同五次伺服工艺曲线对减薄率影响结果图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。
相较于冷冲压，热冲压的成型过程更为复杂。利用仿真软件模拟其冲压过程，可有效的减少试验次数，节约研发成本，提高效率。在板料热成型的仿真中，温度的变化影响着板料的成型和淬火过程，从而影响着最终的成型件质量。为了使仿真模型更加准确，仿真结果更加贴近实际和具有参考价值，在数值模拟过程中，不仅需要考虑板料、模具和压料板热物性参数设置以及各种边界条件、载荷、网格划分等问题，还要考虑成型过程板料的开裂起皱、减薄率是否符合工况等。在淬火过程中，要考虑板料成型结束温度是否大于马氏体转变的开始温度、淬火结束温度是否小于马氏体转变结束温度以及板料各个部位的冷却速率是否大于马氏体转变零件速率等问题。
针对上述问题，本发明利用ABAQUS软件建立2mm 22MnB5高强钢热冲压三维有限元模型，并对热成型的热力耦合过程进行仿真求解。
板料热冲压过程数值模拟步骤（Numerical simulation steps of sheet metalhot stamping process）包括：
（1）热冲压成型过程：
①将板料至于感应加热炉内，加热到750℃-950℃，为了使板料获得更加完全的奥氏体组织以及良好的塑性，所以继续对板料进行6min保温措施；
②为了使板料获得更加完全的奥氏体组织以及良好的塑性，所以继续对板料进行6min保温措施；
③在转移步骤中，为了防止板料过多的与空气氧化以及仍具有良好的塑性，使用机械手快速的将板料取出并放进水冷模具中；
④由于冲压速度大，为了控制材料流动，压料板向下移动对板料进行固定；
⑤进行凸模冲压步骤，首先固定凹模，凸模向下位移至合模；
⑥在板料冲压成型结束后，水冷模具中水道通入25℃常温水；
⑦在成型结束后即合模后，继续进行冷却淬火步骤，时间为10s-15s，最后开模，让成型件在空气中冷却；
⑧将成型件从模具中取出，进行后续处理。
板料的成型及淬火过程属于非线性问题，并且过程中温度场与应力场相互耦合，在ABAQUS中可选择顺序耦合与直接耦合的方式进行仿真，本发明选择直接耦合方式，即动态显示的温度-位移耦合分析类型，打开几何非线性，并设置以下三个分析步骤：
①板料位于凹模上方，压料板先向下运动10mm，进行压料操作；
②凸模向下运动73mm，实现板料的冲压成型操作；
③冲压成型结束时，凸凹模保持闭合状态，在水冷却模具的水道中通入25℃冷却水进行淬火仿真过程的模拟。由于板料与模具、空气的直接接触，以及自身的热辐射，还有冷却水对模具的冷却作用间接影响板料的温度，板料会快速冷却，实现淬火步骤。
实施例1
一种基于五次多项式优化的伺服冲压工艺曲线控制方法，包括以下步骤：
S1、建立待冲压零件及其热冲压模具的三维模型，包含上模、下模、压边圈和板料，并导入有限元分析软件；
具体地，建立三维有限元模型（FEM model building）：
在数值模拟中，合理的简化实物结构不仅能节省仿真计算时间，而且能很好的获得想要的仿真效果。本发明实施例以汽车B柱零件为研究对象，首先将其简化为一类带凹槽的U型零件进行仿真。在数值模拟过程中，板料长度设为240mm，厚度2.0mm，宽度220mm，冲压深度为73mm。成型板料具体尺寸如图1所示。在热冲压成型过程中，模具间隙大小影响着板料与模具接触热传导的效果，以至于板料流动应力、温度场等都有所不同，模具间隙推荐值为1~10.5t（t为板料厚度），本实施例中模具间隙为2mm，即板料的厚度，上下模具的冷却水道直径为8mm。
进行有限元网格划分：划分网格是建立三维有限元模型的一个重要环节，过程中需要考虑的问题也较多，工作量较大，所划分的网格形式对计算精度与计算规模会产生直接的影响。在有限元分析（ABAQUS）软件中，板料单元控制为四边形，并选用S4RT为网格单元类型，如图2所示。本发明主要分析研究板料的应力、厚度和温度变化等，为了提高求解精度，所以对板料网格设置密集一些，最小单元尺寸1.5x1.5mm²，创建23520个单元。模具及压料板单元控制属性设置为六面体单元，选用C3D10MT为网格单元类型，下模（die）创建146007个单元，上模（punch）创建76945个单元，压料板（binder）1650×2个单元，共计250000个单元，如图3所示。
设置单元类型：在有限元模拟中，当物体结构在一个方向上的尺度（厚度）远小于其他方向的尺度，并忽略沿厚度方向的应力时，可以采用壳单元（shell model）模拟。本发明的板料的尺寸等各方面满足要求，由于板料热成型是热-力耦合分析，使用壳单元可以极大的减少计算时间，并能获得使用实体单元同样的仿真效果，所以本实施例所研究的板料热冲压成型模拟中板料使用壳体单元，赋予2.0mm厚度，且打开几何非线性大变形开关；在壳体单元的厚度方向上选取5个积分点进行计算，这是应为在成型过程中，壳单元发生弯曲效应，考虑到仿真结果的准确性，所以要求在厚度方向上的积分点不少于2个，在ABAQUS软件中按图4所示设置。凹凸模具以及压料板则采用实体单元，并在后续设置为刚体，方便施加边界条件。
S2、设置材料参数、接触条件、边界条件、场条件等；
（1）材料参数：包括板料参数、模型参数、模具参数，其中，板料参数包括不同温度下的应力应变曲线、比热容、杨氏模量、泊松比、热膨胀系数、导热系数以及密度；模具参数包括不同温度下的杨氏模量、泊松比、密度、应力应变曲线、导热系数以及热膨胀系数。
具体地，本实施例中板料采用22MnB5高强度钢，这是一种常用的可淬火硼化钢，内部的Si元素起到固溶强化，抑制形成碳化物的作用；Mn元素起到了固溶强化，稳定奥氏体的作用；Ti元素可以起到晶粒细化的作用；B元素起到细化晶粒，一直形成较软组织的作用。在工业生产中，在高强度钢中添加Mn和B元素，可以使其具有良好的淬透性，其具体成分如表1所示。
表1. 22MnB5化学成分（质量分数-%）
本发明研究的是热冲压成型技术，在热冲压过程中温度变化持续影响着板料的温度场、流动应力与变形抗力，为了保证仿真的准确性，需要引入板料在不同温度下的弹性杨氏模量和泊松比数值以及不同温度下的应力-应变（数据）曲线。不同温度下的弹性杨氏模量和泊松比结果如图5和下表2所示。
表2. 22MnB5不同温度下的弹性杨氏模量与泊松比
在ABAQUS有限元软件中，材料塑性是必须用真实应力和真实应变来定义的。通过使用Gleeble 热模拟试验机对材料进行高温单向拉伸实验，测量材料在不同温度下的变形抗力，从而获得不同温度下应力、应变实验数据，由于这些实验数据是用名义应力和名义应变值给出的，所以本发明这里再通过下式推导拟合出真实应力-应变曲线如下式所示：
式中，和/>分别为真实应力与真实应变，/>和/>分别为工程应力和工程应变。
图6为22MnB5高强钢的真实塑性应力-应变曲线，从图6中可以看出，在每个温度下，应力都是先增加后趋于水平，这是由于拉伸过程中材料的动态回复效应与加工硬化效应相互作用，当达到相互平衡状态时，流动应力就处于稳定的状态。当材料处于高温下，材料的流动应力相较更小，塑性成形性好，有利于成形。
在热冲压的整个过程中，板料的散热方式分别为：与模具接触热传导、与空气热对流、以及自身热辐射。因此，需要引入板料不同温度下的比热容以及导热系数。此外，材料由于温度变化会发生胀缩现象，热膨胀系数是衡量材料热胀冷缩复读的一种指标。在热冲压过程中，板料的温度变化较大，所以在软件中设置不同温度下的板料热膨胀系数会使得仿真结果更加精确。22MnB5的比热容、导热系数和热膨胀系数如下表3所示。另外还需要材料的密度随温度变化参数，见下表4。
表3. 22MnB5的比热容、导热系数和热膨胀系数
表4.不同温度下的材料的密度变化
在板料的成型过程中，板料始终与模具以及冷却水道通过直接接触进行热传导，在此过程中，模具的导热能力对整个冲压系统有着很大的影响，所以需要引入模具的具体热物性参数，如下表5所示。
表5.模具的热物性参数
另还需模具的其他必要参数，如下表6所示。
表6.模具的其他必要参数
（2）接触条件：包括摩擦系数、接触换热系数、热辐射发射率。
具体地，在热冲压成型过程中，板料的散热方式包括：与模具直接接触的热传导、与空气的热对流、以及自身热辐射三种。与模具直接接触的热传导：在ABAQUS软件中，热传导系数的有效设置对仿真结果影响很大。热传导系数的设置需要考虑是采用基于压强的热传导系数还是采用基于间隙的热传导系数，或者采用同时基于压强与间隙的热传导系数。在实际中，当两物体接触，压强增大时，在接触面直接接触的点较多，间隙面积减少，接触热阻减少，传热效果也就增大，可以说明压强对板料与模具间传热效果影响很大，所以本发明这里板料与模具直接接触的热传导系数采用基于压强的热传导系数。
在实际的热成型冲压过程中，会使用润滑剂来减少板料流动阻力以及模具磨损等不良影响，在软件中则以罚函数法来实现接触力的计算，并通过库伦摩擦定律求得摩擦力，本发明这里设置摩擦系数为0.35。
板料的自身辐射系数可通过以下（2）计算获得：
式中，表示玻尔兹曼常数，这里为5.6×10-11（mW/mm²·K）；/>表示板料辐射率，这里为0.7；/>表示环境温度，这里设为25℃；/>表示板料温度。
（3）边界条件
具体地，在数值模拟中，合理的设置边界条件能得到良好的仿真结果，不合理设置以及不符合实际的边界条件所得到的仿真结果是毫无参考价值的。本发明的边界条件包括设置几何位移约束，具体为限定下模固定六个自由度以及上模向下运动固定距离；在压料过程中，对压料板的U2（Y）方向设置10mm的唯一约束，实现压料板的向下运动，其他方向设置为0。在整个热成型冲压过程中，凹模始终不动，在板料的成型过程中会出现方向的偏移，所以对凹模施加完全固定约束。上模合模需要U2（Y）向下移动73mm，对其进行运动速度控制。
（4）场条件：设置材料温度，限定下模六个方向自由度以及限定压边圈和上模Y方向移动五个自由度。其中，材料温度包括板料初始温度和模具初始温度，在材料温度设置时本发明采用℃为单位，所以在软件中需要输入绝对零度（为-273.15）；这里限定模具初步温度为150℃，板料初始温度850℃。
S3、设定下模为固定约束，上模向下移动以完成合模操作，其中上模的位移的幅值曲线数学表达式分为两部分：由于常规的S型加减速规划依旧存在加加速度反向突变而产生的柔性冲击问题，当液压机高速运转下会影响使用寿命和产品质量，因此在模具与板料接触前即处于加减速段或匀减速段时刻，切换（至另一组）控制阀程序下的五次多项式运动控制曲线，其切换时刻点的速度、加速度、加加速度均需要满足一定的数值范围要求，具体要求如下所示：
式中，L（t）表示位移函数，U（t）表示速度函数，A（t）表示加速度函数式中，L（t）表示活动横梁运动位移，U（t）表示活动横梁运动速度，A（t）表示活动横梁运动加速度，J（t）表示活动横梁运动加加速度，a0、a1、a2、a3、a4、a5为多项式系数，t表示活动横梁运动总时间；由此定义初始五次多项式曲线的预选参数范围；
因为加加速度是一种会使得材料产生疲劳断裂的柔性冲击，当加加速度过大时，材料容易产生疲劳现象，影响模具的寿命和板料的热成形精度质量，故根据加加速度的数学表达是可知其为二次函数，且取值较小，在本发明中a3、a4、a5均为±1以内。合模完成时速度v不宜过大，且初始速度为0，合模完成时速度为0。
S4、在a0~a5之间的预选参数范围内选取不同的值，作出不同仿真的五次多项式曲线，然后提交CAE有限元分析计算；
S5、从计算结果中提取最大成形力、最大减薄率、米塞斯应力、冲压结束时温度的数据进行比较分析，其中，最大成形力的数值越小越有利于减小液压机的吨位，最大减薄率的数值越小越有利于厚度的均匀分布，冲压结束时温度差越小说明成形效果越好，越有利于后续的工艺进行；根据仿真趋势优化参数范围，计算出最佳五次多项式曲线参数的精确范围，再作出最佳五次多项式曲线，即五次多项式伺服工艺曲线，从而提高冲压质量、延长模具的液压机寿命。
实施例2
本实施例以汽车B柱加强板部分简化模型U形件热成形为例，阐述一种基于五次多项式曲线优化的伺服冲压速度控制方法，包括以下步骤：
A1、利用SW三维建模软件建立U形件热冲压三维模型，包括板料、上下模具、压边圈，导入Hypermesh划分网格后，再导入abaqus中进行分析设置；
A2、设置材料参数：blank板料为22MnB5超高强度热成形钢，赋予材料属性并打开几何非线性，初始温度850℃，模具为H13热模锻钢，设置为刚体后赋予材料属性，初始温度150℃；设置边界条件：凹模固定不动，板料置于凹模上方1mm处，压边圈置于板料上方10mm处，凸模置于板料上方60mm处，压边力10000NN凸模位移幅值曲线为五次多项式曲线的截取段（合模前至合模后距离段）；
A3、对仿真模拟结果进行验证：由于一般成形时间仅为0.3~0.5s，故设置五组五次曲线对照实验，其始末速度、加速度均相同，而时间设置不同，故而产生不同对照，具体五次曲线见图7-10。
（1）不同五次伺服工艺曲线对于冲压的影响
（a）不同五次伺服工艺曲线下板料温度场如图11和图12所示。其中，NT11代表板料上表面温度场，NT15代表板料下表面温度场。
由图11和图12结果可知，随着冲压曲线时间的延长，冲压速度逐渐降低，局部倒角、拉延处出现温度反升现象较为合理，随着板料与模具充分接触散热，最低温度也慢慢下降，符合物理规律。
（b）不同五次伺服工艺曲线对成形结束时板料S，Mises应力影响，结果如图13和图14所示。
由图13和图14结果可知，随着五次曲线时间的增大，压制过程逐渐平缓，平均MESIS应力逐渐减小，这与上文成形结束时最高温度变化相对应，表面平均温度较高使得塑性较好易于成形，与此同时应力主要集中于凹凸模倒角处，由此处在成形时摩擦较大导致，同时拉伸区域也逐渐均匀。
（c）不同五次伺服工艺曲线对工件STH及减薄率影响，结果如图15和图16所示。
由图15和图16结果可知，随着五次曲线时间的延长，工件最大减薄STH逐渐减小，使得整体最大减薄率逐渐上升。与前文温度场影响、应力场影响结果吻合。由于拉伸区域出现拉延现象，使得工件减薄，成形结束时平均温度越高，工件塑性越好，拉延的均匀性也更好。由于部分伺服工艺曲线速度参数过快、设置凹凸模间隙仅为t（一般为1.05t）的原因，导致工件出现一定的起皱现象，也可从侧面反映出不同五次曲线对板料成形的影响。
综上，本发明通过仿真和实验研究，验证了五次多项式曲线在热冲压过程中对零件温度、减薄率、冯-米塞斯应力的影响趋势，结果表明其是一种有效提高热冲压产品生产质量的工艺曲线控制方法，最优化条件下的五次多项式伺服工艺曲线，使得冲压过程零件在保证温度下降速度(>30℃)前提下，温度下降的均匀性更好；进一步使得产品的最大减薄率减小，使得产品不产生开裂现象而报废(减薄率超过20%视为开裂)，同时有效的抑制起皱现象；冲压完成的零件厚度均匀性更好，使得热冲压过程中冯-米塞斯应力减小并始终保持在可靠控制范围内，最终有效地提高了产品的生产质量，减小次品率。
本发明不局限于上述具体的实施方式，本领域的普通技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所做出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于五次多项式优化的伺服冲压工艺曲线控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立待冲压零件及其冲压模具的三维有限元模型，包含上模、下模、压边圈和板料，并导入有限元分析软件；
S2、设置材料参数、边界条件、接触条件、场条件；
S3、设定下模为固定约束，上模向下移动以完成合模操作，同时在模具与板料接触前处于加减速段或匀减速段时刻，切换控制阀程序下的五次多项式运动控制曲线，其切换时刻点的速度、加速度、加加速度均需要满足一定的数值范围要求，具体如下式所示：
式中，L（t）表示活动横梁运动位移，U（t）表示活动横梁运动速度，A（t）表示活动横梁运动加速度，J（t）表示活动横梁运动加加速度，a0、a1、a2、a3、a4、a5为多项式系数，t表示活动横梁运动总时间，由此定义初始五次多项式曲线的预选参数范围；
S4、在a0~a5之间的预选参数范围内选取不同的值，作出不同仿真的五次多项式曲线，然后提交CAE有限元分析计算；
S5、从计算结果中提取最大成形力、最大减薄率、米塞斯应力、冲压结束时温度的数据作为优化对象，进行比较分析，根据仿真趋势优化参数范围，计算出最佳五次多项式曲线的参数精确范围，得出五次多项式伺服工艺曲线。
2.根据权利要求1所述的一种基于五次多项式优化的伺服冲压工艺曲线控制方法，其特征在于，步骤S1中，所述三维有限元模型建立包括三维有限元网格划分和单元类型设置，其中，三维有限元网格的单元类型选用S4RT和C3D10MT；所述单元类型设置为壳单元，且打开几何非线性大变形开关。
3.根据权利要求1所述的一种基于五次多项式优化的伺服冲压工艺曲线控制方法，其特征在于，所述材料参数包括板料参数、模型参数、模具参数，其中，所述板料参数包括不同温度下的应力-应变曲线、比热容、弹性杨氏模量、泊松比、热膨胀系数、导热系数以及密度；所述模具参数包括不同温度下的弹性杨氏模量、泊松比、密度、屈服应力、导热系数以及比热容；所述模具参数设置为刚体。
4.根据权利要求1所述的一种基于五次多项式优化的伺服冲压工艺曲线控制方法，其特征在于，步骤S2中，所述接触条件包括：板料与模具直接接触的热传导系数、板料的自身辐射系数以及摩擦系数；其中，所述板料与模具直接接触的热传导系数采用基于压强的热传导系数，所述板料的自身辐射系数通过下式计算获得：
式中，表示玻尔兹曼常数，这里为5.6×10-11 mW/mm²·K；/>表示板料的辐射率，这里为0.7；/>表示环境温度，这里设为25℃；/>表示板料的温度。
5.根据权利要求1所述的一种基于五次多项式优化的伺服冲压工艺曲线控制方法，其特征在于，所述边界条件包括：限定下模固定六自由度、以及上模向下运动固定距离。
6.根据权利要求1所述的一种基于五次多项式优化的伺服冲压工艺曲线控制方法，其特征在于，所述场条件包括限定下模固定六个自由度、限定下模六个方向自由度、限定压边圈和上模Y方向移动五个自由度、模具初步温度以及板料初始温度。
7.根据权利要求1所述的一种基于五次多项式优化的伺服冲压工艺曲线控制方法，其特征在于，还包括：对仿真模拟结果进行验证。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310926443.2A CN116653347A (zh) | 2023-07-27 | 2023-07-27 | 一种基于五次多项式优化的伺服冲压工艺曲线控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310926443.2A CN116653347A (zh) | 2023-07-27 | 2023-07-27 | 一种基于五次多项式优化的伺服冲压工艺曲线控制方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116653347A true CN116653347A (zh) | 2023-08-29 |
Family
ID=87722751
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310926443.2A Withdrawn CN116653347A (zh) | 2023-07-27 | 2023-07-27 | 一种基于五次多项式优化的伺服冲压工艺曲线控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116653347A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117227242A (zh) * | 2023-11-16 | 2023-12-15 | 深圳市添力越科技有限公司 | 一种伺服控制方法、装置、终端以及存储介质 |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070032900A1 (en) * | 2005-07-27 | 2007-02-08 | Ravinder Venugopal | Reconfigurable variable blank-holder force system and method for sheet metal stamping |
| US20110132208A1 (en) * | 2009-12-04 | 2011-06-09 | Hitachi, Ltd. | Controlling Device for Servo Press, Controlling Method for the Same and Servo Press Equipped with the Controlling Device |
| CN102628766A (zh) * | 2012-03-20 | 2012-08-08 | 湖南大学 | 一种汽车车身冲压钢板材料特性参数的反求方法 |
| CN103678829A (zh) * | 2013-12-31 | 2014-03-26 | 一重集团大连设计研究院有限公司 | 一种伺服压力机拉深加工工艺轨迹的优化设计方法 |
| CN104809304A (zh) * | 2015-05-12 | 2015-07-29 | 上海拖拉机内燃机有限公司 | 一种基于变间隙压边的铝板冲压成形工艺优化方法 |
| CN106739128A (zh) * | 2016-12-20 | 2017-05-31 | 武汉理工大学 | 一种基于急动度的伺服冲压速度控制方法 |
| CN109948215A (zh) * | 2019-03-12 | 2019-06-28 | 本钢板材股份有限公司 | 一种热冲压工艺制定方法 |
| CN110147581A (zh) * | 2019-04-22 | 2019-08-20 | 一汽-大众汽车有限公司 | 热成形车身抗撞零件承载性能的预测方法 |
| CN112613145A (zh) * | 2020-12-28 | 2021-04-06 | 武汉理工大学 | 一种伺服热冲压工艺设计方法 |
| CN114925585A (zh) * | 2022-07-22 | 2022-08-19 | 苏州大学 | 超高强钢热冲压成型模具温度场交互式耦合数值模拟方法 |
| CN116382098A (zh) * | 2023-05-31 | 2023-07-04 | 合肥合锻智能制造股份有限公司 | 一种基于滑模控制器的热冲压运动曲线优化控制方法 |
-
2023
- 2023-07-27 CN CN202310926443.2A patent/CN116653347A/zh not_active Withdrawn
Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070032900A1 (en) * | 2005-07-27 | 2007-02-08 | Ravinder Venugopal | Reconfigurable variable blank-holder force system and method for sheet metal stamping |
| US20110132208A1 (en) * | 2009-12-04 | 2011-06-09 | Hitachi, Ltd. | Controlling Device for Servo Press, Controlling Method for the Same and Servo Press Equipped with the Controlling Device |
| CN102152493A (zh) * | 2009-12-04 | 2011-08-17 | 株式会社日立制作所 | 伺服压力机的控制装置和控制方法、以及伺服压力机 |
| CN102628766A (zh) * | 2012-03-20 | 2012-08-08 | 湖南大学 | 一种汽车车身冲压钢板材料特性参数的反求方法 |
| CN103678829A (zh) * | 2013-12-31 | 2014-03-26 | 一重集团大连设计研究院有限公司 | 一种伺服压力机拉深加工工艺轨迹的优化设计方法 |
| CN104809304A (zh) * | 2015-05-12 | 2015-07-29 | 上海拖拉机内燃机有限公司 | 一种基于变间隙压边的铝板冲压成形工艺优化方法 |
| CN106739128A (zh) * | 2016-12-20 | 2017-05-31 | 武汉理工大学 | 一种基于急动度的伺服冲压速度控制方法 |
| CN109948215A (zh) * | 2019-03-12 | 2019-06-28 | 本钢板材股份有限公司 | 一种热冲压工艺制定方法 |
| CN110147581A (zh) * | 2019-04-22 | 2019-08-20 | 一汽-大众汽车有限公司 | 热成形车身抗撞零件承载性能的预测方法 |
| CN112613145A (zh) * | 2020-12-28 | 2021-04-06 | 武汉理工大学 | 一种伺服热冲压工艺设计方法 |
| CN114925585A (zh) * | 2022-07-22 | 2022-08-19 | 苏州大学 | 超高强钢热冲压成型模具温度场交互式耦合数值模拟方法 |
| CN116382098A (zh) * | 2023-05-31 | 2023-07-04 | 合肥合锻智能制造股份有限公司 | 一种基于滑模控制器的热冲压运动曲线优化控制方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 戴定国: "高强铝合金车身构件伺服热冲压工艺与性能调控", 工程科技Ⅱ辑，2019第07期, pages 035 - 190 * |
| 李补生;李建;殷文齐;宋清玉;: "新型伺服压力机热成形工艺曲线规划", 一重技术, no. 02, pages 9 - 14 * |
| 段磊;沈琦;门长峰;乔小燕;于强;张洋;: "高强钢板U形件热冲压技术及有限元分析", 现代制造工程, no. 03, pages 68 - 72 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117227242A (zh) * | 2023-11-16 | 2023-12-15 | 深圳市添力越科技有限公司 | 一种伺服控制方法、装置、终端以及存储介质 |
| CN117227242B (zh) * | 2023-11-16 | 2024-01-30 | 深圳市添力越科技有限公司 | 一种伺服控制方法、装置、终端以及存储介质 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104573237B (zh) | 一种基于摩擦磨损cae分析的模具优化方法 | |
| CN101574716B (zh) | 金属片部件的成形方法 | |
| CN116653347A (zh) | 一种基于五次多项式优化的伺服冲压工艺曲线控制方法 | |
| CN110000293B (zh) | 一种考虑非均匀温度场的复杂曲面件热成形模具设计方法 | |
| CN109977442B (zh) | 一种超厚板坯多道次轧制工艺的数值模拟方法 | |
| Wang et al. | Numerical simulation and experimental verification of microstructure evolution in large forged pipe used for AP1000 nuclear power plants | |
| CN106503389A (zh) | 一种快速确定热冲压生产线工艺参数的数值方法 | |
| CN109918785A (zh) | 一种大型复杂薄壁钛合金构件热成形起皱预测及控制方法 | |
| CN104636565B (zh) | 基于可加工性分析的镁合金一次模锻成形工艺优化方法 | |
| CN106156446B (zh) | 基于数值模拟的塑性成形过程能耗分析方法 | |
| Yang et al. | Study on selective cooling of ultra high strength steel car body in hot forming | |
| CN111539145A (zh) | 一种汽车衣帽架模压成型模具优化方法 | |
| CN106739128A (zh) | 一种基于急动度的伺服冲压速度控制方法 | |
| CN116502297A (zh) | 一种考虑拉刀修磨缺陷的榫槽切削性能预测方法 | |
| CN108043964B (zh) | 使用低熔点合金的薄板无余量防皱成形模具及成形方法 | |
| CN110147581B (zh) | 热成形车身抗撞零件承载性能的预测方法 | |
| Deng et al. | Precision forming of long-axis forgings with rib-web sections via billet optimization based on flow characteristics | |
| CN109948215A (zh) | 一种热冲压工艺制定方法 | |
| JP5839323B2 (ja) | 金属板体の金型寸法自動探索システム | |
| Quan et al. | Heat-assisted roll-bending process dynamic simulation | |
| Bao et al. | Development of hot stamping technology for high strength steel parts with tailored properties | |
| Li et al. | Forming process optimization for non-axisymmetrical complex component based on FEM simulation and experiment | |
| Kong et al. | Study on variable gradient characteristics hot stamping under non-uniform temperature field | |
| Eşiyok et al. | Hot stamping applications in the automotive industry: coupled numerical simulation and FE-based die design | |
| Wang et al. | an Investigation of Hot Forging Die Wear Based on FEA |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20230829 |
|
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |