在金属片部件的深冲压加工中的修边线确定的制作方法
【专利摘要】本发明公开了确定金属片部件的深冲压加工中使用的修边线的方法和系统。定义了金属片部件的计算机模型和工艺补充面几何形状。识别计算机模型中的至少一个凸缘部分。通过应用第一组数值载荷到每一对相邻的有限元，朝着该工艺补充面的执行所述凸缘部分的伸展的数值模拟。第一组数值载荷配置成使用挠矩平整所述有限元对，所述挠矩是使用所述有限元对的相对方位和所述金属片部件的材料特性确定的。将第二组数值载荷用于封闭伸展凸缘和工艺补充面之间的任何剩余缝隙。将凸缘部分在其最后的伸展配置中的外边缘作为修边线。
【专利说明】在金属片部件的深冲压加工中的修边线确定
【技术领域】
[0001]本发明总的涉及金属片成形，更具体地说，涉及通过执行金属片部件的计算机模型(例如有限元分析(FEA)模型)的伸展凸缘(unfolding flange)的数值模拟、确定金属片部件的深冲压加工中的修边线。
【背景技术】
[0002]多年来，在工业生产中一直使用金属片成形来将毛坯金属片制造成金属部件，例如汽车制造厂和其供应商使用金属片成形来生产许多部件。
[0003]一种最常用的金属片成形工艺是深冲压，其采用水力或机械压力将特定形状的冲压机挤压到匹配的模具上，在模具和冲压机之间，设有毛坯金属片。由该方法制造的示例产品包括但不限于汽车引擎盖、挡泥板、门、汽车燃料槽、厨房水槽、铝罐等等。在模具的某些区域，部件或产品的深度通常大于其直径的一半。因此，由于零件或者产品的几何形状，拉伸毛坯使其在不同的位置变薄。该部件或产品仅在没有结构缺陷(如材料缺陷，例如破裂、撕裂、起皱、缩颈等)时是良好的。为了生产没有这些缺陷的部件，设计产品设计区域和压料面区域(binder region)之间的工艺补充面部分至关重要。图1是金属片成形的拉伸模具的示例设置的截面的正视图。
[0004]图1中示出，金属片毛胚或毛坯120 (也就是，在成形之前的未成形的金属片板材)靠在位于上模具腔110和冲压机130之间的毛坯支撑器108上。当模具沿拉伸轴线(示出为箭头140)方向下压到冲压机130上时，毛坯110形成金属片部件。模具110具有产品设计部分102、压料面部分106a-b和工艺补充面部分104a-b。工艺补充面部分104a_b和设计面部分102之间的边界称为修边线103a-b，而工艺补充面部分104a-b和压料面部分106a_b之间的直接相交线(direct intersection)称为理论冲压分模线(opening line) 105a_b。修边线大部分是闭合的，且在金属片部件中，可有一条以上的闭合修边线。可具有上百条闭合修边线以形成复杂的金属片部件。
[0005]产品表面包含在成形过程最后的金属片部件的期望图样(pattern)/形状，在成形过程之后即是修边操作。压料面部分用于在成形过程中支撑毛坯。工艺补充面部分在产品设计面部分和压料面部分之间提供缓冲或过渡区。在毛坯经冲压成形以后，沿着闭合修边线剪切出金属片部件。
[0006]良好或恰当设计的修边线允许制造者直接或更快地将毛坯转换成其最终形状，因此显著降低金属片部件的制造费用。确定修边线的现有技术方法主要取决于人的经验或是至多取决于基于反复试验的特殊程序。
[0007]因此，期望开发出使用计算机模拟确定金属片部件的修边线的方法。
【发明内容】
[0008]本发明涉及使用计算机模型的伸展凸缘的数值模拟在金属片部件的制造过程中确定金属片部件的修边线的改进系统和方法。该计算机模型适用于使用计算机辅助工程分析(例如，有限元分析(FEA))的深冲压(deep draw)金属片冲压过程(stamping process)的数值模拟。
[0009]根据本发明的一个典型实施例，在其上安装有FEA应用模块的计算机系统中定义和接收金属片部件的计算机模型。在该计算机系统中还接收与模具面的产品表面相邻的工艺补充面的三维几何形状。识别计算机模型中的至少一个凸缘部。通过应用第一组数值载荷到凸缘部中朝着该工艺补充面的的每个相邻有限元对，执行所述凸缘部的伸展的数值模拟。第一组数值载荷配置成使用挠矩平整所述有限元对，所述挠矩是使用所述有限元对的相对方位和所述金属片部件的材料特性确定的。在应用所述第一组数值载荷之后，第二组数值载荷用于封闭伸展凸缘和工艺补充面之间的任何剩余缝隙。理论修边线是布置在工艺补充面上、描述凸缘部分在其最后的伸展形状中的外边缘的三维闭合曲线。
[0010]通过结合附图详阅接下来对实施例的详细描述，本发明的其它目标、特征和优点将是显而易见的。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]参照下列描述、附加的权利要求和附图可以更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点。
[0012]图1是用于金属片部件的深冲压加工的拉伸模具的示例装配的截面的正视图；
[0013]图2是根据本发明实施例的、金属片部件的深冲压加工中使用的确定修边线的典型步骤的流程图；
[0014]图3A-3B是根据本发明一个实施例的、在伸展凸缘的数值模拟前后、具有金属片部件的深冲压加工模具的截面轮廓示意图；
[0015]图4是根据本发明实施例的、邻近模具面的产品表面的典型工艺补充面部分的透视图；
[0016]图5是根据本发明实施例的、在凸缘伸展模拟中确定第一组数值载荷(挠矩)的典型几何关系不意图；
[0017]图6是根据本发明实施例的、在应用第一组数值载荷之后、应用第二组数值载荷到所述伸展凸缘以封闭缝隙的示意图；
[0018]图7是根据本发明另一实施例的、具有金属片部件的深冲压加工模具的另一示范截面轮廓示意图，其中凸缘位于金属片部件的内侧；
[0019]图8是示例的计算机的主要部件的功能框图，可在其中执行本发明的实施例。【具体实施方式】
[0020]本发明涉及创建表示工艺补充面部分的计算机化数字模型的改进方法。该计算机化数字模型适合使用计算机辅助工程分析(例如有限元分析)的金属片成形过程的计算机模拟。
[0021]参照图2，示出了金属片部件的深冲压加工中使用的确定修边线的典型步骤200。该典型步骤200可在软件中执行，并优选参照其他附图，例如图3-8。
[0022]方法200始于步骤202，在计算机系统中定义和接收金属片部件的最终或任何中间加工外形的计算机模型、以及工艺补充面三维几何形状。下一步，在步骤S204中，识别计算机模型的至少一个凸缘部分。所述凸缘部分表示金属片部件的各个凸缘。在金属片部件中，可以有一个以上的凸缘，例如一个沿着外周，另一个沿着内分模线(inner opening)。一个典型的计算机模型是有限元分析(FEA)模型，其包含大量有限元。表示金属片部件的典型有限元是三维壳体有限元。
[0023]图3A中示出了具有最后或完成外形的金属片部件300a (粗黑线示出)的典型深冲压加工设置的部分剖面图。示出的工艺补充面304在产品表面延伸位置303环绕产品表面。凸缘310从该产品表面延伸位置303开始,直至所述完成的金属片部件300a的外周。图3A中还示出了压料面308、理论冲压分模线305和筋肋中心线(bead center line)306。
[0024]在步骤206，方法200通过将第一组数值载荷应用到识别的凸缘部分的每对邻近有限元，对伸展金属片部件的一个或多个凸缘进行数值模拟(即使用FEA的计算机模拟)。所述第一组数值载荷配置成使用挠矩朝着各个工艺补充面平整每个有限元对。所述挠矩是使用所述有限元对的相对方位和所述金属片部件的材料特性(例如，金属片的厚度、弹性模量和应变硬化特性)确定的。
[0025]图3B示出了作为图3A中示出的配置的伸展模拟结果的轮廓图。示出的金属片部件300b的伸展凸缘320与工艺补充面304 —致。外周或边缘330是根据本发明的一个实施例预测或确定的修边线。图4中示出的透视图证明了典型的工艺补充面404的一部分、位于产品表面402的延伸切线424 (工艺补充面的一部分)上的产品表面402和修边线430之间的关系。
[0026]图5示出了在确定用于平整邻近有限元对502-504的第一组数值载荷(即挠矩)中使用的典型几何形状关系的示意图。创建包含所述有限元对502-504的各个法向矢量512-514的平面510。形成在有限元的边缘和平面510之间具有交叉点的三角形520。有限元502-504的相对方位包括三角形520的两侧边522-524之间的相对角523。侧边522和524分别是平面510和壳体有限元502和504之间的交线。在一个实施例中，第一组数值载荷与相对角523成正比。当相对角523等于O或两个有限元502-504共面时，第一组数值载荷是O。换句话说，无需平整壳体有限元对，因为他们已经是平整的了。为了维持挠矩，第一组数值载荷(图5中示出F1, F2和F3)配置成满足以下等式:
[0027]F1=FJF3
[0028]F2X a=F3x b
[0029]在此，F1是两个有限元之间的交叉点上的数值载荷，F2和F3是位于三角形520上与F1相对的其他角上的数值载荷；〃a〃和〃b〃分别是自F1到F2和F3的投影距离。
[0030]此外，在凸缘伸展模拟中，用户可逐渐或渐增地应用所述数值载荷到计算机模型上以维持FEA中所需的数值稳定度和精确度。本领域技术人员了解这些已知的技术或方案。
[0031]返回参照图2，在将第一组数值载荷应用以后，方法200可在步骤208中应用第二组数值载荷以封闭伸展凸缘和工艺补充面之间的任何剩余缝隙。图6示出了伸展凸缘602和工艺补充面604之间的典型缝隙603以及第二组数值载荷612。
[0032]最后，在方法200结束之前，在步骤210，将计算机模型的凸缘部分的最后的伸展外形的外边缘作为修边线。该修边线是设置在工艺补充面上的三维曲线。
[0033]图7示出了具有伸展到工艺补充面704和714的两个凸缘的金属片部件的剖面图。在其他实施例中，可以有更多的凸缘从而有更多的修边线。
[0034]根据一方面，本发明涉及一个或多个能够执行在此描述的功能的计算机系统。计算机系统800的例子在图8中示出。计算机系统800包括一个或多个处理器，例如处理器804。处理器804连接到计算机系统内部通信总线802。关于该示范性的计算机系统，有各种软件实现的描述。在读完这一描述后，相关【技术领域】的人员将会明白如何使用其它计算机系统和/或计算机架构来实施本发明。
[0035]计算机系统800还包括主存储器808，优选随机存取存储器(RAM)，还可包括辅助存储器810。辅助存储器810包括例如一个或多个硬盘驱动器812和/或一个或多个可移除存储驱动器814，它们代表软盘驱动器、磁带驱动器、光盘驱动器等。可移除存储驱动器814用已知的方式从可移除存储单元818中读取和/或向可移除存储单元818中写入。可移除存储单元818代表可以由可移除存储驱动器814读取和写入的软盘、磁带、光盘等。可以理解，可移除存储单元818包括其上存储有计算机软件和/或数据的计算机可用存储媒介。
[0036]在可选实施例中，辅助存储器810可包括其它类似的装置，允许计算机程序或者其它指令被装载到计算机系统800。这样的装置包括例如可移动存储单元822和接口 820。这样的例子可包括程序盒式存储器和盒式存储器接口(例如，视频游戏设备中的那些)、可移动存储芯片(例如可擦除可编程只读存储器(EPROM))、通用串行总线(USB)闪存、或者PR0M)以及相关的插槽、以及其它可移动存储单元822和允许软件和数据从可移动存储单元822传递到计算机系统800的接口 820。通常，计算机系统800由操作系统(OS)软件控制和管理，操作系统执行例如进程调度、存储器管理、网络连接和I/O服务。
[0037]可以还设有连接到总线802的通信接口 824。通信接口 824允许软件和数据在计算机系统800和外部设备之间传递。通信接口 824的例子包括调制解调器、网络接口(例如以太网卡)、通信端口、个人计算机存储卡国际协会(PCMCIA)插槽和卡等等。经通信接口824传输的软件和数据可以以信号828的形式，其可以是电信号、电磁信号、光信号或其他能够被通信接口 824接收的信号的形式。计算机800通过根据一套特定的规则(即协议)，通过数据网络来与其它计算设备进行通信。常见的协议之一是经常在因特网上使用的TCP/IP (传输控制协议/互联网协议)。一般来说，通信接口 824将数据文件打包成较小的数据包并通过数据网络传输该数据包，或者对接收的数据包重新组装来获得原始数据文件。此夕卜，通信接口 824处理每个数据包的地址部分，以便使其到达正确的目标端口，或者以拦截最终目标为计算机800的数据包。在本文中，术语“计算机程序介质”和“计算机可用的介质”被用来泛指诸如可移动存储驱动器814 (例如，闪存驱动器)的介质，和/或安装在硬盘驱动器812中的硬盘。这些计算机程序产品是用于为计算机系统800提供软件的装置。本发明涉及这样的计算机程序产品。
[0038]计算机系统800还包括输入/输出(I/O)接口 830，它使得计算机系统800能够接入显示器、键盘、鼠标、打印机、扫描仪、绘图仪、以及类似设备。
[0039]计算机程序(也被称为计算机控制逻辑)作为应用模块806存储在主存储器808和/或辅助存储器810中。也可通过通信接口 824接收计算机程序。这样的计算机程序被执行时，使得计算机系统800执行如在此所讨论的本发明的特征。特别地，当执行该计算机程序时，使得处理器804执行本发明的特征。因此，这样的计算机程序代表计算机系统800的控制器。
[0040]在本发明采用软件实现的实施例中，该软件可存储在计算机程序产品中，并可使用可移除存储驱动器814、硬盘驱动器812、或者通信接口 824加载到计算机系统800中。应用模块806被处理器804执行时，使得处理器804执行如在此所述的本发明的功能。
[0041]主存储器808可被加载一个或多个应用模块806,所述应用模块806可被一个或多个处理器804执行以实现期望的任务，所述处理器可具有或不具有通过I/O接口 830输入的用户输入。在运行中，当至少一个处理器804执行一个应用模块806时，结果被计算并存储在辅助存储器810 (也就是，硬盘驱动器812)中。计算机模型创建(例如，有限元分析)的状态以文字或者图形表示的方式通过I/O接口 830报告给用户。
[0042]虽然参照特定的实施例对本发明进行了描述，但是这些实施例仅仅是解释性的，并不用于限制本发明。本【技术领域】的人员可得到暗示，对具体公开的示范性实施例做出各种修改和改变。例如，虽然在此仅描述和示出了一个或两个凸缘，在实际的部件中，也可以出现其他数量的凸缘。总之，不能用在此公开的特定的典型实施例来限定本发明的保护范围，并且，所有可轻易地对本领域普通技术人员能起到暗示作用的所有改动仍应涵盖在本专利申请和所附加的权利要求的精神和范围之内。
【权利要求】
1.一种确定金属片部件的深冲压加工中使用的修边线的方法，其特征在于，所述方法包括: 在计算机系统中，定义和接收金属片部件的FEA模型和工艺补充面几何形状，其中工艺补充面与所述金属片部件的深冲压加工中使用的冲压模具的产品表面相邻定位； 将多个壳体有限元识别为表示所述金属片部件的至少一个凸缘的所述FEA模型的至少一个凸缘部分； 通过应用第一组数值载荷到所述多个壳体有限元，执行所述至少一个凸缘部的伸展的数值模拟，所述第一组数值载荷配置成使用挠矩朝着所述工艺补充面平整每个相邻有限元对，所述挠矩是使用所述邻近有限元对的相对方位和所述金属片部件的材料特性确定的； 应用第二组数值载荷到所述第一 FEA模型的至少一个凸缘部分，以在之后封闭伸展凸缘和工艺补充面之间的任何剩余缝隙；以及 指定所述伸展凸缘部分的外边缘作为在所述金属片部件的深冲压加工中使用的修边线。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述应用所述第一组数值载荷是在许多增量步骤中执行的，每个 步骤包含所述第一组数值载荷的一小部分。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述每个邻近有限元对的相对方位包括所述邻近有限元之间的相对角。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一组数值载荷是与所述相对角成正比的。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述相对角从所述邻近有限元和包含所述邻近有限元的各个法向矢量的平面的各条交线确定。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述挠矩是由所述平面上的三角形的几何形状确定的，所述三角形是由所述邻近有限元的边缘和所述平面的三个交点形成的。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述材料特性包括金属片部件的厚度、弹性模量和应变硬化特性。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述修边线是三维空间中的闭合曲线。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述FEA模型表示所述金属片部件的最后或任何中间加工外形。
10.一种确定金属片部件的深冲压加工中使用的修边线的系统，其特征在于，所述系统包括: 输入/输出(I/o)接口 ； 存储器，存储用于应用模块的计算机可读代码； 至少一个处理器，耦连所述存储器，所述至少一个处理器执行所述存储器中的所述计算机可读代码以使得所述应用模块执行以下操作: 定义和接收金属片部件的FEA模型和工艺补充面几何形状，其中工艺补充面与所述金属片部件的深冲压加工中使用的冲压模具的产品表面相邻定位； 将多个壳体有限元识别为表示所述金属片部件的至少一个凸缘的所述FEA模型的至少一个凸缘部分； 通过应用第一组数值载荷到所述多个壳体有限元，执行所述至少一个凸缘部的伸展的数值模拟，所述第一组数值载荷配置成使用挠矩朝着所述工艺补充面平整每个相邻有限元对，所述挠矩是使用所述邻近有限元对的相对方位和所述金属片部件的材料特性确定的；应用第二组数值载荷到所述第一 FEA模型的至少一个凸缘部分，以在之后封闭伸展凸缘和工艺补充面之间的任何剩余缝隙；以及指定所述伸展凸缘部分的外边缘作为在所述金属片部件的深冲压加工中使用的修边 线。
【文档编号】G06F17/50GK103455652SQ201310167211
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年5月8日 优先权日:2012年5月29日
【发明者】朱新海, 张力 申请人:利弗莫尔软件技术公司