一种基于急动度的伺服冲压速度控制方法与流程

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“Springback behaviour inbending of ultra-high-strength steel sheets using CNC servo press”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 pulse ram 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。

技术实现要素：

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。