本發明屬于沖壓成形技術領域，具體涉及一種基于急動度的伺服沖壓速度控制方法，用于提升零件成形質量。

背景技術：

沖壓速度是板料成形的重要工藝參數，它對零件的成形質量和成形極限有很大影響。當沖壓速度過大時，生產效率大大提高，但需要的成形力增大，噪聲嚴重，而且材料的流動不充分，板料易出現拉裂現象；當沖壓速度過小時，噪聲小，材料的流動相對充分，成形極限和成形精度有所改善，但生產效率大大降低。

隨著伺服電機的快速發展，沖壓運動可以實現速度或位移精確可調。沖壓運動的柔性可控是伺服壓力機最主要的特征之一，通過采用不同的滑塊運動曲線可以實現延長機器壽命、提高零件精度、降低噪聲和提高生產率等多種目標。

目前，采用何種沖壓運動方式使零件的成形性能最優還不清楚。在有限元模擬和試驗中發現變速條件下，零件的成形極限、成形質量變好，如MORI等在“Springback behaviour inbending of ultra-high-strength steel sheets using CNC servo press”文章中提出通過二次沖擊來控制板件彎曲工藝中的回彈缺陷，MATSUMOTO等在“Prevention of galling in forming of deep hole with retreat and advance pulse ram motion on servo press”文章中提出滑塊逐級沖壓運動曲線用于零件拉深，均有效消除了拉深零件的起皺缺陷，但變速運動方式大都采用樣條曲線控制，并不具備數學特征。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種基于急動度的伺服沖壓速度控制方法，它能夠實現位移、速度、加速度和急動度的連續可調，提升復雜及難成形零件的成形質量，減少生產噪聲，提高壓力機與模具壽命。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種基于急動度的伺服沖壓速度控制方法，包括以下步驟：

S1、建立待沖壓零件的三維模型并導入有限元分析軟件中；

S2、設置材料參數、邊界條件、接觸條件，并劃分網格；

S3、設定位移幅值曲線數學表達式為x＝At³+Bt²+Ct+D，可得速度數學表達式為v＝3At²+2Bt+C、加速度數學表達式為a＝6At+2B、急動度數學表達式為j＝6A：

S301、因為急動度是一種會使材料產生疲勞的柔性碰撞，當急動度較大時，材料易產生疲勞，影響機器的使用精度，減少機器的使用壽命，故根據急動度數學表達式可知A的取值應較小，從而確定A的初步取值范圍為0～1；

S302、閉模時加速度a應較小，以更加精確地控制凹模運動，準確地使凹模停止在下止點，為提高成形精度，故由A的初步取值范圍推出B的初步取值范圍為0～-3；

S303、閉模時速度v不宜過大，模具尚未開始運動時x＝0，閉模時x＝1，故由A、B的初步取值范圍推出C的初步取值范圍為1～3，D的初步取值為0；

S4、在A、B、C的初步取值范圍內選取不同的值以設置不同的位移幅值曲線，提交計算；

S5、從計算結果中提取最大成形力、FLDCRT、最大減薄率的數據進行比較分析，最大成形力的數值越小越有利于減小壓力機的噸位，FLDCRT的數值越小越不接近破裂而有利于提高板料的成形極限，最大減薄率的數值越小越有利于厚度的均勻分布，故選取最大成形力、FLDCRT、最大減薄率數值較小的幾組曲線，確定A、B、C的優化取值范圍，從而獲得能夠提升沖壓質量、延長模具和壓力機壽命的伺服沖壓速度曲線，以使板料成形性能最優。

按上述技術方案，步驟S2中設置材料參數具體包括：模具設為剛體，板料設為變形體并賦予材料屬性，材料屬性包括各溫度下應力應變曲線、各溫度下FLD曲線、密度、楊氏模量、泊松比、熱膨脹系數、導熱系數和各向異性系數。

按上述技術方案，步驟S2中設置邊界條件具體包括：凸模固定不動，凹模由沖壓運動曲線確定，采用速度由大到小的沖壓運動曲線。

按上述技術方案，步驟S2中設置接觸條件具體包括摩擦系數、膜層散熱系數、接觸換熱系數和發射率。

按上述技術方案，步驟S2中網格類型為溫度-位移耦合單元。

按上述技術方案，步驟S5中，A的優化取值范圍為0.2～0.6，B的優化取值范圍為-0.7～-1.7，C的優化取值范圍為1.5～2.1，D的優化取值為0。

本發明，具有以下有益效果：本發明通過設定位移幅值曲線數學表達式、速度數學表達式、加速度數學表達式急動度數學表達式，并確定在沖壓運動下板料的成形性能較好時表達式中A、B、C、D的優化取值范圍，運用這種優化后的沖壓運動曲線，能夠實現位移、速度、加速度和急動度的連續可調，提升復雜及難成形零件的成形質量，減少生產噪聲，提高壓力機與模具壽命。

附圖說明

下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中：

圖1為本發明實施例中汽車前縱梁的有限元模型。

圖2為本發明實施例中不同的位移幅值曲線圖。

圖3為本發明實施例中熱沖壓下不同位移幅值曲線下的最大成形力圖。

圖4為本發明實施例中熱沖壓下不同位移幅值曲線下的最大FLDCRT圖。

圖5為本發明實施例中熱沖壓下不同位移幅值曲線下的最大減薄率圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

在本發明的較佳實施例中，一種基于急動度的伺服沖壓速度控制方法，包括以下步驟：

S1、建立待沖壓零件的三維模型并導入有限元分析軟件中；

S2、設置材料參數、邊界條件、接觸條件，并劃分網格；

S3、設定位移幅值曲線數學表達式為x＝At³+Bt²+Ct+D，可得速度數學表達式為v＝3At²+2Bt+C、加速度數學表達式為a＝6At+2B、急動度數學表達式為j＝6A：

S301、因為急動度是一種會使材料產生疲勞的柔性碰撞，當急動度較大時，材料易產生疲勞，影響機器的使用精度，減少機器的使用壽命，故根據急動度數學表達式可知A的取值應較小，大致確定A的取值范圍為-1～1，本發明中確定A的初步取值范圍為0～1；

S302、閉模時加速度a應較小，以更加精確地控制凹模運動，準確地使凹模停止在下止點，為提高成形精度，故由A的初步取值范圍推出B的初步取值范圍為0～-3；

S303、閉模時速度v不宜過大，模具尚未開始運動時x＝0，閉模時x＝1，故由A、B的初步取值范圍推出C的初步取值范圍為1～3，D的初步取值為0；

S4、在A、B、C的初步取值范圍內選取不同的值以設置不同的位移幅值曲線，提交計算；

S5、從計算結果中提取最大成形力、FLDCRT、最大減薄率的數據進行比較分析，最大成形力的數值越小越有利于減小壓力機的噸位，FLDCRT的數值越小越不接近破裂而有利于提高板料的成形極限，最大減薄率的數值越小越有利于厚度的均勻分布，故選取最大成形力、FLDCRT、最大減薄率數值較小的幾組曲線，確定A、B、C的優化取值范圍，從而獲得能夠提升沖壓質量、延長模具和壓力機壽命的伺服沖壓速度曲線，以使板料成形性能最優。

在本發明的優選實施例中，步驟S2中，設置材料參數具體包括：模具設為剛體，板料設為變形體并賦予材料屬性，材料屬性包括各溫度下應力應變曲線、各溫度下FLD曲線、密度、楊氏模量、泊松比、熱膨脹系數、導熱系數和各向異性系數；設置邊界條件具體包括：凸模固定不動，凹模由沖壓運動曲線確定，采用速度由大到小的沖壓運動曲線；設置接觸條件具體包括摩擦系數、膜層散熱系數、接觸換熱系數和發射率；網格類型為溫度-位移耦合單元。

在本發明的優選實施例中，步驟S5中，A的優化取值范圍為0.2～0.6，B的優化取值范圍為-0.7～-1.7，C的優化取值范圍為1.5～2.1，D的優化取值為0。

本發明采用CAE模擬分析，包括以下幾個步驟：建立相應的三維模型并導入有限元分析軟件中；設置材料參數、邊界條件、接觸條件并劃分網格；運用位移幅值曲線數學表達式x＝At³+Bt²+Ct+D，通過參數分析設置不同的沖壓運動曲線(取不同的A、B、C、D值)；提交計算，從計算結果中提取數據并進行比較分析，從而獲得能夠提升沖壓質量、延長模具和壓力機壽命的伺服沖壓速度曲線。

下面以汽車前縱梁熱沖壓成形為例(本發明同樣適用于冷沖壓)，本發明包括以下步驟：

1、利用cat ia三維建模軟件建立前縱梁沖壓三維模型，并將三維模型導入abaqus軟件，如圖1所示；

2、設置材料參數：模具設為剛體，板料設為變形體并賦予材料屬性，板料材料為7075-O態鋁合金板，板料初始溫度為450℃，材料屬性主要包括各溫度下應力應變曲線、各溫度下FLD曲線、密度、楊氏模量、泊松比、熱膨脹系數、導熱系數、各向異性系數等；

設置邊界條件：凸模固定不動，凹模由沖壓運動曲線(位移幅值曲線，x＝0時表示模具還沒開始運動，x＝1時表示已經閉模)確定，凸模與凹模之間距離為152mm，壓邊力為15000N，一般來說，剛開始成形時沖壓速度較快，有利于提高生產效率，靠近成形終點時沖壓速度較慢，有利于提高成形質量、成形精度，故采用速度由大到小的沖壓運動曲線，即A取值范圍為0～1，如圖2所示，本發明中不同沖壓運動曲線數學表達式中A取值0、0.2、0.5、0.6、0.8、1，數學表達式如下：

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；

設置接觸條件：主要包括摩擦系數、膜層散熱系數、接觸換熱系數、發射率等參數。

劃分網格并提交計算，網格類型為溫度-位移耦合單元；

3、從計算結果中提取數據并進行比較分析，提取的數據主要為最大成形力，FLDCRT，最大減薄率等。

熱沖壓下，不同位移幅值曲線下最大成形力如圖3所示，FLDCRT(損傷準則，值越大板料越接近破裂，值大于1表示板料破裂)如圖4所示，最大減薄率如圖5所示；可以看出運動曲線2、5、6下所需最大成形力較小，有利于減小壓力機的噸位，運動曲線2、3、4下FLDCRT數值較小，最不接近破裂，有利于提高板料的成形極限，運動曲線2、3、4下，最大減薄率較小，有利于厚度的均勻分布，綜合來看，運動曲線2到運動曲線4范圍內板料的成形性能最優，即確定了A、B、C、D的取值范圍能夠使得成形性能最優。在本實施例中，最終確定有利于提升成形質量、延長模具與壓力機壽命的位移幅值曲線數學表達式為：x＝At³+Bt²+Ct+D，其中A取值范圍為0.2～0.6，B取值范圍為-0.7～-1.7，C取值范圍為1.5～2.1，D取值0。

本發明能夠利用有限元模擬，確定在沖壓運動下板料的成形性能較好時A、B、C、D的取值范圍。

應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發明所附權利要求的保護范圍。