CN102375907A - 用于预测或确定冲压件上的凹缩的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于预测或确定在通过虚拟精密冲压产生的部件上的凹缩的方法，其中产生数字图像、特别是部件的冲裁轮廓，将其作为图像数据提供并在图像处理装置中经历图像分析，该方法包括以下步骤：a)以能彼此区分的颜色对在由冲裁轮廓围绕的面之内的点和在冲裁轮廓之外的点着色，b)用根据部件材料及其变形能力标定的滤波器在部件冲裁轮廓上执行至少一个单次的柔焦绘制过程以产生不同的颜色级值，c)用在着色之前的原始颜色重新对在冲裁轮廓之外的着色的点着色，d)将颜色级值处理成精密冲压后在部件冲裁轮廓上的剩余厚度与精密冲压前部件的初始厚度相比的比例，e)通过在冲裁轮廓区域中配置一剩余厚度由在冲裁轮廓上的颜色级确定凹缩。

Description

用于预测或确定冲压件上的凹缩的方法

技术领域

本发明涉及一种用于预测或确定在通过虚拟的精密冲压产生的部件上的凹缩(Einzug)的方法，其中，产生数字图像、特别是部件的冲裁轮廓，将数字图像、特别是部件的冲裁轮廓作为图像数据提供并在图像处理装置中经历图像分析。

背景技术

精密冲裁件的典型特征是塌角(Kanteneinzug)和切口毛刺。特别是在圆角处出现凹缩，该凹缩随圆角半径的变小和板厚的增加而增大。凹缩深度可约为板厚的20％，而凹缩宽度可为板厚的30％，或者更多(见DIN 3345，Feinschneiden，1980年8月)。所述凹缩由此与材料厚度和材料质量有关，使得仅可以有限地对其进行控制，并且通常例如由于所引起的部件功能长度的变化而限制部件功能。因此，冲压凹缩降低部件功能并迫使制造者使用更厚的原材料。

根据现有技术，对在通过冲压或精密冲裁产生的部件几何结构上的凹缩的预测基于来自冲裁和变形过程的经验数据与经验的结合。在现有技术中缺乏用于可靠地预测凹缩的***。因为此前在制造真实的部件之前仅能很模糊地预测冲压凹缩的高度，所以总是选择具有较大的初始板厚的解决方案。这特别是导致材料消耗高，另外还需要较大的变形力，由此又增大了模具磨损。用于对冲裁和变形过程进行仿真的已知的解决方案基本上都利用有限元方法(见DE 102006047806Al，DE 102007039337B3，EP 923755Bl，US 6,353,768B1，US 6785640Bl)。这些已知的解决方案的缺点在于，它们耗费时间、计算复杂、成本高并且难以应用。

发明内容

基于现有技术，本发明的目的在于，提供一种用于预测或确定在虚拟部件上的凹缩的方法，通过所述方法借助更好地匹配于冲裁和变形过程要求的模具设计能够在制造部件之前在不进行耗费的虚拟和真实试验的情况下可靠地预测凹缩，同时避免耗费的计算负担、节省材料并降低模具磨损。

所述目的通过一种开头所述类型的具有权利要求1的特征的方法来实现。

所述方法的有利的实施形式可由从属权利要求得出。

根据本发明的解决方案从以下知识出发：在考虑被冲裁的材料的机械性能的情况下通过以对冲裁几何结构的轮廓柔焦绘制/柔焦滤波(Weichzeichnung)的形式的图像处理过程，确定冲裁之后得到的在所有区域中的板厚，而不必制造真实的部件或进行耗费的有限元仿真。

这通过以下步骤实现：

a)以不同的、能彼此区分的颜色对位于由冲裁轮廓围绕界定的面之内的点以及位于冲裁轮廓之外的点着色，

b)利用根据部件的材料及其变形能力标定的滤波器在部件的冲裁轮廓上执行至少一个单次的柔焦绘制过程，以产生不同的颜色级值，

c)利用在着色之前的原始颜色重新对位于冲裁轮廓之外的已着色的点进行着色，

d)将颜色级值处理成用于在精密冲压之后在部件冲裁轮廓上的剩余厚度与在精密冲压之前部件的初始厚度相比较的比例，

e)通过在冲裁轮廓的区域中配置一剩余厚度，由冲裁轮廓上的各个颜色级确定凹缩。

特别有利的是，能够以高的精度预测出真实部件上的凹缩。由此可以在非常短的时间内获得关于凹缩的信息，从而在设计部件几何结构或精密冲裁过程时明显提高可靠性。另外，可以使用如此获得的信息作为用于对后续工艺的仿真的输入，这改善了仿真的精度。

在一种优选的实施方案中，为根据本发明的方法使用高斯滤波器和/或拉普拉斯滤波器，所述高斯滤波器和/或拉普拉斯滤波器经由逐渐的过渡通过不同的灰度对冲裁轮廓进行柔焦绘制，所述灰度对应于与原始板厚相比较的相对板厚。另外，可通过以下形式的多项式来定义滤波器，

$f\left(x\right)=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i{x}^{2i}$

在根据本发明的方法的另一种实施方式中，柔焦绘制设计成迭代过程、即对图像的多次、优选2～15次的滤波。变形能力(即材料性能诸如抗拉强度、屈服极限和断裂延伸率)低的材料需要的滤波过程的数量明显小于变形能力高的材料。

为了在变形能力高的材料上实施根据本发明的方法，特别是影响半径大的高斯滤波器是合适的，而变形能力低的材料则需要具有小影响半径的高斯滤波器。

根据材料的变形能力的高低，对颜色的成分、优选黑色和白色，在颜色级方面这样加权，使得在变形能力低时其中一种颜色、例如黑色获得较强的加权，而在变形能力高时另一种颜色、例如白色获得较强的加权。

利用根据本发明的方法，可以预测或确定在冲压件或精密冲裁件上在冲裁轮廓所有区域上的凹缩，而不必制造真实的部件、进行试验或进行耗费的有限元仿真。这导致在部件几何结构设计中的更高的可靠性并最终导致降低原材料的厚度。

其它的优点和细节由以下参照附图的说明得出。

附图说明

下面应根据实施例详细说明本发明。

附图中，

图1示出一精密冲裁件的冲裁棱边区域中的剖面，其中示出凹缩，

图2示出一齿轮的部件轮廓的俯视图，该齿轮的内轮廓已被填充黑色，

图3示出一齿轮的利用高斯滤波器柔焦绘制的冲裁轮廓的俯视图，

图4示出一齿轮的被柔焦绘制的部件轮廓的俯视图，其灰度值分别与一个板厚相配，

图5示出一齿轮的部件轮廓的俯视图，该齿轮由变形能力低的材料制成，以及

图6示出一齿轮的部件轮廓，该齿轮由变形能力高的材料制成。

具体实施方式

图1示意性地示出在一部件2上的通过精密冲裁产生的冲裁面1，所述部件具有初始板厚S₀。在精密冲裁之后，在冲裁面1上形成具有凹缩宽度b_E的凹缩h_E。剩余厚度h_R决定保留的功能面的支承部分，经由该功能面将力或力矩例如传递给齿轮。

剩余厚度h_R如下地计算：

h_R＝S₀-h_E≥S_crit

其中S_crit表示最小需要的剩余厚度，而初始板厚S₀必须满足以下条件：

S₀≥S_crit+h_E

凹缩总是在冲裁轮廓的长度与支撑面相比很大的地方最大。换言之，在一个点的周围存在的支撑材料越少，该点获得的凹缩就越大。这在精密制齿的情况下意味着，齿尖具有非常大的凹缩，而齿根几乎无凹缩。

利用根据本发明的方法应该来预测对于由钢板制成的齿轮3的凹缩h_E，其几何数据如初始板厚S₀、齿数和钢的变形能力是已知的。

参照图2至4来详细说明根据本发明的方法的流程。首先，通过相应的程序、例如CAD产生齿轮3的冲裁轮廓4作为两维的数字图像5，其中在由冲裁轮廓围绕界定的面内的各点以黑色着色，而在所述面之外的各点以白色着色。当然也可能的是，代替黑色和白色的颜色而使用其它颜色，例如蓝色和红色、或者绿色和黄色等。然后，将图像5存储在图像处理装置的存储器中。这种状态在图2中示出。但本发明还包括，可以通过光学装置如CCD相机或扫描仪产生数字图像。

接着利用光学滤波器、优选高斯滤波器对图像5以这样的方式进行处理，即，使图像5的冲裁轮廓4经历柔焦绘制过程。通过该柔焦绘制过程，冲裁轮廓获得向齿轮几何结构的染黑的内面的在不同灰度值中的逐渐过渡。在选择其它颜色组合时，相应地产生颜色级。高斯装置的运行根据高斯分布对一个点(均值0)的周围进行加权

$f(x,y)=\frac{1}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\σ}}^2}{e}^{-\frac{1}{2}\left(\frac{x^2+y^2}{{\mathrm{\σ}}^2}\right)}$

其中f(x，y)表示具有两维区域的坐标x，y的高斯函数，并且σ²是方差，即钟形曲线的斜度。

高斯柔焦镜头(Weichzeichner)考虑相邻单元的值，并通过一个新的值来代替当前考虑的单元的值，该新的值根据高斯正态分布考虑其周围。

图3示出利用高斯滤波器柔焦绘制的齿轮3的冲裁轮廓。为了使所产生的灰度值与相对板厚、即剩余厚度h_R相对应，必须对高斯滤波器进行标定或调节。

对高斯滤波器的标定以如下方式考虑材料的机械性能：

材料	低的变形能力	高的变形能力
			高斯滤波器的半径	小的半径	大的半径
迭代数量	少	多
			对黑色和白色加权	更多地对黑色加权	更多地对白色加权

在根据本发明的方法的继续的过程中，在图像分析中将灰度值处理成用于在精密冲压之后沿着齿轮3的冲裁轮廓的剩余厚度h_R与在精密冲压之前的初始板厚相比较的比例。

图4示出该状态。将冲裁轮廓上的各个灰度值与相应的板厚相配。这以这样的方式来实现，即在图像处理装置的存储器中存储用于灰度值的参考标记。这些参考标记的特征在于表征性的板厚。

在图5中示出一个齿轮3的图像示例，该齿轮由变形能力低的S550MC质量的材料制成，所述图像示例通过一个半径σ＝10的高斯滤波器处理了六次。在黑色与白色之间的加权因数w为1。结果基本上预测出小的凹缩，其中凹形的弯曲部与凸形的弯曲部相比具有较小的凹缩。

而图6示出一个齿轮3的图像示例，该齿轮由变形能力高的DC04质量的材料制成，所述图像示例通过一个半径σ＝20的高斯滤波器处理了八次。在黑色与白色之间的加权因数w为1。特别是在凸形的弯曲部上，基本上得到较大的凹缩。

附图标记列表

冲裁面                    1

部件                      2

齿轮                      3

冲裁轮廓                  4

数字图像                  5

加权因数                  w

凹缩宽度                  h_B

凹缩                      h_E

剩余厚度                  h_R

最小允许的剩余厚度        S_crit

初始板厚                  S₀

高斯滤波器的半径          σ

高斯滤波器的方差          σ²

形函数(Ansatzfunktion)    f

Claims (9)

1.用于预测或确定在通过虚拟精密冲压产生的部件上的凹缩的方法，其中，产生数字图像、特别是部件的冲裁轮廓，将数字图像、特别是部件的冲裁轮廓作为图像数据提供并在图像处理装置中经历图像分析，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

a)以能彼此区分的颜色对位于由冲裁轮廓围绕界定的面之内的点以及位于冲裁轮廓之外的点着色，

b)利用根据部件的材料及其变形能力标定的滤波器在部件的冲裁轮廓上执行至少一个单次的柔焦绘制过程，以产生不同的颜色级值，

c)利用在着色之前的原始颜色重新对位于冲裁轮廓之外的被着色的点进行着色，

d)将颜色级值处理成用于在精密冲压之后在部件的冲裁轮廓上的剩余厚度与在精密冲压之前部件的初始厚度相比较的比例，

e)通过在冲裁轮廓的区域中配置一剩余厚度，由在冲裁轮廓上的各个颜色级确定凹缩。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用黑色对位于冲裁轮廓之内的各点着色，而使用白色对位于冲裁轮廓之外的各点着色。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用灰度作为颜色级值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据冲裁轮廓的形状、冲裁棱边几何结构、板厚、材料性能如抗拉强度、屈服极限和断裂延伸率，根据在模具的参与冲裁过程的元件如冲裁凹模和冲裁凸模之间的冲裁缝隙，根据对带有相应参数的形函数的选择、迭代的数量和对黑色和白色的加权，在灰度方面对滤波器进行标定。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，优选选择凹形的和/或凸形的形状作为冲裁轮廓。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为对冲裁轮廓进行柔焦绘制而使用高斯滤波器和/或拉普拉斯滤波器，或者相应的对称的多项式函数。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，柔焦绘制作为滤波器关于图像的优选2～15次的运行的迭代过程来执行。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为进行柔焦绘制而使用具有不同标准差(半径)的高斯滤波器。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，冲裁轮廓的数字图像通过程序和/或光学装置如CCD相机或扫描仪产生。

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