CN105631153B - 一种冲压件起皱的预测及控制方法 - Google Patents

一种冲压件起皱的预测及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种冲压件起皱的预测及控制方法，包括以下步骤：S1、选取具有相似结构特征的多个冲压件作为分析样本；S2、将各冲压件的相似结构特征进行分解，得到构成各冲压件相似结构特征的结构特征要素以及各结构特征要素的数量；S3、模拟各个冲压件的成形过程，得到各冲压件的起皱值；S4、建立起皱准则；S5、构建基于结构特征要素的起皱预测模型；S6、分别将步骤S3中各冲压件的起皱值带入起皱预测模型，得到各结构特征要素系数之间的关系，据此在产品设计时削弱或增强相应的结构特征要素从而控制皱纹的产生。本发明能简单方便地计算出冲压件的起皱风险，快速预测冲压件起皱，进而达到在设计阶段对冲压件的起皱进行预判的目的。

Description

一种冲压件起皱的预测及控制方法
技术领域
本发明属于冲压技术领域，尤其涉及一种冲压件起皱的预测及控制方法。
背景技术
在实际生产中，冲压件会出现起皱现象，这使得冲压件的尺寸精度不准、表面质量不好，从而影响装配精度及产品外观；而且，冲压件起皱还易导致冲压件焊接过程中的焊点扭曲和焊点开裂；另外，因为起皱处材料受较大压应力，所以当冲压件(多为用于汽车零部件的热冲压件)承受载荷时会率先产生疲劳失效进而引发断裂。
冲压件起皱的产生受各种因素的影响，例如金属板料的材料性能、零件和模具的几何形状以及包括压边力、润滑状态在内的其它工艺参数等等。从实际生产情况发现，零件或模具型面的几何因素是导致起皱的关键。因此，本申请提出一种从冲压零件结构特征的角度出发来预测及控制冲压零件起皱的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冲压件起皱的预测及控制方法，它通过建立基于结构特征要素的起皱预测模型来预测起皱，能简单方便地计算出冲压件的起皱风险，快速预测冲压件起皱，进而达到在设计阶段对冲压件的起皱进行预判的目的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
提供一种冲压件起皱的预测及控制方法，包括以下步骤：
S1、选取具有相似结构特征的多个冲压件作为分析样本；
S2、根据相似结构特征的形状，将各冲压件的相似结构特征进行分解，得到构成各冲压件相似结构特征的结构特征要素1、2、3、…、n，以及各结构特征要素的数量ni，i＝(1、2、3、…、n)，各冲压件包含的结构特征要素具有一定交叉性，归纳整理所有结构特征要素；
S3、建立每个冲压件的冲压有限元模型，模拟各个冲压件的成形过程，得到各冲压件的起皱值；
S4、建立起皱准则：各冲压件的应力应变关系是
其中，ε1是平面主应变，ε2是平面次应变，εt是垂直于板面方向的主应变，R是平均厚向异性系数，εi是等效应变，σi是等效应力；
由于是平行于板面的压应力导致起皱，因此皱纹的产生与次应力σ2有关，根据公式(1)得到
其中，当σ2＝0时，板料处于单向受拉状态，在成形极限图中是以单轴拉伸线的形式出现，以此单轴拉伸线作为基本起皱判据，考虑加载历史对起皱的影响以及几何形状尺寸的影响，得到起皱准则
其中，ρ是与曲率有关的系数，εwc≥0，当εwc＝0时，板料无起皱，当εwc＞0时，板料有起皱趋势，值越大则表明板料起皱趋势越严重；
S5、构建基于结构特征要素的起皱预测模型：建立各个结构特征要素与起皱之间的函数关系，假设热冲压梁类零件的起皱趋势与结构特征要素系数之间是简单的正比关系，满足以下函数关系：
其中k为比例系数，αi为结构特征要素系数，表示相应的结构特征要素对起皱的贡献；
S6、分别将步骤S3中各冲压件的起皱值带入公式(4)，得到各结构特征要素系数之间的关系，若αi>0，则表示对应的结构特征要素对起皱有促进作用，产品设计时削弱该结构特征要素，若αi<0，则表示对应的结构特征要素对起皱有减缓作用，产品设计时增强该结构特征要素，从而控制皱纹的产生。
按上述技术方案，步骤S1中，所述分析样本为梁类零件或薄壁类零件。
按上述技术方案，步骤S1中，所述分析样本为4个梁类零件，分别为U形件、S形梁、带法兰的汽车前纵梁内板和汽车B柱内板。
按上述技术方案，步骤S2中，所有结构特征要素包括直壁、曲面侧壁、直顶面、曲顶面和凸台，分别标记为1、2、3、4、5。
按上述技术方案，所述冲压件为冷冲压件、温冲压件或热冲压件。
本发明产生的有益效果是：本发明通过选择具有相似结构特征的多个冲压件作为分析样本，并对各冲压件的相似结构特征进行分解得到各结构特征要素，使各冲压件包含的结构特征要素具有一定交叉性，凡是具有该结构特征要素的冲压件均可作为预测对象，扩大了适用对象的范围，使得本方法具有广泛的适应性；然后通过建立有限元模型模拟得到各冲压件的起皱值，再根据起皱准则建立基于各结构特征要素的起皱预测模型，通过起皱值和起皱预测模型分析得到各结构特征要素对起皱的影响，从而可以在冲压件设计阶段加强或削弱某结构特征要素，达到在设计阶段对冲压件的起皱进行预判的目的。本发明可以根据起皱预测模型直接评估冲压件起皱的风险，优化了冲压件结构设计，降低了试模次数，从而降低了设计周期和成本，具有显著的经济性。
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是本发明实施例中4个梁类零件的结构示意图；
图2是本发明者实施例中汽车B柱内板的冲压有限元模型示意图；
图3是本发明实施例中4个梁类零件的起皱模拟结果图；
图4是本发明实施例中5个结构特征要素系数的坐标示意图。
图中：1-U形件、2-S形梁、3-带法兰的汽车前纵梁内板、4-汽车B柱内板、5-凸模、6-凹模、7-汽车B柱内板的坯料。
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。
一种冲压件起皱的预测及控制方法，包括以下步骤：
S1、选取具有相似结构特征的多个冲压件作为分析样本；
S2、由于所有冲压件的成形方式都是拉延成形，所以根据相似结构特征的形状来进行分类，将各冲压件的相似结构特征进行分解，得到构成各冲压件相似结构特征的结构特征要素1、2、3、…、n，以及各结构特征要素的数量ni，i＝(1、2、3、…、n)，各冲压件包含的结构特征要素具有一定交叉性，归纳整理所有结构特征要素；
S3、建立每个冲压件的冲压有限元模型，模拟各个冲压件的成形过程，得到各冲压件的起皱值；
S4、建立起皱准则：各冲压件的应力应变关系是
其中，ε1是平面主应变，ε2是平面次应变，εt是垂直于板面方向的主应变，R是平均厚向异性系数，εi是等效应变，σi是等效应力；
由于是平行于板面的压应力导致起皱，因此皱纹的产生与次应力σ2有关，根据公式(1)得到
其中，当σ2＝0时，板料处于单向受拉状态，在成形极限图中是以单轴拉伸线的形式出现，以此单轴拉伸线作为基本起皱判据，考虑加载历史对起皱的影响以及几何形状尺寸的影响，得到起皱准则
其中，ρ是与曲率有关的系数，εwc≥0，当εwc＝0时，板料无起皱，当εwc＞0时，板料有起皱趋势，值越大则表明板料起皱趋势越严重；
S5、构建基于结构特征要素的起皱预测模型：建立各个结构特征要素与起皱之间的函数关系，假设热冲压梁类零件的起皱趋势与结构特征要素系数之间是简单的正比关系，满足以下函数关系：
其中k为比例系数，αi为结构特征要素系数，表示相应的结构特征要素对起皱的贡献；
S6、分别将步骤S3中各冲压件的起皱值带入公式(4)，得到各结构特征要素系数之间的关系，若αi>0，则表示对应的结构特征要素对起皱有促进作用，产品设计时削弱该结构特征要素，若αi<0，则表示对应的结构特征要素对起皱有减缓作用，产品设计时增强该结构特征要素，从而控制皱纹的产生。
本发明中的冲压件可以是冷冲压件、温冲压件和热冲压件，本发明可以对具有相似结构特征的梁类零件或薄壁类零件的起皱进行预测及控制，具有广泛的适应性。以下以热冲压的梁类零件为例，本发明包括以下步骤：
S1、如图1所示，选取在结构特征上相似但具有一定差异性的4个梁类零件作为分析样本，该4个冲压件分别为U形件1、S形梁2、带法兰的汽车前纵梁内板3和汽车B柱内板4，其在结构特征上的差异性体现为形状类似但复杂程度不同；
S2、定义梁类零件的结构特征要素：将各冲压件的相似结构特征进行分解，得到构成各冲压件相似结构特征的结构特征要素1、2、3、4、5，以及各结构特征要素的数量ni，i＝(1、2、3、4、5)，详见表1，分别为U形件1具有2个直壁和1个直顶面，S形梁2具有2个曲面侧壁和1个直顶面，带法兰的汽车前纵梁内板3具有2个直壁和1个曲顶面，汽车B柱内板4具有2个直壁、2个曲面侧壁、1个曲顶面和3个凸台，各冲压件包含的结构特征要素具有一定交叉性，即至少两个冲压件包含共同的结构特征要素，筛选和归纳所有结构特征要素，将直壁、曲面侧壁、直顶面、曲顶面和凸台定义为梁类零件的结构特征要素，分别标记为1、2、3、4、5，侧壁和顶面的曲直分别是通过观察零件沿xoy面和xoz面剖开的截面而确定的；
表1 各结构特征要素在热冲压梁类零件样本中的分布
结构特征要素 U形件 S形梁 带法兰的汽车前纵梁内板 汽车B柱内板
直壁(n1) 2 0 2 2
曲面侧壁(n2) 0 2 0 2
直顶面(n3) 1 1 0 0
曲顶面(n4) 0 0 1 1
凸台(n5) 0 0 0 3
S3、通过有限元方法建立每个冲压件的热冲压有限元模型，如图2所示，以汽车B柱内板为例，其有限元模型包括凸模5、凹模6以及设置于凸模5和凹模6之间的汽车B柱内板的坯料7，如图3所示，模拟各个冲压件的成形过程，得到各冲压件的起皱值，如表2所示；
表2 各冲压件的起皱值
零件类型 εwcj(％) niαi
U形件 0.43 2α1+α3
S形梁 2.42 2α2+α3
汽车前纵梁内板 6.46 2α1+α4
汽车B柱内板 5.50 2α1+2α2+α4+3α5
S4、建立起皱准则：本实施例中根据皱纹的产生原理和影响因素，利用起皱准则评估热冲压零件样本的起皱趋势(起皱风险)，简单加载的情况下厚向异性板的应力应变关系是
其中，ε1是平面主应变，ε2是平面次应变(简称次应变)，εt是垂直于板面方向的主应变，R是平均厚向异性系数，εi是等效应变，σi是等效应力；
由于是平行于板面的压应力导致起皱，因此皱纹的产生与次应力σ2有关，根据公式(1)得到
其中，当σ2＝0时，板料处于单向受拉状态，在成形极限图中是以单轴拉伸线的形式出现，以此单轴拉伸线作为基本起皱判据，考虑加载历史对起皱的影响以及几何形状尺寸的影响(例：曲面区域材料通常是增厚而不是起皱)，得到起皱准则
其中，ρ是与曲率有关的系数，εwc≥0，当εwc＝0时，板料无起皱，当εwc＞0时，板料有起皱趋势，值越大则表明板料起皱趋势越严重；
S5、构建基于结构特征要素的起皱预测模型：建立各个结构特征要素与起皱之间的函数关系，有关结构特征要素的起皱预测模型，既可以通过解析方法建立，也可以通过人工神经网络等技术获得，假设热冲压梁类零件的起皱趋势与结构特征要素系数之间是简单的正比关系，满足以下函数关系：
其中k为比例系数，αi为结构特征要素系数，表示相应的结构特征要素对起皱的贡献；
S6、分别将步骤S3中各冲压件的起皱值带入公式(4)，得到各结构特征要素系数之间的关系，
将关系式(5)以斜率的形式在直角坐标系中表达，如图4所示，可以得到，α2>α1>0，α4>0，α3<0，α5<0，若αi>0，则表示对应的结构特征要素对起皱有促进作用，产品设计时削弱该结构特征要素，若αi<0，则表示对应的结构特征要素对起皱有减缓作用，产品设计时增强该结构特征要素。
由关系式(5)和图4可知：(1)侧壁对起皱有促进作用，而且曲面侧壁对起皱的影响比直面侧壁的大，为此，为防止起皱，产品设计时注重侧壁特别是曲面侧壁，若不能避免曲面侧壁，则可以适当增加凸台结构，或在模具型面上适当增加拉延筋；
(2)顶面对起皱的影响幅度比较大，但是作用方式不同，直顶面不利于皱纹的产生，曲顶面会导致起皱，为此，为防止起皱，产品设计时适当减少曲顶面，若不能避免曲顶面，则可以对板料进行预变形，使得板料与模具型面在冲压成形过程中能同时接触；
(3)凸台对起皱有明显的减缓作用，这是由于凸台有吸料作用，因而可以消除一些皱纹，为此，为防止起皱，产品设计时增加凸台。
本发明中结构特征要素与起皱之间的函数关系可以直观地反映各结构特征要素对起皱的影响。本发明根据冲压零件样本的不同选择，结构特征要素与起皱之间的函数关系也随之变化，因此，本方法具有一定的弹性。
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。

Claims (5)

1.一种冲压件起皱的预测及控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、选取具有相似结构特征的多个冲压件作为分析样本；
S2、根据相似结构特征的形状，将各冲压件的相似结构特征进行分解，得到构成各冲压件相似结构特征的结构特征要素1、2、3、…、n，以及各结构特征要素的数量ni，i＝1、2、3、…、n，各冲压件具有一种或几种相同的结构特征要素，归纳整理所有结构特征要素；
S3、建立每个冲压件的冲压有限元模型，模拟各个冲压件的成形过程，得到各冲压件的起皱值；
S4、建立起皱准则：各冲压件的应力应变关系是
其中，ε1是平面主应变，ε2是平面次应变，εt是垂直于板面方向的主应变，R是平均厚向异性系数，εi是等效应变，σi是等效应力；
由于是平行于板面的压应力导致起皱，因此皱纹的产生与次应力σ2有关，根据公式(1)得到
其中，当σ2＝0时，板料处于单向受拉状态，在成形极限图中是以单轴拉伸线的形式出现，以此单轴拉伸线作为基本起皱判据，考虑加载历史对起皱的影响以及几何形状尺寸的影响，得到起皱准则
其中，ρ是与曲率有关的系数，εwc≥0，当εwc＝0时，板料无起皱，当εwc＞0时，板料有起皱趋势，值越大则表明板料起皱趋势越严重；
S5、构建基于结构特征要素的起皱预测模型：建立各个结构特征要素与起皱之间的函数关系，假设热冲压梁类零件的起皱趋势与结构特征要素系数之间是简单的正比关系，满足以下函数关系：
其中k为比例系数，αi为结构特征要素系数，表示相应的结构特征要素对起皱的贡献；
S6、分别将步骤S3中各冲压件的起皱值带入公式(4)，得到各结构特征要素系数之间的关系，若αi>0，则表示对应的结构特征要素对起皱有促进作用，产品设计时削弱该结构特征要素，若αi<0，则表示对应的结构特征要素对起皱有减缓作用，产品设计时增强该结构特征要素，从而控制皱纹的产生。
2.根据权利要求1所述的冲压件起皱的预测及控制方法，其特征在于，步骤S1中，所述分析样本为梁类零件或薄壁类零件。
3.根据权利要求1所述的冲压件起皱的预测及控制方法，其特征在于，步骤S1中，所述分析样本为4个梁类零件，分别为U形件、S形梁、带法兰的汽车前纵梁内板和汽车B柱内板。
4.根据权利要求3所述的冲压件起皱的预测及控制方法，其特征在于，步骤S2中，所有结构特征要素包括直壁、曲面侧壁、直顶面、曲顶面和凸台，分别标记为1、2、3、4、5。
5.根据权利要求1所述的冲压件起皱的预测及控制方法，其特征在于，所述冲压件为冷冲压件、温冲压件或热冲压件。
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