沖壓模具外文翻譯-板料金屬塑性成形中過(guò)程控制的發(fā)展【中文3880字】【PDF+中文WORD】
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【中文3880字】
譯自：Journal of Materials Processing Technology 127 (2002) 361~368
作者：C. –W. Hsu, A.G Ulsoy, M. Y. Demeri
板料金屬塑性成形中過(guò)程控制的發(fā)展
在板料金屬成形工序中，壓邊力控制金屬流向模具型腔內(nèi)，這對(duì)生產(chǎn)一個(gè)好零件很重要。過(guò)程控制可以用于適應(yīng)以跟蹤被涉及的沖頭力軌道從而達(dá)到提高沖件的質(zhì)量和密度的目的。過(guò)程控制主要包括過(guò)程管理和沖頭力量軌跡設(shè)計(jì)。這篇文獻(xiàn)的目的就是介紹一種合理過(guò)程控制和最佳的沖頭力量軌跡的設(shè)計(jì)和執(zhí)行的系統(tǒng)性方法。這種方法包括板料金屬成形過(guò)程的建模，過(guò)程管理的設(shè)計(jì)和最佳沖頭力量軌跡的確定。U型件塑性成形的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示合適的過(guò)程控制可以用仿真來(lái)設(shè)計(jì)，一個(gè)最佳的沖頭力量軌跡可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)分析。被提及的發(fā)展應(yīng)該在板料金屬成形過(guò)程中的設(shè)計(jì)和執(zhí)行過(guò)程控制中有用。
1.介紹
金屬板料沖壓是一個(gè)很重要的制造業(yè)工序因?yàn)樗俣瓤觳⑶掖罅可a(chǎn)費(fèi)用低。例如，飛機(jī)機(jī)身零件，轉(zhuǎn)矩變化葉輪片零件，燃料水槽零件全部都是用這種方法生產(chǎn)的。一個(gè)簡(jiǎn)化的沖壓工序如圖1所示。基本的結(jié)構(gòu)包括沖頭和一組壓邊圈包括或者不包括起重臂桿。沖頭拉深板料成形，壓邊圈控制著金屬流入模具型腔內(nèi)。
沖件的質(zhì)量被評(píng)定防止出現(xiàn)聚集和最終制件性能上的問(wèn)題。兩個(gè)關(guān)于沖件質(zhì)量的主要問(wèn)題是可成形性（舉例來(lái)說(shuō)，由于過(guò)度壓縮而引起的起皺現(xiàn)象）和空間的正確性（舉例來(lái)說(shuō)，由于彈性恢復(fù)引起的彎曲回彈）。板料金屬成形的主要問(wèn)題如圖2所示。此外，沖壓過(guò)程中的連貫性（待翻譯。。）對(duì)接下來(lái)大批量產(chǎn)品的集合有很大影響。
新的挑戰(zhàn)來(lái)自于對(duì)新材料的應(yīng)用。例如，為了減輕汽車的重量（為了提高燃料節(jié)?。┲圃旃颈仨氝x用比較輕的材料（比如鋁）或者高強(qiáng)度合金來(lái)代替低碳鋼。盡管如此，這樣的材料沒(méi)有低炭剛?cè)菀壮尚尾⑶矣懈嗟幕貜棥?
控制金屬流向模具型腔對(duì)零件的質(zhì)量和硬度是至關(guān)重要的，壓邊圈控制著金屬流入模具的型腔。以前的研究已經(jīng)顯示在塑性成形改變壓邊力可以提高制件的質(zhì)量和硬度。值得一提的是機(jī)械壓制正在被花樣翻新，用水壓的多點(diǎn)系統(tǒng)提供更多的對(duì)塑性工序的控制。這種沖壓技術(shù)使這里介紹的工序控制概念變得更容易。
通過(guò)可變的壓邊力的應(yīng)用來(lái)控制板料金屬成形工序的策略是工序控制（如圖3）。在這個(gè)理論中，一個(gè)可測(cè)量的變量（如沖壓力）通過(guò)操作壓邊力被接下來(lái)預(yù)定的軌道控制。這個(gè)策略可以生產(chǎn)最佳重量的杯形拉深件不管最初的壓邊力和摩擦條件。其他可測(cè)量的過(guò)程變量（例如拉深力和摩擦力）也已經(jīng)被發(fā)表。
圖1.沖壓工序示意圖
為了有系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一個(gè)合適的壓邊圈，必須首先分析模型工序分析（圖3中）。大多數(shù)板料金屬成形模型建立在非常復(fù)雜的有限元分析上，因此這些模型不利于壓邊圈的設(shè)計(jì)。用來(lái)設(shè)計(jì)此模型的一種分段的線性模型已經(jīng)發(fā)展。盡管如此，這種模型不能用在閉環(huán)的仿真分析上，因?yàn)樗荒塬@取板料金屬成形工序的典型的非線性的特征。因此，結(jié)果是在模型方面的板料金屬成形控制沒(méi)有被足夠的研究，特別是從控制的角度，但是系統(tǒng)證明方法已經(jīng)被很好的發(fā)展。
最普遍的壓邊圈最成部分就是正比例的控制器。盡管如此，控制器參數(shù)被象征性的確定通過(guò)實(shí)驗(yàn)和誤差。盡管過(guò)程控制已經(jīng)被很好的設(shè)計(jì)，它在板料金屬成形上的應(yīng)用還沒(méi)有被研究。
在工序控制中被提及的軌道對(duì)確保板料金屬成形的質(zhì)量是很重要的。它已經(jīng)被試驗(yàn)上和數(shù)字上確認(rèn)。盡管如此，最佳的軌跡已經(jīng)被很好的研究。
關(guān)于工序控制在板料金屬成形上的應(yīng)用的主要結(jié)果包括適當(dāng)?shù)墓ば蚩刂圃O(shè)計(jì)和最佳的軌跡設(shè)計(jì)。這篇文獻(xiàn)的目的就是闡述這兩個(gè)結(jié)果從而達(dá)到在板料金屬成形中系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)工序控制。
(a) 裂紋 （b）皺紋
（c）彎曲回彈
圖2 板料金屬成形中的缺陷
2．板料金屬成形的工序控制
2．1 實(shí)驗(yàn)工具
控制過(guò)程實(shí)驗(yàn)在雙動(dòng)水壓成形模擬器裝備上用一個(gè)PID數(shù)字控制器（看圖4）操作。沖頭的力量負(fù)荷是680KN，底座符合是700KN。數(shù)字控制器允許壓邊力跟蹤機(jī)器控制塊實(shí)現(xiàn)的預(yù)定軌跡 如圖3。
2．2控制過(guò)程的執(zhí)行
在成形模擬器上控制過(guò)程的執(zhí)行如圖5所示。額外的成分是“DAQ”塊，這是在儀表上獲取的數(shù)據(jù)。它從數(shù)字控制器上（外面反饋的結(jié)果圖3中）獲得數(shù)據(jù)，并且傳回計(jì)算出的壓邊力到數(shù)字控制器上（過(guò)程控制器輸出的結(jié)果在圖3中）?！肮こ獭眽K和“DAQ”塊是“工序控制器”塊的結(jié)果如圖3。“WSCI”塊是最初的工作站通信接口。
圖3 板料金屬成形的工序控制
圖4 成形模擬器
2．3 板料金屬成形中控制過(guò)程的影響
2．3．1 部分硬度通過(guò)過(guò)程控制
近來(lái)，機(jī)器和工序?qū)形件的控制比較證明了過(guò)程控制比機(jī)器控制更優(yōu)越，圖6顯示了機(jī)器控制和過(guò)程控制相關(guān)的跟蹤誤差在干燥和潤(rùn)滑的條件下。結(jié)果顯示過(guò)程控制可維持一樣的沖力軌跡在不同的潤(rùn)滑條件下，但是機(jī)器控制不可以。表1顯示了平均標(biāo)準(zhǔn)的高度對(duì)于事件來(lái)說(shuō)在圖6中。測(cè)試顯示控制工序在高度上的一致性，盡管潤(rùn)滑方面的改變。所以，在高度上一致性和沖壓力軌跡的一致性是相關(guān)的。
2．3．2 沖壓軌道的重要性
沖壓軌道的重要性可以通過(guò)比較不同軌跡下的高度顯示出來(lái)。圖7列出了2種實(shí)驗(yàn)得出的沖壓力軌跡。表2顯示了在2種不同的軌跡下測(cè)出的高度。曲線b可以生產(chǎn)出較好的零件，因?yàn)闇y(cè)量的高度接近預(yù)想的高度（50 mm）。
2．4 板料金屬成形中控制工序的設(shè)計(jì)
根據(jù)上面實(shí)驗(yàn)結(jié)果，兩個(gè)很重要的需要考慮的事項(xiàng)出現(xiàn)了：
● 跟蹤工序控制性能的評(píng)估。
● 相關(guān)沖壓力軌跡的選擇。
這兩個(gè)需要考慮的事項(xiàng)在接下來(lái)的文字中會(huì)被說(shuō)明。
圖5 控制工序的執(zhí)行
表1 表2
圖6 有關(guān)聯(lián)的跟蹤誤差
圖7 參考實(shí)驗(yàn)的沖壓力軌跡
3．板料金屬成形建模
建立一個(gè)板料金屬成形工序的模型包括液壓控制式單一的桶形約束件為了工序控制器的設(shè)計(jì)，這是一個(gè)單進(jìn)單出的系統(tǒng)。這在結(jié)構(gòu)圖8中表達(dá)了出來(lái)。這個(gè)工序模型是一個(gè)非線性的動(dòng)態(tài)的模型。影響因素，主要是潤(rùn)滑問(wèn)題，也被表示了出來(lái)。這個(gè)模型也已經(jīng)被成功的用在了U形件的成形工序的模擬。圖9展示了對(duì)不同的持續(xù)變化的壓邊力曲線的實(shí)驗(yàn)和模擬的結(jié)果對(duì)比。
4．工序控制器的設(shè)計(jì)
根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，工序控制器系統(tǒng)的學(xué)習(xí)可以在執(zhí)行之前被行為和數(shù)字分析。對(duì)于SISO系統(tǒng)，一個(gè)成比例的正的完整的控制器（PIF）在模擬器成形上已經(jīng)被研究并成功的實(shí)現(xiàn)了。控制器的圖標(biāo)在圖10中顯示出來(lái)。一個(gè)線性的模型可以被用來(lái)設(shè)計(jì)控制器增量，這個(gè)線性模型可以被一個(gè)非線性的模型所代替如圖8所示從而利用控制器增量評(píng)估循環(huán)系統(tǒng)的軌跡。
圖11顯示了用PIE工序控制器的仿真結(jié)果和第一個(gè)非線性的模型。圖11（a）顯示了用PIE工序控制器壓邊力自動(dòng)產(chǎn)生。圖11（b）顯示了涉及到的沖壓力的軌跡。好的追中軌跡建立在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上。
用相同的PIE工序控制器和相同的沖壓力軌跡所得到的試驗(yàn)結(jié)果在圖12中顯示。盡管在沖壓力軌跡中有變量，沖壓力軌跡還是相似的。這表明工序控制器工作良好。
圖8 板料金屬成形的模型 圖10 PI E控制系統(tǒng)的圖表
圖9 對(duì)于不同的可變的壓邊力的軌跡試驗(yàn)預(yù)知的沖壓力軌跡
圖11用PIE控制器和一個(gè)非線性的模型的的模擬仿真結(jié)果
圖12 用相同的PIE控制器和沖壓力軌跡得到的試驗(yàn)結(jié)果
5．最佳的沖壓力軌跡設(shè)計(jì)
一個(gè)獲得最佳的沖壓力軌跡的方法是利用設(shè)計(jì)最優(yōu)化方法。依靠一個(gè)良好的工序控制器，圖3可以被簡(jiǎn)化為如圖13所示。
在這種情況下，有戳的形狀可以通過(guò)涉及到的沖壓力軌跡被完整的確定或者是通過(guò)沖壓力軌跡得到相同的形狀。
一個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式可以用來(lái)描述他們之間的關(guān)聯(lián)在圖13。
S=P(Fp) (1)
獲得預(yù)期的形狀Sd的理想的沖壓力軌跡Fp可以通過(guò)解決下邊的等式來(lái)得到。
Fp=arg minE(P(Fp),Sd) (2)
在這個(gè)等式中，F(xiàn)p是理想的沖壓力軌跡，D表示安全的范圍沒(méi)有裂紋和皺紋，E表現(xiàn)出了P(Fp)和Sd之間的區(qū)別。
獲得最佳化的Fp依然是很困難的。挑戰(zhàn)是：
1． 找出可以給出沖壓力軌跡的機(jī)器P來(lái)生產(chǎn)形狀零件。
2． 找出定義安全沖壓力軌跡的區(qū)域D。
既然板料金屬成形通用的數(shù)學(xué)建模是用有限元法，那就沒(méi)有對(duì)P和D的簡(jiǎn)單表達(dá)。
圖13 理想工序控制器的壓力
通過(guò)確定參數(shù)解決的程序和試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下所示：
1.確定Fp的參數(shù)并且Fp的S參量是個(gè)變量，S的參數(shù)是一個(gè)可可變的響應(yīng)。
2.鑒別設(shè)計(jì)和響應(yīng)變量的經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系。
3.在經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系的基礎(chǔ)上找出理想的可變?cè)O(shè)計(jì)。理想的沖壓力軌跡要符合理想的變量設(shè)計(jì)。
重要的復(fù)合設(shè)計(jì)可以用來(lái)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)以適合再加工的模型。表面響應(yīng)方法也可以用來(lái)找出理想的設(shè)計(jì)變量。
在工序控制器上沖壓力軌跡的影響是它的平滑度。理想的沖壓力軌跡越平滑，工序控制器越容易設(shè)計(jì)。Fp和S的參數(shù)可以通過(guò)連續(xù)擴(kuò)充用直角功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。沖壓力軌跡的預(yù)想平滑度可以通過(guò)直接功能的平滑度來(lái)確定。
上面的一個(gè)程序是連續(xù)的，下面的結(jié)果來(lái)自于對(duì)U型件的程序二次應(yīng)用。在這種情況下，響應(yīng)變量是U型件的高度誤差，也就是預(yù)想的高度減去測(cè)量的高度。沖壓力用以下參數(shù)表示：
在這個(gè)式子中a1被設(shè)計(jì)成變量，φ表示第i個(gè)的多項(xiàng)式。
編碼設(shè)計(jì)變量常在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中應(yīng)用，編碼設(shè)計(jì)變量x1是：
在這個(gè)式子中a10是設(shè)計(jì)區(qū)域的中心，λ是依靠比較決定的因素。在這種情況下a10=51.69 λ=0.025。
在試驗(yàn)中設(shè)計(jì)沖壓力軌跡符合x(chóng)1=4，2，1，0，-1，-2，-4這在圖14（a）中顯示。高度誤差在圖14（b）中顯示。當(dāng)有裂紋產(chǎn)生時(shí)，U型件高度被認(rèn)為時(shí)失敗的高度。理想的Fp在圖14（a）中符合適合響應(yīng)表面圖14（b）的最小值。
從物理學(xué)角度來(lái)看，在這種情況下真正適宜的時(shí)邊界的適宜。因此，適合的響應(yīng)表面不能準(zhǔn)確的預(yù)知最適宜的邊界。盡管如此，事實(shí)是在統(tǒng)計(jì)上它是一個(gè)好模型并且表明最小部分的存在。
圖14 （a）設(shè)計(jì)沖壓力軌跡 （b）測(cè)量的高度誤差和適合的響應(yīng)表面
6．概要和結(jié)論
工序控制器已經(jīng)被介紹用來(lái)提高零件的質(zhì)量和連接性。主要的問(wèn)題例如工序控制器和理想的沖壓力軌跡設(shè)計(jì)已經(jīng)有人從事研究。在U型件成形中，接近工序控制的體系被介紹。擁有好的跟蹤性能和理想的沖壓力軌跡的工序控制器已經(jīng)發(fā)展起來(lái)。未來(lái)的工作包括高的沖壓速度在工序控制器上的影響和對(duì)于復(fù)雜零件系統(tǒng)方法的應(yīng)用。
感謝
作者非常感謝Ford Motor公司技術(shù)上和財(cái)政上的支持。
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