冲压模具外文翻译-板料金属塑性成形中过程控制的发展【中文3880字】【PDF+中文WORD】

冲压模具外文翻译-板料金属塑性成形中过程控制的发展【中文3880字】【PDF+中文WORD】,中文3880字,PDF+中文WORD,冲压,模具,外文,翻译,板料,金属,塑性,成形,过程,控制,发展,中文,3880,PDF,WORD 【中文3880字】 译自：Journal of Materials Processing Technology 127 (2002) 361~368 作者：C. –W. Hsu, A.G Ulsoy, M. Y. Demeri 板料金属塑性成形中过程控制的发展 在板料金属成形工序中，压边力控制金属流向模具型腔内，这对生产一个好零件很重要。过程控制可以用于适应以跟踪被涉及的冲头力轨道从而达到提高冲件的质量和密度的目的。过程控制主要包括过程管理和冲头力量轨迹设计。这篇文献的目的就是介绍一种合理过程控制和最佳的冲头力量轨迹的设计和执行的系统性方法。这种方法包括板料金属成形过程的建模，过程管理的设计和最佳冲头力量轨迹的确定。U型件塑性成形的实验结果显示合适的过程控制可以用仿真来设计，一个最佳的冲头力量轨迹可以通过实验来分析。被提及的发展应该在板料金属成形过程中的设计和执行过程控制中有用。 1.介绍 金属板料冲压是一个很重要的制造业工序因为它速度快并且大量生产费用低。例如，飞机机身零件，转矩变化叶轮片零件，燃料水槽零件全部都是用这种方法生产的。一个简化的冲压工序如图1所示。基本的结构包括冲头和一组压边圈包括或者不包括起重臂杆。冲头拉深板料成形，压边圈控制着金属流入模具型腔内。 冲件的质量被评定防止出现聚集和最终制件性能上的问题。两个关于冲件质量的主要问题是可成形性（举例来说，由于过度压缩而引起的起皱现象）和空间的正确性（举例来说，由于弹性恢复引起的弯曲回弹）。板料金属成形的主要问题如图2所示。此外，冲压过程中的连贯性（待翻译。。）对接下来大批量产品的集合有很大影响。 新的挑战来自于对新材料的应用。例如，为了减轻汽车的重量（为了提高燃料节省）制造公司必须选用比较轻的材料（比如铝）或者高强度合金来代替低碳钢。尽管如此，这样的材料没有低炭刚容易成形并且有更多的回弹。 控制金属流向模具型腔对零件的质量和硬度是至关重要的，压边圈控制着金属流入模具的型腔。以前的研究已经显示在塑性成形改变压边力可以提高制件的质量和硬度。值得一提的是机械压制正在被花样翻新，用水压的多点系统提供更多的对塑性工序的控制。这种冲压技术使这里介绍的工序控制概念变得更容易。 通过可变的压边力的应用来控制板料金属成形工序的策略是工序控制（如图3）。在这个理论中，一个可测量的变量（如冲压力）通过操作压边力被接下来预定的轨道控制。这个策略可以生产最佳重量的杯形拉深件不管最初的压边力和摩擦条件。其他可测量的过程变量（例如拉深力和摩擦力）也已经被发表。 图1.冲压工序示意图 为了有系统的设计一个合适的压边圈，必须首先分析模型工序分析（图3中）。大多数板料金属成形模型建立在非常复杂的有限元分析上，因此这些模型不利于压边圈的设计。用来设计此模型的一种分段的线性模型已经发展。尽管如此，这种模型不能用在闭环的仿真分析上，因为它不能获取板料金属成形工序的典型的非线性的特征。因此，结果是在模型方面的板料金属成形控制没有被足够的研究，特别是从控制的角度，但是系统证明方法已经被很好的发展。 最普遍的压边圈最成部分就是正比例的控制器。尽管如此，控制器参数被象征性的确定通过实验和误差。尽管过程控制已经被很好的设计，它在板料金属成形上的应用还没有被研究。 在工序控制中被提及的轨道对确保板料金属成形的质量是很重要的。它已经被试验上和数字上确认。尽管如此，最佳的轨迹已经被很好的研究。 关于工序控制在板料金属成形上的应用的主要结果包括适当的工序控制设计和最佳的轨迹设计。这篇文献的目的就是阐述这两个结果从而达到在板料金属成形中系统的设计和实现工序控制。 (a) 裂纹 （b）皱纹 （c）弯曲回弹 图2 板料金属成形中的缺陷 2．板料金属成形的工序控制 2．1 实验工具 控制过程实验在双动水压成形模拟器装备上用一个PID数字控制器（看图4）操作。冲头的力量负荷是680KN，底座符合是700KN。数字控制器允许压边力跟踪机器控制块实现的预定轨迹 如图3。 2．2控制过程的执行 在成形模拟器上控制过程的执行如图5所示。额外的成分是“DAQ”块，这是在仪表上获取的数据。它从数字控制器上（外面反馈的结果图3中）获得数据，并且传回计算出的压边力到数字控制器上（过程控制器输出的结果在图3中）。“工程”块和“DAQ”块是“工序控制器”块的结果如图3。“WSCI”块是最初的工作站通信接口。 图3 板料金属成形的工序控制 图4 成形模拟器 2．3 板料金属成形中控制过程的影响 2．3．1 部分硬度通过过程控制 近来，机器和工序对U形件的控制比较证明了过程控制比机器控制更优越，图6显示了机器控制和过程控制相关的跟踪误差在干燥和润滑的条件下。结果显示过程控制可维持一样的冲力轨迹在不同的润滑条件下，但是机器控制不可以。表1显示了平均标准的高度对于事件来说在图6中。测试显示控制工序在高度上的一致性，尽管润滑方面的改变。所以，在高度上一致性和冲压力轨迹的一致性是相关的。 2．3．2 冲压轨道的重要性 冲压轨道的重要性可以通过比较不同轨迹下的高度显示出来。图7列出了2种实验得出的冲压力轨迹。表2显示了在2种不同的轨迹下测出的高度。曲线b可以生产出较好的零件，因为测量的高度接近预想的高度（50 mm）。 2．4 板料金属成形中控制工序的设计 根据上面实验结果，两个很重要的需要考虑的事项出现了： ● 跟踪工序控制性能的评估。 ● 相关冲压力轨迹的选择。 这两个需要考虑的事项在接下来的文字中会被说明。 图5 控制工序的执行 表1 表2 图6 有关联的跟踪误差 图7 参考实验的冲压力轨迹 3．板料金属成形建模 建立一个板料金属成形工序的模型包括液压控制式单一的桶形约束件为了工序控制器的设计，这是一个单进单出的系统。这在结构图8中表达了出来。这个工序模型是一个非线性的动态的模型。影响因素，主要是润滑问题，也被表示了出来。这个模型也已经被成功的用在了U形件的成形工序的模拟。图9展示了对不同的持续变化的压边力曲线的实验和模拟的结果对比。 4．工序控制器的设计 根据以往的经验模型，工序控制器系统的学习可以在执行之前被行为和数字分析。对于SISO系统，一个成比例的正的完整的控制器（PIF）在模拟器成形上已经被研究并成功的实现了。控制器的图标在图10中显示出来。一个线性的模型可以被用来设计控制器增量，这个线性模型可以被一个非线性的模型所代替如图8所示从而利用控制器增量评估循环系统的轨迹。 图11显示了用PIE工序控制器的仿真结果和第一个非线性的模型。图11（a）显示了用PIE工序控制器压边力自动产生。图11（b）显示了涉及到的冲压力的轨迹。好的追中轨迹建立在仿真结果的基础上。 用相同的PIE工序控制器和相同的冲压力轨迹所得到的试验结果在图12中显示。尽管在冲压力轨迹中有变量，冲压力轨迹还是相似的。这表明工序控制器工作良好。 图8 板料金属成形的模型 图10 PI E控制系统的图表 图9 对于不同的可变的压边力的轨迹试验预知的冲压力轨迹 图11用PIE控制器和一个非线性的模型的的模拟仿真结果 图12 用相同的PIE控制器和冲压力轨迹得到的试验结果 5．最佳的冲压力轨迹设计 一个获得最佳的冲压力轨迹的方法是利用设计最优化方法。依靠一个良好的工序控制器，图3可以被简化为如图13所示。 在这种情况下，有戳的形状可以通过涉及到的冲压力轨迹被完整的确定或者是通过冲压力轨迹得到相同的形状。 一个数学表达式可以用来描述他们之间的关联在图13。 S=P(Fp) (1) 获得预期的形状Sd的理想的冲压力轨迹Fp可以通过解决下边的等式来得到。 Fp=arg minE(P(Fp),Sd) (2) 在这个等式中，Fp是理想的冲压力轨迹，D表示安全的范围没有裂纹和皱纹，E表现出了P(Fp)和Sd之间的区别。 获得最佳化的Fp依然是很困难的。挑战是： 1． 找出可以给出冲压力轨迹的机器P来生产形状零件。 2． 找出定义安全冲压力轨迹的区域D。 既然板料金属成形通用的数学建模是用有限元法，那就没有对P和D的简单表达。 图13 理想工序控制器的压力 通过确定参数解决的程序和试验设计如下所示： 1.确定Fp的参数并且Fp的S参量是个变量，S的参数是一个可可变的响应。 2.鉴别设计和响应变量的经验联系。 3.在经验联系的基础上找出理想的可变设计。理想的冲压力轨迹要符合理想的变量设计。 重要的复合设计可以用来经验设计以适合再加工的模型。表面响应方法也可以用来找出理想的设计变量。 在工序控制器上冲压力轨迹的影响是它的平滑度。理想的冲压力轨迹越平滑，工序控制器越容易设计。Fp和S的参数可以通过连续扩充用直角功能来实现。冲压力轨迹的预想平滑度可以通过直接功能的平滑度来确定。 上面的一个程序是连续的，下面的结果来自于对U型件的程序二次应用。在这种情况下，响应变量是U型件的高度误差，也就是预想的高度减去测量的高度。冲压力用以下参数表示： 在这个式子中a1被设计成变量，φ表示第i个的多项式。 编码设计变量常在试验设计中应用，编码设计变量x1是： 在这个式子中a10是设计区域的中心，λ是依靠比较决定的因素。在这种情况下a10=51.69 λ=0.025。 在试验中设计冲压力轨迹符合x1=4，2，1，0，-1，-2，-4这在图14（a）中显示。高度误差在图14（b）中显示。当有裂纹产生时，U型件高度被认为时失败的高度。理想的Fp在图14（a）中符合适合响应表面图14（b）的最小值。 从物理学角度来看，在这种情况下真正适宜的时边界的适宜。因此，适合的响应表面不能准确的预知最适宜的边界。尽管如此，事实是在统计上它是一个好模型并且表明最小部分的存在。 图14 （a）设计冲压力轨迹 （b）测量的高度误差和适合的响应表面 6．概要和结论 工序控制器已经被介绍用来提高零件的质量和连接性。主要的问题例如工序控制器和理想的冲压力轨迹设计已经有人从事研究。在U型件成形中，接近工序控制的体系被介绍。拥有好的跟踪性能和理想的冲压力轨迹的工序控制器已经发展起来。未来的工作包括高的冲压速度在工序控制器上的影响和对于复杂零件系统方法的应用。 感谢 作者非常感谢Ford Motor公司技术上和财政上的支持。 - 7 -