沖壓模具外文翻譯-板料金屬塑性成形中過程控制的發展【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程控制的發展
在板料金屬成形工序中，壓邊力控制金屬流向模具型腔內，這對生產一個好零件很重要。過程控制可以用于適應以跟蹤被涉及的沖頭力軌道從而達到提高沖件的質量和密度的目的。過程控制主要包括過程管理和沖頭力量軌跡設計。這篇文獻的目的就是介紹一種合理過程控制和最佳的沖頭力量軌跡的設計和執行的系統性方法。這種方法包括板料金屬成形過程的建模，過程管理的設計和最佳沖頭力量軌跡的確定。U型件塑性成形的實驗結果顯示合適的過程控制可以用仿真來設計，一個最佳的沖頭力量軌跡可以通過實驗來分析。被提及的發展應該在板料金屬成形過程中的設計和執行過程控制中有用。
1.介紹
金屬板料沖壓是一個很重要的制造業工序因為它速度快并且大量生產費用低。例如，飛機機身零件，轉矩變化葉輪片零件，燃料水槽零件全部都是用這種方法生產的。一個簡化的沖壓工序如圖1所示?；镜慕Y構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。
沖件的質量被評定防止出現聚集和最終制件性能上的問題。兩個關于沖件質量的主要問題是可成形性（舉例來說，由于過度壓縮而引起的起皺現象）和空間的正確性（舉例來說，由于彈性恢復引起的彎曲回彈）。板料金屬成形的主要問題如圖2所示。此外，沖壓過程中的連貫性（待翻譯。。）對接下來大批量產品的集合有很大影響。
新的挑戰來自于對新材料的應用。例如，為了減輕汽車的重量（為了提高燃料節省）制造公司必須選用比較輕的材料（比如鋁）或者高強度合金來代替低碳鋼。盡管如此，這樣的材料沒有低炭剛容易成形并且有更多的回彈。
控制金屬流向模具型腔對零件的質量和硬度是至關重要的，壓邊圈控制著金屬流入模具的型腔。以前的研究已經顯示在塑性成形改變壓邊力可以提高制件的質量和硬度。值得一提的是機械壓制正在被花樣翻新，用水壓的多點系統提供更多的對塑性工序的控制。這種沖壓技術使這里介紹的工序控制概念變得更容易。
通過可變的壓邊力的應用來控制板料金屬成形工序的策略是工序控制（如圖3）。在這個理論中，一個可測量的變量（如沖壓力）通過操作壓邊力被接下來預定的軌道控制。這個策略可以生產最佳重量的杯形拉深件不管最初的壓邊力和摩擦條件。其他可測量的過程變量（例如拉深力和摩擦力）也已經被發表。
圖1.沖壓工序示意圖
為了有系統的設計一個合適的壓邊圈，必須首先分析模型工序分析（圖3中）。大多數板料金屬成形模型建立在非常復雜的有限元分析上，因此這些模型不利于壓邊圈的設計。用來設計此模型的一種分段的線性模型已經發展。盡管如此，這種模型不能用在閉環的仿真分析上，因為它不能獲取板料金屬成形工序的典型的非線性的特征。因此，結果是在模型方面的板料金屬成形控制沒有被足夠的研究，特別是從控制的角度，但是系統證明方法已經被很好的發展。
最普遍的壓邊圈最成部分就是正比例的控制器。盡管如此，控制器參數被象征性的確定通過實驗和誤差。盡管過程控制已經被很好的設計，它在板料金屬成形上的應用還沒有被研究。
在工序控制中被提及的軌道對確保板料金屬成形的質量是很重要的。它已經被試驗上和數字上確認。盡管如此，最佳的軌跡已經被很好的研究。
關于工序控制在板料金屬成形上的應用的主要結果包括適當的工序控制設計和最佳的軌跡設計。這篇文獻的目的就是闡述這兩個結果從而達到在板料金屬成形中系統的設計和實現工序控制。
(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 實驗工具
控制過程實驗在雙動水壓成形模擬器裝備上用一個PID數字控制器（看圖4）操作。沖頭的力量負荷是680KN，底座符合是700KN。數字控制器允許壓邊力跟蹤機器控制塊實現的預定軌跡 如圖3。
2．2控制過程的執行
在成形模擬器上控制過程的執行如圖5所示。額外的成分是“DAQ”塊，這是在儀表上獲取的數據。它從數字控制器上（外面反饋的結果圖3中）獲得數據，并且傳回計算出的壓邊力到數字控制器上（過程控制器輸出的結果在圖3中）。“工程”塊和“DAQ”塊是“工序控制器”塊的結果如圖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程的影響
2．3．1 部分硬度通過過程控制
近來，機器和工序對U形件的控制比較證明了過程控制比機器控制更優越，圖6顯示了機器控制和過程控制相關的跟蹤誤差在干燥和潤滑的條件下。結果顯示過程控制可維持一樣的沖力軌跡在不同的潤滑條件下，但是機器控制不可以。表1顯示了平均標準的高度對于事件來說在圖6中。測試顯示控制工序在高度上的一致性，盡管潤滑方面的改變。所以，在高度上一致性和沖壓力軌跡的一致性是相關的。
2．3．2 沖壓軌道的重要性
沖壓軌道的重要性可以通過比較不同軌跡下的高度顯示出來。圖7列出了2種實驗得出的沖壓力軌跡。表2顯示了在2種不同的軌跡下測出的高度。曲線b可以生產出較好的零件，因為測量的高度接近預想的高度（50 mm）。
2．4 板料金屬成形中控制工序的設計
根據上面實驗結果，兩個很重要的需要考慮的事項出現了：
● 跟蹤工序控制性能的評估。
● 相關沖壓力軌跡的選擇。
這兩個需要考慮的事項在接下來的文字中會被說明。
圖5 控制工序的執行
表1 表2
圖6 有關聯的跟蹤誤差
圖7 參考實驗的沖壓力軌跡
3．板料金屬成形建模
建立一個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計，這是一個單進單出的系統。這在結構圖8中表達了出來。這個工序模型是一個非線性的動態的模型。影響因素，主要是潤滑問題，也被表示了出來。這個模型也已經被成功的用在了U形件的成形工序的模擬。圖9展示了對不同的持續變化的壓邊力曲線的實驗和模擬的結果對比。
4．工序控制器的設計
根據以往的經驗模型，工序控制器系統的學習可以在執行之前被行為和數字分析。對于SISO系統，一個成比例的正的完整的控制器（PIF）在模擬器成形上已經被研究并成功的實現了?？刂破鞯膱D標在圖10中顯示出來。一個線性的模型可以被用來設計控制器增量，這個線性模型可以被一個非線性的模型所代替如圖8所示從而利用控制器增量評估循環系統的軌跡。
圖11顯示了用PIE工序控制器的仿真結果和第一個非線性的模型。圖11（a）顯示了用PIE工序控制器壓邊力自動產生。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果的基礎上。
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結果在圖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控制系統的圖表
圖9 對于不同的可變的壓邊力的軌跡試驗預知的沖壓力軌跡
圖11用PIE控制器和一個非線性的模型的的模擬仿真結果
圖12 用相同的PIE控制器和沖壓力軌跡得到的試驗結果
5．最佳的沖壓力軌跡設計
一個獲得最佳的沖壓力軌跡的方法是利用設計最優化方法。依靠一個良好的工序控制器，圖3可以被簡化為如圖13所示。
在這種情況下，有戳的形狀可以通過涉及到的沖壓力軌跡被完整的確定或者是通過沖壓力軌跡得到相同的形狀。
一個數學表達式可以用來描述他們之間的關聯在圖13。
S=P(Fp) (1)
獲得預期的形狀Sd的理想的沖壓力軌跡Fp可以通過解決下邊的等式來得到。
Fp=arg minE(P(Fp),Sd) (2)
在這個等式中，Fp是理想的沖壓力軌跡，D表示安全的范圍沒有裂紋和皺紋，E表現出了P(Fp)和Sd之間的區別。
獲得最佳化的Fp依然是很困難的。挑戰是：
1． 找出可以給出沖壓力軌跡的機器P來生產形狀零件。
2． 找出定義安全沖壓力軌跡的區域D。
既然板料金屬成形通用的數學建模是用有限元法，那就沒有對P和D的簡單表達。
圖13 理想工序控制器的壓力
通過確定參數解決的程序和試驗設計如下所示：
1.確定Fp的參數并且Fp的S參量是個變量，S的參數是一個可可變的響應。
2.鑒別設計和響應變量的經驗聯系。
3.在經驗聯系的基礎上找出理想的可變設計。理想的沖壓力軌跡要符合理想的變量設計。
重要的復合設計可以用來經驗設計以適合再加工的模型。表面響應方法也可以用來找出理想的設計變量。
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計。Fp和S的參數可以通過連續擴充用直角功能來實現。沖壓力軌跡的預想平滑度可以通過直接功能的平滑度來確定。
上面的一個程序是連續的，下面的結果來自于對U型件的程序二次應用。在這種情況下，響應變量是U型件的高度誤差，也就是預想的高度減去測量的高度。沖壓力用以下參數表示：
在這個式子中a1被設計成變量，φ表示第i個的多項式。
編碼設計變量常在試驗設計中應用，編碼設計變量x1是：
在這個式子中a10是設計區域的中心，λ是依靠比較決定的因素。在這種情況下a10=51.69 λ=0.025。
在試驗中設計沖壓力軌跡符合x1=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。當有裂紋產生時，U型件高度被認為時失敗的高度。理想的Fp在圖14（a）中符合適合響應表面圖14（b）的最小值。
從物理學角度來看，在這種情況下真正適宜的時邊界的適宜。因此，適合的響應表面不能準確的預知最適宜的邊界。盡管如此，事實是在統計上它是一個好模型并且表明最小部分的存在。
圖14 （a）設計沖壓力軌跡 （b）測量的高度誤差和適合的響應表面
6．概要和結論
工序控制器已經被介紹用來提高零件的質量和連接性。主要的問題例如工序控制器和理想的沖壓力軌跡設計已經有人從事研究。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發展起來。未來的工作包括高的沖壓速度在工序控制器上的影響和對于復雜零件系統方法的應用。
感謝
作者非常感謝Ford Motor公司技術上和財政上的支持。
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