專利名稱：基于壓力中心優化的級進模帶料設計系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于壓力中心優化的級進模帶料排樣、帶料偏移的設計系統，屬
于金屬沖壓成形領域，尤其適用于工步較長或工位數較多的鈑金件連續沖壓級進模具。
背景技術：
級進模是在一副模具內，按所成形零件分為若干個等距離工位，在每個工位上設
置一定的沖壓工序，完成沖壓零件的某部分成形，廣泛應用于現代工業生產中。 級進模的壓力中心是指級進模在沖壓時各工位沖壓力的合力作用點(以下簡稱
壓力中心)，在模具設計時，應保證壓力中心與沖床壓力機滑塊中心盡量保持對齊。否則，沖
壓時滑塊會承受偏心載荷，導致滑塊導軌和模具導向部分的不正常磨損，影響制件質量和
降低模具壽命甚至損壞模具。 優化壓力中心位置的方法有改變排樣、增加空工位和中心偏移法等。目前，對壓力 中心的優化研究主要集中在使用優化算法尋找最合適的排樣方案和中心偏移，使壓力中心 和壓力機滑塊中心趨于重合。 臺灣科技大學學者Lin、 Deng應用遺傳算法和模擬退火法優化排樣，以確定壓力 中心與壓力機滑塊中心最接近的排樣方案，雖有效減小了壓力中心的偏移，但有以下幾點 缺陷1)采用經驗公式計算沖壓合力值，但實際上沖壓合力在沖壓過程中并不是一個恒定 值；2)把不同工位上的每個凸模沖壓起始時刻假定為相同，沒有考慮每個凸模起始沖壓的 先后次序；3)由于模具工藝條件的限制，只能對壓力中心偏移較小的帶料進行排樣優化。 [OOOS] 在沖壓過程中，因沖壓合力的不恒定壓力中心會發生變化，應保證壓力中心的偏 移造成的轉矩偏移不超出模具所允許的范圍。江蘇大學陳煒、王娟等提出基于轉矩平衡和 數值模擬的壓力中心優化方法，雖對壓力中心確定有了準確性的提高和理論的突破，對壓 力中心的優化也有了初步的探討，但有以下兩點缺陷1)考慮了凸模沖壓分力隨沖程的變 化情況，但在確定沖壓合力時，沒有考慮不同工序在沖壓時的提前與滯后，而是把各工序沖 壓起始位置假設為相同，對沖壓合力的計算不夠精確，不能給壓力機的選擇提供可靠的參 考，對壓力中心的求解也造成偏差；2)雖然對壓力中心有作優化，但沒能夠給出最優偏移 值的評判標準，僅僅給出了偏移范圍和偏移方向。 如上所述，目前多工位級進模壓力中心的確定和優化均存在局限性，工程中迫切 需要準確求解壓力中心，以正確、有效地對其進行優化，從而在沖壓生產中起到實際作用。

發明內容
為了克服上述缺陷，本發明提供了一種基于壓力中心優化的級進模帶料設計系 統，該發明是在合理的工藝條件和模具結構的前提下，將數值模擬、轉矩平衡和優化方法結 合起來的CAD — CAE — CAD (CAD為計算機輔助設計、CAE為計算機輔助工程)集成系統，用 于確定使壓力中心最優的排樣方案及其導致的轉矩偏移最優的帶料偏移值，可以加快級進 模帶料排樣設計過程，減小模具在沖壓過程中產生的偏心載荷，提高模具使用壽命。
本發明為了解決其技術問題所采用的技術方案是 —種基于壓力中心優化的級進模帶料設計系統，由沖壓力優化設計模塊、帶料排 樣優化設計模塊和帶料偏移優化設計模塊組成，帶料排樣優化設計模塊連接沖壓力優化設 計模塊的輸出，帶料偏移優化設計模塊連接帶料排樣優化設計模塊的輸出；沖壓力優化設 計模塊確定凸模沖壓分力和模具沖壓力；帶料排樣優化設計模塊求解不同排樣方案的壓力 中心偏移值與沖程的函數，并根據上述函數對沖程的積分均值評判出最優的排樣方案；帶 料偏移優化設計模塊求解模具的轉矩偏移值與沖程的函數，并確定上述函數對沖程積分為 零時的最優帶料偏移值。 所述沖壓力優化設計模塊確定凸模沖壓分力和模具沖壓力所采用的方法是使用 單工位多工序數值模擬和多工位單工序數值模擬相結合的方法，確定隨滑塊沖壓行程變化 的凸模沖壓分力和模具沖壓力；并在考慮上述凸模沖壓分力、模具沖壓力和壓力機許可沖 壓力的情況下，確定每個凸模起始沖壓的先后次序。根據可以互換的工位，應用排列與組合 原理確定可行的排樣方案。 所述帶料排樣優化設計模塊求解不同排樣方案的壓力中心偏移值與沖程的函數， 并根據上述函數對沖程的積分均值評判出最優的排樣方案所采用的方法是對每個可行的 排樣方案進行求解隨沖程變化的壓力中心偏移值，并對上述壓力中心偏移值經一元多次擬 合得出壓力中心偏移值與沖程的函數，并求解出上述函數對沖程的積分均值，以此確定所 有排樣方案中積分均值最小的為最優排樣。 所述帶料偏移優化設計模塊求解模具的轉矩偏移值與沖程的函數，并確定上述函
數對沖程積分為零時的最優帶料偏移值所采用的方法是有限元數值模擬方法和轉矩平衡
原理相結合，計算出隨沖程變化的模具的轉矩偏移值，并對上述轉矩偏移值經一元多次擬
合得出轉矩偏移值與沖程的函數，應用約束優化方法和微積分原理，計算出使上述函數對
沖程的積分值為零時的轉矩偏移值為最優帶料偏移值。 本發明的有益效果是 1)考慮了沖壓合力隨沖程的變化對壓力中心的影響，并作定量分析； 2)考慮了隨沖程變化的壓力中心偏移情況對模具轉矩偏移的影響，并作定量分
析； 3)對最優排樣的評估，以壓力中心的最優作為評判標準，為帶料的偏移設計提供 了前提條件； 4)對帶料偏移的評估，以隨沖程變化的模具轉矩偏移最優作為評判標準，為模具 的設計提供最為直接的指導； 5)把帶料排樣和帶料偏移集成設計作為對壓力中心的優化方法，減小了二者分開 使用時對模具壓力中心優化的局限性，使受模具工藝的限制條件更小。


圖1為本發明的原理示意圖；
圖2為本發明的工作流程圖； 圖3為本發明沖壓力優化設計模塊的各個凸模沖壓分力變化圖；
圖4為本發明沖壓力優化設計模塊的模具沖壓力變化 圖5為本發明沖壓力優化設計模塊的壓力機許可壓力示意圖；
圖6為本發明帶料壓力中心偏移值示意圖；
圖7為本發明模具轉矩偏移值示意圖。
具體實施例方式
實施例如圖1所示，一種基于壓力中心優化的級進模帶料設計系統，由沖壓 力優化設計模塊1、帶料排樣優化設計模塊2和帶料偏移優化設計模塊3組成，帶料排 樣優化設計模塊2連接沖壓力優化設計模塊1的輸出，帶料偏移優化設計模塊3連接帶 料排樣優化設計模塊2的輸出，形成了基于有限元模擬和壓力中心優化技術的帶料設計 CAD — CAE — CAD集成系統(CAD計算機輔助設計、CAE計算機輔助工程)。其中，沖壓力優 化設計模塊1確定凸模沖壓分力和模具沖壓力；帶料排樣優化設計模塊2求解不同排樣方 案的壓力中心偏移值與沖程的函數，并根據上述函數對沖程的積分均值評判出最優的排樣 方案；帶料偏移優化設計模塊3求解模具的轉矩偏移值與沖程的函數，并確定上述函數對 沖程積分為零時的最優帶料偏移值。 本發明沖壓力優化設計模塊1、帶料排樣優化設計模塊2和帶料偏移優化設計模
塊3三個模塊的工作流程及相互連接關系如圖2所示，下面對其加以詳細闡述 —、基于有限元模擬技術的沖壓力優化設計模塊1輸入鈑金零件，輸出凸模沖壓
分力和模具沖壓力及可行的帶料排樣方案，主要包括以下步驟 1)采用有限元逆算法對鈑金零件進行尺寸展開，并分析帶料的工藝特性。 2)分析帶料工藝特性并初步排樣，對初步排樣的帶料進行有限元沖壓仿真，應用
單工位多工序的建模和模擬方法，輸出凸模沖壓分力隨沖程的變化曲線，如圖3中4、5所示
(本例中僅取兩個凸模)；應用多工位單工序的建模和模擬方法，輸出模具沖壓合力隨沖程
變化的曲線，如圖4中6所示。其中，單工位多工序有限元建模是對某一工位的成形工藝建
立凸凹模有限元網格模型，用于求解凸模沖壓分力值；多工位單工序有限元建模是對一次
沖壓過程建立有限元網格模型，建模時根據沖壓工藝建立多個工位的凸、凹模網格模型，使
模擬的級進模沖壓過程符合實際的級進模沖壓過程，用于求解模具沖壓力。 3)如圖4、5所示，將由多工位單工序建模模擬后輸出的模具沖壓力變化曲線6，對
應到壓力機沖壓時相應的行程位置7上，檢驗沖壓力是否超出壓力機許可壓力范圍8。如超
出，可通過調整凸模5的沖壓起始沖程位置為9，再次通過多工位單工序建模模擬輸出改變
后的模具沖壓力曲線10，以使調整后的沖壓力對應到沖壓行程11上滿足壓力機許可范圍。 4)確定可以互換的工位數，使用組合與排列原理確定可行的排樣方案個數(本例
中僅取其中兩種方案)。 二、帶料排樣優化設計模塊2是輸入沖壓力優化設計模塊1中得到的數據，輸出最 優的帶料排樣方案，主要包括以下步驟 1)輸入沖壓力優化設計模塊1確定的不同排樣方案的帶料和凸模沖壓分力。
2)對每一種排樣方案，作凸模沖壓分力對模具中心轉矩平衡計算，得到壓力中心 的偏移值隨沖程的變化曲線，并把上述曲線擬合為一元多次函數關系式。圖6中曲線12、 13 為兩種不同排樣方案的壓力中心偏移值經過擬合得到的函數曲線fl (s) 、 f2 (s)。
3)求解上述函數對變量(沖程)的積分均值，輸出積分均值最小的排樣方案為最優排樣。圖6中E12、E13分別為函數曲線12、13對沖程的積分均值，因為E13 〈E12，所以 13對應的排樣方案較優于12對應的排樣方案。 三、帶料偏移優化設計模塊3輸入帶料排樣優化設計模塊2確定的最優帶料排樣， 輸出帶料的最優偏移值，主要包括以下步驟 1)輸入帶料排樣優化設計模塊2所輸出的最優排樣方案，計算其模具所能承受的 許可轉矩偏移范圍為[_MDiff， MDiff]，如圖7中14、 15所示。 2)對帶料進行偏移，計算帶料偏移后的凸模沖壓力對模具中心的轉矩偏移，其值 為一條隨沖程變化的曲線，如圖7中16所示，檢驗上述曲線是否超出許可轉矩偏移范圍。
3)對轉矩偏移值隨沖程變化的曲線做一元多次擬合，得到轉矩偏移值與沖程的函 數關系式fe (s)，并求解fe (s)對變量s (沖程)的積分值，如圖7中陰影部分17所示。
4)判斷上述積分值是否為零，如果是，則第2)步中的帶料偏移值為最優偏移值； 如果否，則返回第2)步，以約束優化方法中的"可行方向法"作為優化方法，在可行方向上 重新搜索最優偏移值。可行方向法是求解非線性規劃問題的常用方法，其典型策略是從可 行點出發，沿著可行方向進行搜索，求出使目標函數值下降的新的可行點，此算法的主要步 驟是選擇搜索方向和確定沿此方向的步長。
權利要求
一種基于壓力中心優化的級進模帶料設計系統，其特征在于由沖壓力優化設計模塊(1)、帶料排樣優化設計模塊(2)和帶料偏移優化設計模塊(3)組成，帶料排樣優化設計模塊(2)連接沖壓力優化設計模塊(1)的輸出，帶料偏移優化設計模塊(3)連接帶料排樣優化設計模塊(2)的輸出；沖壓力優化設計模塊(1)確定凸模沖壓分力和模具沖壓力；帶料排樣優化設計模塊(2)求解不同排樣方案的壓力中心偏移值與沖程的函數，并根據上述函數對沖程的積分均值評判出最優的排樣方案；帶料偏移優化設計模塊(3)求解模具的轉矩偏移值與沖程的函數，并確定上述函數對沖程積分為零時的最優帶料偏移值。
2. 根據權利要求1所述的一種基于壓力中心優化的級進模帶料設計系統，其特征在 于所述沖壓力優化設計模塊(1)確定凸模沖壓分力和模具沖壓力所采用的方法是使用 單工位多工序數值模擬和多工位單工序數值模擬相結合的方法，確定隨滑塊沖壓行程變化 的凸模沖壓分力和模具沖壓力；并在考慮上述凸模沖壓分力、模具沖壓力和壓力機許可沖 壓力的情況下，確定每個凸模起始沖壓的先后次序。
3. 根據權利要求2所述的一種基于壓力中心優化的級進模帶料設計系統，其特征在 于所述帶料排樣優化設計模塊(2)求解不同排樣方案的壓力中心偏移值與沖程的函數， 并根據上述函數對沖程的積分均值評判出最優的排樣方案所采用的方法是對每個可行的 排樣方案進行求解隨沖程變化的壓力中心偏移值，并對上述壓力中心偏移值經一元多次擬 合得出壓力中心偏移值與沖程的函數，并求解出上述函數對沖程的積分均值，以此確定所 有排樣方案中積分均值最小的為最優排樣。
4. 根據權利要求3所述的一種基于壓力中心優化的級進模帶料設計系統，其特征在 于所述帶料偏移優化設計模塊(3)求解模具的轉矩偏移值與沖程的函數，并確定上述函 數對沖程積分為零時的最優帶料偏移值所采用的方法是有限元數值模擬方法和轉矩平衡 原理相結合，計算出隨沖程變化的模具的轉矩偏移值，并對上述轉矩偏移值經一元多次擬 合得出轉矩偏移值與沖程的函數，應用約束優化方法和微積分原理，計算出使上述函數對 沖程的積分值為零時的轉矩偏移值為最優帶料偏移值。
全文摘要
本發明公開了一種基于壓力中心優化的級進模帶料設計系統，主要用于優化帶料壓力中心與模具中心的偏移，減小沖壓力對模具中心轉矩偏移，本發明的沖壓力優化設計模塊確定凸模沖壓分力和模具沖壓力；帶料排樣優化設計模塊求解不同排樣方案的壓力中心偏移值與沖程的函數，并根據上述函數對沖程的積分均值評判出最優的排樣方案；帶料偏移優化設計模塊求解模具的轉矩偏移值與沖程的函數，并確定上述函數對沖程積分為零時的最優帶料偏移值。本發明能夠設計出使壓力中心最優的排樣方案，并且求解出最優的帶料偏移值，以減小模具在沖壓過程中因壓力中心偏移而產生的轉矩偏移。
文檔編號G06F17/50GK101789031SQ20091002893
公開日2010年7月28日 申請日期2009年1月22日 優先權日2009年1月22日
發明者周芝福, 孫志浩, 戴峰澤, 江丙云, 陳煒 申請人:江蘇華富精密高速模具工程技術研究有限公司