一種多工位級(jí)進(jìn)模模具母體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種多工位級(jí)進(jìn)模模具母體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法，1、根據(jù)模具母體以外的凸凹模結(jié)構(gòu)要素，確定母體的優(yōu)化區(qū)域；2、采用有限元分析方法對(duì)分離工序進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得沖壓過(guò)程中模具的受力；3、基于變密度法對(duì)模具母體結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，將步驟2中的模具受力作為力的邊界條件映射至拓?fù)鋬?yōu)化有限元模型中，以模具結(jié)構(gòu)允許變形為優(yōu)化約束條件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)有限元模擬，選擇不同的單元密度值進(jìn)行比較，根據(jù)最大優(yōu)化效益指標(biāo)確定優(yōu)化結(jié)果；4、根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對(duì)模具母體進(jìn)行設(shè)計(jì)并檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的模具是否滿(mǎn)足變形約束條件。本發(fā)明能夠有效提高模具結(jié)構(gòu)剛度，使沖壓件的質(zhì)量更加穩(wěn)定。同時(shí)，使模具達(dá)到輕量化的效果。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種多工位級(jí)進(jìn)模模具母體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)械工程塑性加工方法及模具領(lǐng)域，尤其涉及一種多工位級(jí)進(jìn)模模具 母體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 模具母體是指工作零件（凸凹模、壓邊圈等)之外的結(jié)構(gòu)。模具母體占模具總質(zhì)量 的比率可達(dá)80%以上，傳統(tǒng)的模具母體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是憑借經(jīng)驗(yàn)，缺乏科學(xué)理論指導(dǎo)。為了 保證模具結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度剛度，模具母體結(jié)構(gòu)尺寸取值往往偏大，安全系數(shù)較大，但增加模具結(jié) 構(gòu)體積并不一定能有效提高沖壓質(zhì)量的穩(wěn)定性，體積增大也會(huì)造成生產(chǎn)成本的提高，增加 沖床工作時(shí)的能源消耗。
[0003]尤其對(duì)于高精度多工位級(jí)進(jìn)模，沖壓過(guò)程中模具結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形量對(duì)沖壓件的成 形質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生重要影響，對(duì)于精度要求高的工位，傳統(tǒng)模具結(jié)構(gòu)不能保證其具有足夠的剛 度。較大的模具結(jié)構(gòu)變形將會(huì)造成沖壓件質(zhì)量不穩(wěn)定，反復(fù)修模，延長(zhǎng)模具的生產(chǎn)制造周 期。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種多工位級(jí)進(jìn)模模具 母體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法。提高模具剛度及沖壓件沖壓質(zhì)量的穩(wěn)定性，降低模具結(jié)構(gòu)變形對(duì) 沖壓件質(zhì)量的影響，減少修模次數(shù)，減輕模具重量，縮短模具生產(chǎn)制造周期，降低加工成本。
[0005] 本發(fā)明通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0006] -種多工位級(jí)進(jìn)模模具母體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟(1):根據(jù)模具母體以外的結(jié)構(gòu)要素(包括凸凹模、叉車(chē)位、落料槽等），對(duì)模具 母體的優(yōu)化區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定模具母體的優(yōu)化區(qū)域；
[0008] 步驟(2):采用有限元分析方法對(duì)沖壓工序進(jìn)行有限元模擬，獲得沖壓過(guò)程中模具 與坯料的接觸力，其中坯料設(shè)置為彈塑性體，凸凹模、壓邊圈等沖壓工具設(shè)置為剛性體； [0009]步驟(3):建立多工位級(jí)進(jìn)模模具母體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化有限元模型，定義凸凹模、模 具母體等為彈性體，以接觸力作用點(diǎn)的線性位移(模具變形量)為響應(yīng)，以?xún)?yōu)化區(qū)域的體積 最小化(最小化是指:在保證模具結(jié)構(gòu)變形量在優(yōu)化約束范圍內(nèi)的前提下，使優(yōu)化區(qū)域的材 料分布更加合理，無(wú)多余材料的存在，避免造成材料浪費(fèi)，獲得滿(mǎn)足約束條件的最少材料分 布，即體積最小化)為優(yōu)化目標(biāo)，以結(jié)構(gòu)變形的允許范圍為優(yōu)化約束，以?xún)?yōu)化區(qū)域的單元密 度為優(yōu)化變量，基于變密度法實(shí)現(xiàn)模具母體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化；
[0010]步驟(4):根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果獲得優(yōu)化區(qū)域的單元密度云圖，通過(guò)計(jì)算最大優(yōu)化效 益指標(biāo)確定合適的密度值，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)模具母體結(jié)構(gòu)，并對(duì)所設(shè)計(jì)的模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行 變形約束條件檢驗(yàn)。
[0011]上述步驟(4)，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化運(yùn)算獲得模具母體的單元密度云圖，根據(jù)計(jì)算最大優(yōu) 化效益指標(biāo)選擇合理的密度值(通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化運(yùn)算可以獲得優(yōu)化區(qū)域的單元密度云圖，不 同的密度值對(duì)應(yīng)不同的材料分布，通過(guò)對(duì)比不同密度值對(duì)應(yīng)的優(yōu)化效益指標(biāo)選擇密度值， 優(yōu)化效益指標(biāo)越大則表明該密度值對(duì)應(yīng)的材料分布越趨于合理），確定優(yōu)化結(jié)果，參考此時(shí) 的單元分布完成模具母體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
[0012] 上述步驟（3)，建立拓?fù)鋬?yōu)化有限元模型時(shí)需定義拓?fù)鋬?yōu)化三要素，包括優(yōu)化目 標(biāo)、優(yōu)化變量和優(yōu)化約束;優(yōu)化目標(biāo)是滿(mǎn)足優(yōu)化約束時(shí)，優(yōu)化區(qū)域的材料合理分布、實(shí)現(xiàn)優(yōu) 化區(qū)域的體積最小化;優(yōu)化變量是優(yōu)化區(qū)域的單元密度;優(yōu)化約束即為模具結(jié)構(gòu)的允許變 形量。
[0013] 上述步驟(2)，采用有限元分析方法(Dynaform)對(duì)拉深、彎曲等成形工序進(jìn)行數(shù)值 模擬，在*. dyn(后處理文件)文件中增加*DATABASE_NCFORC語(yǔ)句(關(guān)鍵字文件），獲得模具與 坯料的接觸力;基于Def 〇rm-3D(有限元分析軟件)對(duì)沖孔、沖裁等分離工序進(jìn)行數(shù)值模擬， 獲得沖壓過(guò)程中模具與坯料的接觸力文件(*.KEY)，其中坯料設(shè)置為彈塑性體，凸凹模、壓 邊圈等沖壓工具設(shè)置為剛性體;然后通過(guò)載荷映射將接觸力作為力的邊界條件加載至拓?fù)?優(yōu)化有限元模型中。
[0014] 為了反映結(jié)構(gòu)減重和結(jié)構(gòu)剛度兩種因素之間的相互影響，在選定單元密度值時(shí)引 入優(yōu)化效益指標(biāo)公式，即：
[0016] 定義結(jié)構(gòu)優(yōu)化體積比V f r a。= V / V 〇，其中V 〇為模具原始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間的初始體積，V 為優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的體積。優(yōu)化體積比Vfra。則代表了結(jié)構(gòu)減重情況，V fra。越小表示結(jié)構(gòu)減重效果 越好。定義結(jié)構(gòu)優(yōu)化變形量比Sfrac； = S/So，其中So為原結(jié)構(gòu)初始變形量，S為優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的變 形量，Sfrac越小表示結(jié)構(gòu)變形越小。優(yōu)化效益指標(biāo)OPT越大，表明優(yōu)化所獲得的結(jié)構(gòu)越合理。
[0017] 本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果：
[0018] (1)本發(fā)明是基于有限元數(shù)值模擬方法，可預(yù)先對(duì)級(jí)進(jìn)模模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析 和拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，能夠較為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)模具結(jié)構(gòu)的彈性變形量。
[0019] (2)本發(fā)明采用的多工位級(jí)進(jìn)模模具結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法，能夠有效提高模具結(jié)構(gòu) 剛度，減小模具結(jié)構(gòu)彈性變形量，從而使沖壓件的質(zhì)量更加穩(wěn)定。同時(shí)，可以提高材料的利 用率，有效減小模具的體積和重量，達(dá)到輕量化的效果。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1是級(jí)進(jìn)模模具母體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)流程圖
[0021] 圖2是某多工位級(jí)進(jìn)模下?？蓛?yōu)化區(qū)域
[0022] 圖3是不同的單元密度值對(duì)應(yīng)的優(yōu)化效益值 [0023]圖4是優(yōu)化后下模墊腳結(jié)構(gòu)
[0024]圖5是某多工位級(jí)進(jìn)模上?？蓛?yōu)化區(qū)域
[0025] 圖6是優(yōu)化后上模墊腳結(jié)構(gòu)
[0026] 上圖中：1墊腳（可優(yōu)化區(qū)域）；2下模模座；3下模墊腳;4上模墊腳可優(yōu)化區(qū)域;5上 模模座;6上模墊腳
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步具體詳細(xì)描述。
[0028] 如圖1至6所示。本發(fā)明公開(kāi)了一種多工位級(jí)進(jìn)模模具母體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法。 [0029]圖1所示為多工位級(jí)進(jìn)模模具母體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的流程圖。
[0030] 主要分為以下步驟:1、根據(jù)模具母體以外的凸凹模等零件、叉車(chē)位、落料槽等結(jié)構(gòu) 要素，確定母體的優(yōu)化區(qū)域;2、采用有限元分析方法對(duì)拉深等成形工序、沖裁等分離工序進(jìn) 行數(shù)值模擬，獲得沖壓過(guò)程中模具的受力，其中坯料設(shè)置為彈塑性體，凸凹模、壓邊圈等沖 壓工具設(shè)置為剛性體;3、基于變密度法對(duì)模具母體結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，設(shè)置凸凹模、模具母 體等為彈性體，將步驟2中的模具受力作為力的邊界條件映射至拓?fù)鋬?yōu)化有限元模型中，以 模具結(jié)構(gòu)允許變形為優(yōu)化約束條件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)有限元模擬，選擇不同的單元密度值 進(jìn)行比較，根據(jù)最大優(yōu)化效益指標(biāo)確定優(yōu)化結(jié)果;4、根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對(duì)模具母體進(jìn)行設(shè)計(jì)并 檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的模具是否滿(mǎn)足變形約束條件。本發(fā)明能夠有效提高模具結(jié)構(gòu)剛度，使沖壓件 的質(zhì)量更加穩(wěn)定。同時(shí)，使模具達(dá)到輕量化的效果。
[0031] 以下通過(guò)實(shí)施例舉例說(shuō)明本發(fā)明多工位級(jí)進(jìn)模模具母體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法。
[0032] 1)下模模具母體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化
[0033] 采用本發(fā)明提出的多工位級(jí)進(jìn)模模具母體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法，對(duì)該級(jí)進(jìn)模下模模 具母體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先是對(duì)母體可優(yōu)化空間進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2所示，確定母體可優(yōu) 化空間。然后，基于有限元法分別采用Dynaform、Defo;rm-3D對(duì)成形工序和分離工序進(jìn)行數(shù) 值模擬，定義凸凹模、壓邊圈等沖壓工具為剛性體，坯料為彈塑性體，獲得各沖壓工序中模 具與板料的接觸力。然后，定義拓?fù)鋬?yōu)化三要素:優(yōu)化目標(biāo)、優(yōu)化變量、優(yōu)化約束，以?xún)?yōu)化區(qū) 域的體積最小化為優(yōu)化目標(biāo)，以?xún)?yōu)化區(qū)域的單元密度為優(yōu)化變量，以接觸力作用點(diǎn)的線性 位移(彈性變形量)為優(yōu)化約束條件，即保證最大線性位移不超過(guò)某一限定值。在該實(shí)施例 中限定點(diǎn)的最大線性位移小于〇 . 1mm。在Hyperworks中建立模具母體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化有限元 模型，并將接觸力作為邊界條件映射至拓?fù)鋬?yōu)化有限元模型上，通過(guò)迭代運(yùn)算獲得拓?fù)鋬?yōu) 化結(jié)果。優(yōu)化變量（單元密度值）的變化區(qū)間是0~1，分別選擇單元密度值大于0.1、〇. 2、 0.3、0.4時(shí)的單元分布進(jìn)行對(duì)比，并計(jì)算其對(duì)應(yīng)的優(yōu)化效益值，按照單元密度大于0.10、 0.20、0.30、0.40設(shè)計(jì)后結(jié)構(gòu)的優(yōu)化效益值分別為1.5608、1.5049、1.5322、1.4934，如圖3所 示?？梢?jiàn)單元密度大于0.1時(shí)的優(yōu)化效益指標(biāo)最佳，因此，下模墊腳結(jié)構(gòu)選取單元密度大于 〇. 10作為參考進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最為合理。
[0034] 圖4所示為按單元密度大于0.10進(jìn)行設(shè)計(jì)的下模母體（即墊腳）結(jié)構(gòu)，具有9條墊 腳。該套模具原先已按經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要11條墊腳，即優(yōu)化前后分別為11和9條墊腳。分別 對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)施加所需要的接觸力，得到優(yōu)化前后的最大變形量分別為0.082mm和 0.077mm，均滿(mǎn)足最大變形小于0.1mm的變形約束條件，而且與優(yōu)化前相比，優(yōu)化后變形量減 小了6.1 %，重量減輕了 13.2%。
[0035] 2)上模模具母體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化
[0036]首先是對(duì)上模母體可優(yōu)化空間進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于是上模，不存在落料槽及叉車(chē)位，因 此只要根據(jù)凸凹模的安裝需求，將不可優(yōu)化區(qū)域確定并去除之后，便是模具母體可優(yōu)化空 間，如圖5所示。然后按照上一實(shí)施例的步驟進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化(優(yōu)化約束仍為限定點(diǎn)的最大線 性位移小于0.1mm)，對(duì)比單元密度值大于0.10、0.20、0.30、0.40時(shí)的單元分布，并同樣通過(guò) 對(duì)優(yōu)化效益指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，選取優(yōu)化效益指標(biāo)最佳的單元密度大于0.10的情況作為結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)的依據(jù)。
[0037] 圖6所示為按照單元密度大于0.10進(jìn)行設(shè)計(jì)的下模母體(即墊腳)結(jié)構(gòu)，具有8條墊 腳。該套模具原先已按經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要11條墊腳，即優(yōu)化前后分別為11和8條墊腳。分別 對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)施加所需要的接觸力，模擬計(jì)算得到優(yōu)化前后的最大變形量基本相等，均滿(mǎn) 足變形約束條件，但與優(yōu)化前相比，優(yōu)化后的重量減輕了 26.6%。
[0038] 如上所述，便可較好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
[0039] 本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì) 與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的 保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多工位級(jí)進(jìn)模模具母體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法，其特征在于包括如下步驟： 步驟（1):根據(jù)模具母體以外的結(jié)構(gòu)要素，對(duì)模具母體的優(yōu)化區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定模具 母體的優(yōu)化區(qū)域； 步驟(2):采用有限元分析方法對(duì)沖壓工序進(jìn)行有限元模擬，獲得沖壓過(guò)程中模具與坯 料的接觸力，其中坯料設(shè)置為彈塑性體，凸凹模、壓邊圈設(shè)置為剛性體； 步驟(3):建立多工位級(jí)進(jìn)模模具母體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化有限元模型，定義凸凹模、模具母 體為彈性體，以接觸力作用點(diǎn)的線性位移為響應(yīng)，以?xún)?yōu)化區(qū)域的體積為優(yōu)化目標(biāo)，以結(jié)構(gòu)變 形的允許范圍為優(yōu)化約束，以?xún)?yōu)化區(qū)域的單元密度為優(yōu)化變量，基于變密度法實(shí)現(xiàn)模具母 體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化； 步驟(4):根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果獲得優(yōu)化區(qū)域的單元密度云圖，通過(guò)計(jì)算最大優(yōu)化效益指 標(biāo)確定合適的密度值，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)模具母體結(jié)構(gòu)，并對(duì)所設(shè)計(jì)的模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形 約束條件檢驗(yàn)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述多工位級(jí)進(jìn)模模具母體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法，其特征在于：步驟 (4)，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化運(yùn)算獲得模具母體的單元密度云圖，根據(jù)計(jì)算最大優(yōu)化效益指標(biāo)選擇密 度值，確定優(yōu)化結(jié)果，參考此時(shí)的單元分布完成模具母體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述多工位級(jí)進(jìn)模模具母體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法，其特征在于：步驟 (3)，建立拓?fù)鋬?yōu)化有限元模型時(shí)需定義拓?fù)鋬?yōu)化三要素，包括優(yōu)化目標(biāo)、優(yōu)化變量和優(yōu)化 約束；優(yōu)化目標(biāo)是滿(mǎn)足優(yōu)化約束時(shí)，優(yōu)化區(qū)域的材料合理分布、實(shí)現(xiàn)優(yōu)化區(qū)域的體積最小 化;優(yōu)化變量是優(yōu)化區(qū)域的單元密度;優(yōu)化約束即為模具結(jié)構(gòu)的允許變形量。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述多工位級(jí)進(jìn)模模具母體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法，其特征在于：步驟 (2)，采用有限元軟件Dynaform、Defo;rm-3D分別對(duì)成形及分離工序進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)在* .dyn文件中增加*DATABASE_NCFORC語(yǔ)句及*. KEY文件，獲得模具與坯料的接觸力；其中坯料 設(shè)置為彈塑性體，凸凹模、壓邊圈設(shè)置為剛性體;然后通過(guò)載荷映射將接觸力作為力的邊界 條件加載至拓?fù)鋬?yōu)化有限元模型中。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述多工位級(jí)進(jìn)模模具母體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法，其特征在于： 為了反映結(jié)構(gòu)減重和結(jié)構(gòu)剛度兩種因素之間的相互影響，在選定單元密度值時(shí)引入優(yōu) 化效益指標(biāo)公式，即：定義結(jié)構(gòu)優(yōu)化體積比Vfrac； = V/V()，其中Vo為模具原始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間的初始體積，V為優(yōu) 化后結(jié)構(gòu)的體積;優(yōu)化體積比Vfra。則代表了結(jié)構(gòu)減重情況，Vfra。越小表示結(jié)構(gòu)減重效果越 好;定義結(jié)構(gòu)優(yōu)化變形量比S frac； = S/S()，其中So為原結(jié)構(gòu)初始變形量，S為優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的變形 量，Sfrac越小表示結(jié)構(gòu)變形越小;優(yōu)化效益指標(biāo)OPT越大，表明優(yōu)化所獲得的結(jié)構(gòu)越合理。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK105893661SQ201610191125
【公開(kāi)日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年3月30日
【發(fā)明人】夏琴香, 姚小春, 徐曉, 程秀全, 劉曉龍, 張得良, 郭鳴驥, 羅忠濤, 王二冬, 沈偉
【申請(qǐng)人】華南理工大學(xué), 東莞市中泰模具股份有限公司