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微冲裁系统模态分析及视觉定位与冲裁控制研究

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微冲裁系统模态分析及视觉定位与冲裁控制研究

作者：伍星哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

微冲裁成型技术在电子制造和生物医疗等微型零件制造领域有着广泛的应用前景。为了提高产品竞争力,微型零件需具有高效率、低成本的制造方法与技术。针对以上问题,进行微冲裁批量制造系统的研究是十分必要的。开展旨在提高其加工精度、... 详细信息

微冲裁成型技术在电子制造和生物医疗等微型零件制造领域有着广泛的应用前景。为了提高产品竞争力,微型零件需具有高效率、低成本的制造方法与技术。针对以上问题,进行微冲裁批量制造系统的研究是十分必要的。开展旨在提高其加工精度、生产效率等方面的研究工作具有重要意义。本文分析了国内外微冲裁成型设备的发展现状,结合863项目“基于微塑性成形技术的微型零件批量制造系统”,进行了模态测试、视觉定位及直线电机控制方面的研究与实验。首先,在有限元分析软件ANSYS计算结果的基础上进行了模态测试实验。实验采用锤击法,根据响应信号强弱对不同计算振型采用不同的激励与响应方式。利用计算模态信息对实验结果进行鉴别筛选,得出了更接近实际的系统低阶模态频率值。其次,针对步进电机平台进给送料工作方式所带来的零件平移自由度方向定位误差的问题,进行了视觉定位系统与定位方法的设计与研究。利用圆孔作为定位检测目标。通过采用二维灰度直方图的图像分割方法避免了传统一维直方图繁杂的分割阈值确定过程。经过对四种边缘检测算子在定位孔二值图像上检测边缘的细化处理,确定了最优算子及其边缘检测阈值。提出了Hough-最小二乘圆圆孔检测方法,仿真显示其较传统Hough变换具有更强的鲁棒性。实验结果表明该视觉定位方法实现了零件相对定位基准在平移自由度方向误差3.5μm内的定位。最后,为了改善直线电机在短冲程、高速度和高加速度情况下的控制性能,针对原控制系统中速度环PI控制方法的不足,研究了滑模变结构控制方法。设计了以速度差值及其导数作为状态变量的滑模变结构控制器,并通过龙贝格观测器进行扰动补偿。在仿真验证控制器正确性的基础上进行了该控制器在西门子系统中实现方法的研究。利用驱动控制图表DCC编程完成了控制器在西门子控制系统速度环中的集成。经过实验过程中的参数对比调整,带有龙贝格观测器的滑模变结构控制器实现了近阶跃速度信号的无超调响应,具有理想的稳态误差,与PI控制相比过渡过程时间明显减少。

关键词：微冲裁模态最小二乘圆滑模变结构 DCC

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微冲裁/冲压复合成型技术研究

微冲裁/冲压复合成型技术研究

作者：裴雨滋大连理工大学

学位级别：硕士

随着电子工业和微机电系统的快速发展,微型零件在微电子、微机械、航空航天、医疗器械、生物技术、国防军事等许多应用领域的需求日益增多。零件微型化对其生产成本、成形质量及生产效率提出了更高的要求,从而促进微塑性成形技术的研究... 详细信息

随着电子工业和微机电系统的快速发展,微型零件在微电子、微机械、航空航天、医疗器械、生物技术、国防军事等许多应用领域的需求日益增多。零件微型化对其生产成本、成形质量及生产效率提出了更高的要求,从而促进微塑性成形技术的研究和发展。微冲裁及微拉深成形技术作为微塑性成形技术中重要的塑性加工方法,具有低成本、高效率的优势,十分适合于微型零件的批量生产。然而随着微型零件的应用越来越广范,单一的微塑性成形工艺不能满足其高质量高效率的生产要求,因此开展了微冲裁／冲压复合成型技术研究。针对小型化高精度微小碟形件加工中存在的零件特征结构位置偏差大、加工效率低等问题,将微冲裁与微拉深两种成形工艺进行复合,合并加工工序,在一次冲裁行程中完成浅半球拉深、冲孔及落料三个过程,可减少分步成形所带来的多次定位安装误差、加工工时及模具的制造成本,从而降低微小碟形件特征结构的位置偏差,实现微小碟形件的高精度高效率加工,同时复合成型易于保证零件特征尺寸的一致性。通过T2紫铜箔的单向微拉伸试验,对微塑性成形过程中出现的尺寸效应现象进行研究,试验结果表明随着T2紫铜箔厚度的减小,其抗拉强度及延伸率呈现先减小后增大的变化趋势,表现出显著的尺寸效应现象。采用ABAQUS软件对微小碟形件的成形过程进行了有限元模拟,浅半球微拉深及微冲裁过程均是高度复杂的非线性问题,选择Explicit求解器进行求解。研究了有无压边力对微拉深过程的影响,结果显示两种压边方式下成形的零件厚度变化基本无差异,均未出现起皱和破裂等缺陷,表明无论是否存在压边力,均可以采用带底凹模一次拉深成形质量良好的浅半球类零件。基于微拉深有限元模拟结果,对微冲裁过程进行有限元模拟,结果显示微冲裁过程及断面特征与宏观冲裁相似,但由于微冲裁的间隙非常小,使得间隙区域静水压力增大,金属塑性变好,断面质量有所改善;随着冲裁间隙和模具刃口圆角的减小,冲裁力增大,但过大或过小的冲裁间隙及模具刃口圆角都使得断面质量变差。在微小碟形件成形过程有限元分析的基础上,对冲裁力、拉深力等相关力及凸、凹模间隙等冲裁工艺参数进行了计算,设计了微冲裁／冲压复合成型模具,利用聚氨酯橡胶作为弹性元件提供成形过程中顺序实现拉深、冲孔、落料三个过程所需要的力,并对关键参数进行了校核,为保证冲裁过程的顺利进行提供了依据。

关键词：微冲裁微拉深碟形件尺寸效应有限元分析复合模具设计

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T2铜箔空化射流柔性微冲裁机理分析

精密成形工程 2023年第7期15卷 70-76页

作者：朱聪王匀李富柱张昆陈世建胡鑫龙孟威蒋世营江苏大学机械工程学院江苏镇江212000

目的分析针对不同形状特征时空化射流箔材微冲裁工艺的加工效果,确定工艺参数的影响规律。方法通过在3种模具(正三角形、正六边形以及圆形模具)下设计6种特征尺寸,分析空化射流对不同厚度T2铜箔的冲裁加工效果,同时通过单因素实验法确... 详细信息

目的分析针对不同形状特征时空化射流箔材微冲裁工艺的加工效果,确定工艺参数的影响规律。方法通过在3种模具(正三角形、正六边形以及圆形模具)下设计6种特征尺寸,分析空化射流对不同厚度T2铜箔的冲裁加工效果,同时通过单因素实验法确定空化射流的入射压力、喷孔直径以及靶距3种工艺参数对微冲裁加工能力与成形质量的影响规律,记录不同工艺参数下T2铜箔的最大可冲裁箔厚。结果T2铜箔的最大可冲裁箔厚与凹模特征尺寸之间存在线性关系,并且入射压力的增大可显著提高空化射流微冲裁工艺的最大可冲裁箔厚,然而,过大的喷孔直径与靶距均会造成最大可冲裁箔厚下降。通过对实验结果进行表征,发现正多边形冲裁件在边角处会出现裂纹、撕裂等缺陷,而圆形冲裁件的冲裁轮廓无明显缺陷,冲裁质量较好。结论空化射流柔性微冲裁工艺对正多边形冲裁件边角处的加工效果较差,但加工的圆形冲裁件具有良好且均匀的轮廓质量。该工艺的加工能力随入射压力的提高而提高,且在靶距为120 mm、喷孔直径为1.6 mm时较优。

关键词：空化空化射流箔材微冲裁柔性加工

凸模底部刃型对微冲裁落料件侧面光亮带的影响研究

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电加工与模具 2024年第3期 61-69页

作者：刘云浩郑吉鹏杨君峰张荣华余祖元大连理工大学机械工程学院辽宁大连116024

微冲裁是一种具有大批量、高效率、低成本等特点的微加工技术。结合数值模拟仿真和实验数据分析,研究了凸模底部刃型对异形微冲裁落料件侧面成形质量的影响。首先,基于实验收集的冲裁位移-冲裁力数据,建立微冲裁有限元仿真模型;接着,基... 详细信息

微冲裁是一种具有大批量、高效率、低成本等特点的微加工技术。结合数值模拟仿真和实验数据分析,研究了凸模底部刃型对异形微冲裁落料件侧面成形质量的影响。首先,基于实验收集的冲裁位移-冲裁力数据,建立微冲裁有限元仿真模型;接着,基于仿真结果获取Mises应力数据,与测量的落料件侧面光亮带高度值建立关系并分析原因;然后,为设计提高落料件局部光亮带高度的非平刃凸模方案提供依据,再利用仿真分析选出最优的非平刃凸模设计方案;最后,利用微细电火花-微冲裁复合机床,在线制备了底部窄梁刃型高度为50μm的非平刃一凸模,并在厚度为80μm的3J21弹性合金箔料上进行冲裁实验。结果表明:凸模窄梁部位的非平刃一设计方案可提高局部位置的光亮带高度,从而提高落料件成形质量。

关键词：微冲裁有限元仿真光亮带非平刃凸模

双线圈磁脉冲辅助箔板异形孔微冲裁成形工艺研究

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双线圈磁脉冲辅助箔板异形孔微冲裁成形工艺研究

作者：范志华南昌航空大学

学位级别：硕士

磁脉冲辅助冲裁相比于传统机械冲裁成形条件简单,模具制作成本较低,安全性能较高且成形效果更好,可加工材料种类广。“双线圈”磁脉冲辅助成形方式与“单线圈”磁脉冲辅助成形方式相比,其耦合度和能量利用率更高,微成形领域具有重要的... 详细信息

磁脉冲辅助冲裁相比于传统机械冲裁成形条件简单,模具制作成本较低,安全性能较高且成形效果更好,可加工材料种类广。“双线圈”磁脉冲辅助成形方式与“单线圈”磁脉冲辅助成形方式相比,其耦合度和能量利用率更高,微成形领域具有重要的研究价值。本文采用“双线圈”磁脉冲辅助微冲裁工艺,使用了柔性介质代替传统刚性凸模,采用了理论分析和试验研究相结合的方法,对异形孔微冲裁成形工艺进行深入研究。本文主要研究内容和结论如下:(1)搭建了一个包括供电装置、模具和成形线圈的磁脉冲辅助微冲裁试验平台。该平台具备较高的试验通用性、安全性和稳定性,可以在多种工艺参数条件下进行试验,易装卸。(2)研究了H62黄铜和304不锈钢两种不同材质的金属箔板在“双线圈”磁脉冲辅助微冲裁时的成形效果,从宏观和微观角度研究了凹模孔的类型和尺寸、成形能量、金属箔板厚度以及材料种类对为冲裁质量的影响,为后续柔性介质的设计提供依据,试验结果表明:H62黄铜比304不锈钢更容易冲裁成功;当金属箔板较厚时,可以通过适当提高成形能量提高成形质量;凹模三角形孔的角度越大,金属箔板越容易断裂成形;凹模孔的尺寸在一定范围内时,其冲裁质量会随着尺寸增大而改善,当超出某一范围由于成形能量不足冲裁质量有所下降,此时可提高成形能量。(3)探究了柔性介质的厚度和硬度对冲裁质量的影响。试验结果表明:柔性介质厚度和硬度对成形质量的影响并非单调递增或递减,采用厚度为3mm、硬度为64HA的硅胶板成形质量较好。本文基于“双线圈”磁脉冲辅助成形方式,采用理论和试验相结合的方式,成功获取了各种工艺参数对冲裁质量的影响规律,分析了各个参数对其冲裁质量的影响因素,当冲裁H62黄铜箔板时,选出了较为合适的柔性介质,在微小零件的冲裁工艺中具有实际的推广应用价值。

关键词：双线圈微冲裁金属箔板冲裁质量柔性介质

超声振动辅助紫铜箔板塑性变形行为与微冲裁机理研究

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超声振动辅助紫铜箔板塑性变形行为与微冲裁机理研究

作者：张博哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着微机电系统的快速发展，对于箔板微型构件的需求量在不断上升的同时，在质量上也提出了更高的要求，这些箔板微型构件尺寸小，而且对尺寸精度和表面质量要求高，这给微成形技术的发展提出了新的挑战。本文提出了超声振动辅助微冲裁... 详细信息

随着微机电系统的快速发展，对于箔板微型构件的需求量在不断上升的同时，在质量上也提出了更高的要求，这些箔板微型构件尺寸小，而且对尺寸精度和表面质量要求高，这给微成形技术的发展提出了新的挑战。本文提出了超声振动辅助微冲裁工艺来改善箔板微型构件的成形质量。金属箔板材料在超声振动条件下，表现出了特殊的力学性能，而超声振动辅助微冲裁正是利用了这种力学性能以及在成形过程中应力应变状态的改变来改善成形件的质量，对成形高精度、高质量的箔板构件具有重要意义。为了研究超声振动对紫铜箔板塑性变形行为的影响，本文研制了超声振动辅助单向拉伸装置。该装置是由万能试验机、超声振动系统以及连接装置组成。对超声振子进行模态分析，优化其结构设计，保证其振动性能，获得最佳方案是在振子端部开槽0.2mm宽、10mm长的开槽方案用以夹持试样。使用研制的超声振动辅助力学性能测试装置对不同晶粒尺寸的紫铜箔板进行单向拉伸实验。研究发现，在实验中加载超声振动紫铜箔板的屈服强度和抗拉强度降低，表现出了超声振动对金属材料的软化效应。在超声振动作用下，紫铜箔材的硬化指数增大，退火态紫铜箔板延伸率略有降低，轧制态紫铜箔板延伸率略有升高。对拉伸试样断口进行分析表明，加载超声振动条件下，断口附近晶粒变形更加剧烈，韧窝数量增多。对振动辅助微冲裁进行了有限元分析，采用了单边间隙板厚比分别为6%-20%五种不同的冲裁间隙在有无加载振动条件下进行了仿真，结果表明在间隙为8%且加载超声振动时冲裁质量最好。对振动辅助冲裁中的箔板应力状态进行了分析，振动缓解了冲裁过程中的应力集中，增大了压应力，使其在较大静水压力下变形，抑制了裂纹的萌生。研制了加载了超声振动的微冲裁模具，研究了超声振动辅助在不同晶粒尺寸和不同冲裁速度下对微冲裁质量的影响，结果表明使用退火状态的紫铜箔板在有无超声状态下冲裁断面都是光亮带，但加载超声振动条件下冲裁断面光洁平整，粗糙度低。使用轧制态的紫铜箔材冲裁断面光亮带比例随冲裁速度的增加而增加，而加载超声振动辅助后冲裁断面光亮带长度比例要优于无振动条件。研究了冲裁过程中裂纹的萌生与发展，超声振动使得裂纹萌生较晚，撕裂角度小，撕裂带较平整，改善了断面质量。

关键词：微冲裁 T2紫铜箔板超声振动辅助断面质量粗糙度裂纹萌生

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异形件微冲裁机床设计

异形件微冲裁机床设计

作者：邢冲大连理工大学

学位级别：硕士

随着电子工业和精密机械的高速发展,微型零部件在电子信息、汽车、生物医疗、航天航空等各个领域有大量的应用。微冲裁加工作为一种成形加工工艺,可以用于亚毫米尺寸的微型件的制造,具有高效率、低成本以及较好的加工质量等特点,是批量... 详细信息

随着电子工业和精密机械的高速发展,微型零部件在电子信息、汽车、生物医疗、航天航空等各个领域有大量的应用。微冲裁加工作为一种成形加工工艺,可以用于亚毫米尺寸的微型件的制造,具有高效率、低成本以及较好的加工质量等特点,是批量制造微型件的重要手段。针对当前微冲裁领域中对微尺寸下异形件、异形孔的冲裁技术积累不足,现有微冲裁设备自动化程度低等问题,以异形微落料件为设定工件,在微冲机理分析和试验研究的基础上,设计了一种可用于冲制异形微落料件的微冲裁机床。在对常规尺寸下冲裁机理进行分析的基础上,结合尺寸效应的理论基础,对不同厚度的SUS304不锈钢箔进行了单向微拉伸试验,分析探讨了尺寸效应对其力学特性的影响规律。结果表明,随着材料特征尺寸的减小,‘尺寸效应对材料的抗拉强度、伸长率有明显的影响。基于对微冲裁机理的分析,进行了微冲裁工艺的设计计算,并进行了凸、凹模的尺寸设计和可用于模具在线加工的异形件微落料模具的结构设计。通过对关键工艺参数的校核,结果显示将所设计的模具用于本冲裁机床可以满足异形微落料件的主要工艺要求。基于模具在线加工的方案,设计了机床的主要结构和机床加工的过程,由于提高了模具的制造精度、避免了模具装配误差,有望将微冲裁时凸、凹模的相对位置精度提高到1μm,这对保证冲裁间隙,提高加工质量有积极的作用。对机床关键零件进行了有限元静力学分析和模态分析,验证了机床关键零件满足机床的设计要求。针对将常规尺寸冲裁机床中送料、取件装置用于微冲裁机床时存在的结构复杂、体积较大、稳定性差等问题,论文设计了适用于微冲裁的送料系统和取件系统,可以实现微冲裁机床的自动化送料和自动化取件,对提高加工效率和生产安全性,实现微冲裁的产业化有积极意义。

关键词：微冲裁异形件冲压机模具机床辅具

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异形件微冲裁有限元分析与模具设计

异形件微冲裁有限元分析与模具设计

作者：雷洪珠大连理工大学

学位级别：硕士

随着产品微型化的发展,微型零件的需求量不断增加,微冲裁技术以其生产率高、材料损失少、加工质量好、工艺简单等优势,受到越来越多的重视。但是微冲裁成形过程中材料的变形复杂、微观塑性理论不成熟,对微冲裁的成形机理和工艺都还处于... 详细信息

随着产品微型化的发展,微型零件的需求量不断增加,微冲裁技术以其生产率高、材料损失少、加工质量好、工艺简单等优势,受到越来越多的重视。但是微冲裁成形过程中材料的变形复杂、微观塑性理论不成熟,对微冲裁的成形机理和工艺都还处于探索阶段,这制约了微冲裁技术的应用和发展。微小异形件用途广泛,但是其加工难度较大,并且针对异形件微冲裁的相关研究较少,论文以某微异形件为冲裁对象开展研究,对其加工过程进行分析,并设计出适用于该件加工的模具。为了探寻微冲裁加工的机理,首先对微成形加工中存在的尺寸效应现象进行了分析,从表面层模型和应变梯度理论两个方面来进行解释,再对冲裁过程进行研究,分析了尺寸效应对微冲裁的影响。分析发现：微冲裁中由于尺寸效应的存在,模具的几何尺寸和材料的特征尺寸都会影响微冲裁过程,进而影响到冲裁的工艺、模具、机床的设计,必须对微冲裁的尺寸效应进行研究。为了研究微冲裁中材料的特性,建立材料在微尺度下的本构模型,设计了一个薄板微拉伸试验,对不同厚度的试样进行拉伸。分析表明：随着板厚的减小,试验的重复性变差、材料的延展性先增加后减小、拉伸强度呈现先减小后增大的趋势。根据表面层模型和Hall-Petch公式,建立了考虑尺寸效应的材料本构模型。异形件微冲裁加工是一个复杂的非线性弹塑性及断裂变形过程,为了研究异形件微冲裁加工过程,利用有限元软件建立了某异形件微冲裁加工的有限元模型进行仿真分析。有限元分析结果表明：微冲裁与宏观冲裁加工变形过程一致,冲裁件的断面组成也与宏观冲裁类似;材料的尺寸参数(薄板厚度、晶粒尺度)和模具的几何尺寸(冲裁间隙、凹凸模刃口圆角)的改变都会引起尺寸效应,影响到微冲裁的冲裁力、断面质量。对这些影响的规律进行研究对微冲裁的机理研究、工艺设计及模具设计具有一定的指导意义。异形件微冲裁加工具有尺寸微小、形状特殊、冲裁件易变形等特点,对模具的设计有较高要求。论文基于有限元分析结果,再结合异形件冲裁的特点,对模具的冲裁间隙、凹凸模尺寸等参数进行优化和计算,设计出一套模具,并使用Creo软件进行三维建模和运动仿真,仿真中各部件运动良好,相对位置准确,各零件之间没有干涉,满足模具设计要求。论文的模具设计方法对指导异形件微冲裁的模具设计具有一定参考价值。

关键词：微冲裁本构模型有限元分析尺寸效应模具设计

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聚氨酯橡胶模具微冲裁关键问题研究

聚氨酯橡胶模具微冲裁关键问题研究

作者：马骥大连理工大学

学位级别：硕士

随着微机电系统的高速发展,仪器设备产品的微型化及其快速高精度制造成为目前的研究热点。微冲裁技术作为一种全新的塑性成形技术,具有成形精度高,生产效率高的特点,在航空航天、精密电子仪器、生物、医疗等领域都将得到广泛的应用。 ... 详细信息

随着微机电系统的高速发展,仪器设备产品的微型化及其快速高精度制造成为目前的研究热点。微冲裁技术作为一种全新的塑性成形技术,具有成形精度高,生产效率高的特点,在航空航天、精密电子仪器、生物、医疗等领域都将得到广泛的应用。聚氨酯橡胶冲裁技术经常用于板料厚度低于0.3mm的冲裁中,该类模具采用弹性体聚氨酯橡胶替代刚性的凸模或者凹模,因而降低了模具的制造成本,缩短了制造周期,同时其自身成形特点决定了冲裁件的表面质量良好。将该技术用于微小零件生产,将有效地降低生产成本,提高生产效率论文在分析研究聚氨酯橡胶冲裁模成形机理的基础上,归纳出聚氨酯橡胶冲裁模的设计要点。该类模具必须选用硬度在90A以上的浇注型聚氨酯,而且必须过盈安装在容框内,其压缩量量不应大于30%,容框应进行强度校核确保容框可以承受聚氨酯橡胶受压后所引起的胀力,磨具的压料方式也是决定冲裁能否成功的关键因素。针对具有微细结构特征微小零件的外形特点设计出微型模具,并对模具的承压能力和失稳弯曲应力进行校核。运用有限元软件ABAQUS/Explicit建立聚氨酯橡胶微冲裁模分析模型,对板料冲裁过程进行数仇模拟。建立T2的Johnson-Cook本构模型和断裂准则,建立三维几何模型,以均布载荷替代聚氨酯橡胶与板料的相互作用。分析了冲裁过程中板料的断裂规律,结果农表明微细结构直角处为最后断裂处;随冲裁速度的增加,板料受到的压应力也不断增大减小聚氨酯凹模高度,采用阶梯式压料,解决所得冲件微细结构部分不完整的问题。在小同厚度的T2薄铜制箔上冲制特征尺寸为100μm的微零件,且表而质量好。实验结果表明,冲件与模具之间存在尺寸差，模具尺寸小于冲件外形尺寸,随着板料厚度的降低,尺寸差减小,但是尺寸差与板料厚度的比值却在增大,说明材料在刃口处拉伸和弯曲变形越来越严重。

关键词：微冲裁聚氨酯橡胶冲裁模成形机理 T2铜箔本构模型