精冲工艺（通用5篇）
精冲工艺 篇1
1 前言
现行的精冲工艺由于其工艺原理和模具方式本身的先天不足,不能冲裁较厚材料和低塑性材料[1]。针对这些不足笔者提出了“闭挤式精冲工艺方法”并已获得2项发明专利授权。闭挤式精冲工艺方法是,通过在变形的过程中使坯料始终被限制在有限的模具型腔内,在变形区获得比强力压边精冲更强的三向压应力,提高变形区材料的塑形,可以实现精冲低塑性材料和厚板的目的。通过数值模拟,研究了不同外环填充率下材料内部应力分布,探讨了闭挤式精冲中应力应变状态变化规律,以利于工艺设计过程中的参数选择和优化。
2 有限元模型的建立
2.1 材料模型
模拟所使用的材料为YL12,选用厚度为10mm的圆柱形坯料,坯料直径分别为22mm,22.5mm,23mm,23.5mm,24mm,24.5mm。坯料设置为各向同性塑性体,通过板料标准拉伸实验获得的材料性能如表1所示。
在精冲变形中金属的真实应变很大,须对拉伸实验获得的数据进行部分修正,以获得大应变下的流动应力。由于精冲液压机下压速度较慢,可忽略应变速率、温度变化对成形的影响[2]。采用幂指数硬化模型σ=Bεn进行拟合(其中σ为真实应力,ε为真实应变,n为硬化指数,B为材料常数)。获得材料的流动应力方程为:
2.2 闭挤式精冲模拟建模
为了便于对该工艺进行研究,选取直径15mm的圆形工件作为研究对象。图1所示为有限元模型,采用DEFORM-2D软件进行分析,各部分模具设置为刚性体,模具单边间隙设置为0.01mm,凸、凹模圆角为0.2mm,对凸、凹模刃口间的坯料网格进行细化,副凹模压边力为200k N,反顶块反顶力为30k N,模拟进行的其余设置见表2。
2.3 断裂准则的选取
目前,国内外许多学者对齿圈压板精冲韧性断裂的数值模拟进行了研究,提出了多种断裂准则。迄今为止,最有效的预测金属成形过程中韧性断裂的方法还是通过研究材料的应力应变历史,建立合理的局部断裂判断准则[3]。在闭挤式精冲中,静水压应力是获得光洁断面的重要因素,在选取断裂准则时应考虑静水压应力对断裂的抑制作用。因此,文中采用的是brozzo断裂准则。表达式如下:
式中:σm——静水应力;
σ*——最大主应力;
——等效应变;
——断裂发生时的总塑性应变;
c——临界值,表征材料抗韧性断裂的参数。
3 模拟结果分析
3.1 变形区应力应变分布
在精冲变形区,静水压应力值越高,越有利于材料塑性的发挥,使材料不至于过早的断裂破坏,金属的极限变形程度也越大,加工面出现100%光亮带的几率就越高。
闭挤式精冲时,材料的变形分为两个阶段:一是外环区材料被副凹模和凹模挤压变形阶段;二是挤切区材料被凸模向下运动的挤剪阶段。图2所示为直径23mm的坯料外环挤压变形阶段完成时和凸模压入30%时的静水应力和等效应力分布。第一阶段结束时,在材料内部形成250MPa左右的静水压应力,在凸模下方达到550MPa以上。在第二阶段凸模压入材料的过程中,材料承受的静水压应力也达到了250MPa以上,其中最大静水压应力出现在凸模下方的材料内,达到769MPa,最小静水压应力出现在与凸模侧面接触的材料中。在整个过程中,静水应力达到了较高的水平,利于挤切的进行。
3.2 外环填充率对静水压应力的影响
3.2.1 主副凹模闭合时的静水应力
外环填充率指主副凹模闭合后,外环废料体积与外环腔体积之比,用来反映材料在主副凹模挤压下材料填充程度,以w来表示。
主副凹模闭合时,外环填充结束,此时所形成的静水压应力为后续的挤切提供了初始应力条件。图3和图4为在主凹模与副凹模闭合时,不同外环填充率的坯料中静水压应力和等效应力分布。材料内部的静水应力已经达到较高的水平,其中w=86%的材料所形成的静水压应力较小,w=98.5%时材料所形成的静水压应力较大,达到500MPa以上,此时的等效应力为250MPa左右。
以图3中不同外环填充率的坯料在挤切变形区中部(即凸、凹模刃口连线中点)的静水压应力作为特征值来描述整个材料的静水压应力水平,可获得图5所示的静水压应力与外环填充率之间的关系。在材料中所能形成的静水压应力与外环填充率相关,外环填充率越高,在材料中形成的静水压应力越大。
3.2.2 凸模压入时的静水应力
材料挤切区中的静水压应力随着凸模压入而衰减,当凸模压入深度较浅时,挤切区内的静水压应力变化较小,但随着凸模的不断压入,相对模具间隙增大,挤切区内的静水压应力开始出现明显衰减,压入量达到一定值时,挤切内的最大主应力转为正值。
图6为不同外环填充率的闭挤式精冲模拟中,最大主应力的分布。在外环填充率为86%的模拟中,凸模压入量63%时,出现静水压应力低于150MPa的区域,此时挤切区内最大主应力为90MPa左右的拉应力;而在外环填充率98.5%的模拟中,凸模压入量90%时的静水压应力仍然可以达到400MPa以上,最大主应力为压应力。通过提高外环填充率可以推迟静水压应力衰减的出现。
在闭挤式精冲挤切过程中,变形区材料的变形程度随凸模压入量的增加而增加,直到最后达到成形极限,出现塑性枯竭,产生撕裂。而静水压应力可以提高材料的塑性极限,延迟裂纹的生成和扩展。通过提高外环填充率,可以增大材料中的静水压应力并减弱静水压应力的衰减,成形所获得的光亮断面增加。图7所示为实验获得的不同外环填充率下的剪切断面。图中左侧为外环填充率86%、92%和95%压入量75%时的断面,此时断面上已经出现裂纹;右侧为外环填充率98%、98.5%和99.8%凸模完全压入时的断面,其中外环填充率98%的工件在断面最后部出现了一条微小裂纹,外环填充率98.5%和99.8%的工件为全光亮断面,此时工件和外环仍然没有分离。
3.3 闭挤式精冲时断裂的模拟
在整个精冲过程中,最大拉应力出现在凹模刃口下方。同时静水压应力在凹模刃口处出现较大的减小,甚至在外环填充率较低时,静水压应力在凹模内侧转为正值,而且材料在该处发生剧烈的流动,凹模刃口圆角底部是裂纹生成的危险点。
式(2)中的brozzo断裂准则将断裂认为是最大拉应力、静水压应力和等效应变的综合作用结果。通过采用不同断裂极限值进行模拟,并与工艺实验值之间的对比,发现断裂值取0.2时,数值模拟与物理实验结果较为接近。裂纹在凹模圆角底部生成,并沿着剪切变形区扩展,材料开始断裂。图8和图9为模拟结果与实验结果对比。
3.4 反顶力大小对变形区静水应力的影响
影响挤切变形区内静水应力大小的因素包括副凹模挤压力、反顶力和模具间隙等,通过提高反顶力可以获得更高的静水压应力,特别是可以提高模具圆角下方材料中的静水压应力,避免拉应力的出现,有利于精冲的顺利进行。如图10所示为反顶力100k N,凸模开始接触材料时的静水压应力分布。通过与反顶力为30k N时材料内静水压应力的对比,可以发现整个金属内部静水压应力明显增加。在外环填充率86%时,挤切变形区的静水压应力达到300MPa以上;外环填充率92%时,挤切变形区的静水压应力已经达到500MPa以上。
但是,反顶力不能太大。反顶力过大会使材料向凹模内流动阻力增大,造成金属向外环区流动,工件厚度减薄,并在挤切变形区内形成一定量的等效应变,减小了材料的塑性;此外,反顶力过大也会对模具造成较重的磨损。
4 结论
闭挤式精冲可以获得较高的静水压应力并降低静水应力的衰减。随着外环填充率的增加,所获得的静水压应力也越高,静水应力的衰减也越少,有利于低塑性材料和厚板材料精冲的进行。当外环填充率达到98%以上时,所获得的静水压应力可以使剪切断面为全光洁断面。采用brozzo断裂准则,断裂值为0.2时,可以预测该种材料在闭挤式精冲中的断裂。通过提高反顶力可以获得更高的静水压应力,有利于工件表面质量的提高。
参考文献
[1]涂光祺.精冲技术[M].北京:机械工业出版社,1990.
[2]Goijaerts A M,Govaert L E,Baaijens F P T.Prediction of ductile fracture in metal blanking[J].Journal of Manufacturing Science and Engineering,2000,(122):476-483.
[3]方刚,雷丽萍,曾攀.金属塑性成形过程延性断裂的准则及其数值模拟[J].机械工程学报,2002,12(38):21-25.
[4]邓明,孙成亮.低塑性厚板的精密轮廓对向凹模冲裁技术及应用[J].中国机械工程,2006,17(20):2179-2182.
《精冲技术与装备》一书即将出版 篇2
精冲是通过控制冲压变形区的应力和塑性状态进而实现产品精密成形的先进制造技术,精冲技术是国际塑性成形技术的重要发展方向。
华林教授团队长期从事塑性成形技术与装备教学科研工作,21 世纪以来在精冲技术领域进行了深入研究,先后承担了多项精冲理论与技术研究课题,与多家企业合作开发了机械汽车零部件精冲技术、复合精冲技术以及系列精冲装备,在生产应用中取得了显著的技术经济效益和社会效益,有力促进了我国精冲技术应用发展。
精冲工艺 篇3
精密冲裁为板料发生塑性剪切流动的过程, 它在压力机的一次行程中便可以得到冲裁面光洁 (光亮带可达90%以上) 、尺寸精度高 (IT7~IT11) 、翘曲小且互换性较好的优质零件[1,2,3,4,5], 通常根据加工材料厚度而将4 mm及其以上的板料冲裁视为厚板冲裁。由于精冲的模具间隙较小 (通常为料厚的0.5%~1%) 以及冲裁过程中的摩擦力与热效应等因素使得厚板精冲模具的工作条件极其恶劣, 从而加速了模具的磨损, 而模具的磨损会对冲裁件的质量产生影响。随着精冲件向着精、厚、硬、大的方向发展, 人们高度重视精冲模具的寿命, 而降低精冲模具的磨损是提高模具寿命的有效途径。本文借助有限元软件对精冲凸模的磨损进行数值模拟, 研究工艺参数与精冲凸模磨损之间的关系, 从而指导精冲模具的设计评估与优化, 以期降低企业的生产成本。
1 有限元模型的建立
1.1 几何模型
本文利用DEFORM-2D软件对5 mm厚的AISI1010板料的精冲过程进行仿真, 模拟过程分为两步:首先, V型齿圈压板压住板料;其次, 在齿圈压板及顶件板上分别施加压边力及反压力, 且凸模向下运动完成板料的精冲过程。在精冲的模拟中, 板料的半径Rw为40 mm, 凸模半径Rp为25 mm, 凸模圆角半径Rt为0.15 mm, 凹模半径Rd为25.025 mm, 凹模圆角半径Ra为0.3 mm, 摩擦因数为0.08, 齿边距L为3.5 mm, 冲裁速度为10 mm/s, 断裂准则选用Normalized C&L, 齿形角为45°。板料设置为塑性体, 凸模、凹模、顶件板以及齿圈压板均设置为刚性体。此外, 对凸模与板料接触的区域进行局部网格细化, 单元类型为四节点等参单元, 板料的网格数量为8000, 凸模的网格数量为6000, 硬度设置为58HRC。
1.2 材料模型
在厚板精冲凸模磨损的模拟中, 凸模的材料选用DEFORMM材料库中的AISI-D2, 板料选用AISI1010, 弹性模量为2.1×105MPa, 泊松比为0.3, 其本构模型为[6]
式中:为流动应力;为等效应变;为等效应变速率;T为温度
2 有限元模拟结果的分析
2.1 精冲凸模磨损过程分析
图2 为不同行程时的精冲凸模磨损深度, 由图2 可知:厚板精冲过程中, 由于受到凸模侧壁与板料之间的摩擦作用, 凸模的磨损主要表现为侧壁磨损;然而凸模端面的磨损并不明显, 这主要是由于受到顶件板的作用所致。此外, 随着凸模行程的不断增加, 精冲凸模的磨损深度由1.78×10-6mm增加至1.05×10-5mm, 且最大磨损值出现在凸模刃口圆角附近。
2.2 模具间隙与精冲凸模磨损的关系
模具间隙对冲裁件的表面完好率及模具寿命具有极其重要的影响, 本文将模具间隙分别设置为0.6%t、0.7%t、0.8%t、0.9%t、及1%t (t为板料的厚度) 进行仿真, 得出模具间隙与精冲凸模磨损深度之间的关系曲线如图3 所示。由图3 可知:随着模具间隙的增大, 精冲凸模的磨损深度呈现逐渐减小的趋势。分析其原因为:当模具间隙较小时, 变形区内的静水压应力值较大, 材料的塑性得以发挥, 从而抑制了裂纹的产生, 加速了凸模的磨损。而当模具间隙较大时, 变形区内的静水压应力值变小, 凸模刃口及其侧壁的压力得以降低, 从而减少了精冲凸模的磨损, 延长了模具的使用寿命。此外, 根据金属损伤理论可知[7,8]:当模具间隙较大时, 板料损伤累积的情况越严重, 使得材料断裂时的凸模行程较短, 并降低了冲裁件的断面质量。因此, 厚板精冲模具间隙的选择需要综合考虑模具的磨损与冲裁件的断面质量等因素。
2.3冲裁速度与精冲凸模磨损的关系
冲裁速度不但对生产效率产生影响, 而且过大的冲裁速度会产生温度效应而影响材料的塑性, 从而加剧模具的磨损。本文选取冲裁速度分别为10 mm/s、15 mm/s、20 mm/s、25 mm/s及30 mm/s进行精冲凸模磨损的研究, 得出的冲裁速度与精冲凸模磨损深度的关系曲线如图4 所示。
由图4 可知:随着冲裁速度的增大, 精冲凸模的磨损深度呈现逐渐增加的趋势。分析其原因为:冲裁速度的增大导致温度增加, 而温度的升高会降低模具表面的硬度, 从而降低模具的耐磨度。此外, 凸模的磨损量与凸模的硬度成反比。因此, 精冲凸模的磨损深度随着冲裁速度的增加而增大。
2.4 凸模圆角半径与精冲凸模磨损的关系
适合的凸模圆角半径可以改善模具刃口处的应力状态, 并且使得刃口的强度与耐磨性得以增强。在其它参数保持不变的情况下, 本文选取凸模圆角半径分别为0.05 mm、0.1 mm、0.15 mm、0.2 mm及0.25 mm研究凸模圆角半径与精冲凸模磨损深度之间的关系, 得出的曲线如图5 所示。
从图5 中可以看出:精冲凸模的磨损深度随着凸模圆角半径的增加而增大。分析其原因为:凸模圆角半径的增大增强了冲裁变形区的静水压应力, 使得材料的塑性得以发挥, 从而加剧了精冲凸模的磨损。此外, 随着凸模圆角半径的增大, 凸模与板料的接触面积减小, 其使得接触压力增大, 然而凸模的磨损量与压力成正比。因而精冲的磨损量随着凸模圆角半径的增加而增大。
3 结语
本文采用有限元软件对厚板的精冲过程进行数值模拟, 研究了工艺参数与精冲凸模磨损深度之间的关系, 得出以下结论:1) 厚板精冲凸模的磨损主要表现为侧壁磨损, 而凸模端面由于受到顶件板的作用, 其磨损并不明显。2) 精冲凸模的磨损深度随着模具间隙的增大而逐渐减小, 而随着冲裁速度以及凸模圆角半径的增加, 精冲凸模的磨损深度呈现逐渐增大的趋势。
摘要：以5 mm厚的AISI1010板料为研究对象, 利用DEFORM-2D有限元软件对其精冲过程进行数值模拟, 分析了精冲凸模的磨损过程, 研究了模具间隙、冲裁速度以及凸模圆角半径与精冲凸模磨损深度之间的关系, 研究发现:精冲凸模的磨损深度随着模具间隙的增大而逐渐减小, 而随着冲裁速度以及凸模刃口圆角半径的增加, 精冲凸模的磨损深度呈现逐渐增大的趋势。数值模拟的结果对于精冲模具的设计与优化具有重要的指导意义。
关键词：厚板精冲,数值模拟,凸模磨损,模具间隙
参考文献
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精冲工艺 篇4
关键词：机器视觉,精冲零件,图像处理,缺陷检测
0 引言
随着精冲技术的不断发展，精冲成形由于其优质、高效和低耗的特点，在航空航天、机械、汽车、电子和军工等领域得到了愈来愈广泛的应用。以汽车产业为例，采用复合精冲成形技术生产的变速换挡机构总成，座椅调角器总成，发动机链轮、端盖等精密零部件得到广泛应用。目前，美、德、日等发达国家，一辆小轿车上一般至少有100个零件采用精冲件，有的甚至达到200个精冲件[1]。
零件在大规模生产中难免会产生缺陷，而目前对于精冲零件的缺陷检测绝大多数使用的是传统的人工抽样检测的方法，这种方法不仅效率低下，而且容易出错，不适宜现代智能化制造的发展要求。对于精冲零件的断面特征，主要包括塌角、光亮带、撕裂带和毛刺，我们希望得到的精冲零件能获得100%的光亮带但实际生产中很难得到全光亮带，断面上通常容易产生撕裂带，但只要撕裂带控制在一定的比例以下，不影响零件的使用要求，也可认为是合格产品，这样无疑增加了人工检测的难度。
如今随着计算机互联网技术的不断发展，智能化生产的概念得到了广泛的普及，机器视觉技术在智能化生产中有着广阔的应用前景，并可成为精冲零件缺陷检测的主要方法。机器视觉使用机器来代替人眼进行传统的检测和判断，提高了生产线的自动化和智能化程度，大大提高了生产效率和生产的自动化程度[2]。而且机器视觉易于实现信息集成，是基于计算机实现智能化生产的基础技术[3]。目前机器视觉技术已广泛应用在：PCB板自动检测[4]、汽车车身焊接检测以及基于模型的视觉检测等领域。典型的机器视觉系统主要包括CCD相机、光源、镜头、图像采集卡、计算机等设备。
为了提高精冲零件生产效率，促进精冲成形智能化制造，本文提出了一套基于机器视觉的精冲零件断面缺陷检测系统。该系统由硬件系统和计算机软件系统系统两大部分组成，通过图像采集设备获取精冲零件断面信息，再通过图像处理提取零件断面缺陷信息。在缺陷检测的过程中，本文根据撕裂带的高度来判断零件是否合格，并取得了较好的效果。
1 精冲零件断面缺陷检测系统硬件构成
相机是机器视觉系统的核心部件，相机的选择一般考虑分辨率、灵敏度、信噪比和成本等因素，本系统根据检测的精冲零件，选择面阵黑白CCD相机。
设传送带移动速度为v米/秒，相机的最大采集速度为p帧/秒，零件长度为L，高度为H，相机视野为A×B，相机分辨率为C×D，规定的检测速度要求至少为n个/秒，每个零件的检测时间为t，则相机在拍照过程中零件移动的距离为：
以上参数的选择需满足以下两个条件：
1）每个零件的检测时间需小于技术规定的时间，即t<1/n;
2）相机在长度方向的视野需大于零件前进的距离和零件的长度之和，即A>△L+L;
系统以常见的精冲零件—变速器换挡拨叉为例，长度L=115mm，高度H=10mm，并要求检测速度为10个/秒，相机的采集速度为50帧/秒，由上述两个条件可得：
现场环境不考虑干扰物的情况下，相机视野A×B可选为150mm×40mm，我们规定系统的检测精度为0.1mm，所以相机的分辨率为：
即相机至少要保证625×200的分辨率才能满足精度为0.1mm的检测要求，分辨率越高检测效果越好，但考虑到成本因素，选择640×480的分辨率的相机即可。
光源的选择对机器视觉缺陷检测有很大的影响，本系统选择常用的LED光源，LED光源因其能耗低，可靠性高，价格便宜，广泛应用在机器视觉系统上，同时光源要保持稳定、色质要均匀[5]。
光电开关是整个系统的主要控制部件之一，系统中相机的拍摄时间通过光电开关来控制，当零件在运动过程中触发光电开关时，光电开关将信号传递给计算机，计算机控制相机进行拍照。光电开关将发射端和接收端光的强弱变化转变为电信号，按型号可分为：漫反射式光电开关、镜反射式光电开关、对射式光电开关等[6]，本系统采用一组对射式光电开关。调整光电开关在检测线上相对时间，可以调整被检测零件在照相区域的相对位置和大小，因此合理布置光电开关的位置，使被检测零件正好在相机成像区域的中间。为获得良好的拍摄效果，我们将光电开关安装在相机的前方，当零件运行过程中遮住光电开关的光路时，光电开关将信号传递给计算机，计算机控制相机进行拍照，整个系统的原理如图1所示，(a)为原理图，(b)为简易的试验装置，本文后续的处理图片都由此装置所得。
2 图像采集
图像的采集模块是整个系统运行的关键模块之一，完成零件运动过程中表面缺陷的采集工作，不稳定的图像采集质量会影响最后的检测效果。为获得良好的采集效果，除了保证良好的光源效果外，还需要设置合适的相机参数，如曝光时间、相机的打开和关闭时刻等。
本系统中图像采集使用Labview中的NI模块对相机进行控制，控制参数主要有打开相机、配置相机参数、单次拍摄或连续拍摄、关闭相机等。相机在拍摄过程中，零件是在传送带上运动，为防止图像出现“拖影”现象，我们需设计较小的曝光时间。相机的增益表示CCD感光元件的感光速度，增益越大，感光能力越强，对曝光的时间需求越小。在实际使用过程中，增益越小，图像的细节表现的越充分，增益越大，图像亮度越大，但噪点也随之增多，图像质量会变差，增益参数的设置需综合考虑相机的参数和检测需求。
3 图像处理
相机将拍摄的零件图片传递给计算机，计算机再进行图像处理，来判断零件是否合格。常见的图像处理技术包括图像分割、图像滤波、图像二值化等。本系统的流程如图2所示，首先相机拍照，然后计算机进行预处理，对可疑零件进行后处理，最后判断零件是否合格。
零件在大批量生产过程中难免会出现缺陷，但大部分零件是合格的，如果对生产的所有零件都进行整套的检测流程，必然会影响检测效率。本系统首先进行预处理流程来剔除大部分合格的零件，对有可疑目标的零件再进行后处理流程，最终判断零件是否合格。
3.1 图像预处理流程
相机拍照传递给计算机后，计算机首先对零件图像进行预处理，以判断零件是否合格，若零件有可疑目标，则需计算机对零件图像进行后处理来判断零件最终是否合格。本系统的预处理流程主要包括：图像分割、图像滤波和增强、边缘检测。
相机拍摄的一幅照片中，零件往往只占其中的一小部分，而如果将整个图片都进行图像预处理，将极大增加计算成本和硬件投入，所以首先需使用图像分割技术提取图像中的主要目标。如图3所示，当零件在传送带上运动，相机对零件进行拍照时，零件只可能会出现在图像的中间区域，而上下两个区域都是无效的，仅对有零件的区域进行图像处理技术即可。因此，可在检测程序配置摄像头的时候进行图像有效区域预先标定，选出传送带上零件可能出现的区域，在检测程序开始工作后，每获取一张照片，就通过预设的有效区域范围对照片进行截取，这可将500万像素的图像截取到100万像素以下，从而极大地提高识别速度，减少消耗时间，提升效率。
为获得良好的检测图像，消除外在因素的影响，我们需对图像进行滤波处理。目前常用的滤波方法分空域滤波和频域滤波，空域滤波是在图像空间中借助模板进行领域操作完成的，根据操作特点可分为线性滤波和非线性滤波，根据滤波效果又可分为平滑滤波和锐化滤波[7]。目前常用的空域滤波主要是中值滤波，它是一种去除噪声的非线性滤波方法，其基本原理是把数字图像或数字序列中一点的值用该点领域中各点的中值代替，设输入序列为{xi,i∈I}，I为自然数集合或子集，则滤波器的输出如式(3)所示：
式中，i∈I,n为窗口长度，u=(n-1）/2。
中值滤波是非线性运算，可以有效的抑制椒盐噪声，但对高斯噪声的抑制效果并不理想，但与线性滤波相比，中值滤波可以保护图像边缘，便于后面的边缘提取[8]，故本系统采用中值滤波，图4为滤波后的效果，经滤波后零件断面上一些细小的噪点得以去除，图像质量得到了明显的改善。
边缘检测技术对于数字图像处理非常重要，本系统的预处理流程就是根据边缘提取后的零件图像来剔除掉大部分合格的零件，良好的边缘检测效果可以大大提高检测效率。精冲零件图像的边缘主要包括零件的轮廓、毛刺、撕裂带等特征，目前主要的边缘提取算法有Roberts,Sobel,Prewitt,Laplas以及Canny算法[9]，下面主要介绍Sobel和Canny算子的优缺点，并选取适合本设计的边缘检测方法。
Sobel算子是经Prewitt算子改进得出的，主要方法是将与中心像素距离较近的点的权值加大，与中心像素距离较远的点的权值减小，表达式如下所示：
Sobel算子的两个卷积计算核分别为：
利用上述两个矩阵分别为x、y方向卷积模板，由此可推出图像中每个点的梯度幅值的数学表达式为[10]:
Sobel是一组方向梯度算子，从不同的方向检测边缘，并不是简单的求平均再差分，而是加强了中心像素上下左右四个方向的权重。Sobel算子首先对图像进行了平滑处理，具有一定的抑制噪声的能力，通常对灰度渐变和噪声较多的图像处理的较好，但不能排除检测结果中出现的虚假边缘[11]。
从图5可以看出，Sobel算子能得到较好的边缘检测效果，本文采用Sobel算法检测边缘信息，得出的轮廓比较清晰规则，没有伪边缘产生，但Sobel得出的图片效果较暗，所以对一部分有可疑目标的零件，我们还需要进行图像后处理操作。
对于一个精冲零件，它的断面主要包括光亮带、撕裂带、塌角和毛刺。正常的精冲零件断面难免会出现撕裂带，但只要断面撕裂带的垂直最大高度占断面高度的百分比不超过一定数值时，仍认定零件是合格的。本系统预处理流程将边缘检测后的图片进行处理，判断零件断面是否有撕裂带。
首先需从图像中提取轮廓信息，为确定工件位置，需先提取左右轮廓。先遍历图像上所有的点g(i,j)，找出图像中最左和最右侧的点进行左右轮廓提取。设最左侧和最右侧的点一次为左上点为p1(x1,y1)，左下点位p2(x2,y2)，右上点为p3(x3,y3)，右下点位p4(x4,y4)。则x1=x2为最左端出现的点，x3=x4为最右端出现的点。之后遍历i=x1上所有的点，找到最高点为y1，最低点为y2，其中若y2-y1的长度小于50像素，说明找到的i=x1是伪边缘，则放弃i=x1继续向右寻找，知道找到为止。经过处理，得到的左右边缘如图7所示。
提取出左右边缘后，根据左右边缘处点的坐标，可以去除掉轮廓边缘，剩下的既是缺陷。如果轮廓边缘内含有明显的撕裂带边缘信息，则判定零件为可疑零件，需进行图像预处理；若没有明显的撕裂带边缘信息，则直接判定零件合格，删除图像，不需要进行后处理流程。由于精冲机的加工特性，零件表面可能会残留竖纹状表面痕迹，但这不属于缺陷范围，在高灵敏的图像识别过程中可能被记录，所以要剔除这部分轮廓带来的干扰。
3.2 图像后处理流程
图像进过预处理流程后，能排除掉大部分合格的零件，但仍有一小部分图像不能判断零件是否合格，此时需要更精确的后处理流程。图像经过后处理流程后，能检测出其中有缺陷的零件，并对有缺陷的零件，检测出其缺陷的位置、撕裂带的高度其面积的大小。
将灰度图像进行阈值分割可以得到二值化图像，二值化可将图像中目标（本系统中目标为零件表面缺陷）从背景中分离出来，从而得到目标的形状、位置等重要特征。
在二值化图像中通常用像素1或像素255来代表物体，用像素0来代表背景。图像二值化的核心是确定一个合适的灰度值T或灰度区间来作为阈值，以此来分割图像，如下式所示：
上式中T的选取直接影响分割效果。如果T选取的过大，则会使目标旁边产生一些细小的黑斑；如果T选取过小，则会将零件轮廓显示出来，影响检测精度。如图8所示为二值化后的图像。
通过合理的二值化，可以将零件表面缺陷从背景中提取出来，接下来可以使用粒子分析的方法，去除掉其中图像中可能存在的噪点，并推算出缺陷的位置、面积等特征。去除多余粒子，提取出的缺陷图如图9所示。
4 实验结果与分析
本文使用常用的精冲零件—汽车变速器换挡拨叉为例进行试验，使Labview作为软件平台进行试验，并结合MATLAB计算撕裂带高度及其面积。
预处理之后，对于表面有可疑目标而无法判断的零件，需进行后处理流程。后处理流程首先对图像进行二值化，把图像的背景与目标分离出来，本文结合图像的灰度直方图确定阈值范围，二值化后零件表面的缺陷从背景中分离了出来，效果较理想。二值化后，就可以利用粒子分析功能来计算表面缺陷的特征，如缺陷面积、位置、撕裂带最大垂直高度等。将这些数据做统计分析，对实际生产具有很好的指导意义。图10是将表面缺陷特征用矩形框选出来，表1是以常见的精冲零件—变速器拨叉为例得出的缺陷撕裂带最大垂直高度和面积。
表1只列举了几个比较大的缺陷特征，从表1中可知，精冲零件断面各缺陷信息，而该拨叉凸台高度约为102个像素值。由于该断面不是零件的主要工作面，允许的撕裂带占比为30%，固可判断该零件合格。
5 结束语
本文以汽车上常用的精冲零件为例，将机器视觉技术应用在精冲零件断面缺陷检测技术上，设计了整个机器视觉系统的工作流程，通过对零件图像的采集和处理，计算出拨叉的高度和断面缺陷撕裂带面积和最大垂直高度，进而能判断零件是否合格，实验证明取得了良好的效果，并且本系统具有很好的柔性化程度，可以应用在各种不同的生产线上，对实现精冲成形智能化制造具有重要意义。
参考文献
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精冲工艺 篇5
数值模拟是随着电子计算机发展而迅猛发展起来的一种现代计算方法,广泛应用于工程计算[1,2]。上世纪70年代,数值模拟就已经出现在金属塑性加工领域[3],解决了很多传统方法难以解决的材料成形工程问题。为此,大部分工科院校都开设了材料成形数值模拟与优化课程,旨在培养掌握用有限元法解决材料成形实际问题的实用人才。然而由于材料成形数值模拟技术涉及力学分析、数值方法、模拟软件、专业知识等交叉学科知识[4],使得初学者难以理解和掌握,加大了本课程教学难度。
钢背是汽车制动刹车系统中极为重要的一个零件,其质量的好坏直接关系着汽车的制动效果[5]。目前钢背主要采用精密冲裁工艺生产,然而精密冲裁过程非常复杂,经历了弹性变形、塑性变形、剪切断裂甚至撕裂,因此常用有限元方法研究分析精冲过程。
1 数值模拟过程教学
1.1 理论分析
用有限元法解决材料成形工程问题其本质是建立实际工程模型,导入有限元模拟软件,按照由材料成形理论建立起来的计算方法对其模型进行虚拟计算及记录整个过程,并对其模拟结果进行分析和处理。不同的材料成形理论,其计算方法也不一样,所得到的模拟结果也不同。因此,模型建立成功与否、计算方法是否正确直接决定着模拟结果正确与否,是用有限元法解决实际问题的关键步骤。
有限元法就是对研究对象分割成有限个单元格,其单元格体积越小、数量越多,则模拟结果越具有真实性。因此必须对研究对象划分网格,对于特殊情况还须细化网格,使得模拟结果更具有真实性。单元格在成形过程中的数值计算的基础是材料的本构关系,为此要对材料进行数值模拟必先建立该材料的本构关系。由于大部分有限元模拟软件都自带含有已经建立了本构关系的常用材料库,用户可以直接选择材料,因此很多初学者对于材料的本构关系不以为然。为了让学生知其然并知其所以然,此阶段教学必须着重强调研究对象的网格划分及材料的本构关系。
1.2 钢背精冲模拟过程分析
利用pro/E三维制图软件建立钢背精冲工艺模型并存以STL格式导入Defrom-3D有限元软件。随后,在Def ro m-3D前处理界面对钢背精冲过程划分网格、施加边界条件、定义材料参数、设定模拟条件。由于精冲过程是一个剪切断裂变形过程,因此网格必须进一步细化,否则模拟结果失真,其网格细化效果如图1所示,最小网格尺寸达0.21mm。
2 数值模拟结果分析教学
2.1 理论分析
利用有限元法解决工程问题,其核心在于对模拟结果进行分析,并得出相关结论,以便指导解决实际问题。有限元模拟软件在对研究对象进行数值计算时,记录了研究对象应力应变、金属流动、模具载荷、温度传递的变化过程以及研究对象每步的成形过程。通过有限元模拟软件后处理界面,可以查看并分析模拟结果。
然而,很多初学者面对模拟结果,不知道从何分析、如何分析,以至于人云亦云、东施效颦。模拟结果分析一般从两个方面切入,即宏观分析和微观分析。宏观分析是指研究对象最终成形结果是否达到了预知的效果,如型腔是否充满、形状是否达标、断面有无毛刺;微观分析是指从研究对象的应力应变、金属流动、模具载荷、温度传递变化情况来分析材料在成形过程中微观组织所发生的变化。因此,在课程教学时,必先引导学生从理论上理解模拟结果分析,以便学生知道从何分析、如何分析模拟结果。
2.2 钢背精冲断面质量分析
断面质量是衡量精冲质量的重要指标,光亮带越多、毛刺越少,则精冲质量越好。钢背精冲断面质量如图2所示,钢背光亮带约3.5mm、毛刺约1.5mm。此精冲质量基本上满足钢背断面质量要求,但是对于高级车,精度要求较高的钢背质量,则光亮带不满足要求。此时须通过微观分析,找出原因,继而改变模拟参数再进行模拟。
2.3 钢背精冲静水压力分析
静水压力是精冲过程中极为重要的影响因素,静水压力的大小直接影响着精冲质量的好坏。钢背精冲过程中的静水压力如图3所示。钢背精冲过程中静水压力最大值在钢背与板料发生分离时达到最大,说明此时拉应力比较明显;静水压力最小值在钢背刚下压时达到最小,说明此时压应力比较明显;当钢背与板料分离后,静水压力最大值急剧变小而最小值没有太大变化,说明钢背和板料分离后受到的拉应力变小,压应力无明显变化。
3 结论
用有限元法来解决材料成形过程的实际问题是材料成形学科未来发展的趋势,材料成形学子务必掌握有限元法。通过本文叙述,得出以下两点结论:
3.1 在使用有限元法时必先理解和掌握材料的成形理论,不同的成形理论将得到不同的模拟结果。继而根据成形理论设定正确的模拟参数,如网格优化、边界条件、材料参数、模拟条件。
3.2 分别从宏观及微观的角度对模拟结果进行分析,得出相应的规律和结论。进而将规律或结论与理论知识有机结合,最终指导解决材料成形过程中出现的实际问题。
参考文献
[1]孙永刚.有限元基础教学的探索[J].科技信息,2010,24
[2]王文静.“有限元方法及软件应用”课程教学改革实践探索[J].中国科技信息,2005,2(24)
[3]刘建生,陈慧琴,郭晓霞.金属塑性加工有限元模拟技术与应用[M].冶金工业出版社.2003,10～11
[4]王梦寒,周杰.材料成型CAD/CAE/CAM课程教学改革[J].重庆工学院学报,2007,(09)