CN102672059A

CN102672059A - 根据仿真冲压工件厚度确定出模具凹凸模修改型面的方法

Info

Publication number: CN102672059A
Application number: CN2011100632741A
Authority: CN
Inventors: 申光举; 陈卓; 张伟; 刘迪辉; 李光耀
Original assignee: Chongqing Changan Automobile Co Ltd
Current assignee: Chongqing Changan Automobile Co Ltd
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2031-03-16
Also published as: CN102672059B

Abstract

本发明提出一种根据仿真结果确定非等厚模具间隙量的方法。该方法根据有限元仿真后的冲压零件的厚度分布，以及冲压零件上各局部的法向受力情况，以及冲压工件的几何尺寸要求，确定出凹模或凸模的修改型面。通过修改后的凸凹模型面，能够保证在冲压行程末，成型零件与上下模面都贴合。采用本发明，根据修改后的凹凸模型面加工，能够缩短修模时间，提高冲压零件表面质量，控制零件回弹，尤其是外覆盖件零件的产品质量和高强度钢板零件回弹控制效果显著。

Description

根据仿真冲压工件厚度确定出模具凹凸模修改型面的方法

技术领域

本发明涉及薄板冲压成型领域，具体为一种根据仿真冲压工件厚度确定出模具凹凸模修改型面的方法。

背景技术

汽车外覆盖件冲压零件的表面质量要求高，不允许出现表面面畸变发生，并且冲压件的表面特征线要清晰明显。这些面畸变现象包括：鼓包、凹坑、微起皱等。表面特征线是车身外覆盖件上的几何特征，对表现汽车的美观性和个性有重要作用。不管是表面面畸变问题还是冲压件表面特征线，都与冲压末凹凸模模具间隙有很大关系。

冲压模具的凹凸模间隙一般是采用等厚度设计的，凹凸模间隙等于板料的理论厚度。在成型末，零件由于受到塑性变形，板料的厚度发生改变，这样在成型后期，并不能保证凹凸模模具型面与零件接触，实际工件与凹凸模的接触情况可能如图1所示，图中

Figure 2011100632741100002DEST_PATH_IMAGE001

为板料的原始厚度，

为该部位的实际厚度。为了满足模具与零件的贴合关系，需要通过手工反复修模，修改模具型面。因为上模一般悬在空中，主要通过修改模具下模型面，以达到零件接触的目的。这种方法的工作量大，并且难以达到较高的几何精度要求。这是很多模具公司都不具备外覆盖模具制造能力的原因之一。

基于有限元理论的冲压仿真分析技术比较成熟，在预测零件的拉裂和起皱方面，有一定的精度。冲压仿真中成型件的厚度分布也有一定精度。

为了提高冲压零件表面质量和尺寸精度，成型末期冲压零件一般应与凹凸模模具型面完全贴合。凹凸模模具间隙一般采用等间隙处理，凹模与压边块之间的一般也加工为等间隙。等模具间隙在经过模具调试后，经过多次修模，变成非等模具间隙。

本发明基于零件冲压仿真结果中的厚度分布，确定出修改的凹模或凸模型面，在保证产品的表面质量的前提下，使成型末期凹凸模模具的准确贴合状态，可减少修模时间，更容易保证冲压工件质量。

发明内容

本发明一种根据仿真冲压工件厚度确定出模具凹凸模修改型面的方法。

本发明的技术方案如下：

本发明的步骤如图2所示：

（1）对冲压过程进行仿真，优化工艺参数，解决常规出现的工件质量问题，如起皱和拉裂现象等，输出仿真工件的单元节点及其厚度分布等。

（2）确定出冲压工件的理论中心面，理论中心面是在模具完全闭合，凹凸模型面之间的中心面。对中心面进行单元网格划分。

（3）根据网格映射原理，确定理论面网格上的厚度分布。（4）根据冲压工件尺寸要求，以及理论中心面与工件仿真网格的位置关系来分析工件单元与模具的接触状况。

（5）以理论面网格为基础，在工件只与凸模或只与凹模接触的情况下，与模具接触面的偏移量为0.5个原始板厚，另一面的偏移量为实际厚度减去0.5个原始板厚，这样得到冲压工件的上表面和冲压工件的下表面。在其它情况时，上下偏置0.5个实际厚度。

（6）把零件的上表面或下表面作为凹模型面或凸模型面。这些型面由网格节点构成，需要采用其它方法来生成凸模和凹模的几何型面，以便于数控加工，消除一些数值误差。

本发明设计到几项关键技术的解决如下：

（1）工件与凹模或工件与凸模的接触判定

工件在冲压过程中厚度变化，在某个工件局部可能出现的接触情况包括：（i）工件只与凸模接触，(ii)工件只与凹模接触，（iii）工件同时与凹模和凸模接触，（iiv）工件即不与凸模接触也不与凹模接触。

在有限元接触算法中，法向力是根据单元穿透量来确定的。法向力的计算见公式（1）所示。

（1）

其中，

为穿透量

Figure 2011100632741100002DEST_PATH_IMAGE005

为比例系数

从公式（1）可看出，法向力与接触穿透量成正比，法向接触力越大，接触穿透量也越大。在拉深工序仿真中，出现的典型接触穿透现象如图3所示。零件两端受到向上的拉伸力作用，对凸模有向上的法向作用力，出现了工件与凹模传透。

出现接触穿透后，工件仿真网格会偏离其理论中心层。所谓理论工件中心层，是指板料变形后还是等厚，是工件的中心层。通过仿真中心层和理论中心层的比较，就可判定板料局部的变形情况。理论中心层这里做离散处理，通过判定仿真中心层的每个点在理论中心层曲面的上方还是下方，比较的原理可如图3所示。

仿真中工件的单元网格采用的是工件中心面。通过仿真型面与理论型面的关系，来判断工件与模具的接触关系，判断的原理如图5所示。在图5中，可假定带阴影的一面为凹模，那么图5(a)中，工件与凹模接触（情况i）；图5(c)中，工件与凸模接触（情况ii）；图5（b）中，工件可能出现工件同时与凸模和凹模接触或不接触（情况3或情况4）。

数学上的处理采用下面公式处理

(i) 单元所在的平面，以单元中心

为原点，单元坐标系XY构成平面。这个平面数学采用下面公式来表示：

Figure 2011100632741100002DEST_PATH_IMAGE007

（2）

其中，

为单元坐标系Z轴的3个量。

(ii) 法向以单元中心

Figure 2011100632741100002DEST_PATH_IMAGE009

为原点，单元坐标系Z轴(

)构成曲线。曲线可采用公式（4）~（6）来表示。

Figure 2011100632741100002DEST_PATH_IMAGE011

（3）

（4）

Figure 2011100632741100002DEST_PATH_IMAGE013

（5）

(iii) 对任意一点

，其在单元XY面上的垂足为（），通过求解参数

判断点在面的法向方向或是相反。

（6）

（7）

（8）

把这三个方程，带入到公式（2）时，就可求出

（9）

（10）

求出这个点后，在判断向量方向。

判断

，就可以判断其方向。

，与单元坐标系Z轴方向相同

，与单元坐标系Z轴方向相反

（2）理论中心层单元厚度分布

为了评价工件与凹模或凸模的接触情况，这里需要引入工件理想中间面的概念。这里采用的发明人提出的网格映射方法。通过程序，查找出每个模具网格所对应的零件上的网格，这样的网格可能有多个。模具网格与零件网格的对应关系如图6所示。

通过其几何位置的对应关系，查找出相交的单元，采用公式（11）计算出单元的厚度。

（11）

其中，

为与其相交单元的个数

为单元

与模具相交的面积

为单元

与模具相交单元的厚度

为单元与的面积

(3) 基于零件表面尺寸精度的要求，来确定出模具上可更改的部位

在冲压模具中，工件与模具的接触情况的基本示意图如图7所示，工件某些部位与凸模接触，某些部位与凹模接触。由于工件的厚度与毛坯的厚度有所差别，并且工件上各部位厚度是不均匀的。冲压工件提出尺寸精度要求时，一般只提工件外表面尺寸精度或工件内表面尺寸精度。在图7的情况下，如果要求外表面精度，那么凹模的尺寸不能修改，工件与凸模接触的部位一定要修改。工件与凸模不接触的部位可修改也可不修改。

对如图7所示的接触情况，模具修改情况可总结为表1所示。通过前面的工件与模具接触分析方法，分析出接触情况。按照表1就可确定模具需要修改的部位。

表1 模具修改部位

表1中“是/否”表示修改可以，不修改也可以，因为零件表面受到张力，这些部位可修改也可不修改。凹凸模间隙修改后，应该只对成型末有影响，对成型过程中有影响的区域，应该谨慎处理。更详细的讨论不在本发明范围。

（4）单元节点偏置算法

（i）模具表面单个单元偏置量的处理

处理上下表面接触状况的示意图如图8所示。这里假设的情况是凹凸模间隙为一个原始板厚，板料在该局部的厚度为

，与模具接触的一面，它的外表与理论中心面的距离为

，不与模具接触的一面与中心面的距离为

，那么有：

当工件与凹凸模都接触或都不接触时，偏置距离可表示如下:

对任意节点（

），先求出其偏移方向向量（

），然后，根据其偏置距离

，就可求出其偏置点

。

（ii）网格节点偏置算法

网格节点偏置算法，是对节点一个一个进行偏置，得到偏置后的网格。同一个节点，可能出现在多个单元中。

对单独的单元上的某个节点，其偏置量就是其法向偏置。偏置方向就是其法向，偏置量是根据设定值，比如仿真凹模网格向凸模网格的偏置，一般建议取

。

对多个单元的同一个节点，单元法向不同，偏置量也可能不同，如图9所示。这种情况下，多个单元有多个偏置点，偏置方向为偏移前的点(A)与这些偏置点的中心(M)的向量

，偏置量为这些偏置距离的平均值。

图9是有两条边的处理，B₁,B₂分别是两条边上的偏置点，偏置量分布为D₁,D₂,M是点B₁和点B₂的中点，求出向量AM，并单元向量处理，AB的长度等于D₁和D₂的平均值。这样可计算B点的位置。

更多条边，也可按同样原理处理。

附图说明

图1 冲压工件与模具在成型末可能出现的接触情况

图2本发明的原理

图3 拉深工序仿真中出现的典型接触穿透现象

图5 判断理想位置与参考位置的关系

图4 通过仿真中工件中心层与理论中心层的比较分析法向接触力

图6 工件理论位置单元与仿真位置单元的对应关系

图7 工件与凹模或凸模可能出现的接触情况

图8 模具单元上偏置量的处理

图9 多条边共同节点的偏置方向和偏置单元处理

图10 本发明实施的输入数据 (a) 仿真模型 (b) 冲压工件单元网格以及厚度分布 (c) 冲压工件理论几何模型

图11 算例中仿真工件位置与理想位置

图12 本发明实施中工件理论面上的厚度分布

图13 本发明得到的冲压工件上表面和冲压工件下表面（a）整体（b）局部

图14 本发明得到结果的截面线分析；（a）整体图，（b局部1，（c）局部2。

具体实施方式

发明人根据前面介绍的算法开发了程序，对本发明做了实施和验证工作。对任意冲压仿真模型，根据仿真中冲压工件的单元节点信息和厚度分布，以及冲压工件的理论型面，就可以计算出新的模具修改型面。该发明采用仿真验证，采用这种方法后，得到的零件尺寸即可以达到不等模具间隙，减少修模时间，又可以满足产品几何尺寸精度要求。下面是本发明实施的一个案例，通过本发明得到模具的修改型面，这些型面能够保证零件一面的几何精度。通过截面线分析方法对该方面进行了验证。

图10是本发明验证的输入数据，包括采用的仿真模型（图10a），零件单元网格以及厚度分布（图10b）和冲压工件理论几何模型（图10c）。

图11是在同样位置时，仿真位置与理想位置的对比情况。从这图中可明显看出，某些部位与凹模接触，如凹模圆角区域；某些部位与凸模接触，如法兰上的部分以及凸模圆角区域。

图12是本发明是通过网格映射后，工件理论面上的厚度分布。工件毛坯材料的厚度为1.2mm。部分地方厚度增加量很大，部分地方减薄量比较大。

图13是本发明根据工件理论中心面及其厚度得到冲压工件上表面和下表面的网格，根据两个网格节点可生成模具的凹模或凸模。

方法的验证

通过截面线分析方法对该方面进行了验证。图14是本发明实施算例中的截面线分析结果。从截面线分析可看出，采用得到的零件的上下型面，可以保证零件在成型末凹凸模在理论上完全贴合，算例中可保证零件下表面与理论凸模完全贴合。如果零件有外表面有精度要求，那么需要上表面与理论凹模完全贴合。采用本发明可减少修模量，减少修模时间，并且更容易保证产品质量。

Claims

1.一种根据仿真冲压工件厚度确定出模具凹凸模修改型面的方法，其特征在于：所述方法的步骤如下：

（1）对冲压过程进行仿真，输出仿真工件的单元节点及其厚度分布；

（2）确定出冲压工件的理论中心面，理论中心面是在模具完全闭合，凹凸模型面之间的中心面，并对中心面进行单元网格划分；

（3）根据网格映射原理，确定理论面网格上的厚度分布；

（4）根据冲压工件尺寸要求，以及理论中心面与工件仿真网格的位置关系来分析工件单元与模具的接触状况；

（5）以理论面网格为基础，在工件只与凸模或只与凹模接触的情况下，与模具接触面的偏移量为0.5个原始板厚，另一面的偏移量为实际厚度减去0.5个原始板厚，这样得到冲压工件的上表面和冲压工件的下表面；在其它情况时，上下偏置0.5个实际厚度；

（6）把零件的上表面或下表面作为凹模型面或凸模型面，这些型面由网格节点构成。

2.根据权利要求1所述的一种根据仿真冲压工件厚度确定出模具凹凸模修改型面的方法，其特征在于：所述方法是通过仿真结果确定出冲压工件的厚度分布，修改模具型面，使工件成型末与凹凸模具处于完全接触状态。

3.根据权利要求1所述的一种根据仿真冲压工件厚度确定出模具凹凸模修改型面的方法，其特征在于：根据冲压工件成型末期与模具接触的法向力和冲压工件几何尺寸要求来确定凹凸模修改部位；其中，模具法向受力是可根据冲压工件的理论位置与冲压工件仿真位置的差别来判断的，也可根据有限元法向接触力方向来判断。

4.根据权利要求1所述的一种根据仿真冲压工件厚度确定出模具凹凸模修改型面的方法，其特征在于：根据仿真厚度来确定出凹凸模间隙，也就是通过模具型面修改后，凹凸模在某个部位的间隙刚好等于零件在相应位置的厚度。

5.根据权利要求1所述的一种根据仿真冲压工件厚度确定出模具凹凸模修改型面的方法，其特征在于：仿真中冲压工件是采用有限元网格的，对冲压工件的理论位置也进行有限元单元网格划分，这样处理后比较容易分析仿真中工件与模具的接触状况；并且，把工件仿真网格的厚度向理论工件网格上偏移，然后，通过偏置得到工件的上表面和下表面，并把上下表面作为凹、凸模的加工型面。

6.根据权利要求1所述的一种根据仿真冲压工件厚度确定出模具凹凸模修改型面的方法，其特征在于：得到的修改型面是一系列网格和节点，需要采用几何建模软件进行建模，得到可用于数控加工的面。