CN104268349A - 一种复杂曲面下翻边修边线的精确控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂曲面下翻边修边线的精确控制方法。该方法根据冲压零件形状将翻边法兰部分逆算展开到复杂三维曲面上，获得近似修边线；然后在前工序成形模拟的板料上进行修边获得翻边毛坯；再利用有限元增量法对翻边成形进行模拟，并将模拟结果与理想形状进行对比，测量翻边边缘的网格节点与理想工件的偏差ε，根据对比偏差ε，将该节点沿修边线法向进行比例补偿，对修边线进行修正；使用修正后的修边线进行再次修边和翻边成形模拟，直至模拟结果的偏差控制在设定值δ以内。本发明能够快速地实现翻边修边线的精确确定，对于复杂三维曲面下的翻边，能使获得的修边线更加准确、可靠，有效提高翻边成形的质量，并降低模具制造和生产成本。

Description

一种复杂曲面下翻边修边线的精确控制方法

技术领域

本发明具体涉及一种翻边修边线的精确确定，特别是涉及一种三维空间多曲面结合的复杂曲面下翻边修边线的精确确定方法，属于金属薄板塑性成形领域。

背景技术

翻边修边线的设计直接影响到冲压成形的质量，通过对翻边修边线的精确确定，可以保证翻边后法兰形状满足尺寸要求，还能有效减少翻边时成形缺陷的产生。翻边成形是一个非常复杂的物理过程，在生产实践中，为了达到翻边尺寸精度往往需要反复修正修边模的镶块，不仅造成材料与人力的浪费，也影响到整个模具的开发周期，增加制模成本。

通过有限元数值模拟，能够计算成形过程中板料的弹塑性变形情况，已逐步成为修边线设计的主要方法。有限元逆算法模拟是基于全量理论，与坯料到冲压件的成形顺序相反，是根据产品的最终形状出发来预测坯料形状，仅仅考虑初始毛坯和变形终了的状态，不用考虑变形的中间状态，可以快速地计算出近似修边线，但是精度较低。

增量有限元方法模拟时将载荷和位移分成若干步，把有限元非线性方程组视为线性方程组，分段进行线性求解，然后将求得结果逐步累加的一种计算方法。如果每步载荷增量足够小，则解的收敛性是可以保证的，同时可获得加载过程各个阶段的数值结果。采用该方法的分析软件在模拟时可以全面考虑模具形状、毛坯形状、润滑条件等影响因素，可以精确地模拟翻边过程，但该方法模拟需要已知修边线的形状，去模拟获得成形后的零件形状，如果模拟结果不符合要求则需要反复修改修边线、反复“试错”来获得理想的翻边形状。

对于形状复杂的工件和复杂曲面下的翻边成形，通常在翻边前还需要经过拉深等多道次成形工序，因此需要考虑翻边前的成形工序对板料成形性能的影响，并能够较为快速、精确地确定翻边工艺的修边线，但是目前的有限元分析商业软件和方法对于此类翻边的修边线设计均存在一定的局限，难以得到令人满意的结果。

发明内容

针对现有技术的存在的不足，本发明提供一种快速确定、翻边成形质量好的复杂曲面下翻边修边线的精确确定方法，适合形状复杂、不规则的冲压件成型。

本发明在利用有限逆算模拟快速获得较为准确的、复杂曲面下翻边修边线的基础上，进而利用增量有限元法模拟的高精度优势，采用相应的商业软件在充分考虑翻边前工序对板料成形性能影响的前提下进行成形模拟，并根据成形模拟结果不断对翻边线进行优化，从而实现对翻边修边线的精确确定。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种复杂曲面下翻边修边线的精确控制方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)根据目标零件的翻边后形状建立翻边前形状的三维工艺曲面模型，对工件板料划分网格，利用有限元逆算模拟将翻边部分展开至该曲面模型上，以获得初始的近似的三维空间的翻边修边线；

(2)利用增量有限元法模拟软件建立有限元网格模型，并对翻边工序前所经历的成形工序进行模拟，获得带有前工序板料塑性变形结果的翻边坯料，然后运用步骤(1)获得的初始修边线；

(3)利用增量有限元模拟软件进行翻边成形模拟，在翻边边缘的网格节点中，按等距离分选取节点作为种子点，将每次正向模拟得到的结果与理想工件进行对比，测量种子点翻边后与理想工件的直线距离偏差ε；

(4)如果偏差ε小于零件公差要求或者更小的设定值，则判定获得了精确控制的翻边修边线；否则，根据翻边前后同一种子点的偏差方向将网格节点沿修边线法向进行补偿修正，补偿距离为0.7～1ε；

(5)针对修正后的翻边修边线，重复步骤(3)和(4)，直至偏差ε小于设定值。

为进一步实现本发明的目的，在将翻边法兰部分展开复杂曲面模型上时，辨别坯料网格单元法向是否翻边前后都垂直于冲压方向，并在展开时避免选择垂直类别的网格单元。

用于翻边成形模拟的毛坯为前面工序板料塑性变形后的结果。

所述增量有限元模拟软件为Dynaform软件。

补偿距离由kε确定，其中ε为偏差，k为补偿比例；k的取值为0.7～1。

相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：

1、本发明可以实现复杂曲面下翻边修边线的快速近似确定，为冲压工艺和模具的初期设计提供参考；

2、本发明充分考虑了翻边前成形工序对板料成形性能的影响，可应用于多工位级进冲压成形中的修边线确定，并可在采用增量有限元法分析软件模拟成形的同时，预测成形缺陷的产生以便进一步优化修边线；

3、本发明可以得到合理、精确的修边线形状和尺寸，翻边成形质量更好，即使对于形状复杂、不规则的冲压件亦能获得准确的结果，应用价值广泛。

附图说明

图1为汽车车门玻璃导轨结构件的结构示意图。

图2(a)为车门玻璃导轨结构件的上端翻边形状的放大图。

图2(b)为车门玻璃导轨结构件的下端翻边形状的放大图。

图3为本发明修边线精确设计方法的实施流程图。

图4为本发明复杂曲面下下上端翻边形状的修边线逆算有限元网格模型图。

图5为本发明复杂曲面下上端翻边部分展开的逆算结果图。

图6为本发明复杂曲面下翻边修边线的逆算结果轮廓线图。

图7为本发明采用逆算(修正)的修边线建立的带翻边前成形工序模拟信息的板料修边模型图。

图8为本发明对翻边成形进行模拟前的板料网格模型图。

图9为本发明采用增量有限元法对翻边成形进行模拟的结果图。

图10(a)为翻边前坯料网格和种子点选定示意图；

图10(b)为翻边模拟结果与理想高度的偏差对比原理图；

图10(c)为修边线种子点沿法向按偏差比例进行修正的原理图。

图11为本发明复杂曲面下翻边修边线的逐步修正过程图。

图12为本发明所精确设计的翻边修边线的模拟结果验证对比图。

图中示出：上端翻边1、下端翻边2、上端翻边形状3、上端翻边形状翻边前端面4、下端翻边形状5、下端翻边形状翻边前端面6、上端翻边形状网格7、翻边前工艺曲面网格模型8、逆算展开的翻边前工件网格9、逆算近似修边线10、增量法有限元分析中的修边线组合模型11、理想工件的网格边缘线12、初始近似翻边修边线13、第二次修正后的翻边修边线14、第四次修正后的翻边修边线15、理想翻边形状16、设计翻边修边线所模拟的翻边形状17。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

如图1所示，所要加工的零件为某汽车车门玻璃导轨结构件，材料为镀锌板，料厚1.2mm，用于汽车的电动玻璃升降器。该车门玻璃导轨结构件带有复杂曲面；车门玻璃导轨结构件上下两端为上端翻边1和下端翻边2，车门玻璃导轨结构的翻边边缘精度要求高且部分区域误差控制在单边0.8mm内。如图2(a)和图2(b)所示，车门玻璃导轨结构的上端翻边形状3和下端翻边形状5的表面为由多个平面和曲面结合的复杂曲面，其翻边过程与一般情况相反，具体表现为：需要将与上端翻边形状翻边前端面4和下端翻边形状翻边前端面6垂直的上端翻边形状3和下端翻边形状5翻边成形为翻边前的端面的延伸部分，在设计确定修边线时具有较大难度。

该车门玻璃导轨结构件在翻边工序前需经历冲孔、修边、压弯、拉深、整形工序，有限元分析时需要考虑各工序件板料信息的传递问题。因此，拟通过结合逆算法和增量有限元法对翻边修边线进行精确控制，实施方法如图3所示：

一种复杂曲面下翻边修边线的精确控制方法，包括如下步骤：

(1)根据目标零件的翻边后形状建立翻边前形状的三维工艺曲面模型，对工件板料划分网格，利用有限元逆算模拟将翻边部分展开至该曲面模型上，以获得初始的近似的三维空间的翻边修边线；如图1所示，由于上下两端的翻边修边线的精确确定过程相同，因此选择对上端翻边形状3的修边线确定过程进行论述。

根据图1所示汽车车门玻璃导轨结构件的上端翻边1和下端翻边2以及翻边前的零件形状在UG软件中抽取上端翻边形状3和上端翻边形状翻边前端面4的外表曲面作为模具型面，并进行缝合和扩展，从而建立模具的三维工艺曲面模型，然后抽取零件的板厚中层面，利用CAE分析软件对模具型面和零件中面进行网格划分。划分坯料网格时，尽量采用矩形形状单元，四边形单元应控制在95％以上，在兼顾计算成本的同时确保足够细密，自动划分后获得上端翻边形状网格7；而模具网格需准确地描述型面特征，型面圆角处需确保有3个以上单元，且不能产生间隙，最终获得翻边前工艺曲面网格模型8，建立的上端翻边修边线的逆算网格模型如图4所示。在定义好板料、压料面、压边力(可取20kN)和摩擦系数(可取0.2)等分析参数后，选择需展开的翻边前工艺曲面网格模型8(在选择时应辨别坯料网格单元法向是否翻边前后都垂直于冲压方向，并避免选择垂直类别的网格单元，否则将导致计算时网格折叠畸变)，将网格展开到多处呈直角连接的“断崖式”的含复杂曲面的翻边前工艺曲面网格模型8上(图4所示)，获得逆算展开的逆算展开的翻边前工件网格9(如图5所示)，并将逆算展开的翻边前工件网格9进行轮廓生成，获得在复杂工艺曲面上的逆算近似修边线10(如图6所示)。

(2)利用增量有限元法模拟软件建立有限元模拟的网格模型，并对翻边工序前所经历的成形工序进行模拟，以便获得带有前工序板料塑性变形结果的翻边坯料，然后运用步骤(1)获得的初始修边线(翻边线优化时采用步骤4获得的修正修边线)在软件中对坯料进行轮廓修边；本实施方式采用增量法有限元软件Dynaform对汽车车门玻璃导轨结构件翻边前的压弯、拉深成形工序进行增量有限元法数值模拟，然后将获得的逆算修边线10导入增量法有限元分析软件Dynaform中，并根据工件的修边工艺创建增量法有限元分析中的修边线组合模型11，建立带翻边前成形工序模拟信息的板料修边模型，对压弯、拉深成形后的板料进行切边模拟，切边后的板料网格模型如图8所示，该模型的网格边缘与导入的逆算修边线10是一致的。然后将切边后的板料作为初始坯料导入增量法有限元分析软件Dynaform中进行首次翻边成形模拟，模拟结果如图9所示。

其中，翻边成形的模拟需要先对导轨结构件翻边前的压弯、拉深成形工序进行增量有限元法数值模拟，然后再在进行了数值模拟的板料上进行修边，以获得继承了前面工序板料塑性变形信息的毛坯，从而使成形过程更加接近实际情况，翻边模拟结果更加准确。

(3)利用增量有限元模拟软件Dynaform进行上端翻边形状3的翻边成形模拟，在翻边模拟结果(图9所示)的翻边边缘的网格节点中，按等距离分选取一定数量节点作为种子点。种子点为代表性的表达翻边网格边缘线的节点，并且通过一系列的种子点能够完全表达网格边缘的轮廓(即修边线轮廓)，种子点的选定和数量确定应确保最短曲线边缘上至少有3个点以上(如图10(a)所示)，将每次正向模拟得到的结果(图9)与理想工件网格(同标准尺寸的上端翻边形状网格7，网格大小与增量法有限元模拟的相同)进行对比，测量种子点翻边后与理想工件的直线距离偏差ε(该偏差即为采用所确定的修边线翻边成形后的形状与标准形状的偏差，主要取决于步骤1所获得修边线的准确度)；本实施方式中，将翻边成形模拟得到的结果(图9所示)与理想工件网格(如同标准尺寸的上端翻边形状网格7)进行对比，对比时按等距离分的原则选取翻边边缘的代表性网格节点作为种子点并进行编号(如图10(a))，测量种子点翻边后与理想工件的偏差ε，测量时表现为该种子点到理想工件网格边缘12(虚线)的直线距离(如图10(b))。

(4)如果偏差ε小于零件尺寸的公差要求或者为留取一定余量而选取的更小的设定值δ，则判定获得了精确控制的翻边修边线；否则，根据翻边前后同一种子点的偏差方向将网格节点沿修边线法向进行补偿修正，补偿距离为kε(k为补偿比例，通常取0.7～1)；当模拟结果的偏差ε小于规定值δ，根据对比偏差ε将对应切边修边线的翻边前网格(图8)边缘上的该种子点沿修边线法向进行补偿，由于翻边过程中板料变形复杂，考虑迭代收敛速度，本实施方式补偿比例k选取0.9，即补偿距离为0.9ε(如图10)。将补偿后的种子点重新连接，则获得修正后的修边线。

(00000005)针对修正后的翻边修边线，如流程图3所示，重复上述步骤(3)和(4)，不断对翻边修边线进行迭代修正和趋近优化，直至偏差ε小于设定值。利用修正的修边线对压弯、拉深成形后板料进行新一轮的切边和翻边成形模拟(如同图7、8、9)，并再次将模拟结果进行对比，以进一步对修边线进行修正和优化(如同图10c)。通过反复、逐步的迭代修正，所设计的翻边修边线趋于稳定，通过Dynaform中的软件接口，初始近似翻边修边线13(虚线)和各次逐步修正的翻边修边线导入到制图软件(AutoCAD)中进行比较(图11所示)，第二次修正后的翻边修边线14(圆点虚线)和第四次修正后的翻边修边线15已趋于一致。采用第四次修正后的翻边修边线15作为最终设计的翻边修边线进行翻边成形，并将设计翻边修边线所模拟的翻边形状17的网格边缘轮廓线与理想翻边形状16的轮廓线进行比较，可得到图12所示的比较结果，可知：通过修边线的逐步修正，翻边结果非常接近于理想工件，模拟结果验证的偏差ε控制在0.15mm内(在边角部分修边线考虑冲压工艺性进行了圆滑处理，模拟形状和理想状况稍有差别)，充分满足工件单边0.8mm的误差要求。

通过采用本发明复杂曲面下翻边修边线的精确设计方法，能够通过逆算展开快速获得初始近似修边线，并根据采用的修边线的翻边模拟效果对修边线进行比例补偿，通过合理补偿的迭代、趋近修正，能通过3～6次翻边成形模拟(1～4次修正)即可得到合理、精确的复杂翻边修边线尺寸，提高了翻边成形的质量，并有效减少了工艺试验和修模次数，缩短模具设计周期和节约开发成本。

Claims (5)

1.一种复杂曲面下翻边修边线的精确控制方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)根据目标零件的翻边后形状建立翻边前形状的三维工艺曲面模型，对工件板料划分网格，利用有限元逆算模拟将翻边部分展开至该曲面模型上，以获得初始的近似的三维空间的翻边修边线；

(2)利用增量有限元法模拟软件建立有限元网格模型，并对翻边工序前所经历的成形工序进行模拟，获得带有前工序板料塑性变形结果的翻边坯料，然后运用步骤(1)获得的初始修边线；

(3)利用增量有限元模拟软件进行翻边成形模拟，在翻边边缘的网格节点中，按等距离分选取节点作为种子点，将每次正向模拟得到的结果与理想工件进行对比，测量种子点翻边后与理想工件的直线距离偏差ε；

(4)如果偏差ε小于零件公差要求或者更小的设定值，则判定获得了精确控制的翻边修边线；否则，根据翻边前后同一种子点的偏差方向将网格节点沿修边线法向进行补偿修正，补偿距离为0.7～1ε；

(5)针对修正后的翻边修边线，重复步骤(3)和(4)，直至偏差ε小于设定值。

2.根据权利要求1所述的复杂曲面下翻边修边线的精确设计方法，其特征在于：在将翻边法兰部分展开复杂曲面模型上时，辨别坯料网格单元法向是否翻边前后都垂直于冲压方向，并在展开时避免选择垂直类别的网格单元。

3.根据权利要求1所述的复杂曲面下翻边修边线的精确设计方法，其特征在于：用于翻边成形模拟的毛坯为前面工序板料塑性变形后的结果。

4.根据权利要求1所述的复杂曲面下翻边修边线的精确设计方法，其特征在于：所述增量有限元模拟软件为Dynaform软件。

5.根据权利要求1所述的复杂曲面下翻边修边线的精确设计方法，其特征在于：补偿距离由kε确定，其中ε为偏差，k为补偿比例；k的取值为0.7～1。