CN104573276B - 一种数字化模具模型的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及模具加工技术领域，具体地说是一种数字化模具模型的制作方法。一种数字化模具模型的制作方法，步骤一，利用现场数据进行1：1建立机床模型；步骤二，分析模型的建立；步骤三，采集模型数据、模具的边界条件数据；步骤四，将采集得来的边界条件数据，并结合接触参数与现场数据优化后的数据进行初始接触区域数据的确定；步骤五，将计算得出的初始接触区域数据，并结合理论数据验证与现场数据对比的数据进行仿真结果的验证；步骤六，将仿真结果数据进行定性分析；步骤七，将经过模具的变形和模面补偿计算得出的数据进行建模，得出成品。同现有技术相比，借助物理模拟实验和数值模拟技术，以实际模具在现场得出的数据来完善实验理论。

Description

一种数字化模具模型的制作方法

技术领域

本发明涉及模具加工技术领域，具体地说是一种数字化模具模型的制作方法。

背景技术

汽车行业是上海市的支柱产业，作为优先扶植和重点发展的对象，受到政府的高度重视。随着汽车年产量的不断增大，制造汽车的先进技术装备必不可少，而汽车覆盖件模具作为制造汽车先进技术装备中的重要装备，其设计制造周期和水平直接关系到汽车新车型的设计开发周期以及上市时间，其地位尤为重要。

2005年中国政府出台的《构成整车特征的汽车零部件进行进口管理办法》，要求整车制造商提升零部件的本土采购。预计今后模具制造商将更加灵活、迅速地应对配套厂商在车型换代、新车型投放时，对新模具的需求。据国际模具及五金塑胶产业供应商协会负责人罗百辉调查，2005年-2010年以来在中国上市的几十款自主品牌及合资品牌的汽车所需的模具、夹具装备，50%以上是由中国模面企业开发制造的，其中不少轿车OEM厂家已经把B级轿车最复杂的整车模具交给了中国模具企业来生产。

总的来说，中国技术含量低的模具已供过于求，市场利润空间狭小，而技术量较高的中、高档模具还远不能适应经济发展的需要，精密、复杂的冲压模具、轿车覆盖件模具等高档模具仍有很大发展空间。中国汽车模具公司今后的发展方向，应该注重产品结构的调整和定位，进一步提升模具的制造技术水平，占领结构复杂、精密度高、技术含量高的高档模具市场。

近年来，我国汽车覆盖件模具在数量、质量、技术和能力等方面都有了很大发展，但与国民经济需求和世界先进水平相比，差距仍然很大，一些大型、精密复杂长寿命的高档轿车覆盖件模具每年仍需大量进口。随着国内汽车覆盖件模具行业的快速发展，开发价格低廉，国产化模具成为一些合资汽车制造企业追求的目标。同时，国外一些汽车制造企业也开始越来越多地从国内采购模具。针对国内外对汽车覆盖件模具“高质量、低成本，短周期”的要求，模具制造企业必须依靠技术进步来降低成本和提升模具设计制造质量。目前，国内已具备设计生产A级车和B级车全套模具的能力，但对于C级车，尤其是侧围和翼子板等主要覆盖件模具尚有困难。因此，有必要针对覆盖件模具进行关键技术的研究开发对模具车间进行技术改造，提高汽车模具企业的核心竞争力，加快高档汽车覆盖件模具国产化的进程，促进汽车行业的发展。

发明内容

本发明为克服现有技术的不足，利用数字化模拟计算，省去试模工程的模具技术，大大减少钳工的研配工作量，实现覆盖件模具制造的高质量、低成本和短周期。

为实现上述目的，设计一种数字化模具模型的制作方法，其特征在于：

步骤一，利用现场数据进行1：1建立机床模型；

步骤二，分析模型的建立；

步骤三，采集模型数据、模具的边界条件数据；

步骤四，将采集得来的边界条件数据，并结合接触参数与现场数据优化后的数据进行初始接触区域数据的确定，所述的初始接触区域数据为上滑块与机床立柱的上下滑动接触，上滑块与上模的绑定接触，上模曲面和下模曲面的面接触关系；所述的数据优化包括上滑块与机床立柱滑动间隙，模具曲面接触之间的滑动和穿越允许值，成型压力施加的分步数，确保分析部件之间建立稳定的接触关系；

步骤五，将计算得出的初始接触区域数据，并结合理论数据验证与现场数据对比的数据进行仿真结果的验证，所述的仿真结果的验证为研合前的模具配合间隙测量和研合完成后的模具静态曲面扫描数据对比，并逐渐逼近；

步骤六，将仿真结果数据进行定性分析，并结合经过定量分析后的现场数据进行模具的变形和模面补偿计算，所述的定性分析为仿真结果显示的模具变形趋势，接触应力分布与现场的实际模具变形趋势的吻合度对比；定性分析可以通过压力下模具配合蓝油着色图及其演变过程，确定模具在实际工况下的变形趋势和接触压力施加范围；定量分析中在现场的验证手段包括压力下模具间隙测量，压力下配合良好的模具静态曲面数据，通过这两个数据来反推模具在实际工况下的变形量值；

步骤七，将经过模具的变形和模面补偿计算得出的数据进行建模，得出成品。

所述的边界条件数据包括力的加载数据、各部位的关系数据。

所述的力的加载数据包括力的大小、加载方式、加载部位。

所述的力的各部位的关系数据包括部件的固定方式、滑配件间的间隙、部件的配合方式。

所述的接触参数包括摩擦力的确定及优化、接触方式的选择、接触区域的搜索范围、接触渗透；接触力的确定和优化包括以下三个方面参数，Tangential Behavior（切向属性）：选择定义摩擦系数、剪应力极限、弹性滑动等摩擦属性；Normal Behavior（法向属性）：选择定义接触刚度等法向接触属性；Geometric Properties（几何属性）：选择定义附加的几何属性。

接触方式的选择包括：定义无摩擦的接触面；一般情况下，在非主要接触面上采用无摩擦接触，用以减小计算成本。例如滑块与滑轨之间的接触、滑块底面与上模底面之间的接触、导板与模具之间的接触。

定义有限滑动的接触面，主要指的是模具配合曲面之间的配合。

接触区域的搜索范围是指，在有限元计算中，曲面接触过程随着成型力的施加，模具发生变形，接触曲面在不断发生变化，所以在各个工步的计算中需要确定接触区域的搜索范围和不断搜索识别接触区域。接触渗透是指扩张的拉格朗日方法（AugmentedLagrange）中针对接触算法中，接触单元的穿透值设定，如果不允许穿透有限元计算将无法收敛。

所述的理论数据验证包括第四强度理论验证、误差信息。

所述的误差信息包括能量百分比误差、单元应力偏差、单元能量偏差、应力上限及下限。

所述的分析模型的建立的流程如下，

步骤一，对模具分别进行板料成型分析、结构弹变分析、热变形分析；

步骤二，将板料成型分析、结构弹变分析、热变形分析得出的模具板材制件减薄量、模具结构弹性变量、模具热变形量进行耦合，所述的耦合为数据叠加；

步骤三，将耦合后的数据进行模面补偿规则，即为将叠加后的数据进行修正；

步骤四，将模面补偿规则后的数据通过CAD软件在计算机上进行加工模型曲面重构。

所述的现场数据包括设备ATOS及PONTOS测量、实物与模型的转化数据。

本发明同现有技术相比，本发明拟采用相似理论构建具有与真实模具弹性、结构相似的比例模型，通过结构几何与材料特征的协同设计，保证与原模具结构具有相似的载荷分布特征，重构出原模具结构的静弹性特征，借助物理模拟实验和数值模拟技术，研究影响模具动态配合精度的因素，同时以实际模具在现场得出的数据来完善上述实验理论。

基于生产现场数据的模具型面修正方法，进而确定以模腔变形预测为基础的模面补偿规则，建立的弹性切削力模型，采用物理仿真技术规划刀具轨迹和加工参数，补偿刀具弹性变形的加工误差，实现模面的自适应数控加工。最终实现模具制造的高质量、高效率和低成本。通过以上研究和实际应用，可以大大减少钳工的研配工作量，实现覆盖件模具制造的高质量、低成本和短周期，以提升我国汽车制造业的模具装备水平。

附图说明

图1为本发明流程示意图。

图2为模具动态配合精度补偿流程图。

具体实施方式

下面根据附图对本发明做进一步的说明。

如图1所示，一种数字化模具模型的制作方法，其特征在于：

步骤一，利用现场数据进行1：1建立机床模型；

步骤二，分析模型的建立；

步骤三，采集模型数据、模具的边界条件数据；

步骤四，将采集得来的边界条件数据，并结合接触参数与现场数据优化后的数据进行初始接触区域数据的确定，所述的初始接触区域数据为上滑块与机床立柱的上下滑动接触，上滑块与上模的绑定接触，上模曲面和下模曲面的面接触关系；所述的数据优化包括上滑块与机床立柱滑动间隙，模具曲面接触之间的滑动和穿越允许值，成型压力施加的分步数，确保分析部件之间建立稳定的接触关系；

步骤五，将计算得出的初始接触区域数据，并结合理论数据验证与现场数据对比的数据进行仿真结果的验证，所述的仿真结果的验证为研合前的模具配合间隙测量和研合完成后的模具静态曲面扫描数据对比，并逐渐逼近；

步骤六，将仿真结果数据进行定性分析，并结合经过定量分析后的现场数据进行模具的变形和模面补偿计算，所述的定性分析为仿真结果显示的模具变形趋势，接触应力分布与现场的实际模具变形趋势的吻合度对比；定性分析可以通过压力下模具配合蓝油着色图及其演变过程，确定模具在实际工况下的变形趋势和接触压力施加范围；定量分析中在现场的验证手段包括压力下模具间隙测量，压力下配合良好的模具静态曲面数据，通过这两个数据来反推模具在实际工况下的变形量值；

步骤七，将经过模具的变形和模面补偿计算得出的数据进行建模，得出成品。

所述的边界条件数据包括力的加载数据、各部位的关系数据。

所述的力的加载数据包括力的大小、加载方式、加载部位。

所述的力的各部位的关系数据包括部件的固定方式、滑配件间的间隙、部件的配合方式。

所述的接触参数包括摩擦力的确定及优化、接触方式的选择、接触区域的搜索范围、接触渗透；接触力的确定和优化包括以下三个方面参数，Tangential Behavior（切向属性）：选择定义摩擦系数、剪应力极限、弹性滑动等摩擦属性；Normal Behavior（法向属性）：选择定义接触刚度等法向接触属性；Geometric Properties（几何属性）：选择定义附加的几何属性。

接触方式的选择包括：定义无摩擦的接触面；一般情况下，在非主要接触面上采用无摩擦接触，用以减小计算成本。例如滑块与滑轨之间的接触、滑块底面与上模底面之间的接触、导板与模具之间的接触。

定义有限滑动的接触面，主要指的是模具配合曲面之间的配合。

接触区域的搜索范围是指，在有限元计算中，曲面接触过程随着成型力的施加，模具发生变形，接触曲面在不断发生变化，所以在各个工步的计算中需要确定接触区域的搜索范围和不断搜索识别接触区域。接触渗透是指扩张的拉格朗日方法（AugmentedLagrange）中针对接触算法中，接触单元的穿透值设定，如果不允许穿透有限元计算将无法收敛。

所述的理论数据验证包括第四强度理论验证、误差信息。

所述的误差信息包括能量百分比误差、单元应力偏差、单元能量偏差、应力上限及下限。

所述的分析模型的建立的流程如下，

步骤一，对模具分别进行板料成型分析、结构弹变分析、热变形分析；

步骤二，将板料成型分析、结构弹变分析、热变形分析得出的模具板材制件减薄量、模具结构弹性变量、模具热变形量进行耦合，所述的耦合为数据叠加；

步骤三，将耦合后的数据进行模面补偿规则，即为将叠加后的数据进行修正；

步骤四，将模面补偿规则后的数据通过CAD软件在计算机上进行加工模型曲面重构。

所述的板料成型分析的工艺流程为，

步骤一，将模具板材进行板材理论分析，将模具板材的边界条件及摩擦系数结合进行优化计算，即对板料本构模型、物理条件施加方式和基于生产和模具等级的摩擦系数选择这三项主要参数进行优化配置，由板料成型CAE软件计算其成型性；

步骤二，对模具板材进行现场实例验证，通过ARGUS测量技术测量出模具板材的相应数据后进行现实模型转换，所述的相应数据为主负应变和减薄量数据；

步骤三，将模具板材的理论数据及现实数据进行对比，反推修正板料成型的理论模型使得CAE软件计算减薄量不断逼近现场实际数据，为正向设计时的数据准确性提供保证。

所述的结构弹变分析的工艺流程为，

步骤一，将模具结构进行结构理论分析，将模具结构进行建立有限元模型，结合模具结构的边界条件进行罚因子优化计算；

步骤二，对模具结构进行现场实例验证，通过ATOS测量技术及PONTOS测量技术测量出模具结构的相应数据后进行现实模型转换，所述的相应数据为结构变形量数据；

步骤三，将模具结构的理论数据及现实数据进行对比，得出模具结构弹性变量。

所述的罚因子优化计算为罚函数（F(x, M )）的计算，其中M为足够大的正数，起"惩罚"作用， 称之为罚因子；先取较小的正数M， 求出F(x, M )的最优解x* ；当x*不满足有约束最优化问题的约束条件时，放大M ，例如乘以10，重复进行，直到x* 满足有约束最优化问题的约束条件时为止。

所述的热变形分析的工艺流程为，

步骤一，将模具进行热变形理论分析，将模具进行建立材料模型，结合模具热变形的边界条件进行换热系数优化计算，即针对不同模具材料的换热系数进行优化配置，由结构CAE软件分析计算模具热变形；

步骤二，对模具进行现场实例验证，通过ATOS测量技术及ARAMIS测量技术测量出模具的相应数据后进行现实——模型转换，所述的相应数据为热变形数据；

步骤三，将模具热变形的理论数据及现实数据进行对比，反推修正CAE软件的理论模型使得CAE软件计算热变形量不断逼近现场实际数据，为正向设计时的数据准确性提供保证。

所述的模面补偿规则为利用CAE手段分析结果与现场验证，使实际数据与理论数据不断逼近综合。

所述的模具热变形量为模具淬火变形量。

所述的现场数据包括设备ATOS及PONTOS测量、实物与模型的转化数据。

实施例：

一、机盖外板结构受力变形分析计算流程：

1. 前处理、划分网格：

用UG NASTRAN 高级仿真模块进行压力机和模具的前处理和网格划分，同时将模型各个部位的材料参数输入到分析模型中。

2. 结构变形CAE分析：

求解器采用ABAQUS 6.7。

a．导入模型

b．定义分析步

采用三个分析步，来逐步引导模型解算过程，来达到正确的分析结果。

c．定义接触属性

采用Mechanical（力学的）分析选项，选择Tangential Behavior（切向属性）、Normal Behavior（法向属性）和Geometric Properties（几何属性）三种。对于法向属性的设置，约束增强方法选择Augmented Lagrange，将Tangential Behavior中的摩擦公式选择Frictionless。

d．定义接触控制

Contact controls选项中选择Automatic Overclosure tolerances；在Augmented Lagrange 选项卡中将Penetration tolerance选项中的默认的0.001改为0.05，进行面－面接触分析时，此值选为0.05比较合适。

e．定义接触

单击工具区中的Create Interaction，弹出Create Interaction对话框。

Discretization method选择Surface to surface。Slave Node/SurfaceAdjustment 选项 ，如果设置的接触面为滑轨与滑块接触面或者导板接触面，则该选项选择No adjustment；设置其他接触面该选项选择Specify tolerance for adjustmentzone，输入数值为 0.02。

f．定义绑定约束

Create Constraint中选择绑定约束Tie，是将滑块底面与压板槽之间设为绑定约束。

g．定义载荷

在Load功能模块中定义载荷，载荷种类选择 Pressure，选择受力面，输入实际压力值。并将各个工步中力的相互影响停止作用（Inactive）。

h．定义边界条件

Create Boundary Condition中，选择Symmetry/Antisymmetry/Encastre选项，Abaqus中U1、U2、U3用来指定三个方向的位移边界条件UR1、UR2、UR3用来指定三个方向的旋转边界条件。设置完全部固定边界条件后，设置临时边界条件。

i．提交分析作业

使用Job功能模块。在Job Manager对话框中点击Submit（提交分析）。

j．查看分析结果

使用Visualization模块，视图区中显示出模型。从等效应力分布图中可以得出等间隙模具由于强度不同，在哪些区域接触力大，哪些区域接触力小，即接触力大的部位着色硬，接触力小的部位没有着色。

从Z向位移云图上可以看出，凹模与凸模接触后，中间部位向下变形量小，周圈变形向下变形量小，即代表中间部位凸凹模配合间隙大，周圈配合间隙小。根据这个趋势，反补偿凸凹模具间隙，使得模具承压后的配合间隙均匀。

3. 现场验证、反推修正理论模型：

在钳工未研合时，模具施加成型压力，使用铅丝测量观察模具在压力下的曲面配合精度，验证模面补偿设计后的模具动态配合精度。

在钳工研合完成后保证了模具动态配合精度后，扫描模具的静态曲面数据，用于指导模面补偿的正向设计。

通过上述两项现场实际数据验证，修正模面补偿规则和结构分析的理论模型。

三、确定模面补偿规则：

经过板料成型、结构受力变形和结构受热变形CAE分析、现场的数据闭环对应、修正理论模型，使得理论计算与现场实际结果之间的差值在容许范围内的时候，可以得出一个阶段内成熟的模面补偿规则。

根据图2确定模面补偿规则，进行模面处理补偿操作。

Claims (9)

1.一种数字化模具模型的制作方法，其特征在于：

步骤一，利用现场数据进行1：1建立机床模型；

步骤二，分析模型的建立；

步骤三，采集模型数据、模具的边界条件数据；

步骤四，将采集得来的边界条件数据，并结合接触参数与现场数据优化后的数据进行初始接触区域数据的确定，所述的初始接触区域数据为上滑块与机床立柱的上下滑动接触，上滑块与上模的绑定接触，上模曲面和下模曲面的面接触关系；所述的数据优化包括上滑块与机床立柱滑动间隙，模具曲面接触之间的滑动和穿越允许值，成型压力施加的分步数，确保分析部件之间建立稳定的接触关系；

步骤五，将计算得出的初始接触区域数据，并结合理论数据验证与现场数据对比的数据进行仿真结果的验证，所述的仿真结果的验证为研合前的模具配合间隙测量和研合完成后的模具静态曲面扫描数据对比，并逐渐逼近；

步骤六，将仿真结果数据进行定性分析，并结合经过定量分析后的现场数据进行模具的变形和模面补偿计算，所述的定性分析为仿真结果显示的模具变形趋势，接触应力分布与现场的实际模具变形趋势的吻合度对比；定性分析可以通过压力下模具配合蓝油着色图及其演变过程，确定模具在实际工况下的变形趋势和接触压力施加范围；定量分析中在现场的验证手段包括压力下模具间隙测量，压力下配合良好的模具静态曲面数据，通过这两个数据来反推模具在实际工况下的变形量值；

步骤七，将经过模具的变形和模面补偿计算得出的数据进行建模，得出成品。

2.根据权利要求1所述的一种数字化模具模型的制作方法，其特征在于：所述的边界条件数据包括力的加载数据、各部位的关系数据。

3.根据权利要求2所述的一种数字化模具模型的制作方法，其特征在于：所述的力的加载数据包括力的大小、加载方式、加载部位。

4.根据权利要求2所述的一种数字化模具模型的制作方法，其特征在于：所述的力的各部位的关系数据包括部件的固定方式、滑配件间的间隙、部件的配合方式。

5.根据权利要求1所述的一种数字化模具模型的制作方法，其特征在于：所述的接触参数包括摩擦力的确定及优化、接触方式的选择、接触区域的搜索范围、接触渗透。

6.根据权利要求1所述的一种数字化模具模型的制作方法，其特征在于：所述的理论数据验证包括第四强度理论验证、误差信息。

7.根据权利要求6所述的一种数字化模具模型的制作方法，其特征在于：所述的误差信息包括能量百分比误差、单元应力偏差、单元能量偏差、应力上限及下限。

8.根据权利要求1所述的一种数字化模具模型的制作方法，其特征在于：所述的分析模型的建立的流程如下，

步骤一，对模具分别进行板料成型分析、结构弹变分析、热变形分析；

步骤二，将板料成型分析、结构弹变分析、热变形分析得出的模具板材制件减薄量、模具结构弹性变量、模具热变形量进行耦合，所述的耦合为数据叠加；

步骤三，将耦合后的数据进行模面补偿规则，即为将叠加后的数据进行修正；

步骤四，将模面补偿规则后的数据通过CAD软件在计算机上进行加工模型曲面重构。

9.根据权利要求1所述的一种数字化模具模型的制作方法，其特征在于：所述的现场数据包括设备ATOS及PONTOS测量、实物与模型的转化数据。