CN106994483B - 一种汽车覆盖件拉延模具精确型面加工的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种汽车覆盖件拉延模具精确型面加工的方法。本方法通过冲压仿真计算获得零件成形后各个不同区域的厚度分布情况，依据获得的各节点的厚度信息，用网格映射、形函数插值、节点偏移、刀轨偏置等方法，调整凸凹模工具网格构建出适应零件厚度分布的精确模面网格模型。并以调整好的工具网格为基准，根据网格节点的偏移量，对模具加工刀轨中心点进行相应的偏移，实现加工刀轨随网格模型的变化而自动变化，从而构建出适应零件厚度变化的模具加工刀轨。本方法从模具型面设计和加工层面上，提高了模具型面的研合率。特别是在板料塑性变形后减薄率比较大的情况下，能明显提高模具型面的研配率，提高模具制造效率，降低模具制造成本。

Description

一种汽车覆盖件拉延模具精确型面加工的方法
技术领域
本发明涉及汽车覆盖件拉延模具精确模面的加工方法。
背景及现有技术
随着CAE(ComputerAided Engineering)技术的发展，并成功地应用到板料成型的数值模拟中，基于CAE的数值仿真分析为模具的设计开发提供了一个有力工具并发挥着越来越大的作用。对汽车覆盖件拉延模具进行设计时，为了使零件成形后与设计模具型面具有一致的形状，凸模和凹模的型面必须与零件型面形状一致，这样冲压合模后零件的形状即可依赖模具型面的形状而获得。由于板料成形过程中会出现减薄或增厚，而且这种变化在零件各个不同的区域都不尽相同，因此需要根据实际的拉延成形件的厚度变化情况反复修正模具型面，直到凸凹模型面在合模时均能与零件成形后的表面完全贴合，这种贴合程度在拉延成形过程中称为“研合率”或“研配率”，一般要求达到80％左右，这个过程需要钳工反复调试修整模具型面周期较长，而且生产成本较高，精度也不够高。
发明内容
本文提出了一种汽车覆盖件拉延模具精确型面加工的方法，该方法基于板料数值分析先构建出模具精确型面的网格模型，再用冲压模具CAD/CAM系统中广泛采用的IGES，即基本图形交换规范，作为数据交换标准。利用数控编程软件生成加工刀轨，再自行编制程序实现加工刀轨点的偏置，得到新的精确型面加工刀轨。
鉴于有限元仿真可以很好的模拟板料拉延成形过程，可以获得很精确的板料拉延成形之后各单元节点的厚度分布，因此本发明以有限元模拟板料成形过程为基础，考虑板料成形后厚度的分布情况，从而高精度地建立模具精确型面的网格模型，进而更改模具加工刀轨，提高了模具型面加工的精度，大大缩减钳工反复调试修整模具型面的研配时间，缩短制造周期，降低生产成本。
为了解决目前冲压模具修模过程中存在的问题，本发明提出的一种汽车覆盖件拉延模具精确型面加工的方法。
采用以下技术方案，该方案包含以下步骤：
步骤一：由模具三维模型中的原始型面生成模具精加工刀轨，并提取出刀轨点的三维坐标；
步骤二：将模具型面导入数值分析软件中进行网格划分，生成原始型面网格，并对板料进入单元划分，对板料拉延成形过程进行仿真分析，确定合理的冲压工艺参数，CAE分析结果满足工程要求，分析结果包含材料的厚度分布情况；
步骤三：计算板料网格中各个节点的厚度Hi，将模具原始型面网格的各个节点向板料网格做网格映射，搜寻映射投影点所落在的板料的三角形网格单元，通过三角形形函数插值计算出各投影点的厚度HO；
步骤四：将模具原始型面网格的各个节点按其法向量方向偏置距离Δh＝1/2(H-HO)，其中H为板料的初始厚度,HO为对应的投影点厚度。通过调整原始网格模型的节点，从而构建出适应零件厚度分布的精确模面网格模型；
步骤五：将模具原始型面网格偏置距离r,其中r为精加工所用球头刀的半径；
步骤六：将步骤一中得到的刀轨点向步骤五得到的网格进行投影，搜寻投影距离最小的三角形网格单元，并记录此三角形网格单元编号及投影点的坐标；
步骤七：由于步骤五中得到的网格型面和原始网格型面有一一对应的单元信息，根据三角形的面积坐标可插值计算出投影点对应在原始网格模型中的相应的投影点d的坐标，同理，步骤四得到的精确模面网格与原始型面网格也有一一对应的单元信息，根据三角形的面积坐标可插值计算出投影点对应在精确网格模型中的相应的投影点e的坐标；
步骤八：连接点d与点e得到向量将刀轨点按此向量偏置得到点f，此点即为最终的加工刀轨点；
步骤九：所有刀轨点都进行偏置后，将得到的新刀轨点写入数控加工程序，按此程序进行加工。
其中，步骤一中根据板材的厚度在CAD软件中偏置出相应的模具凸模型面、凹模型面和压边圈型面，并在UG加工模块中生成加工刀轨，在输出加工刀轨时只保留点的三维坐标信息；
进一步的，在步骤二中，由传统冲压模具设计方法，结合CAE仿真软件，如Autoform、Dynaform、Pamstamp等冲压仿真软件对板料成形过程进行仿真计算，分析获得满足要求的板料成形仿真结果，从而得到板料成形完成后的厚度分部情况。
进一步的，在步骤三中，由于板料在成形仿真分析后，板料上的一些细小倒圆角等小特征会模糊化，而模具的原始型面网格则具有零件的各个小特征，因而需要将模具原始型面网格的各个节点向板料网格的三角单元投影，通过插值得到在板料单元上的投影点的厚度信息，这样不仅保留了零件的细小特征而已也反映出了板料的厚度变化对模具精确型面的影响，从而建立模具精确型面的网格模型。
进一步的，在步骤四中，偏置原始网格节点后要与仿真厚度信息做对比，确定在偏置过程中是否有过大的偏差。
进一步的，在步骤五中，对模具原始型面网格进行偏置时要向模具去除材料侧偏置。
进一步的，在步骤六中，搜索距刀轨点最近的单元时，全局搜索会极大的降低搜索速度，应采用刚网格分块的方法搜索。
进一步的，在步骤七中，在利用三角形的面积公式进行计算之前，要保证两个三角形单元是相对应的关系。
进一步的，在步骤八中，对加工刀轨点进行偏置后可得到所有点中最大的偏置距离，在加工模具时，要保证半精加工后有足够的加工余量。
本发明利用冲压数值仿真把板料成形仿真后的厚度变化情况反映到模具模面上，在原始模面的基础上重新构建出了反映板料成形厚度的精确模，从模具型面的设计和加工层面上，提高了模具型面的研合率，大大缩减钳工反复调试修整模具型面的研配时间，缩短制造周期，降低生产成本。
附图说明
图1为设计模型图。
图2为UG中生成加工刀轨示意图。
图3为拉延工艺模型示意图。
图4为冲压仿真厚度分布图。
图5为工具网格向板料网格映射示意图。
图6为凹模原始模面和精确模面的网格模型及其局部放大。
图7为凹模模面原始网格模型和精确网格模型偏差分析。
图8为刀轨坐标点偏置方法示意图。
图9为加工出的凹模。
具体实施方式
本发明实施时主要依赖于冲压仿真计算、网格映射算法、形函数插值、节点偏移、刀轨偏置等方法，鉴于凸模和凹模精确模面的重构方法完全一致，这里仅以凹模精确模面的加工为例，其具体实施办法如下：
1)由模具三维模型型面生成加工刀轨如图2所示。并提取出刀轨点的三维坐标。
2)将模具型面导入数值分析软件中进行网格划分，生成原始型面网格，并对板料进入单元划分，对板料拉延成形过程进行仿真分析，确定合理的冲压工艺参数，CAE分析结果满足工程要求，结果中包含有板料成形后厚度分布情况。
此例中所用材料为DC04，根据材料所设置的仿真参数如下：
厚度为1mm，密度7850kg/m3，弹性模量E＝207GPa，泊松比v＝0.28，各向异性系数r0＝2.58，r45＝1.92，r90＝2.19，硬化模量K＝530.7，硬化指数n＝0.231，压边力为150kN，摩擦系数μ＝0.125。冲压速度为5000mm/s，不对其网格进行细化分。其拉延工艺模型如图3所示。其CAE仿真分析结果基本能避免出现拉裂及起皱等重大缺陷，同时材料的减薄及增厚率均符合工程实际需求，仿真分析进行修边仿真后板料网格的厚度分布情况如图4所示。
3)计算板料网格中各个节点的厚度Hi，将模具原始型面网格的各个节点向板料网格做网格映射，搜寻映射投影点所落在的板料的三角形网格单元，通过三角形形函数插值计算出各投影点的厚度HO。
4)将模具原始型面网格的各个节点按其法向量方向偏置距离Δh＝1/2(H-HO)，其中H为板料的初始厚度,HO为对应的投影点厚度。通过调整原始网格模型的节点，从而构建出适应零件厚度分布的精确模面网格模型。
如图6所示，位于下面的网格模型即为所构建的凹模精确模面网格模型，将凹模模面精确网格与原始网格进行偏差检测，检测结果如图7所示，对比图4和图7的等值线云图的分布情况可知，所构建的精确模型达到了理想的效果。
5)将模具原始型面网格偏置距离r,其中r为精加工所用球头刀的半径。
6)将1)中得到的刀轨点向5)得到的网格进行投影。搜寻投影距离最小的三角形网格单元，并记录此三角形网格单元编号及投影点的坐标。
如图8，b点为刀轨中心点，搜寻到投影距离最小的三角形网格单元2。
7)由于5)中得到的网格型面和原始网格型面有一一对应的单元信息，根据三角形的面积坐标可插值计算出投影点对应在原始网格模型中的相应的投影点d的坐标。同理，4)得到的精确模面网格与原始型面网格也有一一对应的单元信息，根据三角形的面积坐标可插值计算出投影点对应在精确网格模型中的相应的投影点e的坐标。
8)连接点d与点e得到向量将刀轨点按此向量偏置得到点f，此点即为最终的加工刀轨点。
9)所有刀轨点都进行偏置后，将得到的新刀轨点写入数控加工程序，按此程序进行加工，加工完成的凹模如图9所示。

Claims (6)

1.一种汽车覆盖件拉延模具精确型面加工的方法，包括如下步骤：
步骤1：由模具三维模型中的原始型面生成模具精加工刀轨，并提取出刀轨点的三维坐标；
步骤2：将模具型面导入数值分析软件中进行网格划分，生成原始型面网格，并对板料进入单元划分，对板料拉延成形过程进行仿真分析，确定合理的冲压工艺参数，CAE分析结果满足工程要求，分析结果包含材料的厚度分布情况；
步骤3：计算板料网格中各个节点的厚度将模具原始型面网格的各个节点向板料网格做网格映射，搜寻映射投影点所落在的板料的三角形网格单元，通过三角形函数插值计算出各投影点的厚度H0；
步骤4：将模具原始型面网格的各个节点按其法向量方向偏置距离Δh＝1/2(H-H0)，其中H为板料的初始厚度,H0为对应的投影点厚度，通过调整原始网格模型的节点，从而构建出适应零件厚度分布的精确模面网格模型；
步骤5：将模具原始型面网格偏置距离r,其中r为精加工所用球头刀的半径；
步骤6：将步骤1中得到的刀轨点向步骤5得到的网格进行投影，搜寻投影距离最小的三角形网格单元，并记录此三角形网格单元编号及投影点的坐标；
步骤7：由于步骤5中得到的网格型面和原始网格型面有一一对应的单元信息，根据三角形的面积坐标可插值计算出投影点对应在原始网格模型中的相应的投影点d的坐标，同理，步骤4得到的精确模面网格与原始型面网格也有一一对应的单元信息，根据三角形的面积坐标可插值计算出投影点对应在精确网格模型中的相应的投影点e的坐标；
步骤8：连接点d与点e得到向量将刀轨点按此向量偏置得到点f，此点即为最终的加工刀轨点；
步骤9：所有刀轨点都进行偏置后，将得到的新刀轨点写入数控加工程序，按此程序进行加工。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1中所指的模具原始型面包括凸模型面和凹模型面。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3中采用的各个节点厚度H求解公式为：式中n为包含节点i的单元个数，Hk为对应的第K个单元该节点号的厚度；
投影点厚度的插值计算公式为：
其中ΔABC为投影点O所在的三角形单元，ΔBOC、ΔAOC、ΔAOB分别为投影点与ΔABC的三个顶点组成的三角形，分别为这四个三角形的面积，Hs、Hc分别为ΔABC三个顶点的厚度。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4中将模具原始型面网格的各个节点按其法向量方向偏置一定的距离ΔSi，而模具原始型面网格模型中的单元信息却不做任何改变，得到模具精确型面的网格模型，从而能够保证精确网格模型和原始网格模型具有一一对应的单元信息为后面的曲面重构奠定了网格模型基础。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤5中，原始网格偏置方向为模具去除材料的一侧。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤6中，搜索最短距离的网格所用公式为其中Ax+By+Cz+D＝0为单元所在平面的平面方程，(x0,y0,z0)为刀轨点的三维坐标，d为刀轨点到单元所在平面的距离。
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