CN107116139B - 模具型面的设计方法及覆盖件模具 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种模具型面的设计方法及覆盖件模具，以解决现有技术中存在的模具型面的预先补偿精度低的技术问题。所述模具型面的设计方法，包括以下步骤：1)模具在冲压力下的弹性变形量的计算；2)基于模具变形有限元计算网格节点点云的提取和耦合；3)基于有限元计算精细模面生成。所述模具型面的设计方法用于设计覆盖件模具且提高模具型面的预先补偿精度。
Description
技术领域
本发明涉及模具设计技术领域，尤其是涉及一种模具型面的设计方法及覆盖件模具。
背景技术
汽车覆盖件模具在进行冲压时需要保证所冲压出的覆盖件的精度符合设计要求并且质量稳定，因此，覆盖件模具在工作时需要保证凸模型面、凹模型面与板料在冲压成形的最终时刻能够均匀接触。通常汽车覆盖件模具的凸模型面和凹模型面均为均匀偏置料厚的型面，但在使用过程中，由于压力机成形力的存在，模具会发生不均匀的弹性变形，该弹性变形造成模具的凸模型面和凹模型面及板料不能均匀接触，最终导致制件精度低且质量不稳定的问题。
为解决上述问题，出现了基于有限元数值模拟技术的精细模面设计技术，该技术主要是利用有限元数值模拟技术对覆盖件在冲压过程中的减薄量和模具整体的弹性变形进行分析，并对模具型面进行预先补偿，即在获得最终成形的模具型面之前，对覆盖件的减薄量和弹性形变进行补偿，最后曲面设计工程师可根据上述分析结果对模具精细模面进行设计，这种方法可有效减少传统钳工的研配工作量，同时可缩短模具的制造周期。
然而，上述相关技术存在以下缺陷：使用上述方法对模具精细模面进行设计，其中人工参与的部分为：曲面设计工程师通过有限元数值模拟技术获取覆盖件的减薄量和模具整体的弹性变形量，通过人眼观察变形区域的大致变形情况，并对所观察到的变形区域的减薄量进行大致计算，然后对同一变形区域的弹性变形量进行大致计算，最终再将两个数据进行合并得到一个简单的模面补偿报告，曲面设计师再根据此报告做出相应曲面。因此，上述分析结果所获取的最终结果仅为一个大致结果，并非模具变形区域上每个位置的精准数据，从而导致最终成形的模具型面的精度低、准确性差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模具型面的设计方法及覆盖件模具，以解决现有技术中存在的模具型面的预先补偿精度低的技术问题。
为达到上述目的，本发明实施例采用以下技术方案：
一种模具型面的设计方法，包括以下步骤：
1)模具在冲压力下的弹性变形量的计算：
首先建立成形零件的有限元CAD数字模型，并将所述CAD数字模型的结构进行简化，然后利用Unigraphics NX软件对简化后的所述CAD数字模型进行实体网格划分，最后利用LS－DYNA软件对简化后的所述CAD数字模型进行在冲压力下的弹性变形量计算；
2)基于模具变形有限元计算网格节点点云的提取和耦合：首先对所述CAD数字模型在成形压力下弹性变形有限元计算得到的有限元网格的所述CAD数字模型的工作型面进行节点坐标、网格节点点云的提取，其次根据网格分布情况确定工作型面节点坐标、网格节点点云提取后的所述CAD数字模型的工作型面的反向补偿法线方向和反向节点移动数值，再次确定网格节点的投影，最后对补偿后的所述CAD数字模型的工作型面进行网格节点合并且得到一致性点云；
3)基于有限元计算精细模面生成：利用GeomagicStudio软件将所述CAD数字模型的工作型面获得的一致性点云进行非均匀有理B样条拟合，并建立基于有限元计算耦合点云的精细模面。
进一步地，在步骤2)中，利用LS－DYNA软件对网格划分后的所述CAD数字模型的工作型面进行有限元数值模拟计算并得到DYNAIN文件，通过坐标系平面分块算法，沿所述CAD数字模型的工作型面的高度方向获取边长为1mm方格范围内，利用最近邻点插值法计算得到每一个1mm方格四节点的空间坐标值，获取由以上1mm方格节点组成所述CAD数字模型的工作型面的有限元网格节点点云。
进一步地，在步骤2)中，以所述CAD数字模型的凹模原始未变形数字型面为基准，采用边长为1mm方格区域的划分方法，将每一个四边形小区域继续划分为两个三角形，以每个三角形的法线方向作为补偿法线方向，其中，所述补偿法线方向是补偿方向的法线方向。
进一步地，在步骤2)中，分别对所述CAD数字模型的凸模的工作型面、凹模的工作型面及压边圈的工作型面的有限元网格节点点云利用坐标系平面分块算法，在每个1mm三角形区域内，按照补偿方向并根据所述CAD数字模型的工作型面的有限元计算结果得到相应工作型面的每个节点的总位移，在所述补偿法线方向上进行反向补偿，获得各自的节点空间位置，最终获得包含补偿信息的一致性点云。
作为上述方案的进一步改进，具体地，在步骤1)中，分析成形零件的有限元所述CAD数字模型，然后将所述CAD数字模型的主结构中的非传递力结构和零部件进行直接删除，将所述CAD数字模型中的部分传递力结构进行简化；利用UnigraphicsNX软件的高级仿真模块对简化后的所述CAD数字模型进行四节点四面体三维实体网格划分，并根据三维曲面轮廓进行自适应网格加密，得到所述CAD数字模型的三维网格，再设计两块模拟冲压机床上下台面的盖板，两块所述盖板的尺寸分别大于所述CAD数字模型的上底面、下底面，并对两块所述盖板进行边长为25mm四节点四面体三维实体网格划分，且分别导出每个部件的网格信息K文件；首先利用ls－prepost软件进行不同部件K文件的有限元网格装配，得到完整的有限元计算模型，上底板和下底板均设置为刚体，其他部件均设置为柔性体，再进行K文件前处理信息编程，根据模拟的实际冲压条件加载成形力，并使下底板保持静止，上底板线性加载冲压成形力，最后控制加载时间为1s，提交LS－DYNA软件进行有限元数值模拟计算。
进一步地，针对上述网格的大小而言，网格边长最大为25mm，最小为0.5mm。
作为上述方案的进一步改进，具体地，在步骤3)中，根据获得的包含补偿信息的一致性点云，利用曲面设计软件分析所述CAD数字模型的工作型面的一致性点云与所述CAD数字模型的原始曲面的面差分析结果，以所述CAD数字模型的工作型面边界点为B曲面的起始和终了端点，沿垂直于所述CAD数字模型的工作型面的边界方向且间距为2mm设计非均匀有理B样条曲线。
进一步地，在步骤3)中，根据相邻的非均匀有理B样条曲线生成B样条曲面片，并对所述B样条曲面片进行二阶连续可微曲面连接，最终建立生成包含补偿信息的一致性点云的曲面一。
进一步地，在步骤3)中，利用曲面造型软件，将曲面一的工作型面投影几何中心作为最大点，以所述曲面一的工作型面的几何中心为圆心，以所述曲面一的工作型面投影图形的最大内切圆为边界，沿冲压方向向凸模方向做0.1mm的均匀隆起变形，获得最终的精细模面—曲面二。
相比于现有技术，本发明提供的基于有限元计算点云模面模具的设计方法，包括模具在冲压力下的弹性变形量计算、有限元计算点云的提取和耦合及基于有限元计算耦合点云的精细模面生成三个步骤，首先通过计算模具在冲压力下的弹性变形量，从而从毛坯阶段即可对模具结构进行优化，利用不断更新的软件进行分析计算，能够得到更为精准的模拟数值，其次，通过提取有限元数值模拟得到凸模、凹模及压边圈的有限元网格节点点云，并根据网格分布情况确定反向补偿法线的方向和反向节点移动，获得包含补偿信息的一致点云，最后，利用软件建立基于有限元计算耦合点云的精细模面。由于在利用有限元数值模拟技术进行覆盖件在冲压过程中的减薄量和模具整体的弹性变形进行分析的过程中，通过软件的模拟计算及少量的人工操作，本发明提供的设计方法，是在一种合理的模具及工艺条件的前提下，计算出了弹性变形量，并对该变形量进行了补偿，最终通过耦合得出精细模面，从而提高了工作型面的预先补偿精度性及使用的广泛性。
进一步地，本发明还提供一种覆盖件模具，包括上所述的模具型面的设计方法。
所述覆盖件模具相比于现有技术的有益效果，与上述模具型面的设计方法相比于现有技术的有益效果相同，此处不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的模具型面的设计方法的原理图；
图2为本发明实施例提供的模具型面的设计方法的CAD数字模型结构图；
图3为本发明实施例提供的模具型面的设计方法的简化后的CAD数字模型结构图；
图4为本发明实施例提供的模具型面的设计方法的模具有限元计算三维实体网格的结构图；
图5为本发明实施例提供的模具型面的设计方法的模具有限元计算后得到的凸凹模网格节点合并点云的结构图；
图6为本发明实施例提供的模具型面的设计方法的模具根据合并点云得到的凹模型面非均匀有理B样条的结构图；
图7为本发明实施例提供的模具型面的设计方法的模具通过样条得到的精细模面的结构图。
图标：100－CAD数字模型；110－凹模；120－压边圈；130－凸模。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1为本发明实施例提供的模具型面的设计方法的原理图，请参阅图1，一种模具型面的设计方法，包括以下步骤：
1)模具在冲压力下的弹性变形量的计算：
首先建立成形零件的有限元CAD数字模型100，并将CAD数字模型100的结构进行简化，然后利用UnigraphicsNX软件对简化后的所述CAD数字模型100进行实体网格划分，最后利用LS－DYNA软件对简化后的CAD数字模型100进行在冲压力下的弹性变形量计算；
2)基于模具变形有限元计算网格节点点云的提取和耦合：首先对CAD数字模型100在成形压力下弹性变形有限元计算得到的有限元网格的CAD数字模型100的工作型面进行节点坐标、网格节点点云的提取，其次根据网格分布情况确定工作型面节点坐标、网格节点点云提取后的CAD数字模型100的工作型面的反向补偿法线方向和反向节点移动数值，再次确定网格节点的投影，最后对补偿后的CAD数字模型100的工作型面进行网格节点合并且得到一致性点云；
3)基于有限元计算精细模面生成：利用Geomagic Studio软件将CAD数字模型100的工作型面获得的一致性点云进行非均匀有理B样条拟合，并建立基于有限元计算耦合点云的精细模面。
相比于现有技术，本发明提供的基于有限元计算点云模面模具的设计方法，包括模具在冲压力下的弹性变形量计算、有限元计算点云的提取和耦合及基于有限元计算耦合点云的精细模面生成三个步骤，首先通过计算模具在冲压力下的弹性变形量，从而从毛坯阶段即可对模具结构进行优化，利用不断更新的软件进行分析计算，能够得到更为精准的模拟数值，其次，通过提取有限元数值模拟得到凸模130、凹模110及压边圈120的有限元网格节点点云，并根据网格分布情况确定反向补偿法线的方向和反向节点移动，获得包含补偿信息的一致点云，最后，利用软件建立基于有限元计算耦合点云的精细模面。由于在利用有限元数值模拟技术进行覆盖件在冲压过程中的减薄量和模具整体的弹性变形进行分析的过程中，通过软件的模拟计算及少量的人工操作，本发明提供的设计方法，是在一种合理的模具及工艺条件的前提下，计算出了弹性变形量，并对该变形量进行了补偿，最终通过耦合得出精细模面，从而提高了工作型面的预先补偿精度性及使用的广泛性。
图2为本发明实施例提供的模具型面的设计方法的CAD数字模型结构图，图3为本发明实施例提供的模具型面的设计方法的简化后的CAD数字模型结构图，请参阅图2和图3，在进行三维CAD数字模型100进行分析简化时，将模具主结构，例如压边圈120、凸模130和凹模110中的非传递力结构和零部件进行直接删除；其中非传递力结构主要包括气路管道及其接头、电子传感器、板料限位器、模具连接板和螺钉等；将CAD数字模型100中的部分传递力结构进行简化，主要简化过程包括：调压垫、导板与所连接CAD数字模型100本体合为一体、分散性镶块合为一体；因为CAD数字模型100为对称图形，将CAD数字模型100沿对称面切开，只利用一半图形进行分析和计算，不仅可以简化计算，而且缩短了计算时间。
进一步地，在步骤2)中，利用LS－DYNA软件对网格划分后的CAD数字模型100的工作型面进行有限元数值模拟计算并得到DYNAIN文件，通过坐标系平面分块算法，沿CAD数字模型100的工作型面的高度方向获取边长为1mm方格范围内，利用最近邻点插值法计算得到每一个1mm方格四节点的空间坐标值，获取由以上1mm方格节点组成CAD数字模型100的工作型面的有限元网格节点点云。
需要说明的是，利用上述方法分别获取得到凹模110的工作型面、压边圈120的工作型面及凸模130的工作型面，并计算最后得到的有限元网格节点点云。
进一步地，在步骤2)中，以CAD数字模型100的凹模110原始未变形数字型面为基准，采用边长为1mm方格区域的划分方法，将每一个四边形小区域继续划分为两个三角形，以每个三角形的法线方向作为补偿法线方向，其中，所述补偿法线方向是补偿方向的法线方向。
图4为本发明实施例提供的模具型面的设计方法的模具有限元计算三维实体网格的结构图，请参阅图4，在步骤1)中，分析成形零件的有限元CAD数字模型100，然后将CAD数字模型100的主结构中的非传递力结构和零部件进行直接删除，将CAD数字模型100中的部分传递力结构进行简化；
利用Unigraphics NX软件的高级仿真模块对简化后的CAD数字模型100进行四节点四面体三维实体网格划分，并根据三维曲面轮廓进行自适应网格加密，得到CAD数字模型100的三维网格，再设计两块模拟冲压机床上下台面的盖板，两块盖板的尺寸分别大于CAD数字模型100的上底面、下底面，并对两块盖板进行边长为25mm四节点四面体三维实体网格划分，且分别导出每个部件的网格信息K文件；
首先利用ls－prepost软件进行不同部件K文件的有限元网格装配，得到完整的有限元计算模型，上底板和下底板均设置为刚体，其他部件均设置为柔性体，再进行K文件前处理信息编程，根据模拟的实际冲压条件加载成形力，并使下底板保持静止，上底板线性加载冲压成形力，最后控制加载时间为1s，提交LS－DYNA软件进行有限元数值模拟计算。
进一步地，为了提高所述CAD数字模型100的工作型面的精准度，网格边长最大为25mm，最小为0.5mm。
图5为本发明实施例提供的模具型面的设计方法的模具有限元计算后得到的凸模和凹模网格节点合并点云的结构图，需要说明的是，为了能够更为清楚的显示，图5中将部分网格进行了隐藏，因此仅保留了曲面主要部分的点云，请参阅图5，在步骤2)中，分别对CAD数字模型100的凸模130的工作型面、凹模110的工作型面及压边圈120的工作型面的有限元网格节点点云利用坐标系平面分块算法，在每个1mm三角形区域内，按照补偿方向并根据CAD数字模型100的工作型面的有限元计算结果得到相应工作型面的每个节点的总位移，在所述补偿法线方向上进行反向补偿，获得各自的节点空间位置，最终获得包含补偿信息的一致性点云。
图6为本发明实施例提供的模具型面的设计方法的模具根据合并点云得到的凹模型面非均匀有理B样条的结构图，请参阅图6，在步骤3)中，根据获得的包含补偿信息的一致性点云，利用曲面设计软件分析CAD数字模型100的工作型面的一致性点云与CAD数字模型100的原始曲面的面差分析结果，以CAD数字模型100的工作型面边界点为B曲面的起始和终了端点，沿垂直于CAD数字模型100的工作型面的边界方向且间距为2mm设计非均匀有理B样条曲线。
需要说明的是，由于曲线间距较为密集，为了表示清楚本实施例的过程，在图6中隐藏了部分曲线，并且上述所提到的曲面设计软件可以采用例如Geomagic Studio软件进行分析。
进一步地，在步骤3)中，根据相邻的非均匀有理B样条曲线生成B样条曲面片，并对所述B样条曲面片进行二阶连续可微曲面连接，最终建立生成包含补偿信息的一致性点云的曲面一。
图7为本发明实施例提供的模具型面的设计方法的模具通过样条得到的精细模面的结构图，请参阅图7，在步骤3)中，利用曲面造型软件，将曲面一的工作型面投影几何中心作为最大点，以所述曲面一的工作型面的几何中心为圆心，以所述曲面一的工作型面投影图形的最大内切圆为边界，沿冲压方向向凸模130方向做0.1mm的均匀隆起变形，获得最终的精细模面—曲面二。
在本发明实施例中还提供一种覆盖件模具，包括如上所述的模具型面的设计方法。
本实施例提供的覆盖件模具与上述提供的模具型面的设计方法的有益效果相同，因此不再一一赘述。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种模具型面的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)模具在冲压力下的弹性变形量的计算：
首先建立成形零件的有限元CAD数字模型，并将所述CAD数字模型的结构进行简化，然后利用Unigraphics NX软件对简化后的所述CAD数字模型进行实体网格划分，最后利用LS－DYNA软件对简化后的所述CAD数字模型进行在冲压力下的弹性变形量计算；
2)基于模具变形有限元计算网格节点点云的提取和耦合：首先对所述CAD数字模型在成形压力下弹性变形有限元计算得到的有限元网格的所述CAD数字模型的工作型面进行节点坐标、网格节点点云的提取，其次根据网格分布情况确定工作型面节点坐标、网格节点点云提取后的所述CAD数字模型的工作型面的反向补偿法线方向和反向节点移动数值，再次确定网格节点的投影，最后对补偿后的所述CAD数字模型的工作型面进行网格节点合并且得到一致性点云；
3)基于有限元计算精细模面生成：利用Geomagic Studio软件将所述CAD数字模型的工作型面获得的一致性点云进行非均匀有理B样条拟合，并建立基于有限元计算耦合点云的精细模面。
2.根据权利要求1所述的模具型面的设计方法，其特征在于，在步骤2)中，利用LS－DYNA软件对网格划分后的所述CAD数字模型的工作型面进行有限元数值模拟计算并得到DYNAIN文件，通过坐标系平面分块算法，沿所述CAD数字模型的工作型面的高度方向获取边长为1mm方格范围内，利用最近邻点插值法计算得到每一个1mm方格四节点的空间坐标值，获取由以上1mm方格节点组成所述CAD数字模型的工作型面的有限元网格节点点云。
3.根据权利要求2所述的模具型面的设计方法，其特征在于，在步骤2)中，以所述CAD数字模型的凹模原始未变形数字型面为基准，采用边长为1mm方格区域的划分方法，将每一个四边形小区域继续划分为两个三角形，以每个三角形的法线方向作为补偿法线方向，其中，所述补偿法线方向是补偿方向的法线方向。
4.根据权利要求3所述的模具型面的设计方法，其特征在于，在步骤2)中，分别对所述CAD数字模型的凸模的工作型面、凹模的工作型面及压边圈的工作型面的有限元网格节点点云利用坐标系平面分块算法，在每个1mm三角形区域内，按照补偿方向并根据所述CAD数字模型的工作型面的有限元计算结果得到相应工作型面的每个节点的总位移，在所述补偿法线方向上进行反向补偿，获得各自的节点空间位置，最终获得包含补偿信息的一致性点云。
5.根据权利要求1所述的模具型面的设计方法，其特征在于，在步骤1)中，分析成形零件的有限元所述CAD数字模型，然后将所述CAD数字模型的主结构中的非传递力结构和零部件进行直接删除，将所述CAD数字模型中的部分传递力结构进行简化；
利用Unigraphics NX软件的高级仿真模块对简化后的所述CAD数字模型进行四节点四面体三维实体网格划分，并根据三维曲面轮廓进行自适应网格加密，得到所述CAD数字模型的三维网格，再设计两块模拟冲压机床上下台面的盖板，两块所述盖板的尺寸分别大于所述CAD数字模型的上底面、下底面，并对两块所述盖板进行边长为25mm四节点四面体三维实体网格划分，且分别导出每个部件的网格信息K文件；
首先利用ls－prepost软件进行不同部件K文件的有限元网格装配，得到完整的有限元计算模型，上底板和下底板均设置为刚体，其他部件均设置为柔性体，再进行K文件前处理信息编程，根据模拟的实际冲压条件加载成形力，并使下底板保持静止，上底板线性加载冲压成形力，最后控制加载时间为1s，提交LS－DYNA软件进行有限元数值模拟计算。
6.根据权利要求5所述的模具型面的设计方法，其特征在于，网格边长最大为25mm，最小为0.5mm。
7.根据权利要求1所述的模具型面的设计方法，其特征在于，在步骤3)中，根据获得的包含补偿信息的一致性点云，利用曲面设计软件分析所述CAD数字模型的工作型面的一致性点云与所述CAD数字模型的原始曲面的面差分析结果，以所述CAD数字模型的工作型面边界点为B曲面的起始和终了端点，沿垂直于所述CAD数字模型的工作型面的边界方向且间距为2mm设计非均匀有理B样条曲线。
8.根据权利要求7所述的模具型面的设计方法，其特征在于，在步骤3)中，根据相邻的非均匀有理B样条曲线生成B样条曲面片，并对所述B样条曲面片进行二阶连续可微曲面连接，最终建立生成包含补偿信息的一致性点云的曲面一。
9.根据权利要求1所述的模具型面的设计方法，其特征在于，在步骤3)中，利用曲面造型软件，将曲面一的工作型面投影几何中心作为最大点，以所述曲面一的工作型面的几何中心为圆心，以所述曲面一的工作型面投影图形的最大内切圆为边界，沿冲压方向向凸模方向做0.1mm的均匀隆起变形，获得最终的精细模面—曲面二。
10.一种覆盖件模具，其特征在于，包括如权利要求1－9任一项所述的模具型面的设计方法。
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