劉朝暉

摘要：以鐵藝三角沖壓件為研究背景，論述了從最初的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、逆向曲面重建至最后的CAE仿真優(yōu)化，采用Auto-Form軟件對(duì)沖壓件進(jìn)行了成形性分析，完成相關(guān)數(shù)值模擬。通過(guò)三角沖壓件成形質(zhì)量的預(yù)測(cè)，優(yōu)化模具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，有效地減少了物理試模次數(shù)，縮短了設(shè)計(jì)制造周期，最終通過(guò)實(shí)際工程驗(yàn)證，表明前期數(shù)值模擬分析對(duì)模具設(shè)計(jì)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：ICE；Auto-Form；沖壓件

一、引言

隨著科技的飛速發(fā)展，逆向技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助工程等先進(jìn)制造技術(shù)應(yīng)用于模具的設(shè)計(jì)與制造已經(jīng)越來(lái)越廣泛，有效的彌補(bǔ)了一些缺少原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的產(chǎn)品無(wú)法進(jìn)行生產(chǎn)制造流程的缺憾。本文以一鐵藝三角沖壓件為例，整合逆向工程RE、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD以及計(jì)算機(jī)輔助工程CAE進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究，先使用整合逆向工程RE對(duì)制件數(shù)據(jù)點(diǎn)云進(jìn)行曲面重構(gòu)，再通過(guò)CAD進(jìn)行三維數(shù)據(jù)建模，分析覆蓋成形特點(diǎn)，確定沖壓工藝。然后采用Auto-Form軟件對(duì)三角沖壓件的成形過(guò)程進(jìn)行有限元分析、模擬沖壓件成形的真實(shí)過(guò)程，通過(guò)板料成形性預(yù)測(cè)，優(yōu)化沖壓工藝參數(shù)，改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)，最后獲得合理的數(shù)字化模型，確保成形后制件的精準(zhǔn)度，有效的保障產(chǎn)品質(zhì)量，提升產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)水平，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等方面也得到進(jìn)一步提高。CAE計(jì)算機(jī)輔助工程的引入，通過(guò)對(duì)工件的成形工藝進(jìn)行分析，做出工件能否制造的早期判斷。對(duì)模具方案和沖壓方案的可行性進(jìn)行分析，及時(shí)調(diào)整方案，經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證和矯正，通過(guò)缺陷預(yù)測(cè)來(lái)制定缺陷預(yù)防措施，降低了模具設(shè)計(jì)制造過(guò)程中“人工因素”的影響，為設(shè)計(jì)人員提供可靠的數(shù)據(jù)結(jié)果，給設(shè)計(jì)者優(yōu)化設(shè)計(jì)模具提供系統(tǒng)的數(shù)據(jù)依據(jù)；更有利于設(shè)計(jì)知識(shí)的積累。從而彌補(bǔ)了因設(shè)計(jì)人員在經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)用工藝資料方面的不足，因此保障了模具的品質(zhì)，同時(shí)工藝制備人員也獲得了經(jīng)驗(yàn)，并且有效地縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造的周期，提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成功率，從而達(dá)到快速設(shè)計(jì)生產(chǎn)模具的目的。

二、三角沖壓件逆向建模及曲面重構(gòu)

三角制件表面為曲面，難以實(shí)現(xiàn)手工測(cè)繪，為獲取可編輯的原始數(shù)據(jù)，使用激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到了與實(shí)體形狀非常相似的完整點(diǎn)云，經(jīng)過(guò)掃描軟件簡(jiǎn)單處理后，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成.stl文件，導(dǎo)入Geomagie Studio逆向建模軟件，該軟件是用許多微小的空間三角片來(lái)逼近模型，用NURBS曲面片擬合直接建立NURBS曲面模型的策略，分為點(diǎn)——多邊形——造型三個(gè)階段。

由于Geomagic軟件造型方式是直接面向模型全部，利用軟件對(duì)掃描的點(diǎn)進(jìn)行著色、降噪、封裝、光順、填充、松弛、修剪稅化等操作特性，因此，可以對(duì)一些掃描缺陷部位，比如空洞、凸點(diǎn)、褶皺等進(jìn)行補(bǔ)洞、去除特征等處理，即可進(jìn)入曲面造型階段，也就是實(shí)現(xiàn)區(qū)域分割與曲面重構(gòu)。在進(jìn)行曲面片構(gòu)建中，手繪曲面輪廓線需要注意，包含的曲面曲率差異性不能過(guò)大。曲面片不能有相交區(qū)域，并使大小盡量一致，邊界靠近輪廓，調(diào)節(jié)好就可以構(gòu)建格柵，最后就是NURBS曲面。將曲面片導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件中，對(duì)縫隙進(jìn)行縫補(bǔ)并加厚，CAD實(shí)體建模完成。

三、三角沖壓件CAE仿真過(guò)程

1.模型導(dǎo)入及有限元網(wǎng)格模型的建立

三角沖壓件的成品制造工序?yàn)槁淞稀⒊尚?。制件的形狀和剛性主要都在拉延工序中得以體現(xiàn)，質(zhì)量的優(yōu)劣也與拉延密切相關(guān)。因此，三角沖壓件的工藝性分析主要在于拉延成形分析。將處理好的曲面片生成.igs格式，導(dǎo)入到Auto-Form中，定義網(wǎng)格大小、最大表面誤差值后采用網(wǎng)格劃分器完成復(fù)雜自由幾何曲面的自動(dòng)網(wǎng)格劃分，為模型分析奠定基礎(chǔ)。

2.CAE仿真過(guò)程

在Moder-Geometry Generator中進(jìn)行模型的預(yù)處理，設(shè)置邊界線，沖壓方向即可進(jìn)行毛坯計(jì)算與排樣，調(diào)整壓料面與模型的位置，在shift中輸入數(shù)值，注意正負(fù)，修改參數(shù)，得到理想模型。壓料面應(yīng)該盡可能簡(jiǎn)單平滑，因?yàn)槠溆绊懼牧系牧鲃?dòng)，整體原則以保證拉入凹模內(nèi)的材料不皺不裂為準(zhǔn)。沖壓件內(nèi)部不存在孔及凸臺(tái)，所以只需要進(jìn)行外工藝補(bǔ)充。

在模擬類型里選擇增量法拉延，雙動(dòng)拉延，設(shè)置沖壓件料厚1mm，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，在Binder中壓邊力P=3進(jìn)行初步模擬數(shù)值計(jì)算。首次拉延模擬結(jié)果顯示不同程度出現(xiàn)變形不充分、起皺、壓應(yīng)力狀態(tài)，沖壓件表面大部分為灰色，說(shuō)明變形不充分、有褶皺，可以判斷拉延不充分，可能拉延力偏小，需要進(jìn)一步調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)。將壓邊力由原來(lái)的3調(diào)整為5，重新提交后模擬計(jì)算，沖壓件表面局部紅色，成型劇烈有開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，但在邊緣部位且范圍較小，可以調(diào)整落料邊線長(zhǎng)短及邊件端面表面粗糙度，減少應(yīng)力集中，注意板件毛刺方向和落料修邊間隙即可。通過(guò)拉延件的厚度變化云圖，點(diǎn)選指示出每一點(diǎn)的厚度的變化率，一般不超出25%即板料厚度變化值與料厚的比值，結(jié)果同成形性分析吻合，數(shù)值為-0.226，變薄最甚，易發(fā)生拉裂，可以修改數(shù)學(xué)模型，調(diào)整圓角。

四、工程驗(yàn)證

將仿真獲得的優(yōu)化工藝作為模具開(kāi)發(fā)方案，修整模具局部結(jié)構(gòu)，在沖壓機(jī)上，經(jīng)過(guò)落料、成形兩個(gè)工序，沖壓制件，零件質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。

五、結(jié)語(yǔ)

RE技術(shù)的日趨成熟帶來(lái)了制造業(yè)的跨越式發(fā)展，CAE計(jì)算機(jī)輔助工程的實(shí)際應(yīng)用也越來(lái)越受到重視。以三角沖壓件為例，探討了從最初的數(shù)據(jù)采集、曲面重構(gòu)、三維建模到CAE仿真成形分析的全過(guò)程，通過(guò)制件成形質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測(cè)，優(yōu)化工藝參數(shù)，并對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果做出正確的解釋，提高了成形分析的正確率，達(dá)到獲得合理的數(shù)字化模型，從而減少物理試模，縮短模具設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期，提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成功率，降低研究開(kāi)發(fā)成本，企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力也得到了有效提升。最后通過(guò)工程實(shí)踐驗(yàn)證，表明其達(dá)到預(yù)期形狀、尺寸和功能的有效、一致性，對(duì)實(shí)際模具設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具有重要意義。