基于CAE技術(shù)的模具型面自動補償

鄒付群，成思源

（1.廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510403；2.廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

基于CAE技術(shù)的模具型面自動補償

鄒付群1，成思源2

（1.廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510403；2.廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

模具型面的回彈補償是沖壓模具設(shè)計中的一個難題。提出來一種基于CAE技術(shù)的模具型面自動補償方法。先用DY?NAFORM軟件進行回彈分析，再用ThinkDesign軟件根據(jù)回彈量對型面進行自動補償，最后以一實例驗證方法的可行性。

CAE；ThinkDesign；回彈；型面補償

0 引言

隨著高強度鋼板使用的不斷增加，回彈變的越來越嚴重，單純依靠調(diào)節(jié)工藝參數(shù)不能滿足曲面質(zhì)量要求，必須對模具型面進行修改才行。傳統(tǒng)的模面修改是在車間現(xiàn)場試模實施，再通過手動修改模具得以實現(xiàn)。修模是一個反復(fù)嘗試的過程，每次的修模量都是依據(jù)經(jīng)驗進行的，具有一定的盲目性。整個修模過程需要很長的時間，耗費大量的人力和財力，而且難以保證產(chǎn)品質(zhì)量[1]。

近年來，隨著板料成形數(shù)值模擬技術(shù)的逐漸成熟，如何利用數(shù)值模擬預(yù)測出板料的回彈量，并根據(jù)回彈量的大小和分布對模具的形狀進行修正，使得工件在回彈后的形狀滿足幾何精度的要求，成為板料成形領(lǐng)域中的研究熱點之一，受到極大關(guān)注。

在模具型面補償方面，多是依靠手工操作，以CAE軟件中的數(shù)值模擬結(jié)果為基準(zhǔn)，結(jié)合Sur?facer、Catia或UG等CAD軟件的逆向造型功能生成模具型面再進行曲面編輯，生成模具的補償型面，例如浙江大學(xué)柴海嘯[2]將補償后網(wǎng)格的節(jié)點轉(zhuǎn)化為逆向工程的點云，然后在Surfacer軟件中進行模具型面的CAD設(shè)計。然而這種方法常常因為曲面間的相互制約導(dǎo)致編輯的結(jié)果很難到位，同時手工操作存在費時、費力的缺點，而且修改后的模具型面質(zhì)量也不高。針對這些弊端，本文提出了基于CAE回彈分析的模具型面的自動補償方法：利用有限元分析結(jié)果對CAD模型進行自動修改，從而得到回彈補償后的模具型面，其原理是基于全局形狀建模技術(shù)。該方法在有限元分析和優(yōu)化模具設(shè)計之間直接搭建起溝通的橋梁，建立起完整的模具CAD設(shè)計——CAE回彈補償控制——補償模具CAD的優(yōu)化模具設(shè)計方案，提高模具設(shè)計的自動化程度和效率。

1 利用DYNAFORM軟件的回彈分析

目前，隨著數(shù)值模擬技術(shù)在板料方面的應(yīng)用越來越成熟，已經(jīng)形成了商品化的板料成形CAE軟件，得到了廣泛的應(yīng)用，德國的大眾、奔馳，美國的福特，日本的豐田等汽車公司，都已經(jīng)開始應(yīng)用板料成形分析CAE軟件指導(dǎo)板料成形件的開發(fā)和生產(chǎn)。隨著我國工業(yè)的發(fā)展，板料成形CAE軟件在我國的應(yīng)用將越來越廣泛。目前應(yīng)用較為廣泛的板料成形分析CAE軟件有ANSYS、KMAS、 AutoForm、 PAM-STAMP2G 和 DY?NAFORM[3-4]。本文采用DYNAFORM軟件進行回彈分析。它是由美國ETA公司和LSTC公司聯(lián)合開發(fā)的用于板料成形過程模擬仿真的專用軟件，能夠有效地對板料回彈進行預(yù)測。

1.1 回彈分析方法

DYNAFORM進行回彈分析時有兩種方法可以選擇[5]，一是無縫轉(zhuǎn)接（SEAMLESS），另一方法是生成中間DYNAIN文件。

（1）SEAMLESS方法

SEAMLESS法是指在成形仿真過程結(jié)束后，直接轉(zhuǎn)入回彈分析階段。該方法比較簡便。但不便進行網(wǎng)格粗化、裁剪等操作，因此主要用于一些簡單沖壓件的回彈分析，對于復(fù)雜沖壓件的回彈分析問題，多采用DYNAIN方法。

（2）DYNAIN方法

DYNAIN法在成形仿真過程結(jié)束后生成一中間DYNAIN文件，該文件包括沖壓件的位移、應(yīng)力和應(yīng)變等信息，再將該文件導(dǎo)入到軟件進行回彈分析。這種方法在工程實際中應(yīng)用十分廣泛，而且是多步成形分析的唯一方法。本文的實例便是采用這種方法。

1.2 回彈分析流程

一個完整的回彈分析應(yīng)該包括成形和回彈兩個過程，這兩個階段既是獨立的又是緊密聯(lián)系的，成形是回彈分析的基礎(chǔ)，為其提供應(yīng)力、應(yīng)變等信息，成形仿真的準(zhǔn)確與否直接影響回彈分析的結(jié)果。因此首先需要設(shè)置合理的工藝參數(shù)得到準(zhǔn)確的成形結(jié)果，再將成形DYNAIN文件導(dǎo)入軟件，通過定義材料參數(shù)、約束點等操作，才能得到準(zhǔn)確的回彈分析結(jié)果，完整的回彈分析流程如圖1所示。

圖1 DYNAFORM回彈分析流程

2 ThinkDesign軟件的回彈補償

ThinkDesign軟件的GSM是指全局形狀建模技術(shù)，它可以快速準(zhǔn)確地對曲面進行設(shè)計和修改。結(jié)合回彈仿真結(jié)果，能夠?qū)δ＞咝兔孢M行局部或整個曲面進行修改，而且修改后的曲面和原曲面具有相同的拓撲關(guān)系和曲面質(zhì)量。

Compensator便是采用這一技術(shù)開發(fā)的專門用來處理板料回彈補償?shù)哪K，利用CAE分析的回彈結(jié)果，直接對模具型面進行修改，實現(xiàn)回彈補償過程的自動化，這大大節(jié)省修改模具型面的時間。整個過程可分為三個步驟[6]：

（1）根據(jù)CAE分析得到成形網(wǎng)格和回彈網(wǎng)格；

（2）利用Compensator技術(shù)自動獲取回彈變形數(shù)據(jù)；

（3）利用全局曲面變形技術(shù)（GSM）功能，根據(jù)回彈變形數(shù)據(jù)，自動修改模具型面。

3 模具型面自動補償技術(shù)

利用DYNAFORM軟件對板料進行成形、回彈分析，獲取回彈仿真結(jié)果，將回彈結(jié)果輸入到ThinkDesign軟件，利用Compensator模塊進行回彈補償，獲取補償型面，然后將回彈補償后的型面輸入DYNAFORM進行回彈分析。如果回彈量超差，將回彈結(jié)果再輸入ThinkDe?sign軟件進行回彈補償，再利用補償后的曲面進行回彈分析，直到回彈量達到要求。最后將滿足回彈要求的補償面輸出，從而得到需要的模具補償型面。整個方案的流程如圖2所示。

圖2 模具型面自動補償流程

4 實例

圖3為一空調(diào)的中隔板模型，該零件的成型過程主要包括拉深和彎曲工序。而彎曲工序會導(dǎo)致零件發(fā)生嚴重的回彈，產(chǎn)生很大的回彈量。此時，只有修改模具的形狀才能滿足產(chǎn)品的尺寸要求。

（1）模具型面補償前回彈分析

以零件的設(shè)計形狀作為模具型面進行成形、回彈分析，此時成形的結(jié)果即為零件的理想形狀。零件的回彈結(jié)果如圖4。為更加清晰顯示該零件的回彈情況，在零件上作兩個截面，截面的位置如圖4所示，截面1和截面2的回彈結(jié)果分布如圖5、6，結(jié)果顯示在邊界處的回彈比較嚴重，利用專業(yè)的計算機輔助檢測軟件QUALIFY[7]測量出截面2的邊界處回彈量達到了3.8 mm，大大超過允許的誤差范圍，因此需要修改模具型面。

圖3 空調(diào)中隔板

圖4 回彈結(jié)果

圖5 截面1

圖6 截面2

（2）模具型面補償

將回彈分析結(jié)果輸入到ThinkDesign，利用Compensator模塊進行回彈補償，補償后生成的曲面如圖8所示，其拓撲結(jié)構(gòu)與補償前（圖7）保持一致。

圖7 補償前

圖8 補償后

（3）模具型面修正后

利用補償后得到模具型面再次進行成形、回彈分析，結(jié)果表明零件回彈后的形狀與原始的設(shè)計形狀非常接近，誤差控制在1 mm以內(nèi)，符合設(shè)計要求，因此將補償后的模具型面輸出，整個模具型面補償操作結(jié)束。圖9、10為截面1、2處回彈分析結(jié)果，其中圖下端橢圓區(qū)域內(nèi)四條線從右至左依次為修模后的模具形狀，修模后的零件的回彈形狀，零件設(shè)計形狀，修模前零件的回彈形狀。通過測量，補償操作后零件回彈與設(shè)計形狀的偏差在截面2邊界處小于0.5 mm，大大減少了零件的回彈量。

圖9 截面1

圖10 截面2

5 結(jié)論

本文提出的模具型面自動補償技術(shù)，能夠很好地避免手動修改模具型面的一些弊端，不僅大大縮短了修模時間，還保證了曲面的質(zhì)量，為模具回彈補償提供了一種新的方法。但是目前這種方法還不是很成熟，回彈分析的準(zhǔn)確性還需要改進。因此今后的重心還應(yīng)放在如何利用CAE技術(shù)準(zhǔn)備有效地預(yù)測零件的回彈。

［1］鄒付群.基于CAE仿真和反求測量的板料回彈控制與補償［D］.廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2011.

［2］柴海嘯.基于幾何和工藝補償?shù)臎_壓回彈控制方法研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2006.

［3］陳文亮.板料成形CAE分析教程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

［4］阮鋒，朱寅，周旭輝.板材成形的回彈預(yù)測和控制的研究［J］.機電工程技術(shù)，2011（11）：1-7.

［5］美國ANSYS公司.Dynaform用戶手冊［Z］.2000.

［6］何金彪.ThinkDesign在汽車模具設(shè)計上的應(yīng)用［J］.模具制造，2009（6）：3-6.

［7］鄒付群，成思源，李蘇洋，等.基于Geomagic Qualify軟件的沖壓件回彈檢測［J］.機械設(shè)計與研究，2010，26（2）：79-81.

Die Face Compensation Automatical Based on CAE

ZOU Fu-qun1，CHENG Si-yuan2
（1.Guangzhou Civil Aviation College，Guangzhou510403，China；2.College of Mechanical&Electronic Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou51006，China）

Springback compensator for die surface is the problem of die design for sheet metal forming.A new method for die surface compensation automatic based on CAE was introduced.Firstly，the springback analysis was computed by DYNAFORM.Secondly，the die surface was modified automatically according to the springback result by ThinkDesign.Finally， the validates of the method was proved by an example.

CAE；ThinkDesign；springback；die surface compensation

TG76

：A

：1009－9492(2014)11－0072－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.11.020

鄒付群，男，1985年生，江西新余人，碩士研究生，助理實驗師。研究領(lǐng)域：鈑金沖壓回彈。

(編輯：向 飛)

2014－07－29