橡皮囊模具快速回彈補償系統(tǒng)關(guān)鍵算法研究

葉春

(東南大學機械工程學院，江蘇南京　211189)

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橡皮囊模具快速回彈補償系統(tǒng)關(guān)鍵算法研究

葉春

(東南大學機械工程學院，江蘇南京211189)

摘要:為了解決鈑金成形后的回彈問題，提出一種基于模具型面的快速回彈補償算法，能夠直接在模具型面上完成回彈補償。首先，對模具型面上的回彈曲線進行自動識別，并根據(jù)型面的回彈規(guī)律對曲線進行回彈補償;其次，對補償后曲線進行擬合，完成新的回彈補償曲面;最后，通過對模具胎體的分割，完成模具胎體的回彈補償。利用CATIA提供的API接口，開發(fā)出橡皮囊模具快速回彈補償系統(tǒng)，大幅提高了模具的設(shè)計效率。

關(guān)鍵詞:模具型面; CATIA;快速回彈補償系統(tǒng)

1　橡皮囊模具回彈補償原理

回彈現(xiàn)象在橡皮囊成形鈑金中普遍存在［1］，其放大了鈑金零件的制造誤差，如果不加以控制會給鈑金零件的后續(xù)裝配帶來極大不便?；貜棳F(xiàn)象主要是由于板料彎曲成形后的殘余應(yīng)力引起的，如圖1(a)、圖1(b)所示，通過加壓或者延長沖壓時間并不能很好地解決這個問題［2］。目前主要通過對原始模的修正補償解決鈑金回彈問題，如圖1 (c)、圖1(d)所示，補償模的修正量β跟鈑金回彈量α呈正相關(guān)。

圖1　橡皮囊模具回彈補償

文獻［3］采用位移調(diào)整法(Displacement Adjustment Method)，將鈑金回彈量反饋給模具胎體，通過迭代計算確定最終回彈補償值，其適用于一般形式的鈑金零件。文獻［4］介紹了幾種常用的迭代補償方法，并通過對比提出一種加速收斂方法，采用有限元軟件ABAQUS進行數(shù)值模擬，并用數(shù)值處理軟件MATLAB進行了結(jié)果分析。文獻［5］針對曲彎邊鈑金回彈問題，通過試驗提出一種回彈角快速預測方法，并將預測回彈角轉(zhuǎn)化成模具型面對應(yīng)網(wǎng)格節(jié)點的位移，如圖2所示，最終實現(xiàn)整個模具網(wǎng)格的回彈補償。該方法無需對板料進行數(shù)值模擬，從而節(jié)省了大量的數(shù)值計算時間。本文針對一般的橡皮囊鈑金沖壓模具，提出一種基于模面的回彈補償算法，直接利用模具型面上的曲線、曲面進行逆向補償，實現(xiàn)模具胎體的快速回彈補償，并利用CATIA提供的API接口，完成模具快速回彈補償系統(tǒng)的設(shè)計，簡化了修模過程。

圖2　考慮回彈角的網(wǎng)格節(jié)點調(diào)整方法

2　橡皮囊沖壓模具結(jié)構(gòu)

橡皮囊成形主要優(yōu)點有: 1)只需要完成半模(凹模/凸模)的設(shè)計，另一半由高壓橡皮來充當，節(jié)省了大量的設(shè)計工作，縮短了模具的設(shè)計周期。2)沖壓過程中，高壓橡皮在板料表面緩緩流動，跟板料之間主要為靜摩擦，成形后板料表面無劃痕、質(zhì)量高，幾乎不需要其他表面光滑工藝。3)利用橡皮的流動性，同一道工序可以成形多個不同形狀的鈑金件，也可以把多個工序放在同一步中進行，極大地利用了工作臺空間，提高了成形效率。橡皮囊成形的原始模具胎體，一般由鈑金零件內(nèi)型面設(shè)計而來，其設(shè)計流程如圖3所示。

圖3　橡皮囊模具設(shè)計流程

其中鈑金零件內(nèi)型面為鈑金零件跟模具胎體接觸部分表面，腹板面、翻邊面為鈑金內(nèi)型面上的曲面特征，根據(jù)鈑金零件的成形特點進行劃分。缺口主要分布在翻邊面上，在鈑金成形過程中防止板料褶皺或破裂，如圖4(a)所示。將翻邊面、腹板面分別進行延展，并將翻邊缺口修補完整，完成后獲得連續(xù)的腹板、翻邊延展面。然后使用所得延展面分割實體凸臺，所獲得的模具胎體即為原始鈑金模具胎體。

模具型面為模具胎體上被翻邊延長面切割所得的側(cè)面，在豎直方向上分布著一系列截面曲線，這些曲線分別對應(yīng)著零件型面翻邊下陷及缺口位置，如圖4(b)所示。與鈑金結(jié)構(gòu)不同之處在于，模具型面與腹板面相交部分為一條連續(xù)曲線，而鈑金件的同一位置處為倒角面。原始模具胎體上這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于，模具型面與頂面的交線即為翻邊回彈時的旋轉(zhuǎn)軸線，無需再通過倒角抑制來獲得，在型面進行回彈補償時可直接作為固定引導線使用。

圖4　橡皮囊沖壓模具結(jié)構(gòu)

圖5　構(gòu)造旋轉(zhuǎn)基準軸

3　模具型面回彈補償關(guān)鍵算法

鈑金翻邊回彈呈非線性分布，回彈量的預測是一個集經(jīng)驗與實驗相結(jié)合的過程。文獻［2］采用實驗方法，分析了不同材料、板料厚度、彎曲半徑下，直彎邊成形鈑金回彈規(guī)律，證實了彎邊回彈量是多種因素綜合的結(jié)果。文獻［6］分析了單元積分類型、網(wǎng)格尺寸及板料厚度等，對直彎邊鈑金成形數(shù)值模擬結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)其結(jié)果受模擬過程各個環(huán)節(jié)的影響。文獻［7］提出了一種基于uv線的幾何旋轉(zhuǎn)變形回彈補償法，通過位移調(diào)整重新構(gòu)造回彈補償曲面，由于該方法所用旋轉(zhuǎn)(基準)軸是通過采樣點擬合的方法進行構(gòu)造，如圖5所示，故存在一定的精度誤差。本文所用的原始模具胎體無需考慮構(gòu)造旋轉(zhuǎn)基準軸，且回彈補償直接在曲面上進行，故回彈補償效率高。

3.1模具型面回彈補償

基于模具型面的回彈補償方法的本質(zhì)是將型面進行變形，其變形量剛好能夠彌補鈑金翻邊的回彈量。在模具胎體上提取出模具型面，包含兩條水平方向的引導線以及豎直方向的一系列截面曲線ProfileCurves，如圖6所示。在模具型面上選擇引導線GuideLine1及GuideLine2，在型面補償時作為固定約束，并將其作為一個整體放在數(shù)組g_Tool-GuideLines中。如果選擇多側(cè)模具型面進行回彈補償，則引導線數(shù)組g_ToolGuideLines中包含多個元素。在截面曲線ProfileCurves中選擇回彈曲線SpringbackCurves，將其按照回彈補償量進行變形，回彈補償量根據(jù)當前的測試環(huán)境由實驗法進行確定。確立回彈曲線跟截面曲線的對應(yīng)關(guān)系，并使用回彈變形后曲線替換ProfileCurves中對應(yīng)曲線，再通過掃掠法進行回彈補償曲面的構(gòu)造。其算法流程如圖7所示。

圖6　模具型面特征

圖7　模具型面回彈補償主流程算法

3.2回彈曲線變形

回彈曲線是模具型面上需要進行補償變形的截面曲線，由設(shè)計人員根據(jù)需要進行選擇，曲線變形是模具型面回彈補償?shù)年P(guān)鍵。如圖8(a)所示，點P1，P2為一回彈曲線的兩個端點，分別在引導線GuideLine1、GuideLine2上; H為P1，P2間的距離，表示模具型面的高度; h為翻邊面底邊到引導線GuideLine1的距離，表示回彈曲線上最大回彈點的位置。

根據(jù)翻邊回彈特性可知，將GuideLine1和GuideLine2作為翻邊回彈的固定旋轉(zhuǎn)軸，在截面線上距離GuideLine1為h處插入回彈點V3，其回彈位移最大。在回彈曲線上節(jié)點P1和V3之間，插入2個等分點V1和V2，然后對回彈曲線上3個節(jié)點V1，V2，V3進行偏置，即可實現(xiàn)該回彈曲線的變形。其回彈節(jié)點個數(shù)由實驗測試可得，節(jié)點個數(shù)為3個時變形曲線效果最理想。采用補償法進行修正時，將 V3偏置距離d到，并且V1，V2分別偏置距離0.33d，0.67d到，偏置方向垂直于模具型面并指向模具胎體，如圖8(b)所示。

圖8　回彈曲線變形

3.3截面曲線掃掠

掃掠是CATIA中提供的一種曲面造型方法，具有強大的曲面擬合功能?；貜椙€變形完成后，獲得一系列新的截面曲線ProfileCurves，如圖9所示，模具型面上下兩條引導線GuideLine1及Guide-Line2位置不變。使用ProfileCurves進行掃掠時主要有兩種方式可選: 1)左右方向構(gòu)造曲面——將ProfileCurves設(shè)為截面線，GuideLine1、GuideLine2設(shè)為引導線進行掃掠; 2)上下方向構(gòu)造曲面——將GuideLine1、GuideLine2設(shè)為截面線，Profile-Curves設(shè)為引導線進行掃掠。兩種方法的區(qū)別在于，其構(gòu)造曲面的uv方向不同。測試發(fā)現(xiàn)，上下方向構(gòu)造掃掠曲面效果更好，構(gòu)造完成后曲面即為補償后模具型面，如圖10所示。

圖9　變形后截面曲線

圖10　補償后模具型面

4　系統(tǒng)設(shè)計

為了對橡皮囊成形模具胎體進行快速回彈補償，提出了基于模具型面的快速回彈補償算法，并利用CATIA提供的API接口，開發(fā)出模具快速回彈補償系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11　模具快速設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)各個部分的功能不同，將系統(tǒng)分成4個模塊:人機交互模塊、特征識別模塊、型面補償模塊、分割胎體模塊。根據(jù)功能將各模塊概述如下:

1)人機交互模塊，設(shè)計了人性化的交互界面，引導用戶進行關(guān)鍵特征、關(guān)鍵參數(shù)的輸入。

2)特征識別模塊，截面曲線在模具型面上屬于內(nèi)邊，引導線在位置上處于模具型面上下兩側(cè)，利用特征間的拓撲、結(jié)構(gòu)關(guān)系，將其全部識別出來。

3)型面補償模塊，利用CATIA曲面造型功能，對回彈曲線進行變形，并構(gòu)造補償后模具型面。

4)胎體分割模塊，對補償后曲面進行延長處理，并分割原始模具胎體，獲得補償后模具胎體。

5　實例驗證

以某典型翻邊模具胎體為例，對模具快速回彈補償系統(tǒng)進行測試。在CATIA系統(tǒng)中載入測試零件，模具快速回彈補償系統(tǒng)以自定義圖標的方式顯示在界面中，點擊圖標啟動系統(tǒng)，如圖12(a)所示。根據(jù)交互界面提示，首先選擇需要進行補償?shù)哪＞咝兔?、引導線約束、回彈曲線，然后在回彈量、回彈比例中對回彈補償量進行設(shè)定，右側(cè)列表框支持對輸入特征進行修改。點擊“確定”按鈕系統(tǒng)自動進行計算，完成后即可獲得回彈補償后模具胎體，如圖12(b)所示。

圖12　模具胎體回彈補償

6　結(jié)束語

本文根據(jù)橡皮囊成形鈑金模具胎體的特點，提出一種基于模具型面的快速回彈補償算法，利用型面上分布的截面曲線進行逆向補償，并通過掃掠方法作出補償后型面，無需經(jīng)過復雜的數(shù)值模擬計算，提高了回彈補償胎體的設(shè)計效率。系統(tǒng)基于CATIA V5平臺進行二次開發(fā)，建立人機交互界面引導用戶進行關(guān)鍵特征選擇，使設(shè)計人員無需豐富的經(jīng)驗即可快速進行模具回彈補償。其功能模塊完全基于CATIA提供的自動化程序接口(API)函數(shù)，與CATIA平臺數(shù)據(jù)間實現(xiàn)了無縫銜接，補償后的模具胎體可以直接進行數(shù)控加工，極大地縮短了模具胎體的設(shè)計周期。

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The key algorithms for rapid springback compensation system of hydraulic stretch mold

YE Chun
(School of Mechanical Engineering，Southeast University，Jiangsu Nanjing，211189，China)

Abstract:In order to solve the springback problem after forming process of the sheet metal，it proposes a new algorithm for rapid springback compensation based on the mold surface.This algorithm can directly work on the mold surface.It identifies the rebound curves automatically on the surface of the mold，and compensates these curves according to the rule of springback on the mold.Then it finishes the construction of new compensated surface based on the changed curves，completes the springback compensation of the die body in cutting the original mold.It develops a new system for rapid springback compensation based on API interface of CATIA.The system can greatly improve the efficiency of mold design.

Key words:mold surface; CATIA; rapid springback compensation system

DOI:10.3969/j.issn.2095－509X.2015.06.005

作者簡介:葉春(1988—)，男，河南信陽人，東南大學碩士研究生，主要研究方向為先進制造系統(tǒng)理論與技術(shù)。

收稿日期:2015－03－25

中圖分類號:TP391.7

文獻標志碼:A

文章編號:2095－509X(2015) 06－0015－05