基于逆向工程的汽車(chē)門(mén)內(nèi)板模具優(yōu)化分析

文/張茜，趙明月，王秋雨·河鋼集團(tuán)唐鋼公司技術(shù)中心

圖1 問(wèn)題模具和問(wèn)題零件

車(chē)門(mén)是汽車(chē)車(chē)身上的重要組成部件，具有材料薄，形狀復(fù)雜，結(jié)構(gòu)尺寸大，表面質(zhì)量要求高、需求量大等特點(diǎn)，是汽車(chē)的整體性能的重要決定因素之一，其生產(chǎn)對(duì)模具要求較高，模具狀態(tài)不良會(huì)引發(fā)零件開(kāi)裂、起皺等缺陷。某汽車(chē)零部件廠一車(chē)門(mén)內(nèi)板模具由于長(zhǎng)期使用磨損嚴(yán)重，造成制品率極低，使用拉延成形性能優(yōu)良的DC06鋼材在重涂油或者覆膜的狀態(tài)下才可勉強(qiáng)維持生產(chǎn)，問(wèn)題模具和開(kāi)裂零件如圖1所示。

為提高零件制品率，需對(duì)模具進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用模擬仿真手段可縮短摸索周期，但因模具使用年限已久，加工制造數(shù)模已經(jīng)丟失，即便找到也無(wú)法表征目前磨損后特征，為獲得磨損模具數(shù)模，以便開(kāi)展沖壓過(guò)程仿真為模具優(yōu)化提出參考建議，采用如圖2的工藝方案摸索修模方法。

模具數(shù)模的獲取

模具空間點(diǎn)云掃描及點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

圖2 模具優(yōu)化方案

采用Handyscan 700TM 3D激光掃描儀對(duì)車(chē)門(mén)內(nèi)板模具進(jìn)行掃描得到其點(diǎn)云數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖3），隨后對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系調(diào)整、對(duì)齊、噪點(diǎn)刪除等預(yù)處理，得到分布規(guī)則的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖4所示。Handyscan 700TM是CREAFORM公司推出的全集成的3D數(shù)據(jù)采集軟件平臺(tái)，其分辨率高達(dá)0.05mm，掃描精度最高達(dá)0.03mm。

圖3 掃描得到的各工具體點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖4 處理后的各工具體點(diǎn)云數(shù)據(jù)

CAD軟件逆向模具數(shù)模

采用Catia軟件中逆向相關(guān)模塊對(duì)曲線和曲面進(jìn)行擬合重建等后處理，其中開(kāi)裂區(qū)域精度要求較高，采用平面剖切出其截面輪廓結(jié)合點(diǎn)云上提取曲線掃掠得到；模面區(qū)域采用截面線拉深倒角等手段重建特征，最后經(jīng)過(guò)曲面光順、連續(xù)性檢查等得到相對(duì)質(zhì)量較高的曲面，最后運(yùn)用Catia中誤差分析命令進(jìn)行誤差測(cè)量，最終保證得到擬合的模具曲面在易開(kāi)裂位置處與點(diǎn)云的法向誤差控制在0.08mm以?xún)?nèi)，普通模面位置處點(diǎn)云誤差控制在0.15mm以?xún)?nèi)，精度較高，逆向模具數(shù)模可較好地反映模具磨損后的真實(shí)狀態(tài)，模具數(shù)模如圖5所示。

車(chē)門(mén)內(nèi)板CAE成形過(guò)程仿真分析

車(chē)門(mén)內(nèi)板成形性分析

圖6是該車(chē)門(mén)內(nèi)板的拉延成形工藝模型，逆向的模具數(shù)模包含成形過(guò)程中全部的工藝補(bǔ)充，CAE仿真分析時(shí)不需要再進(jìn)行補(bǔ)充設(shè)置。材料為DC06，厚度為0.7mm，具體材料參數(shù)見(jiàn)表1，板料尺寸與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)一致，如圖7所示。沖壓方向與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)一致。

采用Autoform對(duì)車(chē)門(mén)內(nèi)板拉延成形過(guò)程進(jìn)行仿真分析，網(wǎng)格采用自適應(yīng)方法求解劃分，壓邊力采用140t，摩擦系數(shù)設(shè)定為0.15，在實(shí)際模具中筋位置處設(shè)置等阻力的虛擬筋，筋阻力因子均設(shè)置為Medium(0.35)，拉延成形模擬結(jié)果顯示，零件右側(cè)出現(xiàn)嚴(yán)重開(kāi)裂現(xiàn)象，如圖8(a)所示。減小壓邊力為120t，開(kāi)裂區(qū)域有所緩解，但右下角部特征出現(xiàn)輕微起皺，繼續(xù)減小壓邊力，右側(cè)開(kāi)裂區(qū)域繼續(xù)減輕，但右下角部特征出現(xiàn)起皺趨勢(shì)，壓邊力減小為100t時(shí)，右下角部特征處出現(xiàn)嚴(yán)重起皺現(xiàn)象，如圖8(d)所示，因此可得到形狀良好的零件的工藝窗口非常小，摸索到合適的工藝參數(shù)難度很大，這與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)研結(jié)果是一致的。

表1 DC06 材料力學(xué)性能

圖6 車(chē)門(mén)內(nèi)板拉延成形模型

圖7 坯料尺寸

模具調(diào)整優(yōu)化模擬分析

模具目前的磨損狀態(tài)使其可生產(chǎn)合格零件的工藝窗口很窄，在相同的工藝參數(shù)條件下，材料性能的波動(dòng)即可能造成沖壓開(kāi)裂或起皺，而整體調(diào)整壓邊力效果并不明顯。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和模擬仿真的結(jié)果均顯示零件開(kāi)裂主要集中在右側(cè)，起皺主要集中在右下角部特征區(qū)域，因此嘗試對(duì)局部筋阻力進(jìn)行調(diào)整，采用Autoform軟件中變阻力筋功能對(duì)圖9中1#和2#筋阻力因子調(diào)整，并進(jìn)行模擬分析，不同筋阻力調(diào)整方案及模擬結(jié)果如表2所示。

圖8 不同壓邊力作用下的模擬結(jié)果

表2 不同工藝參數(shù)模擬結(jié)果

結(jié)論

通過(guò)模擬結(jié)果可以看出，降低右側(cè)1#筋阻力因子，提高右下側(cè)2#筋阻力因子，可減輕開(kāi)裂趨勢(shì)，降低起皺概率。當(dāng)1#筋阻力因子設(shè)置為0.15，2#筋阻力因子設(shè)置為0.6，壓邊力在100～120t范圍內(nèi)可得到形狀良好零件；當(dāng)1#筋阻力因子設(shè)置為0.15，2#筋阻力因子設(shè)置為0.8，壓邊力在80～120t范圍內(nèi)可得到形狀良好零件。

圖9 壓邊圈中筋分布

圖10 模具優(yōu)化后生產(chǎn)車(chē)門(mén)內(nèi)板件

將模擬結(jié)果反饋給生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)員，按照初始現(xiàn)場(chǎng)筋的高度與軟件中筋阻力因子0.35等效，按比例調(diào)整筋高度以調(diào)整其進(jìn)料阻力使其與模擬結(jié)果相匹配，對(duì)局部筋進(jìn)行修整，試沖壓生產(chǎn)，制品不合格率降低到3%左右，客戶(hù)反映良好，圖10是修模后生產(chǎn)的實(shí)際零件，形狀良好，未出現(xiàn)開(kāi)裂和起皺。