RE/CAE技術在鐵藝沖壓件中的應用

劉朝暉

摘要：以鐵藝三角沖壓件為研究背景，論述了從最初的點云數據采集、逆向曲面重建至最后的CAE仿真優化，采用Auto-Form軟件對沖壓件進行了成形性分析，完成相關數值模擬。通過三角沖壓件成形質量的預測，優化模具設計結構，有效地減少了物理試模次數，縮短了設計制造周期，最終通過實際工程驗證，表明前期數值模擬分析對模具設計具有重要意義。

關鍵詞：ICE；Auto-Form；沖壓件

一、引言

隨著科技的飛速發展，逆向技術、計算機輔助工程等先進制造技術應用于模具的設計與制造已經越來越廣泛，有效的彌補了一些缺少原始設計數據的產品無法進行生產制造流程的缺憾。本文以一鐵藝三角沖壓件為例，整合逆向工程RE、計算機輔助設計CAD以及計算機輔助工程CAE進行開發研究，先使用整合逆向工程RE對制件數據點云進行曲面重構，再通過CAD進行三維數據建模，分析覆蓋成形特點，確定沖壓工藝。然后采用Auto-Form軟件對三角沖壓件的成形過程進行有限元分析、模擬沖壓件成形的真實過程，通過板料成形性預測，優化沖壓工藝參數，改進產品設計和模具設計，最后獲得合理的數字化模型，確保成形后制件的精準度，有效的保障產品質量，提升產品生產技術水平，產品結構等方面也得到進一步提高。CAE計算機輔助工程的引入，通過對工件的成形工藝進行分析，做出工件能否制造的早期判斷。對模具方案和沖壓方案的可行性進行分析，及時調整方案，經過反復驗證和矯正，通過缺陷預測來制定缺陷預防措施，降低了模具設計制造過程中“人工因素”的影響，為設計人員提供可靠的數據結果，給設計者優化設計模具提供系統的數據依據；更有利于設計知識的積累。從而彌補了因設計人員在經驗和應用工藝資料方面的不足，因此保障了模具的品質，同時工藝制備人員也獲得了經驗，并且有效地縮短產品設計生產制造的周期，提高產品開發的成功率，從而達到快速設計生產模具的目的。

二、三角沖壓件逆向建模及曲面重構

三角制件表面為曲面，難以實現手工測繪，為獲取可編輯的原始數據，使用激光掃描儀進行數據采集，得到了與實體形狀非常相似的完整點云，經過掃描軟件簡單處理后，將點云數據生成.stl文件，導入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——多邊形——造型三個階段。

由于Geomagic軟件造型方式是直接面向模型全部，利用軟件對掃描的點進行著色、降噪、封裝、光順、填充、松弛、修剪稅化等操作特性，因此，可以對一些掃描缺陷部位，比如空洞、凸點、褶皺等進行補洞、去除特征等處理，即可進入曲面造型階段，也就是實現區域分割與曲面重構。在進行曲面片構建中，手繪曲面輪廓線需要注意，包含的曲面曲率差異性不能過大。曲面片不能有相交區域，并使大小盡量一致，邊界靠近輪廓，調節好就可以構建格柵，最后就是NURBS曲面。將曲面片導入UG軟件中，對縫隙進行縫補并加厚，CAD實體建模完成。

三、三角沖壓件CAE仿真過程

1.模型導入及有限元網格模型的建立

三角沖壓件的成品制造工序為落料、成形。制件的形狀和剛性主要都在拉延工序中得以體現，質量的優劣也與拉延密切相關。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，導入到Auto-Form中，定義網格大小、最大表面誤差值后采用網格劃分器完成復雜自由幾何曲面的自動網格劃分，為模型分析奠定基礎。

2.CAE仿真過程

在Moder-Geometry Generator中進行模型的預處理，設置邊界線，沖壓方向即可進行毛坯計算與排樣，調整壓料面與模型的位置，在shift中輸入數值，注意正負，修改參數，得到理想模型。壓料面應該盡可能簡單平滑，因為其影響著材料的流動，整體原則以保證拉入凹模內的材料不皺不裂為準。沖壓件內部不存在孔及凸臺，所以只需要進行外工藝補充。

在模擬類型里選擇增量法拉延，雙動拉延，設置沖壓件料厚1mm，進行相關參數設置，在Binder中壓邊力P=3進行初步模擬數值計算。首次拉延模擬結果顯示不同程度出現變形不充分、起皺、壓應力狀態，沖壓件表面大部分為灰色，說明變形不充分、有褶皺，可以判斷拉延不充分，可能拉延力偏小，需要進一步調節相關參數。將壓邊力由原來的3調整為5，重新提交后模擬計算，沖壓件表面局部紅色，成型劇烈有開裂風險，但在邊緣部位且范圍較小，可以調整落料邊線長短及邊件端面表面粗糙度，減少應力集中，注意板件毛刺方向和落料修邊間隙即可。通過拉延件的厚度變化云圖，點選指示出每一點的厚度的變化率，一般不超出25%即板料厚度變化值與料厚的比值，結果同成形性分析吻合，數值為-0.226，變薄最甚，易發生拉裂，可以修改數學模型，調整圓角。

四、工程驗證

將仿真獲得的優化工藝作為模具開發方案，修整模具局部結構，在沖壓機上，經過落料、成形兩個工序，沖壓制件，零件質量符合設計要求。

五、結語

RE技術的日趨成熟帶來了制造業的跨越式發展，CAE計算機輔助工程的實際應用也越來越受到重視。以三角沖壓件為例，探討了從最初的數據采集、曲面重構、三維建模到CAE仿真成形分析的全過程，通過制件成形質量進行預測，優化工藝參數，并對模擬計算結果做出正確的解釋，提高了成形分析的正確率，達到獲得合理的數字化模型，從而減少物理試模，縮短模具設計開發周期，提高產品開發的成功率，降低研究開發成本，企業競爭力也得到了有效提升。最后通過工程實踐驗證，表明其達到預期形狀、尺寸和功能的有效、一致性，對實際模具設計開發具有重要意義。