基于数控刀轨修正的拉延模具研配型面加工方法_龚志辉.pdf

第 30 卷 第 3 期2023 年 3 月塑性工程学报JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERINGVol.30 No.3Mar.2023引文格式:龚志辉,方博浩,黎子豪,等.基于数控刀轨修正的拉延模具研配型面加工方法 J.塑性工程学报,2023,30(3):75-81.GONG Zhihui,FANG Bohao,LI Zihao,et al.Machining method of fitting surface of drawing die based on NC tool path correction J.Journal of Plas-ticity Engineering,2023,30(3):75-81.基金项 目:国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目(51975200);湖 南 省 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目(2020JJ4189);佛 山 市 科 技 创 新 项 目(1920001000041)第一作者:龚志辉(通信作者),男,1974 年生,博士,副教授,主要从事汽车覆盖件模具 CAD/CAE 研究,E-mail:gzhaa 收稿日期:2022-04-27;修订日期:2023-01-22基于数控刀轨修正的拉延模具研配型面加工方法龚志辉,方博浩,黎子豪,高 晨(湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室,湖南 长沙 410082)摘 要:提出了一种修正数控刀轨的方法,能直接加工获取汽车覆盖件拉延模具的研配型面,该方法首先基于传统的等间隙型面编制数控加工刀轨,并提取出刀轨中的刀位点和刀触点,同时应用冲压仿真模拟获得零件厚度分布情况。然后求解出刀触点连线、刀位点与成形零件单元网格模型的交点,通过插值计算获得交点处零件的厚度值,并与原始板料厚度进行比较获得厚度变化值,并将该点的厚度变化值作为刀位点修正的依据进行计算,获得新刀位点坐标后写入原刀轨文件进行刀位点坐标替换,从而获得可以直接加工研配型面的新刀轨。通过一个阶梯型零件的两个凹模加工后的成形试验及模具型面的着色转移图对比,表明该方法可以实现模具研配型面的直接数控加工。关键词:冲压;模具;研配;数控加工 中图分类号:TG386.3 文献标识码:A 文章编号:1007-2012(2023)03-0075-07doi:10.3969/j.issn.1007-2012.2023.03.011Machining method of fitting surface of drawing die based on NC tool path correctionGONG Zhi-hui,FANG Bo-hao,LI Zi-hao,GAO Chen(State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body,Hunan University,Changsha 410082,China)Abstract:A method of correcting the NC tool path was proposed to obtain the fitting surface of drawing die of auto-body panel directly.Firstly,the NC tool path was generated based on the traditional surface with uniform die gap,tool location points and tool contact points were extracted,and the thickness distribution of the part was obtained by stamping simulation.Then,the intersection points of the line be-tween the tool location point and the tool contact point and the mesh model of formed part were worked out,the thickness values at the in-tersection poin obtained by interpolation calculation.The thickness variation value was obtained by comparing with the thickness of the o-riginal sheet metal,and was used for the calculation of the new coordinate of the tool location point,and it is written into the tool path file to replace the original coordinate of tool location point,a new tool path used for the fitting surface machining directly was obtained follow-ing the above approach.By comparison of the forming test and the color transfer maps of the two dies of a stepped part,it is verified that the proposed method can achieve direct NC machining of fitting surface of the die.Key words:stamping;die;fitting;NC machining 引言冲压是汽车车身制造最基本的方法,而拉延是冲压过程中应用最多的工艺1。研究表明,汽车覆盖件模具的型面直接影响零件的成形质量和模具自身的使用寿命2-4,其中尤其以拉延模具最为突出。为了保证拉延模具的成形质量,通常不做空开处理,为此模具全型面都需要进行精细化的研配处理5。拉延成形主要依靠模具和压机来实现,设计时模具型面与零件型面形状一致,所以冲压模具直接影响拉延成形质量。拉延过程中材料塑性变形不均匀使得成形后的零件厚度也不均匀6-7。而拉延模具在型面设计时并没有考虑到拉延过程中厚度的变化,而是后期根据实际拉延成形件的厚度分布情况反复修正模具型面8,直到凸凹模型面在合模时能与零件成形后的表面贴合,这种贴合程度在拉延成形过程中称为“研配率”。现在研配率的判定方法是在拉延件的正反面都涂上蓝油或者红丹,在合模过程中,通过观察凸凹模的着色转移情况来确认模具的研配率。汽车覆盖件模具的研配率一般要求达到90%左右,这就需要在模具调试过程中根据实际的拉延成形件的厚度变化情况,通过钳工反复打磨修正模具型面来提高拉延研配率9。此过程劳动强度大,效率极低。所以现有的方法是在拉延之前,依据成形仿真计算的结果,预先对模具型面进行修正,构建出具有与仿真计算厚度相适应的精细化型面10-11,再进行数控加工,这样可以大大减少钳工打磨的工作量,缩短模具开发周期。由于汽车覆盖件模具型面以曲面为主12,而且通常由很多曲面组合而成,曲面与曲面之间有着严格的过渡精度要求,因此人工修正曲面也面临着很多困难。本文拟采用一种根据成形仿真厚度分布直接修正加工刀轨的方法获得模具型面,由于是直接修正刀轨,这样无需在 CAD中修改曲面,因此可以大大提高生产效率。1 拉延模具型面研配1.1 型面研配实现过程目前,汽车覆盖件模具型腔及压料面的型面均按照等料厚偏置进行数控加工,之后再进行反复打磨修正处理后获得相应的研配型面,这样在成形到底时模具上下型面能与零件上下表面相贴合,如图1 所示。图 1 形成非均匀间隙的研配型面Fig.1 Formed fitting surface with non-uniform gap1.2 研配区域划分拉延模具是所有汽车覆盖件生产模具中研配要求最高的,其主要包括型腔型面和压料面两个部分,因为两者在拉延过程中的作用不同,其研配方法也不同。如图 2 所示,型腔型面部分在成形最后时刻满足研配间隙的要求,而压料面区域在成形初始时刻即已压紧,成形时板料不断流过该型面进入模腔内,因此压料面区域需要在冲压全行程考虑研配。在此将模具型腔型面定义为静态研配区域,将压料面定义为动态研配区域。由于在成形完毕之后有部分板料停止流动并最终停留在压料面上,因此压料面动态研配区域又可以进一步细分为完全动态研配区域(板料流动经过压料面)和不完全动态研配区域(板料流动并最终停留在压料面)。图 2 研配区域的定义(a)拉延开始时刻(b)拉延结束时刻Fig.2 Definition of fitting area(a)Start time of drawing(b)End time of drawing为了减小研配工作量,多数情况下采用单面研配的方式,即与板料接触的一面保持原 CAD 设计型面,而另一面进行不等间隙偏置研配,获得与料厚分布一致的型面间隙。1.3 型面研配实现策略如图 3 所示,传统的模具型面研配是在等料厚加工的基础上,通过钳工反复试模和研磨来实现,耗时且工作量极大。目前很多企业采用基于 CAE 仿真的型面研配策略,即通过 CAE 仿真获取成形后零件厚度的分布,然后修改模具型面,之后通过数控加工直接形成与零件厚度分布一致的型面。图 3 传统型面与基于 CAE 仿真型面研配Fig.3 Fitting of traditional surface and surface based on CAE simulation67塑性工程学报第 30 卷基于 CAE 仿真的型面研配可以采用两种途径来实现,其流程如图 4 所示。图 4 型面研配实现途径Fig.4 Realization ways of surface fitting这两种途径的基本思路是构建出具有与 CAE 仿真厚度一致或相似的模具型面,然后在此基础上编制数控加工程序对模具型面进行加工。第一种途径是已在实践中得到了广泛应用的方法,参考仿真获得的零件成形后的厚度分布云图,通过人工的方式对 CAD 模型中模面进行局部的偏置,构造出不等间隙的模面。由于厚度分布是不均匀的,因此需要对不同的局部型面进行剪裁、偏置和光顺拼接,所以这种方式工作量较大,结果随意性强。第二种途径目前还处于研究状态,它首先根据厚度对工具网格(凹模网格)进行节点偏置,构建具有与仿真零件厚度分布一致的新的网格模型,然后通过调整曲面的控制参数(如控制顶点等)使得曲面变形直到能贴合到新的网格模型13。这种方法可以实现研配型面的自动化生成,但由于曲面的数学表达式类型多,复杂度高,而且模面往往是由很多张曲面光滑拼接而成,因此曲面形变的算法非常复杂,特别是保证多张曲面在形变后能保持边界连续且光顺更是难点。本文采用的方法是对数控程序进行刀位点修正后直接进行研配型面的加工,该方法无需构建研配型面,其流程如图 5 所示。根据设计的模具 CAD 型面,应用成形仿真分析可以获取零件在成形后的厚度分布,并以此厚度分布作为凸凹模及压料面之间的间隙分布依据。同时依据模具 CAD 型面编制数控加工程序(凸凹模型面间隙按等厚偏置加工),和获取刀轨文件。然后从刀轨文件中提取刀位点的坐标,依据刀位点所在位置的零件成形仿真的厚度变化值进行相应的偏置,获得新的刀位点坐标,再将此坐标写入原刀轨文件中进行坐标值替换,这样可以绕过复杂的曲面造型过程,同时仍可保持刀轨路径不变。图 5 刀轨偏置实现研配型面Fig.5 Surface fitting by tool path offset2 刀轨点偏置计算球刀是曲面数控加工最常用的刀具,如图 6 所示,球刀的中心为刀位点 Q(也有编程系统以球刀底部最低点为刀位点),