一種復雜曲面下翻邊修邊線的精確控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種復雜曲面下翻邊修邊線的精確控制方法。該方法根據沖壓零件形狀將翻邊法蘭部分逆算展開到復雜三維曲面上，獲得近似修邊線；然后在前工序成形模擬的板料上進行修邊獲得翻邊毛坯；再利用有限元增量法對翻邊成形進行模擬，并將模擬結果與理想形狀進行對比，測量翻邊邊緣的網格節點與理想工件的偏差ε，根據對比偏差ε，將該節點沿修邊線法向進行比例補償，對修邊線進行修正；使用修正后的修邊線進行再次修邊和翻邊成形模擬，直至模擬結果的偏差控制在設定值δ以內。本發明能夠快速地實現翻邊修邊線的精確確定，對于復雜三維曲面下的翻邊，能使獲得的修邊線更加準確、可靠，有效提高翻邊成形的質量，并降低模具制造和生產成本。
【專利說明】一種復雜曲面下翻邊修邊線的精確控制方法
【技術領域】
[0001]本發明具體涉及一種翻邊修邊線的精確確定，特別是涉及一種三維空間多曲面結合的復雜曲面下翻邊修邊線的精確確定方法，屬于金屬薄板塑性成形領域。
【背景技術】
[0002]翻邊修邊線的設計直接影響到沖壓成形的質量，通過對翻邊修邊線的精確確定，可以保證翻邊后法蘭形狀滿足尺寸要求，還能有效減少翻邊時成形缺陷的產生。翻邊成形是一個非常復雜的物理過程，在生產實踐中，為了達到翻邊尺寸精度往往需要反復修正修邊模的鑲塊，不僅造成材料與人力的浪費，也影響到整個模具的開發周期，增加制模成本。
[0003]通過有限元數值模擬，能夠計算成形過程中板料的彈塑性變形情況，已逐步成為修邊線設計的主要方法。有限元逆算法模擬是基于全量理論，與坯料到沖壓件的成形順序相反，是根據產品的最終形狀出發來預測坯料形狀，僅僅考慮初始毛坯和變形終了的狀態，不用考慮變形的中間狀態，可以快速地計算出近似修邊線，但是精度較低。
[0004]增量有限元方法模擬時將載荷和位移分成若干步，把有限元非線性方程組視為線性方程組，分段進行線性求解，然后將求得結果逐步累加的一種計算方法。如果每步載荷增量足夠小，則解的收斂性是可以保證的，同時可獲得加載過程各個階段的數值結果。采用該方法的分析軟件在模擬時可以全面考慮模具形狀、毛坯形狀、潤滑條件等影響因素，可以精確地模擬翻邊過程，但該方法模擬需要已知修邊線的形狀，去模擬獲得成形后的零件形狀，如果模擬結果不符合要求則需要反復修改修邊線、反復“試錯”來獲得理想的翻邊形狀。
[0005]對于形狀復雜的工件和復雜曲面下的翻邊成形，通常在翻邊前還需要經過拉深等多道次成形工序，因此需要考慮翻邊前的成形工序對板料成形性能的影響，并能夠較為快速、精確地確定翻邊工藝的修邊線，但是目前的有限元分析商業軟件和方法對于此類翻邊的修邊線設計均存在一定的局限，難以得到令人滿意的結果。
【發明內容】
[0006]針對現有技術的存在的不足，本發明提供一種快速確定、翻邊成形質量好的復雜曲面下翻邊修邊線的精確確定方法，適合形狀復雜、不規則的沖壓件成型。
[0007]本發明在利用有限逆算模擬快速獲得較為準確的、復雜曲面下翻邊修邊線的基礎上，進而利用增量有限元法模擬的高精度優勢，采用相應的商業軟件在充分考慮翻邊前工序對板料成形性能影響的前提下進行成形模擬，并根據成形模擬結果不斷對翻邊線進行優化，從而實現對翻邊修邊線的精確確定。
[0008]本發明目的通過如下技術方案實現:
[0009]一種復雜曲面下翻邊修邊線的精確控制方法，其特征在于包括如下步驟:
[0010](I)根據目標零件的翻邊后形狀建立翻邊前形狀的三維工藝曲面模型，對工件板料劃分網格，利用有限元逆算模擬將翻邊部分展開至該曲面模型上，以獲得初始的近似的三維空間的翻邊修邊線；
[0011](2)利用增量有限元法模擬軟件建立有限元網格模型，并對翻邊工序前所經歷的成形工序進行模擬，獲得帶有前工序板料塑性變形結果的翻邊坯料，然后運用步驟(I)獲得的初始修邊線；
[0012](3)利用增量有限元模擬軟件進行翻邊成形模擬，在翻邊邊緣的網格節點中，按等距離分選取節點作為種子點，將每次正向模擬得到的結果與理想工件進行對比，測量種子點翻邊后與理想工件的直線距離偏差ε ；
[0013](4)如果偏差ε小于零件公差要求或者更小的設定值，則判定獲得了精確控制的翻邊修邊線；否則，根據翻邊前后同一種子點的偏差方向將網格節點沿修邊線法向進行補償修正，補償距離為0.7?1ε ；
[0014](5)針對修正后的翻邊修邊線，重復步驟(3)和(4)，直至偏差ε小于設定值。
[0015]為進一步實現本發明的目的，在將翻邊法蘭部分展開復雜曲面模型上時，辨別坯料網格單元法向是否翻邊前后都垂直于沖壓方向，并在展開時避免選擇垂直類別的網格單
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[0016]用于翻邊成形模擬的毛坯為前面工序板料塑性變形后的結果。
[0017]所述增量有限元模擬軟件為Dynaform軟件。
[0018]補償距離由ke確定,其中ε為偏差，k為補償比例；k的取值為0.7?I。
[0019]相對于現有技術，本發明具有如下優點和有益效果:
[0020]1、本發明可以實現復雜曲面下翻邊修邊線的快速近似確定，為沖壓工藝和模具的初期設計提供參考；
[0021]2、本發明充分考慮了翻邊前成形工序對板料成形性能的影響，可應用于多工位級進沖壓成形中的修邊線確定，并可在采用增量有限元法分析軟件模擬成形的同時，預測成形缺陷的產生以便進一步優化修邊線；
[0022]3、本發明可以得到合理、精確的修邊線形狀和尺寸，翻邊成形質量更好，即使對于形狀復雜、不規則的沖壓件亦能獲得準確的結果，應用價值廣泛。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為汽車車門玻璃導軌結構件的結構示意圖。
[0024]圖2(a)為車門玻璃導軌結構件的上端翻邊形狀的放大圖。
[0025]圖2(b)為車門玻璃導軌結構件的下端翻邊形狀的放大圖。
[0026]圖3為本發明修邊線精確設計方法的實施流程圖。
[0027]圖4為本發明復雜曲面下下上端翻邊形狀的修邊線逆算有限元網格模型圖。
[0028]圖5為本發明復雜曲面下上端翻邊部分展開的逆算結果圖。
[0029]圖6為本發明復雜曲面下翻邊修邊線的逆算結果輪廓線圖。
[0030]圖7為本發明采用逆算(修正)的修邊線建立的帶翻邊前成形工序模擬信息的板料修邊模型圖。
[0031]圖8為本發明對翻邊成形進行模擬前的板料網格模型圖。
[0032]圖9為本發明采用增量有限元法對翻邊成形進行模擬的結果圖。
[0033]圖10(a)為翻邊前坯料網格和種子點選定示意圖；
[0034]圖10(b)為翻邊模擬結果與理想高度的偏差對比原理圖；
[0035]圖10(c)為修邊線種子點沿法向按偏差比例進行修正的原理圖。
[0036]圖11為本發明復雜曲面下翻邊修邊線的逐步修正過程圖。
[0037]圖12為本發明所精確設計的翻邊修邊線的模擬結果驗證對比圖。
[0038]圖中示出:上端翻邊1、下端翻邊2、上端翻邊形狀3、上端翻邊形狀翻邊前端面4、下端翻邊形狀5、下端翻邊形狀翻邊前端面6、上端翻邊形狀網格7、翻邊前工藝曲面網格模型8、逆算展開的翻邊前工件網格9、逆算近似修邊線10、增量法有限元分析中的修邊線組合模型11、理想工件的網格邊緣線12、初始近似翻邊修邊線13、第二次修正后的翻邊修邊線14、第四次修正后的翻邊修邊線15、理想翻邊形狀16、設計翻邊修邊線所模擬的翻邊形狀17。
【具體實施方式】
[0039]下面結合附圖對本發明作進一步的說明，但是本發明要求保護的范圍并不局限于實施例表述的范圍。
[0040]如圖1所示，所要加工的零件為某汽車車門玻璃導軌結構件，材料為鍍鋅板，料厚
1.2_，用于汽車的電動玻璃升降器。該車門玻璃導軌結構件帶有復雜曲面；車門玻璃導軌結構件上下兩端為上端翻邊I和下端翻邊2，車門玻璃導軌結構的翻邊邊緣精度要求高且部分區域誤差控制在單邊0.8_內。如圖2(a)和圖2(b)所示，車門玻璃導軌結構的上端翻邊形狀3和下端翻邊形狀5的表面為由多個平面和曲面結合的復雜曲面，其翻邊過程與一般情況相反，具體表現為:需要將與上端翻邊形狀翻邊前端面4和下端翻邊形狀翻邊前端面6垂直的上端翻邊形狀3和下端翻邊形狀5翻邊成形為翻邊前的端面的延伸部分，在設計確定修邊線時具有較大難度。
[0041]該車門玻璃導軌結構件在翻邊工序前需經歷沖孔、修邊、壓彎、拉深、整形工序，有限元分析時需要考慮各工序件板料信息的傳遞問題。因此，擬通過結合逆算法和增量有限元法對翻邊修邊線進行精確控制，實施方法如圖3所示:
[0042]一種復雜曲面下翻邊修邊線的精確控制方法，包括如下步驟:
[0043](I)根據目標零件的翻邊后形狀建立翻邊前形狀的三維工藝曲面模型，對工件板料劃分網格，利用有限元逆算模擬將翻邊部分展開至該曲面模型上，以獲得初始的近似的三維空間的翻邊修邊線；如圖1所示，由于上下兩端的翻邊修邊線的精確確定過程相同，因此選擇對上端翻邊形狀3的修邊線確定過程進行論述。
[0044]根據圖1所示汽車車門玻璃導軌結構件的上端翻邊I和下端翻邊2以及翻邊前的零件形狀在UG軟件中抽取上端翻邊形狀3和上端翻邊形狀翻邊前端面4的外表曲面作為模具型面，并進行縫合和擴展，從而建立模具的三維工藝曲面模型，然后抽取零件的板厚中層面，利用CAE分析軟件對模具型面和零件中面進行網格劃分。劃分坯料網格時，盡量采用矩形形狀單元，四邊形單元應控制在95%以上，在兼顧計算成本的同時確保足夠細密，自動劃分后獲得上端翻邊形狀網格7;而模具網格需準確地描述型面特征，型面圓角處需確保有3個以上單元，且不能產生間隙，最終獲得翻邊前工藝曲面網格模型8，建立的上端翻邊修邊線的逆算網格模型如圖4所示。在定義好板料、壓料面、壓邊力(可取20kN)和摩擦系數(可取0.2)等分析參數后，選擇需展開的翻邊前工藝曲面網格模型8(在選擇時應辨別坯料網格單元法向是否翻邊前后都垂直于沖壓方向，并避免選擇垂直類別的網格單元，否則將導致計算時網格折疊畸變)，將網格展開到多處呈直角連接的“斷崖式”的含復雜曲面的翻邊前工藝曲面網格模型8上(圖4所示)，獲得逆算展開的逆算展開的翻邊前工件網格9 (如圖5所示)，并將逆算展開的翻邊前工件網格9進行輪廓生成，獲得在復雜工藝曲面上的逆算近似修邊線10 (如圖6所示)。
[0045](2)利用增量有限元法模擬軟件建立有限元模擬的網格模型，并對翻邊工序前所經歷的成形工序進行模擬，以便獲得帶有前工序板料塑性變形結果的翻邊坯料，然后運用步驟(I)獲得的初始修邊線(翻邊線優化時采用步驟4獲得的修正修邊線)在軟件中對坯料進行輪廓修邊；本實施方式采用增量法有限元軟件Dynaform對汽車車門玻璃導軌結構件翻邊前的壓彎、拉深成形工序進行增量有限元法數值模擬，然后將獲得的逆算修邊線10導入增量法有限元分析軟件Dynaform中，并根據工件的修邊工藝創建增量法有限元分析中的修邊線組合模型11，建立帶翻邊前成形工序模擬信息的板料修邊模型，對壓彎、拉深成形后的板料進行切邊模擬，切邊后的板料網格模型如圖8所示，該模型的網格邊緣與導入的逆算修邊線10是一致的。然后將切邊后的板料作為初始坯料導入增量法有限元分析軟件Dynaform中進行首次翻邊成形模擬，模擬結果如圖9所示。
[0046]其中，翻邊成形的模擬需要先對導軌結構件翻邊前的壓彎、拉深成形工序進行增量有限元法數值模擬，然后再在進行了數值模擬的板料上進行修邊，以獲得繼承了前面工序板料塑性變形信息的毛坯，從而使成形過程更加接近實際情況，翻邊模擬結果更加準確。
[0047](3)利用增量有限元模擬軟件Dynaform進行上端翻邊形狀3的翻邊成形模擬，在翻邊模擬結果(圖9所示)的翻邊邊緣的網格節點中，按等距離分選取一定數量節點作為種子點。種子點為代表性的表達翻邊網格邊緣線的節點，并且通過一系列的種子點能夠完全表達網格邊緣的輪廓(即修邊線輪廓)，種子點的選定和數量確定應確保最短曲線邊緣上至少有3個點以上(如圖10(a)所示)，將每次正向模擬得到的結果(圖9)與理想工件網格(同標準尺寸的上端翻邊形狀網格7，網格大小與增量法有限元模擬的相同)進行對t匕，測量種子點翻邊后與理想工件的直線距離偏差ε (該偏差即為采用所確定的修邊線翻邊成形后的形狀與標準形狀的偏差，主要取決于步驟I所獲得修邊線的準確度)；本實施方式中，將翻邊成形模擬得到的結果(圖9所示)與理想工件網格(如同標準尺寸的上端翻邊形狀網格7)進行對比，對比時按等距離分的原則選取翻邊邊緣的代表性網格節點作為種子點并進行編號(如圖10(a))，測量種子點翻邊后與理想工件的偏差ε，測量時表現為該種子點到理想工件網格邊緣12 (虛線)的直線距離(如圖10(b))。
[0048](4)如果偏差ε小于零件尺寸的公差要求或者為留取一定余量而選取的更小的設定值S，則判定獲得了精確控制的翻邊修邊線；否則，根據翻邊前后同一種子點的偏差方向將網格節點沿修邊線法向進行補償修正，補償距離為ke (k為補償比例，通常取0.7?
I);當模擬結果的偏差ε小于規定值δ，根據對比偏差ε將對應切邊修邊線的翻邊前網格(圖8)邊緣上的該種子點沿修邊線法向進行補償，由于翻邊過程中板料變形復雜，考慮迭代收斂速度，本實施方式補償比例k選取0.9，即補償距離為0.9ε (如圖10)。將補償后的種子點重新連接，則獲得修正后的修邊線。
[0049](00000005)針對修正后的翻邊修邊線，如流程圖3所示，重復上述步驟(3)和
(4)，不斷對翻邊修邊線進行迭代修正和趨近優化，直至偏差ε小于設定值。利用修正的修邊線對壓彎、拉深成形后板料進行新一輪的切邊和翻邊成形模擬(如同圖7、8、9)，并再次將模擬結果進行對比，以進一步對修邊線進行修正和優化(如同圖1Oc)。通過反復、逐步的迭代修正，所設計的翻邊修邊線趨于穩定，通過Dynaform中的軟件接口，初始近似翻邊修邊線13 (虛線)和各次逐步修正的翻邊修邊線導入到制圖軟件(AutoCAD)中進行比較(圖11所示)，第二次修正后的翻邊修邊線14(圓點虛線)和第四次修正后的翻邊修邊線15已趨于一致。采用第四次修正后的翻邊修邊線15作為最終設計的翻邊修邊線進行翻邊成形，并將設計翻邊修邊線所模擬的翻邊形狀17的網格邊緣輪廓線與理想翻邊形狀16的輪廓線進行比較，可得到圖12所示的比較結果，可知:通過修邊線的逐步修正，翻邊結果非常接近于理想工件，模擬結果驗證的偏差ε控制在0.15mm內(在邊角部分修邊線考慮沖壓工藝性進行了圓滑處理，模擬形狀和理想狀況稍有差別)，充分滿足工件單邊0.8mm的誤差要求。
[0050]通過采用本發明復雜曲面下翻邊修邊線的精確設計方法，能夠通過逆算展開快速獲得初始近似修邊線，并根據采用的修邊線的翻邊模擬效果對修邊線進行比例補償，通過合理補償的迭代、趨近修正，能通過3?6次翻邊成形模擬(I?4次修正)即可得到合理、精確的復雜翻邊修邊線尺寸，提高了翻邊成形的質量，并有效減少了工藝試驗和修模次數，縮短模具設計周期和節約開發成本。
【權利要求】
1.一種復雜曲面下翻邊修邊線的精確控制方法，其特征在于包括如下步驟: (1)根據目標零件的翻邊后形狀建立翻邊前形狀的三維工藝曲面模型，對工件板料劃分網格，利用有限元逆算模擬將翻邊部分展開至該曲面模型上，以獲得初始的近似的三維空間的翻邊修邊線； (2)利用增量有限元法模擬軟件建立有限元網格模型，并對翻邊工序前所經歷的成形工序進行模擬，獲得帶有前工序板料塑性變形結果的翻邊坯料，然后運用步驟(I)獲得的初始修邊線； (3)利用增量有限元模擬軟件進行翻邊成形模擬，在翻邊邊緣的網格節點中，按等距離分選取節點作為種子點，將每次正向模擬得到的結果與理想工件進行對比，測量種子點翻邊后與理想工件的直線距離偏差ε ； (4)如果偏差ε小于零件公差要求或者更小的設定值，則判定獲得了精確控制的翻邊修邊線；否則，根據翻邊前后同一種子點的偏差方向將網格節點沿修邊線法向進行補償修正，補償距離為0.7?I ε ； (5)針對修正后的翻邊修邊線，重復步驟(3)和(4)，直至偏差ε小于設定值。
2.根據權利要求1所述的復雜曲面下翻邊修邊線的精確設計方法，其特征在于:在將翻邊法蘭部分展開復雜曲面模型上時，辨別坯料網格單元法向是否翻邊前后都垂直于沖壓方向，并在展開時避免選擇垂直類別的網格單元。
3.根據權利要求1所述的復雜曲面下翻邊修邊線的精確設計方法，其特征在于:用于翻邊成形模擬的毛坯為前面工序板料塑性變形后的結果。
4.根據權利要求1所述的復雜曲面下翻邊修邊線的精確設計方法，其特征在于:所述增量有限元模擬軟件為Dynaform軟件。
5.根據權利要求1所述的復雜曲面下翻邊修邊線的精確設計方法，其特征在于:補償距離由ke確定,其中ε為偏差，k為補償比例；k的取值為0.7?I。
【文檔編號】G06F17/50GK104268349SQ201410521653
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月30日 優先權日:2014年9月30日
【發明者】夏琴香, 王霆, 陳志平, 邱遵文, 趙學智 申請人:華南理工大學