1、6 3D 自由曲面冲压模具快速制造实例 124 6 3D 自由曲面冲压模具快速制造实例 在第 2 章本文提出了板料冲压模具快速制造系统构架，通过前面第 3、 4、5 各章的理论及实验分析，已经具备了实现该系统的必要技术手段。本章通过一个具体 3D 自由曲面板料冲压模具的制造实例说明该系统的具体运行过程以及回弹控制效果。 轿车外覆盖件是冲压模具制造和冲压工艺最高技术水平的典型代表，几乎所有的外覆盖件都是 3D 自由曲面，因此本章选用轿车外覆盖件拉伸模具作为模具快速制造系统的工程应用实例。本实验所用 Audi 车门 CAD 模型来自NUMISHEET99 的回弹仿真计算考题，由 Audi 公司直接
2、提供，具有很强的实际工程意义 35。考虑到成本、时间及一些实际的工程技术困难，本文采用原CAD 设计的 1:5 缩比模型，模具制造以缩比模型为基准。 6.1 1:5Audi 车门拉伸模具制造技术路线 按照本文提出的试验迭代方法，整个模具制造过程分为三大步骤： 1）按照原 CAD 设计制作第一副金属喷涂冲压模具，并进行零件试冲压。对模具进行制造误差分析，对冲压件进行回弹误差分析。 2）用第一副模具冲压得到的冲压样件作为原型，制作第二副金属喷涂模具，则第二副模具型面与第一副模具型面之间产生微小变化，模具的变化中隐 含有冲压件的回弹变形。用第二副模具进行零件试冲压，并对冲压件进行回弹误差分析。 3）
3、在前两次实验基础上，采用第 2 章提出的频域模具修正算法预测新的模具型面数据。根据预测结果制做修正后的金属喷涂模具。用修正模具进行零件试冲压，并进行冲压件误差分析，评价模具修正效果。 以上步骤可以用图 6.1 所示的流程框图来表示。图中细实线表示回弹控制技术路线，中空粗箭头线表示模具制造工艺路线。图中每个虚线框代表一个相对独立的工艺或技术环节，分别标记为 K1、 K2、 K3、 K4。前 3 者内容基本相同，涉及的是模具制造问题，其中 K1， K3 是由数字化模型到金属喷涂模具；K2 则是由实物样件到金属喷涂模具。 K4 涉及的是数学处理问题，与模具制造工艺无关，其中主要内容是曲面扫描测量和误
4、差分析，以及频域模具修正计算。 下面从图 6.1 技术路线框图出发，详细讨论每一步骤的实现过程和结果。 西安交通大学博士学位论文 125 6.2 由 CAD 模 型制造金属喷涂模具过程 由 CAD 模型出发制造金属喷涂模具是实验迭代法模具制造的第一个循环，其详细工艺过程如图 6.2 所示。图中虚线框中给出的是相应工步的实现技术手段或需要进行的测量和误差分析内容。 CAD 模型 STL 模 型 RP 原 型 Pro-E 造型系统 MS-400 金属喷涂机 LPS-600A 快速成型机 凸模及冲压件扫描测量模具误差 /回弹误差分析 凹模石膏正型反型 压边圈石膏反型 凸模石膏反型 凸、凹模及压边圈金
5、属喷涂及环氧树脂浇注 模具装配 板料试冲压 图 6.2 第一副模具制造工艺过程及相关技术手段 CAD 模型 金属喷涂模具 冲压样件 冲压样件 金属喷涂模具 冲压样件 修正模型 金属喷涂模具 冲压样件 图 6.1 1:5Audi 车门拉伸模具制造技术路线框图 扫描测量 模具修正算法 K1 K2 K3 K4 西安交通大学博士学位论文 126 6.2.1 工艺实现过程 （ 1） CAD模型扩充生成 STL 实体模型 Audi 公司提供的原始 CAD 模型是 IGES 曲面模型数据（如图 6.3），必须首先扩充为实体模型，并进行三角剖分转换为 STL 三角面片模型，然后才能输入RP 制造系统进行原型制
6、作。 模型扩充和 STL 三角面片模型的生成均在 Pro-E 系统中实现。由 IGES 曲面模型扩充得到的实体模型见图 6.4。 按原设计思想，车门拉伸模具型面由三部分组成，即主型面、工艺补充面和压边面。主型面是拉伸成形并切边后需要保留的部分型面，将来真正形成车门的就是这一部分，其精度要求最高。工艺补偿面是为了改善冲压件成形性，防止起皱或拉裂 而在主型面之外增加的部分曲面，拉伸成形完成后，工艺补充面即被切掉，所以对工艺补充面的精度要求较低。压边面也属于工艺面，是防止冲压件起皱和拉裂的主要调节手段，冲压完成后，相应部分的板料将被作为废料切掉，一般无精度要求。所以在以后讨论中，只对模具主型面进行误
7、差分析和模具型面修正计算。 按以上设计思想将实体模型分割为三部分，即主型面部分、工艺补充面部分和压边面部分。分割时，考虑到 RP 原型组合的需要，在各部分之间增加了定位孔和定位台，另外考虑到 RP 原型制作工艺性，依据 3.2.2 节中提出的面向板料冲压成形模具的 RP 原 型制作工艺原则对实体模型结构进行了二次设计。 分别对三部分实体模型进行三角面片化，形成三角面片模型如图 6.5 所示。其中主型面精度要求最高，三角剖分时弦高参数设置为 h=0.02mm，主型面三角面片数为 Nm=5780 个，节点数 2927 个；工艺补充面和压边面的三角剖分弦高为 h=0.05mm，工艺补充面三角面片数为
8、 Na=12346 个，节点数 2191 个；压图 6.4 Audi 车门模具实 体 CAD 模型 图 6.3 Audi 车门模具 IGES 曲面模型 压边面 工艺补充面 主型面 西安交通大学博士学位论文 127 边面三角面片数为 Nh=4510 个，节点数 2246 个。 （ 2） RP原型制作 完整的车门模具应该包括凸模、凹模和压边圈，为了提高效率、降低成本，我们分别只制作凸模主型 面、凸模工艺补充面和压边圈的 RP 原型。凸模主型面部分和凸模工艺补充面部分的 RP 原型组装后即形成凸模原型，压边圈 RP原型既可单独使用，又可与其它两部分组装形成凹模原型。 由于对于原 CAD 模型进行了缩
9、比处理，原设计的拉延筋对 1:5 的缩比模型已不再适用，为此在 RP 原型上另外制作了新的拉延筋。 将 STL 模型数据传入 LPS-600A 激光快速成型机进行切层（切层厚度0.1mm）、加支撑等操作。制作完成的 RP 原型见图 6.6，经简单抛光打磨后，表面光洁度达到 Ra0.8Ra1.6。制作过程耗时 30 小时。 （ 3）翻制石膏模 型 由于 RP 原型的主型面和过渡面是按凸模型面制作的，凸模和压边圈的石膏(b)装配结果 拉延筋 图 6.6 Audi 车门模具光固化树脂原型 定位孔 定位台 压边面 工艺补充面 主型面 (a)凸模、压边圈 图 6.5 Audi 车门模具 STL 三角面片
10、模型 (a)凸模主型面 (b)工艺补充面 (c)压边面 西安交通大学博士学位论文 128 型可以用图 6.6(a)中的 RP 原型直接翻制获得。翻制得到的石膏型见图 6.7。 凹模型面与凸模型面相差一个板料厚度，要得到凹模石膏型则必须对图 6.6(b)中装配好的 RP原型进行适当的工艺处理，使其增加一个板料厚度才能用来翻制凹模石膏型。工程中的一般做法是在原型表面贴覆铅皮或蜡片来控制凸凹模间隙。本文采用精密轧制的铅皮实现间隙控制，板料厚度 t=0.63mm，铅皮厚度在此基础上放大10%，故铅皮厚度取为 T=0.7 0.01mm。 用橡皮榔头和 塑料棒仔细地将铅皮贴覆在 RP 原型表面，赶尽铅皮与
11、原型表面之间的空气，将铅皮边缘用胶带封死，然后浇注石膏。 由于 RP 原型是凹模的反型，要得到其石膏反型必须进行两次浇注。首先浇注凹模石膏正型（如图 6.8 a），然后用此正型再浇注凹模石膏反型（如图 6.8 b）。 （ 4）金属电弧喷涂、模具装配及样件试冲压 采用前面 3.4 节的金属喷涂及环氧树脂加固工艺，制造出 Zn-(Al-Cu)伪合金模芯，加装模板后得到实际使用的模具如图 6.9 所示。 试冲压在 XP2CEF-100 型双动冲压试验机上进行，其主缸压力 100 吨，压边缸压 力 20 吨。冲压样件见图 6.10，坯料为厚度 0.63mm 的 08Al 低碳钢板。 图 6.7 凸模
12、、 压边圈 石膏反型 压边圈 凸模 图 6.8 凹模石膏正型和反型 (b)凹模石膏反型 (a) 凹模石膏正型 西安交通大学博士学位论文 129 6.2.2 模具制造误差及冲压件回弹误差分析 a 模具及样件型面激光扫描测量及数据处理 （ 1）几点说明 1）为了获得零件的实际回弹情况，将所有样件的压边面全部用线切割方法予以切除。切边后的样件形状见图 6.10，其边界曲线基本与凸模边界曲线相一致。 2）车门冲压属于浅拉延成形，在成形过程中板料基本上是包在凸模上的，另外 CAD 模型是按凸模型面给出的，所以以后的测量及误差评价均对凸模型面进行，冲压样件的测量和评价以内表面为准。 3）冲压件测量时，将其
13、按冲压姿态用双面胶带固定在凹模表面，这样冲压样件与模具型面基本对准。 （ 2）数据测量及预处理 采用智泰公司 LSH300 扫描测量仪获取冲压样件表面三维数据。 LSH300 在200mm 测量范围内的测量精度， m = 0.05mm。以 0.5mm 光刀扫描间隔对冲压件进行扫描测量，光刀内测点间隔基本上在 0.10.3mm 左右，这属于很高的测量密度。 图 6.9 装配好的金属电弧喷涂模具 凸模 凹模 压边圈 图 6.10 切掉压边面前后冲压样件形状 西安交通大学博士学位论文 130 凸模表面原始测量数据为 14.75 万左右， 3 个冲压样件表面原始测量数据均在 15 万左右。采用 4.1
14、.1 节扫描测量数据减缩算法对原始测量数据进行处理（弦高 h=0.01mm，跨度 L=0.5mm），减缩后的数据量在 4.2 万左右。 （ 3）获取主型面测量数据 由于工艺补充面在翻边前要被切除，其精度要求较低，所以以后的误差分析以及模具修正只针对主型面进行。然而，凸模和冲压件表面没有明显的主型面标记，在凸模、冲压件型面的扫描测量数据中不能直接分辨出主型面数据和工艺过渡面数据。为此通过与 CAD 模型对准的办法将主型面测量数据从测量数据集中单独分离出来。 如图 6.11，首先将凸模 CAD 模型（不包括压边面）三角面片化，然后采用前面4.2 节介绍的最小二乘贴合方法进行曲面对准。称 此三角面片
15、曲面为基准曲面 SSTL，其三角面片数共 13869 个，节点数 7377个，主型面部分三角剖分弦高约束条件h=0.02mm，工艺补充面部分 h=0.05mm。 采用 4.2 节的最小二乘贴合方法使所有测量数据与基准曲面 SSTL 对准，然后按基准曲面 SSTL 的主型面部分（记为 SSTL_M）边界对测量数据进行裁剪，只保留主型面部分。裁剪以后，得到主型面部分测量数据点，数据量为 32780 左右。 b 模具制造误差和冲压件离散性误差分析 （ 1）模具制造误差 从 STL 三角面片模型到 RP 原型，再到石膏模型，最后得到金属喷涂模 具，其中的每一步都会产生误差。在 3.6 节中对每一步误差
16、产生的原因及误差大小进行过一般性分析，基本反映了其中的内在规律。考虑到计算的复杂性，这里不再对每一步的误差进行分析，而只关心模具的最终误差。 前面 4.2 节中基于距离的回弹误差计算和表示方法同样适用于模具型面的误差分析。将凸模主型面测量数据与基准主型面 SSTL_M比较，得到模具制造误差分布如图 6.12 所示。误差分布特征值见表 6.1。 图 6.11 STL 三角面片基准曲面 主型面 工艺补充面 西安交通大学博士学位论文 131 表 6.1 凸模制造误差分布特征值 双向平均误差 (mm) 均方差(mm) 绝对值平均误差 (mm) 误差分布 (mm) 90% 99% 100% -0.019
17、 0.070 0.058 0.12 0.18 0.23 （ 2）冲压件离散性误差 由于板料成形过程的复杂性，同一副模具在相同工艺条件下的冲压样件并不完全相同。任取两个样件的测量数据，将其中一个样件的数据三角面片化，然后采用 4.2节回弹误差计算方法得到两冲压件之间的离散误差如图 6.13所示。误差分布特征值见表 6.2。 表 6.2 冲压件离散性误差分布特征值 双向平均误差 (mm) 均方差(mm) 绝对值平均误差 (mm) 误差分布 (mm) 90% 99% 100% -0.002 0.040 0.030 0.06 0.13 0.16 - 0 . 1 5 - 0 . 1 - 0 . 0 5
18、0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 50100020003000误差 (mm) 误差频率(个) (a) 0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 500 . 20 . 40 . 60 . 81误差累积分布(100%) 误差 (mm) (b) 图 6.13 冲压件离散性误差分布曲线 图 6.12 凸模制造误差分布曲线 - 0 . 2 - 0 . 1 0 0 . 1 0 . 201000200030004000误差 (mm) 误差频率(个) (a) 0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 200 . 20 . 40 . 60 . 81误差累积分布(100%) 误差 (mm
19、) (b) 西安交通大学博士学位论文 132 c 冲压件回弹误差分析 从不同的分析角度看，回弹误差有两方面的含义，从回弹误差补偿目标来看，回弹误差是指实际冲压件与零件 CAD 设计之间的形状差异，本文称之为目标回弹误差；从冲压过程来看，回弹误差是指实际冲压件与模具型面之间的形状差异，本文称之为冲压回弹误差。下面分别对其进行计算。 （ 1）冲压回弹误差 将模具主型面测量数据三角面片化，然后采用 4.2 节回弹评价方法计算得到冲压件回弹误差分布如图 6.14 所示。误差分布特征值见表 6.3。 表 6.3 样件冲压回弹误差分布特征值 双向平均误差 (mm) 均方差(mm) 绝对值平均误差 (mm)
20、 误差分布 (mm) 90% 99% 100% -0.006 0.127 0.103 0.20 0.32 0.38 从误差分布数值上看，回弹误差只有模具制造误差的 1.8 倍和冲压件离散误差的 2.5 倍左右，其实它们的误差分布有本质的区别。以每一点上的误差值为纵坐标，以该点的 (x,y)为水平坐标，将误差值以 3D 形式显示出来，就可以看到回弹误差与模具 制造误差以及冲压件离散误差的区别。 图 6.15 是凸模制造误差的 3D 表示图，为了显示清楚，图中误差轴的比例放大了 30 倍。图 6.16 是样件冲压回弹误差的 3D 表示图，其误差轴的比例同样放大 30 倍。 从误差 3D 分布图中可
21、以看出，冲压件离散误差在整个型面上的分布基本上是随机的，而回弹误差的分布则有明显的系统性。事实上，由于曲面对准采 用- 0 . 3 - 0 . 2 - 0 . 1 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3050010001500误差 (mm) 误差频率(个) (a) 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 300 . 20 . 40 . 60 . 81误差累积分布(100%) 误差 (mm) (b) 图 6.14 样件冲压回弹误差分布曲线 0.4 -0.2 0.2 0 误差(mm)x(mm) y(mm) 图 6.15 样件离散性误差的 3D 表示图 0.6
22、 -0.3 0.3 0 误差(mm)x(mm) y(m ) 图 6.16 样件离冲压回弹误差的 3D 表示图 西安交通大学博士学位论文 133 的是最小二乘贴合方法，回弹误差的某些系统性质有可能被掩盖。图 6.17 是一个简单说明， (a)图中实线表示冲压件某一截面回弹前的形状，虚线表示其回弹后的形状；在最小二乘贴合时，回弹前后的 截面线可能出现 (b)图所示 的相对关系，回弹的实际影响被掩盖掉一部分。 （ 2）目标回弹误差 目标回弹误差是指实际冲压件与零件 CAD 设计之间的形状差异。 Audi 车门模具 CAD 主型面与其零件 CAD 设计是一致的，所以通过比较冲压样件与模具 CAD 主型
23、面之间的差异即得到其目标回弹误差。在实际计算时，采用 4.2 节的回弹评价方法，计算冲压样件测量数据点到图 6.5(a)中凸模主型面三角面片曲面的距离，得到目标回弹误差分布如图 6.18 所示。表 6.4 是目标回弹误差分布的特征值。图 6.19 是目标回弹误差的 3D 表示形式，可以看 出目标回弹误差的分布特点与冲压回弹基本上是一致的，只是误差值更大一些。 x z x z (a) (b) 图 6.17 最小二乘贴合对回弹误差计算值的影响 误差 (mm) 误差频率(个) (a) 误差累积分布(100%) 误差 (mm) (b) 图 6.18 样件目标回弹误差分布曲线 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0 500 1000 1500 2000 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0.6 -0.3 0.3 0 误差(mm)x(mm) y(mm) 图 6.19 样件目标回弹误差的 3D 表示图
