基于逆向工程的汽車門內(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 問題模具和問題零件

車門是汽車車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，是汽車的整體性能的重要決定因素之一，其生產(chǎn)對模具要求較高，模具狀態(tài)不良會引發(fā)零件開裂、起皺等缺陷。某汽車零部件廠一車門內(nèi)板模具由于長期使用磨損嚴(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)，問題模具和開裂零件如圖1所示。

為提高零件制品率，需對模具進(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，即便找到也無法表征目前磨損后特征，為獲得磨損模具數(shù)模，以便開展沖壓過程仿真為模具優(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

模具空間點云掃描及點云數(shù)據(jù)處理

圖2 模具優(yōu)化方案

采用Handyscan 700TM 3D激光掃描儀對車門內(nèi)板模具進(jìn)行掃描得到其點云數(shù)據(jù)（見圖3），隨后對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系調(diào)整、對齊、噪點刪除等預(yù)處理，得到分布規(guī)則的點云數(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，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云數(shù)據(jù)

圖4 處理后的各工具體點云數(shù)據(jù)

CAD軟件逆向模具數(shù)模

采用Catia軟件中逆向相關(guān)模塊對曲線和曲面進(jìn)行擬合重建等后處理，其中開裂區(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)過曲面光順、連續(xù)性檢查等得到相對質(zhì)量較高的曲面，最后運(yùn)用Catia中誤差分析命令進(jìn)行誤差測量，最終保證得到擬合的模具曲面在易開裂位置處與點云的法向誤差控制在0.08mm以內(nèi)，普通模面位置處點云誤差控制在0.15mm以內(nèi)，精度較高，逆向模具數(shù)?？奢^好地反映模具磨損后的真實狀態(tài)，模具數(shù)模如圖5所示。

車門內(nèi)板CAE成形過程仿真分析

車門內(nèi)板成形性分析

圖6是該車門內(nèi)板的拉延成形工藝模型，逆向的模具數(shù)模包含成形過程中全部的工藝補(bǔ)充，CAE仿真分析時不需要再進(jìn)行補(bǔ)充設(shè)置。材料為DC06，厚度為0.7mm，具體材料參數(shù)見表1，板料尺寸與生產(chǎn)現(xiàn)場一致，如圖7所示。沖壓方向與生產(chǎn)現(xiàn)場一致。

采用Autoform對車門內(nèi)板拉延成形過程進(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)重開裂現(xiàn)象，如圖8(a)所示。減小壓邊力為120t，開裂區(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)開裂區(qū)域繼續(xù)減輕，但右下角部特征出現(xiàn)起皺趨勢，壓邊力減小為100t時，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)場的調(diào)研結(jié)果是一致的。

表1 DC06 材料力學(xué)性能

圖6 車門內(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，材料性能的波動即可能造成沖壓開裂或起皺，而整體調(diào)整壓邊力效果并不明顯。生產(chǎn)現(xiàn)場和模擬仿真的結(jié)果均顯示零件開裂主要集中在右側(cè)，起皺主要集中在右下角部特征區(qū)域，因此嘗試對局部筋阻力進(jìn)行調(diào)整，采用Autoform軟件中變阻力筋功能對圖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，可減輕開裂趨勢，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)車門內(nèi)板件

將模擬結(jié)果反饋給生產(chǎn)現(xiàn)場技術(shù)員，按照初始現(xiàn)場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，客戶反映良好，圖10是修模后生產(chǎn)的實際零件，形狀良好，未出現(xiàn)開裂和起皺。