RE/CAE技术在铁艺冲压件中的应用

刘朝晖

摘要：以铁艺三角冲压件为研究背景，论述了从最初的点云数据采集、逆向曲面重建至最后的CAE仿真优化，采用Auto-Form软件对冲压件进行了成形性分析，完成相关数值模拟。通过三角冲压件成形质量的预测，优化模具设计结构，有效地减少了物理试模次数，缩短了设计制造周期，最终通过实际工程验证，表明前期数值模拟分析对模具设计具有重要意义。

关键词：ICE；Auto-Form；冲压件

一、引言

随着科技的飞速发展，逆向技术、计算机辅助工程等先进制造技术应用于模具的设计与制造已经越来越广泛，有效的弥补了一些缺少原始设计数据的产品无法进行生产制造流程的缺憾。本文以一铁艺三角冲压件为例，整合逆向工程RE、计算机辅助设计CAD以及计算机辅助工程CAE进行开发研究，先使用整合逆向工程RE对制件数据点云进行曲面重构，再通过CAD进行三维数据建模，分析覆盖成形特点，确定冲压工艺。然后采用Auto-Form软件对三角冲压件的成形过程进行有限元分析、模拟冲压件成形的真实过程，通过板料成形性预测，优化冲压工艺参数，改进产品设计和模具设计，最后获得合理的数字化模型，确保成形后制件的精准度，有效的保障产品质量，提升产品生产技术水平，产品结构等方面也得到进一步提高。CAE计算机辅助工程的引入，通过对工件的成形工艺进行分析，做出工件能否制造的早期判断。对模具方案和冲压方案的可行性进行分析，及时调整方案，经过反复验证和矫正，通过缺陷预测来制定缺陷预防措施，降低了模具设计制造过程中“人工因素”的影响，为设计人员提供可靠的数据结果，给设计者优化设计模具提供系统的数据依据；更有利于设计知识的积累。从而弥补了因设计人员在经验和应用工艺资料方面的不足，因此保障了模具的品质，同时工艺制备人员也获得了经验，并且有效地缩短产品设计生产制造的周期，提高产品开发的成功率，从而达到快速设计生产模具的目的。

二、三角冲压件逆向建模及曲面重构

三角制件表面为曲面，难以实现手工测绘，为获取可编辑的原始数据，使用激光扫描仪进行数据采集，得到了与实体形状非常相似的完整点云，经过扫描软件简单处理后，将点云数据生成.stl文件，导入Geomagie Studio逆向建模软件，该软件是用许多微小的空间三角片来逼近模型，用NURBS曲面片拟合直接建立NURBS曲面模型的策略，分为点——多边形——造型三个阶段。

由于Geomagic软件造型方式是直接面向模型全部，利用软件对扫描的点进行着色、降噪、封装、光顺、填充、松弛、修剪税化等操作特性，因此，可以对一些扫描缺陷部位，比如空洞、凸点、褶皱等进行补洞、去除特征等处理，即可进入曲面造型阶段，也就是实现区域分割与曲面重构。在进行曲面片构建中，手绘曲面轮廓线需要注意，包含的曲面曲率差异性不能过大。曲面片不能有相交区域，并使大小尽量一致，边界靠近轮廓，调节好就可以构建格栅，最后就是NURBS曲面。将曲面片导入UG软件中，对缝隙进行缝补并加厚，CAD实体建模完成。

三、三角冲压件CAE仿真过程

1.模型导入及有限元网格模型的建立

三角冲压件的成品制造工序为落料、成形。制件的形状和刚性主要都在拉延工序中得以体现，质量的优劣也與拉延密切相关。因此，三角冲压件的工艺性分析主要在于拉延成形分析。将处理好的曲面片生成.igs格式，导入到Auto-Form中，定义网格大小、最大表面误差值后采用网格划分器完成复杂自由几何曲面的自动网格划分，为模型分析奠定基础。

2.CAE仿真过程

在Moder-Geometry Generator中进行模型的预处理，设置边界线，冲压方向即可进行毛坯计算与排样，调整压料面与模型的位置，在shift中输入数值，注意正负，修改参数，得到理想模型。压料面应该尽可能简单平滑，因为其影响着材料的流动，整体原则以保证拉入凹模内的材料不皱不裂为准。冲压件内部不存在孔及凸台，所以只需要进行外工艺补充。

在模拟类型里选择增量法拉延，双动拉延，设置冲压件料厚1mm，进行相关参数设置，在Binder中压边力P=3进行初步模拟数值计算。首次拉延模拟结果显示不同程度出现变形不充分、起皱、压应力状态，冲压件表面大部分为灰色，说明变形不充分、有褶皱，可以判断拉延不充分，可能拉延力偏小，需要进一步调节相关参数。将压边力由原来的3调整为5，重新提交后模拟计算，冲压件表面局部红色，成型剧烈有开裂风险，但在边缘部位且范围较小，可以调整落料边线长短及边件端面表面粗糙度，减少应力集中，注意板件毛刺方向和落料修边间隙即可。通过拉延件的厚度变化云图，点选指示出每一点的厚度的变化率，一般不超出25%即板料厚度变化值与料厚的比值，结果同成形性分析吻合，数值为-0.226，变薄最甚，易发生拉裂，可以修改数学模型，调整圆角。

四、工程验证

将仿真获得的优化工艺作为模具开发方案，修整模具局部结构，在冲压机上，经过落料、成形两个工序，冲压制件，零件质量符合设计要求。

五、结语

RE技术的日趋成熟带来了制造业的跨越式发展，CAE计算机辅助工程的实际应用也越来越受到重视。以三角冲压件为例，探讨了从最初的数据采集、曲面重构、三维建模到CAE仿真成形分析的全过程，通过制件成形质量进行预测，优化工艺参数，并对模拟计算结果做出正确的解释，提高了成形分析的正确率，达到获得合理的数字化模型，从而减少物理试模，缩短模具设计开发周期，提高产品开发的成功率，降低研究开发成本，企业竞争力也得到了有效提升。最后通过工程实践验证，表明其达到预期形状、尺寸和功能的有效、一致性，对实际模具设计开发具有重要意义。