钣金_07基于回弹自动补偿的模具设计

钣金_07基于回弹自动补偿的模具设计基于回弹自动补偿的模具设计22李光俊1，许旭东1，王恒，王玮(1，成都飞机工业（集团）有限责任公司;2，伊塞-埃特控股有限公司)0.前言回弹现象是板料成形过程中常见的缺陷，严重影响了模具设计的正确性和准确性，回弹效应使按照零件的理论形状设计制造出的模具生产出的零件不符合零件设计的要求。因此，要想得到符合零件设计要求的形状，就必须改变模具的形状，这种以生产得到零件设计要求形状为目标，设计生产模具形状，然后对模具进行一定的修正使以消除回弹影响的模具设计方法称为回弹补偿的模具设计方法。传统的模具设计补偿方法使在钣金车间现场试模实施，通过人工手动修模实现的。人工手动修模的过程是一个依赖钳工的丰富经验的试凑过程：通过一次又一次的修模和一次又一次的试模，反复修正，直到获得所需要的模具形状。很明显，这个修模过程是一个费时、费力、费钱的落后的回弹补偿方法。本文以专业的板料成形数值模拟软件Pam-stamp2G的回弹自动补偿功能（DIECOMPENSATION模块）为基础，建立基于虚拟试模过程的模具回弹自动补偿方法，从而使以往“只能意会，不能言传”的修模“艺术”成为在计算机上实现不依赖人的模具设计方法。1.模具回弹补偿原理本文提出模具回弹补偿过程是基于零件设计要求形状的虚拟修模迭代过程。它是先按照零件的设计要求形状设计出初始模具形状，经过有限元离散后输入专业板料成形数值模拟软件Pam-stamp2G中，经过成形模拟和回弹计算分析，获得了板料成形回弹后形状。将板料成形回弹前后形状和初始模具形状输入Pam-stamp2G中DIECOMPENSATION模块，软件将进行模具回弹自动补偿，得到模具修正后模具形状；然后将回弹补偿后的模具进行成形模拟和回弹计算分析，将得到零件回弹计算后的形状与设计要求形状进行比较，判断两者的几何形状误差是否满足设计误差要求。若满足设计误差要求，输出模具回弹补偿结果；若不满足设计误差要求，软件重新进行回弹自动补偿循环，直到得到符合设计误差要求的最好的模具回弹补偿结果。利用Pam-stamp2G进行模具回弹补偿图如图1所示。其中DIEMAKER模块能够在几分钟内完成模面和工艺补充面的设计与优化。它能快速地通过参数迭代的方法获得实际的仿真模型，并快速地分析判断零件有无过切（负角）和计算出最佳的冲压方向，然后可以非常简单地对模面和工艺补充面的几何形状进行修改。ATUOSTAMP模块采用显式增量算法，是一种基于材料物理学，对金属成形过程进行精确预测的算法，能提供金属成形过程的工业验证和可信的仿真，从而满足工程上的需求。DIECOMPENSATION模块是基于零件设计要求形状的1虚拟修模迭代过程。其完成回弹自动补偿功能非常强大，无须人为干预，回弹补偿过程软件自动完成，DIECOMPENSATION使用方法简单，是以目标为导向的软件回弹补偿工具。图1Pam-stamp2G进行模具回弹自动补偿流程图2.Pam-stamp2G回弹自动补偿过程分析本文所提出的模具回弹补偿方法是基于零件回弹量大小修改模具型面的虚拟试模的方法，为了验证此方法的有效性，下面用Pam-stamp2G做一个实际叶片零件的模具回弹自动补偿过程，直观有效地验证Pam-stamp2G的回弹自动补偿功能。由于回弹量大小的影响因数有很多，如有材料参数、工艺参数、初始毛坯的形状和厚度等。改变其中的任何一个参数，就必然影响回弹计算的结果，同时也就影响到回弹补偿的结果，因此，要得到一个实际件的正确可靠的回弹补偿结果，必须首先确定合适的材料参数、工艺参数和初始毛坯的形状和厚度。模拟本实际件冲压成形采用的有限元模型如图2所示，分别显示了凹模DIE、凸模PUNCH、压边圈BINDER和毛坯板料BLANK的有限元模型。图2叶片的有限元模型图毛坯BLANK板料的材料为St12，板料厚度为1mm，密度为7800kg/m，弹性模量为192GPa，泊松比为0.3，各向异性系数r0、r45和r90分别为0.616、0.646和0.778，材料St12采用的硬化法则为Krupkowsky法则，其硬化曲线为30(npK)σεε=•+=0.01985，K=562MPa，n=0.1969。0ε，其中本实际件的冲压成形工艺参数为：压边力为20KN，摩擦润滑条件等效为摩擦系数为0.12，模拟冲压成形速度为2m/s。首先用Pam-stamp2G模拟进行冲压成形后，不改变工艺参数和材料参数，得到回弹量结果分布图如图3所示。图3回弹补偿前成形零件回弹大小分布图从图3中可以看出：零件的两个尖端的回弹量最大，其数值最大有1.044mm；零件中间部位回弹量最小，回弹量是从两端最大向中间最小递减分布，回弹量大小分布形式和实际生产过程中产品产生的回弹量大小分布形式是基本一致，这明显说明专业的钣金成形模拟软件Pam-stamp2G可以比较准确地预测回弹量的大小和分布形式。由于此零件的回弹量很大，不能满足设计要求，因此要进行模具回弹补偿设计，利用Pam-stamp2G进行模具回弹自动补偿设计过程以解决这个问题，软件判断模具回弹自动补偿的结果是否符合设计要求的是：将回弹自动补偿后的模具进行成形模拟和回弹计算分析，把回弹计算后的零件形状与理论要求的形状进行对比，如果两者误差达到设计误差要求，就可以认为模具回弹补偿结果已经得到；反之，则要进行下一轮回弹自动补偿循环，以得到最合适的回弹补偿结果。分析第一次模具回弹自动补偿后进行成形模拟和回弹计算分析结果，通过Pam-stamp2G的测量工具测量知道：零件回弹后两个尖端与理论要求形状只有0.5mm的间距，只有回弹补偿前回弹量1.044mm的一半，说明回弹自动补偿后的模具生产的零件与理论形状更接近，更符合零件理论形状。第二次模具回弹自动补偿循环结果如图5所示，通过Pam-stamp2G的测量工具测量知道：零件回弹后两个尖端与理论要求形状只有0.2mm的间距，比回弹自动补偿前回弹量1.044mm小很多，说明回弹补偿后的模具生产的零件与理论形状非常接近，很符合零件理论形状，已经满足设计要求误差，因此认为进行两次模具回弹自动补偿的结果已经符合本实例的模具回弹补偿要求。图5显示了模具两次回弹自动补偿后形状与初始模具形状的比较，从图5中可以看出：回弹自动补偿后的模具型面比初始模具型面更向上翘（图5中Z轴正方向），两尖端回弹补偿量最大，中间部分回弹补偿最小，回弹补偿量分布与模具回弹量分布是基本一致的，这也就说明Pam-stamp2G是基本根据计算回弹量大小进行回弹自动补偿的，而不是人工手动去进行模具回弹补偿过程，从根本上解决了模具回弹补偿问题。图4第二次模具补偿循环结果回弹计算结果图5第二次模具补偿循环结果3.本文以Pam-stamp2G自动补偿功能为基础，提出了进行模具自动回弹补偿方法解决模具回弹问题，建立了基于模具回弹自动补偿的模具设计方法，从根本上解决了消除模具回弹影响的问题。该方法的基本思路是：利用Pam-stamp2G进行零件的成形过程模拟和回弹计算过程模拟，预测零件各个部位的回弹量；以零件回弹后形状与设计要求形状的几何误差为依据，修正初始模具的形状，生成了新的模具形状；采用新的模具再进行成形-回弹模拟过程，获得下一步零件回弹后的几何误差；反复进行上面的回弹补偿循环直到零件回弹后的几何形状与设计要求形状的误差满足工艺要求为止。利用Pam-stamp2G进行模具回弹自动补偿的方法的优势是：整个回弹补偿过程是Pam-stamp2G软件自动完成，不用人为手动去修改模具型面，在全面地考虑了各种回弹影响因数后进行准确的回弹自动补偿过程，得到合理回弹补偿结果。上文中的一个实际叶片零件的回弹自动补偿过程的实际例子有力证明了利用Pam-stamp2G进行模具回弹自动补偿的方法是有效可靠的。作者介绍：李光俊，成都飞机工业（集团）有限责任公司，主任工艺师。