叶春

(东南大学机械工程学院，江苏南京　211189)



橡皮囊模具快速回弹补偿系统关键算法研究

叶春

(东南大学机械工程学院，江苏南京211189)

摘要:为了解决钣金成形后的回弹问题，提出一种基于模具型面的快速回弹补偿算法，能够直接在模具型面上完成回弹补偿。首先，对模具型面上的回弹曲线进行自动识别，并根据型面的回弹规律对曲线进行回弹补偿;其次，对补偿后曲线进行拟合，完成新的回弹补偿曲面;最后，通过对模具胎体的分割，完成模具胎体的回弹补偿。利用CATIA提供的API接口，开发出橡皮囊模具快速回弹补偿系统，大幅提高了模具的设计效率。

关键词:模具型面; CATIA;快速回弹补偿系统

1　橡皮囊模具回弹补偿原理

回弹现象在橡皮囊成形钣金中普遍存在［1］，其放大了钣金零件的制造误差，如果不加以控制会给钣金零件的后续装配带来极大不便。回弹现象主要是由于板料弯曲成形后的残余应力引起的，如图1(a)、图1(b)所示，通过加压或者延长冲压时间并不能很好地解决这个问题［2］。目前主要通过对原始模的修正补偿解决钣金回弹问题，如图1 (c)、图1(d)所示，补偿模的修正量β跟钣金回弹量α呈正相关。

图1　橡皮囊模具回弹补偿

文献［3］采用位移调整法(Displacement Adjustment Method)，将钣金回弹量反馈给模具胎体，通过迭代计算确定最终回弹补偿值，其适用于一般形式的钣金零件。文献［4］介绍了几种常用的迭代补偿方法，并通过对比提出一种加速收敛方法，采用有限元软件ABAQUS进行数值模拟，并用数值处理软件MATLAB进行了结果分析。文献［5］针对曲弯边钣金回弹问题，通过试验提出一种回弹角快速预测方法，并将预测回弹角转化成模具型面对应网格节点的位移，如图2所示，最终实现整个模具网格的回弹补偿。该方法无需对板料进行数值模拟，从而节省了大量的数值计算时间。本文针对一般的橡皮囊钣金冲压模具，提出一种基于模面的回弹补偿算法，直接利用模具型面上的曲线、曲面进行逆向补偿，实现模具胎体的快速回弹补偿，并利用CATIA提供的API接口，完成模具快速回弹补偿系统的设计，简化了修模过程。

图2　考虑回弹角的网格节点调整方法

2　橡皮囊冲压模具结构

橡皮囊成形主要优点有: 1)只需要完成半模(凹模/凸模)的设计，另一半由高压橡皮来充当，节省了大量的设计工作，缩短了模具的设计周期。2)冲压过程中，高压橡皮在板料表面缓缓流动，跟板料之间主要为静摩擦，成形后板料表面无划痕、质量高，几乎不需要其他表面光滑工艺。3)利用橡皮的流动性，同一道工序可以成形多个不同形状的钣金件，也可以把多个工序放在同一步中进行，极大地利用了工作台空间，提高了成形效率。橡皮囊成形的原始模具胎体，一般由钣金零件内型面设计而来，其设计流程如图3所示。

图3　橡皮囊模具设计流程

其中钣金零件内型面为钣金零件跟模具胎体接触部分表面，腹板面、翻边面为钣金内型面上的曲面特征，根据钣金零件的成形特点进行划分。缺口主要分布在翻边面上，在钣金成形过程中防止板料褶皱或破裂，如图4(a)所示。将翻边面、腹板面分别进行延展，并将翻边缺口修补完整，完成后获得连续的腹板、翻边延展面。然后使用所得延展面分割实体凸台，所获得的模具胎体即为原始钣金模具胎体。

模具型面为模具胎体上被翻边延长面切割所得的侧面，在竖直方向上分布着一系列截面曲线，这些曲线分别对应着零件型面翻边下陷及缺口位置，如图4(b)所示。与钣金结构不同之处在于，模具型面与腹板面相交部分为一条连续曲线，而钣金件的同一位置处为倒角面。原始模具胎体上这种结构的优点在于，模具型面与顶面的交线即为翻边回弹时的旋转轴线，无需再通过倒角抑制来获得，在型面进行回弹补偿时可直接作为固定引导线使用。

图4　橡皮囊冲压模具结构

图5　构造旋转基准轴

3　模具型面回弹补偿关键算法

钣金翻边回弹呈非线性分布，回弹量的预测是一个集经验与实验相结合的过程。文献［2］采用实验方法，分析了不同材料、板料厚度、弯曲半径下，直弯边成形钣金回弹规律，证实了弯边回弹量是多种因素综合的结果。文献［6］分析了单元积分类型、网格尺寸及板料厚度等，对直弯边钣金成形数值模拟结果的影响，发现其结果受模拟过程各个环节的影响。文献［7］提出了一种基于uv线的几何旋转变形回弹补偿法，通过位移调整重新构造回弹补偿曲面，由于该方法所用旋转(基准)轴是通过采样点拟合的方法进行构造，如图5所示，故存在一定的精度误差。本文所用的原始模具胎体无需考虑构造旋转基准轴，且回弹补偿直接在曲面上进行，故回弹补偿效率高。

3.1模具型面回弹补偿

基于模具型面的回弹补偿方法的本质是将型面进行变形，其变形量刚好能够弥补钣金翻边的回弹量。在模具胎体上提取出模具型面，包含两条水平方向的引导线以及竖直方向的一系列截面曲线ProfileCurves，如图6所示。在模具型面上选择引导线GuideLine1及GuideLine2，在型面补偿时作为固定约束，并将其作为一个整体放在数组g_Tool-GuideLines中。如果选择多侧模具型面进行回弹补偿，则引导线数组g_ToolGuideLines中包含多个元素。在截面曲线ProfileCurves中选择回弹曲线SpringbackCurves，将其按照回弹补偿量进行变形，回弹补偿量根据当前的测试环境由实验法进行确定。确立回弹曲线跟截面曲线的对应关系，并使用回弹变形后曲线替换ProfileCurves中对应曲线，再通过扫掠法进行回弹补偿曲面的构造。其算法流程如图7所示。

图6　模具型面特征

图7　模具型面回弹补偿主流程算法

3.2回弹曲线变形

回弹曲线是模具型面上需要进行补偿变形的截面曲线，由设计人员根据需要进行选择，曲线变形是模具型面回弹补偿的关键。如图8(a)所示，点P1，P2为一回弹曲线的两个端点，分别在引导线GuideLine1、GuideLine2上; H为P1，P2间的距离，表示模具型面的高度; h为翻边面底边到引导线GuideLine1的距离，表示回弹曲线上最大回弹点的位置。

根据翻边回弹特性可知，将GuideLine1和GuideLine2作为翻边回弹的固定旋转轴，在截面线上距离GuideLine1为h处插入回弹点V3，其回弹位移最大。在回弹曲线上节点P1和V3之间，插入2个等分点V1和V2，然后对回弹曲线上3个节点V1，V2，V3进行偏置，即可实现该回弹曲线的变形。其回弹节点个数由实验测试可得，节点个数为3个时变形曲线效果最理想。采用补偿法进行修正时，将 V3偏置距离d到，并且V1，V2分别偏置距离0.33d，0.67d到，偏置方向垂直于模具型面并指向模具胎体，如图8(b)所示。

图8　回弹曲线变形

3.3截面曲线扫掠

扫掠是CATIA中提供的一种曲面造型方法，具有强大的曲面拟合功能。回弹曲线变形完成后，获得一系列新的截面曲线ProfileCurves，如图9所示，模具型面上下两条引导线GuideLine1及Guide-Line2位置不变。使用ProfileCurves进行扫掠时主要有两种方式可选: 1)左右方向构造曲面——将ProfileCurves设为截面线，GuideLine1、GuideLine2设为引导线进行扫掠; 2)上下方向构造曲面——将GuideLine1、GuideLine2设为截面线，Profile-Curves设为引导线进行扫掠。两种方法的区别在于，其构造曲面的uv方向不同。测试发现，上下方向构造扫掠曲面效果更好，构造完成后曲面即为补偿后模具型面，如图10所示。

图9　变形后截面曲线

图10　补偿后模具型面

4　系统设计

为了对橡皮囊成形模具胎体进行快速回弹补偿，提出了基于模具型面的快速回弹补偿算法，并利用CATIA提供的API接口，开发出模具快速回弹补偿系统，系统结构如图11所示。

图11　模具快速设计系统结构

根据系统各个部分的功能不同，将系统分成4个模块:人机交互模块、特征识别模块、型面补偿模块、分割胎体模块。根据功能将各模块概述如下:

1)人机交互模块，设计了人性化的交互界面，引导用户进行关键特征、关键参数的输入。

2)特征识别模块，截面曲线在模具型面上属于内边，引导线在位置上处于模具型面上下两侧，利用特征间的拓扑、结构关系，将其全部识别出来。

3)型面补偿模块，利用CATIA曲面造型功能，对回弹曲线进行变形，并构造补偿后模具型面。

4)胎体分割模块，对补偿后曲面进行延长处理，并分割原始模具胎体，获得补偿后模具胎体。

5　实例验证

以某典型翻边模具胎体为例，对模具快速回弹补偿系统进行测试。在CATIA系统中载入测试零件，模具快速回弹补偿系统以自定义图标的方式显示在界面中，点击图标启动系统，如图12(a)所示。根据交互界面提示，首先选择需要进行补偿的模具型面、引导线约束、回弹曲线，然后在回弹量、回弹比例中对回弹补偿量进行设定，右侧列表框支持对输入特征进行修改。点击“确定”按钮系统自动进行计算，完成后即可获得回弹补偿后模具胎体，如图12(b)所示。

图12　模具胎体回弹补偿

6　结束语

本文根据橡皮囊成形钣金模具胎体的特点，提出一种基于模具型面的快速回弹补偿算法，利用型面上分布的截面曲线进行逆向补偿，并通过扫掠方法作出补偿后型面，无需经过复杂的数值模拟计算，提高了回弹补偿胎体的设计效率。系统基于CATIA V5平台进行二次开发，建立人机交互界面引导用户进行关键特征选择，使设计人员无需丰富的经验即可快速进行模具回弹补偿。其功能模块完全基于CATIA提供的自动化程序接口(API)函数，与CATIA平台数据间实现了无缝衔接，补偿后的模具胎体可以直接进行数控加工，极大地缩短了模具胎体的设计周期。

参考文献:

［1］戴美云，张和兴.橡皮囊液压成形零件常见缺陷分析［J］.航空制造工程，1997(2) :27－28.

［2］陈磊，邱晞，李善良，等.橡皮液压成形直弯边回弹实验与分析研究［J］.塑性工程学报，2008，15(3) : 47－60.

［3］Gan Wei，Wagoner R H.Die design method for sheet springback ［J］.International Journal of Mechanical Sciences，2004，46 (7) :1097－1113.

［4］Cheng Hang Shawn，Cao Jian，Xia Z C.An accelerated springback compensation method［J］.International Journal of Mechanical Sciences，2007，49(3) :267－279.

［5］杨伟俊，李东升，李小强，等.基于快速回弹补偿的橡皮囊液压成形模面设计方法［J］.机械工程学报，2011，47(12) : 67－73.

［6］王淼，李东升，杨伟俊，等.橡皮成形数值模拟回弹预测精度的影响因素［J］.塑性工程学报，2011，18(1) :1－6.

［7］孙世岩，柳玉起，李贵，等.基于CATIA高强钢板冲压回弹几何补偿系统的开发［J］.精密成形工程，2013，5(2) : 1－5.

The key algorithms for rapid springback compensation system of hydraulic stretch mold

YE Chun
(School of Mechanical Engineering，Southeast University，Jiangsu Nanjing，211189，China)

Abstract:In order to solve the springback problem after forming process of the sheet metal，it proposes a new algorithm for rapid springback compensation based on the mold surface.This algorithm can directly work on the mold surface.It identifies the rebound curves automatically on the surface of the mold，and compensates these curves according to the rule of springback on the mold.Then it finishes the construction of new compensated surface based on the changed curves，completes the springback compensation of the die body in cutting the original mold.It develops a new system for rapid springback compensation based on API interface of CATIA.The system can greatly improve the efficiency of mold design.

Key words:mold surface; CATIA; rapid springback compensation system

DOI:10.3969/j.issn.2095－509X.2015.06.005

作者简介:叶春(1988—)，男，河南信阳人，东南大学硕士研究生，主要研究方向为先进制造系统理论与技术。

收稿日期:2015－03－25

中图分类号:TP391.7

文献标志码:A

文章编号:2095－509X(2015) 06－0015－05