异形拉深件的逆向建模及数值模拟分析

作者：查光成 杨征宇

欢迎访问e展厅 展厅 3 冲压模具/锻压/冷镦模具展厅 冲压模, 级进模, 拉深冲裁模, 冷冲模, 冲床模具, ... 在工程实际应用中，由于用CAD软件绘制零件模型相当费时费力，而且很多情况下工程界提供的是零件实物，并需要由实物制造模具或在零件基础上改进设计川。因此，由实物直接获得三维CAD模型的逆向工程技术RE (Reverse Engineering)便在此背景下应运而生并得到了迅猛发展。逆向工程已成为联系新产品开发过程中各种先进技术的纽带，并成为消化、吸收先进技术，实现新产品快速开发的重要技术手段。 该拉深件为异形曲面件，材料为合金板料，材料厚度0. 75mm。该零件经授权由外购转为国产，根据原始零件图纸数据试生产失败，遂决定尝试采用逆向工程技术(RE)完成零件建模并批量生产。 1异形拉深件的逆向建模 1.1.异形拉深件模型分析及三维数据采集 该拉深件外形如图1所示，其在结构上没有对称性，自由曲面形状比较复杂，在过渡面连接处的圆弧曲线各异，圆角部分也各不相同，用传统的测绘方法很难得到零件的精确数据，遂决定采用非接触式的三维激光抄数机完成零件数据扫描，并在测绘点云的基础上完成零件的三维建模。图2为逆向工程操作流程图。 高质量的零件曲面建模取决于点云质量以及操作经验等因素，为了获取高质量的点云，在拉深件数据采集时遵循了以下原则. a.将坐标系设在拉深件上，便于坐标定位和后续建模处理。 b.在测量拉深件时，为避免测量光线可能无法到达拉深件某些表面，形成测量死角，通过反复摆放拉深件并结合经验，找到比较好的测量视角。 c.根据拉深件的形状特点，将其分为5个部分扫描，分别是上表面和4个侧面，为了将数据对齐误差减少到最小，在测量中将拉深件的测量数据对齐到一个坐标系下，图3是测量所得的部分点云图。点云数据被分别保存为IGES格式，并采用逆向建模软件Geomagic Studio 8. 0对点云数据进行后期处理。 1.2异形拉深件曲面逆向建模 a.点云数据的前期处理。 进行点数据清理是进行曲面重构的第一步。在扫描过程中因扫描设备的轻微震动、不精确的扫描校准，或者无意地扫描了背景物体等，噪声点被引人数据里，即点云数据中存在很多不需要的点。为了方便后面点云的处理及模型的精度，必须首先把点云中的噪声点过滤掉，图4是零件在测量时产生的明显噪声点。同时要注意在曲面边界上的一些特征点(如边界拐点)必须予以保留，而不能被视为噪声点。 拉深件数据预处理的另一个重要内容就是数据漏测区域的辅助补全。在三维数据采集时，由于下面一些情况出现了数据漏测:(1)拉深件表面由不同的特征面组成，特征面之间的小部分圆角过渡区域由于几何突变被漏测;(2)拉深件大端部位拐角区域数据，由于零件放置存在死角，出现了小局部漏测，反映在点云上就是一些空洞。在实际操作时，依据其周围已得数据点的几何信息及拉深件实物，采用三角网格插补对空洞进行了补全。 b.拉深件点云数据对齐合并。 拉深件外形点云数据经过前期处理并保存为IGS格式，但这些点云数据仍然是相互独立的，必须要对分片的点云数据进行"缝合"合并处理，才能得到拉深件的整张曲面。在对点云进行合并时(如图5所示)，需要注意寻找特征明显的基准点。点云对齐合并后，由于仍然存在部分噪声点，或者点云合并时有限划分网格存在错误，在网格上会出现局部压痕，为了保证三维模型的精度，必须对合并的网格进行检查，并对局部压痕或局部肿块进行清除。 c.拟合拉深件的NURBS曲面。 随着CAD/CAM技术的快速发展Bezier,B-Spline,NURBS等各种曲线理论应运而生。一般来说，对于比较平坦、无噪声点的截面点云，应使用Bezier,B-Spline拟含生成曲线;对拉深件这样曲率变化比较大的截面点云数据，使用NURBS拟合曲线将会得到更佳的结果。拉深件曲面片的划分是做好曲面的关键。首先要根据搜索和调整的拉深件曲面片边界特征线(如图6所示)，划分表面区域。曲面片不能分得过大，否则不能很好地捕捉点云的形状，得到的曲面质量也较差，如图7所示。根据边界特征曲线对拉深件表面网格进行规整，最后生成如图8所示的曲面模型。 将经Geomagic处理得到的控制网格以IGES文件格式输入到UG系统中，利用UG/Modeling和UG/Surface模块对拉深件模型进行二次设计:从输人模型中提取边界、局部位置布置适当的平面，与模型求交，进行数据重采样、曲线延伸、曲面缝合等步骤，最终完成拉深件的CAD模型重建。比对图9的曲面误差分析，显示重新建模的曲面模型与原始点云数据误差很小。 2拉深件的成型CAE模拟分析 板料成形是一个具有几何非线性、材料非线性、边界条件非线性等多重非线性复杂力学过程，成形过程中会产生各种缺陷，影响零件的几何精度、表面质量和力学性能。为了提高拉深件成型的质量，在肠naform软件中对其进行成形CAE模拟。 首先在UG中对拉深件进行工艺面(压料面)补充，如图10所示，并将其曲面模型数据转换成IGES格式后导人Dynaform软件，初步确定拉延模的数学模型图。选择材料DDQ36，压边力200kN,润滑条件一般。成形模拟后发现如图11所示坯料总是被拉到圆弧较长的一侧。分析后发现需要增大内侧材料的流动阻力，以促使毛坯承受足够的拉胀成形，提高零件的刚度，调节毛坯上各处材料的流动状况，使其变形均匀一致。 为补偿阻力不足，如图12所示在短的一侧增加工艺拉延筋，拉延筋与制件底部线条平行，截面形状选择圆形，半径取R=3mm，如图13所示。模拟发现在拉深件小端的凹模入模圆角处有拉裂现象。 分析模拟结果发现拉深件在拉深时圆角部分受力与变形比直边部分大，遂将拉延筋半径R由3mm改为4. 5mm;减小压边力，适当增大拉延筋的间隙，同时改善了润滑条件，CAE模拟显示拉深成功。根据模拟结果加工模具后成功生产出了该拉深件，证明模拟结果基本是可行的。 3 结束语 随着市场竞争的加剧，以实际零件为依据的逆向工程技术已成为三维设计系统的一个重要补充部分。相信在成型模具行业RE/CAD/CAE/CAM一体化技术的推动下，材料成型加工行业会向着更快更好的方向发展。(end)

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