唐俊杰

Tebis中國(guó)（上海 201203）

1 引言

在沖壓模具整個(gè)設(shè)計(jì)制造過程中廣泛存在板件回彈補(bǔ)償及表面成形質(zhì)量需求，尤其是在車身外板模具制造過程中顯得尤為重要。隨著CAE 分析技術(shù)的不斷更新和提高，制件成形工藝得到很大提升的背景下，新材料的成形應(yīng)用也對(duì)整個(gè)模具制造業(yè)提出了新的挑戰(zhàn)。如何根據(jù)CAE分析結(jié)果及模具制造經(jīng)驗(yàn)，制造符合驗(yàn)收要求的模具顯得尤為重要。因此，對(duì)Tebis 軟件的回彈補(bǔ)償及A 面調(diào)整模塊的應(yīng)用研究有著非常重要的價(jià)值。

2 Tebis曲面變形流程

用戶利用Tebis BRep 功能組中的“變形”功能，通過四個(gè)步驟即可實(shí)現(xiàn)變形結(jié)果：①設(shè)置輸入?yún)?shù)；②創(chuàng)建變形規(guī)則；③定義變形規(guī)則；④設(shè)置輸出參數(shù)。

2.1 設(shè)置輸入?yún)?shù)

在變形過程中的第一步，用戶選擇需要進(jìn)行變形的數(shù)據(jù)，在模式中選擇“自動(dòng)”項(xiàng)，按下一步便可將數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)換，如圖1所示。

保證回彈變形質(zhì)量的前提是用戶工藝數(shù)據(jù)本身的質(zhì)量，這個(gè)質(zhì)量參考包含曲面設(shè)計(jì)公差值、曲面UV參數(shù)值、曲面邊界連接屬性值（GO/G1/G2）等。因此在回彈補(bǔ)償前，就必須確認(rèn)好相關(guān)參考值是否符合變形需要。Tebis的“變形”功能提供了很好的自動(dòng)優(yōu)化功能，幫助用戶在操作過程中自動(dòng)檢測(cè)和修復(fù)數(shù)據(jù)潛在問題，這一過程通過文件夾的形式將問題點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，方便用戶確認(rèn)，如圖2所示。

圖1 設(shè)置輸入?yún)?shù)

圖2 Tebis的“變形”功能

2.2 創(chuàng)建變形規(guī)則

Tebis BRep 功能組提供廣泛的曲面變形選項(xiàng)。用戶可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，依據(jù)FEM仿真結(jié)果、參考曲面、測(cè)量點(diǎn)、移動(dòng)、掃描、旋轉(zhuǎn)等6種方式實(shí)現(xiàn)回彈補(bǔ)償。同時(shí)考慮到制件可能存在的多次補(bǔ)償，Tebis 也提供Multiple（組合）方式靈活組合多種補(bǔ)償規(guī)則來實(shí)現(xiàn)最終的回彈補(bǔ)償結(jié)果，具體如圖3所示。

圖3 創(chuàng)建變形規(guī)則

2.3 定義變形規(guī)則

用戶根據(jù)需要在變形界面左側(cè)定義變形規(guī)則，在界面的右側(cè)（根據(jù)所選的變形規(guī)則）選擇相應(yīng)的變形元素。并根據(jù)需要選擇正向補(bǔ)償或反向補(bǔ)償其中一種類型。由于考慮到回彈補(bǔ)償理論值與實(shí)際成形情況存在差異的情況，因此功能中也提供了“系數(shù)”這一選項(xiàng)，用戶可根據(jù)以往制件成形經(jīng)驗(yàn)輸入合適的系數(shù)值，回彈變形以百分比的形式進(jìn)行計(jì)算補(bǔ)償，具體如圖4所示。

圖4 定義變形規(guī)則

2.4 設(shè)置輸出參數(shù)

在變形過程中，板件的回彈補(bǔ)償分為三大區(qū)域。需要變形的區(qū)域、無需變形的區(qū)域以及變形過渡區(qū)域用戶可對(duì)每個(gè)區(qū)域的變形公差進(jìn)行單獨(dú)的設(shè)定。以內(nèi)板變形為例，變形區(qū)域公差可設(shè)定為0.05～0.1mm以內(nèi)，過渡區(qū)域公差可設(shè)定為0.15mm，固定區(qū)域保持0mm?？紤]到工藝數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)過程中的公差，最大間隙建議與建模時(shí)的公差保持一致，如設(shè)定為0.01mm。必要的參數(shù)設(shè)定好以后，便可直接點(diǎn)擊“開始”進(jìn)行計(jì)算，具體如圖5所示。

圖5 設(shè)置輸出參數(shù)

其中，“增加元素”項(xiàng)也是一個(gè)非常實(shí)用的功能，一般用戶在拉延序進(jìn)行回彈補(bǔ)償，后續(xù)修邊線等一系列曲線數(shù)據(jù)也需要同時(shí)更新。考慮到這層因素，可以在此項(xiàng)中選擇需要一起變形的數(shù)據(jù)進(jìn)行最終的計(jì)算，這樣就大大節(jié)省了工程師后續(xù)反復(fù)計(jì)算驗(yàn)證時(shí)間，具體如圖6所示。

圖6 “增加元素”項(xiàng)

3 TebisA面調(diào)整和優(yōu)化流程

特別是汽車外覆蓋件，當(dāng)回彈補(bǔ)償完成后，考慮到最終的數(shù)據(jù)質(zhì)量，需要對(duì)A 面區(qū)域進(jìn)行質(zhì)量確認(rèn)，進(jìn)行局部的曲率調(diào)整和優(yōu)化，以確保數(shù)據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)符合最終交付要求。用戶利用Tebis BRep 模塊中的功能組，通過4個(gè)步驟即可實(shí)現(xiàn)優(yōu)化結(jié)果：

（1）高斯曲率檢查。通過Tebis BRep模塊質(zhì)量功能檢測(cè)曲面高斯曲率，通過顏色區(qū)別曲率反向狀態(tài)。在模具制造過程中，曲面曲率特別影響后續(xù)曲面加工品質(zhì)，因此在設(shè)計(jì)或制造初期確認(rèn)曲率狀態(tài)的同時(shí)及時(shí)與設(shè)計(jì)部門溝通結(jié)果是否正確[1]。

（2）斑馬紋檢查。利用斑馬紋分析，確認(rèn)回彈補(bǔ)償前后的斑馬紋反饋情況，對(duì)關(guān)鍵曲面區(qū)域確認(rèn)斑馬紋走向是否滿足要求。

（3）曲率梳檢查。利用曲率梳分析，查看回彈前后的工藝數(shù)據(jù)，對(duì)比關(guān)鍵曲面曲率梳的變化趨勢(shì)是否滿足驗(yàn)收要求。

（4）曲面階數(shù)/段數(shù)調(diào)整。利用“優(yōu)化”功能，調(diào)整需要重構(gòu)的曲面，修改曲面的階數(shù)、段數(shù)以及局部控制點(diǎn)，以達(dá)到曲率梳變化趨勢(shì)與原制件基本一致。

4 應(yīng)用實(shí)例

以某車型后背門外板為例，采用Tebis的BRep模塊的“變形”及“優(yōu)化”功能進(jìn)行回彈補(bǔ)償和A 面優(yōu)化。在回彈補(bǔ)償前，確認(rèn)拉延序工藝數(shù)據(jù)是否為拓?fù)涿?，縫合公差根據(jù)工藝數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置，制件面縫合公差一般保持0.001～0.005mm，工藝補(bǔ)充面縫合公差一般保持0.005～0.02mm。

（1）輸入?yún)?shù)。

首先，利用“變形”功能將后背門外板工藝數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成BRep 數(shù)據(jù)，在轉(zhuǎn)換的同時(shí)，Tebis 會(huì)自動(dòng)檢查并修復(fù)數(shù)據(jù)質(zhì)量，轉(zhuǎn)換結(jié)果如圖7所示。

圖7 輸入?yún)?shù)

（2）創(chuàng)建FEM變形規(guī)則。

目前CAE分析技術(shù)大大提升，各大模具供應(yīng)商都有專業(yè)的工程師進(jìn)行精算，得到的分析數(shù)據(jù)基本能符合實(shí)際成形結(jié)果。因此，在做外板回彈補(bǔ)償時(shí)，建議使用FEM補(bǔ)償模式，具體設(shè)置如圖8所示。

圖8 創(chuàng)建FEM變形規(guī)則

（3）定義FEM變形規(guī)則。

利用Autoform 分析并將其回彈補(bǔ)償后的分析結(jié)果導(dǎo)出成“.af”格式數(shù)據(jù)。此數(shù)據(jù)包含兩種：①補(bǔ)償前拉延序網(wǎng)格數(shù)據(jù)；②補(bǔ)償后拉延序網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

利用回彈前后的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，通過對(duì)比，先確認(rèn)回彈補(bǔ)償?shù)膮^(qū)域以及具體補(bǔ)償數(shù)值范圍，如圖9所示。

圖9 定義FEM變形規(guī)則

Tebis 可以直接導(dǎo)入“.af”結(jié)果文件，起始元素選擇補(bǔ)償前拉延序網(wǎng)格數(shù)據(jù)，目標(biāo)元素選擇補(bǔ)償后拉延序網(wǎng)格數(shù)據(jù)。補(bǔ)償形式設(shè)置為正向補(bǔ)償，具體設(shè)定如圖10所示。

圖10 補(bǔ)償形式設(shè)定

（4）設(shè)置輸出參數(shù)。

使用FEM補(bǔ)償模式后，變形區(qū)域選擇整體拉延序工藝數(shù)據(jù)。變形公差建議設(shè)置0.02～0.1mm以內(nèi)，過渡和固定區(qū)域變形公差按系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)定即可，具體設(shè)定如圖11所示。

圖11 設(shè)置輸出參數(shù)

根據(jù)以上設(shè)定，點(diǎn)擊“開始”便可進(jìn)行回彈變形計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與原始CAD數(shù)據(jù)對(duì)比如圖12所示。

圖12 計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比

利用Tebis 回彈補(bǔ)償流程方案，可以輕松解決后背門外板復(fù)雜的回彈補(bǔ)償數(shù)值及區(qū)域問題。此項(xiàng)目的后背門上部最大補(bǔ)償量4.3mm，下部最大補(bǔ)償量9.5mm，整體補(bǔ)償范圍和數(shù)值符合CAE分析結(jié)果。

下一步，便可以利用Tebis 曲面優(yōu)化和調(diào)整方案解決制件區(qū)域潛在的A面曲率問題。

（5）曲面質(zhì)量檢查。

高斯曲率分析，檢測(cè)原始數(shù)據(jù)與回彈補(bǔ)償后數(shù)據(jù)的高斯曲率差異，按照一般驗(yàn)收原則，回彈補(bǔ)償后數(shù)據(jù)的制件區(qū)域高斯曲率原則上需和原制件保持一致，具體如圖13所示。

圖13 曲面質(zhì)量檢查

A和B為原始數(shù)據(jù)缺陷區(qū)域，高斯曲率顏色突變，表示曲面邊界處存在曲率反向問題，因此需要進(jìn)行曲面優(yōu)化和調(diào)整。

通過回彈前后工藝數(shù)據(jù)的高斯曲率對(duì)比，回彈補(bǔ)償后，關(guān)鍵的外板區(qū)域高斯曲率保持一致，這也是Tebis變形補(bǔ)償功能的優(yōu)勢(shì)之一。

斑馬紋檢查，通過Tebis BRep模塊反射分析功能檢查數(shù)據(jù)光照反射狀態(tài)，檢查曲面斑馬紋走向及曲面連接處是否光順平滑過渡，具體如圖14所示。

圖14 斑馬紋檢查

斑馬紋的走向也會(huì)反映回彈補(bǔ)償后數(shù)據(jù)變形的凹凸趨勢(shì)，在補(bǔ)償數(shù)值正確的前提下，結(jié)合斑馬紋走向趨勢(shì)，再判斷補(bǔ)償?shù)内厔?shì)和形狀是否需要再次更改和優(yōu)化，以滿足斑馬紋走向要求。根據(jù)此數(shù)據(jù)要求判斷，回彈后的斑馬紋走向趨勢(shì)滿足驗(yàn)收要求。

曲率梳檢查，曲率梳分析是判斷回彈補(bǔ)償后制件質(zhì)量的重要因素。

換言之，模具生產(chǎn)商更希望得到一個(gè)既能滿足回彈補(bǔ)償數(shù)值和范圍又能滿足曲面一九能滿足A 面要求的數(shù)據(jù)。這是一個(gè)理想狀態(tài)，因此需要根據(jù)CAE分析、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、調(diào)試環(huán)境等多因素綜合考慮進(jìn)行取舍平衡。為保證曲率的光順性，需放棄一部分補(bǔ)償量，通常補(bǔ)償量的誤差一般不超過±0.3mm。

S 和T 方向的曲率梳在進(jìn)行回彈補(bǔ)償后發(fā)生變化，如圖15所示，曲率梳呈波浪起伏狀，因此有必要調(diào)整和優(yōu)化關(guān)鍵曲面的曲率。在整個(gè)模具制造過程中，曲率優(yōu)化是一個(gè)難題，對(duì)曲面造型設(shè)計(jì)需要專業(yè)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，這對(duì)使用者提出了更高的要求。Tebis 提供專業(yè)化的曲面優(yōu)化模塊，功能集成度非常高，這也降低了使用者對(duì)專業(yè)的要求。

圖15 曲率梳檢查

曲面階數(shù)/段數(shù)調(diào)整，可以利用“優(yōu)化”功能，如圖16所示，后背門下部A面區(qū)域，修改曲面的S/T方向的段數(shù)，此處數(shù)值建議修改為1，S/T 向段數(shù)數(shù)值以原始制件屬性為參考，數(shù)值設(shè)置不超過8。此處實(shí)際設(shè)置值為5，當(dāng)設(shè)定好后，觀察偏差值是否超差，一般不超出0.1mm即可。

圖16 曲面階數(shù)/段數(shù)調(diào)整

通過一系列優(yōu)化操作，確認(rèn)后背門外板A面區(qū)域的曲率梳趨勢(shì)，通過調(diào)整曲面S/T 向段數(shù)和階數(shù)以及修改曲面的節(jié)點(diǎn)，便可優(yōu)化曲率和調(diào)整局部形狀以完成最終的結(jié)果，如圖17所示。

圖17 優(yōu)化曲率

5 結(jié)束語

通過上述理論和實(shí)際案例的綜合驗(yàn)證，Tebis BRep模塊的相應(yīng)功能為汽車車身設(shè)計(jì)及模具制造質(zhì)量保證提供了極其豐富回彈補(bǔ)償和A 面優(yōu)化調(diào)整手段，它已越來越廣泛地應(yīng)用于世界各大汽車公司及模具制造商制件設(shè)計(jì)及生產(chǎn)制造上。