一种离散化模具型面精确补偿方法与流程

本发明属于金属锻挤精密成型领域，特别涉及一种基于数值模拟的模具变形和零件回弹补偿方法。

背景技术：

本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

随着机械工业的发展，特别是现代制造业的不断发展，精密锻挤成形技术已得到广泛应用，采用该技术，零件在成形后无需后续加工或只需少量加工即可满足其设计要求，故对成形精度控制要求很高。在零件成形过程中，尤其是冷成形过程，模具受力会发生弹性变形，而零件出模后也会产生一定的回弹，两者均会造成零件形状、尺寸与设计之间的偏离，直接影响零件成形精度，并且这种变形一般是无法避免的。

国内外对回弹问题的研究主要集中在板料成形，在体积成形方面，通常认为零件的塑性变形远大于弹性变形，因此往往忽略了成形过程中模具的弹性变形和零件成形后的回弹问题。也有一些学者对零件回弹及模具弹性变形做了研究，传统的方法是采用基于经验的试错法对模具进行补偿，不仅耗时耗力，而且也只能针对具有简单曲面的零件，同时过于依赖操作人员的技能和经验，使得模具开发周期长，不利于模具工业的发展。

近年来，有些学者提出了采用模具型面补偿的方法来解决回弹问题，即考虑回弹量的前提下，对模具型面进行预修正，以保证零件回弹后形状、尺寸满足设计要求。然而，本发明人发现，目前所做的研究多是仅针对零件出模后的回弹或仅针对成形过程中模具的变形进行补偿，或者针对某一截面曲线来完成对模具弹性变形和零件回弹的同时补偿，如齿轮渐开线的补偿，叶片某些截面的补偿等，缺少对空间复杂型面精确补偿方法的报道。这是由于对于较为复杂的型面，难以用曲面方程进行描述，对曲面进行多处截面研究又不够精确且费时耗力、效率低，且存在模具变形后的形状和零件回弹前的形状无法测量，以及模具型面与零件型面之间的点对点关系无法确定等难题。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种离散化模具型面精确补偿方法，该方法基于数值模拟对模具及零件进行离散化处理，精确计算成形过程中模具的变形和零件出模后的回弹，实现了对复杂模具型面的精确补偿，有助于提升零件成形精度。

为实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：基于点对点运算的模具型面补偿方法，并利用该方法完成模具变形与零件回弹补偿，根据补偿后新的模具型面进行仿真模拟，若成形零件尺寸不满足公差要求，则重复上述操作，进行多次迭代补偿，从而实现对成形过程中模具变形和零件回弹的精确补偿。

具体的，一种离散化模具型面精确补偿方法，包括如下步骤：

(1)绘制补偿前的坯料模型和模具模型的三维造型图；

(2)通过数值模拟手段对所述坯料模型和模具模型进行网格划分，然后离散化实体，完成零件成形和零件出模回弹的仿真计算，获得模具变形前后和零件出模回弹前后的由多个节点组成的单元网格模型及网格节点数据；

(3)筛选位于模具和零件表面的节点数据，并去除不需要补偿位置的节点数据，保留对成形精度影响较大的待补偿型面点云数据；

(4)对模具变形前后的型面点云和零件变形前后的型面点云进行点对匹配，并运用模具型面反向补偿原理完成模具型面中每一个点的变形补偿，得到待补偿型面补偿后的所有点云数据；

(5)将步骤(3)中去除的不需要补偿位置的点云与步骤(4)中补偿型面补偿后的点云组合为一组点云，即为补偿后模具所有表面的离散点云；

(6)将补偿后模具表面的离散点云数据进行逆向建模，得到补偿后的模具实体模型；

(7)根据步骤(6)得到的补偿后的模具实体模型重新进行仿真模拟，计算成形零件尺寸与标准型面之间的距离误差，并与零件公差进行比较；

(8)若比较结果不满足零件尺寸公差要求，重复步骤(3)到步骤(7)，且开始步骤(3)时，以步骤(6)得到的实体模型为对象。

进一步地，步骤(1)中，采用三维造型软件绘制所述三维造型图，可选地，所述三维造型软件包括ug等。

进一步地，步骤(2)中，所采用的单元网格可以是四面体网格，也可以是六面体网格。

进一步地，步骤(2)中，所述节点数据包括所有节点三维坐标和四面体顶点信息。

进一步地，步骤(3)中，筛选表面节点数据的依据为：位于实体内部的面片均为公共单元，即会与另外一个四面体或六面体共用，而位于实体表面的面片均不会被共用。

进一步地，步骤(3)中，所述不需要补偿的数据包括对称面等非成型面。

进一步地，步骤(3)中，去除不需要补偿位置的数据时可根据实体的三维几何特征进行。

进一步地，步骤(4)中，进行点对匹配时，以零件型面中至模具型面点云中的最近点为其匹配点对。

进一步地，步骤(4)中，所述模具型面反向补偿原理是将模具的变形量及零件出模后的回弹量反向加到模具型面尺寸上，即d2＝d1+δ1+δ2，其中：d1为模具型面补偿前的尺寸；d2为模具型面补偿后的尺寸；δ1为模具型面的变形量；δ2为零件出模后的回弹量。

进一步地，步骤(6)中，补偿后模具模型的逆向重构可通过遵循点—线—面—体的工作原则，也可利用编程软件直接完成由点云到stl模型数据的转换。

进一步地，步骤(7)中，最终成形的零件尺寸与标准型面之间的距离误差为标准型面中所有节点到成形后零件型面最近点的平均距离。

本发明根据模具型面反向补偿的原理，利用最近点对的技术思路完成模具型面点云与零件型面点云的匹配，同时完成模具型面所有点云的补偿，可有效降低模具变形和零件回弹对最终成形尺寸精度的影响。同时提出直接由点云生成stl文件模型的技术，避免了传统型面点—线—面拟合过程中的误差，提高了复杂模具型面补偿的效率和精度。

与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：

(1)本发明提出用离散化点云来描述复杂型面的方法，避免了传统复杂型面补偿中通过截取部分截面进行补偿的局限性。

(2)本发明能够最大限度消除成形过程中因模具变形和零件回弹对最终成形零件精度的影响，同时节省试模费用，缩短调试周期，提高模具开发的精度和效率。

(3)本发明提出一种基于点云向stl模型转换的模型重构方法，避免了造成精度损失的传统曲面重构过程，提高了模型重构的精度和效率。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例中离散化模具型面精确补偿方法的流程示意图。

图2为本发明实施例中凸模型面节点网格数据图。

图3为本发明实施例中零件型面节点网格数据。

图4为本发明实施例中凸模变形前的待补偿型面点云。

图5为本发明实施例中零件回弹前的待补偿型面点云。

图6为本发明实施例中最近点点对示意图。

图7为本发明实施例中点对点运算补偿原理示意图。

图8为本发明实施例中离散点云转换成stl文件的凸模模型。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所述，对于较为复杂的型面，存在模具变形后的形状和零件回弹前的形状无法测量，以及模具型面与零件型面之间的点对点关系无法确定等难题。因此，本发明提出一种离散化模具型面精确补偿方法；现结合附图和具体实施方式对本发明进一步进行说明。

参考图1，一种离散化模具型面精确补偿方法，包括如下步骤：

(1)完成补偿前，先对坯料模型和模具模型进行三维建模；在本实施例中，利用三维建模软件ug完成所需实体的建模；

(2)在计算机中采用数值模拟软件依据实际成形条件在60mm/s挤压速度下对步骤(1)建立的模型进行精整成形和回弹仿真计算，并提取出精整过程模具变形前后和零件出模回弹前后由多个节点组成具有单元网格的网格模型及网格节点数据，包括所有节点的三维坐标值和四面体顶点信息；在本实施例中，利用数值模拟软件deform完成仿真；

(3)筛选位于模具和零件表面的节点数据，如图2所示，为凸模型面节点网格数据，图3所示为零件型面节点网格数据，并去除对称面等非成型面为不需要补偿的数据，留下影响成形精度的待补偿型面点云，如图4所示为凸模变形前的待补偿型面点云数据，图5所示为零件回弹前的待补偿型面点云数据；在本实施例中，点集删选基于软件matlab编程完成；

(4)对模具变形前后的型面点云和零件变形前后的型面点云进行点对匹配，确定最近点的示意图如图6所示，对于模具型面点云p中的一点pi，在零件型面点云q中搜索与pi点欧式距离最近的三个点，记为qj1、qj2、qj3，以此三个点构造三角面片，并从pi点作此三角面片的垂足，记为qj，把此垂足作为点pi在零件型面点云中的最近点，即把此点作为pi点的匹配点。

得到匹配点对后，更具体的，以一个点的补偿过程为例进行说明，如图7所示，点a1、a2分别为凸模变形前后某点的位置，b1、b2分别为零件变形前后在该位置处相对应的点，假设o点为坐标系原点，以a1为标准尺寸参考点，则向量为凸模的变形量，向量为零件的回弹量。首先对凸模变形进行补偿，反向补偿后得到位置c1，其中再进行零件回弹补偿，得到位置c2，其中c2即为该点补偿后的位置。且有：

根据式(i)、式(ii)、式(iii)进行计算，即可得到补偿后点c2的坐标。其他节点补偿过程与此节点相同，由此可得到型面补偿后的所有点云数据；在本实施例中，点对匹配和补偿运算基于软件matlab编程完成。

(5)将步骤(3)中去除的位于对称面等非成型面位置的点云与步骤(4)中型面补偿后的点云组成点云集合，即为补偿后凸模表面的点云数据；

(6)将步骤(5)中补偿后凸模表面点云数据进行逆向重构，得到补偿后模具实体模型；在本实施例中，采用软件matlab编程完成直接由点云到stl模型数据的转换，结果如图8所示。

(7)在计算机中由型面补偿后的新模具重新进行仿真模拟，计算最终成形零件尺寸与标准型面之间的距离误差，并与零件公差进行比较；在本实施例中，成形零件尺寸与标准型面的距离误差为标准型面所有节点到成形零件型面最近点的平均距离，如图6所示，假设点pi为凸模补偿型面中的任意点，点qj为对应零件型面中的最近匹配点，则误差距离d为：

式(iv)中，di为点pi和点qj之间的距离。

从以上的实施结果可以看出：本发明根据模具型面反向补偿原理，利用最近点对的技术思路完成模具型面点云与零件型面点云的匹配，同时采用直接由点云生成stl文件模型的技术，所获得实施例成形误差距离与未经补偿以及基于点线面补偿后的成形误差距离相比，分别降低了0.065mm和0.04mm，显著降低了模具变形和零件回弹对最终成形尺寸精度的影响，且避免了传统型面点—线—面拟合过程中的误差，提高了复杂模具型面补偿的效率和精度。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。