一种增材制造镶块增强的板料成形软模结构及其制作方法

本发明属于板料成形领域，具体涉及一种增材制造镶块增强的板料成形软模结构及其制作方法。

背景技术：

冲压是当前应用最为广泛的板料成形方法，特别是在汽车、家电等大批量生产中占有统治地位。但传统冲压工艺由于需要专用的钢质模具，在用户定制、产品开发等单件与中小批量的钣金件生产时，存在制造成本高、开发周期长等问题。如何实现钣金件的快速、经济成形，一直是制造领域努力的重要方向。从上世纪80年代开始，人们陆续开发了软模成形、局部加热成形、粘性介质成形、颗粒介质成形、激光成形、爆炸成形等快速模具或无模的板料成形技术，以期满足小批量钣金件生产的需求。近年来，随着数字化及相关技术的发展，数控渐进成形、多点成形等板料柔性成形方法也成为关注重点。但迄今为止，上述方法均因存在各自的缺陷而未能得到实质性的普及应用。特别是在成形精度或表面质量方面，这些无模或快速板料成形大多难以获得满足实际需求的制件精度和表面质量。

采用锌合金或铝合金等低熔点合金的软模冲压技术，由于利用了与冲压相同的“整体变形”原理，成形精度高、质量好、开发周期短，且与采用高分子树脂材料的快速软模相比，低熔点合金材料可回收并反复使用，是当前汽车开发等领域快速、经济板料成形的首选方法。但由于低熔点合金质地较软、容易变形，不能制作具有清晰棱角的冲压件。为此，人们曾采用在模具型面的角部镶嵌钢条的方法，已增加模块局部的强度。但由于钢条形状难以与制件形状吻合，同时钢条与模块低熔点合金的本体嵌合性不佳，实际应用的效果较差。因此，有必要对现有低熔点合金的软模冲压技术进行改进，以满足生产实践的需求。

技术实现要素：

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种增材制造镶块增强的板料成形软模结构，包括上模块和下模块。

所述上模块和下模块均为低熔点合金材质。所述上模块和下模块的工作面能够根据需要制作的冲压钣金件形状而相互吻合。其中，所述上模块和/或下模块工作面的外凸棱角上嵌合有镶块。

所述镶块通过增材制造制成，且镶块材料采用强度和硬度大于低熔点合金强度和硬度的模具钢。

进一步，所述镶块的工作面为光滑面。所述镶块与外凸棱角嵌合的表面设置有多孔。

进一步，所述镶块通过液固复合铸造方式分别嵌合在上模块和下模块的外凸棱角上。

进一步，所述上模块或下模块的外侧还设置有压边圈。

所述压边圈的基体材料为低熔点合金。

进一步，还包括下模板和上模板。

所述上模块固定在上模板的下表面上。所述下模块固定在下模板的上表面上。

进一步，还包括导柱和导套。

所述导套竖向安装在上模板上。所述导柱竖向安装在下模板上。所述导套和导柱相对应，导柱的上端穿入在导套中。

本发明还公开一种增材制造镶块增强的板料成形软模结构，包括如下步骤：

1)建立需要制作的冲压钣金件的三维模型。

2)将所述冲压钣金件的三维模型导入成形分析软件，对冲压成形过程进行数值模拟分析。

3)分析冲压成形模拟结果，提取上模块、下模块在压力机下死点位置的mises应力分布云图。

4)根据上模块、下模块在压力机下死点位置的mises应力分布，确定所述镶块的个数、位置，并围绕存在最大mises应力的部位确定镶块形状，完成镶块三维模型的构建。

5)将增材制造镶块的三维模型输入3d打印设备，通过增材制造方式获得钢质镶块。

6)采用3d打印方式，完成上模块、下模块与钢质镶块液固复合铸造的型砂模壳的制作。

7)将钢质镶块与液固复合铸造的型砂模壳放入浇铸模型，钢质镶块在型砂模壳上定位并通过粘接固定。然后将熔融的低熔点合金溶液倒入浇铸模型并凝固成形，完成上模块、下模块的制作。

进一步，在步骤2)中，对冲压成形过程进行数值模拟分析前，通过输入边界条件并完成有限元分析的前处理，提交运算。

进一步，在步骤2)中，对冲压成形过程进行数值模拟分析时，上模块和下模块按照实际的材料设置为可变形体进行计算。

进一步，在完成上模块、下模块的制作后，还包括步骤8)和步骤9)：

8)将上模块、下模块的工作面进行加工，达到钣金件冲压所需的尺寸精度和表面质量要求。

9)将上模块、下模块分别安装在对应的上模板和下模板上，完成冲压模具组装。

本发明的技术效果是毋庸置疑的，通过增材制造钢质镶块对板料冲压软模进行增强，一方面具有传统钢质冲压模具成形精度高的优点，同时又具有软模的快速、经济特性；上、下模块基体材料可回收并反复使用，模具制造费用低；采用增材制造技术实现复杂镶块制作，可根据实际情况灵活分块；镶块的成形表面采用光滑表面，与制件几何吻合度高，嵌入部分采用多孔表面结构，可保证与基体的结合强度、可靠性高，同时能够提高制件表面质量与尺寸精度。

附图说明

图1为本发明的增材制造镶块增强的板料成形快速软模的结构示意图；

图2为本发明增材制造镶块增强的板料成形快速软模的局部结构示意图；

图3为本发明增材制造镶块增强的板料成形快速软模的设计流程图；

图4为实施例1的成形模具示意图；

图5为实施例1的整体模具成形到下死点时，模具应力分布云图；

图6为实施例1的钢质镶块模具装配图；

图7为实施例1的模具成形到下死点时，钢质镶块模具应力分布云图；

图8为实施例1的模具成形到压力机下死点时，整体模具位移分布图；

图9为实施例1的模具成形到压力机下死点时，钢质镶块模具位移分布图；

图10为实施例2的“t形”制件冲压凸模；

图11为实施例2的钢质镶块位置分布；

图12为实施例2的模具成形到压力机下死点时，整体锌合金拉深凸模的应力分布云图；

图13实施例2的模具成形到压力机下死点时，嵌钢质镶块锌合金拉深凸模的应力分布云图。

图中：上模块1、镶块2、板坯料3、下模块4、螺钉5、销钉6、下模板7、导柱8、导套9和上模板10。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

本实施例公开一种增材制造镶块增强的板料成形软模结构，软模的总体结构采用压力机上的冲压模具结构，参见图4，模具将长条形板坯料3压制为“v”形。板坯料3的厚度2mm，宽度30mm，长度100mm，材料为q235，其余参数见表1。

表1材料参数表

首先根据制件的几何形状设计冲压模具结构，包括上模块1、下模块4、下模板7、导柱8、导套9和上模板10。

所述上模块1固定在上模板10的下表面上。所述下模块4固定在下模板7的上表面上。具体的，所述上模块1通过多个螺钉5和多个销钉6固定在上模板10的下表面上。所述下模块4通过多个螺钉5和多个销钉6固定在模板2的上表面上。

所述上模块1与下模块4的工作面根据需要制作的“v”型冲压钣金件的形状相互吻合。其中，所述上模块1工作面的外凸棱角上嵌合有镶块2。镶块2的工作面为光滑面。所述镶块2与外凸棱角嵌合的表面具有多孔。上模块1、下模块4与镶块2的外轮廓一起，构成冲压模具压制板料的工作型面。

所述导套9竖向固定在上模板10上，所述导柱8竖向安装在下模板7上；所述导套9和导柱8相对应，导柱8的上端穿入在导套9中；值得说明的是，导柱8和导套9根据下模块4和上模块1尺寸大小确定数量，并分别环绕下模块4和上模块1进行布置。

冲压模具结构设计完成后，然后在数值模拟软件中，对冲压过程和模具的受力进行模拟。

分析冲压成形模拟结果，提取上模块1、下模块4在成形时模具下死点位置的mises应力分布云图，如图5所示。

整体模具的基材选用zamak2锌合金，屈服极限为283mpa。根据图5所示，上模块1、下模块4在模具成形时下死点位置时的应力主要集中在顶部圆角处，最大340.5mpa。由于模块的最大应力大于zamak2锌合金的屈服极限283mpa，说明采用锌合金的整体模具在成形过程中，顶部圆角处会发生塌陷变形。

根据上模块1、下模块4在模具成形时下死点位置的最大mises应力分布，确定钢质镶块的形状并完成镶块2结构设计，构建出镶块2的三维模型，如图6所示；镶块2材料采用trip780，屈服强度为526mpa。

图7为钢质镶块2模具进行压制时，在下死点位置的模块mises应力分布云图。可见，模块最大应力出现在的镶块2圆角处，为393.2mpa；该数值小于镶件材料的屈服极限526mpa，因此在成形过程顶部圆角处不会发生塌陷塑性变形。比较图5和图7，镶块2模具大于100mpa的应力分布区域更小，且较大的应力都集中在屈服应力更大的镶块2处，避免了屈服应力较小的基体材料锌合金受力过大。

图8、图9分别是整体模具和镶块2模具在下死点位置的垂直方向的模块位移分布，可见二者最大位移集中在顶角处；整体模具的顶角处位移大于镶块2模具的顶角处位移，说明镶块2模具可以有效减少应力较大区域的形变。

完成镶块2设计以后，将镶块2三维模型输入3d打印设备，通过增材制造方式获得钢质镶块2；采用3d打印方式，完成上模块1、下模块4与钢质镶块2液固复合铸造型砂模壳的制作；将钢质镶块2与液固复合铸造的型砂模壳放入浇铸模型，钢质镶块2在型砂模壳上定位并通过粘接固定，然后将熔融的低熔点合金溶液倒入浇铸模型并凝固成形，完成上模块1、下模块4的制作；将上模块1、下模块4的工作面进行加工，达到钣金件冲压所需的尺寸精度和表面质量要求，同时加工辅助的安装螺纹孔和定位孔；将上模块1、下模块4分别安装在对应的上模板10和下模板7上，完成冲压模具组装；利用组装完成的冲压模具在压力机上进行板料制件的冲压成形，获得所需要的板件形状；对板件进行包括切边、切孔的后续加工，最后得到合格制件。

本实施例公开的增材制造镶块增强的板料成形软模结构，通过增材制造钢质镶块2对板料冲压软模进行增强，一方面具有传统钢质冲压模具成形精度高的优点，同时又具有软模的快速、经济特性；上模块1、下模块4基体材料可回收并反复使用，模具制造费用低；采用增材制造技术实现复杂镶块2制作，可根据实际情况灵活分块；镶块2成形表面采用光滑表面，与制件几何吻合度高，嵌入部分采用多孔表面结构，可保证与基体的结合强度、可靠性高，同时能够提高制件表面质量与尺寸精度。

实施例2：

本实施例公开一种增材制造镶块增强的板料成形软模结构，软模的总体结构采用压力机上的冲压模具结构，参见图10，该板料成形软模结构为冲压“t形”制件的模具，其中锌基合金选用za27；板坯料3选用al6061；钢质镶块2选用dp1000。材料参数见表2。

表2材料参数表

首先根据制件的几何形状设计冲压模具结构，包括上模块1、下模块4、下模板7、导柱8、导套9和上模板10。

所述上模块1固定在上模板10的下表面上。所述下模块4固定在下模板7的上表面上。具体的，所述上模块1通过多个螺钉5和多个销钉6固定在上模板10的下表面上。所述下模块4通过多个螺钉5和多个销钉6固定在模板2的上表面上。

参见图10，所述上模块1与下模块4的工作面根据需要制作的t形冲压钣金件的形状相互吻合。其中，图10所示的上模块1为锌合金拉深凸模，圆角区因受到接触力、摩擦力以及板材流动和挤压等多重作用，使得该区域应力较大。将应力较大的圆角区域材料替换为刚度与强度较锌合金高的钢质镶块，钢质镶块位置分布如图11所示。上模块1、下模块4与镶块2的外轮廓一起，构成冲压模具压制板料的工作型面。

所述导套9竖向固定在上模板10上，所述导柱8竖向安装在下模板7上；所述导套9和导柱8相对应，导柱8的上端穿入在导套9中；值得说明的是，导柱8和导套9根据下模块4和上模块1尺寸大小确定数量，并分别环绕下模块4和上模块1进行布置。

冲压模具结构设计完成后，然后在数值模拟软件中，对冲压过程和模具的受力进行模拟。

分析冲压成形模拟结果，提取上模块1、下模块4在成形时模具下死点位置的mises应力分布云图。图12、图13所示为模具成形到下死点时，上模块1应力分布模拟结果。可见，整体锌合金凸模圆角位置的最大应力高达879.8mpa，超过锌合金的初始屈服强度377mpa，材料在该区域屈服并发生塑性变形；圆角位置材料替换为钢质镶块2后，该区域应力最大值为581mpa，未超过镶块2的初始屈服强度600mpa。因此，采用钢质镶块2可实现模具强化、提高模具寿命。

完成镶块2设计以后，将镶块2三维模型输入3d打印设备，通过增材制造方式获得钢质镶块2；采用3d打印方式，完成上模块1、下模块4与钢质镶块2液固复合铸造型砂模壳的制作；将钢质镶块2与液固复合铸造的型砂模壳放入浇铸模型，钢质镶块2在型砂模壳上定位并通过粘接固定，然后将熔融的低熔点合金溶液倒入浇铸模型并凝固成形，完成上模块1、下模块4的制作；将上模块1、下模块4的工作面进行加工，达到钣金件冲压所需的尺寸精度和表面质量要求，同时加工辅助的安装螺纹孔和定位孔；将上模块1、下模块4分别安装在对应的上模板10和下模板7上，完成冲压模具组装；利用组装完成的冲压模具在压力机上进行板料制件的冲压成形，获得所需要的板件形状；对板件进行包括切边、切孔的后续加工，最后得到合格制件。

值得说明的是，所述上模块1或下模块4外侧还能够安装压边圈，压边圈的安装需要根据板料零件的形状来确定。在上模块1或下模块4安装压边圈时，压边圈按与上模块1、下模块4相同的技术路线进行处理；当上模块1外侧安装压边圈时，压边圈与下模块4的工作面相配合；当下模块4外侧安装压边圈时，压边圈与上模块1的工作面相配合。

本实施例公开的增材制造镶块增强的板料成形软模结构，通过增材制造钢质镶块2对板料冲压软模进行增强，一方面具有传统钢质冲压模具成形精度高的优点，同时又具有软模的快速、经济特性；上模块1、下模块4基体材料可回收并反复使用，模具制造费用低；采用增材制造技术实现复杂镶块2制作，可根据实际情况灵活分块；镶块2成形表面采用光滑表面，与制件几何吻合度高，嵌入部分采用多孔表面结构，可保证与基体的结合强度、可靠性高，同时能够提高制件表面质量与尺寸精度。

实施例3：

本实施例公开一种增材制造镶块增强的板料成形软模结构，参见图1至图3，包括如下步骤：

1)建立需要制作的冲压钣金件的三维模型，即钣金件cad模型。

2)进行快速模具设计，将所述冲压钣金件的三维模型导入成形分析软件，输入边界条件并完成有限元分析的前处理，提交运算，对冲压成形过程进行数值模拟分析。模拟时，上模块1和下模块4按照实际的材料设置为可变形体进行计算。

3)分析冲压成形模拟结果，提取上模块1、下模块4在压力机下死点位置的mises应力分布云图,即等效应力分布云图。

4)根据上模块1、下模块4在压力机下死点位置的mises应力分布，确定所述镶块2的个数、位置，并围绕存在最大mises应力的部位确定镶块2形状，完成镶块2三维模型的构建。确定所述镶块2的个数、位置、边界轮廓形状与尺寸时，同时考虑制件冲压成形的有限元模拟结果、增材制造设备能力和制造成本的因素。

5)将增材制造镶块2的三维模型输入3d打印设备，通过增材制造方式获得钢质镶块2，其中，钢质镶块2嵌入部分加工多孔表面结构。

6)采用3d打印方式，完成上模块1、下模块4与钢质镶块2液固复合铸造的型砂模壳的制作。

7)将钢质镶块2与液固复合铸造的型砂模壳放入浇铸模型，钢质镶块2在型砂模壳上定位并通过粘接固定。然后将熔融的低熔点合金溶液倒入浇铸模型并凝固成形，完成上模块1、下模块4的制作。

8)将上模块1、下模块4的工作面进行加工，达到钣金件冲压所需的尺寸精度和表面质量要求，同时加工出辅助的安装螺纹孔和定位孔。

9)将上模块1、下模块4分别安装在对应的上模板10和下模板7上，完成冲压模具组装。

10)利用组装完成的冲压模具在压力机上对板坯料3进行冲压成形，获得所需要形状的板金件。

11)对板金件进行包括切边、切孔的后续加工，得到最终的合格钣金件实物。

本实施例公开的增材制造镶块增强的板料成形软模结构，通过增材制造钢质镶块2对板料冲压软模进行增强，一方面具有传统钢质冲压模具成形精度高的优点，同时又具有软模的快速、经济特性；上模块1、下模块4基体材料可回收并反复使用，模具制造费用低；采用增材制造技术实现复杂镶块2制作，可根据实际情况灵活分块；镶块2成形表面采用光滑表面，与制件几何吻合度高，嵌入部分采用多孔表面结构，可保证与基体的结合强度、可靠性高，同时能够提高制件表面质量与尺寸精度。