一种适用于钢和铝冲压成型的模具设计系统及方法与流程

1.本发明涉及汽车覆盖件冲压模具技术领域，具体地指一种适用于钢和铝冲压成型的模具设计系统及方法。


背景技术：

2.轻量化技术是汽车节能减排的重要举措，白车身质量约占整车质量的20％-30％，车身轻量化是整车轻量化的关键。车身轻量化的一个重要途径是采用低密度材料替代钢板。铝板因比重轻、强度高、抗蚀性优，具有明显优势。越来越多的车型，特别是新能源汽车，采用铝合金材料进行车身零件加工成型。汽车车身零部件主要通过冲压模具冲压成型，但是铝合金材料在冲压成型性能方面与钢材相比较存在较大差异，一般用于钢材冲压的模具，无法直接用于铝合金材料的加工。因此，目前即使是针对同一个车身零件，如果材料不同，模具也不同，需要开发两套模具用于不同材料的加工，模具开发周期长、成本投入大。因此，如何开发一种能够兼顾钢、铝材料冲压成型的工艺，设计一种能同时满足钢材、铝材成型的冲压模具是目前亟需解决的问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种同一车型在改变车身材料时，无需重新开发模具，对于减少汽车开发制造成本、缩短汽车模具开发周期具有重要意义的适用于钢和铝冲压成型的模具设计系统及方法。
4.为实现此目的，本发明所设计的适用于钢和铝冲压成型的模具设计系统，其特征在于：它包括工艺面生成模块、模型构建模块、仿真冲压成型模块、仿真冲压优化模块和模具成型模块；
5.所述工艺面生成模块用于生成胚料工艺面；
6.所述模型构建模块用于根据所述胚料工艺面，构建上凹模模型、压边圈模型和下凸模模型；
7.所述仿真冲压成型模块用于通过所述上凹模模型、压边圈模型和下凸模模型对铝制胚料进行仿真冲压，确定上凹模模型的工艺补充型面、压料面、上凹模拉延筋；压边圈模型的压边工艺面、压边圈拉延筋和下凸模模型的产品面；
8.所述仿真冲压优化模块用于通过确定了所述工艺补充型面、压料面、上凹模拉延筋的上凹模模型；确定了压边工艺面、压边圈拉延筋的压边圈模型和确定了产品面的下凸模模型对钢制胚料进行仿真冲压，优化上凹模拉延筋和压边圈拉延筋；
9.所述模具成型模块用于根据所述工艺补充型面、压料面和优化前后的上凹模拉延筋生成上凹模；根据所述压边工艺面和优化后的压边圈拉延筋生成压边圈；根据所述产品面和优化前后的压边圈拉延筋生成下凸模。
10.进一步的，所述模型构建模块构建所述下凸模模型包括根据所述胚料工艺面的数模特征和铝板工艺型面的设计标准构建所述产品面。
11.进一步的，所述模型构建模块构建所述上凹模模型包括根据所述产品面的型面特征和铝板工艺型面的设计标准构建所述工艺补充型面。
12.进一步的，所述模型构建模块构建所述上凹模模型还包括根据所述产品面的型面特征、工艺补充型面的型面特征和铝板工艺型面的设计标准构建所述压料面和上凹模拉延筋。
13.进一步的，所述模型构建模块构建所述压边圈模型包括根据所述压料面的型面特征、上凹模拉延筋的形状及布置区域和铝板工艺型面的设计标准构建所述压边工艺面和压边圈拉延筋。
14.进一步的，所述仿真冲压优化模块优化上凹模拉延筋包括在所述工艺补充型面和所述产品面不变的前提下，生成上凹模拉延筋，将所述上凹模模型对铝制胚料进行仿真冲压的上凹模拉延筋和所述上凹模模型对钢制胚料进行仿真冲压的上凹模拉延筋进行对比，保留二者的相同部分。
15.进一步的，所述仿真冲压优化模块优化压边圈拉延筋包括在所述工艺补充型面和产品面不变的前提下，生成压边圈拉延筋，将所述压边圈模型对铝制胚料进行仿真冲压的压边圈拉延筋和所述压边圈模型对钢制胚料进行仿真冲压的压边圈拉延筋进行对比，保留二者的相同部分。
16.进一步的，所述模具成型模块根据所述工艺补充型面、压料面和优化前后的上凹模拉延筋生成上凹模包括将所述上凹模模型对铝制胚料进行仿真冲压的上凹模拉延筋和所述上凹模模型对钢制胚料进行仿真冲压的上凹模拉延筋进行对比，针对二者的不同部分生成不同的上凹模镶块。
17.更进一步的，所述模具成型模块根据所述产品面和优化前后的上凹模拉延筋生成下凸模包括将所述压边圈模型对铝制胚料进行仿真冲压的压边圈拉延筋和所述压边圈模型对钢制胚料进行仿真冲压的压边圈拉延筋进行对比，针对二者的不同部分生成不同的下凸模镶块。
18.还进一步的，基于上述所述的适用于钢和铝冲压成型的模具设计系统的模具设计方法是：包括以下步骤：
19.步骤一：生成胚料工艺面；
20.步骤二：根据所述胚料工艺面，构建上凹模模型、压边圈模型和下凸模模型；
21.步骤三：通过所述上凹模模型、压边圈模型和下凸模模型对铝制胚料进行仿真冲压，确定上凹模模型的工艺补充型面、压料面、上凹模拉延筋；压边圈模型的压边工艺面、压边圈拉延筋和下凸模模型的产品面；
22.步骤四：通过确定了工艺补充型面、压料面、上凹模拉延筋的上凹模模型；确定了压边工艺面、压边圈拉延筋的压边圈模型和确定了产品面的下凸模模型对钢制胚料进行仿真冲压，优化上凹模拉延筋和压边圈拉延筋；
23.步骤五：根据所述工艺补充型面、压料面和优化前后的上凹模拉延筋生成上凹模；根据所述压边工艺面和优化后的压边圈拉延筋生成压边圈；根据所述产品面和优化前后的压边圈拉延筋生成下凸模。
24.本发明的有益效果是：本发明在模具设计时充分考虑了铝板和钢板的冲压成型难度，以铝制胚料成型分析得到的模具和其主型面为基础，得到了共用主型面的钢制胚料用
冲压模具，缩短了模具设计周期，降低了模具设计成本。针对冲压模具的拉延筋差异，采用镶块结构，实现了模具差异化部分的快速更换，从而降低了模具的生产制造成本。利用工业相机的监视采集系统，可实现模具与压机成型参数的匹配联动，满足了不同型材的胚料的自动冲压成型要求。
附图说明
25.图1为本发明所设计的适用于钢和铝冲压成型的模具设计系统的模块连接示意图；
26.图2为本发明中胚料工艺面示意图；
27.图3为本发明中下凸模的立体图；
28.图4为本发明中下凸模镶块的连接结构示意图；
29.图5为本发明中压边圈的立体图；
30.图6为本发明中上凹模的立体图；
31.图7为本发明中上凹模模型的俯视图；
32.图8为本发明所设计的冲压模具立体图；
33.图9为本发明中上凹模与胚料接触时的冲压模具的中部竖直方向截面图；
34.图10为本发明中冲压完成时冲压模具的中部竖直方向截面图；
35.其中，1—工艺面生成模块，2—模型构建模块，3—仿真冲压成型模块，4—仿真冲压优化模块，5—模具成型模块，6—胚料工艺面，7—上凹模模型，8—压边圈模型，9—下凸模模型，10—工艺补充型面，11—压料面，12—上凹模拉延筋，13—压边工艺面，14—压边圈拉延筋，15—产品面，16—上凹模，17—压边圈，18—下凸模，19—上凹模镶块，20—下凸模镶块，21—螺钉，22—销钉，23—下模座，24—上模座。
具体实施方式
36.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
37.如图1所示，本发明所设计的适用于钢和铝冲压成型的模具设计系统，包括工艺面生成模块1、模型构建模块2、仿真冲压成型模块3、仿真冲压优化模块4和模具成型模块5；
38.以翼子板的冲压成型为例，如图2所示，工艺面生成模块(也可称为型面生成模块)1用于生成胚料工艺面6；
39.模型构建模块2根据胚料工艺面6的数模特征和铝板工艺型面的设计标准构建构建下凸模模型9的产品面15；根据产品面15的型面特征和铝板工艺型面的设计标准构建上凹模模型7的工艺补充型面10；根据产品面15的型面特征、工艺补充型面10的型面特征和铝板工艺型面的设计标准构建上凹模模型7的压料面11和上凹模拉延筋12；根据压料面11的型面特征、上凹模拉延筋12的形状及布置区域和铝板工艺型面的设计标准构建压边圈模型8的压边工艺面13和压边圈拉延筋14。
40.仿真冲压成型模块3用于通过上凹模模型7、压边圈模型8和下凸模模型9对铝制胚料进行仿真冲压，确定上凹模模型7的工艺补充型面10、压料面11、上凹模拉延筋12；压边圈模型8的压边工艺面13、压边圈拉延筋14和下凸模模型9的产品面15。
41.仿真冲压优化模块4用于通过确定了工艺补充型面10、压料面11、上凹模拉延筋12
的上凹模模型7；确定了压边工艺面13、压边圈拉延筋14的压边圈模型8和确定了产品面15的下凸模模型9对钢制胚料进行仿真冲压，优化上凹模拉延筋12和压边圈拉延筋14。具体的，仿真冲压优化模块4优化上凹模拉延筋12包括在工艺补充型面10和产品面15不变的前提下，生成上凹模拉延筋12，将上凹模模型7对铝制胚料进行仿真冲压的上凹模拉延筋12和上凹模模型7对钢制胚料进行仿真冲压的上凹模拉延筋12进行对比，保留二者的相同部分。仿真冲压优化模块4优化压边圈拉延筋14包括在工艺补充型面10和产品面15不变的前提下，生成压边圈拉延筋14，将压边圈模型8对铝制胚料进行仿真冲压的压边圈拉延筋14和压边圈模型8对钢制胚料进行仿真冲压的压边圈拉延筋14进行对比，保留二者的相同部分。
42.模具成型模块5用于根据工艺补充型面10、压料面11和优化前后的上凹模拉延筋12生成上凹模16；根据压边工艺面13和优化后的压边圈拉延筋14生成压边圈17；根据产品面15和优化前后的压边圈拉延筋14生成下凸模18。具体的，模具成型模块5根据工艺补充型面10、压料面11和优化前后的上凹模拉延筋12生成上凹模16包括将上凹模模型7对铝制胚料进行仿真冲压的上凹模拉延筋12和上凹模模型7对钢制胚料进行仿真冲压的上凹模拉延筋12进行对比，针对二者的不同部分生成不同的上凹模镶块19。模具成型模块5根据产品面15和优化前后的上凹模拉延筋12生成下凸模18包括将压边圈模型8对铝制胚料进行仿真冲压的压边圈拉延筋14和压边圈模型8对钢制胚料进行仿真冲压的压边圈拉延筋14进行对比，针对二者的不同部分生成不同的下凸模镶块20。
43.如图3—7所示，基于上述适用于钢和铝冲压成型的模具设计系统的模具设计方法是：包括以下步骤：
44.s1：通过成型分析软件构建冲压模具在成型分析过程中所需要的胚料工艺面6，以此为基础构建上凹模16、压边圈17和下凸模18，具体如下：
45.s11：以铝板为基础型面，根据铝板工艺型面设计标准，根据胚料工艺面6构建产品面15，根据产品面15构建上凹模16的工艺补充型面10；
46.s12：根据产品面15、工艺补充型面10的特征及铝板工艺型面设计标准，构建上凹模16的压料面11及上凹模拉延筋12形状和布置区域；
47.s13：根据上凹模16的工艺面(包括工艺补充型面10、压料面11及上凹模拉延筋12)，构建压边圈17的工艺面(压边工艺面13和压边圈拉延筋14)。
48.s2：对s1中构建铝板工艺面进行冲压模具成型，通过冲压成型分析软件，对构建的冲压模具工艺面，针对图2所示的铝板胚料，进行零件的冲压成型仿真分析；
49.s21：根据成型分析结果，对冲压模具工艺型面进行工艺优化分析，分别获取两组冲压成型型面，包括上凹、下凸模主型面，即工艺补充型面10和产品面15；压料面11、上凹模拉延筋12；压边圈工艺面13和压边圈拉延筋14；以及对应的工艺参数组合，该阶段的冲压成型型面离目标冲压成型型面还存在一定差异。
50.s3：以成型难度大的铝板材料作为方案基准，用铝板工艺优化仿真获取的模具主型面配合步骤s21针对钢板胚料再次进行成型分析仿真。
51.s4：对上述步骤s3得到的钢板胚料冲压模具工艺面进行优化分析，确保在主型面不变的情况下，对拉延筋长度l、宽度d、高度h、数量n、压边力f、成型力p等参数进行优化，直到获取满足钢板成型的工艺参数组合。本发明所提出翼子板拉延模具钢板、铝板流入量、成型性、减薄量对比分析的结果均要满足钢板及铝板的成型性要求。
52.s5：基于两种材料对应模具的工艺面，重点针对差异点部分，对模具进行分块设计：采用镶块结构方案，实现两套方案中模具差异结构部分的快换，确保模具本体共用，镶块通过激光打标技术，加工有包含镶块信息，便于机器识别的标识码。
53.如图8—10所示，下凸模部分主要包括下模座23、下凸模模型9、下凸模镶块20(下凸模镶块a或下凸模镶块b)。当生产钢板翼子板时先安装下凸模镶块a，进行冲压生产。当生产铝板翼子板时拆下下凸模镶块a，再安装上下凸模镶块b进行生产。通过切换下凸模上的镶块达到在同一套模具上生产两种不同材料的零件。
54.上模部分主要包括上模座24、上凹模镶块19(上凹模镶块a或上凹模镶块b)。当生产钢板翼子板时先安装上凹模镶块a，进行冲压生产。当生产铝板翼子板时拆下上凹模镶块a，再安装上凹模镶块b进行生产。通过切换上凹模镶块19达到在同一套模具上生产两种不同材料的零件。
55.模具生产时，上凹模镶块19通过螺钉21和销钉22锁付于上凹模模型7上，上凹模模型7锁付于上模座24上。下凸模镶块20通过螺钉21和销钉22锁付于下凸模模型9上，下凸模模型9再通过螺钉21和销钉22锁付于下模座23上。上模座24通过压板槽锁付于生产的上机台，下模座23通过压板槽锁付于生产的下机台上。上机台下行时带着上模部分与压边圈17先接触压料，继续下行，与下模部分配合完成一次冲压成型。
56.本发明中，对应两种材料加工，对压力机控制系统进行加工模式设定，两种模式分别对应两种材料的压边力、成型压力、冲压速度等参数。冲压成型过程中，可通过模具工艺系统配备的加工监视器，检测当前模具适用的加工材料类型；实现模具与压机成型参数的匹配联动，避免出现加工错误。
57.加工监视器主要由光源、工业相机和控制系统组成，其中光源为相机提供相对稳定的照明条件，相机用于拍摄模具及板料信息；控制系统录入有加工信息，包括镶块参数、板料类型、压机参数及参数变动阈值。工业相机通过识别镶块标识码，获得镶块信息；通过对板料表面进行拍照，依据反射率和纹理进行分类，确定板材类型。加工监视器将采集到的镶块与板料信息输入至控制系统，为控制系统输出冲压工艺参数以及及执行动作提供判定依据。在加工监视器的作用下，实现模具与压机成型参数的匹配联动，进而实现一套拉延模具实现两种不同材料的翼子板冲压成型拉延工序。
58.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构做任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。