1前言
隨著國內外汽車產(chǎn)品市場競爭的日益白熱化，汽車主機廠對模具產(chǎn)品質量、模具制造成本及模具制造周期都提出了更高的需求。而目前在汽車沖壓模具制造過程中都普遍存在著模具鑄件的鑄造水平低、數(shù)控加工自動化程度低、模具鉗工手工研修量大、模具調試占用壓床周期長、模具整體制造精度低、沖壓產(chǎn)品零件合格率低和對手工調整經(jīng)驗結果缺乏積累分析環(huán)節(jié)等難點問題。
這些問題的普遍存在造成國內汽車模具企業(yè)的整體制造水平與日本豐田、德國大眾等國際一流模具制造企業(yè)仍有相當大的差距。針對以上重點問題，通過快速的大量數(shù)據(jù)采集分析手段，對汽車沖壓模具的整個生產(chǎn)制造過程進行數(shù)據(jù)化質量分析控制，從而有針對性地進行模具各階段過程產(chǎn)品的整改與修正，并形成具有汽車沖壓模具制造特點的質量管理控制體系及模具調整經(jīng)驗積累機制，從而具備模具設計、制造、調試、數(shù)據(jù)分析并優(yōu)化設計的閉環(huán)控制能力。
2數(shù)據(jù)采集技術
2.1泡沫實型的點數(shù)據(jù)采集及分析
以往泡沫實型的加工余量檢測主要是使用三坐標劃線機，編程人員事先以數(shù)據(jù)表的形式提供加工型面的理論數(shù)值，檢測人員對泡沫實型的對應位置進行檢測。該檢測方式只能對照數(shù)據(jù)表去判定余量的大小，無法從泡沫實型整體出發(fā)做全面的加工余量分析；受設備檢測范圍的限制，對大型工件的檢測不方便，檢測后的結果無法存檔。如果鑄件毛坯加工型面變形、余量不均、無加工余量或加工余量不足等質量問題出現(xiàn)時，很難判斷是由于泡沫實型的缺陷還是鑄造過程存在問題造成的。
通過擴展照相測量系統(tǒng)的應用范圍，應用單反數(shù)碼相機快速采集模具鑄件泡沫實型的離散點3D坐標，如圖1。將照相采集數(shù)據(jù)與理論實體數(shù)模進行比較分析，計算得到泡沫實型的加工余量分布狀態(tài)。該檢測方式能夠將余量結果進行數(shù)據(jù)化分層，將余量偏差結果用不同顏色區(qū)分。圖2為檢測結果數(shù)據(jù)分析偏差云圖，可以直觀地檢查、判定工件余量分布是否合理。
點照相檢測方式與三坐標劃線機檢測方式相比有如下優(yōu)點：a.省去了由編程人員提供檢測數(shù)據(jù)點出圖的環(huán)節(jié)；b.避免了檢測的人為失誤；c.可以綜合評定鑄件的整體余量分布狀況，如出現(xiàn)檢測余量不均可以通過平移坐標系的方式進行調整，這樣減少了手工修改的時間；d.檢測結果可以保留為三維數(shù)據(jù)，便于日后查驗；e.可以一次檢測多個工件，檢測效率提高30%以上；f.點照相檢測所得數(shù)據(jù)與鑄造后的鑄造毛坯檢測數(shù)據(jù)進行對比分析，可以優(yōu)化加工余量及鑄造縮比的設置參數(shù)。該項目的實施優(yōu)化了泡沫實型的制作工藝，實現(xiàn)了實型制作、實型檢測、鑄件檢測，鑄件加工基準的統(tǒng)一。
2.2鑄件毛坯的點數(shù)據(jù)采集及分析
以往鑄件加工前通常采用對刀程序在機床上進行試切的方法，無對刀基準及表面余量檢測環(huán)節(jié)，結果是占用數(shù)控設備準備時間過長，機床有效利用率低，并且安全性差，加工時可能會發(fā)生撞刀事故，導致刀具損壞、工件報廢、加工設備精度下降等現(xiàn)象，因此一直沒能實現(xiàn)無人化的程序自動加工。
點照相測量技術能夠將鑄件所有的加工型面以離散3D點的形式全部采集出來，如圖3。其比較原則為：先以導向部分余量均勻為主，再看其他結構面的余量，確定坐標系的平移量；當鑄件的變形量較大時，則要通過均分導板余量的方法，建立坐標系。圖4為鑄件的檢測結果數(shù)據(jù)，從檢測結果發(fā)現(xiàn)部分精加工面沒有加工余量，分析原因是由于鑄件變形所致。處理方法為一側連接板面拉直，以另一側連接板的加工余量取中，再偏移坐標系，使所有加工面余量較均勻后，用兩側相對余量較均勻的面作為建系標準。
點照相技術在鑄件檢測上的應用具有以下優(yōu)點：
a.離散3D點偏差量能夠反映出鑄件的余量狀態(tài)，取消了數(shù)控機床試刀的過程，解決了鑄件毛坯在上數(shù)控機床前對其加工余量的比較分析，避免了由于工件干涉面、鑄造形成凸臺等問題導致撞刀事故的發(fā)生。
b.通過對數(shù)據(jù)點的坐標平移，在滿足數(shù)控加工最小余量的同時使型面余量更均勻，使數(shù)控編程人員合理地編制出數(shù)控加工程序，實現(xiàn)二維結構面無人化程序自動加工，提高了數(shù)控機床有效的操作時間，降低了成本的消耗。
c.通過大量的鑄件毛坯數(shù)據(jù)采集和整理，在保證鑄件余量穩(wěn)定的情況下，可降低鑄件毛坯的余量值，節(jié)約模具成本。
2.3模具型面的點云數(shù)據(jù)采集及分析
目前汽車覆蓋件沖壓模具的質量控制主要依靠大型三坐標測量機，通過采集離散點的方式確認模具表面與理論數(shù)據(jù)的偏差狀態(tài)，所測量數(shù)據(jù)具有較大的片面性。如很難體現(xiàn)數(shù)控加工經(jīng)常出現(xiàn)的斷差問題及凹角加工是否到位等問題。
應用光學掃描設備進行檢測，對數(shù)控加工后的模具型面及功能面進行全方位的點云數(shù)據(jù)采集，能夠從整體上對模具的制造精度進行分析，如圖5。該技術利用點云的形式提取模具加工型面的所有數(shù)據(jù)，與三維加工數(shù)模對比，提供彩色云圖數(shù)據(jù)解析報告，圖6為頂蓋凸模數(shù)控加工后與加工數(shù)模對比分析云圖。數(shù)據(jù)結果能夠直觀地顯示模具的整體偏差趨勢，解決了型面出現(xiàn)斷差檢測難的問題，并為調試鉗工提供了更為有效的修正依據(jù)。這種檢測對于單品模具的表面質量和制造精度有了明顯的提高。
2.4數(shù)據(jù)化虛擬合模技術
虛擬合模技術是汽車覆蓋件模具調試工藝方法和模具檢測技術的創(chuàng)新。該技術實際上是裝配模具在上壓機之前，通過掃描數(shù)據(jù)在計算機中分析模具的綜合加工精度及合模間隙，將模具傳統(tǒng)的單件精度檢測提升為工作狀態(tài)下的組合裝配檢測。其特點是消除了以往利用上壓機調試，通過觀察著色來判定模具的合模效果而產(chǎn)生占用壓機時間長的弊端。
（1） 模具調試前的虛擬合模分析
虛擬合模分析是利用白光掃描設備分別對模具的上下模型面、導向面、平衡塊面進行全面的掃描檢測，提取表面數(shù)據(jù)，以理論CAD模型為基準進行對齊，考慮料厚補償后，將上、下模具的掃描數(shù)據(jù)按照一定的基準規(guī)則進行虛擬合模，從而得到模具在入調前的綜合合模間隙分布，如圖7。
上述數(shù)據(jù)所提供的模具研修方案，將模具以往所存在的凹角加工不到位、模具導向是否匹配、型面加工是否合格等問題通過數(shù)據(jù)體現(xiàn)出來，調試工人不需要采用模具上壓機查看制件著色和壓鉛絲等辦法分析模具合模間隙狀況，而通過合模間隙報告就可以進行模具研調，提高壓力機資源的有效使用率30%以上，降低了調試工作的難度。
對于對稱零件可先重點調試單側零件模具，待該側模具穩(wěn)定成形后，其手工修磨的結果可以首先通過虛擬合模技術進行數(shù)據(jù)采集及合模分析，記錄模具的修磨過程，以此為基礎指導另一側模具的調試工作。對于手工調整大的區(qū)域還可直接采用對稱掃描點云數(shù)據(jù)進行編程數(shù)控加工。另外，前工序如拉延型面通過手工打磨處理后，后工序的型面也可按照此方案進行編程加工，在保證了數(shù)據(jù)基準的一致性的同時又大大降低了鉗工的手工研修量，從整體上縮短模具制造周期。
（2）模具調試合格后的虛擬合模狀態(tài)數(shù)據(jù)積累
將經(jīng)過調試鉗工調整后的同類覆蓋件的經(jīng)驗結果進行電子數(shù)據(jù)備份，逐步形成調整后模具型面經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫，圖8為部分翼子板類零件模具的合模狀態(tài)數(shù)據(jù)備份。將此經(jīng)驗數(shù)據(jù)逐步融入到前期的沖壓工藝造型和加工數(shù)模補充面不等間隙設計中，進一步提高設計數(shù)據(jù)的可靠性，逐步減少鉗工研修工作量。
（3）應用虛擬合模技術進行模具修理與復制
通常情況下，在模具的調試過程中都要經(jīng)過鉗工的手工打磨，修整后的型面一般都與理論的設計數(shù)據(jù)有一定的偏差，對于模具的復制或修理如果采用原CAD數(shù)據(jù)進行加工，調整工作量比較大，相當于重新進行一遍模具調試。通過虛擬合模技術可以快速分析模具工作表面與理論數(shù)據(jù)的偏差狀態(tài)，同時得到模具工作時的相對間隙狀態(tài)，這對于形成切實可靠的模具修理或復制方案尤為重要。
在模具掃描前，首先要對被掃工件表面進行光順修補處理，將工件表面的暗坑和破損位置用樹脂進行光順處理，修正原模具的明顯缺陷，通過光學掃描設備對復制工件進行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集后進行模具狀態(tài)分析，針對不同的分析狀態(tài)制定不同的工藝路線。對于內板零件模具，一般采用點云光順后直接作為加工數(shù)據(jù)；對于外板零件模具，采用點云直接加工或通過逆向構建加工數(shù)據(jù)的方式。
圖9為捷達側圍拉延模具復制前采集的凹模型面點云數(shù)據(jù)。該工件型面雖然經(jīng)過光順處理，但由于型面較大，根據(jù)虛擬合模偏差分析（圖10），在某些部位仍然存在偏差，這需要在逆向再造時將暗坑等缺陷位置進行人為造型修正。經(jīng)光順分析檢查得知，再造的側圍數(shù)模型面光順性好，完全滿足客戶要求，如圖11。
3結論
（1）采用點照相技術檢測泡沫實型，并從模型的整體結構出發(fā)，全面衡量實型的余量分布狀態(tài)，降低泡沫實型報廢率90%以上，提高了泡沫實型的準確性。
（2）采用點照相技術檢測鑄件毛坯，能夠及時發(fā)現(xiàn)鑄件問題，有效地指導數(shù)控編程方式，降低數(shù)控自動加工過程中發(fā)生干涉碰撞、損壞刀具的現(xiàn)象，同時可以精確確定數(shù)控加工基準，減少占用數(shù)控設備找正時間，從而提高數(shù)控加工效率及加工安全性。
（3）采用數(shù)據(jù)化虛擬合模技術對拉延模具進行入調前的檢測分析，將單件檢測提升到裝配檢測，是模具制造技術及質量監(jiān)控的一次升級，有效地指導了調試工作。將經(jīng)過調試鉗工調整后的覆蓋件按類歸納，形成模具型面調試經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫，可總結調試經(jīng)驗、指導前期沖壓工藝設計，提高設計數(shù)據(jù)的可靠性。
（4）以數(shù)據(jù)化虛擬合模技術為基礎，利用點云數(shù)據(jù)編輯優(yōu)化并直接編程加工的方法，對于模具復制、修理、對稱制造的周期平均縮短1個月以上，經(jīng)濟效益顯著。
（5）在汽車沖壓模具制造生產(chǎn)過程中，全面采用光學檢測技術和虛擬合模技術，并形成從沖壓工藝分析、數(shù)控加工、模具調試、數(shù)據(jù)備份及CAE分析驗證的閉環(huán)質量控制體系，可逐步縮短與國際一流模具企業(yè)的差距，提升產(chǎn)品競爭力。
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