淺談數字化掃描在沖壓模具行業中的應用

文/王國浩，方良，朱杰·瑞鵠汽車模具股份有限公司

目前在工業技術先進的國家，數字化制造已經成為提高企業和產品競爭力的重要手段。模具的數字化制造已成為21世紀模具技術的核心。模具的數字化制造就是要實現設計數字化、加工數字化、調整數字化、管理數字化、售后服務數字化等。

掃描技術的應用在數字化制造中起到了推波助瀾的作用，推動了數字化技術的發展。針對沖壓模具行業鑄件鑄造缺陷、數控加工自動化程度低、模具手工研修量大、模具整體裝配精度低、維修困難等問題，通過將實物數據采集與三維設計數據進行比對，獲得了泡沫實型、鑄件毛坯、數控加工、模具裝配等階段的實際數據，進行數據化加工、裝配、質量控制，并在此基礎上擴展到基于光學掃描的數據化虛擬合模技術，將模具傳統的單件精度檢測提升為工作狀態下的組合裝配檢測，并應用于調試前的模具狀態分析、過程調試整改分析、調試合格后的模具數據存儲及快速響應模具維修與復制工作中，提高了設計數據的可靠性和再利用性，縮短了模具制造周期。

三維掃描技術簡介

三維掃描技術（如圖1所示）是集光、機、電和計算機技術于一體的高新技術，主要用于對物體空間外形和結構進行掃描，以獲得物體表面的空間坐標。它的重要意義在于能夠將實物的立體信息轉換為計算機能直接處理的數字信號，為實物數字化提供了相當方便快捷的手段。通過數碼照相技術對拍攝的數據通過系統標定和多組參考點進行擬合比對，自動將每部分掃描數據進行整合，最終實現完整的三維點云圖形，由點云數據生成曲面的三維造型技術。

泡沫模型檢測

圖1 ATOS掃描儀結構圖

大型泡沫模型一般是由型面、結構面、起重部分等分層粘貼完成，在制造和裝配過程中都會產生誤差。在進行鑄造之前，泡沫模型需要檢測關鍵尺寸、結構確認，FMC的幾何尺寸的錯誤、結構部位制作失誤會直接造成整個鑄件的報廢，造成生產周期嚴重耽誤及造成制造成本損失。利用TRITOP拍照可快速獲取泡沫表面特征標識點三維數據，通過坐標變換使測量的三維坐標點對應到泡沫模型，實現FMC快速、精確地三維檢測，從而有效控制了泡沫模型精度（如圖2所示）。

圖2 泡沫模型檢測數據分析

鑄件檢測加工

改善鑄件的快速定位

鑄件放置在檢測平臺上，通用的定位方式是需借助平臺臺面和中心鍵槽定位（如圖3所示），工作場地有局限性，模具轉運時間延長，直接影響了檢測效率。

圖3 原始定位方式

鑄件測量借助工作臺就是為了獲取底平面和中心鍵槽中心數據，可以通過自制4塊墊板吸附于模具底面和3塊中心鍵卡在中心鍵槽來獲取想要的底面和中心數據（如簡圖4所示）。從而可以在起吊行車區域內隨意擺放完成掃描工作，不再需要等行車、平板車轉運到測量間進行測量，降低了轉運時間和生產資源消耗，大大提高了掃描作業的效率。

結構面掃描應用

圖4 自制輔助工具

鑄件毛坯數據檢測是模具生產中的重要環節。大型汽車覆蓋件模具鑄件毛坯型面、結構面由于設計結構、鑄造工藝的差異，鑄造過程存在因壁厚、不對稱性等原因造成的組織應力、熱應力變形。鑄造廠家雖然采用退火消除應力，但是鑄件的變形始終存在。尤其在機加的找正、加工環節才容易被發現，而加工程序編制很難考慮變形量，造成停機更改程序或等待補救方案等異常情況發生。應用結構面掃描技術能提前預知鑄件的真實變形量和加工量，減少在機等待時間。

通過結構面編程軟件開發，將TRITOP拍照處理后點云導入編程軟件和理論模型進行對比，一鍵顯示點余量（如圖5所示），編程可根據實際毛坯余量修改程序，從而減少數控加工中的空刀產生，余量均勻切削更平穩，大大提高了加工效率。

圖5 結構面檢測數據分析

再者在余量顯示的基礎上，拉出毛坯實體，結合三維實體仿真模擬軟件VERICUT（如圖6所示），能真實模擬檢查程序在機床上的加工干涉、碰撞情況，通過設置刀具加工參數，還可以檢查程序排序的合理性，是實現高效加工、自動加工的基礎。

型面掃描應用

圖6 毛坯碰撞檢查

圖7 型面檢測數據分析

型面掃描加工與結構面掃描技術基本一致，不同的是結構面獲取點云判斷結構余量，型面是獲取表面模型并處理生成STL格式小片體（如圖7所示），導入編程軟件生成殘留模型作為開粗毛坯，直接對部件加工，避免了空切削（如圖8所示）。另外汽車外覆蓋件對型面要求最高，特殊區域不允許補焊，在型面加工時若發現局部缺量會導致整個型面加工降刻，嚴重浪費加工時間，而采取型面掃描，可以提前發現問題、暴露缺陷，從而避免了加工過程中問題點的發生。

圖8 編程處理與加工情況

虛擬合模

圖9 虛擬合模效果圖

運用ATOS掃描設備對上、下模型面及導向部位進行數據化掃描，獲取模具靜止狀態的型面及導向部位數據。以優先虛擬擬合型面間隙為基準（如圖9所示），在模具壓合之前提供整體型面的間隙偏差值，結合模具的導向間隙、平衡塊間隙、限位塊間隙以及型面間隙給鉗工調試提供全方面的有效數據和研配方案，對存在問題分析判斷是否再次進行數控加工，保證高精度的同時大大降低了鉗工的手工研修量和調試的難度，提高了工作效率。

逆向工程

拉延模工藝補充數據的設計是模具制造的核心技術，工藝補充面設計的合理性直接影響零件的成形效果。模具工藝補充面設計完成后需經CAE模擬成形分析，來確定板料起皺疊料和變薄的位置、材料流入量、成形壓力等重要參數。模具制造從組立、數控、裝配、調試經歷四個重要環節，過程中難免存在一定的誤差。因此對合格后各工序零件及最終產品件進行全尺寸數據掃描，通過制件實際回彈和CAE模擬的理論回彈對比（如圖10所示），分析零件工序間的回彈變形規律，驗證CAE分析的結果，并提供模具整改所需詳細數據，為工藝補充變更數據的確定提供寶貴的數據結晶。

圖10 板件回彈分析

模具維修與復制

圖11 模具全尺寸掃描

對合格模具的型面、導向及所有配合部位進行全尺寸掃描（如圖11所示），數據采集和備份，將數據傳送到技術部門，進行原始數據的更改和最終合格數據的保留。為今后模具在高速生產時出現的異常損壞維修或復制提供有效的數據，可以達到加工后直接試模出件的目的，大大提高制作效率，節省大量成本，縮短模具生產周期。

結論

綜上所述，數字化掃描技術的應用對企業提高產品開發效率、提高模具產品開發效率、自動化高效加工、模面裝配研合效率、CAE反驗證、模具復制維修起到了重要的作用，在推動數字化技術在模具制作過程中起到加速作用。隨著掃描技術的進步和發展，數字化掃描在汽車模具設計和制造的各個環節會得到更廣泛地應用，使企業模具三維數字化制造流程形成全閉環，可加快縮小與國內外先進水平的差距，使瑞鵠公司發展成為全面集成的數字化制造企業。