1100鋁合金雙滾輪滾壓包邊模擬及實(shí)驗(yàn)研究

李萍，井碧臣，黃彪，楊衛(wèi)正，薛克敏

（1. 合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009；2. 合肥工業(yè)大學(xué) 智能制造技術(shù)研究院，合肥 230009；3. 合肥工業(yè)大學(xué) 工業(yè)與裝備技術(shù)研究院，合肥 230009）

包邊是一種連接車身外板和內(nèi)板的常見工藝，主要用在車門類總成，如車身四門兩蓋等，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在2個方面：一是滾壓包邊壓合夾具可以根據(jù)產(chǎn)品的需要進(jìn)行更換；二是可以根據(jù)需要，采用一模多機(jī)或是一機(jī)多模的工藝方案加工產(chǎn)品，因此研究機(jī)器人滾壓包邊技術(shù)有利于促進(jìn)覆蓋件在汽車上的使用。Livatyali[1—2]對包邊工藝的流程進(jìn)行了模擬，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，改良了翻邊沖頭和包邊工具的結(jié)構(gòu)，從而提升了包邊質(zhì)量。EDAG公司設(shè)計(jì)了滾壓包邊工具并申請了相關(guān)專利[3]。ABB公司研發(fā)了壓力可控的滾壓包邊工具，通過實(shí)時(shí)控制滾輪施加在板件上的作用力提高滾壓包邊質(zhì)量[4]。胡星等人結(jié)合實(shí)驗(yàn)和有限元仿真，研究了滾壓包邊過程中破裂極限準(zhǔn)則[5]。JEE公司研發(fā)了機(jī)器人彈性滾壓包邊工具，成功完成了某商用車門蓋的滾壓包邊[6]。N. Le Maout等[7]使用有限元分析方法研究了包邊成形的過程，討論了包辛格效應(yīng)、材料各向異性等對包邊結(jié)果的影響。Hu[8]等根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究了鋁合金材料的滾邊斷裂極限，結(jié)果表明，用Cockcroft & Latham塑性斷裂準(zhǔn)則預(yù)測滾邊板料成形性能是有效的。李淑慧[9]等分析了鋁合金滾邊過程中循環(huán)硬化現(xiàn)象，結(jié)果表明在包邊前材料的彎曲區(qū)域已發(fā)生了加工硬化，但在翻邊區(qū)域材料的塑性變形很小。楊竹君[10]研究了單滾輪滾壓包邊工藝參數(shù)對滾壓包邊成形質(zhì)量的影響。盧鵬[11]通過模擬及實(shí)驗(yàn)，研究了滾壓包邊工藝參數(shù)對鋁合金材料成形質(zhì)量的影響。國內(nèi)外學(xué)者對滾壓包邊的研究都集中在單滾輪的包邊過程，但對采用雙滾輪同時(shí)進(jìn)行板材滾壓的研究較少。雙滾輪相對于傳統(tǒng)滾壓包邊的優(yōu)點(diǎn)主要是柔性大，對外輪廓形狀復(fù)雜的板材也能順利地進(jìn)行滾壓包邊加工，可以節(jié)約大量的生產(chǎn)成本，并大大縮短產(chǎn)品研制周期。文中針對汽車用隔熱件的主要材料1100鋁合金進(jìn)行研究，采用有限元模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了雙滾輪情況下，滾壓包邊參數(shù)（翻邊高度、TCP-RTP距離、滾輪半徑、圓角大小等）對鋁合金滾壓包邊成形質(zhì)量的影響。

1 雙滾輪滾壓包邊模型的建立

1.1 雙滾輪滾壓包邊模型

雙滾輪滾壓包邊是用板料下方的滾輪來代替?zhèn)鹘y(tǒng)滾壓包邊工藝的下模具，只需要用夾具固定住板材，利用滾壓包邊機(jī)器手帶動滾輪進(jìn)行板材的包邊成形，在模擬中對整體模型進(jìn)行簡化，僅模擬出滾輪對板材的作用，不考慮工裝夾具的位置，因?yàn)閵A具一般設(shè)置在非變形區(qū)，對滾壓包邊不會產(chǎn)生影響，且工裝夾具的約束作用，在模型的接觸設(shè)置中會以“glue”的方式來體現(xiàn)。外板厚度為1 mm，長度為50 mm，包邊的內(nèi)板厚度為1 mm，長度為50 mm，內(nèi)外板間隙為2 mm，西華大學(xué)王麗娟[12]的研究表明，為了避免波浪起皺過大，滾輪半徑不宜小于15 mm，因此本次模擬在此基礎(chǔ)上選擇半徑為10, 15, 20, 25 mm的滾輪，使用Simufact軟件進(jìn)行研究，在模擬中x方向?yàn)檠匕鍖挿较?，y方向?yàn)榇怪卑迕娣较?，z方向?yàn)榘彘L即滾輪滾動方向，雙滾輪模型見圖1。

圖1 雙滾輪滾壓包邊模型Fig.1 Double-roller rolling hemming model

1.2 雙滾輪模擬材料參數(shù)及邊界條件

在本次模擬中，上、下滾輪及內(nèi)板設(shè)置為剛體，外板板材的材質(zhì)為1100鋁合金，1100鋁合金的彈性模量為69 GPa，泊松比為0.33，密度為2710 kg/m3，屈服應(yīng)力≥100 MPa，抗拉強(qiáng)度為125 MPa。

使用Simufact軟件自帶的材料庫中的“aluminum 1100（20 ℃）”即常溫下的1100鋁合金材料進(jìn)行模擬。設(shè)置網(wǎng)格為六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為 0.2 mm×0.625 mm×0.625 mm，在變形量最大、最容易出現(xiàn)成形缺陷的外板折彎處采用局部網(wǎng)格細(xì)化，其網(wǎng)格大小為 0.1 mm×0.3 mm×0.3 mm，網(wǎng)格總數(shù)量為285 60個，各個部位網(wǎng)格密度見圖 2。摩擦因數(shù)統(tǒng)一設(shè)置為 0.2。本次模擬采用二道次滾壓包邊，即第一道次由翻邊后的90°板材滾壓成 45°，二道次從45°滾壓至 0°的成形方式進(jìn)行滾壓包邊模擬。

圖2 各變形區(qū)及對應(yīng)網(wǎng)格密度Fig.2 Each deformation zone and corresponding mesh density

在模擬中內(nèi)板與外板采用“glue”接觸，上、下滾輪與外板采用“touch”接觸，內(nèi)板固定不動，內(nèi)板后部的下邊緣（見圖1）與外板上邊緣glue接觸，內(nèi)板前部下邊緣與外板上邊緣“touch”接觸。模擬開始時(shí)，滾輪先以45°壓入外板，達(dá)到TCP-RTP值時(shí)，上下滾輪同時(shí)開始繞滾輪軸心旋轉(zhuǎn)，并沿著板材輪廓向前進(jìn)給，完成第一道次90°～45°包邊；然后上滾輪旋轉(zhuǎn)45°與下滾輪平行，再向下壓入，直至外板與內(nèi)板貼合，此時(shí)上下滾輪再同時(shí)旋轉(zhuǎn)沿一道次進(jìn)給方向返回至起點(diǎn)，完成二道次45°～0°包邊。

1.3 模型的驗(yàn)證

取一組參數(shù)進(jìn)行模擬并用同樣的參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別在滾壓完成后的板材上每隔5 mm取點(diǎn)，共取10個點(diǎn)，分別測量每個點(diǎn)的波浪起皺量及伸縮量，并分別將波浪起皺的實(shí)驗(yàn)值和模擬值作為橫、縱坐標(biāo)，擬合出如圖3a所示曲線；同理繪制出圖3b所示伸縮量的擬合曲線。對波浪起皺量，其r=0.984 58，最大誤差為8.75%；對伸縮量，其r=0.989 91，最大誤差為9.15%，證明了此有限元仿真模型的可靠性。

圖3 實(shí)驗(yàn)與模擬的擬合曲線Fig.3 Fitting curve of experiment and simulation

2 雙滾輪的模擬設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理

2.1 模擬及數(shù)據(jù)收集

在設(shè)置仿真模擬過程中，主要研究滾壓包邊參數(shù)對滾壓包邊后板件的波浪起伏和板件的伸縮量。根據(jù)華南理工大學(xué)盧鵬的研究[13]，對傳統(tǒng)單滾輪滾壓包邊影響最重要的參數(shù)分別為翻邊高度、TCP-RTP、滾輪半徑、圓角半徑及滾壓速度等，因此本次模擬選取上述5個因素并分別選取4個代表性的值，構(gòu)成一個五因素四水平的 L16(45)正交模擬試驗(yàn)，利用 Simufact軟件進(jìn)行了16組仿真，分別計(jì)算出每一組的波浪起皺量以及伸縮量的數(shù)值，具體結(jié)果見表1。其中，波浪起皺量表征了滾壓完成后的板材表面的平整程度，伸縮量表征了滾壓完成后板材縮進(jìn)或脹出程度。波浪起皺量及伸縮量的測量方法見圖4。

圖4 波浪起皺量及伸縮量的測量示意Fig.4 Measurement of corrugation amount and expansion amount of wave

在翻邊的邊緣均勻地取n個點(diǎn)，測量這個點(diǎn)距離內(nèi)板上邊緣的距離H，則波浪起皺量S計(jì)算見式(1)。用S的值描述整個翻邊的波浪起皺程度，S越小表示板件越平整。

伸縮量的計(jì)算原理與波浪起皺量一樣，只是測量的值L為滾壓包邊完成的板件折彎區(qū)外邊緣最大輪廓到內(nèi)板的距離，其計(jì)算見式(2)。

用T值描述整個翻邊的縮進(jìn)脹出程度，T越小表示板件越伸縮量越小，成形質(zhì)量越好，本次模擬的模型長度為50 mm，因此每隔1 mm取一個測量點(diǎn)，共取50個點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1。

2.2 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果討論

計(jì)算第 1列一水平對應(yīng)的波浪起皺量數(shù)據(jù)的均值，填入表2均值1第1列位置，計(jì)算第1列水平二的波浪起皺量數(shù)據(jù)均值，填入表2均值2第1列位置，均值3和均值4的第1列數(shù)據(jù)同理可得；計(jì)算第2列一水平對應(yīng)波浪起皺量數(shù)據(jù)均值，填入表2均值1第2列，以后的同理計(jì)算填入，以此得出表2如下。

根據(jù)表2中各均值，分別按列把每一列的最大值與最小值相減，得出每一列的極差，亦即每一種因素不同水平下其波浪起皺量的差別，此極差值越小，表明此因素對波浪起皺量影響越小。上述5種因素對波浪起皺量的影響為：翻邊高度＞TCP-RTP值＞滾輪半徑＞圓角半徑＞滾壓速度。由表2繪制每種因素對波浪起皺量影響的效應(yīng)圖，見圖 5a。如滾輪半徑在10～25 mm之間時(shí)，波浪起皺量隨滾輪半徑增大而增大，當(dāng)滾輪半徑為15 mm時(shí)達(dá)到最大，隨后開始減小。其他幾種因素的影響不再贅述。

表1 正交試驗(yàn)仿真數(shù)據(jù)及結(jié)果Tab.1 Data and results of orthogonal test simulation

表2 各因素、水平對應(yīng)波浪起皺量影響均值Tab.2 Influences of factors and levels on the mean of corrugation amount of wave

圖5 各因素對滾壓包邊缺陷的影響Fig.5 Effect of each factor on defect of rolling Hemming

以同樣的方法得出各因素、水平對應(yīng)伸縮量均值及極差見表3，由表3可以看出，圓角半徑因素的極差最大，達(dá)到了0.315，極差最小的因素為TCP-RTP值，其極差為 0.056。幾種因素對伸縮量的影響程度為：圓角半徑＞滾壓速度＞翻邊高度＞滾輪半徑＞TCP-RTP值，并由表 3可以得出各因素對伸縮量的影響，見圖5b。

由圖5可以看出，當(dāng)滾輪半徑從10 mm向15 mm增大時(shí)，波浪起皺量和伸縮量均增大，從15～20 mm時(shí)波浪起皺量與伸縮量均減小，但當(dāng)滾輪半徑由20～25 mm時(shí)，伸縮量會變大，因此滾輪半徑為20 mm的滾輪可以兼顧波浪起皺量及伸縮量；隨著圓角半徑增大，伸縮量呈上升趨勢，因此圓角半徑不宜過大，同時(shí)波浪起皺量在圓角半徑為1～1.2 mm迅速降低，在1.2～1.5 mm時(shí)繼續(xù)緩慢降低，因此綜合考慮選取圓角半徑為1.2 mm；由圖5a及5b可以看出，翻邊高度應(yīng)該選用較小的值，但翻邊高度過小會導(dǎo)致大變形區(qū)占比過大，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因此選取翻邊高度為10 mm；隨著 TCP-RTP值增大，波浪起皺量及伸縮量均呈現(xiàn)減小趨勢，因此在TCP-RTP選擇最大值1.5 mm；滾壓速度對波浪起皺量影響較小，而對伸縮量影響較大，隨著滾壓速度增加，在25～100 mm/s范圍內(nèi)伸縮量減小，因此100 mm/s的滾壓速度最優(yōu)。

表3 各因素、水平對應(yīng)伸縮量均值Tab.3 Mean value of expansion amount under all factors and levels

圖6 滾壓包邊應(yīng)力Fig.6 Stress in rolling hemming

2.3 缺陷形成機(jī)理及演化規(guī)律

滾輪由右向左滾壓，將其經(jīng)過的區(qū)域分為3個，A點(diǎn)所在區(qū)域?yàn)闈L輪滾壓完成且不受滾輪現(xiàn)在位置影響的區(qū)域（a區(qū)），B點(diǎn)區(qū)域?yàn)闈L輪剛滾壓經(jīng)過的區(qū)域（b區(qū)），C點(diǎn)位于滾輪正在滾壓的區(qū)域（c區(qū)），見圖6a，圖6a中左下角為方框部分的局部放大，右下角為左下角對應(yīng)的背面區(qū)域。A點(diǎn)在x方向上受到b區(qū)及a區(qū)其周圍點(diǎn)對其的壓力，y方向上受b區(qū)變形時(shí)對其的壓力，z方向上受b區(qū)對其的拉力；C點(diǎn)主要受滾輪對其的y方向的壓力，x方向受到c區(qū)的拉力，而z方向受到b區(qū)及左邊未變形區(qū)的拉力；B點(diǎn)在x方向受到來自c區(qū)的拉力，z方向受到a區(qū)和c區(qū)對其的壓力。在a, b, c區(qū)均變形后，其板材纖維均被拉長，板材在z方向上相互擠壓，而a及c區(qū)對b區(qū)的擠壓以及b區(qū)下方板材對上表面板材的擠壓導(dǎo)致b區(qū)的突起，形成褶皺，也就是宏觀上的波浪起皺。滾壓過程中a, b, c區(qū)不同時(shí)刻（圖6b中20%為滾壓包邊進(jìn)行20%時(shí)的應(yīng)力曲線，下同）z方向的應(yīng)力分布情況見圖6b，可以看出，滾輪在滾邊工藝進(jìn)行40%后逐漸滾離b區(qū)，b區(qū)應(yīng)力由此開始迅速增大，結(jié)合圖6a可以得出，在此模型中，當(dāng)板材z方向上受力大于30 MPa后，板材會呈現(xiàn)起皺狀態(tài)。A、B、C三點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)見圖6c。

滾壓包邊過程中x方向的受力情況見圖 6d，虛線下方為滾壓完成后板材的伸縮缺陷，右下為方框區(qū)域放大圖。滾壓包邊過程中不同時(shí)刻伸縮區(qū)的應(yīng)力分布情況見圖6e，可以看出，當(dāng)滾壓包邊工藝進(jìn)行20%以后產(chǎn)生伸縮缺陷的區(qū)域在x方向上受到的壓力迅速增大，板材在x方向上的壓力引起x方向板材纖維的伸長，這種延展導(dǎo)致了板料滾壓以后產(chǎn)生伸縮缺陷。結(jié)合圖6d可以得出，當(dāng)x方向壓應(yīng)力大于20 MPa后，板材會出現(xiàn)明顯的伸縮缺陷。

3 實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果對比分析

3.1 最優(yōu)數(shù)據(jù)組的模擬

以2.2中選取的最優(yōu)參數(shù)組進(jìn)行雙滾輪滾壓包邊成形模擬及實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中滾輪半徑為20 mm，圓角半徑為1.2 mm，翻邊高度為10 mm，TCP-RTP值為1.5 mm，滾壓速度為100 mm/s。模擬采用Simufact軟件進(jìn)行，其模擬過程及結(jié)果見圖7。

圖7 最優(yōu)參數(shù)模擬過程Fig.7 Simulation process of optimal parameters

根據(jù)模擬結(jié)果采用取點(diǎn)方法測算出其波浪起皺量為0.046 mm，伸縮量為0.527 mm，此結(jié)果優(yōu)于正交試驗(yàn)中絕大部分組別的結(jié)果。

3.2 雙滾輪實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用 3自由度滾壓包邊機(jī)器人進(jìn)行雙滾輪滾壓包邊實(shí)驗(yàn)，上滾輪先保持45°壓入，當(dāng)上滾輪壓入到設(shè)定TCP-RTP值即1.5 mm時(shí)，上下滾輪同時(shí)向前滾壓，完成第一道次 90°～45°滾壓；然后上滾輪旋轉(zhuǎn)45°，水平壓入板材，當(dāng)壓入到2個外板加1個內(nèi)板距離后，上下滾輪同時(shí)向前滾動，第二道次即45°～0°滾壓，完成雙滾輪滾壓包邊過程。實(shí)驗(yàn)所用滾輪及1100鋁合金板材及實(shí)驗(yàn)過程見圖8。

圖8 實(shí)驗(yàn)器材及滾壓過程Fig.8 Experimental equipment and rolling process

在雙滾輪滾壓包邊實(shí)驗(yàn)完成后，采用模擬中采用的取點(diǎn)測量方法，在圖8的板材中同樣取50個點(diǎn)，分別測量出每個點(diǎn)的波浪起皺量及伸縮量，最終得出此組實(shí)驗(yàn)的波浪起皺量為0.042 mm，伸縮量為0.498 mm。由此可得出實(shí)驗(yàn)與模擬的波浪起皺系數(shù)相差8.69%，伸縮量相差 5.82%，因此可以認(rèn)為實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果相當(dāng)吻合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的波浪起皺系數(shù)即波浪起皺量相對于板厚(1 mm)的比例為4.20%，伸縮系數(shù)即伸縮量相對于板寬(10 mm)比例為 4.98%，明顯小于一般鋁合金滾壓包邊8%～12%左右的成形缺陷[13]，證明了此雙滾輪模具的合理性及工藝的可行性，且具有實(shí)際的生產(chǎn)意義。

4 結(jié)論

1)通過正交試驗(yàn)?zāi)M及數(shù)據(jù)處理，得出雙滾輪滾壓包邊模型各關(guān)鍵參數(shù)對波浪起皺量及伸縮量的影響。對波浪起皺量大小影響程度為：翻邊高度＞TCP-RTP值＞滾輪半徑＞圓角半徑＞滾壓速度；對伸縮量大小影響程度為：圓角半徑＞滾壓速度＞翻邊高度＞滾輪半徑＞TCP-RTP值。

2)波浪起皺的形成機(jī)理主要是前一個已變形區(qū)域（a區(qū)）及正在變形區(qū)（c區(qū)）對剛變形完成區(qū)域（b區(qū)）的擠壓，導(dǎo)致板材纖維拉長引起的。對1100鋁合金，當(dāng)其z方向應(yīng)力大于30 MPa后會產(chǎn)生起皺現(xiàn)象。伸縮量主要是由于滾輪滾壓過程中滾輪對板材的壓力導(dǎo)致板材纖維沿x方向拉長，當(dāng)x方向壓力達(dá)到20 MPa以后會出現(xiàn)顯著的伸縮缺陷。

3)通過最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行雙滾輪的模擬與實(shí)驗(yàn)，分別得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的差值比率，波浪起皺量為8.69%，伸縮量為5.82%。波浪起皺系數(shù)為4.20%，伸縮系數(shù)為4.98%，證明了此雙滾輪模具的合理性及工藝的可行性。

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