車門機(jī)器人滾邊工藝參數(shù)仿真分析

徐達(dá)，陶長(zhǎng)城

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 十堰442000）

車門滾邊在制造中屬于較為特殊的工藝，滾邊后要求表面平整、無明顯壓痕凹凸等，且要保證車門沿周整體尺寸精確［1］。目前主要采用有限元仿真分析方法來測(cè)試參數(shù)對(duì)滾邊質(zhì)量的影響。文獻(xiàn)［2］采用正交實(shí)驗(yàn)方法減少了重復(fù)多組的分析計(jì)算過程，較清晰地反應(yīng)了各參數(shù)對(duì)后續(xù)滾邊成型效果的影響權(quán)重。文獻(xiàn)［3］采用殼單元的方法簡(jiǎn)化了板件模型。文獻(xiàn)［4］考慮了滾邊前的沖壓過程，分析了正向壓入與反向壓入對(duì)板件滾邊波浪的影響。文獻(xiàn)［5］采用了不同包邊形式，特別在復(fù)雜表面對(duì)工件水滴滾邊工藝步驟進(jìn)行了相關(guān)參數(shù)研究。文獻(xiàn)［6］將機(jī)器人與滾邊作業(yè)結(jié)合，并采用ROBCAD對(duì)滾邊工作進(jìn)行仿真測(cè)試，為實(shí)際生產(chǎn)中機(jī)器人的校準(zhǔn)工作提出了設(shè)計(jì)方案與工位布局。文獻(xiàn)［7］研究滾邊工作中的工藝技術(shù)難點(diǎn)。文獻(xiàn)［8］通過三坐標(biāo)測(cè)量方法對(duì)板件成型尺寸進(jìn)行檢測(cè)，通過修改工藝參數(shù)來提升轎車車門區(qū)域的尺寸匹配精度。

文中通過Abaqus有限元分析及正交實(shí)驗(yàn)對(duì)某車型車門機(jī)器人滾邊進(jìn)行工藝參數(shù)分析，以影響因素、波浪系數(shù)與縮進(jìn)脹出系數(shù)為指標(biāo)，分析翻邊高度、壓輪直徑、工具中心至機(jī)器人目標(biāo)點(diǎn)距離（TCP-RTP）對(duì)滾邊質(zhì)量和技術(shù)指標(biāo)的影響。

1 滾邊工藝與相關(guān)參數(shù)分析

滾邊工藝是板件經(jīng)過沖壓后，通過機(jī)器帶動(dòng)壓輪將沖壓后的板件再次折彎并包住內(nèi)板成形的過程。滾邊作業(yè)分為預(yù)滾邊和終滾邊，根據(jù)自身工藝要求，給定的壓入角度不同會(huì)影響預(yù)滾邊的次數(shù)。滾邊工藝中對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響較為重要的參數(shù)如下：

1）滾邊速度 常設(shè)為200 mm·s?1；在曲率變化較大或翻邊角度大的區(qū)域，通常為50～150 mm·s?1；在平直面、翻邊角度小和曲率變化小的工作區(qū)域，通常為200～300 mm·s?1；若工作軌跡設(shè)計(jì)較好，則速度最高可達(dá)到500 mm·s?1。

2）滾邊壓力 壓輪與工件之間產(chǎn)生使工件彎曲成形的相互作用力。

3）翻邊高度與翻邊圓角 如圖1 所示，翻邊高度即工件折彎區(qū)域的高度。

圖1 滾邊工藝參數(shù)圖

4）壓輪直徑 為防止實(shí)際生產(chǎn)中的干涉現(xiàn)象，保證壓輪有足夠的強(qiáng)度，需選用直徑合適的壓輪。

5）TCP-RTP 工具中心點(diǎn)至機(jī)器人目標(biāo)點(diǎn)的距離，即滾輪母線距胎膜邊緣線的距離。

實(shí)際滾邊作業(yè)中，機(jī)器人滾邊速度需要根據(jù)實(shí)際工況調(diào)節(jié)，翻邊圓角往往由工件開始的沖壓工藝決定。預(yù)滾邊壓入角對(duì)滾邊質(zhì)量有一定影響，一般情況下壓入角越小，板件的波浪現(xiàn)象越小，滾邊質(zhì)量越好，后續(xù)仿真中將壓入角設(shè)為45°，整個(gè)作業(yè)過程由1次預(yù)滾邊和1次終滾邊完成。

2 滾邊產(chǎn)品質(zhì)量缺陷問題

滾邊后產(chǎn)品表面不平是常見的質(zhì)量缺陷問題。工件的翻邊角度設(shè)置不當(dāng)會(huì)引起貼合不嚴(yán)的現(xiàn)象；翻邊高度設(shè)置不當(dāng)會(huì)使翻折過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力得不到釋放，最終形成工件成形后表面不平的波浪現(xiàn)象；縮進(jìn)和脹出值若不符合預(yù)期則會(huì)導(dǎo)致工件外形尺寸不合格。目前滾邊質(zhì)量問題主要依靠試生產(chǎn)后的檢測(cè)來逐步調(diào)試，為了減少調(diào)試所用時(shí)間，需要在設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定基本合理的工藝參數(shù)。因此，針對(duì)表面波浪現(xiàn)象的質(zhì)量缺陷與縮進(jìn)脹出值的技術(shù)指標(biāo)，通過翻邊高度、壓輪直徑和TCP-RTP對(duì)上述現(xiàn)象的影響趨勢(shì)與權(quán)重進(jìn)行分析。

圖2為工件波浪現(xiàn)象圖，橫坐標(biāo)表示待滾邊工件的長(zhǎng)度，縱坐標(biāo)表示提取節(jié)點(diǎn)在Z軸方向的位移，定義波浪系數(shù)T來衡量工件翻邊后的波浪程度。取滾邊作業(yè)后工件壓彎面的最外側(cè)截面作為測(cè)量面，選取截面上翻邊高度最高處的各節(jié)點(diǎn)測(cè)量各點(diǎn)滾邊作業(yè)后的位移。在截面上等距離選取n個(gè)點(diǎn)，則該組位移的均值為

圖2 工件波浪現(xiàn)象圖

式中：ˉZ為各節(jié)點(diǎn)Z軸方向位移的平均值；Zi為各點(diǎn)的位移距離信息；i為節(jié)點(diǎn)編號(hào)。

為了呈現(xiàn)波浪現(xiàn)象的波動(dòng)狀況，每點(diǎn)的相對(duì)位移記為

若S為正則表示該點(diǎn)為波峰，與平面相比處于上升狀態(tài)；若為負(fù)值則表示該點(diǎn)為波谷，與平面相比處于下降狀態(tài)。通過T來表示整體截面的波浪現(xiàn)象嚴(yán)重程度：

對(duì)于滾邊后的縮進(jìn)與脹出現(xiàn)象，定義縮進(jìn)脹出系數(shù)D來表示工件滾邊后成型尺寸的縮進(jìn)或脹出情況?？s進(jìn)脹出的距離主要為滾邊作業(yè)后尺寸與預(yù)期設(shè)計(jì)尺寸的差值，在測(cè)量時(shí)選取彎曲圓角上等間距的n個(gè)點(diǎn)mi（i=1,2，…，n），測(cè)量滾邊作業(yè)后該組點(diǎn)的位移距離。計(jì)算中將預(yù)期尺寸定位于胎膜處于同一截面處，如圖3所示。則縮進(jìn)脹出系數(shù)D的計(jì)算方式為

圖3 縮進(jìn)脹出距離

由于縮進(jìn)與脹出方向相反，將脹出距離定義為正，縮進(jìn)距離定義為負(fù)。為了表現(xiàn)整體的縮進(jìn)脹出程度，在計(jì)算中取絕對(duì)值，保證計(jì)算值為正，避免出現(xiàn)正負(fù)抵消情況。

3 有限元建模

在部分有限元分析中，由于工件的厚度與其長(zhǎng)度、寬度相比過小，所以采用殼單元代替實(shí)體。在滾邊過程中，由于應(yīng)力往往集中在彎曲處，且壓輪初始進(jìn)入工件時(shí)，工件自身厚度產(chǎn)生的形變影響往往不容忽略，所以在建模中采用實(shí)體單元進(jìn)行建模。為了在保證分析質(zhì)量的前提下縮短計(jì)算時(shí)間，將長(zhǎng)度為200 mm的工件每隔10 mm取1個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，共21個(gè)節(jié)點(diǎn)可供選取，從壓輪觸碰的第1個(gè)節(jié)點(diǎn)定義為點(diǎn)1，壓輪滾過工件后接觸的最后1 個(gè)節(jié)點(diǎn)定義為點(diǎn)21。在分析中壓輪為剛體，板件材料采用DC03鋼材，材料屬性如表1所示。

表1 板件材料屬性表

為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，采用單邊進(jìn)行有限元分析，模型分為壓輪、工件、壓板和胎膜共4 個(gè)部分。壓輪與工件的相互作用屬性定義為面與面接觸，摩擦系數(shù)為0.02，其余各件接觸面摩擦系數(shù)為0.15。滾邊的模型裝配后如圖4 所示。滾邊工藝中的其他參數(shù)見表2，表中數(shù)值并非全部為定值。翻邊高度、壓輪直徑和TCP-RTP 作為實(shí)驗(yàn)影響因素在后文中將詳細(xì)介紹，且終滾邊時(shí)的TCP-RTP設(shè)為工件厚度與壓板厚度之和的2倍。

圖4 有限元建模

表2 滾邊工藝參數(shù)

4 仿真結(jié)果分析

4.1 波浪現(xiàn)象

采用正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行波浪現(xiàn)象的結(jié)果分析，選取的3組影響因素在實(shí)驗(yàn)中取不同的值，每個(gè)因素取3 組數(shù)據(jù)，正交試驗(yàn)表L9(34)如表3 所示。根據(jù)式（1）～（3）計(jì)算各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的波浪系數(shù)，K1為3 組不同翻邊高度的波浪系數(shù)之和，K2與K3分別為直徑與TCP-RTP 的波浪系數(shù)之和。R為每組K的極差，表示每種影響因素在實(shí)驗(yàn)中的權(quán)重。分析表3中的數(shù)據(jù)可知，波浪系數(shù)越大說明工件滾邊作業(yè)后的波浪程度越明顯。隨著翻邊高度的增加，工件的波浪現(xiàn)象越來越明顯；隨著壓輪直徑的增加，工件的波浪現(xiàn)象先增強(qiáng)后減弱，在較小直徑或較大直徑處存在最優(yōu)值；隨著TCP-RTP的增加，波浪現(xiàn)象逐漸減弱。壓輪直徑與翻邊高度對(duì)波浪現(xiàn)象的影響權(quán)重相對(duì)較大，而TCP-RTP 對(duì)波浪現(xiàn)象的影響權(quán)重相對(duì)較小。

表3 正交試驗(yàn)表

圖5為實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變圖，除工件外其余部分都是解析剛體，為了便于查看效果圖隱藏其余部分模型，文中僅列出1組數(shù)據(jù)圖。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)折彎處的等效應(yīng)力普遍大于其他區(qū)域，工件的波浪現(xiàn)象截面位移圖如圖6所示。

圖5 等效應(yīng)力應(yīng)變圖

圖6 截面位移圖

在工件外側(cè)截面的翻邊最高處選取21個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。初始節(jié)點(diǎn)接觸時(shí)工件的表面位移較大，后續(xù)節(jié)點(diǎn)雖然有波浪現(xiàn)象產(chǎn)生但是位移都沒有初始起點(diǎn)的明顯。分別選取與壓輪接觸時(shí)間較早的3號(hào)點(diǎn)和接觸時(shí)間較晚的18號(hào)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。接觸時(shí)間較早的3 號(hào)點(diǎn)會(huì)更早的趨向穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)壓輪滾過足夠遠(yuǎn)的距離后將不在影響之前距離較遠(yuǎn)的點(diǎn)，而接觸時(shí)間較晚的18 號(hào)點(diǎn)則基本一直受滾邊作業(yè)的影響，持續(xù)到壓輪接近走出工件后才趨向穩(wěn)定狀態(tài)。由此可見壓輪在不同時(shí)間段對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的影響。

圖7 節(jié)點(diǎn)位移圖

4.2 縮進(jìn)脹出現(xiàn)象

在滾邊過程中，縮進(jìn)脹出現(xiàn)象的不同主要是由TCP-RTP 造成［9］，因此選擇TCP-RTP 作為單一影響因素進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，并區(qū)分預(yù)滾邊與終滾邊工況對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的波浪程度，選取波浪現(xiàn)象較小的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于壓輪中心需要打孔并插入轉(zhuǎn)軸，若壓輪直徑過小會(huì)導(dǎo)致打孔后轉(zhuǎn)軸與壓輪強(qiáng)度過低，因此選用翻邊高度為8 mm、壓輪直徑為80 mm來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)共3組，TCP-RTP分別取1.4 mm、1.8 mm和2.2 mm。圖8為終滾邊后的有限元分析結(jié)果圖。

圖8 終滾邊位移圖

結(jié)合圖3 與圖8 所示的位移，基準(zhǔn)面為垂直于胎膜的平面，若工件超出基準(zhǔn)，距離取正值，定為脹出現(xiàn)象；否則取負(fù)值，定為縮進(jìn)現(xiàn)象。不同TCPRTP時(shí)2種滾邊情況的縮進(jìn)脹出值如表4所示。在滾邊壓輪剛壓入工件時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)較大的位移值，數(shù)據(jù)表明在起始處無論是預(yù)滾邊還是終滾邊，起始節(jié)點(diǎn)位移都比其他節(jié)點(diǎn)位移大。隨著TCP-RTP的增加，預(yù)滾邊時(shí)工件的縮進(jìn)量減小，終滾邊時(shí)工件逐漸由極小的縮進(jìn)量變成脹出。預(yù)滾邊基本為縮進(jìn)現(xiàn)象，而終滾邊基本為脹出現(xiàn)象。隨著TCPRTP 增加，無論是哪種滾邊情況，工件尺寸都有增大的趨勢(shì)。

表4 縮進(jìn)脹出數(shù)據(jù)表

5 結(jié)論

針對(duì)滾邊中常見的質(zhì)量缺陷問題，分析了3種主要影響因素對(duì)滾邊質(zhì)量的影響，得出以下結(jié)論：1）翻邊高度對(duì)工件滾邊后的波浪現(xiàn)象影響較大，降低翻邊高度能有效減少工件表面波浪現(xiàn)象；2）壓輪直徑對(duì)工件表面波浪現(xiàn)象有影響，考慮壓輪中部需要插入轉(zhuǎn)軸，因此需要選用直徑較大的壓輪；3）TCP-RTP對(duì)波浪現(xiàn)象和縮進(jìn)與脹出值都有一定影響，隨著TCP-RTP的增加，工件的成形尺寸逐漸增大，縮進(jìn)現(xiàn)象逐漸變?yōu)槊洺霈F(xiàn)象，波浪現(xiàn)象逐漸減弱。文中的研究結(jié)果已應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)際中，在提高滾邊產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)大幅減少了機(jī)器人滾邊工作站的調(diào)試時(shí)間，取得了較好的應(yīng)用效果。