基于前門(mén)外板包邊間隙的研究

陸軍合， 梁迪迪， 申丹鳳， 譚世琛， 李麗坤， 譚必丁

（1.湖南湖大艾盛汽車開(kāi)發(fā)有限公司 柳州分公司， 廣西 柳州 545000；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司， 廣西 柳州 545000）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，消費(fèi)者的追求越來(lái)越高，在購(gòu)買(mǎi)汽車時(shí)，除了追求更高的配置、更好的安全性，同時(shí)也更加注重美觀。汽車車門(mén)間隙的匹配影響整車的美觀，如何保證外覆蓋件之間的匹配質(zhì)量成為各大主機(jī)廠的重要關(guān)注點(diǎn)之一。

外觀匹配是工程師的主要處理對(duì)象，其目標(biāo)是保證生產(chǎn)的零件符合公差要求、與匹配件的匹配狀態(tài)符合尺寸技術(shù)要求（dimension technical specification，DTS），零件的后續(xù)整改也是依據(jù)其技術(shù)要求進(jìn)行指導(dǎo)。但在實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)常出現(xiàn)各匹配件均符合圖紙公差要求，在各自的檢具上表現(xiàn)均為合格，然而零件相互安裝匹配時(shí)間隙、面差卻出現(xiàn)不合格的問(wèn)題[1-2]。為解決此問(wèn)題，工程師通過(guò)開(kāi)發(fā)總成檢具，在檢具上將零部件按圖紙基準(zhǔn)進(jìn)行安裝和調(diào)整，實(shí)現(xiàn)匹配狀態(tài)的展示，指導(dǎo)模具修整。

門(mén)蓋類零件的匹配間隙受外板與內(nèi)板匹配包邊后的輪廓影響，包邊后總成的外輪廓越接近DTS，總成的合格率越高，質(zhì)量越好，因此包邊后的外輪廓尺寸是評(píng)估總成質(zhì)量的重要指標(biāo)。

1 匹配間隙影響因素及現(xiàn)狀

從車門(mén)裝配工藝角度考慮，車門(mén)匹配間隙（見(jiàn)圖1）影響因素如下：產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過(guò)程（包含車身尺寸偏差、車門(mén)尺寸偏差、車門(mén)裝調(diào)精度、總裝裝配精度）、人員操作。要提升車門(mén)匹配間隙，需對(duì)這些因素進(jìn)行分析并采取措施，現(xiàn)重點(diǎn)從車門(mén)包合輪廓精度的影響因素進(jìn)行分析。外板翻邊尺寸包括但不限于翻邊高度FH、翻邊角度FA、咬合損失量RL，外板包邊長(zhǎng)度FD，如圖2所示。

圖2 包合參數(shù)

其中，咬合損失量RL=包邊縮進(jìn)量（矢量方向?yàn)樨?fù)）或包邊漲出量（矢量方向?yàn)檎ＲШ蠐p失量是總成零件尺寸檢測(cè)中至關(guān)重要的因素，表現(xiàn)為尺寸檢測(cè)中的間隙大小。咬合損失量過(guò)大，則與匹配件匹配間隙變小，可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)盈配合，影響零件安裝；咬合損失量過(guò)小，則與匹配件匹配間隙變大，影響整車美觀，當(dāng)前車間生產(chǎn)主要存在的問(wèn)題如下。

（1）單件檢測(cè)合格率92%，包邊后總成檢測(cè)合格率下降至85%左右，其中切邊/型面檢測(cè)點(diǎn)的合格率從91.29%降至87.22%。

（2）總成零件合格率下降，大部分情況下返回單件進(jìn)行調(diào)試整改，增加調(diào)試難度和工作量，影響整車的生產(chǎn)節(jié)拍。

（3）局部區(qū)域分析發(fā)現(xiàn)，單件零件尺寸表現(xiàn)不理想，總成零件尺寸卻表現(xiàn)合格的狀態(tài)，反之亦然。零件某些區(qū)域尺寸受焊接、包邊等后工序的影響較大，調(diào)試之前難以發(fā)現(xiàn)。

現(xiàn)利用有限元軟件對(duì)某車型前門(mén)進(jìn)行包邊模擬分析，研究前門(mén)直邊段包邊后邊界的咬合損失量的變化規(guī)律。

2 前門(mén)外板包邊工藝設(shè)計(jì)

工藝設(shè)計(jì)前準(zhǔn)備所需的外板、關(guān)聯(lián)內(nèi)板、相互匹配的玻璃導(dǎo)槽數(shù)模及包邊分析所用到的板料信息，試驗(yàn)用到的零件信息如表1 所示。包邊所需零件如圖3所示。

表1 零件信息

標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器人滾邊為三次滾邊，為了提高生產(chǎn)效率，兩次滾邊的應(yīng)用越來(lái)越多，滾邊速度影響生產(chǎn)節(jié)拍，更影響滾邊質(zhì)量[3]。滾輪類型及尺寸影響機(jī)器人負(fù)載與滾邊質(zhì)量，其由零件的形狀類型及需滾邊區(qū)域的空間所決定。滾邊壓力應(yīng)選取合理，壓力過(guò)小時(shí)不能完成包邊，壓力過(guò)大時(shí)會(huì)出現(xiàn)壓痕。圖4 所示為某車型前門(mén)外板包邊工藝路線，包含其包邊預(yù)壓軌跡、主壓軌跡。主壓方向與預(yù)壓相反，即預(yù)壓結(jié)束后，相同的機(jī)器人由大滾頭切換成小滾頭進(jìn)行主壓，原路返回。其中R1、R2、R3、R4為包邊機(jī)器人。

圖4 某車型前門(mén)外板包邊工藝路線

圖5所示為該車型前門(mén)外板包邊工藝對(duì)應(yīng)的包邊機(jī)器人的布局，機(jī)器人R1兼顧上料搬運(yùn)及底邊滾邊，機(jī)器人R2 進(jìn)行B 柱側(cè)及部分上窗框滾邊，機(jī)器人R3 進(jìn)行A 柱側(cè)及部分上窗框滾邊，機(jī)器人R4 進(jìn)行內(nèi)窗框三條邊滾邊，R5 搬運(yùn)下料?？恐虚g的CB1、CB2、CB3、CB4為機(jī)器人軌跡校準(zhǔn)點(diǎn)。

圖5 某車型前門(mén)外板包邊機(jī)器人布局

3 前門(mén)外板包邊仿真分析

在工藝設(shè)計(jì)階段，一般通過(guò)經(jīng)驗(yàn)預(yù)估咬合損失量，但實(shí)際咬合損失量與預(yù)估總存在一定偏差[4]。現(xiàn)通過(guò)仿真對(duì)3種不同應(yīng)力狀態(tài)的零件進(jìn)行包邊模擬，對(duì)比哪種狀態(tài)的零件獲得的咬合損失量與實(shí)際結(jié)果更吻合。

3.1 包邊仿真參數(shù)設(shè)置

在進(jìn)行仿真分析前，要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的包邊情況確定滾頭數(shù)量、滾輪運(yùn)動(dòng)方向及軌跡、滾輪類型及尺寸、預(yù)壓壓力與主壓壓力等。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采用兩次滾邊進(jìn)行模擬分析，在軟件分析建模中導(dǎo)入相關(guān)的零件，設(shè)定好滾輪參數(shù)。機(jī)器人R1、R2、R3 均使用圖6 所示的V10 加寬滾頭進(jìn)行滾邊，使用φ90 mm 的大滾頭進(jìn)行主壓和預(yù)壓滾邊，φ17 mm小滾頭僅進(jìn)行小角落的局部修邊。機(jī)器人R4 使用圖7 所示TR-V2 窗框滾頭進(jìn)行滾邊，預(yù)壓使用錐形滾頭，主壓使用φ17 mm平滾頭。

圖6 V10加寬滾頭

圖7 TR-V2窗框滾頭

參考圖8所示滾邊工藝對(duì)零件進(jìn)行預(yù)壓和主壓的參數(shù)設(shè)置，預(yù)壓角度根據(jù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，主壓為外板壓合內(nèi)板，角度設(shè)為0。機(jī)器人R1、R2、R3預(yù)壓角度設(shè)置45°，預(yù)壓壓力設(shè)置500 N，主壓角度為0，主壓壓力設(shè)置1 000 N。機(jī)器人R4 使用錐形滾頭進(jìn)行預(yù)壓，預(yù)壓角度設(shè)置30°，預(yù)壓壓力設(shè)置500 N，主壓角度為0，主壓壓力設(shè)置1 000 N。圖9 所示為軟件設(shè)置參數(shù)后的效果，設(shè)定滾頭參數(shù)后，開(kāi)始定義TCP-RTP 值（胎模邊緣線上的各點(diǎn)即滾輪的目標(biāo)點(diǎn)，稱為機(jī)器人目標(biāo)點(diǎn)RTP；滾輪母線上的點(diǎn)稱為機(jī)器人工具中心點(diǎn)TCP，兩點(diǎn)的距離稱為T(mén)CP-RTP值）[5-6]，如圖10 所示。在滾邊的過(guò)程中，TCP-RTP 值保持不變。

圖8 滾邊工藝

圖9 參數(shù)設(shè)置后的效果

圖10 TCP-RTP示意圖

3.2 不同應(yīng)力狀態(tài)的零件包邊仿真對(duì)咬合量的影響

在軟件中設(shè)置上述工具體參數(shù)后，導(dǎo)入零件狀態(tài)信息。為了驗(yàn)證不同應(yīng)力狀態(tài)的外板零件對(duì)包邊分析結(jié)果的影響，在其他設(shè)置保持不變的情況下，分別定義了3種外板板料。

（1）板料1：原始板料，沒(méi)有經(jīng)過(guò)拉伸，無(wú)應(yīng)力應(yīng)變、無(wú)回彈，板料厚度與設(shè)定值相同，為恒定值。

（2）板料2：考慮拉伸應(yīng)力，即經(jīng)過(guò)軟件SE 分析后，板料內(nèi)部發(fā)生應(yīng)力應(yīng)變，存在不同程度的減薄等，但不考慮零件的回彈量。

（3）板料3：考慮拉伸應(yīng)力，即經(jīng)過(guò)軟件SE 分析后，板料內(nèi)部發(fā)生應(yīng)力應(yīng)變，存在不同程度的減薄等，同時(shí)考慮零件經(jīng)過(guò)拉伸應(yīng)變后應(yīng)力釋放產(chǎn)生的回彈量。

板料1 參數(shù)設(shè)置成初始值，減薄率及回彈值都為0；板料2 與板料3 考慮零件正常拉伸，零件減薄率相同，如圖11 所示。板料2 不考慮回彈值，即回彈值為零，板料3 考慮零件的回彈，如圖12 所示。將3種不同應(yīng)力狀態(tài)的零件信息輸入包邊仿真軟件進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)設(shè)置，并提交求解器計(jì)算，圖13 所示為截取前門(mén)后端B柱一側(cè)咬合損失量的仿真結(jié)果。

圖11 3種板料零件初始減薄率對(duì)比

圖13 不同板料咬合損失量計(jì)算值

4 仿真結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)零件測(cè)點(diǎn)位置，測(cè)量軟件中相應(yīng)位置的咬合損失量值。對(duì)比圖14軟件分析結(jié)果，框內(nèi)的縮進(jìn)量和圖15中間隙方向指向可知，現(xiàn)場(chǎng)間隙實(shí)測(cè)值方向與軟件測(cè)量恰好相反，即軟件分析為負(fù)值時(shí)，表現(xiàn)為與匹配件匹配的間隙變大；而現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量為負(fù)值時(shí)，表現(xiàn)為與匹配件的匹配間隙變小。由于軟件分析是在理想狀態(tài)下進(jìn)行，多次分析對(duì)比相同位置數(shù)值變化不大，所以驗(yàn)證時(shí)取其中一組仿真分析數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)多次測(cè)量平均值（以下統(tǒng)稱實(shí)測(cè)值）進(jìn)行對(duì)比。圖16 所示為截取前門(mén)后端B 柱一側(cè)咬合損失量的測(cè)點(diǎn)分布。

圖14 軟件分析包邊截面

圖15 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量面差與間隙示意

圖16 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)位置

根據(jù)表2 可以得出，板料1 與實(shí)測(cè)值最大差值為0.479 mm，最小差值為0.009 mm，平均差值為0.176 mm；板料2 與實(shí)測(cè)值最大差值為0.373 mm，最小差值為0.017 mm，平均差值為0.132 mm；板料3與實(shí)測(cè)值最大差值為0.397 mm，最小差值為0.019 mm，平均差值為0.125 mm。這說(shuō)明板料3的數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)更貼近。

表2 測(cè)量數(shù)值 mm

根據(jù)圖17 可以發(fā)現(xiàn)，3 種板料分析結(jié)果走勢(shì)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)一致，板料3 分析數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)更加相近。根據(jù)圖18 可以發(fā)現(xiàn)，板料2 和板料3 的分析結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的差值相近，但板料3 的分析值與實(shí)測(cè)值之差更小。

圖17 測(cè)點(diǎn)數(shù)值變化曲線

圖18 分析值與實(shí)測(cè)值的差值曲線

由圖16 可知，測(cè)點(diǎn)9 位于水切面上，兩側(cè)都存在圓角過(guò)渡，過(guò)渡相對(duì)急劇，且包邊面的長(zhǎng)度為2.5 mm 左右，與其他測(cè)點(diǎn)的包邊面長(zhǎng)度6.5～7.5 mm 存在較大的差距。包邊面越短，包邊質(zhì)量越難控制，因此導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)9測(cè)量數(shù)據(jù)突出，但整體趨勢(shì)一致，對(duì)結(jié)果的比較不構(gòu)成影響。

根據(jù)以上驗(yàn)證結(jié)果，在另一個(gè)項(xiàng)目的前門(mén)外板進(jìn)行相同的分析驗(yàn)證，截取A 柱側(cè)直邊位置（見(jiàn)圖19）進(jìn)行對(duì)比分析。由圖20可知，3種材料的分析值與實(shí)測(cè)值走勢(shì)基本一致，且板料3 的分析值與實(shí)測(cè)值更為貼近，驗(yàn)證了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

圖19 測(cè)點(diǎn)位置

圖20 分析值與實(shí)測(cè)值走勢(shì)

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)軟件的理論分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)綜合對(duì)比表明，對(duì)于前門(mén)外板，利用柔性板料3（同時(shí)考慮拉深應(yīng)力及回彈值）進(jìn)行包邊分析，其咬合損失量分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)走勢(shì)基本一致，且分析數(shù)值與實(shí)測(cè)數(shù)值也更為貼近。對(duì)于其他外覆蓋件，其包邊后的間隙表現(xiàn)、走勢(shì)方向等需配合有限元軟件結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析，進(jìn)一步去研究與探討。