基于UG的雙動(dòng)折邊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析

陳曉龍，畢大森，魏 偉

(1.天津理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300384；2.天津市光電顯示材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；3.天津市電工銅質(zhì)線材企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；4.天津市精密級(jí)進(jìn)模具成型技術(shù)工程中心，天津 300384；5.天津鑫茂天和機(jī)電科技有限公司，天津 300112)

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基于UG的雙動(dòng)折邊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析

陳曉龍1,2，畢大森1,3,4，魏 偉5

(1.天津理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300384；2.天津市光電顯示材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；3.天津市電工銅質(zhì)線材企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；4.天津市精密級(jí)進(jìn)模具成型技術(shù)工程中心，天津 300384；5.天津鑫茂天和機(jī)電科技有限公司，天津 300112)

由于雙動(dòng)折邊機(jī)構(gòu)在汽車覆蓋件包邊模具中被廣泛使用，并且為了提高汽車覆蓋件外緣的包邊尺寸精度和表面質(zhì)量?，F(xiàn)基于UG/Motion運(yùn)動(dòng)分析模塊，對(duì)雙動(dòng)折邊機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬仿真，并分析其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程，機(jī)構(gòu)干涉情況、機(jī)構(gòu)復(fù)位及機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度。

UG；包邊機(jī)構(gòu)；雙動(dòng)折邊機(jī)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)仿真

0 前言

近幾年，隨著我國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，車型更新?lián)Q代速度加快,生產(chǎn)規(guī)模呈現(xiàn)臺(tái)階頻躍，所以對(duì)汽車車身的設(shè)計(jì)制造質(zhì)量，特別是對(duì)汽車覆蓋類零件的質(zhì)量，提出了許多新的要求。由于汽車覆蓋件是由內(nèi)、外板通過包邊設(shè)備包合而成，這些零件大都為空間曲面結(jié)構(gòu)，形狀復(fù)雜，所以其制造質(zhì)量直接影響到汽車的安全性、密封性及外觀。實(shí)現(xiàn)汽車白皮車身的車門、機(jī)蓋、行李箱蓋等零件的內(nèi)、外板扣合包邊的方法有很多，根據(jù)其生產(chǎn)規(guī)模和投資大小、場地要求，可以使用機(jī)械包邊，可以通過手工包邊或半機(jī)械包邊；可以利用壓力機(jī)與包合模具包邊，也可以利用液動(dòng)控制的包邊胎包邊[1]。根據(jù)車身裝配工藝的要求，包邊設(shè)備應(yīng)該包含工件上下料及輸送、工件包邊工作狀態(tài)確定及定位夾緊、工件預(yù)包邊及包邊等多項(xiàng)動(dòng)作[2]。包邊工藝是一種將零件上沖壓產(chǎn)生的上翻邊或下翻邊包彎壓平后，使零件的內(nèi)外板連接在一起的一種裝配工藝[3]。在設(shè)計(jì)包邊設(shè)備時(shí)，為了保證內(nèi)、外包邊的質(zhì)量，需要注意避免預(yù)包邊杠桿及模塊、包邊杠桿及模塊和工件夾緊杠桿各自運(yùn)動(dòng)軌跡相互干涉的現(xiàn)象[4]。

1 雙動(dòng)折邊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)原理

本文針對(duì)汽車覆蓋件包邊模具中的雙動(dòng)折邊機(jī)構(gòu)，根據(jù)型號(hào)HPPL45建立模型，HPPL45實(shí)物如圖1所示，使用UG 軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，分析其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，檢查機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)干涉情況。

圖1 HPPL45實(shí)物圖Fig.1 Actual Product of HPPL45

雙動(dòng)折邊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 雙動(dòng)折邊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Double action hemming mechanism ctructure

由于雙動(dòng)折邊機(jī)構(gòu)各個(gè)機(jī)構(gòu)組成類似一個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)，所以機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是遵循平行四邊形原理。雙動(dòng)折邊機(jī)構(gòu)由一個(gè)裝在三角行狀的塊上的滾輪來提供驅(qū)動(dòng)，借助平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)包邊。運(yùn)動(dòng)過程中，雙動(dòng)折邊機(jī)構(gòu)上的包邊刀塊姿勢保持不變，連接平行四邊形機(jī)構(gòu)上面的各點(diǎn)之間的相對(duì)位置在運(yùn)動(dòng)的過程中不發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)包邊刀塊的平動(dòng)。雙動(dòng)折邊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖如圖3所示。由于拉彈簧的作用，其滾輪始終和斜楔的表面相貼合，所以在運(yùn)動(dòng)的過程中其空間運(yùn)動(dòng)軌跡是確定的。這種機(jī)構(gòu)在板料包邊中的運(yùn)動(dòng)形式比較簡單。裝在雙動(dòng)包邊機(jī)構(gòu)上的包邊刀塊的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)即是刀塊在包邊行程終點(diǎn)的姿態(tài)。并且該機(jī)構(gòu)設(shè)立有限位塊，使機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制在一定范圍內(nèi)，而且適用于彎曲線變化大的地方。

圖3 雙動(dòng)折邊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.3 Double action hemming mechanism

2 雙動(dòng)折邊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

2.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程

選取某型號(hào)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋包邊模具上的雙動(dòng)折邊機(jī)構(gòu)，如圖4所示。雙動(dòng)折邊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程是驅(qū)動(dòng)器裝在汽車覆蓋件包邊模的上模上，基座裝在汽車覆蓋件包邊模的下模上。包邊模的上模下行使驅(qū)動(dòng)器下行，驅(qū)動(dòng)導(dǎo)輪帶動(dòng)三角擺塊、擺塊在銷軸做四連桿運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)回轉(zhuǎn)托架帶動(dòng)鑲塊完成折邊動(dòng)作，包邊模的上模繼續(xù)下行，導(dǎo)輪與驅(qū)動(dòng)器脫開，折邊部分在拉簧作用下回位，上模與下模合模壓合工件，包邊模的上模上行，機(jī)構(gòu)分開完成折邊壓合。托架的運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤如圖5所示，由于平行四邊形運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，托架運(yùn)動(dòng)軌跡近乎直線，所以與此預(yù)包邊機(jī)構(gòu)相連的預(yù)包邊刀塊在運(yùn)動(dòng)過程中的空間姿態(tài)不變，預(yù)包邊刀塊上的每一點(diǎn)都有相同的運(yùn)動(dòng)。由于實(shí)用新型采用四連桿的結(jié)構(gòu)，雙動(dòng)折邊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)使機(jī)構(gòu)具有高強(qiáng)的穩(wěn)定性。而且雙動(dòng)折邊機(jī)構(gòu)成功的把基座部分、驅(qū)動(dòng)部分與包邊部分分離出模具中心，大大節(jié)省了模具的尺寸。

圖4 雙動(dòng)折邊機(jī)構(gòu)在模具上的裝配圖Fig.4 Hemming die assembly parts drawing

圖5 托架的運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤圖Fig.5 Trajectony traking of bracket

2.2 機(jī)構(gòu)干涉分析

雙動(dòng)折邊機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)干涉圖如圖6、圖7所示。若驅(qū)動(dòng)器的自動(dòng)回位裝置(即限位塊)與斜楔之間的間隙不足，從而導(dǎo)致滾輪無法正常沿斜楔運(yùn)動(dòng)，造成驅(qū)動(dòng)器與三角擺塊放生干涉，在大的壓力機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)器工作下，對(duì)驅(qū)動(dòng)器和雙動(dòng)折邊機(jī)構(gòu)造成破壞，所以自動(dòng)回位裝置和斜楔的間隙要選擇合適[7]。間隙過大時(shí)會(huì)在彈簧失效后不能讓包邊刀塊按要求回位，間隙過小時(shí)，導(dǎo)致滾輪不能順利通過發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，在嚴(yán)重的情況時(shí)，包邊機(jī)構(gòu)會(huì)在壓機(jī)力的作用下遭到破壞?？梢酝ㄟ^縮短自動(dòng)回位裝置長度，增大與斜楔之間的間隙，如圖8所示，斜楔與回位裝置之間的間隙為44.34 mm，斜楔回位面與工作面的角度為45°，從而消除滾輪與驅(qū)動(dòng)器之間在運(yùn)功工作中產(chǎn)生的干涉。

圖6 雙動(dòng)折邊機(jī)構(gòu)限位塊與斜楔干涉圖Fig.6 Stnuture interfacence of limted block and cam driver

圖7 雙動(dòng)折邊機(jī)構(gòu)在閉合模具位置Fig.7 Double hemming mechanism position in die closed

圖8 驅(qū)動(dòng)器尺寸示意圖Fig.8 Driver block

基座尾部角度不能太小，要滿足三角擺塊的回程量，否則基座尾部易與三角擺塊產(chǎn)生干涉，使三角擺塊無法正常復(fù)位，照成托架無法復(fù)位，不能保證刀塊與包邊板之間的間隙，從而使折邊精度降低，如圖9所示。

圖9 雙動(dòng)折邊機(jī)構(gòu)基座尾部與三角擺塊干涉圖Fig.9 Structure interfacence of mount and pendulum triangle block

為了消除基座與三角擺塊之間在運(yùn)功工作過程中相互之間的干涉，可將基座，三角擺塊設(shè)計(jì)加工尺寸如圖10和圖11所示?；膊颗c基座上水平面之間角度為150°，基座尾部與基座垂直面角度為135°，三角擺塊的滾輪孔和三角擺塊與基座連接的孔的角度為45°，三角擺塊的后側(cè)角度為148°，從而保證基座與三角擺塊之間在運(yùn)功工作過程中，相互之間不發(fā)生干涉，來保證刀塊與包邊板之間的間隙，從而使提高折邊精度。

圖10 雙動(dòng)折邊機(jī)構(gòu)基座設(shè)計(jì)加工圖Fig.10 Mount of double action hemming mechanism

圖11 雙動(dòng)折邊機(jī)構(gòu)三角擺塊設(shè)計(jì)加工圖Fig.11 The pendulum triangle block of double action hemming mechanism

2.3 機(jī)構(gòu)復(fù)位分析

雙動(dòng)折邊機(jī)構(gòu)復(fù)位拉簧位置如圖12所示。雙動(dòng)折邊機(jī)構(gòu)復(fù)位拉簧的拉簧力變化如圖13所示。包邊模具閉合過程中，彈簧處于拉伸狀態(tài)。托架靠彈簧A和彈簧B平穩(wěn)恢復(fù)到工作前狀態(tài)，在整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中彈簧力變化幾乎為線性變化，圖中最大最小值時(shí)分別為模具在開模，機(jī)構(gòu)在工作點(diǎn)運(yùn)動(dòng)間隙的停止時(shí)間。彈簧B比彈簧A在機(jī)構(gòu)工作點(diǎn)的彈簧力大。

為了滿足機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的確定性，在預(yù)包邊過程中彈簧必須提供足夠的拉力使?jié)L輪始終和斜楔的表面貼合。在預(yù)包邊過程中，斜楔推動(dòng)預(yù)包邊機(jī)構(gòu)的過程較為緩慢。在預(yù)包邊機(jī)構(gòu)上連接有預(yù)包邊刀架和預(yù)包邊刀塊，整個(gè)機(jī)構(gòu)的質(zhì)心重力對(duì)機(jī)構(gòu)中心的轉(zhuǎn)矩在預(yù)包邊完成處最大，此時(shí)彈簧力對(duì)旋轉(zhuǎn)中心的力臂為最短。所以保證彈簧可以將整個(gè)機(jī)構(gòu)拉回位，彈簧的剛度必須保證此時(shí)彈簧力對(duì)旋轉(zhuǎn)中心的力矩大于質(zhì)心重力的力矩。在維護(hù)時(shí),僅更換同一截面若干個(gè)彈簧中的一個(gè)或幾個(gè),即新、舊彈簧混裝,造成承載大小不均,引起承受載荷大的彈簧失效[8]。所以在維護(hù)中，要同時(shí)更換四個(gè)彈簧，以保證造成承載大小分布均勻，保證復(fù)位準(zhǔn)確及時(shí)，以防止刀塊卡在坯料上。

2.4 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度分析

圖14為擺塊與基座連接處速度變化，圖15為擺塊與托架連接處速度變化，圖16為三角擺塊與基座連接處速度變化圖，圖17為三角擺塊與托架連接處速度變化。速度變化幾乎呈拋物線性變化，速度變化沒有大的突變區(qū)域。由四張圖對(duì)比看出，擺塊及三角擺塊在傳動(dòng)中平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，相互運(yùn)動(dòng)配合一致，從而使托架運(yùn)動(dòng)姿勢穩(wěn)定，使刀塊運(yùn)動(dòng)姿態(tài)穩(wěn)定，利于機(jī)構(gòu)進(jìn)行折邊成型。

圖12 雙動(dòng)折邊機(jī)構(gòu)拉簧位置圖Fig.12 The spring position of double action hemming mechanism

圖13 彈簧力變化圖Fig.13 The spring force distribution

圖14 擺塊與基座連接處速度變化 Fig.14 Speed changes of pendulum block and mount

圖15 擺塊與托架連接處速度變化 Fig.15 Speed changes of pendulum block and bracket

圖16 三角擺塊與基座連接處速度變化圖 Fig.16 Speed changes of pendulum triangle bloc and mount

圖17 三角擺塊與托架連接處速度變化Fig.17 Speed changes of pendulum triangle block and bracket

3 結(jié) 論

本文通過UG對(duì)雙動(dòng)折邊機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬分析，看出雙動(dòng)折邊機(jī)構(gòu)采用四連桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使機(jī)構(gòu)具有高強(qiáng)的穩(wěn)定性，基座部分、驅(qū)動(dòng)部分與包邊部分分離出模具中心，大大節(jié)省了模具的尺寸，降低了折邊模具的設(shè)計(jì)難度。但雙動(dòng)折邊機(jī)構(gòu)生產(chǎn)制造裝配后，易造成驅(qū)動(dòng)器與三角擺塊放生干涉，基座尾部與三角擺塊產(chǎn)生干涉。并且由于包邊模具中的包邊機(jī)構(gòu)在模具包邊成型中反復(fù)運(yùn)動(dòng)，應(yīng)定時(shí)檢查更換拉簧，使雙動(dòng)折邊機(jī)構(gòu)能夠準(zhǔn)確復(fù)位。

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Motion simulation analysis technology of double-action hemmingmechanism based on UG

CHEN Xiao-long1,2，BI Da-sen1,3,4, WEI Wei5

(1.School of Materials Science and Engineering Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China；2.Tianjin Key Lab for Photoelectric Materials & Devices, Tianjin 300384, China；3.Tianjin Enterprise Key Laboratory of Cooper Wires for Electrical Purposes, Tianjin 300384, China；4.Tianjin Engineering Research Center of Manufacturing Technology For Precise Die & Mold, Tianjin 300384, China;5.Tianjin XinMaoTianHe Tooling Electronics & Technology Co., Ltd., Tianjin 300112, China)

The double-action hemming mechanism is widely used in the automobile panel hemming die. For improving the dimensional accuracy and the surface quality of the edges of automobile panel, it analyses kinematic of its status by simulation program with UG / Motion motion analysis module.

UG; hemming mechanism; double-action hemming mechanism; motion simulation

2014-05-04；

2014-06-02

天津市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目13ZCZDGX01300

陳曉龍(1989-)，男，天津理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，碩士研究生，研究方向?yàn)槠嚫采w件大型復(fù)合模具多方位精密成形功能模塊。

TH113.2

A

1001-196X(2015)01-0068-05