滾壓包邊成形質(zhì)量缺陷研究

張均華，劉 渝，楊 睿，汪 威

（1.西華大學 機械工程與自動化學院，成都 610039；2.宜賓農(nóng)業(yè)機械研究所，宜賓 644000 ）

0 引言

機器人滾壓包邊工藝是由機械手臂按照預先設(shè)定好的程序軌跡來控制滾輪工具，將汽車外板翻折到一定角度，并最終包住內(nèi)板的一種包邊工藝如圖1和圖2所示。

圖1 機器人滾壓包邊工藝

圖2 汽車車門的包邊

汽車制造業(yè)通常采用的機器人滾壓包邊裝備系統(tǒng)主要包括：滾邊胎膜定位夾緊系統(tǒng)、滾輪組件系統(tǒng)、機器人及其控制系統(tǒng)[1]，如圖3所示。

圖3 機器人滾壓包邊工作站

從成形的角度，滾壓包邊成形的變形過程主要由翻邊、預包邊和終包邊來完成，如圖4所示。

圖4 包邊的三個過程

國外對機器人包邊研究較早，機器人滾壓包邊系統(tǒng)在汽車工業(yè)也得到了大量的應(yīng)用。S.Thuillier等通過對鋁鎂合金的數(shù)值模擬分析，研究了不同本構(gòu)材料的力學性質(zhì)，并比較了滾壓包邊和傳統(tǒng)包邊過程中包邊力和包邊變形位移變化情況[2]。Simom Chaker等通過在滾輪上安裝一個可壓縮流體減震器，來監(jiān)測滾邊壓力，并申請了專利[3]。Dongok Kim等采用數(shù)值模擬技術(shù)和實驗方法，分析了鋁合金板在滾邊過程中的應(yīng)力情況[4]。Babak Saboori和Behzad Saboori等通過引入快速滾壓包邊工藝來來減少包邊生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率[5]。

國內(nèi)在滾壓包邊的應(yīng)用及研究方面相對起步晚，目前各高校及汽車生產(chǎn)廠家還處于跟蹤研究階段。上海交通大學張如飛等通過NURBS曲面方程和運動學正反解推導，研究了機器人六關(guān)節(jié)角運動對機器人包邊的影響[6]。北京克萊斯勒汽車公司的宋宏偉，詳細闡述了滾壓包邊角部成形難點、直邊波浪變形、成形后外板表面質(zhì)量等問題并提出了相應(yīng)的解決方案[7]。上海交通大學的林中欽等人研究出了具有回轉(zhuǎn)工作臺的并聯(lián)式機器人包邊系統(tǒng)[8]。

包邊成形過程的工藝參數(shù)調(diào)整及對成形過程的認識是控制包邊質(zhì)量的關(guān)鍵。本文通過將滾壓包邊力學模型與有限元模擬相結(jié)合，研究了平面-直線型滾壓包邊過程中不同工藝參數(shù)對包邊波紋起皺影響。研究了TCPRTP、滾輪直徑、翻邊圓角以及摩擦系數(shù)對包邊過程中的起皺波紋的影響。

1 滾壓包邊有限元模擬及分析

1.1 有限元模型及參數(shù)

板料在滾壓包邊過程極其復雜[9]，板料成形后極易產(chǎn)生質(zhì)量缺陷，如卷入/卷出、翹曲、回彈、波紋起皺等。波紋起皺是由于滾輪在與外板接觸進行的過程中，板料面內(nèi)壓應(yīng)力達到足夠使板料在滾邊方向產(chǎn)生失穩(wěn)時，就會引起波紋起皺。如圖5所示，當滾輪滾壓到B區(qū)域時，B區(qū)域板料纖維被拉長（LB>LA=LC），其他區(qū)域纖維長度沒有變化。隨著時間的變化，滾輪移動到C區(qū)域，C區(qū)域板料纖維被拉長（LC>LB），此時B區(qū)域板料纖維與A區(qū)域板料纖維長度相同（LA=LB）。當LB由大于LA變?yōu)長A=LB時，LB受到壓應(yīng)力，從而引起了板料的失穩(wěn)起皺。

圖5 滾壓過程中板料成型

考慮圖6(a)所示滾邊幾何模型，翻邊時凹模圓角半徑Rd=0.7mm，凸模圓角半徑Rp=1.3mm，翻邊高度h=9.3mm；包邊過程分為兩道次：900-450-00，內(nèi)板和外板厚度t=1mm，內(nèi)板距離翻邊凹模距離為2mm，翻邊凸凹模間隙C=1.2mm。數(shù)值模擬采用的材料是Al-Mg合金，其彈性模量E=200GPa，σs=139MPa，σb=190MPa，泊松比為v=0.3。有限元模型如圖6(b)所示。

圖6 滾壓包邊有限元模型

1.2 計算結(jié)果

在計算中，如圖7選取翻邊邊緣每5mm附近的節(jié)點，共15個節(jié)點做為計算的參考數(shù)值，并用標準差s來表示波紋的大小。

其中hi是n個節(jié)點的Y軸方向距離，h是所有選取點距離平均值。

圖7 波紋測量點

1.2.1 滾輪直徑對起皺波紋大小的影響

滾壓過程中，滾輪直徑大小對薄板起皺波紋有很大影響，滾輪直徑對波紋值s如表1所示，相應(yīng)起皺波紋如圖8所示。

隨著滾輪工具的不斷運動，薄板與滾輪接觸部分不斷被擠壓成弧形。滾輪直徑越小導致板料接觸部分的纖維弧長與周圍部分的板料纖維長度的差值比較大，薄板內(nèi)應(yīng)力集中就越大，引起的起皺波紋也比大滾輪滾壓過程中的起皺波紋大。因此滾壓包邊過程中，滾輪直徑越大，起皺波紋越小，包邊成形質(zhì)量越好。而工程實際中，考慮到板料變形較大，安裝空間較小等原因，應(yīng)在工藝要求許可的范圍選擇較大直徑的滾輪。

表1 不同滾輪直徑的s值

圖8 不同滾輪直徑波紋曲線

1.2.2 TCP-RTP對起皺波紋大小的影響

機器人工具中心點與胎膜邊緣線上的目標點的距離稱為TCP-RTP值。根據(jù)工藝要求，預滾邊的TCP-RTP值是不斷變化的，而終滾邊TCP-RTP值為：2×外板厚+內(nèi)板厚+涂膠厚度。滾輪在預滾邊過程中下降不斷翻折薄板，TCP-RTP越小，薄板的翻折程度越厲害，與滾輪相接觸的板料弧長越長，受到的內(nèi)應(yīng)力越大。當這種內(nèi)應(yīng)力無法釋放時，就會引起板料翻邊部分失穩(wěn)產(chǎn)生波紋，內(nèi)應(yīng)力越大，波紋越大。TCP-RTP對波紋值s的影響如表2，相應(yīng)的起皺波紋如圖9所示。

表2 不同TCP-RTP距離的s值

圖9 不同TCP-RTP距離波紋曲線

1.2.3 翻邊圓角半徑對起皺波紋大小的影響

翻邊圓角半徑主要是指在翻邊過程中凹模圓角半徑。圓角半徑越小，板料的剛性越大，越不容易變形。隨著滾輪的下降和滾動，圓角越小的薄板，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力越大。當內(nèi)應(yīng)力無法釋放時，薄板邊緣就會產(chǎn)生起皺波紋，圓角半徑越小，起皺波紋越大。翻邊圓角半徑對波紋值s的影響如表3所示，相應(yīng)的起皺波紋如圖10所示。

表3 不同翻邊圓角半徑的s值

圖10 不同翻邊圓角半徑波紋曲線

2 結(jié)束語

本文在分析滾邊過程波紋產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上，建立滾壓包邊有限元模型，通過對平面-直邊輪廓包邊過程進行研究。得出了滾輪直徑、TCP-RTP大小及翻邊圓角半徑對包邊起皺波紋的影響關(guān)系。滾輪直徑越小、TCPRTP越小及翻邊圓角半徑越小，薄板在滾壓過程中的起皺波紋越大。雖然終滾邊對預滾邊過程中產(chǎn)生的波紋有修復平整作用，但預滾邊過程中產(chǎn)生的波紋的大小對最終包邊質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用。

[1]陳勇.機器人滾輪包邊工藝及應(yīng)用[J].汽車工藝與材料,2011.8:53-58.

[2]S.Thuillier,N.Le Maout,P.Y.Manach.Numerical simulation of the roll hemming process[J].Journal of Materials Processing Technology,2008:226-233.

[3]Simon Chaker,Ranganathan，Padmanabhan.Pressure monitoring method for roller hemming.USA,US7204116[P].2007-04-05.

[4]Dongok Kim, Dongwoo Shin, Youngsik Yoon.The study of residual stresses for roller hemmed Aluminum Alloys[J].Advanced materials research,2007:397-400.

[5]Babak Saboori,Behzad Saboori,Johan S.Carlson, Rikard S?derberg.Introducing Fast Robot Roller Hemming Process in Automotive Industry[J].World Academy of Science, Engineering and Technology,2009:503-506.

[6]張如飛,車門板包邊機器人六關(guān)節(jié)角運動分析[J].機械設(shè)計與研究,2005.8:88-90.

[7]宋宏偉.機器人滾邊技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用[J].機械工人,2007.10:25-27.

[8]林忠欽,陳關(guān)龍.具有回轉(zhuǎn)工作臺的并聯(lián)式機器人包邊系統(tǒng):中國,CN1669694[P].2005-09-21.

[9]朱久友.機器人滾壓成形工藝研究.合肥工業(yè)大學[D].2013.