王健強(qiáng), 程劍峰, 王 瑋

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽合肥 230009;2.機(jī)械工業(yè)第一設(shè)計研究院,安徽 蚌埠 233017)

0 引 言

機(jī)器人滾邊[1]是指2個鈑金件裝配(主要是門蓋類開閉件的內(nèi)外板合裝)時采用一個零件折邊包裹住另一個零件周邊的連接方式,即將外板翻折包裹住內(nèi)板,使之壓合成為一體,實現(xiàn)裝配的過程,以增加門蓋總成的整體強(qiáng)度和剛性。

本文主要結(jié)合汽車門蓋產(chǎn)品結(jié)構(gòu),闡述了機(jī)器人滾邊的工藝過程,并對常見包邊的類型進(jìn)行了簡要敘述,最后利用有限元分析軟件對在不同滾輪直徑下板件的彎曲變形進(jìn)行受力分析。

1 機(jī)器人滾邊工藝

機(jī)器人滾邊工藝是由機(jī)器人按照預(yù)先設(shè)定的程序和軌跡控制滾邊工具的運(yùn)動,將部件按照相應(yīng)的程序進(jìn)行折邊處理。其滾邊過程同傳統(tǒng)包邊形式相同,分為翻邊、預(yù)包邊及終包邊3個步驟。滾邊將經(jīng)過沖壓翻邊的板料折疊到180°,美化了零件的外觀,保證了零件外表面的光整平滑,且沒有壓痕、凹陷、凸包等一些質(zhì)量缺陷,提高了汽車的整體外觀和密封性能,同時也增強(qiáng)了整體的強(qiáng)度和剛性。

根據(jù)不同的板件材料和板件的內(nèi)外部幾何結(jié)構(gòu),綜合考慮生產(chǎn)節(jié)拍,機(jī)器人滾邊將采用一次或多次預(yù)包邊,每次的翻折角度為 30°或45°。另外,滾邊工藝的路徑設(shè)置采用正反交叉式,即上一次滾邊的終點,作為下一次滾邊的起點,以避免誤差累積。根據(jù)板件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度,保證翻邊質(zhì)量,避免滾邊過程中出現(xiàn)壓痕、褶皺等滾邊缺陷,滾邊時機(jī)器人壓力視具體情況進(jìn)行調(diào)整,滾邊壓力過小,可能導(dǎo)致內(nèi)板包不住,而壓力過大,則會引起板件表面出現(xiàn)壓痕等缺陷,影響滾邊質(zhì)量。一般情況下,對于鋼材,預(yù)包邊力為400～700 N,終包邊力為1 000～1 500 N;對于鋁材,預(yù)包邊力為300～650 N,終包邊力為900～1 250 N[2]。

1.1 機(jī)器人滾邊系統(tǒng)的組成

一個典型的機(jī)器人滾邊系統(tǒng)一般由機(jī)器人系統(tǒng)、滾輪功能包、胎膜夾具系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)以及電控系統(tǒng)組成,如圖1所示。

圖1 機(jī)器人滾邊系統(tǒng)工作站

1.2 常見包邊類型

機(jī)器人滾邊是包邊的一種,包邊主要用于汽車外覆蓋件中的四門兩蓋,另外,翼子板、輪罩、頂蓋天窗、C柱等也逐漸采用包邊工藝[3]。這些工件大都為空間曲面結(jié)構(gòu),形狀復(fù)雜。但從其斷面分析,包邊主要類型有普通包邊、水滴包邊、楔邊包邊和特殊包邊4種[4],如圖2所示,其中,又以普通包邊應(yīng)用最為廣泛,是目前最常用的類型。

圖2 常見的包邊類型

另外,包邊工藝根據(jù)包邊母線和包邊平面的不同,又可分為平面直邊包邊、平面曲邊包邊、曲面直邊包邊及曲面曲邊包邊4種[4]。在實際應(yīng)用中,以平面直邊包邊最為常見。

2 機(jī)器人滾邊的有限元分析

滾邊工藝中,經(jīng)常會出現(xiàn)波浪起伏等質(zhì)量缺陷,引起此質(zhì)量問題的因素很多,如板件的外形尺寸、滾輪直徑、滾邊的步數(shù)、速度、滾邊壓力等,但是滾輪直徑的大小對其影響很大,現(xiàn)在針對同等條件下不同直徑的滾輪對包邊施壓產(chǎn)生的形變進(jìn)行分析。由于滾邊為大變形的加工制造過程,屬于典型的非線性有限元分析[5,6]問題,故采用ABAQUS[7,8]分析軟件,對其進(jìn)行有限元仿真分析。

ABAQUS軟件為法國達(dá)索公司產(chǎn)品,2007年公司更名為SIM ULIA[8]。ABAQUS是功能強(qiáng)大的有限元軟件,可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng),模擬非常龐大的模型,處理高度非線性問題。ABAQUS不但可以做單一零件的力學(xué)和多物理場的分析,同時還可以完成系統(tǒng)級的分析和研究。

研究所用的材料為0.8 mm厚的深沖用冷軋?zhí)妓劁揝PCEN,其基本拉伸試驗測試的材料數(shù)據(jù)如下:彈性模量為210 GPa,泊松比為0.3,屈服應(yīng)力為180 MPa,應(yīng)變硬化系數(shù)為0.22,預(yù)應(yīng)變?yōu)?.008 46,材料密度為7 800 kg/m3。

由于滾邊工藝的特殊性,滾邊工具由不同形狀和尺寸的滾輪組成,如圖3所示,先針對圓柱輪(直徑54 mm)和小圓柱輪(直徑17 mm)在滾邊壓力為700 N、45°預(yù)包邊的情況下進(jìn)行分析。

圖3 滾邊工具示意圖

首先利用ABAQUS進(jìn)行板件受力的仿真建模,初始翻邊角度為90°,待包邊的翻邊長度為9 mm,仿真模型見文獻(xiàn)[7]。

經(jīng)過仿真運(yùn)行得出54 mm滾輪和17 mm滾輪的應(yīng)力情況,如圖4所示。

在滾邊工藝過程中不同區(qū)域的應(yīng)變不同,以滾輪處為界,前后應(yīng)變狀態(tài)正好相反。根據(jù)圖4中顏色的不同來區(qū)分應(yīng)力狀態(tài),應(yīng)力的峰值主要集中在與滾輪直接接觸處。與大滾輪相比,小滾輪的應(yīng)力峰值更大,即利用小滾輪滾邊時,板件的應(yīng)力較大,且其變化范圍為358～-316 MPa,而大滾輪的應(yīng)力多集中在150～-150 MPa,因此小滾輪的翻邊形變較大。通過對滾邊工藝壓力的仿真分析,得出圖5所示結(jié)果。

圖4 不同滾輪的應(yīng)力分析

圖5 不同滾輪的壓力分析

從圖5中可以清楚地看出,滾邊過程中壓力主要集中在滾輪之前,即滾輪即將接觸的區(qū)域,且小滾輪產(chǎn)生的壓力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大滾輪。綜合分析,與大滾輪相比,小滾輪產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變都較大,其反映在滾邊質(zhì)量上,則為小滾輪更易導(dǎo)致板件出現(xiàn)波浪起伏等缺陷,因此在滾邊工藝中,應(yīng)多方面考慮,結(jié)合板件的外形合理選擇滾輪直徑,以保證滾邊質(zhì)量。

3 結(jié)束語

本文對機(jī)器人滾邊工藝進(jìn)行了研究,并得出了一般情況下鋼材和鋁材的包邊力的大小,并對常見包邊的類型進(jìn)行了簡要的闡述,最后利用ABAQUS軟件對不同滾輪直徑下板件的彎曲變形進(jìn)行了受力分析,得到同等情況下,大直徑滾輪性能要優(yōu)于小直徑滾輪的性能,可以對后期的實際項目起到很高的參考作用。

[1]張如飛.車身門蓋件機(jī)器人包邊運(yùn)動規(guī)劃與仿真[D].上海:上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院,2005.

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

[3]劉春利,李雪蓮.白車身焊裝線機(jī)器人控制理論及方法[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2009,32(Z1):115-119.

[4]Livatyi H.Computed aided process design of selected sheet metal bending processes:bending and flanging&hemming[R].Columbus:College of Engineering,the Ohio State University,1998.

[5]王國強(qiáng).實用工程數(shù)值模擬技術(shù)及其 ANSYS上的應(yīng)用[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2000:109.

[6]董湘懷.材料成形計算機(jī)模擬[M].第2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006:121.

[7]張學(xué)東.平面直邊包邊工藝的有限元分析[D].上海:上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院,2009.

[8]石亦平,周玉蓉.ABAQ US有限元分析實例詳解[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006:153.