張均華，劉 渝，楊 睿，汪 威

（1.西華大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，成都 610039；2.宜賓農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，宜賓 644000 ）

0 引言

機(jī)器人滾壓包邊工藝是由機(jī)械手臂按照預(yù)先設(shè)定好的程序軌跡來(lái)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(jī)器人滾壓包邊工藝

圖2 汽車車門(mén)的包邊

汽車制造業(yè)通常采用的機(jī)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(jī)器人及其控制系統(tǒng)[1]，如圖3所示。

圖3 機(jī)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(guò)程主要由翻邊、預(yù)包邊和終包邊來(lái)完成，如圖4所示。

圖4 包邊的三個(gè)過(guò)程

國(guó)外對(duì)機(jī)器人包邊研究較早，機(jī)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(guò)對(duì)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(xué)性質(zhì)，并比較了滾壓包邊和傳統(tǒng)包邊過(guò)程中包邊力和包邊變形位移變化情況[2]。Simom Chaker等通過(guò)在滾輪上安裝一個(gè)可壓縮流體減震器，來(lái)監(jiān)測(cè)滾邊壓力，并申請(qǐng)了專利[3]。Dongok Kim等采用數(shù)值模擬技術(shù)和實(shí)驗(yàn)方法，分析了鋁合金板在滾邊過(guò)程中的應(yīng)力情況[4]。Babak Saboori和Behzad Saboori等通過(guò)引入快速滾壓包邊工藝來(lái)來(lái)減少包邊生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率[5]。

國(guó)內(nèi)在滾壓包邊的應(yīng)用及研究方面相對(duì)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(xué)張如飛等通過(guò)NURBS曲面方程和運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解推導(dǎo)，研究了機(jī)器人六關(guān)節(jié)角運(yùn)動(dòng)對(duì)機(jī)器人包邊的影響[6]。北京克萊斯勒汽車公司的宋宏偉，詳細(xì)闡述了滾壓包邊角部成形難點(diǎn)、直邊波浪變形、成形后外板表面質(zhì)量等問(wèn)題并提出了相應(yīng)的解決方案[7]。上海交通大學(xué)的林中欽等人研究出了具有回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的并聯(lián)式機(jī)器人包邊系統(tǒng)[8]。

包邊成形過(guò)程的工藝參數(shù)調(diào)整及對(duì)成形過(guò)程的認(rèn)識(shí)是控制包邊質(zhì)量的關(guān)鍵。本文通過(guò)將滾壓包邊力學(xué)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(guò)程中不同工藝參數(shù)對(duì)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(duì)包邊過(guò)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(guò)程極其復(fù)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(jìn)行的過(guò)程中，板料面內(nèi)壓應(yīng)力達(dá)到足夠使板料在滾邊方向產(chǎn)生失穩(wěn)時(shí)，就會(huì)引起波紋起皺。如圖5所示，當(dāng)滾輪滾壓到B區(qū)域時(shí)，B區(qū)域板料纖維被拉長(zhǎng)（LB>LA=LC），其他區(qū)域纖維長(zhǎng)度沒(méi)有變化。隨著時(shí)間的變化，滾輪移動(dòng)到C區(qū)域，C區(qū)域板料纖維被拉長(zhǎng)（LC>LB），此時(shí)B區(qū)域板料纖維與A區(qū)域板料纖維長(zhǎng)度相同（LA=LB）。當(dāng)LB由大于LA變?yōu)長(zhǎng)A=LB時(shí)，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(guò)程中板料成型

考慮圖6(a)所示滾邊幾何模型，翻邊時(shí)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(guò)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(jì)算結(jié)果

在計(jì)算中，如圖7選取翻邊邊緣每5mm附近的節(jié)點(diǎn)，共15個(gè)節(jié)點(diǎn)做為計(jì)算的參考數(shù)值，并用標(biāo)準(zhǔn)差s來(lái)表示波紋的大小。

其中hi是n個(gè)節(jié)點(diǎn)的Y軸方向距離，h是所有選取點(diǎn)距離平均值。

圖7 波紋測(cè)量點(diǎn)

1.2.1 滾輪直徑對(duì)起皺波紋大小的影響

滾壓過(guò)程中，滾輪直徑大小對(duì)薄板起皺波紋有很大影響，滾輪直徑對(duì)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(yùn)動(dòng)，薄板與滾輪接觸部分不斷被擠壓成弧形。滾輪直徑越小導(dǎo)致板料接觸部分的纖維弧長(zhǎng)與周圍部分的板料纖維長(zhǎng)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(guò)程中的起皺波紋大。因此滾壓包邊過(guò)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(shí)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(duì)起皺波紋大小的影響

機(jī)器人工具中心點(diǎn)與胎膜邊緣線上的目標(biāo)點(diǎn)的距離稱為T(mén)CP-RTP值。根據(jù)工藝要求，預(yù)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(yù)滾邊過(guò)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(zhǎng)越長(zhǎng)，受到的內(nèi)應(yīng)力越大。當(dāng)這種內(nèi)應(yīng)力無(wú)法釋放時(shí)，就會(huì)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(duì)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(duì)起皺波紋大小的影響

翻邊圓角半徑主要是指在翻邊過(guò)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(dòng)，圓角越小的薄板，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力越大。當(dāng)內(nèi)應(yīng)力無(wú)法釋放時(shí)，薄板邊緣就會(huì)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(duì)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(yǔ)

本文在分析滾邊過(guò)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(guò)對(duì)平面-直邊輪廓包邊過(guò)程進(jìn)行研究。得出了滾輪直徑、TCP-RTP大小及翻邊圓角半徑對(duì)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(guò)程中的起皺波紋越大。雖然終滾邊對(duì)預(yù)滾邊過(guò)程中產(chǎn)生的波紋有修復(fù)平整作用，但預(yù)滾邊過(guò)程中產(chǎn)生的波紋的大小對(duì)最終包邊質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用。

[1]陳勇.機(jī)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(mén)板包邊機(jī)器人六關(guān)節(jié)角運(yùn)動(dòng)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2005.8:88-90.

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

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

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