徐達，陶長城

（湖北汽車工業(yè)學院 材料科學與工程學院，湖北 十堰442000）

車門滾邊在制造中屬于較為特殊的工藝，滾邊后要求表面平整、無明顯壓痕凹凸等，且要保證車門沿周整體尺寸精確［1］。目前主要采用有限元仿真分析方法來測試參數對滾邊質量的影響。文獻［2］采用正交實驗方法減少了重復多組的分析計算過程，較清晰地反應了各參數對后續(xù)滾邊成型效果的影響權重。文獻［3］采用殼單元的方法簡化了板件模型。文獻［4］考慮了滾邊前的沖壓過程，分析了正向壓入與反向壓入對板件滾邊波浪的影響。文獻［5］采用了不同包邊形式，特別在復雜表面對工件水滴滾邊工藝步驟進行了相關參數研究。文獻［6］將機器人與滾邊作業(yè)結合，并采用ROBCAD對滾邊工作進行仿真測試，為實際生產中機器人的校準工作提出了設計方案與工位布局。文獻［7］研究滾邊工作中的工藝技術難點。文獻［8］通過三坐標測量方法對板件成型尺寸進行檢測，通過修改工藝參數來提升轎車車門區(qū)域的尺寸匹配精度。

文中通過Abaqus有限元分析及正交實驗對某車型車門機器人滾邊進行工藝參數分析，以影響因素、波浪系數與縮進脹出系數為指標，分析翻邊高度、壓輪直徑、工具中心至機器人目標點距離（TCP-RTP）對滾邊質量和技術指標的影響。

1 滾邊工藝與相關參數分析

滾邊工藝是板件經過沖壓后，通過機器帶動壓輪將沖壓后的板件再次折彎并包住內板成形的過程。滾邊作業(yè)分為預滾邊和終滾邊，根據自身工藝要求，給定的壓入角度不同會影響預滾邊的次數。滾邊工藝中對產品質量影響較為重要的參數如下：

1）滾邊速度 常設為200 mm·s?1；在曲率變化較大或翻邊角度大的區(qū)域，通常為50～150 mm·s?1；在平直面、翻邊角度小和曲率變化小的工作區(qū)域，通常為200～300 mm·s?1；若工作軌跡設計較好，則速度最高可達到500 mm·s?1。

2）滾邊壓力 壓輪與工件之間產生使工件彎曲成形的相互作用力。

3）翻邊高度與翻邊圓角 如圖1 所示，翻邊高度即工件折彎區(qū)域的高度。

圖1 滾邊工藝參數圖

4）壓輪直徑 為防止實際生產中的干涉現(xiàn)象，保證壓輪有足夠的強度，需選用直徑合適的壓輪。

5）TCP-RTP 工具中心點至機器人目標點的距離，即滾輪母線距胎膜邊緣線的距離。

實際滾邊作業(yè)中，機器人滾邊速度需要根據實際工況調節(jié)，翻邊圓角往往由工件開始的沖壓工藝決定。預滾邊壓入角對滾邊質量有一定影響，一般情況下壓入角越小，板件的波浪現(xiàn)象越小，滾邊質量越好，后續(xù)仿真中將壓入角設為45°，整個作業(yè)過程由1次預滾邊和1次終滾邊完成。

2 滾邊產品質量缺陷問題

滾邊后產品表面不平是常見的質量缺陷問題。工件的翻邊角度設置不當會引起貼合不嚴的現(xiàn)象；翻邊高度設置不當會使翻折過程中產生的內應力得不到釋放，最終形成工件成形后表面不平的波浪現(xiàn)象；縮進和脹出值若不符合預期則會導致工件外形尺寸不合格。目前滾邊質量問題主要依靠試生產后的檢測來逐步調試，為了減少調試所用時間，需要在設計時設定基本合理的工藝參數。因此，針對表面波浪現(xiàn)象的質量缺陷與縮進脹出值的技術指標，通過翻邊高度、壓輪直徑和TCP-RTP對上述現(xiàn)象的影響趨勢與權重進行分析。

圖2為工件波浪現(xiàn)象圖，橫坐標表示待滾邊工件的長度，縱坐標表示提取節(jié)點在Z軸方向的位移，定義波浪系數T來衡量工件翻邊后的波浪程度。取滾邊作業(yè)后工件壓彎面的最外側截面作為測量面，選取截面上翻邊高度最高處的各節(jié)點測量各點滾邊作業(yè)后的位移。在截面上等距離選取n個點，則該組位移的均值為

圖2 工件波浪現(xiàn)象圖

式中：ˉZ為各節(jié)點Z軸方向位移的平均值；Zi為各點的位移距離信息；i為節(jié)點編號。

為了呈現(xiàn)波浪現(xiàn)象的波動狀況，每點的相對位移記為

若S為正則表示該點為波峰，與平面相比處于上升狀態(tài)；若為負值則表示該點為波谷，與平面相比處于下降狀態(tài)。通過T來表示整體截面的波浪現(xiàn)象嚴重程度：

對于滾邊后的縮進與脹出現(xiàn)象，定義縮進脹出系數D來表示工件滾邊后成型尺寸的縮進或脹出情況?？s進脹出的距離主要為滾邊作業(yè)后尺寸與預期設計尺寸的差值，在測量時選取彎曲圓角上等間距的n個點mi（i=1,2，…，n），測量滾邊作業(yè)后該組點的位移距離。計算中將預期尺寸定位于胎膜處于同一截面處，如圖3所示。則縮進脹出系數D的計算方式為

圖3 縮進脹出距離

由于縮進與脹出方向相反，將脹出距離定義為正，縮進距離定義為負。為了表現(xiàn)整體的縮進脹出程度，在計算中取絕對值，保證計算值為正，避免出現(xiàn)正負抵消情況。

3 有限元建模

在部分有限元分析中，由于工件的厚度與其長度、寬度相比過小，所以采用殼單元代替實體。在滾邊過程中，由于應力往往集中在彎曲處，且壓輪初始進入工件時，工件自身厚度產生的形變影響往往不容忽略，所以在建模中采用實體單元進行建模。為了在保證分析質量的前提下縮短計算時間，將長度為200 mm的工件每隔10 mm取1個計算節(jié)點，共21個節(jié)點可供選取，從壓輪觸碰的第1個節(jié)點定義為點1，壓輪滾過工件后接觸的最后1 個節(jié)點定義為點21。在分析中壓輪為剛體，板件材料采用DC03鋼材，材料屬性如表1所示。

表1 板件材料屬性表

為節(jié)省計算時間，對模型進行簡化，采用單邊進行有限元分析，模型分為壓輪、工件、壓板和胎膜共4 個部分。壓輪與工件的相互作用屬性定義為面與面接觸，摩擦系數為0.02，其余各件接觸面摩擦系數為0.15。滾邊的模型裝配后如圖4 所示。滾邊工藝中的其他參數見表2，表中數值并非全部為定值。翻邊高度、壓輪直徑和TCP-RTP 作為實驗影響因素在后文中將詳細介紹，且終滾邊時的TCP-RTP設為工件厚度與壓板厚度之和的2倍。

圖4 有限元建模

表2 滾邊工藝參數

4 仿真結果分析

4.1 波浪現(xiàn)象

采用正交實驗進行波浪現(xiàn)象的結果分析，選取的3組影響因素在實驗中取不同的值，每個因素取3 組數據，正交試驗表L9(34)如表3 所示。根據式（1）～（3）計算各組實驗數據的波浪系數，K1為3 組不同翻邊高度的波浪系數之和，K2與K3分別為直徑與TCP-RTP 的波浪系數之和。R為每組K的極差，表示每種影響因素在實驗中的權重。分析表3中的數據可知，波浪系數越大說明工件滾邊作業(yè)后的波浪程度越明顯。隨著翻邊高度的增加，工件的波浪現(xiàn)象越來越明顯；隨著壓輪直徑的增加，工件的波浪現(xiàn)象先增強后減弱，在較小直徑或較大直徑處存在最優(yōu)值；隨著TCP-RTP的增加，波浪現(xiàn)象逐漸減弱。壓輪直徑與翻邊高度對波浪現(xiàn)象的影響權重相對較大，而TCP-RTP 對波浪現(xiàn)象的影響權重相對較小。

表3 正交試驗表

圖5為實驗的應力應變圖，除工件外其余部分都是解析剛體，為了便于查看效果圖隱藏其余部分模型，文中僅列出1組數據圖。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)折彎處的等效應力普遍大于其他區(qū)域，工件的波浪現(xiàn)象截面位移圖如圖6所示。

圖5 等效應力應變圖

圖6 截面位移圖

在工件外側截面的翻邊最高處選取21個節(jié)點進行測量。初始節(jié)點接觸時工件的表面位移較大，后續(xù)節(jié)點雖然有波浪現(xiàn)象產生但是位移都沒有初始起點的明顯。分別選取與壓輪接觸時間較早的3號點和接觸時間較晚的18號點進行對比，如圖7所示。接觸時間較早的3 號點會更早的趨向穩(wěn)定狀態(tài)，當壓輪滾過足夠遠的距離后將不在影響之前距離較遠的點，而接觸時間較晚的18 號點則基本一直受滾邊作業(yè)的影響，持續(xù)到壓輪接近走出工件后才趨向穩(wěn)定狀態(tài)。由此可見壓輪在不同時間段對各個節(jié)點的影響。

圖7 節(jié)點位移圖

4.2 縮進脹出現(xiàn)象

在滾邊過程中，縮進脹出現(xiàn)象的不同主要是由TCP-RTP 造成［9］，因此選擇TCP-RTP 作為單一影響因素進行多組實驗，并區(qū)分預滾邊與終滾邊工況對實驗結果進行分析。

根據上述實驗結果中的波浪程度，選取波浪現(xiàn)象較小的數據進行實驗。由于壓輪中心需要打孔并插入轉軸，若壓輪直徑過小會導致打孔后轉軸與壓輪強度過低，因此選用翻邊高度為8 mm、壓輪直徑為80 mm來進行實驗。實驗共3組，TCP-RTP分別取1.4 mm、1.8 mm和2.2 mm。圖8為終滾邊后的有限元分析結果圖。

圖8 終滾邊位移圖

結合圖3 與圖8 所示的位移，基準面為垂直于胎膜的平面，若工件超出基準，距離取正值，定為脹出現(xiàn)象；否則取負值，定為縮進現(xiàn)象。不同TCPRTP時2種滾邊情況的縮進脹出值如表4所示。在滾邊壓輪剛壓入工件時往往會出現(xiàn)較大的位移值，數據表明在起始處無論是預滾邊還是終滾邊，起始節(jié)點位移都比其他節(jié)點位移大。隨著TCP-RTP的增加，預滾邊時工件的縮進量減小，終滾邊時工件逐漸由極小的縮進量變成脹出。預滾邊基本為縮進現(xiàn)象，而終滾邊基本為脹出現(xiàn)象。隨著TCPRTP 增加，無論是哪種滾邊情況，工件尺寸都有增大的趨勢。

表4 縮進脹出數據表

5 結論

針對滾邊中常見的質量缺陷問題，分析了3種主要影響因素對滾邊質量的影響，得出以下結論：1）翻邊高度對工件滾邊后的波浪現(xiàn)象影響較大，降低翻邊高度能有效減少工件表面波浪現(xiàn)象；2）壓輪直徑對工件表面波浪現(xiàn)象有影響，考慮壓輪中部需要插入轉軸，因此需要選用直徑較大的壓輪；3）TCP-RTP對波浪現(xiàn)象和縮進與脹出值都有一定影響，隨著TCP-RTP的增加，工件的成形尺寸逐漸增大，縮進現(xiàn)象逐漸變?yōu)槊洺霈F(xiàn)象，波浪現(xiàn)象逐漸減弱。文中的研究結果已應用在生產實際中，在提高滾邊產品質量的同時大幅減少了機器人滾邊工作站的調試時間，取得了較好的應用效果。