车门机器人滚边工艺参数仿真分析

徐达，陶长城

（湖北汽车工业学院 材料科学与工程学院，湖北 十堰442000）

车门滚边在制造中属于较为特殊的工艺，滚边后要求表面平整、无明显压痕凹凸等，且要保证车门沿周整体尺寸精确［1］。目前主要采用有限元仿真分析方法来测试参数对滚边质量的影响。文献［2］采用正交实验方法减少了重复多组的分析计算过程，较清晰地反应了各参数对后续滚边成型效果的影响权重。文献［3］采用壳单元的方法简化了板件模型。文献［4］考虑了滚边前的冲压过程，分析了正向压入与反向压入对板件滚边波浪的影响。文献［5］采用了不同包边形式，特别在复杂表面对工件水滴滚边工艺步骤进行了相关参数研究。文献［6］将机器人与滚边作业结合，并采用ROBCAD对滚边工作进行仿真测试，为实际生产中机器人的校准工作提出了设计方案与工位布局。文献［7］研究滚边工作中的工艺技术难点。文献［8］通过三坐标测量方法对板件成型尺寸进行检测，通过修改工艺参数来提升轿车车门区域的尺寸匹配精度。

文中通过Abaqus有限元分析及正交实验对某车型车门机器人滚边进行工艺参数分析，以影响因素、波浪系数与缩进胀出系数为指标，分析翻边高度、压轮直径、工具中心至机器人目标点距离（TCP-RTP）对滚边质量和技术指标的影响。

1 滚边工艺与相关参数分析

滚边工艺是板件经过冲压后，通过机器带动压轮将冲压后的板件再次折弯并包住内板成形的过程。滚边作业分为预滚边和终滚边，根据自身工艺要求，给定的压入角度不同会影响预滚边的次数。滚边工艺中对产品质量影响较为重要的参数如下：

1）滚边速度 常设为200 mm·s⁻¹；在曲率变化较大或翻边角度大的区域，通常为50～150 mm·s⁻¹；在平直面、翻边角度小和曲率变化小的工作区域，通常为200～300 mm·s⁻¹；若工作轨迹设计较好，则速度最高可达到500 mm·s⁻¹。

2）滚边压力 压轮与工件之间产生使工件弯曲成形的相互作用力。

3）翻边高度与翻边圆角 如图1 所示，翻边高度即工件折弯区域的高度。

图1 滚边工艺参数图

4）压轮直径 为防止实际生产中的干涉现象，保证压轮有足够的强度，需选用直径合适的压轮。

5）TCP-RTP 工具中心点至机器人目标点的距离，即滚轮母线距胎膜边缘线的距离。

实际滚边作业中，机器人滚边速度需要根据实际工况调节，翻边圆角往往由工件开始的冲压工艺决定。预滚边压入角对滚边质量有一定影响，一般情况下压入角越小，板件的波浪现象越小，滚边质量越好，后续仿真中将压入角设为45°，整个作业过程由1次预滚边和1次终滚边完成。

2 滚边产品质量缺陷问题

滚边后产品表面不平是常见的质量缺陷问题。工件的翻边角度设置不当会引起贴合不严的现象；翻边高度设置不当会使翻折过程中产生的内应力得不到释放，最终形成工件成形后表面不平的波浪现象；缩进和胀出值若不符合预期则会导致工件外形尺寸不合格。目前滚边质量问题主要依靠试生产后的检测来逐步调试，为了减少调试所用时间，需要在设计时设定基本合理的工艺参数。因此，针对表面波浪现象的质量缺陷与缩进胀出值的技术指标，通过翻边高度、压轮直径和TCP-RTP对上述现象的影响趋势与权重进行分析。

图2为工件波浪现象图，横坐标表示待滚边工件的长度，纵坐标表示提取节点在Z轴方向的位移，定义波浪系数T来衡量工件翻边后的波浪程度。取滚边作业后工件压弯面的最外侧截面作为测量面，选取截面上翻边高度最高处的各节点测量各点滚边作业后的位移。在截面上等距离选取n个点，则该组位移的均值为

图2 工件波浪现象图

式中：¯Z为各节点Z轴方向位移的平均值；Zi为各点的位移距离信息；i为节点编号。

为了呈现波浪现象的波动状况，每点的相对位移记为

若S为正则表示该点为波峰，与平面相比处于上升状态；若为负值则表示该点为波谷，与平面相比处于下降状态。通过T来表示整体截面的波浪现象严重程度：

对于滚边后的缩进与胀出现象，定义缩进胀出系数D来表示工件滚边后成型尺寸的缩进或胀出情况。缩进胀出的距离主要为滚边作业后尺寸与预期设计尺寸的差值，在测量时选取弯曲圆角上等间距的n个点mi（i=1,2，…，n），测量滚边作业后该组点的位移距离。计算中将预期尺寸定位于胎膜处于同一截面处，如图3所示。则缩进胀出系数D的计算方式为

图3 缩进胀出距离

由于缩进与胀出方向相反，将胀出距离定义为正，缩进距离定义为负。为了表现整体的缩进胀出程度，在计算中取绝对值，保证计算值为正，避免出现正负抵消情况。

3 有限元建模

在部分有限元分析中，由于工件的厚度与其长度、宽度相比过小，所以采用壳单元代替实体。在滚边过程中，由于应力往往集中在弯曲处，且压轮初始进入工件时，工件自身厚度产生的形变影响往往不容忽略，所以在建模中采用实体单元进行建模。为了在保证分析质量的前提下缩短计算时间，将长度为200 mm的工件每隔10 mm取1个计算节点，共21个节点可供选取，从压轮触碰的第1个节点定义为点1，压轮滚过工件后接触的最后1 个节点定义为点21。在分析中压轮为刚体，板件材料采用DC03钢材，材料属性如表1所示。

表1 板件材料属性表

为节省计算时间，对模型进行简化，采用单边进行有限元分析，模型分为压轮、工件、压板和胎膜共4 个部分。压轮与工件的相互作用属性定义为面与面接触，摩擦系数为0.02，其余各件接触面摩擦系数为0.15。滚边的模型装配后如图4 所示。滚边工艺中的其他参数见表2，表中数值并非全部为定值。翻边高度、压轮直径和TCP-RTP 作为实验影响因素在后文中将详细介绍，且终滚边时的TCP-RTP设为工件厚度与压板厚度之和的2倍。

图4 有限元建模

表2 滚边工艺参数

4 仿真结果分析

4.1 波浪现象

采用正交实验进行波浪现象的结果分析，选取的3组影响因素在实验中取不同的值，每个因素取3 组数据，正交试验表L9(34)如表3 所示。根据式（1）～（3）计算各组实验数据的波浪系数，K1为3 组不同翻边高度的波浪系数之和，K2与K3分别为直径与TCP-RTP 的波浪系数之和。R为每组K的极差，表示每种影响因素在实验中的权重。分析表3中的数据可知，波浪系数越大说明工件滚边作业后的波浪程度越明显。随着翻边高度的增加，工件的波浪现象越来越明显；随着压轮直径的增加，工件的波浪现象先增强后减弱，在较小直径或较大直径处存在最优值；随着TCP-RTP的增加，波浪现象逐渐减弱。压轮直径与翻边高度对波浪现象的影响权重相对较大，而TCP-RTP 对波浪现象的影响权重相对较小。

表3 正交试验表

图5为实验的应力应变图，除工件外其余部分都是解析刚体，为了便于查看效果图隐藏其余部分模型，文中仅列出1组数据图。从图5中可以发现折弯处的等效应力普遍大于其他区域，工件的波浪现象截面位移图如图6所示。

图5 等效应力应变图

图6 截面位移图

在工件外侧截面的翻边最高处选取21个节点进行测量。初始节点接触时工件的表面位移较大，后续节点虽然有波浪现象产生但是位移都没有初始起点的明显。分别选取与压轮接触时间较早的3号点和接触时间较晚的18号点进行对比，如图7所示。接触时间较早的3 号点会更早的趋向稳定状态，当压轮滚过足够远的距离后将不在影响之前距离较远的点，而接触时间较晚的18 号点则基本一直受滚边作业的影响，持续到压轮接近走出工件后才趋向稳定状态。由此可见压轮在不同时间段对各个节点的影响。

图7 节点位移图

4.2 缩进胀出现象

在滚边过程中，缩进胀出现象的不同主要是由TCP-RTP 造成［9］，因此选择TCP-RTP 作为单一影响因素进行多组实验，并区分预滚边与终滚边工况对实验结果进行分析。

根据上述实验结果中的波浪程度，选取波浪现象较小的数据进行实验。由于压轮中心需要打孔并插入转轴，若压轮直径过小会导致打孔后转轴与压轮强度过低，因此选用翻边高度为8 mm、压轮直径为80 mm来进行实验。实验共3组，TCP-RTP分别取1.4 mm、1.8 mm和2.2 mm。图8为终滚边后的有限元分析结果图。

图8 终滚边位移图

结合图3 与图8 所示的位移，基准面为垂直于胎膜的平面，若工件超出基准，距离取正值，定为胀出现象；否则取负值，定为缩进现象。不同TCPRTP时2种滚边情况的缩进胀出值如表4所示。在滚边压轮刚压入工件时往往会出现较大的位移值，数据表明在起始处无论是预滚边还是终滚边，起始节点位移都比其他节点位移大。随着TCP-RTP的增加，预滚边时工件的缩进量减小，终滚边时工件逐渐由极小的缩进量变成胀出。预滚边基本为缩进现象，而终滚边基本为胀出现象。随着TCPRTP 增加，无论是哪种滚边情况，工件尺寸都有增大的趋势。

表4 缩进胀出数据表

5 结论

针对滚边中常见的质量缺陷问题，分析了3种主要影响因素对滚边质量的影响，得出以下结论：1）翻边高度对工件滚边后的波浪现象影响较大，降低翻边高度能有效减少工件表面波浪现象；2）压轮直径对工件表面波浪现象有影响，考虑压轮中部需要插入转轴，因此需要选用直径较大的压轮；3）TCP-RTP对波浪现象和缩进与胀出值都有一定影响，随着TCP-RTP的增加，工件的成形尺寸逐渐增大，缩进现象逐渐变为胀出现象，波浪现象逐渐减弱。文中的研究结果已应用在生产实际中，在提高滚边产品质量的同时大幅减少了机器人滚边工作站的调试时间，取得了较好的应用效果。