优化滚边工艺提升车门区域尺寸匹配精度的方法研究

优化滚边工艺提升车门区域尺寸匹配精度的方法研究
余魁;赵顺旺;柳玉起
【摘要】目的研究滚边工艺参数对车门包边缩进量的影响,提升轿车车门区域的尺寸匹配精度.方法通过建立滚边压入角、TCP-RTP距离与车门包边缩进量的数学模型,得出了不同滚边压入角、TCP-RTP距离与包边缩进量的相互关系,提出了优化滚边工艺参数补偿车门钣金在冲压、焊接过程中的尺寸偏差的方法.在此基础上,结合改善某车型右后门与侧围间隙平行差的实例,计算了后门滚边压入角、TCP-RTP距离对应的包边缩进量,并与实际结果进行对比分析.结果滚边压入角θ越大,滚边后板件缩进量越大;TCP-RTP距离越大,滚边缩进量越小.结论提出的优化滚边压入角或TCP-RTP来实现板件滚边缩进量增大或减小的方法,能够在不更改模具的基础上提升车门外观匹配区域的质量.
【期刊名称】《精密成形工程》
【年(卷),期】2019(011)003
【总页数】5页(P122-126)
【关键词】机器人滚压包边;车门匹配尺寸;滚边压入角;TCP-RTP距离
【作者】余魁;赵顺旺;柳玉起
【作者单位】华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室,武汉430074;东风汽车公司技术中心,武汉430058;华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室,武汉430074
【正文语种】中文
【中图分类】TG306;U466
轿车车门区域的间隙和面差匹配是车身质量控制的重要内容，不仅影响客户的感知，还会影响轿车的密封、风噪等整车性能问题。

车门匹配区域的间隙均匀度与冲压件精度、零件的焊接质量、内外板包边工序有关[1—5]。

机器人滚边技术与传统模具包边工艺相比，具有设备投资成本低、生产柔性好、维护保养容易等优点，因而被广泛应用[6—10]。

在机器人滚边过程中，由于工艺参数设置不同，板料容易产生
缩进或涨出的现象，导致板料的轮廓与设计定义产生偏差[11—16]。

文中研究了滚边工艺参数与车门包边尺寸的关系，提出改变滚边轨迹、优化滚边工艺的方法来补偿车门钣金在冲压、焊接过程中的尺寸偏差，从而提升了车门匹配区域的尺寸精度，减少了模具更改费用以及缩短了调试周期。

轿车车门区域与滚边相关的尺寸匹配包括：①翼子板与前门间隙面差；②前后门中缝间隙面差；③后门与侧围间隙面差。

轿车车门区域与滚边相关尺寸匹配目标见图1，这3条缝隙的均匀美观性直接影响了客户对整车制造水平的感知。

目前，主流的汽车厂家车门区域的3条缝隙能控制在±1 mm，间隙平行差在1 mm以内，某主机厂前后门中缝间隙尺寸目标规范见图2。

部分制造水平较高的主机厂甚至能控制在±0.5 mm，平行差控制在0.5 mm以内。

机器人滚边工艺参数包括：滚边压入角、TCP-RTP距离、滚轮直径、滚边速度、
滚边力等。

1）滚边压入角θ。

滚边压入角是指在滚边动作过程中，滚轮使板件翻折的角度，
例如当板件翻边角度为90°时，若设置滚轮压入角为30°，则板件滚边后翻边展开角度变为60°。

2）工具中心点（Tool center point）距机器人目标点（Robot target point）的距离（TCP-RTP距离）。

文中将滚边工具中心点定义在滚轮母线处，机器人目标
点被定义在胎膜边缘线上，TCP-RTP距离指滚轮母线距滚边胎膜边缘线的距离，
如图3所示。

3）滚轮直径。

滚轮直径是指滚轮外形轮廓的直径。

4）滚边速度。

滚边速度是指滚压机构的运动速度，即在单位时间内滚压机构前进的位移。

5）滚边力。

滚边力是指板件在滚边成形时，机器人提供的使板件发生塑性变形产生的力。

研究表明，滚轮直径、滚边力对滚边过程中的缩进没有显著影响，文中主要研究机器人滚边压入角以及TCP-RTP距离对车门包边尺寸的影响。

假设理想情况下TCP-RTP的距离为0，即TCP线与RTP线重合，板件初始翻边角度为90°，此时，滚边工艺示意见图4。

预滚边时滚轮需要紧贴着外板，包边后外板需要紧贴着胎膜，即预滚边零件折弯点与滚轮重合，包边后外板零件圆角与胎膜重合。

板件滚边后的厚度2R的计算见式（1）。

式中：R为包边半径；E1为外板料厚，E2为内板料厚。

板件预包边后的展开角度δ计算见式（2），其中θ为滚边压入角。

包边半径R，胎膜边线与外板轮廓的距离Dx，包边后轮廓与定义值的缩进量ε，与板件板件预包边后的展开角度δ之间的关系见式（3）。

由此可推导包边缩进量ε：
在生产实际中TCP-RTP的距离不能为0，如果距离为0，滚轮受力会对胎膜造成损害，TCP-RTP距离设为DTCP-RTP。

在TCP-RTP的距离不为0的情况下，胎膜边缘的延伸线与滚轮母线交点为TCP与RTP虚拟重合点，其与胎膜边缘线（RTP）距离为虚拟胎膜长度L，实际情况下滚边工艺示意见图5。

同样可以得出滚边后缩进值：
通过建立滚边压入角和TCP-RTP距离与几何尺寸的数学模型，并推导得出滚边后
板件的缩进值ε，可以得出以下结论：①滚边压入角越大，滚边后板件缩进值越大；
② TCP-RTP值对滚边缩进有影响，随着TCP-RTP距离的增加，滚边缩进越来越
小甚至在终滚边后会发生胀出。

上述分析建立了滚边压入角和TCP-RTP距离与板件缩进值之间的关系。

在滚边过程中，可以通过对滚边参数的修改，改变板件缩进量，从而在不更改模具的情况下优化板件尺寸轮廓，提升车门匹配精整度。

假设外板料厚0.8 mm，内板厚1.4 mm，胎膜超出部分Dx为0.2 mm，常用的
滚边压入角θ为30°, 45°, 60°，DTCP-RTP分别为0.5, 1, 1.25, 1.75, 2 mm的情况，代入式（6），计算结果见表1，其中计算结果为“+”代表缩进，“−”代表胀出。

由表1可知，在不更改模具的情况下，通过对压入角θ及TCP-RTP值的更改，板件总成包边后的轮廓尺寸能产生−1.7~0.5 mm变化。

某车型右后门与侧围匹配区域间隙测量值满足公差范围，但间隙平行差超过1.5 mm，视觉效果不美观，如图6所示，某车型右后门与侧围匹配区域间隙测量数据见表2。

经过三坐标调研，发现侧围外板此处轮廓尺寸偏差为−0.4~+0.6 mm，上下间隙
平行差达到1.0 mm，右侧围外板三坐标测量报告见图7。

右后门外板外形轮廓尺寸偏差为−0.3~+0.3 mm，上下间隙平行差为0.6 mm，右后门外板三坐标测量
报告见图8。

根据测量数据分析，侧围外板对缺陷贡献最大。

由于侧围外板的尺寸改善涉及到拉延模具的更改，修模风险高，调试时间长，因此，采用文中提出的优化滚边工艺的方式来改善后门与侧围间隙不均的问题。

车型采用的后门外板料厚0.8 mm，内板厚1.4 mm，胎膜与板料轮廓设计距离
Dx为0.2 mm。

滚边工艺此段设计的压入角为45°，TCP-RTP值为1 mm。

改变滚轮轨迹，TCP-RTP值由1 mm逐步减小到0.5 mm，同时增大滚边压入角θ至60°，缩进量变化见表3。

优化后，后门与侧围匹配区域间隙平行差由1.4 mm改善为0.5 mm，满足尺寸设计规范1 mm的公差要求。

介绍了滚边工艺参数对车门匹配区域尺寸变化的影响，建立了机器人滚边工艺参数压入角θ、TCP-RTP值与车门包边缩进量ε之间的数学模型。

通过分析可知，滚
边压入角θ越大，滚边后板件缩进值越大；随着TCP-RTP距离的增加，滚边缩进量越来越小甚至在终滚边后会发生胀出。

同时，提出了通过改变包边缩进量ε的方法来补偿板件在冲压、焊接等过程中产生的尺寸偏差，提升最终整车的匹配精整度，该方法不更改模具，风险小，效果明显，具有广泛的应用价值。

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