汽车门盖包边工艺研究及机械伺服包边机的研制

第58卷四门两盖是汽车车身总成的重要组成部分。

门盖主要由门盖外板焊接总成和内板总成在包边装备上通过压块或模具,使门盖外板折边包住内板并紧密压合使之成为一体,从而增加门盖的整体刚度和强度[1]。

包边压力机是汽车制造基地焊装车间必不可少的装备,用于汽车门盖包边工序[2]。

目前,由液压驱动的包边压力机应用较为广
泛,通过包边压力机滑块配合包边模具,完成包边工艺[3]。

液压驱动的包边压力机,工作过程中噪声较大,油污严重,需定期更换液压油并且生产效率较低,能耗较高,使用成本较高,不能满足当今汽车包边生产工艺低噪声、低污染、高效率、低能耗需求。

随着伺服直驱技术广泛应用,本文成功开发了由伺服电机驱动肘杆式包边压力机,比液压驱动的压力机具有清洁、高效、高精等优点。

1包边工艺及对比
1.1包边工艺要求
汽车门盖一般由0.7~1.0m m 厚的薄钢板冲压成形,门外板周沿常有10m m ~12m m 的宽边用于翻
折包边[4]。

门外板周沿涂胶后,将门内板置于门外板上进行定位,然后进行压合包边。

为了保证包边后门盖周边光滑平整,一般将包边过程分翻边、预包边和终包边三步完成,包边成形后的零件周边必须平滑顺畅,没有波状起伏和明显皱褶,内板和外板包合处必须平实服帖[5-7],如图1所示。

1.2包边工艺对比
根据包边工艺形式,可分为手工包边、机器人辊边、专用台式包边、通用液压机+包边模具及机械伺服包边机+包边模具,共五大类。

如表1所示。

包边工艺及设备一般基于包边产品、生产规模、车间面积及投资情况等综合考虑[8]。

目前,我国汽车整机厂大部分采用通用液压机配合包边模具完成包边工艺,一台包边压力机可拖带多套包边模具,可实现一机多模共线生产[9]。

液压驱动的包边机(液压包边机)工作时,存有发热损失大,能耗高,噪声大等问题,设备使用2~3年后,存有漏油风险,导致日常维护费用较高。

机械伺服驱动的包边机(机械伺服包边机)精度高,刚性好,易于维护,无待机发热损耗,能耗低,噪声低等优点,市场前景更广阔[10-11]。

2
整机结构与工作原理
2.1整机结构
本文开发的机械伺服包边机主要由机身、主传
收稿日期:2023-02-23;修订日期:2023-03-20
作者简介:柴恒辉(1990—),男,工程师,从事机械设计及其自动
化工程。

E-m ai l :chai hhui @
汽车门盖包边工艺研究及机械伺服
包边机的研制
柴恒辉,王建军,周花
(济南二机床集团有限公司,山东济南250022)
摘要:本文对比分析了现有汽车门盖包边工艺及特点,针对现有液压驱动的包边压力机生产效率低、能耗高、使用成本高等问题,开发了由伺服电机驱动的肘杆式包边压力机。

该机主传动系统采用肘杆机构左右对称布置,通过A D A M S 建立虚拟样机模型,进行肘杆机构角架杆长优化设计;优化后,肘杆机构具有更优的增力效果,在接近下止点时,滑块下线速度更平滑,更有利于包边成形。

关键词:伺服;包边机;压力机中图分类号:TG 385
文献标识码:A
D O I :10.16316/j .i s sn.1672-0121.2023.04.002
文章编号:1672-0121(2023)04-0012-04
第58卷第4期V ol .58
N
o.4C H I N A M ETA LFO R M I N G EQ U I PM EN T &M A N U FA C TU R I N G TEC H N O LO G Y
2023年8月A ug.2023
第4期
动系统、滑块、气动系统、润滑系统、液压系统等组成,结构如图2所示。

机身主要起到支撑和固定的作用,可采用整体焊接或分体连接结构。

主传动系统主要由伺服电机、联轴器、滚珠丝杠、定位轴承、左右对称布置的肘杆机构等组成,安装在机身横梁体上。

滑块导轨与机身
导轨配合,滑块两端与气动系统平衡器活塞杆连接,平衡器缸体倒挂在机身上。

气动系统主要是包边机滑块平衡器及气动执行机构;通过平衡器平衡滑块及上模重量,降低电机负载。

润滑系统主要用于主传动系统及滑块导轨润滑。

液压系统包括滑块上模锁紧器及机身工作台上模具顶升装置等。

2.2工作原理
该机工作时,包边机滑块装有包边上模具,工作台板上装有包边下模具。

伺服电机提供驱动动力,当伺服电机驱动丝杠正向旋转时,丝杠副丝母驱动肘
杆机构带动滑块下行,从而完成包边动作。

当滑块运行至下死点时,可利用伺服电机精确位置控制实现保压功能。

当伺服电机驱动丝杠反向旋转时,通过肘杆机构带动滑块上行;当运行至上止点时,伺服电机停止转动。

在此运行过程中,主传动系统各个关节点及滑块导轨处均自动油脂加注润滑,从而降低传动磨损。

3
肘杆驱动机构设计
图2
机械伺服包边机结构组成
1.主传动系统
2.机身
3.滑块
4.气动系统
5.润滑系统
1
4
3
2
5
表1现有包边工艺形式对比
序号分类
1
手工
2机器人辊边
3专用台式包边机
4通用液压机+包边模具5机械伺服包边机+包边模具
优点
缺点
设备简单,投入低,占地小
效率低,质量差,劳动强度大,噪声大,适于试制及小批生产
柔性高,一次性投入小,占地面积小,人力及维护成本低
轨迹规划复杂,效率低,局部辊边质量不容易保证
效率高,单机占地面积小
只能单一零件专用,不能互换,适于单一品种大批量流水线生产,变换产品时柔性受限
首次采购成本比伺服机低,经济适用发热损失大,能耗高,噪声大,漏油风险,后期使用成本高
刚度好,精度高,传动简洁,维护方便,无漏油风险,无待机发热损耗,能耗低,噪声低
首次采购成本高,后期使用及维护成本低
(a )翻边
(b )预包边(c )终包边
图1包边过程
1.车门内板
2.车门外板
3.粘结胶
1
23柴恒辉,等:汽车门盖包边工艺研究及机械伺服包边机的研制
第58卷
优化前
优化后
压机吨位/kN
200150100500
0200400600800100012001400
图4输出吨位和滑块行程
机械伺服包边机利用伺服电机优良的调速性能,能满足包边工艺的运动特性要求。

本文主传动系统选用三角肘杆传动机构,结构简单,刚性较高;在工作行程内有更好的低速运动特性,具有很好的增力特性,从而减少伺服电机的控制以及降低电机的功率需求实现节能降耗,回程时具有急回特性,可以很好地适应包边成形要求。

3.1肘杆机构优化设计
本文主传动系统肘杆机构左右对称布置,在动力学分析软件A D A M S 平台上,建立虚拟样机主传动系统单边模型作为研究对象,进行优化设计[12]
,如
图3所示。

主传动肘杆机构各连杆长度L 1,L 3,L 4,L 31,L 34以
及机身尺寸E 2,E 5为设计参数。

利用A D A M S 软件的约束工具建立运动约束,即在J 1点建立上拉杆B 1与机身之间的转动副,在J 3点建立上拉杆B 1与角架B 3之间的转动副,在J 4点建立角架B 3与下拉杆B 4之间的转动副,在J 6点建立角架B 3与传动滑块B 2之间的转动副,在J 2点建立传动滑块B 2与机身的移动副,在J 7点建立下拉杆B 4与包边机滑块B 5的转动副,在J 5点建立包边机滑块B 5与机身的移动副。

为了简化优化模型,减少设计变量数量,给定上拉杆L 1=300m m ,下拉杆L 4=808m m ,滑块偏置距离E 5=0m m ,传动结构布置E 2=300m m ,选择设计参数L 3、L 31、L 34为设计变量,用数组X 表达:
X =[L 3,L 31,L 34]
T
在参数化虚拟样机模型中,由于在滑块的工作行程内施加恒定的包边负载,可以直接将滑块推力随时间t变化的测量值F (t )以及J 5点速度v (t )进行加权作为目标函数,如下式所示:
F (t )=A *m ean (F (t ))+B*m ean (v (t ))
机身尺寸限制条件包括设计变量的边界值以及三角形J 1-J 3-J 6、J 3-J 4-J 6、J 4-J 6-J 7杆长要求;工作机构性能要求主要是滑块行程和滑块下行速度单调性。

3.2肘杆机构优化算例及结果分析
该机工作时,最大载荷拟定为1500kN ,工作段最大行程为200m m ,包边机滑块行程为900m m 。

将以上工况参数代入优化模型,在A D A M S 的D es i gn
Eval uat i on Tool中选择参数化虚拟样机模型和仿真脚本,选择分析类型为O pt i m i z at i on ,自行求解计算后获得最优解,圆整后如表2所示。

根据表2中的优化值,代入A D A M S 中的虚拟样机模型,进行计算。

其中,虚拟样机模型中忽略所有
构件的质量和运动副的摩擦,传动滑块匀速输入,输入速度为50m m /s 。

图4为优化前后滑块行程与输
出吨位对应关系。

在从0到200m m 工作行程范围,优化后的肘杆机构具有更优的增力效果。

图5为丝杠行程和滑块/丝杠速比系数,在接近下止点附近时,优化后的杆系速度曲线更平滑,更有利于包边成形。

表2
优化前后的设计变量值
设计变量
优化前/m m
优化后/m m
变化率/%L 32753009%L 31400409 2.25%L 34
500
480
-4%
E 2
L 1
B 1
L 31
L 34
L 3B 2
B 3
B 4
B 5
E 5
J 7J 5
J 4J 3J 1J 2
J 6L 4图3肘杆机构简化模型
第4期
优化前优化后
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
丝杠行程/m m
0100200300400500600700
图5丝杠行程和滑块/丝杠速比
4结论
以提高机械伺服包边压力机三角肘杆式工作机构的机械利益为设计目标,提出一种定性—定量的设计方案。

对工作机构进行简化分解分析,根据定性设计,得到基本构型及设计参数的初始值和边界值。

基于多体动力学分析软件A D A M S,建立参数化虚拟样机和优化设计模型。

优化计算结果表明,优化设计后的三角肘杆式工作机构具有更优良的运动特性和增力特性,同时证明该定性—定量设计方案可行,为机械伺服包边压力机复杂工作机构的设计优化提供了有效途径。

参考文献:
[1]许三山.汽车门盖包边工艺要求及质量控制[J].锻造与冲压,2020 (10):52-55.[2]高丹丹.试制汽车门盖包边工艺及包边质量控制[J].时代汽车,
2019(12):109-110.
[3]田建.包边机压边模块结构设计与工艺研究[D].南京:东南大
学,2018.
[4]刘志发.浅谈汽车门盖包边工艺及生产线布置[J].铜业工程,2017
(5):70-73.
[5]眭蓓蓓,刘英,等.面向汽车车身覆盖件的Q B-B型包边机结构
设计[J].机械设计与制造工程,2014,43(6):14-17.
[6]梁芳.汽车门盖件包边工艺与质量改进[J].金属加工(热加工),
2011(13):49-50+52.
[7]林琼,宫正军.汽车覆盖件包边机及油压机上压合模的研究[J].
汽车工艺与材料,2010(12):55-60.
[8]唐高中.四连杆包边机构在桌式包边机上的应用[J].汽车工艺与
材料,2010(1):56-58.
[9]艾义军.汽车门盖包边工艺及机构优化研究[D].重庆:重庆大学,
2009.
[10]陈代枝.汽车门盖包边工艺及设备选用[J].机械工人,2005(12):
26-28.
[11]周晴.汽车门盖包边工艺的探讨[J].汽车工艺与材料,1998(3):
15-18.
[12]胡建国,孙友松,等.基于A D A M S的伺服压力机三角肘杆式工
作机构优化设计[J].锻压技术,2019,44(2):126-131.
R es earch on aut om ot i ve door cover edge w rappi ng t echnol ogy and
devel opm ent of m echani cal s ervo edge w rappi ng m achi ne
CH A I H enghui,W A N G J i anj un,ZH O U H ua
(J I ER M achi ne-Tool G r oup Co.,Lt d.,Ji nan250022,Shandong Chi na)
A bs t ract:The exi s t i ng aut om ot i ve door cover edge wr appi ng pr oces s es and char act er i st i cs have been com-par ed and anal yz ed i n t he t ext.A i m i ng at t he pr obl em s of l ow pr oduct i on ef f i ci ency,hi gh ener gy cons um p-t i on,and hi gh oper at i ng cos t s of exi s t i ng hydr aul i c dr i ven edge wr appi ng pr es s es,an el bow t ype edge wr ap-pi ng pr es s dr i ven by a s er vo m ot or has been devel oped.The m ai n t r ans m i s s i on s ys t em of t he m achi ne adopt s a s ym m et r i cal ar r angem ent of t he el bow bar m echani s m,whi l e a vi r t ual pr ot ot ype m odel has been es t abl i s hed t hr ough A D A M S t o opt i m i ze t he l engt h of t he el bow bar m echani s m angl e f r am e.A f t er opt i m i z at i on,t he el-bow bar m echani s m has a bet t er f or ce i ncr easi ng ef f ect.W hen appr oachi ng t he bot t om dead cent er,t he of f l i ne s peed of t he s l i der i s s m oot her,whi ch i s m or e conduci ve t o edge wr appi ng f or m i ng.
K ey w ords:Ser vo;Edge wr appi ng m achi ne;Pr es s
柴恒辉,等:汽车门盖包边工艺研究及机械伺服包边机的研制。