圓弧形預(yù)折邊刀對折邊損失的影響

文/張聰·上汽大眾汽車有限公司

崔峻輝，高世鈺，鮑科·上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院

折邊損失

對于機(jī)械折邊而言，由于各種工藝參數(shù)的差異，如被折邊板料的曲面與曲邊等，其尺寸精度會(huì)直接影響到車身的裝配間隙，其中以邊界的縮進(jìn)現(xiàn)象最為常見，其縮進(jìn)值也稱為折邊的折邊損失(FV)，如圖1 所示。

圓弧形預(yù)折邊刀

目前的模具折邊大多是采用平面形預(yù)折刀，關(guān)于平面形預(yù)折刀對尺寸精度的影響已經(jīng)具有較為成熟的研究基礎(chǔ)。在實(shí)際的成形與技術(shù)開發(fā)過程中，折邊設(shè)備供應(yīng)商在少部分的折邊設(shè)備上開始采用圓弧形預(yù)折刀，即工作面不再是平面，而是具備一定曲率的曲面，模型圖如圖2 所示。

圖1 折邊損失FV 示意圖

圖2 圓弧形預(yù)折刀示意圖

問題對象描述

根據(jù)門板的實(shí)際情況，折邊對象分為曲面曲邊、曲面直邊、直面曲邊、直面直邊等9 種，針對折邊過程中出現(xiàn)的參數(shù)，與實(shí)際生產(chǎn)相對比后，確定不同參數(shù)的取值范圍，探究不同參數(shù)對折邊結(jié)果的影響大小。參數(shù)范圍見表1。

表1 折邊參數(shù)表

仿真試驗(yàn)

工藝參數(shù)敏感性分析

經(jīng)過調(diào)研，首先選取了4 個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行敏感性分析：翻邊尺寸H、內(nèi)外板間隙G、外板圓角半徑R、翻邊開角θ，判斷它們對折邊損失的影響范圍大小。本文采用了均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)表，通過極差法進(jìn)行判斷。

采用均勻設(shè)計(jì)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，4 個(gè)參數(shù)的選取范圍見表2。

表2 工藝參數(shù)選取范圍

采用4 因素5 水平的均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)表，使用Autoform 進(jìn)行仿真，在保證其余條件不變的情況下，選取折邊類型為凹面直邊，使用同一把圓弧形預(yù)折刀進(jìn)行折邊，讀取折邊損失值FV。

可以看出，首先是翻邊開角對折邊損失的影響最大，其次是外板圓角半徑，再次是內(nèi)外板間隙，對折邊損失值影響最小的是翻邊尺寸。這4 個(gè)工藝參數(shù)的改變與折邊損失的關(guān)系如圖3 所示。

從圖中可以看出：

⑴翻邊尺寸對折邊損失值影響不顯著，折邊損失值始終圍繞0.19mm 左右浮動(dòng)；

⑵隨著內(nèi)外板間隙增大，折邊損失值呈先增大后減小的趨勢，并且減小的趨勢較為緩慢；

圖3 工藝參數(shù)影響趨勢

⑶隨著外板圓角半徑增大，折邊損失值呈先增大后減小的趨勢，但增大的趨勢較為明顯，在0.55 ～0.75mm 之間會(huì)達(dá)到最大值；

⑷隨著翻邊開角增大，折邊損失值逐步減小。

需要注意的是，本次敏感性分析所針對的類型為凹面直邊，對于其余種類的折邊類型，敏感性分析的結(jié)果可能會(huì)發(fā)生變化，其各個(gè)參數(shù)的影響規(guī)律也可能隨之變化。

響應(yīng)面結(jié)果

對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在使用Design Expert軟件進(jìn)行響應(yīng)面分析時(shí)，得到的分析結(jié)果是對折邊損失有顯著性影響的一次項(xiàng)參數(shù)為：零件輪廓曲率半徑、圓弧形預(yù)折刀圓弧半徑、翻邊開角，二次項(xiàng)交叉項(xiàng)參數(shù)為：零件輪廓曲率半徑×翻邊開角、圓弧形預(yù)折刀圓弧半徑×翻邊開角。

首先對一次項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行分析，在固定其余4 個(gè)參數(shù)不變的情況下，以各個(gè)參數(shù)的取值范圍選為橫坐標(biāo)、折邊損失值選為縱坐標(biāo)，畫出折邊損失與各個(gè)參數(shù)之間的變化關(guān)系，如圖4 所示。

由圖4 可以看出：

⑴隨著零件輪廓曲率半徑增大，折邊損失呈減小的趨勢；

⑵隨著圓弧形預(yù)折刀圓弧曲率半徑增大，折邊損失呈增大的趨勢；

⑶隨著翻邊開角增大，折邊損失呈減小的趨勢，與敏感性分析結(jié)果相同。

在響應(yīng)面云圖中作出折邊損失值關(guān)于翻邊開角、圓弧形預(yù)折刀曲率半徑、零件輪廓曲率半徑的云圖，結(jié)果如圖5 所示。

由圖5 可以看出：

圖4 一次顯著性參數(shù)與折邊損失關(guān)系

圖5 二次顯著性參數(shù)與折邊損失關(guān)系

⑴在翻邊開角不變的情況下，折邊損失值隨著零件輪廓曲率半徑增大而減小，隨著圓弧形預(yù)折刀曲率半徑增大而增大；

⑵在零件輪廓曲率半徑不變的情況下，折邊損失值隨著翻邊開角增大而減小；

⑶在圓弧形預(yù)折刀曲率半徑不變的情況下，折邊損失值隨著翻邊開角增大而減小。

上述結(jié)論與之前一次顯著性參數(shù)的影響趨勢相同，但在二次顯著性參數(shù)的云圖中，面對不同的參數(shù)值選擇，可以更加準(zhǔn)確、便捷的得到折邊損失大小。

折邊損失機(jī)理分析

圓弧形預(yù)折刀與平面刀差異對比

圖6 圓弧形預(yù)折刀折邊過程

通過使用Autoform 軟件，讀取圓弧形預(yù)折刀與平面刀折邊過程中，預(yù)折邊過程完成后的折邊損失值和終折后折邊損失值。如圖6、圖7 所示，可以看出在預(yù)折邊過程完成后，即翻邊面位于同一角度時(shí)，使用圓弧形預(yù)折刀的折邊損失值為0.15mm，外板法蘭的高度為6.2mm。使用平面刀的折邊損失值為0.32mm，外板法蘭的高度為5.9mm。而在終折邊過程完成后，使用圓弧形預(yù)折刀的折邊損失值為0.33mm，外板法蘭的高度為2.41mm，使用平面刀的折邊損失值為0.39mm，外板法蘭的高度為2.39mm。

與平面形預(yù)折刀相比，圓弧形預(yù)折刀能夠減小折邊損失的原因是，在使用圓弧形預(yù)折刀時(shí)，外板板料始終與圓弧形的工作面點(diǎn)接觸，并隨著預(yù)折的進(jìn)行接觸點(diǎn)會(huì)沿著圓弧形工作面不斷向上運(yùn)動(dòng)。由于板料受預(yù)折刀工作面作用力的方向是始終垂直于預(yù)折刀工作面的，由接觸點(diǎn)指向圓心，因此在采用圓弧形預(yù)折刀時(shí)，板料所受作用力的方向是一直平行于接觸點(diǎn)的圓弧法向的，隨著預(yù)折刀工作面上接觸點(diǎn)的變動(dòng)，導(dǎo)致外板板料作用力的方向是一直變動(dòng)的，該作用力變動(dòng)的方向有利于減緩?fù)獍宸吤嫦騼?nèi)靠近的趨勢，最終有利于折邊損失值的減小。

圖7 平面刀折邊過程

圓弧形預(yù)折刀半徑對折邊損失的影響分析

在響應(yīng)面方程分析中，可以得到折邊損失值隨圓弧形預(yù)折刀圓弧曲率半徑增大而減小，對于這一改變趨勢進(jìn)行原因探究。改變圓弧形預(yù)折刀圓弧曲率半徑為6mm、6.5mm、7mm、7.5mm、8mm，在UG 中畫出對應(yīng)圓弧形預(yù)折刀形狀如圖8 所示。

可以看出，當(dāng)固定圓弧形預(yù)折刀起點(diǎn)與終點(diǎn)位置時(shí)，隨著圓弧半徑增大，圓弧段所對應(yīng)圓心從內(nèi)向外移動(dòng)。而在上一小結(jié)圓弧形預(yù)折刀預(yù)折過程受力分析中，外板翻邊面所受力始終由接觸點(diǎn)，即翻邊面最上端，指向圓弧段圓心。因此，當(dāng)預(yù)折邊過程中力的大小一定時(shí)，隨著圓弧半徑增大時(shí)，外板所受力的水平方向分力會(huì)增大，這個(gè)方向上的分力增大，會(huì)增大外板翻邊面向內(nèi)靠近的趨勢，最終導(dǎo)致折邊損失值的增加。

表3 預(yù)折邊、終折邊的折邊損失大小

圖8 圓弧形預(yù)折刀圓弧半徑差別

為了驗(yàn)證上述分析的準(zhǔn)確性，本文在所取工藝參數(shù)取值下，使用五把圓弧形預(yù)折刀進(jìn)行折邊仿真，測量預(yù)折邊過程結(jié)束后以及終折邊過程結(jié)束后的折邊損失值見表3。

可以看出，當(dāng)圓弧形預(yù)折刀圓弧半徑增大時(shí)，預(yù)折邊過程結(jié)束后的折邊損失也隨之增大。而終折邊過程增加的折邊損失值幾乎相同。因此，可以推斷，圓弧形預(yù)折刀圓弧曲率半徑影響折邊損失值發(fā)生在預(yù)折邊階段，以改變外板翻邊面所受力的方向而影響最終折邊損失值的大小。

結(jié)論

本文以圓弧形預(yù)折刀為研究對象，通過Autoform軟件重點(diǎn)分析了可能影響折邊損失的因素，并得到以下結(jié)論：

⑴外板圓角半徑、翻邊開角、零件輪廓圓弧半徑、圓弧形預(yù)折刀的圓弧半徑對于折邊損失具有顯著影響；

⑵當(dāng)圓弧形預(yù)折刀圓弧半徑增大時(shí)，零件的折邊損失增大；

⑶當(dāng)零件輪廓曲率半徑增大時(shí)，零件的折邊損失增大；

⑷當(dāng)翻邊開角增大時(shí)，零件的折邊損失增大；

⑸圓弧形預(yù)折刀工作時(shí)，隨著預(yù)折刀工作面上接觸點(diǎn)的變動(dòng)，導(dǎo)致外板板料所受作用力的方向是一直變動(dòng)的，該作用力變動(dòng)的方向有利于減緩?fù)獍宸吤嫦騼?nèi)靠近的趨勢，最終有利于折邊損失值的減小。