基于前門外板包邊間隙的研究

陸軍合， 梁迪迪， 申丹鳳， 譚世琛， 李麗坤， 譚必丁

（1.湖南湖大艾盛汽車開發(fā)有限公司 柳州分公司， 廣西 柳州 545000；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司， 廣西 柳州 545000）

0 引 言

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，消費者的追求越來越高，在購買汽車時，除了追求更高的配置、更好的安全性，同時也更加注重美觀。汽車車門間隙的匹配影響整車的美觀，如何保證外覆蓋件之間的匹配質(zhì)量成為各大主機廠的重要關(guān)注點之一。

外觀匹配是工程師的主要處理對象，其目標是保證生產(chǎn)的零件符合公差要求、與匹配件的匹配狀態(tài)符合尺寸技術(shù)要求（dimension technical specification，DTS），零件的后續(xù)整改也是依據(jù)其技術(shù)要求進行指導(dǎo)。但在實際生產(chǎn)中，經(jīng)常出現(xiàn)各匹配件均符合圖紙公差要求，在各自的檢具上表現(xiàn)均為合格，然而零件相互安裝匹配時間隙、面差卻出現(xiàn)不合格的問題[1-2]。為解決此問題，工程師通過開發(fā)總成檢具，在檢具上將零部件按圖紙基準進行安裝和調(diào)整，實現(xiàn)匹配狀態(tài)的展示，指導(dǎo)模具修整。

門蓋類零件的匹配間隙受外板與內(nèi)板匹配包邊后的輪廓影響，包邊后總成的外輪廓越接近DTS，總成的合格率越高，質(zhì)量越好，因此包邊后的外輪廓尺寸是評估總成質(zhì)量的重要指標。

1 匹配間隙影響因素及現(xiàn)狀

從車門裝配工藝角度考慮，車門匹配間隙（見圖1）影響因素如下：產(chǎn)品設(shè)計、制造過程（包含車身尺寸偏差、車門尺寸偏差、車門裝調(diào)精度、總裝裝配精度）、人員操作。要提升車門匹配間隙，需對這些因素進行分析并采取措施，現(xiàn)重點從車門包合輪廓精度的影響因素進行分析。外板翻邊尺寸包括但不限于翻邊高度FH、翻邊角度FA、咬合損失量RL，外板包邊長度FD，如圖2所示。

圖2 包合參數(shù)

其中，咬合損失量RL=包邊縮進量（矢量方向為負）或包邊漲出量（矢量方向為正）。咬合損失量是總成零件尺寸檢測中至關(guān)重要的因素，表現(xiàn)為尺寸檢測中的間隙大小。咬合損失量過大，則與匹配件匹配間隙變小，可能會出現(xiàn)過盈配合，影響零件安裝；咬合損失量過小，則與匹配件匹配間隙變大，影響整車美觀，當(dāng)前車間生產(chǎn)主要存在的問題如下。

（1）單件檢測合格率92%，包邊后總成檢測合格率下降至85%左右，其中切邊/型面檢測點的合格率從91.29%降至87.22%。

（2）總成零件合格率下降，大部分情況下返回單件進行調(diào)試整改，增加調(diào)試難度和工作量，影響整車的生產(chǎn)節(jié)拍。

（3）局部區(qū)域分析發(fā)現(xiàn)，單件零件尺寸表現(xiàn)不理想，總成零件尺寸卻表現(xiàn)合格的狀態(tài)，反之亦然。零件某些區(qū)域尺寸受焊接、包邊等后工序的影響較大，調(diào)試之前難以發(fā)現(xiàn)。

現(xiàn)利用有限元軟件對某車型前門進行包邊模擬分析，研究前門直邊段包邊后邊界的咬合損失量的變化規(guī)律。

2 前門外板包邊工藝設(shè)計

工藝設(shè)計前準備所需的外板、關(guān)聯(lián)內(nèi)板、相互匹配的玻璃導(dǎo)槽數(shù)模及包邊分析所用到的板料信息，試驗用到的零件信息如表1 所示。包邊所需零件如圖3所示。

表1 零件信息

標準的機器人滾邊為三次滾邊，為了提高生產(chǎn)效率，兩次滾邊的應(yīng)用越來越多，滾邊速度影響生產(chǎn)節(jié)拍，更影響滾邊質(zhì)量[3]。滾輪類型及尺寸影響機器人負載與滾邊質(zhì)量，其由零件的形狀類型及需滾邊區(qū)域的空間所決定。滾邊壓力應(yīng)選取合理，壓力過小時不能完成包邊，壓力過大時會出現(xiàn)壓痕。圖4 所示為某車型前門外板包邊工藝路線，包含其包邊預(yù)壓軌跡、主壓軌跡。主壓方向與預(yù)壓相反，即預(yù)壓結(jié)束后，相同的機器人由大滾頭切換成小滾頭進行主壓，原路返回。其中R1、R2、R3、R4為包邊機器人。

圖4 某車型前門外板包邊工藝路線

圖5所示為該車型前門外板包邊工藝對應(yīng)的包邊機器人的布局，機器人R1兼顧上料搬運及底邊滾邊，機器人R2 進行B 柱側(cè)及部分上窗框滾邊，機器人R3 進行A 柱側(cè)及部分上窗框滾邊，機器人R4 進行內(nèi)窗框三條邊滾邊，R5 搬運下料?？恐虚g的CB1、CB2、CB3、CB4為機器人軌跡校準點。

圖5 某車型前門外板包邊機器人布局

3 前門外板包邊仿真分析

在工藝設(shè)計階段，一般通過經(jīng)驗預(yù)估咬合損失量，但實際咬合損失量與預(yù)估總存在一定偏差[4]。現(xiàn)通過仿真對3種不同應(yīng)力狀態(tài)的零件進行包邊模擬，對比哪種狀態(tài)的零件獲得的咬合損失量與實際結(jié)果更吻合。

3.1 包邊仿真參數(shù)設(shè)置

在進行仿真分析前，要根據(jù)現(xiàn)場實際的包邊情況確定滾頭數(shù)量、滾輪運動方向及軌跡、滾輪類型及尺寸、預(yù)壓壓力與主壓壓力等。

根據(jù)現(xiàn)場采用兩次滾邊進行模擬分析，在軟件分析建模中導(dǎo)入相關(guān)的零件，設(shè)定好滾輪參數(shù)。機器人R1、R2、R3 均使用圖6 所示的V10 加寬滾頭進行滾邊，使用φ90 mm 的大滾頭進行主壓和預(yù)壓滾邊，φ17 mm小滾頭僅進行小角落的局部修邊。機器人R4 使用圖7 所示TR-V2 窗框滾頭進行滾邊，預(yù)壓使用錐形滾頭，主壓使用φ17 mm平滾頭。

圖6 V10加寬滾頭

圖7 TR-V2窗框滾頭

參考圖8所示滾邊工藝對零件進行預(yù)壓和主壓的參數(shù)設(shè)置，預(yù)壓角度根據(jù)參數(shù)進行設(shè)定，主壓為外板壓合內(nèi)板，角度設(shè)為0。機器人R1、R2、R3預(yù)壓角度設(shè)置45°，預(yù)壓壓力設(shè)置500 N，主壓角度為0，主壓壓力設(shè)置1 000 N。機器人R4 使用錐形滾頭進行預(yù)壓，預(yù)壓角度設(shè)置30°，預(yù)壓壓力設(shè)置500 N，主壓角度為0，主壓壓力設(shè)置1 000 N。圖9 所示為軟件設(shè)置參數(shù)后的效果，設(shè)定滾頭參數(shù)后，開始定義TCP-RTP 值（胎模邊緣線上的各點即滾輪的目標點，稱為機器人目標點RTP；滾輪母線上的點稱為機器人工具中心點TCP，兩點的距離稱為TCP-RTP值）[5-6]，如圖10 所示。在滾邊的過程中，TCP-RTP 值保持不變。

圖8 滾邊工藝

圖9 參數(shù)設(shè)置后的效果

圖10 TCP-RTP示意圖

3.2 不同應(yīng)力狀態(tài)的零件包邊仿真對咬合量的影響

在軟件中設(shè)置上述工具體參數(shù)后，導(dǎo)入零件狀態(tài)信息。為了驗證不同應(yīng)力狀態(tài)的外板零件對包邊分析結(jié)果的影響，在其他設(shè)置保持不變的情況下，分別定義了3種外板板料。

（1）板料1：原始板料，沒有經(jīng)過拉伸，無應(yīng)力應(yīng)變、無回彈，板料厚度與設(shè)定值相同，為恒定值。

（2）板料2：考慮拉伸應(yīng)力，即經(jīng)過軟件SE 分析后，板料內(nèi)部發(fā)生應(yīng)力應(yīng)變，存在不同程度的減薄等，但不考慮零件的回彈量。

（3）板料3：考慮拉伸應(yīng)力，即經(jīng)過軟件SE 分析后，板料內(nèi)部發(fā)生應(yīng)力應(yīng)變，存在不同程度的減薄等，同時考慮零件經(jīng)過拉伸應(yīng)變后應(yīng)力釋放產(chǎn)生的回彈量。

板料1 參數(shù)設(shè)置成初始值，減薄率及回彈值都為0；板料2 與板料3 考慮零件正常拉伸，零件減薄率相同，如圖11 所示。板料2 不考慮回彈值，即回彈值為零，板料3 考慮零件的回彈，如圖12 所示。將3種不同應(yīng)力狀態(tài)的零件信息輸入包邊仿真軟件進行相應(yīng)參數(shù)設(shè)置，并提交求解器計算，圖13 所示為截取前門后端B柱一側(cè)咬合損失量的仿真結(jié)果。

圖11 3種板料零件初始減薄率對比

圖13 不同板料咬合損失量計算值

4 仿真結(jié)果與實際數(shù)據(jù)對比

根據(jù)現(xiàn)場零件測點位置，測量軟件中相應(yīng)位置的咬合損失量值。對比圖14軟件分析結(jié)果，框內(nèi)的縮進量和圖15中間隙方向指向可知，現(xiàn)場間隙實測值方向與軟件測量恰好相反，即軟件分析為負值時，表現(xiàn)為與匹配件匹配的間隙變大；而現(xiàn)場測量為負值時，表現(xiàn)為與匹配件的匹配間隙變小。由于軟件分析是在理想狀態(tài)下進行，多次分析對比相同位置數(shù)值變化不大，所以驗證時取其中一組仿真分析數(shù)據(jù)與現(xiàn)場多次測量平均值（以下統(tǒng)稱實測值）進行對比。圖16 所示為截取前門后端B 柱一側(cè)咬合損失量的測點分布。

圖14 軟件分析包邊截面

圖15 現(xiàn)場測量面差與間隙示意

圖16 現(xiàn)場測點位置

根據(jù)表2 可以得出，板料1 與實測值最大差值為0.479 mm，最小差值為0.009 mm，平均差值為0.176 mm；板料2 與實測值最大差值為0.373 mm，最小差值為0.017 mm，平均差值為0.132 mm；板料3與實測值最大差值為0.397 mm，最小差值為0.019 mm，平均差值為0.125 mm。這說明板料3的數(shù)據(jù)與實測更貼近。

表2 測量數(shù)值 mm

根據(jù)圖17 可以發(fā)現(xiàn)，3 種板料分析結(jié)果走勢與實測數(shù)據(jù)一致，板料3 分析數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)更加相近。根據(jù)圖18 可以發(fā)現(xiàn)，板料2 和板料3 的分析結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的差值相近，但板料3 的分析值與實測值之差更小。

圖17 測點數(shù)值變化曲線

圖18 分析值與實測值的差值曲線

由圖16 可知，測點9 位于水切面上，兩側(cè)都存在圓角過渡，過渡相對急劇，且包邊面的長度為2.5 mm 左右，與其他測點的包邊面長度6.5～7.5 mm 存在較大的差距。包邊面越短，包邊質(zhì)量越難控制，因此導(dǎo)致測點9測量數(shù)據(jù)突出，但整體趨勢一致，對結(jié)果的比較不構(gòu)成影響。

根據(jù)以上驗證結(jié)果，在另一個項目的前門外板進行相同的分析驗證，截取A 柱側(cè)直邊位置（見圖19）進行對比分析。由圖20可知，3種材料的分析值與實測值走勢基本一致，且板料3 的分析值與實測值更為貼近，驗證了試驗的準確性。

圖19 測點位置

圖20 分析值與實測值走勢

5 結(jié)束語

通過軟件的理論分析與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)綜合對比表明，對于前門外板，利用柔性板料3（同時考慮拉深應(yīng)力及回彈值）進行包邊分析，其咬合損失量分析結(jié)果與現(xiàn)場實測走勢基本一致，且分析數(shù)值與實測數(shù)值也更為貼近。對于其他外覆蓋件，其包邊后的間隙表現(xiàn)、走勢方向等需配合有限元軟件結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析，進一步去研究與探討。