模具技术２０１５．Ｎｏ．４ 文章编号：ｉ００１—４９３４（２０１５）０４—０００１—０４ 汽车开启件滚边工艺缺陷控制方法研究 卢 妍 ，张宁红 ，陈中春 ，陆伟民 ，杜 亭 （Ｉ．东风汽车公司 技术中心制造工程部，湖北 武汉４３００５６； ２．华中科技大学 材料成形与模具技术国家重点实验室，湖北 武汉４３００７４） 摘 要：机器人滚边技术是白车身焊接技术的重要组成部分，其滚边质量直接影响到 整车的密封性能和外观质量。论述了机器人滚边系统中，影响包边质量的尺寸和表面 质量２种主要缺陷形式及成因。结合现生产车型开启件在制造过程中出现的机器人 滚边缺陷，针对影响尖角上翘的外板翻边长度、翻边内侧圆角、弯曲角度等进行了重点 论述，并对波浪起皱、包边失效、外观质量缺陷进行了系统分析，提出了可行性解决措 施，有效地提高了机器人滚边质量。 关键词：机器人；滚边；弯曲；缺陷分析 中图分类号：ＴＧ ３８６ 文献标识码：Ａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｄｅｆｅｃｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｒｏｂｏｔｉｃ ｒｏｌｌｅｒ ｈｅｍｍｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ａｕｔｏｂｏｄｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ＬＵ Ｙａｎ，ＺＨＡＮＧ Ｎｉｎｇ－ｈｏｎｇ，ＣＨＥＮ Ｚｈｏｎｇ－ｃｈｕｎ，ＬＵ Ｗｅｉ—ｍｉｎ，ＤＵ Ｔｉｎｇ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｏｂｏｔ ｒｏｌｌｅｒ ｈｅｍｍｉｎｇ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ＢＩＷ ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｒｏｌｌｅｒ ｈｅｍｍｉｎｇ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ａｆｆｅｃｔｓ ｔｈｅ ｓｅａｌｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ａｐｐｅａｒａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｕ－ ｔｏｂｏｄｙ．Ｔｈｅ ｐａｔｔｅｒｎｓ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｓｐＯｎｄｉｎｇ ｃａｕｓｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｄｅｆｅｃｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｈｅｍｍｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎ ｄｅｆｅｃｔｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｗｒｉｎｋｌｅ，ｈｅｍｍｉｎｇ ｆａｉｌｕｒｅ ａｎｄ ａｐｐｅａｒａｎｃｅ ｄｅｆｅｃｔｓ ｗｅｒｅ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ ａｎａｌｙｚｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎ－ ｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌａｎｇｉｎｇ ｓｉｚｅ，ｆｌａｎｇｉｎｇ ａｎｇｌｅ ａｎｄ ｂｅｎｄ ａｎｇｌｅ．Ｓｏｍｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｒｏｂｏｔ ｒｏｌｌｅｒ ｈｅｍｍｉｎｇ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｏｂｏｔ；ｒｏｌｌｅｒ ｈｅｍｍｉｎｇ；ｂｅｎｄｉｎｇ；ｄｅｆｅｃｔ ａｎａｌｙｓｉｓ 其具有成形美观、容易实现柔性化生产、投入及 ０ 引言 维护成本低、作业面积小、包边质量稳定且调试 周期相对较短等显著特点，成为开启件滚边工 机器人滚边工艺是一种新型的包边方式， 艺的主要装备，在国内、外各大汽车企业得到了 它通过机器人控制安装在其手臂末端的滚边工 广泛应用。 具，对板件边缘进行滚压，使外板沿内板边缘翻 开启件滚边工艺作为白车身四门两盖类总 折，实现内、外板的装配。机器人滚边技术，因 成装配的最后一道工艺，其滚边质量直接影响 收稿日期：２０１５一Ｏ１—２２ 作者简介：卢妍（１９７７一），女，高级工程师。 ２ Ｄｉｅ ａｎｄ Ｍｏｕｌｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｏ．４ ２０ １ ５ 产品的整体外观和密封性能等。滚边成形后产 品表面必须平滑顺畅，没有压痕、凹陷、波状起 伏和明显褶皱等缺陷，内外板包合处必须平实 服帖，且保证工件的整体尺寸精度稳定。 １机器人滚边工作原理 机器人滚边的折角步骤一般为９Ｏ。一６０。一 ３０。一０。ｆ妇（见图１）。根据不同的板件材料和板 件的内外部几何结构，可以在此基础上增加滚 边序数，以实现复杂的产品结构。汽车开启件 滚边工艺通常如图１所示三序滚完，水滴状包 本文以某车型开启件为例，系统分析了生 产过程中机器人滚边工艺常见缺陷的形成原 因，并提出了针对性的解决方案，对于优化机器 人滚边工艺、提高机器人滚边质量及稳定性有 着重要意义。 边结构的机盖采用四序完成滚边，如果节拍较 慢，也可以将滚边序数增加，提高滚边质量。 （ａ）９Ｏ。折至６０。 （ｂ）６０。折至３０。 （ｃ）３０。折至０。 图１机器人滚边折角步骤 曲率急剧变化区，翻边变形区内绝对值最大的 ２机器人滚边缺陷原因分析及对策 影响滚边质量的因素主要有以下几方面： 滚边步数、滚边速度、滚边压力、板件定位精度、 板件夹持压力、胎膜质量、滚边轨迹离线程序精 主应力是沿切向（翻边线方向）的压应力，在该 方向产生压缩变形，并主要发生在圆弧部分，易 发生失稳翘曲 ］。与圆弧部分相毗连的直边部 分，由于与圆弧部分的相互作用，发生了明显的 剪切应变，而这一剪切应变又使圆弧部分的切 度、滚边工具及胎膜的表面精度、板件公差材质 厚度及形状等，因此对滚边工艺、机械设计、加工 制造的合理性、精度等都提出很高的要求 ］。本 文针对现生产中常见的四类包边缺陷，深入分析 了缺陷产生的原因，并提出了系统的改进措施。 ２．１ 尖角上翘 向压缩变形发生了变化。因此直边高度的大 小，将直接影响该区域翻边的成形质量。 当翻边高度过小时，直边部分剪切变形对 圆弧部分的切向压缩变形的影响加大，当翻边 高度较大时，圆弧切向压缩变形先线性增大，达 到最大值后又逐渐减小。 外板待包边的翻边高度过小时，圆弧部分 的切向压缩变形产生的加工硬化区和直边部分 剪切变形产生的加工硬化区叠加，这样在滚边 开启件尖角处滚边完成后，出现尖角上翘， 即外板与胎膜不贴合，如图２所示。产生此类 缺陷主要是由于板件尺寸不合理、夹具定位精 度不合格以及产品结构不合理所造成。 时，产生的应力就要通过内板一起消化，容易产 生翻边边缘上翘。 （２）翻边内侧圆角Ｒ的影响。翻边内侧圆 角是靠近曲率中心内侧的圆角。外板翻边在滚 轮作用下，板料的曲率发生变化，板料上曲率发 生变化的部分（图３中Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ围成的部分） 是变形区。板料变形区内靠近中心的一侧（称 内层）的金属在切向压应力的作用下产生压缩 图２开启件尖角上翘缺陷示例 变形；远离曲率中心一侧（称外层）的金属在切 向应力的作用下产生伸长变形Ｉ３］。板料弯曲变 形区示意图如图３所示。 ２．１．１板件尺寸精度不合理 （１）翻边高度的影响。在外板拐角区域及 模具技术２０１５．Ｎｏ．４ 图３弯曲变形区示意图 当内尺圆角偏大时，板件受力弯曲的塑性 变形区小，弹性变形区较大，卸载后，弹性变形 区的残余应力较大，则回弹较大，导致包边后与 内板边缘不服帖或者边缘凸起，有时候易发生 二度折痕或折断的情况（见图４）；若Ｒ值偏小， 即最小相对弯曲半径Ｒ／Ｔ减小到一定程度后， 会使材料外层纤维的伸长变形超过材料所允许 的极限而发生破坏，则包边过程中很容易使外 板开裂。 — 图４边缘弯曲Ｒ角偏大产生二次折痕或折断 因此，在保证材料外层纤维不发生破坏的 条件下，Ｒ值要选择一适中值。经试验验证，对 于钢板厚度为０．７ ｍｍ的覆盖件翻边内Ｒ圆角 一般为０．５ １２１ｍ。 图５所示为以料厚￡：０．７ ｍｍ、翻边内圆角 Ｒ一０．５ ｍｍ和Ｒ一１ ｍｍ的２种９Ｏ。翻边（冲压 完成），滚弯至３Ｏ。边的示例。 （ａ）内圆角Ｒ＝Ｏ．５ ｍｍ （ｂ）内圆角尺＝１舢 图５不同内圆角滚边工艺示例 通过ＣＡＥ仿真软件，对上述２种参数进行 模拟验证，结果如下。 （ａ）当Ｒ＝１ ｍｍ时，翻边滚弯至３Ｏ。时，卸载 后弹性变形恢复，最大回弹量达到了０．１１６ ｍｍ， ３ 且回弹量不均匀。由于翻边内圆角较大，圆角 区域为自由成形，因此在滚边时会产生多余的 材料，流动至圆角区域，导致靠近滚弯原角的外 表面区域产生起皱缺陷。 （ｂ）当Ｒ一０．５ ｍｍ时，由于内圆角较小，塑 性变形区大，接近极限变形程度，因此滚边状态 稳定，回弹量均小于０．０１ ｍｍ，且回弹值基本均 匀分布，同时也无起皱缺陷产生。 ２。ｌ－２ 夹具定位精度不合格 在滚边过程中，若压合区域内外板没有固 定夹紧，会导致滚边后的总成在尖角处释放应 力，使Ｚ向尺寸变化引起尖角上翘。因此，对尖 角区域设置固定加紧装置极为重要。通过在尖 角部位增加图６所示的夹紧压头，可以显著弱 化尖角上翘。 图６尖角区域固定加紧装置不例 ２．１．３ 产品结构不合理 因产品尖角处在滚边时易产生应力集中， 进而引发产生变形上翘。通过在易上翘区域设 置加强筋，可以显著提升产品强度，同时减少包 边力，是避免尖角上翘缺陷的有效途径。 图７所示为２０１２款和２０１３款某车型行李 箱产品结构示例图。２０１２款因尖角部位无加强 筋，包边后尖角上翘，导致装车后行李箱低于侧 围，影响外观质量；２０１３款行李箱对里板尖角部 位的结构进行了改进，增加了加强筋，彻底消除 了尖角上翘。 ２．２波浪起皱 此缺陷多出现在预包边过程中，而且以曲 面曲边的波浪起皱尤为严重，如：机行李箱尖角 部位及其他外形曲率变化急剧处，如图８所示。 主要的影响因素如下。 ４ Ｄｉｅ ａｎｄ Ｍｏｕｌｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｏ．４ ２０ １ ５ （ａ）２０１２款某车型行李箱 （ｂ）２０１３款某车型行李箱 图７ ２０１２款和２０１３款某车型行李箱产品结构示例图 图８外形曲率变化剧烈处预包边不平整 （１）调试时滚边压力设置不一致。车门包 边为复杂的薄板弯曲成形过程，板件刚性差，当 滚边压力不均匀时，板件受力不一致，从而产生 波浪起皱。通过调节终边压力，有效解决板件 的波 良起皱。 （２）机器人示教精度。预包边和终包边的 每个点角度和压力必须一致，不能出现明显的 波动。预包边时，工具必须紧贴板件边缘，只有 折边处压实了，在压平的时候才不会出现翻边 或者是板件边缘超出胎膜的现象。 在示教调试过程中，有时候局部出现翻边 的情况，就是由于终包边时，滚轮左右晃动把板 件拉出去导致的，通过示教使滚轮平滑顺畅地 压平板件，不出现晃动和角度、压力的突变，这 样就能保证包边效果。 （３）外板的翻边高度和翻边角度。在曲率 外凸变化急剧处翻边（外缘外曲）的翻边长度较 长时，板件弯曲变形产生的内应力无法释放，引 起板件波浪起皱。 如图９所示，外缘外曲翻边成形时，凸缘变 化区ＡＢＣＤ在成形终了的形状变为ＣＤＥＦ，翻 边轮廓 变为 ，且 ＜ ，可知该翻边为 收缩类翻边ｌ３］。 由于受边界的影响，外缘外区翻边的应力 应变状态非常复杂，周向应力、应变沿变形区外 Ｂｔ－ 、 、 、 ， 图９外缘外曲翻边成形 边缘的分布是非线性的，此时外缘外曲翻边成 形过程中变形区外边缘受周向应力的作用将产 生收缩变形。在翻边角度一定的情况下，翻边 长度越长，直边部分在翻边过程中受压缩应变 导致的收缩变化量越大＿３］。 经过试验验证，制定了普通包边和水滴包 边的翻边高度及角度的对应规则，如表１所示。 在此基础上，还要在不同翻边高度之间设置渐 变区，以确保应力平缓过渡。一般情况下，渐变 过渡区的长度要大于３０ ｍｍ，如图１Ｏ所示，以 避免不同区域间翻边高度尺寸变化太大，影响 滚边质量。 表１ 翻边高度及角度对应规则 包边类型 翻边高度／ｒａｍ 普通包边 ７～９ 不小于９Ｏ。拐角处 ３．５ 小于９Ｏ。拐角处 ２．５ 水滴包边 １４～１６ 图ｌ０包边区域渐变区示例圈 （下转第３１页） 模具技术２０１５．Ｎｏ．４ ３１ ２００７． 长度取值范围合理。 Ｅ３］么廷先．台阶凸模的稳定性ＥＪ］．模具工业，１９９０（８）：２— 参考文献： ＥｌＪ卢险峰．冲压工艺模具学［Ｍ］．北京：机械工业出版社， ２Ｏ１４． ７． ［４］单辉祖．材料力学——问题、例题与分析方法［Ｍ］．北 京：高等教育出版社，２００６． ［５］关治，陆金甫．数值方法［Ｍ］．北京：清华大学出版社， ２００５． ［２］卢险峰．模具学导论［Ｍ］．北京：化学工业出版社， （上接第４页） ２．３包边失效 设置不合理时，外板上同样会出现凹凸不平缺 陷。 外板将内板挤出无法包裹内板，造成严重 的质量问题，如图１１所示。 当零件的内板与外板的结合面有凹坑或凸 起，则包边后外板表面必有凹坑或凸包。因此 如果内板的修边存在波浪变形、毛刺、凹凸不 平、尺寸变化不规律等缺陷，包边后就会造成包 边波浪。当内板的局部或整体变形时，就会引 起包边件的局部或整体变形，甚至会影响铰链 安装孔的位置精度及稳定性，严重时会造成包 边失效。因此要防止冲压件内板的变形及保持 切边的稳定性。 实际生产时，必须对上述几点逐一排查，才 能找到问题所在，将其从根本上解决。 图１１ 角部包边失效 外板翻边长度较小且内外板间隙过大是造 成此缺陷的直接原因。若要避免该类缺陷，产 品内外板重合量不应小于３ ｍｍ。若板件重叠 量过小，处于内外板重叠的临界状态，包边时会 导致外板将内板挤出的现象。在满足内外板压 ３ 结论 为获得良好的车身装配精度和外观质量， 机器人滚边零件的质量控制尤为重要。通过对 机器人滚边缺陷分析，提出了各类常见缺陷下 的控制措施，解决了机器人滚边缺陷问题，有效 地改善了产品的滚边质量。机器人滚边技术是 多方面技术结合到一起的一项柔性化生产技 术，要想掌握这项技术，必须在多方面打好基 实的前提下，适当减少滚边压力，也是解决此问 题的有效措施。 ２．４外观质量缺陷 础，并将其融合在一起，这样才能真正发挥其效 滚边后外板常见的表面缺陷有坑包、波浪、 压痕。表面坑包和波浪是一个综合性问题，它 和包边胎膜与工件外板匹配关系，包边胎膜与 定位夹紧机构对应关系，定位夹紧机构的定位 点位置、数量，夹紧点的位置、数量、夹紧力的大 ［１］王立影，杨冬，梅杨虹，等．机器人滚边零件质量控制 用，推动国内汽车制造业的发展。 参考文献： 小，滚边程序是否合理，滚边压合力是否合适等 因素都有直接关系。 当胎膜及定位夹紧单元与外板产生干涉 时，容易在外板上产生凹点；当成形滚轮的压力 因素分析ＥＪ］．汽车与配件，２０１０，３７（３）：２０—２２． Ｅ２３王健强，张婧慧．机器人滚边技术及应用研究ＥＪ］．现代 制造技术与装备，２０１０（３）：３－５． ［３］杨玉英．大型薄板成型技术［Ｍ］．北京：国防工业出版 社，１９９６．