農(nóng)明滿(mǎn)

【摘 要】隨著消費(fèi)市場(chǎng)需求的提高和汽車(chē)制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，車(chē)門(mén)包邊要求也越來(lái)越高。文章闡述汽車(chē)車(chē)門(mén)包邊的基本原理、包邊機(jī)的分類(lèi)及包邊質(zhì)量的需求，并嘗試從工藝構(gòu)建分析、運(yùn)動(dòng)軌跡模擬仿真、包邊力學(xué)計(jì)算等方面，分析和驗(yàn)證四桿包邊機(jī)構(gòu)在桌式包邊設(shè)備中的可行性，指出其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，介紹其在汽車(chē)車(chē)門(mén)包邊中的應(yīng)用效果，并總結(jié)歸納出開(kāi)發(fā)要點(diǎn)和注意事項(xiàng)，給后續(xù)汽車(chē)車(chē)門(mén)包邊設(shè)備的開(kāi)發(fā)提供一定的參考。

【關(guān)鍵詞】四桿機(jī)構(gòu)；車(chē)門(mén)；內(nèi)板；外板；翻邊；包邊

【中圖分類(lèi)號(hào)】U463.834 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2017）02-0076-03

0 前言

隨著人民生活水平的不斷提高，個(gè)人可支配收入隨之提高，加上工業(yè)化的發(fā)展，汽車(chē)價(jià)格不斷地下滑，汽車(chē)逐步由原來(lái)體現(xiàn)身份的奢侈品，慢慢轉(zhuǎn)變成人們?nèi)粘Ｉ畹谋匦杵贰ＯM(fèi)需求的提升，給汽車(chē)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)迅猛的發(fā)展。在過(guò)去的2016年，中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)量和銷(xiāo)量分別達(dá)到了2 811.9萬(wàn)輛和2 802.8萬(wàn)輛，比2015年同期分別增長(zhǎng)14.5%和13.7%，無(wú)論產(chǎn)銷(xiāo)量還是增長(zhǎng)率，均已位居全球首位。而隨著人們生活品質(zhì)和認(rèn)知水平的提高，對(duì)汽車(chē)的外觀(guān)和性能也提出了更高的要求，如造型優(yōu)美、性能可靠、安全性強(qiáng)等，這也對(duì)汽車(chē)制造技術(shù)提出了越來(lái)越嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。車(chē)身門(mén)蓋的生產(chǎn)是汽車(chē)制造過(guò)程中的重要一環(huán)，而車(chē)門(mén)包邊又是涉及車(chē)門(mén)性能及外觀(guān)質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵步驟，包好邊的車(chē)門(mén)，具有加固、防銹、美觀(guān)等功能，如何實(shí)現(xiàn)良好的車(chē)門(mén)包邊，將直接影響整車(chē)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的感知質(zhì)量，進(jìn)而影響消費(fèi)者的購(gòu)買(mǎi)欲。因此，如何根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)選用合適的包邊執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)滿(mǎn)足包邊質(zhì)量要求，需要我們進(jìn)行分析和驗(yàn)證。

1 包邊的基本工藝

通常來(lái)說(shuō)，由于沖壓模具拔模角的影響，以及內(nèi)板要放置到外板內(nèi)的問(wèn)題，車(chē)門(mén)外板翻邊角度一般為90°～110°，如果包邊一步到位，鋼板變形過(guò)大，很容易導(dǎo)致車(chē)門(mén)產(chǎn)生表面凹凸、變形、褶皺、圓角不均等缺陷，因此實(shí)際的包邊過(guò)程包括以下幾個(gè)步驟：內(nèi)外板扣合、預(yù)包邊、主包邊（如圖1所示）。在進(jìn)行包邊之前，首先把沖壓車(chē)間送過(guò)來(lái)的外板跟焊接好的內(nèi)板扣合在一起，然后用包邊設(shè)備上的壓刀或者滾輪對(duì)外板翻邊進(jìn)行45°左右的預(yù)包邊，最后把翻邊包成0°，這時(shí)，外板和內(nèi)板能充分地貼合，可以起到美化外觀(guān)和強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的作用。實(shí)際生產(chǎn)中，預(yù)包邊還可以根據(jù)外板的形狀和翻邊的初始角度，結(jié)合不同的包邊設(shè)備進(jìn)行靈活處理，在一定范圍內(nèi)選擇最佳的預(yù)包邊角度，比如翻邊角度過(guò)大，可以先預(yù)包邊到50°，甚至再細(xì)分成2步預(yù)包邊，從而保證良好的包邊質(zhì)量。

衡量包邊質(zhì)量的好壞，主要有以下幾個(gè)指標(biāo)：內(nèi)外板的包邊貼合程度、車(chē)門(mén)間隙和段差、外觀(guān)圓角的均勻性、表面質(zhì)量。包邊貼合程度直接影響車(chē)門(mén)的密封性能，如果過(guò)松，車(chē)門(mén)進(jìn)入涂裝后會(huì)由于內(nèi)外板之間的間隙而導(dǎo)致密封膠烘烤固化過(guò)程中起泡失效；過(guò)緊，則板材容易變形。要達(dá)到比較好的效果，包邊厚度一般等于理論3層板厚度加上（0，+0.3）的公差，這也是經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)和驗(yàn)證得出的可執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。而間隙和段差，則影響整車(chē)的匹配，間隙段差超差或波動(dòng)過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致外觀(guān)質(zhì)量下降，無(wú)法體現(xiàn)汽車(chē)造型設(shè)計(jì)的創(chuàng)意，甚至導(dǎo)致開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程中零件相互干涉，造成零件掉漆生銹，行駛過(guò)程中也容易導(dǎo)致風(fēng)阻加大，噪音增大，燃油經(jīng)濟(jì)性下降，進(jìn)而影響消費(fèi)者對(duì)該汽車(chē)品牌的評(píng)價(jià)。各汽車(chē)廠(chǎng)基于成本投入和制造水平的差異，會(huì)有不同的尺寸公差標(biāo)準(zhǔn)。而外觀(guān)圓角和表面質(zhì)量，也直接關(guān)系到整車(chē)的美觀(guān)程度，外觀(guān)圓角清晰而一致性好，表面質(zhì)量不產(chǎn)生凹凸、波浪等缺陷，則能很好地體現(xiàn)造型設(shè)計(jì)風(fēng)格。一般來(lái)說(shuō)，在造型設(shè)計(jì)階段，就會(huì)對(duì)外觀(guān)圓角提出明確的要求，以便能實(shí)現(xiàn)造型本身的創(chuàng)意。上文所說(shuō)的這些質(zhì)量測(cè)量指標(biāo)，在生產(chǎn)制造過(guò)程中，受多方面因素的影響。比如，包邊壓力的大小、外板受力的速度、壓刀切入角度及保壓時(shí)間等。

根據(jù)包邊工藝的不同，包邊設(shè)備可以分為三大類(lèi)：壓機(jī)包邊模、桌式包邊機(jī)、機(jī)器人滾邊機(jī)。壓機(jī)包邊模與沖壓模具類(lèi)似，主要是利用200 t左右的大型壓力機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，分為上、下模，對(duì)車(chē)門(mén)零件進(jìn)行整體包邊，該設(shè)備前期投資高、占用場(chǎng)地大，優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)節(jié)拍高，可達(dá)60～80 JPH。桌式包邊機(jī)則是一臺(tái)小型工作站，利用小型液壓缸或電機(jī)作為動(dòng)力源，通過(guò)多組機(jī)構(gòu)的連桿動(dòng)作，對(duì)零件進(jìn)行包邊，其場(chǎng)地占用小，比較靈活，生產(chǎn)節(jié)拍高，可達(dá)60 JPH，比較適合產(chǎn)量高的專(zhuān)線(xiàn)生產(chǎn)。而機(jī)器人滾邊機(jī)，則是利用滾輪對(duì)零件進(jìn)行反復(fù)滾動(dòng)實(shí)現(xiàn)包邊，生產(chǎn)節(jié)拍較低，一般在40 JPH以下，但它的柔性化程度高，適合小批量、多品種的產(chǎn)品生產(chǎn)要求。各汽車(chē)廠(chǎng)都會(huì)根據(jù)自身產(chǎn)品的特點(diǎn)和廠(chǎng)房規(guī)劃，選用適合自身的包邊設(shè)備。結(jié)合某公司產(chǎn)量高、物流多處交叉、場(chǎng)地多變的特點(diǎn)，桌式包邊設(shè)備得到較為廣泛的應(yīng)用。而針對(duì)桌式包邊設(shè)備，傳統(tǒng)的單杠桿包邊機(jī)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是包邊過(guò)程中角度變化較大，包邊質(zhì)量不夠穩(wěn)定，已無(wú)法滿(mǎn)足包邊質(zhì)量提升的迫切需求。鑒于此，我們結(jié)合包邊的特點(diǎn)和需求，對(duì)四桿包邊機(jī)構(gòu)的開(kāi)發(fā)進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析和驗(yàn)證。

2 四桿機(jī)構(gòu)的構(gòu)建

常見(jiàn)桌式包邊設(shè)備的包邊執(zhí)行單元一般是由預(yù)包邊機(jī)構(gòu)、主包邊機(jī)構(gòu)及胎模組成（如圖2所示）。預(yù)包邊機(jī)構(gòu)和主包邊機(jī)構(gòu)分別對(duì)車(chē)門(mén)外板翻邊進(jìn)行預(yù)包邊和主包邊，而胎模工作面跟車(chē)門(mén)外板表面一致，可對(duì)外板起到支承和定型的作用，可有效地避免包邊過(guò)程中，包邊壓力對(duì)車(chē)門(mén)造成外表面缺陷。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們可以根據(jù)上面所說(shuō)的包邊工藝，構(gòu)建2組四桿機(jī)構(gòu)來(lái)分別執(zhí)行預(yù)包邊和主包邊2個(gè)動(dòng)作。如圖3所示，首先預(yù)包四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作，對(duì)車(chē)門(mén)外板翻邊進(jìn)行90°～45°預(yù)包邊。然后預(yù)壓機(jī)構(gòu)打開(kāi)，四桿主壓機(jī)構(gòu)進(jìn)入，對(duì)車(chē)門(mén)外板翻邊從45°～0°的主包邊，為確保翻邊產(chǎn)生塑性變形不反彈，一般會(huì)保持壓力1～2 s，之后四桿主壓機(jī)構(gòu)打開(kāi)，一個(gè)包邊循環(huán)結(jié)束。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)考充分考慮材料強(qiáng)度、干涉避讓空間、驅(qū)動(dòng)力及輸出壓力等因素。

3 四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃

影響包邊質(zhì)量的一個(gè)重要因素就是翻邊受力角度，良好的包邊切入角度會(huì)帶來(lái)良好的包邊質(zhì)量，而不好的切入角度，則可能會(huì)引起多種質(zhì)量缺陷，如下塌、凹陷、外翻、內(nèi)板切邊外露等，嚴(yán)重的可導(dǎo)致車(chē)門(mén)零件報(bào)廢。傳統(tǒng)的手工計(jì)算不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且不夠直觀(guān)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，我們可以利用3D運(yùn)動(dòng)分析軟件對(duì)四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。利用“西門(mén)子”開(kāi)發(fā)的Unigraphics NX三維軟件，進(jìn)入運(yùn)動(dòng)仿真環(huán)境，導(dǎo)入四桿機(jī)構(gòu)的3D數(shù)模，定義活動(dòng)連桿和運(yùn)動(dòng)副，結(jié)合驅(qū)動(dòng)源，可以對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確運(yùn)動(dòng)仿真模擬。而且，除了單個(gè)機(jī)構(gòu)的仿真，還可以通過(guò)定義時(shí)間次序，對(duì)整套設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)分析模擬。通過(guò)運(yùn)動(dòng)模擬仿真，我們可以快速、有效地驗(yàn)證每一個(gè)區(qū)域的包邊切入角度，尋找最優(yōu)的包邊設(shè)計(jì)方案。如圖4、圖5所示，對(duì)比傳統(tǒng)的單杠桿包邊機(jī)構(gòu)，四桿機(jī)構(gòu)在任意的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，均能保持相同的包邊切入角度，使得被包的汽車(chē)車(chē)門(mén)零件受力均勻，質(zhì)量一致性高。而且，因?yàn)閷?shí)際生效的行程只有很短的一段，所以我們可以通過(guò)設(shè)定不同的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)來(lái)滿(mǎn)足不同的包邊形狀。例如，預(yù)壓過(guò)程中把翻邊從90°包到45°，需要的橫向力較多，我們可以把連桿的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)設(shè)置得低一些。而主壓過(guò)程中，需要縱向力更多一些，我們可以把連桿的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)設(shè)置得高一些。此外，運(yùn)動(dòng)仿真還可以提前檢查機(jī)構(gòu)內(nèi)部及機(jī)構(gòu)之間的間隙，避免干涉，從而減少后期干涉造成的返工，節(jié)約人員的投入、縮短裝配和調(diào)試周期。

4 四桿機(jī)構(gòu)的壓力計(jì)算

一般來(lái)說(shuō)，每家汽車(chē)廠(chǎng)所用的車(chē)門(mén)板材，基于定位的不同，厚度可能會(huì)有所差別，而根據(jù)車(chē)門(mén)板材厚度和屈服強(qiáng)度的不同，則其所需的包邊壓力也不盡相同。針對(duì)市面上大部分汽車(chē)所用厚度為0.75 mm以下的鋼材薄板，預(yù)包邊的單位壓力為65 kN/mm，主包邊的單位壓力為160 kN/mm，均能滿(mǎn)足包邊需求。如果包邊壓力過(guò)低，則車(chē)門(mén)不能夠被包貼合，外觀(guān)圓角偏大而且不均勻，容易影響車(chē)門(mén)的性能和外觀(guān)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為確保能輸出足夠的包邊壓力，還需對(duì)四桿包邊機(jī)構(gòu)進(jìn)行最低壓力計(jì)算校核。

在四桿機(jī)構(gòu)中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，我們可以把壓刀和刀座作為剛體，根據(jù)杠桿力矩平衡原理，F(xiàn)1×L1=[F2/cos（a）]×L2，如圖6所示，在主壓機(jī)構(gòu)中，我們假設(shè)油缸直徑D=125 mm，油壓P=10 MPa，那么F1=π×（D/2）2×P=122.6 kN。為避免分力過(guò)大，包邊工藝中a的取值一般不超過(guò)30°。代入力臂設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，則F2=F1×L1×cos（a）/L2=122.6×180×cos30°/160=119 kN。在實(shí)際應(yīng)用中，a的取值一般比30°還要小，再加上壓刀和刀座自身的重力，機(jī)構(gòu)實(shí)際產(chǎn)生的包邊壓力會(huì)比119 kN更大。按照主包邊標(biāo)準(zhǔn)單位壓力為160 kN/mm，以常見(jiàn)的車(chē)門(mén)輪廓邊為700 mm的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算，所需的包邊壓力為160×700=112 kN，因此該機(jī)構(gòu)完全可以滿(mǎn)足包邊壓力的需要。如需要比700 mm更長(zhǎng)的包邊長(zhǎng)度，也可以通過(guò)改變力臂及增大液壓缸徑來(lái)滿(mǎn)足包邊壓力需求。這樣通過(guò)形成幾個(gè)系列標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，可以實(shí)行模塊化設(shè)計(jì)，大幅縮短開(kāi)發(fā)周期。

預(yù)壓機(jī)構(gòu)中，我們?yōu)榱吮苊飧缮?，采用雙液壓缸形式，取油缸直徑D=80 mm，油壓P=10 MPa，代入力臂設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，那么F1=2×π×（D/2）2×P=100 kN，結(jié)合預(yù)壓所需的標(biāo)準(zhǔn)單位壓力為65 kN/mm，完全可以滿(mǎn)足1 500 mm長(zhǎng)度的預(yù)壓。這樣就能應(yīng)對(duì)絕大部分車(chē)門(mén)輪廓邊的包邊，從而能夠形成模塊化設(shè)計(jì)。而在實(shí)際應(yīng)用中，預(yù)壓壓力過(guò)大可能會(huì)導(dǎo)致包邊變形，我們可以通過(guò)調(diào)節(jié)液壓缸壓力，找到最佳的工藝參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)良好的包邊質(zhì)量。

5 四桿機(jī)構(gòu)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用效果

由以上分析可知，四桿包邊機(jī)構(gòu)主要有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：{1}包邊動(dòng)作過(guò)程中壓刀角度不變，使得被包的汽車(chē)車(chē)門(mén)零件受力均勻，質(zhì)量一致性高；{2}結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，采用分體式易于維修，包邊質(zhì)量調(diào)試方便；{3}通過(guò)形成標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，減少機(jī)構(gòu)種類(lèi)，可以進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)和制造，有比較好的通用性，利于快速成線(xiàn)投產(chǎn)；{4}動(dòng)作簡(jiǎn)單，速度快，生產(chǎn)節(jié)拍高，可達(dá)60 JPH?；谝陨蟽?yōu)勢(shì)，以該技術(shù)為主體自主開(kāi)發(fā)的桌式包邊設(shè)備，在某公司的車(chē)門(mén)包邊上得到了大規(guī)模的推廣和應(yīng)用，打破了少數(shù)專(zhuān)業(yè)公司的壟斷，先后生產(chǎn)了多款miniVAN、MPV暢銷(xiāo)車(chē)型，產(chǎn)銷(xiāo)量連續(xù)多年位居國(guó)內(nèi)汽車(chē)行業(yè)前列，并已走出國(guó)門(mén)，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷(xiāo)東南亞、中東、非洲、拉美等地區(qū)的新興市場(chǎng)。

6 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合四桿包邊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析過(guò)程可以看出，四桿機(jī)構(gòu)是一種質(zhì)量?jī)?yōu)良的包邊機(jī)構(gòu)，有比較廣泛的適應(yīng)性，可滿(mǎn)足大部分汽車(chē)車(chē)門(mén)的包邊需求。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，包邊設(shè)備的開(kāi)發(fā)，要根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征選用相應(yīng)的包邊方案。包邊機(jī)構(gòu)必須在保證強(qiáng)度的前提下，滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)空間需求，以及主預(yù)包邊最小壓力要求。同時(shí)，也要求我們除了設(shè)計(jì)之外，對(duì)包邊設(shè)備的制造和裝配，以及包邊設(shè)備的調(diào)試，都需跟蹤監(jiān)測(cè)到位，只有這樣，才能獲得良好的包邊質(zhì)量，生產(chǎn)出合格的車(chē)門(mén)總成零件。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]聞邦春.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第二卷）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]Unigraphics Solutions Inc.UG運(yùn)動(dòng)分析培訓(xùn)教程[M].胡曉康，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[3]張世曉.靜態(tài)感知質(zhì)量在汽車(chē)新產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中的應(yīng)用研究[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2016（1）.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]