（机械制造及其自动化专业论文）汽车覆盖件扣合过程研究.pdf

醵誓c i 西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行 研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢 的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不 包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：鸯朝闩 日期：2 d 知石7 指导教师签名：；、齐 日期：如乃夕j 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 学位论文作者签名：童溯阳 日期：b f 。6 7 指导教师签名：) ， 日期：必0 石。9 f 西华大学硕士学位论文 摘要 扣合成形过程是用于连接两个金属板的过程。它通过沿内板折叠外板边缘从而得到 光滑边缘。汽车覆盖件扣合过程是汽车覆盖件生产的最后一道工序，其质量的好坏直接 影响到汽车装配的精度与美观。汽车上常使用扣合成形过程的零件包括车门，引擎罩等 等。随着现代汽车行业的发展，对汽车质量和外观的要求越来越高，研究和解决扣合成 形过程中的质量问题也十分急迫和重要。 汽车覆盖件扣合过程是外板边沿1 8 0 度的弯曲成形过程，它通常包括了三个步骤： 翻边，预扣合，终扣合。根据板料的几何形状，扣合过程可以分为平面一直线边缘扣合， 平面一曲线边缘扣合，曲面一直线边缘扣合和曲面一曲线边缘扣合4 大类。扣合成形过程 不同于简单的薄板弯曲，常常伴有轮廓边缘内移或者外移、回弹、扣合轮廓附近的卷曲 和扣合外板件的面内翘曲、起皱、破裂等成形缺陷产生。 本文对于广泛应用于汽车行业的扣合成形过程，通过有限元模拟结合建立扣合过程 力学模型的方法，详细地研究了平面一直线边缘扣合成形过程翘曲产生的原因；解释了 预扣合成形时，在板料与定位面接触点o 附近产生翘曲现象的原因：和在终扣合成形时， 翘曲最大位置点t 出现前，翘曲现象出现减小、增大的现象；以及t 点后，翘曲再次减 少现象。 同时，本文还采用有限元分析的方法研究了翻边凹模圆角r d 、翻边高度l 、预扣合 路径、预扣合结束位置、预扣合凸模型面角度和终扣合力等工艺参数对扣合边缘内移， 预扣合回弹后的扣合角度以及翘曲的影响。研究结果与文献中的实验数据相符合，文中 并对一些新的现象和规律进行了总结、分析。 论文工作为进一步理解扣合成形过程，分析扣合成形翘曲产生的原因提供了理论基 础。研究结果为企业制定成形工艺方案，设计扣合模具和调试模具提供了理论依据。 关键词：扣合成形；卷曲；翘曲；反向 西华大学硕士学位论文 a b s t r a c t h e m m i n gp r o c e s s ，b yf o l d i n gt h ee d g eo fo u t e rp a n e la l o n gt h ei n n e rp a n e lt of o r mo n e c o m b i n e dc o m p o n e n t ，i sw i d e l yu s e dt oc o n n e c tt w om e t a lp l a t e sa n do b t a i ns m o o t he d g e p r o f i l e ，a n da l s oa st h el a s tf o r m i n gp r o c e s si na u t o b o d yp a n e lp r o d u c t i o n ，h a v eg r e a ti m p a c t o na u t o m o b i l e sq u a l i t ya n da p p e a r a n c e t h ep a n e l sw h i c hm o s tu s e dt h eh e m m i n gp r o c e s s e s i na u t o b o d ya r ed o o r s ，h o o da n d s oo n w i mt h ed e v e l o p m e n to ft h em o d e r na u t o m o t i v e i n d u s t r y ，q u a l i t ya n da p p e a r a n c eo f t h ec a rh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yd e m a n d i n g s oi t sv e r y i m p o r t a n ta n du r g e n tt os t u d ya n ds o l v et h eq u a l i t yp r o b l e m se n c o u n t e r e di nt h eh e m m i n g p r o c e s so fa u t o b o d yp a n e l a u t o b o d yp a n e lh e m m i n gp r o c e s si sa18 0 一d e g r e eb e n d i n gp r o c e s so f o u t e rp a n e le d g e i t u s u a l l yi n c l u d e st h r e es t e p s ：f l a n g i n g ，p r e - h e m m i n ga n df i n a lh e m m i n g a c c o r d i n gt ot h e g e o m e t r y o fs h e e t ，t h eh e m m i n gp r o c e s sc a nb ed i v i d e di n t of o u r c a t e g o r i e s ：f l a t s u r f a c e - s t r a i g h te d g eh e m m i n g ，f l a ts u r f a c e - c u r v ee d g eh e m m i n g ，c u r v es u r f a c e s t r a i g h te d g e h e m m i n ga n dc u r v es u r f a c e c u l v ee d g eh e m m i n g h e m m i n gp r o c e s s ，w h i c hi sd i f f e r e n tf r o m s i m p l es h e e tb e n d i n g ，o f t e nr e s u l t ss o m ed e f e c t si nt h ef o r m e dp a n e l sa sr o l l - i na n dr o l l o u t ， s p r i n g b a c k ，r e c o i lo fh e mc o n t o u r sa n dw a r p i n g ，w r i n k l i n g , c r a c k i n gw i t h i nt h eh e m m e d o u t e r p a n e la n d s oo n i nt h i sp a p e r ，t h eh e m m i n gp r o c e s s ，w h i c hw i d e l yu s e di na u t o m o b i l ei n d u s t r y , w a s s t u d i e db yam e t h o do fc o n s t r u c t i n gm e c h a n i cm o d e l sc o m b i n e dw i 也f e ms i m u l a t i o nr e s u l t s t h e w a r pp r o d u c i n gm e c h a n i s mi nt h es t r a i g h te d g e - p l a n eh e m m i n gp r o c e s sw a sa n a l y z e di n d e t a i lu s i n gt h i sm e c h a n i cm o d e l t h er e a s o nw h yt h ew a r pp r o d u c e da tt h ep o s i t i o no f n e a rt h e c o n t a c tp o i n tb e t w e e nt h eo u tp a n e la n dt h ep o s i t i o ns u r f a c eo fh e m m i n gd i ed u r i n gt h e p r e h e m m i n gp r o c e s s ，a n dt h ep h e n o m e n ao fw a r pr e d u c i n gf i r s t l ya n dt h e ni n c r e a s i n gb e f o r e t h ep o s i t i o np o i n tta n dt h ew a r pr e d u c i n ga g a i na f t e rp o i n ttd u r i n gt h ef i n a lh e m m i n gp r o c e s s w e r ei n t e r p r e t e d a l s oi nt h i sp a p e r , f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o da l s ow a su s e dt os t u d yt h ei m p a c to ft h e f l a n g i n gd i ec o m e rr d ，f l a n g eh e i g h tl ，t h ep a t ho fp r e - h e m m i n g ，e n dp o s i t i o no fp r e h e m m i n g ， f a c ea n g l eo fp r e h e m m i n gp u n c ha n df i n a lh e mf o r c ea n do t h e rp r o c e s sp a r a m e t e r so nr o l l i n , p r e - h e ma n g l ea n dw a r p t h es t u d ys h o w e dt h a tt h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i m t h e e x p e r i m e n t a ld a t ai n t h er e l a t e dl i t e r a t u r e s a n ds o m eo ft h en e wp h e n o m e n aa n dl a w s a p p e a r e di nt h eh e m m i n gp r o c e s sw e r es u m m a r i z e da n da n a l y z e di nt h i sp a p e r t h ew o r k sf i n i s h e di nt h i sp a p e rp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i st ou n d e r s t a n dh e m m i n g p r o c e s sa n df u r t h e rt oa n a l y z et h er e a s o n so fw a r pp r o d u c i n gi nt h eh e m m i n gp r o c e s s e s ，a n d 汽车覆盖件扣合过程研究 a l s oc a nh e l pe n g i n e e rt os e tu pt h eh e m m i n gp r o c e s s ，d e s i g nh e m m i n gd i ea n dt r y - o u tt h e h e m m i n gd i e k e yw o r d s ：h e m m i n gp r o c e s s ；r e c o i l ；w a r p ；r e v e r s eb e n d i n g 西华大学硕士学位论文 目录 摘要。i a b s t r a c t i i 1 绪论l 1 1 引言1 1 2 汽车覆盖件概述1 1 2 1 汽车覆盖件的质量要求2 1 2 2 汽车覆盖件的结构特点2 1 2 3 汽车覆盖件的成形特点2 1 3 汽车覆盖件扣合成形过程研究现状与发展趋势3 1 3 1研究现状3 1 3 2发展趋势5 1 4 选题的目的和意义6 1 5 本文研究的内容6 2 汽车覆盖件扣合成形过程简介8 2 1 扣合成形过程8 2 2 扣合成形的分类9 2 2 1 根据扣合轮廓边缘凸起形状的分类9 2 2 2 根据扣合几何形状及轮廓边缘的分类1 0 2 3 扣合成形过程出现的主要质量缺陷。1 1 2 3 1 平面一直线轮廓边缘扣合。1 2 2 3 2 平面一曲线轮廓边缘扣合1 4 2 4 本章小结1 4 3 汽车覆盖件扣合模具1 5 3 1扣合模具的结构及工作原理1 5 3 2 扣合模具斜锲机构工作原理1 9 3 2 1 内框扣合斜锲机构2 0 3 2 2 外扣合斜锲机构2 2 3 3 本章小结2 3 4 汽车覆盖件扣合成形过程有限元分析理论基础与软件工具介绍2 4 4 1 平面问题有限元法2 4 4 1 1 弹性力学平面问题的两种类型2 4 i v 汽车覆盖件扣合过程研究 4 1 2 弹性力学平面问题基本公式2 5 4 2 有限元法的一般步骤2 8 4 3 接触问题3 0 4 3 1 接触条件3 0 4 3 2 接触条件的离散化3 5 4 3 3 接触问题的数值算法3 6 4 4 本文所采用的有限元模拟工具- m s c m a r cm s c p a t r a n j 3 6 4 4 1 m s c m a r c 简介3 6 4 4 2m s c p a t r a n 简介3 7 4 5 本章小结3 9 5 汽车覆盖件扣合成形翘曲现象的力学分析4 0 5 1 有限元模拟4 0 5 2 扣合过程的力学模型4 3 5 3 预扣合阶段的力学分析。：4 3 5 4 终扣合阶段的力学分析4 4 5 5 本章小结。4 8 6 汽车覆盖件扣合成形过程各设计参数对扣合质量的影响5 0 6 1扣合成型过程结果参数介绍。5 0 6 2 预扣合结束位置与预扣合进给量5 1 6 3 终扣合目标位置5 2 6 4 设计参数对扣合质量的影响5 4 6 4 1 翻边凹模圆角r d 。5 5 6 4 2 翻边高度l 5 6 6 4 3 预扣合路径。5 9 6 4 4 预扣合凸模形面角度6 1 6 4 5 预扣合结束位置6 3 6 4 6 终扣合力6 5 6 4 7 有限元分析结果与文献报道实验数据的对比6 5 6 5 本章小结6 6 结 论。6 8 参考文献7 0 攻读硕士学位期间发表学术论文情况。7 2 v 西华大学硕士学位论文 致 射7 3 v l _ _ 。 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1引言 随着社会的快速发展，汽车已成为人类社会活动中不可缺少的工具，汽车工业已成 为许多工业发达国家的支柱产业。我国的汽车工业也在迅猛发展，轿车进入家庭已不再 是梦，预计在中国达到中等发达国家水平时多数家庭将拥有私家车。汽车工业生产水平 是一个国家的技术发展水平的重要标志之一。 汽车覆盖件的生产是汽车制造的一个重要生产过程。汽车覆盖件组成驾驶室后不仅 要具有设计所规定的使用功能，而且很大程度上要体现整车的艺术性、个性风格，所以 在质量要求( 如尺寸精度要求、形状精度要求、刚度要求等) 、冲压成形工艺、冲压模 具、冲压设备、生产自动化等方面都有其与一般小型冲压零件不同的特点。因此，在板 料冲压成形技术中，以汽车覆盖件为主要代表的大型薄板零件的冲压成形技术已发展成 为一个很重要的组成部分。 随着汽车工业的迅猛发展，使新型冲压材料的开发新的冲压材料性能参数的研究、 汽车覆盖件冲压成形理论与成形技术的研究、新型常压成形设备的开发以及冲压过程的 计算机模拟等方面都已得到了很大的发展，从而使板材冲压成形理论与成形技术得到了 进一步的丰富与完善。但由于汽车覆盖件的形状复杂，生产过程中许多工艺参数和模具 参数还不能进行定量化设计，尚有大量的理论与技术问题需要进行更深入细致的研究工 作【。 1 2 汽车覆盖件概述 汽车覆盖件是指构成汽车车身或驾驶室的表面零件，也包括覆盖发动机和底盘的某 些表面零件。它包括外覆盖件和内覆盖件，外覆盖件是指人们能直接看到的汽车车身外 部的裸露件，如车f - j # t 板、顶盖、前围外盖板、后围外盖板、侧围外板、长头载重车发 动机罩等；内覆盖件是指车身内部的覆盖件，它们被覆盖上内饰件或被车身的其它零件 所挡住而一般不能被直接看到，如车门内板、前围内盖板、后围内盖板、侧围内盖板、 侧围内板、地板、仪表板、平头载重车发动机盖板等。 由于汽车覆盖件大都是空间曲面结构、形状复杂，从而决定了在冲压成形中的变形 复杂性，变形规律不易被掌握，出现的质量问题也比较多。因此在拉延件的设计、冲压 工艺的设计、模具的设计中不能像轴对称零件那样可以较容易的计算出主要工艺参数、 模具参数等，在工程实践中还要大量应用经验类比和运用冲压变形趋向性分析来进行冲 压工艺设计和模具设计。 汽车覆盖件扣合过程研究 汽车覆盖件冲压成形之所以能成为冲压成形领域的一个重要组成部分，是因为汽车 覆盖件不仅有多方面很高的质量要求，而且具有其本身的结构形状特点以及冲压成形特 点【2 】o 1 2 1 汽车覆盖件的质量要求 一般来说，汽车覆盖件应满足以下要求【l j ： 尺寸精度。汽车覆盖件必须有很高的尺寸精度( 包括轮廓尺寸、孔位尺寸、局部 形状的各种尺寸等) ，以保证焊装或组装时的精准性、互换性，便于实现车身焊装的自 动化和无人化，也保证车声外观形状的一致性和美观性。 形状精度。特别是对外覆盖件，要求具有很高的形状精度，必须与主模型相符合。 否则将偏离车身总体设计，不能体现车身的造型风格。 表面质量。外覆盖件( 尤其是轿车) 表面不允许有波纹、皱纹、凹痕、擦伤、压 痕等缺陷，棱线应清晰、平直，曲线应圆滑、过渡均匀。 刚性好。覆盖件在成形过程中，材料应有足够的塑性变形，以保证零件具有足够 的刚性，使汽车在行驶中受振动时，不能产生较大的噪声，以减轻驾驶员的疲劳，更不 能因振动产生早期损坏。 良好的工艺性。良好的工艺性是针对产品设计结构而言，即在一定的生产规模条 件下，能够较容易的安排冲压工艺和冲压模具设计，能够最经济、最安全、最稳定地获 得高质量产品。 1 2 2 汽车覆盖件的结构特点 从结构形状及尺寸上看，汽车覆盖件的主要特点有【l 】： 总体尺寸大。如驾驶室顶盖的毛坯尺寸可达2 8 0 0 x 2 5 0 0 m e ； 相对厚度小。板料的厚度一般为0 8 一1 2 m m ，相对厚度( 板厚与毛坯最大长度之 比) 最小值可达0 0 0 0 3 ； 形状复杂。不能用简单的几何方程式来描述其空间曲面； 轮廓内部带有局部形状。而这些内部形状的成形往往对整个冲压件的成形有很大 的影响，甚至是决定性的影响。 1 2 3 汽车覆盖件的成形特点 汽车覆盖件的要求和结构特点决定了其冲压成形特点。主要有【l l ： 一次拉延成形 2 一 一 西华大学硕士学位论文 对于轴对称零件或盒形零件，若拉延系数小于一次拉延的极限拉延系数时，则不能 一次拉延成形，需要采用多次拉延成形方法，而且可以计算出每次拉延的拉延系数等工 艺参数及中间毛坯尺寸等。但对于汽车覆盖件来说，由于其结构复杂，变形复杂，其规 律难以定量把握，以目前的技术水平还不能进行多次拉延工艺参数的确定。而且多次拉 延易形成冲击线、弯曲痕迹线也会影响油漆后的表面质量，这对覆盖件是不允许的。因 此，汽车覆盖件的成形都是采用一次拉延成形的方法。 拉胀复合成形 汽车覆盖件的成形过程中的毛坯变形不是简单的拉延变形，而是拉延和胀形变形同 时存在的符合变形。一般来说，除内凹形轮廓( 如l 形轮廓) 对应的压料面外，压料面 上的毛坯的变形为拉延变形，而轮廓内部毛坯的变形为胀形变形。 局部成形 轮廓内部有局部形状的零件冲压成形时，压料面上的毛坯受到压边圈的压力随着凸 模的下行而首先产生变形并向凹模内流动，当凸模下行到一定深度时，局部形状开始成 形，并在成形过程的最终时刻全部贴膜。所以，局部形状外部的毛坯难以向该部位流动， 该部位的成形主要靠毛坯在双向拉应力下的变薄来实现面积的增大。即这种内部局部成 形为胀形成形。 。 变形路径变化 汽车覆盖件冲压成形时，内部的毛坯不是同时贴膜，而是随着冲压过程的进行而逐 步贴膜。这种逐步贴膜过程，使毛坯保持塑性变形所需的成形力不断变化，毛坯各部位 板面内的主应力方向与大小、板平面内两主应力之比等受力情况不断变化，毛坯( 特别 是内部毛坯) 产生变形的主应力方向与大小、扳平面内两主应变之比等变形情况也随之 不断的变化。即：毛坯在整个冲压过程中的变形路径不是一成不变的，而是变路径的。 1 3 汽车覆盖件扣合成形过程研究现状与发展趋势 汽车覆盖件扣合过程是用于连接两个金属板的过程。它通过沿内板折叠外板边缘从 而得到光滑边缘。由于扣合是汽车覆盖件成型的最后一道工序，所以其成型的质量至关 重要。常使用扣合过程的汽车覆盖件包括车门，引擎罩等等。 汽车覆盖件扣合过程是外板边沿1 8 0 度的弯曲成形过程。它通常包括了三个步骤： 翻边，预扣合，终扣合【3 1 。根据板料的几何形状，扣合过程可以分为4 大类：平面一直 线边缘扣合，平面一曲线边缘扣合，曲面一直线边缘扣合和曲面一曲线边缘扣合。 1 3 1研究现状 汽车覆盖件扣合过程研究 目前，在国外对扣合过程的研究主要分为两大类：1 通过实验或者数值模拟的方法 了解各模具设计参数和材料性能等对扣合过程产生的缺陷的影响。2 通过计算机辅助设 计对扣合过程进行优化和预测。 h l i v a t y a l i 和t l a x h u b c r 【4 】通过试验的方法研究了在平面曲线边缘扣合过程中有 起皱现象和边缘突起时，折边模凹模半径，预包边路径，预包边垂直方向位移和最终包 边包边力对质量缺陷的影响。 h l i v a t y a l i 和s j l a l t i $ 掣5 】还通过直交矩阵试验法对平面曲线边缘扣合过程中没 有起皱现象和边缘突起时，边缘轮廓半径，折边长度和最终包边包边力对质量缺陷的影 响进行了研究。 h l i v a t y a l i 以及t a l t a n 等睁7 j 利用计算机辅助技术，通过模拟和试验研究，改进了 翻边冲头的设计，减小了翻边后的回弹。 z h a n g ，w u 和h u 瞵j 采用a b a q u s 有限元软件研究了卷曲和曲翘产生的机理。他们 认为卷曲和曲翘是由于反向弯曲和回弹引起的，并提出了预包边和最终包边目标结束位 置的概念。在扣合模产生到达目标位置之前产生的卷曲和曲翘非常小几乎为零。在扣合 模超过目标位置之后卷曲和曲翘会逐步增加。 s t h u i l l i c r 和n l cm a o u t 等【9 】通过有限元分析的方法对一种特殊的扣合过程进行 了研究，这种扣合方法是采用滚筒包边的方法是材料成型。他们还通过与普通的扣合方 法进行比较，得出了滚筒包边产生的边缘内移小于普通扣合过程的结论。 g u o s o n gl i n ，j i n gl i ，s j a c kh u 和w a y n ec a i i o 采用3 d 实体壳单元有限元模型对 曲面曲线边缘扣合过程进行了研究。他们主要对预包边角对边缘内移和边缘外移的影 响，曲面的曲率对板料回弹的影响，折边凹模圆角半径和初始应变对曲面应变的影响进 行了论证。 h i s h i d a 和s a t o1 1 1 通过使用平面应变有限元单元模型对包边过程进行仿真。他们认 为材料的硬化，弯曲半径，包边压力和摩擦对包边质量有很大的影响。 1 w a t a1 1 2 j 认为包边缺陷很大程度上与冲压过后外板弯曲部分的加工硬化有关。 s u n a g a 和m a k i n o u c h ii l 剐认为摩擦力对避免包边过程中的不足起着很重要的作用。 h l i v a t y a l i ，a m u d c r r i s o g l u 1 4 等通过试验和有限元相结合的方法研究了在平面直 线边缘扣合过程中折边模凹模半径，预包边路径，预包边垂直方向位移和最终包边包边 力对质量缺陷的影响。得出了如下的结论：使用越小的凹模圆角半径预成型后的折边角 就越大。凹模圆角半径越大引起的板料边缘内移程度就越大。凹模圆角半径越大卷曲和 曲翘的程度就越大。垂直预包边路径会比水平路径产生更大的折边角。水平路径产生的 边缘内移量最大，而垂直路径产生的边缘内移量最小。垂直路径只会产生卷曲，而水平 4 西华大学硕士学位论文 路径会产生卷曲和曲翘。增加最终包边力的大小可以减小卷曲的程度，但是进一步的加 大包边力的大小并不能确定能够将板料压平，反而会产生一定的曲翘。 美国密西根大学的g u o h u az h a n g ，s j a c kh u 和x i nw u 【1 5 】通过数值分析的方法对几 何参数与代表质量缺陷的参数进行拟合，实现了对质量缺陷的预测。并通过与有限元分 析方法获得的结果进行比较，以评估预测的准确度。在数值分析的过程中为了能结合扣 合过程的特点和降低输入参数的数量，提出了4 个参数：弯曲过程控制参数，几何控制 参数，材料控制参数和扣合过程控制参数。 gl i n ，ki y e r ，sjh u ，wc a i ，和spm a r i n l 3 】采用有限元分析的方法对扣合过程的三 个阶段进行了仿真。由仿真结果可以看出，预包边角度和折边凹模圆角半径对板料边缘 的内移外移有很大的影响。折边凹模圆角半径对板料表面应变也有很的大影响。最后他 们通过计算机实验设计的方法对各主要参数与扣合过程中出现的边缘内移( 外移) 和表 面最大应变进行了拟合。为实际生产过程中参数的选择提供了帮助。 在国内对扣合过程的研究还相对较少。主要的研究都只是针对扣合模具的设计和扣 合过程的描述。 。 王钰和李长光等开展的研究探讨了车身扣合中的质量缺陷原因和对策，在对汽车车 门的扣合技术进行技术总结的基础上揭示了车门扣合设备设计时应当考虑的若干因素， 并介绍了汽车车门模压扣合成型设备的设计思想和总体设计方案，并就该设备的结构设 计作了较为详细的说明【1 每1 7 1 。何宝杰【1 8 1 对实际生产过程中扣合过程中出现质量缺陷的原 因和解决的对策进行了说明。 长丰汽车制造股份有限公司的方波、侯斌等人探讨了车身扣合的基本条件，总结了 影响车身五门一盖包边精度的主要因素，并对相应的问题进行了较为详细的分析与探讨 【1 9 】 o 西北工业大学的杨合、林兆荣等开展了对薄壁管卷边成形过程的数值模拟，通过推 导薄壁管卷边成形过程的塑性变形力学方程，给出了基于增量理论的数值模拟方法，并 综合研究了各种因素对管材卷边成形的影响。这些研究更进了一步，然而对汽车制造中 应用的板料扣合成形工艺的系统研究仍然未见报道【2 u j 。 1 3 2 发展趋势 随着现代汽车行业的发展，对汽车质量和外观的要求越来越高。扣合过程作为汽车 覆盖件生产的最后一道工序对汽车的质量和外观有着很大的影响，其质量的好坏直接影 响到汽车装配的精度与美观。传统的扣合过程是建立在反复的调试过程中，这样使得模 具的生产周期较长，再加上扣合过程的复杂性，汽车覆盖件扣合模设计参数的多元化和 材料的非线性，要实现对它的完全控制是相当困难的。因此，对扣合过程的控制一直是 _ - _ _ - 。_ _ - 。_ _ - 。 汽车覆盖件扣合过程研究 各生产企业的研究对象。随着有限元技术的发展，实现对扣合过程的有效控制变得可能。 各生产企业在扣合模生产前会对整个扣合过程进行模拟仿真，对出现的表面缺陷进行预 测，并对模具进行改进。近年来机器人包边发展迅速，机器人包边是通过安装在机器人 第六轴上的滚轮对包边区域进行多次( 一般2 - 4 次) 滚压完成包边，需要滚边模具。机 器人滚边投资小，通用性好，更换车型时只需更换模具，其他设备可以回收使用，其经 济性较传统的压机包边提高不少。神经网络在扣合过程的应用，对改善质量缺陷也是有 很大帮助的。通过建立模具设计参数，材料性能与质量缺陷相互关系的神经网络，在预 测过程中只需输入各主要参数就能获得质量缺陷的大小。也可以通过神经网络对扣合过 程进行优化，使缺陷最小化。一句话，“扣合过程的发展趋势就是实现对它的完全控制， 减小出现的表面质量缺陷。 1 4 选题的目的和意义 扣合成形是一种用于将两个金属板连接在一起的机械连接方式。通过扣合得到的金 属板连接件，可以获得光滑的边缘轮廓和良好的表面质量，因而，广泛的应用于汽车行 业( 例如：车门、引擎罩和尾厢盖板内、外板的连接装配) 。一辆汽车的外观质量与外 板扣合轮廓的光滑程度和轮廓间隙密切相关。 在扣合过程中出现的问题主要包括零件边缘轮廓的缩进、卷曲、翘曲和回弹。这些 问题以及由此引起的质量缺陷是企业在扣合成形工艺方案制定，模具设计和模具调试时 必须面对和解决的主要问题。由于扣合过程的复杂性、汽车覆盖件扣合模设计参数的多 元化和材料的非线性，要事先实现对缺陷的完全预测和控制是相当困难的。在实际的生 产过程中通常是通过对扣合模的反复调试以实现覆盖件扣合质量缺陷的最小化。 1 5 本文研究的内容 扣合过程可以分为4 大类：平面一直线边缘扣合，平面一曲线边缘扣合，曲面一直线 边缘扣合和曲面一曲线边缘扣合。其中平面一直线边缘扣合相对比较简单，模具设计参数 较少。所以本文的研究对象以平面一直线边缘扣合为主。 首先本文深入了解了汽车覆盖件扣合过程的特点及其在实际生产中产生的质量缺 陷对汽车整车装配和美观的影响。 本文采用m s c p a t r a n 和m s c m a r c 软件作为有限元分析平台。由于平面一直线边缘 扣合各截面上的变形是一致的，为了加快分析的过程，模拟中采用平面4 边形单元。首 先通过有限元分析获得翘曲和卷曲大小，并与文献报道的实验结果对比，验证有限元分 析模型的正确性，探寻出正确的模型设置方法。本文为了方便后续研究，对扣合过程的 定位面作了固定处理，以避免在终扣合过程同时出现卷曲和翘曲。 西华大学硕士学位论文 在此基础上进一步分析，通过有限元模拟结合建立扣合过程力学模型的方法，详细 地研究平面一直线边缘扣合成形过程翘曲产生的原因；并解释了在预扣合，终扣合过程 中翘曲变化的现象。 文章还分析了翻边凹模圆角r d 、翻边高度l 、预扣合路径、预扣合结束位置、预扣 合凸模型面角度和终扣合力对扣合边缘内移，扣合角度和翘曲等的影响，通过对比分析， 探寻扣合工艺规律。 本文的研究工作能够帮助理解扣合成形过程翘曲产生的原因；同时，对扣合模具设 计参数以及材料参数对翘曲的影响趋势做出正确的解释。分析方法还可用于实际生产中 扣合件质量问题影响因素的分析。 汽车覆盖件扣合过程研究 2 汽车覆盖件扣合成形过程简介 2 1 扣合成形过程 随着汽车工业的发展，对汽车外观的要求越来越高，汽车覆盖件的扣合质量直接影 响到汽车整体外观和密封性能。扣合是常见的一种连接汽车外板和内板的加工方法，扣 合指内、外板在模具上定位后将外板折叠到1 8 0 。的成形装配的过程。扣合成形可以提 高零件的外观，保证外表面光整平滑，没有压痕、凹陷、凸包等缺陷，同时增加整体强 度和刚性【2 1 1 。一般扣合的过程分为三个步骤：翻边，预扣合，终扣合( 如图2 1 ) 。 醮l 蹲静群 ( a ) 翻边 预扣合凸模 预扣合 凸模型 面角度 由 定位面 ( b ) 预扣合 终扣合凸模 圆 终扣合结束位置 定位面 ( c ) 终扣合 图2 1 扣合过程的三个步骤【8 】 f i g 2 1t h et h r e es t e p so f h e m m i n gp r o c e s s i s 8 西华大学硕士学位论文 需要扣合的外板冲压成型后，其周边有一圈宽6 跚1 2 r a m 、与外板本体成9 0 。的翻 折边，这条边就是待扣合边。扣合时，待扣合边向内翻折9 0 。包实内板边缘。理论分析 和试验表明，很难做到将待扣合边从9 0 。一步翻折至0 。并包实内板边缘。因此，我们 一般将扣合工艺分成两步：首先将待扣合边从9 0 。翻折至4 5 。，称之为预扣合；然后 再将其从4 5 。翻折至0 。并压实，称为终扣合。根据车身装配工艺技术要求，扣合成型 后的零件周边必须平滑顺畅，没有波状起伏和明显皱褶，内板和外板扣合处必须平实服 帖【2 0 1 。同时，为了保证整车外观美观，内外板在扣合过程中都不允许有任何变形及损伤。 2 2 扣合成形的分类 2 2 1根据扣合轮廓边缘凸起形状的分类 根据扣合成形后轮廓边缘凸起形状，扣合可分为平直型( f l a t t e n e dh e m ) 、开放 式( o p e nh e m ) 、泪滴型( t e a rd r o ph e m ) 以及围起型( r o p eh e m ) 等( 如图2 2 ) 。 其中，平直型和泪滴型的边缘用于材料边缘的折叠，以便改善外观和部件使用的安全性， 泪滴型边缘特别适用于那些延塑性欠缺而不足以实现平直型扣合的材料：开放式和围起 型边缘适用于连接两块不同的板件。同样，出于延塑性的考虑，围起型适合于那些不能 直接实现开放式扣合边缘的材料。特别需要指出的是，泪滴型和围起型的扣合，板料的 弯曲角度要大于1 8 0 度，并且弯曲半径要比平直型或开放式的大瞄l 。 羊直委 包逸 开较型芭i 盘 汨 荐型包：；盘 平直军砬型包边 改进的萆直垒电边 勘型电边 改盏的髓例售淑 图2 2 扣合成形后轮廓边缘类型【2 3 】 f i g 。2 2 t h e t y p e so fh e n n n e de d g ec u r v a t u r e s 【2 3 】 9 汽车覆盖件扣合过程研究 2 2 2 根据扣合几何形状及轮廓边缘的分类 根据覆盖件的几何形状及扣合轮廓边缘形状，扣合类型可以分为以下4 大类2 4 】：平 面一直线轮廓边缘扣合，平面一曲线轮廓边缘扣合，曲面一直线轮廓边缘扣合，曲面一曲线 轮廓边缘扣合( 如图2 3 ) 。 图2 3 依据轮廓边缘和曲面的扣合分类2 4 】 f i g 2 3h e m m i n gc l a s s i f i c a t i o na c c o r d i n gt os t 矾a c ea n de d g ec u t - v a t l t r c s 2 4 作为说明，图2 4 给出了汽车车门扣合时不同位置扣合成形的类型。本文的研究主 要涉及平面一直线轮廓边缘扣合( 如图2 5 ) 。 1 0 西华大学硕士学位论文 曲面一曲 边缘 矗边雉 图2 4 汽车车门扣合成形分类 f i g 2 4 t h ec a t e g o r yo fh e m m i n gp r o c e s so fc a rd o o r 图2 5 平面一直线边缘扣合【2 】 f i g 2 5s t r a i g h te d g e p l a n eh e m m i n gp r o c e s s t 2 1 2 3 扣合成形过程出现的主要质量缺陷 扣合是一个复杂的薄板成形过程，它不同于简单的薄板弯曲，常常伴有轮廓边缘内 移或者外移、回弹与扣合轮廓附近的卷曲和扣合外板件的面内翘曲、起皱、破裂等成形 缺陷产生【4 】。作为四门两盖类总成装配的最后一道工艺，扣合成形质量，即尺寸准确性 和表面质量问题直接影响整车装配的密封性、外观质量等重要性能。实际工业生产表明， 车门扣合过程形成的边缘内移或者外移是前后门与门框配合间隙不均匀的根本原因。扣 合从本质上说是弯曲问题，可是它的变形机理和因此导致的工艺问题远比单纯的弯曲复 杂。扣合后的形状和尺寸设计直接影响到成形性和成形精度，大部分扣合模具的设计基 于试错法。图2 6 列举了影响扣合工艺的因素，包括：内外板的材料和预成形、扣合接 触面条件、扣合工具与模具缺陷等。 汽车覆盖件扣合过程研究 图 图2 6 影响扣合质量的因素【2 5 】 f i g 2 6h e m m i n gq u a l i t yi n f l u e n c ef a c t o r s 【2 5 】 2 3 1 平面一直线轮廓边缘扣合 平面一直线轮廓边缘扣合成形时，所关心的尺寸及质量问题有： 轮廓边缘内移或者外移 扣合轮廓附近的卷曲和扣合外板件的面内翘曲 回弹现象 轮廓边缘内移和外移( 如图2 7 a ) 是一种尺寸精度问题，它主要影响汽车覆盖件的 装配间隙均匀程度，如图2 8 所示。如：汽车前、后门与车体间间喇2 2 】。 扣合轮廓附近的卷曲( 如图2 7 b ) 和扣合件面内翘曲( 如图2 7 c ) 是一种面缺陷。 扣合成形过程保留下来的局部翘曲将影响汽车的表面质量。 回弹现象发生在预扣合和最终扣合过程之后( 如图2 7 d ) 。终扣合成形后的回弹现 象会影响内板和外板之间的夹紧力。如果夹紧力过小，内外板会产生相对的滑动，影响 最后的装配效果。 西华大学硕 g ( a ) 边缘内移和边缘外移 ( p ：边缘内移或边缘外移量g ：内外板间隙) ( c ) 翘曲 ( d ) 回弹 图2 7 平面一直线轮廓边缘扣合质量问题 f i g 2 7 t h eq u a l i t yp r o b l e m so fs t r a i g h te d g e - p l a n eh e m m i n g p r o c e s s 错位 图2 8 典型的装配缺陷2 4 】 f i g 2 8 t y p i c a la s s e m b l yd e f e c t s 2