機(jī)器人滾邊弱力焊變形的研究

1、機(jī)器人滾邊弱力焊變形的研究朱富強(qiáng)1，楊興榮2，徐向軍21神龍汽車有限公司，湖北 武漢2觀致汽車有限公司，江蘇 常熟Email: zhufq868收稿日期：2015年6月7日；錄用日期：2015年6月27日；發(fā)布日期：2015年6月30日摘 要在介紹弱力焊工藝的基礎(chǔ)上，本文主要分析了零件與機(jī)器人滾邊工藝對(duì)弱力焊變形產(chǎn)生的影響，研究了內(nèi)板上凸點(diǎn)尺寸與位置精度、外板上舌頭形狀、滾邊軌跡、滾邊壓力、滾邊步數(shù)對(duì)改善弱力焊外觀質(zhì)量所必須的特殊要求，為減小弱力焊變形，優(yōu)化弱力焊的零件與滾邊要求，提升發(fā)動(dòng)機(jī)罩的外觀質(zhì)量提供了理論依據(jù)。關(guān)鍵詞 :弱力焊，機(jī)器人滾邊，變形1. 引言為提高汽車的安全性，增

2、加碰撞時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)對(duì)外力的緩沖作用，同時(shí)為防止打開(kāi)機(jī)罩時(shí)機(jī)罩的內(nèi)板與外板之間發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，現(xiàn)在諸多汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)罩在包邊的同時(shí)，又在包邊后的翻邊上增加了弱力焊。弱力焊點(diǎn)是一種工藝焊點(diǎn)，不能用作強(qiáng)度連接焊點(diǎn)，其實(shí)質(zhì)就是在包邊處的內(nèi)板上增加凸點(diǎn)，采用單面點(diǎn)焊的形式把機(jī)罩內(nèi)板與外板翻邊焊接在一起，防止包邊后內(nèi)外板間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此連接方式主要用作開(kāi)啟件涂膠壓合，經(jīng)油漆烘干爐烘烤前的定位，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)罩的外觀質(zhì)量與安全性 1 。但是，就目前弱力焊的使用來(lái)看，弱力焊后的機(jī)罩外表面變形問(wèn)題一直是阻礙該項(xiàng)目發(fā)展的一個(gè)重要問(wèn)題，這也影響了弱力焊在汽車覆蓋件上的使用與推廣。本文主要研究了內(nèi)板上凸點(diǎn)尺寸與位置精度、外板上

3、舌頭形狀、滾邊軌跡、滾邊壓力、滾邊步數(shù)對(duì)對(duì)改善弱力焊外觀質(zhì)量所必須的特殊要求，為減小弱力焊變形，提升發(fā)動(dòng)機(jī)罩的外觀質(zhì)量提供了理論依據(jù)。2. 發(fā)動(dòng)機(jī)罩弱力焊工藝發(fā)動(dòng)機(jī)罩弱力焊工藝原理如圖1所示，凸點(diǎn)一般設(shè)置在內(nèi)板上，當(dāng)機(jī)器人滾壓包邊完成后，機(jī)罩總成被搬運(yùn)至弱力焊拼臺(tái)進(jìn)行焊接，當(dāng)變壓器通電時(shí)在凸點(diǎn)電極的壓力作用下凸點(diǎn)處電流優(yōu)先導(dǎo)通且在輔助電極之間形成焊接回路，且凸點(diǎn)處由于接觸面積較小形成很大的電流密度，在電阻的作用下此處產(chǎn)生了較大的熱量，并使金屬熔化形成熔核，同時(shí)在熔化狀態(tài)下的凸點(diǎn)在電極壓力的作用下被壓潰到外板上，并最終形成弱力焊點(diǎn) 2 。3. 內(nèi)板凸點(diǎn)尺寸、位置精度與外板舌頭形狀的要求3.1.

4、內(nèi)板上凸點(diǎn)尺寸與位置精度如圖2(a)所示，凸點(diǎn)沖壓成型后，由于加工硬化的作用在凸點(diǎn)的周邊會(huì)產(chǎn)生一個(gè)加工硬化區(qū)域，這個(gè)區(qū)域的金屬?gòu)?qiáng)度要比未經(jīng)過(guò)變形的區(qū)域大很多，當(dāng)受到外力的作用時(shí)就會(huì)把外力直接傳遞到外板表面，導(dǎo)致外板的表面變形。因此，凸點(diǎn)的尺寸與位置精度如果設(shè)置不合理或者加工時(shí)達(dá)不到所設(shè)置的精度要求，會(huì)對(duì)下工序的滾邊以及焊接的質(zhì)量造成很大的影響。根據(jù)多年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，會(huì)影響下工序的關(guān)鍵尺寸除了標(biāo)準(zhǔn)所標(biāo)示的尺寸外還有凸點(diǎn)含加工硬化區(qū)域的寬度W以及凸點(diǎn)加工硬化區(qū)域邊沿中心到內(nèi)板切邊的距離D，見(jiàn)圖3(b)。D的取值是一個(gè)范圍，其計(jì)算如公式(1)所示：(1)1：支撐2：外板3：內(nèi)板4：輔助電極5：焊接

5、變壓器6：凸點(diǎn)電極7：凸點(diǎn) 1: Support; 2: Outer panel; 3: Inner panel; 4: Assistant electrode; 5: Welding transformer; 6: Emboss electrode; 7: EmbossFigure 1. Sketch map of weak welding principle圖1. 弱力焊原理示意圖(a)(b)Figure 2. Emboss shape and position on hood week welding. (a) Emboss dimension, (b) emboss position圖

6、2. 機(jī)罩弱力焊常用凸點(diǎn)形狀及位置。(a) 凸點(diǎn)尺寸，(b) 凸點(diǎn)位置 (a) (b)Figure 3. General tongue shape with hood week welding. (a) Trapezoid tongue, (b) hemicycle tongue圖3. 機(jī)罩弱力焊常用舌頭形狀。(a) 梯形舌頭，(b) 半圓形舌頭式中：Ls為包邊長(zhǎng)度；W為凸臺(tái)的寬度(按標(biāo)準(zhǔn)約為3.45 mm)；C為包邊后內(nèi)外板之間的間隙；D為內(nèi)板凸臺(tái)中心到切邊的位置；R為外板舌頭的(高度)半徑；H為翻邊高度，；E為包卷值；e為外板厚度；1為沖壓后凸點(diǎn)的單邊寬度變形系數(shù)。單位均為mm；

7、同時(shí)，為了保證這些關(guān)鍵尺寸的加工精度在進(jìn)行凸點(diǎn)定義時(shí)必須加上公差要求，經(jīng)驗(yàn)公差為mm。為了減小焊接電流的分流影響，應(yīng)保證內(nèi)外板在凸點(diǎn)里側(cè)有0.5 mm的間隙。同時(shí)弱力焊點(diǎn)的位置布置在造型弧度變化較大的區(qū)域，能夠獲得比在平直面上更優(yōu)質(zhì)的弱力焊焊點(diǎn)。3.2. 外板弱力焊處舌頭的形狀外板上舌頭的形狀不能太寬，即圖3(a)中的k1、k2值不能太大，否則焊接后易出現(xiàn)焊點(diǎn)變形，見(jiàn)圖4(a)，應(yīng)該依據(jù)內(nèi)板上凸臺(tái)的尺寸來(lái)確定舌頭的寬度，以正好覆蓋或略大于整個(gè)舌頭的寬度為宜。舌頭的高度值h亦不能太大，否則會(huì)在滾邊過(guò)程中因?yàn)榉吀叨鹊耐蝗蛔兓斐蒶包邊R角不均勻與修邊線邊緣下塌等外觀缺陷。為了獲得較好的焊點(diǎn)質(zhì)量

8、，減小焊點(diǎn)變形，可以采用半圓形舌頭進(jìn)而很好的解決焊點(diǎn)變形缺陷，如圖3(b)和圖4(b)中所示。半圓舌頭的半徑R的計(jì)算如公式(2)：(2)倒圓角r的取值大可以減小舌頭處翻邊高度突然變化帶來(lái)的滾邊缺陷，但是當(dāng)r過(guò)大時(shí)會(huì)使舌頭形狀變大，滾邊時(shí)在舌頭根部留下長(zhǎng)的滾邊壓痕，影響滾邊的外觀質(zhì)量，同時(shí)大尺寸的舌頭也易產(chǎn)生焊點(diǎn)變形，因此，圓角過(guò)渡與舌頭的切點(diǎn)以不超過(guò)內(nèi)板凸點(diǎn)中心所在的高度為宜，所以r的取值公式如下：為最大限度的減小翻邊高度突然變化帶來(lái)的滾邊缺陷，r的選擇可直接通過(guò)公式(3)選?。?3)總之，由于弱力焊本身的條件限制，外板翻邊上必須設(shè)置一個(gè)舌頭，舌頭處的翻邊高度比其他區(qū)域高出，在滾邊的過(guò)程中此處

9、的受力過(guò)程和力的作用點(diǎn)與翻邊其他區(qū)域是不一樣的，這樣在采滾邊時(shí)就會(huì)產(chǎn)生不一樣的滾邊結(jié)果，因而這不可避免的產(chǎn)生包邊邊緣翹起與包邊R角偏大等缺陷，這些缺陷不可能消除，只能使其盡量減小。 (a) (b)Figure 4. Spots on general tongue shapes with Hood week welding. (a) Actual trapezoid tongue spot, (b) actual hemicycle tongue spot圖4. 機(jī)罩弱力焊常用舌頭形狀對(duì)應(yīng)焊點(diǎn)。(a) 實(shí)際梯形舌頭焊點(diǎn)，(b) 實(shí)際半圓形舌頭焊點(diǎn)4. 機(jī)器人滾邊對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩弱力焊變形的影

10、響弱力焊變形產(chǎn)生的一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是滾邊之后產(chǎn)生的變形，其中滾邊軌跡、滾邊步數(shù)、滾輪的壓力以及滾邊速度的影響是滾邊后產(chǎn)生變形的重要影響因素 3 。1) 滾邊軌跡的影響機(jī)器人在滾邊過(guò)程中由于機(jī)器人本身的精度誤差以及內(nèi)外板在滾邊胎模上的定位誤差 4 ，會(huì)導(dǎo)致在實(shí)際滾邊過(guò)程中，滾輪的實(shí)際軌跡與原來(lái)設(shè)定的軌跡有一定的誤差，常見(jiàn)的實(shí)際滾邊情況及其對(duì)外觀變形的影響，見(jiàn)表1。由表1可以看出，在實(shí)際滾邊過(guò)程中，由于滾邊過(guò)程本身受機(jī)器人精度、內(nèi)外板定位精度以及零件的狀態(tài)等因素的限制，其滾壓過(guò)程中在經(jīng)過(guò)所有凸點(diǎn)時(shí)不可能與我們所要求的理論軌跡完全一致，致使軌跡一、軌跡二和軌跡三有可能都會(huì)出現(xiàn)在滾邊過(guò)程中(可通過(guò)觀察翻

11、邊和耳朵處滾邊壓痕來(lái)判斷)，這就增加了滾邊之后凸點(diǎn)處外觀變形的不確定性。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于理論軌跡對(duì)滾邊機(jī)器人的節(jié)拍損失較大，所以一般不使用。實(shí)際滾邊軌跡一，通過(guò)調(diào)整機(jī)器人的軌跡，既能很好地保證機(jī)器人節(jié)拍，又能保證滾邊后的翻邊與外觀質(zhì)量，所以，生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常使用。2) 滾輪壓力的影響常見(jiàn)的滾邊過(guò)程一般分為三步，第一步翻邊角度從90到60，第二步翻邊角度從60到30，第三步翻邊角度從3到0。第一步滾邊時(shí)，由于零件型面、翻邊高度的變化，使翻邊的受力并不是均勻的，致使翻邊的形變也不是均勻變化的，表現(xiàn)為翻邊波浪變形；第二步是對(duì)第一步滾邊狀態(tài)的延續(xù)，也會(huì)使翻邊產(chǎn)生波浪變形；第三步，是獲得優(yōu)質(zhì)滾邊質(zhì)量

12、的關(guān)鍵，因此，如果滾輪的壓力不足就不能夠把前兩步產(chǎn)生的波浪邊形完全壓平，致使?jié)L邊完成后包邊出現(xiàn)波浪邊形，同樣會(huì)反饋在外板外觀質(zhì)量上 5 。外板弱力焊舌頭處的翻邊高度要比其他翻邊區(qū)域高出，經(jīng)過(guò)兩步預(yù)包邊后，會(huì)產(chǎn)生較大的波浪邊形，表現(xiàn)為舌頭根部凸出，中間凹下，如圖5所示。如果最后一步滾輪的壓力不足就不能夠把前兩步產(chǎn)生的波浪邊形壓平，就必然會(huì)導(dǎo)致滾邊完成后弱力焊部位包邊出現(xiàn)波浪邊形，并反饋在外板外觀質(zhì)量上，另外，由于滾邊軌跡只滾過(guò)舌頭的根部以下，即使再大的滾邊壓力也無(wú)法消除舌頭根部及以上區(qū)域由于波浪變形產(chǎn)生的加工硬化。因此，增大第三步滾邊壓力只可能使變形盡量減小，卻不可能完全消除。3) 滾邊步數(shù)的影

13、響三步滾邊方式能夠很好的滿足普通的零件滾邊，但弱力焊區(qū)域由于舌頭處的翻邊高度突然變化往往會(huì)產(chǎn)生較大波浪邊形和鈑金加工硬化，這種情況下增加一次滾邊步驟往往會(huì)得到更加平滑光順的包邊狀態(tài)，所以對(duì)有弱力焊部位，在條件允許的情況下可以采用四步滾邊方式或在三步滾邊的基礎(chǔ)上增加局部五步滾邊的方式6 ，如圖6(a)、圖6(b)所示。Table 1. Influence of surface distortion with roller hemming表1. 滾邊軌跡對(duì)外觀變形的影響Figure 5. Tongue shape after the second hemming step圖5. 兩步滾邊后舌頭形狀 (a) (b)Figure 6. Different hemming steps. (a) 4 hemming steps (hemming thickness well-distributed and smooth), (b) 5 hemming steps on local area (hemming thickness not well-distributed and th