异形冲压件加工基准正向设计方法

赵振洲 刘永超 贾通儒 孙政

（中国第一汽车集团有限公司，长春 130000）

1 前言

通常车身冲压件的加工基准（RPS）采用3(N)-2-1准则，即在冲压件的主投影平面（投影面积最大）方向上选择3个（或N个）定位面和主副定位孔限制冲压件在空间中的6个自由度[1-3]。冲压件加工基准（RPS）的定位方向要符合测量支架和检验夹具的装夹工艺要求，保证冲压件或白车身分总成和部分白车身可以正确的装夹在测量支架和检验夹具上做检测。在异形冲压件加工基准（RPS）的开发过程中，很难准确地判断定位面是否能够有效地克服重力产生的倾覆力。当加工基准（RPS）设计不合理时，冲压件在按照整车坐标系放置于检具上会向一侧倾倒，自由状态无法评价，导致尺寸检测数据失真，失去评价意义。

为了降低车身异形冲压件加工基准的开发难度，提出1种利用重心投影点设计异形冲压件加工基准的方法，引入稳定裕度作为冲压件定位稳定性的评价指标。最后，通过仿真验证了重心投影法应用于冲压件加工基准设计的可行性。

2 稳定条件分析

假设某零件为刚体，支撑点与刚体之间的摩擦力无限大。理论上，刚体零件可在空间3个支撑点（3个点可不位于同一水平面上）的作用下保持稳定支撑，不会发生倾覆现象，受力分析简图如图1所示。零件重心位置为G，P1、P2和P3为冲压件的3个支撑点。F1、F2和F3为支撑点对零件的支撑力。坐标系{N}为局部坐标系，单位矢量n1、n2位于三角形P1P2P3所在平面内，单位矢量n3与平面P1P2P3垂直。坐标系{B}为全局坐标系，单位矢量b1、b2位于水平面内，单位矢量b3与水平面垂直。n3与b3间的夹角为支撑平面P1P2P3与水平面的夹角，定义为支撑平面倾角。点分别为重心和支撑点在水平面的投影点。支撑力在竖直方向上的分力为。定义的合力中心点与水平面的交点为支撑力中心C。零件的质量为m。

根据空间任意力系的平衡方程，可得公式（1）。

根据空间任意力系的合力矩定理，可得公式（2）。

把公式（2）带入公式（1）中，可得公式（3）。

rCG′在水平面内和重力方向垂直，公式（3）可写为公式（4）。

3 重心投影法

车身冲压件的面积较大，定位面可简化为支撑点；形状较为复杂，定位面个数N≥3，且定位面中心点通常不在同一平面上。

如图2所示，冲压件放在检具上克服重力倾覆，保持定位稳定的充要条件为冲压件重心在水平面的投影点位于定位面中心在水平面投影点构成的封闭多边形内部（不包含边线）。

冲压件检具Base面与水平面保持平行，即冲压件重心投影面可转换为检具Base面。同时，鉴于工艺需求，在设计检具时，要求检具的Base面尽可能与整车坐标平面平行。故而，车身冲压件重心的投影平面可由水平面等效为整车坐标平面：平面XY，平面YZ或平面ZX。

利用冲压件重心投影设计加工基准方法如下。首先，根据冲压件的形状和在整车坐标系中的位置，确定冲压件重心的投影平面，在投影平面方向上选定主副定位孔，两孔间的距离尽可能大。然后，根据工艺特点和要求，选定冲压件的2个定位面，定位面中心在投影平面的投影点分别为和，冲压件重心在投影平面的投影点为G′。如图3（a）所示，将2个定位面投影点分别与重心投影点相连，得到直线L1和L2，这2条直线将坐标平面分为4个区域：Ω1、Ω2、Ω3和Ω4。从图3（b）中可以看出，只要再选定1个定位面，其中心在投影平面的投影点落在区域Ω1内（不包含边线），就可以保证冲压件重心投影点落在定位面中心在投影平面的投影点构成的封闭多边形内部，冲压件就可实现稳定的支撑定位。最后，适当增加定位面的个数来增加定位稳定性、提高焊接强度、矫正回弹和限制局部自重变形。

4 稳定性评价

令冲压件重心在投影平面的投影点至定位面中心投影点构成的封闭多边形各边的最小距离为，如图4所示。

定义边界裕量si为公式（5）。

当重心投影点位于多边形内部时，si＞0；位于多边形边线上时，必存在1个si=0；位于多边形外部时，si＜0。

引入稳定裕度S作为冲压件定位稳定性的评价指标，见公式（6）。

当S＜0时，冲压件发生倾倒，定位不稳定；当S=0时，冲压件处于临界稳定状态；当S＞0时，定位面可克服冲压件重力产生的倾覆，冲压件处于稳定状态，且S取值越大代表当前状态的稳定性能越好。

5 仿真分析

某车型顶盖加强梁，长1 100 mm，料厚1.2 mm，可视为刚体，如图5（a）所示。要求零件按照整车坐标系放置，检具Base面与平面ZX平行。其加工基准如图5（b）所示，加工基准和重心信息见表1。

顶盖加强梁的重心投影平面为平面ZX，把定位面中心点和重心向平面ZX投影，可以看出重心投影点在封闭多边形的外部，稳定裕度S＜0，如图6所示。

将图5（a）所示的顶盖加强梁导入ADAMS中建立虚拟样机[4]，进行顶盖加强梁在图5（b）所示的加工基准下定位稳定性仿真。

在重力作用下，顶盖加强梁质心位移曲线如图7所示。可以看出，在0.08 s后质心位移成周期性波动，最大位移0.03 mm，定位销在一定程度上限制了零件的倾覆。

定位面A1、A3与顶盖加强梁间的接触力如图8所示。实线、虚线分别表示A1和A3的接触力。可以看出，顶盖加强梁与A1和A3的接触力不为0，说明零件与定位面A1和A3保持接触。

定位面A2、A4和A5与顶盖加强梁间的接触力如图9所示。实线、点划线和虚线分别表示A2、A4和A5的接触力。可以看出，顶盖加强梁与A2、A4和A5的接触力基本为0，说明顶盖加强梁定位面A2、A4和A5无接触。

通过对图7～图9的分析，可以得到：按照图5（b）所示的加工基准定位，仅有定位面A1和A3起到支撑作用，顶盖加强梁发生倾覆，质心产生位移。说明图5（b）所示的加工基准不能实现顶盖加强梁的稳定定位。

A6定位面信息见表2。增加定位面A6后，顶盖加强梁质心位移曲线如图11所示。可以看出，在0.06 s后质心位置保持不动，质心最大位移0.006 mm。由于ADAMS软件Impact接触力函数的算法[5-6]，定位面与顶盖加强梁之间会存在少量穿透，导致零件质心产生微量位移。

表2 A6定位面信息

增加定位面A6后，定位面A1、A4和A6与顶盖加强梁间的接触力如图12所示。实线、点划线和虚线分别表示A1、A4和A6的支撑力。可以看出，3个接触力的均值及峰值基本一致，说明零件与定位面A1、A4和A6保持稳定的接触。

增加定位面A6后，定位面A2、A3和A5与顶盖加强梁间的接触力如图13所示。实线、点划线和虚线分别表示A2、A3和A5的支撑力。可以看出，3个接触力基本为0，说明零件与定位面A2、A3和A5无接触。

通过对图11～图13的分析，可以得到：增加定位面A6后，顶盖加强梁质心最大位移0.006 mm，定位面A1、A4和A6与零件保持稳定的接触，说明顶盖加强梁定位稳定。其中定位面A1、A4和A6为主要支撑点，定位面A2、A3和A5为辅助支撑点。增加定位面A6，顶盖加强梁定位稳定，验证了重心投影法应用于冲压件加工基准设计中的可行性和合理性。

6 结论

推导了一般刚体在空间中实现稳定支撑的条件，提出了1种基于冲压件重心投影实现加工基准正向开发的方法，该方法有效地解决了异形冲压件自重倾覆问题。引入稳定裕度概念来评价冲压件定位稳定性。最后，利用ADAMS软件进行顶盖加强梁定位稳定性仿真，验证了重心投影法应用于异形冲压件加工基准开发是合理可行的。