一種替代沖孔模具的氣動(dòng)沖孔夾具的開(kāi)發(fā)

文/李月偉·安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司

該沖孔夾具采用氣缸驅(qū)動(dòng)，通過(guò)合力以及力矩平衡的方式，將氣缸輸出的推力轉(zhuǎn)化為沖孔所需沖裁力，實(shí)現(xiàn)沖孔目的。該沖孔機(jī)構(gòu)具有空間結(jié)構(gòu)小，輸出沖裁力穩(wěn)定，沖裁速度快的特點(diǎn)。

汽車(chē)是現(xiàn)代重要的交通工具，汽車(chē)工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要產(chǎn)業(yè)組成部分。汽車(chē)生產(chǎn)已向小批量、智能化、輕量化、個(gè)性化方向發(fā)展。白車(chē)身由400多個(gè)薄板沖壓件通過(guò)焊接及螺栓連接而成，而焊接是使用頻次最高的連接手段，沖壓件焊接需要焊機(jī)、焊鉗、焊夾具等裝備輔助實(shí)現(xiàn)。

焊夾具是沖壓件焊接時(shí)定位、夾緊的輔助裝備，焊夾具的設(shè)計(jì)水平及制造精度決定著焊接小總成以及白車(chē)身的質(zhì)量及精度，同時(shí)焊夾具的設(shè)計(jì)水平能影響到生產(chǎn)節(jié)拍，對(duì)于已經(jīng)確認(rèn)生產(chǎn)節(jié)拍的車(chē)型來(lái)說(shuō)，較高的設(shè)計(jì)水平可節(jié)省工裝開(kāi)發(fā)投入。白車(chē)身制造過(guò)程中應(yīng)用到的夾具種類(lèi)繁多，按照夾具的功能可劃分為以下4種。

⑴裝配夾具簡(jiǎn)稱(chēng)裝具，即通過(guò)定位確定產(chǎn)品相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)裝配的一致性，常見(jiàn)的如焊裝調(diào)整線(xiàn)車(chē)門(mén)裝具、翼子板裝具等。

⑵焊接夾具簡(jiǎn)稱(chēng)焊夾具，定位并夾緊沖壓件，防止焊接過(guò)程中板件相互移動(dòng)或者減少焊接總成的變形。

⑶校正夾具可以測(cè)量產(chǎn)品的變形量，通過(guò)液壓或者人工校正迫使產(chǎn)品發(fā)生塑性變形提高其精度。

⑷其他夾具。白車(chē)身生產(chǎn)過(guò)程中有熱處理使用夾具，以及涂裝電泳、面漆夾具。

焊夾具是汽車(chē)生產(chǎn)使用最廣泛的夾具，焊夾具的主要結(jié)構(gòu)可分為以下三點(diǎn)。

⑴BASE通常由鋼板及槽鋼焊接而成，是夾具其余部件的安裝基準(zhǔn)和檢測(cè)基準(zhǔn)。

⑵POST通常由鋼材加工、焊接或者裝配而成，包括定位元件、夾緊元件等。

⑶其他部件包括氣管、三聯(lián)件、按鈕站等輔助部件。

因汽車(chē)工業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車(chē)產(chǎn)品更新?lián)Q代日益加快，也對(duì)汽車(chē)制造使用的工藝裝備提出了更高要求，同時(shí)隨著裝備制造技術(shù)的進(jìn)步，夾具技術(shù)也正朝著模塊、高效、經(jīng)濟(jì)、柔性化、標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。

工藝方案制定

某一款車(chē)型在試制過(guò)程中發(fā)現(xiàn)門(mén)檻處存在銹蝕，為此對(duì)部分沖壓件增加了電泳漏液孔的設(shè)計(jì)變更，而右前門(mén)柱外板最終增加了5個(gè)φ25mm的孔。沖壓件開(kāi)孔位置如圖1所示。增孔的實(shí)現(xiàn)方式主要有以下4種途徑。

圖1 沖壓件變更示意圖

⑴制作靠模，手工鉆孔。制作靠模，定位鉆孔位置，人工采用電鉆或氣鉆進(jìn)行鉆孔。人工鉆孔效率低，孔位一致性差，需打磨鉆孔產(chǎn)生的毛刺，生產(chǎn)成本高，適合小批量試制。

⑵委外激光切割生產(chǎn)。無(wú)需增加工裝，由外協(xié)單位激光割孔，單件割孔費(fèi)用預(yù)計(jì)6.55元（包含來(lái)回運(yùn)費(fèi)），按照年產(chǎn)2萬(wàn)臺(tái)，年生產(chǎn)成本13.1萬(wàn)元，激光割孔毛刺少，效率較高，適合批量生產(chǎn)。

⑶增加1序沖孔模具，原沖壓模具已制作完成，增加孔位于右前門(mén)柱外板底部成形面，OP20、OP30、OP40、OP50均無(wú)法增加沖頭，需增加1副沖孔模滿(mǎn)足要求，此副沖孔模具預(yù)計(jì)開(kāi)發(fā)費(fèi)用45萬(wàn)元，且增加模具后，右前門(mén)柱外板將變?yōu)?道工序，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)，因此無(wú)法通過(guò)增加模具實(shí)現(xiàn)加孔。

⑷開(kāi)發(fā)沖孔夾具，前期無(wú)應(yīng)用先例，通過(guò)調(diào)研得知，沖孔夾具有液壓沖孔及氣動(dòng)沖孔兩類(lèi)，液壓沖孔夾具需附帶采購(gòu)液壓站，維護(hù)成本高；沖焊分廠現(xiàn)場(chǎng)有可以方便利用的壓縮氣源，可采用氣動(dòng)形式?jīng)_孔，開(kāi)發(fā)1副氣動(dòng)沖孔夾具，預(yù)計(jì)開(kāi)發(fā)費(fèi)用11萬(wàn)元。

考慮到該車(chē)型的年產(chǎn)量、成本因素，此次右前門(mén)柱外板新增孔，采用開(kāi)發(fā)氣動(dòng)沖孔夾具的方式實(shí)現(xiàn)。

夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

右前門(mén)柱外板沖壓件材質(zhì)為SPCEN，料厚為0.8mm。查詢(xún)材料標(biāo)準(zhǔn)可知，此種材料的抗拉強(qiáng)度不小于270MPa，因此材料的抗剪強(qiáng)度約等于216MPa。而新增孔孔距為180mm，若使用氣缸直接進(jìn)行沖孔的方式，大直徑的氣缸無(wú)布置空間，此種結(jié)構(gòu)不能滿(mǎn)足沖孔要求。

若通過(guò)杠桿放大氣缸輸出力F，假設(shè)使用直徑140mm氣缸，則氣缸的輸出力F0=0.5×70×70×3.14×0.5=3846.5N，則氣缸距旋轉(zhuǎn)點(diǎn)長(zhǎng)度必須為沖頭距旋轉(zhuǎn)點(diǎn)長(zhǎng)度的3.9倍以上，此種結(jié)構(gòu)對(duì)部件的加工要求低，但結(jié)構(gòu)空間尺寸過(guò)大，沖壓件操作高度不合格，操作不便。

最終選用較為成熟的氣動(dòng)沖孔結(jié)構(gòu)，氣動(dòng)沖孔單元的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示，此種沖孔結(jié)構(gòu)主要是通過(guò)氣缸輸出力及肘節(jié)與加力板反作用力的合力來(lái)放大氣缸輸出力，最終通過(guò)力矩平衡轉(zhuǎn)化為沖孔所需沖裁力來(lái)實(shí)現(xiàn)沖孔，此種沖孔結(jié)構(gòu)緊湊。

圖2 沖孔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

夾具方案設(shè)計(jì)

夾具設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)圖如圖3所示，按照6點(diǎn)定位原理，此沖壓件在夾具上的定位選用2銷(xiāo)1面的方式。主定位孔選用側(cè)圍合拼時(shí)用的定位孔（圖3中H點(diǎn)），副定位孔選擇靠近沖孔側(cè)小孔（圖3中h點(diǎn)）。為防止沖孔時(shí)沖壓件變形，夾持單元也盡可能布置在沖孔一側(cè)。夾具共有7個(gè)支撐夾緊單元（圖3中P01、P02、P03、P04、P05、P07、P10），4個(gè)支撐單元（圖3中P06、P08、P09、P11），以及5個(gè)氣動(dòng)沖孔單元（C-P12）。

夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 沖孔夾具方案簡(jiǎn)圖

根據(jù)沖壓件外觀尺寸確定BASE板基板尺寸，焊夾具原則上要求板件在BASE所在平面的投影全部落在BASE板內(nèi)側(cè)，但考慮到此沖孔夾具中中門(mén)門(mén)洞處的沖壓件無(wú)任何工序，在保證沖壓件放置在夾具上不變形的條件下，沖壓件局部可伸出BASE板范圍。在此副夾具設(shè)計(jì)中，先確定沖壓件距BASE的距離，繪制1個(gè)草圖平面，BASE板平面距主定位孔所在平面570mm。BASE板平面如圖4所示。

圖4 BASE簡(jiǎn)圖

根據(jù)計(jì)算確定的部件尺寸以及氣缸直徑，選用沖頭組件并固定在沖孔位置處，依次繪制沖頭安裝板、連接板、安裝支架等主要零件，再校核鉸接點(diǎn)相對(duì)尺寸，然后繪制擋板、廢料盒等，再選用軸承、氣缸等標(biāo)準(zhǔn)件，最后繪制氣缸單元固定板。依次布置5個(gè)沖孔單元，檢查單元是否干涉，最終確定連接孔的位置，插入螺栓、螺紋、圓柱銷(xiāo)等連接標(biāo)準(zhǔn)件。沖孔單元在夾具中的布置情況如圖5所示。

確定BASE基本尺寸以及BASE距沖壓件距離后，基本確定包含主定位銷(xiāo)的POST01單元在BASE上的位置，繪出型板草圖所在平面，然后設(shè)計(jì)主定位銷(xiāo)及銷(xiāo)座。確定氣缸安裝點(diǎn)、夾持臂旋轉(zhuǎn)點(diǎn)及氣缸與夾持臂連接點(diǎn)在型板草圖平面上的位置，根據(jù)氣缸安裝尺寸，初步選擇氣缸型號(hào)，校核夾持臂夾緊力。

圖5 沖孔單元布置圖

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在汽車(chē)薄板焊接中，夾持臂的夾緊力F≥300N才能滿(mǎn)足焊接要求。對(duì)于初選氣缸壓力不能保證的，需要選用更大直徑氣缸或者結(jié)構(gòu)空間允許的情況下調(diào)整作用力臂的比例，直至滿(mǎn)足要求。

繪制型板以及支撐塊、預(yù)留型板與L板的連接孔、壓緊塊，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選擇L板的型號(hào)，然后確定型板與L板、轉(zhuǎn)接塊、支撐塊以及夾持臂與壓緊塊的連接孔位置，最后選用標(biāo)準(zhǔn)件，如圓柱銷(xiāo)、螺栓、螺母、調(diào)整墊片、彈簧墊片、平墊片、襯套等。POST01單元如圖6所示。

在所有部件全部完成后，以裝配體的形式固定夾持單元打開(kāi)最大位置，檢查各個(gè)POST單元間是否有干涉和確認(rèn)氣缸完全打開(kāi)后是否影響取放沖壓件。修改、優(yōu)化干涉單元結(jié)構(gòu)中的零件尺寸。因沖孔單元外露在板件外，為防止出現(xiàn)安全事故，在沖孔單元以及POST03處加裝防護(hù)欄。夾具最終的設(shè)計(jì)三維圖如圖7所示。

圖6 POST01三維圖

圖7 夾具三維俯視圖

圖8 夾具制作流程

夾具制作及調(diào)試

在夾具的主要模型完成后，組織相關(guān)人員對(duì)圖紙進(jìn)行評(píng)審，根據(jù)評(píng)審意見(jiàn)優(yōu)化修改圖紙。夾具三維圖紙通過(guò)評(píng)審后，輸出工裝圖紙?jiān)u審表。夾具制作流程如圖8所示。

制造單位在接收到最終的夾具三維圖紙后，將三維圖紙轉(zhuǎn)化為可加工的零件圖，輸出部件裝配圖以及夾具的總裝配圖，輸出標(biāo)準(zhǔn)件與自制件的清單及圖紙。所有零件加工完后按照裝配圖進(jìn)行組裝，然后根據(jù)三維圖紙使用便攜式測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的主要目的在于檢測(cè)夾具的制作精度，主要測(cè)量定位銷(xiāo)以及支撐面偏離數(shù)模基準(zhǔn)的程度，要求定位銷(xiāo)誤差在0.15mm以?xún)?nèi)，支撐面的精度在0.2mm以?xún)?nèi)。

精度測(cè)量合格的夾具按照相應(yīng)的涂色標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行噴涂，放置2～3天后對(duì)夾具再次測(cè)量，要求夾具在出廠前關(guān)鍵轉(zhuǎn)接塊之間墊片厚度在1～5mm，超差太多的部位需重新制作規(guī)制塊。夾具在運(yùn)送到主機(jī)廠后，需再次進(jìn)行三坐標(biāo)測(cè)量，測(cè)量的精度要求與出廠時(shí)一致，夾具中測(cè)量不合格的定位銷(xiāo)及支撐面需微調(diào)，測(cè)量合格的夾具才能進(jìn)行沖壓件符合調(diào)試。

夾具復(fù)測(cè)合格后，選擇合格的沖壓件放置在夾具上，檢查所有的支持面是否全面支撐到位，次要的支撐面可根據(jù)沖壓件的不同增減支撐塊數(shù)，來(lái)調(diào)整墊片實(shí)現(xiàn)貼合。

根據(jù)氣路動(dòng)作圖安裝夾緊單元?dú)饴芬约皼_孔單元?dú)饴?。測(cè)試夾具的氣路動(dòng)作是否正常，氣路動(dòng)作滿(mǎn)足要求后，放置沖壓件，檢查所有的壓緊塊是否全面壓緊，與調(diào)整支撐塊類(lèi)似，需確保壓緊塊壓緊沖壓件。

圖9 夾具實(shí)物

所有夾緊單元調(diào)整完成后，調(diào)節(jié)沖孔夾具中的限位螺栓來(lái)改變沖頭進(jìn)入凹模的深度，調(diào)節(jié)連接板及支撐單元中間的墊片微調(diào)沖出孔的位置。不斷調(diào)整限位螺栓以及調(diào)整墊片，直至沖出孔的位置、形狀、止口處毛刺等符合要求。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)引入氣動(dòng)沖孔夾具這種新工藝、新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了沖壓件加孔的設(shè)計(jì)變更要求，進(jìn)而提升了車(chē)身的防腐性能。氣動(dòng)沖孔夾具的成功開(kāi)發(fā)節(jié)省了開(kāi)發(fā)模具的資金投入，氣動(dòng)沖孔也成為一種加孔的工藝實(shí)現(xiàn)方式，為后期的車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變更提供了更多的選擇。圖9為夾具實(shí)物。