白車身鋁減震塔沖孔設(shè)備的設(shè)計(jì)

鄭志敏

[摘? ? 要]介紹白車身鑄鋁減震塔在線沖孔設(shè)備。該設(shè)備結(jié)合了機(jī)械、模具、液壓、氣動(dòng)及電機(jī)等多方面的技術(shù)，采用了多個(gè)沖頭及下模在空間上整合在一起的方式，通過液壓缸驅(qū)動(dòng)沖頭往復(fù)運(yùn)動(dòng)，解決了鋁減震塔沖孔空間局促，孔間距小的問題，而且提高了沖孔的效率。另一方面，本設(shè)備還采用平衡氣缸，可有效降低沖孔設(shè)備的震動(dòng)對(duì)白車身的影響，提高了沖孔的精度和質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]鋁減震塔;沖孔

[中圖分類號(hào)]U466 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）05–00–05

The design of Aluminum Shock Tower Punch Machine

Zheng Zhi-min

[Abstract]A punch machine use for body in White aluminum shock tower is designed. The punch machine combines mechanical， mould， hydraulic， pneumatics and motor technology， integrates several punches and lower dies together in space， use hydraulic cylinder drive punch to move forth and back， solves the limited punch space problem and small distance between holes in sock tower problem and also improve the punching efficiency. On the other hand， the punching machine also use balance pneumatic cylinder， which can effectively reduce the impact of the vibration of the punching equipment on the body in white， and improve the accuracy and quality of punching.

[Keywords]aluminum shock tower;punch

鋁合金具有低密度、抗腐蝕及可回收等優(yōu)點(diǎn)，在汽車行業(yè)越來越受到重視[1]。隨著技術(shù)的發(fā)展，在汽車行業(yè)，鋁合金將逐漸替代鋼材[2]。鋁合金材料在白車身上應(yīng)用得越來越多，對(duì)鋁合金材料的加工技術(shù)的需求也越來越高。本文開發(fā)了一種專門針對(duì)白車身鑄鋁減震塔的在線沖孔設(shè)備。

1 具體的需求和設(shè)計(jì)方案

1.1 具體需求

在車型為白車身的鑄鋁材料減震塔處，需要沖孔，4個(gè)孔分別位于4條平行的加強(qiáng)筋上，4個(gè)孔在同一條直線上，但孔間距僅為60 mm/160 mm/60 mm，如圖1所示。整個(gè)白車身左右減震塔共8個(gè)孔。

圖1? 減震塔孔位分布

1.2 設(shè)計(jì)方案

采用機(jī)、電、氣、液相結(jié)合的方式，對(duì)鋁減震塔在線沖孔設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)。針對(duì)左右減震塔需要采用左右對(duì)稱的兩臺(tái)在線沖孔設(shè)備，分別布置在白車身的左右兩側(cè)。在線沖孔設(shè)備的基本設(shè)計(jì)思路為：①采用Y向滑臺(tái)和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相結(jié)合的方式。當(dāng)白車身到位時(shí)，減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)Y向滑臺(tái)先滑動(dòng)到工作位，此時(shí)4個(gè)孔的凹模（1、2號(hào)孔凹模背靠背集成在一起，3、4號(hào)孔凹模背靠背集成在一起，可以節(jié)省空間）及2、3號(hào)孔的凸模到位，然后，液壓缸翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將1、4號(hào)孔的凸模翻轉(zhuǎn)到工作位。液壓缸驅(qū)動(dòng)安全插銷鎖死翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，此時(shí)，采用液壓雙動(dòng)塊式缸驅(qū)動(dòng)凸模先沿著孔的軸向反向運(yùn)動(dòng)，沖1、3號(hào)孔，液壓雙動(dòng)塊式缸再驅(qū)動(dòng)凸模沿著孔的軸向正向運(yùn)動(dòng)，沖2、4號(hào)孔。②還采用平衡氣缸，將沖孔設(shè)備浮動(dòng)在X向的滑臺(tái)上，將沖孔設(shè)備的振動(dòng)對(duì)車身的影響減低到最小，提高了沖孔的精度和質(zhì)量。采用此方案，不僅可以在狹小的空間內(nèi)對(duì)4個(gè)孔進(jìn)行沖孔，還能提高沖孔設(shè)備的效率。在線沖孔工位步驟如下：

（1）白車身及滑撬進(jìn)入本工位;

（2）升降滾床下降，白車身與滑撬脫離，并落到地板夾具上;

（3）地板夾具夾具白車身;

（4）沖孔設(shè)備Y向滑臺(tái)滑入到工作位;

（5）1、4號(hào)孔的凸模的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)插銷退回;

（6）1、4號(hào)孔的凸模的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)翻入到工作位;

（7）1、4號(hào)孔的凸模的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)插銷伸出;

（8）X向浮動(dòng)機(jī)構(gòu)鎖死液壓缸打開（沖孔設(shè)備處于浮動(dòng)狀態(tài)）;

（9）沖孔液壓缸動(dòng)作，沖1、3號(hào)孔;

（10）沖孔液壓缸動(dòng)作，回到中間位;

（11）沖孔液壓缸動(dòng)作，沖2、4號(hào)孔;

（12）沖孔液壓缸動(dòng)作，回到中間位;

（13）X向浮動(dòng)機(jī)構(gòu)鎖死液壓缸夾緊（沖孔設(shè)備處于固定位置）;

（14）1、4號(hào)孔的凸模的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)插銷退回;

（15）1、4號(hào)孔的凸模的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)翻出;

（16）1、4號(hào)孔的凸模的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)插銷伸出;

（17）沖孔設(shè)備Y向滑臺(tái)滑出;

（18）地板夾具打開;

（19）升降滾床上升，滑撬隨滾床上升，白車身落到滑撬上，并與地板夾具脫離;

白車身及滑撬進(jìn)入到下一工位。

2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 沖孔設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)

2.1.1 鑄鋁件沖孔力計(jì)算

減震塔的鑄鋁件的材料為AL-LEG.+DBL4918.30，厚度5.476 mm，孔直徑12.5 mm。

沖孔力的計(jì)算公式為[3]：

Fp=K×L×t×τ （1）

式（1）中，F(xiàn)p為平刃口沖孔力（N）;t為材料厚度（mm）;τ為材料抗剪強(qiáng)度（MPa）;K為安全系數(shù)，一般取K=1.3。

鑄鋁件厚度為5.476 mm，孔周長為39.27 mm，材料抗剪強(qiáng)度為180 MPa。

單個(gè)孔需要的沖孔力為F=1.3×39.27×5.476×180=50 320 N。

本設(shè)備2個(gè)孔一起沖孔，故需要的沖孔力為100 640 N。

2.1.2 凸凹模設(shè)計(jì)（圖2和圖3）

首先需要確定凹模和凸模的間隙。一般根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出合理的間隙Z[4]：：

Z=mt （2）

式（2）中，t為材料厚度。

當(dāng)t < 3 mm時(shí)，軟鋼、純鐵m值一般為6%～9%，銅、鋁合金m值一般為6%～10%;硬鋼m值一般為8%～12%。

當(dāng)t > 3 mm時(shí)，軟鋼、純鐵m值一般為15%～19%，銅、鋁合金m值一般為16%～21%;硬鋼m值一般為17%～25%。

減震塔的鑄鋁件厚度為5.476 mm，故m值取18%。

雙邊間隙Z=18%×5.476=0.98 mm，則單邊間隙為0.49 mm。

凸模的尺寸直接采用需要沖孔的尺寸，沖孔間隙放在凹模上。凹模采用柱形刃口形式的凹模。

2.1.3 沖孔機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于空間有限，且出于簡化的目的，內(nèi)?？蚣芘c外?？蚣苤虚g采用滑動(dòng)板來替代導(dǎo)柱、導(dǎo)套的作用。內(nèi)模框架上下側(cè)各4塊滑動(dòng)板，左右側(cè)各6塊滑動(dòng)板，如圖4所示。

內(nèi)模座安裝在內(nèi)模框架上，內(nèi)模座中間為空心，廢料可以沖入內(nèi)模座中，通過廢料管道，排出設(shè)備外。廢料管道上帶傳感器，用來感應(yīng)落料是否隨廢料管排出設(shè)備外，如圖5所示。

內(nèi)?？蚣芘c外?？蚣苤g安裝一個(gè)液壓雙動(dòng)塊式缸，可以驅(qū)動(dòng)內(nèi)?？蚣芘c外模框架之間雙向運(yùn)動(dòng)。內(nèi)?？蚣芘c外模框架支架還有接觸式傳感器，用來識(shí)別內(nèi)?？蚣芘c外?？蚣艿南鄬?duì)位置，如圖6所示。

由于與白車身數(shù)模干涉的原因，1、4號(hào)孔的凸模無法通過Y向直線運(yùn)動(dòng)到工作位，所以，外?？蚣苌蠋ХD(zhuǎn)架構(gòu)用來將1、4號(hào)孔的凸模翻轉(zhuǎn)到工作位置。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由液壓缸驅(qū)動(dòng)，并且有兩個(gè)液壓缸帶插銷來保證其安全，不發(fā)生誤動(dòng)作。不論翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在打開位置，還是在工作位置，兩個(gè)液壓缸都會(huì)將翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)鎖死，只有在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，液壓缸才會(huì)縮回插銷，此時(shí)，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)才能動(dòng)作，如圖7、圖8所示。

將上述的內(nèi)?？蚣芎屯饽？蚣芊胖糜赬向滑臺(tái)上，滑臺(tái)采用滑軌和滑塊的方式來滑動(dòng)，浮動(dòng)氣缸安裝在X向滑臺(tái)底座和外?？蚣苤g，通過浮動(dòng)氣缸來平衡內(nèi)?？蚣芎屯饽？蚣艿闹亓?，如圖9所示。

在X向滑臺(tái)底座和內(nèi)?？蚣苤g，安裝液壓缸驅(qū)動(dòng)的鎖緊機(jī)構(gòu)。當(dāng)沖孔設(shè)備不工作時(shí)，將內(nèi)?？蚣芎屯饽？蚣苕i死，防止其從X向滑臺(tái)上滑落，發(fā)生事故，如圖10所示。

上述的整個(gè)機(jī)構(gòu)（含X向滑臺(tái)）放置于Y向滑臺(tái)上，Y向滑臺(tái)通過滑軌和滑塊來運(yùn)動(dòng)，滑臺(tái)為對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，沖孔設(shè)備的工作位和停放位位于機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置，如圖11所示。

2.2 沖孔設(shè)備的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 運(yùn)動(dòng)分析

本設(shè)備的液壓動(dòng)作分8個(gè)步驟：①液壓插銷縮回;②翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)翻入;③液壓插銷伸出;④液壓沖孔1、3;⑤液壓沖孔2、4;⑥液壓插銷縮回;⑦翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)翻出;⑧液壓插銷伸出。

2.2.2 負(fù)載分析

本設(shè)備的最大負(fù)載為沖孔液壓缸的負(fù)載。故重點(diǎn)分析沖孔液壓缸的負(fù)載。

液壓缸驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，所受到的外負(fù)載為[5]：

F=FL+Ff+Fa （3）

式（3）中，F(xiàn)L為工作負(fù)載;Ff為摩擦阻力負(fù)載;Fa為慣性負(fù)載。

（1）工作負(fù)載。沖孔液壓缸的工作負(fù)載為沖孔力和外?？蚣茉赬向的重力分量之和。其中，外模框架的重量920 kg，外模框架與水平面的夾角為11°（由產(chǎn)品決定）。沖孔力大小為100 640 N，詳見2.1沖孔力計(jì)算。

FL=Fp+G×sinθ =100640+9.8×920×sin11°=102 353 N。如圖12所示。

（2）摩擦阻力負(fù)載。摩擦阻力負(fù)載計(jì)算公式為：

Ff =f×FN=f ×G×sinθ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

式（4）中，F(xiàn)N為運(yùn)動(dòng)部件的重力外負(fù)載對(duì)支撐面的正壓力;f為摩擦系數(shù)。

摩擦系數(shù)取0.1，可得Ff=0.1×9.8×920×sin11°=171 N。

（3）慣性負(fù)載。慣性負(fù)載計(jì)算公式為：

（5）

式（5）中，m為運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量;a為運(yùn)動(dòng)部件加速度;G為運(yùn)動(dòng)部件的重力;g為重力加速度;?v為速度的變化量;?t為速度變化所需的時(shí)間。

沖孔時(shí)間為2 s，液壓缸行程為20 mm，其速度為10 mm/s，沖頭加減速時(shí)間均為0.5 s?？傻肍a=980×10/0.5=19 600 N。

綜上可得，沖孔液壓缸的總負(fù)載為122 124 N。

2.2.3 液壓系統(tǒng)參數(shù)確定

（1）液壓缸的有效工作面積。本沖孔設(shè)備采用12 MPa的工作壓力。其中沖孔液壓缸采用12 MPa的工作壓力，翻轉(zhuǎn)缸通過減壓閥將其工作壓力降低到4 MPa，插銷液壓缸和鎖緊液壓缸也通過減壓閥將其工作壓力降低到5 MPa，見圖13。液壓缸的有效工作面積可由下式求得：

（6）

式（6）中，F(xiàn)為液壓缸上的外負(fù)載（N）;為液壓缸的機(jī)械效率，P為液壓缸工作壓力（Pa）;A為液壓缸的有效工作面積（m?）。

由式（6）可得所需的沖孔液壓缸的工作面積為：A=122 124/（0.8×12×106）=0.012 72 m?=12 721 mm?。

由公式，可得需要的沖孔液壓缸直徑為127 mm。

行程根據(jù)沖孔需求，兩側(cè)都采用20 mm的行程。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，液壓缸采用某知名公司的液壓雙動(dòng)塊式缸，型號(hào)為E1550940。其活塞直徑為128 mm，單側(cè)行程為20 mm。

（2）流量計(jì)算。①?zèng)_孔液壓缸：沖孔時(shí)間為2 s;液壓缸行程為20 mm，則速度為10 mm/s。②其流量為：Q=A×v=π×L2×v/4=3.142×1282×10/4=128 696 mm?/s。翻轉(zhuǎn)液壓缸：直徑為50 mm，行程為230 mm，翻轉(zhuǎn)時(shí)間為5 s，則速度為46 mm/s。其流量為Q=A×v=π×L2×v/4=3.142×502×46/4=90 333 mm?/s。③插銷液壓缸：直徑為40 mm，行程為50 mm運(yùn)動(dòng)時(shí)間為2 s，則速度為25 mm/s。其流量為Q=A×v=π×L2×v/4=3.142×402×25/4=31 420 mm?/s。由于2個(gè)插銷液壓缸同時(shí)動(dòng)作，需要的流量為62 840 mm?/s。④鎖緊液壓缸：直徑為40 mm，行程為50 mm，運(yùn)動(dòng)時(shí)間為2 s，則速度為25 mm/s。其流量為Q=A×v=π×L2×v/4=3.142×402×25/4=31 420 mm?/s。

綜上可知，沖孔液壓缸需要的流量最大。

（3）液壓泵的選型。液壓泵的最高工作壓力P由公式可得：

P≥P1+?P? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

式（7）中，P1為執(zhí)行機(jī)構(gòu)（液壓缸）的所需的最大壓力;

?P為液壓泵的出口至執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)口之間的總的壓力損失，包括沿程壓力損失和局部壓力損失.在此只能進(jìn)行估算，參考以下經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)：一般節(jié)流調(diào)速和管路簡單的系統(tǒng)取?P=0.2～0.5 MPa。這里取?P=0.5 MPa，則液壓泵的最高工作壓力P≥12.5 MPa。

（4）液壓泵的最大供油量。液壓泵的最大供油量Q由公式可得：

Q≥K×Qmax? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （8）

式（8）中，K為考慮系統(tǒng)中的有泄漏等因素的修正系數(shù)，一般K=1.1～1.3;Qmax為同時(shí)動(dòng)作的各液壓缸所需的流量之和的最大值。

這里K取1.1。由于單側(cè)沖孔設(shè)備的沖孔液壓缸、翻轉(zhuǎn)液壓缸、插銷液壓缸和鎖緊液壓缸沒有同時(shí)動(dòng)作，但是，左右側(cè)的沖孔設(shè)備的液壓缸會(huì)同時(shí)動(dòng)作，故Qmax為沖孔液壓缸的流量的兩倍。則Q≥K×Qmax=1.1×2×128 696 mm?/s=283 132 mm?/s=4.8L/min=

284×10-6m?/s

根據(jù)上述計(jì)算過程中計(jì)算的最高工作壓力和最大供油量，采用某知名品牌的葉片泵，型號(hào)為PV7-1X/25-30RE01MC0-16。

（5）液壓泵的驅(qū)動(dòng)功率。液壓泵的驅(qū)動(dòng)功率P由公式可得：

P=P1×Q×/η? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （9）

式（9）中，P1為液壓泵的最大工作壓力（Pa）;Q為液壓泵的輸出流量（m?/s）;η為液壓泵的總效率。

這里取η=0.8，P=12.5×106×284×10-6/0.8=4.4 kW。

故綜合上述因素考慮，電機(jī)功率取7.5 kW，采用某知名品牌的電機(jī)，型號(hào)為M550-P132/L4。

另外，本液壓系統(tǒng)還配置了液壓油冷卻裝置。本液壓系統(tǒng)的液壓原理如圖14所示。

2.3 沖孔設(shè)備的氣路設(shè)計(jì)

本沖孔設(shè)備采用平衡氣缸，如圖15所示，將沖孔設(shè)備浮動(dòng)在X向的滑臺(tái)上。X向滑臺(tái)上的設(shè)備重量為1.67t。X向滑臺(tái)與水平面的角度為11°，采用的氣缸直徑為125 mm，行程為100 mm。

氣缸受力為：

F=G×sinθ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（10）

式（10）中，G為重力;θ為角度。式（10）可得，氣缸受力F=1.67×103×9.8×sin11°=3 110 N。氣缸所需的壓力為P=F/A=F/πr?

=3 110/（3.142×1252/4）=0.26 MPa。故需要用采用減壓閥將壓力控制在0.26 MPa左右，以平衡內(nèi)模框架和外?？蚣艿闹亓俊?/p>

本沖孔設(shè)備的氣路原理圖如圖16所示。

2.4 Y向滑臺(tái)的減速電機(jī)選型

將工作節(jié)拍時(shí)間設(shè)置為變量，對(duì)Y向滑臺(tái)減速電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析。單個(gè)節(jié)拍包括滑臺(tái)入工作位階段（0-t3）。設(shè)備沖孔階段（t3-t4），滑臺(tái)滑出工作位階段（t4-t7），如圖17所示。

滑臺(tái)的單個(gè)工作節(jié)拍可細(xì)分為：0-t1為滑臺(tái)滑入階段中的加速階段;t1-t2為滑臺(tái)滑入階段中的勻速階段;t2-t3為滑臺(tái)滑入階段中的減速階段;t3-t4為沖孔設(shè)備工作階段;t4-t5為滑臺(tái)滑出階段中的加速階段;t5-t6為滑臺(tái)滑出階段中的勻速階段;t6-t7為滑臺(tái)滑出階段中的減速階段。

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需求，滑臺(tái)滑入時(shí)間為5 s，其中加速和減速時(shí)間分別為1 s。設(shè)備沖孔時(shí)間此處簡化為1 s，滑臺(tái)滑出時(shí)間為5 s，其中加速和減速時(shí)間分別為1 s?；_(tái)上運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量為2 500 kg，曲柄的長度為325 mm，旋轉(zhuǎn)角度為180°，連桿長度為678 mm，滑臺(tái)行程為650 mm。根據(jù)上述參數(shù)，在仿真軟件中對(duì)滑臺(tái)進(jìn)行簡化建模，并將工作節(jié)拍時(shí)間設(shè)置為變量，對(duì)減速電機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行仿真分析。

不同工作節(jié)拍時(shí)間下的減速電機(jī)轉(zhuǎn)速如圖18所示，從圖中可以看出，在滑臺(tái)滑入和滑出的勻速運(yùn)動(dòng)階段，減速電機(jī)的轉(zhuǎn)速最大，為7.5r/min。

不同工作節(jié)拍時(shí)間下的減速電機(jī)扭矩如圖19所示，從圖19中可以看出，在滑臺(tái)滑入勻速運(yùn)動(dòng)階段結(jié)束，開始減速時(shí)，減速電機(jī)的扭矩達(dá)到最大值，為504 N.m。

不同工作節(jié)拍時(shí)間下的減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如圖20所示，從圖20中可以看出，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，基本可以忽略不計(jì)。

根據(jù)上述的仿真結(jié)果，采用某知名品牌的減速電機(jī)，最終選擇的減速器型號(hào)為G500-B2700，電機(jī)型號(hào)為M550-P90/L4。

3 結(jié)論

本文通過以機(jī)、電、液、氣相結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)了一種鋁減震塔在線沖孔設(shè)備，解決了鋁輪罩在線沖孔的兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：①空間局促，孔間距小，且產(chǎn)能要求高;②沖孔設(shè)備沖孔時(shí)的振動(dòng)，對(duì)車身的影響，進(jìn)而影響沖孔的精度和質(zhì)量。本沖孔設(shè)備在現(xiàn)場已經(jīng)實(shí)現(xiàn)安全、穩(wěn)定的生產(chǎn)，達(dá)到設(shè)計(jì)需求的要求。

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