螺母沖鉚工藝在載貨汽車白車身上的應(yīng)用

陳顯君 董凱 劉興濤

（中國重汽集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司，濟(jì)南250101）

1 前言

最近幾年隨著載貨汽車市場(chǎng)的大賣，各主機(jī)廠都在規(guī)劃新的產(chǎn)線及導(dǎo)入新車型，隨著裝備水平的發(fā)展以及用工成本的提高，在新產(chǎn)線的規(guī)劃上，各大主機(jī)廠優(yōu)先考慮機(jī)器人代替人工，新產(chǎn)線都朝著自動(dòng)化、柔性化、智能化方向發(fā)展。某載貨汽車前圍板總成上有不少裝配用螺母，傳統(tǒng)的工藝為人工凸焊螺母，勞動(dòng)強(qiáng)度大、精度低、工件焊接變形大，影響裝配質(zhì)量和效率?；诖藢⑻接懺谇皣鷥?nèi)外板總成上引入螺母自動(dòng)沖鉚工藝，以期提高前圍板螺母精度，解決焊接變形，同時(shí)提高自動(dòng)化水平降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 螺母沖鉚工藝介紹

螺母沖鉚工藝是在螺母壓鉚技術(shù)的基礎(chǔ)上衍生出的1種集材料沖孔和螺母鉚接工藝為一體的螺母自沖鉚緊固技術(shù)。替代傳統(tǒng)的螺母凸焊工藝，螺母連接抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度高，不破壞鍍層，廣泛地運(yùn)用于金屬薄板產(chǎn)品[1]。

沖鉚螺母通常可選規(guī)格M6～M16，適用板材厚度0.5～5 mm，沖鉚時(shí)以下模座為支撐，上模在液壓缸（氣液增壓或伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)）的作用下推動(dòng)前端帶凸起壓鉚螺母，沖裁薄板件，螺母凸起切斷材料，使金屬廢料脫落[2]，先在薄板件上沖出孔位，沖頭推動(dòng)螺母在氣液增壓缸的作用下繼續(xù)下壓，下模座中間孔位周邊有一圈凸起，通過壓力使板材孔位周邊材料產(chǎn)生塑性變形，變形物被擠入導(dǎo)向槽，將螺母和板材鎖緊。螺母沖鉚過程如圖1所示。

圖1 螺母沖鉚過程示意

圖1中步驟a中沖頭在氣液增壓缸作用下帶著螺母沖向板材；步驟b中螺母前端凸起在沖頭和下模座孔位周邊凸起的作用下沖裁板材，形成孔位；步驟c沖頭帶著螺母繼續(xù)下壓，和下模座周邊凸起一起擠壓孔位周邊材料，使其發(fā)生塑性變形，變形物擠入螺母前端的導(dǎo)槽中，鎖緊螺母，同時(shí)被沖掉的廢料通過下模座中間空腔落到廢料通道里，完成沖鉚過程；步驟d為沖鉚好的螺母和板材。

螺母沖鉚工藝，不需要提前在板材上沖孔，鉚接牢固、方便、快捷，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，在載客汽車尤其是鋁制板件上應(yīng)用廣泛。

3 載貨汽車前圍板螺母沖鉚工作站

某載貨汽車企業(yè)規(guī)劃1個(gè)年產(chǎn)10萬輛白車身的前圍內(nèi)外板螺母沖鉚工作站，要求除了人工上下件以外，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化鉚接和螺母的自動(dòng)化輸送。

3.1 規(guī)劃設(shè)計(jì)方案

產(chǎn)品：前圍內(nèi)外板總成；綱領(lǐng)：內(nèi)外板各10萬件/年；工作制度：雙班制，每班8 h，全年250 d；節(jié)拍：25 JPH（按白車身計(jì)）；綜合節(jié)拍：144 s/輛份（1個(gè)內(nèi)板+1個(gè)外板）；螺母數(shù)量：外板30個(gè)，內(nèi)板10個(gè)；螺母規(guī)格：M8；板材厚度：1.5 mm。

內(nèi)外板螺母沖鉚節(jié)拍分析如表1所示。

表1 螺母沖鉚節(jié)拍分析

根據(jù)節(jié)拍分析，每完成1件內(nèi)外板螺母沖鉚需要的總時(shí)間為260 s，綜合節(jié)拍為144 s，需布置2組設(shè)備即2臺(tái)機(jī)器人搭配2套沖鉚系統(tǒng)。機(jī)器人可以自動(dòng)切換抓手，在機(jī)器人鉚接的過程中人工將工件放置到上料工裝或者從上料工裝取走工件，不占用節(jié)拍。

自動(dòng)沖鉚工作站的規(guī)劃方案及組成如圖2所示。

圖2 沖鉚工作站

主要工藝過程為：人工從料框拿取工件，將工件上料至上件定位工裝，機(jī)器人抓手抓取工件至固定沖鉚機(jī)處按預(yù)設(shè)軌跡沖鉚螺母，鉚接完后機(jī)器人抓手放件至下件工位，人工從下件工位取走工件放入料框。

2個(gè)工作站都按照同時(shí)可以鉚接外板件和內(nèi)板件規(guī)劃，每臺(tái)機(jī)器人配置內(nèi)外板件抓手及快換單元，上下件工作臺(tái)可以滿足內(nèi)外板件的機(jī)器人抓件定位要求，并有機(jī)械防錯(cuò)裝置。為了提高沖鉚效率，在實(shí)際生產(chǎn)中可以按批次組織生產(chǎn)，由于外板件需要沖鉚的螺母多，其中1個(gè)工作站只負(fù)責(zé)外板件螺母沖鉚，另外1個(gè)工作站可以兼顧內(nèi)板件和外板件的螺母沖鉚，當(dāng)內(nèi)板件按批次完成螺母沖鉚后，此時(shí)外板件還未完成1個(gè)批次的沖鉚，內(nèi)板件螺母沖鉚工作站機(jī)器人切換外板件抓手，配合另外1個(gè)工作站一起完成剩余的外板件的沖鉚工作。

此種方式生產(chǎn)組織靈活，當(dāng)生產(chǎn)小月時(shí)可以只開1個(gè)工作站，另外1個(gè)工作站進(jìn)入到維護(hù)閑置狀態(tài)。

3.2 設(shè)備情況

本項(xiàng)目采用自動(dòng)沖鉚工作站形式，沖鉚機(jī)采用固定鉚機(jī)，主要的設(shè)備清單如表2所示。

表2 主要設(shè)備

機(jī)器人搬運(yùn)技術(shù)比較成熟此處不再贅述，重點(diǎn)介紹沖鉚系統(tǒng)。

本項(xiàng)目沖鉚機(jī)采用TOX固定式?jīng)_鉚機(jī)，配置螺母自動(dòng)輸送機(jī)，實(shí)現(xiàn)螺母自動(dòng)輸送與自動(dòng)沖鉚。該設(shè)備采用TOX氣液增壓式?jīng)_壓技術(shù)，壓縮空氣驅(qū)動(dòng)增壓裝置，使封存在液壓缸內(nèi)的液壓油產(chǎn)生高壓，實(shí)現(xiàn)大噸位沖壓力。沖鉚系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 TOX沖鉚系統(tǒng)

主要的工藝過程為：人工上件，檢測(cè)工件到位后，機(jī)器人抓取工件按照預(yù)定軌跡放置工件至鉚接位置，到位后發(fā)送信號(hào)給鉚機(jī)（此時(shí)螺母已自動(dòng)輸送至沖頭前端的夾緊單元），沖頭在氣液增壓缸的作用下帶著螺母沖向工件，首先完成沖孔動(dòng)作，沖頭繼續(xù)下壓完成螺母鉚接，機(jī)器人按照程序運(yùn)行至下一個(gè)螺母位置，繼續(xù)上一動(dòng)作。

螺母輸送機(jī)采用振動(dòng)盤及氣動(dòng)送螺母方式，將待沖鉚螺母送至沖頭旁邊的螺母緩存盒里，緩存盒配置滿盒檢測(cè)元件及螺母檢測(cè)元件。由推送螺母分離氣缸將待沖鉚螺母分離推送至沖頭前端的夾緊單元，沖頭螺母檢測(cè)元件檢測(cè)到螺母到位后，氣液增壓缸啟動(dòng)，帶著沖頭沖壓工件，在沖鉚螺母被壓嵌入工件時(shí)，自沖鉚螺母前端凸臺(tái)首先接觸板件，在板件上沖出孔位，沖頭繼續(xù)推動(dòng)螺母下壓，按照設(shè)置的壓力及行程將螺母嵌入工件，實(shí)現(xiàn)螺母與工件的鉚固。螺母沖鉚過程中被沖裁的廢料通過下模中心的廢料排出料道送至廢料收集盒，將廢料集中收集，廢料盒里的廢料定期清理。

沖鉚機(jī)構(gòu)的各部件組成如圖4所示。

圖4 沖鉚機(jī)構(gòu)

4 和螺母凸焊工藝對(duì)比

4.1 螺母凸焊工藝

螺母凸焊工藝是電阻焊的1種，常用于汽車鈑金件的螺母焊接，其原理是在焊接螺母上預(yù)先加工出多個(gè)凸點(diǎn)，在電極臂的作用下使其與鈑金件表面相接觸，電極臂通電加壓，在電阻熱和電極臂壓力的作用下使螺母和工件焊合在一起。

常用于鈑金件的螺母焊接可以和螺母自動(dòng)輸送機(jī)配合使用，實(shí)現(xiàn)螺母的自動(dòng)輸送，一般是人工焊接。

4.2 螺母沖鉚優(yōu)勢(shì)

前圍內(nèi)外板螺母采用沖鉚工藝與傳統(tǒng)的螺母凸焊工藝相比有以下優(yōu)勢(shì)。

a.螺母沖鉚工藝屬于冷加工及機(jī)械連接，工件不產(chǎn)生受熱變形的現(xiàn)象。前圍板工件比較大，采用螺母凸焊工藝，易因焊接受熱導(dǎo)致工件變形，影響白車身尺寸精度。

b.凸焊螺母精度差，影響裝配效率和裝配精度，螺母沖鉚采用自動(dòng)化工作站的形式，螺母定位精度高，裝配一致性好，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。

c.螺母沖鉚工藝節(jié)省能源和成本，螺母沖鉚主要能源為壓縮空氣和控制用電，比螺母凸焊節(jié)省電能。沖鉚工藝集沖孔及鉚接為一體，不需要提前沖孔，可以沖鉚一起完成。

d.螺母沖鉚工藝屬于冷加工不產(chǎn)生對(duì)環(huán)境保護(hù)不利的因子，比螺母凸焊更環(huán)保。

5 結(jié)束語

螺母沖鉚工藝在乘用車尤其是鋁車身連接上應(yīng)用的比較廣泛，隨著裝備水平的發(fā)展以及各主機(jī)廠對(duì)自動(dòng)化、柔性化、智能化產(chǎn)線和降低成本及環(huán)保壓力的要求，在載貨汽車應(yīng)用的會(huì)越來越普遍，能很好的取代傳統(tǒng)螺母凸焊工藝，在載貨汽車白車身上有很好的應(yīng)用前景。