片彈簧雙帶料模具內(nèi)裝配與焊接的級進(jìn)模設(shè)計(jì)

游健， 莊嚴(yán)， 朱潯， 侯毅， 王希亮

（成都宏明雙新科技股份有限公司， 四川 成都 610091）

0 引 言

目前有組裝焊接要求的鍍金片彈簧類零件，一般采用2副模具各成形1個(gè)零件，條帶生產(chǎn)，經(jīng)過清洗后，2個(gè)條帶在激光焊接夾具上組裝，送入激光焊接機(jī)中完成焊接，之后再完成零件落料、包裝，零件成形工序長、生產(chǎn)效率低。基于這些現(xiàn)狀，為提高生產(chǎn)效率，將2個(gè)零件的生產(chǎn)、組裝和激光焊接整合到1副模具內(nèi)完成，縮短零件成形流程以提高生產(chǎn)效率。由于片彈簧類零件對彈臂高度要求高，設(shè)計(jì)了在線檢測設(shè)備，監(jiān)控片彈簧的懸臂高度；同時(shí)采用視覺檢測焊接，通過對焊點(diǎn)的形狀、大小監(jiān)控焊接情況，如有異常，會立即報(bào)警停機(jī)，避免廢品的產(chǎn)生。

1 工藝分析

圖1所示為片彈簧二維結(jié)構(gòu)，是由2個(gè)零件通過激光焊接而成，零件公差較小，部分尺寸有CPK（process capability index，制程能力指數(shù)）要求，零件材料為SUS301-FH（全硬態(tài)），厚度為（0.08±0.01）mm，具有良好的彈性，片彈簧臂高分別壓至1.83、1.21 mm時(shí)，滿足回彈力在0.1～0.35 N。

圖1 二維結(jié)構(gòu)

為確認(rèn)片彈簧彈力是否達(dá)到圖紙要求，運(yùn)用有限元分析軟件進(jìn)行仿真分析，當(dāng)臂高壓縮至1.83 mm時(shí)，彈力為0.102 N，大于0.1 N滿足圖紙要求；當(dāng)臂高壓縮至1.21 mm時(shí)，彈力為0.282 N，小于0.35 N滿足圖紙要求。

零件由彈片和支撐板通過激光焊接而成，彈片是彎曲零件，支撐板為平面沖裁零件，片彈簧局部有鍍金要求，組裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 三維組裝結(jié)構(gòu)

2 成形工藝

（1）片彈簧需要全鍍鎳，局部接觸端需鍍金，電鍍區(qū)域如圖3所示。由于帶料鍍金后進(jìn)行彎曲成形，鍍金表面易擦傷和開裂，但是片彈簧成形后電鍍易出現(xiàn)碰撞造成變形，且電鍍后對彈力有影響，無法調(diào)整，故采用先成形片彈簧鍍金區(qū)域的彎曲，再將排樣件進(jìn)行局部電鍍。電鍍后的帶料彎曲成形，既減少了鍍金成本，又避免鍍金表面彎曲造成的擦傷和開裂，同時(shí)片彈簧的彈力更易得到保障，電鍍排樣如圖4所示。

圖3 電鍍區(qū)域

圖4 電鍍排樣

（2）焊接工藝。原類似零件生產(chǎn)工藝如圖5所示，彈片和支撐板分別由2副模具成形，成形相同件數(shù)的條料，由人工在焊接夾具裝配后，進(jìn)行激光焊接，再進(jìn)行落料、包裝，生產(chǎn)工序長、生產(chǎn)效率較低。

圖5 傳統(tǒng)焊接工藝

為了提高生產(chǎn)效率，采用模具內(nèi)自動(dòng)裝配的焊接工藝，1副模具上完成2個(gè)零件的成形、裝配和模具內(nèi)激光焊接，帶料經(jīng)過在線檢測設(shè)備對激光焊接和片彈簧高度進(jìn)行檢測（如有異常立即停機(jī)）。成形工藝：片彈簧排樣成形→電鍍→彈片與支撐板成形、模具內(nèi)裝配、激光焊接→在線檢測→收料→清洗→落料、包裝。

3 成形工藝的難點(diǎn)

（1）模具送料。由于采用十字交叉方式送料，彈片的送料由機(jī)床自帶送料器完成，而垂直于彈片的支撐板送料成為難點(diǎn)，為此設(shè)計(jì)了簡單可靠的模具內(nèi)拉料裝置，如圖6所示。

圖6 拉料裝置

（2）模具內(nèi)裝配、鉚接。模具內(nèi)焊接時(shí)2個(gè)零件必須裝配在一起，且焊接后其中1個(gè)零件必須切斷條料，但是由于零件較小，在1個(gè)工位無法實(shí)現(xiàn)零件裝配、焊接、切斷全部動(dòng)作，考慮先將2個(gè)零件裝配、鉚接，同時(shí)切斷支撐板條料，送至后工位再進(jìn)行焊接。

（3）模具內(nèi)激光焊接。零件焊接點(diǎn)為4個(gè)，采用振鏡式激光焊接，使用1個(gè)激光焊接頭可以實(shí)現(xiàn)4個(gè)焊點(diǎn)焊接，但是模具空間位置狹小，振鏡式激光焊接頭無法安裝，選擇光纖式激光焊接機(jī)，4個(gè)焊接頭同時(shí)焊接。焊接頭傾斜安裝，可以在1個(gè)工位上同時(shí)進(jìn)行4點(diǎn)焊接，減少模具工步，同時(shí)也可以減小模具閉合高度。焊接時(shí)間選擇在機(jī)床凸輪位置170°～190°，這時(shí)焊接零件被壓板壓牢，焊接最可靠。

（4）檢測設(shè)備的選取。片彈簧高度采用在線激光檢測方式，檢測精度可達(dá)0.001 mm以內(nèi)，能夠準(zhǔn)確捕捉片彈簧的最高點(diǎn)與測量高度尺寸，為在線檢測提供了準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

焊接質(zhì)量采用面陣相機(jī)采集焊接后的零件圖像，通過位置判斷焊點(diǎn)是否偏移，通過橢圓的長短軸半徑判斷焊點(diǎn)是否虛焊或者漏焊。

4 模具設(shè)計(jì)

（1）彈片成形排樣方案如圖7所示，成形工藝包括沖裁、彎曲、整形，為保證零件成形可靠，排樣采用雙邊載體，彎曲成形采用多步彎曲，成形后有微調(diào)整形工序。

圖7 片彈簧排樣

由于片彈簧彎曲尺寸要求高，且生產(chǎn)時(shí)有CPK要求，使用金屬板料成形仿真分析軟件對彎曲成形進(jìn)行分析，零件成形后尺寸回彈最大值達(dá)0.195 mm，模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)分析結(jié)果對每步彎曲進(jìn)行角度補(bǔ)償；同時(shí)在成形后增加微調(diào)整形機(jī)構(gòu)，以保證零件尺寸調(diào)整方便。

（2）支撐板為平面沖裁零件，成形簡單，具體排樣如圖8所示。

圖8 支撐板排樣

（3）總體成形。為方便2個(gè)零件裝配，采用十字交叉方式送料，排樣如圖9所示。彈片成形工位較多，使用機(jī)床自帶送料器從左往右送料，完成彈片成形，平面成形的支撐板垂直于彈片排樣送料，由模具內(nèi)自動(dòng)拉料機(jī)構(gòu)進(jìn)行送料，當(dāng)2個(gè)零件成形后，在排樣交匯處進(jìn)行裝配、鉚接，組裝好的排樣繼續(xù)送至焊接工位進(jìn)行激光焊接，焊接后零件經(jīng)過檢測設(shè)備檢測，最后使用卷盤進(jìn)行包裝。

圖9 總體排樣

5 模具總體結(jié)構(gòu)及主要特點(diǎn)

模具總體結(jié)構(gòu)如圖10所示，由于模具外形尺寸較大，為方便維修采用子模塊結(jié)構(gòu)，可在模具不離開機(jī)床的情況下快速拆裝子模塊，彈片成形采用2節(jié)子模塊，支撐板成形由于僅為平面沖裁，未采用子模塊結(jié)構(gòu)，模具內(nèi)焊接和落料及支撐腳彎曲各設(shè)計(jì)為1副子模。

由于在模具內(nèi)進(jìn)行焊接，成形零件時(shí)必須加微量沖裁油，為提升模具零件刃磨壽命，模具沖裁凸、凹模材料選擇硬質(zhì)合金。

片彈簧電鍍排樣送入成形模，為方便排樣送料及后續(xù)彎曲的進(jìn)行，首先沖裁支撐腳，然后按照成形順序進(jìn)行彎曲，為保證彎曲尺寸的穩(wěn)定性，在關(guān)鍵部位彎曲后增加了微調(diào)機(jī)構(gòu)。彈片成形后與支撐板交匯，通過鉚接孔將2個(gè)零件組合，同時(shí)將支撐板從載體上切斷。組合片彈簧送至焊接工位，定位壓緊后進(jìn)行焊接，焊接后零件經(jīng)過檢測設(shè)備檢測，最后使用卷盤進(jìn)行包裝。

為確保零件成形質(zhì)量，零件裝配、焊接后，在沖床上進(jìn)行在線自動(dòng)檢測，通過線激光掃描檢測片彈簧彎曲高度；通過視覺檢測監(jiān)控焊接質(zhì)量，如發(fā)現(xiàn)超出控制范圍，立即報(bào)警，沖床停機(jī)，避免產(chǎn)生廢品。

6 結(jié)束語

片彈簧雙帶料模內(nèi)裝配、焊接精密級進(jìn)模經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)，模具結(jié)構(gòu)緊湊、可靠，成形的零件質(zhì)量穩(wěn)定，在線檢測技術(shù)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)模具出現(xiàn)問題，減少了模具投入、機(jī)床的占用，縮短了生產(chǎn)流程，降低了制造成本，提高了生產(chǎn)效率。