一種焊裝在線沖孔技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用

洪海玻，魏慶豐，馬濤，王蘭，封磊

(江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥230022)

1 概述

隨著汽車制造水平的提升與進(jìn)步，人們對(duì)焊裝夾具所能實(shí)現(xiàn)功能的要求也越來越多元化，沖孔、包邊等工藝也一一在夾具上實(shí)現(xiàn)。文中就在實(shí)際生產(chǎn)中，通過在焊裝夾具上增加沖孔機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)焊裝在線沖孔的技術(shù)作簡(jiǎn)要說明。

焊裝在線沖孔技術(shù)是指對(duì)于沖壓件上的某些孔位，取代以往沖壓沖孔模，直接在焊裝生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)同步?jīng)_孔的技術(shù)?？紤]到焊裝常用動(dòng)力氣動(dòng)的特點(diǎn)，總結(jié)得出了一種以氣缸為動(dòng)力，通過放大沖擊力，可較快較穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)沖孔的裝置。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所占用的空間很小，可實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化沖孔。運(yùn)用此機(jī)構(gòu)沖孔，整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)過程可在10 s左右完成，對(duì)工位上的點(diǎn)焊等其他操作沒有影響，可同步進(jìn)行。

2 沖孔機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介

由于汽車焊裝車間動(dòng)力往往以壓縮空氣為主，其氣壓通常在0.3～0.6 MPa，且存在一定波動(dòng)，一個(gè)較大的氣缸所產(chǎn)生的力一般也不到9 800 N。例如缸徑100 mm的較大氣缸輸出力約為3 920 N，而正常想要在板件上沖孔的力度也要達(dá)到上萬牛頓的力，故要在焊裝實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)沖孔，就需要使用一個(gè)可以較大程度放大沖擊力的機(jī)構(gòu)。

要實(shí)現(xiàn)焊裝在線沖孔，使用的機(jī)構(gòu)首先要以氣沖孔動(dòng)力源，動(dòng)力輸出為直線運(yùn)動(dòng)且力度大小存在一定波動(dòng)。若以簡(jiǎn)單的沖孔杠桿原理增加臂長(zhǎng)，整個(gè)機(jī)構(gòu)占用空間較大，而且氣缸輸出力也要始終與杠桿保持垂直，機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，安全性也較差，故采用此機(jī)構(gòu)不符合要求，需要開發(fā)一套可滿足以上幾條要求的機(jī)構(gòu)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，得出了一種適用于焊裝在線沖孔的機(jī)構(gòu)，如圖1所示。

通過運(yùn)用此機(jī)構(gòu)可以將最終沖裁力變?yōu)闅飧纵敵隽Φ娜舾杀?，并較好地轉(zhuǎn)化到?jīng)_孔部位，而機(jī)構(gòu)運(yùn)行到?jīng)_孔位置時(shí)，沖孔的反作用力也不會(huì)對(duì)氣缸產(chǎn)生過多影響行程的阻力，增加了沖孔的穩(wěn)定性和安全性。

該機(jī)構(gòu)極為簡(jiǎn)單，有體積小、速度快等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)利用角度傾斜原理，可以用較小的力產(chǎn)生較大的分力。通過角度的調(diào)整，理論上可以無限地放大沖擊力，所以只要保證工裝設(shè)備制造的穩(wěn)定性，該機(jī)構(gòu)所能產(chǎn)生的沖擊力也越大。此外，該機(jī)構(gòu)對(duì)沖裁的反作用力控制得也較好，當(dāng)沖裁到90°時(shí)，從力學(xué)分析，沖裁的反作用力通過機(jī)構(gòu)作用在活塞上的力正好與活塞運(yùn)動(dòng)方向垂直，力量被限位塊消除，保證了沖孔的可靠性。

3 沖裁力計(jì)算

要應(yīng)用此機(jī)構(gòu)進(jìn)行沖孔時(shí)，需要計(jì)算沖裁力的大小，即確認(rèn)沖裁可行性。現(xiàn)舉例說明該機(jī)構(gòu)沖裁可行性的計(jì)算。

3.1 沖裁要求

以焊裝常用板材冷軋鋼為例，抗剪切力約為400 MPa，假定需要沖裁直徑為10 mm的兩個(gè)孔，板材厚度0.8 mm。

3.2 沖裁力計(jì)算

先大致判斷選擇125 mm的氣缸，以驗(yàn)證其可行性。沖裁力簡(jiǎn)圖如圖2所示。

3.2.1 理論沖裁力計(jì)算

P=τltk=400×3.14×10×0.8×1.1=11 052.8 N

其中:τ為材料抗剪強(qiáng)度;

l為沖裁孔的周長(zhǎng);

t為板材的厚度;

k為安全系數(shù)。

兩個(gè)孔同時(shí)沖裁成形則所需要的理論沖裁力為:

3.2.2 實(shí)際沖裁力的計(jì)算

氣缸選用125缸徑，所以氣缸輸出力為

F=4 900 N

分力

F'=F/cos79.7°=27 400 N

F1=F'×cos9.3°=27 049 N

根據(jù)力矩平衡

Ma=0

F1×120=F2×120

F2=27 040 N

3.3 驗(yàn)證可行性

實(shí)際沖裁力與理論沖裁力的比值:

K=27 040/22 105.6≥1.2，滿足沖裁需要。

所以得出結(jié)論:使用125 mm缸徑的氣缸運(yùn)用此機(jī)構(gòu)可滿足沖裁要求。

對(duì)于上述例子中的相關(guān)尺寸和角度，可考慮自身工裝制造的水平，適當(dāng)?shù)馗?。但?duì)于角度的選擇，一定要考慮工裝設(shè)備的可實(shí)現(xiàn)性，因?yàn)楫?dāng)角度越小時(shí)，沖裁力放大的倍數(shù)也迅速上升，對(duì)工裝設(shè)備的精度要求也越嚴(yán)格，需要慎重考慮誤差所帶來的影響。

4 應(yīng)用介紹

高端輕卡帥鈴Ⅲ開發(fā)項(xiàng)目，在進(jìn)入模、檢具制作階段時(shí)，應(yīng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，需要在側(cè)圍上側(cè)翻邊處增加導(dǎo)流罩安裝孔，由于此孔位在側(cè)圍上部翻邊上，加上此時(shí)沖壓模具已經(jīng)進(jìn)入制作階段，無法在現(xiàn)有模具上增加側(cè)沖裝置。若重新開發(fā)沖孔模，則費(fèi)用過高，且開發(fā)周期長(zhǎng)，影響整個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)展。為節(jié)約成本，縮短設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)間，研討決定開發(fā)應(yīng)用焊裝在線沖孔機(jī)構(gòu)，直接在焊裝夾具上實(shí)現(xiàn)沖孔。

整個(gè)焊裝在線沖孔的開發(fā)及應(yīng)用共分為四個(gè)階段，具體工作如下所述。

4.1 沖孔機(jī)構(gòu)選擇

系統(tǒng)分析沖孔位置，選擇設(shè)置沖孔機(jī)構(gòu)的最佳工位，設(shè)計(jì)要求的孔位如圖3所示。

可見，沖孔位置處有多層板件搭接，需要在側(cè)圍焊接成總成之前完成沖孔，從而排除了在主線沖孔可能性，需要設(shè)置在分總成夾具上完成。但在分總成夾具上沖孔，需要著重考慮焊接打點(diǎn)的位置，避免干涉，在對(duì)焊接流程稍作微調(diào)之后，最終選擇了側(cè)圍外板拼焊1號(hào)位，將工位焊點(diǎn)與沖孔部位完全分開，可較好地實(shí)現(xiàn)沖孔機(jī)構(gòu)的安裝。

4.2 相關(guān)參數(shù)確定

選擇文中介紹的沖孔機(jī)構(gòu)后，針對(duì)所要沖孔要求及現(xiàn)有工裝設(shè)備精度條件，通過計(jì)算，首先確定了一組該機(jī)構(gòu)的各個(gè)部分的數(shù)值，接著運(yùn)用此數(shù)值驗(yàn)證了沖孔的可行性。驗(yàn)證結(jié)果表明實(shí)際沖裁力與理論沖裁力的比值在1.2倍以上，能夠可靠地實(shí)現(xiàn)沖孔。

4.3 設(shè)計(jì)3D數(shù)模和制作生產(chǎn)

在確認(rèn)了焊裝在線沖孔的可行性后，立即進(jìn)行了沖孔機(jī)構(gòu)的3D數(shù)模設(shè)計(jì)，如圖4、5所示。設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行了該工位的操作模擬，沒有干涉，整個(gè)沖孔過程可在工人焊接時(shí)同時(shí)完成，且沖孔過程用時(shí)只需要10 s，整個(gè)工位操作時(shí)間僅168 s，小于設(shè)計(jì)目標(biāo)的180 s，合格。

模擬確認(rèn)后，隨即制作安裝了該沖孔機(jī)構(gòu)。

4.4 調(diào)試和問題點(diǎn)整改

調(diào)試整改工作分三階段進(jìn)行，夾具加工改造完成后，首先在夾具制作廠家進(jìn)行了首輪的調(diào)試，沖孔效果良好，氣缸輸出力足夠，沖出的孔形狀合格。隨后夾具運(yùn)至公司，在試制車間進(jìn)行了單件調(diào)試，最后運(yùn)至生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，隨即開始了小批量試制驗(yàn)證，針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題點(diǎn)進(jìn)行了整改，同時(shí)也進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化。最終驗(yàn)證表明，沖孔質(zhì)量穩(wěn)定，未出現(xiàn)質(zhì)量問題，操作方便簡(jiǎn)潔，工位節(jié)拍合格。經(jīng)過總裝跟車驗(yàn)證，孔位精度完全符合要求。經(jīng)多輪調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目的最終驗(yàn)收。相關(guān)照片如圖6所示。

項(xiàng)目從最初的方案制定到設(shè)計(jì)制作及最后調(diào)試應(yīng)用，共歷時(shí)50天。在全體項(xiàng)目組成員的共同努力及相關(guān)方的積極配合下，解決了種種難題，實(shí)現(xiàn)了公司焊裝在線沖孔機(jī)構(gòu)的應(yīng)用。

整個(gè)項(xiàng)目應(yīng)用了四套沖孔機(jī)構(gòu)，每個(gè)機(jī)構(gòu)費(fèi)用10萬元，共花去40萬元。若采用傳統(tǒng)沖孔模實(shí)現(xiàn)，兩個(gè)車型左右側(cè)圍共需要四套模具，計(jì)算模具面積，每個(gè)模具在15噸左右，按每噸模具4萬元計(jì)算，共需要費(fèi)用240萬元，除去焊裝在線沖孔機(jī)構(gòu)花費(fèi)的40萬元，共計(jì)節(jié)約資金200萬元，改造周期也由正常的模具開發(fā)三個(gè)月縮短為50天。

5 結(jié)束語

介紹了一種可靠實(shí)用的焊裝在線沖孔機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)具有體積小、速度快、可較大放大沖擊力及穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，動(dòng)力只需要采用焊裝車間公用動(dòng)力壓縮空氣即可，方便、簡(jiǎn)潔。

隨著汽車制造工藝的發(fā)展，對(duì)焊裝工裝設(shè)備的要求也越來越多元化。焊裝在線沖孔具有投入少、效率高、體積小及沖孔部位靈活等優(yōu)點(diǎn)。焊裝在線沖孔對(duì)一些大件側(cè)沖有較好的應(yīng)用效果，特別對(duì)于由設(shè)計(jì)變更而導(dǎo)致的孔，運(yùn)用在線沖孔技術(shù)往往有一舉多得的效果。對(duì)于工藝人員來說，也可以更加靈活地設(shè)計(jì)，適當(dāng)?shù)剡x擇應(yīng)用在線沖孔技術(shù)，使工藝設(shè)計(jì)更加合理。

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