用于多工位壓力機的縱梁腹面沖孔單元

崔富鈞，王超，劉文侖，王強

（濟南大學(xué) 機械工程學(xué)院，山東 濟南 250022）

車架縱梁作為商用車上承受及傳遞復(fù)雜載荷的關(guān)鍵零件，具有長度長、孔的數(shù)量多、孔的種類多、板料厚等特點[1]，其包括腹面和翼面，斷面形狀一般為U型，如圖1 所示。

圖1 縱梁

縱梁腹面孔的種類有10～20種，孔的總數(shù)多達(dá)300～500個，縱梁沖孔加工難度較大，目前主流工藝為液壓式數(shù)控沖孔[2]。基于多工位機械壓力機的縱梁腹面沖孔工藝與裝備是一種換代技術(shù)，目前在國內(nèi)尚處于空白，具有沖孔頻次快、加工效率高、主機數(shù)量少等優(yōu)點，解決了液壓式數(shù)控柔性沖孔過程中開式機身造成的角變形大，電機與絲杠帶動龐大機身運動造成的沖孔效率低，精度差等問題。沖孔單元作為這種新型工藝裝備中的重要縱梁沖孔部分，其關(guān)鍵技術(shù)在于如何配合多工位壓力機實現(xiàn)尋孔、選模和沖孔的功能。

關(guān)于沖孔單元此類數(shù)控柔性沖孔設(shè)備，國內(nèi)外學(xué)者開展了很多研究。周麗麗[3]介紹了汽車縱梁腹面數(shù)控沖孔線雙沖技術(shù)的加工系統(tǒng)和方法，雙沖技術(shù)可以有效提高沖孔效率。呂慶存[4]介紹了針對縱梁沖孔開發(fā)的一種三面沖數(shù)控沖孔生產(chǎn)線，重點闡述了生產(chǎn)線的組成、主機結(jié)構(gòu)性能特點、以及工藝過程。Ivan A 等[5]針對小批量鈑金沖孔件，設(shè)計了一種轉(zhuǎn)塔式?jīng)_孔機床及其模具，并對模具和機身進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高了沖孔的精確性。李雅倩[6]針對沖孔件，進(jìn)行了沖壓力的計算并設(shè)計了能夠壓邊的精密沖裁模具，可以有效提高沖孔精度。王超[7]等人針對針對U型縱梁腹面沖設(shè)計了1600kN 閉式雙點壓力機，并對組合機身預(yù)緊力進(jìn)行了研究。范巍[8]針對數(shù)控機床進(jìn)給系統(tǒng)的特點,介紹了交流伺服電機的負(fù)載力矩、轉(zhuǎn)動慣量等的計算方法及電機的選型原則。薛寶珠[9]等人設(shè)計一種超精密大行程滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)，大大提高了進(jìn)給系統(tǒng)的定位性能。

上述研究集中于轉(zhuǎn)塔式或液壓式數(shù)控沖孔工藝與裝備，針對多工位壓力機縱梁數(shù)控沖孔生產(chǎn)線沖孔單元的設(shè)計與分析及相關(guān)運動控制的研究尚處于起步階段。

1 工藝流程與沖孔單元布置

1.1 沖孔工藝流程

多工位壓力機縱梁腹面沖孔直列式數(shù)控生產(chǎn)線包括一臺大臺面機械壓力機以及十多個獨立的沖孔單元和縱向輸送裝置。多工位壓力機與沖孔單元如圖2 所示。規(guī)定縱梁長度方向為X 軸方向，縱梁寬度方向為Y 軸方向，翼面高度方向為Z 軸方向。生產(chǎn)線的組成部分包括自動上料裝置、板料送進(jìn)輥道、X 軸送料系統(tǒng)、沖孔單元等設(shè)備以及氣動系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)等控制系統(tǒng)。

圖2 多工位壓力機與縱梁腹面沖孔單元示意圖

多工位壓力機縱梁數(shù)控生產(chǎn)線采用多軸聯(lián)動的方式，即縱梁X 軸送進(jìn)、多個沖孔單元沿著Y 軸運動、選模撞塊移動、壓力機滑塊沿著Z 軸同時進(jìn)行，這樣縮短了沖孔等待時間，提高了沖孔節(jié)拍。沖孔單元相關(guān)工藝流程如圖3 所示。

圖3 沖孔單元工藝流程

1.2 沖孔單元布置

縱梁腹面分布著大量直徑6mm-50mm 不等的孔，在統(tǒng)計了大量縱梁的孔位信息后，設(shè)置獨立沖孔單元的數(shù)量是12個，考慮到模架尺寸的限制，每個沖孔單元上可以沿著X 方向放置一到兩個凸、凹模，沖孔時可以相應(yīng)的進(jìn)行選擇。模具分布于各個獨立模架之中，由于每個沖孔單元都可以獨立控制，所以能夠?qū)崿F(xiàn)多個孔同時沖，這大大提高了沖孔效率。壓力機選用的為多工位機械壓力機,縱梁的軸線與壓力機工作臺軸線在同一條直線上。為了減少壓力機偏載的影響，將沖大孔的沖孔單元放在壓力工作臺中部，沖小孔的沖孔單元放在工作臺兩端。工作臺兩端以及最中間為輔助對中裝置，可以有效保證了沖孔位置的準(zhǔn)確。壓力機上沖孔單元的布置和沖孔單元在壓力機臺面的布局圖（俯視）如圖4 和5 所示。

圖4 壓力機上沖孔單元的布置

2 沖孔單元總體設(shè)計

用于縱梁腹面沖的沖孔單元總體結(jié)構(gòu)如圖6 所示，其包括選模組件、沖模組件和模架以及Y 軸運動組件四大功能組件。本沖孔單元能夠有效完成多工位縱梁數(shù)控腹面沖尋孔、選模和沖孔的要求，其相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1 所示，其中喉深表示沖裁力的中心線到?jīng)_孔單元側(cè)壁的距離。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

圖6 沖孔單元總體結(jié)構(gòu)圖

沖孔單元整體的工作原理如下：當(dāng)確定下一個目標(biāo)孔位信息后，縱梁沿X 方向送進(jìn)至X 坐標(biāo)規(guī)定位置，與此同時選模系統(tǒng)會選擇相應(yīng)的沖孔單元，沖孔單元的Y 軸運動系統(tǒng)即伺服電機+滾珠絲杠系統(tǒng)會使沖孔單元在Y 方向移動至Y 坐標(biāo)規(guī)定位置，同時沖孔單元上的選模撞塊會移動到選中位置。送進(jìn)動作、尋孔動作和選模動作都發(fā)生在壓力機滑塊一個行程內(nèi)的非沖孔時段。之后在沖孔時段，壓力機配合沖孔單元上的沖模組件完成壓邊、沖孔和卸料動作。

3 沖模組件設(shè)計

沖模組件安裝在模架上。模架主要承受復(fù)位彈簧的復(fù)位力，變形小，從而沖孔誤差小。為了沖孔單元的輕量化，將模架做成框架焊接結(jié)構(gòu)，為了沖孔單元在縱梁寬度運動時與縱梁不發(fā)生干涉，設(shè)計模架喉深為L=450mm。

當(dāng)板料厚度為10mm，材料為T610L，沖孔直徑取最大為?50時，沖裁力可按照文獻(xiàn)[10]給出的公式1 算得，壓邊力可由公式2 計算可得。

圖5 沖孔單元在壓力機臺面的布局圖（俯視）

式中：F1為沖裁力大小，kN；K1為安全系數(shù)；L 為沖裁件周邊長度；τ 為抗剪強度，MPa；t 為鋼板厚度，mm；F2為壓邊力大小，kN;K2為壓邊力系數(shù)。按照公式計算得沖裁力F沖=1045kN，壓邊力F壓=31kN。

圖7 為沖模組件結(jié)構(gòu)圖。沖模組件要完成壓邊、沖孔和卸料的工藝要求，在工作時，凸模固定板往下運動，壓縮壓邊彈簧使壓邊板壓邊，完成壓邊后，凸模在凸模固定板和凸模導(dǎo)向套的帶動下繼續(xù)往下運動，完成沖裁。之后壓邊板又發(fā)揮卸料的作用，完成卸料動作，最后凸模及固定板、壓邊板在復(fù)位彈簧的作用下完成復(fù)位。

圖7 沖模組件結(jié)構(gòu)圖

其中凸模固定板上安裝有凸模導(dǎo)向套，凸模導(dǎo)向套里安裝有凸模傳力桿和凸模，凸模導(dǎo)向套安裝在模架上，可以有效保證凸模的定位，復(fù)位彈簧安裝在模架上，可以提供復(fù)位力，上墊板和凸模固定板在Z 方向移動時為了保證移動精度，必須設(shè)置導(dǎo)軌，設(shè)置的導(dǎo)軌形式為八字形導(dǎo)軌，并配有L 形導(dǎo)軌調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。

因為縱梁尺寸大，在沖孔時需要壓邊，否則易引起縱梁變形和振動。良好的壓邊力能夠有效保證沖孔質(zhì)量，壓邊板上部設(shè)置壓邊彈簧，壓邊彈簧安裝在模架上，壓邊彈簧為模具專用氮氣彈簧可以在狹窄空間中提供巨大壓邊力，結(jié)構(gòu)緊湊。

4 選模組件設(shè)計

在壓力機的一次工作行程下，需要選擇特定的沖孔單元模具進(jìn)行沖孔，因此沖孔單元需要選模組件，其工藝要求為能夠使沖孔單元模具在選中和非選中兩種狀態(tài)下切換，單模具沖孔單元選模組件的結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 選模組件結(jié)構(gòu)圖

沖孔單元的選模是由選模撞塊的位置變化來實現(xiàn)的，當(dāng)選模撞塊的山形結(jié)構(gòu)和壓力機上的山形結(jié)構(gòu)位置對正時，壓力機上的壓力便可以傳遞下來，進(jìn)行沖孔。上墊板上安裝有雙向氣缸，氣缸內(nèi)滑塊桿可以前后運動，氣缸的末端連接齒條，齒條可以沿著齒條導(dǎo)軌進(jìn)行移動，導(dǎo)軌安裝在上墊板上，齒條與齒輪嚙合，齒輪通過壓板壓緊固定在主軸上，齒輪和另一個垂直方向擺放的選模撞塊的端部齒條相嚙合，通過齒條-齒輪-齒條傳動，將氣缸活塞桿的前后直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)檫x模撞塊的左右運動。

選用氣缸的平均速度為80mm/s，軸向負(fù)載力為120N，負(fù)載率為0.5，氣缸的缸徑為32mm，氣缸行程為25mm，工作壓力為0.5MPa。以氣缸為驅(qū)動件，經(jīng)過齒條-齒輪-選模撞塊傳動，選模撞塊一次動作中，撞塊位移25mm，動作時間約為0.3s，符合要求。

5 Y 軸運動系統(tǒng)設(shè)計

沖孔單元在Y 軸方向運動依靠Y 軸運動系統(tǒng)，其工藝要求Y 方向?qū)た走\動盡可能快速且平穩(wěn)，其主要靠電機+滾珠絲杠驅(qū)動，其結(jié)構(gòu)圖如圖9 所示。

圖9 Y 軸運動系統(tǒng)示意圖

沖孔單元模架、選模部分和沖模部分安裝在工作臺上。沖孔單元移動質(zhì)量250kg，沖孔單元最大移動速度Vmax=50m/min，最大快進(jìn)加速度a=6.25m/s2。當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)給出位移指令后，永磁同步伺服電機通過聯(lián)軸器和絲杠螺母副將螺旋運動轉(zhuǎn)變?yōu)闆_孔單元的Y 方向的直線運動，其通過滑塊沿著直線導(dǎo)軌移動，前后端都有軸承來承擔(dān)載荷。

6 結(jié)論

（1）通過對縱梁腹面沖進(jìn)行工藝分析，確定了多工位壓力機縱梁腹面沖孔的工藝流程、相關(guān)技術(shù)參數(shù)以及模具沖孔單元的排布。

（2）設(shè)計了沖孔單元的沖模結(jié)構(gòu)，能夠滿足系統(tǒng)沖孔的功能要求。

（3）設(shè)計了沖孔單元的選模結(jié)構(gòu)和Y 軸運動系統(tǒng)，能夠滿足系統(tǒng)選模和尋孔的功能要求。