一種替代沖孔模具的氣動沖孔夾具的開發

文/李月偉·安徽江淮汽車集團股份有限公司

該沖孔夾具采用氣缸驅動，通過合力以及力矩平衡的方式，將氣缸輸出的推力轉化為沖孔所需沖裁力，實現沖孔目的。該沖孔機構具有空間結構小，輸出沖裁力穩定，沖裁速度快的特點。

汽車是現代重要的交通工具，汽車工業是國民經濟的重要產業組成部分。汽車生產已向小批量、智能化、輕量化、個性化方向發展。白車身由400多個薄板沖壓件通過焊接及螺栓連接而成，而焊接是使用頻次最高的連接手段，沖壓件焊接需要焊機、焊鉗、焊夾具等裝備輔助實現。

焊夾具是沖壓件焊接時定位、夾緊的輔助裝備，焊夾具的設計水平及制造精度決定著焊接小總成以及白車身的質量及精度，同時焊夾具的設計水平能影響到生產節拍，對于已經確認生產節拍的車型來說，較高的設計水平可節省工裝開發投入。白車身制造過程中應用到的夾具種類繁多，按照夾具的功能可劃分為以下4種。

⑴裝配夾具簡稱裝具，即通過定位確定產品相對位置，實現裝配的一致性，常見的如焊裝調整線車門裝具、翼子板裝具等。

⑵焊接夾具簡稱焊夾具，定位并夾緊沖壓件，防止焊接過程中板件相互移動或者減少焊接總成的變形。

⑶校正夾具可以測量產品的變形量，通過液壓或者人工校正迫使產品發生塑性變形提高其精度。

⑷其他夾具。白車身生產過程中有熱處理使用夾具，以及涂裝電泳、面漆夾具。

焊夾具是汽車生產使用最廣泛的夾具，焊夾具的主要結構可分為以下三點。

⑴BASE通常由鋼板及槽鋼焊接而成，是夾具其余部件的安裝基準和檢測基準。

⑵POST通常由鋼材加工、焊接或者裝配而成，包括定位元件、夾緊元件等。

⑶其他部件包括氣管、三聯件、按鈕站等輔助部件。

因汽車工業的迅猛發展，汽車產品更新換代日益加快，也對汽車制造使用的工藝裝備提出了更高要求，同時隨著裝備制造技術的進步，夾具技術也正朝著模塊、高效、經濟、柔性化、標準化的方向發展。

工藝方案制定

某一款車型在試制過程中發現門檻處存在銹蝕，為此對部分沖壓件增加了電泳漏液孔的設計變更，而右前門柱外板最終增加了5個φ25mm的孔。沖壓件開孔位置如圖1所示。增孔的實現方式主要有以下4種途徑。

圖1 沖壓件變更示意圖

⑴制作靠模，手工鉆孔。制作靠模，定位鉆孔位置，人工采用電鉆或氣鉆進行鉆孔。人工鉆孔效率低，孔位一致性差，需打磨鉆孔產生的毛刺，生產成本高，適合小批量試制。

⑵委外激光切割生產。無需增加工裝，由外協單位激光割孔，單件割孔費用預計6.55元（包含來回運費），按照年產2萬臺，年生產成本13.1萬元，激光割孔毛刺少，效率較高，適合批量生產。

⑶增加1序沖孔模具，原沖壓模具已制作完成，增加孔位于右前門柱外板底部成形面，OP20、OP30、OP40、OP50均無法增加沖頭，需增加1副沖孔模滿足要求，此副沖孔模具預計開發費用45萬元，且增加模具后，右前門柱外板將變為6道工序，無法實現自動化連續生產，因此無法通過增加模具實現加孔。

⑷開發沖孔夾具，前期無應用先例，通過調研得知，沖孔夾具有液壓沖孔及氣動沖孔兩類，液壓沖孔夾具需附帶采購液壓站，維護成本高；沖焊分廠現場有可以方便利用的壓縮氣源，可采用氣動形式沖孔，開發1副氣動沖孔夾具，預計開發費用11萬元。

考慮到該車型的年產量、成本因素，此次右前門柱外板新增孔，采用開發氣動沖孔夾具的方式實現。

夾具結構設計

右前門柱外板沖壓件材質為SPCEN，料厚為0.8mm。查詢材料標準可知，此種材料的抗拉強度不小于270MPa，因此材料的抗剪強度約等于216MPa。而新增孔孔距為180mm，若使用氣缸直接進行沖孔的方式，大直徑的氣缸無布置空間，此種結構不能滿足沖孔要求。

若通過杠桿放大氣缸輸出力F，假設使用直徑140mm氣缸，則氣缸的輸出力F0=0.5×70×70×3.14×0.5=3846.5N，則氣缸距旋轉點長度必須為沖頭距旋轉點長度的3.9倍以上，此種結構對部件的加工要求低，但結構空間尺寸過大，沖壓件操作高度不合格，操作不便。

最終選用較為成熟的氣動沖孔結構，氣動沖孔單元的結構簡圖如圖2所示，此種沖孔結構主要是通過氣缸輸出力及肘節與加力板反作用力的合力來放大氣缸輸出力，最終通過力矩平衡轉化為沖孔所需沖裁力來實現沖孔，此種沖孔結構緊湊。

圖2 沖孔結構簡圖

夾具方案設計

夾具設計方案簡圖如圖3所示，按照6點定位原理，此沖壓件在夾具上的定位選用2銷1面的方式。主定位孔選用側圍合拼時用的定位孔（圖3中H點），副定位孔選擇靠近沖孔側小孔（圖3中h點）。為防止沖孔時沖壓件變形，夾持單元也盡可能布置在沖孔一側。夾具共有7個支撐夾緊單元（圖3中P01、P02、P03、P04、P05、P07、P10），4個支撐單元（圖3中P06、P08、P09、P11），以及5個氣動沖孔單元（C-P12）。

夾具結構設計

圖3 沖孔夾具方案簡圖

根據沖壓件外觀尺寸確定BASE板基板尺寸，焊夾具原則上要求板件在BASE所在平面的投影全部落在BASE板內側，但考慮到此沖孔夾具中中門門洞處的沖壓件無任何工序，在保證沖壓件放置在夾具上不變形的條件下，沖壓件局部可伸出BASE板范圍。在此副夾具設計中，先確定沖壓件距BASE的距離，繪制1個草圖平面，BASE板平面距主定位孔所在平面570mm。BASE板平面如圖4所示。

圖4 BASE簡圖

根據計算確定的部件尺寸以及氣缸直徑，選用沖頭組件并固定在沖孔位置處，依次繪制沖頭安裝板、連接板、安裝支架等主要零件，再校核鉸接點相對尺寸，然后繪制擋板、廢料盒等，再選用軸承、氣缸等標準件，最后繪制氣缸單元固定板。依次布置5個沖孔單元，檢查單元是否干涉，最終確定連接孔的位置，插入螺栓、螺紋、圓柱銷等連接標準件。沖孔單元在夾具中的布置情況如圖5所示。

確定BASE基本尺寸以及BASE距沖壓件距離后，基本確定包含主定位銷的POST01單元在BASE上的位置，繪出型板草圖所在平面，然后設計主定位銷及銷座。確定氣缸安裝點、夾持臂旋轉點及氣缸與夾持臂連接點在型板草圖平面上的位置，根據氣缸安裝尺寸，初步選擇氣缸型號，校核夾持臂夾緊力。

圖5 沖孔單元布置圖

根據經驗，在汽車薄板焊接中，夾持臂的夾緊力F≥300N才能滿足焊接要求。對于初選氣缸壓力不能保證的，需要選用更大直徑氣缸或者結構空間允許的情況下調整作用力臂的比例，直至滿足要求。

繪制型板以及支撐塊、預留型板與L板的連接孔、壓緊塊，根據標準選擇L板的型號，然后確定型板與L板、轉接塊、支撐塊以及夾持臂與壓緊塊的連接孔位置，最后選用標準件，如圓柱銷、螺栓、螺母、調整墊片、彈簧墊片、平墊片、襯套等。POST01單元如圖6所示。

在所有部件全部完成后，以裝配體的形式固定夾持單元打開最大位置，檢查各個POST單元間是否有干涉和確認氣缸完全打開后是否影響取放沖壓件。修改、優化干涉單元結構中的零件尺寸。因沖孔單元外露在板件外，為防止出現安全事故，在沖孔單元以及POST03處加裝防護欄。夾具最終的設計三維圖如圖7所示。

圖6 POST01三維圖

圖7 夾具三維俯視圖

圖8 夾具制作流程

夾具制作及調試

在夾具的主要模型完成后，組織相關人員對圖紙進行評審，根據評審意見優化修改圖紙。夾具三維圖紙通過評審后，輸出工裝圖紙評審表。夾具制作流程如圖8所示。

制造單位在接收到最終的夾具三維圖紙后，將三維圖紙轉化為可加工的零件圖，輸出部件裝配圖以及夾具的總裝配圖，輸出標準件與自制件的清單及圖紙。所有零件加工完后按照裝配圖進行組裝，然后根據三維圖紙使用便攜式測量儀進行測量，測量的主要目的在于檢測夾具的制作精度，主要測量定位銷以及支撐面偏離數模基準的程度，要求定位銷誤差在0.15mm以內，支撐面的精度在0.2mm以內。

精度測量合格的夾具按照相應的涂色標準進行噴涂，放置2～3天后對夾具再次測量，要求夾具在出廠前關鍵轉接塊之間墊片厚度在1～5mm，超差太多的部位需重新制作規制塊。夾具在運送到主機廠后，需再次進行三坐標測量，測量的精度要求與出廠時一致，夾具中測量不合格的定位銷及支撐面需微調，測量合格的夾具才能進行沖壓件符合調試。

夾具復測合格后，選擇合格的沖壓件放置在夾具上，檢查所有的支持面是否全面支撐到位，次要的支撐面可根據沖壓件的不同增減支撐塊數，來調整墊片實現貼合。

根據氣路動作圖安裝夾緊單元氣路以及沖孔單元氣路。測試夾具的氣路動作是否正常，氣路動作滿足要求后，放置沖壓件，檢查所有的壓緊塊是否全面壓緊，與調整支撐塊類似，需確保壓緊塊壓緊沖壓件。

圖9 夾具實物

所有夾緊單元調整完成后，調節沖孔夾具中的限位螺栓來改變沖頭進入凹模的深度，調節連接板及支撐單元中間的墊片微調沖出孔的位置。不斷調整限位螺栓以及調整墊片，直至沖出孔的位置、形狀、止口處毛刺等符合要求。

結束語

通過引入氣動沖孔夾具這種新工藝、新技術，實現了沖壓件加孔的設計變更要求，進而提升了車身的防腐性能。氣動沖孔夾具的成功開發節省了開發模具的資金投入，氣動沖孔也成為一種加孔的工藝實現方式，為后期的車體結構設計變更提供了更多的選擇。圖9為夾具實物。