一種卡車大梁成形模具應用自動化定位系統的設計淺析

湯 敏，金 軍，何瑩瑩

（1.安徽江淮汽車集團股份有限公司 技術中心，安徽 合肥 230022；2.振石集團東方特鋼有限公司 技術中心，浙江 嘉興 314005；3.沈陽科維潤工程技術有限公司，遼寧 沈陽 110004）

根據卡車大梁的外形特點，目前行業內主要存在兩種典型的加工工藝：

（1）輥壓成形：卷料開卷校平、縱橫剪下條料-（表面處理）-冷輥壓成形-鉆（沖）孔。該工藝流程相對簡單、效率高，但只能應用于形狀簡單的U形直梁，無法加工變截面縱梁。歐美系商用車和國內的中國重汽、青汽、二汽部分重型車縱梁采用此法。

（2）模壓成形：直縱梁對于駕駛室布置、發動機及傳動系統布置較困難。變截面梁在日韓系商用車、江鈴卡車和江淮汽車的部分客車底盤、卡車等縱梁上應用較廣。這類梁多采用平板料剪切條料-（表面處理）-平板沖孔+落料-模具成形的加工工藝。

關于第二類模壓成形工藝，需配備專用的大梁壓力機用于落料、沖孔、成形等工序。目前國內主流的主機廠大部分采用的是人工上下板料的模壓工藝。然而人工上下板料的方式存在制件質量一致性差、勞動強度大、生產效率低、安全等級低等缺點，有待改進。當今，在大批量生產沖壓件的汽車、家用電器和電子產品等行業中，沖壓生產正不斷向高速化、自動化方向發展[1]。

現有技術卡車大梁模壓工藝主要有兩種模具，一是修沖模具（純落料模、純沖孔模或落沖復合模），二是成形模具。兩種模具工藝內容不同，涉及自動化相關的設計也截然不同。其中成形模具的主要結構特點是凹模和卸料板在下,凸模在上，依靠機床頂桿提供壓料力使板料成形。修沖模具在此不作展開。

現有條件下，人工上下料的大梁成形模很難實現自動化上下料。有幾點主要原因：①大梁板料自身鐮刀彎較大、長度尺寸或寬度尺寸超公差容易導致放料不準，機器人系統無法像人工操作一樣有現場能動性，容易將板料放錯而導致制件報廢或模具壓壞；②自動化模具生產時，模具與機器人的相對位置重復定位精度要求非常高；③大梁板料為長條狀，搬運過程中始終存在一定撓度，人工上下料時一般需調整確認，機器人上料時無法調整確認；④機器人上下料時端拾器進出模腔對于機床開口的凈空間要求較大。要解決這些矛盾，只能依靠技術突破與革新。

1 工藝布置思路介紹

本文所述結構為解決以上技術缺陷，是從問題產生的機理考慮。設計出的這種自動化成形模定位系統結構是基于當前的成形模具結構特點、成形工序的工作過程以及機器人搬運系統的約束條件，使得在不改變模具主體結構的前提下，將現有的手工上下料成形模改為全自動化上下料成形模。是利用現有手工上下料的模具主體結構，而并非通過現有模具的重大改造來實現。

本文所述自動化定位系統結構安裝在對應模具的上、下模。具體過程考慮如下：模具沖壓開始時，相應的部件分別發揮粗定位、防錯、精定位等作用，實現平板料的順利上料和定位；成形完成后，相關的定位部件自動避讓，給機器人留足凈空間，順利實現下料；取走板料后自動復位，從而實現大梁成形完整沖壓行程內的自動化，即實現大梁成形模全自動化上下料。

2 結構設計介紹

2.1 主要部件展示

如附圖1～7，為該結構設計的具體視圖。

以上各圖中，模架用非標快速定位銷1，模架用非標快速定位符型塊2，感應定位板組件3（含感應器），普通定位板4，端頭切換長度式感應定位板5（含感應器），端頭切換長度式普通定位板6，升降式感應定位板組件7（含感應器），升降導向組件8，升降氣缸9，氣路控制組件10，上模精確導向組件11，感應器信號盒組件12（含連接線路）。

2.2 詳細結構介紹

如圖1～7所示，該自動化上下料結構與人工上下料大梁模具結構相比，主要有以下特點：①模具安裝定位精度一致性好，是通過模架快速定位、模架安裝面定位以及模芯定位板自帶微調功能吸收系統誤差來保證；②沖壓制件定位精度一致性高，是通過模具自身精度一致性高、模芯定位系統采用下模V口粗定位+上模錐銷精定位、定位板位置合理布置、定位過程受控等措施來保證；③前后懸長度切換系列化大梁產品可以在同一副模架上順利、高效切換，是通過模具端頭定位板帶自調整功能來實現；④機床開口空間有效保證機械手運動空間，是通過模具前后側定位板帶自動升降功能來實現。以上特點正是為實現本結構核心功能及確保系統平穩運行而創新設計的方案。

該自動化定位系統設計核心過程考慮如下：①模架整體定位安裝在機床工作臺上，從而實現快速裝模功能；②上下模芯整體安裝在對應模架的定位安裝面上，從而保證了模具核心工作部位的定位精度；③下模部分定位板（帶感應或不帶感應）具備自動升降功能，為成形后打開的模腔提供更大的凈空間，便于機器人進出模腔；④下模所有定位板組合在一起具有V型粗定位功能，上模所有導正銷組合在一起具有板料自動找正的精確定位功能；⑤利用下模定位板入口帶斜度的特點，采取機器人上料靠一端放料使其緩慢下滑攤平的原理，克服板料重力撓曲導致的尺寸偏差所帶來的產品定位不一致問題。

關于鐮刀彎、防錯、公差吸收等疑難問題的設計考慮分別如下：①通過下模定位板的合理布置，通常將有效定位板設置在板料鐮刀彎較小位置，可有效解決板料鐮刀彎帶來的的產品定位不一致問題；②通過下模定位板（尤其是帶感應器的定位板）的合理布置，通常在板料兩端和側邊中間位置設置帶感應器的定位板，可有效解決拍垛異常導致板料放錯的報廢問題；③下模定位板自帶的微調功能可以實現調試過程的誤差吸收，順利實現整個定位系統的公差累積釋放；④端頭設計切換長度式定位板（部件5和6），可實現同一系列、不同長度的產品簡單、快速切換。

3 結構原理闡述

3.1 模具工作原理

如圖8所示為本模具設計的板料重力加載下的自動攤平過程示意圖（前視圖），用于示意沖壓前的板料粗定位工作過程原理。可結合圖1～7以及本文2.2的結構解讀理解此過程。

3.2 模具結構設計原理

闡述該模具結構的設計原理，原則上只要描述該模具在一個完整沖次內模具的行程原理即可。下面結合圖1～8，介紹本模具的設計原理。

首先介紹裝模過程。利用上下模架設計的定位系統將上下模芯分別安裝在上下模架內；然后將安裝好的上下模架合模；最后將合模好的整體模具起吊放置在壓機工作臺上，通過工作臺設計的定位孔和定位銷（部件1），將整體模架上設計的非標快速定位符型塊（部件2）與工作臺定位銷（部件1）側面無縫對接，完成整體模具定位安裝在壓機工作臺。

將整體模具安裝在壓機工作臺和滑塊上之后，模具開始沖壓工作。以下為完整的沖壓行程內模具具體動作：

（1）當上模隨機床滑塊運動到上死點時，下模活動式定位板接收到壓機信息后從原來下沉狀態上升至工作狀態；

（2）上料機器人接到上一步完成的信號，將待成形的板料放入下模模腔，通過前后左右的定位板自帶的預導向斜面形成的漏斗原理，將板料順利滑入“漏斗”內，當下模定位傳感器接收到有料信號后，表示完成下模粗定位，其中，設計定位板與板料一端緊貼、一端放開可克服板料撓曲帶來的誤差，設計定位板位置靠端頭布置可克服板料鐮刀彎帶來的誤差；

（3）壓機接到上一步完成的信號，滑塊開始帶著上模下行沖壓，其中上模自帶的若干錐形定位銷可實現板料的精定位，當滑塊運行到模具閉合高度的位置，下模卸料板與模架鐓死，表示板料成形完成；

（4）壓機接到上一步完成的信號，滑塊開始上行，下模卸料板也跟著上行，下模前后側定位板自動跟著下降，當滑塊上行到設計的合理位置之后，卸料板上行到設計頂出高度，前后側定位板自動跟著下降到設計最低點，壓機停止，并傳遞信號給下料機器人，表示下料準備完成；

（5）下料機器人接到上一步完成的信號，深入打開的模腔內，繞過板件最高點，對成形的板件進行抓取下料，機器人將抓取完成的信號傳遞給壓機；

（6）壓機接到上一步完成的信號，前后側定位板自動上升，直至預設位置停止。模具恢復到初始狀態，準備重復進行下一沖次操作。

4 結果分析

本結構設計了模架與工作臺之間的便捷、有效、通用定位系統，實現了快速裝模、換模，保證模架與機器人搬運系統定位基準的相對一致性。

定位部分零件的作用是使毛坯（條料或塊料）送料時有準確的位置，保證沖出合格制件，不致沖缺而造成浪費[2]。本文所述帶斜面的定位板，配合機器人的靠邊放料，利用板料自身的重力加載自動攤平原理，成功解決了長板料搬運撓曲誤差導致的產品定位不一致問題，提高了產品精度的一致性。板料定位系統的位置合理設計，配合模具感應器工作，成功解決板料鐮刀彎誤差導致的產品定位不一致問題和拍垛異常導致板料放錯的報廢事件，進一步提高了產品精度的一致性，降低了產品報廢率和模具故障率。自動升降的邊定位系統，為模腔打開時提供了更大的有效空間，一定程度緩解了機器人取放件空間不足問題。下模V口粗定位，配合上模錐銷精定位，解決了機器人上下料效率問題，保證了產品精度的穩定性。端頭切換長度式定位板，實現同一系列、不同長度產品在同一副模具上生產的快速切換。

5 結論

本文所述結構是一種應用了“自動化上下料系統結構”的卡車大梁成形模具。實際中，只要大梁產品的模具結構屬于“凹模和卸料板在下、凸模在上”類型，本領域技術人員很容易對其進行修改和變化。例如適當改變板料尺寸和成形深度，將本文所述的結構設計涉及的相關尺寸做相應優化調整，均可利用本結構設計構思，將其設計成類似于本結構的自動化成形模具。

人工成本在增加，自動化生產的應用需求在自主品牌汽車沖壓廠已成席卷之勢。隨著汽車行業競爭的日趨激烈，主機廠受到來自人工成本增加的各種壓力越來越明顯。類似本文的先進技術的導入和應用是支持沖壓自動化實現的有力手段。隨著汽車工業的發展，此類技術的應用必將越來越頻繁。