基于TOX工藝的打印機鈑金件自動鉚壓機設計

郭磊

（江西水利職業學院機電工程系，南昌330013）

0 引 言

鉚接因其可靠性高、適用復雜結構件的連接、適應各種不同材質的構件之間的連接等優點，常被作為一種固定連接方式，廣泛運用于航空、汽車、家電等領域[1]。

拉鉚作為有鉚釘鉚接技術一種，利用拉鉚槍與拉鉚釘把兩個或兩個以上的零件或結構件連接作為一個整體。一般工序過程為：定孔位→制孔→放鉚釘→鉚接[2]。經過拉鉚連接后的結構件存在連接強度不高、工藝消耗大，且生產勞動強度大、生產效率低、噪聲大、勞動條件差不宜實現自動化生產等缺點。隨著人力成本上升與工業自動化裝備的普及，該工藝已經不能適用當前工業大批量生產需求。

針對拉鉚工藝存在問題，并根據打印機板件鉚接工藝要求，基于TOX工藝設計了一套自動鉚壓裝置，包含伺服供料系統、TOX鉚接系統。解決現拉鉚工藝過程復雜，結構強度不高，鉚釘增加結構件質量等問題的同時實現鉚壓過程自動化降低了勞動強度，提高了生產效率，如圖1所示。

圖1 打印機鈑金件工藝要求

1 TOX無鉚釘鉚接技術

隨著現代工業生產對工藝簡潔化以降低生產成本要求、對產品輕量化以達到降低消耗節能環保要求，一種新型鉚接方式TOX無鉚釘鉚接以其連接可靠性高、不損傷工件表面、應用范圍廣適用不同材質、連接費用低等優勢正逐步代替傳統鉚接方式[3]。

1.1 TOX鉚接過程中變形機理

TOX模具在氣液增壓缸的一個氣液增力的沖壓過程中，依據鈑金件本身材料的擠壓塑性變形，而使兩個鈑金件在擠壓處形成一個相互鑲嵌的圓形連接點。根據圖2所示，具體鉚接過程又可分為初壓入、擠壓（如圖2（a）），形成上部輪廓、充滿環型空間、凸模側的板件材料向側面移動（如圖2（b））、連接成型（如圖2（c））等過程[4]。

1.2 氣液增壓缸工作原理

氣液增壓缸是將一油缸與一增壓氣缸結合為一體產物，使用純氣壓作為動力源，利用增壓器大小活塞面積之比及帕斯卡定律而工作，將氣壓的低壓提高數十倍，供油壓壓缸使用，使其達到液壓缸的高力輸出的動力輸出裝置[5]。

其具體工作過程如下：

1）快進行程。本過程A點雙電控電磁閥一端接通，氣體在由前部的快進氣缸驅動，使模具快速到位與工件接觸，如圖3所示。

2）力行程。本過程B點電磁閥接通，后部的增壓缸進氣將推動活塞運動，由于活塞面積存在差異，將氣壓的壓力提高數十倍，此過程中完成沖壓加工過程，如圖4所示。

3）返回行程。本過程A 位雙控電磁閥另外一端接通，前部快進氣缸氣動返程,后部增力缸也在彈簧作用下返程[6]。

2 TOX 自動鉚壓機結構設計

通過分析圖1所示的打印機板件件鉚接特點，可知鉚接17個點位均勻分布在鈑金件的左右兩邊，為了能夠實現工件按照給定的距離進給需要設計一套送料平臺；此外為了滿足工藝雙邊的鉚壓點位能夠在一次送料完成鉚接，設計了一套龍門式鉚壓結構，該結構下兩邊分別布置一套TOX鉚壓結構，實現一次供料雙邊同步鉚接。具體設計方案如圖6所示，包含：龍門式鉚壓裝置、機架、伺服電動機、電動機安裝架、聯軸器、軸承架、滾珠絲桿、送料平臺組成[7]。

圖3 快速行程原理圖

圖4 力行程原理圖

2.1 板金件送料平臺設計

為便于打印機鈑金件安裝于卸料，利用鈑金件原有的工藝孔作為基準應用定位銷進行定位。鈑金件安裝到位后，兩個安裝在鈑金件對角的回轉夾緊氣缸夾緊完成的對鈑金件夾緊，確保在加工過程中鈑金件的位置保持不變。

選用了一臺伺服電動機與滾珠絲桿、法蘭配合，驅動安裝在導軌滑塊機上的送料平臺構作直線運動，從而實現鈑金件安裝定位后的17個鉚接工藝點位的精確控制。

送料平臺具體結構如圖5與圖6所示，安裝在機架工作臺面上的伺服電動機通過聯軸器直接驅動滾珠絲桿回轉，滾珠絲桿通過軸承（包含深溝球軸承與推力球軸承）安裝在兩端軸承座上；與滾珠絲桿配合的絲桿法蘭通過絲桿連接塊與工件安裝板、左支撐板、底板、右支撐板構成的送料平臺連接，與此同時送料平臺的底板安裝在直線導軌的滑塊上；此結構布局下，伴隨著滾珠絲桿的回轉運動，絲桿法蘭將帶動送料平臺在導軌的滑塊上作精確的直線運動，從而實現將伺服電動機精確的回轉運動轉化為送料平臺在導軌滑塊上的精確的直線運動。

圖5 總體方案圖

圖6 送料平臺結構圖

2.2 龍門式鉚壓機構結構設計

根據打印機鈑金件鉚接工藝要求，在兩邊分別有17個對稱均布的鉚接位置。為了工件一次進給完成雙邊17個位置的鉚接，設計了一套龍門式鉚壓裝置。該裝置由兩套對稱布置的TOX鉚接結構組成，實現了一次送料，雙邊鉚接的同步進行，縮短鉚接工藝時間。

單側TOX鉚接工藝如下，當送料平臺運動到鈑金件鉚接位置，送料平臺運動停止，PLC控制電磁閥動作，使得安裝在鈑金件下方的氣液增壓缸先行運動完成快進與增壓的動作，使得凹模在鈑金件下端就位，安裝在鈑金件上方的氣液增壓缸再進行運動完成快進與增壓動作，保壓一段時間后，上氣液增壓缸回退，下氣液增壓缸回退，TOX鉚接工藝完成。

根據鉚接工藝，具體TOX鉚接機構設計如圖7所示，上下兩臺氣液增壓缸分別安裝在龍門平臺與機架工作平臺上，上下兩臺氣液增壓缸通過連接塊1、7分別與T形塊2、5相連接，凹模9與凸模10通過安裝法蘭8、11安裝在T形塊上，由于凹模與凸模在合模過程中都做直線運動，為了保證凹模與凸模在合模后的同軸度，提高鉚接質量，T形塊2、5同時與導軌4、滑塊3與6相連接。

圖7 龍門式鉚壓裝置結構

3 控制系統設計

如表1所示，整個TOX自動鉚壓機工作過程為：開機或手動系統回零，人工將鈑金件安裝在送料平臺之后啟動設備，回轉夾緊氣缸夾緊安裝在平臺上的鈑金件，伺服電動機啟動，帶動滾珠絲桿帶動平臺做等距進給運動，鈑金件到達鉚壓工位后伺服電動機停止，鉚壓機構工作完成TOX鉚接，鉚壓完成后伺服電動機啟動，如此往復直至完成17個預定位置的鉚接后伺服電動機帶動平臺回歸原點[8]。

控制系統整體設計原理與控制流程分別如圖8、圖9所示。編制好PLC程序通過觸摸屏選擇手動、自動運行方式與設定相關的運行參數[9-10]，運行過程中通過汽缸上安裝的磁性開關與桌面平臺上安裝的限位開關反饋信號，PLC控制汽缸、伺服電動機與氣液增壓缸完成相應的動作，實現鈑金件的壓鉚。

表1 動作順序表

圖8 系統控制框圖

圖9 控制流程圖

4 鉚接參數優化與檢測值X確定

TOX自動鉚壓機設計完成后，試機時鉚壓點位存在強度不足情況，通過查閱資料分析發現壓力設定不夠合理，導致鈑金件變形不充分未能形成理想鑲嵌點所致。

根據試機實際情況，選取試驗鉚接壓力范圍10～34 MPa，鈑金件采用與打印機鈑金件相同材質的厚度為1.5 mm的SECC 電鍍鋅鋼板，不同鉚接壓力作用下強度如圖10所示。

圖10 不同鉚接壓力下抗剪強度

通過對鈑金件的實際抗拉抗剪測試可知，當鉚接壓力值接近12 MPa時抗剪與抗拉強度剛好達到實際要求，對比實驗數據，12 MPa下的實測值與計算載荷基本相符，但實際為了保證鈑金件強度，將安全系數設計為1.2，對比實驗數據20 MPa左右鉚接實驗數據符合設計要求，故最終選擇20 MPa作為鉚接壓力。

如圖1（c）所示，實際TOX鉚接工藝生產的產品的檢測通常采用測量X值方式檢測TOX鉚接點位強度是否合格，為了便于后期大批量生產產品檢測，隨機抽取20 MPa下生產的100個樣品測量其底厚值（如圖11），通過分析測量數據，選取合格品X值浮動范圍為0.73～0.77。X取值確定后，經過實際生產檢驗，產品合格率與強度均滿足生產要求。

圖11 樣品底厚測量值

5 結 論

本文針對現有鉚釘鉚接工藝復雜、強度底、生產費用高且不宜自動化生產等問題設計一套無鉚釘自動鉚壓裝置。主要設計了結構件送料平臺與龍門式鉚壓裝置結構，并且設計了一套自動控制系統實現送料平臺與鉚壓裝置相配合完成鈑金件的鉚壓。解決了傳統鉚壓技術工藝過程復雜、結構件強度降低、容易引起變形、增加結構件質量等問題，同時實現鉚壓過程自動化，降低了勞動強度，提高了生產效率。

裝置設計思路可以為產品生產企業提供借鑒，裝置的機架、送料平臺的尺寸可以根據實際生產需要進行改進，以適合不同規格類型的鈑金件鉚壓。