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 機械工程學院，山東 濟南 250022）

車架縱梁作為商用車上承受及傳遞復雜載荷的關鍵零件，具有長度長、孔的數量多、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，孔的總數多達300～500個，縱梁沖孔加工難度較大，目前主流工藝為液壓式數控沖孔[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，目前在國內尚處于空白，具有沖孔頻次快、加工效率高、主機數量少等優點，解決了液壓式數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，其關鍵技術在于如何配合多工位壓力機實現尋孔、選模和沖孔的功能。

關于沖孔單元此類數控柔性沖孔設備，國內外學者開展了很多研究。周麗麗[3]介紹了汽車縱梁腹面數控沖孔線雙沖技術的加工系統和方法，雙沖技術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的一種三面沖數控沖孔生產線，重點闡述了生產線的組成、主機結構性能特點、以及工藝過程。Ivan A 等[5]針對小批量鈑金沖孔件，設計了一種轉塔式沖孔機床及其模具，并對模具和機身進行結構優化，提高了沖孔的精確性。李雅倩[6]針對沖孔件，進行了沖壓力的計算并設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型縱梁腹面沖設計了1600kN 閉式雙點壓力機，并對組合機身預緊力進行了研究。范巍[8]針對數控機床進給系統的特點,介紹了交流伺服電機的負載力矩、轉動慣量等的計算方法及電機的選型原則。薛寶珠[9]等人設計一種超精密大行程滾珠絲杠進給系統，大大提高了進給系統的定位性能。

上述研究集中于轉塔式或液壓式數控沖孔工藝與裝備，針對多工位壓力機縱梁數控沖孔生產線沖孔單元的設計與分析及相關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控生產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。生產線的組成部分包括自動上料裝置、板料送進輥道、X 軸送料系統、沖孔單元等設備以及氣動系統、數控系統等控制系統。

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控生產線采用多軸聯動的方式，即縱梁X 軸送進、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 軸同時進行，這樣縮短了沖孔等待時間，提高了沖孔節拍。沖孔單元相關工藝流程如圖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，在統計了大量縱梁的孔位信息后，設置獨立沖孔單元的數量是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，沖孔時可以相應的進行選擇。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，所以能夠實現多個孔同時沖，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 沖孔單元總體設計

用于縱梁腹面沖的沖孔單元總體結構如圖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控腹面沖尋孔、選模和沖孔的要求，其相關技術參數如表1 所示，其中喉深表示沖裁力的中心線到沖孔單元側壁的距離。

表1 主要技術參數

圖6 沖孔單元總體結構圖

沖孔單元整體的工作原理如下：當確定下一個目標孔位信息后，縱梁沿X 方向送進至X 坐標規定位置，與此同時選模系統會選擇相應的沖孔單元，沖孔單元的Y 軸運動系統即伺服電機+滾珠絲杠系統會使沖孔單元在Y 方向移動至Y 坐標規定位置，同時沖孔單元上的選模撞塊會移動到選中位置。送進動作、尋孔動作和選模動作都發生在壓力機滑塊一個行程內的非沖孔時段。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 沖模組件設計

沖模組件安裝在模架上。模架主要承受復位彈簧的復位力，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構，為了沖孔單元在縱梁寬度運動時與縱梁不發生干涉，設計模架喉深為L=450mm。

當板料厚度為10mm，材料為T610L，沖孔直徑取最大為?50時，沖裁力可按照文獻[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；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。按照公式計算得沖裁力F沖=1045kN，壓邊力F壓=31kN。

圖7 為沖模組件結構圖。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向套的帶動下繼續往下運動，完成沖裁。之后壓邊板又發揮卸料的作用，完成卸料動作，最后凸模及固定板、壓邊板在復位彈簧的作用下完成復位。

圖7 沖模組件結構圖

其中凸模固定板上安裝有凸模導向套，凸模導向套里安裝有凸模傳力桿和凸模，凸模導向套安裝在模架上，可以有效保證凸模的定位，復位彈簧安裝在模架上，可以提供復位力，上墊板和凸模固定板在Z 方向移動時為了保證移動精度，必須設置導軌，設置的導軌形式為八字形導軌，并配有L 形導軌調節結構。

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量，壓邊板上部設置壓邊彈簧，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，結構緊湊。

4 選模組件設計

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下切換，單模具沖孔單元選模組件的結構如圖8 所示。

圖8 選模組件結構圖

沖孔單元的選模是由選模撞塊的位置變化來實現的，當選模撞塊的山形結構和壓力機上的山形結構位置對正時，壓力機上的壓力便可以傳遞下來，進行沖孔。上墊板上安裝有雙向氣缸，氣缸內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軌進行移動，導軌安裝在上墊板上，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變為選模撞塊的左右運動。

選用氣缸的平均速度為80mm/s，軸向負載力為120N，負載率為0.5，氣缸的缸徑為32mm，氣缸行程為25mm，工作壓力為0.5MPa。以氣缸為驅動件，經過齒條-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 軸運動系統設計

沖孔單元在Y 軸方向運動依靠Y 軸運動系統，其工藝要求Y 方向尋孔運動盡可能快速且平穩，其主要靠電機+滾珠絲杠驅動，其結構圖如圖9 所示。

圖9 Y 軸運動系統示意圖

沖孔單元模架、選模部分和沖模部分安裝在工作臺上。沖孔單元移動質量250kg，沖孔單元最大移動速度Vmax=50m/min，最大快進加速度a=6.25m/s2。當數控系統給出位移指令后，永磁同步伺服電機通過聯軸器和絲杠螺母副將螺旋運動轉變為沖孔單元的Y 方向的直線運動，其通過滑塊沿著直線導軌移動，前后端都有軸承來承擔載荷。

6 結論

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

（2）設計了沖孔單元的沖模結構，能夠滿足系統沖孔的功能要求。

（3）設計了沖孔單元的選模結構和Y 軸運動系統，能夠滿足系統選模和尋孔的功能要求。