一種新能源汽車覆蓋件生產(chǎn)用柔性沖孔新技術(shù)

黃鳳輝，黃繼輝，楊戈，曾威，盛征陽，章冰

1.湖南同心模具制造有限公司，湖南長沙 410135；2.湖南同岡科技發(fā)展有限責任公司，湖南長沙 410135

0 引言

近年來，新能源汽車發(fā)展非常迅速。各大汽車主機廠都在加速研發(fā)新能源汽車，國內(nèi)自主品牌在純電動汽車方面發(fā)展迅速。新能源汽車的快速發(fā)展對覆蓋件的制造提出了更高的要求。電動汽車覆蓋件的生產(chǎn)制造是汽車制造過程中的重要環(huán)節(jié)，其生產(chǎn)質(zhì)量與合格率直接影響著整車的質(zhì)量與開發(fā)成本[1]。隨著電動汽車迭代速度的加快和國內(nèi)外各大電動汽車主機廠競爭的加劇，汽車企業(yè)為了提高產(chǎn)品的市場競爭力，需要在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時,盡可能地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,降低生產(chǎn)制造成本。實現(xiàn)這一目標的關(guān)鍵部件是開發(fā)時間和開發(fā)成本約占整車開發(fā)周期和總成本2/3的汽車覆蓋件。目前，關(guān)于汽車覆蓋件的研究主要集中于如何高質(zhì)量地完成汽車覆蓋件的生產(chǎn)制造以及高強鋼等新材料的使用,但是在汽車覆蓋件的制造成形工藝方面，特別是沖孔工藝等制造新技術(shù)卻鮮有人研究[2]。

當前，各電動汽車制造廠家因為需要滿足不同人群和不同地區(qū)的配置需求，需要制造各種配置差異的汽車，所以產(chǎn)品系列和種類非常多，導(dǎo)致車身覆蓋件種類繁多，制造一致性差，汽車車身覆蓋件上孔的位置、大小、形狀和數(shù)量有很大差異[3]。前期開發(fā)的產(chǎn)品在后期應(yīng)用中需要根據(jù)市場需求做較多的改變，特別是覆蓋件上需要新增或者減少各種孔，給制造和加工提出了很高的要求，成了新能源汽車覆蓋件沖孔制造的行業(yè)難題。由于競爭非常激烈，各大新能源汽車廠家不斷地通過降低價格進行促銷。而為了實現(xiàn)盈利，保住足夠的利潤，同時又要在很短的時間內(nèi)推出新的車型，實現(xiàn)產(chǎn)品迭代上的競爭優(yōu)勢，新能源汽車廠家只好要求縮短新能源汽車覆蓋件沖孔模具的開發(fā)和制造周期，同時將成本降到很低，因此對沖孔設(shè)備的成本、周期等提出了更高的要求。鑒于此，本文開發(fā)了一種適用于新能源汽車和其他類似汽車產(chǎn)品覆蓋件的一體化柔性沖孔制造技術(shù)代替現(xiàn)有的沖壓機加工方式，克服了沖壓機加工需要一套沖孔模具來進行缺點[4-5]。該柔性一體化沖孔新技術(shù)具有制造周期短、成本低、噪聲低、能耗低、效率高等優(yōu)點，完美解決制造差異性等問題。

1 柔性沖孔新技術(shù)原理

近年來，液壓柔性制造技術(shù)在汽車制造中得到了廣泛的應(yīng)用，本文研究的柔性沖孔新技術(shù)使用液壓柔性制造技術(shù)實現(xiàn)覆蓋件的柔性沖孔制造。此技術(shù)的核心單元是液壓沖孔機，如圖1所示，由導(dǎo)軌、C形支撐座、油缸、沖頭安裝塊和沖頭組成。其工作原理是通過液壓系統(tǒng)控制油缸推動沖頭實現(xiàn)沖孔。一組沖孔設(shè)備由多個單元沖孔機組成，通過一定的控制邏輯實現(xiàn)按序沖孔，實現(xiàn)對覆蓋件的柔性沖孔制造，具有控制靈活、小巧、成本低、加工制造速度快等特點。

圖1 液壓沖孔機

2 沖孔模具設(shè)計

柔性沖孔新技術(shù)的關(guān)鍵點是要解決沖孔過程中的開裂、起皺等各種質(zhì)量問題。因此，沖孔模具的設(shè)計非常關(guān)鍵，決定了此項新技術(shù)的成敗。本文結(jié)合虛擬驗證手段完成對沖孔模具的設(shè)計，提高產(chǎn)品設(shè)計的成功率。其基本過程為在產(chǎn)品端覆蓋件設(shè)計完成后先對零件CAE沖孔模具進行仿真分析，通過數(shù)字化三維設(shè)計及工藝仿真，設(shè)計出合理的沖孔外形，使孔的形狀、位置、間距滿足技術(shù)要求。后期對模具外形進行三維造型設(shè)計、CAE模擬仿真參數(shù)校驗、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、CAE模擬仿真再驗證等，把問題全部扼殺在設(shè)計階段，以此減少生產(chǎn)資源浪費，降低生產(chǎn)成本，保證沖孔質(zhì)量。沖孔模具設(shè)計各階段詳細介紹如下。

2.1 產(chǎn)品設(shè)計

設(shè)計人員根據(jù)客戶要求設(shè)計出符合客戶需求的汽車覆蓋件產(chǎn)品：結(jié)合車身沖壓、焊裝、涂裝、總裝四大工藝要求，完成產(chǎn)品三維造型設(shè)計，輸出數(shù)字化三維結(jié)構(gòu)；產(chǎn)品應(yīng)在造型、精度和材料參數(shù)、料厚等方面都能達到要求。

2.2 模具沖孔工藝設(shè)計

模具設(shè)計人員獲得汽車覆蓋件的三維數(shù)字化模型，在虛擬計算機環(huán)境下對此覆蓋件進行CAE成形分析驗證，模擬沖孔全過程，查看沖孔結(jié)果是否滿足精度要求、成品是否有缺陷。如果失敗，將不斷優(yōu)化工藝參數(shù)，如沖孔力、沖孔壓邊力、沖孔速度等參數(shù)，直到獲得最優(yōu)的成品為止。如此完成的模具沖孔工藝設(shè)計參數(shù)方可傳遞給模具結(jié)構(gòu)設(shè)計部門。

2.3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)沖孔工藝參數(shù)，模具設(shè)計人員設(shè)計出滿足工藝參數(shù)要求的模具三維數(shù)模，然后將其導(dǎo)入計算機虛擬仿真環(huán)境下，對模具沖孔全過程進行動態(tài)模擬，實現(xiàn)對模具的動態(tài)檢查和模具干涉曲線的檢查。如果發(fā)現(xiàn)問題，將重新設(shè)計模具結(jié)構(gòu)直至模具能滿足客戶設(shè)計要求。

2.4 模具制造、加工和裝配調(diào)試

確定好模具的結(jié)構(gòu)后，產(chǎn)品部門將模具圖紙下發(fā)給制造部門。首先，制造部門根據(jù)模具三維結(jié)構(gòu)制造出與模具結(jié)構(gòu)一樣的三維泡沫模型，隨后使用消失模鑄造法鑄造出模具。其次，對鑄造好的模具進行機加工，完成模具三維曲面的精確制造。再次，對加工好的模具進行裝配。最后，依次對裝配完成的模具再進行型面加工及型面的研配，為最終的模具整體調(diào)試做好準備工作。裝配完成的模具結(jié)構(gòu)件將裝配至液壓沖孔機上進行試模，檢驗沖壓出的零件是否滿足客戶要求，若出現(xiàn)開裂起皺等問題，再不斷地進行研配調(diào)試，使其滿足客戶要求。至此，一套滿足客戶需求的沖孔模具全部設(shè)計完成。

3 樣機簡介

如圖2所示，本文所述柔性沖孔技術(shù)樣機由機臺座、氣控系統(tǒng)、滑動系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等4部分組成。

圖2 柔性沖孔技術(shù)樣機

3.1 機臺座

機臺座是容納所有工作設(shè)備的安裝座，車身覆蓋件和鈑金件等通過機臺座上的特征型面和定位孔實現(xiàn)精準定位，同時也滿足產(chǎn)品的正常起吊運輸。

3.2 氣控系統(tǒng)

氣控系統(tǒng)主要是用于固定工作過程中零件的位置，其設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要結(jié)構(gòu)為活動壓料塊、氣缸。其工作過程：首先將需要沖孔的車身覆蓋件或者鈑金零件放置在工作臺面上，在氣缸的推動下活動壓料塊快速牢固地將零件鎖緊在工作臺面上，完成沖孔后，氣缸縮回，迅速地松開加工完成后的零件。此過程嚴格地保障了沖孔的精度和質(zhì)量，在取出沖孔完成的覆蓋件，設(shè)備進入下一次沖孔加工中。該氣控系統(tǒng)可以配合各種控制回路，自動按設(shè)定的順序或條件動作進行自動化生產(chǎn)。該氣控裝置安全可靠、結(jié)構(gòu)簡單。同時，其氣源容易獲得，符合制造成本低的設(shè)計理念；其氣控系統(tǒng)反應(yīng)迅速，能夠提高裝置的工作效率。

圖3 氣控系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)

3.3 滑動系統(tǒng)

各種不同的滑體、滑塊和滑片組成了滑動系統(tǒng)，主要是滿足各種型號覆蓋件的裝配需求。滑動系統(tǒng)不但能夠一起滑動，同時組成滑動系統(tǒng)的各個單元還可以單獨地完成各個滑動動作。本裝置滑動系統(tǒng)的線導(dǎo)軌安裝在C形支撐座上，其長度在滑槽的最大行程以上，并留有一定的安全長度，既可避免滑槽在運動過程中脫離線導(dǎo)軌，產(chǎn)生安全隱患，又可防止因?qū)к壝つ窟x擇過長而增加的成本。油缸與沖頭固定體之間的連接留有活動間隙，確保油缸和沖頭固定體在運動的過程中不會出現(xiàn)由于不在一條直線導(dǎo)致的運動卡滯或卡死現(xiàn)象，而其滑槽通過沖頭安裝塊跟油缸連接一起，故滑槽、沖頭固定體、油缸三者以這樣恰到好處的連接方式保證了沖孔精度。

3.4 液壓系統(tǒng)

柔性沖孔新技術(shù)的核心組成部分是其液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)又由液壓控制系統(tǒng)和液壓沖孔機兩部分組成。

液壓控制系統(tǒng)的原理如圖4所示。在此液壓系統(tǒng)中選用單出桿式液壓缸為執(zhí)行機構(gòu)，進油口在無桿腔，速度慢；出油口在有桿腔，速度快，可達到工進慢、退刀快的工作循環(huán)。而且無桿腔面積大，在同樣的供油壓力下，液壓缸的輸出力較大，因此很適合沖孔作業(yè)的工況。同時，液壓系統(tǒng)還加入了蓄能器13，能夠在不工作時蓄能，在工作時釋放能量給沖孔作業(yè)提供壓力和動力。

圖4 液壓控制系統(tǒng)原理

液壓控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)分為待機狀態(tài)、沖孔狀態(tài)和沖孔完成回程狀態(tài)。在待機狀態(tài)時，液壓油缸下面的截止閥6關(guān)閉，換向閥5處在中間狀態(tài)，液壓油無法進入油缸驅(qū)動油缸工作。此時，液壓系統(tǒng)由電機帶動油泵泵油進入蓄能器13，給蓄能器13蓄能。當油壓超過卸荷壓力時，液壓系統(tǒng)卸荷回油，液壓油直接回油箱。當某一個沖孔單元工作時，換向閥5左邊得電，同時此油缸下面的截止閥6打開，液壓油進入油缸的無桿腔中。此時，蓄能器釋放壓力一起推動油缸快速下行完成沖孔作業(yè)。沖孔完成后，液壓系統(tǒng)進入回程狀態(tài)，此時換向閥5右邊得電，液壓油進入油缸的有桿腔，因為有桿腔的面積小很多，同時加上蓄能器的作用，液壓油缸快速回程。如果此時沖孔完畢，液壓系統(tǒng)將進入待機狀態(tài)，將進入下一個作業(yè)循環(huán)中。因為液壓控制系統(tǒng)先將電機驅(qū)動的機械能轉(zhuǎn)換為泵的壓力能，隨后泵的壓力能通過液壓油路和閥的精準控制被輸送到液壓油缸中，在液壓油缸中液壓壓力能又被轉(zhuǎn)換為直線運動的機械能，在閥的控制下，使油缸實現(xiàn)了往復(fù)運動。在節(jié)流閥的作用下油缸實現(xiàn)了無極調(diào)速，傳遞的載荷平穩(wěn)、磨損小、噪聲小，維護方便。如果系統(tǒng)出現(xiàn)了過載的情況，還可以通過卸荷閥實現(xiàn)卸荷，保護整個系統(tǒng)不被破壞。因此，柔性沖孔技術(shù)使用液壓系統(tǒng)驅(qū)動可以獲得機器動力更強、安全性能好、噪聲低、效率高、沖孔效果好、無毛刺等特性。

液壓沖孔機包含一組單元式?jīng)_孔機。單元沖孔機開始工作時，在液壓系統(tǒng)控制下油缸的無桿腔進油以保證沖頭平穩(wěn)沖孔。沖頭完成沖孔后，油缸的有桿腔進油。由于有桿腔的液壓截面小于無桿腔的液壓截面，在同等流量下可以使沖頭在很快的速度下返回，而沖頭返回后便完成了一個工作循環(huán)。若要確保某一個沖頭不工作，使其處于停機工序下，則可通過液壓閥控制使油缸的進油路和回油路均不進油，即將其油路全部鎖死才可確保其處于不工作狀態(tài)。因為各個油缸是單獨的個體，并且每個油缸只需完成一個孔的沖孔，因此每個油缸的驅(qū)動功率不大。但是為了提高沖孔的效率，有足夠的功率運行，液壓系統(tǒng)中增加了蓄能器，蓄能器在待機狀態(tài)下處于蓄能狀態(tài)，工作時會迅速釋放能量，這樣可以確保在很低的電機功率下實現(xiàn)沖孔。本技術(shù)所用液壓沖孔機直接選用的是63mm液壓缸，可以滿足汽車覆蓋件幾乎所有直徑孔的沖孔需求。單元沖孔機可以根據(jù)沖孔需要進行組合搭配排序，進而形成一組單元式?jīng)_孔機，可以實現(xiàn)不同位置和大小孔的柔性沖孔。

4 柔性沖孔工藝工作流程

零件沖孔工藝工作流程（圖5）：將零件放置于工作臺面上，定好位置，氣缸鎖緊，根據(jù)工藝工序編好的控制程序沖孔，沖孔完成后沖頭退出，氣缸松開，取出零件。其過程精確、快速、高效、成本低。

圖5 沖孔工藝工作流程

5 柔性沖孔關(guān)鍵技術(shù)研究

柔性一體化沖孔不但要保證沖孔的凸凹模間隙精度，還要保證機械活動順暢，確保上件取件操作方便快捷，同時還要解決沖孔不暢及卡死問題、沖孔精度問題，另外還要滿足斜面上不能沖孔的問題。因此，本文研究的柔性沖孔技術(shù)開發(fā)出了以下關(guān)鍵技術(shù)方案來解決以上問題。

（1）為了解決油缸與沖頭固定體在運動時因無法保證絕對在一條直線上而導(dǎo)致的運動不暢或卡死現(xiàn)象，使用了有間隙的活動連接，并在油缸活塞底端與沖頭之間采用活動鉸接。

（2）在沖頭反復(fù)上下運動時，為了確保沖頭精準沖孔，選擇盤起線性導(dǎo)軌來導(dǎo)向，相比自制導(dǎo)向，其穩(wěn)定精度更高。沖頭沖套同樣選擇盤起標準件。通過測試相關(guān)精度完全能夠滿足技術(shù)要求。

（3）為了實現(xiàn)柔性制造，采用C形底板結(jié)構(gòu)單元式?jīng)_孔機。沖頭數(shù)量、大小、間距、形狀和安放位置都可以根據(jù)零件要求靈活改變，相對原來的沖孔鍛壓模具設(shè)備，可更加快速地適應(yīng)產(chǎn)品需求的變化。

（4）為了解決斜面打孔的問題，如圖6所示，將C型座通過螺栓固定在墊板上，而墊板可以根據(jù)汽車覆蓋件沖孔要求改變傾角，使單元式?jīng)_孔機可以打斜面上的孔。利用這種設(shè)計，可以在一個工序中同時打不同傾角面上的孔，對于復(fù)雜零件可以大大提高效率和孔的位置精度，且由于減少了安裝次數(shù)，基本上在一次安裝條件下即可完成全部沖孔。

圖6 斜面、水平面同時沖孔示意

6 技術(shù)創(chuàng)新點

（1）沖孔精準。本技術(shù)的油缸活塞底端與沖頭之間采用活動鉸接，沖頭選用盤起標準件，沖孔選擇盤起線性導(dǎo)軌來導(dǎo)向，能夠保證精確沖孔不出差錯。

（2）布置靈活。采用本技術(shù)，工作時不需配備大型壓力機，相對于傳統(tǒng)的沖孔壓力機來說，在工廠場地利用方面節(jié)約了空間。本技術(shù)不需大型基座，安裝簡單，方便移動，可以根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)流水線生產(chǎn)工藝來布置。

（3）節(jié)能低噪。常規(guī)800～1000 t壓機由兩臺37 kW的電機推動兩個大功率油泵，不僅噪聲大而且耗能多，本技術(shù)只需1臺4 kW的電機。

（4）低成本。本技術(shù)不需配備壓力機，造價是常規(guī)模具的三分之一左右。

（5）柔性、高效。在一次裝夾條件下，通過單元式?jīng)_孔機可以同時打多個孔，并且不只是平面打孔，也可以同時打平面、斜面孔，實現(xiàn)柔性沖孔，提高打孔效率。

7 技術(shù)性能指標與同類技術(shù)比較

通常用的沖壓模具需要配備大型壓機，如800 t四柱液壓機、1000 t四柱液壓機。大型壓機不僅能耗高而且占地面大，功率達到了70 kW，生產(chǎn)噪聲非常大，成本投入非常高，模具的生產(chǎn)周期達到6個月。而本柔性沖孔技術(shù)設(shè)備功率只有4 kW，生產(chǎn)基本無噪聲，成本只有其他模具的三分之一，占地面積小，生產(chǎn)周期只要2個月，因此與同類設(shè)備相比具有技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢。

8 結(jié)論

當前，新能源汽車在能源危機和環(huán)境壓力下獲得了飛速發(fā)展，其車身造型設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計因電池結(jié)構(gòu)的需求發(fā)生了巨大的變化。這些變化要求覆蓋件沖孔模具也逐漸向?qū)I(yè)化、標準化、現(xiàn)代化、自動化方向發(fā)展。汽車車身開發(fā)除了結(jié)構(gòu)件本身的設(shè)計外，其制造模具的開發(fā)設(shè)計占據(jù)了整個開發(fā)的主要部分。汽車車身鈑金零部件的制造80%依賴于模具的加工制造。在各種零部件模具中，汽車車身覆蓋件模具占據(jù)著核心地位，其設(shè)計水平的高低和水平直接關(guān)系到汽車的制造成本、研發(fā)周期以及整車的制造性能。但是車身覆蓋件又是最難制造的零件，其形狀復(fù)雜、尺寸很大，且為了實現(xiàn)輕量化使用非常薄的板材制造，同時有很高的表面質(zhì)量要求，導(dǎo)致其成形沖孔難度非常大。綜上所述，柔性沖孔模具一體化產(chǎn)品有著廣闊的市場前景。這種新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用將推動我國汽車覆蓋件模具制造業(yè)的發(fā)展，有利于促進我國汽車行業(yè)的技術(shù)水平的提高和汽車智能制造工業(yè)工程科學理論研究方面的進步，從而進一步帶動全行業(yè)的科技進步。