片彈簧雙帶料模具內裝配與焊接的級進模設計

游健， 莊嚴， 朱潯， 侯毅， 王希亮

（成都宏明雙新科技股份有限公司， 四川 成都 610091）

0 引 言

目前有組裝焊接要求的鍍金片彈簧類零件，一般采用2副模具各成形1個零件，條帶生產，經過清洗后，2個條帶在激光焊接夾具上組裝，送入激光焊接機中完成焊接，之后再完成零件落料、包裝，零件成形工序長、生產效率低。基于這些現狀，為提高生產效率，將2個零件的生產、組裝和激光焊接整合到1副模具內完成，縮短零件成形流程以提高生產效率。由于片彈簧類零件對彈臂高度要求高，設計了在線檢測設備，監控片彈簧的懸臂高度；同時采用視覺檢測焊接，通過對焊點的形狀、大小監控焊接情況，如有異常，會立即報警停機，避免廢品的產生。

1 工藝分析

圖1所示為片彈簧二維結構，是由2個零件通過激光焊接而成，零件公差較小，部分尺寸有CPK（process capability index，制程能力指數）要求，零件材料為SUS301-FH（全硬態），厚度為（0.08±0.01）mm，具有良好的彈性，片彈簧臂高分別壓至1.83、1.21 mm時，滿足回彈力在0.1～0.35 N。

圖1 二維結構

為確認片彈簧彈力是否達到圖紙要求，運用有限元分析軟件進行仿真分析，當臂高壓縮至1.83 mm時，彈力為0.102 N，大于0.1 N滿足圖紙要求；當臂高壓縮至1.21 mm時，彈力為0.282 N，小于0.35 N滿足圖紙要求。

零件由彈片和支撐板通過激光焊接而成，彈片是彎曲零件，支撐板為平面沖裁零件，片彈簧局部有鍍金要求，組裝結構如圖2所示。

圖2 三維組裝結構

2 成形工藝

（1）片彈簧需要全鍍鎳，局部接觸端需鍍金，電鍍區域如圖3所示。由于帶料鍍金后進行彎曲成形，鍍金表面易擦傷和開裂，但是片彈簧成形后電鍍易出現碰撞造成變形，且電鍍后對彈力有影響，無法調整，故采用先成形片彈簧鍍金區域的彎曲，再將排樣件進行局部電鍍。電鍍后的帶料彎曲成形，既減少了鍍金成本，又避免鍍金表面彎曲造成的擦傷和開裂，同時片彈簧的彈力更易得到保障，電鍍排樣如圖4所示。

圖3 電鍍區域

圖4 電鍍排樣

（2）焊接工藝。原類似零件生產工藝如圖5所示，彈片和支撐板分別由2副模具成形，成形相同件數的條料，由人工在焊接夾具裝配后，進行激光焊接，再進行落料、包裝，生產工序長、生產效率較低。

圖5 傳統焊接工藝

為了提高生產效率，采用模具內自動裝配的焊接工藝，1副模具上完成2個零件的成形、裝配和模具內激光焊接，帶料經過在線檢測設備對激光焊接和片彈簧高度進行檢測（如有異常立即停機）。成形工藝：片彈簧排樣成形→電鍍→彈片與支撐板成形、模具內裝配、激光焊接→在線檢測→收料→清洗→落料、包裝。

3 成形工藝的難點

（1）模具送料。由于采用十字交叉方式送料，彈片的送料由機床自帶送料器完成，而垂直于彈片的支撐板送料成為難點，為此設計了簡單可靠的模具內拉料裝置，如圖6所示。

圖6 拉料裝置

（2）模具內裝配、鉚接。模具內焊接時2個零件必須裝配在一起，且焊接后其中1個零件必須切斷條料，但是由于零件較小，在1個工位無法實現零件裝配、焊接、切斷全部動作，考慮先將2個零件裝配、鉚接，同時切斷支撐板條料，送至后工位再進行焊接。

（3）模具內激光焊接。零件焊接點為4個，采用振鏡式激光焊接，使用1個激光焊接頭可以實現4個焊點焊接，但是模具空間位置狹小，振鏡式激光焊接頭無法安裝，選擇光纖式激光焊接機，4個焊接頭同時焊接。焊接頭傾斜安裝，可以在1個工位上同時進行4點焊接，減少模具工步，同時也可以減小模具閉合高度。焊接時間選擇在機床凸輪位置170°～190°，這時焊接零件被壓板壓牢，焊接最可靠。

（4）檢測設備的選取。片彈簧高度采用在線激光檢測方式，檢測精度可達0.001 mm以內，能夠準確捕捉片彈簧的最高點與測量高度尺寸，為在線檢測提供了準確數據。

焊接質量采用面陣相機采集焊接后的零件圖像，通過位置判斷焊點是否偏移，通過橢圓的長短軸半徑判斷焊點是否虛焊或者漏焊。

4 模具設計

（1）彈片成形排樣方案如圖7所示，成形工藝包括沖裁、彎曲、整形，為保證零件成形可靠，排樣采用雙邊載體，彎曲成形采用多步彎曲，成形后有微調整形工序。

圖7 片彈簧排樣

由于片彈簧彎曲尺寸要求高，且生產時有CPK要求，使用金屬板料成形仿真分析軟件對彎曲成形進行分析，零件成形后尺寸回彈最大值達0.195 mm，模具設計時應根據分析結果對每步彎曲進行角度補償；同時在成形后增加微調整形機構，以保證零件尺寸調整方便。

（2）支撐板為平面沖裁零件，成形簡單，具體排樣如圖8所示。

圖8 支撐板排樣

（3）總體成形。為方便2個零件裝配，采用十字交叉方式送料，排樣如圖9所示。彈片成形工位較多，使用機床自帶送料器從左往右送料，完成彈片成形，平面成形的支撐板垂直于彈片排樣送料，由模具內自動拉料機構進行送料，當2個零件成形后，在排樣交匯處進行裝配、鉚接，組裝好的排樣繼續送至焊接工位進行激光焊接，焊接后零件經過檢測設備檢測，最后使用卷盤進行包裝。

圖9 總體排樣

5 模具總體結構及主要特點

模具總體結構如圖10所示，由于模具外形尺寸較大，為方便維修采用子模塊結構，可在模具不離開機床的情況下快速拆裝子模塊，彈片成形采用2節子模塊，支撐板成形由于僅為平面沖裁，未采用子模塊結構，模具內焊接和落料及支撐腳彎曲各設計為1副子模。

由于在模具內進行焊接，成形零件時必須加微量沖裁油，為提升模具零件刃磨壽命，模具沖裁凸、凹模材料選擇硬質合金。

片彈簧電鍍排樣送入成形模，為方便排樣送料及后續彎曲的進行，首先沖裁支撐腳，然后按照成形順序進行彎曲，為保證彎曲尺寸的穩定性，在關鍵部位彎曲后增加了微調機構。彈片成形后與支撐板交匯，通過鉚接孔將2個零件組合，同時將支撐板從載體上切斷。組合片彈簧送至焊接工位，定位壓緊后進行焊接，焊接后零件經過檢測設備檢測，最后使用卷盤進行包裝。

為確保零件成形質量，零件裝配、焊接后，在沖床上進行在線自動檢測，通過線激光掃描檢測片彈簧彎曲高度；通過視覺檢測監控焊接質量，如發現超出控制范圍，立即報警，沖床停機，避免產生廢品。

6 結束語

片彈簧雙帶料模內裝配、焊接精密級進模經實際生產檢驗，模具結構緊湊、可靠，成形的零件質量穩定，在線檢測技術能及時發現模具出現問題，減少了模具投入、機床的占用，縮短了生產流程，降低了制造成本，提高了生產效率。