一種焊裝在線沖孔技術的開發及應用

洪海玻，魏慶豐，馬濤，王蘭，封磊

(江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽合肥230022)

1 概述

隨著汽車制造水平的提升與進步，人們對焊裝夾具所能實現功能的要求也越來越多元化，沖孔、包邊等工藝也一一在夾具上實現。文中就在實際生產中，通過在焊裝夾具上增加沖孔機構，實現焊裝在線沖孔的技術作簡要說明。

焊裝在線沖孔技術是指對于沖壓件上的某些孔位，取代以往沖壓沖孔模，直接在焊裝生產線上實現同步沖孔的技術?？紤]到焊裝常用動力氣動的特點，總結得出了一種以氣缸為動力，通過放大沖擊力，可較快較穩定地實現沖孔的裝置。該裝置結構簡單，所占用的空間很小，可實現完全自動化沖孔。運用此機構沖孔，整個運轉過程可在10 s左右完成，對工位上的點焊等其他操作沒有影響，可同步進行。

2 沖孔機構簡介

由于汽車焊裝車間動力往往以壓縮空氣為主，其氣壓通常在0.3～0.6 MPa，且存在一定波動，一個較大的氣缸所產生的力一般也不到9 800 N。例如缸徑100 mm的較大氣缸輸出力約為3 920 N，而正常想要在板件上沖孔的力度也要達到上萬牛頓的力，故要在焊裝實現氣動沖孔，就需要使用一個可以較大程度放大沖擊力的機構。

要實現焊裝在線沖孔，使用的機構首先要以氣沖孔動力源，動力輸出為直線運動且力度大小存在一定波動。若以簡單的沖孔杠桿原理增加臂長，整個機構占用空間較大，而且氣缸輸出力也要始終與杠桿保持垂直，機構較為復雜，安全性也較差，故采用此機構不符合要求，需要開發一套可滿足以上幾條要求的機構。

根據經驗總結，得出了一種適用于焊裝在線沖孔的機構，如圖1所示。

通過運用此機構可以將最終沖裁力變為氣缸輸出力的若干倍，并較好地轉化到沖孔部位，而機構運行到沖孔位置時，沖孔的反作用力也不會對氣缸產生過多影響行程的阻力，增加了沖孔的穩定性和安全性。

該機構極為簡單，有體積小、速度快等優點，同時利用角度傾斜原理，可以用較小的力產生較大的分力。通過角度的調整，理論上可以無限地放大沖擊力，所以只要保證工裝設備制造的穩定性，該機構所能產生的沖擊力也越大。此外，該機構對沖裁的反作用力控制得也較好，當沖裁到90°時，從力學分析，沖裁的反作用力通過機構作用在活塞上的力正好與活塞運動方向垂直，力量被限位塊消除，保證了沖孔的可靠性。

3 沖裁力計算

要應用此機構進行沖孔時，需要計算沖裁力的大小，即確認沖裁可行性?，F舉例說明該機構沖裁可行性的計算。

3.1 沖裁要求

以焊裝常用板材冷軋鋼為例，抗剪切力約為400 MPa，假定需要沖裁直徑為10 mm的兩個孔，板材厚度0.8 mm。

3.2 沖裁力計算

先大致判斷選擇125 mm的氣缸，以驗證其可行性。沖裁力簡圖如圖2所示。

3.2.1 理論沖裁力計算

P=τltk=400×3.14×10×0.8×1.1=11 052.8 N

其中:τ為材料抗剪強度;

l為沖裁孔的周長;

t為板材的厚度;

k為安全系數。

兩個孔同時沖裁成形則所需要的理論沖裁力為:

3.2.2 實際沖裁力的計算

氣缸選用125缸徑，所以氣缸輸出力為

F=4 900 N

分力

F'=F/cos79.7°=27 400 N

F1=F'×cos9.3°=27 049 N

根據力矩平衡

Ma=0

F1×120=F2×120

F2=27 040 N

3.3 驗證可行性

實際沖裁力與理論沖裁力的比值:

K=27 040/22 105.6≥1.2，滿足沖裁需要。

所以得出結論:使用125 mm缸徑的氣缸運用此機構可滿足沖裁要求。

對于上述例子中的相關尺寸和角度，可考慮自身工裝制造的水平，適當地更改。但對于角度的選擇，一定要考慮工裝設備的可實現性，因為當角度越小時，沖裁力放大的倍數也迅速上升，對工裝設備的精度要求也越嚴格，需要慎重考慮誤差所帶來的影響。

4 應用介紹

高端輕卡帥鈴Ⅲ開發項目，在進入模、檢具制作階段時，應產品設計要求，需要在側圍上側翻邊處增加導流罩安裝孔，由于此孔位在側圍上部翻邊上，加上此時沖壓模具已經進入制作階段，無法在現有模具上增加側沖裝置。若重新開發沖孔模，則費用過高，且開發周期長，影響整個項目的進展。為節約成本，縮短設計開發時間，研討決定開發應用焊裝在線沖孔機構，直接在焊裝夾具上實現沖孔。

整個焊裝在線沖孔的開發及應用共分為四個階段，具體工作如下所述。

4.1 沖孔機構選擇

系統分析沖孔位置，選擇設置沖孔機構的最佳工位，設計要求的孔位如圖3所示。

可見，沖孔位置處有多層板件搭接，需要在側圍焊接成總成之前完成沖孔，從而排除了在主線沖孔可能性，需要設置在分總成夾具上完成。但在分總成夾具上沖孔，需要著重考慮焊接打點的位置，避免干涉，在對焊接流程稍作微調之后，最終選擇了側圍外板拼焊1號位，將工位焊點與沖孔部位完全分開，可較好地實現沖孔機構的安裝。

4.2 相關參數確定

選擇文中介紹的沖孔機構后，針對所要沖孔要求及現有工裝設備精度條件，通過計算，首先確定了一組該機構的各個部分的數值，接著運用此數值驗證了沖孔的可行性。驗證結果表明實際沖裁力與理論沖裁力的比值在1.2倍以上，能夠可靠地實現沖孔。

4.3 設計3D數模和制作生產

在確認了焊裝在線沖孔的可行性后，立即進行了沖孔機構的3D數模設計，如圖4、5所示。設計完成后進行了該工位的操作模擬，沒有干涉，整個沖孔過程可在工人焊接時同時完成，且沖孔過程用時只需要10 s，整個工位操作時間僅168 s，小于設計目標的180 s，合格。

模擬確認后，隨即制作安裝了該沖孔機構。

4.4 調試和問題點整改

調試整改工作分三階段進行，夾具加工改造完成后，首先在夾具制作廠家進行了首輪的調試，沖孔效果良好，氣缸輸出力足夠，沖出的孔形狀合格。隨后夾具運至公司，在試制車間進行了單件調試，最后運至生產現場，隨即開始了小批量試制驗證，針對發現的問題點進行了整改，同時也進行了相應的優化。最終驗證表明，沖孔質量穩定，未出現質量問題，操作方便簡潔，工位節拍合格。經過總裝跟車驗證，孔位精度完全符合要求。經多輪調試，實現了項目的最終驗收。相關照片如圖6所示。

項目從最初的方案制定到設計制作及最后調試應用，共歷時50天。在全體項目組成員的共同努力及相關方的積極配合下，解決了種種難題，實現了公司焊裝在線沖孔機構的應用。

整個項目應用了四套沖孔機構，每個機構費用10萬元，共花去40萬元。若采用傳統沖孔模實現，兩個車型左右側圍共需要四套模具，計算模具面積，每個模具在15噸左右，按每噸模具4萬元計算，共需要費用240萬元，除去焊裝在線沖孔機構花費的40萬元，共計節約資金200萬元，改造周期也由正常的模具開發三個月縮短為50天。

5 結束語

介紹了一種可靠實用的焊裝在線沖孔機構，該機構具有體積小、速度快、可較大放大沖擊力及穩定可靠等優點，動力只需要采用焊裝車間公用動力壓縮空氣即可，方便、簡潔。

隨著汽車制造工藝的發展，對焊裝工裝設備的要求也越來越多元化。焊裝在線沖孔具有投入少、效率高、體積小及沖孔部位靈活等優點。焊裝在線沖孔對一些大件側沖有較好的應用效果，特別對于由設計變更而導致的孔，運用在線沖孔技術往往有一舉多得的效果。對于工藝人員來說，也可以更加靈活地設計，適當地選擇應用在線沖孔技術，使工藝設計更加合理。

【1】丁松聚.冷沖模設計［M］.北京:機械工業出版社，1994.

【2】劉惟信.汽車設計［M］.北京:清華大學出版社，2006.

【3】方海峰.汽車車身制造技術發展現狀及趨勢分析［J］.汽車與配件，2009(28).

【4】王望予.汽車設計［M］.北京:機械工業出版社，2007.

【5】何獻忠.優化技術及其應用［M］.北京:北京理工大學出版社，2009.

【6】胡增強，郭力，江曉禹，孫訓方.材料力學 I［M］.5 版.北京:高等教育出版社，2009.