一種焊接沖切一體化夾具的設計

李 譯

（必能信超聲（上海）有限公司 ，上海 201613）

0 引言

焊接與沖切是目前機加工成型中的常用工藝，在現有的技術中，將專用的沖切工藝應用于沖切工藝中，，其占地面積大，需要等待完全退火以后再單獨完成沖切，而且大多數僅僅是針對單一工件的沖切，造成了大量的能源、人力與時間損耗。因此，該文將設計一款效率更高的焊接沖切一體化設備，以滿足更高效率的生產加工需求。

1 需求分析

隨著振動摩擦焊接工藝越來越普及，越來越多的廠商選擇了摩擦焊工藝做為主要的焊接工藝。在振動摩擦焊得到更廣泛應用的背景下，客戶對于摩擦焊的要求也越來越多，不僅對焊接質量提出了更高的要求，而且要求夾具具備掃碼、沖孔、自動打螺絲等更加個性化的功能，也正因為如此，摩擦焊正朝著功能多元化的方向發展[1]。

目前某工件的生產驟如下：工件放入焊接夾具——夾具臺面上升（合模）——振動摩擦焊接——夾具臺面下降（開模）——沖孔——取件包裝入庫。其中，焊接夾具的結構如圖1所示。其中，部件1、2、3依次為上夾具平臺、下夾具底板以及下夾具型腔體。

圖1 夾具結構示意圖

為了提高工件的生產效率，企業需要從生產步驟入手，通過分析，焊接與沖孔2個工藝在生產過程中是完全割離的，這也是造成生產效率瓶頸的原因。在這一背景下，該文需求就是嘗試開發一種帶有異形孔沖切功能的摩擦焊夾具，將沖孔和焊接集成在了一個生產步驟中，從而拓展夾具功能，起到了提高生產效率的作用。通過設計一款焊接沖切一體化設備，解決了客戶原先焊接和沖孔分兩步做、生產效率較低的問題。

2 難點分析

為了提高生產效率，就必須從生產流程入手，而對于現有的生產流程來說，只能將沖孔工藝放在合模與開模之間，即與振動摩擦焊同步進行，這就要求對沖孔機構重新進行設計，在不對現有加工臺改造的情況下，實現預期功能，這也是一個難點。

3 產品設計

3.1 設計要求

總的來說，該文面向的加工任務是焊接與沖切相結合的生產工作，其中焊接所采用的技術為振動摩擦焊，這是一種通過高頻振動使2個工件間摩擦生熱進而熔融連接的焊接方法。沖切是借助于常規或設備的動力，使板料在夾具里直接受到變形力并進行變形，從而獲得一定形狀、尺寸產品零件的生產技術。因為加工原理的不同，以上2種工藝在傳統生產過程中都是分離開的，該文通過機構設計的方法，將2種工藝整合在一起，同步完成焊接與沖孔，從而提高生產效率。

由于該文的夾具不僅需要確保振動摩擦焊的穩定性，而且需要抵抗來自沖孔工藝的沖擊力，沖切后沖孔周圍不可以有毛邊，沖孔尺寸必須符合要求，因此對夾具提出了很高的設計要求[2]。在夾持過程中，零件相對位置必須足夠精確，且沖壓件尺寸不可過大，否則會影響整體的運動精度。動力方面，同一夾具應當盡量采用相同動力源，不僅可以提高安裝的便攜性，而且能夠有效地控制成本。

3.2 基礎原理

沖孔技術實現的關鍵在于提供足夠的動力機構，而在現有的生產設備中，可以直接利用焊接機自身的液壓臺面作為動力源，在焊接合模時，利用臺面上升的動作進行沖孔，沖孔完成后不能影響焊接動作（即振動的實現），無需額外的步驟和動作就要實現沖孔 ，減少生產步驟，提高生產效率，這樣就可以在不額外增加設備的情況下使2種工藝同步執行[3]。為了避免增加額外的機構，該文將沖孔元件布置在焊接夾具上，這樣就可以利用一套夾具實現2種功能。但是上述思路的實現依賴于良好的機構設計，下面將對具體的設計方案進行討論。

3.3 沖切凸模的設計

夾具設計是該文需求實現的關鍵，對于原夾具，其上表面布置有多個仿形定位塊，對工件起到固定與定位的作用，如圖2所示，其中部件4為若干個仿形定位塊，安裝在部件1上。

圖2 夾具定位結構

為了實現沖孔功能，該文設計了沖切凸模（部件5），并將其安裝在部件1上，如圖3所示。其中，部件6為沖切刀頭、部件7為刀具底座、部件8為墊高塊 連接部件7和部件1。

在部件7上設置了上下貫穿的容納槽，用以容納安裝部件6的刀柄，部件7側面有鎖緊螺絲孔，在安裝部件6時用以鎖緊固定部件6 。

部件6為沖切刀具，刀具從下到上分為3段，依次為刀頭、刀頸、刀柄。刀頭部位橫截面為需要沖切的異性孔的仿形形狀，刀頸部位橫截面形狀類似于刀頭，但是外輪廓尺寸比刀頭要小，以此提供焊接時需要的振動間隙。刀柄和部件7中間的容納槽相匹配。由于部件6為易損件，該設計方便后期更換部件6，同時能保證更換后部件6的的相對位置。沖切凸模的分解圖如圖4所示。

圖3 沖切凸模的設計示意圖

圖4 沖切凸模的分解圖

3.4 夾具整體設計

該文夾具的整體設計如圖5所示，其中部件12為防掛件擋塊，用來防止工件在開模時掛在部件6上，進而提高工件在加工過程中的穩定性，避免由于沖孔而導致位置發生偏移，影響加工質量；部件13為連接塊，主要用來連接部件12和部件部件15，同時也起到力的傳遞作用；部件15為氣缸，用來控制部件12的前進后退；部件14為安裝塊，將部件15安裝到部件3上，在實際應用中，該部件要求采用強度較高的材料。在生產的開模過程中，件15驅動部件12插入產品上方，從而防止工件在開模時掛在部件6上。部件16為料頭收集盒，將生成過程中的料頭進行統一收集，減少了對工件加工過程的干擾。

該夾具沖孔功能的順利實現依賴于部件9（如圖6所示）。部件9為沖切凹模，中間有上下貫穿的型腔。型腔從上至下依次分為2段。第一段型腔（下面簡稱型腔1）的橫截面面形狀相似于需要沖切的異性孔的仿形形狀，型腔1與部件6的刀頭相配合。第二段型腔（下面簡稱型腔2）橫截面形狀為類似于方形的形狀，該橫截面大于部件6的刀頭的最大外輪廓（也比型腔1要大），以此提供焊接需要的振動間隙。

圖5 夾具整體設計

在該夾具中，部件9安裝在部件18的頂面上，部件18的示意圖如圖7所示。部件18頂面設置有斜貫穿孔（特征3），該貫穿孔上頂面與部件9的型腔2的底面對接。部件16通過手擰蝶形螺母可以被自由取出/放置于部件18上。

圖7 部件18三視圖

3.5 加工流程分析

上面分析了該焊接沖切一體化夾具的結構設計，下面簡要分析了該裝置的加工流程。在沖切過程中，部件9承托住產品上沖切孔的周邊部位，部件15控制部件部件12處于退出狀態，隨著臺面上升，部件6的刀頭穿過部件9的型腔1，然后進入型腔2，以此在產品上沖出孔來，此時，部件6的刀頸部位停留在在部件9的型腔1中，刀頭部位停留在在部件9的型腔2中，沖切出來的料頭通過型腔2和特征3自動落入部件16中，然后振動頭開始振動進行焊接，焊接完成后部件15控制部件部件12處于前進狀態卡住產品，隨后臺面下降，部件6退出部件9，部件15控制部件部件12退出，工人取件，進行下一個零件的生產。

需要注意的是，在合模焊接時應當關注部件6和部件9的間隙特征，部件6的刀頸部位與部件9的型腔1之間有一定的的間隙（振動間隙），部件6刀頭部位與部件9的型腔2之間也有一定的的間隙（振動間隙），刀頭背面與型腔1底面也有一定間隙，以上3處間隙是本機構的重點，防止摩擦焊接振動時刀具與凹模之間產生干涉，也對工人安裝提出了更加嚴格的要求[4]。

4 結語

基于當前振動摩擦焊與沖孔工藝作為2個單獨生產過程的現狀，從提高生產效率的角度考慮，優化原工件夾持裝置以及沖切機構，對刀具以及凹模型腔都采取分段式設計，在完成沖切的同時不影響焊接的進行，使沖切和焊接一次完成，不需要額外的工序，提高生產效率[5]。除此之外，該文設計的裝置能夠實現對產品任何部位的沖切，加工靈活性強，值得推廣。