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(zé)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(jī)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(jī)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(biāo)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(qiáng)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(dāng)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(jìn)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(jī)加工方式，克服了沖壓機(jī)加工需要一套沖孔模具來進(jìn)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(jī)，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(jī)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(jī)

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(jìn)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(jìn)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(xì)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(dá)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(jī)環(huán)境下對此覆蓋件進(jìn)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(jī)虛擬仿真環(huán)境下，對模具沖孔全過程進(jìn)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(jìn)行機(jī)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(jìn)行裝配。最后，依次對裝配完成的模具再進(jìn)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(zhǔn)備工作。裝配完成的模具結(jié)構(gòu)件將裝配至液壓沖孔機(jī)上進(jìn)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(jìn)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(jī)簡介

如圖2所示，本文所述柔性沖孔技術(shù)樣機(jī)由機(jī)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(jī)

3.1 機(jī)臺座

機(jī)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(jī)臺座上的特征型面和定位孔實現(xiàn)精準(zhǔn)定位，同時也滿足產(chǎn)品的正常起吊運(yùn)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(yán)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(jìn)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(jìn)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(yùn)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(yùn)動的過程中不會出現(xiàn)由于不在一條直線導(dǎo)致的運(yùn)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(jī)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(jī)構(gòu)，進(jìn)油口在無桿腔，速度慢；出油口在有桿腔，速度快，可達(dá)到工進(jìn)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(jī)狀態(tài)、沖孔狀態(tài)和沖孔完成回程狀態(tài)。在待機(jī)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(jìn)入油缸驅(qū)動油缸工作。此時，液壓系統(tǒng)由電機(jī)帶動油泵泵油進(jìn)入蓄能器13，給蓄能器13蓄能。當(dāng)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(dāng)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(jìn)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(jìn)入回程狀態(tài)，此時換向閥5右邊得電，液壓油進(jìn)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(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，將進(jìn)入下一個作業(yè)循環(huán)中。因為液壓控制系統(tǒng)先將電機(jī)驅(qū)動的機(jī)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(zhǔn)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(yùn)動的機(jī)械能，在閥的控制下，使油缸實現(xiàn)了往復(fù)運(yùn)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(hù)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(hù)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(jī)器動力更強(qiáng)、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(jī)包含一組單元式?jīng)_孔機(jī)。單元沖孔機(jī)開始工作時，在液壓系統(tǒng)控制下油缸的無桿腔進(jìn)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(jìn)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(jī)工序下，則可通過液壓閥控制使油缸的進(jìn)油路和回油路均不進(jìn)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(yùn)行，液壓系統(tǒng)中增加了蓄能器，蓄能器在待機(jī)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(jī)功率下實現(xiàn)沖孔。本技術(shù)所用液壓沖孔機(jī)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(jī)可以根據(jù)沖孔需要進(jìn)行組合搭配排序，進(jìn)而形成一組單元式?jīng)_孔機(jī)，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(jī)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(yùn)動時因無法保證絕對在一條直線上而導(dǎo)致的運(yùn)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(yùn)動時，為了確保沖頭精準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)。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(jī)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(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)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(jī)，相對于傳統(tǒng)的沖孔壓力機(jī)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(jī)由兩臺37 kW的電機(jī)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(jī)。

（4）低成本。本技術(shù)不需配備壓力機(jī)，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(jī)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(biāo)與同類技術(shù)比較

通常用的沖壓模具需要配備大型壓機(jī)，如800 t四柱液壓機(jī)、1000 t四柱液壓機(jī)。大型壓機(jī)不僅能耗高而且占地面大，功率達(dá)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(dá)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(dāng)前，新能源汽車在能源危機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(xué)理論研究方面的進(jìn)步，從而進(jìn)一步帶動全行業(yè)的科技進(jìn)步。