一种焊装在线冲孔技术的开发及应用

洪海玻，魏庆丰，马涛，王兰，封磊

(江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽合肥230022)

1 概述

随着汽车制造水平的提升与进步，人们对焊装夹具所能实现功能的要求也越来越多元化，冲孔、包边等工艺也一一在夹具上实现。文中就在实际生产中，通过在焊装夹具上增加冲孔机构，实现焊装在线冲孔的技术作简要说明。

焊装在线冲孔技术是指对于冲压件上的某些孔位，取代以往冲压冲孔模，直接在焊装生产线上实现同步冲孔的技术。考虑到焊装常用动力气动的特点，总结得出了一种以气缸为动力，通过放大冲击力，可较快较稳定地实现冲孔的装置。该装置结构简单，所占用的空间很小，可实现完全自动化冲孔。运用此机构冲孔，整个运转过程可在10 s左右完成，对工位上的点焊等其他操作没有影响，可同步进行。

2 冲孔机构简介

由于汽车焊装车间动力往往以压缩空气为主，其气压通常在0.3～0.6 MPa，且存在一定波动，一个较大的气缸所产生的力一般也不到9 800 N。例如缸径100 mm的较大气缸输出力约为3 920 N，而正常想要在板件上冲孔的力度也要达到上万牛顿的力，故要在焊装实现气动冲孔，就需要使用一个可以较大程度放大冲击力的机构。

要实现焊装在线冲孔，使用的机构首先要以气冲孔动力源，动力输出为直线运动且力度大小存在一定波动。若以简单的冲孔杠杆原理增加臂长，整个机构占用空间较大，而且气缸输出力也要始终与杠杆保持垂直，机构较为复杂，安全性也较差，故采用此机构不符合要求，需要开发一套可满足以上几条要求的机构。

根据经验总结，得出了一种适用于焊装在线冲孔的机构，如图1所示。

通过运用此机构可以将最终冲裁力变为气缸输出力的若干倍，并较好地转化到冲孔部位，而机构运行到冲孔位置时，冲孔的反作用力也不会对气缸产生过多影响行程的阻力，增加了冲孔的稳定性和安全性。

该机构极为简单，有体积小、速度快等优点，同时利用角度倾斜原理，可以用较小的力产生较大的分力。通过角度的调整，理论上可以无限地放大冲击力，所以只要保证工装设备制造的稳定性，该机构所能产生的冲击力也越大。此外，该机构对冲裁的反作用力控制得也较好，当冲裁到90°时，从力学分析，冲裁的反作用力通过机构作用在活塞上的力正好与活塞运动方向垂直，力量被限位块消除，保证了冲孔的可靠性。

3 冲裁力计算

要应用此机构进行冲孔时，需要计算冲裁力的大小，即确认冲裁可行性。现举例说明该机构冲裁可行性的计算。

3.1 冲裁要求

以焊装常用板材冷轧钢为例，抗剪切力约为400 MPa，假定需要冲裁直径为10 mm的两个孔，板材厚度0.8 mm。

3.2 冲裁力计算

先大致判断选择125 mm的气缸，以验证其可行性。冲裁力简图如图2所示。

3.2.1 理论冲裁力计算

P=τltk=400×3.14×10×0.8×1.1=11 052.8 N

其中:τ为材料抗剪强度;

l为冲裁孔的周长;

t为板材的厚度;

k为安全系数。

两个孔同时冲裁成形则所需要的理论冲裁力为:

3.2.2 实际冲裁力的计算

气缸选用125缸径，所以气缸输出力为

F=4 900 N

分力

F'=F/cos79.7°=27 400 N

F1=F'×cos9.3°=27 049 N

根据力矩平衡

Ma=0

F1×120=F2×120

F2=27 040 N

3.3 验证可行性

实际冲裁力与理论冲裁力的比值:

K=27 040/22 105.6≥1.2，满足冲裁需要。

所以得出结论:使用125 mm缸径的气缸运用此机构可满足冲裁要求。

对于上述例子中的相关尺寸和角度，可考虑自身工装制造的水平，适当地更改。但对于角度的选择，一定要考虑工装设备的可实现性，因为当角度越小时，冲裁力放大的倍数也迅速上升，对工装设备的精度要求也越严格，需要慎重考虑误差所带来的影响。

4 应用介绍

高端轻卡帅铃Ⅲ开发项目，在进入模、检具制作阶段时，应产品设计要求，需要在侧围上侧翻边处增加导流罩安装孔，由于此孔位在侧围上部翻边上，加上此时冲压模具已经进入制作阶段，无法在现有模具上增加侧冲装置。若重新开发冲孔模，则费用过高，且开发周期长，影响整个项目的进展。为节约成本，缩短设计开发时间，研讨决定开发应用焊装在线冲孔机构，直接在焊装夹具上实现冲孔。

整个焊装在线冲孔的开发及应用共分为四个阶段，具体工作如下所述。

4.1 冲孔机构选择

系统分析冲孔位置，选择设置冲孔机构的最佳工位，设计要求的孔位如图3所示。

可见，冲孔位置处有多层板件搭接，需要在侧围焊接成总成之前完成冲孔，从而排除了在主线冲孔可能性，需要设置在分总成夹具上完成。但在分总成夹具上冲孔，需要着重考虑焊接打点的位置，避免干涉，在对焊接流程稍作微调之后，最终选择了侧围外板拼焊1号位，将工位焊点与冲孔部位完全分开，可较好地实现冲孔机构的安装。

4.2 相关参数确定

选择文中介绍的冲孔机构后，针对所要冲孔要求及现有工装设备精度条件，通过计算，首先确定了一组该机构的各个部分的数值，接着运用此数值验证了冲孔的可行性。验证结果表明实际冲裁力与理论冲裁力的比值在1.2倍以上，能够可靠地实现冲孔。

4.3 设计3D数模和制作生产

在确认了焊装在线冲孔的可行性后，立即进行了冲孔机构的3D数模设计，如图4、5所示。设计完成后进行了该工位的操作模拟，没有干涉，整个冲孔过程可在工人焊接时同时完成，且冲孔过程用时只需要10 s，整个工位操作时间仅168 s，小于设计目标的180 s，合格。

模拟确认后，随即制作安装了该冲孔机构。

4.4 调试和问题点整改

调试整改工作分三阶段进行，夹具加工改造完成后，首先在夹具制作厂家进行了首轮的调试，冲孔效果良好，气缸输出力足够，冲出的孔形状合格。随后夹具运至公司，在试制车间进行了单件调试，最后运至生产现场，随即开始了小批量试制验证，针对发现的问题点进行了整改，同时也进行了相应的优化。最终验证表明，冲孔质量稳定，未出现质量问题，操作方便简洁，工位节拍合格。经过总装跟车验证，孔位精度完全符合要求。经多轮调试，实现了项目的最终验收。相关照片如图6所示。

项目从最初的方案制定到设计制作及最后调试应用，共历时50天。在全体项目组成员的共同努力及相关方的积极配合下，解决了种种难题，实现了公司焊装在线冲孔机构的应用。

整个项目应用了四套冲孔机构，每个机构费用10万元，共花去40万元。若采用传统冲孔模实现，两个车型左右侧围共需要四套模具，计算模具面积，每个模具在15吨左右，按每吨模具4万元计算，共需要费用240万元，除去焊装在线冲孔机构花费的40万元，共计节约资金200万元，改造周期也由正常的模具开发三个月缩短为50天。

5 结束语

介绍了一种可靠实用的焊装在线冲孔机构，该机构具有体积小、速度快、可较大放大冲击力及稳定可靠等优点，动力只需要采用焊装车间公用动力压缩空气即可，方便、简洁。

随着汽车制造工艺的发展，对焊装工装设备的要求也越来越多元化。焊装在线冲孔具有投入少、效率高、体积小及冲孔部位灵活等优点。焊装在线冲孔对一些大件侧冲有较好的应用效果，特别对于由设计变更而导致的孔，运用在线冲孔技术往往有一举多得的效果。对于工艺人员来说，也可以更加灵活地设计，适当地选择应用在线冲孔技术，使工艺设计更加合理。

【1】丁松聚.冷冲模设计［M］.北京:机械工业出版社，1994.

【2】刘惟信.汽车设计［M］.北京:清华大学出版社，2006.

【3】方海峰.汽车车身制造技术发展现状及趋势分析［J］.汽车与配件，2009(28).

【4】王望予.汽车设计［M］.北京:机械工业出版社，2007.

【5】何献忠.优化技术及其应用［M］.北京:北京理工大学出版社，2009.

【6】胡增强，郭力，江晓禹，孙训方.材料力学 I［M］.5 版.北京:高等教育出版社，2009.