螺母冲铆工艺在载货汽车白车身上的应用

陈显君 董凯 刘兴涛

（中国重汽集团设计研究院有限公司，济南250101）

1 前言

最近几年随着载货汽车市场的大卖，各主机厂都在规划新的产线及导入新车型，随着装备水平的发展以及用工成本的提高，在新产线的规划上，各大主机厂优先考虑机器人代替人工，新产线都朝着自动化、柔性化、智能化方向发展。某载货汽车前围板总成上有不少装配用螺母，传统的工艺为人工凸焊螺母，劳动强度大、精度低、工件焊接变形大，影响装配质量和效率。基于此将探讨在前围内外板总成上引入螺母自动冲铆工艺，以期提高前围板螺母精度，解决焊接变形，同时提高自动化水平降低工人劳动强度。

2 螺母冲铆工艺介绍

螺母冲铆工艺是在螺母压铆技术的基础上衍生出的1种集材料冲孔和螺母铆接工艺为一体的螺母自冲铆紧固技术。替代传统的螺母凸焊工艺，螺母连接抗拉强度、抗剪强度高，不破坏镀层，广泛地运用于金属薄板产品[1]。

冲铆螺母通常可选规格M6～M16，适用板材厚度0.5～5 mm，冲铆时以下模座为支撑，上模在液压缸（气液增压或伺服电机驱动）的作用下推动前端带凸起压铆螺母，冲裁薄板件，螺母凸起切断材料，使金属废料脱落[2]，先在薄板件上冲出孔位，冲头推动螺母在气液增压缸的作用下继续下压，下模座中间孔位周边有一圈凸起，通过压力使板材孔位周边材料产生塑性变形，变形物被挤入导向槽，将螺母和板材锁紧。螺母冲铆过程如图1所示。

图1 螺母冲铆过程示意

图1中步骤a中冲头在气液增压缸作用下带着螺母冲向板材；步骤b中螺母前端凸起在冲头和下模座孔位周边凸起的作用下冲裁板材，形成孔位；步骤c冲头带着螺母继续下压，和下模座周边凸起一起挤压孔位周边材料，使其发生塑性变形，变形物挤入螺母前端的导槽中，锁紧螺母，同时被冲掉的废料通过下模座中间空腔落到废料通道里，完成冲铆过程；步骤d为冲铆好的螺母和板材。

螺母冲铆工艺，不需要提前在板材上冲孔，铆接牢固、方便、快捷，易于实现自动化，在载客汽车尤其是铝制板件上应用广泛。

3 载货汽车前围板螺母冲铆工作站

某载货汽车企业规划1个年产10万辆白车身的前围内外板螺母冲铆工作站，要求除了人工上下件以外，实现自动化铆接和螺母的自动化输送。

3.1 规划设计方案

产品：前围内外板总成；纲领：内外板各10万件/年；工作制度：双班制，每班8 h，全年250 d；节拍：25 JPH（按白车身计）；综合节拍：144 s/辆份（1个内板+1个外板）；螺母数量：外板30个，内板10个；螺母规格：M8；板材厚度：1.5 mm。

内外板螺母冲铆节拍分析如表1所示。

表1 螺母冲铆节拍分析

根据节拍分析，每完成1件内外板螺母冲铆需要的总时间为260 s，综合节拍为144 s，需布置2组设备即2台机器人搭配2套冲铆系统。机器人可以自动切换抓手，在机器人铆接的过程中人工将工件放置到上料工装或者从上料工装取走工件，不占用节拍。

自动冲铆工作站的规划方案及组成如图2所示。

图2 冲铆工作站

主要工艺过程为：人工从料框拿取工件，将工件上料至上件定位工装，机器人抓手抓取工件至固定冲铆机处按预设轨迹冲铆螺母，铆接完后机器人抓手放件至下件工位，人工从下件工位取走工件放入料框。

2个工作站都按照同时可以铆接外板件和内板件规划，每台机器人配置内外板件抓手及快换单元，上下件工作台可以满足内外板件的机器人抓件定位要求，并有机械防错装置。为了提高冲铆效率，在实际生产中可以按批次组织生产，由于外板件需要冲铆的螺母多，其中1个工作站只负责外板件螺母冲铆，另外1个工作站可以兼顾内板件和外板件的螺母冲铆，当内板件按批次完成螺母冲铆后，此时外板件还未完成1个批次的冲铆，内板件螺母冲铆工作站机器人切换外板件抓手，配合另外1个工作站一起完成剩余的外板件的冲铆工作。

此种方式生产组织灵活，当生产小月时可以只开1个工作站，另外1个工作站进入到维护闲置状态。

3.2 设备情况

本项目采用自动冲铆工作站形式，冲铆机采用固定铆机，主要的设备清单如表2所示。

表2 主要设备

机器人搬运技术比较成熟此处不再赘述，重点介绍冲铆系统。

本项目冲铆机采用TOX固定式冲铆机，配置螺母自动输送机，实现螺母自动输送与自动冲铆。该设备采用TOX气液增压式冲压技术，压缩空气驱动增压装置，使封存在液压缸内的液压油产生高压，实现大吨位冲压力。冲铆系统如图3所示。

图3 TOX冲铆系统

主要的工艺过程为：人工上件，检测工件到位后，机器人抓取工件按照预定轨迹放置工件至铆接位置，到位后发送信号给铆机（此时螺母已自动输送至冲头前端的夹紧单元），冲头在气液增压缸的作用下带着螺母冲向工件，首先完成冲孔动作，冲头继续下压完成螺母铆接，机器人按照程序运行至下一个螺母位置，继续上一动作。

螺母输送机采用振动盘及气动送螺母方式，将待冲铆螺母送至冲头旁边的螺母缓存盒里，缓存盒配置满盒检测元件及螺母检测元件。由推送螺母分离气缸将待冲铆螺母分离推送至冲头前端的夹紧单元，冲头螺母检测元件检测到螺母到位后，气液增压缸启动，带着冲头冲压工件，在冲铆螺母被压嵌入工件时，自冲铆螺母前端凸台首先接触板件，在板件上冲出孔位，冲头继续推动螺母下压，按照设置的压力及行程将螺母嵌入工件，实现螺母与工件的铆固。螺母冲铆过程中被冲裁的废料通过下模中心的废料排出料道送至废料收集盒，将废料集中收集，废料盒里的废料定期清理。

冲铆机构的各部件组成如图4所示。

图4 冲铆机构

4 和螺母凸焊工艺对比

4.1 螺母凸焊工艺

螺母凸焊工艺是电阻焊的1种，常用于汽车钣金件的螺母焊接，其原理是在焊接螺母上预先加工出多个凸点，在电极臂的作用下使其与钣金件表面相接触，电极臂通电加压，在电阻热和电极臂压力的作用下使螺母和工件焊合在一起。

常用于钣金件的螺母焊接可以和螺母自动输送机配合使用，实现螺母的自动输送，一般是人工焊接。

4.2 螺母冲铆优势

前围内外板螺母采用冲铆工艺与传统的螺母凸焊工艺相比有以下优势。

a.螺母冲铆工艺属于冷加工及机械连接，工件不产生受热变形的现象。前围板工件比较大，采用螺母凸焊工艺，易因焊接受热导致工件变形，影响白车身尺寸精度。

b.凸焊螺母精度差，影响装配效率和装配精度，螺母冲铆采用自动化工作站的形式，螺母定位精度高，装配一致性好，易于实现自动化生产。

c.螺母冲铆工艺节省能源和成本，螺母冲铆主要能源为压缩空气和控制用电，比螺母凸焊节省电能。冲铆工艺集冲孔及铆接为一体，不需要提前冲孔，可以冲铆一起完成。

d.螺母冲铆工艺属于冷加工不产生对环境保护不利的因子，比螺母凸焊更环保。

5 结束语

螺母冲铆工艺在乘用车尤其是铝车身连接上应用的比较广泛，随着装备水平的发展以及各主机厂对自动化、柔性化、智能化产线和降低成本及环保压力的要求，在载货汽车应用的会越来越普遍，能很好的取代传统螺母凸焊工艺，在载货汽车白车身上有很好的应用前景。