片弹簧双带料模具内装配与焊接的级进模设计

游健， 庄严， 朱浔， 侯毅， 王希亮

（成都宏明双新科技股份有限公司， 四川 成都 610091）

0 引 言

目前有组装焊接要求的镀金片弹簧类零件，一般采用2副模具各成形1个零件，条带生产，经过清洗后，2个条带在激光焊接夹具上组装，送入激光焊接机中完成焊接，之后再完成零件落料、包装，零件成形工序长、生产效率低。基于这些现状，为提高生产效率，将2个零件的生产、组装和激光焊接整合到1副模具内完成，缩短零件成形流程以提高生产效率。由于片弹簧类零件对弹臂高度要求高，设计了在线检测设备，监控片弹簧的悬臂高度；同时采用视觉检测焊接，通过对焊点的形状、大小监控焊接情况，如有异常，会立即报警停机，避免废品的产生。

1 工艺分析

图1所示为片弹簧二维结构，是由2个零件通过激光焊接而成，零件公差较小，部分尺寸有CPK（process capability index，制程能力指数）要求，零件材料为SUS301-FH（全硬态），厚度为（0.08±0.01）mm，具有良好的弹性，片弹簧臂高分别压至1.83、1.21 mm时，满足回弹力在0.1～0.35 N。

图1 二维结构

为确认片弹簧弹力是否达到图纸要求，运用有限元分析软件进行仿真分析，当臂高压缩至1.83 mm时，弹力为0.102 N，大于0.1 N满足图纸要求；当臂高压缩至1.21 mm时，弹力为0.282 N，小于0.35 N满足图纸要求。

零件由弹片和支撑板通过激光焊接而成，弹片是弯曲零件，支撑板为平面冲裁零件，片弹簧局部有镀金要求，组装结构如图2所示。

图2 三维组装结构

2 成形工艺

（1）片弹簧需要全镀镍，局部接触端需镀金，电镀区域如图3所示。由于带料镀金后进行弯曲成形，镀金表面易擦伤和开裂，但是片弹簧成形后电镀易出现碰撞造成变形，且电镀后对弹力有影响，无法调整，故采用先成形片弹簧镀金区域的弯曲，再将排样件进行局部电镀。电镀后的带料弯曲成形，既减少了镀金成本，又避免镀金表面弯曲造成的擦伤和开裂，同时片弹簧的弹力更易得到保障，电镀排样如图4所示。

图3 电镀区域

图4 电镀排样

（2）焊接工艺。原类似零件生产工艺如图5所示，弹片和支撑板分别由2副模具成形，成形相同件数的条料，由人工在焊接夹具装配后，进行激光焊接，再进行落料、包装，生产工序长、生产效率较低。

图5 传统焊接工艺

为了提高生产效率，采用模具内自动装配的焊接工艺，1副模具上完成2个零件的成形、装配和模具内激光焊接，带料经过在线检测设备对激光焊接和片弹簧高度进行检测（如有异常立即停机）。成形工艺：片弹簧排样成形→电镀→弹片与支撑板成形、模具内装配、激光焊接→在线检测→收料→清洗→落料、包装。

3 成形工艺的难点

（1）模具送料。由于采用十字交叉方式送料，弹片的送料由机床自带送料器完成，而垂直于弹片的支撑板送料成为难点，为此设计了简单可靠的模具内拉料装置，如图6所示。

图6 拉料装置

（2）模具内装配、铆接。模具内焊接时2个零件必须装配在一起，且焊接后其中1个零件必须切断条料，但是由于零件较小，在1个工位无法实现零件装配、焊接、切断全部动作，考虑先将2个零件装配、铆接，同时切断支撑板条料，送至后工位再进行焊接。

（3）模具内激光焊接。零件焊接点为4个，采用振镜式激光焊接，使用1个激光焊接头可以实现4个焊点焊接，但是模具空间位置狭小，振镜式激光焊接头无法安装，选择光纤式激光焊接机，4个焊接头同时焊接。焊接头倾斜安装，可以在1个工位上同时进行4点焊接，减少模具工步，同时也可以减小模具闭合高度。焊接时间选择在机床凸轮位置170°～190°，这时焊接零件被压板压牢，焊接最可靠。

（4）检测设备的选取。片弹簧高度采用在线激光检测方式，检测精度可达0.001 mm以内，能够准确捕捉片弹簧的最高点与测量高度尺寸，为在线检测提供了准确数据。

焊接质量采用面阵相机采集焊接后的零件图像，通过位置判断焊点是否偏移，通过椭圆的长短轴半径判断焊点是否虚焊或者漏焊。

4 模具设计

（1）弹片成形排样方案如图7所示，成形工艺包括冲裁、弯曲、整形，为保证零件成形可靠，排样采用双边载体，弯曲成形采用多步弯曲，成形后有微调整形工序。

图7 片弹簧排样

由于片弹簧弯曲尺寸要求高，且生产时有CPK要求，使用金属板料成形仿真分析软件对弯曲成形进行分析，零件成形后尺寸回弹最大值达0.195 mm，模具设计时应根据分析结果对每步弯曲进行角度补偿；同时在成形后增加微调整形机构，以保证零件尺寸调整方便。

（2）支撑板为平面冲裁零件，成形简单，具体排样如图8所示。

图8 支撑板排样

（3）总体成形。为方便2个零件装配，采用十字交叉方式送料，排样如图9所示。弹片成形工位较多，使用机床自带送料器从左往右送料，完成弹片成形，平面成形的支撑板垂直于弹片排样送料，由模具内自动拉料机构进行送料，当2个零件成形后，在排样交汇处进行装配、铆接，组装好的排样继续送至焊接工位进行激光焊接，焊接后零件经过检测设备检测，最后使用卷盘进行包装。

图9 总体排样

5 模具总体结构及主要特点

模具总体结构如图10所示，由于模具外形尺寸较大，为方便维修采用子模块结构，可在模具不离开机床的情况下快速拆装子模块，弹片成形采用2节子模块，支撑板成形由于仅为平面冲裁，未采用子模块结构，模具内焊接和落料及支撑脚弯曲各设计为1副子模。

由于在模具内进行焊接，成形零件时必须加微量冲裁油，为提升模具零件刃磨寿命，模具冲裁凸、凹模材料选择硬质合金。

片弹簧电镀排样送入成形模，为方便排样送料及后续弯曲的进行，首先冲裁支撑脚，然后按照成形顺序进行弯曲，为保证弯曲尺寸的稳定性，在关键部位弯曲后增加了微调机构。弹片成形后与支撑板交汇，通过铆接孔将2个零件组合，同时将支撑板从载体上切断。组合片弹簧送至焊接工位，定位压紧后进行焊接，焊接后零件经过检测设备检测，最后使用卷盘进行包装。

为确保零件成形质量，零件装配、焊接后，在冲床上进行在线自动检测，通过线激光扫描检测片弹簧弯曲高度；通过视觉检测监控焊接质量，如发现超出控制范围，立即报警，冲床停机，避免产生废品。

6 结束语

片弹簧双带料模内装配、焊接精密级进模经实际生产检验，模具结构紧凑、可靠，成形的零件质量稳定，在线检测技术能及时发现模具出现问题，减少了模具投入、机床的占用，缩短了生产流程，降低了制造成本，提高了生产效率。