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崔富钧，王超，刘文仑，王强
（济南大学 机械工程学院，山东 济南 250022）
车架纵梁作为商用车上承受及传递复杂载荷的关键零件，具有长度长、孔的数量多、孔的种类多、板料厚等特点[1]，其包括腹面和翼面，断面形状一般为U型，如图1 所示。
图1 纵梁
纵梁腹面孔的种类有10～20种，孔的总数多达300～500个，纵梁冲孔加工难度较大，目前主流工艺为液压式数控冲孔[2]。基于多工位机械压力机的纵梁腹面冲孔工艺与装备是一种换代技术，目前在国内尚处于空白，具有冲孔频次快、加工效率高、主机数量少等优点，解决了液压式数控柔性冲孔过程中开式机身造成的角变形大，电机与丝杠带动庞大机身运动造成的冲孔效率低，精度差等问题。冲孔单元作为这种新型工艺装备中的重要纵梁冲孔部分，其关键技术在于如何配合多工位压力机实现寻孔、选模和冲孔的功能。
关于冲孔单元此类数控柔性冲孔设备，国内外学者开展了很多研究。周丽丽[3]介绍了汽车纵梁腹面数控冲孔线双冲技术的加工系统和方法，双冲技术可以有效提高冲孔效率。吕庆存[4]介绍了针对纵梁冲孔开发的一种三面冲数控冲孔生产线，重点阐述了生产线的组成、主机结构性能特点、以及工艺过程。Ivan A 等[5]针对小批量钣金冲孔件，设计了一种转塔式冲孔机床及其模具，并对模具和机身进行结构优化，提高了冲孔的精确性。李雅倩[6]针对冲孔件，进行了冲压力的计算并设计了能够压边的精密冲裁模具，可以有效提高冲孔精度。王超[7]等人针对针对U型纵梁腹面冲设计了1600kN 闭式双点压力机，并对组合机身预紧力进行了研究。范巍[8]针对数控机床进给系统的特点,介绍了交流伺服电机的负载力矩、转动惯量等的计算方法及电机的选型原则。薛宝珠[9]等人设计一种超精密大行程滚珠丝杠进给系统，大大提高了进给系统的定位性能。
上述研究集中于转塔式或液压式数控冲孔工艺与装备，针对多工位压力机纵梁数控冲孔生产线冲孔单元的设计与分析及相关运动控制的研究尚处于起步阶段。
1.1 冲孔工艺流程
多工位压力机纵梁腹面冲孔直列式数控生产线包括一台大台面机械压力机以及十多个独立的冲孔单元和纵向输送装置。多工位压力机与冲孔单元如图2 所示。规定纵梁长度方向为X 轴方向，纵梁宽度方向为Y 轴方向，翼面高度方向为Z 轴方向。生产线的组成部分包括自动上料装置、板料送进辊道、X 轴送料系统、冲孔单元等设备以及气动系统、数控系统等控制系统。
图2 多工位压力机与纵梁腹面冲孔单元示意图
多工位压力机纵梁数控生产线采用多轴联动的方式，即纵梁X 轴送进、多个冲孔单元沿着Y 轴运动、选模撞块移动、压力机滑块沿着Z 轴同时进行，这样缩短了冲孔等待时间，提高了冲孔节拍。冲孔单元相关工艺流程如图3 所示。
图3 冲孔单元工艺流程
1.2 冲孔单元布置
纵梁腹面分布着大量直径6mm-50mm 不等的孔，在统计了大量纵梁的孔位信息后，设置独立冲孔单元的数量是12个，考虑到模架尺寸的限制，每个冲孔单元上可以沿着X 方向放置一到两个凸、凹模，冲孔时可以相应的进行选择。模具分布于各个独立模架之中，由于每个冲孔单元都可以独立控制，所以能够实现多个孔同时冲，这大大提高了冲孔效率。压力机选用的为多工位机械压力机,纵梁的轴线与压力机工作台轴线在同一条直线上。为了减少压力机偏载的影响，将冲大孔的冲孔单元放在压力工作台中部，冲小孔的冲孔单元放在工作台两端。工作台两端以及最中间为辅助对中装置，可以有效保证了冲孔位置的准确。压力机上冲孔单元的布置和冲孔单元在压力机台面的布局图（俯视）如图4 和5 所示。
图4 压力机上冲孔单元的布置
用于纵梁腹面冲的冲孔单元总体结构如图6 所示，其包括选模组件、冲模组件和模架以及Y 轴运动组件四大功能组件。本冲孔单元能够有效完成多工位纵梁数控腹面冲寻孔、选模和冲孔的要求，其相关技术参数如表1 所示，其中喉深表示冲裁力的中心线到冲孔单元侧壁的距离。
表1 主要技术参数
图6 冲孔单元总体结构图
冲孔单元整体的工作原理如下：当确定下一个目标孔位信息后，纵梁沿X 方向送进至X 坐标规定位置，与此同时选模系统会选择相应的冲孔单元，冲孔单元的Y 轴运动系统即伺服电机+滚珠丝杠系统会使冲孔单元在Y 方向移动至Y 坐标规定位置，同时冲孔单元上的选模撞块会移动到选中位置。送进动作、寻孔动作和选模动作都发生在压力机滑块一个行程内的非冲孔时段。之后在冲孔时段，压力机配合冲孔单元上的冲模组件完成压边、冲孔和卸料动作。
冲模组件安装在模架上。模架主要承受复位弹簧的复位力，变形小，从而冲孔误差小。为了冲孔单元的轻量化，将模架做成框架焊接结构，为了冲孔单元在纵梁宽度运动时与纵梁不发生干涉，设计模架喉深为L=450mm。
当板料厚度为10mm，材料为T610L，冲孔直径取最大为ø50时，冲裁力可按照文献[10]给出的公式1 算得，压边力可由公式2 计算可得。
图5 冲孔单元在压力机台面的布局图（俯视）
式中：F1为冲裁力大小，kN；
K1为安全系数；
L 为冲裁件周边长度；
τ 为抗剪强度，MPa；
t 为钢板厚度，mm；
F2为压边力大小，kN;K2为压边力系数。按照公式计算得冲裁力F冲=1045kN，压边力F压=31kN。
图7 为冲模组件结构图。冲模组件要完成压边、冲孔和卸料的工艺要求，在工作时，凸模固定板往下运动，压缩压边弹簧使压边板压边，完成压边后，凸模在凸模固定板和凸模导向套的带动下继续往下运动，完成冲裁。之后压边板又发挥卸料的作用，完成卸料动作，最后凸模及固定板、压边板在复位弹簧的作用下完成复位。
图7 冲模组件结构图
其中凸模固定板上安装有凸模导向套，凸模导向套里安装有凸模传力杆和凸模，凸模导向套安装在模架上，可以有效保证凸模的定位，复位弹簧安装在模架上，可以提供复位力，上垫板和凸模固定板在Z 方向移动时为了保证移动精度，必须设置导轨，设置的导轨形式为八字形导轨，并配有L 形导轨调节结构。
因为纵梁尺寸大，在冲孔时需要压边，否则易引起纵梁变形和振动。良好的压边力能够有效保证冲孔质量，压边板上部设置压边弹簧，压边弹簧安装在模架上，压边弹簧为模具专用氮气弹簧可以在狭窄空间中提供巨大压边力，结构紧凑。
在压力机的一次工作行程下，需要选择特定的冲孔单元模具进行冲孔，因此冲孔单元需要选模组件，其工艺要求为能够使冲孔单元模具在选中和非选中两种状态下切换，单模具冲孔单元选模组件的结构如图8 所示。
图8 选模组件结构图
冲孔单元的选模是由选模撞块的位置变化来实现的，当选模撞块的山形结构和压力机上的山形结构位置对正时，压力机上的压力便可以传递下来，进行冲孔。上垫板上安装有双向气缸，气缸内滑块杆可以前后运动，气缸的末端连接齿条，齿条可以沿着齿条导轨进行移动，导轨安装在上垫板上，齿条与齿轮啮合，齿轮通过压板压紧固定在主轴上，齿轮和另一个垂直方向摆放的选模撞块的端部齿条相啮合，通过齿条-齿轮-齿条传动，将气缸活塞杆的前后直线运动转变为选模撞块的左右运动。
选用气缸的平均速度为80mm/s，轴向负载力为120N，负载率为0.5，气缸的缸径为32mm，气缸行程为25mm，工作压力为0.5MPa。以气缸为驱动件，经过齿条-齿轮-选模撞块传动，选模撞块一次动作中，撞块位移25mm，动作时间约为0.3s，符合要求。
冲孔单元在Y 轴方向运动依靠Y 轴运动系统，其工艺要求Y 方向寻孔运动尽可能快速且平稳，其主要靠电机+滚珠丝杠驱动，其结构图如图9 所示。
图9 Y 轴运动系统示意图
冲孔单元模架、选模部分和冲模部分安装在工作台上。冲孔单元移动质量250kg，冲孔单元最大移动速度Vmax=50m/min，最大快进加速度a=6.25m/s2。当数控系统给出位移指令后，永磁同步伺服电机通过联轴器和丝杠螺母副将螺旋运动转变为冲孔单元的Y 方向的直线运动，其通过滑块沿着直线导轨移动，前后端都有轴承来承担载荷。
（1）通过对纵梁腹面冲进行工艺分析，确定了多工位压力机纵梁腹面冲孔的工艺流程、相关技术参数以及模具冲孔单元的排布。
（2）设计了冲孔单元的冲模结构，能够满足系统冲孔的功能要求。
（3）设计了冲孔单元的选模结构和Y 轴运动系统，能够满足系统选模和寻孔的功能要求。
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