長城汽車股份有限公司技術(shù)中心/河北省汽車工程技術(shù)研究中心 劉艷生，姚海濤，馬榮浩

熱沖壓自動化輔具結(jié)構(gòu)設(shè)計與詳解

長城汽車股份有限公司技術(shù)中心/河北省汽車工程技術(shù)研究中心 劉艷生，姚海濤，馬榮浩

因熱沖壓工藝的特殊性，自動化輔具在熱沖壓生產(chǎn)中占有十分重要的地位。輔具設(shè)計的好壞決定著生產(chǎn)的穩(wěn)定性，甚至成為自動化生產(chǎn)及節(jié)拍提升的瓶頸。熱沖壓自動化輔具包含拆垛端拾器、上料端拾器、取件端拾器、激光切割支具、拋丸掛具。

面對全球能源危機和環(huán)境保護的壓力，節(jié)能減排已經(jīng)成了汽車制造業(yè)的發(fā)展趨勢，通過使用高強鋼板熱沖壓生產(chǎn)制造技術(shù)，同時實現(xiàn)車體輕量化和碰撞安全性，成了近年來汽車制造業(yè)研究的熱點。熱沖壓技術(shù)國內(nèi)起步較晚，一直處在各大學(xué)或研究院等研究單位試驗階段，但隨著汽車企業(yè)的介入，熱沖壓技術(shù)得到了快速發(fā)展。目前熱沖壓工藝已經(jīng)應(yīng)用到汽車生產(chǎn)制造中，并且實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。自動化輔具作為熱沖壓生產(chǎn)的一部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計對產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)的保證有起決定性作用。

拆垛端拾器

圖1　冷沖壓拆垛端拾器

熱沖壓成形生產(chǎn)線的拆垛端拾器由骨架、電氣元件、安裝組件組成。結(jié)構(gòu)與冷沖壓自動化生產(chǎn)線基本相同，同樣采用吸盤吸取板料。冷沖壓線板料多為方料，端拾器骨架及吸盤為規(guī)則陣列布置（見圖1），實現(xiàn)不同料的通用，而熱沖壓件基本為A

柱、B柱等，不規(guī)則料較多，且一般為細長件，吸盤一般隨形布置，一列即可，通用具有局限性（見圖2）。

熱沖壓線拆垛端拾器為實現(xiàn)不同制件間通用，在骨架設(shè)計上，將吸盤固定結(jié)構(gòu)設(shè)計為可前后左右移動式，如圖3所示。吸盤可在橫梁上左右移動，橫梁可在主梁上前后移動，以適用不同形狀、不同尺寸的板料。

上料端拾器

熱沖壓生產(chǎn)中，由于加熱后鋼板處于高溫狀態(tài)，無法用吸盤抓取，故其上料端拾器上采用特定制作的夾持器（氣缸帶動夾鉗）。熱沖壓生產(chǎn)線的上料端拾器由骨架、電氣元件、夾鉗、防護板及安裝組件組成。此部分是熱沖壓線最關(guān)鍵工位，需保證板料抓取位置精確性及穩(wěn)定性。根據(jù)料片形狀復(fù)雜程度，可采用不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（1）形狀規(guī)則簡單板料的端拾器如方形料、梯形料，可采用一個氣缸帶動多個夾鉗形式，如圖4所示。此方式可保證夾鉗動作的一致性，減少氣缸使用，降低制作成本。但需注意夾鉗的運動方向與加熱爐送料輥子的角度。

工藝設(shè)計階段，需考慮生產(chǎn)中板料的抓取方向，平行送料輥抓取為最佳狀態(tài)，如θ角過大，夾鉗打開、夾緊與送料輥有干涉風(fēng)險（見圖5）。運用此種形式，夾鉗結(jié)構(gòu)分連接和夾持兩部（見圖6），夾持部分可前后調(diào)節(jié)，使一個氣缸上多個夾鉗根據(jù)料片輪廓小范圍調(diào)整至最佳位置。

（2）形狀多弧形不規(guī)則料的端拾器實際生產(chǎn)中，熱沖壓件多為A柱、B柱等內(nèi)加強件，板料形狀多為弧形不規(guī)則料，此時一般設(shè)計一個氣缸帶動一個夾鉗，夾鉗根據(jù)料片輪廓布置，在允許范圍內(nèi)，還可根據(jù)料邊曲線法線方向設(shè)置角度，不受其他夾鉗限制，可實現(xiàn)板料最佳夾持狀態(tài)，如圖7所示。

圖2　熱沖壓拆垛端拾器

圖3　通用拆垛端拾器結(jié)構(gòu)1.主梁　2.橫梁　3.吸盤　4.料片

圖4

圖5

圖61.夾持部分　2. 連接部分　3. 旋轉(zhuǎn)橫梁

圖7　獨立夾鉗布置及結(jié)構(gòu)

取件端拾器

熱沖壓成形生產(chǎn)線的拆垛端拾器由骨架、電氣元件及安裝組件組成。加熱后板料經(jīng)模具壓制和保壓冷卻后，溫度降至200℃左右，此時仍不能用普通膠質(zhì)吸盤取件，一般設(shè)計為永磁吸盤。端拾器重量與自動化生產(chǎn)節(jié)拍成反比，故設(shè)計時除骨架主結(jié)構(gòu)保證剛度，其他部分均減重設(shè)計，如圖8所示。

激光切割支具

熱沖壓成形后，板料成為半成品。因制件材料力學(xué)性能較高，無法通過模具加工，故需采用激光切割進行制件修邊、沖孔，激光切割支具是支撐和定位制件，保證切割制件精度和穩(wěn)定性的輔助工裝，由骨架、支撐定位結(jié)構(gòu)、夾緊單元、電氣元件及安裝組件組成。

目前，普遍使用旋轉(zhuǎn)工作臺式激光切割設(shè)備，制件切割過程中，產(chǎn)生大量煙塵，設(shè)備有廢料輸送及排煙塵系統(tǒng)，支具結(jié)構(gòu)設(shè)計中，支撐、定位等安裝面盡量做小，留有漏空保證上下通氣流，如圖9所示。如安裝面為一整塊BASE板，則設(shè)計上留出空間開孔，如圖10所示。

對于制件的支撐、定位結(jié)構(gòu)，因制件成形后與產(chǎn)品數(shù)模存在一定差別，且熱沖壓工藝制件型面特征一般較為簡單，如只依靠型面定位，制件穩(wěn)定性差，切割后制件一致性不能保證。

這種問題可通過以下兩種方法進行改進：①設(shè)計明顯的特征，如凸點、凹包等。因熱沖壓是在板料加熱后壓制成形，故凹包等明顯特征在成形后表面會有缺陷，減薄率較大，故特征一般設(shè)置在工藝補充區(qū)域，激光切割將此部分去除。②設(shè)計定位工藝孔。采用定位孔可精確定位制件，是最為理想的定位方式。

此定位孔設(shè)計位置需遵循以下三方面原則：為保證激光切割制件精度，成形工序同樣使用此定位孔定位，需考慮定位孔設(shè)置位置及形式不影響上料；如設(shè)置在產(chǎn)品區(qū)外部，不能降低原材料利用率；設(shè)置在成形過程中不走料區(qū)域，孔無變形，保證精確性。

拋丸掛具

熱沖壓使用的板料分為有鍍層和無鍍層兩種。有鍍層的板料在加熱成形后表面無氧化皮，無需拋丸。但板料在加熱爐中加熱過程中會有粘輥問題，加熱爐維護成本高。故現(xiàn)在普遍使用的是無鍍層的板料，在加熱成形后表面有氧化皮，在激光切割完成后需有拋丸、涂油工序，此時就需要專用的掛具。

掛具設(shè)計重點注意：①掛件數(shù)量。拋丸、涂油線一個循環(huán)承載的掛具數(shù)量是一定的，循環(huán)時間也是一定的，在同樣的能耗和時間里，掛件數(shù)量越多，生產(chǎn)效率越高，相對單件成本則越低。②通用性。一般拋丸、涂油線承載掛具數(shù)量為200個左右，若不同制件生產(chǎn)需更換掛具，工作量是非常大的。若設(shè)計實現(xiàn)掛具通用，不僅節(jié)省了不同制件生產(chǎn)時掛具更換工作，還可根據(jù)實際生產(chǎn)庫存，隨時調(diào)整生產(chǎn)計劃，增加了生產(chǎn)的柔性控制。

圖8

圖9

圖10

結(jié)語

隨著人們環(huán)保意識的增強和更嚴格環(huán)保法規(guī)的實施，汽車輕量化已成為各大汽車品牌設(shè)計重點之一，熱沖壓技術(shù)作為成熟的工藝也必將更廣泛地被采用，作為熱沖壓生產(chǎn)的重要組成部分，輔助工裝設(shè)計也定會逐步改進、提升。

20150720