郭磊

（江西水利職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，南昌330013）

0 引 言

鉚接因其可靠性高、適用復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的連接、適應(yīng)各種不同材質(zhì)的構(gòu)件之間的連接等優(yōu)點(diǎn)，常被作為一種固定連接方式，廣泛運(yùn)用于航空、汽車、家電等領(lǐng)域[1]。

拉鉚作為有鉚釘鉚接技術(shù)一種，利用拉鉚槍與拉鉚釘把兩個(gè)或兩個(gè)以上的零件或結(jié)構(gòu)件連接作為一個(gè)整體。一般工序過(guò)程為：定孔位→制孔→放鉚釘→鉚接[2]。經(jīng)過(guò)拉鉚連接后的結(jié)構(gòu)件存在連接強(qiáng)度不高、工藝消耗大，且生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、噪聲大、勞動(dòng)條件差不宜實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)等缺點(diǎn)。隨著人力成本上升與工業(yè)自動(dòng)化裝備的普及，該工藝已經(jīng)不能適用當(dāng)前工業(yè)大批量生產(chǎn)需求。

針對(duì)拉鉚工藝存在問(wèn)題，并根據(jù)打印機(jī)板件鉚接工藝要求，基于TOX工藝設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)鉚壓裝置，包含伺服供料系統(tǒng)、TOX鉚接系統(tǒng)。解決現(xiàn)拉鉚工藝過(guò)程復(fù)雜，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不高，鉚釘增加結(jié)構(gòu)件質(zhì)量等問(wèn)題的同時(shí)實(shí)現(xiàn)鉚壓過(guò)程自動(dòng)化降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，如圖1所示。

圖1 打印機(jī)鈑金件工藝要求

1 TOX無(wú)鉚釘鉚接技術(shù)

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)對(duì)工藝簡(jiǎn)潔化以降低生產(chǎn)成本要求、對(duì)產(chǎn)品輕量化以達(dá)到降低消耗節(jié)能環(huán)保要求，一種新型鉚接方式TOX無(wú)鉚釘鉚接以其連接可靠性高、不損傷工件表面、應(yīng)用范圍廣適用不同材質(zhì)、連接費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)正逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉚接方式[3]。

1.1 TOX鉚接過(guò)程中變形機(jī)理

TOX模具在氣液增壓缸的一個(gè)氣液增力的沖壓過(guò)程中，依據(jù)鈑金件本身材料的擠壓塑性變形，而使兩個(gè)鈑金件在擠壓處形成一個(gè)相互鑲嵌的圓形連接點(diǎn)。根據(jù)圖2所示，具體鉚接過(guò)程又可分為初壓入、擠壓（如圖2（a）），形成上部輪廓、充滿環(huán)型空間、凸模側(cè)的板件材料向側(cè)面移動(dòng)（如圖2（b））、連接成型（如圖2（c））等過(guò)程[4]。

1.2 氣液增壓缸工作原理

氣液增壓缸是將一油缸與一增壓氣缸結(jié)合為一體產(chǎn)物，使用純氣壓作為動(dòng)力源，利用增壓器大小活塞面積之比及帕斯卡定律而工作，將氣壓的低壓提高數(shù)十倍，供油壓壓缸使用，使其達(dá)到液壓缸的高力輸出的動(dòng)力輸出裝置[5]。

其具體工作過(guò)程如下：

1）快進(jìn)行程。本過(guò)程A點(diǎn)雙電控電磁閥一端接通，氣體在由前部的快進(jìn)氣缸驅(qū)動(dòng)，使模具快速到位與工件接觸，如圖3所示。

2）力行程。本過(guò)程B點(diǎn)電磁閥接通，后部的增壓缸進(jìn)氣將推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，由于活塞面積存在差異，將氣壓的壓力提高數(shù)十倍，此過(guò)程中完成沖壓加工過(guò)程，如圖4所示。

3）返回行程。本過(guò)程A 位雙控電磁閥另外一端接通，前部快進(jìn)氣缸氣動(dòng)返程,后部增力缸也在彈簧作用下返程[6]。

2 TOX 自動(dòng)鉚壓機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)分析圖1所示的打印機(jī)板件件鉚接特點(diǎn)，可知鉚接17個(gè)點(diǎn)位均勻分布在鈑金件的左右兩邊，為了能夠?qū)崿F(xiàn)工件按照給定的距離進(jìn)給需要設(shè)計(jì)一套送料平臺(tái)；此外為了滿足工藝雙邊的鉚壓點(diǎn)位能夠在一次送料完成鉚接，設(shè)計(jì)了一套龍門式鉚壓結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)下兩邊分別布置一套TOX鉚壓結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)一次供料雙邊同步鉚接。具體設(shè)計(jì)方案如圖6所示，包含：龍門式鉚壓裝置、機(jī)架、伺服電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)安裝架、聯(lián)軸器、軸承架、滾珠絲桿、送料平臺(tái)組成[7]。

圖3 快速行程原理圖

圖4 力行程原理圖

2.1 板金件送料平臺(tái)設(shè)計(jì)

為便于打印機(jī)鈑金件安裝于卸料，利用鈑金件原有的工藝孔作為基準(zhǔn)應(yīng)用定位銷進(jìn)行定位。鈑金件安裝到位后，兩個(gè)安裝在鈑金件對(duì)角的回轉(zhuǎn)夾緊氣缸夾緊完成的對(duì)鈑金件夾緊，確保在加工過(guò)程中鈑金件的位置保持不變。

選用了一臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲桿、法蘭配合，驅(qū)動(dòng)安裝在導(dǎo)軌滑塊機(jī)上的送料平臺(tái)構(gòu)作直線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)鈑金件安裝定位后的17個(gè)鉚接工藝點(diǎn)位的精確控制。

送料平臺(tái)具體結(jié)構(gòu)如圖5與圖6所示，安裝在機(jī)架工作臺(tái)面上的伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿回轉(zhuǎn)，滾珠絲桿通過(guò)軸承（包含深溝球軸承與推力球軸承）安裝在兩端軸承座上；與滾珠絲桿配合的絲桿法蘭通過(guò)絲桿連接塊與工件安裝板、左支撐板、底板、右支撐板構(gòu)成的送料平臺(tái)連接，與此同時(shí)送料平臺(tái)的底板安裝在直線導(dǎo)軌的滑塊上；此結(jié)構(gòu)布局下，伴隨著滾珠絲桿的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，絲桿法蘭將帶動(dòng)送料平臺(tái)在導(dǎo)軌的滑塊上作精確的直線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)將伺服電動(dòng)機(jī)精確的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為送料平臺(tái)在導(dǎo)軌滑塊上的精確的直線運(yùn)動(dòng)。

圖5 總體方案圖

圖6 送料平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

2.2 龍門式鉚壓機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)打印機(jī)鈑金件鉚接工藝要求，在兩邊分別有17個(gè)對(duì)稱均布的鉚接位置。為了工件一次進(jìn)給完成雙邊17個(gè)位置的鉚接，設(shè)計(jì)了一套龍門式鉚壓裝置。該裝置由兩套對(duì)稱布置的TOX鉚接結(jié)構(gòu)組成，實(shí)現(xiàn)了一次送料，雙邊鉚接的同步進(jìn)行，縮短鉚接工藝時(shí)間。

單側(cè)TOX鉚接工藝如下，當(dāng)送料平臺(tái)運(yùn)動(dòng)到鈑金件鉚接位置，送料平臺(tái)運(yùn)動(dòng)停止，PLC控制電磁閥動(dòng)作，使得安裝在鈑金件下方的氣液增壓缸先行運(yùn)動(dòng)完成快進(jìn)與增壓的動(dòng)作，使得凹模在鈑金件下端就位，安裝在鈑金件上方的氣液增壓缸再進(jìn)行運(yùn)動(dòng)完成快進(jìn)與增壓動(dòng)作，保壓一段時(shí)間后，上氣液增壓缸回退，下氣液增壓缸回退，TOX鉚接工藝完成。

根據(jù)鉚接工藝，具體TOX鉚接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖7所示，上下兩臺(tái)氣液增壓缸分別安裝在龍門平臺(tái)與機(jī)架工作平臺(tái)上，上下兩臺(tái)氣液增壓缸通過(guò)連接塊1、7分別與T形塊2、5相連接，凹模9與凸模10通過(guò)安裝法蘭8、11安裝在T形塊上，由于凹模與凸模在合模過(guò)程中都做直線運(yùn)動(dòng)，為了保證凹模與凸模在合模后的同軸度，提高鉚接質(zhì)量，T形塊2、5同時(shí)與導(dǎo)軌4、滑塊3與6相連接。

圖7 龍門式鉚壓裝置結(jié)構(gòu)

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如表1所示，整個(gè)TOX自動(dòng)鉚壓機(jī)工作過(guò)程為：開(kāi)機(jī)或手動(dòng)系統(tǒng)回零，人工將鈑金件安裝在送料平臺(tái)之后啟動(dòng)設(shè)備，回轉(zhuǎn)夾緊氣缸夾緊安裝在平臺(tái)上的鈑金件，伺服電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)滾珠絲桿帶動(dòng)平臺(tái)做等距進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，鈑金件到達(dá)鉚壓工位后伺服電動(dòng)機(jī)停止，鉚壓機(jī)構(gòu)工作完成TOX鉚接，鉚壓完成后伺服電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，如此往復(fù)直至完成17個(gè)預(yù)定位置的鉚接后伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)平臺(tái)回歸原點(diǎn)[8]。

控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)原理與控制流程分別如圖8、圖9所示。編制好PLC程序通過(guò)觸摸屏選擇手動(dòng)、自動(dòng)運(yùn)行方式與設(shè)定相關(guān)的運(yùn)行參數(shù)[9-10]，運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)汽缸上安裝的磁性開(kāi)關(guān)與桌面平臺(tái)上安裝的限位開(kāi)關(guān)反饋信號(hào)，PLC控制汽缸、伺服電動(dòng)機(jī)與氣液增壓缸完成相應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)鈑金件的壓鉚。

表1 動(dòng)作順序表

圖8 系統(tǒng)控制框圖

圖9 控制流程圖

4 鉚接參數(shù)優(yōu)化與檢測(cè)值X確定

TOX自動(dòng)鉚壓機(jī)設(shè)計(jì)完成后，試機(jī)時(shí)鉚壓點(diǎn)位存在強(qiáng)度不足情況，通過(guò)查閱資料分析發(fā)現(xiàn)壓力設(shè)定不夠合理，導(dǎo)致鈑金件變形不充分未能形成理想鑲嵌點(diǎn)所致。

根據(jù)試機(jī)實(shí)際情況，選取試驗(yàn)鉚接壓力范圍10～34 MPa，鈑金件采用與打印機(jī)鈑金件相同材質(zhì)的厚度為1.5 mm的SECC 電鍍鋅鋼板，不同鉚接壓力作用下強(qiáng)度如圖10所示。

圖10 不同鉚接壓力下抗剪強(qiáng)度

通過(guò)對(duì)鈑金件的實(shí)際抗拉抗剪測(cè)試可知，當(dāng)鉚接壓力值接近12 MPa時(shí)抗剪與抗拉強(qiáng)度剛好達(dá)到實(shí)際要求，對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，12 MPa下的實(shí)測(cè)值與計(jì)算載荷基本相符，但實(shí)際為了保證鈑金件強(qiáng)度，將安全系數(shù)設(shè)計(jì)為1.2，對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)20 MPa左右鉚接實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合設(shè)計(jì)要求，故最終選擇20 MPa作為鉚接壓力。

如圖1（c）所示，實(shí)際TOX鉚接工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品的檢測(cè)通常采用測(cè)量X值方式檢測(cè)TOX鉚接點(diǎn)位強(qiáng)度是否合格，為了便于后期大批量生產(chǎn)產(chǎn)品檢測(cè)，隨機(jī)抽取20 MPa下生產(chǎn)的100個(gè)樣品測(cè)量其底厚值（如圖11），通過(guò)分析測(cè)量數(shù)據(jù)，選取合格品X值浮動(dòng)范圍為0.73～0.77。X取值確定后，經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)，產(chǎn)品合格率與強(qiáng)度均滿足生產(chǎn)要求。

圖11 樣品底厚測(cè)量值

5 結(jié) 論

本文針對(duì)現(xiàn)有鉚釘鉚接工藝復(fù)雜、強(qiáng)度底、生產(chǎn)費(fèi)用高且不宜自動(dòng)化生產(chǎn)等問(wèn)題設(shè)計(jì)一套無(wú)鉚釘自動(dòng)鉚壓裝置。主要設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)件送料平臺(tái)與龍門式鉚壓裝置結(jié)構(gòu)，并且設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)送料平臺(tái)與鉚壓裝置相配合完成鈑金件的鉚壓。解決了傳統(tǒng)鉚壓技術(shù)工藝過(guò)程復(fù)雜、結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度降低、容易引起變形、增加結(jié)構(gòu)件質(zhì)量等問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)鉚壓過(guò)程自動(dòng)化，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。

裝置設(shè)計(jì)思路可以為產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)提供借鑒，裝置的機(jī)架、送料平臺(tái)的尺寸可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要進(jìn)行改進(jìn)，以適合不同規(guī)格類型的鈑金件鉚壓。