一种卡车大梁成形模具应用自动化定位系统的设计浅析

汤 敏，金 军，何莹莹

（1.安徽江淮汽车集团股份有限公司 技术中心，安徽 合肥 230022；2.振石集团东方特钢有限公司 技术中心，浙江 嘉兴 314005；3.沈阳科维润工程技术有限公司，辽宁 沈阳 110004）

根据卡车大梁的外形特点，目前行业内主要存在两种典型的加工工艺：

（1）辊压成形：卷料开卷校平、纵横剪下条料-（表面处理）-冷辊压成形-钻（冲）孔。该工艺流程相对简单、效率高，但只能应用于形状简单的U形直梁，无法加工变截面纵梁。欧美系商用车和国内的中国重汽、青汽、二汽部分重型车纵梁采用此法。

（2）模压成形：直纵梁对于驾驶室布置、发动机及传动系统布置较困难。变截面梁在日韩系商用车、江铃卡车和江淮汽车的部分客车底盘、卡车等纵梁上应用较广。这类梁多采用平板料剪切条料-（表面处理）-平板冲孔+落料-模具成形的加工工艺。

关于第二类模压成形工艺，需配备专用的大梁压力机用于落料、冲孔、成形等工序。目前国内主流的主机厂大部分采用的是人工上下板料的模压工艺。然而人工上下板料的方式存在制件质量一致性差、劳动强度大、生产效率低、安全等级低等缺点，有待改进。当今，在大批量生产冲压件的汽车、家用电器和电子产品等行业中，冲压生产正不断向高速化、自动化方向发展[1]。

现有技术卡车大梁模压工艺主要有两种模具，一是修冲模具（纯落料模、纯冲孔模或落冲复合模），二是成形模具。两种模具工艺内容不同，涉及自动化相关的设计也截然不同。其中成形模具的主要结构特点是凹模和卸料板在下,凸模在上，依靠机床顶杆提供压料力使板料成形。修冲模具在此不作展开。

现有条件下，人工上下料的大梁成形模很难实现自动化上下料。有几点主要原因：①大梁板料自身镰刀弯较大、长度尺寸或宽度尺寸超公差容易导致放料不准，机器人系统无法像人工操作一样有现场能动性，容易将板料放错而导致制件报废或模具压坏；②自动化模具生产时，模具与机器人的相对位置重复定位精度要求非常高；③大梁板料为长条状，搬运过程中始终存在一定挠度，人工上下料时一般需调整确认，机器人上料时无法调整确认；④机器人上下料时端拾器进出模腔对于机床开口的净空间要求较大。要解决这些矛盾，只能依靠技术突破与革新。

1 工艺布置思路介绍

本文所述结构为解决以上技术缺陷，是从问题产生的机理考虑。设计出的这种自动化成形模定位系统结构是基于当前的成形模具结构特点、成形工序的工作过程以及机器人搬运系统的约束条件，使得在不改变模具主体结构的前提下，将现有的手工上下料成形模改为全自动化上下料成形模。是利用现有手工上下料的模具主体结构，而并非通过现有模具的重大改造来实现。

本文所述自动化定位系统结构安装在对应模具的上、下模。具体过程考虑如下：模具冲压开始时，相应的部件分别发挥粗定位、防错、精定位等作用，实现平板料的顺利上料和定位；成形完成后，相关的定位部件自动避让，给机器人留足净空间，顺利实现下料；取走板料后自动复位，从而实现大梁成形完整冲压行程内的自动化，即实现大梁成形模全自动化上下料。

2 结构设计介绍

2.1 主要部件展示

如附图1～7，为该结构设计的具体视图。

以上各图中，模架用非标快速定位销1，模架用非标快速定位符型块2，感应定位板组件3（含感应器），普通定位板4，端头切换长度式感应定位板5（含感应器），端头切换长度式普通定位板6，升降式感应定位板组件7（含感应器），升降导向组件8，升降气缸9，气路控制组件10，上模精确导向组件11，感应器信号盒组件12（含连接线路）。

2.2 详细结构介绍

如图1～7所示，该自动化上下料结构与人工上下料大梁模具结构相比，主要有以下特点：①模具安装定位精度一致性好，是通过模架快速定位、模架安装面定位以及模芯定位板自带微调功能吸收系统误差来保证；②冲压制件定位精度一致性高，是通过模具自身精度一致性高、模芯定位系统采用下模V口粗定位+上模锥销精定位、定位板位置合理布置、定位过程受控等措施来保证；③前后悬长度切换系列化大梁产品可以在同一副模架上顺利、高效切换，是通过模具端头定位板带自调整功能来实现；④机床开口空间有效保证机械手运动空间，是通过模具前后侧定位板带自动升降功能来实现。以上特点正是为实现本结构核心功能及确保系统平稳运行而创新设计的方案。

该自动化定位系统设计核心过程考虑如下：①模架整体定位安装在机床工作台上，从而实现快速装模功能；②上下模芯整体安装在对应模架的定位安装面上，从而保证了模具核心工作部位的定位精度；③下模部分定位板（带感应或不带感应）具备自动升降功能，为成形后打开的模腔提供更大的净空间，便于机器人进出模腔；④下模所有定位板组合在一起具有V型粗定位功能，上模所有导正销组合在一起具有板料自动找正的精确定位功能；⑤利用下模定位板入口带斜度的特点，采取机器人上料靠一端放料使其缓慢下滑摊平的原理，克服板料重力挠曲导致的尺寸偏差所带来的产品定位不一致问题。

关于镰刀弯、防错、公差吸收等疑难问题的设计考虑分别如下：①通过下模定位板的合理布置，通常将有效定位板设置在板料镰刀弯较小位置，可有效解决板料镰刀弯带来的的产品定位不一致问题；②通过下模定位板（尤其是带感应器的定位板）的合理布置，通常在板料两端和侧边中间位置设置带感应器的定位板，可有效解决拍垛异常导致板料放错的报废问题；③下模定位板自带的微调功能可以实现调试过程的误差吸收，顺利实现整个定位系统的公差累积释放；④端头设计切换长度式定位板（部件5和6），可实现同一系列、不同长度的产品简单、快速切换。

3 结构原理阐述

3.1 模具工作原理

如图8所示为本模具设计的板料重力加载下的自动摊平过程示意图（前视图），用于示意冲压前的板料粗定位工作过程原理。可结合图1～7以及本文2.2的结构解读理解此过程。

3.2 模具结构设计原理

阐述该模具结构的设计原理，原则上只要描述该模具在一个完整冲次内模具的行程原理即可。下面结合图1～8，介绍本模具的设计原理。

首先介绍装模过程。利用上下模架设计的定位系统将上下模芯分别安装在上下模架内；然后将安装好的上下模架合模；最后将合模好的整体模具起吊放置在压机工作台上，通过工作台设计的定位孔和定位销（部件1），将整体模架上设计的非标快速定位符型块（部件2）与工作台定位销（部件1）侧面无缝对接，完成整体模具定位安装在压机工作台。

将整体模具安装在压机工作台和滑块上之后，模具开始冲压工作。以下为完整的冲压行程内模具具体动作：

（1）当上模随机床滑块运动到上死点时，下模活动式定位板接收到压机信息后从原来下沉状态上升至工作状态；

（2）上料机器人接到上一步完成的信号，将待成形的板料放入下模模腔，通过前后左右的定位板自带的预导向斜面形成的漏斗原理，将板料顺利滑入“漏斗”内，当下模定位传感器接收到有料信号后，表示完成下模粗定位，其中，设计定位板与板料一端紧贴、一端放开可克服板料挠曲带来的误差，设计定位板位置靠端头布置可克服板料镰刀弯带来的误差；

（3）压机接到上一步完成的信号，滑块开始带着上模下行冲压，其中上模自带的若干锥形定位销可实现板料的精定位，当滑块运行到模具闭合高度的位置，下模卸料板与模架镦死，表示板料成形完成；

（4）压机接到上一步完成的信号，滑块开始上行，下模卸料板也跟着上行，下模前后侧定位板自动跟着下降，当滑块上行到设计的合理位置之后，卸料板上行到设计顶出高度，前后侧定位板自动跟着下降到设计最低点，压机停止，并传递信号给下料机器人，表示下料准备完成；

（5）下料机器人接到上一步完成的信号，深入打开的模腔内，绕过板件最高点，对成形的板件进行抓取下料，机器人将抓取完成的信号传递给压机；

（6）压机接到上一步完成的信号，前后侧定位板自动上升，直至预设位置停止。模具恢复到初始状态，准备重复进行下一冲次操作。

4 结果分析

本结构设计了模架与工作台之间的便捷、有效、通用定位系统，实现了快速装模、换模，保证模架与机器人搬运系统定位基准的相对一致性。

定位部分零件的作用是使毛坯（条料或块料）送料时有准确的位置，保证冲出合格制件，不致冲缺而造成浪费[2]。本文所述带斜面的定位板，配合机器人的靠边放料，利用板料自身的重力加载自动摊平原理，成功解决了长板料搬运挠曲误差导致的产品定位不一致问题，提高了产品精度的一致性。板料定位系统的位置合理设计，配合模具感应器工作，成功解决板料镰刀弯误差导致的产品定位不一致问题和拍垛异常导致板料放错的报废事件，进一步提高了产品精度的一致性，降低了产品报废率和模具故障率。自动升降的边定位系统，为模腔打开时提供了更大的有效空间，一定程度缓解了机器人取放件空间不足问题。下模V口粗定位，配合上模锥销精定位，解决了机器人上下料效率问题，保证了产品精度的稳定性。端头切换长度式定位板，实现同一系列、不同长度产品在同一副模具上生产的快速切换。

5 结论

本文所述结构是一种应用了“自动化上下料系统结构”的卡车大梁成形模具。实际中，只要大梁产品的模具结构属于“凹模和卸料板在下、凸模在上”类型，本领域技术人员很容易对其进行修改和变化。例如适当改变板料尺寸和成形深度，将本文所述的结构设计涉及的相关尺寸做相应优化调整，均可利用本结构设计构思，将其设计成类似于本结构的自动化成形模具。

人工成本在增加，自动化生产的应用需求在自主品牌汽车冲压厂已成席卷之势。随着汽车行业竞争的日趋激烈，主机厂受到来自人工成本增加的各种压力越来越明显。类似本文的先进技术的导入和应用是支持冲压自动化实现的有力手段。随着汽车工业的发展，此类技术的应用必将越来越频繁。