一种新能源汽车覆盖件生产用柔性冲孔新技术

黄凤辉，黄继辉，杨戈，曾威，盛征阳，章冰

1.湖南同心模具制造有限公司，湖南长沙 410135；2.湖南同冈科技发展有限责任公司，湖南长沙 410135

0 引言

近年来，新能源汽车发展非常迅速。各大汽车主机厂都在加速研发新能源汽车，国内自主品牌在纯电动汽车方面发展迅速。新能源汽车的快速发展对覆盖件的制造提出了更高的要求。电动汽车覆盖件的生产制造是汽车制造过程中的重要环节，其生产质量与合格率直接影响着整车的质量与开发成本[1]。随着电动汽车迭代速度的加快和国内外各大电动汽车主机厂竞争的加剧，汽车企业为了提高产品的市场竞争力，需要在保证产品质量的同时,尽可能地缩短产品开发周期,降低生产制造成本。实现这一目标的关键部件是开发时间和开发成本约占整车开发周期和总成本2/3的汽车覆盖件。目前，关于汽车覆盖件的研究主要集中于如何高质量地完成汽车覆盖件的生产制造以及高强钢等新材料的使用,但是在汽车覆盖件的制造成形工艺方面，特别是冲孔工艺等制造新技术却鲜有人研究[2]。

当前，各电动汽车制造厂家因为需要满足不同人群和不同地区的配置需求，需要制造各种配置差异的汽车，所以产品系列和种类非常多，导致车身覆盖件种类繁多，制造一致性差，汽车车身覆盖件上孔的位置、大小、形状和数量有很大差异[3]。前期开发的产品在后期应用中需要根据市场需求做较多的改变，特别是覆盖件上需要新增或者减少各种孔，给制造和加工提出了很高的要求，成了新能源汽车覆盖件冲孔制造的行业难题。由于竞争非常激烈，各大新能源汽车厂家不断地通过降低价格进行促销。而为了实现盈利，保住足够的利润，同时又要在很短的时间内推出新的车型，实现产品迭代上的竞争优势，新能源汽车厂家只好要求缩短新能源汽车覆盖件冲孔模具的开发和制造周期，同时将成本降到很低，因此对冲孔设备的成本、周期等提出了更高的要求。鉴于此，本文开发了一种适用于新能源汽车和其他类似汽车产品覆盖件的一体化柔性冲孔制造技术代替现有的冲压机加工方式，克服了冲压机加工需要一套冲孔模具来进行缺点[4-5]。该柔性一体化冲孔新技术具有制造周期短、成本低、噪声低、能耗低、效率高等优点，完美解决制造差异性等问题。

1 柔性冲孔新技术原理

近年来，液压柔性制造技术在汽车制造中得到了广泛的应用，本文研究的柔性冲孔新技术使用液压柔性制造技术实现覆盖件的柔性冲孔制造。此技术的核心单元是液压冲孔机，如图1所示，由导轨、C形支撑座、油缸、冲头安装块和冲头组成。其工作原理是通过液压系统控制油缸推动冲头实现冲孔。一组冲孔设备由多个单元冲孔机组成，通过一定的控制逻辑实现按序冲孔，实现对覆盖件的柔性冲孔制造，具有控制灵活、小巧、成本低、加工制造速度快等特点。

图1 液压冲孔机

2 冲孔模具设计

柔性冲孔新技术的关键点是要解决冲孔过程中的开裂、起皱等各种质量问题。因此，冲孔模具的设计非常关键，决定了此项新技术的成败。本文结合虚拟验证手段完成对冲孔模具的设计，提高产品设计的成功率。其基本过程为在产品端覆盖件设计完成后先对零件CAE冲孔模具进行仿真分析，通过数字化三维设计及工艺仿真，设计出合理的冲孔外形，使孔的形状、位置、间距满足技术要求。后期对模具外形进行三维造型设计、CAE模拟仿真参数校验、结构优化设计、CAE模拟仿真再验证等，把问题全部扼杀在设计阶段，以此减少生产资源浪费，降低生产成本，保证冲孔质量。冲孔模具设计各阶段详细介绍如下。

2.1 产品设计

设计人员根据客户要求设计出符合客户需求的汽车覆盖件产品：结合车身冲压、焊装、涂装、总装四大工艺要求，完成产品三维造型设计，输出数字化三维结构；产品应在造型、精度和材料参数、料厚等方面都能达到要求。

2.2 模具冲孔工艺设计

模具设计人员获得汽车覆盖件的三维数字化模型，在虚拟计算机环境下对此覆盖件进行CAE成形分析验证，模拟冲孔全过程，查看冲孔结果是否满足精度要求、成品是否有缺陷。如果失败，将不断优化工艺参数，如冲孔力、冲孔压边力、冲孔速度等参数，直到获得最优的成品为止。如此完成的模具冲孔工艺设计参数方可传递给模具结构设计部门。

2.3 模具结构设计

根据冲孔工艺参数，模具设计人员设计出满足工艺参数要求的模具三维数模，然后将其导入计算机虚拟仿真环境下，对模具冲孔全过程进行动态模拟，实现对模具的动态检查和模具干涉曲线的检查。如果发现问题，将重新设计模具结构直至模具能满足客户设计要求。

2.4 模具制造、加工和装配调试

确定好模具的结构后，产品部门将模具图纸下发给制造部门。首先，制造部门根据模具三维结构制造出与模具结构一样的三维泡沫模型，随后使用消失模铸造法铸造出模具。其次，对铸造好的模具进行机加工，完成模具三维曲面的精确制造。再次，对加工好的模具进行装配。最后，依次对装配完成的模具再进行型面加工及型面的研配，为最终的模具整体调试做好准备工作。装配完成的模具结构件将装配至液压冲孔机上进行试模，检验冲压出的零件是否满足客户要求，若出现开裂起皱等问题，再不断地进行研配调试，使其满足客户要求。至此，一套满足客户需求的冲孔模具全部设计完成。

3 样机简介

如图2所示，本文所述柔性冲孔技术样机由机台座、气控系统、滑动系统和液压系统等4部分组成。

图2 柔性冲孔技术样机

3.1 机台座

机台座是容纳所有工作设备的安装座，车身覆盖件和钣金件等通过机台座上的特征型面和定位孔实现精准定位，同时也满足产品的正常起吊运输。

3.2 气控系统

气控系统主要是用于固定工作过程中零件的位置，其设计结构如图3所示，主要结构为活动压料块、气缸。其工作过程：首先将需要冲孔的车身覆盖件或者钣金零件放置在工作台面上，在气缸的推动下活动压料块快速牢固地将零件锁紧在工作台面上，完成冲孔后，气缸缩回，迅速地松开加工完成后的零件。此过程严格地保障了冲孔的精度和质量，在取出冲孔完成的覆盖件，设备进入下一次冲孔加工中。该气控系统可以配合各种控制回路，自动按设定的顺序或条件动作进行自动化生产。该气控装置安全可靠、结构简单。同时，其气源容易获得，符合制造成本低的设计理念；其气控系统反应迅速，能够提高装置的工作效率。

图3 气控系统设计结构

3.3 滑动系统

各种不同的滑体、滑块和滑片组成了滑动系统，主要是满足各种型号覆盖件的装配需求。滑动系统不但能够一起滑动，同时组成滑动系统的各个单元还可以单独地完成各个滑动动作。本装置滑动系统的线导轨安装在C形支撑座上，其长度在滑槽的最大行程以上，并留有一定的安全长度，既可避免滑槽在运动过程中脱离线导轨，产生安全隐患，又可防止因导轨盲目选择过长而增加的成本。油缸与冲头固定体之间的连接留有活动间隙，确保油缸和冲头固定体在运动的过程中不会出现由于不在一条直线导致的运动卡滞或卡死现象，而其滑槽通过冲头安装块跟油缸连接一起，故滑槽、冲头固定体、油缸三者以这样恰到好处的连接方式保证了冲孔精度。

3.4 液压系统

柔性冲孔新技术的核心组成部分是其液压系统。液压系统又由液压控制系统和液压冲孔机两部分组成。

液压控制系统的原理如图4所示。在此液压系统中选用单出杆式液压缸为执行机构，进油口在无杆腔，速度慢；出油口在有杆腔，速度快，可达到工进慢、退刀快的工作循环。而且无杆腔面积大，在同样的供油压力下，液压缸的输出力较大，因此很适合冲孔作业的工况。同时，液压系统还加入了蓄能器13，能够在不工作时蓄能，在工作时释放能量给冲孔作业提供压力和动力。

图4 液压控制系统原理

液压控制系统的工作状态分为待机状态、冲孔状态和冲孔完成回程状态。在待机状态时，液压油缸下面的截止阀6关闭，换向阀5处在中间状态，液压油无法进入油缸驱动油缸工作。此时，液压系统由电机带动油泵泵油进入蓄能器13，给蓄能器13蓄能。当油压超过卸荷压力时，液压系统卸荷回油，液压油直接回油箱。当某一个冲孔单元工作时，换向阀5左边得电，同时此油缸下面的截止阀6打开，液压油进入油缸的无杆腔中。此时，蓄能器释放压力一起推动油缸快速下行完成冲孔作业。冲孔完成后，液压系统进入回程状态，此时换向阀5右边得电，液压油进入油缸的有杆腔，因为有杆腔的面积小很多，同时加上蓄能器的作用，液压油缸快速回程。如果此时冲孔完毕，液压系统将进入待机状态，将进入下一个作业循环中。因为液压控制系统先将电机驱动的机械能转换为泵的压力能，随后泵的压力能通过液压油路和阀的精准控制被输送到液压油缸中，在液压油缸中液压压力能又被转换为直线运动的机械能，在阀的控制下，使油缸实现了往复运动。在节流阀的作用下油缸实现了无极调速，传递的载荷平稳、磨损小、噪声小，维护方便。如果系统出现了过载的情况，还可以通过卸荷阀实现卸荷，保护整个系统不被破坏。因此，柔性冲孔技术使用液压系统驱动可以获得机器动力更强、安全性能好、噪声低、效率高、冲孔效果好、无毛刺等特性。

液压冲孔机包含一组单元式冲孔机。单元冲孔机开始工作时，在液压系统控制下油缸的无杆腔进油以保证冲头平稳冲孔。冲头完成冲孔后，油缸的有杆腔进油。由于有杆腔的液压截面小于无杆腔的液压截面，在同等流量下可以使冲头在很快的速度下返回，而冲头返回后便完成了一个工作循环。若要确保某一个冲头不工作，使其处于停机工序下，则可通过液压阀控制使油缸的进油路和回油路均不进油，即将其油路全部锁死才可确保其处于不工作状态。因为各个油缸是单独的个体，并且每个油缸只需完成一个孔的冲孔，因此每个油缸的驱动功率不大。但是为了提高冲孔的效率，有足够的功率运行，液压系统中增加了蓄能器，蓄能器在待机状态下处于蓄能状态，工作时会迅速释放能量，这样可以确保在很低的电机功率下实现冲孔。本技术所用液压冲孔机直接选用的是63mm液压缸，可以满足汽车覆盖件几乎所有直径孔的冲孔需求。单元冲孔机可以根据冲孔需要进行组合搭配排序，进而形成一组单元式冲孔机，可以实现不同位置和大小孔的柔性冲孔。

4 柔性冲孔工艺工作流程

零件冲孔工艺工作流程（图5）：将零件放置于工作台面上，定好位置，气缸锁紧，根据工艺工序编好的控制程序冲孔，冲孔完成后冲头退出，气缸松开，取出零件。其过程精确、快速、高效、成本低。

图5 冲孔工艺工作流程

5 柔性冲孔关键技术研究

柔性一体化冲孔不但要保证冲孔的凸凹模间隙精度，还要保证机械活动顺畅，确保上件取件操作方便快捷，同时还要解决冲孔不畅及卡死问题、冲孔精度问题，另外还要满足斜面上不能冲孔的问题。因此，本文研究的柔性冲孔技术开发出了以下关键技术方案来解决以上问题。

（1）为了解决油缸与冲头固定体在运动时因无法保证绝对在一条直线上而导致的运动不畅或卡死现象，使用了有间隙的活动连接，并在油缸活塞底端与冲头之间采用活动铰接。

（2）在冲头反复上下运动时，为了确保冲头精准冲孔，选择盘起线性导轨来导向，相比自制导向，其稳定精度更高。冲头冲套同样选择盘起标准件。通过测试相关精度完全能够满足技术要求。

（3）为了实现柔性制造，采用C形底板结构单元式冲孔机。冲头数量、大小、间距、形状和安放位置都可以根据零件要求灵活改变，相对原来的冲孔锻压模具设备，可更加快速地适应产品需求的变化。

（4）为了解决斜面打孔的问题，如图6所示，将C型座通过螺栓固定在垫板上，而垫板可以根据汽车覆盖件冲孔要求改变倾角，使单元式冲孔机可以打斜面上的孔。利用这种设计，可以在一个工序中同时打不同倾角面上的孔，对于复杂零件可以大大提高效率和孔的位置精度，且由于减少了安装次数，基本上在一次安装条件下即可完成全部冲孔。

图6 斜面、水平面同时冲孔示意

6 技术创新点

（1）冲孔精准。本技术的油缸活塞底端与冲头之间采用活动铰接，冲头选用盘起标准件，冲孔选择盘起线性导轨来导向，能够保证精确冲孔不出差错。

（2）布置灵活。采用本技术，工作时不需配备大型压力机，相对于传统的冲孔压力机来说，在工厂场地利用方面节约了空间。本技术不需大型基座，安装简单，方便移动，可以根据工业生产流水线生产工艺来布置。

（3）节能低噪。常规800～1000 t压机由两台37 kW的电机推动两个大功率油泵，不仅噪声大而且耗能多，本技术只需1台4 kW的电机。

（4）低成本。本技术不需配备压力机，造价是常规模具的三分之一左右。

（5）柔性、高效。在一次装夹条件下，通过单元式冲孔机可以同时打多个孔，并且不只是平面打孔，也可以同时打平面、斜面孔，实现柔性冲孔，提高打孔效率。

7 技术性能指标与同类技术比较

通常用的冲压模具需要配备大型压机，如800 t四柱液压机、1000 t四柱液压机。大型压机不仅能耗高而且占地面大，功率达到了70 kW，生产噪声非常大，成本投入非常高，模具的生产周期达到6个月。而本柔性冲孔技术设备功率只有4 kW，生产基本无噪声，成本只有其他模具的三分之一，占地面积小，生产周期只要2个月，因此与同类设备相比具有技术领先优势。

8 结论

当前，新能源汽车在能源危机和环境压力下获得了飞速发展，其车身造型设计和结构设计因电池结构的需求发生了巨大的变化。这些变化要求覆盖件冲孔模具也逐渐向专业化、标准化、现代化、自动化方向发展。汽车车身开发除了结构件本身的设计外，其制造模具的开发设计占据了整个开发的主要部分。汽车车身钣金零部件的制造80%依赖于模具的加工制造。在各种零部件模具中，汽车车身覆盖件模具占据着核心地位，其设计水平的高低和水平直接关系到汽车的制造成本、研发周期以及整车的制造性能。但是车身覆盖件又是最难制造的零件，其形状复杂、尺寸很大，且为了实现轻量化使用非常薄的板材制造，同时有很高的表面质量要求，导致其成形冲孔难度非常大。综上所述，柔性冲孔模具一体化产品有着广阔的市场前景。这种新技术的开发和应用将推动我国汽车覆盖件模具制造业的发展，有利于促进我国汽车行业的技术水平的提高和汽车智能制造工业工程科学理论研究方面的进步，从而进一步带动全行业的科技进步。