自動化沖壓模具的研究

1、摘要:通過分析研究自動化沖壓線模具的設(shè)計,總結(jié)出自動化沖壓線生產(chǎn)的沖壓件的沖壓工藝 設(shè)計規(guī)范和結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范;通過編程和軟件二次開發(fā)技術(shù)設(shè)計出各公司自動化沖壓線的動態(tài)仿真模 擬模板;對自動化沖壓線模具的廢料滑出進行分析,確保廢料順利滑出。通過本次研究,最終實現(xiàn) 提高自動化生產(chǎn)線模具的設(shè)計效率,縮短該類模具的調(diào)試周期,從而降低制造成本的目的。 關(guān)鍵詞:自動化沖壓線 自動化模具 模具設(shè)計 動態(tài)模擬仿真 干涉檢查中圖分類號:TG76 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B自動化沖壓模具的研究一汽模具制造有限公司 王 強 龐建波1 前言隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展進步,沖壓件產(chǎn)品質(zhì) 量要求和數(shù)量需求的不斷提高,沖壓件生產(chǎn)方式由原 來

2、的手工生產(chǎn)逐漸向自動化生產(chǎn)過渡,自動化生產(chǎn)方 式已成為大勢所趨。沖壓件產(chǎn)品一般是經(jīng)過拉延、修 邊、翻邊等多道沖壓工序在多臺或單臺壓力機上生產(chǎn) 出來的。根據(jù)送料方式,沖壓線可分為手動沖壓線和 自動化沖壓線。與傳統(tǒng)的手動沖壓線相比,自動化沖 壓線的特點是連續(xù)高效無間隙,并且全程無人參與, 從而生產(chǎn)出高質(zhì)量和大批量的沖壓件。在自動化生產(chǎn) 方式日趨完善的形勢下,沖壓模具的結(jié)構(gòu)將極大程度 地影響制件生產(chǎn)效率,因此對自動化生產(chǎn)沖壓件的工 藝設(shè)計和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了更高的要求。2 自動化生產(chǎn)方式的種類常見的自動化沖壓線分為單機串聯(lián)沖壓線和大型 多工位壓力機兩種,主要由前端上料拆垛清洗涂油裝 置、中端壓力機、

3、尾端取料設(shè)備、自動化送料機構(gòu)等 部分組成。自動化送料機構(gòu)的種類較多,如橫桿式、 機器人式、機械臂、SpeedBar、上下料機械手配穿 梭小車等。沖壓件的自動化生產(chǎn)及制件傳輸方式主要種類 如下。(1只有一臺壓床多套模具聯(lián)合安裝的多工位 壓床自動化生產(chǎn),此種生產(chǎn)方式零件傳輸主要靠取送 件機構(gòu)從一套模具傳送到下一套模具,而傳輸機構(gòu)與 壓床之間的相對關(guān)系一般為一系列固定的曲線關(guān)系。 (2由多臺壓床組成的自動化生產(chǎn)線,自動化 取送料機構(gòu)將制件從一臺壓床傳送到下一臺壓床。 (3由多臺壓床組成的自動化生產(chǎn)線,一個自 動化取送料機構(gòu)將制件從一臺壓床取出放到相鄰兩臺 壓床之間的工位器具上,另一個自動化取送件機構(gòu)

4、再 將制件從工位器具上取出放到下一臺壓床上。 自動化取送料機構(gòu)一般有可自由編程的機器人 和有規(guī)定軌跡的橫梁傳輸機構(gòu)兩種,也可稱為信號互 鎖控制送料機構(gòu)和同步運動控制送料機構(gòu)。信號互鎖 控制送料機構(gòu)的運動軌跡沒有固定規(guī)律,變化多樣, 但是各個軸都有一定的運動范圍,例如采用機器人做 搬運系統(tǒng)的部分生產(chǎn)線;同步運動控制的沖壓線的顯 著特點是使用同步運動控制技術(shù)控制滑塊連續(xù)運動, 送料機構(gòu)上下料操作與壓機滑塊運動同時進行,送料 機構(gòu)的運動軌跡比較固定,一般都是有固定的幾種形 式。同步控制可以實現(xiàn)壓機之間、壓機與送料機構(gòu) 之間的同步。運動控制原理是伺服驅(qū)動器采集反饋 信號驅(qū)動伺服電機做高動態(tài)響應(yīng)的運動,

5、反饋信號 是由安裝在壓機凸輪上的編碼器輸出的,在同步控 制中這個編碼器就作為主軸,其他從軸隨這個主軸 按照預(yù)先編輯的同步曲線運動。該類自動化沖壓線 可以建立數(shù)字化樣機,同步運動的實現(xiàn)邏輯與實際 沖壓線的運動控制邏輯類似,采用曲線驅(qū)動虛擬軸 來控制送料機構(gòu)與壓機位置的同步,沖壓線數(shù)字樣 機建立起來就能仿真模擬整條沖壓線的真實運行情 況,可以詳細(xì)模擬零件的取放搬運過程中及其與壓 機、模具、空工位、機械手之間的干涉情況,不必 到實際的沖壓線進行反復(fù)調(diào)試。自動化取送料機械手的類型主要有吸盤、撮子、 夾手3種。3 模具設(shè)計自動化生產(chǎn)方式模具受設(shè)備約束的條件較多,也 是設(shè)計難度較大的模具種類之一,其關(guān)鍵包

6、括了沖壓 工藝設(shè)計、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計兩大部分,這既要保證沖壓 件有很好的質(zhì)量,又要考慮到工件及自動化取件裝置 與模具結(jié)構(gòu)之間的干涉問題。3.1 沖壓工藝設(shè)計(1對自動化零件進行沖壓工藝設(shè)計時,應(yīng)考 慮工藝滿足設(shè)備。a.按保價工序數(shù)、生產(chǎn)線壓床數(shù)量 或多工位壓機設(shè)定的工序數(shù)來制定工序數(shù);b.各工序 間制件轉(zhuǎn)角應(yīng)保證在壓床轉(zhuǎn)角范圍之內(nèi)等。(2同時,應(yīng)考慮工藝補充是否影響自動化的 實現(xiàn)。a.拉延件能否順利取出,因此要求拉延深度盡 可能淺、或者工藝補充部分拔模角在滿足成形需要的 情況下要大一些;b.壓料面盡可能避免在某一個或某 幾個角部有較大的落差,這種情況一定要避免在箱式 結(jié)構(gòu)的拉延模中出現(xiàn);c.因自動

7、化生產(chǎn)頻率較快,廢 料能否順利滑出模具直接影響著生產(chǎn)效率,因此為保 證修邊工序滑料順暢,應(yīng)在沖壓工藝上做出相應(yīng)的預(yù) 防措施,如圖1所示情況,應(yīng)當(dāng)在滑料困難處增加二 次切斷刀,另外廢料刀的設(shè)置應(yīng)保證廢料能夠順利滑 落;d.如果制件在整個生產(chǎn)過程中需要轉(zhuǎn)角,AP基準(zhǔn) 點高度的設(shè)計盡可能與壓床傳輸裝置的回轉(zhuǎn)軸接近。(3沖壓工藝設(shè)計完成后,應(yīng)進行零件在自動 化生產(chǎn)線上的傳輸圖設(shè)計,對零件相對壓床的平面 位置及高度(應(yīng)考慮滑料、初步預(yù)想模具強度等問 題、模具閉合高度、零件在傳輸過程中的抬起高度 及相應(yīng)干涉曲線進行初步設(shè)定,確認(rèn)沖壓工藝轉(zhuǎn)角等 內(nèi)容在壓床上實現(xiàn)的可行性。同時,進行零件取送料 裝置的簡單設(shè)計

8、,確定機械手形式、位置、大小、吸 盤位置等,確定之后將各工序制件調(diào)入自動化檢查模 板中,調(diào)整好相應(yīng)參數(shù)后生成自動化模擬文件,為下 一步模具結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。在零件傳輸圖的設(shè)計中需要注意以下方面: a.多壓機生產(chǎn)線的各工序基準(zhǔn)點要盡可能一致, 并且要考慮拉延工序的壓機是否有取件鎖定行程,如 果生產(chǎn)線有鎖死停歇要求,則需要保證各工序基準(zhǔn)點 與拉延工序基準(zhǔn)點+20 mm的高度一致;b.多工位壓機要保證各工序基準(zhǔn)點與拉延工序基 準(zhǔn)點+壓料圈行程的高度一致,或者后工序基準(zhǔn)點略 圖1 翼子板修邊工序二次切斷 低于前序基準(zhǔn)點。 3.2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計模具結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)注意以下事項。(1各序基準(zhǔn)點設(shè)置應(yīng)當(dāng)盡可能一致

9、,要注意 第一序取件時,壓料圈的行程只釋放了20 mm,而其 他生產(chǎn)線則是壓料圈行程全部釋放的。(2為保證自動化沖壓線快速換模,要求如 下。a.模具高度為定值,按照用戶要求設(shè)置模具閉合 高度;b.壓機上的托桿是不拆除的,也就是全托桿布 置,因此就要求所有需要利用托桿的模具必須注意 使下底板躲開全托桿頂起行程;c.在模具上要設(shè)置快 速定位,常規(guī)采用對角線位置設(shè)置兩個圓孔,但不 同廠家不同生產(chǎn)線有不同的要求,具體視情況而定 (圖2。 (3與手工操作模具相比,自動化 模具結(jié)構(gòu)有其特殊性。手工操作相關(guān)零件 或結(jié)構(gòu)可以取消,如取送料托料架、摳手 槽等。而其多了一些必要的零件,如傳感 器、端子箱、電箱等。

10、常規(guī)的拉延模采用 帶傳感器的定位板,傳感器定位板采用的 傳感器一般為M18,后序模具一般需要采用M30的傳感器,如果因結(jié)構(gòu)受限并由用戶同意可以 采用M18的傳感器;若傳感器安裝在下模的活動部件 上,應(yīng)當(dāng)在模具合理的位置上安裝相應(yīng)的快速拆裝活 動接頭(HAN03TE,并且應(yīng)做出合理的穿線孔; 另外對于多工位生產(chǎn)線,如果在零件端拾器上有傳感 器,則無需在模具內(nèi)設(shè)置傳感器。端子箱需要根據(jù)用 戶的設(shè)備要求設(shè)置在合理的位置,端子箱規(guī)格也要根 據(jù)設(shè)備要求來選擇,常規(guī)類型有Harting-24針、46針圖2 托桿全躲開及快速定位等。多工位自動化生產(chǎn)線的機械手本身帶傳感器,其 模具可不用再設(shè)置傳感器和電箱。(

11、4對于自動化模具,廢料的順利排出是非常 關(guān)鍵的,必須在設(shè)計中給予充分考慮。自動化模具要 求廢料滑道角度不能小于25°在廢料可能旋轉(zhuǎn)的 情況下,廢料滑道的寬度要保證大于廢料最大長度尺 寸;廢料滑道的空間高度在滿足模具強度的情況下要 盡可能的大,防止廢料在滑出過程翻立起來而被卡 住;廢料滑道角度小于25°需要采用網(wǎng)紋板做滑道, 廢料滑道角度小于20°需要考慮采用振動器來輔助廢 料滑出。對于廢料滑出困難的區(qū)域要在設(shè)計階段進行預(yù) 判,并可通過有限元分析軟件及動力學(xué)分析軟件對該 區(qū)域的廢料滑出做出動態(tài)仿真模擬(圖3。(5對于吸盤式取送料的模具,注意吸盤對應(yīng) 的下模型面位置盡

12、可能有支撐型面。(6對于撮子或夾手式取送料的,一般需要下 模采用一定機構(gòu)將件托起;如果在滿足工作內(nèi)容和模 具強度的情況下可以在撮子或夾手位置設(shè)置空開,則 可不必設(shè)置頂起機構(gòu),這樣可以簡化結(jié)構(gòu)。(7雙槽?；蚨嗖勰１仨毧紤]以下問題。a.單動拉延模各槽制件頂起后高度盡量一致(不 是指基準(zhǔn)點高度,指壓料面高度,由于使用下氣 墊,要求各槽壓料圈行程一致,DL圖設(shè)計時應(yīng)考慮 使拉延深度相近,結(jié)構(gòu)設(shè)計按大的取;雙動拉延?？?慮壓料面高度基本一致。b.各序基準(zhǔn)點高度差按拉延工序中兩個制件間的 基準(zhǔn)點高度差取值。c.使用上氣墊的,應(yīng)注意氣墊的平衡,尤其是圖3 廢料滑出動態(tài)仿真模擬 各槽壓料板形式不同(上活、下活

13、、上下 活,如果某一個工位只有一個件有工作 內(nèi)容,另一個件的位置應(yīng)該設(shè)置相應(yīng)的平 衡打桿。(8上模為快速夾緊的,壓板槽側(cè) 面應(yīng)為加工面,用于快速夾緊器接近感 應(yīng)。另外,需要注意設(shè)備上的快速夾緊器是擺動類型還是滑動類型。如果是擺動類型,則模具 的快速夾緊壓板槽的位置是固定的,即上模寬度與滑 塊寬度必須相同;如果是滑動類型,需要注意快速夾 緊器的滑動行程,以保證模具上設(shè)置的壓板槽在快速 夾緊器的滑動行程范圍之內(nèi)。(9若上滑塊有接近開關(guān)傳感器,要在上底板 的上表面相應(yīng)的位置設(shè)置感應(yīng)面,用于換模時上滑塊 接近上底板時感應(yīng)。(10多工位模具上氣墊打桿行程盡可能一致, 若壓床各工序上氣墊是獨立的,各序上氣

14、墊行程可以 不一致,但是行程一致可以保證壓床的受力平衡。 (11部分廠家要求拉延工序的下氣墊有預(yù)加 速和壓力建立過程,因此在設(shè)計該類拉延模具時,壓 料圈的行程應(yīng)是實際工作行程、預(yù)加速行程、壓力建 立行程之和,對此要特別關(guān)注用戶壓床資料。 3.3 干涉檢查在自動化生產(chǎn)方式的沖壓線上,整個生產(chǎn)過程無 人參與,制件的搬運是靠自動化傳輸(機械手設(shè)備 實現(xiàn)的。在這種生產(chǎn)方式中,工件及自動化傳輸設(shè)備 與模具結(jié)構(gòu)之間的干涉問題就顯得尤為突出,如果模 具結(jié)構(gòu)不能滿足自動化沖壓線的自動化通過性,將會 導(dǎo)致模具調(diào)試周期延長,甚至可能導(dǎo)致模具結(jié)構(gòu)修改 甚至報廢,因此必須在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計階段進行模具結(jié) 構(gòu)的自動化通過性

15、干涉檢查。目前,采用的干涉檢查 手段主要有靜態(tài)檢查和動態(tài)模擬仿真。(1靜態(tài)檢查1:根據(jù)沖壓工藝設(shè)計者制定的 傳輸圖,在模具結(jié)構(gòu)中插入零件傳輸?shù)南嚓P(guān)部件及傳 輸曲線(圖4,注意曲線的擺放位置主要為危險點 及吸盤點等。(2靜態(tài)檢查2:在模具閉合的狀態(tài)下,利用 干涉曲線的絕對曲線生成包含取送件機構(gòu)和工序件 在內(nèi)的真實運動軌跡模擬文件,對下模進行干涉檢 查(圖5,要求下模所有彈性元件必須釋放行程, 檢查結(jié)果要求所有零件都必須在絕對軌跡之下,并保 證有一定的安全距離(加工面20 mm,非加工面30 mm。利用干涉曲線的相對曲線生成包含取送件機構(gòu)和 工序件在內(nèi)的相對上模的運動軌跡,然后對上模進行 干涉檢查

16、(圖6,同樣要求上模所有彈性元件必須 釋放行程,檢查結(jié)果要求所有零件都必須在絕對軌跡 之上,并保證有一定的安全距離。(3動態(tài)模擬仿真:傳統(tǒng)基于靜態(tài)干涉曲線的 設(shè)計方法有其局限性,不能全面整體分析整個機構(gòu)間 的干涉狀態(tài),很難滿足復(fù)雜的運動分析,且無法直觀 圖4 取送件機構(gòu)靜態(tài)檢查 圖5 絕對運動軌跡模擬 圖6 相對運動軌跡模擬 地觀看和檢查。為滿足生產(chǎn)需求,利用CAD軟件與 VBA的接口程序設(shè)計技術(shù)進行二次開發(fā),設(shè)計了各生 產(chǎn)線的動態(tài)干涉模板。利用此模板可以對自動化沖 壓線的模具進行動態(tài)模擬仿真,并生成自動化模擬文 件。檢查結(jié)果要求工序件在傳輸過程中,取送件機構(gòu) 及工序件不得與模具發(fā)生干涉,并要保證有一定的安 全距離。目前,根據(jù)各公司的生產(chǎn)線要求及壓機參數(shù)(圖 7,利用編程和二次開發(fā)技術(shù),開發(fā)建立了各生產(chǎn) 線的數(shù)字化樣機 1(圖8,用于真實模擬所設(shè)計模 具的生產(chǎn)狀況,并對其自動化通過性進行檢查,以保證模具結(jié)構(gòu)能夠順利通過自動化取件,縮短調(diào)試周 期,降低制造成本。圖7 自動化通過性參數(shù)曲線除了以上3種干涉檢查外,對于可自由編程的取 送件裝置要保證在滑塊到達(dá)上死點的時候模具有足夠 大的打開空間,以保證取送件裝置可以順利取件。4 結(jié)論(1通過本次研究,總結(jié)了自動化沖壓線模具 在沖壓工藝和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計時所要重點關(guān)注的一些規(guī) 范性問題,這對自動化沖壓