（机械工程专业论文）重型卡车纵梁加工工艺的研究与优化应用.pdf

中文摘要 论文题目：重型卡车纵梁加工工艺的研究与优化应用 专业：机械工程 硕士生：陈耀平( 签名) 指导教师：徐学利( 签名) 高炳( 签名) 羁皿甭 摘要 车架纵梁是构成车架总成的重要部件，纵梁的加工效率问题俨然成了影响各大重卡 生产厂家的产能的瓶颈问题。纵梁是重卡上最大的部件，因此在考虑它的结构形状时， 必须考虑工艺装备的条件。以往的加工方式为钻模板钻孔，加工效率低，且劳动强度大， 产品精度低，在大批量生产中已无法满足装配需要。模具生产具有生产效率高、产品精 度高、自动化程度高等特点，但模具投资费用巨大，模具制作周期较长，随着市场多样 化、变型车需求越来越旺盛，此种方式已经不能充分满足市场的需要。必须采用新的工 艺方案，在大批量生产中，生产效率是工艺中亟需解决的问题。为了保证整车的装配需 求，必须根据纵梁的工艺性研究适合的工艺方案，并且充分利用现有摇臂钻床、6 0 0 0 t 压力机、平板数控冲、腹兼平数控冲、三面冲等设备，制订出柔性化生产方式，既能提 高纵梁的生产效率，又能保证纵梁的质量要求，保证整车装配。本文将对纵梁的加工工 艺进行研究。 关键词：纵梁加工数控冲孔柔性加工效率 论文类型：应用研究 s u b j e c t ：h e a v y d u t y t r u c kl o n g i t u d i n a ls t u d y a n do p t i m i z a t i o no fp r o c e s s i n g s p e c i a l t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： a p p l i c a t i o n s m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g c h e ny a o p i u g ( s x ux u e l i ( s i g a o b i n g( s a b s t r a c t f r 锄er a i l sc o n s t i t u t ea ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ef r a m ea s s e m b l y ，t h ep r o c e s s m g e f f i c i e n c yo ft 1 1 el o n g i t u d i 砌i m p a c ts e e m st oh a v e b e c o m et h em a j o rm a n u f a c t u r e ro fh e a v y t m c kp r o d u c t i o nb o t t l e n e c k s s t r i n g e ri st h el a r g e s th e a v y t r u c kp a r t s ，a i l dt h e r e f o r ec o n s l d e r i t ss t r u c t u r ea n ds h a p e ，w em u s tc o n s i d e rt h ec o n d i t i o n so f p r o c e s se q u i p m e n t p r e v i o u sd r i l l i n gt e m p l a t ef o rt h ed r i l l i n gp r o c e s s i n gm e t h o d s ，p r o c e s s i n ge 士e n c y 1 s 1 0 w a n dl a b o r - i n t e n s i v ep r o d u c t sw i t hl o wp r e c i s i o n ，i nm a s sp r o d u c t i o n h a sb e e nu n a b l et o m e e ta s s e m b l yr e q u i r e m e 鹏m o l dp r o d u c t i o n w i t hh i g he f f i c i e n c y ，h i g hp r e c l s l o n ，量l i g h d e g r e eo fa u t o m a t i o n ，b u tt h eh u g ei n v e s t m e n tc o s t s ，m o l d ，m o l dp r o d u c t i o nc y c l e 1 sl o n g e r ， a st h em 斌e td i v e r s i f i c a t i o n ，孕o w i n gd e m a n d f o rs t r o n gv a r i a n t s ，t h i sa p p r o a c hh a sn o tf u l l y m e e tt h em a r k e tn e e d s m u s ta d o p tan e wt e c h n o l o g yp r o g r a m ，i nm a s sp r o d u c t i o n ，p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y 1 st h e p r o c e s sn e e d e dt os o l v ep r o b l e m s i n o r d e rt oe n s u r et h ev e h i c l e sa s s e m b l yr e q u l r e m e n t s ，t h e p r o c e s sm u s tb eb a s e dl o n g i t u d i n a ls t u d yo fa p p r o p r i a t et e c h n o l o g ys o l u t i o n s ，a n d f u l lu s eo f e x i s t i n gr a d i a ld r i l l i n gm a c h i n e ，6 0 0 0 tp r e s s ，f l a tc n c p u n c h i n g ，c n cf i a tb e l l y a n dr e d ，r e d a n do t h e re q u i p m e n to nt h r e es i d e st ow o r ko u tf l e x i b l em o d e o fp r o d u c t i o n ，b o t ht o1 m p r o v e d r o d u c t i o ne f f i c i e n c ys t r i n g e r s ，s t r i n g e ra n dg u a r a n t e et h eq u a l i t yr e q u i r e m e n t s t oe n s u r et h e v e h i c l ea s s e m b l y t h i sp 印e rw i l ls t u d yt h el o n g i t u d i n a lb e a mp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y k e yw 。r d s ：l o n g i t u d i n a lb e a mm a c h i n i n g n u m e r i c a lc 。n t r 。1p u n c h i n g n e x i b l e m a n u f a c t u r eh i g he f f i c i e n c y t y p e o ft h e s i s ：a p p l i e dr e s e a r c h 1 1 1 第一章绪论 1 1 项目研究的必要性 第一章绪论 车架总成是现代重型载重汽车的重要组成部件。承受及传递各种复杂载荷的力以及 力矩。并支撑着变速器、发动机、离合器、转向器、悬架及驾驶室、货箱和电器、车桥 等总成及零部件。车架总成具有汽车脊梁之称。车架上一般设有从( p 4 0 q 5 0 的大小不等 且位置不同的零件安装孔、管线卡孔、穿线孔及自身装配用的铆接孔等。就车架左右 纵梁而言，孔的数量根据车架长短，车型种类及配置的不同，一般有3 0 0 , - - , 9 0 0 个之多。 车架纵梁是构成车架总成的重要部件，纵梁的加工效率问题俨然成了影响陕重汽产 能的瓶颈问题。纵梁是重卡上最大的部件，因此在考虑它的结构形状时，必须考虑工艺 装备的条件。以往的加工方式为钻模板钻孑乙，加工效率低，且劳动强度大，产品精度低， 在大批量生产中已无法满足装配需要。模具生产具有生产效率高、产品精度高、自动化 程度高等特点，但模具投资费用巨大，模具制作周期较长，随着市场多样化、变型车需 求越来越旺盛，此种方式已经不能充分满足市场的需要。必须采用新的工艺方案，在大 批量生产中，生产效率是工艺中亟需解决的问题。为了保证整车的装配需求，必须根据 纵梁的工艺性研究适合的工艺方案，并且充分利用现有摇臂钻床、6 0 0 0 t 压力机、平板 数控冲、腹兼平数控冲、三面冲等设备，制订出柔性化生产方式，既能提高纵梁的生产 效率，又能保证纵梁的质量要求，保证整车装配。 本课题将围绕我公司车架纵梁的生产工艺做出分析与研究，即利用平板数控冲、腹 兼平数控冲、三面冲、6 0 0 0 t 压力机等先进设备，通过工艺分析，结合公司的生产结构， 合理布局，优化工艺，使各种资源达到最大化利用，解决我厂纵梁加工困难的难题，并 应用于纵梁加工的生产实际中，为公司的发展创造最大价值。 1 2 重型卡车纵梁加工的应用现状和发展趋势 2 0 世纪8 0 年代后期，欧洲就已经开始引进数控冲孔生产技术对汽车底盘上的纵梁孔 进行加工。在2 0 世纪9 0 年代后期，我国首先由二汽集团车架厂引进了国内的第一条数控 纵粱平板冲孔生产线，由德国r a s i k i n 公司生产。江淮汽车厂引进的数控生产线则是数控 纵梁平板冲孔生产线，由意大禾i f i c e p 公司生产。到了2 1 世纪，各大中型及重型汽车制 造企业都相继引进了数控先进设备，车架纵梁制造业发生了革命性的发展。我国也相继 出现了国产的纵梁平板数控冲孔线和“u ”型三面数控冲孔线，分别由捷迈、金方圆、法 因等国内企业生产制造。数控加工已成为目前的一种趋势，完全取代了传统的钻模板加 工。但是，同时出现的问题是一些制造企业开始完全依赖上了数控加工，数控机床设备 在生产旺季时产生严重工艺涌堵，而传统加工的设备钻床闲置一旁从而造成加工设备资 西安石油大学硕士学位论文 源的浪费。科学的编制现场加工工艺流程，合理的进行工艺方案的选择，结合目前先进 数控冲孔技术与传统的普通摇臂钻床钻孔工艺，组成了一条无模具化的纵梁孔位加工生 产线，从而实现了汽车纵梁制孔生产的高效率、高质量、高稳定性以及低成本。同时也 避免由于工艺失衡，造成的资源浪费现象。 1 2 i 车架纵梁制孔的常规工艺及特点 1 2 i 1 传统的摇臂钻床钻孔工艺 ( 1 ) 型板料一钻孔模具：三面钻孔模具；设备：摇臂钻床 ( 2 ) ( 展开) 平板料一钻孔 模具：平板钻模；设备：摇臂钻床 工艺优点： ( 1 ) 此工艺方法的适应性非常强，当出现新产品投入以及品种变更的情况时只需要 两周时间就可完成模具和工艺准备的投入，并在工艺上达到批量量产。 ( 2 ) 所需要的设备、模具的资金投入少，只需要平均5 3 万元台的z 3 0 5 0 a - - 1 6 0 摇臂钻 床，平均5 0 0 0 元倡0 的平板钻模，平均1 2 万元倡0 的三面钻孔钻模。 ( 3 ) i 艺方法稳定，设备维护及操作简单，总的综合成本很低。 工艺的缺点：劳动生产效率低，产品尺寸精度差。 1 2 1 2 一次成形且冲孔的工艺 板料一次成形并同时完成冲孔作业，模具：多孔冲孔且同时成型的复合模具：设备： 压力机要求5 0 0 0 0 k n 以上的。 工艺优点：适合大批量的生产。且生产效率极高，尺寸精度高，属于典型的刚性生 产工艺。 工艺缺点： ( 1 ) 所需要的设备、模具的资金投入少，须约2 0 余万元台一次冲孔成型复合模具， 约6 0 0 余万元台的5 0 0 0 0 k n 以上压力机。 ( 2 ) 当出现新产品投入、品种发生变更的情况时，至少需要半年以上才能投产并达 到量产。而且一旦产品结构改型，昂贵的模具就必须报废，重新制作。现在这种工艺已 被大多数汽车制造企业逐渐淘汰，己适应不了当今社会市场产品的快速变化。 1 2 1 3 数控冲孔工艺 ( 1 ) ( u ) 型板料一冲孔 ( 2 ) ( 展开) 板料一冲孔 工艺特点： 模具：无( 自带刀具库) 模具：无( 自带刀具库) 设备：三面数控冲孔机 设备：数控平板冲孔机 ( 1 ) 尺寸精度高，生产效率高，加工工艺具有良好的柔性。 2 第一章绪论 ( 2 ) 产品适应性强，非常实用于当前市场的多批次、短周期内投产，多品种、小批 量的纵梁生产现状。而且当出现新产品投入、产品品种发生的变更情况时，无须进行模 具准备，两天内就可完成工艺准备达到量产。 工艺缺点： ( 1 ) 投入的设备、配套设施的资金大，需要约3 0 0 余万元台的数控平板冲孔机，约6 0 0 余万元台的三面数控冲孔机。 ( 2 ) 设备操作复杂，设备维护困难，年维护费每台7 5 余万元。且设备开动使用的运 行成本高。 1 2 2 纵梁孔位加工的工艺设备及新工艺选择 汽车年产量在五万台以上的中大型载重车制造厂家中，所生产的汽车一般有上1 0 个 品种上至几百个规格的车型。旺季时的日产各种规格型号的汽车产量要求达到3 5 0 至4 0 0 辆份，一辆份车架有左右纵粱共两根，那就要求企业对纵粱的日产量达至l j 7 0 0 至8 0 0 根 天。这其中包含的纵梁品种可能包括几个或十几个规格。对车架纵梁的生产组织而言多 批次、多品种、小批量的不定型生产很难组织。而大批量的定型生产旧比较容易，使用 专用钻模钻孔或专用冲模一次冲孔都能很好解决的生产组织问题。但是，专用钻模或专 用冲模开发周期太长，从模具设计、制造再到出产品，一套冲孔成型模具一般的周期要 半年以上，钻模的制作也需要两个月左右，资金投入大，动辄上百万，这大大增加产品 开发承受的风险和成本，根本无法适应市场快速变化的需要。 新型高精度、高效率的纵梁数控冲孔加工设备是其中最好的选择。但是一台纵梁数 控冲床每天按1 4 d x 时运行工作，平均每天也只能生产4 0 至5 0 台份，如要满足企业要求的 3 5 0 至4 0 0 台份日的产能，至少需要配置9 台数控冲床。一台国产纵梁数控冲床大约3 0 0 万 元左右，进口机则需要上千万元，投入9 台以上则需要大于2 7 0 0 万元。而且数控冲床的使 用成本高，故障多，年维护修理费高。此外，纵梁数控冲孔生产线占地面积每台达3 0 0 m 2 。 到了淡季，日产量一般只有旺季的1 4 至1 3 ，这么大的资金、厂房占用，对企业来说将 是一个极大的浪费，对于一个发展中的中等规模的汽车制造企业来说无疑是一种奢望。 用钻孔工艺，使用成本低，设备及场地的投入费用小，但要提高效率就必须投入新的钻 模，不适合现在社会品种快速更换的节奏，所以只用传统的钻孔工艺也不合适。 制造业的历史实践证明，好的加工工艺除了要真正考虑技术层面的因素外，还应充 分考虑到原材料的投入与产出比，以及经济效益与综合技术的相互关系。把先进的制造 技术与成熟的传统加工工艺科学地进行有效的结合与利用，往往可以创造出奇迹，实现 效率最大化。虽然钻孔工艺由于其加工工艺的简单古老，被现代制造技术理念逐渐所忽 视，但只要合理的和先进技术进行衔接，不但能使先进技术得以充分的利用，使得生产 效率最大化，又能发挥传统设备的价值和潜能。 西安石油大学硕士学位论文 1 2 2 1 小批量或单件样品试制的生产工艺 技术员编制好数控程序，加工人直接在数控平板冲孔机上进行冲孔作业。 1 2 2 2 大批量生产工艺 工艺方法：( 展开) 板料进行数控平板冲孔_ “1 + 4 ”叠钻； 设备：平板纵梁数控冲床2 台，型号p p l 5 5 d ；摇臂钻床1 6 台，型号z 3 0 5 0 。 工艺过程：首先，技术员编制好数控程序，加工车间用数控冲床快速地冲出纵梁成 品，并以产品每批次的五分之一当作“钻模”样板使用，即以一件冲好孔的纵梁板料叠在4 件同型号的板料上按“1 + 4 ”的方式进行钻孔，此时是以工件代替钻模使用，在摇臂钻床上 实现无钻模化高效钻孔。但是，由于车架纵梁属于狭长类型的工件，一般长度都在5 m 以 上，工艺上要求每两台钻床设置为一个叠钻工位，可以减少占地面积，缩短工艺路线。 1 2 3 数控冲孔与普通钻模钻孔结合的制孔加工生产线的特点 1 2 3 1 低成本、高柔性 在企业多品种、多批次、小批量的生产情况下，大大减少了模具更换、调整准备过 程烦琐的时间；而且在新样车开发、品种发生变更的时候，也不需要进行漫长的模具准 备时间，产品种类规格变更，只是需要输入相应的c a d 图形，就可以由电脑自动生成新 的数控冲孔机床的加工程序，然后制造出相应的样板成品，表现出很好的高适应性、高 柔性。在满足工艺要求的3 5 0 _ _ 4 0 0 台份日产能要求下，总体的设备设施投入仅不至1 1 0 6 0 万元，投入总额还不到全数控设备投资的1 3 ，而且每年的设备维护费用只是全数控冲床 的1 4 ，同时省去了昂贵的模具制造费用，对降低产品综合成本来说是显而易见的。 1 2 3 2 效率高 采用“l “”叠钻工艺，上一次料就可完成4 件纵梁的生产，这样就可以减少三次的上 下料以及装夹工件所需要的辅助时间。一般每班每个工位可钻短而孔少的纵梁( 6 m 以下) 大约5 0 台副，长而孔多的约4 0 台副，在旺季时两台数控冲床加8 个叠钻工位。一天工作时 间按两班1 4 d , 时生产，就可达至1 4 0 0 台份以上，完全达到了全数控化的生产效率要求。 1 2 3 3 综合效益高 综合比较数控冲孔与传统钻孔相结合的工艺与全数控冲孔工艺几项费用指标；前三 项指标中设备总投入可以减少2 6 3 0 6 万元，且每年的设备折旧费能降1 氐2 4 9 9 万元，年设 备维护费降低5 2 1 4 万元，此综合工艺凸现出良好的经济效益。 4 第一章绪论 1 2 3 4 产品的实物质量好 目前，市场上所使用的纵粱数控冲床精度一般在x 轴土o 5 0 12 0 0 0 m m ，y 轴士0 2 0 5 5 0 m m ，左右纵梁孔的形状公差能达至l j i t l 2 i t l 4 ，数控机床精度远远超过企业对产品要 求的精度。此外，为了防止钻头的两侧副切削刃在叠钻过程中对模板孔过度扩孔而引起 孔径的超差，工艺上要求生产过程中一件母板只能使用一次套孔叠钻。产品质量精度经 历过纵梁叠钻过程中的装夹、定位、钻削等造成的累计误差，经过多年来的生产实践和 严格的检验验证，证明产品的实物质量均符合图样要求。 实践证明，数控冲孔技术与传统钻孔工艺有机结合起来的工艺方式，在生产实际中 已收到很好的效果。这种生产线不仅可加工同样产品范围内的零件，而且实现无模具化 汽车纵梁n c l 工艺是成功的，并且是有效的生产工艺。这种工艺方式对于大批量汽车纵 粱产品的生产，更容易帮助汽车制造企业实现高效率、高稳定性、高质量以及低成本的 目标。而且对于变型产品、换代产品以及新产品同样具有快速反应的能力，真正实现了 柔性化生产的特点。 汽车底盘车架纵梁孔的加工是世界卡车公司困扰多年的难题之一，而早在2 0 世纪8 0 年代初，比利时索能公司就将这个烦恼给化解了。 世界知名的机床制造商的比利时索能公司，机床上所有的机械部件都由公司加工制 造，采用的都是世界知名品牌机床外购件，并且所有设备都配备公司自己开发的控制系 统。这样，每台设备的可靠性和高精度、高效率就得到了保证，并能得到来自索能公司 的及时有力的维护。索能公司于1 9 8 8 年成立了专门从事工业应用硬件和软件开发的索能 控制公司。 以前重型卡车纵梁的冲压成形和孔加工都是由大型压力机来完成的：吨位最高可高 达6 0 0 0 t ，设备台面达至1 1 2 m 长。但是这些大型压力机对于一般的汽车制造厂家来讲，确 实是一项巨额的投资，可以说有的企业是不堪重负，这些资金的投入不仅包括设备的采 购费用，而且还必须包括生产不同型号的产品所须投入的模具制造费用。 d a f 公司一一家荷兰的公司首先大胆进行设想，是否能够生产一台可用来完成不同 产品总量的孔加工的柔性化打孑l 设备。这在当时仅仅只是一个设想，而且由于当时该设 备的汽车制造市场几乎没有。当时，欧洲很多设备制造商并没有想把这个设想变成现实， 然而索能公司却意识到柔性化打孔设备是一个非常独到且具有挑战性的市场。因此，索 能公司决定生产专用打孔设备，从生产普通设备进行转型。于是，经过努力，在1 9 8 5 年 第1 台柔性化的三面冲孔机出世了，此设备一经投入使用，客户d a f 公司便很快给出了很 好的高度评价，同年d a f 公司又订购了一台柔性化打孔设备。而且该设备已经过去了二 十多年时间，至今还在使用中。 在随后的二十多年的时间里，索能公司又连续生产了近三十条不同配置的数控冲孔 线。 西安石油大学硕士学位论文 荷兰的d a f 公司、德国的m a n 公司、法国的雷诺公司、瑞典的沃尔沃公司和意大利 的依维柯公司以及中国的北汽福田汽车公司、东风汽车公司、中国重型汽车集团公司等 等大型企业都是索能公司的主要的用户。经过多年的实践证明，索能公司目前所生产的 设备与以前的冲孔机相比，显得更加可靠，更加柔性化，也大大的提高了生产效率。三 面冲孔线是由一个中控系统组织生产的，在中控系统内预制客户订单，公司可根据订单 生产不同要求规格的纵梁。 根据用户的要求，索能公司能够为其量身打造适合他们的大梁冲孔线。确保客户对 不同孔径、孔数、孔型、材料、长度、上下料、效率等多方面的要求得到满足。生产效 率非常高，每孔平均冲孔时间不足1 s 。可以说该设备是一个效率高、可靠性高和柔性 化程度高的冲孔设备。柔性化主要体现在可加工包括直通梁、变截面梁、特型梁、弯曲 纵梁等多种形状的纵梁；可靠性体现在设备不需要更多维护，可三班2 4 h 不间断运转； 效率高体现在车架纵梁可以及进行连续冲孔，并且数根纵梁可同时在线冲孔，汽车纵梁 的生产节拍得到大大缩短了。 目前，汽车纵梁一般都采用巨型压力机进行冲孔。一汽集团公司车身厂有专门供汽 车纵梁生产的基地，分别1 主1 3 5 0 0 t ，4 0 0 0 t 两台大型机械式压力机组成，主要负责重型卡车 厚板料车架纵梁的落料冲孔、压弯成型两道生产工序。大型压力机须同时配备有大型模 具，纵梁模具的制造周期长，造价高，一般1 0 m 长的车架纵梁落料、冲孔两套模具需投 入上千万元资金，并历时几个月制造周期。大型压力机的造价相当昂贵，目前一般都依 赖进口，所需厂房举架高、大型模具的占地面积大。不同类型、不同长度的汽车纵梁需 制造不同的模具与之相适应，造成模具的品种多，可能几个品种的纵梁产品所投入的模 具投资就得上亿元。纵梁模具由于体积大，模具更换困难，占用很长的生产时间，模具 装卸一次需要l h 左右时间。现在一种新型纵梁三面冲孔机，它能实现所有汽车u 型纵梁三 维冲制，解决了以上难题。纵梁三面冲孔机优点是冲孔精度高，缩短了整个纵梁的生产 节拍，大大降低了模具制造成本，而且它具有非常大的生产灵活性，允许左右纵梁相互 匹配冲制，适应任何形式的汽车纵梁冲制，具有十分广泛的应用前景。 1 2 4 三面冲孔机的性能特点 纵梁三面冲孔机可用于冲制厚度在5 到1 3 m m 范围钢板，长度在4 1 2 m 范围的纵梁，翼 面的高度不超过7 0 1 0 0m r l l ，冲孔的直径不超过5 6 5m l t l ，由于重型卡车左右纵梁的长度 不会如此的短，所以汽车纵梁的设计要求能够得到满足，冲孔的孔位精度能达到士0 0 5 i l n l ，完全满足车架总成的装配需要。计算机控制系统是三面冲孔机的最大优势，其系 统的设计硬件包括6 8 0 0 0 c p u 处理器共3 个、硬盘、单板机设计的网络连接、软驱以及软 件操作环境( u m x 多用户操作系统) 用于系统的控制。通过计算机网络系统，整个工作环 境实现自动控制化。 6 第一章绪论 1 2 5 应用前景 1 2 5 1 三面冲孔机适用于汽车车架纵梁的装配需要 目前，重型汽车的车架总成装配的主要难题是纵梁上装配用的孔位精度低，偏差大， 造成横梁与纵梁装配困难，其原因主要是工艺上要求利用压力机先对平板料进行落料冲 孔，后压弯成型，最后一道工序压弯成型后，车架纵梁是不可避免回弹的，纵梁孔位在 某一基准点的实际二维坐标位置与理论设计位置有很大的偏差，尤其纵梁上翼面孔位的 偏差更大，最终造成车架铆接困难，累计误差加大，整车匹配不好，影响整车的最终质 量。 三面冲孔机的优点是工艺上纵梁压弯成型后冲孔，减小了纵梁的孔位偏差，并减少 车架总成铆接时出现的夹钉、歪钉等装配困难情况，提高了车架的生产效率；三面冲孔 机采用编码器实行精确定位，解决了纵梁成型后造成的翘曲问题。纵梁孔位的实际坐标 位置与理论位置有偏差，在冲孑l 前需要先确定其相对理论位置的实际位置，两者差异的 校正要通过冲孔机上的压力来实现。基于这种设备的构造，在冲孔位置不可能进行梁的 定位，因此，我们在冲孔机工作区外安置两个编码器对纵梁进行校正，校正值取两次测 量的平均值。为避免纵梁的位移，在冲孔机利用压力机校正期间，我们进行了导向辊的 安置，左边导向辊是固定的，右边导向辊沿纵梁宽度方向是可移动的，右导辊与气缸相 连，推进梁紧靠在左固定辊上。沿宽度方向可移动导向辊，位置编码器的调节是通过一 水电磁伺服马达带动球螺栓。另一种保证纵梁冲孔精确度得以的途径是通过液压控制夹 钳对纵梁夹紧实现的，夹钳安装在气垫中，夹钳具有足够的夹紧力，使纵梁不能产生滑 动，夹钳的浮动布置允许沿纵梁的方向移动，但在其它方向是无间隙移动的。夹钳构架 导向在无间隙辊体上，驱动由球螺栓控制，螺栓本身由一台电磁伺服马达驱动，其上配 有测速编码器和加载安全制动的弹簧，通过编码器对纵梁进行自动定位，压力机对纵梁 的校正，液压夹钳对纵梁的夹紧送入，显著提高了纵梁的冲孔精度。 1 2 5 2 三面冲孔机适合于未来汽车纵梁生产的发展趋势 纵梁压弯成型后，总是伴随着回弹现象，这就使得纵梁开口尺寸增大，偏离实际尺 寸，影响纵梁冲孔后的孔位尺寸，造成车架总成装配困难。目前，一些大型钢厂正考虑 轧制u 型钢材，从而保证了纵梁开口尺寸精度，彻底提高了车架总成的装配质量。汽车 制造厂家按照这一生产工艺，就可以直接在纵梁上冲孔，无须大型压力机对纵梁压弯成 型。从发展趋势来看，纵梁三面冲孔机就变得更为实用，投资少、灵活性强，突出了它 的工艺优势。 1 2 5 3 纵梁三面冲孔机适合于未来市场发展，随着人们物质生活水平的提高，汽车 的购买力不断增强，汽车的需求也越来越多样化、个性化。载货车纵梁由原来的几个品 西安石油大学硕士学位论文 种发展到现在的上千个品种。因此，未来汽车市场的发展趋势是“多品种、小批量”。大 型压力机适合大批量流水作业，但是投资大、资金周转周期长、模具制造周期长，而三 面冲孔机适合于纵梁的改制及多品种需求。三面冲孔机通过编程，可以方便快捷地改变 纵梁孔位的位置与孔径的大小，代替了传统钻床改制纵梁孔位，孔位的位置精度与孔径 精度得到了提高，适合于未来“多品种、小批量”生产。 1 3 本文的主要研究内容 陕西重型汽车有限公司( 以下简称陕重汽) 是一家以生产重型军用越野车、重型卡 车、大客车为主的大型汽车公司。为了提升公司汽车产能，更好地提高市场占有率，陕 重汽在北郊成立了重卡产业园。在产能目标大幅攀升的情况下，如何提升车架的生产能 力，提高车架的产品质量，成为工艺人员亟待考虑的问题。而随着我国汽车工业的飞速 发展，客户个性化需求越来越多，各种变形车架层出不穷，传统的加工制造方法已不能 满足上述要求。 车架厂北郊工厂建成后成立纵梁车间，主要承担陕汽重卡各种车型的纵梁加工任务， 包括斯太尔平台，德龙f 2 0 0 0 ，f 3 0 0 0 等纵梁产品。由于纵梁是车架总成的重要部件，产 量大，这就需要先进的加工手段；2 0 11 年，陕重汽产能目标要求达到1 5 万辆，更需要先 进、合理的工艺生产，以保证车架总成质量及产量。根据生产需要，将“重型卡车纵梁加 工工艺的研究与应用”作为本论文的题目。 利用现场总线技术，结合现场施工实际情况对纵梁加工工艺进行了细致的分析研究， 根据纵梁加工设备及生产线的实际情况，利用前人成熟的设计理论，根据纵梁加工设备 的有关参数，确定纵梁加工生产线的各部分控制系统，设计出了满足高效率要求的控制 系统。 第二章数控冲孔生产线整体方案设计 第二章数控冲孔生产线整体方案设计 2 1 汽车纵梁数控冲孔设备简介 目前，各大汽车制造企业所使用的汽车纵梁数控冲孔设备主要是采用目前成熟的液 压系统作为主传动，借助先进的数控加工系统、自动编程软件系统，自动完成汽车纵梁 的冲孔作业。根据车架纵梁的分类，汽车纵梁数控冲孔设备分为两大类：一类是连接板 冲孔设备( 即行业中统称为小梁冲) ；用于完成车架连接横梁的冲孔作业：一类是纵梁冲 孔设备( 即行业中统称为大梁冲) ：用于完成车架主梁和内梁的冲孔作业。 连接板冲孑l 设备，为汽车车架纵梁生产中加工连接板、小横梁等板材冲孔作业设计 的。由于连接横梁的冲孔工艺比较单一，所以该机型也相对的比较固定。可单机使用， 并配备自动上下料，或2 台联机使用完成较大连接板的冲孔作业。目前该设备在各大汽车 厂商及车架配套厂得到了广泛的应用，解决了车架连接板冲孔精度低、效率低等瓶颈问 题。 纵梁冲孔设备，根据汽车纵梁冲孔工艺的不同，目前可分为平板冲孔线和u 形梁冲 孔线两大类。8 2 0 0 0 年以来，在国内各大汽车厂广泛的使用这两种形式的冲孔线。 平板冲孔线，属纵梁冲孔设备是所借鉴国外技术最先自主研发的。目前主要使用的 开式平板冲是c 型主机结构，以其高效率、高精度、高柔性化的性能特点，一直占据着 纵梁冲孔设备的主要市场。国内的c 型主机结构的开式平板冲机床的生产厂家主要是济 南铸造锻压机械研究所、江苏金方圆数控机床有限公司、山东法因数控机械股份有限公 司等。 u 形梁冲孑l 线，以比利时索能公司的三面冲为最好，其产品结构和性能在纵梁数控 冲孔行业中都是最有优势的，如中国重汽、北汽福田等都国内的汽车厂有在使用这种进 口的u 形梁冲孔线。济南铸造锻压机械研究所在2 0 0 4 年研发完成国产的u 形梁冲孔线，是 目前国内唯一的u 形梁冲孔线设备供应商，并在接下来的几年里，对u 形梁冲孔线进行了 技术改进；保持着国内u 形梁冲孔线的技术优势，根据国内汽车厂商对不同纵梁的加工 要求，拥有制造针对u 形梁制孔作业的多种机型单主机腹面冲、双主机腹面冲、三 主机三面冲、四主机三面冲、五主机三面冲、翼面冲等的能力。 2 2 汽车纵梁数控冲孔设备性能研究 2 2 1t p 系列数控液压板料冲孔机 该设备是一种高精度、高效率的中厚度板材加工设备，结构设计合理，性能优越， 采用的是国际一流的f u n a c 数控系统，自动编程软件支持多种格式图形文件，自动生成 9 西安石油大学硕士学位论文 的加工程序简单明了，极大的方便了用户。液压系统采用独特的双缸串联结构，系统根 据提供的板材参数，自动转换单双缸工作模式，有效的降低了能耗，从而为用户降低了 生产成本。模具采用的是直列式结构，大大的缩短了换模时间，从而提高了整机的工作 效率。送进传动部件配置精良，x 轴、y 轴采用力士乐精密导轨丝杠，保证送进精度稳定 可靠。 滑块上下运动采用t h k 超重载导轨滑块，在不影响精度不受偏载的情况下，保证了 设备的使用寿命。目前该设备的机型分公称力8 0 0 k n 和11 0 0 k n 两种，采用开式主机形式， 液压系统供用户选配有国产液压和进口哈雷液压两种，x 、y 轴送进速度均达至l j 3 0 m m i n ， 冲压频率达到6 0 次i 试n 到7 5 次m i i l ，可) j 1 - 1 - _ 4 - - 1 0 m m 厚的板料，并拥有7 个和9 个两种模 位供用户根据需要进行选择，冲孔定位精度x 、y 向均在土0 1 5 m m ：其中8 0 0 k n 机型可加 工最大工件尺寸2 0 0 0 m m x 8 0 0 m m ，最大冲孔直径可达4 0 m m ；11 0 0 k n 机型加工最大工件 尺寸为5 0 0 0 m m x 8 0 0 m m 。最大冲孔的孔直径可达5 0 m m ：这样的设备性能和加工能力， 在今后的一个时期内完全可以满足汽车车架生产单位对连接横梁板的制孔作业要求。 2 2 2 平板冲孔线 目前平板冲孔线中主要的两种机型是s t p k l 2 0 系列和s p t b l 2 0 系列汽车纵梁平板数 控冲孔线。该平板冲孔线设备是专门为汽车车架主纵梁、内梁的平板毛坯冲孔而设计的 一种高效、高精度的板材自动化加工设备，上料、下料、板料的定位及送进、模具的选 择、冲压过程的实现以及故障报警等均能够通过数控系统控制自动完成。配有高效的自 动上下料系统，采用国际一流的f u n a c 数控系统，高可靠性的c n c 技术，高性能的内置 p m c ，最新的数字伺服技术h r v 控制。 目前s t p k l 2 0 系列汽车纵梁平板数控冲孔线根据不同汽车企业的需求，根据冲压能 力和可加工板长设有不同的型号，设备冲压能力4 5 0 k n 1 2 0 0 k n ，加工板长： 4 0 0 0 1 2 0 0 0 m m ，最大冲裁板厚1 0 m m ，最大冲孔直径6 0 m m ，采用直列式模具，模位数2 5 个；送进速度6 0 r n m i n ：平均生产节拍：每根纵梁加工时间8 分钟：配有进口哈雷高低压 液压系统总成，冲压频率达8 0 次m i n ：孔位精度：士0 1 5 m m 4 0 0 m m ：士0 3m m 3 0 0 0i t i i t i ： 土0 5 0 m m 2 0 0 0 m m ：矩形排列成组孔对角线精度：士0 3 m m 3 0 0 m m 。 而s p t b l 2 0 系列汽车纵梁平板数控冲孔线设备只有单一冲压能力1 2 0 0 k n 的机型， 加工板长：4 0 0 0 1 2 0 0 0 m m ，最大冲裁板厚1 0 m m ，最大冲孔直径6 0 m m ，模位数2 0 个； 送进速度6 0 m m i n 。平均生产节拍：每根纵梁加工时间1 1 分钟：配有国产液压系统总成， 双速油缸，冲压频率达6 0 次m i n ：孔位精度：士o 1 5i t i i t i 4 0 0m i l l ；士o 3 m m 3 0 0 0m l r l ； 土o 5 0 m m 2 0 0 0m m ；矩形排列成组孔对角线精度：土0 3 3 0 01 t l l n ；该设备因为其独 特的冲压原理，以及配置的国产液压系统，使其生产节拍的提高受到限制，进行轻卡汽 车纵梁的冲孔作业时，可以保证每根纵梁加工时问s 8 分钟的平均生产节拍， 1 0 第二章数控冲孔生产线整体方案设计 但是在进行重型汽车纵梁的生产作业时，很难保证每根纵梁加工时间8 分钟的平均生 产节拍。 2 2 3u 形梁冲孔线 u 形梁冲孔线设备是目前汽车纵梁数控冲孔设备中被汽车行业最为看好的设备。无 论是淘汰摇臂钻床叠钻制孔工艺的车架企业，或是简化生产流程直接外购u 形梁的车架 企业，或是构建新厂区采用辊压工艺成型后制孔的车架企业，采用该设备后，是企业不 必再投入过多资金便可实现高效、高精度、高柔性化的生产需求，从而实现多种类、 少批量、多元化的车架总成的生产装配。 u 形梁冲孔线中的腹面冲、三面冲和翼面冲，配备的主机数量虽然不同，但都配有 f u n a c l 8 i 、f u n a c 3 1 i 和西门子8 4 0 d 的数控系统可供用户选配，功能强大，支持多轴 运动，内置大量p l c ；设备可实现自动上下料、自动编程、自动定位循环作业，设备在 u 形梁的腹面和双翼面均配有检测装置，实现根据板料的外形对孔位精度进行自动补偿， 保证了孔位精度。先进的哈雷高低压系统总成，保证了冲压高效、稳定、节能、可靠。 u 形梁冲孔线的线内主机数量可以柔性组合，汽车厂商可以根据实际生产的需要自 行进行配置，可加工u 形梁尺寸：腹面外宽最大3 6 0 m m ，内宽1 5 0 m m ，长度4 m 一1 6 m ，最 大板厚1 0 m m ，最大孔的直径6 0 m m ： 单主机腹面冲，包括腹面冲孔大主机一台，完成u 型纵梁腹面制孔作业，拥有21 个 模位：双主机腹面冲，包括小主机和大主机各一台，小主机拥有1 8 个模位，可沿x 、y 双向移动：大主机有2 1 个模位，沿y 向移动：因为多数时间是双主机同时冲孔作业，冲 孔效率更好，生产节拍6 分钟。 三主机腹面冲，包括大主机、前翼面冲主机和后翼面冲主机各一台：大主机拥有2 1 个模位，沿y 向移动，主要完成u 形纵梁腹面的n t l 作业：前、后翼面冲主机各拥有6 个 模位，沿翼面上下移动，主要完成u 形纵梁翼面的制孔作业，生产节拍1 0 分钟。 四主机腹面冲，包括小主机和大主机各一台，前翼面冲主机和后翼面冲主机各一台： 双主机腹面冲包括小主机和大主机各一台：小主机拥有1 8 个模位，可沿x 、y 双向移动： 大主机拥有2 1 个模位，沿y 向移动，主要完成u 形纵梁腹面的制孔作业：前、后翼面冲主 机各拥有6 个模位，沿翼面上下移动，主要完成u 形纵梁翼面的制孔作业，生产节拍l0 分 钟左右。 五主机腹面冲，在四主机腹面冲基础上，增3 n 5 模位的大主机一台。由于纵梁上大孔 一般只占到总孔数的2 0 ，这样，线内的腹面小孔冲和大冲主机更多的时间在进行小孔 的冲制，冲压效率更高。设备的腹面冲主机有4 5 0 k n ，6 0 0 k n ，8 0 0 k n ，10 0 0 k n ，12 0 0 k n ， 16 0 0 k n ，2 0 0 0 k n 多种冲压能力供用户选配，翼面冲有4 5 0 k n ，6 0 0 k n 供用户选配。因 为目前国内各大汽车制造企业的纵梁材质及孔的布置有差异，所以我们可以根据用户的 西安石油大学硕士学位论文 需求，量身为用户提供合理的生产线配置。 2 3 汽车纵梁数控冲孔设备的应用 早在2 0 0 0 年之前，国内汽车行业的汽车纵梁数控冲孔设备主要依赖进口，比利时的 索能公司和意大利的f i c e p 公司的汽车纵梁数控冲在国内汽车企业里有一定的保有量。 2 0 0 1 年，济南铸造锻压机械研究所自主研制了国内第一台汽车纵梁数控冲孔生产线 后，开启了国产汽车纵梁数控冲孔设备制造先河。针对汽车车架的制孔作业开发的连接 板冲孔设备、平板冲孔线和u 形梁冲孔线设备，在设备性能和稳定性上与进口设备相差 无几，价格也比进口的设备要低的多。国产汽车纵梁数控冲孔设备以其高效、高精准度、 高柔性化加工的特点，在国内重卡、轻卡、客车制造商、车架配套厂到了广泛的使用。 自2 0 0 7 年以来，国家加大对汽车企业的扶持力度，汽车企业的制造设备投入加大， 传统的纵梁制孔工艺都得到完善，新的车架纵梁生产基地大批量投入建设。更多的汽车 纵梁数控冲孔设备，o h 8 0 0 i 妯 , t 冲压能力的t p 系列的连接板冲床，1 2 0 0 k n 冲压能力s t p k l 2 旺12 型汽车纵梁平板数控冲孔线、双主机腹面冲、四主机三面冲，被国内各大汽车制 造企业及其配套工厂投入到汽车车架纵梁的制孔作业中。在江淮汽车、中国重汽、北汽 福田、一汽解放、陕重汽、宇通客车、华菱汽车、柳州汽车、东风二汽等重卡、轻卡、 客车的汽车制造企业中，国产汽车纵梁数控冲孔设备的大量使用，为企业完成产能目标， 实现逐年保量增产的发展规划提供可强有力的硬件保障。随着汽车纵梁数控冲孔设备的 普及应用，国内的汽车工业将会迎来更快更好的发展。 2 4 数控冲孔生产线优化 我们着手研制开发的是汽车纵梁的数控冲孔生产线。目前我们研发的汽车纵梁数控 冲孔生产线是集机械制造、数控技术、光电技术、液压控制技术、气动控制技术和通信 技术等等先进技术于一体的综合加工设备，它是一种数控自动化、柔性化的生产制造设 备，通过应用计算机控制技术、自动编程技术、微电子技术、远程监控技术以及精密制 造技术，使整个生产过程达到高效率、高精度的自动化生产，并且使得劳动强度大大降 低，该数控冲孔生产线比较适合多品种及小批量的汽车车架总成的数控生产。 重型汽车纵梁数控冲孔生产线按主机的床身本身结构形式一般可分为开式床身和闭 式床身两种机构；按照设备加工的左右纵梁板料的形式又可分为平板冲和u 形梁冲孔等两 种；按模具结构来分还有转塔式模具库和直列式模具库两种；并且目前正在向复合型多 功能方向发展。接下来介绍下我们新开发生产的s t p k l 2 0 1 2 型汽车纵梁平板数控冲孔生 产线，简要说明该生产线的性能及特点( 见图2 1 ) 1 2 第二章数控冲孔生产线整体方案设计 图2 1s t p k l 2 0 - 1 2 型汽车纵梁平板冲生产线 如图2 1 所示： s t p k l 2 0 - - - 1 2 型汽车纵梁平板数控冲孔线的组成部分包括了自动上料装置、上料电 动台车、板料定位装置、板料送进辊道、轴送料系统、左右浮动辊架、主机( 含模具系统、 y 轴床身等) 、废料输出装置、自动下料装置等设备以及自动编程系统、气动系统、液压 系统、润滑系统和数控系统等控制系统。 2 4 1 生产工艺流程介绍 准备好数控加工程序( 由计算机自动进行编程卜输入加工程序控制系统( 由闪存卡或 电缆进行传输) 一台车载料后就位一纵梁自动进行上料( 由电磁吸盘上料) 一工件自动定 位一夹钳夹料一工件端部定位一板料送进x 轴定位、( 精密齿轮齿条伺服驱动) 主机y 轴定 位一过滤式冲孔一纵梁至下料位一纵梁自动下料( 吸盘下料卜自动输出废料。 2 4 2 主要技术参数 主要技术参数为：机床公称压力1 2 0 0 k n ；模具数量：2 5 套；主传动方式为液压传动； y 轴送进速度：3 0 m m i n ；