淺談數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床應(yīng)用及發(fā)展趨勢

2016-10-25 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床(Numerical Control Turret Punch Press,英文縮寫NCT)是數(shù)控機床的一個重要類別,主要由控制系統(tǒng)、主傳動系統(tǒng)、送料系統(tǒng)、轉(zhuǎn)盤、模具及外圍編程軟件等部分組成,是一種集機、電、液、氣于一體化,能夠在板材上進行沖裁及其他成形加工的高速精密柔性加工設(shè)備,如圖1所示。數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床作為金屬板材加工領(lǐng)域中的關(guān)鍵設(shè)備,至今已經(jīng)有七十多年的應(yīng)用和發(fā)展歷史,已成為汽車制造、工程機械、五金、家用電器、計算機、儀器儀表、電子信息、紡織機械等行業(yè)中最為重要的工藝裝備。

圖1 江蘇揚力數(shù)控機床有限公司的EP20型全電伺服數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的分類及特點

按照主傳動的動力源,可將數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床分為以下三類:

⑴機械式轉(zhuǎn)塔沖床。這種結(jié)構(gòu)形式運動特性單一,加工工藝范圍窄,沖壓頻率低,噪聲大,離合器與制動器容易磨損,壽命低,目前已經(jīng)基本被市場淘汰。

⑵液壓式轉(zhuǎn)塔沖床。通過液壓缸驅(qū)動擊打頭,由電液伺服閥進行沖壓控制,該類型產(chǎn)品在以往相當長的一段時間內(nèi)都是市場的主流產(chǎn)品。與機械式相比,其優(yōu)點是沖壓工藝性得到擴展,沖壓頻率得到提高,噪聲得以降低。但存在油污染、耗電量大、環(huán)境和溫度耐受性差、可靠性低、維護困難等缺點。

⑶全電伺服式轉(zhuǎn)塔沖床。隨著近幾年大扭矩伺服電機及驅(qū)動系統(tǒng)的改良與推廣,全電伺服轉(zhuǎn)塔沖床取得了巨大的進步,并逐步取代了液壓式結(jié)構(gòu),成為行業(yè)的主流產(chǎn)品。

與傳統(tǒng)的機械式和液壓式相比,全電伺服主傳動形式具有諸多優(yōu)勢:

1)通用性好、智能化水平高。由于具有伺服功能,沖頭運動曲線不再僅僅是正弦曲線,而是可以根據(jù)工藝要求進行優(yōu)化設(shè)計的任意曲線,大幅提升了加工性能,擴大了加工范圍。

2)精度高。伺服電機上的編碼器可以將曲柄的轉(zhuǎn)動角度信息反饋給數(shù)控系統(tǒng),再通過沖頭位移與曲柄轉(zhuǎn)角間的函數(shù)關(guān)系進行運算處理,便可獲得沖頭位置的實時數(shù)據(jù),形成半閉環(huán)控制,實現(xiàn)對沖頭運動的精確控制,下死點精度能夠控制在±0.05mm范圍內(nèi)。

3)生產(chǎn)效率高。伺服沖床可以根據(jù)加工工藝的不同,調(diào)整沖頭的行程。在一個工作循環(huán)中無需完成360°旋轉(zhuǎn),只需進行一定角度的擺動即可完成加工,這就進一步縮短了循環(huán)時間,大幅提升了生產(chǎn)效率。

4)節(jié)能、環(huán)保。伺服電機驅(qū)動的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床,完全依靠電動機的扭矩工作,只有沖頭動作時電機才旋轉(zhuǎn),節(jié)能效果十分明顯。

5)振動小、噪聲低。通過設(shè)定沖頭的速度特性曲線,當上模接觸板材的瞬間,適當降低沖頭的運動速度,與傳統(tǒng)的機械式及液壓式數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床相比噪聲可降低8~12dB。

目前主流的伺服主傳動結(jié)構(gòu)主要有三種形式,如圖2所示。這三種機構(gòu)形式技術(shù)成熟,且各具特色,均占有很大的市場份額。

圖2 伺服主傳動機構(gòu)示意圖

⑴雙電機驅(qū)動的曲柄滑塊機構(gòu),機構(gòu)簡圖如圖2a所示,代表機型為日本AMADA公司的EM2510NT型數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床。雙電機對稱布置在機身的兩側(cè),結(jié)構(gòu)緊湊,小巧,能夠保證曲軸有足夠的扭矩輸出,同時可以獲得較高的沖壓頻次。

⑵曲柄肘桿式機構(gòu),機構(gòu)簡圖如圖2b所示,代表機型為日本MURATEC公司的MOTORUM—2048LT型數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床。該結(jié)構(gòu)雖然比較復(fù)雜,但其利用曲柄肘桿機構(gòu)特有的增力特性,可以降低伺服電機的負載扭矩,并且曲柄旋轉(zhuǎn)一周,滑塊上下運動兩次,這樣能夠達到更高的沖壓頻率。

⑶單個水冷式大扭矩伺服電機驅(qū)動的曲柄滑塊機構(gòu),機構(gòu)簡圖如圖2c所示,代表機型為江蘇揚力數(shù)控機床有限公司的EP系列及H系列全電伺服數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床。由于采用單個水冷式大扭矩伺服電機作為動力源,連續(xù)工作負載能力強,不存在雙電機驅(qū)動的同步控制問題,機械效率更高,穩(wěn)定性及可靠性更好,產(chǎn)品具有很高的性價比。

典型的加工工藝

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的典型加工工藝主要包括沖裁和成形兩種。

沖裁工藝

沖裁工藝通常也稱作材料的分離工藝,是指被加工材料在外力作用下,沿著封閉或不封閉的輪廓剪裂而分離。沖裁加工既可以直接沖制成成品零件,也可以為彎曲、拉深、成形等下一道工序準備毛坯。

通常,沖裁工藝主要分為以下四種模式:

⑴單沖(圖3)。單次完成沖孔,包括直線分布、圓弧分布、圓周分布、柵格孔的沖壓。

⑵同方向的連續(xù)沖(圖4)。使用長方形模具部分重疊加工的方式,可以加工長形孔、切邊等。當采用這種沖裁模式時,沖裁過程中模具的疊加會引起沖裁載荷偏離模具中心(偏載),將會引起機床結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形,嚴重時可能會損壞模具,因此在進行大孔徑、厚板大載荷沖裁時,應(yīng)盡可能的減小模具的重疊量,減小偏載。

⑶多方向的連續(xù)沖(圖5)。這是一種使用小模具加工大孔的加工方式,可以增加機床的柔性,擴展模具的加工范圍。采用這種沖裁模式,通常需要通過旋轉(zhuǎn)工位將凸模旋轉(zhuǎn)不同的角度,配合送料機構(gòu)在XOY平面的定位運動來完成。

⑷蠶食沖裁(圖6)。這是一種使用小圓模以較小的步距進行連續(xù)沖裁加工出圓弧或者樣條曲線的加工模式,為常見的加工模式。由于采用小圓進行擬合,所以輪廓精度和斷面質(zhì)量通常不高,且沖裁效率較低,當沖孔尺寸較大且數(shù)量較多時建議采用專門的沖孔模具。

圖3 單沖模式圖4同方向的連續(xù)沖

圖5多方向的連續(xù)沖圖6 蠶食沖裁

成形工藝

成形工藝是指板材在外力作用下,應(yīng)力超過材料的屈服點、經(jīng)過塑性變形而得到一定形狀和尺寸的加工方法,主要包括滾筋、淺拉深、翻邊、彎曲等,一些典型零件的主要成形特點及配套模具,如表1所示。

表1 典型零件的主要成型工藝特點及選擇模具

⑴單次成形(圖7),按模具形狀一次淺拉深成形的加工方式,采用這種成形模式,模具的形狀和尺寸必須與所加工的特征一一對應(yīng),與普通壓力機的加工模式完全相同,是一種完全“剛性”的加工模式。

⑵連續(xù)成形(圖8),成形比模具尺寸大的成形方式,如大尺寸百葉窗、滾筋、滾臺階等加工方式。

圖7 單次拉深成形圖8連續(xù)成形模式(百葉窗)

板材的成形過程受材料力學(xué)性能、板厚、成形溫度、成形速度等多方面因素的綜合影響,涉及到材料彈性變形、塑性變形、加工硬化、材料各向異性等多方面內(nèi)容,呈現(xiàn)出高度的非線性,其成形機理極其復(fù)雜,在實際生產(chǎn)中很難通過傳統(tǒng)的力學(xué)公式進行分析。在計算機虛擬環(huán)境下,采用有限元法對材料成形的過程進行仿真,能夠?qū)崿F(xiàn)對成形過程中的彈性回彈、裂紋及褶皺等進行預(yù)測和評估,從而有利于對成形機理進行深入研究。在工業(yè)生產(chǎn)中,通過有限元分析,可以指導(dǎo)模具設(shè)計、優(yōu)化成形工藝參數(shù),具有不可估量的實際應(yīng)用價值。目前常用的軟件主要有ANSYS、ABAQUS、MAC、LS-DYNA,DYNAFORM等。

未來的發(fā)展趨勢

隨著數(shù)控技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、伺服控制技術(shù)以及大扭矩伺服電機的發(fā)展,數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床呈以下發(fā)展趨勢。

⑴高速度、高精度。

高速度、高精度是機床行業(yè)發(fā)展的永恒追求,提高數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的速度和精度主要包括以下幾方面內(nèi)容:1)提高送料機構(gòu)的動態(tài)性能,目前的送料機構(gòu)主要以滾珠絲杠和齒輪齒條兩種傳統(tǒng)的機械傳動方式為主,并采用半閉環(huán)控制,定位速度、加速度和定位精度通常不高。隨著近幾年直線電機驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用的普及,采用直線電機驅(qū)動技術(shù),通過光柵尺進行實時運動位置反饋,形成閉環(huán)控制,有可能將數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床送料機構(gòu)的定位速度、加速度及定位精度提高到一個前所未有的高度;2)采用全電伺服主傳動,一方面,其下死點精度高,能夠控制在±0.05mm范圍內(nèi),另一方面,這種傳動機構(gòu)具有豐富的沖壓模式,比如采用高速的曲軸正反擺動加工模式,完成一次4mm沖程所需時間能夠控制在40ms以內(nèi);3)采用新技術(shù)盡可能減少停機時間,如模具磨損自動檢測技術(shù),模具自動更換技術(shù),自動上下料技術(shù)等。

⑵實時智能化。

科學(xué)技術(shù)發(fā)展到今天,市場對數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的追求已經(jīng)不再局限于精度和可靠性,而是開始立足于智能化的解決方案。重點推進的技術(shù):1)工件質(zhì)量在線監(jiān)測技術(shù);2)模具磨損在線監(jiān)測技術(shù);3)模具的自動選擇及更換技術(shù);4)遠程智能化故障診斷與排除;5)工藝專家數(shù)據(jù)庫的建立及優(yōu)化技術(shù)。

⑶節(jié)能環(huán)保。

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床主要涉及到以下三個方面的問題:1)噪聲污染,可以采用靜音加工模式、優(yōu)化機床結(jié)構(gòu)、采用隔音材料等方法進行減振降噪處理;2)油污染,全電伺服主傳動方式取替?zhèn)鹘y(tǒng)的液壓主傳動方式為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢;3)基于壽命的綠色設(shè)計理念,采用先進的設(shè)計理念及設(shè)計方法,力求材料應(yīng)用最合理化,機床不再傻大笨粗。

⑷單機柔性加工單元(FMC)及功能復(fù)合化。

大型的多機柔性加工系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacture System),也稱作柔性制造系統(tǒng),是未來的發(fā)展趨勢,但是就目前國內(nèi)市場和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特點而言,功能復(fù)合化的小型單機柔性加工單元具有更好的市場前景。這種小型的單機柔性加工單元以數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床為主體,具備去毛刺、攻絲等附屬功能,同時配以立體倉庫,自動上下料系統(tǒng),具有極高的加工柔性和效率,甚至可以實現(xiàn)無人化操作。與大型的柔性制造系統(tǒng)相比,它占地面積小,設(shè)備的購置成本低,運行的可靠性及穩(wěn)定性更好,更容易被客戶所接受,尤其適合于一些中、小型的專業(yè)鈑金加工企業(yè)。如圖9所示,為我公司于2009年開發(fā)的柔性鈑金沖裁加工單元,該柔性加工單元技術(shù)成熟,性能穩(wěn)定,目前已經(jīng)累計銷售30多臺套,為客戶帶來可觀的經(jīng)濟效益。該加工單元的兩臺數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床采用對稱布置,配備立體倉庫和自動上下料機構(gòu),自動化程度明顯提升,僅需操作工人按時監(jiān)控即可,但是要實現(xiàn)真正的無人化操作還有一些關(guān)鍵技術(shù)需要突破,比如模具磨損在線監(jiān)測技術(shù),模具自動選擇與更換技術(shù),工件質(zhì)量在線監(jiān)測技術(shù),智能化的故障診斷與排除技術(shù)等。