淺談數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

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

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床(Numerical Control Turret Punch Press,英文縮寫(xiě)NCT)是數(shù)控機(jī)床的一個(gè)重要類(lèi)別,主要由控制系統(tǒng)、主傳動(dòng)系統(tǒng)、送料系統(tǒng)、轉(zhuǎn)盤(pán)、模具及外圍編程軟件等部分組成,是一種集機(jī)、電、液、氣于一體化,能夠在板材上進(jìn)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(chē)制造、工程機(jī)械、五金、家用電器、計(jì)算機(jī)、儀器儀表、電子信息、紡織機(jī)械等行業(yè)中最為重要的工藝裝備。

圖1 江蘇揚(yáng)力數(shù)控機(jī)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(lèi)及特點(diǎn)

按照主傳動(dòng)的動(dòng)力源,可將數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床分為以下三類(lèi):

⑴機(jī)械式轉(zhuǎn)塔沖床。這種結(jié)構(gòu)形式運(yùn)動(dòng)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(dòng)器容易磨損,壽命低,目前已經(jīng)基本被市場(chǎng)淘汰。

⑵液壓式轉(zhuǎn)塔沖床。通過(guò)液壓缸驅(qū)動(dòng)擊打頭,由電液伺服閥進(jìn)行沖壓控制,該類(lèi)型產(chǎn)品在以往相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)都是市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。與機(jī)械式相比,其優(yōu)點(diǎn)是沖壓工藝性得到擴(kuò)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(hù)困難等缺點(diǎn)。

⑶全電伺服式轉(zhuǎn)塔沖床。隨著近幾年大扭矩伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)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(jìn)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(jī)械式和液壓式相比,全電伺服主傳動(dòng)形式具有諸多優(yōu)勢(shì):

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

2)精度高。伺服電機(jī)上的編碼器可以將曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)角度信息反饋給數(shù)控系統(tǒng),再通過(guò)沖頭位移與曲柄轉(zhuǎn)角間的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算處理,便可獲得沖頭位置的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),形成半閉環(huán)控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)沖頭運(yùn)動(dòng)的精確控制,下死點(diǎn)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(gè)工作循環(huán)中無(wú)需完成360°旋轉(zhuǎn),只需進(jìn)行一定角度的擺動(dòng)即可完成加工,這就進(jìn)一步縮短了循環(huán)時(shí)間,大幅提升了生產(chǎn)效率。

4)節(jié)能、環(huán)保。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床,完全依靠電動(dòng)機(jī)的扭矩工作,只有沖頭動(dòng)作時(shí)電機(jī)才旋轉(zhuǎn),節(jié)能效果十分明顯。

5)振動(dòng)小、噪聲低。通過(guò)設(shè)定沖頭的速度特性曲線,當(dāng)上模接觸板材的瞬間,適當(dāng)降低沖頭的運(yùn)動(dòng)速度,與傳統(tǒng)的機(jī)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(dòng)結(jié)構(gòu)主要有三種形式,如圖2所示。這三種機(jī)構(gòu)形式技術(shù)成熟,且各具特色,均占有很大的市場(chǎng)份額。

圖2 伺服主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

⑴雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu),機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2a所示,代表機(jī)型為日本AMADA公司的EM2510NT型數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床。雙電機(jī)對(duì)稱(chēng)布置在機(jī)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(shí)可以獲得較高的沖壓頻次。

⑵曲柄肘桿式機(jī)構(gòu),機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2b所示,代表機(jī)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(jī)構(gòu)特有的增力特性,可以降低伺服電機(jī)的負(fù)載扭矩,并且曲柄旋轉(zhuǎn)一周,滑塊上下運(yùn)動(dòng)兩次,這樣能夠達(dá)到更高的沖壓頻率。

⑶單個(gè)水冷式大扭矩伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu),機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2c所示,代表機(jī)型為江蘇揚(yáng)力數(shù)控機(jī)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(gè)水冷式大扭矩伺服電機(jī)作為動(dòng)力源,連續(xù)工作負(fù)載能力強(qiáng),不存在雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的同步控制問(wèn)題,機(jī)械效率更高,穩(wěn)定性及可靠性更好,產(chǎn)品具有很高的性?xún)r(jià)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(chēng)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(zhǔn)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(zhǎng)方形模具部分重疊加工的方式,可以加工長(zhǎng)形孔、切邊等。當(dāng)采用這種沖裁模式時(shí),沖裁過(guò)程中模具的疊加會(huì)引起沖裁載荷偏離模具中心(偏載),將會(huì)引起機(jī)床結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形,嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)損壞模具,因此在進(jìn)行大孔徑、厚板大載荷沖裁時(shí),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(jī)床的柔性,擴(kuò)展模具的加工范圍。采用這種沖裁模式,通常需要通過(guò)旋轉(zhuǎn)工位將凸模旋轉(zhuǎn)不同的角度,配合送料機(jī)構(gòu)在XOY平面的定位運(yùn)動(dòng)來(lái)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(jìn)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(jiàn)的加工模式。由于采用小圓進(jìn)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(dāng)沖孔尺寸較大且數(shù)量較多時(shí)建議采用專(zhuān)門(mén)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(guò)材料的屈服點(diǎn)、經(jīng)過(guò)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(diǎn)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(diǎn)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(duì)應(yīng),與普通壓力機(jī)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(tái)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(guò)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(jī)理極其復(fù)雜,在實(shí)際生產(chǎn)中很難通過(guò)傳統(tǒng)的力學(xué)公式進(jìn)行分析。在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境下,采用有限元法對(duì)材料成形的過(guò)程進(jìn)行仿真,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)成形過(guò)程中的彈性回彈、裂紋及褶皺等進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估,從而有利于對(duì)成形機(jī)理進(jìn)行深入研究。在工業(yè)生產(chǎn)中,通過(guò)有限元分析,可以指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)、優(yōu)化成形工藝參數(shù),具有不可估量的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。目前常用的軟件主要有ANSYS、ABAQUS、MAC、LS-DYNA,DYNAFORM等。

未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

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(jī)的發(fā)展,數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床呈以下發(fā)展趨勢(shì)。

⑴高速度、高精度。

高速度、高精度是機(jī)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(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能,目前的送料機(jī)構(gòu)主要以滾珠絲杠和齒輪齒條兩種傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用的普及,采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù),通過(guò)光柵尺進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)的定位速度、加速度及定位精度提高到一個(gè)前所未有的高度;2)采用全電伺服主傳動(dòng),一方面,其下死點(diǎn)精度高,能夠控制在±0.05mm范圍內(nèi),另一方面,這種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有豐富的沖壓模式,比如采用高速的曲軸正反擺動(dòng)加工模式,完成一次4mm沖程所需時(shí)間能夠控制在40ms以?xún)?nèi);3)采用新技術(shù)盡可能減少停機(jī)時(shí)間,如模具磨損自動(dòng)檢測(cè)技術(shù),模具自動(dòng)更換技術(shù),自動(dòng)上下料技術(shù)等。

⑵實(shí)時(shí)智能化。

科學(xué)技術(shù)發(fā)展到今天,市場(chǎng)對(duì)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(kāi)始立足于智能化的解決方案。重點(diǎn)推進(jìn)的技術(shù):1)工件質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)技術(shù);2)模具磨損在線監(jiān)測(cè)技術(shù);3)模具的自動(dòng)選擇及更換技術(shù);4)遠(yuǎn)程智能化故障診斷與排除;5)工藝專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)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(gè)方面的問(wèn)題:1)噪聲污染,可以采用靜音加工模式、優(yōu)化機(jī)床結(jié)構(gòu)、采用隔音材料等方法進(jìn)行減振降噪處理;2)油污染,全電伺服主傳動(dòng)方式取替?zhèn)鹘y(tǒng)的液壓主傳動(dòng)方式為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì);3)基于壽命的綠色設(shè)計(jì)理念,采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念及設(shè)計(jì)方法,力求材料應(yīng)用最合理化,機(jī)床不再傻大笨粗。

⑷單機(jī)柔性加工單元(FMC)及功能復(fù)合化。

大型的多機(jī)柔性加工系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacture System),也稱(chēng)作柔性制造系統(tǒng),是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì),但是就目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而言,功能復(fù)合化的小型單機(jī)柔性加工單元具有更好的市場(chǎng)前景。這種小型的單機(jī)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(shí)配以立體倉(cāng)庫(kù),自動(dòng)上下料系統(tǒng),具有極高的加工柔性和效率,甚至可以實(shí)現(xiàn)無(wú)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(gòu)置成本低,運(yùn)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(zhuān)業(yè)鈑金加工企業(yè)。如圖9所示,為我公司于2009年開(kāi)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(jì)銷(xiāo)售30多臺(tái)套,為客戶帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。該加工單元的兩臺(tái)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床采用對(duì)稱(chēng)布置,配備立體倉(cāng)庫(kù)和自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu),自動(dòng)化程度明顯提升,僅需操作工人按時(shí)監(jiān)控即可,但是要實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)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(cè)技術(shù),模具自動(dòng)選擇與更換技術(shù),工件質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)技術(shù),智能化的故障診斷與排除技術(shù)等。