簡(jiǎn)述了中國(guó)現(xiàn)代制造業(yè)的特點(diǎn)及數(shù)控機(jī)床的基本組成。對(duì)常用的現(xiàn)代板材數(shù)控成形設(shè)備——多點(diǎn)成形機(jī)，伺服壓力機(jī)、卷板機(jī)，以及滑塊上帶氣墊壓力機(jī)、高速壓力機(jī)等設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了分析論述，最后簡(jiǎn)述了部分現(xiàn)代板材數(shù)控設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)。
制造業(yè)是創(chuàng)造物質(zhì)財(cái)富的基礎(chǔ)，是國(guó)家安全的重要保證，是國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力的重要體現(xiàn)。發(fā)達(dá)國(guó)家在重大裝備關(guān)鍵技術(shù)上對(duì)我國(guó)一直實(shí)行高技術(shù)壁壘與封鎖政策。20多年來，我們以市場(chǎng)換技術(shù)的策略基本未收到成效，如哈電、東電、上電( 北重) 與西屋、GE 等國(guó)外公司進(jìn)行了多年的合作，但現(xiàn)在這些跨國(guó)公司都拒絕轉(zhuǎn)讓最新核心技術(shù)。因此，國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與可持續(xù)發(fā)展對(duì)制造技術(shù)提出了更高的要求，特別在一些重大或戰(zhàn)略性行業(yè)，迫切需要開發(fā)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變。
金屬板材成形設(shè)備作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一——汽車工業(yè)的重要裝備，都需要其制造者及使用者了解數(shù)控金屬板材成形設(shè)備的現(xiàn)狀及發(fā)展，為企業(yè)的生存和發(fā)展奠定基礎(chǔ)。為此，本文針對(duì)部分?jǐn)?shù)控板材成形技術(shù)機(jī)械的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討。
1. 金屬板材數(shù)控漸進(jìn)成形機(jī)
金屬板材數(shù)控漸進(jìn)成形技術(shù)是根據(jù)工件形狀生成的幾何信息，用三軸數(shù)控設(shè)備控制成形工具頭沿其運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)板材進(jìn)行局部的塑性加工，使板材逐步成形為所需工件的柔性加工技術(shù)。該技術(shù)不需要專用模具便可加工任意復(fù)雜形狀的工件，省去了設(shè)計(jì)產(chǎn)品過程中的模具設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)修改等復(fù)雜過程，極大地降低了新產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本，對(duì)于飛機(jī)等多品種小批量的產(chǎn)品、家用電器等新產(chǎn)品開發(fā)，以及汽車新型樣車試制等具有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
金屬板材數(shù)控漸進(jìn)成形系統(tǒng)主要由成形工具頭、支撐模型、導(dǎo)向裝置、壓邊裝置及機(jī)床本體組成。成形工具頭在數(shù)控系統(tǒng)的控制下運(yùn)動(dòng); 支撐模型用來支撐板料，對(duì)于形狀復(fù)雜的工件，可把支撐模型做成工件的形狀，以利于成形; 壓邊裝置用來固定板材，并且可沿導(dǎo)向裝置上下移動(dòng)。
金屬板材數(shù)控漸進(jìn)成形技術(shù)引入快速原型制造“分層制造” 的思想，將復(fù)雜的三維模型沿z 軸方向切成一系列二維斷面，并沿這些斷面輪廓生成加工軌跡。成形工具頭在CNC 系統(tǒng)的控制下，以走等高線的方式從最高層軌跡沿模型輪廓線運(yùn)動(dòng)，并一圈一圈向下對(duì)金屬板材進(jìn)行逐層輾壓，使板材成形為與模型相同的形狀。其工作原理如圖1 所示。
加工前，首先將板材放置于支撐模型之上，用壓邊裝置將板材固定。加工時(shí)，成形工具頭從指定位置開始對(duì)板材的最高層( 即第一層) 進(jìn)行單點(diǎn)漸進(jìn)塑性加工，形成第一層截面輪廓后，成形工具頭下移到設(shè)定的高度后，按截面輪廓運(yùn)動(dòng)而形成第二層輪廓，如此循環(huán)直至加工成所需零件。
使用UG 的CAM 模塊后處理工具生成了成形工具頭的加工軌跡，一圈圈的加工軌跡對(duì)支撐模型形成一個(gè)包絡(luò)面，如圖2 所示。
如果這個(gè)包絡(luò)面與支撐模型間發(fā)生錯(cuò)位，將嚴(yán)重影響成形精度，并撞壞模型和工具。因此，加工軌跡坐標(biāo)( 以機(jī)床坐標(biāo)系為基準(zhǔn)) 與支撐模型坐標(biāo)( 稱造型支撐模型時(shí)所采用的坐標(biāo)系為支撐模型坐標(biāo)系) 的準(zhǔn)確對(duì)位至關(guān)重要。為了有效地排除成形過程中坐標(biāo)對(duì)位對(duì)零件上出現(xiàn)的拉裂、材料堆積、材料硬化等現(xiàn)象的影響，使進(jìn)行更準(zhǔn)確的工藝分析成為可能，必須完成該成形軌跡坐標(biāo)的準(zhǔn)確對(duì)位。但用人工對(duì)位的方法效率低、精度差，因此可采用基于機(jī)器視覺的非接觸式加工軌跡坐標(biāo)對(duì)位方法。圖3 所示即為基于機(jī)器視覺的坐標(biāo)對(duì)位系統(tǒng)，由光源、CCD 攝像機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、圖像處理與機(jī)床坐標(biāo)自適應(yīng)軟件、CNC 系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元組成。
2. 數(shù)控激光切割機(jī)
激光切割設(shè)備的出現(xiàn)，是對(duì)鈑金工業(yè)日常生產(chǎn)的改革。與其他加工設(shè)備比較，激光加工具有以下特點(diǎn)：
( 1) 激光的光速直徑極小，可進(jìn)行狹窄的直邊割縫。
( 2) 對(duì)任何硬度的薄板或厚板、簡(jiǎn)單或復(fù)雜的形狀均能有效加工。
( 3) 切邊質(zhì)量高，工件不會(huì)受損傷，無機(jī)械變形，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠。
( 4) 加工時(shí)不產(chǎn)生噪聲。
( 5) 兩工件可同一切邊，節(jié)省加工材料和工時(shí)，與計(jì)算機(jī)結(jié)合，可整張排料，從而降低材料耗費(fèi)。
( 6) 切割速度快，加工新產(chǎn)品時(shí)只需要很短的準(zhǔn)備時(shí)間，生產(chǎn)效率高。
激光切割的加工成本主要是氣體的消耗、電力的損耗、設(shè)備的折舊及維修費(fèi)用，不需要模具，對(duì)小批量產(chǎn)品或形狀復(fù)雜的大批量產(chǎn)品，以及工藝適合激光加工的產(chǎn)品，激光機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)成本均低于數(shù)控沖床。在許多鈑金企業(yè)中大多將二者配合使用，從而充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，以取得最佳的加工效果。
目前，還有數(shù)控沖壓/ 激光復(fù)合機(jī)床，它不是兩種功能的簡(jiǎn)單合并，是把一種功能的強(qiáng)項(xiàng)和另一種功能的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，具有許多單功能設(shè)備無法比擬的優(yōu)越性。
3. 數(shù)控剪板機(jī)
先進(jìn)的CNC 剪板機(jī)摒棄了一般剪板機(jī)的人工操作，由板料自動(dòng)進(jìn)給支承、卸除和堆垛系統(tǒng)組成，除可定位、送料和切斷工件外，還可自動(dòng)分選、收集剪下的碎片。對(duì)加工大量恒定尺寸的零件來說，效率甚高，且大大減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。CNC設(shè)備的一次性投資雖然貴一些，但可通過連續(xù)、大量的加工來彌補(bǔ)，最終使每個(gè)零件的加工成本降低。近年來，國(guó)內(nèi)不同規(guī)模的鈑金企業(yè)已意識(shí)到上述先進(jìn)技術(shù)設(shè)備無論在性能與經(jīng)濟(jì)上，還是從加工方式的發(fā)展方向上，都是明智的選擇，因而相繼引進(jìn)，使鈑材加工水平大大提高，對(duì)于產(chǎn)品與世界接軌，走向世界起了關(guān)鍵的作用，同時(shí)，也標(biāo)志著我國(guó)鈑金生產(chǎn)的加工技術(shù)和裝備水平已跨入世界先進(jìn)行列。
4. 數(shù)控旋壓設(shè)備
在近10年的時(shí)間里，我國(guó)的旋壓設(shè)備完成了由液壓仿行到全數(shù)字控制的轉(zhuǎn)變。20紀(jì)60年代中期至90年代中期，我國(guó)設(shè)計(jì)制造的旋壓機(jī)床基本上是液壓仿行，控制精度較低，所采用的電器和液壓控制元件性能差，機(jī)床的整體性能及可靠性低。對(duì)于一些形狀復(fù)雜、加工工序道次多、走刀軌跡復(fù)雜的零件，液壓仿行旋壓機(jī)床就暴露出加工效率低和其他一些功能上的缺陷。但這類機(jī)床經(jīng)久耐用，抗沖擊震動(dòng)、抗負(fù)荷過載能力強(qiáng)，能夠適用各種惡劣的工況。經(jīng)過不斷地維修整改，這些機(jī)床現(xiàn)在仍有不少在承擔(dān)著大量的科研生產(chǎn)任務(wù)，30多年來為我國(guó)的航空航天事業(yè)做出了突出貢獻(xiàn)。
90年代末期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種進(jìn)口元器件的大量采用，在綜合吸收已經(jīng)研制開發(fā)旋壓設(shè)備的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制造出集國(guó)際上最先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、機(jī)械及各種元器件于一身的完全代表了國(guó)際先進(jìn)水平的旋壓設(shè)備。
其特點(diǎn)如下：
( 1) 廣泛采用國(guó)際上最先進(jìn)、最流行數(shù)控系統(tǒng)如西門子840D，控制軸數(shù)多，控制精度高，性能穩(wěn)定可靠。
( 2) 液壓系統(tǒng)采用伺服閥或比例伺服閥，頻響高，全閉環(huán)控制。尤其是比例伺服閥，集比例閥和伺服閥的優(yōu)點(diǎn)，是數(shù)控旋壓機(jī)床電- 液轉(zhuǎn)換最理想的控制元件。
( 3) 主軸系統(tǒng)采用交流變頻或直流調(diào)速，變頻器采用進(jìn)口，能夠做到恒線速度。
( 4) 采用進(jìn)口主軸軸承、進(jìn)口滾動(dòng)導(dǎo)軌等旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)部件，提高了整個(gè)設(shè)備的精度和可靠性。
( 5) 光柵尺、位移傳感器、旋壓編碼器等多種位移，及位置反饋元件也采用進(jìn)口元件。
由于采用了國(guó)際上最先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)及控制元件，結(jié)合自身的機(jī)械加工優(yōu)勢(shì)，國(guó)產(chǎn)旋壓機(jī)床的整體水平已經(jīng)達(dá)到國(guó)外21 世紀(jì)初的水平。國(guó)產(chǎn)旋壓機(jī)床的這種制造模式與國(guó)外其他旋壓機(jī)生產(chǎn)廠商是一致的，與進(jìn)口旋壓設(shè)備相比，具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)、維修及售后服務(wù)優(yōu)勢(shì)、工藝服務(wù)優(yōu)勢(shì)。
90年代末至今，我國(guó)共設(shè)計(jì)制造各類數(shù)控旋壓機(jī)床70余臺(tái)，其中包括單旋輪普通旋壓機(jī)床、雙旋輪普通-強(qiáng)力旋壓機(jī)床、三旋輪強(qiáng)力旋壓機(jī)床；各類專用旋壓機(jī)床如立式皮帶輪旋壓機(jī)床、鋁合金氣瓶和鋼質(zhì)氣瓶收口專用旋壓機(jī)床、封頭成形旋壓機(jī)床、風(fēng)機(jī)零件成形和翻邊專用旋壓機(jī)床；還有內(nèi)旋壓專用機(jī)床、滾珠旋壓機(jī)床。機(jī)床的加工范圍從50 ～2000mm，可成形零件高度最大達(dá)3000mm。就旋壓機(jī)床的最重要參數(shù)徑向旋壓力來講，單個(gè)旋輪的最大推力已經(jīng)達(dá)到600kN。
5. 伺服和異步電動(dòng)機(jī)聯(lián)合拖動(dòng)機(jī)械壓力機(jī)
采用交流異步電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)聯(lián)合拖動(dòng)機(jī)械壓力機(jī)是目前研究的熱點(diǎn)問題。國(guó)內(nèi)某單位在現(xiàn)有J84 —250 精壓機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，開發(fā)研制了一種雙曲軸并聯(lián)驅(qū)動(dòng)肘桿式精壓機(jī)JB84 —250 。
主要技術(shù)參數(shù)：
公稱力2500kN
滑塊行程80 ～120mm
滑塊行程次數(shù)25 ～45 次/ min
主電機(jī)功率22kW
伺服電機(jī)功率11kW
機(jī)器的驅(qū)動(dòng)部分增加了一臺(tái)可控伺服電動(dòng)機(jī)作輔助驅(qū)動(dòng)，用五桿機(jī)構(gòu)完成輸入運(yùn)動(dòng)合成(見圖4)。主電動(dòng)機(jī)通過主曲軸L1 驅(qū)動(dòng)連桿a1，再驅(qū)動(dòng)肘桿a 2 、a3，使壓力機(jī)滑塊運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，改變伺服電動(dòng)機(jī)的控制參數(shù)( 如勻速轉(zhuǎn)動(dòng)、變速轉(zhuǎn)動(dòng)及在一定的相角內(nèi)擺動(dòng)等) 就可實(shí)現(xiàn)對(duì)滑塊運(yùn)動(dòng)速度、下死點(diǎn)位置及滑塊保壓時(shí)間( 保壓時(shí)間可達(dá)1/5周期) 的調(diào)節(jié)。
圖4是JB84250 精壓機(jī)滑塊、肘桿機(jī)構(gòu)部件圖，它由工作滑塊1、上下肘桿4和3 、副曲軸7、中下銷軸10和2、連桿5 、曲柄6、伺服電動(dòng)機(jī)8和變速箱9等組成。根據(jù)不同的零件的加工工藝，伺服電動(dòng)機(jī)通過變速箱驅(qū)動(dòng)副曲軸正、反向轉(zhuǎn)動(dòng)及在一定相角內(nèi)擺動(dòng)，工作滑塊就會(huì)輸出不同的位移、速度及加速度曲線，以配合完成不同零件的加工工藝。
新型JB84 —250精壓機(jī)的主要特點(diǎn)是采用雙曲軸雙電動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)配合并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，兼容了J84—250精壓機(jī)機(jī)構(gòu)的高精度、高效率、高承載力的特點(diǎn)，增加了伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)柔性可調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，可在一定范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)沖壓滑塊的位置和速度，以適應(yīng)不同零件加工工藝折彎單元，縮短折彎工序輔助時(shí)間，提高工件加工效率。該機(jī)代表了國(guó)內(nèi)數(shù)控液壓板料折彎?rùn)C(jī)的最高水平。
近年來，數(shù)控板料折彎?rùn)C(jī)出現(xiàn)了由液壓驅(qū)動(dòng)向機(jī)械傳動(dòng)回歸的動(dòng)向。這種回歸不是機(jī)械傳動(dòng)簡(jiǎn)單地替代液壓驅(qū)動(dòng)，而是采用伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠直接驅(qū)動(dòng)折彎滑塊，形成新型數(shù)控板料折彎?rùn)C(jī)。上海沖剪機(jī)床廠生產(chǎn)的ME50/2550 型數(shù)控板料折彎?rùn)C(jī)、江蘇揚(yáng)力集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的EB3512 型數(shù)控板料折彎?rùn)C(jī)和湖北三環(huán)鍛壓機(jī)床有限公司生產(chǎn)的PPH35/13型數(shù)控板料折彎?rùn)C(jī)，折彎滑塊由兩臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)同步驅(qū)動(dòng)，在滑塊平衡快速運(yùn)行的同時(shí)，滑塊撓度得到有效補(bǔ)償。伺服電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)在于能耗、噪聲、污染和制造維修成本大為降低，機(jī)床的可靠性、工作速度和效率得以提高。該類數(shù)控板料折彎?rùn)C(jī)滑塊空程速度可達(dá)100mm/s，折彎速度10 ～15mm/s，空程速度70mm/s；滑塊定位精度為0. 035mm，重復(fù)定位精度為0. 01mm。
至此，我國(guó)數(shù)控液壓板料折彎?rùn)C(jī)在技術(shù)層面上已具備了網(wǎng)絡(luò)化的條件，并開始出現(xiàn)向網(wǎng)絡(luò)化和單元化發(fā)展的趨勢(shì)。
