淺談數控轉塔沖床應用及發展趨勢

2016-10-25 by:CAE仿真在線來源:互聯網

數控轉塔沖床(Numerical Control Turret Punch Press,英文縮寫NCT)是數控機床的一個重要類別,主要由控制系統、主傳動系統、送料系統、轉盤、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備,如圖1所示。數控轉塔沖床作為金屬板材加工領域中的關鍵設備,至今已經有七十多年的應用和發展歷史,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、紡織機械等行業中最為重要的工藝裝備。

圖1 江蘇揚力數控機床有限公司的EP20型全電伺服數控轉塔沖床

數控轉塔沖床的分類及特點

按照主傳動的動力源,可將數控轉塔沖床分為以下三類:

⑴機械式轉塔沖床。這種結構形式運動特性單一,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,目前已經基本被市場淘汰。

⑵液壓式轉塔沖床。通過液壓缸驅動擊打頭,由電液伺服閥進行沖壓控制,該類型產品在以往相當長的一段時間內都是市場的主流產品。與機械式相比,其優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全電伺服式轉塔沖床。隨著近幾年大扭矩伺服電機及驅動系統的改良與推廣,全電伺服轉塔沖床取得了巨大的進步,并逐步取代了液壓式結構,成為行業的主流產品。

與傳統的機械式和液壓式相比,全電伺服主傳動形式具有諸多優勢:

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,而是可以根據工藝要求進行優化設計的任意曲線,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動角度信息反饋給數控系統,再通過沖頭位移與曲柄轉角間的函數關系進行運算處理,便可獲得沖頭位置的實時數據,形成半閉環控制,實現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。

3)生產效率高。伺服沖床可以根據加工工藝的不同,調整沖頭的行程。在一個工作循環中無需完成360°旋轉,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時間,大幅提升了生產效率。

4)節能、環保。伺服電機驅動的數控轉塔沖床,完全依靠電動機的扭矩工作,只有沖頭動作時電機才旋轉,節能效果十分明顯。

5)振動小、噪聲低。通過設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,與傳統的機械式及液壓式數控轉塔沖床相比噪聲可降低8~12dB。

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

圖2 伺服主傳動機構示意圖

⑴雙電機驅動的曲柄滑塊機構,機構簡圖如圖2a所示,代表機型為日本AMADA公司的EM2510NT型數控轉塔沖床。雙電機對稱布置在機身的兩側,結構緊湊,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,機構簡圖如圖2b所示,代表機型為日本MURATEC公司的MOTORUM—2048LT型數控轉塔沖床。該結構雖然比較復雜,但其利用曲柄肘桿機構特有的增力特性,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動的曲柄滑塊機構,機構簡圖如圖2c所示,代表機型為江蘇揚力數控機床有限公司的EP系列及H系列全電伺服數控轉塔沖床。由于采用單個水冷式大扭矩伺服電機作為動力源,連續工作負載能力強,不存在雙電機驅動的同步控制問題,機械效率更高,穩定性及可靠性更好,產品具有很高的性價比。

典型的加工工藝

數控轉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),將會引起機床結構的扭轉變形,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,應盡可能的減小模具的重疊量,減小偏載。

⑶多方向的連續沖(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,通常需要通過旋轉工位將凸模旋轉不同的角度,配合送料機構在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量通常不高,且沖裁效率較低,當沖孔尺寸較大且數量較多時建議采用專門的沖孔模具。

圖3 單沖模式圖4同方向的連續沖

圖5多方向的連續沖圖6 蠶食沖裁

成形工藝

成形工藝是指板材在外力作用下,應力超過材料的屈服點、經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,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連續成形模式(百葉窗)

板材的成形過程受材料力學性能、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容,呈現出高度的非線性,其成形機理極其復雜,在實際生產中很難通過傳統的力學公式進行分析。在計算機虛擬環境下,采用有限元法對材料成形的過程進行仿真,能夠實現對成形過程中的彈性回彈、裂紋及褶皺等進行預測和評估,從而有利于對成形機理進行深入研究。在工業生產中,通過有限元分析,可以指導模具設計、優化成形工藝參數,具有不可估量的實際應用價值。目前常用的軟件主要有ANSYS、ABAQUS、MAC、LS-DYNA,DYNAFORM等。

未來的發展趨勢

隨著數控技術、網絡技術、伺服控制技術以及大扭矩伺服電機的發展,數控轉塔沖床呈以下發展趨勢。

⑴高速度、高精度。

高速度、高精度是機床行業發展的永恒追求,提高數控轉塔沖床的速度和精度主要包括以下幾方面內容:1)提高送料機構的動態性能,目前的送料機構主要以滾珠絲杠和齒輪齒條兩種傳統的機械傳動方式為主,并采用半閉環控制,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動技術的發展及應用的普及,采用直線電機驅動技術,通過光柵尺進行實時運動位置反饋,形成閉環控制,有可能將數控轉塔沖床送料機構的定位速度、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,另一方面,這種傳動機構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;3)采用新技術盡可能減少停機時間,如模具磨損自動檢測技術,模具自動更換技術,自動上下料技術等。

⑵實時智能化。

科學技術發展到今天,市場對數控轉塔沖床的追求已經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:1)工件質量在線監測技術;2)模具磨損在線監測技術;3)模具的自動選擇及更換技術;4)遠程智能化故障診斷與排除;5)工藝專家數據庫的建立及優化技術。

⑶節能環保。

數控轉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、優化機床結構、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傳統的液壓主傳動方式為行業發展的必然趨勢;3)基于壽命的綠色設計理念,采用先進的設計理念及設計方法,力求材料應用最合理化,機床不再傻大笨粗。

⑷單機柔性加工單元(FMC)及功能復合化。

大型的多機柔性加工系統FMS(Flexible Manufacture System),也稱作柔性制造系統,是未來的發展趨勢,但是就目前國內市場和產業結構特點而言,功能復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控轉塔沖床為主體,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,具有極高的加工柔性和效率,甚至可以實現無人化操作。與大型的柔性制造系統相比,它占地面積小,設備的購置成本低,運行的可靠性及穩定性更好,更容易被客戶所接受,尤其適合于一些中、小型的專業鈑金加工企業。如圖9所示,為我公司于2009年開發的柔性鈑金沖裁加工單元,該柔性加工單元技術成熟,性能穩定,目前已經累計銷售30多臺套,為客戶帶來可觀的經濟效益。該加工單元的兩臺數控轉塔沖床采用對稱布置,配備立體倉庫和自動上下料機構,自動化程度明顯提升,僅需操作工人按時監控即可,但是要實現真正的無人化操作還有一些關鍵技術需要突破,比如模具磨損在線監測技術,模具自動選擇與更換技術,工件質量在線監測技術,智能化的故障診斷與排除技術等。