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浅谈金属板材加工机床的技术进步与发展

日期:2007-05-18  来源:机经网  作者:cfmif  点击:

在锻压机械的八大类中,机械压力机、板料剪切机、板料折弯压力机等金属板材加工机床按年生产量(台数)计约占90%以上,按价值量计约占80%以上。从应用角度讲,轿车零件中按件计金属板材冲压件占40%以上,电器、仪表结构件中金属板材冲压件占80%以上。由此可见金属板材加工机床在制造领域和应用领域的重要地位。 




    一 、大型机械压力机及大型冲压生产线已跨出国门

    机械压力机是金属板材加工机床最为重要的门类。说其重要,理由有三。其一,年生产量大,占锻压机械的80%以上;其二,应用范围广,几乎渗透到所有金属板材加工领域;其三,不可替代性,其经济技术的合理性其它机床很难替代。

    机械压力机品种繁多,能代表其技术水平和技术进步的,当首推大型机械压力机及其组成的大型冲压生产线。大型冲压生产线通常以大型双动拉伸压力机、大型多工位压力机和大型单动压力机为主机,济南二机床集团有限公司和齐齐哈尔二机床集团有限公司是国内的主要生产企业。“八五”以来,这些企业通过技术攻关、自行设计以及引进德国舒勒、美国维尔森、日本小松等着名公司的设计制造技术,或采取与国外厂商合作生产的方式,将国内大型机械压力机的技术提升到了国际先进水平。

    济南二机床集团有限公司开发的闭式四点单动压力机、闭式四点双动压力机、闭式四点多连杆压力机等,普遍采用了自动换模控制技术、装模高度和气垫行程检测技术、多功能PLC控制技术、隔膜式离合器制动器、滑块调整预加载装置等多项先进技术,成为大型机械压力机技术进步的代表。在突破单机设计制造技术基础上,成功开发生产了数十条大型冲压生产线,装备了国内近十家汽车制造企业。

典型的大型冲压生产线,由一台双动压力机与数台单动压力机串联布置。双动压力机之前是上料装置,由上料车、液压顶升器、磁力分层器、真空吸盘提升器、双料检测器、磁力辊道、双料排除器、清洗涂油装置和送料装置组成;双动压力机与单动压力机之间有上下料装置,由下料器、翻转装置、传送装置和上料器组成;单动压力机之间的上下料装置与之相同,只是无翻转装置;最後一台单动压力机之後是码垛装置,由下料器、传送装置和码垛车组成。此外,大型冲压生产线还配备自动快速换模系统、自动快速调整系统、故障检测系统及废料排除与运输系统。

随着大型多工位压力机的技术成熟和实用化,大型多工位压力机开始替代单动压力机进入自动冲压生产线,代表了先进的组合方式。大型多工位压力机自动冲压生产线经历了三个阶段的完善与发展。

 较原始的组合是,一台双动拉伸压力机与一台单动大型多工位压力机为主机,二者之间配备一套翻转装置和同步装置,提高了生产节拍、减少了占地面积。此後,带双动拉伸工位的多工位压力机问世,催生了第二代自动冲压生产线。第二代生产线仅以一台带双动拉伸工位的多工位压力机为主机,在其前後分别配备拆垛装置和码垛装置,便组成了一条自动冲压生产线,配置大为简化。此类多工位压力机多为四柱三滑块结构,第一工位是双动拉伸工位,其余工位为单动冲压工位。由於拉伸工位采取了反向拉伸的方式,避免了工件的翻转,因此不需要翻转装置,使生产率进一步提高、占地面积进一步减小。第三阶段,出现了带数控液压气垫的大型多工位压力机,抛弃了传统的双动拉伸工艺理念,真正将拉伸与其它冲压工艺组合到一台压力机上完成。自动冲压生产线的主机是带数控液压气垫的多工位压力机,主机前後配备拆垛装置和码垛装置。数控液压气垫是该类生产线的技术核心,气垫通过四角控制,可调节拉伸工件的压边力,从而实现单动深拉伸。由於采用数控液压气垫使单动压力机代替了传统的双动压力机,简化了压力机的结构,取消了生产线中的翻转装置,实现了压边力的优化控制,提高了拉伸件的质量、降低了工件的废品率。从技术角度上讲,带数控液压气垫的大型多工位压力机自动冲压生产线,代表了自动冲压生产线的最高水平。但是由於造价、技术以及应用等诸多方面的因素,大型冲压生产线多样化组合的局面还将长期存在。

“十五”期间,济南二机床集团有限公司在轿车制造企业的国际招标中多次中标,在装备中国汽车行业数十条冲压生产线的同时,还向国外着名汽车制造企业提供了数条大型冲压生产线,标志着中国大型机械压力机及大型冲压生产线已跨出国门。


    二、数控转塔冲床达到国际先进水平

    最早出现的数控转塔冲床是机械传动的,人们将其认同为机械压力机类。由於其冲压模具安装在回转圆盘上,故称为数控冲模回转头压力机。随後出现了液压驱动的新机型,且很快占据了主导地位。国外开始称为数控转塔冲床,并被国内同行所接受。从此,数控转塔冲床成为一个独立机种,不再隶属於机械压力机。当前,中国数控转塔 冲床的结构性能已达到国际先进水平。

    在中国,数控转塔冲床问世以来,经历了缓慢起步、趋於成熟、快速发展和日臻完善四个阶段。在不同阶段,数控转塔冲床按结构特点可分为几代产品。“八五”期间开发的第一代产品,机械驱动,三轴控制,模位数通常在30个以下,无自转模位,辅助功能较少;“九五”期间形成的第二代产品,模位数大为增加并带两个自转模位,四轴控制,辅助功能增多,开始出现液压驱动转塔冲床;“十五”期间,数控转塔冲床得到快速健康发展,液压驱动的四轴、五轴控制的第三代产品成为数控转塔冲床主体,辅助功能更加完善;此後,网络技术和伺服电机直接驱动技术的应用,标志着第四代产品的出现,但尚不是主流产品。

    作为国内主流产品的第三代数控转塔冲床,普遍采用了国外着名公司的数控系统和伺服单元,以及高性能伺服液压驱动的专用液压系统;冲压稳定性和步冲次数大为提高,步距为0.5毫米时步冲频率可达600-1000次/分以上;采用智能型夹钳机构,最大限度地减小了冲裁死区,基本达到无死区;工作台移动速度普遍提高,轴向速度达80米/分,合成速度达120米/分以上;采用毛刷型工作台,在保证对板料有效支撑的同时,可保护板料在快速运动时表面不被划伤;自动分度工位2-4个可选,并将大直径模位设置於此;普遍采用开放型数控系统,用户界面友好、可扩展性强,并配备高效自动编程软件。

    伴随着数控转塔冲床的技术成熟与需求增长,许多企业通过自主开发、引进技术或与国外公司合作生产等方式,迅速占领了国内数控转塔冲床制造、销售和技术服务的阵地。经过大约十年的竞争与发展,形成了济南铸造锻压机械研究所、江苏金方圆数控机床有限公司、湖北三环锻压机床有限公司、江苏扬力集团有限公司、江苏亚威机床有限公司等组成的企业方阵。

    江苏亚威机床有限公司生产的HIQ-3048型300千牛数控转塔冲床,其液压系统、数控系统和转盘等主要部件均来自日本NISSHINBO公司。该机液压系统可对行程、速度、压力编程控制,冲头下死点位置精度达0.01毫米,并可实现下死点保压;6轴控制(X、Y、Z、T1、T2、C),上下转盘分别驱动;三只夹钳位置均可编程设定、自动调节,以适应不同板料的需要;脱模自动检测装置对故障自动检测并中断加工程序,以免机构损坏和出现废品;56个工位,带2个自动分度工位;板料最大移动速度100米/分;最高冲程次数1500次/分,最高冲孔频率可达350次/分(步距25.4毫米)和750次/分(步距1毫米)。

济南铸造锻压机械研究所开发的无离合器数控转塔冲床和江苏扬力集团有限公司开发的伺服电机直接驱动数控转塔冲床,属於技术创新产品。目前虽不是主流产品,却代表了产品发展的某种动向或潮流。

    第三代产品的规模化生产和第四代产品的出现,说明中国数控转塔冲床的整体水平已经达到国际先进水平。


    三、数控液压板料剪切机发展迅速

    板料剪切机又称剪板机,主要用於剪切金属板材,是重要的金属板材加工机床。其不仅用於机械制造业,还是金属板材配送中心必不可少的装备,应用范围特别广泛。剪板机按结构分为闸式剪板机和摆式剪板机两类;按传动方式分,有机械传动剪板机和液压传动剪板机两类。安全性和剪切角度不可调整是机械剪板机的致命缺点,故除小规格剪板机外,液压剪板机独领天下的格局已成不争的事实。由於液压传动在控制方面的优势,数控剪板机主要采用液压传动形式。数控液压剪板机除速度、行程可调外,剪切角度自动调整机构和刀片间隙自动调整机构的开发与实用化,使其具备了进入板材加工中心和板材加工FMS的条件。

各企业生产的数控液压剪板机,都在逐步向国际主流方向靠拢。当前,数控液压剪板机普遍采用整体焊接结构、经时效处理的机架,具有良好的强度、刚度和精度保持性;采用集成式液压系统伺服驱动,提高了机床运行的可靠性;剪切角度自动调整机构和刀片间隙自动调整机构,根据被剪板料的材质、厚度,可自动完成剪切角度、刀片间隙的调整;根据剪切长度,可自动调节剪切行程和後挡料位置;此外,可配备前送料系统或後托料装置,集送料、卸料於一体,有效地提高设备自动化程度。

    近年来,适应金属板材加工的需要,液压剪板机出现了一种新机型即直角剪板机。直角剪板机刀架上装有互成直角的两条刀片,可以剪切出任意尺寸的矩形板料,并可在大张板料上套裁下料。不仅提高了剪切效率,而且能够提高材料利用率。数控直角剪板机与数控转塔冲床、数控板料折弯机可组成板材加工中心。

    国内生产数控剪板机的企业较多,上海冲剪机床厂、湖北三环锻压机床有限公司、江苏亚威机床有限公司、江苏金方圆数控机床有限公司、江苏扬力集团有限公司和天水锻压机床有限公司等企业可称为佼佼者。 


    四、数控液压板料折弯压力机具备了网络化的条件 

    板料折弯机使用简单的模具可对金属板料进行各种角度的直线弯曲,以获得形状复杂的金属板材制件。操作简单、模具通用性强、运行成本低,因此获得广泛的应用。板料折弯机按其传动形式可分为机械折弯机和液压折弯机两类。目前,机械折弯机已被液压折弯机取代,这一技术路线与剪板机相同。液压折弯机的优点在於有较大的工作行程,在行程的任一点都可以产生最大公称力;折弯行程、压力、速度可调,易於实现数控;可实现快速趋近、慢速折弯,符合工件折弯的工艺要求;采用多缸同步系统,极大地提高了折弯精度,并实现了折弯机的多台联动,拓宽了折弯机的工艺范围。

数控液压板料折弯机是问世最早、应用最广泛、国内生产企业最多的金属板材加工机床,已由早期的3轴发展到现在的8轴控制,与上下料机器人和折弯机器人配套使用,可组成数控折弯单元。

    “十五”期间,中国数控液压板料折弯机已进入国际先进水平的行列。目前,数控液压板料折弯机普遍采用BOSCH公司或HOERBIGER公司的数字式闭路液压系统和DELEM公司或CYBELEC公司的专用数控系统;采用动态压力补偿系统、侧梁变形补偿系统、温度补偿系统、板材厚度及反弹在线检测和修正系统,保证受力状态下工作台与滑块相对位置的精确性;成熟完善的工艺软件、自动编程功能及彩屏显示,可实现多种折弯工件的工艺存储与轮番生产;滑块最大空程速度和工作速度分别达到了100毫米/秒和10毫米/秒,大大提高了折弯机的工作效率;多轴数控後定位机构保证了板料的精确送进,定位精度可控制在±0.01毫米左右。

    江苏金方圆数控机床有限公司生产的PR6C225×3100型2250千牛数控板料折弯机是以上技术的综合体现。该机采用了电液伺服同步控制技术及液压凸形补偿技术,集成式液压系统,荷兰DELEM公司DA69W数控系统,实现对折弯滑块Y1、Y2位置和後挡料X1、X2、Z1、Z2、R1、R2位置的8轴控制。滑块快速向下速度120毫米/秒,折弯速度9毫米/秒,回程速度80毫米/秒。折弯滑块定位精度0.005毫米,後挡料前後位置重复定位精度0.005毫米。该机可配备6轴折弯机器人,组成数控折弯单元,缩短折弯工序辅助时间,提高工件加工效率。该机代表了国内数控液压板料折弯机的最高水平。

    近年来,数控板料折弯机出现了由液压驱动向机械传动回归的动向。这种回归不是机械传动简单地替代液压驱动,而是采用伺服电机带动滚珠丝杠直接驱动折弯滑块,形成新型数控板料折弯机。上海冲剪机床厂生产的ME50/2550型数控板料折弯机、江苏扬力集团有限公司生产的EB3512型数控板料折弯机和湖北三环锻压机床有限公司生产的PPH35/13型数控板料折弯机,折弯滑块由二台伺服电机同步驱动,在滑块平衡快速运行的同时,滑块挠度得到有效补偿。伺服电机直接驱动的优点在於,能耗、噪声、污染以及制造维修成本大为降低,同时,机床的可靠性、工作速度和效率得以提高。该类数控板料折弯机滑块空程速度可达100毫米/秒、折弯速度10-15毫米/秒,回程速度70毫米/秒;滑块定位精度为0.035毫米、重复定位精度为0.01毫米。

至此,中国数控液压板料折弯机在技术层面上已具备了网络化的条件,并开始出现向网络化和单元化发展的趋势。

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