嵌套式復合型材構件制造技術及其專用機床

朱建華 柯禮立

(寧波邦達智能停車設備股份有限公司，浙江 寧波315013)

嵌套式復合型材構件在國外開始出現于本世紀初的專利文獻［1］記載中，它應用于模塊式建筑組合體，具有顯著降低原材料等資源消耗及降低生產成本的效果;然而，它們多數采用較厚的、形狀與尺寸各不相同的、非等斷面的熱軋型材復合成型，其結構與形式單一，耗材大又生產工藝復雜，制約了構件的斷面特性與結構剛度，綜合力學性能尚欠不足。

本文的創新特征是采用較薄的、形狀與尺寸相同的、等斷面長條形的第一構件和第二構件相互旋轉180°后交錯合抱而成的嵌套式復合型材構件，該構件可以采用較薄的金屬板材冷態輥壓成型;它具有高度自動化的制造技術的優勢，以及生產效率較高而能耗較少又節能環保的特點;近幾年已經成功應用于立體停車設備的主體結構中［2］，還可以廣泛應用于建筑領域的柱梁框架模塊式建筑組合體中。

1 嵌套式復合型材構件的結構特點

嵌套式復合型材構件是由第一構件和第二構件組合而成;第一構件和第二構件的形狀與尺寸完全相同，并且具有等斷面長條形的幾何形狀，第一構件(第二構件)是由橫邊1、加強筋2、彎折部3、豎邊4、外包折邊5、咬邊6 與內嵌折邊7 組成;第一構件和第二構件在橫截面方向相互旋轉180°并交錯與嵌套合抱后即成為嵌套式復合型材構件，參見圖1 所示;第一構件(第二構件)制作是采用金屬板材輥壓成型;與此同時，它們之間還設置有橫向和豎向特種異型緊固螺栓，實現雙向固定并消除了嵌套復合后的第一構件與第二構件之間的配合間隙，從而顯著提升嵌套復合構件的強度與剛度，并有效地控制連接部位的復雜形變，以確保其使用可靠性與安全性。

2 制造技術的工藝設計特點

在同一條生產線上依次連續完成如下工藝步驟(參見圖2)。

(1)金屬帶材平整工序 原材料是卷狀金屬帶材通過帶材平整機以保證在以下作業中達到工藝要求的平整度;接著，該金屬板材沿生產線自動向后一工序方向輸送。

(2)加強筋成型工序 通過數控自動化作業的第一輥壓機組，完成加強筋成型工序，構件上設有多個加強筋，以達到優化構件斷面特性與結構剛度的目的;第一輥壓機組同時完成多個加強筋的輥壓成型。

(3)沖孔工序 由兩臺同步數控沖孔機完成;為了實現該產品的無焊接裝配工藝，以達到節能環保目的，構件采用薄壁鑄件連接裝置，并通過插配與緊固裝置達到構件之間的連接固定，所以該構件上設有多個用于特種緊固螺栓的通孔以及大型裝配缺口，該通孔與缺口由上述同步數控沖孔機完成。

(4)截面成型工序 由第二輥壓機組完成，它由帶7 組模具的數控自動化輥壓作業組成，輥壓成型該構件上具有的橫邊、加強筋、彎折部、豎邊、外包折邊、咬邊與內嵌折邊;此時，金屬帶材形成第一構件的橫截面。

(5)嵌套合抱工序 由數控切割機與嵌套合抱機床完成嵌套合抱工序;首先切斷已經成型的第一構件，切斷后獲得第一構件送入嵌套合抱機床，并在第一構件的橫截面方向旋轉180°后定位;然后，該旋轉定位后的第一構件插入到再次切斷后獲得的、其形狀與尺寸相同的第二構件，同時進行嵌套合抱;第一構件和第二構件嵌套合抱后成為第一構件與第二構件的嵌套復合件(尚未從型材上切斷);此時，第一構件的外包折邊與第二構件的豎邊相貼合，第二構件的外包折邊與第一構件的豎邊相貼合。

為了提高生產效率并保證前后工序的連貫性，確保生產線能夠連續不間斷地運行，該嵌套合抱工序包括以下工步(參見圖3):

工步a:已經形成第1 構件橫截面的金屬帶材沿生產線方向自動輸送，當它碰到切割擋塊時，數控切割機隨第一構件移動，同時切斷該第一構件，從而獲得第一構件。

工步b:由第一氣缸驅動嵌套合抱機床沿嵌套底座快速移動，并與后面連續輸送中的型材之間留出一定的間隔距離。

工步c:當第一構件隨嵌套合抱機床移動并碰到定位擋塊時，嵌套合抱機床驅動第一構件旋轉180°定位;同時，數控切割機在第二氣缸的驅動下復位，嵌套合抱裝置在第一氣缸作用下復位。

工步d:嵌套合抱裝置復位過程，后續輸送中的已經成形的型材進入夾持定位在嵌套合抱裝置中的第一構件中，從而實現嵌套合抱。

工步e:當后續輸送中的型材再一次碰到所述切割擋塊時，數控切割機隨已經成形的型材移動，并再次切斷該型材而獲得所述第二構件，此時，后續輸送中的型材頂住該第二構件，使得第二構件繼續和第一構件進行嵌套合抱。

工步f:在第一構件和第二構件完成嵌套合抱工序后，第一構件和第二構件形成復合件，后續輸送中的型材頂著將該復合件向下一個工序輸送;當后續輸送中的型材再次碰到所述切割擋板時，回到步驟a，繼續下一次的嵌套合抱過程。

完成嵌套合抱工序后，第一構件的外包折邊與第二構件的豎邊相貼合，與此同時，第二構件的外包折邊與第一構件的豎邊相貼合。

(6)緊密咬邊工序由第三輥壓機組完成;為了實現嵌套合抱后第一構件與第二構件之間雙向固定并消除兩者之間的配合間隙，將復合件送入由三組輥壓模具構成的數控自動化作業的第三輥壓機組，執行多個咬邊作業，以顯著提升其嵌套合抱后構件的強度與剛度，并形成最終產品——嵌套式復合型材構件，然后脫離生產線。

3 專用機床結構設計特點

在數控流水線運行方向依次設置有以下專用機床:

執行工序(1)的帶材平整機，它固定設置于地面上;原材料為卷帶狀金屬板材，它通過送料器自動輸送至平整機以平整帶材，達到以后工序的設計要求平整度。

執行工序(2)的第一數控自動化作業輥壓機組，由兩臺帶動力頭的輥壓機構成，該輥壓機床身固定設置于地面上。

執行工序(3)的兩臺同步數控沖孔機，為了提高沖孔的幾何精度與形位公差，兩臺同步數控沖孔機設計有包括固定于地面上的沖孔機床身、能沿該沖孔機床身水平滑移的沖孔滑鞍、固定設置在沖孔機床身上并能驅動沖孔滑鞍沿該沖孔機床身滑移的帶液壓系統的第5 氣缸，以及壓緊裝置組成;該壓緊裝置功能是給卷帶狀金屬板材的前端提供壓緊力，避免金屬帶材在沖孔過程中發生變形;該壓緊裝置包括有壓板、驅動該壓板動作的壓緊油缸和帶動壓板沿沖孔機床身水平滑移的壓緊底座，該壓緊底座和沖孔機滑鞍之間固定連接，第5 氣缸的活塞桿和壓緊底座也是固定連接。

為了進一步提高沖孔的位置精確度，在壓板的底部還設置有能穿入金屬板材的定位銷，使沖孔滑鞍能夠隨著金屬帶料一起移動;當前面金屬帶材的沖孔工序全部完畢后，壓板上的定位銷能夠插入沖孔中進行定位;沖孔滑鞍則在第5 氣缸作用下復位;于是，在沖孔過程中，沖孔機能夠隨著金屬板材一起移動，當沖孔完成后，沖孔機在第5 氣缸作用下復位。

執行工序(4)的第二輥壓機組，它由5 臺帶動力頭的數控輥壓機構成，它們的床身均固定設置于地面上;它們逐漸執行橫邊、豎邊、內嵌折邊、外包折邊和彎折部等截面輥壓成型。

上述多臺帶動力頭的輥壓機在輥壓過程中同時帶動金屬帶材沿流水線運行方向進給。

執行工序(5)的數控切割機，為了實現切割機和嵌套合抱機床的聯動，同時保證切割和嵌套合抱兩道工序的連貫性，為此，在嵌套床身上設置有切割底座，(參見圖3 所示);它能相對于嵌套床身水平滑移。該切割底座與嵌套底座固定相連，該切割底座上連接有驅動沿嵌套床身滑移的帶液壓系統的第2 氣缸。

所述數控切割機設有刀模裝置，它固定設置于切割底座上。

并且，嵌套底座沿長度方向設置有切割擋塊和定位擋塊;其中，切割擋塊作為第一檢測控制觸點用于檢測構件的位置，并控制刀模的切割動作;而定位擋塊作為第二檢測控制觸點用于檢測第一構件的位置并控制旋轉定位裝置的轉動;嵌套床身在位于所述切割底座的一側設置有限制該切割底座移動的復位擋塊;由于切割底座和嵌套底座之間是固定連接的，當數控切割機復位時，嵌套底座同時復位，保證第二構件和第一構件的定位基準和切割長度一致。

為了避免擋塊和金屬帶材發生干涉，使得金屬帶材和構件均能夠順利的沿著生產線輸送，切割擋塊和定位擋塊分別設計成為可上下伸縮的擋塊，其中，切割擋塊和帶液壓系統的第3 氣缸的活塞桿相連，定位擋塊和帶液壓系統的第4 氣缸的活塞桿相連;切割擋塊和定位擋塊可以檢測金屬帶材或切割后的構件在生產線上的位置，并且控制切割機的刀模動作，當需要檢測金屬帶材或切割后構件的位置時，可以通過氣缸活塞桿將擋塊向上頂出;當已經檢測到金屬帶材或切割后構件的位置時，可以通過氣缸活塞桿將擋塊向下縮進。

執行工序(6)的嵌套合抱機床，它用于將第一構件旋轉180°后定位，然后與第二構件交錯合抱，構成一復合件，它包括有:

(1)固定設置于地面上的嵌套床身。

(2)嵌套底座，設置于嵌套床身上，并能相對于該嵌套床身水平滑移。

(3)定位裝置，包括有設置于嵌套底座上并能相對于該嵌套底座水平滑移的滑移車座。

該車座連接有能驅動該旋轉定位裝置沿所述嵌套底座滑移的第2 氣缸。如圖4 所示，該車座上固定有兩固定支架，固定支架內設置有沿長度方向貫穿且能相對該支架旋轉的旋轉器;其中，旋轉器沿圓周面開設有間隔設置的齒槽，當旋轉器旋轉180°后，旋轉器在180°方向的兩側相應齒槽內分別設有定位銷，定位銷能夠限定旋轉器的轉動位置，以確保嵌套合抱的準確性和可靠性;旋轉器沿軸向開設有和構件的形狀大小相適配的方孔，旋轉器在端面上還設置有多個沿方孔周邊布置的夾具。該夾具包括有導軌和夾頭，導軌固定設置于旋轉器端面上，夾頭能沿導軌滑移并與第一構件(切斷后)相緊抵，通過調節夾頭沿導軌的相對位置，使得旋轉器能夠適應各種幾何形狀和尺寸的型材構件的夾持;

執行工序(7)的第三輥壓機組，它由3 臺帶動力頭的數控輥壓機構成，它們的床身均固定設置于地面上;它們逐漸完成所述復合件的多個咬邊作業。

4 經濟技術效果

上述制造技術是從金屬帶材送入生產線到復合型材的產品成型，其間每一道工序均在線連續運行，節約大量機動工時與輔助工時，不僅實現了自動化生產，而且顯著降低原材料等資源消耗與生產成本;其二，所有沖孔工序均安排在加強筋輥壓成型之后，從而確保第一構件和第二構件在沖孔后孔距尺寸的幾何精度與形位公差，顯著提高嵌套式復合型材構件的產品質量;其三，工序自動化大大降低了工人的勞動強度、改善生產環境與作業面積利用率。由此，有關本課題成果，迄今為止已經獲得中國發明專利授權12 項、以及歐洲、日本、美國發明專利授權7 項;以上國內外已授權專利詳細內容均可從www.sipo.gov.cn/國家知識產權局網站(或鏈接至歐洲、日本、美國知識產權局網站)檢索獲得。

［1］李戴俊. 管狀構造物與模塊式建筑組合體:US，PCT/US2002/004280［P］.2002 -02 -14.

［2］朱建華，柯禮立. 節能環保型立體停車設備［J］. 中國設備工程，2014(6):23 -24.