數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床關(guān)鍵部件研究

張貴成

（廣東鍛壓機床廠有限公司，廣東 佛山 528300）

在我國制造業(yè)日新月異的今天，汽車、電子、通訊、電力、IT等行業(yè)發(fā)展迅猛，產(chǎn)品精度要求越來越高、形狀越來越復(fù)雜、類型越來越多、更新?lián)Q代周期越來越短。為適應(yīng)這種即時生產(chǎn)、敏捷制造和多變加工要求，就需要加工設(shè)備具有最高的生產(chǎn)效率、良好的生產(chǎn)柔性和網(wǎng)絡(luò)化功能，并能實現(xiàn)生產(chǎn)車間的集成生產(chǎn)管理和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能。而作為自動化程度和加工性能都較高的數(shù)控沖就具備這些條件，也就理所當(dāng)然地成為了鈑金加工領(lǐng)域的新寵。如圖1所示是我公司新研發(fā)的GMP1-3032數(shù)控沖及主要技術(shù)參數(shù)。它廣泛應(yīng)用于金屬薄板零件的成形或分離，可以一次性自動完成多種復(fù)雜孔型和成形加工，也可加工韌性較好的膠木板、塑料板等非金屬材料。

GMP1-3032數(shù)控沖床主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 GMP1-3032數(shù)控沖床

表1 GMP1-3032數(shù)控沖床主要技術(shù)參數(shù)

1 工作原理

數(shù)控沖結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由機身部分、換模系統(tǒng)、X/Y軸送料系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)五大關(guān)鍵部件組成。它是通過數(shù)控系統(tǒng)自動編程，使送料系統(tǒng)對板材進行X/Y方向的精確定位，然后自動選擇轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)中模具庫的模具，按程序要求自動加工不同尺寸和孔距的不同形狀的孔，也可通過簡單的模具組合或者用小模以步?jīng)_方式來沖制大的圓孔、方形孔、腰形孔及各種復(fù)雜形狀的異形曲線輪廓，還可通過使用相應(yīng)通用模具進行各種特殊工藝加工，如雙邊橋、百葉窗、壓凸包、擠沉孔、滾加強筋、刻印等，如圖3所示。其加工模式相對于傳統(tǒng)沖床而言，能大量節(jié)省開模校模費用、縮短換模調(diào)模時間、使用較低的成本、很短的生產(chǎn)周期加工出各式各樣的產(chǎn)品，具有較強的加工能力與加工范圍，能及時適應(yīng)市場產(chǎn)品的變化。

圖2 GMP1-3032數(shù)控沖總體結(jié)構(gòu)及原理圖

圖3 GMP1-3032數(shù)控床的加工形狀實例

2 關(guān)鍵部件研究

2.1 機身部分

（1）機身結(jié)構(gòu)特點

該機身采用閉式流線形外形、弧型雙層板整體焊接結(jié)構(gòu)，外形流暢、動感美觀。

機身與X/Y軸送料工作臺一體化設(shè)計，剛性好、強度高、送料平穩(wěn)，避免因長期使用工作臺而使其精度及相對部件的位置發(fā)生變化，保證機床原點與沖孔質(zhì)量長期穩(wěn)定不變。

采用熱處理去除內(nèi)應(yīng)力，精度穩(wěn)定、工作可靠，能有效延長機床和模具使用壽命，為其他功能部件的安裝提供一個穩(wěn)固的平臺，降低機床振動和噪聲。

（2）有限元分析

機身是數(shù)控沖的一個非常重要的部件，其他所有的零部件都安裝在它上面，工作時它要承受全部工作變形力，因此，機身的合理設(shè)計對減輕數(shù)控沖重量、增加剛度、提高零件的加工精度、延長模具的使用壽命等都具有直接的影響。為確保設(shè)計結(jié)果最佳，設(shè)計時采用三維設(shè)計軟件，對機身進行有限元分析、運動仿真、負(fù)載模擬演示，使其變形量控制在最優(yōu)范圍之內(nèi)，確保機身在實際使用條件下的強度、剛度、振動、結(jié)構(gòu)等方面的技術(shù)指標(biāo)都能完全滿足設(shè)計要求，保證機床長期的可靠性和穩(wěn)定性。如圖4是GMP1-3032數(shù)控沖的機身體有限元靜力學(xué)分析及模態(tài)分析，分析結(jié)果如表2所示。可以得出如下結(jié)論：

圖4 GMP1-3032數(shù)控沖機身靜力學(xué)分析和模態(tài)分析

表2 靜力學(xué)分析和模態(tài)分析結(jié)果列表

①從應(yīng)力結(jié)果可看出，機身體的集中應(yīng)力發(fā)生在機身體喉口圓角處，最大應(yīng)力33.9MPa，而其他大部分區(qū)域應(yīng)力基本上在6MPa～22MPa左右。設(shè)計時取機身體的綜合應(yīng)力為40MPa，局部應(yīng)力不超過鋼板的屈服強度210MPa，這是考慮實際工作中機身的強度應(yīng)留有一定的安全系數(shù)，避免不利因素影響。

②從應(yīng)變結(jié)果可看出，機身體的最大應(yīng)變發(fā)生在沖頭頂部，最大變形為0.2036mm，沖壓時中部產(chǎn)生拱變形，該變形在機身體允許的變形范圍內(nèi)，其他各處的變形較小符合設(shè)計要求。

③從模態(tài)分析結(jié)果可看出，前三階固有頻率分別為43.32Hz、67.56Hz和91.81Hz。該機有兩個激振源，一個是交流伺服電機的轉(zhuǎn)速0～3000轉(zhuǎn)/分，設(shè)計實際最大使用轉(zhuǎn)速為0～2200轉(zhuǎn)/分，對應(yīng)的固有頻率區(qū)間為0～36.67Hz；另一個是沖切頭的次數(shù)為0～700次/分，對應(yīng)的固有頻率區(qū)間為0～11.67Hz；此兩個激振源的最大頻率都小于壓力機的固有一階頻率，所以不會引起機器的共振，設(shè)計合理。

2.2 換模系統(tǒng)

換模系統(tǒng)是數(shù)控沖的核心部件，它包括T軸伺服轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)、C軸伺服轉(zhuǎn)模系統(tǒng)、模具工位的設(shè)計及選擇。

（1）T伺服轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)（圖5）是伺服電機通過減速箱及鏈輪傳動帶動上、下轉(zhuǎn)塔同步運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)塔上有模座及模具，工作時根據(jù)加工孔的形狀來選擇模具，轉(zhuǎn)塔可作雙向旋轉(zhuǎn)，選擇模具時按最短路徑進行旋轉(zhuǎn)，為保證上、下模具同心，在上下轉(zhuǎn)塔側(cè)面設(shè)有氣動式錐銷定位裝置，精度高、選模快，確保機床運轉(zhuǎn)精度并提高生產(chǎn)效率。它具有如下特性：

圖5 GMP1-3032數(shù)控沖的T軸伺服轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)圖

①上、下轉(zhuǎn)塔采用高強度、抗耐磨能力強的球墨鑄鐵，具有自潤滑功能、磨損極小，并經(jīng)熱處理去內(nèi)應(yīng)力。

②轉(zhuǎn)塔采用厚轉(zhuǎn)塔，剛性好、精度穩(wěn)定、抗沖擊和偏載能力強、模具對中性好、導(dǎo)向精度高，能很大程度上延長模具使用壽命。

③在下轉(zhuǎn)塔上設(shè)計有快速拆裝模具的下模座，互換性好，能方便快速地拆裝各個工位的模具。

④加工時采用專用工裝進行成對加工，上下模具孔同心度好。

（2）C伺服轉(zhuǎn)模系統(tǒng)（圖6）是伺服電機驅(qū)動同步帶輪，通過同步帶把動力同步傳給上、下蝸輪蝸桿減速箱，同時再靠氣缸使上、下旋轉(zhuǎn)裝置分別與上下模具結(jié)合，從而讓上、下模具同步轉(zhuǎn)動，再由數(shù)控系統(tǒng)控制，實現(xiàn)同一模具任意角度的沖壓。轉(zhuǎn)模系統(tǒng)采用獨特的高精度蝸輪蝸桿傳動結(jié)構(gòu)，傳動比大、自鎖性能好、側(cè)向間隙小、分度精度高、調(diào)整方便，并具有誤操作保護功能，可避免蝸輪蝸桿減速箱或模具的損壞。分度轉(zhuǎn)模數(shù)量為2個，轉(zhuǎn)模尺寸為C工位2英寸，轉(zhuǎn)模速度為40轉(zhuǎn)/分，分度精度為±0.02°，最小編程增量為0.01°。旋轉(zhuǎn)工位模具與普通工位模具相比具有如下優(yōu)點：

圖6 GMP1-3032數(shù)控沖的C軸伺服轉(zhuǎn)模系統(tǒng)圖

①在工件上可方便加工各種形狀的孔。

②同一模具可完成多個模具的工作，模具數(shù)量大大減少。

③減少產(chǎn)品加工時間，縮短產(chǎn)品制造周期。

（3）模具的工位設(shè)計力求結(jié)構(gòu)簡單合理、容量大、換模速度快且模具的導(dǎo)向精度高，所以基于以上要求，機床科學(xué)合理設(shè)計32個標(biāo)準(zhǔn)通用模位，模具按尺寸大小分為A、B、C、D共4個級別，加工尺寸及工位數(shù)。如圖7所示。另外，各級工位還可通過增加轉(zhuǎn)換套將大工位模具轉(zhuǎn)換為下一級工位模具即D→C，C→B，B→A。

圖7 GMP1-3032數(shù)控沖的模具設(shè)計及工位參數(shù)

（4）模具在選擇方面也不容忽視，選擇時要考慮板件沖孔尺寸、形狀、工藝過程、現(xiàn)有模具規(guī)格、板件厚度、批量大小等相關(guān)問題。一般說，用戶可根據(jù)零件要求，編制沖壓工藝，選擇模具，編制零件加工程序，但須注意以下問題：

①小圓沖頭步?jīng)_大孔時，由于生產(chǎn)率低，模具壽命短，對機器損耗大，盡量少用。

②步?jīng)_時，步距不得小于板厚尺寸。

③為提高生產(chǎn)率，可用窄而長的長方模切斷板件。

④可用中心孔模具試沖，以檢驗加工程序或作為后續(xù)加工的基準(zhǔn)。

⑤模具為不對稱形狀時，應(yīng)注意上下模的安裝角度的一致性時。

⑥安裝模具時，應(yīng)對各模座滑動面及模座支架滑動面加潤滑油。

⑦安裝好上模后，要檢查上模座是否在最低位。

⑧拆卸和裝配模具時，應(yīng)用煤油清洗各滑動表面，不允許帶入任何異物或劃傷模具。裝配時應(yīng)封入足量的潤滑油或脂。

⑨模具刃口應(yīng)保持鋒利。一般每次刃磨量應(yīng)控制在 0.1～0.2mm。

2.3 X/Y軸送料系統(tǒng)

X/Y軸送料系統(tǒng)（圖8）是由X或Y軸的伺服電機驅(qū)動滾珠絲桿傳動系統(tǒng)，使夾在夾鉗上的板材，在X/Y軸方向上按數(shù)控指令值快速地在導(dǎo)軌上移動并定位，以完成沖孔。包括X軸送料系統(tǒng)和Y軸送料系統(tǒng)。機器的送料系統(tǒng)一般采用進口品牌高精度直線滾珠導(dǎo)軌副、精密而又增力大的大直徑大導(dǎo)程滾珠絲桿副，它具有傳動效率高、運行平穩(wěn)、響應(yīng)快、定位準(zhǔn)、工作壽命長，重復(fù)精度好且在全行程上無需精度補償即可滿足機床的加工精度要求等優(yōu)點。為了保證X/Y軸送料系統(tǒng)的加工精度和性能，設(shè)計時應(yīng)考慮以下幾點：

圖8 GMP1-3032數(shù)控沖的X/Y軸送料系統(tǒng)

①X/Y軸送料系統(tǒng)既要能夠簡單容易地安裝到機身上，又要保證安裝前后都不能阻礙其他零件安裝。

②X/Y軸送料系統(tǒng)自身要有適當(dāng)足夠的安裝空間，可以讓安裝在其上的零件容易安裝。

③方便安裝需要用油管、氣管和電纜等。

④為了滿足送料速度的條件，Y軸滾珠絲桿的設(shè)計位置很重要，因為送料系統(tǒng)Y軸方向的動力全部來自Y軸滾珠絲桿，其在送料系統(tǒng)上的使力點位置對送料的變形影響很大，所以，設(shè)計時得使整個送料系統(tǒng)在加速或減速時變形最小。

⑤Y軸兩直線導(dǎo)軌的位置布局也很重要，直線導(dǎo)軌不能靠得太近，在一定的范圍內(nèi)其之間的距離越大，送料系統(tǒng)的剛度就越好，送料系統(tǒng)的寬度決定于X軸方向的行程，設(shè)計中X軸方向行程越大，送料系統(tǒng)則越寬，為了讓送料系統(tǒng)不至于太寬，X軸滾珠絲桿的安裝位置設(shè)計成關(guān)于送料系統(tǒng)中心對稱。

2.4 液壓系統(tǒng)

圖9 GMP1-3032數(shù)控沖的液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)（圖9）是由液壓動力泵站提供給液壓沖切頭動力，通過專門CNC程序控制液壓系統(tǒng)的運行，并由連接于油缸活塞桿上的光柵尺適時測量和反饋沖切頭的運行情況，最終完成對沖切頭行程、速度及位置的精確控制。沖切頭控制系統(tǒng)由油缸，比例伺服閥及光柵尺組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，沖頭位置可通過控制器多點設(shè)置。

2.4.1 液壓系統(tǒng)工作原理（圖10）

圖10 GMP1-3032數(shù)控沖的液壓原理圖

①系統(tǒng)壓力建立：電機開機得電，油泵啟動，電磁閥通電，壓力建立。

②液壓沖頭無負(fù)載快下：油泵啟動，Y4得電，Y3失電，比例伺服閥16處于右位，雙泵供油經(jīng)單向閥12、14、比例伺服閥16進入油缸上下腔，實現(xiàn)差動，沖頭快速下降。

③液壓沖頭工進：接觸工件后壓力升高，壓力閥13，壓力傳感器10動作，自動控制換向閥Y1得電，低壓泵經(jīng)順序閥15卸荷，高壓泵經(jīng)換向閥9，比例伺服閥16右位進入油缸上腔，下腔油液進入蓄能器11充液（提供快速返程），實現(xiàn)沖壓。

④液壓沖頭回程：沖壓結(jié)束后，比例伺服閥16切換至左位，壓力繼電器10失電，換向閥9電磁鐵Y1自動失電，高壓泵的油經(jīng)換向閥7會同低壓泵的油經(jīng)單向閥12進入油缸下腔，同時蓄能器11也給下腔供油，油缸上腔的油經(jīng)比例伺服閥16左位回油箱，實現(xiàn)沖頭快速返程。

2.4.2 液壓系統(tǒng)的優(yōu)點

①液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔、性能穩(wěn)定、功率強勁、噪音低、振動小、速度快、過載能自動保護、行程可無級調(diào)整、具有智能沖壓，能得到極高的同步控制精度，并能快速起停及頻繁換向。

②可以根據(jù)板材厚度、沖孔類型以及送料速度和步距等因素，在程序中對沖頭行程進行優(yōu)化，從而提高沖壓頻率。

③由于沖切頭在整個沖壓中的時間、速度等參數(shù)可按任意方式設(shè)定，所以可改變沖切頭的瞬時速度，來降低沖壓和送料動作時的振動和噪聲，并確保系統(tǒng)快速響應(yīng)。另外，也可根據(jù)成形產(chǎn)品的效果對加工曲線進行修正，生產(chǎn)出更為理想的產(chǎn)品。

④能完成多種沖壓工藝。它不僅可以進行簡單的快速沖孔和刻印，而且由于可控性的沖切頭在下死點具有高重復(fù)精度，且整個行程輸出力恒定，所以還適合用于完成如拉伸、壓凸包、滾筋等特殊成形工藝。

⑤對油品質(zhì)量要求不苛刻，維護成本低。一次注滿油可長期使用，并采用油泵自動循環(huán)冷卻系統(tǒng)，無需增加大功率的冷卻電機，降低系統(tǒng)能耗。

2.5 數(shù)控系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控沖的重要組成部分和自動加工的核心，實時監(jiān)控高速數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的工作狀態(tài)以及加工環(huán)境，接受操作人員的操作指令，控制機床各功能部件協(xié)調(diào)動作來完成各項加工任務(wù)，它與普通的機床加工在工藝上存在著明顯差異，如在快速起停、高速進給、高速I/O等方面的要求更為苛刻，所以針對數(shù)控沖的特殊要求，在通用數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)。本機以倍福數(shù)控裝置為硬件平臺，Twincat+ISG為數(shù)控系統(tǒng)的軟件平臺，并配置64位CPU、最大支持64軸聯(lián)動的高檔通用數(shù)控系統(tǒng)。如圖11為GMP1-3032數(shù)控沖的數(shù)控系統(tǒng)控制原理圖，它具有以下優(yōu)點：

圖11 GMP1-3032數(shù)控沖的數(shù)控系統(tǒng)原理圖

①軟件編輯指令豐富、界面友好、功能實用、操作簡單，可完成CAD圖形自動模具配置和加工；工件定位采用交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)，精度高、響應(yīng)快、能實現(xiàn)各軸位置與速度的精確控制；編程軟件可完成從零件設(shè)計到程序自動生成的一體化，一個加工程序可在一張大板上套沖多個小型零件，并可自動排料；自動重定位功能可進行夾鉗避讓，工件無加工死區(qū)，在夾鉗保護區(qū)內(nèi)不進行沖壓，僅作位移運動，避免模具、夾鉗受損，保證程序運轉(zhuǎn)的持續(xù)性；可自動優(yōu)化排料使板材的利用率達(dá)到最佳。另外，還具備自動分度模、同步運行等優(yōu)點并可自由自在地按用戶需求進行加工范圍擴展。

②數(shù)控系統(tǒng)在整個工作過程采用數(shù)字化管理，通過定期采樣綜合判斷作出處理，使各個環(huán)節(jié)的運行參數(shù)實時地傳送至人機界面，供上層操作者使用，當(dāng)數(shù)據(jù)與動作影響到機床和操作者安全時，在最短時間發(fā)出終止該動作的指令，并顯示相應(yīng)的報警信號，如伺服電機超載、極限位置超差、保護區(qū)間被入侵、電機溫度過高、機器噸位超載、運動摩擦副溫度超限、空氣管路系統(tǒng)壓力不足以及送料系統(tǒng)出現(xiàn)故障等。這些使它成為安全加工、快速維護以及長期使用最理想的生產(chǎn)裝備，并且其相關(guān)信息還可作為資料長期保存。

③數(shù)控系統(tǒng)有足夠的數(shù)據(jù)處理與儲存空間，除了主控制、主驅(qū)動及加工過程可作詳細(xì)處理外，還可能對潤滑、氣控、周邊裝置等感應(yīng)元件進行全過程數(shù)據(jù)采樣處理記錄，并達(dá)到最優(yōu)化控制。另外，生產(chǎn)過程的工藝文件也應(yīng)作為設(shè)備管理的一部分進行分項處理，如可在機床進行工作的模具的編號（或引入識別碼）、工藝參數(shù)的記錄（如沖壓材料、規(guī)格、工作力及功等）、采用的典型加工模式、模具的預(yù)期重磨壽命及實際記錄，甚至設(shè)備的關(guān)鍵件檔案建立。

④數(shù)控系統(tǒng)具有智能網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化制造功能。能以太網(wǎng)絡(luò)操作方式發(fā)送或接收加工程序，可以進行無人值守遠(yuǎn)程監(jiān)控，或與其他設(shè)備群鏈接進行遠(yuǎn)程聯(lián)控、監(jiān)控及集成生產(chǎn)管理，也可以對遠(yuǎn)程客戶的數(shù)控加工設(shè)備的運行進行網(wǎng)絡(luò)查詢，在線故障診斷、誤差補償、維護維修等管理監(jiān)控功能，解決現(xiàn)場技術(shù)人員無法解決的技術(shù)問題，實行完善的信息化制造；還可通過軟件自動將二維或三維圖形轉(zhuǎn)換成計算機加工程序?qū)崿F(xiàn)智能網(wǎng)絡(luò)化加工。另外，在企業(yè)內(nèi)，可通過Profibus總線實現(xiàn)多臺數(shù)控沖的柔性加工鏈接，也可與數(shù)控剪板機、數(shù)控折彎機、伺服壓力機等組成整套的網(wǎng)絡(luò)智能化數(shù)控柔性加工成套裝備，如圖12所示。

圖12 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控沖遠(yuǎn)程監(jiān)控管理鏈接模式

2.6 輔助裝置

數(shù)控沖的輔助裝置包括工作臺板、板材再定位裝置、夾鉗、原點定位裝置、護罩、全自動集中潤滑系統(tǒng)、空氣管路系統(tǒng)等，這些輔助裝置在機床中也缺一不可，為整機正常運行提供有力保障。

3 結(jié)束語

數(shù)控沖不同于一般的普通沖床，它結(jié)構(gòu)復(fù)雜、配置齊全、性能優(yōu)越，是集機、電、液為一體的高集成度的多軸聯(lián)動的數(shù)控自動鈑金沖壓設(shè)備，且具有沖壓速度快、加工精度高、安全性能好、模具通用性強、產(chǎn)品靈活多樣等特點。所以要設(shè)計出一款優(yōu)良的數(shù)控沖床，就必須對其關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)、原理及特點有全面的認(rèn)識和掌握。