中厚板沖切連線生產工藝探討

趙赦，鄭琦，王建甫，趙晉陽

（中國汽車工業工程有限公司，天津 300113）

0 引言

中厚板零件的下料、成形生產過程，往往符合小批量、多品種定制化零件加工特點。沖切連線生產工藝可有效解決多品種、小批量的生產模式，從而逐漸替代大批量的剪板下料、壓機落料模式。本文著重對中厚板沖切連線生產工藝進行深入探討。

1 中厚板沖切連線生產特點

零件厚度通常4～10mm，長度從300～4000mm 不等，零件表面有若干孔，直徑大小不一，從9～35mm不等。以板類零件（圖1）、折彎類零件（圖2）或沖壓類零件（圖3）為主。

圖1 板類零件

圖2 折彎類零

圖3 沖壓類零件

1.1 常規生產工藝

（1）板類、折彎類零件。標準件—仿形切割機切割外形—鉆床鉆孔—折彎，或采用激光切割機一次割型、割孔—折彎。

（2）沖壓類零件。剪板下料—壓機落料—壓機成形。

從以上生產工藝來看，每種生產工藝雖都能完成生產要求，但也都有各自的局限性。其對比如表1所示。

表1 幾種生產工藝對比

1.2 沖切生產工藝

由于零件上分布有許多孔，如何既能提高生產效率又能保持生產的靈活性，沖切生產工藝應運而生。沖切工藝將零件的孔加工與外形加工分步完成，先采用沖孔方式完成孔加工工藝，再通過切割方式完成外形的加工工藝。無論沖孔工藝還是切割工藝，都需要專業的計算機輔助編程配套軟件完成各自工藝范圍內的編程[1]。

沖孔生產設備為數控平面沖孔機。受機床床身尺寸要求，其沖孔寬度一般在850mm 以內，長度不小于3000mm。激光切割機通常有機床的標準尺寸，也可以根據零件尺寸進行局部定制。

既然采用分步加工方式，為確保零件尺寸精度，分步加工基準就非常重要。依據零件的加工精度及特點，加工基準可以分為邊定位方式、孔定位方式兩種。下面對兩種定位方式的生產工藝分別進行詳細介紹。

2 邊定位生產工藝

2.1 工藝描述

邊定位生產是以零件板料的邊為定位方式對零件進行加工的工藝，通常要求零件或者板料的至少2個方向的邊是相互垂直的直邊，并且對直邊的直線度有要求。當零件的精度為1mm 以上級別，板料的直線度需要達到剪板機（GB/T14404-2011）二級精度等級，當零件的精度為1m 以下級別，板料的直線度要求達到剪板機一級精度等級。為適應激光切割設備的要求，零件板料整體平面度要求控制在0.15mm/m2（達到精校的標準）以內。

常規加工流程為：布板（在指定尺寸的板料上布置零件，可以是一個或多個零件）—沖孔機上料—沖孔邊定位—沖孔機沖孔—沖孔機下料—激光上料—激光邊定位—切割—激光下料。

需要特別明確的是，此工藝中沖孔與切割可以理解為完全獨立的兩道工藝，彼此之間無任何關系，所有的尺寸精度都由板料的外形尺寸精度決定。

2.2 設備要求

2.2.1 數控沖

對數控沖（圖4）而言，設備在定位要求有X 軸、Y 軸兩個方向上的定位基準，定位擋塊為X 向定位基準，三把（按零件尺寸要求設定）夾鉗鉗口為Y 向定位基準。板料的兩個相互垂直的邊靠緊上述基準，板料即定位，夾鉗可夾緊②。

圖4 數控沖

2.2.2 激光切割機

對激光切割機（圖5）而言，要在沖好孔的板上進行零件加工，需要將激光切割機與沖孔機的兩個機床的坐標重合，邊定位即要求激光切割機與數控沖相同，需在X 軸、Y 軸兩個方向上的定位基準。

圖5 激光切割機

3 孔定位生產工藝

3.1 工藝描述

孔定位生產是以零件板料中某幾個特定的基準孔為定位方式對零件進行加工的工藝。其原理與邊定位類似，只不過沖孔、切割均以某幾個特定的孔位定位基準，最終也是達到兩種設備坐標重合來完成分布加工生產的目的。按工藝要求，定位孔必須為相對精確的幾個孔（實際設計時是按2 個孔），沖孔設備將零件孔沖出的同時，也將定位孔沖出，而切割機則直接用兩個沖出的定位孔進行板料定位，再進行切割。

通常孔定位方式有兩種：一種是銷定位，另一種是視覺定位。銷定位是采用定位銷插入到定位孔內來實現定位，此種方式原理上可行，但實際應用中并不多見，因為切割機要考慮切割后板料廢料的下線，通常切割工作臺都是移動的，因此在切割機上布置固定位置的定位銷較為困難。視覺定位是通過相機拍照的方式確定孔在板料上的坐標位置來實現板料的定位，這種方式不受孔位置的限制，從理論上很好地解決了定位孔位置的問題，同時只需要在切割設備上進行孔定位，而沖孔設備仍然按照傳統的邊定位方式即可。

孔定位（視覺定位方式）常規工藝流程：布板（在板料上繪制零件以及定位孔）—沖孔機上料—沖孔邊定位—沖孔機沖孔—沖孔機下料—激光上料—激光視覺孔定位—切割—激光下料。

3.2 設備要求

3.2.1 數控沖

數控沖與邊定位設備要求一樣，但需在布板編程過程中提前將定位孔沖出。定位孔的位置對后續切割出的零件能否合格有決定性作用，因此定位孔的位置需要與激光切割機一起通過理論計算并現場共同工藝驗證確定。

（1）設備精度的保證。設備精度首先要達到技術要求的所有精度，同時有多臺設備時，要確保多臺設備的精度穩定性，這是確保后續零件切割精度的前提。

（2）定位孔的選擇。由于定位孔的位置對后續切割出的零件是否合格有決定性作用，因此定位孔的位置要滿足幾個條件：①定位孔的精度穩定性，即所沖出的定位孔一定是相對穩定的，其沖孔誤差需完全控制在設備精度誤差范圍內；②兩個定位孔之間的長度方向距離大約控制在板料長度的60%的位置，并且在板料寬度方向約30%的位置，經過多組數據驗證，這個區域沖出的孔的精度穩定性較好，同時相對角度的誤差趨勢一致性好；③定位孔徑選擇數控沖坐標原點的那個沖孔孔徑，這樣沖出的孔精度會更好計算。如圖6 所示為布板圖中所選擇的定位孔的位置。

圖6 布板圖中定位孔的選擇

3.2.2 激光切割機

由于銷定位在實際使用中的靈活性較差，實現較為困難，本文僅對視覺定位中激光切割機的要求進行探討。對激光切割機而言，要通過定位孔來實現兩種設備的坐標重合并且切割出合格零件，則必須要能夠快速尋找到定位孔，通過定位孔以及相關算法轉換兩種設備坐標，最后進行零件的切割。

（1）尋找定位孔

沖孔設備已經將定位孔沖到板料上，如何快速找到并識別定位孔就需要激光切割機與沖床做一些約定與配合。板料在沖孔前就要將整個布板圖發布給沖孔設備以及切割機，切割機即可提前在程序中大致了解到定位孔的位置，后續再進行精確定位。

目前有兩種解決方案實現定位孔的定位：①視覺巡邊方案（圖7a）。即板料進入切割機后，首先通過視覺系統對板料的某一垂直的兩個邊進行初定位，把板料在切割臺上的位置大體定義出來，此定位的精度為mm 級，因此是初定位。再通過系統中提前傳過來的沖孔程序就可以準確找到定位孔的位置。此方案有一定的限制，就是在進行視覺尋邊時需要板料垂直200mm×300mm 范圍內不能提前做沖孔任務，因為一旦此范圍內有孔或者其他的加工痕跡就無法進行視覺判斷。若此范圍內確需打孔，則可在后續切割中由切割機切出；②機械定位方案（圖7b），即板料在沖孔設備上的定位與在切割機上的定位基本保持不變。這就需要在板料從沖孔設備出來輸送到切割設備工作臺上的過程中整體的位置不能發生變化，因為一旦出現變化則需要進行二次定位，使得板料在兩種設備上的定位一致。在輸送過程中對板料進行了二次對中定位，使板料的位置變化基本控制在1mm 范圍內。

圖7 尋找定位孔

（2）坐標轉換

通過定位孔實現坐標的轉換，目前較為簡單的方式為在沖孔設備上沖兩個孔，此二孔均在板料的長度方向上，寬度方向坐標值一致。定義長度方向為X 軸方向，在切割機上識別兩個定位孔后，以第一個點為原點，逆時針旋轉90°即形成一個坐標系，即可通過新的坐標系與沖孔坐標系之間的相對位置關系確認出零件之間的相對關系，從而進行下一步的零件切割。

（3）切割順序優化

在完成孔定位以及坐標轉換后，按零件圖的順序從頭到尾進行切割。此時切割出來的零件也許在精度上仍然存在一定問題，而且零件測量的檢測點彼此誤差還有規律可循，這很有可能是切割過程中產生的熱量使板料位置發生變化所致，此時需要調整、優化零件的切割順序，從而確保板料切割過程中位置穩定，這樣切割出來的零件基本都會滿足精度要求。

4 結束語

沖切連線是一種新型的板材下料生產工藝，其生產的靈活性，多樣性更加適合未來小批量、多品種的定制化生產模式，而且也更加容易實現自動化生產。相信中厚板下料加工生產一定會有更好的應用前景。