簡述了中國現(xiàn)代制造業(yè)的特點及數(shù)控機床的基本組成。對常用的現(xiàn)代板材數(shù)控成形設(shè)備——多點成形機，伺服壓力機、卷板機，以及滑塊上帶氣墊壓力機、高速壓力機等設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)狀進行了分析論述，最后簡述了部分現(xiàn)代板材數(shù)控設(shè)備的發(fā)展趨勢。
制造業(yè)是創(chuàng)造物質(zhì)財富的基礎(chǔ)，是國家安全的重要保證，是國家競爭力的重要體現(xiàn)。發(fā)達國家在重大裝備關(guān)鍵技術(shù)上對我國一直實行高技術(shù)壁壘與封鎖政策。20多年來，我們以市場換技術(shù)的策略基本未收到成效，如哈電、東電、上電( 北重) 與西屋、GE 等國外公司進行了多年的合作，但現(xiàn)在這些跨國公司都拒絕轉(zhuǎn)讓最新核心技術(shù)。因此，國民經(jīng)濟增長與可持續(xù)發(fā)展對制造技術(shù)提出了更高的要求，特別在一些重大或戰(zhàn)略性行業(yè)，迫切需要開發(fā)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的設(shè)計制造技術(shù)，實現(xiàn)我國由制造大國向制造強國的轉(zhuǎn)變。
金屬板材成形設(shè)備作為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)之一——汽車工業(yè)的重要裝備，都需要其制造者及使用者了解數(shù)控金屬板材成形設(shè)備的現(xiàn)狀及發(fā)展，為企業(yè)的生存和發(fā)展奠定基礎(chǔ)。為此，本文針對部分數(shù)控板材成形技術(shù)機械的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢進行探討。
1. 金屬板材數(shù)控漸進成形機
金屬板材數(shù)控漸進成形技術(shù)是根據(jù)工件形狀生成的幾何信息，用三軸數(shù)控設(shè)備控制成形工具頭沿其運動軌跡對板材進行局部的塑性加工，使板材逐步成形為所需工件的柔性加工技術(shù)。該技術(shù)不需要專用模具便可加工任意復(fù)雜形狀的工件，省去了設(shè)計產(chǎn)品過程中的模具設(shè)計、制造、試驗修改等復(fù)雜過程，極大地降低了新產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本，對于飛機等多品種小批量的產(chǎn)品、家用電器等新產(chǎn)品開發(fā)，以及汽車新型樣車試制等具有較大的經(jīng)濟價值。
金屬板材數(shù)控漸進成形系統(tǒng)主要由成形工具頭、支撐模型、導(dǎo)向裝置、壓邊裝置及機床本體組成。成形工具頭在數(shù)控系統(tǒng)的控制下運動; 支撐模型用來支撐板料，對于形狀復(fù)雜的工件，可把支撐模型做成工件的形狀，以利于成形; 壓邊裝置用來固定板材，并且可沿導(dǎo)向裝置上下移動。
金屬板材數(shù)控漸進成形技術(shù)引入快速原型制造“分層制造” 的思想，將復(fù)雜的三維模型沿z 軸方向切成一系列二維斷面，并沿這些斷面輪廓生成加工軌跡。成形工具頭在CNC 系統(tǒng)的控制下，以走等高線的方式從最高層軌跡沿模型輪廓線運動，并一圈一圈向下對金屬板材進行逐層輾壓，使板材成形為與模型相同的形狀。其工作原理如圖1 所示。
加工前，首先將板材放置于支撐模型之上，用壓邊裝置將板材固定。加工時，成形工具頭從指定位置開始對板材的最高層( 即第一層) 進行單點漸進塑性加工，形成第一層截面輪廓后，成形工具頭下移到設(shè)定的高度后，按截面輪廓運動而形成第二層輪廓，如此循環(huán)直至加工成所需零件。
使用UG 的CAM 模塊后處理工具生成了成形工具頭的加工軌跡，一圈圈的加工軌跡對支撐模型形成一個包絡(luò)面，如圖2 所示。
如果這個包絡(luò)面與支撐模型間發(fā)生錯位，將嚴重影響成形精度，并撞壞模型和工具。因此，加工軌跡坐標( 以機床坐標系為基準) 與支撐模型坐標( 稱造型支撐模型時所采用的坐標系為支撐模型坐標系) 的準確對位至關(guān)重要。為了有效地排除成形過程中坐標對位對零件上出現(xiàn)的拉裂、材料堆積、材料硬化等現(xiàn)象的影響，使進行更準確的工藝分析成為可能，必須完成該成形軌跡坐標的準確對位。但用人工對位的方法效率低、精度差，因此可采用基于機器視覺的非接觸式加工軌跡坐標對位方法。圖3 所示即為基于機器視覺的坐標對位系統(tǒng)，由光源、CCD 攝像機、數(shù)據(jù)采集卡、工業(yè)控制計算機、圖像處理與機床坐標自適應(yīng)軟件、CNC 系統(tǒng)和運動驅(qū)動單元組成。
2. 數(shù)控激光切割機
激光切割設(shè)備的出現(xiàn)，是對鈑金工業(yè)日常生產(chǎn)的改革。與其他加工設(shè)備比較，激光加工具有以下特點：
( 1) 激光的光速直徑極小，可進行狹窄的直邊割縫。
( 2) 對任何硬度的薄板或厚板、簡單或復(fù)雜的形狀均能有效加工。
( 3) 切邊質(zhì)量高，工件不會受損傷，無機械變形，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠。
( 4) 加工時不產(chǎn)生噪聲。
( 5) 兩工件可同一切邊，節(jié)省加工材料和工時，與計算機結(jié)合，可整張排料，從而降低材料耗費。
( 6) 切割速度快，加工新產(chǎn)品時只需要很短的準備時間，生產(chǎn)效率高。
激光切割的加工成本主要是氣體的消耗、電力的損耗、設(shè)備的折舊及維修費用，不需要模具，對小批量產(chǎn)品或形狀復(fù)雜的大批量產(chǎn)品，以及工藝適合激光加工的產(chǎn)品，激光機的運轉(zhuǎn)成本均低于數(shù)控沖床。在許多鈑金企業(yè)中大多將二者配合使用，從而充分發(fā)揮各自的優(yōu)點，以取得最佳的加工效果。
目前，還有數(shù)控沖壓/ 激光復(fù)合機床，它不是兩種功能的簡單合并，是把一種功能的強項和另一種功能的優(yōu)點相結(jié)合，具有許多單功能設(shè)備無法比擬的優(yōu)越性。
3. 數(shù)控剪板機
先進的CNC 剪板機摒棄了一般剪板機的人工操作，由板料自動進給支承、卸除和堆垛系統(tǒng)組成，除可定位、送料和切斷工件外，還可自動分選、收集剪下的碎片。對加工大量恒定尺寸的零件來說，效率甚高，且大大減輕工人的勞動強度。CNC設(shè)備的一次性投資雖然貴一些，但可通過連續(xù)、大量的加工來彌補，最終使每個零件的加工成本降低。近年來，國內(nèi)不同規(guī)模的鈑金企業(yè)已意識到上述先進技術(shù)設(shè)備無論在性能與經(jīng)濟上，還是從加工方式的發(fā)展方向上，都是明智的選擇，因而相繼引進，使鈑材加工水平大大提高，對于產(chǎn)品與世界接軌，走向世界起了關(guān)鍵的作用，同時，也標志著我國鈑金生產(chǎn)的加工技術(shù)和裝備水平已跨入世界先進行列。
4. 數(shù)控旋壓設(shè)備
在近10年的時間里，我國的旋壓設(shè)備完成了由液壓仿行到全數(shù)字控制的轉(zhuǎn)變。20紀60年代中期至90年代中期，我國設(shè)計制造的旋壓機床基本上是液壓仿行，控制精度較低，所采用的電器和液壓控制元件性能差，機床的整體性能及可靠性低。對于一些形狀復(fù)雜、加工工序道次多、走刀軌跡復(fù)雜的零件，液壓仿行旋壓機床就暴露出加工效率低和其他一些功能上的缺陷。但這類機床經(jīng)久耐用，抗沖擊震動、抗負荷過載能力強，能夠適用各種惡劣的工況。經(jīng)過不斷地維修整改，這些機床現(xiàn)在仍有不少在承擔著大量的科研生產(chǎn)任務(wù)，30多年來為我國的航空航天事業(yè)做出了突出貢獻。
90年代末期，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，各種進口元器件的大量采用，在綜合吸收已經(jīng)研制開發(fā)旋壓設(shè)備的基礎(chǔ)上，設(shè)計制造出集國際上最先進的數(shù)控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、機械及各種元器件于一身的完全代表了國際先進水平的旋壓設(shè)備。
其特點如下：
( 1) 廣泛采用國際上最先進、最流行數(shù)控系統(tǒng)如西門子840D，控制軸數(shù)多，控制精度高，性能穩(wěn)定可靠。
( 2) 液壓系統(tǒng)采用伺服閥或比例伺服閥，頻響高，全閉環(huán)控制。尤其是比例伺服閥，集比例閥和伺服閥的優(yōu)點，是數(shù)控旋壓機床電- 液轉(zhuǎn)換最理想的控制元件。
( 3) 主軸系統(tǒng)采用交流變頻或直流調(diào)速，變頻器采用進口，能夠做到恒線速度。
( 4) 采用進口主軸軸承、進口滾動導(dǎo)軌等旋轉(zhuǎn)傳動部件，提高了整個設(shè)備的精度和可靠性。
( 5) 光柵尺、位移傳感器、旋壓編碼器等多種位移，及位置反饋元件也采用進口元件。
由于采用了國際上最先進的數(shù)控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、機械傳動及控制元件，結(jié)合自身的機械加工優(yōu)勢，國產(chǎn)旋壓機床的整體水平已經(jīng)達到國外21 世紀初的水平。國產(chǎn)旋壓機床的這種制造模式與國外其他旋壓機生產(chǎn)廠商是一致的，與進口旋壓設(shè)備相比，具有價格優(yōu)勢、維修及售后服務(wù)優(yōu)勢、工藝服務(wù)優(yōu)勢。
90年代末至今，我國共設(shè)計制造各類數(shù)控旋壓機床70余臺，其中包括單旋輪普通旋壓機床、雙旋輪普通-強力旋壓機床、三旋輪強力旋壓機床；各類專用旋壓機床如立式皮帶輪旋壓機床、鋁合金氣瓶和鋼質(zhì)氣瓶收口專用旋壓機床、封頭成形旋壓機床、風機零件成形和翻邊專用旋壓機床；還有內(nèi)旋壓專用機床、滾珠旋壓機床。機床的加工范圍從50 ～2000mm，可成形零件高度最大達3000mm。就旋壓機床的最重要參數(shù)徑向旋壓力來講，單個旋輪的最大推力已經(jīng)達到600kN。
5. 伺服和異步電動機聯(lián)合拖動機械壓力機
采用交流異步電動機和交流伺服電動機聯(lián)合拖動機械壓力機是目前研究的熱點問題。國內(nèi)某單位在現(xiàn)有J84 —250 精壓機結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，開發(fā)研制了一種雙曲軸并聯(lián)驅(qū)動肘桿式精壓機JB84 —250 。
主要技術(shù)參數(shù)：
公稱力2500kN
滑塊行程80 ～120mm
滑塊行程次數(shù)25 ～45 次/ min
主電機功率22kW
伺服電機功率11kW
機器的驅(qū)動部分增加了一臺可控伺服電動機作輔助驅(qū)動，用五桿機構(gòu)完成輸入運動合成(見圖4)。主電動機通過主曲軸L1 驅(qū)動連桿a1，再驅(qū)動肘桿a 2 、a3，使壓力機滑塊運動的同時，改變伺服電動機的控制參數(shù)( 如勻速轉(zhuǎn)動、變速轉(zhuǎn)動及在一定的相角內(nèi)擺動等) 就可實現(xiàn)對滑塊運動速度、下死點位置及滑塊保壓時間( 保壓時間可達1/5周期) 的調(diào)節(jié)。
圖4是JB84250 精壓機滑塊、肘桿機構(gòu)部件圖，它由工作滑塊1、上下肘桿4和3 、副曲軸7、中下銷軸10和2、連桿5 、曲柄6、伺服電動機8和變速箱9等組成。根據(jù)不同的零件的加工工藝，伺服電動機通過變速箱驅(qū)動副曲軸正、反向轉(zhuǎn)動及在一定相角內(nèi)擺動，工作滑塊就會輸出不同的位移、速度及加速度曲線，以配合完成不同零件的加工工藝。
新型JB84 —250精壓機的主要特點是采用雙曲軸雙電動機協(xié)調(diào)配合并聯(lián)驅(qū)動，兼容了J84—250精壓機機構(gòu)的高精度、高效率、高承載力的特點，增加了伺服電動機驅(qū)動機構(gòu)柔性可調(diào)節(jié)的優(yōu)點，可在一定范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)沖壓滑塊的位置和速度，以適應(yīng)不同零件加工工藝折彎單元，縮短折彎工序輔助時間，提高工件加工效率。該機代表了國內(nèi)數(shù)控液壓板料折彎機的最高水平。
近年來，數(shù)控板料折彎機出現(xiàn)了由液壓驅(qū)動向機械傳動回歸的動向。這種回歸不是機械傳動簡單地替代液壓驅(qū)動，而是采用伺服電動機帶動滾珠絲杠直接驅(qū)動折彎滑塊，形成新型數(shù)控板料折彎機。上海沖剪機床廠生產(chǎn)的ME50/2550 型數(shù)控板料折彎機、江蘇揚力集團有限公司生產(chǎn)的EB3512 型數(shù)控板料折彎機和湖北三環(huán)鍛壓機床有限公司生產(chǎn)的PPH35/13型數(shù)控板料折彎機，折彎滑塊由兩臺伺服電動機同步驅(qū)動，在滑塊平衡快速運行的同時，滑塊撓度得到有效補償。伺服電動機直接驅(qū)動的優(yōu)點在于能耗、噪聲、污染和制造維修成本大為降低，機床的可靠性、工作速度和效率得以提高。該類數(shù)控板料折彎機滑塊空程速度可達100mm/s，折彎速度10 ～15mm/s，空程速度70mm/s；滑塊定位精度為0. 035mm，重復(fù)定位精度為0. 01mm。
至此，我國數(shù)控液壓板料折彎機在技術(shù)層面上已具備了網(wǎng)絡(luò)化的條件，并開始出現(xiàn)向網(wǎng)絡(luò)化和單元化發(fā)展的趨勢。
