现代板材数控成形设备的现状
【摘要】简述了中国现代制造业的特点及数控机床的基本组成。对常用的现代板材数控成形设备——多点成形机，伺服压力机、卷板机，以及滑块上带气垫压力机、高速压力机等设备的应用现状进行了分析论述，最后简述了部分现代板材数控设备的发展趋势。
制造业是创造物质财富的基础，是国家安全的重要保证，是国家竞争力的重要体现。发达国家在重大装备关键技术上对我国一直实行高技术壁垒与封锁政策。20多年来，我们以市场换技术的策略基本未收到成效，如哈电、东电、上电(北重)与西屋、GE等国外公司进行了多年的合作，但现在这些跨国公司都拒绝转让最新核心技术。因此，国民经济增长与可持续发展对制造技术提出了更高的要求，特别在一些重大或战略性行业，迫切需要开发具有我国自主知识产权的设计制造技术，实现我国由制造大国向制造强国的转变。
金属板材成形设备作为国民经济的支柱产业之一——汽车工业的重要装备，都需要其制造者及使用者了解数控金属板材成形设备的现状及发展，为企业的生存和发展奠定基础。为此，本文针对部分数控板材成形技术机械的现状及发展趋势进行探讨。
1.金属板材数控渐进成形机
金属板材数控渐进成形技术是根据工件形状生成的几何信息，用三轴数控设备控制成形工具头沿其运动轨迹对板材进行局部的塑性加工，使板材逐步成形为所需工件的柔性加工技术。该技术不需要专用模具便可加工任意复杂形状的工件，省去了设计产品过程中的模具设计、制造、试验修改等复杂过程，极大地降低了新产品的开发周期和成本，对于飞机等多品种小批量的产品、家用电器等新产品开发，以及汽车新型样车试制等具有较大的经济价值。
金属板材数控渐进成形系统主要由成形工具头、支撑模型、导向装置、压边装置及机床本体组成。成形工具头在数控系统的控制下运动;支撑模型用来支撑板料，对于形状复杂的工件，可把支撑模型做成工件的形状，以利于成形;压边装置用来固定板材，并且可沿导向装置上下移动。
金属板材数控渐进成形技术引入快速原型制造“分层制造”的思想，将复杂的三维模型沿z轴方向切成一系列二维断面，并沿这些断面轮廓生成加工轨迹。成形工具头在CNC系统的控制下，以走等高线的方式从最高层轨迹沿模型轮廓线运动，并一圈一圈向下对金属板材进行逐层辗压，使板材成形为与模型相同的形状。
加工前，首先将板材放置于支撑模型之上，用压边装置将板材固定。加工时，成形工具头从指定位置开始对板材的最高层(即第一层)进行单点渐进塑性加工，形成第一层截面轮廓后，成形工具头下移到设定的高度后，按截面轮廓运动而形成第二层轮廓，如此循环直至加工成所需零件。
使用UG的CAM模块后处理工具生成了成形工具头的加工轨迹，一圈圈的加工轨迹对支撑模型形成一个包络面。如果这个包络面与支撑模型间发生错位，将严重影响成形精度，并撞坏模型和工具。因此，加工轨迹坐标(以机床坐标系为基准)与支撑模型坐标(称造型支撑模型时所采用的坐标系为支撑模型坐标系)的准确对位至关重要。为了有效地排除成形过程中坐标对位对零件上出现的拉裂、材料堆积、材料硬化等现象的影响，使进行更准确的工艺分析成为可能，必须完成该成形轨迹坐标的准确对位。但用人工对位的方法效率低、精度差，因此可采用基于机器视觉的非接触式加工轨迹坐标对位方法。图3所示即为基于机器视觉的坐标对位系统，由光源、CCD摄像机、数据采集卡、工业控制计算机、图像处理与机床坐标自适应软件、CNC系统和运动驱动单元组成。
2.数控激光切割机
激光切割设备的出现，是对钣金工业日常生产的改革。与其他加工设备比较，激光加工具有以下特点：
(1)激光的光速直径极小，可进行狭窄的直边割缝。
(2)对任何硬度的薄板或厚板、简单或复杂的形状均能有效加工。
(3)切边质量高，工件不会受损伤，无机械变形，加工质量稳定可靠。
(4)加工时不产生噪声。
(5)两工件可同一切边，节省加工材料和工时，与计算机结合，可整张排料，从而降低材料耗费。
(6)切割速度快，加工新产品时只需要很短的准备时间，生产效率高。
激光切割的加工成本主要是气体的消耗、电力的损耗、设备的折旧及维修费用，不需要模具，对小批量产品或形状复杂的大批量产品，以及工艺适合激光加工的产品，激光机的运转成本均低于数控冲床。在许多钣金企业中大多将二者配合使用，从而充分发挥各自的优点，以取得最佳的加工效果。
目前，还有数控冲压/激光复合机床，它不是两种功能的简单合并，是把一种功能的强项和另一种功能的优点相结合，具有许多单功能设备无法比拟的优越性。
3.数控剪板机
先进的CNC剪板机摒弃了一般剪板机的人工操作，由板料自动进给支承、卸除和堆垛系统组成，除可定位、送料和切断工件外，还可自动分选、收集剪下的碎片。对加工大量恒定尺寸的零件来说，效率甚高，且大大减轻工人的劳动强度。CNC设备的一次性投资虽然贵一些，但可通过连续、大量的加工来弥补，最终使每个零件的加工成本降低。近年来，国内不同规模的钣金企业已意识到上述先进技术设备无论在性能与经济上，还是从加工方式的发展方向上，都是明智的选择，因而相继引进，使钣材加工水平大大提高，对于产品与世界接轨，走向世界起了关键的作用，同时，也标志着我国钣金生产的加工技术和装备水平已跨入世界先进行列。
4.数控旋压设备
在近10年的时间里，我国的旋压设备完成了由液压仿行到全数字控制的转变。20纪60年代中期至90年代中期，我国设计制造的旋压机床基本上是液压仿行，控制精度较低，所采用的电器和液压控制元件性能差，机床的整体性能及可靠性低。对于一些形状复杂、加工工序道次多、走刀轨迹复杂的零件，液压仿行旋压机床就暴露出加工效率低和其他一些功能上的缺陷。但这类机床经久耐用，抗冲击震动、抗负荷过载能力强，能够适用各种恶劣的工况。经过不断地维修整改，这些机床现在仍有不少在承担着大量的科研生产任务，30多年来为我国的航空航天事业做出了突出贡献。
90年代末期，随着计算机技术的发展，各种进口元器件的大量采用，在综合吸收已经研制开发旋压设备的基础上，设计制造出集国际上最先进的数控系统、液压系统、机械及各种元器件于一身的完全代表了国际先进水平的旋压设备。
其特点如下：
(1)广泛采用国际上最先进、最流行数控系统如西门子840D，控制轴数多，控制精度高，性能稳定可靠。
(2)液压系统采用伺服阀或比例伺服阀，频响高，全闭环控制。尤其是比例伺服阀，集比例阀和伺服阀的优点，是数控旋压机床电-液转换最理想的控制元件。
(3)主轴系统采用交流变频或直流调速，变频器采用进口，能够做到恒线速度。
(4)采用进口主轴轴承、进口滚动导轨等旋转传动部件，提高了整个设备的精度和可靠性。
(5)光栅尺、位移传感器、旋压编码器等多种位移，及位置反馈元件也采用进口元件。
由于采用了国际上最先进的数控系统、液压系统、机械传动及控制元件，结合自身的机械加工优势，国产旋压机床的整体水平已经达到国外21世纪初的水平。国产旋压机床的这种制造模式与国外其他旋压机生产厂商是一致的，与进口旋压设备相比，具有价格优势、维修及售后服务优势、工艺服务优势。
90年代末至今，我国共设计制造各类数控旋压机床70余台，其中包括单旋轮普通旋压机床、双旋轮普通-强力旋压机床、三旋轮强力旋压机床；各类专用旋压机床如立式皮带轮旋压机床、铝合金气瓶和钢质气瓶收口专用旋压机床、封头成形旋压机床、风机零件成形和翻边专用旋压机床；还有内旋压专用机床、滚珠旋压机床。机床的加工范围从50～2000mm，可成形零件高度最大达3000mm。就旋压机床的最重要参数径向旋压力来讲，单个旋轮的最大推力已经达到600kN。
5.伺服和异步电动机联合拖动机械压力机
采用交流异步电动机和交流伺服电动机联合拖动机械压力机是目前研究的热点问题。国内某单位在现有J84—250精压机结构的基础上，开发研制了一种双曲轴并联驱动肘杆式精压机JB84—250。
主要技术参数：
公称力2500kN
滑块行程80～120mm
滑块行程次数25～45次/min
主电机功率22kW
伺服电机功率11kW
机器的驱动部分增加了一台可控伺服电动机作辅助驱动，用五杆机构完成输入运动合成。主电动机通过主曲轴L1驱动连杆a1，再驱动肘杆a2、a3，使压力机滑块运动的同时，改变伺服电动机的控制参数(如匀速转动、变速转动及在一定的相角内摆动等)就可实现对滑块运动速度、下死点位置及滑块保压时间(保压时间可达1/5周期)的调节。
新型JB84—250精压机的主要特点是采用双曲轴双电动机协调配合并联驱动，兼容了J84—250精压机机构的高精度、高效率、高承载力的特点，增加了伺服电动机驱动机构柔性可调节的优点，可在一定范围内灵活调节冲压滑块的位置和速度，以适应不同零件加工工艺折弯单元，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，而是采用伺服电动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，折弯滑块由两台伺服电动机同步驱动，在滑块平衡快速运行的同时，滑块挠度得到有效补偿。伺服电动机直接驱动的优点在于能耗、噪声、污染和制造维修成本大为降低，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100mm/s，折弯速度10～15mm/s，空程速度70mm/s；滑块定位精度为0.035mm，重复定位精度为0.01mm。
至此，我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。
