数控转塔冲床关键部件研究

张贵成

（广东锻压机床厂有限公司，广东 佛山 528300）

在我国制造业日新月异的今天，汽车、电子、通讯、电力、IT等行业发展迅猛，产品精度要求越来越高、形状越来越复杂、类型越来越多、更新换代周期越来越短。为适应这种即时生产、敏捷制造和多变加工要求，就需要加工设备具有最高的生产效率、良好的生产柔性和网络化功能，并能实现生产车间的集成生产管理和网络监控功能。而作为自动化程度和加工性能都较高的数控冲就具备这些条件，也就理所当然地成为了钣金加工领域的新宠。如图1所示是我公司新研发的GMP1-3032数控冲及主要技术参数。它广泛应用于金属薄板零件的成形或分离，可以一次性自动完成多种复杂孔型和成形加工，也可加工韧性较好的胶木板、塑料板等非金属材料。

GMP1-3032数控冲床主要技术参数如表1所示。

图1 GMP1-3032数控冲床

表1 GMP1-3032数控冲床主要技术参数

1 工作原理

数控冲结构如图2所示，主要由机身部分、换模系统、X/Y轴送料系统、液压系统、数控系统五大关键部件组成。它是通过数控系统自动编程，使送料系统对板材进行X/Y方向的精确定位，然后自动选择转塔系统中模具库的模具，按程序要求自动加工不同尺寸和孔距的不同形状的孔，也可通过简单的模具组合或者用小模以步冲方式来冲制大的圆孔、方形孔、腰形孔及各种复杂形状的异形曲线轮廓，还可通过使用相应通用模具进行各种特殊工艺加工，如双边桥、百叶窗、压凸包、挤沉孔、滚加强筋、刻印等，如图3所示。其加工模式相对于传统冲床而言，能大量节省开模校模费用、缩短换模调模时间、使用较低的成本、很短的生产周期加工出各式各样的产品，具有较强的加工能力与加工范围，能及时适应市场产品的变化。

图2 GMP1-3032数控冲总体结构及原理图

图3 GMP1-3032数控床的加工形状实例

2 关键部件研究

2.1 机身部分

（1）机身结构特点

该机身采用闭式流线形外形、弧型双层板整体焊接结构，外形流畅、动感美观。

机身与X/Y轴送料工作台一体化设计，刚性好、强度高、送料平稳，避免因长期使用工作台而使其精度及相对部件的位置发生变化，保证机床原点与冲孔质量长期稳定不变。

采用热处理去除内应力，精度稳定、工作可靠，能有效延长机床和模具使用寿命，为其他功能部件的安装提供一个稳固的平台，降低机床振动和噪声。

（2）有限元分析

机身是数控冲的一个非常重要的部件，其他所有的零部件都安装在它上面，工作时它要承受全部工作变形力，因此，机身的合理设计对减轻数控冲重量、增加刚度、提高零件的加工精度、延长模具的使用寿命等都具有直接的影响。为确保设计结果最佳，设计时采用三维设计软件，对机身进行有限元分析、运动仿真、负载模拟演示，使其变形量控制在最优范围之内，确保机身在实际使用条件下的强度、刚度、振动、结构等方面的技术指标都能完全满足设计要求，保证机床长期的可靠性和稳定性。如图4是GMP1-3032数控冲的机身体有限元静力学分析及模态分析，分析结果如表2所示。可以得出如下结论：

图4 GMP1-3032数控冲机身静力学分析和模态分析

表2 静力学分析和模态分析结果列表

①从应力结果可看出，机身体的集中应力发生在机身体喉口圆角处，最大应力33.9MPa，而其他大部分区域应力基本上在6MPa～22MPa左右。设计时取机身体的综合应力为40MPa，局部应力不超过钢板的屈服强度210MPa，这是考虑实际工作中机身的强度应留有一定的安全系数，避免不利因素影响。

②从应变结果可看出，机身体的最大应变发生在冲头顶部，最大变形为0.2036mm，冲压时中部产生拱变形，该变形在机身体允许的变形范围内，其他各处的变形较小符合设计要求。

③从模态分析结果可看出，前三阶固有频率分别为43.32Hz、67.56Hz和91.81Hz。该机有两个激振源，一个是交流伺服电机的转速0～3000转/分，设计实际最大使用转速为0～2200转/分，对应的固有频率区间为0～36.67Hz；另一个是冲切头的次数为0～700次/分，对应的固有频率区间为0～11.67Hz；此两个激振源的最大频率都小于压力机的固有一阶频率，所以不会引起机器的共振，设计合理。

2.2 换模系统

换模系统是数控冲的核心部件，它包括T轴伺服转塔系统、C轴伺服转模系统、模具工位的设计及选择。

（1）T伺服转塔系统（图5）是伺服电机通过减速箱及链轮传动带动上、下转塔同步运转，转塔上有模座及模具，工作时根据加工孔的形状来选择模具，转塔可作双向旋转，选择模具时按最短路径进行旋转，为保证上、下模具同心，在上下转塔侧面设有气动式锥销定位装置，精度高、选模快，确保机床运转精度并提高生产效率。它具有如下特性：

图5 GMP1-3032数控冲的T轴伺服转塔系统图

①上、下转塔采用高强度、抗耐磨能力强的球墨铸铁，具有自润滑功能、磨损极小，并经热处理去内应力。

②转塔采用厚转塔，刚性好、精度稳定、抗冲击和偏载能力强、模具对中性好、导向精度高，能很大程度上延长模具使用寿命。

③在下转塔上设计有快速拆装模具的下模座，互换性好，能方便快速地拆装各个工位的模具。

④加工时采用专用工装进行成对加工，上下模具孔同心度好。

（2）C伺服转模系统（图6）是伺服电机驱动同步带轮，通过同步带把动力同步传给上、下蜗轮蜗杆减速箱，同时再靠气缸使上、下旋转装置分别与上下模具结合，从而让上、下模具同步转动，再由数控系统控制，实现同一模具任意角度的冲压。转模系统采用独特的高精度蜗轮蜗杆传动结构，传动比大、自锁性能好、侧向间隙小、分度精度高、调整方便，并具有误操作保护功能，可避免蜗轮蜗杆减速箱或模具的损坏。分度转模数量为2个，转模尺寸为C工位2英寸，转模速度为40转/分，分度精度为±0.02°，最小编程增量为0.01°。旋转工位模具与普通工位模具相比具有如下优点：

图6 GMP1-3032数控冲的C轴伺服转模系统图

①在工件上可方便加工各种形状的孔。

②同一模具可完成多个模具的工作，模具数量大大减少。

③减少产品加工时间，缩短产品制造周期。

（3）模具的工位设计力求结构简单合理、容量大、换模速度快且模具的导向精度高，所以基于以上要求，机床科学合理设计32个标准通用模位，模具按尺寸大小分为A、B、C、D共4个级别，加工尺寸及工位数。如图7所示。另外，各级工位还可通过增加转换套将大工位模具转换为下一级工位模具即D→C，C→B，B→A。

图7 GMP1-3032数控冲的模具设计及工位参数

（4）模具在选择方面也不容忽视，选择时要考虑板件冲孔尺寸、形状、工艺过程、现有模具规格、板件厚度、批量大小等相关问题。一般说，用户可根据零件要求，编制冲压工艺，选择模具，编制零件加工程序，但须注意以下问题：

①小圆冲头步冲大孔时，由于生产率低，模具寿命短，对机器损耗大，尽量少用。

②步冲时，步距不得小于板厚尺寸。

③为提高生产率，可用窄而长的长方模切断板件。

④可用中心孔模具试冲，以检验加工程序或作为后续加工的基准。

⑤模具为不对称形状时，应注意上下模的安装角度的一致性时。

⑥安装模具时，应对各模座滑动面及模座支架滑动面加润滑油。

⑦安装好上模后，要检查上模座是否在最低位。

⑧拆卸和装配模具时，应用煤油清洗各滑动表面，不允许带入任何异物或划伤模具。装配时应封入足量的润滑油或脂。

⑨模具刃口应保持锋利。一般每次刃磨量应控制在 0.1～0.2mm。

2.3 X/Y轴送料系统

X/Y轴送料系统（图8）是由X或Y轴的伺服电机驱动滚珠丝杆传动系统，使夹在夹钳上的板材，在X/Y轴方向上按数控指令值快速地在导轨上移动并定位，以完成冲孔。包括X轴送料系统和Y轴送料系统。机器的送料系统一般采用进口品牌高精度直线滚珠导轨副、精密而又增力大的大直径大导程滚珠丝杆副，它具有传动效率高、运行平稳、响应快、定位准、工作寿命长，重复精度好且在全行程上无需精度补偿即可满足机床的加工精度要求等优点。为了保证X/Y轴送料系统的加工精度和性能，设计时应考虑以下几点：

图8 GMP1-3032数控冲的X/Y轴送料系统

①X/Y轴送料系统既要能够简单容易地安装到机身上，又要保证安装前后都不能阻碍其他零件安装。

②X/Y轴送料系统自身要有适当足够的安装空间，可以让安装在其上的零件容易安装。

③方便安装需要用油管、气管和电缆等。

④为了满足送料速度的条件，Y轴滚珠丝杆的设计位置很重要，因为送料系统Y轴方向的动力全部来自Y轴滚珠丝杆，其在送料系统上的使力点位置对送料的变形影响很大，所以，设计时得使整个送料系统在加速或减速时变形最小。

⑤Y轴两直线导轨的位置布局也很重要，直线导轨不能靠得太近，在一定的范围内其之间的距离越大，送料系统的刚度就越好，送料系统的宽度决定于X轴方向的行程，设计中X轴方向行程越大，送料系统则越宽，为了让送料系统不至于太宽，X轴滚珠丝杆的安装位置设计成关于送料系统中心对称。

2.4 液压系统

图9 GMP1-3032数控冲的液压系统

液压系统（图9）是由液压动力泵站提供给液压冲切头动力，通过专门CNC程序控制液压系统的运行，并由连接于油缸活塞杆上的光栅尺适时测量和反馈冲切头的运行情况，最终完成对冲切头行程、速度及位置的精确控制。冲切头控制系统由油缸，比例伺服阀及光栅尺组成闭环控制系统，冲头位置可通过控制器多点设置。

2.4.1 液压系统工作原理（图10）

图10 GMP1-3032数控冲的液压原理图

①系统压力建立：电机开机得电，油泵启动，电磁阀通电，压力建立。

②液压冲头无负载快下：油泵启动，Y4得电，Y3失电，比例伺服阀16处于右位，双泵供油经单向阀12、14、比例伺服阀16进入油缸上下腔，实现差动，冲头快速下降。

③液压冲头工进：接触工件后压力升高，压力阀13，压力传感器10动作，自动控制换向阀Y1得电，低压泵经顺序阀15卸荷，高压泵经换向阀9，比例伺服阀16右位进入油缸上腔，下腔油液进入蓄能器11充液（提供快速返程），实现冲压。

④液压冲头回程：冲压结束后，比例伺服阀16切换至左位，压力继电器10失电，换向阀9电磁铁Y1自动失电，高压泵的油经换向阀7会同低压泵的油经单向阀12进入油缸下腔，同时蓄能器11也给下腔供油，油缸上腔的油经比例伺服阀16左位回油箱，实现冲头快速返程。

2.4.2 液压系统的优点

①液压系统结构简洁、性能稳定、功率强劲、噪音低、振动小、速度快、过载能自动保护、行程可无级调整、具有智能冲压，能得到极高的同步控制精度，并能快速起停及频繁换向。

②可以根据板材厚度、冲孔类型以及送料速度和步距等因素，在程序中对冲头行程进行优化，从而提高冲压频率。

③由于冲切头在整个冲压中的时间、速度等参数可按任意方式设定，所以可改变冲切头的瞬时速度，来降低冲压和送料动作时的振动和噪声，并确保系统快速响应。另外，也可根据成形产品的效果对加工曲线进行修正，生产出更为理想的产品。

④能完成多种冲压工艺。它不仅可以进行简单的快速冲孔和刻印，而且由于可控性的冲切头在下死点具有高重复精度，且整个行程输出力恒定，所以还适合用于完成如拉伸、压凸包、滚筋等特殊成形工艺。

⑤对油品质量要求不苛刻，维护成本低。一次注满油可长期使用，并采用油泵自动循环冷却系统，无需增加大功率的冷却电机，降低系统能耗。

2.5 数控系统

数控系统是数控冲的重要组成部分和自动加工的核心，实时监控高速数控转塔冲床的工作状态以及加工环境，接受操作人员的操作指令，控制机床各功能部件协调动作来完成各项加工任务，它与普通的机床加工在工艺上存在着明显差异，如在快速起停、高速进给、高速I/O等方面的要求更为苛刻，所以针对数控冲的特殊要求，在通用数控系统的基础上进行二次开发。本机以倍福数控装置为硬件平台，Twincat+ISG为数控系统的软件平台，并配置64位CPU、最大支持64轴联动的高档通用数控系统。如图11为GMP1-3032数控冲的数控系统控制原理图，它具有以下优点：

图11 GMP1-3032数控冲的数控系统原理图

①软件编辑指令丰富、界面友好、功能实用、操作简单，可完成CAD图形自动模具配置和加工；工件定位采用交流伺服驱动系统，精度高、响应快、能实现各轴位置与速度的精确控制；编程软件可完成从零件设计到程序自动生成的一体化，一个加工程序可在一张大板上套冲多个小型零件，并可自动排料；自动重定位功能可进行夹钳避让，工件无加工死区，在夹钳保护区内不进行冲压，仅作位移运动，避免模具、夹钳受损，保证程序运转的持续性；可自动优化排料使板材的利用率达到最佳。另外，还具备自动分度模、同步运行等优点并可自由自在地按用户需求进行加工范围扩展。

②数控系统在整个工作过程采用数字化管理，通过定期采样综合判断作出处理，使各个环节的运行参数实时地传送至人机界面，供上层操作者使用，当数据与动作影响到机床和操作者安全时，在最短时间发出终止该动作的指令，并显示相应的报警信号，如伺服电机超载、极限位置超差、保护区间被入侵、电机温度过高、机器吨位超载、运动摩擦副温度超限、空气管路系统压力不足以及送料系统出现故障等。这些使它成为安全加工、快速维护以及长期使用最理想的生产装备，并且其相关信息还可作为资料长期保存。

③数控系统有足够的数据处理与储存空间，除了主控制、主驱动及加工过程可作详细处理外，还可能对润滑、气控、周边装置等感应元件进行全过程数据采样处理记录，并达到最优化控制。另外，生产过程的工艺文件也应作为设备管理的一部分进行分项处理，如可在机床进行工作的模具的编号（或引入识别码）、工艺参数的记录（如冲压材料、规格、工作力及功等）、采用的典型加工模式、模具的预期重磨寿命及实际记录，甚至设备的关键件档案建立。

④数控系统具有智能网络化和数字化制造功能。能以太网络操作方式发送或接收加工程序，可以进行无人值守远程监控，或与其他设备群链接进行远程联控、监控及集成生产管理，也可以对远程客户的数控加工设备的运行进行网络查询，在线故障诊断、误差补偿、维护维修等管理监控功能，解决现场技术人员无法解决的技术问题，实行完善的信息化制造；还可通过软件自动将二维或三维图形转换成计算机加工程序实现智能网络化加工。另外，在企业内，可通过Profibus总线实现多台数控冲的柔性加工链接，也可与数控剪板机、数控折弯机、伺服压力机等组成整套的网络智能化数控柔性加工成套装备，如图12所示。

图12 网络化数控冲远程监控管理链接模式

2.6 辅助装置

数控冲的辅助装置包括工作台板、板材再定位装置、夹钳、原点定位装置、护罩、全自动集中润滑系统、空气管路系统等，这些辅助装置在机床中也缺一不可，为整机正常运行提供有力保障。

3 结束语

数控冲不同于一般的普通冲床，它结构复杂、配置齐全、性能优越，是集机、电、液为一体的高集成度的多轴联动的数控自动钣金冲压设备，且具有冲压速度快、加工精度高、安全性能好、模具通用性强、产品灵活多样等特点。所以要设计出一款优良的数控冲床，就必须对其关键部件的结构、原理及特点有全面的认识和掌握。