數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的發(fā)展歷程淺析

朱 煜，魏志國

（濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東 濟(jì)南 250306）

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的發(fā)展歷程淺析

朱 煜，魏志國

（濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東 濟(jì)南 250306）

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床以其靈活編程、自由選模、快速加工等優(yōu)勢得到用戶青睞，新技術(shù)不斷出現(xiàn)，推動(dòng)了數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的更新?lián)Q代。文章闡述了數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的發(fā)展歷程，分析了國內(nèi)外差距，指出國產(chǎn)品牌應(yīng)借鑒并創(chuàng)新，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的智能化、信息化，進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮小與世界先進(jìn)水平的差距。

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床；傳動(dòng)方式；沖孔；成型；柔性化

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床是在金屬板材上進(jìn)行沖壓加工和淺拉伸成形的壓力加工設(shè)備。主要由機(jī)架、伺服送料機(jī)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、模具庫、模具選擇系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)等組成。

通過編程軟件（或手工）編制的加工程序，由伺服送料機(jī)構(gòu)將板料送至需加工的位置，同時(shí)由模具選擇系統(tǒng)選擇模具庫中相應(yīng)的模具，機(jī)械、液壓或伺服動(dòng)力系統(tǒng)按加工程序進(jìn)行沖壓，自動(dòng)完成工件的柔性加工。

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床主要應(yīng)用于鈑金沖壓加工行業(yè)，廣泛應(yīng)用于電氣箱柜（高低壓開關(guān)、機(jī)箱、電氣、電器、電力設(shè)備行業(yè)）、倉儲設(shè)備、幕墻裝飾行業(yè)等。通過單次和步?jīng)_沖裁方式?jīng)_出各種形狀和尺寸的孔及成形加工，特別適用于多品種的中、小批量或單件的板材柔性沖壓。

1 數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的誕生

在數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床誕生之前，沖壓加工主要采用壓力機(jī)實(shí)現(xiàn)。壓力機(jī)適合加工大批量、固定品種工件，對于加工小批量、多品種工件，人工換模時(shí)間占用加工時(shí)間太長，加工效率大大降低，而且增加了模具成本。1932年，世界第一臺R2型轉(zhuǎn)塔沖床（手動(dòng)多工位沖床）由美國威德曼（WIEDEMANN）公司設(shè)計(jì)，并于1934年成功問世。1955年，威德曼公司在美國芝加哥國際機(jī)床展上展出世界上第一臺NC數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床（型號A15）；1964年，威德曼公司被Warner&Swasey公司收購；1970年，Warner&Swasey公司在美國芝加哥國際機(jī)床展上展出世界上第一臺CNC數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床（型號W2040）。

2 數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的更新?lián)Q代

根據(jù)主傳動(dòng)系統(tǒng)方式的不同，數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床先后經(jīng)歷了三代產(chǎn)品。

2.1 第一代：數(shù)控機(jī)械轉(zhuǎn)塔沖床

機(jī)械主傳動(dòng)采用飛輪-曲柄-滑塊機(jī)構(gòu)。主要由三相異步主電機(jī)、飛輪、離合器/制動(dòng)器、曲軸、連桿和滑塊組成。三相異步主電機(jī)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)力通過皮帶傳遞到飛輪，飛輪傳遞動(dòng)力然后驅(qū)動(dòng)曲軸和連桿機(jī)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)滑塊上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。沖壓工作時(shí)，離合器閉合，此時(shí)飛輪蓄積的能量通過曲軸-連桿機(jī)構(gòu)傳遞到滑塊，進(jìn)行上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過打擊程序選定的上下模具對板料進(jìn)行沖孔或成型加工。沖壓結(jié)束，離合器脫開，飛輪對曲軸的扭矩傳遞被阻斷，同時(shí)制動(dòng)器開始制動(dòng)，使曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)至上死點(diǎn)時(shí)停止。這類機(jī)床優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，產(chǎn)品價(jià)格低，性能穩(wěn)定，使用壽命長。但其缺點(diǎn)也是顯而易見。首先，此類沖床完成一次沖壓需等待飛輪轉(zhuǎn)過一圈，由于沖壓行程是固定的，沖壓頻率低，沖壓速度難以提高。許多廠家因此不再生產(chǎn)這類沖床。其次，由于打擊頭的行程沒法控制，進(jìn)行成型工藝沖壓時(shí)不容易被控制，成型加工效果不理想，一般不采用該種機(jī)型進(jìn)行成型加工，其加工工藝范圍受限。另外，該類機(jī)床還有耗電量較大、沖壓噪聲大等缺點(diǎn)。

2.2 第二代：數(shù)控液壓轉(zhuǎn)塔沖床

隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了第二代數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床，亦即數(shù)控液壓轉(zhuǎn)塔沖床。液壓主傳動(dòng)采用液壓動(dòng)力傳動(dòng)取代第一代數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床中的飛輪、離合器/制動(dòng)器、曲軸、連桿等機(jī)械結(jié)構(gòu)。液壓系統(tǒng)主傳動(dòng)由液壓站、液壓動(dòng)力頭、液壓管路、控制單元等部分組成，其中液壓站與液壓動(dòng)力頭通過液壓管路連接，液壓站中由三相異步電機(jī)帶動(dòng)齒輪泵向液壓動(dòng)力頭提供液壓油，通過控制單元控制液壓動(dòng)力頭中各個(gè)閥的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)液壓動(dòng)力頭主油缸的上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)沖壓動(dòng)作，連接于油缸活塞桿上的位移傳感器實(shí)時(shí)測量和反饋主油缸的位置信息，最終實(shí)現(xiàn)對沖頭位置、行程及速度的精確控制。

該類機(jī)床由于其自身的諸多優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。首先，這類機(jī)床通過液壓缸帶動(dòng)打擊頭實(shí)現(xiàn)沖壓動(dòng)作，由液壓動(dòng)力頭上的閥塊配合位置傳感器進(jìn)行沖壓控制。通過液壓系統(tǒng)控制單元可以設(shè)定合適的上死點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)沖壓行程可調(diào)，同時(shí)通過高速換向閥控制主油缸上下運(yùn)動(dòng)，所以在沖壓速度上有了飛躍式的提升。其次，擴(kuò)展了數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的加工工藝，由于液壓缸行程可控制，因而可通過控制打擊頭的行程來調(diào)節(jié)模具高度，且打擊頭可在任意位置啟停，可用來完成滾筋、凸臺、百葉窗等淺拉伸成型工藝。第三，比較于機(jī)械轉(zhuǎn)塔沖床的壓塌塊過載保護(hù)，通過液壓壓力卸荷，消除了過載對機(jī)床的損壞。但這類機(jī)床也存在不足。首先，液壓系統(tǒng)對環(huán)境要求較高，溫度太高或太低都會影響液壓系統(tǒng)的正常工作。如果溫度太低（＜5℃），機(jī)床工作前需預(yù)熱液壓油；如果液壓油溫度過高，液壓油的潤滑效果迅速降低，容易引起閥塊研磨，加速各元件的損壞。其次，由于液壓站上電機(jī)工作時(shí)一直處于通電狀態(tài)，在待機(jī)狀態(tài)下造成了電能浪費(fèi)。另外，正常使用過程每年需更換一次液壓油也是其不利之處。

2.3 第三代：數(shù)控伺服轉(zhuǎn)塔沖床

由于數(shù)控機(jī)械和液壓轉(zhuǎn)塔沖床無法滿足用戶對機(jī)床高速度、高精度、低能耗、低噪聲的要求，加上伺服電機(jī)的快速發(fā)展應(yīng)用，第三代由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控伺服轉(zhuǎn)塔沖床應(yīng)運(yùn)而生。目前伺服主傳動(dòng)主要由兩種結(jié)構(gòu)：第一種為伺服電機(jī)、曲軸、連桿和滑塊（以日本AMADA為典型代表）；第二種為伺服電機(jī)、減速機(jī)、曲柄連桿、肘桿、滑塊（以日本的MURATEC為典型代表）。

此類沖床的主要性能特點(diǎn)及優(yōu)勢有：

（1）可實(shí)現(xiàn)節(jié)能降噪。機(jī)械式主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中的三相異步電機(jī)一直轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)蓄積能量，完成一次沖壓，飛輪蓄積的能量被消耗完畢，然后返回上死點(diǎn)重新蓄積能量，用以完成下一次沖壓，周而復(fù)始，直至完成整個(gè)沖壓程序。而伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的主傳動(dòng)，去掉了飛輪，不需要蓄積能量，伺服電機(jī)僅在沖壓時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，完成一次沖壓、送進(jìn)板料至下一次沖壓前，伺服電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)；而且由于去掉了離合器/制動(dòng)器，縮短了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，這兩項(xiàng)變化大大降低了電能能耗。相對數(shù)控液壓轉(zhuǎn)塔沖床而言，數(shù)控伺服轉(zhuǎn)塔沖床的電力消耗是其三分之一左右。機(jī)床在沖壓過程中的噪聲是由于模具沖制板材時(shí)受到反作用力而產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊。因此，降低滑塊速度和沖壓力，可實(shí)現(xiàn)降噪目標(biāo)。機(jī)械式主傳動(dòng)可通過加強(qiáng)床身強(qiáng)度、剛性以及提高設(shè)備的噸位減緩振動(dòng)。而伺服主傳動(dòng)由于伺服電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)在滑塊運(yùn)動(dòng)全行程中對滑塊所處的任意位置的速度控制，因此，沖壓過程中可以降低沖頭進(jìn)入板料時(shí)的速度，實(shí)現(xiàn)降噪。同時(shí)，也延長了模具的使用壽命。

（2）提高機(jī)床效率。由于滑塊速度可在全行程任意調(diào)整和控制，可根據(jù)沖孔工藝不同，選擇最優(yōu)沖孔行程，設(shè)定相應(yīng)沖孔速度，使之與送料機(jī)構(gòu)同步匹配，提高機(jī)床效率。

（3）優(yōu)化淺拉伸成型工藝，提高成型精度和穩(wěn)定性。由于可以精確設(shè)定滑塊的下死點(diǎn)，提高了成型模具的加工精度。通過設(shè)定成型高度，保證了成型過程的穩(wěn)定性，避免成型高度不一致。

（4）增強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)能力。采用伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)塔沖床對環(huán)境要求較低，一年四季無論溫度高低，都可以立即起動(dòng)，無需預(yù)熱。該機(jī)型不需要液壓裝置，不用定期更換液壓油，非常環(huán)保。

3 國內(nèi)外現(xiàn)狀對比

在個(gè)性化需求日益增長的當(dāng)下，柔性加工得到用戶青睞，通過自動(dòng)編程軟件，將加工后的工件要求或圖紙輸入電腦編程，逆向?qū)a(chǎn)品直接轉(zhuǎn)化為加工程序，實(shí)現(xiàn)高精度的加工要求，而且根據(jù)不同要求，可隨時(shí)變換程序。而之前采用壓力機(jī)設(shè)備加工時(shí)，針對每一種產(chǎn)品的不同要求，需定制不同的模具，而數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床則通過改變軟環(huán)境（程序）在模具庫中選擇原有模具實(shí)現(xiàn)沖孔，或更換通用模具，通過編程，實(shí)現(xiàn)不同位置和孔徑及形狀的變化。同時(shí)，淺拉伸成型功能的開發(fā)應(yīng)用，擴(kuò)大了沖床的應(yīng)用范圍。通過成型模具，實(shí)現(xiàn)如百葉窗、橋型孔、敲落孔、凸包、滾筋、鉸鏈等成型工藝的加工。

目前，以德國TRUMPF、日本AMADA、日本MURATEC、美國STRIPPT、芬蘭FINN-POWER等為代表的知名品牌，占據(jù)了全球中高檔沖床市場的重要席位，在機(jī)床的高效率、高精度、高可靠性、高穩(wěn)定性、智能化等方面占據(jù)較大優(yōu)勢。由于國外廠家起步早，擁有眾多專利和知識產(chǎn)權(quán)，在高動(dòng)、靜剛度主機(jī)結(jié)構(gòu)和整機(jī)性能開發(fā)方面，國外廠家通過增加剛性和減輕移動(dòng)部件重量，借助有限元分析及動(dòng)剛度試驗(yàn)，開發(fā)完善了定位精度軟件補(bǔ)償技術(shù)、溫度變形補(bǔ)償技術(shù)、高速運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的平衡技術(shù)等成熟完善的基礎(chǔ)技術(shù)手段。而國內(nèi)廠家在性能指標(biāo)方面的差距只是表象，冰山之下基礎(chǔ)技術(shù)差距很大。其次，國外品牌占據(jù)了數(shù)控系統(tǒng)和軟件等工業(yè)“大腦”的相當(dāng)部分，而國內(nèi)大部分廠家只能購買使用，國內(nèi)亟需自主開發(fā)并完善成熟。第三，國外品牌有強(qiáng)健的“工業(yè)機(jī)床體魄”。對于數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的關(guān)鍵零部件，尤其是高精度和高可靠性的載體--電機(jī)、絲杠、導(dǎo)軌、液壓系統(tǒng)等，也幾乎被國外品牌占領(lǐng)。第四，面對來勢洶洶的工業(yè)4.0，國外企業(yè)在更新?lián)Q代的基礎(chǔ)上，利用智能技術(shù)以及大數(shù)據(jù)技術(shù)，借助機(jī)器人和自動(dòng)上下料柔性加工單元，最大程度地實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)化。當(dāng)然，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國的自主沖床品牌發(fā)展迅猛，出現(xiàn)了江蘇金方圓、江蘇亞威、江蘇揚(yáng)力、濟(jì)南鑄鍛所等知名廠家，也占據(jù)著國內(nèi)市場的大多數(shù)份額，甚至在某些方面可以取代國外品牌。但是，在核心控制系統(tǒng)以及關(guān)鍵零部件等方面，國產(chǎn)品牌與國外品牌相比仍有不小差距。

4 結(jié)束語

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床以其靈活編程、自由選模、快速加工等優(yōu)勢深受市場青睞，從而也催生了其技術(shù)不斷更新。文章闡述了數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的發(fā)展歷程，分析了國內(nèi)外差距，指出國產(chǎn)品牌應(yīng)借鑒并創(chuàng)新，借助中國制造2025的契機(jī)，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的智能化、信息化水平，進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮小與世界先進(jìn)水平的差距。

[1]李 兵.數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床主傳動(dòng)的發(fā)展動(dòng)向[J].中國機(jī)械與金屬，2006，（8）.

[2]李 兵.數(shù)控伺服轉(zhuǎn)塔沖床的最新發(fā)展——Servo V.R可變連桿伺服主傳動(dòng)技術(shù)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2012，47（3）：13-17.

[3]徐 剛，崔瑞奇，王 華，等.金屬成形（鍛壓）機(jī)床的現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)向——CIMI2015第14屆中國國際機(jī)床展覽會鍛壓展品評述[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2015，50（3）.

Discussion about the development of CNC turret punch press

ZHU Yu,WEI Zhiguo
（Jinan Foundry and Metalforming Machinery Research Institute Co.,Ltd.,Jinan 250306,Shandong China）

CNC turret punch press is more acceptable for the advantages like flexible programming,free tool selection,and quick process.The new technique realizes updating of CNC turret punch press.The developing process of CNC turret punch press has been introduced in the text.The gap between domestic and foreign has been analyzed.It is pointed out that the domestic manufacturers should learn from advanced brand and make innovation. By further improvement of intelligence,informationization and quality,the gap is hoped to be shortened.

CNC turret punch press;Transmission mode;Punching;Forming;Flexible

TG385.1

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.01.010

1672-0121（2016）01-0041-03

2015－09－27；

2015－10－16

朱 煜（1983-），女，雙學(xué)士，從事機(jī)械行業(yè)國際貿(mào)易。E-mail：zhuyu822@163.com