金屬板料數(shù)控漸進(jìn)成形機(jī)床設(shè)計(jì)

孔 波 周燕飛 高 霖

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

金屬板料漸進(jìn)成形技術(shù)屬于先進(jìn)制造技術(shù)，是順應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)所要求的快速、低成本、柔性等技術(shù)趨勢(shì)而產(chǎn)生的［1］。該技術(shù)可以直接應(yīng)用于汽車工業(yè)、航空航天飛行器、醫(yī)療器具、家居裝飾品、廚房用具、潔具、工藝美術(shù)品等產(chǎn)品的制造上［2］，具有廣闊的應(yīng)用前景。先進(jìn)的漸進(jìn)成形數(shù)控設(shè)備或?qū)Ｓ袡C(jī)床、配套的專用CAD/CAM軟件以及相關(guān)的塑性成形工藝是金屬板料漸進(jìn)成形的支撐技術(shù)。根據(jù)這種情況，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種小型的金屬板料漸進(jìn)成形機(jī)床主要用于金屬板料漸進(jìn)成形技術(shù)的研究，還可以滿足教學(xué)上的使用，提高學(xué)生對(duì)金屬板料數(shù)控漸進(jìn)成形機(jī)床的理解與認(rèn)識(shí)。

漸進(jìn)成形技術(shù)是指根據(jù)工件形狀的幾何信息，在數(shù)控設(shè)備上控制成形工具頭沿特定軌跡對(duì)板料進(jìn)行局部的塑性加工，使板料逐漸成形為所需要的工件。

漸進(jìn)成形分為正成形和負(fù)成形［3］。負(fù)成形原理圖如圖1所示。成形前，先將板料用夾具夾緊;然后成形工具頭按照設(shè)定好的軌跡實(shí)現(xiàn)由上到下逐層加工;最終成形成所需要的工件。

正成形原理圖如圖2所示。在正成形中需要支撐模型，成形前，要先將支撐模型的形狀加工成所成形的工件形狀;然后，將板料放置在支撐模型上，并用夾板將板料夾緊在升降框上，成形過(guò)程中，成形工具頭按照設(shè)定好的軌跡實(shí)現(xiàn)由上到下逐層加工，同時(shí)，升降框隨著成形工具頭逐層下降;最終成形出所需要的工件。

通過(guò)對(duì)漸進(jìn)成形技術(shù)的認(rèn)識(shí)，得出漸進(jìn)成形技術(shù)中正成形比負(fù)成形需要的設(shè)備更加復(fù)雜。機(jī)床在進(jìn)行負(fù)成形時(shí)需要能夠?qū)崿F(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)成形的工具頭和能夠固定板料的工作臺(tái)及夾具。機(jī)床在進(jìn)行正成形時(shí)，不僅僅需要能夠?qū)崿F(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)的成形工具頭、工作臺(tái)、夾具，還需要能夠跟隨成形工具頭下降的升降框。

在漸進(jìn)成形專用設(shè)備設(shè)計(jì)方面，日本的AMINO公司取得了比較顯著的成果，該公司率先開發(fā)出了世界上首臺(tái)漸進(jìn)成形專用樣機(jī)，并且實(shí)現(xiàn)了漸進(jìn)成形設(shè)備的實(shí)用化、系列化［4］。莫健華等自主研制了金屬板料數(shù)字化漸進(jìn)成形設(shè)備，與湖北省三環(huán)集團(tuán)黃石鍛壓機(jī)床有限公司合作研制了數(shù)控?zé)o模成形機(jī)［5］。南京航空航天大學(xué)與南京四開公司合作也研制了自己的金屬板料數(shù)控漸進(jìn)成形機(jī)床，在漸進(jìn)成形研究方面取得了良好的效果。下面就主要介紹本文所設(shè)計(jì)的金屬板料漸進(jìn)成形機(jī)床。

1 機(jī)床總體布局

本機(jī)床是一臺(tái)采用龍門式布置的小型金屬板料數(shù)控漸進(jìn)成形機(jī)床，主要由（如圖3所示）床身、立柱、橫梁，X向運(yùn)動(dòng)部件、Y向運(yùn)動(dòng)部件、Z向運(yùn)動(dòng)部件、電主軸、鉆夾頭、成形工具頭、工作臺(tái)、升降框、各向驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)以及相關(guān)的電氣系統(tǒng)等部分組成。機(jī)床的正成形加工過(guò)程為:首先，將支撐模型固定在工作臺(tái)10上，用電主軸7將支撐模型銑削成成形工件的形狀;然后，將板料固定在升降框11上夾緊，此時(shí)，板料在支撐模型的上方;最后，成形工具頭10按照設(shè)定好的軌跡實(shí)現(xiàn)由上到下逐層加工。每加工一層，升降框11跟隨成形工具頭10下降一層。最終成形成所需要的工件。

機(jī)床設(shè)計(jì)中加入了電主軸用來(lái)銑削支撐模型，成形頭用來(lái)漸進(jìn)成形。相對(duì)于一臺(tái)用來(lái)專門進(jìn)行漸進(jìn)成形的機(jī)床，一臺(tái)用來(lái)銑削支撐模型，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)兩用，避免了支撐模型在另一臺(tái)機(jī)床上銑削加工后又需要二次定位裝夾。

該機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù)為:工作臺(tái)尺寸420 mm×320 mm;最大成形零件高度120 mm;成形板料最大厚度，沖壓用鋼板1.5 mm;定位精度±0.1 mm;機(jī)床運(yùn)行最大速度7 m/min;成形頭夾持成形壓頭最大直徑12 mm。

2 機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)作用是接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號(hào)，由伺服驅(qū)動(dòng)電路作轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)裝置和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺(tái)、電主軸以及成形工具頭等執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)工件進(jìn)給和快速運(yùn)動(dòng)。

機(jī)床的橫向、縱向以及Z向進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。機(jī)床選擇FFZD型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式墊片預(yù)緊滾珠絲杠副，直徑是32 mm，導(dǎo)程為5 mm，鋼球直徑3.5 mm。這種滾珠絲杠副具有傳動(dòng)效率高、定位精度高、傳動(dòng)可逆性、使用壽命長(zhǎng)以及同步性能好等特點(diǎn)，經(jīng)計(jì)算符合設(shè)計(jì)要求。機(jī)床的滾珠絲杠采用一端軸向固定，一端游動(dòng)形式完全能夠滿足性能指標(biāo)。固定端靠近電動(dòng)機(jī)，固定端軸承選用INA絲杠支撐軸承中的推力角接觸軸承。型號(hào)為ZKLN2557－2RS，相對(duì)于傳統(tǒng)的軸承配置，這種設(shè)計(jì)精密，有很高的承載能力，剛性好，摩擦小，并且容易安裝。

3 數(shù)控升降臺(tái)部件

金屬板料進(jìn)行正成形時(shí)，需要將金屬板料固定在升降臺(tái)上。成形過(guò)程中，升降臺(tái)在數(shù)控系統(tǒng)的控制下，跟隨成形頭的下降而向下運(yùn)動(dòng)。升降臺(tái)示意圖如圖5所示。由于升降臺(tái)的升降由伺服電動(dòng)機(jī)控制，所以可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控的精確控制。精確控制的優(yōu)點(diǎn)在于根據(jù)實(shí)際情況可以控制升降框的位置。因?yàn)槌尚魏蟀辶纤闹軙?huì)出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，通過(guò)升降臺(tái)位置的精確控制，可以讓板料在支撐模型上四周有一個(gè)向下張緊力的作用，可有效預(yù)防回彈。

升降電動(dòng)機(jī)將動(dòng)力經(jīng)過(guò)十字轉(zhuǎn)向器2、3傳給螺旋升降器6。升降臺(tái)在左右兩個(gè)螺旋升降器的作用下，上下運(yùn)動(dòng)。升降器僅用于與機(jī)座安裝面垂直升降作用于傳動(dòng)負(fù)載，原則上不允許受側(cè)向力。任何大小的側(cè)向力都會(huì)直接影響升降器的壽命。甚至直接給升降器有致命的打擊。其中，直線光軸5在直線軸承4中運(yùn)動(dòng)，起到導(dǎo)向的作用，以及承受水平方向的分力，防止螺旋升降器在升降過(guò)程中承受水平方向的分力，螺桿發(fā)生徑向變形，引起金屬板料發(fā)生水平方向的移動(dòng)，從而影響加工精度。嚴(yán)重時(shí)，甚至破壞螺旋升降器。

式中:F1為升降臺(tái)的重量;F2為直線光軸的重量;F3為金屬板料的重量;F4為夾緊金屬板料的夾具重量。

升降臺(tái)的材料為45鋼。經(jīng)計(jì)算F1=260 N，F(xiàn)2=6.55 N;F3、F4的重量相對(duì)于F1忽略不計(jì)。最終得出F=143.2 N。

根據(jù)RNF016的技術(shù)參數(shù)表:舉升負(fù)荷為0.5 kN。輸入轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)（此時(shí)絲杠升降速度為500 mm/min完全滿足設(shè)計(jì)要求），需要輸入扭矩為0.286 5 N·m。當(dāng)舉升重量為F時(shí)，所需要的扭矩遠(yuǎn)小于0.286 5 N·m。我們選擇了森創(chuàng)牌型號(hào)為60CB040C－010000的交流伺服電動(dòng)機(jī)。該電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min時(shí)的額定轉(zhuǎn)矩為1.27 N·m，遠(yuǎn)大于0.286 5 N·m，更大于實(shí)際所需要的扭矩。完全滿足使用要求。

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)床現(xiàn)已裝配完成，實(shí)物圖如圖6所示。經(jīng)檢測(cè)各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)均達(dá)標(biāo)。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，加工出零件完全滿足要求。圖7為負(fù)成形過(guò)程，圖8為正成形過(guò)程。

小型金屬板料數(shù)控漸進(jìn)成形機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究工作包括總體布局、進(jìn)給系統(tǒng)和升降臺(tái)部件設(shè)計(jì)等等。升降臺(tái)部件是該機(jī)床設(shè)計(jì)的核心部分。對(duì)于機(jī)床的床身、立柱、橫梁等與銑床相似，故本文沒(méi)有加以說(shuō)明。

［1］Yoon J W，Yang D Y，Chung K.Elasto－plastic finite elementmethod based on incrementaldeformation theory and contin－uum based shell elements forplanar anisotropic sheetmaterials［J］.Comput.MethodsApp.l Mech.Engrg，1999，174:23 －56.

［2］莫健華，韓飛.金屬板材數(shù)字化漸進(jìn)成形技術(shù)研究現(xiàn)狀［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2008，19（4）:491 －496.

［3］崔震，高霖.復(fù)雜鈑金零件漸進(jìn)成形方法［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43（12）:235－238.

［4］Amino H，Lu Y，Maki T，et al.Dieless NC forming prototype of automotive service parts［C］.Proceeding of 2ndInternational Conference on Rapid Prototyping and Manufacturing，2002:179 －185.

［5］莫健華，黃樹槐，韓明.板材數(shù)控?zé)o模成型加工機(jī):中國(guó)，ZL00115996.8［P］.2000 －8 －31.