ЧПУ координатно-пробивные прессы представляют собой важную категорию станков с ЧПУ. Они в основном состоят из системы управления, главного привода, системы подачи, поворотного стола, штампов и периферийного программного обеспечения. Это высокоскоростное, точное и гибкое оборудование, объединяющее механику, электронику, гидравлику и пневматику, способное выполнять пробивку и другие формовочные операции на листовом металле. Как ключевое оборудование в области обработки листового металла, ЧПУ координатно-пробивные прессы имеют более чем семидесятилетнюю историю применения и развития, став одним из важнейших технологических оборудований в таких отраслях, как автомобилестроение, строительная техника, металлоизделия, бытовая техника, компьютеры, приборы, электронная информация и текстильное машиностроение.

Классификация и характеристики ЧПУ координатно-пробивных прессов

В зависимости от источника энергии главного привода ЧПУ координатно-пробивные прессы можно разделить на следующие три категории:

(1) Механические координатно-пробивные прессы. Этот тип конструкции имеет простые характеристики движения, узкий диапазон обработки, низкую частоту пробивки, высокий уровень шума, а сцепление и тормоз подвержены износу и имеют короткий срок службы. Они в значительной степени вытеснены с рынка.

(2) Гидравлические координатно-пробивные прессы. Они приводятся в действие гидравлическими цилиндрами, а пробивка контролируется электро-гидравлическими сервоклапанами. Этот тип продукции был основным на рынке в течение значительного периода времени. По сравнению с механическими прессами, преимущества заключаются в расширенной технологичности штамповки, увеличении частоты штамповки и снижении уровня шума. Однако у них также есть недостатки, такие как загрязнение маслом, высокое энергопотребление, плохая устойчивость к условиям окружающей среды и температуре, низкая надежность и сложность обслуживания.

⑶ Полностью электрические сервокоординатно-пробивные прессы. С улучшением и продвижением серводвигателей с высоким крутящим моментом и систем привода в последние годы, полностью электрические сервокоординатно-пробивные прессы добились значительного прогресса и постепенно заменяют гидравлические конструкции, становясь основным продуктом в отрасли.

По сравнению с традиционными механическими и гидравлическими прессами, полностью электрический сервопривод имеет множество преимуществ:

1) Хорошая универсальность и высокий уровень интеллектуальности. Благодаря сервофункции кривая движения пуансона больше не является просто синусоидальной, а может быть произвольной кривой, оптимизированной в соответствии с требованиями технологии, что значительно улучшает производительность обработки и расширяет диапазон обработки.

2) Высокая точность. Энкодер на серводвигателе передает информацию об угле поворота кривошипа в систему ЧПУ. Обрабатывая данные через функциональную зависимость между перемещением пуансона и углом кривошипа, получают данные о положении пуансона в реальном времени, формируя полузамкнутую систему управления. Это позволяет точно контролировать движение пуансона, с точностью нижней мертвой точки в пределах ±0,05 мм.

3) Высокая производительность. Сервопрессы могут регулировать ход пуансона в соответствии с различными технологиями обработки. В рабочем цикле не требуется полный оборот на 360°; достаточно определенного угла колебания для завершения обработки, что дополнительно сокращает время цикла и значительно повышает производительность.

4) Энергосбережение и экологичность. ЧПУ координатно-пробивные прессы с серводвигателями полностью зависят от крутящего момента двигателя. Двигатель вращается только при движении пуансона, что обеспечивает значительную экономию энергии.

5) Низкий уровень вибрации и шума. Устанавливая кривую скоростных характеристик пуансона, можно снизить скорость пуансона в момент контакта верхнего штампа с листовым металлом. По сравнению с традиционными механическими и гидравлическими ЧПУ координатно-пробивными прессами, уровень шума может быть снижен на 8–12 дБ.

В настоящее время существует три основных типа структур сервопривода. Эти три механизма технологически зрелые, каждый имеет свои особенности, и все они занимают значительную долю рынка.

⑴ Кривошипно-шатунный механизм с приводом от двух двигателей, представленный ЧПУ координатно-пробивным прессом EM2510NT компании AMADA (Япония). Два двигателя симметрично расположены по обеим сторонам корпуса машины, что обеспечивает компактную и небольшую конструкцию, гарантируя достаточный крутящий момент на кривошипе при высокой частоте пробивки.

⑵ Кривошипно-кулисный механизм, представленный ЧПУ координатно-пробивным прессом MOTORUM-2048LT компании MURATEC (Япония). Хотя эта конструкция относительно сложна, она использует уникальные усилительные характеристики кривошипно-кулисного механизма для снижения нагрузки на серводвигатель. Кроме того, при одном обороте кривошипа ползун движется вверх и вниз дважды, что позволяет достичь более высокой частоты пробивки.

⑶ Кривошипно-шатунный механизм с приводом от одного водяного охлаждаемого серводвигателя с высоким крутящим моментом, представленный полностью электрическими серво ЧПУ координатно-пробивными прессами серий EP и H компании Jiangsu Yangli CNC Machine Tool Co., Ltd. Поскольку в качестве источника энергии используется один водяной охлаждаемый серводвигатель с высоким крутящим моментом, он обладает высокой способностью к непрерывной работе и устраняет проблемы синхронного управления, связанные с приводом от двух двигателей. Это обеспечивает более высокую механическую эффективность, лучшую стабильность и надежность, а также высокое соотношение цены и качества.

Типовые процессы обработки Типовые процессы обработки для ЧПУ координатно-пробивных прессов в основном включают вырубку и формовку.

Процесс вырубки Вырубка, также известная как разделение материала, относится к процессу, при котором заготовка разрезается и разделяется по замкнутому или открытому контуру под воздействием внешней силы. Вырубка может непосредственно производить готовые детали или подготавливать заготовки для последующих процессов, таких как гибка, вытяжка и формовка.

Как правило, процессы вырубки в основном делятся на следующие четыре режима:

⑴ Одиночная пробивка. Пробивка завершается за один проход, включая прямолинейные, дугообразные, окружные и сетчатые отверстия.

⑵ Непрерывная пробивка в одном направлении. Используя частично перекрывающийся прямоугольный штамп, можно обрабатывать удлиненные отверстия, обрезанные кромки и т. д. При использовании этого режима пробивки перекрытие штампов во время процесса пробивки приведет к отклонению нагрузки пробивки от центра штампа (эксцентричная нагрузка), что вызовет деформацию кручения конструкции станка. В тяжелых случаях это может повредить штамп. Поэтому при пробивке отверстий большого диаметра, толстого листа и высокой нагрузки перекрытие штампов должно быть минимизировано, чтобы уменьшить эксцентричную нагрузку.

(3) Многонаправленная непрерывная пробивка. Это метод обработки, при котором используются маленькие штампы для обработки больших отверстий, что может увеличить гибкость станка и расширить диапазон обработки штампа. При использовании этого режима пробивки обычно необходимо вращать пуансон под разными углами через поворотную станцию в сочетании с позиционирующим движением механизма подачи в плоскости XOY.

(4) Пошаговая пробивка. Это распространенный режим обработки, при котором используется маленький круглый штамп для непрерывной пробивки дуг или шлицевых кривых с небольшим шагом. Поскольку используется маленький круг для аппроксимации, точность контура и качество сечения обычно невысоки, а эффективность пробивки низкая. Когда размер пробивки большой и количество велико, рекомендуется использовать специальный пробивной штамп.

Процессы формовки

Процессы формовки относятся к методам обработки, при которых листовой металл под воздействием внешней силы и напряжения, превышающего предел текучести материала, подвергается пластической деформации для получения определенной формы и размера. К ним в основном относятся прокатка, неглубокая вытяжка, отбортовка и гибка, а также основные характеристики формовки и соответствующие штампы для некоторых типовых деталей.

(1) Одношаговая формовка: Метод обработки, при котором неглубокая вытяжка выполняется за один шаг в соответствии с формой штампа. В этом режиме форма и размер штампа должны соответствовать обрабатываемой характеристике один к одному, идентично режиму обработки обычных прессов; это полностью "жесткий" режим обработки.

(2) Непрерывная формовка: Методы формовки, при которых размер формовки больше размера штампа, такие как жалюзи большого размера, прокатка и ступенчатая формовка.

Процесс формовки листового металла комплексно зависит от многих факторов, включая механические свойства материала, толщину листа, температуру формовки и скорость формовки. Он включает в себя многие аспекты, такие как упругая деформация, пластическая деформация, наклеп и анизотропия материала, демонстрируя высокую степень нелинейности. Его механизм формовки чрезвычайно сложен и трудно анализируется с помощью традиционных механических формул в реальном производстве. В виртуальной компьютерной среде метод конечных элементов (МКЭ) используется для моделирования процесса формовки материала, что позволяет прогнозировать и оценивать упругую отдачу, трещины и складки во время процесса формовки. Это способствует углубленному исследованию механизма формовки. В промышленном производстве анализ МКЭ может направлять проектирование штампов и оптимизировать параметры процесса формовки, обладая неизмеримой практической ценностью. В настоящее время широко используемое программное обеспечение включает ANSYS, ABAQUS, MAC, LS-DYNA и DYNAFORM.

Тенденции будущего развития

С развитием технологий ЧПУ, сетевых технологий, сервоуправления и серводвигателей с высоким крутящим моментом, ЧПУ координатно-пробивные прессы демонстрируют следующие тенденции развития:

⑴ Высокая скорость и высокая точность.

Высокая скорость и высокая точность — вечное стремление станкостроительной отрасли. Улучшение скорости и точности ЧПУ координатно-пробивных прессов в основном включает следующие аспекты: 1) Улучшение динамических характеристик механизма подачи. В настоящее время механизм подачи в основном использует два традиционных механических способа передачи: шарико-винтовые пары и зубчатые рейки, а также применяет полузамкнутое управление, что приводит к относительно низкой скорости позиционирования, ускорению и точности позиционирования. С развитием и широким применением технологии линейного привода в последние годы, использование технологии линейного привода и обратной связи о положении в реальном времени через линейные датчики позволяет сформировать замкнутое управление, что может улучшить скорость позиционирования, ускорение и точность позиционирования механизма подачи ЧПУ координатно-пробивных прессов до беспрецедентного уровня; 2) Использование полностью электрического сервопривода, с одной стороны, его точность нижней мертвой точки высока и может контролироваться в пределах ±0,05 мм; с другой стороны, этот механизм передачи имеет богатые режимы штамповки, например, при использовании режима высокоскоростного колебания кривошипа вперед и назад время, необходимое для завершения хода 4 мм, может быть сокращено до 40 мс; 3) Использование новых технологий для минимизации времени простоя, таких как автоматическое обнаружение износа штампов, автоматическая замена штампов и автоматическая загрузка/разгрузка.

⑵ Реальная интеллектуальность.

С развитием науки и техники сегодня рынок стремится к ЧПУ координатно-пробивным прессам не только с точки зрения точности и надежности, но и начинает фокусироваться на интеллектуальных решениях. Ключевые технологии, которые необходимо продвигать: 1) Технология онлайн-мониторинга качества деталей; 2) Технология онлайн-мониторинга износа штампов; 3) Технология автоматического выбора и замены штампов; 4) Удаленная интеллектуальная диагностика неисправностей и их устранение; 5) Технология создания и оптимизации базы данных экспертов по процессам.

(⑶) Энергосбережение и экологичность.

ЧПУ координатно-пробивные прессы в основном затрагивают следующие три аспекта: 1) Шумовое загрязнение, которое можно уменьшить, применяя бесшумные режимы обработки, оптимизируя конструкцию станка и используя звукоизоляционные материалы для вибро- и шумоподавления; 2) Загрязнение маслом, замена традиционного гидравлического привода полностью электрическим сервоприводом является неизбежной тенденцией развития отрасли; 3) Концепция зеленого дизайна на основе срока службы, применение передовых концепций и методов проектирования для наиболее рационального использования материалов, делая станок менее громоздким.

(⑷) Гибкие обрабатывающие модули (FMC) и интеграция функций.

Небольшие гибкие обрабатывающие модули, где основным элементом является ЧПУ координатно-пробивной пресс, имеют вспомогательные функции, такие как удаление заусенцев и нарезание резьбы, и оснащены автоматизированными складами и системами автоматической загрузки/разгрузки, обладая высокой гибкостью и эффективностью обработки, и даже могут работать без участия оператора. По сравнению с крупными гибкими производственными системами, они занимают меньше места, имеют более низкую стоимость оборудования и лучшую надежность и стабильность, что делает их более привлекательными для клиентов, особенно для малых и средних предприятий, специализирующихся на обработке листового металла. Обрабатывающий модуль включает два симметрично расположенных ЧПУ координатно-пробивных пресса, оснащенных автоматизированным складом и механизмами автоматической загрузки/разгрузки, значительно повышая уровень автоматизации. Требуется только периодический контроль со стороны оператора. Однако для достижения действительно безлюдной работы все еще необходимо преодолеть несколько ключевых технологий, таких как технология онлайн-мониторинга износа штампов, автоматический выбор и замена штампов, онлайн-мониторинг качества деталей и интеллектуальная диагностика и устранение неисправностей.