嵌套式复合型材构件制造技术及其专用机床.pdf

设计与研究 D e s ig n a n d R e s 伽 『C h 嵌套式复合型材构件制造技术及其专用机床 朱建 华柯 礼立 宁波邦达智能停车设备股份有限公司， 浙江 宁波 3 1 5 0 1 3 摘要 嵌套式冷轧复合型材构件制造技术包括平整、 加强筋成型、 第一辊压模具组成型、 冲孔、 主截面成 型、 第二辊压模具组的横截面成型、 嵌套合抱、 第一构件与第二构件嵌套抱合后成为复合型材构件 与第三辊压模具组紧贴等工序组成 ， 在冲孔工序之前先完成加强筋成型工序 。 保证冲孔加工后的孑 L 距尺寸精度 ， 显著提高产 品质量 ； 上述所有工序都是设置在同一条生产线上的专用机床连续 自动完 成 ， 实现了嵌套式冷轧复合型材构件的自动化生产 ， 节约工时 ， 降低产 品成本。 关键词 冷轧辊压 ； 复合型材 ； 嵌套抱合构件 中国分类号 T H 1 6 2 文献标识码 B Ma n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y a n d ma c h i n e f o r ma n u f a c t u r i n g n e s t e d c o mp o s i t e p r o f i l e Z HU J i a n h u a，KE L i l i N i n g b o B a n g d a I n t e l l i g e n t P a r k i n g S y s t e m C o ． ， L t d ． ， N i n g b o 3 1 5 0 1 3 ， C H N Ab s t r a c t A me t h o d f o r ma n u f a c t u r i n g a n e s t e d c o mp o s i t e p r o fil e i nc l u d ep l a n i s h i n g p r o c e s s ， for mi n g p r o c e s s， p u nc h i n g p r o c e s s ，c r o s s s e c t i o n s h a p i n g p r o c e s s，n e s t i n g p r o c e s s ，f a s t e n i n g p r o c e s s ，a p r o f i l e p l a n i s h ． e r ；a fir s t r o l l i ng d i e s e t ；a p u n c h i n g d e v i c e；a s e c o n d r o l l i n g d i e s e t ；a c ut t i n g d e v i c e；a n e s t i n g d e v i c e；a n d a t hi r d r o l l i n g d i e s e t ． T h e fir s t r o l l i n g d i e s e t i n c l u d e s a pl u r a l i t y o f fir s t r o l l i n g s e t s ．T he p u nc h i n g d e v i c e i n c l u d e s a p u n c hi ng b e d a n d a p un c hi ng ma c hi n e ． T he s e c o n d r o l l i n g d i e s e t i n c l ud e s a p l u r a l i t y o f s e c o n d r o l l i n g s e t s ．T h e c u t t i n g d e v i c e i n c l u d e s a c u t t e r ．T h e t h i r d r o l l i n g d i e s e t i n c l u d e s a t h i r d r o l l i n g ． Ke ywo r d sc o l d i n g r o l l i n g；c o mp o s i t e pr o fil e；n e s t e d c o he s i v e c o mp o n e n t 嵌套式复合型材构件在 国外开始出现于本世纪初 的专利文献 [ 1 ] 记载中， 它应用于模块式建筑组合体 ， 具有显著降低原材料等资源消耗及降低生产成本的效 果 ； 然而 ， 它们多数采用较厚的 、 形状与尺寸各不相同 [ 2 ] 倪军．数控 机床误 差补偿 研究 的回顾与展 望 [ J ] ． 中国机 械T程 ， 1 9 9 7， 81 2 93 3． [ 3 ] L i a n g J C， L i H F ， Y u a n J X， e t a1． A c o m p r e h e n s i v e e r r o r C o m p e n s a t i o n s y s t e m f o r c o rre c t i n g g e o me t r i c，t h e r ma l ，a n d c u t t i n g f o r c ei n d u c e d e r - r o r s [ J ] ． T h e I n t e r n a t i o n al J o u rnal o f A d v a n c e d Ma n u f a c t u ri n g T e c h n o l o ． g Y， 1 9 9 7， 1 3 7 0871 2． [ 4 ] 刘又午 ， 章青 ， 赵小松 ， 等． 数控机 床全误差模 型和误差补 偿技术 的 研究 [ J ] ． 制造技 术与机床 ， 2 0 0 3 7 4 6 5 0 ． [ 5 ] L e e E u n gS u k ， S u h S u kHw a n ， S h o n J i nWo o k ． A c o m p r e h e n s i v e me t h o d for c a l i b r a t i o n o f v o l u me t r i c p o s i t i o n i n g a c c u r a c y o f CNC ma - c h i n e s [ J ] ． T h e I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f A d v a n c e d Ma n u f a c t u r i n g T e c h ． n o l o g y， 1 9 9 8， 1 4 434 9． [ 6 ] 范晋伟 ， 蒙顺政 ， 罗建平 ， 等．车铣复合数控机床几 何误差补偿技 术 研究 [ J ] ， 机床与液压 ， 2 0 1 3， 4 1 5 1 4 ， 2 9 ． [ 7 ] O k a for A C， E r t e k i n Y a l c i n M． D e r i v a t i o n o f m a c h i n e t o o l e rr o r m o d e l s a n d e rro r C O u l p e n s a t i o n p r o c e d u r e f o r t h r e e a x e s v e r t i c a l ma c h i n i n g c e n t e r u s i n g ri g i d b o d y k i n e i n a t i c s [ J ] ． I n t e rna t i o n a l J o u rna l o f Ma c h i n e T o o l s a n d Ma n u f a c t u r e， 2 0 0 0． 4 0 1 1 9 9 1 2 1 3 ． [ 8 ] J u n g J i H u n ， C h o i J i nP h i l ，L e e S a n gJ o ． Ma c h in i n g a c c u r a c y e n h a n c e me n t b y c o mp e n s a t in g f o r v o l u me t ric e r r o r s o f a ma c h i n e t o o l a n d o nma c h i n e m e a s u r e m e n t [ J ] ． J o u rna l o f Ma t e r i a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l - o g y，2 0 0 6， 1 7 4 5 66 6 ． [ 9] 张琨 ． C K 6 4 3 0数控车床几何 热误差 实时补偿研 究 [ D] ． 上海 上海 交通 大学 ， 2 0 1 2 ． [ 1 0] 韩 克新 ． 激光干涉仪原理介绍 [ E B ／ O L] ． h t t p ／ ／ w e n k u ． b a i d u ． c o rn／ v i e w／ 2 7 c 6 5 d 8 0 0 2 d 2 7 6a 2 0 02 9 2e f 6a 2 0 0 2 9 2e i3． h t m1 ． [ 1 1 ] WY L ER A G． U s e r ’ S ma n u al[ E B ／ O L ] ．h t t p ／ ／ w w w． w y l e r a g ． c o rn． 第一作者 高兴 ， 男， 1 9 8 7年生， 博士研 究生， 主要 从事超精密加工及其数控技术研究。 编辑李静 收稿 日期 2 0 1 31 2 0 9 文章缡号 1 5 0 1 1 4 如果您想发表对本文的霉法， 请将文章编号填入读者意见调查表中的相应 位鼍。 耋 1 、 ．0； u l 0 平 幂 朋 的 、 非等断面 的热轧 型材复合成 型， 其结构 与形式单 一 ，耗材大又生产工艺复杂 ， 制约了构件的断面特性与 结构刚度 ， 综合力学性能尚欠不足。 本文的创新特征是采用较薄的、 形状与尺寸相同 的 、 等断 面长条形 的第 一构件 和第二 构件相 互旋 转 1 8 0 。 后交错合抱 而成 的嵌套式复合 型材构件 ， 该 构件 可以采用较薄的金属板材冷态辊压 成型 ； 它具有高度 自动化的制造技术 的优势 ， 以及生产效率较高而能耗 较少又节能环保的特点 ； 近几年 已经成功应用于立体 停车设备的主体结构 中 ， 还可 以广泛应用于建筑领 域的柱梁框架模块式建筑组合体中。 1 嵌套式复合型材构件的结构特点 嵌套式复合型材构件是由第一构件和第二构件组 合而成 ； 第一构件和第二构件的形状与尺寸完全相同 ， 并且具有等断面长条形的几何形状， 第一构件 第二 构件 是由横边 1 、 加强筋 2 、 弯折部 3 、 竖边 4、 外包折 边 5 、 咬边 6与内嵌折边 7组成 ； 第一构件和第二构件 在横截面方 向相互旋转 1 8 0 。 并 交错与嵌套合抱 后 即 成为嵌套式 复合 型材构 件 ， 参 见图 1所示 ； 第一 构件 第二构件 制 作是采 用金属 板材辊 压成 型； 与 此 同 时， 它们之间还设置有横 向和竖向特种异型紧固螺栓 ， 实现双向固定并消除了嵌套复合后的第一构件与第二 构件之间的配合间隙， 从而显著提升嵌套复合构件 的 强度与刚度 ， 并有效地控制连接部位的复杂形变 ， 以确 保其使用可靠性与安全性 。 2 制造技术 的工艺设计特点 在同一条生产线上依 次连续完 成如下工 艺步骤 参见 图 2 。 1 金属带材平整工序原材料是卷状金属带材 通过带材平整机 以保证在 以下作业中达到工艺要求 的 平整度 ； 接着 ， 该金属板材沿生产线 自动向后一工序方 向输送。 2 加强筋成型工序通过数控 自动化作业 的第 一 辊压机组 ， 完成加强筋成型工序 ， 构件上设有多个加 强筋 ， 以达到优化构件断面特性与结构刚度的 目的； 第 一 辊压机组同时完成多个加强筋 的辊压成型。 3 冲孔工序 由两台同步数控 冲孑 L 机完成 ； 为 了实现该产品的无焊接装 配工艺 ， 以达到节 能环保 目 的 ， 构件采用薄壁铸件连接装置 ， 并通过插配与紧固装 置达到构件之间的连接 固定 ， 所以该构件 上设有多个 用 于特种紧固螺栓的通孔 以及大型装配缺 口， 该通孔 与缺 口由上述同步数控冲孔机完成。 。 ； Z UI 3 牛 弟l 明 D e s ig n Q n d a fc h 设计与研究 l 一 带材平整机 ；2 一第一辊压机组 ；3 一数控冲孔机 ； 4 一第二辊压机组；5 --数控切割机；6 一嵌套合抱机床； 7 一第三辊压机组；8 --金属带材；9 一压紧装置； 1 O 一第5 气缸；1 l 一第一构件；1 2 --第一构件与第 二构件复合件；l 3 一嵌套式复合型材构件 成品。 图2 结构示意图 4 截面成型工序由第二辊压机组完成 ， 它由带 7组模具的数控 自动化辊压作业组成 ， 辊压成型该构件 上具有的横边、 加强筋、 弯折部、 竖边、 外包折边、 咬边与 内嵌折边 ； s t k 时， 金属带材形成第一构件的横截面。 5 嵌套合抱工序 由数控切割机与嵌套合抱机 床完成嵌套合抱工序 ； 首先切断 已经成型的第一构件 ， 切断后获得第一构件送入嵌套合抱机床 ， 并在第一构 件 的横截面方 向旋转 1 8 0 。 后定 位 ； 然后 ， 该旋 转定位 后 的第一构件插入到再次切断后获得 的、 其形状与尺 寸相 同的第二构件 ， 同时进行嵌套合抱 ； 第一构件和第 二构件嵌套合抱后成为第一构件与第二构件的嵌套复 合件 尚未从 型材 上切 断 ； 此时 ， 第 一构件的外包折 边与第二构件的竖边相贴合 ， 第二构件 的外包折边与 第一构件的竖边相贴合 。 为了提高生产效率并保证前后工序 的连贯性， 确 6 3 保生产线能够连续不 间断地运行 ， 该嵌套合抱工序包 括 以下工步 参见图 3 工步 a 已经形成第 1构件 横截 面的金属带材沿 生产线方向 自动输送 ， 当它碰到切割挡块时 ， 数控切割 机随第一构件移动 ， 同时切断该第一构件 ， 从而获得第 一 构 件 l 一第二辊压机组；2 一刀模装置；3 一固定支架； 4 一 嵌套装置水平滑移车座 ；5 一嵌套抱合机床 ； 6 一复合件 ；7 一切割挡块 ；8 一第三辊压机组 ； 9 一复位挡块 ；1 O 一切 割底座 ；1 1 一 嵌套床身 ； 1 2 ～1 5 一第l 、2 、3 、4 气缸；1 6 一嵌套底座。 图3 数控切割机与嵌套抱合机床结构示意图 工步 h 由第一气缸驱动嵌套 合抱机床沿嵌套 底 座快速移动 ， 并与后面连续输送 中的型材之 间留出一 定的间隔距离。 工步 c 当第一构件 随嵌套合抱机 床移 动并 碰到 定位挡块时， 嵌套合抱机床驱动第一构件旋转 1 8 0 。 定 位 ； 同时 ， 数控切割机在第二气缸的驱动下复位 ， 嵌套 合抱装置在第一气缸作用下复位。 工步 d 嵌套合抱装置复位过程 ， 后续输送 中的已 经成形 的型材进入夹持定位在嵌套合抱装置中的第一 构件中， 从而实现嵌套合抱 。 工步 e 当后续 输送 中的型材再一次碰到所述切 割挡块时 ， 数控切割机随 已经成形的型材移动， 并再次 切断该型材而获得所述第二构件 ， 此时 ， 后续输送中的 型材顶住该第二构件 ， 使 得第二构件继续和第一构件 进行嵌套合抱。 工步 f 在第一构件和第二构件完成嵌套合抱工序 后 ， 第一构件和第二构件形成复合件 ， 后续输送中的型 材顶着将该复合件 向下一个工序输送 ； 当后续输送 中 的型材再次碰到所述切割挡板时 ， 回到步骤 a ， 继续下 一 次的嵌套合抱过程。 完成嵌套合抱工序后 ， 第一构件 的外包折边与第 二构件的竖边相贴合 ， 与此 同时， 第二构件的外包折边 与第一构件的竖边相贴合。 6 紧密 咬边工序 由第三辊压机组完 成； 为 了实 现嵌套合抱后第一构件与第二构件之 间双向同定并消 除两者之问的配合间隙， 将复合件送人 由三组辊压模 具构成的数控 自动化作业的第 三辊压机组 ， 执行多个 咬边作业 ， 以显著提升其嵌套合抱后构件的强度 与刚 度 ， 并形成最终产品嵌套式复合型材构件 ， 然后脱 离生产线。 3 专用机床结构设计特点 在数控流水线运行方向依次设置有以下专用机床 执行工序 1 的带材平整机 ， 它 固定设置 于地 面 上 ； 原材料为卷带状金属板材 ， 它通过送料器 自动输送 至平整机 以平整带 材 ， 达 到 以后工 序的设计 要求平 整度 。 执行工序 2 的第一数 控 自动化作业辊压机组 ， 由两台带动力头的辊压机构成 ， 该辊压机床身 同定设 置 于地 面上 。 执行工序 3 的两台同步数控 冲孔机 ， 为了提高 冲孑 L 的几何精度与形位公差 ， 两台同步数控 冲孑 L 机设 计有包括 固定于地面上的冲孔机床身 、 能沿该 冲孑 L 机 床身水平滑移的冲孔滑鞍 、 固定设置在冲孑 L 机床身上 并能驱动冲孔滑鞍沿该 冲孔机床身滑移的带液压系统 的第 5气缸 ， 以及压紧装置组成 ； 该压紧装置功能是给 卷带状金属板材的前端提供压紧力 ， 避免金属带材在 冲孑 L 过程中发生变形 ； 该压 紧装置包括有压板 、 驱动该 压板动作 的压紧油缸和带动压板沿冲孔机床身水平滑 移 的压紧底座 ， 该压紧底座 和冲孔机滑鞍之间固定连 接 ， 第 5气缸的活塞杆和压紧底座也是固定连接。 为了进一步提高 冲孑 L 的位置精确度 ， 在压板 的底 部还设置有能穿入金属板材 的定位销 ， 使冲孑 L 滑鞍能 够 随着金属带料一起移动 ； 当前面金属带材的冲孑 L 工 序全部完毕后 ， 压板上 的定位销能够插入冲孔中进行 定位 ； 冲孔滑鞍则在第 5气缸作用下复位 ； 于是 ， 在冲 孔过程中， 冲孔机能够随着金属板材一起移动 ， 当冲孑 L 完成后 ， 冲孑 L 机在第 5气缸作用下复位。 执行工序 4 的第二辊压机组 ， 它 由 5台带 动力 头的数控辊压机构成 ， 它们的床身均 固定设置于地面 上 ； 它们逐渐执行横边 、 竖边 、 内嵌折边 、 外包折边 和弯 折部等截面辊压成型。 上述多台带动力头 的辊压机在辊压过程中同时带 动金属带材沿流水线运行方 向进给。 执行工序 5 的数控切割机 ， 为了实现切 割机和 嵌套合抱机床的联动 ， 同时保证切割和嵌套合抱两道 工序的连贯性 ， 为此 ， 在嵌套床身上设置有切割底座 ， U 耋 I 证 10 平 弗 删 参见图 3 所示 ； 它能相对于嵌套床身水平 滑移。该 切割底座与嵌套底座 固定相连 ， 该切割底座上连接有 驱动沿嵌套床身滑移的带液压系统的第 2气缸。 所述数控切割机设有刀模装置 ， 它 固定设置于切 割底座上。 并且 ， 嵌套底座沿长度方 向设置有切割挡块 和定 位挡块 ； 其 中， 切割挡块作为第一检测控制触点用于检 测构件 的位置 ， 并控制刀模的切割动作 ； 而定位挡块作 为第二检测控制触点用于检测第一构件的位置并控制 旋转定位装置的转动 ； 嵌套床身在位于所述切割底座 的一侧设置有 限制该切割底座移动的复位挡块 ； 由于 切割底座和嵌套底座之 间是 固定连接的 ， 当数控切割 机复位时 ， 嵌套底座同时复位 ， 保证第二构件和第一构 件 的定位基准和切割长度一致。 为了避免挡块和金属带材发生干涉 ， 使得金属带 材和构件均能够顺利 的沿着生产线输送 ， 切割挡 块和 定位挡块分别设计成为可上下伸缩的挡块 ， 其 中， 切割 挡块和带液压系统 的第 3气缸的活塞杆相连 ， 定 位挡 块和带液压系统的第 4气缸的活塞杆相连 ； 切割挡块 和定位挡块 可以检测金属带材或切割后的构件在生产 线上的位置 ， 并且控制切割机的刀模动作 ， 当需要检测 金属带材或切割后构件的位置时， 可以通过气缸活塞 ． 杆将挡块向上顶出； 当已经检测到金属带材或切 割后 构件的位置时， 可以通过气缸活塞杆将挡块向下缩进。 执行工序 6 的嵌套合抱机床 ， 它用于将第一构 件旋转 1 8 0 。 后定位， 然后与第二构件交错合抱， 构成 一 复合件 ， 它包括有 1 固定设置于地面上的嵌套床身。 2 嵌套底座 ， 设置于嵌套床身上 ， 并能相对 于该 嵌套床身水平滑移 。 3 定位装 置 ， 包括有设置 于嵌套底 座上并能相 对于该嵌套底座水平滑移的滑移车座 。 该车座连接有能驱动该旋转定位装置沿所述嵌套 底座滑移的第 2气缸。如图 4所示 ， 该 车座上 固定有 两 固定支架 ， 固定支架 内设置有沿长度方向贯穿且能 相对该支架旋转 的旋转器 ； 其 中， 旋转器沿圆周面开设 有间隔设置的齿槽 ， 当旋转器旋 转 1 8 0 。 后 ， 旋转器在 1 8 0 。 方向的两侧相应 齿槽 内分别设有定位销 ， 定位销 能够限定旋转器的转动位置， 以确保嵌套合抱 的准确 性和可靠性 ； 旋转器沿轴 向开设有和构件的形状大小 相适配的方孑 L ， 旋转器在端面上还设置有 多个沿方孑 L 周边布置的夹具。该夹具包括有导轨 和夹头 ， 导轨 固 定设置于旋转器端面上 ， 夹头能沿导轨滑移并与第一 D e s ig n a n d R e ∞ a rc h 设计与研究 构件 切断后 相紧抵 ， 通过调节夹头沿导轨 的相对位 置 ， 使得旋转器能够适应各种几何形状和尺寸的型材 构件的夹持 ； ／ ／ ＼ ] ； 够＼- I 、 ＼ 8 U a 旋转器结构示意 图 b 机床轴 向结构示意 图 1 一构件；2 一旋转器；3 一固定支架；4 一导轨； 5 一 夹头 ； 一 定位销 ；7 一滑移车座 ；8 一 方孔。 图4 嵌套抱合机床结构示意图 执行工序 7 的第三辊压机组 ， 它 由 3台带 动力 头的数控辊压机构成 ， 它们 的床身均 固定设置于地 面 上 ； 它们逐渐完成所述复合件的多个 咬边作业 。 4 经济技术效 果 上述制造技术是从金属带材送入生产线到复合型 材的产品成型 ， 其 间每一道工序均在线连续运行 ， 节约 大量机动工时与辅助工时 ， 不仅实现了 自动化生产 ， 而 且显著降低原材料等资源消耗与生产成本 ； 其二 ， 所有 冲孔工序均安排在加强筋辊压成型之后 ， 从而确保第一 构件和第二构件在冲孑 L 后孔距尺寸的几何精度与形位 公差， 显著提高嵌套式复合型材构件的产品质量； 其三， 工序 自动化大大降低 了工人的劳动强度 、 改善生产环境 与作业面积利用率 。由此， 有关本课题成果， 迄今为止 已经获得 中国发明专利授权 1 2项、 以及欧洲、 日本、 美 国发明专利授权 7项 ； 以上国内外 已授权专利详细内容 均可从 w w w ． s i p o ． g o v ． e r r ／ 国家知识产权局 网站 或链接 至欧洲 、 日本、 美国知识产权局网站 检索获得。 参考文 献 [ 1 ] 李 戴 俊 ．管 状 构 造 物 与 模 块 式 建 筑 组 合 体 U S ， P C T ／ U S 2 0 0 2 ／ 0 0 4 2 8 0 [ P] ． 2 0 0 20 2一l 4 ． [ 2 ] 朱建华 ， 柯礼立．节能 环保 型立体 停车设 备 [ J ]．中 国设 备工程 ， 2 0 1 4 6 2 32 4 ． 第一作者 朱建华， 男， 1 9 6 1年生 ， 总工程 师， 主要 从事机电工程装备开发与研究， 其中立体停车设备产 品领域 已经获得 中国发明专利授权 l 2项， 欧洲、 日本 、 美 国发 明专 利授权 共 7项 。 编辑 汪 艺 收稿 日期 2 0 1 41 01 3 文章编号 I 5 o l 1 5 如 果您想 发表对 本交的譬法 请将文章编号填入读者意见调查表中 的粳应位置 6 5