数控转塔冲床的发展历程浅析

朱 煜，魏志国

（济南铸造锻压机械研究所有限公司，山东 济南 250306）

数控转塔冲床的发展历程浅析

朱 煜，魏志国

（济南铸造锻压机械研究所有限公司，山东 济南 250306）

数控转塔冲床以其灵活编程、自由选模、快速加工等优势得到用户青睐，新技术不断出现，推动了数控转塔冲床的更新换代。文章阐述了数控转塔冲床的发展历程，分析了国内外差距，指出国产品牌应借鉴并创新，进一步提高产品的智能化、信息化，进一步提高产品质量，缩小与世界先进水平的差距。

数控转塔冲床；传动方式；冲孔；成型；柔性化

数控转塔冲床是在金属板材上进行冲压加工和浅拉伸成形的压力加工设备。主要由机架、伺服送料机构、动力系统、模具库、模具选择系统、电气控制系统、气动系统、润滑系统等组成。

通过编程软件（或手工）编制的加工程序，由伺服送料机构将板料送至需加工的位置，同时由模具选择系统选择模具库中相应的模具，机械、液压或伺服动力系统按加工程序进行冲压，自动完成工件的柔性加工。

数控转塔冲床主要应用于钣金冲压加工行业，广泛应用于电气箱柜（高低压开关、机箱、电气、电器、电力设备行业）、仓储设备、幕墙装饰行业等。通过单次和步冲冲裁方式冲出各种形状和尺寸的孔及成形加工，特别适用于多品种的中、小批量或单件的板材柔性冲压。

1 数控转塔冲床的诞生

在数控转塔冲床诞生之前，冲压加工主要采用压力机实现。压力机适合加工大批量、固定品种工件，对于加工小批量、多品种工件，人工换模时间占用加工时间太长，加工效率大大降低，而且增加了模具成本。1932年，世界第一台R2型转塔冲床（手动多工位冲床）由美国威德曼（WIEDEMANN）公司设计，并于1934年成功问世。1955年，威德曼公司在美国芝加哥国际机床展上展出世界上第一台NC数控转塔冲床（型号A15）；1964年，威德曼公司被Warner&Swasey公司收购；1970年，Warner&Swasey公司在美国芝加哥国际机床展上展出世界上第一台CNC数控转塔冲床（型号W2040）。

2 数控转塔冲床的更新换代

根据主传动系统方式的不同，数控转塔冲床先后经历了三代产品。

2.1 第一代：数控机械转塔冲床

机械主传动采用飞轮-曲柄-滑块机构。主要由三相异步主电机、飞轮、离合器/制动器、曲轴、连杆和滑块组成。三相异步主电机持续转动，动力通过皮带传递到飞轮，飞轮传递动力然后驱动曲轴和连杆机构，进而实现滑块上下往复运动。冲压工作时，离合器闭合，此时飞轮蓄积的能量通过曲轴-连杆机构传递到滑块，进行上下往复运动，通过打击程序选定的上下模具对板料进行冲孔或成型加工。冲压结束，离合器脱开，飞轮对曲轴的扭矩传递被阻断，同时制动器开始制动，使曲轴转动至上死点时停止。这类机床优点是结构简单，维护方便，产品价格低，性能稳定，使用寿命长。但其缺点也是显而易见。首先，此类冲床完成一次冲压需等待飞轮转过一圈，由于冲压行程是固定的，冲压频率低，冲压速度难以提高。许多厂家因此不再生产这类冲床。其次，由于打击头的行程没法控制，进行成型工艺冲压时不容易被控制，成型加工效果不理想，一般不采用该种机型进行成型加工，其加工工艺范围受限。另外，该类机床还有耗电量较大、冲压噪声大等缺点。

2.2 第二代：数控液压转塔冲床

随着技术的发展，出现了第二代数控转塔冲床，亦即数控液压转塔冲床。液压主传动采用液压动力传动取代第一代数控转塔冲床中的飞轮、离合器/制动器、曲轴、连杆等机械结构。液压系统主传动由液压站、液压动力头、液压管路、控制单元等部分组成，其中液压站与液压动力头通过液压管路连接，液压站中由三相异步电机带动齿轮泵向液压动力头提供液压油，通过控制单元控制液压动力头中各个阀的动作来实现液压动力头主油缸的上下运动实现冲压动作，连接于油缸活塞杆上的位移传感器实时测量和反馈主油缸的位置信息，最终实现对冲头位置、行程及速度的精确控制。

该类机床由于其自身的诸多优点而得到广泛应用。首先，这类机床通过液压缸带动打击头实现冲压动作，由液压动力头上的阀块配合位置传感器进行冲压控制。通过液压系统控制单元可以设定合适的上死点位置，实现冲压行程可调，同时通过高速换向阀控制主油缸上下运动，所以在冲压速度上有了飞跃式的提升。其次，扩展了数控转塔冲床的加工工艺，由于液压缸行程可控制，因而可通过控制打击头的行程来调节模具高度，且打击头可在任意位置启停，可用来完成滚筋、凸台、百叶窗等浅拉伸成型工艺。第三，比较于机械转塔冲床的压塌块过载保护，通过液压压力卸荷，消除了过载对机床的损坏。但这类机床也存在不足。首先，液压系统对环境要求较高，温度太高或太低都会影响液压系统的正常工作。如果温度太低（＜5℃），机床工作前需预热液压油；如果液压油温度过高，液压油的润滑效果迅速降低，容易引起阀块研磨，加速各元件的损坏。其次，由于液压站上电机工作时一直处于通电状态，在待机状态下造成了电能浪费。另外，正常使用过程每年需更换一次液压油也是其不利之处。

2.3 第三代：数控伺服转塔冲床

由于数控机械和液压转塔冲床无法满足用户对机床高速度、高精度、低能耗、低噪声的要求，加上伺服电机的快速发展应用，第三代由伺服电机驱动的数控伺服转塔冲床应运而生。目前伺服主传动主要由两种结构：第一种为伺服电机、曲轴、连杆和滑块（以日本AMADA为典型代表）；第二种为伺服电机、减速机、曲柄连杆、肘杆、滑块（以日本的MURATEC为典型代表）。

此类冲床的主要性能特点及优势有：

（1）可实现节能降噪。机械式主传动结构中的三相异步电机一直转动带动飞轮旋转蓄积能量，完成一次冲压，飞轮蓄积的能量被消耗完毕，然后返回上死点重新蓄积能量，用以完成下一次冲压，周而复始，直至完成整个冲压程序。而伺服电机驱动的主传动，去掉了飞轮，不需要蓄积能量，伺服电机仅在冲压时转动，完成一次冲压、送进板料至下一次冲压前，伺服电机处于静止状态；而且由于去掉了离合器/制动器，缩短了传动机构，这两项变化大大降低了电能能耗。相对数控液压转塔冲床而言，数控伺服转塔冲床的电力消耗是其三分之一左右。机床在冲压过程中的噪声是由于模具冲制板材时受到反作用力而产生的振动和冲击。因此，降低滑块速度和冲压力，可实现降噪目标。机械式主传动可通过加强床身强度、刚性以及提高设备的吨位减缓振动。而伺服主传动由于伺服电机可以实现在滑块运动全行程中对滑块所处的任意位置的速度控制，因此，冲压过程中可以降低冲头进入板料时的速度，实现降噪。同时，也延长了模具的使用寿命。

（2）提高机床效率。由于滑块速度可在全行程任意调整和控制，可根据冲孔工艺不同，选择最优冲孔行程，设定相应冲孔速度，使之与送料机构同步匹配，提高机床效率。

（3）优化浅拉伸成型工艺，提高成型精度和稳定性。由于可以精确设定滑块的下死点，提高了成型模具的加工精度。通过设定成型高度，保证了成型过程的稳定性，避免成型高度不一致。

（4）增强环境适应能力。采用伺服电机的转塔冲床对环境要求较低，一年四季无论温度高低，都可以立即起动，无需预热。该机型不需要液压装置，不用定期更换液压油，非常环保。

3 国内外现状对比

在个性化需求日益增长的当下，柔性加工得到用户青睐，通过自动编程软件，将加工后的工件要求或图纸输入电脑编程，逆向将产品直接转化为加工程序，实现高精度的加工要求，而且根据不同要求，可随时变换程序。而之前采用压力机设备加工时，针对每一种产品的不同要求，需定制不同的模具，而数控转塔冲床则通过改变软环境（程序）在模具库中选择原有模具实现冲孔，或更换通用模具，通过编程，实现不同位置和孔径及形状的变化。同时，浅拉伸成型功能的开发应用，扩大了冲床的应用范围。通过成型模具，实现如百叶窗、桥型孔、敲落孔、凸包、滚筋、铰链等成型工艺的加工。

目前，以德国TRUMPF、日本AMADA、日本MURATEC、美国STRIPPT、芬兰FINN-POWER等为代表的知名品牌，占据了全球中高档冲床市场的重要席位，在机床的高效率、高精度、高可靠性、高稳定性、智能化等方面占据较大优势。由于国外厂家起步早，拥有众多专利和知识产权，在高动、静刚度主机结构和整机性能开发方面，国外厂家通过增加刚性和减轻移动部件重量，借助有限元分析及动刚度试验，开发完善了定位精度软件补偿技术、温度变形补偿技术、高速运动系统的平衡技术等成熟完善的基础技术手段。而国内厂家在性能指标方面的差距只是表象，冰山之下基础技术差距很大。其次，国外品牌占据了数控系统和软件等工业“大脑”的相当部分，而国内大部分厂家只能购买使用，国内亟需自主开发并完善成熟。第三，国外品牌有强健的“工业机床体魄”。对于数控转塔冲床的关键零部件，尤其是高精度和高可靠性的载体--电机、丝杠、导轨、液压系统等，也几乎被国外品牌占领。第四，面对来势汹汹的工业4.0，国外企业在更新换代的基础上，利用智能技术以及大数据技术，借助机器人和自动上下料柔性加工单元，最大程度地实现全程自动化。当然，随着技术的不断进步，我国的自主冲床品牌发展迅猛，出现了江苏金方圆、江苏亚威、江苏扬力、济南铸锻所等知名厂家，也占据着国内市场的大多数份额，甚至在某些方面可以取代国外品牌。但是，在核心控制系统以及关键零部件等方面，国产品牌与国外品牌相比仍有不小差距。

4 结束语

数控转塔冲床以其灵活编程、自由选模、快速加工等优势深受市场青睐，从而也催生了其技术不断更新。文章阐述了数控转塔冲床的发展历程，分析了国内外差距，指出国产品牌应借鉴并创新，借助中国制造2025的契机，进一步提高产品的智能化、信息化水平，进一步提高产品质量，缩小与世界先进水平的差距。

[1]李 兵.数控转塔冲床主传动的发展动向[J].中国机械与金属，2006，（8）.

[2]李 兵.数控伺服转塔冲床的最新发展——Servo V.R可变连杆伺服主传动技术[J].锻压装备与制造技术，2012，47（3）：13-17.

[3]徐 刚，崔瑞奇，王 华，等.金属成形（锻压）机床的现状及发展动向——CIMI2015第14届中国国际机床展览会锻压展品评述[J].锻压装备与制造技术，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，双学士，从事机械行业国际贸易。E-mail：zhuyu822@163.com