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钣金加工先进技术:高精密、专业化、自动化

    ——从无模多点成形、激光切割等谈起

2019-10-09     

  近年来,随着我国高铁、核电、船舶、石油化工及航天航空等领域的高速发展以及机械工业规模的不断扩大,工业标准不断提高,对钣金加工工艺水平的要求越来越高,钣金加工的传统技术和工艺越来越难以适应新的市场环境。在此背景下,钣金加工技术向着高精密、高效、专业化、规模化和自动化的方向快速发展。

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  无模多点成形

  无模多点成形是把多点成形技术和计算机技术结合为一体的先进制造技术,可省去产品开发与制造过程中因模具设计、制造、调试和修改等复杂过程所耗费的时间和资金,显著缩短研制及生产周期,对产品的更新换代能做出快速响应。

  (1)主要特点。实现板类件的无模成形,节约模具材料及设计、制造费用。过去因模具造价太高而不得不采用手工成形的单件、小批零件,可通过多点成形技术实现规范成形,提高成形质量。

  在同一台设备上可进行多种不同形状零件的加工。还可在小设备上成形大于设备成形面积数倍甚至数十倍的大尺寸零件。

  实现板类件变路径成形。通过调整冲头高度控制成形曲面,可以随意改变板材的变形路径和受力状态,提高材料变形程度,实现难加工材料的塑性变形,扩大加工范围。

  易于实现CAD/CAE/CAM/CAT一体化及成形过程自动化。在多点成形中,零件的曲面造型、工艺规划等都由计算机完成,工件检测及成形过程的数值模拟采用计算机技术,设备也由计算机进行控制,利于实现自动化。

  缩短新产品的开发周期。多点成形不需要模具,省去了大量的模具设计、制造及调试的时间,可大幅度缩短新产品的开发周期,降低制造成本。

  (2)实际应用。板材无模多点成形设备可应用于飞机、航天器、各种车辆、轮船、舰艇、医学工程、压力容器、建筑装潢及城市雕塑等领域。例如国家体育场——鸟巢建筑工程中采用了大量由弯扭形钢板焊接而成的箱形构件,其各部件的弯扭形状与尺寸都不一样,而且所用高强度钢板的厚度从10mm变化到60mm,回弹量的变化也很大。采用多点成形技术后,不仅实现了与模具成形类似的成形效果,而且节约了巨额的模具费用,成形效率还提高了数十倍。该技术实现了中厚板类件从设计到成形过程的数字化,圆满解决了鸟巢建筑工程中钢结构部件三维曲面成形的难题。

  激光切割

  激光切割加工装备总的发展趋势是功率更高、速度更快、幅面更大、切割更厚、断面更亮、更平直。当下激光产业的发展越来越有活力,光纤激光器的功率技术和与之相适应的光学元器件技术不断取得突破,势必推动激光切割机的装机功率不断攀升。万瓦级激光装备所突破的关键技术,主要有以下几点:

  (1)光源技术。激光装备功率要突破万瓦级,首先需实现可靠稳定的光源技术。

  (2)光束传导技术。激光传导的整个光路必须严格密闭,不得与外界有介质交换,而且须在洁净空间内安装和清洁光学器件。

  (3)高动态设计与伺服驱动。研制高刚性、高强度、轻质移动功能部件,经有限元FEM算法,采用高稳定性结构,辅以高响应、高精度伺服驱动,提升整体传动链的动态性能。

  (4)智能切割控制系统。智能切割控制系统可对切割状态监视器反馈的数据进行实时分析,并依此适时调整切割工艺参数,控制切割辅助气体组分,改变焦点位置,保证加工质量,提升加工效率。主要功能有智能化焦点搜索、高速穿孔、切割状态监测等。

  (5)切割区域防热源渗透技术。切割过程中,万瓦级功率激光经聚焦其能量密度可达50kW/mm2,除作用在被加工板材上以外,大量的能量穿过割缝透射到机床床体上,因此隔热防烧措施尤显突出,例如提高切割板材支撑箱体的强度和刚性,增加剑栅宽度和厚度及采用耐切割材质等。

  (6)超高速、稳态气流喷嘴技术。当应用万瓦级激光切割50mm厚不锈钢时,测试结果证明拉法尔喷嘴是高压厚板快速切割工艺最佳的结构形式,其超高速、高压稳态气流,作用在切缝入口和切口内部,形成稳定和高质量的切割。

  高能束流加工

  高能束流加工技术以高能量密度束流作为热源与材料作用,从而实现材料的去除、连接、生长和改性,在难加工材料、汽车、航空航天零件制造等领域中得到越来越广泛的应用。通常包括激光加工、电子束加工和离子束加工等。

  激光加工除上文提到的切割之外,还广泛用于打孔、焊接、表面处理、打标及半导体加工等,涉及到汽车、电子电器、精密机械、运输机械等领域。

  电子束加工和离子束加工近年来也得到较大发展,在精密微细加工方面得到较多应用。通常电子束加工主要用于打孔、焊接等,离子束可用于等离子切割、等离子弧焊接等。

  从传统粗放低效成形后修准尺寸的工艺方法到展开、直接成形的先进工艺方法是制造技术发展的必然趋势。在科技促进经济发展的今天,钣金加工行业必须引进先进的技术,投入先进的设备,不断研发新的工艺,向机械化、自动化、数字化方向努力,才能紧跟时代潮流,促进钣金加工进一步发展。

关键词:工博会,钣金加工,激光切割 | 作者 :

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