嵌套式復(fù)合型材構(gòu)件制造技術(shù)及其專用機(jī)床

朱建華 柯禮立

(寧波邦達(dá)智能停車設(shè)備股份有限公司，浙江 寧波315013)

嵌套式復(fù)合型材構(gòu)件在國(guó)外開始出現(xiàn)于本世紀(jì)初的專利文獻(xiàn)［1］記載中，它應(yīng)用于模塊式建筑組合體，具有顯著降低原材料等資源消耗及降低生產(chǎn)成本的效果;然而，它們多數(shù)采用較厚的、形狀與尺寸各不相同的、非等斷面的熱軋型材復(fù)合成型，其結(jié)構(gòu)與形式單一，耗材大又生產(chǎn)工藝復(fù)雜，制約了構(gòu)件的斷面特性與結(jié)構(gòu)剛度，綜合力學(xué)性能尚欠不足。

本文的創(chuàng)新特征是采用較薄的、形狀與尺寸相同的、等斷面長(zhǎng)條形的第一構(gòu)件和第二構(gòu)件相互旋轉(zhuǎn)180°后交錯(cuò)合抱而成的嵌套式復(fù)合型材構(gòu)件，該構(gòu)件可以采用較薄的金屬板材冷態(tài)輥壓成型;它具有高度自動(dòng)化的制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，以及生產(chǎn)效率較高而能耗較少又節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn);近幾年已經(jīng)成功應(yīng)用于立體停車設(shè)備的主體結(jié)構(gòu)中［2］，還可以廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的柱梁框架模塊式建筑組合體中。

1 嵌套式復(fù)合型材構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

嵌套式復(fù)合型材構(gòu)件是由第一構(gòu)件和第二構(gòu)件組合而成;第一構(gòu)件和第二構(gòu)件的形狀與尺寸完全相同，并且具有等斷面長(zhǎng)條形的幾何形狀，第一構(gòu)件(第二構(gòu)件)是由橫邊1、加強(qiáng)筋2、彎折部3、豎邊4、外包折邊5、咬邊6 與內(nèi)嵌折邊7 組成;第一構(gòu)件和第二構(gòu)件在橫截面方向相互旋轉(zhuǎn)180°并交錯(cuò)與嵌套合抱后即成為嵌套式復(fù)合型材構(gòu)件，參見圖1 所示;第一構(gòu)件(第二構(gòu)件)制作是采用金屬板材輥壓成型;與此同時(shí)，它們之間還設(shè)置有橫向和豎向特種異型緊固螺栓，實(shí)現(xiàn)雙向固定并消除了嵌套復(fù)合后的第一構(gòu)件與第二構(gòu)件之間的配合間隙，從而顯著提升嵌套復(fù)合構(gòu)件的強(qiáng)度與剛度，并有效地控制連接部位的復(fù)雜形變，以確保其使用可靠性與安全性。

2 制造技術(shù)的工藝設(shè)計(jì)特點(diǎn)

在同一條生產(chǎn)線上依次連續(xù)完成如下工藝步驟(參見圖2)。

(1)金屬帶材平整工序 原材料是卷狀金屬帶材通過(guò)帶材平整機(jī)以保證在以下作業(yè)中達(dá)到工藝要求的平整度;接著，該金屬板材沿生產(chǎn)線自動(dòng)向后一工序方向輸送。

(2)加強(qiáng)筋成型工序 通過(guò)數(shù)控自動(dòng)化作業(yè)的第一輥壓機(jī)組，完成加強(qiáng)筋成型工序，構(gòu)件上設(shè)有多個(gè)加強(qiáng)筋，以達(dá)到優(yōu)化構(gòu)件斷面特性與結(jié)構(gòu)剛度的目的;第一輥壓機(jī)組同時(shí)完成多個(gè)加強(qiáng)筋的輥壓成型。

(3)沖孔工序 由兩臺(tái)同步數(shù)控沖孔機(jī)完成;為了實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品的無(wú)焊接裝配工藝，以達(dá)到節(jié)能環(huán)保目的，構(gòu)件采用薄壁鑄件連接裝置，并通過(guò)插配與緊固裝置達(dá)到構(gòu)件之間的連接固定，所以該構(gòu)件上設(shè)有多個(gè)用于特種緊固螺栓的通孔以及大型裝配缺口，該通孔與缺口由上述同步數(shù)控沖孔機(jī)完成。

(4)截面成型工序 由第二輥壓機(jī)組完成，它由帶7 組模具的數(shù)控自動(dòng)化輥壓作業(yè)組成，輥壓成型該構(gòu)件上具有的橫邊、加強(qiáng)筋、彎折部、豎邊、外包折邊、咬邊與內(nèi)嵌折邊;此時(shí)，金屬帶材形成第一構(gòu)件的橫截面。

(5)嵌套合抱工序 由數(shù)控切割機(jī)與嵌套合抱機(jī)床完成嵌套合抱工序;首先切斷已經(jīng)成型的第一構(gòu)件，切斷后獲得第一構(gòu)件送入嵌套合抱機(jī)床，并在第一構(gòu)件的橫截面方向旋轉(zhuǎn)180°后定位;然后，該旋轉(zhuǎn)定位后的第一構(gòu)件插入到再次切斷后獲得的、其形狀與尺寸相同的第二構(gòu)件，同時(shí)進(jìn)行嵌套合抱;第一構(gòu)件和第二構(gòu)件嵌套合抱后成為第一構(gòu)件與第二構(gòu)件的嵌套復(fù)合件(尚未從型材上切斷);此時(shí)，第一構(gòu)件的外包折邊與第二構(gòu)件的豎邊相貼合，第二構(gòu)件的外包折邊與第一構(gòu)件的豎邊相貼合。

為了提高生產(chǎn)效率并保證前后工序的連貫性，確保生產(chǎn)線能夠連續(xù)不間斷地運(yùn)行，該嵌套合抱工序包括以下工步(參見圖3):

工步a:已經(jīng)形成第1 構(gòu)件橫截面的金屬帶材沿生產(chǎn)線方向自動(dòng)輸送，當(dāng)它碰到切割擋塊時(shí)，數(shù)控切割機(jī)隨第一構(gòu)件移動(dòng)，同時(shí)切斷該第一構(gòu)件，從而獲得第一構(gòu)件。

工步b:由第一氣缸驅(qū)動(dòng)嵌套合抱機(jī)床沿嵌套底座快速移動(dòng)，并與后面連續(xù)輸送中的型材之間留出一定的間隔距離。

工步c:當(dāng)?shù)谝粯?gòu)件隨嵌套合抱機(jī)床移動(dòng)并碰到定位擋塊時(shí)，嵌套合抱機(jī)床驅(qū)動(dòng)第一構(gòu)件旋轉(zhuǎn)180°定位;同時(shí)，數(shù)控切割機(jī)在第二氣缸的驅(qū)動(dòng)下復(fù)位，嵌套合抱裝置在第一氣缸作用下復(fù)位。

工步d:嵌套合抱裝置復(fù)位過(guò)程，后續(xù)輸送中的已經(jīng)成形的型材進(jìn)入夾持定位在嵌套合抱裝置中的第一構(gòu)件中，從而實(shí)現(xiàn)嵌套合抱。

工步e:當(dāng)后續(xù)輸送中的型材再一次碰到所述切割擋塊時(shí)，數(shù)控切割機(jī)隨已經(jīng)成形的型材移動(dòng)，并再次切斷該型材而獲得所述第二構(gòu)件，此時(shí)，后續(xù)輸送中的型材頂住該第二構(gòu)件，使得第二構(gòu)件繼續(xù)和第一構(gòu)件進(jìn)行嵌套合抱。

工步f:在第一構(gòu)件和第二構(gòu)件完成嵌套合抱工序后，第一構(gòu)件和第二構(gòu)件形成復(fù)合件，后續(xù)輸送中的型材頂著將該復(fù)合件向下一個(gè)工序輸送;當(dāng)后續(xù)輸送中的型材再次碰到所述切割擋板時(shí)，回到步驟a，繼續(xù)下一次的嵌套合抱過(guò)程。

完成嵌套合抱工序后，第一構(gòu)件的外包折邊與第二構(gòu)件的豎邊相貼合，與此同時(shí)，第二構(gòu)件的外包折邊與第一構(gòu)件的豎邊相貼合。

(6)緊密咬邊工序由第三輥壓機(jī)組完成;為了實(shí)現(xiàn)嵌套合抱后第一構(gòu)件與第二構(gòu)件之間雙向固定并消除兩者之間的配合間隙，將復(fù)合件送入由三組輥壓模具構(gòu)成的數(shù)控自動(dòng)化作業(yè)的第三輥壓機(jī)組，執(zhí)行多個(gè)咬邊作業(yè)，以顯著提升其嵌套合抱后構(gòu)件的強(qiáng)度與剛度，并形成最終產(chǎn)品——嵌套式復(fù)合型材構(gòu)件，然后脫離生產(chǎn)線。

3 專用機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

在數(shù)控流水線運(yùn)行方向依次設(shè)置有以下專用機(jī)床:

執(zhí)行工序(1)的帶材平整機(jī)，它固定設(shè)置于地面上;原材料為卷帶狀金屬板材，它通過(guò)送料器自動(dòng)輸送至平整機(jī)以平整帶材，達(dá)到以后工序的設(shè)計(jì)要求平整度。

執(zhí)行工序(2)的第一數(shù)控自動(dòng)化作業(yè)輥壓機(jī)組，由兩臺(tái)帶動(dòng)力頭的輥壓機(jī)構(gòu)成，該輥壓機(jī)床身固定設(shè)置于地面上。

執(zhí)行工序(3)的兩臺(tái)同步數(shù)控沖孔機(jī)，為了提高沖孔的幾何精度與形位公差，兩臺(tái)同步數(shù)控沖孔機(jī)設(shè)計(jì)有包括固定于地面上的沖孔機(jī)床身、能沿該沖孔機(jī)床身水平滑移的沖孔滑鞍、固定設(shè)置在沖孔機(jī)床身上并能驅(qū)動(dòng)沖孔滑鞍沿該沖孔機(jī)床身滑移的帶液壓系統(tǒng)的第5 氣缸，以及壓緊裝置組成;該壓緊裝置功能是給卷帶狀金屬板材的前端提供壓緊力，避免金屬帶材在沖孔過(guò)程中發(fā)生變形;該壓緊裝置包括有壓板、驅(qū)動(dòng)該壓板動(dòng)作的壓緊油缸和帶動(dòng)壓板沿沖孔機(jī)床身水平滑移的壓緊底座，該壓緊底座和沖孔機(jī)滑鞍之間固定連接，第5 氣缸的活塞桿和壓緊底座也是固定連接。

為了進(jìn)一步提高沖孔的位置精確度，在壓板的底部還設(shè)置有能穿入金屬板材的定位銷，使沖孔滑鞍能夠隨著金屬帶料一起移動(dòng);當(dāng)前面金屬帶材的沖孔工序全部完畢后，壓板上的定位銷能夠插入沖孔中進(jìn)行定位;沖孔滑鞍則在第5 氣缸作用下復(fù)位;于是，在沖孔過(guò)程中，沖孔機(jī)能夠隨著金屬板材一起移動(dòng)，當(dāng)沖孔完成后，沖孔機(jī)在第5 氣缸作用下復(fù)位。

執(zhí)行工序(4)的第二輥壓機(jī)組，它由5 臺(tái)帶動(dòng)力頭的數(shù)控輥壓機(jī)構(gòu)成，它們的床身均固定設(shè)置于地面上;它們逐漸執(zhí)行橫邊、豎邊、內(nèi)嵌折邊、外包折邊和彎折部等截面輥壓成型。

上述多臺(tái)帶動(dòng)力頭的輥壓機(jī)在輥壓過(guò)程中同時(shí)帶動(dòng)金屬帶材沿流水線運(yùn)行方向進(jìn)給。

執(zhí)行工序(5)的數(shù)控切割機(jī)，為了實(shí)現(xiàn)切割機(jī)和嵌套合抱機(jī)床的聯(lián)動(dòng)，同時(shí)保證切割和嵌套合抱兩道工序的連貫性，為此，在嵌套床身上設(shè)置有切割底座，(參見圖3 所示);它能相對(duì)于嵌套床身水平滑移。該切割底座與嵌套底座固定相連，該切割底座上連接有驅(qū)動(dòng)沿嵌套床身滑移的帶液壓系統(tǒng)的第2 氣缸。

所述數(shù)控切割機(jī)設(shè)有刀模裝置，它固定設(shè)置于切割底座上。

并且，嵌套底座沿長(zhǎng)度方向設(shè)置有切割擋塊和定位擋塊;其中，切割擋塊作為第一檢測(cè)控制觸點(diǎn)用于檢測(cè)構(gòu)件的位置，并控制刀模的切割動(dòng)作;而定位擋塊作為第二檢測(cè)控制觸點(diǎn)用于檢測(cè)第一構(gòu)件的位置并控制旋轉(zhuǎn)定位裝置的轉(zhuǎn)動(dòng);嵌套床身在位于所述切割底座的一側(cè)設(shè)置有限制該切割底座移動(dòng)的復(fù)位擋塊;由于切割底座和嵌套底座之間是固定連接的，當(dāng)數(shù)控切割機(jī)復(fù)位時(shí)，嵌套底座同時(shí)復(fù)位，保證第二構(gòu)件和第一構(gòu)件的定位基準(zhǔn)和切割長(zhǎng)度一致。

為了避免擋塊和金屬帶材發(fā)生干涉，使得金屬帶材和構(gòu)件均能夠順利的沿著生產(chǎn)線輸送，切割擋塊和定位擋塊分別設(shè)計(jì)成為可上下伸縮的擋塊，其中，切割擋塊和帶液壓系統(tǒng)的第3 氣缸的活塞桿相連，定位擋塊和帶液壓系統(tǒng)的第4 氣缸的活塞桿相連;切割擋塊和定位擋塊可以檢測(cè)金屬帶材或切割后的構(gòu)件在生產(chǎn)線上的位置，并且控制切割機(jī)的刀模動(dòng)作，當(dāng)需要檢測(cè)金屬帶材或切割后構(gòu)件的位置時(shí)，可以通過(guò)氣缸活塞桿將擋塊向上頂出;當(dāng)已經(jīng)檢測(cè)到金屬帶材或切割后構(gòu)件的位置時(shí)，可以通過(guò)氣缸活塞桿將擋塊向下縮進(jìn)。

執(zhí)行工序(6)的嵌套合抱機(jī)床，它用于將第一構(gòu)件旋轉(zhuǎn)180°后定位，然后與第二構(gòu)件交錯(cuò)合抱，構(gòu)成一復(fù)合件，它包括有:

(1)固定設(shè)置于地面上的嵌套床身。

(2)嵌套底座，設(shè)置于嵌套床身上，并能相對(duì)于該嵌套床身水平滑移。

(3)定位裝置，包括有設(shè)置于嵌套底座上并能相對(duì)于該嵌套底座水平滑移的滑移車座。

該車座連接有能驅(qū)動(dòng)該旋轉(zhuǎn)定位裝置沿所述嵌套底座滑移的第2 氣缸。如圖4 所示，該車座上固定有兩固定支架，固定支架內(nèi)設(shè)置有沿長(zhǎng)度方向貫穿且能相對(duì)該支架旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)器;其中，旋轉(zhuǎn)器沿圓周面開設(shè)有間隔設(shè)置的齒槽，當(dāng)旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)180°后，旋轉(zhuǎn)器在180°方向的兩側(cè)相應(yīng)齒槽內(nèi)分別設(shè)有定位銷，定位銷能夠限定旋轉(zhuǎn)器的轉(zhuǎn)動(dòng)位置，以確保嵌套合抱的準(zhǔn)確性和可靠性;旋轉(zhuǎn)器沿軸向開設(shè)有和構(gòu)件的形狀大小相適配的方孔，旋轉(zhuǎn)器在端面上還設(shè)置有多個(gè)沿方孔周邊布置的夾具。該夾具包括有導(dǎo)軌和夾頭，導(dǎo)軌固定設(shè)置于旋轉(zhuǎn)器端面上，夾頭能沿導(dǎo)軌滑移并與第一構(gòu)件(切斷后)相緊抵，通過(guò)調(diào)節(jié)夾頭沿導(dǎo)軌的相對(duì)位置，使得旋轉(zhuǎn)器能夠適應(yīng)各種幾何形狀和尺寸的型材構(gòu)件的夾持;

執(zhí)行工序(7)的第三輥壓機(jī)組，它由3 臺(tái)帶動(dòng)力頭的數(shù)控輥壓機(jī)構(gòu)成，它們的床身均固定設(shè)置于地面上;它們逐漸完成所述復(fù)合件的多個(gè)咬邊作業(yè)。

4 經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果

上述制造技術(shù)是從金屬帶材送入生產(chǎn)線到復(fù)合型材的產(chǎn)品成型，其間每一道工序均在線連續(xù)運(yùn)行，節(jié)約大量機(jī)動(dòng)工時(shí)與輔助工時(shí)，不僅實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn)，而且顯著降低原材料等資源消耗與生產(chǎn)成本;其二，所有沖孔工序均安排在加強(qiáng)筋輥壓成型之后，從而確保第一構(gòu)件和第二構(gòu)件在沖孔后孔距尺寸的幾何精度與形位公差，顯著提高嵌套式復(fù)合型材構(gòu)件的產(chǎn)品質(zhì)量;其三，工序自動(dòng)化大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、改善生產(chǎn)環(huán)境與作業(yè)面積利用率。由此，有關(guān)本課題成果，迄今為止已經(jīng)獲得中國(guó)發(fā)明專利授權(quán)12 項(xiàng)、以及歐洲、日本、美國(guó)發(fā)明專利授權(quán)7 項(xiàng);以上國(guó)內(nèi)外已授權(quán)專利詳細(xì)內(nèi)容均可從www.sipo.gov.cn/國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局網(wǎng)站(或鏈接至歐洲、日本、美國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局網(wǎng)站)檢索獲得。

［1］李戴俊. 管狀構(gòu)造物與模塊式建筑組合體:US，PCT/US2002/004280［P］.2002 -02 -14.

［2］朱建華，柯禮立. 節(jié)能環(huán)保型立體停車設(shè)備［J］. 中國(guó)設(shè)備工程，2014(6):23 -24.