鈑金下料自動化生產(chǎn)研究

文/呂義偉，于世洋，曹家琦，王健、田旭東·中國華錄·松下電子信息有限公司

近年來，隨著電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度加快，許多家電設(shè)備、電子儀器都主打小型化、輕量化。在這種大環(huán)境下，如果按照傳統(tǒng)的沖壓模具加工的方式，不僅加工周期長而且加工成本較高，因此，現(xiàn)階段鈑金加工的靈活性需求突出。目前鈑金行業(yè)的生產(chǎn)加工方式大部分還處于人工化或者半自動化狀態(tài)，且大部分鈑金加工設(shè)備稼動率不高，生產(chǎn)效率低，很難滿足鈑金加工市場的快速發(fā)展。如何保證在多樣化產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中盡可能保證加工設(shè)備的高效稼動、減少頻繁切換生產(chǎn)的稼動損失、達(dá)到自動化生產(chǎn)的目的，是提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵，也是鈑金加工行業(yè)未來發(fā)展的方向。本文研究的鈑金自動化生產(chǎn)指的是下料部分，不涉及鈑金折彎、焊接等后續(xù)工藝，主要針對下料的編程前、編程中、生產(chǎn)中、生產(chǎn)后幾個方面進(jìn)行了分析說明。

鈑金下料設(shè)備選擇

現(xiàn)階段，鈑金下料所用的設(shè)備主要有剪板機(jī)、激光加工機(jī)、沖床、激光沖床復(fù)合機(jī)，可根據(jù)產(chǎn)品的加工工藝及尺寸精度進(jìn)行選擇。

剪板機(jī)是用一個刀片相對另一刀片作往復(fù)直線運(yùn)動來對各種厚度的金屬板材施加剪切力，使板材達(dá)到斷裂分離的目的。剪板機(jī)只能對板材的外形尺寸進(jìn)行加工，無法加工板材的內(nèi)部尺寸，大多數(shù)情況下需要與其他設(shè)備配合使用。

激光加工是利用光的能量經(jīng)過透鏡聚焦后在焦點(diǎn)上達(dá)到很高的能量密度，是靠光熱效應(yīng)來進(jìn)行加工的。激光加工不需要工具、加工速度快、加工材料表面變形小、可加工材料種類多，但激光加工機(jī)使用時需根據(jù)加工材料等因素選擇合適的加工輔助氣體，這也間接地增加了加工成本，且由于激光只能進(jìn)行平面切割，對于一些特殊成形工藝無法滿足加工需求。當(dāng)更換設(shè)備再加工時，板材的二次定位存在定位誤差，影響產(chǎn)品的尺寸精度。

沖床的加工原理是通過齒輪、曲軸、連桿等機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)將圓周運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動，從而達(dá)到力傳遞及加壓的效果，因此沖床加工必須使用一組模具，通過機(jī)床施加的壓力完成材料的加工。但沖床由于只能進(jìn)行沖切加工，對于形狀復(fù)雜的異形孔來說加工困難，若采購異形沖切模具，對于小批量生產(chǎn)來說，無疑增加了加工成本。如果更換設(shè)備再加工，同樣有二次定位誤差的問題存在。

激光沖床復(fù)合機(jī)（圖1）結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，一次定位即可完成激光切割與沖床加工，自動化程度更高，但投入成本也會相應(yīng)增加。因此對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，激光沖床復(fù)合機(jī)更加合適。對于簡單結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，可根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及成本等因素綜合考慮選擇下料設(shè)備。

圖1 激光沖床復(fù)合機(jī)

鈑金下料自動化實(shí)現(xiàn)過程

產(chǎn)品設(shè)計方面

在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計時，設(shè)計者優(yōu)先考慮的一定是各零件間的裝配使用性能，但在保證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能不受影響的情況下，可根據(jù)現(xiàn)有模具進(jìn)行工藝孔等結(jié)構(gòu)設(shè)計，以此來降低加工成本。比如在進(jìn)行螺釘拉深工藝支撐孔設(shè)計時，在不影響裝配使用的情況下可將工藝孔設(shè)計成與現(xiàn)有模具相近的尺寸，從而降低模具的投資成本。在進(jìn)行播放機(jī)后面板產(chǎn)品設(shè)計時，產(chǎn)品的散熱孔在結(jié)構(gòu)上并無實(shí)際作用，且通常散熱孔的數(shù)量較多，激光加工時間會明顯增多，間接增加了加工成本，因此多數(shù)都是用模具進(jìn)行沖切加工。在不影響產(chǎn)品使用性能的情況下，可將散熱孔設(shè)計成現(xiàn)有的模具尺寸，從而減小模具投資，縮短產(chǎn)品的加工時長，降低產(chǎn)品成本。若在產(chǎn)品拉深、凸包等結(jié)構(gòu)周圍設(shè)計有圓孔或異形孔時，需特別注意。若先加工孔再進(jìn)行拉深工藝，易造成拉深過程中孔的變形；若先進(jìn)行拉深再使用模具加工孔，模具壓料面可能會與拉深結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉，需特制模具進(jìn)行讓位加工，若使用激光切割，拉深結(jié)構(gòu)也可能與激光切割頭發(fā)生碰撞。因此，在進(jìn)行設(shè)計時，需要充分計算好拉深周圍的材料流動量，控制好孔與拉深結(jié)構(gòu)的距離，避免在生產(chǎn)中產(chǎn)生不良干涉。在進(jìn)行折彎線周圍的圓孔設(shè)計時，要考慮材料折彎過程中的材料流動可能會導(dǎo)致圓孔變形，需計算好孔與折彎線之間的尺寸。

加工編程設(shè)計方面

在進(jìn)行加工程序編寫時，首先要分析產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定是否有特殊工藝存在，如凸包、拉深、折彎等。通常產(chǎn)品加工按照先進(jìn)行平面沖切，再進(jìn)行成形加工，最后進(jìn)行激光切割的順序進(jìn)行。但有的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)比較特殊，如拉深上的沖孔，需要先進(jìn)行拉深成形工藝，再進(jìn)行沖切孔，如圖2 所示；如向上或者向下折彎機(jī)無法加工的小尺寸折彎，需在折彎前將折彎處材料切除當(dāng)作折彎讓位，此時需要先進(jìn)行激光切割，再進(jìn)行折彎成形工藝。針對這些情況，就需要編程人員對加工順序有明確的安排，避免因加工順序混亂造成產(chǎn)品尺寸不良，確保產(chǎn)品尺寸合格。在對取出機(jī)械手進(jìn)行取出編程時，要盡量保證取出機(jī)械手吸盤吸附在平面位置上，避開產(chǎn)品的孔或成形面，保證產(chǎn)品不掉落。在此過程中也需要注意，有的吸盤是以組的形式存在的，要確保整組每個吸盤吸附可靠，否則也可能造成吸盤吸附力不足，運(yùn)動過程中產(chǎn)品掉落的現(xiàn)象發(fā)生，影響自動化生產(chǎn)的進(jìn)行。

圖2 特殊成形工藝產(chǎn)品

自動化生產(chǎn)方面

要想實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品24 小時無人稼動的自動化下料生產(chǎn)，一方面需要合理優(yōu)化的加工程序，另一方面還需要加工設(shè)備等硬件支持。

⑴準(zhǔn)備充足的加工材料。根據(jù)程序的加工時間及所需要無人稼動自動化生產(chǎn)的時間，計算出所需的加工板材。需要注意的是，在多條加工程序共同自動化生產(chǎn)時，要注意不同程序間的加工材料是否是同種規(guī)格，避免因無加工材料造成停機(jī)待產(chǎn)。

⑵準(zhǔn)備充足的加工輔助氣體。輔助氣體在加工過程中有吹掉切割熔渣、冷卻加工零件、保護(hù)切割鏡片的作用。選用加工輔助氣體時，與加工材料種類、加工材料厚度、加工成本等因素有一定的關(guān)系。不同的輔助氣體在加工中起到的作用也不相同，通常使用的氣體有空氣、氧氣、氮?dú)?、氬氣，無論使用何種氣體，都要保證氣體在加工過程中充足，且氣體是不含水、油、粉塵等雜質(zhì)的純凈氣體。

⑶準(zhǔn)備充足的模具。根據(jù)所有需要自動化加工的程序，將需要用到的模具提前放置在加工轉(zhuǎn)塔上。對于沒有自動更換模具的設(shè)備來說，加工多個程序時，同一個轉(zhuǎn)塔序號上的模具必須相同，否則在進(jìn)行程序切換時會造成產(chǎn)品誤加工，致使產(chǎn)品加工尺寸與圖紙不符，產(chǎn)生加工不良品，造成經(jīng)濟(jì)損失。

⑷準(zhǔn)備充足的存放加工完成品的庫位。要想實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)，也需要解決加工完成品的放置問題。這就需要加工設(shè)備配置一個標(biāo)準(zhǔn)的材料庫，用來存放機(jī)械手取出的加工完成品及加工骨架材，且在加工開始之前就將產(chǎn)品與骨架材的存放位置根據(jù)加工程序設(shè)定好，避免生產(chǎn)中存在程序沖突，造成產(chǎn)品放置混亂，對后續(xù)的生產(chǎn)加工造成影響。

在實(shí)際生產(chǎn)中，通常會遇到加工程序演示正常但加工過程中發(fā)生各種報警錯誤的情況。這種情況多發(fā)生在機(jī)械手抓取產(chǎn)品的取出過程中，這就需要編程人員與加工人員密切配合、總結(jié)經(jīng)驗，以便更好地完成下料的自動化生產(chǎn)。在進(jìn)行批量自動化生產(chǎn)前，一定要先進(jìn)行單張加工完成產(chǎn)品的生產(chǎn)確認(rèn)，包括是否有漏加工、毛刺大小是否合格、外觀是否有缺陷等。雖然加工的程序之前生產(chǎn)是合格的，但每次程序切換后都可能會與下個生產(chǎn)程序的某些地方存在干涉影響，因此，大批量生產(chǎn)前一定要做好確認(rèn)。

通常情況下，產(chǎn)品生產(chǎn)的數(shù)量可根據(jù)程序計算出來，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于各種因素的影響有時會有加工不良品的產(chǎn)生。這對無后續(xù)加工工序的產(chǎn)品來說，會使得實(shí)際數(shù)量不準(zhǔn)確，容易造成加工完成品的數(shù)量混亂。對有后續(xù)加工工序的產(chǎn)品來說，雖然可根據(jù)后續(xù)加工的數(shù)量間接計算出前一工序完成的加工數(shù)量，但要想實(shí)現(xiàn)更智能、更高效的自動化生產(chǎn)，可根據(jù)需要選擇IoT可視化監(jiān)控軟件將生產(chǎn)的全過程進(jìn)行監(jiān)控分析，如圖3 所示。當(dāng)有生產(chǎn)不良的現(xiàn)象發(fā)生時，監(jiān)控軟件會自行記錄，對后續(xù)的生產(chǎn)數(shù)量提供幫助，這有助于自動化生產(chǎn)向智能化生產(chǎn)邁進(jìn)。

圖3 可視化生產(chǎn)監(jiān)控

結(jié) 束 語

現(xiàn)階段，我國鈑金行業(yè)加工水平還處于相對較落后的情況，尤其是在鈑金加工設(shè)備方面。要想實(shí)現(xiàn)鈑金下料自動化生產(chǎn)，需要軟硬件兼?zhèn)?，并且投入一定的費(fèi)用，這對于一些小型的鈑金加工企業(yè)來說，投入和回報是不成正比的，而對于一些產(chǎn)品需求量大、產(chǎn)品種類多的大型企業(yè)來說，可根據(jù)自身需求考慮是否投資?？偟膩碚f，要想實(shí)現(xiàn)鈑金下料的自動化生產(chǎn)，是一個任重而道遠(yuǎn)的過程。