趙赦，鄭琦，王建甫，趙晉陽

（中國汽車工業(yè)工程有限公司，天津 300113）

0 引言

中厚板零件的下料、成形生產(chǎn)過程，往往符合小批量、多品種定制化零件加工特點。沖切連線生產(chǎn)工藝可有效解決多品種、小批量的生產(chǎn)模式，從而逐漸替代大批量的剪板下料、壓機落料模式。本文著重對中厚板沖切連線生產(chǎn)工藝進(jìn)行深入探討。

1 中厚板沖切連線生產(chǎn)特點

零件厚度通常4～10mm，長度從300～4000mm 不等，零件表面有若干孔，直徑大小不一，從9～35mm不等。以板類零件（圖1）、折彎類零件（圖2）或沖壓類零件（圖3）為主。

圖1 板類零件

圖2 折彎類零

圖3 沖壓類零件

1.1 常規(guī)生產(chǎn)工藝

（1）板類、折彎類零件。標(biāo)準(zhǔn)件—仿形切割機切割外形—鉆床鉆孔—折彎，或采用激光切割機一次割型、割孔—折彎。

（2）沖壓類零件。剪板下料—壓機落料—壓機成形。

從以上生產(chǎn)工藝來看，每種生產(chǎn)工藝雖都能完成生產(chǎn)要求，但也都有各自的局限性。其對比如表1所示。

表1 幾種生產(chǎn)工藝對比

1.2 沖切生產(chǎn)工藝

由于零件上分布有許多孔，如何既能提高生產(chǎn)效率又能保持生產(chǎn)的靈活性，沖切生產(chǎn)工藝應(yīng)運而生。沖切工藝將零件的孔加工與外形加工分步完成，先采用沖孔方式完成孔加工工藝，再通過切割方式完成外形的加工工藝。無論沖孔工藝還是切割工藝，都需要專業(yè)的計算機輔助編程配套軟件完成各自工藝范圍內(nèi)的編程[1]。

沖孔生產(chǎn)設(shè)備為數(shù)控平面沖孔機。受機床床身尺寸要求，其沖孔寬度一般在850mm 以內(nèi)，長度不小于3000mm。激光切割機通常有機床的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，也可以根據(jù)零件尺寸進(jìn)行局部定制。

既然采用分步加工方式，為確保零件尺寸精度，分步加工基準(zhǔn)就非常重要。依據(jù)零件的加工精度及特點，加工基準(zhǔn)可以分為邊定位方式、孔定位方式兩種。下面對兩種定位方式的生產(chǎn)工藝分別進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2 邊定位生產(chǎn)工藝

2.1 工藝描述

邊定位生產(chǎn)是以零件板料的邊為定位方式對零件進(jìn)行加工的工藝，通常要求零件或者板料的至少2個方向的邊是相互垂直的直邊，并且對直邊的直線度有要求。當(dāng)零件的精度為1mm 以上級別，板料的直線度需要達(dá)到剪板機（GB/T14404-2011）二級精度等級，當(dāng)零件的精度為1m 以下級別，板料的直線度要求達(dá)到剪板機一級精度等級。為適應(yīng)激光切割設(shè)備的要求，零件板料整體平面度要求控制在0.15mm/m2（達(dá)到精校的標(biāo)準(zhǔn)）以內(nèi)。

常規(guī)加工流程為：布板（在指定尺寸的板料上布置零件，可以是一個或多個零件）—沖孔機上料—沖孔邊定位—沖孔機沖孔—沖孔機下料—激光上料—激光邊定位—切割—激光下料。

需要特別明確的是，此工藝中沖孔與切割可以理解為完全獨立的兩道工藝，彼此之間無任何關(guān)系，所有的尺寸精度都由板料的外形尺寸精度決定。

2.2 設(shè)備要求

2.2.1 數(shù)控沖

對數(shù)控沖（圖4）而言，設(shè)備在定位要求有X 軸、Y 軸兩個方向上的定位基準(zhǔn)，定位擋塊為X 向定位基準(zhǔn)，三把（按零件尺寸要求設(shè)定）夾鉗鉗口為Y 向定位基準(zhǔn)。板料的兩個相互垂直的邊靠緊上述基準(zhǔn)，板料即定位，夾鉗可夾緊②。

圖4 數(shù)控沖

2.2.2 激光切割機

對激光切割機（圖5）而言，要在沖好孔的板上進(jìn)行零件加工，需要將激光切割機與沖孔機的兩個機床的坐標(biāo)重合，邊定位即要求激光切割機與數(shù)控沖相同，需在X 軸、Y 軸兩個方向上的定位基準(zhǔn)。

圖5 激光切割機

3 孔定位生產(chǎn)工藝

3.1 工藝描述

孔定位生產(chǎn)是以零件板料中某幾個特定的基準(zhǔn)孔為定位方式對零件進(jìn)行加工的工藝。其原理與邊定位類似，只不過沖孔、切割均以某幾個特定的孔位定位基準(zhǔn)，最終也是達(dá)到兩種設(shè)備坐標(biāo)重合來完成分布加工生產(chǎn)的目的。按工藝要求，定位孔必須為相對精確的幾個孔（實際設(shè)計時是按2 個孔），沖孔設(shè)備將零件孔沖出的同時，也將定位孔沖出，而切割機則直接用兩個沖出的定位孔進(jìn)行板料定位，再進(jìn)行切割。

通?？锥ㄎ环绞接袃煞N：一種是銷定位，另一種是視覺定位。銷定位是采用定位銷插入到定位孔內(nèi)來實現(xiàn)定位，此種方式原理上可行，但實際應(yīng)用中并不多見，因為切割機要考慮切割后板料廢料的下線，通常切割工作臺都是移動的，因此在切割機上布置固定位置的定位銷較為困難。視覺定位是通過相機拍照的方式確定孔在板料上的坐標(biāo)位置來實現(xiàn)板料的定位，這種方式不受孔位置的限制，從理論上很好地解決了定位孔位置的問題，同時只需要在切割設(shè)備上進(jìn)行孔定位，而沖孔設(shè)備仍然按照傳統(tǒng)的邊定位方式即可。

孔定位（視覺定位方式）常規(guī)工藝流程：布板（在板料上繪制零件以及定位孔）—沖孔機上料—沖孔邊定位—沖孔機沖孔—沖孔機下料—激光上料—激光視覺孔定位—切割—激光下料。

3.2 設(shè)備要求

3.2.1 數(shù)控沖

數(shù)控沖與邊定位設(shè)備要求一樣，但需在布板編程過程中提前將定位孔沖出。定位孔的位置對后續(xù)切割出的零件能否合格有決定性作用，因此定位孔的位置需要與激光切割機一起通過理論計算并現(xiàn)場共同工藝驗證確定。

（1）設(shè)備精度的保證。設(shè)備精度首先要達(dá)到技術(shù)要求的所有精度，同時有多臺設(shè)備時，要確保多臺設(shè)備的精度穩(wěn)定性，這是確保后續(xù)零件切割精度的前提。

（2）定位孔的選擇。由于定位孔的位置對后續(xù)切割出的零件是否合格有決定性作用，因此定位孔的位置要滿足幾個條件：①定位孔的精度穩(wěn)定性，即所沖出的定位孔一定是相對穩(wěn)定的，其沖孔誤差需完全控制在設(shè)備精度誤差范圍內(nèi)；②兩個定位孔之間的長度方向距離大約控制在板料長度的60%的位置，并且在板料寬度方向約30%的位置，經(jīng)過多組數(shù)據(jù)驗證，這個區(qū)域沖出的孔的精度穩(wěn)定性較好，同時相對角度的誤差趨勢一致性好；③定位孔徑選擇數(shù)控沖坐標(biāo)原點的那個沖孔孔徑，這樣沖出的孔精度會更好計算。如圖6 所示為布板圖中所選擇的定位孔的位置。

圖6 布板圖中定位孔的選擇

3.2.2 激光切割機

由于銷定位在實際使用中的靈活性較差，實現(xiàn)較為困難，本文僅對視覺定位中激光切割機的要求進(jìn)行探討。對激光切割機而言，要通過定位孔來實現(xiàn)兩種設(shè)備的坐標(biāo)重合并且切割出合格零件，則必須要能夠快速尋找到定位孔，通過定位孔以及相關(guān)算法轉(zhuǎn)換兩種設(shè)備坐標(biāo)，最后進(jìn)行零件的切割。

（1）尋找定位孔

沖孔設(shè)備已經(jīng)將定位孔沖到板料上，如何快速找到并識別定位孔就需要激光切割機與沖床做一些約定與配合。板料在沖孔前就要將整個布板圖發(fā)布給沖孔設(shè)備以及切割機，切割機即可提前在程序中大致了解到定位孔的位置，后續(xù)再進(jìn)行精確定位。

目前有兩種解決方案實現(xiàn)定位孔的定位：①視覺巡邊方案（圖7a）。即板料進(jìn)入切割機后，首先通過視覺系統(tǒng)對板料的某一垂直的兩個邊進(jìn)行初定位，把板料在切割臺上的位置大體定義出來，此定位的精度為mm 級，因此是初定位。再通過系統(tǒng)中提前傳過來的沖孔程序就可以準(zhǔn)確找到定位孔的位置。此方案有一定的限制，就是在進(jìn)行視覺尋邊時需要板料垂直200mm×300mm 范圍內(nèi)不能提前做沖孔任務(wù)，因為一旦此范圍內(nèi)有孔或者其他的加工痕跡就無法進(jìn)行視覺判斷。若此范圍內(nèi)確需打孔，則可在后續(xù)切割中由切割機切出；②機械定位方案（圖7b），即板料在沖孔設(shè)備上的定位與在切割機上的定位基本保持不變。這就需要在板料從沖孔設(shè)備出來輸送到切割設(shè)備工作臺上的過程中整體的位置不能發(fā)生變化，因為一旦出現(xiàn)變化則需要進(jìn)行二次定位，使得板料在兩種設(shè)備上的定位一致。在輸送過程中對板料進(jìn)行了二次對中定位，使板料的位置變化基本控制在1mm 范圍內(nèi)。

圖7 尋找定位孔

（2）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

通過定位孔實現(xiàn)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，目前較為簡單的方式為在沖孔設(shè)備上沖兩個孔，此二孔均在板料的長度方向上，寬度方向坐標(biāo)值一致。定義長度方向為X 軸方向，在切割機上識別兩個定位孔后，以第一個點為原點，逆時針旋轉(zhuǎn)90°即形成一個坐標(biāo)系，即可通過新的坐標(biāo)系與沖孔坐標(biāo)系之間的相對位置關(guān)系確認(rèn)出零件之間的相對關(guān)系，從而進(jìn)行下一步的零件切割。

（3）切割順序優(yōu)化

在完成孔定位以及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，按零件圖的順序從頭到尾進(jìn)行切割。此時切割出來的零件也許在精度上仍然存在一定問題，而且零件測量的檢測點彼此誤差還有規(guī)律可循，這很有可能是切割過程中產(chǎn)生的熱量使板料位置發(fā)生變化所致，此時需要調(diào)整、優(yōu)化零件的切割順序，從而確保板料切割過程中位置穩(wěn)定，這樣切割出來的零件基本都會滿足精度要求。

4 結(jié)束語

沖切連線是一種新型的板材下料生產(chǎn)工藝，其生產(chǎn)的靈活性，多樣性更加適合未來小批量、多品種的定制化生產(chǎn)模式，而且也更加容易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。相信中厚板下料加工生產(chǎn)一定會有更好的應(yīng)用前景。