材料成形装备及自动化 第3版 课件 第三章 4 数控电液锻锤

华中科技大学材料学院材料成形及控制工程专业核心课程华中科技大学精品课及责任教授课程材料成形装备及自动化

EquipmentandAutomationofMaterialsProcess2024-2025学年第二学期EAMP

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2目录第一章

绪

论（2学时）

第二章金属液态成形装备及自动化（10学时）

第三章

金属塑性成形装备及自动化（10学时）第四章

金属连接成形装备及自动化（10学时）

第五章

高分子材料成形设备及自动化（2学时）

第六章

快速成形装备及控制（6学时）第七章

其它材料成形装备（4学时）第八章热处理工业炉及其控制（2学时）第九章材料加工中的环境保护装备（2学时）3.6.1数控电液锻锤3.6.2数控板料折弯机3.6.3数控转塔压力机3.6.4精冲压力机3.6.5多工位压力机3.6.6板料渐进成形机3.1概述3.2曲柄压力机3.3液压机3.4螺旋压力机3.5伺服机3.6其它塑性成形设备3.7塑性加工柔性系统及其数字化工厂第三章

金属塑性成形装备及自动化EAMP

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3锻锤定义：利用气压或液压等传动机构使落下部分（活塞、锤杆、锤头、上砧/上模）产生运动并积累能量，在极短时间内施加给锻件，使之获得塑性变形能，完成各种锻压工艺过程的装备称为锻锤。锻锤的规格通常以落下部分的质量来表示，其性能参数应为打击能量。锻锤是一种冲击成形设备，工作过程中各主要零部件承受冲击载荷，并有振动传向基础和周围环境。锻锤的特点：工艺适应性好，结构简单，是现今锻造生产的主要设备。打击速度高，金属成形工艺性能好。设备操作灵活，锻造能力不受吨位限制。(4)振动大、噪声高。3.6.1数控电液锻锤EAMP

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4锻锤工作原理：锻锤是一种能量限定型设备，其工作原理为，在锤头碰到锻件后的极短时间内（千分之几秒），落下部分（锤头）将向下行程中积蓄的动能释放，以巨大惯性力冲击锻件，完成塑性变形。锻锤与机械压机、液压机的不同：压力机类锻压设备是靠静压力或准静压力使锻件变形。当压力机的压力大于锻件变形力时，加压一次即可成形。反之，如压力机压力小于锻件变形力时，即使加压多次也不能成形。锻锤则是靠工作部分动能的瞬时释放使锻件变形，当锻件每次打击的有效能量小于锻件变形所需能量时，仍可采用多次打击完成锻件变形的任务，而且变形速度快，对于不同类别的锻件适应性强，特别适合于中小批量的生产厂使用。EAMP

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53.6.1数控电液锻锤锤锻实例：方块镦锻EAMP

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63.6.1数控电液锻锤锻锤的分类：按驱动动力单作用锤：工作时落下部分为自由落体双作用锤：在向下行程时落下部分除受自重的作用外，还受压缩空气或液压力的作用，故打击能力较大。按工艺用途：自由锻锤，模锻锤按打击特性：砧座锤、对击锤按驱动机构特征：机械锤、空气锤、蒸汽-空气锤、电液锤EAMP

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73.6.1数控电液锻锤蒸汽机工作原理图约1679年法国物理学家丹尼斯·巴本在观察蒸汽逃离他的高压锅后制造了第一台蒸汽机的工作模型。1698年托马斯·塞维利、1712年托马斯·纽科门和1769年詹姆斯·瓦特制造了早期的工业蒸汽机。早期的蒸汽机车图蒸汽锤EAMP

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83.6.1数控电液锻锤蒸汽锤第一届世博会的水晶宫1851年在英国伦敦举办的第一届世界博览会上展出第一台蒸汽锤。EAMP

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93.6.1数控电液锻锤蒸汽锤及其工作原理图EAMP

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103.6.1数控电液锻锤空气锤及其工作原理图EAMP

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113.6.1数控电液锻锤液压锤机械锤EAMP

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123.6.1数控电液锻锤进油打击方式工作的全液压锻锤：工作缸有杆腔始终通恒定的压力油，当无杆腔进压力油时，有杆腔与无杆腔同时接通实现差动，锤头在自重及差动油压作用下快速下降，实现打击。打击后，无杆腔与回油口接通，同时与有杆腔的通路被切断，锤头在有杆腔压力油作用下迅速回程。采用此原理的全液压锻锤，具有回程速度快、无回弹连击、无闷模现象、打击频率高等优点，主要应用于模锻电液锤。放油打击方式工作的液气锤：工作缸无杆腔充有一定量的压缩气体，液压油进入有杆腔时，无杆腔气体被压缩，锤头被迫回升；当有杆腔与回油口接通排油时，无杆腔内的压缩气体膨胀，锤头在自重及膨胀气体作用下，实现快速下降运动。以此方式工作的液气锤，由于回程信号必须在打击完毕后方能发出，因而易出现闷模时间长，回弹连击等现象。同时，由于无杆腔压缩气体作用，回程阻力增大，回程速度不快，打击频率不高，因而这类液气锤一般用于自由锻电液锤。EAMP

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133.6.1数控电液锻锤液压数控模锻锤组成：EAMP

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143.6.1数控电液锻锤液压数控模锻锤工作原理锻锤未打击时，充油阀Y2得电关闭，主液压泵1输出的油液经单向阀6储存在蓄能器9中，当油液压力达到压力继电器5设定的工作压力时，压力继电器发信号，充液阀2失电，主液压泵卸荷。EAMP

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153.6.1数控电液锻锤打击阀Y1、充油阀Y2得电，蓄能器和主泵输出的高压油同时经打击阀进入液压缸的无杆腔，同时有杆腔的油液经液动阀11也排入无杆腔，来自油泵、蓄能器和有杆腔三部分高压油进入油缸上腔，实现落下部分加速向下和打击行程。打击阀Y1的得电时间由控制器控制，一旦Y1失电，无杆腔的油即通过打击阀排入小油箱，有杆腔进高压油，实现锤头回程。液压数控模锻锤工作原理EAMP

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163.6.1数控电液锻锤液压数控模锻锤控制EAMP

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173.6.1数控电液锻锤3.6.2数控板料折弯机

折弯机是用来完成板料整体弯曲成型的设备，在滑块一次行程后，将板料折弯成一定几何形状的横截面型材，通过更换模具和多次折弯还可得到较为复杂的各种截面形状。EAMP

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18多次V形弯曲制造复杂零件举例EAMP

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193.6.2数控板料折弯机多次V形弯曲制造复杂零件举例EAMP

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203.6.2数控板料折弯机汽车起重机起重机吊臂件EAMP

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213.6.2数控板料折弯机折弯加工过程EAMP

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223.6.2数控板料折弯机自由折弯三点折弯板料放置在下模上表面，折弯机滑块带动上模下行，通过控制上模进入下模的深度，从而得到不同的折弯角度。一副模具可以折弯多种角度。自由折弯模具简单，通用性好，但板料厚度的不均匀性、机械性能等对折弯角度造成影响，折弯回弹较大。调节下模的底板高度尺寸即确定了上模进入下模的下压量。折弯时板料与模具存在三个接触区域，其中板料与上模顶端和下模底板的接触区域，使中性层外侧由自由折弯时的拉应力转变为压应力，不易产生裂纹，且折弯回弹量减少，板料的厚度偏差对折弯角度影响很小，但是滑块上模液压垫及下模深度调节机构复杂，成本较高。EAMP

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233.6.2数控板料折弯机折弯机滑块的同步和定位控制：①扭轴同步系统和机械挡块定位控制②机液伺服同步系统和机械挡块定位控制③电液伺服同步系统和全闭环定位控制④全电动伺服同步和定位系统等多种采用电液伺服同步和全闭环定位控制这种方式，使折弯机结构简化，同步定位精度不受系统压力、机架变形等因素的影响，具有滑块运动平稳、无冲击、易于数控化等优点，其同步精度显著高于扭轴同步系统的板料折弯机，也高于机液伺服同步系统的板料折弯机，是目前使用最多、应用最广泛的同步系统和定位方式。EAMP

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243.6.2数控板料折弯机1.数控液压板料折弯机结构

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253.6.2数控板料折弯机2.数控板料折弯机液压系统快降：比例换向阀6（YA1、YA3）、电磁阀8（YA5、YA6）得电，工作缸下腔油液经电磁阀8，比例换向阀6排回油箱，滑块由于自重快速下降；液压泵油液经比例换向阀6、单向阀10进入主缸上腔；同时，电磁阀5（YA7）得电，充液阀11打开，对主缸进行充液。EAMP

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263.6.2数控板料折弯机2.数控板料折弯机液压系统工进：按加工板料需要的折弯力调节比例溢流阀4的输出信号，控制折弯机的折弯力；电磁换向阀5失电，充液阀11关闭；电磁阀8失电，主缸下腔油液经背压阀9、比例换向阀6排回油箱，液压泵油液经比例换向阀6、单向阀10进入主缸上腔，推动主缸按工进速度下行。EAMP

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273.6.2数控板料折弯机2.数控板料折弯机液压系统保压：滑块到达设定下给定点后，比例换向阀6关闭，液压缸上、下腔的液流通路被切断，滑块停止在控制系统设定位置。EAMP

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283.6.2数控板料折弯机2.数控板料折弯机液压系统卸荷：保压过程结束后，比例换向阀6（YA2、YA4）给定小电流，液压缸上腔压力通过比例换向阀6的微小开口进行卸荷，同时少量的油液进入油缸下腔，推动滑块微量上行。EAMP

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293.6.2数控板料折弯机2.数控板料折弯机液压系统回程：调整比例溢流阀的信号，使其保持回程所需工作压力；同时，调节比例换向阀6（YA2、YA4）信号，压力油经过比例换向阀6、电磁阀8进入液压缸下腔，电磁换向阀5得电，充液阀11打开，液压缸上腔的液压油经充液阀11回油箱，滑块快速回程。EAMP

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303.6.2数控板料折弯机3.数控液压板料折弯机控制系统液压折弯机滑块两边的油缸分别为Y1、Y2轴，各装有一套检测滑块位移的光栅尺，控制系统通过轴控制模块获取两套光栅尺的位置信息，反馈给控制系统进行比较，再由控制系统分别计算出比例阀的控制电压，通过D/A模块输出给比例阀放大器调整阀口开度，控制比例阀的输出流量，从而实现两个油缸的运动速度同步和下给定点的精确定位，属于全闭环控制。EAMP

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313.6.2数控板料折弯机后挡料装置为X轴，由交流伺服电机驱动，采用速度控制模式，通过轴控制模块获取伺服电机尾部光电编码器的位置信息，反馈给控制系统计算出控制电压，通过D/A模块输出给伺服驱动器，实现后档料装置的定位，属于半闭环控制。EAMP

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323.6.2数控板料折弯机3.数控液压板料折弯机控制系统工作台挠度补偿采用机械楔块补偿方式，通过I/O模块控制继电器，实现三相交流异步电动机正反转运动，达到直线位移传感器（通过A/D模块采集电压，换算成位移）的设定值停止运动。折弯机系统中的接近开关、按钮、输出控制指示灯等信号采用通用的I/O模块获取。EAMP

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333.6.2数控板料折弯机3.数控液压板料折弯机控制系统数控折弯机一般配有工艺软件及主要功能包括：材料数据库、机床参数、图形编程、数据编程、自动工序规划、干涉检测、3D几何仿真等；对折弯工艺参数如Y轴下压量（考虑回弹补偿和减薄）、X轴目标位移和退让距离、折弯力、毛坯展开长度、V轴挠度补偿计算、角度校正数据等进行计算；对折弯工艺进行优化、折弯过程进行模拟等。EAMP

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343.6.2数控板料折弯机3.数控液压板料折弯机控制系统（1）数控电液锻锤的工作原理与特点是什么？（2）数控液压板料折弯机的工作原理与特点是什么？EAMP

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35思考题3.6.1数控电液锤锻3.6.2数控板料折弯机3.6.3数控转塔压力机3.6.4精冲压力机3.6.5多工位压力机3.6.6板料渐进成形机3.1概述3.2曲柄压力机3.3液压机3.4螺旋压力机3.5伺服机3.6其它塑性成形设备3.7塑性加工柔性系统及其数字化工厂EAMP

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36第三章

金属塑性成形装备及自动化3.6.3数控转塔冲床数控转塔冲床（也称数控冲模回转头压力机），是一种通用、高效、精密的冲压装备，具有高效率、精密、高自动化、生产成本低、自动换模、柔性化、适用于多品种和中、小批量生产等特点。型材冲孔数控生产线普通式数控冲床转塔冲床EAMP

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371.数控转塔冲床工作原理及特点在其冲头与工作台之间有一对可以储存若干套模具的转塔（即回转头），待加工的板材被夹钳夹持，并沿X，Y轴方向移动。工作时根据冲制零件所编制的计算机程序，使板材在X，Y轴方向移动和定位，并可任意选择转盘上模具进行自动冲压。刀站加工件EAMP

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383.6.3数控转塔冲床EAMP

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393.6.3数控转塔冲床1.数控转塔冲床工作原理及特点除了采用数控技术和冲孔工艺与常规冲法不同而外，数控转塔冲床还具有以下特点：（1）较好的灵活性和较高的生产率与普通冲孔相比，可提高生产率4-10倍，尤其对单件、小批量生产可提高生产率20-30倍。（2）较短的调试时间需要极少的调试时间并且不需要凸模和凹模的手工对心。（3）程序控制化高利用程序生产零件，所以几乎不需要操作者干预。操作人员只需把材料放到夹具中，然后只要一按控制按钮，机床自动运行，生产出所需的零件。（4）精度高可以提供较准确的冲孔位置。孔的尺寸和形状由冲床和模具精确地控制，使用数控转塔冲床可以达到+/-0.1mm的精度。（5）可以加工大尺寸的板材和大直径的孔带有一个支撑板料的工作台，工作台的尺寸直接影响加工板材的大小。大多数数控转塔冲床都带有二次定位功能，从而使加工大尺寸板材成为可能。还可利用小尺寸的模具沿圆周冲切大直径的孔。EAMP

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403.6.3数控转塔冲床2.数控转塔冲床结构数控转塔冲床主要由机架、工作台（伺服送料机构）、驱动（机械、液压或伺服电机）系统、转塔（模具库）、转模（自动分度）机构、数控系统、气动系统、润滑系统等组成。机架：多为钢板焊接结构，按其结构形式数控转塔冲床的机架可分为开式机架（即C形或J形机架）和闭式机架（即O形机架）。闭式机架的优点是机架的刚性好，弹性变形小，在工作过程中对模具有利。EAMP

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413.6.3数控转塔冲床2.数控转塔冲床结构工作台：焊接结构，它由本体（即机架的一部份）、活动拖架（即活动工作台Y轴）和滑动夹钳（X轴）等几部分组成。活动拖架（Y轴）:通过安装在本体上的伺服电机、滚珠丝杠副来驱动。滑动夹钳(X轴）:则通过安装在活动拖架上的伺服电机、滚珠丝杠副来驱动，同时夹钳间的距离还可任意调整。EAMP

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423.6.3数控转塔冲床2.数控转塔冲床结构转塔:由上、下两个转盘组成，模具均装在转盘上。在转盘的侧面或背面设有锥形定位销孔，锥销插入就可以保证定位准确。转盘轴称为T轴:T轴的驱动包括伺服电机、传动机构、驱动轴、分度销、上、下转盘。当数控系统设定转盘的某一模位号之后，定位推销自动拔出，伺服电机转动，经传动机构带动上、下转盘转动，转到设定的模位后停下，锥销再插入到相应的锥孔之中，从而使上、下转盘准确定位。EAMP

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433.6.3数控转塔冲床2.数控转塔冲床结构上、下转塔1、9通过中心轴3、7悬挂和支承在机身的上部和下部，转塔在中心轴上旋转。上转塔的上平面和下转塔的下平面各有多个上、下定位孔5、6，以使转塔最终定位。多副上、下模通过上、下模座2、8分别安装在上、下转塔上，通过吊环4来调整上模的高低位置、下转盘准确定位。EAMP

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443.6.3数控转塔冲床2.数控转塔冲床结构驱动系统:机械式、液压式或伺服电机驱动(1)机械驱动数控转塔冲床由电机、飞轮、离合器/制动器、主轴/偏心轴、联杆和冲头组成。EAMP

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453.6.3数控转塔冲床2.数控转塔冲床结构(2)液压驱动数控转塔冲床动力头由活塞和油缸组合构成，由冲床的液压系统驱动冲头上、下往复运动，冲击上转盘上所选定的凸模（上模）而对板材进行冲孔。使用液压驱动系统的数控转塔冲床可以控制冲头的行程和速度。(3)伺服电机驱动数控转塔冲床主传动采用伺服电机，目前主要有两种驱动方式：伺服电机—曲轴—连杆—滑块、伺服电机—减速机—曲柄连杆—肘杆—滑块。

数控伺服转塔冲床具有显著的特点及优势：节能降噪；提高机床效率；优化浅拉伸成型工艺，提高成型精度和稳定。电气控制系统:目前多采用日本FANUC或德国SIEMENS公司的控制系统，控制轴数有三轴（X、Y、T）、四轴（X、Y、T、C）和五轴（X、Y、T、C1、C2）；采用高精度、高性能交流伺服电机，X、Y轴联动；带有标准通信接口，配有PLC（可编程控制器），具有自诊断功能。EAMP

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463.6.3数控转塔冲床3.6.4精冲压力机冲裁工艺

——利用模具使板料沿着一定的轮廓形状产生分离，获得制件的一种冲压成形工序。冲裁的基本工序

——落料、冲孔、切断、切边、剖切和切舌(切口)。EAMP

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47冲裁过程1）弹性变形阶段板料与凸、凹模接触处形成很小的圆角；板料同时受弯曲和拉伸作用（凸模下板料下弯、凹模上板料上翘。2）塑性变形阶段板料与凸、凹模刃口接触处产生塑性剪切变形；凸模切入板料，下部板料进入凹模孔内；剪切处出现塌角，切断面形成一小段光亮且与板料垂直的表面；随着应力增加，变形区扩展，变形抗力增大。3）分离阶段随着凸模的继续压入，凸、凹模刃口附近产生的微裂纹沿最大切应变速度方向向板料内扩展；冲裁间隙合适，上、下裂纹相遇，板料分离。内应力达屈服极限σs内应力达强度极限σbEAMP

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483.6.4精冲压力机冲裁件断面特征圆角带（塌角）光亮带断裂带毛刺圆角带（塌角）：由于凸模刚压入板料，刃口附近材料产生弯曲和伸长变形，材料被带入模具间隙内。板料塑性越好，凸、凹模间隙越大，塌角越大。光亮带：由于凸模压入板料时，板料受到剧烈的挤压和摩擦。高约1/3~1/2，且垂直于板料表面。板料塑性越好，凸、凹模间隙越小，光亮带越宽。断裂带：由于断裂阶段刃口处产生的微裂纹在拉应力作用下不断扩展形成的撕裂面。断裂带很粗糙，并有一定斜角。毛刺：由于正面板料被压缩，刃尖部分处于高静水压应力状态，微裂纹的起点在模具侧面距刃尖不远的地方产生。EAMP

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493.6.4精冲压力机1）普通冲裁件的尺寸精度一般为IT9~IT12级，而精冲件的尺寸精度一般为IT7~IT9级，对于厚度为0.5~1mm的板料金属，其内形尺寸精度可达到IT6级；2）普通冲裁件的剪切面粗糙度高于Ra3.6m，断面粗糙，而精冲件剪切面粗糙度为Ra3.6~0.2m，一般为Ra2.5~0.63m，断面光洁；3）精冲件表面完好率可达I级，一般为II级，一般毛刺高度为0.01~0.08mm，且制件的一致性好；4）精冲模具结构复杂，制造精度要求高；5）虽然可以设计制造液压精冲模安装在普通冲床或液压机上实现精冲工艺，但现代精冲生产，采用高精高效专用精冲压力机力效果更好6）精冲便于实现自动化生产。普通冲裁与精冲EAMP

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503.6.4精冲压力机精冲压力机是精密冲裁工艺过程中必不可少的一种重要装备，广泛应用于电子、通信、计算机、家电及汽车等行业的精冲零件生产最常见的方法是齿圈压板精冲法齿圈压板对板料施压力P齿；反向顶杆产生的压力P反与齿圈压板力作用方向相反，这两个力将材料夹紧；主冲裁力P冲由传动系统产生；金属材料因受此三种力的作用，其变形区处于三向压力状态；冲裁结束卸裁时，齿圈压板产生卸料力P卸，反向顶杆产生顶件力P顶，实现制件或废料的卸除。EAMP

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513.6.4精冲压力机普通冲裁与精冲比较普通冲裁件精冲件EAMP

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523.6.4精冲压力机精冲过程（材料的塑性流动）EAMP

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533.6.4精冲压力机EAMP

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543.6.4精冲压力机EAMP

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553.6.4精冲压力机各种精冲压力机EAMP

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563.6.4精冲压力机1．精冲压力机工作特点精冲压力机系统（1）精冲压力机要提供五种作用力：P冲、P齿、P反、P卸和P顶。（2）滑块运动速度变化较大。为了高效生产，在滑块进给和回程时速度较快（曲线变化较大），在冲裁时，速度较慢(曲线变化平缓)。（3）滑块有较高的导向精度和限位精度。（4）多数采用下传动结构。（5）刚性好。（6）有可靠的模具保护装置。EAMP

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573.6.4精冲压力机2.精冲压力机结构简介机械式精冲压力机1电动机2变速箱3带轮4飞轮5离合器6蜗轮蜗杆7双边传动齿轮8曲轴9机身10压边活塞11封闭高度调节机构12滑块13反压活塞14双肘杆机构曲轴1，3旋转，通过连杆2，4将力传至第一副肘杆机构3，5，7中的铰链轴5通过连杆6把力传给板9板9通过轴承和轴8连接于床身并围绕轴8摆动这种摆动使第二副肘杆机构8，10，12伸直连杆11将力传至装在滑块13上的轴12EAMP

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583.6.4精冲压力机液压精冲压力机冲裁动作由冲裁活塞4产生，齿圈压板的压边动作由压边活塞12产生，反压顶杆的动作由反压活塞6产生下工作台9直接装在冲裁活塞上，组成压力机的主滑块，利用主缸本身作为导轨，这种导轨相当于在导轨和柱塞面的环形缝隙间有一层强度很高的油膜，使柱塞和导轨面始终被油膜隔离不接触，且油膜会在柱塞受偏心负荷时自动产生反抗柱塞偏斜的静压支承力，使柱塞保持很高的导向精度冲裁活塞快速闭模由液压系统中快速回程实现的。快速回程由回程缸3实现压力机封闭高度调节蜗轮由电动机驱动为了防止主缸因径