嵌套式复合型材构件制造技术及其专用机床

朱建华 柯礼立

(宁波邦达智能停车设备股份有限公司，浙江 宁波315013)

嵌套式复合型材构件在国外开始出现于本世纪初的专利文献［1］记载中，它应用于模块式建筑组合体，具有显著降低原材料等资源消耗及降低生产成本的效果;然而，它们多数采用较厚的、形状与尺寸各不相同的、非等断面的热轧型材复合成型，其结构与形式单一，耗材大又生产工艺复杂，制约了构件的断面特性与结构刚度，综合力学性能尚欠不足。

本文的创新特征是采用较薄的、形状与尺寸相同的、等断面长条形的第一构件和第二构件相互旋转180°后交错合抱而成的嵌套式复合型材构件，该构件可以采用较薄的金属板材冷态辊压成型;它具有高度自动化的制造技术的优势，以及生产效率较高而能耗较少又节能环保的特点;近几年已经成功应用于立体停车设备的主体结构中［2］，还可以广泛应用于建筑领域的柱梁框架模块式建筑组合体中。

1 嵌套式复合型材构件的结构特点

嵌套式复合型材构件是由第一构件和第二构件组合而成;第一构件和第二构件的形状与尺寸完全相同，并且具有等断面长条形的几何形状，第一构件(第二构件)是由横边1、加强筋2、弯折部3、竖边4、外包折边5、咬边6 与内嵌折边7 组成;第一构件和第二构件在横截面方向相互旋转180°并交错与嵌套合抱后即成为嵌套式复合型材构件，参见图1 所示;第一构件(第二构件)制作是采用金属板材辊压成型;与此同时，它们之间还设置有横向和竖向特种异型紧固螺栓，实现双向固定并消除了嵌套复合后的第一构件与第二构件之间的配合间隙，从而显著提升嵌套复合构件的强度与刚度，并有效地控制连接部位的复杂形变，以确保其使用可靠性与安全性。

2 制造技术的工艺设计特点

在同一条生产线上依次连续完成如下工艺步骤(参见图2)。

(1)金属带材平整工序 原材料是卷状金属带材通过带材平整机以保证在以下作业中达到工艺要求的平整度;接着，该金属板材沿生产线自动向后一工序方向输送。

(2)加强筋成型工序 通过数控自动化作业的第一辊压机组，完成加强筋成型工序，构件上设有多个加强筋，以达到优化构件断面特性与结构刚度的目的;第一辊压机组同时完成多个加强筋的辊压成型。

(3)冲孔工序 由两台同步数控冲孔机完成;为了实现该产品的无焊接装配工艺，以达到节能环保目的，构件采用薄壁铸件连接装置，并通过插配与紧固装置达到构件之间的连接固定，所以该构件上设有多个用于特种紧固螺栓的通孔以及大型装配缺口，该通孔与缺口由上述同步数控冲孔机完成。

(4)截面成型工序 由第二辊压机组完成，它由带7 组模具的数控自动化辊压作业组成，辊压成型该构件上具有的横边、加强筋、弯折部、竖边、外包折边、咬边与内嵌折边;此时，金属带材形成第一构件的横截面。

(5)嵌套合抱工序 由数控切割机与嵌套合抱机床完成嵌套合抱工序;首先切断已经成型的第一构件，切断后获得第一构件送入嵌套合抱机床，并在第一构件的横截面方向旋转180°后定位;然后，该旋转定位后的第一构件插入到再次切断后获得的、其形状与尺寸相同的第二构件，同时进行嵌套合抱;第一构件和第二构件嵌套合抱后成为第一构件与第二构件的嵌套复合件(尚未从型材上切断);此时，第一构件的外包折边与第二构件的竖边相贴合，第二构件的外包折边与第一构件的竖边相贴合。

为了提高生产效率并保证前后工序的连贯性，确保生产线能够连续不间断地运行，该嵌套合抱工序包括以下工步(参见图3):

工步a:已经形成第1 构件横截面的金属带材沿生产线方向自动输送，当它碰到切割挡块时，数控切割机随第一构件移动，同时切断该第一构件，从而获得第一构件。

工步b:由第一气缸驱动嵌套合抱机床沿嵌套底座快速移动，并与后面连续输送中的型材之间留出一定的间隔距离。

工步c:当第一构件随嵌套合抱机床移动并碰到定位挡块时，嵌套合抱机床驱动第一构件旋转180°定位;同时，数控切割机在第二气缸的驱动下复位，嵌套合抱装置在第一气缸作用下复位。

工步d:嵌套合抱装置复位过程，后续输送中的已经成形的型材进入夹持定位在嵌套合抱装置中的第一构件中，从而实现嵌套合抱。

工步e:当后续输送中的型材再一次碰到所述切割挡块时，数控切割机随已经成形的型材移动，并再次切断该型材而获得所述第二构件，此时，后续输送中的型材顶住该第二构件，使得第二构件继续和第一构件进行嵌套合抱。

工步f:在第一构件和第二构件完成嵌套合抱工序后，第一构件和第二构件形成复合件，后续输送中的型材顶着将该复合件向下一个工序输送;当后续输送中的型材再次碰到所述切割挡板时，回到步骤a，继续下一次的嵌套合抱过程。

完成嵌套合抱工序后，第一构件的外包折边与第二构件的竖边相贴合，与此同时，第二构件的外包折边与第一构件的竖边相贴合。

(6)紧密咬边工序由第三辊压机组完成;为了实现嵌套合抱后第一构件与第二构件之间双向固定并消除两者之间的配合间隙，将复合件送入由三组辊压模具构成的数控自动化作业的第三辊压机组，执行多个咬边作业，以显著提升其嵌套合抱后构件的强度与刚度，并形成最终产品——嵌套式复合型材构件，然后脱离生产线。

3 专用机床结构设计特点

在数控流水线运行方向依次设置有以下专用机床:

执行工序(1)的带材平整机，它固定设置于地面上;原材料为卷带状金属板材，它通过送料器自动输送至平整机以平整带材，达到以后工序的设计要求平整度。

执行工序(2)的第一数控自动化作业辊压机组，由两台带动力头的辊压机构成，该辊压机床身固定设置于地面上。

执行工序(3)的两台同步数控冲孔机，为了提高冲孔的几何精度与形位公差，两台同步数控冲孔机设计有包括固定于地面上的冲孔机床身、能沿该冲孔机床身水平滑移的冲孔滑鞍、固定设置在冲孔机床身上并能驱动冲孔滑鞍沿该冲孔机床身滑移的带液压系统的第5 气缸，以及压紧装置组成;该压紧装置功能是给卷带状金属板材的前端提供压紧力，避免金属带材在冲孔过程中发生变形;该压紧装置包括有压板、驱动该压板动作的压紧油缸和带动压板沿冲孔机床身水平滑移的压紧底座，该压紧底座和冲孔机滑鞍之间固定连接，第5 气缸的活塞杆和压紧底座也是固定连接。

为了进一步提高冲孔的位置精确度，在压板的底部还设置有能穿入金属板材的定位销，使冲孔滑鞍能够随着金属带料一起移动;当前面金属带材的冲孔工序全部完毕后，压板上的定位销能够插入冲孔中进行定位;冲孔滑鞍则在第5 气缸作用下复位;于是，在冲孔过程中，冲孔机能够随着金属板材一起移动，当冲孔完成后，冲孔机在第5 气缸作用下复位。

执行工序(4)的第二辊压机组，它由5 台带动力头的数控辊压机构成，它们的床身均固定设置于地面上;它们逐渐执行横边、竖边、内嵌折边、外包折边和弯折部等截面辊压成型。

上述多台带动力头的辊压机在辊压过程中同时带动金属带材沿流水线运行方向进给。

执行工序(5)的数控切割机，为了实现切割机和嵌套合抱机床的联动，同时保证切割和嵌套合抱两道工序的连贯性，为此，在嵌套床身上设置有切割底座，(参见图3 所示);它能相对于嵌套床身水平滑移。该切割底座与嵌套底座固定相连，该切割底座上连接有驱动沿嵌套床身滑移的带液压系统的第2 气缸。

所述数控切割机设有刀模装置，它固定设置于切割底座上。

并且，嵌套底座沿长度方向设置有切割挡块和定位挡块;其中，切割挡块作为第一检测控制触点用于检测构件的位置，并控制刀模的切割动作;而定位挡块作为第二检测控制触点用于检测第一构件的位置并控制旋转定位装置的转动;嵌套床身在位于所述切割底座的一侧设置有限制该切割底座移动的复位挡块;由于切割底座和嵌套底座之间是固定连接的，当数控切割机复位时，嵌套底座同时复位，保证第二构件和第一构件的定位基准和切割长度一致。

为了避免挡块和金属带材发生干涉，使得金属带材和构件均能够顺利的沿着生产线输送，切割挡块和定位挡块分别设计成为可上下伸缩的挡块，其中，切割挡块和带液压系统的第3 气缸的活塞杆相连，定位挡块和带液压系统的第4 气缸的活塞杆相连;切割挡块和定位挡块可以检测金属带材或切割后的构件在生产线上的位置，并且控制切割机的刀模动作，当需要检测金属带材或切割后构件的位置时，可以通过气缸活塞杆将挡块向上顶出;当已经检测到金属带材或切割后构件的位置时，可以通过气缸活塞杆将挡块向下缩进。

执行工序(6)的嵌套合抱机床，它用于将第一构件旋转180°后定位，然后与第二构件交错合抱，构成一复合件，它包括有:

(1)固定设置于地面上的嵌套床身。

(2)嵌套底座，设置于嵌套床身上，并能相对于该嵌套床身水平滑移。

(3)定位装置，包括有设置于嵌套底座上并能相对于该嵌套底座水平滑移的滑移车座。

该车座连接有能驱动该旋转定位装置沿所述嵌套底座滑移的第2 气缸。如图4 所示，该车座上固定有两固定支架，固定支架内设置有沿长度方向贯穿且能相对该支架旋转的旋转器;其中，旋转器沿圆周面开设有间隔设置的齿槽，当旋转器旋转180°后，旋转器在180°方向的两侧相应齿槽内分别设有定位销，定位销能够限定旋转器的转动位置，以确保嵌套合抱的准确性和可靠性;旋转器沿轴向开设有和构件的形状大小相适配的方孔，旋转器在端面上还设置有多个沿方孔周边布置的夹具。该夹具包括有导轨和夹头，导轨固定设置于旋转器端面上，夹头能沿导轨滑移并与第一构件(切断后)相紧抵，通过调节夹头沿导轨的相对位置，使得旋转器能够适应各种几何形状和尺寸的型材构件的夹持;

执行工序(7)的第三辊压机组，它由3 台带动力头的数控辊压机构成，它们的床身均固定设置于地面上;它们逐渐完成所述复合件的多个咬边作业。

4 经济技术效果

上述制造技术是从金属带材送入生产线到复合型材的产品成型，其间每一道工序均在线连续运行，节约大量机动工时与辅助工时，不仅实现了自动化生产，而且显著降低原材料等资源消耗与生产成本;其二，所有冲孔工序均安排在加强筋辊压成型之后，从而确保第一构件和第二构件在冲孔后孔距尺寸的几何精度与形位公差，显著提高嵌套式复合型材构件的产品质量;其三，工序自动化大大降低了工人的劳动强度、改善生产环境与作业面积利用率。由此，有关本课题成果，迄今为止已经获得中国发明专利授权12 项、以及欧洲、日本、美国发明专利授权7 项;以上国内外已授权专利详细内容均可从www.sipo.gov.cn/国家知识产权局网站(或链接至欧洲、日本、美国知识产权局网站)检索获得。

［1］李戴俊. 管状构造物与模块式建筑组合体:US，PCT/US2002/004280［P］.2002 -02 -14.

［2］朱建华，柯礼立. 节能环保型立体停车设备［J］. 中国设备工程，2014(6):23 -24.