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经济地加工中小批量的复杂钣金件 |
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newmaker 来源：MM现代制造 |
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迄今为止，复杂构件的内高压成形加工被大批量加工所垄断，因为设备和模具的费用，以及机械的调整费用相对较高。德国Mechatronics公司现在研制出了一种内高压加工设备，利用这种设备可以经济地加工中小批量的零件（图1）。
一家世界领先的医疗技术中心要求制造商用单个零件经盐浴钎焊为其制造一台伦琴射线管的复杂外壳。这个外壳是由一个铝制圆柱形基体构成，侧面有鼓突，装有法兰盘，并且需要钻孔。外壳用于玻璃制成的X射线管的保护，吸收对人体健康有害的射线，并对射线源进行冷却和隔绝。每年约有2500台伦琴射线管的外壳利用这种传统方法制造。
图1 德国Mechatronics公司为用户研制了一种新型的内高压成形加工设备，利用这种设备中小批量的零件也可以经济地进行加工
传统生产方法所使用的原始材料是铝制管形半成品，直径约150mm。由于有许多元件需要安装在铝管上，因此铝管上有许多地方就必须切除，其要求是切口与法兰盘必须严密配合，加工后再做盐浴焊接。
新的成形方案
由于弯曲的结构非常复杂，因而个别零件被扭曲成形几乎是不可避免的。而由于这种3D的外形轮廓非常复杂，接缝多，因此迄今为止效果一直不理想，废品率极大，总成本很高。
此外，铝材料相对来说很容易被X射线穿过，为了保证对射线屏蔽的可靠性，因此需要制作昂贵的铅衬。另外，铝的盐浴焊接问题由于环保条件苛刻而成为一个重大且日益增长的成本因素。
为了提高质量，降低成本，制造商找到了位于德国Mechernich的Mechatronics（DTMT）公司寻求帮助，因为该公司在设计和制造机壳方面拥有十多年的丰富经验。作为系统提供商，该公司利用其在机械、工艺技术、流线技术，以及电工和软件开发方面的知识，解决了生产中遇到的许多复杂难题。
由设计人员和加工专家组成的跨学科团队接受了这项挑战，并否定了所有的传统加工方法。那么就产生了一系列的问题，铝是合适的材料吗？如何能够减少接缝部位？是否一定需要进行钎焊或焊接？如何才能降低切削加工的费用，同时又能提高质量？而这个团队的目标是统观全局，不仅要制订出一套技术上优秀的解决方案，而且从一开始就要考虑到加工的经济性。
改善性能的第一步是将材料由铝换成不锈钢。这样可以明显地提高外壳的强度，特别是接缝点的强度，而这点对于装满油作为隔绝和冷却介质的X射线管的运行安全来说具有决定性的作用。此外，不锈钢比铝具有更好的对射线的屏蔽性。这样，就可以减少外壳内部的镀铅的质量。
专家们设计的第一套案是，外壳的中间部位利用现有的2500kN压力机进行成形加工。通过将橡胶芯棒同时压在一起，使处于阴模中的钢管获得合适的外形轮廓。然后，用CO2激光器切出开口，再用激光焊接装上法兰、螺纹接口，以及其他板材制成的异型件。这样，接缝部位的数目就比原先的结构形状减少了。
切削加工减少60%
这种新型外壳比传统的铝制外壳更好地满足了对精度和密封性的要求。但由于几何形状复杂，切割透孔时不可避免地会发生扭曲成形，因而用激光将单个零件焊接在一起也不能达到足够的过程安全性。
DTMT公司的工程师和客户共同决定，继续沿着这个思路修改方案：为了明显减少单个零件和焊缝的数目，项目负责人Christian Hosse先生计划用一块材料制造出外壳上尽量大的部分（图2）。他保证能够大规模减少单个零件以和焊缝的数目，提高射线的密封性、制造过程的安全性和精度。
图2 造型复杂的半成品外壳，只用一道工序即可完成
其次，通过将液压造型法与DTMT公司的3D切割-焊接-激光技术相结合，他成功地将切削加工的份额减少了约60%，减少了对最终产品精度的影响。
从根本上讲，这种外壳适合采用内高压成形加工法，但其达到的变形程度却是十分值得关注的。在某些部位上材料流动很大，会致使壁厚减少一半。因此，我们邀请了其他专业方向的机电一体化专家，让他们来调查这种成形的可行性，并且从一开始就要考虑到加工效率问题。
Aalen应用技术大学的模拟计算为我们带来了很大的信心（图3）。经过多个步骤，构件的几何形状得到了改进，使客户规定的功能尺寸经过惟一的一次成形加工就可以达到（图4）。在实践中，对理论上的前期调查所做的检验带来了理想的结果：首批系列零件就全部达到了客户的规格。
图3 模拟保证了外壳可以用内高压成形加工安全地进行制造
图4 成形加工后钢管立即被加工上全部开口和功能面
适合中小批量生产
在这里我们所面临的一个难题就是成本问题，由于设备成本高，内高压成形法（IHU）迄今为止仅用于大批量加工。而计划年产量约2500件的数量，DTMT公司认为距离经济性生产还有很大距离。
于是，DTMT公司的专家们研制了一种新的液压成形设备，这种设备严格符合中小型批量生产的要求，并使加工相对较少的件数的产品首次变得成本低廉。这种设备非常适合年产量2500~10000件的中小型批量的产品。由于设备采用模块式结构，因此可以轻易的与其他形状和尺寸的工件相匹配（图5）。
图5 打开的成形阴模
DTMT公司最初使用的设备是为工件长度600mm以下和管径150mm的零件设计的。其成形压力可达150MPa，合模力10000kN，成形介质为水。通过两侧轴向补给材料和采用独一无二的密封技术，实现了高度的成形率。在生产了4000多个外壳后，证明了中小批量是可以用IHU法经济地进行加工的。在批量加工中实行了严格的公差，保证了尺寸，并使之具有可复制性，成形后无需再做后续加工。
由于成本较低，采用了新型设计，改进了射线保护，提高了过程安全性，新方案远超出了客户最初的期望。尽管如此，单件成本却明显低于铝外壳的成本。这是一个很好的例子，它说明了对加工方法进行彻底的仔细思考，同时向不同学科的专家请教，就能把复杂构件的制造变得效益更高，成本更低。
经济地加工所有零件
除了技术方面的重要性之外，新型外壳也为扩大客户的技术领先地位助了一臂之力。这种加工方法可以经济地用于加工原来适合内高压成形加工而由于件数少而加工不够经济的所有零件。这些零件可以是造型复杂而要求甚高的零件，或者是按照功能和形状要求而设计样式颇具特色的零件。如几何形状复杂的专用外壳，或有特殊用途的排气零部件。由于DTMT公司拥有自己的多学科研发团队，因而该公司能够按照客户的要求自主研发和制造这些零件。
有了这样的成形方案，德国Mechatronics公司研制了一种内高压设备，利用这种设备，即使批量很小的几何形状复杂的零件，也可以经济地进行加工。
伦琴射线管外壳的实例表明，企业与拥有多学科的团队能够研发全新方法的系统提供商合作，就能够提高他们产品的质量，同时又能降低制造成本。
液压加工法与DTMT公司3D切割-焊接-激光技术的结合，使加工步骤明显减少，切削加工份额减少约60%，而且不会使最终产品的精度损失。(end)
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(投稿)
(4/6/2010) |
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