高速精密壓力機(jī)發(fā)展研究

文／閔建成·江蘇省徐州鍛壓機(jī)床廠集團(tuán)有限公司

高速精密壓力機(jī)發(fā)展研究

文／閔建成·江蘇省徐州鍛壓機(jī)床廠集團(tuán)有限公司

高速精密壓力機(jī)的發(fā)展過程

高速精密壓力機(jī)的發(fā)展已有幾十年的歷史，1911年美國HENRY＆WRCHT（亨利拉特）公司制造的DIENGMACHNE壓力機(jī)是世界上第一臺(tái)高速壓力機(jī)。該機(jī)為下傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，重心低，容易操作。20世紀(jì)50年代隨著晶體管收音機(jī)、洗衣機(jī)和電視機(jī)等家用電器的發(fā)展，1953年德國SCHULER（舒勒）公司生產(chǎn)出首臺(tái)1250kN閉式雙點(diǎn)上傳動(dòng)高速壓力機(jī)，接著瑞士BRUDERER（布魯?shù)聽枺┮采a(chǎn)出了BAST閉式上傳動(dòng)高速壓力機(jī)。隨著半導(dǎo)體和電子工業(yè)的快速發(fā)展，大規(guī)模集成電路和電器元件、微電機(jī)、芯片等產(chǎn)品的需求量也快速增長，這也促進(jìn)了高效率、高精度的高速精密壓力機(jī)的快速發(fā)展。由于CNC技術(shù)在高速精密壓力機(jī)上的應(yīng)用，沖壓過程能自動(dòng)完成送料、沖壓、計(jì)數(shù)、更換成品箱、停機(jī)、更換另一種產(chǎn)品模具并重新生產(chǎn)等工作，目前，高速精密壓力機(jī)正向數(shù)控化和柔性自動(dòng)化方向發(fā)展。

20世紀(jì)80年代國內(nèi)開始生產(chǎn)高速壓力機(jī)，主要廠家有：徐州鍛壓機(jī)床廠集團(tuán)有限公司（以下簡稱“徐鍛”）、揚(yáng)州鍛壓機(jī)床股份有限公司（以下簡稱“揚(yáng)鍛”）、中山市勝龍鍛壓機(jī)械有限公司等。國內(nèi)高速壓力機(jī)的發(fā)展主要體現(xiàn)在開式高速壓力機(jī)產(chǎn)品方面，主要的結(jié)構(gòu)形式有三圓導(dǎo)柱式和V形加長導(dǎo)軌的形式，行程次數(shù)大多在400～1200次/min；閉式高速壓力機(jī)競爭力比較強(qiáng)的只有徐鍛和揚(yáng)鍛，它們在技術(shù)上處于領(lǐng)先地位，結(jié)構(gòu)為八面預(yù)應(yīng)力導(dǎo)軌，帶動(dòng)態(tài)平衡裝置、滑塊鎖緊裝置等。徐鍛2004年已開發(fā)出了速度達(dá)1200次/min的SH系列SH-25開式高速精密壓力機(jī)、VH系列開式高速壓力機(jī)、JF75G系列閉式雙點(diǎn)高速壓力機(jī)，現(xiàn)在正在研制JL75G-60超精密高速壓力機(jī)，這種壓力機(jī)裝模高度可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，下死點(diǎn)精度超過日本JIS特級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；研發(fā)的JK36系列高速壓力機(jī)，其最大噸位達(dá)6300kN。

高速精密壓力機(jī)的相關(guān)技術(shù)背景

⑴采用新材料。為減少運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量，日本KYORI公司Mach系列超高速精密壓力機(jī)的滑塊采用了新材料——陶瓷-鋁合金復(fù)合材料，活動(dòng)部分重量大大降低，使慣性力下降了40％。日本ISIS公司的產(chǎn)品，其驅(qū)動(dòng)部件和連接件采用低熱膨脹系數(shù)的合金鑄件NobinateCD-5，其線膨脹系數(shù)為鋼的1/4～1/3，使慣性力大大下降。

⑵采取新結(jié)構(gòu)。日本KYORI公司BeatANEX系列高速壓力機(jī)采用對稱曲柄—肘桿機(jī)構(gòu)，連桿和肘桿的熱變形互相抵消，不但減少了熱變形對滑塊運(yùn)動(dòng)位置精度的影響，而且降低了滑塊在下死點(diǎn)附近的速度，提高了加工性能。由于采用了熱平衡設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)上的其他措施，其運(yùn)轉(zhuǎn)8h內(nèi)下死點(diǎn)位置的變化以及速度調(diào)節(jié)后下死點(diǎn)位置的變化均能控制在0.01mm左右。

⑶采用復(fù)合軸承。日本AIDA公司的高速精密壓力機(jī)主傳動(dòng)采用組合軸承（滾動(dòng)＋滑動(dòng)），這樣既減少了摩擦力，又增加了強(qiáng)度。

⑷采用油—水冷卻器。瑞士布魯?shù)聽柟镜漠a(chǎn)品設(shè)有油—水冷卻器，用以控制溫度的變化，減少溫度對運(yùn)動(dòng)精度的影響。

⑸微量調(diào)節(jié)裝模高度。瑞士布魯?shù)聽柟镜漠a(chǎn)品，其裝模高度可進(jìn)行動(dòng)態(tài)微量調(diào)節(jié)，下死點(diǎn)精度極高。

⑹改善滑塊導(dǎo)向。瑞士布魯?shù)聽柟镜漠a(chǎn)品，其導(dǎo)向軸承可自動(dòng)補(bǔ)償熱變形，且導(dǎo)向元件與條料位于同一平面。日本KYORI公司Mach系列產(chǎn)品則采用新型的動(dòng)靜壓混合導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，以提高導(dǎo)向精度。

⑺進(jìn)一步提高自動(dòng)化水平和工作可靠性。瑞士布魯?shù)聽柟镜漠a(chǎn)品采用計(jì)算機(jī)控制、圖形顯示，使滑塊位置、送料長度均能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測和控制，調(diào)整數(shù)據(jù)及模具參數(shù)儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中，在模具調(diào)整時(shí)大大節(jié)省了換模調(diào)節(jié)時(shí)間，選擇適當(dāng)?shù)目偩€系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中管理。

⑻行程次數(shù)高。日本YAMADADOBBY公司的高速壓力機(jī)最高行程可達(dá)4000次/min。

高速精密壓力機(jī)技術(shù)難點(diǎn)和解決措施

⑴下死點(diǎn)動(dòng)態(tài)精度（BDC）變化。解決措施：多連桿高剛性低慣量傳動(dòng)系統(tǒng)研究——運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)方程的建立及機(jī)構(gòu)精確度分析；下死點(diǎn)溫度位移控制的理論分析（熱分析、控制策略）——對整機(jī)及關(guān)鍵零件進(jìn)行熱分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行選材；多連桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)的研究；下死點(diǎn)伺服動(dòng)態(tài)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的研究；滑塊精密導(dǎo)向技術(shù)研究；總間隙控制研究。⑵振動(dòng)大。解決措施：多連桿高速壓力機(jī)動(dòng)平衡方式及理論計(jì)算研究；減振墊結(jié)構(gòu)研究。⑶高速壓力機(jī)熱變形。解決措施：精密重載支撐技術(shù)研究；滑動(dòng)副的材質(zhì)研究。⑷可靠性問題。解決措施：高剛度機(jī)身分析，減輕質(zhì)量，提高固有頻率研究；離合制動(dòng)快速響應(yīng)研究。⑸高速精密送料。解決措施：先進(jìn)伺服送料技術(shù)研究。⑹高耐用模具。解決措施：研制壽命大于2億次的高耐用模具。⑺高速壓力機(jī)標(biāo)準(zhǔn)低的問題。解決措施：研究國際精密引線框架高速精密數(shù)控沖壓線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；制定、規(guī)范高速壓力機(jī)技術(shù)條件和精度標(biāo)準(zhǔn)。⑻復(fù)雜零件難成形問題。解決措施：控制系統(tǒng)智能化及可視化技術(shù)、多通道模具監(jiān)控系統(tǒng)研究。

徐鍛高速精密壓力機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用

SH系列超高速精密壓力機(jī)

徐鍛SH系列超高速精密壓力機(jī)如圖1所示。

⑴床身結(jié)構(gòu)：采用高強(qiáng)度、高牌號(hào)鑄件，利用設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行模擬運(yùn)動(dòng)分析、受力分析、振動(dòng)分析、動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

⑵滑塊導(dǎo)向裝置：采用國際先進(jìn)的三圓導(dǎo)柱靜壓導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，即滑塊采用導(dǎo)柱和導(dǎo)套導(dǎo)向，并在滑塊后部加裝兩個(gè)圓導(dǎo)柱輔助導(dǎo)向，摩擦材料為性能優(yōu)越的巴氏合金材料。同時(shí)在前后左右四個(gè)方向加工出油室，在各油室處加裝阻尼孔。

⑶動(dòng)態(tài)平衡機(jī)構(gòu)：將平衡部件放置在機(jī)身內(nèi)腔中，合理地布置在連桿兩側(cè)。

圖1徐鍛SH系列超高速精密壓力機(jī)

⑷曲軸支撐：采用四點(diǎn)組合軸承（滾動(dòng)軸承＋滑動(dòng)軸承）的形式，合理地選擇了軸承游隙以及軸瓦間隙，可以有效地發(fā)揮滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承的優(yōu)點(diǎn)，即在沖壓時(shí)充分利用滑動(dòng)軸承的高承載能力，在非工作期間可以充分發(fā)揮滾動(dòng)軸承的高速度、低阻力。

⑸液壓式滑塊鎖緊機(jī)構(gòu)：增加液壓滑塊鎖緊機(jī)構(gòu)，防止滑塊裝模高度變化。

⑹冷卻裝置：增加冷卻裝置，降低熱量，使機(jī)床在一段時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài)。

該系列壓力機(jī)主要用于小型薄板類零件的生產(chǎn)，生產(chǎn)的零件如圖2所示。

圖2易拉罐蓋

JF75G-125A高速壓力機(jī)

JF75G-125A高速壓力機(jī)如圖3所示。

圖3JF75G-125A高速壓力機(jī)

⑴床身結(jié)構(gòu)：采用組合式三段預(yù)應(yīng)力床身，由上橫梁、左右立柱、工作臺(tái)組成，拉桿預(yù)緊力為公稱力的兩倍，三段連接部位采用定位套方式。下底座采用整體鑄造結(jié)構(gòu)。

⑵滑塊部件：導(dǎo)向結(jié)構(gòu)方面，八面體預(yù)緊滾動(dòng)導(dǎo)軌（無間隙）和導(dǎo)柱導(dǎo)套結(jié)合導(dǎo)向，預(yù)緊滾動(dòng)導(dǎo)軌采用日本THK公司的直線軸承；滑塊體結(jié)構(gòu)方面，采用全鋼、箱形結(jié)構(gòu)，進(jìn)行熱時(shí)效處理；間隙消除結(jié)構(gòu)方面，采用液壓預(yù)鎖緊結(jié)構(gòu)。

⑶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)：主軸四點(diǎn)支承，采用日本NSK公司的滾動(dòng)軸承，滑塊與主軸聯(lián)接部位也采用日本NSK公司的滾動(dòng)軸承；采用意大利鋁合金機(jī)體的低慣量分體式摩擦離合器—制動(dòng)器結(jié)構(gòu)。

⑷動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)：采用副滑塊動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)，平衡滑塊垂直方向的慣性力；采用氣囊式平衡滑塊結(jié)構(gòu)。

該款壓力機(jī)主要用于電機(jī)定子/轉(zhuǎn)子、變壓器片等零件的生產(chǎn)，生產(chǎn)的零件如圖4所示。

圖4轉(zhuǎn)子/定子和變壓器片

JL75G-60超精密高速壓力機(jī)

JL75G-60超精密高速壓力機(jī)如圖5所示。

圖5JL75G-60超精密高速壓力機(jī)

⑴床身結(jié)構(gòu)：采用組合式預(yù)應(yīng)力鑄造床身，由上橫梁、左右立柱、下橫梁組成，拉桿預(yù)緊力是公稱力的兩倍。

⑵傳動(dòng)結(jié)構(gòu)：采用多連桿驅(qū)動(dòng)形式，壓力機(jī)行程隨工藝要求而變化；滑動(dòng)軸承材料使用鈹銅合金，解決壓力機(jī)發(fā)熱問題。

⑶潤滑結(jié)構(gòu)：采用大流量恒溫潤滑系統(tǒng)，解決壓力機(jī)下死點(diǎn)精度變化。

⑷滑塊結(jié)構(gòu)：使用合金鑄造結(jié)構(gòu)；設(shè)有壓力機(jī)裝模高度動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)；采用小間隙高剛度六圓導(dǎo)柱形式。

⑸下死點(diǎn)：采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。

該款壓力機(jī)主要生產(chǎn)高精密電子、電器類零件，特別是引線框架類零件。

高速精密壓力機(jī)自動(dòng)化輔助裝置

零件輸送裝置

高速精密壓力機(jī)速度非常高，每分鐘送料需達(dá)到150m以上，采用伺服送料機(jī)可以達(dá)到這一要求，且送料精度也沒有問題。電機(jī)定子輸送裝置如圖6所示。

圖6電機(jī)定子輸送裝置

模具

高速精密壓力機(jī)高的行程次數(shù)，使得對模具耐用度的要求也大大提高。按每分鐘500次、每小時(shí)60分鐘、每天10小時(shí)計(jì)算，每天30萬次，30天的話就要達(dá)到900萬次。按一個(gè)月計(jì)算，模具壽命需達(dá)1000萬次以上，否則，很短時(shí)間內(nèi)就需更換模具。按一年計(jì)算，模具壽命需達(dá)一億次以上，現(xiàn)在比較好的模具，已經(jīng)可以達(dá)到這一要求。幾種高速精密壓力機(jī)模具類型如圖7所示。

圖7高速精密壓力機(jī)模具類型

檢測儀器

隨著電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)已開始使用高速精密壓力機(jī)自身溫度檢測、下死點(diǎn)動(dòng)態(tài)精度檢測裝置。徐鍛使用的下死點(diǎn)動(dòng)態(tài)精度檢測裝置如圖8所示。

減振器

高速精密壓力機(jī)減振或隔振技術(shù)經(jīng)過多年的研究已經(jīng)成熟，有彈簧加阻尼減振、氣彈簧減振和彈簧減振三種方法，不同噸位和不同行程次數(shù)的高速精密壓力機(jī)，采取哪種方法要經(jīng)過計(jì)算才能決定，而彈簧加阻尼減振的效果最為理想。彈簧加阻尼減振器如圖9所示。

表1適合引線框架的高速精密壓力機(jī)精度標(biāo)準(zhǔn)與日本JIS精度標(biāo)準(zhǔn)比較

圖8徐鍛使用的下死點(diǎn)動(dòng)態(tài)精度檢測裝置

圖9彈簧加阻尼減振器

閉式高速精密壓力機(jī)精度標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T8782—1998《閉式高速精密壓力機(jī)精度》已無法滿足引線框架、端子等要求比較高的行業(yè)了，必須開發(fā)超精密高速數(shù)控壓力機(jī)來滿足，所以需要有新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而新的閉式高速精密壓力機(jī)的精度標(biāo)準(zhǔn)也正在修訂中。適合引線框架的高速精密壓力機(jī)精度標(biāo)準(zhǔn)與日本JIS精度標(biāo)準(zhǔn)比較見表1。

高速精密壓力機(jī)市場分析

隨著數(shù)碼家電、汽車、航天航空、光纖、電子通信等技術(shù)的發(fā)展，高精密零件的需求量不斷增長。例如，近幾年我國引線框架行業(yè)除在2008年稍遇波折發(fā)展有所滯緩之外，其他年份發(fā)展勢頭都非常良好，相信隨著這些高精密零件需求量的不斷增長，高速精密壓力機(jī)的需求量在未來也將會(huì)快速增長。

2006年由國務(wù)院發(fā)布的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006～2020年）》中，將“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造技術(shù)”列為16個(gè)重大專項(xiàng)之一，把“新一代信息功能材料及器件”列為制造業(yè)的優(yōu)先主題之一，相信在國家政策的引導(dǎo)下，高速精密壓力機(jī)的市場會(huì)越來越廣闊。

結(jié)束語

在高速精密壓力機(jī)方面國外已經(jīng)研究了一百多年，國內(nèi)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在相關(guān)產(chǎn)品和行業(yè)已經(jīng)取得了一定成績，但與國外還有一定差距。不過相信在國家政策的扶持下，在眾多高速精密壓力機(jī)企業(yè)的共同奮斗下，中國高速精密壓力機(jī)一定會(huì)迎頭趕上。

閔建成，研究員級(jí)高工，副總工程師，主要從事鍛壓機(jī)械自動(dòng)化、數(shù)字化、精密化、環(huán)?；较虻难芯浚鞒至舜笮蛿?shù)字化閉式雙點(diǎn)壓力機(jī)、閉式單點(diǎn)壓力機(jī)、高速精密壓力機(jī)等多種產(chǎn)品的研制工作，獲多項(xiàng)省市科技進(jìn)步獎(jiǎng)。