伺服沖床的構(gòu)造及使用方法全析

文/張清林·江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司小松勇·日本小松技術(shù)士事務(wù)所

伺服沖床的構(gòu)造及使用方法全析

（連載五）

文/張清林·江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司小松勇·日本小松技術(shù)士事務(wù)所

各種金屬都有最適合它的加工速度

在沖壓加工中有落料和切邊等加工工藝，這些加工工藝的基本是切斷。板材的彎曲加工和拉伸部件的拉伸翻邊加工，這些加工的基本就是彎曲，像擠壓或壓痕這樣屬于鍛造的加工工藝都是基于這些加工方法的應(yīng)用和發(fā)展。以上提到的這些加工速度都有各自最合適的范圍，如果加工速度不在最合適的速度范圍內(nèi)，那么沖壓產(chǎn)品就會(huì)有缺陷，品質(zhì)上就會(huì)出現(xiàn)問題。如對(duì)拉伸加工來說，一般鋼材的加工速度在300mm/s，成形性較好的鋼材在400mm/s的速度被叫做成形的極限速度。

判定是否達(dá)到了這個(gè)成形極限速度的基準(zhǔn)，就是拉伸加工時(shí)是否易發(fā)生斷裂，拉伸件的表面是否易發(fā)生像“橘皮”一樣缺陷的速度界限?！伴倨ぁ笔侵咐飚a(chǎn)品的表面，出現(xiàn)像橘子皮樣細(xì)小的凹凸，用涂漆、電鍍方法也不能解決的粗糙缺陷?！伴倨ぁ碑a(chǎn)生的原因有材料的結(jié)晶問題，拉伸速度過高也會(huì)使得這種缺陷容易發(fā)生。在講解拉伸加工前先以切削加工為例，切削加工也存在著適當(dāng)?shù)募庸に俣?，這一點(diǎn)很多讀者都有一定的經(jīng)驗(yàn)。金屬材料在切削加工時(shí)，也有切削速度最適速度和不合適速度。如鏜床的加工作業(yè)中，用鉆頭對(duì)金屬材料開孔時(shí)要根據(jù)被加工材料的材質(zhì)、鉆頭的直徑來改變鉆頭的回轉(zhuǎn)速度。在被加工材料和鉆孔直徑相同的情況下，還要考慮開孔的精度、開孔內(nèi)表面的光潔度、開孔的圓柱度（開孔的內(nèi)壁是否平行）、開孔的同心度（開孔是否是不夠圓）等，根據(jù)以上因素來調(diào)整鉆頭的回轉(zhuǎn)速度。當(dāng)然，鉆頭的刀刃是否得到正確的研磨、切削狀態(tài)如何、是否因?yàn)榍邢鳡顟B(tài)不好而很快磨損、切削用油是否合適等等，都會(huì)影響品質(zhì)和精度。但最大的影響因素是鉆頭刀刃的切削速度，這是很多人都有的經(jīng)驗(yàn)。

鉆頭的中心和中心附近的切削速度幾乎是零，而鉆頭最外邊的速度就是最大速度。因此，因刀刃位置的不同切削速度的差別是很大的，要想找到適當(dāng)?shù)乃俣仁呛懿蝗菀椎?，一般根?jù)最外邊的速度來確定鉆頭的回轉(zhuǎn)數(shù)。這時(shí)鉆頭附近的切削速度會(huì)比適當(dāng)速度低很多，要想得到漂亮的表面和很高的精度非常難。由于孔的內(nèi)徑、內(nèi)表面的精度和品質(zhì)都非常重要，因此一般鉆頭附近品質(zhì)不好是允許的。如果要求鉆頭中心附近的精度和品質(zhì)也很高時(shí)，需要采用立銑的加工方法。車床加工也是這樣，也有適當(dāng)?shù)那邢魉俣确秶?。如果不是在適當(dāng)?shù)乃俣认录庸ぎa(chǎn)品的品質(zhì)和精度就會(huì)變壞，有的甚至出現(xiàn)不能進(jìn)行切削加工的情況。要做出精度高質(zhì)量好的車削產(chǎn)品，必要的適當(dāng)因素要比鏜床加工時(shí)多，要考慮被加工材料的材質(zhì)、材料的硬度、切削品的直徑、精度要求、表面品質(zhì)及切削種類等等多種因素，作為選擇最合適的速度的基準(zhǔn)。

在使用車床加工時(shí)，螺紋切削速度的選定也很難。螺紋孔底部是用螺紋切削刀的頭部來加工，而螺紋的頂部是用車刀的底部來切削，當(dāng)然螺紋的頂部和底部的切削速度是不一樣的，所以必須要隨時(shí)對(duì)加工速度、刀刃的構(gòu)成、粗加工及精加工進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整，來實(shí)施車床加工，因此螺紋切削技能被認(rèn)為是能夠清楚地反映技能水平的加工方法。

在沖壓加工上同樣有很多操作人員沒有注意到這一點(diǎn)。切斷速度、落料速度、精沖速度、彎曲速度、拉伸速度、鍛造的擠出速度、壓痕速度等等，速度大多都左右著加工產(chǎn)品的質(zhì)量。在沖壓的拉伸加工時(shí)，因?yàn)榧庸に俣鹊挠绊懯共牧习l(fā)生裂紋，卻不考慮加工速度，只一味地去進(jìn)行模具的調(diào)整、修正，這樣的實(shí)例屢見不鮮。

如圖1所示為金屬材料與其含碳量有很大的關(guān)系，眾所周知含碳量高的材料或硬度高的材料其延伸性和成形性就不好，沖壓加工就會(huì)變得很難。

圖1拉伸、硬度、添加元素與延伸性的關(guān)系

如果敲打一根長(zhǎng)金屬圓棒的一端，振動(dòng)波就從金屬棒這一端傳到另一端，我們認(rèn)為這個(gè)傳播速度和聲音的傳播速度是一樣的。這個(gè)振動(dòng)波即聲波到達(dá)另一端后又從端面反射回來，傳播速度就是音速。超聲波探傷儀就是利用測(cè)定音速（振動(dòng)波）的往復(fù)現(xiàn)象而制成的。由此有一種說法是，在使金屬變形時(shí)應(yīng)變和聲音傳播是一樣的。但沖壓加工時(shí)，變形即塑性變形是結(jié)晶格子的位錯(cuò)（極端時(shí)就是破裂），是伴隨著能量的消耗進(jìn)行的，因此這樣的塑性變形不能與音速相提并論。

圖2變形速度和拉伸強(qiáng)度的關(guān)系

在圖1中無法看出速度的影響，但在其他的研究中也就是圖2、3中，可以看出變形時(shí)施加的速度對(duì)拉伸強(qiáng)度或強(qiáng)度的影響雖然很小（5％～15％），但還是存在的。圖2中鋼板的拉伸強(qiáng)度存在著變形速度依存性，這種影響因鋼種不同而有所變化。請(qǐng)大家注意數(shù)字是對(duì)數(shù)。因?yàn)槭菍?duì)數(shù)橫軸上的一個(gè)格的數(shù)字是按一位數(shù)增加的。不受變形速度影響的材質(zhì)是鋁合金（5000系）、不銹鋼的SUS304（奧氏體不銹鋼）。含碳量越高對(duì)速度的依存性的傾向就越高，如S35C或SK5等變形速度增加時(shí)，拉伸強(qiáng)度就要提高5％～10％，其結(jié)果就是圖1中看到的成形性的降低。

圖3顯示變形速度影響著加工硬化和屈服強(qiáng)度，特別是對(duì)高強(qiáng)度材料的影響程度更大。這一點(diǎn)必須要引起重視。這是因?yàn)樽罱鼮榱藢?shí)現(xiàn)汽車部件的輕量化和提高安全性，使用高強(qiáng)度材料的情況有所增加。

圖3變形速度與強(qiáng)度的關(guān)系

塑性變形就是在力的作用下結(jié)晶格子發(fā)生了位錯(cuò)，就是格子發(fā)生錯(cuò)位的加工過程。在位錯(cuò)之前雖然在力的作用下，格子發(fā)生了傾斜但因?yàn)檫€沒有位錯(cuò)，所以解除了作用力后格子還可以復(fù)原到原有的形狀。這樣的現(xiàn)象就是彈性變形，而結(jié)晶格子發(fā)生了位錯(cuò)就不能再回復(fù)到原來的結(jié)晶狀態(tài)了，這種繼續(xù)保持位錯(cuò)狀態(tài)的現(xiàn)象就是塑性變形。

沖壓加工就是利用結(jié)晶格子的位移現(xiàn)象即塑性變形加工方法，破壞原有的結(jié)晶結(jié)構(gòu)使其發(fā)生位錯(cuò)，必須要有力和能量，也就是要有沖壓加工的力和沖壓加工時(shí)必要的成形能量。對(duì)強(qiáng)度越高的材料要破壞原有的結(jié)晶使其發(fā)生位錯(cuò)，需要的力就越大，加工負(fù)荷就越大。

圖4變形速度和延伸的關(guān)系

在很多情況下，沖壓加工受材料的延伸性的限制。一般來說，材料延伸性越好，即材料能在不發(fā)生破裂而大幅度得到延伸，沖壓加工就越容易。一般低碳鋼（如SPC系列、SPH系列的材料）拉伸強(qiáng)度越弱的材料，到被破壞為止的延伸量就越大，材料的拉伸強(qiáng)度越強(qiáng)延伸量就越小。圖4是變形速度和延伸（全延伸、部分延伸及局部延伸）的關(guān)系。其中，實(shí)線表示低碳鋼（ULC為極低碳鋼，LC為低碳鋼），虛線表示高強(qiáng)度鋼（SSH， SHLA，DP，Bainite，固溶強(qiáng)化鋼屬于汽車用高強(qiáng)度張力鋼，拉伸強(qiáng)度在440MPa以上），點(diǎn)劃線表示鋁合金（A5052），粗虛線表示不銹鋼（SUS304），全延伸表示拉伸試驗(yàn)中標(biāo)點(diǎn)間的全延伸量，部分的延伸表示局限在一部分的延長(zhǎng)變形量，局部延伸表示斷裂區(qū)域的延伸量。

沖壓加工中，塑性變形速度存在會(huì)因材質(zhì)的不同發(fā)生逆轉(zhuǎn)的傾向，所以必須根據(jù)加工的難易隨時(shí)調(diào)整加工的速度。但是在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，是否可以實(shí)施這樣的調(diào)整呢？如圖5所示的傳統(tǒng)機(jī)械式?jīng)_床能夠改變的只是一分鐘內(nèi)的行程次數(shù)，其加工中的速度是不能任意改變的，加工速度的調(diào)整也是不可能的。曲軸式?jīng)_床行程上限的上死點(diǎn)和行程下限的下死點(diǎn)的滑塊速度為零（0mm/s），在行程的中間附近達(dá)到最大速度。拉伸加工是在超過了行程的中間附近以后開始，隨著滑塊向著下死點(diǎn)方向下降滑塊的速度變慢，在下死點(diǎn)變?yōu)?mm/s。

圖5機(jī)械式?jīng)_床的曲軸結(jié)構(gòu)

圖6是行程長(zhǎng)度為50mm的曲軸沖床的上死點(diǎn)任意位置滑塊速度的曲線。在圖中從寫有下死點(diǎn)的地方向左即行程長(zhǎng)度的中點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)，第一個(gè)小方格的間距為5mm。第二個(gè)方格處是下死點(diǎn)上10mm，第三個(gè)方格處是上升到15mm的位置。因?yàn)閳D6為行程長(zhǎng)度50mm的沖床、在下死點(diǎn)上5mm的地方滑塊的速度實(shí)例，并用此來計(jì)算行程長(zhǎng)度為100mm的沖床，在下死點(diǎn)上30mm處滑塊的速度。計(jì)算的結(jié)果行程長(zhǎng)度100mm的沖床，在下死點(diǎn)上30mm處滑塊的速度約為54mm/s，行程長(zhǎng)度約為50mm的沖床，在下死點(diǎn)上5mm處滑塊的速度約為84mm/s。曲軸沖床滑塊在向下死點(diǎn)下降過程中，速度逐漸降低，這個(gè)速度變化是由曲軸機(jī)構(gòu)決定的，不能根據(jù)加工的需要而變化為最合適的速度。

圖6所示曲軸沖床的滑塊是按照三角函數(shù)方法計(jì)算出速度變化來完成滑塊的運(yùn)轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)速度是連桿構(gòu)造的連桿式?jīng)_床滑塊速度，是按照三角函數(shù)法計(jì)算的曲軸機(jī)構(gòu)的速度和連桿計(jì)算法計(jì)算的連桿機(jī)構(gòu)的速度這兩個(gè)速度的復(fù)合運(yùn)轉(zhuǎn)的，可以使加工區(qū)域內(nèi)的速度減慢以減少拉伸破裂現(xiàn)象。但操作人員因不能任意地改變其連桿結(jié)構(gòu)，所以無法任意設(shè)定最適合加工的速度。這對(duì)于機(jī)械式?jīng)_床來說是萬般無奈的，對(duì)此人們顯得束手無策。長(zhǎng)期以來只能是按照沖床的速度，通過調(diào)整模具來進(jìn)行拉伸加工。

圖6滑塊的速度曲線

現(xiàn)在適合大型機(jī)械式?jīng)_床的伺服馬達(dá)已經(jīng)制作成功，伺服式曲軸沖床也已得以實(shí)現(xiàn)。被伺服化的曲軸式的機(jī)械沖床雖然受到曲軸結(jié)構(gòu)的限制，但滑塊的速度可以在相當(dāng)大的范圍內(nèi)任意設(shè)定，其效果已被越來越多的沖壓工作者所公認(rèn)。