伺服沖床的構(gòu)造及使用方法全析（連載七）

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（連載七）

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

伺服沖床的加工效果和滑塊的運轉(zhuǎn)模式

使用伺服沖床加工的異形沖壓件

伺服沖床因其驅(qū)動的構(gòu)造或公稱能力的不同，滑塊的速度設(shè)定受到一定制約。以汽車為例，大型貨車的發(fā)動機功率會超過1000kW，車身自重和裝載的重量都很重，其急加速和緊急停止都比較困難，停止的距離需要很長。但是，車體自重在1000kg左右的小型汽車即使只有200kW左右的發(fā)動機，從0（停止?fàn)顟B(tài)）達(dá)到400m的距離只需要4～5s的時間，加速距離和緊急停止距離都很短。

伺服沖床也一樣，滑塊重量很大的大型沖床即使使用2～4臺200kW的伺服電機，它的運轉(zhuǎn)能力也遠(yuǎn)不及2000kN公稱能力的小型沖床。

連載六中介紹的成形部品是用2000kN的小型沖床加工，但是如圖1所示大型貨車的油箱（制振鋼板，板厚是1.2mm）這樣的部品，尺寸大、拉深深度也深，加工用的沖床也就必須要大型沖床的。如果仍然使用連載六提到的滑塊振動模式來完成這種零件成形，所需要的循環(huán)時間就會很長，沖床的運轉(zhuǎn)模式已經(jīng)不是振動模式，可以叫做波形模式了。

圖1 大型貨車的油箱

圖1是裝在發(fā)動機下面的油箱，用油泵把油箱里面的發(fā)動機油壓送到軸承等處進(jìn)行潤滑。如圖1所示，部品的前后左右都不對稱，①、②、③部位的拉深深度也都各不相同。部品的最大拉深深度有210mm，這不是一次能夠拉深成的。第一次拉深是加工圖1中的A、B、C面的連接面，這個凸面在拉深加工中很容易發(fā)生皺褶，因此拉深的深度要達(dá)到不容易發(fā)生皺褶的M線（即點線）的位置。同樣道理，第二次拉深的深度要達(dá)到N的虛線位置，第三次拉深的就要達(dá)到產(chǎn)品深度也就是P的點畫線位置，見圖2、3、4。第一次拉深部位不在落料板材的中間，對中心是有偏移的。這樣，其他拉深部分的凸模也不是在模具中間，拉深時受力，就會夾在凸模中心處而造成偏心負(fù)荷或者偏心受力。

圖2 第一次拉深

圖3 第二次拉深

圖4 第三次拉深

偏心負(fù)荷使滑塊傾斜，上模下降與下模接觸的一瞬間上模和滑塊都處于傾斜狀態(tài)，上模與下模不能保持平行，會導(dǎo)致拉深發(fā)生皺褶。拉深過程，是需要下面的模具緩沖器產(chǎn)生的壓力把落料板材壓緊過程中進(jìn)行的，若滑塊和上模傾斜了，那么支撐在落料板材下面的墊板也就會隨之傾斜。結(jié)果就會使處于偏心位置的凸模周圍不能被正確地按壓著，從而產(chǎn)生拉深過程中的皺褶或者引起材料的斷裂。并且，長方形的落料板材在偏心位置進(jìn)行拉深時，凸模周圍的邊緣寬窄會產(chǎn)生大量差別。在周邊邊緣大小等量時，按壓力的作用是比較容易發(fā)揮的。但如圖2所示的第一次拉深，在邊緣寬的地方所產(chǎn)生的伴隨板材被拉深時的滑動抵抗明顯大于邊緣小的地方，所以邊緣小地方的材料被拉深的量就會加大。相反，邊緣較大地方的材料滑動量較?。ㄔ诒疚闹袔缀鯖]有滑動），材料就會被充分地拉深。如果是一般的拉深性能不好的鋼材，就會在凸模的轉(zhuǎn)角部位發(fā)生破裂以致不能成形。本文提到的制作部品油箱使用的是拉深性能很好的“超深度拉深的鋼板”。

邊緣的寬窄使材料被拉深的量產(chǎn)生了差別，拉深件的壁厚也就變得不均勻。圖1所示的①前面部分（邊緣的部分較多）材料的滑動就很少，而反面的邊緣量較小時，材料的滑動量就會較大。

近期在模具的設(shè)計上采用了成形模擬（CAE解析）可以事前預(yù)知可能發(fā)生問題的部位，這就可以通過利用局部開孔槽等方式來控制拉深時的成形速度。即使是沒有進(jìn)行CAE解析，也可以在試模時通過反復(fù)修正模具的方法來調(diào)整模具緩沖裝置的頂料銷配置來克服滑動阻力，避免試模中皺褶、破裂的產(chǎn)生。利用伺服沖床對這樣大的、容易發(fā)生偏心負(fù)荷的異形部品進(jìn)行拉深加工時，也可實現(xiàn)軟性接觸，這對抑制模具緩沖裝置的振動有很好的效果，可大幅度地減少模具的修正或模具緩沖裝置頂料銷的調(diào)整工作。

第2次拉深要到圖1的N點線位置。因為第一次拉深成形的方筒形部分不能按壓，就要用第二工位的凸模蓋住第一次拉深的部分，防止在第二次拉深時發(fā)生皺褶和形狀變形，第2次拉深的方法就可以很好地活用伺服沖床的軟性接觸的機能。

圖5 整形工位

第3次拉深要到圖1虛線P位置（部品的邊緣）。圖5是整形工位，在凹模圓角處進(jìn)行拉深加工時，由于折彎和回彈的作用拉深阻力很大，很容易在彎角處產(chǎn)生小范圍的燒結(jié)。所以，拉深的凹模轉(zhuǎn)角半徑或凸模的轉(zhuǎn)角半徑都在板厚的8倍以上。而且，一般來說它的半徑一定要比產(chǎn)品的轉(zhuǎn)角半徑大。這樣就必須在最后拉深工位或下一個工位里，使拉深轉(zhuǎn)角的半徑要達(dá)到產(chǎn)品的要求，這個工位就被稱為整形工位。

看上去，圖5和圖4的形狀是一樣的，實際上圖5部品的凸緣半徑和拉深的圓角半徑都是經(jīng)過整形加工的。雖然是增加了一點點的拉深加工，但是產(chǎn)品的張力就顯現(xiàn)出來了，在方形筒拉深中比較容易出現(xiàn)的長筒壁凹陷問題也得到了緩解。整形工位的后面是要把多余的凸緣切斷、開孔、邊緣折彎，接下來還要在邊緣的平坦處刻上印記（壓?。酱藳_壓加工結(jié)束，加上落料的工序整個部品的加工需要9個工位。

伺服沖床在異形部品加工時的滑塊運轉(zhuǎn)模式

如果我們只看到上面成功的例子，就可能會認(rèn)為從一張平平的板材逐漸變形成立體形狀是沒有問題的，在大多數(shù)的情況下這種方法是正確的。但是在對異形部品進(jìn)行加工的情況下，就不一定是完全正確的了。在連載六中提到的部品中，從平板拉深開始，在很多地方都會出現(xiàn)材料的剩余，在剩余的材料內(nèi)部存在壓縮應(yīng)力，在壓縮應(yīng)力的作用下沿著平板邊緣就會出現(xiàn)皺褶。在以后的拉深加工中，如果應(yīng)力由壓縮變成拉深時，由材料的剩余而產(chǎn)生的皺褶就可能被拉開。而此時被壓住的邊緣部分，就會產(chǎn)生很強的拉深滑動的抵抗。也就是壓板作用適度，這樣因材料的多余而產(chǎn)生的皺褶就拉深消解了。但如果拉深量少的情況下，這樣的皺褶就不能消解，這就會產(chǎn)生連載六中的胴體皺褶。這樣的皺褶一旦產(chǎn)生就不能消除，所以首先要抑制皺褶的產(chǎn)生。有時，由于材料的余量較多就會發(fā)展成重疊皺褶，就會成為模具被破壞的原因。有時雖然皺褶沒有重疊，但是皺褶依舊存在或者板厚明顯增加，以致超過了凸模和凹模的間隙，使模具發(fā)生咬死現(xiàn)象也同樣會導(dǎo)致模具損壞。

連載六中的伺服沖床滑塊運轉(zhuǎn)模式，是只要讓滑塊在拉深過程中稍稍抬起一點點，就可能改善凹模表面和材料間以及壓板與材料間的摩擦和潤滑。所謂稍稍的抬起，是不需要整個拉深的長度，只需要凸模頂部和成形部品內(nèi)部頂端間有一個縫隙，此時壓板的邊緣是不能有間隙的。凸模頂部和成形部品內(nèi)部頂端之間形成縫隙，說明被拉深的凹模轉(zhuǎn)角部的材料張力被釋放了。這樣潤滑油就可以順利地進(jìn)入到凹模的轉(zhuǎn)角部，為拉深用油得到了補充，也就是說拉深加工可以在適當(dāng)?shù)臐櫥瑺顟B(tài)下進(jìn)行。

皺褶一旦產(chǎn)生，要想通過以后的拉深使其全部消除是非常困難的。即使是消除了也會留下皺褶的痕跡，作為產(chǎn)品來說，無論外觀和品質(zhì)都會下降，如果是有涂層或鍍層的材料還會增加表面缺陷。

伺服沖床在高張力鋼板材料部品加工時的滑塊運轉(zhuǎn)模式

時代的發(fā)展要求既要實現(xiàn)汽車的輕量化又要保證高度安全性，高張力、高強度材料的使用日益增加，今后還會繼續(xù)增加。最近拉深強度超過1200MPa、甚至超過1800MPa的材料已經(jīng)開始使用在汽車車體的部件上。具有彈簧特性的材料，往往是經(jīng)過沖壓加工后從模具中一將成形品取出來，就會出現(xiàn)50％以上的反彈。而且，用于大量生產(chǎn)加工的模具材料的拉深強度，最少需要在被加工材料的5倍以上。在模具上用的最多的材料是SKD11（日本工業(yè)規(guī)格JIS）。SKD11的壓縮強度大約是3100MPa，這種模具材料并不適合做上文提到的高強度材料。這種情況下可以考慮使用超微粉末冶金SKH51的相當(dāng)品（淬火硬度大約在65HRC以上），再做一下表面處理，鍍上高硬度的鍍層或超硬合金的鍍層。但是，即使是使用這種材料的模具進(jìn)行加工成形，也不能消除回彈現(xiàn)象。因此，最近一種利用熱加工方法的熱沖壓或熱成形工藝已開始受到關(guān)注。

通過圖6可以看到，即使是強度材料在超過800℃時其強度就會降低，所以高強度鋼板在加熱到1000℃左右可以放到模具內(nèi)進(jìn)行沖壓成形。一般的沖壓加工滑塊只是在下死點通過，這樣加工的部品形狀不能穩(wěn)定。要在下死點附近給成形部品加壓，就要讓沖床短時間停止。在數(shù)十秒的加壓停止時間里，成形材料被冷卻，起到熱處理淬火的目的，使形狀得到固定，這就是目前被叫做熱成形或熱處理成形的加工方法。

圖6 鋼材的材料強度對溫度的依存度

在這里必須提醒大家注意，我們在以前就講到過伺服沖床中有可以進(jìn)行加壓停止的也有不能實現(xiàn)加壓停止的，因此不是所有的伺服沖床都可以進(jìn)行這種熱成形加工。

對于強度不是很高的400～600MPa級別的高張力鋼板使用伺服沖床的壓痕模式，進(jìn)行0.3～0.5s的加壓停止就可以使形狀固定。還可以使用向下死點的方向每次下壓0.1mm，一直到下死點的加壓停止方法進(jìn)行加工。

可想而知，上面所講的沖壓加工對伺服沖床來說也都是非常嚴(yán)峻的，能夠進(jìn)行這樣作業(yè)的沖壓機械必須具備以下特性：

⑴靜態(tài)精度在1級～特級之間。靜態(tài)精度是沖床在不加任何負(fù)荷的情況下進(jìn)行精度測量的規(guī)格，這個精度意味著沖床的運轉(zhuǎn)部分的間隙要小，這樣才能如實地按照伺服控制的指令動作。

⑵動態(tài)精度高（剛性好）。到目前為止還沒有一個國家制定動態(tài)精度的規(guī)格，但是對于要承受沖擊負(fù)荷又要具有很高精度的沖床來說只有良好的靜態(tài)精度顯然是不夠的。動態(tài)精度也可以簡單地被表述為沖壓機械的彈性變形要小，彈性變形所涉及的幾個方面，包括：機架的伸長；底座、冠頂、滑塊、曲軸等的彎曲凹陷；滑塊連桿、滑塊調(diào)整螺紋、工作臺、底座、滑塊及立柱等的壓縮量。

⑶驅(qū)動軸、齒輪類的變形或間隙要小。

⑷性能良好的伺服電機。一臺性能良好的伺服電機并不是只會改變速度的特性，而是要具有減速能力高、能夠在短時間內(nèi)實現(xiàn)加速和減速的要求等。

⑸穩(wěn)定便捷的操作控制系統(tǒng)。這一點是對傳統(tǒng)沖床的控制系統(tǒng)的一個挑戰(zhàn)和突破，既要從實用性、穩(wěn)定性和安全性上全面考慮，又要充分發(fā)揮伺服電機的特性來滿足不同沖壓的特殊要求。許多廠家都在擺脫傳統(tǒng)模式的思維方式，不斷地創(chuàng)新來開發(fā)獨資的軟件系統(tǒng)，眾多廠家都各有特點和所長。但是，還沒有一個完全成熟和得到市場完全公認(rèn)已經(jīng)成功的軟件控制系統(tǒng)，更談不上統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。因此，大家都對這方面的突破抱著很大的期望。

因此，只有同時具備了這些特性的沖床才能算好沖床。如果在短時間內(nèi)進(jìn)行加速、減速的特性不夠好的話，就不能進(jìn)行振動模式或壓痕模式等這樣頻繁地正反轉(zhuǎn)交替變換的沖壓加工。