伺服沖床的實(shí)際應(yīng)用（連載二）

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

伺服沖床的實(shí)際應(yīng)用（連載二）

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

伺服沖床的出現(xiàn)使得高強(qiáng)度鋼板的沖壓加工變得容易

在金屬加工中，屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度的比值叫做屈服比，屈服比越大越適合拉伸加工。SPC鋼材的屈服點(diǎn)強(qiáng)度（σy）是拉伸強(qiáng)度（σt）的45%～50%，當(dāng)加壓力超過屈服點(diǎn)時(shí)，材料就開始進(jìn)入到永久變形，也就是加工變形開始進(jìn)入到了塑性變形區(qū)域。在計(jì)算沖壓加工所需要的能力時(shí)，一般采用材料拉伸強(qiáng)度的80%，也就是說沖壓加工是在材料拉伸強(qiáng)度的45%～80%間進(jìn)行。屈服比的數(shù)值越小、屈服強(qiáng)度越低的材料，所需的沖壓力就相對更小。

汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，使減低能耗、減少污染的呼聲日益升高，使得汽車的輕量化成了汽車行業(yè)非常重要的研發(fā)課題。因此，汽車上越來越多的零部件開始使用高強(qiáng)度材料，以日本轎車為例，普通轎車車體骨架上使用了高強(qiáng)度鋼材的部位，如圖1所示。其中，立柱是一個(gè)非常重要的部件，既要支撐車頂又要防止側(cè)面的沖擊以保護(hù)車廂內(nèi)駕駛員的安全，被安裝在與車門連接的合頁、車鎖、保險(xiǎn)帶等，同時(shí)還要承受車門的重量，具有存放保險(xiǎn)帶的空間的功能，外形美觀也非常重要，所以立柱是一個(gè)不可缺少的重要部件。從防止側(cè)面沖擊角度，立柱的形狀直接關(guān)系到能夠吸收多少?zèng)_擊能量，也就是其具有的抗沖擊性能，立柱彎曲程度的斷面形狀也是根據(jù)駕駛員最需要保護(hù)的部位和能最大程度地吸收沖擊力設(shè)計(jì)出來的，因此立柱是一個(gè)形狀復(fù)雜、非常難加工成形的部件。

圖2、3所示是中間立柱和中央部位的斷面形狀，為提高零部件的剛性和安全性，只能通過加厚材料使零部件的重量增加。為達(dá)到輕量化的要求，在這些重要部位的原材料逐漸開始采用高強(qiáng)度鋼板。高強(qiáng)度鋼板的成形主要有三種方式。

圖1 轎車骨架中高強(qiáng)度鋼板的使用部位和比率

圖2 中間立柱

圖3 中間立柱的中央部斷面

強(qiáng)大的按壓力成形（深拉深）

由于高強(qiáng)度鋼板的拉伸強(qiáng)度很大，具有像彈簧一樣返回成形前形狀的回彈性能，要得到理想的成形形狀就必須克服回彈，如圖4所示的就是附加了按壓力的拉深成形原理。在加工過程中，材料被施加足夠的拉伸應(yīng)力，這個(gè)拉伸應(yīng)力又必須要?dú)埩簦諝馐侥＞呔彌_裝置的按壓力不夠，還可以使用油壓式模具緩沖裝置或在模具上設(shè)計(jì)邊緣鎖定或附加機(jī)械式加壓并用等的方法。但邊緣鎖定很大的缺點(diǎn)就是材料利用率不好，通過邊緣鎖定槽的高強(qiáng)度材料，在壓邊的邊角處受到強(qiáng)烈的摩擦和錯(cuò)動(dòng)。因此，在模具選材時(shí)，要選用硬質(zhì)合金或者經(jīng)過表面處理過的SKH51類高速工具鋼。

加熱成形（熱間成形）與驟冷成形（淬火成形）

圖4 附加按壓力的拉深成形原理

沖壓加工的過程實(shí)際上就是塑性變形的過程，要材料變形就必須對材料施加超過屈服點(diǎn)的變形應(yīng)力，但是變形應(yīng)力過大到接近拉伸強(qiáng)度的時(shí)候材料就有破裂的危險(xiǎn)。由于高強(qiáng)度鋼板的屈服點(diǎn)很高，可達(dá)到拉伸強(qiáng)度的80%～90%，所以是很難加工的金屬材料。實(shí)際的沖壓生產(chǎn)中，一般采用的方法有2種：一是材料加熱，使材料拉伸強(qiáng)度降低的拉伸加工方法；二是在加熱的模具中拉伸，再使模具急劇冷卻形成淬火，使被加工的成形品固定，通常稱為驟冷成形的加工方法。

鋼材能否淬火是由鋼材的含碳量來決定的，一般來說含碳量沒有達(dá)到0.35%以上就不能進(jìn)行淬火。但并不是說只要含碳量達(dá)到0.35%以上的材料，采用加熱后成形的方法就可以得到理想的成形品，這是因?yàn)榇慊鸷蟛牧系难由煨詴?huì)下降、會(huì)變脆，對安全性要求很高的支柱加工不適用。適合做立柱的材料，是將含碳量保持在低碳鋼的水平，通過熱處理（加熱和急冷）使其硬度提高，并且再添加特殊的元素來保持應(yīng)有延伸性的鋼板。

大家都知道，與只有砂土和水泥的混合土相比，砂土、水泥再加上小石子混凝土的強(qiáng)度就會(huì)增強(qiáng)許多。鋼板也是同樣，與結(jié)晶非常均勻、圓滑的材料相比，結(jié)晶的形狀不均勻或形狀各異的材料變形會(huì)比較困難，高強(qiáng)度鋼板的強(qiáng)度和硬度提高就是利用了控制結(jié)晶顆粒的方法。使材料析出不均勻結(jié)晶顆粒的方法是在低碳鋼里加入微量的鈦或硼、調(diào)解壓延過程中或壓延后的溫度等，從而得到高強(qiáng)度的鋼板。加熱成形或驟冷成形方法，就是把這種經(jīng)過了結(jié)晶顆粒控制的板材加熱到1000℃再進(jìn)行拉伸加工，并且要沖床滑塊在下死點(diǎn)停止。也就是說在高溫材料進(jìn)入模具后施加壓力并持續(xù)一定的時(shí)間，能夠滿足這樣條件的只有油壓式?jīng)_壓機(jī)和伺服沖床。

模具的自然冷卻不能達(dá)到模具淬火的效果，且1000℃左右的材料在模具里長時(shí)間的滯留，會(huì)對模具壽命產(chǎn)生很大的影響。因此，要對模具采取積極的降溫措施，如模具中設(shè)置水路讓冷卻水在模具內(nèi)流動(dòng)，以此來吸收模具熱量。在模具緊密閉合時(shí)，被加工的零件已成形，即使模具打開后也不會(huì)產(chǎn)生回彈現(xiàn)象，是保持被加工制品形狀驟冷凍結(jié)有效的成形方法。在注塑成形的工藝中也有需要進(jìn)行模具冷卻的，但是塑膠成形的模具溫度是120～150℃，塑膠成形模具的冷卻方法遠(yuǎn)不能滿足金屬成形模具的需要，尤其是容易產(chǎn)生回彈的凸角、凹角，是最需要實(shí)行形狀凍結(jié)的重點(diǎn)部位，對這些部位實(shí)行嚴(yán)格的溫度控制非常必要。在科學(xué)技術(shù)迅速進(jìn)步的今天，已經(jīng)可以通過CAE軟件來解析模具中的水路的位置、水管的尺寸、水量以及流速等，有利于提高冷卻的效果。

成形完成后要把被加工的部件從模具中取出來，這時(shí)加工部件的溫度雖然會(huì)下降到不再發(fā)生結(jié)晶結(jié)構(gòu)能夠變化的溫度，即使是厚度較大的部件形狀上不會(huì)再有變化，但是溫度仍然達(dá)不到用手工操作把它從模具中取出的程度，因此必須實(shí)行自動(dòng)化，用機(jī)械手將其取出。

在解決了以上問題后，還要考慮模具在高溫狀態(tài)下加熱、冷卻，反復(fù)進(jìn)行很快就會(huì)產(chǎn)生疲勞，這將加速模具的損傷速度，不但影響與高溫材料直接接觸的模具表面，還可能會(huì)影響到模具內(nèi)部。此外，還要考慮到金屬的熱膨脹對模具的影響，100mm長的金屬每升高1℃就要伸長1μm，如果模具是1000mm，溫度升高1℃，模具就會(huì)變化0.01mm或10μm，模具的溫度從開始加工的500℃到取出制品時(shí)的200℃，其溫度差是300℃，模具的長度變化就會(huì)達(dá)到30mm。一個(gè)沖壓部件的變化如果達(dá)到30mm，這個(gè)成形品的精度一定不合格。解決這個(gè)問題的辦法，就是不要讓模具到達(dá)500℃，具體方法是把1000℃高溫的材料放入模具立即沖壓迅速地取出，盡量抑制模具溫度的升高。從這一點(diǎn)來說，機(jī)械式伺服沖床比油壓式?jīng)_床具有更好的優(yōu)勢。

加壓停止

圖5 高溫加熱材料在模具內(nèi)的狀態(tài)

沖壓加工實(shí)際上就是塑性變形原理，在外力的作用下使金屬結(jié)晶顆粒產(chǎn)生移位，金屬發(fā)生變形，移位后的結(jié)晶構(gòu)造是不能恢復(fù)到加壓前狀態(tài)的，就是說金屬產(chǎn)生了塑性變形。只要是結(jié)晶顆粒產(chǎn)生了移位就是產(chǎn)生了塑性變形，這與加工件的寬窄、長短以及薄厚沒有關(guān)系。與加工件的寬窄、長短以及薄厚有關(guān)系的是，造成結(jié)晶移位的力和能量，沖壓加工中首當(dāng)其沖要考慮的就是必須要有足夠的能量。金屬結(jié)晶體的移位速度并不是像光速那樣快，一般認(rèn)為是每秒幾毫米到幾百毫米，因此大的變形不能在瞬間完成，需要一定的時(shí)間，高強(qiáng)度鋼板就更是如此。而且，隨著沖床滑塊的下降，上模和下模接觸發(fā)生沖擊的一瞬間開始沖床本身和模具就開始了振動(dòng)，直到振動(dòng)被吸收、停止需要數(shù)秒鐘的時(shí)間，連續(xù)的沖壓加工是在沖床機(jī)械的振動(dòng)還沒有停止的狀況下又開始了下一個(gè)的沖壓加工的狀態(tài)。

本文提到的結(jié)晶體移位和沖床及模具的振動(dòng)從兩方面考慮，最理想的狀態(tài)是在加壓狀態(tài)下瞬間停止。當(dāng)然，并不是停止的時(shí)間越長取得的效果就越好，一般金屬材料處于加壓狀態(tài)，也就是說滑塊在下死點(diǎn)附近（包括下死點(diǎn)）停止0.2～0.5s，使材料的結(jié)晶體移位開始產(chǎn)生到移位完全結(jié)束，模具打開就可以得到精度優(yōu)良的成形品。這就是常說的“加壓停止”。

當(dāng)然實(shí)行了加壓停止也不能完全消除回彈現(xiàn)象，還會(huì)有一定量的回彈存在，但與一般機(jī)械式?jīng)_床的滑塊不能在下死點(diǎn)停止的沖壓加工制品相比，成形精度會(huì)得到大大地提高。越是高強(qiáng)度鋼板的加工，越能顯現(xiàn)出加壓停止的效果，也就是說越能體現(xiàn)出伺服沖床的效果。使用在沖床上的伺服電機(jī)種類很多，部分不能實(shí)現(xiàn)加壓停止電機(jī)的沖床，雖然也叫伺服沖床，但是不具備加壓停止的功能。因此，在進(jìn)行沖床選型時(shí)要特別注意如何選擇合適的伺服沖床。