提高電機鐵芯精密高速沖壓裝備精度和效率的方法探討

文/李永堅，陳孝海·寧波精達成形裝備股份有限公司

提高電機鐵芯精密高速沖壓裝備精度和效率的方法探討

文/李永堅，陳孝?！幉ň_成形裝備股份有限公司

大噸位、寬臺面雙驅四點超精密高速壓力機及相配套的脫模油缸裝置、自動檢測和自動搬運裝置，可以實現(xiàn)電機鐵芯精密沖壓和自動無人化生產的需要，今后必將得到進一步的應用和推廣。

李永堅，技術副總，壓力機事業(yè)部總經理，主要從事非標機械設備的設計研發(fā)工作，及相關的技術管理工作，作為國家產業(yè)振興項目年生產150臺套智能化微通道生產裝備負責人，參與國家重大專項3000kN寬臺面雙驅四點超精密壓力機的研發(fā)工作，以及多項市區(qū)級科技攻關項目。

伴隨著工業(yè)4.0的到來和自動化、信息化的不斷發(fā)展，電機的使用范圍越來越廣泛，同時，對電機的要求也越來越高。面對石油資源的日益緊缺、二氧化碳排放量增加導致全球變暖的嚴峻挑戰(zhàn)和日益激烈的汽車產業(yè)的競爭，世界各主要汽車生產國紛紛把電動汽車或混合動力新能源汽車的發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略，積極迎接挑戰(zhàn)未來競爭的制高點。電動汽車或混合動力新能源汽車的原動機為高速、低耗、調速范圍寬的大功率電機，同時壓縮機行業(yè)由于國家規(guī)定制冷空調壓縮機需達到二級能耗標準，壓縮機電機的硅鋼片厚度從0.5mm下降到0.35mm，并有繼續(xù)減薄的趨勢。

精密高速沖床的要求

馬達鐵芯作為電機的核心部件，其精度的好壞將直接影響到電機的質量。鐵芯材料越薄，模具中凹凸模之間的間隙就必須越小，相應的對壓力機的精度要求也就越高。工業(yè)電機由于受到成本和沖壓裝備的制約，以前多采用復合模沖壓硅鋼片，但復合模效率低，產品質量難以控制，勞動力綜合成本高，安全性低，正在逐步被多列級進模所取代，同樣對于壓力機的精度也提出了更高的要求。

要滿足上述電機鐵芯沖壓的需求，對于沖壓裝備有以下幾個方面的要求：

⑴壓力機滑塊必須更寬。新能源汽車電機鐵芯外形大（定子外徑達300mm）、形狀復雜、幾何精度要求高，使得級進模具的步距增長、工步增加。為節(jié)約材料、提高效率，定、轉子模具的外形也必須更長，相應地，使用這種模具的高速沖床的滑塊也必須更寬。

⑵壓力機的精密性要求更高。鐵芯沖壓過程中需完成定、轉子的疊片（即通過模具將上一硅鋼片凸出幾個點，并嵌入下一片硅鋼片，使之相連，達到所需數(shù)量后落下）?；瑝K下死點重復精度會影響硅鋼片之間間隙的一致性，引起電機工作時磁通的變化?；瑝K運動的垂直度、剛度、熱變形會影響硅鋼片內外孔的同心度，增大電機噪聲，影響其使用性能。這就要求高速壓力機滑塊具有更高的剛度、更小的工作臺垂直度、更小的綜合間隙和更高的滑塊下死點重復精度。

⑶壓力機的能耗要低?？沙掷m(xù)發(fā)展是人類社會的共同目標，節(jié)能減排是制造業(yè)的迫切要求，有效控制和降低能源消耗，不但滿足國家節(jié)能環(huán)保的要求和目標，還能給企業(yè)帶來顯著的經濟效益。節(jié)能降耗對于壓力機的滑塊運動輕量化、高速化也提出了更高的要求。

總之，在保證質量的前提下，以更高的速度，更高的效率，更小的能耗，更方便的可操作性，實現(xiàn)中央控制，是沖壓行業(yè)的發(fā)展趨勢，是沖壓裝備制造企業(yè)追求的目標。

提高精密高速壓力機性能的方法

針對這種情況，需解決的問題有四個方面：⑴提高壓力機裝備的技術水平，包括精度，可操作性等；⑵提高模具的多列化；⑶實現(xiàn)沖壓過程的自動化；⑷實現(xiàn)信息化和智能化控制，最終達到無人化的水平。

在研究了國內外壓力機發(fā)展水平的前提下，精達公司研制的GD320t寬臺面、超精密新型高速壓力機，以滿足新能源汽車行業(yè)、一體式壓縮機電機等高端電機制造業(yè)對超精密高速沖壓的要求，并為中小電機制造業(yè)產品升級、節(jié)能降耗提供沖壓裝備儲備。新型高速壓力機的各項技術指標達到了國際先進水平，擁有自主知識產權，掌握了新型高速壓力機的核心技術，在高端電機鐵芯制造企業(yè)得到實際應用。

該沖床的核心技術包括雙驅四點施力、四柱頂置油缸滑塊封閉高度調整、超精密導向與下死點精度重復控制等。針對寬臺面方面，模具長度達到了2.3m，因此壓力機的沖壓臺面有1.7m、2.0m、2.3m和2.7m等不同規(guī)格來滿足不同模具的要求。壓力機的沖壓速度可以達到400次/min。沖床采用雙邊驅動四點施力結構，即采用左右各一個電機和離合器進行驅動、滑塊四點施力方式。其原因在于寬臺面壓力機必然長徑比大，若采用普通壓力機的主軸單邊驅動、滑塊兩點施力結構，就難以保證滑塊下死點精度，由于主軸較長，滑塊兩施力點跨度相對較大，單邊驅動會使兩施力點存在較大的相位差，驅動扭矩不能同時傳遞到主軸兩個施力點上，滑塊會出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象，如圖1所示。而新型壓力機采用主軸雙邊驅動形式，使得驅動扭矩可以同時傳遞到主軸的連桿施力點上（圖2），有效解決了這一問題。

圖1 主軸單邊驅動結構示意圖

圖2 主軸雙邊驅動結構示意圖

高剛性是沖床發(fā)展的又一個重要標志，多列級進模的使用，對于沖床的剛性提出了更高的要求。普通壓力機的設計剛度一般在1/6000～1/8000范圍內，部分企業(yè)有采用1/10000的，但是在大噸位高速沖壓過程中，這樣的剛性還是不夠。在沖壓過程中，部分壓力機因為剛性不夠，導致中間一列鉚疊會出現(xiàn)不平整的現(xiàn)象。同時，由于連桿施力點的跨度大，要實現(xiàn)滑塊的高剛度，滑塊設計必然比較笨重，很難實現(xiàn)輕量化。而要實現(xiàn)輕量化，高剛度又很難保證。采用四點施力機構可以同時實現(xiàn)超寬滑塊的輕量化和高剛度。同時，由于滑塊的輕量化，可以減少運動過程中的慣性力，改善了大噸位沖床的電機能量消耗。通過檢測日本AIDA公司的壓力機，發(fā)現(xiàn)其SPM系列的壓力機剛度為1/25000，大大高于普通壓力機的標準。GD320t壓力機按1/30000剛度進行設計。經過實際檢測剛度值為1/31000，完全達到了設計要求。

對于下死點重復精度方面，影響的因素很多，一個主要的因素在于運動過程中所產生的溫升，溫升大，熱變形就大，良好的潤滑系統(tǒng)可以有效的控制溫升，通過控制各個點的流量以及循環(huán)油的冷卻溫度來使得壓機獲得最小化的溫升。另外一方面滑塊的剛度也影響到了下死點精度，上述講的通過四點施力機構，以及滑塊的有限元分析來確?；瑝K在運動過程中的剛性。加速度產生慣性力，在性能優(yōu)良的自動化壓力機上，當滑塊到達下死點時，慣性力就會很大，為了降低慣性力和機構變形對于沖壓精度的影響，需要由合理的質量動平衡去平衡滑塊部件與上模重量所產生的加速度，以提高運動精度以及下死點的重復精度，同時可以減少壓力機的振動和噪音。

壓力機的精度要求也在不斷提高，精密高速壓力機的幾個關鍵指標，如垂直度、平行度、下死點重復精度等均有明確的要求。如按照日本JIS B6402特一級的精度指標，垂直度要求在0.0165mm，在實際測量AIDA公司的SMP壓力機時，其垂直度在0.003～0.004mm之間。

在提高垂直度方面，滑塊上部采用四點導柱導套形式進行導向，滑塊下部采用八棱柱導向副（圖3），一方面可以使導向位置和模具沖壓過程中的材料在同一個水平線上，提高導向精度，另一方面采用滾動摩擦結構取代滑動摩擦，實現(xiàn)零間隙摩擦，進一步提高導向精度。滾動摩擦力要小于滑動摩擦力，因此這種結構的設計可以降低壓力機的能耗，達到節(jié)能的目的。同時，壓力機導向承受偏載，使得導向副摩擦產生熱量，導向受熱膨脹，導向副磨損加劇，影響導向精度。寬臺面由于模具較寬而受到的偏載情況更加復雜，導向副所產生的摩擦熱量更加大。因此，八棱柱的結構有更高的散熱效率，提高了導向的精度。在實際的測試和使用中發(fā)現(xiàn)采用這種導向方式垂直度也可以達到0.003mm，可以滿足精密高速沖壓的要求。

圖3 滑塊導向結構示意圖

頂置油缸的設計一方面可以實現(xiàn)沖壓過程中的壓力機過載保護作用，在發(fā)生過載時，油缸帶動上橫梁自動上升，保護沖床和模具，尤其對于大噸位模具，在低速情況下試模時很容易出現(xiàn)卡?，F(xiàn)象；另一方面由于大噸位沖床的使用，模具的尺寸也越來越大，模具的拆裝對于操作者來說需要耗費大量的體力，由于壓力機的行程只有30mm左右，看不清模具內部情況，廢料也不容易排除，頂置油缸可以將上橫梁提升150mm，極大地方便了操作。

傳統(tǒng)的滑塊封閉高度調節(jié)及過載保護機構均設置在連桿上，連桿采用分段式的球頭結構，增加了產生間隙的環(huán)節(jié)和滑塊重量，其結構復雜，調節(jié)處螺紋承受交變載荷，采用大螺距螺紋，增加了高度調整誤差，且機構分布間距小，高度調整容易出現(xiàn)誤差，會導致壓力機平行度保持性差。而采用蝸輪螺套式滑塊的封閉高度調整，連桿結構簡單，滑塊重量輕，調整機構間距分布大，調整誤差小，并可很好的解決過載保護和滑塊調整范圍受限的問題，如圖4所示。

圖4 滑塊封閉高度調整機構示意圖

在壓力機精度提高的情況下，對于薄材料（即0.35mm厚度的硅鋼片）的實際沖壓過程中，發(fā)現(xiàn)僅僅依靠模具和壓力機的精度提高還不能夠全部解決問題。公司新設計了脫模油缸系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要原理為被動式泄壓，通過上下壓力在產品成品的瞬間進行加壓，而且整個過程中產品都有壓力加壓，從而提高了產品的同心度和端面跳動的精度。首先設定合理的系統(tǒng)油壓（小于沖床沖壓剪切力），油缸活塞上升，缸頭頂住產品，磁感應接收信號沖床開始運行，每沖壓一次，油缸下降一點（被動式泄壓），每次下降行程約和材料厚度一致。當產品達到想要的高度時，氣缸剪切，油缸托著產品下降至模具臺板平面，氣缸推出產品。

實踐證明，這種結構可以有效提高鐵芯的平整度和同心度。目前，國內知名壓縮機廠基本上都在使用該系統(tǒng)，如美芝、三菱、松下、日立、春蘭等。以美芝為例：厚度為85mm的鐵芯產品不經油壓整形，同心度檢測3個點，轉子每個點都在0.04mm以內，定子在0.06mm以內。

電機鐵芯的沖壓實現(xiàn)了自動鉚疊，其廢料的出料實現(xiàn)了自動化，定子和轉子通過輸送帶進行液壓整形，通過高度檢測或稱重的方式實現(xiàn)了自動檢測，不合格的自動排除，合格的通過自動搬運機械手進行自動搬運、自動堆放，達到無人化的生產方式，如圖5所示。對部分外形尺寸通過圖像識別系統(tǒng)進行判別，同時通過電腦控制系統(tǒng)，對沖壓運行時間、故障時間、生產速度進行自動記錄，實現(xiàn)中央控制，不再需要進行人工統(tǒng)計和計算，真正實現(xiàn)無人化生產。

圖5 國內某電機鐵芯生產現(xiàn)場的自動化示意圖

結束語

從以上分析我們可以得出結論，目前大噸位、寬臺面雙驅四點超精密高速壓力機及相配套的脫模油缸裝置、自動檢測和自動搬運裝置，可以實現(xiàn)電機鐵芯的精密高速沖壓和自動化生產的需要，今后必將得到進一步的應用和推廣。