高速精密數(shù)控沖床的發(fā)展現(xiàn)狀及其綜合性能評定方法

彭斌彬，王向前，劉宏振

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

高速精密數(shù)控沖床或者高速壓力機是一種高效、精密的沖裁成型裝備，廣泛應用在電機定轉子和變壓器鐵芯、空調熱交換器翅片、電連接器、IC引線框架等零件(圖1)的加工中。高速精密沖床從誕生到現(xiàn)在已有100多年的歷史，美國亨利拉特公司于1910年設計并制造了世界上最早的高速壓力機，當時沖壓行程次數(shù)為200～300次/min(SPM)。

圖1 高速精密沖床加工的零件

近年來，高速沖壓技術不斷向高速化、精密化和智能化方向發(fā)展，涌現(xiàn)出許多高速和超高速壓力機。這些高速和超高速壓力機的提法一般僅根據(jù)行程次數(shù)單一技術指標來定義，目前就如何劃分高速壓力機與普通壓力機一直不是很明確。日本一些公司對600kN以下的小型精密壓力機按行程次數(shù)分為4個等級：常速(<250SPM)，次高速(250～400SPM)，高速(400～1000SPM)和超高速(>1000SPM)[1]。中國鍛壓協(xié)會根據(jù)現(xiàn)代技術及發(fā)展趨勢，考慮到高速壓力機的行程次數(shù)目前最高已達4000SPM，認為按超高速(>1500SPM)，真高速(800～1500SPM)，準高速(250～800SPM)劃分更為科學[2]。國內(nèi)徐州鍛壓機床廠集團公司和濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司共同起草《閉式高速精密壓力機技術條件》，按公稱壓力和滑塊行程次數(shù)對高速沖床進行劃分。對公稱壓力800kN以下的沖床，其行程次數(shù)超過400SPM稱為高速壓力機；對公稱壓力800～3150kN的沖床，其行程次數(shù)300SPM以上稱為高速壓力機；對公稱壓力3150～6300kN的沖床，其行程次數(shù)200SPM以上稱為高速壓力機；對公稱壓力6300kN以上的沖床，其行程次數(shù)100SPM以上稱為高速壓力機[3]。

為了科學評價高速機械壓力機在不同平衡原理、不同結構參數(shù)下的慣性力平衡效果，趙升噸等[4]定義了一種表達慣性力敏感程度的慣性力因子，以此比較了國內(nèi)外不同原理結構的高速壓力機慣性力平衡效果的好壞。這一慣性力因子雖然不能直接評價高速壓力機整機綜合技術性能，只是評估了其動平衡效果，但是其也給出了一個重要的啟發(fā)：慣性力、行程次數(shù)、滑塊行程和沖壓滑塊質量等多參數(shù)相互耦合。因此，高速機械壓力機的綜合性能也需要多參數(shù)來進行評定。

另外，盡管小噸位高速精密壓力機滑塊行程次數(shù)已達到3000～4000次/min，但大噸位高速精密壓力機主沖壓滑塊質量大導致其慣性力也很大，滑塊行程次數(shù)達到500次/min時運行過程中不平衡現(xiàn)象明顯增加，會出現(xiàn)劇烈晃動，并造成下死點動態(tài)性能惡化[5]。大噸位精密壓力機每分鐘的滑塊行程次數(shù)要比小噸位壓力機的滑塊行程次數(shù)低得多，但制造的技術難度反而大大提高。很顯然大噸位高速精密壓力機比很多小噸位高速精密壓力機綜合性能高，如果只是簡單根據(jù)滑塊行程次數(shù)(SPM)單一技術指標來判斷是不是高速壓力機明顯是不合適的。高速只是一個相對概念，必須結合其他技術參數(shù)加以劃分，如何劃分高速沖床和普通沖床各國還沒有形成統(tǒng)一的標準。

高速精密沖床的下死點動態(tài)重復精度會隨工作轉速和環(huán)境溫度的升高而向下漂移，導致沖壓模具閉模高度的位置(下死點)不好確定。閉模高度偏高會形成過沖，模具易損壞且機身負載增大；閉模高度偏低又會造成沖裁力不夠，沖壓件的成型質量達不到要求而出現(xiàn)廢品。因此下死點動態(tài)精度也是高速壓力機的一個非常重要的技術參數(shù)，很多研究者對此開展了深入的研究[6-16]。不同噸位的高速沖床應用領域略有差異，一般來說大噸位(公稱沖壓力600kN以上)高速精密沖床用來加工變壓器和電機定轉子鐵芯等精度相對低一點的沖壓件，而小噸位(公稱沖壓力600kN以下)高速精密沖床用來加工電連接器和IC引線框架等高精密沖壓件。因此各高速壓力機制造企業(yè)在產(chǎn)品技術指標上很多時候不將下死點動態(tài)重復精度進行標注，而主要標注公稱壓力、行程和行程次數(shù)三個性能參數(shù)，外加裝模高度調整值、工作臺面以及動力參數(shù)等。

本研究主要聚焦在高速沖床的分類判定及大體性能的評定上，所以重點關注高速壓力機公稱壓力、行程和行程次數(shù)三個參數(shù)。

1 國內(nèi)外的高速壓力機的發(fā)展現(xiàn)狀

由于高速壓力機是沖壓行業(yè)的重要裝備，國內(nèi)外的許多企業(yè)都致力于其技術的研究。按機身結構不同，高速壓力機分為開式和閉式兩種。開式結構的機身通常擁有較大的喉深，能夠加工更大尺寸的工件，多數(shù)開式壓力機機身采用整體式設計，結構簡單、造價低，但剛度也低，工作負載下易變形，加工精度低，模具壽命短。閉式結構的機身為封閉框架結構，能夠保持很高加工精度。對大型閉式結構高速壓力機而言，機身采用組合設計，不僅可以獲得更高的承載能力，也便于機身零件的加工和運輸。

按運動原理分類，主要包括曲柄滑塊式和多桿式兩種類型，極個別為正弦機構，亦稱無連桿機構(例如精達開發(fā)的GC及GD系列高速壓力機)，本研究將正弦機構歸于曲柄滑塊式這類中。眾多高速壓力機中以曲柄滑塊式的產(chǎn)品為主，已從單點、雙點逐漸發(fā)展到三點、四點。目前國內(nèi)大部分的高速壓力機產(chǎn)品采用的是曲柄滑塊結構，國外公司對多連桿機構進行了深入研究和實際應用，并各具特色。如Burderer公司BAST系列杠桿式機構，YAMADA DOBBY的NXT和MXM系列采用雙連桿機構，Nidec-kyori的MACH系列、ANEX系列及其改進系列均采用多連桿結構。

另外高速壓力機還可按其他方法劃分，比如按主滑塊支撐點數(shù)量分為單點式和雙點式(或多點結構)；按傳動類型分為上傳動和下傳動兩種結構，但目前上傳動式壓力機逐漸發(fā)展為主流。不同結構的高速壓力機具有不同的結構特點，其性能上也略有差異。

高速精密沖床按機身結構及其所采用的主驅動機構總體可以分為開式曲柄滑塊式、閉式曲柄滑塊式、閉式多桿式三大類，機身是“C”型結構為開式，機身為封閉結構為閉式。本文據(jù)此對高速壓力機進行劃分，這三類高速壓力機的產(chǎn)品外形大致如圖2所示。

圖2 不同結構的高速壓力機

1.1 開式曲柄滑塊式高速壓力機

國外開式曲柄滑塊高速壓力機產(chǎn)品較少，該類產(chǎn)品主要集中在國內(nèi)。國內(nèi)除徐鍛集團外，揚鍛、揚力集團和寧波米斯克陸續(xù)推出了多款開式高速壓力機系列產(chǎn)品。揚鍛YHA系列(公稱壓力250～600kN，滑塊行程30mm)采用肘桿彈簧平衡裝置，其在公稱壓力250kN、滑塊行程30mm時滑塊行程次數(shù)達到800SPM，在相同行程、公稱壓力600kN時滑塊行程次數(shù)達到600SPM。揚鍛YKC系列噸位較大，在公稱壓力1600kN、滑塊行程80mm時滑塊行程次數(shù)達到200SPM。揚力的SHC-25在行程20mm時滑塊行程次數(shù)達到了1000SPM；揚力的SHC-45在行程20mm時滑塊行程次數(shù)達到了800SPM。寧波固安力GS系列公稱壓力為300～800kN，滑塊行程在20～50mm之間，其中GS-30在滑塊行程為20mm時滑塊行程次數(shù)可達900SPM。

臺灣地區(qū)開式高速壓力機最具代表性的為瑛瑜Civic系列和振力C系列高速壓力機，不僅涵蓋了多個噸位與行程，而且行程次數(shù)能夠達到1000SPM。瑛瑜Civic系列公稱壓力為250～450kN，其中250kN和450kN的高速壓力機在20mm行程時滑塊行程次數(shù)分別能夠達到1200SPM和1000SPM，在40mm行程時依然能達到800SPM和700SPM。振力C系列(包含C、CP、CD三種不同型號)開式高速壓力機的公稱壓力范圍更廣，從150kN至800kN并包含20～50mm多個行程。其中，CP為油壓鎖模，只需轉動開關就可放開鎖模調模，因此可以大幅減少調模的時間。CD為油壓鎖模+動態(tài)平衡，省力又可把噪聲降至最低。C25T/CP25/CD25公稱壓力為250kN，在滑塊行程20mm時行程次數(shù)達1000SPM。在800kN領域，其CP80/CD80型25mm行程時行程次數(shù)為600SPM，40mm時為400SPM。開式曲柄滑塊高速壓力產(chǎn)品主要技術性能參數(shù)見表1。

表1 開式曲柄滑塊式高速壓力機主要性能參數(shù)

1.2 閉式曲柄滑塊式高速壓力機

國外制造閉式曲柄滑塊式高速壓力機的企業(yè)主要有德國Schluer、美國Minster、日本AIDI、KYORI、Yamada-Dobby等，其產(chǎn)品的性能水平相當高。在這些企業(yè)所生產(chǎn)的高速壓力機中，噸位最大的為Minster生產(chǎn)的E2HF型高速壓力機，其公稱壓力達到5400kN，并有30mm、35mm和40mm三個行程系列，滑塊行程次數(shù)達到225～300SPM。其蜂鳥(Hummingbird)系列HB2-60型550kN閉式雙點超高速壓力機，行程次數(shù)達到1600SPM，而隨后開發(fā)的HB2-30型270kN閉式雙點超高速壓力機的行程次數(shù)進一步提高到2700SPM。日本票本鐵工所引進瑞士ESSA技術制造的600kN高速壓力機，最高行程次數(shù)達到1500SPM，主要用于集成電路引線框架、精密接插件和其他精密零件的沖壓加工。日本能率制作所開發(fā)出行程次數(shù)達到3000SPM的小型高速壓力機，在滿負載時也能達到JIS標準的特級精度要求。

我國臺灣地區(qū)的閉式曲柄滑塊式高速壓力機生產(chǎn)企業(yè)主要有瑛瑜、金豐、高將、振力等。瑛瑜Apex-30型閉式雙點式高速壓力機，在10mm行程時最大行程次數(shù)達到1400SPM。另外HD-450型最大公稱壓力為4500kN，最大行程次數(shù)可達到350SPM。在公稱壓力800kN的高速壓力機產(chǎn)品中，高將的GH-80及瑛瑜的Apex-80最大行程次數(shù)可達到700～800SPM。振力的H125DB在滑塊行程為25mm時滑塊行程次數(shù)可以達到550SPM。

國內(nèi)大陸地區(qū)最具有代表性的為揚鍛研發(fā)的J76-80型閉式雙點高速壓力機，最大行程次數(shù)600SPM，主滑塊下死點重復定位精度±0.02mm左右；J76-550型公稱壓力為5500kN，最大行程次數(shù)達到200SPM以上；J76-750型公稱壓力為7500kN，最大行程次數(shù)達到180SPM。徐鍛集團于2006年完成國內(nèi)首臺3000kN閉式雙點高速壓力機的研制，形成公稱壓力為800～3000kN、行程次數(shù)150～450SPM的高速壓力機制造能力，其JK36-800A型公稱壓力8000kN，最大行程次數(shù)達到80SPM左右。除此外，國內(nèi)揚力、精達等多個企業(yè)也有眾多閉式曲柄滑塊式?jīng)_床型號。國內(nèi)外主要高速壓力機產(chǎn)品技術性能參數(shù)見表2。

表2 閉式曲柄滑塊式高速壓力機主要性能參數(shù)

閉式曲柄滑塊式高速壓力機主要特征是機身為閉式結構且主驅動機構為曲柄滑塊機構，平衡機構與主驅動機構相對獨立。這類高速沖床最典型的結構如圖3所示，機身為龍門閉式結構，兩組曲柄滑塊機構并接在曲軸和主沖壓滑塊之間，其動平衡機構是在與主滑塊對稱的180°位置上布置一個副滑塊及曲柄連桿零件，抵消主沖壓滑塊所產(chǎn)生的慣性力，這是一種不完全動平衡機構。該機構的副滑塊通過連桿直接與曲軸相連，導致曲軸的受力更加復雜，發(fā)熱點變多，從而制約其沖壓次數(shù)的提高。針對該問題，彭斌彬[17]提出了一種主被動復合驅動的髙速沖床機構，如圖4所示，在機身上的擺桿一端通過副連桿連接平衡副滑塊，另一端通過連桿連接主滑塊，使副滑塊的驅動方式由曲軸主動驅動變?yōu)閿[桿被動驅動；該機構曲柄上曲拐數(shù)量由三個減為兩個，受力點減少；曲軸結構更加簡單，加工工藝性更好；通過擺桿機構，使得平衡機構的轉動運動副由整周轉運動改為一定幅度內(nèi)的擺動，摩擦發(fā)熱量減少，從而降低熱變形并可提高機床的精度和使用壽命；周宇[18]對圖4所示高速沖床機構進行了設計研究。另一種閉式曲柄滑塊式高速沖壓機構為偏心塊式機構，如圖5所示，該機構在曲軸偏心的相反方向設置偏心平衡塊，該偏心平衡塊主要用來平衡曲柄滑塊部件所產(chǎn)生的慣性力矩，這也是一種不完全動平衡結構。從動平衡理論或者慣性力/力矩的數(shù)學模型來看，平移運動構件的慣性力和轉動運動構件的慣性力矩分別是在動平衡理論模型的不同分量中描述或表達的，不可能在同一分量中出現(xiàn)并相互抵消，所以圖5所示沖床機構的動平衡效果較差，沖壓次數(shù)不宜過高，否則機器的振動會很大。

圖3 閉式曲柄滑塊式高速壓力機及其機構簡圖

圖4 復合驅動機構

圖5 偏心塊式機構

1.3 閉式多桿高速壓力機

國外瑞士BURDERER的BSTA系列基本代表了閉式多桿高速壓力機的最高水平，其噸位涵蓋了180～2500kN，每一款機型均分為固定行程和可調行程兩種模式，其中BSTA200-60/70型滑塊行程次數(shù)最高可達到2000SPM，BSTA2500F-270型在滑塊行程16mm時行程次數(shù)最高達到710SPM，下死點位置精度均可達±0.005mm。YAMADA DOBBY公司的NXT系列采用雙連桿機構，公稱壓力為250～2000kN之間，公稱壓力800kN時滑塊行程次數(shù)可達800SPM；MXM系列采用另一種多連桿驅動機構，滑塊行程次數(shù)可達2000SPM，因側向力過大，公稱壓力最大只有800kN。Nidec-kyori公司的閉式多桿高速壓力機主要包括ANEX II、ANEX-H和FENIX等系列，ANEX II系列主要有300kN、400kN、600kN三個噸位，滑塊行程次數(shù)分別能夠達到1200SPM、1000SPM、750SPM。其中ANEX-H和FENIX是ANEX II系列的升級產(chǎn)品，滑塊行程次數(shù)可提高到1500SPM。

臺灣地區(qū)瑛瑜閉式多桿高速壓力機APEX系列只有800kN、1250kN兩個噸位，并且滑塊行程為20～50mm，滑塊行程次數(shù)在400～700SPM。高將的GL系列公稱壓力在300～3600kN，主要滑塊行程為20～45mm，300kN滑塊行程次數(shù)最高1000SPM，3600kN時則能達到300SPM。

大陸地區(qū)多桿高速壓力機比較少，寧波精達CG系列公稱壓力在300～1250kN，滑塊行程在20～36mm，滑塊行程次數(shù)最高則能達到1200SPM，此型號壓力機已能躋身國際先進水平。米斯克開發(fā)的Super系列多連桿高速壓力機(公稱壓力300～600kN)，用于微電子精密零件的高速沖壓，其公稱壓力300kN、行程25mm時最高行程次數(shù)可達1050SPM。國內(nèi)外閉式多桿高速壓力機產(chǎn)品主要技術性能參數(shù)見表3。

表3 閉式多桿高速壓力機主要性能參數(shù)

裝備的原始創(chuàng)新是以其原理機構的創(chuàng)新設計為基礎，原理機構的創(chuàng)新設計水平基本代表國內(nèi)外各高速沖床制造企業(yè)或研究者的裝備創(chuàng)新能力。高速沖床根據(jù)其驅動機構與平衡機構是否獨立又可分為兩類：驅動機構和平衡機構相對獨立的沖床機構、驅動和平衡一體化的沖床機構。當驅動機構與平衡機構相對獨立時多桿高速沖床機構的設計相對容易一些，因此很多企業(yè)采用該類機構方案。

日本KYORI的ANEX系列和臺灣地區(qū)高將的GL系列均采用驅動和平衡相對獨立的如圖6所示沖床機構，該機構兩側對稱且上下對稱(不考慮桿長和主、副滑塊的寬度)，左右對稱可以減輕曲軸上的負荷，上下對稱可以利用上滑塊的慣性力來平衡下面沖壓滑塊的慣性力。

圖6 GL系列的機構簡圖

日本Yamada-Dobby高速沖床采用如圖7所示的機構，NXT系列沖床機構由曲柄滑塊機構、菱形機構和對稱肘桿機構串聯(lián)而成(圖7(b))，可改善慣性力等因素帶來的機構左右不平衡問題，提高了抗偏載能力，從而提高下死點動態(tài)精度及機構的穩(wěn)定性；其另一種多連桿機型為MXM系列(圖7(d))，采用雙連桿機構保證左右兩側桿件運動的對稱性[19]。這兩種機構在主驅動機構外都有單獨的平衡機構來平衡主沖壓滑塊的慣性力。

圖7 YAMADA DOBBY 高速沖床機構原理圖

瑞士BRUDERER的BSTA系列采用如圖8所示機構，得益于獨特的杠桿系統(tǒng)，沖壓滑塊所承受的負載不是全部直接作用在曲軸上，而是同時也分解到機身不同的部位。這種載荷分配系統(tǒng)以及非常小的軸承間隙和高效的潤滑系統(tǒng)是BRUDERER沖床獲得極長壽命和極高精度的關鍵；另外其動平衡機構設計非常巧妙，利用左右兩側擺動塊運動相位的不完全對稱可將曲軸和連桿大頭引起的慣性力矩進行平衡，使得整個沖壓機構可以實現(xiàn)慣性力/力矩的完美平衡。憑著在該高速沖壓機構的創(chuàng)新和其本身強大的設計能力，BRUDERER生產(chǎn)的高檔高速精密數(shù)控沖床一直是業(yè)界的王者，牢牢占據(jù)引線框架加工的高速精密沖床市場。

圖8 對稱杠桿式高速沖床機構

日本AIDA公司的一款高速壓力機采用如圖9(a)所示的平衡擺塊式?jīng)_床機構，其平衡機構為杠桿方式，杠桿的一端接在高速壓力機驅動機構往復運動的鉸接點上，杠桿的另一端連接一個一定質量的平衡擺塊，杠桿的支點固定在機身上。工作時，平衡擺塊的擺動方向和滑塊的運動方向相反，從而起到平衡慣性力的作用。AIDA公司另一款高速壓力機的工作原理如圖9(b)所示，該高速壓力機除了配置平衡副滑塊外，左右兩側各有一個行程調節(jié)裝置(通過上下調節(jié)支點的位置從而改變滑塊上、下死點位置)；此外由于采用了合理的多桿傳動機構，使得該高速壓力機還具有比較好的低速鍛沖急回特性[20]。

圖9 AIDA公司的高速沖床機構

陳浩等[21]發(fā)明了一種如圖10所示高速沖床機構，該機構利用左右兩側的平衡塊最大程度上平衡了主沖壓滑塊的慣性力，左右對稱多桿機構不僅具有明顯的增力效果，同時減小了沖壓滑塊與導軌的磨損。

圖10 高速沖床機構

上述多桿沖床機構將平衡機構與驅動機構相分開，因此主驅動機構和動平衡機構可以單獨進行設計。與此不同的是，臺灣地區(qū)瑛瑜Pirica HK-45系列高速精密壓力機采用傳動機構和平衡機構一體化的設計方案，其機構原理如圖11所示。該高速壓力機有兩個相互對稱的二點式雙肘節(jié)機構，機構的動平衡主要靠左右兩側L形連桿配重來實現(xiàn)，同時L形連桿也是主傳動構件，實現(xiàn)了傳動機構和平衡機構的一體化設計，因此整體結構比較緊湊。

圖11 雙肘節(jié)平衡機構

彭斌彬等[22]也提出多種驅動與平衡一體化的多桿高速沖床機構，如圖12所示。圖12 (a)所示的該多桿沖床機構的平衡機構和驅動機構是一體化的，降低了機構的復雜性；對稱式的杠桿結構布置可有效提高沖床在沖壓過程中的抗偏載能力，提高沖裁精度。如圖12 (b)所示[23]，該機構利用雙杠桿原理巧妙地將主滑塊受到的沖裁力進行了分解，避免其直接作用在曲軸上，提高了機床的結構剛度，該機構通過局部的結構調整還可實現(xiàn)下死點動態(tài)精度的補償。如圖12 (c)所示[24]，該機構主、副滑塊的運動方向相反，可對豎直方向的慣性力進行平衡；該高速沖床采用雙肘桿式結構，沖裁力不是完全直接作用到曲軸上，可有效地減小曲柄承受的轉矩；利用兩側的水平調節(jié)滑塊，可以補償下死點動態(tài)精度的漂移量。如圖12 (d)所示[25]，兩條對稱運動支鏈中的連桿都采用平行四邊形結構，這種結構方案能夠確保多桿高速沖床在沖壓的過程中主滑塊始終保持水平姿態(tài)，通過機構的設計消除了除上下往復運動外主滑塊的其他運動自由度，主滑塊不存在翻轉或水平移動的可能性，當主滑塊承受偏載沖力時，能夠通過平行四邊形的連桿機構，將大部分的載荷傳遞到機身上；以該專利機構為基礎，胡峰峰等[26-29]和LI Y J等[30]對該沖床機構的精度和動平衡等問題進行了深入研究。該團隊也研制出國內(nèi)首臺完全具有自主知識產(chǎn)權的閉式多桿超高速精密數(shù)控沖床產(chǎn)品樣機(公稱壓力600kN，滑塊行程為20mm，行程次數(shù)1000次/min，下死點動態(tài)精度為±0.01 mm)，如圖13所示。

圖12 驅動機構與平衡機構一體化機構

圖13 閉式多桿超高速精密數(shù)控沖床產(chǎn)品樣機

國內(nèi)開展高速精密沖壓機構創(chuàng)新設計的研究者還有南京航空航天大學的吳洪濤教授等[31-32]、西安交通大學的趙升噸教授等[33-34]所領導的科研團隊以及本項目申請團隊。國內(nèi)其他學者或企業(yè)研究人員對高速精密沖床的研究主要關注在零件成型工藝與模具設計及制造上，而對高速沖壓機構構型設計關注較少。

2 綜合性能評價方法

對于包含眾多技術性能參數(shù)的高速壓力機來說，確定其綜合性能評價指標，需要考慮各參數(shù)間相互制約關系。總體來說，隨著高速壓力機所能提供的公稱壓力的提高，高速壓力機的每分鐘行程次數(shù)呈降低的趨勢，而且下降速度要比普通壓力機快得多。考慮到高速壓力機性能除與滑塊行程次數(shù)有關外，還和公稱壓力及滑塊行程有關，評價高速壓力機不能簡單只用滑塊行程次數(shù)來衡量，需要綜合考慮公稱壓力和滑塊行程等性能參數(shù)。

2.1 評價指標

行業(yè)中為評價產(chǎn)品質量高低與好壞，均以專業(yè)的技術參數(shù)或者制定的國家標準加以評判。例如，高速主軸以Dn值(即主軸軸承的平均直徑D與主軸的極限轉速n的乘積)的大小來評價其整體性能的高低，并通過Dn值來定義與區(qū)分高速和低速。對于高速精密壓力機來說，一般關注的幾個主要評價指標為公稱壓力、行程次數(shù)、行程以及下死點動態(tài)精度。由于下死點的動態(tài)精度是高速壓力機的一個相對獨立的綜合性能參數(shù)，而公稱壓力、滑塊行程次數(shù)、滑塊行程三者之間存在相互約束的關系，可參照Dn值提出高速壓力機的綜合性能評價指標K0，定義其為公稱壓力A(kN)、滑塊行程次數(shù)S(次/min)、滑塊行程L(mm)三者的乘積，即

K0=A·L·S

(1)

另外對于某一高速壓力機而言，根據(jù)動平衡理論，滑塊受到的慣性力與轉速次數(shù)(壓力機主要為曲柄轉速)之間存在著一一對應關系，且前者與后者平方成正比關系[5]。因此計算綜合評價指標時對公稱壓力A、滑塊行程L二者乘積做開方處理，基于此提出綜合評價指標的第二計算公式

(2)

公式(1)僅限于根據(jù)經(jīng)驗和數(shù)據(jù)計算所作出的初步判斷，公式(2)則依據(jù)動平衡理論慣性力與轉速次數(shù)之間的二次方關系而得到的。因此從理論的角度公式(2)可能更加符合描述評價指標。下面根據(jù)閉式曲柄滑塊式高速壓力機的參數(shù)，選取12組數(shù)據(jù)分別按公式(1)、公式(2)計算綜合評價指標K0、K的值，如表4所示。

表4 綜合性能評價指標K0和K對比

從表4中可以看出，如組II與組XII、組V與組XI，隨著公稱壓力增加，K0值也愈來愈大，雖在同一數(shù)量級，但相差很大無比較性可言，甚至可以得出決定K0大小的主要因素就是公稱壓力的結論，因為公稱壓力變化要大于滑塊行程及其行程次數(shù)變化，這顯然無法做到統(tǒng)一比較；而反觀K值，不僅在同一數(shù)量級，而且大小噸位均可比較，數(shù)值大小與參數(shù)相關，更能體現(xiàn)“綜合評價”這一核心概念。因此初步斷定采用K值作為高速壓力機的綜合評價指標比較合適。

2.2 國內(nèi)外各型號高速沖床的綜合性能對比分析

統(tǒng)計目前國內(nèi)外具有代表性廠家的各個系列的高速沖床參數(shù)，按壓力機結構不同分為閉式曲柄滑塊式、閉式多桿式和開式曲柄滑塊式三類。按式(1)、式(2)分別計算其綜合評價值，并探究相關規(guī)律，其結果分別以直方圖表示，如圖14-圖16所示(本刊黑白印刷，相關疑問咨詢作者)。規(guī)定：所有壓力機按廠家、型號、公稱壓力、行程轉速、行程大小排序，同一公稱壓力的綜合評價值只取其中的最大值，另外由于各型號各系列高速壓力機參數(shù)不一，選取的高速壓力機的滑塊行程<50mm。

圖14 閉式曲柄滑塊式高速沖床綜合評價K0、K值的直方圖對比

圖15 閉式多桿式高速沖床綜合評價K0、K值的直方圖對比

圖16 開式曲柄滑塊式高速沖床綜合評價K0、K值的直方圖對比

從圖14-圖16中可以看出，閉式曲柄高速壓力機的制造企業(yè)最多，分布在全球各地；多桿在大陸地區(qū)比較少，日本、歐美和臺灣地區(qū)居多；開式則主要在國內(nèi)大陸地區(qū)和臺灣地區(qū)。但不管以何種方式計算，閉式曲柄滑塊式和多桿高速壓力機的國內(nèi)整體水平不如國外，臺灣地區(qū)高于國內(nèi)大陸地區(qū)；開式高速沖床臺灣地區(qū)和國內(nèi)大陸地區(qū)的相比幾乎不分上下。圖14(a)、圖15(a)和圖16(a)表明，由K0公式(1)計算的評價指標值呈遞增趨勢，數(shù)量級在10×108以上，而且大噸位與小噸位相比相差很大，基本上可以得出噸位愈大K0值愈大。圖14(b)、圖15(b)和圖16(b)表明計算的K值起伏變化不大，數(shù)量級只有10×106，與噸位大小、行程次數(shù)等單個參數(shù)的關聯(lián)度不是很大，而是由多參數(shù)共同確定的。因此可以認為以K值作為高速壓力機的綜合評價指標比較合理。

閉式曲柄滑塊式高速壓力機領域，國外整體水平比較突出的有明斯特、舒勒、YAMADA三家，其不僅噸位、型號齊全，而且相同公稱壓力的K值與其他相比都要大。國內(nèi)大陸地區(qū)除揚鍛和精達有個別產(chǎn)品性能比較好，其余廠商的產(chǎn)品性能相差不大。

圖16(b)中開式高速壓力機只有國內(nèi)大陸地區(qū)及臺灣地區(qū)幾家，受制于結構，K值比較小，基本都在1×105以下，且整體水平變化比較平穩(wěn)。同時對比圖14(b)、圖15(b)和圖16(b)，也可以看出各公司主要產(chǎn)品及優(yōu)勢所在。圖15(b)中，Burderer的BAST系列代表了多桿高速壓力機的最高水平，臺灣地區(qū)的高將水平稍高。

再通過對圖14-圖16中的柱狀圖做平面投影，以公稱壓力為橫坐標分別對應得到各個廠家K0、K值的二維折線圖，可以更加清晰直觀分析K0、K值變化情況，如圖17-圖19所示。

圖17 閉式曲柄滑塊式高速沖床綜合評價K0、K值的折線圖對比

圖18 閉式多桿高速沖床綜合評價K0、K值的折線圖對比

圖19 開式曲柄滑塊式高速沖床綜合評價K0、K值的折線圖對比

從圖17(a)中分析閉式曲柄滑塊式高速壓力機，隨噸位增加，折線圖呈遞增趨勢，其值變化從0.6×107到7×107，變化相差很大，是無法評判大噸位與小噸位高速壓力機的水平高低；分析圖17(b)，折線變化趨于平緩層次比較分明，K值從0.4×105～2×105，且整體水平國外>臺灣地區(qū)>國內(nèi)大陸地區(qū)。圖17(a)中2200kN以下，YAMADA DOBBY一直處于最高位置，更大噸位的則Minster和Schuler占據(jù)優(yōu)勢，而在圖17(b)中依然是1250kN以下YAMADA DOBBY處于最高位置，而在1250kN和2000kN兩個點處Schuler則高于YAMADA DOBBY。

多桿高速壓力機的制造企業(yè)主要集中于國外，國內(nèi)大陸地區(qū)只有固安力和精達的兩個系列，共6個型號，臺灣地區(qū)也只有瑛瑜和高將兩家，兩個系列共9個型號，閉式多桿高速壓力機的折線圖如圖18所示。從圖18可知，閉式多桿高速壓力機整體水平最高的為Burderer的BAST系列高速沖床，K值遙遙領先。800kN以上，除Burderer外，其他K值變化趨于平緩。特別要說明的一點是，盡管Kyori的產(chǎn)品行程次數(shù)很高，但由于其滑塊行程較小，因此其各產(chǎn)品K值與國內(nèi)幾家相比并無很大差別?？梢?，如果按照綜合評價指標K值來評判高速壓力機水平，盡管Kyori的高速壓力機的速度最高但是其綜合性能不是世界的最高水平。

從圖18還可以看出，中國大陸地區(qū)有能力設計和制造閉式多桿高速壓力機的企業(yè)(只有精達和固安力)非常少，且其所制造的產(chǎn)品規(guī)格很少，表明我國在該細分領域與國外存在巨大的差距。由于我國對高速沖壓工藝和裝備設計研究的起步時間比國外晚，高速精密數(shù)控沖床的設計能力和水平與國外先進水平相比存在較大差距。目前我國只能制造精度要求相對不高(下死點動態(tài)精度(在機床沖壓滑塊運行的最低位置)為±0.02mm左右)的大噸位高速精密數(shù)控沖床產(chǎn)品，滿足變壓器和電機定轉子鐵芯、空調熱交換器翅片等沖壓件的加工要求。因基礎研發(fā)能力弱，沒有掌握核心技術，我國還不能制造小噸位高精度的高速精密數(shù)控沖床產(chǎn)品，國外企業(yè)完全壟斷了小噸位高精度高速沖床這一細分市場。正是由于較大的技術壁壘存在，國外企業(yè)可以攫取高額的利潤(加工IC引線框架的高速精密沖床單臺售價超過400萬人民幣)，而國內(nèi)企業(yè)只能占據(jù)低利潤的大噸位高速精密沖床市場(每臺售價才幾十萬人民幣)。因此，突破高速精密沖床的相關基礎核心技術，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的小噸位高速精密數(shù)控沖床裝備，滿足電力、電子等高科技領域需求，對保障經(jīng)濟和國防安全具有重要的意義。

開式曲柄滑塊式高速壓力機的折線圖如圖19所示，K值比閉式結構都要小。由于開式曲柄滑塊式高速壓力機的結構剛性相對來說差一些，所以從整體性能上也差一些，這是符合基本規(guī)律的。公稱壓力低于800kN可以根據(jù)折線分為高低兩部分。水平較高者為瑛瑜Civic系列、徐鍛SH系列、振力C系列、揚力SHC系列、米斯克SH系列及固安力GS系列。公稱壓力高于800kN水平高低依次為揚鍛YKC系列、揚力JFC21系列。

3 結語

本文主要對目前國內(nèi)外高速精密壓力機主要的技術性能參數(shù)做了統(tǒng)計分析，并建立了基于公稱壓力A、滑塊行程次數(shù)S及滑塊行程L的高速壓力機性能評價指標K，以此作為高速壓力機的性能綜合評價指標。指標K值越大表示壓力機的綜合性能越高，彌補了單以滑塊行程次數(shù)高低評判高速壓力機性能好壞的不足?？傻贸鲆韵陆Y論：

2) 為避免只從行程次數(shù)的大小來定義高速機械壓力機性能高低的缺陷，可以依據(jù)K值大小區(qū)分高速壓力機與其他普通型壓力機。對于閉式高速壓力機K值應>0.8×105(包括閉式多桿)，開式高速壓力機K值應>0.4×105。

3) 通過K值計算可知，閉式壓力機領域，整體上國外的水平最高，大陸地區(qū)最低，臺灣地區(qū)稍高于大陸地區(qū)，且與國外水平差距很大；開式壓力機領域，600kN以下小噸位高速壓力機，臺灣地區(qū)水平稍高于大陸地區(qū)；800kN以上噸位則國內(nèi)揚鍛水平稍高，但揚力噸位1600kN和2000kN開式壓力機無有能與之相比者。

4) 由于結構上的區(qū)別，壓力機性能指標值為閉式>開式，具體為閉式曲柄滑塊式>閉式多桿>開式曲柄滑塊式。從總體水平上排序，閉式曲柄滑塊式領域：Schuler >YAMADA>Minster>AIDI>高將>Kyori>瑛瑜>米斯克>精達>揚鍛>揚力>徐鍛>振力>金豐>固安力。閉式多桿領域：Burderer>YAMADA>Kyori>瑛瑜>固安力>高將>精達。開式領域：瑛瑜>揚力>固安力> 徐鍛>振力>米斯克>揚鍛。綜上也可得到高速壓力機整體性能結論為：歐美>日本>臺灣地區(qū)>大陸地區(qū)。這與目前行業(yè)公認結果也是一致的。

5) 同一系列的高速沖床的K值折線變化是趨于水平穩(wěn)定的，這表明高速沖床的技術性能參數(shù)的設計是有一定規(guī)律的。高速沖床的各主要技術性能參數(shù)之間存在著約束關系，對它們的確定具有借鑒意義。

6) 在高速精密數(shù)控沖床的原理機構設計方面，多數(shù)企業(yè)采用曲柄滑塊機構，但也有少數(shù)企業(yè)采用多桿機構。因結構相對簡單且動平衡設計難度不大，曲柄滑塊機構適用于大中小各種噸位的高速壓力機。多桿機構的動平衡效果更好，但結構復雜且設計難度大，主要用于小噸位的高速壓力機。