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（連載十一）

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)造和主要規(guī)格

從加工部品看伺服沖床的機(jī)能

由于伺服沖床是數(shù)字控制的沖壓機(jī)械，所以它在結(jié)構(gòu)上和規(guī)格上就與傳統(tǒng)的曲軸沖床有很大不同。汽車上的很多部品都是伺服沖床成形，如圖1所示的側(cè)面框架相當(dāng)于汽車的骨骼，它要承受來(lái)自前后左右的沖擊和負(fù)荷，是對(duì)乘坐人員起到安全保護(hù)作用的部品。其中，f是側(cè)面框架的外框，它必須具有強(qiáng)度和剛性，外觀的造型也非常重要，要使用成形性能好的高強(qiáng)度鋼。g是側(cè)面框架的內(nèi)側(cè)面板，必須有框架外緣以上的強(qiáng)度和剛性。

圖1 三廂四門轎車的側(cè)面框架

在側(cè)面框架的中央部分h被叫做B形框，要具有足夠的剛性，當(dāng)遇到事故汽車發(fā)生翻滾或傾覆時(shí)，車頂不會(huì)被壓扁。而且，在抵抗側(cè)面的沖擊門框時(shí)，能夠最大程度地減小車體側(cè)面變形，必須具有高強(qiáng)度和剛度來(lái)保護(hù)乘坐人員的安全。雖然從設(shè)計(jì)上對(duì)其曲線形狀上有一些要求之外，但最重要的是要從安全的角度考慮一般都必須使用成形性較差的高強(qiáng)度鋼板。

除了圖1外，還有很多覆蓋件部品，見(jiàn)圖2。大多數(shù)覆蓋件都有外側(cè)面板和內(nèi)側(cè)面板之分，內(nèi)側(cè)的覆蓋件主要強(qiáng)調(diào)外觀的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度，外側(cè)的覆蓋件要承受強(qiáng)度和剛度，將內(nèi)外覆蓋件焊接在一起即可增加剛性又可以達(dá)到輕量化的目的。以圖1三廂四門轎車的側(cè)面框架為例，側(cè)面框架有兩個(gè)很大的像窗子一樣的洞，汽車的門就鑲嵌在里面。f部分的斷面形狀非常復(fù)雜，在這個(gè)部分要裝入與車門之間保持高密封性的密封材料用以防止雨水等的侵入，還要具備承受安裝車門鉸鏈和門鎖的強(qiáng)度。

B形框部分更加需要使用高強(qiáng)度材料，這部分不僅需要安裝車門的鉸鏈和門鎖，還要實(shí)施防止雨水侵入的密封措施，不但形狀復(fù)雜而且是必須具有高強(qiáng)度的部件。現(xiàn)在汽車的B形框都不是用單純的一塊板做成的，考慮到與車頂和側(cè)面軌道的結(jié)合，B形框的各個(gè)部位的材質(zhì)和厚度都不同，所以沖壓之前先把不同材質(zhì)的材料按照需要的形狀切好，在平板的狀態(tài)下進(jìn)行焊接，加工成B形框的專用異型素材。這種把各種各樣形狀、不同材質(zhì)的材料組合銜接在一起的工藝被稱作為拼焊板材，這是從量身定制西服制作工藝中而來(lái)的。這種復(fù)合板材必須滿足焊縫在沖壓時(shí)不會(huì)斷裂，同時(shí)又不能給模具帶來(lái)負(fù)擔(dān)的要求。因此需要采用專業(yè)的焊接技術(shù)，如激光焊、鎢極氬弧焊（鎢極惰性氣體保護(hù)的焊接方法）等的連續(xù)焊接方法，近期還出現(xiàn)了一種特殊的摩擦焊接方法。這種復(fù)合材料多數(shù)也是要有專業(yè)的制造廠家來(lái)制造，再分別提供給汽車生產(chǎn)廠家。

圖2 汽車覆蓋件的構(gòu)成

另外，外框還要達(dá)到外觀的設(shè)計(jì)要求，覆蓋件的表面上要有凹面和凸面并存的現(xiàn)象。這樣，部品在進(jìn)行拉伸沖壓時(shí)就會(huì)產(chǎn)生材料“富裕”，造成皺褶。覆蓋件是容易產(chǎn)生皺褶的部品，這個(gè)部品的成形加工是幾乎所有的汽車制造廠都要花費(fèi)很大精力的事情。這種以側(cè)面框架為代表的汽車覆蓋件成形加工模具必須使用鎖定結(jié)構(gòu)或大能力的緩沖裝置（大多數(shù)是空壓式的，也有用油壓式的），在防止皺褶的同時(shí)還不能阻止板材出現(xiàn)斷裂，這對(duì)模具的制造技術(shù)和沖床的運(yùn)轉(zhuǎn)操作技能也提出了很高的要求。為防止新車設(shè)計(jì)情報(bào)的過(guò)早向外透漏，這種復(fù)合板外框部件都是由汽車生產(chǎn)廠在工廠內(nèi)進(jìn)行成形生產(chǎn)的。雖然很多的企業(yè)都證明伺服沖床最適合這種部件的成形，但并沒(méi)有公開過(guò)詳細(xì)的技術(shù)數(shù)據(jù)，現(xiàn)在還屬于企業(yè)的最高秘密。

從圖2可以看到大多數(shù)的覆蓋件都是左右對(duì)稱的，并且覆蓋件在組裝時(shí)的點(diǎn)焊、連續(xù)電弧焊、激光焊等焊接工作基本上實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的全自動(dòng)化。以往機(jī)械手的焊接軌跡是由車體組裝現(xiàn)場(chǎng)的操作人員，用手動(dòng)的方法引導(dǎo)焊槍或電焊電極，也就是操作人員直接引導(dǎo)的方式。現(xiàn)在，在車體設(shè)計(jì)時(shí)就可以利用設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)把焊接的軌跡數(shù)據(jù)系統(tǒng)化，也就是利用汽車的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)建立一個(gè)假想空間正確地計(jì)算出焊接的時(shí)間，也可以將生產(chǎn)流水線上各種裝置的動(dòng)作時(shí)間計(jì)算、累計(jì)出來(lái)。這種自動(dòng)流程設(shè)置的虛擬離線教學(xué)方式已經(jīng)成為汽車組裝工藝的主流方式。在這種完全自動(dòng)化操作的情況下，一件沖壓加工精度不好的覆蓋件，即使已超出了公差的允許范圍，焊接機(jī)械手仍然會(huì)按照被設(shè)定好的焊接路線進(jìn)行焊接，這樣組裝出來(lái)的汽車車體不但會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)度不足的問(wèn)題，車門等的密封性也會(huì)受到不好的影響，甚至車體還會(huì)發(fā)生扭曲。隨著完全自動(dòng)流程設(shè)置的虛擬離線教學(xué)方式的實(shí)施，就必須更加提高沖壓加工精度要求。

通過(guò)上面的闡述，就可以完全理解到汽車覆蓋件的成形精度的重要性和必要性。同時(shí)也可以很清晰的看到，充分地發(fā)揮、利用伺服沖床的機(jī)能，配合伺服式模具緩沖裝置的運(yùn)用等實(shí)行數(shù)控技術(shù)的沖壓加工時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。

影響覆蓋件成形精度的要素有板材壓緊力的適度、拉伸時(shí)壓緊力的正確性、模具要求的沖床動(dòng)態(tài)精度、材料的成形性能以及沖壓時(shí)設(shè)定的沖壓速度等。以往成形品的精度主要靠沖床操作者的技能，普遍認(rèn)為每一個(gè)操作人員制造出來(lái)的成形品精度都有所不同是理所當(dāng)然，這說(shuō)明操作人員的技能對(duì)成形品的品質(zhì)提高和品質(zhì)的安定性影響很大，必須加以改善使其將影響程度減少到最低。

此時(shí)，伺服沖床就有了用武之地，因?yàn)樗欧_床是實(shí)行了數(shù)字控制的沖壓機(jī)械，操作人員的技能差、材料成形性的差、加工條件的差、潤(rùn)滑條件的差以及工廠的差等都可能在數(shù)字化控制下大大地縮小。當(dāng)然，現(xiàn)在的技術(shù)并不是完全沒(méi)有必要，但伺服沖床的數(shù)據(jù)和加工實(shí)例會(huì)不斷地積累、充實(shí)，并向普及化方向發(fā)展。也就是說(shuō)，這些逐步不斷積累的數(shù)據(jù)和實(shí)例，都會(huì)被很容易地應(yīng)用在今后的實(shí)際沖壓過(guò)程中，給人們帶來(lái)很多便利的成熟經(jīng)驗(yàn)值，為實(shí)際加工過(guò)程提供可行的捷徑。

從加工產(chǎn)品角度看伺服沖床的性能

至今為止，我們反復(fù)地講過(guò)沖壓加工是在通過(guò)材料、模具以及沖壓機(jī)械來(lái)進(jìn)行的加工。沖床方面是由加壓系統(tǒng)、沖壓加工的受力負(fù)荷、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、成形的輔助裝置、潤(rùn)滑系統(tǒng)等等各種各樣的要素構(gòu)成的，而這些系統(tǒng)又可以更加細(xì)化為各種各樣的部品。

圖3 曲柄曲軸的形式和曲軸軸承的配置

⑴加壓系統(tǒng)。機(jī)械式伺服沖床的加壓機(jī)構(gòu)基本有曲軸式、無(wú)曲軸式、曲軸＋連桿、螺桿式，以曲軸式最多。圖3列舉了曲軸的幾種形式，圖3a可以調(diào)整曲軸軸承的間距和曲柄軸的粗細(xì)等方式，來(lái)減少其彎曲變形。由于公稱能力不同曲軸的大小有所不同，在曲軸的形式上偏心量的大小也各有不同。在受到?jīng)_壓負(fù)荷時(shí)彎曲變形較小的是圖3b，這種形式利用了曲軸的軸承可以設(shè)置在比較靠近曲柄軸的位置，從而減少了彎曲變形的優(yōu)勢(shì)。圖3a的形式多用于行程長(zhǎng)度在250mm以內(nèi)，圖3b多用于行程長(zhǎng)度在150mm以內(nèi)，圖3c多用于行程長(zhǎng)度在50mm以內(nèi)的沖床，圖3b和圖3c的形式多用于高速?zèng)_床。

⑵沖床加工負(fù)荷壓力的承受部件機(jī)架。沖床機(jī)架的伸長(zhǎng)量（呼吸量）、底座和滑塊的撓度變形量、滑塊導(dǎo)軌的變形量、底座上開孔的大小、工作臺(tái)的厚度等等都左右著伺服沖床的性能。伸長(zhǎng)量小、撓度變形量小、滑塊導(dǎo)軌的剛性高、把底座開孔控制在必要的最小限、盡可能地加大工作臺(tái)的厚度等等都是對(duì)伺服沖床來(lái)說(shuō)是非常有必要的。這些指標(biāo)不優(yōu)異的話，其沖床的整個(gè)性能就不能得以充分發(fā)揮。

⑶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是指電機(jī)扭矩的傳動(dòng)系統(tǒng)，慣性（GD2）越小應(yīng)當(dāng)性能就越好，回轉(zhuǎn)部和滑動(dòng)面的間隙、齒輪、接頭的間隙越小精度就越好，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的摩耗和惡化也就越少。制作部件用的材料以及實(shí)行適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚒⒕攘己玫臋C(jī)加工、管理嚴(yán)格的組裝也同樣決定著伺服沖床的性能。當(dāng)然這些因素產(chǎn)生的影響不僅僅只限于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)。

⑷成形的輔助裝置系統(tǒng)。這有時(shí)會(huì)出現(xiàn)這種情況，模具緩沖裝置把壓力從緩沖墊轉(zhuǎn)達(dá)給模具的壓板（壓邊墊板），并安裝了頂銷，在進(jìn)行小部品的拉伸成形時(shí)最少要使用四根頂銷。單純圓筒拉伸時(shí)，作用在四根頂銷的負(fù)荷（對(duì)板的壓緊力）都是一樣的，實(shí)際上由于沖床機(jī)械的精度、剛性、機(jī)架形式的不同每一根頂銷所承受的負(fù)荷都有差異，中間的幾乎沒(méi)有受到負(fù)荷（負(fù)荷為零）也就是說(shuō)有的情況下有一些頂銷是空置的。

加載在頂銷上的負(fù)荷不一樣時(shí)，每根頂銷所受到的壓縮變形就會(huì)不同，壓邊墊板的平衡就會(huì)發(fā)生改變。在沖壓過(guò)程中，看不出壓板墊板的動(dòng)作有什么異常，但如果在頂板的不同部位安裝幾個(gè)傳感器，對(duì)實(shí)際的沖壓作業(yè)狀況進(jìn)行測(cè)量后就會(huì)發(fā)現(xiàn)壓邊墊板在振動(dòng)、跳動(dòng)，幾乎沒(méi)有處在平衡狀態(tài)的，造成這種現(xiàn)象的最大原因是上模對(duì)壓邊墊板的沖擊。

在模具緩沖裝置中壓力的生成媒體是壓縮空氣或者使用油壓，大多數(shù)的模具緩沖裝置是使用壓縮空氣式的空氣彈簧。汽車在行走時(shí)的振動(dòng)是由緩沖減振器和彈簧共同作用來(lái)吸收衰減，但是沖床上的模具緩沖裝置上沒(méi)有減振器。因此，來(lái)自上模的沖擊而產(chǎn)生的振動(dòng)在沖壓加工中沒(méi)有被衰減，導(dǎo)致拉伸加工是在模具緩沖裝置的振動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行。由此很容易地就會(huì)想到拉伸是在沒(méi)有實(shí)施正確的按壓下進(jìn)行的，是不安定的。由于連這樣簡(jiǎn)單的小圓筒拉伸加工都是在上述狀態(tài)下進(jìn)行，在對(duì)汽車覆蓋件的這種尺寸大、形狀復(fù)雜再加上復(fù)合材料板厚以及材料強(qiáng)度也不同的部品進(jìn)行拉伸加工時(shí)，就要使用直徑在φ50～70mm、長(zhǎng)度在700～1000mm的頂銷，而且需要20根以上。

綜上所述，從伺服沖壓產(chǎn)品來(lái)看伺服沖床的機(jī)能，就要把振動(dòng)控制在最低作為伺服沖床系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

⑸潤(rùn)滑系統(tǒng)。這是一個(gè)所有機(jī)械的共通問(wèn)題，但對(duì)采用了NC控制伺服沖床來(lái)說(shuō)，針對(duì)適當(dāng)?shù)拈g隙進(jìn)行適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑就顯得特別的重要。要使伺服沖床這樣的間隙小、負(fù)荷重的機(jī)械能夠平穩(wěn)安定地運(yùn)轉(zhuǎn)不但需要清潔的給油，充分的冷卻機(jī)能也是必不可少的。

機(jī)械的間隙大了，可以比較輕快地運(yùn)轉(zhuǎn)，但不能得到伺服沖床必須達(dá)到的優(yōu)良精度。要使曲軸在承受負(fù)荷時(shí)也能運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，曲軸與軸承之間的間隙是非常關(guān)鍵的，這就給機(jī)架的機(jī)械加工精度即機(jī)械加工的技術(shù)水平提出了很高的要求，當(dāng)然這一點(diǎn)對(duì)所有的工作機(jī)械都是適用的。在這里必須強(qiáng)調(diào)的是，伺服沖床的潤(rùn)滑系統(tǒng)一定要比傳統(tǒng)的普通沖床潤(rùn)滑系統(tǒng)要求要高許多才行。否則，就會(huì)失去伺服沖床的實(shí)際功能和方便之處。比如伺服沖床使用時(shí)的自由擺動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)功能的使用，就需要對(duì)曲軸，齒輪等地方實(shí)行特殊的潤(rùn)滑方式，這些在設(shè)計(jì)時(shí)就必須提前考慮到。