伺服沖床的構(gòu)造及使用方法全析（連載八）

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（連載八）

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

有很多人會(huì)認(rèn)為沖壓機(jī)械是一種可以適應(yīng)各種各樣沖壓加工的通用機(jī)械，其實(shí)不然，它是為某種特定的沖壓加工而設(shè)計(jì)的，從某種意義上講是有專(zhuān)用機(jī)性質(zhì)的機(jī)械。如果你能夠了解各種沖床的特性，并根據(jù)沖壓作業(yè)的特點(diǎn)把其作為專(zhuān)用機(jī)械來(lái)使用，那么就可以使其特征得到更好地發(fā)揮和利用。在這一期中我們要講述的內(nèi)容就是沖壓加工和沖壓機(jī)械的關(guān)聯(lián)性，講述中涉及到的沖壓加工種類(lèi)有沖裁落料加工和拉深加工。

適合沖裁落料加工的沖床

沖裁加工所用的材料既有用于電子部品的0.05mm以下的薄板，也有19mm以上的厚板，其中用的最多的是0.3～1.0mm的薄板。用于這些薄板沖裁落料的沖床主要有以下幾個(gè)特征：

公稱(chēng)能力發(fā)生位置較低

公稱(chēng)能力或公稱(chēng)壓力是指機(jī)械式?jīng)_床能夠安全地輸出的最大加工壓力，是以沖床機(jī)械部品的強(qiáng)度、變形量的計(jì)算為基準(zhǔn)的。滑塊行程在運(yùn)轉(zhuǎn)到下死點(diǎn)前（也可以說(shuō)下死點(diǎn)上）幾毫米的位置時(shí)會(huì)達(dá)到公稱(chēng)能力，我們就把這個(gè)點(diǎn)規(guī)定為公稱(chēng)能力發(fā)生位置。同樣公稱(chēng)能力的沖床，其公稱(chēng)能力發(fā)生位置高度不同，沖床的構(gòu)造、離合器傳導(dǎo)扭矩的大小和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率也都會(huì)有很大的不同，所以對(duì)于沖壓機(jī)械來(lái)說(shuō)，公稱(chēng)能力發(fā)生位置是一個(gè)非常重要的參數(shù)。

由于被加工材料的板厚大多在0.3～1.0mm之間，而沖壓機(jī)械的公稱(chēng)能力發(fā)生位置在下死點(diǎn)附近又很容易被利用，所以沖裁落料加工用沖床的公稱(chēng)能力發(fā)生位置都設(shè)定在離下死點(diǎn)很近的位置，一般在下死點(diǎn)上方1～2mm處。薄板加工用沖床的公稱(chēng)能力發(fā)生位置較低，厚板加工用沖床的公稱(chēng)能力發(fā)生位置較高。

機(jī)械式?jīng)_床從公稱(chēng)能力發(fā)生位置開(kāi)始到下死點(diǎn)之間都可以達(dá)到公稱(chēng)能力，但是從公稱(chēng)能力發(fā)生位置向上離下死點(diǎn)越遠(yuǎn)（越高），沖床能夠發(fā)生的能力就越小。沖床在某點(diǎn)能夠發(fā)生的能力與該點(diǎn)在下死點(diǎn)上方的位置關(guān)系用行程—壓力曲線來(lái)表示，該曲線圖是沖壓機(jī)械非常重要的參考和指導(dǎo)依據(jù)，因此必須要放入使用說(shuō)明書(shū)的規(guī)格說(shuō)明中。一般地，在行程長(zhǎng)度的中間部位只能達(dá)到公稱(chēng)能力的40％左右，這樣在進(jìn)行厚板的加工時(shí)，因?yàn)榧庸つ芰Πl(fā)生點(diǎn)在距下死點(diǎn)較高的位置，所以只能進(jìn)行低于公稱(chēng)能力的加工。

沖床的高度較低，機(jī)架的剛性高

在加工壓力的作用下沖床的機(jī)架、滑塊和模具都會(huì)像彈簧一樣發(fā)生彈性變形，在沖裁落料加工完成的瞬間沖床機(jī)架等在彈性變形時(shí)儲(chǔ)存的能量會(huì)得到釋放，機(jī)架、滑塊等就會(huì)發(fā)生振動(dòng)，導(dǎo)致噪聲的發(fā)生，這就是瞬間釋能現(xiàn)象。瞬間釋能引起的振動(dòng)對(duì)沖頭、凹模的配合有很不好的影響，會(huì)加快模具的損壞，同樣也會(huì)降低沖床的精度。

瞬間釋能所釋放出的能量的大小與機(jī)架的剛性有很密切的關(guān)系，剛性低，振動(dòng)就容易發(fā)生。由于一般的通用沖床的剛性都比較低，所以這些沖床不適合用于厚板的落料加工。如果要用通用沖床進(jìn)行厚板（3.2mm以上）或硬度較高的材料的落料加工的話(huà)，為減小瞬間釋能所釋放出的能量，應(yīng)盡可能在公稱(chēng)能力的60％以下使用，以保證沖壓機(jī)械在精度良好的狀態(tài)下可長(zhǎng)時(shí)間使用。

圖1 鑄鐵機(jī)架的精密高速?zèng)_床

由于薄板沖裁落料加工用沖床每分鐘的行程次數(shù)比較高，所以經(jīng)常就會(huì)出現(xiàn)在前一次加工的振動(dòng)還沒(méi)有停止之前下一次振動(dòng)就又發(fā)生了的情況，這時(shí)振動(dòng)和振動(dòng)互相重疊，就會(huì)使得振動(dòng)和噪聲大幅度地增大。由于鑄鐵有衰減振動(dòng)的性能，所以在很早以前鑄鐵機(jī)架結(jié)構(gòu)的精密高速?zèng)_床（圖1）就問(wèn)世了。

但是，并不是說(shuō)在沖床的使用上鑄鐵就是完美無(wú)缺的了，例如灰口鑄鐵雖然能夠很好地將振動(dòng)吸收，但其拉伸屈服強(qiáng)度卻很低，如果用其制造沖床的機(jī)架，就必須通過(guò)增加厚度的辦法來(lái)提高強(qiáng)度。當(dāng)沖床的公稱(chēng)能力超過(guò)2000kN時(shí)，沖床的重量會(huì)很大，沖床的價(jià)格也隨之增加，所以一般來(lái)說(shuō)只有2000kN以下的高速?zèng)_床選用鑄鐵做機(jī)架的比較多一些。而高強(qiáng)度的鑄鐵、球墨鑄鐵等雖然拉伸強(qiáng)度較高但衰減振動(dòng)的能力比鋼板還要低，降低振動(dòng)的效果不好。

沖壓加工時(shí)的振動(dòng)是由沖床機(jī)架和模具彈性變形的能量引起的，因此，減小機(jī)架、模具等的彈性變形量是降低振動(dòng)的關(guān)鍵。一般采用加大機(jī)架和增加模具部件的板厚的方法來(lái)提高強(qiáng)度以達(dá)到降低振動(dòng)的目的，另外還可以通過(guò)降低沖床的高度來(lái)減少機(jī)架的彈性變形（沖床機(jī)架的伸長(zhǎng)量），這對(duì)降低振動(dòng)也有一定的效果。

但是，用于沖裁落料的伺服沖床，其機(jī)架剛性若較低，即使是用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)也不能得到發(fā)揮，所以如果要充分發(fā)揮沖裁落料用伺服沖床的特性，就必須要充分考慮到?jīng)_床的高剛性機(jī)架結(jié)構(gòu)。

閉模高度較低

所謂薄板加工主要是針對(duì)沖裁落料加工或淺拉深成形等加工而言的，其所用模具的上模和下模的高度（厚度）比拉深加工的模具高度要低，薄板加工用沖床的閉模高度也就被設(shè)計(jì)得較低，這樣的話(huà)，其與閉模高度高的沖床相比機(jī)架的伸長(zhǎng)可以減少一點(diǎn)。

在進(jìn)行拉深或彎曲的順?biāo)图?jí)進(jìn)加工或?qū)Π宀倪M(jìn)行擠壓的重負(fù)荷的順?biāo)图?jí)進(jìn)加工時(shí)，考慮到送料和模具剛性（為防止變形），一般模具的高度需要比較高，但用于沖裁落料的沖床其閉模高度一般都很低，所以這樣的模具很多都不能放在沖裁落料加工用沖床上使用。如果硬要把高度較高的模具在簡(jiǎn)單地把模具高度減低后放到閉模高度較低的沖床里使用，只會(huì)使模具的剛性降低，變形增大，成形精度降低，壽命縮短。

另外，由于工作臺(tái)和下模、滑塊和上模在沖壓加工時(shí)各自都存在著微小的變形，所以隨著每一次沖壓，其接觸面之間都不可避免地發(fā)生著微小的滑動(dòng)錯(cuò)位，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后就會(huì)產(chǎn)生輕微的微量銹蝕，這種銹蝕會(huì)使工作臺(tái)、滑塊和模具的接觸面的摩擦增大，使工作臺(tái)的上表面和下表面逐漸出現(xiàn)凹陷，久而久之凹陷就會(huì)加劇，嚴(yán)重時(shí)工作臺(tái)的上表面和下表面的凹陷要研磨掉1mm才能消除，所以在銹蝕的黑色粉末出現(xiàn)時(shí)就要及時(shí)找出原因并采取對(duì)策，否則就會(huì)影響模具和工作臺(tái)的精度，還會(huì)造成滑塊的精度下降。

閉模高度較低的沖床要盡量避開(kāi)重負(fù)荷的加工，而且由于模具的尺寸大小不同，其微量銹蝕的面積和大小也不同。即使是不大發(fā)生微量生銹的伺服沖床，也要對(duì)沖床的每個(gè)部件進(jìn)行嚴(yán)格的尺寸公差、幾何公差的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行合理的表面精度加工，這樣才能組裝成為高精度的沖床。因此，在選用伺服沖床時(shí)一定要從不同的角度來(lái)慎重地選擇。

工作臺(tái)需要有落料孔

為了保證沖裁落料加工后的成品或下腳料能夠順利排出，必須要在其工作臺(tái)和底座上預(yù)留落料孔。因?yàn)橛锌椎牡胤讲荒艹惺茇?fù)荷只能依靠模具本身的剛性來(lái)支持，所以在使用高精度模具的時(shí)候要把工作臺(tái)和底座的孔做到盡量小，在決定落料尺寸的時(shí)候，也要考慮到今后可能出現(xiàn)的各種各樣的情況才可以做到萬(wàn)無(wú)一失。如果工作臺(tái)上的落料孔很大而模具卻很小，這樣模具下面的大部分都是空的，沖床的大部分負(fù)荷就都要靠下模的模板來(lái)承受，這時(shí)模具的變形量就會(huì)很大，這種不依賴(lài)工作臺(tái)和底座的剛性而只靠模具的剛性的加工也是絕對(duì)要避免的。如果實(shí)在不能避免，可以在工作臺(tái)的孔上面加入墊板或在下模的下面加入一塊厚厚的墊板，以此來(lái)加強(qiáng)模具的剛性。

適合拉深加工的沖床

這里主要說(shuō)明配備了針對(duì)拉深加工的模具緩沖裝置即模墊的通用沖床，這種沖床的主要特征如下：

公稱(chēng)能力發(fā)生位置較高

如生產(chǎn)圖2所示的部品，拉深加工沖床的滑塊就必須要比較長(zhǎng)的行程長(zhǎng)度，而且要在下死點(diǎn)上方較高的位置處就開(kāi)始進(jìn)行加工，所以其公稱(chēng)能力發(fā)生位置也就較高。一般來(lái)說(shuō)，3000kN沖床的公稱(chēng)能力發(fā)生位置在下死點(diǎn)上方5～6mm處，5000kN沖床的公稱(chēng)能力發(fā)生位置在下死點(diǎn)上方13mm處附近的比較多。

圖2 拉深成形部品

飛輪儲(chǔ)備的能量比較多

拉深加工用沖床的飛輪所儲(chǔ)存的能量大約比沖裁落料加工用沖床高10倍左右。而伺服沖床的作業(yè)能量完全靠伺服電機(jī)供給，對(duì)電源來(lái)說(shuō)其負(fù)擔(dān)是很大的。如果其用量完全來(lái)自電源就需要有很大的電流流過(guò)，電壓就會(huì)急劇下降，因此通常在電源和伺服電機(jī)之間設(shè)置大容量的電容（也稱(chēng)作電容箱），用它來(lái)儲(chǔ)存來(lái)自電源的電力，同時(shí)回收并儲(chǔ)存因沖床急減速產(chǎn)生的電量，這樣就形成了能量回生的生產(chǎn)方式。

由于一行程的單沖作業(yè)在一分鐘內(nèi)的作業(yè)次數(shù)很少，所以其需要的電容容量也不大，但如果要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)加工運(yùn)轉(zhuǎn)的話(huà)就需要很大的電力，這時(shí)電容箱的尺寸可達(dá)到長(zhǎng)800mm、寬700mm、高2000mm的程度。

圖3 底座的變形

機(jī)架剛性不高

因?yàn)闆_裁落料加工時(shí)沖頭和凹模的間隙很小，所以進(jìn)行高速作業(yè)時(shí)容易產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，這就需要沖床具有很高的剛性，而拉深加工的模具間隙較大、沖壓速度也較低，沖床不易發(fā)生很大的振動(dòng)和噪聲，所以其沖床的剛性大都不高。

沖裁落料加工用高速、自動(dòng)沖床底座的剛性變形在1/10000～1/12000之間，拉深加工用通用沖床底座的剛性變形在1/6000～1/6600之間，只是沖裁落料加工用沖床的一半左右。

底座剛性變形為1/10000的含義是裝在沖床上的模具左右尺寸是1000mm，在施加了公稱(chēng)能力的負(fù)荷下模具中央的撓度為0.1mm，在滑塊側(cè)產(chǎn)生的撓度變形也是同樣的，上下合計(jì)沖床中心的變形是0.2mm。那么在底座剛性變形為1/6000的沖床上安裝左右尺寸為1000mm的模具，在施加了公稱(chēng)能力的負(fù)荷后，模具中心的撓度變形量約是0.17mm，與滑塊的變形加起來(lái)上下一共大約是0.34mm，從這里可以明顯地看到，底座剛性低會(huì)導(dǎo)致模具的變形量加大。

另外，在拉深過(guò)程中，在很大范圍的外周的分散式受力是很大的，如果想要在模具周?chē)M量降低皺紋的產(chǎn)生，拉深沖床就要根據(jù)這一特點(diǎn)和受力前提條件來(lái)對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)。

如圖3所示，底座的撓度變形量在設(shè)定沖床規(guī)格時(shí)就被確定了，負(fù)荷條件是在工作臺(tái)的前后左右各自尺寸的2/3的乘積的面積上公稱(chēng)能力均等分布。像在寬大面積的工作臺(tái)的中心附近只安裝一個(gè)小型模具來(lái)進(jìn)行沖壓加工的這種集中負(fù)荷受力作業(yè)，不在計(jì)算的條件范圍內(nèi)。像這樣的集中負(fù)荷受力加工即使只有公稱(chēng)能力的50％，也會(huì)發(fā)生上述同樣的變形，也就是說(shuō)集中負(fù)荷受力的作業(yè)只能在沖床公稱(chēng)能力的50％以下進(jìn)行。

從上述可以看到，為拉深加工而設(shè)計(jì)的沖壓機(jī)械不能進(jìn)行厚板的落料作業(yè)，也不能進(jìn)行集中負(fù)荷較大的冷鍛加工，也就是說(shuō)最好只被用于進(jìn)行負(fù)荷較低的加工作業(yè)。

有模具緩沖裝置時(shí)會(huì)影響底座和工作臺(tái)的剛度

適合拉深加工的沖床，其底座內(nèi)部開(kāi)孔一般都較大，工作臺(tái)上也不設(shè)計(jì)落料孔，但是有些產(chǎn)品在進(jìn)行加工時(shí)必須使用模具緩沖裝置，這時(shí)模具緩沖裝置及裝置上的頂板就要設(shè)置在底座里面，因此這種拉深加工用沖床的底座開(kāi)孔就要很大，剛度就會(huì)受到影響。而對(duì)工作臺(tái)來(lái)說(shuō)，這時(shí)不但要有安裝模具用的T形槽，還要增加頂銷(xiāo)孔，工作臺(tái)的剛度也會(huì)被削弱。因此，在設(shè)計(jì)上一般都采用適當(dāng)增加工作臺(tái)厚度和盡量減小T形槽長(zhǎng)度的方法來(lái)把對(duì)底座和工作臺(tái)剛度的影響降低到最小。

拉深速度較低

為防止拉深加工中裂紋的發(fā)生，需要根據(jù)材質(zhì)和加工條件的變化來(lái)調(diào)整成形速度，加之拉深加工中在進(jìn)行切斷時(shí)切斷速度在20mm/s以下可以提高斷面的品質(zhì)，因此鋼板的拉深速度一般都控制在18m/min（300mm/s）左右。由于伺服沖床的滑塊速度和位置是由數(shù)值控制的，因此可以非常容易地得到理想的加工速度。

到此為止我們概括地講述了伺服沖床的特征和構(gòu)造，下一期會(huì)詳細(xì)講述伺服沖床的構(gòu)造和動(dòng)態(tài)精度、伺服沖床的種類(lèi)和驅(qū)動(dòng)放大器，還有伺服沖床的構(gòu)造和動(dòng)態(tài)精度之間的關(guān)系。