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（連載七）

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

伺服沖床的加工效果和滑塊的運轉(zhuǎn)模式

使用伺服沖床加工的異形沖壓件

伺服沖床因其驅(qū)動的構(gòu)造或公稱能力的不同，滑塊的速度設(shè)定受到一定制約。以汽車為例，大型貨車的發(fā)動機功率會超過1000kW，車身自重和裝載的重量都很重，其急加速和緊急停止都比較困難，停止的距離需要很長。但是，車體自重在1000kg左右的小型汽車即使只有200kW左右的發(fā)動機，從0（停止狀態(tài)）達到400m的距離只需要4～5s的時間，加速距離和緊急停止距離都很短。

伺服沖床也一樣，滑塊重量很大的大型沖床即使使用2～4臺200kW的伺服電機，它的運轉(zhuǎn)能力也遠不及2000kN公稱能力的小型沖床。

連載六中介紹的成形部品是用2000kN的小型沖床加工，但是如圖1所示大型貨車的油箱（制振鋼板，板厚是1.2mm）這樣的部品，尺寸大、拉深深度也深，加工用的沖床也就必須要大型沖床的。如果仍然使用連載六提到的滑塊振動模式來完成這種零件成形，所需要的循環(huán)時間就會很長，沖床的運轉(zhuǎn)模式已經(jīng)不是振動模式，可以叫做波形模式了。

圖1 大型貨車的油箱

圖1是裝在發(fā)動機下面的油箱，用油泵把油箱里面的發(fā)動機油壓送到軸承等處進行潤滑。如圖1所示，部品的前后左右都不對稱，①、②、③部位的拉深深度也都各不相同。部品的最大拉深深度有210mm，這不是一次能夠拉深成的。第一次拉深是加工圖1中的A、B、C面的連接面，這個凸面在拉深加工中很容易發(fā)生皺褶，因此拉深的深度要達到不容易發(fā)生皺褶的M線（即點線）的位置。同樣道理，第二次拉深的深度要達到N的虛線位置，第三次拉深的就要達到產(chǎn)品深度也就是P的點畫線位置，見圖2、3、4。第一次拉深部位不在落料板材的中間，對中心是有偏移的。這樣，其他拉深部分的凸模也不是在模具中間，拉深時受力，就會夾在凸模中心處而造成偏心負荷或者偏心受力。

圖2 第一次拉深

圖3 第二次拉深

圖4 第三次拉深

偏心負荷使滑塊傾斜，上模下降與下模接觸的一瞬間上模和滑塊都處于傾斜狀態(tài)，上模與下模不能保持平行，會導(dǎo)致拉深發(fā)生皺褶。拉深過程，是需要下面的模具緩沖器產(chǎn)生的壓力把落料板材壓緊過程中進行的，若滑塊和上模傾斜了，那么支撐在落料板材下面的墊板也就會隨之傾斜。結(jié)果就會使處于偏心位置的凸模周圍不能被正確地按壓著，從而產(chǎn)生拉深過程中的皺褶或者引起材料的斷裂。并且，長方形的落料板材在偏心位置進行拉深時，凸模周圍的邊緣寬窄會產(chǎn)生大量差別。在周邊邊緣大小等量時，按壓力的作用是比較容易發(fā)揮的。但如圖2所示的第一次拉深，在邊緣寬的地方所產(chǎn)生的伴隨板材被拉深時的滑動抵抗明顯大于邊緣小的地方，所以邊緣小地方的材料被拉深的量就會加大。相反，邊緣較大地方的材料滑動量較?。ㄔ诒疚闹袔缀鯖]有滑動），材料就會被充分地拉深。如果是一般的拉深性能不好的鋼材，就會在凸模的轉(zhuǎn)角部位發(fā)生破裂以致不能成形。本文提到的制作部品油箱使用的是拉深性能很好的“超深度拉深的鋼板”。

邊緣的寬窄使材料被拉深的量產(chǎn)生了差別，拉深件的壁厚也就變得不均勻。圖1所示的①前面部分（邊緣的部分較多）材料的滑動就很少，而反面的邊緣量較小時，材料的滑動量就會較大。

近期在模具的設(shè)計上采用了成形模擬（CAE解析）可以事前預(yù)知可能發(fā)生問題的部位，這就可以通過利用局部開孔槽等方式來控制拉深時的成形速度。即使是沒有進行CAE解析，也可以在試模時通過反復(fù)修正模具的方法來調(diào)整模具緩沖裝置的頂料銷配置來克服滑動阻力，避免試模中皺褶、破裂的產(chǎn)生。利用伺服沖床對這樣大的、容易發(fā)生偏心負荷的異形部品進行拉深加工時，也可實現(xiàn)軟性接觸，這對抑制模具緩沖裝置的振動有很好的效果，可大幅度地減少模具的修正或模具緩沖裝置頂料銷的調(diào)整工作。

第2次拉深要到圖1的N點線位置。因為第一次拉深成形的方筒形部分不能按壓，就要用第二工位的凸模蓋住第一次拉深的部分，防止在第二次拉深時發(fā)生皺褶和形狀變形，第2次拉深的方法就可以很好地活用伺服沖床的軟性接觸的機能。

圖5 整形工位

第3次拉深要到圖1虛線P位置（部品的邊緣）。圖5是整形工位，在凹模圓角處進行拉深加工時，由于折彎和回彈的作用拉深阻力很大，很容易在彎角處產(chǎn)生小范圍的燒結(jié)。所以，拉深的凹模轉(zhuǎn)角半徑或凸模的轉(zhuǎn)角半徑都在板厚的8倍以上。而且，一般來說它的半徑一定要比產(chǎn)品的轉(zhuǎn)角半徑大。這樣就必須在最后拉深工位或下一個工位里，使拉深轉(zhuǎn)角的半徑要達到產(chǎn)品的要求，這個工位就被稱為整形工位。

看上去，圖5和圖4的形狀是一樣的，實際上圖5部品的凸緣半徑和拉深的圓角半徑都是經(jīng)過整形加工的。雖然是增加了一點點的拉深加工，但是產(chǎn)品的張力就顯現(xiàn)出來了，在方形筒拉深中比較容易出現(xiàn)的長筒壁凹陷問題也得到了緩解。整形工位的后面是要把多余的凸緣切斷、開孔、邊緣折彎，接下來還要在邊緣的平坦處刻上印記（壓?。酱藳_壓加工結(jié)束，加上落料的工序整個部品的加工需要9個工位。

伺服沖床在異形部品加工時的滑塊運轉(zhuǎn)模式

如果我們只看到上面成功的例子，就可能會認為從一張平平的板材逐漸變形成立體形狀是沒有問題的，在大多數(shù)的情況下這種方法是正確的。但是在對異形部品進行加工的情況下，就不一定是完全正確的了。在連載六中提到的部品中，從平板拉深開始，在很多地方都會出現(xiàn)材料的剩余，在剩余的材料內(nèi)部存在壓縮應(yīng)力，在壓縮應(yīng)力的作用下沿著平板邊緣就會出現(xiàn)皺褶。在以后的拉深加工中，如果應(yīng)力由壓縮變成拉深時，由材料的剩余而產(chǎn)生的皺褶就可能被拉開。而此時被壓住的邊緣部分，就會產(chǎn)生很強的拉深滑動的抵抗。也就是壓板作用適度，這樣因材料的多余而產(chǎn)生的皺褶就拉深消解了。但如果拉深量少的情況下，這樣的皺褶就不能消解，這就會產(chǎn)生連載六中的胴體皺褶。這樣的皺褶一旦產(chǎn)生就不能消除，所以首先要抑制皺褶的產(chǎn)生。有時，由于材料的余量較多就會發(fā)展成重疊皺褶，就會成為模具被破壞的原因。有時雖然皺褶沒有重疊，但是皺褶依舊存在或者板厚明顯增加，以致超過了凸模和凹模的間隙，使模具發(fā)生咬死現(xiàn)象也同樣會導(dǎo)致模具損壞。

連載六中的伺服沖床滑塊運轉(zhuǎn)模式，是只要讓滑塊在拉深過程中稍稍抬起一點點，就可能改善凹模表面和材料間以及壓板與材料間的摩擦和潤滑。所謂稍稍的抬起，是不需要整個拉深的長度，只需要凸模頂部和成形部品內(nèi)部頂端間有一個縫隙，此時壓板的邊緣是不能有間隙的。凸模頂部和成形部品內(nèi)部頂端之間形成縫隙，說明被拉深的凹模轉(zhuǎn)角部的材料張力被釋放了。這樣潤滑油就可以順利地進入到凹模的轉(zhuǎn)角部，為拉深用油得到了補充，也就是說拉深加工可以在適當(dāng)?shù)臐櫥瑺顟B(tài)下進行。

皺褶一旦產(chǎn)生，要想通過以后的拉深使其全部消除是非常困難的。即使是消除了也會留下皺褶的痕跡，作為產(chǎn)品來說，無論外觀和品質(zhì)都會下降，如果是有涂層或鍍層的材料還會增加表面缺陷。

伺服沖床在高張力鋼板材料部品加工時的滑塊運轉(zhuǎn)模式

時代的發(fā)展要求既要實現(xiàn)汽車的輕量化又要保證高度安全性，高張力、高強度材料的使用日益增加，今后還會繼續(xù)增加。最近拉深強度超過1200MPa、甚至超過1800MPa的材料已經(jīng)開始使用在汽車車體的部件上。具有彈簧特性的材料，往往是經(jīng)過沖壓加工后從模具中一將成形品取出來，就會出現(xiàn)50％以上的反彈。而且，用于大量生產(chǎn)加工的模具材料的拉深強度，最少需要在被加工材料的5倍以上。在模具上用的最多的材料是SKD11（日本工業(yè)規(guī)格JIS）。SKD11的壓縮強度大約是3100MPa，這種模具材料并不適合做上文提到的高強度材料。這種情況下可以考慮使用超微粉末冶金SKH51的相當(dāng)品（淬火硬度大約在65HRC以上），再做一下表面處理，鍍上高硬度的鍍層或超硬合金的鍍層。但是，即使是使用這種材料的模具進行加工成形，也不能消除回彈現(xiàn)象。因此，最近一種利用熱加工方法的熱沖壓或熱成形工藝已開始受到關(guān)注。

通過圖6可以看到，即使是強度材料在超過800℃時其強度就會降低，所以高強度鋼板在加熱到1000℃左右可以放到模具內(nèi)進行沖壓成形。一般的沖壓加工滑塊只是在下死點通過，這樣加工的部品形狀不能穩(wěn)定。要在下死點附近給成形部品加壓，就要讓沖床短時間停止。在數(shù)十秒的加壓停止時間里，成形材料被冷卻，起到熱處理淬火的目的，使形狀得到固定，這就是目前被叫做熱成形或熱處理成形的加工方法。

圖6 鋼材的材料強度對溫度的依存度

在這里必須提醒大家注意，我們在以前就講到過伺服沖床中有可以進行加壓停止的也有不能實現(xiàn)加壓停止的，因此不是所有的伺服沖床都可以進行這種熱成形加工。

對于強度不是很高的400～600MPa級別的高張力鋼板使用伺服沖床的壓痕模式，進行0.3～0.5s的加壓停止就可以使形狀固定。還可以使用向下死點的方向每次下壓0.1mm，一直到下死點的加壓停止方法進行加工。

可想而知，上面所講的沖壓加工對伺服沖床來說也都是非常嚴峻的，能夠進行這樣作業(yè)的沖壓機械必須具備以下特性：

⑴靜態(tài)精度在1級～特級之間。靜態(tài)精度是沖床在不加任何負荷的情況下進行精度測量的規(guī)格，這個精度意味著沖床的運轉(zhuǎn)部分的間隙要小，這樣才能如實地按照伺服控制的指令動作。

⑵動態(tài)精度高（剛性好）。到目前為止還沒有一個國家制定動態(tài)精度的規(guī)格，但是對于要承受沖擊負荷又要具有很高精度的沖床來說只有良好的靜態(tài)精度顯然是不夠的。動態(tài)精度也可以簡單地被表述為沖壓機械的彈性變形要小，彈性變形所涉及的幾個方面，包括：機架的伸長；底座、冠頂、滑塊、曲軸等的彎曲凹陷；滑塊連桿、滑塊調(diào)整螺紋、工作臺、底座、滑塊及立柱等的壓縮量。

⑶驅(qū)動軸、齒輪類的變形或間隙要小。

⑷性能良好的伺服電機。一臺性能良好的伺服電機并不是只會改變速度的特性，而是要具有減速能力高、能夠在短時間內(nèi)實現(xiàn)加速和減速的要求等。

⑸穩(wěn)定便捷的操作控制系統(tǒng)。這一點是對傳統(tǒng)沖床的控制系統(tǒng)的一個挑戰(zhàn)和突破，既要從實用性、穩(wěn)定性和安全性上全面考慮，又要充分發(fā)揮伺服電機的特性來滿足不同沖壓的特殊要求。許多廠家都在擺脫傳統(tǒng)模式的思維方式，不斷地創(chuàng)新來開發(fā)獨資的軟件系統(tǒng)，眾多廠家都各有特點和所長。但是，還沒有一個完全成熟和得到市場完全公認已經(jīng)成功的軟件控制系統(tǒng)，更談不上統(tǒng)一標準。因此，大家都對這方面的突破抱著很大的期望。

因此，只有同時具備了這些特性的沖床才能算好沖床。如果在短時間內(nèi)進行加速、減速的特性不夠好的話，就不能進行振動模式或壓痕模式等這樣頻繁地正反轉(zhuǎn)交替變換的沖壓加工。