文/張清林·江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司小松勇·日本小松技術士事務所

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·日本小松技術士事務所

有很多人會認為沖壓機械是一種可以適應各種各樣沖壓加工的通用機械，其實不然，它是為某種特定的沖壓加工而設計的，從某種意義上講是有專用機性質(zhì)的機械。如果你能夠了解各種沖床的特性，并根據(jù)沖壓作業(yè)的特點把其作為專用機械來使用，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械的關聯(lián)性，講述中涉及到的沖壓加工種類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特征：

公稱能力發(fā)生位置較低

公稱能力或公稱壓力是指機械式?jīng)_床能夠安全地輸出的最大加工壓力，是以沖床機械部品的強度、變形量的計算為基準的?；瑝K行程在運轉(zhuǎn)到下死點前（也可以說下死點上）幾毫米的位置時會達到公稱能力，我們就把這個點規(guī)定為公稱能力發(fā)生位置。同樣公稱能力的沖床，其公稱能力發(fā)生位置高度不同，沖床的構(gòu)造、離合器傳導扭矩的大小和驅(qū)動電機的輸出功率也都會有很大的不同，所以對于沖壓機械來說，公稱能力發(fā)生位置是一個非常重要的參數(shù)。

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

機械式?jīng)_床從公稱能力發(fā)生位置開始到下死點之間都可以達到公稱能力，但是從公稱能力發(fā)生位置向上離下死點越遠（越高），沖床能夠發(fā)生的能力就越小。沖床在某點能夠發(fā)生的能力與該點在下死點上方的位置關系用行程—壓力曲線來表示，該曲線圖是沖壓機械非常重要的參考和指導依據(jù)，因此必須要放入使用說明書的規(guī)格說明中。一般地，在行程長度的中間部位只能達到公稱能力的40％左右，這樣在進行厚板的加工時，因為加工能力發(fā)生點在距下死點較高的位置，所以只能進行低于公稱能力的加工。

沖床的高度較低，機架的剛性高

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

瞬間釋能所釋放出的能量的大小與機架的剛性有很密切的關系，剛性低，振動就容易發(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行厚板（3.2mm以上）或硬度較高的材料的落料加工的話，為減小瞬間釋能所釋放出的能量，應盡可能在公稱能力的60％以下使用，以保證沖壓機械在精度良好的狀態(tài)下可長時間使用。

圖1 鑄鐵機架的精密高速沖床

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)常就會出現(xiàn)在前一次加工的振動還沒有停止之前下一次振動就又發(fā)生了的情況，這時振動和振動互相重疊，就會使得振動和噪聲大幅度地增大。由于鑄鐵有衰減振動的性能，所以在很早以前鑄鐵機架結(jié)構(gòu)的精密高速沖床（圖1）就問世了。

但是，并不是說在沖床的使用上鑄鐵就是完美無缺的了，例如灰口鑄鐵雖然能夠很好地將振動吸收，但其拉伸屈服強度卻很低，如果用其制造沖床的機架，就必須通過增加厚度的辦法來提高強度。當沖床的公稱能力超過2000kN時，沖床的重量會很大，沖床的價格也隨之增加，所以一般來說只有2000kN以下的高速沖床選用鑄鐵做機架的比較多一些。而高強度的鑄鐵、球墨鑄鐵等雖然拉伸強度較高但衰減振動的能力比鋼板還要低，降低振動的效果不好。

沖壓加工時的振動是由沖床機架和模具彈性變形的能量引起的，因此，減小機架、模具等的彈性變形量是降低振動的關鍵。一般采用加大機架和增加模具部件的板厚的方法來提高強度以達到降低振動的目的，另外還可以通過降低沖床的高度來減少機架的彈性變形（沖床機架的伸長量），這對降低振動也有一定的效果。

但是，用于沖裁落料的伺服沖床，其機架剛性若較低，即使是用伺服電機驅(qū)動，伺服電機的性能優(yōu)勢也不能得到發(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)_床的高剛性機架結(jié)構(gòu)。

閉模高度較低

所謂薄板加工主要是針對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計得較低，這樣的話，其與閉模高度高的沖床相比機架的伸長可以減少一點。

在進行拉深或彎曲的順送級進加工或?qū)Π宀倪M行擠壓的重負荷的順送級進加工時，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，由于工作臺和下模、滑塊和上模在沖壓加工時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)生著微小的滑動錯位，經(jīng)過一段時間后就會產(chǎn)生輕微的微量銹蝕，這種銹蝕會使工作臺、滑塊和模具的接觸面的摩擦增大，使工作臺的上表面和下表面逐漸出現(xiàn)凹陷，久而久之凹陷就會加劇，嚴重時工作臺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)時就要及時找出原因并采取對策，否則就會影響模具和工作臺的精度，還會造成滑塊的精度下降。

閉模高度較低的沖床要盡量避開重負荷的加工，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，也要對沖床的每個部件進行嚴格的尺寸公差、幾何公差的設計，并進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，在選用伺服沖床時一定要從不同的角度來慎重地選擇。

工作臺需要有落料孔

為了保證沖裁落料加工后的成品或下腳料能夠順利排出，必須要在其工作臺和底座上預留落料孔。因為有孔的地方不能承受負荷只能依靠模具本身的剛性來支持，所以在使用高精度模具的時候要把工作臺和底座的孔做到盡量小，在決定落料尺寸的時候，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無一失。如果工作臺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，沖床的大部分負荷就都要靠下模的模板來承受，這時模具的變形量就會很大，這種不依賴工作臺和底座的剛性而只靠模具的剛性的加工也是絕對要避免的。如果實在不能避免，可以在工作臺的孔上面加入墊板或在下模的下面加入一塊厚厚的墊板，以此來加強模具的剛性。

適合拉深加工的沖床

這里主要說明配備了針對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的行程長度，而且要在下死點上方較高的位置處就開始進行加工，所以其公稱能力發(fā)生位置也就較高。一般來說，3000kN沖床的公稱能力發(fā)生位置在下死點上方5～6mm處，5000kN沖床的公稱能力發(fā)生位置在下死點上方13mm處附近的比較多。

圖2 拉深成形部品

飛輪儲備的能量比較多

拉深加工用沖床的飛輪所儲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供給，對電源來說其負擔是很大的。如果其用量完全來自電源就需要有很大的電流流過，電壓就會急劇下降，因此通常在電源和伺服電機之間設置大容量的電容（也稱作電容箱），用它來儲存來自電源的電力，同時回收并儲存因沖床急減速產(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，但如果要實現(xiàn)自動化連續(xù)加工運轉(zhuǎn)的話就需要很大的電力，這時電容箱的尺寸可達到長800mm、寬700mm、高2000mm的程度。

圖3 底座的變形

機架剛性不高

因為沖裁落料加工時沖頭和凹模的間隙很小，所以進行高速作業(yè)時容易產(chǎn)生振動和噪聲，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，在施加了公稱能力的負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，在施加了公稱能力的負荷后，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，底座剛性低會導致模具的變形量加大。

另外，在拉深過程中，在很大范圍的外周的分散式受力是很大的，如果想要在模具周圍盡量降低皺紋的產(chǎn)生，拉深沖床就要根據(jù)這一特點和受力前提條件來對應設計。

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

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

有模具緩沖裝置時會影響底座和工作臺的剛度

適合拉深加工的沖床，其底座內(nèi)部開孔一般都較大，工作臺上也不設計落料孔，但是有些產(chǎn)品在進行加工時必須使用模具緩沖裝置，這時模具緩沖裝置及裝置上的頂板就要設置在底座里面，因此這種拉深加工用沖床的底座開孔就要很大，剛度就會受到影響。而對工作臺來說，這時不但要有安裝模具用的T形槽，還要增加頂銷孔，工作臺的剛度也會被削弱。因此，在設計上一般都采用適當增加工作臺厚度和盡量減小T形槽長度的方法來把對底座和工作臺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調(diào)整成形速度，加之拉深加工中在進行切斷時切斷速度在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，下一期會詳細講述伺服沖床的構(gòu)造和動態(tài)精度、伺服沖床的種類和驅(qū)動放大器，還有伺服沖床的構(gòu)造和動態(tài)精度之間的關系。