沖床的發(fā)展動(dòng)向

1、沖床的發(fā)展動(dòng)向作者：會(huì)田工程技術(shù)（上海）有限公司 張清林 中野隆志在持續(xù)嚴(yán)峻的經(jīng)濟(jì)環(huán)境中，無切削成形是企業(yè)與對(duì)手拉開距離和競(jìng)爭(zhēng)中勝出的有力手段，而且環(huán)保是21世紀(jì)的主題，作為環(huán)保的加工方法將是主要的發(fā)展方向。無切削成形中高精度、高附加值形狀的成形是不可或缺的，為了實(shí)現(xiàn)這些要求就必須了解從材料到成品的全過程綜合技術(shù)。沖床就其中一個(gè)重要的技術(shù)要素。本文將介紹機(jī)械式?jīng)_床的基本特性及近年來開發(fā)出來的適用于各種成形技術(shù)的高精度多功能沖床的發(fā)展方向。 沖床的基本特性 圖1所示為機(jī)械沖床的特性與產(chǎn)品精度的關(guān)系。沖床的特性主要有兩個(gè)，一是剛性，它包括縱向剛性滑塊與工作臺(tái)的拱曲和機(jī)架的彈性伸長(zhǎng)；以及橫向剛性偏心

2、負(fù)荷影響下滑塊的水平移位。其二為滑塊的運(yùn)動(dòng)特性，包括垂直度、平行度、直線度等，對(duì)產(chǎn)品的精度有很大的影響。產(chǎn)品的精度不是只與沖床有關(guān)，它與材料、模具、潤(rùn)滑等都有關(guān)，不能只考慮某一因素。從沖床的要素來考慮，產(chǎn)品的厚度方向的精度與縱向剛性有關(guān)，而偏差、彎曲或平行度則與橫向剛性及運(yùn)動(dòng)曲線特性有關(guān)。所以提高這些特性，產(chǎn)品精度可提高、模具壽命延長(zhǎng)、生產(chǎn)的穩(wěn)定性也能提高。 圖1：沖床的特性與加工產(chǎn)品精度的關(guān)系根據(jù)成形法、成形速度、生產(chǎn)性等選用沖床時(shí)，就必須考慮沖床的這些特性。依據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的不同，機(jī)械式?jīng)_床有：沖壓加工中應(yīng)用最廣泛的曲軸式?jīng)_床，下死點(diǎn)附近速度最慢的肘桿式?jīng)_床，以及滑塊速度在下死點(diǎn)以上很高位置就

3、開始減慢且具有很高扭矩能力的連桿式?jīng)_床。圖2是這些滑塊驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的概念圖，圖3、4是其各自的扭矩能力特性圖及滑塊速度特性圖。 圖2：機(jī)械式?jīng)_床的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)圖3：沖床的扭矩特性圖4：滑塊的速度特性選用鍛造沖床時(shí)，以生產(chǎn)性為重時(shí)就選用曲軸式?jīng)_床；如果追求下死點(diǎn)附近的成形性就選用肘桿式?jīng)_床；若需要很高位置上的成形或閉塞鍛造的話就選用連桿式?jīng)_床。 為了實(shí)現(xiàn)無切削成形，對(duì)沖床的功能要求越來越高。沖壓機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)正向高精度、高剛性、合適的滑塊運(yùn)動(dòng)特性、智能化、多方向運(yùn)動(dòng)、甚至環(huán)保方向發(fā)展。 機(jī)械式?jīng)_床的發(fā)展趨勢(shì) 通用沖床的高剛性、高機(jī)能化 原本作通用機(jī)用的C形沖床（圖5）也追求高精度、高機(jī)能化，由此開發(fā)出一

4、體型龍門沖床（圖6）；帶AIDA連桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)且在下死點(diǎn)附近速度很慢而SPM不受影響的連桿式?jīng)_床（圖7）。此連桿式?jīng)_床在驅(qū)動(dòng)齒輪與曲軸間介入了兩個(gè)偏心的連桿，當(dāng)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于連桿的連結(jié)角度變化，曲軸就做不等速運(yùn)動(dòng)。此連桿機(jī)構(gòu)與其它的連桿機(jī)構(gòu)不同的是受壓部的連接點(diǎn)少而綜合間隙小。如圖8所示，連桿式機(jī)構(gòu)比肘桿式機(jī)構(gòu)的扭矩能力高，可實(shí)現(xiàn)在下死點(diǎn)更高位置的成形。 圖5：C形沖床 圖6：龍門式?jīng)_床 圖7：連桿式?jīng)_床的構(gòu)造圖 圖8：垂直連桿式?jīng)_床 垂直連桿式（VL）驅(qū)動(dòng)方式 針對(duì)機(jī)械式?jīng)_床高精度、高剛性的要求開發(fā)出了如圖8所示的垂直連桿式?jīng)_床(VL系列)，圖9所示為其驅(qū)動(dòng)方式。VL驅(qū)動(dòng)方式是在普通的肘

5、桿式機(jī)構(gòu)中加上垂直連桿和支點(diǎn)連桿共二支連桿，使加工中直接與滑塊連接的連桿基本保持垂直狀態(tài)，使成形載荷能通過垂直連桿垂直傳遞的驅(qū)動(dòng)方式。 圖9：VL驅(qū)動(dòng)方式和肘桿式驅(qū)動(dòng)方式普通機(jī)械沖壓機(jī)由于連桿是斜壓在滑塊上，使滑塊受很大的不良橫向力，因此，這種驅(qū)動(dòng)方式比普通驅(qū)動(dòng)方式具有更高的精度，更加適合于高精度加工。圖10為普通沖壓機(jī)的受力圖。下死點(diǎn)上方5mm位置，普通肘桿式?jīng)_壓機(jī)的滑塊受到橫向力約占成形力的10%，而VL的不會(huì)超過1%。這種沖壓機(jī)適用于要求上下模具對(duì)中性高的加工。 圖10：不同驅(qū)動(dòng)方式側(cè)向力的比較 滑塊連桿式（SL）驅(qū)動(dòng)方式 SL驅(qū)動(dòng)方式和VL驅(qū)動(dòng)一樣是一種作用于滑塊上的側(cè)向力幾乎為零的驅(qū)

6、動(dòng)方式，但其行程可以做的更長(zhǎng)，適用于下死點(diǎn)以上更高的位置上開始速度變化很少的擠壓加工。驅(qū)動(dòng)方式如圖10所示曲軸與揺動(dòng)連桿滑動(dòng)連接，滑塊通過連桿與搖動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)連結(jié)。這種連桿機(jī)構(gòu)保證連桿在工作中保持基本垂直狀態(tài)。 如圖10所示下死點(diǎn)上35mm的位置上，肘桿式?jīng)_床的側(cè)向力為29%而SL沖床只有0.24%。 垂直連桿式?jīng)_床多用于順?biāo)图庸?，但在形狀?fù)雜的成形中，也有用如圖11所示的先用順?biāo)图庸ぃ蟀氩糠钟枚喙の话崴偷膹?fù)合方式進(jìn)行加工。搬送裝置可用各種各樣，如吸盤式或夾爪式的三維伺服多工位搬送裝置等。 圖11. 順?biāo)图庸づc多工位搬送加工的復(fù)合成形數(shù)控沖床 數(shù)控沖床具有CNC控制系統(tǒng)，能根據(jù)加工方法的需要任

7、意設(shè)定滑塊的運(yùn)動(dòng)方式和速度。 螺桿式數(shù)控沖床 伺服工作機(jī)（圖12）是使用AC伺服馬達(dá)通過螺桿驅(qū)動(dòng)滑塊的，成形中下死點(diǎn)的位置可通過位置讀取裝置提供數(shù)據(jù)給位置控置裝置進(jìn)行控制。因此，機(jī)械的熱膨漲和彈性變形不會(huì)影響產(chǎn)品的精度，如圖13所示可以調(diào)整出最適合的滑塊運(yùn)動(dòng)方式及以極其微小的單位控制下死點(diǎn)的位置。所以適用于高精度高機(jī)能的無切削成形螺桿式伺服沖床采用油壓馬達(dá)和儲(chǔ)能器進(jìn)行扭矩控制的形式，下死點(diǎn)的位置控制可達(dá)到微米級(jí)，是節(jié)省能源且有環(huán)保要求的機(jī)種。 圖12：AC伺服沖床的構(gòu)造圖13：滑塊運(yùn)動(dòng)模式的舉例 曲軸式伺服沖床 曲軸式?jīng)_床與AC伺服馬達(dá)組合起來的數(shù)控沖床如圖14所示。這種沖床是用伺服馬達(dá)代替原

8、來沖床上的離合制動(dòng)器和飛輪。這種沖床具有滑塊運(yùn)動(dòng)模式可任意設(shè)定的伺服沖床的特點(diǎn)，同時(shí)具有如圖3普通機(jī)械式?jīng)_床的扭矩特點(diǎn)。但其工作能量在低速區(qū)不會(huì)降低。 圖14：數(shù)控沖床 復(fù)動(dòng)成形沖床 復(fù)動(dòng)成形是無切削成形的有力手段。在冷間鍛造中的閉塞鍛造就是一個(gè)例子，是通過控制多個(gè)沖頭、凹模的動(dòng)作和時(shí)間圖來達(dá)到控制材料塑性流動(dòng)的目的。制品的精度和成形性可得到提高，甚至可以縮短工序數(shù)量。 復(fù)動(dòng)成形粗略可分為兩大類：重視沖床的通用性使用復(fù)動(dòng)模架的復(fù)動(dòng)成形；多品種生產(chǎn)用模具裝拆容易的使用復(fù)動(dòng)沖床的成形。最近不僅在鍛造加工上，同時(shí)在板金成形與鍛造的復(fù)合成形的多樣化及能力的提高的同時(shí)，要求沖床不僅具有多動(dòng)作性能，還須具

9、備高的通用性。 閉塞鍛造沖床 星形輪及十字連軸節(jié)的成形已普遍利用閉塞鍛造模具及通用鍛造沖床。其模具結(jié)構(gòu)如圖15所示具有閉塞機(jī)能和協(xié)調(diào)機(jī)能。其它可節(jié)省模具裝配時(shí)配管時(shí)間的閉塞鍛造沖床可分成兩類：這些功能全在沖床里（圖16)和上下油缸在沖床上而協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)在模座上兩種形式。 圖15：滑塊協(xié)調(diào)式的閉塞鍛造模具圖16：滑塊協(xié)調(diào)式閉塞鍛造沖床 板材鍛造沖床 隨著板材鍛壓成形的普及，要求鍛造沖床能進(jìn)行拉深成形或縮短工程數(shù)，因此要求滑塊和工作臺(tái)必須帶油缸。原來的閉塞鍛造幾乎都是采用高能力的常壓動(dòng)作，板材鍛造除了要求與工法相適應(yīng)的常壓動(dòng)作之外，還要求帶有順序動(dòng)作、自鎖等功能。 圖17是外形帶齒形的產(chǎn)品。這是由如圖

10、18所示的模具成形的，模芯比凸模先進(jìn)入凹模中，反頂桿提供背壓進(jìn)行正擠壓動(dòng)作。 圖17：帶齒形杯狀圖18：杯狀物的正擠壓模具 齒輪成形用沖床 螺旋齒輪成形用復(fù)動(dòng)油壓沖床如圖19所示。這種沖床共有滑動(dòng)驅(qū)動(dòng)用、滑塊內(nèi)2個(gè)、工作臺(tái)內(nèi)2個(gè)，共個(gè)驅(qū)動(dòng)源全部合用1個(gè)油壓式驅(qū)動(dòng)裝置。 圖19：齒輪驅(qū)動(dòng)式油壓復(fù)動(dòng)沖床成形的初期階段與常壓頂桿方式的內(nèi)圈鍛造成形一樣，凸模插入閉塞中的凹模齒形空間，材料從下方開始流動(dòng)進(jìn)行初成形。在這種狀態(tài)下，模芯上升，材料中心的模芯直徑由粗變細(xì)。此時(shí)工件內(nèi)徑部又有了新的空間，可以產(chǎn)生新的塑性流動(dòng)，所以加大壓力材料就可充滿齒形的先端部位。其模具結(jié)構(gòu)如圖20所示。圖21是用此方法加工出來的產(chǎn)品，加工壓力只有1300 Mpa，齒形部的塌角及毛剌極小。利用復(fù)動(dòng)成形對(duì)材料流動(dòng)進(jìn)行控制成形出來的齒輪可達(dá)JIS34級(jí)，這非常接近于高附加值的無切削成形。 圖21：螺旋齒輪（材質(zhì)：SCM420）結(jié)束語：塑性加工是無切削加工中的很關(guān)重要的一種，它是利用復(fù)動(dòng)成形進(jìn)行高精度、高附加值的成形及工程縮短、復(fù)合成形等的板鍛造及毫微米級(jí)的微細(xì)精密成形，使其成形范圍越來越寬。本文就這種加工