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·日本小松技術士事務所

伺服沖床的構造和主要規(guī)格

從加工部品看伺服沖床的機能

由于伺服沖床是數(shù)字控制的沖壓機械，所以它在結構上和規(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所示的側面框架相當于汽車的骨骼，它要承受來自前后左右的沖擊和負荷，是對乘坐人員起到安全保護作用的部品。其中，f是側面框架的外框，它必須具有強度和剛性，外觀的造型也非常重要，要使用成形性能好的高強度鋼。g是側面框架的內側面板，必須有框架外緣以上的強度和剛性。

圖1 三廂四門轎車的側面框架

在側面框架的中央部分h被叫做B形框，要具有足夠的剛性，當遇到事故汽車發(fā)生翻滾或傾覆時，車頂不會被壓扁。而且，在抵抗側面的沖擊門框時，能夠最大程度地減小車體側面變形，必須具有高強度和剛度來保護乘坐人員的安全。雖然從設計上對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度鋼板。

除了圖1外，還有很多覆蓋件部品，見圖2。大多數(shù)覆蓋件都有外側面板和內側面板之分，內側的覆蓋件主要強調外觀的設計和強度，外側的覆蓋件要承受強度和剛度，將內外覆蓋件焊接在一起即可增加剛性又可以達到輕量化的目的。以圖1三廂四門轎車的側面框架為例，側面框架有兩個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雜，在這個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度。

B形框部分更加需要使用高強度材料，這部分不僅需要安裝車門的鉸鏈和門鎖，還要實施防止雨水侵入的密封措施，不但形狀復雜而且是必須具有高強度的部件?，F(xiàn)在汽車的B形框都不是用單純的一塊板做成的，考慮到與車頂和側面軌道的結合，B形框的各個部位的材質和厚度都不同，所以沖壓之前先把不同材質的材料按照需要的形狀切好，在平板的狀態(tài)下進行焊接，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的。這種復合板材必須滿足焊縫在沖壓時不會斷裂，同時又不能給模具帶來負擔的要求。因此需要采用專業(yè)的焊接技術，如激光焊、鎢極氬弧焊（鎢極惰性氣體保護的焊接方法）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。這種復合材料多數(shù)也是要有專業(yè)的制造廠家來制造，再分別提供給汽車生產廠家。

圖2 汽車覆蓋件的構成

另外，外框還要達到外觀的設計要求，覆蓋件的表面上要有凹面和凸面并存的現(xiàn)象。這樣，部品在進行拉伸沖壓時就會產生材料“富?！保斐砂欛?。覆蓋件是容易產生皺褶的部品，這個部品的成形加工是幾乎所有的汽車制造廠都要花費很大精力的事情。這種以側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構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），在防止皺褶的同時還不能阻止板材出現(xiàn)斷裂，這對模具的制造技術和沖床的運轉操作技能也提出了很高的要求。為防止新車設計情報的過早向外透漏，這種復合板外框部件都是由汽車生產廠在工廠內進行成形生產的。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，但并沒有公開過詳細的技術數(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稱的，并且覆蓋件在組裝時的點焊、連續(xù)電弧焊、激光焊等焊接工作基本上實現(xiàn)了機械手的全自動化。以往機械手的焊接軌跡是由車體組裝現(xiàn)場的操作人員，用手動的方法引導焊槍或電焊電極，也就是操作人員直接引導的方式?，F(xiàn)在，在車體設計時就可以利用設計的數(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計數(shù)據(jù)建立一個假想空間正確地計算出焊接的時間，也可以將生產流水線上各種裝置的動作時間計算、累計出來。這種自動流程設置的虛擬離線教學方式已經(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，焊接機械手仍然會按照被設定好的焊接路線進行焊接，這樣組裝出來的汽車車體不但會產生強度不足的問題，車門等的密封性也會受到不好的影響，甚至車體還會發(fā)生扭曲。隨著完全自動流程設置的虛擬離線教學方式的實施，就必須更加提高沖壓加工精度要求。

通過上面的闡述，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。同時也可以很清晰的看到，充分地發(fā)揮、利用伺服沖床的機能，配合伺服式模具緩沖裝置的運用等實行數(shù)控技術的沖壓加工時代已經(jīng)到來。

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

此時，伺服沖床就有了用武之地，因為伺服沖床是實行了數(shù)字控制的沖壓機械，操作人員的技能差、材料成形性的差、加工條件的差、潤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。當然，現(xiàn)在的技術并不是完全沒有必要，但伺服沖床的數(shù)據(jù)和加工實例會不斷地積累、充實，并向普及化方向發(fā)展。也就是說，這些逐步不斷積累的數(shù)據(jù)和實例，都會被很容易地應用在今后的實際沖壓過程中，給人們帶來很多便利的成熟經(jīng)驗值，為實際加工過程提供可行的捷徑。

從加工產品角度看伺服沖床的性能

至今為止，我們反復地講過沖壓加工是在通過材料、模具以及沖壓機械來進行的加工。沖床方面是由加壓系統(tǒng)、沖壓加工的受力負荷、驅動系統(tǒng)、成形的輔助裝置、潤滑系統(tǒng)等等各種各樣的要素構成的，而這些系統(tǒng)又可以更加細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)。機械式伺服沖床的加壓機構基本有曲軸式、無曲軸式、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可以調整曲軸軸承的間距和曲柄軸的粗細等方式，來減少其彎曲變形。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)_壓負荷時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。圖3a的形式多用于行程長度在250mm以內，圖3b多用于行程長度在150mm以內，圖3c多用于行程長度在50mm以內的沖床，圖3b和圖3c的形式多用于高速沖床。

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

⑶驅動系統(tǒng)。驅動系統(tǒng)是指電機扭矩的傳動系統(tǒng)，慣性（GD2）越小應當性能就越好，回轉部和滑動面的間隙、齒輪、接頭的間隙越小精度就越好，驅動系統(tǒng)的摩耗和惡化也就越少。制作部件用的材料以及實行適當?shù)臒崽幚砉に?、精度良好的機加工、管理嚴格的組裝也同樣決定著伺服沖床的性能。當然這些因素產生的影響不僅僅只限于驅動系統(tǒng)內。

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

加載在頂銷上的負荷不一樣時，每根頂銷所受到的壓縮變形就會不同，壓邊墊板的平衡就會發(fā)生改變。在沖壓過程中，看不出壓板墊板的動作有什么異常，但如果在頂板的不同部位安裝幾個傳感器，對實際的沖壓作業(yè)狀況進行測量后就會發(fā)現(xiàn)壓邊墊板在振動、跳動，幾乎沒有處在平衡狀態(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。汽車在行走時的振動是由緩沖減振器和彈簧共同作用來吸收衰減，但是沖床上的模具緩沖裝置上沒有減振器。因此，來自上模的沖擊而產生的振動在沖壓加工中沒有被衰減，導致拉伸加工是在模具緩沖裝置的振動狀態(tài)下進行。由此很容易地就會想到拉伸是在沒有實施正確的按壓下進行的，是不安定的。由于連這樣簡單的小圓筒拉伸加工都是在上述狀態(tài)下進行，在對汽車覆蓋件的這種尺寸大、形狀復雜再加上復合材料板厚以及材料強度也不同的部品進行拉伸加工時，就要使用直徑在φ50～70mm、長度在700～1000mm的頂銷，而且需要20根以上。

綜上所述，從伺服沖壓產品來看伺服沖床的機能，就要把振動控制在最低作為伺服沖床系統(tǒng)設計的重要環(huán)節(jié)。

⑸潤滑系統(tǒng)。這是一個所有機械的共通問題，但對采用了NC控制伺服沖床來說，針對適當?shù)拈g隙進行適當?shù)臐櫥惋@得特別的重要。要使伺服沖床這樣的間隙小、負荷重的機械能夠平穩(wěn)安定地運轉不但需要清潔的給油，充分的冷卻機能也是必不可少的。

機械的間隙大了，可以比較輕快地運轉，但不能得到伺服沖床必須達到的優(yōu)良精度。要使曲軸在承受負荷時也能運轉平穩(wěn)，曲軸與軸承之間的間隙是非常關鍵的，這就給機架的機械加工精度即機械加工的技術水平提出了很高的要求，當然這一點對所有的工作機械都是適用的。在這里必須強調的是，伺服沖床的潤滑系統(tǒng)一定要比傳統(tǒng)的普通沖床潤滑系統(tǒng)要求要高許多才行。否則，就會失去伺服沖床的實際功能和方便之處。比如伺服沖床使用時的自由擺動運轉功能的使用，就需要對曲軸，齒輪等地方實行特殊的潤滑方式，這些在設計時就必須提前考慮到。