彭斌彬，王向前，劉宏振

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

高速精密數(shù)控沖床或者高速壓力機(jī)是一種高效、精密的沖裁成型裝備，廣泛應(yīng)用在電機(jī)定轉(zhuǎn)子和變壓器鐵芯、空調(diào)熱交換器翅片、電連接器、IC引線框架等零件(圖1)的加工中。高速精密沖床從誕生到現(xiàn)在已有100多年的歷史，美國亨利拉特公司于1910年設(shè)計(jì)并制造了世界上最早的高速壓力機(jī)，當(dāng)時沖壓行程次數(shù)為200～300次/min(SPM)。

圖1 高速精密沖床加工的零件

近年來，高速沖壓技術(shù)不斷向高速化、精密化和智能化方向發(fā)展，涌現(xiàn)出許多高速和超高速壓力機(jī)。這些高速和超高速壓力機(jī)的提法一般僅根據(jù)行程次數(shù)單一技術(shù)指標(biāo)來定義，目前就如何劃分高速壓力機(jī)與普通壓力機(jī)一直不是很明確。日本一些公司對600kN以下的小型精密壓力機(jī)按行程次數(shù)分為4個等級：常速(<250SPM)，次高速(250～400SPM)，高速(400～1000SPM)和超高速(>1000SPM)[1]。中國鍛壓協(xié)會根據(jù)現(xiàn)代技術(shù)及發(fā)展趨勢，考慮到高速壓力機(jī)的行程次數(shù)目前最高已達(dá)4000SPM，認(rèn)為按超高速(>1500SPM)，真高速(800～1500SPM)，準(zhǔn)高速(250～800SPM)劃分更為科學(xué)[2]。國內(nèi)徐州鍛壓機(jī)床廠集團(tuán)公司和濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司共同起草《閉式高速精密壓力機(jī)技術(shù)條件》，按公稱壓力和滑塊行程次數(shù)對高速沖床進(jìn)行劃分。對公稱壓力800kN以下的沖床，其行程次數(shù)超過400SPM稱為高速壓力機(jī)；對公稱壓力800～3150kN的沖床，其行程次數(shù)300SPM以上稱為高速壓力機(jī)；對公稱壓力3150～6300kN的沖床，其行程次數(shù)200SPM以上稱為高速壓力機(jī)；對公稱壓力6300kN以上的沖床，其行程次數(shù)100SPM以上稱為高速壓力機(jī)[3]。

為了科學(xué)評價(jià)高速機(jī)械壓力機(jī)在不同平衡原理、不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的慣性力平衡效果，趙升噸等[4]定義了一種表達(dá)慣性力敏感程度的慣性力因子，以此比較了國內(nèi)外不同原理結(jié)構(gòu)的高速壓力機(jī)慣性力平衡效果的好壞。這一慣性力因子雖然不能直接評價(jià)高速壓力機(jī)整機(jī)綜合技術(shù)性能，只是評估了其動平衡效果，但是其也給出了一個重要的啟發(fā)：慣性力、行程次數(shù)、滑塊行程和沖壓滑塊質(zhì)量等多參數(shù)相互耦合。因此，高速機(jī)械壓力機(jī)的綜合性能也需要多參數(shù)來進(jìn)行評定。

另外，盡管小噸位高速精密壓力機(jī)滑塊行程次數(shù)已達(dá)到3000～4000次/min，但大噸位高速精密壓力機(jī)主沖壓滑塊質(zhì)量大導(dǎo)致其慣性力也很大，滑塊行程次數(shù)達(dá)到500次/min時運(yùn)行過程中不平衡現(xiàn)象明顯增加，會出現(xiàn)劇烈晃動，并造成下死點(diǎn)動態(tài)性能惡化[5]。大噸位精密壓力機(jī)每分鐘的滑塊行程次數(shù)要比小噸位壓力機(jī)的滑塊行程次數(shù)低得多，但制造的技術(shù)難度反而大大提高。很顯然大噸位高速精密壓力機(jī)比很多小噸位高速精密壓力機(jī)綜合性能高，如果只是簡單根據(jù)滑塊行程次數(shù)(SPM)單一技術(shù)指標(biāo)來判斷是不是高速壓力機(jī)明顯是不合適的。高速只是一個相對概念，必須結(jié)合其他技術(shù)參數(shù)加以劃分，如何劃分高速沖床和普通沖床各國還沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

高速精密沖床的下死點(diǎn)動態(tài)重復(fù)精度會隨工作轉(zhuǎn)速和環(huán)境溫度的升高而向下漂移，導(dǎo)致沖壓模具閉模高度的位置(下死點(diǎn))不好確定。閉模高度偏高會形成過沖，模具易損壞且機(jī)身負(fù)載增大；閉模高度偏低又會造成沖裁力不夠，沖壓件的成型質(zhì)量達(dá)不到要求而出現(xiàn)廢品。因此下死點(diǎn)動態(tài)精度也是高速壓力機(jī)的一個非常重要的技術(shù)參數(shù)，很多研究者對此開展了深入的研究[6-16]。不同噸位的高速沖床應(yīng)用領(lǐng)域略有差異，一般來說大噸位(公稱沖壓力600kN以上)高速精密沖床用來加工變壓器和電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵芯等精度相對低一點(diǎn)的沖壓件，而小噸位(公稱沖壓力600kN以下)高速精密沖床用來加工電連接器和IC引線框架等高精密沖壓件。因此各高速壓力機(jī)制造企業(yè)在產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)上很多時候不將下死點(diǎn)動態(tài)重復(fù)精度進(jìn)行標(biāo)注，而主要標(biāo)注公稱壓力、行程和行程次數(shù)三個性能參數(shù)，外加裝模高度調(diào)整值、工作臺面以及動力參數(shù)等。

本研究主要聚焦在高速沖床的分類判定及大體性能的評定上，所以重點(diǎn)關(guān)注高速壓力機(jī)公稱壓力、行程和行程次數(shù)三個參數(shù)。

1 國內(nèi)外的高速壓力機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

由于高速壓力機(jī)是沖壓行業(yè)的重要裝備，國內(nèi)外的許多企業(yè)都致力于其技術(shù)的研究。按機(jī)身結(jié)構(gòu)不同，高速壓力機(jī)分為開式和閉式兩種。開式結(jié)構(gòu)的機(jī)身通常擁有較大的喉深，能夠加工更大尺寸的工件，多數(shù)開式壓力機(jī)機(jī)身采用整體式設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低，但剛度也低，工作負(fù)載下易變形，加工精度低，模具壽命短。閉式結(jié)構(gòu)的機(jī)身為封閉框架結(jié)構(gòu)，能夠保持很高加工精度。對大型閉式結(jié)構(gòu)高速壓力機(jī)而言，機(jī)身采用組合設(shè)計(jì)，不僅可以獲得更高的承載能力，也便于機(jī)身零件的加工和運(yùn)輸。

按運(yùn)動原理分類，主要包括曲柄滑塊式和多桿式兩種類型，極個別為正弦機(jī)構(gòu)，亦稱無連桿機(jī)構(gòu)(例如精達(dá)開發(fā)的GC及GD系列高速壓力機(jī))，本研究將正弦機(jī)構(gòu)歸于曲柄滑塊式這類中。眾多高速壓力機(jī)中以曲柄滑塊式的產(chǎn)品為主，已從單點(diǎn)、雙點(diǎn)逐漸發(fā)展到三點(diǎn)、四點(diǎn)。目前國內(nèi)大部分的高速壓力機(jī)產(chǎn)品采用的是曲柄滑塊結(jié)構(gòu)，國外公司對多連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了深入研究和實(shí)際應(yīng)用，并各具特色。如Burderer公司BAST系列杠桿式機(jī)構(gòu)，YAMADA DOBBY的NXT和MXM系列采用雙連桿機(jī)構(gòu)，Nidec-kyori的MACH系列、ANEX系列及其改進(jìn)系列均采用多連桿結(jié)構(gòu)。

另外高速壓力機(jī)還可按其他方法劃分，比如按主滑塊支撐點(diǎn)數(shù)量分為單點(diǎn)式和雙點(diǎn)式(或多點(diǎn)結(jié)構(gòu))；按傳動類型分為上傳動和下傳動兩種結(jié)構(gòu)，但目前上傳動式壓力機(jī)逐漸發(fā)展為主流。不同結(jié)構(gòu)的高速壓力機(jī)具有不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其性能上也略有差異。

高速精密沖床按機(jī)身結(jié)構(gòu)及其所采用的主驅(qū)動機(jī)構(gòu)總體可以分為開式曲柄滑塊式、閉式曲柄滑塊式、閉式多桿式三大類，機(jī)身是“C”型結(jié)構(gòu)為開式，機(jī)身為封閉結(jié)構(gòu)為閉式。本文據(jù)此對高速壓力機(jī)進(jìn)行劃分，這三類高速壓力機(jī)的產(chǎn)品外形大致如圖2所示。

圖2 不同結(jié)構(gòu)的高速壓力機(jī)

1.1 開式曲柄滑塊式高速壓力機(jī)

國外開式曲柄滑塊高速壓力機(jī)產(chǎn)品較少，該類產(chǎn)品主要集中在國內(nèi)。國內(nèi)除徐鍛集團(tuán)外，揚(yáng)鍛、揚(yáng)力集團(tuán)和寧波米斯克陸續(xù)推出了多款開式高速壓力機(jī)系列產(chǎn)品。揚(yáng)鍛YHA系列(公稱壓力250～600kN，滑塊行程30mm)采用肘桿彈簧平衡裝置，其在公稱壓力250kN、滑塊行程30mm時滑塊行程次數(shù)達(dá)到800SPM，在相同行程、公稱壓力600kN時滑塊行程次數(shù)達(dá)到600SPM。揚(yáng)鍛YKC系列噸位較大，在公稱壓力1600kN、滑塊行程80mm時滑塊行程次數(shù)達(dá)到200SPM。揚(yáng)力的SHC-25在行程20mm時滑塊行程次數(shù)達(dá)到了1000SPM；揚(yáng)力的SHC-45在行程20mm時滑塊行程次數(shù)達(dá)到了800SPM。寧波固安力GS系列公稱壓力為300～800kN，滑塊行程在20～50mm之間，其中GS-30在滑塊行程為20mm時滑塊行程次數(shù)可達(dá)900SPM。

臺灣地區(qū)開式高速壓力機(jī)最具代表性的為瑛瑜Civic系列和振力C系列高速壓力機(jī)，不僅涵蓋了多個噸位與行程，而且行程次數(shù)能夠達(dá)到1000SPM。瑛瑜Civic系列公稱壓力為250～450kN，其中250kN和450kN的高速壓力機(jī)在20mm行程時滑塊行程次數(shù)分別能夠達(dá)到1200SPM和1000SPM，在40mm行程時依然能達(dá)到800SPM和700SPM。振力C系列(包含C、CP、CD三種不同型號)開式高速壓力機(jī)的公稱壓力范圍更廣，從150kN至800kN并包含20～50mm多個行程。其中，CP為油壓鎖模，只需轉(zhuǎn)動開關(guān)就可放開鎖模調(diào)模，因此可以大幅減少調(diào)模的時間。CD為油壓鎖模+動態(tài)平衡，省力又可把噪聲降至最低。C25T/CP25/CD25公稱壓力為250kN，在滑塊行程20mm時行程次數(shù)達(dá)1000SPM。在800kN領(lǐng)域，其CP80/CD80型25mm行程時行程次數(shù)為600SPM，40mm時為400SPM。開式曲柄滑塊高速壓力產(chǎn)品主要技術(shù)性能參數(shù)見表1。

表1 開式曲柄滑塊式高速壓力機(jī)主要性能參數(shù)

1.2 閉式曲柄滑塊式高速壓力機(jī)

國外制造閉式曲柄滑塊式高速壓力機(jī)的企業(yè)主要有德國Schluer、美國Minster、日本AIDI、KYORI、Yamada-Dobby等，其產(chǎn)品的性能水平相當(dāng)高。在這些企業(yè)所生產(chǎn)的高速壓力機(jī)中，噸位最大的為Minster生產(chǎn)的E2HF型高速壓力機(jī)，其公稱壓力達(dá)到5400kN，并有30mm、35mm和40mm三個行程系列，滑塊行程次數(shù)達(dá)到225～300SPM。其蜂鳥(Hummingbird)系列HB2-60型550kN閉式雙點(diǎn)超高速壓力機(jī)，行程次數(shù)達(dá)到1600SPM，而隨后開發(fā)的HB2-30型270kN閉式雙點(diǎn)超高速壓力機(jī)的行程次數(shù)進(jìn)一步提高到2700SPM。日本票本鐵工所引進(jìn)瑞士ESSA技術(shù)制造的600kN高速壓力機(jī)，最高行程次數(shù)達(dá)到1500SPM，主要用于集成電路引線框架、精密接插件和其他精密零件的沖壓加工。日本能率制作所開發(fā)出行程次數(shù)達(dá)到3000SPM的小型高速壓力機(jī)，在滿負(fù)載時也能達(dá)到JIS標(biāo)準(zhǔn)的特級精度要求。

我國臺灣地區(qū)的閉式曲柄滑塊式高速壓力機(jī)生產(chǎn)企業(yè)主要有瑛瑜、金豐、高將、振力等。瑛瑜Apex-30型閉式雙點(diǎn)式高速壓力機(jī)，在10mm行程時最大行程次數(shù)達(dá)到1400SPM。另外HD-450型最大公稱壓力為4500kN，最大行程次數(shù)可達(dá)到350SPM。在公稱壓力800kN的高速壓力機(jī)產(chǎn)品中，高將的GH-80及瑛瑜的Apex-80最大行程次數(shù)可達(dá)到700～800SPM。振力的H125DB在滑塊行程為25mm時滑塊行程次數(shù)可以達(dá)到550SPM。

國內(nèi)大陸地區(qū)最具有代表性的為揚(yáng)鍛研發(fā)的J76-80型閉式雙點(diǎn)高速壓力機(jī)，最大行程次數(shù)600SPM，主滑塊下死點(diǎn)重復(fù)定位精度±0.02mm左右；J76-550型公稱壓力為5500kN，最大行程次數(shù)達(dá)到200SPM以上；J76-750型公稱壓力為7500kN，最大行程次數(shù)達(dá)到180SPM。徐鍛集團(tuán)于2006年完成國內(nèi)首臺3000kN閉式雙點(diǎn)高速壓力機(jī)的研制，形成公稱壓力為800～3000kN、行程次數(shù)150～450SPM的高速壓力機(jī)制造能力，其JK36-800A型公稱壓力8000kN，最大行程次數(shù)達(dá)到80SPM左右。除此外，國內(nèi)揚(yáng)力、精達(dá)等多個企業(yè)也有眾多閉式曲柄滑塊式?jīng)_床型號。國內(nèi)外主要高速壓力機(jī)產(chǎn)品技術(shù)性能參數(shù)見表2。

表2 閉式曲柄滑塊式高速壓力機(jī)主要性能參數(shù)

閉式曲柄滑塊式高速壓力機(jī)主要特征是機(jī)身為閉式結(jié)構(gòu)且主驅(qū)動機(jī)構(gòu)為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，平衡機(jī)構(gòu)與主驅(qū)動機(jī)構(gòu)相對獨(dú)立。這類高速沖床最典型的結(jié)構(gòu)如圖3所示，機(jī)身為龍門閉式結(jié)構(gòu)，兩組曲柄滑塊機(jī)構(gòu)并接在曲軸和主沖壓滑塊之間，其動平衡機(jī)構(gòu)是在與主滑塊對稱的180°位置上布置一個副滑塊及曲柄連桿零件，抵消主沖壓滑塊所產(chǎn)生的慣性力，這是一種不完全動平衡機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)的副滑塊通過連桿直接與曲軸相連，導(dǎo)致曲軸的受力更加復(fù)雜，發(fā)熱點(diǎn)變多，從而制約其沖壓次數(shù)的提高。針對該問題，彭斌彬[17]提出了一種主被動復(fù)合驅(qū)動的髙速沖床機(jī)構(gòu)，如圖4所示，在機(jī)身上的擺桿一端通過副連桿連接平衡副滑塊，另一端通過連桿連接主滑塊，使副滑塊的驅(qū)動方式由曲軸主動驅(qū)動變?yōu)閿[桿被動驅(qū)動；該機(jī)構(gòu)曲柄上曲拐數(shù)量由三個減為兩個，受力點(diǎn)減少；曲軸結(jié)構(gòu)更加簡單，加工工藝性更好；通過擺桿機(jī)構(gòu)，使得平衡機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動運(yùn)動副由整周轉(zhuǎn)運(yùn)動改為一定幅度內(nèi)的擺動，摩擦發(fā)熱量減少，從而降低熱變形并可提高機(jī)床的精度和使用壽命；周宇[18]對圖4所示高速沖床機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。另一種閉式曲柄滑塊式高速沖壓機(jī)構(gòu)為偏心塊式機(jī)構(gòu)，如圖5所示，該機(jī)構(gòu)在曲軸偏心的相反方向設(shè)置偏心平衡塊，該偏心平衡塊主要用來平衡曲柄滑塊部件所產(chǎn)生的慣性力矩，這也是一種不完全動平衡結(jié)構(gòu)。從動平衡理論或者慣性力/力矩的數(shù)學(xué)模型來看，平移運(yùn)動構(gòu)件的慣性力和轉(zhuǎn)動運(yùn)動構(gòu)件的慣性力矩分別是在動平衡理論模型的不同分量中描述或表達(dá)的，不可能在同一分量中出現(xiàn)并相互抵消，所以圖5所示沖床機(jī)構(gòu)的動平衡效果較差，沖壓次數(shù)不宜過高，否則機(jī)器的振動會很大。

圖3 閉式曲柄滑塊式高速壓力機(jī)及其機(jī)構(gòu)簡圖

圖4 復(fù)合驅(qū)動機(jī)構(gòu)

圖5 偏心塊式機(jī)構(gòu)

1.3 閉式多桿高速壓力機(jī)

國外瑞士BURDERER的BSTA系列基本代表了閉式多桿高速壓力機(jī)的最高水平，其噸位涵蓋了180～2500kN，每一款機(jī)型均分為固定行程和可調(diào)行程兩種模式，其中BSTA200-60/70型滑塊行程次數(shù)最高可達(dá)到2000SPM，BSTA2500F-270型在滑塊行程16mm時行程次數(shù)最高達(dá)到710SPM，下死點(diǎn)位置精度均可達(dá)±0.005mm。YAMADA DOBBY公司的NXT系列采用雙連桿機(jī)構(gòu)，公稱壓力為250～2000kN之間，公稱壓力800kN時滑塊行程次數(shù)可達(dá)800SPM；MXM系列采用另一種多連桿驅(qū)動機(jī)構(gòu)，滑塊行程次數(shù)可達(dá)2000SPM，因側(cè)向力過大，公稱壓力最大只有800kN。Nidec-kyori公司的閉式多桿高速壓力機(jī)主要包括ANEX II、ANEX-H和FENIX等系列，ANEX II系列主要有300kN、400kN、600kN三個噸位，滑塊行程次數(shù)分別能夠達(dá)到1200SPM、1000SPM、750SPM。其中ANEX-H和FENIX是ANEX II系列的升級產(chǎn)品，滑塊行程次數(shù)可提高到1500SPM。

臺灣地區(qū)瑛瑜閉式多桿高速壓力機(jī)APEX系列只有800kN、1250kN兩個噸位，并且滑塊行程為20～50mm，滑塊行程次數(shù)在400～700SPM。高將的GL系列公稱壓力在300～3600kN，主要滑塊行程為20～45mm，300kN滑塊行程次數(shù)最高1000SPM，3600kN時則能達(dá)到300SPM。

大陸地區(qū)多桿高速壓力機(jī)比較少，寧波精達(dá)CG系列公稱壓力在300～1250kN，滑塊行程在20～36mm，滑塊行程次數(shù)最高則能達(dá)到1200SPM，此型號壓力機(jī)已能躋身國際先進(jìn)水平。米斯克開發(fā)的Super系列多連桿高速壓力機(jī)(公稱壓力300～600kN)，用于微電子精密零件的高速沖壓，其公稱壓力300kN、行程25mm時最高行程次數(shù)可達(dá)1050SPM。國內(nèi)外閉式多桿高速壓力機(jī)產(chǎn)品主要技術(shù)性能參數(shù)見表3。

表3 閉式多桿高速壓力機(jī)主要性能參數(shù)

裝備的原始創(chuàng)新是以其原理機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，原理機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)水平基本代表國內(nèi)外各高速沖床制造企業(yè)或研究者的裝備創(chuàng)新能力。高速沖床根據(jù)其驅(qū)動機(jī)構(gòu)與平衡機(jī)構(gòu)是否獨(dú)立又可分為兩類：驅(qū)動機(jī)構(gòu)和平衡機(jī)構(gòu)相對獨(dú)立的沖床機(jī)構(gòu)、驅(qū)動和平衡一體化的沖床機(jī)構(gòu)。當(dāng)驅(qū)動機(jī)構(gòu)與平衡機(jī)構(gòu)相對獨(dú)立時多桿高速沖床機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)相對容易一些，因此很多企業(yè)采用該類機(jī)構(gòu)方案。

日本KYORI的ANEX系列和臺灣地區(qū)高將的GL系列均采用驅(qū)動和平衡相對獨(dú)立的如圖6所示沖床機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)兩側(cè)對稱且上下對稱(不考慮桿長和主、副滑塊的寬度)，左右對稱可以減輕曲軸上的負(fù)荷，上下對稱可以利用上滑塊的慣性力來平衡下面沖壓滑塊的慣性力。

圖6 GL系列的機(jī)構(gòu)簡圖

日本Yamada-Dobby高速沖床采用如圖7所示的機(jī)構(gòu)，NXT系列沖床機(jī)構(gòu)由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、菱形機(jī)構(gòu)和對稱肘桿機(jī)構(gòu)串聯(lián)而成(圖7(b))，可改善慣性力等因素帶來的機(jī)構(gòu)左右不平衡問題，提高了抗偏載能力，從而提高下死點(diǎn)動態(tài)精度及機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性；其另一種多連桿機(jī)型為MXM系列(圖7(d))，采用雙連桿機(jī)構(gòu)保證左右兩側(cè)桿件運(yùn)動的對稱性[19]。這兩種機(jī)構(gòu)在主驅(qū)動機(jī)構(gòu)外都有單獨(dú)的平衡機(jī)構(gòu)來平衡主沖壓滑塊的慣性力。

圖7 YAMADA DOBBY 高速沖床機(jī)構(gòu)原理圖

瑞士BRUDERER的BSTA系列采用如圖8所示機(jī)構(gòu)，得益于獨(dú)特的杠桿系統(tǒng)，沖壓滑塊所承受的負(fù)載不是全部直接作用在曲軸上，而是同時也分解到機(jī)身不同的部位。這種載荷分配系統(tǒng)以及非常小的軸承間隙和高效的潤滑系統(tǒng)是BRUDERER沖床獲得極長壽命和極高精度的關(guān)鍵；另外其動平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)非常巧妙，利用左右兩側(cè)擺動塊運(yùn)動相位的不完全對稱可將曲軸和連桿大頭引起的慣性力矩進(jìn)行平衡，使得整個沖壓機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)慣性力/力矩的完美平衡。憑著在該高速沖壓機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新和其本身強(qiáng)大的設(shè)計(jì)能力，BRUDERER生產(chǎn)的高檔高速精密數(shù)控沖床一直是業(yè)界的王者，牢牢占據(jù)引線框架加工的高速精密沖床市場。

圖8 對稱杠桿式高速沖床機(jī)構(gòu)

日本AIDA公司的一款高速壓力機(jī)采用如圖9(a)所示的平衡擺塊式?jīng)_床機(jī)構(gòu)，其平衡機(jī)構(gòu)為杠桿方式，杠桿的一端接在高速壓力機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動的鉸接點(diǎn)上，杠桿的另一端連接一個一定質(zhì)量的平衡擺塊，杠桿的支點(diǎn)固定在機(jī)身上。工作時，平衡擺塊的擺動方向和滑塊的運(yùn)動方向相反，從而起到平衡慣性力的作用。AIDA公司另一款高速壓力機(jī)的工作原理如圖9(b)所示，該高速壓力機(jī)除了配置平衡副滑塊外，左右兩側(cè)各有一個行程調(diào)節(jié)裝置(通過上下調(diào)節(jié)支點(diǎn)的位置從而改變滑塊上、下死點(diǎn)位置)；此外由于采用了合理的多桿傳動機(jī)構(gòu)，使得該高速壓力機(jī)還具有比較好的低速鍛沖急回特性[20]。

圖9 AIDA公司的高速沖床機(jī)構(gòu)

陳浩等[21]發(fā)明了一種如圖10所示高速沖床機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)利用左右兩側(cè)的平衡塊最大程度上平衡了主沖壓滑塊的慣性力，左右對稱多桿機(jī)構(gòu)不僅具有明顯的增力效果，同時減小了沖壓滑塊與導(dǎo)軌的磨損。

圖10 高速沖床機(jī)構(gòu)

上述多桿沖床機(jī)構(gòu)將平衡機(jī)構(gòu)與驅(qū)動機(jī)構(gòu)相分開，因此主驅(qū)動機(jī)構(gòu)和動平衡機(jī)構(gòu)可以單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)。與此不同的是，臺灣地區(qū)瑛瑜Pirica HK-45系列高速精密壓力機(jī)采用傳動機(jī)構(gòu)和平衡機(jī)構(gòu)一體化的設(shè)計(jì)方案，其機(jī)構(gòu)原理如圖11所示。該高速壓力機(jī)有兩個相互對稱的二點(diǎn)式雙肘節(jié)機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)的動平衡主要靠左右兩側(cè)L形連桿配重來實(shí)現(xiàn)，同時L形連桿也是主傳動構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)了傳動機(jī)構(gòu)和平衡機(jī)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)，因此整體結(jié)構(gòu)比較緊湊。

圖11 雙肘節(jié)平衡機(jī)構(gòu)

彭斌彬等[22]也提出多種驅(qū)動與平衡一體化的多桿高速沖床機(jī)構(gòu)，如圖12所示。圖12 (a)所示的該多桿沖床機(jī)構(gòu)的平衡機(jī)構(gòu)和驅(qū)動機(jī)構(gòu)是一體化的，降低了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性；對稱式的杠桿結(jié)構(gòu)布置可有效提高沖床在沖壓過程中的抗偏載能力，提高沖裁精度。如圖12 (b)所示[23]，該機(jī)構(gòu)利用雙杠桿原理巧妙地將主滑塊受到的沖裁力進(jìn)行了分解，避免其直接作用在曲軸上，提高了機(jī)床的結(jié)構(gòu)剛度，該機(jī)構(gòu)通過局部的結(jié)構(gòu)調(diào)整還可實(shí)現(xiàn)下死點(diǎn)動態(tài)精度的補(bǔ)償。如圖12 (c)所示[24]，該機(jī)構(gòu)主、副滑塊的運(yùn)動方向相反，可對豎直方向的慣性力進(jìn)行平衡；該高速沖床采用雙肘桿式結(jié)構(gòu)，沖裁力不是完全直接作用到曲軸上，可有效地減小曲柄承受的轉(zhuǎn)矩；利用兩側(cè)的水平調(diào)節(jié)滑塊，可以補(bǔ)償下死點(diǎn)動態(tài)精度的漂移量。如圖12 (d)所示[25]，兩條對稱運(yùn)動支鏈中的連桿都采用平行四邊形結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)方案能夠確保多桿高速沖床在沖壓的過程中主滑塊始終保持水平姿態(tài)，通過機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)消除了除上下往復(fù)運(yùn)動外主滑塊的其他運(yùn)動自由度，主滑塊不存在翻轉(zhuǎn)或水平移動的可能性，當(dāng)主滑塊承受偏載沖力時，能夠通過平行四邊形的連桿機(jī)構(gòu)，將大部分的載荷傳遞到機(jī)身上；以該專利機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，胡峰峰等[26-29]和LI Y J等[30]對該沖床機(jī)構(gòu)的精度和動平衡等問題進(jìn)行了深入研究。該團(tuán)隊(duì)也研制出國內(nèi)首臺完全具有自主知識產(chǎn)權(quán)的閉式多桿超高速精密數(shù)控沖床產(chǎn)品樣機(jī)(公稱壓力600kN，滑塊行程為20mm，行程次數(shù)1000次/min，下死點(diǎn)動態(tài)精度為±0.01 mm)，如圖13所示。

圖12 驅(qū)動機(jī)構(gòu)與平衡機(jī)構(gòu)一體化機(jī)構(gòu)

圖13 閉式多桿超高速精密數(shù)控沖床產(chǎn)品樣機(jī)

國內(nèi)開展高速精密沖壓機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的研究者還有南京航空航天大學(xué)的吳洪濤教授等[31-32]、西安交通大學(xué)的趙升噸教授等[33-34]所領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)以及本項(xiàng)目申請團(tuán)隊(duì)。國內(nèi)其他學(xué)者或企業(yè)研究人員對高速精密沖床的研究主要關(guān)注在零件成型工藝與模具設(shè)計(jì)及制造上，而對高速沖壓機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)關(guān)注較少。

2 綜合性能評價(jià)方法

對于包含眾多技術(shù)性能參數(shù)的高速壓力機(jī)來說，確定其綜合性能評價(jià)指標(biāo)，需要考慮各參數(shù)間相互制約關(guān)系。總體來說，隨著高速壓力機(jī)所能提供的公稱壓力的提高，高速壓力機(jī)的每分鐘行程次數(shù)呈降低的趨勢，而且下降速度要比普通壓力機(jī)快得多。考慮到高速壓力機(jī)性能除與滑塊行程次數(shù)有關(guān)外，還和公稱壓力及滑塊行程有關(guān)，評價(jià)高速壓力機(jī)不能簡單只用滑塊行程次數(shù)來衡量，需要綜合考慮公稱壓力和滑塊行程等性能參數(shù)。

2.1 評價(jià)指標(biāo)

行業(yè)中為評價(jià)產(chǎn)品質(zhì)量高低與好壞，均以專業(yè)的技術(shù)參數(shù)或者制定的國家標(biāo)準(zhǔn)加以評判。例如，高速主軸以Dn值(即主軸軸承的平均直徑D與主軸的極限轉(zhuǎn)速n的乘積)的大小來評價(jià)其整體性能的高低，并通過Dn值來定義與區(qū)分高速和低速。對于高速精密壓力機(jī)來說，一般關(guān)注的幾個主要評價(jià)指標(biāo)為公稱壓力、行程次數(shù)、行程以及下死點(diǎn)動態(tài)精度。由于下死點(diǎn)的動態(tài)精度是高速壓力機(jī)的一個相對獨(dú)立的綜合性能參數(shù)，而公稱壓力、滑塊行程次數(shù)、滑塊行程三者之間存在相互約束的關(guān)系，可參照Dn值提出高速壓力機(jī)的綜合性能評價(jià)指標(biāo)K0，定義其為公稱壓力A(kN)、滑塊行程次數(shù)S(次/min)、滑塊行程L(mm)三者的乘積，即

K0=A·L·S

(1)

另外對于某一高速壓力機(jī)而言，根據(jù)動平衡理論，滑塊受到的慣性力與轉(zhuǎn)速次數(shù)(壓力機(jī)主要為曲柄轉(zhuǎn)速)之間存在著一一對應(yīng)關(guān)系，且前者與后者平方成正比關(guān)系[5]。因此計(jì)算綜合評價(jià)指標(biāo)時對公稱壓力A、滑塊行程L二者乘積做開方處理，基于此提出綜合評價(jià)指標(biāo)的第二計(jì)算公式

(2)

公式(1)僅限于根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)計(jì)算所作出的初步判斷，公式(2)則依據(jù)動平衡理論慣性力與轉(zhuǎn)速次數(shù)之間的二次方關(guān)系而得到的。因此從理論的角度公式(2)可能更加符合描述評價(jià)指標(biāo)。下面根據(jù)閉式曲柄滑塊式高速壓力機(jī)的參數(shù)，選取12組數(shù)據(jù)分別按公式(1)、公式(2)計(jì)算綜合評價(jià)指標(biāo)K0、K的值，如表4所示。

表4 綜合性能評價(jià)指標(biāo)K0和K對比

從表4中可以看出，如組II與組XII、組V與組XI，隨著公稱壓力增加，K0值也愈來愈大，雖在同一數(shù)量級，但相差很大無比較性可言，甚至可以得出決定K0大小的主要因素就是公稱壓力的結(jié)論，因?yàn)楣Q壓力變化要大于滑塊行程及其行程次數(shù)變化，這顯然無法做到統(tǒng)一比較；而反觀K值，不僅在同一數(shù)量級，而且大小噸位均可比較，數(shù)值大小與參數(shù)相關(guān)，更能體現(xiàn)“綜合評價(jià)”這一核心概念。因此初步斷定采用K值作為高速壓力機(jī)的綜合評價(jià)指標(biāo)比較合適。

2.2 國內(nèi)外各型號高速沖床的綜合性能對比分析

統(tǒng)計(jì)目前國內(nèi)外具有代表性廠家的各個系列的高速沖床參數(shù)，按壓力機(jī)結(jié)構(gòu)不同分為閉式曲柄滑塊式、閉式多桿式和開式曲柄滑塊式三類。按式(1)、式(2)分別計(jì)算其綜合評價(jià)值，并探究相關(guān)規(guī)律，其結(jié)果分別以直方圖表示，如圖14-圖16所示(本刊黑白印刷，相關(guān)疑問咨詢作者)。規(guī)定：所有壓力機(jī)按廠家、型號、公稱壓力、行程轉(zhuǎn)速、行程大小排序，同一公稱壓力的綜合評價(jià)值只取其中的最大值，另外由于各型號各系列高速壓力機(jī)參數(shù)不一，選取的高速壓力機(jī)的滑塊行程<50mm。

圖14 閉式曲柄滑塊式高速沖床綜合評價(jià)K0、K值的直方圖對比

圖15 閉式多桿式高速沖床綜合評價(jià)K0、K值的直方圖對比

圖16 開式曲柄滑塊式高速沖床綜合評價(jià)K0、K值的直方圖對比

從圖14-圖16中可以看出，閉式曲柄高速壓力機(jī)的制造企業(yè)最多，分布在全球各地；多桿在大陸地區(qū)比較少，日本、歐美和臺灣地區(qū)居多；開式則主要在國內(nèi)大陸地區(qū)和臺灣地區(qū)。但不管以何種方式計(jì)算，閉式曲柄滑塊式和多桿高速壓力機(jī)的國內(nèi)整體水平不如國外，臺灣地區(qū)高于國內(nèi)大陸地區(qū)；開式高速沖床臺灣地區(qū)和國內(nèi)大陸地區(qū)的相比幾乎不分上下。圖14(a)、圖15(a)和圖16(a)表明，由K0公式(1)計(jì)算的評價(jià)指標(biāo)值呈遞增趨勢，數(shù)量級在10×108以上，而且大噸位與小噸位相比相差很大，基本上可以得出噸位愈大K0值愈大。圖14(b)、圖15(b)和圖16(b)表明計(jì)算的K值起伏變化不大，數(shù)量級只有10×106，與噸位大小、行程次數(shù)等單個參數(shù)的關(guān)聯(lián)度不是很大，而是由多參數(shù)共同確定的。因此可以認(rèn)為以K值作為高速壓力機(jī)的綜合評價(jià)指標(biāo)比較合理。

閉式曲柄滑塊式高速壓力機(jī)領(lǐng)域，國外整體水平比較突出的有明斯特、舒勒、YAMADA三家，其不僅噸位、型號齊全，而且相同公稱壓力的K值與其他相比都要大。國內(nèi)大陸地區(qū)除揚(yáng)鍛和精達(dá)有個別產(chǎn)品性能比較好，其余廠商的產(chǎn)品性能相差不大。

圖16(b)中開式高速壓力機(jī)只有國內(nèi)大陸地區(qū)及臺灣地區(qū)幾家，受制于結(jié)構(gòu)，K值比較小，基本都在1×105以下，且整體水平變化比較平穩(wěn)。同時對比圖14(b)、圖15(b)和圖16(b)，也可以看出各公司主要產(chǎn)品及優(yōu)勢所在。圖15(b)中，Burderer的BAST系列代表了多桿高速壓力機(jī)的最高水平，臺灣地區(qū)的高將水平稍高。

再通過對圖14-圖16中的柱狀圖做平面投影，以公稱壓力為橫坐標(biāo)分別對應(yīng)得到各個廠家K0、K值的二維折線圖，可以更加清晰直觀分析K0、K值變化情況，如圖17-圖19所示。

圖17 閉式曲柄滑塊式高速沖床綜合評價(jià)K0、K值的折線圖對比

圖18 閉式多桿高速沖床綜合評價(jià)K0、K值的折線圖對比

圖19 開式曲柄滑塊式高速沖床綜合評價(jià)K0、K值的折線圖對比

從圖17(a)中分析閉式曲柄滑塊式高速壓力機(jī)，隨噸位增加，折線圖呈遞增趨勢，其值變化從0.6×107到7×107，變化相差很大，是無法評判大噸位與小噸位高速壓力機(jī)的水平高低；分析圖17(b)，折線變化趨于平緩層次比較分明，K值從0.4×105～2×105，且整體水平國外>臺灣地區(qū)>國內(nèi)大陸地區(qū)。圖17(a)中2200kN以下，YAMADA DOBBY一直處于最高位置，更大噸位的則Minster和Schuler占據(jù)優(yōu)勢，而在圖17(b)中依然是1250kN以下YAMADA DOBBY處于最高位置，而在1250kN和2000kN兩個點(diǎn)處Schuler則高于YAMADA DOBBY。

多桿高速壓力機(jī)的制造企業(yè)主要集中于國外，國內(nèi)大陸地區(qū)只有固安力和精達(dá)的兩個系列，共6個型號，臺灣地區(qū)也只有瑛瑜和高將兩家，兩個系列共9個型號，閉式多桿高速壓力機(jī)的折線圖如圖18所示。從圖18可知，閉式多桿高速壓力機(jī)整體水平最高的為Burderer的BAST系列高速沖床，K值遙遙領(lǐng)先。800kN以上，除Burderer外，其他K值變化趨于平緩。特別要說明的一點(diǎn)是，盡管Kyori的產(chǎn)品行程次數(shù)很高，但由于其滑塊行程較小，因此其各產(chǎn)品K值與國內(nèi)幾家相比并無很大差別?？梢姡绻凑站C合評價(jià)指標(biāo)K值來評判高速壓力機(jī)水平，盡管Kyori的高速壓力機(jī)的速度最高但是其綜合性能不是世界的最高水平。

從圖18還可以看出，中國大陸地區(qū)有能力設(shè)計(jì)和制造閉式多桿高速壓力機(jī)的企業(yè)(只有精達(dá)和固安力)非常少，且其所制造的產(chǎn)品規(guī)格很少，表明我國在該細(xì)分領(lǐng)域與國外存在巨大的差距。由于我國對高速沖壓工藝和裝備設(shè)計(jì)研究的起步時間比國外晚，高速精密數(shù)控沖床的設(shè)計(jì)能力和水平與國外先進(jìn)水平相比存在較大差距。目前我國只能制造精度要求相對不高(下死點(diǎn)動態(tài)精度(在機(jī)床沖壓滑塊運(yùn)行的最低位置)為±0.02mm左右)的大噸位高速精密數(shù)控沖床產(chǎn)品，滿足變壓器和電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵芯、空調(diào)熱交換器翅片等沖壓件的加工要求。因基礎(chǔ)研發(fā)能力弱，沒有掌握核心技術(shù)，我國還不能制造小噸位高精度的高速精密數(shù)控沖床產(chǎn)品，國外企業(yè)完全壟斷了小噸位高精度高速沖床這一細(xì)分市場。正是由于較大的技術(shù)壁壘存在，國外企業(yè)可以攫取高額的利潤(加工IC引線框架的高速精密沖床單臺售價(jià)超過400萬人民幣)，而國內(nèi)企業(yè)只能占據(jù)低利潤的大噸位高速精密沖床市場(每臺售價(jià)才幾十萬人民幣)。因此，突破高速精密沖床的相關(guān)基礎(chǔ)核心技術(shù)，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的小噸位高速精密數(shù)控沖床裝備，滿足電力、電子等高科技領(lǐng)域需求，對保障經(jīng)濟(jì)和國防安全具有重要的意義。

開式曲柄滑塊式高速壓力機(jī)的折線圖如圖19所示，K值比閉式結(jié)構(gòu)都要小。由于開式曲柄滑塊式高速壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)剛性相對來說差一些，所以從整體性能上也差一些，這是符合基本規(guī)律的。公稱壓力低于800kN可以根據(jù)折線分為高低兩部分。水平較高者為瑛瑜Civic系列、徐鍛SH系列、振力C系列、揚(yáng)力SHC系列、米斯克SH系列及固安力GS系列。公稱壓力高于800kN水平高低依次為揚(yáng)鍛YKC系列、揚(yáng)力JFC21系列。

3 結(jié)語

本文主要對目前國內(nèi)外高速精密壓力機(jī)主要的技術(shù)性能參數(shù)做了統(tǒng)計(jì)分析，并建立了基于公稱壓力A、滑塊行程次數(shù)S及滑塊行程L的高速壓力機(jī)性能評價(jià)指標(biāo)K，以此作為高速壓力機(jī)的性能綜合評價(jià)指標(biāo)。指標(biāo)K值越大表示壓力機(jī)的綜合性能越高，彌補(bǔ)了單以滑塊行程次數(shù)高低評判高速壓力機(jī)性能好壞的不足?？傻贸鲆韵陆Y(jié)論：

2) 為避免只從行程次數(shù)的大小來定義高速機(jī)械壓力機(jī)性能高低的缺陷，可以依據(jù)K值大小區(qū)分高速壓力機(jī)與其他普通型壓力機(jī)。對于閉式高速壓力機(jī)K值應(yīng)>0.8×105(包括閉式多桿)，開式高速壓力機(jī)K值應(yīng)>0.4×105。

3) 通過K值計(jì)算可知，閉式壓力機(jī)領(lǐng)域，整體上國外的水平最高，大陸地區(qū)最低，臺灣地區(qū)稍高于大陸地區(qū)，且與國外水平差距很大；開式壓力機(jī)領(lǐng)域，600kN以下小噸位高速壓力機(jī)，臺灣地區(qū)水平稍高于大陸地區(qū)；800kN以上噸位則國內(nèi)揚(yáng)鍛水平稍高，但揚(yáng)力噸位1600kN和2000kN開式壓力機(jī)無有能與之相比者。

4) 由于結(jié)構(gòu)上的區(qū)別，壓力機(jī)性能指標(biāo)值為閉式>開式，具體為閉式曲柄滑塊式>閉式多桿>開式曲柄滑塊式。從總體水平上排序，閉式曲柄滑塊式領(lǐng)域：Schuler >YAMADA>Minster>AIDI>高將>Kyori>瑛瑜>米斯克>精達(dá)>揚(yáng)鍛>揚(yáng)力>徐鍛>振力>金豐>固安力。閉式多桿領(lǐng)域：Burderer>YAMADA>Kyori>瑛瑜>固安力>高將>精達(dá)。開式領(lǐng)域：瑛瑜>揚(yáng)力>固安力> 徐鍛>振力>米斯克>揚(yáng)鍛。綜上也可得到高速壓力機(jī)整體性能結(jié)論為：歐美>日本>臺灣地區(qū)>大陸地區(qū)。這與目前行業(yè)公認(rèn)結(jié)果也是一致的。

5) 同一系列的高速沖床的K值折線變化是趨于水平穩(wěn)定的，這表明高速沖床的技術(shù)性能參數(shù)的設(shè)計(jì)是有一定規(guī)律的。高速沖床的各主要技術(shù)性能參數(shù)之間存在著約束關(guān)系，對它們的確定具有借鑒意義。

6) 在高速精密數(shù)控沖床的原理機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，多數(shù)企業(yè)采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，但也有少數(shù)企業(yè)采用多桿機(jī)構(gòu)。因結(jié)構(gòu)相對簡單且動平衡設(shè)計(jì)難度不大，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)適用于大中小各種噸位的高速壓力機(jī)。多桿機(jī)構(gòu)的動平衡效果更好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜且設(shè)計(jì)難度大，主要用于小噸位的高速壓力機(jī)。