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衝床的發展動向


衝床的發展動向
  在持續嚴峻的經濟環境中,無切削成形是企業與對手拉開距離和競爭中勝出的有力手段,而且環保是21世紀的主題,作為環保的加工方法將是主要的發展方向。無切削成形中高精度、高附加值形狀的成形是不可或缺的,為了實現這些要求就必須了解從材料到成品的全過程綜合技術。衝床就其中一個重要的技術要素。本文將介紹機械式衝床的基本特性及近年來開發出來的適用於各種成形技術的高精度多功能衝床的發展方向。
衝床的基本特性
  所示為機械衝床的特性與產品精度的關係。衝床的特性主要有兩個,一是剛性,它包括縱向剛性—滑塊與工作台的拱曲和機架的彈性伸長;以及橫向剛性—偏心負荷影響下滑塊的水平移位。其二為滑塊的運動特性,包括垂直度、平行度、直線度等,對產品的精度有很大的影響。產品的精度不是隻與衝床有關,它與材料、模具、潤滑等都有關,不能隻考慮某一因素。從衝床的要素來考慮,產品的厚度方向的精度與縱向剛性有關,而偏差、彎曲或平行度則與橫向剛性及運動曲線特性有關。所以提高這些特性,產品精度可提高、模具壽命延長、生產的穩定性也能提高。
  根據成形法、成形速度、生產性等選用衝床時,就必須考慮衝床的這些特性。依據驅動機構的不同,機械式衝床有:衝壓加工中應用最廣泛的曲軸式衝床,下死點附近速度最慢的肘杆式衝床,以及滑塊速度在下死點以上很高位置就開始減慢且具有很高扭矩能力的連杆式衝床。圖2是這些滑塊驅動機構的概念圖,圖3、4是其各自的扭矩能力特性圖及滑塊速度特性圖。
  用鍛造衝床時,以生產性為重時就選用曲軸式衝床;如果追求下死點附近的成形性就選用肘杆式衝床;若需要很高位置上的成形或閉塞鍛造的話就選用連杆式衝床。
為了實現無切削成形,對衝床的功能要求越來越高。衝壓機械的發展趨勢正向高精度高剛性、合適的滑塊運動特性、智能化、多方向運動、甚至環保方向發展。
機械式衝床的發展趨勢
  ◆ 通用衝床的高剛性、高機能化
  原本作通用機用的C形衝床也追求高精度、高機能化,由此開發出一體型龍門衝床;帶AIDA連杆驅動機構且在下死點附近速度很慢而SPM不受影響的連杆式衝床。此連杆式衝床在驅動齒輪與曲軸間介入了兩個偏心的連杆,當驅動齒輪轉動時,由於連杆的連結角度變化,曲軸就做不等速運動。此連杆機構與其它的連杆機構不同的是受壓部的連接點少而綜合間隙小。
  針對機械式衝床高精度、高剛性的要求開發出了如圖8所示的垂直連杆式衝床(VL係列),VL驅動方式是在普通的肘杆式機構中加上垂直連杆和支點連杆共二支連杆,使加工中直接與滑塊連接的連杆基本保持垂直狀態,使成形載荷能通過垂直連杆垂直傳遞的驅動方式。
普通機械衝壓機由於連杆是斜壓在滑塊上,使滑塊受很大的不良橫向力,因此,這種驅動方式比普通驅動方式具有更高的精度,更加適合於高精度加工。圖10為普通衝壓機的受力圖。下死點上方5mm位置,普通肘杆式衝壓機的滑塊受到橫向力約占成形力的10%,而VL的不會超過1%。這種衝壓機適用於要求上下模具對中性高的加工。
SL驅動方式和VL驅動一樣是一種作用於滑塊上的側向力幾乎為零的驅動方式,但其行程可以做的更長,適用於下死點以上更高的位置上開始速度變化很少的擠壓加工。驅動方式如圖10所示曲軸與揺動連杆滑動連接,滑塊通過連杆與搖動連杆機構連結。這種連杆機構保證連杆在工作中保持基本垂直狀態。
垂直連杆式衝床多用於順送加工,但在形狀複雜的成形中,也有用如圖11所示的先用順送加工,後半部分用多工位搬送的複合方式進行加工。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。
  數控衝床
數控衝床具有CNC控製係統,能根據加工方法的需要任意設定滑塊的運動方式和速度。
  ▲ 螺杆式數控衝床
伺服工作機是使用AC伺服馬達通過螺杆驅動滑塊的,成形中下死點的位置可通過位置讀取裝置提供數據給位置控置裝置進行控製。因此,機械的熱膨漲和彈性變形不會影響產品的精度,調整出最適合的滑塊運動方式及以極其微小的單位控製下死點的位置。所以適用於高精度高機能的無切削成形螺杆式伺服衝床采用油壓馬達和儲能器進行扭矩控製的形式,下死點的位置控製可達到微米級,是節省能源且有環保要求的機種。
  ▲ 曲軸式伺服衝床
曲軸式衝床與AC伺服馬達組合起來的數控衝床。這種衝床是用伺服馬達代替原來衝床上的離合製動器和飛輪。這種衝床具有滑塊運動模式可任意設定的伺服衝床的特點,同時具有如圖3普通機械式衝床的扭矩特點。但其工作能量在低速區不會降低。
  ▲ 複動成形衝床
  複動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例子,是通過控製多個衝頭、凹模的動作和時間圖來達到控製材料塑性流動的目的。製品的精度和成形性可得到提高,甚至可以縮短工序數量。
複動成形粗略可分為兩大類:重視衝床的通用性使用複動模架的複動成形;多品種生產用模具裝拆容易的使用複動衝床的成形。最近不僅在鍛造加工上,同時在板金成形與鍛造的複合成形的多樣化及能力的提高的同時,要求衝床不僅具有多動作性能,還須具備高的通用性。
  ▲ 閉塞鍛造衝床
  星形輪及十字連軸節的成形已普遍利用閉塞鍛造模具及通用鍛造衝床。其模具結構如圖15所示具有閉塞機能和協調機能。其它可節省模具裝配時配管時間的閉塞鍛造衝床可分成兩類:這些功能全在衝床裏和上下油缸在衝床上而協調機構在模座上兩種形式。
  ▲板材鍛造衝床
  隨著板材鍛壓成形的普及,要求鍛造衝床能進行拉深成形或縮短工程數,因此要求滑塊和工作台必須帶油缸。原來的閉塞鍛造幾乎都是采用高能力的常壓動作,板材鍛造除了要求與工法相適應的常壓動作之外,還要求帶有順序動作、自鎖等功能。
  ▲ 齒輪成形用衝床
  螺旋齒輪成形用複動油壓衝床如圖19所示。這種衝床共有滑動驅動用、滑塊內2個、工作台內2個,共5個驅動源全部合用1個油壓式驅動裝置。
成形的初期階段與常壓頂杆方式的內圈鍛造成形一樣,凸模插入閉塞中的凹模齒形空間,材料從下方開始流動進行初成形。在這種狀態下,模芯上升,材料中心的模芯直徑由粗變細。此時工件內徑部又有了新的空間,可以產生新的塑性流動,所以加大壓力材料就可充滿齒形的先端部位。其模具結構如圖20所示。圖21是用此方法加工出來的產品,加工壓力隻有1300 Mpa,齒形部的塌角及毛剌極小。利用複動成形對材料流動進行控製成形出來的齒輪可達JIS3~4級,這非常接近於高附加值的無切削成形。
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