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冲床的发展动向


冲床的发展动向
  在持续 严峻的经济环境中,无切削 成形是企业与对手拉开距离和竞争中胜出的有力手段,而且环保是21世纪的主题,作为环 保的加工方法将是主要的发展方向。无切削成形中高精度、高附加 值形状的成形是不可或缺的,为了实 现这些要求就必须了解从材料到成品的全过程综合技术。冲床就 其中一个重要的技术要素。本文将 介绍机械式冲床的基本特性及近年来开发出来的适用于各种成形技术的高精度多功能冲床的发展方向。
冲床的基本特性
  所示为 机械冲床的特性与产品精度的关系。冲床的 特性主要有两个,一是刚性,它包括纵向刚性—滑块与 工作台的拱曲和机架的弹性伸长;以及横向刚性—偏心负 荷影响下滑块的水平移位。其二为 滑块的运动特性,包括垂直度、平行度、直线度等,对产品 的精度有很大的影响。产品的 精度不是只与冲床有关,它与材料、模具、润滑等都有关,不能只考虑某一因素。从冲床的要素来考虑,产品的 厚度方向的精度与纵向刚性有关,而偏差、弯曲或 平行度则与横向刚性及运动曲线特性有关。所以提高这些特性,产品精度可提高、模具寿命延长、生产的 稳定性也能提高。
  根据成形法、成形速度、生产性等选用冲床时,就必须 考虑冲床的这些特性。依据驱动机构的不同,机械式冲床有:冲压加 工中应用最广泛的曲轴式冲床,下死点 附近速度最慢的肘杆式冲床,以及滑 块速度在下死点以上很高位置就开始减慢且具有很高扭矩能力的连杆式冲床。图2是这些 滑块驱动机构的概念图,图3、4是其各 自的扭矩能力特性图及滑块速度特性图。
  用锻造冲床时,以生产 性为重时就选用曲轴式冲床;如果追 求下死点附近的成形性就选用肘杆式冲床;若需要 很高位置上的成形或闭塞锻造的话就选用连杆式冲床。
为了实现无切削成形,对冲床 的功能要求越来越高。冲压机械的发展趋势正向高精度高刚性、合适的滑块运动特性、智能化、多方向运动、甚至环保方向发展。
机械式 冲床的发展趋势
  ◆ 通用冲床的高刚性、高机能化
  原本作通用机用的C形冲床也追求高精度、高机能化,由此开 发出一体型龙门冲床;带AIDA连杆驱 动机构且在下死点附近速度很慢而SPM不受影 响的连杆式冲床。此连杆 式冲床在驱动齿轮与曲轴间介入了两个偏心的连杆,当驱动齿轮转动时,由于连 杆的连结角度变化,曲轴就做不等速运动。此连杆 机构与其它的连杆机构不同的是受压部的连接点少而综合间隙小。
  针对机 械式冲床高精度、高刚性 的要求开发出了如图8所示的 垂直连杆式冲床(VL系列),VL驱动方 式是在普通的肘杆式机构中加上垂直连杆和支点连杆共二支连杆,使加工 中直接与滑块连接的连杆基本保持垂直状态,使成形 载荷能通过垂直连杆垂直传递的驱动方式。
普通机 械冲压机由于连杆是斜压在滑块上,使滑块 受很大的不良横向力,因此,这种驱 动方式比普通驱动方式具有更高的精度,更加适 合于高精度加工。图10为普通 冲压机的受力图。下死点上方5mm位置,普通肘 杆式冲压机的滑块受到横向力约占成形力的10%,而VL的不会超过1%。这种冲 压机适用于要求上下模具对中性高的加工。
SL驱动方式和VL驱动一 样是一种作用于滑块上的侧向力几乎为零的驱动方式,但其行 程可以做的更长,适用于 下死点以上更高的位置上开始速度变化很少的挤压加工。驱动方式如图10所示曲 轴与揺动连杆滑动连接,滑块通 过连杆与摇动连杆机构连结。这种连 杆机构保证连杆在工作中保持基本垂直状态。
垂直连 杆式冲床多用于顺送加工,但在形 状复杂的成形中,也有用如图11所示的先用顺送加工,后半部 分用多工位搬送的复合方式进行加工。搬送装 置可用各种各样,如吸盘 式或夹爪式的三维伺服多工位搬送装置等。
  数控冲床
数控冲床具有CNC控制系统,能根据 加工方法的需要任意设定滑块的运动方式和速度。
  ▲ 螺杆式数控冲床
伺服工作机是使用AC伺服马 达通过螺杆驱动滑块的,成形中 下死点的位置可通过位置读取装置提供数据给位置控置装置进行控制。因此,机械的 热膨涨和弹性变形不会影响产品的精度,调整出 最适合的滑块运动方式及以极其微小的单位控制下死点的位置。所以适 用于高精度高机能的无切削成形螺杆式伺服冲床采用油压马达和储能器进行扭矩控制的形式,下死点 的位置控制可达到微米级,是节省 能源且有环保要求的机种。
  ▲ 曲轴式伺服冲床
曲轴式冲床与AC伺服马 达组合起来的数控冲床。这种冲 床是用伺服马达代替原来冲床上的离合制动器和飞轮。这种冲 床具有滑块运动模式可任意设定的伺服冲床的特点,同时具有如图3普通机 械式冲床的扭矩特点。但其工 作能量在低速区不会降低。
  ▲ 复动成形冲床
  复动成 形是无切削成形的有力手段。在冷间 锻造中的闭塞锻造就是一个例子,是通过控制多个冲头、凹模的 动作和时间图来达到控制材料塑性流动的目的。制品的 精度和成形性可得到提高,甚至可 以缩短工序数量。
复动成 形粗略可分为两大类:重视冲 床的通用性使用复动模架的复动成形;多品种 生产用模具装拆容易的使用复动冲床的成形。最近不 仅在锻造加工上,同时在 板金成形与锻造的复合成形的多样化及能力的提高的同时,要求冲 床不仅具有多动作性能,还须具备高的通用性。
  ▲ 闭塞锻造冲床
  星形轮 及十字连轴节的成形已普遍利用闭塞锻造模具及通用锻造冲床。其模具结构如图15所示具 有闭塞机能和协调机能。其它可 节省模具装配时配管时间的闭塞锻造冲床可分成两类:这些功 能全在冲床里和上下油缸在冲床上而协调机构在模座上两种形式。
  ▲板材锻造冲床
  随着板 材锻压成形的普及,要求锻 造冲床能进行拉深成形或缩短工程数,因此要 求滑块和工作台必须带油缸。原来的 闭塞锻造几乎都是采用高能力的常压动作,板材锻 造除了要求与工法相适应的常压动作之外,还要求带有顺序动作、自锁等功能。
  ▲ 齿轮成形用冲床
  螺旋齿 轮成形用复动油压冲床如图19所示。这种冲 床共有滑动驱动用、滑块内2个、工作台内2个,共5个驱动源全部合用1个油压式驱动装置。
成形的 初期阶段与常压顶杆方式的内圈锻造成形一样,凸模插 入闭塞中的凹模齿形空间,材料从 下方开始流动进行初成形。在这种状态下,模芯上升,材料中 心的模芯直径由粗变细。此时工 件内径部又有了新的空间,可以产 生新的塑性流动,所以加 大压力材料就可充满齿形的先端部位。其模具结构如图20所示。图21是用此 方法加工出来的产品,加工压力只有1300 Mpa,齿形部 的塌角及毛剌极小。利用复 动成形对材料流动进行控制成形出来的齿轮可达JIS3~4级,这非常 接近于高附加值的无切削成形。
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