伺服冲床的构造及使用方法全析（连载八）

文/张清林·江苏中兴西田数控科技有限公司小松勇·日本小松技术士事务所

伺服冲床的构造及使用方法全析（连载八）

文/张清林·江苏中兴西田数控科技有限公司小松勇·日本小松技术士事务所

有很多人会认为冲压机械是一种可以适应各种各样冲压加工的通用机械，其实不然，它是为某种特定的冲压加工而设计的，从某种意义上讲是有专用机性质的机械。如果你能够了解各种冲床的特性，并根据冲压作业的特点把其作为专用机械来使用，那么就可以使其特征得到更好地发挥和利用。在这一期中我们要讲述的内容就是冲压加工和冲压机械的关联性，讲述中涉及到的冲压加工种类有冲裁落料加工和拉深加工。

适合冲裁落料加工的冲床

冲裁加工所用的材料既有用于电子部品的0.05mm以下的薄板，也有19mm以上的厚板，其中用的最多的是0.3～1.0mm的薄板。用于这些薄板冲裁落料的冲床主要有以下几个特征：

公称能力发生位置较低

公称能力或公称压力是指机械式冲床能够安全地输出的最大加工压力，是以冲床机械部品的强度、变形量的计算为基准的。滑块行程在运转到下死点前（也可以说下死点上）几毫米的位置时会达到公称能力，我们就把这个点规定为公称能力发生位置。同样公称能力的冲床，其公称能力发生位置高度不同，冲床的构造、离合器传导扭矩的大小和驱动电机的输出功率也都会有很大的不同，所以对于冲压机械来说，公称能力发生位置是一个非常重要的参数。

由于被加工材料的板厚大多在0.3～1.0mm之间，而冲压机械的公称能力发生位置在下死点附近又很容易被利用，所以冲裁落料加工用冲床的公称能力发生位置都设定在离下死点很近的位置，一般在下死点上方1～2mm处。薄板加工用冲床的公称能力发生位置较低，厚板加工用冲床的公称能力发生位置较高。

机械式冲床从公称能力发生位置开始到下死点之间都可以达到公称能力，但是从公称能力发生位置向上离下死点越远（越高），冲床能够发生的能力就越小。冲床在某点能够发生的能力与该点在下死点上方的位置关系用行程—压力曲线来表示，该曲线图是冲压机械非常重要的参考和指导依据，因此必须要放入使用说明书的规格说明中。一般地，在行程长度的中间部位只能达到公称能力的40％左右，这样在进行厚板的加工时，因为加工能力发生点在距下死点较高的位置，所以只能进行低于公称能力的加工。

冲床的高度较低，机架的刚性高

在加工压力的作用下冲床的机架、滑块和模具都会像弹簧一样发生弹性变形，在冲裁落料加工完成的瞬间冲床机架等在弹性变形时储存的能量会得到释放，机架、滑块等就会发生振动，导致噪声的发生，这就是瞬间释能现象。瞬间释能引起的振动对冲头、凹模的配合有很不好的影响，会加快模具的损坏，同样也会降低冲床的精度。

瞬间释能所释放出的能量的大小与机架的刚性有很密切的关系，刚性低，振动就容易发生。由于一般的通用冲床的刚性都比较低，所以这些冲床不适合用于厚板的落料加工。如果要用通用冲床进行厚板（3.2mm以上）或硬度较高的材料的落料加工的话，为减小瞬间释能所释放出的能量，应尽可能在公称能力的60％以下使用，以保证冲压机械在精度良好的状态下可长时间使用。

图1 铸铁机架的精密高速冲床

由于薄板冲裁落料加工用冲床每分钟的行程次数比较高，所以经常就会出现在前一次加工的振动还没有停止之前下一次振动就又发生了的情况，这时振动和振动互相重叠，就会使得振动和噪声大幅度地增大。由于铸铁有衰减振动的性能，所以在很早以前铸铁机架结构的精密高速冲床（图1）就问世了。

但是，并不是说在冲床的使用上铸铁就是完美无缺的了，例如灰口铸铁虽然能够很好地将振动吸收，但其拉伸屈服强度却很低，如果用其制造冲床的机架，就必须通过增加厚度的办法来提高强度。当冲床的公称能力超过2000kN时，冲床的重量会很大，冲床的价格也随之增加，所以一般来说只有2000kN以下的高速冲床选用铸铁做机架的比较多一些。而高强度的铸铁、球墨铸铁等虽然拉伸强度较高但衰减振动的能力比钢板还要低，降低振动的效果不好。

冲压加工时的振动是由冲床机架和模具弹性变形的能量引起的，因此，减小机架、模具等的弹性变形量是降低振动的关键。一般采用加大机架和增加模具部件的板厚的方法来提高强度以达到降低振动的目的，另外还可以通过降低冲床的高度来减少机架的弹性变形（冲床机架的伸长量），这对降低振动也有一定的效果。

但是，用于冲裁落料的伺服冲床，其机架刚性若较低，即使是用伺服电机驱动，伺服电机的性能优势也不能得到发挥，所以如果要充分发挥冲裁落料用伺服冲床的特性，就必须要充分考虑到冲床的高刚性机架结构。

闭模高度较低

所谓薄板加工主要是针对冲裁落料加工或浅拉深成形等加工而言的，其所用模具的上模和下模的高度（厚度）比拉深加工的模具高度要低，薄板加工用冲床的闭模高度也就被设计得较低，这样的话，其与闭模高度高的冲床相比机架的伸长可以减少一点。

在进行拉深或弯曲的顺送级进加工或对板材进行挤压的重负荷的顺送级进加工时，考虑到送料和模具刚性（为防止变形），一般模具的高度需要比较高，但用于冲裁落料的冲床其闭模高度一般都很低，所以这样的模具很多都不能放在冲裁落料加工用冲床上使用。如果硬要把高度较高的模具在简单地把模具高度减低后放到闭模高度较低的冲床里使用，只会使模具的刚性降低，变形增大，成形精度降低，寿命缩短。

另外，由于工作台和下模、滑块和上模在冲压加工时各自都存在着微小的变形，所以随着每一次冲压，其接触面之间都不可避免地发生着微小的滑动错位，经过一段时间后就会产生轻微的微量锈蚀，这种锈蚀会使工作台、滑块和模具的接触面的摩擦增大，使工作台的上表面和下表面逐渐出现凹陷，久而久之凹陷就会加剧，严重时工作台的上表面和下表面的凹陷要研磨掉1mm才能消除，所以在锈蚀的黑色粉末出现时就要及时找出原因并采取对策，否则就会影响模具和工作台的精度，还会造成滑块的精度下降。

闭模高度较低的冲床要尽量避开重负荷的加工，而且由于模具的尺寸大小不同，其微量锈蚀的面积和大小也不同。即使是不大发生微量生锈的伺服冲床，也要对冲床的每个部件进行严格的尺寸公差、几何公差的设计，并进行合理的表面精度加工，这样才能组装成为高精度的冲床。因此，在选用伺服冲床时一定要从不同的角度来慎重地选择。

工作台需要有落料孔

为了保证冲裁落料加工后的成品或下脚料能够顺利排出，必须要在其工作台和底座上预留落料孔。因为有孔的地方不能承受负荷只能依靠模具本身的刚性来支持，所以在使用高精度模具的时候要把工作台和底座的孔做到尽量小，在决定落料尺寸的时候，也要考虑到今后可能出现的各种各样的情况才可以做到万无一失。如果工作台上的落料孔很大而模具却很小，这样模具下面的大部分都是空的，冲床的大部分负荷就都要靠下模的模板来承受，这时模具的变形量就会很大，这种不依赖工作台和底座的刚性而只靠模具的刚性的加工也是绝对要避免的。如果实在不能避免，可以在工作台的孔上面加入垫板或在下模的下面加入一块厚厚的垫板，以此来加强模具的刚性。

适合拉深加工的冲床

这里主要说明配备了针对拉深加工的模具缓冲装置即模垫的通用冲床，这种冲床的主要特征如下：

公称能力发生位置较高

如生产图2所示的部品，拉深加工冲床的滑块就必须要比较长的行程长度，而且要在下死点上方较高的位置处就开始进行加工，所以其公称能力发生位置也就较高。一般来说，3000kN冲床的公称能力发生位置在下死点上方5～6mm处，5000kN冲床的公称能力发生位置在下死点上方13mm处附近的比较多。

图2 拉深成形部品

飞轮储备的能量比较多

拉深加工用冲床的飞轮所储存的能量大约比冲裁落料加工用冲床高10倍左右。而伺服冲床的作业能量完全靠伺服电机供给，对电源来说其负担是很大的。如果其用量完全来自电源就需要有很大的电流流过，电压就会急剧下降，因此通常在电源和伺服电机之间设置大容量的电容（也称作电容箱），用它来储存来自电源的电力，同时回收并储存因冲床急减速产生的电量，这样就形成了能量回生的生产方式。

由于一行程的单冲作业在一分钟内的作业次数很少，所以其需要的电容容量也不大，但如果要实现自动化连续加工运转的话就需要很大的电力，这时电容箱的尺寸可达到长800mm、宽700mm、高2000mm的程度。

图3 底座的变形

机架刚性不高

因为冲裁落料加工时冲头和凹模的间隙很小，所以进行高速作业时容易产生振动和噪声，这就需要冲床具有很高的刚性，而拉深加工的模具间隙较大、冲压速度也较低，冲床不易发生很大的振动和噪声，所以其冲床的刚性大都不高。

冲裁落料加工用高速、自动冲床底座的刚性变形在1/10000～1/12000之间，拉深加工用通用冲床底座的刚性变形在1/6000～1/6600之间，只是冲裁落料加工用冲床的一半左右。

底座刚性变形为1/10000的含义是装在冲床上的模具左右尺寸是1000mm，在施加了公称能力的负荷下模具中央的挠度为0.1mm，在滑块侧产生的挠度变形也是同样的，上下合计冲床中心的变形是0.2mm。那么在底座刚性变形为1/6000的冲床上安装左右尺寸为1000mm的模具，在施加了公称能力的负荷后，模具中心的挠度变形量约是0.17mm，与滑块的变形加起来上下一共大约是0.34mm，从这里可以明显地看到，底座刚性低会导致模具的变形量加大。

另外，在拉深过程中，在很大范围的外周的分散式受力是很大的，如果想要在模具周围尽量降低皱纹的产生，拉深冲床就要根据这一特点和受力前提条件来对应设计。

如图3所示，底座的挠度变形量在设定冲床规格时就被确定了，负荷条件是在工作台的前后左右各自尺寸的2/3的乘积的面积上公称能力均等分布。像在宽大面积的工作台的中心附近只安装一个小型模具来进行冲压加工的这种集中负荷受力作业，不在计算的条件范围内。像这样的集中负荷受力加工即使只有公称能力的50％，也会发生上述同样的变形，也就是说集中负荷受力的作业只能在冲床公称能力的50％以下进行。

从上述可以看到，为拉深加工而设计的冲压机械不能进行厚板的落料作业，也不能进行集中负荷较大的冷锻加工，也就是说最好只被用于进行负荷较低的加工作业。

有模具缓冲装置时会影响底座和工作台的刚度

适合拉深加工的冲床，其底座内部开孔一般都较大，工作台上也不设计落料孔，但是有些产品在进行加工时必须使用模具缓冲装置，这时模具缓冲装置及装置上的顶板就要设置在底座里面，因此这种拉深加工用冲床的底座开孔就要很大，刚度就会受到影响。而对工作台来说，这时不但要有安装模具用的T形槽，还要增加顶销孔，工作台的刚度也会被削弱。因此，在设计上一般都采用适当增加工作台厚度和尽量减小T形槽长度的方法来把对底座和工作台刚度的影响降低到最小。

拉深速度较低

为防止拉深加工中裂纹的发生，需要根据材质和加工条件的变化来调整成形速度，加之拉深加工中在进行切断时切断速度在20mm/s以下可以提高断面的品质，因此钢板的拉深速度一般都控制在18m/min（300mm/s）左右。由于伺服冲床的滑块速度和位置是由数值控制的，因此可以非常容易地得到理想的加工速度。

到此为止我们概括地讲述了伺服冲床的特征和构造，下一期会详细讲述伺服冲床的构造和动态精度、伺服冲床的种类和驱动放大器，还有伺服冲床的构造和动态精度之间的关系。