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伺服压力机的工作特性及其应用效果


前言
      近年随着科技的发展,市场对高精度、高质量、低价格产品的需求越来越大,用于制造产品的材料越来越丰富,使得制造业的国际竞争越来越激烈。由于新型材料的出现以及产品形状趋于复杂,为此制造业对于能够高精度加工复合材料、难加工材料的压力机的需求越来越强烈。
      伺服压力机的一个重要特点,就是其可以根据成形工艺的要求,在计算机控制下任意调整滑块的行程、移动速度、停止位置和保压时间,还具有可进行复合加工的功能。伺服压力机是一种高附加值的塑性加工设备。
曲柄连杆式伺服压力机
加工工作特性
      传统的曲柄连杆式压力机的传动方式,主要是由电机的转动经过飞轮、离合器、曲轴连杆机构转变成滑块的直线运动,由于电动机不能随意频繁地启停,不能随意变转速,滑块只能按正弦运动规律,在一定的行程范围和行程次数作上下运动。而对于伺服压力机,如图1所示的一种小型曲柄连杆式伺服压力机,其特点是没有飞轮和离合器,伺服电机通过一级齿轮传动直接驱动曲柄连杆机构,滑块的运动速度和位置可以被任意精准地控制。由于没有离合器和飞轮,其结构比传统压力机简单得多,维护成本只有传统压力机的60%。
      图1 曲柄连杆式伺服压力机传动系统图
      如图2所示,伺服压力机特有的滑块运动-时间曲线模式,比传统压力机减少了每一个冲压循环周期的时间,提高了生产效率。如图3所示,可通过计算机程序设定不同的滑块运动模式,进一步提高生产效率。

      图3 采用不同的运动模式既满足工艺要求又减少周期时间
      滑块的运动模式可以设计成如图4所示的多种形式,其类型大致可分为传统曲轴连杆运动模式(曲轴运动)、仿肘杆传动运动模式(肘杆运动)、缓慢接触运动模式(软运动)、低频脉冲运动模式(脉冲1运动)、按程序设计的运动模式(程序运动)、高频脉冲运动模式(脉冲2运动)、仿钟摆运动模式(摆锤运动)、下死点附近整形运动模式(整形运动)和大幅度的往复上下运动模式(往复运动)等9种运动模式类型。用户根据工艺要求选择其中一种类型后,根据实际工况选择设定其最佳运动参数。选择设定好的类型和参数可以存入工艺数据库以备随时调用。
      随着低速高扭矩伺服电机与电力平均化系统的开发,消除了压力机在低速加工时的能量不足问题,在减速90%时也能释放出100%的工作能量。结果使其能够实现低频脉冲成形、拉深成形、多级成形、温成形等要求有速度变化且动作复杂的功能。如采用缓慢接触运动模式还可降低冲裁噪声。电源容量也跟传统压力机的一样,无需另外配置节省成本。
      应用效果
      所谓低频脉冲成形,是将滑块上升与下降量设定在0.01mm的上下往复运动同时还变速的脉冲运动成形技术。对于脉冲1,在滑块下降的过程中当被加工板材接触到模具之时滑块瞬间上升,伴随着这种反复的上下运动的同时逐渐进行成形加工的过程,使载荷造成的模具和机身框架的变形减小,同时也发生去除模具与工件间积留的空气(油),防止阻断加工油的效果。此时板材的延展性提高、壁厚也均匀,易于提高成形精度,最终使拉深率提高。此时无论用什么种类的润滑油以及涂覆量多少,其效果都是一样的。
      对于脉冲2,在加工领域可用低/高速往复旋转加工,在成形加工中可实现减少冲击痕迹提高品质,由于加工载荷降低而提高了模具寿命。在冲裁加工时可减缓破断现象从而降低加工噪声。
(1)降低噪声的效果。
      如图5所示,可控制滑块在材料被冲剪开始断裂的瞬间降低运动速度。这样既不会大幅降低生产率又能实现低噪声冲裁加工。而且如图5c所示,如果使滑块一边产生振动一边进行冲裁,可是噪声降得更低。
(2)消除冲裁件毛刺。
      对于冲裁加工,如何减少或完全消除被冲裁工件断口处的毛刺是个永恒的课题。在伺服压力机上,只要采用设置有反向冲头装置的冲裁模具如图6所示,使用如图7所示滑块的程序运动模式。
      图6 有反向冲头装置的冲裁模具
      由图7可以看到第一步为半冲裁,凸模冲入板材深度约为板厚的30~40%。此时材料处于塑性变形还未被切断状态。第二步凸模与反向冲头夹持材料做反向回程,回程量为板厚的20%。第三步最终冲下工件。整个过程只用一道工序就能冲出无毛刺的工件。
      图8是用该方法加工的工件切口断面照片,可以看出,无论是孔的切口面还是落料件的切口面都有一点塌角,且均没有出现毛刺。
      图7 滑块运动的程序运动模式 图8 冲裁得到的落料件及落料孔的
切口断面照片
(3)拉深与减薄拉深实验的效果。
      如图9所示为筒形件拉深模具,凸模在下凹模在上,凸模直径60mm;凹模内径61.6mm;圆角半径均为5mm;被加工材料为A1050纯铝板材;板厚为0.6mm。压边板通过顶杆与工作台下方的气动模垫连接。在工作中压边板与凹模始终压紧工件凸缘,上模座带着凹模在伺服压力机滑块驱动下,如图10所示以脉冲运动模式,一边下行一边做上下往复的脉冲运动拉深筒形件。
      图9筒形件拉深模具 图10滑块的脉冲运动模式
      加工中采用如图10所示滑块的脉冲运动模式时,滑块上升移动量Ud设定在3.5mm≤Ud≤4.5mm,下降移动量Dd设定在4mm≤Dd≤5mm的范围效果最佳。其相当于脉冲频率2.9~12.4Hz。加工中采用水溶性润滑油(S-1330,动力粘度:275mm2/s,日本加工油)做润滑。
      实验结果如图11(a)所示,在传统方式拉深下,最大拉深比:LDR=2.2;此时不发生起皱的最小压边力30kN。而如图11(b)所示,在伺服压力机的上述脉冲运动模式下拉深,获得最大拉深比:LDR=2.35;此时不发生起皱的最小压边力8kN。
(a)传统方式拉深的筒形件 (b)伺服压力机拉深的筒形件
      图11 伺服压力机与传统压力机的最大拉伸高度比较
      如图12所示为减薄拉深模具。凸模在上凹模在下,凸模直径25mm;凹模锥角12°;被加工材料为A1050纯铝板材;板厚为0.6mm;被加工件事先用1.7的拉深比预制成筒形件,加工时将预制件放入模具进行减薄拉深。减薄拉伸率采用δ=59.3%,以如图10所示的脉冲运动模式,一边下行一边做上下往复的脉冲运动拉深筒形件。滑块上升移动量Ud设定在0.01mm≤Ud≤0.5mm,下降移动量Dd设定在0.1mm≤Dd≤0.6mm的范围效果最佳。其相当于脉冲频率12.1~12.4Hz。加工中采用水溶性润滑油(S-1330,动力粘度:275mm2/s,日本加工油)做润滑。
      实验结果如图13所示,对于传统方法最好的减薄拉深率为δc=46.9%。而采用脉冲运动模式进行加工,滑块上升移动量Ud设定在0.01mm;下降移动量Dd设定在0.3mm。获得的最好减薄拉深率为δp=59.3%,比传统方法提高了12.4%。
      图13 伺服压力机与传统方法拉深结果比较
机械肘杆式伺服压力机
加工工作特性
      如图14所示为机械肘杆式伺服压力机,其传动系统为:采用AC伺服电机作为驱动源,通过减速器驱动特殊螺杆,推动对称的肘杆式连杆,带动滑块运动。即,将伺服电机的旋转运动通过螺杆机构转换为滑块的直线运动。由于采用对称的连杆布置结构,使压力机抗偏载能力强,同时可保证滑块机械同步。在冲裁加工时无过冲问题,在成形加工时滑块对导轨的侧压载荷小,因而能长期保持压力机的精度。
      可依据材料成形工艺的要求,实现多种多样的滑块运动曲线。拉深比提高了20%~30%。可控制滑块间歇停止运动施行保压。大幅减少振动降低噪音,最低可降到75dB(A),比传统机械压力机和油压机低10~20dB(A),因此降低了对模具的冲击,使模具寿命提高到3倍以上。由于没有飞轮、制动器和离合器,以及液压阀等部件等损耗品,使得维修量是传统机械压力机和油压机的1/3。
      图14 日本网野公司的机械肘杆式伺服压力机
应用效果
(1)帽形高强钢结构件冷成形。
如图15所示的常见飞镖形帽形断面件,为日本会田工程公司的一个案例。其屈服极限为590MPa级的高强钢。对于高强钢板材的冷成形,由于回弹严重,在传统机械压力机上,要用两道工序两套模具成形。
      图15 用两道工序加工成形的飞镖形帽形件
      如图16所示,为飞镖形帽形件的两道加工工序断面形状。图16(a)所示为第一道得到的断面形状,图16(b)为第二道工序得到的断面形状,H为最终成形件高度。第一道工序通过弯曲拉深得到H0>H、D0<D的断面尺寸;第二道工序通过整形加工方法,将H0-H的直壁部分被压弯,而在第一道工序成形的圆角部分(C面)被回弯成法兰面。这种方法的特点是减少直壁和法兰部分的残余应力,从而减少回弹提高尺寸精度。其成形机理即所谓的包辛格效应。即:在对材料进行拉伸超过屈服极限后再向相反的方向压缩该材料就会出现屈服极限降低的现象,且载荷同时降低10%。
(a)第一道工序加工的断面 (b)第二道工序加工的断面
      图16 用两道工序加工得到的断面形状
采用伺服压力机的滑块可以任意改变行程、位置和速度的特性,加上如图17所示的模具改造,即可只用一道工序一套模具来完成上述飞镖形帽形件的加工成形。
      图17 伺服压力机用飞镖形帽形件加工模具
为了能够在滑块的一个行程内用一套模具完成弯曲拉深和整形两道工序,在模具内装有移动垫块的气缸。工作时,在如图17(a)所示的弯曲拉深工序阶段,下模的顶出杆和上模的打料杆均处于原位,气缸无动作;在如图17(b)所示的整形阶段,上下模具中的气缸活塞杆均伸出将垫块送到位。用这套模具可实现在弯曲拉深工序阶段将工件深度拉到大于最终产品深度,即H0>H,然后在整形工序阶段往回压缩使工件达到最终产品深度H。
      用如图18所示的滑块工作曲线图,描述一个行程内完成两道工序的动作。这个曲线图可以看到有如下几个特点:⑴在模具接触板材前滑块减速,使模具能够与板材软接触;⑵在弯曲拉深阶段采用慢速;⑶用两次回到下死点完成两道工序;⑷在整形工序阶段滑块在下死点附近有两次往复运动,克服材料的回弹。
      加工工作程序为:⑴开始滑块以最大运行速度下行;⑵在距下死点上58mm处减速进入弯曲拉深工序阶段;⑶滑块经过下死点后回程至下死点上23mm处停止,此时第一道工序完成;⑷计算机检测到滑块停止即发信号使上下模具中的气缸动作,活塞杆伸出推动垫块到位;⑸垫块到位即发信号,使滑块从停止位置(下死点上23mm处)再一次向下死点方向下降,在比第一道工序的下死点高一点的位置停止,保持0.2s后向上提升一点后再回到原位保持0.2s,实现两次冲压整形完成第二道工序的加工过程;⑹整形工序完成后,滑块以最大速度回升至原出发点;⑺数控模垫配合滑块的上升将工件顶出模具。
      图18 伺服压力机滑块行程对时间的运行曲线图
能提现的打鱼       图19所示为两道加工工序分别得到的工件照片,如图19b所示为第一道工序弯曲拉深成形后的工件,可以看到发生较大的回弹扭曲变形。图19a为第二道工序整形后得到的最终成品件,可以看出已消除回弹变形,形状固定了下来。对最终成品的高度检测得到:高度最大值34.9mm;最小值34.5mm。高度差为0.4mm,可见克服了回弹的影响提高了成形精度。

      图19 第一道弯曲拉深和第二道整形工序的制件照片
(2)汽车侧围覆盖件的成形。
      日本网野公司在其开发的2500t机械式连杆伺服压力机上,采用图20所示的滑块变速运动加工模式进行汽车侧板(见图21)的整体成形加工实验。加工中滑块在空行程时高速下行,在成形开始前减速到空行程速度的10%~30%,成形开始后回复高速运动加工,加工完成后高速回程。实验证明:应用镀膜或不镀膜的普通金属板材或合金铝板材都能够达到既提高了生产率又大幅提高了材料的成形性,还可提高模具寿命。
      图20 肘杆式伺服压力机滑块运动曲线
      图21 汽车侧板整体成形件
(3)伺服压力机在生产线上的应用。
      东风汽车股份有限公司汽车分公司,于2007年从网野(武汉)高科技有限公司引进由一台10000kN、四台6000kN机械连杆式伺服压力机组成一条覆盖件生产线,如图22所示。
      图22 由五台伺服压力机组成的汽车覆盖件生产线
      主要承担车身中小型冲压件的生产任务。主要工艺包括下料、拉延、修边、冲孔、斜切、校正、弯边等。用户可以通过伺服压力机控制面板上的滑块运动模式选择界面,在如图23所示的曲线调整界面上,设计最适合某个零件加工的滑块运动模式和行程曲线。生产实际情况表明,在不改变原有模具结构的情况下,由伺服压力机组成的生产线提高了加工质量、生产效率,给公司带来了显著的经济效益和社会效益。
      图23 滑块运动曲线设置界面
1)提高了零件品质。
      通过如图23所示的截面,优化设置滑块运动曲线,调整模垫不同位置的压边力,提高了工件的成形性。如图24所示的伺服压力机生产线与传统机械压力机生产线零件报废率的比较,伺服压力机生产线平均降低零件报废率达0.3%。零件的表面质量也得到明显改善。

      图24 伺服压力机生产线与传统机械压力机生产线零件报废率对比
2)提高了生产率。
      通过合理设定零件的装模高度,如图25所示缩短滑块行程,使伺服压力机生产线的SPH值由原来的180上升到210,提高了16.7%。如按照90万件的产量目标计算,加工时间由原来的5000h降为3750个h,可以节省715h的劳务及电力消耗。
      图25 伺服压力上对应加工零件滑块行程的调整效果与传统压力机比较
(4)伺服压力机在高强钢热成形上的应用。
      高强度钢板零件的成形方法,是将板料加热到再结晶温度以上某个温度(对于钢铁材料,为奥氏体状态)进行冲压成形,利用板料高温成形时流动应力的降低来提高板料的成形能力、减少成形件的回弹,降低所需设备的吨位。同时,冲压成形后的快速冷却淬火将大幅度提高成形板料的强度。热冲压成形工艺流程如图26所示。
      图26 高强度钢板的热冲压成形工艺关键流程
      由于高强度钢板的热冲压工艺特点,要求采用能够满足在下死点具有精确保压的压力机,同时应具有较高的刚度以控制回弹精度。为适应热冲压工艺的特点,要求压下速度及成形力精确可控。目前国外主要采用伺服液压机。
      华中科技大学开发了一种热成形用数字式机械伺服压力机如图27所示。该伺服压力机采用AC伺服。
      图27 高强钢热成形伺服压力机及其辅助装置
      电机+减速器+螺杆+肘杆机构的驱动系统。通过数字控制伺服电机驱动螺杆推动肘杆机构实现精确控制滑块运动,在下死点可实现保压和位置控制,其定位精度高达0.02mm,对控制热冲压零件的尺寸精度以及工艺调整极为有利。
      对于加热→预冷→热成形→保压冷却的成形工艺,可以采用如图28所示的滑块运动模式。
      图28 有预冷工序的热成形时伺服压力机滑块的运动模式
其工艺过程为:将从加热炉取出的毛坯在平模上预压,进行急速冷却,使温度按照50~100℃的速率冷却,材料的组织发生马氏体相变(大量、均匀形核),然后在一定的速度下成形-保压-冷却。该方案的成形力较直接成形方案要高,但是这种“温热成形”过程的变薄将更加均匀,残余应力也较低。该方案对模具和压力机的控制性能要求更高,对形状复杂、成形面高度差大的零件难以实现有效操作。
      图29所示为高强钢热成形得到的汽车防撞结构件。
      图29 用热成形工艺得到的各种汽车身上的防撞结构件
结束语
      压力机的历史相对于机械工业来说非常长,但是它的革新进展却非常慢。自从1960年欧洲和美国联合开发了连杆机构与连杆运动以来,驱动机构与压力机滑块运动已经有40年没有明显的改变或进步。而近十几年来出现的伺服压力机由于其组成部分如交流伺服电机、主传动系统和控制系统的发展,其应用范围还在进一步扩大。相对于传统压力机的历史,伺服压力机的发展速度是相当高的。因此可以说近年来出现的伺服压力机是一个划时代的事件,将可能大幅度地改变和扩大压力机生产技术。
      数字伺服压力机的一个核心特点,就是其在计算机控制下滑块可以动态地改变运动状态,形成不同的运动模式以适应各种加工工艺的要求,也就是由加工装备去适应配合加工工艺需要的生产节拍,而不像传统的压力机由工艺适应装备。数字伺服压力机的柔性给开发新工艺、新技术提供了一个创新的平台。
      肘杆式多连杆传动方式应用于大型伺服压力机有许多优点,首先由于其具有力放大作用,更易于驱动大惯量的滑块,以满足变速冲压成形工艺,其次可以使滑块运动到下死点时实现保压,有利于高强度钢板、轻量化难变形板材的成形加工。
      从实际生产应用看,伺服压力机比传统压力机节能50%以上,冲裁噪声大幅度下降,是一种节能环保型压力机;由于其在加工铝合金板材、高强度钢板、非等厚焊接钢板的成形方面有独特的优势,为新材料的应用、推广以及汽车轻量化降低能耗方面提供了重要的技术手段。可以预见今后伺服压力机将会成为塑性加工装备的主流。

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