閉式雙點(diǎn)高速壓力機(jī)高精度及高速化的探討

2012-08-16 07:43:12孫成建朱新武

鍛壓裝備與制造技術(shù) 2012年6期

孫成建，王偉，朱新武

（揚(yáng)州鍛壓機(jī)床股份有限公司，江蘇揚(yáng)州 225128）

1 引言

近年來，隨著家電、汽車行業(yè)的火爆，對(duì)電機(jī)的需求也迅速增長(zhǎng)。原先散片單沖的生產(chǎn)工藝已不能滿足生產(chǎn)需求，使用精密連續(xù)沖壓模具的閉式高速精密壓力機(jī)的需求迅速增長(zhǎng)。

回顧高速壓力機(jī)的發(fā)展歷史，1982年濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所研制成功我國(guó)第一臺(tái)單點(diǎn)高速壓力機(jī)，公稱力600kN，最高速度400min-1。隨后，上海第二鍛壓機(jī)床廠從德國(guó)豪力克-羅斯（HAULICKROSS）司引進(jìn)了RUD32-540高速壓力機(jī)。他們代表著當(dāng)時(shí)壓力機(jī)的最高技術(shù)。隨著市場(chǎng)的不斷發(fā)展，對(duì)高精、高速、高度自動(dòng)化的需求進(jìn)一步提高，研制新一代的高速壓力機(jī)勢(shì)在必行。

壓力機(jī)的高速化、高精度必須同等考慮。在提高壓力機(jī)速度的同時(shí)，還需要考慮壓力機(jī)的精度以及穩(wěn)定性，先進(jìn)的控制系統(tǒng)更能提高沖床的操作性能和精度。壓力機(jī)的精度又分為靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)精度。下面我們討論針對(duì)高精度及高速化的對(duì)策及方法。

2 精度保證的方法

前面提到的精度分為靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)精度，按現(xiàn)行《閉式高速精密壓力機(jī) 精度》標(biāo)準(zhǔn)，靜態(tài)精度可分為以下測(cè)定基性：①工作臺(tái)上平面的直線度；②滑塊下平面的直線度；③滑塊下平面對(duì)工作臺(tái)板上平面的平行度。而動(dòng)態(tài)精度測(cè)定基性為：滑塊行程對(duì)工作臺(tái)上平面的垂直度。

實(shí)際上，在應(yīng)用于諸如電機(jī)定轉(zhuǎn)子沖壓生產(chǎn)過程中，高速精密壓力機(jī)需要的精度還要另外增加幾條：①連接部之間的總間隙；②滑塊下死點(diǎn)的重復(fù)定位精度；③加工時(shí)承受定量偏載的精度。其中滑塊下死點(diǎn)重復(fù)定位精度內(nèi)又分為：①運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間和下死點(diǎn)的變位；②行程次數(shù)與下死點(diǎn)的變量關(guān)系。

3 精度保證的措施

一般的靜態(tài)精度，通過較高水平的機(jī)加工能力，基本都可以得到解決。我們?cè)谶@里談到的是關(guān)于靜動(dòng)態(tài)精度及幾條標(biāo)準(zhǔn)外補(bǔ)充精度的保證方法。這些要求除了要有較好的機(jī)加工保證外，還必須有合理的結(jié)構(gòu)。

3.1 滑塊行程對(duì)臺(tái)板上平面的垂直度保證措施

以往的高速壓力機(jī)都是采用八面導(dǎo)向，曲軸拖動(dòng)連桿，連桿直接驅(qū)動(dòng)滑塊，這樣結(jié)構(gòu)雖然方便、易于調(diào)整，但是精度持久性較差。連桿的側(cè)向力會(huì)傳到滑塊上，影響滑塊運(yùn)行精度。采用了輔助的導(dǎo)柱過渡，導(dǎo)柱介于連桿和滑塊之間，吸收了連桿的側(cè)向力，而滑塊通過四根導(dǎo)柱導(dǎo)向，導(dǎo)柱采用了過盈滾珠導(dǎo)向（圖1），具有很高的精度保持性。

3.2 連接部之間的總間隙控制措施

要控制機(jī)床總間隙，高剛性機(jī)身是必不可少的。公司早在生產(chǎn)閉式壓力機(jī)時(shí)便意識(shí)到，但控制各運(yùn)動(dòng)副的間隙和傳動(dòng)零件的高剛性才是關(guān)鍵。采用滾動(dòng)軸承替代軸瓦是個(gè)較好的方法，另外，封高調(diào)節(jié)螺紋鎖緊裝置（圖2）是必不可少的。

3.3 滑塊下死點(diǎn)重復(fù)定位精度的解決措施

圖2 封高調(diào)節(jié)螺紋鎖緊裝置

滑塊下死點(diǎn)變位主要是因?yàn)闊嶙冃渭伴g隙未能控制好而引起的。連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的高速轉(zhuǎn)動(dòng)，由于運(yùn)動(dòng)部位發(fā)熱，零部件膨脹，使得下死點(diǎn)有所變化，因此工件精度也變化。諸如電機(jī)定轉(zhuǎn)子疊片時(shí)會(huì)出現(xiàn)疊鉚力過大，甚至過載悶車。要解決這個(gè)問題，我們采用溫控的方法，把受熱后零件膨脹量控制在最小。首先將潤(rùn)滑油在機(jī)床內(nèi)循環(huán)，再將循環(huán)油調(diào)至工作溫度，待工作后，機(jī)床內(nèi)潤(rùn)滑油溫度將升高，此時(shí)，外部潤(rùn)滑油加熱狀態(tài)變成制冷狀態(tài)，降低潤(rùn)滑油溫度，從而降低機(jī)床溫度，以維持機(jī)床恒溫。另外，采用液壓螺紋鎖緊裝置能明顯消除螺紋間隙，防止螺紋跑位，對(duì)下死點(diǎn)重復(fù)精度相當(dāng)重要。

3.4 抗偏載能力

采用雙點(diǎn)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)能明顯提高抗偏載能力，還使得滑塊得以加長(zhǎng)，特別適合諸如定轉(zhuǎn)子沖壓模具的要求。但是雙點(diǎn)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的制造難度會(huì)增加很多。另外，好的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)是保證抗偏載能力的前提。

3.5 采用先進(jìn)的控制系統(tǒng)

對(duì)于自動(dòng)化產(chǎn)品，大型視窗型控制系統(tǒng)集合了許多新的功能。應(yīng)用先進(jìn)的壓力機(jī)傳感監(jiān)控系統(tǒng)，不僅可以通過控制系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)性能，對(duì)正常沖壓時(shí)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、記憶，當(dāng)沖壓力超過記憶的合理值時(shí)報(bào)警，提示用戶進(jìn)行模具刃磨等保養(yǎng)工作。自動(dòng)溫控系統(tǒng)除了能保證恒溫以外，還可以根據(jù)壓力分析，自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度以補(bǔ)償下死點(diǎn)因模具磨損發(fā)生的變化。

4 壓力機(jī)的高速化

幾乎所有的壓力機(jī)都通過曲軸帶動(dòng)連桿來驅(qū)動(dòng)。高速壓力機(jī)也不例外。由于存在各式各樣的運(yùn)動(dòng)副，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)易產(chǎn)生高熱及振動(dòng)，要高速化就必須解決發(fā)熱及振動(dòng)問題。

4.1 減少各運(yùn)動(dòng)部位的慣性力

慣性力越大，機(jī)械振動(dòng)和加工時(shí)的噪音也越大，下死點(diǎn)精度也不好，曲軸所承受的負(fù)荷也越大。減小慣性力的方法有：

（1）減小各運(yùn)動(dòng)部位的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)輕量化。采用先進(jìn)的導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)，將封高調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)身上，不再隨滑塊一起運(yùn)動(dòng)，不但減輕了運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量，還降低了故障率。在整個(gè)運(yùn)動(dòng)部件中，滑塊占了大部分質(zhì)量，減輕滑塊質(zhì)量意義重大。但是要保證強(qiáng)度，又要減重，這成了矛盾，必須有一個(gè)合理的結(jié)構(gòu)。采用計(jì)算機(jī)建模，對(duì)滑塊進(jìn)行有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，得出最優(yōu)結(jié)構(gòu)。在選材方面，采用球墨鑄鐵是個(gè)不錯(cuò)的選擇，球墨鑄鐵抗彎性是普通鑄鐵的1.7倍，比重卻相差不大。與鋁相比，其比重更大，抗彎性更好，且熱膨脹系數(shù)更小，適合作為滑塊材料使用。

（2）滑塊的行程要小

如果滑塊速度小的話，所產(chǎn)生的慣性力也會(huì)小，對(duì)于正置的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，滑塊速度關(guān)系：

式中：ω——曲柄角速度；

R——曲軸偏心。

即如果曲軸偏心R越小，對(duì)應(yīng)的速度也越小?；瑝K速度與行程成正比。

在可能的情況下，盡量減小滑塊行程，不但可以減小慣性、降低振動(dòng)，還可以降低加工噪聲，同時(shí)減小滑塊變化量，延長(zhǎng)模具壽命。縮短行程長(zhǎng)度還使得行程次數(shù)增加，有利于提高加工效率。

4.2 曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)的高速化

機(jī)床上發(fā)熱源最多的是曲柄回轉(zhuǎn)。采用滾動(dòng)軸承替代以往的滑動(dòng)軸承是必要的。因?yàn)闈L動(dòng)軸承較滑動(dòng)軸承摩擦系數(shù)小，約為1/10～1/20，所以回轉(zhuǎn)力小，發(fā)熱量也小，使得膨脹也小，不會(huì)出現(xiàn)像銅瓦滑塊軸承發(fā)生抱死現(xiàn)象。

4.3 離合制動(dòng)器的高速化

隨著行程次數(shù)速度的提高，旋轉(zhuǎn)部位的慣性力也會(huì)增大，各運(yùn)動(dòng)部位起動(dòng)吸收了大量的能量，停車時(shí)要釋放存儲(chǔ)的能量，易出現(xiàn)起動(dòng)慢、剎車角大的問題。針對(duì)這個(gè)問題，選用大扭矩，低慣量的離合器是解決問題的有效途徑。

4.4 平衡機(jī)構(gòu)消除振動(dòng)

滑塊運(yùn)動(dòng)屬于低周波運(yùn)動(dòng)，傳的較遠(yuǎn)，影響其他設(shè)備運(yùn)行，只設(shè)防震裝置是很難防止振動(dòng)，因此，在機(jī)床內(nèi)部安裝平衡機(jī)構(gòu)來消除振動(dòng)。采用相似形結(jié)構(gòu)，建立一個(gè)與滑塊運(yùn)動(dòng)方向相反的平衡滑塊機(jī)構(gòu)是較為理想的。計(jì)算公式如下：