精密高速壓力機的傳動系統(tǒng)

文／鹿新建·南京工程學(xué)院，南京航空航天大學(xué)

李鋼·南京工程學(xué)院

李廣娟·江蘇省徐州技師學(xué)院

精密高速壓力機的傳動系統(tǒng)

文／鹿新建·南京工程學(xué)院，南京航空航天大學(xué)

李鋼·南京工程學(xué)院

李廣娟·江蘇省徐州技師學(xué)院

精密高速壓力機是用于大批量標(biāo)準(zhǔn)化零件高速精密沖壓的裝備，經(jīng)常以沖壓線的形式出現(xiàn)，其應(yīng)用領(lǐng)域主要包括微電機定轉(zhuǎn)子鐵心沖片、E/I鐵心沖片、空調(diào)翅片、引線框架、精密接插件和易拉蓋等領(lǐng)域。不同的應(yīng)用領(lǐng)域一般對精密高速壓力機的傳動系統(tǒng)要求不同，四桿機構(gòu)的演化機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)和正弦機構(gòu)由于結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，因此廣泛用于精密高速壓力機的驅(qū)動系統(tǒng)。本文僅就其結(jié)構(gòu)進行簡要分析，供大家參考。

機架部分

機架作為傳動系統(tǒng)的承載部分，一般要求較高的剛性和減振性能，同時要考慮其經(jīng)濟性。近幾年來，國內(nèi)的鋼板制造企業(yè)產(chǎn)能過剩，造成機架焊接用鋼板價格明顯下滑，同時出于對環(huán)境保護要求的提高，部分鑄造廠家紛紛關(guān)閉，造成了鑄件價格的不斷上漲，直接影響到了精密高速壓力機的制造成本，加上行業(yè)內(nèi)的惡性競爭，致使該種設(shè)備利潤不斷下降。

精密高速壓力機的機架是選擇鑄造結(jié)構(gòu)還是焊接結(jié)構(gòu)需要考慮沖壓件的精度要求。但是一般要求是使用鑄件，能夠保證良好的減振性能。國外專家根據(jù)不同材料對機架減振性能進行了研究，如圖1所示，采用灰鑄鐵件機身振幅最小，振動衰減時間約為鋼結(jié)構(gòu)機身的20%；球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵振幅次之，衰減時間為鋼結(jié)構(gòu)機身的40%左右。而且，還可以根據(jù)機身剛度要求靈活布置加強筋的形狀和位置。但是，采用鑄鐵件要求較高的鑄造水平，一旦出現(xiàn)裂紋，尤其是儲油部分，將很難處理。

圖1 不同材料減振性能對比

圖2 曲柄滑塊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式

對于鋼結(jié)構(gòu)焊接機身而言，其最大的優(yōu)點在于材料的彈性模量顯著大于鑄件，能夠獲得很好的機床剛度。某造幣廠用于落料的150t閉式單點精密高速壓力機（舒勒生產(chǎn)，滑塊行程為25mm，行程次數(shù)為200～800次/分），其機身即為焊接結(jié)構(gòu)。國內(nèi)早期的精密高速壓力機（閉式雙點結(jié)構(gòu)）廠家多使用部分焊接機身（上橫梁、立柱為焊接件，下橫梁為鑄件）形式。閉式單點快速壓力機（一般行程次數(shù)在200次/分以內(nèi)）則采用整體焊接結(jié)構(gòu)，上述兩種形式的精密高速壓力機均可以滿足用戶的正常使用。對于焊接機身而言，需要解決的是潤滑油的防泄漏和焊接的緊密性（床身的拉桿鎖緊部分等）。

曲柄滑塊機構(gòu)

采用曲柄滑塊機構(gòu)做為精密高速壓力機的驅(qū)動機構(gòu)可以有多種形式。圖2a與圖2b中機構(gòu)的區(qū)別在于導(dǎo)向部分，a圖為開放式結(jié)構(gòu)，側(cè)向力完全由滑塊承受，為保證下死點精度高，一般通過潤滑系統(tǒng)的油量和油溫控制來解決，這就要求在設(shè)計時考慮漏油隱患。b圖機構(gòu)的中間部位引入了“導(dǎo)向”環(huán)節(jié)，稱為柱塞結(jié)構(gòu)(導(dǎo)柱導(dǎo)套結(jié)構(gòu))，具體分為滑動式（導(dǎo)柱導(dǎo)套之間為滑動軸承接觸，需要設(shè)計合理間隙）和滾動式（導(dǎo)柱導(dǎo)套中間安裝滾珠套，精度要高于滑動式），其優(yōu)點在于便于實施大油量潤滑，缺點在于床身及導(dǎo)向部位受熱和受力變形后導(dǎo)致該部位“發(fā)熱”，甚至造成其中的滑動軸承磨損和燒死。

閉式精密高速壓力機以雙點形式居多，常見的布置方式有三點支撐（圖3a）和四點支撐（圖3b）。三點支撐的代表為日本AIDA的HMX機型。兩偏心軸的偏心部分離兩外側(cè)的距離近，偏心的內(nèi)側(cè)為反向平衡機構(gòu)，由于其運動方向與主運動相反，在沖壓時能夠產(chǎn)生一個向上的“支撐力”，這種布置方式可以為中間的平衡部分留出較大的空間，而且在受力時中間部分的加強筋可以減小變形量，從而有助于提高機身剛度。國內(nèi)企業(yè)則多采用四點支撐，中間部分的反向平衡裝置受到空間限制。

圖3 偏心軸支撐方式

靜態(tài)平衡裝置為普通壓力機的“標(biāo)配”，多采用平衡氣缸、空氣彈簧和普通彈簧。其目的一是為了消除運動部位的間隙，使得機構(gòu)運轉(zhuǎn)更為平穩(wěn)，二是為了防止滑塊的意外下滑。對于能否在精密高速壓力機中用于慣性力的平衡，國內(nèi)有專家不建議使用。近期研究表明（圖4），對于大型精密高速壓力機，使用靜態(tài)平衡裝置將會造成在一定速度和平衡氣壓下產(chǎn)生下死點突變，影響沖制品精度。此外，還容易造成連接部位螺釘承受交變載荷而產(chǎn)生疲勞斷裂。因此，國外精密高速壓力機一般在調(diào)整裝模高度時才采用靜態(tài)平衡裝置，其目的是為了減輕調(diào)模阻力，從而降低調(diào)模電機功率。

圖4 不同速度下的下死點位置曲線（1250kN型高速壓力機）

正弦機構(gòu)

正弦機構(gòu)為平面四桿機構(gòu)另一個重要演化形式。我國早在上世紀(jì)70年代就開始了正弦機構(gòu)在曲柄壓力機領(lǐng)域的應(yīng)用研究，并形成了J11系列開式壓力機系列產(chǎn)品（圖5），與采用曲柄滑塊機構(gòu)作為驅(qū)動機構(gòu)的壓力機相比，整機高度得到顯著降低。受制于當(dāng)時的工業(yè)環(huán)境，沒有將其向高速壓力機領(lǐng)域拓展。

圖5 J11系列開式壓力機

美國OAK公司則將其應(yīng)用在空調(diào)翅片沖壓領(lǐng)域，圖6所示為其結(jié)構(gòu)示意圖。與在J11系列產(chǎn)品中的應(yīng)用不同，偏心部分的旋轉(zhuǎn)、內(nèi)方塊的左右滑動和滑塊的上下運動部位均采用了滾動軸承形式，從而能夠適應(yīng)250次/分的高速沖壓。

對于雙點結(jié)構(gòu)，滑塊導(dǎo)向部位深入到上橫梁內(nèi)部，導(dǎo)向剛度得到明顯提高。施力點跨距遠(yuǎn)大于曲柄滑塊機構(gòu)（一般按照工作臺面的60%～70%選?。兄谔岣呤┝ο到y(tǒng)的剛性。相比于曲柄滑塊機構(gòu)，該正弦機構(gòu)由于減少了連桿，而且內(nèi)方塊的壓緊可以實現(xiàn)零間隙甚至微量負(fù)間隙，因此傳動機構(gòu)的間隙顯著小于曲柄滑塊機構(gòu)，有助于沖壓精度的提升。由于其獨特的上橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以使其具備快速提升功能，能夠滿足檢修模具的空間需求。為了控制下死點精度，一般會采取油氣潤滑，潤滑油消耗顯著降低，而且冷卻效果更好。

圖6 OAK精密高速壓力機（翅片沖）

但是該機構(gòu)也存在應(yīng)用方面的問題需要解決。空調(diào)翅片多為一定厚度的鋁箔沖制而成，材料較軟而且易于成形。如果用該機構(gòu)沖制電機定轉(zhuǎn)子鐵心沖片，剛度則會略顯不足，需要在原有基礎(chǔ)上提升剛度。此外，由于提升油缸（提升行程約100mm，甚至150mm）的存在，壓力在20MPa以內(nèi)，在大負(fù)載情況下，液體將體現(xiàn)一定的可壓縮性，從而造成下死點精度的不穩(wěn)定。此外，由于其結(jié)構(gòu)布局不便于方向平衡裝置的布置，因此，僅能以偏心塊的形式布置在曲軸中間。速度進一步提升至300次/分，甚至350次/分（進口模具可以實現(xiàn)400次/分），機床的振動將會顯著增強。

對于1000kN以上的翅片沖，大多采用四點布置形式，矩形四點布置形式如圖7所示，由于正弦機構(gòu)難以布置，因此多采用曲柄滑塊機構(gòu)，只是連桿的長度固定，模高調(diào)整采用雙點結(jié)構(gòu)形式，滑塊導(dǎo)向僅布置在下部區(qū)域。雙軸四點的同步性依靠齒輪的同步性來保證，由于齒輪傳動的速度不能太高且制造精度有限，因此，限制了其速度的提高。

同樣是由于結(jié)構(gòu)空間的限制，動態(tài)平衡裝置無法布置，因此僅采用了四根彈簧進行靜態(tài)平衡（圖8）。傳統(tǒng)的觀念認(rèn)為：精密高速壓力機采用動態(tài)平衡裝置是必需的。但是，精密高速壓力機不平衡部分所產(chǎn)生的慣性力相比于沖壓力是非常小的。因此，可以在較低速度范圍內(nèi)（如翅片沖的300次/分以內(nèi)）不使用動態(tài)平衡裝置，但在選用機床減振墊時需要特別說明。此外，還可以使用重載滑動軸承，在一定油壓下實現(xiàn)傳動機構(gòu)的減振。

圖7 精密高速壓力機（四點式翅片沖）

圖8 精密高速壓力機的平衡機構(gòu)

在潤滑上，山田多比的翅片沖（圖9）則采用了大油量潤滑方式，有助于下死點精度的穩(wěn)定。

圖10 精密高速壓力機傳動系統(tǒng)（三點式）

技術(shù)融合

曲柄滑塊機構(gòu)和正弦機構(gòu)在應(yīng)用中各具優(yōu)點和缺點，出現(xiàn)了一些二者結(jié)合的趨勢。某三點4500kN閉式精密高速壓力機（圖10）采用了正弦機構(gòu)作為動平衡機構(gòu)，可以實現(xiàn)上橫梁尺寸的壓縮。某發(fā)明專利所示的開式精密高速壓力機（圖11），主傳動為封閉在機身內(nèi)的正弦機構(gòu)，動平衡機構(gòu)同樣采用了正弦機構(gòu)，傳動系統(tǒng)均采用滾動軸承。圖12所示的四點式精密高速壓力機則采用了高速翅片沖所特有的上橫梁提升裝置。

圖11 開式精密高速壓力機傳動系統(tǒng)

圖12 精密高速壓力機傳動系統(tǒng)（單排四點）