壓力機下死點精度分析

壓力機下死點精度分析

高速精壓機可以自動、準(zhǔn)確、高效地生產(chǎn)各種脈沖零件。它已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在小型電機定/轉(zhuǎn)子、變壓器E/I鐵芯、集成電路中引線框架等小型零件的高速精密沖壓中。對于高速精密壓力機而言,下死點精度(下死點重復(fù)定位精度)是重要的技術(shù)指標(biāo),體現(xiàn)了高速精密壓力機的制造水平,并制約著高速精密壓力機的使用領(lǐng)域以及模具使用壽命。上述零件的高速沖壓對于高速精密壓力機的下死點精度的要求是有差別的。一般而言,沖壓引線框架需要更高的下死點精度。由于我國高速精密壓力機起步較晚以及受模具制造水平的制約,國產(chǎn)高速精密壓力機只能進行小型電機定/轉(zhuǎn)子、變壓器E/I鐵芯等零件的高速級進沖壓,高精度引線框架用高速精密壓力機仍依賴進口,所需模具只有國內(nèi)少數(shù)幾家公司可以研制,所產(chǎn)引線框架僅能滿足國內(nèi)需求的50%左右。國外高速精密壓力機經(jīng)歷了近百年的發(fā)展,在沖壓速度、下死點精度上都達到了很高的技術(shù)水平,并以此獲取高昂的壟斷利潤。因此,研制國產(chǎn)高速高精密壓力機尤為重要,其核心是高速運轉(zhuǎn)過程中的下死點精度控制措施。1高速精密壓力機性能要求對于沖壓加工,長期以來業(yè)內(nèi)一直普遍認(rèn)為沖壓件的精度主要取決于模具精度,壓力機只提供沖壓動力,但是技術(shù)發(fā)展的結(jié)果證明,壓力機尤其是高速精密壓力機自身的精度不但可以影響沖壓件的精度,而且還決定著模具的使用壽命。衡量高速壓力機的重要指標(biāo)不僅是靜態(tài)的各項精度指標(biāo)(如工作臺板上表面與滑塊底平面的平行度、滑塊上下運動對工作臺板上表面的垂直度、施力機構(gòu)總間隙等),更重要的是其動態(tài)精度。下死點精度是重要的動態(tài)精度,是高速壓力機關(guān)鍵的性能指標(biāo),是評定產(chǎn)品技術(shù)水平、制造水平的一項重要指標(biāo)。目前,國家標(biāo)準(zhǔn)中尚沒有相應(yīng)條款,國際上也沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),日本能率制作所(LEM)要求的下死點精度如表1所示。高速精密壓力機最初是為了適應(yīng)大批量矽鋼片和薄板零件的生產(chǎn),這些零件包括小型電機定轉(zhuǎn)子、易拉蓋等。電機鐵芯及變壓器鐵芯在沖壓過程中在模具中進行自動疊鉚,鐵芯自動疊鉚級進模常見疊鉚點的形式按沖片平面可分為圓形、矩形、圓弧形,如圖1所示。下死點精度直接影響著疊鉚力,下死點如果向下偏移過多,則會破壞疊鉚結(jié)構(gòu),無法實現(xiàn)疊鉚;反之,則疊鉚緊密度不夠,需要后續(xù)處理,影響效率。如果高速精密壓力機下死點精度差,為了保證沖制品的精度,則需要頻繁調(diào)整滑塊的裝模高度以適應(yīng)下死點的變化。20世紀(jì)70年代后半期以來,國外大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等電子器件的生產(chǎn)迅速發(fā)展,對高速精密壓力機的精度要求越來越高,尤其體現(xiàn)在下死點精度上面。進入80年代,國外高速精密壓力機主要用來沖壓集成電路的引線框架和其它電子零件(如接插件等)。引線框架是集成電路的芯片載體,是一種借助于鍵合金絲實現(xiàn)芯片內(nèi)部電路引出端與外引線的電氣連接,形成電氣回路的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件,它的沖壓難點在于:壓印部分精度需要達到幾個微米;引線框架的內(nèi)外引腳和小島的共面性要求較高。高速精密壓力機如果下死點精度差,則容易出廢品。即使勉強使用,也要更加頻繁的調(diào)整滑塊裝模高度。國內(nèi)這方面起步較晚,一是缺乏高檔高速精密壓力機,進口設(shè)備價格昂貴;其次是所需模具制造難度大。2影響下死點的因素下死點發(fā)生變化的原因,主要有轉(zhuǎn)速變化和溫度變化,即速度位移和熱位移以及其它因素。2.1高速精密壓力機目前,使用的高速精密壓力機的沖壓速度多在300～500次·min-1,日本設(shè)計的MACH高速壓力機在100kN,8mm行程下,沖壓速度可達4000次·min-1,與傳統(tǒng)壓力機的幾十次相比,生產(chǎn)效率有了極大的提高。由于慣性力按速度的平方增大,雖然滑塊行程較普通壓力機要小,一般在50mm以內(nèi),但這樣的高速度必然導(dǎo)致過大的慣性力;高速精密壓力機所用模具多為多工位級進模,較普通模具要重,上模部分重量甚至可以達到1t,這也加大了滑塊運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的慣性力,進而引起滑塊下死點位置的向下偏移,如圖2所示。即使是同一機床,隨著上模重量的不同下死點也將發(fā)生變化,如圖3所示。2.2熱膨脹的影響AIDA工程有限公司認(rèn)為,從設(shè)計的角度來看,壓力機床身及其內(nèi)部零件的熱膨脹對于獲得最佳動態(tài)特性的影響最大,必須首先予以考慮。高速精密壓力機在高速運轉(zhuǎn)過程中必然在各運轉(zhuǎn)部位產(chǎn)生大量的摩擦熱,使得連桿、導(dǎo)柱、機架等零件發(fā)生熱膨脹,進而影響滑塊的下死點位置。理論上連桿及導(dǎo)柱的熱膨脹使得下死點向下偏移,機架的熱膨脹使得下死點向上偏移,由于上、下方向的下死點位置變動存在時間差,使得下死點呈現(xiàn)先向上再向下偏移的趨勢,變化數(shù)值的大小取決于溫升部位的溫度、結(jié)構(gòu)尺寸及材料熱特性,進而影響沖制品的精度。實際上由于機床構(gòu)造的差異,這種趨勢并不明顯或不存在,如圖4所示。高速精密壓力機在高速運轉(zhuǎn)中多采用大流量潤滑油進行潤滑,同時存在著傳導(dǎo)傳熱、對流傳熱及輻射傳熱3種形式,很難計算其內(nèi)部的溫度場,而且在高速運轉(zhuǎn)尤其在沖裁過程中,存在很大沖擊,各運動部位的摩擦系數(shù)也不恒定,難以準(zhǔn)確計算其發(fā)熱量。這給研究消除溫度對下死點的影響帶來了一定的難度。2.3其他因素2.3.1基于反向負(fù)載的調(diào)整當(dāng)高速壓力機沖頭即將沖斷板料時,壓力機各部分的彈性變形能轉(zhuǎn)變成動能瞬間釋放出來,使沖頭急速沖斷板料并向凹模突進,因此高速精密壓力機曲軸部位的尺寸要比普通壓力機大很多。美國尼亞加拉(Niagara)公司將這種與工作壓力相反的壓力稱為“反向負(fù)載”。當(dāng)沖裁力超過公稱壓力的50%時就會存在這種反向負(fù)載。根據(jù)測試結(jié)果,滑塊在沖斷材料后低至下死點以下少許,并上下擺動幾次,然后沿正常曲線返回。這種上下擺動是由上模在突然卸載時產(chǎn)生的劇烈振動引起的,而且速度越高,擺動的次數(shù)越少(圖5,圖6)。如果機床剛性差,將很難抵抗反向負(fù)載并產(chǎn)生很大的下死點偏移。反向負(fù)載的大小和實際的沖裁力有關(guān),一般而言,實際的沖裁力越大,沖裁時積蓄的彈性勢能就越大,進而產(chǎn)生很大的反向負(fù)載?？梢酝ㄟ^縮小連桿支撐的跨距來提高剛性,改變連桿及支撐部位軸承形式也有助于提高剛性,國外高速精密壓力機的上述部位多采用滾動軸承+滑動軸承的復(fù)合結(jié)構(gòu),即“復(fù)合軸承”(圖7),既可以減小高速運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦熱又可以提高承載能力。從根本上講,轉(zhuǎn)速、上模重量及負(fù)荷大小所引起的下死點變化都與機床剛性有關(guān)。2.3.2高速高效動平衡機構(gòu)的選用由于制造水平的差異,國外機床靜平衡部分多在調(diào)整裝模高度時使用,工作過程中并不使用,因此,國外相關(guān)報道中并不將其列為影響下死點精度的主要原因;而國內(nèi)機床在沖壓過程中使用靜平衡氣壓,目的是消除間隙,以彌補制造上的不足,增加滑塊運行的平穩(wěn)性,對于改變下死點位置也是有作用的(圖8),而且,轉(zhuǎn)速越高,沖裁力越大,為了保證下死點精度,需要將靜平衡氣壓調(diào)得很大,這就需要靜平衡氣壓部位結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計,否則容易由于交變載荷的頻繁作用,造成螺釘松動以至斷裂。此外,機床的鎖緊部分是否可靠也影響到下死點位置的穩(wěn)定性,鎖緊不可靠必然導(dǎo)致下死點位置發(fā)生偏移。高速沖裁時的振動造成上模和下模在垂直和水平方向上產(chǎn)生一定的錯位,從而影響到下死點的位置精度,導(dǎo)致沖制品的精度降低。因此,國外高速精密壓力機很注重高速運轉(zhuǎn)中的動平衡問題,在結(jié)構(gòu)上采取完全動平衡機構(gòu)(包括回轉(zhuǎn)平衡,水平方向上的平衡和垂直方向上的平衡);在模具上采用限位器,雖然可以阻止下死點的進一步下移,但是,如果機床下死點精度很差,將會影響模具導(dǎo)向部分的精度并降低模具使用壽命。3測試結(jié)果的分析壓力機下死點測試,國內(nèi)開展的很少。歐陽志鴻等開展的針對J23-6.3開式可傾壓力機的動精度測試,獲取了不同沖裁力下的滑塊位移曲線(圖9),認(rèn)為壓力機的垂直動剛度對動精度(下死點等)影響顯著,其測試裝置如圖10所示。存在的問題是測試產(chǎn)品噸位太小,速度偏低,但是測試結(jié)果很有參考價值。2000年后,隨著國內(nèi)高速精密壓力機的發(fā)展,下死點方面的測試逐漸增多。李樂超借助LabVIEW軟件及測試系統(tǒng)對某型號高速精密壓力機進行下死點測試,測試原理及硬件組成如圖11所示。測試結(jié)果表明機床轉(zhuǎn)速及溫度對下死點有很大的影響,但缺乏實際工況的測試。徐州鍛壓機床廠集團有限公司王曉東、馮華林等借助日本理研產(chǎn)Rm-72型下死點檢測儀通過自制測試工裝對閉式高速精密壓力機進行了一系列測試,包括空載和實際沖裁時的測試。測試方法分為:絕對值測量、相對值測量和波形圖測量,可以檢測到下死點以上1.5mm以內(nèi)的波形以及±0.1mm以內(nèi)的下死點偏差,測試精度達到1μm,可基本滿足測試要求,簡單快捷。由于現(xiàn)有精密引線框架的沖壓,要求下死點精度在±2μm以內(nèi),以后的下死點測試應(yīng)當(dāng)注意提高測試傳感器的精度;同時注意下死點波形的測量,并提高測量范圍,研究機床機構(gòu)與下死點波形的相關(guān)性。4br新型密壓力機下死點控制方法目前,國內(nèi)(不包括臺灣)還沒有用于沖壓引線框架的高速精密壓力機,主要供應(yīng)廠家有瑞士BRUDERER和日本DOBBY、京利、LEM、AIDA、ISIS等,現(xiàn)簡要介紹瑞士BRUDERER和日本DOBBY產(chǎn)高速精密壓力機下死點控制方法。4.1動態(tài)調(diào)整裝模高度該公司生產(chǎn)高速精密壓力機的時間較早,其產(chǎn)品以高精度著稱?，F(xiàn)有壓力機裝模高度調(diào)整結(jié)構(gòu)多通過盤式電機/普通電機帶動蝸輪蝸桿機構(gòu),由蝸輪的旋轉(zhuǎn)帶動壓力機球頭螺桿或?qū)е菽?從而實現(xiàn)裝模高度的調(diào)整,壓力機工作過程中通過機械或液壓進行鎖死以保證裝模高度的一致性,這些部位承受100%的沖裁力,電器控制部分一般不對裝模高度的數(shù)值進行動態(tài)監(jiān)測,僅顯示調(diào)整結(jié)束后的裝模高度的數(shù)值,目前顯示精度可以到0.01mm。而瑞士BRUDERER的BSTA系列產(chǎn)品采取圖12所示的傳動方式,左右兩調(diào)節(jié)裝模高度處各自僅承受20%的沖壓力,使得動態(tài)調(diào)整裝模高度成為可能。由于杠桿原理,滑塊下死點位移在調(diào)節(jié)裝模高度處被放大,通過合理選擇調(diào)節(jié)螺桿的螺距及蝸輪蝸桿的傳動比,通過裝模高度的動態(tài)監(jiān)測,可以實現(xiàn)裝模高度的動態(tài)精確調(diào)整,以滿足高速運轉(zhuǎn)下的下死點精度要求。對于該系列機床,零件的精密制造工藝極為重要,尤其在裝模高度調(diào)整部位,對螺紋間隙以及耐磨性要求極高,同時電器控制上必須要保證兩側(cè)調(diào)整的同步性,否則將難以實現(xiàn)下死點動態(tài)調(diào)整。此外,還要在滑塊導(dǎo)向結(jié)構(gòu)中進行熱補償,方法是允許導(dǎo)向系統(tǒng)移近移出,以適應(yīng)溫度的變化。4.2日本的dob該公司生產(chǎn)的高速精密壓力機的下死點控制措施不同于瑞士BRUDERER,它是一種控制速度位移與溫度位移的綜合控制方法。4.2.1高速高效壓力機的參數(shù)設(shè)計該公司的NXT系列產(chǎn)品(StampingPress)采取圖13所示的傳動方式,為雙連桿傳動(DoubleLink)。通過ADAMS仿真可以看出,在其下死點附近,滑塊加速度得到了很大的降低,一方面有利于降低滑塊高速運轉(zhuǎn)下產(chǎn)生的慣性力,另一方面有利于壓印等工序的進行,如圖14、15所示(兩種機構(gòu)行程相同)。此外,滑塊處采取四圓導(dǎo)柱導(dǎo)向形式,裝模高度調(diào)節(jié)機構(gòu)布置在上橫梁,不但使調(diào)節(jié)范圍加大,而且降低了運轉(zhuǎn)部件的重量。也有利于降低滑塊運動產(chǎn)生的慣性力。為了降低慣性力,滑塊部分采用輕質(zhì)高強度材料,如日本KYORI公司Mach系列超高速精密壓力機,滑塊采用了陶瓷-鋁合金復(fù)合材料,使慣性力下降了40%,從而有助于速度位移的控制。減小高速精密壓力機的啟動時間(一般要求在一個行程內(nèi)達到正常的工作速度),有助于下死點的盡快穩(wěn)定,采取的措施為:超速啟動飛輪,離合器處于半接合狀態(tài),當(dāng)離合器接合以后,速度降低至正常速度,多余的能量被釋放。美國Oak公司也采取類似方法。4.2.2熱平衡設(shè)計該公司綜合運用加熱-制冷系統(tǒng)對潤滑油溫度進行控制。與單獨使用制冷系統(tǒng)相比,可以縮小機床達到熱平衡的時間。機床開機前進行約2h的預(yù)熱,機床運轉(zhuǎn)過程中,實時采集環(huán)境、曲軸、連桿、工作臺等處的溫度,通過PLC來控制機床所需的加熱及制冷量,從而保證下死點的動態(tài)精度。國內(nèi)個別機型雖然使用冷卻系統(tǒng),但冷卻系統(tǒng)是作為一個獨立環(huán)節(jié),制冷量不可以實時調(diào)節(jié),從而制約了冷卻系統(tǒng)的使用效果(圖16)。此外,從結(jié)構(gòu)方面控制熱位移也是一種方法,日本KYORI公司BeatANEX系列高速壓力機采用對稱曲柄-肘桿機構(gòu),連桿和肘桿的熱變形互相抵消,不但減少了熱變形對滑塊運動位置精度的影響,而且降低了滑塊在下死點附近的速度,提高了加工性能。由于采用了熱平衡設(shè)計和結(jié)構(gòu)上的其它措施,所展出的日本KYORI的高速精密壓力機產(chǎn)品,其運轉(zhuǎn)8h內(nèi)下死點位置的變化以及速度調(diào)節(jié)后,下死點位置的變化均能控制在0.01mm左右。上述兩公司(瑞士BRUDERER、日本DOBBY)的高速精密壓力機傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,機床各運動零件高速運轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的熱量相互影響,這些零件的熱變形對下死點均有不同程度的影響,難于精確計算以及實時控制。在保證結(jié)構(gòu)剛性的前提下簡化傳動系統(tǒng)有利于溫度的控制,如方形滑塊軸承施力機構(gòu)(圖17),由于沒有連桿,減