世界上最早制造的高速压力机是美国HENRY&WRIGHT公司于1910年制造,当时称为dieing machine。为下传动高速压力机,具有重心低、稳定性好、传动系统水平分力较小及容易操作的优点,直到1955年该机仍为高速压力机的代表机型。但是由于往复运动部分的质量大,在滑块行程次数较高(不超过400SPM)时由于惯性力引起的振动问题严重。1953年德国舒勒公司生产出首台1250kN闭式双点上传动高速压力机,该压力机的行程为20mm,行程次数为150SPM,为上传动高速压力机的代表结构形式。在此期间,瑞士布鲁德勒公司研制出了BSTA系列柱式导向的上传动高速压力机,开式结构机身,70年代初开发的BSTA41型400kN高速压力机达到了1200spm的超高速。1974年美国明斯特公司推出的“蜂鸟”式HB2-60型550kN闭式双点超高速压力机,行程次数达到1600SPM,1975年开发的HB2-30型270kN闭式双点超高速压力机,行程次数进一步提高到2000SPM。如今,日本京利的MACH-100型超精密高速压力机在100kN、8mm冲程条件下,速度已达到4000SPM。
上述精密高速压力机在传动机构上多采用曲柄滑块及多连杆机构作为驱动机构,在国外高速压力机的发展过程中出现了球头连杆式高速压力机,为Wanzke公司研制,工作速度可达2000spm,行程可调,应用较少。
高速压力机的应用领域除了传统的微电机铁芯、变压器铁芯和微电子行业外,还应用到了饮料行业,如易拉盖,全球99%以上的易拉盖冲压设备均由美国明斯特提供。还应用到了空调翅片冲领域,使用较多的为美国OAK公司的无连杆式精密高速压力机。
我国(不含台湾地区)精密高速压力机起步较晚,1982年由济南铸锻机械研究所和北京低压电器厂共同研制我国第一台高速压力机J75G-60(公称力600kN、冲次为400SPM),而后齐齐哈尔第二机床厂、上海第二锻压机床厂先后从德国舒勒公司、豪立克-罗斯公司引进了多个品种的高速压力机技术,但因为模具配套及市场原因没有批量投放市场。同期,徐锻集团生产了JF75G-100和JF75G-200闭式双点精密高速压力机、J21G系列开式精密高速压力机,逐步小批量投放市场。
2000年后,得益于家电行业的迅猛发展、模具制造水平的提高,精密高速压力机的市场需求量迅速增加,徐锻集团推出了VH系列开式精密高速压力机(公称力160~650kN、冲压次数150~600SPM)并批量投放市场,并对原有JF75G闭式双点精密高速压力机进行技术改造,形成了公称力从800~3000kN、冲压次数150~450spm的闭式双点精密高速压力机的制造能力,主要服务于微电机定转子行业,很大程度上满足了市场需求。随后扬锻集团、扬力集团、沃得集团等陆续跟进。目前,国内市场微电机铁芯、变压器铁芯的制造能够完全满足,但是引线框架及高精度接插件行业所需的高档精密高速压力机仍需进口。
研究进展
高速度、高精度是精密高速压力机发展的趋势,为了实现高速度下的高精度,国外精密高速压力机制造厂家在驱动机构、下死点控制等领域进行了大量的研究,形成了众多专利。
驱动机构
随着微电机及微电子行业所需小型复杂零件精度的不断提升,促使精密高速压力机向高精度和高速度的方向发展,原有使用曲柄滑块机构作为工作机构的精密高速压力机已不能满足使用要求(主要是下死点精度),采用多连杆机构成为一种趋势。国际上在精密高速压力机上采用多连杆机构主要有:瑞士布鲁德勒、日本多比、日本京利。
瑞士布鲁德勒的多连杆机构,类似杠杆机构,滑块位移、速度及加速度曲线类似曲柄滑块机构,由于调整部位受力较小(单侧承受20%的冲压力)可以实现冲裁过程中下死点的动态调整,在曲柄处设置行程调整装置,可实现个别产品10个行程的调整,拓展了使用范围。
日本多比公司则在其NXT系列产品采用可调行程的“双连杆机构”,最多达6个行程。在随后的专利中该公司将该机构进行了改进,如将滑块行程调整部分设置在肘杆部位,将中部的连杆机构改为无连杆机构等。在其MXM系列产品中则采用了行程不可调的两侧连接摆杆及拉杆的对称肘杆机构,中部的连杆对称布置,后又在其中部的拉杆部分增加具备调整功能的连杆系统。
日本京利的双肘杆精密高速压力机,中间部分为左右对称的曲柄滑块机构,两侧滑块分别限制在机身滑道内往复运动,每个滑块在垂直方向与两肘杆相铰接,两肘杆分别连接滑块及副滑块,分别与滑块连接的两肘杆同时与一连杆铰接,消除了运动过程中产生的侧向力,结构紧凑。
我国台湾地区在多连杆精密高速压力机上起步稍早并已形成一定的市场占有率,在性能上略低于日本企业产品,瑛瑜公司的双肘节机构,其特征在于将曲柄滑块机构中滑块的往复运动经上部做平面运动的L形连杆传递到肘板、柱塞及滑块,L形板兼起动平衡的作用。高将精机设计了最大吨位的多连杆精密高速压力机GL-360,传动原理类似日本京利,主要用于微电机铁芯的精密高效冲压,同时配备了滑块液压提升功能。
国内对多连杆精密高速压力机关注较少,只有个别企业在技术上模仿日本企业产品。目前,主要有部分企业和院校申请了相关的专利,如南京理工大学申报的精密高速压力机,其特征为在对称肘杆机构中增加连杆数量以提高刚度。
下死点控制
精密高速压力机自身的精度不但可以影响冲压件的精度,而且还决定着模具的使用寿命。衡量精密高速压力机的重要指标不仅是静态的各项精度指标,更重要的是其动态精度,下死点精度是精密高速压力机关键的性能指标,是评定产品技术水平、制造水平的一项重要指标。国际上没有统一的标准。
国外对精密高速压力机下死点精度控制的研究比较深入。山本史郎认为影响下死点的主要因素为温度位移和速度位移,Dennis Boerger将影响下死点精度的因素进一步总结为:温度、速度、起动时间、滑块水平位移、滑块抗偏载能力、机床零件变形和振动。所采取的措施主要有以下几个方面。
⑴控制热变形。Dennis Boerger提出了使用加热和制冷系统来控制下死点精度,在开机前先进行一段时间的预热,起动后则采取制冷措施控制油温在一恒定范围。日本KYORI则针对具体机型给出了不同的加热和制冷系统参数设置方法,日本ISIS则采用低线性膨胀系数材料Nobinate CD-5(仅为钢材的1/4~1/3),当压力机温度发生变化时,下死点精度变化极小。
⑵采取形式多样的多连杆机构降低冲压时的滑块加速度,或者利用多连杆的结构特点开展下死点补偿。
⑶采用特殊设计离合器,具备加速一周至最高速,一周内停止,从而最大限度削弱起动和停止瞬间造成的下死点精度的巨大波动,减少废品。
⑷滑块导向方式。在中小型压力机中经历了由滑动导向向形式多样的滚动导向的转变,可限制滑块在水平方向的位移。
⑸滑块的抗偏载能力和压力机的“点数”,日本DOBBY的α系列精密高速压力机采用的三导柱结构,日本AIDA的MSP系列精密高速压力机采用的四导柱结构。均在一定程度上提高了滑块的刚度,同时可以适应精密高速压力机向大吨位、宽台面的方向发展。
⑹机床零件的变形与机床的刚性有关。
⑺减少振动通常采用主动减振和被动减振两种方式。
国内对下死点精度的研究较少,主要有:江西工业大学的欧阳志鸿等提出了压力机动刚度的概念,认为压力机的垂直动刚度对动精度(下死点等)影响显著,角动刚度对水平精度影响显著,动精度在多方面反映了压力机的固有特性,可作为衡量压力机的技术质量指标。内蒙古民族大学的李长河分析了J75G-60精密高速压力机滑块下死点精度差的原因,提出了将滑块由铸铁材质改为轻合金铸铝、改进动平衡机构、提高滑块导向装置的精度以及提高离合器的结合速度的解决措施。
南京理工大学的李乐超对某型精密高速压力机进行了下死点测试(空载),结果表明在低速时下死点精度好,在速度逐渐增大的过程中存在下死点精度突然变差的情况。徐锻集团技术人员使用Rm-7201下死点测量仪测试了冲压过程中的下死点波形图(国内机床及国外机床),测试结果表明随着测试速度的提高下死点附近的波形逐渐减少,国内外机床在下死点波形上存在差异。
东莞华中科技大学制造工程研究院提出了在压力机滑块中设置偏心轴(销轴),用伺服电机驱动经蜗轮蜗杆连接的偏心轴(偏心量小于2mm)实现下死点精度的补偿。徐锻集团申请了一种多连杆驱动机构并给出了下死点补偿机构结构图,其补偿方法是通过盘式电机驱动偏心套实现多连杆机构支点位置的调整,从而实现下死点的补偿。