文/ 張清林·江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司 小松勇·日本小松技術(shù)士事務(wù)所

伺服沖床的實際應(yīng)用（連載二）

文/ 張清林·江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司 小松勇·日本小松技術(shù)士事務(wù)所

伺服沖床的出現(xiàn)使得高強度鋼板的沖壓加工變得容易

在金屬加工中，屈服強度和拉伸強度的比值叫做屈服比，屈服比越大越適合拉伸加工。SPC鋼材的屈服點強度（σy）是拉伸強度（σt）的45%～50%，當加壓力超過屈服點時，材料就開始進入到永久變形，也就是加工變形開始進入到了塑性變形區(qū)域。在計算沖壓加工所需要的能力時，一般采用材料拉伸強度的80%，也就是說沖壓加工是在材料拉伸強度的45%～80%間進行。屈服比的數(shù)值越小、屈服強度越低的材料，所需的沖壓力就相對更小。

汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，使減低能耗、減少污染的呼聲日益升高，使得汽車的輕量化成了汽車行業(yè)非常重要的研發(fā)課題。因此，汽車上越來越多的零部件開始使用高強度材料，以日本轎車為例，普通轎車車體骨架上使用了高強度鋼材的部位，如圖1所示。其中，立柱是一個非常重要的部件，既要支撐車頂又要防止側(cè)面的沖擊以保護車廂內(nèi)駕駛員的安全，被安裝在與車門連接的合頁、車鎖、保險帶等，同時還要承受車門的重量，具有存放保險帶的空間的功能，外形美觀也非常重要，所以立柱是一個不可缺少的重要部件。從防止側(cè)面沖擊角度，立柱的形狀直接關(guān)系到能夠吸收多少沖擊能量，也就是其具有的抗沖擊性能，立柱彎曲程度的斷面形狀也是根據(jù)駕駛員最需要保護的部位和能最大程度地吸收沖擊力設(shè)計出來的，因此立柱是一個形狀復雜、非常難加工成形的部件。

圖2、3所示是中間立柱和中央部位的斷面形狀，為提高零部件的剛性和安全性，只能通過加厚材料使零部件的重量增加。為達到輕量化的要求，在這些重要部位的原材料逐漸開始采用高強度鋼板。高強度鋼板的成形主要有三種方式。

圖1 轎車骨架中高強度鋼板的使用部位和比率

圖2 中間立柱

圖3 中間立柱的中央部斷面

強大的按壓力成形（深拉深）

由于高強度鋼板的拉伸強度很大，具有像彈簧一樣返回成形前形狀的回彈性能，要得到理想的成形形狀就必須克服回彈，如圖4所示的就是附加了按壓力的拉深成形原理。在加工過程中，材料被施加足夠的拉伸應(yīng)力，這個拉伸應(yīng)力又必須要殘留，空氣式模具緩沖裝置的按壓力不夠，還可以使用油壓式模具緩沖裝置或在模具上設(shè)計邊緣鎖定或附加機械式加壓并用等的方法。但邊緣鎖定很大的缺點就是材料利用率不好，通過邊緣鎖定槽的高強度材料，在壓邊的邊角處受到強烈的摩擦和錯動。因此，在模具選材時，要選用硬質(zhì)合金或者經(jīng)過表面處理過的SKH51類高速工具鋼。

加熱成形（熱間成形）與驟冷成形（淬火成形）

圖4 附加按壓力的拉深成形原理

沖壓加工的過程實際上就是塑性變形的過程，要材料變形就必須對材料施加超過屈服點的變形應(yīng)力，但是變形應(yīng)力過大到接近拉伸強度的時候材料就有破裂的危險。由于高強度鋼板的屈服點很高，可達到拉伸強度的80%～90%，所以是很難加工的金屬材料。實際的沖壓生產(chǎn)中，一般采用的方法有2種：一是材料加熱，使材料拉伸強度降低的拉伸加工方法；二是在加熱的模具中拉伸，再使模具急劇冷卻形成淬火，使被加工的成形品固定，通常稱為驟冷成形的加工方法。

鋼材能否淬火是由鋼材的含碳量來決定的，一般來說含碳量沒有達到0.35%以上就不能進行淬火。但并不是說只要含碳量達到0.35%以上的材料，采用加熱后成形的方法就可以得到理想的成形品，這是因為淬火后材料的延伸性會下降、會變脆，對安全性要求很高的支柱加工不適用。適合做立柱的材料，是將含碳量保持在低碳鋼的水平，通過熱處理（加熱和急冷）使其硬度提高，并且再添加特殊的元素來保持應(yīng)有延伸性的鋼板。

大家都知道，與只有砂土和水泥的混合土相比，砂土、水泥再加上小石子混凝土的強度就會增強許多。鋼板也是同樣，與結(jié)晶非常均勻、圓滑的材料相比，結(jié)晶的形狀不均勻或形狀各異的材料變形會比較困難，高強度鋼板的強度和硬度提高就是利用了控制結(jié)晶顆粒的方法。使材料析出不均勻結(jié)晶顆粒的方法是在低碳鋼里加入微量的鈦或硼、調(diào)解壓延過程中或壓延后的溫度等，從而得到高強度的鋼板。加熱成形或驟冷成形方法，就是把這種經(jīng)過了結(jié)晶顆?？刂频陌宀募訜岬?000℃再進行拉伸加工，并且要沖床滑塊在下死點停止。也就是說在高溫材料進入模具后施加壓力并持續(xù)一定的時間，能夠滿足這樣條件的只有油壓式?jīng)_壓機和伺服沖床。

模具的自然冷卻不能達到模具淬火的效果，且1000℃左右的材料在模具里長時間的滯留，會對模具壽命產(chǎn)生很大的影響。因此，要對模具采取積極的降溫措施，如模具中設(shè)置水路讓冷卻水在模具內(nèi)流動，以此來吸收模具熱量。在模具緊密閉合時，被加工的零件已成形，即使模具打開后也不會產(chǎn)生回彈現(xiàn)象，是保持被加工制品形狀驟冷凍結(jié)有效的成形方法。在注塑成形的工藝中也有需要進行模具冷卻的，但是塑膠成形的模具溫度是120～150℃，塑膠成形模具的冷卻方法遠不能滿足金屬成形模具的需要，尤其是容易產(chǎn)生回彈的凸角、凹角，是最需要實行形狀凍結(jié)的重點部位，對這些部位實行嚴格的溫度控制非常必要。在科學技術(shù)迅速進步的今天，已經(jīng)可以通過CAE軟件來解析模具中的水路的位置、水管的尺寸、水量以及流速等，有利于提高冷卻的效果。

成形完成后要把被加工的部件從模具中取出來，這時加工部件的溫度雖然會下降到不再發(fā)生結(jié)晶結(jié)構(gòu)能夠變化的溫度，即使是厚度較大的部件形狀上不會再有變化，但是溫度仍然達不到用手工操作把它從模具中取出的程度，因此必須實行自動化，用機械手將其取出。

在解決了以上問題后，還要考慮模具在高溫狀態(tài)下加熱、冷卻，反復進行很快就會產(chǎn)生疲勞，這將加速模具的損傷速度，不但影響與高溫材料直接接觸的模具表面，還可能會影響到模具內(nèi)部。此外，還要考慮到金屬的熱膨脹對模具的影響，100mm長的金屬每升高1℃就要伸長1μm，如果模具是1000mm，溫度升高1℃，模具就會變化0.01mm或10μm，模具的溫度從開始加工的500℃到取出制品時的200℃，其溫度差是300℃，模具的長度變化就會達到30mm。一個沖壓部件的變化如果達到30mm，這個成形品的精度一定不合格。解決這個問題的辦法，就是不要讓模具到達500℃，具體方法是把1000℃高溫的材料放入模具立即沖壓迅速地取出，盡量抑制模具溫度的升高。從這一點來說，機械式伺服沖床比油壓式?jīng)_床具有更好的優(yōu)勢。

加壓停止

圖5 高溫加熱材料在模具內(nèi)的狀態(tài)

沖壓加工實際上就是塑性變形原理，在外力的作用下使金屬結(jié)晶顆粒產(chǎn)生移位，金屬發(fā)生變形，移位后的結(jié)晶構(gòu)造是不能恢復到加壓前狀態(tài)的，就是說金屬產(chǎn)生了塑性變形。只要是結(jié)晶顆粒產(chǎn)生了移位就是產(chǎn)生了塑性變形，這與加工件的寬窄、長短以及薄厚沒有關(guān)系。與加工件的寬窄、長短以及薄厚有關(guān)系的是，造成結(jié)晶移位的力和能量，沖壓加工中首當其沖要考慮的就是必須要有足夠的能量。金屬結(jié)晶體的移位速度并不是像光速那樣快，一般認為是每秒幾毫米到幾百毫米，因此大的變形不能在瞬間完成，需要一定的時間，高強度鋼板就更是如此。而且，隨著沖床滑塊的下降，上模和下模接觸發(fā)生沖擊的一瞬間開始沖床本身和模具就開始了振動，直到振動被吸收、停止需要數(shù)秒鐘的時間，連續(xù)的沖壓加工是在沖床機械的振動還沒有停止的狀況下又開始了下一個的沖壓加工的狀態(tài)。

本文提到的結(jié)晶體移位和沖床及模具的振動從兩方面考慮，最理想的狀態(tài)是在加壓狀態(tài)下瞬間停止。當然，并不是停止的時間越長取得的效果就越好，一般金屬材料處于加壓狀態(tài)，也就是說滑塊在下死點附近（包括下死點）停止0.2～0.5s，使材料的結(jié)晶體移位開始產(chǎn)生到移位完全結(jié)束，模具打開就可以得到精度優(yōu)良的成形品。這就是常說的“加壓停止”。

當然實行了加壓停止也不能完全消除回彈現(xiàn)象，還會有一定量的回彈存在，但與一般機械式?jīng)_床的滑塊不能在下死點停止的沖壓加工制品相比，成形精度會得到大大地提高。越是高強度鋼板的加工，越能顯現(xiàn)出加壓停止的效果，也就是說越能體現(xiàn)出伺服沖床的效果。使用在沖床上的伺服電機種類很多，部分不能實現(xiàn)加壓停止電機的沖床，雖然也叫伺服沖床，但是不具備加壓停止的功能。因此，在進行沖床選型時要特別注意如何選擇合適的伺服沖床。