适用于高速冲压的三种常用的驱动系统

文／俞雪良·瑞士Bruderer AG公司

适用于高速冲压的三种常用的驱动系统

文／俞雪良·瑞士Bruderer AG公司

技术负责人员在选择机器时经常会考虑这样的问题：哪种机器在技术方面最适合产品的生产？哪种机器能更经济、高效地工作？从冲压过程来看，所有这些考虑的方面都应该取决于所要生产的零件，根据零件的类型和要求来考虑设备的生产商和机型。那么到底哪种系统适合自己的产品呢？下面我们就介绍一下高速冲压中三种常用驱动系统的特点和应用。

一般来说，高速冲压中常用的驱动系统主要有以下三种：

⑴曲轴—横轴—杠杆驱动系统，主要用于高速冲压。

⑵曲轴—长轴驱动系统，主要用于普通冲压和高速冲压。

⑶肘关节驱动系统，主要用于普通冲压和高速冲压。

这些驱动系统各有其特征，在当今不同的生产领域各有优势，所以很难说孰优孰劣，作为生产企业，在选择相应的生产设备时就要了解它们最佳的应用领域。

曲轴—横轴—杠杆驱动系统

工作原理和结构特点

如图1所示，滑块的运动是通过曲轴、连杆来实现的，其曲轴是前后方向布置的。行程运动通过两个推杆和其平行导轨来实现，在推杆的两边设有滑块调整系统，该系统起两个作用，即滑块的调整、快速抬起和动态误差补偿。

图1曲轴—横轴—杠杆驱动系统

该驱动系统的配重系统可以在各个运动位置平衡横向、纵向的惯性力。不同模具重量引起的剩余力和冲压力由机器垫脚下的油压弹簧吸收。滑块运动是正弦曲线，那么滑块运动的加速度也是正弦曲线，从而运动惯性力也就很小，这样的话对机械寿命和运动精度的影响就比较小。

对现代冲压来说，曲轴—横轴—杠杆驱动系统的下列优点是非常必要的。例如，曲轴在受力时的弯度和扭转程度是最小的，其转动惯性也就最小，这样对启动和制动性能大有好处。这种系统在杠杆上还体现了另一种优良特性，如图2所示，冲压过程中60％的冲压力分布在曲轴上，各有20％的冲压力分布到左右高度调节螺杆上，由于在左右高度调节螺杆上的冲压力和动力很小，所以螺杆不需预紧，这样螺杆在滑块运动中也可以进行调节。所以，在不中断冲压过程的情况下，滑块的下死点精度不管在何种速度下都可以保证在一个很精准的范围之内。由伺服电机驱动的左右高度调节螺杆还可以用来补偿由温度引起的滑块下死点位置的变化。

图2曲轴—横轴—杠杆驱动系统冲压力的分布

更独特的是滑块的导向系统。因为没有曲轴的侧向力作用于滑块上，所以图1所示的冲压机只在冲压平面内导向。如果冲压力不在中间，那么滑块就会倾斜。滑块上的冲头相对于下模不可偏斜很多，否则冲头会触碰下模，引起磨损甚至冲头断裂，这种结构使得滑块转点在冲压平面内，冲头和下模之间的误差比较小，所以磨损小，模具的寿命长，修模间隔时间长，生产效率也就提高了。

现代的曲轴—横轴—杠杆驱动系统在冲程达到100mm时在技术实现上就会有所限制了，而且，当冲压力达到300t的时候，机器的自重也将会很大。

应用领域

从曲轴—横轴—杠杆驱动系统的工作原理可知，该驱动系统有下列优点：高效率、高精度，再加上该驱动系统还可以实现正弦运动，所以曲轴—横轴—杠杆驱动系统不仅适于高速冲压，而且在生产过程中更适于加入组装和激光焊接等。

图3曲轴—长轴驱动系统

曲轴—长轴驱动系统

工作原理和结构特点

如图3所示，滑块的驱动是通过偏心轴和曲轴，再由两个推杆推动滑块来实现的，推杆的侧向力必须由驱动箱体出口的导轨或滑块外导轨承载。

滑块和配重系统最起码由3个偏心轮驱动，这样主轴的惯性比较大，就会影响启动和停机性能。滑块的高度调节是通过连杆关节里一个运动的部件来实现的，这样的话，其惯性力和冲压冲击力就很大。该驱动系统，调节机械机构承受50％的冲压力，在这样的力的作用下，再在冲压过程中去调节滑块就很困难，即使能够实现，其结构也很复杂而且零件的磨损也很厉害。

曲轴—长轴驱动系统的缺陷在于滑块调节系统和轴承的寿命相对比较短。滑块的转点在滑块平面内，这样上模冲头的磨损就比较厉害，模具寿命相对就要短，修模就要相对频繁一些。滑块和机体在温度变化时会收缩或膨胀，从而使导轨受力，这样导轨的寿命也会相应变短。

应用领域

曲轴—长轴驱动系统常应用于多台连接系统中，适于大型拉深零件和汽车大型件的生产，该驱动系统的冲程可以达到200mm。

肘关节驱动系统

图4肘关节驱动系统

工作原理和结构特点

如图4所示，滑块运动是通过上肘关节来实现的，推杆的侧向力由驱动箱上的导轨支撑，滑块高度的调节是通过下肘关节来实现的。

除了在驱动箱体上有2个滑块导轨外，在冲压平面上还有4个滑块导轨，这样的导轨排列方式可使滑块的转点位于冲压平面内的两个导轨层之间。

通过改变肘臂的尺寸，可以使滑块在下死点位置附近放慢速度，在上死点位置附近又加快速度。不过，这会导致在上死点位置附近滑块的加速度很高，为了避免过高的加速度，防止驱动系统的磨损和离合刹车时制动力过大，使用该驱动系统的冲压机运行速度不能太高。

许多大型冲压机制造商希望在下死点位置附近速度可以慢一些，以使零件可以在拉深和弯曲过程中达到更好的质量，但大多数大型冲压机都没有用比较复杂的肘关节机构，而是用减速机构来替代，这样的话，即便不需太多的复杂机构也可以在下死点位置附近达到速度较低的效果。

应用领域

由于肘关节驱动系统无法实现正弦曲线运动，所以使用该驱动系统的冲压机其运行速度不能太高，不过当有效冲程比较小时，其运行速度还是可以达到一个比较高的值的。肘关节驱动系统最适宜用于大吨位、大行程、低速度的冲压机中，但因为肘关节机构相对复杂，所以在大型冲压机中往往还是用减速机构来替代肘关节机构。

结束语

不同的驱动系统，就有不同的最佳应用领域。在选择冲压机时，要考虑的因素很多，驱动系统的选择就是其中不可忽视的因素，在不确定选用何种驱动系统时，最好到冲压机的生产厂家做冲压试验，以便找到最佳的方案。

俞雪良，瑞士联邦高级工程师，大中华区总经理，从1991年起开始从事精密机械和自动化控制设计方向的研究，近年来主要从事高速精密冲压技术的应用与开发。