用于加工高能效馬達扣片鐵芯的新型高速自動沖床

文/八木·日本鍛壓機械工業會

用于加工高能效馬達扣片鐵芯的新型高速自動沖床

文/八木·日本鍛壓機械工業會

八木，現任日本鍛壓機械工業會會長，長期從事高速沖床的研究及開發工作，1993年獲得日本塑性加工學會“三井精密技術獎”，2005年取得技術士（機械部門）資格。

馬達用扣片鐵芯加工的技術動向

地球環境和資源枯渴的問題已經在全球范圍內被提為主要議題，綠色環保及節約能源話題備受關注。

在這樣的背景下，產業機器、家用電器、汽車等領域對節能高能效馬達的需求正在大幅度增加。檢測馬達能量損耗的最重要的指標是鐵損和銅損。鐵損與鐵芯的疊片材料的厚度有關，材料越薄鐵損就越小。而銅損則與磁束密度相關，磁束密度越大，銅損就越小，增加繞線量就可以提高磁束密度。雖然疊片材料變薄會降低磁束密度，但是通過增加繞線密度除能補償疊片材料變薄的損失之外，還能大幅度提高磁束密度。因此，目前的節能高效馬達鐵芯除了在磁道上做功夫之外，主要還是在材料厚度和繞線密度方面下功夫。板厚變薄雖然可以降低鐵損，但是大大地增加工了鐵芯的自動扣片沖壓加工成形的難度。最近，鐵芯的自動扣片成形測試中，已經驗證了板厚最薄可達到0.2mm，產品如圖1所示。

圖1 疊板鐵心加工樣例（左：0.2mm、右：0.5mm）

圖2 可拉開式鐵芯

而增加繞線密度則是在繞線方式上有了一個全新的突破，將圓柱狀的鐵芯拉開成直線形(圖2），這種情況下，繞線就容易多了，繞線密度也能大幅度提高，繞完線后再折回去變成圓形。這種方式需要自扣鐵芯上有活動的鉚接點，鉚接出鉸鏈的效果，對沖壓成形的要求也進一步提高。

加工鐵芯自動扣片最具代表性的方法是鉚接扣片。圖3所示為利用材料半剪凸點進行鉚接扣片時的狀態，當達到規定的扣片數量時，利用定量沖針沖斷凸點而實現分離。圖4所示為扣片鐵芯模具的產品排出示意圖。

一方面，為了提高馬達鐵芯加工效率，模具由于多列化及工位數增加而呈現高精密大型化趨勢。另一方面，作為新能源汽車代表的混合型動力汽車、電動汽車，近年來應用越來越普及，其所使用的馬達就是典型的高能效馬達，其鐵芯的直徑大而且所用的材料薄，其模具也呈現超精密大型化的特點。

或許有人會認為由于鐵芯材料的薄板化加工所需壓力減小，對沖床的要求是加壓能力小而臺面大，其實這種想法太過于片面了，材料變薄之后，模具間隙變小，要求滑塊及機座的變形量也要變小，也就提高了對機床剛性的要求，因此，不能用原來的方法來選擇沖床的加壓能力了，應該從剛性的角度去考慮。另外，當材料變薄后，為了能更加穩定地壓住材料，脫料板的壓料力需要增加，同時，脫料板自身的剛性也要提高，這也會增加上模重量。綜合上述因素，在對沖床噸位的選擇上就不能單純地只考慮模具所需加壓力了。

圖3 扣片鐵芯鉚接加工

生產高能效馬達鐵芯對所用沖床的要求

針對以上的分析，作為高能效馬 達的生產設備需要達到以下幾點要求：

⑴高精度，高剛性，以使用凹凸模間隙極小的高精密模具。

高精度這里除了指靜態精度之外，更重要的是指動態精度，也就是沖床在實際生產中承受加工負荷時所表現出來的運動精度，這個要求滑塊的導向精度要很高，也就是在導軌或者導柱能夠承受偏心負荷并高速運行的情況下，保持滑塊運動方向對工作臺上表面的垂直度。當然，這還和以下要介紹的剛性有關。

在承受模具的工作負荷時，沖床各個受力部位都會產生變形，使得模具并不是處于理論上的理想狀態，進而影響加工效果。這些變形主要產生在以下幾個方面：①滑塊、工作臺及機座；②連桿及相關傳動部件；③機架；④導柱，以上幾項是受力時產生的變形，對于生產高精密產品，高速沖床必須考慮溫度變化時熱脹冷縮產生的變形問題，這些變形量的綜合數據就反映了這臺沖床剛性的好壞。

⑵有大的裝模空間和上模懸垂能力，以滿足形狀復雜及大型鐵芯的模具的要求。

由于產品的要求，模具越來越長；電動汽車及混合動力汽車的動力用大型馬達的普及等都需要有更大裝模空間的沖床，因此上模的重量也越來越大，這就要求沖床具有更大的上模懸掛能力。

⑶結構緊湊，以滿足現有工廠內的場地要求。

即使是生產高能效馬達，也往往是在現有的工廠內，而新的設備在噸位上或者模具空間上往往比現有設備要大，現有工廠的空間能否使用這些新設備往往是件很傷腦筋的事，因此，希望用于加工高能效馬達的沖床結構能更加緊湊，節約生產空間。

用于加工高能效馬達的高速自動沖床的結構特點

為了應對市場上高效能馬達加工的需求，日本AIDA公司研發了用于加工扣片鐵芯的高速自動沖床。

剛性方面

⑴滑塊的剛性。模具空間變大后，從傳統方式考慮的話，滑塊自身剛性必須提高，這時候需要增加滑塊的整體高度來增加剛性。但是，這樣會增加滑塊的重量，沖床可動部分重量增加，其動態精度就會受到影響。另外，還會有機械自身的高度也要增加的缺點。

AIDA為了解決這一難題，提出了全新的概念：滑塊的剛性提高除了增加滑塊本體的剛性之外，提出了增加支撐點的概念，以平衡滑塊長度方向受力的均勻性，減少滑塊變形量的峰值(圖5）。AIDA高速沖床配置緊湊型的復數支撐軸，雖然有寬大的模具面積，但是負荷時滑塊的支撐點增加了，變形量峰值得到極大抑制，從而滑塊剛性得到了加強。

⑵機座及機架的剛性。機座及機架采用分體式機架加予拉桿，全球墨鑄鐵材料，抗振性能好，抗壓能力高，其重量比同噸位沖床重了20%，機架整體剛性得到極大提高。

⑶連桿部分的剛性。連桿是連接滑塊與曲軸的部件，是承受加工負荷的重要部件，因此其剛性也直接影響到沖床的整體剛性，特別是連接點處需要在承受負荷時相對活動，AIDA沖床采用了球頭與銷軸相結合的方式，增加了剛性的同時，提高了精度并減輕了部件的重量。

⑷在溫差變形方面，AIDA沖床采用油浴式潤滑系統，配備有油溫控制系統，可通過將油溫控制在一定范圍內，以控制沖床整體的溫度波動，避免溫度差過大產生機架變形量過大的問題。

精度方面

⑴導向精度。這是大家首先想到的問題，也就是滑塊運動的導向精度，AIDA研發的扣片鐵芯加工用的高速自動沖床采用滾柱式的導柱，除導向精度高之外，由于其理論接觸是線接觸，比滾珠式導柱的點接觸的剛性要更好，同時采用強制稀油潤滑，更加適用于大負荷高速沖床。

圖5 增加支撐點后滑塊變形量峰值的變化

⑵軸承位置的精度。這里指的是曲軸的支撐軸承及連桿與曲軸的連接軸承，這些位置的間隙大小直接影響到沖床的整體精度。說起軸承，很多人會想起滾柱軸承、調芯軸承等，并分析哪種軸承間隙最小，如果在輕負荷設備上使用，這樣分析或許是正確的，但是對于承受兩三百噸負荷的沖床來說，這些軸承是經不起長期使用的，因此，一般都是采用滑動軸承的方式。滑動軸承的缺點是間隙大，這主要是因為除了在有油膜形成的空間之外，還要考慮高速運轉時溫度提高后產生膨脹需要預留的間隙，因此，在設計沖床時除采用油溫控制的方式抑制滑動軸承、滑塊膨脹量之外，還在軸瓦的材料上下功夫以控制其膨脹量。我們都知道，軸瓦主要是使用銅合金，而銅合金的膨脹系數比較大，AIDA采用其專利技術，在鐵基材上覆蓋大約0.2mm厚的銅制成的軸瓦，其間隙量可控制在很小的范圍內，實現高精度的要求。

⑶自動控制補償精度。除了以上在結構和材料上的精度控制，在沖床的自動控制方面也可以對精度進行實時補償。比如，MSP系列沖床搭載了伺服控制的閉合高度調節系統，可在閉合高度伺服控制系統上加載自動監測系統，構成閉環自動控制閉合高度，將下死點精度控制在20μm以內。

結束語

綜上所述，加工設備是隨著產品的成長而成長，只有能滿足高性能產品的加工要求的設備才能稱得上是好設備。沖床也不例外，對沖床也應該有高、精、尖的要求。