提高電機(jī)鐵芯精密高速沖壓裝備精度和效率的方法探討

文/李永堅，陳孝海·寧波精達(dá)成形裝備股份有限公司

提高電機(jī)鐵芯精密高速沖壓裝備精度和效率的方法探討

文/李永堅，陳孝海·寧波精達(dá)成形裝備股份有限公司

大噸位、寬臺面雙驅(qū)四點超精密高速壓力機(jī)及相配套的脫模油缸裝置、自動檢測和自動搬運裝置，可以實現(xiàn)電機(jī)鐵芯精密沖壓和自動無人化生產(chǎn)的需要，今后必將得到進(jìn)一步的應(yīng)用和推廣。

李永堅，技術(shù)副總，壓力機(jī)事業(yè)部總經(jīng)理，主要從事非標(biāo)機(jī)械設(shè)備的設(shè)計研發(fā)工作，及相關(guān)的技術(shù)管理工作，作為國家產(chǎn)業(yè)振興項目年生產(chǎn)150臺套智能化微通道生產(chǎn)裝備負(fù)責(zé)人，參與國家重大專項3000kN寬臺面雙驅(qū)四點超精密壓力機(jī)的研發(fā)工作，以及多項市區(qū)級科技攻關(guān)項目。

伴隨著工業(yè)4.0的到來和自動化、信息化的不斷發(fā)展，電機(jī)的使用范圍越來越廣泛，同時，對電機(jī)的要求也越來越高。面對石油資源的日益緊缺、二氧化碳排放量增加導(dǎo)致全球變暖的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)和日益激烈的汽車產(chǎn)業(yè)的競爭，世界各主要汽車生產(chǎn)國紛紛把電動汽車或混合動力新能源汽車的發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略，積極迎接挑戰(zhàn)未來競爭的制高點。電動汽車或混合動力新能源汽車的原動機(jī)為高速、低耗、調(diào)速范圍寬的大功率電機(jī)，同時壓縮機(jī)行業(yè)由于國家規(guī)定制冷空調(diào)壓縮機(jī)需達(dá)到二級能耗標(biāo)準(zhǔn)，壓縮機(jī)電機(jī)的硅鋼片厚度從0.5mm下降到0.35mm，并有繼續(xù)減薄的趨勢。

精密高速沖床的要求

馬達(dá)鐵芯作為電機(jī)的核心部件，其精度的好壞將直接影響到電機(jī)的質(zhì)量。鐵芯材料越薄，模具中凹凸模之間的間隙就必須越小，相應(yīng)的對壓力機(jī)的精度要求也就越高。工業(yè)電機(jī)由于受到成本和沖壓裝備的制約，以前多采用復(fù)合模沖壓硅鋼片，但復(fù)合模效率低，產(chǎn)品質(zhì)量難以控制，勞動力綜合成本高，安全性低，正在逐步被多列級進(jìn)模所取代，同樣對于壓力機(jī)的精度也提出了更高的要求。

要滿足上述電機(jī)鐵芯沖壓的需求，對于沖壓裝備有以下幾個方面的要求：

⑴壓力機(jī)滑塊必須更寬。新能源汽車電機(jī)鐵芯外形大（定子外徑達(dá)300mm）、形狀復(fù)雜、幾何精度要求高，使得級進(jìn)模具的步距增長、工步增加。為節(jié)約材料、提高效率，定、轉(zhuǎn)子模具的外形也必須更長，相應(yīng)地，使用這種模具的高速沖床的滑塊也必須更寬。

⑵壓力機(jī)的精密性要求更高。鐵芯沖壓過程中需完成定、轉(zhuǎn)子的疊片（即通過模具將上一硅鋼片凸出幾個點，并嵌入下一片硅鋼片，使之相連，達(dá)到所需數(shù)量后落下）。滑塊下死點重復(fù)精度會影響硅鋼片之間間隙的一致性，引起電機(jī)工作時磁通的變化。滑塊運動的垂直度、剛度、熱變形會影響硅鋼片內(nèi)外孔的同心度，增大電機(jī)噪聲，影響其使用性能。這就要求高速壓力機(jī)滑塊具有更高的剛度、更小的工作臺垂直度、更小的綜合間隙和更高的滑塊下死點重復(fù)精度。

⑶壓力機(jī)的能耗要低。可持續(xù)發(fā)展是人類社會的共同目標(biāo)，節(jié)能減排是制造業(yè)的迫切要求，有效控制和降低能源消耗，不但滿足國家節(jié)能環(huán)保的要求和目標(biāo)，還能給企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。節(jié)能降耗對于壓力機(jī)的滑塊運動輕量化、高速化也提出了更高的要求。

總之，在保證質(zhì)量的前提下，以更高的速度，更高的效率，更小的能耗，更方便的可操作性，實現(xiàn)中央控制，是沖壓行業(yè)的發(fā)展趨勢，是沖壓裝備制造企業(yè)追求的目標(biāo)。

提高精密高速壓力機(jī)性能的方法

針對這種情況，需解決的問題有四個方面：⑴提高壓力機(jī)裝備的技術(shù)水平，包括精度，可操作性等；⑵提高模具的多列化；⑶實現(xiàn)沖壓過程的自動化；⑷實現(xiàn)信息化和智能化控制，最終達(dá)到無人化的水平。

在研究了國內(nèi)外壓力機(jī)發(fā)展水平的前提下，精達(dá)公司研制的GD320t寬臺面、超精密新型高速壓力機(jī)，以滿足新能源汽車行業(yè)、一體式壓縮機(jī)電機(jī)等高端電機(jī)制造業(yè)對超精密高速沖壓的要求，并為中小電機(jī)制造業(yè)產(chǎn)品升級、節(jié)能降耗提供沖壓裝備儲備。新型高速壓力機(jī)的各項技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國際先進(jìn)水平，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，掌握了新型高速壓力機(jī)的核心技術(shù)，在高端電機(jī)鐵芯制造企業(yè)得到實際應(yīng)用。

該沖床的核心技術(shù)包括雙驅(qū)四點施力、四柱頂置油缸滑塊封閉高度調(diào)整、超精密導(dǎo)向與下死點精度重復(fù)控制等。針對寬臺面方面，模具長度達(dá)到了2.3m，因此壓力機(jī)的沖壓臺面有1.7m、2.0m、2.3m和2.7m等不同規(guī)格來滿足不同模具的要求。壓力機(jī)的沖壓速度可以達(dá)到400次/min。沖床采用雙邊驅(qū)動四點施力結(jié)構(gòu)，即采用左右各一個電機(jī)和離合器進(jìn)行驅(qū)動、滑塊四點施力方式。其原因在于寬臺面壓力機(jī)必然長徑比大，若采用普通壓力機(jī)的主軸單邊驅(qū)動、滑塊兩點施力結(jié)構(gòu)，就難以保證滑塊下死點精度，由于主軸較長，滑塊兩施力點跨度相對較大，單邊驅(qū)動會使兩施力點存在較大的相位差，驅(qū)動扭矩不能同時傳遞到主軸兩個施力點上，滑塊會出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象，如圖1所示。而新型壓力機(jī)采用主軸雙邊驅(qū)動形式，使得驅(qū)動扭矩可以同時傳遞到主軸的連桿施力點上（圖2），有效解決了這一問題。

圖1 主軸單邊驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 主軸雙邊驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意圖

高剛性是沖床發(fā)展的又一個重要標(biāo)志，多列級進(jìn)模的使用，對于沖床的剛性提出了更高的要求。普通壓力機(jī)的設(shè)計剛度一般在1/6000～1/8000范圍內(nèi)，部分企業(yè)有采用1/10000的，但是在大噸位高速沖壓過程中，這樣的剛性還是不夠。在沖壓過程中，部分壓力機(jī)因為剛性不夠，導(dǎo)致中間一列鉚疊會出現(xiàn)不平整的現(xiàn)象。同時，由于連桿施力點的跨度大，要實現(xiàn)滑塊的高剛度，滑塊設(shè)計必然比較笨重，很難實現(xiàn)輕量化。而要實現(xiàn)輕量化，高剛度又很難保證。采用四點施力機(jī)構(gòu)可以同時實現(xiàn)超寬滑塊的輕量化和高剛度。同時，由于滑塊的輕量化，可以減少運動過程中的慣性力，改善了大噸位沖床的電機(jī)能量消耗。通過檢測日本AIDA公司的壓力機(jī)，發(fā)現(xiàn)其SPM系列的壓力機(jī)剛度為1/25000，大大高于普通壓力機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)。GD320t壓力機(jī)按1/30000剛度進(jìn)行設(shè)計。經(jīng)過實際檢測剛度值為1/31000，完全達(dá)到了設(shè)計要求。

對于下死點重復(fù)精度方面，影響的因素很多，一個主要的因素在于運動過程中所產(chǎn)生的溫升，溫升大，熱變形就大，良好的潤滑系統(tǒng)可以有效的控制溫升，通過控制各個點的流量以及循環(huán)油的冷卻溫度來使得壓機(jī)獲得最小化的溫升。另外一方面滑塊的剛度也影響到了下死點精度，上述講的通過四點施力機(jī)構(gòu)，以及滑塊的有限元分析來確保滑塊在運動過程中的剛性。加速度產(chǎn)生慣性力，在性能優(yōu)良的自動化壓力機(jī)上，當(dāng)滑塊到達(dá)下死點時，慣性力就會很大，為了降低慣性力和機(jī)構(gòu)變形對于沖壓精度的影響，需要由合理的質(zhì)量動平衡去平衡滑塊部件與上模重量所產(chǎn)生的加速度，以提高運動精度以及下死點的重復(fù)精度，同時可以減少壓力機(jī)的振動和噪音。

壓力機(jī)的精度要求也在不斷提高，精密高速壓力機(jī)的幾個關(guān)鍵指標(biāo)，如垂直度、平行度、下死點重復(fù)精度等均有明確的要求。如按照日本JIS B6402特一級的精度指標(biāo)，垂直度要求在0.0165mm，在實際測量AIDA公司的SMP壓力機(jī)時，其垂直度在0.003～0.004mm之間。

在提高垂直度方面，滑塊上部采用四點導(dǎo)柱導(dǎo)套形式進(jìn)行導(dǎo)向，滑塊下部采用八棱柱導(dǎo)向副（圖3），一方面可以使導(dǎo)向位置和模具沖壓過程中的材料在同一個水平線上，提高導(dǎo)向精度，另一方面采用滾動摩擦結(jié)構(gòu)取代滑動摩擦，實現(xiàn)零間隙摩擦，進(jìn)一步提高導(dǎo)向精度。滾動摩擦力要小于滑動摩擦力，因此這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以降低壓力機(jī)的能耗，達(dá)到節(jié)能的目的。同時，壓力機(jī)導(dǎo)向承受偏載，使得導(dǎo)向副摩擦產(chǎn)生熱量，導(dǎo)向受熱膨脹，導(dǎo)向副磨損加劇，影響導(dǎo)向精度。寬臺面由于模具較寬而受到的偏載情況更加復(fù)雜，導(dǎo)向副所產(chǎn)生的摩擦熱量更加大。因此，八棱柱的結(jié)構(gòu)有更高的散熱效率，提高了導(dǎo)向的精度。在實際的測試和使用中發(fā)現(xiàn)采用這種導(dǎo)向方式垂直度也可以達(dá)到0.003mm，可以滿足精密高速沖壓的要求。

圖3 滑塊導(dǎo)向結(jié)構(gòu)示意圖

頂置油缸的設(shè)計一方面可以實現(xiàn)沖壓過程中的壓力機(jī)過載保護(hù)作用，在發(fā)生過載時，油缸帶動上橫梁自動上升，保護(hù)沖床和模具，尤其對于大噸位模具，在低速情況下試模時很容易出現(xiàn)卡模現(xiàn)象；另一方面由于大噸位沖床的使用，模具的尺寸也越來越大，模具的拆裝對于操作者來說需要耗費大量的體力，由于壓力機(jī)的行程只有30mm左右，看不清模具內(nèi)部情況，廢料也不容易排除，頂置油缸可以將上橫梁提升150mm，極大地方便了操作。

傳統(tǒng)的滑塊封閉高度調(diào)節(jié)及過載保護(hù)機(jī)構(gòu)均設(shè)置在連桿上，連桿采用分段式的球頭結(jié)構(gòu)，增加了產(chǎn)生間隙的環(huán)節(jié)和滑塊重量，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)節(jié)處螺紋承受交變載荷，采用大螺距螺紋，增加了高度調(diào)整誤差，且機(jī)構(gòu)分布間距小，高度調(diào)整容易出現(xiàn)誤差，會導(dǎo)致壓力機(jī)平行度保持性差。而采用蝸輪螺套式滑塊的封閉高度調(diào)整，連桿結(jié)構(gòu)簡單，滑塊重量輕，調(diào)整機(jī)構(gòu)間距分布大，調(diào)整誤差小，并可很好的解決過載保護(hù)和滑塊調(diào)整范圍受限的問題，如圖4所示。

圖4 滑塊封閉高度調(diào)整機(jī)構(gòu)示意圖

在壓力機(jī)精度提高的情況下，對于薄材料（即0.35mm厚度的硅鋼片）的實際沖壓過程中，發(fā)現(xiàn)僅僅依靠模具和壓力機(jī)的精度提高還不能夠全部解決問題。公司新設(shè)計了脫模油缸系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要原理為被動式泄壓，通過上下壓力在產(chǎn)品成品的瞬間進(jìn)行加壓，而且整個過程中產(chǎn)品都有壓力加壓，從而提高了產(chǎn)品的同心度和端面跳動的精度。首先設(shè)定合理的系統(tǒng)油壓（小于沖床沖壓剪切力），油缸活塞上升，缸頭頂住產(chǎn)品，磁感應(yīng)接收信號沖床開始運行，每沖壓一次，油缸下降一點（被動式泄壓），每次下降行程約和材料厚度一致。當(dāng)產(chǎn)品達(dá)到想要的高度時，氣缸剪切，油缸托著產(chǎn)品下降至模具臺板平面，氣缸推出產(chǎn)品。

實踐證明，這種結(jié)構(gòu)可以有效提高鐵芯的平整度和同心度。目前，國內(nèi)知名壓縮機(jī)廠基本上都在使用該系統(tǒng)，如美芝、三菱、松下、日立、春蘭等。以美芝為例：厚度為85mm的鐵芯產(chǎn)品不經(jīng)油壓整形，同心度檢測3個點，轉(zhuǎn)子每個點都在0.04mm以內(nèi)，定子在0.06mm以內(nèi)。

電機(jī)鐵芯的沖壓實現(xiàn)了自動鉚疊，其廢料的出料實現(xiàn)了自動化，定子和轉(zhuǎn)子通過輸送帶進(jìn)行液壓整形，通過高度檢測或稱重的方式實現(xiàn)了自動檢測，不合格的自動排除，合格的通過自動搬運機(jī)械手進(jìn)行自動搬運、自動堆放，達(dá)到無人化的生產(chǎn)方式，如圖5所示。對部分外形尺寸通過圖像識別系統(tǒng)進(jìn)行判別，同時通過電腦控制系統(tǒng)，對沖壓運行時間、故障時間、生產(chǎn)速度進(jìn)行自動記錄，實現(xiàn)中央控制，不再需要進(jìn)行人工統(tǒng)計和計算，真正實現(xiàn)無人化生產(chǎn)。

圖5 國內(nèi)某電機(jī)鐵芯生產(chǎn)現(xiàn)場的自動化示意圖

結(jié)束語

從以上分析我們可以得出結(jié)論，目前大噸位、寬臺面雙驅(qū)四點超精密高速壓力機(jī)及相配套的脫模油缸裝置、自動檢測和自動搬運裝置，可以實現(xiàn)電機(jī)鐵芯的精密高速沖壓和自動化生產(chǎn)的需要，今后必將得到進(jìn)一步的應(yīng)用和推廣。