文/河本 基一郎·KOMATSU(小松)株式會社

譯/王欣·蘇州漢金模具技術(shù)有限公司

鍛造成形中使用的鍛造壓力機(jī)種類很多，為此需要充分理解各種壓力機(jī)的特性，根據(jù)鍛件的形狀及加工方法等選擇使用。

鍛造壓力機(jī)按大類可以分成機(jī)械壓力機(jī)和液壓機(jī)，小松產(chǎn)機(jī)株式會社（以下簡稱小松產(chǎn)機(jī)）生產(chǎn)銷售機(jī)械壓力機(jī)。近幾年，隨著鍛件高精度化的要求，小松產(chǎn)機(jī)前瞻地開發(fā)完成了與以前機(jī)械壓力機(jī)具有不同性能的鍛造用伺服壓力機(jī)，并被廣泛應(yīng)用，從而在壓力機(jī)的研發(fā)制造方面處于世界的前沿。

小松產(chǎn)機(jī)于1994年將油壓式伺服壓力機(jī)投入市場，開始了鍛件高精度化的研發(fā)工作。之后，開發(fā)了電動式伺服壓力機(jī)，并于1998年開發(fā)完成了直動式的伺服驅(qū)動壓力機(jī)，2001年著眼于壓力機(jī)的大型化，進(jìn)一步開發(fā)連桿機(jī)構(gòu)并用的連桿式伺服壓力機(jī)，2002年在小型通用壓力機(jī)上普遍實現(xiàn)了伺服驅(qū)動，2005年又開始銷售鍛造成形用的伺服壓力機(jī)，伺服驅(qū)動式壓力機(jī)的市場化得到迅速發(fā)展。回顧最近的十幾年，僅小松產(chǎn)機(jī)就制造銷售了2300多臺伺服驅(qū)動式壓力機(jī)。

現(xiàn)在就常用鍛造壓力機(jī)的種類、結(jié)構(gòu)以及適合于冷鍛成形的KOMATSU MAYPRESS L1C系列產(chǎn)品，同時就最新的鍛造用H1C系列伺服驅(qū)動式壓力機(jī)進(jìn)行介紹。

壓力機(jī)的種類與特征

鍛造壓力機(jī)是利用成對的模具通過對固體材料的整體或者一部分進(jìn)行壓縮或者鍛打，使材料按模具的形狀進(jìn)行成形的機(jī)器。

圖1 壓力機(jī)的發(fā)展歷史

圖2 鍛造壓力機(jī)的種類

圖2是鍛造壓力機(jī)的分類圖表，壓力機(jī)可以大致分為機(jī)械壓力機(jī)和液壓機(jī)兩大類，如果進(jìn)一步詳細(xì)分析，還可以按照壓力機(jī)的驅(qū)動方式以及機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行分類，實際生產(chǎn)中要充分考慮壓力機(jī)的各自特性，以正確、高效地選擇使用。

液壓機(jī)

鍛造壓力機(jī)中，歷史悠久的液壓機(jī)有水壓式和油壓式兩種，進(jìn)展到現(xiàn)在水壓機(jī)幾乎不使用了，油壓機(jī)仍然在制造、銷售和使用。油壓機(jī)上使用油壓作為驅(qū)動能源，通過高壓油缸產(chǎn)生加壓力，并能夠在行程的任何位置產(chǎn)生最大壓力。

空氣錘

長期以來，熱鍛中使用的空氣錘利用氣缸提升錘頭(滑塊)通過落下的運(yùn)動能量來成形鍛件，由于錘頭的落下速度及打擊次數(shù)影響成形的效果，因此,要求生產(chǎn)人員具有一定的操作技能。另外，在錘頭的下死點(diǎn)位置，上下模具要實現(xiàn)接觸碰擊，從而產(chǎn)生很大的振動和噪聲。

螺旋壓力機(jī)

該機(jī)與鍛錘相同，主要使用在熱鍛加工中，通過螺桿的正反旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)滑塊的上下運(yùn)動。驅(qū)動力的傳遞是由摩擦盤的旋轉(zhuǎn)通過摩擦力傳遞到與螺桿同軸上的慣性飛輪，所以也叫做摩擦壓力機(jī)。

曲柄壓力機(jī)

通常的機(jī)械壓力機(jī)由主電機(jī)、慣性飛輪、離合器與制動器及減速機(jī)構(gòu)等組成，由曲軸、肘桿、連桿等不同的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，構(gòu)成不同方式的機(jī)械壓力機(jī)。

典型的曲柄壓力機(jī)作為通用壓力機(jī)被廣泛使用，曲軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動通過連桿轉(zhuǎn)化為上下運(yùn)動，結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)效率高，并且易于實現(xiàn)自動化，作為生產(chǎn)設(shè)備，適用的成形范圍廣，從冷鍛直到熱鍛被廣泛使用。特別是，在熱鍛中要求材料與模具的接觸時間短，曲柄壓力機(jī)具有下死點(diǎn)接觸時間短的特點(diǎn)，因而被大量應(yīng)用。

連桿式壓力機(jī)

一般來說，在冷鍛成形時，下死點(diǎn)的成形速度越慢，越是能夠得到尺寸精度穩(wěn)定的產(chǎn)品。導(dǎo)致這個效果的主要原因是溫度一致性的影響，小松制造的具有連桿機(jī)構(gòu)的冷鍛壓力機(jī)，在下死點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)低速成形的效果。

小松制造的冷鍛壓力機(jī)，通過曲軸的轉(zhuǎn)動對連桿進(jìn)行推拉，在下死點(diǎn)附近，滑塊的速度變得很慢，在該速度范圍中，適用于鐓粗、擠壓和切邊沖孔等加工成形工序。

冷鍛連桿壓力機(jī)與曲柄壓力機(jī)的比較

如前面敘述的那樣，與曲柄壓力機(jī)相比，連桿式壓力機(jī)具有在下死點(diǎn)附近能夠?qū)崿F(xiàn)滑塊慢速行進(jìn)的特性。圖3顯示了滑塊驅(qū)動機(jī)構(gòu)不同時間，行程與滑塊速度的比較曲線。橫軸表示曲軸角度，縱軸表示滑塊的行程。

圖3 滑塊行程線圖與加工速度的關(guān)系

從圖3中可以看出，在相同的生產(chǎn)速度（SPM）條件下，上死點(diǎn)以上20mm開始成形的時候，曲柄壓力機(jī)的加壓在曲軸角度147°～180°范圍，平均加壓速度為181.8mm/s。與此相比，連桿式壓力機(jī)的加壓角度是在107°～180°范圍，平均加工速度為82.3mm/s，肘桿式壓力機(jī)則是在曲柄軸角度為113°～180°范圍內(nèi)加壓成形，平均加壓速度為89.7mm/s，從而可以看出，與曲柄壓力機(jī)相比，連桿和肘桿式壓力機(jī)加壓成形時的速度不到一半。

由于降低了加工速度，減少了加工熱能的發(fā)生，從而可以避免高溫導(dǎo)致的潤滑劑性能的減弱，因而在模具壽命和產(chǎn)品精度（熱脹冷縮的影響）的提高方面發(fā)揮了作用。

另外，從速度線圖看出，在模具接觸坯料的速度方面，曲柄壓力機(jī)大約是380mm/s，連桿式壓力機(jī)約為270mm/s，加壓速度大約減少了29%。與材料的接觸速度降低后，模具特別是沖頭側(cè)上產(chǎn)生的振動加速度降低，這一點(diǎn)對于延長模具的壽命具有一定效果。

最新的冷鍛伺服壓力機(jī)H1C

鍛造伺服壓力機(jī)H1C是開發(fā)完成的新型鍛造用成形設(shè)備，其主要為了實現(xiàn)兼有油壓機(jī)的高成形性能和機(jī)械壓力機(jī)高生產(chǎn)效率的目的。冷鍛用的伺服壓力機(jī)除實現(xiàn)了在加工成形時的滑塊速度與油壓機(jī)相當(dāng)?shù)穆僖酝?，還具有高成形性和保持高生產(chǎn)效率的特點(diǎn)。

圖4顯示了鍛造用伺服驅(qū)動壓力機(jī)H1C的特性。

圖4 鍛造伺服壓力機(jī)的特點(diǎn)

自由運(yùn)動的效果

冷鍛伺服壓力機(jī)H1C的最大特點(diǎn)是，滑塊的運(yùn)動可以任意設(shè)定。

在壓力機(jī)的操作面板上，可以任意輸入1個行程循環(huán)中各工序(控制點(diǎn))的目標(biāo)角度及目標(biāo)位置，以及該工序的速度和停止時間，并且運(yùn)動模式可以自由設(shè)定，圖5、6上給出的模式圖中，滑塊可以實現(xiàn)自由運(yùn)動。

以上是一個例子，實際使用中可根據(jù)成形零件的形狀、成形方法和模具結(jié)構(gòu)等設(shè)定最佳的運(yùn)動模式。

在冷鍛工藝中，擠壓成形、拉伸加工和精整加工等成形工藝，可通過降低滑塊的運(yùn)動速度提高成形精度。在沖裁工藝中，從剪斷到破斷的過程瞬間，實現(xiàn)滑塊瞬間停止，這種突破性的技術(shù)進(jìn)步能夠減低噪聲和振動。壓印加工及精整加工中在下死點(diǎn)通過實現(xiàn)滑塊的停滯和保持，實現(xiàn)對形狀的“凍結(jié)”過程，能夠保證穩(wěn)定的尺寸精度。另外，還可以推遲成形后產(chǎn)品的頂出速度。

下死點(diǎn)高精度的實現(xiàn)

冷鍛伺服驅(qū)動壓力機(jī)H1C的特點(diǎn)之一是，模具閉合高度的變化量可以自動測定和補(bǔ)正，實現(xiàn)了產(chǎn)品的高精度化。圖7顯示了模具高度變化的模式圖。

圖5 低噪聲運(yùn)動模式

圖6 階段性運(yùn)動模式

圖7 模具高度變化的模式

通常，機(jī)械壓力機(jī)隨著時間的推移，將產(chǎn)生50～90μm的模具閉合高度的變化，這時候需要停止壓力機(jī)作業(yè)，通過調(diào)整模具閉合高度及檢驗后重新開始生產(chǎn)。然而，冷鍛伺服驅(qū)動壓力機(jī)可以自動檢測下死點(diǎn)位置，當(dāng)超過生產(chǎn)開始時設(shè)定的規(guī)定變化量后，具有自動補(bǔ)償功能，從而得到穩(wěn)定精確的下死點(diǎn)位置。

通過下死點(diǎn)位置的補(bǔ)償功能，即使進(jìn)行長時間的生產(chǎn)，也可以獲得穩(wěn)定的成形產(chǎn)品。

節(jié)省能源

通常，機(jī)械壓力機(jī)的主電機(jī)要時常轉(zhuǎn)動，成形加工以外也要消耗電能。與機(jī)械壓力機(jī)相比，冷鍛伺服驅(qū)動壓力機(jī)，滑塊停止時沒有電能的消耗，再則，通過伺服電動機(jī)的電能再生裝置，電機(jī)減速時可以進(jìn)行發(fā)電且電能可以返回電網(wǎng)，耗電可以減少20%。

冷鍛壓力機(jī)專用框架

與本公司的其他冷鍛壓力機(jī)同樣，冷鍛伺服壓力機(jī)H1C采用高剛性的、整體厚板開窗框架結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了壓力機(jī)的高耐久性和高可靠性。

冷鍛伺服壓力機(jī)H1C的結(jié)構(gòu)

冷鍛伺服壓力機(jī)H1C，采用本公司同樣的連桿式機(jī)構(gòu)，省掉了機(jī)械壓力機(jī)中的慣性飛輪，離合器和制動器，減少了驅(qū)動部分的零部件數(shù)量，結(jié)構(gòu)變得簡單，從而大大改善了維修保養(yǎng)性能。

可是，冷鍛伺服驅(qū)動壓力機(jī)，作為飛輪的替代部件伺服電機(jī)需要具有扭矩能力，需要有兩個伺服電機(jī)同時運(yùn)轉(zhuǎn)驅(qū)動。圖8顯示了冷鍛伺服壓力機(jī)H1C的驅(qū)動機(jī)構(gòu)。

圖8 冷鍛伺服壓力機(jī)H1C的驅(qū)動機(jī)構(gòu)

結(jié)束語

以上介紹了小松公司壓力機(jī)制造的歷史以及鍛造壓力機(jī)中機(jī)械壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)、冷鍛伺服壓力機(jī)的性能等，在此特別就冷鍛伺服驅(qū)動壓力機(jī)的最大特點(diǎn)，即自由運(yùn)動模式強(qiáng)調(diào)說明如下：

⑴滑塊下降過程中可以在任意范圍減小滑塊的速度。

⑵能夠防止加工發(fā)熱原因引起的擦傷(咬合)，通過控制熱變形來提高鍛件的尺寸精度。

⑶可以使滑塊反復(fù)上下運(yùn)動，并可以在下死點(diǎn)停止滑塊的運(yùn)動。

⑷加工形狀穩(wěn)定，可以提高成形產(chǎn)品的精度。

除上述兩種發(fā)展趨勢外，作為今后的發(fā)展方向，加工過程中在停止滑塊運(yùn)動的同時，開啟油壓加壓機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)復(fù)合動作成形(即多向模鍛成形)。通過利用該特殊技術(shù)，解決復(fù)雜零部件的穩(wěn)定加工問題，縮短工序數(shù)，改善未充滿等缺肉不良現(xiàn)象，并期待各種各樣效果的實現(xiàn)。

以上這些功能，如果不是伺服壓力機(jī)而是在通常的機(jī)械壓力機(jī)上是不可能實現(xiàn)的。通過利用這些特殊功能進(jìn)行零部件的成形，期待著通常被認(rèn)為難于實現(xiàn)的高精度化、高生產(chǎn)性，成形工序的削減以及結(jié)構(gòu)簡單化帶來的設(shè)備投資金額的削減等得以實現(xiàn)。

盡管使用中可能會發(fā)生各種各樣不可預(yù)見的問題，進(jìn)一步開發(fā)鍛造伺服驅(qū)動壓力機(jī)與特殊加工方法相融合的成形技術(shù)將成為今后的研發(fā)方向。