文／呂洪亮·舒勒貿(mào)易（上海）有限公司濟(jì)南分公司

機(jī)械模鍛設(shè)備的最新發(fā)展（上）

文／呂洪亮·舒勒貿(mào)易（上海）有限公司濟(jì)南分公司

鍛造是機(jī)械工業(yè)的基礎(chǔ)，通過(guò)鍛造能夠?yàn)楦鞣N工業(yè)領(lǐng)域提供機(jī)械性能良好的零部件。特別是在汽車等大批量生產(chǎn)的行業(yè)，對(duì)鍛件的要求隨著新車型、新車種等產(chǎn)品的發(fā)展而不斷提出質(zhì)量上、數(shù)量上的更高標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，由于石化、船舶等行業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)大型模鍛件的需求也快速增長(zhǎng)。而這一切都迫使鍛造設(shè)備不停的創(chuàng)新發(fā)展。目前，機(jī)械模鍛設(shè)備是生產(chǎn)各種模鍛件的主力設(shè)備。在一百多年的演化發(fā)展創(chuàng)新中，機(jī)械模鍛設(shè)備產(chǎn)生了多種結(jié)構(gòu)，而且各種結(jié)構(gòu)都在不斷的沿著各自的方向完善和創(chuàng)新，并為市場(chǎng)解決多方面的需求?？偟恼f(shuō)來(lái)，機(jī)械模鍛設(shè)備的發(fā)展向著高精度、自動(dòng)化、高生產(chǎn)率和大型化的方向不斷邁進(jìn)。

目前應(yīng)用的機(jī)械模鍛設(shè)備主要包括鍛錘、螺旋壓力機(jī)、機(jī)械壓力機(jī)（包含肘桿壓力機(jī)、曲柄壓力機(jī)、偏心壓力機(jī)等）。機(jī)械模鍛設(shè)備的發(fā)展可以分為三個(gè)部分，一部分是單機(jī)的發(fā)展；一部分是全自動(dòng)生產(chǎn)線的發(fā)展；最后一部分是理念及理論的發(fā)展，這一部分始終伴隨和貫徹于前兩部分的發(fā)展當(dāng)中。

當(dāng)下，設(shè)備驅(qū)動(dòng)的熱點(diǎn)離不開伺服技術(shù)。在沖壓領(lǐng)域，伺服技術(shù)已經(jīng)獲得了較為成熟的應(yīng)用，其潛力在不斷被挖掘，效果也不斷顯現(xiàn)。而在鍛造領(lǐng)域，伺服技術(shù)也已經(jīng)開始開花結(jié)果，雖然沒(méi)有沖壓領(lǐng)域應(yīng)用的那么成熟，但也顯示出了令人驚訝的效果。目前，幾乎所有的模鍛設(shè)備都可以采用伺服技術(shù)來(lái)優(yōu)化成形過(guò)程，本文將在探討各類設(shè)備最新發(fā)展時(shí)加以介紹。

單機(jī)的發(fā)展

單個(gè)機(jī)器的發(fā)展一方面是增強(qiáng)機(jī)器本身的性能，另一方面則是匹配整條生產(chǎn)線的需求。而這兩者中，增強(qiáng)機(jī)器本身的性能作為主要的出發(fā)點(diǎn)，引導(dǎo)著整個(gè)設(shè)備領(lǐng)域的發(fā)展與進(jìn)步。近幾年，伺服技術(shù)的應(yīng)用為設(shè)備的發(fā)展打開了一扇大門，而目前單機(jī)的發(fā)展也是以伺服技術(shù)的應(yīng)用作為重點(diǎn)。

鍛錘

鍛錘是一種歷史悠久的設(shè)備。因?yàn)殄戝N有精度較差、噪聲大、振動(dòng)大等缺陷，行業(yè)里很多人都認(rèn)為它應(yīng)該慢慢地被淘汰。但是，不可否認(rèn)的是鍛錘具有很高的靈活性，而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜更是其競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。當(dāng)鍛錘發(fā)展到能夠完美解決其本身缺陷時(shí)，它還會(huì)被淘汰么？

伺服直線錘

圖1 伺服直線錘的結(jié)構(gòu)圖

高速磁懸浮列車是直線電機(jī)實(shí)際應(yīng)用的最典型例子。德國(guó)舒勒創(chuàng)新地將直線電機(jī)應(yīng)用到鍛錘上面，從而有效的解決了傳統(tǒng)鍛錘精度、噪聲、能效等方面的問(wèn)題，是鍛錘這種設(shè)備一次歷史性的變革。伺服直線錘的優(yōu)勢(shì)在于：

⑴伺服直線錘摒棄了傳統(tǒng)的空壓機(jī)或液壓站等設(shè)施，采用直線電機(jī)。它和目前世界上最先進(jìn)的電液錘比較，節(jié)能達(dá)到20%以上，并且結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)鍛錘更為簡(jiǎn)單，屬于真正的免維護(hù)設(shè)備。

⑵伺服直線錘可以創(chuàng)新性的對(duì)錘頭的行程進(jìn)行精確控制，這一特性使鍛錘同機(jī)器人的自動(dòng)化線組合真正達(dá)到了精確、平穩(wěn)、可靠。

⑶伺服直線錘消除了傳統(tǒng)鍛錘由于成形剩余能量而產(chǎn)生的冷擊現(xiàn)象，明顯的降低了噪聲和振動(dòng)，屬于環(huán)保設(shè)備。

對(duì)擊錘

模鍛件大型化一直是行業(yè)追求的一個(gè)目標(biāo)，許多大型模鍛件都采用大噸位液壓機(jī)生產(chǎn)。但是大噸位液壓機(jī)投資巨大，企業(yè)無(wú)力投資或在投資生產(chǎn)后負(fù)擔(dān)沉重。而對(duì)擊錘作為一種可以生產(chǎn)大型模鍛件的設(shè)備日益受到行業(yè)的關(guān)注。目前，對(duì)擊錘生產(chǎn)的最大模鍛件達(dá)到了12t，可以生產(chǎn)大型曲軸、飛機(jī)起落架、石化用大型法蘭等大型鍛件。相對(duì)于大噸位液壓機(jī)，對(duì)擊錘結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)靈活、投資較低，是生產(chǎn)大型模鍛件的優(yōu)選方案。德國(guó)舒勒公司生產(chǎn)的系列氣動(dòng)對(duì)擊錘最大打擊能量1400kJ，可以提供近于56000t的打擊力。圖2展示的是德國(guó)舒勒公司印度某客戶使用的DG80H氣動(dòng)對(duì)擊錘及其生產(chǎn)的3t大型曲軸。圖3顯示的是舒勒公司氣動(dòng)對(duì)擊錘的結(jié)構(gòu)。

圖2 DG80H對(duì)擊錘及其產(chǎn)品

圖3 舒勒公司氣動(dòng)對(duì)擊錘

機(jī)械壓力機(jī)

伺服機(jī)械壓力機(jī)

機(jī)械壓力機(jī)應(yīng)用廣泛，冷鍛、溫鍛、熱鍛領(lǐng)域都有其身影。傳統(tǒng)的機(jī)械壓力機(jī)都是電機(jī)通過(guò)離合/制動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)飛輪傳遞扭矩給滑塊，帶動(dòng)滑塊進(jìn)行成形運(yùn)動(dòng)。目前，伺服技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用到各種機(jī)械壓力機(jī)上，省掉了傳統(tǒng)的飛輪、離合器/制動(dòng)器組合，通過(guò)幾個(gè)伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。伺服機(jī)械壓力機(jī)最大的優(yōu)勢(shì)是可以對(duì)滑塊運(yùn)動(dòng)軌跡編程控制，這就意味著可以控制燜模時(shí)間的長(zhǎng)短及整個(gè)生產(chǎn)周期時(shí)間，從而提高模具壽命及生產(chǎn)率。同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)在同一臺(tái)設(shè)備上生產(chǎn)不同材料的鍛件，擴(kuò)大了壓力機(jī)可生產(chǎn)的產(chǎn)品范疇，圖4為伺服壓力機(jī)滑塊運(yùn)行曲線。

將13個(gè)設(shè)計(jì)矩陣Aij(k)累加，即得各項(xiàng)指標(biāo)的優(yōu)先得分矩陣：再對(duì)得分矩陣Aij關(guān)于j，即按行累加：再求出Aij按行累加后的最大值、最小值，令∑Amax=max{∑A1，∑A2，…，∑A6}，∑Amin=min{∑A1，∑A2，…，∑A6}，則與∑Amax相對(duì)應(yīng)的因子同其它因子相比重要程度最高，而與∑Amin相對(duì)應(yīng)的因子的重要程度最低。取amax=1，amin=0.1，記

然而，伺服技術(shù)在機(jī)械壓力機(jī)上的使用也有其局限性。板材成形機(jī)械壓力和鍛造壓力機(jī)相比較，鍛造壓力機(jī)公稱壓力行程更大，需要的成形能量也更大，因而同樣噸位的壓力機(jī)需要的伺服電機(jī)功率也較大，設(shè)備造價(jià)較高。同時(shí)對(duì)電網(wǎng)的供電能力要求較高，這就限制了伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)在大噸位鍛造壓力機(jī)上的使用，但是由于伺服鍛造壓力機(jī)在提高模具壽命和提高生產(chǎn)率方面，具有傳統(tǒng)壓力機(jī)所不具備的明顯優(yōu)勢(shì)，目前伺服鍛造壓力機(jī)也有向中型規(guī)格發(fā)展的趨勢(shì)。德國(guó)舒勒公司生產(chǎn)的16000kN伺服曲柄壓力機(jī)已投入使用，目前正在為一家德國(guó)企業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)31500kN的伺服曲柄壓力機(jī)。

圖4 伺服壓力機(jī)滑塊運(yùn)行曲線

直驅(qū)式電動(dòng)螺旋壓力機(jī)

電動(dòng)螺旋壓力機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易維護(hù)，具有較高的柔性、可靠性及鍛造精度。目前市面上銷售的電動(dòng)螺旋壓力機(jī)有直驅(qū)式和非直驅(qū)式兩大類型。直驅(qū)式電動(dòng)螺旋壓力機(jī)電機(jī)的扭矩直接傳遞給螺桿，沒(méi)有中間傳動(dòng)部件和易損件，避免了能量損失，從剛性、可靠性、維修和效率方面來(lái)說(shuō)，代表了螺旋壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的最佳設(shè)計(jì)方案（圖5）。

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，電動(dòng)螺旋壓力機(jī)在抗偏載、高精度方面已經(jīng)找到行之有效的方法。通過(guò)采用長(zhǎng)滑塊、長(zhǎng)導(dǎo)軌，導(dǎo)向精度高，抗過(guò)載和偏載能力強(qiáng)，可以滿足絕大多數(shù)鍛件生產(chǎn)的設(shè)備要求。

圖5 直驅(qū)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

伺服直驅(qū)多工位冷鐓機(jī)

線材成形使用的多工位冷鐓機(jī)可以生產(chǎn)各種緊固件、汽車?yán)溴懠a(chǎn)率很高，最高可以達(dá)到80～180件/分鐘。伺服技術(shù)同樣在多工位冷鐓機(jī)上成功應(yīng)用。而早在2010年，世界上第一臺(tái)伺服直驅(qū)多工位冷鐓機(jī)（圖6）就已經(jīng)在德國(guó)舒勒公司誕生并在一家德國(guó)知名企業(yè)投入使用。

圖6 德國(guó)舒勒制造的世界第一臺(tái)全伺服多工位冷鐓機(jī)

伺服技術(shù)在多工位冷鐓機(jī)上的應(yīng)用主要在三個(gè)部位：

⑴伺服喂料系統(tǒng)。

采用伺服電機(jī)技術(shù)的線性喂料系統(tǒng)已經(jīng)逐步取代了傳統(tǒng)的輥式喂料方式。由于采用了伺服電機(jī)，喂料長(zhǎng)度可以精確控制，精確度可以達(dá)到微米級(jí)。而采用的夾鉗夾持方式也極具優(yōu)勢(shì)，以往傳統(tǒng)喂料方式輥?zhàn)油€材表面接觸為點(diǎn)狀，容易損傷線材表面，而夾鉗與線材表面接觸面為線性接觸，避免了表面損傷的同時(shí)更保證了喂料精度。

⑵伺服夾鉗傳送系統(tǒng)。

隨著設(shè)備每分鐘行程頻次的提高，對(duì)傳送系統(tǒng)的速度和精度也提出了更高的要求。傳送系統(tǒng)的速度應(yīng)同滑塊的速度相匹配，防止過(guò)速或錯(cuò)送現(xiàn)象的出現(xiàn)。伺服電機(jī)的可靠性及可控性完美地解決了這一問(wèn)題。傳送夾鉗通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以根據(jù)滑塊速度及整個(gè)鐓鍛工藝進(jìn)行編程控制，實(shí)現(xiàn)最完美的匹配。

⑶伺服滑塊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

伺服技術(shù)同樣應(yīng)用于多工位冷鐓機(jī)的滑塊運(yùn)動(dòng)中，與其他壓力機(jī)的伺服應(yīng)用一樣，通過(guò)對(duì)滑塊運(yùn)行軌跡編程，可以實(shí)現(xiàn)伺服壓力機(jī)的眾多優(yōu)勢(shì)。

《機(jī)械模鍛設(shè)備的最新發(fā)展（下）》見2016年第1期