孔德宇

（一重集團 天津重工有限公司，天津 300301）

壓力機是金屬成形加工領(lǐng)域中廣泛使用的鍛壓設(shè)備，其中以機械式壓力機應(yīng)用最為普遍，主要用于汽車覆蓋件薄板沖壓、拉伸、整形、翻邊、修邊沖孔和落料等。伺服壓力機是20世紀90年代發(fā)展起來的一種新型沖壓設(shè)備，具有復合高效、高精度、高柔性和低噪環(huán)保等特點，是沖壓設(shè)備的發(fā)展方向。伺服壓力機采用伺服電機作為驅(qū)動源，其加工工藝軌跡柔性可控，彌補了傳統(tǒng)壓力機沖壓模式固定和沖壓工藝適應(yīng)性差等缺點，能夠顯著提高復雜形狀零件、深拉深零件以及高強度鋼板沖壓加工的成形質(zhì)量和生產(chǎn)效率，在模具制造廠和汽車制造廠有廣泛的應(yīng)用前景。

隨著汽車制造廠對沖壓生產(chǎn)效率（采用伺服壓力機可以提高生產(chǎn)效率）、生產(chǎn)成本（伺服壓力機低速拉深可以有效避免破裂缺陷，從而達到降低板材規(guī)格的目的）、節(jié)能減排（伺服壓力機采用能量管理模式，可以降低能耗）、高強度鋼板應(yīng)用普及（采用伺服壓力機可以降低回彈，提高成形質(zhì)量）等方面的追求進一步提高，伺服壓力機將是汽車制造廠首選的沖壓生產(chǎn)設(shè)備。

1 國內(nèi)外伺服壓力機的生產(chǎn)現(xiàn)狀

目前，德國、日本等汽車制造大國相繼推出公稱壓力25000kN、30000kN的伺服壓力機，其傳動機構(gòu)也有曲柄滑塊、雙曲柄、六連桿等，主要應(yīng)用于寶馬、豐田等公司生產(chǎn)線上。國內(nèi)只有一流主機廠全套引進國外伺服沖壓生產(chǎn)線，其他主機廠都是引進一臺作為試模壓力機使用或沖壓線首臺采用伺服壓力機。國內(nèi)具備大型伺服壓力機制造能力的廠家目前有中國一重和濟南二機床，濟南二機床為奇瑞汽車開發(fā)的伺服試模壓力機于2012年11月19日調(diào)試成功，其公稱壓力為16000kN，公稱壓力行程為13mm，滑塊行程為1000mm，其能力較中國一重開發(fā)的25000kN伺服壓力機（公稱壓力行程為13mm，滑塊行程為1200mm）還有一定的差距。

隨著各汽車廠對伺服壓力機技術(shù)的了解越來越深刻，對伺服壓力機提出的技術(shù)條件也很高，其中絕大多數(shù)廠家要求傳動機構(gòu)為曲柄滑塊機構(gòu)或六連桿和八連桿機構(gòu)。

2 伺服壓力機優(yōu)勢

傳統(tǒng)壓力機依靠飛輪儲能和做功，伺服壓力機采用伺服電機直接作為壓力機的動力源，使滑塊運動特性可控，以滿足沖壓加工柔性化和智能化需求。傳統(tǒng)壓力機機構(gòu)組成：電機＋飛輪＋離合器制動器＋傳動機構(gòu)＋工作機構(gòu)；伺服壓力機機構(gòu)組成：伺服電機＋傳動機構(gòu)＋工作機構(gòu)。機械壓力機機構(gòu)按照功能可分為：能源系統(tǒng)（電機和飛輪）、操縱系統(tǒng)（離合器、制動器及其控制部件）、傳動系統(tǒng)（皮帶輪、齒輪、傳動軸）、工作機構(gòu)（曲柄滑塊機構(gòu)）以及支承部分（床身各大部件）；伺服壓力機用伺服控制系統(tǒng)替代了傳統(tǒng)壓力機的能源系統(tǒng)（電機和飛輪）和操縱系統(tǒng)（離合器、制動器及其控制部件），結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 伺服壓力機結(jié)構(gòu)

2.1 三種機械壓力機的性能比較

機械壓力機的發(fā)展主要經(jīng)歷了曲柄滑塊壓力機、多連桿壓力機和伺服壓力機。曲柄壓力機接觸板料時滑塊速度高，主要用于沖裁、翻邊、彎曲、修邊和淺拉延；多連桿壓力機接觸板料時滑塊速度低，主要用于深拉延；伺服壓力機接觸板料時滑塊速度可控，主要用于復雜形狀零件深拉延、高強度鋼板成形、難變形材料成形和精密成形等。伺服壓力機拉延速度可控并可實現(xiàn)下死點保壓，可以很好地抑制破裂、回彈等缺陷。

2.2 伺服壓力機的優(yōu)點

與傳統(tǒng)壓力機相比，伺服壓力機具有以下優(yōu)點。

2.2.1 優(yōu)點一

由于沒有飛輪，電機的運動和力矩直接傳遞給傳動機構(gòu)和工作機構(gòu)，使滑塊運動曲線、電機輸出力矩可控，因此伺服壓力機具有以下優(yōu)點：可以降低板材級別；提高板材成形性能，拉深比可提高30%；提高零件成形質(zhì)量和生產(chǎn)效率；降低對模具的沖擊，使模具壽命提高3倍。

2.2.2 優(yōu)點二

由于去除了飛輪和離合器等機械部件，因此伺服壓力機具有以下優(yōu)點：減少震動，降低噪聲，低于75dB；采用能量管理模式進行節(jié)能；上梁中僅有主傳動機構(gòu)，提高設(shè)備維護性；采用數(shù)字手輪調(diào)整滑塊位置，可直接試模，提高設(shè)備操作性。

2.2.3 優(yōu)點三

伺服壓力機一般配備數(shù)控液壓拉伸墊，具有以下功能：可實現(xiàn)變壓邊力控制，改善成形工藝條件，抑制破裂和起皺缺陷；具備預加速功能，減少對工件的滑動沖擊，減少噪音和碰撞沖擊；具備無殘留壓力的鎖定功能（位置精確控制），可實現(xiàn)下死點拉深墊零回彈，避免了由于頂料引起的產(chǎn)品精度不良缺陷。

3 伺服壓力機設(shè)計要求

伺服壓力機研發(fā)、設(shè)計主要依賴伺服控制系統(tǒng)與機械傳動機構(gòu)的完美結(jié)合，在技術(shù)上必須相互協(xié)調(diào)，優(yōu)化出最合理的配置。交流伺服系統(tǒng)包括伺服驅(qū)動器、伺服電機和反饋傳感器，是高響應(yīng)的全閉環(huán)控制系統(tǒng)。

在覆蓋件拉延成形過程中，電機負載扭矩是波動的。由于機械系統(tǒng)的彈性變形及慣量較大，機械傳遞或反應(yīng)時間大于交流伺服系統(tǒng)響應(yīng)時間，系統(tǒng)處于振蕩狀態(tài)，導致系統(tǒng)產(chǎn)生噪音、磨損和不穩(wěn)定現(xiàn)象。設(shè)計時應(yīng)增加系統(tǒng)剛性和減少慣性，減少機械傳動響應(yīng)時間，降低伺服系統(tǒng)響應(yīng)速度和減少伺服系統(tǒng)的控制帶寬。

傳統(tǒng)機械壓力機高速軸的扭矩是飛輪通過離合器提供的，而伺服壓力機傳動系統(tǒng)所需的扭矩直接由電機提供。當壓力機行程次數(shù)和電機轉(zhuǎn)數(shù)確定后，傳動機構(gòu)的傳動比也就確定了，這時工作機構(gòu)作用在主軸上的扭矩越大，電機的輸出扭矩也越大。因此，機構(gòu)設(shè)計時要盡量降低最大扭矩，以減小所需的伺服電機扭矩，進而降低伺服電機的功率。機構(gòu)最大扭矩產(chǎn)生位置為公稱壓力行程點，所以機構(gòu)的特性和公稱壓力行程決定了伺服電機的最終功率。

伺服壓力機對交流伺服電機選型要求：高精度、快速響應(yīng)、可以頻繁啟動和制動、啟動電壓小、轉(zhuǎn)動慣量較小、堵轉(zhuǎn)扭矩較大、過載能力強以及時間常數(shù)小。

伺服壓力機機構(gòu)設(shè)計過程中除了考慮以上特點外，還要注意以下問題：一是壓力機拉伸階段的出力能力，也就是壓力機的能力曲線特性。例如，肘桿機構(gòu)在下死點附近增力比較大，降低了對伺服電機扭矩的需求，但是距離下死點較遠處增力比較小，不適宜作為深沖零件成形設(shè)備。二是機構(gòu)設(shè)計時要限制運動機構(gòu)的最大加速度，加速度過大會造成設(shè)備振動和噪音增大。三是傳動系統(tǒng)折算到電機軸的機械傳動間隙，間隙值過大會降低機械精度和電機的增益，從而降低電機的控制特性。

4 結(jié)論

伺服壓力機相比于傳統(tǒng)的機械壓力機，具有復合高效、高精度、高柔性和低噪環(huán)保等特點，必將成為汽車、航空航天、電子和家用電器等領(lǐng)域金屬加工成型的首要選擇。基于伺服電機控制精度高且可調(diào)速等優(yōu)點，依據(jù)伺服壓力機設(shè)計要求，人們既可以提高產(chǎn)品質(zhì)量又可以提高生產(chǎn)效率，在自動化水平提高的條件下，生產(chǎn)效率有進一步提高的空間。