3.1 伺服壓力機的工作原理、特點及應用領域

3.1.1 伺服壓力機的發展簡介

隨著我國鋼鐵、有色冶金、航空航天、鐵路高速機車、船舶、核電、風電和軍工等行業的快速發展，對高性能鍛件的需求量越來越大，同時對模鍛設備的節能化、伺服化、精密化要求越來越高。

鍛壓設備共分為三代：蒸汽錘（蒸汽作為動力），機械壓力機（交流異步電動機作為動力），伺服壓力機（交流永磁同步伺服電動機作為動力）。圖3-1所示為蒸汽錘，它是以蒸汽作為動力，這種鍛壓設備已經基本上被淘汰。第二代機械壓力機也稱為曲柄壓力機，是一種依靠電動機作為原動機直接拖動的機械傳動式設備，如圖3-2所示。

第二代機械壓力機是現代主流的鍛壓設備，占整個鍛壓設備的80%左右，它采用交流異步電動機、離合器、制動器、齒輪減速系統和曲柄滑塊機構等組成的機械傳動方式。因為交流異步電動機啟動電流是額定電流的5～7倍，并且交流異步電動機啟停困難、耗時較長，無法滿足每分鐘啟停十幾次或幾十次沖壓工件的要求，因此必須帶有離合器和制動器。傳統的機械壓力機中的離合器和制動器常常被認為是機械壓力機的心臟部件，但因為有離合器和制動器，第二代機械壓力機要多消耗20%左右的離合與制動能量。此外，離合器和制動器還需要更換磨損過度的摩擦材料，導致使用和維護費用比較高。

何德譽在《曲柄壓力機》一書中將機械壓力機在工作行程內的能量消耗分為7種，其中滑塊停頓飛輪空轉時電動機所消耗的功率約為機械壓力機額定功率的6%～30%。第二代機械壓力機采用了離合器等，存在飛輪空轉時消耗的能量，造成嚴重的能量損耗。

以交流伺服壓力機為代表的第三代鍛壓設備所采用的交流伺服電動機啟動電流是不會超過額定電流的，并且交流伺服電動機又允許頻繁啟停，因此交流伺服壓力機的傳動系統中不需要離合器和制動器，從而大大簡化了結構，節約了離合器與制動器動作時的能量。

目前伺服壓力機根據工作方式可分為機械伺服壓力機、液壓伺服壓力機和螺旋伺服壓力機等。伺服驅動技術在鍛壓設備上應用廣泛，目前國內外已研發出多種伺服驅動的鍛壓設備，如伺服式熱模鍛壓力機、機械與液壓混合型伺服壓力機、交流伺服電動機直驅式回轉頭壓力機、交流伺服式直線電動機驅動壓力機、交流伺服電動機驅動的全數控旋壓機、交流伺服電動機驅動的全數控式折彎機和伺服式數控卷板機等。

3.1.2 伺服壓力機的工作原理

伺服壓力機通常指采用伺服電動機進行驅動控制的壓力機。伺服壓力機通過伺服電動機驅動工作機構運動，來實現滑塊的往復運動過程。通過復雜的電氣化控制，伺服壓力機可以任意編程滑塊的行程、速度、壓力等，甚至在低速運轉時也可以達到壓力機的公稱噸位。

伺服壓力機工作一個循環所消耗的能量A可表示為：

A=A1+A2+A3+A4+A5

式中 A1——工件發生變形所需要的能量（J）；

A2——伺服壓力機進行拉延工藝時消耗的能量（如果設計的伺服壓力機無拉延工藝，則不考慮該能量消耗）（J）；

A3——鍛壓過程中工作機構由于摩擦所引起的能量消耗（J）；

A4——鍛壓過程中由于伺服壓力機整體的彈性變形所引起的能量消耗（J）；

A5——伺服壓力機空程運轉所引起的能量消耗（J）。

3.1.3 伺服壓力機的特點

交流伺服壓力機不同于普通的機械壓力機，它具有很多普通機械壓力機無法具有的特點。

（1）鍛壓過程伺服控制，可以實現智能化、數控化、信息化加工 針對不同的加工材料和加工工藝，可以采用不同的工作曲線。鍛壓能量可以實現伺服控制，可以在需要的范圍內數字設定滑塊的工作曲線，有效提高壓力機的工藝范圍和加工性能。鍛壓參數可以實現實時記錄，易于實現壓力機的信息化管理。交流伺服壓力機操作簡單可靠，伺服控制性能好。

（2）節能效果顯著 在工作狀態下，交流伺服壓力機本身的耗能就比普通機械壓力機低。交流伺服壓力機可以去除離合器等裝置，沒有了離合器結合耗能。在滑塊停止時，伺服電動機停止轉動。相比于普通機械壓力機，其消除了飛輪空轉消耗的能量，有效節省能源。在壓力機低速運行時，伺服壓力機相對于普通機械壓力機的節能效果將更為突出。

（3）滑塊運動數控伺服 滑塊的運動曲線可以根據需求進行設定。在鍛壓階段，可以調節降低滑塊的運動速度，實現低速鍛壓的工作要求。在回程階段，可以調節提高滑塊的運動速度，實現滑塊對急回的工作要求。通過伺服控制滑塊的運動曲線，有利于提高鍛件精度，延長模具壽命。

（4）壓力機整體結構得到簡化 交流伺服壓力機去掉了傳統機械壓力機中的核心部件——氣動摩擦離合器，傳動系統簡單，同時，交流伺服壓力機也不需要大飛輪等，結構得到簡化，維修量減少。

（5）提高生產率 由于滑塊的運動曲線可以根據需求進行設置，所以可以根據需求調節滑塊的運動速度和滑塊行程次數。交流伺服壓力機的行程可調，行程次數相應可以提高；在保證行程次數不變的情況下，可以提高非工作階段行程速度，降低沖壓階段的鍛沖速度，提高工件的加工質量。相比于普通機械壓力機，交流伺服壓力機的生產率得到了大幅提高。

（6）超柔性、高精度 圖3-3所示為超柔性加工各種工藝滑塊速度曲線，交流伺服壓力機具有自由運動功能，滑塊運動速度和行程大小可以根據成形工藝要求而設定，因此對成形工藝要求具有較好的柔性。交流伺服壓力機采用滑塊位移傳感器實現全閉環控制，提高下死點的精度，補償機身的變形和其他影響加工精度的間隙。滑塊的運動特性可以采取最優策略，例如，拉深、彎曲成形時，采取合理的滑塊運動曲線可以減少回彈，提高制件質量和精度。

（7）降噪節能 去除傳統壓力機的離合器/制動器，滑塊的運行完全由伺服電動機控制，在啟動和制動過程中不會產生排氣噪聲和摩擦制動噪聲，降噪環保；同時減少了摩擦材料的使用，節能省材。此外，減少了壓力機工作時的振動，模具壽命可以提高2～3倍。

3.1.4 伺服壓力機的應用領域

1．汽車覆蓋件生產線

日本網野公司研發生產了大型機械多連桿式伺服壓力機，在中國得到較好的應用，目前已引入這種壓力機的公司有東風汽車有限公司、天津汽車模具制造公司、成都飛機制造公司、廣州日野汽車公司和湖北先鋒模具公司等。其中東風汽車公司于2007年引進的是由一臺10000kN、四臺6000kN的機械多連桿式伺服壓力機組成的覆蓋件生產線。該生產線承擔了東風小霸王系列、東風之星系列、東風夢卡系列等車型白車身中小型沖壓件的生產任務。主要工藝有下料、拉延、修邊、沖孔、斜切、校正和彎邊等。經過實際加工生產驗證，該系列的伺服壓力機顯著提高了生產線的生產效率，實現了重大突破，并且具有節省能源、噪聲低、生產率高和生產過程管理可控等優點。

2．鎂合金擠壓成形

在普通的曲柄壓力機上很難成形鎂合金材料。日本小松公司在其研發的HCP3000伺服壓力機上成功實現了鎂合金杯形件的反擠壓成形（見圖3-4）。首先將坯料放入凹模中，凸模慢速下降，將毛坯壓在凸模和頂料器之間，在下降過程中毛坯被加熱到300℃；當頂料器到下極限位置時，滑塊以恒壓力低速度下行，開始擠壓過程，直至完成反擠壓過程；然后滑塊快速回程。滑塊在一個循環內經歷了四種不同的速度，并且恒壓控制擠壓過程。這一工藝對速度的控制提出了很高的要求，在普通的曲柄壓力機上是很難實現的。

3．低噪聲沖裁

在普通機械壓力機上進行沖裁工藝時，由于材料突然斷裂會產生較大的振動和噪聲，不僅會影響制件的加工質量，還會形成噪聲污染，危害工人健康。如果能夠有效地控制滑塊運動速度，使制件在變形過程中所儲存的變性能在材料完全斷裂之前就基本釋放完畢，這將有可能大大降低振動，降低噪聲，如圖3-5所示。

4．精密沖裁

日本小松公司在普通機械壓力機和HAF伺服壓力機上進行了精密沖裁對比試驗，工件為空調機凸輪，尺寸為40mm×13mm，負荷為80t，材料為SPC。沖裁的速度越低，沖裁斷面剪切帶厚度就越大，斷面質量就越好，如圖3-6所示。普通壓力機在2000～3000件后表面會出現裂紋，但伺服壓力機在3000件后斷面仍然保持完好。

5．軸承墊塊壓制成形

圖3-7所示的軸承墊塊，原來在機械壓力機上壓制成形，壓力為110t，工件公差為0.02mm，由于滑塊下死點位置漂移，常常周期性地超差；采用伺服壓力機后，由于可以嚴格控制滑塊速度和位移，控制滑塊在下死點的位置，工件實際偏差可以控制在0.01mm以內，而載荷反而可以減少一半，僅為48t。

6．最優速度沖裁

對于SPCC鋼板沖裁件，其最佳沖裁速度約為9mm/s。通過設定曲柄、六連桿和八連桿壓力機滑塊行程為1200mm，連續行程次數為18次/min，分析其運動特性可以看出，不同傳動桿系壓力機的工作速度也各不相同，以距離下死點3mm處為沖裁開始點，其工作速度分別為133.7mm/s、118.5mm/s、95.6mm/s，遠遠高于最佳沖裁速度（見圖3-8），即采用傳統機械壓力機，在保證生產節拍的前提下難以實現最佳沖裁速度。而采用伺服壓力機，在預達到沖裁點前通過急速降低伺服電動機轉速可以達到最佳沖裁速度。