伺服壓力機(jī)在汽車制造領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)及設(shè)計(jì)要求

孔德宇

（一重集團(tuán) 天津重工有限公司，天津 300301）

壓力機(jī)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(jī)械式壓力機(jī)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(jī)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的一種新型沖壓設(shè)備，具有復(fù)合高效、高精度、高柔性和低噪環(huán)保等特點(diǎn)，是沖壓設(shè)備的發(fā)展方向。伺服壓力機(jī)采用伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，其加工工藝軌跡柔性可控，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)壓力機(jī)沖壓模式固定和沖壓工藝適應(yīng)性差等缺點(diǎn)，能夠顯著提高復(fù)雜形狀零件、深拉深零件以及高強(qiáng)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(duì)沖壓生產(chǎn)效率（采用伺服壓力機(jī)可以提高生產(chǎn)效率）、生產(chǎn)成本（伺服壓力機(jī)低速拉深可以有效避免破裂缺陷，從而達(dá)到降低板材規(guī)格的目的）、節(jié)能減排（伺服壓力機(jī)采用能量管理模式，可以降低能耗）、高強(qiáng)度鋼板應(yīng)用普及（采用伺服壓力機(jī)可以降低回彈，提高成形質(zhì)量）等方面的追求進(jìn)一步提高，伺服壓力機(jī)將是汽車制造廠首選的沖壓生產(chǎn)設(shè)備。

1 國(guó)內(nèi)外伺服壓力機(jī)的生產(chǎn)現(xiàn)狀

目前，德國(guó)、日本等汽車制造大國(guó)相繼推出公稱壓力25000kN、30000kN的伺服壓力機(jī)，其傳動(dòng)機(jī)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(guó)內(nèi)只有一流主機(jī)廠全套引進(jìn)國(guó)外伺服沖壓生產(chǎn)線，其他主機(jī)廠都是引進(jìn)一臺(tái)作為試模壓力機(jī)使用或沖壓線首臺(tái)采用伺服壓力機(jī)。國(guó)內(nèi)具備大型伺服壓力機(jī)制造能力的廠家目前有中國(guó)一重和濟(jì)南二機(jī)床，濟(jì)南二機(jī)床為奇瑞汽車開發(fā)的伺服試模壓力機(jī)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(guó)一重開發(fā)的25000kN伺服壓力機(jī)（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(duì)伺服壓力機(jī)技術(shù)的了解越來(lái)越深刻，對(duì)伺服壓力機(jī)提出的技術(shù)條件也很高，其中絕大多數(shù)廠家要求傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)或六連桿和八連桿機(jī)構(gòu)。

2 伺服壓力機(jī)優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)壓力機(jī)依靠飛輪儲(chǔ)能和做功，伺服壓力機(jī)采用伺服電機(jī)直接作為壓力機(jī)的動(dòng)力源，使滑塊運(yùn)動(dòng)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(jī)機(jī)構(gòu)組成：電機(jī)＋飛輪＋離合器制動(dòng)器＋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)＋工作機(jī)構(gòu)；伺服壓力機(jī)機(jī)構(gòu)組成：伺服電機(jī)＋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)＋工作機(jī)構(gòu)。機(jī)械壓力機(jī)機(jī)構(gòu)按照功能可分為：能源系統(tǒng)（電機(jī)和飛輪）、操縱系統(tǒng)（離合器、制動(dòng)器及其控制部件）、傳動(dòng)系統(tǒng)（皮帶輪、齒輪、傳動(dòng)軸）、工作機(jī)構(gòu)（曲柄滑塊機(jī)構(gòu)）以及支承部分（床身各大部件）；伺服壓力機(jī)用伺服控制系統(tǒng)替代了傳統(tǒng)壓力機(jī)的能源系統(tǒng)（電機(jī)和飛輪）和操縱系統(tǒng)（離合器、制動(dòng)器及其控制部件），結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 伺服壓力機(jī)結(jié)構(gòu)

2.1 三種機(jī)械壓力機(jī)的性能比較

機(jī)械壓力機(jī)的發(fā)展主要經(jīng)歷了曲柄滑塊壓力機(jī)、多連桿壓力機(jī)和伺服壓力機(jī)。曲柄壓力機(jī)接觸板料時(shí)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(jī)接觸板料時(shí)滑塊速度低，主要用于深拉延；伺服壓力機(jī)接觸板料時(shí)滑塊速度可控，主要用于復(fù)雜形狀零件深拉延、高強(qiáng)度鋼板成形、難變形材料成形和精密成形等。伺服壓力機(jī)拉延速度可控并可實(shí)現(xiàn)下死點(diǎn)保壓，可以很好地抑制破裂、回彈等缺陷。

2.2 伺服壓力機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)壓力機(jī)相比，伺服壓力機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)。

2.2.1 優(yōu)點(diǎn)一

由于沒(méi)有飛輪，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)和力矩直接傳遞給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和工作機(jī)構(gòu)，使滑塊運(yùn)動(dòng)曲線、電機(jī)輸出力矩可控，因此伺服壓力機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：可以降低板材級(jí)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(duì)模具的沖擊，使模具壽命提高3倍。

2.2.2 優(yōu)點(diǎn)二

由于去除了飛輪和離合器等機(jī)械部件，因此伺服壓力機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：減少震動(dòng)，降低噪聲，低于75dB；采用能量管理模式進(jìn)行節(jié)能；上梁中僅有主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，提高設(shè)備維護(hù)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(diǎn)三

伺服壓力機(jī)一般配備數(shù)控液壓拉伸墊，具有以下功能：可實(shí)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(yù)加速功能，減少對(duì)工件的滑動(dòng)沖擊，減少噪音和碰撞沖擊；具備無(wú)殘留壓力的鎖定功能（位置精確控制），可實(shí)現(xiàn)下死點(diǎn)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(jī)設(shè)計(jì)要求

伺服壓力機(jī)研發(fā)、設(shè)計(jì)主要依賴伺服控制系統(tǒng)與機(jī)械傳動(dòng)機(jī)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(dòng)器、伺服電機(jī)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(guò)程中，電機(jī)負(fù)載扭矩是波動(dòng)的。由于機(jī)械系統(tǒng)的彈性變形及慣量較大，機(jī)械傳遞或反應(yīng)時(shí)間大于交流伺服系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，系統(tǒng)處于振蕩狀態(tài)，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生噪音、磨損和不穩(wěn)定現(xiàn)象。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)增加系統(tǒng)剛性和減少慣性，減少機(jī)械傳動(dòng)響應(yīng)時(shí)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(jī)械壓力機(jī)高速軸的扭矩是飛輪通過(guò)離合器提供的，而伺服壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)所需的扭矩直接由電機(jī)提供。當(dāng)壓力機(jī)行程次數(shù)和電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)確定后，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比也就確定了，這時(shí)工作機(jī)構(gòu)作用在主軸上的扭矩越大，電機(jī)的輸出扭矩也越大。因此，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要盡量降低最大扭矩，以減小所需的伺服電機(jī)扭矩，進(jìn)而降低伺服電機(jī)的功率。機(jī)構(gòu)最大扭矩產(chǎn)生位置為公稱壓力行程點(diǎn)，所以機(jī)構(gòu)的特性和公稱壓力行程決定了伺服電機(jī)的最終功率。

伺服壓力機(jī)對(duì)交流伺服電機(jī)選型要求：高精度、快速響應(yīng)、可以頻繁啟動(dòng)和制動(dòng)、啟動(dòng)電壓小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小、堵轉(zhuǎn)扭矩較大、過(guò)載能力強(qiáng)以及時(shí)間常數(shù)小。

伺服壓力機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中除了考慮以上特點(diǎn)外，還要注意以下問(wèn)題：一是壓力機(jī)拉伸階段的出力能力，也就是壓力機(jī)的能力曲線特性。例如，肘桿機(jī)構(gòu)在下死點(diǎn)附近增力比較大，降低了對(duì)伺服電機(jī)扭矩的需求，但是距離下死點(diǎn)較遠(yuǎn)處增力比較小，不適宜作為深沖零件成形設(shè)備。二是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要限制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的最大加速度，加速度過(guò)大會(huì)造成設(shè)備振動(dòng)和噪音增大。三是傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸的機(jī)械傳動(dòng)間隙，間隙值過(guò)大會(huì)降低機(jī)械精度和電機(jī)的增益，從而降低電機(jī)的控制特性。

4 結(jié)論

伺服壓力機(jī)相比于傳統(tǒng)的機(jī)械壓力機(jī)，具有復(fù)合高效、高精度、高柔性和低噪環(huán)保等特點(diǎn)，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(jī)控制精度高且可調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)，依據(jù)伺服壓力機(jī)設(shè)計(jì)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(dòng)化水平提高的條件下，生產(chǎn)效率有進(jìn)一步提高的空間。