國內外沖壓領域伺服技術及設備的發展現狀

文/司大強·江蘇興鍛智能裝備科技有限公司

劉麗旻·中國鍛壓協會

隨著環保政策的深入和制造業競爭的日益激烈，高效率、高精度、高可靠性的伺服壓力機的市場需求越來越強烈。伺服壓力機所具有的高效性、高精度、高柔性、低噪聲、節能環保等優點，充分體現了壓力機的未來發展趨勢。伺服壓力機可根據不同的生產需要設定不同的行程和成形速度，提高產品質量、提高模具壽命。通用伺服機的結構如圖1 所示，本文就興鍛伺服壓力機在家電、汽車零部件領域的應用進行介紹。

圖1 通用伺服壓力機結構和運動曲線

伺服壓機設備及生產線

伺服壓力機單機線

為了克服傳統機械壓力機沖擊速度過高、不能沖壓深拉延件與液壓機生產效率低、故障率高的缺陷，采用大扭矩永磁同步伺服電機取代傳統機械壓力機中的電機和飛輪、離合器部分，利用大功率伺服控制器來控制扭矩電機的轉速、位置和扭矩，從而控制壓力機滑塊的運動曲線，伺服壓力機可以在沖壓時降低速度，在回程中增加速度來提高效率，或在下死點停頓保壓來抑制回彈，提高產品精度。多臺階的拉深類零件根據不同的模具可靈活修改滑塊的運動曲線實現沖壓過程中高的靈活性和柔性化(圖2)。

圖2 伺服壓力機(200t)和代表產品

伺服壓力機大型多工位生產線

多工位沖壓生產線是壓力機、多工位模具、快速換模系統、上料系統、多工位機械手、電氣控制系統的集成，其相對于單機生產或者多機連線生產的最大特點就是：壓力機在完成一次沖壓后，不需要停在上死點等待送料機械手進行工位間移送，而是壓力機連續工作，同時送料機械手進行工位間移送，即以連續沖程工作，取代單機單次工作方式，提高了生產效率、降低了沖壓件綜合成本。

伺服壓力機通過調整不同角度位置的滑塊速度，滑塊可以在上死點附近緩慢回轉，使壓力機和多工位機械手的運動能更好匹配，特別是伺服壓力機+多工位沖壓深拉深生產線(圖3)對于提高生產效率、降低成本和提升質量有很好地幫助。

圖3 伺服壓力機(1250t)多工位生產線

伺服與機械壓力機混合自動化沖壓生產線

伺服機械混合的自動化沖壓生產線通常是第一序(拉延序)采用伺服壓力機，后面的工序采用機械壓力機，中間采用高柔性化的機器人搬運，整線運用自動化集成技術的生產線。如圖4 所示，在生產線的第一工序(拉延工序)采用伺服壓力機，利用壓力機的伺服性能提升拉延品質和模具壽命，解決了機械壓力機難以使用復雜沖壓工藝以及生產效率難以提升等問題，同時可降低沖壓噪聲，實現高質量沖壓。而在后續的切邊、翻邊、沖孔等工序可以采用機械壓力機，在節省設備投資的同時實現伺服和機械壓力機匹配協調。

圖4 伺服600t+機械400t 混合生產線

伺服精沖生產線

精密沖裁技術(簡稱精沖)是一種基于普通沖裁技術發展而來的塑性加工技術，采用齒圈壓邊，引入壓邊力和反壓力，抑制沖裁過程中原材料的撕裂，從而得到尺寸精度高、斷面質量好的精沖件。精沖設備是決定精沖能力的重要因素之一，我國精沖機通過進口和自主研發相結合，在高剛性的伺服壓力機上加裝液壓模墊等方式進行開發研制。通過不斷改進，取得了很大進展。圖5 為興鍛自主研發的200t 和300t 伺服肘桿式壓力機加裝上下液壓模墊已經在精沖領域得到成功運用。

圖5 肘桿式伺服壓力機和精沖產品

伺服鍛造生產線

冷鍛模具壽命與模具同坯料的接觸速度密切相關。速度過大，形成沖擊，會縮短模具壽命。采用伺服直驅技術，可以對滑塊的速度進行控制，保證模具同坯料之間實現柔性接觸，從而有效地提高模具壽命。相應的，熱鍛模具壽命與模具同坯料的接觸時間密切相關，時間過長，熱量從坯料傳導到模具上，會大大縮短模具壽命。采用伺服直驅技術設置滑塊曲線，盡量縮短模具同坯料的接觸時間，可減少坯料向模具的熱量傳遞，從而提高熱鍛模具壽命。鍛壓機械上采用的伺服電機為低速大扭矩伺服電機，直接同減速機構的齒輪連接，不再需要離合器、飛輪等易發生故障的部件，結構變得簡單，運行故障率低，維護方便。

伺服相關控制系統及軟件的應用

伺服控制系統是一種能對目標裝置的機械運動按預定要求進行自動控制的操作系統。伺服電機發出有關回轉角度、回轉方向、回轉力(力矩)等的指令，再把動作的結果與指令值的差別相比較，然后再做出修改或不修改的指令內容并反映到下一個指令中，從而控制壓力機的動作。

基本上，我們把這種信號一次又一次發出，然后反映到控制結果的方法叫做反饋控制，現在的伺服壓力機基本上是用這種預先設定好結果來控制的方法。要達到伺服控制的目的，就是要將期望的性能得到更好地發揮應用，除了機械精度外，控制軟件也起著非常重要的作用。伺服產品的設計需要機械設計者、電氣設計者和計算機軟件設計者具備協調性很好的綜合技術能力。

一般的伺服沖壓機械所用的伺服控制系統，是在電腦程序內設定一個加速度理論公式，在控制盤內固定下來。各種參數是在伺服壓力機裝配完畢調試時使用壓力機機械的GD2 實際值把伺服系統調整到最佳狀態。這些都與伺服電機的特性和控制盤的功率特性有著很大的關系。

伺服壓機生產線相關輔助設施

伺服拉伸墊

伺服壓力機和伺服拉伸墊相結合可以實現工件的復雜拉深變形，成形深度大、零件截面變化復雜、屈服強度高的原材料、生產中容易造成開裂、起皺、偏載等問題，這些問題在工藝和模具設計上無法完全規避。傳統的氣壓式緩沖墊和液壓式緩沖墊存在著穩定性差、效率低和壓力機匹配性差等問題。伺服壓力機與伺服拉伸墊的結合在高精度、難成形零件等加工領域中的應用，已經顯示出以前壓力機無法比擬的優越性，同時提高了拉深件的質量并具有優良的節能性。

伺服多工位機械手和機器人

與傳統機械壓力機自動化輸送線相比較，伺服生產線的自動化部分基本類似，上下料機構基本上都采用六軸機器人較多，壓力機間的板料和中間產品的傳輸，涉及到取件角度、壓力機行程以及壓力機自動化匹配信息等諸多因素，通常采用多工位機械手或七軸機器人設備。對于高速沖壓線需要采用單臂或者雙臂機械手才能實現其所需生產節拍需求。伺服壓力機可以隨意地改變速度，滑塊可以在上死點附近緩慢回轉，為自動化裝置的運行爭取了時間，更有利于自動化的實現。

快速換模系統

為了提高壓力機的生產效率、減少生產準備時間以及減輕操作者的勞動強度、改善工作環境、降低人工換模過程中的安全隱患等，快速換模系統已被世界各壓力機使用廠家廣泛使用。伺服壓力機采用整線集成后，可實現整條生產線無人化操作、“一鍵式”快速換模，大幅削減人員投資和提高生產效率，實現智能高效生產。

企業沖壓生產線應用改造案例分析

軸瓦壓彎整形——保壓模式

某客戶原來加工汽油機軸瓦使用普通機械式壓力機進行沖壓加工，對于軸瓦雙金屬復合材料進行彎曲加工的特性而言，成形效果并不好。具體表現為：產品貼合面不穩定，貼合面一側有部分留白，軸瓦壓彎后半徑高跳動大。更換使用軸桿式伺服壓力機(圖6)后，通過更改壓力機動作曲線。使得壓力機在下死點可以停頓1.5s 甚至更久，在停頓時間內，軸瓦雙金屬材料將得到充分的時間進行各自的金屬流動。圖7中軸瓦的整體壁厚將會更均勻，貼合面的貼合度更高。

圖6 300t 肘桿伺服生產線

圖7 軸瓦產品貼合度檢測

方形電池殼蓋板、硅鋼片沖壓——鐘擺模式+保壓模式

這類薄片型的零件，生產時要求壓力機速度快，行程可以小，以提高生產效率；模具檢修拆裝時要求滑塊有較大行程以方便模具拆裝。伺服壓力機的鐘擺模式可以滿足該類型產品的需求。同時不銹鋼類的零件沖壓加工后會有較大的回彈，伺服壓力機的保壓模式可有效抑制產品的回彈量，提高產品精度。圖8 所示的彈簧片在普通壓機上生產時由于回彈量不能精確控制，折彎角度不穩定，產品的不良率居高不下。使用伺服壓力機的鐘擺+保壓模式后，有效解決了產品精度問題，還提高了生產效率。

圖8 彈簧片、電池殼蓋板

伺服沖壓技術未來發展與思考

由于工藝、習慣、模具及技術、成本等方面的制約，尤其是成本制約，沖壓行業在今后的一段時間會是傳統沖壓方式和伺服沖壓方式的混合并存，這也是非常正常的現象。但是，我們相信在不遠的將來，使用伺服壓力機的領域、工藝環節和數量等的比重將會越來越多，這一定是大勢所趨。

在我國伺服壓力機才剛剛起步，生產的實例還比較少，其優勢還會不斷地被發現，相對而言傳統的曲軸壓力機也會從伺服壓力機的性能中得到啟發，在性能上不斷改進，因此又會推動伺服壓力機向更加智能化的方向發展。隨著國內相關技術的開發以及與進口產品的競爭，市場價格會逐步降低，伺服技術在成形裝備的應用領域也會越來越廣。