文/王芳祺·金豐機器工業(yè)股份有限公司業(yè)務(wù)部

淺談伺服壓力機的技術(shù)與應(yīng)用

文/王芳祺·金豐機器工業(yè)股份有限公司業(yè)務(wù)部

伺服壓力機的開發(fā)背景

在傳統(tǒng)金屬成形壓力機的應(yīng)用上，沖壓件制造商所使用的壓力機，其機械式傳動系統(tǒng)讓模具必須遷就于設(shè)備。那么，不同模具如下料、拉深、壓印、精密下料、多工位自動化等，客戶就需購入不同的設(shè)備壓力機來滿足模具的需求。這一切都會影響沖壓車間的規(guī)劃與設(shè)備成本，影響客戶對壓力機設(shè)備投資。

當(dāng)前，沖壓件制造商也面臨了更多的競爭，包括市場競爭更加激烈，高強度鋼需要新工藝，工件頻繁更換，下游客戶對質(zhì)量要求更高，品質(zhì)要求也更高，總產(chǎn)量增加，單批數(shù)量減少等。以上這些需求，是機械式傳動壓力機無法克服的。壓力機使用者面臨的種種挑戰(zhàn)，就要求制造商開發(fā)更符合市場需求的壓力機，因此伺服壓力機應(yīng)運而生。

伺服壓力機的涵義

伺服壓力機與曲柄式壓力機有一定的差異，伺服壓力機行程與旋轉(zhuǎn)方向可變，再加上伺服壓力機速度可變，可根據(jù)沖壓零件下料及拉深產(chǎn)生不同進(jìn)行組合以提升效率，如伺服壓力行程200mm，加工速度是40次/min。如果零件的模具設(shè)計僅需100mm即可沖壓成形，此時操作者可設(shè)定沖壓行程為100mm，沖壓速度可提高至80次/min，使產(chǎn)能大為提升。

一般泛用性曲柄式與伺服壓力機傳動機構(gòu)差異，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

⑴一般泛用性曲柄式傳動機構(gòu)壓力機動力來源是，AC馬達(dá)→皮帶輪→皮帶→飛輪→傳動軸→主齒輪→曲軸→滑塊。

⑵伺服壓力機傳動機構(gòu)壓力機動力來源是，伺服馬達(dá)→傳動軸→主齒輪→曲軸→滑塊。伺服壓力機的馬達(dá)取代了一般泛用性曲柄式傳動機構(gòu)的AC馬達(dá)、皮帶輪、皮帶、離合煞車裝置、飛輪等，簡化了傳動系統(tǒng)。

⑶伺服馬達(dá)（伺服電動機）在切削工具機等自動化機械上，大量而且廣泛性被采用。但伺服壓力機所需的伺服馬達(dá)，有別于切削工具機，需要低轉(zhuǎn)速高扭力的馬達(dá)，見圖1。金豐公司在2012工具展所推出iLS1-2000kN伺服壓力機，使用的伺服馬達(dá)功率為55kW，一般2000kN壓力機其使用AC馬達(dá)功率為15kW。

圖1 傳動機構(gòu)對比

伺服壓力機的優(yōu)點

伺服壓力機的優(yōu)點從生產(chǎn)、加工、環(huán)境對應(yīng)性的三方面變革來說明，具體內(nèi)容見圖2。伺服壓力機具備多用途的一機多用，為模具設(shè)計者提供最好的壓力機，對壓力機操作者來講使用便捷，并且降低環(huán)境噪音。臺灣工具機展對伺服壓力機詢價最多客戶是少量多樣的代工者，這些沖壓制造商正期待伺服壓力機可以具備多樣化的沖壓曲線。其中，伺服壓力機操作模塊，可以選定九大運動曲線模塊來適用客戶目前壓力機各項沖壓條件，滿足模具設(shè)計者需求，如200組模具，操作者可根據(jù)模具特性輸入20組智能曲線模塊，將設(shè)定數(shù)據(jù)儲存于操作面板，發(fā)揮沖壓最大效益，延長模具壽命提升產(chǎn)品精度，這是伺服壓力機優(yōu)點，如圖3所示。

圖2 伺服壓力機的優(yōu)點

圖3 操作模塊選定

伺服壓力機的應(yīng)用

鎂鋰合金模內(nèi)加熱沖壓

使用伺服壓力機進(jìn)行難加工材料鎂合金、鎂鋰合金等輕合金成形，輕合金模內(nèi)加熱沖壓過程見圖4，當(dāng)上模具接觸工件后滑塊即停止，使上模具維持與工件接觸但不進(jìn)入沖壓狀態(tài)，同時對模具與工件加熱至220℃保持約3s，達(dá)到最適合的加工溫度后，再驅(qū)動壓力機進(jìn)行沖壓。傳統(tǒng)壓力機因其單一行程速度無法變動，所以滑塊無法停止。不僅如此，上模具要保持與工件接觸并控制在未沖壓的高度，需要精準(zhǔn)的滑塊位置控制，這都是傳統(tǒng)壓力機無法達(dá)到的。

多工位沖壓(三次元移送沖壓)

在多工位沖壓（三次元移送沖壓）的加工過程中，使用11000kN連桿式壓力機進(jìn)行沖壓生產(chǎn)，每完成一件產(chǎn)品用時5s，加工速度是12次/min。而同樣模具和同樣噸位伺服壓力機情況下，每完成一件產(chǎn)品用時3.16s，加工速度是19s，生產(chǎn)效率提高了58%。在生產(chǎn)過程中，應(yīng)用伺服壓力機特性改變沖壓行程和滑塊速度改變使產(chǎn)品產(chǎn)能大為提升。

汽車高強鋼熱沖壓

汽車工業(yè)對輕量化及安全性的要求，使得高強度鋼的應(yīng)用日益增加。但高強度鋼板成形性不好且容易破裂，尺寸精度不易控制，沖壓成形后容易回彈。一般冷沖壓方式能夠生產(chǎn)的汽車高強度組件，一般限制在強度1200MPa以下。以熱成形技術(shù)，可制造出強度超過1470MPa的汽車沖壓件。

圖4 鎂鋰合金模內(nèi)加熱沖壓曲線

在使用伺服壓機進(jìn)行沖壓加工時，高強鋼需要預(yù)先加熱，模具于下死點進(jìn)行板材成形后模內(nèi)須以冷卻水加速冷卻，此時壓力機須設(shè)定下死點不動，讓鋼板有足夠的時間冷卻，防止鋼板回彈，而下死點停留不動是伺服壓力機的獨有性能。

伺服壓力機在實際應(yīng)用過程中，模具內(nèi)加熱或模具內(nèi)冷卻工藝，應(yīng)根據(jù)伺服壓力機曲線模塊設(shè)定。如伺服壓力機曲線模塊設(shè)定可變行程、速度可大幅提升沖壓的效率，伺服壓力機九大模塊曲線設(shè)定（標(biāo)準(zhǔn)模式、壓印模式、拉深模式、模內(nèi)加熱“冷卻”模式、送料機模式、精密下料模式、脈沖模式、鍛打模式、鐘擺模式）等，讓伺服壓力機具有優(yōu)于一般泛用機械式壓力機的性能，一機多用讓伺服壓力機附加價值大為提升。

■ 表1機械壓力機與伺服壓力機的投資成本分析

伺服壓力機效益分析

從1995年低轉(zhuǎn)速大扭力伺服電機開發(fā)以來，伺服壓力機發(fā)展迅速，到了2008年末公稱能力2000kN、200次 /min，30000kN、30次 /min的伺服壓力機就制造出來了，尤其以歐、美、日居多。近年來被廣泛應(yīng)用于不同產(chǎn)品零件沖壓，汽車沖壓件應(yīng)用最為廣泛，伺服壓力機期初購入成本雖較高，但其發(fā)揮效益高于機械式壓力機。對伺服壓力機成本效益分析，見表1。壓力機在正常稼動率的情況下，對機械壓力機與伺服壓力機進(jìn)行投資成本分析，平均約三年可收回購入成本，而3年后伺服壓力機將以高效率低成本進(jìn)行沖壓生產(chǎn)。

結(jié)束語

伺服壓力機近十年來于歐、美、日地區(qū)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，臺灣金豐公司雖然自2002年即投入伺服壓力機設(shè)備的研發(fā)，最大制造能力是雙軸10000kN以下。目前已持續(xù)出口到了日本、美國與墨西哥等國家，但臺灣地區(qū)對于伺服壓力機的實際應(yīng)用仍欠缺，需要大力推廣與宣傳。伺服壓力機本身具有精密復(fù)合、智能成形、高效率與節(jié)能環(huán)保等特性，應(yīng)用將越來越廣泛。在產(chǎn)業(yè)發(fā)展強調(diào)智能控制與綠色環(huán)保的大趨勢下，伺服壓力機正符合十二五計劃中對高端先進(jìn)沖壓設(shè)備的要求。